特許 7225076 ラビリンスシール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-02-10

(45)【発行日】2023-02-20

(54)【発明の名称】ラビリンスシール

(51)【国際特許分類】

   F16J 15/447 20060101AFI20230213BHJP

   F01D 25/00 20060101ALI20230213BHJP

   F01D 11/02 20060101ALI20230213BHJP

   F04D 29/08 20060101ALI20230213BHJP

【ＦＩ】

F16J15/447

F01D25/00 M

F01D11/02

F04D29/08

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2019199727

(22)【出願日】2019-11-01

(65)【公開番号】P2021071185

(43)【公開日】2021-05-06

【審査請求日】2021-10-26

(73)【特許権者】

【識別番号】000001199

【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所

(74)【代理人】

【識別番号】110001841

【氏名又は名称】弁理士法人ＡＴＥＮ

(72)【発明者】

【氏名】森中 俊輔

【審査官】羽鳥 公一

(56)【参考文献】

【文献】特開平１０－３１１２０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－２１４９８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－２４５１８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－１０６４８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－２４８５８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－３３２４５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０２－１９６１０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第０２／０７７５００（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｊ １５／４４７

Ｆ０１Ｄ ２５／００

Ｆ０１Ｄ １１／０２

Ｆ０４Ｄ ２９／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１部材と、
前記第１部材に対向する第２部材と、
を備える回転機械に設けられるラビリンスシールであって、
前記第１部材と前記第２部材とが対向する方向である対向方向に直交する方向である流れ方向に、高圧側から低圧側に流体が流れるように、前記第１部材と前記第２部材との間に隙間が形成されており、
前記第２部材の前記第１部材側の表面から前記第１部材の方に延びる第１フィンと、
前記第１部材の前記第２部材側の表面から前記第２部材の方に延びる第２フィンと、
を有し、
前記流れ方向に沿って、少なくとも２つの前記第１フィンが並んで設けられており、
隣り合う前記第１フィン同士の間に前記第２フィンがそれぞれ配置されており、
前記隙間の入口と出口との差圧が１００ｋＰａ以上であり、
前記第１部材の前記第２部材側の表面から、前記第２フィンよりも低圧側の前記第１フィンの先端までの前記対向方向における距離をＣ１、前記第１部材の前記第２部材側の表面から前記第２フィンの先端までの前記対向方向における距離をＣ２としたときに、１．０＞Ｃ２／Ｃ１≧０．４３を満たすとともに、
前記第１部材と前記第２部材とを組み付ける際における、前記第２部材の中心に対する前記第１部材の中心の前記対向方向へのずれ量よりも、Ｃ１からＣ２を引いた値の方が大きく、
前記第２部材の前記第１部材側の表面から前記第２フィンの先端までの前記対向方向における距離をＣ３、前記第２部材の前記第１部材側の表面から、前記第２フィンよりも低圧側の前記第１フィンの先端までの前記対向方向における距離をＣ４としたときに、Ｃ２よりもＣ３の方が大きく、Ｃ１よりもＣ４の方が大きいことを特徴とするラビリンスシール。

【請求項2】

前記流れ方向に沿って、３つ以上の前記第１フィンが並んで設けられていることを特徴とする請求項１に記載のラビリンスシール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、回転機械に設けられるラビリンスシールに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、ファンのシール装置が開示されている。このシール装置では、リングに突設された絞り片と、リングに対向配置されるシュラウドの筒状部に突設された逆絞り片とによって、食い違い型のラビリンスシール部が形成されている。そして、筒状部の内周面から絞り片の先端までの距離Ｃ１と、筒状部の内周面から逆絞り片の先端までの距離Ｃ２とが、Ｃ２≦Ｃ１の関係を満たしている。これにより、シール装置の組立時に、シュラウドの筒状体にリングを軸方向から容易に装着することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００２－１０６４８８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

一般的なファンでは、回転軸の支持に転がり軸受けが使用される。この場合、ロータの軸心とシールステータの中心とが一致するため、特許文献１のように、Ｃ２≦Ｃ１の関係を満たせば、軸方向からの組み付けが可能である。

【0005】

一方、ターボ機械では、軸受けにすべり軸受やティルティングパッド軸受が使用される。この場合、油膜厚さやパッドの傾きを考慮して、定常運転時にロータの中心がシールステータの中心に位置するように設計される。ロータに対するシールステータの組み付けは、ロータの停止時に実施されるが、停止時はロータと軸受けとが接触した状態になるため、シールステータの中心に対してロータの中心が偏心した状態となる。よって、ファンの場合とは異なり、Ｃ２≦Ｃ１の関係を満たしていても、ロータの偏心量が、Ｃ１からＣ２を引いた値よりも大きい場合には、軸方向からの組み付けが不可能となる。

【0006】

そこで、組み付け性を確保するために、Ｃ１＞Ｃ２とすることが考えられる。しかし、Ｃ２の値がＣ１の値よりも小さくなるほど、絞り片と逆絞り片との間に形成される吹き抜け通路の幅が広くなり、漏れ量が増加してしまう。

【0007】

本発明の目的は、組み付け性を確保しながら、漏れ量を低減させることが可能なラビリンスシールを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明は、第１部材と、前記第１部材に対向する第２部材と、を備える回転機械に設けられるラビリンスシールであって、前記第１部材と前記第２部材とが対向する方向である対向方向に直交する方向である流れ方向に、高圧側から低圧側に流体が流れるように、前記第１部材と前記第２部材との間に隙間が形成されており、前記第２部材の前記第１部材側の表面から前記第１部材の方に延びる第１フィンと、前記第１部材の前記第２部材側の表面から前記第２部材の方に延びる第２フィンと、を有し、前記流れ方向に沿って、少なくとも２つの前記第１フィンが並んで設けられており、隣り合う前記第１フィン同士の間に前記第２フィンがそれぞれ配置されており、前記隙間の入口と出口との差圧が１００ｋＰａ以上であり、前記第１部材の前記第２部材側の表面から、前記第２フィンよりも低圧側の前記第１フィンの先端までの前記対向方向における距離をＣ１、前記第１部材の前記第２部材側の表面から前記第２フィンの先端までの前記対向方向における距離をＣ２としたときに、１．０＞Ｃ２／Ｃ１≧０．４３を満たすとともに、前記第１部材と前記第２部材とを組み付ける際における、前記第２部材の中心に対する前記第１部材の中心の前記対向方向へのずれ量よりも、Ｃ１からＣ２を引いた値の方が大きく、前記第２部材の前記第１部材側の表面から前記第２フィンの先端までの前記対向方向における距離をＣ３、前記第２部材の前記第１部材側の表面から、前記第２フィンよりも低圧側の前記第１フィンの先端までの前記対向方向における距離をＣ４としたときに、Ｃ２よりもＣ３の方が大きく、Ｃ１よりもＣ４の方が大きいことを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明によると、第１部材の第２部材側の表面から、第２フィンよりも低圧側の第１フィンの先端までの対向方向における距離Ｃ１と、第１部材の第２部材側の表面から第２フィンの先端までの対向方向における距離Ｃ２とが、１．０＞Ｃ２／Ｃ１≧０．４３を満たしている。Ｃ２／Ｃ１が１．０未満であるため、回転機械の組立時において、第１部材と第２部材とを組み付ける際に、第１フィンが第２フィンに当接し難くなる。また、組み付け時における、第２部材の中心に対する第１部材の中心の対向方向へのずれ量よりも、Ｃ１からＣ２を引いた値の方が大きいので、第１部材と第２部材とを組み付ける際に、第１フィンが第２フィンに当接するのが抑制される。これにより、回転機械を容易に組み立てることができる。

【0010】

また、第２フィンよりも高圧側の第１フィンと、第１部材との隙間を流れる流体は、第２フィンにぶつかることで、第２部材の方に流れの向きを変え、第２フィンを迂回しながら、第２フィンよりも低圧側の第１フィンと、第１部材との隙間に向かって流れる。このとき、流れの一部は分流して渦流となって、隣り合う第１フィン同士の間の空間を旋回する。この渦流によって、流れの本流は、低圧側の第１フィンと第１部材との隙間を流れる際に、第１部材に押し付けられて圧縮される。これにより、本流の流通抵抗が増加するので、漏れ量が大幅に低減される。そして、第１フィンと第２フィンとの隙間を吹き抜ける流量を減らすには、Ｃ２／Ｃ１の値を大きくする必要があるが、隙間の入口と出口との差圧が１００ｋＰａ以上であるときに、Ｃ２／Ｃ１が０．４３以上であれば、漏れ量を低減させる効果を、Ｃ２／Ｃ１が最大の１の場合と同等にすることができる。

【0011】

以上により、組み付け性を確保しながら、漏れ量を低減させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】ラビリンスシールの断面図である。

【図2】数値解析の結果を示す図である。

【図3】第１変形例におけるラビリンスシールの断面図である。

【図4】第２変形例におけるラビリンスシールの断面図である。

【図5】第３変形例におけるラビリンスシールの断面図である。

【図6】第４変形例におけるラビリンスシールの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

【0014】

（回転機械の構成）
本発明の実施形態によるラビリンスシールは、回転機械に設けられている。回転機械は、例えば、圧縮機や膨張機である。本実施形態において、回転機械は、ターボ圧縮機である。

【0015】

ラビリンスシール１の断面図である図１に示すように、回転機械１０は、回転体（第１部材）１１と、静止体（第２部材）１２と、を有している。静止体１２は、回転体１１に対向している。以下、回転体１１と静止体１２が対向する方向を対向方向Ａとする。

【0016】

回転体１１は、静止体１２の内部に配置され、中心軸である回転軸回りに回転する。回転体１１は、例えばターボ圧縮機やターボタービンのインペラである。

【0017】

静止体１２は、例えばケーシングである。なお、静止体１２は、ケーシング内に配置されて、ケーシングに固定された部材であってもよい。図１は、回転体１１がインペラ、静止体１２がケーシングである場合において、インペラの回転軸と、その周囲のケーシングの構造を示すものである。

【0018】

回転体１１と静止体１２との間には、図中左側の高圧側から図中右側の低圧側に向かって流体が流れるように、隙間が形成されている。以下、流体が流れる方向を流れ方向Ｂという。流れ方向Ｂは、対向方向Ａに直交している。

【0019】

（ラビリンスシールの構成）
ラビリンスシール１は、第１フィン２と、第２フィン３と、を有している。第１フィン２は、静止体１２の回転体１１側の表面から回転体１１の方に延びている。即ち、第１フィン２は、静止体１２における回転体１１に対向する部分に設けられている。第２フィン３は、回転体１１の静止体１２側の表面から静止体１２の方に延びている。即ち、第２フィン３は、回転体１１における静止体１２に対向する部分に設けられている。

【0020】

本実施形態では、２つの第１フィン２が、流れ方向Ｂに沿って並んで設けられている。第２フィン３は、隣り合う第１フィン２同士の間に配置されている。以下、第２フィン３から見て高圧側（図中左側）の第１フィン２を高圧側フィン２ａ、第２フィン３から見て低圧側（図中右側）の第１フィン２を低圧側フィン２ｂという。

【0021】

ここで、回転体１１の静止体１２側の表面から、低圧側フィン２ｂの先端までの対向方向Ａにおける距離をＣ１、回転体１１の静止体１２側の表面から第２フィン３の先端までの対向方向Ａにおける距離をＣ２とする。このとき、Ｃ１とＣ２とは、以下の関係を満たしている。
１．０＞Ｃ２／Ｃ１≧０．４３

【0022】

回転機械１０の組立時には、静止体１２に対して回転体１１を流れ方向Ｂに沿って組み付ける。回転体１１の組み付け方向は、流れ方向Ｂと同方向であってもよいし、流れ方向Ｂとは逆方向であってもよい。また、回転機械１０の組立時において、回転体１１に対して静止体１２を流れ方向Ｂと同方向もしくはその逆方向に沿って組み付けるのでもよい。以下では、回転体１１に対して静止体１２を流れ方向Ｂに沿って組み付ける場合を想定して、説明する。

【0023】

Ｃ２／Ｃ１が１．０未満であるため、回転機械１０の組立時において、回転体１１に対して静止体１２を流れ方向Ｂに沿って組み付ける際に、第１フィン２が第２フィン３に当接し難くなる。

【0024】

ここで、本実施形態では、回転体１１を支持する軸受けに、すべり軸受やティルティングパッド軸受が使用されている。よって、回転体１１の停止時には、回転体１１と軸受けとが接触した状態になり、静止体１２の中心に対して回転体１１の中心が偏心した状態となる。

【0025】

そこで、組み付け時における、静止体１２の中心に対する回転体１１の中心の対向方向Ａへのずれ量よりも、Ｃ１からＣ２を引いた値の方が大きくされている。これにより、回転体１１に対して静止体１２を流れ方向Ｂに沿って組み付ける際に、第１フィン２が第２フィン３に当接するのが抑制される。

【0026】

また、図１に示すように、回転体１１の回転時に、高圧側フィン２ａと回転体１１との隙間を流れる流体は、第２フィン３にぶつかることで、静止体１２の方に流れの向きを変え、第２フィン３を迂回しながら、低圧側フィン２ｂと回転体１１との隙間に向かって流れる。このとき、流れの一部は分流して渦流となって、隣り合う第１フィン２同士の間の空間を旋回する。この渦流によって、流れの本流は、低圧側フィン２ｂと回転体１１との隙間を流れる際に、回転体１１に押し付けられて圧縮される。これにより、本流の流通抵抗が増加するので、漏れ量が大幅に低減される。

【0027】

ここで、第１フィン２と第２フィン３との隙間を吹き抜ける流量を減らすには、Ｃ２／Ｃ１の値を大きくする必要がある。後述する数値解析によれば、回転体１１と静止体１２との間に形成された隙間の入口と出口との差圧が１００ｋＰａ以上であるときに、Ｃ２／Ｃ１が０．４３以上であれば、漏れ量を低減させる効果を、Ｃ２／Ｃ１が最大の１の場合と同等にすることができる。

【0028】

（数値解析）
次に、一般的なファンの差圧５００Ｐａ、および、ターボ圧縮機の差圧１００ｋＰａと１ＭＰａの場合で、漏れ量の数値解析を行った。数値解析は、回転体１１の静止体１２側の表面から第２フィン３の先端までの対向方向Ａにおける距離Ｃ２を０～Ｃ１の間で変化させて行った。その結果を図２に示す。なお、各値は、Ｃ２＝０での漏れ量で正規化している。

【0029】

差圧１００ｋＰａ以上では、Ｃ２のＣ１に対する比率の下限値０．４３以上において、シール効果に臨界的な効果が発現していることが認められる。Ｃ２／Ｃ１＝０．４３であれば、ターボ圧縮機の組立時に、静止体１２の組み付けに十分な空間を確保できる。よって、１．０＞Ｃ２／Ｃ１≧０．４３を満たせば、組み付け性を確保しながら、漏れ量を低減させることができることがわかる。

【0030】

（第１変形例）
なお、ラビリンスシール１の断面図である図３に示すように、第１フィン２は、低圧側から高圧側に向かって傾斜していてもよい。

【0031】

（第２変形例）
また、ラビリンスシール１の断面図である図４に示すように、第１フィン２は、低圧側から高圧側に向かって湾曲していてもよい。

【0032】

（第３変形例）
また、ラビリンスシール１の断面図である図５に示すように、第２フィン３は、静止体１２に向かって尖った形状にされていてもよい。

【0033】

（第４変形例）
また、ラビリンスシール１の断面図である図５に示すように、第２フィン３は、流れ方向Ｂに沿った幅が広くされていてもよい。

【0034】

（第５変形例）
また、流れ方向Ｂに沿って、３つ以上の第１フィン２が並んで設けられていてよい。この場合、隣り合う第１フィン２同士の間には、第２フィン３がそれぞれ配置される。このような構成であれば、最も高圧側の第１フィン２と回転体１１との隙間から、最も低圧側の第１フィン２と回転体１１との隙間にわたって流体が流れる際に、漏れ量が段階的に低減される。これにより、漏れ量を十分に低減させることができる。

【0035】

（効果）
以上に述べたように、本実施形態に係るラビリンスシール１によると、回転体１１の静止体１２側の表面から、低圧側フィン２ｂの先端までの対向方向Ａにおける距離Ｃ１と、回転体１１の静止体１２側の表面から第２フィン３の先端までの対向方向Ａにおける距離Ｃ２とが、１．０＞Ｃ２／Ｃ１≧０．４３を満たしている。Ｃ２／Ｃ１が１．０未満であるため、回転機械１０の組立時において、回転体１１と静止体１２とを組み付ける際に、より詳しくは、例えば、回転体１１に対して静止体１２を流れ方向に沿って組み付ける際に、第１フィン２が第２フィン３に当接し難くなる。また、組み付け時における、静止体１２の中心に対する回転体１１の中心の対向方向Ａへのずれ量よりも、Ｃ１からＣ２を引いた値の方が大きいので、回転体１１と静止体１２とを組み付ける際に、より詳しくは、例えば、回転体１１に対して静止体１２を流れ方向に沿って組み付ける際に、第１フィン２が第２フィン３に当接するのが抑制される。これにより、回転機械１０を容易に組み立てることができる。

【0036】

また、高圧側フィン２ａと、回転体１１との隙間を流れる流体は、第２フィン３にぶつかることで、静止体１２の方に流れの向きを変え、第２フィン３を迂回しながら、低圧側フィン２ｂと回転体１１との隙間に向かって流れる。このとき、流れの一部は分流して渦流となって、隣り合う第１フィン２同士の間の空間を旋回する。この渦流によって、流れの本流は、低圧側フィン２ｂと回転体１１との隙間を流れる際に、回転体１１に押し付けられて圧縮される。これにより、本流の流通抵抗が増加するので、漏れ量が大幅に低減される。そして、第１フィン２と第２フィン３との隙間を吹き抜ける流量を減らすには、Ｃ２／Ｃ１の値を大きくする必要があるが、隙間の入口と出口との差圧が１００ｋＰａ以上であるときに、Ｃ２／Ｃ１が０．４３以上であれば、漏れ量を低減させる効果を、Ｃ２／Ｃ１が最大の１の場合と同等にすることができる。

【0037】

以上により、組み付け性を確保しながら、漏れ量を低減させることができる。

【0038】

また、流れ方向Ｂに沿って、３つ以上の第１フィン２が並んで設けられている場合には、最も高圧側の第１フィン２と回転体１１との隙間から、最も低圧側の第１フィン２と回転体１１との隙間にわたって流体が流れる際に、漏れ量が段階的に低減される。これにより、漏れ量を十分に低減させることができる。

【0039】

以上、本発明の実施形態を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、具体的構成などは、適宜設計変更可能である。また、発明の実施の形態に記載された、作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

【符号の説明】

【0040】

１ ラビリンスシール
２ 第１フィン
２ａ 高圧側フィン
２ｂ 低圧側フィン
３ 第２フィン
１０ 回転機械
１１ 回転体（第１部材）
１２ 静止体（第２部材）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】