JP2002022033A - ラビリンスシール及び流体機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ラビリンスシール及びそれを備えた流体機械
において、回転軸が径方向に大きく振動する場合、及び
作動温度が高い場合のいずれの場合でもシール性能の低
下を防止する。 【解決手段】 回転軸１０２とその周囲の両端シール固
定部１１０との間で高圧側から低圧側への流体通路５０
の漏れを抑制するラビリンスシール１０７ａ、ｂにおい
て、回転軸１０２に設けたフランジ６と、両端シール固
定部１１０に軸方向に摺動可能に設けたシールリング４
と、シールリング４の内周部または回転軸１０２の外周
部に、軸方向フィン部５を軸方向に少なくとも１段配設
した軸方向シール手段と、シールリング４とフランジ６
が協働して形成する径方向シール手段とを備え、流体通
路５０の高圧側５０Ｈと低圧側５０Ｌの差圧によりシー
ルリング４が径方向シール手段の隙間を小さくする方向
に摺動する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転軸周囲の軸方
向に沿った流体の漏れを抑制するためのラビリンスシー
ル、例えば多段圧縮機等におけるガスの漏れを抑制する
ためのラビリンスシール及びこれを備えた流体機械に関
する。

【０００２】

【従来の技術】例えば流体機械の１つである遠心多段圧
縮機は、複数段の羽根車を設けた回転軸をケーシング内
で回転駆動し、吸い込み配管から導入した作動気体（例
えば大気）を第１段羽根車で圧縮して、その後各段の羽
根車１０３の排気口と次段の吸気口を結ぶガス流路を介
し羽根車を通過させる度に圧縮を繰り返して最後に吐出
配管から排出するようになっている。

【０００３】このとき、回転軸とケーシングとの間にで
きる隙間から、どのようにして流体の漏れを抑制して圧
縮機出力の低下を防ぐかが重要であり、そのための最も
有効な手段の１つにラビリンスシールがある。

【０００４】一般に、このラビリンスシールは漏れを抑
制する方向別に分類して、軸方向シールと径方向シール
の２種類に大別される。それぞれの基本的な構成とし
て、まず軸方向シールについては、例えば回転軸の外周
に対して径方向の隙間が微小隙間δｒだけとなるように
複数枚の略環状薄板形状の径方向突出部材（軸方向フィ
ン）を固定側に軸方向に配設したものである。

【０００５】また径方向シールについては、例えば回転
軸の外周部に同軸に設けた略環状部材（フランジ）に対
して軸方向の隙間が微小隙間δａだけとなるように、複
数枚の略環状薄板形状の軸方向突出部材（径方向フィ
ン）を固定側に径方向に並設したものである。なお、略
環状部材側にも軸方向突出部材を設けて、前述した固定
側の軸方向突出部材と凹凸形状が交互に係合するように
する場合も多い。

【０００６】なお、上記２つのシールはどちらも、回転
側と固定側とのフィンの設置を逆にする構成（例えば回
転軸に軸方向突出部材又は径方向突出部材を設ける構
成）としても同等の作用効果が得られる。

【０００７】そして以上のどの場合のラビリンスシール
でも共通して、そのラビリンスシールを挟んだ高圧側か
ら低圧側への流体通路をシールし回転軸の軸方向に沿っ
た流体の漏れを抑制するものである。

【０００８】したがって径方向微小隙間δｒ、軸方向微
小隙間δａを小さく設定するほど効果的に流体の漏れが
抑制されるが、その反面、過度に小さくすると回転側と
固定側が接触することで双方が損傷・変形してしまい逆
に流体の漏れが大きくなってシール性能が低下してしま
う。

【０００９】特にロータ系を支持する回転軸において
は、その共振回転数に対応する一次および二次の危険速
度よりも高速で運転する場合、運転開始から加速して各
危険速度を超える際に一時的に回転軸の径方向の振動が
大きくなる。したがってこのような場合、回転側と固定
側との接触を避けるには、径方向突出部材の径方向微小
隙間δｒを比較的大きく採らざる得ない。

【００１０】この点に対処するための公知技術として、
特開平７−７１６２１号公報に示されているように、回
転軸とその周囲の固定側との間で高圧側から低圧側への
流体通路の漏れを抑制するラビリンスシールにおいて、
前記固定側に前記回転軸と同軸で係合して径方向かつ軸
方向に摺動可能に設けた摺動部材と、この摺動部材の内
周部に径方向突出部材を軸方向に複数段配設した軸方向
シール手段とを備えた浮動型ラビリンスシールが提案さ
れている。

【００１１】この従来技術は径方向突出部材（軸方向フ
ィン）を備えたリング形状の摺動部材と固定側との間に
中間圧室を設け、摺動部材をその中に遊嵌する形で設置
しており、これによって摺動部材を回転軸の径方向振動
に合わせて共に揺動可能としている。このとき、高圧側
から中間圧室内に導かれて充填された中間圧流体を摺動
部材の径方向外周側への移動に対するクッションとして
利用することで軸振動による衝撃を緩和可能とし、これ
によって、径方向微小隙間δｒをかなり小さく設定でき
るようにしたものである。

【００１２】なおこのとき、高圧側の圧力と中間圧との
差圧により摺動部材自体が軸方向低圧側に押されること
で低圧側における摺動部材と固定側との隙間が変化し、
中間圧流体が適切に流出・調整されるようになってい
る。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術の浮動型ラビリンスシールであっても、上述した
危険速度通過時に生じる回転軸の大きな径方向振動に対
しては径方向突出部材（軸方向フィン）の先端が回転軸
外周上に強く接触することになるため、長期使用の場合
にはやはり摩耗や変形が避けられずシール性能が低下し
てしまうといった問題があった。

【００１４】ここで、前述した径方向シールでは、前述
の例では例えば固定側の軸方向突出部材（径方向フィ
ン）と回転側である略環状部材側の軸方向突出部材（径
方向フィン）との径方向隙間寸法を十分大きくすること
で上記回転軸の大きな径方向振動の影響は受けずにす
む。しかしながら、作動中の高温によって回転軸の熱膨
張による軸方向伸びが比較的大きくなるため径方向微小
隙間δａの管理はかなり難しく、伸びによってδａが大
きくなる場合はシール性能の低下を招き、δａが小さく
なる向きに伸びる場合は回転側と固定側との接触による
損傷防止のためにはδａを比較的大きく採らざるを得
ず、同様にシール性能の低下防止は困難であった。

【００１５】なお、以上は回転軸外周部に設けられ回転
軸とその周囲の固定側との間のシールを行うラビリンス
シールを例に取って説明したが、同様の課題は、例えば
圧縮機の羽根車外周部に設けられ羽根車とその周囲の固
定側との間のシールを行うラビリンスシール、具体的に
は各羽根車における吸気口と排気口との間の（排気口か
ら吸気口への）ガスの漏れを抑制するラビリンスシー
ル、及び隣り合う２段の羽根車間のガスの漏れを抑制す
るラビリンスシール等にも存在する。すなわち、回転軸
や羽根車といった回転側（以下適宜、回転部と称する）
の危険速度を通過するときの大きな径方向振動発生時及
び作用温度が高い場合の両方において回転部と固定部と
の間のシール性能の低下を防止するのは困難であった。

【００１６】本発明の目的は、回転軸を有した回転部が
径方向に大きく振動する場合、及び作動温度が高い場合
のいずれの場合でもシール性能の低下を防止できるラビ
リンスシール及びそれを備えた流体機械を提供すること
を目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】（１）上記目的を達成す
るために、本発明によれば、少なくとも回転軸を備えた
回転部とその周囲の固定部との間で高圧側から低圧側へ
の流体通路の漏れを抑制するラビリンスシールにおい
て、前記回転部に設けた略環状部材と、前記固定部に軸
方向に摺動可能に設けた摺動部材と、前記流体通路に設
けられ、前記摺動部材の内周部または前記回転部の外周
部に、第１の径方向突出部材を軸方向に少なくとも１段
配設した軸方向シール手段と、前記流体通路に設けら
れ、前記摺動部材と前記略環状部材が協働して形成する
径方向シール手段とを備え、前記高圧側と前記低圧側の
差圧により前記摺動部材が前記径方向シール手段の隙間
を小さくする方向に摺動するものとする。

【００１８】本発明においては、摺動部材の内周部又は
回転部の外周部に少なくとも１段の径方向突出部を軸方
向に配設した軸方向シール手段に加え、固定部に設けた
摺動部材と回転部に設けた略環状部材とが協働して形成
する径方向シール手段を設ける。これにより、径方向シ
ール手段においては、摺動部材がラビリンスシールを挟
んだ高圧側と低圧側の差圧に比例した押し付け力で径方
向シール手段の隙間を小さくする方向に移動される。し
たがって作動温度が高い場合に回転部の回転軸に伸びが
生じ、回転部側に設けた略環状部材が移動した場合で
も、常に圧力差に応じた適切な微小隙間δａを維持でき
る。

【００１９】したがって軸方向シール手段において、径
方向突出部材による径方向微小隙間δｒを通常の大きさ
並みにしても、十分なシール性能を確保できる。これに
より、摺動部材を例えば同軸に位置する回転部外径より
も十分大きな径で形成しておけば、共振回転数に対応す
る一次および二次の危険速度よりも高速で運転する場合
で、運転開始から加速して各危険速度を超える際に一時
的に回転部の径方向の振動が大きくなったような場合で
も、その回転部の大きな振動からの影響を受けることの
ないようにすることができる。

【００２０】以上のようにして、回転部が径方向に大き
く振動する場合、及び作動温度が高い場合のいずれの場
合でもシール性能の低下を防止できる。

【００２１】（２）上記（１）のラビリンスシールにお
いて、好ましくは、前記径方向シール手段は、前記摺動
部材に第２の径方向突出部材又は軸方向突出部材を設
け、この突出部材の少なくとも先端部を前記略環状部材
の側面に対向させて、径方向における流体の漏れを抑制
するものとする。

【００２２】（３）上記（１）のラビリンスシールにお
いて、好ましくは、前記径方向シール手段は、前記略環
状部材の少なくとも先端部を、前記摺動部材の軸方向側
面、又は前記摺動部材に設けた第３の径方向突出部材の
軸方向側面に対向させて、径方向における流体の漏れを
抑制するものとする。

【００２３】（４）上記（１）乃至（３）のいずれか１
つのラビリンスシールにおいて、好ましくは、前記固定
部と前記摺動部材との間に軸方向に衝撃緩和用スプリン
グを設けたものとする。

【００２４】これにより、高圧側の急激な昇圧により摺
動部材が瞬間的に移動し、固定部に万一接触しそうにな
った場合が生じても、接触による衝撃を緩和することが
できる。また摺動部材の軸方向の振動を抑える効果もあ
る。さらに、組立誤差の影響による接触の可能性も確実
に回避することができる。

【００２５】（５）上記目的を達成するために、本発明
は、少なくとも回転軸を備えた回転部とその周囲の固定
部との間で軸方向に圧力差のある流体通路を備えた流体
機械において、前記回転部に設けた略環状部材と、前記
固定部に軸方向に摺動可能に設けた摺動部材と、前記流
体通路に設けられ、前記摺動部材の内周部または前記回
転部の外周部に、第１の径方向突出部材を軸方向に少な
くとも１段配設した軸方向シール手段と、前記流体通路
に設けられ、前記摺動部材と前記略環状部材が協働して
形成する径方向シール手段とを備え、前記高圧側と前記
低圧側の差圧により前記摺動部材が前記径方向シール手
段の隙間を小さくする方向に摺動するものとする。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しつつ説明する。

【００２７】以下に、本発明の第１の実施の形態による
ラビリンスシールを図１、図２により説明する。

【００２８】まず図２は、本発明によるラビリンスシー
ルを適用した流体機械の一例である遠心多段圧縮機の軸
方向断面の上半図であり、この多段圧縮機１００は、概
略的に言うと、圧縮機全体を収容するケーシング１０１
と、ケーシング１０１を貫いて設けた回転軸１０２と、
回転軸１０２に貫通させて複数段（図２中では６段）並
設した羽根車１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０３
ｄ，１０３ｅ，１０３ｆと、１段目の羽根車１０３ａの
吸気口１１４ａに外気を導入する吸込配管１０４と、隣
合う２段の羽根車１０３のうちの前段の排気口１１５と
後段の吸気口１１４を連通するガス流路１０５と、最終
段の羽根車１０３ｆの排気口１１５ｆからの圧縮空気を
圧縮機外部へ排出する吐出配管１０６と、羽根車列の両
端位置においてケーシング１０１の両端シール固定部１
１０と回転軸１０２との間に設けた両端ラビリンスシー
ル１０７ａ〜ｃと、各羽根車１０３の吸気口１１４と排
気口１１５の間の位置においてケーシング１０１の羽根
車シール固定部１１１と羽根車前方側板１１２との間に
設ける羽根車ラビリンスシール１０８と、隣り合う２段
の羽根車１０３間の位置においてケーシング１０１の段
間シール固定部１１３と回転軸１０２との間に設ける段
間ラビリンスシール１０９と、回転軸１０２を軸支する
軸受１１６とから構成されている。

【００２９】回転軸１０２は軸受１１６に軸支された状
態で図示しない原動機からのトルクにより回転駆動さ
れ、同時に回転軸１０２に軸設している多段の羽根車１
０３をも回転させる。吸込配管１０４を通じて誘導され
た外気が第１段羽根車１０３ａの吸気口１１４ａに到達
して圧縮が行われ、ここで圧縮された空気はガス流路１
０５を通じて次の段の羽根車１０３ｂの吸気口１１４ｂ
まで誘導されてさらに圧縮が行われる。このような連続
した圧縮が最終段の羽根車１０３ｆまで繰り返され、最
終的に例えばおよそ３０倍の圧縮比にまで圧縮された後
に吐出配管１０６を通じて圧縮機１００の外部に排出さ
れる。

【００３０】そして両端ラビリンスシール１０７ａ〜ｃ
は回転軸１０２まわりの流体通路５０（後述の図１参
照）において羽根車列の両端から回転軸１０２両端側に
向かうガスの漏れを抑制し、羽根車ラビリンスシール１
０８は各羽根車１０３における吸気口１１４と排気口１
１５との間の流体通路における（排気口１１５から吸気
口１１４への）ガスの漏れを抑制し、段間ラビリンスシ
ール１０９は隣り合う２段の羽根車１０３間の流体通路
におけるガスの漏れを抑制する。この例に示されるよう
に一般に流体機械の回転部と固定部との各隙間における
流体ガスの漏れをそれぞれラビリンスシールによりシー
ルすることで流体機械全体の性能の低下を防ぐことがで
きる。

【００３１】次に図１（ａ）〜図１（ｄ）は、本実施の
形態による前述のラビリンスシール１０７ａ〜ｃ，１０
８，１０９のうち両端ラビリンスシール１０７ａ，１０
７ｂを例に取り、その軸方向断面構造を示す上半図であ
り、まず図１（ａ）は運転前の静止時における図であ
る。

【００３２】この図１（ａ）において、本実施の形態に
よるラビリンスシール１０７ａ，１０７ｂは、上記ケー
シング１０１の一部である両端シール固定部１１０に回
転軸１０２と同軸で嵌合して軸方向に摺動可能に設けら
れたシールリング４と、このシールリング４の内周部で
４段に並設されそれぞれが径方向に突出した軸方向フィ
ン部５と、回転軸１０２の外周部に設けられたフランジ
６と、シールリング４内周部に設けられた径方向突出部
７とを備えている。

【００３３】シールリング４は、その外径が両端シール
固定部１１０の内径より大きく、またその内径が回転軸
１０２の外径より大きい略円筒状に形成されており、両
端シール固定部１１０の内周部に設けた略円環状の円周
溝１１０ａの中に嵌合して軸方向に摺動移動可能となっ
ている。このとき、シールリング４は径方向には両端シ
ール固定部１１０と遊びなく密接し、またその密接面４
ａを軸方向に長くとってあるため、この密接面４ａを通
じてシールリング４を挟んだ高圧側と低圧側との間にお
けるガスの漏れは殆どないようになっている。

【００３４】軸方向フィン部５はそれぞれ回転軸１０２
を貫通させた状態で回転軸１０２と径方向に所定の隙間
δｒを有する略環状薄板形状のものであり、シールリン
グ４の内周部に回転軸１０２と同軸で４段（４枚）並設
されている。

【００３５】径方向突出部７はその径方向内側に、回転
軸１０２の外径より十分に大きくフランジ６の外径より
も小さい内径の略円筒型形状を備え軸方向に突出した径
方向フィン部７ａを有し、その一方（図１中右側）の先
端部（開口端部）をフランジ６の側面６ａに回転軸１０
２の軸方向中間部側から対向させる姿勢でシールリング
４上に設置している。

【００３６】フランジ６は回転軸１０２より十分大きな
外径の略環状薄板形状のものであり、回転軸１０２の外
周上に同軸で固定（あるいは回転軸１０２と一体に成
形）されている。

【００３７】なお、以上において、シールリング４が特
許請求の範囲各項記載の摺動部材を構成し、その径方向
突出部７が第２の径方向突出部材を構成し、またフラン
ジ６が回転部に設けた略環状部材を構成し、径方向フィ
ン部７ａが略環状部材に対向する先端部を構成する。そ
して、フランジ６とその側面６ａに対向する径方向フィ
ン部７ａとが後述のように径方向シール手段を構成し、
また、シールリング４の内周部に並設した軸方向フィン
部５のそれぞれが第１の径方向突出部材を構成するとと
もに４段の軸方向フィン部５全体が後述のように軸方向
シール手段を構成している。さらに回転軸１０２とフラ
ンジ６が回転部を構成し、両端シール固定部１１０がそ
の周囲の固定部を構成する。

【００３８】次に、前述した本実施の形態のラビリンス
シール１０７ａ，１０７ｂの動作を以下に説明する。

【００３９】まず図１（ａ）に示す運転前の常温停止中
の状態において、回転軸１０２は設計値通りの長さとな
っていて、回転軸１０２外周のフランジ６の軸方向位置
もまた設計値にしたがった位置となっている。

【００４０】それに対し、シールリング４を挟んだ軸方
向流体通路５０の両側の各空間における流体ガスの圧力
には差がなく、シールリング４の径方向突出部７の径方
向フィン部７ａの先端と、それに対向するフランジ６の
側面６ａとの間の軸方向隙間はδａとなっている。

【００４１】またシールリング４の軸方向フィン部５
と、それに対向する回転軸１０２の外周との間の径方向
隙間δｒは通常の設計値通りの隙間となっている。

【００４２】そしてこの状態から運転を開始した場合、
回転軸１０２は不図示の原動機からのトルクにより回転
を始め、上記図２に示したような遠心多段圧縮機の作動
によって図１（ａ）中における左側からガス圧力が上昇
し始める。

【００４３】そして流体通路５０におけるシールリング
４左側（高圧側５０Ｈ）のガス圧が上昇するに従い右側
（低圧側５０Ｌ）との差圧が大きくなることから、シー
ルリング４には右側へ向かう押圧力Ｆが作用し、その結
果、軸方向に摺動移動可能なシールリング４は右側即ち
低圧側へ振動して微動する。図１（ｂ）は、このシール
リング４移動時における様子を表す図である。

【００４４】そしてこのようにシールリング４が低圧側
へ微動することによって、シールリング４に設けた径方
向突出部７の径方向フィン部７ａはフランジ６に向かっ
て近接することになり、その間の軸方向隙間δａは徐々
に狭まって最小隙間δｍｉｎ ₁となる。ここでこの最小
隙間δｍｉｎ₁はほぼ０に近い値となるが、例えばシー
ルリング４の形状構成（具体的な例としてシールリング
４の低圧側流体通路５０Ｌと高圧側流体通路５０Ｈそれ
ぞれに対する露出表面の軸方向投影面積の比率等）を適
宜設定することで押圧力Ｆを調整し、最小隙間δｍｉｎ
₁でわずかに流体を漏出通過させて径方向フィン部７ａ
とフランジ６とが接触するのを回避することが可能であ
る。あるいは、径方向フィン部７ａの材質（シールリン
グ４の材質）をフランジ６の材質に比べて柔らかい材質
とすることにより径方向フィン部７ａとフランジ６との
多少の接触を許容することも可能である。このようにシ
ールリング４とフランジ６とが協働してδａ（＝δｍｉ
ｎ₁）を径方向に流れる流体をシールするようになって
いる。なおまだこの時点では回転軸１０２に後述するよ
うな熱膨張による伸びは発生しておらず、フランジ６の
位置は設計値通りの位置となっている。

【００４５】ここで、運転時間の経過と共に作動流体と
の摩擦等によって回転側である回転軸１０２、フランジ
６等は高温となる。そのため、回転軸１０２に軸方向へ
熱膨張による伸びが生じ、回転軸１０２に設けたフラン
ジ６が回転軸１０２端部側へ向かって移動する。図１
（ｃ）は、この回転軸１０２が伸びている途中の状態を
示す図である。なお、図中の点線部はフランジ６の運転
前静止時の位置を示す。この場合、本実施の形態の両端
ラビリンスシール１０７ａ，１０７ｂでは、その回転軸
１０２の伸び（矢印Ｇ参照）によるフランジ６の移動に
追従するように常にシールリング４がバランスを取りな
がら回転軸１０２端部側に向かって移動し、その結果上
記の場合と同様に、径方向フィン部７ａはフランジ６と
の間で適切な最小隙間δｍｉｎ₂を維持する。

【００４６】以上のように回転軸１０２の伸びにしたが
ってシールリング４も追従して移動していくが、このと
きシールリング４本体の低圧側端面１０とそれに対向す
る両端シール固定部１１０の低圧側端面１１との間の軸
方向隙間δ１に関し、回転軸１０２が伸びきる寸前に低
圧側端面１０が低圧側端面１１に当接するように両端シ
ール固定部１１０、シールリング４およびフランジ６の
各部寸法が予め設定されている。これにより、最終的に
回転軸１０２が伸びきった時点では、径方向フィン部７
ａとフランジ６の間の軸方向隙間は適切な最小隙間δｍ
ｉｎ₃となる。図１（ｄ）はこの回転軸１０２が伸びき
った後の状態を示す図である。

【００４７】なお、この伸びきった時点の回転軸１０２
の長さやフランジ６の最終的な位置は、回転軸１０２の
材質や、流体機械の各作動条件などの諸要素から予測で
きるものであり、上述したようにこのフランジ６の最終
予測位置を勘案して両端シール固定部１１０、シールリ
ング４およびフランジ６の各部寸法を予め設定すること
ができる。そしてその後の定常運転状態においても、こ
の適切な最小隙間δｍｉｎ₃が維持される。

【００４８】以上図１（ｂ）〜図１（ｄ）に対応して説
明したように、運転を開始してから回転軸１０２が熱膨
張で伸びきった以降の定常運転状態において、常に径方
向フィン部７ａとフランジ６との間に軸方向の最小隙間
δｍｉｎ₁，δｍｉｎ₂，δｍｉｎ₃が適切に維持されて
径方向に流れる流体をシールするようになっている。

【００４９】したがって、軸方向フィン部５と回転軸１
０２外周部の間の径方向隙間δｒを比較的大きな通常の
大きさ並みにしても、両端ラビリンスシール１０７ａ，
１０７ｂ全体としては十分なシール性能を確保できる。
これにより、前述のようにシールリング４を同軸に位置
する回転軸１０２よりも十分大きな径で形成することが
可能となるので、その共振回転数に対応する一次および
二次の危険速度を越える際に一時的に回転軸１０２の径
方向の振動が大きくなったような場合でも、その回転軸
１０２の大きな振動からの影響を受けることのない構成
とすることができる。

【００５０】以上のようにして、回転軸１０２が径方向
に大きく振動する場合、及び作動温度が高い場合のいず
れの場合でもシール性能の低下を防止できる。またこの
ときの製作コストは従来とほとんど変わらない。

【００５１】また静止時の軸方向隙間δａは、前述した
図２に示す多段圧縮機において回転軸１０２を軸支する
スラスト軸受１１７の軸受隙間に比べて大きくなってお
り、これによって従来のラビリンスシールと同様に容易
な組立を可能としている。

【００５２】さらに、流体通路５０におけるシールリン
グ４左側（高圧側５０Ｈ）のガス圧と右側（低圧側５０
Ｌ）のガス圧との圧力差を利用してシールリング４を微
動させるため、径方向フィン部７ａとフランジ６が接触
した場合でも圧力差によるバネ効果により衝撃が緩和さ
れ、上記の軸受１１６等に損傷等の影響を及ぼすことが
少ない。

【００５３】また、径方向フィン部７ａと軸方向フィン
部５の両方を備える構成であるため、万一何らかのトラ
ブルにより最小隙間δｍｉｎ₁からδｍｉｎ₃を形成する
径方向フィン部７ａが損傷しても、他方の軸方向フィン
部５によって所定のシール効果を維持することが可能で
ある。

【００５４】次に本発明の第２の実施の形態を図３
（ａ）及び図３（ｂ）により説明する。本実施の形態
は、前述した本発明の第１の実施の形態におけるシール
リング４内周部の径方向突出部７に径方向フィン部７ａ
を設ける代わり、径方向突出部７のフランジ６と対向す
る面を平面にして造隙被削コーティングを施したもので
ある。

【００５５】図３（ａ）及び図（ｂ）は、本実施の形態
によるラビリンスシールの軸方向断面の上半図であっ
て、それぞれ運転前の静止時における状態を示す図及び
運転中の回転時における状態を示す図であり、前述した
本発明の第１の実施の形態における図１（ａ）及び図１
（ｂ）にそれぞれ相当する図である。これら図３（ａ）
及び図３（ｂ）において、図１（ａ）及び図１（ｂ）と
同符号のものは同一部分を示す。

【００５６】図３（ａ）において、本実施の形態による
ラビリンスシール１０７Ａは、シールリング４Ａ内周部
に設けられた径方向突出部７Ａを備えており、この径方
向突出部７Ａはフランジ６に軸方向に対向する少なくと
も先端部の面が平面になっており、その平面の表面に公
知の造隙被削コーティング（例えば、ニッケルグラファ
イト等）１２が施されている。

【００５７】またシールリング４Ａ本体の低圧側端面１
０とそれに対向する固定部１１０の低圧側端面１１との
間の軸方向隙間δ１をδａ＜δ１としており、これによ
って後述のように径方向突出部７Ａとフランジ６は接触
可能な寸法設定となっている。

【００５８】なお、以上において、造隙被削コーティン
グ１２を施した径方向突出部７Ａが特許請求の範囲各項
記載の第２の径方向突出部材を構成している。

【００５９】次に、前述した本実施の形態のラビリンス
シール１０７Ａの動作を説明する。

【００６０】図３（ａ）に示す運転前の常温停止中の状
態から運転を開始し始めて、同図中における左側からガ
ス圧力が上昇し、右側の低圧側との差圧が大きくなるこ
とによってシールリング４Ａは上記第１の実施の形態の
シールリング４と同様に右側即ち低圧側へ微動する。

【００６１】このとき上記の通り、径方向突出部７Ａと
フランジ６は接触可能な寸法設定となっているため、つ
いには径方向突出部７Ａがフランジ６と接触する。図３
（ｂ）はこのときの状態を表す図である。そしてフラン
ジ６と造隙被削コーティング１２が接触して摺接するこ
とで造隙被削コーティング１２が被削されることにより
軸方向の最小隙間δｍｉｎ₄を形成する。その後、前述
のように高温で回転軸１０２が伸びるにしたがい、シー
ルリング４Ａも追従してδｍｉｎ₄は維持されるが、回
転軸１０２が伸びきってもシールリング４の低圧側端面
１０は両端シール固定部１１０の低圧側端面１１に当接
せず、その後は造隙被削コーティング１２とフランジ６
の側面６ａとの間は離れることなくδｍｉｎ₄に維持さ
れることになる。以上のようにして本実施の形態では上
記第１の実施の形態と同様の効果に加え、運転開始後は
常にδｍｉｎ₄≒０として作動流体の漏れ量をさらに低
減できるという効果がある。

【００６２】次に本発明の第３の実施の形態を図４
（ａ）及び図４（ｂ）により説明する。本実施の形態
は、前述した本発明の第２の実施の形態において、シー
ルリング４の径方向突出部７に施した造隙被削コーティ
ング１２に向けて回転軸１０２のフランジ６に径方向フ
ィン部１３を設けたものである。

【００６３】図４（ａ）及び図（ｂ）は、本実施の形態
によるラビリンスシール１０７Ｂの軸方向断面の上半図
であって、それぞれ運転前の静止時における状態を示す
図及び運転中の回転時における状態を示す図であり、前
述した本発明の第２の実施の形態における図３（ａ）及
び図３（ｂ）にそれぞれ相当する図である。これら図４
（ａ）及び図４（ｂ）において、図３（ａ）及び図３
（ｂ）と同符号のものは同一部分を示す。

【００６４】図４（ａ）において、本実施の形態による
ラビリンスシール１０７Ｂは、シールリング４Ｂ内周部
に設けられた径方向突出部７Ａと、回転軸１０２に設け
られたフランジ６Ａとを備えている。

【００６５】径方向突出部７Ａは上記第２の実施の形態
同様フランジ６Ａに対向する面の表面に造隙被削コーテ
ィング１２が施されており、フランジ６Ａの側面にはこ
の造隙被削コーティング１２に向けて軸方向に突出した
径方向フィン部１３を２重（径方向２段）に設けてい
る。

【００６６】このとき上記第２の実施の形態と同様、シ
ールリング４Ｂ本体の低圧側端面１０とそれに対向する
両端シール固定部１１０の低圧側端面１１との間の軸方
向隙間δ１をδａ＜δ１としており、これによって後述
のように径方向突出部７Ａとフランジ６Ａの側面（詳細
には径方向フィン部１３）とが接触可能な寸法設定とな
っている。

【００６７】なお、以上において、造隙被削コーティン
グ１２を施した径方向突出部７Ａが特許請求の範囲各項
記載の第２の径方向突出部材を構成し、２重の径方向フ
ィン部１３を設けたフランジ６Ａが略環状部材を構成し
ている。

【００６８】本実施の形態によっても、上記発明の第２
の実施の形態と同様に、運転開始後は常にδｍｉｎ₄≒
０として作動流体の漏れ量を大幅に低減するという効果
を得る。またさらに本実施の形態は第２の実施の形態の
造隙被削コーティング１２とフランジ６の接触面積と比
較して造隙被削コーティング１２と径方向フィン部１３
の接触面積が小さいことから、接触時の衝撃をより小さ
くでき、接触・被削によるコーティング材の剥がれの可
能性も低く、長期の繰り返し使用への耐久性を向上でき
るというメリットがある。

【００６９】次に本発明の第４の実施の形態を図５
（ａ）及び図５（ｂ）により説明する。本実施の形態
は、前述した本発明の第１の実施の形態におけるシール
リング４のフランジ側をプラスチック材で形成したもの
である。

【００７０】図５（ａ）及び図（ｂ）は、本実施の形態
によるラビリンスシール１０７Ｃの軸方向断面の上半図
であって、それぞれ運転前の静止時における状態を示す
図及び運転中の回転時における状態を示す図であり、前
述した本発明の第１の実施の形態における図１（ａ）及
び図１（ｂ）にそれぞれ相当する図である。これら図５
（ａ）及び図５（ｂ）において、図１（ａ）及び図１
（ｂ）と同符号のものは同一部分を示す。

【００７１】図５（ａ）において、本実施の形態による
ラビリンスシール１０７Ｃは、第１の実施の形態におけ
るシールリング４の高圧側部分を、金属よりも摺動性の
よいプラスチック材で形成した補助シールリング１８に
置き換え、残りの部分をシールリング４Ｃとしている。
そして補助シールリング１８がその内周部に第１の実施
の形態の径方向突出部７に代わる径方向突出部１９を備
えている。この径方向突出部１９は先端部がフランジ６
側に傾いた先細りの形状となっており、フランジ６の側
面６ａと円滑に接触・摺接するよう図られている。

【００７２】また上記第２及び第３の実施の形態同様、
補助シールリング１８の低圧側端面２０とそれに対向す
る両端シール固定部１１０の低圧側端面１１との間の軸
方向隙間δ１をδａ＜δ１としていることで径方向突出
部１９とフランジ６は接触可能な寸法設定となってい
る。

【００７３】なお、以上において、補助シールリング１
８の径方向突出部１９が特許請求の範囲各項記載の第２
の径方向突出部材を構成している。

【００７４】本実施の形態においては、径方向突出部１
９を摺動性のよいプラスチック材で形成しており、フラ
ンジ６と接触・摺接しても共に損傷することがないた
め、運転中フランジ６と径方向突出部１９とを摺接させ
ることで第２及び第３の実施の形態と同様、運転開始後
は常に軸方向の最小隙間δｍｉｎ₄≒０とし、作動流体
の漏れ量を大幅に低減できる。

【００７５】なおこのとき第１の実施の形態のシールリ
ング４全体をプラスチック材に置き換えるのではなく、
要部である低圧側部分のみに絞って置き換えることによ
り材料費・加工コストを抑えることができる。

【００７６】次に本発明の第５の実施の形態を図６
（ａ）及び（ｂ）により説明する。本実施の形態は、前
述した本発明の第１の実施の形態におけるシールリング
４本体の低圧側端面１０とそれに対向する両端シール固
定部１１０の端面との間に衝撃緩和用のスプリング１４
を備えたものである。

【００７７】図６（ａ）及び図６（ｂ）は、本実施の形
態によるラビリンスシールの軸方向断面の上半図であっ
て、それぞれ運転前の静止時における状態を示す図及び
運転中の回転時における状態を示す図であり、前述した
本発明の第１の実施の形態における図１（ａ）及び図１
（ｂ）にそれぞれ相当する図である。これら図６（ａ）
及び図６（ｂ）において、図１（ａ）及び図１（ｂ）と
同符号のものは同一部分を示す。

【００７８】図６において、本実施の形態によるラビリ
ンスシール１０７Ｄは、シールリング４本体の低圧側端
面１０とそれに対向する両端シール固定部１１０の低圧
側端面１１Ａとの間にスプリング１４を備えている。こ
のスプリング１４は圧縮バネであって、両端シール固定
部１１０の低圧側端面１１Ａに軸方向に穿孔したスプリ
ング挿入穴１５に嵌入配置され、その一端をシールリン
グ４本体の低圧側端面１０に向けて突出させている。

【００７９】このときシールリング４本体の低圧側端面
１０とそれに向けて突出しているスプリング１４の先端
１４ａとの間の軸方向隙間δ２をδ２＜δａとし、これ
によって径方向突出部７の径方向フィン部７ａとフラン
ジ６の側面６ａとが接触するよりも優先してシールリン
グ４本体の低圧側端面１０とスプリング１４の先端１４
ａとが接触する寸法設定となっている。

【００８０】なお、以上において、スプリング１４が特
許請求の範囲各項記載の衝撃緩和用スプリングを構成し
ている。

【００８１】本実施の形態のラビリンスシール１０７Ｄ
によれば、上記第１の実施の形態と同様の効果を得るの
に加え、高圧側の急激な昇圧により、シールリング４が
瞬間的に移動して両端シール固定部１１０Ｄに接触しそ
うになった場合が生じても接触による衝撃を緩和できる
効果がある。またシールリング４の軸方向の振動を抑え
る効果もある。さらに、組立誤差の影響による接触の可
能性も確実に回避することができる。

【００８２】なお、本実施の形態において上記スプリン
グ１４を引っ張りバネとして、シールリング４本体の高
圧側端面１６とそれに対向する固定部１１０の高圧側端
面１７との間をつなぐように設けても同様の効果が得ら
れる。

【００８３】また、以上第１〜３及び第５の実施の形態
においては、第１の径方向突出部材である径方向突出部
７を軸方向フィン部５の列の最低圧側に設置する構成と
したが、これに限られず、軸方向フィン部５の列の中間
に設置してもよい。

【００８４】この場合、略環状部材６，６Ａをシールリ
ング４の摺動に伴う径方向突出部７の移動範囲に対応す
る回転軸１０２上の位置に設置する必要があり、また径
方向突出部７よりも低圧側に位置する軸方向フィン部５
はフランジ６と接触しないよう径方向突出部７と離して
設置する必要がある。このような構成によっても、同様
の効果が得られる。

【００８５】また、以上に述べた第１〜第５の実施の形
態においては、シールリング４，４Ａ，４Ｂ，１８に第
２の径方向突出部材として設けた径方向突出部７，７
Ａ，１９の少なくとも先端部をフランジ６の側面６ａに
対向させて径方向シール手段としたが、これに限られ
ず、シールリング４，４Ａ，４Ｂ，１８に軸方向低圧側
（各図中右側）に突出する軸方向突出部を設け、その少
なくとも先端部をフランジ６の側面６ａに対向させて径
方向シール手段としてもよい。この場合も同様の効果を
得る。

【００８６】また、以上に述べた全てのシールリング
４，４Ａ，４Ｂ，４Ｃにおいては、軸方向フィン部５を
シールリング４の内周部から回転軸１０２の外周部に向
けて設置することで軸方向シール手段を構成したが、こ
れに限られない。すなわち、図７（ａ）及び図７（ｂ）
のラビリンスシール１０７Ｅに示すように、回転軸１０
２Ａの外周部に第１の径方向突出部材としての４段の軸
方向フィン部２１を径方向突出部材の一切ないシールリ
ング４Ｄの内周部に向けて設置する構成としてもよい。

【００８７】このラビリンスシール１０７Ｅでは、軸方
向フィン部２１はシールリング４Ｄの内周部に対し径方
向に十分な隙間δｒを有する略環状薄板形状のものであ
り、回転軸１０２Ａの外周部に同軸で４枚並設されてい
る。

【００８８】またこのとき、略環状部材６Ｂは、低圧側
（図７中右側）が径方向外周側ほど薄肉となる略テーパ
形状となっているのに対し、高圧側（図７中左側）は軸
線に直角な平面状となっており、その平面状部分の少な
くとも先端部６Ｂａをシールリング４Ｄの軸方向側面２
２に対向させることで、径方向の作動流体の漏れを抑制
する径方向シール手段を構成させている。

【００８９】また第１の実施の形態と同様の観点から、
シールリング本体の低圧側端面１０と両端シール固定部
１１０の低圧側端面１１との軸方向隙間δ１、シールリ
ング４Ｄの軸方向側面２２と略環状部材６Ｂの先端部６
Ｂａとの軸方向隙間δａに関し、回転軸１０２Ａが伸び
きる寸前にシールリング本体４Ｄの低圧側端面１０が両
端シール固定部１１０の低圧側端面１１に優先的に当接
するように、両端シール固定部１１０、シールリング４
Ｄおよび略環状部材６Ｂの各部寸法が予め設定されてい
る。

【００９０】本変形例においても、上記第１の実施の形
態と同様の動作原理で同様の効果を得ることができる。
すなわち、図７（ａ）に示す運転前の常温停止中の状態
から運転開始とともに図７（ｂ）に示すようにシールリ
ング４Ｄが低圧側へ微動してシールリング４Ｄの軸方向
側面２２と略環状部材６Ｂの先端部６Ｂａとの間に最小
隙間δｍｉｎ₁を構成し、さらに回転軸１０２Ａの伸び
による環状部材６Ｂの移動にシールリング４Ｄが追従し
て軸方向側面２２と先端部６Ｂａとの間の最小隙間δｍ
ｉｎ₂を維持し、回転軸１０２Ａが伸びきる直前にシー
ルリング本体４Ｄの低圧側端面１０が両端シール固定部
１１０の低圧側端面１１に当接してこれ以降は回転軸１
０２Ａの伸びと共にシールリング４Ｄの軸方向側面２２
と略環状部材６Ｂの先端部６Ｂａとの間は最小隙間δｍ
ｉｎ₃が形成される。

【００９１】なお、上記変形例においては、略環状部材
６Ｂの先端部６Ｂａをシールリング４Ｄの軸方向側面２
２に対向させたが、これに限られず、軸方向側面２２に
別に第３の径方向突出部材を設け、これに先端部６Ｂａ
を対向させてもよい。この場合も同様の効果を得る。

【００９２】また、以上は図２に示した前述のラビリン
スシール１０７ａ〜ｃ，１０８，１０９のうち両端ラビ
リンスシール１０７ａ，１０７ｂを例に取って説明した
が、他のラビリンスシール１０７ｃ，１０８，１０９に
ついても同様の効果を得る。この場合、羽根車ラビリン
スシール１０８については回転軸１０２、羽根車１０３
ａ〜ｆ及び羽根車前方側板１１２が各請求項記載の回転
部を構成し、羽根車シール固定部１１１がその周囲の固
定部を構成する。段間ラビリンスシール１０９について
は回転軸１０２及び羽根車１０３ａ〜ｆが各請求項記載
の回転部を構成し、段間シール固定部１１３がその周囲
の固定部を構成する。

【００９３】さらに、以上においては、流体機械の一例
として多段圧縮機を例にとって説明したが、これに限ら
れず、他のタイプの圧縮機、ポンプ、送風機等、少なく
とも回転軸を備えた回転部とその周囲の固定部との間で
軸方向に圧力差のある流体通路を備えた流体機械であれ
ば、本発明を適用でき、この場合も同様の効果を得る。

【００９４】

【発明の効果】請求項１〜５記載の発明によれば、径方
向シール手段の摺動部材が高圧側と低圧側の差圧に比例
した押し付け力で径方向シール手段の軸方向隙間を小さ
くする方向に移動されるので、作動温度が高い場合に回
転軸側に設けた略環状部材が移動した場合でも、適切な
微小隙間を維持できる。

【００９５】これにより、軸方向シール手段の径方向突
出部材による径方向微小隙間を通常の大きさ並みにして
も、十分なシール性能を確保できる。したがって、回転
軸が径方向に大きく振動する場合、及び作動温度が高い
場合のいずれの場合でもシール性能の低下を防止でき
る。

【００９６】また請求項４記載の発明によれば、高圧側
の急激な昇圧により摺動部材が瞬間的に移動し、固定側
に万一接触しそうになった場合が生じても、接触による
衝撃を緩和することができる。また摺動部材の軸方向の
振動を抑える効果もある。さらに、組立誤差の影響によ
る接触の可能性も確実に回避することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のラビリンスシールの第１の実施の形態
の軸方向断面構造を示す上半図であって、運転前の静止
時、運転時、回転軸が伸びている途中の状態、及び回転
軸が伸びきった後の状態をそれぞれ示す図である。

【図２】本発明のラビリンスシールの第１の実施形態を
適用する多段圧縮機の軸方向断面の上半図である。

【図３】本発明のラビリンスシールの第２の実施の形態
の静止時及び回転時における軸方向断面の上半図であ
る。

【図４】本発明のラビリンスシールの第３の実施の形態
の静止時及び回転時における軸方向断面の上半図であ
る。

【図５】本発明のラビリンスシールの第４の実施の形態
の静止時及び回転時における軸方向断面の上半図であ
る。

【図６】本発明のラビリンスシールの第５の実施の形態
の静止時及び回転時における軸方向断面の上半図であ
る。

【図７】本発明によるラビリンスシールにおいて、軸方
向フィン部を回転軸の外周部からシールリングの内周部
に向けて設置する変形例の形態の静止時及び回転時にお
ける軸方向断面の上半図である。

【符号の説明】

４ シールリング（摺動部材） ４Ａ〜Ｄ シールリング（摺動部材） ５ 軸方向フィン部（第１の径方向突出部材、軸方向シ
ール手段） ６ フランジ（略環状部材） ６Ａ，Ｂ フランジ（略環状部材） ７ 径方向突出部（第２の径方向突出部材、径方向シー
ル手段） ７Ａ 径方向突出部（第２の径方向突出部材、径方向シ
ール手段） １２ 造隙被削コーティング １４ スプリング １９ 径方向突出部（第２の径方向突出部材、径方向シ
ール手段） ２１ 軸方向フィン部（第１の径方向突出部材、軸方向
シール手段） ５０ 流体通路 １００ 多段圧縮機（流体機械） １０２ 回転軸（回転部） １０２Ａ 回転軸（回転部） １０３ａ〜ｆ 羽根車（回転部） １０７ａ〜ｃ 両端ラビリンスシール １０７Ａ〜Ｅ ラビリンスシール １０８ 羽根車ラビリンスシール １０９ 段間ラビリンスシール １１０ 両端シール固定部（固定部） １１１ 羽根車シール固定部（固定部） １１２ 羽根車前方側板（回転部） １１３ 段間シール固定部（固定部） １１４ 羽根車吸気口 １１５ 羽根車排気口 １１６ 圧縮機のジャーナル軸受 １１７ 圧縮機のスラスト軸受 Ｆ 押圧力 Ｇ 回転軸の熱膨張伸び方向 δｒ 径方向隙間 δａ 軸方向隙間 δ１ シールリング本体と両端シール固定部との軸方向
隙間 δ２ シールリング本体とスプリングとの軸方向隙間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3H003 AA06 AB07 AC02 BC01 CA01 3H022 AA02 BA06 CA01 CA33 DA01 DA11 3J042 AA03 BA01 CA11 CA12 DA01

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも回転軸を備えた回転部とその周
   囲の固定部との間で高圧側から低圧側への流体通路の漏
   れを抑制するラビリンスシールにおいて、 前記回転部に設けた略環状部材と、 前記固定部に軸方向に摺動可能に設けた摺動部材と、 前記流体通路に設けられ、前記摺動部材の内周部または
   前記回転部の外周部に、第１の径方向突出部材を軸方向
   に少なくとも１段配設した軸方向シール手段と、 前記流体通路に設けられ、前記摺動部材と前記略環状部
   材が協働して形成する径方向シール手段とを備え、 前記高圧側と前記低圧側の差圧により前記摺動部材が前
   記径方向シール手段の隙間を小さくする方向に摺動する
   ことを特徴とするラビリンスシール。
2. 【請求項２】請求項１記載のラビリンスシールにおい
   て、 前記径方向シール手段は、前記摺動部材に第２の径方向
   突出部材又は軸方向突出部材を設け、この突出部材の少
   なくとも先端部を前記略環状部材の側面に対向させて、
   径方向における流体の漏れを抑制することを特徴とする
   ラビリンスシール。
3. 【請求項３】請求項１記載のラビリンスシールにおい
   て、 前記径方向シール手段は、前記略環状部材の少なくとも
   先端部を、前記摺動部材の軸方向側面、又は前記摺動部
   材に設けた第３の径方向突出部材の軸方向側面に対向さ
   せて、径方向における流体の漏れを抑制することを特徴
   とするラビリンスシール。
4. 【請求項４】請求項１乃至３のいずれか１項記載のラビ
   リンスシールにおいて、 前記固定部と前記摺動部材との間に軸方向に衝撃緩和用
   スプリングを設けたことを特徴とするラビリンスシー
   ル。
5. 【請求項５】少なくとも回転軸を備えた回転部とその周
   囲の固定部との間で軸方向に圧力差のある流体通路を備
   えた流体機械において、 前記回転部に設けた略環状部材と、 前記固定部に軸方向に摺動可能に設けた摺動部材と、 前記流体通路に設けられ、前記摺動部材の内周部または
   前記回転部の外周部に、第１の径方向突出部材を軸方向
   に少なくとも１段配設した軸方向シール手段と、 前記流体通路に設けられ、前記摺動部材と前記略環状部
   材が協働して形成する径方向シール手段とを備え、 前記高圧側と前記低圧側の差圧により前記摺動部材が前
   記径方向シール手段の隙間を小さくする方向に摺動する
   ことを特徴とする流体機械。