JP2008196522A - シール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な形状を適用することなく安価で簡潔な構造で、静止体と回転体との接触に対して信頼性を損なわないシール力に富むシール装置を提供することである。
【解決手段】静止体１１と回転体１２との間の流体をシールするシール装置であり、静止体１１から突出して形成されたフィン１３と、回転体１２が流体１４と接する面の表面１２ａに形成された粗面部１７とを備える。粗面部１７は表面粗さが粗くなっている。これにより、フィン先端部と回転体の表面１２ａの表面粗さとの間隙ｄに対する割合が増大し、表面１２ａの凹凸によってフィン１３周辺の流れに与える乱れの影響を著しく強化し、圧力損失を増大させ流体のリーク量を低減する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、静止体と回転体の間の流体をシールするためのシール装置に関する。

静止体と回転体との間の流体をシールするシール装置では、静止体または回転体よりフィンを突出させたり、静止体または回転体に段差を付けて凹凸形状にしたりして流体の圧力損失を増大させシール力を向上させている。また、シール力を高めるために、静止体と回転体との間の間隙を減少させたり、フィンの長さ及び形状を変化させたり、流路の段差を高くしたりする方策が取られる。

タービンロータのシール装置のように、既に静止体と回転体との間の間隙を十分減少させている場合には、シール力をさらに向上させるには複雑な形状のシール装置となる。

図１４は従来のシール装置の説明図であり、静止体１１から突出して回転体１２の方向にフィン１３が形成されている。このフィン１３により、静止体１１と回転体１２との間の流体１４が外部に漏洩するのを阻止するようにしている。図１５は図１４のＡ１部の詳細図である。タービンロータラビリンスのシール装置の場合、フィン先端１５とフィン１３に対面する回転体１２の表面１２ａとの間隙ｄは１ｍｍ以下であり、回転体１２の表面１２ａの表面粗さは最大高さｈで６．３μm程度である。これは、通常の機械加工仕上げの表面粗さである。

図１６は従来のスラントフィン型シール装置の説明図、図１７は図１６のＡ２部の詳細図である。図１６に示すように、静止体１１に対して斜め方向に傾けたスラント型フィン１３’を突出して回転体１２の方向に設け、図１７に示すように流体の圧力損失を増加させてシール力を向上させている。この場合も、フィン先端１５とフィン１３’に対面する回転体１２の表面１２ａとの間隙ｄは１ｍｍ以下であり、回転体１２の表面１２ａの表面粗さは最大高さｈで６．３μm程度である。

図１８は従来のハイロー型シール装置の説明図、図１９は図１８のＡ３部の詳細図である。図１８に示すように、フィン１３として短歯フィン１３ａと長歯フィン１３ｂとを有し、短歯フィン１３ａ及び長歯フィン１３ｂに対面して回転体１２側に凹凸形状をした凸部１６ａ、凹部１６ｂが設けられている。短歯フィン１３ａと長歯フィン１３ｂ、及び凹凸形状の凸部１６ａ、凹部１６ｂにより、図１９に示すように、流体の圧力損失を増加させシール力を向上させている。この場合も、フィン先端１５とフィン１３に対面する回転体１２の表面１２ａとの間隙ｄは１ｍｍ以下であり、回転体１２の表面１２ａの表面粗さは最大高さｈで６．３μm程度である。

このように、回転体１２の表面１２ａの表面粗さは、フィン１３とそれに対面する回転体１２の表面１２ａの間隙ｄに対して十分小さいため、従来のシール装置ではフィン１３周辺の流体の流れは表面粗さによる影響をほとんど受けない。そのため、シール装置のシール力は、フィン１３とそれに対面する回転体１２の表面１２ａの形状、フィン１３とそれに対面する回転体１２の表面１２ａとの間隙ｄ、フィン１３の枚数及びフィンピッチで決定されることになる。

さらに、従来のタービンロータラビリンスのシール装置においては、フィン１３とフィン１３に対面する回転体１２の表面１２ａとが接触した場合、フィン１３が接触を起こさない程度まで、表面１２ａによってフィン１３が削り取られるが、削り取られるまでロータの振動は大きい状態になり、運転に支障のある振動となることもある。

ここで、ラビリンスシール絞り片のアブレイダブル皮膜に対峙する先端部に複数の凹凸を円周方向に配列して形成し、ラビリンスシール絞り片との接触部位でアブレイダブル皮膜を微小な自己破壊を起こさせ、ラビリンスシール絞り片の摩耗を防止するようにした軸シール機構がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−１３２３２８号公報

しかし、従来のシール装置では構造が複雑であることに加え、スラント型シール装置では静止体と回転体とが接触した場合、フィンの弾性変形によりフィンが回転体に削り取られにくく、振動が緩和されにくいことがある。一方、ハイロー型シール装置では静止体及び回転体の軸方向相対位置変化量によっては凹凸の数が不十分となりシール力向上が期待できない恐れが生じる。

シール力向上には間隙を狭めることや形状をさらに複雑化するなどの方策があるが、間隙を狭める場合には静止体と回転体とが接触する恐れが強まり、一方、形状を複雑化すると高価なシール装置となる。

また、シール力向上のために、従来においては回転体１２と静止体１１の間隙ｄを狭める方策がよく取られるが、この場合、接触により振動など機器の運転に影響を与える恐れがある。軽い接触した場合には、回転体１２または静止体１１の接触した部位が接触を起こさなくなるまで削り取られるが、表面が高い精度で仕上げられている場合、接触抵抗が少なく削り取られるまで時間がかかり、振動増加などで運用に支障が生じる。

本発明の目的は、複雑な形状を適用することなく安価で簡潔な構造で、静止体と回転体との接触に対して信頼性を損なわないシール力に富むシール装置を提供することにある。

本発明のシール装置は、静止体と回転体との間の流体をシールするシール装置において、前記静止体から突出して形成されたフィンと、前記回転体が流体と接する面の表面に形成され表面粗さを粗くした粗面部とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、複雑な形状を適用することなく安価で簡潔な構造とすることができ、静止体１１と回転体１２との接触に対して信頼性を損なわないシール力に富むシール装置を提供できる。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係わるシール装置の説明図であり、図２は図１のＸ１部の詳細図である。図１４及び図１５に示した従来例に対し、回転体１２が流体と接する面の表面１２ａに表面粗さを粗くした粗面部１７が形成されている。図１４及び図１５と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

図１において、静止体１１から突出して回転体１２の表面１２ａ方向にフィン１３が形成されている。そして、フィン１３に対面する回転体１２の表面１２ａに表面粗さを粗くした粗面部１７が形成されている。

回転体１２の表面１２ａの粗さを意図的に粗くしたので、フィン先端部１５と回転体１２の表面１２ａの表面粗さとの間隙ｄに対する割合が増大する。従って、図２に示すように、表面の凹凸によってフィン１３周辺の流れに与える乱れの影響を著しく強化できる。その結果、圧力損失を増大でき、流体のリーク量を低減するシール力を向上させたシール装置を得ることができる。

ここで、回転体１２の表面１２ａに対しての表面粗さの最大高さｈは５０μmとする。また、フィン先端部１５と回転体１２の表面１２ａとの間隙ｄは０．５mmとする。これにより、回転体１２の表面１２ａには最大でフィン１３と回転体１２の表面１２ａとの間隙の１０％に相当する凹凸が形成される。

第１の実施の形態によれば、従来のシール装置に対して、回転体１２の表面１２ａの粗さを粗くするだけでシール力を向上させたシール装置が提供できる。つまり、従来のシール装置に対して、表面粗さを粗くするだけなので簡潔な構造であり、仕上げに高い精度を必要としないため安価で提供できる。

また、表面粗さを粗くしているので、回転体１２と静止体１１とが接触しても、接触部が削り取られるまでの時間が短縮でき、振動に対する影響も低下し運用に対する信頼性も向上する。また、フィン１３に対面する回転体１２の表面１２ａの粗さを意図的に粗くし、表面粗さの間隙に対する割合を大きくしているので、表面粗さが流体に与える乱れの影響を著しく強化できる。その結果、圧力損失を増大でき、流体のリーク量を低減するシール力を向上させたシール装置を得ることができる。

さらに、表面仕上げに高い精度を必要としないため、通常の表面よりも切削速度を高めることができ、加工時間も低減できる。従って、シール装置を安価で提供できる特徴も有する。また、粗い表面により切削効率は高まりフィンは削り取られやすくなり、従来のシール装置に比べ、振動が収まりやすく運転に及ぼす影響も低下する。

（第２の実施の形態）
図３は本発明の第２の実施の形態に係わるシール装置の構成図であり、図４は図２のＸ２部分の詳細図である。この第２の実施の形態は、図１及び図２に示した第１の実施の形態に対し、静止体１１に代えて回転体１２から突出してフィン１３を形成し、回転体１２に代えて静止体１１に粗面部１７を設けたものである。すなわち、静止体１１が流体と接する面の表面に表面粗さを粗くした粗面部１７が設けられている。図１及び図２と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

図３において、回転体１２から突出して静止体１１の方向にフィン１３が形成され、フィン１３に対面する静止体１１の表面１１ａに表面粗さを粗くした粗面部１７が形成されている。フィン１３に対面する静止体１１の表面１１ａの表面粗さを意図的に粗くしたので、静止体１１の表面粗さに対する静止体１１と回転体１２との間隙ｄに対する割合が増大することで、図４に示すように、表面１１ａの凹凸によってフィン１３周辺の流れに与える乱れの影響を著しく強化できる。その結果、圧力損失を増大でき、流体のリーク量を低減するシール力を向上させたシール装置を得ることができる。

ここで、第１の実施の形態と同様に、静止体１１の表面１１ａに対しての表面粗さの最大高さｈは５０μmとする。また、フィン先端部１５と静止体１１の表面１１ａとの間隙ｄは０．５mmとする。これにより、静止体１１の表面１１ａには最大でフィン１３と静止体１１の表面１１ａとの間隙の１０％に相当する凹凸が形成される。

第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様に、静止体１１と回転体１２との表面粗さの間隙ｄに対する割合が増大することで、静止体１１の表面１１ａの凹凸によって回転体１２に形成されたフィン１３周辺の流れに与える乱れの影響を著しく強化できる。その結果、圧力損失を増大でき、流体のリーク量を低減するシール力を向上させたシール装置を得ることができる。

（第３の実施の形態）
図５は本発明の第３の実施の形態に係わるシール装置の構成図であり、図６は図５のＸ３部分の詳細図、図７は図５のＸ４部分の詳細図である。この第３の実施の形態は、図１及び図２に示した第１の実施の形態に対し、静止体１１に加え回転体１２からもフィン１３を突出して形成し、回転体１２に加え静止体１１にも粗面部１７を形成したものである。図１及び図２と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

図５において、静止体１１と回転体１２から突出してそれぞれフィン１７が形成され、それぞれのフィン１７に対面する静止体１１及び回転体１２には粗面部１７が形成されている。すなわち、静止体１１及び回転体１２が流体と接するそれぞれ面の表面１１ａ、１２ａに表面粗さを粗くした粗面部１７が形成されている。

フィン１３に対面する静止体１１の表面１１ａ及び回転体１２の表面１２ａの表面粗さを意図的に粗くしたので、図６に示すように、回転体１２の表面粗さに対する静止体１１と回転体１２との間隙ｄに対する割合が増大する。また、図７に示すように、静止体１１の表面粗さに対する静止体１１と回転体１２との間隙ｄに対する割合が増大する。従って、表面１１ａ、１２ａの凹凸によってフィン１３周辺の流れに与える乱れの影響を著しく強化でき、圧力損失を増大できる。このため、流体のリーク量を低減するシール力を向上させたシール装置を得ることができる。

ここで、静止体１１または回転体１２の表面１１ａ、１２ａに対しての表面粗さの最大高さｈは５０μmとする。また、フィン先端部１５と静止体１１の表面１１ａまたは回転体１２の表面１２ａとの間隙ｄは０．５mmとする。これにより、静止体１１の表面１１ａまたは回転体１２の表面１２ａには、最大でフィン１３と静止体１１の表面１１ａまたは回転体１２の表面１２ａとの間隙の１０％に相当する凹凸が形成される。

第３の実施の形態によれば、静止体１１及び回転体１２の双方の表面粗さを意図的に粗くし、静止体１１と回転体１２の表面粗さの間隙ｄに対する割合が増大することで、粗面部１７の表面の凹凸によってフィン１３周辺の流れに与える乱れの影響を著しく強化できる。その結果、圧力損失を増大でき、流体のリーク量を低減するシール力を向上させたシール装置を得ることができる。

（第４の実施の形態）
図８は本発明の第４の実施の形態に係わるシール装置の構成図であり、図９は図８のＸ５部分の詳細図である。この第４の実施の形態は、図１６及び図１７に示した従来のスラントフィン型シール装置に対し、回転体１２が流体と接する面の表面１２ａに表面粗さを粗くした粗面部１７が形成されている。図１６及び図１７と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

図８において、静止体１１から突出して回転体１２の表面１２ａに対して斜め方向に傾けたスラントフィン１３’が形成されている。そして、回転体１２の表面１２ａには粗面部１７が形成されている。つまり、スタントフィン１３’に対面する回転体１２が流体と接する面の表面１２ａに表面粗さを粗くした粗面部１７が形成されている。

ここで、回転体１２の表面１２ａに対しての表面粗さの最大高さｈは、５０μmとする。また、フィン先端部１５と回転体１２の表面１２ａとの間隙ｄは、０．５mmとする。これにより、回転体１２の表面１２ａには最大でスラントフィン１３’と回転体１２の表面１２ａとの間隙の１０％に相当する凹凸が形成される。

第４の実施の形態によれば、スラントフィン１３’の対面する回転体１２の表面１２ａの表面粗さを意図的に粗くするので、表面粗さの間隙ｄに対する割合が増大する。これによって、図９に示すように、粗面部１７の表面の凹凸によってスラントフィン１３’周辺の流れに与える乱れの影響を著しく強化できる。その結果、圧力損失を増大でき流体のリーク量を低減するシール力を向上させたシール装置を得ることができる。

（第５の実施の形態）
図１０は本発明の第５の実施の形態に係わるシール装置の構成図であり、図１１は図１０のＸ６部分の詳細図である。この第５の実施の形態は、図８及び図９に示した第４の実施の形態に対し、静止体１１に代えて回転体１２から突出してスラントフィン１３’を形成し、回転体１２に代えて静止体１１に粗面部１７を設けたものである。すなわち、静止体１１が流体と接する面の表面に表面粗さを粗くした粗面部１７が設けられている。図８及び図９と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

図１０において、回転体１２に対して斜め方向に突出して静止体１１の方向にスラントフィン１３’が形成され、スラントフィン１３’に対面する静止体１１の表面１１ａに表面粗さを粗くした粗面部１７が形成されている。スラントフィン１３’に対面する静止体１１の表面１１ａの表面粗さを意図的に粗くしたので、静止体１１の表面粗さに対する静止体１１と回転体１２との間隙ｄに対する割合が増大することで、図１１に示すように、表面１１ａの凹凸によってスラントフィン１３’周辺の流れに与える乱れの影響を著しく強化できる。その結果、圧力損失を増大でき、流体のリーク量を低減するシール力を向上させたシール装置を得ることができる。

ここで、第４の実施の形態と同様に、静止体１１の表面１１ａに対しての表面粗さの最大高さｈは５０μmとする。また、フィン先端部１５と静止体１１の表面１１ａとの間隙ｄは０．５mmとする。これにより、静止体１１の表面１１ａには最大でスラントフィン１３’と静止体１１の表面１１ａとの間隙の１０％に相当する凹凸が形成される。

第５の実施の形態によれば、静止体１１のスラントフィン１３’が対面する表面１１ａの表面粗さを意図的に粗くたので、表面粗さの間隙ｄに対する割合が増大する。従って、粗面部１７の表面１１ａの凹凸によってスラントフィン１３’周辺の流れに与える乱れの影響を著しく強化できる。その結果、圧力損失を増大でき、流体のリーク量を低減するシール力を向上させたシール装置を得ることができる。

（第６の実施の形態）
図１２は本発明の第６の実施の形態に係わるシール装置の構成図であり、図１３は図１２のＸ７部分の詳細図である。この第６の実施の形態は、図１８及び図１９に示した従来のハイロー型シール装置に対し、回転体１２が流体と接する凸部１６ａ、凹部１６ｂを含む面の表面１２ａに表面粗さを粗くした粗面部１７を形成したものである。図１８及び図１９と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

図１２に示すように、静止体１１から突出して短歯フィン１３ａ及び長歯フィン１３ｂが回転体１２に向けて形成されている。回転体１２は凸部１６ａ及び凹部１６ｂが設けられ、短歯フィン１３ａは回転体１２の凸部１６ａに対面し、長歯フィン１３ｂは回転体１２の凹部１６ｂに対面する。そして、静止体１１の短歯フィン１３ａ及び長歯フィン１３ｂの対面する位置には粗面部１７が形成されている。

静止体１１の短歯フィン１３ａ及び長歯フィン１３ｂの対面する位置の回転体１２の表面粗さを意図的に粗くしたので、表面粗さの間隙ｄに対する割合が増大する。従って、図１３に示すように、表面の凹凸によって短歯フィン１３ａ及び長歯フィン１３ｂ周辺の流れに与える乱れの影響を著しく強化できる。その結果、圧力損失を増大でき、流体のリーク量を低減するシール力を向上させたシール装置を得ることができる。

ここで、回転体１２の表面１２ａに対しての表面粗さの最大高さｈは５０μmとする。また、短歯フィン１３ａ及び長歯フィン１３ｂのフィン先端部１５と回転体１２の表面１２ａ（凸部１６ａ、凹部１６ｂ）との間隙ｄは０．５mmとする。これにより、回転体１２の表面１２ａには最大でフィン１３と回転体１２の表面１２ａとの間隙の１０％に相当する凹凸が形成される。

第６の実施の形態によれば、ハイロー型シール装置であっても第１の実施の形態と同一の効果を得ることができる。

本発明の第１の実施の形態に係わるシール装置の説明図。 図１のＸ１部の詳細図。 本発明の第２の実施の形態に係わるシール装置の構成図。 図２のＸ２部分の詳細図。 本発明の第３の実施の形態に係わるシール装置の構成図。 図５のＸ３部分の詳細図。 図５のＸ４部分の詳細図。 本発明の第４の実施の形態に係わるシール装置の構成図。 図８のＸ５部分の詳細図。 本発明の第５の実施の形態に係わるシール装置の構成図 図１０のＸ６部分の詳細図。 本発明の第６の実施の形態に係わるシール装置の構成図。 図１２のＸ７部分の詳細図。 従来のシール装置の説明図。 図１４のＡ１部の詳細図。 従来のスラントフィン型シール装置の説明図。 図１６のＡ２部の詳細図。 従来のハイロー型シール装置の説明図。 図１８のＡ３部の詳細図。

符号の説明

１１…静止体、１２…回転体、１３…フィン、１３’…スラントフィン、１４…流体、１５…フィン先端、１６ａ…凸部、１６ｂ…凹部、１７…粗面部

Claims (7)

1. 静止体と回転体との間の流体をシールするシール装置において、前記静止体から突出して形成されたフィンと、前記回転体が流体と接する面の表面に形成され表面粗さを粗くした粗面部とを備えたことを特徴とするシール装置。
2. 静止体と回転体との間の流体をシールするシール装置において、前記回転体から突出して形成されたフィンと、前記静止体が流体と接する面の表面に形成され表面粗さを粗くした粗面部とを備えたことを特徴とするシール装置。
3. 静止体と回転体との間の流体をシールするシール装置において、前記静止体及び前記回転体から突出して形成されたフィンと、前記静止体及び前記回転体が流体と接するそれぞれ面の表面に形成され表面粗さを粗くした粗面部とを備えたことを特徴とするシール装置。
4. 前記フィンは、前記回転体に対して斜め方向に突出して形成されたことを特徴とする請求項２または３記載のシール装置。
5. 前記フィンは、前記静止体に対して斜め方向に突出して形成されたことを特徴とする請求項２または３記載のシール装置。
6. 静止体と回転体との間の流体をシールするシール装置において、前記静止体から突出して形成された短歯及び長歯のフィンと、前記静止体の短歯及び長歯のフィンに対応して前記回転体の表面に形成された凹凸部と、前記回転体が流体と接する前記凹凸部を含む面の表面に形成され表面粗さを粗くした粗面部とを備えたことを特徴とするシール装置。
7. 前記粗面部の表面粗さを最大高さで５０μｍとしたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のシール装置。

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