JP2012007594A - シール装置及びこれを備えた流体機械 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で振動抑制効果を安定的に得ることができるシール装置及び流体機械を提供する。
【解決手段】ケーシング１１と該ケーシング１１内部に回転可能に配されたインペラ１４におけるシュラウド１７の外周面１８との間に形成される径方向の隙間Ｓを封止して、高圧側から低圧側に向かって流通する流体を規制するラビリンスシール２と、該シール部２の高圧側において、ケーシング１１から延出し、隙間Ｓを周方向に流通する流体を規制するスワールブレーカ３とを設け、外周面１８が高圧側から低圧側に向かうに従って縮径するようにして形成された段差部１９を設け、スワールブレーカ３を、段差部１９の低圧側の外周面１８に向かって延出させ、スワールブレーカ３の先端が、大径外周面１８ｂよりも径方向内側に達するようにする。
【選択図】図２

Description

本発明は、シール装置及びこれを備えた流体機械に関するものである。

周知のように、ケーシング及びこのケーシング内に回転可能に配された回転体を備えた流体機械においては、ケーシングと回転体との間に形成される径方向の隙間を封止するシール部を備えたものがある。一例として、多段遠心圧縮機は、軸線方向に複数段設けられた回転体とこの回転体を収容するハウジングとから概略構成されるが、各段のインペラ入口付近におけるインペラ外周部、即ちシュラウドディスクの外周面とハウジング内周部との間の径方向の隙間にラビリンスシールを設けたものがある（例えば、下記特許文献１参照）。

ところで、上記のような流体機械においては、該流体機械の高圧・高性能化に伴って軸振動に作用するシール励振力が増大して、軸系不安定問題が顕著になる傾向がある。この励振力は、回転体の外周に沿って流通する周方向の速度成分を有する旋回流（スワール）の影響が大きく、即ち、該旋回流がシール部に流入した結果、軸系の固有振動数が励起されることによって、軸振動が増大してしまうのである。

この旋回流による振動を抑制する手段として、ラビリンスシールの高圧側に、径方向内側に向かって延出するスワールブレーカを周方向に間隔を空けて複数設けたシール装置が知られている（例えば、下記特許文献２参照）。即ち、スワールブレーカで周方向に流通する流体（旋回流）を遮ることにより、該流体を減速させて振動の増大を阻止するものである。また、このシール装置においては、スワールブレーカに取り付けたバッフル板に、旋回流の流通方向に沿って案内羽根が装着されている。そして、この案内羽によって旋回流を案内することで、該旋回流がラビリンスシールが侵入することを回避している。

特開２００８−３０３７６７号公報 特許第３４９２１０１号公報

ところで、スワールブレーカと回転体との摩擦による回転損失の発生を防止するため、該スワールブレーカの先端は、回転体に対して僅かに間隔をあけて配置されている。したがって、回転体の径方向におけるスワールブレーカの存在範囲においては旋回流を遮断することができる一方、スワールブレーカの先端と回転体との間には旋回流が流入する。この旋回流がシール部に到達する結果、軸振動に作用するシール励振力が発生してしまい、十分な振動抑制効果を得られないという問題があった。

なお、上記特許文献２のシール装置のように、案内羽根で旋回流を所望の方向に案内することで、旋回流がスワールブレーカの先端と回転体との間の隙間に流入することを回避することも考えられるが、案内羽根を別途設ける分だけシール装置自体の構成が複雑となり、生産コスト・メンテナンスコストが上昇してしまうという欠点がある。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、簡易な構成で振動抑制効果を安定的に得ることができるシール装置及び流体機械を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
即ち、本発明に係るシール装置は、ケーシングと該ケーシング内部に回転可能に配された回転体の外周面との間に形成される該回転体の径方向の隙間を封止して、高圧側から低圧側に向かって流通する流体を規制するシール部と、該シール部の高圧側において、前記ケーシングから前記外周面に向かって延出し、前記隙間を周方向に流通する流体を規制するスワールブレーカとを備え、 前記回転体に、前記外周面が高圧側から低圧側に向かうに従って縮径するようにして形成された段差部が設けられ、前記スワールブレーカは、前記段差部よりも低圧側に位置する前記外周面に向かって延出しており、該スワールブレーカの先端が、少なくとも前記段差部よりも高圧側に位置する前記外周面と同一の前記径方向位置まで達していることを特徴とする。

このような特徴のシール装置によれば、回転体における段差部の高圧側の外周面によって流体の周方向の流れ、即ち、旋回流の全てをスワールブレーカに誘導することができる。したがって、スワールブレーカと回転体との間に旋回流が流入してしまうことを抑制することができる。さらに、スワールブレーカ及びシール部に加えて、回転体に段差部を形成する加工を施すのみで上記作用を得ることができるため、別途部材を設ける必要はない。

また、本発明に係るシール装置においては、前記スワールブレーカの先端が、前記段差部の高圧側に位置する前記外周面よりも前記径方向内側に達しているこのが好ましい。

このような構成によれば、段差部の高圧側の外周面とスワールブレーカの先端とが回転体の径方向に隔てられる。これにより、旋回流がスワールブレーカの先端に到達し難くなり、該スワールブレーカと回転体との隙間に旋回流が流入してしまうことをより一層抑制することができる。

さらに、本発明に係るシール装置においては、前記スワールブレーカの先端と前記外周面との前記径方向の間隔が、前記スワールブレーカと前記段差部との間の前記回転体の軸線方向の間隔と略同一に設定されていることが好ましい。

スワールブレーカの先端と回転体の外周面との間隔は、該隙間に旋回流が流入することを防止する観点から、通常、極めて狭小に設定される。したがって、このようなスワールブレーカの先端と回転体の外周面との間隔に対して、スワールブレーカと段差部との間隔を略同一に設定することによって、これらスワールブレーカと段差部との間に旋回流が流入することを抑制することができ、ひいては、スワールブレーカと回転体との間に旋回流が流入してしまうことをより確実に防止することができる。

また、本発明に係るシール装置においては、前記シール部が前記回転体の軸線方向に複数設けられるとともに、各シール部の高圧側にそれぞれ前記スワールブレーカが設けられ、これらスワールブレーカに対応するようにして、前記回転体が複数の前記段差部を備えるものであってもよい。

ここで、スワールブレーカによって旋回流を抑制したとしても、回転体の回転に流体が連れ回ることで該スワールブレーカの低圧側において再度旋回流が発生することがある。これに対し、シール部、スワールブレーカを、高圧側から低圧側に向かって複数組配置した構成とすることにより、最も高圧側に配置されたスワールブレーカの低圧側に発生した旋回流を効果的に抑制し、軸系全体として安定した振動抑制効果を得ることができる。

また、本発明に係る流体機械は、ケーシングと該ケーシングの内部に回転可能に配された回転体とを備え、前記ケーシングの内部に流体が流通する流体機械において、上記いずれかのシール装置を備えたことを特徴とする。

これにより、回転体における段差部の高圧側の外周面によって旋回流をスワールブレーカに誘導することができるため、当該スワールブレーカと回転体との隙間に旋回流が流入してしまうことを抑制することができる。

さらに、本発明における流体機械は、前記回転体の外周面は、インペラのシュラウドの外周面であって、該シュラウドの外周面に前記段差部が設けられているものであってもよい。

これにより、インペラ入口付近におけるインペラ外周部、即ち、インペラのシュラウドの外周面とケーシングとの間のシール装置における、旋回流に基づく振動を抑制することができる。また、特に、インペラのシュラウドの外周面は設計変更を容易に施すことができるため、本発明のシール装置を容易に適用することができる。

また、本発明に係る流体機械は、前記回転体の外周面は、バランスピストンの外周面であって、該バランスピストンの外周面に前記段差部が設けられているものであってもよい。

これにより、バランスピストンの外周面とケーシングとの間のシール装置における、旋回流に基づく振動を抑制することができる。

本発明のシール装置及び流体機械によれば、回転体の外周面に段差部を形成するとともに該回転体における段差部よりも高圧側に位置する外周面によって旋回流をスワールブレーカに誘導することにより、該スワールブレーカと回転体との間に旋回流が流入してしまうことを抑制することができる。したがって、別途部材等を設けることなく、簡易な構成で振動抑制効果を安定的に得ることが可能となる。

第一実施形態に係るシール装置を備えた圧縮機の要部断面図である。 図１におけるシール装置の拡大図である。 第二実施形態に係るシール装置を備えた圧縮機の概略構成図である。 図３におけるシール装置の拡大図である 第三実施形態に係るシール装置を備えた圧縮機の要部拡大図である。 蒸気タービンにシール装置を適用した例を説明する図である。

（第一実施形態）
以下、本発明の第一実施形態について図１及び図２を参照して詳細に説明する。本実施形態においては、シール装置１を圧縮機（流体機械）１０におけるインペラ１４のシュラウド１７とケーシング１１との間の隙間Ｓに適用した例を示す。
図１に示すように、圧縮機１０は、ケーシング１１と、ロータ１３及びインペラ１４を有する回転体１２とを備えている。

ケーシング１１は圧縮機１０の外観形状をなす筒型のものであって、該ケーシング１１の内部にはその中心を貫くようにしてロータ１３が配されている。このケーシング１１の両側には、それぞれラジアル軸受（図示省略）及びスラスト軸受（図示省略）が配置されており、これらラジアル軸受及びスラスト軸受によってロータ１３が支持されることで回転体１２がその軸線Ｏ回りに回転可能とされている。

インペラ１４は、いわゆるクローズドインペラと称されるものであって、ハブ１５と、複数のブレード１６と、シュラウド１７とを備えている。
ハブ１５は筒状に形成された円盤部材であり、上記ロータ１３が同軸状に貫通するようにして該ロータ１３に一体に固定されている。このハブ１５の外周面１５ａは、軸線Ｏ方向一方側（図１における左側）において小径に形成されており、該軸線Ｏ方向他方側（図１における右側）に向かうに従って漸次拡径するような形状をなしている。

ブレード１６は、三次元形状に湾曲した羽根状の部位であり、ハブ１５の外周面１５ａから軸線Ｏ径方向（以下単に径方向と称する）外側に向けて、外周面１５ａ面に沿うようにして延出している。このようなブレード１６は、軸線Ｏ周方向（以下、単に周方向と称する）に複数設けられている。

シュラウド１７は、円筒状に形成された部位であって、ハブ１５の外周面１５ａに沿って各ブレード１６の径方向外周側を連結するようにして覆っている。このシュラウド１７の外周面１８は、軸線Ｏ方向他方側に向かうに従って漸次拡径する形状をなしている。

このような構成のインペラ１４は、ハブ１５とシュラウド１７とブレード１６との間に画成される空間が流体の流路とされており、軸線Ｏ方向一方側において該軸線Ｏ方向に向けて開口する部分がガス流入部１４ａとされ、軸線Ｏ方向他方側において径方向に向けて開口する部分がガス流出部１４ｂとされている。

また、上記ケーシング１１には、流体を外部から吸引するための吸入口（図示省略）が設けられており、該吸入口に吸引された流体は、吸入流路１１ａを通過することで軸線Ｏ方向に向きを変えられてインペラ１４のガス流入部１４ａに導入される。一方、ガス流出部１４ｂから流出する圧縮された流体は、ケーシング１１に設けられたディフューザ部１１ｂを介して径方向外側に導出される。

ここで、ケーシング１１における上記シュラウド１７に対向する面は、軸線Ｏ方向一方側から他方側に向かうに従って漸次拡径するシュラウド対向面１１ｃとされており、該シュラウド対向面１１ｃとシュラウド１７の外周面１８との間には、隙間Ｓが形成されている。

ここで、インペラ１４においては、ガス流入部１４ａから流入した流体が圧縮されてガス流出部１４ｂから流出することから、ガス流入部１４ａ側に比べてガス流出部１４ｂ側が高圧となる。したがって、上記隙間Ｓにおいては、高圧側とされたインペラ１４出口側（ガス流出部１４ｂ側）から、低圧側とされたインペラ１４入口側（ガス流入部１４ａ側）に向かって流体が流通する。そして、本実施形態のシール装置１は、このように流体が流通する隙間Ｓをシールするために用いられている。

以下、図２を参照して、シール装置１について説明する。このシール装置１は、上記隙間Ｓにおける軸線Ｏ方向一方側、即ち、該隙間Ｓにおける低圧側の領域に設けられており、ラビリンスシール（シール部）２と、スワールブレーカ３とを備えている。さらに、このシール装置１においては、上記インペラ１４におけるシュラウド１７の外周面１８が該シール装置１の構成要素とされている。

ラビリンスシール２は、ケーシング１１におけるシュラウド対向面１１ｃから径方向内側に向かって延出する環状フィン２ａが、軸線Ｏ方向に複数連設されることで構成されている。本実施形態において、これら環状フィン２ａは、シュラウド１７の外周面１８における小径外周面１８ａに対向するように延出しており、即ち、ラビリンスシール２は小径外周面１８ａに径方向に対向して設けられている。これにより、ラビリンスシール２は、隙間Ｓにおける小径外周面１８ａの存在領域を封止して、当該隙間Ｓ内を軸線Ｏ方向他方側から一方側に、即ち、高圧側から低圧側に流体が漏出してしまうことを防止している。

スワールブレーカ３は、ラビリンスシール２の軸線Ｏ方向他方側、即ち、高圧側において、シュラウド対向面１１ｃから径方向内側に向かって延出する板状の部材であって、軸線Ｏ周方向に間隔をあけて複数設けられている。このスワールブレーカ３は、ラビリンスシール２の環状フィン２ａ同様、シュラウド１７の外周面１８における小径外周面１８ａに向かって延出している。

そして、本実施形態においては、上記のようにシュラウド対向面１１ｃから径方向内側に向かって延出するスワールブレーカ３の先端３ａは、大径外周面１８ｂよりも径方向内側に達しており、即ち、段差面１９の高圧側の外周面１８よりも径方向内側に達している。より具体的には、スワールブレーカ３の先端３ａが大径外周面１８ｂと段差面１９との境界（大径外周面１８ｂの低圧側の端部）よりも径方向内側に達しているのである。

したがって、スワールブレーカ３を軸線Ｏ方向から見た際には、スワールブレーカ３の先端３ａが大径外周面１８ｂよりも径方向内側に向かって入り込んだ状態となり、即ち、スワールブレーカ３と段差面１９とが軸線Ｏ方向に互いに重なることになる。
なお、スワールブレーカ３の先端３ａと小径外周面１８ａとの径方向の間隔、及び、スワールブレーカ３と段差面１９との軸線Ｏ方向の間隔は、後述する旋回流Ｃの流入を防止すべく狭小に形成されるが、特に、スワールブレーカ３と段差面１９との軸線Ｏ方向の間隔は、スワールブレーカ３の先端３ａと小径外周面１８ａとの径方向の間隔と略同一に設定されていることが好ましい。

次に、シール装置１の作用について説明する。ロータ１３が回転すると、インペラ１４におけるシュラウド１７の外周面１８周囲の流体には、回転体１２から回転接線方向にせん断力が作用し、このせん断力の作用によって周方向の速度成分を有する旋回流Ｃが発生する。この旋回流Ｃが、隙間Ｓの軸線Ｏ方向両側の圧力差によって、高圧側から低圧側に向かって、即ち、シュラウド１７の大径外周面１８ｂに沿って軸線Ｏ方向他方側から一方側に向かって流通する。

ここで、本実施形態においては、スワールブレーカ３が大径外周面１８ｂよりも径方向内側に向かって入り込んいるため、隙間Ｓ内を高圧側から低圧側に向かって大径外周面１８ｂに沿って流通する旋回流Ｃが、該大径外周面１８ｂによってスワールブレーカ３へと誘導される。したがって、大径外周面１８ｂに沿って流通する旋回流Ｃの全てをスワールブレーカ３によって遮ることができるため、スワールブレーカ３と小径外周面１８ａとの間に旋回流Ｃが流入してしまうことを抑制することができる。これによって、旋回流Ｃがラビリンスシール２に到達してしまうことを防止することができるため、軸系の固有振動数が励起されることはなく、インペラ１４を振動のない状態で安定的に回転させることが可能となる。

また、本実施形態においては、スワールブレーカ３の先端３ａが大径外周面１８ｂよりも径方向内側に達していることから、該スワールブレーカ３の先端３ａと大径外周面１８ｂとが径方向に隔てられている。これにより、旋回流Ｃがスワールブレーカ３の先端３ａに到達し難くなるため、該スワールブレーカ３と小径外周面１８ａとの間に旋回流Ｃが流入してしまうことをより一層抑制することができる。

ここで、スワールブレーカ３の先端３ａと小径外周面１８ａの外周面１８との間隔は、旋回流Ｃが流入してすることを防止する観点から、通常、極めて狭小に設定される。したがって、スワールブレーカ３の先端３ａと小径外周面１８ａとの間隔に対して、スワールブレーカ３と段差面１９との間隔を略同一に設定した場合には、これらスワールブレーカ３と段差面１９との間に旋回流Ｃが流入することを防止することができ、ひいては、スワールブレーカ３と小径外周面１８ａとの間に旋回流Ｃが流入してしまうことをより確実に防止することができる。

また、本実施形態のシール装置１は、ラビリンスシール２及びスワールブレーカ３に加えて、比較的設計変更の容易なシュラウド１７の外周面１８に、小径外周面１８ａ、大径外周面１８ｂ及び段差面１９を形成する加工を施すのみで実現することができるため、ラビリンスシール２及びスワールブレーカ３以外の他の部材を別途追加することなく、簡易な構成でもってスワールブレーカ３と小径外周面１８ａとの間に旋回流Ｃが流入してしまうことを抑制することができる。

なお、本実施形態においては、スワールブレーカ３の先端３ａが大径外周面１８ｂよりも径方向内側に達している構成としたが、該スワールブレーカ３の先端３ａは少なくとも大径外周面１８ｂと同一の径方向位置まで達していればよく、即ち、スワールブレーカ３の先端３ａと、大径外周面１８ｂの低圧側の端部との径方向位置が一致していてもよい。この場合も、旋回流Ｃを大径外周面１８ｂによってスワールブレーカ３に誘導することができるため、旋回流Ｃがスワールブレーカ３の先端３ａと小径外周面１８ｂとの間に流れ込むことを抑制することができる。

（第二実施形態）
次に第二実施形態について図３及び図４を参照して詳細に説明する。本実施形態においては、シール装置１をいわゆるバックツーバック型の圧縮機（流体機械）２０におけるバランスピストン２９とケーシング２８との隙間Ｓに適用した例を示す。
図３に示すように、本実施形態の圧縮機２０は、ロータ２１と、低圧セクション２２と、高圧セクション２５と、バランスピストン（回転体）２９と、ケーシング２８とを備えている。

ロータ２１は、ケーシング２８に対して、例えばその両端がラジアル軸受（図示略）及びスラスト軸受（図示略）により支持されることで軸線Ｏ回りに回転可能とされている。

低圧セクション２２は、低圧側インペラ２３と、ケーシング２８に掘設されたガス流路２４とから構成されている。
低圧側インペラ２３は、ハブ、ブレード及びシュラウドによって画成されたガス通路を有しており、該ガス通路のロータ２１側がガス入口２３ａとされるとともにロータ２１から離間した側がガス出口２３ｂとされている。この低圧側インペラ２３は、ガス入口２３ａを軸線Ｏ一方側（図３における左側）に向けた状態で配置されている。

ガス流路２４は、図示しないガス源と低圧側インペラ２３のガス入口２３ａとを結ぶ低圧吸入路２４ａと、低圧側インペラ２３のガス出口２３ｂから系外へ連通する低圧吐出路２４ｂとを備えている。

高圧セクション２５は、高圧側インペラ２６と、ケーシング２８に掘設されたガス流路２７とから構成されている。
高圧側インペラ２６は、ハブ、ブレード及びシュラウドによって画成されたガス通路を有しており、該ガス通路のロータ２１側がガス入口２６ａとされるとともにロータ２１から離間した側がガス出口２６ｂとされている。この高圧側インペラ２６は、ガス入口２６ａを軸線Ｏ他方側（図３における右側）に向けた状態で配置されている。したがって、低圧セクション２２の低圧側インペラ２３と、高圧セクション２５の高圧側インペラ２６とは、背中合わせに対向して配置されており、このように配置された圧縮機２０は、バックツーバック（Ｂａｃｋ Ｔｏ Ｂａｃｋ）型と称されている。

ガス流路２７は、低圧吐出路２４ｂから系外のインタークーラ等の機器を経由して導入されたガスを、高圧側インペラ２６のガス入口２６ａへ連通する高圧吸入路２７ａと、該高圧側インペラ２６のガス出口２６ｂから系外へ連通する高圧吐出路２７ｂとを備えている。

バランスピストン２９は、低圧セクション２２と高圧セクション２５との間に設けられている。このバランスピストン２９は、略円筒形状をなしており、ロータ２１の外周側に外嵌されることで該ロータ２１に対して一体に固定されている。このバランスピストン２９は、低圧側インペラ２３と高圧側インペラ２６との圧力差によって生じる軸線Ｏ方向一方側に向かっての荷重に抗することで、ロータ２１の軸線Ｏ方向の荷重バランスを調整する役割を有している。

このバランスピストン２９の外周面３０は、その軸線Ｏ方向他方側の端部付近を除く軸線Ｏ方向全域に当たる部分が小径外周面３０ａとされている。また、外周面３０における小径外周面３０ａの軸線Ｏ方向他方側（高圧側）に位置する部分、即ち、軸線Ｏ方向他方側の端部付近の部分が、該小径外周面３０ａから一段拡径する大径外周面３０ｂとされている。換言すれば、バランスピストン２９の軸線Ｏ方向一方側の端部にフランジ状をなす大径外周面３０ｂが設けられており、該大径外周面３０ｂを除く部分全域が該大径外周面３０ｂよりも一段縮径した小径外周面３０ａとされているのである。

そして、これら小径外周面３０ａと大径外周面３０ｂとの遷移領域である軸線Ｏ方向一方側を向く面は、該軸線Ｏに直交する平坦状をなす段差面（段差部）３１とされている。即ち、バランスピストン２９においては、その外周面３０が軸線Ｏ方向他方側（高圧側）から一方側（低圧側）に向かうに従って一段縮径するようにして形成された段差面３１が設けらており、該段差面３１よりも軸線Ｏ方向一方側に位置する外周面１８が小径外周面３０ａとされており、段差面３１よりも軸線Ｏ方向他方側に位置する外周面３０が大径外周面３０ｂとされている。

ここで、ケーシング２８におけるバランスピストン２９の外周面３０に対向する面は、ピストン対向面２８ａとされており、これらバランスピストン２９の外周面３０とケーシング２８のピストン対向面２８ａとの間には、隙間Ｓが形成されている。この隙間Ｓにおいては、高圧セクション２５の高圧側インペラ２６側から低圧セクション２２の低圧側インペラ２３側に向かって流体が流通する。そして、本実施形態において、シール装置１は、このように流体が流通する隙間Ｓをシールするために用いられている。

以下、図４を参照して、シール装置１について説明する。第二実施形態のシール装置１は第一実施形態と同様、ラビリンスシール（シール部）２と、スワールブレーカ３とを備えており、さらに、上記バランスピストン２９の外周面３０が該シール装置１の構成要素とされている。

ラビリンスシール２は、ケーシング２８におけるピストン対向面２８ａから径方向内側に向かって延出する環状フィン２ａが、軸線Ｏ方向に複数連設されることで構成されている。本実施形態において、これら環状フィン２ａは、バランスピストン２９の外周面３０における小径外周面３０ａに対向するように延出しており、即ち、ラビリンスシール２は小径外周面１８ａ全域に対して径方向に対向して設けられている。これにより、ラビリンスシール２は、隙間Ｓを封止して、当該隙間Ｓ内を軸線Ｏ方向他方側から一方側に、即ち、高圧側から低圧側に流体が漏出してしまうことを防止している。

スワールブレーカ３は、ラビリンスシール２の軸線Ｏ方向他方側、即ち、高圧側において、ピストン対向面２８ａから径方向内側に向かって延出しており、軸線Ｏ周方向に間隔をあけて複数設けられている。このスワールブレーカ３は、ラビリンスシール２の環状フィン２ａ同様、ピストン対向面２８ａにおける小径外周面１８ａに向かって延出しており、即ち、段差面３１の低圧側の外周面３０に向かって延出している。

そして、本実施形態においては、ピストン対向面２８ａから径方向内側に向かって延出するスワールブレーカ３の先端３ａは、大径外周面３０ｂよりも径方向内側に達しており、即ち、スワールブレーカ３の先端が大径外周面３０ｂと段差面３１との境界（大径外周面３０ｂの低圧側の端部）よりもＯ径方向内側に達しているのである。

したがって、スワールブレーカ３を軸線Ｏ方向から見た際には、スワールブレーカ３の先端３ａが大径外周面３０ｂよりも径方向内側に向かって入り込んだ状態となり、第一実施形態と同様、スワールブレーカ３と段差面３１とが軸線Ｏ方向に互いに重なることになる。
なお、スワールブレーカ３と段差面３１との軸線Ｏ方向の間隔は、スワールブレーカ３の先端３ａと小径外周面３０ａとの径方向の間隔と略同一に設定されていることが好ましい。

このような第二実施形態のシール装置１においても、第一実施形態と同様、スワールブレーカ３が大径外周面３０ｂよりも径方向内側に向かって入り込んいるため、隙間Ｓに入り込んだ旋回流Ｃが、該大径外周面３０ｂによってスワールブレーカ３へと誘導される。したがって、大径外周面３０ｂに沿って流通する旋回流Ｃの全てをスワールブレーカ３によって遮ることができるため、スワールブレーカ３と小径外周面１８ａとの間に旋回流Ｃが流入してしまうことを抑制することができる。これによって、旋回流Ｃがラビリンスシール２に到達してしまうことを防止することができるため、軸系の固有振動数が励起されることはなく、バランスピストン２９を振動のない状態で安定的に回転させることが可能となる。

なお、本実施形態においても、スワールブレーカ３の先端３ａは少なくとも大径外周面３０ｂと同一の径方向位置まで達していればよい。この場合も、旋回流Ｃを大径外周面３０ｂによってスワールブレーカ３に誘導することができるため、旋回流Ｃがスワールブレーカ３の先端３ａと小径外周面３０ａとの間に流れ込むことを抑制することができる。

（第三実施形態）
次に第三実施形態について図５を参照して詳細に説明する。第三実施形態のシール装置４０は、第二実施形態と同様、圧縮機２０におけるバランスピストン２９とケーシング２８との隙間Ｓに配置されている。そして、第二実施形態のシール装置１がそれぞれ単一のラビリンスシール２及びスワールブレーカ３を配置した構成であるのに対して、本実施形態のシール装置４０は、複数（本実施形態では２つ）のラビリンスシール２（２Ａ，２Ｂ）及びスワールブレーカ３（３Ａ，３Ｂ）を備えている。そして、これに伴って、バランスピストン２９の外周面３２は多段状に形成されている。

即ち、本実施形態のバランスピストン２９の外周面３２は、高圧側（軸線Ｏ方向他方側）から低圧側（軸線Ｏ方向一方側）に向かって、第一外周面３２ａと、該第一外周面３２ａよりも一段縮径した第二外周面３２ｂと、該第二外周面３２ｂよりもさらに一段縮径した第三外周面３２ｃとが順に配置された構成とされている。そして、第一外周面３２ａと第二外周面３２ｂとの遷移領域である低圧側を向く面が第一段差面（段差部）３３ａとされ、第二外周面３２ｂと第三外周面３２ｃとの遷移領域である低圧側を向く面が第二段差面（段差部）３３ｂとされている。

ラビリンスシール２Ａ，２Ｂは第二実施形態と同様、ケーシング２８のピストン対向面２８ａから径方向内側に延出する複数の環状フィン２ａから構成されており、第一のラビリンスシール２Ａは第二外周面３２ｂに対向するように設けられ、第二のラビリンスシール２Ｂは第三外周面３２ｃに対向するように設けられている。

また、２つのスワールブレーカ３Ａ，３Ｂのうち、第一のスワールブレーカ３Ａは、第一のラビリンスシール２Ａの高圧側において第二外周面３２ｂに向かって延出するように配置されており、第二のスワールブレーカ３Ｂは、第二のラビリンスシール２Ｂの高圧側において第三外周面３２ｃに向かって延出するように配置されている。

そして、本実施形態においても、第一のスワールブレーカ３Ａの先端３ａは、第一外周面３２ａよりも径方向内側に達しており、第二のスワールブレーカ３Ｂの先端３ａは第二外周面３２ｂよりも径方向内側に達している。

このような構成の第三実施形態のシール装置４０によれば、隙間Ｓの高圧側から入り込んだ旋回流は、該大径外周面３０ｂによってスワールブレーカ３へと誘導される。これにより、第一のスワールブレーカ３Ａを越えて第一のラビリンスシール２Ａに旋回流Ｃが流入することが防止される。

ここで、第一のスワールブレーカ３Ａによって旋回流Ｃを抑制したとしても、バランスピストン２９の回転に流体が連れ回ることで該第一のスワールブレーカ３Ａの低圧側、即ち、第一のラビリンスシール２Ａと第二外周面３２ｂとの間に旋回流Ｃが発生することがある。この点、本実施形態においては、第一のラビリンスシール２Ａの低圧側に第二のスワールブレーカ３Ｂが配置されているため、第二外周面３２ｂによって旋回流Ｃが第二のスワールブレーカ３Ｂに誘導することができる。

このようにして、ラビリンスシール２、スワールブレーカ３を、高圧側から低圧側に向かって複数組配置した構成とすることにより、最も高圧側に配置されたスワールブレーカ３の低圧側に発生した旋回流を効果的に抑制することができる。したがって、シール装置４０を設ける隙間Ｓが軸線Ｏ方向にわたって長く形成されている場合であっても、旋回流Ｃを効果的に抑制して、軸系全体として安定した振動抑制効果を得ることができる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない限り、これらに限定されることはなく、多少の設計変更等も可能である。

例えば、実施形態においては、シール部としてラビリンスシール２を採用した例について説明したが、このラビリンスシール２に代えてハニカム構造を備えたダンパーシールを採用してもよい。

また、第一実施形態におけるシュラウド１７とケーシング１１との隙間Ｓに設けたシール装置１においても、第三実施形態と同様、複数のラビリンスシール２及びスワールブレーカ３を設け、これらに対応して外周面１８を複数段構成にしてもよい。

さらに、ラビリンスシール２をケーシング１１，２８に設けるのに代えて、回転体側、即ち、シュラウド１７やバランスピストン２９に設けてもよい。

また、実施形態においては、シール装置１を圧縮機１０，２０に適用した例について説明したが、例えば図６に示すように、蒸気タービンに適用してもよい。
この図６の蒸気タービン５０は、ケーシング５５に固定されている仕切板５６にノズルが組み込まれており、ノズルを通過した蒸気が動翼を通過する際のスラスト力によりロータ軸（回転体）５１を回転させる構成とされている。

さらに、ケーシング５５とロータ軸５１との間にはラビリンスシール２が設けられており、このラビリンスシール２の高圧側、即ち、軸線Ｏ他方側（図６の左側）には、ロータ軸５１の外周面が一段拡径するようにして設けられた段差面５１ａ及び大径外周面５１ｂが形成されている。そして、ラビリンスシール２と大径外周面５１ｂとの間には、ケーシング５５からロータ軸５１に向かって延出するようにスワールブレーカ３が設けられている。このスワールブレーカ３の先端３ａは大径外周面５１ｂよりも径方向内側に達している。

これにより、高圧側から低圧側に向かって流通する旋回流Ｃを、大径外周面５１ｂによってスワールブレーカ３に誘導することができるため、実施形態と同様、該旋回流Ｃがラビリンスシール２に流れ込むことを抑制することができる。なお、この蒸気タービン５０においても、シール装置１に代えて第三実施形態のようにラビリンスシール２及びスワールブレーカ３をそれぞれ複数備えたシール装置４０を適用してもよい。

さらに、シール装置１，４０は、圧縮機、蒸気タービンに適用するのみならず、例えば、ガスタービン、水車、冷凍機、ポンプ等の他の流体機械に適用してもよい。

１ シール装置
２ ラビリンスシール（シール部）
２Ａ ラビリンスシール（シール部）
２Ｂ ラビリンスシール（シール部）
２ａ 環状フィン
３ スワールブレーカ
３Ａ スワールブレーカ
３Ｂ スワールブレーカ
３ａ 先端
１０ 圧縮機
１１ ケーシング
１１ｃ シュラウド対向面
１２ 回転体
１３ ロータ
１４ インペラ
１７ シュラウド
１８ 外周面
１８ａ 小径外周面
１８ｂ 大径外周面
１９ 段差面（段差部）
２０ 圧縮機
２１ ロータ
２８ ケーシング
２８ａ ピストン対向面
２９ バランスピストン
３０ 外周面
３０ａ 小径外周面
３０ｂ 大径外周面
３１ 段差面
３２ 外周面
３２ａ 第一外周面
３２ｂ 第二外周面
３２ｃ 第三外周面
３３ａ 第一段差面
３３ｂ 第二段差面
４０ シール装置
５０ 蒸気タービン
５１ ロータ軸（回転体）
５１ａ 段差面（段差部）
５１ｂ 大径外周面
５５ ケーシング

Claims (7)

1. ケーシングと該ケーシング内部に回転可能に配された回転体の外周面との間に形成される該回転体の径方向の隙間を封止して、高圧側から低圧側に向かって流通する流体を規制するシール部と、
   該シール部の高圧側において、前記ケーシングから前記外周面に向かって延出し、前記隙間を周方向に流通する流体を規制するスワールブレーカとを備え、
   前記回転体に、前記外周面が高圧側から低圧側に向かうに従って縮径するようにして形成された段差部が設けられ、
   前記スワールブレーカは、前記段差部よりも低圧側に位置する前記外周面に向かって延出しており、
   該スワールブレーカの先端が、少なくとも前記段差部よりも高圧側に位置する前記外周面と同一の前記径方向位置まで達していることを特徴とするシール装置。
2. 前記スワールブレーカの先端が、前記段差部の高圧側に位置する前記外周面よりも前記径方向内側に達していることを特徴とする請求項１に記載のシール装置。
3. 前記スワールブレーカの先端と前記外周面との前記径方向の間隔が、前記スワールブレーカと前記段差部との間の前記回転体の軸線方向の間隔と略同一に設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のシール装置。
4. 前記シール部が前記回転体の軸線方向に複数設けられるとともに、各前記シール部の高圧側にそれぞれ前記スワールブレーカが設けられ、
   これらスワールブレーカに対応するようにして、前記回転体に複数の前記段差部が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のシール装置。
5. ケーシングと該ケーシングの内部に回転可能に配された回転体とを備え、前記ケーシングの内部に流体が流通する流体機械において、
   請求項１から４のいずれか一項に記載のシール装置を備えることを特徴とする流体機械。
6. 前記回転体の外周面は、インペラのシュラウドの外周面であって、
   該シュラウドの外周面に前記段差部が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の流体機械。
7. 前記回転体の外周面は、バランスピストンの外周面であって、
   該バランスピストンの外周面に前記段差部が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の流体機械。

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