JP2015135095A - シール装置、及び回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータとケーシングとの間の間隙を流通する流体に対するシール効果を高める。【解決手段】軸線回りに回転するロータと、ロータを外周側から囲むステータとの間の間隙をシールするシール装置であって、間隙を画成するロータの外周面に形成され、周方向にわたって延びる第一溝部と、ケーシングの内周面に、第一溝部と対応するように、周方向にわたって延びる第二溝部と、を備え、第一溝部と前記第二溝部は、径方向に互いに一部のみが重なり合っていることを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、シール装置、及びこのシール装置を備える回転機械に関する。

回転機械の一つとして流体を昇圧する遠心ポンプが広く知られている。この遠心ポンプにおいては、ケーシング内部に設けられた羽根車（インペラ）の回転によって吸引口から吸引された流体が昇圧され、該昇圧された流体が吐出口から吐出される。
このような遠心ポンプにおいて、例えば、羽根車の口金部に口金シールを設けることによって、羽根車で昇圧された流体の漏れ量の低減が図られている。即ち、ケーシングと羽根車との間に形成されている間隙を介して、高圧側の羽根車の出口側から低圧側の羽根車の入口側に流体が漏れることを抑制している。このような各種シールには、例えば、ダンパーシールやラビリンスシール等が用いられている（例えば特許文献１参照）。

ラビリンスシールは、回転体である羽根車と間隙を有して対向する環状の静止体であるケーシングから、羽根車に向かって突出する突出部を複数配設したものである。このラビリンスシールでは、突出部の先端近傍を流れる流体に圧力損失を生じさせることにより流体の漏れを低減し、遠心ポンプの効率を向上させている。

特開２００６−２２６８１号公報

しかしながら、遠心ポンプの性能向上のためには、さらにシール効果を高めて効率を向上させることが求められている。

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、ロータとケーシングとの間の間隙を流通する流体に対するシール効果を高めることができる回転機械を提供することにある。

本発明の第一の態様に係るシール装置は、軸線回りに回転するロータと、ロータを外周側から囲むステータとの間の間隙をシールするシール装置であって、間隙を画成するロータの外周面に形成され、周方向にわたって延びる第一溝部と、ケーシングの内周面に、第一溝部と対応するように、周方向にわたって延びる第二溝部と、を備え、第一溝部と第二溝部は、径方向に互いに一部のみが重なり合っていることを特徴とする。

上記構成によれば、第一溝部及び第二溝部で生じる渦流れが、回転軸の径方向外側から内側に向かって流れる渦流れが、さらに間隙を介して流入するとともに回転軸の軸線方向に流れるリーク流と交差してこれを阻害するため、流体に対するシール効果をより高めることができる。

また、溝部によってロータとステータとの間の間隔が急拡大・急縮小することによって、流体に対して広がり損失・縮小損失が与えられる。これにより、流体に対するシール効果を高めることができる。

上記回転機械において、第一溝部は、第二溝部よりも、軸線方向における流体の流通する上流側に形成されることで、前記第一溝部と前記第二溝部とが径方向に互いに一部のみが重なり合う構成としてもよい。

上記構成によれば、第一溝部及び第二溝部で生じる渦流れが、回転軸の径方向外側から内側に向かって流れる渦流れが、さらに間隙を介して流入するとともに回転軸の軸線方向に流れるリーク流と交差してこれを阻害するため、流体に対するシール効果をより高めることができる。
また、ロータとステータとの間の間隔の拡大・縮小幅が大きくなるため、よりシール効果を高めることができる。

上記回転機械において、第二溝部は、第一溝部よりも、軸線方向における流体の流通する上流側に形成されることで、前記第二溝部と前記第一溝部とが径方向に互いに一部のみが重なり合う構成としてもよい。

上記構成によれば、第一溝部及び第二溝部で生じる渦流れが、回転軸の径方向外側から内側に向かって流れる渦流れが、さらに間隙を介して流入するとともに回転軸の軸線方向に流れるリーク流と交差してこれを阻害するため、流体に対するシール効果をより高めることができる。

また、ロータとステータとの間の間隔の拡大・縮小幅が大きくなるため、よりシール効果を高めることができる。

本発明によれば、ロータとステータとの間の間隙を流通する流体に対するシール効果を高めることができる。

本発明の第一実施形態の遠心ポンプの概略を説明する断面図である。 本発明の第一実施形態の遠心ポンプの周辺を拡大した図である。 本発明の第一実施形態の遠心ポンプのケーシングと羽根車の間の間隙に設けられたシール装置を説明する図である。 本発明の第一実施形態における遠心ポンプのシール装置の断面図である。 本発明の第二実施形態における遠心ポンプのシール装置の断面図である。 本発明に係るシール装置の第一溝部と第二溝部の変位量を示す図である。 本発明に係るシール装置の第一溝部と第二溝部の変位量による圧力損失の変化を表すグラフである。

（第一実施形態）
以下、本発明の第一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態では、回転機械の一例として、羽根車（インペラ）を複数備えた多段式の遠心ポンプを例に挙げて説明する。
図１に示すように、遠心ポンプ１は、例えば給水ポンプであり、本実施形態では多段ポンプとなっている。そしてこの遠心ポンプ１は、外部ケーシング６と、外部ケーシング６の内部に配置されている内部ケーシング５（ステータ）と、内部ケーシング５を貫通するように配置された軸線Ｏを中心に延在する回転軸２と、キーを介して回転軸２に一体回転可能に固定され、回転軸２とともにロータを構成する両吸込インペラ１１及び複数の羽根車３とを主に備えている。

外部ケーシング６は、中空形状をなし、径方向内側に向かって流体を吸い込む吸込口９と、径方向外側に向かって流体を吐き出す吐出口１０が形成されている。

また、外部ケーシング６の一端部（図１の左端部）にケーシングカバー５３が装着されているとともに、外部ケーシング６の他端部にケーシングカバー５４が装着され、ケーシングカバー５３，５４がそれぞれ複数の締結ボルト５５，５６により固定されることで、外部ケーシング６、内部ケーシング５、及びケーシングカバー５３，５４が一体化されている。また、吸込口９には、不図示の復水回収ラインが連結され、吐出口１０には不図示の給水ラインが接続されている。

内部ケーシング５は、外部ケーシング６の内部に配置されており、複数のリング部材５ａを回転軸２の軸線Ｏ方向に配列した構成をなしている。またこの内部ケーシング５には、吸込口９及び吐出口１０にそれぞれ連通して、縮径及び拡径を繰り返す内部空間が設けられている。この内部空間には羽根車３が収容される。そして、羽根車３を収容した際に羽根車３同士の間となる位置に羽根車３を流通する流体Ｇを上流側から下流側に流通させるケーシング流路４が形成されており、吸込口９と吐出口１０とは羽根車３及びケーシング流路４を介して連通している。

回転軸２は、内部ケーシング５に収容された羽根車３及び両吸込インペラ１１が外嵌されて、これらと共に軸線Ｏを中心に回転する。またこの回転軸２は図示しない軸受によって外部ケーシング６及び内部ケーシング５に対して回転自在に支持されており、また図示しない原動機によって回転駆動される。

両吸込インペラ１１は、外部ケーシング６の内部に収容されており、吸込口９から流体Ｇを吸込むように構成されている。

複数の羽根車３は、両吸込インペラ１１よりも軸線Ｏ方向の下流側となる一方側（図１における紙面に向かって右側）で、内部ケーシング５における各々のリング部材５ａの内部に、回転軸２の軸線Ｏ方向に間隔を空けて収容されている。
また各々の羽根車３は、図１及び図２に示すように、吐出口１０側に進むにつれて漸次拡径した略円盤状のディスク１３と、ディスク１３の表面から回転軸２の外部ケーシング６の一端部となる軸線Ｏの他方側に立ち上がるように、ディスク１３に放射状に取り付けられて周方向に並んだ複数の羽根１４とを有している。さらにこの羽根車３は、軸線Ｏ方向の他方側からこれら複数の羽根１４を周方向に覆うように取り付けられたシュラウド１５を有している。
リング部材５ａにおける羽根車３のシュラウド１５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２３とされており、シュラウド１５とシュラウド対向面２３との間は、羽根車３と内部ケーシング５とが接触しないように間隙Ｓが形成されている。同様に、ディスク１３と内部ケーシング５に一体的に取り付けられた隔壁部材５ｂとの間にも間隙Ｓが形成されている。

さらに、羽根車３においては、ディスク１３の羽根１４の取付面とシュラウド１５の内壁面とで囲まれた空間が、上流側から送られてきた流体Ｇを昇圧する昇圧流路（流路）１７となっている。

ここで、各々の羽根車３間を繋ぐように、流体Ｇが段階的に昇圧されるように上記ケーシング流路４は形成されている。そして、両吸込インペラ１１の吐出側が図示しない給水経路を介して軸線Ｏ方向の他方側の端部に設けられた最前段の羽根車３の吸入側に接続され、各々の羽根車３の吐出側は隣接する羽根車３の吸入側にケーシング流路４を介して接続されている。また、軸線Ｏ方向の一方側の端部に設けられた最後段の羽根車３の吐出側は吐出口１０に接続されている。

そして、ケーシング流路４について詳細に説明すると、このケーシング流路４は、羽根車３の昇圧流路１７へ流体Ｇを導入する吸込流路１６と、昇圧流路１７から流体Ｇが導入されるディフューザ流路２０と、ディフューザ流路２０から流体Ｇが導入されるリターン流路１８とを有している。

吸込流路１６は、径方向外方から径方向内方に向かって流体Ｇを流した後、流体Ｇの向きを羽根車３の直前で回転軸２の軸線Ｏ方向に変換させる流路である。

ディフューザ流路２０は、径方向内方側が昇圧流路１７に連通しており、羽根車３によって昇圧された流体Ｇを径方向外側に向かって流通させる。このディフューザ流路２０には回転軸２の軸線Ｏを中心として周方向に等間隔に配置された複数のディフューザベーン５１が設けられている。

リターン流路１８は、一端側がディフューザ流路２０に連通し、他端側が吸込流路１６に連通するようになっている。このリターン流路１８は、ディフューザ流路２０を通って径方向外側に向かって流れてきた流体Ｇの向きを径方向内側に向くように反転させるコーナ部２１と、径方向外方から径方向内方に向かって延出するストレート部１９とを有している。

ストレート部１９は、内部ケーシング５に一体的に取り付けられた隔壁部材５ｂの下流側側壁１９ａと、リング部材５ａの上流側側壁１９ｂとで囲まれた流路である。また、ストレート部１９には、回転軸２の軸線Ｏを中心として周方向に等間隔に配置された複数のリターンベーン２２が設けられている。

ここで、羽根車３においては、流入部３ａから流入した流体が昇圧されて流出部３ｂから流出することから、流入部３ａ側に比べて流出部３ｂ側が高圧となる。したがって、間隙Ｓにおいては、高圧側とされた羽根車３出口側（流出部３ｂ側）から、低圧側とされた羽根車３入口側（流入部３ａ側）に向かう流体としてリーク流Ｌ（漏れ流）が流通する。
この間隙Ｓをシールするために、本実施形態の遠心ポンプ１にはシール装置２４，３４が設けられている。シール装置２４とシール装置３４は、同様の構成を有している。以下、羽根車３のシュラウド１５とシュラウド対向面２３との間をシールするシール装置２４を用いて、本実施形態のシール装置を説明する。

図３に示すように、シール装置２４は、間隙Ｓにおける軸線Ｏ方向一方側、即ち、間隙Ｓにおける低圧側の領域に設けられている。シール装置２４において、間隙Ｓはリーク流Ｌの下流側に向かって小径となる階段状に形成されている。即ち、間隙Ｓは三段のフラット部２５と、フラット部２５とフラット部２５とを接続する段差部２６とから構成されている。

フラット部２５は、軸線Ｏと同心の円筒形状に形成されたシュラウド１５の外周面と、軸線Ｏと同心の円筒形状に形成されたリング部材５ａの内周面との間に形成されている。換言すれば、間隙Ｓのフラット部２５は、円筒形状の空間であって、フラット部２５の径方向外周側に配置されたリング部材５ａの外周面と、フラット部２５の径方向内周側に配置されたシュラウド１５の外周面によって形成されている。
段差部２６は、各々のフラット部２５の間に設けられており、軸線Ｏに直交する二つの面である段差部対向面対向面２７，２８から構成されている。

各々のフラット部２５において、羽根車３のシュラウド１５の外周面には、周方向にわたって延びる第一溝部３０が形成されている。第一溝部３０は、周方向から見た断面形状が矩形状の溝条である。
図４及び図５に示すように、第一溝部３０は、軸線Ｏに直交する二つの面である第一溝部対向面３１，３２と底面３３とから構成されている。第一溝部対向面３１，３２は、リーク流Ｌの上流側の面である上流側溝部対向面３１と下流側の面である下流側溝部対向面３２とから構成されている。第一溝部３０は、フラット部２５の軸線Ｏ方向の中央に形成されている。
シュラウドケーシング５ａの内周面上には、周方向にわたって延びる第二溝部３８が形成されている。第二溝部３８の周方向から見た形状は、第一溝部３０と同一とされている。第二溝部３８の一部は、第一溝部３０と径方向において重なり合うように形成されている。軸線Ｏに直交する二つの面である二つの第二溝部対向面３９，４０と底面とから構成されている。

次に、以上のように構成された遠心ポンプ１による流体Ｇの昇圧について説明する。
各々の羽根車３が回転軸２と共に回転すると、吸込口９からケーシング流路４内に流入した流体Ｇは、吸込口９から一段目の羽根車３の昇圧流路１７、ディフューザ流路２０、リターンベンド部２１、吸込部１９の順に流れた後、二段目の羽根車３の昇圧流路１７、ディフューザ流路２０…という順に流れていく。そして、流路４の最も下流側に位置するディフューザ流路２０直後の吐出スクロール１２まで流れた流体Ｇは、吐出口１０から外部に流れる。

流体Ｇは、上述した順で流路４を流れる途中、各々の羽根車３によって昇圧される。即ち、この遠心ポンプ１においては、流体Ｇが複数の羽根車３によって段階的に昇圧され、これによって大きな揚程を容易に得ることができる。

ここで、流体Ｇの一部であり羽根車３の出口側から流体Ｇに対して逆行するように間隙Ｓに流入したリーク流Ｌは、シール装置２４によってシールされる。シール装置２４において、リーク流Ｌは上流側のフラット部２５に流入した後、第一溝部３０に流入する。図４に示すように、第一溝部３０の上流側の流路Ｃ０に比して、第一溝部３０における第一溝部対後面３１側の流路寸法Ｃ１は大きい。これにより、リーク流Ｌに拡がり損失が生じる。換言すると、リーク流Ｌの全圧が減少する。

さらに、第一溝部３０に流入した流体Ｇは渦流れＶを形成する。径方向外周側に吹き飛ばされた渦流れＶは、周方向に旋回する成分を有する流れとなる。この旋回する成分を有する渦流れＶがリーク流Ｌを阻害する。

続いて、リーク流Ｌは第一溝部３０から流出する。ここで、第一溝部対向面３２の径方向外側の端縁と、第二溝部対向面３９の径方向内側の端縁との間の流路寸法をＣ２とする。Ｃ２は、第一溝部対後面３１側の流路寸法Ｃ１よりも小さい。これにより、リーク流Ｌに縮小損失が生じて、全圧が減少する。

その後、リーク流Ｌは第二溝部３８に流入する。ここで、第二溝部３８における第二溝部対向面４０側の流路寸法Ｃ３は、上述の流路寸法Ｃ２に比して大きい。したがって、リーク流Ｌには、拡大損失が生じる。これにより、リーク流Ｌの全圧が減少する。

第一溝部３０における流れと同様に、第二溝部３８に流入した流体Ｇは渦流れＶを形成する。径方向内側に吹き飛ばされた渦流れＶは、周方向に旋回する成分を有する流れとなる。この旋回する成分を有する渦流れＶがリーク流Ｌを阻害する。

最後に、リーク流Ｌは第二溝部３８から流出して、下流側に流れる。これにより、リーク流Ｌには、縮小損失による全圧の減少が再び生じる。

上記実施形態によれば、溝部３０によって羽根車３のシュラウド１５とシュラウドケーシング５ａとの間の間隙Ｓが急拡大・急縮小することによって、リーク流Ｌに対して広がり損失・縮小損失が与えられる。これにより、リーク流Ｌに対するシール効果を高めることができる。加えて、間隙Ｓを階段状とすることによって、シール効果をより高めることができる。

また、間隙Ｓを介して第一溝部３０、及び第二溝部３８に流入したリーク流Ｌは、回転軸の径方向外側から内側に向かって流れる渦流れＶを生じる。この渦流れが、さらに間隙を介して流入するリーク流と交差してこれを阻害するため、リーク流Ｌに対するシール効果を高めることができる。

なお、上記実施形態では、間隙Ｓを三段の階段状としたがこれに限ることはない。例えば、間隙Ｓを二段の階段状としてもよいし、階段状ではなく、フラット部２５のみの間隙Ｓとしてもよい。

（第二実施形態）
以下、本発明の第二実施形態の遠心ポンプ１を図面に基づいて説明する。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
図５に示すように、シュラウドケーシング５ａの内周面上であって、溝部３０と対向する位置には、周方向にわたって延びる第二溝部３８が形成されている。第二溝部３８の周方向から見た形状は、溝部３０と同一とされている。即ち、溝部対向面３１，３２と同一面上に配置され、軸線Ｏに直交する二つの面である二つの第二溝部対向面３９，４０と底面とから構成されている。
言い換えると、本実施形態では、軸方向における第一溝部と第二溝部との互いの位置関係が、第一実施形態とは反対になっている。

上記実施形態によれば、間隙Ｓを介して第一溝部３０、及び第二溝部３８に流入したリーク流Ｌは渦流れＶを生じる。この渦流れＶが、さらに間隙Ｓを介して流入してくるリーク流Ｌの流れを阻害するため、リーク流Ｌに対するシール効果を高めることができる。

また、上記実施形態によれば、溝部３０によって羽根車３のシュラウド１５とシュラウドケーシング５ａとの間の間隙Ｓが急拡大・急縮小することによって、リーク流Ｌに対して広がり損失・縮小損失が与えられる。これにより、リーク流Ｌに対するシール効果を高めることができる。加えて、間隙Ｓを階段状とすることによって、シール効果をより高めることができる。

（実施例）
次に、図６、図７を参照して、第一溝部３０と第二溝部３８との軸方向における変位量Ｗ（第一溝部３０と第二溝部３８の重なり合う量）による、リーク流Ｌの全圧の変化量について説明する。
図６は、第一溝部３０と第二溝部３８との軸方向における変位量Ｗの定義を示す図である。変位量Ｗは、第一溝部３０の下流側における第一溝部対向面３２と、第二溝部３８の上流側の第二溝部対向面３９との軸方向における寸法である。
図７は、変位量Ｗを０から２Ｗまでの領域で変化させた場合の、リーク流Ｌの全圧変化を表すグラフである。

図６に示すように、リーク流Ｌの流通する方向において、第一溝部３０の第一溝部対向面３１（上流側端縁）近傍の領域をＺ１とし、第一溝部３０と第二溝部３８とが重なり合う領域をＺ２とし、第二溝部３８の第二溝部対向面４０（下流側端縁）近傍の領域をＺ３とする。このとき、図７のグラフにおけるＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３は、それぞれ領域Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３におけるリーク流Ｌに生じる全圧損失を示す。

図７に示すように、Ｗが０から２／３Ｗまで、又は、４／３Ｗから２Ｗまでの領域で、ＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３の総和が最も大きくなることが読み取れる。言い換えると、変位量Ｗがこれらの領域の範囲内にある場合に、大きな全圧損失が生じ、良好なシール効果を得ることができる。

以上、本発明の実施形態、及び実施例について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、クレームの範囲によってのみ限定される。

１ 遠心ポンプ
２ 回転軸
３ 羽根車
４ ケーシング流路
５ 内部ケーシング（ステータ）
５ａ リング部材
５ｂ 隔壁部材
６ 外部ケーシング
７ ジャーナル軸受
８ スラスト軸受
９ 吸込口
１０ 吐出口
１１ 両吸込インペラ
１２ ケーシングカバー
１３ ディスク
１４ 羽根
１５ シュラウド
１６ 吸込流路
１７ 昇圧流路
１８ 戻り流路
１９ ストレート部
２０ ディフューザ流路
２１ コーナ部
２２ リターンベーン
２３ シュラウド対向面
２４ シール装置
２５ フラット部
２６ 段差部
２７，２８ 段差部対向面
２９ 外周面
３０ 溝部
３１ 上流側溝部対向面
３２ 下流側溝部対向面
３３ 底面
３４ シール装置
３６ 切欠溝
３８ 第二溝部
３９，４０ 第二溝部対向面
４１ 底面
４５ 拡大部
５１ ディフューザベーン
Ｇ 流体
Ｌ リーク流
Ｏ 軸線
Ｖ 渦流れ
Ｓ 間隙

Claims (4)

1. 軸線回りに回転するロータと、前記ロータを外周側から囲むステータとの間の間隙をシールするシール装置であって、
   前記間隙を画成する前記ロータの外周面に形成され、周方向にわたって延びる第一溝部と、
   前記ステータの内周面に、前記第一溝部と対応するように、周方向にわたって延びる第二溝部と、
   を備え、
   前記第一溝部と前記第二溝部は、前記径方向に互いに一部のみが重なり合っていることを特徴とするシール装置。
2. 前記第一溝部は、前記第二溝部よりも、前記軸線方向における流体の流通する上流側に形成されることで、前記第一溝部と前記第二溝部とが径方向に互いに一部のみが重なり合っていることを特徴とするシール装置。
3. 前記第二溝部は、前記第一溝部よりも、前記軸線方向における流体の流通する上流側に形成されることで、前記第二溝部と前記第一溝部とが径方向に互いに一部のみが重なり合っていることを特徴とするシール装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のシール装置を備える回転機械。

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