JP2017015208A

JP2017015208A - ラビリンスシール

Info

Publication number: JP2017015208A
Application number: JP2015134119A
Authority: JP
Inventors: 俊輔森中; Shunsuke Morinaka
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2015-07-03
Filing date: 2015-07-03
Publication date: 2017-01-19
Anticipated expiration: 2035-07-03
Also published as: DE112016003036B4; US10570768B2; KR20180011811A; WO2017006678A1; JP6510915B2; DE112016003036T5; US20180187567A1; KR102020138B1

Abstract

【課題】渦による流体のエネルギー損失を増大させることによって、流体の漏れ抑制効果を向上させる。【解決手段】回転軸周りに回転する回転体１１の外周面と、回転体１１の外側に設けられる静止体１２の内周面との間の隙間を通って、流体が軸方向に沿って高圧側から低圧側に漏れることを抑制するラビリンスシール１０であって、回転体１１の外周面に高圧側よりも低圧側が小径となる段差部１１ａが形成されるとともに、静止体１２の内周面から径方向内側に向かって延びるフィン１４が、段差部１１ａの少なくとも低圧側に設けられており、回転体１１の外周面のうち、段差部１１ａと段差部１１ａよりも低圧側に設けられたフィン１４との間の領域の少なくとも一部に、周方向に沿って環状溝１５が形成されている。【選択図】図１

Description

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。

例えば特許文献１には、回転機械を構成する回転体と静止体との間の隙間を通って、流体が高圧側から低圧側に漏れることを抑制するためのラビリンスシールが開示されている。このラビリンスシールは、主に、回転体の外周面に形成された階段構造と、静止体の内周面に設けられたフィンとから構成されている。

図７は、従来のラビリンスシールを示す模式断面図である。特許文献１のラビリンスシールによれば、図７に示すように、高圧側から低圧側へと、回転体１０１の外周面と静止体１０２の内周面に設けられたフィン１０３、１０４との間の隙間を通過する流体の流れＰが生ずる。このとき、高圧側のフィン１０３と低圧側のフィン１０４との間に大きな渦Ｖ１が形成されるとともに、段差部１０１ａの側方に小さな渦Ｖ２が形成される。そして、渦Ｖ１、Ｖ２において流体間摩擦が発生し、エネルギー損失が生じることによって、流体の漏れを抑制できる。

特開２０１２−７２７３６号公報

上述のように、従来のラビリンスシールでは、渦Ｖ１に加えて渦Ｖ２が形成されることによって、流体の漏れ量を低減することができるようになっている。しかしながら、図７に示すように、渦Ｖ２の形状は扁平状となっており、流れＰを積極的に取り込んで渦Ｖ２の流速を増大させる構成とはなっていない。このため、渦Ｖ２による流体のエネルギー損失には限界があり、この点において改善の余地があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、渦による流体のエネルギー損失を増大させることによって、流体の漏れ抑制効果を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、回転軸周りに回転する回転体の外周面と、前記回転体の外側に設けられる静止体の内周面との間の隙間を通って、流体が軸方向に沿って高圧側から低圧側に漏れることを抑制するラビリンスシールであって、前記回転体の外周面に高圧側よりも低圧側が小径となる段差部が形成されるとともに、前記静止体の内周面から径方向内側に向かって延びるフィンが、前記段差部の少なくとも低圧側に設けられており、前記回転体の外周面のうち、前記段差部と当該段差部よりも低圧側に設けられた前記フィンとの間の領域の少なくとも一部に、周方向に沿って環状溝が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、後で詳細に説明するように、高圧側から低圧側へと向かう流体の流れを環状溝内に引き込むことができ、環状溝内における渦の流速を速くすることができる。その結果、環状溝内の渦による流体のエネルギー損失を増大させることができ、流体の漏れ抑制効果を向上させることが可能となる。

第１実施形態にかかるラビリンスシールを示す模式断面図である。Ｇ／Ｗによる漏れ量の変化を示すグラフである。第２実施形態にかかるラビリンスシールを示す模式断面図である。第３実施形態にかかるラビリンスシールを示す模式断面図である。第４実施形態にかかるラビリンスシールを示す模式断面図である。複数の段差部を有するラビリンスシールを示す模式断面図である。従来のラビリンスシールを示す模式断面図である。

[第１実施形態]
本発明にかかるラビリンスシールの第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態にかかるラビリンスシールを示す模式断面図であり、より詳細には回転体の回転軸を含む断面を示したものである。第１実施形態のラビリンスシール１０が設けられる回転機械１は、回転体１１および静止体１２が不図示のケーシング内に配置されて構成されており、例えばターボ圧縮機として機能する。

回転体１１は、不図示の軸受を介してケーシングに取り付けられており、回転軸周りに回転自在に構成されている。一方、静止体１２は、回転体１１の径方向外側に間隔を空けて配置された状態でケーシングに固定されている。ラビリンスシール１０は、主に、回転体１１の外周面に形成された段差部１１ａからなる階段構造と、静止体１２の内周面に設けられたフィン１３、１４とから構成されるものである。ラビリンスシール１０は、回転体１１の外周面と静止体１２の内周面との間の隙間を通って、流体が軸方向に沿って高圧側（図１において左側）から低圧側（図１において右側）に漏れることを抑制する。

回転体１１の外周面には、高圧側のほうが低圧側よりも大径となるように、径方向に沿って段差部１１ａが形成されている。これにより、回転体１１のうち、段差部１１ａよりも高圧側が大径部１１ｂ、段差部１１ａよりも低圧側が小径部１１ｃとなっている。

静止体１２には、静止体１２の内周面から径方向内側に向かって回転体１１の外周面近傍まで延びるリング状のフィン１３、１４が設けられている。フィン１３は、段差部１１ａよりも軸方向において高圧側、すなわち、大径部１１ｂに対向する領域に配置されている。一方、フィン１４は、段差部１１ａよりも軸方向において低圧側、すなわち、小径部１１ｃに対向する領域に配置されている。

回転体１１の小径部１１ｃの外周面には、周方向に沿って環状溝１５が形成されている。環状溝１５は、径方向に略平行な高圧側の側面１５ａ、径方向に略平行な低圧側の側面１５ｂ、および軸方向に略平行な底面１５ｃを有して構成されており、回転体１１の回転軸を含む断面（図１に示す断面）において、環状溝１５の輪郭は矩形状となっている。高圧側の側面１５ａは、段差部１１ａと面一となっており、軸方向において段差部１１ａと同位置にある。一方、低圧側の側面１５ｂは、高圧側の側面１５ａから低圧側へ環状溝１５の開口幅Ｗだけ離れた箇所に位置する。

ここで、フィン１４は、大径部１１ｂの外周面よりも径方向内側まで延びている。このため、フィン１３の先端部と回転体１１の外周面との間の隙間を通過した流体は、軸方向に沿って直線状に流れるのではなく、図１に示すように、フィン１４の手前で径方向内側へ屈曲する主流Ｐを形成する。詳細には、主流Ｐは、高圧側のフィン１３と大径部１１ｂとの間を通過したあと、高圧側から低圧側へと概ね軸方向に沿って流れ、低圧側のフィン１４の手前で径方向内側へ向かい、その後、フィン１４と小径部１１ｃとの間の隙間を通過しつつ、再び概ね軸方向に沿う流れとなる。

主流Ｐが形成されるのに伴い、高圧側のフィン１３と低圧側のフィン１４との間には、図中反時計回りに比較的大きな渦Ｖ１が形成され、段差部１１ａと低圧側のフィン１４との間（環状溝１５を含む領域）には、図中時計回りに比較的小さな渦Ｖ２が形成される。これら渦Ｖ１、Ｖ２において流体間摩擦が発生し、エネルギー損失が生じることによって、流体の漏れを抑制することができる。

（効果）
第１実施形態にかかるラビリンスシール１０では、回転体１１の外周面のうち、段差部１１ａと段差部１１ａよりも低圧側に設けられたフィン１４との間の領域の少なくとも一部に、周方向に沿って環状の環状溝１５が形成されている。このため、高圧側から低圧側へと向かう主流Ｐが低圧側のフィン１４に当たると、その際に径方向内側に環状溝１５へと向かう分岐流Ｐａが生じ、環状溝１５に形成される渦Ｖ２の流速を速くすることができる。また、環状溝１５が設けられていることで、渦Ｖ２の形状が概ね円形となり、従来の扁平状の渦Ｖ２（図７参照）と比べて、渦Ｖ２を大きくすることができる。このように、渦Ｖ２の流速が速くなるとともに、渦Ｖ２が大きくなることによって、渦Ｖ２における流体間摩擦が増大する。その結果、渦Ｖ２による流体のエネルギー損失を増大させることができ、流体の漏れ抑制効果を向上させることが可能となる。

なお、上述の効果を得るためには、環状溝１５が、軸方向において段差部１１ａと低圧側のフィン１４との間の領域の少なくとも一部に形成されていればよいが、第１実施形態のように、環状溝１５が軸方向において段差部１１ａの位置から低圧側へと形成されている、換言すると、環状溝１５が高圧側に段差部１１ａの位置まで延びているとより好ましい。このように、環状溝１５が高圧側に限界まで広く形成されていることで、環状溝１５の容積を広くすることができる。その結果、渦Ｖ２をより大きくすることができるので、渦Ｖ２における流体のエネルギー損失をより増大させることができる。

さらに、本発明者は、上述のように環状溝１５が段差部１１ａの位置から低圧側へと形成されている場合に、環状溝１５が低圧側にどこまで延びているのが好ましいか鋭意検討した。その結果、環状溝１５の開口幅をＷ、段差部１１ａと低圧側のフィン１４の低圧側の面１４ａとの間の軸方向における距離をＧとした場合に、図２に示すように、Ｇ／Ｗによって漏れ流れの量が変化するとの知見を得た。なお、図２においては、縦軸の漏れ量の単位を無次元化している。

環状溝１５の開口幅Ｗが距離Ｇよりも小さすぎると、すなわち、環状溝１５の低圧側の側面１５ｂがフィン１４から遠ざかりすぎると、分岐流Ｐａが環状溝１５に入りにくくなり、渦Ｖ２の流速を速めにくくなるので、漏れ抑制効果が小さくなると考えられる。一方、環状溝１５の開口幅Ｗが距離Ｇよりも大きすぎると、すなわち、環状溝１５がフィン１４を超えて低圧側まで延びすぎていると、フィン１４の先端部と小径部１１ｃとの間の隙間が広くなり、漏れが促進されやすくなると考えられる。

そこで、図２から明らかなように、０．７８＜Ｇ／Ｗ＜１．２２とすることで、環状溝の設けられていない従来技術と比較して、顕著に漏れ量を減少させることができた。さらに好ましくは、Ｇ／Ｗが約１．０、すなわち、フィン１４の低圧側の面１４ａと環状溝１５の低圧側の側面１５ｂとを軸方向において略同位置とすることで、漏れ抑制効果を最大にすることができた。

[第２実施形態]
本発明にかかるラビリンスシールの第２実施形態について説明する。図３は、第２実施形態にかかるラビリンスシールを示す模式断面図である。第２実施形態のラビリンスシール２０は、フィン２３、２４が径方向に対して傾斜角θをもって傾斜している点が第１実施形態と異なるが、他の点は基本的に第１実施形態と同様である。したがって、第１実施形態と共通する構成（図１と同じ符号を付してある）およびそれによって奏される効果については、適宜説明を省略する。

第２実施形態では、高圧側のフィン２３および低圧側のフィン２４ともに、先端部（径方向内側の端部）が基端部（径方向外側の端部）よりも高圧側に位置するように、径方向から高圧側に向かって傾斜角θだけ傾斜している。なお、高圧側のフィン２３と低圧側のフィン２４とで、傾斜角を同じにすることは必須ではなく、両者の傾斜角が異なっていてもよい。また、高圧側のフィン２３は傾斜させずに、低圧側のフィン２４のみを傾斜させるようにしてもよい。

（効果）
第２実施形態のラビリンスシール２０のように、段差部１１ａよりも低圧側に設けられれたフィン２４の先端部が、フィン２４の基端部よりも高圧側に位置する場合、主流Ｐがフィン２４に当たった際に、径方向外側へと向かう分岐流Ｐｂが発生しやすくなり、渦Ｖ１の流速を速くすることができる。その結果、渦Ｖ１における流体のエネルギー損失を増大させることができ、流体の漏れ抑制効果をさらに向上させることができる。

なお、上述のような効果を得るための構成は、低圧側のフィン２４を傾斜させることに限定されない。例えば、フィン２４の先端部が基端部よりも高圧側に位置するように、フィン２４を湾曲形状としてもよいし、Ｌ字形状等の屈曲形状としてもよい。

ところで、図２に示した結果は第２実施形態でも同様に当てはまるが、第２実施形態のようにフィン２４が傾斜している場合には、図３に示すよう、距離Ｇは、フィン２４の低圧側の面２４ａの先端部と段差部１１ａとの間の軸方向における距離と定義する。

[第３実施形態]
本発明にかかるラビリンスシールの第３実施形態について説明する。図４は、第３実施形態にかかるラビリンスシールを示す模式断面図である。第３実施形態のラビリンスシール３０は、環状溝３５の断面形状が円弧状となっている点が第１実施形態と異なるが、他の点は基本的に第１実施形態と同様である。したがって、第１実施形態と共通する構成（図１と同じ符号を付してある）およびそれによって奏される効果については、適宜説明を省略する。

第３実施形態では、回転体１１の回転軸を含む断面（図４に示す断面）において、環状溝３５の輪郭が円弧状となっている。より詳細には、環状溝３５の断面形状が、環状溝３５の開口幅Ｗを直径とする半円状とされている。このため、環状溝３５の開口周縁における接線は径方向と一致しており、環状溝３５内に円滑に流体を導くことができる。

（効果）
第３実施形態のラビリンスシール３０のように、回転軸を含む断面において、環状溝３５の輪郭が円弧状となっている場合、渦Ｖ２の流れが環状溝３５に沿うことで、渦Ｖ２と円弧状の底面との摩擦が増大し、渦Ｖ２における流体のエネルギー損失を増大させることができる。したがって、流体の漏れ抑制効果をさらに向上させることができる。

[第４実施形態]
本発明にかかるラビリンスシールの第４実施形態について説明する。図５は、第４実施形態にかかるラビリンスシールを示す模式断面図である。第４実施形態のラビリンスシール４０は、環状溝４５の低圧側の側面４５ｂが傾斜面となっている点が第１実施形態と異なるが、他の点は基本的に第１実施形態と同様である。したがって、第１実施形態と共通する構成（図１と同じ符号を付してある）およびそれによって奏される効果については、適宜説明を省略する。

第４実施形態では、回転体１１の回転軸を含む断面（図５に示す断面）において、環状溝４５の輪郭が台形状となっている。より詳細には、環状溝４５は、高圧側の側面４５ａ、低圧側の側面４５ｂおよび底面４５ｃを有して構成されているが、低圧側の側面４５ｂが、底面４５ｃ側に向かうにつれて高圧側に位置する傾斜面となっている。つまり、側面４５ｂは、径方向内側（底面側）の端部が、径方向外側（開口側）の端部よりも高圧側に位置する形状を有している。なお、高圧側の側面４５ａは、第１実施形態と同様に、段差部１１ａと面一になっている。

（効果）
第４実施形態のラビリンスシール４０のように、回転軸を含む断面において、環状溝４５の低圧側の側面４５ｂが、径方向内側の端部が径方向外側の端部よりも高圧側に位置する形状となっていれば、主流Ｐが低圧側のフィン１４に当たった際に生じる径方向内側向きの分岐流Ｐａをより多く環状溝４５内に流入させることができる。このため、渦Ｖ２の流速を速めることができ、渦Ｖ２における流体のエネルギー損失を増大させることによって、流体の漏れ抑制効果をさらに向上させることができる。

なお、上述のような効果を得るための構成は、環状溝４５の低圧側の側面４５ｂを傾斜させることに限定されない。例えば、側面４５ｂが、底面４５ｃ側に向かうにつれて高圧側に位置する湾曲面であってもよい。

[その他の実施形態]
なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上記各実施形態の要素を適宜組み合わせまたは種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記各実施形態において、段差部１１ａよりも高圧側に設けたフィン１３、２３を省略することも可能である。

また、上記各実施形態では、環状溝１５、３５、４５の高圧側の端部が、軸方向において段差部１１ａと同位置であるとしたが、段差部１１ａよりも低圧側に位置させてもよい。

また、上記各実施形態では、フィン１３、１４、２３、２４を静止体１２とは別の部材として説明したが、フィン１３、１４、２３、２４が静止体１２と一体的に構成されていてもよい。

また、上記各実施形態においては、本発明のラビリンスシールを構成する回転体１１の階段構造が、段差部１１ａが１つだけ設けられた２段構造の場合について説明したが、図６に示すように、回転体５１が３段以上の階段構造を有する場合に本発明を適用することも可能である。

図６に示すラビリンスシール５０は、主に、回転体５１の外周面に形成された４つの段差部５３Ａ〜５３Ｄと、静止体５２の内周面に形成された４つのフィン５４Ａ〜５４Ｄとを有して構成される。各フィン５４Ａ〜５４Ｄは、各段差部５３Ａ〜５３Ｄの低圧側（小径側）に設けられている。回転体５１の外周面には、各段差部５３Ａ〜５３Ｄと各フィン５４Ａ〜５４Ｄとの間の少なくとも一部の領域に、環状溝５５Ａ〜５５Ｄがそれぞれ形成されている。なお、フィン５４Ａ〜５４Ｄや環状溝５５Ａ〜５５Ｄは、例えば上記各実施形態に示した形態をとり得る。

このように、高圧側から低圧側に向かって順次径が小さくなるように回転体５１の外周面に設けられた複数の段差部５３Ａ〜５３Ｄと、各段差部５３Ａ〜５３Ｄの少なくとも低圧側に設けられた複数のフィン５４Ａ〜５４Ｄと、各段差部５３Ａ〜５３Ｄと各フィン５４Ａ〜５４Ｄとの間に設けられた複数の環状溝５５Ａ〜５５Ｄとを備えるラビリンスシール５０によれば、流体の漏れ低減効果を一層向上させることができる。

１０、２０、３０、４０、５０：ラビリンスシール
１１、５１：回転体
１１ａ、５３Ａ〜５３Ｄ：段差部
１２、５２：静止体
１３、１４、２３、２４、５４Ａ〜５４Ｄ：フィン
１５、３５、４５、５５Ａ〜５５Ｄ：環状溝

Claims

回転軸周りに回転する回転体の外周面と、前記回転体の外側に設けられる静止体の内周面との間の隙間を通って、流体が軸方向に沿って高圧側から低圧側に漏れることを抑制するラビリンスシールであって、
前記回転体の外周面に高圧側よりも低圧側が小径となる段差部が形成されるとともに、前記静止体の内周面から径方向内側に向かって延びるフィンが、前記段差部の少なくとも低圧側に設けられており、
前記回転体の外周面のうち、前記段差部と当該段差部よりも低圧側に設けられた前記フィンとの間の領域の少なくとも一部に、周方向に沿って環状溝が形成されていることを特徴とするラビリンスシール。
前記段差部よりも低圧側に設けられた前記フィンの先端部が、当該フィンの基端部よりも高圧側に位置する請求項１に記載のラビリンスシール。
前記回転軸を含む断面において、前記環状溝の輪郭が円弧状となっている請求項１または２に記載のラビリンスシール。
前記回転軸を含む断面において、前記環状溝の低圧側の側面は、径方向内側の端部が径方向外側の端部よりも高圧側に位置する形状となっている請求項１または２に記載のラビリンスシール。
前記環状溝は、軸方向において前記段差部の位置から低圧側へと形成されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載のラビリンスシール。
前記段差部と当該段差部よりも低圧側に設けられた前記フィンの低圧側の面の先端部との間の軸方向における距離をＧ、前記環状溝の軸方向における開口幅をＷとするとき、
０．７８＜Ｇ／Ｗ＜１．２２
を満たす請求項５に記載のラビリンスシール。
前記回転体の外周面に、高圧側から低圧側に向かって順次径が小さくなるように前記段差部が複数形成されており、前記各段差部の少なくとも低圧側に前記フィンが設けられている請求項１ないし６のいずれか１項に記載のラビリンスシール。