JP2017160860A - ターボ機械 - Google Patents

Abstract

【課題】ラビリンスシールの部分で発生する流体力によりロータの偏心が助長されてロータの振動が増大するのを抑制する。【解決手段】ターボ機械は、ケーシングと、該ケーシングに回転可能に支持されたロータと、前記ケーシング内の静止部と前記ロータとの間に設けられ、作動流体が高圧側から低圧側に漏れるのを防止するラビリンスシールを備えている。また、前記ラビリンスシールへ流れる漏れ流れ流路の途中に狭隘部を設け、前記狭隘部は、ロータに設けられ該ロータと同心のロータ側円筒張り出し部と、ケーシング内の静止部に前記ラビリンスシールと同心に設けられた静止部側円筒張り出し部を備え、ロータ側円筒張り出し部の内周面は、静止部側円筒張り出し部の外周面よりも径方向外側となるように配置されると共に、ロータ側円筒張り出し部の軸方向の少なくとも一部と静止部側円筒張り出し部の軸方向の少なくとも一部が重なる二重円筒に形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、ラビリンスシールを有するターボ機械に関し、特に圧縮機やタービン等、回転速度が大きく、作動流体の圧力も高くなるターボ機械に好適なものである。

一般に、ターボ機械は、回転する羽根車を有するロータと、このロータを包囲する共に回転自在に保持するケーシングを備えている。また、前記ケーシングの内部には作動流体が流れる流路が形成されている。前記ロータと前記ケーシングとの間には隙間が形成されているため、この隙間を介して作動流体がロータに沿って流れて漏れる。この作動流体の漏れを防止するため、前記ロータと前記ケーシングとの間に、非接触シールであるラビリンスシールが設けられることが多い。

前記ラビリンスシールは、例えば、特開平６−２４９１８６号公報（特許文献１）の図１に示されているように、ロータとケーシングとの隙間に多数の環状平行歯を有する構造となっており、この多数の環状平行歯の先端隙間を流れる流体の圧力損失により、流体の漏れを減少させるようにしている。

前記ラビリンスシールにおいて、ロータがシールに対して偏心すると、ラビリンスシール内の円周方向圧力分布に不平衡が生じ、ロータの偏心を助長する流体力（以下、偏心方向流体力と呼ぶ）が発生する場合がある。特に、ラビリンスシールの入口側と出口側との差圧が大きい場合や、シールの長さが比較的短い場合に、前記偏心方向流体力はより大きなものとなり、ロータが大きく偏心するため、ロータの振動を助長する。このためロータの振動振幅が大きくなり、ロータがラビリンスシールに接触することがある。

また、ラビリンスシールでは、ロータの偏心方向に対して直角方向の流体力（以下、偏心直角方向流体力と呼ぶ）も発生することが知られており、この偏心直角方向流体力もロータ振動の原因となる。前記偏心直角方向流体力は、ラビリンスシールに流入する漏れ流れの円周方向流れによって引き起こされる。このため、前記偏心直角方向流体力を低減するようにした発明が、例えば、特開平３−２８８０６８号公報（特許文献２）に記載されている。この特許文献２のものでは、ラビリンスシールの入口側に、漏れ流れの円周方向流れを抑制する放射状溝を持つ抵抗板を設け、漏れ流れの円周方向成分を抑制するようにしている。

特開平６−２４９１８６号公報 特開平３−２８８０６８号公報

上記特許文献２に記載されているように、ラビリンスシールの入口側に漏れ流れの円周方向流れを抑制する抵抗板を設けることにより、前記偏心直角方向流体力を低減することができる。

しかし、前述した偏心方向流体力は、ラビリンスシールに流入する漏れ流れの軸方向流れによって発生するため、ラビリンスシール入口側の漏れ流れの円周方向流れを抑制しても、前記偏心方向流体力の低減作用は十分に得られず、偏心方向流体力の発生によりロータの偏心が助長され、ロータ周囲の隙間分布に偏りが生じ、前記偏心直角方向流体力も増加していく。

このため、ロータの振動が大きくなり、ロータとラビリンスシールとの接触が引き起こされる可能性が増大する課題がある。また、ロータとラビリンスシールとの接触を回避するため、ロータとラビリンスシールとの間の隙間を大きくすると、シール効果が低減して、ラビリンスシールの部分からの漏れが増大する。

本発明の目的は、ラビリンスシールの部分で発生する流体力によりロータの偏心が助長されてロータの振動が増大するのを抑制することのできるターボ機械を得ることにある。

上記目的を達成するため、本発明は、ケーシングと、該ケーシングに回転可能に支持されたロータと、前記ケーシング内の静止部と前記ロータとの間に設けられ、作動流体が高圧側から低圧側に漏れるのを防止するラビリンスシールを備えているターボ機械において、前記ラビリンスシールへ流れる漏れ流れ流路の途中に狭隘部を設け、前記狭隘部は、前記ロータに設けられ該ロータと同心のロータ側環状張り出し部と、前記ケーシング内の静止部に前記ラビリンスシールと同心に設けられた静止部側環状張り出し部を備え、前記ロータ側環状張り出し部の内周部は、前記静止部側環状張り出し部の外周部よりも径方向外側となるように配置されると共に、前記ロータ側環状張り出し部の軸方向の少なくとも一部と前記静止部側環状張り出し部の軸方向の少なくとも一部が重なる構造に形成されていることを特徴とする。

本発明の他の特徴は、ケーシングと、該ケーシングに回転可能に支持されたロータと、前記ケーシング内の静止部と前記ロータとの間に設けられ、作動流体が高圧側から低圧側に漏れるのを防止するラビリンスシールを備えているターボ機械において、前記ラビリンスシールへ流れる漏れ流れ流路の途中に狭隘部を設け、前記狭隘部は、前記ロータに設けられ該ロータと同心のロータ側円筒張り出し部と、前記ケーシング内の静止部に前記ラビリンスシールと同心に設けられた静止部側円筒張り出し部を備え、前記ロータ側円筒張り出し部の内周面は、前記静止部側円筒張り出し部の外周面よりも径方向外側となるように配置されると共に、前記ロータ側円筒張り出し部の軸方向の少なくとも一部と前記静止部側円筒張り出し部の軸方向の少なくとも一部が重なる二重円筒構造に形成されていることにある。

本発明によれば、ラビリンスシールの部分で発生する流体力によりロータの偏心が助長されてロータの振動が増大するのを抑制することのできるターボ機械を得ることができる効果が得られる。

本発明のターボ機械の実施例１を示す縦断面図である。 図１に示すターボ機械の要部拡大断面図で、図１に示す１段目羽根車から２段目羽根車までの部分を示す図である。 図２に示す要部拡大断面図における１段目羽根車のラビリンスシール部付近を更に拡大して示す要部拡大断面図である。 図３に示すラビリンスシール部付近の圧力分布を示す模式図である。 ロータ７の偏心方向を説明する模式図である。 本発明のターボ機械の実施例２を示す図で、図２に示す１段目羽根車付近の図に相当する要部断面図である。

以下、本発明のターボ機械の具体的実施例を、図面を用いて説明する。各図において、同一符号を付した部分は同一或いは相当する部分を示している。

本発明のターボ機械の実施例１を図１〜図５を用いて説明する。本実施例の説明においては、代表的なターボ機械の１つである遠心圧縮機を例にとり説明する。

図１は、本発明のターボ機械の実施例１を示す縦断面図で、ターボ機械としての遠心圧縮機の全体構造を示す図である。

図１において、遠心圧縮機１は、円筒状などに形成され静止部となるケーシング２と、このケーシング２内にラジアル軸受３，４及びスラスト軸受１３により回転可能に設けられた回転軸５と、この回転軸５に装着された複数段（図１では５段）の羽根車６とを備えている。前記回転軸５と前記羽根車６によりロータ（回転体）７を構成している。なお、本実施例１では、１本の回転軸５に羽根車６を多段に設けた一軸多段遠心圧縮機を例に説明するが、羽根車６が１段のみの単段遠心圧縮機にも本発明は同様に適用できるものである。

前記ケーシング２には、１段目の羽根車６に作動流体である気体を導入する吸込流路８と、各段の羽根車６から出た気体の運動エネルギーを圧力エネルギーに変換するディフューザ９と、このディフューザ９からの圧縮された気体を次段の羽根車６に導入する戻り流路１０と、最終段の羽根車６から出た気体をケーシング２外に吐出するための吐出流路１１などが設けられている。

前記ロータ７の回転軸５は、前記ケーシング２の吸込側（図１中の左側）端部及び吐出側（図１中の右側）端部に設けられた前記ラジアル軸受３，４を介し回転可能に支持されている。また、前記回転軸５の吸込側端部にはスラスト荷重を受ける前記スラスト軸受１３が設けられ、前記回転軸５における最終段羽根車６の吐出側にはスラスト荷重を相殺するバランスピストン１４が設けられている。

前記回転軸５の吐出側端部には、モータ等の駆動機（図示せず）が連結されており、この駆動機によって前記ロータ７が回転するように構成されている。また、前記ロータ７が回転することにより、気体が前記吸込流路８から吸い込まれて、複数段の前記羽根車６で順次圧縮され、最終的に前記吐出流路１１から吐出されるようになっている。

図２は図１に示すターボ機械の要部拡大断面図で、図１に示す１段目羽根車から２段目羽根車までの部分を示す図、図３は図２に示す要部拡大断面図における１段目羽根車のラビリンスシール部付近を更に拡大して示す要部拡大断面図である。

これらの図に示すように、各段の前記羽根車６は羽根６ａとシュラウド６ｂを備えており、前記シュラウド６ｂの入口側には口金（ベルマウス）６ｃが設けられている。前記口金６ｃと前記ケーシング２との間には、口金部のラビリンスシール１２が設けられており、羽根車６から出た気体の一部が前記口金６ｃと前記ケーシング２との間の隙間を通って羽根車６の入口側に戻る漏れ流れ１８を抑制するように構成されている。

即ち、作動流体は羽根車入口６ｄから入り、羽根車６の羽根６ａにより圧縮・加速され、羽根車出口６ｅから前記ディフューザ９に向かって流れていく。この時、羽根車出口６ｅから吐き出された流れの一部が、羽根車６と静止部との隙間（漏れ流れ流路）１９を通り、羽根車入口６ｄに向かって流れていく漏れ流れ１８となる。この漏れ流れ１８における前記羽根車入口６ｄの直前に、前記口金部のラビリンスシール１２が設けられており、漏れを抑制するように構成している。

なお、２段目羽根車６の口金６ｃと前記ケーシング２との間にも口金部のラビリンスシール１２が設けられ、更に３段目〜５段目の羽根車６にも、同様に口金部のラビリンスシール１２が設けられている。

また、前段側の羽根車６と後段側の羽根車６との間におけるロータ７とケーシング２との隙間には、中間段のラビリンスシール１５が設けられており、前記戻り流路１０から後段側の羽根車６に流れる気体の一部が、前記中間段シール１５が設けられている部分の隙間を通って、前段側の羽根車６の出口側に漏れるのを抑制するようになっている。２段目以降の各段羽根車６の間にも、同様に、中間段のラビリンスシール１５が設けられている。

更に、図１に示すように、最終段羽根車６の吐出側に設けられている前記バランスピストン１４と前記ケーシング２との隙間には、バランスピストン部のラビリンスシール１６が設けられており、最終段の羽根車６から出た高圧の気体が低圧側に漏れるのを抑制するようにしている。

図２に示す１７は、前記羽根車６から出た気体の一部が前記口金部のラビリンスシール１２へ流れる漏れ流れ１８の流路の途中に設けられた狭隘部で、この狭隘部１７は、前記ロータ７の羽根車シュラウド６ｂに設けられ、前記羽根車６（或いはロータ７）と同心のロータ側円筒張り出し部（ロータ側環状張り出し部）１７ａと、前記ケーシング２内の静止部である前記ラビリンスシール１２と同心に設けられた静止部側円筒張り出し部（静止部側環状張り出し部）１７ｂにより構成されている。前記ロータ側円筒張り出し部１７ａの内周面（内周部）は、前記静止部側円筒張り出し部１７ｂの外周面（外周部）よりも径方向外側となるように配置されると共に、前記ロータ側円筒張り出し部１７ａの軸方向の少なくとも一部と前記静止部側円筒張り出し部１７ｂの軸方向の少なくとも一部が重なる二重円筒構造に形成されている。

なお、本実施例では、前記狭隘部１７を二重円筒構造に構成しているが、二重円筒構造のものに限られるものではなく、前記狭隘部１７を、例えば次のように構成しても良い。
即ち、ロータに設けられ該ロータと同心のロータ側環状張り出し部と、ケーシング内の静止部にラビリンスシールと同心に設けられた静止部側環状張り出し部を備える構成とする。また、前記ロータ側環状張り出し部の内周部を、前記静止部側環状張り出し部の外周部よりも径方向外側となるように配置すると共に、前記ロータ側環状張り出し部の軸方向の少なくとも一部と前記静止部側環状張り出し部の軸方向の少なくとも一部が重なる構造に形成して前記狭隘部１７を形成するようにしても良い。

図２に示すように、本実施例では、前述したように、前記狭隘部１７を二重円筒構造にしており、この狭隘部１７は、前記口金部のラビリンスシール１２が設けられている漏れ流れ流路１９における前記ラビリンスシール１２の上流側に設けられている。なお、本実施例では、前記ロータ側円筒張り出し部１７ａは羽根車シュラウド６ｂと一体構造に、前記静止部側円筒張り出し部１７ｂは前記ラビリンスシール１２と一体構造となるように構成されている。

１段目羽根車６のラビリンスシール１２部付近を更に拡大して示す図３により、前記二重円筒構造の狭隘部１７の構造を更に詳しく説明する。
図３に示す前記口金部のラビリンスシール１２は、円筒形状に構成され、更に水平に分割して上下の半割れ構造とした２つの半円筒状部品により構成されている。また、前記ラビリンスシール１２は、ロータ７に対向する内径側表面にフィン形状の複数の環状平行歯１２ａと、前記環状平行歯１２ａの間に形成された複数の環状平行溝１２ｂを有している。前記ラビリンスシール１２の反ロータ７側である外径側にはこのラビリンスシール１２をケーシング２に固定するための支持部１２ｃが設けられている。

なお、一般に、ラビリンスシールは、万一、環状平行歯にロータが接触しても、ロータを傷つけないように、ロータよりも柔らかい材質（例えばアルミニウム合金）で構成されている。

前記ラビリンスシール１２の上流側に設けられている前記狭隘部１７は、前記ロータ側円筒張り出し部１７ａと静止部側円筒張り出し部１７ｂとで構成され、前記静止部側円筒張り出し部１７ｂは前記ラビリンスシール１２と一体に構成されているので、前記ラビリンスシール１２と同心に製造することが容易になる。

また、前記狭隘部１７においては、前記ロータ側円筒張り出し部１７ａと静止部側円筒張り出し部１７ｂとの間に形成される隙間距離ｄを、できるだけ小さくすることにより、この隙間距離ｄを流れる漏れ量を抑制でき、より効果的にロータ７に作用する偏心方向流体力を低減することができる。しかし、前記狭隘部１７の隙間距離ｄを過度に小さくすると、ロータ側円筒張り出し部１７ａと静止部側とが接触する恐れがある。

ところで、ラビリンスシール１２においては、漏れの抑制とロータ７との接触防止の観点からロータ７との隙間距離ｄｓが設計、管理されている。本実施例では、静止部側円筒張り出し部１７ｂがラビリンスシール１２と一体に構成されているので、ラビリンスシール１２の隙間距離ｄｓの設計、管理と同様に、前記羽根車６と一体に構成されている前記ロータ側円筒張り出し部１７ａとの前記隙間距離ｄの設計、管理も容易に行える。

更に、前記静止部側円筒張り出し部１７ｂを、前記ラビリンスシール１２と同様に、ロータ７よりも柔らかい材料とすることにより、この静止部側円筒張り出し部１７ｂが、万一、前記ロータ７と接触した場合にも、該ロータ７の損傷を防止することができる。

また、図３に示すように、本実施例においては、前記静止部側円筒張り出し部１７ｂの外周面に、環状の凸部（環状凸部）１７ｃを設け、この環状凸部１７ｃと前記ロータ側円筒張り出し部１７ａの内周面との間で前記狭隘部１７を形成している。前記環状凸部１７ｃは、ラビリンスシール１２の環状平行歯１２ａと同様に、フィン形状で且つ前記ロータ側円筒張り出し部よりも柔らかい材料で構成することが好ましい。これにより、組み立て時における前記狭隘部１７の隙間距離ｄの管理が更に容易となり、隙間距離ｄをより一層小さくすることが容易に可能となる。

また、前記環状凸部１７ｃは、前記静止部側円筒張り出し部１７ｂの軸方向の先端部（図３中、静止部側円筒張り出し部１７ｂの右端部）または可能な限り前記先端部に近づけて設けることにより、前記ロータ側円筒張り出し部１７ａと前記静止部側円筒張り出し部１７ｂの軸方向の重なり距離Ｌを短縮することができる。従って、圧縮機全体の軸方向長さが大きくなるのを抑制することができる。

なお、前記環状凸部１７ｃに対向するロータ側円筒張り出し部１７ａの内周面はロータ７と同心の円周面としている。また、前記ロータ７と静止部側との軸方向の位置関係が熱伸び等によって変化しても、前記狭隘部１７における前記隙間距離ｄが変化しないように構成されている。即ち、本実施例では、前記ロータ側円筒張り出し部１７ａの内周面における前記環状凸部１７ｃに対向する部分から、ロータ７等の熱伸びや振動を考慮して、少なくとも一定の範囲は、ロータ７と同心で半径が等しい円周面に構成されている。具体的には、ロータ側円筒張り出し部１７ａの軸方向先端（図３中、ロータ側円筒張り出し部１７ａの左端）から軸方向に一定の範囲は、ロータ７と同心で半径が等しい円周面に構成されている。

なお、本実施例では、前記静止部側円筒張り出し部１７ｂを前記ラビリンスシール１２と一体に構成しているので、この静止部側円筒張り出し部１７ｂも前記ラビリンスシール１２と共に半割れ構造となっている。また、本実施例では、ロータ側円筒張り出し部１７ａが、静止部側円筒張り出し部１７ｂの径方向外側になるように構成されているため、圧縮機（ターボ機械）を組み立てる際には、まず半割れ構造の静止部側円筒張り出し部１７ｂをラビリンスシール１２と共に設置する。次に、ロータ７を、ロータ側円筒張り出し部１７ａが前記静止部側円筒張り出し部１７ｂと干渉しないように軸方向（図２、図３中の右方向）にずらして設置する。その後、もう一方の半割れ構造の静止部側円筒張り出し部１７ｂを設置し、最後に、前記ロータ７の軸方向位置を、図２、図３中の左方向へ戻す（移動させる）ことにより、二重円筒構造の狭隘部１７が形成された圧縮機を組み立てることができる。

更に、本実施例では、図３に示すように、前記二重円筒構造の狭隘部１７の漏れ流れ上流に、羽根車６の回転方向に旋回して流れる前記漏れ流れ１８の円周方向への流れを抑制する円周方向流れ抑制部材１７ｄを設けている。この円周方向流れ抑制部材１７ｄは、前記静止部側円筒張り出し部１７ｂの外周面における前記環状凸部１７ｃの上流側に設けられ、円周方向に複数枚配列された板状の部材で構成されている。

次に、上述した本実施例１の効果を、図４及び図５を用いて説明する。図４は図３に示すラビリンスシール１２部付近の圧力分布を示す模式図、図５はロータ７の偏心方向を説明する模式図である。
図４の圧力分布を示している線図において、横軸は、ラビリンスシール１２の軸方向位置、縦軸はロータ７の表面に作用する圧力ｐを示している。また、前記線図における実線２０は、ロータ７の偏心方向側の表面に作用する圧力（偏心方向ロータ表面圧力）を、２１は、ロータ７の反偏心方向側の表面に作用する圧力（反偏心方向ロータ表面圧力）を示している。

ここで、ロータ７の偏心方向について、図５を用いて説明する。図５はロータ７の偏心方向を説明するために、ロータ７とステータ（ラビリンスシール１２やケーシング２）との関係を簡略化して示す図である。この図５では、ロータの中心がステータの中心に対して上方に偏心している状態を示しており、図５の太い矢印で示す方向が偏心方向であり、太い矢印の反対方向が反偏心方向である。また、黒丸Ａで示すロータの上方端側表面が偏心方向ロータ表面、黒丸Ｂで示すロータの下方端側表面が反偏心方向ロータ表面である。従って、ロータとステータ（ラビリンスシール１２）との隙間距離ｄｓは、偏心方向ロータ表面Ａで最も小さくなり、反偏心方向ロータ表面Ｂで最も大きくなる。

ラビリンスシール１２の部分では、ロータ偏心方向の隙間距離ｄｓが減少して圧力損失が大きくなり、反偏心方向では隙間距離ｄｓが増大して圧力損失が小さくなるので、ラビリンスシール１２内の圧力は、偏心方向で低く、反偏心方向で高くなる。従って、ラビリンスシール１２の部分では、ロータ７に対しては偏心を更に助長する方向の流体力が作用する。

これに対し、前記狭隘部１７においては、ロータ７の偏心方向で隙間距離ｄが増大するので圧力損失が小さくなり、反偏心方向では隙間距離ｄは減少して圧力損失が大きくなる。従って、ラビリンスシール１２入口側の圧力は、偏心方向で高く、反偏心方向では低くなる。このように、ラビリンスシール１２入口側の圧力は、偏心方向の方が反偏心方向に比べ相対的に高くなる。

このため、図４に示すように、偏心方向ロータ表面圧力２０の方が、反偏心方向ロータ表面圧力２１よりも高くなる。従って、ロータ７が偏心すると、偏心方向に対して逆向きの方向（反偏心方向）の流体力がロータ７に作用するので、ロータ７が偏心するのを抑制することができる。これにより、本実施例によれば、ターボ機械の高速・高圧条件下の運転においても、ロータ７の偏心を抑えて安定した運転が可能となる。

従って、本実施例のターボ機械によれば、ロータ７の振動が増大するのを抑制できるので、ロータ７とラビリンスシール１２との隙間を大きくすることなく、それらの接触も防止できるから、ラビリンスシール１２における漏れも抑制できる。更に、前記狭隘部１７を設けているので、この狭隘部１７による漏れ流れ抑制効果も得ることができる。

また、本実施例では、上述したように、前記円周方向流れ抑制部材１７ｄを前記環状凸部１７ｃの上流側に並設しているので、旋回しながら流れる漏れ流れ１８は前記狭隘部１７で一度せき止められ、漏れ流れ１８が円周方向に流れるのを効率的に抑制することができる。この結果、前記ラビリンスシール１２の部分において前記ロータ７に作用する偏心直角方向流体力も効率的に低減できるから、この点からもロータの振動を低減できる効果が得られる。

図６を用いて、本発明のターボ機械の実施例２を説明する。図６は上記実施例１における図２に示す１段目羽根車付近の図に相当する要部断面図である。図６において、実施例１の説明で用いた図１〜図４と同一符号を付した部分は同一又は相当する部分を示している。また、本実施例２の説明においては、上記実施例１と異なる部分を中心に説明し、実施例１と同様の部分については説明を省略する。

上記実施例１では、二重円筒構造の前記狭隘部１７における静止部側円筒張り出し部１７ｂの外周面に環状平行歯１７ｃを設けたが、本実施例２では、図６に示すように、ロータ側円筒張り出し部１７ａの内周面に環状凸部１７ｅを設けるようにしたものである。本実施例２においては、前記狭隘部１７の隙間距離ｄ´を前記環状凸部１７ｅの先端と前記静止部側円筒張り出し部１７ｂの外周面との間で形成するので、前記環状凸部１７ｅに対向する静止部側円筒張り出し部１７ｂの外周面はラビリンスシール１２と同心の円周面としている。

また、前記ロータ７と静止部側との軸方向の位置関係が熱伸び等によって変化しても、前記狭隘部１７における前記隙間距離ｄ´が変化しないように、前記静止部側円筒張り出し部１７ｂの外周面における前記環状凸部１７ｅに対向する部分から、熱伸びや振動を考慮して、少なくとも一定の範囲は、ラビリンスシールの中心と同心で半径が等しい円周面に構成されている。
本実施例２において、他の構成は上記実施例１と同様であり、本実施例２においても上記実施例１と同様の効果を得ることができる。

上述した実施例１及び実施例２の説明では、１段目羽根車６の口金６ｃの部分に設けられている口金部のラビリンスシール１２の部分に本発明を適用した例、即ち、二重円筒構造の前記狭隘部１７を設けた例について説明したが、本発明は、図２に示すように、２段目以降の羽根車６の口金部のラビリンスシール１２の部分に対しても同様に適用できるものである。

また、図１、図２に示す中間段のラビリンスシール１５の部分や、図１に示すバランスピストン部のラビリンスシール１６の部分にも、本発明は同様に適用できるものであり、同様の効果を得ることができる。例えば、バランスピストン部のラビリンスシール１６の部分に本発明を適用する場合には、最終段羽根車の背面（羽根車の主板背面側）にロータと同心となるようにロータ側円筒張り出し部を設ける。また、このロータ側円筒張り出し部の径方向内側となるように、静止部側円筒張り出し部を、バランスピストン部のラビリンスシール１６と同心となるように設けて、狭隘部を形成すれば良い。

以上説明したように、本発明の各実施例のものは、ラビリンスシールを流れる漏れ流れの流路の途中に、ロータ側円筒張り出し部と静止部側円筒張り出し部を設け、前記ロータ側円筒張り出し部の内周面が静止部側円筒張り出し部の外周面よりも径方向外側となるようにし、前記ロータ側円筒張り出し部と前記静止部側円筒張り出し部の軸方向位置が重なる二重円筒部を設けて狭隘部を形成している。従って、ロータが偏心することによりラビリンスシールの部分で生じる偏心方向流体力と逆向きとなる流体力を発生するような円周方向圧力分布を、前記狭隘部と前記ラビリンスシールとの間のロータ部分に発生させることができる。

即ち、前記ラビリンスシールの漏れ流れ上流に、前記狭隘部を設けることにより、ロータが偏心すると、前記狭隘部の隙間は偏心側で大きく、反偏心側では小さくなるので、高圧作動流体の漏れ流れは、偏心側が反偏心側よりも増大する。従って、前記ラビリンスシールの上流側では、ロータの偏心側の圧力が反偏心側よりも相対的に増大するから、ロータの偏心方向とは反対方向への流体力をロータに作用させることができる。

これにより、ロータが偏心することによりラビリンスシールの部分で発生する偏心方向流体力を効果的に抑制する円周方向圧力分布をラビリンスシールの上流側で発生させることができる。従って、偏心方向流体力が助長されるのを抑制してロータが大きく偏心するのを防止でき、ロータの過大振動を抑制して、ロータとラビリンスシールとの接触を防止できる。

また、ラビリンスシールの入口において前述した円周方向圧力分布を発生させることができるため、この円周方向圧力分布を有する漏れ流れがラビリンスシール内に流入する。これにより、ロータが偏心してラビリンスシール内で発生する偏心方向流体力自体を小さく抑えることもできる。

更に、前記狭隘部を設けたことにより、そのシール効果により、漏れ流れを低減することもできるから、ラビリンスシールと前記狭隘部との２つにより、漏れ流れを低減しつつ、ロータの偏心が助長されるのを抑制して、高速・高圧条件下においても安定した運転が可能なターボ機械を実現できる。

また、上記各実施例によれば、前記静止部側円筒張り出し部の外周面または前記ロータ側円筒張り出し部の内周面に凸部を設けて、前記狭隘部を形成するようにしているので、組み立て時の狭隘部の隙間管理が容易となり、隙間距離を小さく設計することも容易に可能となる。前記隙間距離を小さく設計できることにより、効果的に偏心方向流体力を抑制する円周方向圧力分布を発生させることが可能となる。

更に、前記静止部側円筒張り出し部の外周面であって前記狭隘部の漏れ流れ上流側に、漏れ流れの円周方向流れを抑制する円周方向流れ抑制部材を設けるようにすれば、ラビリンスシールに流入する旋回流を抑えることができるから、前記ラビリンスシール部に発生する偏心直角方向流体力も低減することができる。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。また、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

１：遠心圧縮機、２：ケーシング、３，４：ラジアル軸受、５：回転軸、
６：羽根車、６ａ：羽根、６ｂ：シュラウド、６ｃ：口金、
６ｄ：羽根車入口、６ｅ：羽根車出口、
７:ロータ、８：吸込流路、９：ディフューザ、１０：戻り流路、１１：吐出流路、
１２：口金部のラビリンスシール、
１２ａ：環状平行歯、１２ｂ：環状平行溝、１２ｃ：支持部、
１３：スラスト軸受、１４：バランスピストン、１５：中間段のラビリンスシール、
１６：バランスピストン部のラビリンスシール、
１７：狭隘部、１７ａ：ロータ側円筒張り出し部（ロータ側環状張り出し部）、
１７ｂ：静止部側円筒張り出し部（静止部側環状張り出し部）、
１７ｃ：環状の凸部（環状凸部）、１７ｄ：円周方向流れ抑制部材、
１８：漏れ流れ、１９：漏れ流れ流路。

Claims (11)

1. ケーシングと、該ケーシングに回転可能に支持されたロータと、前記ケーシング内の静止部と前記ロータとの間に設けられ、作動流体が高圧側から低圧側に漏れるのを防止するラビリンスシールを備えているターボ機械において、
   前記ラビリンスシールへ流れる漏れ流れ流路の途中に狭隘部を設け、
   前記狭隘部は、前記ロータに設けられ該ロータと同心のロータ側環状張り出し部と、前記ケーシング内の静止部に前記ラビリンスシールと同心に設けられた静止部側環状張り出し部を備え、
   前記ロータ側環状張り出し部の内周部は、前記静止部側環状張り出し部の外周部よりも径方向外側となるように配置されると共に、前記ロータ側環状張り出し部の軸方向の少なくとも一部と前記静止部側環状張り出し部の軸方向の少なくとも一部が重なる構造に形成されている
   ことを特徴とするターボ機械。
2. ケーシングと、該ケーシングに回転可能に支持されたロータと、前記ケーシング内の静止部と前記ロータとの間に設けられ、作動流体が高圧側から低圧側に漏れるのを防止するラビリンスシールを備えているターボ機械において、
   前記ラビリンスシールへ流れる漏れ流れ流路の途中に狭隘部を設け、
   前記狭隘部は、前記ロータに設けられ該ロータと同心のロータ側円筒張り出し部と、前記ケーシング内の静止部に前記ラビリンスシールと同心に設けられた静止部側円筒張り出し部を備え、
   前記ロータ側円筒張り出し部の内周面は、前記静止部側円筒張り出し部の外周面よりも径方向外側となるように配置されると共に、前記ロータ側円筒張り出し部の軸方向の少なくとも一部と前記静止部側円筒張り出し部の軸方向の少なくとも一部が重なる二重円筒構造に形成されている
   ことを特徴とするターボ機械。
3. 請求項２に記載のターボ機械において、前記二重円筒構造の狭隘部は、前記ラビリンスシールが設けられている漏れ流れ流路における前記ラビリンスシールの上流側に設けられていることを特徴とするターボ機械。
4. 請求項２に記載のターボ機械において、前記静止部側円筒張り出し部の外周面に環状の凸部を設け、この凸部と前記ロータ側円筒張り出し部の内周面との間で前記狭隘部が形成されていることを特徴とするターボ機械。
5. 請求項４に記載のターボ機械において、環状の前記凸部はフィン形状で且つ前記ロータ側円筒張り出し部よりも柔らかい材料で構成されていることを特徴とするターボ機械。
6. 請求項４に記載のターボ機械において、環状の前記凸部は前記静止部側円筒張り出し部の軸方向の先端部に設けられていることを特徴とするターボ機械。
7. 請求項４に記載のターボ機械において、前記ロータ側円筒張り出し部の内周面における環状の前記凸部に対向する部分から少なくとも一定の範囲は、ロータと同心で半径が等しい円周面に構成し、熱伸びや振動しても前記狭隘部の隙間距離が変化しないように構成していることを特徴とするターボ機械。
8. 請求項２に記載のターボ機械において、前記ロータ側円筒張り出し部の内周面に環状の凸部を設け、この凸部と前記静止部側円筒張り出し部の外周面との間で前記狭隘部が形成されていることを特徴とするターボ機械。
9. 請求項３に記載のターボ機械において、前記静止部側円筒張り出し部の外周面であって前記狭隘部の漏れ流れ上流側に、漏れ流れの円周方向流れを抑制する円周方向流れ抑制部材を設け、この円周方向流れ抑制部材は円周方向に複数枚配列された板状の部材で構成されていることを特徴とするターボ機械。
10. 請求項２に記載のターボ機械において、前記ラビリンスシールは羽根車の口金部に設けられているものであることを特徴とするターボ機械。
11. 請求項２に記載のターボ機械において、前記ラビリンスシールはバランスピストン部に設けられているものであり、最終段羽根車の背面にロータと同心となるように前記ロータ側円筒張り出し部を設け、このロータ側円筒張り出し部の径方向内側となるように、前記静止部側円筒張り出し部を、前記バランスピストン部に設けられているラビリンスシールと同心となるように設けて、前記狭隘部を形成していることを特徴とするターボ機械。

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