JP2018063005A - ラビリンスシール - Google Patents

Abstract

【課題】流体の漏れ量を抑制する。【解決手段】ラビリンスシール３０は、段差部４０と、高圧側フィン５１と、低圧側フィン５２、環状溝７０と、を備える。段差部４０は、回転体２０（第２部材）の対向方向一方側Ｙ１部分に形成され、かつ、高圧側Ｘ１に面する。高圧側フィン５１は、段差部４０よりも高圧側Ｘ１に配置される。低圧側フィン５２は、段差部４０よりも低圧側Ｘ２に配置される。環状溝７０は、回転体２０の対向方向一方側Ｙ１部分に形成され、段差部４０よりも低圧側Ｘ２かつ低圧側フィン５２よりも高圧側Ｘ１の領域の少なくとも一部に配置される。【選択図】図２

Description

本発明は、ラビリンスシールに関する。

例えば特許文献１、２に従来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、回転機械を構成する２つの部材（例えば回転体と静止体）の間の隙間から流体が漏れることを抑制するものである。特許文献２の図１に記載のラビリンスシールは、段差部と、複数のフィンと、を備えている。この構成により、フィンの間の空間に渦を発生させ、流体のエネルギー損失を生じさせることで、流体の漏れ量を抑制することが図られている。

特開昭６０−９８１９６号公報 特開２００２−２２８０１４号公報

特許文献２の図１に記載の渦は、フィンと部材（同文献では回転体）との隙間の近傍で、部材に吹き付けられる。そのため、フィンと部材との隙間から流体が漏れやすく、流体の漏れ量を十分に抑制できないおそれがある。

そこで本発明は、流体の漏れ量を抑制できるラビリンスシールを提供することを目的とする。

本発明のラビリンスシールは、回転機械に設けられる。回転機械は、第１部材と、第２部材と、隙間と、を備える。前記第２部材は、前記第１部材に対向する。前記隙間は、前記第１部材と前記第２部材との間に形成され、前記第１部材と前記第２部材とが対向する方向に直交する方向である流れ方向に高圧側から低圧側に流体が流れるように構成される。前記第１部材と前記第２部材とが対向する方向である対向方向において、前記第２部材から前記第１部材に向かう側を対向方向一方側とする。対向方向において、前記第１部材から前記第２部材に向かう側を対向方向他方側とする。ラビリンスシールは、段差部と、高圧側フィンと、低圧側フィンと、環状溝と、を備える。前記段差部は、前記第２部材の対向方向一方側部分に形成され、かつ、高圧側に面する。前記高圧側フィンは、前記段差部よりも高圧側に配置され、前記第１部材の対向方向他方側部分から対向方向他方側に延びる。前記低圧側フィンは、前記段差部よりも低圧側に配置され、前記第１部材の対向方向他方側部分から対向方向他方側に延びる。前記環状溝は、前記第２部材の対向方向一方側部分に形成され、前記段差部よりも低圧側かつ前記低圧側フィンよりも高圧側の領域の少なくとも一部に配置される。

上記構成により、流体の漏れ量を抑制できる。

第１実施形態の回転機械を示す断面図である。 図１に示すラビリンスシール３０などを示す断面図である。 Ｌ／Ｇ（図２参照）と、漏れ量と、の関係を示すグラフである。 Ｄ／Ｈ（図２参照）と、漏れ量と、の関係を示すグラフである。 第２実施形態の図２相当図である。 第３実施形態の図２相当図である。 第４実施形態の図２相当図である。 第５実施形態のラビリンスシール５３０などを示す断面図である。

（第１実施形態）
図１〜図４を参照して、図１に示す第１実施形態の回転機械１について説明する。

回転機械１（流体機械、流体回転機械）は、例えば圧縮機であり、例えばターボ圧縮機などである。回転機械１は、例えば膨張機でもよく、例えば膨張タービンなどでもよい。回転機械１は、遠心式である。回転機械１は、静止体１０（第１部材）と、回転体２０（第２部材）と、隙間２５と、ラビリンスシール３０と、ラビリンスシール１３０と、を備える。静止体１０は、例えばケーシングである。静止体１０は、例えば、ケーシング内に配置され、ケーシングに固定される部材でもよい。

回転体２０は、静止体１０の内部に配置され、静止体１０に対して回転軸Ａ（中心軸）回りに回転する。回転体２０は、例えばインペラであり、例えばシュラウド付きインペラである。回転体２０は、静止体１０に対向する。回転体２０のうち、ラビリンスシール３０およびラビリンスシール１３０が設けられる部分は、静止体１０に対向する。

隙間２５は、図２に示すように、静止体１０と回転体２０との間に形成され、静止体１０の対向方向他方側Ｙ２（下記）部分と、回転体２０の対向方向一方側Ｙ１（下記）部分との間に形成される。流体が、隙間２５を流れることが可能である。流れ方向Ｘの高圧側Ｘ１から、流れ方向Ｘの低圧側Ｘ２に、隙間２５を流体が流れるように、隙間２５が構成される。図１に示すように、流れ方向Ｘは、回転軸Ａに直交する方向、または略直交する方向である。回転機械１が圧縮機の場合、高圧側Ｘ１は、回転軸Ａから遠い側（回転軸Ａを基準とした径方向外側）であり、低圧側Ｘ２は、回転軸Ａに近い側（回転軸Ａを基準とした径方向内側）である。回転機械１が膨張機の場合、高圧側Ｘ１は回転軸Ａに近い側であり、低圧側Ｘ２は回転軸Ａから遠い側である。以下では回転機械１が圧縮機の場合について説明する。静止体１０と回転体２０とが対向する方向を対向方向Ｙとする。対向方向Ｙは、流れ方向Ｘと直交する方向である。対向方向Ｙは、回転軸Ａの方向と等しい（またはほぼ等しい）。図２に示すように、対向方向Ｙにおいて、回転体２０から静止体１０に向かう側を対向方向一方側Ｙ１とし、静止体１０から回転体２０に向かう側を対向方向他方側Ｙ２とする。隙間２５のうち、高圧側フィン５１（下記）と低圧側フィン５２（下記）との間の領域（流れ方向Ｘにおける間）を、空間２５ａとする。

ラビリンスシール３０は、高圧側Ｘ１から低圧側Ｘ２への、隙間２５での流体の漏れを抑制する。ラビリンスシール３０は、この漏れを抑制することで、回転機械１（図１参照）内での流体の循環を抑制する。ラビリンスシール３０は、静止体１０と回転体２０とを接触させることなく（非接触で）、流体の漏れ流れの量（以下、漏れ量ともいう）を抑制する装置である。図１に示すように、ラビリンスシール３０は、複数の単位構造３０ａを備える。複数の単位構造３０ａは、互いに同様に構成される。以下では１つの単位構造３０ａについて説明する。ラビリンスシール３０は（複数の単位構造３０ａそれぞれは）、図２に示すように、段差部４０と、フィン５０と、環状溝７０と、を備える。

段差部４０は、回転体２０の対向方向一方側Ｙ１部分に形成される。段差部４０は、回転軸Ａ（図１参照）を中心とした環状（リング状）である。回転軸Ａと平行かつ回転軸Ａを含む平面での、回転機械１の断面を「回転軸断面」とする。回転軸断面は、対向方向Ｙおよび流れ方向Ｘそれぞれに直交する方向から見た断面である。図１および図２は、回転軸断面における回転機械１を示す図である。図２に示すように、回転軸断面において、段差部４０は、対向方向Ｙに延びる直線状である。すなわち、段差部４０は、回転軸Ａを中心とする環状の円筒状である。回転軸断面において、段差部４０は、対向方向Ｙに対して傾斜する直線状でもよい（図示なし）。この場合、段差部４０は、回転軸Ａ（図１参照）を中心とする環状の曲面状であって、回転軸Ａを中心とする円錐台の外周部を構成する曲面の形状である。回転軸断面において、段差部４０は、曲線状でもよい（図示なし）。この場合、段差部４０は、回転軸Ａを中心とする環状の曲面状である。回転軸Ａを中心とする環状である点は、図２に示すフィン５０および環状溝７０についても同様である。

この段差部４０は、高圧側Ｘ１に面する（向く）。段差部４０の表面（段差表面）は、高圧側Ｘ１に面する。回転体２０のうち段差部４０よりも高圧側Ｘ１の部分（高圧側段部４６）よりも、回転体２０のうち段差部４０よりも低圧側Ｘ２の部分（低圧側段部４７）の方が、対向方向一方側Ｙ１に配置されるように、段差部４０が構成される。段差部４０は、高圧側段部４６の低圧側Ｘ２端部につながれる。段差部４０は、低圧側段部４７の高圧側Ｘ１端部につながれる。

高圧側段部４６（高圧側平面）は、回転体２０の対向方向一方側Ｙ１部分に形成される。回転軸断面において、高圧側段部４６は、流れ方向Ｘに延びる直線状である。すなわち、高圧側段部４６は、回転軸Ａ（図１参照）を中心とする環状の平面状である。回転軸断面において、高圧側段部４６の全部または一部は、流れ方向Ｘに対して傾斜する直線または曲線でもよい。この場合、高圧側段部４６は、回転軸Ａを中心とする環状の曲面状（例えば略平面状）である。

低圧側段部４７（低圧側平面）は、高圧側段部４６よりも低圧側Ｘ２に配置され、高圧側段部４６よりも対向方向一方側Ｙ１に配置される。低圧側段部４７の形状は、高圧側段部４６の形状と同様である。例えば、低圧側段部４７は、回転軸Ａ（図１参照）を中心とする環状の平面状である。

フィン５０は、隙間２５を仕切る部分である。フィン５０は、隙間２５を完全には仕切らず、隙間２５を狭めるように配置される。フィン５０は、静止体１０の対向方向他方側Ｙ２部分から対向方向他方側Ｙ２に延び、回転体２０の対向方向一方側Ｙ１の面の近傍まで延びる。フィン５０は、静止体１０と一体的に設けられる。フィン５０は、静止体１０と別体でもよい。フィン５０は、高圧側Ｘ１から低圧側Ｘ２の順に、高圧側フィン５１と、低圧側フィン５２と、を備える。

高圧側フィン５１は、段差部４０よりも高圧側Ｘ１に配置される。高圧側フィン５１は、高圧側段部４６と対向方向Ｙに対向する位置に配置される。高圧側フィン５１の先端部（対向方向他方側Ｙ２端部）の対向方向Ｙにおける位置は、低圧側段部４７の表面（対向方向一方側Ｙ１の面）の対向方向Ｙにおける位置よりも、対向方向他方側Ｙ２である。高圧側フィン５１の先端部と回転体２０との間には、対向方向Ｙの隙間δ１がある。このように、高圧側フィン５１それぞれの先端部と、低圧側段部４７とが、対向方向Ｙにずれるように配置される。よって、流体が、フィン５０および段差部４０に当たらずに、流れ方向Ｘに流れること（吹き抜け）が抑制される。

低圧側フィン５２は、段差部４０よりも低圧側Ｘ２に配置される。低圧側フィン５２は、低圧側段部４７と対向方向Ｙに対向する位置に配置され、環状溝７０と対向方向Ｙに対向する位置に配置されてもよい。低圧側フィン５２の先端部と回転体２０との間には、対向方向Ｙの隙間δ２がある。隙間δ２は、隙間２５からの流体の流出出口である。低圧側フィン５２は、高圧側Ｘ１の側面である高圧側側面５２ａと、低圧側Ｘ２の側面である低圧側側面５２ｂと、を備える。高圧側側面５２ａおよび低圧側側面５２ｂは、流れ方向Ｘに直交する面である。上記「直交」は、略直交を含む（以下同様）。

環状溝７０は、渦Ｖ２を流入させるための溝である。環状溝７０は、渦Ｖ２が発生する部位（箇所）に設けられ、環状溝７０に囲まれた空間（環状溝７０の内部）に渦Ｖ２が流入するように構成される。環状溝７０は、回転体２０の対向方向一方側Ｙ１部分に形成される。環状溝７０は、段差部４０よりも低圧側Ｘ２、かつ、低圧側フィン５２よりも高圧側Ｘ１の領域の少なくとも一部に配置される。環状溝７０は、低圧側段部４７に形成され、低圧側段部４７の対向方向一方側Ｙ１端部よりも対向方向他方側Ｙ２に凹む。環状溝７０の一部は、高圧側側面５２ａよりも低圧側Ｘ２に配置されてもよい。

この環状溝７０の対向方向一方側Ｙ１端部かつ高圧側Ｘ１端部の、流れ方向Ｘ位置（流れ方向Ｘにおける位置）は、段差部４０の対向方向一方側Ｙ１端部かつ低圧側Ｘ２端部よりも低圧側Ｘ２である。

この環状溝７０の対向方向一方側Ｙ１端部かつ低圧側Ｘ２端部の、流れ方向Ｘ位置は、次の［位置ａ１］〜［位置ａ５］のいずれかである。［位置ａ１］高圧側側面５２ａの先端（対向方向他方側Ｙ２の端）よりも高圧側Ｘ１。［位置ａ２］高圧側側面５２ａの先端と同じ（または略同じ）流れ方向Ｘ位置。［位置ａ３］高圧側側面５２ａの先端よりも低圧側Ｘ２、かつ、低圧側側面５２ｂの先端よりも高圧側Ｘ１。［位置ａ４］低圧側側面５２ｂの先端と同じ（または略同じ）流れ方向Ｘ位置。［位置ａ５］低圧側側面５２ｂよりも低圧側Ｘ２。

この環状溝７０は、回転軸Ａ（図１参照）を中心とする環状である。回転軸断面において、環状溝７０に囲まれた部分（環状溝７０の内部）の形状は、矩形状である。図２において、「環状溝７０に囲まれた部分」の対向方向一方側Ｙ１端部を二点鎖線で示す。環状溝７０は、高圧側Ｘ１の側面である高圧側側面７０ａと、低圧側Ｘ２の側面である低圧側側面７０ｂと、底面７０ｃと、を備える。高圧側側面７０ａおよび低圧側側面７０ｂは、流れ方向Ｘに直交する面である。底面７０ｃは、環状溝７０の対向方向他方側Ｙ２部分の面であり、環状溝７０の底部（低圧側段部４７の表面を基準としたときの底部）を構成する面である。底面７０ｃは、対向方向Ｙに直交する面である。

ラビリンスシール１３０は、図１に示すように、ラビリンスシール３０とほぼ同様に構成される。ラビリンスシール３０の単位構造３０ａの数は５であり、ラビリンスシール１３０の単位構造３０ａの数は４である。

（第１部材および第２部材について）
「第１部材」は、フィン５０が設けられる部材である。第１部材は、ラビリンスシール３０では静止体１０であり、回転体２０でもよい。「第２部材」は、段差部４０および環状溝７０が設けられる部材である。第２部材は、ラビリンスシール３０では回転体２０であり、静止体１０でもよい。

（流体の流れ）
図２に示す隙間２５を流れる流体は、次のように流れる。流体は、高圧側フィン５１よりも高圧側Ｘ１から、隙間δ１を通過し、空間２５ａに流入し、渦Ｖ１を形成する。渦Ｖ１は次のように形成される。流体は、高圧側段部４６の表面（対向方向一方側Ｙ１の面）にほぼ沿うように低圧側Ｘ２に直進（略直進を含む）し、段差部４０に当たり（衝突し）、対向方向一方側Ｙ１に流れる（転向する）。この流れは、静止体１０の対向方向他方側Ｙ２の面に当たり、静止体１０の対向方向他方側Ｙ２の面にほぼ沿うように高圧側Ｘ１に流れる。そして、この流れは、高圧側フィン５１に当たり、高圧側フィン５１にほぼ沿うように対向方向他方側Ｙ２に流れ、高圧側段部４６に当たり、低圧側Ｘ２に流れる。このように渦Ｖ１が形成される。

段差部４０に当たり、対向方向一方側Ｙ１に流れる流体は、渦Ｖ１と、渦Ｖ１よりも低圧側Ｘ２の渦Ｖ２と、に分岐する。渦Ｖ２は次のように形成される。渦Ｖ１から分岐した流体は、静止体１０の対向方向他方側Ｙ２の面に当たり、静止体１０の対向方向他方側Ｙ２の面にほぼ沿うように低圧側Ｘ２に流れる。この流れは、低圧側フィン５２の高圧側側面５２ａに当たり、高圧側側面５２ａにほぼ沿うように対向方向他方側Ｙ２に流れる。この流れは、環状溝７０内に流入し、環状溝７０の内面にほぼ沿うように流れる。この流れは、低圧側側面７０ｂにほぼ沿うように対向方向他方側Ｙ２側に流れ、底面７０ｃにほぼ沿うように高圧側Ｘ１に流れ、高圧側側面７０ａにほぼ沿うように対向方向一方側Ｙ１に流れ、環状溝７０から流出する。このように渦Ｖ２が形成される。

高圧側側面５２ａにほぼ沿うように対向方向他方側Ｙ２に流れた流体は、渦Ｖ２と、隙間δ２に向かう流れである分岐流Ｆと、に分岐する。分岐流Ｆは、隙間δ２を通過し、低圧側Ｘ２に流れ、空間２５ａの外に流出する（漏れる）。

高圧側側面５２ａにほぼ沿うように対向方向他方側Ｙ２に流れた流体が、環状溝７０に流入することで、分岐流Ｆの流量が抑制されるので、空間２５ａからの流体の漏れ量が抑制される。また、空間２５ａに形成された渦Ｖ１および渦Ｖ２によって流体間摩擦が発生し、流体のエネルギー損失が生じることによって、空間２５ａからの流体の漏れ量が抑制される。この流体間摩擦には、流体どうしの摩擦、および、流体と壁面との摩擦が含まれる。上記壁面は、流速がゼロの流体とみなせるものである。上記壁面には、例えば環状溝７０の表面などが含まれる。

（寸法について）
段差部４０よりも低圧側Ｘ２かつ低圧側フィン５２よりも高圧側Ｘ１の領域の少なくとも一部に環状溝７０があれば、環状溝７０による効果（漏れ量の抑制）が得られる。さらに、下記の条件を満たすことで環状溝７０による効果をより向上させることができる。

回転軸断面における、流れ方向Ｘに関する寸法には、距離Ｌと、距離Ｇと、開口幅Ｗと、距離Ｅと、厚さＴと、がある。これらの寸法を次のように定義する。

距離Ｌは、段差部４０と、環状溝７０の対向方向一方側Ｙ１端部かつ低圧側Ｘ２端部と、の流れ方向Ｘにおける距離（最短距離、間の距離）である。段差部４０に流れ方向Ｘの幅がある場合（例えば段差部４０が対向方向Ｙに対して傾斜する場合など）は、距離Ｌの高圧側Ｘ１の起点は、段差部４０の対向方向一方側Ｙ１端部かつ低圧側Ｘ２端部とする（距離Ｇおよび距離Ｅについても同様）。本実施形態では、距離Ｌは、段差部４０と、低圧側側面７０ｂと、の流れ方向Ｘにおける距離である。

距離Ｇは、段差部４０と、低圧側フィン５２の先端部かつ高圧側Ｘ１端部と、の流れ方向Ｘにおける距離（最短距離）である。本実施形態では、距離Ｇは、段差部４０と、高圧側側面５２ａと、の流れ方向Ｘにおける距離である。

開口幅Ｗは、環状溝７０の開口の流れ方向Ｘにおける幅である。さらに詳しくは、開口幅Ｗは、環状溝７０の対向方向一方側Ｙ１端部での流れ方向Ｘにおける幅である。距離Ｅは、段差部４０と、環状溝７０の対向方向一方側Ｙ１端部かつ高圧側Ｘ１端部と、の流れ方向Ｘにおける距離である。距離Ｅは、距離Ｌから開口幅Ｗを引いた距離である。

厚さＴは、低圧側フィン５２の先端部での流れ方向Ｘにおける幅である。ここでは、「低圧側フィン５２の先端部」は、分岐流Ｆが直接当たり得る部分である。図５に示す例では、分岐流Ｆは低圧側側面５２ｂに直接には当たらないので、低圧側側面５２ｂは「低圧側フィン５２の先端部」に含まれない。

図２に示すように、回転軸断面における、対向方向Ｙに関する寸法には、高さＨと、深さＤと、がある。これらの寸法を次のように定義する。

高さＨは、段差部４０の対向方向Ｙにおける幅である。さらに詳しくは、高さＨは、高圧側段部４６の表面（対向方向一方側Ｙ１の面）の低圧側Ｘ２端部と、低圧側段部４７の表面（対向方向一方側Ｙ１の面）の高圧側Ｘ１端部と、の対向方向Ｙにおける距離である。

深さＤは、環状溝７０の対向方向Ｙにおける幅である。さらに詳しくは、深さＤは、環状溝７０の対向方向他方側Ｙ２端部（例えば底面７０ｃ）と、低圧側段部４７の表面（対向方向一方側Ｙ１の面）と、の対向方向Ｙにおける距離である。

（開口幅Ｗおよび距離Ｅに関する好ましい条件）
開口幅Ｗを大きくすることで、渦Ｖ２が環状溝７０に流入しやすくなり、また、渦Ｖ２を大きく形成できる。その結果、上記のエネルギー損失をより増加させることができる。例えば、Ｗ／Ｇ＞０.２、を満たすことが好ましい。また、距離Ｅを小さくすることで、渦Ｖ２を大きく形成できる。その結果、上記のエネルギー損失をより増加させることができる。例えば、Ｅ／Ｇ＜０．８、を満たすことが好ましい。

（距離Ｇおよび距離Ｌに関する好ましい条件）
高圧側側面５２ａの流れ方向Ｘ位置に対して、低圧側側面７０ｂの流れ方向Ｘ位置が、等しい位置（同一面上）、または、低圧側Ｘ２であることが好ましい（Ｇ≦Ｌが好ましい）。Ｇ≦Ｌとすることで、低圧側フィン５２に沿って対向方向他方側Ｙ２に流れた渦Ｖ２が、環状溝７０に流入しやすくなり、分岐流Ｆの流量を抑制できる。流体が環状溝７０に流入しやすいので、渦Ｖ２の流速をより速くできる結果、上記のエネルギー損失を大きくすることができる。

ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics）解析により、高圧側側面５２ａの位置、低圧側側面７０ｂの位置、および、漏れ量について調査した。その結果、図３に示すように、Ｌ／Ｇによって漏れ量が変化するという知見を得た。図３の「比較例」は、図２に示す環状溝７０を備えないラビリンスシールである。なお、図３に示すグラフでは、縦軸の漏れ量の単位を無次元化し、具体的には、比較例における漏れ量を１とした（図４についても同様）。

図２に示す高圧側側面５２ａに対して低圧側側面７０ｂが高圧側Ｘ１に離れすぎると、低圧側フィン５２に沿って対向方向他方側Ｙ２に流れた流体が、環状溝７０に流入しにくくなる。その結果、漏れ量抑制の効果は小さくなる。また、高圧側側面５２ａに対して低圧側側面７０ｂが低圧側Ｘ２に離れすぎると、低圧側フィン５２と回転体２０との隙間δ２が大きくなるので、流体が隙間δ２を通りやすくなり、漏れ量抑制の効果は小さくなる。

そこで、図３に示すように、０＜Ｌ／Ｇ＜１．２＋Ｔ／Ｇ、を満たすことが好ましい。この場合、比較例に比べ、確実に漏れ量を抑制できる。また、０．６＜Ｌ／Ｇ＜１．２＋Ｔ／Ｇ、を満たすことがさらに好ましい。この場合、漏れ量をより抑制できる。

（高さＨおよび深さＤに関する好ましい条件）
ＣＦＤ解析により、図２に示す高さＨ、深さＤ、および漏れ量について調査した。その結果、図４に示すようにＤ／Ｈによって漏れ量が変化するという知見を得た。図２に示す深さＤが小さいと、環状溝７０に流入できる渦Ｖ２の流れが少なくなり、分岐流Ｆの流量が増えるので、漏れ量が増加する。そこで、図４に示すように、０．６＜Ｄ／Ｈ、を満たすことが好ましい。この場合、比較例に比べ、確実に漏れ量を抑制できる。なお、０＜Ｄ／Ｈであれば、比較例に比べ、漏れ量抑制の効果はある。

（第１の発明の効果）
図２に示すラビリンスシール３０による効果は次の通りである。ラビリンスシール３０は、回転機械１に設けられる。回転機械１は、静止体１０と、回転体２０と、隙間２５と、を備える。回転体２０は、静止体１０に対向する。隙間２５は、静止体１０と回転体２０との間に形成される。隙間２５は、流れ方向Ｘに高圧側Ｘ１から低圧側Ｘ２に流体が流れるように構成される。流れ方向Ｘは、対向方向Ｙに直交する方向である。対向方向Ｙは、静止体１０と回転体２０とが対向する方向である。対向方向Ｙにおいて、回転体２０から静止体１０に向かう側を対向方向一方側Ｙ１とする。対向方向Ｙにおいて、静止体１０から回転体２０に向かう側を対向方向他方側Ｙ２とする。ラビリンスシール３０は、段差部４０と、高圧側フィン５１と、低圧側フィン５２と、環状溝７０と、を備える。

［構成１−１］段差部４０は、回転体２０の対向方向一方側Ｙ１部分に形成され、かつ、高圧側Ｘ１に面する。高圧側フィン５１は、段差部４０よりも高圧側Ｘ１に配置され、静止体１０の対向方向他方側Ｙ２部分から対向方向他方側Ｙ２に延びる。低圧側フィン５２は、段差部４０よりも低圧側Ｘ２に配置され、静止体１０の対向方向他方側Ｙ２部分から対向方向他方側Ｙ２に延びる。
［構成１−２］環状溝７０は、回転体２０の対向方向一方側Ｙ１部分に形成され、段差部４０よりも低圧側Ｘ２かつ低圧側フィン５２よりも高圧側Ｘ１の領域の少なくとも一部に配置される。

ラビリンスシール３０は、主に上記［構成１−１］を備える。よって、段差部４０よりも低圧側Ｘ２かつ低圧側フィン５２よりも高圧側Ｘ１に渦Ｖ２が生じる。そこで、ラビリンスシール３０は、上記［構成１−２］を備える。よって、渦Ｖ２が、環状溝７０に流入する。よって、環状溝７０がない場合に比べ、渦Ｖ２を大きくでき、渦Ｖ２の流量を多くでき、渦Ｖ２の流速を速くできる。よって、渦Ｖ２とその周辺との流体間摩擦を増大させることができるので、流体のエネルギー損失を増大させることができる。その結果、隙間２５での流体の漏れを抑制できる。

上記［構成１−１］を備えるラビリンスシール３０では、渦Ｖ２から、低圧側フィン５２と回転体２０との隙間δ２に向かって、分岐流Ｆが分岐する。ここで、環状溝７０が設けられない場合、低圧側フィン５２に沿って対向方向他方側Ｙ２に流れた流体が、低圧側段部４７に当たり（吹き付けられ）、隙間δ２に向かいやすい（分岐流Ｆになりやすい）。そこで、ラビリンスシール３０は、上記［構成１−２］の環状溝７０を備える。よって、渦Ｖ２が、環状溝７０に流入しやすい。よって、渦Ｖ２から分岐する分岐流Ｆの量を抑制できるので、隙間２５での流体の漏れを抑制できる。

（第４の発明の効果）
Ｌ、Ｇ、およびＴを次のように定義する。Ｌは、段差部４０と、環状溝７０の対向方向一方側Ｙ１端部かつ低圧側Ｘ２端部と、の流れ方向Ｘにおける距離である。Ｇは、段差部４０と、低圧側フィン５２の先端部かつ高圧側Ｘ１端部と、の流れ方向Ｘにおける距離である。Ｔは、低圧側フィン５２の先端部での流れ方向Ｘの幅である。
［構成４］このとき、０＜Ｌ／Ｇ＜１．２＋Ｔ／Ｇ、を満たす。

上記［構成４］により、１．２＋Ｔ／Ｇ≦Ｌ／Ｇの場合に比べ、低圧側フィン５２と回転体２０との隙間δ２を小さくできる。よって、隙間δ２からの流体の漏れをより抑制でき、隙間２５での流体の漏れをより抑制できる（図３参照）。

（第５の発明の効果）
［構成５］０．６＜Ｌ／Ｇ＜１．２＋Ｔ／Ｇ、を満たす。

上記［構成５］により、Ｌ／Ｇ≦０．６の場合に比べ、環状溝７０に流入する渦Ｖ２の流量を多くできる。よって、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ので、隙間２５での流体の漏れをより抑制できる（図３参照）。

（第６の発明の効果）
段差部４０の対向方向Ｙにおける幅をＨとする。環状溝７０の対向方向Ｙにおける幅をＤとする。
［構成６］このとき、０．６＜Ｄ／Ｈ、を満たす。

上記［構成６］により、Ｄ／Ｈ≦０．６の場合に比べ、環状溝７０に流入する渦Ｖ２の流量を多くできる。よって、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ので、隙間２５での流体の漏れをより抑制できる。

（第２実施形態）
図５を参照して、第２実施形態のラビリンスシール２３０について、第１実施形態との相違点を説明する。なお、第２実施形態のラビリンスシール２３０のうち、第１実施形態との共通点については、第１実施形態と同一の符号を付し、説明を省略した（共通点の説明を省略する点については他の実施形態の説明も同様）。相違点は、対向方向Ｙに対するフィン５０の傾きである。

低圧側フィン５２の先端部は、低圧側フィン５２の基端部（対向方向一方側Ｙ１端部）よりも高圧側Ｘ１に配置される。回転軸断面において、低圧側フィン５２は直線状であり、高圧側側面５２ａは直線状であり、低圧側側面５２ｂは直線状である。回転軸断面において、高圧側側面５２ａは、対向方向Ｙに対して角度α２だけ傾く。なお、回転軸断面において、低圧側フィン５２は、湾曲形状でもよく、Ｌ字形状などの屈曲形状でもよい（高圧側フィン５１も同様）。

高圧側フィン５１は、低圧側フィン５２と同様に構成される。回転軸断面において、高圧側フィン５１の高圧側Ｘ１の側面は、対向方向Ｙに対して角度α１だけ傾く。角度α１、および角度α２が、互いに等しくてもよく、異なってもよい。また、角度α１、および角度α２のいずれかが０°であってもよい。

（第７の発明の効果）
図５に示すラビリンスシール２３０による効果は次の通りである。
［構成７］低圧側フィン５２の先端部は、低圧側フィン５２の基端部よりも高圧側Ｘ１に配置される。

上記［構成７］により、渦Ｖ２は、低圧側フィン５２に沿って対向方向他方側Ｙ２に流れながら、高圧側Ｘ１に流れやすい。よって、低圧側Ｘ２に向かう分岐流Ｆの量を抑制でき、かつ、環状溝７０に流入する渦Ｖ２の流量を多くできる。よって、隙間２５での流体の漏れをより抑制できる。

（第３実施形態）
図６を参照して、第３実施形態のラビリンスシール３３０について、第１実施形態との相違点を説明する。相違点は、環状溝７０が弧状部３７０ｄを備える点である。

弧状部３７０ｄは、環状溝７０の底部に設けられる。回転軸断面における弧状部３７０ｄの断面（輪郭）は、対向方向他方側Ｙ２に突出する弧状であり、円弧状であり、半円弧状（円弧の中心角が１８０°）である。円弧の中心角は１８０°未満でもよい。上記「円弧状」には、略円弧状（例えば略半円弧状）が含まれる。回転軸断面における弧状部３７０ｄの断面は、楕円弧状（楕円の一部を構成する曲線状）でもよく、半楕円弧状でもよい。上記「楕円弧状」には、略楕円弧状（例えば略半楕円弧状）が含まれる。図２に示す高圧側側面７０ａおよび低圧側側面７０ｂは、図６に示す弧状部３７０ｄと連続するように設けられる。弧状部３７０ｄが設けられる場合、高圧側側面７０ａおよび低圧側側面７０ｂは、設けられなくてもよい。

（第２の発明の効果）
図６に示すラビリンスシール３３０による効果は次の通りである。
［構成２］対向方向Ｙおよび流れ方向Ｘそれぞれに直交する方向から見た環状溝７０の底部（弧状部３７０ｄ）の断面は、対向方向他方側Ｙ２に突出する弧状である。

上記［構成２］により、回転軸断面において環状溝７０の内部が矩形状である場合（図２参照）などに比べ、環状溝７０の形状が、渦Ｖ２の流れの形に近い形状となる。よって、環状溝７０の底部に沿って渦Ｖ２が流れるので、環状溝７０で渦Ｖ２の流速が低下することを抑制できる。よって、渦Ｖ２におけるエネルギー損失をより増大できるので、隙間２５での流体の漏れをより抑制できる。

（第４実施形態）
図７を参照して、第４実施形態のラビリンスシール３３０について、第１実施形態との相違点を説明する。相違点は、環状溝７０の形状である。環状溝７０は、高圧側傾斜部４７０ｅ（傾斜部）と、低圧側傾斜部４７０ｆ（傾斜部）と、を備える。

高圧側傾斜部４７０ｅは、環状溝７０の高圧側Ｘ１部分に設けられる。高圧側傾斜部４７０ｅの対向方向他方側Ｙ２端部は、高圧側傾斜部４７０ｅの対向方向一方側Ｙ１端部よりも、低圧側Ｘ２（環状溝７０の流れ方向Ｘ中心側）に配置される。回転軸断面において、高圧側傾斜部４７０ｅは、直線状であり、対向方向Ｙに対して角度θだけ傾く。

低圧側傾斜部４７０ｆは、環状溝７０の低圧側Ｘ２部分に設けられる。低圧側傾斜部４７０ｆの対向方向他方側Ｙ２端部は、低圧側傾斜部４７０ｆの対向方向一方側Ｙ１端部よりも、高圧側Ｘ１（環状溝７０の流れ方向Ｘ中心側）に配置される。回転軸断面において、低圧側傾斜部４７０ｆは、直線状であり、対向方向Ｙに対して角度φだけ傾く。なお、高圧側傾斜部４７０ｅ、および低圧側傾斜部４７０ｆの、両方が設けられてもよく、一方のみが設けられてもよい。また、角度θおよび角度φが、互いに等しくてもよく、相違してもよい。

（第３の発明の効果）
図７に示すラビリンスシール４３０による効果は次の通りである。環状溝７０は、環状溝７０の高圧側Ｘ１部分および低圧側Ｘ２部分の少なくともいずれかに設けられる傾斜部（高圧側傾斜部４７０ｅおよび低圧側傾斜部４７０ｆの少なくともいずれか）を備える。ラビリンスシール４３０は、次の［構成３−１］および［構成３−２］の少なくともいずれかを備える。

［構成３−１］高圧側傾斜部４７０ｅの対向方向他方側Ｙ２端部は、高圧側傾斜部４７０ｅの対向方向一方側Ｙ１端部よりも、環状溝７０の流れ方向Ｘ中心側（低圧側Ｘ２）に配置される。
［構成３−２］低圧側傾斜部４７０ｆの対向方向他方側Ｙ２端部は、低圧側傾斜部４７０ｆの対向方向一方側Ｙ１端部よりも、環状溝７０の流れ方向Ｘ中心側（高圧側Ｘ１）に配置される。

ラビリンスシール４３０が上記［構成３−１］を備える場合、回転軸断面において環状溝７０の内部が矩形状である場合（図２参照）などに比べ、環状溝７０の形状が、渦Ｖ２の流れの形に近い形状となる。よって、渦Ｖ２の流れが高圧側傾斜部４７０ｅに沿って流れるので、環状溝７０で渦Ｖ２の流速が低下することを抑制できる。よって、渦Ｖ２におけるエネルギー損失をより増大できるので、隙間２５での流体の漏れをより抑制できる。これと同様に、ラビリンスシール４３０が上記［構成３−２］を備える場合、渦Ｖ２の流れが低圧側傾斜部４７０ｆに沿って流れ、渦Ｖ２におけるエネルギー損失をより増大できるので、隙間２５での流体の漏れをより抑制できる。

（第５実施形態）
図８を参照して、第５実施形態のラビリンスシール５３０について説明する。ラビリンスシール５３０は、図１に示す単位構造３０ａと同様の単位構造３０ａを複数備える。図８に示すように、例えば、単位構造３０ａの数は５であり、この数は変更されてもよい。単位構造３０ａは、流れ方向Ｘに並んで配置され、流れ方向Ｘに連続して配置され、流れ方向Ｘに隣接して配置される。なお、単位構造３０ａは、第２実施形態〜第４実施形態のように変形されてもよい。

（第８の発明の効果）
図８に示すラビリンスシール５３０による効果は次の通りである。
［構成８］段差部４０、高圧側フィン５１、低圧側フィン５２、および環状溝７０を備える構造（単位構造３０ａ）は、流れ方向Ｘに並んで複数配置される。

上記［構成８］により、単位構造３０ａが１つのみ設けられる場合に比べ、隙間２５での流体の漏れをより抑制できる。

（変形例）
上記の各実施形態は様々に変形されてもよい。上記実施形態の構成要素の一部が設けられなくてもよい。上記実施形態の構成要素の数が変更されてもよい。互いに異なる実施形態の構成要素どうしが組み合わされてもよい。例えば、図６に示す弧状部３７０ｄを備える環状溝７０に、図７に示す高圧側傾斜部４７０ｅおよび低圧側傾斜部４７０ｆの少なくともいずれかが付加されてもよい。

１ 回転機械
１０ 静止体（第１部材）
２０ 回転体（第２部材）
２５ 隙間
３０、２３０、３３０、４３０、５３０ ラビリンスシール
４０ 段差部
５０ フィン
５１ 高圧側フィン
５２ 低圧側フィン
７０ 環状溝
３７０ｄ 弧状部
４７０ｅ 高圧側傾斜部（傾斜部）
４７０ｆ 低圧側傾斜部（傾斜部）
Ｘ 流れ方向
Ｘ１ 高圧側
Ｘ２ 低圧側
Ｙ 対向方向
Ｙ１ 対向方向一方側
Ｙ２ 対向方向他方側

Claims (8)

1. 第１部材と、
   前記第１部材に対向する第２部材と、
   前記第１部材と前記第２部材との間に形成され、前記第１部材と前記第２部材とが対向する方向に直交する方向である流れ方向に高圧側から低圧側に流体が流れるように構成される隙間と、
   を備える回転機械に設けられるラビリンスシールであって、
   前記第１部材と前記第２部材とが対向する方向である対向方向において、前記第２部材から前記第１部材に向かう側を対向方向一方側とし、
   対向方向において、前記第１部材から前記第２部材に向かう側を対向方向他方側とし、
   前記第２部材の対向方向一方側部分に形成され、かつ、高圧側に面する段差部と、
   前記段差部よりも高圧側に配置され、前記第１部材の対向方向他方側部分から対向方向他方側に延びる高圧側フィンと、
   前記段差部よりも低圧側に配置され、前記第１部材の対向方向他方側部分から対向方向他方側に延びる低圧側フィンと、
   前記第２部材の対向方向一方側部分に形成され、前記段差部よりも低圧側かつ前記低圧側フィンよりも高圧側の領域の少なくとも一部に配置される環状溝と、
   を備える、
   ラビリンスシール。
2. 請求項１に記載のラビリンスシールであって、
   対向方向および流れ方向それぞれに直交する方向から見た前記環状溝の底部の断面は、対向方向他方側に突出する弧状である、
   ラビリンスシール。
3. 請求項１または２に記載のラビリンスシールであって、
   前記環状溝は、前記環状溝の高圧側部分および低圧側部分の少なくともいずれかに設けられる傾斜部を備え、
   前記傾斜部の対向方向他方側端部は、前記傾斜部の対向方向一方側端部よりも、流れ方向における前記環状溝の中心側に配置される、
   ラビリンスシール。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のラビリンスシールであって、
   前記段差部と、前記環状溝の対向方向一方側端部かつ低圧側端部と、の流れ方向における距離をＬ、
   前記段差部と、前記低圧側フィンの先端部かつ高圧側端部と、の流れ方向における距離をＧ、
   前記低圧側フィンの先端部での流れ方向の幅をＴ、
   としたとき、０＜Ｌ／Ｇ＜１．２＋Ｔ／Ｇ、を満たす、
   ラビリンスシール。
5. 請求項４に記載のラビリンスシールであって、
   ０．６＜Ｌ／Ｇ＜１．２＋Ｔ／Ｇ、を満たす、
   ラビリンスシール。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のラビリンスシールであって、
   前記段差部の対向方向における幅をＨ、
   前記環状溝の対向方向における幅をＤ、
   としたとき、Ｄ／Ｈ＞０．６、を満たす、
   ラビリンスシール。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のラビリンスシールであって、
   前記低圧側フィンの先端部は、前記低圧側フィンの基端部よりも高圧側に配置される、
   ラビリンスシール。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のラビリンスシールであって、
   前記段差部、前記高圧側フィン、前記低圧側フィン、および前記環状溝を備える構造は、流れ方向に並んで複数配置される、
   ラビリンスシール。

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