JP2019002361A - ターボ機械 - Google Patents

Abstract

【課題】シール内における漏れ流れを効果的に抑制しつつ不安定流体力を低減し、高速、高圧条件下でも安定した運転が可能なこと。【解決手段】本発明のターボ機械は、上記課題を解決するために、ケーシングと、該ケーシング内に軸受により回転可能に設けられた回転軸及びこの回転軸に装着された複数段の羽根車から成るロータとを備え、前記ロータと対向する内径側表面に、前記ケーシング内の静止部と前記ロータとの間を流体が高圧側から低圧側に漏れることを防止する平行環状歯を、高圧側から低圧側に所定の間隔を以って複数有するラビリンスシールを少なくとも一つ備えたターボ機械において、前記ラビリンスシールの複数の平行環状歯の間に、前記流体の円周方向流れを抑制する凸部を複数設けると共に、前記凸部の円周方向流れに対向する面の軸方向に対する角度が軸方向の位置によって変化していることを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明はターボ機械に係り、特に、圧縮機やタービン等のターボ機械に用いられるラビリンスシール構造を改良したターボ機械に関する。

一般に、ターボ機械は、回転する動翼を有するロータと、当該ロータを回転自由に保持すると共に、その内部に流路を形成するケーシングとにより構成されている。ロータとケーシングの間には隙間が有るため、この隙間からロータに沿って作動流体が漏れることを防止するために、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。

ラビリンスシールの構造は、例えば、特許文献１の図１に記載されているように、ロータとケーシングとの隙間に多数の環状の歯を有しており、この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ている。

上述したラビリンスシールにおいて、シールの漏れ流速が円周方向成分を持った状態でロータがシールに対して径方向に変位すると、シール内の円周方向圧力分布に不平衡が生じ、ロータの不安定振動を引き起こす流体力（以下、不安定流体力という）が発生する。特に、ロータが高速回転する場合やシール入口側と出口側との差圧が大きい場合には、不安定流体力はより大きなものとなる。

この不安定流体力は、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ため、不安定流体力を低減する技術として、例えば、特許文献２には、シールの入口に漏れ流れの円周方向流れを抑制する凹凸を設け、流れの円周方向成分を抑制することで不安定流体力を低減することが記載されている。

また、特許文献３には、シールの途中に高圧の流体を噴きこみ、流れの円周方向成分を相殺することで不安定流体力を低減することが記載されている。

更に、特許文献４には、シールフィンとシールフィンの間に、スワールブレーカ（凸部）を配置し、円周方向流れがスワールブレーカに衝突することにより、漏れ流れの不安定流体力を低減することが記載されている。

特開平６−２４９１８６号公報 特開平３−２８８０６８号公報 特開２００８−１９０４８７号公報 国際公開第２０１４／１６２７６７号

しかしながら、特許文献２に記載の不安定流体力を低減する技術では、漏れ流量が増加する場合がある。また、特許文献３に記載の不安定流体力を低減する技術では、シールの途中で高圧の流体を噴きこむため、同様に漏れ流量が増加しターボ機械の効率が低下する場合がある。更に、特許文献４に記載の不安定流体力を低減する技術では、スワールブレーカ（凸部）を配置しただけでは、十分に漏れ流れの不安定流体力を低減できない可能性がある。

本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、シール内における漏れ流れを効果的に抑制しつつ不安定流体力を低減し、高速、高圧条件下でも安定した運転が可能なターボ機械を提供することにある。

本発明のターボ機械は、上記目的を達成するために、ケーシングと、該ケーシング内に軸受により回転可能に設けられた回転軸及びこの回転軸に装着された複数段の羽根車から成るロータとを備え、前記ロータと対向する内径側表面に、前記ケーシング内の静止部と前記ロータとの間を流体が高圧側から低圧側に漏れることを防止する平行環状歯を、高圧側から低圧側に所定の間隔を以って複数有するラビリンスシールを少なくとも一つ備えたターボ機械において、前記ラビリンスシールの複数の平行環状歯の間に、前記流体の円周方向流れを抑制する凸部を複数設けると共に、前記凸部の円周方向流れに対向する面の軸方向に対する角度が軸方向の位置によって変化していることを特徴とする。

また、本発明のターボ機械は、上記目的を達成するために、ケーシングと、該ケーシング内に軸受により回転可能に設けられた回転軸及びこの回転軸に装着された複数の羽根車から成るロータとを備え、前記ロータと対向する内径側表面に、前記ケーシング内の静止部と前記ロータとの間を流体が高圧側から低圧側に漏れることを防止する非接触シールを少なくとも一つ備えたターボ機械において、前記非接触シールは、該非接触シールの入口側から出口側に向かって、軸方向に対する角度が連続的に増加していく曲がり歯と、該曲がり歯と直交するように設けられた直交歯とを複数備えて構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、シール内における漏れ流れを効果的に抑制しつつ不安定流体力を低減し、高速、高圧条件下でも安定した運転が可能となる。

本発明のターボ機械の実施例１である遠心圧縮機を示す全体構造図である。 本発明のターボ機械の実施例１である遠心圧縮機に採用されるバランスピストン部ラビリンスシールの半割れの構造の一方を示す斜視図である。 本発明のターボ機械の実施例１である遠心圧縮機に採用されるバランスピストン部ラビリンスシールを径方向内側から見た場合の展開図であり、ある半径における歯の断面を示す図である。 本発明のターボ機械の実施例２である遠心圧縮機に採用されるバランスピストン部ラビリンスシールの凸部形状を示し、図３に相当する図である。 本発明のターボ機械の実施例３である遠心圧縮機に採用されるバランスピストン部非接触シールを径方向内側から見た場合の展開図であり、ある半径における歯の断面を示す図である。

以下、図示した実施例に基づき本発明のターボ機械を説明する。なお、各図において、同一構成部品には同符号を使用する。

本発明のターボ機械の実施例１を図１〜図３を用いて説明する。なお、本実施例では、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に示すように、本実施例の遠心圧縮機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内に反駆動機側ラジアル軸受３、駆動機側ラジアル軸受４及びスラスト軸受５により回転可能に設けられた回転軸６と、この回転軸６に装着された複数段（図１では５段）の羽根車７とを備え、回転軸６と羽根車７により、ロータ（回転体）８を構成している。

なお、本実施例では、１本の回転軸６に羽根車７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７が１段のみの単段遠心圧縮機にも同様に適用できる。

前記ケーシング２には、１段目の羽根車７に作動流体である気体を導入する吸込流路９と、各段の羽根車７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１０と、このディフューザ１０からの圧縮された気体を次段の羽根車７に導入する戻り流路１１と、最終段の羽根車７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１２などが設けられている。

また、ロータ８の回転軸６は、ケーシング２の吸込側（図１の左側）端部及び吐出側（図１の右側）端部に設けられた反駆動機側ラジアル軸受３、駆動機側ラジアル軸受４を介し回転可能に支持されている。また、回転軸６の吸込側端部には、スラスト荷重を受けるスラスト軸受５が設けられ、回転軸６における最終段羽根車７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１３が設けられている。

更に、回転軸６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ロータ８が回転するように構成されている。また、ロータ８が回転することにより、気体が吸込流路９から吸い込まれて、複数段の羽根車７で順次圧縮され、最終的に吐出流路１２から吐出されるようになっている。

また、各段の羽根車７の口金とケーシング２との隙間には、羽根車口金ラビリンスシールが設けられており、この羽根車口金ラビリンスシールにより、羽根車７から出た気体がその隙間を通って羽根車７の入口側に戻ることを抑制するようになっている。また、前段の羽根車７と後段の羽根車７との間におけるロータ８とケーシング２との隙間には、中間段シールが設けられており、この中間段シールにより、戻り流路１１の気体がその隙間を通って前段の羽根車７の出口側に戻ることを抑制するようになっている。

また、ロータ８のバランスピストン１３とケーシング２との隙間には、バランスピストン部ラビリンスシール１４が設けられており、このバランスピストン部ラビリンスシール１４により、最終段の羽根車７から出た高圧の気体が低圧部に漏れることを抑制するようになっている。

図２に、本実施例の遠心圧縮機１に採用されるバランスピストン部ラビリンスシール１４を示す。

該図に示すように、本実施例の遠心圧縮機１に採用されるバランスピストン部ラビリンスシール１４は、円筒形状を半分に分割した半割れ構造となっており、２つの部品により構成されている。なお、図２は、円筒形状を半分に分割した半割れ構造の一方を示している。

図２において、本実施例の遠心圧縮機１に採用されるバランスピストン部ラビリンスシール１４は、ロータ８に対向する内径側表面に設けられた複数の平行環状歯１５と、この複数の平行環状歯１５間に形成された平行環状溝１６とを有し、更に、平行環状溝１６内に気体（流体）の円周方向流れを抑制する凸部１７を複数設けている。ロータ８に対向しない外径側には、シールをケーシング２に固定するための支持構造１８がある。

本実施例の遠心圧縮機１に採用されるバランスピストン部ラビリンスシール１４は、万が一、平行環状歯１５がロータ８と接触した場合に、ロータ８を傷つけないようにロータ８よりも柔らかい材質（例えば、アルミニウム合金）で形成されている。

図３に、本実施例の遠心圧縮機１に採用されるバランスピストン部ラビリンスシール１４の詳細構造を示す。図３は、バランスピストン部ラビリンスシール１４を径方向内側から見た場合の、ある半径における歯の断面を示した展開図である。

図３において、通常、バランスピストン部ラビリンスシール１４を流れる漏れ流れは、高圧側から低圧側（図３の左側から右側）に流れていく。この時、バランスピストン部ラビリンスシール１４に流入する漏れ流れは、羽根車７の回転によって円周方向の流速成分を有する。この漏れ流れの円周方向の流速成分が大きいと、ロータ８の回りに不安定流体力が発生する。

しかし、上述した本実施例の構成とすることにより、上記の漏れ流れの円周方向の流速成分は、平行環状歯１５等との摩擦力によって、平行環状歯１５を超えるに従って（高圧側から低圧側に向うに従って）減少し、更に、バランスピストン部ラビリンスシール１４の平行環状歯１５の間に設けた凸部１７によって、より効率的に漏れ流れの円周方向の流速成分を抑制することができる。

特に、本実施例では、凸部１７を設けることにより、より効率的に漏れ流れの円周方向の流速成分を抑制するために、凸部１７の円周方向の流れに対向する面の軸方向に対する角度を、軸方向の位置によって変化させている。

具体的には、本実施例では、シール入口（高圧側）では軸方向に対する角度θ１を４５度とし、シール出口（低圧側）では角度θ２を８０度となるように徐々に変化させて配置している。

このように、本実施例では、凸部１７の角度を、シール軸方向の位置によって変化、即ち、漏れ流れ上流（高圧側）の角度θ１を下流（低圧側）の角度θ２より小さくすることにより、シール内の漏れ流れの向きに応じて凸部１７が効果的に流れを抑制することができるので、流体の漏れを低減すると共に、不安定流体力の原因となる漏れ流れの円周方向の流速成分も低減することが可能である。これにより、バランスピストン部ラビリンスシール１４の漏れを抑制しつつ不安定流体力を低減し、高速、高圧条件下においても、安定した運転が可能な遠心圧縮機１を実現できる。

また、本実施例では、シール上流側では凸部１７の配置数を多くし、シール下流側に向かうに従って凸部１７の配置数を少なくしている。これにより、漏れ流れの円周方向の流速成分が大きいシール入口において、効率的に漏れ流れの円周方向の流速成分を抑制することが可能となる。

更に、シ−ルの平行環状歯１５は、漏れ流れを抑制するために元々薄く形成されているので、本実施例では、凸部１７の先端をシールの平行環状歯１５と同程度の厚さ（薄く）にしている。これにより、凸部１７の先端とロータ８の間隙を流れる漏れ流れを、シールの平行環状歯１５と同様に、より効果的に抑制することが可能となる。

なお、本実施例では、軸方向に対する角度θ１をシール入口側（上流側）では４５度とし、シール出口側（下流側）では角度θ２を８０度となるように配置したが、この角度は、シール出入口の圧力差、シールクリアランス等のシール諸元や、別の円周方向の流速成分低減機構の有無等に応じて変更しても良い。

例えば、別の円周方向の流速成分低減機構として、バランスピストン部ラビリンスシール１４の途中に高圧の流体を噴きこみ、流れの円周方向成分を相殺する構成（特許文献３の図１の構成）を備えた遠心圧縮機１においては、シール下流側では、凸部１７の軸方向に対する角度を、シール上流側（高圧側）の角度θ１に対してシール下流側（低圧側）のθ２を小さくすることで、シール下流側における漏れ流れの円周方向の流速成分の増大を効率的に抑制することができる。

また、凸部１７の配置数を、シール下流側ではシール上流側に対して多くすることで、より効率的に漏れを低減すると共に、漏れ流れの円周方向の流速成分の増大を防ぐことが可能となる。

このような本実施例によれば、漏れ流れの向きの変化に応じて凸部１７を設けることで、シール内の漏れ流れを軸方向も円周方向も効果的に抑制することができる。これにより、シールの漏れを抑制しつつ不安定流体力を低減でき、高速、高圧条件下においても安定した運転が可能な遠心圧縮機１を実現できる。

また、バランスピストン部ラビリンスシール１４の漏れ流れ上流側では、下流側に対して凸部１７を多数設けているので、漏れ流れが繰り返し凸部１７を越えることになり、短い軸方向長さで、より効果的に軸方向流れと円周方向流れを抑制することができる。

更に、凸部１７の先端を薄くすることで，円周方向流れを抑制できるだけではなく、凸部１７もバランスピストン部ラビリンスシール１４の歯として作用するため、漏れ流れ自体を効果的に低減できる。

なお、本実施例では、遠心圧縮機１のバランスピストン部ラビリンスシール１４に適用した例について説明したが、上述した羽根車口金ラビリンスシールや中間段シールに適用できることは言うまでもない。

図４に、本発明のターボ機械の実施例２として、遠心圧縮機１に採用されるバランスピストン部ラビリンスシール１４の詳細構造を示す。図４は、実施例１の図３に相当する図である。

図３に示す実施例１では、凸部１７の円周方向流れに対向する面が平面である歯としたが、図４に示すように、本実施例では、漏れ流れの円周方向の流速成分に対して、凸部１７の円周方向流れに対向する面が曲面となるようにしたものである。

このような本実施例の構成であっても、実施例１と同様の効果を得ることができる。

図５に、本発明のターボ機械の実施例３として、遠心圧縮機１に採用されるバランスピストン部非接触シール２０の詳細構造を示す。図５は、実施例１の図３に相当する図である。

図５に示す実施例３は、上述した実施例１に記載の遠心圧縮機１のバランスピストン１３に、バランスピストン部非接触シール２０を設けた場合の例である。

図５に示すバランスピストン部非接触シール２０は、ロータ８と対向する内径側表面に、ケーシング２内の静止部とロータ８との間を流体が高圧側から低圧側に漏れることを防止するために設置されているものであり、このバランスピストン部非接触シール２０は、バランスピストン部非接触シール２０の入口側（高圧側）から出口側（低圧側）に向かって、軸方向に対する角度が連続的に増加していく複数の曲がり歯２１と、この曲がり歯２１と直交するように設けられた複数の直交歯２２とが、シール入口側とシール出口側の平行環状歯２３間に設けられている。なお、平行環状歯２３は、曲がり歯２１や直交歯２２の端部破損を防止するために設けられている。

そして、本実施例では、曲がり歯２１の軸方向に対する角度は、バランスピストン部非接触シール２０の入口側が出口側に対して小さく形成されている。

具体的には、曲がり歯２１の軸方向に対する角度θｓ１を、シール入口側では４５度とし、シール出口側では曲がり歯２１の軸方向に対する角度θｓ２を８０度となるように設置されている。

このような本実施例によれば、上記構成のバランスピストン部非接触シール２０を用いることにより、漏れ流れが曲がり歯２１を避けて横に逃げることを直交歯２２によって防止され、曲がり歯２１によって効率的に漏れ流れを抑制しつつ不安定流体力を低減でき、高速、高圧条件下においても安定した運転が可能な遠心圧縮機１を実現できる。

また、実施例１のバランスピストン部ラビリンスシール１４の平行環状歯１５と同様に、曲がり歯２１の先端を平行環状歯２３と同程度の厚さ（薄く）にすることによって、より効率的に漏れ流れを抑制しつつ不安定流体力を低減できる。

なお、曲がり歯２１の軸方向に対する角度は、シール出入口の圧力差、シールクリアランス等のシール諸元や、別の円周方向の流速成分低減機構の有無等に応じて変更しても良い。

また、本実施例では、遠心圧縮機１のバランスピストン部非接触シール２０に適用した例について説明したが、上述した羽根車口金ラビリンスシールや中間段シールに適用できることは言うまでもない。

なお、上記した実施例は本発明を分かり易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。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…遠心圧縮機、２…ケーシング、３…反駆動機側ラジアル軸受、４…駆動機側ラジアル軸受、５…スラスト軸受、６…回転軸、７…羽根車、８…ロータ、９…吸込流路、１０…ディフューザ、１１…戻り流路、１２…吐出流路、１３…バランスピストン、１４…バランスピストン部ラビリンスシール、１５、２３…平行環状歯、１６…平行環状溝、１７…凸部、１８…支持構造、２０…バランスピストン部非接触シール、２１…曲がり歯、２２…直交歯、θ１、θ２…凸部の軸方向に対する角度、θｓ１、θｓ２…曲がり歯の軸方向に対する角度。

Claims (15)

1. ケーシングと、該ケーシング内に軸受により回転可能に設けられた回転軸及びこの回転軸に装着された複数段の羽根車から成るロータとを備え、前記ロータと対向する内径側表面に、前記ケーシング内の静止部と前記ロータとの間を流体が高圧側から低圧側に漏れることを防止する平行環状歯を、高圧側から低圧側に所定の間隔を以って複数有するラビリンスシールを少なくとも一つ備えたターボ機械において、
   前記ラビリンスシールの複数の平行環状歯の間に、前記流体の円周方向流れを抑制する凸部を複数設けると共に、前記凸部の円周方向流れに対向する面の軸方向に対する角度が軸方向の位置によって変化していることを特徴とするターボ機械。
2. 請求項１に記載のターボ機械において、
   前記凸部の前記流体の円周方向流れ対向面の軸方向に対する角度は、前記ラビリンスシールの円周方向流れの上流側が下流側に対して小さく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、
   前記ラビリンスシールの前記流体の円周方向流れの上流側における前記凸部の円周方向の配置数が、下流側の前記凸部の円周方向の配置数に対して多く設けられていることを特徴とするターボ機械。
4. 請求項１に記載のターボ機械において、
   前記凸部の前記流体の円周方向流れ対向面の軸方向に対する角度は、前記ラビリンスシールの円周方向流れの上流側が下流側に対して大きく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、
   前記ラビリンスシールの前記流体の円周方向流れのした下流側における前記凸部の円周方向の配置数が、上流側の前記凸部の円周方向の配置数に対して多く設けられていることを特徴とするターボ機械。
6. 請求項４又は５に記載のターボ機械において、
   前記ターボ機械は、前記ラビリンスシールの途中に高圧の流体を噴きこみ、前記流体の流れの円周方向成分を相殺する構成を備えていることを特徴とするターボ機械。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載のターボ機械において、
   前記凸部の先端を、前記平行環状歯と同程度の厚さにしたことを特徴とするターボ機械。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載のターボ機械において、
   前記凸部の前記流体の円周方向流れに対向する面が平面であることを特徴とするターボ機械。
9. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載のターボ機械において、
   前記凸部の前記流体の円周方向流れに対向する面が曲面であることを特徴とするターボ機械。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載のターボ機械において、
    前記回転軸の最終段羽根車の吐出側には、スラスト荷重を相殺するバランスピストンが設けられ、前記ラビリンスシールは、前記ロータのバランスピストンと前記ケーシングとの隙間に設けられているバランスピストン部ラビリンスシールであることを特徴とするターボ機械。
11. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載のターボ機械において、
    各段の前記羽根車には口金が設けられ、前記ラビリンスシールは、各段の前記羽根車の口金と前記ケーシングとの隙間に設けられた羽根車口金ラビリンスシールであることを特徴とするターボ機械。
12. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載のターボ機械において、
    前記ラビリンスシールは、前段の前記羽根車と後段の前記羽根車との間における前記ロータと前記ケーシングとの隙間に設けられている中間段シールであることを特徴とするターボ機械。
13. ケーシングと、該ケーシング内に軸受により回転可能に設けられた回転軸及びこの回転軸に装着された複数の羽根車から成るロータとを備え、前記ロータと対向する内径側表面に、前記ケーシング内の静止部と前記ロータとの間を流体が高圧側から低圧側に漏れることを防止する非接触シールを少なくとも一つ備えたターボ機械において、
    前記非接触シールは、該非接触シールの入口側から出口側に向かって、軸方向に対する角度が連続的に増加していく曲がり歯と、該曲がり歯と直交するように設けられた直交歯とを複数備えて構成されていることを特徴とするターボ機械。
14. 請求項１３に記載のターボ機械において、
    前記曲がり歯の軸方向に対する角度は、前記非接触シールの入口側が出口側に対して小さく形成されていることを特徴とするターボ機械。
15. 請求項１３又は１４に記載のターボ機械において、
    前記非接触シールの入口側と出口側に、平行環状歯を設けたことを特徴とするターボ機械。

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