JP2021071185A - Labyrinth seal - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a labyrinth seal provided on a rotating machine.
特許文献1には、ファンのシール装置が開示されている。このシール装置では、リングに突設された絞り片と、リングに対向配置されるシュラウドの筒状部に突設された逆絞り片とによって、食い違い型のラビリンスシール部が形成されている。そして、筒状部の内周面から絞り片の先端までの距離C1と、筒状部の内周面から逆絞り片の先端までの距離C2とが、C2≦C1の関係を満たしている。これにより、シール装置の組立時に、シュラウドの筒状体にリングを軸方向から容易に装着することができる。
一般的なファンでは、回転軸の支持に転がり軸受けが使用される。この場合、ロータの軸心とシールステータの中心とが一致するため、特許文献1のように、C2≦C1の関係を満たせば、軸方向からの組み付けが可能である。
In a typical fan, a rolling bearing is used to support the rotating shaft. In this case, since the axial center of the rotor and the center of the seal stator coincide with each other, as in
一方、ターボ機械では、軸受けにすべり軸受やティルティングパッド軸受が使用される。この場合、油膜厚さやパッドの傾きを考慮して、定常運転時にロータの中心がシールステータの中心に位置するように設計される。ロータに対するシールステータの組み付けは、ロータの停止時に実施されるが、停止時はロータと軸受けとが接触した状態になるため、シールステータの中心に対してロータの中心が偏心した状態となる。よって、ファンの場合とは異なり、C2≦C1の関係を満たしていても、ロータの偏心量が、C1からC2を引いた値よりも大きい場合には、軸方向からの組み付けが不可能となる。 On the other hand, in turbomachinery, slide bearings and tilting pad bearings are used for bearings. In this case, the center of the rotor is designed to be located at the center of the seal stator during steady operation in consideration of the oil film thickness and the inclination of the pad. The seal stator is assembled to the rotor when the rotor is stopped. However, when the rotor is stopped, the rotor and the bearing are in contact with each other, so that the center of the rotor is eccentric with respect to the center of the seal stator. Therefore, unlike the case of a fan, even if the relationship of C2 ≤ C1 is satisfied, if the amount of eccentricity of the rotor is larger than the value obtained by subtracting C2 from C1, assembly from the axial direction becomes impossible. ..
そこで、組み付け性を確保するために、C1>C2とすることが考えられる。しかし、C2の値がC1の値よりも小さくなるほど、絞り片と逆絞り片との間に形成される吹き抜け通路の幅が広くなり、漏れ量が増加してしまう。 Therefore, in order to ensure the ease of assembly, it is conceivable to set C1> C2. However, as the value of C2 becomes smaller than the value of C1, the width of the atrium passage formed between the diaphragm piece and the reverse diaphragm piece becomes wider, and the amount of leakage increases.
本発明の目的は、組み付け性を確保しながら、漏れ量を低減させることが可能なラビリンスシールを提供することである。 An object of the present invention is to provide a labyrinth seal capable of reducing the amount of leakage while ensuring assembling property.
本発明は、第1部材と、前記第1部材に対向する第2部材と、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、前記第1部材と前記第2部材との間に隙間が形成されており、前記第2部材の前記第1部材側の表面から前記第1部材の方に延びる第1フィンと、前記第1部材の前記第2部材側の表面から前記第2部材の方に延びる第2フィンと、を有し、前記流れ方向に沿って、少なくとも2つの前記第1フィンが並んで設けられており、隣り合う前記第1フィン同士の間に前記第2フィンがそれぞれ配置されており、前記隙間の入口と出口との差圧が100kPa以上であり、前記第1部材の前記第2部材側の表面から、前記第2フィンよりも低圧側の前記第1フィンの先端までの前記対向方向における距離をC1、前記第1部材の前記第2部材側の表面から前記第2フィンの先端までの前記対向方向における距離をC2としたときに、1.0>C2/C1≧0.43を満たすとともに、前記第1部材と前記第2部材とを組み付ける際における、前記第2部材の中心に対する前記第1部材の中心の前記対向方向へのずれ量よりも、C1からC2を引いた値の方が大きいことを特徴とする。 The present invention is a labyrinth seal provided on a rotating machine including a first member and a second member facing the first member, in a direction in which the first member and the second member face each other. A gap is formed between the first member and the second member so that the fluid flows from the high pressure side to the low pressure side in the flow direction orthogonal to the opposite direction, and the second member said. It has a first fin extending from the surface on the first member side toward the first member, and a second fin extending from the surface on the second member side of the first member toward the second member. At least two of the first fins are provided side by side along the flow direction, and the second fins are arranged between the adjacent first fins, respectively, and the inlet and the outlet of the gap are provided. The differential pressure is 100 kPa or more, and the distance from the surface of the first member on the second member side to the tip of the first fin on the lower pressure side than the second fin in the opposite direction is C1, the first. When the distance from the surface of one member on the second member side to the tip of the second fin in the opposite direction is C2, 1.0> C2 / C1 ≧ 0.43 is satisfied and the first member is satisfied. When assembling the second member and the second member, the value obtained by subtracting C2 from C1 is larger than the amount of deviation of the center of the first member with respect to the center of the second member in the opposite direction. To do.
本発明によると、第1部材の第2部材側の表面から、第2フィンよりも低圧側の第1フィンの先端までの対向方向における距離C1と、第1部材の第2部材側の表面から第2フィンの先端までの対向方向における距離C2とが、1.0>C2/C1≧0.43を満たしている。C2/C1が1.0未満であるため、回転機械の組立時において、第1部材と第2部材とを組み付ける際に、第1フィンが第2フィンに当接し難くなる。また、組み付け時における、第2部材の中心に対する第1部材の中心の対向方向へのずれ量よりも、C1からC2を引いた値の方が大きいので、第1部材と第2部材とを組み付ける際に、第1フィンが第2フィンに当接するのが抑制される。これにより、回転機械を容易に組み立てることができる。 According to the present invention, the distance C1 in the opposite direction from the surface of the first member on the second member side to the tip of the first fin on the lower pressure side than the second fin and from the surface of the first member on the second member side. The distance C2 in the opposite direction to the tip of the second fin satisfies 1.0> C2 / C1 ≧ 0.43. Since C2 / C1 is less than 1.0, it becomes difficult for the first fin to come into contact with the second fin when assembling the first member and the second member at the time of assembling the rotary machine. Further, since the value obtained by subtracting C2 from C1 is larger than the amount of deviation of the center of the first member in the opposite direction with respect to the center of the second member at the time of assembly, the first member and the second member are assembled. At that time, the contact of the first fin with the second fin is suppressed. As a result, the rotating machine can be easily assembled.
また、第2フィンよりも高圧側の第1フィンと、第1部材との隙間を流れる流体は、第2フィンにぶつかることで、第2部材の方に流れの向きを変え、第2フィンを迂回しながら、第2フィンよりも低圧側の第1フィンと、第1部材との隙間に向かって流れる。このとき、流れの一部は分流して渦流となって、隣り合う第1フィン同士の間の空間を旋回する。この渦流によって、流れの本流は、低圧側の第1フィンと第1部材との隙間を流れる際に、第1部材に押し付けられて圧縮される。これにより、本流の流通抵抗が増加するので、漏れ量が大幅に低減される。そして、第1フィンと第2フィンとの隙間を吹き抜ける流量を減らすには、C2/C1の値を大きくする必要があるが、隙間の入口と出口との差圧が100kPa以上であるときに、C2/C1が0.43以上であれば、漏れ量を低減させる効果を、C2/C1が最大の1の場合と同等にすることができる。 Further, the fluid flowing through the gap between the first fin on the higher pressure side than the second fin and the first member collides with the second fin to change the direction of the flow toward the second member and make the second fin. While detouring, the fluid flows toward the gap between the first fin on the lower pressure side than the second fin and the first member. At this time, a part of the flow is divided into a vortex and swirls in the space between the adjacent first fins. Due to this eddy current, the main stream of the flow is pressed against the first member and compressed when flowing through the gap between the first fin on the low pressure side and the first member. As a result, the flow resistance of the mainstream is increased, so that the amount of leakage is significantly reduced. Then, in order to reduce the flow rate that blows through the gap between the first fin and the second fin, it is necessary to increase the value of C2 / C1, but when the differential pressure between the inlet and outlet of the gap is 100 kPa or more, When C2 / C1 is 0.43 or more, the effect of reducing the leakage amount can be made equivalent to the case where C2 / C1 is the maximum of 1.
以上により、組み付け性を確保しながら、漏れ量を低減させることができる。 As described above, the amount of leakage can be reduced while ensuring the ease of assembly.
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(回転機械の構成)
本発明の実施形態によるラビリンスシールは、回転機械に設けられている。回転機械は、例えば、圧縮機や膨張機である。本実施形態において、回転機械は、ターボ圧縮機である。
(Structure of rotating machine)
The labyrinth seal according to the embodiment of the present invention is provided on the rotating machine. The rotating machine is, for example, a compressor or an expander. In this embodiment, the rotating machine is a turbo compressor.
ラビリンスシール1の断面図である図1に示すように、回転機械10は、回転体(第1部材)11と、静止体(第2部材)12と、を有している。静止体12は、回転体11に対向している。以下、回転体11と静止体12が対向する方向を対向方向Aとする。
As shown in FIG. 1, which is a cross-sectional view of the
回転体11は、静止体12の内部に配置され、中心軸である回転軸回りに回転する。回転体11は、例えばターボ圧縮機やターボタービンのインペラである。
The rotating
静止体12は、例えばケーシングである。なお、静止体12は、ケーシング内に配置されて、ケーシングに固定された部材であってもよい。図1は、回転体11がインペラ、静止体12がケーシングである場合において、インペラの回転軸と、その周囲のケーシングの構造を示すものである。
The
回転体11と静止体12との間には、図中左側の高圧側から図中右側の低圧側に向かって流体が流れるように、隙間が形成されている。以下、流体が流れる方向を流れ方向Bという。流れ方向Bは、対向方向Aに直交している。
A gap is formed between the
(ラビリンスシールの構成)
ラビリンスシール1は、第1フィン2と、第2フィン3と、を有している。第1フィン2は、静止体12の回転体11側の表面から回転体11の方に延びている。即ち、第1フィン2は、静止体12における回転体11に対向する部分に設けられている。第2フィン3は、回転体11の静止体12側の表面から静止体12の方に延びている。即ち、第2フィン3は、回転体11における静止体12に対向する部分に設けられている。
(Structure of labyrinth seal)
The
本実施形態では、2つの第1フィン2が、流れ方向Bに沿って並んで設けられている。第2フィン3は、隣り合う第1フィン2同士の間に配置されている。以下、第2フィン3から見て高圧側(図中左側)の第1フィン2を高圧側フィン2a、第2フィン3から見て低圧側(図中右側)の第1フィン2を低圧側フィン2bという。
In the present embodiment, the two
ここで、回転体11の静止体12側の表面から、低圧側フィン2bの先端までの対向方向Aにおける距離をC1、回転体11の静止体12側の表面から第2フィン3の先端までの対向方向Aにおける距離をC2とする。このとき、C1とC2とは、以下の関係を満たしている。
1.0>C2/C1≧0.43
Here, the distance from the surface of the
1.0> C2 / C1 ≧ 0.43
回転機械10の組立時には、静止体12に対して回転体11を流れ方向Bに沿って組み付ける。回転体11の組み付け方向は、流れ方向Bと同方向であってもよいし、流れ方向Bとは逆方向であってもよい。また、回転機械10の組立時において、回転体11に対して静止体12を流れ方向Bと同方向もしくはその逆方向に沿って組み付けるのでもよい。以下では、回転体11に対して静止体12を流れ方向Bに沿って組み付ける場合を想定して、説明する。
At the time of assembling the rotating
C2/C1が1.0未満であるため、回転機械10の組立時において、回転体11に対して静止体12を流れ方向Bに沿って組み付ける際に、第1フィン2が第2フィン3に当接し難くなる。
Since C2 / C1 is less than 1.0, when the
ここで、本実施形態では、回転体11を支持する軸受けに、すべり軸受やティルティングパッド軸受が使用されている。よって、回転体11の停止時には、回転体11と軸受けとが接触した状態になり、静止体12の中心に対して回転体11の中心が偏心した状態となる。
Here, in the present embodiment, a slide bearing or a tilting pad bearing is used for the bearing that supports the
そこで、組み付け時における、静止体12の中心に対する回転体11の中心の対向方向Aへのずれ量よりも、C1からC2を引いた値の方が大きくされている。これにより、回転体11に対して静止体12を流れ方向Bに沿って組み付ける際に、第1フィン2が第2フィン3に当接するのが抑制される。
Therefore, the value obtained by subtracting C2 from C1 is larger than the amount of deviation of the center of the
また、図1に示すように、回転体11の回転時に、高圧側フィン2aと回転体11との隙間を流れる流体は、第2フィン3にぶつかることで、静止体12の方に流れの向きを変え、第2フィン3を迂回しながら、低圧側フィン2bと回転体11との隙間に向かって流れる。このとき、流れの一部は分流して渦流となって、隣り合う第1フィン2同士の間の空間を旋回する。この渦流によって、流れの本流は、低圧側フィン2bと回転体11との隙間を流れる際に、回転体11に押し付けられて圧縮される。これにより、本流の流通抵抗が増加するので、漏れ量が大幅に低減される。
Further, as shown in FIG. 1, when the
ここで、第1フィン2と第2フィン3との隙間を吹き抜ける流量を減らすには、C2/C1の値を大きくする必要がある。後述する数値解析によれば、回転体11と静止体12との間に形成された隙間の入口と出口との差圧が100kPa以上であるときに、C2/C1が0.43以上であれば、漏れ量を低減させる効果を、C2/C1が最大の1の場合と同等にすることができる。
Here, in order to reduce the flow rate that blows through the gap between the
(数値解析)
次に、一般的なファンの差圧500Pa、および、ターボ圧縮機の差圧100kPaと1MPaの場合で、漏れ量の数値解析を行った。数値解析は、回転体11の静止体12側の表面から第2フィン3の先端までの対向方向Aにおける距離C2を0〜C1の間で変化させて行った。その結果を図2に示す。なお、各値は、C2=0での漏れ量で正規化している。
(Numerical analysis)
Next, a numerical analysis of the amount of leakage was performed when the differential pressure of a general fan was 500 Pa and the differential pressure of a turbo compressor was 100 kPa and 1 MPa. The numerical analysis was performed by changing the distance C2 in the facing direction A from the surface of the
差圧100kPa以上では、C2のC1に対する比率の下限値0.43以上において、シール効果に臨界的な効果が発現していることが認められる。C2/C1=0.43であれば、ターボ圧縮機の組立時に、静止体12の組み付けに十分な空間を確保できる。よって、1.0>C2/C1≧0.43を満たせば、組み付け性を確保しながら、漏れ量を低減させることができることがわかる。
At a differential pressure of 100 kPa or more, it is recognized that a critical effect on the sealing effect is exhibited at the lower limit of 0.43 or more of the ratio of C2 to C1. If C2 / C1 = 0.43, a sufficient space can be secured for assembling the
(第1変形例)
なお、ラビリンスシール1の断面図である図3に示すように、第1フィン2は、低圧側から高圧側に向かって傾斜していてもよい。
(First modification)
As shown in FIG. 3, which is a cross-sectional view of the
(第2変形例)
また、ラビリンスシール1の断面図である図4に示すように、第1フィン2は、低圧側から高圧側に向かって湾曲していてもよい。
(Second modification)
Further, as shown in FIG. 4, which is a cross-sectional view of the
(第3変形例)
また、ラビリンスシール1の断面図である図5に示すように、第2フィン3は、静止体12に向かって尖った形状にされていてもよい。
(Third modification example)
Further, as shown in FIG. 5, which is a cross-sectional view of the
(第4変形例)
また、ラビリンスシール1の断面図である図5に示すように、第2フィン3は、流れ方向Bに沿った幅が広くされていてもよい。
(Fourth modification)
Further, as shown in FIG. 5, which is a cross-sectional view of the
(第5変形例)
また、流れ方向Bに沿って、3つ以上の第1フィン2が並んで設けられていてよい。この場合、隣り合う第1フィン2同士の間には、第2フィン3がそれぞれ配置される。このような構成であれば、最も高圧側の第1フィン2と回転体11との隙間から、最も低圧側の第1フィン2と回転体11との隙間にわたって流体が流れる際に、漏れ量が段階的に低減される。これにより、漏れ量を十分に低減させることができる。
(Fifth modification)
Further, three or more
(効果)
以上に述べたように、本実施形態に係るラビリンスシール1によると、回転体11の静止体12側の表面から、低圧側フィン2bの先端までの対向方向Aにおける距離C1と、回転体11の静止体12側の表面から第2フィン3の先端までの対向方向Aにおける距離C2とが、1.0>C2/C1≧0.43を満たしている。C2/C1が1.0未満であるため、回転機械10の組立時において、回転体11と静止体12とを組み付ける際に、より詳しくは、例えば、回転体11に対して静止体12を流れ方向に沿って組み付ける際に、第1フィン2が第2フィン3に当接し難くなる。また、組み付け時における、静止体12の中心に対する回転体11の中心の対向方向Aへのずれ量よりも、C1からC2を引いた値の方が大きいので、回転体11と静止体12とを組み付ける際に、より詳しくは、例えば、回転体11に対して静止体12を流れ方向に沿って組み付ける際に、第1フィン2が第2フィン3に当接するのが抑制される。これにより、回転機械10を容易に組み立てることができる。
(effect)
As described above, according to the
また、高圧側フィン2aと、回転体11との隙間を流れる流体は、第2フィン3にぶつかることで、静止体12の方に流れの向きを変え、第2フィン3を迂回しながら、低圧側フィン2bと回転体11との隙間に向かって流れる。このとき、流れの一部は分流して渦流となって、隣り合う第1フィン2同士の間の空間を旋回する。この渦流によって、流れの本流は、低圧側フィン2bと回転体11との隙間を流れる際に、回転体11に押し付けられて圧縮される。これにより、本流の流通抵抗が増加するので、漏れ量が大幅に低減される。そして、第1フィン2と第2フィン3との隙間を吹き抜ける流量を減らすには、C2/C1の値を大きくする必要があるが、隙間の入口と出口との差圧が100kPa以上であるときに、C2/C1が0.43以上であれば、漏れ量を低減させる効果を、C2/C1が最大の1の場合と同等にすることができる。
Further, the fluid flowing through the gap between the high-
以上により、組み付け性を確保しながら、漏れ量を低減させることができる。 As described above, the amount of leakage can be reduced while ensuring the ease of assembly.
また、流れ方向Bに沿って、3つ以上の第1フィン2が並んで設けられている場合には、最も高圧側の第1フィン2と回転体11との隙間から、最も低圧側の第1フィン2と回転体11との隙間にわたって流体が流れる際に、漏れ量が段階的に低減される。これにより、漏れ量を十分に低減させることができる。
Further, when three or more
以上、本発明の実施形態を説明したが、具体例を例示したに過ぎず、特に本発明を限定するものではなく、具体的構成などは、適宜設計変更可能である。また、発明の実施の形態に記載された、作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。 Although the embodiments of the present invention have been described above, only specific examples are illustrated, and the present invention is not particularly limited, and the specific configuration and the like can be appropriately redesigned. In addition, the actions and effects described in the embodiments of the present invention merely list the most preferable actions and effects arising from the present invention, and the actions and effects according to the present invention are described in the embodiments of the present invention. It is not limited to what has been done.
1 ラビリンスシール
2 第1フィン
2a 高圧側フィン
2b 低圧側フィン
3 第2フィン
10 回転機械
11 回転体(第1部材)
12 静止体(第2部材)
1
12 Stationary body (second member)
Claims (2)
前記第1部材に対向する第2部材と、
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、前記第1部材と前記第2部材との間に隙間が形成されており、
前記第2部材の前記第1部材側の表面から前記第1部材の方に延びる第1フィンと、
前記第1部材の前記第2部材側の表面から前記第2部材の方に延びる第2フィンと、
を有し、
前記流れ方向に沿って、少なくとも2つの前記第1フィンが並んで設けられており、
隣り合う前記第1フィン同士の間に前記第2フィンがそれぞれ配置されており、
前記隙間の入口と出口との差圧が100kPa以上であり、
前記第1部材の前記第2部材側の表面から、前記第2フィンよりも低圧側の前記第1フィンの先端までの前記対向方向における距離をC1、前記第1部材の前記第2部材側の表面から前記第2フィンの先端までの前記対向方向における距離をC2としたときに、1.0>C2/C1≧0.43を満たすとともに、
前記第1部材と前記第2部材とを組み付ける際における、前記第2部材の中心に対する前記第1部材の中心の前記対向方向へのずれ量よりも、C1からC2を引いた値の方が大きいことを特徴とするラビリンスシール。 The first member and
The second member facing the first member and
A labyrinth seal provided on a rotating machine equipped with
The first member and the second member so that the fluid flows from the high pressure side to the low pressure side in the flow direction which is the direction orthogonal to the opposite direction where the first member and the second member face each other. There is a gap between them,
A first fin extending from the surface of the second member on the side of the first member toward the first member,
A second fin extending from the surface of the first member on the side of the second member toward the second member,
Have,
At least two of the first fins are provided side by side along the flow direction.
The second fins are arranged between the adjacent first fins, respectively.
The differential pressure between the inlet and outlet of the gap is 100 kPa or more.
The distance from the surface of the first member on the second member side to the tip of the first fin on the lower pressure side than the second fin in the opposite direction is C1, and the distance on the second member side of the first member is C1. When the distance from the surface to the tip of the second fin in the opposite direction is C2, 1.0> C2 / C1 ≧ 0.43 is satisfied, and
When assembling the first member and the second member, the value obtained by subtracting C2 from C1 is larger than the amount of deviation of the center of the first member with respect to the center of the second member in the opposite direction. A labyrinth seal that features that.
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