JP2023134235A - シール装置、回転機械、及びシール装置の設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】励振力の発生をより抑えることができるシール装置、回転機械、及びシール装置の設計方法を提供する。【解決手段】軸線回りに回転する回転軸を外周側から囲うシール本体を備え、シール本体は、回転軸の外周面にクリアランスを介して対向する内周面と、該内周面から径方向外側に凹むように形成されて、内周面の周方向及び軸線方向に配列された複数の孔部と、を有し、孔部は、径方向外側に向かうにしたがって捩じれるように延びる螺旋溝が形成された内周壁を有するシール装置。【選択図】図４

Description

本開示は、シール装置、回転機械、及びシール装置の設計方法に関する。

遠心圧縮機等の流体回転機械では、回転軸と、回転軸を外周側から覆うケーシングとの間にクリアランスが存在する。クリアランスには、高圧側の空間から低圧側の空間へ向かう作動流体の漏れ流れが発生することを抑制するためのシール装置が設けられる場合がある。

例えば特許文献１には、回転軸の外周面に対向するように開口する複数の孔が形成された環状の本体部を備えるホールパターンシール（シール装置）が開示されている。この複数の孔部に作動流体が流入することで軸振動による流体の移動が抑制され、抵抗力が発生する。この抵抗力が減衰力として働き、励振力による軸の不安定化が抑制される。

特開２０１４－１０９２６３号公報

今後の流体回転機械の更なる高速化、大容量化に対応すべく、周方向圧力分布によって生じる流体励振力が減じられるよう、より高い減衰力を有するホールパターン構造を有するシール装置が求められている。

本開示は上記課題を解決するためになされたものであって、励振力の発生をより抑えることができるシール装置、回転機械、及びシール装置の設計方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示に係るシール装置は、軸線回りに回転する回転軸を外周側から囲うシール本体を備え、前記シール本体は、前記回転軸の外周面にクリアランスを介して対向する内周面と、該内周面から径方向外側に凹むように形成されて、前記内周面の周方向及び前記軸線方向に配列された複数の孔部と、を有し、前記孔部は、前記径方向外側に向かうにしたがって捩じれるように延びる螺旋溝が形成された内周壁を有する。

本開示に係る回転機械は、上記シール装置と、前記回転軸と、前記回転軸を外周側から囲うとともに、前記軸線方向の一方側の高圧側空間と前記軸線方向の他方側の低圧側空間とに区画する前記シール装置を支持するケーシングと、を備え、前記回転軸は、前記軸線方向の一方側から見て前記軸線を中心に反時計回り及び時計回りに回転し、前記螺旋溝は、前記回転軸が反時計回りに回転する際、径方向内側から見て前記孔部の中心を径方向に延びる孔部中心線を中心に反時計回りに捩じれるように延びており、前記螺旋溝は、前記回転軸が時計回りに回転する際、前記径方向内側から見て前記孔部の中心を前記径方向に延びる孔部中心線を中心に時計回りに捩じれるように延びている。

本開示に係る回転機械は、軸線回りに回転する回転軸を外周側から囲うシール本体を備え、前記シール本体は、前記回転軸の外周面にクリアランスを介して対向する内周面と、該内周面から径方向外側に凹むように形成されて、前記内周面の周方向及び前記軸線方向に配列された複数の孔部と、を有し、前記複数の孔部は、前記径方向外側に向かうにしたがって捩じれるように延びる螺旋溝が形成された内周壁を有する複数の溝形成孔と、前記螺旋溝が形成されていない内周壁を有する複数の非溝形成孔と、を含むシール装置と、前記回転軸と、前記回転軸を外周側から囲うとともに、前記軸線方向の一方側の高圧側空間と前記軸線方向の他方側の低圧側空間とに区画する前記シール装置を支持するケーシングと、を備え、前記内周面の周方向に配列された前記複数の孔部における前記複数の溝形成孔の割合は、前記高圧側空間側ほど高くなる。

本開示に係るシール装置の設計方法は、軸線回りに回転する回転軸を外周側から囲い、前記回転軸の外周面にクリアランスを介して対向する内周面と、該内周面から径方向外側に凹むように形成されて、前記内周面の周方向及び前記軸線方向に配列された複数の孔部と、を有するシール本体を備えるシール装置の設計方法であって、前記軸線方向から前記クリアランスに流入した流体の流体力分布を取得する流体力分布取得工程と、前記流体力分布に基づいて、前記内周面を溝形成領域と非溝形成領域とに分ける溝形成領域決定工程と、前記溝形成領域に前記径方向外側に向かうにしたがって捩じれるように延びる螺旋溝が形成された内周壁を有する前記複数の孔部を配置する第一孔部設定工程と、前記非溝形成領域に前記螺旋溝が形成されていない内周壁を有する前記複数の孔部を配置する第二孔部設定工程と、を含む。

本開示によれば、励振力の発生をより抑えることができるシール装置、回転機械、及びシール装置の設計方法を提供することができる。

本開示の実施形態に係る回転機械の概略構成を示す断面図である。 本開示の実施形態に係るシール装置を示す斜視図である。 図２におけるＩＩＩ－ＩＩＩ線方向の断面視である。 図３における要部（二点鎖線で囲まれた領域）を拡大した図であり、本開示の実施形態に係る孔部の構成を示す図である。 （ａ）は図２におけるＶ－Ｖ線方向の断面視であり、（ｂ）は軸線方向距離と流体力の関係を一例として示すグラフであり、（ｃ）は軸線方向距離と溝形成孔の割合を複数の例で示すグラフである。 本開示のその他の実施形態に係る孔部の構成を示す図である。 （ａ）は図２におけるＶ－Ｖ線方向の断面視であり、（ｂ）は軸線方向距離と流体力の関係を一例として示すグラフであり、（ｃ）は軸線方向距離と螺旋溝の条数の関係を一例として示すグラフである。 （ａ）は図２におけるＶ－Ｖ線方向の断面視であり、（ｂ）は軸線方向距離と流体力の関係を一例として示すグラフである。 本開示のその他の実施形態に係るシール装置の設計方法を示すフローチャートである。

以下、本開示の実施形態に係る回転機械を図面に基づき説明する。

＜第一実施形態＞
（回転機械）
本実施形態における回転機械は、複数のインペラを備えた多段式遠心圧縮機である。図１に示すように、回転機械１は、回転軸２と、軸受３と、インペラ４と、ケーシング６と、シール装置５と、を備えている。

（回転軸）
回転軸２は、水平方向に延びる軸線Ａｒを中心とした柱状を成す部材である。ここで、軸線Ａｒが延びる方向（図１における左右方向）を「軸線方向Ｄａ」と称し、回転軸２の周方向を単に「周方向Ｄｃ」と称し、軸線Ａｒに対して垂直な方向である回転軸２の径方向を単に「径方向Ｄｒ」と称する。

また、軸線方向Ｄａの両側のうち、一方側（図１における右側）を単に「一方側Ｄａｕ」と称し、その反対側（図１における左側）を「他方側Ｄａｄ」と称する。また、回転軸２の径方向Ｄｒで軸線Ａｒに近づく側を「径方向内側Ｄｒｉ」と称し、その反対側を「径方向外側Ｄｒｏ」と称する。

回転軸２は、一方側Ｄａｕから見て軸線Ａｒを中心に時計回りと反時計回りとを切り替え可能に回転する。本実施形態における回転軸２は、一方側Ｄａｕから見て軸線Ａｒを中心に反時計回りに回転する。回転軸２の回転方向Ｒは、周方向Ｄｃに一致する。

（軸受）
軸受３は、回転軸２を回転可能に支持しているラジアル軸受である。本実施形態における軸受３は、回転軸２を外周側から覆うように回転軸２における両端部に一つずつ設けられている。

（インペラ）
インペラ４は、回転軸２の回転による遠心力を利用して回転機械１に外部から供給される作動流体としてのプロセスガスＧ（流体）を圧縮するクローズ型のインペラである。

インペラ４は、回転軸２における軸線方向Ｄａの両側にそれぞれ配置された各軸受３の間の回転軸２に複数取り付けられている。本実施形態では、六つのインペラ４が軸線方向Ｄａに並ぶように回転軸２に取り付けられている。

これらインペラ４は、軸線方向Ｄａでブレード４２の向きが互いに反対側を向く第一インペラ群４ａ及び第二インペラ群４ｂを構成している。各インペラ４は、ディスク４１と、ブレード４２と、カバー４３と、を有している。

ディスク４１は、回転軸２における軸線方向Ｄａの中央位置Ｐｃから径方向外側Ｄｒｏに漸次拡径する円盤状に形成されている。ブレード４２は、ディスク４１から軸線方向Ｄａにおける中央位置Ｐｃとは反対側の端部側に突出するように形成されている。

ブレード４２は、回転軸２の周方向Ｄｃに所定の間隔をあけて複数配置されている。カバー４３は、軸線方向Ｄａにおける端部側から複数のブレード４２を覆う。カバー４３は、ディスク４１に対向する円盤状に形成されている。

第一インペラ群４ａ及び第二インペラ群４ｂのそれぞれは、三つのインペラ４によって構成されている。即ち、第一インペラ群４ａ及び第二インペラ群４ｂは、プロセスガスＧを三段階で圧縮する三段式インペラ群である。

これら第一インペラ群４ａ及び第二インペラ群４ｂでは、それぞれ軸線方向Ｄａの中央位置Ｐｃ側のプロセスガスＧの圧力が最も高くなる。つまり、プロセスガスＧは、第一インペラ群４ａ及び第二インペラ群４ｂのインペラ４によって中央位置Ｐｃに向かうにつれて段階的に圧縮されながら流れる。

（ケーシング）
ケーシング６は、軸受３を支持するとともに、回転軸２、インペラ４、シール装置５をそれぞれ外周側から覆う。ケーシング６は、筒状に形成されている。ケーシング６は、例えば、地面や架台等に固定されたケーシング支持部等（図示省略）によって支持されている。

ケーシング６は、他方側Ｄａｄに、吸込口６１ａを備えている。吸込口６１ａは、環状に形成された吸込流路６２ａに接続されている。吸込流路６２ａは、第一インペラ群４ａの最も他方側Ｄａｄに位置するインペラ４の流路に接続されている。つまり、吸込口６１ａから流入するプロセスガスＧは、吸込流路６２ａを通じて第一インペラ群４ａへ導入されて順次圧縮される。

ケーシング６は、各インペラ４のブレード４２間に形成された流路同士を接続するケーシング流路６ａを備えている。ケーシング６は、軸線方向Ｄａの中央位置Ｐｃ側に排出口６３ａを備えている。この排出口６３ａは、環状に形成された排出流路６４ａに接続されている。第一インペラ群４ａの各インペラ４で圧縮されたプロセスガスＧは、この排出流路６４ａを通じて排出口６３ａからケーシング６の外部に排出される。

ケーシング６には、中央位置Ｐｃを境にして、他方側Ｄａｄの第一インペラ群４ａと一方側Ｄａｕの第二インペラ群４ｂとが対称に形成されている。ケーシング６の一方側Ｄａｕには、ケーシング流路６ｂ、吸込口６１ｂ、吸込流路６２ｂ、排出流路６４ｂ、排出口６３ｂが形成されている。このケーシング６の一方側Ｄａｕに位置する第二インペラ群４ｂは、他方側Ｄａｄの第一インペラ群４ａで圧縮されたプロセスガスＧをさらに圧縮する。

つまり、ケーシング６の一方側Ｄａｕにおける吸込口６１ｂには、中央位置Ｐｃよりも他方側Ｄａｄの排出口６３ａから排出されたプロセスガスＧが送り込まれる。この吸込口６１ｂから流入したプロセスガスＧは、吸込流路６２ｂを通じて第二インペラ群４ｂに供給されて段階的に圧縮される。第二インペラ群４ｂによって圧縮されたプロセスガスＧは、排出流路６４ｂを介して中央位置Ｐｃよりも一方側Ｄａｕの排出口６３ｂからケーシング６の外部に排出される。

上述したように、第一インペラ群４ａで圧縮されたプロセスガスＧは、第二インペラ群４ｂに導入されてさらなる圧縮が行われて中央位置Ｐｃ付近に到達する。そのため、第一インペラ群４ａと第二インペラ群４ｂとの間には圧力差が生じている。

具体的には、第二インペラ群４ｂを流通するプロセスガスＧの圧力の方が、第一インペラ群４ａを流通するプロセスガスＧの圧力よりも高い。さらに、中央位置Ｐｃ付近では、回転軸２の外周面２１とケーシング６の内周面５１との間にクリアランスＣが形成されている。

そのため、プロセスガスＧは、このクリアランスＣを通じて第二インペラ群４ｂが配置されている一方側Ｄａｕを上流側として第一インペラ群４ａが配置されている他方側Ｄａｄの下流側に向かって流れようとする。

本実施形態では、説明の便宜上、クリアランスＣよりも一方側Ｄａｕの第二インペラ群４ｂにおけるプロセスガスＧが流通する空間を「高圧側空間」と称し、クリアランスＣよりも他方側Ｄａｄの第一インペラ群４ａにおけるプロセスガスＧが流通する空間を「低圧側空間」と称する。

本実施形態におけるシール装置５は、クリアランスＣ中におけるプロセスガスＧの流れの上流側である第二インペラ群４ｂ（高圧側空間）から下流側である第一インペラ群４ａ（低圧側空間）へのプロセスガスＧの流れを抑制するために、中央位置Ｐｃ付近に配置されている。

（シール装置）
シール装置５は、回転軸２の外周側に設けられて、第一インペラ群４ａと第二インペラ群４ｂとの間におけるクリアランスＣをプロセスガスＧが流通しないように封止するホールパターンシールである。シール装置５は、回転軸２の外周面２１を外周側から囲うシール本体５０を備えている。シール本体５０は、ケーシング６に固定されている。

図２及び図３に示すように、シール本体５０は、円筒状を成す環状部材である。シール本体５０は、回転軸２の外周面２１との間に回転軸２を回転させるための所定の大きさの上記クリアランスＣを介して対向配置される内周面５１と、該内周面５１から径方向外側Ｄｒｏに凹むように形成されて、内周面５１の周方向Ｄｃ及び軸線方向Ｄａに配列された複数の孔部５２と、を有している。内周面５１は、円筒状を成す面である。

図４に示すように、孔部５２は、回転軸２の外周面２１に対向するように開口する孔部開口５２ａと、凹んだ先の底部分に相当する底壁５２２と、これら孔部開口５２ａと底壁５２２とを接続し、径方向外側Ｄｒｏに向かうにしたがって捩じれるように延びる螺旋溝５２１が形成された内周壁５２０を有している。複数の孔部５２の孔部開口５２ａは、内周面５１上に配列されている。

螺旋溝５２１は、径方向内側Ｄｒｉから見て孔部５２の中心を径方向Ｄｒに延びる孔部中心線Ｏを中心に反時計回りに捩じれるように延びている。孔部５２が有する螺旋溝５２１は、四条ねじ等の多条ねじが螺合可能な溝である。

ここで、螺旋溝５２１の溝深さＭｓとは、孔部５２における内周壁５２０と螺旋溝５２１の溝底面５２１ａとの間の寸法を意味している。また、孔部５２の深さＭｈとは、孔部５２における孔部開口５２ａと底壁５２２との間の寸法を意味している。また、クリアランスＣの寸法Ｍｃとは、回転機械１の停止時における回転軸２の外周面２１とシール本体５０の内周面５１との間の距離を意味している。

本実施形態における螺旋溝５２１の溝深さＭｓ、及び孔部５２の深さＭｈは、大きくなるほど後述する旋回する力が大きくなる。このため、加工にかかる工数、装置寸法等を考慮して最適化することが望ましい。

本実施形態における螺旋溝５２１の径方向内側Ｄｒｉに位置する溝入口５２１ｂは、孔部開口５２ａに接続されている。本実施形態における溝入口５２１ｂは、孔部開口５２ａを軸線方向Ｄａに二分割した際の一方側Ｄａｕの部分と他方側Ｄａｄの部分とのうち、一方側Ｄａｕの部分に配置されていることが望ましい。

（作用効果）
プロセスガスＧには、回転軸２の回転に伴って回転軸２の回転方向Ｒに軸線Ａｒを中心にして旋回する力であるスワール力（旋回方向成分）が発生する。回転軸２の外周面２１とシール本体５０の内周面５１との間のクリアランスＣには、このスワール力が働いたプロセスガスＧが高圧側空間から流入する。

上記実施形態に係るシール装置５では、各孔部５２が径方向外側Ｄｒｏに向かうにしたがって捩じれるように延びる螺旋溝５２１が形成された内周壁５２０を有する。このため、高圧側空間からクリアランスＣに流入したプロセスガスＧは、孔部５２内に流入するとともに螺旋溝５２１に沿って孔部中心線Ｏを中心に旋回しながら孔部５２内で径方向外側Ｄｒｏに向かって流れる。

これにより、各孔部５２に流入するプロセスガスＧのスワール力が孔部５２内で螺旋溝５２１に沿って旋回する力へ変換される。その結果、クリアランスＣに流入したプロセスガスＧが有するスワール力が低減され、励振力が低減される。

また、上記実施形態に係る回転機械１では、回転軸２が一方側Ｄａｕから見て軸線Ａｒを中心に反時計回りに回転し、孔部５２における螺旋溝５２１が径方向内側Ｄｒｉから見て孔部中心線Ｏを中心に反時計回りに捩じれるように延びている。このため、孔部５２を軸線方向Ｄａに二等分した際に、一方側Ｄａｕの孔部５２内で螺旋溝５２１に沿って流れるプロセスガスＧの流れる方向と、クリアランスＣ中で孔部５２に向かって流れるプロセスガスＧの流れる方向とが揃う箇所が発生する。これにより、スワール力が螺旋溝５２１に沿って旋回する力へより効果的に変換される。

＜第二実施形態＞
以下、本開示の第二実施形態に係る回転機械について図５を参照して説明する。第二実施形態で説明するシール装置は、第一実施形態のシール装置５に対して構成が一部異なる。第一実施形態と同様の構成要素については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

（シール装置）
本実施形態における複数の孔部５２は、径方向外側Ｄｒｏに向かうにしたがって捩じれるように延びる螺旋溝５２１が形成された内周壁５２０を有する複数の溝形成孔５３と、螺旋溝５２１が形成されていない内周壁５２０を有する複数の非溝形成孔５４と、を含んでいる。

具体的には、図５（ｂ）に一例として示すプロセスガスＧの流体力の分布に基づいて、図５（ｃ）に示すように内周面５１の周方向Ｄｃに配列された複数の孔部５２における複数の溝形成孔５３が占める割合が、高圧側空間側ほど高くなってもよい。例えば、プロセスガスＧの流体力が高圧側空間から低圧側空間に向かうにしたがって減少する際、内周面５１の周方向Ｄｃに配列された複数の孔部５２における複数の溝形成孔５３が占める割合が、高圧側空間から低圧側空間に向かうにしたがって減少してもよい。以下、内周面５１の周方向Ｄｃに配列された複数の孔部５２における複数の溝形成孔５３が占める割合を、説明の便宜上、「溝形成孔５３の割合」と称する。

この際、図５（ｃ）に例示するパターン１、パターン２、及びパターン３のうちいずれかのように溝形成孔５３の割合を変化させてもよい。例えば、溝形成孔５３の割合は、パターン１に示すように、高圧側空間から低圧側空間に向かうにしたがって線形的に減少してもよい。また、溝形成孔５３の割合は、パターン２に示すように、高圧側空間から低圧側空間に向かうにしたがって段階的に減少してもよい。また、溝形成孔５３の割合は、パターン３に示すように、指数関数的に減少してもよい。

ここで、プロセスガスＧの流体力とは、回転軸２の回転に伴って回転軸２の回転方向Ｒに軸線Ａｒを中心にしてプロセスガスＧがクリアランスＣ中で旋回する力であるスワール力（旋回方向成分）を意味する。

（作用効果）
上記実施形態に係る回転機械１では、内周面５１の周方向Ｄｃに配列された複数の孔部５２における複数の溝形成孔５３の割合が、流体力の大きな領域のみ高くなる。流体力の大きな領域では、孔部５２の励振力抑制効果が高まるため、シール本体５０に形成される溝形成孔５３を有効な領域にのみ集中させることができる。したがって、励振力低減効果を大きく減少させることなく、シール本体５０に孔部５２を形成する際にかかる工数や施工にかかるコストを低減させることができる。

（その他の実施形態）
以上、本開示の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成は実施形態の構成に限られるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内での構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。

なお、回転軸２は一方側Ｄａｕから見て軸線Ａｒを中心に時計回りに回転してもよい。この際、図６に示すように、シール本体５０に形成された複数の孔部５２における各螺旋溝５２１は、径方向内側Ｄｒｉから見て孔部中心線Ｏを中心に時計回りに捩じれるように延びる。

これにより、全ての孔部５２のうちの半数の孔部５２内の一方側Ｄａｕにおける各螺旋溝５２１に沿ってプロセスガスＧが流れる方向と、クリアランスＣ中で孔部５２に向かってプロセスガスＧが流れる方向とが揃う箇所が発生する。

また、シール本体５０における複数の孔部５２の螺旋溝５２１の条数（孔部５２に螺合可能な多条ねじの条数）は、高圧側空間側ほど多くなってもよい。例えば、シール本体５０における複数の孔部５２の螺旋溝５２１の条数は、プロセスガスＧの流体力が高圧側空間から低圧側空間に向かうにしたがって減少する際、高圧側空間から低圧側空間に向かうにしたがって減少してもよい。図７（ｂ）に一例として示すような流体力分布の傾向に沿うようにして、図７（ｃ）に示すように複数の孔部５２における螺旋溝５２１の条数が変化してもよい。

また、図８に示すように、軸線方向Ｄａにおける流体力の分布が所定の閾値Ｔｈ以上の領域に対応したシール本体５０の内周面５１の領域を溝形成領域５１ａとし、流体力の分布が所定の閾値Ｔｈ未満の領域に対応したシール本体５０の内周面５１の領域を非溝形成領域５１ｂとしてもよい。この際、内周面５１の溝形成領域５１ａにおける複数の孔部５２のそれぞれは溝形成孔５３であり、非溝形成領域５１ｂにおける複数の孔部５２のそれぞれは非溝形成孔５４であればよい。

これによっても、シール本体５０に形成される溝形成孔５３の個数を減少させることができるため、シール本体５０に孔部５２を形成する際にかかる工数や施工にかかるコストを低減させることができる。

ここで、このシール装置５の設計方法を説明する。図９に示すように、当該設計方法は、流体力分布取得工程Ｓ０と、溝形成領域決定工程Ｓ１と、第一孔部設定工程Ｓ２と、第二孔部設定工程Ｓ３と、流体力分布評価工程Ｓ４と、を含む。

流体力分布取得工程Ｓ０は、クリアランスＣに流入するプロセスガスＧの軸線方向Ｄａにおける第一流体力分布（流体力分布）を取得する工程である。具体的には、流体力分布取得工程Ｓ０では、ＣＦＤ解析等を用いて第一流体力分布を取得する。

溝形成領域決定工程Ｓ１は、流体力分布取得工程Ｓ０で取得した上記第一流体力分布に基づいて、シール本体５０の内周面５１を溝形成領域５１ａと非溝形成領域５１ｂとに分ける工程である。具体的には、溝形成領域決定工程Ｓ１では、第一流体力分布が示す流体力と所定の閾値Ｔｈとを比較して、第一流体力分布が示す流体力のうち、閾値Ｔｈ以上である内周面５１の領域が溝形成領域５１ａとし、閾値Ｔｈ未満である内周面５１の領域が非溝形成領域５１ｂとする。

第一孔部設定工程Ｓ２は、溝形成領域５１ａに螺旋溝５２１が形成された内周壁５２０を有する複数の孔部５２を配置する工程である。第二孔部設定工程Ｓ３は、非溝形成領域５１ｂに螺旋溝５２１が形成されていない内周壁５２０を有する複数の孔部５２を配置する工程である。なお、当該製造方法における第一孔部設定工程Ｓ２と第二孔部設定工程Ｓ３の順序は逆であってもよい。

流体力分布評価工程Ｓ４は、第二孔部設定工程Ｓ３を経たシール本体５０内におけるクリアランスＣに流入するプロセスガスＧの軸線方向Ｄａにおける第二流体力分布を解析・実測する工程である。流体力分布評価工程Ｓ４では、例えば、回転軸２の外周面２１と、シール本体５０の内周面５１との間のクリアランスＣに、プロセスガスＧの圧力を示す流体力を計測可能なセンサ等を配置することで、第二流体力分布を取得する。流体力分布評価工程Ｓ４では、取得した当該第二流体力分布が目標となる所定の数値範囲に収まっているか否かを判定する。流体力分布評価工程Ｓ４では、例えば、第二流体力分布が所定の数値範囲に収まっている場合、シール本体５０が適合品であると判定してもよい。一方、流体力分布評価工程Ｓ４では、第二流体力分布が所定の数値範囲に収まっていない場合、シール本体５０が不適合品であると判定してもよい。

上記一連の工程を経ることにより、図８及び図９を用いて説明したシール装置５が設計される。

また、回転軸２の周方向ＤｃにおけるプロセスガスＧの流体力分布に基づいて周方向Ｄｃに配列された孔部５２の深さＭｈを変更してもよい。

また、インペラ４は、三段式に限定されることはない。また、インペラ４は、クローズ型のインペラに限定されることはなく、オープン型のインペラであってもよい。

また、実施形態では、シール装置５が第一インペラ群４ａと第二インペラ群４ｂとの間に配置される構成を説明したが、この構成に限定されることはない。シール装置５は、例えばインペラ４の入口の口金部、及び多段式インペラの最終段に設けられたバランスピストン部等に設けられてもよい。

また、回転機械１は、多段式遠心圧縮機に限定されることはなく、例えば、軸流圧縮機、半径流タービン、軸流タービン、各種産業用圧縮機、及びターボ冷凍機等の回転機械であってもよい。

また、実施形態では、軸線方向Ｄａにおける流体力分布に基づいて、孔部５２が溝形成孔５３を有する構成を説明したが、軸線方向Ｄａにおける流体力分布に限定されることはない。例えば、周方向Ｄｃにおける流体力分布に基づいて、孔部５２が溝形成孔５３を有してもよい。また、これら軸線方向Ｄａ及び周方向Ｄｃの両方における流体力分布に基づいて、孔部５２が溝形成孔５３を有してもよい。

また、上記実施形態で説明されるシール装置５の構成は、それぞれ独立した構成に留まることはなく、各実施形態に記載の構成要素を適宜組み合わせてシール装置５を構成してもよい。

＜付記＞
実施形態に記載のシール装置、回転機械、及びシール装置の設計方法は、例えば以下のように把握される。

（１）第１の態様に係るシール装置５は、軸線Ａｒ回りに回転する回転軸２を外周側から囲うシール本体５０を備え、前記シール本体５０は、前記回転軸２の外周面２１にクリアランスＣを介して対向する内周面５１と、該内周面５１から径方向外側Ｄｒｏに凹むように形成されて、前記内周面５１の周方向Ｄｃ及び前記軸線方向Ｄａに配列された複数の孔部５２と、を有し、前記孔部５２の少なくとも一部は、前記径方向外側Ｄｒｏに向かうにしたがって捩じれるように延びる螺旋溝５２１が形成された内周壁５２０を有する。

これにより、クリアランスＣに流入した流体は、孔部５２内に流入するとともに螺旋溝５２１に沿って孔部５２内を旋回しながら径方向外側Ｄｒｏに向かって流れる。この結果、各孔部５２に流入する流体のスワール力が孔部５２内で螺旋溝５２１に沿って孔部５２内を流体が旋回する力へ変換される。

（２）第２の態様に係る回転機械１は、（１）のシール装置５と、前記回転軸２と、前記回転軸２を外周側から囲うとともに、前記軸線方向Ｄａの一方側Ｄａｕの高圧側空間と前記軸線方向Ｄａの他方側Ｄａｄの低圧側空間とに区画する前記シール装置５を支持するケーシング６と、を備え、前記回転軸２は、前記軸線方向Ｄａの一方側Ｄａｕから見て前記軸線Ａｒを中心に反時計回り又は時計回りに回転し、前記螺旋溝５２１は、前記回転軸が反時計回りに回転する際、径方向内側Ｄｒｉから見て前記孔部５２の中心を径方向Ｄｒに延びる孔部中心線Ｏを中心に反時計回りに捩じれるように延びており、前記螺旋溝は、前記回転軸が時計回りに回転する際、前記径方向内側Ｄｒｉから見て前記孔部５２の中心を前記径方向Ｄｒに延びる孔部中心線Ｏを中心に時計回りに捩じれるように延びている。

これにより、孔部５２を軸線方向Ｄａに二等分した際に、一方側Ｄａｕの孔部５２内で螺旋溝５２１に沿って流体が流れる方向と、クリアランスＣ中で孔部５２に向かって流体が流れる方向とが揃う箇所が発生する。

（３）第３の態様に係る回転機械１は、軸線Ａｒ回りに回転する回転軸２を外周側から囲うシール本体５０を備え、前記シール本体５０は、前記回転軸２の外周面２１にクリアランスＣを介して対向する内周面５１と、該内周面５１から径方向外側Ｄｒｏに凹むように形成されて、前記内周面５１の周方向Ｄｃ及び前記軸線方向Ｄａに配列された複数の孔部５２と、を有し、前記複数の孔部５２は、前記径方向外側Ｄｒｏに向かうにしたがって捩じれるように延びる螺旋溝５２１が形成された内周壁５２０を有する複数の溝形成孔５３と、前記螺旋溝５２１が形成されていない内周壁５２０を有する複数の非溝形成孔５４と、を含むシール装置５と、前記回転軸２と、前記回転軸２を外周側から囲うとともに、前記軸線方向Ｄａの一方側Ｄａｕの高圧側空間と前記軸線方向Ｄａの他方側Ｄａｄの低圧側空間とに区画する前記シール装置５を支持するケーシング６と、を備え、前記内周面５１の周方向Ｄｃに配列された前記複数の孔部５２における前記複数の溝形成孔５３の割合は、前記高圧側空間側ほど高くなる。

これにより、シール本体５０に形成される溝形成孔５３の個数を減少させることができる。

（４）第４の態様に係るシール装置５の設計方法は、軸線Ａｒ回りに回転する回転軸２を外周側から囲い、前記回転軸２の外周面２１にクリアランスＣを介して対向する内周面５１と、該内周面５１から径方向外側Ｄｒｏに凹むように形成されて、前記内周面５１の周方向Ｄｃ及び前記軸線方向Ｄａに配列された複数の孔部５２と、を有するシール本体５０を備えるシール装置５の設計方法であって、前記軸線方向Ｄａから前記クリアランスＣに流入した流体の流体力分布を取得する流体力分布取得工程Ｓ０と、前記流体力分布に基づいて、前記内周面５１を溝形成領域５１ａと非溝形成領域５１ｂとに分ける溝形成領域決定工程Ｓ１と、前記溝形成領域５１ａに前記径方向外側Ｄｒｏに向かうにしたがって捩じれるように延びる螺旋溝５２１が形成された内周壁５２０を有する前記複数の孔部５２を配置する第一孔部設定工程Ｓ２と、前記非溝形成領域５１ｂに前記螺旋溝５２１が形成されていない内周壁５２０を有する前記複数の孔部５２を配置する第二孔部設定工程Ｓ３と、を含む。

これにより、複数の孔部５２のうち螺旋溝５２１が形成された孔部５２の個数を減少させることができる。

１…回転機械 ２…回転軸 ３…軸受 ４…インペラ ４ａ…第一インペラ群 ４ｂ…第二インペラ群 ５…シール装置 ６…ケーシング ６ａ，６ｂ…ケーシング流路 ２１…外周面 ４１…ディスク ４２…ブレード ４３…カバー ５０…シール本体 ５０ａ…シール本体外周面 ５１…内周面 ５１ａ…溝形成領域 ５１ｂ…非溝形成領域 ５２…孔部 ５２ａ…孔部開口 ５３…溝形成孔 ５４…非溝形成孔 ６１ａ，６１ｂ…吸込口 ６２ａ，６２ｂ…吸込流路 ６３ａ，６３ｂ…排出口 ６４ａ，６４ｂ…排出流路 ５２０…内周壁 ５２１…螺旋溝 ５２１ａ…溝底面 ５２１ｂ…溝入口 ５２２…底壁 Ａｒ…軸線 Ｃ…クリアランス Ｄａ…軸線方向 Ｄａｄ…他方側 Ｄａｕ…一方側 Ｄｃ…周方向 Ｄｒ…径方向 Ｄｒｉ0工程 Ｓ４…流体力分布評価工程 Ｔｈ…閾値

Claims (4)

1. 軸線回りに回転する回転軸を外周側から囲うシール本体を備え、
   前記シール本体は、
   前記回転軸の外周面にクリアランスを介して対向する内周面と、
   該内周面から径方向外側に凹むように形成されて、前記内周面の周方向及び前記軸線方向に配列された複数の孔部と、
   を有し、
   前記孔部の少なくとも一部は、前記径方向外側に向かうにしたがって捩じれるように延びる螺旋溝が形成された内周壁を有するシール装置。
2. 請求項１に記載のシール装置と、
   前記回転軸と、
   前記回転軸を外周側から囲うとともに、前記軸線方向の一方側の高圧側空間と前記軸線方向の他方側の低圧側空間とに区画する前記シール装置を支持するケーシングと、
   を備え、
   前記回転軸は、前記軸線方向の一方側から見て前記軸線を中心に反時計回り又は時計回りに回転し、
   前記螺旋溝は、前記回転軸が反時計回りに回転する際、径方向内側から見て前記孔部の中心を径方向に延びる孔部中心線を中心に反時計回りに捩じれるように延びており、
   前記螺旋溝は、前記回転軸が時計回りに回転する際、前記径方向内側から見て前記孔部の中心を前記径方向に延びる孔部中心線を中心に時計回りに捩じれるように延びている回転機械。
3. 軸線回りに回転する回転軸を外周側から囲うシール本体を備え、
   前記シール本体は、
   前記回転軸の外周面にクリアランスを介して対向する内周面と、
   該内周面から径方向外側に凹むように形成されて、前記内周面の周方向及び前記軸線方向に配列された複数の孔部と、
   を有し、
   前記複数の孔部は、
   前記径方向外側に向かうにしたがって捩じれるように延びる螺旋溝が形成された内周壁を有する複数の溝形成孔と、
   前記螺旋溝が形成されていない内周壁を有する複数の非溝形成孔と、
   を含むシール装置と、
   前記回転軸と、
   前記回転軸を外周側から囲うとともに、前記軸線方向の一方側の高圧側空間と前記軸線方向の他方側の低圧側空間とに区画する前記シール装置を支持するケーシングと、
   を備え、
   前記内周面の周方向に配列された前記複数の孔部における前記複数の溝形成孔の割合は、前記高圧側空間側ほど高くなる回転機械。
4. 軸線回りに回転する回転軸を外周側から囲い、前記回転軸の外周面にクリアランスを介して対向する内周面と、該内周面から径方向外側に凹むように形成されて、前記内周面の周方向及び前記軸線方向に配列された複数の孔部と、を有するシール本体を備えるシール装置の設計方法であって、
   前記軸線方向から前記クリアランスに流入した流体の流体力分布を取得する流体力分布取得工程と、
   前記流体力分布に基づいて、前記内周面を溝形成領域と非溝形成領域とに分ける溝形成領域決定工程と、
   前記溝形成領域に前記径方向外側に向かうにしたがって捩じれるように延びる螺旋溝が形成された内周壁を有する前記複数の孔部を配置する第一孔部設定工程と、
   前記非溝形成領域に前記螺旋溝が形成されていない内周壁を有する前記複数の孔部を配置する第二孔部設定工程と、
   を含むシール装置の設計方法。

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