JP5109838B2 - ラビリンスシールとこれを備える回転機械 - Google Patents

Description

本発明は、回転する回転シャフトと該回転シャフトを囲む静止側部材との間を通して流体が前記回転シャフトの軸方向に移動することを抑制するラビリンスシールと、これを備える回転機械に関する。

回転駆動される回転シャフトと回転シャフトを囲む静止側部材とを有する回転機械においては、回転シャフトと静止側部材との間を通した流体の漏れを抑制することが重要である。回転機械が、例えばターボチャージャ、圧縮機またはヘリウム膨張タービンである場合には、図６に示すように、静止側部材（シールハウジング）１０６に金属製ラビリンスシール１０３、１０４、１０５を設けていた（図６は下記特許文献１に開示された構成である）。このようなラビリンスシール１０３、１０４、１０５は、例えば、回転シャフト１０１と静止側部材１０６との間に位置するように、静止側部材１０６に固定される。
金属製のラビリンスシール１０３、１０４、１０５は、回転している回転シャフト１０１に接触すると焼きつきを起こしてしまう。そのため、ラビリンスシール１０３、１０４、１０５が回転シャフト１０１に決して接触しないように、回転シャフト１０１とラビリンスシール１０３、１０４、１０５との間に微小の隙間を残すようにラビリンスシール１０３、１０４、１０５を製作していた（例えば、下記特許文献２）。
なお、図６において、符号１０２はインペラを示し、符号１０７はケーシングを示し、符号１０８はパージガス導入孔を示し、符号１０９は、パージガスと機内ガスとの混合ガスの排出孔を示し、符号１１０半径流ラビリンスを示し、符号１１１〜１１３はＯリングを示す。

一方、図７に示すように、回転機械において、カーボン製の固定環２０１を、ばね装置２０３により回転環２０５に押し付けてシールを行う手法もある（図７は、下記特許文献３に開示された構成である）。
なお、図７において、符号２０７はパッキンを示し、符号２０９は回転シャフトを示し、符号２１１はスリーブを示し、符号２１３はナットを示す。
特開平１０−１４１００５号公報 特許第４００９５４７号公報 特開昭５９−２３１２６６号公報 特開２００２−１９５４１９号公報

小型の回転機械においてラビリンスシール１０３、１０４、１０５を用いる場合には、ラビリンスシール１０３、１０４、１０５も小型化する必要がある。しかし、小型化のため、ラビリンスシール１０３、１０４、１０５が回転シャフト１０１に決して接触しないように、ラビリンスシール１０３、１０４、１０５を製作して取り付けることが困難だった。即ち、回転シャフト１０１とラビリンスシール１０３、１０４、１０５との隙間を、例えば１０μｍ程度にしなければならず、このような精度でラビリンスシール１０３、１０４、１０５の製作、取り付けを行うことは困難であった。

また、回転シャフト１０１に半径方向寸法がより大きい部分（インペラ１０２など）が結合されている場合には、ラビリンスシール１０３、１０４、１０５を、回転シャフト１０１を囲む所定位置に取り付けるには、当該部分を回転シャフト１０１から取り外した上で、または、当該部分を回転シャフト１０１に取り付ける前に、ラビリンスシール１０３、１０４、１０５を前記所定位置に配置する必要があった。即ち、ラビリンスシール１０３、１０４、１０５には、回転シャフト１０１が貫通する貫通孔が形成されており、この貫通孔の寸法は、インペラ１０２などの部分よりも小さいため、ラビリンスシール１０３、１０４、１０５の貫通孔にインペラ１０２などの部分を通すことができず、上記のように配置する必要があった。なお、半径方向とは、回転シャフト１０１の半径方向を意味する。

一方、カーボン製の固定環２０１を回転環２０５に押し付けてシールを行う手法を、小型の回転機械に適用する場合、カーボン製ブロック３９の摩擦が無視できない損失となる可能性がある。また、カーボン製ブロック３９を回転環２０５に押し付けるばね装置２０３を小型化することが困難となる。

そこで、本発明の目的は、回転シャフトに半径方向寸法がより大きい部分（インペラなど）があらかじめ結合されていても、当該部分を回転シャフトから取り外すことなく、回転シャフトに取り付けることができ、大型、中型の回転機械だけでなく小型、超小型の回転機械においても焼きつきを起こすことなく微小隙間を確保して適切にシールできるラビリンスシールと、これを備えた回転機械を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明によると、回転する回転シャフトと該回転シャフトを囲む静止側部材との間を通して流体が前記回転シャフトの軸方向に移動することを抑制するラビリンスシールであって、
前記回転シャフトを囲む内周面を有し、該内周面にラビリンス構造が形成されているシール部材と、
前記シール部材の外周面を囲んで支持するリング状部材を備え、
前記シール部材は、それぞれ前記内周面の略半周部分を有する第１分割部と第２分割部とに分割されており、
前記リング状部材は、前記回転シャフトを囲む前記シール部材の前記外周面に対し、前記回転シャフトの軸方向から取付可能となっている、ことを特徴とするラビリンスシールが提供される。

上述の本発明によるラビリンスシールは、前記回転シャフトを囲む内周面を有し、該内周面にラビリンス構造が形成されているシール部材を備え、前記シール部材は、それぞれ前記内周面の略半周部分を有する第１分割部と第２分割部とに分割されているので、前記回転シャフトに対し半径方向に取り付けることが可能になる。従って、回転シャフトに半径方向寸法がより大きい部分（インペラなど）が結合されていても、当該部分を回転シャフトから取り外すことなく、シール部材を回転シャフトに取り付けることができる。
また、前記リング状部材は、前記回転シャフトを囲む前記シール部材の前記外周面に対し、前記回転シャフトの軸方向から取付可能となっているので、分割された第１分割部と第２分割部を合わせた状態に保持するようにリング状部材がシール部材の外周面を半径方向に支持できるとともに、回転シャフトに半径方向寸法がより大きい部分（インペラなど）が結合されていても、リング状部材の開口を当該部分よりも大きい寸法にすることで、当該部分を回転シャフトから取り外すことなく、リング状部材を回転シャフトの軸方向から当該部分に通してシール部材に取り付けることができる。

好ましくは、前記シール部材は、カーボンで形成されている。

このように、前記シール部材は、カーボンで形成されているので、シール部材は回転している回転シャフトと接触しても焼きつかない。即ち、シール部材を小型化した場合に、シール部材を回転シャフトに決して接触しないように、ラビリンスシールを製作して取り付けなくてもよく、シール部材が回転シャフトに接触することで摩耗して自然に適切な寸法となるようにすることができる。これにより、大型、中型だけでなく小型、超小型の回転機械においても焼きつきを起こすことなく微小隙間を確保して適切にシールできる。
さらに、シール部材は、カーボンで形成されているので、旋盤等を用いた通常行われる機械加工で製作することができる。

本発明の好ましい実施形態によると、前記回転シャフトは、インペラが結合されるものであり、前記リング状部材の中央部の開口は、前記インペラが通過できる寸法となっている。

このように、前記回転シャフトは、インペラが結合されるものであり、前記リング状部材の中央部の開口は、前記インペラが通過できる寸法となっているので、インペラを回転シャフトから取り外すことなく、リング状部材をインペラに通して回転シャフトの軸方向からシール部材に取り付けることができる。

本発明の好ましい実施形態によると、前記リング状部材の内周部は、回転シャフトの軸方向の一方を向く段差面を有し、前記シール部材の外周部は、前記軸方向の他方を向く段差面を有し、前記リング状部材の前記段差面と前記シール部材の前記段差面とが、前記軸方向に係合するようになっている。

このように、前記リング状部材の内周部は、回転シャフトの軸方向の一方を向く段差面を有し、前記シール部材の外周部は、前記軸方向の他方を向く段差面を有する。前記リング状部材の前記段差面と前記シール部材の前記段差面とが、前記軸方向に係合するようになっているので、シール部材の段差面がリング状部材の段差面と係合する方向に、シール部材が衝撃などにより位置ずれすることを防止できる。

上記目的を達成するため、本発明によると、回転する回転シャフトと該回転シャフトを囲む静止側部材とを有する回転機械であって、上述のラビリンスシールを備える、ことを特徴とする回転機械が提供される。

上述した本発明によると、回転シャフトに半径方向寸法がより大きい部分（インペラなど）が結合されていても、当該部分を回転シャフトから取り外すことなく、回転シャフトに取り付けることができ、大型、中型の回転機械だけでなく小型、超小型の回転機械においても焼きつきを起こすことなく微小隙間を確保して適切にシールできる。

本発明を実施するための最良の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態によるラビリンスシールの構成図である。このラビリンスシール３は、図１に示すように、回転する回転シャフト５と該回転シャフト５を囲む静止側部材７とを有する回転機械に適用可能であり、回転する回転シャフト５と該回転シャフト５を囲む静止側部材７との間を通して流体が回転シャフト５の軸方向に移動することを抑制する。なお、図１において、符号Ｈは、高圧流体の空間を示し、符号Ｌは低圧流体の空間を示す。

図２（Ａ）は、図１のラビリンスシール３の全体構成図であり、図２（Ｂ）はラビリンスシール３の分解図である。また、図３（Ａ）は、図２（Ｂ）のＩＩＩＡ−ＩＩＩＡ線矢視図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）において第１分割部９ａと第２分割部９ｂとを分離した状態を示し、図４は図２（Ｂ）のＩＶ−ＩＶ線矢視図である。本実施形態によると、ラビリンスシール３は、シール部材９とリング状部材１１とを備える。
シール部材９は、回転シャフト５を囲む内周面１３を有し、該内周面１３にラビリンス構造が形成されている。ラビリンス構造は、軸方向に複数の凹部１３ａ（図１の例では３つの凹部１３ａ）が形成された構造である。なお、各凹部１３ａは、回転方向に１周するように延びている。また、シール部材９は、カーボン（例えば、グラファイト）で形成されている。また、シール部材９は、図３に示すように、それぞれ内周面１３の半周部分を有する第１分割部９ａと第２分割部９ｂとに分割されている。
リング状部材１１は、シール部材９の外周面１５を囲んで支持する。即ち、リング状部材１１の内周面１１ｃが外周面１５に接触して外周面１５を支持する。また、リング状部材１１は、回転シャフト５を囲むシール部材９の外周面１５に、回転シャフト５の軸方向から取付可能となっている。なお、図１では、リング状部材１１を、シール部材９の外周面１５に取り付けた後、環状の第２の静止側部材７’を図１の左側から軸方向に回転シャフト５に通すことで、静止側部材７と第２の静止側部材７’とでリング状部材１１を軸方向に挟持する。この状態で、シール部材９は、静止側部材７とリング状部材１１とに挟持される。なお、静止側部材７と第２の静止側部材７’とはボルトなど（図示せず）の結合手段で結合してよい。また、代わりに、リング状部材１１をボルトなど（図示せず）の結合手段で静止側部材７に結合してもよい。

好ましくは、リング状部材１１の内周部１１ａは、回転シャフト５の軸方向の一方を向く環状の段差面１１ｂを有し、シール部材９の外周部１７は、前記軸方向の他方を向く環状の段差面１９を有する。リング状部材１１の段差面１１ｂとシール部材９の段差面１９とが、前記軸方向に接触して係合するようになっている。

上述の本発明によるラビリンスシール３は、回転シャフト５を囲む内周面１３を有し該内周面１３にラビリンス構造が形成されているシール部材９を備え、シール部材９は、それぞれ内周面１３の略半周部分を有する第１分割部９ａと第２分割部９ｂとに分割されているので、回転シャフト５に対し半径方向に取り付けることが可能になる。従って、回転シャフト５に半径方向寸法がより大きい部分（インペラなど）が結合されていても、当該部分を回転シャフト５から取り外すことなく、シール部材９を回転シャフト５に取り付けることができる。
また、ラビリンスシール３は、シール部材９の外周面１５を囲んで支持するリング状部材１１を備える、リング状部材１１は、回転シャフト５を囲むシール部材９の外周面１５に対し、回転シャフト５の軸方向から取付可能となっているので、分割された第１分割部９ａと第２分割部９ｂを合わせた状態に保持するようにリング状部材１１がシール部材９の外周面１５を半径方向に支持できる。また、回転シャフト５に半径方向寸法がより大きい部分（インペラなど）が結合されていても、リング状部材１１の開口１１ｄを当該部分よりも大きい寸法にすることで、当該部分を回転シャフト５から取り外すことなく、リング状部材１１を回転シャフト５の軸方向から当該部分に通してシール部材９に取り付けることができる。
さらに、シール部材９はカーボンで形成されているので、シール部材９は回転している回転シャフト５と接触しても焼きつかない。即ち、シール部材９を小型化した場合に、シール部材９を回転シャフト５に決して接触しないように、ラビリンスシール３を製作して取り付けなくてもよく、シール部材９が回転シャフト５に接触することで摩耗して自然に適切な寸法となるようにすることができる。これにより、大型、中型の回転機械だけでなく小型、超小型の回転機械においても焼きつきを起こすことなく微小隙間を確保して適切にシールできる。
また、リング状部材１１の内周部１１ａは、回転シャフト５の軸方向の一方を向く環状の段差面１１ｂを有し、シール部材９の外周部１７は、前記軸方向の他方を向く環状の段差面１９を有し、リング状部材１１の段差面１１ｂとシール部材９の段差面１９とが、前記軸方向に接触して係合するようになっているので、シール部材９の段差面１９がリング状部材１１の段差面１１ｂと係合する方向に、シール部材９が衝撃などにより位置ずれすることを防止できる。

［実施例］
図５は、上述の実施形態によるラビリンスシール３をターボチャージャに適用した場合を示す概略図である。ターボチャージャは、エンジンの排ガスにより回転駆動されるタービンインペラ２１と、タービンインペラ２１と一体的に回転するコンプレッサインペラ２３と、一端部にタービンインペラ２１が結合され他端部にコンプレッサインペラ２３が結合される回転シャフト５とを有する。コンプレッサインペラ２３の回転により圧縮空気がエンジンに供給される。
なお、図５において、回転シャフト５は、軸受ハウジング２５に取り付けられた軸受け２７により半径方向に支持される。また、タービンインペラ２１を内部に収容するタービンハウジング２９は、軸受ハウジング２５にボルト等（図示せず）により結合され、コンプレッサインペラ２３を内部に収容するコンプレッサハウジング３１も軸受ハウジング２５にボルト等（図示せず）により結合されている。また、

図５では、ラビリンスシール３は、タービンインペラ２１側とコンプレッサインペラ２３側の２箇所に設けられている。

図５に示すように、回転シャフト５には、インペラ２１、２３が結合されており、リング状部材１１の中央部の開口１１ｄ（図３参照）は、インペラ２１、２３が通過できる寸法となっている。図５の例では、インペラ２１、２３は、タービンインペラ２１とコンプレッサインペラ２３である。

タービンインペラ２１側のラビリンスシール３において、リング状部材１１は、軸方向に２つの静止側部材７、７’に挟持されることで、これら静止側部材７、７’に固定される。図５では、当該２つの静止側部材７、７’は、それぞれ軸受ハウジング２５と環状のシールプレート３３である。なお、シールプレート３３は、軸方向にタービンハウジング２９と軸受ハウジング２５とに挟持されることで、これらに固定される。
コンプレッサインペラ２３側のラビリンスシール３において、リング状部材１１は、軸方向に２つの静止側部材７、７’に挟持されることで、これら静止側部材７、７’に固定される。図５では、当該２つの静止側部材７、７’は、それぞれ軸受ハウジング２５と環状のシールプレート３５である。なお、シールプレート３５は、軸方向にコンプレッサハウジング３１と軸受ハウジング２５とに挟持されることで、これらに固定されている。

上述の実施例では、回転シャフト５には、インペラ２１、２３が結合されており、リング状部材１１の中央部の開口１１ｄは、インペラ２１、２３が通過できる寸法となっているので、インペラ２１、２３を回転シャフト５から取り外すことなく、リング状部材１１を回転シャフト５の軸方向からインペラ２１、２３に通してシール部材９に取り付けることができる。
具体的には、図５のタービンインペラ２１側のラビリンスシール３は、次のように取り付けることができる。まず、図５において、タービンハウジング２９とシールプレート３３を取り外した状態にする。次に、シール部材９を構成する第１分割部９ａと第２分割部９ｂを、それぞれ半径方向から回転シャフト５に取り付けるとともに、第１分割部９ａと第２分割部９ｂを互いに合わせて、内部に回転シャフト５が貫通するシール部材９とする。次に、リング状部材１１を、軸方向からタービンインペラ２１に通してシール部材９の外周面１５に取り付け配置する。その後、環状のシールプレート３３をタービンインペラ２１に通して、シールプレート３３と軸受ハウジング２５との間にリング状部材１１を挟んだ状態にする。次いで、タービンハウジング２９と軸受ハウジング２５との間にシールプレート３３を挟んだ状態にし、この状態でタービンハウジング２９と軸受ハウジング２５とをボルトなどの結合手段により結合させる。図５のコンプレッサインペラ２３側のラビリンスシール３の取り付けも同様に行える。
なお、上記において、第１分割部９ａと第２分割部９ｂをそれぞれ半径方向から回転シャフト５に取り付ける時に、第１分割部９ａまたは第２分割部９ｂが軸受ハウジング２５（の段差）に引っかからないように、リング状部材１１の外径を、インペラ２３（または２１）の外径に、シール部材９の外径を加えた大きさ以上にする。

本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明のラビリンスシール３は、回転する回転シャフト５と該回転シャフト５を囲む静止側部材７とを有する回転機械において、回転シャフト５と静止側部材７との間を通した流体移動を抑制する場合に適用可能である。即ち、本発明のラビリンスシール３は、ターボチャージャだけでなく、圧縮機、膨張タービンなど他の回転機械にも適用可能である。

本発明の実施形態によるラビリンスシールを回転機械に用いた状態を示す図である。 （Ａ）は、図１のラビリンスシールの全体構成図であり、（Ｂ）はラビリンスシール３の分解図である。 （Ａ）は図２（Ｂ）のＩＩＩＡ−ＩＩＩＡ線矢視図であり、（Ｂ）は第１分割部と第２分割部とを分離した状態を示す。 図２（Ｂ）のＩＶ−ＩＶ線矢視図である。 本発明の実施形態によるラビリンスシールをターボチャージャに用いた状態を示す図である。 従来におけるラビリンスシールを示す図である。 従来における別のシール構造を示す図である。

符号の説明

３・・・ラビリンスシール、５・・・回転シャフト、７、７’・・・静止側部材、９・・・シール部材、９ａ・・・第１分割部、９ｂ・・・第２分割部、１１・・・リング状部材、１１ａ・・・内周部、１１ｂ・・・段差面、１１ｃ・・・内周面、１１ｄ・・・開口、１３・・・内周面、１３ａ・・・凹部、１５・・・外周面、１７・・・外周部，１９・・・段差面、２１・・・タービンインペラ、２３・・・コンプレッサインペラ、２５・・・軸受ハウジング、２７・・・軸受け、２９・・・タービンハウジング、３１・・・コンプレッサハウジング、３３、３５・・・シールプレート、１０１・・・回転シャフト、１０２・・・インペラ、１０３、１０４、１０５・・・ラビリンスシール、１０６・・・シールハウジング、１０７・・・ケーシング、１０８・・・パージガス導入孔、１０９・・・排出孔、１１０・・・半径流ラビリンス、１１１、１１２、１１３・・・Ｏリング、２０１・・・カーボン製の固定環、２０３・・・ばね装置、２０５・・・回転環、２０７・・・パッキン、２０９・・・回転シャフト、２１１・・・スリーブ、２１３・・・ナット

Claims (4)

1. 回転する回転シャフトと該回転シャフトを囲む静止側部材との間を通して流体が前記回転シャフトの軸方向に移動することを抑制するラビリンスシールであって、
   前記回転シャフトを囲む内周面を有し、該内周面にラビリンス構造が形成されているシール部材と、
   前記シール部材の外周面を囲んで支持するリング状部材を備え、
   前記シール部材は、それぞれ前記内周面の略半周部分を有する第１分割部と第２分割部とに分割されており、
   前記リング状部材は、前記回転シャフトを囲む前記シール部材の前記外周面に対し、前記回転シャフトの軸方向から取付可能となっており、
   前記回転シャフトは、インペラが結合されるものであり、
   前記リング状部材の中央部の開口は、前記インペラ外径より大きく前記インペラが通過できる寸法となっている、ことを特徴とするラビリンスシール。
2. 前記シール部材は、カーボンで形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載のラビリンスシール。
3. 前記リング状部材の内周部は、回転シャフトの軸方向の一方を向く段差面を有し、
   前記シール部材の外周部は、前記軸方向の他方を向く段差面を有し、
   前記リング状部材の前記段差面と前記シール部材の前記段差面とが、前記軸方向に係合するようになっている、ことを特徴とする請求項１または２に記載のラビリンスシール。
4. 回転する回転シャフトと該回転シャフトを囲む静止側部材とを有する回転機械であって、請求項１、２または３に記載のラビリンスシールを備える、ことを特徴とする回転機械。
   

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