JP5113369B2 - ラビリンスシール - Google Patents

Description

本発明は、ラビリンスシールに関し、特に高圧ターボ機械などのように、回転要素の回転速度が一定上に大きい流体機械に好適なラビリンスシールに関する。

回転要素を有する流体機械では、回転要素を収めたハウジングから流体（作動流体）が回転要素に沿って漏れるのを抑えるために、回転要素、例えば回転体の回転軸とハウジングの間にラビリンスシールが設けられる。ラビリンスシールは、一般的に、複数のシール歯（シールフィン）を有しており、これらのシール歯が回転要素の外周に沿うように形成する圧損用空隙により漏れ流れ（シール部から漏れようとする流体の流れ）に圧力損失を生じさせ、この圧力損失により漏れ流れを抑制することでシール機能を発揮するようになっている。

こうしたラビリンスシールには、シール部での漏れ流れに起因する回転要素の不安定振動の問題がある。具体的にいうと、ラビリンスシールによる回転要素に対するシール部においては、そこでの漏れ流れに回転要素の回転と同方向の流れである回転方向流れを伴う。この回転方向流れは、回転要素の回転速度が速いほど流速が大きく、そして回転要素の変位（振動）に対して直角方向の流体力を流速に応じた強さで発生させる。このため蒸気タービンなどの高圧ターボ機械のように回転要素の回転速度が一定以上に大きな流体機械では、高速回転時に上記直角方向流体力が回転要素を回転方向にふれまわらせるように作用する。その結果、回転要素の振動安定性が低下して自励振動を発生させる可能性があり、このことが回転要素の不安定振動問題をもたらす。

このようなラビリンスシールにまつわる回転要素の不安定振動問題は、漏れ流れにおける回転方向流れを抑えることで解消することができる。そのような技術としては、例えば特許文献１に開示の技術が知られている。特許文献１のラビリンスシールでは、当該ラビリンスシールの高圧側室から１枚目以上のラビリンスフィン（シール歯）の低圧側の部屋に高圧側室を連通させるガス通路を設け、そのガス通路で高圧側室から取り込んだ流体により漏れ流れにおける旋回成分（回転方向流れ）を抑えるようにしている。

特開平５−２４８５４８号公報

上述の特許文献１に開示のラビリンスシールは、ラビリンスシールにまつわる回転要素の不安定振動問題を効果的に解消するという点では優れている。しかし、その一方で新たな問題をもたらしている。その１つはコスト上昇の問題である。すなわち特許文献１のラビリンスシールでは、低圧側の部屋に高圧側室を連通させるガス通路を設ける必要があり、そのためにラビリンスシールの構造が複雑になり、またガス通路用のスペースのためにラビリンスシールの軸方向長さが長くなるなど、コスト上昇を招くことになる。また、ガス通路で高圧側室から低圧側の部屋に流体を取り込むことに伴って漏れ流れが増加し、それによりシール性の低下がもたらされかねないという問題もある。

本発明は、以上のような事情を背景になされたものであり、簡易な構造で高いシール性を保ちつつ、回転要素の不安定振動問題を効果的に解消することを可能とするラビリンスシールの実現を課題としている。

本発明では上記課題を解決するために、ラビリンスシールによるシール部における回転方向流れに局所的な静圧を生じさせ、その局所的な静圧により回転方向流れの圧力（流速）を殺ぐことで漏れ流れにおける回転方向流れを効果的に抑制する。

具体的には、複数のシール歯を有しており、これらのシール歯がシール対象の回転要素の外周に沿うように形成する圧損用空隙により、シール部からの漏れ流れに圧力損失を生じさせて前記漏れ流れを抑制することでシール機能を発揮するようになっているラビリンスシールにおいて、前記シール歯の側面や端面に静圧発生部が設けられ、この静圧発生部により、前記回転要素の回転と同方向の流れとして前記漏れ流れに生じる回転方向流れに局所的な静圧を発生させることで前記回転方向流れを抑制できるようにされていることを特徴としている。

このようなラビリンスシールにおける静圧発生部は、前記回転方向流れに交差するように延在させて前記シール歯の側面や端面に設けられる凸条や凹条により形成することができる。そしてシール歯に設ける凸条や凹条は、構造が簡単で済み、加工が容易である。またシール歯に凸条や凹条を設けるだけで済むことから漏れ流れの増加を招くこともない。このため簡易な構造で高いシール性を保ちつつ、回転要素の不安定振動問題を効果的に解消することが可能となる。

上記のように凸条や凹条で静圧発生部を形成するについては、その凸条や凹条は、断面形状が三角形、角形、丸形のいずれかとするのが好ましい。このような断面形状の凸条や凹条は、加工が容易で、しかも回転方向流れに対する静圧発生能に優れている。

上記のようなラビリンスシールについては、前記静圧発生部を複数設け、これら複数の静圧発生部により前記回転方向流れに前記局所的な静圧の分布を生じさせるようにするのが好ましい。このようにすることで、回転方向流れに対する抑制力をより大きなものとすることができる。

上記のような本発明によれば、簡易な構造で高いシール性を保ちつつ、回転要素の不安定振動問題を効果的に解消することを可能とするラビリンスシールが実現される。

以下に、本発明を実施するための形態について説明する。図１に、第１の実施形態によるラビリンスシールを縦方向で断面した構造について模式化して示す。なお図１では、ラビリンスシールによるシール部における漏れ流れとその漏れ流れに伴う回転方向流れについても模式化して示してある。本実施形態のラビリンスシール１は、例えば流体機械の回転軸のような回転要素Ｍのシールに適用される場合で、適切な間隔を空けて設けられる複数のシール歯２を有しており、これらのシール歯２が対向することで複数の圧損用空隙３を形成している。そしてラビリンスシール１によるシール部における漏れ流れＬＳに圧損用空隙３により圧力損失を生じさせることで漏れ流れＬＳを抑制することでシール機能を発揮する。

シール歯２は、その側面に、漏れ流れＬＳに伴う回転方向流れＲＳに直交するように延在させた凸条４が設けられている。凸条４は、図２に示すように、断面形状が三角形とされ、適切な間隔で複数設けられており、それぞれの頂点近辺が静圧発生部５となるようにされている。つまり静圧発生部５が回転方向流れＲＳに沿うような状態で回転方向流れＲＳの方向に適切な間隔で離散的に存在するようにされている。このようなシール歯２は、例えばシール歯形状に整えたシール歯用円板材にプレス加工で凸条４を形成することにより製作することができる。そして、そのシール歯２をベース部６に溶接などで固定することによりラビリンスシール１を形成できる。なお図２は、図１中に示す回転要素Ｍの軸心から半径ｒの位置の円に沿って断面した状態のシール歯２の一部を示しており、回転要素Ｍに対する軸方向位置と円周方向位置についての座標も併せて示している。

静圧発生部５は、回転方向流れＲＳに対して干渉することで回転方向流れＲＳに局所的な静圧を発生させる。そしてその局所的な静圧は、回転方向流れＲＳの動圧エネルギを静圧エネルギに変えることで回転方向流れＲＳの圧力を殺ぐ。この結果、回転方向流れＲＳが効果的に抑制される。回転方向流れＲＳに局所的な静圧を効果的に発生させるための凸条４の高さは、シール歯２の平均厚さの５倍程度以下で十分である。このような凸条４は、構造が簡単で、上述のようにプレス加工で容易に形成できる。したがってラビリンスシール１は、構造が簡単で済み、加工が容易なものとなり、またシール歯に凸条４を設けるだけで済むことから漏れ流れの増加を招くこともない。このためラビリンスシール１は、簡易な構造で高いシール性を保ちつつ、回転方向流れＲＳに起因する回転要素Ｍの不安定振動問題を効果的に解消することが可能となる。

ここで、以上のような第１の実施形態については様々な変形態様が可能である。例えば本実施形態では三角形の凸条４をプレス加工で形成するものとしていたが、これに代えてシール歯用部材とは別に整えた凸条用部材をシール歯用部材に溶接などで固着することで三角形の凸条を形成するようにすることもできる。

また本実施形態では凸条４を回転方向流れＲＳに直交するように延在させているが、必ずしもこのようにする必要はなく、回転方向流れＲＳに対して適宜な角度で交差するように凸条４を設けるようにしてもよい。

また本実施形態では凸条４を複数で設けるようにしている。このように凸条４を複数で設けることにより、局所的な静圧が適切な間隔で回転方向流れＲＳに分布する静圧分布を形成することができ、この静圧分布により、回転方向流れＲＳに対する抑制力をより大きなものとすることができる。ただ、回転方向流れＲＳに対して必要な抑制力はシール対象の回転要素の回転速度などの特性に相関し、必ずしもそれほど高い抑制力を必要としない場合もある。したがって、凸条４の数は、シール対象の回転要素の特性に応じて決められることになり、１つだけでもよい場合もある。

また本実施形態のように凸条４を複数設ける場合、複数の凸条４の間隔は均等とするのが通常であるが、必ずしもそうである必要はなく、不均等な間隔で設けるようにすることもできる。

また本実施形態では、凸条４をシール歯２の半径方向の全長にわたって延在させるようにしている。このようにすることで、回転方向流れＲＳに対する抑制力をより大きなものとすることができる。しかしこの凸条の延在状態についても凸条４の数の場合と同様なことが言え、シール歯の半径方向の一部に凸条を延在させるような形態としてもよい場合がある。

また本実施形態では、複数のシール歯２のそれぞれに同じようにして凸条４を設けるようにしていたが、必ずしもこのようにする必要はない。例えば複数のシール歯２のそれぞれで凸条４の設け方、つまり凸条４の数や間隔あるいは形状などを変えるなどの形態とすることもでき、例えば複数のシール歯２の一部だけに凸条４を設ける場合には、漏れ流れＬＳの流入側に近いシール歯２に設けるようにするのが好ましい。

次に第２の実施形態について説明する。図３に、第２の実施形態によるラビリンスシールにおけるシール歯１１の構成をその全体的外観について簡略化して示す。シール歯１１は、その側面に、回転方向流れＲＳに直交するように延在させた凹条１２が設けられている。凹条１２は、断面形状が四角形である角形凹条とされ、回転対称配置となるようにして２個設けられている。これらの凹条１２は、それぞれの角部１２ｃないしその近辺が静圧発生部１３となる。そしてこれの静圧発生部１３により回転方向流れＲＳに局所的な静圧の分布を形成することができ、この静圧分布により、回転方向流れＲＳを効果的に抑制することができる。またこのようなシール歯１１は、例えばシール歯形状に整えたシール歯用円板材に切削加工を施すことで凹条１２を形成することにより容易に製作することができる。したがって本実施形態のラビリンスシールでも第１の実施形態のラビリンスシール１と同様に、構造が簡単で済み、加工が容易なものとなり、またシール歯に凹条１２を設けるだけで済むことから漏れ流れの増加を招くこともなく、簡易な構造で高いシール性を保ちつつ、回転方向流れに起因する回転要素の不安定振動問題を効果的に解消することが可能となる。

ここで、第２の実施形態についても第１の実施形態について述べたような様々な変形態様が可能である。

次に第３の実施形態について説明する。図４に、第３の実施形態によるラビリンスシールにおけるシール歯２１の構成をその側面について簡略化して示す。シール歯２１は、その側面に、回転方向流れＲＳに直交するように延在させた凸条２２が設けられている。凸条２２は、図４の（ｂ）にその外観形状を示すように、角形凸条とされ、放射状に配置して１２個設けられている。これらの凸条２２は、それぞれの角部２２ｃないしその近辺が静圧発生部２３となる。こうした本実施形態のラビリンスシールでも第２の実施形態のラビリンスシールと同様な効果が得られ、また同様に様々な変形態様が可能である。

次に第４の実施形態について説明する。図５に、第４の実施形態によるラビリンスシールにおけるシール歯３１の構成をその全体外観について簡略化して示す。シール歯３１は、その側面に、回転方向流れＲＳに直交するように延在させた凹条３２と凸条３３が設けられている。凹条３２は、角形凹条とされ、回転対称配置となるようにして２個設けられている。凸条３３は、角形凸条とされ、凹条３２の配置に直交する配置で２個設けられている。これらの凹条３２と凸条３３は、それぞれの角部３２ｃや３３ｃないしそれぞれの近辺が静圧発生部３４となる。こうした本実施形態のラビリンスシールでも第２の実施形態のラビリンスシールと同様な効果が得られ、また同様に様々な変形態様が可能である。

次に第５の実施形態について説明する。図６に、第５の実施形態によるラビリンスシールにおけるシール歯４１の構成をその側面について簡略化して示す。シール歯４１は、その端面に、回転方向流れＲＳに直交するように延在させた凹条４２が設けられている。凹条４２は、角形凹条とされ、回転対称配置となるようにして４個設けられている。これらの凹条４２は、それぞれの角部４２ｃないしその近辺が静圧発生部４３となる。こうした本実施形態のラビリンスシールは、第２の実施形態のラビリンスシールと同様に不安定振動問題の効果的解消という効果を得られるが、その効果を第１〜第５の実施形態の場合に比べて大きなものとすることができる。これについては２つの理由が挙がられる。１つは、不安定振動に対する影響は、シール歯４１の端面と回転要素Ｍの間のシール空隙４４における回転方向流れＲＳのほうが圧損用空隙３（図１）におけるそれよりも大きいということによる。すなわちシール空隙４４における回転方向流れＲＳの抑制のほうが圧損用空隙３におけるそれよりも不安定振動の防止効果が高いということである。他の１つは、シール空隙４４の幅ｗ（これは回転方向流れＲＳの流路幅である）に対する凹条４２の深さの比率を大きくすることができ、このことで回転方向流れＲＳに対する抑制力を第１〜第５の実施形態の場合よりも相対的に高めることができるということである。

なお本実施形態についても様々な変形態様が可能であることは、第１〜第５の実施形態の場合と同様である。

次に第６の実施形態について説明する。図７に、第６の実施形態によるラビリンスシールにおけるシール歯５１の構成をその側面について簡略化して示す。シール歯５１は、その端面に、回転方向流れＲＳに直交するように延在させた凸条５２が設けられている。凸条５２は、角形凸条とされ、回転対称配置となるようにして４個設けられている。これらの凸条５２は、それぞれの角部５２ｃないしその近辺が静圧発生部５３となる。こうした本実施形態のラビリンスシールでも第５の実施形態のラビリンスシールと同様な効果が得られ、また同様に様々な変形態様が可能である。

次に第７の実施形態について説明する。図８に、第７の実施形態によるラビリンスシールにおけるシール歯６１の構成をその側面について簡略化して示す。シール歯６１は、その端面に、回転方向流れＲＳに直交するように延在させた角形の凹条６２と凸条６３が交互に連続するようにして設けられている。これらの凹条６２と凸条６３は、両者の境界における角部６３ｃないしその近辺が静圧発生部６４となる。こうした本実施形態のラビリンスシールでも第５の実施形態のラビリンスシールと同様な効果が得られ、また同様に様々な変形態様が可能である。

以上、本発明を実施するためのいくつかの形態について説明したが、これらは代表的な例に過ぎず、本発明は、その趣旨を逸脱することのない範囲で様々な形態で実施することができる。例えば以上の実施形態では凹条や凸条の断面形状を三角形や角形としていたが、この他にも半円形や半楕円形のような丸形とするのも、加工容易性や静圧発生能という点で好ましい形態である。

第１の実施形態によるラビリンスシールを縦方向で断面した構造について模式化して示す図である。 第１の実施形態によるラビリンスシールにおけるシール歯の一部を断面して示す図である。 第２の実施形態によるラビリンスシールにおけるシール歯の構成をその全体外観について簡略化して示す図である。 第３の実施形態によるラビリンスシールにおけるシール歯の構成をその側面について簡略化して示す図である。 第４の実施形態によるラビリンスシールにおけるシール歯の構成をその全体外観について簡略化して示す図である。 第５の実施形態によるラビリンスシールにおけるシール歯の構成をその側面について簡略化して示す図である。 第６の実施形態によるラビリンスシールにおけるシール歯の構成をその側面について簡略化して示す図である。 第７の実施形態によるラビリンスシールにおけるシール歯の構成をその側面について簡略化して示す図である。

符号の説明

１ ラビリンスシール
２、１１、２１、３１、４１、５１、６１ シール歯
３ 圧損用空隙
４、２２、３３、５２、６３ 凸条
５、１３、２３、３４、４３、５３、６４ 静圧発生部
１２、３２、４２、６２ 凹条
Ｍ 回転要素
ＬＳ 漏れ流れ
ＲＳ 回転方向流れ

Claims (3)

1. 複数のシール歯を有しており、これらのシール歯がシール対象のターボ機械の回転要素の外周に沿うように形成する圧損用空隙により、前記シール歯の端面と前記回転要素の間のシール空隙からの前記ターボ機械の作動流体の漏れ流れに圧力損失を生じさせて前記漏れ流れを抑制することでシール機能を発揮するようになっているラビリンスシールにおいて、
   前記シール歯の側面の半径方向の全長にわたって延在する静圧発生部が設けられ、この静圧発生部により、前記回転要素の回転と同方向の流れとして前記漏れ流れに生じる回転方向流れに局所的な静圧を発生させることで前記回転方向流れを抑制できるようにされ、
   前記静圧発生部は、前記回転方向流れに交差するように延在させて前記シール歯の側面の半径方向の全長にわたって設けられる凸条や凹条により形成されていることを特徴とするラビリンスシール。
2. 前記凸条や凹条は、断面形状が三角形、角形、丸形のいずれかと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. 前記静圧発生部を複数設け、これら複数の静圧発生部により前記局所的な静圧の分布を生じさせるようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載のラビリンスシール。

Images