JP5314255B2 - 回転流体機械のシール装置および回転流体機械 - Google Patents

Description

本発明は、多段圧縮機などの回転流体機械に適用して好適な回転流体機械のシール装置および回転流体機械に関する。

多段の遠心圧縮機などの回転流体機械においては、旋回失速の発生により回転軸の振動（軸振動）が発生することが知られており、この軸振動の発生点が圧縮機の運転限界になっていることが知られている。

上述の旋回失速を防止する方法として、ベーンレス部分の流路面積を絞る方法、つまり当該流路における回転軸線方向の高さを小さくする方法が知られている。このようにすることで、ベーンレス部分における径方向外側に向かう流速成分が速くなり、インペラ出口での流れの剥離が防止され、旋回失速の発生が抑制される。
しかしながら、ベーンレス部分の流路面積を絞ると、ベーンレス部分における損失が大きくなり、圧縮機の効率が下がるという問題があった。

一方、多段の遠心圧縮機などには、段間における流体漏れを防止する段間ラビリンスが配置されている（例えば、特許文献１および２参照。）。
この段間ラビリンスを介して後段から前段に漏れる流体の流れが、上述の旋回失速を抑制する働きがあることも知られている。つまり、上述の漏れ流れにより、後段、段間ラビリンス、前段のディフューザの順に流れる循環流れが形成され、この循環流れにより、ディフューザにおける流体流れの半径方向外側に向かう流れ成分が速くなる。そのため、インペラ出口での流れの剥離が防止され、旋回失速の発生が抑制される。
特開昭５８−０２２４４４号公報 特許第２７５６１１８号公報

しかしながら、上述の特許文献１および２に記載の段間ラビリンスにより旋回失速の防止する方法では、圧縮機の効率が低下するという問題があった。
つまり、旋回失速を防止するためには、ディフューザにおける流体流れの半径方向外側に向かう流れ成分を、ある程度以上の流速にする必要がある。この流速を満たすためには段間ラビリンスのクリアランスを大きくする必要がある。このように、クリアランスを大きくすると旋回失速を防止できるが、後段から前段に漏れる流体流れの流量が増えることになり、圧縮機の効率が低下するという問題があった。

さらに、段間ラビリンスのクリアランスを通過する漏れ流れには、回転軸の周方向に向かう流速成分が含まれておらず、漏れ流れがインペラの背面を流れる際に、インペラの回転により漏れ流れに周方向の流速成分が与えられていた。つまり、インペラは、漏れ流れに周方向の流速成分を与えるという余分な仕事をするため、圧縮機の効率が低下するという問題があった。

その他にも、インペラ出口からディフューザに流入する流体流れと、インペラ背面からディフューザに流入する流体流れが合流する際に、周方向の流速成分の流速が異なるため損失が発生し、圧縮機の効率が低下するという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、多段の回転流体機械において、効率低下を小さくするとともに、旋回失速を抑制することができる回転流体機械のシール装置および回転流体機械を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の回転流体機械のシール装置は、複数段の回転流体機械に設けられる回転流体機械のシール装置であって、複数の羽根車を有する回転軸を内部に回転可能に収納する筐体と、該筐体の内面に前記複数の羽根車の間に取り付けられ、前記回転軸に対して径方向または軸線方向の少なくとも一方に沿って延びるとともに、間を通過する流体に前記回転軸の回転方向に向かう流速成分を与える複数の案内部と、前記複数の案内部における前記筐体に取り付けられた一の端部と反対側の他の端部をつなぎ、前記複数の案内部の間の空間と、前記羽根車と前記案内部との間の空間とを仕切る仕切り部と、前記径方向に延びる環状突起であって、前記回転軸または前記筐体との間に第１隙間を形成し、後段の前記羽根車側から前記複数の案内部に向かって流れる流体を遮る第１シール部と、環状突起であって、前記回転軸または前記仕切り部との間に第２隙間を形成し、前記第１シール部側から前記羽根車と前記案内部との間の空間へ流れる流体を遮る第２シール部と、が設けられ、前記複数の案内部の間には、前記第１シール部を通過した流体が流入し、前段の前記羽根車側へ流出することを特徴とする。

本発明によれば、後段側の羽根車から、第１隙間、および複数の案内部の間または第２隙間を介して、前段側の羽根車に流体が循環する経路が形成されるため、回転流体機械における旋回失速の発生を防止することができる。

さらに、後段側の羽根車から第１隙間を通って複数の案内部に向かって流れる流体の大半は、複数の案内部、筐体および仕切り部に囲まれた、上述の複数の案内部の間を流れ、残りの流体は、第２隙間を流れる。複数の案内部は、間を通過する流体に対して、回転軸の回転方向に向かう流速成分を与えるため、回転流体機械における効率の低下を防止することができる。

上記発明においては、前記複数の案内部における前記他の端部は、前記回転軸から径方向外側に延びる前記羽根車と対向し、前記仕切り部は、前記径方向に延びるとともに、前記他の端部をつなぐリング板状に形成され、前記複数の案内部の間の空間を前記径方向外側に向かって、前記流体を通過させることが望ましい。

本発明によれば、上述の複数の案内部の間の空間における流体の流れる方向を、径方向に沿って外側に向かう方向にすることで、シール装置における上述の軸線方向に沿う方向の長さを短くすることができる。さらには、本発明のシール装置が設けられた多段の回転流体機械における軸線方向の長さを短くすることができる。

さらに、シール装置における上述の軸線方向に沿う方向の長さを変えることなく、案内部における流体の流れに沿う方向の長さ、つまり径方向の長さを長くすることができる。そのため、流体が上述の複数の案内部の間を流れる間に、流体に径方向の流速成分をより確実に与えることができる。

上記発明においては、前記複数の案内部における前記他の端部は、前記回転軸の外周面と対向し、前記仕切り部は、前記軸線方向に延びるとともに、前記他の端部をつなぐ円筒状に形成され、前記複数の案内部の間の空間を前記軸線方向に沿って、前記流体を通過させることが望ましい。

本発明によれば、上述の複数の案内部の間の空間における流体の流れる方向を、軸線方向に沿って第１シール部から複数の案内部に向かう方向にすることで、シール装置における上述の径方向に沿う方向の長さを短くすることができる。

上記発明においては、前記第２シール部は、前記径方向に延びる環状突起であって、前記回転軸における前記第１シール部または前記第２シール部と対向する位置に、前記回転軸の外周面を拡径する段差部が設けられていることが望ましい。

本発明によれば、第１シール部または第２シール部と対向する位置に、回転軸の外周面を拡径する段差部を設けることにより、上述の径方向における第１隙間と第２隙間との相対位置を変えることができる。そのため、第１隙間を通過した流体が、直接、第２隙間に流入することが防止され、シール装置のシール性能の向上を図ることができる。

上記発明においては、前記案内部は、前記径方向外側向かって前記回転軸の回転方向に傾斜する板状の部材、または、前記軸線方向に沿って、前記第１シール部から前記第２シール部に向かい前記回転軸の回転方向に傾斜する板状の部材であることが望ましい。

本発明によれば、案内部の形状を板状にすることにより、例えば、翼状の場合と比較して、形状が単純なためシール装置の製造が容易となる。

上記発明においては、前記案内部は、前記径方向または前記軸線方向に沿って延びる翼状の部材であり、前記径方向外側向かって前記回転軸の回転方向に湾曲、または、前記軸線方向に沿って、前記第１シール部から前記第２シール部に向かい前記回転軸の回転方向に湾曲することが望ましい。

本発明によれば、案内部の形状を翼状にするとともに、回転軸の回転方向に向かって湾曲させることにより、案内部が板状である場合と比較して、複数の案内部を通過する流体に回転軸の回転方向に向かう流速成分を効率よく与えることができる。

本発明の回転流体機械は、上記本発明のシール装置が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、上記本発明のシール装置が設けられているため、シール装置を介して後段側の羽根車から前段側の羽根車に向かって流体を流すことができ、回転流体機器における旋回失速の発生を防止することができる。
後段側の羽根車から前段側の羽根車に向かってシール装置を流れる流体に、回転軸の回転方向の流速成分を与えることができ、回転流体機械における効率低下を防止することができる。

本発明の回転流体機械のシール装置および回転流体機械によれば、後段側の羽根車から、第１隙間、および複数の案内部の間または第２隙間を介して、前段側の羽根車に流体が循環する経路が形成されるため、回転流体機械における旋回失速の発生を防止することができるという効果を奏する。
さらに、複数の案内部は、間を通過する流体に対して、回転軸の回転方向に向かう流速成分を与えるため、回転流体機械における効率の低下を防止することができるという効果を奏する。

〔第１の実施形態〕
以下、本発明の第１の実施形態に係る圧縮機について図１から図４を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る圧縮機の構成を説明する模式図である。
圧縮機（回転流体機械）１は、モータなどの外部の動力源から回転駆動力の供給を受けて、高圧のガスを供給するものである。本実施形態では、本発明の多段の圧縮機に適用して説明する。

圧縮機１には、図１に示すように、筐体２と、回転軸３と、複数のインペラ（羽根車）４と、シール装置５と、が設けられている。

筐体２は、内部に回転軸３および複数のインペラ４を回転可能に保持するとともに、インペラ４の間の内面にシール装置５が設けられているものである。さらに、筐体２には、前段インペラ４により高圧にされたガスを、後段のインペラ４に供給するディフューザ１１と、インペラ４が回転可能に配置されるインペラ室１３と、が設けられている。

ディフューザ１１は、前段のインペラ４により径方向外側に向けて送出されたガスの動圧の一部を静圧に変換して圧力を高めるとともに、リターンベーン１２にガスを導くものである。
リターンベーン１２は、径方向内側に延びる方向を変え、後段のインペラ４の中央部まで延びる流路である。

インペラ室１３は、複数のリターンベーン１２の間に形成され、内部に配置されるインペラ４と略相似形に形成された空間である。インペラ室１３におけるディスク２２と対向する位置には、回転軸３が貫通する貫通孔が形成され、当該貫通孔には、シール装置５が配置されている。

回転軸３は、外部から供給された回転駆動力をインペラ４に伝達するものである。
回転軸３には、図１に示すように、中央部に径方向外側に延びるインペラ４が設けられている。

インペラ４は、外部から供給された回転駆動力により回転駆動され、その運動エネルギをガスに伝達し、ガスの圧力を高めるものである。
インペラ４には、複数の回転翼２１と、ディスク２２と、シュラウド２３と、が設けられている。

回転翼２１は、回転駆動されることにより、回転翼２１の間を流れるガスにエネルギを与え、より高圧とされたガスを生成するものである。
回転翼２１は、ディスク２２およびシュラウド２３の間に、回転軸３の周方向に等間隔に、かつ軸線方向に延びて配置されている。

ディスク２２は、回転軸３から径方向外側に延びる円板状の部材であり、シュラウド２３と対向する面は、回転軸３に向かってシュラウド２３に近づく滑らかな曲面として形成されている。一方、ディスク２２の背面（図１の右側の面）は、回転軸３に対して略垂直な面として形成され、インペラ室１３との間にディスク背面流れが流れる隙間が形成されている。

シュラウド２３は、ディスク２２に対して前段のインペラ４側に対向配置された、回転軸３の径方向に沿って延びるリング板状の部材であり、回転軸３に向かって前段のインペラ４に近づく曲面状に形成されたものである。インペラ室１３におけるシュラウド２３と対向する面であって、前段のインペラ４の近傍領域には、シュラウド２３とインペラ室１３との間を流れる漏れ流れを遮るシュラウド側シール部２４が設けられている。
シュラウド側シール部２４は、インペラ室１３からシュラウド２３に向かって延びる環状の突起であって、ラビリンスシールを形成するものである。

シール装置５は、筐体２と回転軸３との間を介して、後段のインペラ４側から前段のインペラ４側に向かって漏れるガス流れを遮るものであって、この漏れ流れに回転軸３の周方向の流速成分を加えるものである。
シール装置５には、複数の案内板（案内部）３１と、仕切り板（仕切り部）３２と、第１シール部３４と、第２シール部３３とが設けられている。

図２は、図１のシール装置の構成を説明する模式図である。図３は、図２の案内板の構成を説明するＡ−Ａ断面視図である。
複数の案内板３１は、シール装置５を通過する漏れ流れに含まれる周方向の流速成分を加える翼状の部材である。
案内板３１は、図１から図３に示すように、インペラ室１３のディスク２２と対向する面であって、回転軸３の近傍に、回転軸３の軸線方向に沿って延びるとともに、周方向に等間隔に配置されている。さらに、案内板３１は、径方向外側に向かって、回転軸３の回転方向に傾いて配置されている。

仕切り板３２は、複数の案内板３１の間の空間と、ディスク２２と案内板３１との間の空間とを仕切るリング板状の部材である。
仕切り板３２は、径方向に延びるリング板状の部材であって、複数の案内板３１におけるディスク２２側の端部を繋ぐように配置されるものである。

第１シール部３４は、筐体２と回転軸３との間のガス流れを遮り、圧縮機１の内部から高圧ガスが外部に漏れることを防止するものである。
第１シール部３４は、筐体２における回転軸３と対向する面に、筐体２から回転軸３に向かって、つまり径方向内側に向かって延びる複数の環状突起であり、ラビリンスシールを形成するものである。第１シール部３４と回転軸３との間には第１隙間３６が形成されている。

第２シール部３３は、ディスク２２と仕切り板３２との間のガス流れを遮り、回転軸３と第１シール部３４との間のガス流れの大半を、複数の案内板３１と、仕切り板３２と、インペラ室１３とに囲まれた空間に導くものである。
第２シール部３３は、仕切り板３２の内周端部から回転軸３に向かって、つまり径方向内側に向かって延びる環状突起であり、回転軸３との間に第２隙間３５を形成するものである。

次に、上記の構成からなる圧縮機１における高圧ガスの生成について図１を参照しながら説明する。
外部から回転駆動力が供給された圧縮機１は、回転軸３を介してインペラ４が回転駆動される。インペラ４が回転駆動されると、回転翼２１の間のガスは回転翼２１とともに回転され、遠心力により径方向外側へ送り出される。一方、回転翼２１の間には、前段のインペラ４から送出されたガスが流入する。

径方向外側へ送り出されたガスは、ディフューザ１１に流入し、インペラ４により与えられた動圧の一部が静圧に変換され、より高圧のガスとなる。このようにして生成された高圧ガスは、ディフューザ１１を介して後段のインペラ４に供給される。

一方、ディフューザ１１内の高圧ガスの一部は、インペラ室１３とシュラウド２３との間に流入する。
インペラ室１３とシュラウド２３との間に流入した高圧ガスは、圧力差によりインペラ上流側に向かって流れる。この流れは、シュラウド側シール部２４により遮られ、流れの流量が絞られる。

さらに、リターンベーン出口における高圧ガスの一部は、回転軸３と筐体２との間に流入し、シール装置５を介してインペラ室１３とディスク２２との間に流入する。インペラ室１３とディスク２２との間に流入したガス流れは、径方向外側に向かって流れ、再びディフューザ１１に流入する。つまり、ディフューザ１１とインペラ室１３とディスク２２との間とを循環する流れが形成されている。

この循環流れは、回転軸３と筐体２との間に配置されたシール装置５により遮られ、流れの流量が絞られるとともに、周方向の流速成分が与えられる。シール装置５における漏れガスの流れについては、以下に詳しく述べる。

次に、本実施形態の特徴であるシール装置５における作用について図２および図３を参照しながら説明する。
上述のように、リターンベーン１２出口近傍から回転軸３と筐体２との間に流入し、ディスク２２に向かうガス流れには、回転軸３における周方向の流速成分は含まれておらず、当該ガス流れは軸線方向に沿って流れる。

軸線方向に沿って流れるガスは、ラビリンスシールを構成する第１シール部３４により遮られる。第１シール部３４により遮られるガス流れの一部は、第１シール部３４と回転軸３との間の第１隙間３６を通過して、ディスク２２に向かって流れる。

ディスク２２に向かうガス流れの大半は、案内板３１が設けられている位置で径方向外側に流れの向きを変えて、案内板３１と筐体２と仕切り板３２との間の空間に流入する。案内板３１は、図２および図３に示すように、径方向外側に向かって、回転軸３の回転方向に傾斜するため、径方向外側に向かうガス流れには、回転軸３の回転方向に向かう周方向の流速成分が与えられる。

なお、回転軸３と仕切り板３２との間には、第２シール部３３が配置され、第２シール部３３と回転軸３により形成された第２隙間３５からなる絞りが形成されている。そのため、ディスク２２と仕切り板３２との間からなる流路には、ディスク２２に向かうガス流れの一部のみが流入し、大半が案内板３１の間に形成された流路に流入する。

さらに、案内板３１におけるディスク２２側の端部に仕切り板３２が設けられているため、案内板３１の間からディスク２２と仕切り板３２の間にディスク２２に向かうガス流れが流入することもないし、逆に、ディスク２２と仕切り板３２の間から案内板３１の間にディスク２２に向かうガス流れが流入することもない。

一方、第２隙間３５を通過したガス流れは、案内板３１の間を通過したガス流れと合流する。合流後のガス流れは、ディスク２２の背面とインペラ室１３との間の隙間を径方向外側に向かい、ディフューザ１１に流入する。
なお、本実施形態では、第２隙間３５は十分に狭く、第２シール部３３による流れを遮る機能が十分に作用している例に適用して説明している。

上記の構成によれば、後段側のインペラ４から、第１隙間３６、および複数の案内板３１の間または第２隙間３５を介して、前段側のインペラ４に流体が循環する経路が形成されるため、圧縮機１における旋回失速の発生を防止することができる。

さらに、後段側のインペラ４から第１隙間３６を通って複数の案内板３１に向かって流れるガスの大半は、複数の案内板３１、筐体２および仕切り板３２に囲まれた、上述の複数の案内板３１の間を流れ、残りのガスは、第２隙間３５を流れる。複数の案内板３１は、間を通過するガスに対して、回転軸３の回転方向に向かう流速成分を与えられ、ガスとディスク間に生じる摩擦損失が小さくなるので、圧縮機１における効率の低下を防止することができる。

上述の複数の案内板３１の間の空間におけるガスの流れる方向を、径方向に沿って外側に向かう方向にすることで、シール装置５における上述の軸線方向に沿う方向の長さを短くすることができる。さらには、本実施形態のシール装置５が設けられた多段の圧縮機１における軸線方向の長さを短くすることができる。

さらに、シール装置５における上述の軸線方向に沿う方向の長さを変えることなく、案内板３１におけるガスの流れに沿う方向の長さ、つまり径方向の長さを長くすることができる。そのため、ガスが上述の複数の案内板３１の間を流れる間に、ガスに径方向の流速成分をより確実に与えることができる。

案内板３１の形状を翼状にするとともに、回転軸３の回転方向に向かって湾曲させることにより、案内板３１が板状である場合と比較して、複数の案内板３１を通過するガスに回転軸３の回転方向に向かう流速成分を効率よく与えることができる。

本実施形態のシール装置５が設けられているため、シール装置５を介して後段側のインペラ４から前段側のインペラ４に向かってガスを流すことができ、圧縮機１における旋回失速の発生を防止することができる。
後段側のインペラ４から前段側のインペラ４に向かってシール装置５を流れるガスに、回転軸３の回転方向の流速成分を与えることができ、圧縮機１における効率低下を防止することができる。

図４は、図２のシール装置の別の実施形態を説明する模式図である。
なお、上述の実施形態のように、第１シール部３４および第２シール部３３は径方向内側に向かって延びる環状突起であって、回転軸３との間にそれぞれ第１隙間３６および第２隙間３５を形成してもよいし、図４に示すように、第１シール部３４および第２シール部を径方向外側に向かって延びる環状突起とし、第１シール部３４と筐体２との間に第１隙間３６を形成し、第２シール部３３および第１シール部３４を径方向外側に向かって延びる環状突起とし、第２シール部３３と仕切り板３２との間に第２隙間３５を形成してもよく、特に限定するものではない。

〔第１の実施形態の第１変形例〕
次に、本発明の第１の実施形態の第１変形例について図５および図６を参照して説明する。
本変形例の圧縮機の基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、シール装置の構成が異なっている。よって、本変形例においては、図５および図６を用いてシール装置の構成周辺のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図５は、本変形例に係る圧縮機におけるシール装置の構成を説明する模式図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。

圧縮機（回転流体機械）１０１のシール装置１０５には、図５に示すように、複数の案内板３１と、仕切り板３２と、第１シール部３４と、第２シール部３３と、段差部１０３とが設けられている。

段差部１０３は、回転軸３の外周面に配置される円筒状の部材であって、インペラ４のディスク２２に隣接して配置されるものである。
段差部１０３における、回転軸３の軸線方向の長さは、少なくともディスク２２から仕切り板３２まで隙間より長く、段差部１０３の厚さ、つまり段差部１０３の内周面から外周面までの厚さは、第１隙間３６よりも厚く形成されている。

そのため、段差部１０３は、第２シール部３３との間に第２隙間３５を形成している。本変形例で形成される第２隙間３５は、第１の実施形態の第２隙間３５と比較して、間隔が同等またはそれより広く形成されている。さらに、第２隙間３５の回転軸３からの距離つまり径方向の位置は、第１隙間３６よりも離れている、つまり外径側に位置している。

次に、本変形例の特徴であるシール装置１０５における作用について図５を参照しながら説明する。なお、本変形例の圧縮機１０１における高圧ガスの生成については、第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。

後段側のインペラ４から第１隙間３６を通って、ディスク２２に向かうガス流れについては、第１の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。
第１隙間３６を通ったガス流れは回転軸３の軸線方向に沿って流れ、その大半は径方向外側に向かって流れの向きを変えて案内板３１の間に流入する。
回転軸３の軸線方向に沿って流れ続けた残りのガス流れは、段差部１０３に衝突して第２隙間３５への流入を遮られる。
以後の案内板３１の間におけるガス流れ等については、第１の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。

上記の構成によれば、第２シール部３３と対向する位置に、回転軸３の外周面を拡径する段差部１０３を設けることにより、上述の径方向における第１隙間３６と第２隙間３５との相対位置を変えることができる。そのため、第１隙間３６を通過したガスが、直接、第２隙間３５に流入することが防止され、シール装置１０５のシール性能の向上を図ることができる。

図６は、図５のシール装置の別の実施形態を説明する模式図である。
なお、上述の実施形態のように、第１シール部３４および第２シール部３３は径方向内側に向かって延びる環状突起であって、回転軸３との間に第１隙間３６を形成し、段差部１０３との間に第２隙間３５を形成してもよいし、図６に示すように、第１シール部３４および第２シール部３３を径方向外側に向かって延びる環状突起とし、第１シール部３４と筐体２との間に第１隙間３６を形成し、第２シール部３３と仕切り板３２との間に第２隙間３５を形成してもよく、特に限定するものではない。

〔第１の実施形態の第２変形例〕
次に、本発明の第１の実施形態の第２変形例について図７を参照して説明する。
本変形例の圧縮機の基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、シール装置の構成が異なっている。よって、本変形例においては、図７を用いてシール装置の構成周辺のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図７は、本変形例に係る圧縮機におけるシール装置の構成を説明する模式図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。

圧縮機（回転流体機械）２０１のシール装置２０５には、図７に示すように、複数の案内板３１と、仕切り板３２と、第１シール部３４と、第２シール部３３と、段差部（段差部）２０３とが設けられている。

段差部２０３は、回転軸３の外周面に配置される円筒状の部材であって、第１シール部３４と対向する位置に配置されるものである。
段差部２０３における、段差部２０３の厚さ、つまり段差部２０３の内周面から外周面までの厚さは、第２隙間３５よりも厚く形成されている。さらに、第１隙間３６の回転軸３からの距離つまり径方向の位置は、第２隙間３５よりも離れている、つまり外径側に位置している。

次に、本変形例の特徴であるシール装置２０５における作用について図７を参照しながら説明する。なお、本変形例の圧縮機２０１における高圧ガスの生成については、第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。

後段側のインペラ４から第１隙間３６を通って、ディスク２２に向かうガス流れについては、第１の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。
第１隙間３６を通ったガス流れは回転軸３の軸線方向に沿って流れ、その大半は径方向外側に向かって流れの向きを変えて案内板３１の間に流入する。
回転軸３の軸線方向に沿って流れ続けた残りのガス流れは、仕切り板３２または第２シール部３３に衝突して第２隙間３５への流入を遮られる。
以後の案内板３１の間におけるガス流れ等については、第１の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。

上記の構成によれば、第１シール部３４と対向する位置に、回転軸３の外周面を拡径する段差部２０３を設けることにより、上述の径方向における第１隙間３６と第２隙間３５との相対位置を変えることができる。そのため、第１隙間３６を通過したガスが、直接、第２隙間に流入することが防止され、シール装置２０５のシール性能の向上を図ることができる。

〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について図８から図１０を参照して説明する。
本実施形態の圧縮機の基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、シール装置の構成が異なっている。よって、本実施形態においては、図８から図１０を用いてシール装置の構成周辺のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図８は、本実施形態に係る圧縮機のシール装置の構成を説明する模式図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。

圧縮機（回転流体機械）３０１のシール装置３０５には、図８に示すように、複数の案内板（案内部）３３１と、仕切り板（仕切り部）３３２と、第２シール部３３３と、第１シール部３４と、段差部（段差部）３０３とが設けられている。

図９は、図８の案内板の構成を説明するＢ−Ｂ断面視図である。図１０は、図８の案内板の構成を説明するＣ−Ｃ断面視図である。
複数の案内板３３１は、シール装置３０５を通過する漏れ流れに周方向の流速成分を与える板状の部材である。
案内板３３１は、図８から図１０に示すように、筐体２の回転軸３と対向する面に、回転軸３の軸線方向および径方向に沿って延びるとともに、周方向に等間隔に配置されている。

仕切り板３３２は、複数の案内板３３１の間の空間と、回転軸３と案内板３１との間の空間とを仕切る円筒状の部材である。
仕切り板３２は、回転軸３の軸線方向に延びる円筒状の部材であって、複数の案内板３３１における回転軸３側の端部を繋ぐように配置されるものである。

第２シール部３３３は、回転軸３と仕切り板３３２との間に流入するガス流れを遮り、段差部３０３と筐体２との間のガス流れの大半を、複数の案内板３３１と、仕切り板３３２と、筐体２とに囲まれた空間に導くものである。
第２シール部３３３は、仕切り板３３２の外周面における中央部から回転軸３に向かって、つまり径方向内側に向かって延びる環状突起であり、回転軸３との間に第２隙間３５を形成するものである。

段差部３０３は、回転軸３の外周面に配置される円筒状の部材であって、第１シール部３４と対向する位置に配置されるものである。
段差部３０３における、段差部３０３の厚さ、つまり段差部３０３の内周面から外周面までの厚さは、第２隙間３５よりも厚く、より好ましくは、径方向における案内板３３１の中間位置付近までの厚さに形成されている。さらに、第１隙間３６の回転軸３からの距離つまり径方向の位置は、第２隙間３５よりも離れている、つまり外径側に位置している。

次に、本変形例の特徴であるシール装置３０５における作用について図８から図１０を参照しながら説明する。なお、本変形例の圧縮機３０１における高圧ガスの生成については、第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。

後段側のインペラ４から第１隙間３６を通って、ディスク２２に向かうガス流れについては、第１の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。
第１隙間３６を通ったガス流れは、図８および図９に示すように、段差部３０３の外周面に沿って流れ、その大半は案内板３３１と筐体２と仕切り板３３２との間の空間に直接流入する。

案内板３３１は、図１０に示すように、ディスク２２に向かって（図１０の左方向に向かって）、回転軸３の回転方向に傾斜して延びている。そのため、案内板３３１の間から流出するガス流れには、回転軸３の回転方向の流速成分が与えられる。

なお、回転軸３と仕切り板３３２との間には、図９に示すように、第２シール部３３３が配置され、第２シール部３３３と回転軸３により形成された第２隙間３５からなる絞りが形成されている。さらに、回転軸３および段差部３０３の間の流路と、回転軸３および仕切り板３３２の間に流路との間は、クランク状に折れ曲がっている。
そのため、第２隙間３５を通過するガス流れに対する流路抵抗は、案内板３３１の間を流れるガス流れに対する流路抵抗と比較して、抵抗が高くなるためガス流れの大半は、案内板３３１の間に形成された流路に流入する。

さらに、案内板３３１における回転軸３側の端部に仕切り板３３２が設けられているため、案内板３３１の間から回転軸３と仕切り板３３２の間にガス流れが流入することもないし、逆に、回転軸３と仕切り板３３２の間から案内板３３１の間にガス流れが流入することもない。

案内板３３１の間から流出したガス流れは、回転軸３の外周面と筐体２との間を、ディスク２２に向かって流れ、ディスク２２とインペラ室１３との間の隙間に流入する。
以後のガス流れ等については、第１の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。

上記の構成によれば、上述の複数の案内板３３１の間の空間におけるガスの流れる方向を、軸線方向に沿って第１シール部３４から複数の案内板３３１に向かう方向にすることで、シール装置３０５における上述の径方向に沿う方向の長さを短くすることができる。

第２シール部３３３と対向する位置に、回転軸３の外周面を拡径する段差部３０３を設けることにより、上述の径方向における第１隙間３６と第２隙間３５との相対位置を変えることができる。そのため、第１隙間３６を通過したガスが、直接、第２隙間３５に流入することが防止され、シール装置３０５のシール性能の向上を図ることができる。

案内板３３１の形状を板状にすることにより、例えば、翼状の案内板の場合と比較して、形状が単純なためシール装置３０５の製造が容易となる。

〔第２の実施形態の第１変形例〕
次に、本発明の第２の実施形態の第１変形例について図１１から図１３を参照して説明する。
本変形例の圧縮機の基本構成は、第２の実施形態と同様であるが、第２の実施形態とは、シール装置の構成が異なっている。よって、本変形例においては、図１１から図１３を用いてシール装置の構成周辺のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図１１は、本変形例に係る圧縮機のシール装置の構成を説明する模式図である。図１２は、図１１のシール装置の構成を説明するＤ−Ｄ断面視図である。
なお、第２の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。

圧縮機（回転流体機械）４０１のシール装置４０５には、図１１に示すように、複数の案内板（案内部）４３１と、仕切り板３３２と、第１シール部３４と、第２シール部３３３と、段差部３０３とが設けられている。

複数の案内板４３１は、シール装置４０５を通過する漏れ流れに含まれる周方向の流速成分を与える翼状の部材である。
案内板４３１は、図１１および図１２に示すように、筐体２の回転軸３と対向する面に、回転軸３の径方向に沿って延びるとともに、周方向に等間隔に配置されている。さらに、案内板４３１は、軸線方向のディスク２２側に向かって、回転軸３の回転方向に湾曲して配置されている。

次に、本変形例の特徴であるシール装置４０５における作用について図１１および図１２を参照しながら説明する。なお、本変形例の圧縮機４０１における高圧ガスの生成については、第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。

後段側のインペラ４から第１隙間３６を通って、ディスク２２に向かうガス流れについては、第１の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。
第１隙間３６を通ったガス流れは、図８および図９に示すように、段差部３０３の外周面に沿って流れ、その大半は案内板３３１と筐体２と仕切り板３３２との間の空間に直接流入する。

案内板４３１は、図１１および図１２に示すように、ガス流れの流入側では回転軸３の軸線方向に沿って延びるため、回転軸３の軸線方向に沿って流れるガス流れと案内板３３１との間に剥離が発生しにくい。

一方、案内板４３１の流出側では、ディスク２２に向かって（図１２の左方向に向かって）、回転軸３の回転方向に湾曲して延びている。そのため、案内板４３１の間から流出するガス流れには、回転軸３の回転方向の流速成分が与えられる。
以後のガス流れについては、第２の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。

上記の構成によれば、案内板４３１の形状を翼状にするとともに、回転軸３の回転方向に向かって湾曲させることにより、ガス流れに周方向の流速成分を与える際に発生する損失を、板状の案内部と比較して、小さくすることができる。

図１３は、図１１のシール装置の別の実施形態を説明する模式図である。
なお、上述の実施形態のように、第１シール部３４および第２シール部３３３は径方向内側に向かって延びる環状突起であって、段差部３０３との間に第１隙間３６を形成し、回転軸３との間に第２隙間３５を形成してもよいし、図１３に示すように、第１シール部３４および第２シール部３３３を径方向外側に向かって延びる環状突起とし、第１シール部３４と筐体２との間に第１隙間３６を形成し、第２シール部３３３と仕切り板３２との間に第２隙間３５を形成してもよく、特に限定するものではない。

〔第２の実施形態の第２変形例〕
次に、本発明の第２の実施形態の第２変形例について図１４および図１５を参照して説明する。
本変形例の圧縮機の基本構成は、第２の実施形態と同様であるが、第２の実施形態とは、シール装置の構成が異なっている。よって、本変形例においては、図１４および図１５を用いてシール装置の構成周辺のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図１４は、本変形例に係る圧縮機のシール装置の構成を説明する模式図である。
なお、第２の実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付して、その説明を省略する。

圧縮機（回転流体機械）５０１のシール装置５０５には、図１４に示すように、複数の案内板４３１と、仕切り板３３２と、第１シール部３４と、第２シール部５３３と、段差部３０３とが設けられている。

第２シール部５３３は、回転軸３と仕切り板３２との間に流入するガス流れを遮り、段差部３０３と筐体２との間のガス流れの大半を、複数の案内板４３１と、仕切り板３３２と、筐体２とに囲まれた空間に導くものである。
第２シール部５３３は、図１４に示すように、回転軸３の軸線に沿って、段差部３０３の段差面に向かって延びる環状突起であり、段差部３０３との間に第２隙間３５を形成するものである。

次に、本変形例の特徴であるシール装置５０５における作用について図１４を参照しながら説明する。なお、本変形例の圧縮機５０１における高圧ガスの生成については、第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。

後段側のインペラ４から第１隙間３６を通って、ディスク２２に向かうガス流れについては、第１の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。
第１隙間３６を通ったガス流れは、図８および図９に示すように、段差部３０３の外周面に沿って流れ、その大半は案内板３３１と筐体２と仕切り板３３２との間の空間に直接流入する。

案内板３３１は、図１０に示すように、ディスク２２に向かって（図１０の左方向に向かって）、回転軸３の回転方向に傾斜して延びている。そのため、案内板３３１の間から流出するガス流れには、回転軸３の回転方向の流速成分が与えられる。

なお、段差部３０３と仕切り板３３２との間には、図１４に示すように、第２シール部５３３が配置され、第２シール部５３３と段差部３０３により形成された第２隙間３５からなる絞りが形成されている。さらに、回転軸３および段差部３０３の間の流路と、回転軸３および仕切り板３３２の間に流路との間は、クランク状に折れ曲がっている。
そのため、第２隙間３５を通過するガス流れに対する流路抵抗は、案内板３３１の間を流れるガス流れに対する流路抵抗と比較して、抵抗が高くなるためガスの大半は、案内板３３１の間に形成された流路に流入する。
以後のガス等については、第２の実施形態と同様であるのでその説明を省略する。

上記の構成によれば、第２シール部５３３を、回転軸３の軸線に沿って、段差部３０３の段差面に向かって延びる環状突起とすることにより、第１隙間３６を通過したガスが、直接、第２隙間３５に流入することが防止され、シール装置５０５のシール性能の向上を図ることができる。

図１５は、図１４のシール装置の別の実施形態を説明する模式図である。
なお、上述の実施形態のように、第２シール部５３３が軸線方向に沿って段差部３０３の段差面に向かって延びる環状突起としてもよいし、図１４に示すように、第２シール部５３３を軸線方向に沿って仕切り板３３２に向かって延びる環状突起とし、第２シール部５３３と仕切り板３２との間に第２隙間３５を形成してもよく、特に限定するものではない。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上述の実施形態では、本発明を遠心式の圧縮機に適用して説明したが、遠心式の圧縮機に限られることなく、斜流式の圧縮機に適用してもよく、特に限定するものではない。

本発明の第１の実施形態に係る圧縮機の構成を説明する模式図である。 図１のシール装置の構成を説明する模式図である。 図２の案内板の構成を説明するＡ−Ａ断面視図である。 図２のシール装置の別の実施形態を説明する模式図である。 本発明の第１の実施形態の第１変形例に係る圧縮機におけるシール装置の構成を説明する模式図である。 図５のシール装置の別の実施形態を説明する模式図である。 本発明の第１の実施形態の第２変形例に係る圧縮機におけるシール装置の構成を説明する模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る圧縮機のシール装置の構成を説明する模式図である。 図８の案内板の構成を説明するＢ−Ｂ断面視図である。 図８の案内板の構成を説明するＣ−Ｃ断面視図である。 本発明の第２の実施形態の第１変形例に係る圧縮機のシール装置の構成を説明する模式図である。 図１１のシール装置の構成を説明するＤ−Ｄ断面視図である。 図１１のシール装置の別の実施形態を説明する模式図である。 本発明の第２の実施形態の第２変形例に係る圧縮機のシール装置の構成を説明する模式図である。 図１４のシール装置の別の実施形態を説明する模式図である。

符号の説明

圧縮機（回転流体機械）１，１０１，２０１，３０１，４０１，５０１
筐体２
回転軸３
インペラ（羽根車）４
シール装置５，１０５，２０５，３０５，４０５，５０５
案内板（案内部）３１，３３１，４３１
仕切り板（仕切り部）３２，３３２
第１シール部３４
第２シール部３３，３３３，５３３
第１隙間３６
第２隙間３５
段差部１０３，２０３，３０３

Claims (7)

1. 複数段の回転流体機械に設けられる回転流体機械のシール装置であって、
   複数の羽根車を有する回転軸を内部に回転可能に収納する筐体と、
   該筐体の内面に前記複数の羽根車の間に取り付けられ、前記回転軸に対して径方向または軸線方向の少なくとも一方に沿って延びるとともに、間を通過する流体に前記回転軸の回転方向に向かう流速成分を与える複数の案内部と、
   前記複数の案内部における前記筐体に取り付けられた一の端部と反対側の他の端部をつなぎ、前記複数の案内部の間の空間と、前記羽根車と前記案内部との間の空間とを仕切る仕切り部と、
   前記径方向に延びる環状突起であって、前記回転軸または前記筐体との間に第１隙間を形成し、後段の前記羽根車側から前記複数の案内部に向かって流れる流体を遮る第１シール部と、
   環状突起であって、前記回転軸または前記仕切り部との間に第２隙間を形成し、前記第１シール部側から前記羽根車と前記案内部との間の空間へ流れる流体を遮る第２シール部と、が設けられ、
   前記複数の案内部の間には、前記第１シール部を通過した流体が流入し、前段の前記羽根車側へ流出することを特徴とする回転流体機械のシール装置。
2. 前記複数の案内部における前記他の端部は、前記回転軸から径方向外側に延びる前記羽根車と対向し、
   前記仕切り部は、前記径方向に延びるとともに、前記他の端部をつなぐリング板状に形成され、
   前記複数の案内部の間の空間を前記径方向外側に向かって、前記流体を通過させることを特徴とする請求項１記載の回転流体機械のシール装置。
3. 前記複数の案内部における前記他の端部は、前記回転軸の外周面と対向し、
   前記仕切り部は、前記軸線方向に延びるとともに、前記他の端部をつなぐ円筒状に形成され、
   前記複数の案内部の間の空間を前記軸線方向に沿って、前記流体を通過させることを特徴とする請求項１記載の回転流体機械のシール装置。
4. 前記第２シール部は、前記径方向に延びる環状突起であって、
   前記回転軸における前記第１シール部または前記第２シール部と対向する位置に、前記回転軸の外周面を拡径する段差部が設けられていることを特徴とする請求項２または３に記載の回転流体機械のシール装置。
5. 前記案内部は、前記径方向外側向かって前記回転軸の回転方向に傾斜する板状の部材、または、前記軸線方向に沿って、前記第１シール部から前記第２シール部に向かい前記回転軸の回転方向に傾斜する板状の部材であることを特徴とする請求項１記載の回転流体機械のシール装置。
6. 前記案内部は、前記径方向または前記軸線方向に沿って延びる翼状の部材であり、
   前記径方向外側向かって前記回転軸の回転方向に湾曲、または、前記軸線方向に沿って、前記第１シール部から前記第２シール部に向かい前記回転軸の回転方向に湾曲することを特徴とする請求項１記載の回転流体機械のシール装置。
7. 請求項１から請求項５のいずれかに記載のシール装置が設けられていることを特徴とする回転流体機械。

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