JP5737065B2 - 圧縮機シール装置 - Google Patents

Description

本発明は圧縮機シール装置に関するものである。

空気、二酸化炭素、窒素をはじめとする種々のガスを圧縮して昇圧させる手段として、遠心圧縮機は広く用いられている。

遠心圧縮機としては、軸方向の吸気口から取り入れたガスを遠心力により加速して半径方向外側へ噴出することにより昇圧を行うオープンインペラと称される羽根車を備えたものがあり、このようなオープンインペラを備えた圧縮機は特に過給機等において多く用いられている。

前記オープンインペラを備えた圧縮機においては、昇圧したガス（圧縮空気）がオープンインペラ背面から回転軸回りを通って圧縮ガスの流路を形成するガスシールの外へ漏洩して、コンプレッサハウジングと軸受ハウジングの間から大気へ放出される問題があり、この漏洩のために圧縮機の効率が低下する問題がある。

上記したようなオープンインペラを備えた圧縮機において、オープンインペラが装着された回転軸の外周面と、ガスシールの回転軸が貫通する個所の内周面との間には環状の複数のフィンからなるラビリンススリーブを配して回転軸に固定し、前記ラビリンススリーブによって、昇圧したガスが回転軸に沿ってガスシールの外側へ漏れるのを抑制するようにしたものがある（例えば、特許文献１、２参照）。

特開２００４−１９７８４８号公報 特開２００９−００２２７７号公報

しかしながら、ラビリンススリーブによってシール効果を高めるには、ラビリンススリーブとガスシールとの間隔を小さく保持することが必要になるが、ラビリンススリーブとガスシールの接触を確実に避けるためには、ラビリンススリーブのフィン外周縁とガスシール内周面との間の空隙を極端に狭めることはできず、このためにガス漏れの抑制には限度があった。

本発明は上述した実情に鑑みてなしたもので、ガス漏れの抑制性能が高い圧縮機シール装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の圧縮機シール装置は、軸方向の吸気口から取り入れたガスを加速して半径方向外側へ噴出するオープンインペラを備えた圧縮機における前記オープンインペラの背面を通って回転軸回りに昇圧ガスが漏れるのを防止する圧縮機シール装置であって、
外周面に周方向に延びる複数条のフィンを形成した大外径部と外周面に周方向に延びる複数条のフィンを形成した小外径部との間に、大外径部及び小外径部の双方を連ねる外径変化部を設けた筒状のラビリンススリーブを備え、
オープンインペラを装着した回転軸に、オープンインペラの背面に大外径部が位置するようにラビリンススリーブを外嵌し、
ラビリンススリーブの大外径部を周方向に取り囲む大内径部、当該大内径部よりも内径が大きく且つラビリンススリーブの外径変化部を内包する円環形状の空洞部、及びラビリンススリーブの小外径部を周方向に取り囲む小内径部を、圧縮機静止部に形成している。

請求項２に記載の圧縮機シール装置は、前記ラビリンススリーブは、大外径部が前記オープンインペラの背面側に近く、小外径部が前記オープンインペラの背面側から遠くなるよう前記回転軸に外嵌している。

請求項３に記載の圧縮機シール装置は、前記圧縮機静止部の大内径部の内周面に、バビットメタルよりなり且つラビリンススリーブの大外径部を周方向に取り囲む被覆層を設け、前記圧縮機静止部の小内径部の内周面に、バビットメタルよりなり且つラビリンススリーブの小外径部を周方向に取り囲む被覆層を設けている。

本発明の圧縮機シール装置によれば、大外径部、外径変化部、及び小外径部を有するラビリンススリーブを回転軸に外嵌し、該ラビリンススリーブを包囲する大内径部、空洞部、及び小内径部を圧縮機静止部に形成したので、圧縮機の稼働中、外径変化部側のガスの密度分布と空洞部側のガスの密度分布との差が拡がり、密度分布が小さいガスがラビリンススリーブの小外径部に沿って流通することになるため、ガスの漏れ抑制性能の向上を図ることができる。

本発明の圧縮機シール装置の一例の要部を示す概念図である。 本発明の圧縮機シール装置を適用するオープンインペラを備えた圧縮機の切断側面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図２は本発明を適用するオープンインペラを備えた圧縮機を示しており、オープンインベラ１が装着された回転軸２は、軸受ハウジング３（圧縮機静止部）の前面（図２の左側面）に固定したバックプレート３ａを通して前記軸受ハウジング３内に導かれ、軸受ハウジング３内に備えた軸受４によって回転可能に支持されている。５は回転軸２と軸受ハウジング３との間に介装したオイルシールであり、該オイルシール５は、軸受ハウジング３内から潤滑油が軸受ハウジング３外部へ飛散するのを抑える役割を担っている。

前記軸受ハウジング３に固定したバックプレート３ａの前面（図２の左側面）には、前記オープンインベラ１にガスＧを導く吸気口６を備えたコンプレッサハウジング７が固定されている。該コンプレッサハウジング７は、吸気口６から取り入れたガスＧをオープンインペラ１によって加速し、半径方向外側の流路８を介して渦巻室９に導くことにより昇圧するようになっている。

前記バックプレート３ａを回転軸２が貫通する前記バックプレート３ａの内周にはガスシール３ｂが固定してあり、該ガスシール３ｂと前記回転軸２との間には、オープンインペラ１の背面１ａを通して昇圧したガスＧが軸受ハウジング３内へ漏洩するのを防止するための圧縮機シール装置１００を設けている。

図１は本発明の圧縮機シール装置１００の一例を示すもので、外周面に周方向に延びるフィン１０を複数条形成した大外径部１１と外周面に周方向に延びるフィン１２を複数条形成した小外径部１３との間に、大外径部１１及び小外径部１３の双方に一体的に連なる外径変化部１４を設けた筒状のラビリンススリーブ１５を設け、該ラビリンススリーブ１５を端部にオープンインペラ１が装着された回転軸２に外嵌している。図１では、前記ラビリンススリーブ１５は、大外径部１１が前記オープンインペラ１の背面１ａ側に近く、小外径部１３が前記オープンインペラ１の背面１ａ側から遠い位置になるように前記回転軸２に外嵌している。

大外径部１１のフィン１０及び小外径部１３のフィン１２の断面は、オープンインペラ１に近付き且つラビリンススリーブ１５の外方へ斜めに延びる面ａと、ラビリンススリーブ１５の外方へ垂直に延びる面ｂとを交互に備えた山形状になっている。大外径部１１外周面からのフィン１０の突出量、小外径部１３外周面からのフィン１２の突出量は１．５ｍｍ程度としてある。

前記外径変化部１４は、大外径部１１側の部分の外径が小外径部１３に向けて漸次縮小し、小外径部１３側の部分の外径は小外径部１３の外径と等しくなっている。

圧縮機静止部である前記取付環３ｂには、ラビリンススリーブ１５の大外径部１１を周方向に取り囲む大内径部１６、当該大内径部１６よりも内径が大きく且つラビリンススリーブ１５の外径変化部１４を内包する円環形状の空洞部１７、及びラビリンススリーブ１５の小外径部１３を周方向に取り囲む小内径部１８を形成している。大内径部１６、空洞部１７、及び小内径部１８を形成したガスシール３ｂと、大外径部１１、外径変化部１４、及び小外径部１３を有するラビリンススリーブ１５との組み合わせによって、オープンインペラ１背面１ａ側から回転軸２に沿って軸受ハウジング３内へと向おうとするガスＧの流通経路は、大局的に見て中間部分で屈折した形状となっている。

この時、前記ラビリンススリーブ１５の大外径部１１と小外径部１３はシールのために軸方向に所要の長さを保持している必要があり、且つ、外径変化部１４側と空洞部１７側とのガスＧの密度分布の差を大きく保持するためには、ラビリンススリーブ１５の大外径部１１と小外径部１３との径の差を大きくした形状とする必要があるが、前記ガスシール３ｂを備えた構成によると、上記軸方向長さの確保と径の差の確保を容易に同時に達成することができる。

更に、軸受ハウジング３の大内径部１６の内周面には、ラビリンススリーブ１５の大外径部１１を周方向に取り囲む被覆層１９を設け、又、軸受ハウジング３の小内径部１８の内周面には、ラビリンススリーブ１５の小外径部１３を周方向に取り囲む被覆層２０を設けている。ラビリンススリーブ１５の材料には鋼を用い、被覆層１９，２０の材料にはバビットメタル（ホワイトメタルとも呼ばれる）を用いている。バビットメタルとしては、スズ−銅合金、スズ−アンチモン−銅合金、鉛−アンチモン−スズ合金等を用いることができる。

ラビリンススリーブ１５の外周をバビットメタルからなる被覆層１９，２０で包囲しているので、ラビリンススリーブ１５のフィン１０，１２が被覆層１９，２０に触れても焼き付くことがないため、フィン１０，１２と被覆層１９，２０との間隔を可能な限り狭めてガスの漏れ抑制性能を更に向上させることができる。

次に、図１に示す圧縮機シール装置１００の作動について述べる。

圧縮機の稼働中、オープンインペラ１の背面１ａ側からガスシール３ｂへと向おうとするガスＧは、複数条のフィン１０が形成されているラビリンススリーブ１５の大外径部１１とガスシール３ｂの大内径部１６に設けた被覆層１９との間を通過することにより漸次圧力低下を来す。更に、ガスＧの流れは、空洞部１７に流入して小内径部１８の端部壁面１８ａに衝突して大きな圧力損失を受ける。

ラビリンススリーブ１５の大外径部１１と被覆層１９との間を通過するガスＧは、粘性によって回転軸２の回転方向に旋回し、遠心力が付与されるために大外径部１１側に比べて被覆層１９側のほうがガスＧの密度分布が大きくなり、同様に、ラビリンススリーブ１５の外径変化部１４と空洞部１７との間では、外径変化部１４側に比べて空洞部１７側のほうがガスＧの密度分布が大きくなる。

大外径部１１側と被覆層１９側とのガスＧの密度分布の差に対して、外径変化部１４が大外径部１１よりも外径が小さくなっている分だけ、外径変化部１４側と空洞部１７側とのガスＧの密度分布の差は拡がる。よって、外径変化部１４と空洞部１７との間を経て、ラビリンススリーブ１５の小外径部１３とガスシール３ｂの小内径部１８に設けた被覆層２０との間へ流入するガスＧの密度分布は小さくなり、結果的にガスＧの漏れ量が減少することになる。

そして、ガスシール３ｂへと向おうとするガスＧは、複数条のフィン１２が形成されているラビリンススリーブ１５の小外径部１３と前記小内径部１８に設けた被覆層２０との間を通過することにより漸次圧力低下を来し、ガスシール３ｂ外へのガスＧの漏れが抑制される。

図１に示す圧縮機シール装置１００では、大内径部１６、空洞部１７、及び小内径部１８を形成したバックプレート３ａのガスシール３ｂと、大外径部１１、外径変化部１４、及び小外径部１３を有するラビリンススリーブ１５とを組み合わせ、圧縮機の稼働中、外径変化部１４側のガスの密度分布と空洞部１７側のガスの密度分布との差が拡がるようにし、密度分布が小さいガスＧをラビリンススリーブ１５の小外径部１３に沿って流通させるので、ガスＧの漏れ抑制性能の向上を図ることができる。

又、オープンインペラ１を備えた圧縮機の圧縮機静止部であるバックプレート３ａに設けたガスシール３ｂと回転軸２との間に前記ラビリンススリーブ１５を備えるようにしたので、大外径部１１と小外径部１３の軸方向の長さを確保し、且つ、大外径部１１と小外径部１３との径の差を大きくして、外径変化部１４側と空洞部１７側とのガスＧの密度分布の差を大きく保持することが容易になり、よって、オープンインペラ１を備えた圧縮機のシール性能を高めることが容易に可能になる。

更に、上記実施例では、軸受ハウジング３とコンプレッサハウジング７との間にバックプレート３ａが設置されており、該バックプレート３ａにガスシール３ｂが備えられているので、前記バックプレート３ａの設置と同時にガスシール３ｂを取り付けることができて、組立性を向上することができる。

１ オープンインペラ
２ 回転軸
３ 軸受ハウジング（圧縮機静止部）
３ａ バックプレート（圧縮機静止部）
３ｂ ガスシール（圧縮機静止部）
６ 吸気口
１０ フィン
１１ 大外径部
１２ フィン
１３ 小外径部
１４ 外径変化部
１５ ラビリンススリーブ
１６ 大内径部
１７ 空洞部
１８ 小内径部
１９ 被覆層
２０ 被覆層
１００ 圧縮機シール装置

Claims (3)

1. 軸方向の吸気口から取り入れたガスを加速して半径方向外側へ噴出するオープンインペラを備えた圧縮機における前記オープンインペラの背面を通って回転軸回りに昇圧ガスが漏れるのを防止する圧縮機シール装置であって、
   外周面に周方向に延びる複数条のフィンを形成した大外径部と外周面に周方向に延びる複数条のフィンを形成した小外径部との間に、大外径部及び小外径部の双方を連ねる外径変化部を設けた筒状のラビリンススリーブを備え、
   オープンインペラを装着した回転軸にラビリンススリーブを外嵌し、
   ラビリンススリーブの大外径部を周方向に取り囲む大内径部、当該大内径部よりも内径が大きく且つラビリンススリーブの外径変化部を内包する円環形状の空洞部、及びラビリンススリーブの小外径部を周方向に取り囲む小内径部を、圧縮機静止部に形成したことを特徴とする圧縮機シール装置。
2. 前記ラビリンススリーブは、大外径部が前記オープンインペラの背面側に近く、小外径部が前記オープンインペラの背面側から遠くなるよう前記回転軸に外嵌したことを特徴とする請求項１に記載の圧縮機シール装置。
3. 前記圧縮機静止部の大内径部の内周面に、バビットメタルよりなり且つラビリンススリーブの大外径部を周方向に取り囲む被覆層を設け、前記圧縮機静止部の小内径部の内周面に、バビットメタルよりなり且つラビリンススリーブの小外径部を周方向に取り囲む被覆層を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧縮機シール装置。

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