JP6225092B2 - ラビリンスシール、遠心圧縮機及び過給機 - Google Patents

Description

本開示は、遠心圧縮機の半径方向に延在するラビリンスシール、並びにこれを備えた遠心圧縮機及び過給機に関する。

一般に、過給機の遠心圧縮機は、遠心圧縮機に流入する空気を羽根車によって昇圧させるように構成されている。遠心圧縮機で昇圧された空気はエンジンシリンダに導かれて燃焼し、燃焼によって発生した高温高圧の燃焼ガスは、過給機のタービンを通過することでタービンに接続された軸を回転させ、軸の他端側に設けられた遠心圧縮機を駆動するようになっている。

このような遠心圧縮機においては、羽根車を含む回転部材と軸受ケーシングを含む静止部材との間にラビリンスシールが設けられることがある。例えば、特許文献１には、排気タービン過給機の遠心圧縮機のインペラ背壁に配置されたラビリンスシールが記載されている。この構成においては、インペラを通過する際に圧縮された圧縮流体のインペラの背面側を介した漏れ流れを抑制するようになっている。

通常、ラビリンスシールは、狭隘な領域と流体膨張領域とが交互に設けられた構成を有する。これにより、遠心圧縮機からの流体の漏れ量を抑えることができる。また、ラビリンスシールを漏れ出る流体は徐々に圧力が低下するため、羽根車背面の圧力を下げることができる。遠心圧縮機を備える過給機においては、過給機のタービンに作用する流体力によりタービン側から圧縮機側に向かうスラストが作用する場合があり、この場合、羽根車背面の圧力を下げることはスラストバランスを適切に維持する観点から望ましい。

特開平１１−２４７６１８号公報

しかしながら、上記したようなラビリンスシールにおいては、狭隘な流路における流体摩擦により漏れ流れの温度が上昇し、羽根車への伝熱量が増加する。羽根車は回転により高い遠心応力が作用する部品であり、伝熱量によって温度が上昇すると、クリープによって破断する可能性が高まる。そのため、シール性が高く、且つ羽根車への伝熱力が小さいラビリンスシールが求められている。

この点、特許文献１のラビリンスシールにおいては、絞り箇所（狭隘な領域）の下流側に渦室を設け、絞り箇所を通過した流体のうち一部を渦室内で渦運動させてから残りの流体に合流させるようになっている。これにより、羽根車側への入熱をある程度抑制するようになっている。

しかし、遠心圧縮機の効率向上の観点から圧力比が高まる傾向にあるため、羽根車側への入熱をさらに抑制することが望まれている。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、ラビリンスシールを通過する流体から羽根車への入熱量を低減可能なラビリンスシール、並びにこれを備えた遠心圧縮機及び過給機を提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係るラビリンスシールは、
流体が半径方向に流れる羽根車と、前記羽根車の背面側に設けられる静止部材とを備える遠心圧縮機に用いられるラビリンスシールであって、
前記羽根車の背面上の複数の半径方向位置において周方向に沿ってそれぞれ設けられる複数の第１凸部と、
隣接する前記第１凸部間に先端部が侵入するように前記静止部材に周方向に沿って設けられる複数の第２凸部と、を備え、
前記羽根車の前記背面と前記静止部材との間には、前記第１凸部と前記第２凸部との間に形成される複数の最小クリアランス部を含むラビリンス状の流路が前記半径方向に沿って形成されており、
前記第１凸部と前記第２凸部との間に形成される最小クリアランス部を通過する漏れ流れの流れ方向において、前記最小クリアランス部の上流側に前記静止部材が位置し、前記最小クリアランス部の下流側に前記羽根車の前記背面が位置することを特徴とする。

本発明者らの鋭意検討の結果、従来のラビリンスシールにおける羽根車への入熱の原因の一つが、最小クリアランス部を通過した流速の高い流体が静止部材側の壁面に衝突してこの壁面に流れる際、羽根車側からみて相対全温が高い静止部材の壁面近傍の流体を随伴して羽根車側に移送してしまう点にあることを見出した。
上記（１）の構成は、本発明者らによるこの知見に基づいて着想されたものであり、最小クリアランス部を通過する漏れ流れの流れ方向において、最小クリアランス部の上流側に静止部材が位置し、且つ、最小クリアランス部の下流側に羽根車の背面が位置するようになっている。このため、最小クリアランス部を通過する際に加速された流体は、静止部材側ではなく羽根車の背面に衝突した後、羽根車の背面に沿って流れる。よって、羽根車側からみて相対全温の高い静止部材の壁面近傍の流体が、最小クリアランス部を通過した流速の高い流体に随伴されて羽根車側に移送されてしまう事態を抑制できる。したがって、ラビリンスシールを通過する流体から羽根車への入熱量を低減し、羽根車の温度上昇を抑制することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、前記ラビリンスシールは、前記羽根車の前記背面と前記静止部材との間を半径方向の内側に向かう前記漏れ流れをシールするように構成され、前記最小クリアランス部は、前記第１凸部の先端または前記第１凸部の前記半径方向の内側の面と前記第２凸部との間に形成される。
上記（２）の構成によれば、半径方向内側に向かう漏れ流れをシールするラビリンスシールにおいて、最小クリアランス部の下流側において流体の羽根車背面に向かう流れを実現できる。これにより、ラビリンスシールを通過する流体から羽根車への入熱量を低減し、羽根車の温度上昇を抑制することができる。

（３）一実施形態では、上記（２）の構成において、前記第２凸部の先端にはシール剣先が設けられており、前記最小クリアランス部は、前記第１凸部の前記半径方向の内側の面と、前記第２凸部の前記シール剣先との間に形成される。
上記（３）の構成によれば、静止部材側の第２凸部にシール剣先を設けたので、最小クリアランス部の下流側において、最小クリアランス部を通過した流体の流れから静止部材の壁面（第２凸部の壁面）が遠ざかっている。このため、最小クリアランス部を通過した流速が高い流体に随伴されて羽根車側に移送されてしまう事態を効果的に抑制できる。よって、ラビリンスシールを通過する流体から羽根車への入熱量を効果的に低減し、羽根車の温度上昇をより一層抑制することができる。

（４）一実施形態では、上記（３）の構成において、前記第１凸部の前記半径方向の内側の面は、前記遠心圧縮機の軸方向に沿って延在するシール面を形成しており、前記第２凸部は、前記羽根車の前記背面側かつ前記半径方向の外側に向かって前記静止部材から突出して設けられている。
上記（４）の構成によれば、最小クリアランス部のクリアランス幅方向が半径方向に沿っているため、羽根車が軸方向にずれても、最小クリアランス部のクリアランス幅は影響を受けにくい。よって、羽根車の軸方向位置のずれによるシール性能低下を抑制することができる。

（５）他の実施形態では、上記（２）の構成において、前記第１凸部の先端にはシール剣先が設けられており、前記最小クリアランス部は、前記第１凸部の前記シール剣先と、前記第２凸部の前記半径方向の外側の面との間に形成される。
上記（５）の構成によれば、羽根車側の第１凸部のシール剣先と、静止部材の第２凸部の径方向外側の面との間に形成される最小クリアランス部を通過した流体を、羽根車背面に向かわせることができる。これにより、ラビリンスシールを通過する流体から羽根車への入熱量を低減し、羽根車の温度上昇を抑制することができる。

（６）一実施形態では、上記（５）の構成において、前記第１凸部の先端にはシール剣先が設けられており、前記最小クリアランス部は、前記第１凸部の前記シール剣先と、前記第２凸部の前記半径方向の外側の面との間に形成される。
上記（６）の構成によれば、最小クリアランス部のクリアランス幅方向が半径方向に沿っているため、羽根車が軸方向にずれても、最小クリアランス部のクリアランス幅は影響を受けにくい。よって、羽根車の軸方向位置のずれによるシール性能低下を抑制することができる。

（７）本発明の少なくとも一実施形態に係る遠心圧縮機は、
流体が半径方向に流れる羽根車と、
前記羽根車の背面側に設けられる静止部材と、
前記羽根車の前記背面と前記静止部材との間に設けられる上記（１）乃至（６）の何れかの構成に記載のラビリンスシールと、を備えることを特徴とする。
上記（７）の構成によれば、ラビリンスシールを通過する流体から羽根車への入熱量を低減し、羽根車の温度上昇を抑制することができる。よって、羽根車の高温化に起因したクリープ寿命の低下を抑制でき、遠心圧縮機の高圧力比化を実現することが可能になる。

（８）本発明の少なくとも一実施形態に係る過給機は、
上記（７）の構成に記載の遠心圧縮機を含んで構成され、内燃機関への吸気を圧縮するための圧縮機と、
内燃機関の排気ガスによって駆動されて、前記圧縮機を駆動するように構成されたタービンと、を備える。
上記（８）の構成によれば、ラビリンスシールを通過する流体から羽根車への入熱量を低減することで、遠心圧縮機の高圧力比化が実現可能となり、過給機の性能を向上させることができる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、ラビリンスシールを通過する流体から羽根車への入熱量を低減し、羽根車の温度上昇を抑制することができる。よって、羽根車の高温化に起因したクリープ寿命の低下を抑制できる。

一実施形態に係る過給機の全体構成を示す断面図である。 一実施形態に係るラビリンスシールを示す図であり、羽根車の背面周辺の縦断面図である。 図２Ａに示す羽根車を背面（Ａ方向）から視た平面図である。 一実施形態に係るラビリンスシールを示す図であり、羽根車及び静止部材の概略断面図である。 図３に示すラビリンスシールの拡大断面図である。 他の実施形態に係るラビリンスシールの拡大断面図である。 ラビリンスシールにおける流動解析結果のうち子午面内流速分布を示す図である。 ラビリンスシールにおける流動解析結果のうち相対全温分布を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

最初に、図１を参照して、本実施形態に係るラビリンスシール１０が適用される過給機１について説明する。同図において、具体的にラビリンスシール１０は、過給機１の遠心圧縮機３に適用されている。なお、ラビリンスシール１０の適用先は図示される遠心圧縮機３に限定されるものではなく、他の形態の遠心圧縮機に用いられてもよい。

図１は、一実施形態に係る過給機１の全体構成を示す断面図（縦断面図）であり、一例として舶用の排気タービン過給機を示している。
同図に示すように、一実施形態に係る過給機１は、内燃機関（例えば舶用ディーゼル機関）からの排ガスによって駆動されるように構成された軸流タービン（以下、タービンと称する）２と、このタービン２によって駆動され、内燃機関に供給される吸気を圧縮するように構成された遠心圧縮機３と、を備える。

具体的な構成例として、タービン２と遠心圧縮機３の間には軸受台４が設けられている。タービン２のタービンケーシング２１と、軸受台４と、遠心圧縮機３の圧縮機ケーシング３１とは、締結部材（例えばボルト）等の連結手段によって一体的に構成される。軸受台４には、スラスト軸受４１と、ラジアル軸受４２，４３が収容されている。これらのスラスト軸受４１及びラジアル軸受４２，４３によって、ロータ５が回転自在に支持されている。ロータ５の一端側にはタービン２の動翼２４が連結されており、他端側には遠心圧縮機３の羽根車３２が連結されている。

タービン２は、内燃機関（不図示）の排気ガスによって駆動されて、遠心圧縮機３を駆動するように構成される。具体的に、タービン２は、ロータ５（実際にはロータ５の一端側）と、ロータ５の外周に植設された複数の動翼２４と、ロータ５及び動翼２４の外周側に設けられたタービンケーシング２１と、を含む。タービンケーシング２１を含む静止系部材によって、排気ガスが流れる入口通路２７と軸方向通路２８と出口通路２９とが、排気ガスの流れ方向において順に形成されている。軸方向通路２８は、入口通路２７と出口通路２９との間に位置し、ロータ５の回転軸Ｏに沿って延在する。この軸方向通路に動翼２４が設けられている。また、動翼２４の入口側にはタービンノズル（静翼）２５が設けられている。
このタービン２においては、内燃機関からの排気ガスが入口通路２７から導入されて、軸方向通路２８を流れる排気ガスによって動翼２４に連結されたロータ５が回転するようになっている。動翼２４を通過した排気ガスは、出口通路２９を通って排出される。

遠心圧縮機３は、内燃機関（不図示）への吸気を圧縮するように構成され、ロータ５（実際にはロータ５の他端側）と、ロータ５の外周に設けられた羽根車３２と、ロータ５及び羽根車３２の外周側に設けられた圧縮機ケーシング３１と、を含む。圧縮機ケーシング３１を含む静止系部材によって、空気入口３７及び出口スクロール３８が形成されている。空気入口３７と出口スクロール３８との間には、空気の流れ方向（遠心圧縮機３の半径方向）において順に羽根車３２とディフューザ３６とが配置されている。羽根車３２は、ロータ５の外周に固定された円盤状のハブ３３と、ハブ３３に固定され、該ハブ３３に対して放射状に配列された複数の羽根（ベーン）３４と、を有する。この羽根車３２には、流体（ここでは空気）が半径方向に流れるようになっている。なお、図１には単段の遠心圧縮機について例示したが、多段の遠心圧縮機であってもよい。

この遠心圧縮機３において、空気入口３７から導入された空気は、羽根車３２、ディフューザ３６及び出口スクロール３８を通過する際に昇圧されるようになっている。遠心圧縮機３で圧縮された空気の大部分は、内燃機関のエンジンシリンダに導かれ、燃焼・膨張行程でピストンを押し下げる仕事を行う。ここで発生した高温高圧の燃焼ガスは、タービン２に送られ、タービン２によって同軸上の遠心圧縮機３を駆動するようになっている。

軸受台４には、潤滑油供給通路４４が形成されている。潤滑油供給通路４４の一端側は潤滑油供給部（例えばオイルタンク及びオイルポンプ）に接続されている。潤滑油供給通路４４の他端側は複数に分岐しており、分岐端部はスラスト軸受４１及びラジアル軸受４２，４３にそれぞれ接続されている。そして、潤滑油供給通路４４を介して、スラスト軸受４１及びラジアル軸受４２，４３にそれぞれ潤滑油が供給されるようになっている。

上記したような構成を有する過給機１において、遠心圧縮機３と軸受台４の間には、ラビリンスシール１０が設けられている。具体的には、ラビリンスシール１０は、羽根車３２と、羽根車３２に対面する軸受台４の静止部材４６との間をシールするように構成されている。
このラビリンスシール１０によって、主として、軸受台４の内部の潤滑油を含む空気が遠心圧縮機３の圧縮空気に混入することを防止している。軸受台４の内部空間には、潤滑油が飛散したミストが充満していることがある。このミストが遠心圧縮機３の圧縮空気に混入することを防止するために、羽根車３２を通過した高圧の圧縮空気の一部を、ラビリンスシール１０を介して羽根車３２の背面に流すことで、遠心圧縮機３の圧縮空気の流路と軸受台４の内部空間との間をシールしている。

また、過給機１において、羽根車３２からの吐出空気の一部は背面に回り込み、軸受台４の内部空間に漏れ込むことがある。この場合、羽根車３２の背面は高い圧力となり、ロータ５の回転軸Ｏの方向において羽根車３２には背面側から羽根車３２の入口側に向かう高いスラスト力が作用する。この高スラスト力は、スラスト軸受４１の大型化や高摩擦損失に繋がる可能性がある。そのため、スラストバランスの観点からも、ラビリンスシール１０によって羽根車３２の背面の圧力を下げることが望ましい場合もある。

ここで、図２Ａ及び図２Ｂ〜図５を参照して、本実施形態に係るラビリンスシール１０について、詳細に説明する。なお、図２Ａは、一実施形態に係るラビリンスシール１０を示す図であり、羽根車３２の背面周辺の縦断面図である。図２Ｂは、図２Ａに示す羽根車３２を背面（Ａ方向）３５側から視た平面図である。図３は、一実施形態に係るラビリンスシール１０を示す図であり、羽根車３２及び静止部材４６の概略断面図である。図４及び図５は、各実施形態におけるラビリンスシール１０の拡大断面図である。

図２Ａ及び図２Ｂ〜図５に示すように、本実施形態に係るラビリンスシール１０は、流体（例えば空気）が半径方向に流れる羽根車３２と、羽根車３２の背面３５側に設けられる静止部材４６とを備える遠心圧縮機に用いられる。このラビリンスシール１０は、羽根車３２の背面３５と、静止部材４６との間を、遠心圧縮機の半径方向においてシールするようになっている。

幾つかの実施形態において、ラビリンスシール１０は、羽根車３２の背面３５に設けられた複数の第１凸部１１と、静止部材４６に設けられた複数の第２凸部１２と、を含んでいる。第１凸部１１と第２凸部１２との間には、ラビリンス状の流路１５が半径方向に沿って形成されている。
複数の第１凸部１１は、羽根車３２の背面３５上の複数の半径方向位置において周方向に沿ってそれぞれ設けられている。例えば図２Ｂに示すように、複数の第１凸部１１は、ロータ５の回転軸Ｏを中心として環状に複数設けられている。すなわち、複数の第１凸部１１が同心円上に形成されている。
複数の第２凸部１２は、隣接する第１凸部１１間に先端部が侵入するように静止部材４６に周方向に沿って設けられている。例えば、複数の第２凸部１２は、図２Ｂに示す複数の第１凸部１１に対応するように、ロータ５の回転軸Ｏを中心として環状に複数設けられている。すなわち、複数の第２凸部１２が同心円上に形成されている。

図２Ａ及び図２Ｂ〜図５においては、半径方向において隣り合う２つの第１凸部１１の間に１つの第２凸部１２が配置された構成、すなわち半径方向において第１凸部１１と第２凸部１２とが１つずつ交互に配置された構成について例示している。ただし、隣り合う２つの第１凸部１１の間に、少なくとも１つの第２凸部１２が配置されていればよく、例えば、半径方向において隣り合う２つの第１凸部１１の間に、２つの第２凸部１２が配置されていてもよい。
また、図２Ａ及び図２Ｂ〜図５においては、羽根車３２の背面３５が、ロータ５の回転軸Ｏに直交するように形成されている。この場合、複数の第１凸部１１の半径方向における配列方向、及び、複数の第２凸部１２の半径方向における配列方向は、いずれもロータ５の回転軸Ｏに直交する方向となっている。ただし、複数の第１凸部１１又は複数の第２凸部１２の配列方向は、回転軸Ｏに直交する面に対して傾斜した方向であってもよい。例えば、複数の第１凸部１１又は複数の第２凸部は、半径方向外側から内側へ向かうにつれて、軸方向において羽根車３２の入口側から離れるように傾斜した方向に沿って配列されていてもよい。

上記構成を備えるラビリンスシール１０において、流路１５を通過する流体から羽根車３２への入熱量を低減することを目的として、本発明者らが鋭意検討した結果、以下の知見が得られた。
本発明者らは、比較例としてラビリンスシール５０を用いて流動解析を行い、ラビリンスシール５０の流路５１内における流速分布と温度分布を算出した。
図６は、ラビリンスシール５０における流動解析結果のうち子午面内流速分布を示す図である。図７は、ラビリンスシール５０における流動解析結果のうち相対全温分布を示す図である。なお、比較例であるラビリンスシール５０は、図６及び図７に示すように、羽根車３２の背面側の第１凸部５２と静止部材４６の第２凸部５３とが半径方向に交互に配置されている。また、第１凸部５２と第２凸部５３との間の流路５１は、第１凸部５２の半径方向の外側の面と、第２凸部５３の先端部との間に最小クリアランス部５４が形成されている。

図６に示すように、流路５１内の流速分布は、最小クリアランス部５４において流速が最も高くなっている。最小クリアランス部５４の下流側には、隣り合う第２凸部５３の間と第１凸部５２の先端部とにより形成される膨張領域５５が位置する。一般的には、最小クリアランス部５４において高流速となった流体は、膨張領域５５において急減速する。これを繰り返すことによって、流体の圧力が徐々に低下していくことが知られている。しかし、図６に示すように、実際には最小クリアランス部５４を通過した流速の高い流体は静止部材４６側の壁面５６に衝突し、羽根車３２側へ戻る一部の流路においては流速が比較的高いままである。
一方、図７に示すように、流路５１内において相対全温が比較的高い領域は静止部材４６側に存在する。その理由は、静止部材４６付近の流体は絶対系における流速が小さく、羽根車３２とともに回転する回転座標系における流速が大きいことから、静止部材４６付近の流体は、回転壁面側（羽根車３２の背面側）の流体に対して相対全温が高くなるためである。
ここで、図６に戻り、比較例におけるラビリンスシール５０では、流路５１内において、最小クリアランス部５４を通過した流速の高い流体が静止部材４６側の壁面５６に衝突し、羽根車３２側へ戻る比較的高流速な流路が存在する。そのため、最小クリアランス部５４を通過した流速の高い流体が静止部材４６側の壁面５６に衝突してこの壁面５６に流れる際、羽根車３２側からみて相対全温が高い静止部材４６の壁面５６近傍の流体を随伴して羽根車３２側に移送してしまうことが考えられる。本発明者らは、これがラビリンスシール５０における羽根車３２への入熱増大の原因の一つであることを見出した。

図４及び図５を参照して、本実施形態に係るラビリンスシール１０は、本発明者らによる上述の知見に基づいて着想されたものであり、以下の構成をさらに備える。
幾つかの実施形態において、羽根車３２の背面３５と静止部材４６との間には、第１凸部１１と第２凸部１２との間に形成される複数の最小クリアランス部１６を含むラビリンス状の流路１５が半径方向に沿って形成されている。
また、第１凸部１１と第２凸部１２との間に形成される最小クリアランス部１６を通過する漏れ流れの流れ方向において、最小クリアランス部１６の上流側に静止部材４６が位置し、最小クリアランス部１６の下流側に羽根車３２の背面３５が位置する。

上記実施形態では、最小クリアランス部１６を通過する漏れ流れの流れ方向において、最小クリアランス部１６の上流側に静止部材４６が位置し、且つ、最小クリアランス部１６の下流側に羽根車３２の背面３５が位置するようになっている。このため、最小クリアランス部１６を通過する際に加速された流体は、静止部材４６側ではなく羽根車３２の背面３５に衝突した後、羽根車３２の背面３５に沿って流れる。よって、羽根車３２側からみて相対全温の高い静止部材４６の壁面近傍の流体が、最小クリアランス部１６を通過した流速の高い流体に随伴されて羽根車３２側に移送されてしまう事態を抑制できる。したがって、ラビリンスシール１０を通過する流体から羽根車３２への入熱量を低減し、羽根車３２の温度上昇を抑制することができる。

一実施形態において、ラビリンスシール１０は、羽根車３２の背面３５と静止部材４６との間を半径方向の内側に向かう漏れ流れをシールするように構成され、最小クリアランス部１６は、第１凸部１１の先端または第１凸部１１の半径方向の内側の面と第２凸部１２との間に形成されてもよい。
上記構成によれば、半径方向内側に向かう漏れ流れをシールするラビリンスシール１０において、最小クリアランス部１６の下流側において流体の羽根車３２の背面３５に向かう流れを実現できる。これにより、ラビリンスシール１０を通過する流体から羽根車３２への入熱量を低減し、羽根車３２の温度上昇を抑制することができる。

具体的には、図４及び図５に示されるように、流路１５内を流体が半径方向外側から内側へ向けて流れる場合、第１凸部１１における半径方向の内側の面又はこの面側の先端（剣先）と、第２凸部１２における半径方向の外側の面又はこの面側の先端（剣先）とによって、最小クリアランス部１６が形成される。流体が半径方向外側から内側へ向けて流れる場合、第１凸部１１における半径方向の内側の面、又は、第２凸部１２における半径方向の外側の面に沿って流れる流体は、静止部材４６側から羽根車３２側へ向かって流れる。そのため、静止部材４６側から羽根車３２側へ向かって流れる流路上に最小クリアランス部１６を設けることによって、羽根車３２側からみて相対全温の高い静止部材４６の壁面近傍の流体が、最小クリアランス部１６を通過した流速の高い流体に随伴されて羽根車３２側に移送されてしまう事態を抑制できる。
なお、ラビリンスシール１０は、流路１５内を流体が半径方向内側から外側へ向けて流れるように構成されてもよい。その場合、第１凸部１１における半径方向の外側の面又はこの面側の先端（剣先）と、第２凸部１２における半径方向の内側の面又はこの面側の先端（剣先）とによって、最小クリアランス部１６が形成される。

次に、図４及び図５に示す各実施形態の具体的な構成についてそれぞれ説明する。
図４に示すように、一実施形態において、ラビリンスシール１０の第２凸部１２の先端にはシール剣先１２ａが設けられている。また、最小クリアランス部１６は、第１凸部１１の半径方向の内側の面と、第２凸部１２のシール剣先１２ａとの間に形成される。
具体的構成例として、第１凸部１１の半径方向の内側の面は、軸方向に沿って形成されている。また、第１凸部１１の半径方向の外側の面は、軸方向に対して傾斜して形成されている。その際、第１凸部１１の半径方向の外側の面は、半径方向外側から内側へ向かうにつれて、軸方向において羽根車３２の入口側から離れる方向に傾斜していてもよい。第１凸部１１は、羽根車３２の背面３５側の基部よりも静止部材４６側の先端部の方が、半径方向における幅が大きくなっている。また、第１凸部１１は、半径方向における角部にＲがつけられていてもよいし、角部がテーパ状に面取りされていてもよい。これにより、軽量化の観点からアルミ合金等の材料で形成される場合に、耐久性を向上させることができる。
一方、第２凸部１２は、半径方向の内側の面及び外側の面がいずれも軸方向に対して傾斜して形成されており、これらの面が互いに平行である。この際、第２凸部１２の半径方向の内側の面及び外側の面は、半径方向外側から内側へ向かうにつれて、軸方向において羽根車３２の入口側から離れる方向に傾斜していてもよい。また、第２凸部１２も、半径方向における角部にＲがつけられていてもよいし、角部がテーパ状に面取りされていてもよい。

上記構成によれば、静止部材４６側の第２凸部１２にシール剣先１２ａを設けたので、最小クリアランス部１６の下流側において、最小クリアランス部１６を通過した流体の流れから静止部材４６の壁面（第２凸部１２の壁面）が遠ざかっている。このため、最小クリアランス部１６を通過した流速が高い流体に随伴されて羽根車３２側に移送されてしまう事態を効果的に抑制できる。よって、ラビリンスシール１０を通過する流体から羽根車３２への入熱量を効果的に低減し、羽根車３２の温度上昇をより一層抑制することができる。

この場合、第１凸部１１の半径方向の内側の面は、遠心圧縮機の軸方向（例えば図１に示す回転軸Ｏの方向）に沿って延在するシール面を形成している。また、第２凸部１２は、羽根車３２の背面３５側かつ半径方向の外側に向かって静止部材４６から突出して設けられている。
上記構成によれば、最小クリアランス部１６のクリアランス幅方向が半径方向に沿っているため、羽根車３２が軸方向にずれても、最小クリアランス部１６のクリアランス幅は影響を受けにくい。よって、羽根車３２の軸方向位置のずれによるシール性能低下を抑制することができる。

図５に示すように、他の実施形態において、ラビリンスシール１０の第１凸部１１の先端にはシール剣先１１ａが設けられている。また、最小クリアランス部１６は、第１凸部１１のシール剣先１１ａと、第２凸部１２の半径方向の外側の面との間に形成されている。
具体的構成例として、第１凸部１１の半径方向の内側の面、及び、第１凸部１１の半径方向の外側の面は、軸方向に対して傾斜して形成されている。その際、第１凸部１１の半径方向の内側の面、及び、第１凸部１１の半径方向の外側の面は、半径方向外側から内側へ向かうにつれて、軸方向において羽根車３２の入口側から離れる方向に傾斜していてもよい。また、第１凸部１１の半径方向の内側の面と、第１凸部１１の半径方向の外側の面との傾斜角度は異なっていてもよい。この場合、第１凸部１１は、羽根車３２の背面３５側の基部よりも静止部材４６側の先端部の方が、半径方向における幅が大きくなっている。また、第１凸部１１は、半径方向における角部にＲがつけられていてもよいし、角部がテーパ状に面取りされていてもよい。これにより、軽量化の観点からアルミ合金等の材料で形成される場合に、耐久性を向上させることができる。
一方、第２凸部１２は、半径方向の内側の面及び外側の面がいずれも軸方向に沿って形成されており、これらの面が互いに平行である。また、第２凸部１２も、半径方向における角部にＲがつけられていてもよいし、角部がテーパ状に面取りされていてもよい。

上記構成によれば、羽根車３２側の第１凸部１１のシール剣先１１ａと、静止部材４６の第２凸部１２の径方向外側の面との間に形成される最小クリアランス部１６を通過した流体を、羽根車３２の背面３５に向かわせることができる。これにより、ラビリンスシール１０を通過する流体から羽根車３２への入熱量を低減し、羽根車３２の温度上昇を抑制することができる。

この場合、第１凸部１１の先端にはシール剣先１１ａが設けられており、最小クリアランス部１６は、第１凸部１１のシール剣先１１ａと、第２凸部１２の半径方向の外側の面との間に形成される。
上記構成によれば、最小クリアランス部１６のクリアランス幅方向が半径方向に沿っているため、羽根車３２が軸方向にずれても、最小クリアランス部１６のクリアランス幅は影響を受けにくい。よって、羽根車３２の軸方向位置のずれによるシール性能低下を抑制することができる。

上述したように、本発明の少なくとも一実施形態に係るラビリンスシール１０によれば、ラビリンスシール１０を通過する流体から羽根車３２への入熱量を低減し、羽根車３２の温度上昇を抑制することができる。よって、羽根車３２の高温化に起因したクリープ寿命の低下を抑制できる。
また、本発明の少なくとも一実施形態に係る遠心圧縮機によれば、ラビリンスシール１０を通過する流体から羽根車３２への入熱量を低減し、羽根車３２の温度上昇を抑制することができる。よって、羽根車３２の高温化に起因したクリープ寿命の低下を抑制でき、遠心圧縮機の高圧力比化を実現することが可能になる。
さらに、本発明の少なくとも一実施形態に係る過給機１によれば、ラビリンスシール１０を通過する流体から羽根車３２への入熱量を低減することで、遠心圧縮機の高圧力比化が実現可能となり、過給機１の性能を向上させることができる。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
上記実施形態では一例として、ラビリンスシール１０が過給機１における遠心圧縮機３に適用された場合について説明したが、ラビリンスシール１０の適用先は過給機の遠心圧縮機３に限定されるものではなく、他の遠心圧縮機に用いられてもよい。
また、上記実施形態では一例として、遠心圧縮機の適用先として過給機１について説明したが、本実施形態に係る遠心圧縮機の適用先はこれに限定されるものではない。

例えば、「半径方向」、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

１ 過給機
２ タービン
３ 遠心圧縮機
４ 軸受台
５ ロータ
１０ ラビリンスシール
１１ 第１凸部
１１ａ，１２ａ シール剣先
１２ 第２凸部
１５ 流路
１６ 最小クリアランス部
２１ タービンケーシング
２４ 動翼
３１ 圧縮機ケーシング
３２ 羽根車
３３ ハブ
３５ 背面
４１ スラスト軸受
４２ ラジアル軸受
４３ ラジアル軸受
４４ 潤滑油供給通路
４６ 静止部材
５０ ラビリンスシール
５１ 流路
５２ 第１凸部
５３ 第２凸部
５４ 最小クリアランス部
５５ 膨張領域
５６ 壁面
Ｏ 回転軸

Claims (7)

1. 羽根車と、前記羽根車の背面側に設けられる静止部材とを備える遠心圧縮機に用いられるラビリンスシールであって、
   前記羽根車の背面上の周方向に沿ってそれぞれ設けられる複数の第１凸部と、
   隣接する前記第１凸部間に先端部が侵入するように前記静止部材に周方向に沿って設けられる複数の第２凸部と、を備え、
   前記羽根車の背面と前記静止部材との間には、前記第１凸部と前記第２凸部との間に形成される複数の最小クリアランス部を含むラビリンス状の流路が形成されており、
   前記第１凸部と前記第２凸部との間に形成される最小クリアランス部を通過する流れの流れ方向において、前記最小クリアランス部の上流側に前記静止部材が位置し、前記最小クリアランス部の下流側に前記羽根車の前記背面が位置するとともに、
   前記ラビリンスシールは、前記羽根車の前記背面と前記静止部材との間を半径方向の内側に向かう前記流れをシールするように構成され、
   前記最小クリアランス部は、前記第１凸部の先端と前記第２凸部との間、または前記第１凸部と前記第２凸部の先端との間に形成されることを特徴とするラビリンスシール。
2. 前記第２凸部の先端にはシール剣先が設けられており、
   前記最小クリアランス部は、前記第１凸部と、前記第２凸部の前記シール剣先との間に形成され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. 前記第１凸部は、前記遠心圧縮機の軸方向に沿って延在するシール面を形成しており、
   前記第２凸部は、前記羽根車の前記背面側かつ前記半径方向の外側に向かって前記静止部材から突出して設けられていることを特徴とする請求項２に記載のラビリンスシール。
4. 前記第１凸部の先端にはシール剣先が設けられており、
   前記最小クリアランス部は、前記第１凸部の前記シール剣先と、前記第２凸部との間に形成され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。
5. 前記第２凸部の前記半径方向の外側の面は、前記遠心圧縮機の軸方向に沿って延在するシール面を形成しており、
   前記第１凸部は、前記静止部材側かつ前記半径方向の内側に向かって前記羽根車の前記背面から突出して設けられていることを特徴とする請求項４に記載のラビリンスシール。
6. 流体が半径方向に流れる羽根車と、
   前記羽根車の背面側に設けられる静止部材と、
   前記羽根車の前記背面と前記静止部材との間に設けられる請求項１乃至５の何れか一項に記載のラビリンスシールと、を備えることを特徴とする遠心圧縮機。
7. 請求項６に記載の遠心圧縮機と、
   内燃機関の排気ガスによって駆動されて、前記遠心圧縮機を駆動するように構成されたタービンと、を備えることを特徴とする過給機。