JP6283351B2 - らせん形およびらせん形−円筒形混合パターンを有する高減衰ラビリンスシール - Google Patents

Description

本明細書に開示される主題の実施形態は、概して、ターボ機械に関し、さらに詳しくは、ターボ機械におけるロータ動力学を改善するための装置および方法に関する。

ラビリンスシールは、ポンプ、遠心圧縮機、およびタービンなどのターボ機械において、高圧領域から低圧領域への漏れを最小限にするために、一般的に使用されている。ラビリンスシールは、ターボ機械の静止部分（すなわち、「ステータ」）と回転部分（すなわち、「ロータ」）との間に曲がりくねった経路（すなわち、「ラビリンス」）を形成するいくつかの溝または歯を備えている。ラビリンスシールは、歯がステータに形成されるステータ型（ｓｔａｔｏｒｉｃ）または歯がロータに形成されるロータ型（ｒｏｔｏｒｉｃ）であってよい。ラビリンスシールの溝または歯と、対向する表面とが、ラビリンスシールを通過する高圧領域から低圧領域への流体の流れを妨げる。しかしながら、ロータの回転を可能にするために、ラビリンスの溝または歯と対向する表面との間に、空間またはすき間が必要である。したがって、ラビリンスシールは流体の流れを妨げるが、すき間ゆえに、ラビリンスシールをまたぐ圧力差に起因して、高度に加圧された流体が高圧領域からすき間を通って低圧領域へと漏れる可能性がある。ラビリンスシールは、一般に、この漏れを含むように設計される。

ラビリンスシールを通過する漏れの流れを、すき間を減らすことによって軽減することができる。この目的のため、摩耗可能なラビリンスシールが開発されている。摩耗可能なラビリンスシールは、回転側の歯に対向する静止側部分が摩耗可能な材料で形成されるロータ型のラビリンスシールである。摩耗可能なラビリンスシールにおけるすき間を、例えば過渡的な状況における回転振動に起因して回転側の歯が摩耗可能なステータとこすれるときに、回転側の歯がステータの摩耗可能な材料へと切り込んですき間を増やすがゆえに、きわめて小さくすることが可能である。摩耗可能なラビリンスシールは、不安定化の作用が大きいがゆえに、高圧遠心圧縮機に適用することが現実的には不可能である。不安定性へのシールの寄与は、回転部品と一緒に回転する周方向に沿ったガス環が生じる可能性に関係がある。それらの小さいすき間は、不安定化の作用がより大きい周方向の経路へとガスを捕らえておこうとする傾向を有する。

ステータ型およびロータ型の両方のラビリンスシールにおいて、小さなすき間は、漏れを減らすことができるが、ラビリンスシールへの入り口における入り口スワール（ｉｎｌｅｔ ｓｗｉｒｌ）ならびに回転に起因する遠心力によってラビリンスシールの内部に生じる周方向の流れゆえに、ロータの安定性に負の影響も及ぼす。ロータの安定性を改善する試みにおいて、ターボ機械におけるラビリンスシールは、スワールブレーキ（ｓｗｉｒｌ ｂｒａｋｅｓ）によって改良され、あるいはシャント穴（ｓｈｕｎｔ ｈｏｌｅｓ）を備えている。例えば、ステータ型のインペラアイ（ｉｍｐｅｌｌｅｒ ｅｙｅ）ラビリンスは、通常はスワールブレーキを備えるように改良され、通常はバランスドラムにシャント穴が装備される。しかしながら、これらの装置は、実行が困難である可能性があり、ターボ機械の製造および設計段階に追加のコストを持ち込む可能性がある。さらに、インペラアイのロータ型のラビリンスシールを安定にするための装置は、現時点では手に入れることができない。

したがって、ターボ機械におけるロータ動力学を単純かつ費用効果に優れたやり方で改善するためのシステムおよび方法を提供することが、望ましいと考えられる。

特に、機械的な観点から、高圧遠心圧縮機においては、大きな差圧の存在ゆえに、高い強度を有する機械的に堅固なシールが必要である。これらの理由で、遠心圧縮機におけるラビリンスシールは、タービンにおいて行なわれるように単一のチャンバを生み出すために小さな環状のリブを組み合わせる代わりに、アルミニウム製または鋼製のリングから出発して機械加工される。同時に、石油およびガス産業に典型的なＨ２Ｓ、ＣＯ２、および他のガス汚染物質の存在が、信頼性の高い証明済みの技術的解決策を使用する必要性と相俟って、応力強度および耐食性の両方に関して高い機械的性質を有する周知の材料（典型的には、アルミニウムおよび鋼）の使用につながっている。

本発明は、高圧遠心圧縮機におけるラビリンスシールの実際の設計を改善し、周知の材料を使用しながら安定性およびシール能力の両方の必要性を解決する新規な技術的解決策をもたらすことを目的とする。

米国特許出願公開第２０１０／２５３００５号明細書

この概要は、「発明を実施するための形態」においてさらに後述される考え方の選択を、簡単な形で照会するために提示される。この概要は、請求項に記載される主題の重要な特徴または必須の特徴を特定しようとするものではなく、請求項に記載の主題の技術的範囲を限定するために使用されるものでもない。

一典型的な実施形態によれば、１つ以上の静止部品と１つ以上の回転部品とを有しているターボ機械の高圧領域をこのターボ機械の低圧領域からシールするための装置が存在する。この装置は、第１の複数の溝と第２の複数の溝とを有するラビリンスシールを備える。第１の複数の溝は、らせん状のパターンにて配置され、第２の複数の溝は、円筒形のパターンにて配置される。このラビリンスシールが、ターボ機械の高圧領域と低圧領域との間において、ターボ機械の１つ以上の回転部品のうちの少なくとも１つと、ターボ機械の１つ以上の静止部品のうちの少なくとも１つとの間に配置される。別の典型的な実施形態によれば、上記の段落において述べたラビリンスシールが、らせん状のパターンにて配置された前記第１の複数の溝が形成された第１の回転部分と、前記第１の回転部分に隣接して配置され、円筒形のパターンにて配置された前記第２の複数の溝が形成された第２の回転部分とを備える。前記第１の回転部分は、ターボ機械の高圧領域においてターボ機械の１つ以上の回転部品のうちの少なくとも１つに配置される。前記第２の回転部分は、ターボ機械の低圧領域においてターボ機械の１つ以上の回転部品のうちの少なくとも１つに配置される。

前記第１の回転部分および前記第２の回転部分は、ターボ機械の１つ以上の静止部品のうちの少なくとも１つに対向して、ターボ機械の１つ以上の静止部品のうちの少なくとも１つとのシールの関係に配置される。前記第１の回転部分は、前記第２の回転部分の回転の方向と同じ方向または前記第２の回転部分の回転の方向と反対の方向に回転することができる。摩耗可能な材料でコートされた静止部分を、ラビリンスシールの前記第１および第２の回転部分に対向してラビリンスシールの前記第１および第２の回転部分とのシールの関係にあるターボ機械の少なくとも１つ以上の静止部品に配置することができる。

別の典型的な実施形態によれば、「発明の概要」の最初の段落において述べたラビリンスシールが、ターボ機械の高圧領域と低圧領域との間においてターボ機械の１つ以上の静止部品のうちの少なくとも１つに配置された静止部分を備える。第１の複数の溝が、ターボ機械の高圧領域において静止部分に形成され、第２の複数の溝が、ターボ機械の低圧領域において静止部分に第１の複数の溝に隣接して形成され、静止部分は、ターボ機械の１つ以上の回転部品のうちの少なくとも１つに対向して、ターボ機械の１つ以上の回転部品のうちの少なくとも１つとのシールの関係に配置される。回転部分を、ラビリンスシールの静止部分に対向してターボ機械の少なくとも１つ以上の回転部品に配置することができる。

別の典型的な実施形態によれば、ターボ機械の高圧領域をこのターボ機械の低圧領域からシールするための上記３つの段落のいずれかによる装置であって、ラビリンスシールが前記複数の溝にスワールブレーキを備えない装置が存在する。

別の典型的な実施形態によれば、１つ以上の静止部品と１つ以上の回転部品とを有するターボ機械の高圧領域をこのターボ機械の低圧領域からシールするための装置が存在する。装置は、らせん状のパターンにて配置された複数の溝を有しているラビリンスシールを備え、ラビリンスシールは、複数の溝にスワールブレーキを備えない。ラビリンスシールは、ターボ機械の高圧領域と低圧領域との間において、ターボ機械の１つ以上の回転部品のうちの少なくとも１つと、ターボ機械の１つ以上の静止部品のうちの少なくとも１つとの間に配置される。別の典型的な実施形態によれば、１つ以上の静止部品と１つ以上の回転部品とを有するターボ機械の高圧領域をこのターボ機械の低圧領域からシールするための方法が存在する。この方法は、らせん状のパターンにて配置された複数の溝であって、スワールブレーキが形成されていない複数の溝を有しているラビリンスシールを、ターボ機械の１つ以上の静止部品のうちの少なくとも１つと、１つ以上の回転部品のうちの少なくとも１つとの間、かつターボ機械の高圧領域と低圧領域との間に形成するステップを含む。ラビリンスシールを形成するステップは、ターボ機械の高圧領域においてターボ機械の１つ以上の静止部品のうちの少なくとも１つに対向する１つ以上の回転部品のうちの少なくとも１つに第１の回転部分を形成するステップと、ターボ機械の低圧領域においてターボ機械の１つ以上の静止部品のうちの少なくとも１つに対向する１つ以上の回転部品のうちの少なくとも１つに第１の回転部分に隣接する第２の回転部分を形成するステップと、ラビリンスシールの第２の回転部分に円筒形のパターンにて第２の複数の溝を形成するステップとを含むことができる。第１の回転部分を形成するステップおよび第２の回転部分を形成するステップは、第２の回転部分の回転の方向と同じ方向または第２の回転部分の回転の方向と反対の方向に回転するように第１の回転部分を形成するステップを含むことができる。摩耗可能な材料でコートされた静止部分を、ラビリンスシールの第１および第２の回転部分に対向してラビリンスシールの第１および第２の回転部分とのシールの関係にあるターボ機械の少なくとも１つ以上の静止部品に形成することができる。

別の典型的な実施形態によれば、１つ以上の静止部品と１つ以上の回転部品とを有するターボ機械の高圧領域をこのターボ機械の低圧領域からシールするための方法が存在する。この方法は、らせん状のパターンにて配置された複数の溝であって、スワールブレーキが形成されていない複数の溝を有しているラビリンスシールを、ターボ機械の１つ以上の静止部品のうちの少なくとも１つと、１つ以上の回転部品のうちの少なくとも１つとの間、かつターボ機械の高圧領域と低圧領域との間に形成するステップを含む。ラビリンスシールを形成するステップは、ターボ機械の１つ以上の回転部品のうちの少なくとも１つに対向してターボ機械の１つ以上の回転部品のうちの少なくとも１つとのシールの関係にある１つ以上の静止部品のうちの少なくとも１つに静止部分を形成するステップと、この静止部分にらせん状のパターンにて複数の溝を形成するステップとを含むことができる。

本発明および本発明のすべての実施形態のきわめて重要な技術的特徴は、らせん状のパターンを有する複数の溝であり、そのような溝をスワールブレーキと混同してはならず、特にスワールブレーキとして作用する突起と混同してはならないことに留意すべきである。特に、好都合には、らせん状のパターンが、１０°以下、好ましくは０．５°〜５°の間のらせん角度を有することにより、ターボ機械の安定化の作用が得られ、らせん状のパターンを有する複数の溝に起因する漏れを無視することができる。

好ましくは、らせん状のパターンの複数の溝が、少なくとも５つの溝で構成される。

いくつかの実施形態においては、らせん状のパターンの複数の溝が、円筒形のパターンの複数の溝に隣接し、この場合には、らせん状のパターンの複数の溝が、円筒形のパターンの複数の溝に直接隣接する。

本明細書に取り入れられて本明細書の一部を構成する添付の図面は、１つ以上の実施形態を示しており、それらの実施形態を明細書と協働して説明する。

典型的なターボ機械の一部分の断面の概略図である。 典型的なラビリンスシールの断面の概略図である。 図２のラビリンスシールにおける漏れの流れを説明する概略図である。 図２のラビリンスシールにおける漏れの流れを説明する概略図である。 ターボ機械の高圧領域を低圧領域からシールするための典型的な実施形態による装置の断面の概略図である。 ターボ機械の高圧領域を低圧領域からシールするための別の典型的な実施形態による装置の断面の概略図である。 典型的な実施形態における流れの成分を説明する概略図である。 典型的な実施形態における流れの成分を説明する概略図である。 典型的な実施形態によるラビリンスシールにおけるスワールの変化を説明する概略図である。 ターボ機械の高圧領域を低圧領域からシールするための典型的な実施形態による装置の改良の断面の概略図である。 ターボ機械の高圧領域を低圧領域からシールするための典型的な実施形態による装置の改良の断面の概略図である。 ターボ機械の高圧領域を低圧領域からシールするための典型的な実施形態による装置の改良の断面の概略図である。

典型的な実施形態の以下の説明は、添付の図面を参照する。種々の図において、同じ参照番号は、同一または類似の構成要素を指し示している。以下の詳細な説明は、本発明を限定するものではない。むしろ、本発明の技術的範囲は、添付の特許請求の範囲によって定められる。以下の実施形態は、簡単のために、遠心圧縮機の用語および構造に関して論じられる。しかしながら、以下で論じられる実施形態は、そのようなシステムに限られず、膨張器、ポンプ、およびタービンなどといったターボ機械の他のシステムにも（適切な調節を伴って）適用可能である。

明細書の全体を通して、「一実施形態」または「実施形態」への言及は、或る実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が、開示される主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書の種々の箇所において現れる「一実施形態において」または「実施形態において」という表現は、必ずしも同じ実施形態に言及しているわけではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性を、１つ以上の実施形態において任意の適切なやり方で組み合わせることが可能である。

図１が、典型的なターボ機械の一部分の断面の概略図である。図１に示されているターボ機械は、ターボ機械において高圧領域を低圧領域からシールするための本明細書に開示のとおりの装置および方法を実施することができる遠心圧縮機１００である。遠心圧縮機１００は、あくまでも例として本明細書において説明され、本発明を限定しようとするものではない。当業者であれば、本発明の全体を別の種類の圧縮機または別の種類のターボ機械において実施できることを、容易に理解できるであろう。

遠心圧縮機１００が、ハウジング１０２と、回転可能なシャフト１０４と、回転可能なシャフト１０４に取り付けられた複数のインペラ１０６とを備えている。流体が、各々のインペラ１０６に順に進入する。インペラ１０６が、流体に運動エネルギを与え、流体の速度を高める。ディフューザ１０８が、流体の速度を徐々に低下させることによって流体の運動エネルギを圧力に変換する。アイラビリンスシール１１４が、インペラアイに配置され、シャフトラビリンスシール１１６が、インペラ１０６間で回転シャフト１０４に取り付けられたスペーサ１１８またはインペラ最下部に配置されている。遠心圧縮機１００は、インペラ１０６によって引き起こされる回転シャフト１０４の軸方向の推力に対して対抗する軸方向の推力をもたらすためのバランスピストン１１９をさらに備えている。バランスピストンラビリンスシール１１２が、バランスピストンに配置されている。アイラビリンスシール１１４、シャフトラビリンスシール１１６、およびバランスピストンラビリンスシール１１２の各々が、圧縮機１００において高圧の領域を低圧の領域からシールする。さらに詳しく後述されるように、ラビリンスシール１１２、１１４、および１１６の各々が、遠心圧縮機１００のロータの動的な安定性に大きな影響を有する可能性がある。図１に示したとおりの遠心圧縮機１００が、あくまでも例示を意図しているにすぎず、より少数またはより多数の構成部品を含んでよいことを、理解すべきである。

図２が、ターボ機械において高圧領域Ｐ２を低圧領域Ｐ１からシールするために使用することができるラビリンスシール２００の例を示している。ラビリンスシール２００は、複数の溝２０４が円筒形のパターンにて形成された回転部分２０２と、回転部分に対向して配置された静止部分２０６とを備えている。空間またはすき間２０８が、回転部分２０２の回転を可能にするために静止部分２０６と回転部分２０２との間に設けられている。回転部分２０２が、静止部分２０６と協働して、高圧領域Ｐ２と低圧領域Ｐ１との間に非接触のシールを形成する。図２のラビリンスシール２００において、静止部分２０６を、摩耗可能な材料で製作することができる。したがって、静止部分２０６と回転部分２０２との間のすき間２０８を、例えば始動、停止、または負荷変動などの過渡の状況等において回転部分２０２の歯２２４が静止部分２０６の摩耗可能な材料とこすれる場合に、歯２２４が摩耗可能な材料に溝を形成してすき間２０８を増やすがゆえに、小さくすることができる。

ラビリンスシールにおける小さなすき間は、漏れを少なくすることができるが、図３ａおよび３ｂに関してさらに詳しく後述されるように、ラビリンスシールへの入り口における入り口スワールならびに回転に起因する遠心力によってラビリンスシールの内部に生じる周方向の流れゆえに、ロータの安定性に負の影響も及ぼす。

図３ａおよび３ｂが、図２に示した形式のラビリンスシール２００における漏れの流れを説明する概略図である。図３ａおよび３ｂに示されるとおり、ラビリンスシール２００に進入する高度に加圧された流体は、高圧領域から低圧領域へとロータ３００の軸方向３０２に流れ、ロータ３００の外周を巡って回転の方向に流れるロータ３００の回転に起因する周方向の流れの成分３０４またはスワールを含んでいる。周方向の流れの成分３０４は、ラビリンスシール２００の溝２０４へと流れ、ロータの動的な安定性に直接的に影響を及ぼす。ラビリンスシールへの入り口におけるスワール（「入り口スワール」）は、ラビリンスシールの自励横振動につながることが多い力をラビリンスシールに生じさせる可能性がある。ラビリンスシールにおける不安定化の力は、主として入り口スワールおよび周方向の流れの速度に起因する。ラビリンスシールにおける不安定化の力は、すき間が小さいほど大きくなる。すき間を減らすことで、ロータの不安定につながりかねない入り口スワールおよび周方向の圧力分布の増大が生じる。したがって、ラビリンスシールにおける漏れの軽減とロータの安定性との間にトレードオフが存在する。しかしながら、ロータが不安定である場合、典型的には、壊滅的な故障を回避するためにターボ機械の速やかな停止が必要になると考えられる。したがって、ロータの動的な安定性が、ターボ機械の適切な動作のために必要である。

すでに述べたように、ラビリンスシールまたはラビリンスシールの前に１つ以上のスワールブレーキを追加することによってラビリンスシールへの入り口におけるスワールの速度を下げる試みが行なわれている。スワールブレーキは、周方向の流れをなくし、入り口スワールの速度を下げることができる。高圧の流体の流れをそらすために分岐経路（ｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅ ｐａｔｈｓ）がシールに機械加工されるシャント穴も、入り口スワールの速度を下げるために同じ結果にて使用されている。しかしながら、スワールブレーキおよびシャント穴の追加は、複雑であり（例えば、シャント穴には複雑な穿孔が必要である）、追加の製造および設計コストが持ち込まれる。

本明細書に開示される実施形態は、ロータの動的な安定性を改善するための低コストな技術的解決策を提供することを目的とする。次に、ターボ機械においてロータの動的な特性を改善するための実施形態を、図４に関して説明する。

図４が、ターボ機械において高圧領域Ｐ２を低圧領域Ｐ１からシールするための典型的な実施形態による装置４００の断面の概略図である。装置４００を、高圧領域と低圧領域との間の接続が存在するあらゆる種類のターボ機械において実施することができる。例えば、装置４００を、図１に示した遠心圧縮機１００あるいはより多数またはより少数の部品を有する遠心圧縮機などの遠心圧縮機、もしくは膨張器、タービン、ポンプ、などにおいて実施することができる。

装置４００は、複数の溝４０４がらせん状のパターンにて形成されたラビリンスシール４０２を備えている。らせん状に形成された溝４０４を備えることで、本明細書においてさらに後述されるように、装置４００に安定化の効果が生み出される。したがって、ラビリンスシール４０２においては、複数の溝４０４または複数の溝４０４の前に、スワールブレーキが備えられていない。図４に示した実施形態においては、ラビリンスシール４０２が、複数の溝４０４が形成された回転部分４１０を備える。しかしながら、他の実施形態においては、例えば図８に示されているように、複数の溝４０４がラビリンスシールの静止部分に形成されてもよい。

らせん状のパターンにて配置された複数の溝４０４は、原理的に、負または正のらせん角度を有することができる（らせん角度は、シールの軸に垂直な平面に対する条（ｔｈｒｅａｄ）の傾きの角度である）。

特に、ラビリンスシールにおける漏れは、らせん角度の関数であり、らせん角度が０°（円筒形のパターン）に近いときに最小である。交差結合剛性（ｃｒｏｓｓ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）は、らせん角度の減少関数であり、したがってらせん状のシールにおいては、円筒形のシールよりも少し漏れが多いが、不安定化作用は小さい。さらに、ラビリンスシールにおける漏れは、溝の数の関数であり、数が多いほど漏れが少ない。

らせん角度が０°（すなわち、円筒形の歯の経路）であるとき、環状のガス経路は最大であり、結果としてガスのスワールが最大であり、不安定化作用が最大である。同時に、空気力学的な力が作用している表面は、らせん角度の増加関数であり（不安定化の作用が増す）、したがって不安定化の作用が最小となる最適角度が存在するはずである。

３０°未満のらせん角度の値が、高い安定性および少ない漏れをもたらす一方で、３０°よりも大きい値は、漏れの観点から容認できない。

複数の溝４０４を、溝によって溝間に形成される高い部分（以下では、「歯」４１８と称される）が装置の用途のあらゆる要件に調和した外形を有するように、機械加工することができ、あるいは他のやり方で形成することができる。例えば、歯の外形は、正方形、台形、三角形、または装置の個々の用途にとって有益となりうる任意の他の形状であってよい。複数の溝４０４を、所望のらせん角度および所望の歯の外形を有するらせん状のパターンにて溝を形成することができる任意の公知または未だ発見されていない方法および／または装置を使用して、ラビリンスシール４０２の回転部分４１０に機械加工することができる。

装置４００は、複数の溝４０４が形成された回転部分４１０に対向して、この回転部分４１０とのシールの関係に配置された静止部分４０６をさらに備える。すき間４０８が、回転部分４１０の回転を可能にするために、静止部分４０６と回転部分４１０との間に設けられている。静止部分４０６は、例えば「ハウジング」または「パッキン」（図示されていない）などにラビリンスシール４０２または装置４００の一部として含まれてよい。あるいは、静止部分４０６は、例えばポンプケーシングまたはハウジング、あるいはターボ機械の高圧領域と低圧領域との間のターボ機械の任意の他の静止部品など、ターボ機械の一体の一部分として形成されてもよい。そのような場合、ロータ型のラビリンスシール４０２を、ターボ機械の静止部分４０６に直接対向させて配置することができる。静止部分４０６がラビリンスシール４０２または装置４００の一部分として含まれるいくつかの実施形態においては、静止部分４０６を摩耗可能な材料で製作することができ、あるいはいくつかの他の実施形態においては、静止部分４０６のうちの回転部分４１０に対向して、回転部分４１０とのシールの関係に配置された表面４１６に、摩耗可能なコーティングを形成することができる。静止部分４０６が摩耗可能な材料で製作され、あるいは静止部分４０６に摩耗可能なコーティングが形成される場合には、回転部分４１０と静止部分４０６との間のすき間４０８を減らすことが可能である。なぜならば、例えば回転部分４０２に旋回または振動を引き起こす始動、停止、または負荷変動などの過渡的な状況の期間において、回転部分４０２の歯４１８が静止部分４０６の表面４１６にぶつかり、あるいはこすれる場合に、歯４１８が静止部分４０６または静止部分４０６の表面４１６の摩耗可能な材料へと溝を刻み、すき間４０８を大きくするからである。

図４のラビリンスシール４０２を、ターボ機械の高圧領域と低圧領域との間において、ターボ機械の少なくとも１つの回転部品とターボ機械の少なくとも１つの静止部品との間に配置することができる。例えば、静止部分４０６を、ターボ機械の１つ以上の静止部品に形成することができ、回転部分４１０、第１の回転部分４１２、および／または第２の回転部分４１４を、ターボ機械の１つ以上の回転部品に形成することができる。回転部分４１０、４１２、４１４が、静止部分４０６と協働して、ターボ機械の高圧領域Ｐ２をターボ機械の低圧領域Ｐ１からシールする。例えば、回転部分４１０、４１２、４１４および静止部分４０６を、インペラアイ、バランスドラム、などのためのシールをもたらすようにターボ機械の部品に配置することができる。

ターボ機械の任意の静止または回転部品に「形成」されるラビリンスシール４０２または装置４００の任意の静止または回転部分を、技術的に公知または未発見の任意の手段または他の製造技術によって、これらの部品と一体に形成できることを、理解すべきである。次に、ターボ機械におけるロータの動的な特性を改善するための別の実施形態を、図５に関して説明する。

図５は、ターボ機械において高圧領域Ｐ２を低圧領域Ｐ１からシールするための別の典型的な実施形態による装置５００の断面の概略図である。装置５００を、高圧領域と低圧領域との間に接続が存在するあらゆる種類のターボ機械において実施することができる。例えば、装置５００を、図１に示した遠心圧縮機１００あるいはより多数またはより少数の部品を有する遠心圧縮機などの遠心圧縮機、もしくはタービン、ポンプ、などにおいて実施することができる。

装置５００は、らせん状のパターンにて配置された第１の複数の溝５０４と、第１の複数の溝５０４に隣接する円筒形のパターンにて配置された第２の複数の溝５０６とを有するラビリンスシール５０２を備えている。らせん状に形成された溝５０４を備えることで、本明細書においてさらに後述されるように、装置５００に安定化の効果が生み出される。したがって、ラビリンスシール５０２においては、第１の複数の溝５０４および第２の複数の溝５０６、あるいは第１の複数の溝５０４および第２の複数の溝５０６の前に、スワールブレーキが備えられていない。ラビリンスシール５０２を、ターボ機械の高圧領域と低圧領域との間において、ターボ機械の少なくとも１つの回転部品とターボ機械の少なくとも１つの静止部品との間に配置することができる。ラビリンスシール５０２は、ターボ機械の高圧領域に配置された第１の回転部分５１０と、ターボ機械の低圧領域に第１の回転部分５１０に隣接して配置された第２の回転部分５１２とを備える。らせん状のパターンにて配置された第１の複数の溝５０４が、ターボ機械の高圧領域の第１の回転部分５１０に形成され、円筒形のパターンにて配置された第２の複数の溝５０６が、ターボ機械の低圧領域の第２の回転部分５１２に形成されている。

図５の実施形態においては、らせん状のパターンが、１０°以下、好ましくは０．５°〜５°の間のらせん角度を有し、したがってターボ機械の安定化効果が得られ、らせん状のパターンの複数の溝に起因する漏れは無視できる。らせん状のパターンの複数の溝５１０は、少なくとも５つの溝で構成される。らせん状のパターンの複数の溝５１０は、円筒形のパターンの複数の溝５１２に隣接し、好ましくは図５に示されるように、らせん状のパターンの複数の溝が、円筒形のパターンの複数の溝に直接隣接する。

好ましくは、らせん状のパターンの複数の溝および円筒形のパターンの複数の溝の両方が、前記回転部品または前記静止部品のいずれかに組み合わせられ、図５の実施形態においては、両方が回転部品に組み合わせられている。

ラビリンスシールは、らせん状のパターンの複数の溝５１０が位置する領域において第１のすき間を有し、円筒形のパターンの複数の溝５１２が位置する領域において第２のすき間を有し、好ましくは第１のすき間と第２のすき間との間の比が、２以下かつ０．５以上である。図５の好ましい実施形態においては、この比が１にほぼ等しい。

らせん状のパターンにて配置された複数の溝５０４は、原理的に、時計方向または反時計方向を有することができる。

最大１５０ｂａｒの出口圧力の圧縮機において、らせん状のパターンにて配置された前記第１の複数の溝５０４を円筒形のパターンにて配置された前記第２の複数の溝５０６と組み合わせ、らせん状のパターンのらせん角度を０．５°〜１０°の間、特に０．５°〜５°の間とすることで、安定性および漏れに関して予期せぬ結果が得られている。

さらに、遠心圧縮機の高圧領域と低圧領域との間の漏れを抑えるために、溝（または、歯）の数は、好ましくは少なくとも５つの歯でなければならない。

第１の複数の溝５０４および第２の複数の溝５０６を、溝によって溝間に形成される高い部分（以下では、「歯」と称される）が装置の用途のあらゆる要件に調和した外形を有するように、機械加工することができ、あるいは他のやり方で形成することができる。例えば、歯の外形は、正方形、台形、三角形、または装置の個々の用途にとって有益となりうる任意の他の形状であってよい。第１の複数の溝５０４および第２の複数の溝５０６を、所望のらせん角度および所望の歯の外形を有するらせん状のパターンの溝５０４ならびに所望の歯の外形を有する円筒形のパターンの溝５０６をそれぞれ形成することができる任意の公知または未だ発見されていない方法および／または装置を使用して、ラビリンスシール５０２の第１の回転部分５１０および第２の回転部分５１２にそれぞれ機械加工し、あるいは他のやり方で形成することができる。

装置５００は、第１の複数の溝５０４が形成された第１の回転部分５１０および第２の複数の溝５０６が形成された第２の回転部分５１２に対向して、これらの回転部分５１０、５１２とのシールの関係に配置された静止部分５０８をさらに備える。すき間５１４が、回転部分５１０、５１２の回転を可能にするために、静止部分５０８と第１および第２の回転部分５１０、５１２との間に設けられている。静止部分５０８は、例えば「ハウジング」または「パッキン」（図示されていない）などにラビリンスシール５０２または装置５００の一部として含まれてよい。あるいは、静止部分５０６は、例えばポンプケーシングまたはハウジング、あるいはターボ機械の高圧領域と低圧領域との間のターボ機械の任意の他の静止部品など、ターボ機械の一体の一部分であってもよい。そのような場合、ロータ型のラビリンスシール５０２を、ターボ機械の静止部分５０８に直接対向させて配置することができる。静止部分５０８がラビリンスシール５０２の一部品または装置５００の一部品であるいくつかの実施形態においては、静止部分５０８を摩耗可能な材料で製作することができ、あるいは静止部分５０８のうちの第１の回転部分５１０および第２の回転部分５１２に対向して、第１の回転部分５１０および第２の回転部分５１２とのシールの関係に配置された表面５１８に、摩耗可能なコーティングを形成することができる。静止部分５０８が摩耗可能な材料で製作され、あるいは静止部分５０８の表面５１８に摩耗可能なコーティングが形成される場合には、すき間５１４を減らすことが可能である。

らせん状のパターンにて配置された第１の複数の溝５０４が、図５においては３つのらせん状に形成された溝を有して図示されているが、この数は、あくまでも例示にすぎず、本発明を限定しようとするものではない。例えば、第１の複数の溝５０４は、４つ、５つ、６つ、または任意の他の数のらせん状に形成された溝を含むことができる。同様に、円筒形のパターンにて配置された第２の複数の溝５０６も、任意の数の円筒形に形成された溝を含むことができる。

図５に示した実施形態においては、第１の複数の溝５０４が第１の回転部分５１０に形成され、第２の複数の溝５０６が第２の回転部分５１２に形成されているが、いくつかの他の実施形態においては、例えば図９ａに示されるように、第１および第２の複数の溝５０４、５０６をラビリンスシールの静止部分５０８に形成してもよいことを、理解すべきである。

また、ターボ機械の任意の静止または回転部品に「形成」されるラビリンスシール５０２または装置５００の任意の静止または回転部分を、技術的に公知または未発見の任意の付加的または除去的手段あるいは他の製造技術によって、これらの部品と一体に形成できることも、理解すべきである。

さらに、第１および第２の複数の溝を、一方が第１のパターンを有し、もう一方が第２のパターンを有する２つの異なる部品で構成できる（図９ｂ）ことも、理解すべきである。この技術的解決策は、ロータ型およびステータ型のどちらの構成にも適用可能であってよく、あらゆる可能な組み合わせにて混ぜ合わせることが可能である（図９ｂ）。

装置５００の動作方法を説明する図６ａおよび６ｂに関して本明細書においてさらに後述されるように、ラビリンスシール５０２においてらせん状のパターンにて配置された第１の複数の溝５０４に加えて円筒形のパターンにて配置された第２の複数の溝５０６を備えることで、らせん状の溝の形成によってもたらされる安定化の作用に加えて、ラビリンスシール５０２における漏れが少なくなる。

次に、装置４００、５００の動作方法を、図６ａおよび６ｂに関して説明する。図６ａおよび６ｂは、ターボ機械の高圧領域と低圧領域との間においてターボ機械の少なくとも１つの回転部品とターボ機械の少なくとも１つの静止部品との間に配置されたときの図４および５の装置４００、５００における流れの成分を説明する概略図である。

図６ａおよび６ｂに（さらには、図４および５に関して）示されるとおり、シール４０２、５０２をまたぐ圧力差に起因して、高度に加圧された流体の主たる流れ６０２は、ターボ機械の高圧領域Ｐ２からラビリンスシール４０２、５０２に進入し、ラビリンスシール４０２、４０５を横切ってすき間を通過し、大幅に低い圧力Ｐ１にてラビリンスシールを出る。ラビリンスシール４０２、５０２に進入する高度に加圧された主たる流れ６０２は、高圧領域から低圧領域へとロータ６００の軸方向に流れ、ロータ６００の外周を巡って回転の方向に流れるロータ６００の回転に起因する周方向の流れの成分６０４またはスワールを含んでいる。

図２、３ａ、および３ｂに関してすでに述べたように、ラビリンスシールへの入り口におけるスワールは、ロータの不安定につながりかねない不安定化の力をラビリンスシールに引き起こす可能性がある。

しかしながら、図６ａおよび６ｂに示されるように、ラビリンスシール４０２、５０２のらせん状のパターンにて配置された複数の溝４０４、５０４が、ラビリンスシール４０２、５０２に進入する高度に加圧された流体の主たる流れの軸方向に対向する（逆らう）軸方向に流れる相対速度の軸方向の流れの成分６０６を生じさせる。相対速度の軸方向の流れの成分６０６が、ラビリンスシール４０２、５０２の付近の主たる流れに対抗し、ラビリンスシールの付近の主たる流れのスワールを破る。このようにして、らせん状のパターンにて配置された複数の溝４０４、５０４によって引き起こされる相対速度の軸方向の流れの成分６０６が、スワールブレーキのように作用して、入り口スワールを減少させることによって安定化の作用をもたらす。

結果として、ラビリンスシールのロータの動的な安定性が、ラビリンスシールまたはラビリンスシールの前にスワールブレーキを備えるための変更を必要とせずに改善される。したがって、ラビリンスシール４０２、５０２にらせん状のパターンにて配置された複数の溝４０４、５０４を備えることで、ラビリンスシールのロータの動的な安定性の容易、好都合、かつ費用効果に優れた改善をもたらすことができる。

さらに、図５の装置５００に関しては、円筒形のパターンにて形成された複数の溝５０６を有している第２の回転部分５１２における流れの成分が、漏れはより少ないがスワールおよび不安定性がより大きい図２、３ａ、および３ｂに示したとおりのラビリンスシール２００の流れの成分と同様である。しかしながら、第２の回転部分５１２に進入する流れの量は、第１の回転部分５１０のらせん状に形成された溝によってすでに大幅に減らされているため、第２の回転部分５１２における不安定性の問題は存在しない。さらに、第２の回転部分５１２の円筒形に形成された複数の溝５０６は、特に定常状態の状況において、ラビリンスシール５０２における漏れの流れをさらに少なくする。このように、らせん状のパターンにて配置された第１の複数の溝と、円筒形のパターンにて配置された第２の複数の溝とを設けることによって、高い安定性および少ない漏れのシールがもたらされる。

図７が、典型的な実施形態によるラビリンスシールにおけるスワールの変化を説明する概略図である。スワールの変化は、回転の方向に応じて主たる流れに反対し、あるいは同じ方向の対向する軸方向の流れの導入に起因して、ラビリンスシールにおいて生じる。図７は、すき間を通ってラビリンスシール４０２、５０２に進入する主たる流体の流れ６０２を示している。図７に示されるように、相対速度の軸方向の流れ６０６が、らせん状に形成された溝によって引き起こされ、主たる流れ６０２に対抗する。軸方向の流れ６０６の方向は、ロータの回転の方向に応じて正または負となりうる。軸方向の成分６０６は、らせん角度に応じて正または負となりうる。流れの軸方向の成分６０６の変更により、接線方向の成分６０４が少なくなり、したがってスワールが減少し、ロータの動力学に有益である。

図８および９は、ターボ機械において高圧領域を低圧領域からシールするための典型的な実施形態による改良された装置の一部分の断面の概略図である。図８および９は、それぞれ、第１および／または第２の複数の溝４０４／５０６が装置の静止部分４０６に形成された図４および５の装置を示しているにすぎない。したがって、それらの装置の説明を、ここでは繰り返さない。図８および９の実施形態の漏れの流れは、図４および５の実施形態の漏れの流れと同様であると考えられる。したがって、図８および９の装置８００および９００は、図４および５の装置と同じ利益をもたらすことが期待される。

本明細書に開示の典型的な実施形態の利点は、ロータの動的な安定性を改善するための低コストな技術的解決策を適用することにある。典型的な実施形態による別の利点は、単純かつ費用効果に優れているにもかかわらず、減衰が大きく、漏れが少ないターボ機械におけるシールのための装置をもたらすことにある。
典型的な実施形態による他の利点は、シールが組み込まれた既存のターボ機械について既存の技術的解決策において必要とされるような追加の装置の設置あるいは複雑な穿孔および／または改修の実行を必要とすることなく、ターボ機械にきわめて安定かつ漏れの少ないシールを適用することにある。本明細書に開示の典型的な実施形態は、現在の設計と置き換え可能であると考えられ、あるいは既存の技術に対する変更が最小限で済むと考えられる。したがって、典型的な実施形態によれば、既存の機械装置に、容易に製造でき、すき間が小さいことで漏れが少なく、減衰が大きく、安定性が高い本明細書に開示のターボ機械におけるシールのための装置を、後付けすることが可能である。

開示の典型的な実施形態は、ターボ機械において高減衰のシールをもたらすための装置および方法をもたらす。この説明が、本発明を限定しようとするものではないことを、理解すべきである。むしろ、典型的な実施形態は、添付の特許請求の範囲によって定義されるとおりの本発明の技術的思想および技術的範囲に含まれる代案、変更、および均等物を包含するように意図されている。さらに、典型的な実施形態の詳細な説明においては、多数の具体的詳細が、請求項に記載の発明の包括的な理解をもたらすために説明されている。しかしながら、種々の実施形態をそのような具体的詳細を備えずに実施できることを、当業者であれば理解できるであろう。

現在の典型的な実施形態の特徴および構成要素を、実施形態において特定の組み合わせにて説明したが、各々の特徴または構成要素を、実施形態の他の特徴および構成要素を備えずに単独で使用することが可能であり、もしくは本明細書に開示の他の特徴および構成要素を備え、あるいは備えない種々の組み合わせにて使用することが可能である。

本明細書は、あらゆる装置またはシステムの製作および使用ならびにあらゆる関連の方法の実行など、当業者による実施を可能にする用に開示された主題の例を使用している。主題の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定められ、当業者であれば想到できる他の例を含むことができる。そのような他の例は、特許請求の技術的範囲に包含される。

１００ 遠心圧縮機
１０２ ハウジング
１０４ 回転シャフト
１０６ インペラ
１０８ ディフューザ
１１２ バランスピストンラビリンスシール
１１４ アイラビリンスシール
１１６ シャフトラビリンスシール
１１８ スペーサ
１１９ バランスピストン
２００ ラビリンスシール
２０２ 回転部分
２０４ 溝
２０６ 静止部分
２０８ すき間
２２４ 歯
３００ ロータ
３０２ 軸方向
３０４ 成分
４００ 装置
４０２ 回転部分
４０４ 溝
４０５ ラビリンスシール
４０６ 静止部分
４０８ すき間
４１０ 回転部分
４１２ 第１の回転部分
４１４ 第２の回転部分
４１６ 表面
４１８ 歯
５００ 装置
５０２ ラビリンスシール
５０４ 溝
５０６ 溝
５０８ 静止部分
５１０ 第１の回転部分
５１２ 第２の回転部分
５１４ すき間
５１８ 表面
６００ ロータ
６０４ 成分
６０６ 成分
８００ 装置

Claims (13)

1. １つ以上の静止部品と１つ以上の回転部品とを有しているターボ機械の高圧領域（Ｐ２）を前記ターボ機械の低圧領域（Ｐ１）からシールするための装置（５００）であって、
   らせん状のパターンにて配置された第１の複数の溝（５０４）と、円筒形のパターンにて配置された第２の複数の溝（５０６）とを有しており、前記ターボ機械の前記高圧領域（Ｐ２）と前記低圧領域（Ｐ１）との間において、前記ターボ機械の前記１つ以上の回転部品のうちの少なくとも１つと、前記ターボ機械の前記１つ以上の静止部品のうちの少なくとも１つとの間に配置されたラビリンスシール（５０２）を備えており、
   前記らせん状のパターンが、１０°以下のらせん角度を有することにより、前記ターボ機械の安定化の作用が得られ、前記第２の複数の溝（５０６）に起因する漏れを無視することができる、
   装置（５００）。
   
2. 前記第２の複数の溝（５０６）が、少なくとも５つの溝で構成されている、請求項１に記載の装置（５００）。
3. 前記第１の複数の溝（５０４）が、前記第２の複数の溝（５０６）に隣接している、請求項１または２に記載の装置（５００）。
4. 前記第１の複数の溝（５０４）が、前記第２の複数の溝（５０６）に直接隣接している、請求項３に記載の装置（５００）。
5. 前記ラビリンスシール（５０２）が、前記第１の複数の溝（５０４）が位置する領域において第１のすき間を有し、前記第２の複数の溝（５０６）が位置する領域において第２のすき間を有し、前記第１のすき間と前記第２のすき間との間の比が、２以下かつ０．５以上である、請求項１から４のいずれかに記載の装置（５００）。
6. 前記第１のすき間と前記第２のすき間との間の前記比が、１にほぼ等しい、請求項５に記載の装置（５００）。
7. 前記第１の複数の溝（５０４）および前記第２の複数の溝（５０６）の両方が、前記回転部品または前記静止部品のいずれかに組み合わせられている、請求項１から６のいずれかに記載の装置（５００）。
8. 前記ラビリンスシール（５０２）が、
   前記らせん状のパターンにて配置された前記第１の複数の溝（５０４）が形成された第１の回転部分（５１０）と、
   前記第１の回転部分（５１０）に隣接して配置され、前記円筒形のパターンにて配置された前記第２の複数の溝（５０６）が形成された第２の回転部分（５１２）と
   を備えており、
   前記第１の回転部分（５１０）が、前記ターボ機械の前記高圧領域（Ｐ２）において前記ターボ機械の前記１つ以上の回転部品のうちの前記少なくとも１つに配置され、
   前記第２の回転部分（５１２）が、前記ターボ機械の前記低圧領域（Ｐ１）において前記ターボ機械の前記１つ以上の回転部品のうちの前記少なくとも１つに配置され、
   前記第１の回転部分（５１０）および前記第２の回転部分（５１２）が、前記ターボ機械の前記１つ以上の静止部品のうちの前記少なくとも１つに対向して、前記ターボ機械の前記１つ以上の静止部品のうちの前記少なくとも１つとのシールの関係に配置されている、
   請求項１から７のいずれかにに記載の装置（５００）。
9. 前記第１の回転部分（５１０）が、前記第２の回転部分（５１２）の回転の方向と同じ方向に回転する、請求項８に記載の装置（５００）。
10. 前記第１の回転部分（５１０）および前記第２の回転部分（５１２）が、２つの別々の部品で作られている、請求項８または９に記載の装置（５００）。
11. 摩耗可能な材料で覆われ、前記ラビリンスシール（５０２）の前記第１および第２の回転部分（５１０、５１２）に対向して、前記第１および第２の回転部分（５１０、５１２）とのシールの関係にて前記ターボ機械の前記少なくとも１つ以上の静止部品に配置された静止部分をさらに備える、請求項８から１０のいずれかに記載の装置（５００）。
12. 前記ラビリンスシール（５０２）が、前記ターボ機械の前記高圧領域と前記低圧領域との間において前記ターボ機械の前記１つ以上の静止部品のうちの前記少なくとも１つに配置された静止部分を備えており、
    前記第１の複数の溝（５０４）が、前記ターボ機械の前記高圧領域（Ｐ２）において前記静止部分に形成され、
    前記第２の複数の溝（５０６）が、前記ターボ機械の前記低圧領域（Ｐ１）において前記静止部分に前記第１の複数の溝（５０４）に隣接して形成され、
    前記静止部分が、前記ターボ機械の前記１つ以上の回転部品のうちの前記少なくとも１つに対向して、前記ターボ機械の前記１つ以上の回転部品のうちの前記少なくとも１つとのシールの関係に配置されている、
    請求項１から１１のいずれかに記載の装置（５００）。
13. 前記ラビリンスシール（５０２）の前記静止部分に対向して前記ターボ機械の前記少なくとも１つ以上の回転部品に配置された回転部分 をさらに備える、請求項１２に記載の装置（５００）。