JP6654453B2 - ラビリンスシール - Google Patents
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Description
図1〜図3を参照して第1実施形態の回転機械1について説明する。
隙間25を流れる流体は、次のように流れる。流体は、高圧側フィン50よりも高圧側X1から、隙間δを通過し、空間25aに流入し、渦V1を形成する。渦V1は次のように形成される。流体は、小径部21の外周面に沿って低圧側X2に直進し、段差部40に当たり(衝突し)、段差部40に沿って径方向外側Y1に流れる(転向する)。段差部40に沿って流れた流体は、静止体10の内周面に当たり、静止体10の内周面に沿って高圧側X1に流れ、高圧側フィン50に当たり、高圧側フィン50に沿って径方向内側Y2に流れ、小径部21に当たり、低圧側X2に流れる。このように渦V1が形成される。
段差部40よりも低圧側X2かつ低圧側フィン60よりも高圧側X1の領域の少なくとも一部に環状溝70があれば、環状溝70による効果(漏れ量の抑制)が得られる。さらに、下記の条件を満たすことで環状溝70による効果をより向上させることができる。
距離Eは、段差部40と、環状溝70の径方向外側Y1端部かつ高圧側X1端部と、の軸方向Xにおける距離である。例えば、距離Eは、段差部40と、高圧側側面70aの径方向外側Y1端部と、の軸方向Xにおける距離である。なお、段差部40に軸方向Xの幅がある場合(例えば段差部40に傾斜がある場合など)は、距離Eの高圧側X1の起点は、段差部40の径方向外側Y1端部かつ低圧側X2端部とする(下記の距離G、距離Lについても同様)。
開口幅Wは、環状溝70の開口の軸方向Xにおける幅である。さらに詳しくは、開口幅Wは、環状溝70の径方向外側Y1端部での軸方向Xにおける幅である。
距離Lは、段差部40と、環状溝70の径方向外側Y1端部かつ低圧側X2端部と、の軸方向Xにおける距離である。例えば、距離Lは、段差部40と、低圧側側面70bの径方向外側Y1端部と、の軸方向Xにおける距離である。
距離Gは、段差部40と、低圧側フィン60の先端部かつ高圧側X1端部と、の軸方向Xにおける距離である。例えば、距離Gは、段差部40と、高圧側側面60aの径方向内側Y2端部と、の軸方向Xにおける距離である。
厚さtは、低圧側フィン60の先端部での軸方向Xにおける幅である。
高さHは、段差部40の径方向Yにおける幅である。さらに詳しくは、高さHは、小径部21の外周面の低圧側X2端部と、大径部22の外周面の高圧側X1端部と、の径方向Yにおける距離である。
深さDは、環状溝70の径方向Yにおける幅である。さらに詳しくは、深さDは、環状溝70の径方向内側Y2端部(例えば底面70c)と、大径部22の外周面と、の径方向Yにおける距離である。
高圧側側面60aに対する高圧側側面70aの軸方向Xにおける距離(G−E)を大きくすることで、渦V2を大きく形成できる。その結果、上記のエネルギー損失をより増加させることができる。例えば、0<E/G<0.8、を満たすことが好ましい。
開口幅Wを大きくすることで、渦V2が環状溝70に流入しやすくなり、また、渦V2を大きく形成できる。その結果、上記のエネルギー損失をより増加させることができる。例えば、W/G>0.2、を満たすことが好ましい。
高圧側側面60aの軸方向X位置に対して、低圧側側面70bの軸方向X位置が、等しい位置(同一面上)、または、低圧側X2であることが好ましい(G≦Lが好ましい)。G≦Lとすることで、低圧側フィン60に沿って径方向内側Y2に流れた渦V2が、環状溝70に流入しやすくなり、分岐流Fの流量を抑制できる。流体が環状溝70に流入しやすいので、渦V2の流速をより速くできる結果、上記のエネルギー損失を大きくすることができる。
図1に示す高さH、深さD、および漏れ量について調査した。その結果、図3に示すようにD/Hによって漏れ量が変化するという知見を得た。なお、図3においては、縦軸の漏れ量の単位を無次元化した。図1に示す深さDが小さいと、環状溝70に流入できる渦V2の流れが少なくなり、分岐流Fの流量が増えるので、漏れ量が増加する。そこで、図3に示すように、0.6<D/H、を満たすことが好ましい。この場合、従来技術に比べ、確実に漏れ量を抑制できる。なお、0<D/Hであれば、従来技術に比べ、漏れ量抑制の効果はある。
図1に示すラビリンスシール30による効果は次の通りである。ラビリンスシール30は、回転機械1に設けられる。回転機械1は、静止体10と、回転体20と、隙間25と、を備える。回転体20は、静止体10よりも径方向内側Y2に設けられ、回転軸回りに回転する。隙間25は、静止体10の内周部と回転体20の外周部との間に形成され、高圧側X1から低圧側X2に軸方向Xに流体が流れるように構成される。ラビリンスシール30は、段差部40と、高圧側フィン50と、低圧側フィン60と、環状溝70と、を備える。
[構成1−1]段差部40は、回転体20の外周部に形成される。段差部40は、段差部40よりも高圧側X1に小径部21が形成され、段差部40よりも低圧側X2に大径部22が形成されるように構成される。
[構成1−2]高圧側フィン50は、段差部40よりも高圧側X1に配置され、静止体10の内周部から径方向内側Y2に延びる。低圧側フィン60は、段差部40よりも低圧側X2に配置され、静止体10の内周部から径方向内側Y2に延びる。
[構成1−3]環状溝70は、回転体20の外周部に形成される。環状溝70は、段差部40よりも低圧側X2、かつ、低圧側フィン60よりも高圧側X1、の領域の少なくとも一部に配置される。
[構成4]段差部40と、環状溝70の径方向外側Y1端部かつ低圧側X2端部と、の軸方向Xにおける距離をLとする。段差部40と、低圧側フィン60の先端部かつ高圧側X1端部と、の軸方向Xにおける距離をGとする。低圧側フィン60の先端部での軸方向Xの幅をtとする。このとき、0<L/G<1.1+t/G、を満たす。
[構成5]0.6<L/G<1.1+t/G、を満たす。
上記[構成5]により、L/G≦0.6の場合に比べ、環状溝70に流入する渦V2の流量を多くできる。よって、流体のエネルギー損失をより増大させることができ、隙間25での流体の漏れをより抑制できる。
[構成6]小径部21の外周面と、大径部22の外周面と、の径方向Yにおける距離をHとする。大径部22の外周面と、環状溝70の底部と、の径方向Yにおける距離をDとする。このとき、0.6<D/H、を満たす。
図4を参照して、第2実施形態のラビリンスシール230について、第1実施形態のラビリンスシール30(図1参照)との相違点を説明する。なお、ラビリンスシール230のうち、第1実施形態のラビリンスシール30(図1参照)との共通点については、第1実施形態と同一の符号を付し、説明を省略した(共通点の説明を省略する点については他の実施形態の説明も同様)。相違点は、環状溝70が、円弧状部270dを備える点である。
図4に示す第2実施形態のラビリンスシール230による効果は次の通りである。
[構成2]周方向から見た環状溝70の底部の断面は、円弧状である(円弧状部270dを参照)。
図5を参照して、第3実施形態のラビリンスシール330について、第1実施形態のラビリンスシール30との相違点を説明する。相違点は、環状溝70が、高圧側傾斜部370e(傾斜部)および低圧側傾斜部370f(傾斜部)を備える点である。
本実施形態のラビリンスシール330による効果は次の通りである。ラビリンスシール330は、下記[構成3−1]および下記[構成3−2]の少なくともいずれかを備える。
[構成3−1]環状溝70は、環状溝70の高圧側X1部分に設けられる高圧側傾斜部370eを備える。周方向から見た断面において、高圧側傾斜部370eの径方向内側Y2端部は、高圧側傾斜部370eの径方向外側Y1端部よりも、環状溝70の軸方向X中心側に配置される。
[構成3−2]環状溝70は、環状溝70の低圧側X2部分に設けられる低圧側傾斜部370fを備える。周方向から見た断面において、低圧側傾斜部370fの径方向内側Y2端部は、低圧側傾斜部370fの径方向外側Y1端部よりも、環状溝70の軸方向X中心側に配置される。
図6を参照して、第4実施形態のラビリンスシール430について、第1実施形態のラビリンスシール30などとの相違点を説明する。相違点は、ラビリンスシール430が、複数段のステップシール(階段状のシール)である点である。ラビリンスシール430は、高圧側X1から低圧側X2に順に配置される単位構造431〜435(431・432・433・434・435)を備える。単位構造431〜435それぞれは(各段の構造は)、第1〜第3実施形態および第5実施形態(下記)のいずれかの実施形態のラビリンスシール(30、230、330、または530)の条件を満たす。単位構造431〜435は、互いに軸方向Xに隣接する。ある単位構造432は、この単位構造432よりも1段だけ高圧側X1の単位構造431に対して、径方向外側Y1にずれるように配置される(単位構造433〜単位構造435についても同様)。単位構造431〜435が上記の条件を満たすように、静止体410と、回転体420と、ラビリンスシール430と、が構成される。
[構成8]段差部441〜445、低圧側フィン461〜465、および環状溝471〜475は、それぞれ複数設けられる。複数の段差部441〜445は、回転体420の外周部の径が高圧側X1から低圧側X2に順次大きくなるように形成される。低圧側フィン461〜465および環状溝471〜475は、複数の段差部441〜445それぞれの低圧側X2に配置される。
図7を参照して、第5実施形態のラビリンスシール530について、第1実施形態のラビリンスシール30との相違点を説明する。相違点は、高圧側フィン550および低圧側フィン560の構成である。
[構成7]低圧側フィン560の先端部は、低圧側フィン560の基端部よりも高圧側X1に配置される。
上記の各実施形態は様々に変形されてもよい。
例えば、互いに異なる実施形態の構成要素どうしが組み合わされてもよい。例えば、図4に示す第2実施形態のように円弧状部270dを備える環状溝70に対し、図5に示す第3実施形態の高圧側傾斜部370eおよび低圧側傾斜部370fの少なくともいずれかが付加されてもよい。また例えば、図6では、環状溝471〜475内部の断面形状が矩形状のものを示した。しかし、複数の環状溝471〜475の一部または全部は、円弧状部270d(図4参照)、高圧側傾斜部370e(図5参照)および低圧側傾斜部370f(図5参照)の少なくともいずれかを備えてもよい。また例えば、図7に示すように径方向Yに対して傾く高圧側フィン550および低圧側フィン560の一方が、図1に示すように径方向Yに対して傾かない高圧側フィン50または低圧側フィン60に置換されてもよい。
上記実施形態の構成要素の一部が設けられなくてもよい。上記実施形態の構成要素の数が変更されてもよい。例えば、図6に示す単位構造431〜435の段数は、第4実施形態では5であるが、2以上かつ5以外の数でもよい。
10 静止体
20 回転体
21 小径部
22 大径部
25 隙間
30、230、330、430、530 ラビリンスシール
40、441〜445 段差部
50、550 高圧側フィン
60、461〜465、560 低圧側フィン
70、471〜475 環状溝
370e 高圧側傾斜部(傾斜部)
370f 低圧側傾斜部(傾斜部)
X1 高圧側
X2 低圧側
Claims (7)
- 静止体と、
前記静止体よりも径方向内側に設けられ、回転軸回りに回転する回転体と、
前記静止体の内周部と前記回転体の外周部との間に形成され、高圧側から低圧側に軸方向に流体が流れるように構成される隙間と、
を備える回転機械に設けられるラビリンスシールであって、
前記回転体の外周部に形成され、かつ、高圧側に小径部が形成され低圧側に大径部が形成されるように構成される段差部と、
前記段差部よりも高圧側に配置され、前記静止体の内周部から径方向内側に延びる高圧側フィンと、
前記段差部よりも低圧側に配置され、前記静止体の内周部から径方向内側に延びる低圧側フィンと、
前記回転体の外周部に形成され、前記段差部よりも低圧側かつ前記低圧側フィンよりも高圧側の領域の少なくとも一部に配置される環状溝と、
を備え、
前記低圧側フィンの先端部は、前記低圧側フィンの基端部よりも高圧側に配置される、
ラビリンスシール。 - 静止体と、
前記静止体よりも径方向内側に設けられ、回転軸回りに回転する回転体と、
前記静止体の内周部と前記回転体の外周部との間に形成され、高圧側から低圧側に軸方向に流体が流れるように構成される隙間と、
を備える回転機械に設けられるラビリンスシールであって、
前記回転体の外周部に形成され、かつ、高圧側に小径部が形成され低圧側に大径部が形成されるように構成される段差部と、
前記段差部よりも高圧側に配置され、前記静止体の内周部から径方向内側に延びる高圧側フィンと、
前記段差部よりも低圧側に配置され、前記静止体の内周部から径方向内側に延びる低圧側フィンと、
前記回転体の外周部に形成され、前記段差部よりも低圧側かつ前記低圧側フィンよりも高圧側の領域の少なくとも一部に配置される環状溝と、
を備え、
前記段差部、前記低圧側フィン、および前記環状溝は、それぞれ複数設けられ、
複数の前記段差部は、前記回転体の外周部の径が高圧側から低圧側に順次大きくなるように形成され、
前記低圧側フィンおよび前記環状溝は、複数の前記段差部それぞれの低圧側に配置される、
ラビリンスシール。 - 請求項1または2に記載のラビリンスシールであって、
回転体周方向から見た前記環状溝の底部の断面は、円弧状である、
ラビリンスシール。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載のラビリンスシールであって、
前記環状溝は、前記環状溝の高圧側部分および低圧側部分の少なくともいずれかに設けられる傾斜部を備え、
回転体周方向から見た断面において、前記傾斜部の径方向内側端部は、前記傾斜部の径方向外側端部よりも、前記環状溝の軸方向中心側に配置される、
ラビリンスシール。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載のラビリンスシールであって、
前記段差部と、前記環状溝の径方向外側端部かつ低圧側端部と、の軸方向における距離をL、
前記段差部と、前記低圧側フィンの先端部かつ高圧側端部と、の軸方向における距離をG、
前記低圧側フィンの先端部での軸方向の幅をt、
としたとき、0<L/G<1.1+t/G、を満たす、
ラビリンスシール。 - 請求項5に記載のラビリンスシールであって、
0.6<L/G<1.1+t/G、を満たす、
ラビリンスシール。 - 請求項1〜6のいずれか1項に記載のラビリンスシールであって、
前記小径部の外周面と、前記大径部の外周面と、の径方向における距離をH、
前記環状溝の底部と、前記大径部の外周面と、の径方向における距離をD、
としたとき、0.6<D/H、を満たす、
ラビリンスシール。
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