JP6817170B2 - ラビリンスシール、およびラビリンスシール構造 - Google Patents
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Description
図1を参照して、第1実施形態のラビリンスシール40を備える流体機械1について説明する。
第1部材10と第2部材20とが対向する方向を、対向方向Yとする。対向方向Yにおいて、第2部材20から第1部材10に向かう側を、Y1側(対向方向第1側)とする。対向方向Yにおいて、第1部材10から第2部材20に向かう側を、Y2側(対向方向第2側)とする。対向方向Yに直交する方向を、流れ方向Xとする。流れ方向Xにおける一方側を、X1側(流れ方向第1側)とする。流れ方向XにおけるX1側とは反対側を、X2側(流れ方向第2側)とする。X1側およびX2側のうち、一方は高圧側であり、他方(高圧側とは反対側)は低圧側である。流体機械1が回転機械の場合、静止体に対する回転体の回転軸の方向は、どの方向でもよく、例えば流れ方向Xでもよく、例えば対向方向Yでもよく、例えば流れ方向Xおよび対向方向Yに対して傾斜する方向でもよい。
隙間25を流れる流体は、例えば次のように流れる。ここでは、X1側が高圧側、X2側が低圧側の場合について説明する。第1フィン51よりもX1側の流体は、X2側に流れ、第1フィン先端部51tと第2部材20との間を通り、第1分岐フィン71と第2部材20との間を通る。この流体は、中央フィン第1側面41aに当たり、Y1側に向きを変え、第1分岐フィン先端部71tと中央フィン第1側面41aとの間を通り、第1中央分岐フィン61に当たり、X1側に向きを変える。この流体は、第1フィン側面51bに当たり、Y1側に向きを変える。この流体は、第1中央分岐フィン先端部61tと第1フィン側面51bとの間(図1に示す例では絞り部)を通り、第1部材10に当たり、X2側に向きを変える。この流体は、中央フィン先端部41tと第1部材10との間(絞り部)を通る。このとき、流路が縮小し(絞られ)、また、流路が拡大する。この流体は、第2フィン側面52aに当たり、Y2側に向きを変える。この流体は、第2フィン側面52aと第2中央分岐フィン先端部62tとの間(図1に示す例では絞り部)を通り、第2分岐フィン72に当たり、X1側に向きを変え、第2中央分岐フィン62と第2分岐フィン72との間を通る。この流体は、中央フィン第2側面41bに当たり、Y2側に向きを変え、第2分岐フィン先端部72tと中央フィン第2側面41bとの間(図1に示す例では絞り部)を通り、第2部材20に当たり、X2側に向きを変える。この流体は、第2分岐フィン72と第2部材20との間を通り、第2フィン先端部52tと第2部材20との間を通る。そして、流体は、第2フィン52よりもX2側に流出する(漏れる)。
図1に示すラビリンスシール40による効果は次の通りである。ラビリンスシール40は、流体機械1に設けられる。流体機械1は、第1部材10と、第2部材20と、隙間25と、を備える。第2部材20は、第1部材10に対向する。隙間25は、第1部材10と第2部材20との間に形成される。流体が隙間25を流れるように、隙間25が構成される。第1部材10と第2部材20とが対向する方向を対向方向Yとする。対向方向Yに直交する方向を流れ方向Xとする。ラビリンスシール40は、中央フィン41と、第1フィン51と、第2フィン52と、第1中央分岐フィン61と、第2中央分岐フィン62と、を備える。中央フィン41は、第2部材20から第1部材10に向かって延びる。第1フィン51は、第1部材10から第2部材20に向かって延び、中央フィン41よりもX1側(流れ方向第1側)に配置される。第2フィン52は、第1部材10から第2部材20に向かって延び、中央フィン41よりも、X1側とは反対側であるX2側(流れ方向第2側)に配置される。
[構成3]ラビリンスシール40は、第1分岐フィン71を備える。第1分岐フィン71は、第1フィン51の中央フィン41側の側面(第1フィン側面51b)から中央フィン41に向かって延び、第1中央分岐フィン61よりも第2部材20側に配置される。第1分岐フィン先端部71tは、第1中央分岐フィン先端部61tよりも中央フィン41側に配置される。
図2を参照して、第2実施形態のラビリンスシール240について、第1実施形態との相違点を説明する。なお、第2実施形態のラビリンスシール240のうち、第1実施形態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、または符号を省略し、説明を省略した(共通点の説明などを省略する点については他の実施形態の説明も同様)。
第1中央分岐フィン61−1と第1中央分岐フィン61−2とは、対向方向Yに第1分岐フィン71−1を挟むように配置される。第1中央分岐フィン61−1および第1中央分岐フィン61−2のそれぞれの第1中央分岐フィン先端部61tは、第1分岐フィン71−1の第1分岐フィン先端部71tよりも第1フィン51側(X1側)に配置される。その結果、第1中央分岐フィン61−1と、第1分岐フィン71−1と、第1中央分岐フィン61−2とが、食い違うように(互い違いに)配置される。同様に、第2中央分岐フィン62−1と、第2分岐フィン72−1と、第2中央分岐フィン62−2とが、食い違うように配置される。
第1実施形態での流体の流れに対する、本実施形態での流体の流れの相違点は次の通りである。第1中央分岐フィン61−2の第1中央分岐フィン先端部61tと第1フィン側面51bとの間を通る流体は、第1分岐フィン71−1に当たり、X2側に向きを変える。この流体は、第1中央分岐フィン61−2と第1分岐フィン71−1との間を通り、中央フィン第1側面41aに当たり、Y1側に向きを変え、第1分岐フィン71−1の第1分岐フィン先端部71tと中央フィン第1側面41aとの間を通る。この流体は、第1中央分岐フィン61−1に当たり、X1側に向きを変え、第1中央分岐フィン61−1と第1分岐フィン71−1との間を通る。この流体は、第1フィン側面51bに当たり、Y1側に向きを変え、第1中央分岐フィン61−1の第1中央分岐フィン先端部61tと第1フィン側面51bとの間を通る。このように、第1分岐フィン71を複数設け、第1中央分岐フィン61を複数設けることで、第1実施形態(図1参照)に比べ、流体の流路が長くなり、流体の向きが変わる回数が増える。同様に、第2中央分岐フィン62を複数設け、第2分岐フィン72を複数設けることで、第1実施形態に比べ、流体の流路が長くなり、流体の向きが変わる回数が増える。
[構成2]第1中央分岐フィン61は、複数設けられる。
[構成4]第1分岐フィン71は、複数設けられる。
[構成5]第1分岐フィン71は、対向方向Yに第1中央分岐フィン61−2を挟むように2つ(少なくとも2つ)設けられる。2つの第1分岐フィン71−1・71−2のそれぞれの第1分岐フィン先端部71tは、第1中央分岐フィン61−2の第1中央分岐フィン先端部61tよりも中央フィン41側に配置される。
[構成6]第1中央分岐フィン61は、対向方向Yに第1分岐フィン71−1を挟むように2つ設けられる。2つの第1中央分岐フィン61−1・61−2のそれぞれの第1中央分岐フィン先端部61tは、第1分岐フィン71−1の第1分岐フィン先端部71tよりも第1フィン51側に配置される。
図3を参照して、第3実施形態のラビリンスシール340について、第1実施形態(図1参照)との相違点を説明する。
第1実施形態(図1参照)での流体の流れに対する、本実施形態での流体の流れの相違点は次の通りである。第1フィン51よりもX1側の流体は、第1フィン先端部51tと第2部材20との間(絞り部)を流れる。このとき、流体の流路が縮小し(絞られ)、また、流路が拡大する。同様に、第2フィン先端部52tと第2部材20との間(絞り部)を流体が流れるとき、流体の流路が縮小および拡大する。
[構成7]第1フィン先端部51tは、第1分岐フィン71の第1フィン51側の端部(第1分岐フィン基部71p)よりも第2部材20側に配置される。
図4を参照して、第4実施形態のラビリンスシール440について、第3実施形態(図3参照)との相違点を説明する。第2部材20は、第2部材表面420aと、第1溝421と、第2溝422を備える。
第3実施形態(図3参照)での流体の流れに対する、本実施形態での流体の流れの相違点は次の通りである。第1フィン51よりもX1側の流体は、X2側に流れ、第1フィン51のX1側の側面に当たり、Y2側に向きを変える。この流れは、第1溝421の内部に入り、第1溝421の内面に沿って流れる。さらに詳しくは、この流れは、第1溝421の内部に入り、第1溝底部421bに当たり、X2側に向きを変え、第1溝底部421bと第1フィン先端部51tとの間を通り、第1溝421のX2側の内面に当たり、Y1側に向きを変える。この流れは、第1溝421からY1側に出て、第1分岐フィン71に当たり、X2側に向きを変える。また、第2分岐フィン72と第2部材表面420aとの間を通る流体は、第2フィン側面52aに当たり、Y2側に向きを変える。この流れは、第2溝422の内部に入り、第2溝422の内面に沿って流れる。この流れは、第2溝422からY1側に出る結果、第2フィン52よりもX2側に流れる。
[構成8]第2部材20は、第2部材20に形成される第1溝421を備える。第1溝421は、第2部材表面420aから、第1部材10側とは反対側に凹む。第1フィン先端部51tは、第1溝421の内部に配置される。
図5を参照して、第5実施形態のラビリンスシール540について、第1実施形態(図1参照)との相違点を説明する。第1部材10は、第1部材表面510aと、中央溝511と、を備える。
第1実施形態(図1参照)での流体の流れに対する、本実施形態での流体の流れの相違点は次の通りである。第1中央分岐フィン61と第1部材表面510aとの間を流れる流体は、X2側に流れ、中央フィン第1側面41aに当たり、Y1側に向きを変える。この流れは、中央溝511の内部に入り、中央溝511の内面に沿って流れる。さらに詳しくは、この流れは、中央溝511の内部に入り、中央溝底部511bに当たり、X2側に向きを変え、中央溝底部511bと中央フィン先端部41tとの間を通り、中央溝511のX2側の内面に当たり、Y2側に向きを変える。この流れは、中央溝511からY2側に出て、第2中央分岐フィン62に当たり、X2側に向きを変える。
[構成9]第1部材10は、第1部材10に形成される中央溝511を備える。中央溝511は、第1部材表面510aから、第2部材20側とは反対側に凹む。中央フィン先端部41tは、中央溝511の内部に配置される。
図6を参照して、第6実施形態のラビリンスシール640について、第4実施形態(図4参照)などとの相違点を説明する。本実施形態では、第4実施形態(図4参照)と同様に、第1部材10は、第1溝421および第2溝422を備える。また、第1フィン先端部51tは、第1溝421の内部に配置され、第2フィン先端部52tは、第2溝422の内部に配置される。本実施形態では、第5実施形態(図5参照)と同様に、第2部材20は、中央溝511を備える。中央フィン先端部41tは、中央溝511の内部に配置される。この構成では、例えば、第1溝421、第2溝422、および中央溝511の少なくともいずれかが設けられない場合(第4実施形態、第5実施形態を参照)などに比べ、隙間25を流れる流体の流路をより長く複雑にできる。
図7を参照して、第7実施形態のラビリンスシール740について、第6実施形態との相違点を説明する。
第6実施形態(図6参照)での流体の流れに対する、本実施形態での流体の流れの相違点は、次の通りである。空間S1で、流体の渦V1が発生する。さらに詳しくは、第1分岐フィン先端部71tと中央フィン第1側面41aとの間を通る流体は、Y1側に流れ、空間S1に流入する。この流体は、中央フィン第1側面41aに沿って流れ、第1中央分岐フィン61に当たり、X1側に向きを変え、第1中央分岐フィン61に沿って流れる。この流体は、第1フィン51に当たり、Y1側およびY2側に分岐する。Y2側に分岐した流れは、第1フィン側面51bに沿って流れ、第1分岐フィン71に当たり、X2側に向きを変え、中央フィン41に当たり、Y1側に向きを変える。このように、空間S1で渦V1が発生する。渦V1が発生することにより、渦V1を形成する流体に流体間摩擦が生じ、流体のエネルギー損失が生じる。よって、ラビリンスシール740での漏れ量がより抑制される。上記「流体間摩擦」には、流体どうしの摩擦だけでなく、流速がゼロの流体とみなせる物(例えばフィンの表面)と流体との摩擦も含まれる。空間S1に渦V1が発生するのと同様に、空間S2で渦V2が発生し、流体のエネルギー損失が生じる。なお、渦V1および渦V2のいずれか一方のみが発生してもよい。
図8を参照して、第8実施形態のラビリンスシール840について、第6実施形態(図6参照)との相違点を説明する。中央フィン41は、先細り部841dを備える。第1フィン51は、先細り部851dを備える。第2フィン52は、先細り部852dを備える。
第6実施形態(図6参照)の流体の流れに対する、本実施形態での流体の流れの相違点は、次の通りである。第1溝421に流入した流体は、先細り部851dと第2部材20(例えば第1溝底部421b)との間を通る。先細り部851dと第2部材20との間を通過した流れは、先細り部851dが設けられない場合に比べ、Y2側を流れやすい。よって、先細り部851dを設けることで、縮流を発生させやすく、流束(流速の大きい部分の束)を小さくできる。よって、流体のエネルギー損失をより発生させることができ、ラビリンスシール840での流体の漏れ量をより抑制できる。先細り部851dと同様に、先細り部841dおよび先細り部852dでも、縮流を発生させやすく、流束を小さくできる。
図9を参照して、第9実施形態のラビリンスシール940について、第8実施形態との相違点を説明する。
第8実施形態での流体の流れに対する、本実施形態での流体の流れの相違点は、次の通りである。第1フィン51よりも上流側(X1側)の流体は、第1フィン51のX1側の側面に当たり、Y2側に向きを変える。この流体は、第1フィン51のX1側の側面に沿うように、Y2側に流れながら、X1側(上流側)にも流れる。すると、第1フィン先端部51tと第2部材20(図9に示す例では第1溝底部421b)との間をX2側(下流側)に流れにくくなる。第1フィン51と同様に、他のフィンによっても、流体が下流側へ流れにくくなる。よって、ラビリンスシール940での流体の漏れ量をより抑制できる。
図10を参照して、第10実施形態のラビリンスシール1040について、第6実施形態との相違点を説明する。ラビリンスシール1040は、中央溝底部1011b、第1溝底部1021b、および第2溝底部1022bを備える。
第6実施形態(図6参照)の流体の流れに対する、本実施形態の流体の流れの相違点は次の通りである。第1溝421に流入した流体は、第1溝421のX1側の内面に沿ってY2側に流れる。この流体は、第1溝底部1021bに沿って、Y2側から、X2側、Y1側へと徐々に向きを変える。この流体は、第1溝421のX2側の内面に沿ってY1側へ流れ、第1溝421から流出する。このように、流体が、第1溝底部1021bに沿って流れやすいので、流体の流速を速くでき、流体と第1溝421の内面(壁面)との摩擦を大きくできる。よって、流体のエネルギー損失をより発生させることができ、ラビリンスシール1040での流体の漏れ量をより抑制できる。第1溝底部1021bと同様に、中央溝底部1011bおよび第2溝底部1022bでも、流体に生じる摩擦を大きくできる。
図11を参照して、第11実施形態のラビリンスシール構造1130について、第6実施形態などとの相違点を説明する。ラビリンスシール構造1130は、複数のラビリンスシール1140を備える。
[構成10]ラビリンスシール構造1130は、流れ方向Xに連続して配置されるラビリンスシール1140を備える。
図12〜図15に示す例1〜例4のラビリンスシール構造について、図16に示すように漏れ量(具体的には質量流量)を比較した。CFD(Computational Fluid Dynamics)解析により、漏れ量を求めた。
上記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、各構成要素の配置や形状が変更されてもよい。構成要素の数が変更されてもよく、構成要素の一部が設けられなくてもよい。
10 第1部材
20 第2部材
25 隙間
40、240、340、440、540、640、740、740A、740B、840、940、1040、1140、1240 ラビリンスシール
41 中央フィン
51 第1フィン
51t 第1フィン先端部(第1フィン51の先端部)
52 第2フィン
52t 第2フィン先端部(第2フィン52の先端部)
61、61−1、61−2 第1中央分岐フィン
61p 第1中央分岐フィン基部(第1中央分岐フィン61の中央フィン41側の端部)
61t 第1中央分岐フィン先端部(第1中央分岐フィン61の先端部)
62、62−1、62−2 第2中央分岐フィン
62p 第2中央分岐フィン基部(第2中央分岐フィン62の中央フィン41側の端部)
62t 第2中央分岐フィン先端部(第2中央分岐フィン62の先端部)
71、71−1、71−2 第1分岐フィン
71p 第1分岐フィン基部(第1分岐フィン71の第1フィン51側の端部)
71t 第1分岐フィン先端部(第1分岐フィン71の先端部)
72、72−1、72−2 第2分岐フィン
72p 第2分岐フィン基部(第2分岐フィン72の第2フィン52側の端部)
72t 第2分岐フィン先端部(第2分岐フィン72の先端部)
421 第1溝
422 第2溝
511 中央溝
1130、1230−2、1230−3、1230−4 ラビリンスシール構造
X 流れ方向
Y 対向方向
Claims (7)
- 第1部材と、
前記第1部材に対向する第2部材と、
前記第1部材と前記第2部材との間に形成され、流体が流れるように構成される隙間と、
を備える流体機械に設けられるラビリンスシールであって、
前記第1部材と前記第2部材とが対向する方向を対向方向とし、
対向方向に直交する方向を流れ方向とし、
前記第2部材から前記第1部材に向かって延びる中央フィンと、
前記第1部材から前記第2部材に向かって延び、前記中央フィンよりも流れ方向第1側に配置される第1フィンと、
前記第1部材から前記第2部材に向かって延び、前記中央フィンよりも、流れ方向第1側とは反対側である流れ方向第2側に配置される第2フィンと、
前記中央フィンの流れ方向第1側の側面から前記第1フィンに向かって延びる第1中央分岐フィンと、
前記中央フィンの流れ方向第2側の側面から前記第2フィンに向かって延びる第2中央分岐フィンと、
前記第1フィンの前記中央フィン側の側面から前記中央フィンに向かって延び、前記第1中央分岐フィンよりも前記第2部材側に配置される第1分岐フィンと、
を備え、
前記中央フィンの先端部は、前記第1中央分岐フィンの前記中央フィン側の端部よりも前記第1部材側に配置され、かつ、前記第2中央分岐フィンの前記中央フィン側の端部よりも前記第1部材側に配置され、
前記第1分岐フィンの先端部は、前記第1中央分岐フィンの先端部よりも前記中央フィン側に配置され、
前記第1フィンの先端部は、前記第1分岐フィンの前記第1フィン側の端部よりも前記第2部材側に配置され、
前記第2部材は、前記第2部材に形成される第1溝を備え、
前記第1溝は、前記第2部材の表面から、前記第1部材側とは反対側に凹み、
前記第1フィンの先端部は、前記第1溝の内部に配置される、
ラビリンスシール。 - 請求項1に記載のラビリンスシールであって、
前記第1中央分岐フィンは、複数設けられる、
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、
前記第1分岐フィンは、複数設けられる、
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、
前記第1分岐フィンは、対向方向に前記第1中央分岐フィンを挟むように2つ設けられ、
2つの前記第1分岐フィンのそれぞれの先端部は、前記第1中央分岐フィンの先端部よりも前記中央フィン側に配置される、
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、
前記第1中央分岐フィンは、対向方向に前記第1分岐フィンを挟むように2つ設けられ、
2つの前記第1中央分岐フィンのそれぞれの先端部は、前記第1分岐フィンの先端部よりも前記第1フィン側に配置される、
ラビリンスシール。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載のラビリンスシールであって、
前記第1部材は、前記第1部材に形成される中央溝を備え、
前記中央溝は、前記第1部材の表面から、前記第2部材側とは反対側に凹み、
前記中央フィンの先端部は、前記中央溝の内部に配置される、
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が、流れ方向に連続して配置される、
ラビリンスシール構造。
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