JP7402134B2

JP7402134B2 - 流体機械

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Publication number: JP7402134B2
Application number: JP2020128363A
Authority: JP
Inventors: 裕輔渡邊; 陽一中村
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2020-07-29
Filing date: 2020-07-29
Publication date: 2023-12-20
Anticipated expiration: 2040-07-29
Also published as: JP2022025504A

Description

本発明は、非接触環状シール装置を備えた流体機械に関する。

遠心ポンプの高圧部と低圧部との間の絞り部に設けられ得る非接触環状シール装置としては、代表的にはライナリングが知られている。遠心ポンプに用いられるライナリングは、略円筒状で、一般に金属又はプラスチック等により製作されている。

遠心ポンプの回転軸には撓みが生じるので、遠心ポンプ起動時の回転軸の急激な回転速度の増加や、その際に回転軸の振動数が固有振動値（共振点）を通過することにより、回転軸に振動の増幅又は振れ回りが生じることがある。そこで、起動時の回転軸の振動の増幅や振れ回りがあっても、回転体がライナリングに接触していずれかが損傷することのないように、これまでのライナリングと羽根車等の回転体との間隔は、振動の増幅や振れ回りを考慮した分、これらを考慮しない理想上の必要最小の間隔に比べて、非常に大きく設計されていた。

一方で、起動から間もなくして、遠心ポンプが定格運転状態になると、回転数は安定し、起動時のように回転軸に振動の増幅又は振れ回りが生じたりする虞はなくなる。しかしながら、定格運転ではポンプの吐出圧力と吸込圧力に通常は大きな圧力差があることから、ライナリングと回転体の間隙を通って漏洩する流体の量は起動時よりも多くなる。また、上述したように、ライナリングと回転体の間隔が、理論上の必要最小の間隔に比べて、起動時の回転軸の振動の増幅や振れ回りを考慮した分だけ大きく設計されている。このため、漏洩量は、理論上の必要最小の間隔における漏洩量よりも相対的に多く、ポンプ効率の低下に繋がっていた。

特許文献１は、この問題に関して、ライナリングの内周側の摺動面に被削性の高い被削物層を設けることにより、回転体が回転中に被削物層と接触しても、この被削物層の接触部が回転体で削り取られ、被削物層の摺動面と回転体のなす間隙は必要最小量となり、高圧部から低圧部に漏洩する流体の量を減少させる発明を開示している。

しかしながら、特許文献１では、回転体の撓みは考慮されていても、ポンプ起動時の回転体の急激な回転速度の増加や、その際に回転体の振動数が固有振動値（共振点）を通過することによる、回転軸の振動の増幅や振れ回りは考慮されていない。一般に、回転体が回転中に被削物層と全周にわたって均等に接触するのは、どちらかといえば稀であり、特定の方向に偏当たりしている場合が多く、回転体と被削物層との接触頻度が少ない側は、回転体と被削物層の間隙の最小化はなされていない。したがって、特許文献１に開示されたライナリングは、実際には起動時に回転体が接触する側が切削されるが、切削されない側の隙間は逆に流路が単に大きく広がってしまうだけなので、起動時においてでも、隙間の最小化はなされていない。また、定格運転時には回転体は、その中心軸がライナリングの中心軸位置近傍で比較的安定して回転するので、流体は、定格運転時には、起動時における被削物層の切削により広げられた、回転体とライナリングの隙間を漏洩しやすくなり、ポンプ効率の低下に繋がっていた。

特許文献２は、回転シャフトと軸封体の間隔の設計は、回転シャフトの回転振れにより回転シャフトと軸封体が接触することを回避するために大きな間隔を採用せざるを得なかったことを課題としている。特許文献２は、その対策として、回転シャフトの回転振れにより回転シャフトと軸封体が接触すると、軸封体が自由に変位し、相互間での強い接触を
呈すこともなく、長期にわたって良好なシール機能を発揮する非接触形軸封装置を提案している。具体的には、特許文献２は、回転シャフトが微少間隙をもって貫通している軸封体の外周面に、流体圧により軸封体を支持する、柔軟で、且つ弾性を有する弾性部材を設けることを開示している。

特許文献２では、回転シャフトの回転振れにより軸封体が回転シャフトと接触したときに、軸封体は直ちに変位して弾性体で接触荷重が吸収されるので、軸封体や回転シャフトの損傷を回避できることは開示されている。しかし、回転シャフトと軸封体の隙間の間隔は変わらないので、ポンプ起動時から定格時に至るにつれて、吐出圧力と吸込圧力の圧力差が大きくなると、それにつれて回転シャフトと軸封体の間隙から漏洩するリーク量は増大し、ポンプ効率の低下に繋がっていた。

特許文献３は、ケーシングと羽根車の間隙を実質的に小さくして、両者間の液の漏れを可及的に少なくしてポンプ性能低下を防ぐことを課題としている。特許文献３は、その対策として、ウェアリング部の材料を可撓性材料、例えばゴム又はプラスチックとし、軸方向にウェアリング部を設け、ウェアリング部の端末のリップ部をケーシング又は羽根車のウェアリング部の表面に対向して配置している。これにより、リップ部の前後面での圧力差が高まる程ケーシング又は羽根車のウェアリング部に対する接触が強まる。

特許文献４は、ケーシング側に固定されて軸封を担うシール板を、それを境にした圧力差を利用して、シール板を回転軸側の摺動部により密着的に摺動させることで間隙を実質的に小さくして漏れを少なくする発明を開示している。

これら特許文献３及び特許文献４に開示されたシール方法では、回転軸がラジアル又はスラスト方向に変移したとしても、その変移により間隙が生じないようになっている。これらのシール方法は、少なくとも運転時には常にウェアリング部のリップ、又はシール板が他方の部材と終始摺動しているので、摺動摩擦抵抗が生じる。また、摺動摩耗により、リップ又はシール板が磨滅し、他方の部材との間隔が生じてしまった場合には急激にシール性能が低下してしまい、シール性能を回復するためにはこれら部品の交換のメンテナンスが必要となっていた。このため、特に羽根車の段数が多い多段ポンプには、複数段の性能低下の虞や、部品交換の煩雑さを考えるとこれらのシール方法を採用するのは難しかった。

特許文献５は、回転軸の軸封性能を向上させるため、内周面が円錐のスタッフィングボックスに、円錐内面の傾斜に合わせて積層した複数個のシールリングを備えた軸封装置を開示している。特許文献５の軸封装置では、円錐内面の大口径側から作動流体の圧がかかることで、複数個のシールリングが軸方向に圧入され、同時に円錐内面の傾斜の作用により、複数個のシールリングは外周から中心軸方向に押される。これにより、複数個のシールリングが回転軸に押し付けられて、回転軸とシールリングとの隙間がシールされる。

特許文献５の発明では、圧力がかかる運転状態では、シールリングが常に回転軸に押し付けられるので、回転軸とシールリングの間のリークは少なくなるが、シールリングは常に回転軸により摩耗している。さらに、回転軸にかかる摩擦力のために、動力負荷が大きくなる。

特開平１１－１５３０９５号公報特開平３－２９２４７４号公報特開平１１－２５７２８７号公報特開２０１０－１２１６８３号公報特開平６－１５６５９１号公報

本発明は上記問題に鑑みてなされたものである。その目的の一つは、回転体と固定体が運転中を通じて、常時互いに摺動して摩耗又は摩擦したりすることがなく、起動時にはライナリングと回転体の接触による損傷を抑制し、且つ回転数が安定した定格運転状態では、起動時よりもライナリングと回転体の間隔を狭くしてリーク量を低減することのできる非接触環状シールを提供することである。

第１態様によれば、ロータを備え、該ロータの回転によって流体を加圧する流体機械が提供される。この流体機械は、前記ロータを囲うステータと、前記ロータと前記ステータの間に設けられた非接触環状シール装置と、を備える。前記非接触環状シール装置は、前記ロータの軸方向への流体の移動を制限し、前記ロータと前記ステータの間に設けられるシール部材と、前記シール部材を軸方向において挟持し、前記ロータの回転により生じる流体の圧力に応じて前記シール部材を軸方向に加圧して挟持する挟持装置と、前記シール部材を前記挟持装置の挟持する圧力に応じて軸方向と垂直に変形する前記シール部材とすることにより、前記シール部材と、前記ロータ又は前記ステータの間の流路面積が変化する流路を備える。

第２態様は、第１態様において、前記挟持装置は、前記シール部材を軸方向において挟持する剛性部材を含む、ことを要旨とする。

第３態様は、第２態様において、前記剛性部材の剛性は前記シール部材の剛性よりも高い、ことを要旨とする。

第４態様は、第２態様又は第３態様において、前記剛性部材のポアソン比は、前記シール部材のポアソン比よりも小さい、ことを要旨とする。

第５態様は、第２態様から第４態様のいずれかにおいて、前記ステータは、羽根車を囲うケーシングを含み、前記ケーシングは、前記挟持装置の一部を構成する、ことを要旨とする。

第６態様は、第２態様から第５態様のいずれかにおいて、前記シール部材及び前記剛性部材は、その径方向外周面が前記ステータの径方向内周面に接触するか、又はその径方向内周面が前記ロータの径方向外周面に接触する、ことを要旨とする。

第７態様は、第２態様から第６態様のいずれかにおいて、前記非接触環状シール装置は、複数の前記剛性部材と複数の前記シール部材を有し、複数の前記剛性部材と、複数の前記シール部材は、軸方向において交互に積層される、ことを要旨とする。

第８態様は、第７態様において、前記シール部材は、その内周面に、周方向に沿って配置された複数の凹部を有し、前記剛性部材は、周方向に沿って均等な径方向幅を有するリング状部材である、ことを要旨とする。

第９態様は、第１態様から第８態様のいずれかにおいて、前記非接触環状シール装置は、前記ロータに取り付けられるインペラリングと、前記ステータに取り付けられるケーシングリングを含み、前記インペラリング又は前記ケーシングリングは、前記シール部材及
び前記挟持装置を含む、ことを要旨とする。

本発明の一つによれば、回転体と固定体が運転中を通じて、常時互いに摺動して摩耗又は摩擦したりすることがなく、起動時にはライナリングと回転体の接触による損傷を抑制し、且つ回転数が安定した定格運転状態では、起動時よりもライナリングと回転体の間隔を狭くしてリーク量を低減することのできる非接触環状シールを提供することができる。

本実施形態にかかる遠心ポンプの概略図である。図１に示した遠心ポンプの液体の流入部及び吐出部を示す概略断面図である。本実施形態にかかる遠心ポンプの非接触環状シール装置の拡大図である。本実施形態にかかる遠心ポンプの非接触環状シール装置の拡大図である。他の実施形態に係る遠心ポンプの非接触環状シール装置の拡大図である。さらに他の実施形態にかかる遠心ポンプの非接触環状シール装置の拡大図である。さらに他の実施形態にかかる遠心ポンプの非接触環状シール装置の拡大図である。回転軸方向から見たシール部材の一例を示す平面図である。回転軸方向から見た剛性部材の一例を示す平面図である。さらに他の実施形態にかかる遠心ポンプの非接触環状シール装置の拡大図である。さらに他の実施形態にかかる遠心ポンプの非接触環状シール装置の拡大図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。以下で説明する図面において、同一の又は相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。なお、以下で説明する実施形態では、本発明の流体機械の一例として遠心ポンプが説明される。

図１は、本実施形態にかかる遠心ポンプの概略図である。遠心ポンプ７０は、回転軸７１と、回転軸７１に取り付けられた羽根車７２と、羽根車７２を収容するケーシング７３と、を有する。羽根車７２のシュラウド７２ａの吸込側外周面には、インペラリング４２が取り付けられる。ケーシング７３は、羽根車７２の中心に水等の液体を供給する吸込口７５と、羽根車７２の回転による遠心力により加圧された水等の液体を外部に供給する吐出口７６とを有する。また、ケーシング７３は、インペラリング４２と対向する内面に、ケーシングリング４１を有している。また、回転軸７１はケーシング７３の外部に配置されたモータ等の駆動機７７と接続されている。回転軸７１とケーシング７３との隙間には軸封装置７８が配置され、ケーシング７３内部の液体が外部に漏洩することが抑制される。

図２は、図１に示した遠心ポンプ７０の液体の流入部及び吐出部を示す概略断面図である。図２に示されるように、遠心ポンプ７０においてケーシング７３に囲繞された羽根車７２は、回転することによって、羽根車７２内部、即ちシュラウド７２ａとハブの間の液体に運動エネルギーを与える。羽根車７２から運動エネルギーを与えられて吐出された液体のエネルギーは、圧力のエネルギーに変換される。具体的には、羽根車７２の液体入口１０１ａで圧力ＰＬであった液体は、それよりも高い圧力Ｐｈを有する液体となる。羽根車７２から吐出された液体の多くは、加圧された液体を必要とする送水先に送られる。即ち、液体は、ケーシング７３を貫通する吐出流路１０６を通じてポンプ外の需要者などに
向けて送水され、これにより、ポンプ本来の機能が達成される。

ところで、ケーシング７３と羽根車７２外周との間は、羽根車７２の液体入口１０１ａの圧力ＰＬの液体をＰｈの圧力にまで昇圧する機能を有さない。このため、羽根車７２内部を通過して高圧化された液体は、ケーシング７３と羽根車７２外周との間を通過して羽根車７２の液体入口１０１ａに戻ってしまい、送水先に送られない流れが生じてロスとなる。そこで、羽根車７２により高圧化された液体が、羽根車７２の液体入口１０１ａに戻る量を少なくするように、羽根車７２のシュラウド７２ａの吸込側端部と、対応するケーシング７３の壁面との間隔を極力小さくするための非接触環状シール装置が必要となる。

非接触環状シール装置は、ロータ（羽根車７２）とステータ（ケーシング７３）の間隔を極力小さくした隙間を備えることにより、羽根車７２が回転し遠心ポンプ７０が運転しているとき、ケーシング７３内を、羽根車７２の回転軸７１方向に高圧液体の存在する高圧側領域と高圧側領域より低圧な低圧側領域とに分けることができる。これにより、非接触環状シール装置は、高圧側領域から低圧側領域への流体の移動を制限する機能を備える。

しかしながら、回転軸７１には撓みが存在するので、遠心ポンプ７０起動時の回転軸７１の急激な回転速度の増加や、その際に回転軸７１の振動数が固有振動値（共振点）を通過することにより、回転軸７１に振動の増幅又は振れ回りが生じることがある。そこで、ロータとステータの間隔は、起動時の回転軸７１の振動の増幅や振れ回りがあっても、ロータがステータに接触していずれかが損傷することのないように、振動の増幅や振れ回りを考慮しない理想上の必要最小の間隔に比べて、非常に大きく設計される。

図２に示すように、本実施態様では、羽根車７２のシュラウド７２ａの吸込側端部に、インペラリング４２（ウェアリング）が設けられ、インペラリング４２の対面するケーシング７３側の接触面には、ケーシングリング４１（ライナリング）が設けられる。したがって、本実施形態では、インペラリング４２とケーシングリング４１が非接触環状シール装置を構成する。インペラリング４２及びケーシングリング４１により、ウェアリング部１０５が形成される。インペラリング４２及びケーシングリング４１はともに環状である。

図３Ａ及び図３Ｂは本実施形態にかかる遠心ポンプ７０の非接触環状シール装置の拡大図であり、図３Ａはポンプ停止時の非接触環状シール装置を示し、図３Ｂは、ポンプ運転時の非接触環状シール装置を示す。まず、図３Ａを参照して、本実施形態の非接触環状シールの配置状況を説明する。非接触環状シール装置のケーシングリング４１は、ステータ、即ちケーシング７３に設けられる。ケーシングリング４１は、シール部材１１と、シール部材１１より剛性の高い剛性部材１０を有する。シール部材１１及び剛性部材１０は、例えばリング状の部材であり、インペラリング４２の外周面と対向するように設けられる。シール部材１１と剛性部材１０は、回転軸７１の軸方向に交互に積層して、積層体を構成している。本明細書において「交互に積層」とは、剛性部材１０がシール部材１１を挟む構造を少なくとも１つ以上含むことを意味する。シール部材１１を挟む２つの剛性部材１０は必ずしも同じ材質又は大きさでなくてもよい。

非接触環状シール装置のインペラリング４２は、先に述べたように羽根車７２のシュラウド７２ａの吸込側端部に配置され、非接触環状シール装置のロータ側の接触面として機能する。

積層体を構成する剛性部材１０とシール部材１１は、ケーシング７３の内周とインペラリング４２の外周の間の流路に配置される。剛性部材１０とシール部材１１の径方向内周
面とインペラリング４２の径方向外周面との間には一定間隔の隙間が設けられるように、剛性部材１０及びシール部材１１が配置され得る。シール部材１１は２つの剛性部材１０によって回転軸７１方向において挟まれており、低圧側の剛性部材１０はケーシング７３の回転軸７１と垂直な面と接している。剛性部材１０とシール部材１１、及び剛性部材１０とケーシング７３は、それぞれ、例えば任意の接着剤等により互いに固定され得る。

ここで、２つの剛性部材１０は、シール部材１１を軸方向に挟持する挟持装置ということができる。また、２つの剛性部材１０を含む挟持装置は、後述するように、遠心ポンプの運転に伴って生じる流体の圧力に応じてシール部材１１を軸方向に加圧して挟持する。シール部材１１は、挟持装置の挟持する圧力に応じて回転軸７１方向と垂直に変形し、シール部材１１と、インペラリング４２（ロータ）の間の流路の流路面積が変化する。具体的には、挟持装置がシール部材１１を軸方向において加圧することにより、図３Ｂに示すように、シール部材１１が圧縮されてその内径が小さくなる。その結果、シール部材１１と、インペラリング４２（ロータ）の間の流路の流路面積が小さくなる。なお、剛性部材１０とシール部材１１の径方向外周面がケーシング７３の内周面と接して配置された場合、シール部材１１が回転軸７１の中心方向に変形しやすくなり、シール部材１１とインペラリング４２の間の流路の流路面積の変化を大きくすることができる。したがって、剛性部材１０とシール部材１１の径方向外周面がケーシング７３の内周面と接して配置されるのが好ましい。

次に、図３Ｂを参照して、ポンプ運転時における非接触環状シールの作用を説明する。遠心ポンプ７０運転時には、先に述べたように羽根車７２の回転によって、羽根車７２内部の液体に運動エネルギーが与えられ、このエネルギーは羽根車７２の出口で圧力エネルギーに変換される。このため、羽根車７２の液体入口１０１ａで圧力ＰＬであった液体は、吐出流路１０６においてそれよりも高い圧力Ｐｈを有する。

このとき、非接触環状シール装置の高圧側には高い圧力Ｐｈが加わる。即ち、シール部材１１に対して回転軸７１方向において高い圧力Ｐｈが加わる。シール部材１１は２つの剛性部材１０に回転軸７１方向において挟まれているので、高い圧力Ｐｈに応じて回転軸７１方向に圧縮ひずみが生じる。それと同時に、回転軸７１方向に生じた圧縮ひずみの大きさに応じて、回転軸７１方向と垂直な径方向にシール部材１１が展延するひずみを生じる。剛性部材１０も同様に軸方向と垂直な径方向に展延するが、シール部材１１は剛性部材１０よりも剛性が小さい材料であるので、結果的に図３Ｂに示すように、シール部材１１が剛性部材１０よりも大きく展延する。

このため、シール部材１１の径方向内周面とインペラリング４２の径方向外周面との隙間の間隔は小さくなり、インペラリング４２（ウェアリング）と、ケーシングリング４１（ライナリング）の間の隙間の流路断面積が小さくなるので、この流路を通過する液体の流量が少なくなる。

本実施形態にかかる遠心ポンプ７０の非接触環状シール装置によれば、遠心ポンプ７０の定常運転時の吐出圧（高圧）と吸込圧（低圧）の設計値から、適切な剛性のシール部材１１を選び、運転開始後は圧力の増加に応じてシール部材１１の内径側が回転軸７１の中心方向に展延することでウェアリング部１０５の隙間が小さくなる。このため、本実施形態の遠心ポンプ７０では、回転軸７１の撓みや軸心のずれを考慮した従来のウェアリング部のように、インペラリング４２とケーシングリング４１の間をやや広めの隙間に設計することができる。したがって、本実施形態の遠心ポンプ７０によれば、回転体（インペラリング４２）と固定体（ケーシングリング４１）が運転時を通じて常時互いに摺動して摩耗したり摩擦したりすることが抑制されるので、メンテナンスの頻度をより少なくすることができる。また、回転軸７１の振れ回りや撓みに応じて回転体と固定体の隙間を設計し
ても、運転時の液体の圧力が高くなるほど（吐出圧力と吸込圧力の差が大きくなるほど）隙間は小さくなるので、高圧側から低圧側へのリーク量を減らすことができる。

言い換えれば、本実施形態の遠心ポンプ７０では、従来の隙間設計、即ち、遠心ポンプ７０の起動時から定格運転までの圧力が比較的高くない間の、起動時の急激な回転軸７１の回転速度の増加や、その際に回転軸７１の振動が固有振動値（共振点）を通過することにより、回転軸７１に振動の増幅が生じたり振れ回りが生じたりしてもロータがステータに接触することを回避できる隙間設計を採用できる。このとき、シール部材１１に加わる回転軸７１方向の圧力が比較的低いので、シール部材１１は回転軸７１方向にほとんど圧縮されず、ケーシングリング４１とインペラリング４２との隙間の大きさは、組立時の状態が維持される。また、この遠心ポンプ７０では、回転数が安定した定格運転において、吐出圧力と吸込圧力の圧力差が起動時より大きくなり、回転軸７１方向において剛性部材１０に圧縮荷重が加わり、剛性部材１０に挟まれたシール部材１１が回転軸７１方向に圧縮される。このため、シール部材１１は、回転軸７１方向の圧縮量に応じて、シール部材１１のポアソン比に従って回転軸７１方向と垂直に展延する。他方、剛性部材１０は、シール部材１１よりも剛性が高いので、シール部材１１ほど変形しない。このため、定格運転時には、圧力差に応じて上記隙間が小さくなるので、リーク量を減少させることができ、ポンプ効率を向上させることができる。

ここで、本実施形態の遠心ポンプ７０の非接触環状シール装置の積層体において、シール部材１１と剛性部材１０の物性の違いについて、剛性部材１０はシール部材１１よりも高い剛性を有するものとして説明した。しかしながら、これに限らず、剛性部材１０とシール部材１１とは、剛性が略同等であってもよく、この場合には、シール部材１１のポアソン比が剛性部材１０のポアソン比よりも大きければよい。したがって、シール部材１１は、剛性部材１０よりも大きなポアソン比を有する部材ということもできる。

シール部材１１としては、例えば合成ゴム若しくは天然ゴム等のゴム材料、又は樹脂材料等を採用することができ、使用範囲で弾性を保つ材料が好ましい。剛性部材１０としては、例えば鉄合金、ステンレス、銅合金などの金属材料、セラミックス材料、ゴム材料、又は樹脂材料等を採用することができる。

シール部材１１と剛性部材１０の形状は、ロータ外径と直径方向の両側の隙間の大きさとの和に相当する直径の穴を中心に有する円盤状の形状であることが好ましい。なお、シール部材１１と剛性部材１０の径方向外周の形状は円形であることが好ましいが、それに限られない。

次に、他の実施形態に係る遠心ポンプ７０を説明する。他の実施形態に係る遠心ポンプ７０は、図１から図３Ｂに示した遠心ポンプ７０に比べて、非接触環状シールの構造のみが異なる。図４は、他の実施形態に係る遠心ポンプ７０の非接触環状シール装置の拡大図である。図４に示すように、この非接触環状シール装置のケーシングリング４１は、シール部材１１がケーシング７３の回転軸７１方向と垂直な面に固定され、これと反対側に剛性部材１０が固定される。即ち、この非接触環状シール装置では、シール部材１１がケーシング７３と剛性部材１０に挟まれており、シール部材１１を挟む２つの剛性部材１０の一方の機能をケーシング７３が担っているといえる。したがって、シール部材１１と回転軸７１方向と垂直な面で接するケーシング７３が、シール部材１１よりも剛性が高いか、シール部材１１に比べて同等の剛性でポアソン比が小さければ、ケーシング７３を剛性部材１０とみなすことができる。本明細書では、シール部材１１より剛性が高いか、シール部材１１に比べて同等の剛性でポアソン比が小さい剛性部材１０（ケーシング７３を含む）がシール部材１１を挟むことができる装置を挟持装置と呼ぶ。

図５Ａ及び図５Ｂは、さらに他の実施形態にかかる遠心ポンプ７０の非接触環状シール装置の拡大図であり、図５Ａはポンプ停止時の非接触環状シール装置を示し、図５Ｂは、ポンプ運転時の非接触環状シール装置を示す。この実施形態に係る遠心ポンプ７０は、図１から図４に示した遠心ポンプ７０に比べて、非接触環状シールの構造のみが異なる。図５Ａ及び図５Ｂに示すように、この非接触環状シールのケーシングリング４１は、３つのシール部材１１と４つの剛性部材１０が交互に回転軸７１方向に積層した構造を有する。図５Ａ及び図５Ｂに示す例では、運転時にシール部材１１によりケーシングリング４１とインペラリング４２との隙間が狭められる部分と、剛性部材１０により上記隙間の大きさが変わらない部分が生じる。このため、図５Ｂに示すように、非接触環状シールが、いわゆる並行溝シールの形状を形成することができ、ラビリンス効果により上記隙間を通過する液体の流量を低減することができる。

なお、ケーシングリング４１を構成する積層体の回転軸７１方向における低圧側端部の剛性部材１０は、図５Ａ及び図５Ｂに示すようにケーシング７３に固定されてもよい。或いは、上述したように、ケーシング７３が、シール部材１１よりも高い剛性を有するか、シール部材１１と略同等の剛性でシール部材１１よりも低いポアソン比を有するときには、剛性部材１０は、図４に示したように、ケーシング７３の一部であってもよい。

図６Ａは、回転軸７１方向から見たシール部材１１の一例を示す平面図である。図６Ｂは、回転軸７１方向から見た剛性部材１０の一例を示す平面図である。シール部材１１は加工しやすい材料で形成されるので、複雑な形状の加工も容易である。例えば、図６Ａに示すように、シール部材１１の内周の一部が周方向に沿って間隔を有して切り欠かれるようにシール部材１１が加工され得る。即ち、シール部材１１は、その内周面に、周方向に沿って配置された複数の凹部１１ａを有する。図６Ａに示す例では、複数の凹部１１ａは、シール部材１１の内周面に周方向に沿って均等に配置される。他方、図６Ｂに示すように、剛性部材１０は均等な幅（径方向における幅）を有するリング状の平面形状を有し得る。図６Ａに示すシール部材１１と図６Ｂに示す剛性部材１０とを交互に積層させることで、ポケットダンパーシールのような複雑な構造の非接触シール装置を容易に作成することができる。

図７Ａ及び図７Ｂは、さらに他の実施形態にかかる遠心ポンプ７０の非接触環状シール装置の拡大図であり、図７Ａはポンプ停止時の非接触環状シール装置を示し、図７Ｂは、ポンプ運転時の非接触環状シール装置を示す。図７Ａに示すように、非接触環状シール装置のインペラリング４２は、シール部材１１と剛性部材１０を有する。シール部材１１及び剛性部材１０は、回転軸７１の軸方向に交互に積層した積層体を構成している。

非接触環状シール装置のインペラリング４２に対面するケーシング７３には、ケーシングリング４１（ライナリング）が固定されている。剛性部材１０とシール部材１１はケーシング７３の内周面とシュラウド７２ａの外周面との間の流路に配置される。剛性部材１０とシール部材１１の径方向外周面とケーシングリング４１の径方向内周面との間には一定の間隔の隙間が設けられるように、剛性部材１０及びシール部材１１が配置され得る。シール部材１１は２つの剛性部材１０によって回転軸７１方向において挟まれており、低圧側の剛性部材１０はシュラウド７２ａの外周面に固定された環状部材１２の回転軸７１と垂直な面と接している。なお、回転軸７１方向の低圧側端部に位置する剛性部材１０は、環状部材１２の剛性がシール部材１１より高い場合は、この剛性部材１０が省略され、シール部材１１が環状部材１２に固定されてもよい。即ち、この場合、環状部材１２が剛性部材１０の機能を担っているといえる。

ここで、２つの剛性部材１０は、シール部材１１を軸方向に挟持する挟持装置を構成し、遠心ポンプ７０の運転（つまりロータの回転）に伴い生じる流体の圧力に応じてシール
部材１１を回転軸７１方向に加圧して挟持する。シール部材１１は、挟持装置の挟持する圧力に応じて回転軸７１方向と垂直に変形し、シール部材１１と、ケーシングリング４１（ステータ）の間の流路の流路面積が変化する。なお、剛性部材１０とシール部材１１の径方向内周面が、シュラウド７２ａの外周面と接して配置された場合、シール部材１１が回転軸７１の径方向外側に向かって変形しやすくなり、シール部材１１とケーシングリング４１の間の流路の流路面積の変化を大きくすることができる。したがって、剛性部材１０とシール部材１１の径方向外周面がシュラウド７２ａの内周面と接して配置されるのが好ましい。

ポンプ運転時には、先に述べたように羽根車７２の回転によって、羽根車７２内部の液体に運動エネルギーが与えられ、このエネルギーは羽根車７２の出口で圧力エネルギーに変換される。このため、羽根車７２の液体入口１０１ａで圧力ＰＬであった液体は、吐出流路１０６においてそれよりも高い圧力Ｐｈを有する。

このとき、非接触環状シール装置の高圧側には高い圧力Ｐｈが加わる。即ち、シール部材１１に対して回転軸７１方向において高い圧力Ｐｈが加わる。シール部材１１は２つの剛性部材１０に回転軸７１方向において挟まれているので、高い圧力Ｐｈに応じて回転軸７１方向に圧縮ひずみが生じる。それと同時に、回転軸７１方向に生じた圧縮ひずみの大きさに応じて、回転軸７１方向と垂直な径方向にシール部材１１が展延するひずみが生じる。剛性部材１０も同様に軸方向と垂直な径方向に展延するが、シール部材１１は剛性部材１０よりも剛性が小さい材料であるので、結果的に図７Ｂに示すように、シール部材１１が剛性部材１０よりも大きく展延する。

このため、シール部材１１の径方向外周面とケーシングリング４１の径方向内周面との間の隙間の間隔は小さくなり、インペラリング４２（ウェアリング）と、ケーシングリング４１（ライナリング）の間の隙間の流路断面積が小さくなるので、この流路を通過する流量が少なくなる。

図７Ａ及び図７Ｂに示す実施形態によれば、図３Ａ及び図３Ｂに示した実施形態と同様の効果を奏することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上述した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。また、上述した課題の少なくとも一部を解決できる範囲、又は、効果の少なくとも一部を奏する範囲において、特許請求の範囲及び明細書に記載された各構成要素の任意の組み合わせ、又は省略が可能である。例えば、本実施態様について、羽根車のシュラウドの吸込側端部と、対応するケーシングの内壁面のウェアリング部に、本発明にかかる非接触環状シール装置を用いた実施態様を説明したが、上述した発明の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない、本発明にかかる非接触環状シール装置は、例えば液体を加圧して移送する多段ポンプのスラストピストン機構にも用いることができ、すなわち、ロータとステータの間を回転軸方向に高圧側から低圧側に流体が漏洩する箇所に本発明の非接触環状シール装置を備えることができる。

１０…剛性部材
１１…シール部材
４１…ケーシングリング
４２…インペラリング
７０…遠心ポンプ
７１…回転軸
７２…羽根車
７３…ケーシング

Claims

ロータを備え、該ロータの回転によって流体を加圧する流体機械であって、
前記ロータを囲うステータと、
前記ロータと前記ステータの間に設けられた非接触環状シール装置と、を備え、
前記非接触環状シール装置は、
前記ロータの軸方向における流体の移動を制限し、前記ロータと前記ステータの間に設けられるシール部材と、
前記シール部材を軸方向において挟持し、前記ロータの回転により生じる流体の圧力に応じて前記シール部材を軸方向に加圧して挟持する挟持装置と、
前記シール部材を前記挟持装置の挟持する圧力に応じて軸方向と垂直に変形する前記シール部材とすることにより、前記シール部材と、前記ロータ又は前記ステータの間の流路面積が変化する流路を備えた、流体機械。
請求項１に記載された流体機械において、
前記挟持装置は、前記シール部材を軸方向において挟持する剛性部材を含む、流体機械。
請求項２に記載された流体機械において、
前記剛性部材の剛性は前記シール部材の剛性よりも高い、流体機械。
請求項２又は３に記載された流体機械において、
前記剛性部材のポアソン比は、前記シール部材のポアソン比よりも小さい、流体機械。
請求項２から４のいずれか一項に記載された流体機械において、
前記ステータは、羽根車を囲うケーシングを含み、
前記ケーシングは、前記挟持装置の一部を構成する、流体機械。
請求項２から５のいずれか一項に記載された流体機械において、
前記シール部材及び前記剛性部材は、その径方向外周面が前記ステータの径方向内周面に接触するか、又はその径方向内周面が前記ロータの径方向外周面に接触する、流体機械。
請求項２から６のいずれか一項に記載された流体機械において、
前記非接触環状シール装置は、複数の前記剛性部材と複数の前記シール部材を有し、
複数の前記剛性部材と、複数の前記シール部材は、軸方向において交互に積層される、流体機械。
請求項７に記載された流体機械において、
前記シール部材は、その内周面に、周方向に沿って配置された複数の凹部を有し、
前記剛性部材は、周方向に沿って均等な径方向幅を有するリング状部材である、流体機械。
請求項１から８のいずれか一項に記載された流体機械において、
前記非接触環状シール装置は、前記ロータに取り付けられるインペラリングと、前記ステータに取り付けられるケーシングリングを含み、
前記インペラリング又は前記ケーシングリングは、前記シール部材及び前記挟持装置を含む、流体機械。