JPWO2014077058A1 - 回転機械 - Google Patents

Abstract

回転軸（２）の外周側に配置され、回転軸（２）に対して軸線回りに相対回転するケーシング（５）と、ケーシング（５）に固定されて回転軸（２）とケーシング（５）との間の空間を高圧側と低圧側とに区画するとともに、回転軸（２）の外周面（２ａ）に対向する複数の第一穴部（２２Ａ）が周方向に間隔をあけて形成された第一穴列を有するホールパターンシール（２１）とを備え、ホールパターンシール（２１）は、第一穴列の高圧側に回転軸（２）側に向かって延出し、周方向に延びるフィン部（２４）を有し、回転軸（２）は、回転軸（２）の外周面から第一穴部（２２）Ａに向かって突出して周方向に亘って延びるとともに、フィン部（２４）の低圧側で第一穴部（２２Ａ）に対向する凸部（２５）を備え、凸部（２５）は、フィン部（２４）側を向く壁面（２５ａ）を備える。

Description

この発明は、タービンなどの回転機械に関する。
本願は、２０１２年１１月１３日に、日本に出願された特願２０１２−２４９１４２号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

一般に、タービンや遠心圧縮機などの回転機械には、静止側と回転側との隙間から流体が漏洩することを防止するためにシール機構が設けられている。
このシール機構としては、メンテンナス性などの観点から非接触型のシール機構が一般的である。しかし、非接触型のシール機構は、流体の漏れ量を低減するためにできるだけクリアランスを小さく設定する必要がある。
上記シール機構は、流入する流体の旋回流（以下、単にスワールと称す）によって自励振動する場合がある。シール機構は、この自励振動によって静止側と回転側とが接触しないようにクリアランスを設定しなければならない。そのため、非接触型のシール機構においては、クリアランスを小さくできず、流体の更なる漏れ量低減が困難となっていた。
静止側と回転側との間にできる隙間に流入した流体に対して高圧の流体を噴出させて自励振動の原因になるスワールを打ち消す技術が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。
一方で、スワールを低減可能な非接触型のシール機構として、静止側の内周面に無数の穴が形成されたいわゆるホールシールが知られている。このホールシールを用いた場合、ホール内に渦流が生じる。このホール内の渦流がスワールに干渉してスワールが抑制される。

特開２００３−１４８３９７号公報 特開平８−３３８５３７号公報

ところで、上述した特許文献１，２に記載の技術は、スワールを低減して自励振動を抑制することができる。しかし、特許文献１，２に記載の技術は、高圧流体を低圧側に噴出させているため、実質的に高圧流体の漏れ量を低減できていない。
また、ホールシールの場合には、スワールを渦流によって低減できる。しかし、ホールシールの場合、軸方向に流れる流体については、隙間によって縮流されるだけであるため、今まで以上の漏れ量低減が困難になる。

この発明は、回転側と静止側との間に生じるスワールを低減しつつ高圧側から低圧側への流体の漏れ量を低減することが可能な回転機械を提供する。

この発明の第一の態様によれば、回転機械は、軸線に沿って延びるロータと、該ロータの外周側に配置され、前記ロータに対して前記軸線回りに相対回転するステータと、前記ステータに固定されて前記ロータと前記ステータとの間の空間を高圧側と低圧側とに区画するとともに、前記ロータの外周面に対向する複数の第一穴部が周方向に間隔をあけて形成された第一穴列を有するホールパターンシールと、を備える。前記ホールパターンシールは、前記第一穴列の高圧側に前記ロータ側に向かって延出し、周方向に延びるフィン部を有する。前記ロータは、該ロータの外周面から前記第一穴部に向かって突出して周方向に延びて、前記フィン部の低圧側で前記第一穴部に対向する凸部を備える。前記凸部は、前記フィン部側を向く壁面を備える。

この発明の第二の態様によれば、回転機械は、上記第一の態様の回転機械において、前記第一穴列は、軸線方向に間隔をあけて複数設けられてもよい。前記フィン部は、各第一穴列の高圧側に設けられてもよい。前記凸部は、各フィン部の低圧側で各第一穴列の前記第一穴部に対向するように設けられてもよい。前記ホールパターンシールは、各第一穴列の低圧側に、複数の第二穴部が周方向に間隔をあけて形成される第二穴列を少なくとも一列有していてもよい。

この発明の第三の態様によれば、回転機械は、上記第二の態様の回転機械において、前記第一穴部と前記第二穴部とは、正方配列されていてもよい。

この発明第四の態様によれば、回転機械は、上記第一から第三の何れか一つの態様の回転機械において、前記フィン部の先端側が高圧側に向くように傾斜していてもよい。

この発明に係る第五の態様によれば、回転機械は、上記第一から第四の何れか一つの態様の回転機械において、前記フィン部は、先端側が先細り状に形成されていてもよい。

この発明の第六の態様によれば、回転機械は、上記第二から第四の何れか一つの態様の回転機械における前記第二穴部が、前記第一穴部の深さよりも浅く形成されていてもよい。

この発明の第七の態様によれば、回転機械は、上記第二から第四の何れか一つの態様の回転機械における前記第一穴部が、前記第二穴部よりも大径に形成されていてもよい。

この発明の第八の態様によれば、回転機械は、上記第二から第七の何れか一つの態様の回転機械において、軸線方向で隣り合う前記第一穴列の間には、複数の前記第二穴部が軸線方向に並んで設けられていてもよい。

上述した回転機械によれば、回転側と静止側との間に生じるスワールを低減しつつ高圧側から低圧側への流体の漏れ量を低減することができる。

この発明の第一実施形態における遠心圧縮機の概略構成を示す断面図である。 上記遠心圧縮機のシール機構におけるホールパターンシールを示す斜視図である。 上記遠心圧縮機におけるシール機構の部分断面図である。 上記ホールパターンシールの内周面の展開図である。 上記シール機構を構成する回転軸の凸部の展開図である。 上記シール機構による作用の説明図である。 この発明の第二実施形態における図４に相当する展開図である。 この発明の第二実施形態における図５に相当する展開図である。 この発明の第三実施形態における図３に相当する部分展開図である。 この発明の第四実施形態におけるフィン部の縦断面図である。 この発明の第五実施形態における図６に相当する図である。 この発明の第六実施形態における図６に相当する図である。 この発明の第七実施形態における図６に相当する図である。 この発明の第七実施形態の変形例における図６に相当する図である。

以下、この発明の第一実施形態における回転機械である遠心圧縮機について図面に基づき説明する。
図１は、この発明の第一実施形態に係る遠心圧縮機１を示す概略構成断面図である。
図１に示すように、この実施形態における遠心圧縮機１は、多段式遠心圧縮機である。遠心圧縮機１は、例えば２組の３段式インペラ群を備えている。

遠心圧縮機１は、回転軸（ロータ）２と、インペラ３と、ケーシング５と、シール機構２０とを備えている。
回転軸（ロータ）２は、軸線Ｏ回りに回転する。
インペラ３は、回転軸２に取り付けられ遠心力を利用してプロセスガス（流体）Ｇを圧縮する。
ケーシング５は、回転軸２を回転可能に支持する。このケーシング５には、プロセスガスＧを高圧側から低圧側に流すリターン流路４が形成されている。
シール機構２０は、回転軸２の外周面に沿って設けられている。

ケーシング５は、略円柱状の外郭をなすように形成されている。ケーシング５の中心を貫くように回転軸２が配されている。ケーシング５の両端部には、それぞれジャーナル軸受５ａ及びスラスト軸受５ｂが設けられている。これらジャーナル軸受５ａ及びスラスト軸受５ｂによって回転軸２の両端部が回転可能に支持されている。つまり、回転軸２は、当該ジャーナル軸受５ａ及びスラスト軸受５ｂを介してケーシング５に支持されている。

ケーシング５の両端部近傍側面には、プロセスガスＧを径方向外側から吸入するための吸込口５ｃ，５ｅが設けられている。ケーシング５の軸線Ｏ方向中央部には、プロセスガスＧを径方向外側へ排出するために排出口５ｄ，５ｆが設けられている。ケーシング５には、吸込口５ｃと排出口５ｄとを連通させる内部空間６ａ（６）、および、吸込口５ｅと排出口５ｆとを連通させる内部空間６ｂ（６）がそれぞれ形成されている。

ケーシング５の内部に収容された複数のインペラ３は、回転軸２の軸線Ｏ方向においてブレード３ｂの向きが互いに反対側を向く２組の３段式インペラ群３Ａと、３段式インペラ群３Ｂとを構成している。３段式インペラ群３Ａと３段式インペラ群３Ｂとは、互いの背面を軸線Ｏ方向中央に向けた状態で回転軸２に取り付けられている。

インペラ３は、ディスク３ａと、ブレード３ｂと、カバー部３ｃとを備えている。
ディスク３ａは、軸線Ｏ方向で排出口５ｄ，５ｆ側に向かって漸次拡径された略円盤状に形成されている。
ブレード３ｂは、ディスク３ａに放射状に取り付けられている。ブレード３ｂは、周方向に複数並んでいる。
カバー部３ｃは、複数のブレード３ｂの先端側を周方向に覆うように取り付けられている。

３段式インペラ群３Ａを構成するインペラ３のブレード３ｂと３段式インペラ群３Ｂを構成するインペラ３のブレード３ｂとは、回転軸２の軸線Ｏ周りに対称に形成されている。回転軸２を回転した場合に、３段式インペラ群３Ａ、３段式インペラ群３Ｂは、それぞれ吸込口５ｃ，５ｅから排出口５ｄ，５ｆに向かって、プロセスガスＧを流通、圧縮するようになっている。

内部空間６は、リターン流路４を備えている。リターン流路４は、インペラ３の流路出口からそれぞれ流路入口に向かってプロセスガスＧを流している。リターン流路４は、ディフューザ部１２と、ベンド部１３と、リターン部１４とを有している。ディフューザ部１２は、インペラ３によって圧縮されてインペラ３の流路出口から径方向外側へと排出されたプロセスガスＧを径方向外側に案内している。

ディフューザ部１２の径方向外側の部分は、ベンド部１３を介してリターン部１４に連通されている。但し、３段式インペラ群３Ａ、３段式インペラ群３Ｂの３段目のインペラ３に繋がるディフューザ部１２の径方向外側の部分には、リターン部１４に代えて排出口５ｄ，５ｆが形成されている。

ベンド部１３は、湾曲してなる流路である。ベンド部１３の第一端側は、ディフューザ部１２に接続されている。ベンド部１３の第二端側は、リターン部１４に接続されている。ベンド部１３は、ディフューザ部１２を通じて径方向外方に流れてきたプロセスガスＧの向きを径方向内側に向かうように反転させ、リターン部１４に送り出す。リターン部１４は、径方向外側にてベンド部１３の第二端側に接続されている。リターン部１４は、径方向内側にてインペラ３の流路入口に接続されている。

この実施形態の遠心圧縮機１は、上記構成を備えている。次に、この遠心圧縮機１の動作について説明する。
まず、３段式インペラ群３Ａにおいて、吸込口５ｃから吸込まれたプロセスガスＧを、リターン流路４に流入させて、インペラ３、ディフューザ部１２、ベンド部１３、および、リターン部１４の順に１段目から３段目まで流しながら圧縮する。その後、３段目のディフューザ部１２まで流過した圧縮されたプロセスガスＧを排出口５ｄから排出する。排出口５ｄから排出されたプロセスガスＧは、排出口５ｄから吸込口５ｅへとつながる図示しない管路を通って吸込口５ｅへと送られる。

次いで、３段式インペラ群３Ｂにおいて、吸込口５ｅから吸込まれたプロセスガスＧを、リターン流路４に流入させて、インペラ３、ディフューザ部１２、ベンド部１３、リターン部１４の順に１段目から３段目まで流しながら更に圧縮する。その後、３段目のディフューザ部１２まで流過した圧縮されたプロセスガスＧを排出口５ｆから排出する。

上述した３段式インペラ群３Ｂの排出口５ｆ近傍のプロセスガスＧは、３段式インペラ群３Ａの排出口５ｄ近傍のプロセスガスＧと比較して、３段式インペラ群３Ｂによって圧縮が行われた分だけ高圧となっている。つまり、軸線Ｏ方向で排出口５ｄ近傍の回転軸２周りと、軸線Ｏ方向で排出口５ｆ近傍の回転軸２周りとのプロセスガスＧには、圧力差が生じる。そのため、各３段目のインペラ３の間には、回転軸２の回転を許容しつつ、回転軸２の軸線Ｏ方向における高圧側と低圧側とを区画してプロセスガスＧの漏洩を防止するシール機構２０が設けられている。シール機構２０は、回転軸２の外周側に配置され、回転軸２に対して軸線Ｏ回りに相対回転可能となっている。

図２、図３に示すように、回転軸２と隙間を有して配される環状のケーシング５の内周には、シール機構２０を構成するホールパターンシール２１が配置されている。ホールパターンシール２１の内周面２１ａには、内周側に向かって開口する複数の穴部２２が形成されている。これら穴部２２は、穴径が略等しい断面円形に形成されている。これら穴部２２は、軸線が全て回転軸２の径方向に延びるように配置されている。各穴部２２は、底面２２ａが円錐状（図３参照）とされている。言い換えれば、底面２２ａは、径方向外側に向かって縮径するように形成されている。このホールパターンシール２１は、その内周面２１ａに、穴部２２の開口部２２ｂが略千鳥状に配置されている。ここで、図３においては、紙面左右方向が周方向、紙面上下方向が軸線Ｏ方向となっている。

図４に示すように、ホールパターンシール２１は、軸線Ｏ方向において高圧側となる第一の側（図４の紙面左側）に、周方向（図４の紙面上下方向）に向かって略同じ間隔Ｓ１をあけて複数の第一穴部２２Ａの開口部２２ｂが並んだ第１列（第一穴列）Ｌ１が形成されている。また、この第１列Ｌ１の軸線Ｏ方向の低圧側となる第二の側（図４の紙面右側）には、間隔Ｓ１よりも十分に小さい間隔Ｓ２をあけて第３列（第二穴列）Ｌ３が形成されている。第３列Ｌ３は、複数の第二穴部２２Ｃの開口部２２ｂが、上記第１列Ｌ１と同様に周方向に向かって間隔Ｓ１をあけて並んでいる。

第１列Ｌ１と第３列Ｌ３との間には、周方向に間隔Ｓ１をあけて複数の第二穴部２２Ｂの開口部２２ｂが並ぶ第２列（第二穴列）Ｌ２が形成されている。第２列Ｌ２を構成する開口部２２ｂは、周方向で第１列Ｌ１（および第３列Ｌ３）の隣り合う開口部２２ｂ同士の間隔Ｓ１の中央で、且つ、軸線Ｏ方向で第１列Ｌ１と第３列Ｌ３との軸線Ｏ方向で隣り合う開口部２２ｂ同士の間隔Ｓ２の中央となる位置にそれぞれ配置されている。図４においては、図示都合上、第１列Ｌ１から第３列Ｌ３の符号を、各開口部２２ｂの中心を通る直線（図４中、一点鎖線）から引き出している。

ホールパターンシール２１には、上述した第１列Ｌ１から第３列Ｌ３までを一組の列群Ｒとして、複数組の列群Ｒが、軸線Ｏ方向に並んで形成されている。隣り合う各列群Ｒの第１列Ｌ１の開口部２２ｂと第３列Ｌ３の開口部２２ｂとは、それぞれ間隔Ｓ２をあけて配置されている。

図２〜図４に示すように、各列群Ｒの高圧側となる第一の側には、内周側すなわち、回転軸２側に向かって径方向に延出するフィン部２４が形成されている。フィン部２４は、ホールパターンシール２１の周方向の全周に連続して形成されている。フィン部２４は、厚さが略均等となる略円環板状に形成されている。換言すれば、フィン部２４は、第１列Ｌ１の第一穴部２２Ａを画成する高圧側の隔壁Ｋ１（図３参照）から回転軸２側に向かって延び出ている。すなわち、第１列Ｌ１は、軸線Ｏ方向に間隔をあけて複数設けられる。フィン部２４は、各第１列Ｌ１の高圧側に設けられている。第１列Ｌ１の低圧側には、第２列Ｌ２および第３列Ｌ３が配置されている。フィン部２４の先端部２４ａは、回転軸２の外周面２ａと所定のクリアランスｃをもって配置されている。

図２、図３に示すように、回転軸２は、上述したホールパターンシール２１に対向する外周面２ａに、凸部２５を有している。凸部２５は、ホールパターンシール２１に向かって突出して周方向の全周に連続して形成されている。凸部２５は、各フィン部２４よりも低圧側で第１列Ｌ１の第一穴部２２Ａの開口部２２ｂに対向する。凸部２５は、その高圧側の縦壁２５ｂが軸線Ｏ方向で隔壁Ｋ３の高圧側の面よりも高圧側に配置されている。凸部２５の外周面２５ａは、互いに隣り合うフィン部２４の間に配置されている。換言すれば、外周面２５ａは、軸線Ｏ方向からみてフィン部２４と重なるように、第１列Ｌ１の第一穴部２２と第３列Ｌ３の第二穴部２２Ｃとの間の隔壁Ｋ３に対して所定のクリアランスをもって配置されている。図２〜図５に示すように、フィン部２４は、軸線Ｏ方向において、隣り合う凸部２５，２５の間の略中央に配置されている。つまり、凸部２５は、軸線Ｏ方向に隣り合う隔壁Ｋ３同士の中央部を中心にして、略対称形状となっている。

次に、上述したホールパターンシール２１による、作用について図６を参照しながら説明する。
ここで、上述した回転軸２が回転すると、回転軸２の周囲のプロセスガスＧには、インペラ３を含む回転体から回転接線方向にせん断力が作用する。このせん断力の作用によって周方向の速度成分を有するスワールが発生する。このスワールを含むプロセスガスＧが、軸線Ｏ方向両側の圧力差によって高圧側から低圧側に向かって流れようとする。

まず、上記スワールを含むプロセスガスＧは、ホールパターンシール２１の最も高圧側のフィン部２４の先端部２４ａと回転軸２の外周面２ａとの隙間ｇ１によって縮流される。この隙間ｇ１に入り込んだプロセスガスＧは、軸線Ｏ方向を低圧側に向かって進む。すると、このプロセスガスＧは、凸部２５の高圧側の縦壁２５ｂに衝突して、凸部２５の径方向外側すなわちホールパターンシール２１の第１列Ｌ１の第一穴部２２Ａ側に向かう流れとなる。

次いで、第１列Ｌ１の第一穴部２２Ａ側に向かうプロセスガスＧの大部分は、第一穴部２２Ａの内部に入り込み底面２２ａで開口部２２ｂに向かうように折り返されて渦流となる。ここで、穴部２２には、周方向にも隔壁Ｋ２があることから、第一穴部２２Ａに入り込んだプロセスガスＧのスワールが隔壁Ｋ２に衝突して打ち消される。第一穴部２２Ａから出たプロセスガスＧは、低圧側に流れようとして、凸部２５の直上の隔壁Ｋ３あるいは第２列Ｌ２と凸部２５の外周面２５ａとの隙間ｇ２に入り込む。その後、プロセスガスＧは、凸部２５の外周面２５ａよりも低圧側で且つ径方向内側に配置される隙間ｇ３に向かって進み、その際、径方向に蛇行する。この蛇行により流れが乱されて一般的なラビリンスシールと同様のシール効果が得られるようになっている。その後、ホールパターンシール２１の列群Ｒの数の分だけ、上述した作用が繰り返されることとなる。なお、第３列Ｌ３の第二穴部２２Ｃの内部においても一般的なホールパターンシール２１と同程度の渦流が発生しており、スワールの低減に寄与している。

したがって、上述した第一実施形態の遠心圧縮機１によれば、ホールパターンシール２１のフィン部２４と回転軸２との隙間ｇ１から入り込んだプロセスガスＧを、回転軸２の凸部２５の縦壁２５ｂに接触させてホールパターンシール２１の穴部２２側に向かって流すことができる。そのため、穴部２２の隔壁のうち回転軸２の周方向に配置される隔壁Ｋ２によって旋回方向へのプロセスガスＧの流れを阻害してスワールを低減することができる。また、フィン部２４により形成される隙間ｇ１，ｇ３と凸部２５により形成される隙間ｇ２とが、径方向にずれた位置に配置されていることで、プロセスガスＧが径方向に蛇行する。そのため、いわゆるラビリンス構造によるシール効果によりプロセスガスＧの漏れ量を低減することができる。その結果、スワールによる自励振動を防止しつつ、高圧側から低圧側へのプロセスガスＧの漏れ量を低減することができる。

さらに、ホールパターンシール２１が形成された高圧側と低圧側との間に設けられたフィン部２４と凸部２５との数、すなわち列群Ｒが形成されている数に応じて、列群Ｒの数が多いほどプロセスガスＧのスワールおよび漏れ量を低減することができる。

次に、この発明の第二実施形態における回転機械である遠心圧縮機について図面に基づき説明する。
この第二実施形態は、上述した第一実施形態と、ホールパターンシールにおける穴部２２の配置が異なるだけであるので、同一部分に同一符号を付して説明し、重複説明を省略する（以下、第三から第七実施形態も同様）。

図７、図８に示すように、回転軸２と隙間を有して配される環状のケーシング５の内周には、複数の穴部２２が形成されたホールパターンシール１２１が配置されている。これら穴部２２は、全ての穴径が略等しい断面円形に形成されている。穴部２２は、その軸線が回転軸２の径方向に延びるように配置されている。このホールパターンシール１２１は、その内周面２１ａに、穴部２２の開口部２２ｂが、正方配置されている。

より具体的には、ホールパターンシール１２１は、軸線Ｏ方向において高圧側となる第一の側（図７の紙面左側）に、周方向（図７の紙面上下方向）に向かって略同じ間隔Ｓ３をあけて複数の第一穴部２２Ａの開口部２２ｂが並んだ第１列Ｌ２１が形成されている。第１列Ｌ１の軸線Ｏ方向における第二の側（図６の紙面右側）には、間隔Ｓ３と略同一の間隔Ｓ４をあけて、第２列Ｌ２２が形成されている。この第２列Ｌ２２は、複数の第二穴部２２Ｂの開口部２２ｂが、上記第１列Ｌ２１と同様に周方向に向かって間隔Ｓ３をあけて並んでいる。

ホールパターンシール１２１には、上述した第１列Ｌ２１と第２列Ｌ２２までを一組の列群２Ｒとして、複数組の列群２Ｒが、軸線Ｏ方向に並んで形成されている。各列群２Ｒの軸線Ｏ方向で隣り合う第一例Ｌ２１の開口部２２ｂと第２列Ｌ２２の開口部２２ｂとは、それぞれ間隔Ｓ４をあけて配置されている。

これら列群Ｒの高圧側となる第一の側には、内周側すなわち回転軸２側に向かって径方向に延び出るフィン部２４が形成されている。フィン部２４は、内周面２１ａの周方向の全周に連続して形成されている。フィン部２４は、厚さが略均等となる略円環板状に形成されている。換言すれば、フィン部２４は、周方向に隣り合う第１列Ｌ２１の第一穴部２２Ａを画成する高圧側の隔壁Ｋ１から回転軸２側に向かって延び出ている。すなわち、第１列Ｌ２１は、軸線Ｏ方向に間隔をあけて複数設けられている。フィン部２４は、各第１列Ｌ２１の高圧側に設けられている。第１列Ｌ２１の低圧側に、第２列Ｌ２２が配置されている。第一実施形態と同様に、フィン部２４の先端部２４ａは、回転軸２の外周面２ａと所定のクリアランスｃをもって配置される。

上述したホールパターンシール１２１に対向する回転軸２の外周面２ａには、凸部２５が形成されている。凸部２５は、ホールパターンシール１２１に向かって突出して周方向の全周に連続して形成されている。凸部２５は、フィン部２４よりも低圧側で第１列Ｌ２１の第一穴部２２Ａの開口部２２ｂに対向する。この凸部２５の外周面２５ａは、第１列Ｌ２１の第一穴部２２Ａの開口部２２ｂに対して、フィン部２４の先端部２４ａと回転軸２の外周面２ａとの間と同様に、所定のクリアランスが確保されている。上述したフィン部２４は、軸線Ｏ方向において、隣り合う凸部２５，２５の間の略中央に配置されている。つまり、凸部２５は、軸線Ｏ方向において、隔壁Ｋ３の中央部を中心にして略対称形状となっている。

したがって、上述した第二実施形態によれば、第一実施形態よりもフィン部２４の低圧側に配置される第１列Ｌ２１の第一穴部２２Ａの間隔を小さくすることができる。そのため、第一穴部２２Ａの内部により多くのプロセスガスＧを流入させることができる。
さらに、凸部２５に対向する隔壁Ｋ３が周方向に連続するため、凸部２５と隔壁Ｋ３との間のクリアランスを周方向で略均一にすることができる。その結果、スワールの更なる低減を図りつつ、ラビリンス構造によるシール効果を向上して流体の漏れ流量を低減することが可能となる。なお、ホールパターンシール１２１の強度という点では、上述した第一実施形態のホールパターンシール２１の方が隔壁Ｋ２，Ｋ３がより厚く形成される点で有利である。

次に、この発明の第三実施形態における回転機械である遠心圧縮機について図９に基づき説明する。
上述した第一実施形態および第二実施形態のフィン部２４の先端部２４ａが径方向に延びていたのに対して、第三実施形態の遠心圧縮機のフィン部１２４は、基部２４ｂよりも先端部２４ａが高圧側に配置されるように傾斜状態で形成されている。図９においては、フィン部１２４を直線状に形成する一例を示しているが、回転軸２側に向かって徐々に傾斜角度が軸線Ｏの角度に近づくように形成されてもよい。

したがって、上記第三実施形態によれば、とりわけ、フィン部２４に衝突したプロセスガスＧがフィン部２４に沿って径方向外側に向かって流れやすくなる。そのため、この径方向外側に向かう流れによって生じる渦流によって隙間ｇ１へのプロセスガスＧの流入を阻害することができる。さらに、隙間ｇ１へのプロセスガスＧの流入を阻害されることで、高圧側から低圧側へのプロセスガスＧの漏れ量を低減することができる。その結果、スワールの低減を図りつつ、更なる漏れ量の低減を図ることが可能になる。

次に、この発明の第四実施形態における回転機械である遠心圧縮機について図１０に基づき説明する。
上述した第一実施形態並びに第二実施形態のフィン部２４，１２４が一定の厚さで形成されていたのに対して、この第四実施形態の遠心圧縮機のフィン部２２４は、先端部２２４ａに向かうほど幅寸法が薄く形成された先細り状に形成されている。図１０においては、フィン部２２４全体が先細り状に形成される一例を示しているが、基部２２４ｂと先端部２２４ａとの途中の中間部から先端部２２４ａ側のみを先細り状としても良い。

したがって、上記第四実施形態によれば、何らかの原因によってフィン部２２４が回転軸２の外周面２ａに接触した場合であっても、先細り状になっていることで接触面積をより小さくすることができる。そのため、クリアランスｃをできる限り狭く形成しつつ接触によるダメージを最小限に抑えることが可能となる。

次に、この発明の第五実施形態における回転機械である遠心圧縮機について図１１に基づき説明する。第五実施形態における回転機械は、第二穴部２２Ｃの深さが第一穴部２２Ａの深さよりも浅く形成されている。言い換えれば、高圧側に配される第一穴部２２Ａが深く形成され、低圧側に配される第二穴部２２Ｃが浅く形成されている。

第一穴部２２Ａは、その直径よりも深さ寸法の方が大きくなるように形成されている。
第二穴部２２Ｃは、その直径と深さ寸法とが同等に形成されている。より具体的には、第二穴部２２Ｃは、その直径に対する深さ寸法のアスペクト比が０．８〜１．２、より好ましくは、１．０とされている。

したがって、上述した第五実施形態によれば、高圧側に配された第一穴部２２Ａが深く形成されていることで、縦壁２５ｂに衝突して径方向外側に向かうプロセスガスＧが、第一穴部２２Ａ内に留まる時間をより長くできる。そのため、プロセスガスＧに含まれるスワールを効果的に取り除くことができる。

一方で、第二穴部２２Ｃが浅く形成されていることで、第一穴部２２Ａよりも、その内部に渦流（図１１中、矢印で示す）を形成し易くなる。そのため、第二穴部２２Ｃで形成された渦流と、軸方向に流れるプロセスガスＧとが干渉して、プロセスガスＧに含まれるスワールを更に取り除くことができる。
また、第二穴部２２Ｃのアスペクト比が０．８〜１．２、より好ましくは、１．０とされることで、より渦流を生じ易くすることができる。

次に、この発明の第六実施形態における回転機械である遠心圧縮機について図１２に基づき説明する。第六実施形態における回転機械は、第一穴部２２Ａが、第二穴部２２Ｃよりも大径に形成されている。言い換えれば、高圧側に配される第一穴部２２Ａが、第一実施形態の第一穴部２２Ａよりも大径に形成されている。また、低圧側に配される第二穴部２２Ｃが、第一穴部２２Ａよりも小径に形成されている。この第六実施形態においては、第二穴部２２Ｃが小径に形成される分だけ第一穴部２２Ａが大径に形成されている。

また、第一穴部２２Ａが大径に形成されている分だけ、隔壁Ｋ３は、凸部２５の軸線Ｏ方向中央部よりも低圧側に配されている。但し、隔壁Ｋ３は、外周面２５ａの径方向外側に配されている。外周面２５ａは、隔壁Ｋ３と径方向に所定のクリアランスを持って配されている。

したがって、上述した第六実施形態によれば、第一穴部２２Ａが第二穴部２２Ｃよりも大径に形成されていることで、軸線Ｏ方向に流れて縦壁２５ｂに衝突したプロセスガスＧが第一穴部２２Ａに導入される確率を増大させることができる。また、運転条件の変化などにより回転軸２の位置が軸線Ｏ方向に変化した場合であっても、プロセスガスＧが第一穴部２２Ａに導入される確率を増大できるため、ロバスト性を向上できる。

次に、この発明の第七実施形態における回転機械である遠心圧縮機について図１３に基づき説明する。第七実施形態における回転機械は、複数の第二穴部２２Ｃが軸線Ｏ方向に並んで設けられている。複数の第二穴部２２Ｃの直径は、第一穴部２２Ｃの直径よりも十分に小さく形成されている。これら第二穴部２２Ｃの深さは、第一穴部２２Ａの深さと同等に形成されている。

第一穴部２２Ａと高圧側の第二穴部２２Ｃとの間には、隔壁Ｋ３１が形成されている。また、高圧側の第二穴部２２Ｃと低圧側の第二穴部２２Ｃとの間には、隔壁Ｋ３２が形成されている。

したがって、上述した第七実施形態によれば、隔壁Ｋ３１と隔壁Ｋ３２とがラビリンスシールのフィンと同様の働きをするため、上述した隔壁Ｋ３のみが形成される場合と比較してシール性の向上を図ることが可能となる。

図１４は、上述した第七実施形態の変形例を示している。
図１４に示す変形例は、第二穴部２２Ｃの深さを、上述した第七実施形態の第二穴部２２Ｃよりも浅く形成している。この変形例における第二穴部２２Ｃは、その直径に対する深さ寸法のアスペクト比が０．８〜１．２、より好ましくは、１．０とされている。このようにすることで、第五実施形態と同様に、第二穴部２２Ｃ内に渦流を形成し易くなる。そのため、隔壁Ｋ３１および隔壁Ｋ３２によるシール性の向上に加えて、渦流の干渉によるスワールの更なる低減を図ることができる。

この発明は上述した各実施形態の構成に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で設計変更可能である。
例えば、上述した各実施形態においては、ホールパターンシール２１の穴部２２を断面円形状とした場合について説明した。しかし、穴部２２の形状は、上記形状に限られず、例えば、断面多角形状としてもよい。更に穴部２２の内径は、必ずしも全て同一である必要は無く、必要に応じて内径を変化させるようにしても良い。

また、回転軸２とケーシング５との間をシール機構２０によってシールする場合について説明した。しかし、例えば、インペラ３のカバー部３ｃとケーシング５との間や、３段式インペラ群３Ａのインペラ３間や３段式インペラ群３Ｂのインペラ３間などにシール機構２０を設けても良い。
さらに、遠心圧縮機は３段式に限られない。また、インペラ群を背中合わせに配置するものに限られるものではない。

また、回転機械として遠心圧縮機を一例に説明したが、遠心圧縮機に限られるものではない。回転機械は、静止体であるステータと回転体であるロータとの間に設けられ高圧と低圧との間をシールするシール機構を具備する回転機械であればよい。シール機構２０を、例えば、軸流圧縮機、半径流タービン、軸流タービンなどの種々の回転機械に適用しても良い。

また、上記各実施形態においては、流体としてプロセスガスＧを用いる場合について説明した。しかし、スワールが発生し得る流体であればプロセスガスＧに限られるものではない。また、流体は、気体に限られず液体であっても良い。
さらに、上述した各実施形態においては、回転軸２に形成された凸部２５が径方向に延びる縦壁２５ｂを備える一例を説明した。しかし、縦壁２５ｂが延びる方向は、径方向に限られるものではない。縦壁２５ｂは、例えば、傾斜していても良く、また、平面に限られず曲面であっても良い。

さらに、上記各実施形態においては、凸部２５を回転軸２に一体形成する場合を例示した。しかし、凸部２５を回転軸２とは別体で形成して回転軸２の外周面２ａに対して後から固定するようにしてもよい。

また、第七実施形態およびその変形例において、軸線Ｏ方向に２つの第二穴部２２Ｃを並べる場合について説明した。しかし、軸線Ｏ方向に並ぶ第二穴部２２Ｃの数は２つに限られない。第二穴部２２Ｃを３つ以上軸線Ｏ方向に並べて形成するようにしても良い。また、軸線Ｏ方向に並んで形成された複数の第二穴部２２Ｃの深さを異ならせてもよい。

本発明は、回転機械に関する。本発明では、回転側と静止側との間に生じるスワールを低減しつつ高圧側から低圧側への流体の漏れ量を低減することができる。

１ 遠心圧縮機
２ 回転軸（ロータ）
２ａ 外周面
３ インペラ
３Ａ ３段式インペラ群
３Ｂ ３段式インペラ群
３ａ ディスク
３ｂ ブレード
３ｃ カバー部
４ リターン流路
５ ケーシング（ステータ）
５ａ ジャーナル軸受
５ｂ スラスト軸受
５ｃ 吸込口
５ｄ 排出口
５ｅ 吸込口
５ｆ 排出口
６ 内部空間
６ａ 内部空間
６ｂ 内部空間
１２ ディフューザ部
１３ ベンド部
１４ リターン部
２０ シール機構
２１，１２１ ホールパターンシール
２１ａ 内周面
２２ 穴部
２２Ａ 第一穴部
２２Ｂ 第二穴部
２２Ｃ 第二穴部
２２ａ 底面
２２ｂ 開口部
２４，１２４，２２４ フィン部
２４ａ 先端部
２４ｂ 基部
２５ 凸部
２５ａ 外周面
２５ｂ 縦壁
２２４ａ 先端部
２２４ｂ 基部
ｃ クリアランス
Ｇ プロセスガス
ｇ１，ｇ２，ｇ３ 隙間
Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３ 隔壁
Ｋ３１，Ｋ３２ 隔壁
Ｌ１ 第１列（第一穴列）
Ｌ２ 第２列（第二穴列）
Ｌ３ 第３列（第二穴列）
Ｌ２１ 第１列（第一穴列）
Ｌ２２ 第２列（第二穴列）
Ｏ 軸線
Ｒ 列群
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４ 間隔

一般に、タービンや遠心圧縮機などの回転機械には、静止側と回転側との隙間から流体が漏洩することを防止するためにシール機構が設けられている。このシール機構としては、メンテナンス性などの観点から非接触型のシール機構が一般的である。しかし、非接触型のシール機構は、流体の漏れ量を低減するためにできるだけクリアランスを小さく設定する必要がある。上記シール機構は、流入する流体の旋回流（以下、単にスワールと称す）によって自励振動する場合がある。シール機構は、この自励振動によって静止側と回転側とが接触しないようにクリアランスを設定しなければならない。そのため、非接触型のシール機構においては、クリアランスを小さくできず、流体の更なる漏れ量低減が困難となっていた。静止側と回転側との間にできる隙間に流入した流体に対して高圧の流体を噴出させて自励振動の原因になるスワールを打ち消す技術が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。一方で、スワールを低減可能な非接触型のシール機構として、静止側の内周面に無数の穴が形成されたいわゆるホールシールが知られている。このホールシールを用いた場合、ホール内に渦流が生じる。このホール内の渦流がスワールに干渉してスワールが抑制される。

この発明の第四の態様によれば、回転機械は、上記第一から第三の何れか一つの態様の回転機械において、前記フィン部の先端側が高圧側に向くように傾斜していてもよい。

この発明の第五の態様によれば、回転機械は、上記第一から第四の何れか一つの態様の回転機械において、前記フィン部は、先端側が先細り状に形成されていてもよい。

Claims (8)

1. 軸線に沿って延びるロータと、
   該ロータの外周側に配置され、前記ロータに対して前記軸線回りに相対回転するステータと、
   前記ステータに固定されて前記ロータと前記ステータとの間の空間を高圧側と低圧側とに区画するとともに、前記ロータの外周面に対向する複数の第一穴部が周方向に間隔をあけて形成された第一穴列を有するホールパターンシールと、を備え、
   前記ホールパターンシールは、
   前記第一穴列の高圧側に前記ロータ側に向かって延出し、周方向に延びるフィン部を有し、
   前記ロータは、
   該ロータの外周面から前記第一穴部に向かって突出して周方向に延びて、前記フィン部の低圧側で前記第一穴部に対向する凸部を備え、
   該凸部は、前記フィン部側を向く壁面を備える回転機械。
2. 前記第一穴列は、軸線方向に間隔をあけて複数設けられるとともに、前記フィン部は、各第一穴列の高圧側に設けられ、
   前記凸部は、各フィン部の低圧側で各第一穴列の前記第一穴部に対向するように設けられ、
   前記ホールパターンシールは、
   各第一穴列の低圧側に、複数の第二穴部が周方向に間隔をあけて形成される第二穴列を少なくとも一列有する請求項１に記載の回転機械。
3. 前記第一穴部と前記第二穴部とは、正方配列されている請求項２に記載の回転機械。
4. 前記フィン部は、先端側が高圧側に向くように傾斜している請求項１から３の何れか一項に記載の回転機械。
5. 前記フィン部は、先端側が先細り状に形成されている請求項１から４の何れか一項に記載の回転機械。
6. 前記第二穴部は、前記第一穴部の深さよりも浅く形成されている請求項２から５の何れか一項に記載の回転機械。
7. 前記第一穴部は、前記第二穴部よりも大径に形成されている請求項２から５の何れか一項に記載の回転機械。
8. 軸線方向で隣り合う前記第一穴列の間には、複数の前記第二穴部が軸線方向に並んで設けられている請求項２から７の何れか一項に記載の回転機械。

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