JPWO2016030952A1 - シール機構、回転機械 - Google Patents

Abstract

このシール機構（２０Ａ）は、軸線（Ｏ）に沿って延びるロータ（２）の外周側に配置され、前記ロータ（２）の外周面（２ａ）との間のシールを行う。シール機構（２０Ａ）は、筒状をなし、内部に前記ロータ（２）が挿通される本体部（２１Ａ）と、前記本体部（２１Ａ）の内周面に、前記ロータ（２）の外周面に対向するよう形成された複数の穴部（２２）と、を備え、前記穴部（２２）は、穴深さｈが穴径ｄ以下の範囲である。

Description

この発明は、タービンなどの回転機械に備えられるシール機構、回転機械に関する。

回転機械の一つとして気体を圧縮する遠心圧縮機が広く知られている。この遠心圧縮機においては、ケーシング内部に羽根車が設けられて、この羽根車の回転によって吸引口から吸引された気体が圧縮され、吐出口から吐出される。

ここで、羽根車口金部には口金シールが、羽根車段間には中間段シールが、最終段にはバランスピストン部シールがそれぞれ設けられて、羽根車で圧縮された気体の漏れ量の低減が図られている。このような各種シールには、例えば、ダンパーシールやラビリンスシール等が用いられる場合がある。

ラビリンスシールは、例えば、回転する回転軸に設けられた環状の突出部と、回転軸と間隙を有して対向する静止側部材から回転軸に向かって環状に突出する突出部とを、回転軸に沿って交互に複数段設けることで構成される場合が多い。このラビリンスシールでは、突出部の先端近傍を流れる流体に圧力損失を生じさせることにより流体の漏れを低減することができる。
ダンパーシールは、ハニカムシール、ホールパターンシール等が知られている。例えばホールパターンシールでは、回転軸と間隙を有して配される環状の静止側部材において、回転軸に対向する対向面に複数の穴部が形成され、この穴部で生じる圧力損失により流体の漏れを低減可能である（例えば特許文献１参照）。
ホールパターンシールはラビリンスシールと比較して減衰効果が大きく、回転軸の振動の安定化の点で優位である一方、ラビリンスシールはダンパーシールと比較して流体の漏れ量をより低減できる。

ところで、上記シール構造は、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。シール構造は、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。

ここで、ホールパターンシールを用いたシール構造においては、穴部内に生じる渦流をスワールに干渉させることによって、スワールを抑制することができる。

特開２０１０−３８１１４号公報

上記したように、ホールパターンシールで生じた渦流により、スワールを低減することができる。しかし、スワールを完全に打ち消すまでには至らないため、より一層のスワール低減が望まれている。

この発明は、回転側と静止側との間に生じるスワールを、より一層低減し、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シール機構、回転機械を提供することを目的とする。

この発明に係る第一態様によれば、シール機構は、軸線に沿って延びるロータの外周側に配置され、前記ロータの外周面との間のシールを行うシール機構である。このシール機構は、筒状をなし、内部に前記ロータが挿通される本体部と、前記本体部の内周面に、前記ロータの外周面に対向するよう形成された複数の穴部と、を備え、前記穴部は、穴深さｈが穴径ｄ以下の範囲である。

この発明に係る第二態様によれば、シール機構は、第一態様において、前記穴部が、前記穴深さｈが前記穴径ｄに対し、
０．５ｄ≦ｈ≦ｄ
であるようにしてもよい。

この発明に係る第三態様によれば、シール機構は、第一態様において、前記穴部が、断面円形または断面六角形状であるようにしてもよい。

この発明に係る第四態様によれば、シール機構は、第一から第三態様の何れか一つのシール機構において、複数の前記穴部が、穴径ｄおよび穴深さｈがそれぞれ同一寸法に統一されているようにしてもよい。

この発明に係る第五態様によれば、シール機構は、第一から第四態様の何れか一つの態様において、前記穴部の底面が円錐状または平底状であるようにしてもよい。

この発明に係る第六態様によれば、シール機構は、第一から第五態様の何れか一つの態様において、前記本体部の内周面に、前記ロータ側に向かって突出し、周方向に延びるフィン部を有するようにしてもよい。

この発明の第七態様によれば、回転機械は、軸線に沿って延びるロータと、前記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を備えている。この回転機械は、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穴部が周方向に間隔をあけて形成された穴列を有するホールパターンシールと、を更に備えている。この回転機械の前記穴部は、穴深さが穴径以下の範囲である。

この発明の第八態様によれば、回転機械は、第七態様において、前記ホールパターンシールの内周面に形成され、前記ロータ側に向かって突出し、周方向に延びるフィン部を備えてもよい。この回転機械は、前記ロータの外周面から前記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穴部に対向する凸部を更に備えてもよい。

上述したシール機構、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、より一層低減し、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可能となる。

この発明の第１、第２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。 この発明の第１実施形態における上記遠心圧縮機のシール機構のホールパターンシールを示す斜視図である。 この発明の第１実施形態における上記遠心圧縮機のシール機構の部分断面図である。 この発明の第１実施形態における上記ホールパターンシールの内周面の展開図である。 この発明の第１実施形態の実施例において、穴深さと等価減衰との関係についての解析結果を示す図である。 この発明の第２実施形態に係る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。 この発明の第２実施形態における上記ホールパターンシールの内周面の展開図である。 この発明の第２実施形態におけ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。 この発明の第２実施形態における上記シール機構による作用の説明図である。

（第１実施形態）
以下、この発明の第１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１実施形態に係る遠心圧縮機１を示す概略構成を示す断面図である。
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。この遠心圧縮機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（ステータ）５と、シール機構２０Ａと、を備えている。
回転軸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２０Ａ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、その断面輪郭が円形の柱状に形成されている。このケーシング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に放射状に形成されている。つまり、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の先端側を覆うように円盤状に形成されている。

３段式インペラ群３Ａを構成するインペラ３と、３段式インペラ群３Ｂを構成するインペラ３とは、軸線Ｏ方向で互いに反対方向を向いている。回転軸２を回転した場合に、３段式インペラ群３Ａは、吸込口５ｃから排出口５ｄに向かって、プロセスガスＧを流通、圧縮する。一方で、３段式インペラ群３Ｂは、吸込口５ｅから排出口５ｆに向かって、プロセスガスＧを流通、圧縮する。

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、および、３段式インペラ群３Ｂのそれぞれの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、湾曲した流路を形成する。ベンド部１３の上流側の第一端は、ディフューザ部１２に接続されている。ベンド部１３の下流側の第二端は、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まで到達した圧縮されたプロセスガスＧは、排出口５ｆから排出される。

上記した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２０Ａが設けられている。シール機構２０Ａ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。

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２０Ａを構成するホールパターンシール（本体部）２１Ａが配置されている。ホールパターンシール２１Ａは、筒状をなし、その内部に回転軸２が挿通されている。

図２は、上記遠心圧縮機のシール機構のホールパターンシールを示す斜視図である。図３は、上記遠心圧縮機のシール機構の部分断面図である。図４は、上記ホールパターンシールの内周面の展開図である。
図２に示すように、ホールパターンシール２１Ａ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。これら複数の穴部２２は、穴径が等しい断面円形に形成されている。これら穴部２２は、その軸線（図示せず）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。図３に示すように、各穴部２２は、その底面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２１Ａは、その内周面２１ａに、穴部２２の開口部２２ｂが千鳥状に配置されている。

図４に示すように、ホールパターンシール２１Ａ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）に向かって等間隔で複数の穴部２２の開口部２２ｂが並んだ第１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、第３列Ｌ３が形成されている。第３列Ｌ３は、複数の穴部２２の開口部２２ｂが、上記第１列Ｌ１と同様に周方向に向かって等間隔で並んでいる。

第１列Ｌ１と第３列Ｌ３との間には、周方向に等間隔で複数の穴部２２の開口部２２ｂが並ぶ第２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２１Ａには、上述した第１列Ｌ１と第２列Ｌ２とを一組の列群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。

次に、上述したホールパターンシール２１Ａによる、作用について図３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２１Ａの最も高圧側の端部と回転軸２の外周面２ａとの隙間ｇによって縮流される。この隙間ｇ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の一部は、ホールパターンシール２１Ａの第１列Ｌ１の穴部２２側に向かう。

次いで、第１列Ｌ１の穴部２２側に向かうプロセスガスＧの一部は、穴部２２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Ｆ１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、穴部２２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。

穴部２２から出たプロセスガスＧの一部は、軸線Ｏ方向を低圧側に流れるプロセスガスＧの主流Ｆ０と干渉する。穴部２２で生成されたプロセスガスＧの一部による渦流Ｆ１と、軸線Ｏ方向に沿って低圧側に流れるプロセスガスＧの主流Ｆ０とは流れの向きが異なる。これにより、軸線Ｏ方向に沿って低圧側に流れるプロセスガスＧの主流Ｆ０のエネルギーが減衰される。

さらに、プロセスガスＧは、軸線Ｏ方向に沿って低圧側に流れ、その一部が第３列Ｌ３以降の穴部２２に入り込む。これにより、プロセスガスＧは、回転軸２の軸線Ｏ方向に進み込みながら、径方向に蛇行する。その後、ホールパターンシール２１Ａ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。

各列の穴部２２は、その穴深さｈが、穴径ｄ以下とされている（ｈ≦ｄ）。
穴深さｈが穴径ｄに対して大きくなればなるほど、穴部２２に入り込んだプロセスガスＧの流速が遅くなり、プロセスガスＧの主流Ｆ０に対するエネルギー減衰効果が小さくなる。また、穴部２２の穴深さｈを大きくすると、加工コストが増大する。
また、穴深さｈが穴径ｄに対して小さすぎると、穴部２２が浅くなるので穴部２２にプロセスガスＧが入り込みにくく、エネルギー減衰効果が得にくい。また、穴部２２にスケールが溜まって穴部２２が浅くなりやすく、この点においてもエネルギー減衰効果が減少してしまう。
したがって、穴部２２は、穴深さｈが、穴径ｄに対し、
ｈ≦ｄ
とすることが好ましい。さらに好ましいのは、
ｄ／２≦ｈ≦ｄ
である。

さらに、ホールパターンシール２１Ａを構成する全ての穴部２２は、その穴径ｄと穴深さｈが、それぞれ同一寸法に統一されているのことが好ましい。

したがって、上述した第１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２１Ａの穴部２２に入り込んだプロセスガスＧの一部によって穴部２２で形成された渦流Ｆ１を、穴部２２に入り込まずに軸線Ｏ方向を低圧側に流れる主流Ｆ０と干渉させることができる。そのため、プロセスガスＧの主流Ｆ０のエネルギーを減衰させて、プロセスガスＧに含まれるスワールを取り除くことができる。
さらに、穴部２２の穴深さｈを穴径ｄ以下とすることで、渦流Ｆ１を生じやすくし、上記したスワール低減効果、エネルギー減衰効果を有効に発揮することができる。
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。

また、ホールパターンシール２１Ａを全ての穴部２２は、その穴径ｄと穴深さｈを、それぞれ同一寸法に統一することによって、穴部２２の加工を、ミスなく容易かつ確実に行うことができる。さらに、穴部２２による減衰効果が、周方向および軸方向で同様となるので、減衰効果に異方性が発生しにくくなる。

さらに、穴部２２は、底面２２ａが円錐状とされている。これにより、穴部２２に入り込んだプロセスガスＧの一部が底面２２ａに当たって流れの向きを変えやすく、穴部２２で渦流Ｆ１が生じやすくなる。

次に、上記第１実施形態の構成による効果を、ＣＦＤ（数値流体力学： Computational Fluid Dynamics）解析により確認した。
比較のため、以下の３条件で、穴深さｈと等価減衰との関係について解析した。
実施例１）穴部２２の穴径ｄに対し、穴深さｈを同一とした（ｈ＝ｄ）。
実施例２）穴部２２の穴径ｄに対し、穴深さｈを１／２とした（ｈ＝０．５ｄ）。
比較例）穴部２２の穴径ｄに対し、穴深さｈを２倍とした（ｈ＝２ｄ）。

図５は、穴深さｈと等価減衰との関係についての解析結果を示す図である。
この図５に示すように、実施例２の等価減衰を１．０とした場合、実施例１の等価減衰は０．９８、比較例の等価減衰は０．６であった。つまり、穴部２２の穴径ｄに対し、穴深さｈが同一以下である実施例１，２は、穴部２２の穴径ｄに対し、穴深さｈが大きい比較例に対し、等価減衰が１．５倍以上であった。これにより、穴部２２の穴径ｄに対して穴深さｈを同一以下とすることで、高い減衰が得られることが確認できた。

（第２実施形態）
次に、この発明にかかる回転機械である遠心圧縮機の第２実施形態について説明する。この第２実施形態で示す遠心圧縮機は、第１実施形態の遠心圧縮機に対して、ホールパターンシールにフィン部を備える構成が異なるのみである。したがって、第２実施形態の説明においては、第１実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに重複説明を省略する。つまり、第１実施形態で説明した構成と共通する遠心圧縮機の全体構成については、その説明を省略する。

図６は、この発明の第２実施形態に係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。図７は、上記ホールパターンシールの内周面の展開図である。図８は、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。
図６〜図８に示すように、この実施形態における遠心圧縮機１のシール機構２０Ｂのホールパターンシール（本体部）２１Ｂは、その内周面２１ａに、穴部２２とフィン部２４と、を備えている。
ホールパターンシール２１Ｂ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７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Ｌ３が形成されている。第３列Ｌ３は、複数の第三穴部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７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７中、一点鎖線）から引き出している。

ホールパターンシール２１Ｂ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６〜図８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突出するフィン部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２１Ｂ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、厚さが均等となる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を囲む高圧側の隔壁Ｋ１（図８参照）から回転軸２側に向かって延び出ている。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８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２１Ｂ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２１Ｂ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の第三穴部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。さらに、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、対称形状となっている。

ここで、上記第１実施形態と同様、ホールパターンシール２１Ｂを構成する各列の穴部２２は、穴深さｈを、穴径ｄに対し、
ｈ≦ｄ
とするのが好ましい。さらに好ましいのは、
ｄ／２≦ｈ≦ｄ
である。

図９は、上記シール機構による作用の説明図である。
次に、上述したホールパターンシール２１Ｂによる、作用について図９を参照しながら説明する。
図９に示すように、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２１Ｂ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２１Ｂ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Ｆ１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２１Ｂ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。ここで、第３列Ｌ３の第三穴部２２Ｃの内部においても一般的なホールパターンシール２１Ｂと同程度の渦流Ｆ１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２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２１Ｂ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２１Ｂ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、穴部２２の穴深さｈを穴径ｄ以下とすることで、上記したスワール低減効果、エネルギー減衰効果を有効に発揮することができる。
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２１Ｂ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。

（その他の実施形態）
この発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲において、設計変更可能である。
例えば、上記第２実施形態では、フィン部２４を設けるようにしたが、フィン部２４を設ける間隔、つまり各列群Ｒを構成する穴部２２の列の数は、適宜変更することができる。

また、例えば、上記各実施形態では、ホールパターンシール２１Ａ，２１Ｂにおいて、穴部２２を千鳥状に配置するようにしたが、その周方向および軸方向の間隔は、適宜設定することができる。
また、ホールパターンシール２１Ａ，２１Ｂを構成する穴部２２は、軸方向において互いに隣接する穴部２２の列どうしを周方向に位相させる千鳥状に限らず、互いに隣接する穴部２２の間隔及び位相を同一とした正方配列として配置しても良い。

また、上記各実施形態では、フィン部２４は、その先端部２４ａが径方向に延びていたのに対して、フィン部２４を、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してもよい。
さらに、上記各実施形態では、フィン部２４は、一定の厚さで形成されていたのに対して、フィン部２４を、先端部２４ａに向かうほど幅寸法が薄く形成された先細り状に形成してもよい。

さらに、上記各実施形態では、シール機構２０Ａ，２０Ｂのホールパターンシール２１Ａ，２１Ｂを構成する穴部２２を、穴径ｄが略等しい断面円形に形成したが、これに限らない。例えば穴部２２の軸方向位置、周方向位置等に応じて、穴径ｄを異ならせるようにしてもよい。
加えて、穴部２２は、断面円形に限らず、断面六角形状として、いわゆるハニカムシールを構成しても良い。
また、穴部２２の底面２２ａは、円錐状に限らず、平底状としてもよい。
これらの場合も、穴部２２の穴径ｄと穴深さｈとの関係を上記実施形態と同様に設定することで、同様の作用効果を奏することができる。

シール機構を構成する穴部の穴深さを穴径以下とすることで、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。

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
２０Ａ，２０Ｂ シール機構
２１Ａ，２１Ｂ ホールパターンシール（本体部）
２１ａ 内周面
２２ 穴部
２２Ａ 第一穴部
２２Ｂ 第二穴部
２２Ｃ 第三穴部
２２ａ 底面
２２ｂ 開口部
２４ フィン部
２４ａ 先端部
２４ｂ 基部
２５ 凸部
２５ａ 外周面
２５ｂ 縦壁
ｃ クリアランス
ｄ 穴径
Ｆ０ 主流
Ｆ１ 渦流
ｈ 穴深さ
Ｇ プロセスガス
ｇ１，ｇ２，ｇ３ 隙間
Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３ 隔壁
Ｌ１ 第１列
Ｌ２ 第２列
Ｌ３ 第３列
Ｏ 軸線
Ｒ 列群
Ｓ１，Ｓ２ 間隔

この発明に係る第一態様によれば、シール機構は、軸線に沿って延びるロータの外周側に配置され、前記ロータの外周面との間のシールを行うシール機構である。このシール機構は、筒状をなし、内部に前記ロータが挿通される本体部と、前記本体部の内周面に、前記ロータの外周面に対向するよう形成された複数の穴部と、前記本体部の内周面に、前記ロータ側に向かって突出し、周方向に延びるように形成されたフィン部と、を備え、前記穴部は、穴深さｈが穴径ｄ以下の範囲である。

この発明の第七態様によれば、回転機械は、軸線に沿って延びるロータと、前記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を備えている。この回転機械は、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穴部が周方向に間隔をあけて形成された穴列を有するホールパターンシールと、前記ホールパターンシールの内周面に形成され、前記ロータ側に向かって突出し、周方向に延びるフィン部と、前記ロータの外周面から前記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穴部に対向する凸部と、を更に備えている。この回転機械の前記穴部は、穴深さが穴径以下の範囲である。

Claims (8)

1. 軸線に沿って延びるロータの外周側に配置され、前記ロータの外周面との間のシールを行うシール機構であって、
   筒状をなし、内部に前記ロータが挿通される本体部と、
   前記本体部の内周面に、前記ロータの外周面に対向するよう形成された複数の穴部と、を備え、
   前記穴部は、穴深さｈが穴径ｄ以下の範囲であるシール機構。
2. 前記穴部は、前記穴深さｈが前記穴径ｄに対し、
   ０．５ｄ≦ｈ≦ｄ
   である請求項１に記載のシール機構。
3. 前記穴部は、断面円形または断面六角形状である請求項１または２に記載のシール機構。
4. 複数の前記穴部は、穴径ｄおよび穴深さｈがそれぞれ同一寸法に統一されている請求項１から３の何れか一項に記載のシール機構。
5. 前記穴部は、その底面が円錐状または平底状である請求項１から４の何れか一項に記載のシール機構。
6. 前記本体部の内周面に、前記ロータ側に向かって突出し、周方向に延びるフィン部を有する請求項１から５の何れか一項に記載のシール機構。
7. 軸線に沿って延びるロータと、
   前記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穴部が周方向に間隔をあけて形成された穴列を有するホールパターンシールと、を備え、
   前記穴部は、穴深さｈが穴径ｄ以下の範囲である回転機械。
8. 前記ホールパターンシールの内周面に形成され、前記ロータ側に向かって突出し、周方向に延びるフィン部と、
   前記ロータの外周面から前記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穴部に対向する凸部と、
   を備える請求項７に記載の回転機械。

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