WO2014087708A1 - シール装置及び回転機械 - Google Patents

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WO2014087708A1
WO2014087708A1 PCT/JP2013/073209 JP2013073209W WO2014087708A1 WO 2014087708 A1 WO2014087708 A1 WO 2014087708A1 JP 2013073209 W JP2013073209 W JP 2013073209W WO 2014087708 A1 WO2014087708 A1 WO 2014087708A1
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sealing device
rotating shaft
main body
axis
circumferential direction
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PCT/JP2013/073209
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直之 長井
誠司 佐部利
佐藤　隆
大輔 木内
伸一郎 得山
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三菱重工業株式会社
三菱重工コンプレッサ株式会社
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    • F04D17/122—Multi-stage pumps the individual rotor discs being, one for each stage, on a common shaft and axially spaced, e.g. conventional centrifugal multi- stage compressors
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    • F04D29/668—Combating cavitation, whirls, noise, vibration or the like; Balancing especially adapted for elastic fluid pumps damping or preventing mechanical vibrations
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    • F05D2300/60—Properties or characteristics given to material by treatment or manufacturing
    • F05D2300/612—Foam

Definitions

  • the present invention relates to a sealing device and a rotary machine including the same.
  • This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2012-265641 for which it applied on December 4, 2012, and uses the content here.
  • a centrifugal compressor that compresses gas is widely known as one of rotating machines.
  • an impeller is provided inside the casing, and the gas sucked from the suction port by the rotation of the impeller is compressed and discharged from the discharge port.
  • a cap seal is provided at the impeller metal part, an intermediate stage seal is provided between the impeller stages, and a balance piston part seal is provided at the final stage to leak gas compressed by the impeller. The amount is reduced.
  • a damper seal or a labyrinth seal is used for such various types of seals.
  • the labyrinth seal is provided with a plurality of projecting portions that project toward the rotating shaft from an annular stationary side member facing the rotating rotating shaft with a gap.
  • fluid leakage can be reduced by causing pressure loss in the fluid flowing near the tip of the protrusion.
  • Known damper seals include honeycomb seals and hole pattern seals.
  • a hole pattern seal a plurality of hole portions are formed on an opposing surface facing the rotation shaft in an annular stationary member arranged with a gap from the rotation shaft. Due to the pressure loss that occurs in this hole, fluid leakage is reduced.
  • the hole pattern seal has a greater vibration damping effect than the labyrinth seal and is advantageous in terms of stabilizing the vibration of the rotating shaft.
  • the labyrinth seal can reduce the amount of fluid leakage more than the damper seal.
  • Patent Document 1 A seal structure using a hole pattern seal is disclosed in Patent Document 1.
  • the labyrinth seal and the hole pattern seal are used in combination to improve the sealing performance and the rotational performance of the centrifugal compressor by taking advantage of each advantage.
  • the rotating shaft of the rotating machine is supported by a bearing.
  • the destabilizing force generated by the seal or impeller is larger than the damping force obtained by the bearing, unstable vibration is generated at the natural frequency of the rotating machine determined by the load, the rotational speed, and the like.
  • the rotating shaft swings around.
  • the bearing stiffness is given anisotropy (anisotropic stiffness).
  • anisotropy anisotropic stiffness
  • the hole pattern seal generally has a uniform circumferential rigidity (isotropic rigidity). Even in the hole pattern seal described in Patent Document 1, there is a description of the cross-sectional shape and the arrangement interval of the holes, but there is no description that the hole pattern seal of Patent Document 1 basically has anisotropic rigidity. Therefore, when such a hole pattern seal is applied to the rotating shaft that oscillates elliptically as described above, the isotropic rigidity of the hole pattern seal acts to weaken the anisotropic rigidity of the bearing. Accordingly, there is a possibility that the elliptical swing of the rotating shaft approaches a perfect circular swing and the unstable vibration of the rotating shaft cannot be suppressed.
  • the present invention provides a sealing device and a rotating machine capable of obtaining a sealing effect while suppressing unstable vibration of a rotating shaft.
  • the sealing device that seals the flow of the fluid in the direction along the axis of the rotating shaft includes the shaft line on the outer peripheral surface of the rotating shaft.
  • An annular main body portion disposed along the circumferential direction, and having an opening on the inner peripheral surface of the main body portion so as to face the outer peripheral surface of the rotating shaft, and at least two types of holes having different depths A plurality are formed.
  • a sealing device holes having different depths are formed on the inner peripheral surface of the main body.
  • the hole depth is different, the natural frequency of the air column is different. For this reason, a damping force can be applied to at least two or more unstable vibrations of various frequencies on the rotating shaft.
  • the main body in the first aspect may have different rigidity in at least two directions in the radial direction of the axis that are different from each other by 90 degrees.
  • the rigidity of the main body differs in the circumferential direction, and the sealing device has anisotropic rigidity in the circumferential direction. Even if it is applied to a rotating shaft that oscillates in an elliptical shape, this sway does not weaken. Therefore, unstable vibration of the rotating shaft can be suppressed.
  • the body portion in the second aspect is such that the depth dimension of the hole in one direction of the two directions is the depth of the hole in the other direction. You may form large compared with the dimension.
  • the plurality of holes in the third aspect may be formed along a uniaxial direction perpendicular to the axis.
  • the plurality of holes in the fourth aspect may be formed such that the ends thereof are substantially equal in distance from the axis in the circumferential direction. .
  • the distance from the axis to the terminal end (the shortest distance from the axis) in these holes is substantially equal in the circumferential direction.
  • the terminal ends of all the holes are arranged at substantially the same radial position in the main body. Accordingly, the hole depth differs in the circumferential direction, and unstable vibration of the rotating shaft can be suppressed.
  • the main body in any one of the first to fourth aspects may be formed so as to be divisible in the uniaxial direction.
  • the die cutting work becomes easy. Therefore, for example, it is possible to manufacture a main body portion in which holes are formed in advance by casting or forging, and the processing can be facilitated.
  • the main body portion in the first aspect may be made of a porous body, and the void of the porous body may be the hole.
  • the hole has a random shape in the circumferential direction due to the main body made of such a porous body. For this reason, this is equivalent to the formation of a plurality of holes having different diameters and depths, whereby a sealing effect can be obtained while suppressing unstable vibration of the rotating shaft. Furthermore, since it is not necessary to process holes separately, the number of processing steps can be reduced.
  • the main body portion in the seventh aspect may have different rigidity in at least two directions in the radial direction of the axis that are 90 degrees different from each other.
  • the sealing device has anisotropic rigidity in the circumferential direction, and can suppress unstable vibration without weakening the elliptical swinging of the rotation shaft.
  • the main body portion according to any one of the first to eighth aspects may have a different thickness in the circumferential direction.
  • the thickness of the main body is different, so that the diameter and depth of the holes are more reliably changed in the circumferential direction, and the sealing device has anisotropic rigidity in the circumferential direction. Therefore, unstable vibration of the rotating shaft can be suppressed.
  • a rotating machine includes a rotating shaft, a pair of bearings that support the rotating shaft at both ends, and whose rigidity changes in the circumferential direction of the rotating shaft, and the pair of bearings.
  • the sealing device according to any one of the first to ninth aspects.
  • the sealing device and the rotating machine described above since the depths of the plurality of holes facing the outer peripheral surface of the rotating shaft are different, it is possible to obtain a sealing effect while suppressing unstable vibration of the rotating shaft. .
  • FIG. 1 is an overall side view showing a rotary machine according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic view showing a bearing in the rotary machine according to the first embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 1 is an overall perspective view showing a sealing device in a rotary machine according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the sealing device in the rotary machine according to the first embodiment of the present invention, showing a BB cross section of FIG. 3.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a sealing device in a rotary machine according to a second embodiment of the present invention, showing the same cross-sectional position as the BB cross section of FIG.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a sealing device in a rotary machine according to a third embodiment of the present invention, showing the same cross-sectional position as the BB cross section of FIG.
  • the rotary machine 1 which concerns on 1st embodiment of this invention is demonstrated.
  • the rotary machine 1 according to the present embodiment is a multistage centrifugal compressor that includes a plurality of impellers 3.
  • the rotating machine 1 includes a rotating shaft 2 around the axis P, a bearing 5 that supports the rotating shaft 2 so as to be rotatable around the axis P, and a process gas (fluid) attached to the rotating shaft 2 and utilizing centrifugal force.
  • An impeller 3 for compressing G a seal device 4 disposed between the impellers 3 and provided along the outer peripheral surface of the rotary shaft 2, and a casing 6 covering these from the outer peripheral side.
  • the rotary shaft 2 has a columnar shape and extends in the direction of the axis P, and is rotatably supported by bearings 5 at both ends in the direction of the axis P.
  • the impeller 3 is arranged between the bearings 5 provided at both ends in the direction of the axis P of the rotary shaft 2.
  • the impeller 3 constitutes two sets of three-stage impeller groups 3A and 3B in which the directions of the blades are opposite to each other in the direction of the axis P of the rotary shaft 2.
  • the three-stage impeller group 3 ⁇ / b> A and the three-stage impeller group 3 ⁇ / b> B are attached to the rotary shaft 2 with their back surfaces facing the center position C in the direction of the axis P of the rotary shaft 2.
  • the three-stage impeller group 3A is disposed on one side in the axis P direction (left side in FIG. 1), and the three-stage impeller group 3B is disposed on the other side in the axis P direction (right side in FIG. 1).
  • the impeller 3 includes a substantially disk-shaped disk 3a that gradually increases in diameter radially outward of the axis P toward the central position C in the direction of the axis P of the rotary shaft 2, and a distance in the circumferential direction of the axis P from the disk 3a. And a plurality of blades 3c provided radially and a cover 3b provided facing the disk 3a and covering the plurality of blades 3c.
  • the process gas G is compressed by flowing through the three-stage impeller group 3A and the three-stage impeller group 3B toward the center position C in the direction of the axis P.
  • each bearing 5 is provided at each end of the rotating shaft 2.
  • the bearing 5 supports the rotating shaft 2 to be rotatable.
  • each bearing 5 includes a plurality of bearing pads 10 provided to face the outer peripheral surface of the rotating shaft 2, a bearing casing 16 that supports these bearing pads 10 from the outer peripheral side, and a plurality of bearing pads 10. And a lubricating oil supply unit 17 disposed between the bearing pads 10.
  • the bearing pads 10 are provided at intervals in the circumferential direction and are slidable between the outer peripheral surface of the rotary shaft 2.
  • the 1st bearing pad 11 is arrange
  • the second bearing pad 12 and the third bearing pad 13 are arranged at equal intervals from the first bearing pad 11 with a spacing of 72 degrees in the circumferential direction.
  • a fourth bearing pad 14 is arranged with a spacing of 72 degrees in the circumferential direction from the second bearing pad 12, and a fifth bearing pad 15 is arranged with a spacing of 72 degrees in the circumferential direction from the third bearing pad 13. ing.
  • the bearing pad 10 is composed of five sheets and supports the rotating shaft 2.
  • the bearing pads 10 By arranging the bearing pads 10 in this way, the three bearing pads 10 support the rotary shaft 2 in the lower half 5b of the bearing 5, while the two bearing pads 10 are supported in the upper half 5a.
  • the rotating shaft 2 is supported. That is, the rigidity of the bearing 5 is not uniform in the circumferential direction, and has so-called anisotropic rigidity. For this reason, the bearing pad 10 supports the rotating shaft 2 so that the rotating shaft 2 swings in an elliptical shape as the rotating shaft 2 rotates.
  • the bearing 5 has high rigidity in the vertical direction D1 and low rigidity in the horizontal direction D2 perpendicular to the vertical direction D1. For this reason, the major axis of the ellipse around the rotation axis 2 coincides with the horizontal direction D2.
  • the bearing casing 16 is an annular member that covers the bearing pads 10 from the outer peripheral side and supports the bearing pads 10.
  • the lubricating oil supply unit 17 communicates the inside and outside of the bearing casing 16 to supply lubricating oil between the bearing pad 10 and the rotary shaft 2.
  • the lubricating oil supply unit 17 communicates the inside and outside of the bearing casing 16 to supply lubricating oil between the bearing pad 10 and the rotary shaft 2.
  • one between the first bearing pad 11 and the second bearing pad 12 one between the first bearing pad 11 and the third bearing pad 13, the second bearing pad 12 and the fourth bearing.
  • a total of three lubricating oil supply sections 17 are provided between the pad 14 and the pad 14.
  • the casing 6 has a substantially cylindrical shape and supports the bearing 5 from the outer peripheral side, and covers the rotary shaft 2, the impeller 3, and the seal device 4 from the outer peripheral side.
  • the casing 6 supports the rotating shaft 2 and the impeller 3 so as to be rotatable around the axis P with respect to the casing 6.
  • a casing flow path 6aA is formed so as to connect the flow paths between the blades 3c of each impeller 3 to each other.
  • a suction port 6 b ⁇ / b> A having an annular shape is formed at a position on the radially outer side of one end portion in the direction of the axis P.
  • a connection flow path 6cA is formed between the suction port 6bA and the flow path of the impeller 3 located on one side of the three-stage impeller group 3A. The flow path of the impeller 3 and the suction port 6bA Is connected. Thereby, the process gas G can be introduced into the three-stage impeller group 3A from the outside.
  • connection flow path 6dA that is connected to the flow path of the impeller 3 located on the other side of the three-stage impeller group 3A and extends outward in the radial direction.
  • annular discharge port 6eA is formed in the casing 6 at a position that is connected to the connection flow path 6dA and that is radially outward at the center position C in the direction of the axis P.
  • a casing channel 6aB, a suction port 6bB, connection channels 6cB and 6dB, and a discharge port 6B are formed inside the casing 6. These are arranged at positions symmetrical with respect to the axis P direction with respect to the casing channel 6aA, the suction port 6bA, the connection channels 6cA and 6dA, and the discharge port 6A with respect to the central position C in the axis P direction. Yes.
  • the sealing device 4 is provided on the outer peripheral side of the rotary shaft 2 near the center position C between the three-stage impeller group 3A and the three-stage impeller group 3B, and the three-stage impeller group 3A and the three-stage impeller group. The flow of the process gas G to and from the group 3B is sealed.
  • the process gas G that has been compressed in the three-stage impeller group 3A and reaches the central position C of the rotating shaft 2 is then introduced into the three-stage impeller group 3B and further compressed, and again at the central position C. The vicinity is reached (see the dotted line in FIG. 1). Therefore, a pressure difference is generated between the three-stage impeller group 3A and the three-stage impeller group 3B which are the central position C of the rotating shaft 2.
  • the sealing device 4 is provided so as to prevent the process gas G from flowing along the axis P from the three-stage impeller group 3A to the three-stage impeller group 3B at the central position C due to such a pressure difference. ing.
  • the sealing apparatus 4 is provided with the main-body part 7 arrange
  • the main body portion 7 is an annular member provided with a gap between the outer peripheral surface of the rotary shaft 2.
  • the main body portion 7 is formed with a plurality of holes 8 that open to an inner peripheral surface that is a surface facing the outer peripheral surface of the rotating shaft 2. That is, the sealing device 4 is a hole pattern seal.
  • each of the plurality of holes 8 is recessed radially outward from the inner peripheral surface of the main body 7, and the depth of the hole 8 (in the radial direction) between the adjacent holes 8 in the circumferential direction. Length) is different. More specifically, in this embodiment, the depth dimension of the hole 8 formed in the vertical direction D1 is the largest, and the depth dimension of the hole 8 gradually increases from the vertical direction D1 toward the horizontal direction D2. It gets smaller. And the depth dimension is the smallest in the hole 8 formed toward the horizontal direction D2.
  • the sealing device 4 can apply a damping force that attenuates the unstable vibration of the rotating shaft 2 to the unstable vibration of various frequencies. Sufficient vibration suppression effect can be obtained.
  • the dotted line in FIG. 5 if the depth of the hole 8 is uniform in the circumferential direction, a damping force can be applied only to vibrations in a very narrow frequency range. it can. For this reason, it is difficult to expect a sufficient vibration suppression effect for the rotating shaft 2.
  • the process gas G flowing into the holes 8 has a nonuniform pressure loss in the circumferential direction. Further, since the depth of the hole 8 is different in the circumferential direction, the thickness of the main body portion 7 is different in the circumferential direction as a result.
  • the sealing device 4 has so-called anisotropic rigidity with different rigidity in the circumferential direction, and does not weaken the elliptical whirling of the rotating shaft 2 caused by the anisotropic rigidity of the bearing 5. For this reason, it becomes possible to exhibit the sealing effect while suppressing the unstable vibration generated in the rotating shaft 2 by maintaining this swinging.
  • the plurality of holes 8 of the sealing device 4 have different depths in the circumferential direction, so that unstable vibration of the rotating shaft 2 can be suppressed and a sealing effect can be achieved.
  • the process gas G can be sealed.
  • the hole 8 is formed so that the depth changes stepwise in the circumferential direction.
  • the hole 8 only needs to have at least two types of holes 8 having different depths. Even in such a case, unstable vibrations of two or more frequencies can be attenuated, which leads to an improvement in the effect of suppressing unstable vibrations. Therefore, for example, the holes 8 having different depths may be formed at random.
  • the thickness in the radial direction of the main body 7 may be different in the circumferential direction, whereby the sealing device 4 more reliably has anisotropic rigidity in the circumferential direction, and the effect of suppressing unstable vibration is improved. Can do.
  • the sealing device 24 includes a main body 27 similar to the first embodiment.
  • a plurality of holes 8 are formed in the main body 27 so as to open on the inner peripheral surface of the rotary shaft 2.
  • the plurality of holes 8 are all recessed in the vertical direction D ⁇ b> 1, which is a uniaxial direction perpendicular to the axis P of the rotation shaft 2, from the inner peripheral surface of the main body 27 toward the radially outer side. Has been.
  • the radially outer ends that are the terminal ends of the plurality of holes 8 are located inside the outer peripheral surface of the main body 7 in all the holes 8, and the radial positions of all the holes 8 are the same positions. It has become. That is, the distances from the axis P to the end are substantially equal in all the holes 8.
  • the holes 8 are formed so as to have different depths in the circumferential direction, and when machining the plurality of holes 8, they can be formed toward one side. That is, since it is not necessary to process the hole 8 while rotating the main body portion 27 of the sealing device 24, the unstable vibration of the rotary shaft 2 is suppressed and the sealing effect is obtained while facilitating the processing of the hole 8. be able to.
  • the main body 27 of the sealing device 24 of the present embodiment may be divided into two parts, an upper half 27a and a lower half 27b. With such a divided structure, the die cutting operation is facilitated. For this reason, it becomes possible to manufacture the main-body part 27 in which the hole 8 was previously formed, for example by casting or forging, and the further process can be facilitated.
  • the main body 7 of the sealing device 4 of the first embodiment may be divided.
  • the sealing device 34 includes a main body portion 37 disposed on the outer peripheral surface of the rotating shaft 2 along the circumferential direction.
  • the main body 37 is a porous body in which a plurality of holes 8 are formed.
  • a foam metal made of aluminum, a foam ceramic, or the like is applicable.
  • the main body portion 37 has an elliptical cross section in which the major axis is the vertical direction D1. That is, the thickness in the vertical direction D1 is large, the thickness in the horizontal direction D2 is small, and the thickness is different in the circumferential direction.
  • the body portion 37 of the sealing device 34 is made of a porous body, so that the holes 8 are formed by bubbles of the porous body. For this reason, the hole 8 has a random shape in the circumferential direction.
  • this is equivalent to the formation of a plurality of holes 8 having different diameters and depths in the main body portion 37, whereby unstable vibration of the rotating shaft 2 can be suppressed in a wide frequency range.
  • the main body portion 37 is made of a porous body as described above, it is not necessary to separately process the hole 8 in the main body portion 37. For this reason, the cost can be reduced by reducing the number of processing steps.
  • the sealing device 34 since the main body portion 37 has an elliptical cross section, the sealing device 34 has anisotropic rigidity in the circumferential direction. For this reason, it is possible to obtain a sealing effect while suppressing unstable vibration without weakening the elliptical whirling of the rotating shaft 2.
  • the main body 37 of the sealing device 34 does not necessarily have an elliptical cross section.
  • the thickness may be at least constant in the circumferential direction. As described above, since the thickness of the main body portion 37 is not constant in the circumferential direction, the rigidity of the sealing device 34 can be surely given anisotropy, and unstable vibration of the rotating shaft 2 can be suppressed. .
  • the rigidity may be different in the circumferential direction in at least two directions of radial directions different from each other by 90 degrees.
  • the sealing device 34 surely has different rigidity in the circumferential direction, and can suppress unstable vibration of the rotating shaft 2.
  • the sealing device 4 (24, 34)
  • the sealing device 4 (24 according to the direction of the rigidity of the bearing 5 is prevented so that the elliptical swinging of the bearing 5 does not become a perfect circular swing. 34)
  • the arrangement direction of the holes 8 having different depths, that is, the depths of the holes 8 must be determined. For this reason, for example, as in the first embodiment, the depth of the hole 8 facing the vertical direction D1 is not necessarily maximized, and the plurality of holes 8 are not necessarily formed so that the rigidity in the vertical direction D1 is maximized.
  • the number and arrangement of the bearing pads 10 in the bearing 5 may be different.
  • the direction of the magnitude of the rigidity of the bearing 5 is different. Accordingly, it is necessary to determine the arrangement pattern of the holes 8 having different depths of the sealing device 4.
  • the holes 8 (28, 38) of the main body portion 7 of the sealing device 4 (24, 34) are formed to have different depths in the circumferential direction, but in addition to this, the depths also in the direction of the axis P. May be formed differently.
  • the unstable vibration of the rotating shaft 2 may generate vibration that twists in the circumferential direction toward one side of the axis P direction. For this reason, by forming the holes 8 (28, 38) so as to have different depths in the direction of the axis P, such an effect of suppressing torsional vibration can also be obtained.
  • the depth of the plurality of holes facing the outer peripheral surface of the rotating shaft is different, so that a sealing effect can be obtained while suppressing unstable vibration of the rotating shaft.

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Abstract

　回転軸（２）の外周面上で、回転軸（２）の軸線（Ｐ）に沿う方向の流体の流れを封止するシール装置（４）である。このシール装置（４）は、回転軸（２）の周方向に沿って配された環状の本体部（７）を備え、本体部（７）の内周面に、回転軸（２）の外周面に対向するように開口するとともに、深さの異なる少なくとも二種の穴（８）が複数形成されている。

Description

シール装置及び回転機械
　本発明は、シール装置、及びこれを備えた回転機械に関するものである。
　本願は、２０１２年１２月４日に出願された特願２０１２－２６５６４１に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　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、羽根車金部には口金シールが設けられ、羽根車段間には中間段シールが設けられ、最終段にはバランスピストン部シールが設けられて、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。そして、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ている。
　ラビリンスシールは、回転する回転軸と間隙を有して対向する環状の静止側部材から、回転軸に向かって突出する突出部を複数配設したものである。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ている。この穴部で生じる圧力損失により、流体の漏れが低減される。
　ホールパターンシールはラビリンスシールと比較して振動の減衰効果が大きく、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。
　ホールパターンシールを用いたシール構造が特許文献１に示されている。この特許文献１のシール構造では、ラビリンスシールとホールパターンシールを併用することで、各々の利点を生かしてシール性能を向上するとともに遠心圧縮機の回転性能の向上を図っている。
　回転機械の回転軸は軸受によって支持されている。そして、軸受で得られる減衰力に対し、シールやインペラで発生する不安定化力が大きくなると、負荷や回転数等によって決まる回転機械の固有振動数で不安定振動が生じる。この結果、回転軸が振れ回る。このような問題を鑑みて、軸受の剛性を周方向に異なったものとすることで、軸受の剛性に異方性（異方剛性）を持たせる。そして、回転軸を意図的に楕円状に振れ回らせ、回転軸の不安定振動を抑制する手法が採用されている。
特開２０１０－３８１１４号公報
　しかしながら、ホールパターンシールは周方向の剛性が均一となっている（等方剛性を有している）場合が一般的である。特許文献１に記載のホールパターンシールにおいても穴の断面形状や配置間隔についての記載があるものの、特許文献１のホールパターンシールが基本的に異方剛性を有しているとの記載はない。従って上述のように楕円状に振れ回る回転軸に、このようなホールパターンシールを適用した場合には、軸受の異方剛性を弱めるようにホールパターンシールの等方剛性が作用してしまう。従って、回転軸の楕円状の振れ回りが真円状の振れ回りに近づき、回転軸の不安定振動を抑制できなくなってしまう可能性がある。
　本発明は、回転軸の不安定振動を抑制しながらシール効果を得ることが可能なシール装置、及び回転機械を提供する。
　本発明の第一の態様によれば、回転軸の外周面上で、前記回転軸の軸線に沿う方向の流体の流れを封止するシール装置は、前記回転軸の前記外周面に前記軸線の周方向に沿って配された環状の本体部を備え、前記本体部の内周面に、前記回転軸の前記外周面に対向するように開口するとともに、深さの異なる少なくとも二種の穴が複数形成されている。
　このようなシール装置によると、深さの異なる穴が本体部の内周面に形成されている。穴の深さが異なっていると気柱の固有振動数が異なる。このため、回転軸における少なくとも二つ以上の様々な周波数の不安定振動に対して減衰力を作用させることができる。
　本発明の第二の態様に係るシール装置では、上記第一の態様における前記本体部は、互いに９０度異なる前記軸線の径方向の少なくとも二方向の間で、剛性が異なっていてもよい。
　本体部の剛性が周方向に異なってシール装置は周方向に異方剛性を有し、楕円状に振れ回る回転軸に適用したとしてもこの振れ回りを弱めることがない。よって、回転軸の不安定振動を抑制することができる。
　本発明の第三の態様に係るシール装置では、上記第二の態様における前記本体部は、前記二方向のうちの一方向での前記穴の深さ寸法が他方向での前記穴の深さ寸法に比べて大きく形成されていてもよい。
　このように穴を形成することで、様々な周波数の不安定振動に対して減衰力を作用させることができる。さらに穴毎での流体に生じる圧力損失が周方向で不均一となるとともに、穴の深さ寸法が周方向に異なる。即ち、本体部の厚みが周方向に異なっているため、シール装置は周方向に異方剛性を有する。よって回転軸の不安定振動をより確実に抑制することができる。
　本発明の第四の態様に係るシール装置では、上記第三の態様における複数の前記穴は、前記軸線に直交する一軸方向に沿って形成されていてもよい。
　複数の穴を形成する際に一軸方向、即ち一方に向かって穴加工することが可能となるため、加工の容易化を図ることが可能である。
　本発明の第五の態様に係るシール装置では、上記第四の態様における複数の前記穴は、その終端が、前記軸線からの距離が前記周方向で略等しくなるように形成されていてもよい。
　複数の穴が一軸方向に形成された状態で、これら穴における軸線から終端までの距離（軸線からの最短距離）が周方向で略等しくなっている。このため、全ての穴の終端が本体部において略同じ径方向位置に配される。従って、周方向で穴の深さが異なり、回転軸の不安定振動の抑制が可能である。
　本発明の第六の態様に係るシール装置では、上記第一から第四のいずれかの態様における前記本体部は、前記一軸方向に分割可能に形成されていてもよい。
　このように本体部を分割構造とすることで、型抜き作業が容易となる。従って、例えば、鋳造や鍛造によって予め穴が形成された本体部を製造することも可能となり、加工の容易化を図ることができる。
　本発明の第七の態様に係るシール装置では、上記第一の態様における前記本体部は、多孔質体よりなり、該多孔質体の空隙が前記穴であってもよい。
　このような多孔質体よりなる本体部によって、穴は周方向にランダムな形状を有する。このため、径及び深さが異なる穴が複数形成されていることと同等となり、これによって回転軸の不安定振動を抑制しながらシール効果を得ることができる。さらに、穴の加工を別途行う必要がないため、加工工数の削減が可能である。
　本発明の第八の態様に係るシール装置では、上記第七の態様における前記本体部は、互いに９０度異なる前記軸線の径方向の少なくとも二方向の間で、剛性が異なっていてもよい。
　このようにシール装置は周方向に異方剛性を有し、回転軸の楕円状の振れ回りを弱めることがなく、不安定振動を抑制することができる。
　本発明の第九の態様に係るシール装置では、上記第一から第八のいずれかの態様における前記本体部は、前記周方向に厚みが異なっていてもよい。
　このように本体部の厚みが異なっていることで、より確実に穴の径や深さが周方向に異なって、周方向にシール装置が異方剛性を有する。従って、回転軸の不安定振動を抑制することができる。
　本発明の第十の態様に係る回転機械は、回転軸と、前記回転軸を両端で支持するとともに、該回転軸の周方向に剛性が変化する一対の軸受と、前記一対の軸受間に配された上記第一から第九のいずれかの態様におけるシール装置とを備える。
　このような回転機械によると、シール装置における本体部に深さの異なる穴が複数形成されているため、回転軸における様々な周波数の不安定振動に対して減衰力を作用させることができる。
　上記のシール装置及び回転機械によると、回転軸の外周面に対向する複数の穴について深さが異なっていることで、回転軸の不安定振動を抑制しながらシール効果を得ることが可能である。
本発明の第一実施形態に係る回転機械を示す全体側面図である。 本発明の第一実施形態に係る回転機械における軸受を示す概略図であって、図１のＡ－Ａ断面図である。 本発明の第一実施形態に係る回転機械におけるシール装置を示す全体斜視図である。 本発明の第一実施形態に係る回転機械におけるシール装置の断面図であって、図３のＢ－Ｂ断面を示す。 本発明の第一実施形態に係る回転機械におけるシール装置に関し、回転軸に生じる不安定振動の周波数と、各周波数の不安定振動を減衰する減衰力との関係を示すグラフである。 本発明の第二実施形態に係る回転機械におけるシール装置の断面図であって、図３のＢ－Ｂ断面と同じ断面位置を示す。 本発明の第三実施形態に係る回転機械におけるシール装置の断面図であって、図３のＢ－Ｂ断面と同じ断面位置を示す。
〔第一実施形態〕
　以下、本発明の第一実施形態に係る回転機械１について説明する。
　図１に示すように、本実施形態の回転機械１は、複数のインペラ３を備えて構成された多段式遠心圧縮機である。
　回転機械１は、軸線Ｐを中心とした回転軸２と、回転軸２を軸線Ｐ回りに回転可能に支持する軸受５と、回転軸２に取り付けられて遠心力を利用してプロセスガス（流体）Ｇを圧縮するインペラ３と、インペラ３同士の間に配されて回転軸２の外周面に沿って設けられたシール装置４と、これらを外周側から覆うケーシング６とを備えている。
　回転軸２は、柱状をなして軸線Ｐの方向に延在し、軸線Ｐの方向の両端で軸受５によって回転可能に支持されている。
　インペラ３は、回転軸２の軸線Ｐの方向の両端に設けられた軸受５同士の間に配されている。インペラ３は、回転軸２の軸線Ｐの方向において羽根の向きが互いに反対側を向く二組の三段式インペラ群３Ａ、３Ｂを構成している。これら三段式インペラ群３Ａ、三段式インペラ群３Ｂは互いに背面側を回転軸２における軸線Ｐの方向の中央位置Ｃに向けた状態で回転軸２に取り付けられている。三段式インペラ群３Ａは軸線Ｐ方向の一方側（図１の紙面左側）に、三段式インペラ群３Ｂは軸線Ｐ方向の他方側（図１の紙面右側）に配置されている。
　インペラ３は、それぞれ回転軸２における軸線Ｐの方向の中央位置Ｃに向かうに従って軸線Ｐの径方向外側に漸次拡径する略円盤状のディスク３ａと、このディスク３ａに軸線Ｐの周方向に間隔をあけて放射状に設けられた複数のブレード３ｃと、ディスク３ａに対向して設けられて複数のブレード３ｃを覆うカバー３ｂとを備えている。
　そして、プロセスガスＧは、三段式インペラ群３Ａ、三段式インペラ群３Ｂ各々を軸線Ｐの方向の中央位置Ｃに向かって流通することで、圧縮される。
　軸受５は、回転軸２の両端部に一つずつ設けられている。軸受５は、回転軸２を回転可能に支持している。
　図２に示すように、各々の軸受５は、回転軸２の外周面に対向して設けられた複数の軸受パッド１０と、これら軸受パッド１０を外周側から支持する軸受ケーシング１６と、複数の軸受パッド１０間に配置された潤滑油供給部１７とを有している。
　軸受パッド１０は、周方向に互いに間隔をあけて設けられて、回転軸２の外周面との間で摺動可能となっている。本実施形態の軸受パッド１０については、回転軸２の直下に第一軸受パッド１１が配置されている。またこの第一軸受パッド１１から周方向に７２度の間隔をあけて等間隔に第二軸受パッド１２及び第三軸受パッド１３が配置されている。さらに第二軸受パッド１２から周方向に７２度の間隔をあけて第四軸受パッド１４が配置され、第三軸受パッド１３から周方向に７２度の間隔をあけて第五軸受パッド１５が配置されている。このようにして軸受パッド１０は五枚から構成されて回転軸２を支持している。
　軸受パッド１０がこのように配置されていることで、軸受５の下半部５ｂでは三枚の軸受パッド１０が回転軸２を支持する一方で、上半部５ａでは二枚の軸受パッド１０が回転軸２を支持している。即ち、軸受５の剛性が周方向に均一とはなっておらず、いわゆる異方剛性を有している。このため、軸受パッド１０は、回転軸２の回転にともなって回転軸２を楕円状に振れ回らせるように回転軸２を支持している。
　本実施形態では、上述した軸受パッド１０の配置によって、軸受５は、上下方向Ｄ１の剛性が強く、上下方向Ｄ１に直交する水平方向Ｄ２の剛性が弱くなっている。このため、回転軸２の振れ回りの楕円は、その長軸が水平方向Ｄ２に一致する。
　軸受ケーシング１６は、軸受パッド１０を外周側から覆うとともに、これら軸受パッド１０を支持する環状をなす部材である。
　潤滑油供給部１７は、軸受ケーシング１６の内外を連通して軸受パッド１０と回転軸２との間に潤滑油を供給する。本実施形態では、第一軸受パッド１１と第二軸受パッド１２との間に一つ、第一軸受パッド１１と第三軸受パッド１３との間に一つ、第二軸受パッド１２と第四軸受パッド１４との間に一つの合計三つの潤滑油供給部１７が設けられている。
　ケーシング６は、略筒状をなして軸受５を外周側から支持し、回転軸２、インペラ３、シール装置４を外周側から覆っている。ケーシング６は、ケーシング６に対して回転軸２及びインペラ３を軸線Ｐ回りに回転可能に支持している。このケーシング６の内部には、各インペラ３におけるブレード３ｃ間の流路同士を接続するように、ケーシング流路６ａＡが形成されている。
　さらに、ケーシング６の内部には、軸線Ｐの方向の一方側の端部の径方向外側となる位置で環状をなす吸込口６ｂＡが形成されている。この吸込口６ｂＡと、三段式インペラ群３Ａのうちの一方側に位置するインペラ３の流路との間には接続流路６ｃＡが形成されて、このインペラ３の流路と吸込口６ｂＡとを接続している。これによって、プロセスガスＧを外部から三段式インペラ群３Ａへ導入可能としている。
　また、ケーシング６の内部には、三段式インペラ群３Ａのうちの他方側に位置するインペラ３の流路に接続されて、径方向の外側に延びる接続流路６ｄＡが形成されている。さらに、ケーシング６の内部には、接続流路６ｄＡに接続されるとともに、軸線Ｐの方向の中央位置Ｃにおける径方向外側となる位置で、環状をなす排出口６ｅＡが形成されている。
　三段式インペラ群３Ｂが取り付けられた位置においても同様に、ケーシング６の内部にはケーシング流路６ａＢ、吸込口６ｂＢ、接続流路６ｃＢ、６ｄＢ、排出口６Ｂが形成されている。そしてこれらは、軸線Ｐ方向の中央位置Ｃを境に、ケーシング流路６ａＡ、吸込口６ｂＡ、接続流路６ｃＡ、６ｄＡ、排出口６Ａに対して、軸線Ｐ方向に対称となる位置に配置されている。
　次に、シール装置４について説明する。
　シール装置４は、三段式インペラ群３Ａと三段式インペラ群３Ｂとの間となる中央位置Ｃ付近で回転軸２の外周側に設けられて、三段式インペラ群３Ａと三段式インペラ群３Ｂとの間でのプロセスガスＧの流通を封止する。
　ここで、三段式インペラ群３Ａにおいて圧縮されて回転軸２の中央位置Ｃに到達したプロセスガスＧは、その後、三段式インペラ群３Ｂに導入されてさらに圧縮が行われ、再度中央位置Ｃ付近に到達する（図１の点線を参照）。従って、回転軸２の中央位置Ｃである三段式インペラ群３Ａと三段式インペラ群３Ｂとの間には圧力差が生じている。
　シール装置４は、このような圧力差によって、プロセスガスＧが中央位置Ｃにおいて三段式インペラ群３Ａから三段式インペラ群３Ｂへ、軸線Ｐに沿って流通することを防止するように設けられている。
　そして、図３に示すように、シール装置４は、回転軸２の外周面に周方向に沿って配置された本体部７を備えている。
　本体部７は、回転軸２の外周面との間に間隙を有して設けられた環状部材である。この本体部７には、回転軸２の外周面と対向する面である内周面に開口する複数の穴８が形成されている。即ち、シール装置４はホールパターンシールとなっている。
　図４に示すように、複数の穴８は、各々が本体部７の内周面から径方向外側に向かって凹むとともに、周方向に隣接する穴８同士で穴８の深さ（径方向の長さ）が異なっている。より具体的には本実施形態では、上下方向Ｄ１に向かって形成された穴８で最も深さ寸法が大きくなっており、上下方向Ｄ１から水平方向Ｄ２に向かうに従って穴８の深さ寸法は漸次小さくなっていく。そして、水平方向Ｄ２に向かって形成された穴８で最も深さ寸法が小さくなっている。
　このような回転機械１においては、シール装置４において回転軸２の周方向に穴８の深さが異なっている。このため、穴８内での気柱の固有振動数は周方向で各々に異なっている。
　従って、図５の実線に示すように、シール装置４が、回転軸２の不安定振動を減衰する減衰力を様々な周波数の不安定振動に対して作用させることができ、回転軸２に対して十分な振動抑制効果を得ることができる。一方で、図５の点線に示すように、仮に穴８の深さが周方向で均一となっている場合には、非常に狭い範囲の周波数の振動に対してのみ減衰力を作用させることができる。このため、回転軸２に対して十分な振動抑制効果を期待することは難しい。
　また、シール装置４における穴８の深さが周方向に異なっていることで、各穴８の内部に流入したプロセスガスＧには、周方向に不均一な圧力損失が生じる。さらに、穴８の深さが周方向に異なるために、結果として本体部７の厚みが周方向に異なる。
　このため、シール装置４は、周方向に剛性が異なるいわゆる異方剛性を有し、軸受５の異方剛性によって生じる回転軸２の楕円状の振れ回りを弱めることがなくなる。このため、この振れ回りを維持することによって回転軸２に発生する不安定振動を抑制しながら、シール効果を発揮することが可能となる。
　本実施形態の回転機械１によると、シール装置４の複数の穴８について、周方向に深さが異なっていることで、回転軸２の不安定振動を抑制することができるとともに、シール効果を得ることができ、プロセスガスＧの封止が可能である。
　なお、本実施形態では、周方向に深さが段階的に変化するように穴８が形成されているが、穴８は少なくとも深さが異なる二種の穴８が形成されていればよい。このような場合であっても、二種以上の周波数の不安定振動を減衰可能となるため、不安定振動の抑制効果の向上につながる。よって、例えば深さの異なる穴８をランダムに形成してもよい。
　さらに、本体部７の径方向の厚みは周方向に異なっていてもよく、これによってシール装置４がより確実に周方向に異方剛性を有し、不安定振動の抑制効果の向上を図ることができる。
〔第二実施形態〕
　次に、本発明の第二実施形態に係る回転機械２１について説明する。
　なお、第一実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
　本実施形態では、シール装置２４が、第一実施形態と異なっている。
　シール装置２４は第一実施形態同様の本体部２７を備えている。この本体部２７には回転軸２の内周面に開口する複数の穴８が形成されている。
　図６に示すように、複数の穴８は、全てが回転軸２の軸線Ｐに直交する一軸方向となる上下方向Ｄ１に、本体部２７の内周面から径方向外側に向かって凹んで形成されている。
　さらに、これら複数の穴８の終端となる径方向外側の端部は、全ての穴８において本体部７の外周面の内側に位置するとともに、全ての穴８においてその径方向位置が同じ位置となっている。即ち、全ての穴８において軸線Ｐから終端までの距離が略等しくなっている。
　このような回転機械２１においては、周方向で深さが異なるように穴８が形成されているとともに、これら複数の穴８を加工する際には、一方に向かって形成することができる。即ち、シール装置２４の本体部２７を回転させながら穴８の加工を行う必要がないため、穴８の加工の容易化を図りながら、回転軸２の不安定振動を抑制するとともにシール効果を得ることができる。
　なお、本実施形態のシール装置２４の本体部２７は、上半部２７ａと下半部２７ｂとで二つに分割されていてもよい。このような分割構造とすることで、型抜き作業が容易となる。このため、例えば鋳造や鍛造によって穴８が予め形成された本体部２７を製造することも可能となり、さらなる加工の容易化を図ることができる。また同様に、第一実施形態のシール装置４の本体部７を分割してもよい。
〔第三実施形態〕
　次に、本発明の第三実施形態に係る回転機械３１について説明する。
　なお、第一実施形態及び第二実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
　本実施形態では、シール装置３４が、第一実施形態及び第二実施形態のものと異なっている。
　図７に示すように、シール装置３４は、回転軸２の外周面に周方向に沿って配置された本体部３７を備えている。この本体部３７は複数の穴８が形成された多孔質体となっている。多孔質体には、例えばアルミニウムよりなる発泡金属や、発泡セラミックスなどの材料が適用可能である。
　また、本体部３７は長軸が上下方向Ｄ１となる断面楕円状をなしている。即ち、上下方向Ｄ１の厚みが大きく、水平方向Ｄ２の厚みが小さくなって周方向に厚みが異なっている。
　このような回転機械３１においては、シール装置３４の本体部３７が多孔質体より構成されていることで、穴８は多孔質体の気泡によって形成されている。このため、穴８は周方向にランダムな形状を有する。
　従って、本体部３７には径及び深さが異なる穴８が複数形成されていることと同等となり、これによって回転軸２の不安定振動を、広い周波数範囲で抑制することができる。
　また、このように本体部３７が多孔質体よりなるため、本体部３７に対して穴８の加工を別途行う必要がない。このため、加工工数の削減によってコスト低減が可能である。
　また、本体部３７が断面楕円状となっていることで、シール装置３４が周方向に異方剛性を有する。このため、回転軸２の楕円状の振れ回りを弱めることがなく、不安定振動を抑制しながらシール効果を得ることが可能である。
　なお、シール装置３４の本体部３７は必ずしも断面楕円状をなしていなくともよく、例えば少なくとも周方向に厚みが一定でなければよい。このように本体部３７が周方向に厚みが一定でないことで、確実にシール装置３４の剛性に異方性を持たせることが可能であり、回転軸２の不安定振動の抑制が可能である。
　また、本体部３７が断面楕円状をなしていなくとも、剛性は、互いに９０度異なる径方向の少なくとも二方向で周方向に異なっていればよい。このように二方向で剛性が異なることで、シール装置３４は確実に周方向に異なる剛性を有し、回転軸２の不安定振動を抑制することができる。
　以上、本発明の実施形態について詳細を説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、多少の設計変更も可能である。
　例えば、シール装置４（２４、３４）においては、軸受５の楕円状振れ回りが真円状振れ回りとなってしまわないように、軸受５の剛性の大小の方向に応じてシール装置４（２４、３４）の剛性の方向、即ち深さの異なる穴８の配置パターンを決定する必要がある。
　このため、例えば第一実施形態のように、必ずしも上下方向Ｄ１を向く穴８の深さを最も大きくして、上下方向Ｄ１の剛性が最も大きくなるように複数の穴８を形成するとは限らない。
　即ち、軸受５において軸受パッド１０の枚数や配置は異なっていてもよいが、この軸受５の剛性が上述の実施形態とは周方向に異なっている場合には、軸受５の剛性の大小の方向に応じてシール装置４の深さの異なる穴８の配置パターンを決定する必要がある。
　また、シール装置４（２４、３４）の本体部７の穴８（２８、３８）は周方向に深さが異なるように形成されているが、これに加えて軸線Ｐの方向にも深さが異なるように形成してもよい。回転軸２の不安定振動は、軸線Ｐ方向の一方側に向かって周方向に捩れるような振動が発生する場合もある。このため、軸線Ｐ方向にも深さが異なるように穴８（２８、３８）を形成することで、このような捩れ振動の抑制効果も得ることができる。
　上記したシール装置及び回転機械によれば、回転軸の外周面に対向する複数の穴について深さが異なっていることで、回転軸の不安定振動を抑制しながらシール効果を得ることができる。
　１　　回転機械
　２　　回転軸
　３　　インペラ
　３Ａ、３Ｂ　　三段式インペラ群
　３ａ　　ディスク
　３ｂ　　カバー
　３ｃ　　ブレード
　４　　シール装置
　５　　軸受
　６　　ケーシング
　７　　本体部
　８　　穴
　１０　　軸受パッド
　１１　　第一軸受パッド
　１２　　第二軸受パッド
　１３　　第三軸受パッド
　１４　　第四軸受パッド
　１５　　第五軸受パッド
　１６　　軸受ケーシング
　１７　　潤滑油供給部
　Ｃ　　中央位置
　Ｐ　　軸線
　Ｇ　　プロセスガス（流体）
　Ｄ１　　上下方向
　Ｄ２　　水平方向
　２１　　回転機械
　２４　　シール装置
　２７　　本体部
　２８　　穴
　３１　　回転機械
　３４　　シール装置
　３７　　本体部
　３８　　穴

Claims (10)

  1. 　回転軸の外周面上で、前記回転軸の軸線に沿う方向の流体の流れを封止するシール装置であって、
    　前記回転軸の前記外周面に前記軸線の周方向に沿って配された環状の本体部を備え、
    　前記本体部の内周面に、前記回転軸の前記外周面に対向するように開口するとともに、深さの異なる少なくとも二種の穴が複数形成されているシール装置。
  2. 　前記本体部は、互いに９０度異なる前記軸線の径方向の少なくとも二方向の間で、剛性が異なっている請求項１に記載のシール装置。
  3. 　前記本体部は、前記二方向のうちの一方向での前記穴の深さ寸法が他方向での前記穴の深さ寸法に比べて大きく形成されている請求項２に記載のシール装置。
  4. 　複数の前記穴は、前記軸線に直交する一軸方向に沿って形成されている請求項３に記載のシール装置。
  5. 　複数の前記穴は、その終端が、前記軸線からの距離が前記周方向で略等しくなるように形成されている請求項４に記載のシール装置。
  6. 　前記本体部は、前記一軸方向に分割可能に形成されている請求項１から５のいずれか一項に記載のシール装置。
  7. 　前記本体部は、多孔質体よりなり、該多孔質体の空隙が前記穴である請求項１に記載のシール装置。
  8. 　前記本体部は、互いに９０度異なる前記軸線の径方向の少なくとも二方向の間で、剛性が異なっている請求項７に記載のシール装置。
  9. 　前記本体部は、前記周方向に厚みが異なっている請求項１から８のいずれか一項に記載のシール装置。
  10. 　回転軸と、
    　前記回転軸を両端で支持するとともに、該回転軸の周方向に剛性が変化する一対の軸受と、
    　前記一対の軸受間に配された請求項１から９のいずれか一項に記載のシール装置とを備える回転機械。
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