WO2016030952A1 - シール機構、回転機械 - Google Patents

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WO2016030952A1
WO2016030952A1 PCT/JP2014/072203 JP2014072203W WO2016030952A1 WO 2016030952 A1 WO2016030952 A1 WO 2016030952A1 JP 2014072203 W JP2014072203 W JP 2014072203W WO 2016030952 A1 WO2016030952 A1 WO 2016030952A1
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hole
rotor
seal
row
peripheral surface
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PCT/JP2014/072203
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中庭　彰宏
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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Definitions

  • the present invention relates to a seal mechanism and a rotary machine provided in a rotary machine such as a turbine.
  • 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 base, an intermediate seal is provided between the impeller stages, and a balance piston part seal is provided at the final stage to reduce the amount of leaked gas compressed by the impeller.
  • a damper seal or a labyrinth seal may be used for such various seals.
  • the labyrinth seal includes, for example, an annular projecting portion provided on a rotating rotating shaft and a projecting portion projecting annularly from the stationary member facing the rotating shaft with a gap toward the rotating shaft. In many cases, it is constituted by providing a plurality of stages alternately. In this labyrinth seal, 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. For example, in a hole pattern seal, a plurality of hole portions are formed in an opposing surface facing the rotation shaft in an annular stationary side member arranged with a gap from the rotation shaft. Leakage can be reduced (see, for example, Patent Document 1).
  • the hole pattern seal has a greater damping effect than the labyrinth seal and is advantageous in terms of stabilizing the vibration of the rotating shaft, whereas the labyrinth seal can further reduce the amount of fluid leakage compared to the damper seal.
  • the seal structure may vibrate due to a swirling flow (hereinafter simply referred to as swirl) of the flowing fluid.
  • swirl a swirling flow
  • the clearance must be set so that the stationary side and the rotating side do not come into contact with each other due to this self-excited vibration. Therefore, in the non-contact type seal mechanism, the clearance cannot be reduced, and it is difficult to further reduce the amount of fluid leakage.
  • the swirl can be suppressed by causing the vortex generated in the hole to interfere with the swirl.
  • swirl can be reduced by the vortex generated by the hole pattern seal. However, since swirl is not completely canceled, further swirl reduction is desired.
  • the present invention can further reduce the swirl generated between the rotating side and the stationary side, and reduce the amount of leakage of the process gas G from the high pressure side to the low pressure side while preventing self-excited vibration due to the swirl.
  • An object of the present invention is to provide a sealing mechanism and a rotating machine that can be used.
  • the sealing mechanism is a sealing mechanism that is disposed on the outer peripheral side of the rotor extending along the axis and seals with the outer peripheral surface of the rotor.
  • the sealing mechanism has a cylindrical shape, and a main body portion into which the rotor is inserted, and a plurality of holes formed on the inner peripheral surface of the main body portion so as to face the outer peripheral surface of the rotor.
  • the hole has a hole depth h in a range of a hole diameter d or less.
  • the sealing mechanism is configured such that the hole portion has a hole depth h with respect to the hole diameter d. 0.5d ⁇ h ⁇ d You may make it be.
  • the hole may have a circular cross section or a hexagonal cross section.
  • the sealing mechanism is the sealing mechanism according to any one of the first to third aspects, wherein the plurality of hole portions have the same hole diameter d and hole depth h. It may be unified.
  • the bottom surface of the hole portion may have a conical shape or a flat bottom shape.
  • the seal mechanism protrudes toward the rotor side on the inner peripheral surface of the main body and extends in the circumferential direction. You may make it have a fin part.
  • the rotating machine includes a rotor extending along the axis, and a stator that is disposed on the outer peripheral side of the rotor and relatively rotates around the axis with respect to the rotor.
  • the rotating machine is fixed to the stator and divides a space between the rotor and the stator into a high pressure side and a low pressure side, and a plurality of holes facing the outer peripheral surface of the rotor are spaced in the circumferential direction.
  • a hole pattern seal having a row of holes formed by opening a hole.
  • the hole portion of the rotating machine has a hole depth in a range equal to or smaller than the hole diameter.
  • the rotary machine may include a fin portion that is formed on the inner peripheral surface of the hole pattern seal, protrudes toward the rotor side, and extends in the circumferential direction.
  • the rotating machine may further include a convex portion that protrudes from the outer peripheral surface of the rotor toward the hole portion and extends in the circumferential direction and faces the hole portion on the low-pressure side of the fin portion.
  • the swirl generated between the rotating side and the stationary side is further reduced, and the self-excited vibration caused by the swirl is prevented, and the process gas G from the high pressure side to the low pressure side is reduced. It becomes possible to reduce the amount of leakage.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a centrifugal compressor 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • the centrifugal compressor 1 in this embodiment is a multistage centrifugal compressor.
  • the centrifugal compressor 1 includes, for example, two sets of three-stage impeller groups.
  • the centrifugal compressor 1 includes a rotating shaft (rotor) 2, an impeller 3, a casing (stator) 5, and a seal mechanism 20A.
  • the rotating shaft 2 rotates around the axis O.
  • the impeller 3 is attached to the rotating shaft 2 and compresses the process gas (fluid) G using centrifugal force.
  • the casing 5 supports the rotating shaft 2 in a rotatable manner.
  • the casing 5 is formed with a return flow path 4 for flowing the process gas G from the high pressure side to the low pressure side.
  • the seal mechanism 20 ⁇ / b> A is provided along the outer peripheral surface of the rotating shaft 2.
  • the casing 5 is formed in a circular column shape in cross section.
  • the rotating shaft 2 is arranged so as to penetrate the center of the casing 5.
  • a journal bearing 5a and a thrust bearing 5b are provided at both ends of the casing 5, respectively. Both ends of the rotary shaft 2 are rotatably supported by the journal bearing 5a and the thrust bearing 5b. That is, the rotating shaft 2 is supported by the casing 5 via the journal bearing 5a and the thrust bearing 5b.
  • Suction ports 5c and 5e for sucking the process gas G from the radially outer side are provided on the side surfaces near both ends of the casing 5.
  • Discharge ports 5d and 5f are provided in the central portion of the casing 5 in the direction of the axis O in order to discharge the process gas G radially outward.
  • the casing 5 is formed with an internal space 6a (6) for communicating the suction port 5c and the discharge port 5d, and an internal space 6b (6) for communicating the suction port 5e and the discharge port 5f.
  • the plurality of impellers 3 housed in the casing 5 include two sets of three-stage impeller groups 3A and three-stage impeller groups 3B in which the directions of the blades 3b are opposite to each other in the direction of the axis O of the rotary shaft 2. Is configured.
  • the three-stage impeller group 3A and the three-stage impeller group 3B are attached to the rotary shaft 2 with their back surfaces directed toward the center in the axis O direction.
  • the impeller 3 includes a disk 3a, a blade 3b, and a cover portion 3c.
  • the disk 3a is formed in a substantially disk shape having a diameter gradually increased toward the discharge ports 5d and 5f in the direction of the axis O.
  • the blades 3b are formed radially on the disk 3a. That is, a plurality of blades 3b are arranged in the circumferential direction.
  • the cover portion 3c is formed in a disc shape so as to cover the tip side of the plurality of blades 3b.
  • the impeller 3 constituting the three-stage impeller group 3A and the impeller 3 constituting the three-stage impeller group 3B are directed in opposite directions in the axis O direction.
  • the three-stage impeller group 3A distributes and compresses the process gas G from the suction port 5c toward the discharge port 5d.
  • the three-stage impeller group 3B distributes and compresses the process gas G from the suction port 5e toward the discharge port 5f.
  • the internal space 6 includes a return flow path 4.
  • the return flow path 4 allows the process gas G to flow from the flow path outlet of the impeller 3 toward the flow path inlet.
  • the return flow path 4 has a diffuser part 12, a bend part 13, and a return part 14.
  • the diffuser portion 12 guides the process gas G compressed by the impeller 3 and discharged radially outward from the flow path outlet of the impeller 3 to the radially outer side.
  • the radially outer portion of the diffuser portion 12 communicates with the return portion 14 via the bend portion 13. However, in the radially outer portion of the diffuser portion 12 connected to the third-stage impeller 3 of each of the three-stage impeller group 3A and the three-stage impeller group 3B, a discharge port 5d, 5f is formed.
  • the bend portion 13 forms a curved flow path.
  • the first end on the upstream side of the bend portion 13 is connected to the diffuser portion 12.
  • a second end on the downstream side of the bend portion 13 is connected to the return portion 14.
  • the bend unit 13 reverses the direction of the process gas G flowing radially outward through the diffuser unit 12 so as to be directed radially inward, and sends the gas to the return unit 14.
  • the return portion 14 is connected to the second end of the bend portion 13 on the radially outer side.
  • the return portion 14 is connected to the flow path inlet of the impeller 3 on the radially inner side.
  • the centrifugal compressor 1 of this embodiment has the above configuration. Next, the operation of the centrifugal compressor 1 will be described. First, in the three-stage impeller group 3A, the process gas G sucked from the suction port 5c is caused to flow into the return flow path 4, and the impeller 3, the diffuser part 12, the bend part 13, and the return part 14 are in this order. Compress while flowing from stage 3 to stage 3. Thereafter, the compressed process gas G that has flowed up to the third-stage diffuser section 12 is discharged from the discharge port 5d. The process gas G discharged from the discharge port 5d is sent to the suction port 5e through a pipe line (not shown) connected from the discharge port 5d to the suction port 5e.
  • the process gas G sucked from the suction port 5e is caused to flow into the return flow path 4, and the impeller 3, the diffuser part 12, the bend part 13, and the return part 14 are arranged in this order. And further compress while flowing to the third stage. Thereafter, the compressed process gas G reaching the third-stage diffuser section 12 is discharged from the discharge port 5f.
  • the process gas G in the vicinity of the outlet 5f of the three-stage impeller group 3B is compressed by the three-stage impeller group 3B in comparison with the process gas G in the vicinity of the outlet 5d of the three-stage impeller group 3A.
  • the pressure is high enough. That is, a pressure difference is generated between the process gas G around the rotation axis 2 near the discharge port 5d in the axis O direction and around the rotation axis 2 near the discharge port 5f in the axis O direction. Therefore, between the third stage impellers 3, while allowing the rotation shaft 2 to rotate, the high pressure side and the low pressure side in the direction of the axis O of the rotation shaft 2 are partitioned to prevent leakage of the process gas G.
  • a seal mechanism 20A is provided.
  • the seal mechanism 20 ⁇ / b> A is disposed on the outer peripheral side of the rotary shaft 2 and is rotatable relative to the rotary shaft 2 around the axis O.
  • a hole pattern seal (main body part) 21A constituting a seal mechanism 20A is arranged on the inner periphery of the annular casing 5 arranged with a gap from the rotary shaft 2.
  • the hole pattern seal 21A has a cylindrical shape, and the rotating shaft 2 is inserted through the hole pattern seal 21A.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a hole pattern seal of the sealing mechanism of the centrifugal compressor.
  • FIG. 3 is a partial cross-sectional view of the sealing mechanism of the centrifugal compressor.
  • FIG. 4 is a development view of the inner peripheral surface of the hole pattern seal.
  • a plurality of hole portions 22 opening toward the inner peripheral side are formed on the inner peripheral surface 21a of the hole pattern seal 21A.
  • the plurality of hole portions 22 are formed in a circular cross section having the same hole diameter.
  • These hole portions 22 are arranged such that their axis lines (not shown) all extend in the radial direction of the rotary shaft 2.
  • the bottom surface 22a of each hole 22 has a conical shape (see FIG. 3). In other words, the bottom surface 22a is formed so as to decrease in diameter toward the radially outer side.
  • the openings 22b of the holes 22 are arranged in a staggered pattern on the inner peripheral surface 21a.
  • the hole pattern seal 21 ⁇ / b> A is equidistant from the first side (left side in FIG. 4), which is the high pressure side in the axis O direction, toward the circumferential direction (up and down direction in FIG. 4).
  • a first row L1 in which the openings 22b of the plurality of hole portions 22 are arranged is formed.
  • a third row L3 is formed on the second side (the right side in FIG. 4) which is the low pressure side in the direction of the axis O of the first row L1.
  • the openings 22b of the plurality of hole portions 22 are arranged at equal intervals in the circumferential direction as in the first row L1.
  • a second row L2 in which the openings 22b of the plurality of hole portions 22 are arranged at equal intervals in the circumferential direction is formed.
  • the opening 22b constituting the second row L2 is the center of the openings 22b adjacent to each other in the first row L1 (and the third row L3) in the circumferential direction, and the first row L1 and the third in the axis O direction. It arrange
  • the symbols of the first row L1 to the third row L3 are drawn from a straight line (a chain line in FIG. 4) passing through the center of each opening 22b.
  • a plurality of sets of row groups R are formed side by side in the direction of the axis O, with the first row L1 and the second row L2 described above as a set of row groups R.
  • the process gas G including the swirl is contracted by the gap g between the end portion on the highest pressure side of the hole pattern seal 21A and the outer peripheral surface 2a of the rotating shaft 2.
  • the process gas G that has entered the gap g advances in the direction of the axis O toward the low pressure side. Then, a part of this process gas G goes to the hole 22 side of the first row L1 of the hole pattern seal 21A.
  • a part of the process gas G coming out of the hole 22 interferes with the main flow F0 of the process gas G flowing in the direction of the axis O toward the low pressure side.
  • the direction of flow differs between the vortex flow F1 caused by part of the process gas G generated in the hole 22 and the main flow F0 of the process gas G flowing to the low pressure side along the axis O direction. Thereby, the energy of the main flow F0 of the process gas G flowing to the low pressure side along the axis O direction is attenuated.
  • the process gas G flows to the low pressure side along the direction of the axis O, and a part of the process gas G enters the holes 22 in the third row L3 and thereafter. Thereby, the process gas G meanders in the radial direction while proceeding in the direction of the axis O of the rotating shaft 2. Thereafter, the above-described operation is repeated by the number of row groups R of the hole pattern seal 21A.
  • the hole portion 22 in each row has a hole depth h that is equal to or less than the hole diameter d (h ⁇ d).
  • the hole depth h increases with respect to the hole diameter d, the flow velocity of the process gas G that has entered the hole portion 22 decreases, and the energy attenuation effect of the process gas G on the main flow F0 decreases. Further, if the hole depth h of the hole 22 is increased, the processing cost increases. On the other hand, when the hole depth h is too small with respect to the hole diameter d, the hole portion 22 becomes shallow, so that the process gas G is difficult to enter the hole portion 22 and the energy attenuation effect is difficult to obtain.
  • the hole 22 has a hole depth h with respect to the hole diameter d. h ⁇ d It is preferable that More preferred is d / 2 ⁇ h ⁇ d It is.
  • all the hole portions 22 constituting the hole pattern seal 21A have the same hole diameter d and hole depth h.
  • the vortex F1 formed in the hole 22 by the part of the process gas G that has entered the hole 22 of the hole pattern seal 21A is transferred to the hole 22. It is possible to make the axis O direction interfere with the main flow F0 flowing to the low pressure side without entering. Therefore, the swirl contained in the process gas G can be removed by attenuating the energy of the main flow F0 of the process gas G. Furthermore, by setting the hole depth h of the hole 22 to be equal to or smaller than the hole diameter d, the vortex F1 can be easily generated, and the above-described swirl reduction effect and energy attenuation effect can be effectively exhibited. As a result, the amount of leakage of the process gas G from the high pressure side to the low pressure side can be reduced while preventing self-excited vibration due to swirl.
  • all the hole portions 22 of the hole pattern seal 21A can be easily and reliably processed without mistakes by unifying the hole diameter d and the hole depth h to the same size. it can. Furthermore, since the attenuation effect by the hole 22 is the same in the circumferential direction and the axial direction, anisotropy is hardly generated in the attenuation effect.
  • the bottom surface 22a of the hole 22 has a conical shape. As a result, part of the process gas G that has entered the hole 22 hits the bottom surface 22a to easily change the flow direction, and the vortex F1 is likely to be generated in the hole 22.
  • FIG. 5 is a diagram showing an analysis result regarding the relationship between the hole depth h and the equivalent attenuation.
  • the equivalent attenuation of Example 2 when the equivalent attenuation of Example 2 is 1.0, the equivalent attenuation of Example 1 is 0.98, and the equivalent attenuation of the comparative example is 0.6. That is, Examples 1 and 2 in which the hole depth h is equal to or smaller than the hole diameter d of the hole 22 are equivalent to the comparative example in which the hole depth h is larger than the hole diameter d of the hole 22.
  • the attenuation was 1.5 times or more. Thereby, it was confirmed that a high attenuation was obtained by making the hole depth h equal to or less than the hole diameter d of the hole portion 22.
  • centrifugal compressor shown in the second embodiment is different from the centrifugal compressor of the first embodiment only in the configuration in which the hole pattern seal is provided with the fin portion. Therefore, in the description of the second embodiment, the same portions as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and redundant description is omitted. That is, the description of the overall configuration of the centrifugal compressor common to the configuration described in the first embodiment is omitted.
  • FIG. 6 is a perspective view showing a hole pattern seal in the sealing mechanism of the centrifugal compressor according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a development view of the inner peripheral surface of the hole pattern seal.
  • FIG. 8 is a partial cross-sectional view of a sealing mechanism in the centrifugal compressor.
  • the hole pattern seal (main body portion) 21B of the seal mechanism 20B of the centrifugal compressor 1 in this embodiment has a hole portion 22 and a fin portion 24 on its inner peripheral surface 21a. I have.
  • the hole pattern seal 21B has a plurality of first spaces at the same interval S1 in the circumferential direction (up and down direction in FIG. 7) on the first side (left side in FIG.
  • a first row L1 in which the opening portions 22b of the hole portions 22A are arranged is formed. Further, a third row L3 is formed on the second side (the right side in FIG. 7) of the first row L1 which is the low pressure side in the direction of the axis O with an interval S2 sufficiently smaller than the interval S1. Yes.
  • the openings 22b of the plurality of third hole portions 22C are arranged at intervals S1 in the circumferential direction in the same manner as the first row L1.
  • a second row L2 is formed in which the openings 22b of the plurality of second hole portions 22B are arranged at intervals S1 in the circumferential direction.
  • the opening 22b constituting the second row L2 is the center of the interval S1 between the adjacent openings 22b of the first row L1 (and the third row L3) in the circumferential direction and the first row L1 in the axis O direction.
  • the third row L3 are arranged at positions that are the center of the interval S2 between the openings 22b adjacent in the axis O direction.
  • the symbols of the first row L ⁇ b> 1 to the third row L ⁇ b> 3 are drawn from a straight line (a chain line in FIG. 7) passing through the center of each opening 22 b.
  • a plurality of sets of row groups R are formed side by side in the direction of the axis O, with the first row L1 to the third row L3 described above as a set of row groups R.
  • the opening 22b in the first row L1 and the opening 22b in the third row L3 of each adjacent row group R are arranged with an interval S2.
  • a fin portion 24 is formed that protrudes radially toward the inner peripheral side, that is, the rotating shaft 2 side. Yes.
  • the fin portion 24 is continuously formed on the entire circumference in the circumferential direction of the hole pattern seal 21B.
  • the fin portion 24 is formed in an annular plate shape having a uniform thickness. In other words, the fin portion 24 extends toward the rotating shaft 2 from the high-pressure side partition K1 (see FIG. 8) surrounding the first hole portion 22A of the first row L1.
  • the fin portion 24 is provided on the high-pressure side of each first row L1.
  • a second row L2 and a third row L3 are arranged on the low pressure side of the first row L1.
  • the front end portion 24a of the fin portion 24 is disposed with an outer peripheral surface 2a of the rotating shaft 2 and a predetermined clearance c.
  • the rotating shaft 2 has a convex portion 25 on the outer peripheral surface 2a facing the hole pattern seal 21B described above.
  • the convex part 25 protrudes toward the hole pattern seal 21B and is formed continuously on the entire circumference in the circumferential direction.
  • the convex portion 25 faces the opening 22b of the first hole portion 22A in the first row L1 on the lower pressure side than the fin portions 24.
  • the convex portion 25 has a high-pressure-side vertical wall 25b arranged in the axis O direction on the high-pressure side of the partition K3 on the high-pressure side.
  • the outer peripheral surface 25a of the convex portion 25 is disposed between the fin portions 24 adjacent to each other.
  • the outer peripheral surface 25a is formed on the partition wall K3 between the first hole portion 22 in the first row L1 and the third hole portion 22C in the third row L3 so as to overlap the fin portion 24 when viewed from the direction of the axis O.
  • the fin part 24 is arrange
  • the hole portions 22 of each row constituting the hole pattern seal 21B have a hole depth h with respect to the hole diameter d.
  • h ⁇ d Is preferable. More preferred is d / 2 ⁇ h ⁇ d It is.
  • FIG. 9 is an explanatory view of the action of the sealing mechanism.
  • sticker 21B mentioned above is demonstrated, referring FIG.
  • FIG. 9 when the rotating shaft 2 described above rotates, a shearing force acts on the process gas G around the rotating shaft 2 from the rotating body including the impeller 3 in the rotational tangential direction.
  • a swirl having a velocity component in the circumferential direction is generated by the action of the shearing force.
  • the process gas G including the swirl tends to flow from the high pressure side toward the low pressure side due to a pressure difference between both sides in the axis O direction.
  • the process gas G including the swirl is contracted by the gap g1 between the tip 24a of the fin portion 24 on the highest pressure side of the hole pattern seal 21B and the outer peripheral surface 2a of the rotating shaft 2.
  • the process gas G that has entered the gap g1 advances in the direction of the axis O toward the low pressure side.
  • the process gas G collides with the vertical wall 25b on the high pressure side of the convex portion 25, and flows toward the radially outer side of the convex portion 25, that is, the first hole portion 22A side of the first row L1 of the hole pattern seal 21B. It becomes.
  • the process gas G proceeds toward the gap g3 disposed on the lower pressure side and radially inward than the outer peripheral surface 25a of the convex portion 25, and meanders in the radial direction.
  • the flow is disturbed by this meandering so that a sealing effect similar to that of a general labyrinth seal can be obtained.
  • the above-described operation is repeated by the number of the row groups R of the hole pattern seal 21B.
  • a vortex F1 of the same level as that of the general hole pattern seal 21B is generated, which contributes to the reduction of swirl.
  • the process gas G that has entered from the gap g1 between the fin portion 24 of the hole pattern seal 21B and the rotating shaft 2 is moved vertically to the convex portion 25 of the rotating shaft 2. It can be made to flow toward the hole 22 side of the hole pattern seal 21B in contact with the wall 25b. Therefore, the flow of the process gas G in the swirl direction can be inhibited by the partition walls K2 arranged in the circumferential direction of the rotating shaft 2 among the partition walls of the hole 22, and swirl can be reduced.
  • the gaps g1 and g3 formed by the fin portion 24 and the gap g2 formed by the convex portion 25 are arranged at positions shifted in the radial direction, whereby the process gas G meanders in the radial direction. Therefore, the leakage amount of the process gas G can be reduced by a sealing effect by a so-called labyrinth structure. As a result, the amount of leakage of the process gas G from the high pressure side to the low pressure side can be reduced while preventing self-excited vibration due to swirl.
  • the hole depth h of the hole 22 is set to be equal to or smaller than the hole diameter d.
  • the above-described swirl reduction effect and energy attenuation effect can be effectively exhibited.
  • the amount of leakage of the process gas G from the high pressure side to the low pressure side can be reduced while preventing self-excited vibration due to swirl.
  • the row group R The swirl and leakage amount of the process gas G can be reduced as the number of.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and design changes can be made without departing from the spirit of the present invention.
  • the fin portions 24 are provided.
  • the interval at which the fin portions 24 are provided that is, the number of rows of the hole portions 22 constituting each row group R can be appropriately changed.
  • the hole portions 22 are arranged in a staggered pattern in the hole pattern seals 21A and 21B, but the circumferential and axial intervals can be set as appropriate.
  • the hole portions 22 constituting the hole pattern seals 21A and 21B are not limited to a staggered shape in which the rows of the hole portions 22 adjacent to each other in the axial direction are phased in the circumferential direction, and the interval and the phase of the adjacent hole portions 22 are arranged. May be arranged in the same square arrangement.
  • the fin portion 24 has the tip portion 24a extending in the radial direction, whereas the fin portion 24 is arranged such that the tip portion 24a is arranged on the high pressure side with respect to the base portion 24b. It may be formed in an inclined state. Furthermore, in each of the embodiments described above, the fin portion 24 is formed with a constant thickness, whereas the fin portion 24 is formed in a tapered shape with a width dimension that decreases toward the distal end portion 24a. May be.
  • the hole portions 22 constituting the hole pattern seals 21A and 21B of the seal mechanisms 20A and 20B are formed in a circular cross section having substantially the same hole diameter d.
  • the hole diameter d may be varied according to the axial position, the circumferential position, and the like of the hole 22.
  • the hole portion 22 is not limited to a circular cross section, and may have a hexagonal cross section to form a so-called honeycomb seal.
  • the bottom surface 22a of the hole 22 is not limited to a conical shape, and may be a flat bottom shape. In these cases as well, similar effects can be achieved by setting the relationship between the hole diameter d of the hole 22 and the hole depth h in the same manner as in the above embodiment.
  • the hole depth of the hole part constituting the seal mechanism equal to or less than the hole diameter, it is possible to reduce the leakage of the process gas G from the high pressure side to the low pressure side while preventing self-excited vibration due to swirl.

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

シール機構、回転機械
　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

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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