(57)【要約】【課題】シール部に流入する旋回流の回転方向速度を効果的に低減させる。【解決手段】軸線回りに回転する回転体１２と、回転体１２の径方向に対向して配置される静止体６と、回転体１２と静止体６との間隙をシールするシール部４と、間隙におけるシール部４の高圧側において静止体６から窪むように周方向に複数が形成された凹部２５を有し、回転体１２の回転方向Ｒに流れる旋回流Ｓを減少させる旋回流抑制部２５と、を備え、凹部２５は、軸線に直交する断面視にて、凹部２５の回転方向前方側の縁部２５ａに接続されて、旋回流Ｓからの分流Ｓ２を回転方向後方側に向かって案内するように連続して延びる案内面２６と、案内面２６に接続されて分流Ｓ２を径方向に向かって間隙に導入する導入面２７と、を有する回転機械を提供する。【選択図】図５
2014238066.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線回りに回転する回転体と、
前記回転体の径方向に対向して配置される静止体と、
前記回転体と前記静止体との間隙をシールするシール部と、
前記間隙における前記シール部の高圧側において前記静止体から窪むように周方向に複数が形成された凹部を有し、前記回転体の回転方向に流れる旋回流を減少させる旋回流抑制部と、を備え、
前記凹部は、前記軸線に直交する断面視にて、前記凹部の前記回転方向前方側の縁部に接続されて、前記旋回流からの分流を前記回転方向後方側に向かって案内するように連続して延びる案内面と、該案内面に接続されて前記分流を径方向に向かって前記間隙に導入する導入面と、を有することを特徴とする回転機械。
【請求項２】
前記導入面は、前記回転方向後方側に向かって傾斜するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転機械。
【請求項３】
前記導入面は、前記回転体の外周面と直交するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転機械。
【請求項４】
前記シール部は、円筒形状のシール部本体を有し、前記凹部は、前記シール部本体の高圧側を臨む端面と前記シール部本体の内周面とが交差する稜線上に形成され、
前記案内面は、前記軸線に直交する断面視にて円弧状をなし、前記縁部において前記シール部本体の内周面と鋭角をなしていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の回転機械。
【請求項５】
前記回転体は、回転軸、前記回転軸に取り付けられている複数のインペラ、及び前記回転軸に取り付けられているバランスピストンであり、
前記静止体は、前記回転体を覆うケーシングであり、
前記シール部は、前記バランスピストンの外周面と前記ケーシングとの間隙をシールしていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の回転機械。
【請求項６】
前記回転体は、回転軸、前記回転軸に取り付けられている複数のインペラ、及び前記回転軸に取り付けられているバランスピストンであり、
前記静止体は、前記回転体を覆うケーシングであり、
前記シール部は、前記インペラのシュラウドの外周面と前記ケーシングとの間隙をシールしていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の回転機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転機械に係り、特に回転体と静止体との間隙をシールするシール部を備える回転機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、ケーシング内部にインペラ（羽根車）が設けられて、このインペラ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。
【０００３】
ここで、インペラ口金部には口金シールが、インペラ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、インペラ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。
【０００４】
ラビリンスシールは、回転体である回転軸と間隙を有して対向する環状の静止体であるケーシングから、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。
また、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おり、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ケーシングにおいて、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。
【０００５】
ところで、上述したような遠心圧縮機においては、インペラによって回転方向速度を与えられた流体がシールに流入するため、シールには旋回流れを持った流体（以下旋回流と呼ぶ）が流入し、この旋回流はシール部の動特性を悪化させる。
このような動特性の悪化を防止するために、特許文献１に記載されているような旋回流抑制構造が知られている。これは、シールの上流に、ケーシングから窪むような凹部を周方向に複数設け、旋回流がこの凹部に流入することで旋回流を弱める構造である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１２／０１８３３８８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したような旋回流抑制構造でも一定の旋回流の低減効果があるが、遠心圧縮機の性能向上のためには、さらなる旋回流の低減が求められている。
【０００８】
この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、シール部に流入する旋回流の回転方向速度を効果的に低減させることができる回転機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
本発明の回転機械は、軸線回りに回転する回転体と、前記回転体の径方向に対向して配置される静止体と、前記回転体と前記静止体との間隙をシールするシール部と、前記間隙における前記シール部の高圧側において前記静止体から窪むように周方向に複数が形成された凹部を有し、前記回転体の回転方向に流れる旋回流を減少させる旋回流抑制部と、を備え、前記凹部は、前記軸線に直交する断面視にて、前記凹部の前記回転方向前方側の縁部に接続されて、前記旋回流からの分流を前記回転方向後方側に向かって案内するように連続して延びる案内面と、該案内面に接続されて前記分流を径方向に向かって前記間隙に導入する導入面と、を有することを特徴とする。
【００１０】
上記構成によれば、分流が案内面を介して滑らかに凹部に導入されることによって、分流のエネルギー損失が低減されるため、効果的に旋回流を減少させることができる。
【００１１】
上記回転機械において、前記導入面は、前記回転方向後方側に向かって傾斜するように形成されていることが好ましい。
【００１２】
上記構成によれば、導入面を介して間隙に導入される分流が旋回流の主流に逆行するように当たるため、より効果的に旋回流を減少させることができる。
【００１３】
上記回転機械において、前記導入面は、前記回転体の外周面と直交するように形成されていることが好ましい。
上記構成によれば、凹部の周方向の寸法がより短くなるため、凹部の数を増やすことができる。
【００１４】
上記回転機械において、前記シール部は、円筒形状のシール部本体を有し、前記凹部は、前記シール部本体の高圧側を臨む端面と前記シール部本体の内周面とが交差する稜線上に形成され、前記案内面は、前記軸線に直交する断面視にて円弧状をなし、前記縁部において前記シール装置本体の内周面と鋭角をなしていることが好ましい。
【００１５】
上記構成によれば、案内面が断面視にて円弧状をなしていることによって、分流をより滑らかに導入面に案内することができる。
【００１６】
上記回転機械において、前記回転体は、回転軸、前記回転軸に取り付けられている複数のインペラ、及び前記回転軸に取り付けられているバランスピストンであり、前記静止体は、前記回転体を覆うケーシングであり、前記シール部は、前記バランスピストンの外周面と前記ケーシングとの間隙をシールしていることが好ましい。
【００１７】
上記回転機械において、前記回転体は、回転軸、前記回転軸に取り付けられている複数のインペラ、及び前記回転軸に取り付けられているバランスピストンであり、前記静止体は、前記回転体を覆うケーシングであり、前記シール部は、前記インペラのシュラウドの外周面と前記ケーシングとの間隙をシールしている構成としてもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、分流が案内面を介して滑らかに凹部に導入されることによって、分流のエネルギー損失が低減されるため、効果的に旋回流を減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第一実施形態の遠心圧縮機の断面図である。
【図２】本発明の第一実施形態の遠心圧縮機の一部拡大断面図である。
【図３】本発明の第一実施形態の遠心圧縮機のバランスピストンのシール装置の斜視図である。
【図４】本発明の第一実施形態の遠心圧縮機のバランスピストンのシール装置の一部拡大斜視図である。
【図５】本発明の第一実施形態のシール部の形状を説明する概略図である。
【図６】本発明の第二実施形態のシール部の形状を説明する概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（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である遠心圧縮機について説明する。
図１に示すように、本実施形態の遠心圧縮機１は、複数のインペラ３（羽根車）を備えて構成とされた多段式の遠心圧縮機である。
【００２１】
遠心圧縮機１は、軸線Ｐを中心として回転する回転軸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を圧縮する複数のインペラ３と、これらを外周側から覆う静止体であるケーシング６とを備えている。
【００２２】
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。また、回転体を構成する回転軸２及び複数のインペラ３と、ケーシング６との間には、適宜シール装置４（シール部）が設けられている。
【００２３】
複数のインペラ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。また、複数のインペラ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を構成しており、これら三段式インペラ群３Ａ、三段式インペラ群３Ｂと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。なお、三段式インペラ群３Ａは軸線Ｐ方向の一方側（図１の左側）に、三段式インペラ群３Ｂは軸線Ｐ方向の他方側（図１の右側）に配置されている。
【００２４】
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８と、このディスク８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９と、ディスク８に対向して設けられて複数のブレード９を覆うシュラウド１０とを備えている。
【００２５】
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、圧縮されるようになっている。
【００２６】
軸受５は、回転軸２の両端部に一つずつ設けられ、回転軸２を回転可能に支持している。軸受５としては、例えば、複数の軸受パッドを有するジャーナル軸受を採用することができる。
【００２７】
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回りに回転可能としている。そしてこのケーシング６の内部には、各インペラ３におけるブレード９間の流路同士を接続するようにケーシング流路１３Ａが形成されている。
【００２８】
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１１Ａが形成されている。またこの吸込口１１Ａ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１２Ａが形成されて、このインペラ３の流路と吸込口１１Ａ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。
【００２９】
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１４Ａ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１４Ａ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１５Ａが形成されている。
【００３０】
一方で、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６６の内部にはケーシング流路１３Ｂ、吸込口１１Ｂ、接続流路１２Ｂ、１４Ｂ、排出口１５Ｂ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１３Ａ、吸込口１１Ａ、接続流路１２Ａ、１４Ａ、排出口１５Ａ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。
【００３１】
また、回転軸２の外周面であって三段式インペラ群３Ａと三段式インペラ群３Ｂの間には、インペラ３のスラストを調整するためのバランスピストン１２が設けられている。本実施形態の遠心圧縮機１では、回転軸２、複数のインペラ３、及びバランスピストン１２で回転体を構成している。
【００３２】
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付近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付近に到達するようになっている（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。
【００３３】
図２に示すように、本実施形態の遠心圧縮機１には、三種類のシール装置４が設けられている。
第一のシール装置は、バランスピストン１２の外周面とケーシング６との間隙をシールする第一シール装置４ａである。第二のシール装置は、インペラ３のシュラウドの外周面とケーシング６との間隙をシールする第二シール装置４ｂである。第三のシール装置は、インペラ３の断間において、回転軸２の外周面とケーシング６との間隙をシールする第三シール装置４ｃである。
【００３４】
ここで、本実施形態のシール装置４を第一シール装置４ａを用いて説明する。第一シール装置４ａは、三段式インペラ群３Ａと三段式インペラ群３Ｂとの間の圧力差によって、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３Ｂから三段式インペラ群３Ａ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。
【００３５】
第一シール装置４ａは、ケーシング６に取り付けられるシール装置本体１９（シール部本体）と、シール装置本体１９からバランスピストン１２に向かって延びる複数のシールフィン２０と、を有している。複数のシールフィン２０は、それぞれバランスピストン１２に向けて、シール装置本体１９から内周側に延出しており、周方向に延びている。これらシールフィン２０は、バランスピストン１２と微小隙間を径方向に形成している。
【００３６】
第一シール装置４ａは、複数のシールフィン２０によって、所謂ラビリンスシールを構成している。なお、シール装置４に用いられるシール構造は、ラビリンスシールに限ることはなく、ダンパーシール（ホールパターンシール、ハニカムシール）の採用も可能である。
【００３７】
図３は、第一シール装置４ａの斜視図であり、符号Ｒは、回転軸２の回転方向を示す。図３に示すように、シール装置本体１９は、円筒形状をなし、外周面には、ケーシング６側の凹溝と係合する、係合突起２１が形成されている。シール装置本体１９は、周方向にて分割構造（例えば二分割）とすることができる。
【００３８】
シール装置本体１９の内周面２２と、高圧側に面する端面２３とが交差する円形の稜線上には、複数の凹部２５が設けられている。複数の凹部２５は、シール装置本体１９から窪むように周方向に等間隔に複数設けられている。第一シール装置４ａは、この凹部２５に旋回流が流入させることによって、旋回流の低減を図る。即ち、凹部２５は、回転体であるバランスピストン１２の回転方向に流れる旋回流を減少させる旋回流抑制部として機能する。
【００３９】
図４及び図５に示すように、各々の凹部２５は、端面２３から所定の深さ寸法を有している。また、凹部２５は、軸線Ｐに直交する断面視にて凹部２５の回転方向Ｒ前方側の縁部２５ａに接続される円弧状をなす案内面２６と、案内面２６に接続されて凹部２５の回転方向Ｒ後方側の縁部２５ｂに接続される導入面２７と、を有している。導入面２７は、回転方向Ｒ後方側に向かって傾斜するように形成されている。
【００４０】
換言すれば、凹部２５の軸線Ｐに沿う方向から視た形状は、円弧部（案内面２６）と、直線部（導入面２７）とからなる。円弧部は、旋回流の一部を滑らかに凹部２５に導くように、シール装置本体１９の内周面２２との間の角度が鋭角（符号αで示す）となるようにシール装置本体１９の内周面２２と接続されている。
【００４１】
また、導入面２７は、角部が形成されないように滑らかに連続して案内面２６と接続されている。導入面２７は、シール装置本体１９の内周面２２との間の角度が鈍角（符号βで示す）となるようにシール装置本体１９の内周面２２と接続されている。
凹部２５の径方向の寸法と、軸線方向の深さ寸法は、１：１程度が好ましい。また、凹部２５の数は、旋回流の挙動に応じて適宜調整される。
【００４２】
次に、凹部２５近傍における旋回流の挙動について説明する。
図５に示すように、第一シール装置４ａに流入する旋回流Ｓは、バランスピストン１２と第一シール装置４ａとの間の間隙を流れる主流Ｓ１と、凹部２５に流入する分流Ｓ２とに別れる。分流Ｓ２は、案内面２６を介して滑らかに凹部２５に流入する。凹部２５に流入した分流Ｓ２は、円弧状をなす案内面２６に沿って回転方向Ｒ後方側に案内される。
【００４３】
案内面２６によって回転方向Ｒ後方側に案内された分流Ｓ２は、導入面２７に流入する。次いで、分流Ｓ２が導入面２７に沿って流れることによって、分流Ｓ２は主流Ｓ１に逆行するようにして当たる。即ち、分流Ｓ２は主流Ｓ１と対向する向きで凹部２５から出る。
主流Ｓ１は、凹部２５から戻った分流Ｓ２を再び主流Ｓ１と同じ円周方向Ｒの流れとするために、主流Ｓ１自身の運動量を凹部２５からの分流Ｓ２に与える。この際、主流Ｓ１の運動量にロス（損失）が発生し、旋回流Ｓの回転方向Ｒの速度が低減する。
【００４４】
上記実施形態によれば、凹部２５の形状を旋回流Ｓの渦挙動を考慮した構造として、旋回流Ｓの分流Ｓ２が案内面２６を介して滑らかに凹部２５に導入される。これにより、分流Ｓ２のエネルギー損失が低減されるため、効果的に旋回流Ｓを減少させることができる。
【００４５】
また、凹部２５に角部がないため、例えばエンドミルのような工作機械を用いて凹部２５を加工する際の加工工数を低減することができる。
また、案内面２６が断面視にて円弧状をなしていることによって、分流Ｓ２をより滑らかに導入面２７に案内することができる。
また、導入面２７を介して間隙に導入される分流Ｓ２が旋回流Ｓの主流Ｓ１に逆行するように当たるため、より効果的に旋回流Ｓを減少させることができる。
【００４６】
なお、上記実施形態では、凹部２５を第一シール装置４ａに形成する構成を示したが、凹部２５は、第二シール装置４ｂ、即ち、インペラ口金部に設けられたシール装置４に設けてもよい。同様に、凹部２５は、インペラ段間の中間段シールである第三シール装置４ｃに設けてもよい。
【００４７】
（第二実施形態）
次に、本発明の第二実施形態に係る遠心圧縮機１ついて説明する。
本実施形態では、凹部２５が、第一実施形態のものと異なっている。図６に示すように、本実施形態の凹部２５は、導入面２７が、回転体であるバランスピストン１２の外周面と直交するように形成されている。即ち、導入面２７は、シール装置本体１９の内周面２２との間の角度が直角となるようにシール装置本体１９の内周面２２と接続されている。
凹部２５がこのような形状とされていることによって、凹部２５より戻った分流Ｓ２は、主流Ｓ１に垂直に当たるようになる。
【００４８】
上記実施形態によれば、凹部２５の周方向の寸法がより短くなるため、凹部２５の数を増やすことができる。
また、旋回流Ｓの渦挙動によっては、第一実施形態と比較して、より効果的に旋回流Ｓを減少させる可能性もある。
【００４９】
なお、本発明の技術範囲は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。また、上記複数の実施形態で説明した特徴を任意に組み合わせた構成であってもよい。
例えば、上記実施形態では、シール装置４を構成するシール構造（ラビリンスシールであればシールフィン２０）をケーシング６側（静止側）に設けたが、シール構造を回転体側に設ける構成としてもよい。
また、上記実施形態のシール装置４は、遠心圧縮機１のみならず、軸線回りに回転する回転体と、回転体の径方向に対向して配置される静止体を有する回転機械に適宜適用することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１  遠心圧縮機
２  回転軸
３  インペラ
４  シール装置（シール部）
４ａ  第一シール装置
４ｂ  第二シール装置
４ｃ  第三シール装置
５  軸受
６  ケーシング（静止体）
８  ディスク
９  ブレード
１０  シュラウド
１２  バランスピストン（回転体）
１９  シール装置本体（シール部本体）
２０  シールフィン
２２  内周面
２３  端面
２５  凹部（旋回流抑制部）
２５ａ，２５ｂ  縁部
２６  案内面
２７  導入面
Ｐ  軸線
Ｒ  回転方向
Ｓ  旋回流
Ｓ１  主流
Ｓ２  分流
【図１】
2014238066.tif 000003
【図２】
2014238066.tif 000004
【図３】
2014238066.tif 000005
【図４】
2014238066.tif 000006
【図５】
2014238066.tif 000007
【図６】
2014238066.tif 000008