(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と、この回転軸に取り付けられた少なくとも１枚の遠心羽根車と、この遠心羽根車を覆うように設けられたケーシングとを備えた流体機械において、
前記回転軸または前記遠心羽根車の少なくとも１つに複数の第１のフィンとこの第１のフィンと軸方向距離を置いて複数の第２のフィンとを設け、前記第１のフィンに対向する前記ケーシング部に造隙被削コーティングを施し、前記ケーシングと前記第１のフィンとの間に形成される隙間を、前記ケーシングと前記第２のフィンとの間に形成される隙間よりも小さくするとともに、前記造隙被削コーティングは前記第１のフィンにより必ず被削されるように配置されたことを特徴とする流体機械。
【請求項２】
回転軸と、この回転軸に取り付けられた少なくとも１枚の遠心羽根車と、この遠心羽根車を覆うように設けられたケーシングとを備えた流体機械において、
前記回転軸または前記遠心羽根車の少なくとも１つに複数の第１のフィンを設けるとともに、前記ケーシングに複数の第２のフィンを設け、前記ケーシングは前記第１のフィンに対向する位置に造隙被削コーティングが施され、前記第１のフィンとケーシングとの間に形成される隙間を、前記第２のフィンと回転軸または前記遠心羽根車との間に形成される隙間より小さくするとともに、前記造隙被削コーティングは前記第１のフィンにより必ず被削されるように配置されたことを特徴とする流体機械。
【請求項３】
前記ラビリンスフィンは、回転軸に垂直で周方向に連続していることを特徴とする請求項１または２に記載の流体機械。
【請求項４】
前記ラビリンスフィンはフィン根本幅がフィン先端幅より広いことを特徴とする請求項３に記載の流体機械。
【請求項５】
前記第１のフィンを前記第２のフィンを挟む軸方向２カ所に設け、前記第１のフィンと前記第２のフィンとの間の前記ケーシングに周方向に連続する溝を形成したことを特徴とする請求項２に記載の流体機械。
【請求項６】
前記造隙被削コーティングは、ニッケル・グラファイト系コーティング材の溶射、アルミ・シリコン・ポリエステル系コーティング材の溶射、またはホワイトメタルのコーティングのいずれかであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の流体機械。
【請求項７】
回転軸と静止ケーシングとを有し、この回転軸または静止ケーシングのいずれかに複数のラビリンスフィンを設けたラビリンスシール装置において、
前記ラビリンスフィンの中で、少なくとも１個のラビリンスフィンが対向する回転軸または静止ケーシングとの間に形成する隙間を、他のラビリンスフィンが形成する隙間よりも小さく、かつ、前記隙間の小さいラビリンスフィンに対向する前記回転軸または前記静止ケーシングに造隙被削コーティングを施すとともに、前記造隙被削コーティングは前記隙間の小さいラビリンスフィンにより必ず被削されるように配置されたことを特徴とするラビリンスシール装置。
【請求項８】
前記造隙被削コーティングを施した部分に対向するラビリンスフィンを複数設け、このラビリンスフィンの高さを高圧側から低圧側に向けて順次変えたことを特徴とする請求項７に記載のラビリンスシール装置。
【請求項９】
羽根車とケーシングとを有し、この羽根車またはケーシングのいずれかに複数のラビリンスフィンを設けたラビリンスシール装置において、
前記ラビリンスフィンの中で、少なくとも１個のラビリンスフィンが対向する羽根車またはケーシングとの間に形成する隙間を、他のラビリンスフィンが形成する隙間よりも小さく、かつ、前記隙間の小さいラビリンスフィンに対向する前記羽根車または前記ケーシングに造隙被削コーティングを施すとともに、前記造隙被削コーティングは前記隙間の小さいラビリンスフィンにより必ず被削されるように配置されたことを特徴とするラビリンスシール装置。
【請求項１０】
前記ラビリンスフィンは、回転軸に垂直で周方向に連続していることを特徴とする請求項７ないし９のいずれかに記載のラビリンスシール装置。
【請求項１１】
前記ラビリンスフィンはフィン根本幅がフィン先端幅より広いことを特徴とする請求項１０に記載のラビリンスシール装置。
【請求項１２】
前記造隙被削コーティングは、ニッケル・グラファイト系コーティング材の溶射、アルミ・シリコン・ポリエステル系コーティング材の溶射、またはホワイトメタルのコーティングのいずれかであることを特徴とする請求項７ないし１１のいずれか１項に記載のラビリンスシール装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転体と静止部材間の間の流体の漏れ流れを阻止するシール装置及びそれを備えた流体機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多段形流体機械の一例である多段遠心圧縮機は、図７にその上半部の縦断面図を示すように、吸込管７から吸い込まれた作動ガス１０が回転軸１に取り付けられた複数段の羽根車６（６ａ〜６ｆ）の回転に伴い圧縮され、出口配管８から機外へ吐出される。つまり、作動ガス１０は吸込管７から流入した後、各段の羽根車６で昇圧され、次いで各段に設けられたディフューザ１３（１３ａ〜１３ｆ）およびリターンチャネル１４（１４ａ〜１４ｅ）を通過する際に圧力回復して出口配管８へ導かれる。回転軸１および羽根車６と静止側ケーシング９との間にはラビリンスシール１１、１２が設けられている。このラビリンスシールには、羽根車の出口側から入口側へ戻る部分、即ち羽根車の入口付近に設けられるラビリンスシール１１（以下、入口ラビリンスと呼ぶ）と、相隣る２つの圧縮機段間に設けられるラビリンスシール１２（以下、段間ラビリンスと呼ぶ）と、バランスドラムの部分に使用されるラビリンス（シール）１５とがある。
【０００３】
この図７に示した多段遠心圧縮機において、従来用いられてきたラビリンスシールの詳細を図８に示す。図８において、各ラビリンスは、回転軸と平行な円筒面でシール面を形成する。そして、回転側部材あるいは静止側部材のいずれかの部材、本図においては静止側部材に複数のフィン２を設け、フィン２の先端と対向する部材との隙間を狭くすることにより、高圧側からの漏れ流れ５ａ、５ｂを抑制している。
【０００４】
このようなラビリンスシールを設けた例が、特開平７ー２１７５９５号公報、特開平４ー２０３５６５号公報に記載されている。この中で、特開平７−２１７５９５号公報に記載のものは、静止側部材にフィンを設け、その先端に造隙被削コーティングを施し、両者間の隙間を小さくして漏れ流量の低減を図っている。一方、特開平４−２０３５６５号公報に記載の例では、回転側部材にフィンを設け、静止側部材に造隙被削コーティングを施し、両者間の隙間を小さくして漏れ流量の低減を図っている。
【０００５】
同様に羽根車の入口部の静止側部材に造隙被削コーティングを施し、漏れ流量の低減を図る例は、三菱重工技報Ｖｏｌ２３、Ｎｏ．５（１９８６−９）やエバラ時報Ｎｏ．１５４（１９９２−１）にも報告されている。
【０００６】
なお、流体機械における他のシールの方法が、特開平５−３６６４０号公報に記載されている。この特開平５ー３６６４０号公報に記載のものは、回転軸に垂直なシール面を持ち、隙間センサで隙間量を検出し、電磁力を利用して隙間を制御している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のラビリンスシールは、静止側部材に設けたフィンと回転側部材が原則接触せず、必ず隙間を有するように設計されているので、両部材間の隙間の低減には限界がある。例えば、図８において、主流１０の流量に対して漏れ流れ１１ａ、１１ｂの流量割合が小さい場合には漏れ流れが性能に及ぼす影響は小さい。しかしながら、漏れ流れの割合が大きくなる低比速度段では、漏れ流れにより効率が著しく低下する。そして、この種のラビリンスシールにおいて隙間を小さくしすぎると、例えば圧縮機の場合、旋回失速やサージに起因する不安定振動が発生し、ラビリンスフィンの接触により回転側部材が損傷する恐れがある。
【０００８】
一方、シール効果を高めるためにシール面の隙間をできるだけ小さくし、シール面の一方に造隙被削コーティングを施こす特開平７−２１７５９５号公報や特開平４−２０３５６５号公報に記載のものは、造隙被削コーティングが経時劣化し、所期の性能を長期にわたって発揮できない恐れがある。すなわち、種々のガスを扱うプロセス用圧縮機等に用いると、腐食性ガスに起因してコーティング材が劣化し、その後サージングや旋回失速などの流体的不安定現象が生じたときに軸振動が増加してフィンとコーティング面の接触を生じ、その結果コーティング材が剥離する恐れがある。この場合、流体機械の性能は大幅に低下し、さらに信頼性の低下という不具合も生じる。
【０００９】
本発明は上記従来技術の有する不具合に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、長期にわたり安定した性能を保持しうるラビリンスシール装置及びそれを用いた流体機械を提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、コーティング材が腐食等により損傷したり剥離しても漏れ損失の少なく信頼性の高いラビリンスシール装置及びそれを用いた流体機械を提供することにある。
【００１１】
本発明のさらに他の目的は、従来のラビリンスフィンの性能を損なうことなく、長寿命なラビリンスシール装置及びそれを用いた流体機械を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の第１の態様は、回転軸と、この回転軸に取り付けられた少なくとも１枚の遠心羽根車と、この遠心羽根車を覆うように設けられたケーシングとを備えた流体機械において、回転軸または遠心羽根車の少なくとも１つに複数の第１のフィンとこの第１のフィンと軸方向距離を置いて複数の第２のフィンとを設け、ケーシングの第１のフィンに対向する部分に造隙被削コーティングを施し、ケーシングと第１のフィンとの間に形成される隙間を、ケーシングと第２のフィンとの間に形成される隙間よりも小さくするとともに、造隙被削コーティングを第１のフィンにより必ず被削されるように配置したものである。
【００１３】
上記目的を達成するための本発明の第２の態様は、回転軸と、この回転軸に取り付けられた少なくとも１枚の遠心羽根車と、この遠心羽根車を覆うように設けられたケーシングとを備えた流体機械において、回転軸または遠心羽根車の少なくとも１つに複数の第１のフィンを設けるとともに、ケーシングに複数の第２のフィンを設け、ケーシングは第１のフィンに対向する位置に造隙被削コーティングが施され、第１のフィンとケーシングとの間に形成される隙間を、第２のフィンと回転軸または遠心羽根車との間に形成される隙間より小さくするとともに、造隙被削コーティングを前記第１のフィンにより必ず被削されるように配置したものである。
【００１４】
そして、上記流体機械において、ラビリンスフィンは、回転軸に垂直で周方向に連続していること、または、ラビリンスフィンはフィン根本幅がフィン先端幅より広いこと、第１のフィンを第２のフィンを挟む軸方向２カ所に設けるとともに、第１のフィンと第２のフィンとの間のケーシングに周方向に連続する溝を形成すること、造隙被削コーティングは、ニッケル・グラファイト系コーティング材の溶射、アルミ・シリコン・ポリエステル系コーティング材の溶射、またはホワイトメタルのコーティングとすることが好ましい。
【００１５】
上記目的を達成するための本発明の第３の態様は、回転軸と静止ケーシングとを有し、この回転軸または静止ケーシングのいずれかに複数のラビリンスフィンを設けたラビリンスシール装置において、ラビリンスフィンの中で、少なくとも１個のラビリンスフィンが対向する回転軸または静止ケーシングとの間に形成する隙間を、他のラビリンスフィンが形成する隙間よりも小さく、かつ、隙間の小さいラビリンスフィンに対向する回転軸または静止ケーシングに造隙被削コーティングを施すとともに、造隙被削コーティングを前記隙間の小さいラビリンスフィンにより必ず被削されるように配置したものである。
【００１６】
そして、好ましくは、造隙被削コーティングを施した部分に対向するラビリンスフィンを複数設け、このラビリンスフィンの高さを高圧側から低圧側に向けて順次変えたものである。
【００１７】
上記目的を達成するための本発明の第４の態様は、羽根車とケーシングとを有し、この羽根車またはケーシングのいずれかに複数のラビリンスフィンを設けたラビリンスシール装置において、ラビリンスフィンの中で、少なくとも１個のラビリンスフィンが対向する羽根車またはケーシングとの間に形成する隙間を、他のラビリンスフィンが形成する隙間よりも小さく、かつ、隙間の小さいラビリンスフィンに対向する羽根車またはケーシングに造隙被削コーティングを施すとともに、造隙被削コーティングを隙間の小さいラビリンスフィンにより必ず被削されるように配置したものである。
【００１８】
そして、上記ラビリンスシール装置において、ラビリンスフィンは、回転軸に垂直で周方向に連続していること、または、ラビリンスフィンはフィン根本幅がフィン先端幅より広いこと、造隙被削コーティングは、ニッケル・グラファイト系コーティング材の溶射、アルミ・シリコン・ポリエステル系コーティング材の溶射、ホワイトメタルのコーティングであることが望ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のいくつかの実施例を図面を用いて説明する。図１〜図６は、本発明に係るラビリンスシール装置の一実施例の縦断面図であり、図７に示した多段形遠心圧縮機に用いる場合の詳細を示すものである。回転軸１と静止ケーシング３の間に生じる漏れ流れ５を小さくするために、軸封装置としてラビリンスが設けられている。図１は、遠心圧縮機を回転起動していない状態、すなわち静止時の状態を示しており、図２は同装置の回転軸が回転中の状態を示す図である。これら両図においては、回転軸１にラビリンス装置を形成するフィン２ａ〜２ｄを設けている。また、各フィン２ａ〜２ｄの先端径ｄｆは同一である。対向する内側ケーシング３には軸方向に段差が設けられており、フィン２ａ〜２ｄと内側ケーシング３間の距離である先端隙間は、漏れ流れ５の上流部（高圧側）で大きく、下流部（低圧側）で小さくなるように段差を設定している。つまり、フィン２ｃ，２ｄの先端隙間δ１はフィン２ａ、２ｂの先端隙間δ２より小さい。そして、内側ケーシング３のフィン２ｃ，２ｄの先端に対向する部分には造隙被削コーティング４が施されている。なお、このコーティングは、別部材の表面に予め処理しておき、その部材とフィンとの間の間隔が所定間隔になるように配置してもよいことは言うまでもない。
【００２０】
この造隙被削コーティング４とフィン２ｃ，２ｄの先端間は、静止時、即ち組立時にはわずかに隙間を有するように設計される。そして、回転軸１の回転振動や遠心力により、フィン部が半径方向外方に伸びたとき、フィン２ｃ，２ｄの先端がコーティング４に接触するように設計されている。フィン２ｃ，２ｄの先端がコーティング４に接触すると、コーティング面がわずかに被削される。その結果、回転軸１の回転中、フィン２ｃ，２ｄの先端隙間を可能な限り小さくすることができる。
【００２１】
高圧側のフィン２ａ、２ｂも、回転軸１の振動や遠心力により半径方向外方に伸びる。したがって、フィン２ａ、２ｂの先端と内側ケーシング３間の距離は、静止時に比べて運転時には狭くなる。しかしながら、フィン２ａ、２ｂの先端と内側ケーシング３間の隙間を、たとえ回転軸１が回転しても接触しないように設定する。本実施例においては、フィン２ａ、２ｂの先端隙間を従来の非接触形のシール手段、例えばラビリンスシールやネジシールを用いる場合より大きくしている。これにより、通常運転においては、フィン２ａ、２ｂとフィン２ａ、２ｂに対向する内側ケーシング３との間では接触が生ぜず、回転軸とケーシングとの接触を考慮しないで内側ケーシング３の材質を選定することが可能になる。
【００２２】
以上述べた本実施例においては、運転中に対向する面との接触により最小隙間を形成するタイプのフィン２ｃ、２ｄと、基本的には接触せずに所定の隙間を有するタイプのフィン２ａ、２ｂによりシールフィンを構成している。漏れ流量はほとんどの場合、最小隙間により決定されるから、フィン２ｃ，２ｄのように造隙被削コーティングとの間で最小隙間を形成するフィンを多く備える必要はない。このように構成した本実施例に記載のラビリンスシールは、造隙被削コーティングを備えていないラビリンスシールに比べて漏れ流量を充分小さくすることが出来る。
【００２３】
また、この造隙被削コーティング部分に万一何らかのトラブルや腐食環境化での長期間使用により劣化したり剥離したりしても、非接触ラビリンス２ａ、２ｂにより、ある程度漏れ流れを抑制できる。したがって、圧縮機の性能を著しく低下させることなく圧縮機を運転でき、きわめて信頼性の高いラビリンスシールを提供することが出来る。このラビリンスシールは、図７に示した多段圧縮機のどのラビリンスシール部にも適用できるが、特にバランスピストン部に適している。
【００２４】
なお、回転軸の振動振幅が想定を越えて、ケーシング３のフィンに対向する面がフィン２ａ、２ｂに接触してもフィンが損傷しないように対向面を構成する場合がある。つまり、対向面がフィンに比べて柔らかい材料の場合には、このフィンと対向する部分の先端隙間δ２を従来の非接触タイプのフィンと同程度の隙間にしてもよい。
【００２５】
図３は遠心形流体機械の羽根車６の入口ラビリンスに本発明に係るラビリンスシールを適用した場合を示した図である。流体機械は、遠心圧縮機や遠心ポンプである。羽根車６で昇圧された流体の主流１０は、羽根車６を出た後半径方向外方にあるディフューザ１３に流入する。このとき流体の一部は漏れ流れ５となって羽根車５とケーシング９間に形成される隙間を流れ、羽根車入口側へと流入する。
【００２６】
ところで、羽根車６の側板の入口（吸込み口）部にはフィン２ｉ、２ｊが形成されている。一方、ケーシング９の内径側には内側ケーシング３が取り付けられており、内側ケーシング３このフィン２ｉ、２ｊに対向する面には造隙被削コーティング４が施されている。また、内側ケーシング３の、羽根車６のさらに入口側に対向する内周面には、フィン２ｆ、２ｇ、２ｈが形成されている。フィン２ｉ、２ｊと造隙被削コーティング４との間に形成されるフィン先端隙間δ１は、フィン２ｆ、２ｇ、２ｈと内側ケーシング３との間に形成される先端隙間δ２より小さい。したがって、羽根車６が回転すると羽根車の遠心力によりフィン２ｉ、２ｊは伸びて造隙被削コーティング４に接触し、ここにおいて最小隙間が形成される。
【００２７】
また、本実施例ではフィン２ｆ、２ｇ、２ｈが、フィン２ｉ、２ｊとは逆向きになっている。これにより、漏れ流れ５は半径方向外向きから半径方向内向きに流れ方向を変えざるを得ず、いわゆる通り抜け流れがなくなり、より高いシール効果が得られる。
【００２８】
また羽根車６には、羽根車に作用する遠心力を考慮して高強度材料を使っており、フィン加工のような精密加工は工数を多く必要とする。従って本実施例のように、羽根車には最低限必要な数のフィンを加工し、残りは加工性の良い材料で製作可能な内側ケーシング３に加工すれば、経済的であるとともに、加工精度の維持が容易である。
【００２９】
図４及び図５は、本発明の他の実施例に係るラビリンスシール部の詳細縦断面図であり、図４は静止状態の図、図５は運転状態を示す図である。本実施例が図１に示した実施例と異なる点は、内側ケーシング３に設けた造隙被削コーティング４とそれに対向するフィン２ｋ、２ｌ、２ｍとの間に形成される先端隙間δ１ｋ、δ１ｌ、δ１ｍが軸方向に変化している点である。このように構成することにより、軸１が回転を始め所定の回転数に達する間に、これらのフィンは同時に造隙被削コーティングに接触することがない。つまり、全てのフィンが接触するような運転においても、フィンは１つづつ時間をおいて接触していく。そのため、接触による衝撃を小さく抑えることができ、軸受等を損傷するおそれがない。この結果、信頼性が高く、漏れ抑制効果の高いラビリンスシールを提供できる。なお、フィン２ａ、２ｂはある程度のラビリンス効果を得るため及び衝撃や腐食等によりたとえ造隙被削コーティング４が剥落または欠損してもラビリンス効果を得るために設けている。
【００３０】
図６は、本発明のさらに他の実施例に係るラビリンスシール部の詳細縦断面図である。ラビリンスシールの入口出口間の圧力差が大きいときに有効な方法である。この例としては、バランスピストン１５部に設けた例が考えられる。本実施例が図１に示した実施例と異なる点は、造隙被削コーティングを軸方向２ヶ所４ａ、４ｂに各々離して設け、その間に溝１６を形成した点である。さらに本実施例では、フィン２ｄ、２ｃで示した軸１に形成したフィンの数を他の実施例に比べて多くし、漏れ流れ抑制効果をより高めている。
【００３１】
ただしこの種のフィンは、単に数を増しても、以下の理由であまり効果がない。つまり、フィン数に応じて接触による衝撃が大きくなること、および上流側のフィンの接触に伴い生じた被削粉が下流側の接触部に敷き込まれて、下流側のフィン先端隙間が増大するおそれがある。この結果、シール効果はフィン数に見合うほど得られないばかりか、逆に低下するおそれも生じる。
【００３２】
本実施例においては、造隙被削コーティング４ａの下流に比較的深い溝１６を設けている。これにより造隙被削コーティング４ａで削られた被削粉の中で大きくて重い被削粉をこの溝１６に留め下流へ流出するのを防止している。その結果、下流側の造隙被削コーティング４ｂへは上流側の造隙被削コーティング４ａの塵埃が流入せず、シール性能が同等の造隙被削ラビリンスが２ヶ所形成されており、より高いシール効果が得られる。
【００３３】
なお、上記いずれの実施例においても造隙被削コーティングとして、ニッケル・グラファイト系コーティング材、アルミ・シリコン・ポリエステル系コーティング材、ホワイトメタル等のいずれかを用いればよい。また、本発明は多段の遠心圧縮機を例に取り説明したが、単段の遠心圧縮機、多段の遠心ポンプ、単段の遠心ポンプ当本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々適用可能である。さらに、本発明に示したいくつかの実施例は例示的なものであり、限定的なものではない。発明の範囲は特許請求の範囲によって示されており、本発明の真の精神及び範囲内に存在する変形例は、全て特許請求の範囲に含まれる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、造隙被削コーティングに対向するフィンと通常のフィンとを組み合わせて使用しているので、大幅に漏れ流量を低減したラビリンスシール及びそれを用いた流体機械を提供できる。また、造隙被削コーティング部が腐食等により損傷や剥離を起こしても、シール性能の低下の少ないラビリンスシール及びそれを用いた流体機械を提供できる。
【００３５】
また、本発明によれば、通常の使用では漏れによる損失が少なく、また万一トラブルが発生してもシール性能の低下が少ない軸封手段及びそれを備えた流体機械を提供できる。
【００３６】
さらに、フィン接触時の抵抗を小さくでき、その結果、振動を小さく抑えたきわめて信頼性の高いラビリンスシール及びそれを備えた流体機械を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るラビリンスシールの一実施例を示す図であり、静止時の状態を示す縦断面図である。
【図２】本発明に係るラビリンスシールの一実施例を示す図であり、運転中の状態を示す縦断面図である。
【図３】本発明に係る多段遠心圧縮機の一実施例の部分詳細縦断面図である。
【図４】本発明に係るラビリンスシールの他の実施例を示す図であり、静止時の状態を示す縦断面図である。
【図５】本発明に係るラビリンスシールの他の実施例を示す図であり、運転時の状態を示す縦断面図である。
【図６】本発明に係るラビリンスシールのさらに他の実施例の縦断面図である。
【図７】多段形遠心圧縮機の一実施例の上半部縦断面図である。
【図８】従来の多段形遠心圧縮機に用いられるラビリンスシールを示した図である。
【符号の説明】
１…回転軸、  ２…フィン、  ３…内側ケーシング、
４…造隙被削コーティング部、  ５…漏れ流れの方向、  ６…羽根車、
７…吸込ケーシング、  ８…吐出ケーシング、  ９…ケーシング、
１０…主流の方向、  １１，１１ａ，１１ｂ…入口ラビリンス、  １２…段間ラビリンス、
１３…ディフューザ、  １４…戻り流路、  １５…バランスドラム膨張部材、
１６…溝。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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