(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ機械の回転部を包囲する静止部に配設されたラビリンスの複数フィンにより軸方向に並ぶ複数の環状隙間を形成してなるターボ機械の軸封装置において、
前記各環状隙間に対向して前記回転部の半径方向内側に該回転部と共に回転する周方向連通空間を設け、該周方向連通空間と前記環状隙間とを前記回転部に穿設した貫通孔により連通させたことを特徴とするターボ機械の軸封装置。
【請求項２】
前記周方向連通空間は、軸方向にネジを切るように螺旋状に設けられたものであることを特徴とする請求項１に記載のターボ機械の軸封装置。
【請求項３】
前記貫通孔は、前記ラビリンスのフィン近傍に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のターボ機械の軸封装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はターボ機械の回転部と、それを包囲する静止部と、両者の間の環状隙間と、から構成される軸封装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軸封内圧力の円周方向アンバランスを均一化して、軸振動を防止する従来の軸封装置としては、特開昭５８−１５２９７４号公報の明細書に記載されたものがある。その軸封装置は、静止部に固着したハニカムシールの開口端より離れた部分に周方向連通空間を設け、回転部と静止部間の環状隙間の流体圧の円周アンバランスを均一化することを特徴としている。
【０００３】
軸封部からの漏れ流量を低減する従来の軸封装置としては、特開昭６１−１７１９６８号公報の明細書に記載されたものがある。その軸封装置では、軸のラビリンスシール部分を低圧領域側で太く高圧領域側で細くなるテーパ形状に形成し、且つ、その軸の前記テーパ部をシールするラビリンスをケーシングに対して軸方向に移動可能に設け、前記ラビリンスとケーシングとの間に、該ラビリンスと軸のテーパ面との環状隙間が大きくなるように、且つ、ラビリンスが加圧液体でばねに抗して低圧領域方向に動かされたときは、前記環状隙間が小さくなるように構成したことを特徴としている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の技術で、軸封内圧力の円周方向アンバランスを均一化して軸振動を防止する従来の軸封装置（特開昭５８−１５２９７４）では、環状隙間と周方向連通空間の間を流体は効率よく出入りすることができないために圧力が周方向連通空間に十分に拡散されず、環状隙間の流体圧の円周方向アンバランスの均一化が十分ではないという問題がある。
【０００５】
又、従来の技術で漏れ流量を低減する軸封装置（公開昭６１−１７１９６８）では、漏れ流量を減らすことはできるが、ラビリンスと軸の間のシール隙間幅が狭くなったとき円周方向の圧力不均一が大きくなって軸振動が発生し易いという問題がある。
【０００６】
本発明の目的は、シール隙間幅を変えることなく環状隙間の円周方向圧力不均一を均一化し、回転軸に生じる軸振動を防止する軸封装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、請求項１の発明によるターボ機械の軸封装置は、ターボ機械の回転部を包囲する静止部に配設されたラビリンスの複数フィンにより軸方向に並ぶ複数の環状隙間を形成してなるターボ機械の軸封装置において、前記各環状隙間に対応して前記回転部の半径方向内側に該回転部と共に回転する周方向連通空間を設け、該周方向連通空間と前記環状隙間とを前記回転部に穿設した貫通孔により連通させたことを特徴とするものである。
【０００８】
前記の目的を達成するため、請求項２の発明によるターボ機械の軸封装置は、請求項１において、前記周方向連通空間が軸方向にネジを切るように螺旋状に設けられたものであることを特徴とするものである。
【０００９】
前記の目的を達成するため、請求項３の発明によるターボ機械の軸封装置は、請求項１又は２において、前記貫通孔が前記ラビリンスのフィン近傍に配置されていることを特徴とするものである。
【００１０】
前記の目的を達成するため、参考発明によるターボ機械の軸封装置は、ターボ機械の回転部を包囲する静止部に配設されたラビリンスの複数フィンにより軸方向に並ぶ複数の環状隙間を形成してなるターボ機械の軸封装置において、前記各環状隙間に対応して前記回転部の外周面に開放した周方向連通溝を前記ラビリンスのフィンの近傍に配置したことを特徴とするものである。
【００１１】
【作用】
前記の目的は、スリーブあるいは回転軸の内側に周方向連通空間を設けて、環状隙間と貫通孔で連通させ、この周方向連通空間に生じる円周方向の流れを利用して、環状隙間と周方向連通空間の間の流体の出入りを効率良くし、環状隙間の円周方向圧力不均一を取り除くことによって解決される。又、前記周方向連通空間を、回転軸の方向に対してネジを切るように螺旋状に設けることで、低圧部から高圧部に流れる流れを作り出すことができ、環状隙間の幅を変更することなく漏れ流量を減少させることが実現される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１〜図３を用いて本発明の第一実施例について説明する。図１は、本発明をターボ機械の一例である遠心型ポンプに使用した例を示している。図１においてＡは羽根車、１２は回転軸、１３はケーシングを示す。回転軸にはスリーブ１４が嵌合され、スリーブ１４とラビリンス１６の間には環状隙間１５がある。回転部１０は、回転軸１２とスリーブ１４とで構成され、静止部１１は、ケーシング１３とラビリンス１６とで構成される。
【００１３】
図１中の矢印は、流れの方向を表しており、ａ  を通った流れは羽根車Ａを通過した後に一部羽根車背面の隙間ｂを通り、ｃから環状隙間１５を通ってｄから漏れ出る。一般に環状隙間１５は、ラビリンス１６に取り付けたフィン１７により幾つかの部屋に分けられ、流体がこれらの部屋を通過する際の摩擦によるエネルギー損失を利用して、環状隙間１５からの漏れ流量が低減される。
【００１４】
図２は、軸封部の回転軸水平方向の断面を示し、図３は、図２の回転軸１２とスリーブ１４における回転軸水平方向の断面を示したものである。図２のＰ１  とＰ２  はそれぞれ、軸封入口圧力と軸封出口圧力を示し、流体はＰ１  側から入りＰ２  側へと出ていく。図３のスリーブ１４の内側には、周方向連通空間１９があり、周方向連通空間１９は、スリーブ表面の貫通孔１８により環状隙間１５と連通している。
【００１５】
図４を用いて環状隙間１５内の円周方向圧力アンバランスの均一化方法について説明する。図４は、図２の回転軸１２とスリーブ１４の回転軸垂直方向の断面の一部を示しており、断面形状は回転軸の回転と振れ周りにより、各時間毎に変化する。図４中の矢印は、流れの様子を流速ベクトルで示したものである。周方向連通空間１９は、回転軸と共に回転するため内部に円周方向流れが発生している。軸の不安定振動は、回転軸１２の振れ回りにより環状隙間１５の幅が図４のように円周方向に変化して、円周方向圧力分布が不均一になるために発生する。本発明では、周方向連通空間１９内の円周方向流れを利用して、貫通孔１８を通して環状隙間１５と周方向連通空間１９の間を、流体が効率良く出入りできるようになっている。この結果、円周方向圧力分布を均一化することが可能となっている。図６は、数値計算により環状隙間１５と周方向連通空間１９での流れを計算したものであり、貫通孔１８を通しての流れの出入りがスムーズであることを確認できる。
【００１６】
図５は、従来の円周方向圧力を均一化する方法であり、ラビリンス２６側（静止部）に周方向連通空間２９を設けて、環状隙間２５と貫通孔２８でつないだ場合の軸垂直方向の断面である。図４と図５を比較し、本発明のように回転側に周方向連通空間１９を設け、その内部に円周方向流れを発生させることの有効性を説明する。
【００１７】
図５では、周方向連通空間２９は静止側にあるので円周方向流れは発生せず、そのため周方向連通空間２９と環状隙間２５の間を流体が効率よく出入りできず、圧力が周方向連通空間２９に拡散しにくい。図７は、数値計算により環状隙間２５と周方向連通空間２９での流れを計算したものであり、貫通孔２８を通しての流れの出入りがスムーズでないことを確認できる。
【００１８】
この結果から、従来の方法では、円周方向圧力分布の不均一が十分に解消できないことがわかる。従って、本発明で周方向連通空間１９を回転側に設けたことの有効性が証明された。
【００１９】
図８により、本発明の第二実施例について説明する。図８は、スリーブ８４の内部に設けた周方向連通空間８９を回転軸方向にネジを切るように螺旋状の形状にしたものである。螺旋状の周方向連通空間８９は、貫通孔８８によりに環状隙間８５とつながっている。
【００２０】
回転軸８２が回転数ｇで矢印の方向に回転すると、周方向連通空間８９内部の流体は、螺旋状の周方向連通空間８９内の通路に沿って矢印ｈの方向に流れる。この流れは下流部の低圧部ｊから上流部の高圧部ｉに向かう流れであるため、環状隙間８５内の流れ方向ｋと逆向きとなり、この結果環状隙間８５からの漏れ流量を低減することができる。
【００２１】
更に、本発明では周方向連通空間８９内部に円周方向の流れが存在するため、環状隙間８５の円周方向圧力が不均一になっても、圧力は貫通孔８８を通って周方向連通空間８９に効率よく拡散するため、図４で示した理由により環状隙間８５の圧力不均一を低減することが可能である。
【００２２】
図９により、第三実施例について説明する。図９は、貫通孔９８をフィン９７の近傍に配置したものである。環状隙間９５での円周方向圧力の不均一は、フィン９７の近傍で最も大きくなり、軸の不安定振動に大きく影響する。そこで、貫通孔９８をフィン９７の近傍に配置することで、軸の不安定振動防止に大きな効果が得られる。又、貫通孔はスリーブ表面に占める面積が小さくてすむために、貫通孔９８を設けることによってフィン９７とスリーブ９４の隙間が実質的に広がることによる、環状隙間９５内の漏れ流量の増加を最小限度に押さえることができる。第三実施例に対しては、第二実施例と組み合わせることにより、漏れ流量の増加を防ぎかつ軸の不安定振動を低減する軸封装置が、実現可能である。
【００２３】
図１０により、参考発明の実施例について説明する。図１０は、フィン１０７の近傍に周方向連通溝１００を設けたものである。周方向連通溝１００は、フィン１０７がスリーブ１０４側に付いているときはケーシング１０３に設けることができる。図９で述べたように、環状隙間１０５での円周方向圧力の不均一は、フィン１０７の近傍で最も大きくなり軸の不安定振動に大きく影響する。そこでフィン１０７の近傍に周方向連通溝１００を設けることでフィン１０７入口の隙間を広げて円周方向圧力不均一を低減できる。本実施例ではフィン１０７の形状を変える必要がなく、高圧力で使用される軸封のようにフィンの強度が問題となる場合に有効である。
【００２４】
図３において、周方向連通空間１９は３つであるが、これより多くてもまた１つだけでも良い。図２において、貫通孔１８の数は多くてもまた１つだけでもよく、貫通孔１８の配置も自由に選択できる。又、貫通孔１８の形状は円形である必要はなく、他の任意の形状であってもよい。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の第一及び第三実施例によれば、軸封部における環状隙間が回転軸の偏心により円周方向に変化した場合でも、環状隙間の対面する所に設けた周方向連通空間に圧力を拡散できるため、円周方向の圧力変化を小さく保つことができ、回転軸に発生する不安定振動を防止することができる。
【００２６】
又、本発明の第二実施例によれば、周方向連通空間を回転軸の回転方向に対してネジを切るように螺旋状に設け、回転軸と共に回転させることで低圧部から高圧部に流れる流れを作り出し、漏れ流量を減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施例を遠心型ポンプに応用した例。
【図２】本発明の第一実施例の軸封部の回転軸水平方向の断面。
【図３】図２に図示した回転軸とスリーブの回転軸水平方向の断面。
【図４】図２に図示した回転軸とスリーブと静止部の回転軸垂直方向の断面の一部。
【図５】従来の技術の回転軸と静止部の回転軸垂直方向の断面の一部。
【図６】本発明の第一実施例を対象とした、数値計算による環状隙間と周方向連通空間での流れの計算例。
【図７】従来例を対象とした、数値計算による環状隙間と周方向連通空間での流れの計算例。
【図８】本発明の第二実施例の軸封部の回転軸水平方向の断面。
【図９】本発明の第三実施例の軸封部の回転軸水平方向の断面。
【図１０】参考発明の実施例の軸封部の回転軸水平方向の断面。
【符号の説明】
Ａ…羽根車                            １０…回転部
１１…静止部
１２、２２、８２、９２、１０２…回転軸
１３、１０３…ケーシング              １４、８４、９４、１０４…スリーブ
１５、２５、８５、９５、１０５…環状隙間
１６、２６…ラビリンス                １７、８７、９７、１０７…フィン
１８、２８、８８、９８…貫通孔        １９、２９、８９…周方向連通空間
１００…周方向連通溝
【図１】
0003545920.tif 000002
【図２】
0003545920.tif 000003
【図３】
0003545920.tif 000004
【図４】
0003545920.tif 000005
【図５】
0003545920.tif 000006
【図６】
0003545920.tif 000007
【図７】
0003545920.tif 000008
【図８】
0003545920.tif 000009
【図９】
0003545920.tif 000010
【図１０】
0003545920.tif 000011