(57)【要約】【課題】軸系安定性を向上することができるシール構造およびこれを備えた回転機械を提供する。【解決手段】シール構造２０は、回転体２の軸方向一方側の高圧側と、軸方向他方側の低圧側とをシールするシール部２１に設けられたシール構造２０であって、回転体２の外周面に沿って設けられ、外周面と対向する面に開口する複数の孔部３２が形成されたダンパーシール３１と、ダンパーシール３１と軸方向に異なる位置で、回転体２の外周面に沿って設けられ、外周面と対向する面が滑面として形成された環状シール４１とを備えることを特徴とする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転体の軸方向一方側の高圧側と、前記軸方向他方側の低圧側とをシールするシール部に設けられたシール構造であって、
前記回転体の外周面に沿って設けられ、該外周面と対向する面に開口する複数の孔部が形成されたダンパーシールと、
該ダンパーシールと前記軸方向に異なる位置で、前記回転体の外周面に沿って設けられ、該外周面と対向する面が滑面として形成された環状シールとを備えることを特徴とするシール構造。
【請求項２】
請求項１に記載のシール構造において、
前記ダンパーシールは、前記高圧側に設けられ、
前記環状シールは、該ダンパーシールに対して前記軸方向の前記低圧側に設けられていることを特徴とするシール構造。
【請求項３】
請求項１または２に記載のシール構造において、
前記ダンパーシールは、第一ダンパーシールと、該第一ダンパーシールに対して前記軸方向の低圧側に配される第二ダンパーシールとを有し、
前記環状シールは、前記第一ダンパーシールと前記第二ダンパーシールとの間に設けられていることを特徴とするシール構造。
【請求項４】
請求項３に記載のシール構造において、
前記第一ダンパーシールの前記軸方向の長さは、前記環状シールにおける旋回流を抑制可能な長さとすることを特徴とするシール構造。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のシール構造において、
前記環状シールの前記軸方向の長さは、前記ダンパーシールで前記回転体を径方向に支持するための剛性が負の値を示す状態となっても、相殺して、前記ダンパーシールと合わせて全体として剛性が正の値を示すようにさせる長さとすることを特徴とするシール構造。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載のシール構造を備えることを特徴とする回転機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シール構造及びこれを備えた回転機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、各種プラントにおいては、プロセスガスを圧送するために遠心圧縮機が用いられている。このような遠心圧縮機では、ケーシング内部に羽根車が設けられており、該羽根車の回転により、吸引口から吸引された気体を圧縮して吐出口から吐出する構成が採られている。
ここで、羽根車で圧縮された気体の漏れ量を少なく抑えるために、シール構造が設けられている。具体的には、羽根車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いる。
【０００３】
このようなシール構造としては、例えば、ダンパーシールやラビリンスシール等が知られている。
ダンパーシールの例としては、図１に示すように、ロータと間隙を有して配される環状の静止側部材の該ロータと対向する表面に、複数の孔部が形成されたホールパターンシールが採用されている。該ホールパターンシールでは、孔部の凹凸面とロータとの間隙を流れる流体の圧力損失により流体の漏れを減少させている。
【０００４】
一方、ラビリンスシールは、回転するロータと間隙を有して対向する環状の静止側部材から該ロータに向かって突出する突出部を複数配設したものである（下記特許文献１参照）。該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、突出部により圧力損失を生じさせることにより流体の漏れを減少させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】昭５９−１７０４０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述のダンパーシールにおいては、高圧作動状態でロータの振れ回りなどによりロータが径方向に変位すると、これによりロータとシールとの間の流体によるロータの支持剛性ＫＦが負ばね特性を示すことがある。すなわち、高圧作動状態で、ダンパーシールは前記剛性ＫＦが負の値となるような挙動を示すことがあることが知られている。
【０００７】
ここで、軸系の固有振動数ωは以下に示す式（１）で表すことができる。
【０００８】
【数１】
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【０００９】
なお、ＫＢはロータの支持剛性のうち、軸受と軸受台からなる等価剛性を、ＫＦはロータとシールとの間の流体による支持剛性を、Ｍは対象固有振動数に対する軸系の等価質量を、それぞれ示している。
上記のようにシールによる剛性ＫＦが低下すると軸系の固有振動数ωが低下することが、式（１）より分かる。
【００１０】
また、軸系減衰ζは以下に示す式（２）で表されている。
【００１１】
【数２】
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【００１２】
なお、Ｃは当該軸系のダイレクト減衰係数を、ＫＸＹは当該軸系においてロータの軸方向に直交する二軸（Ｘ軸、Ｙ軸）における交差ばね定数を、Ｍは対象固有振動数に対する軸系の等価質量を、それぞれ示している。
また、図２は、軸系の固有振動数ωと式（２）の分母との関係を、及び軸系の固有振動数ωと式（２）の分子との関係を表している。ここで、ダイレクト減衰係数Ｃは一定値としている。
ダンパーシールにおいて、上記の通りシールによる剛性ＫＦが低下して軸系の固有振動数ωが低下すると式（２）の分子は小さくなりついには負の値となって、軸系減衰ζが負の値となることが、式（２）及び図２より分かる。すなわち、シールによる剛性ＫＦが低下すると、軸振動が発生した際、減衰せずに逆に増大し、例えばダンパーシールとロータとが接触して運転できなくなるという不安定な状態になるおそれがあるという問題点があった。
【００１３】
一方、上述のラビリンスシールにおいても、軸系減衰ζは上記に示す式（２）で表される。
【００１４】
一般に、ラビリンスシールでは、ダイレクト減衰係数Ｃが比較的小さく、また低圧において交差ばね定数ＫＸＹが大きくなる。このため、式（２）より、ラビリンスシールにおいては、低圧状態で交差ばね項ＫＸＹが大きくなると、軸系減衰ζが小さくなり、同様に不安定な状態となるという問題点があった。
【００１５】
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、所望のシール機能を発揮しつつ、軸系安定性を向上することができるシール構造およびこれを備えた回転機械を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明に係るシール構造は、回転体の軸方向一方側の高圧側と、前記軸方向他方側の低圧側とをシールするシール部に設けられたシール構造であって、前記回転体の外周面に沿って設けられ、該外周面と対向する面に開口する複数の孔部が形成されたダンパーシールと、該ダンパーシールと前記軸方向に異なる位置で、前記回転体の外周面に沿って設けられ、該外周面と対向する面が滑面として形成された環状シールとを備えることを特徴とする。
【００１７】
このようなシール構造では、環状シールの回転体とシールとの間の流体による剛性効果により固有振動数の低下を抑制することができるため、軸系の径方向の変形に対する剛性を確保することができる。また、ダンパーシールによりシール部のシール機能を効果的に発揮させ、軸振動に対する減衰を付与するとともに、旋回流を抑制することができるために軸系安定性を向上させることができる。
【００１８】
また、本発明に係るシール構造は、前記ダンパーシールは、前記高圧側に設けられ、前記環状シールは、該ダンパーシールに対して前記軸方向の前記低圧側に設けられていることが好ましい。
【００１９】
この構成によれば、環状シールの高圧側に設けられたダンパーシールで旋回流を抑制することができる。よって、環状シール部分に旋回流が流入して環状シール部分における交差剛性が増加することを抑制することができ、軸系安定性をさらに向上させることができる。
さらに、高圧環境下で、ダンパーシールで剛性が負の値を示したとしても、環状シールの剛性効果で相殺して軸系安定性を向上させることができる。
【００２０】
また、本発明に係るシール構造は、前記ダンパーシールは、第一ダンパーシールと、該第一ダンパーシールに対して前記軸方向の低圧側に配される第二ダンパーシールとを有し、前記環状シールは、前記第一ダンパーシールと前記第二ダンパーシールとの間に設けられていてもよい。
【００２１】
この構成よれば、シールへの流入圧力が大きいほど環状シールの剛性効果は大きいため、第一ダンパーシールと第二ダンパーシールとの間で圧力低下を最小限に抑えて、かつ、第一ダンパーシールでの旋回流の影響を抑制した位置に環状シールを設けることができるため、環状シールの剛性効果をより高めることができる。
【００２２】
また、本発明に係るシール構造は、前記第一ダンパーシールの前記軸方向の長さは、前記環状シールにおける旋回流を抑制可能な長さとすることを特徴とする。
【００２３】
この構成よれば、第一ダンパーシールにおいて旋回流を確実に抑制することができるため、環状シール部分に旋回流が流れて交差剛性が増えることはない。よって、環状シール部分での交差剛性作用を確実に抑制することができ、軸系安定性をより向上させることができる。
【００２４】
また、本発明に係るシール構造は、前記環状シールの前記軸方向の長さは、前記ダンパーシールで前記回転体を径方向に支持するための剛性が負の値を示す状態となっても、相殺して、前記ダンパーシールと合わせて全体として剛性が正の値を示すようにさせる長さであってもよい。
【００２５】
この構成よれば、高圧環境下で、ダンパーシールで剛性が負の値を示したとしても、環状シールの剛性効果で相殺して、シール構造全体としての剛性を正の値とすることができるため、軸系安定性をより向上させることができる。
【００２６】
また、本発明に係る回転機械は、上記のうちのいずれか一項に記載のシール構造を備えていることを特徴とする。
【００２７】
この構成よれば、上記のうちのいずれか一に記載のシール構造を備えているため、所望のシール機能を発揮しつつ、軸系安定性を向上することができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明に係るシール構造及びこれを備える回転機械によれば、所望のシール機能を発揮しつつ、軸系安定性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施形態を構成するダンパーシールの例としてホールパターンシールの（ａ）概略斜視図、（ｂ）要部の拡大図である。
【図２】式（２）における軸系の固有振動数ωと分母及び軸系の固有振動数ωと分子の関係を表している図である。
【図３】本発明の実施形態に係る遠心圧縮機（回転機械）の概略構成を示す縦断面図である。
【図４】本発明の第一実施形態に係るシール構造を示す断面図である。
【図５】本発明の第一実施形態の変形例に係るシール構造を示す断面図である。
【図６】本発明の第二実施形態に係るシール構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
（第一実施形態）
以下、図面を参照し、本発明の第一実施形態に係る遠心圧縮機（回転機械）について説明する。
図３は、本発明の第一実施形態に係る遠心圧縮機１を示す概略構成断面図である。
図３に示すように、遠心圧縮機１は、多段式遠心圧縮機であり、例えば２組の３段式インペラ群を備えて構成とされている。
【００３１】
遠心圧縮機１は、軸線Ｏ回りに回転する回転軸（回転体）２と、該回転軸２に取り付けられ遠心力を利用してプロセスガス（気体）Ｇを圧縮するインペラ３と、回転軸２を回転可能に支持するとともにプロセスガスＧを高圧側（一方側）から低圧側（他方側）に流すリターン流路４が形成されたケーシング５と、回転軸２と外周面に沿って設けられたシール構造２０とを備えている。
【００３２】
ケーシング５は、略円柱状の外郭をなすように形成されたものであり、中心を貫くように回転軸２が配設されている。ケーシング５の両側には、それぞれジャーナル軸受５ａ及びスラスト軸受５ｂが設けられており、回転軸２を回転可能に支持している。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。
【００３３】
ここで、ケーシング５の両端部近傍側面には、プロセスガスＧを外部から吸入するための吸込口５ｃ，５ｅが設けられ、またケーシング５の軸線Ｏ方向中央部にはプロセスガスＧを外部に排出するために排出口５ｄ，５ｆが設けられている。そして、吸込口５ｃと排出口５ｄとを連通させる内部空間６ａ（６）、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。
【００３４】
また、インペラ３は、回転軸２の軸線Ｏ方向において羽根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、３Ｂを構成しており、該３段式インペラ群３Ａと３段式インペラ群３Ｂとは互いに背面側を軸線Ｏ方向中央に向けて回転軸２に取り付けられている。
【００３５】
インペラ３は、それぞれ軸線Ｏ方向で排出口５ｄ，５ｅ側に進むにつれて漸次拡径した略円盤状のハブ３ａと、該ハブ３ａに放射状に取り付けられ、周方向に並んだ複数の羽根３ｂと、該複数の羽根３ｂの先端側を周方向に覆うように取り付けられたシュラウド３ｃとを備えている。
【００３６】
また、３段式インペラ群３Ａを構成するインペラ３の羽根３ｂと３段式インペラ群３Ｂを構成するインペラ３の羽根３ｂとは、回転軸２の軸線Ｏ回りに対称に形成されていて、回転軸２を回転した場合に、３段式インペラ群３Ａ、３段式インペラ群３Ｂは、それぞれ吸込口５ｃ，５ｅから排出口５ｄ，５ｆに向かって、プロセスガスＧを流通、圧縮するようになっている。
【００３７】
内部空間６は、リターン流路４を備えており、該リターン流路４がインペラ３の吸込口５ｃ，５ｅからそれぞれ排出口５ｄ，５ｆに向かってプロセスガスＧを流通している。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
なお、ディフューザ部１２の径方向外方側にはベンド部１３を介してリターン部１４に連通しているが、３段式インペラ群３Ａ、３段式インペラ群３Ｂの３段目のインペラ３に繋がる部分には、リターン部１５に代えて排出口５ｄが形成されている。
【００４１】
ベンド部１３は、湾曲してなる流路であり、一端側がディフューザ部１２に連通し、他端側がリターン部１４に連通している。このベンド部１３は、ディフューザ部１２を通って径方向外方に流れてきたプロセスガスＧの向きを、径方向内方に向くように反転させて、リターン部１４に送り出している。
【００４２】
リターン部１４は、径方向外方側にてベンド部１３の他端側に連通し、また径方向内方側にてインペラ３の流路入口に連通している。
【００４３】
遠心圧縮機１は、かかる構成により、３段式インペラ群３Ａにおいて、吸込口５ｃから吸入したプロセスガスＧを、リターン流路４に流入して、１段目から３段目の各インペラ３のディフューザ部１２、ベンド部１３、リターン部１４の順に流通させながら圧縮して、３段目のディフューザ部１２まで流れた後に排出口５ｄから排出する。そして、該外出したプロセスガス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へと流入する。そして、３段式インペラ群３Ｂにおいて、吸込口５ｅから吸入したプロセスガスＧを、リターン流路４に流入して、１段目から３段目の各インペラ３のディフューザ部１２、ベンド部１３、リターン部１４の順に流通させながらさらに圧縮して、３段目のディフューザ部１２まで流れた後に排出口５ｆから排出するようになっている。
【００４４】
したがって、例えば、３段式インペラ群３Ａの排出口５ｄ近傍の回転軸２の周りと比較して、３段式インペラ群３Ｂの排出口５ｆ近傍の回転軸２の周りの方が、３段式インペラ群３Ｂで圧縮された分だけ高圧となり、圧力差が生じる。
【００４５】
そこで、図４に示すように、回転軸２の軸線Ｏ方向一方側の高圧側と、軸線Ｏ方向他方側の低圧側とをシールするシール部２１にシール構造２０が設けられている。シール構造２０は、高圧側すなわち３段式インペラ群３Ｂ側に設けられたダンパーシール３１と、該ダンパーシール３１に対して軸線Ｏ方向低圧側すなわち３段式インペラ群３Ａ側に設けられた環状シール４１とを備えている。
【００４６】
図１及び図４に示すように、本実施形態においては、ダンパーシール３１は、回転軸２の外周面に沿うとともに該外周面との間に間隙３６を有して設けられた環状部材であり、回転軸２の外周面と対向する面、すなわち該ダンパーシール３１の内周面に開口する複数の孔部３２が形成されたシールである。
また、ダンパーシール３１は、シール部としてのシール機能を発揮させるのに必要な長さで、かつ、軸系安定性のために必要な減衰能を得られる長さに設定されている。
【００４７】
環状シール４１は、ダンパーシール３１と軸線Ｏ方向に異なる位置で、回転軸２の外周面に沿うとともに該外周面との間に間隙４６を有して設けられており、本実施形態では、ダンパーシール３１に対して軸線Ｏ方向低圧側に該ダンパーシール３１と連続して設けられている。
また、環状シール４１は、環状部材であり、回転軸２の外周面と対向する面、すなわち該環状シール４１の内周面が滑面として形成されている。環状シール４１の軸線Ｏ方向の長さは、回転軸２とダンパーシール３１との間の流体による回転軸２の支持剛性が負の値を示す状態となっても、相殺して、ダンパーシール３１とあわせて全体として剛性が正の値を示すようにさせるのに必要な長さに設定されている。
【００４８】
このように構成された遠心圧縮機１では、環状シール４１の高圧側に設けられたダンパーシール３１で旋回流を抑制することができる。よって、該ダンパーシール３１の低圧側に位置する環状シール４１部分に旋回流が流入して環状シール４１部分における交差剛性が増加することを抑制することができ、軸系安定性を向上させることができる。
【００４９】
また、上述の通り、高圧環境下で、ダンパーシール３１で剛性が負の値を示したとしても、環状シール４１の剛性効果により固有振動数の低下を抑制することができるとともに、環状シール４１の軸線Ｏ方向の長さが、回転軸２とダンパーシール３１との間の流体による回転軸２の支持剛性が負の値を示す状態となっても、これを相殺して、ダンパーシール３１とあわせて全体として剛性が正の値を示すようにさせる長さ分設けられている。よって、軸系の径方向の変形に対する剛性を確保することができ、軸系安定性を向上させることができる。また、ダンパーシール３１により、シール部のシール機能を効果的に発揮させつつ、軸振動に対する減衰が付与され軸系安定性を向上させることができる。
【００５０】
（第一実施形態の変形例）
以下、本発明の第一実施形態の変形例に係る遠心圧縮機について、図５を用いて説明する。
この実施形態において、前述した実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００５１】
第一実施形態におけるシール構造２０では、ダンパーシール３１と環状シール４１は軸線Ｏ方向に連続して設けられている。一方、本実施形態におけるシール構造１２０では、ダンパーシール１３１と環状シール１４１との間に間隙部１５１が設けられている。
【００５２】
すなわち、シール構造１２０は、軸線Ｏ方向高圧側に配設されたダンパーシール１３１と、該ダンパーシール１３１の軸線Ｏ方向低圧側に設けられたスペーサーである間隙部１５１と、該間隙部１５１の軸線Ｏ方向低圧側に設けられた環状シール１４１とを備えている。
【００５３】
このように構成されたシール構造１２０では、ダンパーシール１３１と環状シール１４１との間に間隙部１５１が配されていても、当該間隙部１５１では旋回流速はほとんど変化しないため、剛性効果や減衰効果は付与されないので、環状シール１４１とダンパーシール１３１の効果は変わらない。つまり必ずしもダンパーシール１３１と環状シール１４１は隣接していなくてもよい。よって、該ダンパーシール１３１の低圧側に位置する環状シール１４１部分に旋回流が流入して環状シール１４１部分における交差剛性が増加することを抑制することができ、軸系安定性を向上させることができる。
【００５４】
（第二実施形態）
以下、本発明の第二実施形態の変形例に係る遠心圧縮機について、図６を用いて説明する。
この実施形態において、前述した実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００５５】
第一実施形態におけるシール構造２０では、ダンパーシール３１は、環状シール４１の高圧側に配されるもののみである。一方、本実施形態におけるシール構造２２０では、ダンパーシール２３１は、環状シール２４１の高圧側と低圧側にそれぞれ配されている。
【００５６】
すなわち、シール構造２２０は、高圧側に設けられた第一ダンパーシール２３２と、該第一ダンパーシール２３２の軸線Ｏ方向低圧側に設けられた環状シール２４１と、該環状シール２４１の軸線Ｏ方向低圧側に設けられた第二ダンパーシール２３３とを備えている。すなわち、ダンパーシール２３１は第一ダンパーシール２３２と第二ダンパーシール２３３とを備えており、環状シール２４１は第一ダンパーシール２３２と第二ダンパーシール２３３との間に設けられている。
ここで、第一ダンパーシール２３２の軸線Ｏ方向の長さは、環状シール２４１における必要剛性が得られる長さとする。すなわち、環状シール２４１では入口圧力が高いほど流体による剛性が高くなるため、環状シール２４１の上流の第一ダンパーシール２３２を流体が通過する際の圧力低下を考慮し、第一ダンパーシール２３２の軸線Ｏ方向の長さを決める。
【００５７】
このように構成されたシール構造２２０では、環状シール２４１は高圧領域に配設されるほど剛性効果が高いところ、比較的高圧領域である第一ダンパーシール２３２と第二ダンパーシール２３３との間で圧力低下を最小限に抑えて、かつ、第一ダンパーシール２３２での旋回流の影響を抑制した位置に環状シール２４１を設けることができる。よって、環状シール２４１は剛性効果をより高めることができるため、軸系の支持剛性を確保でき、軸系安定性を向上させることができる。
また、高圧領域に配設された環状シール２４１は高い剛性効果を発揮することができるため、第一実施形態よりも軸線Ｏ方向の長さを小として、第一実施形態と同等の軸系剛性を奏することができる。
【００５８】
また、第一ダンパーシール２３２は、環状シール２４１における旋回流を抑制可能な長さとされているため、旋回流を確実に抑制することができる。よって、環状シール２４１部分での交差剛性が増加することを抑制でき、軸系安定性をさらに向上させることができる。
なお、本実施形態においても、第一実施形態の変形例と同様に、第一ダンパーシール２３２と環状シール２４１との間、及び、環状シール２４１と第二ダンパーシール２３３との間の、両者または一方に間隙部を設けても良い。
【００５９】
なお、上述した実施の形態において示した組立手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００６０】
例えば、ダンパーシール３１，１３１，２３１としては、上記のホールパターンシールの他に静止部材の表面に六角形の孔部が設けられたハニカム構造の所謂ハニカムシールであってもよい。この場合は、凹凸面を流れる流体の圧力損失により流体の漏れを減少させることができるとともに、旋回流を抑制することができる。
【００６１】
また、ダンパーシール３１，１３１，２３１と環状シール４１，１４１，２４１との間には、ラビリンスシール等の他のシール構造があってもよい。
この場合でも、ダンパーシール３１，１３１，２３１は旋回流を抑制することができ、環状シールは剛性効果を発揮することができるため、軸系安定性を向上させることができる。
【符号の説明】
【００６２】
１…遠心圧縮機（回転機械）
２…回転軸（回転体）
２０，１２０，２２０…シール構造
２１…シール部
３１，１３１，２３１…ダンパーシール
３２…孔部
４１，１４１，２４１…環状シール
２３２…第一ダンパーシール
２３３…第二ダンパーシール
【図１】
2013160297.tif 000005
【図２】
2013160297.tif 000006
【図３】
2013160297.tif 000007
【図４】
2013160297.tif 000008
【図５】
2013160297.tif 000009
【図６】
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