(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ（６）とステータ（１５）との間に形成されている分割透き間（１６）を，この分割透き間（１６）に当たる作業流体（１８）の流過に対して，無接触でシールする方法であって，作業流体（１８）を分割透き間（１６）内でまず絞り，次いで変向させて渦運動させ，その際絞り過程が行われる前に，作業流体（１８）内に，互いに異なった円周方向速度を有する流動層（３５，３６）が形成されるようにする形式の方法において，作業流体（１８）の流動層（３５，３６）を，絞り過程の後に，大きな円周方向速度を有する第１の部分流（３５′）と小さな円周方向速度を有する第２の部分流（３６′）とに分割し，第１の部分流（３５′）は単に変向させるだけにし，第２の部分流（３６′）だけを渦運動させて，最後に，変向せしめられた第１の部分流（３５′）に対して平行に，この第１の部分流内に導入することを特徴とする，ロータとステータとの間に形成されている分割透き間を無接触でシールする方法。
【請求項２】
作業流体（１８）の絞り過程と，これに続く作業流体の，互いに異なる円周方向速度を有する２つの部分流（３５′，３６′）への分割と，これに続く第１の部分流（３５′）の変向並びに第２の部分流（３６′）だけの渦運動及び第２の部分流の，変向せしめられた第１の部分流内への平行な導入とを，この順序で少なくとも２回順次に行うことを特徴とする，請求項１記載の方法。
【請求項３】
ロータ（６）とステータ（１５）との間に形成されている分割透き間（１６）を，この分割透き間（１６）に主流動方向で当たる作業流体（１８）の流過に対して，無接触でシールする装置であって，分割透き間（１６）内に，絞り箇所（２２）と，この絞り箇所の下流側で作業流体（１８）が当たるところの，ステータ（１５）にある対向面（２４）と，渦室（２３）とから成る少なくとも１つのシール部（２１）が配置されており，分割透き間（１６）は，各シール部（２１）の上流側で供給通路（２９）として，かつ最後のシール部（２１）の下流側で排出通路（３０）として形成されている形式の装置において，対向面（２４）が作業流体（１８）のための流動分割部として構成されており，渦室（２３）が主流動方向（２０）に対して逆方向で，かつ次のシール部（２１）のための供給通路（２９）又は排出通路（３０）が主流動方向（２０）で，それぞれ流動分割部（２４）に接続しているように，配置されていることを特徴とする，ロータとステータとの間に形成されている分割透き間を無接触でシールする装置。
【請求項４】
流動分割部（２４）が，ステータ（１５）の少なくとも２つの部分面（２５，２６）から成っており，これらの部分面は，隆起しかつ分割透き間（１６）内に突入している接触縁（２７）を有していることを特徴とする，請求項３記載の装置。
【請求項５】
渦室（２３）が，それに接続している分割透き間（１６）よりも大きな内側の表面（２８）を有していることを特徴とする，請求項４記載の装置。
【請求項６】
渦室（２３）が作業流体（１８）の主流動方向（２０）に対して４５°±２０°の角度αで形成されていることを特徴とする，請求項５記載の装置。
【請求項７】
供給通路（２９）並びに排出通路（３０）が，絞り箇所（２２）の内法幅（３４）よりも常に大きく形成されている透き間幅（３３）を有していることを特徴とする，請求項３記載の装置。
【請求項８】
流体機械であって，機械軸線（４）を有し，かつロータ（６）とステータ（１５）との間に形成されている分割透き間（１６）をシールする装置を備えている形式の流体機械において，ロータ（６）とステータ（１５）との間に形成されている分割透き間（１６）をシールする装置が，請求項３から７のいずれか１項に記載の装置によって形成されていることを特徴とする，流体機械。
【請求項９】
絞り箇所（２２）が機械軸線（４）に対して軸方向，半径方向又は斜めに形成されていることを特徴とする，請求項８記載の流体機械。
【請求項１０】
ロータ（６）が遠心圧縮機（１）のインペラとして，ステータ（１５）がインペラ（６）を機械側で閉じる，遠心圧縮機（１）の中間壁としてそれぞれ構成されており，シール部（２１）がインペラ（６）の背壁（１３）と中間壁（１５）との間に配置されており，かつ絞り箇所（２２）が遠心圧縮機（１）の機械軸線（４）に対して平行に配置されていることを特徴とする，請求項８又は９記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，ロータとステータとの間に形成されている分割透き間を，この分割透き間に当たる作業流体の流過に対して，無接触でシールする方法であって，作業流体を分割透き間内でまず絞り，次いで変向させて渦運動させ，その際絞り過程が行われる前に，作業流体内に，互いに異なった円周方向速度を有する流動層が形成されるようにする形式の方法，並びに，ロータとステータとの間に形成されている分割透き間を，この分割透き間に主流動方向で当たる作業流体の流過に対して，無接触でシールする装置であって，分割透き間内に，絞り箇所と，この絞り箇所の下流側で作業流体が当たるところの，ステータにある対向面と，渦室とから成る少なくとも１つのシール部が配置されており，分割透き間は，各シール部の上流側で供給通路として，かつ最後のシール部の下流側で排出通路として形成されている形式の装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
流体機械工学においては，大きな回転数で回転する部品をシールするために，しばしばラビリンス，つまり無接触の運動シールが使用される。多数の種々のラビリンスシールが公知であるが，しかしながらその作用原理は常に，流体の質量流をラビリンスによって最小限にすることに基づいている。このためにラビリンスシールは一般に，ロータとステータとの間に形成されているシールすべき分割透き間のために，作業流体の流動方向で互いに前後に配置された複数の同じように構成されたシール部を有している。各シール部は少なくとも，１つの絞り箇所と，下流側に接続している１つの渦室とから成っており，これらの絞り箇所及び渦室は種々のラビリンスシールにおいて，程度の差こそあれ明確に，形成されている。シール部を並べることによって流過抵抗を任意に増大させ，シールを貫流する流体量をわずかにすることができる。
【０００３】
１９８１年にデュッセルドルフの VDI-Verlag GmbH 社から刊行されたK. Trutnovsky 著の手引き書 “Beruehrungsfreie Dichtung（無接触のシール）”第４版，ISBN ３-１８-４００４９０-２，第２４４／２４５ページ，第４-５８図及び第４-５９図から公知のラビリンスシールにおいては，絞り箇所と向き合っている面は，流動技術的に特別に形成されている。すなわちこれらの面は円すい状の拡大部とこれに続く中空結節状の面若しくは湾曲した湾入部を有している。これによって次の絞り箇所までの流動経路を長くすること，並びに透き間を通して流動細流が直線状に流過することを防止することが可能であり，これによって結局シールを貫流する流体の質量流を更に減少させることができる。
【０００４】
これら公知のラビリンスシールにおいては，回転する部品と不動の部品との間の流体が流過する分割透き間内に流動境界層が形成されるために，大きな摩擦仕事が生ずる。このため分割透き間内の作業流体が加熱され，また分割透き間を取り囲む部品も加熱される。このようにして材料温度が比較的に著しく増大し，この結果当該の部品の耐用期間が短くなる。加えて，分割透き間を通って流れる作業流体が絞り箇所において変向せしめられかつ渦運動せしめられることによって，作業流体が繰り返し混合せしめられ，これとともにパルス及び熱が激しく交換せしめられる。絞り箇所の下流側ではその都度作業流体は回転する部品によって改めて円周方向に加速されねばならず，これによってこの範囲における摩擦仕事ひいては熱の発生が更に増大する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこれらすべての欠点を回避しようとするものである。本発明の課題は，ロータとステータとの間に形成されている分割透き間を無接触でシールする改良された方法を提供し，関与する部品の耐用期間を長くし得るようにすることである。更にこの方法を実施する装置を開示する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために，本発明の構成では，ロータとステータとの間に形成されている分割透き間を，この分割透き間に当たる作業流体の流過に対して，無接触でシールする方法であって，作業流体を分割透き間内でまず絞り，次いで変向させて渦運動させ，その際絞り過程が行われる前に，作業流体内に，互いに異なった円周方向速度を有する流動層が形成されるようにする形式の方法において，作業流体の流動層を，絞り過程の後に，大きな円周方向速度を有する第１の部分流と小さな円周方向速度を有する第２の部分流とに分割する。次いで第１の部分流は単に変向させるだけにし，第２の部分流だけを渦運動させて，最後に，変向せしめられた第１の部分流に対して平行に，この第１の部分流内に導入する。このために絞り箇所の下流側で作業流体が当たるところの対向面はこの作業流体のための流動分割部として構成されている。渦室は主流動方向に対して逆方向で流動分割部に接続している。これに対し，次のシール部のための供給通路又は排出通路は主流動方向で流動分割部に接続して配置されている。更に渦室は，それに接続している分割透き間よりも大きな内側の表面を有している。
【０００７】
【発明の効果】
流動分割によって，つまり，ステータの不動の壁のところに形成される比較的に小さな円周方向速度を有する流動層をロータの回転する壁のところに形成される比較的に大きな円周方向速度を有する流動層から分割して，２つの部分流にすることによって，摩擦仕事並びに流動層の間のパルス及び熱の交換を減少させることができる。小さな円周速度を有する第２の部分流は流動分割部によって渦室内に掻き取られ，渦室内で渦運動せしめられる。この場合達成される圧力減少はラビリンスのシール作用を増大させる。渦室内では第２の部分流の作業流体は摩擦熱の一部をステータの，渦室を取り囲んでいる壁に引き渡す。これに対し大きな円周速度を有する第１の部分流は流動分割部によって単に変向せしめられるだけであり，ほとんど妨げられずに分割透き間を通って流れることができる。このようにして，摩擦仕事のほかに，ロータの回転する壁への熱伝達も減少せしめられる。
【０００８】
一面では，本発明による方法及び相応する装置によって，従来技術と同等のシール作用で，発生する摩擦仕事及びロータ内への熱流を最小限にすることができ，あるいは他面では，ロータの同等の熱負荷でシール作用を改善することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
少なくとも２つの絞り部を互いに順次に配置しておくことによって，作業流体内の，互いに異なった円周速度を有する流動層の形成と，これに続く作業流体の絞り過程と，これに続く作業流体の，互いに異なる円周方向速度を有する２つの部分流への分割と，これに続く第１の部分流の変向並びに第２の部分流だけの渦運動及び第２の部分流の，変向せしめられた第１の部分流内への平行な導入とが，この順序で少なくとも２回順次に行われる。これによって分割透き間のシールを更に改善することができる。
【００１０】
特に有利には，流動分割部は，ステータの少なくとも２つの部分面から成っており，これらの部分面は，隆起しかつ分割透き間内に突入している接触縁を有している。これによって流動分割部の比較的に簡単かつ安価な構造が得られる。
【００１１】
更に，渦室が作業流体の主流動方向に対して４５°±２０°の角度αで形成されていると，特に有利である。これによって絞り箇所の下流側で分割透き間の横断面が突然増大し，したがって小さな円周方向速度を有する第２の部分流の渦形成が促進される。このようにして，シール部のシール作用を改善することができる。
【００１２】
供給通路並びに排出通路は絞り箇所の内法幅よりも常に大きく形成されている透き間幅を有している。これによって，シール部のシール作用は分割透き間の透き間幅の変化にほとんど無関係になる。
【００１３】
最後に，シール部は流体機械内に配置され，シール箇所は機械軸線に対して軸方向，半径方向又は斜めに形成される。これによって有利には本発明による解決策の比較的に多様な適用可能性が得られる。
【００１４】
本発明の１実施形態では，ロータは遠心圧縮機のインペラとして，かつステータはインペラを機械側で閉じる，遠心圧縮機の中間壁としてそれぞれ構成されている。シール部はインペラの背壁と中間壁との間に配置されており，絞り箇所は遠心圧縮機の機械軸線に対して平行に配置されている。遠心圧縮機の背壁におけるほぼ５００ｍ／ｓの大きな円周速度のために，相応する部品の耐用期間若しくはシールに対する装置のポジティブな作用は特に大きい。
【００１５】
【実施例】
以下においては図面に示した実施例に基づいて，本発明の構成を具体的に説明する。図面には，排気タービン過給機の遠心圧縮機のインペラ背壁に配置されたラビリンスシールが示されている。図面には，本発明にとって重要な部材だけが示されており，例えばラビリンスシールを通って出る作業流体の排出導管，タービン側及び排気タービン過給機の軸受装置は示されていない。作業媒体の流動方向は矢印で示されている。
【００１６】
図１に単に部分的に示した従来技術の排気タービン過給機は，遠心圧縮機１と，図示していない排気タービンとから成っており，これらの遠心圧縮機と排気タービンとは軸受ケーシング２内で支えられている軸３を介して互いに結合されている。排気タービン過給機の遠心圧縮機１は軸３内に位置する機械軸線４を有している。遠心圧縮機は圧縮機ケーシング５を備えており，この圧縮機ケーシング内でインペラとして構成されたロータ６が回転可能に，軸３に結合されている。インペラ６は，多数の動翼７を備えたハブ８を有している。ハブ８と圧縮機ケーシング５との間には，流動通路９が形成されている。動翼７の下流側では，流動通路９に，半径方向に配置された羽根付きのディフューザ１０が接続しており，このディフューザ自体は遠心圧縮機１の図示していない渦巻ケーシング内に開口している。
【００１７】
ハブ８内には，軸３の軸端部１１を受容する中央の貫通孔１２が形成されている。タービン側でハブ８は背壁１３と軸端部１１のための固定スリーブ１４とを有しており，その際軸端部と固定スリーブ１４とは互いにねじ結合されている。もちろん別の適当なインペラと軸との結合部，例えば貫通孔１２を有していない結合部，を選択することもできる。同様に羽根付きでないディフューザも使用可能である。
【００１８】
軸受ケーシング２と圧縮機ケーシング５とは，中間壁として構成されたステータ１５によって互いに隔てられており，このステータはインペラ６のハブ８の固定スリーブ１４も受容している。運転中回転するインペラ６の背壁１３と不動の中間壁１５との間には，機械軸線４に対してほぼ半径方向に配置された分割透き間１６ｄが形成されている。この分割透き間はコーム形ラビリンスとして構成されたラビリンスシール１７を受容しており，このラビリンスシールは分割透き間１６を，遠心圧縮機１の，この分割透き間に当たる作業流体１８の貫流に対してシールする。ラビリンスシール１７の下流側で分割透き間１６は中間室１９と連通しており，この中間室自体は図示していない排出導管に接続されている。
【００１９】
適当な長さのこのようなラビリンスシール１７を使用する場合，単に，作業流体１８の，前もって定められたわずかな質量流だけがシールを貫通して中間室１９内に達する。この作業流体１８は最後に，中間室１９に接続している排出導管を経て取り除かれる。
【００２０】
これに対し本発明による解決策では，ラビリンスシール１７は，ラビリンスシール１７を通って流れる作業流体１８の主流動方向２０内で互いに前後に配置された複数のシール部２１から成っており，これらのシール部はそれぞれ，絞り箇所２２と，渦室２３と，中間壁１５にあって絞り箇所２２の下流側で作業流体１８が当たるところの対向面２４とを有している。対向面２４は作業流体１８のための流動分割部として構成されている。対向面は中間壁１５の湾曲せしめられた２つの部分面２５，２６から成っており，これらの部分面はそれぞれ異なった半径方向位置に配置されていて，分割透き間１６内に突入する共通の隆起した接触縁２７を有している。
【００２１】
流動分割部２４を正確に位置決めするためには，絞り箇所２２の下流側で作業流体１８が当たる箇所を定めなければならない。その際種々異なって形成されたシール部は作業流体の，互いに異なった当たる箇所を生ぜしめる。このためには相応する流動実験が必要であり，その際もちろん有利には流体力学的な計算法も利用することができる。
【００２２】
渦室２３は流動分割部２４に，正確には流動分割部の半径方向で外側に位置する第２の部分面２６に，接続しており，渦室自体はこの第２の部分面の，半径方向で外側に配置されている。更に渦室２３は，それに接続している分割透き間１６よりも大きな内側の表面２８を備えており，作業流体１８の主流動方向２０に対してほぼ４５°の角度αで配置されている（図２）。渦室は丸く形成されているが，しかし例えば図３に示したほぼ長方形のような別の適当な形状を有することもできる。主流動方向２０に対する渦室２３の角度αは両方の方向に２０°だけ異なっていることができる。もちろんこの差をより大きくすることも可能であるが，その場合効果がわずかになる。また両方の部分面２５，２６をまっすぐに形成することもできる（図３）。
【００２３】
各シール部２１の上流側において分割透き間１６はほぼ半径方向に向いた供給通路２９として，また最後のシール部２１の下流側でやはりほぼ半径方向に向いた排出通路３０として形成されている。供給通路２９若しくは排出通路３０は，半径方向で内側に配置されている第１の部分面２５に直接に接続している。
【００２４】
絞り箇所２２は軸方向透き間として形成されており，したがって供給通路２９はその都度軸方向に変向せしめられている。このために各絞り箇所２２において，インペラ６の背壁１３に軸方向に向いた回転する段部３１が形成されており，この段部は，中間壁１５の，段部に対してほぼ平行に向いた不動のシールフィンガ３２と対応している。この場合，シールフィンガ３２の幅は回転する段部３１の幅よりも著しく小さく，その際シールフィンガはすべての運転状態において段部３１との充分な重なりが保証されていなければならない。もちろん，シールフィンガ３２の代わりに，例えばシール条片あるいはブラシシールのような別の適当な部材（図示せず）を使用することもできる。供給通路２９若しくは排出通路３０は透き間幅３３を有し，絞り箇所２２は内法幅３４を有しており，その際透き間幅３３は常に内法幅３４よりも大きく形成されている。
【００２５】
排気タービン過給機の運転の際にインペラ６は作業流体１８として周囲空気を吸い込み，この周囲空気は流動通路９並びにディフューザ１０を経て渦巻ケーシング内に達し，そこで圧縮され，最後に排気タービン過給機に接続された内燃機関の過給のために使用される。周囲空気１８は流動通路９からディフューザ１０への経路において分割透き間１６にも当たり，したがって供給通路２９を経てラビリンスシール１７内に，つまりラビリンスシールの第１のシール部２１に達する。
【００２６】
一面ではインペラ６の回転する背壁１３の影響によって，かつ他面では不動の中間壁１５の影響によって，分割透き間１６を通って流れる周囲空気１８内に，比較的に大きな円周方向速度を有する流動層３５並びに比較的に小さな円周方向速度を有する流動層３６が形成される。これらの流動層３５，３６は，その都度その形成に関与する分割透き間１６の壁１３，１５に集中する。
【００２７】
分割透き間１６の透き間幅３３は絞り箇所２２の内法幅３４よりも大きく形成されているので，壁１３，１５に接触する境界層は圧縮されず，したがって単にわずかな摩擦仕事が行われるだけであり，ネガティブな熱発生もわずかである。加えてシール部２１のシール作用は分割透き間１６の透き間幅の変化とはほとんど無関係である。
【００２８】
絞り箇所２２の範囲において，周囲空気１８は軸方向に変向せしめられ，加速されて絞り箇所２２の下流側で中間壁１５に配置された流動分割部２４に当たる。この場合互いに異なる円周方向速度の流動層３５，３６は，相応して互いに異なった円周方向速度を有する２つの別個の部分流３５′，３６′に分けられる。中間壁１５の，半径方向で内側に配置されている第１の部分面２５は大きな円周方向速度を有する第１の部分流３５′を後続のシール部２１の供給通路２９内に直接に，あるいは排出通路３０内に直接に，変向させる。これに対し，半径方向で外側に配置されている第２の部分面２６は小さな円周方向速度を有する第２の部分流３６′を渦室２３内に掻き取る。渦室内で第２の部分流３６′はまず渦運動せしめられ，次いで第１の部分流３５′に対して平行に，供給通路２９若しくは排出通路３０内に導入せしめられる。背壁１３の回転運動に基づいて，作業流体１８の１つにされた流れの下流側で，改めて互いに異なった円周方向速度の２つの流動層３５，３６が形成され，これらの流動層は一緒に第２のシール部２１に引き続き導かれる。
【００２９】
ラビリンスシール１７の構成に関連して，換言すればシール部２１の数に応じて，既に述べた過程が改めて繰り返される。最後のシール部２１の下流側で両方の部分流３５′，３６′は中間室１９内に，かつそこから排出導管によって周囲に引き渡される。
【００３０】
もちろん，本発明による装置は別の流体機械，例えばガスタービン，蒸気タービンあるいは冷凍機の遠心圧縮機にも使用することができる。また別の作業流体を使用することも可能である。この場合分割透き間１６は機械軸線４に対して平行に配置し，これに伴い絞り箇所２２をラジアル透き間として構成することもできる（図示せず）。分割透き間が半径方向に配置されている場合でも，機械軸線４に対して平行に配置されている場合でも，絞り箇所２２は相応する流体機械の機械軸線４に対して斜めに形成することができる（図４）。重要な方法段階はこの場合その都度既に述べた経過に相応して行われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術の遠心圧縮機の部分縦断面図である。
【図２】互いに前後に配置された本発明による２つのシール部の原理図である。
【図３】図１の遠心圧縮機に本発明によるラビリンスシールを設けたものの拡大図である。
【図４】絞り箇所を機械軸線に対して斜めに配置した図３相当の図である。
【符号の説明】
１  遠心圧縮機，  ２  軸受ケーシング，  ３  軸，  ４  機械軸線，  ５  圧縮機ケーシング，  ６  ロータ（インペラ），  ７  動翼，  ８  ハブ，  ９流動通路，  １０  ディフューザ，  １１  軸端部，  １２  貫通孔，  １３背壁，  １４  固定スリーブ，  １５  ステータ（中間壁），  １６  分割透き間，  １７  ラビリンスシール，  １８  作業流体（周囲空気），  １９  中間室，  ２０  主流動方向，  ２１  シール部，  ２２  絞り箇所，  ２３  渦室，  ２４  対向面（流動分割部），  ２５及び２６  部分面，  ２７  接触縁，  ２８  内側の表面，  ２９  供給通路，  ３０  排出通路，  ３１  段部，３２  シールフィンガ，  ３３  透き間幅，  ３４  内法幅，  ３５  流動層，３５´  部分流，  ３６  流動層，  ３６´  部分流，  α  角度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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