JP6233643B2 - シール装置及びこれを備える回転機械 - Google Patents

Description

本発明は、シール装置及びこれを備える回転機械に関する。

遠心圧縮機などの回転機械は、一般に、回転軸などの回転体と、その周囲のケーシングなどの静止体との間に隙間がある。そのため、回転体と静止体との隙間には、作動流体が流入することを抑制するシール装置が設けられている場合が多い。遠心圧縮機の場合、シール装置は、インペラの入口の口金部、多段インペラの各段間、および、多段インペラの最終段に設けられたバランスピストン部などに設けられている。そして、このような各種シール装置には、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。

ラビリンスシールは、回転する回転軸と間隙を有して対向する環状の静止側部材から、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静止側部材において、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。
ダンパーシールはラビリンスシールと比較して減衰効果が大きく、回転軸の振動の安定化の点で優位である一方、ラビリンスシールはダンパーシールと比較して流体の漏れ量をより低減できる。

ところで、回転機械の回転軸は軸受によって支持されているが、軸受で得られる減衰力に対し、上述したシール装置やインペラで発生する不安定化力が大きくなると、負荷や回転数等によって決まる回転機械の固有振動数で不安定振動が生じて、回転軸が振れ回ることとなる。このような問題を鑑みて、軸受の剛性を周方向に異なったものとすることで、軸受の剛性に異方性（異方剛性）を持たせて回転軸を意図的に楕円状に振れ回らせ、これによって回転軸の不安定振動を抑制する手法が採用されている。

一方、ラビリンスシールやダンパーシール等を用いたシール装置は、周方向の剛性が均一となっている（等方剛性を有している）場合が一般的であり、基本的に異方剛性を有していない。そのため、上述のように楕円状に振れ回る回転軸に、このようなシール装置を適用した場合には、軸受の異方剛性を弱めるようにシール装置の等方剛性が作用してしまう。その結果、回転軸の不安定振動を抑制できなくなってしまうおそれがある。

そこで、回転軸に対して与える圧力に異方性を持たせるシール装置が、特許文献１に開示されている。特許文献１に記載のシール装置である旋回流防止装置は、ラビリンスシールの本体であるラビリンスパッキングの内周面を楕円形状に形成している。この旋回流防止装置は、回転軸に対してラビリンスパッキングの中心をオフセットさせて配置させることで、内周面と回転軸の外周面との隙間の大きさを変化させている。これにより、この隙間を流れる流体から回転軸に与える圧力に異方性を生じさせ、回転軸の不安定振動を抑制している。

特開２００５−２１４１４４号公報

しかしながら、特許文献１に記載のシール装置では、回転軸とシール装置との間の隙間が大きくなってしまうため、漏れ流量が増大してしまい、シール効果が低下するという問題がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、回転軸の不安定振動を抑制しながらシール効果を得ることが可能なシール装置及びこれを備える回転機械を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
本発明の第一の態様におけるシール装置は、回転軸の外周面上で前記回転軸の軸線に沿う方向の流体の流れを前記回転軸の外周面の全周にわたって封止するシール装置であって、前記回転軸の外周面に面し、前記回転軸の周方向に一様に形成される第一シール部と、前記回転軸の外周面に面し、前記回転軸の周方向に構造を変化するよう形成される第二シール部と、を備え、前記第二シール部は、前記第一シール部の軸線方向の少なくとも一方側に設けられ、前記第二シール部は、前記回転軸の周方向に複数並んで配置され、前記回転軸の外周面に向かって延びるフィン部を有し、前記フィン部は、前記回転軸の周方向に隣接する前記フィン部同士の間隔を前記回転軸の周方向に変化させるように設けられる。

このようなシール装置によれば、第二シール部が、回転軸の周方向に構造を変化させるように形成されていることで、漏れ流れによって回転軸に作用する剛性を、回転軸の周方向の位置によって、異なった状態で作用させることができる。即ち、第二シール部の剛性に異方性を生じさせることができる。その結果、回転軸を意図的に楕円形状に振れ回らせ、この振れ回りを維持することによって回転軸に発生する不安定振動を抑制することができる。また、回転軸に対して周方向に一様に形成されている第一シール部が配置されていることで、第二シール部だけでは漏れてしまう流体の漏れ量を低減させることができる。
また、このようなシール装置によれば、周方向に隣接するフィン部同士の間隔を周方向に変化させることで、フィン部が配置されている数が周方向で異なることとなる。そのため、フィン部の数の少ない位置では、漏れ旋回流れを遮るフィン部が少ないため、漏れ旋回流速の低減効果が低くなる。一方、フィン部の数が多い位置では、漏れ旋回流れを遮るフィン部が多いため、漏れ旋回流速の低減効果が高くなる。つまり、フィン部の少ない位置では回転軸の外周面付近の漏れ旋回流速が小さく、フィン部の多い位置では回転軸の外周面付近の漏れ旋回流速が大きくなる。したがって、漏れ旋回流れによって回転軸に作用する剛性に異方性を生じさせることができる。したがって、容易に異方性を有する第二シール部を形成することができる。

また、本発明の他の態様におけるシール装置では、前記第二シール部は、前記第一シール部の高圧側に設けられていてもよい。

このようなシール装置によれば、第二シール部が第一シール部の高圧側に設けられていることで、第一シール部より先に流体を第二シール部に流入させることができる。第二シール部から流体を流入させることで、第一シール部によって生じる剛性に異方性を生じさせることができる。その結果、回転軸を意図的に楕円形状に振れ回らせ、この振れ回りを安定して維持することによって回転軸に発生する不安定振動をより効果的に抑制することができる。

さらに、本発明の他の態様におけるシール装置では、前記第二シール部は、前記回転軸の外周面との距離を前記回転軸の周方向に変化させてもよい。

このようなシール装置によれば、回転軸の外周面との距離を周方向に変化させることで、第二シール部と外周面との距離が周方向で異なることになる。そのため、距離が大きい位置では流入する流体の流量が増加し、漏れ流れによって回転軸に作用する圧力が小さくなる。一方、距離が小さい位置では流入する流体の流量が減少し、漏れ流れによって回転軸に作用する圧力が大きくなる。したがって、外周面との距離が大きい位置では回転軸に作用する圧力が小さく、外周面との距離が小さい位置では回転軸に作用する圧力が大きくなるように、漏れ流れによって回転軸に作用する剛性に異方性を生じさせることができる。したがって、容易に異方性を有する第二シール部を形成することができる。

さらに、本発明の他の態様におけるシール装置では、前記第二シール部は、前記軸線方向の長さを前記回転軸の周方向に変化させてもよい。

このようなシール装置によれば、軸線方向の長さが周方向に変化することで、第二シール部を流れる流体のエネルギー損失が周方向で異なることとなる。そのため、軸線方向の長さが長い位置では、エネルギー損失が大きくなる。一方、軸線方向の長さが短い位置ではエネルギー損失が小さくなる。したがって、漏れ軸線方向流れによって回転軸に作用する剛性に異方性を生じさせることができる。したがって、容易に異方性を有する第二シール部を形成することができる。

さらに、本発明の第二の態様における回転機械は、回転軸の不安定振動を抑制することができ、かつ漏れ低減により回転機械として効率を高めて、性能を向上させることができる。

本発明のシール装置によれば、回転軸の周方向に一様に形成される第一シール部と、転軸の周方向に構造を変化するよう形成される第二シール部とを軸線方向に並べることで、回転軸の不安定振動を抑制しながらシール効果を得ることができる。

本発明の第一実施形態における回転機械を示す断面図である。 本発明の第一実施形態におけるシール装置及び回転軸を軸線方向から見た断面図である。 本発明の第一実施形態におけるシール装置及び回転軸を示す図２のＡ−Ａ断面図である。 本発明の第二実施形態におけるシール装置及び回転軸を軸線方向から見た断面図である。 本発明の第二実施形態におけるシール装置及び回転軸を示す図４のＡ−Ａ断面図である。 本発明の第三実施形態におけるシール装置及び回転軸を軸線方向から見た断面図である。 本発明の第三実施形態におけるシール装置及び回転軸を示す断面図で、同図（ａ）は図６のＡ−Ａ断面図であり、同図（ｂ）は図６のＢ−Ｂ断面図である。 本発明の第三実施形態における高圧側に配置された第二シール部を第二内周面側から展開した展開図である。 本発明の第四実施形態におけるシール装置及び回転軸を軸線方向から見た断面図である。 本発明の第四実施形態におけるシール装置及び回転軸を示す断面図で、同図（ａ）は図９のＡ−Ａ断面図であり、同図（ｂ）は図９のＢ−Ｂ断面図である。 本発明の第四実施形態における第二シール部を第二内周面側から展開した展開図である。

《第一実施形態》
以下、本発明に係る第一実施形態のシール装置５１を備えた回転機械１について図１から図３を参照して説明する。
本実施形態における回転機械１は、複数のインペラ４を備えた多段式遠心圧縮機である。

回転機械１は、軸線Ｐを中心とした回転軸２と、回転軸２を軸線Ｐ回りに回転可能に支持する軸受３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Ｇ（流体）を圧縮するインペラ４と、インペラ４同士の間に配されて回転軸２の外周面２ａに沿って設けられたシール装置５１と、これらを外周側から覆うケーシング６とを備えている。

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３によって回転可能に支持されている。
軸受３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。これらの軸受３は、それぞれケーシング６に取り付けられている。

インペラ４は、回転による遠心力を利用してプロセスガスＧ（流体）を圧縮する。インペラ４、ディスク４ａと、ブレード４ｃと、カバー４ｂとを備えた、いわゆるクローズ型のインペラ４である。
ディスク４ａは、それぞれ回転軸２における軸線Ｐ方向の中央位置Ｃに向かって、軸線Ｐの径方向外側に漸次拡径する円盤状に形成されている。
ブレード４ｃは、ディスク４ａから軸線Ｐ方向における中央位置Ｃとは反対側の端部側に突出するように形成されている。ブレード４ｃは、軸線Ｐの周方向に所定間隔をあけて複数形成されている。
カバー４ｂは、軸線Ｐ方向における端部側から複数のブレード４ｃを覆う。カバー４ｂは、ディスク４ａに対向する円盤状に形成されている。

インペラ４は、軸線Ｐ方向両側に配された各軸受３の間の回転軸２に複数取り付けられている。これらインペラ４は、軸線Ｐ方向においてブレード４ｃの向きが互いに反対側を向く二組の三段式インペラ群４Ａ、４Ｂを構成している。これら三段式インペラ群４Ａ、三段式インペラ群４Ｂにおいては、それぞれ軸線Ｐ方向の中央位置Ｃ側のプロセスガスＧの圧力が最も高くなる。つまり、プロセスガスＧは、三段式インペラ群４Ａ、三段式インペラ群４Ｂ各々を軸線Ｐの方向の中央位置Ｃに向かって段階的に圧縮されながら流れる。

ケーシング６は、軸受３を支持するとともに回転軸２、インペラ４、シール装置５１をそれぞれ外周側から覆う。ケーシング６は、筒状に形成されている。

ケーシング６は、軸線Ｐ方向の一方側（図１中、紙面左側）に、吸込口６ｂＡを備えている。吸込口６ｂＡは、環状に形成された吸込流路６ｃＡに接続されている。吸込流路６ｃＡは、三段式インペラ群４Ａの最も一方側に配されるインペラ４の流路と接続されている。つまり、吸込口６ｂＡから流入するプロセスガスＧは、吸込流路６ｃＡを介して三段式インペラ群４Ａへと導入される。

ケーシング６は、各インペラ４のブレード４ｃ間に形成された流路同士を接続するケーシング流路６ａＡ、６ａＢを備えている。

ケーシング６は、軸線Ｐ方向の中央位置Ｃ側に、排出口６ｅＡを備えている。この排出口６ｅＡは、環状に形成された排出流路６ｄＡに接続されている。排出流路６ｄＡは、三段式インペラ群４Ａの最も他方側（図１中、紙面右側）に配されるインペラ４の流路に接続されている。つまり、三段式インペラ群４Ａの最も他方側に配されるインペラ４で圧縮されたプロセスガスＧは、排出流路６ｄＡを介して排出口６ｅＡからケーシング６の外部に排出される。

ケーシング６は、中央位置Ｃを境にして、軸線Ｐ方向の一方側と他方側とが対称に形成されている。ケーシング６の他方側には、ケーシング流路６ａＢ、吸込口６ｂＢ、吸込流路６ｃＢ、排出流路６ｄＢ、排出口６ｅＢが形成されている。このケーシング６の他方側に配された三段式インペラ群４Ｂは、一方側の三段式インペラ群４Ａで圧縮したプロセスガスＧを更に圧縮する。

つまり、ケーシング６の他方側においては、排出口６ｅＡから排出されたプロセスガスＧが吸込口６ｂＢに送り込まれる。その後、吸込口６ｂＢから流入したプロセスガスＧは、吸込流路６ｃＢを介して三段式インペラ群４Ｂに供給されて段階的に圧縮される。
三段式インペラ群４Ｂによって圧縮されたプロセスガスＧは、排出流路６ｄＢを介して排出口６ｅＢからケーシング６の外部に排出される。

上述したように三段式インペラ群４Ａにおいて圧縮されたプロセスガスＧは、三段式インペラ群４Ｂに導入されて更なる圧縮が行われて中央位置Ｃ付近に到達する。そのため、三段式インペラ群４Ａと三段式インペラ群４Ｂとの間には圧力差が生じている。具体的には、三段式インペラ群４Ａの方が低圧となっており、三段式インペラ群４Ｂの方が高圧となっている。さらに、中央位置Ｃ付近においては、回転軸２の外周面２ａとケーシング６の内周面との間に、空間が形成されている。そのため、プロセスガスＧは、この空間を通じて三段式インペラ群４Ｂが配置されている軸線Ｐ方向の他方側である高圧側を上流として、三段式インペラ群４Ａが配置されている軸線Ｐ方向の一方側である低圧側の下流に向かって流れようとしてしまう。
そこで、この実施形態におけるシール装置５１は、高圧側である三段式インペラ群４Ｂから低圧側である三段式インペラ群４ＡへのプロセスガスＧの流れを抑制するために、中央位置Ｃ付近に設けられている。

シール装置５１は、回転軸２の外周側に設けられて、三段式インペラ群４Ａと三段式インペラ群４Ｂとの間でのプロセスガスＧの流通を封止する。シール装置５１は、図２及び図３に示すように、回転軸２の外周面２ａに面して配置されて回転軸２の周方向に一様に形成される第一シール部５１１と、回転軸２の外周面２ａに面して配置されて回転軸２の周方向に構造が変化する第二シール部５１２とを有する。

第一シール部５１１は、回転軸２の外周面２ａを覆って配置される環状部材である。第一シール部５１１は、回転軸２との間に回転軸２を回転させるための隙間Ｓ１が形成されるよう配置される。第一シール部５１１は、回転軸２の外周面２ａと対向する面である第一内周面５１１ａが回転軸２の周方向に一様に形成される。即ち、第一シール部５１１は、第一内周面５１１ａと外周面２ａとの径方向の距離が、全周にわたって等距離Ｌとされている。具体的には、本実施形態の第一シール部５１１は、第一内周面５１１ａの端縁が真円状をなして軸線Ｐ方向に延びる円筒形状に形成されている。

第二シール部５１２は、第一シール部５１１の高圧側と低圧側との両側に配置されている。即ち、第二シール部５１２は、第一シール部５１１に対して軸線Ｐ方向の両側から挟み込むように並んで接続される。第二シール部５１２は、回転軸２の外周面２ａを覆って配置され、第一シール部５１１とは構造の異なる環状部材である。第二シール部５１２も、回転軸２との間に回転軸２を回転させるための隙間Ｓ２が形成されるよう配置される。第二シール部５１２は、回転軸２の外周面２ａと対向する面である第二内周面５１２ａの形状が周方向で変化する。言い換えれば、本実施形態の第二シール部５１２は、周方向の位置が異なると、第二内周面５１２ａと外周面２ａとの隙間Ｓ２の径方向の距離が異なっている。

また、第二シール部５１２は、第二内周面５１２ａが軸線Ｐ方向に沿って第一シール部５１１側から高圧側又は低圧側に向かうにしたがって徐々に拡径している。本実施形態の第二シール部５１２は、軸線Ｐ方向の第一シール部５１１との境界において、第二内周面５１２ａと外周面２ａとの径方向の距離が、第一内周面５１１ａと外周面２ａとの径方向の距離と一致して等距離Ｌとなるように形成される。

具体的には、第二シール部５１２の第二内周面５１２ａは、少なくとも高圧側又は低圧側で、第二内周面５１２ａと外周面２ａとの径方向の距離が、第一シール部５１１と同じ等距離Ｌの位置から周方向に向かうにしたがって徐々に広がるように形成される。

より具体的には、本実施形態の第一シール部５１１の高圧側に配置される第二シール部５１２では、軸線Ｐ方向の高圧側における第二内周面５１２ａの端縁である第一端縁５１２ｂを軸線Ｐ方向から見た形状が、鉛直方向の上端又は下端の位置での径方向の距離が等距離Ｌとされる。そして、第一端縁５１２ｂを軸線Ｐ方向から見た形状は、この上端又は下端の位置と周方向に９０度異なる水平方向の両端の位置に向かうにしたがって径方向の距離が広がって、水平方向に長い楕円状に形成されている。

そして、第一シール部５１１の高圧側に配置される第二シール部５１２では、軸線Ｐ方向の第一シール部５１１側における第二内周面５１２ａの端縁である第二端縁５１２ｃを軸線Ｐ方向から見た形状が、外周面２ａとの距離が第一内周面５１１ａと同じとされ、等距離Ｌの真円状に形成されている。

また、第一シール部５１１の低圧側に配置される第二シール部５１２では、第一シール部５１１を挟んで高圧側に配置される第二シール部５１２を反転した状態で配置される。即ち、低圧側に配置される第二シール部５１２では、第一端縁５１２ｂが軸線Ｐ方向の低圧側、第二端縁５１２ｃが軸線Ｐ方向の第一シール部５１１側に配置される。

次に、上記構成のシール装置５１の作用について説明する。
上記のような回転機械１では、流体であるプロセスガスＧを圧縮することで、回転軸２の外周面２ａと第二シール部５１２の第二内周面５１２ａや第一シール部５１１の第一内周面５１１ａとの間の隙間Ｓ１、Ｓ２にもプロセスガスＧの一部が流入し、回転軸２の外周面２ａの周りにらせん状をなして軸線Ｐ方向に向かう漏れ流れが生じる。この漏れ流れは、回転軸２の回転方向Ｒに向かう周方向の成分である漏れ旋回流れと、回転軸２の軸線Ｐ方向に向かう成分である漏れ軸線方向流れとによって構成されている。そして、本実施形態の回転機械１では、この漏れ流れを生じさせているプロセスガスＧが、軸線Ｐ方向の高圧側から第二内周面５１２ａと外周面２ａとの間の隙間Ｓ２、第一内周面５１１ａと外周面２ａとの間の隙間Ｓ１、第二内周面５１２ａと外周面２ａとの間の隙間Ｓ２に順に流入することで、回転軸２の軸線Ｐ方向に沿って上流側から下流側に向かってプロセスガスＧが流出してしまうことが抑制されている。

上記のようなシール装置５１によれば、第二シール部５１２が、回転軸２の周方向に第二内周面５１２ａの形状を変化させるように形成されていることで、プロセスガスＧの漏れ流れによって回転軸２に作用する剛性を、回転軸２の周方向の位置によって異なった状態で作用させることができる。即ち、第二シール部５１２の剛性に異方性を生じさせることができる。その結果、回転軸２を意図的に楕円形状に振れ回らせ、この振れ回りを維持することによって回転軸２に発生する不安定振動を抑制することができる。特に、第一シール部５１１と第二シール部５１２とが軸線Ｐ方向に隣接して、近い位置に配置されていることで、より効果的に第二シール部５１２の剛性に異方性を生じさせることができる。また、第一内周面５１１ａが回転軸２の外周面２ａに対して周方向に一定の間隔となるように一様に形成されている第一シール部５１１が配置されていることで、第二シール部５１２だけでは漏れてしまうプロセスガスＧを第一シール部５１１によってシールしてシール装置５１としての漏れ量を低減させることができる。これらによって、回転軸２の不安定振動を抑制しながらシール効果を得ることができる。

また、第二シール部５１２が第一シール部５１１の軸線Ｐ方向の高圧側に配置されていることで、第一内周面５１１ａと外周面２ａとの隙間Ｓ１よりも先にプロセスガスＧを第二内周面５１２ａと外周面２ａとの隙間Ｓ２に流入させることができる。第二内周面５１２ａと外周面２ａとの隙間Ｓ２からプロセスガスＧを流入させることで、より強い異方性を生じさせることができる。その結果、回転軸２を意図的に楕円形状に振れ回らせ、この振れ回りを安定して維持することによって、回転軸２に発生する不安定振動をより効果的に抑制することができる。

さらに、第二内周面５１２ａと回転軸２の外周面２ａとの径方向の距離を周方向に変化させることで、第二内周面５１２ａと外周面２ａとの隙間Ｓ２の大きさが周方向で異なることになる。そのため、隙間Ｓ２が大きい位置である水平方向の両端では流入するプロセスガスＧの流量が増加し、漏れ流れによって回転軸２に作用する圧力が小さくなる。一方、隙間Ｓ２が小さい位置である鉛直方向の上端又は下端では流入するプロセスガスＧの流量が減少し、漏れ流れによって回転軸２に作用する圧力が大きくなる。したがって、第二内周面５１２ａと外周面２ａとの距離が大きい周方向の水平方向の位置では回転軸２に作用する圧力が小さく、第二内周面５１２ａと外周面２ａとの距離が小さい周方向の鉛直方向の位置では回転軸２に作用する圧力が大きくなるように、漏れ流れによって回転軸２に作用する剛性に異方性を生じさせることができる。したがって、容易に異方性を有する第二シール部５１２を形成することができる。

また、第二シール構造の第二内周面５１２ａが、軸線Ｐ方向を第一シール部５１１に向かうにしたがって縮径し、第一シール側の第一端縁５１２ｂが第一内周面５１１ａに一致するよう形成されていることで、第二シール部５１２と第一シール部５１１とのつなぎ目に大きな段差を生じさせずになだらかに接続することができる、そのため、第二内周面５１２ａと外周面２ａの隙間Ｓ２を流れるプロセスガスＧが、第一内周面５１１ａと外周面２ａとの隙間Ｓ１に流入するときに段差等によって受ける損失を低減することができる。

さらに、第二シール部５１２を高圧側だけでなく低圧側にも設けることで、漏れ流れにより回転軸２に作用する力によって、より効果的に異方性を生じさせることができる。

また、このようなシール装置５１を用いた回転機械１によれば、回転軸２の不安定振動を抑制することができ、かつ漏れ低減により回転機械１として効率を高めて、性能を向上させることができる。

《第二実施形態》
次に、図４及び図５を参照して第二実施形態のシール装置５２について説明する。
第二実施形態においては第一実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。この第二実施形態のシール装置５２は、第二シール部５２２の構成について、第一実施形態と相違する。

即ち、第二実施形態の第二シール部５２２は、第一実施形態とは形状の異なる第二内周面５２２ａから回転軸２の外周面２ａに向かって延びるフィン部５２３を有する。第二実施形態の第二内周面５２２ａは、外周面２ａとの径方向の距離が、全周にわたって第一内周面５１１ａと外周面２ａとの径方向の距離よりも広い一定の距離で形成されている。具体的には、本実施形態の第二内周面５２２ａは、第一端縁５２２ｂ及び第二端縁５２２ｃが第一内周面５１１ａの端縁よりの径の大きい真円状をなしている。

フィン部５２３は、図４及び図５に示すように、第二内周面５２２ａにおいて回転軸２の周方向に複数配置される。フィン部５２３は、第二内周面５２２ａから軸線Ｐに向かって平板状をなして延びている。フィン部５２３は、周方向に隣接するフィン部５２３同士の間隔を周方向に変化させるように設けられる。つまり、周方向の位置が異なると隣り合うフィン部５２３同士の間隔が異なっている。具体的には、本実施形態のフィン部５２３は、鉛直方向の上端又は下端でフォン部同士の間隔が最も小さくなるよう配置されている。そして、フィン部５２３は、水平方向の両端に向かうにしたがってフィン部５２３同士の間隔が広がって、この上端又は下端の位置と周方向に９０度異なる水平方向の両端の位置で最も間隔が大きくなるよう配置されている。即ち、第二シール部５２２では、鉛直方向の上端及び下端にフィン部５２３が最も密集して配置され、水平方向の両端ではフィン部５２３がまばらに配置されている。

上記のようなシール装置５２によれば、周方向に隣接するフィン部５２３同士の間隔を周方向に変化させることで、フィン部５２３が配置されている数が周方向で異なることとなる。漏れ流れのうち漏れ旋回流れは、フィン部５２３に衝突することで漏れ旋回流速が低減される。ところが、フィン部５２３がまばらに僅かしか配置されていない位置である水平方向の両端では、漏れ旋回流れを遮るフィン部５２３が少ないため、漏れ旋回流速の低減効果が低くなる。一方、フィン部５２３が密集してたくさん配置されている位置である鉛直方向の上端及び下端では、漏れ旋回流れを遮るフィン部５２３が多いため、漏れ旋回流速の低減効果が高くなる。つまり、フィン部５２３の少ない周方向の水平方向の位置では回転軸２の外周面２ａ付近の漏れ旋回流速が小さく、フィン部５２３の多い周方向の鉛直方向の位置では回転軸２の外周面２ａ付近の漏れ旋回流速が大きくなる。したがって、漏れ旋回流れによって回転軸２に作用する剛性に異方性を生じさせることができる。したがって、容易に異方性を有する第二シール部５２２を形成することができる。

《第三実施形態》
次に、図６から図８を参照して第三実施形態のシール装置５３について説明する。
第三実施形態においては第一実施形態及び第二実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。この第三実施形態のシール装置５３は、第二シール部５３２の構成について、第一実施形態及び第二実施形態と相違する。

即ち、第三実施形態の第二シール部５３２は、軸線Ｐ方向の長さを回転軸２の周方向に変化させる。言い換えれば、第二シール部５３２は、周方向の位置が異なると軸線Ｐ方向の長さが異なっている。第二シール部５３２は、第二内周面５３２ａの軸線Ｐ方向から見た形状が第一シール部５１１と同じ形状となるよう形成されている。即ち、第二内周面５３２ａは、図６に示すように、第一端縁５３２ｂ及び第二端縁５３２ｃが第一内周面５１１ａの端縁と同じ径の真円状をなしている。

そして、第二シール部５３２は、第一シール部５１１側から高圧側又は低圧側に向かう軸線Ｐ方向の長さが周方向に変化する。具体的には、第二シール部５３２は、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、水平方向の両端の位置の方が鉛直方向の上端又は下端の位置よりも軸線Ｐ方向に長く形成されている。

さらに、図８に示すように、例えば、高圧側に配置された第二シール部５３２は、高圧側を向く端面が水平方向の両端の位置から鉛直方向の上端及び下端の位置に周方向に向かってなだらかに接続されている。即ち、高圧側に配置された第二シール部５３２は、軸線Ｐ方向の第一シール側を向く端面が平坦に形成され、軸線Ｐ方向の高圧側を向く端面が波打つように形成されている。なお、低圧側に配置された第二シール部５３２は、高圧側に配置された第二シール部５３２と反対に、低圧側を向く端面が波打つように形成されている。

上記のような記のようなシール装置５３によれば、軸線Ｐ方向の長さが周方向に変化することで、第二内周面５３２ａと外周面２ａとの隙間Ｓ２を流れるプロセスガスＧのエネルギー損失が周方向で異なることとなる。漏れ流れのうち漏れ軸線方向流れは、第二内周面５３２ａと外周面２ａとの隙間Ｓ２を軸線Ｐ方向に流れることで、摩擦によってエネルギー損失が生じる。そのため、軸線Ｐ方向の長さが長い水平方向の両端では、エネルギー損失が大きくなる。一方、軸線Ｐ方向の長さが短い鉛直方向の上端及び下端ではエネルギー損失が小さくなる。したがって、漏れ軸線方向流れによって回転軸２に作用する剛性に異方性を生じさせることができる。したがって、容易に異方性を有する第二シール部５３２を形成することができる。

《第四実施形態》
次に、図９から図１１を参照して第四実施形態のシール装置５４について説明する。
第四実施形態においては第一実施形態から第三実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。この第四実施形態のシール装置５４は、第二シール部５４２の構成について、第一実施形態から第三実施形態と相違する。

即ち、第四実施形態の第二シール部５４２は、外周面２ａと対向する面の表面粗さを回転軸２の周方向に変化させる。言い換えれば、第二シール部５４２は、周方向の位置が異なると表面粗さが異なっている。第二シール部５４２は、第二内周面５４２ａの軸線Ｐ方向から見た形状は第三実施形態と同じ形状となるよう形成されている。即ち、第二内周面５４２ａは、図９に示すように、第一端縁５４２ｂ及び第二端縁５４２ｃが第一内周面５１１ａに端縁と同じ径の真円状をなしている。

また、第二シール部５４２は、図１０に示すように、軸線Ｐ方向の長さも全周にわたって同じ長さに形成されている。
そして、第二シール部５４２は、図１１に示すように、第二内周面５４２ａの表面粗さが鉛直方向の上端又は下端の位置から水平方向の両端の位置に向かうにしたがって徐々に粗くなるように形成されている。即ち、第二内周面５４２ａは、鉛直方向の上端及び下端の位置で最も面の凹凸が小さくなるように形成され、水平方向の両端の位置で最も面の凹凸が大きくなるように形成されている。例えば、本実施形態の第二内周面５４２ａは、水平方向の両端の位置では機械加工後に研磨等を行わない状態として粗く形成し、鉛直方向の上端及び下端の位置では研磨等を行って表面を鏡面のように滑らかに形成する。

上記のような記のようなシール装置５４によれば、第二内周面５４２ａの表面粗さが周方向に変化することで、第二内周面５４２ａと外周面２ａとの隙間Ｓ２を流れるプロセスガスＧのエネルギー損失が周方向で異なることとなる。そのため、表面粗さの粗い水平方向の両端では、エネルギー損失が大きくなる。一方、表面粗さの細かい鉛直方向の上端及び下端ではエネルギー損失が小さくなる。したがって、漏れ軸線方向流れによって回転軸２に作用する剛性に異方性を生じさせることができる。したがって、容易に異方性を有する第二シール部５４２を形成することができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。

なお、上述した各実施形態は、それぞれ単独の構成として用いられても良く、組み合わせて用いられてもよい。例えば、第一実施形態の第二シール部５１２と第二実施形態の第二シール部５２２とを組み合わせて、第二内周面５１２ａの形状が周方向に変化しつつ、フィン部５２３が設けられていてもよい。即ち、各実施形態における構成要素を他の実施形態の構成要素に置き換えることにより適宜組み合わせてもよい。

また、第二シール部５１２、５２２、５３２、５４２は、本実施形態のように第一シール部５１１の軸線Ｐ方向の両側に配置されることに限定されるものではない。即ち、第二シール部５１２、５２２、５３２、５４２は、例えば第一シール部５１１の軸線Ｐ方向の高圧側のみに設けられていたり、逆に低圧側のみに設けられていたりしてもよい。

さらに、軸受３が回転軸２に対して異方剛性を持たせるように形成されている場合、第二シール部５１２、５２２、５３２、５４２は、軸受３と同じ方向に異方性を生じるように、構造を変化させる周方向の位置を軸受３に合わせることが好ましい。

また、上述した各実施形態においては、シール装置５１、５２、５３、５４が、三段式インペラ群４Ｂと三段式インペラ群４Ａとの間の回転軸２周りに設けられる場合について説明したがこれに限定されるものではない。例えば、インペラ４の入口の口金部、および、多段式インペラの最終段に設けられたバランスピストン部などに設けてもよい。
また、インペラ４はクローズ型のインペラに限られず、オープン型のインペラであっても良い。

さらに、インペラ４は三段式に限られるものではない。また、上述した各実施形態においては、シール装置５１、５２、５３、５４を設ける回転機械１として遠心圧縮機を一例に説明した。しかし、回転機械１は遠心圧縮機に限られるものではない。この発明のシール装置５１、５２、５３、５４は、例えば、軸流圧縮機、半径流タービン、軸流タービン、各種産業用圧縮機、および、ターボ冷凍機などにも適用可能である。

１…回転機械 Ｐ…軸線 Ｃ…中央位置 Ｇ…プロセスガス ２…回転軸 ２ａ…外周面 ３…軸受 ４…インペラ ４Ａ、４Ｂ…三段式インペラ群 ４ａ…ディスク ４ｂ…カバー ４ｃ…ブレード ５１、５２、５３、５４…シール装置 ５１１…第一シール部 ５１１ａ…第一内周面 ５１２、５２２、５３２、５４２…第二シール部 ５１２ａ、５２２ａ、５３２ａ、５４２ａ…第二内周面 ５１２ｂ、５２２ｂ、５３２ｂ、５４２ｂ…第一端縁 ５１２ｃ、５２２ｃ、５３２ｃ、５４２ｃ…第二端縁 Ｓ…隙間 Ｌ…等距離 ６…ケーシング ６ａＡ…ケーシング流路 ６ｂＡ…吸込口 ６ｃＡ…吸込流路 ６ｄＡ…排出流路 ６ｅＡ…排出口 ６ａＢ…ケーシング流路 ６ｂＢ…吸込口 ６ｃＢ…吸込流路 ６ｄＢ…排出流路 ６ｅＢ…排出口 ５２３…フィン部

Claims (5)

1. 回転軸の外周面上で前記回転軸の軸線に沿う方向の流体の流れを前記回転軸の外周面の全周にわたって封止するシール装置であって、
   前記回転軸の外周面に面し、前記回転軸の周方向に一様に形成される第一シール部と、
   前記回転軸の外周面に面し、前記回転軸の周方向に構造を変化するよう形成される第二シール部と、を備え、
   前記第二シール部は、前記第一シール部の軸線方向の少なくとも一方側に設けられ、
   前記第二シール部は、前記回転軸の周方向に複数並んで配置され、前記回転軸の外周面に向かって延びるフィン部を有し、
   前記フィン部は、前記回転軸の周方向に隣接する前記フィン部同士の間隔を前記回転軸の周方向に変化させるように設けられるシール装置。
2. 前記第二シール部は、前記第一シール部の高圧側に設けられている請求項１に記載のシール装置。
3. 前記第二シール部は、前記回転軸の外周面との距離を前記回転軸の周方向に変化させるように形成される請求項１又は請求項２に記載のシール装置。
4. 前記第二シール部は、前記軸線方向の長さを前記回転軸の周方向に変化させる請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のシール装置。
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装置を備える回転機械。

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