WO2018061651A1 - シール機構、回転機械 - Google Patents

Abstract

シール機構（２０）は、中心軸（Ｐ）回りに回転する回転軸（２）の外周側に配置され、回転軸（２）の外周面（２ａ）との間のシールを行う。シール機構（２０）は、中心軸（Ｐ）方向に延びる筒状をなし、回転軸（２）の外周面（２ａ）との間に隙間（ｇ）を隔てて対向配置され、隙間に中心軸（Ｐ）方向の第一端側から第二端側に向かって回転軸（２）の回転方向と反対方向の旋回成分を含む逆旋回流が流入する筒状のホールパターンシール（２１Ａ）と、ホールパターンシール（２１Ａ）の内周面（２１ａ）に、回転軸２の外周面（２ａ）に対向するよう形成された複数の穴（２２）と、を備え、複数の穴（２２）の深さは、第一端側から第二端側に向かって、漸次または段階的に小さくなるよう形成されている。

Description

シール機構、回転機械

　この発明は、シール機構、回転機械に関する。
　本願は、２０１６年９月２７日に、日本に出願された特願２０１６－１８８０２３号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　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等に設けられている。

　このようなシール装置の一つとして、ダンパーシールが用いられている。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いる。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エネルギーを減衰し、流体の漏れを低減可能である。

　特許文献１には、回転軸に対向する対向面に設けた複数の穴部において、回転軸の周方向に穴部の深さを異ならせた構成のシール装置が開示されている。

特許第５９３１７０８号公報

　しかしながら、シール装置においては、流体の漏れをさらに低減することが求められている。
　この発明は、回転機械における流体の漏れをさらに低減することができるシール機構、回転機械を提供することを目的とする。

　この発明の第一態様によれば、シール機構は、中心軸回りに回転するロータの外周側に配置され、前記ロータの外周面との間のシールを行うシール機構である。シール機構は、複数の穴が形成されたシール本体を備える。シール本体は、前記中心軸方向に延びる筒状をなす。シール本体は、前記ロータの外周面との間に隙間を隔てて対向配置されている。シール本体は、前記隙間に前記中心軸方向の第一端から第二端に向かって前記ロータの回転方向と反対方向の旋回成分を含む逆旋回流が流入する筒状に形成されている。複数の穴は、前記シール本体の内周面に形成されている。これら複数の穴は、前記ロータの外周面に対向するよう形成されている。複数の前記穴の深さは、前記第一端から前記第二端に向かって、漸次または段階的に小さくなるよう形成されている。

　シール本体に形成した穴の深さが大きいと、逆旋回流の一部が穴に入り込むことで穴の内部で生成される渦流によって、逆旋回流のエネルギーを減衰する効果が低い。そのため、逆旋回流が流入する中心軸方向の第一端に近い側で穴の深さを小さくすることで、逆旋回流のエネルギーが減衰することを抑制できる。したがって、ロータの外周面とシール本体の内周面との間の隙間を流れる流体、すなわちロータの回転方向と同方向に旋回しながら中心軸方向第一端から第二端に向かって流れる流体（主流）の旋回成分を、逆旋回流によって効率よく減衰させることができる。
　一方で、シール本体に形成した穴の深さが小さいと、穴の内部で生成される渦流によって、流体の流れのエネルギーを減衰する効果が高くなる。中心軸方向の第二端に近い側では、回転軸が回転することで第一端から第二端に向かって流れる流体が連れ回ることで、逆旋回流が打ち消されて旋回成分の減衰効果が薄れる。そのため、中心軸方向の第二端に近い側で穴の深さを小さくすることで、回転軸に対する連れ回りによる流体の旋回成分を効果的に減衰させることができる。したがって、ロータの回転方向と同方向に旋回しながら中心軸方向の第一端から第二端に向かって流れる流体の流れ（主流）の旋回成分が強まることを抑える。
　中心軸方向の第一端に近い側及び第二端に近い側の両方で旋回成分を抑制することができるため、回転機械における流体の漏れをさらに低減することができる。

　この発明の第二態様によれば、第一態様に係る複数の前記穴は、第一の深さを有した複数の第一の穴と、前記第一の穴よりも深さが小さい複数の第二の穴と、を備えるようにしてもよい。
　このように構成することで、複数の穴の深さを、第一の深さと、第二の深さのみとすることができ、穴の加工の手間を軽減することができる。

　この発明の第三態様によれば、第一又は第二態様に係るシール機構は、前記シール本体に対して、前記中心軸方向の第一端に、前記逆旋回流を生成する逆旋回流生成部をさらに備えるようにしてもよい。
　このように構成することで、逆旋回流生成部で生成した、ロータの回転方向と反対方向に回転する逆旋回流によって、ロータの回転方向と同方向に旋回しながら中心軸方向の第一端から第二端に向かって流れる流体の旋回成分を効率よく減衰することができる。

　この発明の第四態様によれば、第三態様に係る逆旋回流生成部は、前記中心軸方向の第一端に、前記ロータの外周面に対向するように複数の穴が形成されたシール部を備えていてもよい。
　このように構成することで、逆旋回流生成部で生成した逆旋回流が、中心軸方向の第一端に向かって逆流することを抑制できる。

　この発明の第五態様によれば、第一から第四態様の何れか一つの態様に係るシール機構において、前記中心軸方向で同じ位置に配置された複数の前記穴の深さは、前記中心軸を中心とした周方向で異なるように形成されていても良い。
　このように周方向における穴の深さを異ならせることで、穴内で生成する渦流の固有振動数を周方向で各々異ならせることができる。その結果、回転軸の不安定振動を減衰する減衰力を様々な周波数の不安定振動に対して作用させて、十分な振動抑制効果を得ることができる。

　この発明の第六態様によれば、回転機械は、第一から第五態様の何れか一つの態様のシール機構を備える。
　このように構成することで、回転機械の回転軸とシール本体との隙間を通って、中心軸方向の第一端から第二端に向かって流体が漏れるのを抑えることができる。その結果、回転機械の効率が高まる。

　上記シール機構、回転機械によれば、回転機械における流体の漏れをさらに低減することができる。

この発明の第一実施形態に係る回転機械を示す概略構成を示す断面図である。 上記回転機械のシール機構のホールパターンシールを示す斜視図である。 上記回転機械のシール機構の部分断面図である。 上記回転機械に設けられたシャントホールを示す断面図である。 上記ホールパターンシールの高圧側の穴における流体の流れを示す断面図である。 上記ホールパターンシールの低圧側の穴における流体の流れを示す断面図である。 上記ホールパターンシールの穴の深さを異ならせた場合の、穴の軸方向位置と、流体の周方向速度との相関の解析結果を示す図である。 この発明の第二実施形態に係る上記回転機械のシール機構におけるホールパターンシールを示す断面図である。 上記第一、第二実施形態で示したホールパターンシールの第一変形例を示す断面図である。 上記第一、第二実施形態で示したホールパターンシールの第二変形例を示す断面図である。

（第一実施形態）
　以下、この発明の第一実施形態における回転機械について図面に基づき説明する。
　図１は、この発明の第一実施形態に係る回転機械を示す概略構成を示す断面図である。　図１に示すように、この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、回転軸（ロータ）２と、軸受３と、インペラ４と、シール機構２０と、ケーシング６とを備えている。

　回転軸２は、柱状をなして中心軸Ｐ方向に延在し、中心軸Ｐ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を中心軸Ｐ回りに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、回転軸２に取り付けられ、回転軸２と一体の回転によって生じ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は、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における中心軸Ｐ方向の中央位置Ｃに向かって、中心軸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から中心軸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、中心軸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、中心軸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、中心軸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、中心軸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、それぞれ中心軸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各々を中心軸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、シール機構２０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、中心軸Ｐ方向の一方（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のうち最も中心軸Ｐ方向の一方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、中心軸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のうち最も中心軸Ｐ方向の他方（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のうち最も中心軸Ｐ方向の他方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、中心軸Ｐ方向の一方と他方とが対称に形成されている。ケーシング６は、中央位置Ｃよりも他方に、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。
　ケーシング６は、中央位置Ｃよりも他方において、三段式インペラ群４Ａ側の排出口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。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。このようにして、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。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。

　上記したように、ケーシング６の中央位置Ｃよりも他方に配された三段式インペラ群４Ｂは、中央位置Ｃよりも一方に配された三段式インペラ群４Ａで圧縮したプロセスガスＧを更に圧縮する。これにより、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。

　回転機械１は、中央位置Ｃ付近において、回転軸２の外周面２ａとケーシング６の内周面との間に形成された隙間ｇ（図３参照）を有している。プロセスガスＧは、回転軸２の外周面２ａとケーシング６の内周面との間の隙間ｇを通って、高圧の三段式インペラ群４Ｂ側から、低圧の三段式インペラ群４Ｂに向かって流れようとする。この高圧の三段式インペラ群４Ｂから、低圧の三段式インペラ群４Ｂに向かうプロセスガスＧの流れを抑制するためにシール機構２０が設けられている。
　シール機構２０は、インペラ４同士の間に配されて回転軸２の外周面２ａに沿って設けられている。このシール機構２０は、高圧側の三段式インペラ群４Ｂと、低圧側の三段式インペラ群４Ａとの間の中央位置Ｃ付近に設けられている。

　図２は、シール機構を構成するホールパターンシールの構成の一部を示す斜視図である。図３は、シール機構を示す断面図である。
　図２、図３に示すように、シール機構２０は、ケーシング６の内周面に、回転軸２と隙間ｇを有して設けられたホールパターンシール（シール本体）２１Ａからなる。ホールパターンシール２１Ａは、筒状をなし、その内部に回転軸２が挿通されている。

　図２に示すように、ホールパターンシール２１Ａの内周面２１ａには、径方向内側に向かって開口する複数の穴２２が形成されている。これら複数の穴２２は、それぞれの穴径が実質的に等しい断面円形に形成されている。各穴２２は、回転軸２の径方向外側に窪むように配置されている。各穴２２は、底面２２ａが円錐状（図５参照）とされている。言い換えれば、底面２２ａは、径方向外側に向かって縮径するように形成されている。
　複数の穴２２は、ホールパターンシール２１Ａの内周面２１ａに、略千鳥状に配置されている。

　図３に示すように、ホールパターンシール２１Ａに対し、中心軸Ｐ方向において高圧側となる第一端（図３の紙面右側の端部）に、シャントホール（逆旋回流生成部）３０が設けられている。

　図４は、上記回転機械に設けられたシャントホールを示す断面図である。
　図３、図４に示すように、シャントホール３０は、回転軸２の径方向外側で周方向に連続する溝３１と、溝３１に対して径方向外側からプロセスガスＧを送り込む流体供給路３２と、を備える。流体供給路３２は、溝３１の径方向外側に、周方向に間隔を空けて複数設けられている。各流体供給路３２は、中心軸Ｐを中心とした径方向に対して周方向に傾斜し、溝３１内に、回転軸２の回転方向ｒ１と反対方向ｒ２に向かってプロセスガスＧを送り込む。溝３１内に送り込まれたプロセスガスＧは、回転方向ｒ１と反対方向ｒ２に旋回する逆旋回流Ｆｓとなる。逆旋回流Ｆｓは、ケーシング６と回転軸２との間の隙間ｇに流れ込み、低圧側のホールパターンシール２１Ａが設けられている中心軸Ｐ方向の第二端（図３の紙面左側の端部）に向かって流れていく。

　ホールパターンシール２１ＡによるプロセスガスＧの流れの減衰効果は，一般に，ダイレクト減衰：Cxxとクロス剛性：Kxyを用いて、等価減衰（Cxx-Kxy/ω）で評価し（ωは回転軸の振れ回り角振動数）、透過減衰が大きいほど減衰付与効果が高い。ホールパターンシール２１Ａに流入するプロセスガスＧは、回転軸２の回転方向ｒ１と同方向の旋回成分を有している。このプロセスガスＧの旋回成分が、等価減衰のクロス剛性Kxyを大きくし、等価減衰値を下げる。そのため、ホールパターンシール２１Ａの中心軸Ｐ方向の第一端に形成された入口（高圧側）におけるプロセスガスＧの旋回成分を弱めるために、シャントホール３０から送り込む逆旋回流Ｆｓによって、クロス剛性Kxyをマイナス化し、等価減衰を増加させる。

　図３に示すように、シャントホール３０に対して中心軸Ｐ方向の第一端である高圧側（図３において紙面右側の端部）には、シャントホール３０で送り込むプロセスガスＧが高圧側に逆流するのを抑えるため、ホールパターンシール２１Ａと同様、複数の穴２２を有した高圧側シール部（シール部）２５が設けられている。

　このようなシール機構２０においては、回転軸２が回転すると、回転軸２の周囲のプロセスガスＧには、インペラ４を含む回転体から回転接線方向にせん断力が作用する。このせん断力の作用によって周方向の速度成分を有するスワール（旋回流）が発生する。このスワールを含むプロセスガスＧが、中心軸Ｐ方向におけるシール機構２０両側の圧力差によって高圧側から低圧側に向かって流れようとする。

　上記スワールを含むプロセスガスＧは、ホールパターンシール２１Ａの最も高圧側の端部と回転軸２の外周面２ａとの隙間ｇによって縮流される。この隙間ｇに入り込んだプロセスガスＧは、回転方向ｒ１（図４参照）に旋回しながら中心軸Ｐ方向を低圧側に向かって進む。

　低圧側に向かって進むプロセスガスＧの一部は、ホールパターンシール２１Ａの穴２２の内部に入り込み、底面２２ａで開口部２２ｂに向かうように折り返されて渦流となる。穴２２から出たプロセスガスＧの一部は、中心軸Ｐ方向を低圧側に流れるプロセスガスＧの主流と干渉する。穴２２で生成されたプロセスガスＧの一部による渦流と、中心軸Ｐ方向に沿って低圧側に流れるプロセスガスＧの主流とは、流れの向きが異なる。これにより、中心軸Ｐ方向に沿って低圧側に流れるプロセスガスＧの主流のエネルギーが減衰される。

　図５は、上記ホールパターンシールの高圧側の穴における流体の流れを示す断面図である。図６は、上記ホールパターンシールの低圧側の穴における流体の流れを示す断面図である。
　ここで、ホールパターンシール２１Ａの穴２２に入り込むプロセスガスＧの流れの周方向成分に注目する。
　図５に示すように、シャントホール３０が設けられた高圧側においては、シャントホール３０から送り込まれたプロセスガスＧによる逆旋回流Ｆｓが、中心軸Ｐ回りの回転軸２の回転方向ｒ１とは反対方向ｒ２に旋回する。この逆旋回流Ｆｓにより、ホールパターンシール２１Ａに対して中心軸Ｐ方向に流入したプロセスガスＧの主流Ｆｍが有する回転方向ｒ１への周方向成分が打ち消されて、プロセスガスＧの主流Ｆｍも反対方向ｒ２に旋回するようになる。すると、この反対方向ｒ２に旋回するプロセスガスＧの一部が、穴２２に流れ込み、穴２２内に渦流Ｆ１が生成される。渦流Ｆ１は、穴２２の開口部２２ｂから出たときに、ｒ２に旋回しながら流れるプロセスガスＧの主流Ｆｍに合流する。この際、渦流Ｆ１は、主流Ｆｍから反対方向ｒ２への運動量を得て反対方向ｒ２に向きを変えるが、その分、主流Ｆｍのエネルギーがロスして、主流Ｆｍの旋回速度を低下させる。

　同様に、図６に示すように、シャントホール３０から離間した低圧側では、回転方向ｒ１に回転する回転軸２との摩擦、プロセスガスＧの主流Ｆｍとの干渉等によって、プロセスガスＧの主流Ｆｍは、回転軸２の回転方向ｒ１と同方向に連れ回り、回転方向ｒ１に流れる旋回流Ｆｔを含むようになる。すると、この回転方向ｒ１に流れるプロセスガスＧの一部が、穴２２内に流れ込み、穴２２内に渦流Ｆ２が生成される。渦流Ｆ２は、高圧側における渦流Ｆ１とは反対方向に渦を巻く。この渦流Ｆ２は、渦流Ｆ１と同様に、穴２２の開口部２２ｂから出たときに、回転軸２の回転によって回転方向ｒ１に旋回しながら流れるプロセスガスＧの主流Ｆｍに合流する。この際、渦流Ｆ２は、プロセスガスＧの主流Ｆｍの回転方向ｒ１への周方向成分から運動量を得て向きを変える。そのため、主流Ｆｍのエネルギーがロスして、主流Ｆｍの回転方向ｒ１の旋回流速を低下させる。
　ここで、シャントホール３０が設けられた高圧側において、逆旋回流Ｆｓによる反対方向ｒ２への周方向成分が減衰するほど、シャントホール３０から離間した低圧側では、主流Ｆｍの回転方向ｒ１への周方向成分が大きくなる。このように、低圧側で主流Ｆｍの回転方向ｒ１への周方向成分が大きくなると、その分だけホールパターンシール２１Ａでは減衰しきれない回転方向ｒ１への周方向成分が増加してしまい、シールの減衰性能が低下する。（シールの減衰性能は、シール隙間を流れる主流の旋回流が、ロータ回転と逆向きの方が高く、同じ向きだと低下する。）

　そこで、図３に示すように、ホールパターンシール２１Ａを構成する複数の穴２２は、中心軸Ｐ方向において、シャントホール３０が設けられた高圧側（図３の紙面右側）から、低圧側に向かって、その穴深さｈが漸次小さくなるよう形成されている。
　ここで、最も高圧側に位置し、最も深さｈが大きい穴２２Ａは、その穴径ｄに対する深さｈａの比が、
　　ｄ×１．０≦ｈａ≦ｄ×２．０
程度であるのが好ましい。
　また、最も低圧側に位置し、最も深さｈが小さい穴２２Ｚは、その穴径ｄに対する深さｈｚの比が、
　　ｄ×０．５≦ｈｚ≦ｄ×１．０　（ただし、ｈｚ＜ｈａ）
程度であるのが好ましい。

　図７は、ホールパターンシール２１Ａの穴２２の深さを異ならせた場合の、中心軸Ｐ方向における穴２２の軸方向位置と、ケーシング６と回転軸２との間の隙間ｇでのプロセスガスＧの周方向速度との相関を、ＣＦＤ（数値流体力学： Computational Fluid Dynamics）解析によって解析した結果を示す図である。
　この図７において、ケーシング６と回転軸２との間の隙間ｇでのプロセスガスＧの周方向速度（周方向成分）は、回転軸２の回転方向ｒ１と同方向である場合には「正」、回転軸２の回転方向ｒ１と反対方向ｒ２である場合には、「負」としている。
　図７に示すように、ホールパターンシール２１Ａの穴２２は、深さが小さい浅穴の場合と、深さが大きい深穴の場合とを比較すると、ホールパターンシール２１Ａのうち高圧側では、浅穴よりも深穴の方が、回転軸２の回転方向ｒ１に対して反対の方向である反対方向ｒ２への周方向速度が大きい。これは、シャントホール３０によって送り込まれた逆旋回流Ｆｓが、浅穴よりも深穴の方が維持されることを意味する。
　また、ホールパターンシール２１Ａが設けられた高圧側から離間した低圧側では、深穴よりも浅穴の方が、回転軸２の回転方向ｒ１への周方向速度が小さい。これは、プロセスガスＧの主流Ｆｍの周方向成分を減衰させる効果が深穴よりも浅穴の方が大きいことを意味する。
　このような傾向は、穴２２の深さによって、穴２２内で生成される渦流のエネルギーの損失が異なることによると考えられる。穴２２の深さが大きいと、穴２２内で生成された渦流が乱れて、穴２２の内周面との摩擦、穴２２内の渦流同士の干渉等によって、渦流のエネルギー（流速）の低下の度合いが大きくなる。換言すると、穴２２の深さが小さいと、穴２２内で生成された渦流は、きれいに渦を巻き、エネルギーの低下が小さいまま、穴２２の開口部２２ｂから出る。
　そのため、穴２２の深さが大きいほど、穴２２の開口部２２ｂ近傍を流れる流れの周方向成分に対する旋回流低減効果が小さく、穴２２の深さが小さいほど、旋回流低減効果が大きい。

　上記知見から、この実施形態においては、シャントホール３０から送り込まれた反対方向ｒ２に流れる逆旋回流Ｆｓの流れが強い高圧側においては、この反対方向ｒ２のプロセスガスＧの逆旋回流Ｆｓをなるべく減衰させないように穴２２の深さを大きくしている。

　また、シャントホール３０から送り込まれた反対方向ｒ２に流れるプロセスガスＧの逆旋回流Ｆｓが、回転軸２の回転の影響によって回転方向ｒ１の旋回流Ｆｔに転じてしまう低圧側では、穴２２の深さを小さくし、プロセスガスＧの主流Ｆｍの回転方向ｒ１への旋回速度を低下させる。

　上述した第一実施形態の回転機械１によれば、ホールパターンシール２１Ａに形成した複数の穴２２の深さを、逆旋回流Ｆｓが流入する側である中心軸Ｐ方向の第一端に近い側である高圧側で大きくすることで、逆旋回流Ｆｓの速度低下を抑制させる。そのため、シール上流の高圧側では、シール減衰性能に影響のあるロータ回転との逆旋回流成分の低下を抑えることで、シール減衰性能を向上できる。
　また、中心軸Ｐ方向の第二端に近い側である低圧側では、逆旋回流Ｆｓが、回転方向ｒ１に回転する回転軸２に連れ回る。そのため、低圧側で、穴２２の深さを小さくすることで、プロセスガスＧの主流Ｆｍの旋回成分が強まることを抑制できる。
　このようにして、高圧側から低圧側まで、シール減衰性能に影響のあるロータ回転方向の旋回流速を抑えることで、シールの減衰性能を向上できる。

　また、ホールパターンシール２１Ａに対して、中心軸Ｐ方向の第一端に近い側の高圧側に、逆旋回流Ｆｓを生成するシャントホール３０をさらに備えることによって、プロセスガスＧの主流Ｆｍの旋回成分を効率よく減衰することができる。

　さらに、シャントホール３０に対して、中心軸Ｐ方向の第一端に近い側である高圧側に、高圧側シール部２５が設けられているので、シャントホール３０で生成した逆旋回流Ｆｓが、シャントホール３０よりも高圧側に逆流することを抑制できる。

　さらに、回転機械１は、ホールパターンシール２１Ａを備えることによって、高圧側から低圧側にプロセスガスＧが漏れることを抑制できる。その結果、回転機械１の効率を高めることができる。

（第二実施形態）
　次に、この発明にかかる回転機械である遠心圧縮機の第二実施形態について説明する。この第二実施形態で示す回転機械は、第一実施形態の回転機械に対して、ホールパターンシールの穴の深さを２段階に異ならせる構成が異なるのみである。したがって、第二実施形態の説明においては、第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに重複説明を省略する。つまり、第一実施形態で説明した構成と共通する回転機械の全体構成については、その説明を省略する。

　図８は、この発明の第二実施形態に係る上記回転機械のシール機構におけるホールパターンシールを示す断面図である。
　図８に示すように、この実施形態における回転機械１のシール機構２０のホールパターンシール（シール本体）２１Ｂは、その内周面２１ａに、複数の穴２２を備えている。この実施形態において、ホールパターンシール２１Ｂを構成する複数の穴２２は、中心軸Ｐ方向において、シャントホール３０が設けられた高圧側（図８の紙面右側）の複数の穴（第一の穴）２２Ｈと、低圧側（図８の紙面左側）の複数の穴（第二の穴）２２Ｌとで、その穴深さｈが互いに異なっている。高圧側の穴２２Ｈの深さｈ１は、低圧側の穴２２Ｌの深さｈ２よりも大きい。
　ここで、高圧側の穴２２Ｈは、その穴径ｄに対する深さｈ１の比が、
　　ｄ×１．０≦ｈ１≦ｄ×２．０
程度であるのが好ましい。
　また、低圧側の穴２２Ｌは、その穴径ｄに対する深さｈ２の比が、
　　ｄ×０．５≦ｈ２≦ｄ×１．０　（ただし、ｈ２＜ｈ１）
程度であるのが好ましい。

　したがって、上述した第二実施形態の回転機械１によれば、ホールパターンシール２１Ｂに形成した複数の穴２２Ｈの深さを、逆旋回流Ｆｓが流入する側である中心軸Ｐ方向の第一端側の高圧側で大きくすることで、逆旋回流Ｆｓのエネルギーが減衰することを抑制できる。そのため、中心軸Ｐ方向の第一端から第二端に向かって流れるプロセスガスＧの流れのうち、回転軸２の回転方向ｒ１と同方向に旋回する旋回成分を、逆旋回流Ｆｓによって効率よく減衰することができる。
　また、中心軸Ｐ方向の第二端に近い側である低圧側では、逆旋回流Ｆｓが、回転方向ｒ１に回転する回転軸２と連れ回る。しかし、低圧側で、穴２２Ｌの深さを小さくすることで、プロセスガスＧの主流Ｆｍの旋回成分が強まることを抑制できる。
　その結果、回転機械１における高圧側から低圧側へのプロセスガスＧの漏れを抑えることが可能となる。

　また、穴２２を、深い穴２２Ｈと、浅い穴２２Ｌの２種類のみで構成しているので、ホールパターンシール２１Ｂを構成する複数の穴２２の加工の手間が軽減される。

　上記第二実施形態においては、穴２２を、深い穴２２Ｈと、浅い穴２２Ｌとで、２段階に異ならせるようにしたがこれに限らない。例えば、高圧側から低圧側に向かって、その深さが段階的に順次浅くなる複数の穴２２を、深さを３段階以上に異ならせて形成してもよい。

（第一、第二実施形態の変形例）
　この発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲において、設計変更可能である。
　例えば、上記第一、第二実施形態では、中心軸Ｐに沿って、穴２２の深さを異ならせるようにした。しかし、これに加えて、中心軸Ｐ回りの周方向においても、穴２２の深さを異ならせてもよい。

（第一、第二実施形態の第一変形例）
　図９は、第一、第二実施形態で示したホールパターンシールの第一変形例を示す断面図である。
　図９に示すように、複数の穴２２は、各々がホールパターンシール（シール本体）２１Ｃの内周面２１ａから径方向外側に向かって凹むとともに、中心軸Ｐ方向で同じ位置に配置されて周方向に並んで配置される穴２２同士で穴２２の深さ（径方向の長さ）を漸次または段階的に異ならせてもよい。より具体的には、上下方向Ｄ１に向かって形成された穴２２で最も深さ寸法が大きくなっており、上下方向Ｄ１から水平方向Ｄ２に向かうに従って穴２２の深さ寸法は漸次小さくなっていき、水平方向Ｄ２に向かって形成された穴２２で最も深さ寸法が小さくなっている。

　このように、回転軸２の周方向に穴２２の深さを異ならせると、穴２２内で生成する渦流の固有振動数は周方向で各々に異なる。したがって、回転軸２の不安定振動を減衰する減衰力を様々な周波数の不安定振動に対して作用させることができ、回転軸２に対して十分な振動抑制効果を得ることができる。

　また、穴２２の深さが周方向に異なっていることで、各穴２２の内部に流入したプロセスガスＧには、周方向に不均一な圧力損失が生じる。さらに、穴２２の深さが周方向に異なるために、結果としてホールパターンシール２１Ｃの厚みが周方向に異なることになる。このため、ホールパターンシール２１Ｃは、周方向に剛性が異なる、いわゆる異方剛性を有し、回転軸２に発生する不安定振動を抑制しながら、シール効果を発揮することが可能となる。

（第一、第二実施形態の第二変形例）
　図１０は、第一、第二実施形態で示したホールパターンシールの第二変形例を示す断面図である。
　図１０に示すように、ホールパターンシール（シール本体）２１Ｄを構成する複数の穴２２は、全てが回転軸２の中心軸Ｐに直交する一軸方向となる上下方向Ｄ１に延びるように、ホールパターンシール２１Ｄの内周面２１ａから径方向外側に向かって凹んで形成されている。

　このようなホールパターンシール２１Ｄにおいては、周方向で穴２２の深さが異なるように穴２２が形成されているので、図９に示した構成と同様、回転軸２の不安定振動を減衰する減衰力を様々な周波数の不安定振動に対して作用させることができ、回転軸２に対して十分な振動抑制効果を得ることができる。
　また、このようなホールパターンシール２１Ｄにおいては、これら複数の穴２２を加工する際には、複数の穴２２を同一方向（上下方向Ｄ１）に向かって形成することができる。即ち、穴２２の加工の容易化を図りながら、回転軸２の不安定振動を抑制するとともにシール効果を得ることができる。

　ここで、図９、図１０に示したように、周方向において穴２２の深さを異ならせる構成において、上記第一、第二実施形態と同様、中心軸Ｐに沿って、高圧側から低圧側に向かって、穴２２の深さを漸次、または段階的に浅くしていく。このとき、周方向の同一位置に形成された複数の穴２２について、穴２２の深さを漸次、または段階的に浅くしていく。さらに、最も高圧側に位置する穴２２において、最も深さが小さい穴２２よりも、最も低圧側に位置する複数の穴２２において最も深さが大きい穴２２が、深さが小さくなるようにしてもよい。

（その他の実施形態）
　この発明は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲において、設計変更可能である。
　例えば、上記実施形態では、回転軸２の回転方向ｒ１と反対方向ｒ２の流れをシャントホール３０によって生成するようにしたが、これに限らず、スワールベーン等、他の構成によって、反対方向ｒ２の流れを生成してもよい。

　また、上記各実施形態では、ホールパターンシール２１Ａ，２１Ｂにおいて、穴２２を千鳥状に配置するようにしたが、千鳥状に限らず、互いに隣接する穴２２の間隔及び位相を同一とした正方配置しても良い。

　また、上記各実施形態では、シール機構２０のホールパターンシール２１Ａ，２１Ｂを構成する穴２２を、断面円形に形成したが、これに限らない。例えば、穴２２は、断面円形に限らず、断面六角形状として、いわゆるハニカムシールを構成しても良い。
　更に、穴２２の底面２２ａは、円錐状に限らず、平底状としてもよい。

　この発明は、中心軸回りに回転するロータの外周側に配置され、前記ロータの外周面との間のシールを行うシール機構に適用できる。このようなシール機構に適用することで、回転機械における流体の漏れをさらに低減することができる。

１　回転機械
２　回転軸（ロータ）
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
６　ケーシング
６ａＡ、６ａＢ　ケーシング流路
６ｂＡ、６ｂＢ　吸込口
６ｃＡ、６ｃＢ　吸込流路
６ｄＡ、６ｄＢ　排出流路
６ｅＡ、６ｅＢ　排出口
２０　シール機構
２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄ　ホールパターンシール（シール本体）
２１ａ　内周面
２２、２２Ａ、２２Ｚ　穴
２２Ｈ　穴（第一の穴）
２２Ｌ　穴（第二の穴）
２２ａ　底面
２２ｂ　開口部
２５　高圧側シール部（シール部）
３０　シャントホール（逆旋回流生成部）
３１　溝
３２　流体供給路
Ｃ　中央位置
ｄ　穴径
Ｄ１　上下方向
Ｄ２　水平方向
Ｆ１、Ｆ２　渦流
Ｆｍ　主流
Ｆｓ　逆旋回流
Ｆｔ　旋回流
Ｇ　プロセスガス
ｇ　隙間
Ｐ　中心軸
ｒ１　回転方向
ｒ２　反対方向

Claims (6)

1. 　中心軸回りに回転するロータの外周側に配置され、前記ロータの外周面との間のシールを行うシール機構であって、
   　前記中心軸方向に延びる筒状をなし、前記ロータの外周面との間に隙間を隔てて対向配置され、前記隙間に前記中心軸方向の第一端から第二端に向かって前記ロータの回転方向と反対方向の旋回成分を含む逆旋回流が流入する筒状のシール本体と、
   　前記シール本体の内周面に、前記ロータの外周面に対向するよう形成された複数の穴と、を備え、
   　複数の前記穴の深さは、前記第一端から前記第二端に向かって、漸次または段階的に小さくなるよう形成されているシール機構。
2. 　複数の前記穴は、第一の深さを有した複数の第一の穴と、前記第一の穴よりも深さが小さい複数の第二の穴と、を備える請求項１に記載のシール機構。
3. 　前記シール本体に対して、前記中心軸方向の第一端に、前記逆旋回流を生成する逆旋回流生成部をさらに備える請求項１又は２に記載のシール機構。
4. 　前記逆旋回流生成部は、前記中心軸方向の第一端に、前記ロータの外周面に対向するように複数の穴が形成されたシール部を備えている請求項３に記載のシール機構。
5. 　前記中心軸方向で同じ位置に配置された複数の前記穴の深さは、前記中心軸を中心とした周方向で異なるように形成されている請求項１から４の何れか一項に記載のシール機構。
6. 　請求項１から５の何れか一項に記載のシール機構と、を備える回転機械。

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