WO2018110695A1 - 軸シール装置、及び回転機械 - Google Patents

Abstract

高圧側領域と低圧側領域との間に配置され、回転軸（２）の外周面（２ａ）と回転軸（２）の外周側に設けられたケーシング（６）との間のプロセスガス（Ｇ）の漏れをシールする軸シール装置（２０）であって、プロセスガスにおける回転軸（２）の周方向成分の流れを低減させるシャントホール（３０）と、このシャントホール（３０）の低圧側に設けられて、回転軸（２）の外周面（２ａ）に周方向にわたって対向する円筒面状のシール面（２１ａ）を有する環状シール（２１）と、中心軸（Ｐ）方向において環状シール（２１）より低圧側に配置されて、ケーシング（６）から回転軸（２）に向かって突出する複数のシールフィン（２２Ｂ）を有するラビリンスシール（２２）と、を備える。

Description

軸シール装置、及び回転機械

　本発明は、軸シール装置、及び回転機械に関する。
本願は、２０１６年１２月１６日に日本に出願された特願２０１６－２４４２１６号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　従来、遠心圧縮機などの回転機械は、一般に、回転軸と、その周囲のケーシングなどの静止部材との間に隙間がある。そのため、回転軸の外周面と静止部材との隙間には、作動流体が流出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としては、例えば下記特許文献１に示すようなラビリンスシール、ダンパーシール等が知られている。

　上述したラビリンスシールは、回転軸の外周面と静止部材との隙間に多数の環状のシールフィンを有し、これらシールフィンの先端隙間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。
　また、ダンパーシールは、ホールパターンシール（例えば、特許文献１参照）やハニカムシール等がある。このうちホールパターンシールは、回転軸と間隙を有して配される環状の静止部材において、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、流体の漏れを低減させることが可能で、減衰付与効果が大きい特徴を有している。

　また、発明者らは、特許文献１に示すようなホールパターンシールにおいて、流体における回転軸の周方向成分の流れを低減させるためのシャントホールなどの逆スワール機構が設けられた条件下で、ホール深さと減衰効果の関係として、ホールが浅いほど減衰効果が高いことを見出した。とくに、極限までホールを浅くした状態である環状シールの場合（すなわちシールの内筒面にホールがなく平滑面となる場合）において、より減衰効果が高くなることを確認した。

日本国特許第４６５５１２３号公報

　しかしながら、従来のホールパターンシールでは、減衰効果が高くなるよう内筒面を平滑な面にした場合には、流体のホールに対する抵抗が無くなるため、ホールを有するホールパターンシールに比べて流体の漏れ流量が多くなる虞がある。つまり、シール性能が低下することから、環状シールのみでは適用は難しいという問題があった。
　そのため、流体における高い減衰効果と漏れの低減とをバランスよく達成できる軸シール装置が求められている。

　本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、流体における減衰効果を発揮しつつ、漏れ流量の低減を図ることができる軸シール装置、及び回転機械を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決して係る目的を達成するために、以下の態様を採用した。
（１）本発明の一態様に係る軸シール装置は、高圧側領域と低圧側領域との間に配置され、回転軸の外周面と該回転軸の外周側に設けられた静止部材との間の流体の漏れをシールする軸シール装置であって、前記流体における前記回転軸の周方向成分の流れを低減させる旋回抑制部と、該旋回抑制部の低圧側に設けられて、前記回転軸の外周面に周方向にわたって対向する円筒面状のシール面を有する環状シールと、前記環状シールと異なる軸線方向位置に設けられて、前記静止部材と前記回転軸との一方から他方に向かって突出する複数のシールフィンを有するラビリンスシールと、を備えることを特徴としている。

　本発明によれば、旋回抑制部によって回転軸の回転方向と反対方向に回転する逆旋回流を発生させることで、環状シールの旋回抑制部側のシール入口で与えた軸の振れ回り振動に対する減衰効果を増強することができる。また、回転軸の外周面と静止部材との間の隙間には、環状シールと軸線方向に直列にラビリンスシールが設けられているので、流体の漏れ流量を低減することができ、シール性能の向上を図ることができる。
　このように、本発明の構成とすることにより、流体における減衰効果と漏れ流量低減効果とを両立することができる。そのため、軸シール装置を備えた回転機械の回転軸と静止部材との隙間を通って、軸線方向の高圧側から低圧側に向かって流体が漏れることを抑制することができ、回転機械の効率を高めることができる。

（２）上記（１）に記載の、軸シール装置において、前記環状シールは、前記軸線方向において前記ラビリンスシールより高圧側に配置されていることが好ましい。

　この場合には、シール入口で与えた逆旋回流を弱めることがなく、環状シールにおける軸の振れ回り振動に対する減衰効果を有効に作用させることができる。
　また、この場合には、一般に大きな不安定流体力が生じやすい高圧側に減衰効果の高い環状シールを配設したので、回転軸の安定性を向上させることができる。

（３）上記（１）又は（２）に記載の、軸シール装置において、前記ラビリンスシールの前記複数のシールフィンは、前記静止部材に設けられて前記回転軸へ向かって突出していてもよい。

　この場合には、ラビリンスシールを環状シールとともに静止部材に一体的、あるいは分割して取り付けることができるので、回転軸に対する加工が不要となる利点がある。

（４）本発明の他の態様に係る回転機械は、上記（１）～（３）のいずれか１項に記載の軸シール装置を備えていることを特徴としている。

　本発明の各態様に係る、軸シール装置、及び回転機械によれば、流体における減衰効果を発揮しつつ、漏れ流量の低減を図ることができる。

図１は本発明の実施の形態における回転機械を示す概略構成を示す断面図である。 図２は図１に示す回転機械の軸シール装置の構成を示す断面図である。 図３は軸シール装置を備えたケーシングの一部破断した斜視図である。 図４は図２に示すＸＩ－ＸＩ線断面図であって、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５は図２に示すＸＩＩ－ＸＩＩ線断面図であって、環状シールの構成を示す断面図である。 図６は図２に示すＸＩＩＩ－ＸＩＩＩ線断面図であって、ラビリンスシールの構成を示す断面図である。 図７は変形例による回転機械の軸シール装置の構成を示す断面図であって、図２に対応する図である。

　以下、本発明の実施の形態による軸シール装置、及び回転機械について、図面に基づいて説明する。かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。

　図１に示すように、本実施の形態による軸シール装置２０は、複数のインペラ４を備えた多段式遠心圧縮機からなる回転機械１に設けられている。

　回転機械１は、回転軸２と、軸受３と、インペラ４と、軸シール装置２０と、ケーシング６（静止部材）と、を備えている。

　回転軸２は、柱状をなして中心軸Ｐ方向（軸線方向）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方向の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、軸シール装置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のうち中心軸Ｐ方向で最も中央位置Ｃから離れた軸受３寄り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のうち中心軸Ｐ方向で最も中央位置Ｃ寄り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のうち中心軸Ｐ方向で最も中央位置Ｃ寄り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、中心軸Ｐ方向で中央位置Ｃを中心にした第１端部側の部分と第２端部側の部分とが対称に形成されている。ケーシング６は、中央位置Ｃよりも第２端部側の部分に、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よりも第２端部側の部分において、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、第１端部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よりも第２端部側の部分に配された三段式インペラ群４Ｂは、中央位置Ｃよりも第１端部側の部分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が配置される領域が低圧となる低圧側領域となり、三段式インペラ群４Ｂが配置される領域が高圧となる高圧側領域となっている。

　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２参照）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軸シール装置２０が設けられている。
　軸シール装置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。この軸シール装置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及び図３に示すように、軸シール装置２０は、回転軸２の外周面２ａと回転軸２の外周側に設けられたケーシング６との間のプロセスガスＧの漏れをシールするためのものであり、高圧側領域（図１に示す高圧の三段式インペラ群４Ｂ側）と低圧側領域（図１に示す低圧の三段式インペラ群４Ａ側）との間に配置されている。

　軸シール装置２０は、プロセスガスＧにおける回転軸２の旋回成分（周方向成分）の流れを低減させるシャントホール３０（旋回抑制部）と、シャントホール３０の低圧側に設けられて、回転軸２の外周面２ａに周方向にわたって対向する円筒面状のシール面２１ａを有する環状シール２１と、軸線方向（中心軸Ｐに沿う方向）において環状シール２１より低圧側に設けられるとともに、ケーシング６に設けられて回転軸２へ向かって突出する複数のシールフィン２２Ｂを有するラビリンスシール２２と、を備えている。

　シャントホール３０は、環状シール２１に対し、中心軸Ｐ方向において高圧側となる一端（図２の紙面左側の第１端部側）に設けられている。
　図２及び図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となり、ケーシング６と回転軸２との間の隙間ｇに流れ込み、シャントホール３０よりも低圧側の環状シール２１及びラビリンスシール２２が設けられている中心軸Ｐ方向の他端（図２の紙面右側の第２端部側）に向かって流れていく。

　環状シール２１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筒状をなしている。環状シール２１の内部には、回転軸２が挿通されている。環状シール２１の内周面は、凹凸の無い平滑面をなすシール面２１ａが形成されている（図５参照）。

　環状シール２１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）、等価減衰が大きいほど減衰付与効果が高い。環状シール２１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、環状シール２１の中心軸Ｐ方向の一端に形成されたシール入口（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。

　このような軸シール装置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方向における軸シール装置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。

　そして、図５に示すように、上記スワールを含むプロセスガスＧは、環状シール２１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、環状シール２１が配置される領域において、回転方向ｒ１に回転する回転軸２との摩擦、環状シール２１との干渉等によって、回転方向ｒ１に旋回しながら中心軸Ｐ方向を低圧側に向かって進むことにより、中心軸Ｐ方向に沿って低圧側に流れるプロセスガスＧの逆旋回方向の速度が低減される。

　図６に示すように、ラビリンスシール２２は、ケーシング６の内周面に、環状シール２１の低圧側に隣接して配置され、回転軸２と隙間ｇを有して設けられた筒状をなし、その内部に回転軸２が挿通されている。
　ラビリンスシール２２は、環状の外周筒２２Ａと、外周筒２２Ａの内周面に多数配列されたシールフィン２２Ｂと、を有し、これらシールフィン２２Ｂの先端隙間を流れるプロセスガスＧの圧力損失によってプロセスガスＧの漏れを減少させる構成となっている。

　ここで、環状シール２１とラビリンスシール２２との中心軸Ｐ方向の長さ、すなわち構成比率は、図２においてそれぞれ略半分（１：１の比率）の長さとなっているが、これに限定されず適宜設定することができる。また、環状シール２１及びラビリンスシール２２は、連続した部品により一体に形成され、かつ環状シール２１及びラビリンスシール２２がケーシング６に対しても一体に設けられている。

　次に、上述した構成の軸シール装置２０の作用について、図面に基づいて具体的に説明する。
　図２及び図３に示すように、上記のような軸シール装置２０によれば、シャントホール３０によって回転軸２の回転方向と反対方向に回転する逆旋回流を発生させることで、環状シール２１に流入する軸回転方向の旋回流を抑制し、軸回転と逆方向の流れとすることができる。これにより、環状シール２１のシャントホール３０側のシール入口で与えた軸の振れ回り振動に対する減衰効果を増強することができる。
　また、回転軸２の外周面２ａとケーシング６との間の隙間ｇには、環状シール２１と中心軸Ｐ方向に直列にラビリンスシール２２が設けられているので、プロセスガスＧの漏れ流量を低減することができ、シール性能の向上を図ることができる。

　このような構成とすることにより、プロセスガスＧにおける減衰効果と漏れ流量低減効果とを両立することができる。そのため、軸シール装置２０を備えた回転機械１の回転軸２とケーシング６との隙間ｇを通って、中心軸Ｐ方向の高圧側から低圧側に向かってプロセスガスＧが漏れることを抑制することができ、回転機械１の効率を高めることができる。

　また、本実施の形態では、シール入口で与えた逆旋回流を弱めることがなく、環状シール２１における軸の振れ回り振動に対する減衰効果を有効に作用させることができる。
　また、この場合には、一般に大きな不安定流体力が生じやすい高圧側に減衰効果の高い環状シール２１を配設したので、回転軸２の安定性を向上させることができる。

　また、本実施の形態では、ラビリンスシール２２を環状シール２１とともにケーシング６に一体的、あるいは分割して取り付けることができるので、回転軸２に対する加工が不要となる利点がある。

　上述した本実施の形態による軸シール装置、及び回転機械では、プロセスガスＧにおける減衰効果を発揮しつつ、漏れ流量の低減を図ることができる。

　以上、本発明による軸シール装置、及び回転機械の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

　例えば、本実施の形態では、旋回抑制部としてシャントホール３０を対象としているが、これに限定されることはない。要は、旋回抑制部が回転軸２の回転に伴う流体（プロセスガスＧ）の周方向の旋回流を抑制するものであればよい。例えば、シールの入口側（高圧側）の端部に設けられ、かつ周方向に沿って間隔をあけて複数の凸状部が配置されたスワールブレーカ等であってもよい。

　また、本実施の形態の軸シール装置２０では、環状シール２１が中心軸Ｐ方向においてラビリンスシール２２より高圧側に配置された構成としているが、このような配置であることに限定されることはなく、環状シール２１とラビリンスシール２２とが異なる軸線方向（中心軸Ｐに沿う方向）の位置に設けられていればよい。
　例えば、図７に示す変形例による軸シール装置２０Ａは、ラビリンスシール２２（２２Ａ、２２Ｂ）が中心軸Ｐ方向において環状シール２１より高圧側に配置された構成となっている。この場合も上述した実施の形態と同様に、プロセスガスＧにおける減衰効果と漏れ流量低減効果とを両立することができるため、回転機械の効率を高めることができる。

　また、本実施の形態では、ラビリンスシール２２がケーシング６、すなわち静止部材側に設けられているが、ラビリンスシール２２が回転軸２に設けられていてもよい。つまり、回転軸２から径方向の外側の静止部材側に向けて突出する複数のシールフィンを有するラビリンスシール２２であってもかまわない。

　また、本実施の形態では、環状シール２１とラビリンスシール２２を連続した部品で構成し、ケーシング６に一体的に設けた場合を例にとって説明したが、これに限定されるものではない。例えば、環状シール２１とラビリンスシール２２をそれぞれ別の部品で製作し組み合わせることで構成してもよい。あるいは、環状シール２１とラビリンスシール２２はそれぞれ一体形成されたものでも良いし、例えば周方向に分割されたものを組み合わせたものであっても良い。

　さらに環状シール２１とラビリンスシール２２の形状、大きさ、材質等に関しても、上述した実施の形態に限定されることはなく、任意に設定することができる。

　その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施の形態を適宜組み合わせてもよい。

本発明の軸シール装置、及び回転機械によれば、流体における減衰効果を発揮しつつ、漏れ流量の低減を図ることができる。

　１　回転機械
　２　回転軸
　２ａ　外周面
　３　軸受
　４　インペラ
　６　ケーシング（静止部材）
　２０、２０Ａ　軸シール装置
　２１　環状シール
　２１ａ　シール面
　２２　ラビリンスシール
　２２Ａ　外周筒
　２２Ｂ　シールフィン
　３０　シャントホール（旋回抑制部）
　Ｃ　中央位置
　ｇ　隙間
　Ｇ　プロセスガス（流体）
　Ｐ　中心軸
　ｒ１　回転方向
　ｒ２　反対方向

Claims (4)

1. 　高圧側領域と低圧側領域との間に配置され、回転軸の外周面と該回転軸の外周側に設けられた静止部材との間の流体の漏れをシールする軸シール装置であって、
   　前記流体における前記回転軸の周方向成分の流れを低減させる旋回抑制部と、
   　該旋回抑制部の低圧側に設けられて、前記回転軸の外周面に周方向にわたって対向する円筒面状のシール面を有する環状シールと、
   　前記環状シールと異なる軸線方向位置に設けられて、前記静止部材と前記回転軸との一方から他方に向かって突出する複数のシールフィンを有するラビリンスシールと、を備える軸シール装置。
2. 　前記環状シールは、前記軸線方向において前記ラビリンスシールより高圧側に配置されている請求項１に記載の軸シール装置。
3. 　前記ラビリンスシールの前記複数のシールフィンは、前記静止部材に設けられて前記回転軸へ向かって突出している請求項１又は２に記載の軸シール装置。
4. 　請求項１乃至３のいずれか１項に記載の軸シール装置を備える回転機械。

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