JPH0461987B2 - - Google Patents

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JPH0461987B2
JPH0461987B2 JP63014817A JP1481788A JPH0461987B2 JP H0461987 B2 JPH0461987 B2 JP H0461987B2 JP 63014817 A JP63014817 A JP 63014817A JP 1481788 A JP1481788 A JP 1481788A JP H0461987 B2 JPH0461987 B2 JP H0461987B2
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JP
Japan
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seal
housing
seal holder
holder
labyrinth seal
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JP63014817A
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JPS63235771A (ja
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Emanyueru Baagusuten Bikutaa
Hooru Aadorii Edowaado
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Union Carbide Corp
Original Assignee
Union Carbide Corp
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Publication date
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Publication of JPH0461987B2 publication Critical patent/JPH0461987B2/ja
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/02—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages by non-contact sealings, e.g. of labyrinth type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/44—Free-space packings
    • F16J15/447—Labyrinth packings
    • F16J15/4476—Labyrinth packings with radial path
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/02—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages by non-contact sealings, e.g. of labyrinth type
    • F01D11/025—Seal clearance control; Floating assembly; Adaptation means to differential thermal dilatations
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S277/00—Seal for a joint or juncture
    • Y10S277/93—Seal including heating or cooling feature

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Sealing Using Fluids, Sealing Without Contact, And Removal Of Oil (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、ターボ機械の回転部分と静止部分と
の間にシールを設定するのに用いられるようなラ
ビリンスシールに関する。
従来の技術 ターボ圧縮機や、ターボ膨張機等のターボ機械
は、ガスを処理し、その圧力を減少又は増大させ
るのに使用され、その処理過程中ガスは相当な温
度変化を生じる。例えば、極低温式空気分離装置
においてしばしば用いられるようなターボ膨張機
においては、高圧のガスがターボ膨張機に通され
て膨張せしめられて低圧にされ、その結果温度低
下を生じて、極低温工程のための冷媒を創生す
る。このようなターボ機械の例は、米国特許第
4430011号及び4472107号に記載されている。
ターボ機械は、静止外側ハウジングと、該ハウ
ジング内に同軸関係に取付けられた回転軸を有す
る。回転軸にインペラブレード（動翼）が取付け
られており、ガスはそれらのブレードを通過する
間に圧力変化を受ける。これらのブレードは、保
護の目的と、性能を高める目的で囲い体によつて
囲われているのが普通である。この組立体、即
ち、軸と、ブレードと、囲い体は、ターボ機械の
運転中5000rpmを越える非常な高速で回転する。
ハウジング内で回転するこの組立体は、ターボ機
械の部品の損傷を回避するために、該静止ハウジ
ングから半径方向に離隔して取付けられている。
しかしながら、回転する組立体と静止ハウジン
グとの間の空隙は、ガスをターボ機械からバイパ
スさせて通してしまうバイパス路を構成するの
で、非効率の原因となる。この空隙を通るガスの
量を減少させるために、この空隙にシールを設け
るのが普通であり、そのシールは、通常ラビリン
スシールである。
ラビリンスシールは、ターボ機械の静止ハウジ
ングに設けられた比較的軟質のシール材とし、該
シール材に近接してターボ機械の回転部分に設け
られ、静止ハウジングと回転部分との間の空隙を
横切つて突出し、静止ハウジングにほぼ接触する
ようになされた一連の歯状突部又は刃状突部とで
構成される。かくして、ターボ機械の回転部分
（歯状突部）と静止部分（シール材）の間に一連
の極めて小さい環状間隙（クリアランス）を形成
し、ガスがそれらの一連の小さな間隙の各々を通
るのを極めて困難にし、それによつてガスがター
ボ機械をバイパスすするを防止する。
ターボ機械に用いられているラビリンスシール
に共通の問題点は、ターボ機械の作動中回転する
歯状突部と静止シール材との間の間隔が温度の影
響（熱膨張差）によつて変化する傾向があること
である。即ち、ターボ機械内を通過するガスの大
きな温度変化により回転組立体（ガス温度の変化
に応じて温度変化を受ける）と、初期温度状態に
ある静止ハウジングとの間に大きな温度差が生じ
る。従つて、回転組立体に設けられている歯状突
部は、静止ハウジングに設けられているシール材
とは異なる温度となる。この温度差によりラビリ
ンスシールの２つの部分（回転歯状突部と静止シ
ール材）を異なる割合で膨張又は収縮させ、その
結果として２つのシール部分の間の間隔を変化さ
せる。２つのシール部分の間の間隔が大きくなれ
ばなるほど、ガスがターボ機械をバイパスして漏
失する量が多くなり、効率の損失が大きくなる。
しかし、だからといつて２つのシール部分の間隔
を過度に大きくすると、両部分が接触した場合作
動が不安定になる。
発明が解決しようとする問題点 本発明は、上記の問題点を解決することを企図
したものであり、その目的は、ターボ機械の回転
シール部分と静止シール部分との間の熱膨張差に
よる変位を小さくするようにしたラビリンスシー
ルを提供することである。
問題点を解決するための手段 本発明は、上記目的を達成するために、静止ハ
ウジング内に、該ハウジングから離隔して回転自
在に取付けられたインペラ囲い体を有するターボ
機械のためのラビリンスシールであつて、 前記インペラ囲い体に設けられた歯付部分と、 前記ハウジングの一定の軸方向の長さ部分に亙
つて該ハウジングから半径方向に離隔して該ハウ
ジングに取付けられ、該ハウジングに対して半径
方向に移動可能とされ、インペラ囲い体の縁を越
えて突出した熱伝導材製のシールホルダーと、 インペラ囲い体の前記歯付部分に近接し、前記
シールホルダーにその少なくとも一部分の軸方向
長さ部分に沿つて設けられたシール材とから成る
ラビリンスシールを提供する。
実施例 本発明のラビリンスシールを添付図を参照して
説明する。
第１図を参照して説明すると、ターボ機械のイ
ンペラ１０は、軸１１と、該軸に取付けられた多
数のタービンブレード１６と、それらのブレード
を囲うインペラブレード１２とから成つている。
作動中、インペラ１０は、その中心軸線の周りに
回転し、ガスは、ブレードとそれらを囲包する囲
い体の間に形成された流れチヤンネル（流路）を
通つて流れる間に膨張又は収縮せしめられる。例
えば、そのターボ機械が膨張タービンである場合
は、ガスは、インペラの最外周縁１３からブレー
ド内へ流入し、上記流れチヤンネル内を通過する
間に膨張し、パワーを回転インペラに伝えて排出
環状路１４から流出する。ターボ圧縮機の場合
は、ガスの流れは反対になる。
囲い体１２の軸方向の長手の少なくとも一部分
に沿つて、一連の歯状又は刃状突部２８（「歯付
部分」とも称する）囲い体の全外周に亙つて延設
されている。歯付部分２８は、本発明のラビリン
スシールの回転部分を構成する。インペラ１０
は、その外形と合致する形状の静止ハウジング２
９（第２図）内に該ハウジングの壁から半径方向
に離隔して回転自在に取付けられる。歯付部分２
８は、囲い体１２とハウジング２９との間からガ
スが流出し、それによつてガスがタービンブレー
ド１６をバイパスする量を少なくするために本発
明のラビリンスシールの静止部分と協同してシー
ルを形成する。
第２図を参照して説明すると、囲い体１２と静
止ハウジング２９とは互いに離隔している。従来
のラビリンスシールでは、インペラ囲い体の歯付
部分は、それに近接するハウジング２９の部分に
直接設けられたシール材と協同してラビリンスシ
ールを構成するようになされている。これに対し
て、本発明のラビリンスシールにおいては、シー
ル材３４は、ハウジング２９上に設けられるので
はなく、ハウジング２９に取付けられてはいる
が、ハウジングから独立しているシールホルダー
３０上に設けられる。シールホルダー３０は、歯
付部分２８の領域内で囲い体１２とハウジング２
９の間に配設される。
シールホルダー３０は、囲い体１２の歯付部分
２８の周りに嵌合し、囲い体１２の縁４０を越え
て突出した環状リングである。シールホルダー３
０は、頭付ねじ３１などにより軸方向には移動で
きないようにハウジング２９に取付けられるが、
ハウジング２９とは別体であり、ハウジングの軸
方向の長手の少なくとも一部分に亙つてハウジン
グから離隔している。更に、シールホルダー３０
の半径方向のフランジ部分（ハウジングの軸方向
に対して垂直に延長している）が熱伝導率の低い
減摩性の環状滑りリング３２によつてハウジング
２９及び頭付ねじ３１の頭部から分離されてい
る。
ねじ３１の軸部を受容する、シールホルダー３
０のフランジに穿設されたスロツトは半径方向に
細長く、滑りリング３２の存在と相俟つて、シー
ルホルダーの、ハウジング２９に対する半径方向
の一定限の変位を可能にする。
シール材３４は、歯付部分２８に近接しそれか
ら離隔して、ホルダー３０の内側軸方向長手の少
なくとも一部分に沿つて配設される。シール材３
４は、回転する歯付部分２８と瞬間的に接触する
ようなことがあつても、歯付部分への損傷を少な
くする比較的軟質の素材であり、例えば、アンチ
モン10〜15％と、錫２〜10％と、砒素含有又は不
含有胴最大限0.2％と、鉛（残り全部）との混合
物である鉛系バビツトであることが好ましい。そ
の他の好ましい素材としては、鉛、軟質プラスチ
ツク、マイカータ（登録商標）及びマグネシウム
などがあるが、シール材３４の素材の選択は、イ
ンペラの素材に対する摩擦特性と、シールホルダ
ー３０に対する接合の容易性などを考慮して行う
ことができる。
作用及び発明の効果 本発明のラビリンスシールの作用をターボ膨張
機に適用した場合を例にとつて以下に説明する。
ターボ膨張機においては、ガスは、第２図に矢印
３５で示される方向にインペラ内を通される。従
つて、歯付部分２８を含むインペラは、膨張する
ガスによつて冷却され、その結果、半径方向内方
へ熱収縮する。しかしながら、ハウジング２９は
入口ガス温度（導入時のガスの温度）にほぼ等し
い温度に留まるのでインペラに比べて熱収縮度が
小さい。従よて、インペラ組立体とハウジング２
９の間のシール間隙が拡がる。シール材がハウジ
ングに直接設けられている従来のラビリンスシー
ルであれば、この熱収縮差により、シール間隙が
拡大し、より多くのプロセスガスをタービンブレ
ードをバイパスさせて漏失させることになる。
しかしながら、本発明のラビリンスシールにお
いては、シールホルダー３０が、シール材３４と
歯付部分２８とをほぼ同じ温度に維持する作用を
し、従つて、両者の熱収縮差を少なくし、両者間
の間隙を従来のラビリンスシールの場合における
よりも狭い寸法に維持する。シールホルダー３０
がこのような作用をすることができるのは、シー
ルホルダーが囲い体１２の縁４０を越えて突出し
ており、インペラの出口から流出する冷たいガス
に接触することができるからである。即ち、冷た
いガスがシールホルダー３０を冷却して熱収縮さ
せ、シールホルダーと、同様に熱収縮する歯付部
分２８との間の間隙が拡大するのを防止する。シ
ールホルダー３０は、熱伝導性材料（単に、「熱
伝導材」とも称する）で形成されているので、熱
伝導材は、シールホルダーの一端からシール材３
４が配置されている他端へ迅速に伝達される。シ
ールホルダー３０は、アルミニウムで形成するこ
とが好ましいが、その他の好適な素材としては、
真鍮、黄銅、銅、錫、金などがある。ただし、シ
ールホルダーの素材は、シール材３４に対し適合
性を有するものでなければならない。あるいは、
シールホルダーとシール材３４との間に接合性及
び化学的安定性を維持するために両者の間に仲介
接合材を介設しなければならない場合があろう。
例えば、シールホルダー３０がアルミニウム製で
ある場合、鉛系バビツトで作られているシール材
３４に対して適合性を有する表面を呈示するため
に、シールホルダーに銅の中間層を電着すること
が好ましい。
囲い体１２の縁４０を越えて突出したシールホ
ルダー３０の突出部分４１は、プロセスガスから
シールホルダー３０への効率的な熱伝達を可能に
するのに十部な面積の表面を提供するのに足る長
さにすべきである。通常、突出部分４１の長さ
は、シールホルダー３０の全長の25〜75％とし、
50〜75％とするのが好ましい。更に、シールホル
ダー３０は、その長手に沿つて軸方向の効率的な
熱伝達を可能にするのに十分な半径方向の厚さを
有するものとすべきである。
シールホルダー３０は、先に述べたように、ハ
ウジング２９に対して半径方向に変位することが
できる。従つて、シールホルダー３０が半径形方
向内方へ熱収縮すると、シールホルダー３０とハ
ウジング２９との間の半径方向の間隙が拡大す
る。その際、シールホルダー３０がハウジング２
９に対し同心状態に維持されるようにするため
に、シールホルダーとハウジングの間に円錐形の
調整（間隙差吸収）リング３３を介設することが
好ましい。調整リング３３は、半径方向には比較
的弱いばねとして作用するが、軸方向には比較的
硬いばねとして作用する。シールホルダー３０が
収縮すると、円錐形調整リング３３の傾斜角が大
きくなり、それによつて、シールホルダー３０と
ハウジング２９の間に熱変化速度に差があつて
も、ハウジング２９に対しシールホルダー３０を
その全周に亙つて同心関係に維持する。詳述すれ
ば、シールホルダー３０とハウジング２９との間
の半径方向の間隙が変化すると、調整リングの断
面に作用する、円周方向に均一に分布したトロイ
ドモーメントに変化が生じる。調整リング３３
は、断面の薄い（断面積を半径の自乗で除した値
が0.01未満）リングであるから、そのようなモー
メントの変化を受けると容易に転動するので、シ
ールホルダー３０とハウジング２９との間の半径
方向の間隙が変化しようとする動きに対してほと
んど抵抗しない。しかしながら、シールホルダー
３０がハウジング２９に対して軸方向に変位しよ
うとすると、リング３３全体に剪断荷重が課せら
れる。リング３３は剪断荷重を受けた場合非常に
短い硬いビームとなるから、シールホルダー３０
はハウジング２９に対して同心関係に維持され
る。
以下に、本発明を例示する目的で本発明の具体
例を説明する。
例 １ 第２図に示されるのと同様の本発明のラビリン
スシールをターボ膨張機に組入れた。このラビリ
ンスシールのシールホルダーは、真鍮で製造し、
全長76.2mm（3in）、囲い体の縁を越えて突出する
突出部分の長さを38.1mm（1.5in）とし、その突出
部分にける半径方向の厚さは25.4mm（1in）とし
た。シール材は鉛系バビツト製とし、歯付部分を
含むインペラ囲い体はアルミニウム製とした。こ
のインペラを22500rpmで運転した。プロセスガ
スは、166.6〓（300゜R）の温度で、44.9Kg／cm2
（絶対圧）（639psia）の圧力でターボ膨張機に導
入し、ターボ膨張機内を通して92.7〓（167゜R）
の温度で、4.9Kg／cm2（絶対圧）（70psia）の圧力
でターボ膨張機から排出させた。このラビリンス
シールの歯付部分とシール材との間のシール間隙
は、従来のラビリンスシールの場合の間隙より約
0.01524mm（0.0006in）だけ減少された。シール間
隙のこの減少により、ターボ膨張機の効率を0.25
％増大させることができた。
例 ２ 第２図に示されるのと同様の本発明のラビリン
スシールをターボ膨張機に組入れた。このラビリ
ンスシールのシールホルダーは、アルミニウムで
製造し、全長76.2mm（3in）、囲い体の縁を越えて
突出する突出部分の長さを38.1mm（1.5in）とし、
その突出部分にける半径方向の厚さは25.4mm
（1in）とした。シール材は鉛材バビツト製とし、
歯付部分を含むインペラ囲い体はアルミニウム製
とした。例１で述べたのと同じ条件でこのインペ
ラを運転し、プロセスガスをターボ膨張機に通し
た。このラビリンスシールの歯付部分とシール材
との間のシール間隙は、従来のラビリンスシール
の場合の間隙より約0.05334mm（0.0021in）だけ減
少された。シール間隙のこの減少により、ターボ
膨張機の効率を0.7％増大させることができた。
このように、本発明のラビリンスシールを使用
することによつてターボ機械の効率を高めること
ができることが認められた。
以上、本発明を特定の実施例に関連し、特にタ
ーボ膨張機に適用した場合に関連して説明した
が、本発明は、ここに例示した実施例の構造及び
形態に限定されるものではなく、本発明の精神及
び範囲から逸脱することなく、いろいろな実施形
態が可能であり、かつ、どのような型式のターボ
機械にも適用し得ることは当業者には明らかであ
ろう。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明が対象とするターボ機械のイ
ンペラの透視図であり、本発明のラビリンスシー
ルの回転部分を示す。第２図は、本発明のラビリ
ンスシールの好ましい実施例の断面図である。 １０……インペラ、１２……囲い体、２８……
歯付部分、２９……静止ハウジング、３０……シ
ールホルダー、３１……頭付ねじ、３３……円錐
形調整ねじ、３４……シール材、４０……囲い体
の縁、４１……突出部分。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 静止ハウジング内に、該ハウジングから離隔
    して回転自在に取付けられたインペラ囲い体を有
    するターボ機械のためのラビリンスシールであつ
    て、 前記インペラ囲い体に設けられた歯付部分と、 前記ハウジングの一定の軸方向の長さ部分に亙
    つて該ハウジングから半径方向に離隔して該ハウ
    ジングに取付けられ、該ハウジングに対して半径
    方向に移動可能とされ、インペラ囲い体の縁を越
    えて突出した熱伝導材製のシールホルダーと、 インペラ囲い体の前記歯付部分に近接し、前記
    シールホルダーにその少なくとも一部分の軸方向
    長さ部分に沿つて設けられたシール材とから成る
    ラビリンスシール。 ２ 前記シールホルダーは、アルミニウム製であ
    ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
    ラビリンスシール。 ３ 前記シールホルダーは、その軸方向の長手に
    対して垂直なフランジ部分を有し、該フランジ部
    分において前記ハウジングに取付けられているこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のラビ
    リンスシール。 ４ 前記シール材は、鉛系バビツトであることを
    特徴とする特許請求の範囲第１項記載のラビリン
    スシール。 ５ 前記シールホルダーの、前記インペラ囲い体
    の縁を越えて突出した部分は該シールホルダーの
    全長の25〜75％であることを特徴とする特許請求
    の範囲第１項記載のラビリンスシール。 ６ 前記シールホルダーの、前記インペラ囲い体
    の縁を越えて突出した部分は該シールホルダーの
    全長の50〜75％であることを特徴とする特許請求
    の範囲第１項記載のラビリンスシール。 ７ 前記シールホルダーとハウジングの間に円錐
    形の調整リングが配設されていることを特徴とす
    る特許請求の範囲第１項記載のラビリンスシー
    ル。 ８ 前記ターボ機械はターボ膨張機である特許請
    求の範囲第１項記載のラビリンスシール。
JP63014817A 1987-01-28 1988-01-27 ラビリンスシール Granted JPS63235771A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US07/007,479 US4909706A (en) 1987-01-28 1987-01-28 Controlled clearance labyrinth seal
US007479 1987-01-28

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS63235771A JPS63235771A (ja) 1988-09-30
JPH0461987B2 true JPH0461987B2 (ja) 1992-10-02

Family

ID=21726424

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP63014817A Granted JPS63235771A (ja) 1987-01-28 1988-01-27 ラビリンスシール

Country Status (7)

Country Link
US (1) US4909706A (ja)
EP (1) EP0276839B1 (ja)
JP (1) JPS63235771A (ja)
KR (1) KR930008674B1 (ja)
BR (1) BR8800309A (ja)
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