JPH05248548A - ラビリンスシール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 回転流体機械のラビリンスシールの漏れ流れ
の回転方向の旋回成分を簡単な手段で除去して回転軸系
を安定化する。 【構成】 羽根車３の出口に連通する高圧側室からラビ
リンス２１の背面の空間部２２および孔２３を通り、高
圧側から１枚以上のフィンの低圧側の部屋２３に高圧側
室の流れを吹き込むことにより、高圧側のフィン隙間を
通ってきた旋回成分を持つ流れを壊してラビリンス漏れ
流れの旋回成分を除去するもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は遠心圧縮機や遠心ポンプ
などのターボ形回転流体機械の軸シールを行なうラビリ
ンスシールに係り、特に高圧高速のプロセス遠心圧縮機
等の軸シールに好適なラビリンスシールに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のラビリンスシールを設けたターボ
形流体機械の一例を図６により説明する。図６は従来の
プロセス遠心圧縮機の一例を示す概略構造縦断面図であ
る。図６において、ケーシング１内の回転軸２に羽根車
３が装着されている。吸込ノズル６から吸い込まれたガ
ス流体は羽根車３で昇圧され、ダイアフラム５で構成さ
れた静止流路を通って次段羽根車に吸い込まれ、順次に
昇圧されて最終的には吐出ノズル７から吐出される。回
転軸２は両端の軸受９で支持されて回転する。羽根車間
のシールはマウスラビリンス１１とステージラビリンス
１２によってなされている。最終羽根車の後にはバラン
スラビリンス１３がある。バランスラビリンス１３に相
対する回転軸側にはバランスドラム１４がある。このバ
ランスラビリンス１３の軸端側（２次側）室は一般に圧
縮機吸込ラインへ接続して、回転軸のスラスト力調節に
用いられている。

【０００３】この遠心圧縮機の回転軸２は上記のように
両端の軸受９で支持されて回転するが、上記ラビリンス
部でも細隙部に軸受効果が多少あり、それが圧縮機が高
圧・高速になると無視できなくなる場合がある。一般に
プロセス遠心圧縮機は軸−軸受系の１次曲げ固有振動数
よりも高いところに運転回転数がある。このような場合
に軸受油膜の特性に軸の変位方向と直交する方向に油膜
反力が生じるような特性があると、軸振動が不安定にな
ることがある。即ち軸−軸受系の１次曲げ固有振動数成
分で振動する自励振動である。このため１次曲げ固有振
動数よりも高いところに運転回転数があるようなプロセ
ス遠心圧縮機では、上記のような特性のないティルティ
ングパッド軸受が用いられる。

【０００４】しかしながらラビリンスと軸とは丁度真円
軸受と同様の構成となり、この細隙部に生じる反力（こ
の場合はガス圧力による反力）には軸の変位方向と直交
する方向に作用する反力が存在する。通常にはこのラビ
リンス部に生じる反力は軸受の安定力に比較して問題と
ならない。しかし圧縮機が高圧・高速になるとラビリン
ス部のばね力が大きくなることとラビリンス部の軸の振
動（変位）が増加することから、この不安定力が無視で
きなくなって不安定振動（自励振動）を引起しかねな
い。そして不安定振動が大きくなれば、圧縮機の運転も
困難となる。

【０００５】そもそもラビリンス部に上記のような不安
定力が生じる原因はラビリンスと軸との間隙部を流れる
漏れ流れが軸の回転方向と同じ方向の旋回成分を持って
いるからである。つまり羽根車出口の旋回成分を持った
流れの一部がラビリンス部の漏れ流れであるためであ
る。この旋回成分を除去する手段としては羽根車とダイ
アフラム間に棒などの旋回防止部品を取り付けるものが
あった。また特開昭５９−２２６２９９号および特開昭
５９−２２６３００号公報に記載のように、羽根車と対
向するケーシング面に複数の半径方向放射状のフィンを
突設させたものなどがあった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は遠心圧
縮機等のターボ形回転流体機の回転軸の不安定振動の原
因となるラビリンスと軸との間隙部を流れる漏れ流れが
持つ軸の回転方向の旋回成分を除去するため、羽根車に
対向するケーシング面に複数の半径方向放射状のフィン
を突設させる等により、羽根車の出口からラビリンスシ
ールの入口に至る漏れ流体の流れ方向を半径方向に規制
するようにしていた。しかしながら、従来の方法では、
ラビリンスと軸との間隙部を流れる漏れ流れの旋回成分
が完全には取り切れない問題があった。また羽根車に対
向するケーシング面に複数の半径方向に延びたフィンを
設ける等の手段のため構造が簡単でない問題があった。

【０００７】本発明は遠心圧縮機等のターボ形回転流体
機械におけるラビリンスと軸との間隙部に生じる不安定
力の原因となる該間隙部を流れる漏れ流れの旋回成分を
簡単な手段で完全に除去できる構造のラビリンスシール
を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のラビリンスシールは次のようなラビリンス
と軸との間隙部を流れる漏れ流れの旋回成分を除去する
手段をとる。まずラビリンス構造による軸封機構はラビ
リンスフィンと軸との間に微隙部を作って流路面積を最
小にするとともに該フィン間に部屋を作って断熱膨張さ
せ、この断熱膨張を繰り返すことにより該フィン１枚当
りの差圧を小さくできるので漏れ量が減るもので、すな
わち高圧側から低圧側へ順次にフィン間の圧力が低下し
ている。そこで高圧側室に比較的近い位置のラビリンス
フィン間の部屋を高圧側室と次のように導通させる通路
を設けるようにし、それにはラビリンスの高圧側端面か
ら上記のラビリンスフィン間の部屋の外径よりも外周側
に空間部を設けるとともに該空間部から上記ラビリンス
フィン間の部屋に導通する孔を設けるようにしたもので
ある。なお上記導通空間部をラビリンスに相対するダイ
アフラムやケーシング側に設けてもよい。また上記高圧
側室からラビリンスフィン間の部屋の間の導通路の面積
を該部屋より高圧側のラビリンスフィンと軸との間隙の
面積と同程度かそれ以上にしたものである。

【０００９】また上記ラビリンスフィンが静止側に設け
られたものである。なお上記ラビリンスフィンが回転側
に設けられたものでもよい。さらに上記高圧側室の導通
路（空間部）へのガス取入部にはラビリンスまたはダイ
アフラム壁面から高圧側室に突出部を設け、羽根車と静
止壁面との間の流れの全圧を取込んで上記ラビリンスフ
ィン間の部屋に吹出すようにしてもよい。

【００１０】

【作用】上記ラビリンスシールは、まず高圧側室からラ
ビリンスフィン間の部屋への導通路がない場合には旋回
成分を持った高圧側室の流れがラビリンス部を低圧側へ
流れ、このさいラビリンスフィン間の部屋では断熱膨張
が繰り返されて高圧側から低圧側へ進むごとに圧力が低
下している。そこで高圧側室からラビリンスフィンと軸
の細隙間部とは別の導通路（空間部）へ導いたガスを高
圧側室に比較的近いラビリンスフィン間の部屋に導入す
ると、この高圧側室から取り込んだ流れはラビリンスフ
ィン間の部屋の外周方向から該部屋に向かう半径方向の
複数個の導通孔（吹出し孔）より吹き出すことによって
旋回成分が除去される。また上記導通路の面積つまり高
圧側室からの取入れ部（空間部）の面積および上記導通
孔（吹出し孔）の総面積のいずれも該導通孔（吹出し
孔）位置より高圧側のラビリンスフィンの先端隙間の面
積より大きくしてあり、したがって高圧側室から該ラビ
リンスフィン間の部屋に至るときの流れは高圧側室から
ラビリンスフィン先端隙間を通るより高圧側室からの導
通路を通る方の抵抗が小さいので、導通路側からの半径
方向の流れを該部屋に供給してラビリンスフィン先端隙
を流れる漏れ流れの旋回成分を除去できる。

【００１１】また上記ラビリンスフィンが静止側に設け
られたものでも、なお上記ラビリンスフィンが回転側に
設けたものであっても、上記同様の手段により上記同様
にラビリンスフィンと軸との間の隙間を流れる漏れ流れ
の旋回成分を容易かつ完全に除去できる。さらに高圧側
室から上記導通路（空間部）へ取扱いガスを取り入れる
ときに、羽根車間との流れの中に突出した上記突出部か
ら取り入れるようにすると、流れの動圧が回復されるの
でより高い圧力で上記ラビリンス間の部屋に旋回成分の
ない流れを吹き出すことができる。

【００１２】

【実施例】以下に本発明の実施例を図１から図５により
説明する。図１は本発明によるラビリンスシールの一実
施例を示す構造縦断面図である。図１において、遠心圧
縮機のバランスラビリンス部構造で該ラビリンスが軸端
にある場合の例を示す。ケーシング１内の回転軸２に装
着された羽根車３の最終段の後にバランスラビリンス２
１がケーシング１にはめ込まれており、バランスラビリ
ンス部に相対する回転軸側にはバランスドラム１４があ
る。このバランスラビリンス２１の機内側すなわち最終
羽根車出口側は高圧側で、軸端側は例えば吸込ノズルに
接続するなどにより低圧になっている。本実施例のバラ
ンスラビリンス２１の高圧側端面の背面にはケーシング
内周面との間に空間部２２が設けられ、さらに該空間部
からラビリンスフィン間の部屋２３に通じる半径方向の
孔２４が円周に複数個設けてある。このラビリンスフィ
ン間の部屋２３は高圧側端面との間に１枚以上のフィン
を有するように配置してある。さらにラビリンスフィン
とドラム１４との隙間の軸方向面積よりも上記空間部２
２の軸方向断面積および導通孔２４の総面積の方が大き
くなるように構成してある。

【００１３】上記構成で、バランスラビリンス部隙間の
流体の流れは次のようになる。まず最終羽根車３を出た
流れは羽根車で与えられた角運動量を保存しながらバラ
ンスラビリンス部へ流入する。ここでケーシング壁面お
よび羽根車壁面での摩擦の影響により流れの角運動量は
羽根車出口よりも減少するが、なお軸系の動特性からは
有害な回転方向の周旋回成分を有している。この流れは
バランスラビリンス２１のラビリンスフィン先端隙間を
通って圧力降下しながら上記ラビリンスフィン間の部屋
２３に流れようとする。一方でラビリンス背面からは上
記空間部２３および貫通孔２４の導通路を通って該ラビ
リンスフィン間の部屋２３に流入する漏れ流れがある。
この流れは空間部２２へ流入するときには回転方向の旋
回成分を有しているが、半径方向の貫通孔２４を通るこ
とによって該旋回成分が完全に除去される。しかもラビ
リンスフィン間の部屋２３までの通路面積がラビリンス
フィン先端隙間面積よりも大きくしてあるので、ラビリ
ンスフィンを通過してくる流れよりも圧力損失が少な
い。したがって部屋２３に流入する流れはラビリンス背
面の空間部２２を通ってくる旋回成分のない流れが支配
的となるため、該部屋２３から低圧側室までのラビリン
スフィン先端隙間の流れの旋回成分を除去することがで
きる。

【００１４】図２は本発明によるラビリンスシールの他
の実施例を示す構造縦断面積である。図２において、遠
心圧縮機のバランスラビリンスが羽根車間にある場合の
例を示す。なお各図面を通じて図１と同一符号は相当部
分を示すものとする。上記した図１と同様の図２の構成
で、羽根車３の間のバランスラビリンス２１の流れの旋
回成分をなくすことができる。

【００１５】図３は本発明によるラビリンスシールのさ
らに他の実施例を示す構造縦断面図である。また図４は
図３のＡ−Ａ視図であり、さらに図５は図４のＢ−Ｂ視
図である。図３において、バランスラビリンス背面の高
圧側室の流れ取入れ部構造の他の例を示す。この流れ取
入れ部にラビリンス端面よりも突出した複数個の突出部
（流れせき止め部）２５を設ける。この複数個の突出部
２５の間の空間（孔）および低圧側の空間部（部屋）２
２は図１と同様にラビリンスフィン間の部屋２３に半径
方向の貫通孔２４によって連通している。また図４にお
いて、図３の突出部（せき止め部）２５と空間部（部
屋）２２との連通の状態を示している。さらに図５にお
いて、図４の突出部（せき止め部）２５の高圧側端面が
図３の羽根車３とケーシング１の間の流れの動圧を回収
しやすいように周方向に傾斜を持たせた例を示してい
る。この構成で、羽根車出口の全圧に近い圧力を空間部
２２より導くことができ、ラビリンスフィン間の部屋２
３におけるラビリンス背面からの導通孔２４を通した旋
回成分のない流れの支配を高めることができるため、ラ
ビリンスフィン先端隙間の漏れ流れの旋回成分をなくす
ことができる。

【００１６】なお上記実施例はラビリンスフィンが静止
側に設けられているラビリンスシールの例を示したが、
ラビリンスフィンが回転側に設けられているラビリンス
シールにも同様に適用できる。また上記貫通孔２４は半
径方向の孔として説明したが、これは回転方向と逆方向
に傾斜した孔としてもよく、このようにすると導通孔２
４よりラビリンスフィン間の部屋２３に吹き出す流れが
負の旋回成分を持つため、この流れの支配をさらに高め
ることができる。

【００１７】

【発明の効果】本発明によればラビリンス部の流れの回
転方向旋回成分を容易かつ完全になくすことができるの
で、遠心圧縮機等の回転流体機械の軸−軸受系の特性を
安定にすることができ、ひいてはプラント等の安定性お
よび安全性を高めることができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の縦断面図

【図２】本発明の他の実施例の縦断面図

【図３】本発明のさらに他の実施例縦断面図

【図４】図３のＡ−Ａ視図

【図５】図４のＢ−Ｂ視図

【図６】遠心圧縮機の一例の縦断面図

【符号の説明】

１…ケーシング、２…回転軸、３…羽根車、２１…バラ
ンスラビリンス、２２…空間部、２３…ラビリンスフィ
ン間の部屋、２４…導通孔、２５…突出部。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転軸に羽根車を装着したロータを回転
   する流体機械における該ロータの軸貫通部に設けたラビ
   リンスシールにおいて、該ラビリンスシールの高圧側室
   から１枚目以上のラビリンスフィンの低圧側の部屋に高
   圧側室を導通させるガス通路を設けたことを特徴とする
   ラビリンスシール。
2. 【請求項２】 上記高圧側室と該高圧側室と導通したラ
   ビリンスフィン間の部屋との間のラビリンスフィンがロ
   ータとの間で形成するすきまの面積よりも高圧側室から
   該ラビリンスフィン間の部屋に導通する間のガス通路面
   積を大きくしたことを特徴とする請求項１記載のラビリ
   ンシール。
3. 【請求項３】 上記ラビリンスフィンが静止側に設けら
   れていることを特徴とする請求項１または請求項２記載
   のラビリンスシール。
4. 【請求項４】 上記ラビリンスフィンが回転側に設けら
   れていることを特徴とする請求項１または請求項２記載
   のラビリンスシール。
5. 【請求項５】 上記高圧側室からのガス通路入口に突出
   部を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２記
   載のラビリンスシール。