JP6150275B2

JP6150275B2 - 非接触環状シール

Info

Publication number: JP6150275B2
Application number: JP2012283296A
Authority: JP
Inventors: 遼太武内
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2012-12-26
Filing date: 2012-12-26
Publication date: 2017-06-21
Anticipated expiration: 2032-12-26
Also published as: JP2014126139A

Description

本発明は、回転する回転部と、回転部を囲むように設けられた静止部との間に形成される環状の隙間に流れる流体の漏れ量を低減して、流体のシールを行う非接触環状シールに関する。

ポンプ、圧縮機等の回転機械には内部流体の漏れ量を低減するために、非接触環状シールが用いられている（例えば、特許文献１）。

特許文献１の非接触環状シールは、固定側内面に多数の穴を加工することで、軸振動を安定化させるようにしたホールパターンシールである。特許文献１では、シールの穴の深さを軸方向に変化させることで、回転機械における軸振動を安定化させるようにしている。

このように、ホールパターンシールなどの非接触環状シールにおいて、回転機械の軸振動を安定化させるための工夫がなされたり、その他種々の工夫が検討されている。

米国特許出願公開２００７／０２５７４４４号公報

しかしながら、昨今では、圧縮機などの回転機械における内部流体の漏れ量をより低減させたいという課題がある。

従って、本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、回転する回転部と、回転部を囲むように設けられた静止部との間に形成される環状の隙間に流れる流体の漏れ量を、より低減させることができる非接触環状シールを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。

本発明の第１態様によれば、回転する回転部と、回転部を囲むように設けられた静止部との間に形成される環状の隙間において、回転部の回転方向に沿って周回しながら高圧側から低圧側に向かってらせん状に流れる流体の漏れ量を低減して、流体のシールを行う非接触環状シールであって、
静止部の表面に、回転部に対向するように配置されたシール面を有し、
シール面には複数の穴が設けられており、複数の穴の側面における穴の開口部に隣接する部分は、らせん状の流体の漏れ流れに対向する方向に向けて傾斜される、非接触環状シールを提供する。

本発明の第２態様によれば、複数の穴のそれぞれの側面全体が、らせん状の流体の漏れ流れに対向する方向に向けて傾斜される、第１態様に記載の非接触環状シールを提供する。

本発明の第３態様によれば、複数の穴は、らせん状の流体の漏れ流れに交差する方向へずれるように千鳥状に配置され、流体の漏れ流れ方向において第１の穴と第２の穴とが重なるように配置される、第１態様又は第２態様に記載の非接触環状シールを提供する。

本発明の非接触環状シールは、流体の漏れ量をより低減させることができる。

本発明の一の実施の形態にかかる非接触環状シールの断面図本実施の形態における流体の漏れ流れの外観斜視図比較例における穴の各種模式図実施例における穴の各種模式図比較例における穴の軸方向沿いの断面図実施例における穴の軸方向沿いの断面図比較例における複数の穴を俯瞰した図実施例における複数の穴を俯瞰した図実施例における第１の穴と第２の穴を示す模式図比較例および実施例におけるシュミレーション結果を示す図

以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態にかかる非接触環状シール１を示す。本実施の形態における非接触環状シール１は例えば、流体を圧縮する圧縮機などの回転機械において、軸受部に設けられるシール構造である。図１に示すように、非接触環状シール１は、回転する回転部２と、回転部２を囲んでいる静止部３の間に設けられる。回転部２は、回転軸４を中心として、所定の回転方向Ｒ（周方向）に向かって回転する。静止部３は、回転部２に対して非接触な状態にて回転部２を囲むように設けられるとともに、静止している。回転部２と静止部３との間には隙間が形成されており、この隙間の形状は円環状である。隙間の幅は例えば２００μｍに設定される。

このように構成される非接触環状シール１などを含む構造において、静止部３が静止した状態にて回転部２が回転すると、回転部２と静止部３の間の環状の隙間に、高圧側から低圧側に向かって流れる流体の漏れ流れＡが生じる。

回転部２と静止部３の隙間に流れる流体の漏れ流れＡについて、図２を用いてさらに説明する。図２は、流体の漏れ流れＡおよび回転部２を示す斜視図である。図２においては説明のために、回転部２と漏れ流れＡのみを図示しており、静止部３の図示を省略している。図２に示すように、流体の漏れ流れＡは、高圧側から低圧側に向かうとともに、回転部２の回転に伴って、回転部２の回転方向Ｒと同方向に周回する。このように、高圧側から低圧側に向かう軸方向の流れと、回転部２の回転方向Ｒと同方向である周方向の流れが合わさることにより、図２に示すように漏れ流れＡは、回転部２の回転方向Ｒに沿って周回しながら高圧側から低圧側に向かう、らせん状の流れとなる。

本実施の形態における非接触環状シール１は、このらせん状の流体の漏れ流れＡの漏れ量を低減するために設けられる。具体的には、図１に示される静止部３の表面に、回転部２に対向するシール面５が設けられており、シール面５に複数の穴が形成される。

次に、シール面に設けられた複数の穴の構造について、図３、４を用いて説明する。図３は、本実施の形態の比較例における非接触環状シール１１に設けられる複数の穴１６を示し、図４は、本実施の形態の実施例における非接触環状シール１に設けられる複数の穴６を示す。図３、４において、（ａ）は軸方向沿いの断面図であり、（ｂ）は周方向沿いの断面図であり、（ｃ）はシール面を俯瞰した図である。なお、比較例における非接触環状シール１１と、実施例における非接触環状シール１とはそれぞれが有する穴の構造、配置のみが異なり、それ以外の構成については共通する。

本実施の形態の比較例における非接触環状シール１１では、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、軸方向および周方向のいずれにおいても、流体の漏れ流れ方向に対して略垂直に延在するように複数の穴１６が形成される。また、穴１６の開口部は、図３（ｃ）に示すように略真円状に形成される。

一方、本実施の形態の実施例における非接触環状シール１では、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、軸方向および周方向のいずれにおいても、流体の漏れ流れ方向に対して垂直な方向から傾斜するように複数の穴６が形成される。具体的には、軸方向および周方向のいずれにおいても、流体の漏れ流れ方向に対して垂直な方向から、流体の漏れ流れＡに対向する方向に向けて所定角度（本実施例では、例えば１５度）傾斜される。このように穴６が傾斜されて形成されることにより、図４（ｃ）に示すように、穴６の開口部は真円ではなく、略楕円状に形成される。

次に、図３、４で示した非接触環状シール１１、１の複数の穴１６、６によって流体の漏れ流れＡの漏れ量を低減する原理について、図５、６を用いてそれぞれ説明する。図５は、比較例における穴１６の軸方向沿いの断面図を示し、図６は、実施例における穴６の軸方向沿いの断面図を示す。図５、６では軸方向の流れに着目する。

図５に示すように、環状の隙間を流れる漏れ流れＡは、回転部１２とシール面１５（穴１６が形成されない部分）との微小な隙間を通るとともに、その後、穴１６によって広がった隙間へと流れる。このとき、漏れ流れＡは幅の狭い隙間から幅の大きな隙間へと流れるため、穴１６における上流側入口部分（図５のＢ部）では、流体の漏れ流れＡに渦が生じる。流体の漏れ流れＡの渦は、漏れ流れＡを穴１６の内側へ導入する推進力を発生させる。この推進力によって穴１６の内部に導入された漏れ流れＡは、穴１６の側面１７および底面１８に沿って穴１６内を循環するように流れる。このように、穴１６の内部に流体の漏れ流れＡが導入され、穴１６内を循環するように流れることにより、流体の漏れ流れＡの軸方向速度が低減されて、流体の漏れ量が低減される。

一方、図６に示すように、本実施例における穴６においても、比較例における穴１６と同様に、穴６の上流側入口部分（図６のＣ部）で流体の漏れ流れＡに渦が生じることにより、穴６の内部に漏れ流れＡが導入され、流体の漏れ量が低減される。本実施例ではさらに、比較例と異なり、穴６の側面７全体が、流体の漏れ流れＡに対向する方向に向けて傾斜されている。このように穴６の側面７（特に漏れ流れ方向上流側の側面７）が漏れ流れＡに対向する方向に向けて傾斜されることで、穴６の上流側入口部分の空間が狭くなるため、穴６のＣ部に生じる流体の渦の量は、比較例のものに比べて多くなる。これにより、本実施の形態の実施例では、流体の漏れ流れＡのうち、穴６の内部に導入される量が増大するため、比較例に比べて、流体の漏れ量はさらに低減される。

さらに、穴６の側面７のうち、漏れ流れ方向下流側の側面７も漏れ流れＡに対向する方向に向けて傾斜されることで、漏れ流れＡは穴６の内側に案内されやすくなり、より多くの漏れ流れＡが穴６の内側に案内される。これにより、流体の漏れ量はさらに低減される。

上述した軸方向における漏れ量の低減の原理については、周方向における流体の漏れ量の低減についても同様に当てはまる。なお、周方向における流体の漏れ量を低減することで、流体の周方向の漏れ流れＡに起因する、回転機械における軸振動の発生を抑制することができる。

次に、図７、８を用いて、本実施の形態の比較例および実施例における複数の穴１６、６の配置方法について説明する。図７は、比較例における複数の穴１６を示し、図８は、実施例における複数の穴６を示す。

図７に示すように、本実施の形態の比較例では、複数の穴１６を一直線状に並べた穴１６の列を複数列、互いに平行に並べている。隣接する列においては、互いの列の穴１６同士が軸方向において同位置とならないように、ずれて配置される。

このような穴１６の配置方法によれば、漏れ流れＡは、穴１６の上を流れる漏れ流れＡ１と、穴１６の上を通過することなく穴１６同士の間のシール面１５上を流れる漏れ流れＡ２とに分かれる。

一方、図８に示すように、本実施の形態の実施例では、比較例と同様に複数の穴６を一直線状に並べた穴１６の列を複数列、互いに平行に並べているが、比較例と異なり、複数の穴６は、流体の漏れ流れＡに交差する方向へずれるように、千鳥状に配置される。より具体的には、図９に示すように、流体の漏れ流れ方向において、第１の穴６ａと第２の穴６ｂとが流体の漏れ流れＡに交差する方向にずれながらも、流体の漏れ流れ方向において重なるようにして配置されている。

上述した実施例における穴６の配置方法によれば、第１の穴６ａと第２の穴６ｂとが流体の漏れ流れＡに交差する方向へずれながらも、流体の漏れ流れ方向において重なるように配置されることにより、漏れ流れＡが均一に穴６の上を通過するようになる。したがって、より効率的に流体の漏れ量を低減する。また、千鳥状に配置することで穴６をより密集して配置することができるため、穴６による漏れ流れＡの低減効果をさらに高めている。

また、本実施の形態の実施例によれば、図８に示すように、穴６の側面７を傾斜させることで、同じ径を有する穴を同じ数だけ傾斜させずに形成する場合に比べて、穴６の開口部の面積を増大させている。これにより、シール面５のうち穴６が形成されない部分の割合が小さくなるため、流体の漏れ量はさらに低減される。

上述したように、本実施の形態にかかる非接触環状シール１によれば、静止部２の表面に、回転部３に対向するように配置されたシール面５を有し、シール面５には複数の穴６が設けられており、複数の穴６のそれぞれの側面７は、らせん状の流体の漏れ流れＡに対向する方向に向けて傾斜される。これにより、穴６の側面７を流体の漏れ流れＡに対向する方向に向けて傾斜させない場合に比べて、穴６の内部により多くの流体の漏れ流れＡを案内することができるため、流体の漏れ量をより低減することができる。

また、本実施形態にかかる非接触環状シール１によれば、複数の穴６は、らせん状の流体の漏れ流れＡに交差する方向へずれるように千鳥状に配置され、流体の漏れ流れ方向において第１の穴６ａと第２の穴６ｂとが重なるように配置される。これにより、穴６をより密集して配置するとともに、漏れ流れＡをより均一に穴６の上に通過させることができるため、流体の漏れ量をさらに低減することができる。

次に、本実施の形態の比較例および実施例における非接触環状シール１１、１を用いて流体のシールを行った場合のシミュレーション結果を図１０に示す。図１０に示すように、比較例および実施例の共通条件は、流体として空気を用いるとともに、穴の直径を２００ｍｍ、穴の深さを１５０ｍｍ、高圧側と低圧側の流体の圧力差を２ＭＰａとしている。比較例と実施例とで異なる条件は、比較例では、穴１６を軸方向および周方向のいずれにおいても傾斜させておらず、一方の実施例では、穴１６を軸方向および周方向のいずれにおいても、流体の漏れ流れＡに対向する方向に向けて１５°傾斜させていることである。

上記条件の元、シミュレーションを行った結果、図１０に示すように、比較例では流体の漏れ量が６．６６ｋｇ／ｓとなり、実施例では流体の漏れ量が５．４６ｋｇ／ｓとなった。このように、実施例における非接触環状シール１によれば、比較例に比べて流体の漏れ量をより低減できることがわかる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、本実施の形態では、複数の穴６のそれぞれの側面７の全体が傾斜される場合について説明したが、このような場合に限らず例えば、複数の穴６の側面７における穴６の開口部に隣接する部分のみ、すなわち穴６の側面７の全体ではなく、穴６の開口部に近い側面７の一部分のみを傾斜させるようにしても良い。このような場合であっても、前述した穴６の上流側端部に生じる渦の量を増大させることができるため、同様の効果を奏することができる。

また、本実施の形態では、穴６の断面形状が円形である場合について説明したが、このような場合に限らず例えば、三角形や四角形などであっても良い。

また、本実施の形態では、穴６の傾斜角度が１５度である場合について説明したが、このような場合に限らず他の角度であっても良く、らせん状の流体の漏れ流れＡの方向に合わせて角度を調整するようにしても良い。らせん状の流体の漏れ流れＡは高圧側から低圧側に向かうにしたがって、周方向の速度と軸方向の速度の大きさが変化し、らせんの角度が変化する傾向があるため、その変化に応じて穴６の傾斜角度を調整することもできる。

なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明は、回転する回転部と、回転部を囲むように設けられた静止部との間に形成される環状の隙間に流れる流体の漏れ量を低減して、流体のシールを行う非接触環状シールに適用することができる。

１非接触環状シール
２回転部
３静止部
４回転軸
５シール面
６穴
６ａ第１の穴
６ｂ第２の穴
７側面
８底面
１１非接触環状シール
１２回転部
１３静止部
１４回転軸
１５シール面
１６穴
１７側面
１８底面
Ａ、Ａ１、Ａ２漏れ流れ
Ｒ回転方向

Claims

回転する回転部と、回転部を囲むように設けられた静止部との間に形成される環状の隙間において、回転部の回転方向に沿って周回しながら高圧側から低圧側に向かってらせん状に流れる流体の漏れ量を低減して、流体のシールを行う非接触環状シールであって、
静止部の表面に、回転部に対向するように配置されたシール面を有し、
シール面には複数の穴が設けられており、複数の穴内部の側面における穴の開口部に隣接する部分は、らせん状の流体の漏れ流れに対向する方向に向けて傾斜される、非接触環状シール。
複数の穴内部の側面における穴の開口部に隣接する部分は、らせん状の流体の漏れ流れにおける周方向と軸方向の両方において、当該漏れ流れに対向する方向に向けて傾斜される、請求項１に記載の非接触環状シール。
複数の穴内部のそれぞれの側面全体が、らせん状の流体の漏れ流れに対向する方向に向けて傾斜される、請求項１又は２に記載の非接触環状シール。
複数の穴は、らせん状の流体の漏れ流れに交差する方向へずれるように千鳥状に配置され、流体の漏れ流れ方向において第１の穴と第２の穴とが重なるように配置される、請求項１から３のいずれか１つに記載の非接触環状シール。