KR102188474B1

KR102188474B1 - 래비린스 시일

Info

Publication number: KR102188474B1
Application number: KR1020197009955A
Authority: KR
Inventors: 슌스케 모리나카; 스케 모리나카
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2016-10-13
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2020-12-08
Also published as: US11002364B2; DE112017005191T5; JP2018063006A; KR20190046970A; WO2018070282A1; US20190285183A1; JP6650383B2

Abstract

유체의 누설량을 억제할 수 있는 래비린스 시일을 제공한다. 래비린스 시일(30)은, 고압측(X1) 단차부인 승단 구조 단차부(41)와, 저압측(X2) 단차부인 강단 구조 단차부(42)와, 저압측(X2) 단차부인 강단 구조 단차부(42)보다 저압측(X2)에 배치되는 제3 핀(53)과, 환형 홈(70)을 구비한다. 환형 홈(70)은, 고압측(X1) 단차부인 승단 구조 단차부(41)보다 저압측(X2)이며, 또한 제3 핀(53)보다 고압측(X1)의 영역의 적어도 일부에 배치된다.

Description

래비린스 시일

본 발명은 래비린스 시일에 관한 것이다.

예를 들어 특허문헌 1, 2에 종래의 래비린스 시일이 개시되어 있다. 이 래비린스 시일은, 회전 기계를 구성하는 2개의 부재(예를 들어 회전체와 정지체)의 사이의 간극으로부터 유체가 누설되는 것을 억제하는 것이다. 특허문헌 2의 도 7에 기재된 래비린스 시일은, 단차부와, 복수의 핀을 구비하고 있다. 이 구성에 의해, 복수의 핀 사이의 공간에 소용돌이를 발생시켜, 유체의 에너지 손실을 일으키게 함으로써, 유체의 누설량을 억제하는 것이 도모되어 있다.

일본 특허 공개 소60-98196호 공보 일본 특허 공개 제2015-108301호 공보

특허문헌 2의 도 7에는, 2개의 큰 소용돌이와, 2개의 작은 소용돌이가 기재되어 있다. 큰 소용돌이에 비하여, 작은 소용돌이에서는, 유체의 에너지 손실의 효과가 작다. 그 때문에, 유체의 누설량을 충분히 억제하지 못할 우려가 있다.

그래서 본 발명은 유체의 누설량을 억제할 수 있는 래비린스 시일을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 래비린스 시일은 회전 기계에 마련된다. 상기 회전 기계는, 제1 부재와, 제2 부재와, 간극을 구비한다. 제2 부재는, 상기 제1 부재에 대향한다. 간극은, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재의 사이에 형성되고, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재가 대향하는 방향에 직교하는 방향인 흐름 방향으로 고압측으로부터 저압측으로 유체가 흐르도록 구성된다. 상기 제1 부재와 상기 제2 부재가 대향하는 방향인 대향 방향에 있어서, 상기 제2 부재로부터 상기 제1 부재를 향하는 측을 대향 방향 일방측이라고 한다. 대향 방향에 있어서, 상기 제1 부재로부터 상기 제2 부재를 향하는 측을 대향 방향 타방측이라고 한다. 래비린스 시일은, 단차부와, 핀과, 환형 홈을 구비한다. 상기 단차부는, 상기 제2 부재의 대향 방향 일방측 부분에 형성된다. 상기 핀은, 상기 제1 부재의 대향 방향 일방측 부분으로부터 대향 방향 타방측으로 연장된다. 상기 환형 홈은, 상기 제2 부재의 대향 방향 일방측 부분에 형성된다. 상기 단차부는, 고압측에 면하는 승단 구조 단차부와, 저압측에 면하는 강단 구조 단차부를 구비한다. 상기 승단 구조 단차부 및 상기 강단 구조 단차부 중 고압측에 배치되는 쪽을 고압측 단차부라고 하고, 저압측에 배치되는 쪽을 저압측 단차부라고 한다. 상기 핀은, 제1 핀과, 제2 핀과, 제3 핀을 구비한다. 상기 제1 핀은, 상기 고압측 단차부보다 고압측에 배치된다. 상기 제2 핀은, 상기 고압측 단차부보다 저압측이며, 또한 상기 저압측 단차부보다 고압측에 배치된다. 상기 제3 핀은, 상기 저압측 단차부보다 저압측에 배치된다. 상기 환형 홈은, 상기 고압측 단차부보다 저압측이며, 또한 상기 제3 핀보다 고압측의 영역의 적어도 일부에 배치된다.

상기 구성에 의해, 유체의 누설량을 억제할 수 있다.

도 1은, 제1 실시 형태의 회전 기계를 도시하는 단면도이다.
도 2는, 도 1에 도시하는 래비린스 시일 등을 도시하는 단면도이다.
도 3은, 도 2에 도시하는 래비린스 시일에 관한 치수 등을 도시하는 단면도이다.
도 4는, La/Ga(도 3 참조)와 누설량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는, Da/Ha(도 3 참조)와 누설량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은, Gb(도 3 참조)와 누설량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은, 제2 실시 형태의 도 2의 상당도이다.
도 8은, 제3 실시 형태의 도 2의 상당도이다.
도 9는, 제4 실시 형태의 도 2의 상당도이다.
도 10은, 제5 실시 형태의 도 2의 상당도이다.
도 11은, 제6 실시 형태의 도 2의 상당도이다.
도 12는, 제7 실시 형태의 도 2의 상당도이다.
도 13은, 제8 실시 형태의 도 2의 상당도이다.
도 14는, 제9 실시 형태의 래비린스 시일을 도시하는 단면도이다.
도 15는, 제10 실시 형태의 도 14의 상당도이다.
도 16은, 누설량의 해석에 사용한 제1 구조의 래비린스 시일을 도시하는 단면도이다.
도 17은, 4종류의 구조 각각의 누설량을 나타내는 그래프이다.

(제1 실시 형태)

도 1 내지 도 6을 참조하여, 도 1에 도시하는 제1 실시 형태의 회전 기계(1)에 대하여 설명한다.

회전 기계(1)(유체 기계, 유체 회전 기계)는, 예를 들어 압축기이며, 예를 들어 터보 압축기 등이다. 회전 기계(1)는, 예를 들어 팽창기여도 되고, 예를 들어 팽창 터빈 등이어도 된다. 회전 기계(1)는 원심식이다. 회전 기계(1)는, 정지체(10)(제1 부재)와, 회전체(20)(제2 부재)와, 간극(25)과, 래비린스 시일(30)과, 래비린스 시일(130)을 구비한다. 정지체(10)는, 예를 들어 케이싱이다. 정지체(10)는, 예를 들어 케이싱 내에 배치되고, 케이싱에 고정되는 부재여도 된다.

회전체(20)는, 정지체(10)의 내부에 배치되고, 정지체(10)에 대하여 회전축 A(중심축) 주위로 회전한다. 회전체(20)는, 예를 들어 임펠러이며, 예를 들어 슈라우드 구비 임펠러이다. 회전체(20)는, 정지체(10)에 대향한다. 회전체(20) 중, 래비린스 시일(30) 및 래비린스 시일(130)이 마련되는 부분은, 정지체(10)에 대향한다.

간극(25)은, 도 2에 도시하는 바와 같이, 정지체(10)와 회전체(20)의 사이에 형성되고, 정지체(10)의 대향 방향 타방측 Y2(하기) 부분과, 회전체(20)의 대향 방향 일방측 Y1(하기) 부분의 사이에 형성된다. 유체가, 간극(25)을 흐르는 것이 가능하다. 흐름 방향 X의 고압측 X1로부터, 흐름 방향 X의 저압측 X2로, 간극(25)을 유체가 흐르도록, 간극(25)이 구성된다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 흐름 방향 X는, 회전축 A에 직교하는 방향, 또는 대략 직교하는 방향이다. 회전 기계(1)가 압축기인 경우, 고압측 X1은, 회전축 A에서 먼 측(회전축 A를 기준으로 한 직경 방향외측)이고, 저압측 X2는, 회전축 A에 가까운 측(회전축 A를 기준으로 한 직경 방향 내측)이다. 회전 기계(1)가 팽창기인 경우, 고압측 X1은 회전축 A에 가까운 측이고, 저압측 X2는 회전축 A로부터 먼 측이다. 이하에서는 회전 기계(1)가 압축기인 경우에 대하여 설명한다. 정지체(10)와 회전체(20)가 대향하는 방향을 대향 방향 Y라고 한다. 대향 방향 Y는, 흐름 방향 X와 직교하는 방향이다. 대향 방향 Y는, 회전축 A의 방향과 동등하다(또는 거의 동등함). 도 2에 도시하는 바와 같이, 대향 방향 Y에 있어서, 회전체(20)로부터 정지체(10)를 향하는 측을 대향 방향 일방측 Y1이라고 하고, 정지체(10)로부터 회전체(20)를 향하는 측을 대향 방향 타방측 Y2라고 한다. 간극(25) 중, 제1 핀(51)(하기)과 제2 핀(52)(하기)의 사이의 영역(흐름 방향 X에 있어서의 사이의 영역)을, 승단 구조측의 공간(25a)이라고 한다. 간극(25) 중, 제2 핀(52)과 제3 핀(53)(하기)의 사이의 영역을, 강단 구조측의 공간(25b)이라고 한다.

래비린스 시일(30)은, 고압측 X1로부터 저압측 X2로의, 간극(25)에서의 유체의 누설을 억제한다. 래비린스 시일(30)은, 이 누설을 억제함으로써, 회전 기계(1)(도 1 참조) 내에서의 유체의 순환을 억제한다. 래비린스 시일(30)은, 정지체(10)와 회전체(20)를 접촉시키지 않고(비접촉으로), 유체의 누설 흐름의 양(이하, 누설량이라고도 함)을 억제하는 장치이다. 래비린스 시일(30)은, 단차부(40)와, 핀(50)과, 환형 홈(70)을 구비한다.

단차부(40)는, 회전체(20)의 대향 방향 일방측 Y1 부분에 형성된다. 단차부(40)는, 회전축 A(도 1 참조)를 중심으로 한 환형(링형)이다. 회전축 A와 평행이며, 또한 회전축 A를 포함하는 평면에서의, 회전 기계(1)의 단면을 「회전축 단면」이라고 한다. 회전축 단면은, 대향 방향 Y 및 흐름 방향 X 각각에 직교하는 방향에서 본 단면이다. 도 1 및 도 2는, 회전축 단면에 있어서의 회전 기계(1)를 도시하는 도면이다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 회전축 단면에 있어서, 단차부(40)는, 대향 방향 Y로 연장되는 직선형이다. 즉, 단차부(40)는, 회전축 A를 중심으로 하는 환형의 원통형이다. 회전축 단면에 있어서, 단차부(40)는, 대향 방향 Y에 대하여 경사진 직선형이어도 된다(도 10에 도시하는 강단 구조 단차부(542)를 참조). 이 경우, 강단 구조 단차부(542)(도 10 참조)는, 회전축 A(도 1 참조)를 중심으로 하는 환형의 곡면형이며, 회전축 A를 중심으로 하는 원뿔대의 외주부를 구성하는 곡면의 형상이다. 회전축 단면에 있어서, 단차부(40)는 곡선형이어도 된다(도시하지 않음). 이 경우, 단차부(40)는, 회전축 A를 중심으로 하는 환형의 곡면형이다. 회전축 A를 중심으로 하는 환형이라는 점은, 도 2에 도시하는 핀(50) 및 환형 홈(70)에 대해서도 마찬가지이다. 단차부(40)는, 승단 구조 단차부(41)와, 강단 구조 단차부(42)를 구비한다.

승단 구조 단차부(41)는, 고압측 X1에 면한다(향한다). 승단 구조 단차부(41)의 표면(단차 표면)은, 고압측 X1에 면한다. 회전체(20) 중 승단 구조 단차부(41)보다 고압측 X1의 부분(고압측 저단차부(46))보다, 회전체(20) 중 승단 구조 단차부(41)보다 저압측 X2의 부분(고단차부(47)) 쪽이, 대향 방향 일방측 Y1에 배치되도록, 승단 구조 단차부(41)가 구성된다. 승단 구조 단차부(41)는, 고압측 저단차부(46)의 저압측 X2 단부에 이어진다. 승단 구조 단차부(41)는, 고단차부(47)의 고압측 X1 단부에 이어진다.

강단 구조 단차부(42)는, 저압측 X2에 면한다. 강단 구조 단차부(42)의 표면은, 저압측 X2에 면한다. 강단 구조 단차부(42)는, 회전체(20) 중 강단 구조 단차부(42)보다 고압측 X1의 부분(고단차부(47))보다, 회전체(20) 중 강단 구조 단차부(42)보다 저압측 X2의 부분(저압측 저단차부(48)) 쪽이, 대향 방향 타방측 Y2에 배치되도록 구성된다. 강단 구조 단차부(42)는, 고단차부(47)의 저압측 X2 단부에 이어진다. 강단 구조 단차부(42)는, 저단차부 환형 홈(72)(하기)을 통하여, 저압측 저단차부(48)의 고압측 X1 단부에 이어진다. 강단 구조 단차부(42)는, 저압측 저단차부(48)의 고압측 X1 단부에 이어져도 된다(도 11 참조)(하기 [위치 b2]의 설명을 참조).

고압측 저단차부(46)(고압측 평면)는, 회전체(20)의 대향 방향 일방측 Y1 부분에 형성된다. 회전축 단면에 있어서, 고압측 저단차부(46)는, 흐름 방향 X로 연장되는 직선형이다. 즉, 고압측 저단차부(46)는, 회전축 A(도 1 참조)를 중심으로 하는 환형의 평면 형상이다. 회전축 단면에 있어서, 고압측 저단차부(46)의 전체 또는 일부는, 흐름 방향 X에 대하여 경사지는 직선 또는 곡선이어도 된다. 이 경우, 고압측 저단차부(46)는, 회전축 A를 중심으로 하는 환형의 곡면형(예를 들어 대략 평면 형상)이다.

고단차부(47)(업 스텝부, 중간 단차부, 중간 평면)는, 고압측 저단차부(46)보다 저압측 X2에 배치되고, 고압측 저단차부(46)보다 대향 방향 일방측 Y1에 배치된다. 고단차부(47)의 형상은, 고압측 저단차부(46)의 형상과 마찬가지이다. 예를 들어, 고단차부(47)는, 회전축 A(도 1 참조)를 중심으로 하는 환형의 평면 형상이다.

저압측 저단차부(48)(다운 스텝부, 저압측 평면)는, 고단차부(47)보다 저압측 X2에 배치되고, 고단차부(47)보다 대향 방향 타방측 Y2에 배치된다. 저압측 저단차부(48)의 형상은, 고압측 저단차부(46)의 형상과 마찬가지이다. 예를 들어, 저압측 저단차부(48)는, 회전축 A(도 1 참조)를 중심으로 하는 환형의 평면 형상이다. 저압측 저단차부(48)의 대향 방향 Y에 있어서의 위치는, 고압측 저단차부(46)의 대향 방향 Y에 있어서의 위치와 동일해도 되고, 고압측 저단차부(46)보다 대향 방향 일방측 Y1이어도 되고, 고압측 저단차부(46)보다 대향 방향 타방측 Y2여도 된다.

(고압측 X1 단차부 및 저압측 X2 단차부)

승단 구조 단차부(41) 및 강단 구조 단차부(42) 중, 고압측 X1에 배치되는 쪽(본 실시 형태에서는 승단 구조 단차부(41))을 「고압측 X1 단차부」라고 하고, 저압측 X2에 배치되는 쪽(본 실시 형태에서는 강단 구조 단차부(42))을 「저압측 X2 단차부」라고 한다.

핀(50)은, 간극(25)을 구획하는 부분이다. 핀(50)은, 간극(25)을 완전히는 구획하지 않으며, 간극(25)을 좁히도록 배치된다. 핀(50)은, 정지체(10)의 대향 방향 일방측 Y1 부분으로부터 대향 방향 타방측 Y2로 연장되어, 회전체(20)의 대향 방향 일방측 Y1의 면의 근방까지 연장된다. 핀(50)은, 정지체(10)와 일체적으로 마련된다. 핀(50)은, 정지체(10)와 별체여도 된다. 핀(50)은, 고압측 X1로부터 저압측 X2의 순으로, 제1 핀(51)과, 제2 핀(52)과, 제3 핀(53)을 구비한다.

제1 핀(51)(고압측 X1 핀)은, 승단 구조 단차부(41)보다 고압측 X1에 배치된다. 제1 핀(51)은, 고압측 저단차부(46)와 대향 방향 Y에 대향하는 위치에 배치된다. 제1 핀(51)의 선단부(대향 방향 타방측 Y2 단부)의 대향 방향 Y에 있어서의 위치는, 고단차부(47)의 표면(대향 방향 일방측 Y1의 면)의 대향 방향 Y에 있어서의 위치보다, 대향 방향 타방측 Y2이다. 제1 핀(51)의 선단부와 회전체(20)의 사이에는, 대향 방향 Y의 간극 δ1이 있다.

제2 핀(52)(중간 핀)은, 승단 구조 단차부(41)보다 저압측 X2이며, 또한 강단 구조 단차부(42)보다 고압측 X1에 배치된다. 제2 핀(52)은, 고단차부(47)와 대향 방향 Y에 대향하는 위치에 배치되고, 환형 홈(70)(하기의 고단차부 환형 홈(71))과 대향 방향 Y에 대향하는 위치에 배치되어도 된다. 제2 핀(52)의 선단부와 회전체(20)의 사이에는, 대향 방향 Y의 간극 δ2가 있다. 간극 δ2는, 승단 구조측의 공간(25a)으로부터의 유체의 유출 출구이다. 제2 핀(52)은, 고압측 X1의 측면인 고압측 측면(52a)과, 저압측 X2의 측면인 저압측 측면(52b)을 구비한다. 고압측 측면(52a) 및 저압측 측면(52b)은, 흐름 방향 X에 직교하는 면이다. 상기 「직교」는, 대략 직교를 포함한다(이하 마찬가지임).

제3 핀(53)(저압측 X2 핀)은, 강단 구조 단차부(42)보다 저압측 X2에 배치된다. 제3 핀(53)은, 저압측 저단차부(48)와 대향 방향 Y에 대향하는 위치에 배치되고, 환형 홈(70)(하기의 저단차부 환형 홈(72))과 대향 방향 Y에 대향하는 위치에 배치되어도 된다. 제3 핀(53)의 선단부의 대향 방향 Y에 있어서의 위치는, 고단차부(47)의 표면(대향 방향 일방측 Y1의 면)의 대향 방향 Y에 있어서의 위치보다 대향 방향 타방측 Y2이다. 이와 같이, 제3 핀(53) 및 제1 핀(51) 각각의 선단부와, 고단차부(47)가, 대향 방향 Y로 어긋나도록(말하자면 엇갈리게) 배치된다. 따라서, 유체가, 핀(50) 및 단차부(40)에 닿지 않고, 흐름 방향 X로 흐르는 것(블루바이)이 억제된다. 제3 핀(53)의 선단부와 회전체(20)의 사이에는, 대향 방향 Y의 간극 δ3이 있다. 간극 δ3은, 강단 구조측의 공간(25b)으로부터의 유체의 유출 출구이며, 래비린스 시일(30)로부터의 유체의 유출 출구이다. 제3 핀(53)은, 고압측 X1의 측면인 고압측 측면(53a)과, 저압측 X2의 측면인 저압측 측면(53b)을 구비한다. 고압측 측면(53a) 및 저압측 측면(53b)은, 흐름 방향 X에 직교하는 면이다.

(고단차부측 핀 및 저단차부측 핀)

승단 구조 단차부(41)보다 저압측 X2의 핀(50) 중, 승단 구조 단차부(41)에 가장 가까운 것을 「고단차부측 핀」이라고 한다. 본 실시 형태에서는, 「고단차부측 핀」은, 제2 핀(52)이다. 강단 구조 단차부(42)보다 저압측 X2의 핀(50) 중 강단 구조 단차부(42)에 가장 가까운 것을 「저단차부측 핀」이라고 한다. 본 실시 형태에서는 「저단차부측 핀」은, 제3 핀(53)이다.

환형 홈(70)은, 소용돌이 V(소용돌이 V2 및 소용돌이 V4 중 적어도 어느 것)를 유입시키기 위한 홈이다. 환형 홈(70)은, 소용돌이 V가 발생하는 부위(개소)에 마련되며, 환형 홈(70)에 둘러싸인 공간(환형 홈(70)의 내부)에 소용돌이 V가 유입되도록 구성된다. 환형 홈(70)은, 회전체(20)의 대향 방향 일방측 Y1 부분에 형성된다. 환형 홈(70)은, 고압측 X1 단차부(승단 구조 단차부(41))보다 저압측 X2이며, 또한 제3 핀(53)보다 고압측 X1의 영역의 적어도 일부에 배치된다. 환형 홈(70)은, 고단차부 환형 홈(71)과, 저단차부 환형 홈(72)을 구비한다.

고단차부 환형 홈(71)(업 스텝 홈)은, 소용돌이 V2를 유입시키기 위한 홈이다. 고단차부 환형 홈(71)은, 고단차부(47)에 형성되고, 고단차부(47)의 대향 방향 일방측 Y1 단부보다 대향 방향 타방측 Y2로 오목하다. 고단차부 환형 홈(71)은, 승단 구조 단차부(41)보다 저압측 X2이며, 또한 고단차부측 핀(제2 핀(52))보다 고압측 X1의 영역의 적어도 일부에 배치된다. 고단차부 환형 홈(71)의 일부는, 고압측 측면(52a)보다 저압측 X2에 배치되어도 된다.

이 고단차부 환형 홈(71)의 대향 방향 일방측 Y1 단부이며 또한 고압측 X1 단부의, 흐름 방향 X 위치(흐름 방향 X에 있어서의 위치)는, 승단 구조 단차부(41)의 대향 방향 일방측 Y1 단부이며 또한 저압측 X2 단부보다 저압측 X2이다.

이 고단차부 환형 홈(71)의 대향 방향 일방측 Y1 단부이며 또한 저압측 X2 단부의, 흐름 방향 X 위치는, 다음의 [위치 a1] 내지 [위치 a5] 중 어느 것이다. [위치 a1] 고압측 측면(52a)의 선단(대향 방향 타방측 Y2의 끝)보다 고압측 X1. [위치 a2] 고압측 측면(52a)의 선단과 동일한(또는 대략 동일한) 흐름 방향 X 위치. [위치 a3] 고압측 측면(52a)의 선단보다 저압측 X2이며, 또한 저압측 측면(52b)의 선단보다 고압측 X1. [위치 a4] 저압측 측면(52b)의 선단과 동일한(또는 대략 동일한) 흐름 방향 X 위치. [위치 a5] 저압측 측면(52b)보다 저압측 X2.

이 고단차부 환형 홈(71)은, 회전축 A(도 1 참조)를 중심으로 하는 환형이다. 회전축 단면에 있어서, 고단차부 환형 홈(71)에 둘러싸인 부분(고단차부 환형 홈(71)의 내부)의 형상은, 직사각 형상이다. 도 2에 있어서, 「고단차부 환형 홈(71)에 둘러싸인 부분」의 대향 방향 일방측 Y1 단부를 이점쇄선으로 나타낸다. 고단차부 환형 홈(71)은, 고압측 X1의 측면인 고압측 측면(71a)과, 저압측 X2의 측면인 저압측 측면(71b)과, 저면(71c)을 구비한다. 고압측 측면(71a) 및 저압측 측면(71b)은, 흐름 방향 X에 직교하는 면이다. 저면(71c)은, 고단차부 환형 홈(71)의 대향 방향 타방측 Y2 부분의 면이며, 고단차부 환형 홈(71)의 저부(저압측 저단차부(48)의 표면을 기준으로 하였을 때의 저부)를 구성하는 면이다. 저면(71c)은, 대향 방향 Y에 직교하는 면이다.

저단차부 환형 홈(72)(다운 스텝 홈)은, 소용돌이 V4를 유입시키기 위한 홈이다. 저단차부 환형 홈(72)은, 저압측 저단차부(48)에 형성되고, 저압측 저단차부(48)의 대향 방향 일방측 Y1 단부보다 대향 방향 타방측 Y2로 오목하다. 저단차부 환형 홈(72)은, 강단 구조 단차부(42)보다 저압측 X2이며, 또한 저단차부측 핀(제3 핀(53))보다 고압측 X1의 영역의 적어도 일부에 배치된다. 저단차부 환형 홈(72)의 일부는, 고압측 측면(53a)보다 저압측 X2에 배치되어도 된다.

이 저단차부 환형 홈(72)의 대향 방향 일방측 Y1 단부이며 또한 고압측 X1 단부의, 흐름 방향 X 위치는, 다음의 [위치 b1] 내지 [위치 b2] 중 어느 것이다. [위치 b1] 강단 구조 단차부(42)의 대향 방향 타방측 Y2 단부이며 또한 저압측 X2 단부와 동일한 위치. [위치 b2] 강단 구조 단차부(42)의 대향 방향 타방측 Y2 단부이며 또한 저압측 X2 단부보다 저압측 X2(도시하지 않음). 상기 [위치 b1]의 경우, 저단차부 환형 홈(72)은, 강단 구조 단차부(42)의 위치로부터 저압측 X2에 배치된다. 상기 [위치 b2]의 경우, 강단 구조 단차부(42)의 대향 방향 타방측 Y2 단부이며 또한 저압측 X2 단부와, 저단차부 환형 홈(72)의 고압측 X1 단부이며 또한 대향 방향 일방측 Y1 단부의 사이에, 흐름 방향 X의 간격(저압측 저단차부(48)의 일부)이 형성된다.

이 저단차부 환형 홈(72)의 대향 방향 일방측 Y1 단부이며 또한 저압측 X2 단부의, 흐름 방향 X 위치는, 다음의 [위치 c1] 내지 [위치 c5] 중 어느 것이다. [위치 c1] 고압측 측면(53a)의 선단(대향 방향 타방측 Y2의 끝)보다 고압측 X1. [위치 c2] 고압측 측면(53a)의 선단과 동일한(또는 대략 동일한) 흐름 방향 X 위치. [위치 c3] 고압측 측면(53a)의 선단보다 저압측 X2이며, 또한 저압측 측면(53b)의 선단보다 고압측 X1. [위치 c4] 저압측 측면(53b)의 선단과 동일한(또는 대략 동일한) 흐름 방향 X 위치. [위치 c5] 저압측 측면(53b)보다 저압측 X2.

이 저단차부 환형 홈(72)은, 회전축 A(도 1 참조)를 중심으로 하는 환형이다. 회전축 단면에 있어서, 저단차부 환형 홈(72)에 둘러싸인 부분(저단차부 환형 홈(72)의 내부)의 형상은, 고단차부 환형 홈(71)에 둘러싸인 부분의 형상과 마찬가지(또는 거의 마찬가지)이며, 직사각 형상이다. 도 2에 있어서, 「저단차부 환형 홈(72)에 둘러싸인 부분」의 대향 방향 일방측 Y1 단부를 이점쇄선으로 나타낸다. 도 2에 도시하는 예에서는, 저단차부 환형 홈(72)에 둘러싸인 부분은, 고단차부 환형 홈(71)에 둘러싸인 부분보다 크다. 고단차부 환형 홈(71)과 마찬가지로, 저단차부 환형 홈(72)은, 고압측 X1의 측면인 고압측 측면(72a)과, 저압측 X2의 측면인 저압측 측면(72b)과, 저면(72c)을 구비한다. 회전축 단면에 있어서, 고압측 측면(72a) 및 강단 구조 단차부(42)는, 대향 방향 Y로 연장되는 직선형이다.

(구조(30a) 및 구조(30b))

래비린스 시일(30) 중, 승단 구조측의 공간(25a)을 형성하고 있는 부분을 승단 구조측의 구조(30a)라고 한다. 승단 구조측의 구조(30a)는, 2개의 핀(50)(제1 핀(51) 및 제2 핀(52))과, 승단 구조 단차부(41)와, 고단차부 환형 홈(71)을 구비한다. 래비린스 시일(30) 중, 강단 구조측의 공간(25b)을 형성하고 있는 부분을 강단 구조측의 구조(30b)라고 한다. 강단 구조측의 구조(30b)는, 2개의 핀(50)(제2 핀(52) 및 제3 핀(53))과, 강단 구조 단차부(42)와, 저단차부 환형 홈(72)을 구비한다.

래비린스 시일(130)은, 도 1에 도시하는 바와 같이, 래비린스 시일(30)과 거의 마찬가지로 구성된다. 래비린스 시일(30)에 대한 래비린스 시일(130)의 상위점은 다음과 같다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 래비린스 시일(30)에서는, 정지체(10)에 핀(50)이 마련되고, 회전체(20)에 단차부(40) 및 환형 홈(70)이 마련된다. 한편, 래비린스 시일(130)(도 1 참조)에서는, 회전체(20)에 핀(50)이 마련되고, 정지체(10)에 단차부(40) 및 환형 홈(70)이 마련된다.

(제1 부재 및 제2 부재에 대하여)

「제1 부재」는, 핀(50)이 마련되는 부재이다. 제1 부재는, 래비린스 시일(30)에서는 정지체(10)이고, 래비린스 시일(130)(도 1 참조)에서는 회전체(20)이다. 「제2 부재」는, 단차부(40) 및 환형 홈(70)이 마련되는 부재이다. 제2 부재는, 래비린스 시일(30)에서는 회전체(20)이고, 래비린스 시일(130)(도 1 참조)에서는 정지체(10)이다.

(유체의 흐름)

도 2에 도시하는 간극(25)을 흐르는 유체는, 다음과 같이 흐른다. 유체는, 제1 핀(51)보다 고압측 X1로부터, 간극 δ1을 통과하여, 승단 구조측의 공간(25a)으로 유입되어, 소용돌이 V1을 형성한다. 소용돌이 V1은 다음과 같이 형성된다. 유체는, 고압측 저단차부(46)의 표면(대향 방향 일방측 Y1의 면)을 거의 따르도록 저압측 X2로 직진(대략 직진을 포함함)하고, 승단 구조 단차부(41)에 닿아(충돌하여), 대향 방향 일방측 Y1로 흐른다(전향된다). 이 흐름은, 정지체(10)의 대향 방향 타방측 Y2의 면에 닿고, 정지체(10)의 대향 방향 타방측 Y2의 면을 거의 따르도록 고압측 X1로 흐른다. 그리고, 이 흐름은, 제1 핀(51)에 닿고, 제1 핀(51)을 거의 따르도록 대향 방향 타방측 Y2로 흘러, 고압측 저단차부(46)에 닿고, 저압측 X2로 흐른다. 이와 같이 소용돌이 V1이 형성된다.

승단 구조 단차부(41)에 닿고, 대향 방향 일방측 Y1로 흐르는 유체는, 소용돌이 V1과, 소용돌이 V1보다 저압측 X2의 소용돌이 V2로 분기된다. 소용돌이 V2는 다음과 같이 형성된다. 소용돌이 V1로부터 분기된 유체는, 정지체(10)의 대향 방향 타방측 Y2의 면에 닿고, 정지체(10)의 대향 방향 타방측 Y2의 면을 거의 따르도록 저압측 X2로 흘러, 제2 핀(52)의 고압측 측면(52a)에 닿고, 고압측 측면(52a)을 거의 따르도록 대향 방향 타방측 Y2로 흐른다. 이 흐름은, 고단차부 환형 홈(71) 내로 유입되어, 고단차부 환형 홈(71)의 내면을 거의 따르도록 흐른다. 이 흐름은, 저압측 측면(71b)을 거의 따르도록 대향 방향 타방측 Y2측으로 흐르고, 저면(71c)을 거의 따르도록 고압측 X1로 흐르고, 고압측 측면(71a)을 거의 따르도록 대향 방향 일방측 Y1로 흘러, 고단차부 환형 홈(71)으로부터 유출된다. 이와 같이 소용돌이 V2가 형성된다.

고압측 측면(52a)을 거의 따르도록 대향 방향 타방측 Y2로 흐른 유체는, 소용돌이 V2와, 간극 δ2를 향하는 흐름인 분기류 F1로 분기된다. 분기류 F1은, 간극 δ2를 통과하여, 저압측 X2로 흐르고, 승단 구조측의 공간(25a) 밖으로 유출되어(누설되어), 강단 구조측의 공간(25b) 내로 유입된다.

고압측 측면(52a)을 거의 따르도록 대향 방향 타방측 Y2로 흐른 유체가, 고단차부 환형 홈(71)으로 유입됨으로써, 분기류 F1의 유량이 억제되므로, 승단 구조측의 공간(25a)으로부터의 유체의 누설량이 억제된다. 또한, 승단 구조측의 공간(25a)에 형성된 소용돌이 V1 및 소용돌이 V2에 의해 유체간 마찰이 발생하여, 유체의 에너지 손실이 생김으로써, 승단 구조측의 공간(25a)으로부터의 유체의 누설량이 억제된다. 이 유체간 마찰에는, 유체끼리의 마찰, 및 유체와 벽면의 마찰이 포함된다. 상기 벽면은, 유속이 제로인 유체로 간주할 수 있는 것이다. 상기 벽면에는, 예를 들어 고단차부 환형 홈(71)의 표면 등이 포함된다.

분기류 F1은, 강단 구조측의 공간(25b) 내로 유입되어, 주류 F2를 형성한다. 주류 F2는, 우선, 고단차부(47)의 표면(대향 방향 일방측 Y1의 면)을 거의 따르도록 저압측 X2로 직진(또는 대략 직진, 이하 마찬가지임)하고, 이어서 고단차부(47)의 표면으로부터 이격되어도, 저압측 X2로 직진한다.

주류 F2의 일부 흐름은, 소용돌이 V3을 형성한다. 소용돌이 V3은, 다음과 같이 형성된다. 주류 F2의 일부 흐름이, 제3 핀(53)에 닿고, 주류 F2로부터 대향 방향 일방측 Y1로 분기된다(전향된다). 이 흐름이, 고압측 측면(53a)을 거의 따르도록 대향 방향 일방측 Y1로 흘러, 정지체(10)의 대향 방향 타방측 Y2의 면에 닿고, 정지체(10)의 대향 방향 타방측 Y2의 면을 거의 따르도록 고압측 X1로 흘러, 제2 핀(52)의 저압측 측면(52b)에 닿는다. 이 흐름이, 저압측 측면(52b)을 거의 따르도록 대향 방향 타방측 Y2로 흐른다. 이 흐름이, 주류 F2에 합류되거나, 또는 주류 F2의 근방에서 저압측 X2로 흐른다. 이와 같이 소용돌이 V3이 형성된다.

주류 F2의 일부 흐름은, 제3 핀(53)의 고압측 측면(53a)에 닿아, 대향 방향 타방측 Y2로 전향된다. 이 흐름은, 분기점 B에서, 저압측 측면(72b)을 거의 따르는 분기류 F3과, 간극 δ3을 향하는 분기류 F4로 분기된다.

분기류 F3은, 저단차부 환형 홈(72) 내 등을 흐르는 소용돌이 V4를 형성한다. 소용돌이 V4는, 다음과 같이 형성된다. 소용돌이 V4는, 저단차부 환형 홈(72)의 내면을 거의 따르도록 흐른다. 분기류 F3이, 저압측 측면(72b)을 거의 따르도록 대향 방향 타방측 Y2측으로 흐르고, 저면(72c)을 거의 따르도록 고압측 X1로 흐르고, 고압측 측면(72a)을 거의 따르도록 대향 방향 일방측 Y1로 흐른다. 이 흐름이, 주류 F2에 합류되거나, 또는 주류 F2의 근방에서 저압측 X2로 흐른다. 이와 같이 소용돌이 V4가 형성된다. 회전축 단면에 있어서의 소용돌이 V4의 형상은, 대략 원 형상이다. 회전축 단면에 있어서의 소용돌이 V4의 형상은, 대향 방향 Y의 폭보다 흐름 방향 X의 폭이 넓은 편평한 대략 원 형상(대략 타원 형상)이어도 되고, 흐름 방향 X의 폭보다 대향 방향 Y의 폭이 넓은 대략 원 형상이어도 된다.

분기류 F4는, 간극 δ3을 통과하여, 저압측 X2로 흘러, 강단 구조측의 공간(25b) 밖으로 유출된다(누설된다).

분기류 F3이 저단차부 환형 홈(72)으로 유입됨으로써, 분기류 F4의 유량이 억제되므로, 강단 구조측의 공간(25b)으로부터의 유체의 누설량이 억제된다. 또한, 소용돌이 V4에 의해 유체간 마찰이 발생하고, 유체의 에너지 손실이 생김으로써, 강단 구조측의 공간(25b)으로부터의 유체의 누설량이 억제된다. 이 유체간 마찰에는, 유체끼리의 마찰, 및 유체와 벽면의 마찰이 포함된다. 상기 벽면은, 유속이 제로인 유체로 간주할 수 있는 것이다. 상기 벽면에는, 예를 들어 저단차부 환형 홈(72)의 표면(고압측 측면(72a), 저면(72c) 및 저압측 측면(72b)) 등이 포함된다.

(치수에 대하여)

승단 구조 단차부(41)보다 저압측 X2이며, 또한 제3 핀(53)보다 고압측 X1의 영역의 적어도 일부에 환형 홈(70)이 있으면, 환형 홈(70)에 의한 효과(누설량의 억제)가 얻어진다. 또한, 하기의 조건을 만족시킴으로써 환형 홈(70)에 의한 효과를 보다 향상시킬 수 있다.

(고단차부 환형 홈(71)에 관한 바람직한 조건)

도 3에 도시하는 바와 같이, 회전축 단면에 있어서의, 흐름 방향 X에 관한 치수에는, 거리 La와, 거리 Ga와, 개구 폭 Wa와, 거리 Ea와, 두께 Ta가 있다. 이들 치수를 다음과 같이 정의한다.

거리 La는, 승단 구조 단차부(41)와, 고단차부 환형 홈(71)의 대향 방향 일방측 Y1 단부이며 또한 저압측 X2 단부의 흐름 방향 X에 있어서의 거리(최단 거리, 사이의 거리)이다. 승단 구조 단차부(41)에 흐름 방향 X의 폭이 있는 경우, 예를 들어 승단 구조 단차부(41)가 대향 방향 Y에 대하여 경사지는 경우 등이 있다. 이 경우, 거리 La의 고압측 X1의 기점은, 승단 구조 단차부(41)의 대향 방향 일방측 Y1 단부이며 또한 저압측 X2 단부로 한다(거리 Ga 및 거리 Ea에 대해서도 마찬가지임). 본 실시 형태에서는, 거리 La는, 승단 구조 단차부(41)와, 저압측 측면(71b)의 흐름 방향 X에 있어서의 거리이다.

거리 Ga는, 승단 구조 단차부(41)와, 제2 핀(52)의 선단부이며 또한 고압측 X1 단부의 흐름 방향 X에 있어서의 거리(최단 거리)이다. 본 실시 형태에서는, 거리 Ga는, 승단 구조 단차부(41)와, 고압측 측면(52a)의 흐름 방향 X에 있어서의 거리이다.

개구 폭 Wa는, 고단차부 환형 홈(71)의 개구의 흐름 방향 X에 있어서의 폭이다. 더욱 상세하게는, 개구 폭 Wa는, 고단차부 환형 홈(71)의 대향 방향 일방측 Y1 단부에서의 흐름 방향 X에 있어서의 폭이다. 거리 Ea는, 승단 구조 단차부(41)와, 고압측 측면(71a)의 대향 방향 일방측 Y1 단부이며 또한 고압측 X1 단부의 흐름 방향 X에 있어서의 거리이다. 거리 Ea는, 거리 La에서 개구 폭 Wa를 뺀 거리이다.

두께 Ta는, 제2 핀(52)의 선단부에서의 흐름 방향 X에 있어서의 폭이다. 여기서는 「제2 핀(52)의 선단부」는, 분기류 F1(도 2 참조)이 직접 닿을 수 있는 부분이다. 도 7에 도시하는 예에서는, 분기류 F1은 저압측 측면(52b)에 직접은 닿지 않으므로, 저압측 측면(52b)은 「제2 핀(52)의 선단부」에 포함되지 않는다.

도 3에 도시하는 바와 같이, 회전축 단면에 있어서의, 대향 방향 Y에 관한 치수에는, 높이 Ha와, 깊이 Da가 있다. 이들 치수를 다음과 같이 정의한다.

높이 Ha는, 승단 구조 단차부(41)의 대향 방향 Y에 있어서의 폭이다. 더욱 상세하게는, 높이 Ha는, 고압측 저단차부(46)의 표면(대향 방향 일방측 Y1의 면)의 저압측 X2 단부와, 고단차부(47)의 표면(대향 방향 일방측 Y1의 면)의 고압측 X1 단부의 대향 방향 Y에 있어서의 거리이다.

깊이 Da는, 고단차부 환형 홈(71)의 대향 방향 Y에 있어서의 폭이다. 더욱 상세하게는, 깊이 Da는, 고단차부 환형 홈(71)의 대향 방향 타방측 Y2 단부(예를 들어 저면(71c))와, 고단차부(47)의 표면(대향 방향 일방측 Y1의 면)의 대향 방향 Y에 있어서의 거리이다.

(개구 폭 Wa 및 거리 Ea에 관한 바람직한 조건)

개구 폭 Wa를 크게 함으로써, 소용돌이 V2(도 2 참조)가 고단차부 환형 홈(71)으로 유입되기 쉬워지고, 또한 소용돌이 V2를 크게 형성할 수 있다. 그 결과, 상기 에너지 손실을 보다 증가시킬 수 있다. 예를 들어, Wa/Ga>0.2를 만족시키는 것이 바람직하다. 또한, 거리 Ea를 작게 함으로써, 소용돌이 V2를 크게 형성할 수 있다. 그 결과, 상기 에너지 손실을 보다 증가시킬 수 있다. 예를 들어, Ea/Ga<0.8을 만족시키는 것이 바람직하다.

(거리 Ga 및 거리 La에 관한 바람직한 조건)

고압측 측면(52a)의 흐름 방향 X 위치에 대하여, 저압측 측면(71b)의 흐름 방향 X 위치가, 동등한 위치(동일면 상) 또는 저압측 X2인 것이 바람직하다(Ga≤La가 바람직함). Ga≤La로 함으로써, 도 2에 도시하는 바와 같이, 제2 핀(52)을 따라 대향 방향 타방측 Y2로 흐른 소용돌이 V2가, 고단차부 환형 홈(71)으로 유입되기 쉬워져, 분기류 F1의 유량을 억제할 수 있다. 유체가 고단차부 환형 홈(71)으로 유입되기 쉬우므로, 소용돌이 V2의 유속을 보다 빠르게 할 수 있는 결과, 상기 에너지 손실을 크게 할 수 있다.

CFD(Computational Fluid Dynamics) 해석에 의해, 고압측 측면(52a)의 위치, 저압측 측면(71b)의 위치, 및 누설량에 대하여 조사하였다. 그 결과, 도 4에 도시하는 바와 같이, La/Ga에 따라 누설량이 변화한다고 하는 지견을 얻었다. 도 4의 「비교예」는, 도 2에 도시하는 고단차부 환형 홈(71)을 구비하지 않는 래비린스 시일이다. 또한, 도 4에 도시하는 그래프에서는, 종축의 누설량의 단위를 무차원화하며, 구체적으로는 비교예에 있어서의 누설량을 1이라고 하였다(도 5에 대해서도 마찬가지임).

도 2에 도시하는 고압측 측면(52a)에 대하여 저압측 측면(71b)이 고압측 X1로 지나치게 이격되면, 제2 핀(52)을 따라 대향 방향 타방측 Y2로 흐른 유체가, 고단차부 환형 홈(71)으로 유입되기 어려워진다. 그 결과, 누설량 억제의 효과는 작아진다. 또한, 고압측 측면(52a)에 대하여 저압측 측면(71b)이 저압측 X2로 지나치게 이격되면, 제2 핀(52)과 회전체(20)의 간극 δ2가 커지므로, 유체가 간극 δ2를 통과하기 쉬워져, 누설량 억제의 효과는 작아진다.

그래서, 도 4에 도시하는 바와 같이, 0<La/Ga<1.2+Ta/Ga를 만족시키는 것이 바람직하다. 이 경우, 비교예에 비하여, 확실하게 누설량을 억제할 수 있다. 또한, 0.6<La/Ga<1.2+Ta/Ga를 만족시키는 것이 더욱 바람직하다. 이 경우, 누설량을 보다 억제할 수 있다.

(높이 Ha 및 깊이 Da에 관한 바람직한 조건)

CFD 해석에 의해, 도 3에 도시하는 높이 Ha, 깊이 Da 및 누설량에 대하여 조사하였다. 그 결과, 도 5에 도시하는 바와 같이 Da/Ha에 따라 누설량이 변화한다고 하는 지견을 얻었다. 도 3에 도시하는 깊이 Da가 작으면, 도 2에 도시하는 고단차부 환형 홈(71)으로 유입되는 소용돌이 V2의 흐름이 적어지고, 분기류 F1의 유량이 증가하므로, 누설량이 증가한다. 그래서, 도 5에 도시하는 바와 같이, 0.6<Da/Ha를 만족시키는 것이 바람직하다. 이 경우, 비교예에 비하여, 확실하게 누설량을 억제할 수 있다. 또한, 0<Da/Ha라면, 비교예에 비하여, 누설량 억제의 효과는 있다.

(저단차부 환형 홈(72)에 관한 바람직한 조건)

도 3에 도시하는 바와 같이, 회전축 단면에 있어서의, 흐름 방향 X에 관한 치수에는, 거리 Gb와, 거리 Lb와, 개구 폭 Wb가 있다. 이들 치수를 다음과 같이 정의한다.

거리 Gb는, 강단 구조 단차부(42)와, 제3 핀(53)의 선단부이며 또한 고압측 X1 단부의 흐름 방향 X에 있어서의 거리(최단 거리)이다. 강단 구조 단차부(42)에 흐름 방향 X의 폭이 있는 경우에는, 거리 Gb의 고압측 X1의 기점은, 강단 구조 단차부(42)의 대향 방향 타방측 Y2 단부이며 또한 저압측 X2 단부로 한다(도 10 참조)(거리 Lb의 고압측 X1의 기점에 대해서도 마찬가지임). 강단 구조 단차부(42)에 흐름 방향 X의 폭이 있는 경우로서, 예를 들어 강단 구조 단차부(42)가 대향 방향 Y에 대하여 경사지는 경우 등이 있다. 본 실시 형태에서는, 거리 Gb는, 강단 구조 단차부(42)와, 고압측 측면(53a)의 흐름 방향 X에 있어서의 거리이다.

거리 Lb는, 강단 구조 단차부(42)와, 저단차부 환형 홈(72)의 대향 방향 일방측 Y1 단부이며 또한 저압측 X2 단부의 흐름 방향 X에 있어서의 거리(최단 거리)이다. 본 실시 형태에서는, 거리 Lb는, 강단 구조 단차부(42)와, 저압측 측면(72b)의 흐름 방향 X에 있어서의 거리이다.

개구 폭 Wb는, 저단차부 환형 홈(72)의 개구의 흐름 방향 X에 있어서의 폭이다. 더욱 상세하게는, 개구 폭 Wb는, 저단차부 환형 홈(72)의 대향 방향 일방측 Y1 단부에서의 흐름 방향 X에 있어서의 폭이다. 본 실시 형태에서는, 개구 폭 Wb와 거리 Lb는 동등하다. 그 때문에, 하기 거리 Lb에 관한 바람직한 조건에 대하여, 「거리 Lb」를 「개구 폭 Wb」로 바꾸어 읽을 수 있다.

(거리 Gb 및 거리 Lb에 관한 바람직한 조건)

CFD 해석에 의해, 거리 Gb 및 거리 Lb에 대하여 조사하였다. 그 결과, 도 6에 도시하는 바와 같이 Gb에 따라 누설량이 변화한다고 하는 지견을 얻었다. 여기서는, 도 3에 도시하는 저단차부 환형 홈(72)의 위치를 바꾸지 않고(거리 Lb를 바꾸지 않고), 거리 Gb를 다양하게 바꾸었을 때의 누설량을 조사하였다. 또한, 거리 Gb가 거리 Lb와 동등할 때의 거리 Gb를 1이라고 하였다. 도 6의 「비교예」는, 도 3에 도시하는 저단차부 환형 홈(72)을 구비하지 않는 래비린스 시일이다. 비교예에서는, 제3 핀(53)이 강단 구조 단차부(42)에 접근할수록, 즉 Gb가 작아질수록, 누설량이 작아진다. 도 6에 도시하는 그래프에서는, 종축의 누설량의 단위를 무차원화하였다. 여기서, 본 실시 형태에 대해서는, 거리 Gb가 거리 Lb와 동등할 때의 거리 Gb를 1로 하였으므로, 도 6에 도시하는 Gb와 누설량의 관계는, Gb/Lb와 누설량의 관계와 동등하다. 따라서, 본 실시 형태에 대해서는, 도 6에 도시하는 그래프의 횡축 Gb를, Gb/Lb로 치환할 수 있다.

도 3에 도시하는 거리 Lb가 거리 Gb보다 지나치게 작으면, 즉 고압측 측면(53a)에 대하여 저압측 측면(72b)이 고압측 X1로 지나치게 이격되면, 다음의 문제가 있다. 이 경우, 도 2에 도시하는 분기점 B를 흐르는 유체가, 저단차부 환형 홈(72)으로 유입되기 어려워져, 분기류 F4의 유량이 증가하므로, 누설량 억제의 효과는 작아진다. 또한, 도 3에 도시하는 거리 Lb가 거리 Gb보다 지나치게 크면, 즉 고압측 측면(53a)에 대하여 저압측 측면(72b)이 저압측 X2로 지나치게 이격되면, 다음 문제가 있다. 이 경우, 도 2에 도시하는 제3 핀(53)의 선단부와 저압측 저단차부(48)의 사이의 간극 δ3이 커지므로, 유체가 간극 δ3을 통과하기 쉬워져, 누설량 억제의 효과는 작아진다.

그래서, 도 6에 도시하는 바와 같이, 0.78<Gb/Lb<1.14를 만족시키는 것이 바람직하다. 이 경우, 비교예에 비하여, 확실하게 누설량을 억제할 수 있다. 또한, Gb/Lb를 약 0.8 내지 1(0.8 이상 1 이하)로 하는 것이 더욱 바람직하다. 저압측 측면(72b)의 흐름 방향 X에 있어서의 위치와 고압측 측면(53a)의 흐름 방향 X에 있어서의 위치를 대략 동일 위치로 하는 것이 더욱 바람직하다. Gb/Lb를 약 0.8 내지 1로 함으로써, Gb/Lb가 0.8 미만 또는 1을 초과하는 경우에 비하여, 누설량 억제 효과를 크게 할 수 있었다. Gb/Lb<1.14로 해도 된다. 상기 해석은, 회전축 A(도 1 참조)측이 저압측 X2, 회전축 A로부터 먼 측이 고압측 X1인 경우(회전 기계(1)가 압축기인 경우)에 대하여 행한 것이다. 한편, 회전축 A측이 고압측 X1, 회전축 A로부터 먼 측이 저압측 X2인 경우(회전 기계(1)가 팽창기인 경우)에 대해서도, 래비린스 시일(30)의 구조가 마찬가지라면, 마찬가지의 결과가 얻어진다고 생각된다.

(제1 발명의 효과)

도 2에 도시하는 래비린스 시일(30)에 의한 효과는 다음과 같다. 래비린스 시일(30)은, 회전 기계(1)에 마련된다. 회전 기계(1)는, 정지체(10)와, 회전체(20)와, 간극(25)을 구비한다. 회전체(20)는, 정지체(10)에 대향한다. 간극(25)은, 정지체(10)와 회전체(20)의 사이에 형성된다. 간극(25)은, 흐름 방향 X로 고압측 X1로부터 저압측 X2로 유체가 흐르도록 구성된다. 흐름 방향 X는, 대향 방향 Y에 직교하는 방향이다. 대향 방향 Y는, 정지체(10)와 회전체(20)가 대향하는 방향이다. 대향 방향 Y에 있어서, 회전체(20)로부터 정지체(10)를 향하는 측을 대향 방향 일방측 Y1이라고 한다. 대향 방향 Y에 있어서, 정지체(10)로부터 회전체(20)를 향하는 측을 대향 방향 타방측 Y2라고 한다. 래비린스 시일(30)은, 단차부(40)와, 핀(50)과, 환형 홈(70)을 구비한다. 단차부(40)는, 회전체(20)의 대향 방향 일방측 Y1 부분에 형성된다. 핀(50)은, 정지체(10)의 대향 방향 일방측 Y1 부분으로부터 대향 방향 타방측 Y2로 연장된다. 환형 홈(70)은, 회전체(20)의 대향 방향 일방측 Y1 부분에 형성된다.

[구성 1-1] 단차부(40)는, 고압측 X1에 면하는 승단 구조 단차부(41)와, 저압측 X2에 면하는 강단 구조 단차부(42)를 구비한다. 승단 구조 단차부(41) 및 강단 구조 단차부(42) 중 고압측 X1에 배치되는 쪽을 고압측 X1 단차부(본 실시 형태에서는 승단 구조 단차부(41))라고 하고, 저압측 X2에 배치되는 쪽을 저압측 X2 단차부(본 실시 형태에서는 강단 구조 단차부(42))라고 한다.

[구성 1-2] 핀(50)은, 제1 핀(51)과, 제2 핀(52)과, 제3 핀(53)을 구비한다. 제1 핀(51)은, 고압측 X1 단차부(승단 구조 단차부(41))보다 고압측 X1에 배치된다. 제2 핀(52)은, 고압측 X1 단차부(승단 구조 단차부(41))보다 저압측 X2, 또한 저압측 X2 단차부(강단 구조 단차부(42))보다 고압측 X1에 배치된다. 제3 핀(53)은, 저압측 X2 단차부(강단 구조 단차부(42))보다 저압측 X2에 배치된다.

[구성 1-3] 환형 홈(70)은, 고압측 X1 단차부(승단 구조 단차부(41))보다 저압측 X2, 또한 제3 핀(53)보다 고압측 X1의 영역의 적어도 일부에 배치된다.

래비린스 시일(30)은, 주로 상기 [구성 1-1] 및 [구성 1-2]를 구비한다. 따라서, 고압측 X1 단차부(승단 구조 단차부(41))보다 저압측 X2, 또한 제2 핀(52)보다 고압측 X1에 소용돌이 V2가 발생한다. 또한, 저압측 X2 단차부(강단 구조 단차부(42))보다 저압측 X2, 또한 제3 핀(53)보다 고압측 X1에 소용돌이 V4가 발생한다. 그래서, 래비린스 시일(30)은, 상기 [구성 1-3]을 구비한다. 따라서, 소용돌이 V(소용돌이 V2 및 소용돌이 V4 중 적어도 어느 것)가 환형 홈(70)으로 유입된다. 따라서, 환형 홈(70)이 없는 경우에 비하여, 소용돌이 V를 크게 할 수 있고, 소용돌이 V의 유량을 많게 할 수 있고, 소용돌이 V의 유속을 빠르게 할 수 있다. 따라서, 소용돌이 V와 그 주변의 유체간 마찰을 증대시킬 수 있으므로, 유체의 에너지 손실을 증대시킬 수 있다. 그 결과, 간극(25)에서의 유체의 누설을 억제할 수 있다.

(제4 발명의 효과)

승단 구조 단차부(41)보다 저압측 X2의 핀(50) 중 승단 구조 단차부(41)에 가장 가까운 것을 고단차부측 핀(본 실시 형태에서는 제2 핀(52))이라고 한다.

[구성 4] 환형 홈(70)은, 고단차부 환형 홈(71)을 구비한다. 고단차부 환형 홈(71)은, 승단 구조 단차부(41)보다 저압측 X2이며, 또한 고단차부측 핀(제2 핀(52))보다 고압측 X1의 영역의 적어도 일부에 배치된다.

상기 [구성 1-1] 및 [구성 1-2]를 구비하는 래비린스 시일(30)에서는, 승단 구조 단차부(41)보다 저압측 X2이며, 또한 고단차부측 핀(제2 핀(52))보다 고압측 X1의 영역에, 소용돌이 V2가 형성된다. 그래서, 래비린스 시일(30)은, 상기 [구성 4]의 고단차부 환형 홈(71)을 구비한다. 따라서, 소용돌이 V2가, 고단차부 환형 홈(71)으로 유입된다. 따라서, 고단차부 환형 홈(71)이 없는 경우(도 12 참조)에 비하여, 소용돌이 V2를 크게 할 수 있고, 소용돌이 V2의 유량을 많게 할 수 있고, 소용돌이 V2의 유속을 빠르게 할 수 있다. 따라서, 소용돌이 V2와 그 주변의 유체간 마찰을 증대시킬 수 있으므로, 유체의 에너지 손실을 증대시킬 수 있다. 그 결과, 간극(25)에서의 유체의 누설을 억제할 수 있다.

상기 [구성 1-1] 및 [구성 1-2]를 구비하는 래비린스 시일(30)에서는, 소용돌이 V2로부터, 고단차부측 핀(제2 핀(52))과 회전체(20)의 간극 δ2를 향하여, 분기류 F1이 분기된다. 여기서, 고단차부 환형 홈(71)이 마련되지 않는 경우, 제2 핀(52)을 따라 대향 방향 타방측 Y2로 흐른 유체가, 고단차부(47)에 닿고(분사되고), 간극 δ2를 향하기 쉽다(분기류 F1로 되기 쉬움). 그래서, 래비린스 시일(30)은, 상기 [구성 4]의 고단차부 환형 홈(71)을 구비한다. 따라서, 소용돌이 V2가, 고단차부 환형 홈(71)으로 유입되기 쉽다. 따라서, 소용돌이 V2로부터 분기되는 분기류 F1의 양을 억제할 수 있으므로, 간극(25)에서의 유체의 누설을 보다 억제할 수 있다.

(제5 발명의 효과)

도 3에 도시하는 La, Ga 및 Ta를 다음과 같이 정의한다. La는, 승단 구조 단차부(41)와, 고단차부 환형 홈(71)의 대향 방향 일방측 Y1 단부이며 또한 저압측 X2 단부의 흐름 방향 X에 있어서의 거리이다. Ga는, 승단 구조 단차부(41)와, 고단차부측 핀(제2 핀(52))의 선단부이며 또한 고압측 X1 단부의 흐름 방향 X에 있어서의 거리이다. Ta는, 고단차부측 핀(제2 핀(52))의 선단부에서의 흐름 방향 X의 폭이다.

[구성 5] 이때, 0<La/Ga<1.2+Ta/Ga를 만족시킨다.

상기 [구성 5]에 의해, 1.2+Ta/Ga≤La/Ga인 경우에 비하여, 고단차부측 핀(제2 핀(52))과 회전체(20)의 간극 δ2(도 2 참조)를 작게 할 수 있다. 따라서, 간극 δ2로부터의 유체의 누설을 보다 억제할 수 있어, 간극(25)에서의 유체의 누설을 보다 억제할 수 있다(도 4 참조).

(제6 발명의 효과)

[구성 6] 0.6<La/Ga<1.2+Ta/Ga를 만족시킨다.

상기 [구성 6]에 의해, La/Ga≤0.6인 경우에 비하여, 도 2에 도시하는 고단차부 환형 홈(71)으로 유입되는 소용돌이 V2의 유량을 많게 할 수 있다. 따라서, 소용돌이 V2에 있어서의 유체의 에너지 손실을 보다 증대시킬 수 있으므로, 간극(25)에서의 유체의 누설을 보다 억제할 수 있다(도 4 참조).

(제7 발명의 효과)

도 3에 도시하는 바와 같이, 승단 구조 단차부(41)의 대향 방향 Y에 있어서의 폭을 Ha라고 한다. 고단차부 환형 홈(71)의 대향 방향 Y에 있어서의 폭을 Da라고 한다.

[구성 7] 이때, 0.6<Da/Ha를 만족시킨다.

상기 [구성 7]에 의해, Da/Ha≤0.6인 경우에 비하여, 도 2에 도시하는 고단차부 환형 홈(71)으로 유입되는 소용돌이 V2의 유량을 많게 할 수 있다. 따라서, 소용돌이 V2에 있어서의 유체의 에너지 손실을 보다 증대시킬 수 있으므로, 간극(25)에서의 유체의 누설을 보다 억제할 수 있다.

(제8 발명의 효과)

강단 구조 단차부(42)보다 저압측 X2의 핀(50) 중 강단 구조 단차부(42)에 가장 가까운 것을 저단차부측 핀(본 실시 형태에서는 제3 핀(53))이라고 한다.

[구성 8] 환형 홈(70)은, 저단차부 환형 홈(72)을 구비한다. 저단차부 환형 홈(72)은, 강단 구조 단차부(42)보다 저압측 X2이며, 또한 저단차부측 핀(제3 핀(53))보다 고압측 X1의 영역의 적어도 일부에 배치된다.

강단 구조 단차부(42)보다 저압측 X2이며, 또한 저단차부측 핀(제3 핀(53))보다 고압측 X1의 영역에는, 소용돌이 V4가 형성된다. 그래서, 래비린스 시일(30)은, 상기 [구성 8]의 저단차부 환형 홈(72)을 구비한다. 따라서, 소용돌이 V4가, 저단차부 환형 홈(72)으로 유입된다. 따라서, 저단차부 환형 홈(72)이 없는 경우(도 11 참조)에 비하여, 소용돌이 V4를 크게 할 수 있고, 소용돌이 V4의 유량을 많게 할 수 있고, 소용돌이 V4의 유속을 빠르게 할 수 있다. 예를 들어, 도 11에 도시하는 바와 같은, 대향 방향 Y의 폭보다 흐름 방향 X의 폭이 큰 편평한 소용돌이 V4에 비하여, 소용돌이 V4의 대향 방향 Y에 있어서의 폭을 크게 할 수 있다. 따라서, 소용돌이 V4와 그 주변의 유체간 마찰을 증대시킬 수 있으므로, 유체의 에너지 손실을 증대시킬 수 있다. 그 결과, 간극(25)에서의 유체의 누설을 억제할 수 있다.

래비린스 시일(30)에서는, 주류 F2는, 분기점 B에서, 분기류 F3과 분기류 F4로 분기된다. 여기서, 저단차부 환형 홈(72)이 마련되지 않는 경우, 분기점 B에서 대향 방향 타방측 Y2로 흐르는 흐름이, 저압측 저단차부(48)에 닿고, 간극 δ3을 향하기 쉽다(분기류 F4로 되기 쉬움). 그래서, 래비린스 시일(30)은, 상기 [구성 8]의 저단차부 환형 홈(72)을 구비한다. 따라서, 분기점 B에서 대향 방향 타방측 Y2로 흐르는 흐름이, 저단차부 환형 홈(72)으로 유입되기 쉽다(분기류 F3의 양을 많게 하기 쉬움). 따라서, 분기점 B로부터 간극 δ3을 향하는 흐름(분기류 F4)의 양을 억제할 수 있으므로, 간극(25)에서의 유체의 누설을 억제할 수 있다.

(제9 발명의 효과)

도 3에 도시하는 Gb 및 Lb를 다음과 같이 정의한다. Gb는, 강단 구조 단차부(42)와, 저단차부측 핀(제3 핀(53))의 선단부의 흐름 방향 X에 있어서의 거리이다. Lb는, 강단 구조 단차부(42)와, 저단차부 환형 홈(72)의 대향 방향 일방측 Y1 단부이며 또한 저압측 X2 단부의 흐름 방향 X에 있어서의 거리이다.

[구성 9] 이때, 0.78<Gb/Lb<1.14를 만족시킨다.

상기 [구성 9]에 의해, Gb/Lb≤0.78인 경우에 비하여, 저단차부측 핀(제3 핀(53))과 회전체(20)의 간극 δ3(도 2 참조)을 작게 할 수 있다. 따라서, 간극 δ3으로부터의 유체의 누설을 보다 억제할 수 있으므로, 간극(25)에서의 유체의 누설을 보다 억제할 수 있다(도 6 참조). 또한, 1.14≤Gb/Lb인 경우에 비하여, 도 2에 도시하는 저단차부 환형 홈(72)으로 유입되는 소용돌이 V4의 유량을 많게 할 수 있다. 따라서, 소용돌이 V4에 있어서의 유체의 에너지 손실을 보다 증대시킬 수 있으므로, 간극(25)에서의 유체의 누설을 보다 억제할 수 있다(도 6 참조).

(제10 발명의 효과)

[구성 10] 저단차부 환형 홈(72)은, 강단 구조 단차부(42)의 위치로부터 저압측 X2로 형성된다.

상기 [구성 10]에서는, 저단차부 환형 홈(72)이 고압측 X1에 한계까지 넓게 형성된다. 따라서, 저단차부 환형 홈(72)의 용적을 크게 할 수 있으므로, 소용돌이 V4를 크게 할 수 있다. 따라서, 소용돌이 V4에 있어서의 유체의 에너지 손실을 보다 증대시킬 수 있으므로, 간극(25)에서의 유체의 누설을 보다 억제할 수 있다.

(제12 발명의 효과)

[구성 12] 승단 구조 단차부(41)는, 고압측 X1 단차부(상기 [구성 1-1] 참조)이다. 강단 구조 단차부(42)는, 저압측 X2 단차부(상기 [구성 1-1] 참조)이다.

상기 [구성 12]에 의해, 상기 「(제1 발명의 효과)」와 마찬가지의 효과가 얻어진다.

(제2 실시 형태)

도 7을 참조하여, 제2 실시 형태의 래비린스 시일(230)에 대하여, 제1 실시 형태와의 상위점을 설명한다. 또한, 제2 실시 형태의 래비린스 시일(230) 중, 제1 실시 형태와의 공통점에 대해서는, 제1 실시 형태와 동일한 부호를 부여하고, 설명을 생략하였다(공통점의 설명을 생략하는 점에 대해서는 다른 실시 형태의 설명도 마찬가지임). 상위점은, 대향 방향 Y에 대한 핀(50)의 기울기이다.

제2 핀(52)의 선단부는, 제2 핀(52)의 기단부(대향 방향 일방측 Y1 단부)보다 고압측 X1에 배치된다. 회전축 단면에 있어서, 제2 핀(52)은 직선형이고, 고압측 측면(52a)은 직선형이고, 저압측 측면(52b)은 직선형이다. 회전축 단면에 있어서, 고압측 측면(52a)은, 대향 방향 Y에 대하여 각도 α2만큼 기운다. 또한, 회전축 단면에 있어서, 제2 핀(52)은 만곡 형상이어도 되고, L자 형상 등의 굴곡 형상이어도 된다(제1 핀(51) 및 제3 핀(53)도 마찬가지임).

제1 핀(51) 및 제3 핀(53)은, 제2 핀(52)과 마찬가지로 구성된다. 회전축 단면에 있어서, 제1 핀(51)의 고압측 X1의 측면은, 대향 방향 Y에 대하여 각도 α1만큼 기운다. 회전축 단면에 있어서, 제3 핀(53)의 고압측 측면(53a)은, 대향 방향 Y에 대하여 각도 α3만큼 기운다. 각도 α1, 각도 α2 및 각도 α3 모두가 동등해도 되고, 일부만이 동등해도 되고, 모두가 서로 상이해도 된다. 또한, 각도 α1, 각도 α2 및 각도 α3 중 어느 것이 0°여도 된다.

(제11 발명의 효과)

도 7에 도시하는 래비린스 시일(230)에 의한 효과는 다음과 같다. 래비린스 시일(230)은, 하기 [구성 11-1] 및 [구성 11-2] 중 적어도 어느 것을 구비한다.

[구성 11-1] 고단차부 환형 홈(71)보다 저압측 X2의 핀(50) 중 고단차부 환형 홈(71)에 가장 가까운 것을 저압측 X2 핀(본 실시 형태에서는 제2 핀(52))이라고 한다. 저압측 X2 핀(제2 핀(52))의 선단부는, 저압측 X2 핀(제2 핀(52))의 기단부보다 고압측 X1에 배치된다.

[구성 11-2] 저단차부 환형 홈(72)보다 저압측 X2의 핀(50) 중 저단차부 환형 홈(72)에 가장 가까운 것을 저압측 X2 핀(본 실시 형태에서는 제3 핀(53))이라고 한다. 저압측 X2 핀(제3 핀(53))의 선단부는, 저압측 X2 핀(제3 핀(53))의 기단부보다 고압측 X1에 배치된다.

래비린스 시일(30)이 상기 [구성 11-1]을 구비하는 경우, 다음의 효과가 얻어진다. 소용돌이 V2는, 저압측 X2 핀(제2 핀(52))을 따라 대향 방향 타방측 Y2로 흐르면서, 고압측 X1로 흐르기 쉽다. 따라서, 저압측 X2를 향하는 분기류 F1의 양을 억제할 수 있으며, 또한 고단차부 환형 홈(71)으로 유입되는 소용돌이 V2의 유량을 많게 할 수 있다. 따라서, 간극(25)에서의 유체의 누설을 보다 억제할 수 있다.

래비린스 시일(30)이 상기 [구성 11-2]를 구비하는 경우, 다음의 효과가 얻어진다. 제3 핀(53)에 의해 대향 방향 타방측 Y2로 전향된 유체(분기점 B를 흐르는 유체)는, 대향 방향 타방측 Y2로 흐르면서, 고압측 X1로 흐르기 쉽다. 따라서, 저압측 X2를 향하는 분기류 F4의 양을 억제할 수 있으며, 또한 저단차부 환형 홈(72)으로 유입되는 소용돌이 V4의 유량을 많게 할 수 있다. 또한, 제3 핀(53)을 향하여 저압측 X2로 흐르는 유체(주류 F2)가, 제3 핀(53)에 닿아, 대향 방향 일방측 Y1로 흐르기 쉽고(소용돌이 V3을 형성하기 쉽고), 대향 방향 타방측 Y2로 흐르기 어렵다. 따라서, 분기류 F4의 양을 억제할 수 있다. 그 결과, 간극(25)에서의 유체의 누설을 보다 억제할 수 있다.

(제3 실시 형태)

도 8을 참조하여, 제3 실시 형태의 래비린스 시일(330)에 대하여, 제1 실시 형태와의 상위점을 설명한다. 제2 핀(52)의 저압측 측면(52b)은, 대향 방향 Y에 대하여 각도 β2만큼 기운다. 제2 핀(52)의 흐름 방향 X의 폭은, 대향 방향 타방측 Y2일수록 좁다. 제1 핀(51) 및 제3 핀(53)은, 제2 핀(52)과 마찬가지로 구성된다. 제1 핀(51)의 저압측 X2의 측면은, 대향 방향 Y에 대하여 각도 β1만큼 기운다. 제3 핀(53)의 저압측 측면(53b)은, 대향 방향 Y에 대하여 각도 β3만큼 기운다. 또한, 각도 β1, 각도 β2 및 각도 β3 모두가 동등해도 되고, 일부만이 동등해도 되고, 모두가 서로 상이해도 된다.

(제4 실시 형태)

도 9를 참조하여, 제4 실시 형태의 래비린스 시일(430)에 대하여, 제1 실시 형태와의 상위점을 설명한다. 상위점은, 고단차부 환형 홈(71)이 호형부(471d)를 구비하는 점, 및 저단차부 환형 홈(72)이 호형부(472d)를 구비하는 점이다.

호형부(471d)는, 고단차부 환형 홈(71)의 저부에 마련된다. 회전축 단면에 있어서의 호형부(471d)의 단면(윤곽)은, 대향 방향 타방측 Y2로 돌출되는 호형이며, 타원 호형(타원의 일부를 구성하는 곡선형)이고, 반타원 호형이다. 상기 「타원 호형」에는, 대략 타원 호형(예를 들어 대략 반타원 호형)이 포함된다. 고압측 측면(71a) 및 저압측 측면(71b)은, 호형부(471d)와 연속되도록 마련된다. 호형부(471d)가 마련되는 경우, 고압측 측면(71a) 및 저압측 측면(71b)은 마련되지 않아도 된다(저단차부 환형 홈(72)에 대해서도 마찬가지임).

호형부(472d)는, 저단차부 환형 홈(72)의 저부에 마련된다. 회전축 단면에 있어서의 호형부(472d)의 단면은, 대향 방향 타방측 Y2로 돌출되는 호형이며, 원호형이고, 반원호형(원호의 중심각이 180°)이다. 원호의 중심각은 180°미만이어도 된다. 상기 「원호형」에는, 대략 원호형(예를 들어 대략 반원호형)이 포함된다. 또한, 호형부(471d) 및 호형부(472d) 중 한쪽만이 마련되어도 된다. 회전축 단면에 있어서, 호형부(471d)의 단면이 원호형이어도 되고, 호형부(472d)의 단면이 타원 호형이어도 된다.

(제2 발명의 효과)

도 9에 도시하는 래비린스 시일(430)에 의한 효과는 다음과 같다. 래비린스 시일(430)은, 하기 [구성 2-1] 및 [구성 2-2] 중 적어도 어느 것을 구비한다.

[구성 2-1] 대향 방향 Y 및 흐름 방향 X 각각에 직교하는 방향에서 본 고단차부 환형 홈(71)의 저부(호형부(471d))의 단면은, 대향 방향 타방측 Y2로 돌출되는 호형이다.

[구성 2-2] 대향 방향 Y 및 흐름 방향 X 각각에 직교하는 방향에서 본 저단차부 환형 홈(72)의 저부(호형부(472d))의 단면은, 대향 방향 타방측 Y2로 돌출되는 호형이다.

래비린스 시일(430)이 상기 [구성 2-1]을 구비하는 경우, 회전축 단면에 있어서 고단차부 환형 홈(71)의 내부가 직사각 형상인 경우(도 2 참조) 등에 비하여, 고단차부 환형 홈(71)의 형상이, 소용돌이 V2의 흐름의 형태에 가까운 형상으로 된다. 따라서, 고단차부 환형 홈(71)의 저부를 따라 소용돌이 V2가 흐르므로, 고단차부 환형 홈(71)에서 소용돌이 V2의 유속이 저하되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 소용돌이 V2에 있어서의 에너지 손실을 보다 증대시킬 수 있으므로, 간극(25)에서의 유체의 누설을 보다 억제할 수 있다. 이것과 마찬가지로, 래비린스 시일(430)이 상기 [구성 2-2]를 구비하는 경우, 저단차부 환형 홈(72)의 저부를 따라 소용돌이 V4가 흘러, 소용돌이 V4에 있어서의 에너지 손실을 보다 증대시킬 수 있으므로, 간극(25)에서의 유체의 누설을 보다 억제할 수 있다.

(제5 실시 형태)

도 10을 참조하여, 제5 실시 형태의 래비린스 시일(530)에 대하여, 제1 실시 형태와의 상위점을 설명한다. 상위점은, 고단차부 환형 홈(71)의 형상, 저단차부 환형 홈(72)의 형상 및 강단 구조 단차부(542)의 형상이다. 고단차부 환형 홈(71)은, 고압측 경사부(571e)(경사부)와, 저압측 경사부(571f)(경사부)를 구비한다. 저단차부 환형 홈(72)은, 고압측 경사부(572e)(경사부)와, 저압측 경사부(572f)(경사부)를 구비한다.

고압측 경사부(571e)는, 고단차부 환형 홈(71)의 고압측 X1 부분에 마련된다. 고압측 경사부(571e)의 대향 방향 타방측 Y2 단부는, 고압측 경사부(571e)의 대향 방향 일방측 Y1 단부보다, 저압측 X2(고단차부 환형 홈(71)의 흐름 방향 X 중심측)에 배치된다. 회전축 단면에 있어서, 고압측 경사부(571e)는 직선형이며, 대향 방향 Y에 대하여 각도 θa만큼 기운다.

저압측 경사부(571f)는, 고단차부 환형 홈(71)의 저압측 X2 부분에 마련된다. 저압측 경사부(571f)의 대향 방향 타방측 Y2 단부는, 저압측 경사부(571f)의 대향 방향 일방측 Y1 단부보다, 고압측 X1(환형 홈(70)의 흐름 방향 X 중심측)에 배치된다. 회전축 단면에 있어서, 저압측 경사부(571f)는 직선형이며, 대향 방향 Y에 대하여 각도 φa만큼 기운다.

고압측 경사부(572e)는, 고단차부 환형 홈(71)의 고압측 경사부(571e)와 마찬가지로 구성된다. 회전축 단면에 있어서, 고압측 경사부(572e)는, 대향 방향 Y에 대하여 각도 θb만큼 기운다. 회전축 단면에 있어서, 강단 구조 단차부(542)는, 대향 방향 Y에 대하여 고압측 경사부(572e)와 동일한 각도 θb만큼 기운다. 회전축 단면에 있어서, 고압측 경사부(572e)와 강단 구조 단차부(542)가 직선형이다.

저압측 경사부(572f)는, 고단차부 환형 홈(71)의 저압측 경사부(571f)와 마찬가지로 구성된다. 회전축 단면에 있어서, 저압측 경사부(572f)는, 대향 방향 Y에 대하여 각도 φb만큼 기운다. 또한, 고압측 경사부(571e), 저압측 경사부(571f), 고압측 경사부(572e), 저압측 경사부(572f) 모두가 마련되어도 되고, 일부만이 마련되어도 된다. 또한, 각도 θa, 각도 φa, 각도 θb 및 각도 φb 각각의 크기가 모두 동등해도 되고, 일부만이 동등해도 되고, 모두 상이해도 된다. 또한, 강단 구조 단차부(542)는, 대향 방향 Y에 대하여 기울지 않아도 된다.

(제3 발명의 효과)

도 10에 도시하는 래비린스 시일(530)에 의한 효과는 다음과 같다. 고단차부 환형 홈(71)은, 고단차부 환형 홈(71)의 고압측 X1 부분 및 저압측 X2 부분 중 적어도 어느 것에 마련되는 경사부(고압측 경사부(571e) 및 저압측 경사부(571f) 중 적어도 어느 것)를 구비한다. 래비린스 시일(530)은, 다음의 [구성 3-1] 및 [구성 3-2] 중 적어도 어느 것을 구비한다.

[구성 3-1] 고압측 경사부(571e)의 대향 방향 타방측 Y2 단부는, 고압측 경사부(571e)의 대향 방향 일방측 Y1 단부보다, 고단차부 환형 홈(71)의 흐름 방향 X 중심측(저압측 X2)에 배치된다.

[구성 3-2] 저압측 경사부(571f)의 대향 방향 타방측 Y2 단부는, 저압측 경사부(571f)의 대향 방향 일방측 Y1 단부보다, 고단차부 환형 홈(71)의 흐름 방향 X 중심측(고압측 X1)에 배치된다.

래비린스 시일(530)이 상기 [구성 3-1]을 구비하는 경우, 회전축 단면에 있어서 고단차부 환형 홈(71)의 내부가 직사각 형상인 경우(도 2 참조) 등에 비하여, 고단차부 환형 홈(71)의 형상이, 소용돌이 V2의 흐름의 형태에 가까운 형상으로 된다. 따라서, 소용돌이 V2의 흐름이 고압측 경사부(571e)를 따라 흐르므로, 고단차부 환형 홈(71)에서 소용돌이 V2의 유속이 저하되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 소용돌이 V2에 있어서의 에너지 손실을 보다 증대시킬 수 있으므로, 간극(25)에서의 유체의 누설을 보다 억제할 수 있다. 이것과 마찬가지로, 래비린스 시일(530)이 상기 [구성 3-2]를 구비하는 경우, 소용돌이 V2의 흐름이 저압측 경사부(571f)를 따라 흘러, 소용돌이 V2에 있어서의 에너지 손실을 보다 증대시킬 수 있으므로, 간극(25)에서의 유체의 누설을 보다 억제할 수 있다. 이것과 마찬가지로, 저단차부 환형 홈(72)이, 고압측 경사부(572e) 및 저압측 경사부(572f) 중 적어도 어느 것을 구비하는 경우, 다음의 효과가 얻어진다. 소용돌이 V4의 흐름이 고압측 경사부(572e) 또는 저압측 경사부(572f)를 따라 흘러, 소용돌이 V4에 있어서의 에너지 손실을 보다 증대시킬 수 있으므로, 간극(25)에서의 유체의 누설을 보다 억제할 수 있다.

(제6 실시 형태)

도 11을 참조하여, 제6 실시 형태의 래비린스 시일(630)에 대하여, 제1 실시 형태와의 상위점을 설명한다. 래비린스 시일(630)은, 고단차부 환형 홈(71)을 구비하지만, 저단차부 환형 홈(72)(도 2 참조)은 구비하지 않는다. 그 때문에, 제1 실시 형태에 비하여, 소용돌이 V4가 작아진다. 래비린스 시일(630)에서는, 고단차부 환형 홈(71) 및 저단차부 환형 홈(72)을 구비하지 않는 래비린스 시일에 비하여, 간극(25)에서의 유체의 누설을 억제할 수 있다(제7 실시 형태도 마찬가지임).

(제7 실시 형태)

도 12를 참조하여, 제7 실시 형태의 래비린스 시일(730)에 대하여, 제1 실시 형태와의 상위점을 설명한다. 래비린스 시일(730)은, 저단차부 환형 홈(72)을 구비하지만, 고단차부 환형 홈(71)(도 2 참조)은 구비하지 않는다. 그 때문에, 제1 실시 형태에 비하여, 소용돌이 V2가 작아진다.

(제8 실시 형태)

도 13을 참조하여, 제8 실시 형태의 래비린스 시일(830)에 대하여, 제1 실시 형태와의 상위점을 설명한다.

도 2에 도시하는 바와 같이, 제1 실시 형태의 래비린스 시일(30)에서는, 강단 구조측의 구조(30b)는, 승단 구조측의 구조(30a)보다 저압측 X2에 배치되었다. 한편, 도 13에 도시하는 바와 같이, 제8 실시 형태의 래비린스 시일(830)에서는, 강단 구조측의 구조(30b)는, 승단 구조측의 구조(30a)보다 고압측 X1에 배치된다. 제1 실시 형태에서의 승단 구조측의 구조(30a)에서의 유체의 흐름과, 제8 실시 형태에서의 승단 구조측의 구조(30a)에서의 유체의 흐름은 마찬가지이다(강단 구조측의 구조(30b)에서의 유체의 흐름에 대해서도 마찬가지임).

이하, 제1 실시 형태의 구성 요소에 대해서는 도 2를 참조하고, 제8 실시 형태의 구성 요소에 대해서는 도 13을 참조하여 설명한다. 상기 「고압측 X1 단차부」는, 제1 실시 형태에서는 승단 구조 단차부(41)였지만, 제8 실시 형태에서는 강단 구조 단차부(42)이다. 상기 「저압측 X2 단차부」는, 제1 실시 형태에서는 강단 구조 단차부(42)였지만, 제8 실시 형태에서는 승단 구조 단차부(41)이다. 상기 「고단차부측 핀」은, 제1 실시 형태에서는 제2 핀(52)이었지만, 제8 실시 형태에서는 제3 핀(53)이다. 상기 「저단차부측 핀」은, 제1 실시 형태에서는 제3 핀(53)이었지만, 제8 실시 형태에서는 제2 핀(52)이다.

제1 실시 형태의 래비린스 시일(30)은, 고압측 X1로부터 저압측 X2의 순으로, 고압측 저단차부(46)와, 고단차부(47)와, 저압측 저단차부(48)를 구비하였다. 한편, 제8 실시 형태의 래비린스 시일(830)은, 고압측 X1로부터 저압측 X2의 순으로, 고압측 고단차부(846)(고압측 평면)와, 저단차부(847)(다운 스텝부, 중간 단차부, 중간 평면)와, 저압측 고단차부(848)(업 스텝부, 저압측 평면)를 구비한다. 저단차부(847)는, 고압측 고단차부(846)보다 대향 방향 타방측 Y2에 배치된다. 저압측 고단차부(848)는, 저단차부(847)보다 대향 방향 일방측 Y1에 배치된다. 저압측 고단차부(848)의 대향 방향 Y에 있어서의 위치는, 고압측 고단차부(846)의 대향 방향 Y에 있어서의 위치와 동일해도 되고, 고압측 고단차부(846)보다 대향 방향 일방측 Y1이어도 되고, 고압측 고단차부(846)보다 대향 방향 타방측 Y2여도 된다.

(제13 발명의 효과)

도 13에 도시하는 래비린스 시일(830)에 의한 효과는 다음과 같다.

[구성 13] 강단 구조 단차부(42)는 고압측 X1 단차부이다. 승단 구조 단차부(41)는 저압측 X2 단차부이다.

상기 [구성 13]에 의해, 상기 「(제1 발명의 효과)」와 마찬가지의 효과가 얻어진다.

(제9 실시 형태)

도 14를 참조하여, 제9 실시 형태의 래비린스 시일(930)에 대하여 설명한다. 래비린스 시일(930)은, 도 2에 도시하는 제1 실시 형태의 것과 마찬가지의 승단 구조측의 구조(30a)를 복수 구비하고, 제1 실시 형태의 것과 마찬가지의 강단 구조측의 구조(30b)를 복수 구비한다. 도 14에 도시하는 바와 같이, 예를 들어 승단 구조측의 구조(30a)의 수는 3이고, 강단 구조측의 구조(30b)의 수는 3이며, 이들 수는 변경되어도 된다. 승단 구조측의 구조(30a)의 수와, 강단 구조측의 구조(30b)의 수는 동일하며(각각 3), 상이해도 된다. 승단 구조측의 구조(30a)와 강단 구조측의 구조(30b)는, 흐름 방향 X로 배열되어 배치되고, 흐름 방향 X에 인접하여 배치되고, 흐름 방향 X로 교대로 배치된다.

또한, 래비린스 시일(930)은, 제2 실시 형태 내지 제7 실시 형태와 같이 변형되어도 된다. 또한, 승단 구조측의 구조(30a) 및 강단 구조측의 구조(30b) 중, 가장 고압측 X1에 배치되는 구조는, 도 14에 도시하는 예에서는 승단 구조측의 구조(30a)이지만, 강단 구조측의 구조(30b)여도 된다(제8 실시 형태와 마찬가지임).

(제14 발명의 효과)

도 14에 도시하는 래비린스 시일(930)에 의한 효과는 다음과 같다.

[구성 14] 승단 구조 단차부(41), 강단 구조 단차부(42), 핀(50) 및 환형 홈(70)을 구비하는 구조(승단 구조측의 구조(30a) 및 강단 구조측의 구조(30b))는, 흐름 방향 X로 배열되어 복수 배치된다.

상기 [구성 14]에 의해, 승단 구조측의 구조(30a) 및 강단 구조측의 구조(30b)가 1개씩만 마련되는 경우에 비하여, 간극(25)에서의 유체의 누설을 보다 억제할 수 있다.

(제10 실시 형태)

도 15를 참조하여, 제10 실시 형태의 래비린스 시일(1030)에 대하여, 제9 실시 형태와의 상위점을 설명한다. 제9 실시 형태에서는, 승단 구조측의 구조(30a)와 강단 구조측의 구조(30b)가 흐름 방향 X로 교대로 배치되었다. 한편, 제10 실시 형태에서는, 복수(도 15에서는 3개)의 승단 구조측의 구조(30a)가, 흐름 방향 X에 인접하여 배치된다. 또한, 복수(도 15에서는 3개)의 강단 구조측의 구조(30b)가, 흐름 방향 X에 인접하여 배치된다. 가장 저압측 X2의 승단 구조측의 구조(30a)와, 가장 고압측 X1의 강단 구조측의 구조(30b)는, 흐름 방향 X에 인접하여 배치된다. 또한, 승단 구조측의 구조(30a)와 강단 구조측의 구조(30b)가, 불규칙한 순서로 흐름 방향 X로 배열되어 배치되어도 된다.

(누설량의 해석)

하기의 제1 구조, 제2 구조, 제3 구조 및 비교예의 구조 각각에 대하여, CFD 해석에 의해 누설량을 구하여, 누설량을 비교하였다. 제1 구조는, 도 16에 도시하는 래비린스 시일(1130)을 구비하는 구조이며, 다음과 같이 구성된다. 제9 실시 형태(도 14 참조)와 마찬가지로, 승단 구조측의 구조(30a)와 강단 구조측의 구조(30b)가, 흐름 방향 X로 교대로 3개씩 배치된다. 핀(50)의 형상은, 제3 실시 형태(도 8 참조)와 마찬가지이다. 환형 홈(70)의 형상은, 제1 실시 형태(도 2 참조)와 마찬가지이다. 또한, 가장 고압측 X1의 승단 구조측의 구조(30a)보다 고압측 X1에, 저단차부 환형 홈(72)과 마찬가지의 홈(1172)과, 강단 구조 단차부(42)와 마찬가지의 단차(1142)가 마련된다. 또한, 고압측 X1보다 저압측 X2가 회전축 A(도 1 참조)에 가깝다.

도 3에 도시하는 거리 Ca와, 거리 Cb와, 두께 Tb를 다음과 같이 정의한다. 거리 Ca는, 제2 핀(52)의 선단부와 회전체(20)(고단차부(47))의 대향 방향 Y에 있어서의 거리(클리어런스)이다. 거리 Cb는, 제3 핀(53)의 선단부와 회전체(20)(저압측 저단차부(48))의 대향 방향 Y에 있어서의 거리이다. 누설량의 해석에 사용한 모델에서는, 거리 Cb는 거리 Ca와 동등하다. 그래서, 거리 Ca 및 거리 Cb를, 각각 C라고 한다. 두께 Tb는, 제3 핀(53)의 선단부에서의 흐름 방향 X에 있어서의 폭이다.

도 16에 도시하는 래비린스 시일(1130)에 관한, 도 3에 도시하는 거리 C를 사용한 무차원 치수는 다음과 같다(각 치수에 대해서는 도 3 참조).

Ga=5C

Wa=4.5C

Ha=2C

Ea=0.5C

Ta=0.5C

La=5C

Gb=5C

Wb=5.5C

Tb=0.5C

제2 구조는, 도 16에 도시하는 래비린스 시일(1130)로부터, 모든 저단차부 환형 홈(72) 및 홈(1172)을 생략한 것이다(도 11에 도시하는 제6 실시 형태를 참조). 제3 구조는, 래비린스 시일(1130)로부터, 모든 고단차부 환형 홈(71)을 생략한 것이다(도 12에 도시하는 제7 실시 형태를 참조). 비교예의 구조는, 래비린스 시일(1130)로부터, 모든 고단차부 환형 홈(71), 모든 저단차부 환형 홈(72) 및 홈(1172)을 생략한 것이다.

누설량의 비교 결과를 도 17에 도시한다. 제2 구조 및 제3 구조에서는, 비교예의 구조보다 누설량을 저감할 수 있었다. 제2 구조 및 제3 구조에 비하여, 제1 구조에서는 더 누설량을 저감할 수 있었다. 제1 구조에서는, 비교예의 구조에 대하여, 누설량을 20％ 이상 저감할 수 있었다.

(변형예)

상기 각 실시 형태는 다양하게 변형되어도 된다. 상기 실시 형태의 구성 요소의 일부가 마련되지 않아도 된다. 상기 실시 형태의 구성 요소의 수가 변경되어도 된다. 서로 다른 실시 형태의 구성 요소끼리 조합되어도 된다. 예를 들어, 도 2 등에 도시하는 고단차부 환형 홈(71)의 형상과 저단차부 환형 홈(72)의 형상은, 상이해도 된다. 예를 들어, 도 2에 도시하는 바와 같이, 회전축 단면에 있어서의 고단차부 환형 홈(71)의 내부의 형상이 직사각 형상인 구성과, 도 9에 도시하는 바와 같이, 저단차부 환형 홈(72)이 호형부(472d)를 구비하는 구성이 조합되어도 된다. 예를 들어, 호형부(472d)를 구비하는 저단차부 환형 홈(72)에, 도 10에 도시하는 고압측 경사부(572e) 및 저압측 경사부(572f) 중 적어도 어느 것이 부가되어도 된다.

본 출원은 2016년 10월 13일에 출원된 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2016-201957호)에 기초하는 것이며, 그 내용은 여기에 참조로서 원용된다.

1: 회전 기계
10: 정지체(래비린스 시일(30)에서는 제1 부재)
20: 회전체(래비린스 시일(30)에서는 제2 부재)
25: 간극
30, 130, 230, 330, 430, 530, 630, 730, 830, 930, 1030, 1130: 래비린스 시일
40: 단차부
41: 승단 구조 단차부(고압측 단차부, 저압측 단차부)
42, 542: 강단 구조 단차부(고압측 단차부, 저압측 단차부)
50: 핀
51: 제1 핀
52: 제2 핀(저압측 핀, 고단차부측 핀, 저단차부측 핀)
53: 제3 핀(저압측 핀, 고단차부측 핀, 저단차부측 핀)
70: 환형 홈
71: 고단차부 환형 홈
72: 저단차부 환형 홈
471d, 472d: 호형부
571e, 572e: 고압측 경사부(경사부)
571f, 572f: 저압측 경사부(경사부)
X: 흐름 방향
X1: 고압측
X2: 저압측
Y: 대향 방향
Y1: 대향 방향 일방측
Y2: 대향 방향 타방측

Claims

제1 부재와,
상기 제1 부재에 대향하는 제2 부재와,
상기 제1 부재와 상기 제2 부재의 사이에 형성되고, 상기 제1 부재와 상기 제2 부재가 대향하는 방향에 직교하는 방향인 흐름 방향으로 고압측으로부터 저압측으로 유체가 흐르도록 구성되는 간극
을 구비하는 회전 기계에 마련되는 래비린스 시일이며,
상기 제1 부재와 상기 제2 부재가 대향하는 방향인 대향 방향에 있어서, 상기 제2 부재로부터 상기 제1 부재를 향하는 측을 대향 방향 일방측이라고 하고,
대향 방향에 있어서, 상기 제1 부재로부터 상기 제2 부재를 향하는 측을 대향 방향 타방측이라고 하고,
상기 제2 부재의 대향 방향 일방측 부분에 형성되는 단차부와,
상기 제1 부재의 대향 방향 일방측 부분으로부터 대향 방향 타방측으로 연장되는 핀과,
상기 제2 부재의 대향 방향 일방측 부분에 형성되는 환형 홈
을 구비하고,
상기 단차부는,
고압측에 면하는 승단 구조 단차부와,
저압측에 면하는 강단 구조 단차부
를 구비하고,
상기 승단 구조 단차부 및 상기 강단 구조 단차부 중 고압측에 배치되는 쪽을 고압측 단차부라고 하고, 저압측에 배치되는 쪽을 저압측 단차부라고 하고,
상기 핀은,
상기 고압측 단차부보다 고압측에 배치되는 제1 핀과,
상기 고압측 단차부보다 저압측이며, 또한 상기 저압측 단차부보다 고압측에 배치되는 제2 핀과,
상기 저압측 단차부보다 저압측에 배치되는 제3 핀
을 구비하고,
상기 환형 홈은, 상기 고압측 단차부보다 저압측이며, 또한 상기 제3 핀보다 고압측의 영역의 적어도 일부에 배치되고,
상기 강단 구조 단차부보다 저압측의 상기 핀 중 상기 강단 구조 단차부에 가장 가까운 것을 저단차부측 핀이라고 하였을 때,
상기 환형 홈은, 상기 강단 구조 단차부보다 저압측이며, 또한 상기 저단차부측 핀보다 고압측의 영역의 적어도 일부에 배치되는 저단차부 환형 홈을 구비하고,
상기 강단 구조 단차부와, 상기 저단차부측 핀의 선단부의 흐름 방향에 있어서의 거리를 Gb,
상기 강단 구조 단차부와, 상기 저단차부 환형 홈의 대향 방향 일방측 단부이며 또한 저압측 단부의 흐름 방향에 있어서의 거리를 Lb
라고 하였을 때, 0.78<Gb/Lb<1.14를 만족시키는,
래비린스 시일.
제1항에 있어서,
대향 방향 및 흐름 방향 각각에 직교하는 방향에서 본 상기 환형 홈의 저부의 단면은, 대향 방향 타방측으로 돌출되는 호형인,
래비린스 시일.
제1항에 있어서,
상기 환형 홈은, 상기 환형 홈의 고압측 부분 및 저압측 부분 중 적어도 어느 것에 마련되는 경사부를 구비하고,
상기 경사부의 대향 방향 타방측 단부는, 상기 경사부의 대향 방향 일방측 단부보다, 흐름 방향에 있어서의 상기 환형 홈의 중심측에 배치되는,
래비린스 시일.
제2항에 있어서,
상기 환형 홈은, 상기 환형 홈의 고압측 부분 및 저압측 부분 중 적어도 어느 것에 마련되는 경사부를 구비하고,
상기 경사부의 대향 방향 타방측 단부는, 상기 경사부의 대향 방향 일방측 단부보다, 흐름 방향에 있어서의 상기 환형 홈의 중심측에 배치되는,
래비린스 시일.
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 저단차부 환형 홈은, 상기 강단 구조 단차부의 위치로부터 저압측으로 형성되는,
래비린스 시일.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 환형 홈보다 저압측의 상기 핀 중 상기 환형 홈에 가장 가까운 것을 저압측 핀이라고 하였을 때,
상기 저압측 핀의 선단부는, 상기 저압측 핀의 기단부보다 고압측에 배치되는,
래비린스 시일.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 승단 구조 단차부는, 상기 고압측 단차부이고,
상기 강단 구조 단차부는, 상기 저압측 단차부인,
래비린스 시일.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 강단 구조 단차부는, 상기 고압측 단차부이고,
상기 승단 구조 단차부는, 상기 저압측 단차부인,
래비린스 시일.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 승단 구조 단차부, 상기 강단 구조 단차부, 상기 핀 및 상기 환형 홈을 구비하는 구조는, 흐름 방향으로 배열되어 복수 배치되는,
래비린스 시일.