JP2012062863A

JP2012062863A - タービン

Info

Publication number: JP2012062863A
Application number: JP2010209570A
Authority: JP
Inventors: Sachihiro Kuwamura; 祥弘桑村; Kazuyuki Matsumoto; 和幸松本; Koji Oyama; 宏治大山; Yoshinori Tanaka; 良典田中; Masaaki Matsuura; 正昭松浦; Asaharu Matsuo; 朝春松尾
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-09-17
Filing date: 2010-09-17
Publication date: 2012-03-29
Anticipated expiration: 2030-09-17
Also published as: KR20130036344A; KR101491971B1; EP2617942A4; JP5591042B2; US9726027B2; EP2617942B1; US20130149124A1; CN103097666A; WO2012036068A1; EP2617942A1; CN103097666B

Abstract

【課題】混合損失の更なる低減を図り、タービン効率を向上させることを課題とする。
【解決手段】回転自在に支持されたロータ及び前記ロータの周囲に設けられたステータとのうち一方に設けられ、前記一方側から他方側に向けて径方向に延在する翼５９と翼５９の径方向先端部において周方向に延在するシュラウド５１とを有する翼体５０と、前記他方に設けられ、周方向に延在すると共に、シュラウド５１を隙間Ｇを介して収容し且つ翼体５０に対して相対回転する収容凹体１１と、を備え、翼５９に沿って流れる主流Ｍから漏れた漏流Ｌが隙間Ｇに流れるタービン１であって、シュラウド５９のうち、収容凹体１１に対向する周面５３Ｃと、周面５３Ｃよりも漏流Ｌの下流において主流Ｍ側に形成された後縁端部５６との間には、周面５３Ｃに沿って流れる漏流Ｌを周面５３Ｃから後縁端部５６まで沿うように案内する案内曲面５７が形成されていることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば、発電プラント、化学プラント、ガスプラント、製鉄所、船舶等に用いられるタービンに関する。

周知のように、蒸気タービンの一種として、ケーシングと、ケーシングの内部に回転自在に設けられた軸体と、ケーシングの内周部に固定配置された複数の静翼と、これら複数の静翼の下流側において軸体に放射状に設けられた複数の動翼とを備えたものがある。このような蒸気タービンのうち衝動タービンの場合は、蒸気の圧力エネルギーを静翼によって速度エネルギーに変換し、この速度エネルギーを動翼によって回転エネルギー（機械エネルギー）に変換している。また、反動タービンの場合は、動翼内でも圧力エネルギーが速度エネルギーに変換され、蒸気が噴出する反動力により回転エネルギー（機械エネルギー）に変換される。

この種の蒸気タービンでは、動翼の先端部と、動翼を囲繞して蒸気の流路を形成するケーシングとの間に隙間が形成され、また、静翼の先端部と軸体との間にも隙間が形成されている。これら隙間には、主流上流側から下流側に向けて漏流（漏洩蒸気）が流れるが、この漏流が主流下流側において主流と合流すると、主流の流れを乱して損失（以下、「混合損失」という。）を生じさせ、タービン効率を低下させてしまう。

下記特許文献１には、上述した隙間のうち漏流の流路出口側において、漏流を案内する案内板をシュラウドに取り付けて、動翼から流出した主流の方向に漏流の方向を一致させる構成が提案されている。このような構成により、漏流と主流との合流の際に発生する主流の乱れを抑制し、混合損失を低減させている。

特開２００７−３２１７２１号公報

しかしながら、従来の技術においては、上述した隙間の下流側において、主流を攪拌する漏流の渦が形成されて混合損失を生じさせてしまうという問題がある。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、混合損失の更なる低減を図り、タービン効率を向上させることを課題とする。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明に係るタービンは、回転自在に支持されたロータと、前記ロータの周囲に設けられたステータと、前記ロータと前記ステータとのうち一方に設けられ、前記一方側から他方側に向けて径方向に延在する翼と前記翼の径方向先端部において周方向に延在するシュラウドとを有する翼体と、前記ロータと前記ステータとのうち他方に設けられ、周方向に延在すると共に、前記シュラウドを隙間を介して収容し且つ前記翼体に対して相対回転する収容凹体とを備え、前記翼に沿って流れる主流から漏れた漏流が前記隙間に流れるタービンであって、前記シュラウドのうち、前記収容凹体に対向する周面と、前記周面よりも前記漏流の下流において前記主流側に形成された後縁端部との間には、前記周面に沿って流れる漏流を前記周面から前記後縁端部まで沿うように案内する案内曲面が形成されていることを特徴とする。

この構成によれば、周面と後縁端部との間に形成された案内曲面が、周面に沿って流れる漏流を周面から後縁端部まで沿うように案内するので、漏流が後縁縁部から主流側に流出することで、翼体と収容凹体との隙間と、主流流路との境域において主流の上流側から下流側に向かう渦（以下、順渦という。）が形成される。
仮に、案内曲面を備えずに後縁端部と周面とが角部を介して連続していると、この角部において、周面に沿って流れていた漏流が剥離し、順渦とは逆方向に流れる逆渦が形成されてしまう。この逆渦は、上記隙間と主流流路との境域において主流に逆流し、また、シュラウドの後縁において上記隙間に主流を引き込むので、主流を攪拌してしまう。
一方、上記構成によって形成される順渦は、上記隙間と主流流路との境域において主流に逆流せず、また、シュラウドの後縁において上記隙間に主流を引き込まないので、主流が攪拌されない。
従って、混合損失の発生を抑制することができ、タービン効率を向上させることができる。

また、前記後縁端部は、回転軸方向に延在するアキシャルフィンとされていることを特徴とする。
この構成によれば、後縁端部が回転軸方向に延在するアキシャルフィンとされているので、後縁端部に案内された漏流の径方向速度成分が減殺される。これにより、主流の径方向速度成分と漏流の径方向速度成分との差分が小さくなる。従って、漏流を主流に滑らかに合流させることができるので、混合損失をさらに低下させることができる。

また、前記案内曲面において前記収容凹部に対する前記シュラウドの相対回転方向とは逆方向に案内する案内通路が形成され、前記案内通路は、前記周面側において前記漏流を流入させる流入部と前記後縁端部側において前記漏流を流出させる流出部とが、前記相対回転方向とは逆方向にずらされていることを特徴とする。
この構成によれば、収容凹部に対するシュラウドの相対回転方向とは逆方向に案内する案内通路が形成されているので、相対回転方向に流れていた漏流の周方向速度成分に相対回転方向とは逆方向の周方向速度成分が付与されることとなり、漏流の周方向速度成分と主流の周方向速度成分との差分を小さくすることができる。従って、漏流を主流に滑らかに合流させることができるので、混合損失をさらに低下させることができる。

また、前記案内通路は、溝状に形成されていることを特徴とする。
また、前記案内通路は、前記案内曲面の法線方向に突出する突壁で形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、比較的に簡単に案内通路を形成することができる。

また、前記案内曲面は、周方向に交差する断面の断面輪郭が円弧状に形成されていることを特徴とする。
また、前記案内曲面は、周方向に交差する断面の断面輪郭が楕円状に形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、比較的に簡単に案内曲面を形成することができる。

また、前記案内曲面は、少なくとも前記翼の表面よりも凹凸状に形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、案内曲面が凹凸状に形成されているので、案内曲面に沿って流れる漏流が乱流化する。これにより、案内曲面に対する漏流の付着性を向上させることができ、漏流が案内曲面から剥離し難くなる。これにより、シュラウドの後縁端部まで、より確実に漏流を案内することができる。

本発明によれば、混合損失の更なる低減を図ることができ、タービン効率を向上させることができる。

本発明の第一実施形態に係る蒸気タービン１を示す概略構成断面図である。図１における要部Ｉを示す要部拡大断面図である。蒸気タービン１の作用説明図であって周方向に交差する断面の要部拡大図である。蒸気タービン１の作用説明図であって要部拡大断面斜視図である。蒸気タービン１における主流速度Ｖと漏流速度ｖとを示すベクトル線図である。蒸気タービン１の比較例０１の要部拡大断面図である。蒸気タービン１の変形例１Ａの要部拡大断面図である。本発明の第二実施形態に係る蒸気タービン２の要部拡大断面図である。蒸気タービン２の要部拡大断面斜視図である。蒸気タービン２における主流速度Ｖと漏流速度ｖとを示すベクトル線図である。蒸気タービン２の変形例２Ａの要部拡大断面図である。本発明の第三実施形態に係る蒸気タービン３の要部拡大断面斜視図である。蒸気タービン３の翼列図である。蒸気タービン３における主流速度Ｖと漏流速度ｖとの速度を示すベクトル線図である。本発明の第四実施形態に係る蒸気タービン４の要部拡大断面斜視図である。蒸気タービン４の翼列図である。蒸気タービン４における主流速度Ｖと漏流速度ｖとの速度を示すベクトル線図である。本発明に係る案内曲面５７を省略したモデル１の解析結果である。本発明に係る案内曲面５７を形成したモデル２の解析結果である。本発明に係るモデル１，２のタービン効率とリーク流量−主流流量比とを示すグラフである。本発明を静翼４０に適用した例を示す要部拡大断面図であって、図１における要部Ｊに相当する。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳しく説明する。
（第一実施形態）
図１は、本発明の第一実施形態に係る蒸気タービン（タービン）１を示す概略構成断面図である。
蒸気タービン１は、ケーシング（ステータ）１０と、ケーシング１０に流入する蒸気Ｓの量と圧力を調整する調整弁２０と、ケーシング１０の内方に回転自在に設けられ、動力を図示しない発電機等の機械に伝達する軸体（ロータ）３０と、ケーシング１０に保持された静翼４０と、軸体３０に設けられた動翼（翼体）５０と、軸体３０を軸回りに回転可能に支持する軸受部６０と、を主たる構成としている。

ケーシング１０は、内部空間が気密に封止されているとともに、蒸気Ｓの流路とされている。このケーシング１０は、ケーシング内壁面に強固に固定されたリング状の仕切板外輪（収容凹体）１１を有しており、軸体３０を囲繞している。

調整弁２０は、ケーシング１０の内部に複数個取り付けられており、それぞれ図示しないボイラから蒸気Ｓが流入する調整弁室２１と、弁体２２と、弁座２３とを備えており、弁体２２が弁座２３から離れると蒸気流路が開いて、蒸気室２４を介して蒸気Ｓがケーシング１０の内部空間に流入するようになっている。

軸体３０は、軸本体３１と、この軸本体３１の外周から径方向に延出した複数のディスク３２とを備えている。この軸体３０は、回転エネルギーを、図示しない発電機等の機械に伝達するようになっている。
この軸体３０は、ケーシング１０の内部において仕切板外輪１１を挿通している。

静翼４０は、仕切板外輪１１から軸体３０に向けて径方向に延在する翼４９と、翼４９の径方向先端部において周方向に延在するハブシュラウド４１とを有している。
この静翼４０は、軸体３０を囲繞するように放射状に多数配置されて環状静翼群を構成しており、それぞれ前述した仕切板外輪１１に保持されている。各静翼４０は、ハブシュラウド４１が周方向に連続することで連結されており、全体的に見てリング状に連なったハブシュラウド４１が軸体３０に対向している。
これら複数の静翼４０からなる環状静翼群は、回転軸方向に間隔をあけて六つ形成されており、下流側に隣接する動翼５０側に蒸気Ｓを案内するようになっている。

動翼５０は、軸体３０から仕切板外輪１１に向けて径方向に延在する翼５９と、翼５９の径方向先端部において周方向に延在するチップシュラウド（シュラウド）５１とを有している。
この動翼５０は、各環状静翼群の下流側において、放射状に多数配置されて環状動翼群を構成しており、それぞれ軸体３０が有するディスク３２の外周部に強固に取り付けられている。これら動翼５０の先端部は、各動翼５０は、全体的に見てリング状になったチップシュラウド５１で連結され、仕切板外輪１１に対向している。
このような環状動翼群と環状静翼群とは一組一段とされている。つまり、蒸気タービン１においては六段に構成されている。そして、調整弁２０側から回転軸方向に、蒸気Ｓの主流Ｍが静翼４０と動翼５０とを交互に流れるようになっている。以下の説明においては、軸体３０の回転軸方向を「軸方向」といい、軸方向における主流上流側を「軸方向上流側」といい、軸方向における主流下流側を「軸方向下流側」という。

図２は、図１における要部Ｉを示す要部拡大断面図である。
図２に示すように、チップシュラウド５１の先端側にはステップ部５２Ａ〜５２Ｃが形成されている。
これらステップ部５２Ａ〜５２Ｃは、軸方向上流側から軸方向下流側に向かって、翼５９からの高さが次第に高くなるように階段状に形成されている。これらステップ部５２Ａ〜５２Ｃにおいて、それぞれ周方向に延在すると共に径方向に直交する外周面（周面）５３Ａ〜５３Ｃは、チップシュラウド５１の段状の外周面を構成している。

仕切板外輪１１には、チップシュラウド５１に対応する部位に環状溝（環状の凹部）１１Ａが形成されており、この環状溝１１Ａ内にリング状に連結された複数のチップシュラウド５１が隙間Ｇを介した状態で収容されている。
この隙間Ｇは、図２に示すように、周方向に直交する断面の断面形状がＵ字状（あるいは逆Ｕ字状）に形成されたものであって、チップシュラウド５１の前縁５４と仕切板外輪１１の上流溝側面１１ａとの間に形成された軸方向隙間ｇａと、チップシュラウド５１の後縁５５と仕切板外輪１１の下流溝側面１１ｂとの間に形成された軸方向隙間ｇｂとが、チップシュラウド５１の外周面５３（５３Ａ〜５３Ｃ）と仕切板外輪１１の溝底面１１ｃとの間に形成された径方向隙間ｇｃで連通している。

この隙間Ｇを封止するために、仕切板外輪１１の環状溝１１Ａにおける溝底面１１ｃには、三つのステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）に１：１で対応するように延出する三つのシールフィン１５（１５Ａ〜１５Ｃ）が配設されており、シールフィン１５（１５Ａ〜１５Ｃ）の先端と各外周面５３（５３Ａ〜５３Ｃ）との間に微小間隙Ｈ（Ｈ１〜Ｈ３）が形成されている。
このチップシュラウド５１には、後縁５５のうち主流Ｍ側に位置して主流Ｍと接する後縁端部５６と、ステップ部５２Ｃの外周面５３Ｃとの間に、案内曲面５７が形成されている。

案内曲面５７は、周方向に交差する断面の断面輪郭が四半楕円状に形成されている。この案内曲面５７は、微小間隙Ｈ３の軸方向下流における始端（外周面５３Ｃの終端）から軸方向下流側に進むに従って曲率半径が大きくなっており、外周面５３Ｃと後縁端部５６とを接続している。

図１に戻って、軸受部６０は、ジャーナル軸受装置６１及びスラスト軸受装置６２を備えており、軸体３０を回転自在に支持している。

次に、上記の構成からなる蒸気タービン１の動作について、図を用いて説明する。図３は、蒸気タービン１の作用説明図であって周方向に交差する断面の要部拡大図である。
まず、調整弁２０（図１参照）を開状態とすると、図示しないボイラから蒸気Ｓがケーシング１０の内部空間に流入する。

蒸気Ｓは、各段における環状静翼群と環状動翼群とを順次通過する。この際には、圧力エネルギーが静翼４０によって速度エネルギーに変換され、静翼４０を経た蒸気Ｓのうちの大部分が同一の段を構成する動翼５０間に流入し（主流Ｍ）、動翼５０により蒸気Ｓの速度エネルギーが回転エネルギーに変換されて、軸体３０に回転力が付与される。一方、図３に示すように、蒸気Ｓのうちの一部（例えば、数％）は、静翼４０から流出した後に、軸方向隙間ｇａから隙間Ｇに流入して漏流Ｌとなる。

この漏流Ｌは、微小間隙Ｈ１，Ｈ２を経てシールフィン１５Ｂ，１５Ｃ間のキャビティに到達する。そして、このキャビティに到達した漏流Ｌは、外周面５３Ｃに沿うようにして微小間隙Ｈ３を通過する。

微小間隙Ｈ３を通過した漏流Ｌは、外周面５３Ｃに沿って軸方向下流側に流れた後に、案内曲面５７に付着した状態で後縁端部５６まで流れていく。

図４は、蒸気タービン１の作用を説明するための要部拡大断面斜視図であり、図５は、蒸気タービン１における主流速度Ｖと漏流速度ｖとを示すベクトル線図である。
上記の作用をより詳細に説明すると、微小間隙Ｈ３を通過した漏流Ｌは、動翼５０に回転エネルギーを付与しないことから静翼４０によって与えられた速度エネルギーの大部分を保有している。すなわち、周方向（ロータ回転方向）速度成分が比較的に大きくなっており、かつ、この周方向速度成分は動翼５０（チップシュラウド５１）の周方向速度成分よりも大きくなる。このため、図４に示すように、微小間隙Ｈ３を通過した漏流Ｌは、案内曲面５７に沿って径方向内方かつロータ回転方向に流れる。
そして、後縁端部５６から、動翼５０を通過した主流Ｍに流出する。この際、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、主流Ｍの主流速度Ｖは軸方向速度成分のみを有しているのに対して、漏流Ｌの漏流速度ｖは、周方向速度成分ｖ_θ（＝ｖ_θ１）、径方向速度成分ｖ_Ｒ（＝ｖ_Ｒ１）を有している。

図３に示すように、後縁端部５６から主流Ｍに流出した漏流Ｌは、一部が主流Ｍと混合する一方、他の一部が主流Ｍによって軸方向上流側から下流側に向けて押し流された後に、環状溝１１Ａの下流溝側面１１ｂに接触して径方向内方側から外方側に向けて流れる。
このように、案内曲面５７に沿って径方向内方側に向かう流れと、主流Ｍに沿って軸方向下流側に向かう流れと、下流溝側面１１ｂに略沿って径方向外方側に向かう流れとにより、案内曲面５７と溝底面１１ｃと下流溝側面１１ｂとが仕切る空間において、図３に示すように、紙面反時計方向回りに流れる順渦Ｃが形成される。
この順渦Ｃは、隙間Ｇと主流流路との境域において主流Ｍに逆流せず（図３中の矢印ｃ１）、また後縁５５に沿って主流Ｍを隙間Ｇに引き込まないことから、主流Ｍを攪拌しない。
このようにして、蒸気タービン１は効率よく稼働する。

以上説明したように、蒸気タービン１によれば、外周面５３Ｃと後縁端部５６との間に形成された案内曲面５７が、外周面５３Ｃに沿って流れる漏流Ｌを外周面５３Ｃから後縁端部５６まで沿うように案内するので、漏流Ｌが後縁端部５６から主流Ｍ側に流出することで、順渦Ｃが形成される。この順渦Ｃは、隙間Ｇと主流流路との境域において主流Ｍに逆流せず、また、チップシュラウド５１の後縁５５に沿って隙間Ｇに主流Ｍを引き込まないので、主流Ｍが攪拌されない。
従って、混合損失の発生を抑制することができ、タービン効率を向上させることができる。

図６は、蒸気タービン１の比較例０１の要部拡大断面図である。なお、図６の比較例において、蒸気タービン１に対応する構成要素に同一の符号を付す。
図６に示すように、案内曲面５７を形成せずに外周面５３Ｃと後縁端部５６とを軸方向に交差する端面０５７で接続した場合には、端面０５７と外周面５３Ｃとの間に形成される角部０５７ａにおいて、外周面５３Ｃに沿って流れた漏流Ｌが剥離してしまう。そして、漏流Ｌが、径方向において外周面５３Ｃと略同位置を軸方向下流側に流れ、下流溝側面１１ｂに到達した後に下流溝側面１１ｂに沿って径方向内方側に向かうことで、順渦Ｃとは逆方向に流れる逆渦Ｘが形成される。
すなわち、外周面５３Ｃに沿って流れる漏流Ｌが主流Ｍから離間した位置で剥離して逆渦Ｘが形成されると、この逆渦Ｘが隙間Ｇと主流流路との境域において主流Ｍに対して逆流し（図６中の矢印ｘ１）、また、チップシュラウド５１の後縁５５で隙間Ｇに主流Ｍを引き込むことにより（矢印ｘ２）、主流Ｍを攪拌して混合損失を生じさせてしまう。

しかしながら、蒸気タービン１の構成によって形成される順渦Ｃは、隙間Ｇと主流流路との境域において主流Ｍに逆流せず（図３中の矢印ｃ１）、また、チップシュラウド５１の後縁５５に沿って隙間Ｇに主流Ｍを引き込まないので、主流Ｍが攪拌されず、混合損失の発生を抑制することができ、タービン効率を向上させることができる。

なお、本実施形態においては、案内曲面５７を周方向に交差する断面の断面輪郭を四半楕円状に形成したが、楕円外周のうち他の一部に相当する形状の楕円輪郭であってもよい。

また、例えば図７に示す変形例１Ａのように、案内曲面５７Ａを円弧状に形成してもよい（図７の例では四半円弧状）。
また、本実施形態では、案内曲面５７が外周面５３Ｃと後縁端部５６とを接続する構成にしたが、図７に示す変形例１Ａのように、案内曲面５７Ａと後縁端部５６とが軸方向に交差する端面５８で接続されていてもよい。すなわち、案内曲面５７は、漏流Ｌを案内曲面５７だけに沿わして後縁端部５６まで案内するように形成されている必要はなく、案内曲面５７から流出した後に他の面（例えば端面５８）に沿って後縁端部５６に漏流Ｌを到達させても、上述した効果と同様の効果を得ることが可能である。つまり、案内曲面５７は、案内曲面５７に連続する他の面に沿って漏流Ｌが最終的に後縁端部５６に到達するように形成されていればよい。換言すれば、案内曲面５７が、外周面５３Ｃに沿って流れる漏流Ｌを、外周面５３Ｃから後縁端部５６まで案内曲面５７及び他の面に沿うように案内する場合も本発明に含まれる。
また、本実施形態においては、外周面５３Ｃを径方向に直交するように形成したが、軸方向下流側に進むに従って漸次拡径あるいは縮径するように形成された外周面についても本発明を適用することができる。つまり、外周面５３Ｃは径方向に交差してさえいれば本発明を適用することができる。

（第二実施形態）
次に本発明の第二実施形態に係る蒸気タービン２について図を用いて説明する。
図８は、蒸気タービン２の要部拡大断面図であり、図９は、蒸気タービン２の要部拡大断面斜視図である。なお、図８及び図９において、図１〜図７と同様の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。

図８に示すように、蒸気タービン２は、蒸気タービン１の後縁端部５６に相当する後縁端部７０が、蒸気タービン１と異なっている。
後縁端部７０は、チップシュラウド５１から軸方向下流側に延びるアキシャルフィンとなっており、軸方向隙間ｇｂが狭められている。この後縁端部７０の径方向外方側には、案内曲面５７に接続されると共に、案内曲面５７から軸方向下流側に進むに従って漸次径方向内方側に向かうテーパ面７０ａが形成されている。

図９に示すように、微小間隙Ｈ３を通過した漏流Ｌは、案内曲面５７に沿って後縁端部７０に向けて流れていく。後縁端部７０に到達した漏流Ｌは、後縁端部７０に案内されて流れの向きを軸方向下流側に大きく変えた後に、テーパ面７０ａに沿って流れ、軸方向隙間ｇｂから主流Ｍ側に流出する。

図１０は、蒸気タービン２の主流速度Ｖと漏流速度ｖとを示すベクトル線図である。
上記の作用をより詳細に説明すると、漏流速度ｖ_１〔径方向速度成分ｖ_Ｒ１，周方向速度成分ｖ_θ１，軸方向速度成分０〕（図５（ａ）〜（ｃ）参照）で後縁端部７０に到達した漏流Ｌは、後縁端部７０に案内されて、漏流速度ｖ_２〔径方向速度成分ｖ_Ｒ２，周方向速度成分ｖ_θ１，軸方向速度成分ｖ_Ｚ１）〕で主流Ｍに流出する。
すなわち、案内曲面５７から流出した漏流Ｌは、後縁端部７０によって径方向速度成分ｖ_Ｒの一部が軸方向速度成分ｖ_Ｚに変換され、径方向速度成分ｖ_Ｒがｖ_Ｒ１からｖ_Ｒ２に大幅に減少する一方（図１０及び図５の（ａ）（ｂ）参照）、軸方向速度成分ｖ_Ｚが０からｖ_Ｚ１に増加する（図１０及び図５の（ｂ）（ｃ）参照）。

このため、漏流Ｌは、軸方向速度成分がｖ_Ｚ１に増加した状態で後縁端部７０から軸方向下流側に流出することとなるので、順渦Ｃが強く形成されて、案内曲面５７に沿って流れる漏流Ｌを案内曲面５７に押し付ける。
また、径方向速度成分ｖ_Ｒがｖ_Ｒ１からｖ_Ｒ２に減少しており、主流Ｍの径方向速度成分（≒０）に対する差分が減少する。つまり、主流Ｍの攪拌を抑えつつ漏流Ｌが主流Ｍに滑らかに合流する。

以上説明したように、蒸気タービン２によれば、後縁端部７０が軸方向に延在するアキシャルフィンとされているので、径方向速度成分ｖ_Ｒの一部が軸方向速度成分ｖ_Ｚに変換される。これにより、順渦Ｃが強く形成され、案内曲面５７に沿って流れる漏流Ｌを案内曲面５７に押し付ける。従って、漏流Ｌが更に剥離し難くなって主流Ｍの攪拌抑制効果を安定して得ることができる。
また、後縁端部７０が軸方向に延在するアキシャルフィンとされているので、後縁端部７０に案内された漏流Ｌの径方向速度成分ｖ_Ｒが減殺される。これにより、主流Ｍの径方向速度成分（≒０）と漏流Ｌの径方向速度成分ｖ_Ｒ（＝ｖ_Ｒ２＜ｖ_Ｒ１）との差分が小さくなる。従って、主流Ｍの攪拌を抑えつつ漏流Ｌを主流Ｍに滑らかに合流させることができるので、混合損失をさらに低下させることができる。

なお、本実施形態においても、図１１に示す変形例２Ａのように、案内曲面５７Ａを用いてもよい。
また、案内曲面５７とテーパ面７０ａとは、曲率を有するように滑らかに連続させてもよいし、角が形成されるように不連続に構成してもよい。
また、アキシャルフィンの先端は、軸方向に交差する端面（図８参照）を設けてもよいし、端面を設けずにシャープエッジにしてもよい。

（第三実施形態）
次に、本発明の第三実施形態に係る蒸気タービン３について図を用いて説明する。
図１２は、蒸気タービン３の要部拡大断面斜視図であり、図１３は、蒸気タービン３の翼列図である。なお、図１２及び図１３において、図１〜図１１と同様の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。

図１２に示すように、蒸気タービン３は、蒸気タービン１の案内曲面５７に案内通路８１が形成されている点において、上述した蒸気タービン１と異なっている。
案内通路８１は、図１２に示すように、溝状に形成されており、径方向外方側から内方側に見た場合において、案内曲面５７の始端（外周面５３Ｃの終端）から後縁端部５６まで湾曲して延びている。より具体的には、図１３に示すように、外周面５３Ｃから漏流Ｌを流入させる流入部８１ａと、後縁端部５６において漏流Ｌを流出させる流出部８１ｂとが、ロータ回転方向とは逆方向にずらされている。換言すれば、案内通路８１の流出部８１ｂが流入部８１ａよりもロータ回転方向における下流側に形成されている。
この案内通路８１は、案内曲面５７において、互いに間隔を空けて周方向に複数形成されている。

上記案内通路８１は、蒸気タービン３に設定された定格回転数や動翼５０の周方向位置に基づいて、隙間Ｇに流入した漏流Ｌが主流Ｍ側に流出する際に周方向速度成分ｖ_θを小さくするように（後述する。）、案内通路８１の本数と、流入部８１ａ及び流出部８１ｂの周方向位置と延在方向とが設定されている。

続いて、蒸気タービン３の作用を説明する。
図１３に示す速度三角形のように、上流段における動翼５０の流出部において相対速度ｗ_１の蒸気Ｓは、動翼５０の回転速度ｕ_１により、絶対速度ｃ_１で動翼５０から流出する。次いで、静翼４０に流入した蒸気Ｓは絶対速度ｃ_１で静翼４０に流入した後に、静翼４０によって流れの向きを変更され、静翼４０から絶対速度ｃ_２で流出する。そして、この絶対速度ｃ_２で流出した蒸気Ｓが、動翼５０の回転速度ｕ_２により、相対速度ｗ_２で動翼５０に流入することとなる。

動翼５０に回転エネルギーを付与した主流Ｍは、図１３に示すように、動翼５０の回転速度ｕ_２により、絶対速度ｃ_２（＝Ｖ），相対速度ｗ_２（＝Ｖ´）で動翼５０から流出する。

一方、漏流Ｌは、動翼５０に回転エネルギーを殆ど付与しないことから、静翼４０から流出した際の速度エネルギー（絶対速度ｃ_２，相対速度ｗ_２）の大部分を保有する漏流速度ｖ（絶対速度ｖ，相対速度ｖ´）で微小間隙Ｈ３を通過する。

微小間隙Ｈ３を通過した漏流Ｌのうち案内通路８１に流入した一部は、案内通路８１を流れる過程で、動翼５０の回転方向（正の速度成分）とは逆方向の周方向速度成分（負の速度成分）が与えられ、周方向速度成分が減少する。動翼５０側から見ると、漏流Ｌが案内通路８１を流れることで漏流Ｌから動翼５０の回転方向に周方向速度成分が与えられることになり、漏流Ｌから回転エネルギーを回収することとなる。
このため、案内曲面５７を流れた漏流Ｌ全体の速度エネルギーは、静翼４０から流出した際の速度エネルギーに比べて小さくなる。
従って、漏流Ｌの速度ｖ_３が、上述した第一実施形態における漏流Ｌの速度ｖ_１に比べて小さくなる。
このようにして、漏流Ｌは、後縁端部５６から漏流速度ｖ_３（絶対速度ｖ，相対速度ｖ´）で主流Ｍに流出することとなる。

図１４は、蒸気タービン３における主流速度Ｖと漏流速度ｖとを示すベクトル線図である。
図１４に示すように、後縁端部５６に到達した際の漏流速度ｖ_１（第一実施形態）と漏流速度ｖ_３とを比較すると、周方向速度成分ｖ_θが減少しており、主流Ｍの周方向速度成分に対する差分が減少して略一致する。
また、主流Ｍと直交する速度成分Ｖ_３＝（Ｖ_Ｒ３ ^２＋Ｖ_θ３ ^２）^０．５が第一実施形態における速度成分Ｖ_１＝（Ｖ_Ｒ１ ^２＋Ｖ_θ１ ^２）^０．５に比べて小さくなる。
従って、漏流Ｌが主流Ｍに滑らかに合流する。

以上説明したように、蒸気タービン３によれば、仕切板外輪１１に対するチップシュラウド５１の相対回転方向とは逆方向に案内する案内通路８１が形成されているので、相対回転方向に流れていた漏流Ｌに逆方向の周方向速度成分ｖ_θが付与されることとなり、漏流Ｌの周方向速度成分ｖ_θが小さくなる。従って、主流Ｍの攪拌を抑えつつ漏流Ｌを主流Ｍに滑らかに合流させることができるので、混合損失をさらに低下させることができる。
また、案内通路８１で漏流Ｌの速度エネルギーを回収することができるので、タービン効率を向上させることができる。

なお、本実施形態においては、案内通路８１を溝状に形成したが、例えば、案内曲面５７の法線方向に突出する突壁（若しくは羽根状体）で案内通路８１を形成しても、上述した効果と同様の効果を得ることができる。
また、本実施形態においても、案内曲面５７に代えて案内曲面５７Ａを用いてもよい（図７及び図１１参照）。なお、案内曲面５７と後縁端部５６との間を端面５８で接続する場合には、端面５８にも案内通路を形成してもよい。

（第四実施形態）
次に、本発明の第四実施形態に係る蒸気タービン４について図を用いて説明する。
図１５は、蒸気タービン４の要部拡大断面斜視図であり、図１６は、蒸気タービン４の翼列図である。なお、図１５及び図１６において、図１〜図１４と同様の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。

図１５に示すように、蒸気タービン４は、第二実施形態において説明した後縁端部７０と、第三実施形態において説明した案内通路８１とを重畳的に適用したものである。
蒸気タービン４においては、軸方向上流側において案内通路８１に連通すると共に軸方向下流側において隙間Ｇに開放された補助案内通路８２を、後縁端部７０のテーパ面７０ａに形成している。

続いて、蒸気タービン４の作用を説明する。
図１６に示すように、動翼５０に回転エネルギーを付与した主流Ｍは、動翼５０の回転速度ｕ_２により、絶対速度ｃ_２（＝Ｖ），相対速度ｗ_２（＝Ｖ´）で動翼５０から流出する。
一方、漏流Ｌは、静翼４０から流出した際の速度エネルギー（絶対速度ｃ_２，相対速度ｗ_２）の大部分を保有する漏流速度ｖ（絶対速度ｖ，相対速度ｖ´）で案内曲面５７及び案内通路８１に流入する。
漏流Ｌは、案内通路８１で動翼５０の回転方向とは逆方向の周方向速度成分ｖ_θが与えられることにより、漏流Ｌ全体の周方向速度成分ｖ_θが減少する。

後縁端部７０に到達した漏流Ｌは、後縁端部７０に案内されて流れの向きを軸方向下流側に大きく変え、径方向速度成分ｖ_Ｒがｖ_Ｒ４に大幅に減少する一方で、軸方向速度成分ｖ_Ｚが０からｖ_Ｚ１に増加する。
そして、軸方向隙間ｇｂから主流Ｍ側に流出して主流Ｍに沿うようにして合流する。

図１７は、蒸気タービン４における主流速度Ｖと漏流速度ｖとを示すベクトル線図である。
図１７に示すように、主流Ｍに流出する際の漏流速度ｖ_１（第一実施形態）と漏流速度ｖ_４とを比較すると、周方向速度成分ｖ_θがｖ_θ１から大幅に減少する。さらに、径方向速度成分ｖ_Ｒがｖ_Ｒ１からｖ_Ｒ４に大幅に減少する一方で、軸方向速度成分ｖ_Ｚが０からｖ_Ｚ１に増加する。
すなわち、漏流速度ｖの周方向速度成分ｖ_θ，径方向速度成分ｖ_Ｒ，軸方向速度成分ｖ_Ｚの全てにおいて、主流速度Ｖの各方向の速度成分に対する差分を小さくするので、主流Ｍの攪拌を更に抑えた状態で漏流Ｌが主流Ｍに対して極めて滑らかに合流する。

以上説明したように、蒸気タービン４によれば、主流Ｍの攪拌を更に抑えた状態で漏流Ｌが主流Ｍに対して極めて滑らかに合流するので、混合損失を極めて効果的に低減することができ、タービン効率を大幅に上昇させることができる。
また、軸方向速度成分ｖ_Ｚが増加することにより、順渦Ｃが強く形成され、案内曲面５７に沿って流れる漏流Ｌを案内曲面５７に押し付けるので、漏流Ｌが更に剥離し難くなって主流Ｍの攪拌抑制効果を安定して得ることができる。
また、案内通路８１及び補助案内通路８２で漏流Ｌの速度エネルギーを回収することができるので、タービン効率を向上させることができる。

（シミュレーション）
ここで、案内曲面５７の有無によるタービン効率及びリーク流量−主流流量比との関係について、シミュレーションを行った結果について説明する。
図１８は、案内曲面５７を省略したモデル１のシミュレーション結果であり、図１９は、案内曲面５７を形成したモデル２のシミュレーション結果である。なお、図１８及び図１９において、図１〜図１７と同様の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。

各モデルは、後縁端部５６と下流溝側面１１ｂとの軸方向距離を、上述した各実施形態と比較して大きく形成している。
また、図１８に示す比較モデル１においては、外周面５３Ｃと後縁端部５６との間を、軸方向に交差する端面０５７と径方向に交差する外周面０５３Ｄとで接続した構成となっている。

図１８に示すように、案内曲面５７を省略したモデル１においては、外周面５３Ｃに沿って流れた漏流Ｌが、外周面５３Ｃと端面０５７とで形成された角部０５７ａで剥離している。このため、端面０５７の軸方向下流側において逆渦Ｘが形成されると共に、逆渦Ｘの軸方向下流側かつ径方向外方側において、逆渦Ｘに接するようにして渦が形成されている。このため、逆渦Ｘが主流Ｍに対して逆流すると共に後縁端部５６において主流Ｍを巻き上げてしまって、主流Ｍが攪拌されている。

一方、図１９に示すモデル２においては、外周面５３Ｃに沿って流れる漏流Ｌを、案内曲面５７が後縁端部５６まで案内しており、後縁端部５６において主流Ｍ側に流出している。このため、案内曲面５７の軸方向下流側において逆渦Ｘが形成されず、隙間Ｇにおいて大きな順渦Ｃが形成される。このため、隙間Ｇと主流流路との境界において、主流Ｍに攪拌が生じていない。

図２０は、モデル１，２のタービン効率とリーク流量−主流流量比とを示すグラフであり、図中左側に示した二種の棒グラフがモデル１，図中右側に示した二種の棒グラフがモデル２を示している。二種の棒グラフのうち、ドットの模様を付した棒グラフがタービン効率を示しており、白抜きの棒グラフがリーク流量−主流流量比を示している。

図２０に示すように、リーク流量−主流流量比については、モデル１及びモデル２で殆ど変わらない一方で、タービン効率については、モデル１に対してモデル２の方が大きくなっている。つまり、モデル１よりもモデル２のほうがタービン効率が良いことを確認することができる。

なお、上述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
例えば、上述した各実施形態においては、仕切板外輪１１をケーシング１０と別体としたが、ケーシング１０と一体に形成してもよい。

また、上述した各実施形態の案内曲面５７，５７Ａを凹凸状に形成してもよい。このように形成することで、案内曲面５７，５７Ａに沿って流れる漏流Ｌが乱流化し、案内曲面５７，５７Ａに対する漏流Ｌの付着性が向上するので、漏流Ｌが案内曲面５７，５７Ａから剥離し難くなる。従って、チップシュラウド５１の後縁端部５６まで、より確実に漏流Ｌを案内することができる。
なお、上記の「凹凸状」は、ディンプル加工等を施すことによって得られる目視できる程度の大きさのものから目視できない程度の微小なものまでが含まれる。

また、上述した各実施形態においては、案内曲面５７，５７Ａの断面輪郭を楕円状又は円弧状に形成したが、例えば変曲点を有する断面輪郭に形成してもよいし、曲率の異なる複数の円弧同士を、あるいは、円弧と直線とを滑らかに連続させてもよい。

また、上述した各実施形態では、最終段の動翼５０に本発明を適用したが、任意の段の動翼５０に本発明を適用することができる。
また、上述した各実施形態では、動翼５０に本発明を適用したが、図２１に示すように、静翼４０に本発明を適用してもよい（図２１において図１〜図２０における構成要素と同様のものについては同一の符号を付し、近似できるものについては同一の符号を付すと共に括弧で括る。）。図２１の場合には、軸体３０がロータであり、軸本体３１及び相互に隣接するディスク３２によって収容凹体が構成され、ハブシュラウド（シュラウド）４１の内周面（周面）４３Ｃと、後縁端部４６との間に案内曲面４７が形成されることとなる。

また、上述した各実施形態においては、チップシュラウド５１をステップ状に形成したが、段差を形成しないで平状に形成してもよい。
また、上述した各実施形態においては、ステップ部５２を三つ設けたが、二つでもよいし、四つ以上でもよい。また、ステップ部５２は、階段状に形成されていなくてもよく、凸凹状に形成してもよい。
また、前記実施形態のように、シールフィン１５とステップ部５２とは必ずしも１：１で対応させる必要はなく、これらの数については任意に設計することができる。

また、前記実施形態では、本発明を復水式の蒸気タービンに適用したが、他の型式の蒸気タービン、例えば、二段抽気タービン、抽気タービン、混気タービン等のタービン型式に本発明を適用することもできる。
さらに、前記実施形態では、本発明を蒸気タービンに適用したが、ガスタービンにも本発明を適用することができる。

１，１Ａ，２，２Ａ，３，４…蒸気タービン（タービン）
１０…ケーシング（ステータ）
１１…仕切板外輪（収容凹体）
３０…軸体（ロータ）
３１…軸本体（収容凹体）
３２…ディスク（収容凹体）
４０…静翼（翼体）
４１…ハブシュラウド（シュラウド）
４３Ｃ…内周面（周面）
５０…動翼（翼体）
５１…チップシュラウド（シュラウド）
５３Ｃ…外周面（周面）
４６，５６，７０…後縁端部
５７，５７Ａ…案内曲面
８１…案内通路
Ｇ…隙間
Ｌ…漏流
Ｍ…主流

Claims

回転自在に支持されたロータと、
前記ロータの周囲に設けられたステータと、
前記ロータと前記ステータとのうち一方に設けられ、前記一方側から他方側に向けて径方向に延在する翼と前記翼の径方向先端部において周方向に延在するシュラウドとを有する翼体と、
前記ロータと前記ステータとのうち他方に設けられ、周方向に延在すると共に、前記シュラウドを隙間を介して収容し且つ前記翼体に対して相対回転する収容凹体とを備え、
前記翼に沿って流れる主流から漏れた漏流が前記隙間に流れるタービンであって、
前記シュラウドのうち、前記収容凹体に対向する周面と、前記周面よりも前記漏流の下流において前記主流側に形成された後縁端部との間には、前記周面に沿って流れる漏流を前記周面から前記後縁端部まで沿うように案内する案内曲面が形成されていることを特徴とするタービン。
前記後縁端部は、回転軸方向に延在するアキシャルフィンとされていることを特徴とする請求項１に記載のタービン。
前記案内曲面において前記収容凹部に対する前記シュラウドの相対回転方向とは逆方向に案内する案内通路が形成され、
前記案内通路は、前記周面側において前記漏流を流入させる流入部と前記後縁端部側において前記漏流を流出させる流出部とが、前記相対回転方向とは逆方向にずらされていることを特徴とする請求項１又は２に記載のタービン。
前記案内通路は、溝状に形成されていることを特徴とする請求項３に記載のタービン。
前記案内通路は、前記案内曲面の法線方向に突出する突壁で形成されていることを特徴とする請求項３に記載のタービン。
前記案内曲面は、周方向に交差する断面の断面輪郭が円弧状に形成されていることを特徴とする請求項１から５のうちいずれか一項に記載のタービン。
前記案内曲面は、周方向に交差する断面の断面輪郭が楕円状に形成されていることを特徴とする請求項１から５のうちいずれか一項に記載のタービン。
前記案内曲面は、少なくとも前記翼の表面よりも凹凸状に形成されていることを特徴とする請求項１から７のうちいずれか一項に記載のタービン。