JP2013064370A - タービン - Google Patents

Abstract

【課題】漏洩流量をより低減可能とする高性能なタービンを提供する。
【解決手段】動翼５０の先端部と、仕切板外輪１１における動翼５０の先端部に対応する部位のうちの一方には、段差面５３を有して他方側に突出するステップ部５２が設けられ、他方には、ステップ部５２に対して延出してステップ部５２との間に微小隙間Ｈを形成するシールフィン１５が設けられ、シールフィン１５の上流側には、主渦を形成するキャビティＣが形成されるとともに、主渦によってカウンタ渦が形成されるように、シールフィン１５と対向するステップ部５２が張り出しており、キャビティＣは、軸方向の幅寸法Ｗと、径方向の高さ寸法Ｄとが、以下の式（１）を満たすように形成されていることを特徴とする。０．４５≦Ｄ／Ｗ≦２．６７……（１）
【選択図】図２

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ものである。

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（ロータ）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径方向の隙間が形成され、また、静翼の先端部と軸体との間にも径方向の隙間が形成されているのが通常である。しかし、動翼先端部の隙間を下流側に通過する漏洩蒸気は、動翼に対して回転力を付与しない。また、静翼先端部の隙間を下流側に通過する漏洩蒸気は、静翼によって圧力エネルギーを速度エネルギーに変換されないため、下流動翼に対して回転力をほとんど付与しない。従って、蒸気タービンの性能向上のためには、前記隙間を通過する漏洩蒸気の量を低減することが重要となる。

下記特許文献１には、動翼の先端部に、軸方向上流側から下流側に向かって高さが次第に高くなるステップ部が設けられ、ケーシングに、前記ステップ部に対して隙間を有するシールフィンが設けられた構造が提案されている。
このような構成により、シールフィンの隙間を通り抜けた漏れ流れがステップ部の段差面を形成する端縁部に衝突し、流動抵抗を増大させることにより、漏洩流量が低減化されている。

特開２００６−２９１９６７号公報

しかしながら、蒸気タービンの性能向上に対する要望は強く、従って漏洩流量をさらに低減することが求められている。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、漏洩流量をより低減可能とする高性能なタービンを提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。
即ち、本発明に係るタービンは、ブレードと、前記ブレードの先端側に隙間を介して設けられるとともに、前記ブレードに対して相対的に軸中心に回転する構造体とを備えたタービンであって、前記ブレードの先端部と、前記構造体における前記先端部に対応する部位のうちの一方には、段差面を有して他方側に突出するステップ部が設けられ、他方には、前記ステップ部に対して延出して該ステップ部との間に微小隙間Ｈを形成するシールフィンが設けられ、前記シールフィンの上流側には、主渦を形成するキャビティが形成されるとともに、前記主渦によってカウンタ渦が形成されるように、前記シールフィンと対向する前記ステップ部が張り出しており、前記キャビティは、軸方向の幅寸法Ｗと、径方向の高さ寸法Ｄとが、以下の式（１）を満たすように形成されていることを特徴とする。
０．４５≦Ｄ／Ｗ≦２．６７……（１）

このようなタービンによれば、キャビティ内へ流入した流体がステップ部の端縁部を形成する段差面、即ち、ステップ部の上流側を向く面に衝突し、上流側に戻るようにして第一方向に回る主渦が発生する。また、その際、特に前記段差面の端縁部において、前記主渦から一部の流れが剥離することにより、前記第一方向と反対方向に回る剥離渦であるカウンタ渦が発生する。このカウンタ渦が、シールフィンの上流で強いダウンフローとして作用して、シールフィンの先端部とステップ部との間に形成される微小隙間Ｈを通過する流体に対して縮流効果を発揮する。さらに、このカウンタ渦内において静圧低下が発生するため、シールフィンの上流と下流との間の差圧を低減することが可能となる。
また、後述するシミュレーション結果に基づき、上記式（１）を満足するように軸方向の幅寸法Ｗと、径方向の高さ寸法Ｄとの関係を規定したことによって、キャビティの深さが浅い場合、即ちＤ／Ｗが０．４５未満となる場合に、カウンタ渦が構造体へ付着して弱化し、十分な差圧低減効果及び縮流効果が得られなくなることを防止できる。そして、主渦の形状が軸方向に偏平となってしまい、ステップ部手前の流れが弱まることによってカウンタ渦の縮流効果及び差圧低減効果が低下してしまうことを防止できる。逆にキャビティの深さが深い場合、即ちＤ／Ｗが２．６７より大きくなる場合に、主渦の形状が径方向に偏平となってしまい、やはりステップ部手前の流れが弱まることによってカウンタ渦の縮流効果及び差圧低減効果が低下してしまうことを防止できる。

また、前記キャビティは、前記軸方向の幅寸法Ｗと、前記径方向の高さ寸法Ｄとが、以下の式（２）を満たすように形成されていてもよい。
０．５６≦Ｄ／Ｗ≦１．９５……（２）

後述するシミュレーション結果に基づき、上記式（２）を満足するように軸方向の幅寸法Ｗと、径方向の高さ寸法Ｄとの関係を規定したことによって、カウンタ渦のダウンフローによる縮流効果、及び、カウンタ渦内の静圧低下による差圧低減効果をさらに得ることができ、流体の漏洩流量をさらに低減することが可能となる。

さらに、前記キャビティは、前記軸方向の幅寸法Ｗと、前記径方向の高さ寸法Ｄとが、以下の式（３）を満たすように形成されていてもよい。
０．６９≦Ｄ／Ｗ≦１．２５……（３）
後述するシミュレーション結果に基づき、上記式（３）を満足するように軸方向の幅寸法Ｗと、径方向の高さ寸法Ｄとの関係を規定したことによって、カウンタ渦のダウンフロー効果による縮流効果、及び、カウンタ渦内の静圧低下による差圧低減効果をより多く得ることができ、流体の漏洩流量をさらに低減できる。

また、前記シールフィンと前記ステップ部の上流側における端縁部との間の距離Ｌと、前記微小隙間Ｈとが、距離Ｌのうち少なくとも一つについて、以下の式（４）を満たすように形成されていてもよい。
０．７Ｈ≦Ｌ≦０．３Ｗ……（４）

後述するシミュレーション結果に基づき、上記式（４）を満足するように、距離Ｌと、シールフィンの先端部とステップ部との間に形成される微小隙間Ｈとの関係を規定したことによって、カウンタ渦による縮流効果及び差圧低減効果をさらに向上し、漏洩流量のさらなる低減が可能となる。

さらに、前記シールフィンと前記ステップ部の上流側における端縁部との間の距離Ｌと、前記微小隙間Ｈとが、距離Ｌのうち少なくとも一つについて、以下の式（５）を満たすように形成されていてもよい。
１．２５Ｈ≦Ｌ≦２．７５Ｈ（ただし、Ｌ≦０．３Ｗ）……（５）

後述するシミュレーション結果に基づき、上記式（５）を満足するように、距離Ｌと、微小隙間Ｈとの関係を規定したことによって、カウンタ渦による縮流効果及び差圧低減効果をさらに向上し、漏洩流量のさらなる低減が可能となる。

本発明のタービンによれば、カウンタ渦による縮流効果及び差圧低減によって、流体の漏洩流量の低減を行い、高性能化を達成できる。

本発明の実施形態に係る蒸気タービンを示す概略構成断面図である。 本発明の実施形態に係る蒸気タービンを示す図であって、図１における要部Ｉを示す拡大断面図である。 本発明の実施形態に係る蒸気タービンを示す図であって、図１における要部Ｉの作用説明図である。 本発明の実施形態に係る蒸気タービンのシミュレーション結果（実施例１）を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る蒸気タービンのシミュレーション結果（実施例２）を示すグラフである。 図５の範囲［１］でのフローパターン説明図である。 図５の範囲［２］でのフローパターン説明図である。 図５の範囲［３］でのフローパターン説明図である。

以下、本発明の実施形態に係る蒸気タービン（タービン）１について説明する。
蒸気タービン１は、蒸気Ｓのエネルギーを回転動力として取り出す外燃機関であって、発電所における発電機等に用いられるものである。
図１に示すように、蒸気タービン１は、ケーシング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（構造体）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の内壁面には、軸体３０が挿通されたリング状の仕切板外輪１１が強固に固定されている。

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。

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。これら静翼４０の径方向における内方側は、軸体３０が挿通されたリング状のハブシュラウド４１で連結され、その先端部が軸体３０に対して径方向の隙間をあけて配設されている。
これら複数の静翼４０からなる環状静翼群は、軸方向に間隔をあけて六つ形成されており、蒸気Ｓの圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して、下流側に隣接する動翼５０側に案内するようになっている。

動翼５０は、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いる。

これら環状静翼群と環状動翼群とは、一組一段とされている。即ち、蒸気タービン１は、六段に構成されている。このうち、最終段における動翼５０の先端部は、周方向に延びたチップシュラウド５１とされている。

ここで、静翼４０、ハブシュラウド４１、チップシュラウド５１、及び動翼５０が本発明における「ブレード」となっている。そして、動翼５０及びチップシュラウド５１を「ブレード」とした場合は仕切板外輪１１が「構造体」であり、一方、静翼４０及びハブシュラウド４１を「ブレード」とした場合は軸体３０が「構造体」である（図１における要部Ｊ参照）。なお、以下の説明においては、仕切板外輪１１を「構造体」とし、動翼５０を「ブレード」として説明する。

図２に示すように、動翼（ブレード）５０の先端部となるチップシュラウド５１は、ケーシング１０の径方向において仕切板外輪（構造体）１１と間隙を介して対向して配置されている。チップシュラウド５１は、段差面５３（５３Ａ〜５３Ｃ）を有して仕切板外輪１１側に突出する、ステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）を形成したものである。

本実施形態では、チップシュラウド５１は三つのステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）を形成しており、これら三つのステップ部５２Ａ〜５２Ｃは、軸体３０の軸方向上流側から下流側に向かって、動翼５０からの突出高さが次第に高くなるように配設されている。即ち、ステップ部５２Ａ〜５２Ｃは、段差を形成する段差面５３（５３Ａ〜５３Ｃ）が、軸方向上流側を向いた前向きに形成されている。

仕切板外輪１１には、前記チップシュラウド５１に対応する部位に環状溝１１ａが形成されており、この環状溝１１ａ内に、チップシュラウド５１が収容されている。
この仕切板外輪１１の環状溝１１ａにおける溝底面１１ｂは、本実施形態では軸方向において、各ステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）に対応するように、軸方向に向かってステップ形状に形成されている。即ち、ステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）から溝底面１１ｂまでの径方向距離は、一定となっている。
また、この溝底面１１ｂには、チップシュラウド５１に向けて径方向内方側に延出する三つのシールフィン１５（１５Ａ〜１５Ｃ）が設けられている。

これらシールフィン１５（１５Ａ〜１５Ｃ）は、ステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）に１：１で対応してそれぞれ溝底面１１ｂから延出して設けられたもので、対応するステップ部５２との間に、微小隙間Ｈを径方向に形成したものである。この微小隙間Ｈ（Ｈ１〜Ｈ３）の各寸法は、ケーシング１０や動翼５０の熱伸び量、動翼５０の遠心伸び量等を考慮した上で、両者が接触することがない安全な範囲内で、最小のものに設定されている。
なお、本実施形態では、Ｈ１〜Ｈ３は全て同じ寸法となっている。ただし、必要に応じて、これらを適宜に変えてもよいのはもちろんである。

このような構成のもとに、チップシュラウド５１側と仕切板外輪１１との間には、前記環状溝１１ａ内において、各ステップ部５２毎にこれに対応してキャビティＣ（Ｃ１〜Ｃ３）が形成されている。
キャビティＣ（Ｃ１〜Ｃ３）は、各ステップ部５２に対応したシールフィン１５と、このシールフィン１５に対して軸方向上流側で対向する隔壁との間に形成されている。

軸方向最上流側に位置する、第１段目のステップ部５２Ａに対応する第１のキャビティＣ１では、前記隔壁は、前記環状溝１１ａの、軸方向上流側の内壁面５４によって形成されている。従って、この内壁面５４と第１段目のステップ部５２Ａに対応するシールフィン１５Ａとの間で、さらにチップシュラウド５１側と仕切板外輪１１との間に、第１のキャビティＣ１が形成されている。

また、第２段目のステップ部５２Ｂに対応する第２のキャビティＣ２では、前記隔壁は、軸方向上流側に位置するステップ部５２Ａに対応するシールフィン１５Ａによって形成されている。従って、シールフィン１５Ａとシールフィン１５Ｂとの間で、さらにチップシュラウド５１と仕切板外輪１１との間に、第２のキャビティＣ２が形成されている。
同様に、シールフィン１５Ｂとシールフィン１５Ｃとの間で、さらにチップシュラウド５１と仕切板外輪１１との間に、第３のキャビティＣ３が形成されている。

このようなキャビティＣ（Ｃ１〜Ｃ３）において、シールフィン１５（１５Ａ〜１５Ｃ）の先端部と、該シールフィン１５（１５Ａ〜１５Ｃ）の先端部と同径上の前記隔壁との間の軸方向距離であるキャビティＣ（Ｃ１〜Ｃ３）の幅寸法を、キャビティ幅Ｗ（Ｗ１〜Ｗ３）とする。
即ち、第１のキャビティＣ１においては、前記内壁面５４とシールフィン１５Ａとの間の距離をキャビティ幅Ｗ１とし、第２のキャビティＣ２においては、シールフィン１５Ａとシールフィン１５Ｂとの間の距離をキャビティ幅Ｗ２とし、第３のキャビティＣ３においては、シールフィン１５Ｂとシールフィン１５Ｃとの間の距離をキャビティ幅Ｗ３とする。なお、本実施形態では、Ｗ１〜Ｗ３は全て同じ寸法となっている。ただし、必要に応じて、これらを適宜に変えてもよいのはもちろんである。

また、キャビティＣ（Ｃ１〜Ｃ３）において、チップシュラウド５１と、仕切板外輪１１との間の径方向距離であるキャビティＣ（Ｃ１〜Ｃ３）の高さ寸法を、キャビティ高さＤ（Ｄ１〜Ｄ３）とする。
即ち、第２のキャビティＣ２においては、ステップ部５２Ｂと仕切板外輪１１との間の径方向距離をキャビティ高さＤ２とし、第３のキャビティＣ３においては、ステップ部５２Ｃと仕切板外輪１１との間の径方向距離をキャビティ高さＤ３とする。ただし、第１のキャビティＣ１においては、ステップ部５２Ａの回転軸方向位置に対応するチップシュラウド５１の径方向内側を向く面と仕切板外輪１１との間の距離をキャビティ高さＤ１とする。

また、図３に示すように、ステップ部５２Ａの軸方向上流側及び径方向内側を向く面にＲ面取りが施されている場合には、径方向内側を向く面の直線部分を軸線方向上流側に向かって延長した位置と、仕切板外輪１１との間の距離をキャビティ高さＤ１とする。
なお、本実施形態では、Ｄ１〜Ｄ３は全て同じ寸法となっている。ただし、必要に応じて、これらを適宜に変えてもよいのはもちろんである。

そして、これらキャビティ幅Ｗ（Ｗ１〜Ｗ３）とキャビティ高さＤ（Ｄ１〜Ｄ３）とは、以下の式（１）を満足して形成されている。
０．４５≦Ｄ／Ｗ≦２．６７……（１）

また、これらキャビティ幅Ｗ（Ｗ１〜Ｗ３）とキャビティ高さＤ（Ｄ１〜Ｄ３）とは、以下の式（２）を満足して形成されていることがより好ましく、以下の式（３）を満足して形成されていることがさらに好ましい。
０．５６≦Ｄ／Ｗ≦１．９５……（２）
０．６９≦Ｄ／Ｗ≦１．２５……（３）

さらに、前記シールフィン１５と、それに対応する各ステップ部５２の軸方向上流側における端縁部５５との間の軸方向の距離をＬ（Ｌ１〜Ｌ３）とすると、この距離Ｌのうち少なくとも一つは、以下の式（４）を満足して形成されている。
０．７Ｈ≦Ｌ≦０．３Ｗ……（４）

また、この距離Ｌのうち少なくとも一つは、以下の式（５）を満足して形成されているのがより好ましい。
１．２５Ｈ≦Ｌ≦２．７５Ｈ（ただし、Ｌ≦０．３Ｗ）……（５）

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を回転可能に支持している。

このような蒸気タービン１によると、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。

ケーシング１０の内部空間に流入した蒸気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、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に回転が付与される。一方、蒸気Ｓのうちの一部（例えば、数％）は、静翼４０から流出した後、環状溝１１ａ内に流入する、いわゆる、漏洩蒸気となる。

ここで、図３に示すように環状溝１１ａ内に流入した蒸気Ｓは、まず、第１のキャビティＣ１に流入し、ステップ部５２Ａの段差面５３Ａに衝突し、上流側に戻るようにして例えば図３の紙面上にて反時計回り（第一方向）に回る主渦Ｙ１を生じる。

その際、特にステップ部５２Ａの上記端縁部５５において、上記主渦Ｙ１から一部の流れが剥離されることにより、この主渦Ｙ１と反対方向、本例では図３の紙面上にて時計回りに回るように、カウンタ渦Ｙ２を生じる。このカウンタ渦Ｙ２は、シールフィン１５Ａとステップ部５２Ａとの間の微小隙間Ｈ１を通り抜ける漏れ流れを低減する、縮流効果を発揮する。

即ち、図３に示したようにカウンタ渦Ｙ２が形成されると、このカウンタ渦Ｙ２には、シールフィン１５Ａの軸方向上流側において、速度ベクトルを径方向内方側に向けるダウンフローを生じる。このダウンフローは、前記微小隙間Ｈ１の直前で径方向内方側に向う慣性力を保有しているため、前記微小隙間Ｈ１を通り抜ける流れに対し、径方向内方側に縮める効果、即ち、縮流効果を発揮し、漏洩流量は小さくなる。

また、このカウンタ渦Ｙ２内部では、静圧低下が発生するため、シールフィン１５Ａの上流側と下流側との間の差圧を低減することが可能となるため、この点によっても漏洩流量を小さくすることができる。

シールフィン１５Ｂ、１５Ｃの上流側においてもシールフィン１５Ａの上流側と同様に、カウンタ渦Ｙ２が形成されることによって、漏洩流量を小さくすることが可能となる。

ここで、上記カウンタ渦Ｙ２については、キャビティＣ（Ｃ１〜Ｃ３）のキャビティ高さＤ（Ｄ１〜Ｄ３）とキャビティ幅Ｗ（Ｗ１〜Ｗ３）との比率がある程度小さい場合には、このカウンタ渦Ｙ２が仕切板外輪１１へ付着して弱化してしまい、十分な差圧低減効果及び縮流効果が得られない。

さらに、キャビティＣ（Ｃ１〜Ｃ３）のキャビティ高さＤ（Ｄ１〜Ｄ３）とキャビティ幅Ｗ（Ｗ１〜Ｗ３）との比率がある程度小さい場合には、主渦Ｙ１の形状が軸方向に偏平となってしまい、ステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）の手前の流れが弱まることによって、カウンタ渦Ｙ２の差圧低減効果及び縮流効果が低下してしまう。

逆にキャビティ高さＤ（Ｄ１〜Ｄ３）とキャビティ幅Ｗ（Ｗ１〜Ｗ３）との比率がある程度大きい場合には、主渦Ｙ１の形状が径方向に偏平となってしまい、ステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）の手前の流れが弱まることによって、やはりカウンタ渦Ｙ２の差圧低減効果及び縮流効果が低下してしまう。

しかし、本実施形態においては、上記式（１）を、好ましくは上記式（２）又は上記式（３）を満足するようにキャビティ幅Ｗ（Ｗ１〜Ｗ３）とキャビティ高さＤ（Ｄ１〜Ｄ３）が設定されているため、十分な差圧低減効果及び縮流効果を得ることができる。

また、図３に示すように、カウンタ渦Ｙ２が真円を形成すると仮定すると、このカウンタ渦Ｙ２の直径が前記微小隙間Ｈ１の２倍になってその外周がシールフィン１５Ａに接する場合、即ちＬ１＝２Ｈ１（Ｌ＝２Ｈ）の場合に、このカウンタ渦Ｙ２のダウンフローにおける径方向内方側に向く速度成分が最大の位置が、シールフィン１５Ａの先端（内端縁）に一致し、従って、このダウンフローが前記微小隙間Ｈ１の直前をより良好に通過するため、漏れ流れに対する縮流効果が最大になる。

そして本実施形態では、上記式（４）、好ましくは上記式（５）を満足するように距離をＬ（Ｌ１〜Ｌ３）が設定されているため、十分な縮流効果及び縮流効果を得ることができる。

ここで、前記の式（１）から式（５）のいずれか一つの条件を満たせば、運転条件には左右されることなく、本発明が意図するところの縮流効果及び差圧低減効果を得ることができる。ただし、停止時に満足していても、運転時に満足していなければ意図する効果は得られなくなるため、前記の式（１）から式（５）の条件は、「運転時に満たしている」ことが必須となる。

本実施形態の係る蒸気タービン１においては、カウンタ渦Ｙ２によるダウンフローによって、シールフィン１５（１５Ａ〜１５Ｃ）の上流側において、径方向内方側に向かう力を蒸気Ｓに及ぼすことができる。従って、微小隙間Ｈ（Ｈ１〜Ｈ３）を通過する蒸気Ｓに対して縮流効果を発揮することができ、漏洩流量を低減することが可能となる。

また、カウンタ渦Ｙ２内部の静圧低下によって、差圧低減効果を得られ、この点においても漏洩流量の低減が可能である。

そして、キャビティ幅Ｗ（Ｗ１〜Ｗ３）とキャビティ高さＤ（Ｄ１〜Ｄ３）とが、上記式（１）又は上記式（２）又は上記式（３）を満足するように、蒸気タービン１が構成されていることによって、カウンタ渦Ｙ２が仕切板外輪１１へ付着して弱化してしまうことを防止でき、蒸気Ｓに対して十分な縮流効果及び差圧低減効果を得ることができる。

また、主渦Ｙ１の形状が偏平となることも防止でき、カウンタ渦Ｙ２による十分な縮流効果を得ることができ、さらに差圧低減効果によっても、微小隙間Ｈ（Ｈ１〜Ｈ３）を通過する蒸気Ｓの流量を低減することができ、漏洩流量低減が可能となる。このようにして、蒸気タービン１の性能向上を図ることができる。

さらに、距離をＬ（Ｌ１〜Ｌ３）が上記式（４）を、好ましくは上記式（５）を満足するように設定されていることによって、カウンタ渦Ｙ２のダウンフローを最大限生かすことができ、縮流効果及び差圧低減効果による漏洩流量低減によって、蒸気タービン１の性能向上をさらに図ることができる。

なお、本発明の実施形態について図面を参照して詳細を説明したが、具体的な構成は本実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更等も含まれる。
例えば、本実施形態では、動翼５０と仕切板外輪１１との間におけるカウンタ渦Ｙ２を用いた蒸気Ｓの漏洩流量低減について説明したが、上述のように静翼４０と軸体３０との間においても同様の手法を適用でき、蒸気Ｓの漏洩流量低減が可能である。

さらに、実施形態では動翼５０の先端部となるチップシュラウド５１にステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）を形成し、仕切板外輪１１にシールフィン１５（１５Ａ〜１５Ｃ）を設けたが、例えば逆に、仕切板外輪１１にステップ部５２を形成し、チップシュラウド５１にシールフィン１５を設けてもよい。なお、この場合、軸方向最上流側のキャビティＣにおいてはカウンタ渦Ｙ２が形成されないため、本発明のＤ／Ｗの数値限定をそのまま適用することはできない。従って、静翼４０およびハブシュラウド４１を「ブレード」として軸体３０側にステップ部５２を形成した場合も同様に、本発明のＤ／Ｗの数値限定は適用できないこととなる。

また、シールフィン１５を設ける側についてはステップ形状に形成しなくてもよく、例えば平面形状、テーパ面や曲面としてもよい。ただしこの場合、上記式（１）、好ましくは上記式（２）又は上記式（３）を満足するようにキャビティ高さＤ（Ｄ１〜Ｄ３）を設定する必要がある。

さらに、本実施形態では、ケーシング１０に設けられた仕切板外輪１１を構造体としたが、このような仕切板外輪１１を設けずに、ケーシング１０自体を直接本発明の構造体として、構成してもよい。即ち、この構造体は、動翼５０を囲繞するとともに、流体が動翼間を通過するように流路を規定するものであれば、どのような部材であってもよい。

また、前記実施形態では、ステップ部５２を複数設け、これによってキャビティＣも複数形成したが、これらステップ部５２やこれに対応するキャビティＣの数については任意であり、一つであっても、三つ、あるいは四つ以上であってもよい。
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、また、シールフィン１５に比べてステップ部５２を１つだけ少なくする必要もなく、これらの数については任意に設計することができる。

さらに、前記実施形態では、最終段の動翼５０や静翼４０に本発明を適用したが、他の段の動翼５０や静翼４０に本発明を適用してもよい。

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、さらには、回転翼のある全てのものに本発明を適用することができる。

ここで、上述のように十分な縮流効果を得ることが可能なキャビティ高さＤ（Ｄ１〜Ｄ３）とキャビティ幅Ｗ（Ｗ１〜Ｗ３）との比率が存在するという知見から、シミュレーションを行ない、この条件を確認した。

図４に示すように、このグラフの横軸はキャビティ高さＤをキャビティ幅Ｗで割って、無次元化した数値を示している。また、縦軸は、流量係数低減効果及び流量係数αを示している。なお、縦軸の流量係数低減効果については、流量係数α＝１の場合、即ち漏洩流量が最大となる場合を０％とし、本実施形態における最小の流量係数α＝０．５４、即ち漏洩流量が最小となる場合を１００％として、この流量係数α＝１における最大の漏洩流量に対して、何％の流量係数低減効果、即ち、リーク量低減率が得られるかを示している。

図４に示した結果より、キャビティ高さＤ及びキャビティ幅Ｗは上記式（１）を満足する範囲とするのが好ましく、上記式（２）を満足する範囲とするのがより好ましく、また、上記式（３）を満足する範囲とするのがさらに好ましいことが確認できた。

即ち、図４に示す範囲［１］（Ｄ／Ｗ＝０．４５）においては、約５０％のリーク量低減率を達成できることがわかった。従って、Ｄ／Ｗ＝０．４５においては、キャビティ幅Ｗに対してキャビティ高さＤが小さくなっているため、主渦Ｙ１が軸方向に偏平形状となり主渦Ｙ１の弱化が発生してしまい、カウンタ渦Ｙ２も弱化する。このため、縮流効果及び差圧低減効果を最大限に得ることができないが、ある程度の効果（約５０％）は得られることが確認できた。

図４に示す範囲［２］（０．４５＜Ｄ／Ｗ≦０．８５）においては、Ｄ／Ｗの増加に応じて、リーク量低減率が急激に増加しており、Ｄ／Ｗ＝０．５６で約７０％、Ｄ／Ｗ＝０．６９で約９０％となり、Ｄ／Ｗ＝０．８５においては、最大値となる１００％となることがわかった。即ち、Ｄ／Ｗ＝０．８５に近づくにつれ、上述のようなカウンタ渦Ｙ２の弱化が発生せず、最大限の縮流効果及び差圧低減効果を得ることができる。逆に、Ｄ／Ｗ＝０．４５に近づくにつれ、主渦Ｙ１が軸方向に偏平形状となり主渦Ｙ１の弱化が発生してしまい、カウンタ渦Ｙ２も弱化する。

さらに、Ｄ／Ｗ＝０．４５に近づくにつれ、急激にリーク量低減率が低下していることが確認できた。これは、カウンタ渦Ｙ２が仕切板外輪１１へ付着してしまい、このカウンタ渦Ｙ２が急激に弱化してしまうことで、縮流効果及び差圧低減効果が急激に低減するためである。

さらに、図４に示す範囲［３］（０．８５＜Ｄ／Ｗ≦２．６７）においては、Ｄ／Ｗ＝０．８５において、リーク量低減率が最大値を示した後に、徐々にリーク量低減率が低下していくことが確認できる。そして、Ｄ／Ｗ＝１．２５で約９０％、Ｄ／Ｗ＝１．９５で約７０％、Ｄ／Ｗ＝２．６７においては約５０％までリーク量低減率が低下することがわかる。従って今度はキャビティ幅Ｗに対してキャビティ高さＤが大きくなっているため、主渦Ｙ１が径方向に偏平形状となり、やはり主渦Ｙ１の弱化が発生してしまい、カウンタ渦Ｙ２も弱化する。このため、縮流効果及び差圧低減効果を最大限に得ることができないが、Ｄ／Ｗ≦２．６７の範囲まではある程度の効果（約５０％）は得られることが確認できた。

そして、図４に示す範囲［４］（２．６７＜Ｄ／Ｗ）においては、リーク量低減率が５０％以下となっており、主渦Ｙ１の弱化によるカウンタ渦Ｙ２の弱化で、十分な縮流効果及び差圧低減効果が得られない。

以上のシミュレーション結果より、本実施形態ではキャビティ幅Ｗ、及びキャビティ高さＤを、上記式（１）、即ち、０．４５≦Ｄ／Ｗ≦２．６７を満足する範囲に設定し、５０％以上のリーク量低減率を得られるようにしている。従って、本実施形態の蒸気タービン１は、漏洩流量を低減した、高性能なものとなる。

また、上記式（２）、即ち、０．５６≦Ｄ／Ｗ≦１．９５を満足する範囲に設定されれば、約７０％以上のリーク量低減率を得られるようなり、本実施形態の蒸気タービン１は、漏洩流量をより低減した、高性能なものとなり、上記式（３）、即ち、０．６９≦Ｄ／Ｗ≦１．２５を満足する範囲に設定されれば、約９０％以上のリーク量低減率を得られるようなり漏洩流量をさらに低減した高性能なものとなる。

次に、上述のようにカウンタ渦Ｙ２のダウンフローの効果を最大限に生かし、十分な縮流効果を得ることが可能な距離Ｌ（Ｌ１〜Ｌ３）が存在するという知見から、シミュレーションを行ない、この条件を確認した。

図５に示すように、このグラフ中の横軸は距離Ｌの寸法（長さ）を示し、縦軸はタービン効率変化及びリーク量変化率（漏洩流量の変化率）を示している。なお、タービン効率変化及びリーク量変化率については、一般的なステップフィン構造でのタービン効率、リーク流量に対する大小を示している。また、このグラフでは、横軸、縦軸ともに、その目盛りは対数等の特殊な目盛りでなく、一般的な等差目盛りになっている。

図５に示した結果より、距離Ｌは上記式（４）を満足する範囲とするのが好ましく、上記式（５）を満足する範囲とするのがより好ましことがわかった。

即ち、図５に示す範囲［１］（Ｌ＜０．７Ｈ）では、図６に示すように端縁部５５でカウンタ渦Ｙ２が生成せず、このためシールフィン１５の軸方向上流側にダウンフローが形成されないことがわかった。従って、ダウンフローによる漏れ流れに対する縮流効果がほとんど得られなくなり、図５に示したようにリーク量変化率が高く（＋側）、即ち、漏洩流量が多くなる。よって、タービン効率変化は低く（−側）、即ち、タービン効率は低下する。

図５に示す範囲［２］（０．７Ｈ≦Ｌ≦０．３Ｗ）、即ち上記式（４）の範囲内では、図７に示すように端縁部５５でカウンタ渦Ｙ２が生成し、そのダウンフローの強い部分（矢印Ｆ）が、シールフィン１５の先端近傍に位置するようになることがわかった。従って、ダウンフローによる漏れ流れに対する縮流効果が十分に得られ、図５に示したようにリーク量変化率が低く（−側）、即ち、漏洩流量が少なくなる。よって、タービン効率変化は高く（＋側）、即ち、タービン効率は増加する。

なお、図５に示す範囲［２ａ］（０．７Ｈ≦Ｌ＜１．２５Ｈ）では、カウンタ渦Ｙ２が端縁部５５で生成されるものの、比較的小さく、ダウンフローの最も強くなる部分Ｆが、シールフィン１５の先端より径方向内方側の、微小隙間Ｈ内と対応する位置にあることがわかった。従って、図５に示したように、ダウンフローによる漏れ流れに対する縮流効果は十分に得られるものの、後記する範囲［２ｂ］に比べると低くなる。

図５に示す範囲［２ｂ］（１．２５Ｈ≦Ｌ≦２．７５Ｈ）では、端縁部５５で強いカウンタ渦Ｙ２が生成し、このカウンタ渦Ｙ２のダウンフローの最も強くなる部分Ｆが、シールフィン１５の先端とほぼ一致することがわかった。従って、図５に示したように、ダウンフローによる漏れ流れに対する縮流効果が最も高くなる。
特に、前述のように、Ｌ＝２Ｈ近傍で漏洩流量が最小で、タービン効率が最大になるといえる。

さらに、図５に示す範囲［２ｃ］（２．７５Ｈ＜Ｌ≦０．３Ｗ）では、端縁部５５で生成したカウンタ渦Ｙ２が大きくなり、ダウンフローの最も強くなる部分Ｆが、シールフィン１５の先端より径方向外方側に離れ始めることがわかった。従って、図５に示したように、ダウンフローによる漏れ流れに対する縮流効果は十分に得られるものの、前記範囲［２ｂ］に比べると低くなる。

また、図５に示す範囲［３］（０．３Ｗ＜Ｌ）では、図８に示すように端縁部５５で生成したカウンタ渦Ｙ２が環状溝１１ａの溝底面１１ｂに付着し、大きな渦となるため、カウンタ渦Ｙ２のダウンフローの強くなる部分Ｆが、シールフィン１５の中間高さ辺りに移動する。そのため、シールフィン１５の先端部分には強いダウンフローが形成されないことがわかった。従って、ダウンフローによる漏れ流れに対する縮流効果がほとんど得られなくなり、図５に示したようにリーク量変化率が高く（＋側）、即ち、漏洩流量が多くなる。よって、タービン効率変化は低く（−側）、即ち、タービン効率は低下する。

以上のシミュレーション結果より、本実施形態では距離Ｌを、上記式（４）を満足する範囲にしている。
これにより、前記の各キャビティＣ１〜Ｃ３では、各ステップ部５２Ａ〜５２Ｃとこれに対応するシールフィン１５Ａ〜１５Ｃとの間、さらにはキャビティ幅Ｗとの間の相互の位置関係が上記式（４）、即ち、０．７Ｈ≦Ｌ≦０．３Ｗを満足しているため、カウンタ渦Ｙ２による縮流効果が十分に高くなり、漏洩流量が従来に比べ格段に低減化する。従って、このようなシール構造を備えた蒸気タービン１にあっては、漏洩流量がより低減化した、高性能なものとなる。

また、式（５）、即ち、１．２５Ｈ≦Ｌ≦２．７５Ｈを満足する範囲となっていれば、カウンタ渦Ｙ２による縮流効果がより高くなり、漏洩流量がさらに低減化するため、蒸気タービン１は、より高性能なものとなる。
また、この蒸気タービン１では、ステップ部を３段形成し、従って、キャビティＣを三つ形成しているので、各キャビティＣで前述した縮流効果により漏洩流量を低減化できるため、全体としてより十分な漏洩流量の低減化を達成することができる。

１…蒸気タービン（タービン）、１０…ケーシング、１１…仕切板外輪（構造体）、１１ａ…環状溝、１１ｂ…溝底面、１５（１５Ａ〜１５Ｃ）…シールフィン、３０…軸体（構造体）、４０…静翼（ブレード）、４１…ハブシュラウド、５０…動翼（ブレード）、５１…チップシュラウド、５２（５２Ａ〜５２Ｃ）…ステップ部、５３（５３Ａ〜５３Ｃ）…段差面、５４…内壁面、５５…端縁部、Ｃ（Ｃ１〜Ｃ３）…キャビティ、Ｈ（Ｈ１〜Ｈ３）…微小隙間、Ｗ（Ｗ１〜Ｗ３）…キャビティ幅、Ｄ（Ｄ１〜Ｄ３）…キャビティ高さ、Ｌ（Ｌ１〜Ｌ３）…距離、Ｓ…蒸気、Ｙ１…主渦、Ｙ２…カウンタ渦

Claims (5)

1. ブレードと、
   前記ブレードの先端側に隙間を介して設けられるとともに、前記ブレードに対して相対的に軸中心に回転する構造体とを備えたタービンであって、
   前記ブレードの先端部と、前記構造体における前記先端部に対応する部位のうちの一方には、段差面を有して他方側に突出するステップ部が設けられ、他方には、前記ステップ部に対して延出して該ステップ部との間に微小隙間Ｈを形成するシールフィンが設けられ、
   前記シールフィンの上流側には、主渦を形成するキャビティが形成されるとともに、前記主渦によってカウンタ渦が形成されるように、前記シールフィンと対向する前記ステップ部が張り出しており、
   前記キャビティは、軸方向の幅寸法Ｗと、径方向の高さ寸法Ｄとが、以下の式（１）を満たすように形成されていることを特徴とするタービン。
   ０．４５≦Ｄ／Ｗ≦２．６７……（１）
2. 前記キャビティは、前記軸方向の幅寸法Ｗと、前記径方向の高さ寸法Ｄとが、以下の式（２）を満たすように形成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。
   ０．５６≦Ｄ／Ｗ≦１．９５……（２）
3. 前記キャビティは、前記軸方向の幅寸法Ｗと、前記径方向の高さ寸法Ｄとが、以下の式（３）を満たすように形成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。
   ０．６９≦Ｄ／Ｗ≦１．２５……（３）
4. 前記シールフィンと前記ステップ部の上流側における端縁部との間の距離Ｌと、前記微小隙間Ｈとが、距離Ｌのうち少なくとも一つについて、以下の式（４）を満たすように形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のタービン。
   ０．７Ｈ≦Ｌ≦０．３Ｗ……（４）
5. 前記シールフィンと前記ステップ部の上流側における端縁部との間の距離Ｌと、前記微小隙間Ｈとが、距離Ｌのうち少なくとも一つについて、以下の式（５）を満たすように形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のタービン。
   １．２５Ｈ≦Ｌ≦２．７５Ｈ（ただし、Ｌ≦０．３Ｗ）……（５）

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