JP2013194686A

JP2013194686A - タービン、そのシール部材、動翼、静翼、ロータ、ケーシング

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Publication number: JP2013194686A
Application number: JP2012065477A
Authority: JP
Inventors: Kazuyuki Matsumoto; 和幸松本; Sachihiro Kuwamura; 祥弘桑村; Koji Oyama; 宏治大山; Yoshinori Tanaka; 良典田中
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-03-22
Filing date: 2012-03-22
Publication date: 2013-09-30
Anticipated expiration: 2032-03-22
Also published as: JP5936403B2

Abstract

【課題】上流のメインキャビティから下流のメインキャビティへの流体の漏流を抑制することができ、効率が良好なタービンを提供する。
【解決手段】タービン１０００は、メインキャビティＦＭＣに突設されているシール部材１５００が、最上流部端面１５１０上に流体主渦ＦＭＳと同一方向の同流剥離渦ＳＳＳを発生させるとともに、最下流部端面１５２０上に流体主渦ＦＭＳと反対方向の逆流剥離渦ＡＳＳを発生させる。このような同流剥離渦ＳＳＳと逆流剥離渦ＡＳＳとは、上流のメインキャビティＦＭＣから下流のメインキャビティＦＭＣへの流体主渦ＦＭＳによる流体の漏流を抑制することができるので、タービン１０００の効率を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気などの流体を軸心方向に流動させるガスタービンなどのタービン、そのシール部材、動翼、静翼、ロータ、ケーシング、に関する。

現在、空気などの流体を軸心方向に流動させるガスタービンなどのタービンが、各種用途に利用されている。一般的なタービンは、ロータと、動翼と、ケーシングと、静翼と、等を有している。

ロータは、円柱形などの回転体状に形成されていて回転自在に軸支されている。動翼は、ロータの外周面上に突設されており、必要により、軸心方向に複数段の場合もある。ケーシングは、円筒形などに形成されており、ロータの外周面と対向する内周面が形成されている。

静翼は、ケーシングの内周面上に突設されており、軸心方向で動翼の上流側に配置されている。このようなタービンでは、例えば、流入する流体の圧力が静翼により速度に変換され、この増速された流体で動翼とともにロータが回転駆動される。

このようなタービンでは、動翼の外端面とケーシングの内周面との間隙、静翼の内端面とロータの外周面との間隙、の少なくとも一方がメインキャビティとなり、このメインキャビティに、軸心方向の流動に対応した旋回方向の流体主渦が発生する。

このとき、上述のメインキャビティを形成する動翼や静翼の上流側と下流側とに圧力差があると、そのメインキャビティから流体主渦の一部が漏流し、タービンの効率を低下させる。そこで、このような課題を解決するため、流体の漏流を抑制するシール部材が開発されている（例えば、特許文献１〜３参照）。

特開平０２−１７３３０２号公報特開２０１１−１７４４５１号公報特開２０１１−２０８６０２号公報

しかし、特許文献１，２に記載のタービンは、上流のメインキャビティから下流のメインキャビティに漏流する流体の流路を、シール部材で狭くするものでしかない。このため、流体の漏流を良好に抑制することができず、タービンの効率を向上させることが困難である。

特許文献３に記載のタービンでは、メインキャビティに発生した流体主渦とは逆流の剥離渦をシール部材で発生させ、上流のメインキャビティから下流のメインキャビティへの流体の漏流を剥離渦で抑制する。しかし、このタービンでも流体の漏流を良好に抑制することができず、タービンの効率を向上させることが困難である。

本発明は上述のような課題に鑑みてなされたものであり、上流のメインキャビティから下流のメインキャビティへの流体の漏流を抑制することができ、効率が良好なタービン、そのシール部材、を提供するものである。

本発明のタービンは、流体を軸心方向に流動させるタービンであって、回転自在に軸支されている回転体状のロータと、上記ロータの外周面上に複数が外側に突設されている上記軸心方向に少なくとも一段の動翼と、複数の上記動翼の外端面と対向する内周面が形成されているケーシングと、上記動翼の上流側で上記ケーシングの内周面上に複数が内側に突設されていて内端面が上記ロータの外周面と対向する上記軸心方向に少なくとも一段の静翼と、上記動翼の外端面と上記ケーシングの内周面との間隙、上記静翼の内端面と上記ロータの外周面との間隙、の少なくとも一方からなり、流体の上記軸心方向の上記流動に対応した旋回方向の流体主渦が発生するメインキャビティと、上記メインキャビティに突設されていて少なくとも、最上流部端面に上記流体主渦と同一の旋回方向の同流剥離渦を発生させるとともに、最下流部端面に上記流体主渦と反対の旋回方向の逆流剥離渦を発生させる、端面形状のシール部材と、を有する。

従って、このタービンでは、回転自在に軸支されている回転体状のロータの外周面上に、軸心方向に少なくとも一段の動翼が周方向に複数が突設されている。複数の動翼の外端面と対向するケーシングの内周面上には、動翼の上流側で軸心方向に少なくとも一段の静翼が周方向に複数が突設されており、その内端面がロータの外周面と対向している。このため、例えば、流入する流体の圧力が静翼により速度に変換され、この増速された流体で動翼とともにロータが回転駆動される。

このようなタービンでは、動翼の外端面とケーシングの内周面との間隙、静翼の内端面とロータの外周面との間隙、の少なくとも一方がメインキャビティとなる。このメインキャビティで軸心方向の流動に対応した旋回方向の流体主渦が発生する。

しかし、このようなメインキャビティにシール部材が突設されており、このシール部材が、少なくとも、最上流部端面上に流体主渦と同一の旋回方向の同流剥離渦を発生させるとともに、最下流部端面上に流体主渦と反対の旋回方向の逆流剥離渦を発生させる。このような同流剥離渦と逆流剥離渦とは、上流のメインキャビティから下流のメインキャビティへの流体の漏流を抑制する。

さらに、本発明のタービンでは、上記シール部材は、上記最上流部端面から上記最下流部端面まで上記同流剥離渦と上記逆流剥離渦とを交互に発生させる端面形状に形成されている。従って、本発明のタービンでは、シール部材の最上流部端面から最下流部端面まで同流剥離渦と逆流剥離渦とが交互に発生するので、メインキャビティの流体主渦と逆流することなく同流剥離渦と逆流剥離渦とが流動する。

さらに、本発明のタービンでは、上記シール部材は、上記最下流部端面より上記最上流部端面が上記メインキャビティに突出している。従って、このタービンでは、シール部材の最下流部端面上で逆流剥離渦が発生し、これより突出している最上流部端面上で同流剥離渦が発生する。このため、流体の流動の上流から下流まで同流剥離渦と逆流剥離渦とが順番に大きく発生する。

さらに、本発明のタービンでは、上記シール部材は、上記軸心方向の上記最上流部端面の端面長より上記最下流部端面の端面長が長大に形成されている。従って、本発明のタービンでは、最上流部端面上と最下流部端面上との各々のシールキャビティの、軸心通過の断面形状のアスペクト比を１に近づけることができるので、上流から下流まで順番に大きく発生する同流剥離渦と逆流剥離渦との各々を正円状とすることができる。

さらに、本発明のタービンでは、上記シール部材は、軸心通過の断面形状が所定のアスペクト比の略矩形のシールキャビティを確保する上記端面形状に形成されている。従って、本発明のタービンでは、シール部材の端面上に確保されるシールキャビティの、軸心通過の断面形状が所定のアスペクト比の略矩形なので、シール部材の最上流部端面から最下流部端面まで同流剥離渦と逆流剥離渦とを発生させることができる。

さらに、本発明のタービンでは、上記シール部材は、上記アスペクト比が１．５〜２．５の形状に形成されている。従って、本発明のタービンでは、シール部材の端面上に確保されるシールキャビティの、軸心を通過する略矩形の断面形状のアスペクト比が２付近なので、シールキャビティの上流側から下流側まで旋回方向が相反する二つの渦流が発生することになり、シール部材の最上流部端面から最下流部端面まで同流剥離渦と逆流剥離渦とが発生する。

さらに、本発明のタービンでは、上記シール部材は、上記同流剥離渦と上記逆流剥離渦との少なくとも一方の死水領域を削減する形状に形成されている。従って、本発明のタービンでは、同流剥離渦や逆流剥離渦の死水領域をシール部材が削減するので、同流剥離渦や逆流剥離渦が円滑に流動する。

さらに、本発明のタービンでは、上記シール部材は、上記死水領域を削減して上記同流剥離渦と上記逆流剥離渦との少なくとも一方を円滑に流動させる曲面に表面が形成されている。従って、本発明のタービンでは、シール部材により死水領域が削減されて曲面で形成されたシールキャビティを、同流剥離渦や逆流剥離渦が円滑に流動する。

さらに、本発明のタービンでは、上記動翼の外端面、上記ケーシングの内周面、上記静翼の内端面、上記ロータの外周面、の少なくとも一つは、上記流体主渦の死水領域を削減する形状に形成されている。従って、本発明のタービンでは、死水領域が削減されたメインキャビティで流体主渦が円滑に流動する。

さらに、本発明のタービンでは、上記動翼の外端面、上記ケーシングの内周面、上記静翼の内端面、上記ロータの外周面、の少なくとも一つは、上記死水領域を削減して上記流体主渦を円滑に流動させる曲面に形成されている。従って、本発明のタービンでは、死水領域が削減されて曲面で形成されたメインキャビティを流体主渦が円滑に流動する。

本発明のシール部材は、回転自在に軸支されている回転体状のロータと、上記ロータの外周面上に複数が外側に突設されている軸心方向に少なくとも一段の動翼と、複数の上記動翼の外端面と対向する内周面が形成されているケーシングと、上記動翼の上流側で上記ケーシングの内周面上に複数が内側に突設されていて内端面が上記ロータの外周面と対向する上記軸心方向に少なくとも一段の静翼と、上記動翼の外端面と上記ケーシングの内周面との間隙、上記静翼の内端面と上記ロータの外周面との間隙、の少なくとも一方からなり、流体の上記軸心方向の流動に対応した旋回方向の流体主渦が発生するメインキャビティと、を有し、上記流体を上記軸心方向に流動させるタービンに利用されるシール部材であって、上記メインキャビティに突設されて少なくとも、最上流部端面に上記流体主渦と同一の旋回方向の同流剥離渦を発生させるとともに、最下流部端面に上記流体主渦と反対の旋回方向の逆流剥離渦を発生させる、端面形状に少なくとも下流側が形成されている。

従って、このシール部材を有するタービンでは、動翼の外端面とケーシングの内周面との間隙、静翼の内端面とロータの外周面との間隙、の少なくとも一方がメインキャビティとなる。このメインキャビティで軸心方向の流動に対応した旋回方向の流体主渦が発生する。

本発明の動翼は、回転自在に軸支されている回転体状のロータと、上記ロータの外周面上に複数が外側に突設されている軸心方向に少なくとも一段の動翼と、複数の上記動翼の外端面と対向する内周面が形成されているケーシングと、上記動翼の上流側で上記ケーシングの内周面上に複数が内側に突設されていて内端面が上記ロータの外周面と対向する上記軸心方向に少なくとも一段の静翼と、上記動翼の外端面と上記ケーシングの内周面との間隙からなり、流体の上記軸心方向の流動に対応した旋回方向の流体主渦が発生するメインキャビティと、を有し、上記流体を上記軸心方向に流動させるタービンの上記動翼であって、上記メインキャビティに突設されて少なくとも、最上流部端面に上記流体主渦と同一の旋回方向の同流剥離渦を発生させるとともに、最下流部端面に上記流体主渦と反対の旋回方向の逆流剥離渦を発生させる、端面形状に少なくとも下流側が形成されている。

従って、この動翼を有するタービンでは、動翼の外端面とケーシングの内周面との間隙がメインキャビティとなる。このメインキャビティで軸心方向の流動に対応した旋回方向の流体主渦が発生する。

しかし、このメインキャビティに突設されている動翼が、少なくとも、最上流部端面上に流体主渦と同一の旋回方向の同流剥離渦を発生させるとともに、最下流部端面上に流体主渦と反対の旋回方向の逆流剥離渦を発生させる。このような同流剥離渦と逆流剥離渦とは、上流のメインキャビティから下流のメインキャビティへの流体の漏流を抑制する。

本発明の静翼は、回転自在に軸支されている回転体状のロータと、上記ロータの外周面上に複数が外側に突設されている軸心方向に少なくとも一段の動翼と、複数の上記動翼の外端面と対向する内周面が形成されているケーシングと、上記動翼の上流側で上記ケーシングの内周面上に複数が内側に突設されていて内端面が上記ロータの外周面と対向する上記軸心方向に少なくとも一段の静翼と、上記静翼の内端面と上記ロータの外周面との間隙からなり、流体の上記軸心方向の流動に対応した旋回方向の流体主渦が発生するメインキャビティと、を有し、上記流体を上記軸心方向に流動させるタービンの上記静翼であって、上記メインキャビティに突設されて少なくとも、最上流部端面に上記流体主渦と同一の旋回方向の同流剥離渦を発生させるとともに、最下流部端面に上記流体主渦と反対の旋回方向の逆流剥離渦を発生させる、端面形状に少なくとも下流側が形成されている。

従って、この静翼を有するタービンでは、静翼の内端面とロータの外周面との間隙がメインキャビティとなる。このメインキャビティで軸心方向の流動に対応した旋回方向の流体主渦が発生する。

しかし、このメインキャビティに突設されている静翼が、少なくとも、最上流部端面上に流体主渦と同一の旋回方向の同流剥離渦を発生させるとともに、最下流部端面上に流体主渦と反対の旋回方向の逆流剥離渦を発生させる。このような同流剥離渦と逆流剥離渦とは、上流のメインキャビティから下流のメインキャビティへの流体の漏流を抑制する。

本発明のロータは、回転自在に軸支されている回転体状のロータと、上記ロータの外周面上に複数が外側に突設されている軸心方向に少なくとも一段の動翼と、複数の上記動翼の外端面と対向する内周面が形成されているケーシングと、上記動翼の上流側で上記ケーシングの内周面上に複数が内側に突設されていて内端面が上記ロータの外周面と対向する上記軸心方向に少なくとも一段の静翼と、上記静翼の内端面と上記ロータの外周面との間隙、の少なくとも一方からなり上記軸心方向の流動に対応した旋回方向の流体主渦が発生するメインキャビティと、を有し、上記流体を上記軸心方向に流動させるタービンの上記ロータであって、最上流部端面に上記流体主渦と同一の旋回方向の同流剥離渦を発生させるとともに、最下流部端面に上記流体主渦と反対の旋回方向の逆流剥離渦を発生させる、端面形状のシール部材が、外周面に突設されている。

従って、このロータを有するタービンでは、静翼の内端面とロータの外周面との間隙がメインキャビティとなる。このメインキャビティで軸心方向の流動に対応した旋回方向の流体主渦が発生する。

しかし、このメインキャビティにシール部材が突設されており、このシール部材が、少なくとも、最上流部端面上に流体主渦と同一の旋回方向の同流剥離渦を発生させるとともに、最下流部端面上に流体主渦と反対の旋回方向の逆流剥離渦を発生させる。このような同流剥離渦と逆流剥離渦とは、上流のメインキャビティから下流のメインキャビティへの流体の漏流を抑制する。

本発明のケーシングは、回転自在に軸支されている回転体状のロータと、上記ロータの外周面上に複数が外側に突設されている軸心方向に少なくとも一段の動翼と、複数の上記動翼の外端面と対向する内周面が形成されているケーシングと、上記動翼の上流側で上記ケーシングの内周面上に複数が内側に突設されていて内端面が上記ロータの外周面と対向する上記軸心方向に少なくとも一段の静翼と、上記動翼の外端面と上記ケーシングの内周面との間隙からなり、流体の上記軸心方向の流動に対応した旋回方向の流体主渦が発生するメインキャビティと、を有し、上記流体を上記軸心方向に流動させるタービンの上記ケーシングであって、最上流部端面に上記流体主渦と同一の旋回方向の同流剥離渦を発生させるとともに、最下流部端面に上記流体主渦と反対の旋回方向の逆流剥離渦を発生させる、端面形状のシール部材が、内周面に突設されている。

従って、このケーシングを有するタービンでは、動翼の外端面とケーシングの内周面との間隙がメインキャビティとなる。このメインキャビティで軸心方向の流動に対応した旋回方向の流体主渦が発生する。

なお、本発明で云うアスペクト比とは、タービンの（軸心方向の寸法／半径方向の寸法）を意味している。また、本発明で云うシール部材の最上流部端面とは、シール部材の最も上流の部分の端面を意味しており、最下流部端面とは、最も下流の部分の端面を意味している。

このため、一つの最上流部端面と一つの最下流部端面とが直接に隣接していてもよく、最上流部端面である第一の上流部端面、第二の上流部端面、第三の上流部端面、…、第三の下流部端面、第二の下流部端面、最下流部端面である第一の下流部端面、等が階段状に形成されていてもよい。

本発明のタービンでは、メインキャビティに突設されているシール部材が、少なくとも、最上流部端面上に流体主渦と同一の旋回方向の同流剥離渦を発生させるとともに、最下流部端面上に流体主渦と反対の旋回方向の逆流剥離渦を発生させる。このような同流剥離渦と逆流剥離渦とは、上流のメインキャビティから下流のメインキャビティへの流体の漏流を抑制することができるので、タービンの効率を向上させることができる。

本発明のシール部材を有するタービンでは、少なくとも、最上流部端面上に流体主渦と同一の旋回方向の同流剥離渦を発生させるとともに、最下流部端面上に流体主渦と反対の旋回方向の逆流剥離渦を発生させる。このような同流剥離渦と逆流剥離渦とは、上流のメインキャビティから下流のメインキャビティへの流体の漏流を抑制することができるので、タービンの効率を向上させることができる。

本発明の動翼を有するタービンでは、少なくとも、動翼の最上流部端面上に流体主渦と同一の旋回方向の同流剥離渦を発生させるとともに、最下流部端面上に流体主渦と反対の旋回方向の逆流剥離渦を発生させる。このような同流剥離渦と逆流剥離渦とは、上流のメインキャビティから下流のメインキャビティへの流体の漏流を抑制することができるので、タービンの効率を向上させることができる。

本発明の静翼を有するタービンでは、少なくとも、静翼の最上流部端面上に流体主渦と同一の旋回方向の同流剥離渦を発生させるとともに、最下流部端面上に流体主渦と反対の旋回方向の逆流剥離渦を発生させる。このような同流剥離渦と逆流剥離渦とは、上流のメインキャビティから下流のメインキャビティへの流体の漏流を抑制することができるので、タービンの効率を向上させることができる。

本発明のロータを有するタービンでは、メインキャビティにシール部材が突設されており、このシール部材が、少なくとも、最上流部端面上に流体主渦と同一の旋回方向の同流剥離渦を発生させるとともに、最下流部端面上に流体主渦と反対の旋回方向の逆流剥離渦を発生させる。このような同流剥離渦と逆流剥離渦とは、上流のメインキャビティから下流のメインキャビティへの流体の漏流を抑制することができるので、タービンの効率を向上させることができる。

本発明のケーシングを有するタービンでは、メインキャビティにシール部材が突設されており、このシール部材が、少なくとも、最上流部端面上に流体主渦と同一の旋回方向の同流剥離渦を発生させるとともに、最下流部端面上に流体主渦と反対の旋回方向の逆流剥離渦を発生させる。このような同流剥離渦と逆流剥離渦とは、上流のメインキャビティから下流のメインキャビティへの流体の漏流を抑制することができるので、タービンの効率を向上させることができる。

本発明の実施の形態のタービンの要部構造を示す模式的な縦断側面図である。本発明の実施の形態のタービンの要部構造を示す模式的な縦断側面図である。本発明の実施の形態のタービンの、一の変形例の要部構造を示す模式的な縦断側面図である。本発明の実施の形態のタービンの、他の変形例の要部構造を示す模式的な縦断側面図である。本発明の実施の形態のタービンの、さらに他の変形例の要部構造を示す模式的な縦断側面図である。本発明の実施の形態のタービンの、さらに他の変形例の要部構造を示す模式的な縦断側面図である。本発明の実施の形態のタービンの、さらに他の変形例の要部構造を示す模式的な縦断側面図である。本発明の実施の形態のタービンの、さらに他の変形例の要部構造を示す模式的な縦断側面図である。

本発明の実施の一形態に関して図１および図２を参照して以下に説明する。本実施の形態のタービン１０００は、図示するように、従来と同様に、ロータ１１００と、動翼１２００と、ケーシング１３００と、静翼１４００と、を有し、流体Ｆを軸心Ｃの方向に流動させる。

ロータ１１００は、円柱状や円錐状などの回転体状に形成されており、回転自在に軸支されている。動翼１２００は、ロータ１１００の外周面１１１０上に周方向に、複数が外側(軸心Ｃを中心とした半径方向の外周側)に突設されており、軸心Ｃの方向に少なくとも一段が形成されている。

ケーシング１３００は、例えば、円筒形などに形成されており、複数の動翼１２００の外端面１２１０と対向する内周面１３１０が形成されている。静翼１４００は、動翼１２００の上流側でケーシング１３００の内周面１３１０上に周方向に、複数が内側(軸心Ｃを中心とした半径方向の内周側)に突設されており、その内端面１４１０がロータ１１００の外周面１１１０と対向している。

動翼１２００と静翼１４００とは、相互に対応して軸心Ｃの方向に少なくとも一段(動翼１２００と静翼１４００との一組)が形成されており、例えば、本実施の形態のタービン１０００では、三段などに形成されている。

本実施の形態のタービン１０００では、図１に示すように、動翼１２００の外端面１２１０とケーシング１３００の内周面１３１０との間隙にメインキャビティＦＭＣが確保されている。そして、このようなメインキャビティＦＭＣにシール部材１５００が、ケーシング１３００の内周面１３１０から動翼１２００の外端面１２１０に向かって突設されている。

より詳細には、本実施の形態のタービン１０００では、動翼１２００の外端面１２１０が、上流側の上流外端面１２１１と、この上流外端面１２１１より外周方向に突出した下流側の下流外端面１２１２と、で形成されている。

このため、このような二段階の動翼１２００の外端面１２１０とケーシング１３００の内周面１３１０との間隙により、メインキャビティＦＭＣが二段階に形成されている。なお、必ずしも二段にする必要はなく、それ以外の段数でも構わない。

そこで、この二段階のメインキャビティＦＭＣの各々に、二個のシール部材１５００が個々に突設されている。これらのシール部材１５００は、ケーシング１３００の内周面１３１０上に突設されている。

このシール部材１５００は、一つの最上流部端面１５１０と一つの最下流部端面１５２０とが直接に隣接している。また、最上流部端面１５１０の最上流端には最上流フィン１５３０が突設されている。換言すれば、シール部材１５００における最上流壁１５３０の軸心Ｃの方向の下流側に、最上流部端面１５１０と最下流部端面１５２０が階段状に形成されている。

そして、このシール部材１５００では、最下流部端面１５２０より最上流部端面１５１０が、ケーシング１３００の内周面１３１０から動翼１２００の外端面１２１０に向かう方向に突出しており、軸心Ｃの方向の最上流部端面１５１０の端面長１５１０Ｌより最下流部端面１５２０の端面長１５２０Ｌが長大に形成されている。

従って、最上流部端面１５１０上には、流体主渦ＦＭＳと同一の旋回方向の比較的小型の同流剥離渦ＳＳＳが発生し、最下流部端面１５２０上には、流体主渦ＦＭＳと反対の旋回方向の比較的大型の逆流剥離渦ＡＳＳが発生する。

つまり、本実施の形態のタービン１０００では、流体主渦ＦＭＳが発生する上流のメインキャビティＦＭＣから下流のメインキャビティＦＭＣまで、シール部材１５００により、逆流剥離渦ＡＳＳと同流剥離渦ＳＳＳと逆流剥離渦ＡＳＳとが順番に発生する。

上述のような構成において、本実施の形態のタービン１０００では、例えば、流入する流体Ｆの圧力が静翼１４００により速度に変換され、この増速された流体Ｆで動翼１２００とともにロータ１１００が回転駆動される。

このとき、本実施の形態のタービン１０００では、図１に示すように、動翼１２００の外端面１２１０とケーシング１３００の内周面１３１０との間隙がメインキャビティＦＭＣとなる。このメインキャビティＦＭＣで軸心Ｃの方向の流体Ｆの流動に対応した旋回方向の流体主渦ＦＭＳが発生する。

しかし、本実施の形態のタービン１０００では、上述のようなメインキャビティＦＭＣにシール部材１５００が突設されており、このシール部材１５００が、最上流部端面１５１０上に流体主渦ＦＭＳと同一の旋回方向の同流剥離渦ＳＳＳを発生させるとともに、最下流部端面１５２０上に流体主渦ＦＭＳと反対の旋回方向の逆流剥離渦ＡＳＳを発生させる。

このとき、最上流壁１５３０の下流に生じた同流剥離渦ＳＳＳの流れ方向が、最上流壁１５３０近傍では径方向の外側から径方向の内側へ向かう、いわゆるダウンフローとなるため、最上流壁１５３０と動翼１２００の外周面１２１０との間の微小隙間を通過して、下流のメインキャビティＦＭＣへ流入する漏流に対して縮流効果が得られる。

従って、上流のメインキャビティＦＭＣから下流のメインキャビティＦＭＣへの流体主渦ＦＭＳによる流体Ｆの漏流を抑制することができるので、タービン１０００の効率を向上させることができる。

しかも、本実施の形態のタービン１０００では、シール部材１５００の最下流部端面１５２０上で逆流剥離渦ＡＳＳが発生し、これより突設されている最上流部端面１５１０上で同流剥離渦ＳＳＳが発生する。

このため、流体Ｆの流動の上流から下流まで同流剥離渦ＳＳＳと逆流剥離渦ＡＳＳとが順番に大きく発生するので、上流のメインキャビティＦＭＣから下流のメインキャビティＦＭＣへの流体Ｆの漏流を、順番に大きく発生する同流剥離渦ＳＳＳと逆流剥離渦ＡＳＳとで良好に抑制することができる。

さらに、本実施の形態のタービン１０００では、最下流部端面１５２０より最上流部端面１５１０が突出しており、軸心Ｃの方向の最上流部端面１５１０の端面長１５１０Ｌより最下流部端面１５２０の端面長１５２０Ｌが長大に形成されている。

このため、本実施の形態のシール部材１５００は、最上流部端面１５１０および最下流部端面１５２０上に、軸心通過の断面形状のアスペクト比が１に近づくように略矩形のシールキャビティＬＳＣを確保することができる。

従って、シール部材１５００の最上流部端面１５１０上から最下流部端面１５２０上まで順番に大きく発生する、同流剥離渦ＳＳＳと逆流剥離渦ＡＳＳとの各々を正円状に近づくように形成して渦流を強くすることができる。

なお、ここで云うアスペクト比とは、各キャビティの軸心Ｃの方向の寸法を半径方向の寸法で除した値とする。また、ここで云うシールキャビティＬＳＣのアスペクト比とは、複数のシールキャビティＬＳＣの個々のアスペクト比とする。

特に、このシール部材１５００より上流側に逆流剥離渦ＡＳＳが発生することにより、流体主渦ＦＭＳが発生する上流のメインキャビティＦＭＣから下流のメインキャビティＦＭＣまで、シール部材１５００により、流体主渦ＦＭＳと逆流剥離渦ＡＳＳと同流剥離渦ＳＳＳと逆流剥離渦ＡＳＳと流体主渦ＦＭＳとが、順番に発生することになる。

このため、上流のメインキャビティＦＭＣから下流のメインキャビティＦＭＣまで、旋回方向が反対の渦流が交互に連続することになる。このため、複数の渦流が相互を阻害することなく円滑に旋回するので、上流のメインキャビティＦＭＣから下流のメインキャビティＦＭＣまで流体Ｆが漏流することを良好に防止することができる。

なお、本発明は本実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で各種の変形を許容する。例えば、前記形態のタービン１０００では、ケーシング１３００の内周面１３１０に別体のシール部材１５００が装着されていることを想定した。

しかし、ケーシング１３００の内周面１３１０にシール部材１５００が一体に形成されていてもよい。または、最上流部端面１５１０から最下流部端面１５２０までをケーシング１３００の内周面１３１０に一体に形成するとともに、最上流壁１５３０のみを別体としてもよい。

さらに、前記形態では動翼１２００の外端面１２１０とケーシング１３００の内周面１３１０との間隙がメインキャビティＦＭＣとなることを例示した。しかし、図２のＡ部に示すように、静翼１４００の内端面１４１０（上流内端面１４１１および下流内端面１４１２）とロータ１１００の外周面１１１０との間隙をメインキャビティＦＭＣとしてもよく、これら両方をメインキャビティＦＭＣとしてもよい。

そして、前記形態ではシール部材１５００が、ケーシング１３００の内周面１３１０に位置することを例示した。しかし、このようなシール部材１５００が、ロータ１１００の外周面１１１０に位置してもよく（図２のＡ部参照）、静翼１４００の内端面１４１０に位置してもよく、動翼１２００の外端面１２１０に位置してもよい(図示せず)。

当然ながら、上述のような配置でシール部材１５００とロータ１１００とが一体に形成されていてもよく、シール部材１５００が動翼１２００や静翼１４００と一体に形成されていてもよい(図示せず)。

さらに、前記形態ではメインキャビティＦＭＣやシールキャビティＬＳＣが、軸心通過の断面形状で矩形に形成されていることを例示した。しかし、このように矩形のメインキャビティＦＭＣやシールキャビティＬＳＣでは、それらの四隅に死水領域が生じて渦流に無駄なエネルギー損失を与えてしまうため、流体主渦ＦＭＳや逆流剥離渦ＡＳＳや同流剥離渦ＳＳＳが円滑に旋回することが阻害される。

そこで、これを防止するため、図３に例示するタービン２０００のように、シール部材２０１０が、同流剥離渦ＳＳＳや逆流剥離渦ＡＳＳの死水領域を削減する形状に形成されていてもよい。

図３に例示するシール部材２０１０では、矩形のシールキャビティＬＳＣの四隅の一つに位置する死水領域として、最上流部端面１５１０の上流端部、最下流部端面１５２０の上流端部に、断面形状が四分の一円弧となる領域充填部材２０１１を配置している。

この場合、シールキャビティＬＳＣの矩形の断面形状の四隅の一つが四分の一円弧となるので、より円滑に逆流剥離渦ＡＳＳや同流剥離渦ＳＳＳが旋回することができる。なお、当然ながら、このような領域充填部材２０１１をシール部材２０１０と一体に形成してもよい。

さらに、図４に例示するタービン２１００のように、シール部材２１１０の最上流部端面１５１０と最上流部端面１５１０との、上流端部と下流端部からなる死水領域に、断面形状が四分の一円弧となる領域充填部材２０１１を配置してもよい。この場合、シールキャビティＬＳＣの矩形の断面形状の四隅の二つが四分の一円弧となるので、さらに円滑に逆流剥離渦ＡＳＳや同流剥離渦ＳＳＳが旋回することができる。

さらに、図５に例示するタービン２２００のように、矩形のメインキャビティＦＭＣの四隅の三つに位置する死水領域に、断面形状が四分の一円弧となる領域充填部材２０１１を配置してもよい。この場合、メインキャビティＦＭＣの矩形の断面形状の四隅の三つが四分の一円弧となるので、流体主渦ＦＭＳが円滑に旋回することができる。

また、図６に例示するタービン２３００のように、ケーシング２３１０の内周面２３１１やシール部材２３２０の外面２３２１などを円弧状の断面形状に切除することにより、メインキャビティＦＭＣやシールキャビティＬＳＣの断面形状を円形に近似させ、さらに円滑に流体主渦ＦＭＳや逆流剥離渦ＡＳＳや同流剥離渦ＳＳＳを旋回させてもよい。

さらに、前記形態ではシール部材１５００に一つの最上流部端面１５１０と一つの最下流部端面１５２０とが直接に隣接して形成されていることを例示した。しかし、図７に例示するタービン２４００のように、最上流部端面である第一の上流部端面２４１１、第二の上流部端面２４１２、…、第二の下流部端面２４１３、最下流部端面である第一の下流部端面２４１４、等が階段状に、シール部材２４１０における最上流壁１５３０の軸心Ｃの方向の下流側に形成されていてもよい。換言すれば、上流側端面と下流側端面の個数の総和が偶数であればよい。

また、前記形態ではシール部材１５００の最上流部端面１５１０が最下流部端面１５２０より突出していることを例示した。しかし、図８に例示するタービン２５００のように、最上流部端面２５１１上のシールキャビティＬＳＣに同流剥離渦ＳＳＳが発生するとともに、最下流部端面２５１２上のシールキャビティＬＳＣに逆流剥離渦ＡＳＳが発生するならば、最上流部端面２５１１と最下流部端面２５１２とを面一に形成してもよい。

このようなシール部材２５１０は、最上流部端面２５１１および最下流部端面２５１２上に、略矩形の軸心通過の断面形状のアスペクト比を２付近(１．５〜２．５)としてシールキャビティＬＳＣを確保すればよい。

このようなタービン２５００でも、シール部材２５１０の最上流部端面２５１１上から最下流部端面２５１２上まで同流剥離渦ＳＳＳと逆流剥離渦ＡＳＳとが交互に発生するので、メインキャビティＦＭＣの流体主渦ＦＭＳと逆流することなく同流剥離渦ＳＳＳと逆流剥離渦ＡＳＳとを良好な効率で流動させることができる。

なお、当然ながら、上述した実施の形態および複数の変形例は、その内容が相反しない範囲で組み合わせることができる。また、上述した実施の形態および変形例では、各部の構造などを具体的に説明したが、その構造などは本願発明を満足する範囲で各種に変更することができる。

１０００タービン
１１００ロータ
１１１０外周面
１２００動翼
１２１０外端面
１３００ケーシング
１３１０内周面
１４００静翼
１４１０内端面
１５００シール部材
１５１０最上流部端面
１５２０最下流部端面
１５３０最上流フィン
２０００タービン
２０１０シール部材
２１００タービン
２１１０シール部材
２２００タービン
２３００タービン
２３１０ケーシング
２３１１内周面
２３２０シール部材
２４００タービン
２４１０シール部材
２４１１最上流部端面である第一の上流部端面
２４１４最下流部端面である第一の下流部端面
２５００タービン
２５１０シール部材
２５１１最上流部端面
２５１２最下流部端面
ＡＳＳ逆流剥離渦
Ｃ軸心
Ｆ流体
ＦＭＣメインキャビティ
ＦＭＳ流体主渦
ＬＳＣシールキャビティ
ＳＳＳ同流剥離渦

Claims

流体を軸心方向に流動させるタービンであって、
回転自在に軸支されている回転体状のロータと、
前記ロータの外周面上に複数が外側に突設されている前記軸心方向に少なくとも一段の動翼と、
複数の前記動翼の外端面と対向する内周面が形成されているケーシングと、
前記動翼の上流側で前記ケーシングの内周面上に複数が内側に突設されていて内端面が前記ロータの外周面と対向する前記軸心方向に少なくとも一段の静翼と、
前記動翼の外端面と前記ケーシングの内周面との間隙、前記静翼の内端面と前記ロータの外周面との間隙、の少なくとも一方からなり、流体の前記軸心方向の前記流動に対応した旋回方向の流体主渦が発生するメインキャビティと、
前記メインキャビティに突設されていて少なくとも、最上流部端面に前記流体主渦と同一の旋回方向の同流剥離渦を発生させるとともに、最下流部端面に前記流体主渦と反対の旋回方向の逆流剥離渦を発生させる、端面形状のシール部材と、
を有するタービン。
前記シール部材は、前記最上流部端面から前記最下流部端面まで前記同流剥離渦と前記逆流剥離渦とを交互に発生させる端面形状に形成されている、請求項１に記載のタービン。
前記シール部材は、前記最下流部端面より前記最上流部端面が前記メインキャビティに突出している、請求項１または２に記載のタービン。
前記シール部材は、前記軸心方向の前記最上流部端面の端面長より前記最下流部端面の端面長が長大に形成されている、請求項３に記載のタービン。
前記シール部材は、前記軸心通過の断面形状が所定のアスペクト比の略矩形のシールキャビティを確保する前記端面形状に形成されている、請求項１または２に記載のタービン。
前記シール部材は、前記シールキャビティの前記軸心方向の寸法を半径方向の寸法で除した値である前記アスペクト比が１．５〜２．５の形状に形成されている、請求項５に記載のタービン。
前記シール部材は、前記同流剥離渦と前記逆流剥離渦との少なくとも一方の死水領域を削減する形状に形成されている、請求項１ないし６の何れか一項に記載のタービン。
前記シール部材は、前記死水領域を削減して前記同流剥離渦と前記逆流剥離渦との少なくとも一方を円滑に流動させる曲面に表面が形成されている、請求項７に記載のタービン。
前記動翼の外端面、前記ケーシングの内周面、前記静翼の内端面、前記ロータの外周面、の少なくとも一つは、前記流体主渦の死水領域を削減する形状に形成されている、請求項１ないし８の何れか一項に記載のタービン。
前記動翼の外端面、前記ケーシングの内周面、前記静翼の内端面、前記ロータの外周面、の少なくとも一つは、前記流体主渦の死水領域を削減して前記流体主渦を円滑に流動させる曲面に形成されている、請求項９に記載のタービン。
回転自在に軸支されている回転体状のロータと、前記ロータの外周面上に複数が外側に突設されている軸心方向に少なくとも一段の動翼と、複数の前記動翼の外端面と対向する内周面が形成されているケーシングと、前記動翼の上流側で前記ケーシングの内周面上に複数が内側に突設されていて内端面が前記ロータの外周面と対向する前記軸心方向に少なくとも一段の静翼と、前記動翼の外端面と前記ケーシングの内周面との間隙、前記静翼の内端面と前記ロータの外周面との間隙、の少なくとも一方からなり、流体の前記軸心方向の前記流動に対応した旋回方向の流体主渦が発生するメインキャビティと、を有し、前記流体を前記軸心方向に流動させるタービンに利用されるシール部材であって、
前記メインキャビティに突設されて少なくとも、最上流部端面に前記流体主渦と同一の旋回方向の同流剥離渦を発生させるとともに、最下流部端面に前記流体主渦と反対の旋回方向の逆流剥離渦を発生させる、端面形状に形成されているシール部材。
回転自在に軸支されている回転体状のロータと、前記ロータの外周面上に複数が外側に突設されている軸心方向に少なくとも一段の動翼と、複数の前記動翼の外端面と対向する内周面が形成されているケーシングと、前記動翼の上流側で前記ケーシングの内周面上に複数が内側に突設されていて内端面が前記ロータの外周面と対向する前記軸心方向に少なくとも一段の静翼と、前記動翼の外端面と前記ケーシングの内周面との間隙からなり、流体の前記軸心方向の流動に対応した旋回方向の流体主渦が発生するメインキャビティと、を有し、前記流体を前記軸心方向に流動させるタービンの前記動翼であって、
前記メインキャビティに突設されて少なくとも、最上流部端面に前記流体主渦と同一の旋回方向の同流剥離渦を発生させるとともに、最下流部端面に前記流体主渦と反対の旋回方向の逆流剥離渦を発生させる、端面形状に形成されている動翼。
回転自在に軸支されている回転体状のロータと、前記ロータの外周面上に複数が外側に突設されている軸心方向に少なくとも一段の動翼と、複数の前記動翼の外端面と対向する内周面が形成されているケーシングと、前記動翼の上流側で前記ケーシングの内周面上に複数が内側に突設されていて内端面が前記ロータの外周面と対向する前記軸心方向に少なくとも一段の静翼と、前記静翼の内端面と前記ロータの外周面との間隙からなり、流体の前記軸心方向の流動に対応した旋回方向の流体主渦が発生するメインキャビティと、を有し、前記流体を前記軸心方向に流動させるタービンの前記静翼であって、
前記メインキャビティに突設されて少なくとも、最上流部端面に前記流体主渦と同一の旋回方向の同流剥離渦を発生させるとともに、最下流部端面に前記流体主渦と反対の旋回方向の逆流剥離渦を発生させる、端面形状に形成されている静翼。
回転自在に軸支されている回転体状のロータと、前記ロータの外周面上に複数が外側に突設されている軸心方向に少なくとも一段の動翼と、複数の前記動翼の外端面と対向する内周面が形成されているケーシングと、前記動翼の上流側で前記ケーシングの内周面上に複数が内側に突設されていて内端面が前記ロータの外周面と対向する前記軸心方向に少なくとも一段の静翼と、前記静翼の内端面と前記ロータの外周面との間隙、の少なくとも一方からなり前記軸心方向の流動に対応した旋回方向の流体主渦が発生するメインキャビティと、を有し、前記流体を前記軸心方向に流動させるタービンの前記ロータであって、
最上流部端面に前記流体主渦と同一の旋回方向の同流剥離渦を発生させるとともに、最下流部端面に前記流体主渦と反対の旋回方向の逆流剥離渦を発生させる、端面形状のシール部材が、外周面に突設されているロータ。
回転自在に軸支されている回転体状のロータと、前記ロータの外周面上に複数が外側に突設されている軸心方向に少なくとも一段の動翼と、複数の前記動翼の外端面と対向する内周面が形成されているケーシングと、前記動翼の上流側で前記ケーシングの内周面上に複数が内側に突設されていて内端面が前記ロータの外周面と対向する前記軸心方向に少なくとも一段の静翼と、前記動翼の外端面と前記ケーシングの内周面との間隙からなり、流体の前記軸心方向の流動に対応した旋回方向の流体主渦が発生するメインキャビティと、を有し、前記流体を前記軸心方向に流動させるタービンの前記ケーシングであって、
最上流部端面に前記流体主渦と同一の旋回方向の同流剥離渦を発生させるとともに、最下流部端面に前記流体主渦と反対の旋回方向の逆流剥離渦を発生させる、端面形状のシール部材が、内周面に突設されているケーシング。