JP2013199860A - タービン - Google Patents

Abstract

【課題】ブレードと、ブレードの先端部側に間隙を介して設けられると共にブレードに対して相対回転する構造体とを備え、前記間隙に流体が流通されるタービンにおいて、ブレードの先端部と構造体との間隙を通過する流体の漏洩流量の低減を図れるようにする。
【解決手段】ブレード５０の先端部には、構造体１０の回転軸方向の上流側に向く段差面５３Ａ〜５３Ｄを有して他方側に突出する複数のステップ部５２Ａ〜５２Ｄを設け、構造体には、各ステップ部の周面５４Ａ〜５４Ｄに向けて延出し、対応するステップ部の周面との間に微小隙間Ｈ１〜Ｈ４を形成するシールフィン１２４Ａ〜１２４Ｄを設ける。そして、構造体の回転軸方向に沿って微小隙間から上流側の段差面に至る距離Ｌ１〜Ｌ４は、上流側のステップ部よりも下流側のステップ部の方を小さく設定する。
【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。

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（流体）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間隙が形成され、また、静翼の先端部と軸体との間にも径方向の間隙が形成されているのが通常である。しかし、動翼先端部とケーシングとの間隙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、静翼先端部と軸体との間隙を下流側に通過する漏洩蒸気は、その圧力エネルギーが静翼によって速度エネルギーに変換されないため、下流側の動翼に対して回転力をほとんど付与しない。したがって、蒸気タービンの性能向上のためには、前記間隙を通過する漏洩蒸気の流量（漏洩流量）を低減することが重要となる。

従来では、例えば特許文献１のように、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複数のステップ部を設け、ケーシングに、各ステップ部に向けて延出する複数のシールフィンを設け、各ステップ部と各シールフィンの先端との間に微小隙間を形成した構造のタービンが提案されている。
このタービンでは、上流側から前記間隙に入り込んだ流体がステップ部の段差面に衝突することで、段差面の上流側に主渦が発生し、段差面の下流側（前記微小隙間の上流側近傍）に剥離渦が発生する。そして、微小隙間の上流側近傍に生じる剥離渦によって、微小隙間を通り抜ける漏れ流れの低減化が図られている。すなわち、動翼の先端部とケーシングとの間隙を通過する漏洩流体の流量（漏洩流量）の低減化が図られている。

特開２０１１−０８０４５２号公報（図６）

ところで、前述したように複数のステップ部及びシールフィンを設けたタービンでは、動翼先端部とケーシングとの間隙における流体の圧力（静圧）や密度が、軸方向の上流側から下流側に向かうにしたがって小さくなるため、下流側の微小隙間を通り抜ける流体の流速が、上流側の微小隙間を通り抜ける流体の流速よりも速くなる。
したがって、下流側に位置するステップ部において発生する主渦の速度（回転速度）は、上流側に位置するステップ部において発生する主渦の速度（回転速度）よりも速くなる。特に、主渦のうち段差面に沿って径方向に流れる流速が下流側の主渦ほど速いことで、下流側のステップ部において発生する剥離渦ほど径方向に延びた形状となってしまう。このように剥離渦の形状が延びてしまうと、剥離渦のうちシールフィンの先端側からステップ部に向かう径方向への流れの速度成分の最大位置が、シールフィンの先端から基端側に離れる（微小隙間から径方向に離れる）ため、この剥離渦の下流側の微小隙間を通り抜ける漏れ流れを低減する縮流効果が小さくなってしまい、また、静圧低減効果も小さくなってしまう。その結果、従来のタービンでは、漏洩流量の低減化に限界が生じる、という問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みたものであって、漏洩流量の低減をさらに図ることが可能なタービンを提供することを目的とする。

この課題を解決するために、本発明のタービンは、ブレードと、前記ブレードの先端部側に間隙を介して設けられると共に、前記ブレードに対して相対回転する構造体と、を備え、前記間隙に流体が流通されるタービンであって、前記ブレードの先端部、及び、前記構造体のうち前記ブレードの先端部に対向する部位のいずれか一方には、前記構造体の回転軸方向の上流側に向く段差面を有して他方側に突出する複数のステップ部が、前記回転軸方向に並べて設けられ、前記他方には、各ステップ部の周面に向けて延出し、対応するステップ部の周面との間に微小隙間を形成するシールフィンが設けられ、前記構造体の回転軸方向に沿って前記微小隙間から上流側の前記段差面に至る距離は、少なくとも隣り合う二つで、上流側のステップ部に対して下流側のステップ部の方が小さく設定されていることを特徴とする。

上記タービンでは、従来の場合と同様に、上流側から前記間隙に入り込んだ流体が各ステップ部の段差面に衝突することで、段差面の上流側には主渦が発生する。また、各ステップ部の段差面と周面との角部（エッジ）において主渦から一部の流れが剥離することにより、段差面の下流側に位置する各ステップ部の周面上には、主渦と反対方向に回る剥離渦が発生する。この剥離渦は、シールフィンの先端からステップ部の周面に向かうダウンフローを生じさせるため、剥離渦がシールフィンの先端とステップ部との間の微小隙間を通過する流体の縮流効果を奏する。

そして、このように発生する剥離渦の直径は、ステップ部の段差面からその下流側の微小隙間に至る前記距離に比例する傾向にある。すなわち、前記距離が小さいほど、剥離渦の直径が小さくなる傾向がある。したがって、上記タービンによれば、下流側のステップ部の段差面と周面との角部において剥離する流れが、上流側のステップ部の段差面と周面との角部において主渦から剥離する流れよりも速くても、下流側の剥離渦の直径を小さく抑えることができる。

このように下流側の剥離渦の直径が小さく抑えられることで、下流側の剥離渦のうちシールフィンの先端側からステップ部の周面に向かう径方向への流れの速度成分の最大位置を、シールフィンの先端に近づけることができる。このため、下流側の剥離渦による前記ダウンフローを強めることができ、その結果として、この剥離渦の下流側に位置する微小隙間を通過する流体の漏れ流れを小さくすることができる、すなわち、縮流効果を向上させることができる。
また、下流側の剥離渦の直径が小さく抑えられることで、この剥離渦内における静圧を低減できるため、この剥離渦の下流側に位置する微小隙間の上流側と下流側との差圧を小さくすることができる。すなわち、この差圧の低減に基づいて下流側に位置する微小隙間を通り抜ける漏れ流れを小さくする静圧低減効果も向上させることができる。

そして、前記タービンにおいては、前記距離が、前記下流側に位置する前記ステップ部ほど小さく設定されていると、さらによい。

上記タービンによれば、下流側の剥離渦ほどその直径を小さく抑える傾向が強まるため、下流側の微小隙間ほど、前述した剥離渦による縮流効果及び静圧低減効果を効果的に向上させることができる。

また、前記タービンにおいては、隣り合う二つのステップ部のうち、少なくとも下流側のステップ部の前記段差面には、前記周面に連なるように、前記上流側から下流側に向かって傾斜する傾斜面が形成されていてもよい。

この構成では、下流側のステップ部のうち段差面の上流側に生じる主渦において、下流側のステップ部の段差面と周面との角部から剥離する流れの向きが、傾斜面によって径方向に対して軸方向下流側に傾くため、下流側のステップ部の周面上に生じる剥離渦の直径をさらに小さく抑えることができる。したがって、前述した剥離渦による縮流効果及び静圧低減効果をさらに向上させることができる。

さらに、前記タービンにおいては、少なくとも隣り合う二つの前記ステップ部の前記段差面に、前記傾斜面が形成され、前記傾斜面の傾斜角度は、前記上流側のステップ部に対して下流側のステップ部の方が大きく設定されていると、さらによい。

この構成では、隣り合う二つのステップ部の段差面の周面上に生じる剥離渦の直径を小さくすることができる。また、下流側のステップ部に形成される傾斜面の傾斜角度が、上流側のステップ部に形成される傾斜面の傾斜角度よりも大きいことで、下流側のステップ部の周面上に発生する剥離渦の直径を、上流側のステップ部の周面上に発生する剥離渦の直径よりも小さく抑える傾向を強めることができる。したがって、前述した剥離渦による縮流効果及び静圧低減効果をさらに向上させることができる。

本発明によれば、複数のステップ部及びシールフィンを設けたタービンであっても、
下流側に位置するステップ部において発生する剥離渦による縮流効果及び静圧低減効果を向上させることができるため、ブレードの先端部と構造体との間隙を通過する漏洩流量の低減をさらに図ることが可能となる。

本発明に係る蒸気タービンを示す概略構成断面図である。 本発明の第一実施形態を示す図であって、図１における要部Ｉを示す拡大断面図である。 本発明の第一実施形態に係る蒸気タービンの作用説明図である。 図２に示す構成において、距離Ｌと微小隙間Ｈとの縦横比Ｌ／Ｈと、微小隙間Ｈを通過する蒸気の流量係数Ｃｄとの関係を示すグラフである。 本発明の第二実施形態を示す図であって、図１における要部Ｉを示す拡大断面図である。 本発明の第二実施形態に係る蒸気タービンの作用説明図である。

〔第一実施形態〕
以下、図１〜４を参照して本発明の第一実施形態について説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る蒸気タービン１は、ケーシング（構造体）１０と、ケーシング１０に流入する蒸気（流体）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（ブレード）５０と、軸体３０を軸回りに回転可能に支持する軸受部６０と、を備えて大略構成されている。

ケーシング１０は、その内部空間を気密に封止するように形成され、蒸気Ｓの流路を画成する本体部１１と、本体部１１の内壁面に強固に固定されたリング状の仕切板外輪１２と、を備えている。
調整弁２０は、ケーシング１０の本体部１１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、蒸気室２４とを備えている。この調整弁２０では、弁体２２が弁座２３から離れることで蒸気流路が開き、これによって、蒸気Ｓが蒸気室２４を介してケーシング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、軸本体３１の外周から径方向外側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。
また、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、ケーシング１０の本体部１１内部に挿通された軸体３０を本体部１１の外側において回転可能に支持している。

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１２に保持されている。すなわち、静翼４０はそれぞれ仕切板外輪１２から径方向内側に延出している。
静翼４０の延出方向の先端部は、ハブシュラウド４１によって構成されている。このハブシュラウド４１は、同一の環状静翼群をなす複数の静翼４０を連結するようにリング状に形成されている。ハブシュラウド４１には軸体３０が挿通されているが、ハブシュラウド４１は軸体３０との間に径方向の間隙を介して配されている。
そして、複数の静翼４０からなる環状静翼群は、ケーシング１０や軸体３０の回転軸方向（以下、軸方向と記す）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、軸方向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を構成するディスク３２の外周部に強固に取り付けられ、軸体３０から径方向外側に延出している。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いる。
前述した環状静翼群と上記環状動翼群とは、一組一段とされている。すなわち、蒸気タービン１は、六段に構成されている。これら動翼５０の先端部は、周方向に延びるチップシュラウド５１となっている。

動翼５０の先端部をなすチップシュラウド５１は、図２に示すように、ケーシング１０の仕切板外輪１２との間に径方向の間隙を介して対向配置されている。そして、チップシュラウド５１には、段差面５３（５３Ａ〜５３Ｄ）を有して仕切板外輪１２側に突出する四つのステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｄ）が、軸体３０の軸方向に並べて設けられている。
動翼５０から四つのステップ部５２Ａ〜５２Ｄの外周面（周面）５４Ａ〜５４Ｄ（５４）に至る四つのステップ部５２Ａ〜５２Ｄの突出高さは、軸方向の上流側から下流側に向かうにしたがって漸次高くなるように設定されている。これにより、各ステップ部５２の段差面５３は、軸方向の上流側に向いている。また、本実施形態では、各ステップ部５２の段差面５３が径方向に平行しており、四つの段差面５３Ａ〜５３Ｄの高さが同一に設定されている。さらに、本実施形態では、各ステップ部５２の外周面５４が軸方向に平行している。

一方、仕切板外輪１２には、チップシュラウド５１に対応する部位に周方向に延びる環状溝１２１が形成されており、本実施形態では、環状溝１２１が仕切板外輪１２の内周面から径方向外側に窪んで形成されている。前述したチップシュラウド５１は、この環状溝１２１内に入り込むように配されている。
そして、前述した四つのステップ部５２Ａ〜５２Ｄに対向するように径方向内側に向く環状溝１２１の底部には、五つの環状凹部１２２（１２２Ａ〜１２２Ｅ）が軸方向に並べて形成されている。そして、軸方向の上流側に位置する四つの環状凹部１２２Ａ〜１２２Ｄは、上流側から下流側に向かって、段差により漸次拡径して形成されている。一方、最も下流側に位置する一つの環状凹部１２２Ｅは、上流側に隣り合う四段目の環状凹部１２２Ｄよりも縮径して形成されている。

また、軸方向に隣り合う二つの環状凹部１２２，１２２の境界に位置する各端縁部（エッジ部）１２３（１２３Ａ〜１２３Ｄ）には、チップシュラウド５１に向けて径方向内側に延出するシールフィン１２４（１２４Ａ〜１２４Ｄ）が設けられている。これら端縁部１２３及びシールフィン１２４の軸方向位置は、各ステップ部５２の外周面５４に対向するように設定されている。具体的に説明すれば、四つのシールフィン１２４Ａ〜１２４Ｄは、軸方向に間隔をあけて配列され、四つのステップ部５２Ａ〜５２Ｄに１：１で対応するように設けられている。そして、本実施形態では、四つのシールフィン１２４Ａ〜１２４Ｄが軸方向に等間隔で配列されている。

また、上流側に位置する三つのシールフィン１２４Ａ〜１２４Ｃは、各シールフィン１２４のうち下流側に向く面と各シールフィン１２４の下流側に位置する環状凹部１２２（１２２Ｂ〜１２２Ｄ）の上流側の内側面１２５（１２５Ｂ〜１２５Ｄ）とが同一平面をなすように配されている。一方、最も下流に位置する一つのシールフィン１２４Ｄ（第四シールフィン１２４Ｄ）は、第四シールフィン１２４Ｄのうち上流側に向く面と第四シールフィン１２４Ｄの上流側に位置する環状凹部１２２Ｄの下流側の内側面１２５Ｅとが同一平面をなすように配されている。

そして、各ステップ部５２の外周面５４と各シールフィン１２４の先端との間には、径方向の微小隙間Ｈ（Ｈ１〜Ｈ４）が画成されている。微小隙間Ｈ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、両者が接触しない安全な範囲で、最小のものに設定されている。そして、本実施形態では、四つの微小隙間Ｈ１〜Ｈ４の寸法が同一に設定されている。
また、本実施形態では、軸方向に沿って各微小隙間Ｈ（各シールフィン１２４）から上流側に位置するステップ部５２の段差面５３に至る距離Ｌ（各微小隙間Ｈから上流側の段差面５３に至る各ステップ部５２の外周面５４の長さ寸法Ｌ）が、下流側に位置するステップ部５２ほど小さくなるように設定されている。

すなわち、最も上流側に位置する一段目のステップ部５２Ａの外周面５４Ａ上の第一微小隙間Ｈ１から一段目のステップ部５２Ａの段差面５３Ａに至る軸方向の距離Ｌ１（第一距離Ｌ１）と、二段目のステップ部５２Ｂの外周面５４Ｂ上の第二微小隙間Ｈ２から二段目のステップ部５２Ｂの段差面５３Ｂに至る軸方向の距離Ｌ２（第二距離Ｌ２）と、三段目のステップ部５２Ｃの外周面５４Ｃ上の第三微小隙間Ｈ３から三段目のステップ部５２Ｃの段差面５３Ｃに至る軸方向の距離Ｌ３（第三距離Ｌ３）と、四段目のステップ部５２Ｄの外周面５４Ｄ上の第四微小隙間Ｈ４から四段目のステップ部５２Ｄの段差面５３Ｄに至る軸方向の距離Ｌ４（第四距離Ｌ４）との関係は、以下の式（１）を満足する。
Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３＞Ｌ４・・・（１）
さらに言い換えれば、本実施形態では、前記距離Ｌと微小隙間Ｈとの縦横比Ｌ／Ｈが、下流側に位置するステップ部５２ほど小さくなるように設定されている。

そして、以上のようにシールフィン１２４が設けられることで、チップシュラウド５１と仕切板外輪１２との間には、四つのキャビティＣ（Ｃ１〜Ｃ４）が軸方向に配列して形成されている。各キャビティＣは、各ステップ部５２に対応するシールフィン１２４と、このシールフィン１２４に対して軸方向上流側に対向する隔壁との間に形成されている。
具体的に説明すれば、軸方向の最も上流側に形成される第一キャビティＣ１は、一段目のステップ部５２Ａに対応する第一シールフィン１２４Ａと、第一シールフィン１２４Ａの軸方向上流側に対向する一段目の環状凹部１２２Ａの上流側の内側面１２５Ａとの間に形成されている。
また、第一キャビティＣ１の下流側に隣り合う第二キャビティＣ２は、二段目のステップ部５２Ｂに対応する第二シールフィン１２４Ｂと、第二シールフィン１２４Ｂの軸方向上流側に対向する第一シールフィン１２４Ａ及び二段目の環状凹部１２２Ｂの上流側の内側面１２５Ｂとの間に形成されている。

さらに、第二キャビティＣ２の下流側に隣り合う第三キャビティＣ３は、第二キャビティＣ２の場合と同様に、三段目のステップ部５２Ｃに対応する第三シールフィン１２４Ｃと、第二シールフィン１２４Ｂ及び三段目の環状凹部１２２Ｃの上流側の内側面１２５Ｃとの間に形成されている。
また、第三キャビティＣ３に隣り合う第四キャビティＣ４は、四段目のステップ部５２Ｄに対応する第四シールフィン１２４Ｄ及び四段目の環状凹部１２２Ｄの下流側の内側面１２５Ｅと、第四シールフィン１２４Ｄの軸方向上流側に対向する第三シールフィン１２４Ｃ及び四段目の環状凹部１２２Ｄの上流側の内側面１２５Ｄとの間に形成されている。

さらに、本実施形態では、各キャビティＣのうち、各環状凹部１２２の底面（径方向内側に向く面）と、各環状凹部１２２の内側面１２５やシールフィン１２４との隅部が、丸みを帯びるように形成されている。これにより、各環状凹部１２２の底面と、環状凹部１２２の内側面１２５やシールフィン１２４の軸方向上流側、下流側の面とが滑らかに連なっている。このようにキャビティＣの隅部が丸みを帯びていることで、後述するように、キャビティＣ内に発生する主渦ＭＶの形状に近づくため、キャビティＣの隅部における主渦ＭＶのエネルギー損失を小さく抑えることができる（図３参照）。

また、本実施形態では、前述した距離Ｌを除いて四つのキャビティＣ１〜Ｃ４の各部寸法が同一に設定されている。例えば、シールフィン１２４からその軸方向上流側に対向する隔壁に至る軸方向距離（キャビティＣの軸方向寸法Ｗ（Ｗ１〜Ｗ４））や、環状凹部１２２の底面からステップ部５２の段差面５３の下端（径方向内方端）に至る径方向距離（キャビティの径方向寸法Ｄ（Ｄ１〜Ｄ４））が、四つのキャビティＣ１〜Ｃ４で同一に設定されている。なお、各キャビティＣの径方向寸法Ｄと軸方向寸法Ｗとの比Ｄ／Ｗ（キャビティの縦横比Ｄ／Ｗ）は、後述するように、同一のキャビティＣ内に発生する剥離渦ＳＶの大きさが主渦ＭＶよりも小さくなるように、１．０に近くなるように設定されることが好ましい（図３参照）。

次に、上述した構成の蒸気タービン１の動作について説明する。
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。
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、図３に示すように、環状溝１２１内（動翼５０のチップシュラウド５１とケーシング１０の仕切板外輪１２との間隙）に流入する、いわゆる、漏洩蒸気となる。

ここで、環状溝１２１内に流入した蒸気Ｓは、まず、第一キャビティＣ１に流入すると共に一段目のステップ部５２Ａの段差面５３Ａに衝突して、上流側に戻るように流れる。これにより、第一キャビティＣ１内には、反時計回り（第一回転方向）に回る主渦ＭＶ１が発生する。
その際、特に一段目のステップ部５２Ａの段差面５３Ａと外周面５４Ａとの角部（エッジ）において、主渦ＭＶ１から一部の流れが剥離されることで、一段目のステップ部５２Ａの外周面５４Ａ上には、主渦ＭＶ１と反対の時計回り（第二回転方向）に回る剥離渦ＳＶ１が発生する。

この剥離渦ＳＶ１は、一段目のステップ部５２Ａと第一シールフィン１２４Ａとの間の第一微小隙間Ｈ１の上流側近傍に位置している。特に、剥離渦ＳＶ１のうち径方向内側に向かうダウンフローが第一微小隙間Ｈ１の直前で生じるため、第一キャビティＣ１から第一微小隙間Ｈ１を通って下流側の第二キャビティＣ２に流入する漏れ流れを低減する縮流効果が、上記剥離渦ＳＶ１によって得られる。

そして、蒸気Ｓが、第一キャビティＣ１から第一微小隙間Ｈ１を通り抜けて第二キャビティＣ２内に流入すると、二段目のステップ部５２Ｂの段差面５３Ｂに衝突して、上流側に戻るように流れる。これにより、第二キャビティＣ２内には、第一キャビティＣ１に生じる主渦ＭＶ１と同一の第一回転方向に回る主渦ＭＶ２が発生する。
また、二段目のステップ部５２Ｂの段差面５３Ｂと外周面５４Ｂとの角部において主渦ＭＶ２から一部の流れが剥離されることで、二段目のステップ部５２Ｂの外周面５４Ｂ上には、主渦ＭＶ２と反対方向（第二回転方向）に回る剥離渦ＳＶ２が発生する。

さらに、蒸気Ｓが第二微小隙間Ｈ２を通過して第三キャビティＣ３内に流入すると、第一、第二キャビティＣ１，Ｃ２の場合と同様に、三段目のステップ部５２Ｃの段差面５３Ｃに衝突して上流側に戻るように流れ、第三キャビティＣ３内には、第一回転方向に回る主渦ＭＶ３が発生する。また、三段目のステップ部５２Ｃの外周面５４Ｃ上には、第二回転方向に回る剥離渦ＳＶ３が発生する。
同様にして、蒸気Ｓが第三微小隙間Ｈ３を通過して第四キャビティＣ４内に流入すると、四段目のステップ部５２Ｄの段差面５３Ｄに衝突することで、第四キャビティＣ４内には、第一回転方向に回る主渦ＭＶ４が発生する。また、四段目のステップ部５２Ｄの外周面５４Ｄ上には、第二回転方向に回る剥離渦ＳＶ４が発生する。

ここで、チップシュラウド５１と仕切板外輪１２との間隙における蒸気Ｓの圧力（静圧）や密度は、従来の場合と同様に、軸方向の上流側から下流側に向かうほど小さくなるため、各微小隙間Ｈ（Ｈ１〜Ｈ３）から下流側のキャビティＣ（Ｃ２〜Ｃ４）に入り込む蒸気Ｓの流速や、下流側のキャビティＣ（Ｃ２〜Ｃ４）内に生じる主渦ＭＶ（ＭＶ２〜ＭＶ４）の速度（回転速度）が速くなる。特に、下流側において発生する主渦ＭＶ（ＭＶ２〜ＭＶ４）ほど、段差面５３に沿って径方向外側に向けて流れる流速が速くなるため、下流側のステップ部５２の外周面５４上に生じる剥離渦ＳＶ（例えば剥離渦ＳＶ２〜ＳＶ４）の直径は、上流側のステップ部５２の外周面５４上に生じる剥離渦ＳＶ（例えば剥離渦ＳＶ１）の直径よりも大きくなる虞がある。

これに対し、本実施形態では、軸方向に沿って微小隙間Ｈから上流側の段差面５３に至る距離Ｌ（Ｌ１〜Ｌ４）が、前述した式（１）を満たすように設定されている。そして、この距離Ｌ（縦横比Ｌ／Ｈ）が小さいほど、ステップ部５２の外周面５４上に形成される剥離渦ＳＶの直径は小さくなる傾向にあるため、下流側の剥離渦ＳＶ２〜ＳＶ４の直径を小さく抑えることができる。

したがって、本実施形態に係る蒸気タービン１によれば、下流側の剥離渦ＳＶ２〜ＳＶ４の直径が小さく抑えられることで、下流側の剥離渦ＳＶ２〜ＳＶ４のうちシールフィン１２４Ｂ〜１２４Ｄの先端側からステップ部５２Ｂ〜５２Ｄの外周面５４Ｂ〜５４Ｄに向かう径方向内側への流れの速度成分の最大位置を、シールフィン１２４Ｂ〜１２４Ｄの先端に近づけることができる。このため、下流側の剥離渦ＳＶ２〜ＳＶ４のうち微小隙間Ｈ２〜Ｈ４の直前で生じるダウンフローを強めることができる。その結果として、下流側に位置する微小隙間Ｈ２〜Ｈ４を通過する蒸気Ｓの漏れ流れを小さく抑えることができる、すなわち、縮流効果を向上させることができる。

また、下流側の剥離渦ＳＶ２〜ＳＶ４の直径が小さく抑えられることで、この剥離渦ＳＶ２〜ＳＶ４内の静圧を低減できるため、剥離渦ＳＶ２〜ＳＶ４の下流側に位置する微小隙間Ｈ２〜Ｈ４の上流側と下流側との差圧を小さくすることができる。例えば、第三キャビティＣ３内の剥離渦ＳＶ３の直径が小さく抑えられることで、上流側の第三キャビティＣ３内における静圧と、下流側の第四キャビティＣ４における静圧との静圧差を小さくすることができる。したがって、この差圧の低減に基づいて下流側に位置する微小隙間Ｈ２〜Ｈ４を通り抜ける漏れ流れを小さくする静圧低減効果も向上させることができる。

特に、本実施形態では、距離Ｌ（Ｌ１〜Ｌ４）が前述した式（１）を満たすように設定されていることで、下流側の剥離渦ＳＶほどその直径を小さく抑える傾向が強まるため、下流側の微小隙間Ｈほど、前述した剥離渦ＳＶによる縮流効果及び静圧低減効果を効果的に向上させることができる。
以上のことから、本実施形態の蒸気タービン１によれば、動翼５０のチップシュラウド５１とケーシング１０の仕切板外輪１２との間隙を通過する漏洩流量の低減を図ることが可能である。

なお、上述した効果は、図４に示すように、発明者が実施した実験の結果からも明らかである。
図４（ａ）〜（ｃ）に示す各グラフは、同一のステップ部５２における縦横比Ｌ／Ｈと、対応する微小隙間Ｈを通過する蒸気Ｓの流量係数Ｃｄとの関係を、第二微小隙間Ｈ２（二段目のステップ部５２Ｂ）、第三微小隙間Ｈ３（三段目のステップ部５２Ｃ）及び第四微小隙間Ｈ４（四段目のステップ部５２Ｄ）について実験した結果である。このグラフでは、流量係数Ｃｄが小さいほど、微小隙間Ｈを通過する蒸気Ｓの流量が小さいことを示している。
このグラフによれば、各微小隙間Ｈ２〜Ｈ４について、流量係数Ｃｄを最小とする縦横比Ｌ／Ｈの最適値が存在することが分かる。そして、第二微小隙間Ｈ２における縦横比Ｌ／Ｈの最適値は３．０であり（図４（ａ）参照）、第三微小隙間Ｈ３における縦横比Ｌ／Ｈの最適値は２．５である（図４（ｂ）参照）。また、第四微小隙間Ｈ４における縦横比Ｌ／Ｈの最適値は２．２である（図４（ｃ）参照）。すなわち、下流側に位置する微小隙間Ｈほど、流量係数Ｃｄを最小とする縦横比Ｌ／Ｈの最適値が小さくなる、言い換えれば、最適な距離Ｌが小さくなる、ということが分かる。

また、上記第一実施形態の構成では、四つのキャビティＣの大きさが下流側ほど小さくならないように、仕切板外輪１２に、四つのステップ部５２Ａ〜５２Ｄに対応づけて五つの環状凹部１２２Ａ〜１２２Ｅ（特に上流側の四つの環状凹部１２２Ａ〜１２２Ｄ）が形成されている。このため、特に下流側のキャビティＣ（例えば第三キャビティＣ３や第四キャビティＣ４）における前記距離Ｌを微小かつ精度よく設定しなくても、同一のキャビティＣ内に発生する剥離渦ＳＶの大きさを、容易に主渦ＭＶの大きさよりも小さくすることが可能である。
さらに、上記第一実施形態の構成では、各ステップ部５２の段差面５３が径方向に平行している、すなわち、後述する第二実施形態の構成のように傾斜していないため、チップシュラウド５１の軸方向の寸法を容易に短く設定することも可能である。

〔第二実施形態〕
次に、図５，６を参照して本発明の第二実施形態について説明する。
この実施形態では、第一実施形態の蒸気タービン１と比較して、各ステップ部５２の形状のみが異なっており、その他の構成については第一実施形態と同様である。本実施形態では、第一実施形態と同一の構成要素について同一符号を付す等して、その説明を省略する。

図５に示すように、本実施形態の各ステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｄ）の段差面５３（５３Ａ〜５３Ｄ）には、同一のステップ部５２の外周面５４（５４Ａ〜５４Ｄ）に連なるように、上流側から下流側に向かって傾斜する傾斜面５６（５６Ａ〜５６Ｄ）が形成されている。
また、四つの傾斜面５６Ａ〜５６Ｄは、径方向に対する傾斜角度θ１〜θ４が、下流側に向かうほど大きく設定されている。

すなわち、四つのステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｄ）のうち、最も上流側に位置する一段目のステップ部５２Ａの段差面５３Ａに形成された傾斜面５６Ａの傾斜角度θ１、二段目のステップ部５２Ｂの段差面５３Ｂに形成された傾斜面５６Ｂの傾斜角度θ２、三段目のステップ部５２Ｃの段差面５３Ｃに形成された傾斜面５６Ｃの傾斜角度θ３、及び、四段目のステップ部５２Ｄの段差面５３Ｄに形成された傾斜面５６Ｄの傾斜角度θ４は、
θ１＜θ２＜θ３＜θ４・・・（２）
を満たすように設定されている。

なお、図示例では、各傾斜面５６が各段差面５３の全体に形成されているが、これに限ることは無く、例えば、同一のステップ部５２の外周面５４に連なる段差面５３の上端部分（径方向外方端部分）にのみ形成され、段差面５３の下端部分（径方向内方端部分）は径方向に平行していてもよい。

以上のように構成される本実施形態の蒸気タービンにおいて、図６に示すように、蒸気Ｓが環状溝１２１内に流入した場合には、第一実施形態の場合と同様に、各キャビティＣ（Ｃ１〜Ｃ４）内には、第一回転方向に回る主渦ＭＶ（ＭＶ１〜ＭＶ４）、及び、第二回転方向に回る剥離渦ＳＶ（ＳＶ１〜ＳＶ４）が発生する。

したがって、この実施形態の蒸気タービン１によれば、第一実施形態と同様の効果を奏する。
さらに、本実施形態では、各ステップ部５２の段差面５３に傾斜面５６が形成されていることで、各キャビティＣ内に生じる主渦ＭＶにおいて、各ステップ部５２の段差面５３と外周面５４との角部から剥離する流れの向きが、傾斜面５６によって径方向に対して軸方向下流側に傾くことになる。これにより、各ステップ部５２の外周面５４上に生じる剥離渦ＳＶの直径を小さく抑えることができる。

また、本実施形態では、下流側のステップ部５２Ｂ〜５２Ｄに形成される傾斜面５６Ｂ〜５６Ｄの傾斜角度θ２〜θ４が、上流側のステップ部５２Ａに形成される傾斜面５６Ａの傾斜角度θ１よりも大きいことで、下流側のステップ部５２Ｂ〜５２Ｄの外周面５４Ｂ〜５４Ｄ上に発生する剥離渦ＳＶ２〜ＳＶ４の直径を、上流側のステップ部５２Ａの外周面５４Ａ上に発生する剥離渦ＳＶ１の直径よりも小さく抑える傾向を強めることが可能である。
以上のことから、下流側の剥離渦ＳＶ２〜ＳＶ４による縮流効果及び静圧低減効果をさらに向上させることができる。

特に、本実施形態では、傾斜角度θ１〜θ４が前述した式（２）を満たすように設定されていることで、下流側の剥離渦ＳＶほどその直径を小さく抑える傾向が強まるため、下流側の微小隙間Ｈほど、前述した剥離渦ＳＶによる縮流効果及び静圧低減効果をより効果的に向上させることができる。
したがって、本実施形態の蒸気タービン１によれば、動翼５０のチップシュラウド５１とケーシング１０の仕切板外輪１２との間隙を通過する漏洩流量を、第一実施形態の場合と比較して、さらに低減させることが可能である。

なお、上記第二実施形態において、各傾斜面５６は、各々の傾斜角度を一定とした断面直線状に形成されているが、これに限ることはなく、例えば、各ステップ部５２の外周面５４に近づくにしたがって径方向に対する傾斜角度が変化する断面円弧状に形成されてもよい。また、各傾斜面５６は、これら断面直線状の部分と断面円弧状の部分とを適宜組み合わせて形成されてもよい。
このように、傾斜面５６の一部あるいは全体が断面円弧状に形成されれば、段差面５３に沿う主渦ＭＶの流れが滑らかになるため、主渦ＭＶのエネルギー損失を小さく抑えることができる。
なお、このように傾斜面５６が断面円弧状の部分を有する構成において、断面円弧状の部分が外周面５４に連なる場合には、断面円弧状の部分と外周面５４との角部における断径方向と面円弧状の部分との相対的な角度を、径方向に対する傾斜面５６の傾斜角度として設定すればよい。また、傾斜面５６の断面直線状の部分が外周面５４に連なる場合は、上記第二実施形態の場合と同様に、径方向と断面直線状の部分との相対的な角度を、径方向に対する傾斜面５６の傾斜角度として設定すればよい。
なお、傾斜面５６の一部あるいは全体を断面円弧状にする場合は、傾斜面５６に沿って流れる流体の発生を防止する観点からは、径方向に対する傾斜角度が漸次小さくなる断面円弧形状の方が、傾斜角度が漸次大きくなる断面円弧形状よりも、望ましい。

さらに、上記第二実施形態のように、四つの傾斜面５６Ａ〜５６Ｄの傾斜角度は、式（２）を満たすように設定されることに限らず、少なくとも隣り合う二つのステップ部５２，５２において、傾斜面５６の傾斜角度が上流側のステップ部５２に対して下流側のステップ部５２の方が大きく設定されていればよい。
例えば、三段目のステップ部５２Ｃの傾斜面５６Ｃの傾斜角度θ３（第三傾斜角度θ３）を、二段目のステップ部５２Ｂの傾斜面５６Ｂの傾斜角度θ２（第二傾斜角度θ２）よりも小さく設定した場合、前述の第二傾斜角度θ２を、一段目のステップ部５２Ａの傾斜面５６Ａの第一傾斜角度θ１に対して同等以上に設定したり、四段目のステップ部５２Ｄの傾斜面５６Ｄの第四傾斜角度θ４を、前述の第三傾斜角度θ３に対して同等以上に設定したりしてもよい。

また、上記第二実施形態では、傾斜面５６が、全ての段差面５３に形成されているが、少なくとも隣り合う二つのステップ部５２，５２のうち下流側のステップ部５２の段差面５３に形成されていればよい。
例えば、三段目のステップ部５２Ｃの段差面５３Ｃにのみ傾斜面５６Ｃを形成し、他のステップ部５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｄの段差面５３Ａ，５３Ｂ，５３Ｄには傾斜面５６Ｃが形成されていなくてもよい。また、例えば、一段目、三段目のステップ部５２Ａ，５２Ｃの段差面５３Ａ，５３Ｃのみに傾斜面５６Ａ，５６Ｃを形成し、二段目、四段目のステップ部５２Ｂ，５２Ｄの段差面５３Ｂ，５３Ｄには傾斜面５６Ｂ，５６Ｄが形成されていなくてもよい。

以上、本発明の詳細について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることができる。
例えば、四つの微小隙間Ｈ１〜Ｈ４の寸法は、上記実施形態のように最小となるように同一に設定されることが好ましいが、互いに異なっていても構わない。なお、この場合には、距離Ｌと微小隙間Ｈとの縦横比Ｌ／Ｈが下流側のものほど小さくなるように四つの距離Ｌ１〜Ｌ４を設定することがより好ましい。

また、軸方向に沿って各微小隙間Ｈ（各シールフィン１２４）から上流側に位置するステップ部５２の段差面５３に至る距離Ｌは、前述した式（１）を満たすように設定されることに限らず、少なくとも隣り合う二つで、上流側のステップ部５２に対して下流側のステップ部５２の方が小さく設定されていればよい。
具体的に説明すれば、例えば、第三微小隙間Ｈ３から三段目のステップ部５２Ｃの段差面５３Ｃに至る第三距離Ｌ３を、第二微小隙間Ｈ２から二段目のステップ部５２Ｂの段差面５３Ｂに至る第二距離Ｌ２よりも小さく設定した場合、前述の第二距離Ｌ２を、第一微小隙間Ｈ１から一段目のステップ部５２Ａの段差面５３Ａに至る第一距離Ｌ１に対して同等以上に設定したり、第四微小隙間Ｈ４から四段目のステップ部５２Ｄの段差面５３Ｄに至る第四距離Ｌ４を、前述の第三距離Ｌ３に対して同等以上に設定したりしてもよい。
さらに、上記実施形態では、四つの段差面５３Ａ〜５３Ｄの高さが同一に設定されているが、同一でなくてもよい。
また、上記実施形態では、四つのシールフィン１２４Ａ〜１２４Ｄが軸方向に等間隔で配列されているが、等間隔でなくてもよい。

さらに、上記実施形態では、各キャビティＣの一部の隅部が丸みを帯びているが、例えば全ての隅部が丸みを帯びていてもよいし、例えば全ての隅部が丸みを帯びていなくてもよい。
また、上記実施形態では、環状溝１２１の底部に、段差により漸次拡径された四つの環状凹部１２２Ａ〜１２２Ｄと、四段目の環状凹部１２２Ｄよりも縮径された五段目の環状凹部１２２Ｅとを形成しているが、これに限ることは無く、例えば、環状溝１２１の底部を略同径に形成しても構わない。この場合には、四つのキャビティＣ１〜Ｃ４の大きさが、下流側に向かうにしたがって小さくなる。
さらに、上記実施形態では、距離Ｌを除いて四つのキャビティＣ１〜Ｃ４の各部寸法が同一に設定されているが、同一でなくてもよい。

また、上記実施形態では、チップシュラウド５１にステップ部５２を四つ設け、これによってキャビティＣも四つ形成しているが、ステップ部５２やこれに対応するキャビティＣは少なくとも複数であればよく、例えば二つであっても、三つ、あるいは五つ以上であってもよい。
さらに、シールフィン１２４や環状凹部１２２は、ケーシング１０の仕切板外輪１２に形成されるとしたが、例えば仕切板外輪１２を設けずに、ケーシング１０の本体部１１に直接形成してもよい。

また、上記実施形態では、複数のステップ部５２がチップシュラウド５１に設けられると共に、シールフィン１２４がケーシング１０に設けられているが、例えば、複数のステップ部５２をケーシング１０に設けると共に、シールフィン１２４をチップシュラウド５１に設けてもよい。
さらに、上記実施形態のように縮流効果及び静圧低減効果を発揮する構成は、動翼５０の先端部をなすチップシュラウド５１とケーシング１０との間隙に形成されることに限らず、例えば、静翼４０の先端部をなすハブシュラウド４１と軸体３０との間隙に形成されてもよい。すなわち、静翼４０を本発明の「ブレード」とし、軸体３０を本発明の「構造体」としてもよい。この場合でも、上述した全ての実施形態と同様の効果が得られる。

そして、上記実施形態では、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。
また、上記実施形態では、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。

１…蒸気タービン（タービン）、１０…ケーシング（構造体）、１１…本体部、１２…仕切板外輪、３０…軸体、４０…静翼、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，５２Ｂ，５２Ｃ，５２Ｄ…ステップ部、５３，５３Ａ，５３Ｂ，５３Ｃ，５３Ｄ…段差面、５４，５４Ａ，５４Ｂ，５４Ｃ，５４Ｄ…外周面、５６，５６Ａ，５６Ｂ，５６Ｃ，５６Ｄ…傾斜面、１２１…環状溝、１２４，１２４Ａ，１２４Ｂ，１２４Ｃ，１２４Ｄ…シールフィン、Ｃ，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４…キャビティ、Ｈ，Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４…微小隙間、Ｌ，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４…距離、Ｓ…蒸気（流体）、θ１，θ２，θ３，θ４…傾斜角度

Claims (4)

1. ブレードと、
   前記ブレードの先端部側に間隙を介して設けられると共に、前記ブレードに対して相対回転する構造体と、を備え、
   前記間隙に流体が流通されるタービンであって、
   前記ブレードの先端部、及び、前記構造体のうち前記ブレードの先端部に対向する部位のいずれか一方には、前記構造体の回転軸方向の上流側に向く段差面を有して他方側に突出する複数のステップ部が、前記回転軸方向に並べて設けられ、
   前記他方には、各ステップ部の周面に向けて延出し、対応するステップ部の周面との間に微小隙間を形成するシールフィンが設けられ、
   前記構造体の回転軸方向に沿って前記微小隙間から上流側の前記段差面に至る距離は、少なくとも隣り合う二つで、上流側のステップ部に対して下流側のステップ部の方が小さく設定されていることを特徴とするタービン。
2. 前記距離が、前記下流側に位置する前記ステップ部ほど小さく設定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。
3. 隣り合う二つのステップ部のうち、少なくとも下流側のステップ部の前記段差面には、前記周面に連なるように、前記上流側から下流側に向かって傾斜する傾斜面が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のタービン。
4. 少なくとも隣り合う二つの前記ステップ部の前記段差面に、前記傾斜面が形成され、
   前記傾斜面の傾斜角度は、前記上流側のステップ部に対して下流側のステップ部の方が大きく設定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。

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