JP2018035676A - タービン - Google Patents

Abstract

【課題】漏れ流れのディフューザー壁面からの剥離による圧力損失の増加を抑制する。【解決手段】周方向に並べた複数の動翼からなる動翼翼列を軸方向に複数段落設けて形成したタービンロータ１２と、タービンロータ１２を覆う静止体１４と、静止体１４の出口側に設けたディフューザー１０とを備えたタービン９において、タービンロータ１２の最終段動翼２１ｄは、翼部２６と、翼部２６の先端に設けたカバー２７とを備え、隣接するもの同士のカバー２７が連結して環状を構成し、ディフューザー１０は、静止体１４の出口部の内周面４５に対して入口部の外周面４６が小径に形成されており、軸方向から見て径方向において入口部の周壁部がカバーに少なくとも部分的に重なるように形成されており、静止体１４とカバー２７との間の環状の間隙空間４２が、軸方向から見てディフューザー１０の外周面の外側の空間に臨んでいることを特徴とする。【選択図】図６

Description

本発明は、タービンに関する。

近年のタービンの高出力化、高効率化の要求に対応すべく、低圧タービンの最終段の動翼（以下、最終段動翼）は長翼化傾向にある（特許文献１等を参照）。

特開２００３−６５００２号公報

最終段動翼を長翼化した場合、最終段動翼の周速が増加し、その増加した周速に合う大きな段落熱落差を得るために、最終段動翼の作動流体の流れ方向の上流側（以下、上流側）における作動流体の圧力を上昇させる必要がある。一方、最終段動翼の作動流体の流れ方向の下流側（以下、下流側）における作動流体の圧力は、タービンの下流側に配置された復水器内の圧力によりほぼ決定される。そのため、最終段動翼の上流側にある作動流体の圧力を上昇させると、最終段動翼の作動流体の下流圧力に対する上流圧力の比が大きくなる。

ところで、タービンでは、回転体であるタービンロータの動翼とタービンロータを覆う静止体との間に隙間があり、最終段動翼の上流側にある作動流体の一部が隙間を通過し得る。このように、動翼の翼部（プロフィル部）を通らず、動翼先端とこれに対向する静止体との間の隙間を通る流れを本願明細書では漏れ流れと記載する。漏れ流れは、動翼先端と静止体との対向面にシールフィンを設けて抑制される場合があるが、この場合でもシールフィン先端とその対向部との間に微小な隙間が残り、完全には抑えきれない。

上述のように、最終段動翼の下流圧力に対する上流圧力の比が大きくなり、漏れ流れのシールフィン前後の圧力比が臨界圧力比を超えると、漏れ流れも超音速で微小な隙間から流出する。一般的に、超音速流れは、亜音速流れとは反対に、流れの断面積の増加に伴って流速が増加し圧力が低下する。そのため、超音速の漏れ流れは、主流の亜音速流れを減速させるために流れの断面積が増加するように設けられたディフューザーの部分で流速が増加する。さらにその下流で、衝撃波が発生し亜音速流れになる。このとき、シールフィン通過に伴って下がった漏れ流れの圧力が、ディフューザー内の衝撃波（不連続な圧力の変化）により急激に上昇する。ディフューザー壁面の近傍を流れる流速の遅い壁面境界層流れが、この衝撃波を通過する際、ディフューザー壁面から剥離し、ディフューザーとしての流路面積拡大効果が小さくなり、圧力回復性能が低下する、さらには圧力損失が増加する可能性がある。

本発明は上記に鑑みてなされたもので、漏れ流れのディフューザー壁面からの剥離による圧力損失の増加を抑制できるタービンを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、周方向に並べた複数の動翼からなる動翼翼列を軸方向に複数段落設けて形成したタービンロータと、前記タービンロータを覆う静止体と、前記静止体の出口側に設けたディフューザーとを備えたタービンにおいて、前記タービンロータの最終段動翼は、翼部と、前記翼部の先端に設けたカバーとを備え、隣接するもの同士の前記カバーが連結して環状を構成し、前記ディフューザーは、前記静止体の出口部の内周面に対して入口部の外周面が小径に形成されており、軸方向から見て径方向において前記入口部の周壁部が前記カバーに少なくとも部分的に重なるように形成されており、前記静止体と前記カバーとの間の環状の間隙空間が、軸方向から見て前記ディフューザーの外周面の外側の空間に臨んでいることを特徴とする。

本発明によれば、漏れ流れのディフューザー壁面からの剥離による圧力損失の増加を抑制できる。

本発明の一実施形態に係る低圧タービンを備える蒸気タービン発電設備の一構成例の全体構成を表す概略図である。 本発明の一実施形態に係る低圧タービンの要部の内部構造を表す断面図である。 本発明の一実施形態に係る低圧タービンが備える最終段動翼の概略構成を表す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る低圧タービンが備える最終段動翼をロータディスクに固定した状態を表す斜視図である。 図４を径方向外側から見た図である。 本発明の一実施形態に係る低圧タービンが備える内側静止体の出口部を示す部分拡大図である。 比較例に係る低圧タービンが備える内側静止体の出口部を示す部分拡大図である。

（構成）
１．蒸気タービン発電設備
図１は、本発明の一実施形態に係る低圧タービンを備える蒸気タービン発電設備の一構成例の全体構成を表す概略図である。図１に示すように、蒸気タービン発電設備１００は、蒸気発生源１、高圧タービン３、中圧タービン６、低圧タービン９、復水器１１及び負荷機器１３を備えている。

蒸気発生源（ボイラ）１は、復水器１１から供給された給水を加熱し、高温高圧の蒸気を発生させるものである。ボイラ１で発生した蒸気は、主蒸気管２を介して高圧タービン３に導かれ、高圧タービン３を駆動する。高圧タービン３を駆動して減圧した蒸気は、高圧タービン排気管４を流下してボイラ１に導かれ、再度加熱されて再熱蒸気となる。

ボイラ１で加熱された再熱蒸気は、再熱蒸気管５を介して中圧タービン６に導かれ、中圧タービン６を駆動する。中圧タービン６を駆動して減圧した蒸気は、中圧タービン排気管７を介して低圧タービン９に導かれ、低圧タービン９を駆動する。低圧タービン９を駆動して減圧した蒸気は、ディフューザー１０を流れて復水器１１に導かれる。復水器１１は冷却水配管（不図示）を備えており、復水器１１に導かれた蒸気と冷却水配管内を流れる冷却水とを熱交換させて蒸気を復水する。復水器１１で生成された復水は、給水として給水ポンプ５６により再びボイラ１に送られる。

高圧タービン３、中圧タービン６及び低圧タービン９は、タービンロータ１２によって同軸上に連結されている。負荷機器（本実施形態では、発電機）１３は、タービンロータ１２に連結されており、高圧タービン３、中圧タービン６及び低圧タービン９の回転動力により発電機１３が駆動され、高圧タービン３、中圧タービン６及び低圧タービン９の回転動力が電力に変換される。

本実施形態では、連結された高圧タービン３、中圧タービン６及び低圧タービン９が発電機１３を駆動する構成を例示したが、高圧タービン３、中圧タービン６及び低圧タービン９がそれぞれ発電機を駆動し個別に電力に変換する構成としても良いし、高圧タービン３、中圧タービン６及び低圧タービン９のうち任意の２つを連結したもので発電機を駆動し電力に変換する構成としても良い。また、高圧タービン３、中圧タービン６及び低圧タービン９を備える構成を例示したが、中圧タービン６を省略し、高圧タービン３及び低圧タービン９を備える構成としても良い。更に、蒸気発生源１としてボイラを備える構成を例示したが、蒸気発生源１としてガスタービンの排熱を利用する廃熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ：Ｈｅａｔ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｓｔｅａｍ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）を備える構成、つまり蒸気タービン設備をコンバインドサイクル発電設備としても良い。また、蒸気発生源１として原子炉を備える原子力発電設備としても良い。

２．蒸気タービン
図２は、本発明の一実施形態に係る低圧タービン９の要部の内部構造を表す断面図である。図２に示すように、低圧タービン９は、タービンロータ１２、内側静止体１４、ディフューザー１０及び外側静止体８を備えている。なお、本明細書では、タービンロータ１２の回転方向、回転軸方向を単に「回転方向」、「回転軸方向」と、タービンロータ１２の径方向内側、径方向外側を単に「径方向内側」、「径方向外側」と言う。

・内側静止体
内側静止体１４は、タービンロータ１２を覆うように設けられている。内側静止体１４は、ケーシング１６、外側ダイヤフラム１７ａ〜１７ｄ、静翼１８ａ〜１８ｄ及び内側ダイヤフラム１９ａ〜１９ｄを備えている。

ケーシング１６は、内側静止体１４の外周壁を形成する筒状の部材である。本実施形態では、ケーシング１６の下流側の端部に支持部４４（後述する）を介してディフューザー１０の外周壁部１０Ｂが接続している。ケーシング１６内に、外側ダイヤフラム１７ａ〜１７ｄ、静翼１８ａ〜１８ｄ、内側ダイヤフラム１９ａ〜１９ｄ及びタービンロータ１２が収容されている。

外側ダイヤフラム１７ａ〜１７ｄは、ケーシング１６の内周面に支持されている。外側ダイヤフラム１７ａ〜１７ｄは、回転方向に延在する円筒状の部材である。本実施形態では、外側ダイヤフラム１７ａ〜１７ｄは、半円形状に形成された部材を組み合わせて構成されている。外側ダイヤフラム１７ａ〜１７ｄは、内周面が下流側に向かって径方向外側に広がるように形成されている。なお、本実施形態では、外側ダイヤフラム１７ａ〜１７ｄをそれぞれケーシング１６の内周面で支持する構成を例示しているが、外側ダイヤフラム１７ａ〜１７ｄを一体的に形成し、ケーシング１６の内周面で支持する構成としても良い。

静翼１８ａ〜１８ｄは、外側ダイヤフラム１７ａ〜１７ｄの内周面に回転方向に沿って複数設けられている。静翼１８ａ〜１８ｄは、外側ダイヤフラム１７ａ〜１７ｄの内周面から径方向内側に向かって延伸して設けられている。

内側ダイヤフラム１９ａ〜１９ｄは、外側ダイヤフラム１７ａ〜１７ｄの径方向内側に設けられている。内側ダイヤフラム１９ａ〜１９ｄは、回転方向に延在する円筒状の部材である。本実施形態では、内側ダイヤフラム１９ａ〜１９ｄは、半円形状に形成された部材を組み合わせて構成されている。内側ダイヤフラム１９ａ〜１９ｄの外周面には、静翼１８ａ〜１８ｄが接続している。つまり、静翼１８ａ〜１８ｄは、外側ダイヤフラム１７ａ〜１７ｄと内側ダイヤフラム１９ａ〜１９ｄとの間に固定されている。

本実施形態では、外側ダイヤフラム１７ａ、静翼１８ａ及び内側ダイヤフラム１９ａは第１段の静翼翼列１５ａを、外側ダイヤフラム１７ｂ、静翼１８ｂ及び内側ダイヤフラム１９ｂは第２段の静翼翼列１５ｂを、外側ダイヤフラム１７ｃ、静翼１８ｃ及び内側ダイヤフラム１９ｃは第３段の静翼翼列１５ｃを、外側ダイヤフラム１７ｄ、静翼１８ｄ及び内側ダイヤフラム１９ｄは第４段（最終段）の静翼翼列１５ｄを構成している。

内側ダイヤフラム１９ａ〜１９ｄ及び動翼２１ａ〜２１ｄのプラットフォーム（後述する）と外側ダイヤフラム１７ａ〜１７ｄ及びカバー（後述する）との間に形成される環状の空間は、作動流体２２が流れる流路（環状流路）２３を構成している。環状流路２３の内周壁は内側ダイヤフラム１９ａ〜１９ｄの外周面及び動翼２１ａ〜２１ｄのプラットフォームの外周面で形成され、外周壁は外側ダイヤフラム１７ａ〜１７ｄの内周面及びカバーの径方向内側を向いた面で形成されている。

・タービンロータ
タービンロータ１２は、ロータディスク２０ａ〜２０ｄ及び動翼２１ａ〜２１ｄを備えている。

ロータディスク２０ａ〜２０ｄは、回転軸方向に並べて配置された円盤状の部材である。ロータディスク２０ａ〜２０ｄは、スペーサ（不図示）と交互に重畳される場合もある。

動翼２１ａ〜２１ｄは、それぞれロータディスク２０ａ〜２０ｄの外周面に回転方向に沿って等間隔に複数設けられている。動翼２１ａ〜２１ｄは、ロータディスク２０ａ〜２０ｄの外周面から径方向外側に向かって延伸して設けられている。動翼２１ａ〜２１ｄは、環状流路２３を流れる作動流体２２により、ロータディスク２０ａ〜２０ｄと共に回転軸Ｒを中心に回転する。

本実施形態では、ロータディスク２０ａ及び動翼２１ａは第１段の動翼翼列５３ａを、ロータディスク２０ｂ及び動翼２１ｂは第２段の動翼翼列５３ｂを、ロータディスク２０ｃ及び動翼２１ｃは第３段の動翼翼列５３ｃを、ロータディスク２０ｄ及び動翼２１ｄは第４段（最終段）の動翼翼列５３ｄを構成している。

静翼１８ａ〜１８ｄと動翼２１ａ〜２１ｄは、内側静止体１４の作動流体２２の入口側（最上流側）から下流側に向かって、静翼１８ａ、動翼２１ａ、静翼１８ｂ、動翼２１ｂ・・・となるように、回転軸方向に交互に設けられており、静翼１８ａ〜１８ｄは、動翼２１ａ〜２１ｄに対して回転軸方向に対向するように配置されている。

内側静止体１４の作動流体２２の入口側から、回転軸方向に隣接する１組の静翼翼列と動翼翼列は、翼段落を構成している。本実施形態では、第１段の静翼翼列１５ａと第１段の動翼翼列５３ａは第１の翼段落２４ａを、第２段の静翼翼列１５ｂと第２段の動翼翼列５３ｂは第２の翼段落２４ｂを、第３段の静翼翼列１５ｃと第３段の動翼翼列５３ｃは第３の翼段落２４ｃを、第４段の静翼翼列１５ｄと第４段の動翼翼列５３ｄは第４の翼段落２４ｄを構成している。第４の翼段落２４ｄは、内側静止体１４の作動流体２２の出口側に配置された最終段であり、ディフューザー１０に最も近い位置に配置されている。第１〜第４の翼段落に配置された動翼２１ａ〜２１ｄの翼長（径方向の長さ）は、下流側に位置するものほど長くなるように形成されており、第４の翼段落２４ｄに配置された動翼（最終段動翼）２１ｄの翼長は、動翼２１ａ〜２１ｃよりも長く形成されている（動翼２１ａ〜２１ｄのうち最も長く形成されている）。具体的に、最終段動翼２１ｄは、タービンロータ１２の回転中に翼部２６（後述する）の先端部の回転周速を翼部２６の先端部を流れる作動流体２２の音速で割った動翼先端周速マッハ数が１．０を超えるような翼長を有している。

図３は、最終段動翼２１ｄの概略構成を表す斜視図である。図３に示すように、最終段動翼２１ｄは、プラットフォーム２５、翼部２６、インテグラルカバー２７及びタイボス２８を備えている。

プラットフォーム２５は、翼部２６の根元部（径方向内側の部分）２９の端面の全体を覆う大きさを有しており、本実施形態では、径方向外側から見てひし形状に形成されている。プラットフォーム２５の下面（径方向内側を向く面）には、翼部２６と反対側に突出する植え込み部（不図示）が設けられている。植え込み部は、例えば、逆クリスマスツリー型に形成されている。この植え込み部をロータディスク２０ｄ（図２を参照）の外周面に形成された溝部（不図示）と嵌め合わせることにより、最終段動翼２１ｄがロータディスク２０ｄに固定される。なお、本実施形態では植え込み部を逆クリスマスツリー型に形成した場合を例示したが、ロータディスク２０ｄの外周面に形成された溝部と嵌め合い、タービンロータ１２の回転時に生じる遠心力に抗して最終段動翼２１ｄをロータディスク２０ｄに固定することができれば、植え込み部の形状は逆クリスマスツリー型に限定されない。

翼部２６は、プラットフォーム２５の外周面に取り付けられ、プラットフォーム２５の外周面から径方向外側に延在している。翼部２６は、捩れて形成されている。

インテグラルカバー（カバー）２７は、翼部２６の先端部（径方向外側の端部）３０に設けられている。カバー２７は、最終段動翼２１ｄの背側部を回転方向に延在する背側インテグラルカバー（第１のカバー）２７Ａ、及び最終段動翼２１ｄの腹側部を回転方向に延在する腹側インテグラルカバー（第２のカバー）２７Ｂを備えている。上述のように、カバー２７は、径方向内側を向いた面が環状流路２３の外周壁の一部を構成し、環状流路２３を画定している。また、カバー２７は、タービンロータ１２の回転中に最終段動翼２１ｄと回転方向の両側に隣接する最終段動翼（隣接翼）同士のカバーと接触し、最終段動翼２１ｄと隣接翼を連結して環状を構成する。タービンロータ１２の回転中におけるカバー２７の作用については後述する。

カバー２７は、最終段動翼２１ｄを低圧タービン９に組み付けた場合、タービンロータ１２の回転軸Ｒを含む平面で切断した断面（以下、子午面断面と言う）で見て、外側ダイヤフラム１７ｄ（静止体１４）の内周面に対向し、回転軸方向に延在する面を有している。本願明細書では、カバー２７の径方向外側を向いて、外側ダイヤフラム１７ｄの内周面に対向する面を、便宜上、動翼先端面３１と記載する。本実施形態では、動翼先端面３１は、最終段動翼２１ｄの先端部３０の端面の全体を覆う大きさに形成されている。つまり、最終段動翼２１ｄを低圧タービン９に組み付けた場合、子午面断面で見て、動翼先端面３１の回転軸方向の長さは、最終段動翼２１ｄの先端部３０における翼部２６の回転軸方向の長さより長くしてある。動翼先端面３１と外側ダイヤフラム１７ｄの内周面との間には、最終段動翼２１ｄの上流及び下流側の空間を連通する間隙空間４２がある（図２を参照）。

タイボス２８は、翼部２６の根元部２９と先端部３０の間に設けられている。本実施形態では、タイボス２８は、翼部２６の径方向における中間部に設けられている。タイボス２８は、最終段動翼２１ｄの背側に設けられた背側タイボス（第１のタイボス）２８Ａ、及び腹側に設けられた腹側タイボス（第２のタイボス）２８Ｂを備えている。タイボス２８は、タービンロータ１２の回転中に隣接翼のタイボスと接触し、最終段動翼２１ｄと隣接翼を連結する。タービンロータ１２の回転中におけるタイボス２８の作用については後述する。なお、本実施形態では、タイボス２８を翼部２６の径方向における中間部に設けた場合を例示したが、翼部２６のねじり剛性等に応じてタイボス２８を翼部２６の中間部から径方向内側又は径方向外側にずらしても良い。

図４は最終段動翼２１ｄをロータディスク２０ｄに固定した状態を表す斜視図、図５は図４を径方向外側から見た図である。なお、図４では、ロータディスク２０ｄを省略している。

タービンロータ１２の回転速度の上昇に伴い、最終段動翼２１ｄの翼部２６には、根元部２９から先端部３０に向かって遠心力が作用する。上述のように、翼部２６は捩れているため、遠心力により、翼部２６には、捩り戻り（アンツイスト）が生じる。これにより、図４に示すように、翼部２６の先端部３０にはアンツイストモーメント３３が、中間部にはアンツイストモーメント３４が、根元部２９にはアンツイストモーメント３５がそれぞれ矢印の示す方向に作用する。同様に、最終段動翼２１ｄに対し回転方向に隣接する最終段動翼２１ｄ’の翼部２６’の先端部３０’にはアンツイストモーメント３３’が、中間部にはアンツイストモーメント３４’が、根元部２９’にはアンツイストモーメント３５’がそれぞれ矢印の示す方向に作用する。

図５に示すように、本実施形態では、最終段動翼２１ｄを低圧タービン９に組み付けた場合、径方向外側から見て、最終段動翼２１ｄの第１のカバー２７Ａの回転方向の下流側の端面３６と最終段動翼２１ｄ’の第２のカバー２７Ｂ’の回転方向の上流側の端面３６’とがタービンロータ１２の回転中にアンツイストモーメント３３，３３’を拘束するようにしてある。また、最終段動翼２１ｄの第２のタイボス２８Ｂと最終段動翼２１ｄ’の第１のタイボス２８Ａ’とがアンツイストモーメント３４，３４’を拘束するようにしてある。これにより、タービンロータ１２の回転中に端面３６と端面３６’が面接触し、第２のタイボス２８Ｂと第１のタイボス２８Ａ’が面接触して、最終段動翼２１ｄ，２１ｄ’が回転方向に連結される。

図６は、内側静止体１４（外側ダイヤフラム１７ｄ）の出口部を示す部分拡大図である。

本実施形態では、最終段動翼２１ｄを低圧タービン９に組み付けた場合、図６に示すように、子午面断面で見て、外側ダイヤフラム１７ｄの突出部５５の最終段動翼２１ｄに対向する面にシールフィン３８が設けられている（カバー２７の動翼先端面３１にはシールフィンを設けていない）。本願明細書では、外側ダイヤフラム１７ｄの突出部５５の内周面のうち、回転軸方向に延在し最終段動翼２１ｄに対向する部分を、便宜上、動翼対向面４０と記載する。なお、本実施形態では、外側ダイヤフラム１７ｄと突出部５５が一体成形されている構成を例示したが、突出部５５を最終段動翼２１ｄの外側の内ケーシングとして外側ダイヤフラム１７ｄに溶接等により取り付ける構成としても良い。シールフィン３８は、最終段動翼２１ｄを低圧タービン９に組み付けた場合、子午面断面で見て、カバー２７と動翼対向面４０の間の間隙空間４２を流れる漏れ流れ４３を抑制するように、動翼対向面４０から最終段動翼２１ｄに向かって延在している。言い換えれば、最終段動翼２１ｄは、その先端（カバー２７）がシールフィン３８に対向するように配置されている。本実施形態では、シールフィン３８は、動翼対向面４０に回転軸方向に１つ設けられている。シールフィン３８の先端部（径方向内側の端部）と動翼先端面３１との間には、静止体１４とタービンロータ１２の接触を回避するため微小な隙間がある。

・ディフューザー
図２に示すように、ディフューザー１０は内側静止体１４の出口側（下流側）に設けられている。ディフューザー１０は、タービンロータ１２を回転駆動した作動流体（排気）を、圧力回復させながら復水器１１（図１を参照）に導く機能を有している。すなわち最終段動翼２１ｄを出た亜音速流れを、ディフューザー１０の拡大流路により圧力回復させることで、最終段出口の静圧を低下させ、蒸気からより多くのエネルギーを取り出すことを可能とする機能を有している。ディフューザー１０は、内周壁部１０Ａ及び外周壁部１０Ｂを備えている。内周壁部１０Ａは、ディフューザー１０の内周面を構成する円すい面状の部材である。外周壁部１０Ｂは、内周壁部１０Ａの外周側を覆うように形成された円すい面状の部材であり、ディフューザー１０の外周面を構成している。内周壁部１０Ａと外周壁部１０Ｂとの間に形成される環状の空間は、タービンロータ１２を回転駆動した作動流体２２が流れる流路（ディフューザー流路）１０Ｃを構成している。

本実施形態では、ディフューザー１０の内周壁部１０Ａの下流側の端部は、外側静止体８の壁面に接続している。ディフューザー１０の外周壁部１０Ｂは、ケーシング１６の下流側の端部に支持部４４を介して接続し支持されている。本実施形態では、支持部４４は、ケーシング１６の下流側の端部からディフューザー１０の外周壁部１０Ｂに向かって延在する棒状部材である。本実施形態では、支持部４４は、回転方向に沿って複数設けられている。なお、本実施形態では、ケーシング１６の下流側の端部に支持部４４を介してディフューザー１０の外周壁部１０Ｂが接続している構成を例示したが、外側ダイヤフラム１７ｄの下流側の端部にディフューザー１０の外周壁部１０Ｂを接続する構成としても良い。

図６に示すように、ディフューザー１０は、内側静止体１４（外側ダイヤフラム１７ｄ）の出口部（下流側端部）の内周面４５に対して、外周壁部１０Ｂの入口部（上流側端部）の外周面４６が小径となるように形成されている。つまり、ディフューザー１０は、タービンロータ１２の回転軸Ｒ（図２を参照）から外周壁部１０Ｂの入口部の外周面４６までの距離が、回転軸Ｒから外側ダイヤフラム１７ｄの出口部の内周面４５までの距離より短くなるように形成されている。

本実施形態では、ディフューザー１０は、回転軸方向から見て径方向において外周壁部１０Ｂの入口部の周壁部４９がカバー２７に少なくとも部分的に重なるように形成されている。すなわち、ディフューザー１０は、回転軸方向から見て外周壁部１０Ｂの入口部の周壁部４９の少なくとも一部がカバー２７に隠れるように形成されている。なお、周壁部４９は、最終段動翼２１ｄを低圧タービン９に組み付けた場合、子午面断面で見て、ディフューザー１０の外周壁部１０Ｂにおける最終段動翼２１ｄのカバー２７に回転軸方向に対向する壁面を言う。

更に、本実施形態では、ディフューザー１０は、回転軸方向から見て径方向において外周壁部１０Ｂの入口部の周壁部４９がカバー２７の径方向の厚みの範囲内に位置するように形成されている。具体的に、ディフューザー１０は、回転軸方向から見て外周壁部１０Ｂの入口部の外周面４６がカバー２７の上面（径方向外側を向く面）と面一又は上面に対し径方向内側に位置し、外周壁部１０Ｂの入口部の内周面４７がカバー２７の下面（径方向内側を向く面）と面一又は下面に対し径方向外側に位置するように形成されている。図６に例示する構成では、ディフューザー１０は、軸方向から見て外周壁部１０Ｂの外周面４６がカバー２７の上面と面一に、外周壁部１０Ｂの内周面４７がカバー２７の下面に対し径方向外側に位置するように形成されている。

内側静止体１４（外側ダイヤフラム１７ｄ）の出口部の内周面４５とディフューザー１０の外周壁部１０Ｂの外周面４６との間には回転方向に延在する環状の隙間４８が形成されている。隙間４８は、間隙空間４２とディフューザー１０の外周壁部１０Ｂの外周面４６の外側の空間（以下、ディフューザ外側空間）３２とを連通しており、間隙空間４２は回転軸方向から見てディフューザー外側空間３２に臨んでいる。

・外側静止体
図２に示すように、外側静止体８は、内側静止体１４、タービンロータ１２及びディフューザー１０を覆うように設けられており、低圧タービン９の外壁を形成している。

（動作）
・主流（動翼の翼部を通る流れ）について
作動流体２２の主流は、第１段の静翼翼列１５ａの静翼１８ａ間に流入し、静翼１８ａの形状に沿って流れを転向しながら加速して、静翼１８ａ間から流出する。静翼１８ａ間から流出した主流は、第１段の静翼翼列１５ａの下流側に配置された第１段の動翼翼列５３ａの動翼２１ａに流入してタービンロータ１２を回転駆動する。動翼２１ａ間から流出した主流は、第１段の動翼翼列５３ａの下流側に配置された第２段の静翼翼列１５ｂの静翼１８ｂ間に流入する。以降、主流は、静翼による転向及び加速成分の付与と動翼の回転駆動を繰り返しながら、内側静止体１４の出口部からディフューザー流路１０Ｃに流入する。

・漏れ流れについて
図６に示すように、作動流体２２の一部は、シールフィン３８の先端部とカバー２７の間にある微小な隙間を通り、漏れ流れ４３として間隙空間４２に流入する。

最終段動翼２１ｄの上流側における作動流体２２の圧力を上昇させると、最終段動翼２１ｄの回転速度が上昇し、翼部２６の先端部の回転周速が上昇する。作動流体が動翼に対して回転駆動力を与えるためには、動翼入口の淀み点圧力は周速が大きくなるほど大きくする必要がある。そのため、シールフィン３８前後の圧力比が大きくなり、翼部２６の先端部の回転周速を翼部２６に流入する作動流体２２の音速で割った動翼先端周速マッハ数が１．０を超えて大きくなると、シールフィン３８前後の圧力比は、シールフィン３８を通過した下流で超音速となる臨界圧力比を超える可能性が大きくなる。

間隙空間４２のシールフィン３８の下流側を流れる超音速の漏れ流れ４３は、内側静止体１４（外側ダイヤフラム１７ｄ）の出口部から流出し、隙間４８を通ってディフューザー外側空間３２（言い換えれば、外側静止体８の内側の空間）に導かれる。その後、漏れ流れ４３は、ディフューザー外側空間３２で徐々に減速され亜音速流れにまで減速される。

（効果）
（１）図７は、比較例に係る外側ダイヤフラムの出口部を示す部分拡大図である。図７に示すように、比較例では、ディフューザーＥの外周壁部Ｉは外側ダイヤフラムＣの出口部の端面に接続して設けられている。言い換えれば、ディフューザーＥの外周壁部Ｉの外周面が外側ダイヤフラムＣの内周面に対して小径となるように形成されていない。そのため、シールフィンＧの先端部とカバーＢの間にある微小な隙間Ｆを通り、カバーＢと外側ダイヤフラムＣの間にある隙間を流れる超音速の漏れ流れＤは、流速を増加させてディフューザーＥに流入し、その後、衝撃波によって全圧損失を伴い亜音速流れになる。このとき、シールフィン通過に伴って下がった漏れ流れＤの圧力が、ディフューザーＥ内の衝撃波Ｈを通過して亜音速になることで急激に上昇する。ディフューザー壁面の近傍を流れる流速の遅い壁面境界層流れが、この衝撃波を通過する際、ディフューザーＥの壁面から剥離し、ディフューザーとしての流路面積拡大効果が小さくなり、圧力回復性能が低下する、さらには圧力損失が増加する可能性がある。

これに対し、本実施形態では、図６に示すように、ディフューザー１０を外側ダイヤフラム１７ｄの内周面４５に対して外周壁部１０Ｂの外周面４６が小径となるように形成し、外側ダイヤフラム１７ｄの内周面４５と外周壁部１０Ｂの外周面４６との間に隙間４８を設け、間隙空間４２が軸方向から見てディフューザー外側空間３２に臨むようにしてある。そのため、間隙空間４２のシールフィン３８の下流側を流れる超音速の漏れ流れ４３を、外側ダイヤフラム１７ｄの出口部から隙間４８を介してディフューザー外側空間３２に導くことができる。これにより、超音速の漏れ流れ４３がディフューザー１０に流入しディフューザー１０内に衝撃波が生じることを回避することができる。従って、ディフューザー１０の外周壁部１０Ｂの近傍を流れる流速の遅い壁面境界層流れがディフューザー１０の外周壁部１０Ｂから剥離することを回避することができ、圧力損失の増加を抑制することができる。

（２）図７に示すように、比較例に係る最終段動翼Ａでは、ディフューザーＥを流れる超音速の漏れ流れＤの一部が、最終段動翼Ａの翼部Ｋを通ってディフューザーＥに流入した主流Ｌに干渉し、速度の異なる流体混合による干渉損失が発生し得る。これに対し、本実施形態では、上述のように、超音速の漏れ流れ４３の流れを隙間４８を介してディフューザー外側空間３２に導くことができるため、超音速の漏れ流れ４３が最終段動翼２１ｄの翼部２６を通ってディフューザー１０に流入した主流に干渉することを回避することができる。

（３）本実施形態では、ディフューザー１０を軸方向から見て径方向において外周壁部１０Ｂの入口部の周壁部４９がカバー２７の径方向の厚みの範囲内に位置するように形成している。これにより、軸方向から見てディフューザー１０の外周壁部１０Ｂの入口部の周壁部４９がカバー２７の上面より径方向外側に突出することがない。従って、間隙空間４２のシールフィン３８の下流側を流れる超音速の漏れ流れ４３が隙間４８を通過する際にディフューザー１０の外周壁部１０Ｂの入口部の周壁部４９と干渉する（衝突する）ことを回避でき、超音速の漏れ流れ４３をディフューザー外側空間３２にスムーズに導くことができる。

＜その他＞
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。例えば、本実施形態の構成の一部を削除することも可能である。

上述した実施形態では、カバー２７に外側ダイヤフラム１７ｄが対向する構成を例示した。しかしながら、本発明の本質的効果は、漏れ流れのディフューザー壁面からの剥離による圧力損失の増加を抑制できる動翼を提供することであり、この本質的効果を得る限りにおいては、必ずしも上述した構成に限定されない。カバー２７に対向する部材は内側静止体１４であり、例えば、カバー２７にケーシング１６が対向する構成としても良い。

９ 低圧タービン（タービン）
１０ ディフューザー
１２ タービンロータ
１４ 内側静止体（静止体）
２１ｄ 最終段動翼
２６ 翼部
２７ カバー
４２ 間隙空間
４５ 内周面
４６ 外周面
５３ａ〜５３ｄ 動翼翼列

Claims (2)

1. 周方向に並べた複数の動翼からなる動翼翼列を軸方向に複数段落設けて形成したタービンロータと、前記タービンロータを覆う静止体と、前記静止体の出口側に設けたディフューザーとを備えたタービンにおいて、
   前記タービンロータの最終段動翼は、翼部と、前記翼部の先端に設けたカバーとを備え、隣接するもの同士の前記カバーが連結して環状を構成し、
   前記ディフューザーは、前記静止体の出口部の内周面に対して入口部の外周面が小径に形成されており、軸方向から見て径方向において前記入口部の周壁部が前記カバーに少なくとも部分的に重なるように形成されており、
   前記静止体と前記カバーとの間の環状の間隙空間が、軸方向から見て前記ディフューザーの外周面の外側の空間に臨んでいることを特徴とするタービン。
2. 請求項１に記載のタービンにおいて、
   前記ディフューザーは、軸方向から見て径方向において前記入口部の周壁部が前記カバーの径方向の厚みの範囲内に位置するように形成されていることを特徴とするタービン。

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