JP2018135846A - 軸流回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】リーク流れの分岐による損失を抑制し、高性能な軸流回転機械を提供する。
【解決手段】ケーシング２は、動翼の動翼シュラウド４１に向かって突出して動翼シュラウド４１との間に微小隙間を形成するケーシング側フィン４２を有し、動翼には、動翼シュラウド４１における上流側を向く端面に径方向外側に向かうに従って上流側から下流側に向うように傾斜する上流側傾斜面４５が設けられ、ケーシング２には、動翼シュラウド４１の上流側に配置されて、動翼シュラウド４１に蒸気の主流ＭＦが流れる方向に対向する位置に径方向外側に向かうに従って上流側から下流側に向うように傾斜する上流側傾斜内壁面２２が設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、軸流回転機械に関する。

従来から、軸流回転機械である蒸気タービンの一種として、ケーシングと、ケーシングに対して回転自在に設けられた回転軸と、ケーシングの内周部に固定された静翼と、この静翼の下流側において回転軸に放射状に設けられた動翼とを複数段備えたものが知られている。

この蒸気タービンは、作動方式の違いによって、衝動タービンと反動タービンとに大別される。衝動タービンでは静翼がノズル形状を有し、この静翼を通過した蒸気が動翼に噴射され、蒸気から受ける衝撃力だけによって動翼が回転する。一方、反動タービンでは静翼の形状は動翼と同様であって、この静翼を通過した蒸気から受ける衝撃力と、動翼を通過する際に生じる蒸気の膨張に対する反動力とによって動翼が回転する。

ところで、このような蒸気タービンでは、動翼の先端部とケーシングとの間に、径方向に所定幅の隙間が形成されており、また静翼の先端部と回転軸との間にも、径方向に所定幅の隙間が形成されている。そして、回転軸の回転軸線に沿って流れる蒸気の一部が、これら動翼や静翼の先端部の隙間を通って下流側へリークする。

ここで、動翼とケーシングとの間の隙間から下流側へリークする蒸気は、動翼に対して衝撃力も反動力も付与しないので動翼を回転させる駆動力にはならない。また静翼と軸体との間の隙間から下流側へリークする蒸気も、静翼を越えてもその速度が変化せず、また膨張も生じないため下流側の動翼を回転させるための駆動力とはならない。従って、蒸気タービンの性能向上のためには動翼や静翼の先端部の隙間における蒸気のリーク量を低減させることが重要である。

そこで、動翼や静翼の先端部の隙間から蒸気がリークすることを防止する手段としてシールフィンが用いられている。ここでシールフィンの一例が特許文献１に開示されている。特許文献１のシールフィンはケーシングから動翼のシュラウドに向かって延びるように設けられており、さらに、動翼のシュラウドはステップ形状となっている。

特開２０１２−７２６８９号公報

ところで特許文献１では、シールフィンとシュラウドのステップとの間のキャビティの入口部では、主流から分岐してリーク流れが主流の流れと直交する方向に流入する。即ち、主流からリーク流れが全く異なる方向に分岐し、リーク流れが分岐する際の損失が発生する可能性がある。

そこで本発明は、リーク流れの分岐による損失を抑制し、高性能な軸流回転機械を提供する。

本発明の第一の態様に係る軸流回転機械は、流体の主流が流れる流路に配置され、先端部にシュラウドを有するブレードと、該ブレードの先端側に隙間を介して設けられ、前記ブレードに対して相対回転する構造体と、を備え、前記構造体は、前記シュラウドに向かって突出して前記シュラウドとの間に微小隙間を形成する縮流部材を有し、前記ブレードには、前記シュラウドにおける上流側を向く端面に径方向外側に向かうに従って上流側から下流側に向うように傾斜する上流側傾斜面が設けられ、前記構造体には、前記シュラウドの上流側に配置されて、該シュラウドに前記主流が流れる方向に対向する位置に径方向外側に向かうに従って上流側から下流側に向うように傾斜する上流側傾斜内壁面が設けられている。

このような軸流回転機械によれば、構造体とブレードとの間のキャビティの入口で、シュラウドに上流側傾斜面が設けられ、構造体に上流側傾斜内壁面が設けられている。このため、主流から分岐してキャビティに流入しようとするリーク流れは径方向に真っ直ぐではなく、これら上流側傾斜面及び上流側傾斜内壁面に沿って下流側に向って斜めに流れ込む。従って、主流からリーク流れが分岐する際のリーク流れが全く異なる方向に分岐することがなくなる。さらに上流側傾斜面及び上流側傾斜内壁面によってキャビティ内に角部が形成されることを回避できるため死水域の発生を抑えることができる。この結果、流体の剥離を抑えて損失を低減することができる。
さらに上流側傾斜面に沿って流れる流体が縮流部材に接触し、上流側に向って押戻されるように流れ、その結果、キャビティ内で縮流部材の上流側には渦が形成される。そしてこの渦は、上流側傾斜面及び上流側傾斜内壁面に沿って斜めに延びるように形成されるため、主流から分岐するリーク流れの流れ方向に沿って渦が形成されることになる。よってこの渦の周りに細かな渦が形成されてしまうことを抑制でき、回転機械に振動が生じることを抑制できる。

また、本発明の第二の態様に係る軸流回転機械では、上記第一の態様において、前記ブレードと前記構造体との相対回転の中心軸に対する前記上流側傾斜面の傾斜角度は、前記中心軸に対する前記上流側傾斜内壁面の傾斜角度よりも大きくともよい。

このように傾斜角度を設定することで、シュラウドの上流側傾斜面に沿って流れる流体の剥離をできるだけ促進し、剥離させた流体を縮流部材の根元に案内して接触させることができる。この結果、縮流部材の先端部の微小隙間にリーク流れがそのまま流れ込んでしまうことがなく、リーク流れの流量低減が可能である。

また、本発明の第三の態様に係る軸流回転機械では、上記第一又は第二の態様において、前記上流側傾斜面の径方向内側の端部位置は、前記上流側傾斜内壁面の径方向内側の端部位置よりも径方向外側に位置していてもよい。

このように上流側傾斜面及び上流側傾斜内壁面を形成することで、構造体とブレードとの間のキャビティの入口部で縮流部材の上流側に形成される渦を、主流から分岐するリーク流れの流れ方向に沿って大きく形成でき、この渦の周りに細かな渦が形成されてしまうことを抑制でき、回転機械に振動が生じることを抑制できる。

また、本発明の第四の態様に係る軸流回転機械では、上記第一から第三のいずれかの態様において、前記上流側傾斜面は、下流側に向って凹状をなす湾曲凹面を有していてもよい。

上流側傾斜面に湾曲凹面を形成することで、構造体とブレードとの間のキャビティの入口部に形成される渦の形状に上流側傾斜面を沿わせることができる。従って渦と上流側傾斜面との間の摩擦損失を低減することができる。

また、本発明の第五の態様に係る軸流回転機械では、上記第一から第四のいずれかの態様において、前記ブレードには、前記シュラウドにおける下流側を向く端面に径方向内側に向かうに従って上流側から下流側に向うように傾斜する下流側傾斜面が設けられ、前記構造体には、前記シュラウドの下流側に配置されて、該シュラウドに前記主流が流れる方向に対向する位置に径方向内側に向かうに従って上流側から下流側に向うように傾斜する下流側傾斜内壁面が設けられていてもよい。

このように、構造体とブレードとの間のキャビティの出口部で、シュラウドに下流側傾斜面が設けられ、構造体に下流側傾斜内壁面が設けられている。このため、リーク流れが主流に合流しようとする際、径方向に真っ直ぐではなくこれら下流側傾斜面及び下流側傾斜内壁面に沿って下流側に向って斜めに主流に流れ込む。従って、リーク流れが主流へ合流する際、その流れ方向をできるだけ近づけることができる。さらに下流側傾斜面及び下流側傾斜内壁面によってキャビティ内に角部が形成されることを回避できるため、死水域の発生を抑えることができる。この結果、流体の剥離を抑えて損失を低減することができる。

また、本発明の第六の態様に係る軸流回転機械では、上記第五の態様において、前記下流側傾斜面の径方向外側の端部位置は、前記下流側傾斜内壁面の径方向内側の端部位置よりも径方向外側に位置していてもよい。

このように下流側傾斜面及び下流側傾斜内壁面を形成することで、構造体とブレードとの間のキャビティの出口部で縮流部材の下流側に形成される渦が、主流へ合流するリーク流れの流れ方向に沿って渦を大きく形成でき、この渦の周りに細かな渦が形成されてしまうことを抑制でき、回転機械に振動が生じることを抑制できる。

また、本発明の第七の態様に係る軸流回転機械では、上記第五又は第六の態様において、前記下流側傾斜面は、下流側に向って凸状をなすと湾曲凸面を有していてもよい。

このような湾曲凸面によって、シュラウドの表面に沿って流れるリーク流れが、構造体とブレードとの間のキャビティの出口部でシュラウドの表面から剥離し、下流側に向って真っすぐに流れることなく、ある程度までは湾曲凸面から剥離することなく径方向に斜めに向かって流れた後に、主流に合流させることができる。従って、湾曲凸面の形状を適宜設計することで、下流側の隣接したブレードに直接リーク流れを流入させてしまうことを回避しつつ、主流の流れ方向に沿うようにリーク流れを主流に合流させることができる。よって主流へのリーク流れの混合損失を低減することが可能となる。

また、本発明の第八の態様に係る軸流回転機械では、上記第七の態様において、前記湾曲凸面はＲ面であり、該Ｒ面の曲率半径は、前記シュラウドにおける下流側を向く端面の径方向の寸法の１／２よりも小さくともよい。

このようにＲ面の曲率半径を設定することで、リーク流れが下流側に向って真っすぐに流れることなく、ある程度までは湾曲凸面から剥離することなく径方向に斜めに向かって流れ、主流に合流させることができる。従って、下流側にブレードに直接リーク流れを流入させてしまうことを回避しつつ、主流の流れ方向に沿うようにリーク流れを主流に合流させ、主流へのリーク流れの混合損失を低減することが可能となる。

上記の軸流回転機械によれば、構造体とブレードとの間のキャビティの入口部での上流側傾斜面及び上流側傾斜内壁面によって、主流からのリーク流れの分岐による損失を抑制し、高性能化が可能となる。

本発明の第一実施形態の蒸気タービンの概略構成断面図である。 本発明の第一実施形態に係る蒸気タービンの要部を示す図であって、図１のＸ部を示す。 本発明の第二実施形態に係る蒸気タービンの要部を示す図であって、図１のＸ部に相当する位置を示す。 本発明の第三実施形態に係る蒸気タービンの要部を示す図であって、図１のＸ部に相当する位置を示す。 本発明の実施形態の変形例に係る蒸気タービンの要部を示す図であって、図１のＸ部に相当する位置を示す。

〔第一実施形態〕
以下、本発明の第一実施形態の蒸気タービン（軸流回転機械）１００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１００は、回転軸（構造体）１と、ケーシング（構造体）２と、複数の動翼（ブレード）４を有する動翼段３と、複数の静翼（ブレード）７を有する静翼段６と、を備えている。

回転軸１は、中心軸Ａｃに沿って延びる円柱状をなしている。回転軸１は、中心軸Ａｃに沿った中心軸方向Ｄａの両端部が、軸受装置５によって中心軸Ａｃ回りに回転自在に支持されている。軸受装置５は、回転軸１の中心軸方向Ｄａ両側に１つずつ設けられたジャーナル軸受５Ａと、中心軸方向Ｄａの第一側のみに設けられたスラスト軸受５Ｂと、を有している。ジャーナル軸受５Ａは、回転軸１による径方向Ｄｒへの荷重を支持する。スラスト軸受５Ｂは、回転軸１による中心軸方向Ｄａへの荷重を支持する。

ケーシング２は、中心軸方向Ｄａに延びる筒状をなしている。ケーシング２は、回転軸１を外周側から覆っており、回転軸１に対して相対回転する。
ケーシング２は、吸気口１０と、排気口１１と、を備えている。吸気口１０は、ケーシング２の中心軸方向Ｄａの第一側に形成され、外部からケーシング２内に蒸気（作動流体）を取り入れる。排気口１１は、ケーシング２の中心軸方向Ｄａの第二側に形成され、ケーシング２内部を通過した蒸気を外部に排気する。
以降の説明では、排気口１１から見て吸気口１０が位置する側を上流側と呼び、吸気口１０から見て排気口１１が位置する側を下流側と呼ぶ。

動翼段３は、回転軸１の外周面１Ｓに、中心軸方向Ｄａの第一側から第二側に向かって間隔をあけて、複数段が設けられている。各動翼段３は、回転軸１の外周面１Ｓ上で、中心軸Ａｃ回りの周方向に間隔をあけて配列された複数の動翼４を有している。

図２に示すように、動翼４は、回転軸１の外周面１Ｓに設けられたプラットフォーム４３と、動翼本体４０と、動翼シュラウド４１と、を有している。

詳しくは図示しないが、動翼本体４０は、プラットフォーム４３から径方向外側に向かって延びるよう形成されている。動翼本体４０は、径方向Ｄｒから見て翼型の断面を有している。
動翼シュラウド４１は、動翼本体４０の径方向外側の端部に設けられている。動翼シュラウド４１は、中心軸方向Ｄａにおける寸法が、同中心軸方向Ｄａにおける動翼本体４０の寸法よりも大きく設定されている。

ケーシング２の内周側であって、動翼シュラウド４１と径方向Ｄｒで対向する領域には、動翼シュラウド４１を収容するための動翼収容凹部２０が形成されている。動翼収容凹部２０は、ケーシング２の内周面２Ｓから径方向Ｄｒ外側に向かって窪み、中心軸Ａｃ回りの周方向に連続する溝状をなしている。

動翼収容凹部２０の底面２３（径方向Ｄｒの内側を向く面）には、ケーシング２から動翼シュラウド４１に向かって突出するケーシング側フィン（縮流部材）４２が、本実施形態では２つ、中心軸方向Ｄａに離れて並んで設けられている。これらケーシング側フィン４２は、ケーシング２から径方向Ｄｒの内側に向かって延びる薄板状をなしている。ケーシング側フィン４２の先端部と、動翼シュラウド４１との間には、径方向Ｄｒにクリアンランス（微小隙間）が形成されている。なおケーシング側フィン４２の形状は薄板状に限定されず、例えばブロック状であってもよい。

また、動翼収容凹部２０には、動翼シュラウド４１の中心軸方向Ｄａの中央部からケーシング２に向かって突出するシュラウド側フィン４４が本実施形態では１つ、中心軸方向Ｄａの上流側と下流側からケーシング側フィン４２に挟まれるようにして設けられている。シュラウド側フィン４４は、動翼シュラウド４１から径方向Ｄｒの外側に向かって延びる薄板状をなしている。シュラウド側フィン４４の先端部と、ケーシング２との間には、径方向Ｄｒにクリアンランス（微小隙間）が形成されている。

図１に示すように、静翼段６は、ケーシング２の内周面に、中心軸方向Ｄａに沿って間隔をあけて、複数段が設けられている。各静翼段６は、各動翼段３の上流側に配置されている。各静翼段６は、中心軸Ａｃ回りの周方向に間隔をあけて配列された複数の静翼７を有している。

静翼７は、静翼本体７０と、静翼シュラウド７１と、を備えている。
静翼本体７０は、ケーシング２の内周面２Ｓから径方向Ｄｒの内側に向かって延びるよう設けられている。静翼本体７０は、径方向Ｄｒから見て翼型の断面を有している。
静翼シュラウド７１は、静翼本体７０の径方向Ｄｒの内側の端部に取り付けられている。

回転軸１の径方向Ｄｒ外側を向く外周面１Ｓ上において、各動翼段３の上流側には、回転軸１の外周面１Ｓから径方向Ｄｒ内側に向かって窪み、中心軸Ａｃ回りの周方向に連続する溝状の静翼収容凹部８が形成されている。各静翼７の静翼シュラウド７１は、静翼収容凹部８内に収容されている。

次に図２を参照して、動翼収容凹部２０及び動翼シュラウド４１について詳細に説明する。
動翼収容凹部２０は、動翼シュラウド４１とケーシング２との間に形成されたいわゆるキャビティである。このキャビティには、回転軸１の周りを中心軸方向Ｄａに流通する蒸気の主流ＭＦから径方向に分岐したリーク流れＬＦが流入する。動翼収容凹部２０における下流側を向く面と、動翼シュラウド４１の上流側を向く端面とは径方向に離れて隙間をあけて配置されており、即ち、動翼収容凹部２０の下流側を向く面は、動翼シュラウド４１の上流側を向く端面の上流側に、動翼シュラウド４１と対向するように配置されている。そしてこの隙間がキャビティの入口部となっている。

そして、ケーシング２の内面である動翼収容凹部２０は、下流側を向く面として、径方向Ｄｒの内側に中心軸Ａｃに直交して径方向Ｄｒに延びる平面２１と、平面２１の径方向Ｄｒの外側に連続して径方向Ｄｒの外側に向かうに従って下流側に向うように傾斜する上流側傾斜内壁面２２とを有している。上流側傾斜内壁面２２と平面２１との接続部分は角がなく円弧状に滑らかに接続されている。また動翼収容凹部２０の上記底面２３と上流側傾斜内壁面２２との接続部分にも角がなく、円弧状に滑らかに接続されている。
ここで上流側傾斜内壁面２２は、動翼収容凹部２０に別部材を取り付けて形成してもよいし、動翼収容凹部２０の表面を傾斜面状に形成することで設けてもよい。

動翼シュラウド４１の上流側を向く端面は、径方向Ｄｒの外側に向かうに従って下流側に向うように傾斜する平面状の上流側傾斜面４５となっている。

本実施形態では、中心軸Ａｃに対する上流側傾斜内壁面２２の傾斜角度α１よりも中心軸Ａｃに対する上流側傾斜面４５の傾斜角度α２の方が大きい。また、上流側傾斜面４５の径方向Ｄｒの内側の端部位置Ｐ１、即ち、動翼シュラウド４１の径方向Ｄｒの内側の端部位置Ｐ１は、上流側傾斜内壁面２２の径方向内側の端部位置Ｐ２よりも径方向外側に位置している。

以上説明したように、本実施形態の蒸気タービン１００によれば、ケーシング２と動翼シュラウド４１との間のキャビティの入口部で、動翼シュラウド４１に上流側傾斜面４５が設けられ、ケーシング２に上流側傾斜内壁面２２が設けられている。このため、蒸気の主流ＭＦから分岐してキャビティに流入しようとするリーク流れＬＦは径方向Ｄｒの外側に向かってに真っ直ぐではなく、これら上流側傾斜面４５及び上流側傾斜内壁面２２に沿って下流側に向って斜めに流れ込む。

従って、主流ＭＦからリーク流れＬＦが分岐する際のリーク流れＬＦが主流ＭＦから全く異なる方向に分岐することがなくなる。さらに上流側傾斜面４５及び上流側傾斜内壁面２２によって、動翼収容凹部２０内に角部が形成されることを回避できるため、死水域の発生を抑えることができる。この結果、蒸気の剥離を抑えて損失を低減することができる。これにより、リーク流れＬＦの主流ＭＦからの分岐による損失を抑制し、蒸気タービン１００の高性能化を達成できる。

さらに上流側傾斜面４５に沿って流れる蒸気がケーシング側フィン４２に接触し、上流側に向って押戻されるように流れる。その結果、キャビティ内でケーシング側フィン４２の上流側には渦Ｖ１（図２参照）が形成される。そしてこの渦Ｖ１は、上流側傾斜面４５及び上流側傾斜内壁面２２に沿って、径方向Ｄｒの外側に向かうに従って下流側に向って斜めに延びるように形成される。このため、主流ＭＦから分岐するリーク流れＬＦの流れ方向に沿って渦Ｖ１が形成されることになる。よってこの渦Ｖ１の周りに細かな渦が形成されてしまうことを抑制でき、回転軸１に軸振動が生じること等を抑制できる。

また、本実施形態では、上流側傾斜内壁面２２の傾斜角度：α１＜上流側傾斜面４５の傾斜角度：α２となっている。このため動翼シュラウド４１の上流側傾斜面４５に沿って流れる蒸気の径方向成分を確保しつつ斜めに流通させることで、上流側傾斜面４５の径方向Ｄｒの外側の端部での蒸気の剥離を促進できる。

また剥離させた蒸気を最も上流側のケーシング側フィン４２の根元に案内して接触させることができる。この結果、ケーシング側フィン４２の先端部の微小隙間にリーク流れＬＦがそのまま流れ込んでしまうことがなく、ケーシング側フィン４２によって上流側にリーク流れＬＦを押し返すことで、キャビティを通過してキャビティの下流側（出口部）から主流ＭＦへ合流するリーク流れＬＦの流量を低減することができる。

また、本実施形態では、上流側傾斜面４５の径方向内側の端部位置は、上流側傾斜内壁面２２の径方向外側の端部位置よりも径方向外側に位置している。このためキャビティの入口部に形成される上記の渦Ｖ１を、主流ＭＦから分岐するリーク流れＬＦの流れ方向に沿って大きく形成できる。よってこの渦Ｖ１の周りに細かな渦が形成されてしまうことを抑制でき、回転軸１に軸振動が生じることを抑制できる。

ここで仮に動翼収容凹部２０の下流側を向く面に平面２１が設けられず、動翼収容凹部２０の下流側を向く面が上流側傾斜内壁面２２のみからなる場合、渦Ｖ１が径方向Ｄｒの内側まで延びてしまい（図２のＺ部参照）、前段側の静翼７まで渦Ｖ１が発達して、静翼での主流ＭＦに影響を及ぼす可能性がある。上流側傾斜内壁面２２に接続された平面２１が設けられていることで、このような現象の発生を抑制できる。しかしながら、必ずしも平面２１は設けられていなくともよい。

〔第二実施形態〕
次に、本発明の第二実施形態の蒸気タービン（軸流回転機械）２００について説明する。以下に説明する第二実施形態においては、第一実施形態と上流側傾斜面４５Ａが異なるのみであるため、第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複説明を省略する。

図３に示すように、動翼シュラウド４１の上流側を向く端面は、径方向Ｄｒの外側に向かうに従って下流側に向うように傾斜する上流側傾斜面４５Ａとなっている。また、この上流側傾斜面４５Ａは、下流側に向って凹状をなす湾曲凹面である。この湾曲凹面の曲率は、渦Ｖ１の形状に沿うように決定するとよい。

以上説明した本実施形態の蒸気タービン２００によれば、上流側傾斜面４５Ａとして湾曲凹面を形成することで、キャビティの入口に形成される渦Ｖ１の形状に上流側傾斜面を沿わせることができる。従って、渦Ｖ１と上流側傾斜面４５Ａとの間の摩擦損失を低減することができ、リーク流れＬＦの分岐による損失を抑制し、蒸気タービン２００の高性能化を達成できる。

〔第三実施形態〕
次に、本発明の第三実施形態の蒸気タービン（軸流回転機械）３００について説明する。以下に説明する第三実施形態においては、第一実施形態と動翼収容凹部２０Ｂと動翼シュラウド４１Ｂの形状が異なるのみであるため、第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複説明を省略する。

図４に示すように、動翼収容凹部２０Ｂにおける上流側を向く面と、動翼シュラウド４１Ｂの下流側を向く端面とは径方向に離れて隙間をあけて配置されており、即ち、動翼収容凹部２０Ｂの下流側を向く面は、動翼シュラウド４１の下流側を向く端面の下流側の位置で、動翼シュラウド４１に対向するように配置されている。そしてこの隙間がキャビティの出口部となっている。キャビティの出口部では、最も下流側に配置されたケーシング側フィン４２と動翼シュラウド４１Ｂとの間に形成された微小隙間を通過した蒸気であるリーク流れＬＦが、主流ＭＦへ合流する。

そして、ケーシング２の内面である動翼収容凹部２０は上流側を向く面として、径方向Ｄｒの内側に中心軸Ａｃに直交して径方向Ｄｒに延びる平面８１と、径方向Ｄｒの内側に向かうに従って下流側に向うように傾斜して平面８１の径方向Ｄｒの外側に連続する下流側傾斜内壁面８２とを有している。

下流側傾斜内壁面８２と平面８１との接続部分は角がなく円弧状に滑らかに接続されている。また動翼収容凹部２０の上記底面２３と下流側傾斜内壁面８２との接続部分にも角がなく円弧状に滑らかに接続されている。
ここで、下流側傾斜内壁面８２は、動翼収容凹部２０Ｂに別部材を取り付けて形成してもよいし、動翼収容凹部２０の表面を傾斜面状に形成して設けてもよい。

動翼シュラウド４１Ｂは、下流側を向く端面に、径方向Ｄｒの外側に向かうに従って下流側に向うように傾斜する曲面状の下流側傾斜面８５と、下流側傾斜面８５の径方向Ｄｒの内側に連続して径方向Ｄｒに延びる平面８６とを有している。下流側傾斜面８５は、Ｒ面状に形成されている。

また本実施形態では、下流側傾斜面８５の径方向外側の端部位置Ｐ３は、下流側傾斜内壁面８２の径方向内側の端部位置Ｐ４よりも径方向外側に位置している。
また下流側傾斜内壁面８２の径方向外側の端部位置Ｐ５は、動翼シュラウド４１Ｂの下流側を向く端面よりも下流側に位置している。

また、下流側傾斜面８５は、下流側に向って凸状をなす湾曲凸面８５ａと、湾曲凸面８５ａの径方向Ｄｒの内側に連続して径方向Ｄｒに延びる平面８５ｂとを有する。湾曲凸面８５ａに代えて平面状の傾斜面を形成してもよい。

また本実施形態では湾曲凸面はＲ面であり、Ｒ面の曲率半径は動翼シュラウド４１における下流側を向く端面の径方向の寸法Ｈの１／２よりも小さくともよい。

以上説明した本実施形態の蒸気タービン３００によれば、キャビティの出口で、動翼シュラウド４１Ｂに下流側傾斜面８５が設けられ、ケーシング２に下流側傾斜内壁面８２が設けられている。このため、リーク流れＬＦが主流ＭＦに合流しようとする際、径方向に真っ直ぐではなく、リーク流れＬＦは下流側傾斜面８５及び下流側傾斜内壁面８２に沿って下流側に向って径方向Ｄｒの内側に向かって斜めに主流ＭＦに流れ込む。

従って、リーク流れＬＦが主流ＭＦへ合流する際、リーク流れＬＦの流れ方向と主流ＭＦの流れ方向とをできるだけ近づけることができる。さらに下流側傾斜面８５及び下流側傾斜内壁面８２によって動翼収容凹部２０内に角部が形成されることを回避できるため、死水域の発生を抑えることができる。この結果、蒸気の剥離を抑えて損失を低減することができる。これにより、リーク流れＬＦの主流ＭＦへの合流による損失を抑制し、蒸気タービン３００の高性能化を達成できる。この結果、リーク流れＬＦの主流ＭＦへの合流による損失を抑制し、蒸気タービン３００の高性能化が可能となる。

さらに本実施形態では、最も下流側に配置されたケーシング側フィン４２と動翼シュラウド４１Ｂとの間の微小隙間を通過して噴流となったリーク流れＬＦによって、キャビティの出口部でケーシング側フィン４２の下流側に渦Ｖ２が形成される。この渦Ｖ２は、下流側傾斜面８５及び下流側傾斜内壁面８２に沿って、径方向Ｄｒの内側に向かうに従って下流側に向って斜めに延びるように形成される。

そして本実施形態では、下流側傾斜面８５の径方向外側の端部位置は、下流側傾斜内壁面８２の径方向内側の端部位置よりも径方向外側に位置している。このため、キャビティの出口部で、主流へ合流するリーク流れの流れ方向に沿って渦Ｖ２を大きく形成でき、この渦Ｖ２の周りに細かな渦が形成されてしまうことを抑制でき、回転軸１に軸振動が生じることを抑制できる。

また、キャビティの出口部で動翼シュラウド４１Ｂの表面から剥離する。この際、動翼シュラウド４１Ｂの表面に沿って流れるリーク流れＬＦが、下流側に向って径方向に真っすぐに主流ＭＦに向かって流れることなく、ある程度までは湾曲凸面８５ａから剥離することなく径方向に斜めに向かって流れた後にリーク流れＬＦを主流ＭＦに合流させることができる。

従って、湾曲凸面８５ａの形状を適宜設計することで、特に湾曲凸面８５ａの曲率半径が寸法Ｈの１／２よりも小さくなっている場合には、キャビティ出口部からリーク流れＬＦを後段側に位置する静翼７に直接流入させてしまうことを回避しつつ、主流ＭＦの流れ方向に沿うようにリーク流れＬＦを主流ＭＦに合流させることができる。よって主流ＭＦへのリーク流れＬＦの混合損失を低減することが可能となる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。

例えば動翼シュラウドの形状は上記の実施形態の場合に限定されない。即ち、図５に示すように、動翼シュラウド４１Ｃは、下流側に向うに従って、径方向Ｄｒの外側を向く面の径方向Ｄｒの位置が段階的に変化するようなステップ形状をなしていてもよい。この場合、フィンは全てケーシング側フィン４２となる。

また、上記の実施形態では、動翼収容凹部２０へ上流側傾斜内壁面２２（及び下流側傾斜内壁面８２）を設け、動翼シュラウド４１に上流側傾斜面４５（４５Ａ）（及び下流側傾斜面８５）を設けたが、これに限られない。即ち、静翼収容凹部８に上流側傾斜内壁面（及び下流側傾斜内壁面）を設け、静翼シュラウド７１に上流側傾斜面（及び下流側傾斜面）を設けてもよい。

また、上記各実施形態およびその変形例では、軸流回転機械として蒸気タービンを適用した例に基づいて説明した。しかしながら、軸流回転機械の態様は蒸気タービンに限定されず、ガスタービンや航空機用のジェットエンジン等、他の装置を軸流回転機械として適用することが可能である。

また、各実施形態の構成は適宜組み合わせてよい。

１…回転軸（構造体）
１Ｓ…外周面
２…ケーシング（構造体）
２Ｓ…内周面
３…動翼段
４…動翼(ブレード)
５…軸受装置
５Ａ…ジャーナル軸受
５Ｂ…スラスト軸受
６…静翼段
７…静翼(ブレード)
８…静翼収容凹部
２０、２０Ｂ…動翼収容凹部
２１…平面
２２…上流側傾斜内壁面
２３…底面
４０…動翼本体
４１、４１Ｂ、４１Ｃ…動翼シュラウド
４２…ケーシング側フィン（縮流部材）
４３…プラットフォーム
４４…シュラウド側フィン
４５、４５Ａ…上流側傾斜面
７０…静翼本体
７１…静翼シュラウド
８１…平面
８２…下流側傾斜内壁面
８５…下流側傾斜面
８５ａ…湾曲凸面
８５ｂ…平面
１００、２００、３００…蒸気タービン（軸流回転機械）
Ｖ１、Ｖ２…渦
Ａｃ…中心軸
Ｄａ…中心軸方向
Ｄｒ…径方向
ＭＦ…主流
ＬＦ…リーク流れ

Claims (8)

1. 流体の主流が流れる流路に配置され、先端部にシュラウドを有するブレードと、該ブレードの先端側に隙間を介して設けられ、前記ブレードに対して相対回転する構造体と、を備え、
   前記構造体は、前記シュラウドに向かって突出して前記シュラウドとの間に微小隙間を形成する縮流部材を有し、
   前記ブレードには、前記シュラウドにおける上流側を向く端面に径方向外側に向かうに従って上流側から下流側に向うように傾斜する上流側傾斜面が設けられ、
   前記構造体には、前記シュラウドの上流側に配置されて、該シュラウドに前記主流が流れる方向に対向する位置に径方向外側に向かうに従って上流側から下流側に向うように傾斜する上流側傾斜内壁面が設けられている軸流回転機械。
2. 前記ブレードと前記構造体との相対回転の中心軸に対する前記上流側傾斜面の傾斜角度は、前記中心軸に対する前記上流側傾斜内壁面の傾斜角度よりも大きい請求項１に記載の軸流回転機械。
3. 前記上流側傾斜面の径方向内側の端部位置は、前記上流側傾斜内壁面の径方向内側の端部位置よりも径方向外側に位置している請求項１又は２に記載の軸流回転機械。
4. 前記上流側傾斜面は、下流側に向って凹状をなす湾曲凹面を有する請求項１から３のいずれか一項に記載の軸流回転機械。
5. 前記ブレードには、前記シュラウドにおける下流側を向く端面に径方向内側に向かうに従って上流側から下流側に向うように傾斜する下流側傾斜面が設けられ、
   前記構造体には、前記シュラウドの下流側に配置されて、該シュラウドに前記主流が流れる方向に対向する位置に径方向内側に向かうに従って上流側から下流側に向うように傾斜する下流側傾斜内壁面が設けられている請求項１から４のいずれか一項に記載の軸流回転機械。
6. 前記下流側傾斜面の径方向外側の端部位置は、前記下流側傾斜内壁面の径方向内側の端部位置よりも径方向外側に位置している請求項５に記載の軸流回転機械。
7. 前記下流側傾斜面は、下流側に向って凸状をなす湾曲凸面を有する請求項５又は６に記載の軸流回転機械。
8. 前記湾曲凸面はＲ面であり、該Ｒ面の曲率半径は、前記シュラウドにおける下流側を向く端面の径方向の寸法の１／２よりも小さい請求項７に記載の軸流回転機械。

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