JP2021173367A - シール装置及び回転機械 - Google Patents

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Abstract

【課題】シール部を通過する作動流体の流量を抑制するとともに回転機械における自励振動の発生を抑制する。【解決手段】少なくとも一実施形態に係るシール装置は、軸方向に３本以上配列される円弧状のフィンを備える。円弧状のフィンは、軸方向にて最も外側に位置する２本の最外フィンのうちの一方である第１フィンと、軸方向にて第１フィンの隣に配置される第２フィンと、軸方向にて第２フィンを挟んで第１フィンとは反対側に配置される少なくとも一つの第３フィンとを含む。第３フィンは、基端部よりも先端部が前記軸方向にて第１フィン側に位置するように径方向に対して傾斜して配置され、且つ、径方向に対して、第１フィン又は第２フィンよりも大きい傾斜角を有するとよい。【選択図】図２Ａ

Description

本開示は、シール装置及び回転機械に関する。
発電プラント等に用いられる蒸気タービンやガスタービン等の回転機械が知られている。この回転機械は、ケーシングに対して回転自在なタービンロータ（以下、単にロータとする）に支持された動翼と、ケーシングに支持された静翼とを有し、ロータの軸線方向の上流から下流へと流れる作動流体のエネルギーをロータの回転エネルギーに変換するように構成されている。
上記回転機械では、ロータ又は動翼とケーシングとの間をシールするシール部において、主流路から逸れた作動流体がノズルを通過した際に与えられた旋回流成分を有したまま流入することにより、ロータの周方向に旋回流（所謂スワール流）が生ずることが知られている。スワール流により、ロータに偏心が発生した場合にロータの周方向にはロータの偏心方向と異なる方向にピークを有する周期的な圧力分布が生じ、例えば高出力の運転に伴ってスワール流が増加した際にはロータの自励振動の原因になることがある。このため、シール部におけるスワール流を抑制するための構造が種々考案されている。
例えば、特許文献１に開示されたシール装置は、ケーシングの内周面に軸線方向に配列された複数のシールフィンと、複数のシールフィンのうち、最も軸線方向一方側に位置する第一シールフィンと、第一シールフィンの軸線方向他方側に隣接して設けられた第二シールフィンとを連結し、周方向に間隔をあけて配列された複数のスワールブレーカと、を備え、第一シールフィンには、第一シールフィンを軸線方向に貫通する貫通部が形成されている（特許文献１参照）。
特開２０１７−１５５８５９号公報
近年、蒸気タービン、ガスタービンなどの回転機械では、タービン効率をより向上することが求められている。そのために、漏れ流量、すなわち主流路から逸れてシール部を通過する作動流体の流量を抑制することが求められる。しかし、漏れ流量を抑制すると、上述した自励振動の励振力が増加するおそれがある。
本開示の少なくとも一実施形態は、上述の事情に鑑みて、シール部を通過する作動流体の流量を抑制するとともに回転機械における自励振動の発生を抑制することを目的とする。
（１）本開示の少なくとも一実施形態に係るシール装置は、
互いの間に隙間を空けて軸方向に３本以上配列され、各々が周方向に沿って延在する円弧状のフィンを備え、
前記円弧状のフィンは、
前記軸方向にて最も外側に位置する２本の最外フィンのうちの一方である第１フィンと、
前記軸方向にて前記第１フィンの隣に配置される第２フィンと、
前記軸方向にて前記第２フィンを挟んで前記第１フィンとは反対側に配置される少なくとも一つの第３フィンと、
を含み、
前記第３フィンは、下記条件（ａ）又は（ｂ）の少なくとも何れか一方を満たす。
（ａ）前記第３フィンは、基端部よりも先端部が前記軸方向にて前記第１フィン側に位置するように前記径方向に対して傾斜して配置され、且つ、前記第３フィンは、前記径方向に対して、前記第１フィン又は前記第２フィンよりも大きい傾斜角を有する。
（ｂ）前記第３フィンは、前記第１フィン又は前記第２フィンよりも小さいシール隙間を形成するように、前記第１フィン又は前記第２フィンよりも大きい径方向寸法を有する。
（２）本開示の少なくとも一実施形態に係る回転機械は、
上記（１）の構成のシール装置と、
ケーシングと、
前記ケーシング内で軸線周りに回転するロータ本体と、
前記ロータ本体から径方向に延びるように取り付けられる複数の動翼本体と、
前記複数の動翼本体の各々の先端部に連なるシュラウドと、
を備え、
前記第３フィンは、前記第１フィンよりも前記ロータ本体の軸方向下流側に位置する。
本開示の少なくとも一実施形態によれば、シール部を通過する作動流体の流量を抑制するとともに回転機械における自励振動の発生を抑制できる。
幾つかの実施形態に係るシール装置を備える回転機械の一例としての蒸気タービンについて説明するための図である。 幾つかの実施形態に係るシール装置について説明するための図である。 幾つかの実施形態に係るシール装置について説明するための図である。 幾つかの実施形態に係るシール装置について説明するための図である。 幾つかの実施形態に係るシール装置について説明するための図である。 幾つかの実施形態に係るシール装置について説明するための図である。 幾つかの実施形態に係るシール装置について説明するための図である。 幾つかの実施形態に係るシール装置について説明するための図である。 幾つかの実施形態に係るシール装置について説明するための図である。 幾つかの実施形態に係るシール装置について説明するための図である。 幾つかの実施形態に係るシール装置について説明するための図である。 幾つかの実施形態に係るシール装置について説明するための図である。 幾つかの実施形態に係るシール装置について説明するための図である。 幾つかの実施形態に係るシール装置について説明するための図である。 第３フィンによる縮流効果について説明するためのグラフである。 各フィンにおける差圧について説明するためのグラフである。 各キャビティにおいて発生する励振力について説明するためのグラフである。
以下、添付図面を参照して本開示の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本開示の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
（蒸気タービン１の構成について）
図１は、幾つかの実施形態に係るシール装置を備える回転機械の一例としての蒸気タービンについて説明するための図である。
図１に示すように、蒸気タービンプラント１０は、軸流回転機械である蒸気タービン１と、作動流体としての蒸気Ｓを蒸気供給源（不図示）から蒸気タービン１に供給する蒸気供給管１２と、蒸気タービン１の下流側に接続されて蒸気を排出する蒸気排出管１３とを備えている。
図１に示すように、幾つかの実施形態に係る蒸気タービン１は、ケーシング２と、ケーシング２内で軸線ＡＸ周りに回転するロータ本体１１と、ロータ本体１１に接続されるロータ３と、ロータ本体１１を軸線ＡＸ回りに回転可能に支持する軸受部４とを備えている。また、図１に示す幾つかの実施形態に係る蒸気タービン１は、後で詳述するシール装置１００を備えている。
ロータ３は、ロータ本体１１とタービン動翼３０とを備えている。タービン動翼３０は、複数の動翼本体３１とシュラウド（チップシュラウド）３４とを備える動翼列であり、軸線ＡＸ方向において、一定の間隔を持って複数列が配置される。
複数の動翼本体３１は、それぞれケーシング２内で軸線ＡＸ周りに回転するロータ本体１１から径方向に延びるように取り付けられ、ロータ本体１１の周方向において間隔をあけて設けられている。複数の動翼本体３１は、それぞれ径方向から見て翼型の断面を有する部材である。
シュラウド３４は、複数の動翼本体３１の各々の先端部（径方向外側の端部）に連なり各々の先端部を接続する環状のチップシュラウドである。
ケーシング２は、ロータ３を外周側から覆うように設けられた概略筒状の部材である。ケーシング２には、ロータ本体１１に向かって径方向内側に延在するように取り付けられる複数の静翼本体２１が設けられている。静翼本体２１は、ケーシング２の内周面２５の周方向及び軸線ＡＸ方向に沿って複数配列される。複数の静翼本体２１には、複数の静翼本体２１の各々の先端部に連なる静翼環２３が取り付けられている。
ケーシング２の内部において、静翼本体２１と動翼本体３１が配列された領域は、作動流体である蒸気Ｓが流通する主流路２０を形成する。
さらに、ケーシング２の内周面２５とチップシュラウド３４との間には空間が形成されており、この空間をキャビティ５０と称する。なお、以下の説明では、ケーシング２内部の空間の面しているケーシング２の内側の面を内面２５０と称する。したがって、ケーシング２の内周面２５は、内面２５０の一部である。
図２Ａ乃至図２Ｃは、幾つかの実施形態に係るシール装置について説明するための図であり、周方向から見たチップシュラウド３４の近傍を模式的に示している。
図３Ａ乃至図３Ｃは、幾つかの実施形態に係るシール装置について説明するための図であり、周方向から見たチップシュラウド３４の近傍を模式的に示している。
図４Ａ乃至図４Ｃは、幾つかの実施形態に係るシール装置について説明するための図であり、周方向から見たチップシュラウド３４の近傍を模式的に示している。
図５Ａ乃至図５Ｃは、幾つかの実施形態に係るシール装置について説明するための図であり、周方向から見たチップシュラウド３４の近傍を模式的に示している。
図６は、幾つかの実施形態に係るシール装置について説明するための図であり、周方向から見たチップシュラウド３４の近傍及びフィンの先端部の拡大図を模式的に示している。
幾つかの実施形態に係るキャビティ５０には、図２Ａ乃至図２Ｃ、図３Ａ乃至図３Ｃ、図４Ａ乃至図４Ｃ、図５Ａ乃至図５Ｃ、及び図６に示すようにシール装置１００が設けられている。実施形態のシール装置１００は、互いの間に隙間を空けて軸方向に３本以上配列され、各々が周方向に沿って延在する円弧状のフィン（シールフィン）４０を備える。すなわち、幾つかの実施形態に係るフィン４０は、回転部材（シュラウド３４）と静止部材（ケーシング２）との間の環状隙間（キャビティ５０）に軸方向に複数設けられたシール部材である。
説明の便宜上、各図に示したフィン４０は、互いの間に隙間を空けて軸方向に３本配列されているが、４本以上であってもよい。また、説明の便宜上、各図に示したフィン４０について、軸方向上流側から順に第１フィン４１、第２フィン４２、及び第３フィン４３とも称する。
図１に示す幾つかの実施形態に係る蒸気タービン１は、後で詳述するシール装置１００を備えているので、シール部（シール装置１００）を通過する漏洩蒸気流ＳＬの流量を抑制するとともに蒸気タービン１における自励振動の発生を抑制することができる。
各図に示したフィン４０は、は、軸方向にて最も外側に位置する２本の最外フィンのうちの一方である第１フィン４１と、軸方向にて第１フィン４１の隣に配置される第２フィン４２と、軸方向にて第２フィン４２を挟んで第１フィン４１とは反対側に配置される少なくとも一つの第３フィン４３と、を含む。
なお、第３フィン４３は、軸方向にて最も外側に位置する２本の最外フィンのうちの他方であるとよい。幾つかの実施形態に係るフィン４０が互いの間に隙間を空けて軸方向に４本以上配列されている場合、少なくとも最も軸方向下流側に配置されたフィン４０が第３フィン４３として後述する条件（ａ）又は（ｂ）の少なくとも何れか一方を満たすとよい。すなわち、第３フィン４３は、２本の最外フィンのうちの他方の最外フィンを含むとよい。
各図に示したフィン４０は、基端部４０ａから先端部４０ｂに向かって径方向に延在するとともに、上述したように周方向に延在する部分円弧形状を有する部材である。より詳細には、フィン４０は基端部４０ａから先端部４０ｂに向かうに従って次第に軸線ＡＸ方向の厚みが減少する形状を有するように形成されている。
各図に示したフィン４０は、例えば図２Ａ、図３Ａ、図４Ａ、図５Ａ、及び図６に示すように、ケーシング２の内周面２５からシュラウド３４へ向かって突出するフィン（例えば第１フィン４１と第３フィン４３）と、シュラウド３４からケーシング２の内周面２５へ向かって突出するフィン（例えば第２フィン４２）とが軸方向に交互に配置されるようにしてもよい。
また、各図に示したフィン４０は、例えば図２Ｂ、図３Ｂ、図４Ｂ、及び図５Ｂに示すように、ケーシング２の内周面２５からシュラウド３４へ向かって突出するように配置されてもよい。
各図に示したフィン４０は、例えば図２Ｃ、図３Ｃ、図４Ｃ、及び図５Ｃに示すように、シュラウド３４からケーシング２の内周面２５へ向かって突出するように配置されてもよい。
各図に示した幾つかの実施形態では、フィン４０の先端部４０ｂは、該先端部４０ｂと対向するシュラウド３４の外表面３５との間、又は、ケーシング２の内周面２５との間で微小な間隙（シール隙間）ｍを形成する。径方向における間隙ｍの寸法は、ケーシング２や動翼本体３１の熱膨張量や、動翼本体３１の遠心伸び量等を考慮して、フィン４０の先端部４０ｂが、該先端部４０ｂと対向する相手側の部材と接触することがない範囲で決定される。
各図に示した幾つかの実施形態に係るキャビティ５０のうち、第１フィン４１の上流側の領域を第１キャビティ５１と称し、第１フィン４１と第２フィン４２との間に画定される領域を第２キャビティ５２と称し、第２フィン４２と第３フィン４３との間に画定される領域を第３キャビティ５３と称し、第３フィン４３の下流側の領域を第４キャビティ５４と称する。
幾つかの実施形態に係る蒸気タービンプラント１０では、蒸気供給源からの蒸気Ｓが蒸気供給管１２を介して蒸気タービン１に供給される。
蒸気タービン１に供給された蒸気Ｓは、主流路２０に到達する。主流路２０を到達した蒸気Ｓは、主流路２０を流通するにともなって膨張と流れの転向を繰り返しながら、下流側に向かって流通する。動翼本体３１は翼型断面を有するため、動翼本体３１に蒸気Ｓが衝突したり、周方向に沿って隣接する動翼本体３１同士の間に形成される翼間流路の内部でも蒸気が膨張する際の反力を受けたりすることで、ロータ３が回転する。これにより、蒸気Ｓの有するエネルギーは、蒸気タービン１の回転動力として取り出される。
上述の過程において主流路２０を流通する蒸気Ｓは、前述のキャビティ５０にも流入する。すなわち、主流路２０に流入した蒸気Ｓは静翼本体２１を通過した後、主蒸気流ＳＭと漏洩蒸気流ＳＬとに分かれる。主蒸気流ＳＭは、漏洩せずにタービン動翼３０に導入される。
漏洩蒸気流ＳＬは、シュラウド３４とケーシング２との間を介してキャビティ５０に流入する。ここで、蒸気Ｓは、静翼本体２１を通過した後にスワール成分（周方向速度成分）が増大した状態になり、この蒸気Ｓの一部が分離して漏洩蒸気流ＳＬとしてキャビティ５０に流入する。したがって、漏洩蒸気流ＳＬも蒸気Ｓと同様にスワール成分を含んでいる。
（蒸気タービン１における自励振動について）
上述したように、蒸気タービン１のような回転機械では、ロータ又は動翼とケーシングとの間をシールするシール部において、主流路から逸れた作動流体がノズルを通過した際に与えられた旋回流成分を有したまま流入することにより、ロータの周方向に旋回流（所謂スワール流）が生ずることが知られている。スワール流により、ロータに偏心が発生した場合にロータの周方向にはロータの偏心方向と異なる方向にピークを有する周期的な圧力分布が生じ、例えば高出力の運転に伴ってスワール流が増加した際にはロータの自励振動の原因になることがある。このため、シール部におけるスワール流を抑制するための構造が種々考案されている。
近年、蒸気タービン、ガスタービンなどの回転機械では、タービン効率をより向上することが求められている。そのために、漏れ流量、すなわち主流路から逸れてシール部を通過する作動流体の流量を抑制することが求められる。しかし、漏れ流量を抑制すると、上述した自励振動の励振力が増加するおそれがある。
そこで、幾つかの実施形態では、次のようにしてシール装置１００を通過する漏洩蒸気流ＳＬの流量を抑制するとともに蒸気タービン１における自励振動の発生を抑制するようにしている。以下、詳細に説明する。
（漏洩蒸気流抑制及び自励振動抑制のための具体的な構成について）
例えば図２Ａ乃至図２Ｃ、図４Ａ乃至図４Ｃ、図５Ａ乃至図５Ｃ、及び図６に示すように、幾つかの実施形態に係るシール装置１００では、第３フィン４３は、下記条件（ａ）又は（ｂ）の少なくとも何れか一方を満たすとよい。
（ａ）第３フィン４３は、基端部４０ａよりも先端部４０ｂが軸方向にて第１フィン４１側に位置するように径方向に対して傾斜して配置され、且つ、径方向に対して、第１フィン４１又は第２フィン４２よりも大きい傾斜角θ３を有する。
（ｂ）第３フィン４３は、第１フィン４１又は第２フィン４２よりも小さいシール隙間ｍを形成するように、第１フィン４１又は第２フィン４２よりも大きい径方向寸法Ｈｒを有する。
（上記条件（ａ）を満たす場合について）
各図に示すように、幾つかの実施形態に係るシール装置１００は、第３フィン４３が第１フィン４１よりも軸方向下流側に位置するように配置されているのとする。そして、第１フィン４１、第２フィン４２、及び第３フィン４３のそれぞれの先端部４０ｂと、該それぞれの先端部４０ｂに対して径方向で対向する部材の表面との間隙であるシール隙間ｍを漏洩蒸気流ＳＬが通過するものとする。
例えば、第３フィン４３が上記条件（ａ）を満たすように構成されていて、第３フィンの軸方向上流側の側面４３ｕが面している第３キャビティ５３において、図２Ａ、図２Ｂ、図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ、図５Ｂ、及び図６に示すように、漏洩蒸気流ＳＬの半径方向流ＳＬｒが該側面４３ｕに沿って第３フィン４３の基端部４０ａ側から先端部４０ｂ側に向かって流れる場合について考える。
この場合、第３フィン４３が上記条件（ａ）を満たすように構成されてない場合と比べて、該側面４３ｕに沿って流れる半径方向流ＳＬｒが上記シール隙間ｍを流れる漏洩蒸気流ＳＬに対して径方向に流れを収縮させる縮流効果をより多く与えることができる。
図７Ａは、上記条件（ａ）を満たす第３フィン４３による上記の縮流効果について説明するためのグラフであり、各フィン４０によって形成されるシール隙間ｍにおける流量係数を示している。図７Ａでは、実施例として記載されたデータは、上記条件（ａ）を満たす第３フィン４３を有するシール装置１００に係る流量係数であり、比較例として記載されたデータは、第３フィン４３が第１フィン４１又は第２フィン４２と同じ傾斜角θ３を有するシール装置に係る流量係数である。
図７Ａに示すように、上記条件（ａ）を満たすことで、第３フィン４３によって形成されるシール隙間ｍにおける流量係数を小さくすることができる。
このように、図２Ａ、図２Ｂ、図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ、図５Ｂ、及び図６に示すシール装置１００では、第３フィン４３の先端部４０ｂと、該先端部４０ｂに対して径方向で対向する部材の表面であるシュラウド３４の外表面３５との間隙であるシール隙間ｍを作動流体が通過し難くなる。
したがって、図２Ａ、図２Ｂ、図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ、図５Ｂ、及び図６に示すシール装置１００では、第３フィン４３の上流側のキャビティ５０である第３キャビティ５３と下流側のキャビティ５０である第４キャビティ５４との差圧を大きくすることができる。
ここで、第１フィン４１及び第３フィン４３がそれぞれ軸方向にて最も外側に位置する最外フィンであれば、第１フィン４１の上流側のキャビティ５０である第１キャビティ５１と、第３フィン４３の下流側のキャビティ５０である第４キャビティ５４との圧力差、すなわちシール装置１００の前後差圧は、動翼本体３１の入口側と出口側との圧力差に略等しい。そのため、第３キャビティ５３と第４キャビティ５４との差圧、すなわち第３フィン４３の前後差圧が増加すると、第１キャビティ５１と第１フィン４１の下流側のキャビティ５０である第２キャビティ５２との差圧、すなわち第１フィン４１の前後差圧が減少する。
図７Ｂは、各フィン４０における差圧について説明するためのグラフであり、各フィン４０を漏洩蒸気流ＳＬが通過する前後での膨張比を示している。図７Ｂでは、実施例として記載されたデータは、上記条件（ａ）を満たす第３フィン４３を有するシール装置１００に係る膨張比であり、比較例として記載されたデータは、第３フィン４３が第１フィン４１又は第２フィン４２と同じ傾斜角θ３を有するシール装置に係る膨張比である。
図７Ｂに示すように、上記条件（ａ）を満たすことで、第３フィン４３の前後差圧が増加するので、第３フィン４３を漏洩蒸気流ＳＬが通過する前後での膨張比が大きくなる。また、第３フィン４３の前後差圧が増加することで第１フィン４１の前後差圧が減少するので、第１フィン４１を漏洩蒸気流ＳＬが通過する前後での膨張比が小さくなる。
一般的に、シール部（シール装置１００）における作動流体の周方向への旋回速度が大きいほど上述した自励振動が生じ易い。また、一般的に、シール部における作動流体の周方向への旋回速度は上流側の方が下流側よりも大きい。一般的に、シールフィンの前後差圧を抑制することで、該シールフィンの下流側のキャビティ内の作動流体による励振力を抑制できる。
したがって、上述したようにして第１フィン４１の前後差圧を抑制することで、第２キャビティ５２内の漏洩蒸気流ＳＬによる励振力を抑制できるので、上述した自励振動の発生を抑制できる。
また、上述したように、第３フィン４３の前後差圧を大きくすることができるので、シール装置１００を通過する作動流体の流量を抑制できる。
図７Ｃは、各キャビティ５０において発生する励振力について説明するためのグラフである。図７Ｃでは、実施例として記載されたデータは、上記条件（ａ）を満たす第３フィン４３を有するシール装置１００に係る励振力であり、比較例として記載されたデータは、第３フィン４３が第１フィン４１又は第２フィン４２と同じ傾斜角θ３を有するシール装置に係る励振力である。
図７Ｃに示すように、上記条件（ａ）を満たすことで、第２キャビティ５２及び第３キャビティ５３における励振力を抑制できる。また、上記条件（ａ）を満たすことで第３キャビティ５３における励振力よりも第２キャビティ５２における励振力をより抑制できる。
例えば、第３フィン４３が上記条件（ａ）を満たすように構成されていて、第３フィン４３の軸方向上流側の側面４３ｕが面している第３キャビティ５３において、図２Ｃ、図４Ｃ、及び図５Ｃに示すように、半径方向流ＳＬｒが該側面４３ｕに沿って第３フィン４３の先端部４０ｂ側から基端部４０ａ側に向かって流れる場合について考える。
この場合、第３フィン４３が上記条件（ａ）を満たすように構成されてない場合と比べて、該半径方向流ＳＬｒが第３フィン４３の先端部４０ｂ側から基端部４０ａ側に向かって該側面に沿って流れ易くなる。そのため、第２フィン４２側から第３フィン４３側に向かって流れてきた漏洩蒸気流ＳＬが第３フィン４３よりも下流側に向かって流れ難くなるので、第３フィン４３の前後差圧を大きくすることができる。これにより、第１フィン４１の前後差圧を抑制できるので、上述した自励振動の発生を抑制できる。
また、第３フィン４３の前後差圧を大きくすることができるので、シール装置１００を通過する漏洩蒸気流ＳＬの流量を抑制できる。
（上記条件（ｂ）を満たす場合について）
上記条件（ａ）について説明したときと同様に、幾つかの実施形態に係るシール装置１００は、第３フィン４３が第１フィン４１よりも軸方向下流側に位置するように配置されているのとする。そして、第１フィン４１、第２フィン４２、及び第３フィン４３のそれぞれの先端部４０ｂと、該それぞれの先端部４０ｂに対して径方向で対向する部材の表面との間隙であるシール隙間ｍを漏洩蒸気流ＳＬが通過するものとする。
例えば、第３フィン４３が上記条件（ｂ）を満たすように構成されているものとする。
この場合、第３フィン４３が上記条件（ｂ）を満たすように構成されてない場合と比べて、第３フィン４３の前後差圧を大きくすることができる。これにより、第１フィン４１の前後差圧を抑制できるので、上述した自励振動の発生を抑制できる。
また、第３フィン４３の前後差圧を大きくすることができるので、シール装置１００を通過する漏洩蒸気流ＳＬの流量を抑制できる。
なお、幾つかの実施形態に係るフィン４０が互いの間に隙間を空けて軸方向に４本以上配列されている場合、少なくとも最も軸方向下流側に配置されたフィン４０が第３フィン４３として上記条件（ａ）又は（ｂ）の少なくとも何れか一方を満たすとよい。すなわち、第３フィン４３は、２本の最外フィンのうちの他方の最外フィンを含むとよい。
少なくとも最も軸方向下流側に配置されたフィン４０が第３フィン４３として上記条件（ａ）又は（ｂ）の少なくとも何れか一方を満たすことで、上述したように、第１フィン４１の前後差圧を抑制して自励振動の発生を抑制できるとともに、第３フィン４３の前後差圧を大きくして、シール装置１００を通過する漏洩蒸気流ＳＬの流量を抑制できる。
例えば、図２Ｂ、図２Ｃ、図４Ｂ、図４Ｃ、図５Ｂ、及び図５Ｃに示すシール装置１００のように、第３フィン４３としての上記他方の最外フィンを除き、他のフィン４０は、同一形状を有していてもよい。
仮に、上記他方の最外フィン以外の他のフィン４０を上記条件（ａ）又は（ｂ）の少なくとも何れか一方を満たすように構成すると、漏洩蒸気流ＳＬの流量をさらに抑制できるものの、自励振動が発生する可能性が高くなる。したがって、図２Ｂ、図２Ｃ、図４Ｂ、図４Ｃ、図５Ｂ、及び図５Ｃに示すシール装置１００のように、第３フィン４３としての上記他方の最外フィンを除き、他のフィン４０を同一形状を有するように構成することで、自励振動の発生を抑制できる。
（湾曲凹面４３０について）
図４Ａ乃至図４Ｃに示すように、幾つかの実施形態に係るシール装置１００では、第３フィン４３の基端部４０ａ側において、軸方向にて第１フィン４１側を向く第３フィン４３の側面４３ｕは、湾曲凹面４３０を有するとよい。
図４Ａ及び図４Ｂに示すシール装置１００では、湾曲凹面４３０は、ケーシング２の内周面２５のうちの側面４３ｕよりも軸方向上流側の面と第３フィン４３の側面４３ｕとをなだらかに接続する曲面であり、側面４３ｕよりも軸方向上流側に曲率中心Ｏを有する。
図４Ｃに示すシール装置１００では、湾曲凹面４３０は、シュラウド３４の外表面３５のうちの側面４３ｕよりも軸方向上流側の面と第３フィン４３の側面４３ｕとをなだらかに接続する曲面であり、側面４３ｕよりも軸方向上流側に曲率中心Ｏを有する。
これにより、第３フィン４３の側面４３ｕが面するキャビティ５０（第３キャビティ５３）内の漏洩蒸気流ＳＬの半径方向流ＳＬｒの流れが湾曲凹面４３０に案内されて流れ易くなる。
これにより、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、第３キャビティ５３において、半径方向流ＳＬｒが該側面４３ｕに沿って第３フィン４３の基端部４０ａ側から先端部４０ｂ側に向かって流れる場合、該側面４３ｕに沿って流れる半径方向流ＳＬｒがシール隙間ｍを流れる漏洩蒸気流ＳＬに対して縮流効果をより多く与えることができる。これにより、第３フィン４３の前後差圧を大きくすることができる。
また、図４Ｃに示すように、半径方向流ＳＬｒが該側面４３ｕに沿って第３フィン４３の先端部４０ｂ側から基端部４０ａ側に向かって流れる場合、該半径方向流ＳＬｒが第３フィン４３の先端部４０ｂ側から基端部４０ａ側に向かって該側面４３ｕに沿って流れ易くなる。そのため、漏洩蒸気流ＳＬが第３フィン４３よりも下流側に向かって流れ難くなるので、第３フィン４３の前後差圧を大きくすることができる。
（第４キャビティ５４の拡張部５４１について）
図５Ａ及び図５Ｂに示すように、幾つかの実施形態に係る蒸気タービン１は、該最外フィン４０である第３フィン４３と、ケーシング２の内面２５０のうち該最外フィン４０（第３フィン４３）よりも軸方向下流側における内面２５０とで画定されるキャビティ５０（第４キャビティ５４）を備える。そして第４キャビティ５４は、上記内面２５０において径方向外側又は軸方向下流側に拡張された拡張部（ケーシング側拡張部）５４１を有しているとよい。
図５Ａ及び図５Ｂに示すように、幾つかの実施形態に係る蒸気タービン１では、拡張部５４１の径方向外側の面の少なくとも一部は、例えば、第３キャビティ５３に面した内周面２５よりも径方向外側に位置する内周面２５１によって画定されるようにしてもよい。また、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、幾つかの実施形態に係る蒸気タービン１では、拡張部５４１の軸方向外下流側の面の少なくとも一部は、下記の環状内壁面２５３によって径方向外側の面が画定されるようにしてもよい。なお、環状内壁面２５３は、例えば、動翼本体３１よりも軸方向下流側で主流路２０を画定するケーシング２の内周面２５Ａと接続され、該内周面２５Ａの軸方向上流側で軸方向上流側を向いた内面２５０である内壁面２５Ｂよりも軸方向下流側において、軸方向上流側を向いている。
第４キャビティ５４が拡張部５４１を有していれば、第３フィン４３の先端部４０ｂと、該先端部４０ｂに対して径方向で対向する部材の表面（例えばシュラウド３４の外表面３５）との間隙であるシール隙間ｍを通過した後の漏洩蒸気流ＳＬが、第４キャビティ５４が拡張部５４１を有していない場合と比べて膨張するので、第３フィン４３の前後差圧を大きくすることができる。
なお、図５Ｃに示すように、シュラウド３４のうち、第３フィン４３よりも下流側の領域を径方向外側から切り欠くことで拡張部（シュラウド側拡張部）５４３を設けてもよい。また、幾つかの実施に係る蒸気タービン１において、ケーシング側拡張部５４１とシュラウド側拡張部５４３とを設けてもよい。
（第３フィン４３の先端部４０ｂの形状について）
幾つかの実施形態に係るシール装置１００では、図６に示すように、軸方向にて第１フィン４１側を向く第３フィン４３の側面４３ｕと先端面４３ｔとの間の角部４３１の曲率半径ｒｕは、軸方向にて第１フィン４１側を向く第２フィン４２の側面４２ｕと先端面４２ｔとの間の角部４２１の曲率半径ｒｕより小さいとよい。
これにより、第３キャビティにおいて、半径方向流ＳＬｒが第３フィン４３の側面４３ｕに沿って第３フィン４３の基端部４０ａ側から先端部４０ｂ側に向かって流れる場合、該半径方向流ＳＬｒが先端部４０ｂ側で該側面４３ｕから剥離し易くなる。したがって、該側面４３ｕに沿って流れる半径方向流ＳＬｒがシール隙間ｍを流れる漏洩蒸気流ＳＬに対して縮流効果をより多く与えることができる。これにより、第３フィン４３の前後差圧を大きくすることができる。
なお、幾つかの実施形態に係るシール装置１００では、図６に示すように、軸方向下流側を向く第３フィン４３の側面４３ｄと先端面４３ｔとの間の角部４３３の曲率半径ｒｄは、角部４３１の曲率半径ｒｕと同じであってもよい。また、軸方向下流側を向く第２フィン４２の側面４２ｄと先端面４２ｔとの間の角部４２３の曲率半径ｒｄは、角部４２１の曲率半径ｒｕと同じであってもよい。
本開示は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
例えば、上述した一実施形態の第３フィン４３は、上記条件（ａ）及び（ｂ）の双方を満たすように構成されていてもよい。
また、図２Ａ乃至図２Ｃ、図３Ａ乃至図３Ｃ、図５Ａ乃至図５Ｃ、及び図６に示すシール装置１００において、図４Ａ乃至図４Ｃに示すように湾曲凹面４３０を設けてもよい。
図２Ａ乃至図２Ｃ、図３Ａ乃至図３Ｃ、図４Ａ乃至図４Ｃ、及び図６に示す示す蒸気タービン１において、図５Ａ乃至図５Ｃに示すようにケーシング側拡張部５４１又はシュラウド側拡張部５４３の少なくとも何れか一方を設けてもよい。
上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。
（１）本開示の少なくとも一実施形態に係るシール装置は、互いの間に隙間を空けて軸方向に３本以上配列され、各々が周方向に沿って延在する円弧状のフィンを備える。
円弧状のフィンは、軸方向にて最も外側に位置する２本の最外フィンのうちの一方である第１フィンと、軸方向にて第１フィンの隣に配置される第２フィンと、軸方向にて第２フィンを挟んで第１フィンとは反対側に配置される少なくとも一つの第３フィンと、を含む。
第３フィンは、下記条件（ａ）又は（ｂ）の少なくとも何れか一方を満たす。
（ａ）第３フィンは、基端部よりも先端部が軸方向にて第１フィン側に位置するように径方向に対して傾斜して配置され、且つ、第３フィンは、径方向に対して、第１フィン又は第２フィンよりも大きい傾斜角を有する。
（ｂ）第３フィンは、第１フィン又は第２フィンよりも小さいシール隙間を形成するように、第１フィン又は第２フィンよりも大きい径方向寸法を有する。
上記（１）の構成によれば、第３フィン４３を上記条件（ａ）又は（ｂ）の少なくとも何れか一方を満たすように構成することで、上記（１）の構成を有するシール装置１００を備える回転機械の一例としての蒸気タービン１において、シール部（シール装置１００）を通過する作動流体である漏洩蒸気流ＳＬの流量を抑制するとともに蒸気タービン１における自励振動の発生を抑制することができる。
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、第３フィン４３は、２本の最外フィン４０のうちの他方の最外フィン４０を含むとよい。
少なくとも最も軸方向下流側に配置されたフィン４０が第３フィン４３として上記条件（ａ）又は（ｂ）の少なくとも何れか一方を満たすことで、上述したように、第１フィン４１の前後差圧を抑制して自励振動の発生を抑制できるとともに、第３フィン４３の前後差圧を大きくして、シール装置１００を通過する漏洩蒸気流ＳＬの流量を抑制できる。
（３）幾つかの実施形態では、上記（２）の構成において、第３フィン４３としての上記他方の最外フィン４０を除き、円弧状のフィン４０は、同一形状を有するとよい。
仮に、上記他方の最外フィン以外の他のフィン４０を上記条件（ａ）又は（ｂ）の少なくとも何れか一方を満たすように構成すると、漏洩蒸気流ＳＬの流量をさらに抑制できるものの、自励振動が発生する可能性が高くなる。したがって、図２Ｂ、図２Ｃ、図４Ｂ、図４Ｃ、図５Ｂ、及び図５Ｃに示すシール装置１００のように、第３フィン４３としての上記他方の最外フィンを除き、他のフィン４０を同一形状を有するように構成することで、自励振動の発生を抑制できる。
（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れかの構成において、第３フィン４３の基端側（基端部４０ａ側）において、軸方向にて第１フィン４１側を向く第３フィン４３の側面４３ｕは、湾曲凹面４３０を有するとよい。
上記（４）の構成によれば、上述したように、第３フィン４３の前後差圧を大きくすることができる。
（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れかの構成において、軸方向にて第１フィン４１側を向く第３フィン４３の側面４３ｕと先端面４３ｔとの間の角部４３１の曲率半径ｒｕは、軸方向にて第１フィン４１側を向く第２フィン４２の側面４２ｕと先端面４２ｔとの間の角部４２１の曲率半径ｒｕより小さいとよい。
上記（５）の構成によれば、第１フィン４１側を向く第３フィン４３の側面４３ｕが面する第３キャビティ５３において、半径方向流ＳＬｒが該側面４３ｕに沿って第３フィン４３の基端部４０ａ側から先端部４０ｂ側に向かって流れる場合、該半径方向流ＳＬｒが先端部４０ｂ側で該側面４３ｕから剥離し易くなるので、該側面４３ｕに沿って流れる半径方向流ＳＬｒがシール隙間ｍを流れる漏洩蒸気流ＳＬに対して縮流効果をより多く与えることができる。これにより、第３フィン４３の前後差圧を大きくすることができる。
（６）本開示の少なくとも一実施形態に係る回転機械である蒸気タービン１は、上記（１）乃至（５）の何れかの構成のシール装置１００と、ケーシング２と、ケーシング２内で軸線ＡＸ周りに回転するロータ本体１１と、ロータ本体１１から径方向に延びるように取り付けられる複数の動翼本体３１と、複数の動翼本体３１の各々の先端部に連なるシュラウド（チップシュラウド）３４と、を備える。第３フィン４３は、第１フィン４１よりもロータ本体１１の軸方向下流側に位置する。
上記（６）の構成によれば、上記（１）乃至（５）の何れかの構成のシール装置１００を備えるので、シール装置１００を通過する漏洩蒸気流ＳＬの流量を抑制するとともに蒸気タービン１における自励振動の発生を抑制することができる。
（７）幾つかの実施形態では、上記（６）の構成において、第３フィン４３は、２本の最外フィン４０のうちの他方の最外フィン４０を含む。回転機械である蒸気タービン１は、該最外フィン４０（第３フィン４３）と、ケーシング２の内面２５０のうち該最外フィン４０（第３フィン４３）よりも軸方向下流側における内面２５０とで画定されるキャビティ５０（第４キャビティ５４）を備える。第４キャビティ５４は、上記内面２５０において径方向外側又は軸方向下流側に拡張された拡張部５４１を有しているとよい。
上記（７）の構成によれば、第３フィン４３の先端部４０ｂと、該先端部４０ｂに対して径方向で対向する部材の表面との間隙であるシール隙間ｍを通過した後の漏洩蒸気流ＳＬが、第４キャビティ５４が拡張部５４１を有していない場合と比べて膨張するので、第３フィン４３の前後差圧を大きくすることができる。
（８）幾つかの実施形態では、上記（６）又は（７）の構成において、円弧状のフィン４０は、ケーシング２の内周面２５からシュラウド３４へ向かって突出するようにしてもよい。
上記（８）の構成によれば、シール装置１００の全ての円弧状のフィン４０がケーシング２の内周面２５からシュラウド３４へ向かって突出するように構成することで、熱膨張によってケーシング２とロータ本体１１との軸方向の相対位置が変化しても、円弧状のフィン４０同士が接触するおそれがない。
（９）幾つかの実施形態では、上記（６）又は（７）の構成において、円弧状のフィン４０は、シュラウド３４からケーシング２の内周面２５へ向かって突出するようにしてもよい。
上記（９）の構成によれば、シール装置１００の全ての円弧状のフィン４０がシュラウド３４からケーシング２の内周面２５へ向かって突出するように構成することで、熱膨張によってケーシング２とロータ本体１１との軸方向の相対位置が変化しても、円弧状のフィン４０同士が接触するおそれがない。
（１０）幾つかの実施形態では、上記（６）又は（７）の構成において、円弧状のフィン４０は、ケーシング２の内周面２５からシュラウド３４へ向かって突出するフィン４０と、シュラウド３４からケーシング２の内周面２５へ向かって突出するフィン４０とが軸方向に交互に配置されるようにしてもよい。
上記（１０）の構成によれば、ケーシング２の内周面２５からシュラウド３４へ向かって突出するフィン４０と、シュラウド３４からケーシング２の内周面２５へ向かって突出するフィン４０とが軸方向に交互に配置することで、シール装置１００を通過する漏洩蒸気流ＳＬの流量を一層抑制できる。
１ 蒸気タービン
２ ケーシング
３ ロータ
１１ ロータ本体
２５ 内周面
３０ タービン動翼
３１ 動翼本体
３４ シュラウド（チップシュラウド）
４０ フィン（シールフィン）
４０ａ 基端部
４０ｂ 先端部
４１ 第１フィン
４２ 第２フィン
４３ 第３フィン
５０ キャビティ
５１ 第１キャビティ
５２ 第２キャビティ
５３ 第３キャビティ
５４ 第４キャビティ
１００ シール装置
４３０ 湾曲凹面
５４１ 拡張部（ケーシング側拡張部）
５４３ 拡張部（シュラウド側拡張部）

Claims (10)

  1. 互いの間に隙間を空けて軸方向に３本以上配列され、各々が周方向に沿って延在する円弧状のフィンを備え、
    前記円弧状のフィンは、
    前記軸方向にて最も外側に位置する２本の最外フィンのうちの一方である第１フィンと、
    前記軸方向にて前記第１フィンの隣に配置される第２フィンと、
    前記軸方向にて前記第２フィンを挟んで前記第１フィンとは反対側に配置される少なくとも一つの第３フィンと、
    を含み、
    前記第３フィンは、下記条件（ａ）又は（ｂ）の少なくとも何れか一方を満たすシール装置。
    （ａ）前記第３フィンは、基端部よりも先端部が前記軸方向にて前記第１フィン側に位置するように径方向に対して傾斜して配置され、且つ、前記第３フィンは、前記径方向に対して、前記第１フィン又は前記第２フィンよりも大きい傾斜角を有する。
    （ｂ）前記第３フィンは、前記第１フィン又は前記第２フィンよりも小さいシール隙間を形成するように、前記第１フィン又は前記第２フィンよりも大きい径方向寸法を有する。
  2. 前記第３フィンは、前記２本の最外フィンのうちの他方の最外フィンを含む
    請求項１に記載のシール装置。
  3. 前記第３フィンとしての前記他方の最外フィンを除き、前記円弧状のフィンは、同一形状を有する
    請求項２に記載のシール装置。
  4. 前記第３フィンの基端側において、前記軸方向にて前記第１フィン側を向く前記第３フィンの側面は、湾曲凹面を有する、
    請求項１乃至３の何れか一項に記載のシール装置。
  5. 前記軸方向にて前記第１フィン側を向く前記第３フィンの側面と先端面との間の角部の曲率半径は、前記軸方向にて前記第１フィン側を向く前記第２フィンの側面と先端面との間の角部の曲率半径より小さい、
    請求項１乃至４の何れか一項に記載のシール装置。
  6. 請求項１乃至５の何れか一項に記載のシール装置と、
    ケーシングと、
    前記ケーシング内で軸線周りに回転するロータ本体と、
    前記ロータ本体から径方向に延びるように取り付けられる複数の動翼本体と、
    前記複数の動翼本体の各々の先端部に連なるシュラウドと、
    を備え、
    前記第３フィンは、前記第１フィンよりも前記ロータ本体の軸方向下流側に位置する
    回転機械。
  7. 前記第３フィンは、前記２本の最外フィンのうちの他方の最外フィンを含み、
    該最外フィンと、前記ケーシングの内面のうち該最外フィンよりも軸方向下流側における前記内面とで画定されるキャビティと、
    を備え、
    前記キャビティは、前記内面が径方向外側又は前記軸方向下流側に拡張された拡張部を有する
    請求項６に記載の回転機械。
  8. 前記円弧状のフィンは、前記ケーシングの内周面から前記シュラウドへ向かって突出する、
    請求項６又は７に記載の回転機械。
  9. 前記円弧状のフィンは、前記シュラウドから前記ケーシングの内周面へ向かって突出する、
    請求項６又は７に記載の回転機械。
  10. 前記円弧状のフィンは、前記ケーシングの内周面から前記シュラウドへ向かって突出するフィンと、前記シュラウドから前記ケーシングの内周面へ向かって突出するフィンとが前記軸方向に交互に配置されている、
    請求項６又は７に記載の回転機械。
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