JP5412571B2

JP5412571B2 - タービン

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Publication number: JP5412571B2
Application number: JP2012286249A
Authority: JP
Inventors: 和幸松本; 祥弘桑村; 宏治大山; 良典田中; 朝春松尾
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2030-12-27
Also published as: JP2013100820A

Description

この発明は、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ものである。

従来から、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静翼と、この静翼の下流側において軸体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。

衝動タービンとは、蒸気から受ける衝撃力だけによって動翼が回転するものである。衝動タービンとは、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ものである。
一方、反動タービンは、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ものである。

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軸体との間にも、径方向に所定幅の隙間が形成されている。そして、軸体の軸線方向に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、衝動タービンか反動タービンかによらず、動翼を回転させる駆動力としてほとんど寄与しない。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、衝動タービンか反動タービンかによらず、下流側の動翼を回転させるための駆動力としてほとんど寄与しない。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となる。
このため、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、シールフィンが従来用いられている。以下、例えば動翼の先端部にシールフィンを用いる場合について詳述する。

図１４は、従来の蒸気タービンの要部拡大図である。
同図に示すように、蒸気タービン８００のケーシング８０１には、動翼８０２の先端部であるシュラウドカバー８０３に向かって微小隙間Ｈ１００を形成するようにシールフィン８０４が設けられている。このように構成することにより、動翼とケーシングとの間の隙間を最小限に抑え、蒸気のリークを抑えようとしている。

また、例えばシュラウドカバー８０３の上流側に、円周上に沿って三角形に切り落としたような凹凸部を形成する突起部８０５を設ける技術が開示されている。突起部８０５は隣りの動翼（不図示）との間に複数個設けられており、シュラウドカバー８０３に衝突する蒸気Ｓ１００の渦損を発生させるようになっている。これにより、シールフィン８０４の先端に形成される微小隙間Ｈ１００に流入する蒸気Ｓを押し戻す作用を生じさせ、蒸気漏洩を低減しようとしている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−７３７０２号公報

ところで、図１４に示すように、シュラウドカバー８０３に衝突する蒸気は、上流側に戻るように主渦Ｙ１００を形成すると共に、シュラウドカバー８０３の端縁部（エッジ）において主渦Ｙ１００から一部の流れが剥離されて主渦Ｙ１００とは反対方向に回る剥離渦Ｙ２００が形成される。この剥離渦Ｙ２００はシールフィン８０４先端からシュラウドカバー８０３に向かうダウンフローを生じさせるので、剥離渦Ｙ２００を効率よく利用することで、蒸気漏洩をさらに低減することが可能になる。

しかしながら、上述の従来技術にあっては、シュラウドカバー８０３の上流側に、円周上に沿って三角形に切り落としたような凹凸部を形成する突起部８０５を設けているので、シュラウドカバー８０３の端縁部からシールフィン８０４に至る間の距離が一様とならず、剥離渦Ｙ２００の渦形状を安定させることが困難である。このため、効果的に蒸気漏洩を低減しにくいという課題がある。

そこで、この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、蒸気漏洩をより効率よく低減し、高性能なタービンを提供するものである。

上記の課題を解決するために、本発明に係るタービンは、ブレードと、前記ブレードの先端部側に隙間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たタービンにおいて、前記ブレードの前記先端部には、上流側に面する少なくとも１つの段差面を有して前記構造体側に突出するステップ部が設けられ、前記構造体には、前記ステップ部に向かって延出し、このステップ部との間に微小隙間を形成するシールフィンが設けられ、前記構造体には、前記ステップ部の前記段差面よりも下流側で前記ステップ部に向かって延出し、このステップ部との間に微小隙間を形成するシールフィンが設けられ、前記段差面の端縁部と前記シールフィンとの距離Ｌは、前記微小隙間Ｈ１との間で、以下の式（１）を満たすように設定されていることを特徴とする。
Ｌ／Ｈ１≒２・・・（１）
また、本発明に係るタービンは、前記シールフィンの上流側には、周方向成分を含む方向に向かって流れる主渦を軸方向に向かって案内する主渦案内手段が設けられていることを特徴とする。

ここで、ブレードと構造体とを効率よく相対回転させるために、ブレードを通過しようとする蒸気の流れ方向は、強い周方向成分を含んでいる。このため、ステップ部の段差面に衝突した蒸気によって形成される主渦の流れ方向は、強い周方向成分を含んでいる。このような場合、主渦から一部の流れが剥離されて形成される剥離渦の流れ方向も強い周方向成分を含んでしまい、シールフィン先端からステップ部に向かって効率よくダウンフローを生じさせることができない。

しかしながら、本発明はシールフィンの上流側に、周方向成分を含む方向に向かって流れる主渦を軸方向に向かって案内する主渦案内手段が設けられているので、主渦の流れ方向における軸方向成分を大きく設定することができる。このため、剥離渦の流れ方向における軸方向成分も大きく設定することができ、剥離渦によるダウンフローを効率よく発生させることが可能になる。よって、微小隙間を通る蒸気漏洩を効率よく低減することができ、高性能なタービンを提供することができる。

本発明に係るタービンは、前記主渦案内手段は、前記段差面のうちの少なくとも最上流側に位置する段差面に設けられ、周方向に沿って並列配置された複数の溝、および複数の羽根の何れか一方であって、前記複数の溝、および前記複数の羽根は、径方向に沿うように形成され、前記複数の溝の溝深さ、および前記複数の羽根の羽根高さは、径方向外側に向かうに従って漸次小さくなるように設定されており、かつ、径方向最外側において、前記複数の溝の溝深さ、および前記複数の羽根の羽根高さがゼロとなるように設定されていることを特徴とする。

このように構成することで、簡素な構造で主渦の流れ方向における周方向成分を軸方向に向けさせることができる。
また、径方向最外側において、複数の溝の溝深さ、および複数の羽根の羽根高さがゼロとなるように設定されているので、段差面の端縁部からシールフィンに至る間の距離を一定にすることができる。このため、剥離渦の渦形状を安定させることができ、より効率よくダウンフローを発生させることが可能になる。
さらに、蒸気の周方向成分が、複数の溝や複数の羽根に衝突することによって回転力に変換され、ブレードと構造体とをさらに効率よく相対回転させることが可能になる。
よって、さらに高性能なタービンを提供することが可能になる。

本発明に係るタービンは、前記主渦案内手段は、前記隙間の少なくとも最上流側に周方向に沿って並列配置された複数の案内板であることを特徴とする。

このように構成することで、案内板を利用して主渦の流れ方向における周方向成分を軸方向に向けさせることができる。また、主渦が案内板に衝突することにより渦流や乱流が発生し、主渦の圧力損失が増大して全圧を低下させることができる。
ここで、漏洩蒸気の流量は、漏洩蒸気の流量＝係数×隙間の流路断面積×（上流側の蒸気の圧力−下流側の蒸気の圧力）で表される。すなわち、蒸気の全圧を低下させることにより、漏洩蒸気の流量を低下させることができる。このため、さらに高性能なタービンを提供することができる。

本発明に係るタービンは、前記構造体には、前記ブレードの前記先端部に対応する位置に、前記隙間を確保する環状溝が形成されており、前記主渦案内手段は、前記環状溝の上流側の内側面に設けられ、周方向に沿って並列配置された複数の溝、および複数の羽根の何れか一方であって、前記複数の溝、および前記複数の羽根は、径方向に沿うように形成され、前記複数の溝の溝深さ、および前記複数の羽根の羽根高さは、径方向外側に向かうに従って漸次小さくなるように設定されており、かつ、径方向最外側において、前記複数の溝の溝深さ、および前記複数の羽根の羽根高さがゼロとなるように設定されていることを特徴とする。

このように構成することで、簡素な構造で主渦の流れ方向における周方向成分を軸方向に向けさせることができるので、安価でかつ高性能なタービンを提供することが可能になる。

本発明に係るタービンは、前記複数の溝、および前記複数の羽根は、径方向外側に向かうに従って前記主渦の周方向成分の方向とは反対側に傾斜していることを特徴とする。

このように構成することで、主渦の流れ方向における軸方向成分をさらに大きく設定することができる。このため、剥離渦によるダウンフローをさらに効率よく発生させることが可能になり、高性能なタービンを提供することができる。

本発明によれば、微小隙間を通る蒸気漏洩を効率よく低減することができ、高性能なタービンを提供することができる。

本発明の実施形態における蒸気タービンの概略構成図である。図１における要部Ｉを示す拡大断面図である。図２のＡ矢視図である。本発明の第１実施形態における静翼と動翼との間の蒸気の挙動説明図である。本発明の第１実施形態における剥離渦の縮流効果についての説明図である。本発明の第２実施形態におけるチップシュラウドの平面図である。本発明の第３実施形態におけるチップシュラウドの上流側の概略構成図である。図７のＢ矢視図である。本発明の第４実施形態におけるチップシュラウド周縁を示す概略構成図である。本発明の第５実施形態におけるチップシュラウドの上流側の概略構成図である。図１０のＣ矢視図である。本発明の第６実施形態におけるチップシュラウドの上流側の概略構成図である。図１２のＤ矢視図である。従来の蒸気タービンの要部拡大図である。

（第１実施形態）
（蒸気タービン）
次に、この発明の第１実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る蒸気タービンを示す概略構成図である。
蒸気タービン１は、ケーシング１０と、ケーシング１０に流入する蒸気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とを主たる構成としている。
軸受部６０は、ジャーナル軸受装置６１およびスラスト軸受装置６２を備えており、軸体３０を回転可能に支持している。

ケーシング１０は、内部空間が気密に封止されているとともに、蒸気Ｓの流路とされている。このケーシング１０の内壁面には、軸体３０が挿通されたリング状の仕切板外輪１１が強固に固定されている。

調整弁２０は、ケーシング１０の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とを備えており、弁体２２が弁座２３から離れると蒸気流路が開いて、蒸気室２４を介して蒸気Ｓがケーシング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、この軸本体３１の外周から回転軸径方向（以下、単に径方向という）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、不図示の発電機等の機械に回転エネルギーを伝達するようになっている。

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、それぞれ仕切板外輪１１に保持されている。これら静翼４０の径方向内側は、軸体３０が挿通されたリング状のハブシュラウド４１で連結され、その先端部が軸体３０に対して径方向の隙間をあけて配設されている。
これら複数の静翼４０からなる環状静翼群は、回転軸方向（以下、単に軸方向という）に間隔をあけて６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、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が有するディスク３２の外周部に強固に取り付けられている。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。

これら環状静翼群と環状動翼群とは、一組一段とされている。すなわち、蒸気タービン１は、６段に構成されている。これら動翼５０の先端部は、周方向に延びたチップシュラウド５１とされている。
ここで、本実施形態では、軸体３０、および仕切板外輪１１が本発明における「構造体」となっている。また、静翼４０、ハブシュラウド４１、チップシュラウド５１、および動翼５０が本発明における「ブレード」となっている。そして、静翼４０およびハブシュラウド４１を「ブレード」とした場合は軸体３０を「構造体」とし、一方、動翼５０およびチップシュラウド５１を「ブレード」とした場合は仕切板外輪１１を「構造体」とする。なお、以下の説明においては、仕切板外輪１１を「構造体」とし、動翼５０を「ブレード」として説明する。

図２は、図１における要部Ｉを示す拡大断面図、図３は、図２のＡ矢視図である。
図２、図３に示すように、動翼５０の先端部となるチップシュラウド５１は、ケーシング１０の径方向において仕切板外輪１１と隙間Ｋを介して対向して配置されている。チップシュラウド５１は、段差面５３（５３Ａ〜５３Ｃ）を有して仕切板外輪１１側に突出する、ステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）を形成したものである。

本実施形態では、チップシュラウド５１は、３つのステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）を形成している。これら３つのステップ部５２Ａ〜５２Ｃは、これらの上面１５２（１５２Ａ〜１５２Ｃ）の動翼５０からの突出高さが、軸体３０の軸方向上流側（図２における左側）から下流側（図２における右側）に向かうに従って、漸次高くなるように配設されている。すなわち、ステップ部５２Ａ〜５２Ｃは、段差を形成する段差面５３（５３Ａ〜５３Ｃ）が、軸方向上流側を向いた前向きに形成されている。

ここで、各段差面５３（５３Ａ〜５３Ｃ）のうち、最上流側に位置する段差面５３Ａには、周方向に沿って複数の溝７１が並列配置されている。各溝７１は、軸方向平面視で径方向に沿うようにスリット状に形成されている。また、各溝７１は、軸方向断面略三角形状に形成されており、溝深さＤ１が径方向外側に向かうに従って、漸次浅くなるように設定されている。そして、各溝７１は、この溝深さＤ１が１段目のステップ部５２Ａの上面１５２Ａ近傍でゼロになるように設定されている。

一方、仕切板外輪１１には、チップシュラウド５１に対応する部位に環状溝１１１が形成されている。そして、この環状溝の底面１１１ａには、３つのシールフィン１２（１２Ａ〜１２Ｃ）が、各ステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）に１：１で対応するように径方向に突設されている。
各シールフィン１２（１２Ａ〜１２Ｃ）は、それぞれ対応するステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）との間に、微小隙間Ｈ（Ｈ１〜Ｈ３）を径方向に形成するように、下流側に向かうに従ってその長さが短くなるように形成されている。

ここで、微小隙間Ｈ（Ｈ１〜Ｈ３）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、両者が接触することがない安全な範囲内で、最小のものに設定されている。なお、本実施形態では、Ｈ１〜Ｈ３は全て同じ寸法となっている。ただし、必要に応じて、これらを適宜変更することが可能であることはいうまでもない。

さらに、各シールフィン１２（１２Ａ〜１２Ｃ）は、それぞれ対応するステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）の段差面５３（５３Ａ〜５３Ｃ）よりも若干下流側に設けられている。すなわち、各段差面５３（５３Ａ〜５３Ｃ）の端縁部５５（５５Ａ〜５５Ｃ）と、対応するシールフィン１２（１２Ａ〜１２Ｃ）との間に、それぞれスペースＳＰ（ＳＰ１〜ＳＰ３）が形成される。

ここで、最上流側に位置する段差面５３Ａに形成されている各溝７１は、この溝深さＤ１が１段目のステップ部５２Ａの上面１５２Ａ近傍でゼロになるように設定されているので、段差面５３Ａの端縁部５５Ａとシールフィン１２Ａとの間の距離Ｌは、チップシュラウド５１の全周で同一となる。すなわち、段差面５３Ａとシールフィン１２Ａとの間に形成されるスペースＳＰ１は、周方向全体に亘って一様に形成される。

このような構成のもと、仕切板外輪１１と、シールフィン１２（１２Ａ〜１２Ｃ）と、チップシュラウド５１とによって、３つのキャビティＣ（Ｃ１〜Ｃ３）が形成される。
すなわち、３つのキャビティＣ（Ｃ１〜Ｃ３）のうち、最上流側に位置する第１のキャビティＣ１は、環状溝１１１の底面１１１ａと、上流側の内側面１１１ｂと、第１のシールフィン１２Ａと、チップシュラウド５１の１段目のステップ部５２Ａとにより囲まれて形成される。

また、第１のキャビティＣ１よりも後流側の第２のキャビティＣ２は、環状溝１１１の底面１１１ａと、第１のシールフィン１２Ａ、および第２のシールフィン１２Ｂと、チップシュラウド５１の１段目のステップ部５２Ａ、および２段目のステップ部５２Ｂとにより囲まれて形成される。
さらに、第２のキャビティＣ２よりも後流側の第３のキャビティＣ３は、環状溝１１１の底面１１１ａと、第２のシールフィン１２Ｂ、および第３のシールフィン１２Ｃと、チップシュラウド５１の２段目のステップ部５２Ｂ、および３段目のステップ部５２Ｃとにより囲まれて形成される。

（蒸気タービンの動作）
次に、図１、図２、図４、図５に基づいて、蒸気タービン１の動作について説明する。
図４は、静翼と動翼との間の蒸気の挙動説明図である。
図１、図２、図４に示すように、調整弁２０（図１参照）を開状態とすると、不図示のボイラから蒸気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・圧力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。

すなわち、図４に詳示するように、静翼４０から流出した蒸気Ｓの絶対流速Ｃｚは、強い周方向成分を含んでいる。つまり、動翼５０の回転速度をＶとし、動翼５０からみた蒸気Ｓの相対流速をＷとし、この相対流速Ｗの周方向に対する傾きをφとしたとき、この傾きφは、一般に
φ＜９０°
となる。このため、相対流速Ｗも周方向成分を含んでいる。

このような流れをもつ蒸気Ｓのうちの一部（例えば、数％）は、静翼４０から流出した後、環状溝１１１内に流入する、所謂漏洩蒸気となる。環状溝１１１内に流入した蒸気Ｓは、まず、第１のキャビティＣ１に流入し、１段目のステップ部５２Ａの段差面５３Ａに衝突し、上流側に戻るようにして例えば図２の紙面上にて反時計回りに回る主渦Ｙ１を生じる。
このとき、段差面５３Ａには、複数の溝７１が軸方向平面視で径方向に沿うように形成されているので、段差面５３Ａに衝突して形成される主渦Ｙ１の流れ方向は、蒸気Ｓの相対流速Ｗよりも軸方向側に案内される。この結果、蒸気Ｓの相対流速Ｗ’が相対流速Ｗよりも軸方向に傾く（図４における破線参照）。

このように、強い軸方向成分を含む主渦Ｙ１は、段差面５３Ａの端縁部５５Ａにおいて、主渦Ｙ１から一部の流れが剥離されることにより、この主渦Ｙ１と反対方向、本例では図２の紙面上にて時計回りに回るように、剥離渦Ｙ２が生じる。この剥離渦Ｙ２は、第１のシールフィン１２Ａとチップシュラウド５１との間の微小隙間Ｈ１における蒸気Ｓの漏れ流れを低減する、いわゆる縮流効果を発揮する。

より詳しく、図５に基づいて剥離渦Ｙ２による縮流効果について説明する。
図５は、剥離渦の縮流効果について説明する図であって、図２における第１のシールフィンの先端部周辺を拡大した部分拡大断面図である。
同図に示すように、剥離渦Ｙ２は、第１のシールフィン１２Ａとチップシュラウド５１との間の微小隙間Ｈ１の直前位置で、径方向内向きの慣性力を有している。したがって、微小隙間Ｈ１を通って下流側へ漏れる蒸気Ｓは、剥離渦Ｙ２の慣性力で押さえ込まれることにより、図５に１点鎖線で示すように径方向への幅が縮められる。このように、剥離渦Ｙ２は、蒸気Ｓを径方向内向きに押し縮めることでその漏れ流れを低減させる効果、すなわち縮流効果を有している。

また、この縮流効果は、剥離渦Ｙ２の慣性力が大きいほど、すなわち、剥離渦Ｙ２の軸方向成分の流れが大きいほど、効果が大きくなる。ここで、剥離渦Ｙ２を発生させる主渦Ｙ１は、この流れ方向が段差面５３Ａに形成されている複数の溝７１によって蒸気Ｓの相対流速Ｗよりも軸方向側に傾いている。この結果、剥離渦Ｙ２の流れ方向も軸方向成分が強くなる。このため、剥離渦Ｙ２による縮流効果は、段差面５３Ａに複数の溝７１が形成されていない場合と比較して大きくなる。

さらに、各溝７１は軸方向断面略三角形状に形成されており、その溝深さＤ１が１段目のステップ部５２Ａの上面１５２Ａ近傍でゼロになるように設定されているので、段差面５３Ａとシールフィン１２Ａとの間に形成されるスペースＳＰ１は、周方向全体に亘って一様に形成されている。このため、剥離渦Ｙ２の形状を周方向全体に渡って一様に、かつ安定して形成することができる。

ここで、段差面５３Ａの端縁部５５Ａとシールフィン１２Ａとの間の距離Ｌは、
Ｌ／Ｈ１≒２・・・（１）
を満たすように設定されていることが望ましい。このように設定することで、剥離渦Ｙ２のダウンフローにおける径方向内側に向く速度成分の最大位置が、シールフィン１２Ａの先端（内端縁）に一致しやすくなる。このような場合、ダウンフローが微小隙間Ｈ１の直前をより良好に通過するため、漏れ流れに対する縮流効果が最大になると考えられる。

続いて、微小隙間Ｈ１を通過して蒸気Ｓは、第２のキャビティＣ２に流入し、２段目のステップ部５２Ｂの段差面５３Ｂに衝突し、上流側に戻るようにして例えば図２の紙面上にて反時計回りに回る主渦Ｙ１を生じる。そして、二段目のステップ部５２Ｂの端縁部５５Ｂにおいて、主渦Ｙ１から一部の流れが剥離されることにより、この主渦Ｙ１と反対方向、本例では図３の紙面上にて時計回りに回るように、剥離渦Ｙ２が生じる。この剥離渦Ｙ２も、１段目のステップ部５２Ａに形成される剥離渦Ｙ２と同様に、第２のシールフィン１２Ｂとチップシュラウド５１との間の微小隙間Ｈ２における蒸気Ｓの漏れ流れを低減させる、縮流効果を発揮する。

さらに、微小隙間Ｈ２を通過して蒸気Ｓは、第３のキャビティＣ３に流入し、３段目のステップ部５２Ｃの段差面５３Ｃに衝突し、上流側に戻るようにして例えば図３の紙面上にて反時計回りに回る主渦Ｙ１を生じる。そして、３段目のステップ部５２Ｃの端縁部５５Ｃにおいて、主渦Ｙ１から一部の流れが剥離されることにより、この主渦Ｙ１と反対方向、本例では図３の紙面上にて時計回りに回るように、剥離渦Ｙ２が生じる。この剥離渦Ｙ２も、１段目のステップ部５２Ａに形成される剥離渦Ｙ２と同様に、第３のシールフィン１２Ｃとチップシュラウド５１との間の微小隙間Ｈ３における蒸気Ｓの漏れ流れを低減させる、縮流効果を発揮する。

（効果）
したがって、上述の第１実施形態によれば、チップシュラウド５１のステップ部５２に形成されている段差面５３（５３Ａ〜５３Ｃ）のうち、最上流側に位置する段差面５３Ａに複数の溝７１を形成し、これら溝７１によって周方向成分を含む方向に向かって流れる主渦Ｙ１を軸方向に向かって案内することができ、主渦Ｙ１の流れ方向における軸方向成分を大きく設定することができる。このため、剥離渦Ｙ２の流れ方向における軸方向成分も大きく設定することができ、剥離渦Ｙ２によるダウンフローを効率よく発生させることが可能になる。よって、簡素な構造で微小隙間Ｈ１を通る蒸気Ｓの漏れ流れを効率よく低減することができ、高性能な蒸気タービン１を提供することができる。

また、各溝７１は、軸方向断面略三角形状に形成されており、その溝深さＤ１が１段目のステップ部５２Ａの上面１５２Ａ近傍でゼロになるように設定されている。このため、剥離渦Ｙ２の形状を周方向全体に渡って一様に、かつ安定して形成することができ、剥離渦Ｙ２による蒸気Ｓの縮流効果をさらに大きくすることができる。
さらに、蒸気Ｓの周方向成分が、複数の溝７１に衝突することによって回転力に変換され、軸体３０をさらに効率よく回転させることが可能になる。

（第２実施形態）
次に、この発明の第２実施形態を、図１、図４、図５を援用し、図６に基づいて説明する。なお、第１実施形態と同一態様には、同一符号を付して説明する（以下の実施形態についても同様）。
図６は、第２実施形態を説明するための説明図であって、図３（図２のＡ矢視図）に対応している。

この第２実施形態において、蒸気タービン１は、ケーシング１０と、ケーシング１０に流入する蒸気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、動力を不図示の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、を主たる構成としている点、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、それぞれ仕切板外輪１１に保持されている点、これら静翼４０の径方向内側は、軸体３０が挿通されたリング状のハブシュラウド４１で連結されている点、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おり、その先端部は、周方向に延びたチップシュラウド５１とされている点、環状静翼群と環状動翼群とは、一組一段とされている点、チップシュラウド５１は、段差面５３（５３Ａ〜５３Ｃ）を有して仕切板外輪１１側に突出する、ステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）を形成したものである点、仕切板外輪１１には、チップシュラウド５１に対応する部位に環状溝１１１が形成されており、この環状溝の底面１１１ａに、３つのシールフィン１２（１２Ａ〜１２Ｃ）が、各ステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）に１：１で対応するように径方向に突設されている点等の基本的構成は、前述した第１実施形態と同様である（以下の実施形態についても同様）。

ここで、第２実施形態と第１実施形態との相違点は、第２実施形態の１段目のステップ部５２の段差面５３Ａに形成された複数の溝１７１の形状が第１実施形態の段差面５３Ａに形成されている溝７１と異なる点にある。
より詳しくは、各溝１７１は、軸方向断面略三角形状に形成されており、溝深さが径方向外側に向かうに従って、漸次浅くなるように設定されている点では、前述の第１実施形態の溝７１と同様であるが、各溝１７１が軸方向平面視で径方向に対して交差するように形成されている点が前述の第１実施形態の溝７１と異なる。すなわち、各溝１７１は、径方向外側に向かうに従って、静翼４０から流出した蒸気Ｓの周方向成分の方向とは反対側に向かって傾斜している。

各溝１７１の径方向に対する傾斜角度は、以下のように求める。
すなわち、静翼４０から流出した蒸気Ｓの絶対流速Ｃｚ（図４参照）のうち、周方向成分をＣ_θとし、チップシュラウド５１の段差面５３Ａに衝突して主渦Ｙ１を形成する蒸気Ｓ’の流速Ｗ_Ｌ（図５参照）において、流れ方向の周方向成分をＷ_Ｌθとし、動翼５０の回転速度をＶ（図４参照）としたとき、各溝１７１の傾斜角度は、
Ｃ_θ＝Ｖ＋Ｗ_Ｌθ＝０・・・（２）
を満たすように設定される。

各溝１７１の傾斜角度を式（２）を満たすように設定することにより、前述の第１実施形態と同様の効果に加え、主渦Ｙ１の流れ方向における軸方向成分をさらに確実に大きく設定することができる。このため、剥離渦Ｙ２によるダウンフローをさらに効率よく発生させることが可能になり、さらに高性能な蒸気タービン１を提供することができる。

なお、上述の第１実施形態では、チップシュラウド５１の３つのステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）に形成されている段差面５３（５３Ａ〜５３Ｃ）のうち、最上流側に位置する段差面５３Ａに複数の溝７１を形成した場合について説明した。さらに、第２実施形態では、段差面５３Ａに複数の溝１７１を形成した場合について説明した。
しかしながら、これに限られるものではなく、２段目のステップ部５２Ｂの段差面５３Ｂや３段目のステップ部５２Ｃの段差面５３Ｃにも複数の溝７１，１７１を形成してもよい。

（第３実施形態）
次に、この発明の第３実施形態を、図７、図８に基づいて説明する。
図７は、第３実施形態におけるチップシュラウドの上流側の概略構成図、図８は、図７のＢ矢視図である。
図７、図８に示すように、この第３実施形態と第１実施形態との相違点は、第１実施形態では１段目のステップ部５２Ａの段差面５３Ａに複数の溝７１が形成されているのに対し、第３実施形態では１段目のステップ部５２Ａの段差面２５３Ａに複数の羽根２７１が周方向に沿って並列配置されている点にある。

羽根２７１は、軸方向平面視で径方向に沿うように、かつ軸方向上流側に向かって突出するように設けられている。また、羽根２７１は、この周方向断面の形状が径方向内側から径方向外側に向かうにしたがって漸次薄肉となるように形成され、かつ静翼４０から流出した蒸気Ｓの周方向成分の方向とは反対側に向かって徐々に傾斜するように形成されている。羽根２７１の径方向内側端には、弧状面２７１ａが形成されており、ここを通過する蒸気Ｓにかかる静圧が低くなるようになっている。

さらに、羽根２７１は、軸方向断面略三角形状に形成されており、羽根高さＴ１が径方向外側に向かうに従って、漸次低くなるように設定されている。そして、羽根２７１は、この羽根高さＴ１が１段目のステップ部５２Ａの上面１５２Ａ近傍でゼロになるように設定されている。すなわち、１段目のステップ部５２Ａの段差面２５３Ａは、径方向外側に向かうに従って、徐々に軸方向上流側に向かうように傾斜している。

したがって、上述の第３実施形態によれば、前述の第１実施形態と同様の効果を奏することができる。また、蒸気タービン１の仕様に応じて段差面５３Ａに溝７１を形成するか、段差面２５３Ａに羽根２７１を設けるか選択することが可能になり、チップシュラウド５１のバリエーションを拡げることができる。

なお、上述の第３実施形態では、チップシュラウド５１の３つのステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）に形成されている段差面５３（５３Ａ〜５３Ｃ）のうち、最上流側に位置する段差面５３Ａに、複数の羽根２７１が周方向に沿って並列配置されている場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、２段目のステップ部５２Ｂの段差面５３Ｂや３段目のステップ部５２Ｃの段差面５３Ｃにも複数の羽根２７１を形成してもよい。

（第４実施形態）
次に、この発明の第４実施形態を、図９に基づいて説明する。
図９は、第４実施形態におけるチップシュラウド周縁を示す概略構成図である。
図９に示すように、この第４実施形態と第１実施形態との相違点は、１段目のステップ部５２の段差面５３Ａに形成された複数の溝３７１の形状にある。

より詳しくは、各溝３７１の溝深さＤ２は、径方向外側に向かうに従って漸次浅くなるように設定され、この溝深さＤ２が１段目のステップ部５２Ａの上面１５２Ａ近傍でゼロになるように設定されている点は、前述の第１実施形態の溝７１と同様であるが、各溝３７１は軸方向断面が略三角形状になっていない。
すなわち、各溝３７１には、径方向外側に向かうに従って溝深さＤ２が浅くなるように第１弧状部３７１ａが形成されている。さらに、各溝３７１の第１弧状部３７１ａの先端には、上流側に向かって膨出するように第２弧状部３７１ｂが形成されている。

このように、各溝３７１を形成することにより、各溝３７１の径方向外側における接線方向は、ほぼ段差面５３Ａの面方向と一致する。このため、チップシュラウド５１の段差面５３Ａに衝突して主渦Ｙ１を形成する蒸気Ｓ’は、端縁部５５Ａでの速度ベクトルがほぼ径方向に向き、剥離渦Ｙ２の慣性力が大きくなる。
したがって、上述の第４実施形態によれば、前述の第１実施形態と同様の効果に加え、剥離渦Ｙ２によるダウンフローを大きくすることができる。このため、微小隙間Ｈ１を通る蒸気Ｓの漏れ流れをさらに効率よく低減することができ、さらに高性能な蒸気タービン１を提供することができる。

なお、上述の第４実施形態では、チップシュラウド５１の３つのステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）に形成されている段差面５３（５３Ａ〜５３Ｃ）のうち、最上流側に位置する段差面５３Ａに複数の溝３７１を形成した場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、２段目のステップ部５２Ｂの段差面５３Ｂや３段目のステップ部５２Ｃの段差面５３Ｃにも複数の溝３７１を形成してもよい。

（第５実施形態）
次に、この発明の第５実施形態を、図１０、図１１に基づいて説明する。
図１０は、第５実施形態におけるチップシュラウドの上流側の概略構成図、図１１は、図１０のＣ矢視図である。
図１０、図１１に示すように、この第５実施形態と第１実施形態との相違点は、第１実施形態のチップシュラウド５１には、段差面５３Ａに複数の溝７１が形成されているのに対し、第５実施形態では、チップシュラウド５１に溝７１が形成されておらず、３つのキャビティＣ（Ｃ１〜Ｃ３）のうち、最上流側に位置する第１のキャビティＣ１に、ターニングベーン４７１が設けられている点にある。

ターニングベーン４７１は、複数の案内板４７２が周方向に沿って並列配置されたものである。各案内板４７２は、第１のキャビティＣ１の底面１１１ａ側に軸方向に長く形成されている。より具体的には、第１のシールフィン１２Ａから主渦Ｙ１の流れ方向における周方向成分の方向とは反対側に向かって斜めに上流側に向かって延出するように形成されている（図１１参照）。そして、各案内板４７２は、環状溝１１１の上流側の内側面１１１ｂまで延出しており、この内側面１１１ｂと、環状溝１１１の底面１１１ａと、第１のシールフィン１２Ａとに接合されている。

このような構成のもと、周方向に隣接する各案内板４７２間が、主渦Ｙ１が流通する流路４７３に設定される。流路４７３は、主渦Ｙ１をこの周方向成分を相殺するように案内することになる。このため、ターニングベーン４７１を設けない場合と比較して主渦Ｙ１の軸方向成分が大きくなり、前述の第１実施形態と同様の効果を奏することが可能になる。

なお、上述の第５実施形態では、ターニングベーン４７１を構成する複数の案内板４７２が第１のキャビティＣ１の底面１１１ａ側に軸方向に長く形成されている場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、各案内板４７２における環状溝１１１の上流側の内側面１１１ｂ側に、径方向内側に向かって舌片部４７４を延出形成し（図１０における２点鎖線参照）、各案内板４７２を周方向平面視で略Ｌ字状に形成してもよい。
この場合、ターニングベーン４７１やチップシュラウド５１等の熱伸び等を考慮し、舌片部４７４と動翼５０とが接触しないように舌片部４７４を形成する。

また、上述の第５実施形態では、３つのキャビティＣ（Ｃ１〜Ｃ３）のうち、最上流側に位置する第１のキャビティＣ１に、ターニングベーン４７１を設けた場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、第２のキャビティＣ２や第３のキャビティＣ３にもターニングベーン４７１を設けてもよい。

（第６実施形態）
次に、この発明の第６実施形態を、図１２、図１３に基づいて説明する。
図１２は、第６実施形態におけるチップシュラウドの上流側の概略構成図、図１３は、図１２のＤ矢視図である。
図１２、図１３に示すように、この第６実施形態と第１実施形態との相違点は、第１実施形態のチップシュラウド５１には、段差面５３Ａに複数の溝７１が形成されているのに対し、第６実施形態では、チップシュラウド５１に代わって環状溝１１１の上流側の内側面１１１ｂに複数の羽根５７１が設けられている点にある。

羽根５７１は、軸方向平面視で径方向に沿うように、かつ軸方向下流側に向かって突出するように設けられている。また、羽根５７１は、径方向外側に向かうにしたがって段差面５３Ａに衝突して上流側に戻る主渦Ｙ１の周方向成分の方向とは反対側に向かって徐々に傾斜するように形成されている。
さらに、羽根５７１は、軸方向断面略三角形状に形成されており、羽根高さＴ２が径方向外側に向かうに従って漸次低くなるように設定されており、最外側で羽根高さＴ２がゼロになるように形成されている。すなわち、環状溝１１１の上流側の内側面１１１ｂは、羽根５７１に対応する部位が径方向外側に向かうに従って徐々に下流側に向かうように形成している。

このように形成した場合であっても、羽根５７１によって、周方向成分を含む方向に向かって流れる主渦Ｙ１を軸方向に向かって案内することができるので、前述の第１実施形態と同様の効果を奏することができる。
なお、上述の第６実施形態では、環状溝１１１の上流側の内側面１１１ｂに複数の羽根５７１が設けられている場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、羽根５７１に代わって複数の溝を形成してもよい。この場合、複数の溝を、軸方向断面略三角形状となるように形成することが望ましい。

また、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述の実施形態に種々の変更を加えたものを含む。
例えば、上述の実施形態では、ケーシング１０に設けられた仕切板外輪１１を構造体とした。しかしながら、これに限られるものではなく、仕切板外輪１１を設けずに、ケーシング１０自体を直接本発明の構造体として、構成してもよい。すなわち、この構造体は、動翼５０を囲繞するとともに、流体が動翼間を通過するように流路を規定するものであれば、どのような部材であってもよい。

さらに、上述の実施形態では、チップシュラウド５１にステップ部５２を複数設け、これによってキャビティＣも複数形成した場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、ステップ部５２やこれに対応するキャビティＣの数については任意であり、一つであっても、三つ、あるいは四つ以上であってもよい。
そして、シールフィン１２とステップ部５２とは必ずしも１：１で対応させる必要はなく、これらの数については任意に設計することができる。
また、上述の実施形態では、最終段の動翼５０や静翼４０に本発明を適用したが、他の段の動翼５０や静翼４０に本発明を適用してもよい。

さらに、上述の実施形態や変形例では、本発明に係る「ブレード」を動翼５０とし、その先端部となるチップシュラウド５１にステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）を形成するとともに、本発明に係る「構造体」を仕切板外輪１１とし、ここにシールフィン１２（１２Ａ〜１２Ｃ）を設けた場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、本発明に係る「ブレード」を静翼４０とし、その先端部にステップ部５２を形成するとともに、本発明に係る「構造体」を軸体（ロータ）３０として、ここにシールフィン１２を設ける構成としてもよい。この場合もステップ部５２に、上述の実施形態を採用することができる。

また、上述の実施形態では、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。
さらに、上述の実施形態では、本発明を蒸気タービン１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
１１仕切板外輪（構造体）
１２（１２Ａ〜１２Ｃ）シールフィン
３０軸体（構造体）
４０静翼（ブレード）
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〜５２Ｃ）ステップ部
５３（５３Ａ〜５３Ｃ）段差面
７１，１７１，３７１溝
１１１環状溝
１１１ｂ内側面
２７１，５７１羽根
４７１ターニングベーン
４７２案内板
Ｄ１，Ｄ２溝深さ
Ｈ，Ｈ１〜Ｈ３微小隙間
Ｋ隙間
Ｔ１，Ｔ２羽根高さ
Ｙ１主渦
Ｙ２剥離渦

Claims

ブレードと、
前記ブレードの先端部側に隙間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たタービンにおいて、
前記ブレードの前記先端部には、上流側に面する少なくとも１つの段差面を有して前記構造体側に突出するステップ部が設けられ、
前記構造体には、前記ステップ部の前記段差面よりも下流側で前記ステップ部に向かって延出し、このステップ部との間に微小隙間を形成するシールフィンが設けられ、
前記段差面の端縁部と前記シールフィンとの距離Ｌは、前記微小隙間Ｈ１との間で、以下の式（１）を満たすように設定されていることを特徴とするタービン。
Ｌ／Ｈ１≒２・・・（１）
前記シールフィンの上流側には、周方向成分を含む方向に向かって流れる主渦を軸方向に向かって案内する主渦案内手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のタービン。
前記主渦案内手段は、前記段差面のうちの少なくとも最上流側に位置する段差面に設けられ、周方向に沿って並列配置された複数の溝、および複数の羽根の何れか一方であって、
前記複数の溝、および前記複数の羽根は、径方向に沿うように形成され、
前記複数の溝の溝深さ、および前記複数の羽根の羽根高さは、径方向外側に向かうに従って漸次小さくなるように設定されており、
かつ、径方向最外側において、前記複数の溝の溝深さ、および前記複数の羽根の羽根高さがゼロとなるように設定されていることを特徴とする請求項２に記載のタービン。
前記主渦案内手段は、前記隙間の少なくとも最上流側に周方向に沿って並列配置された複数の案内板であることを特徴とする請求項２に記載のタービン。
前記構造体には、前記ブレードの前記先端部に対応する位置に、前記隙間を確保する環状溝が形成されており、
前記主渦案内手段は、前記環状溝の上流側の内側面に設けられ、周方向に沿って並列配置された複数の溝、および複数の羽根の何れか一方であって、
前記複数の溝、および前記複数の羽根は、径方向に沿うように形成され、
前記複数の溝の溝深さ、および前記複数の羽根の羽根高さは、径方向外側に向かうに従って漸次小さくなるように設定されており、
かつ、径方向最外側において、前記複数の溝の溝深さ、および前記複数の羽根の羽根高さがゼロとなるように設定されていることを特徴とする請求項２に記載のタービン。
前記複数の溝、および前記複数の羽根は、径方向外側に向かうに従って前記主渦の周方向成分の方向とは反対側に傾斜していることを特徴とする請求項３または請求項５に記載のタービン。