JP6803772B2 - 軸流回転機械、及び、動翼 - Google Patents

Description

本発明は、軸流回転機械、動翼に関する。

蒸気タービン、ガスタービン等の軸流回転機械において、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回転軸に放射状に設けられた動翼と、を備えたものが知られている。
例えば蒸気タービンの場合、蒸気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、動翼内で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）に変換される場合もある。

例えば特許文献１に開示されているように、この種の回転機械では、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隙間が形成されている。動翼の先端部とケーシングとの隙間を通過する作動流体の漏れ流れは、動翼の下流側において、動翼の先端部とケーシングとの隙間から径方向内側に流れ出て、ケーシング内を中心軸方向に流れる作動流体の主流に合流する。

特開２００７−３２１７２１号公報

ところで、動翼の下流側で径方向に流れ出る作動流体の漏れ流れは、ケーシング内を中心軸方向に流れる作動流体の主流に対して、交差するように合流する。作動流体の主流と作動流体の漏れ流れとが交差して合流するときには、作動流体の主流と作動流体の漏れ流れとが衝突して混合されるため、混合損失と呼ばれるエネルギー損失が発生する。この混合損失の増加は、軸流回転機械の効率向上の妨げとなる場合があり、混合損失を低減することが望まれる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、作動流体の主流と作動流体の漏れ流れとの混合損失を低減し、軸流回転機械の効率を高めることができる軸流回転機械、動翼を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明の一の態様では、軸流回転機械は、中心軸回りに回転する回転軸と、前記回転軸の径方向外側に配置され、その径方向内側を作動流体が前記中心軸方向に沿って上流側から下流側に向かって流れる筒状のケーシングと、前記ケーシングから径方向内側に向かって延びるよう設けられた静翼本体を有する静翼と、前記回転軸から径方向外側に設けられた動翼本体、前記動翼本体の径方向外側に設けられたチップシュラウド、及び、前記チップシュラウドにおいて径方向外側を向く外周面から径方向外側に延び、前記ケーシングの内周面に対向する動翼フィンを備えた動翼と、前記動翼フィンに対して上流側と下流側とにそれぞれ設けられ、前記ケーシングから径方向内側に延びて前記チップシュラウドの前記外周面に対向するケース側フィンと、を備え、前記動翼は、前記チップシュラウドの前記外周面において前記動翼フィンの前記上流側に形成された第一外周面と、前記チップシュラウドの前記外周面において前記動翼フィンの前記下流側に形成され、前記第一外周面よりも径方向内側に位置する第二外周面と、を、有する。前記動翼は、前記動翼フィンにおいて前記上流側を向く面の径方向内側の上流側内周端部が、前記動翼フィンの前記下流側を向く面の径方向内側の下流側内周端部よりも径方向外側に位置することで、前記チップシュラウドの前記上流側の上流端よりも前記チップシュラウドの前記下流側に位置する前記第二外周面の下流端の径方向の厚さ寸法が小さく形成されている。前記動翼は、前記動翼フィンにおいて前記上流側を向く面の径方向内側の上流側内周端部が、前記動翼フィンの前記下流側を向く面の径方向内側の下流側内周端部よりも径方向外側に位置することで、前記チップシュラウドの前記上流側の上流端よりも前記チップシュラウドの前記下流側に位置する前記第二外周面の下流端の径方向の厚さ寸法が小さく形成され、前記チップシュラウドの前記下流端は、下流側に向かって径方向の厚さが漸次小さくなる湾曲面又は傾斜面を有していてもよい。

このような構成によれば、チップシュラウドの上流端よりもチップシュラウドの下流端の径方向の厚さ寸法が小さいので、チップシュラウドとケーシングの内周面との隙間を通った作動流体の漏れ流れがチップシュラウドの下流端から下流側で剥離する際に生じる剥離渦（ 後縁のウェーク） が小さくなる。これにより、チップシュラウドの下流側における作動流体の漏れ流れによる損失が低減される。
また、剥離渦が小さくなることで、チップシュラウドの下流端から剥離した作動流体の漏れ流れは、ケーシング内で径方向内側に寄りやすくなる。これによって、作動流体の主流と作動流体の漏れ流れとの混合が、チップシュラウドの下流端に近い位置で開始される。
また、チップシュラウドの上流側で、作動流体の主流から分離した作動流体の漏れ流れは、チップシュラウドとケーシングとの間を径方向外側に向かって流れる。チップシュラウドの上流端は、下流端よりも径方向の厚さ寸法が大きいので、径方向外側に向かって流れる作動流体の漏れ流れは、チップシュラウドの上流端に沿って長く流れる。これにより、チップシュラウドの上流端の径方向外側で作動流体の漏れ流れから剥離して生成される剥離渦が強くなる。チップシュラウドの上流端側における剥離渦が強くなると、作動流体の漏れ流れは、チップシュラウドと上流側のケース側フィンとの隙間を通り抜けにくくなり、漏れ流れが低減される。
また、チップシュラウドとケーシングの内周面との隙間を通った作動流体の漏れ流れがチップシュラウドの下流端から剥離する際に生じる剥離渦が、より一層小さくなる。これにより、チップシュラウドの下流側における作動流体の漏れ流れによる損失を、より一層低減することができる。

本発明の他の態様では、前記動翼は、前記チップシュラウドの前記外周面において前記動翼フィンの前記上流側に形成された第一外周面と、前記チップシュラウドの前記外周面において前記動翼フィンの前記下流側に形成され、前記第一外周面よりも径方向内側に位置する第二外周面と、前記第一外周面と前記第二外周面との間に設けられ、前記中心軸方向の下流側を向く段差面と、を有していてもよい。

このような構成により、チップシュラウドの上流端よりもチップシュラウドの下流端の径方向の厚さ寸法が小さくなる。

本発明の他の態様では、前記動翼フィンは、前記第一外周面の前記下流側の端部から径方向外側に延びるように形成され、前記動翼フィンの前記下流側を向く面の径方向内側の一部が前記段差面を形成するようにしてもよい。

このように構成することで、動翼フィンにおいて下流側を向く面の一部が段差面を形成するので、段差面よりも下流側に動翼フィンが突出することがない。これによって、熱伸び等によって、ケーシング及び静翼と、回転軸及び動翼とが中心軸方向に相対変位した場合に、下流側のケース側フィンが動翼フィンに干渉することを抑制できる。

本発明の他の態様では、前記チップシュラウドの前記外周面は、前記中心軸に平行に形成されていてもよい。

これによって、ケース側フィンとチップシュラウドの外周面とのクリアランスを、容易に適正に維持することができる。

本発明の他の態様によれば、前記チップシュラウドにおいて径方向内側を向く内周面は、前記上流側から前記下流側に向かって径方向外側に傾斜していてもよい。

このように構成することで、チップシュラウドの上流端の径方向の厚さ寸法よりも、チップシュラウドの下流端の径方向の厚さ寸法を、より小さくすることが可能となる。

本発明の他の態様によれば、前記チップシュラウドの前記下流端は、下流側に向かって凸となる湾曲面を有し、該湾曲面は半円の円周面であってもよい。
このような構成によれば、チップシュラウドの下流端から剥離する際に生じる剥離渦をより小さくでき、後縁ロスのさらなる低減が可能である。

本発明の他の態様によれば、前記チップシュラウドの前記下流端は、下流側に向かって凸となる湾曲面を有し、該湾曲面は、長軸が前記中心軸方向に一致し、短軸が前記径方向に一致する半楕円の円周面であってもよい。
このような構成によれば、チップシュラウドの下流端から剥離する際に生じる剥離渦をより小さくでき、後縁ロスのさらなる低減が可能である。

本発明の他の態様によれば、前記チップシュラウドの前記下流端は、下流側に向かって凸となる湾曲面を有し、該湾曲面として、前記径方向の外側の第一湾曲面と、前記径方向の内側の第二湾曲面とが形成されており、前記第一湾曲面の曲率半径は、前記第二湾曲面の曲率半径よりも大きくともよい。
このような構成によれば、径方向内側の第二湾曲面の方が、径方向外側の第一湾曲面よりも曲率半径が小さいので、第二湾曲面側で第一湾曲面側よりも蒸気がチップシュラウドの下流端で剥離しやすくなる。即ち、第一湾曲面側で径方向内側に蒸気が向かう一方、第二湾曲面側で中心軸方向に蒸気が向かう。これによって、蒸気の主流が、径方向外側から合流する蒸気の漏れ流れに巻き込まれることを抑制し、蒸気の主流と蒸気の漏れ流れとが混合するときの損失を抑制することができる。

本発明の第一の態様では、作動流体が上流側から下流側に向かって流れるケーシング内で、中心軸回りに回転可能に支持される回転軸の径方向外側に設けられる動翼であって、前記回転軸から径方向外側に延びるよう設けられる動翼本体と、前記動翼本体の径方向外側に設けられるチップシュラウドと、前記チップシュラウドにおいて径方向外側を向く外周面に設けられ、前記外周面から径方向外側に延びる動翼フィンと、を備える。前記動翼は、前記動翼フィンにおいて前記上流側を向く面の径方向内側の上流側内周端部が、前記動翼フィンの前記下流側を向く面の径方向内側の下流側内周端部よりも径方向外側に位置することで、前記チップシュラウドの前記上流側の上流端よりも前記チップシュラウドの前記下流側の下流端の径方向の厚さ寸法が小さく形成され、前記チップシュラウドの前記下流端は、下流側に向かって径方向の厚さが漸次小さくなる湾曲面又は傾斜面を有している。

このような構成によれば、チップシュラウドの上流端よりもチップシュラウドの下流端の径方向の厚さ寸法が小さいので、チップシュラウドとケーシングの内周面との隙間を通った作動流体の漏れ流れがチップシュラウドの下流端から剥離する際に生じる剥離渦が小さくなる。これにより、チップシュラウドの下流側における作動流体の漏れ流れによる損失が低減される。
また、チップシュラウドとケーシングの内周面との隙間を通った作動流体の漏れ流れがチップシュラウドの下流端から剥離する際に生じる剥離渦が、より一層小さくなる。これにより、チップシュラウドの下流側における作動流体の漏れ流れによる損失を、より一層低減することができる。
本発明の第二の態様では、上記第一の態様において、前記チップシュラウドの前記下流端は、下流側に向かって凸となる湾曲面を有し、該湾曲面は半円の円周面であってもよい。
このような構成によれば、チップシュラウドの下流端から剥離する際に生じる剥離渦をより小さくでき、後縁ロスのさらなる低減が可能である。
本発明の第三の態様では、上記第一の態様において、前記チップシュラウドの前記下流端は、下流側に向かって凸となる湾曲面を有し、該湾曲面は、長軸が前記中心軸方向に一致し、短軸が前記径方向に一致する半楕円の円周面であってもよい。
このような構成によれば、チップシュラウドの下流端から剥離する際に生じる剥離渦をより小さくでき、後縁ロスのさらなる低減が可能である。
本発明の第四の態様では、上記第一の態様において、前記チップシュラウドの前記下流端は、下流側に向かって凸となる湾曲面を有し、該湾曲面として、前記径方向の外側の第一湾曲面と、前記径方向の内側の第二湾曲面とが形成されており、前記第一湾曲面の曲率半径は、前記第二湾曲面の曲率半径よりも大きくともよい。
このような構成によれば、径方向内側の第二湾曲面の方が、径方向外側の第一湾曲面よりも曲率半径が小さいので、第二湾曲面側で第一湾曲面側よりも蒸気がチップシュラウドの下流端で剥離しやすくなる。即ち、第一湾曲面側で径方向内側に蒸気が向かう一方、第二湾曲面側で中心軸方向に蒸気が向かう。これによって、蒸気の主流が、径方向外側から合流する蒸気の漏れ流れに巻き込まれることを抑制し、蒸気の主流と蒸気の漏れ流れとが混合するときの損失を抑制することができる。

本発明に係る軸流回転機械、動翼によれば、作動流体の主流と作動流体の漏れ流れとの混合損失を低減し、軸流回転機械の効率を高めることができる。

本発明の第一実施形態に係る蒸気タービンの構成を示す模式図である。 上記第一実施形態に係る蒸気タービンの動翼の先端部を示す拡大図である。 本発明の第二実施形態に係る蒸気タービンの動翼の先端部の形状を示す断面図である。 上記第二実施形態に係る蒸気タービンの動翼の先端部の形状の第一変形例を示す図である。 上記第二実施形態に係る蒸気タービンの動翼の先端部の形状の第二変形例を示す図である。 上記第二実施形態に係る蒸気タービンの動翼の先端部の形状の第三変形例を示す図である。 上記第二実施形態に係る蒸気タービンの動翼の先端部の形状の第四変形例を示す図である。 上記各実施形態に係る蒸気タービンの動翼の変形例を示す図である。

以下、本発明の一実施形態に係る軸流回転機械、動翼を図面に基づき説明する。
（第一実施形態）
図１は、本発明の実施形態に係る蒸気タービンの構成を示す模式図である。図２は、上記蒸気タービンの動翼の先端部を示す拡大図である。
図１に示すように、本実施形態に係る蒸気タービン（軸流回転機械）１００は、回転軸１と、ケーシング２と、複数の静翼７を備える静翼段６と、複数の動翼４を備える動翼段３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を外周側から覆う。
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。

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キャビティ８が形成されている。各静翼７の静翼シュラウド７１は、静翼キャビティ８内に収容されている。

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。

動翼４は、動翼本体４０と、チップシュラウド４１と、を有している。

動翼本体４０は、回転軸１から径方向Ｄｒ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。
本実施形態では、動翼本体４０と静翼本体７０との径方向Ｄｒ寸法は互いに同一とされている。言い換えると、中心軸方向Ｄａから見た場合、動翼本体４０と静翼本体７０とは互いに重なるように配列されている。

図２に示すように、チップシュラウド４１は、動翼本体４０の径方向Ｄｒ外側の端部に設けられている。チップシュラウド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、チップシュラウド４１と径方向Ｄｒで対向する領域には、チップシュラウド４１を収容するための動翼キャビティ２０が形成されている。動翼キャビティ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。

本実施形態において、動翼４は、動翼側フィン４２をさらに有している。動翼側フィン４２は、チップシュラウド４１の中心軸方向Ｄａの中間部に設けられている。動翼側フィン４２は、チップシュラウド４１において径方向Ｄｒ外側を向く外周面４１ｓから径方向Ｄｒ外側に延び、その先端部がケーシング２の動翼キャビティ２０との間に間隔を空けて対向するよう設けられている。この動翼側フィン４２は、中心軸方向Ｄａの上流側を向く上流面４３と、中心軸方向Ｄａの下流側を向く下流面４４と、を有している。ここで、上流面４３は、中心軸方向Ｄａに直交する面内に位置している。下流面４４は、中心軸方向Ｄａに沿って上流側から下流側に向かって、漸次径方向内側に延びるよう傾斜して形成されている。
この動翼側フィン４２は、チップシュラウド４１と一体成形することで形成されている。

チップシュラウド４１は、第一外周面４５Ａと、第二外周面４５Ｂと、段差面４６と、を有している。

第一外周面４５Ａは、チップシュラウド４１の外周面４１ｓにおいて動翼側フィン４２の上流側に形成されている。第二外周面４５Ｂは、チップシュラウド４１の外周面４１ｓにおいて動翼側フィン４２の下流側に形成されている。第二外周面４５Ｂは、第一外周面４５Ａよりも径方向Ｄｒ内側に位置するよう形成されている。チップシュラウド４１の外周面４１ｓを構成する第一外周面４５Ａ及び第二外周面４５Ｂは、それぞれ、中心軸Ａｃ（図１参照）に平行に形成されている。

段差面４６は、第一外周面４５Ａと第二外周面４５Ｂとの間に設けられ、中心軸方向Ｄａの下流側を向くよう形成されている。この段差面４６の径方向Ｄｒの外側に、動翼側フィン４２が連続して設けられている。言い換えると、動翼側フィン４２は、第一外周面４５Ａの下流側の端部から径方向Ｄｒ外側に延びるように形成されている。動翼側フィン４２は、下流側を向く下流面４４の径方向Ｄｒ内側の一部が、段差面４６を形成している。

このようにして、動翼側フィン４２は、上流面４３の径方向Ｄｒ内側の上流側内周端部４３ａが、下流面４４の径方向Ｄｒ内側の下流側内周端部４４ａよりも径方向Ｄｒ外側に位置している。
また、チップシュラウド４１において径方向Ｄｒ内側を向く内周面４１ｔは、上流側から下流側に向かって径方向Ｄｒ外側に傾斜して形成されている。
これにより、動翼４は、チップシュラウド４１の上流側の上流端４１ａよりもチップシュラウド４１の下流側の下流端４１ｂの径方向Ｄｒの厚さ寸法が小さく形成されている。

上記したようなチップシュラウド４１の径方向Ｄｒの外側には、ケース側フィン２２Ａ，２２Ｂが設けられている。ケース側フィン２２Ａ，２２Ｂは、動翼側フィン４２に対して上流側と下流側とに設けられている。ケース側フィン２２Ａ，２２Ｂは、それぞれ、ケーシング２から径方向Ｄｒ内側に延び、その径方向Ｄｒの内側の先端部が、チップシュラウド４１の第一外周面４５Ａ，第二外周面４５Ｂに間隔を隔てて対向している。
ここで、第一外周面４５Ａ及び第二外周面４５Ｂの径方向Ｄｒの位置の差分は、ケース側フィン２２Ａの径方向Ｄｒの内側の先端部と第一外周面４５Ａとの間の間隔（クリアランス）よりも大きくなっているとよい。

以上のように構成された蒸気タービン１００の動作について図１を参照して説明する。
蒸気タービン１００を運転するに当たっては、まずボイラ等の蒸気供給源（図示省略）から供給された高温高圧の蒸気が、吸気口１０を通じてケーシング２の内部に導入される。
ケーシング２内に導入された蒸気は、動翼４（動翼段３）、及び静翼７（静翼段６）に順次衝突する。各静翼段６においては、上流側から流れてきた蒸気が静翼７に当たることで、この蒸気の流れに回転軸１周りの旋回成分が付与される。これにより、各静翼段６の下流側では、蒸気の流れは回転軸１周りに旋回している。各動翼段３は、上流側の静翼段６を経て回転軸１周りに旋回した蒸気の流れが到達する。この旋回した蒸気の流れが各動翼４に当たることで、回転軸１は回転エネルギーを得て、中心軸Ａｃ回りに回転する。この回転軸１の回転運動は、軸端に連結された発電機等（図示省略）によって取り出される。
以上のサイクルが連続的に繰り返される。

上記のようにして、蒸気が、静翼７と動翼４とを交互に経て上流側から下流側に向かって流れることで、主流ＦＭを形成する。この主流ＦＭは、上記のように静翼７と動翼４とに順次衝突することで整流されるとともに、動翼４に対してエネルギーを与える。

ここで、各動翼段３においては、上流側から流れてきた蒸気のうち、主流ＦＭを除く成分は、上記の動翼キャビティ２０に流れ込み、動翼漏れ流れＦＬを形成する。
この動翼漏れ流れＦＬは、チップシュラウド４１に対して上流側で、チップシュラウド４１の上流端４１ａと、その上流側に位置する動翼キャビティ２０の上流側面２１Ａとの間を径方向Ｄｒの外側に向かって流れる。
ここで、チップシュラウド４１の上流端４１ａの径方向Ｄｒ外側では、径方向Ｄｒの外側に向かう作動流体の漏れ流れＦＬの一部が剥離し、剥離渦Ｓ１が生成される。チップシュラウド４１の上流端４１ａは、下流端４１ｂよりも径方向Ｄｒの厚さ寸法が大きいので、径方向Ｄｒ外側に向かって流れる作動流体の漏れ流れＦＬは、チップシュラウド４１の上流端４１ａに沿って長く流れる。これにより、生成される剥離渦Ｓ１が強くなる。

径方向Ｄｒの外側に向かった作動流体の漏れ流れＦＬの一部は、上流側のケース側フィン２２Ａとチップシュラウド４１の第一外周面４５Ａとの間、動翼側フィン４２と動翼キャビティ２０との間、下流側のケース側フィン２２Ｂとチップシュラウド４１の第二外周面４５Ｂとの間を通り抜ける。

下流側のケース側フィン２２Ｂとチップシュラウド４１の第二外周面４５Ｂとの間を通り抜けた作動流体の漏れ流れＦＬは、チップシュラウド４１の下流端４１ｂから後方に流れ、作動流体の主流ＦＭと合流する。ここで、チップシュラウド４１の上流端４１ａよりもチップシュラウド４１の下流端４１ｂの径方向Ｄｒの厚さ寸法が小さいので、チップシュラウド４１と動翼キャビティ２０との隙間を通った蒸気の漏れ流れＦＬがチップシュラウド４１の下流端４１ｂから剥離する際に生じる剥離渦Ｓ２が小さくなる。剥離渦Ｓ２が小さくなることで、チップシュラウド４１の下流端４１ｂから剥離した蒸気の漏れ流れＦＬは、径方向Ｄｒ内側に寄りやすくなる。これによって、蒸気の主流ＦＭと蒸気の漏れ流れＦＬとの混合が、チップシュラウド４１の下流端４１ｂに、より近い位置で開始される。
このようにして蒸気の主流ＦＭと混合した蒸気の漏れ流れＦＬは、下流側の静翼７へと流れていく。

上述したような蒸気タービン１００、動翼４によれば、チップシュラウド４１の上流端４１ａよりもチップシュラウド４１の下流端４１ｂの径方向Ｄｒの厚さ寸法が小さいので、蒸気の漏れ流れＦＬがチップシュラウド４１の下流端４１ｂから剥離する際に生じる剥離渦Ｓ２が小さくなる。これにより、チップシュラウド４１の下流側における蒸気の漏れ流れＦＬによる損失が低減される。
また、剥離渦Ｓ２が小さくなることで、チップシュラウド４１の下流端４１ｂから剥離した蒸気の漏れ流れＦＬは、径方向Ｄｒ内側に寄りやすくなる。これによって、蒸気の主流ＦＭと蒸気の漏れ流れＦＬとの混合が、チップシュラウド４１の下流端４１ｂに近い位置で開始される。これによって、蒸気の漏れ流れＦＬが、チップシュラウド４１の下流端４１ｂに対向する動翼キャビティ２０の下流側面２１Ｂにまで到達することを抑制する。したがって、蒸気の漏れ流れＦＬが下流側面２１Ｂに衝突することで生じる損失が低減される。
また、チップシュラウド４１の上流端４１ａは、下流端４１ｂよりも径方向Ｄｒの厚さ寸法が大きいので、チップシュラウド４１の上流端４１ａの径方向Ｄｒ外側で蒸気の漏れ流れＦＬから剥離して生成される剥離渦Ｓ１が強くなる。このように、チップシュラウド４１の上流端４１ａ側における剥離渦Ｓ１が強くなると、蒸気の漏れ流れＦＬは、チップシュラウド４１と上流側のケース側フィン２２Ａとの隙間を通り抜けにくくなる。したがって、蒸気の漏れ流れＦＬの量が低減される。

また、動翼側フィン４２は、下流側を向く下流面４４の一部が段差面４６を形成するので、段差面４６よりも下流側に動翼側フィン４２が突出することがない。これによって、熱伸び等によってケーシング２及び静翼７と、回転軸１及び動翼４とが中心軸方向Ｄａに相対変位した場合に、下流側のケース側フィン２２Ｂが動翼側フィン４２に干渉することを抑制できる。

また、チップシュラウド４１の外周面４１ｓは、中心軸Ａｃに平行に形成されている。これによって、ケース側フィン２２Ａ，２２Ｂとチップシュラウド４１の第一外周面４５Ａ，第二外周面４５Ｂとのクリアランスを、容易に適正に維持することができる。

また、チップシュラウド４１において径方向Ｄｒ内側を向く内周面４１ｔは、上流側から下流側に向かって径方向Ｄｒ外側に傾斜している。このように構成することで、チップシュラウド４１の上流端４１ａの径方向Ｄｒの厚さ寸法よりも、チップシュラウド４１の下流端４１ｂの径方向Ｄｒの厚さ寸法を、より小さくすることが可能となる。

（第二実施形態）
次に、本発明にかかる軸流回転機械、動翼の第二実施形態について説明する。以下に説明する第二実施形態においては、第一実施形態とチップシュラウド４１の下流端４１ｂの形状のみが異なるので、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は、本発明の第二実施形態に係る蒸気タービンの動翼の先端部の形状を示す断面図である。
この実施形態における蒸気タービン１００の動翼４は、上記第一実施形態と同様の、動翼本体４０と、チップシュラウド４１と、動翼側フィン４２（図２参照）を有している。

図３に示すように、この実施形態におけるチップシュラウド４１の下流端４１ｂは、下流側に向かって径方向Ｄｒの厚さが漸次小さくなるように、周方向からみて半円状をなす湾曲面４８Ａによって形成されている。

このような構成によれば、チップシュラウド４１と動翼キャビティ２０との隙間を通った蒸気の漏れ流れＦＬがチップシュラウド４１の下流端４１ｂから剥離する際に生じる剥離渦Ｓ２が、より一層小さくなる。これにより、チップシュラウド４１の下流側における蒸気の漏れ流れＦＬによる損失を、より一層低減することができる。

（第二実施形態の第一変形例）
図４は、上記第二実施形態に係る蒸気タービンの動翼の先端部の形状の第一変形例を示す図である。
図４に示すように、チップシュラウド４１の下流端４１ｂは、下流側に向かって径方向Ｄｒの厚さが漸次小さくなる半楕円状の湾曲面４８Ｂによって形成されている。ここで、湾曲面４８Ｂは、中心軸方向Ｄａに長軸方向Ａ１が一致し、径方向Ｄｒに短軸方向Ａ２が一致した半楕円状に形成するのが好ましい。

このような構成によっても、チップシュラウド４１と動翼キャビティ２０との隙間を通った蒸気の漏れ流れＦＬがチップシュラウド４１の下流端４１ｂから剥離する際に生じる剥離渦Ｓ２が、より一層小さくなる。これにより、チップシュラウド４１の下流側における蒸気の漏れ流れＦＬによる損失を、より一層低減することができる。

（第二実施形態の第二変形例）
図５は、上記第二実施形態に係る蒸気タービンの動翼の先端部の形状の第二変形例を示す図である。
図５に示すように、チップシュラウド４１の下流端４１ｂは、下流側に向かって漸次径方向内側に傾斜することで、径方向Ｄｒの厚さが漸次小さくなる傾斜面４８Ｃによって形成されている。

このような構成によっても、チップシュラウド４１と動翼キャビティ２０との隙間を通った蒸気の漏れ流れＦＬがチップシュラウド４１の下流端４１ｂから剥離する際に生じる剥離渦Ｓ２が、より一層小さくなる。これにより、チップシュラウド４１の下流側における蒸気の漏れ流れＦＬによる損失を、より一層低減することができる。

（第二実施形態の第三変形例）
図６は、上記第二実施形態に係る蒸気タービンの動翼の先端部の形状の第三変形例を示す図である。
傾斜面４８Ｃは下流側に突出する湾曲面であってもよい。この湾曲面では、径方向Ｄｒの中央部付近での接線の径方向Ｄｒに対する傾斜角度θが、０度＜θ＜９０度を満たす。

（第二実施形態の第四変形例）
図７は、上記第二実施形態に係る蒸気タービンの動翼の先端部の形状の第四変形例を示す図である。
図７に示すように、チップシュラウド４１の下流端４１ｂは、下流側に向かって径方向Ｄｒの厚さが漸次小さくなるよう形成されている。この変形例において、チップシュラウド４１の下流端４１ｂには、径方向Ｄｒの外側に第一湾曲面４８Ｄが、径方向Ｄｒの内側に第二湾曲面４８Ｅが形成されている。径方向Ｄｒの外側の湾曲面４８Ｄの曲率半径Ｒｄは、径方向Ｄｒの内側の湾曲面４８Ｅの曲率半径Ｒｅよりも大きく設定されている。また、湾曲面４８Ｄと湾曲面４８Ｅとの間は、径方向Ｄｒに延びる平面４９によって滑らかに連結されている。

このような構成によっても、チップシュラウド４１と動翼キャビティ２０との隙間を通った蒸気の漏れ流れＦＬがチップシュラウド４１の下流端４１ｂから剥離する際に生じる剥離渦Ｓ２が、より一層小さくなる。これにより、チップシュラウド４１の下流側における蒸気の漏れ流れＦＬによる損失を、より一層低減することができる。
ここで、チップシュラウド４１の下流端４１ｂにおいて、径方向Ｄｒの外側の第一湾曲面４８Ｄの方が、径方向Ｄｒの内側の第二湾曲面４８Ｅよりも曲率半径Ｒ１が大きいので、チップシュラウド４１の径方向Ｄｒの外側を流れる蒸気の漏れ流れＦＬがチップシュラウド４１の下流端４１ｂから剥離しにくくなる。これによって、蒸気の漏れ流れＦＬを、第一湾曲面４８Ｄの下流側で、径方向Ｄｒの内側に向かって転向させることができる。一方、チップシュラウド４１の下流端４１ｂにおいて、径方向Ｄｒの内側の第二湾曲面４８Ｅの方が、径方向Ｄｒの外側の第一湾曲面４８Ｄよりも曲率半径Ｒ２が小さいので、蒸気の主流ＦＭがチップシュラウド４１の下流端４１ｂで剥離しやすくなる。即ち、第一湾曲面４８Ｄ側で径方向Ｄｒの内側に蒸気が向かう一方、第二湾曲面４８Ｅ側で中心軸方向Ｄｃに蒸気が向かう。これによって、蒸気の主流ＦＭが、径方向Ｄｒの外側から合流する蒸気の漏れ流れＦＬに巻き込まれることを抑制し、蒸気の主流ＦＭと蒸気の漏れ流れＦＬとが混合するときの損失を抑制する。

ここで、上記の第三変形例、及び第四変形例のさらなる変形例として、径方向Ｄｒの外側の湾曲面４８Ｄの曲率半径Ｒｄと、径方向Ｄｒの内側の湾曲面４８Ｅの曲率半径Ｒｅとが同一であってもよい。この場合、湾曲面４８Ｄと湾曲面４８Ｅとの間の径方向Ｄｒに延びる平面４９の径方向Ｄｒに対する角度θは０度である。

なお、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、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。即ち、実施形態で挙げた具体的な形状や構成等は一例にすぎず、適宜変更が可能である。
例えば、上記各実施形態およびその変形例では、動翼側フィン４２がチップシュラウド４１と一体化されているが、これに限らない。
図８は、上記各実施形態の蒸気タービンの動翼の変形例を示す図である。
例えば、図８に示すように、動翼側フィン４２Ｆを、チップシュラウド４１Ｆとは別体とするようにしてもよい。この場合、動翼側フィン４２Ｆは、チップシュラウド４１Ｆの外周面４１ｓに形成された第一外周面４５Ａと第二外周面４５Ｂとの段差面４６Ｆに沿わせるように配置される。動翼側フィン４２Ｆは、その基端部４２ｇを、第二外周面４５Ｂに形成された溝４７に嵌め込んで固定される。

このような構成において、動翼側フィン４２Ｆは、段差面４６Ｆに突き当たることで、第一外周面４５Ａよりも径方向Ｄｒの外側の部分のみが、動翼側フィン４２Ｆにおいて上流側を向く上流面４３Ｆを形成する。したがって、動翼側フィン４２Ｆにおいて上流側を向く上流面４３Ｆの径方向Ｄｒ内側の上流側内周端部４３ｆは、動翼側フィン４２Ｆにおいて下流側を向く下流面４４Ｆの径方向Ｄｒ内側の下流側内周端部４４ｇよりも径方向Ｄｒ外側に位置している。これにより、上記第一、第二実施形態と同様、チップシュラウド４１Ｆの上流側の上流端（図示無し）よりもチップシュラウド４１の下流端４１ｂの径方向Ｄｒの厚さ寸法が小さく形成される。

また、上述した実施形態、及び各変形例の構成は、適宜組み合わせてよい。

１ 回転軸
１Ｓ 外周面
２ ケーシング
２Ｓ 内周面
３ 動翼段
４ 動翼
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
８ 静翼キャビティ
１０ 吸気口
１１ 排気口
２０ 動翼キャビティ
２１Ａ 上流側面
２１Ｂ 下流側面
２２Ａ、２２Ｂ ケース側フィン
４０ 動翼本体
４１、４１Ｆ チップシュラウド
４１ａ 上流端
４１ｂ 下流端
４１ｓ 外周面
４１ｔ 内周面
４２、４２Ｆ 動翼側フィン
４２ｇ 基端部
４３、４３Ｆ 上流面
４３ａ、４３ｆ 上流側内周端部
４４、４４Ｆ 下流面
４４ａ、４４ｇ 下流側内周端部
４５Ａ 第一外周面
４５Ｂ 第二外周面
４６、４６Ｆ 段差面
４７ 溝
４８Ａ、４８Ｂ 湾曲面
４８Ｄ 第一湾曲面
４８Ｅ 第二湾曲面
４８Ｃ 傾斜面
４９ 平面
７０ 静翼本体
７１ 静翼シュラウド
１００ 蒸気タービン
Ａ１ 長軸方向
Ａ２ 短軸方向
Ａｃ 中心軸
Ｄａ 中心軸方向
Ｄｒ 径方向
ＦＭ 主流
ＦＬ 漏れ流れ
Ｒ１、Ｒ２、Ｒｄ、Ｒｅ 曲率半径
Ｓ１、Ｓ２ 剥離渦

Claims (12)

1. 中心軸回りに回転する回転軸と、
   前記回転軸の径方向外側に配置され、その径方向内側を作動流体が前記中心軸方向に沿って上流側から下流側に向かって流れる筒状のケーシングと、
   前記ケーシングから径方向内側に向かって延びるよう設けられた静翼本体を有する静翼と、
   前記回転軸から径方向外側に設けられた動翼本体、前記動翼本体の径方向外側に設けられたチップシュラウド、及び、前記チップシュラウドにおいて径方向外側を向く外周面から径方向外側に延び、前記ケーシングの内周面に対向する動翼フィンを備えた動翼と、
   前記動翼フィンに対して上流側と下流側とにそれぞれ設けられ、前記ケーシングから径方向内側に延びて前記チップシュラウドの前記外周面に対向するケース側フィンと、
   を備え、
   前記動翼は、
   前記チップシュラウドの前記外周面において前記動翼フィンの前記上流側に形成された第一外周面と、
   前記チップシュラウドの前記外周面において前記動翼フィンの前記下流側に形成され、前記第一外周面よりも径方向内側に位置する第二外周面と、
   を、有し、
   前記動翼は、前記動翼フィンにおいて前記上流側を向く面の径方向内側の上流側内周端部が、前記動翼フィンの前記下流側を向く面の径方向内側の下流側内周端部よりも径方向外側に位置することで、前記チップシュラウドの前記上流側の上流端よりも前記チップシュラウドの前記下流側に位置する前記第二外周面の下流端の径方向の厚さ寸法が小さく形成され、
   前記チップシュラウドの前記下流端は、下流側に向かって径方向の厚さが漸次小さくなる湾曲面又は傾斜面を有している、軸流回転機械。
2. 前記動翼は、
   前記チップシュラウドの前記外周面において前記動翼フィンの前記上流側に形成された第一外周面と、
   前記チップシュラウドの前記外周面において前記動翼フィンの前記下流側に形成され、前記第一外周面よりも径方向内側に位置する第二外周面と、
   前記第一外周面と前記第二外周面との間に設けられ、前記中心軸方向の下流側を向く段差面と、を有している、請求項１に記載の軸流回転機械。
3. 前記動翼フィンは、前記第一外周面の前記下流側の端部から径方向外側に延びるように形成され、
   前記動翼フィンの前記下流側を向く面の径方向内側の一部が前記段差面を形成する、請求項２に記載の軸流回転機械。
4. 前記チップシュラウドの前記外周面は、前記中心軸に平行に形成されている、請求項１から３の何れか一項に記載の軸流回転機械。
5. 前記チップシュラウドにおいて径方向内側を向く内周面は、前記上流側から前記下流側に向かって径方向外側に傾斜している、請求項１から４の何れか一項に記載の軸流回転機械。
6. 前記チップシュラウドの前記下流端は、下流側に向かって凸となる湾曲面を有し、該湾曲面は半円の円周面である請求項１に記載の軸流回転機械。
7. 前記チップシュラウドの前記下流端は、下流側に向かって凸となる湾曲面を有し、該湾曲面は、長軸が前記中心軸方向に一致し、短軸が前記径方向に一致する半楕円の円周面である請求項１に記載の軸流回転機械。
8. 前記チップシュラウドの前記下流端は、下流側に向かって凸となる湾曲面を有し、該湾曲面として、前記径方向の外側の第一湾曲面と、前記径方向の内側の第二湾曲面とが形成されており、
   前記第一湾曲面の曲率半径は、前記第二湾曲面の曲率半径よりも大きい請求項１に記載の軸流回転機械。
9. 作動流体が上流側から下流側に向かって流れるケーシング内で、中心軸回りに回転可能に支持される回転軸の径方向外側に設けられる動翼であって、
   前記回転軸から径方向外側に延びるよう設けられる動翼本体と、
   前記動翼本体の径方向外側に設けられるチップシュラウドと、
   前記チップシュラウドにおいて径方向外側を向く外周面に設けられ、前記外周面から径方向外側に延びる動翼フィンと、
   を備え、
   前記動翼フィンにおいて前記上流側を向く面の径方向内側の上流側内周端部は、前記動翼フィンの前記下流側を向く面の径方向内側の下流側内周端部よりも径方向外側に位置することで、前記チップシュラウドの前記上流側の上流端よりも前記チップシュラウドの前記下流側の下流端の径方向の厚さ寸法が小さく形成され、
   前記チップシュラウドの前記下流端は、下流側に向かって径方向の厚さが漸次小さくなる湾曲面又は傾斜面を有している、動翼。
10. 前記チップシュラウドの前記下流端は、下流側に向かって凸となる湾曲面を有し、該湾曲面は半円の円周面である請求項９に記載の動翼。
11. 前記チップシュラウドの前記下流端は、下流側に向かって凸となる湾曲面を有し、該湾曲面は、長軸が前記中心軸方向に一致し、短軸が前記径方向に一致する半楕円の円周面である請求項９に記載の動翼。
12. 前記チップシュラウドの前記下流端は、下流側に向かって凸となる湾曲面を有し、該湾曲面として、前記径方向の外側の第一湾曲面と、前記径方向の内側の第二湾曲面とが形成されており、
    前記第一湾曲面の曲率半径は、前記第二湾曲面の曲率半径よりも大きい請求項９に記載の動翼。

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