JP7356285B2 - 軸流タービン - Google Patents

Description

本発明は、軸流タービンに関する。

蒸気タービンや、ガスタービン用タービンを含む軸流タービンは、ケーシング内にロータが軸受により回転自在に支持され、ロータに複数段の動翼が固定される一方、ケーシングに複数段の静翼が複数段の動翼の間に位置するように固定されて構成される。そして、蒸気がケーシングの供給口から供給されると、蒸気が複数の動翼と静翼を通過することで、複数段の動翼を介してロータが駆動回転し、排出口から外部に排出される。

ところで、蒸気タービンでは、ロータの円滑な回転を実現するため、動翼の先端部（シュラウド）とケーシングの内周面との間に一定のクリアランスが設けられる。当該クリアランスを通過する蒸気は、漏れ流れとしてロータに回転エネルギーを与えることなく当該動翼を下流側に通過する。ここで、一般的に、漏れ流れの持つエネルギーがタービンの回転動力として有効利用されないことで生ずる損失をバイパス損失、クリアランスを通過した後に漏れ流れが主流路に流入する際に生ずる損失を混合損失、更に、主流路に流入した漏れ流れが下流側の翼列に干渉して生ずる損失を干渉損失という。この混合損失を低減するために、特許文献１のように動翼シュラウド下流端部に漏れ流れの方向を規制する部材を設け、漏れ流れの方向を主流の方向に合わせる方法がある。

特開２０１９－３５３４７号公報

特許文献１の技術は、混合損失の低減には効果がある。しかしながら、回転する動翼列の外周側から、下流に位置する静止部材である静翼列に向けた流れである漏れ流れを、周方向に一定間隔で配置された動翼列の間を通過した周方向に不均一な主流の方向と常に一致させることは難しく、下流側の静翼列での干渉損失も発生する。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、ミキシングロスを低減しつつ干渉損失の影響も低減することで効率の向上した軸流タービンを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る軸流タービンは、軸線に沿って延びる回転軸と、該回転軸から径方向外側に延びる動翼本体、及び該動翼本体の径方向外側の端部に設けられたシュラウドを有するとともに、周方向に間隔をあけて配列された複数の動翼と、前記動翼を径方向外側から囲うとともに、内周面に前記シュラウドを収容する凹部が形成されているケーシングと、前記凹部における前記シュラウドに対向する対向面から径方向内側に突出して、前記シュラウドの外周面との間にクリアランスを形成するフィンと、前記ケーシングの内周面における前記凹部よりも下流側に配置された静翼支持部と、該静翼支持部から径方向内側に向かって延びるとともに、周方向に間隔をあけて配列された複数の静翼と、前記凹部の下流側の面である凹部下流面から上流側に向かって延びるとともに、前記軸線を中心とする環状の仕切板と、を備え、前記ケーシングには、前記凹部下流面における前記仕切板よりも径方向外側の領域と、前記ケーシングの内周面における前記静翼同士の間の領域とを連通するバイパス流路が形成され、前記仕切板の径方向内側の端縁は、前記シュラウドの外周面よりも径方向内側に位置しており、かつ、前記シュラウドの内周面の下流側の端縁が前記仕切板の径方向内側の端縁よりも径方向外側に位置している。

軸流タービンの内部では、互いに隣接する動翼本体同士の間を流れる流れ（主流）と、主流から分岐して凹部内に流れ込む流れ（漏れ流れ）とが形成される。漏れ流れは、クリアランスを通過した後、凹部下流面から対向面に向かう方向に旋回する渦を形成する。渦の一部の成分は、クリアランスから流入した漏れ流れと干渉することで、さらに他の渦を形成する。この小渦が主流と合流することにより、ミキシングロス（混合損失）を生じる場合がある。しかしながら、上記の構成では、バイパス流路を通じて、漏れ流れの一部の成分が静翼同士の間の領域に直接的に導かれる。したがって、上述したような漏れ流れと渦との干渉による小渦の発生を抑制することができる。また、小渦を含む主流は周方向に均一ではなく回転軸周りの旋回成分を持つため、静翼列に流入する流れの向きは脈動するが、バイパス流路出口は静翼との相対位置が一定になるため、漏れ流れを静翼に常に一定の相対位置から一定の方向の流れとして供給することができる。

上記軸流タービンでは、前記バイパス流路は、前記軸線を含む断面視において、上流側から下流側に向かうに従って径方向外側から内側に向かって延びていてもよい。

上記構成によれば、バイパス流路が凹部内を流れる漏れ流れの一部を、より短い距離で静翼同士の間の領域に導くことができる。一方で、例えばバイパス流路が中途位置で曲折している場合、当該曲折部位で流れが阻害されてしまうため、漏れ流れを効率的にバイパスさせることができない。上記の構成によればこのような可能性を低減することができる。

上記軸流タービンでは、前記バイパス流路は、径方向外側から見て、上流側から下流側に向かうに従って前記回転軸の回転方向後方側に向かって延びていてもよい。

上記構成によれば、バイパス流路が、上流側から下流側に向かうに従って回転軸の回転方向後方側に向かって延びている。これにより、下流側の静翼に対する流れの流入角（インシデンス）を小さくすることができる。その結果、軸流タービン内の流体の流れをより一層円滑化することができる。

上記軸流タービンでは、前記軸線方向における前記静翼支持部の寸法をＬとし、前記静翼支持部の上流側の端縁から前記バイパス流路の下流側の端部までの寸法をＡとしたとき、Ａ／Ｌの値は、０＜Ａ／Ｌ＜０．１５を満たしてもよい。
本発明の一態様に係る軸流タービンは、軸線に沿って延びる回転軸と、該回転軸から径方向外側に延びる動翼本体、及び該動翼本体の径方向外側の端部に設けられたシュラウドを有するとともに、周方向に間隔をあけて配列された複数の動翼と、前記動翼を径方向外側から囲うとともに、内周面に前記シュラウドを収容する凹部が形成されているケーシングと、前記凹部における前記シュラウドに対向する対向面から径方向内側に突出して、前記シュラウドの外周面との間にクリアランスを形成するフィンと、前記ケーシングの内周面における前記凹部よりも下流側に配置された静翼支持部と、該静翼支持部から径方向内側に向かって延びるとともに、周方向に間隔をあけて配列された複数の静翼と、前記凹部の下流側の面である凹部下流面から上流側に向かって延びるとともに、前記軸線を中心とする環状の仕切板と、を備え、前記ケーシングには、前記凹部下流面における前記仕切板よりも径方向外側の領域と、前記ケーシングの内周面における前記静翼同士の間の領域とを連通するバイパス流路が形成され、前記軸線方向における前記静翼支持部の寸法をＬとし、前記静翼支持部の上流側の端縁から前記バイパス流路の下流側の端部までの寸法をＡとしたとき、Ａ／Ｌの値は、０＜Ａ／Ｌ＜０．１５を満たす。

上記構成によれば、Ａ／Ｌの値が０＜Ａ／Ｌ＜０．１５を満たすことにより、バイパス流路の下流側の端部は、静翼同士の間における上流側に偏った位置に形成されている。したがって、バイパス流路から流れ出た流れの静翼に対するインシデンスを小さくすることができる。

上記軸流タービンでは、前記軸線方向における前記静翼支持部の寸法をＬとし、前記静翼支持部の上流側の端縁から前記バイパス流路の下流側の端部までの寸法をＡとしたとき、Ａ／Ｌの値は、０．２＜Ａ／Ｌ＜０．４を満たしてもよい。
本発明の一態様に係る軸流タービンは、軸線に沿って延びる回転軸と、該回転軸から径方向外側に延びる動翼本体、及び該動翼本体の径方向外側の端部に設けられたシュラウドを有するとともに、周方向に間隔をあけて配列された複数の動翼と、前記動翼を径方向外側から囲うとともに、内周面に前記シュラウドを収容する凹部が形成されているケーシングと、前記凹部における前記シュラウドに対向する対向面から径方向内側に突出して、前記シュラウドの外周面との間にクリアランスを形成するフィンと、前記ケーシングの内周面における前記凹部よりも下流側に配置された静翼支持部と、該静翼支持部から径方向内側に向かって延びるとともに、周方向に間隔をあけて配列された複数の静翼と、前記凹部の下流側の面である凹部下流面から上流側に向かって延びるとともに、前記軸線を中心とする環状の仕切板と、を備え、前記ケーシングには、前記凹部下流面における前記仕切板よりも径方向外側の領域と、前記ケーシングの内周面における前記静翼同士の間の領域とを連通するバイパス流路が形成され、前記軸線方向における前記静翼支持部の寸法をＬとし、前記静翼支持部の上流側の端縁から前記バイパス流路の下流側の端部までの寸法をＡとしたとき、Ａ／Ｌの値は、０．２＜Ａ／Ｌ＜０．４を満たす。

上記構成によれば、Ａ／Ｌの値が０．２＜Ａ／Ｌ＜０．４を満たすことにより、バイパス流路の下流側の端部は、静翼同士の間における下流側に偏った位置に形成されている。したがって、静翼の下流側で生じる二次流れを、バイパス流路から流れ出た流れによって吹き飛ばすことができる。これにより、二次流れの影響による軸流タービンの効率低下を抑制することができる。

上記軸流タービンでは、前記凹部下流面は、前記軸線方向において、前記静翼の上流側の端縁よりも下流側に位置していてもよい。
本発明の一態様に係る軸流タービンは、軸線に沿って延びる回転軸と、該回転軸から径方向外側に延びる動翼本体、及び該動翼本体の径方向外側の端部に設けられたシュラウドを有するとともに、周方向に間隔をあけて配列された複数の動翼と、前記動翼を径方向外側から囲うとともに、内周面に前記シュラウドを収容する凹部が形成されているケーシングと、前記凹部における前記シュラウドに対向する対向面から径方向内側に突出して、前記シュラウドの外周面との間にクリアランスを形成するフィンと、前記ケーシングの内周面における前記凹部よりも下流側に配置された静翼支持部と、該静翼支持部から径方向内側に向かって延びるとともに、周方向に間隔をあけて配列された複数の静翼と、前記凹部の下流側の面である凹部下流面から上流側に向かって延びるとともに、前記軸線を中心とする環状の仕切板と、を備え、前記ケーシングには、前記凹部下流面における前記仕切板よりも径方向外側の領域と、前記ケーシングの内周面における前記静翼同士の間の領域とを連通するバイパス流路が形成され、前記凹部下流面は、前記軸線方向において、前記静翼の上流側の端縁よりも下流側に位置している。

上記構成によれば、凹部下流面が、軸線方向において静翼の上流側の端縁よりも下流側に位置している。これにより、動翼と静翼との間の軸線方向距離を小さくすることができる。その結果、例えば当該軸線方向距離が大きい場合に比べて、損失をより一層小さくすることができる。

上記軸流タービンでは、前記バイパス流路は、上流側から下流側に向かうに従って流路断面積が次第に減少していてもよい。
本発明の一態様に係る軸流タービンは、軸線に沿って延びる回転軸と、該回転軸から径方向外側に延びる動翼本体、及び該動翼本体の径方向外側の端部に設けられたシュラウドを有するとともに、周方向に間隔をあけて配列された複数の動翼と、前記動翼を径方向外側から囲うとともに、内周面に前記シュラウドを収容する凹部が形成されているケーシングと、前記凹部における前記シュラウドに対向する対向面から径方向内側に突出して、前記シュラウドの外周面との間にクリアランスを形成するフィンと、前記ケーシングの内周面における前記凹部よりも下流側に配置された静翼支持部と、該静翼支持部から径方向内側に向かって延びるとともに、周方向に間隔をあけて配列された複数の静翼と、前記凹部の下流側の面である凹部下流面から上流側に向かって延びるとともに、前記軸線を中心とする環状の仕切板と、を備え、前記ケーシングには、前記凹部下流面における前記仕切板よりも径方向外側の領域と、前記ケーシングの内周面における前記静翼同士の間の領域とを連通するバイパス流路が形成され、前記バイパス流路は、上流側から下流側に向かうに従って流路断面積が次第に減少している。

上記構成によれば、バイパス流路の断面積が上流側から下流側に向かうに従って次第に減少している。これにより、バイパス流路から吹き出される流体の流速を高めることができる。その結果、静翼に対するインシデンスがさらに適正化されるとともに、静翼の周囲で生じる二次流れの影響をさらに小さくすることができる。

上記軸流タービンでは、前記バイパス流路は、円形の断面形状を有していてもよい。

上記構成によれば、バイパス流路の断面形状が円形であることから、例えば断面形状が矩形である場合に比べて、加工をより容易に行うことができる。これにより、製造コストやメンテナンスコストを低減することができる。

上記軸流タービンでは、前記仕切板の外周面から前記凹部の内周面に向かって延びるとともに、周方向に間隔をあけて配列された複数の旋回防止板をさらに備えてもよい。

上記構成によれば、旋回防止板によって、凹部内における流れの周方向旋回成分を低減することができる。

本発明によれば、ミキシングロスを低減しつつ干渉損失の影響も低減することで効率の向上した軸流タービンを提供することができる。

本発明の第一実施形態に係る蒸気タービン（軸流タービン）の構成を示す断面図である。 本発明の第一実施形態に係る蒸気タービンの要部拡大断面図である。 本発明の第一実施形態に係る蒸気タービンの凹部下流面を上流側から見た図である。 本発明の第二実施形態に係る上記タービンの要部拡大断面図である。 本発明の第二実施形態に係る蒸気タービンのケーシングを径方向内側から見た図である。 本発明の第二実施形態の変形例に係る蒸気タービンのケーシングを径方向内側から見た図である。 本発明の第三実施形態に係る蒸気タービンの要部拡大断面図である。 本発明の第三実施形態に係る蒸気タービンのケーシングを径方向内側から見た図である。 本発明の第三実施形態の変形例に係る蒸気タービンのケーシングを径方向内側から見た図である。 本発明の第四実施形態に係る蒸気タービンの要部拡大断面図である。 本発明の第五実施形態に係る蒸気タービンの要部拡大断面図である。 本発明の各実施形態に共通する変形例を示す図であって、凹部下流面を上流側から見た図である。

［第一実施形態］
本発明の第一実施形態について、図１から図３を参照して説明する。本実施形態では、軸流タービンの一例として、蒸気タービン１を用いて説明する。なお、蒸気タービン１の他に、ガスタービン用のタービンを軸流タービンとして適用することも可能である。図１に示すように、蒸気タービン１は、軸受装置３と、複数の動翼列４と、ケーシング５と、複数の静翼列６と、フィン７（図２参照）と、を備えている。回転軸２は軸線Ｏに沿って延びる柱状をなしている。軸受装置３は、この回転軸２の軸端を支持している。軸受装置３は、一対のジャーナル軸受３１と、１つのみのスラスト軸受３２と、を有している。一対のジャーナル軸受３１は、回転軸２の軸線Ｏ方向両側の端部にそれぞれ設けられている。各ジャーナル軸受３１は、軸線Ｏに対する径方向への荷重を支持する。スラスト軸受３２は、軸線Ｏ方向一方側にのみ設けられている。スラスト軸受３２は、軸線Ｏ方向への荷重を支持する。回転軸２の外周面には、軸線Ｏ方向に間隔をあけて配列された複数の動翼列４が設けられている。各動翼列４は、軸線Ｏに対する周方向に間隔をあけて配列された複数の動翼４０を有している。動翼４０は、動翼プラットフォーム４１と、動翼本体４２と、動翼シュラウド４３（シュラウド）と、を有している。動翼プラットフォーム４１は、回転軸２の外周面から径方向外側に向かって突出している。動翼本体４２は、動翼プラットフォーム４１の外周面に取り付けられている。動翼本体４２は、径方向に延びるとともに、径方向から見て翼型の断面形状を有している。動翼本体４２の径方向外側の端部には、動翼シュラウド４３が取り付けられている。

回転軸２、及び動翼列４（動翼４０）は、径方向外側からケーシング５によって囲われている。ケーシング５は、軸線Ｏを中心とする筒状をなしている。ケーシング５の内周面には、軸線Ｏ方向に間隔をあけて配列された複数の静翼列６が設けられている。これら静翼列６は、軸線Ｏ方向において上記の動翼列４と交互に配列されている。各静翼列６は、軸線Ｏに対する周方向に間隔をあけて配列された複数の静翼６０を有している。静翼６０は、静翼本体６１と、静翼内側リング６２と、静翼支持部９０と、を有している。静翼本体６１は、静翼支持部９０に取り付けられている。静翼支持部９０は、ケーシング５の内周面における上記の凹部８同士の間の領域である。静翼本体６１は、静翼支持部９０の内周面から径方向に延びるとともに、径方向から見て翼型の断面形状を有している。静翼本体６１の径方向内側の端部には、静翼内側リング６２が取り付けられている。ケーシング５の内周面における互いに隣接する一対の静翼６０同士の間には、ケーシング５の内周面から径方向外側に向かって凹む凹部８が形成されている。上述の動翼シュラウド４３は、この凹部８に収容されている。

ケーシング５の軸線Ｏ方向一方側の端部には、外部から供給された高温高圧の蒸気を導入する供給口５１が形成されている。ケーシング５の軸線Ｏ方向他方側の端部には、ケーシング５内を通過した蒸気を排出する排気口５２が形成されている。供給口５１から導入された蒸気は、軸線Ｏ方向一方側から他方側にむかってケーシング５内を通過する中途で複数の動翼列４（動翼４０）、及び複数の静翼列６（静翼６０）に交互に衝突する。これにより、回転軸２に回転エネルギーが付与される。回転軸２の回転は軸端から取り出されて、例えば発電機（不図示）の駆動等に利用される。以降の説明では、軸線Ｏ方向一方側から他方側に向かってケーシング５内を流通する蒸気の流れを主流Ｆｍと呼ぶ。さらに、主流Ｆｍの流れて来る側（軸線Ｏ方向一方側）を上流側と呼び、主流Ｆｍの流れ去る側（軸線Ｏ方向他方側）を下流側と呼ぶ。

続いて、図２を参照して上記の凹部８の周辺の構成について説明する。図２は、軸線Ｏを含む断面における凹部８の周辺を拡大して示した図である。同図に示すように、凹部８はケーシング５の内周面（ケーシング内周面５Ａ）から、径方向外側に向かって角溝状に凹んでいる。凹部８は、第一領域８１と、第一領域８１の下流側に位置する第二領域８２と、を有している。詳しくは後述するが、第一領域８１と第二領域８２とは、ケーシング側フィン７１によって隔てられている。第一領域８１を形成する各面のうち、下流側を向く面（即ち、第一領域８１内における上流側に位置する面）は凹部上流面８Ａとされている。第一領域８１を形成する各面のうち、径方向内側を向く面は対向面８Ｂとされている。対向面８Ｂは軸線Ｏに沿って延びている。対向面８Ｂは上記の動翼シュラウド４３の外周面（シュラウド外周面４３Ａ）に径方向外側から対向している。本実施形態では、断面視において凹部上流面８Ａと対向面８Ｂとは互いに直交している。

対向面８Ｂには、軸線Ｏ方向に間隔をあけて配列された複数（一例として２つ）のケーシング側フィン７１（フィン７）が設けられている。なお、ケーシング側フィン７１の個数は３つ以上であってもよい。各ケーシング側フィン７１は、対向面８Ｂから径方向内側に向かって延びる板状をなしている。各ケーシング側フィン７１の先端部とシュラウド外周面４３Ａとの間には、径方向に広がる隙間（クリアランスＣ）が形成されている。さらに、シュラウド外周面４３Ａ上であって、上記２つのケーシング側フィン７１同士の間には、動翼側フィン７２（フィン７）が設けられている。動翼側フィン７２は、シュラウド外周面４３Ａから径方向外側に向かって延びる板状をなしている。動翼側フィン７２の先端部と対向面８Ｂとの間には、径方向に広がる隙間（クリアランスＣ）が形成されている。

次に、第二領域８２の構成について説明する。第二領域８２は、上記２つのケーシング側フィン７１のうち、最も下流側に位置するケーシング側フィン７１（下流側フィン７１Ｄ）を挟んで、第一領域８１と隔てられている。第二領域８２は、下流側フィン７１Ｄの下流側を向く面であるフィン下流面７１Ｓと、フィン下流面７１Ｓと軸線Ｏ方向から対向する凹部下流面８Ｄと、径方向内側を向く下流側対向面８Ｃと、シュラウド外周面４３Ａの下流側の一部と、仕切板７０（後述）と、によって画成されている。

仕切板７０は、凹部下流面８Ｄの最も径方向内側の端縁から上流側に向かって延びるとともに、軸線Ｏを中心とする環状をなしている。仕切板７０は、シュラウド外周面４３Ａよりもわずかに径方向内側に位置している。仕切板７０の内周面は、上述のケーシング内周面５Ａに対して面一となっている。仕切板７０の外周面は、径方向から下流側対向面８Ｃに対向している。より詳細には、軸線Ｏを含む断面視において、仕切板７０の外周面は、下流側対向面８Ｃと平行に延びている。

仕切板７０の外周面と下流側対向面８Ｃとの間には、旋回防止板８０が設けられている。詳しくは後述するが、この旋回防止板８０は、上述の下流側フィン７１Ｄとシュラウド外周面４３Ａとの間のクリアランスＣを通過して下流側に向かって流れる蒸気の流れから、旋回成分を除去するために設けられている。（なお、この旋回成分とは、漏れた蒸気に残留する速度成分である。）図３に示すように、旋回防止板８０は、仕切板７０の外周面から下流側対向面８Ｃ（凹部８の内周面）に向かって径方向に延びるとともに、軸線Ｏに対する周方向に間隔をあけて複数配列されている。また、旋回防止板８０の下流側の端縁（つまり、凹部下流面８Ｄ）は、静翼本体６１の前縁Ｅｆよりも上流側に位置している。

図２又は図３に示すように、ケーシング５（静翼支持部９０）には、凹部下流面８Ｄと、ケーシング内周面５Ａとを連通するバイパス流路Ｐが形成されている。バイパス流路Ｐは、軸線Ｏを含む断面視で、上流側から下流側に向かうに従って、径方向外側から内側に向かうように延びている。バイパス流路Ｐの上流側の端部は、凹部下流面８Ｄにおける仕切板７０よりも径方向外側の領域であって、上記の旋回防止板８０同士の間の領域に開口している。バイパス流路Ｐの上流側の端部は、径方向において、上記のシュラウド外周面４３Ａよりも径方向外側に位置している。バイパス流路Ｐの下流側の端部は、ケーシング内周面５Ａにおける静翼６０同士の間の領域に開口している。バイパス流路Ｐの下流側の端部は、静翼６０の前縁よりも下流側に位置している。なお、本実施形態では、バイパス流路Ｐは、軸線Ｏに対する径方向外側から見て、軸線Ｏと平行に延びている。また、図３に示すように、バイパス流路Ｐの上流側の端部は、隣接する一対の旋回防止板８０同士の間における中央の位置に形成されている。

続いて、本実施形態に係る蒸気タービン１の動作について説明する。蒸気タービン１を運転するに当たっては、外部の蒸気供給源（ボイラ等）から上述の供給口５１を通じてケーシング５内に蒸気が供給される。蒸気は、ケーシング５内を上流側から下流側に向かう主流Ｆｍを形成する。主流Ｆｍは、ケーシング５内を通過する中途で、複数の静翼列６同士の間、及び複数の動翼列４同士の間を通過する。静翼列６同士の間を通過することで、蒸気の流速が上がる。この整流された蒸気の流れが動翼列４に衝突することで回転軸２に回転エネルギーが付与される。

ここで、主流Ｆｍの一部は上述の凹部８内に流れ込むことで漏れ流れＦｓを形成する。より詳細には、漏れ流れＦｓは、凹部８の凹部上流面８Ａと動翼シュラウド４３との間の隙間を通じて第一領域８１内に流入する。漏れ流れＦｓの一部の成分は、上述のフィン７によって阻止される。一方で、漏れ流れＦｓの残余の成分は、ケーシング側フィン７１とシュラウド外周面４３Ａとの間のクリアランスＣ、及び動翼側フィン７２と対向面８Ｂとの間のクリアランスＣを通じて下流側の第二領域８２内に流入する。

第二領域８２内に流入した漏れ流れＦｓの一部の成分は、上述の仕切板７０の外周面、凹部下流面８Ｄ、下流側対向面８Ｃ、及びフィン下流面７１Ｓに沿ってこの順で流れる。これにより、第二領域８２内では、図２に示すような渦Ｖ１が形成される。なお、動翼本体４２、及び動翼シュラウド４３の回転に伴って、漏れ流れＦｓにはこれら動翼本体４２、及び動翼シュラウド４３の回転方向に旋回する旋回流成分が含まれている。この旋回成分は、上述の旋回防止板８０に衝突することで大部分が除去される。

漏れ流れＦｓの全成分のうち、この渦Ｖ１とならなかった残余の成分は、貫通流Ｆｔとしてシュラウド外周面４３Ａから仕切板７０の外周面に向かって下流側に流れる。貫通流Ｆｔは、渦Ｖ１と合流した後、その一部の成分が還流Ｆｒとなって主流Ｆｍに再び合流する。一方で、貫通流Ｆｔの残余の成分はさらに下流側に向かって流れ、バイパス流路Ｐに流入する。バイパス流路Ｐに流入した流れは、当該バイパス流路Ｐに沿って流れる中途で、次第に径方向外側から内側に導かれて、バイパス流Ｆｂとなる。バイパス流Ｆｂは、静翼６０同士の間で主流Ｆｍに合流する。

上述のように、蒸気タービン１の内部では、互いに隣接する動翼本体４２同士の間を流れる流れ（主流Ｆｍ）と、主流Ｆｍから分岐して凹部８内に流れ込む流れ（漏れ流れＦｓ）とが形成される。漏れ流れＦｓは、クリアランスＣを通過した後、凹部下流面８Ｄから下流側対向面８Ｃに向かう方向に旋回する渦Ｖ１を形成する。渦Ｖ１の一部の成分は、クリアランスＣから流入した漏れ流れＦｓと干渉することで、さらに他の渦（小渦）を形成する。この小渦が主流Ｆｍと合流することにより、ミキシングロス（混合損失）を生じる場合がある。しかしながら、上記の構成では、バイパス流路Ｐを通じて、漏れ流れＦｓの一部の成分が静翼６０同士の間の領域に直接的に導かれる。したがって、上述したような漏れ流れＦｓと渦Ｖ１との干渉による小渦の発生と、これに起因するミキシングロスを抑制することができる。その結果、蒸気タービン１の効率をさらに向上させることができる。

さらに、上記の構成では、バイパス流路Ｐは、軸線Ｏを含む断面視において、上流側から下流側に向かうに従って径方向外側から内側に向かって延びている。この構成によれば、バイパス流路Ｐによって、凹部８内を流れる漏れ流れＦｓの一部を、より短い距離で静翼６０同士の間の領域に導くことができる。一方で、例えばバイパス流路Ｐが中途位置で曲折している場合、当該曲折部位で流れが阻害されてしまうため、漏れ流れＦｓを効率的にバイパスさせることができない。上記の構成によればこのような可能性を低減することができる。

加えて、上記構成によれば、旋回防止板８０が設けられていることによって、凹部８内における流れの周方向旋回成分を低減することができる。これにより、蒸気タービン１の性能をさらに向上させることができる。

以上、本発明の第一実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記第一実施形態では、バイパス流路Ｐに加えて、旋回防止板８０を備える構成について説明した。しかしながら、旋回防止板８０を備えない構成を採ることも可能である。この場合であっても、バイパス流路Ｐによって漏れ流れＦｓの旋回成分を十分に除去することができるため、上述のミキシングロスを低減することが可能である。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について、図４を参照して説明する。なお、上記の第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図４に示すように、本実施形態では、バイパス流路Ｐｂの下流側の端部ｔの位置が上記第一実施形態とは異なっている。具体的には、軸線Ｏ方向における静翼支持部９０の寸法をＬとし、静翼支持部９０の上流側の端縁から端部ｔまでの寸法をＡとしたとき、Ａ／Ｌの値は、０＜Ａ／Ｌ＜０．１５の関係を満たしている。より望ましくは、Ａ／Ｌの値は、０．０５＜Ａ／Ｌ＜０．１０とされる。最も望ましくは、Ａ／Ｌの値は、Ａ／Ｌ＝０．０８とされる。つまり、このバイパス流路Ｐｂの下流側の端部ｔは、静翼支持部９０の内周面における上流側に偏った位置に形成されている。

さらに図５に示すように、本実施形態では、径方向内側から見た場合に、上記の端部ｔが、互いに隣接する旋回防止板８０同士の間における周方向の一方側に偏った位置に形成されている。より詳細には、この端部ｔは、旋回防止板８０同士の間の等分線Ｄを基準として、回転軸２の回転方向Ｒ前方側に偏った位置に形成されている。

上記構成によれば、Ａ／Ｌの値が０＜Ａ／Ｌ＜０．１５を満たすことにより、バイパス流路Ｐｂの下流側の端部ｔは、静翼６０同士の間における上流側に偏った位置に形成されている。したがって、バイパス流路Ｐｂから流れ出た流れの静翼に対する流入角（インシデンス）を小さくすることができる。その結果、蒸気タービン１内における主流Ｆｍの流れがより一層円滑化され、蒸気タービン１の効率をさらに向上させることができる。
また、図５に示すように、端部ｔの周方向位置は、静翼の背側(負圧面側)に近い位置とされている。この位置に端部ｔが開口していることで、静翼の背側(負圧面側)前縁近くで剥離が発生するのを抑制することができる。

以上、本発明の第二実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記第二実施形態では、蒸気タービン１が旋回防止板８０を備える構成について説明した。しかしながら、図６に示すように旋回防止板８０を備えない構成を採ることも可能である。

［第三実施形態］
続いて、本発明の第三実施形態について、図７と図８を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図７に示すように、本実施形態では、バイパス流路Ｐｃの下流側の端部ｔの位置が上記の各実施形態とは異なっている。具体的には、軸線Ｏ方向における静翼支持部９０の寸法をＬとし、静翼支持部９０の上流側の端縁から端部ｔまでの寸法をＡとしたとき、Ａ／Ｌの値は、０．２＜Ａ／Ｌ＜０．４の関係を満たしている。より望ましくは、Ａ／Ｌの値は、０．２５＜Ａ／Ｌ＜０．３５とされる。最も望ましくは、Ａ／Ｌの値は、０．３とされる。つまり、このバイパス流路Ｐｂの下流側の端部ｔは、静翼支持部９０の内周面における下流側に偏った位置に形成されている。

さらに図８に示すように、本実施形態では、径方向内側から見た場合に、上記の端部ｔが、互いに隣接する旋回防止板８０同士の間における周方向の他方側に偏った位置に形成されている。より詳細には、この端部ｔは、旋回防止板８０同士の間の等分線Ｄを基準として、回転軸２の回転方向Ｒ後方側に偏った位置に形成されている。また、同図に示すように、バイパス流路Ｐｃの上流側の端部ｔ´は、下流側の端部ｔを基準として、回転方向Ｒの前方側に位置している。つまり、バイパス流路Ｐｃは、上流側から下流側に向かうに従って、回転方向Ｒの前方側から後方側に向かうように斜めに延びている。

上記構成によれば、Ａ／Ｌの値が０．２＜Ａ／Ｌ＜０．４を満たすことにより、バイパス流路Ｐｃの下流側の端部ｔは、静翼６０同士の間における下流側に偏った位置に形成されている。したがって、静翼６０の下流側で生じる二次流れを、バイパス流路Ｐｃから流れ出た流れによって吹き飛ばすことができる。これにより、二次流れの影響による蒸気タービン１の効率低下を抑制することができる。

さらに、上記構成によれば、バイパス流路Ｐｃが、上流側から下流側に向かうに従って回転軸２の回転方向Ｒ後方側に向かって延びている。これにより、下流側の静翼６０に対する流れの流入角（インシデンス）を小さくすることができる。その結果、蒸気タービン１内の流体の流れ（主流Ｆｍ）をより一層円滑化することができる。
加えて、図９に示すように、端部ｔの周方向位置が静翼の腹側(圧力面側)に近い位置に開口している。これにより、静翼の腹側(圧力面側)で二次流れが発生するのを抑制することができる。

以上、本発明の第三実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記第三実施形態では、蒸気タービン１が旋回防止板８０を備える構成について説明した。しかしながら、図９に示すように旋回防止板８０を備えない構成を採ることも可能である。この場合には、漏れ流れＦｓの旋回成分をバイパス流路Ｐｃのみによって除去するために、上記第三実施形態とは異なり、バイパス流路Ｐｃは、径方向から見て軸線Ｏに沿って延びていることが望ましい。

［第四実施形態］
次に、本発明の第四実施形態について、図１０を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図１０に示すように、本実施形態では、旋回防止板８０の下流側の端縁（つまり、凹部下流面８Ｄ）は、静翼本体６１の前縁Ｅｆよりも下流側に位置している。即ち、本実施形態では、上述の第一実施形態の構成に比べて、動翼４０と静翼６０との軸線Ｏ方向における間隔がより小さく設定されている。このような構成を採る場合、スペースの制約を受けるために、凹部８の下流側の面をさらに下流側に向かって掘り込む（切削加工を施す）ことで、旋回防止板８０を取り付けるための空間を確保する工法が用いられる。これにより、凹部下流面８Ｄは、軸線Ｏ方向において、静翼６０の上流側の端縁（前縁Ｅｆ）よりも下流側に位置している。

上記構成によれば、動翼４０と静翼６０との間の軸線Ｏ方向における距離を小さくすることができる。その結果、例えば当該軸線Ｏ方向における両者の離間距離が大きい場合に比べて、主流Ｆｍに生じる損失や乱れをより一層小さくすることができる。また、この構成にバイパス流路Ｐを併設することにより、上述の各実施形態で説明したものと同様の作用効果を得ることができる。その結果、蒸気タービン１の効率をさらに向上させることができる。

以上、本発明の第四実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、第二実施形態、又は第三実施形態、及びこれらに対する変形例として説明した構成を、本実施形態の構成に組み合わせることも可能である。

［第五実施形態］
続いて、本発明の第五実施形態について、図１１を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図１１に示すように、本実施形態では、バイパス流路Ｐｄの構成が上記の各実施形態とは異なっている。具体的には、このバイパス流路Ｐｄは、上流側から下流側に向かうに従って、その流路断面積が次第に減少している。つまり、バイパス流路Ｐｄの上流側の端部ｔ´の開口面積は、下流側の端部ｔの開口面積よりも大きい。バイパス流路Ｐｄの流路断面積は、上流側の端部ｔ´から下流側の端部ｔに向かって線形的に減少している。

上記構成によれば、バイパス流路Ｐｄの断面積が上流側から下流側に向かうに従って次第に減少している。これにより、バイパス流路Ｐｄから吹き出される蒸気の流速を高めることができる。その結果、静翼６０に対する流れのインシデンスがさらに適正化されるとともに、静翼６０の周囲で生じる二次流れの影響をさらに小さくすることができる。これにより、蒸気タービン１の効率をさらに向上させることができる。

以上、本発明の第五実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記の各実施形態では、バイパス流路Ｐの断面形状が矩形である例について説明した。しかしながら、各実施形態に共通する変形例として、図１２に示すように、バイパス流路Ｐの断面形状を円形とすることも可能である。この構成によれば、断面形状が矩形である場合に比べて、加工をより容易に行うことができる。これにより、製造コストやメンテナンスコストを低減することができる。

１…蒸気タービン
２…回転軸
３…軸受装置
４…動翼列
５…ケーシング
５Ａ…ケーシング内周面
６…静翼列
７…フィン
８…凹部
３１…ジャーナル軸受
３２…スラスト軸受
４０…動翼
４１…動翼プラットフォーム
４２…動翼本体
４３…動翼シュラウド
４３Ａ…シュラウド外周面
５１…供給口
５２…排気口
６０…静翼
６１…静翼本体
６２…静翼内側リング
７１…ケーシング側フィン
７１Ｄ…下流側フィン
７１Ｓ…フィン下流面
７２…動翼側フィン
８１…第一領域
８２…第二領域
８Ａ…凹部上流面
８Ｂ…対向面
８Ｃ…下流側対向面
８Ｄ…凹部下流面
Ｃ…クリアランス
Ｆｂ…バイパス流
Ｆｍ…主流
Ｆｒ…還流
Ｆｓ…漏れ流れ
Ｆｔ…貫通流
Ｏ…軸線
Ｐ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄ…バイパス流路
ｔ…下流側の端部
ｔ´…上流側の端部
Ｖ１…渦

Claims (13)

1. 軸線に沿って延びる回転軸と、
   該回転軸から径方向外側に延びる動翼本体、及び該動翼本体の径方向外側の端部に設けられたシュラウドを有するとともに、周方向に間隔をあけて配列された複数の動翼と、
   前記動翼を径方向外側から囲うとともに、内周面に前記シュラウドを収容する凹部が形成されているケーシングと、
   前記凹部における前記シュラウドに対向する対向面から径方向内側に突出して、前記シュラウドの外周面との間にクリアランスを形成するフィンと、
   前記ケーシングの内周面における前記凹部よりも下流側に配置された静翼支持部と、
   該静翼支持部から径方向内側に向かって延びるとともに、周方向に間隔をあけて配列された複数の静翼と、
   前記凹部の下流側の面である凹部下流面から上流側に向かって延びるとともに、前記軸線を中心とする環状の仕切板と、
   を備え、
   前記ケーシングには、前記凹部下流面における前記仕切板よりも径方向外側の領域と、前記ケーシングの内周面における前記静翼同士の間の領域とを連通するバイパス流路が形成され、
   前記仕切板の径方向内側の端縁は、前記シュラウドの外周面よりも径方向内側に位置しており、かつ、前記シュラウドの内周面の下流側の端縁が前記仕切板の径方向内側の端縁よりも径方向外側に位置している
   軸流タービン。
2. 前記バイパス流路は、前記軸線を含む断面視において、上流側から下流側に向かうに従って径方向外側から内側に向かって延びている請求項１に記載の軸流タービン。
3. 前記バイパス流路は、径方向外側から見て、上流側から下流側に向かうに従って前記回転軸の回転方向後方側に向かって延びている請求項１又は２に記載の軸流タービン。
4. 前記軸線方向における前記静翼支持部の寸法をＬとし、前記静翼支持部の上流側の端縁から前記バイパス流路の下流側の端部までの寸法をＡとしたとき、Ａ／Ｌの値は、０＜Ａ／Ｌ＜０．１５を満たす請求項１から３のいずれか一項に記載の軸流タービン。
5. 軸線に沿って延びる回転軸と、
   該回転軸から径方向外側に延びる動翼本体、及び該動翼本体の径方向外側の端部に設けられたシュラウドを有するとともに、周方向に間隔をあけて配列された複数の動翼と、
   前記動翼を径方向外側から囲うとともに、内周面に前記シュラウドを収容する凹部が形成されているケーシングと、
   前記凹部における前記シュラウドに対向する対向面から径方向内側に突出して、前記シュラウドの外周面との間にクリアランスを形成するフィンと、
   前記ケーシングの内周面における前記凹部よりも下流側に配置された静翼支持部と、
   該静翼支持部から径方向内側に向かって延びるとともに、周方向に間隔をあけて配列された複数の静翼と、
   前記凹部の下流側の面である凹部下流面から上流側に向かって延びるとともに、前記軸線を中心とする環状の仕切板と、
   を備え、
   前記ケーシングには、前記凹部下流面における前記仕切板よりも径方向外側の領域と、前記ケーシングの内周面における前記静翼同士の間の領域とを連通するバイパス流路が形成され、
   前記軸線方向における前記静翼支持部の寸法をＬとし、前記静翼支持部の上流側の端縁から前記バイパス流路の下流側の端部までの寸法をＡとしたとき、Ａ／Ｌの値は、０＜Ａ／Ｌ＜０．１５を満たす軸流タービン。
6. 前記軸線方向における前記静翼支持部の寸法をＬとし、前記静翼支持部の上流側の端縁から前記バイパス流路の下流側の端部までの寸法をＡとしたとき、Ａ／Ｌの値は、０．２＜Ａ／Ｌ＜０．４を満たす請求項１から３のいずれか一項に記載の軸流タービン。
7. 軸線に沿って延びる回転軸と、
   該回転軸から径方向外側に延びる動翼本体、及び該動翼本体の径方向外側の端部に設けられたシュラウドを有するとともに、周方向に間隔をあけて配列された複数の動翼と、
   前記動翼を径方向外側から囲うとともに、内周面に前記シュラウドを収容する凹部が形成されているケーシングと、
   前記凹部における前記シュラウドに対向する対向面から径方向内側に突出して、前記シュラウドの外周面との間にクリアランスを形成するフィンと、
   前記ケーシングの内周面における前記凹部よりも下流側に配置された静翼支持部と、
   該静翼支持部から径方向内側に向かって延びるとともに、周方向に間隔をあけて配列された複数の静翼と、
   前記凹部の下流側の面である凹部下流面から上流側に向かって延びるとともに、前記軸線を中心とする環状の仕切板と、
   を備え、
   前記ケーシングには、前記凹部下流面における前記仕切板よりも径方向外側の領域と、前記ケーシングの内周面における前記静翼同士の間の領域とを連通するバイパス流路が形成され、
   前記軸線方向における前記静翼支持部の寸法をＬとし、前記静翼支持部の上流側の端縁から前記バイパス流路の下流側の端部までの寸法をＡとしたとき、Ａ／Ｌの値は、０．２＜Ａ／Ｌ＜０．４を満たす軸流タービン。
8. 前記凹部下流面は、前記軸線方向において、前記静翼の上流側の端縁よりも下流側に位置している請求項１から７のいずれか一項に記載の軸流タービン。
9. 軸線に沿って延びる回転軸と、
   該回転軸から径方向外側に延びる動翼本体、及び該動翼本体の径方向外側の端部に設けられたシュラウドを有するとともに、周方向に間隔をあけて配列された複数の動翼と、
   前記動翼を径方向外側から囲うとともに、内周面に前記シュラウドを収容する凹部が形成されているケーシングと、
   前記凹部における前記シュラウドに対向する対向面から径方向内側に突出して、前記シュラウドの外周面との間にクリアランスを形成するフィンと、
   前記ケーシングの内周面における前記凹部よりも下流側に配置された静翼支持部と、
   該静翼支持部から径方向内側に向かって延びるとともに、周方向に間隔をあけて配列された複数の静翼と、
   前記凹部の下流側の面である凹部下流面から上流側に向かって延びるとともに、前記軸線を中心とする環状の仕切板と、
   を備え、
   前記ケーシングには、前記凹部下流面における前記仕切板よりも径方向外側の領域と、前記ケーシングの内周面における前記静翼同士の間の領域とを連通するバイパス流路が形成され、
   前記凹部下流面は、前記軸線方向において、前記静翼の上流側の端縁よりも下流側に位置している軸流タービン。
10. 前記バイパス流路は、上流側から下流側に向かうに従って流路断面積が次第に減少している請求項１から９のいずれか一項に記載の軸流タービン。
11. 軸線に沿って延びる回転軸と、
    該回転軸から径方向外側に延びる動翼本体、及び該動翼本体の径方向外側の端部に設けられたシュラウドを有するとともに、周方向に間隔をあけて配列された複数の動翼と、
    前記動翼を径方向外側から囲うとともに、内周面に前記シュラウドを収容する凹部が形成されているケーシングと、
    前記凹部における前記シュラウドに対向する対向面から径方向内側に突出して、前記シュラウドの外周面との間にクリアランスを形成するフィンと、
    前記ケーシングの内周面における前記凹部よりも下流側に配置された静翼支持部と、
    該静翼支持部から径方向内側に向かって延びるとともに、周方向に間隔をあけて配列された複数の静翼と、
    前記凹部の下流側の面である凹部下流面から上流側に向かって延びるとともに、前記軸線を中心とする環状の仕切板と、
    を備え、
    前記ケーシングには、前記凹部下流面における前記仕切板よりも径方向外側の領域と、前記ケーシングの内周面における前記静翼同士の間の領域とを連通するバイパス流路が形成され、
    前記バイパス流路は、上流側から下流側に向かうに従って流路断面積が次第に減少している軸流タービン。
12. 前記バイパス流路は、円形の断面形状を有している請求項１から１１のいずれか一項に記載の軸流タービン。
13. 前記仕切板の外周面から前記凹部の内周面に向かって延びるとともに、周方向に間隔をあけて配列された複数の旋回防止板をさらに備える請求項１から１２のいずれか一項に記載の軸流タービン。

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