WO2011122092A1 - タービン - Google Patents

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松本　和幸
大山　宏治
田中　良典
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三菱重工業株式会社
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    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/55—Seals

Abstract

　本発明に係るタービン（１）において、ブレード（５０）の先端部（５１）と、構造体（１１）の先端部（５１）に対応する部位（１１ａ）とのうちの一方には、段差面（５３）を有すると共に先端部（５１）と構造体（１１）の部位（１１ａ）とのうちの他方側に突出するステップ部（５２）が設けられ、先端部（５１）と構造体（１１）の部位（１１ａ）とのうちの他方には、ステップ部（５２）に向けて延出するシールフィン（１５）が設けられ、ブレード（５０）の先端部（５１）と構造体（１１）の部位（１１ａ）との間には、シールフィン（１５）とシールフィン（１５）に対して構造体（１１）の回転軸方向上流側で対向する隔壁（５４，１５）との間にキャビティ（Ｃ）が形成される。また、シールフィン（１５）は、ステップ部（５２）との間に微小隙間（Ｈ）を形成するフィン本体部（１６）と、微小隙間（Ｈ）の回転軸方向上流側の空間を制限し、キャビティ（Ｃ）と微小隙間（Ｈ）との間に小キャビティ（１８）を形成する空間制限部（１７）とを具備する。本発明によれば、漏洩流量がより低減される高性能なタービンを提供することができる。

Description

タービン
　本発明は、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。
　周知のように、ケーシングと、ケーシングの内部に回転可能に設けられた軸体（ロータ）と、ケーシングの内周部に固定され周方向に配置された複数の静翼と、これら複数の静翼の下流側において軸体に放射状に設けられた複数の動翼とを備えた蒸気タービンが用いられている。蒸気タービンのうち衝動タービンの場合は、蒸気の圧力エネルギーが静翼によって速度エネルギーに変換され、この速度エネルギーが動翼によって回転エネルギー（機械エネルギー）に変換される。また、蒸気タービンのうち反動タービンの場合は、動翼内でも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速度エネルギーが回転エネルギー（機械エネルギー）に変換される。
　蒸気タービンでは、動翼の先端部と、動翼を取り囲むことにより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、また、静翼の先端部と軸体との間にも径方向の隙間が形成されているのが一般的である。ここで、動翼先端部の隙間を下流側に通過する漏洩蒸気は、動翼に対して回転力を付与しない。また、静翼先端部の隙間を下流側に通過する漏洩蒸気は、静翼によって圧力エネルギーが速度エネルギーに変換されないため、下流側の動翼に対して回転力をほとんど付与しない。したがって、蒸気タービンの性能向上のためには、上記隙間を通過する漏洩蒸気の量を低減することが重要である。
　下記特許文献１には、動翼の先端部に、軸方向上流側から下流側に向かって高さが次第に高くなるステップ部が設けられ、ケーシングに、上記ステップ部との間に隙間を形成するシールフィンが設けられたシール構造が開示されている。
　このようなシール構造によれば、ステップ部とシールフィンとの隙間を通り抜けた漏れ流れがステップ部の端縁部を形成する段差面に衝突し、流動抵抗が増大することにより、漏洩流量が低減される。
特開２００６－２９１９６７号公報
　しかしながら、蒸気タービンの性能向上に対する要望は強く、漏洩流量をさらに低減することが求められている。
　本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、漏洩流量をより低減できる高性能なタービンを提供することを目的としている。
　本発明に係るタービンは、ブレードと、上記ブレードの先端側と隙間を空けて設けられるとともに、上記ブレードに対して回転軸周りで相対的に回転する構造体と、を備えたタービンである。また、上記ブレードの先端部と、上記構造体の上記先端部に対応する部位とのうちの一方には、段差面を有すると共に上記先端部と上記構造体の上記部位とのうちの他方側に突出するステップ部が設けられ、上記先端部と上記構造体の上記部位とのうちの他方には、上記ステップ部に向けて延出するシールフィンが設けられ、上記ブレードの先端部と上記構造体の上記部位との間には、上記シールフィンとこのシールフィンに対して上記構造体の上記回転軸方向上流側で対向する隔壁との間にキャビティが形成される。また、上記シールフィンは、上記ステップ部との間に微小隙間を形成するフィン本体部と、上記微小隙間の上記回転軸方向上流側の空間を制限し、上記キャビティと上記微小隙間との間に小キャビティを形成する空間制限部とを具備する。
　本発明では、キャビティ内に流入した流体がステップ部の端縁部を形成する段差面、すなわちステップ部の回転軸方向上流側に向く面に衝突して、その流れの向きが変化し、上流側に戻ることによって、キャビティ内において一定の方向（第一方向）に旋回する主渦が生じる。また、段差面の端縁部において、主渦から一部の流れが剥離することにより、主渦の旋回方向と反対方向（第二方向）に旋回する剥離渦が生じる。この剥離渦が生じることにより、フィン本体部とステップ部との間の微小隙間を通り抜ける漏れ流れを低減する、縮流効果が生じる。さらに、空間制限部により、キャビティと微小隙間との間に小キャビティが形成されるので、キャビティに比べ空間が狭められた小キャビティ内で剥離渦の流れが強められる。したがって、剥離渦による縮流効果が十分に高められ、上記微小隙間を通り抜ける漏洩流量をより低減できる。
　また、本発明においては、上記空間制限部が、上記フィン本体部から回転軸方向上流側に延びる回転軸方向壁面を有することが望ましい。
　この場合には、回転軸方向壁面とフィン本体部とによって剥離渦の流れが規制される。したがって、剥離渦の流れがさらに強められ、縮流効果をさらに高めることができる。
　また、本発明においては、上記回転軸方向壁面が、上記回転軸を含む面での断面において円弧状に窪んでいることが望ましい。
　この場合には、回転軸を含む面での断面において、回転軸方向壁面に沿って円弧状に剥離渦が流れる。したがって、剥離渦の流れ方向をスムーズに変化させることができ、剥離渦への規制効果を強めることができる。よって、剥離渦の流れがさらに強められ、縮流効果をさらに高めることができる。
　また、本発明においては、上記回転軸方向壁面が、上記フィン本体部に対して、上記回転軸を含む面での断面において円弧状に接続されていることが望ましい。
　この場合には、回転軸を含む面での断面において、回転軸方向壁面からフィン本体部に沿って円弧状に剥離渦が流れる。したがって、回転軸方向壁面に沿って流れる剥離渦をスムーズにフィン本体部に沿わせて流すことができ、剥離渦への規制効果を強めることができる。よって、剥離渦の流れがさらに強められ、縮流効果をさらに高めることができる。
　また、本発明においては、上記フィン本体部の少なくとも先端側が、上記回転軸方向上流側に向けて斜めに延在していることが望ましい。
　この場合には、上記微小隙間の回転軸方向上流側において、回転軸方向下流側に流れる漏れ流れに向かうように剥離渦のダウンフローが流れる。そのため、フィン本体部の先端部近傍において、漏れ流れと剥離渦のダウンフローとが合流した流れにおける流速の回転軸方向速度成分ＶＸが小さくなる。フィン本体部の先端近傍において、上記合流した流れにおける流速の径方向速度成分をＶＲとすると、ＶＸ／ＶＲが０に近づくほど剥離渦の縮流効果が大きくなるので、縮流効果をさらに高めることができる。
　また、本発明においては、上記空間制限部が、上記フィン本体部の回転軸方向上流側に間隔を空けて設けられ、上記ステップ部に向けて延出すると共に、上記ステップ部との間に上記微小隙間よりも大きな隙間を形成する径方向壁体であることが望ましい。
　この場合には、小キャビティ内において、剥離渦と、この剥離渦に径方向に隣接し主渦の旋回方向と同一の方向に旋回する補渦とが形成される。したがって、剥離渦の接触流動抵抗が軽減される。よって、剥離渦の流れが強められ、縮流効果を高めることができる。
　また、本発明においては、上記微小隙間の大きさをＨとし、上記フィン本体部と、上記ステップ部の上記回転軸方向上流側における端縁部との間の距離をＬとすると、以下の式（１）を満足することが望ましい。
　　０．７Ｈ≦Ｌ　…………………（１）
　この場合には、剥離渦による縮流効果は、端縁部の位置（フィン本体部からの距離Ｌ）と微小隙間Ｈの大きさとの関係によって変化する。後述するシミュレーション結果に基づき、式（１）を満足するようにこれらの関係を設定することにより、剥離渦による縮流効果が十分に高められ、漏洩流量をより低減できる。
　また、上記ステップ部は、上記回転軸方向上流側から下流側に向かって突出高さが次第に高くなるように複数設けられ、上記先端部と上記構造体の上記部位とのうちの他方には、上記ステップ部のそれぞれに対して延出する上記シールフィンが少なくとも１つずつ設けられており、上記ステップ部に対応するシールフィンは、上記回転軸方向下流側に隣り合うステップ部に対応するシールフィンに対して対向する上記隔壁となっていることが望ましい。
　この場合には、剥離渦による縮流効果が各ステップ部毎に得られ、ブレードとこれに対向する構造体との間の漏洩流量を十分に低減できる。
　また、上記ステップ部は、上記回転軸方向上流側から下流側に向かって突出高さが次第に高くなるように複数設けられ、上記構造体の、上記先端部に対応する部位は環状の凹部となっており、上記複数のステップ部のうちの、上記回転軸方向最上流側に位置するステップ部に対応するシールフィンに対して対向する上記隔壁は、上記凹部の、上記回転軸方向上流側の内壁面によって形成されていることが望ましい。
　この場合には、回転軸方向最上流側に位置するステップ部においても、上記の剥離渦による縮流効果が得られ、ブレードとこれに対向する構造体との間の漏洩流量を十分に低減できる。
　本発明によれば、漏洩流量がより低減される高性能な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を示す断面図である。 図１における要部Ｉを拡大した断面図である。 第一実施形態に係るシールフィンの拡大断面図である。 第一実施形態に係る蒸気タービンの作用説明図である。 第一実施形態の変形例に係るシールフィンの断面図である。 第一実施形態の変形例に係るシールフィンの断面図である。 第一実施形態の変形例に係るシールフィンの断面図である。 第一実施形態の変形例に係るシールフィンの断面図である。 第一実施形態の変形例に係るシールフィンの断面図である。 第一実施形態の変形例に係るシールフィンの断面図である。 第一実施形態の変形例に係るシールフィンの断面図である。 第一実施形態の変形例に係るシールフィンの断面図である。 本発明の第二実施形態に係る蒸気タービンを示す断面図である。 第二実施形態に係る蒸気タービンのシミュレーション結果を示すグラフである。 第二実施形態に係る蒸気タービンのシミュレーション結果を示すグラフである。 本発明の第三実施形態に係る蒸気タービンを示す断面図である。 本発明の第四実施形態に係る蒸気タービンを示す断面図である。 本発明の第五実施形態に係る蒸気タービンを示す断面図である。
　以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳しく説明する。
（第一実施形態）
　図１は、本発明の第一実施形態に係る蒸気タービン１を示す断面図である。
　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の流量と圧力を調整する調整弁２０と、ケーシング１０の内方に回転可能に設けられ、図示しない発電機等の機械に駆動力（回転エネルギー）を伝達する軸体３０と、ケーシング１０に設けられた静翼４０と、軸体３０に設けられた動翼５０と、軸体３０を回転軸回りに回転可能に支持する軸受部６０と、を主な要素として備えている。
　ケーシング１０は、回転軸方向に延在し気密に封止されている内部空間を有している。ケーシング１０は、蒸気Ｓの流路である。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。本実施形態では、仕切板外輪１１が本発明における「構造体」である。
　調整弁２０は、ケーシング１０の内部に複数設けられている。調整弁２０は、図示しない複数のボイラから蒸気Ｓがそれぞれ流入する調整弁室２１と、弁体２２と、弁座２３とを備えている。調整弁２０の下流側には、蒸気室２４が形成されている。弁体２２が弁座２３から離れると流路が開いて、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。
　軸体３０は、軸本体３１と、軸本体３１の外周から径方向に延出した複数のディスク３２とを備えている。軸体３０は、回転エネルギーを、図示しない発電機等の機械に伝達する。
　静翼４０は、軸体３０の周囲を囲んで複数配置され、軸体３０を中心として放射状に配置されている。複数の静翼４０は、環状静翼群を構成しており、上述した仕切板外輪１１にそれぞれ保持されている。静翼４０の径方向における内方側は、軸体３０が挿通されたリング状のハブシュラウド４１で連結されており、静翼４０の先端部が軸体３０に対して径方向の隙間をあけて設けられている。
　複数の静翼４０からなる環状静翼群は、回転軸方向に間隔をあけて六つ形成されている。上記環状静翼群は、蒸気Ｓの圧力エネルギーを速度エネルギーに変換すると共に、下流側に隣り合う動翼５０側に蒸気Ｓを案内する。
　動翼５０は、軸体３０が有するディスク３２の外周部に強固に複数取り付けられている。複数の動翼５０は、軸体３０を中心として放射状に配置されている。複数の動翼５０は、各環状静翼群の下流側において、環状動翼群をそれぞれ構成している。本実施形態では、動翼５０が本発明における「ブレード」である。
　上記環状静翼群と上記環状動翼群とは、一組で一段である。そのため、蒸気タービン１は、六段に構成されている。動翼５０の先端部には、周方向に延びたチップシュラウド５１が設けられている。
　図２は、図１における要部Ｉを拡大した断面図である。
　図２に示すように、動翼（ブレード）５０の先端部に設けられてい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（構造体）１１と隙間を空け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）を備えている。
　本実施形態では、チップシュラウド５１は三つのステップ部５２（５２Ａ～５２Ｃ）を備えている。ステップ部５２（５２Ａ～５２Ｃ）は、仕切板外輪１１に対向する面と、この面に隣接する段差とを有している。三つのステップ部５２Ａ～５２Ｃは、軸体３０の回転軸方向（以下、「軸方向」と称する。）上流側から下流側に向かうに従い、動翼５０から仕切板外輪１１に向かう突出高さが次第に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の段差を形成する段差面５３（５３Ａ～５３Ｃ）が、軸方向上流側を向いて形成されている。なお、段差面５３Ａは、チップシュラウド５１の軸方向上流側の端面である。ステップ部５２Ａと５２Ｂとは、段差面５３Ｂを介して接続されており、ステップ部５２Ｂと５２Ｃとは、段差面５３Ｃを介して接続されている。また、以下、段差面５３（５３Ａ～５３Ｃ）における仕切板外輪１１側の端縁部分を、ステップ部５２（５２Ａ～５２Ｃ）の端縁部５５と称する。
　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、ケーシング１０（図１参照）の周方向に延びる環状溝（環状の凹部）１１ａが形成されている。環状溝１１ａ内には、チップシュラウド５１が収容されている。
　仕切板外輪１１の環状溝１１ａにおける溝底面１１ｂには、チップシュラウド５１に向けて径方向内方側に延出する三つのシールフィン１５（１５Ａ～１５Ｃ）が設けられている。環状溝１１ａは、各シールフィン１５の軸方向上流側に比べて下流側が深くなるように段状に形成されている。すなわち、環状溝１１ａの溝底面１１ｂは、軸方向上流側から下流側に向かうに従い、動翼５０から次第に離れるように段状に形成されている。
　シールフィン１５（１５Ａ～１５Ｃ）は、ステップ部５２（５２Ａ～５２Ｃ）に１対１で対応するようにそれぞれ溝底面１１ｂから延出して設けられている。より詳細には、シールフィン１５（１５Ａ～１５Ｃ）は、ステップ部５２（５２Ａ～５２Ｃ）の軸方向上流側の部分（端縁部５５の近傍）に対向して設けられている。また、段差面５３（５３Ａ～５３Ｃ）は、軸方向において、シールフィン１５（１５Ａ～１５Ｃ）よりも僅かに上流側に形成されている。各シールフィン１５Ａ～１５Ｃは、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フィン本体部１６と、微小隙間Ｈ（Ｈ１～Ｈ３）の軸方向上流側の空間を制限する空間制限部１７とをそれぞれ備えている。
　図３は、シールフィン１５（１５Ａ～１５Ｃ）の拡大断面図である。
　図３に示すように、フィン本体部１６は、先端部が尖った形状に形成されている。フィン本体部１６は、空間制限部１７よりもステップ部５２（５２Ａ～５２Ｃ）に近接しており、ステップ部５２（５２Ａ～５２Ｃ）との間に微小隙間Ｈ（Ｈ１～Ｈ３）を形成している。フィン本体部１６の径方向における長さは、微小隙間Ｈ（Ｈ１～Ｈ３）の大きさ（径方向）と略同程度となっている。微小隙間Ｈ（Ｈ１～Ｈ３）の大きさは、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、フィン本体部１６とステップ部５２との接触を防止できる安全な範囲内で、最小に設定されている。なお、本実施形態では、各微小隙間Ｈ１～Ｈ３は全て同じ大きさとなっている。ただし、必要に応じて、これらを適宜に変えてもよい。
　空間制限部１７は、シールフィン１５（１５Ａ～１５Ｃ）のフィン本体部１６よりも軸方向に厚く形成されている。空間制限部１７は、軸方向に延在する内周壁面（回転軸方向壁面）１７ａを有している。内周壁面１７ａは、ステップ部５２（５２Ａ～５２Ｃ）に対向する面状に形成されており、回転軸を含む面での断面（以下、「断面視」と称する場合がある）において軸方向に延びる直線状に形成されている。内周壁面１７ａは、フィン本体部１６から軸方向上流側に向けて延在している。換言すれば、内周壁面１７ａの軸方向下流側の端部から、ステップ部５２（５２Ａ～５２Ｃ）に向けて、フィン本体部１６が突出している。
　内周壁面１７ａの軸方向での幅は、微小隙間Ｈ（Ｈ１～Ｈ３）の略二倍である。また、フィン本体部１６の径方向における長さが微小隙間Ｈ（Ｈ１～Ｈ３）の大きさ（径方向の大きさ）と略同程度となっているために、内周壁面１７ａとステップ部５２（５２Ａ～５２Ｃ）との間隔は、微小隙間Ｈ（Ｈ１～Ｈ３）の略二倍である。
　なお、フィン本体部１６，空間制限部１７及び仕切板外輪１１は、一体に形成してもよいし、それぞれ別体に形成してもよい。また、フィン本体部１６と空間制限部１７とを別体にした場合には、フィン本体部１６を、溝底面１１ｂから延在する空間制限部１７の先端側（ステップ部５２側）に取り付けてもよいし、空間制限部１７を、溝底面１１ｂから延びるフィン本体部１６に沿うように配置してもよい。
　空間制限部１７は、フィン本体部１６の軸方向上流側の空間を径方向に制限して、ステップ部５２（５２Ａ～５２Ｃ）との間に小キャビティ１８を形成している。すなわち、空間制限部１７の内周壁面１７ａと、各ステップ部５２（５２Ａ～５２Ｃ）との間に、小キャビティ１８がそれぞれ形成されている。小キャビティ１８は、回転軸を含む面での断面において、一辺が微小隙間Ｈ（Ｈ１～Ｈ３）の略二倍である正方形状に形成されている。
　図２に示すように、チップシュラウド５１と、仕切板外輪１１のチップシュラウド５１に対応する部位（環状溝１１ａ）との間には、三つのキャビティＣ（Ｃ１～Ｃ３）が形成されている。
　三つのキャビティＣ（Ｃ１～Ｃ３）は、各ステップ部５２（５２Ａ～５２Ｃ）に対応した各シールフィン１５（１５Ａ～１５Ｃ）と、シールフィン１５（１５Ａ～１５Ｃ）に対して軸方向上流側で対向する隔壁との間にそれぞれ形成されている。
　軸方向最上流側に位置する第一のキャビティＣ１における上記隔壁は、環状溝１１ａの、軸方向上流側の内壁面５４によって形成されている。すなわち、内壁面５４と、第一段目のステップ部５２Ａに対応するシールフィン１５Ａと、仕切板外輪１１の溝底面１１ｂとにより、第一のキャビティＣ１が形成されている。
　また、第二のキャビティＣ２における上記隔壁は、ステップ部５２Ａに対応するシールフィン１５Ａによって形成されている。すなわち、シールフィン１５Ａと、シールフィン１５Ｂと、ステップ部５２Ａと、仕切板外輪１１の溝底面１１ｂとにより、第二のキャビティＣ２が形成されている。
　また、第三のキャビティＣ３における上記隔壁は、ステップ部５２Ｂに対応するシールフィン１５Ｂによって形成されている。すなわち、シールフィン１５Ｂと、シールフィン１５Ｃと、ステップ部５２Ｂと、仕切板外輪１１の溝底面１１ｂとにより、第三のキャビティＣ３が形成されている。
　なお、小キャビティ１８は、各キャビティＣ（Ｃ１～Ｃ３）と微小隙間Ｈ（Ｈ１～Ｈ３）との間にそれぞれ形成されている。換言すれば、空間制限部１７は、各キャビティＣ（Ｃ１～Ｃ３）と微小隙間Ｈ（Ｈ１～Ｈ３）との間に、それぞれ小キャビティ１８を形成している。
　図１に示すように、軸受部６０は、ジャーナル軸受装置６１及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。そのため、動翼５０と仕切板外輪１１とは軸体３０周りに相対的に回転可能である。同様に、静翼４０と軸体３０とは相対的に回転可能である。
　次に、蒸気タービン１の動作について、図１～図４に基づいて説明する。
　まず、調整弁２０（図１参照）を開状態とすると、図示しないボイラから蒸気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、環状静翼群と環状動翼群の各段を順次通過する。まず、蒸気Ｓの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る。次に、静翼４０間を通過した蒸気Ｓ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の速度エネルギーが回転エネルギーに変換される。上記回転エネルギーにより、軸体３０に回転力が付与される。一方、静翼４０間を通過した蒸気Ｓの一部（例えば、数％）は、静翼４０間から流出した後、環状溝１１ａ内に流入する、いわゆる漏洩蒸気となる。
　図４に示すように、環状溝１１ａ内に流入した蒸気Ｓは、まず、第一のキャビティＣ１に流入する。第一のキャビティＣ１に流入した蒸気Ｓが、ステップ部５２Ａの段差面５３Ａに衝突し、その流れの向きが変化し、上流側に戻ることによって、第一のキャビティＣ１内において図２及び図４の紙面上における反時計回り（第一方向）に旋回する主渦Ｙ１が生じる。
　また、蒸気Ｓの段差面５３Ａへの衝突時に、ステップ部５２Ａの端縁部５５において、主渦Ｙ１から一部の流れが剥離することにより、小キャビティ１８内において剥離渦Ｙ２が生じる。剥離渦Ｙ２は、主渦Ｙ１の旋回方向と反対方向（第二方向）、すなわち図２及び図４の紙面上における時計回りに旋回する。
　より詳細には、図４に示すように、端縁部５５において主渦Ｙ１から一部の流れが剥離して、小キャビティ１８に蒸気Ｓが流入すると、流入した蒸気Ｓは、内周壁面１７ａに到達した後に内周壁面１７ａに沿って軸方向下流側に流れる。次に、フィン本体部１６により蒸気Ｓの流れ方向がステップ部５２Ａ側に変えられた後、蒸気Ｓはフィン本体部１６に沿って径方向内方側に流れる。次に、ステップ部５２Ａにより蒸気Ｓの流れ方向が軸方向上流側に変えられた後、蒸気Ｓは小キャビティ１８の径方向内方側をステップ部５２Ａに沿って軸方向上流側に向けて流れる。次に、蒸気Ｓは、主渦Ｙ１及び主渦Ｙ１から剥離して小キャビティ１８に流入する別の蒸気Ｓによって、その流れ方向が径方向外側に変えられた後、再び内周壁面１７ａに向けて径方向外方側に流れる。
　上述した蒸気Ｓの一連の流動により、小キャビティ１８内において、主渦Ｙ１の旋回方向と反対方向に旋回する剥離渦Ｙ２が生じる。
　内周壁面１７ａ（図３参照）によって径方向外方側の空間が制限されているために、径方向外方へ向かう蒸気Ｓの散逸が制限される。また、内周壁面１７ａによって軸方向下流側への蒸気Ｓの流れが生じるように規制されるために、剥離渦Ｙ２の流れがより強められる。
　剥離渦Ｙ２が生じることにより、シールフィン１５Ａのフィン本体部１６とステップ部５２Ａとの間の微小隙間Ｈ１を通り抜ける蒸気Ｓの漏れ流れを低減する、縮流効果が生じる。
　すなわち、図４に示すように、剥離渦Ｙ２が生じることにより、微小隙間Ｈ１の軸方向上流側において、上記漏れ流れの速度ベクトルを径方向内方側に向けさせるダウンフローが生じる。上記ダウンフローは、微小隙間Ｈ１の直前（軸方向上流側に僅かにずれた位置）で径方向内方側に向う慣性力を有しているため、微小隙間Ｈ１を軸方向下流側に通り抜ける上記漏れ流れを径方向内方側に縮める効果（縮流効果）が生じる。結果として、蒸気Ｓの微小隙間Ｈ１を介した漏洩量が低減する。
　小キャビティ１８が、回転軸を含む面での断面において、図２及び図３に示すように、正方形状に形成されているために、剥離渦Ｙ２が略真円に形成されると考えられる。
　また、内周壁面１７ａの軸方向での幅と、内周壁面１７ａ及びステップ部５２Ａの間隔とのいずれもが、微小隙間Ｈ１の略２倍であることから、剥離渦Ｙ２の直径は微小隙間Ｈ１の略２倍となる。剥離渦Ｙ２の直径が微小隙間Ｈ１の略２倍であり、その外周がフィン本体部１６の先端に接する場合、剥離渦Ｙ２のダウンフローにおける径方向の速度成分が最大になる位置が、フィン本体部１６の先端（内端縁）に略一致する。したがって、上記ダウンフローが微小隙間Ｈ１の直前を径方向内方側に向かって最大の速度で通過するため、漏れ流れに対する縮流効果が更に大きくなると考えられる。
　なお、シールフィン１５Ａに対応する小キャビティ１８内で剥離渦Ｙ２が生じることによって、微小隙間Ｈ１を通過する蒸気Ｓの漏洩量が低減されたとしても、軸方向下流側に流れる僅かな漏れ流れは生じる。そのため、下流側の第二のキャビティＣ２内において別の主渦Ｙ１が生じる。第二のキャビティＣ２内での主渦Ｙ１がステップ部５２Ｂの端縁部５５において剥離することにより、シールフィン１５Ｂに対応する小キャビティ１８内で剥離渦Ｙ２が生じる。同様に、下流側の第三のキャビティＣ３内においてさらに別の主渦Ｙ１が生じ、シールフィン１５Ｃに対応する小キャビティ１８内で剥離渦Ｙ２が生じる。
　すなわち、剥離渦Ｙ２が、図２に示すように、微小隙間Ｈ１～Ｈ３のそれぞれの軸方向上流側における小キャビティ１８に生じる。各剥離渦Ｙ２が生じることにより、微小隙間Ｈ１～Ｈ３をそれぞれ通り抜ける蒸気Ｓの漏れ流れに対する縮流効果が生じ、漏洩量が順次低減される。
　本実施形態に係る蒸気タービン１によれば、キャビティＣ（Ｃ１～Ｃ３）内に流入した蒸気Ｓがステップ部５２（５２Ａ～５２Ｃ）の端縁部５５を形成する段差面５３（５３Ａ～５３Ｃ）に衝突し、その流れの向きが変化し、上流側に戻ることによって、第一方向に旋回する主渦Ｙ１が生じる。また、段差面５３（５３Ａ～５３Ｃ）の端縁部５５において、主渦Ｙ１から一部の流れが剥離することにより、第一方向と反対の方向である第二方向に旋回する剥離渦Ｙ２が生じる。剥離渦Ｙ２が生じることにより、フィン本体部１６とステップ部５２（５２Ａ～５２Ｃ）との間の微小隙間Ｈ（Ｈ１～Ｈ３）を通り抜ける漏れ流れを低減する、縮流効果が生じる。さらに、空間制限部１７により、キャビティＣ（Ｃ１～Ｃ３）と微小隙間Ｈ（Ｈ１～Ｈ３）との間に小キャビティ１８が形成されるので、キャビティＣ（Ｃ１～Ｃ３）に比べ空間が狭められた小キャビティ１８内で剥離渦Ｙ２の流れが強められる。したがって、剥離渦Ｙ２による縮流効果が十分に高められ、微小隙間Ｈ（Ｈ１～Ｈ３）を通り抜ける漏洩流量をより低減できる。
　また、フィン本体部１６から軸方向上流側に延びる内周壁面１７ａを有するので、内周壁面１７ａとフィン本体部１６とによって剥離渦Ｙ２の流れが規制される。したがって、剥離渦Ｙ２の流れがさらに強められ、縮流効果をさらに高めることができると共に、剥離渦Ｙ２を安定的に維持できる。
　また、剥離渦Ｙ２による縮流効果が各ステップ部５２（５２Ａ～５２Ｃ）毎に得られることから、動翼５０とこれに対応する仕切板外輪１１との間の漏洩流量を十分に低減できる。
　また、軸方向最上流側に位置するステップ部５２Ａに対応する小キャビティ１８内おいても剥離渦Ｙ２が生じることにより、動翼５０とこれに対応する仕切板外輪１１との間の漏洩流量を十分に低減できる。
　次に、上述した第一実施形態の変形例について、図５から図１２に基づいて説明する。
　なお、図５から図１２において、図１から図４と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
　図５に示すように、シールフィン１５Ｄは、フィン本体部１６に対して断面視において円弧状に滑らかに接続される内周壁面１７ａを有している。換言すれば、内周壁面１７ａとフィン本体部１６との接続部が、断面視において円弧状に窪んでいる。内周壁面１７ａとフィン本体部１６との接続部は、例えばフィレットＲ加工によって形成されている。
　この変形例では、内周壁面１７ａがフィン本体部１６に対して断面視において円弧状に接続されているので、内周壁面１７ａからフィン本体部１６に沿って断面視において円弧状に剥離渦Ｙ２が流れる。したがって、内周壁面１７ａに沿って流れる剥離渦Ｙ２をスムーズにフィン本体部１６に沿わせて流すことができ、剥離渦Ｙ２への規制効果を強めることができる。よって、剥離渦Ｙ２の流れがさらに強められ、縮流効果をさらに高めることができると共に、剥離渦Ｙ２を安定的に維持できる。
　図６に示すように、シールフィン１５Ｅは、断面視において円弧状に窪んだ内周壁面１７ｂを有している。
　この変形例では、内周壁面１７ｂが断面視において円弧状に窪んでいるので、内周壁面１７ｂに沿って断面視において円弧状に剥離渦Ｙ２が流れる。したがって、剥離渦Ｙ２の流れ方向をスムーズに変化させることができ、剥離渦Ｙ２への規制効果を強めることができる。よって、剥離渦Ｙ２の流れがさらに強められ、縮流効果をさらに高めることができると共に、剥離渦Ｙ２を安定的に維持できる。
　図７に示すように、シールフィン１５Ｆは、軸方向上流側に向けて斜めに延びるフィン本体部１６Ａを有している。
　この変形例では、フィン本体部１６Ａが軸方向上流側に向けて斜めに延びているので、微小隙間Ｈの軸方向上流側において、回転軸方向下流側に流れる漏れ流れに向かうように剥離渦Ｙ２のダウンフローが流れる。そのため、フィン本体部１６Ａの先端部近傍において、漏れ流れと剥離渦Ｙ２のダウンフローとが合流した流れにおける流速Ｖの軸方向速度成分ＶＸが小さくなる。フィン本体部１６Ａの先端部近傍において、流速Ｖの径方向速度成分をＶＲとすると、ＶＸ／ＶＲが０に近づくほど剥離渦Ｙ２の縮流効果が大きくなるので、縮流効果をさらに高めることができる。
　なお、フィン本体部１６Ａの少なくとも先端側の一部が、軸方向上流側に向けて斜めに延在していれば、縮流効果を高めることが可能である。
　図８に示すように、シールフィン１５Ｈは、軸方向上流側から下流側に進むに従って漸次径方向内方側に向かうように傾斜する内周壁面１７ｄを有している。
　この変形例では、端縁部５５で主渦Ｙ１から剥離して小キャビティ１８に流入した蒸気Ｓを、内周壁面１７ｄに沿わせてスムーズに軸方向下流側まで導くことにより、強い剥離渦Ｙ２を発生させることができる。すなわち、内周壁面１７ｄに沿って流れる剥離渦Ｙ２が、スムーズにフィン本体部１６に沿って流れることができるため、内周壁面１７ｄからフィン本体部１６に向かう剥離渦Ｙ２の流れの強さが減少しない。したがって、強い剥離渦Ｙ２を発生でき、縮流効果をさらに高めることができる。
　なお、内周壁面１７ｄを図６における内周壁面１７ｂのように、断面視において円弧状に形成してもよい。
　図９に示すように、シールフィン１５Ｉは、空間制限部１７の軸方向上流側の端縁部であり且つ断面視において円弧状に形成された角部１７ｅを有している。
　この変形例では、端縁部５５で主渦Ｙ１から剥離した蒸気Ｓが小キャビティ１８に流入した後に、角部１７ｅで主渦Ｙ１からその一部がさらに剥離することを防止できる。そのため、主渦Ｙ１の流れが弱められず、結果的に端縁部５５で主渦Ｙ１から剥離する流れが強くなる。したがって、剥離渦Ｙ２の流れを強めることができる。
　図１０に示すように、シールフィン１５Ｊは、空間制限部１７の軸方向上流側に形成され且つ軸方向上流側から下流側に進むに従って漸次径方向内方側に向かうように傾斜する端面１７ｆを有している。端面１７ｆは、内周壁面１７ａの軸方向上流側に接して設けられている。
　この変形例では、主渦Ｙ１が端面１７ｆの少なくとも一部に沿って流れるので、主渦Ｙ１の流れが弱められることを防止できる。結果的に端縁部５５で主渦Ｙ１から剥離する流れが強くなるため、剥離渦Ｙ２の流れを強めることができる。
　図１１に示すように、シールフィン１５Ｋは、フィン本体部１６の側面から軸方向上流側に向けて延出する空間制限部１７Ａを有している。フィン本体部１６は、直接に仕切板外輪１１に接続され、仕切板外輪１１からステップ部５２に向かって延びている。空間制限部１７Ａは、軸方向に沿って延びる壁体である。空間制限部１７Ａとステップ部５２との間隔は、微小隙間Ｈの略二倍である。フィン本体部１６のみが空間制限部１７Ａを支持しているため、シールフィン１５Ｋの剛性は低い。
　この変形例では、動翼５０が偶発的に径方向外方側に変位してシールフィン１５Ｋに接触したとしても、シールフィン１５Ｋの剛性が低いために、シールフィン１５Ｋが容易に座屈する。そのため、動翼５０及び仕切板外輪１１が損傷することを抑制できる。
　図１２に示すように、シールフィン１５Ｌは、フィン本体部１６と、フィン本体部１６の軸方向上流側に間隔を空けて設けられ、ステップ部５２に向けて延出すると共に、ステップ部５２との間に微小隙間Ｈよりも大きな隙間を形成するフィン状の空間制限部（径方向壁体）１７Ｂとを備えている。
　この変形例では、小キャビティ１８内において、剥離渦Ｙ２と、剥離渦Ｙ２に径方向に隣接し主渦Ｙ１の旋回方向である第一方向に旋回する補渦Ｙ３とが形成される。補渦Ｙ３が形成されることにより、剥離渦Ｙ２の形状は略真円に整えられる。また、シールフィン１５Ｌにおいては、剥離渦Ｙ２の流れを規制する内周壁面（ステップ部５２に対向する壁面）が存在しないので、剥離渦Ｙ２の接触流動抵抗が軽減される。したがって、剥離渦Ｙ２の流れが強められ、縮流効果をさらに高めることができる。
　（第二実施形態）
　次に、本発明の第二実施形態に係る蒸気タービン２を図１３に基づいて説明する。
　図１３は、蒸気タービン２を示す断面図であって、第一実施形態の図２に対応する図である。　なお、図１～図１２と同様の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
　本実施形態は、上記縮流効果が効果的に得られる条件が存在するとの知見のもとにシミュレーションを行い、得られた条件に従って蒸気タービン２の各構成要素を設定している。
　図１３に示すように、フィン本体部１６と、各フィン本体部１６に対応する各ステップ部５２の軸方向上流側における端縁部５５との間の軸方向距離（すなわちフィン本体部１６と段差面５３との間の軸方向距離）をＬ（Ｌ１～Ｌ３）とすると、距離Ｌが以下の式（１）を満足している。
　　０．７Ｈ≦Ｌ　…………………（１）
　距離Ｌは、小キャビティ１８における軸方向の幅となっている。
　なお、蒸気タービン２の停止時と運転時とにおいて、微小隙間Ｈや距離Ｌの大きさが変化する可能性がある。そのため、縮流効果を効果的に得るためには、式（１）が蒸気タービン２の運転時に満足している必要がある。
　また、本実施形態では、Ｈ１～Ｈ３は全て同じ大きさとなっているため、ＨはＨ１～Ｈ３を代表して表している。
（シミュレーション）
　図１３に示した距離Ｌと、タービン効率変化及びリーク量変化率との関係についてのシミュレーション結果を以下に説明する。
　図１４は、シミュレーション結果を示すグラフである。図１４の横軸は距離Ｌの大きさ（長さ）を示し、縦軸はタービン効率変化およびリーク量変化率を示している。なお、タービン効率変化およびリーク量変化率については、一般的なステップフィン構造でのタービン効率およびリーク流量に対する大小を示している。また、図１４の横軸、縦軸はいずれも、一般的な等差目盛りである。
　図１４に示すように、距離Ｌは以下の式（１）を満足するように設定することが好ましい。
　　０．７Ｈ≦Ｌ　…………………（１）
　すなわち、図１４に示すように、距離Ｌが０．７Ｈ未満（Ｌ＜０．７Ｈ）である場合には、小キャビティ１８の幅（軸方向の幅）が不十分であるため、端縁部５５で剥離渦Ｙ２が生じ難い。このため、フィン本体部１６の軸方向上流側における剥離渦Ｙ２のダウンフローが十分に形成されない。したがって、ダウンフローによる漏れ流れに対する縮流効果が極めて小さくなる。漏洩流量が多くなるため、図１４に示すようにリーク量変化率が高く（＋側）なる。また、漏洩流量が多くなることによりタービン効率は低下するため、図１４に示すようにタービン効率変化は低く（－側）なる。
　一方、式（１）を満足すれば、小キャビティ１８の幅（軸方向の幅）が十分に確保されるため、端縁部５５で剥離渦Ｙ２が生じ易くなる。このため、フィン本体部１６の軸方向上流側における剥離渦Ｙ２のダウンフローが十分に形成される。したがって、ダウンフローによる漏れ流れに対する縮流効果を十分に得ることができる。漏洩流量が多くなるため、図１４に示すように、リーク量変化率が低く（－側）なる。また、漏洩流量が少なくなることによりタービン効率は向上するため、タービン効率変化は高く（＋側）なる。
　図１５は、シミュレーション結果を示すグラフである。図１５は、距離Ｌを０．７Ｈ以上に設定した小キャビティ１８を設けたタービンと、設けないタービンとにおける、タービン効率変化およびリーク量変化率の比較結果を示している。
　図１５に示すように、小キャビティ１８有りのタービンは、小キャビティ１８無しのタービンに比べ、リーク量は小さく、タービン効率は高い。
　以上のシミュレーション結果に基づき、本実施形態では距離Ｌ（Ｌ１～Ｌ３）を、式（１）を満足するように設定している。
　したがって、各小キャビティ１８では、各ステップ部５２Ａ～５２Ｃとこれに対応するフィン本体部１６との間の位置関係が式（１）を満足しているため、剥離渦Ｙ２による縮流効果が十分に高くなり、漏洩流量が従来に比べ格段に低減される。よって、上記シール構造を備えた蒸気タービン２においては、漏洩流量がより低減され、その性能を更に向上できる。
（第三実施形態）
　次に、本発明の第三実施形態に係る蒸気タービン３を図１６に基づいて説明する。
　図１６は、蒸気タービン３を示す断面図であって、第一実施形態の図２に対応する図である。なお、図１～図１５と同様の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
　図１６に示す第三実施形態は、以下の点で第一実施形態と異なる。第一実施形態では、動翼５０の先端部に設けられているチップシュラウド５１にステップ部５２（５２Ａ～５２Ｃ）を形成し、ケーシング１０に固定される仕切板外輪１１にシールフィン１５（１５Ａ～１５Ｃ）を設けている。一方、第三実施形態では、仕切板外輪１１にステップ部５２を形成し、チップシュラウド５１にシールフィン１５を設けている。
　第三実施形態では、図１６に示すように、仕切板外輪（構造体）１１に形成された環状溝１１ａの溝底面１１ｂに、二つのステップ部５２が形成されている。二つのステップ部５２は、段差面５３Ｄを有するステップ部５２Ｄと、段差面５３Ｅを有すると共にステップ部５２Ｄの軸方向下流側に設けられるステップ部５２Ｅとである。ステップ部５２Ｄ，５２Ｅは、軸方向下流側に進むに従い、動翼５０側に向かう突出高さが次第に高くなるように配置されている。一方、動翼（ブレード）５０の先端部に設けられているチップシュラウド５１には、溝底面１１ｂに向けて径方向外方側に延出する三つのシールフィン１５（１５Ｍ～１５Ｏ）が設けられている。
　シールフィン１５（１５Ｍ～１５Ｏ）のうち、軸方向最上流側のシールフィン１５Ｍは、空間制限部１７を備えずにフィン本体部１６のみを備えている。シールフィン１５Ｍは、ステップ部５２Ｄの軸方向上流側に位置する溝底面１１ｂに向かって延出して、溝底面１１ｂとの間に微小隙間を径方向に形成している。
　また、シールフィン１５Ｎ，１５Ｏは、いずれもフィン本体部１６と空間制限部１７とを備えている。シールフィン１５Ｎ，１５Ｏは、それぞれステップ部５２Ｄ，５２Ｅに対応して延出している。シールフィン１５Ｎ，１５Ｏの各フィン本体部１６は、対応するステップ部５２Ｄ，５２Ｅとの間に微小隙間Ｈ（Ｈ４，Ｈ５）をそれぞれ径方向に形成している。また、シールフィン１５Ｎ，１５Ｏのそれぞれにおいて、空間制限部１７は、フィン本体部１６の軸方向上流側の空間を径方向に制限して、ステップ部５２Ｄ，５２Ｅとの間に小キャビティ１８を形成している。
　微小隙間Ｈ（Ｈ４，Ｈ５）の各大きさは、第一実施形態と同様に、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、フィン本体部１６とステップ部５２（５２Ｄ，５２Ｅ）との接触を防止できる安全な範囲内で、最小に設定されている。なお、Ｈ４とＨ５とは同じ大きさに設定されている。ただし、必要に応じて、これらを適宜に変えてもよい。
　図１６に示すように、チップシュラウド５１と、仕切板外輪１１のチップシュラウド５１に対応する部位（環状溝１１ａ）との間には、キャビティＣ（Ｃ４，Ｃ５）が形成されている。
　キャビティＣ（Ｃ４，Ｃ５）は、第一実施形態と同様に、各ステップ部５２（５２Ｄ，５２Ｅ）に対応したシールフィン１５（１５Ｎ，１５Ｏ）と、これらシールフィン１５に対して軸方向上流側で対向する隔壁との間に形成されている。
　軸方向最上流側に位置する第一のキャビティＣ４では、上記隔壁は、シールフィン１５Ｍによって形成されている。すなわち、シールフィン１５Ｍと、シールフィン１５Ｎと、チップシュラウド５１と、仕切板外輪１１（溝底面１１ｂ）との間に、第一のキャビティＣ４が形成されている。
　また、第二のキャビティＣ５では、上記隔壁は、シールフィン１５Ｎによって形成されている。すなわち、シールフィン１５Ｎと、シールフィン１５Ｏと、チップシュラウド５１と、仕切板外輪１１（溝底面１１ｂ）との間に、第二のキャビティＣ５が形成されている。
　フィン本体部１６と、各フィン本体部１６に対応する各ステップ部５２の軸方向上流側における端縁部５５との間の軸方向距離（すなわちフィン本体部１６と段差面５３との間の軸方向距離）をＬ（Ｌ４，Ｌ５）とすると、距離Ｌは、式（１）を満足している。
　小キャビティ１８は、各キャビティＣ（Ｃ４，Ｃ５）と微小隙間Ｈ（Ｈ４，Ｈ５）との間にそれぞれ形成されている。
　各ステップ部５２Ｄ，５２Ｅとこれらに対応するシールフィン１５Ｎ，１５Ｏのフィン本体部１６との間の位置関係が式（１）を満足しているため、剥離渦Ｙ２による漏れ流れに対する縮流効果が十分に高くなり、漏洩流量が従来に比べ格段に低減される。したがって、上記シール構造を備えた蒸気タービン３においては、漏洩流量がより低減され、その性能をさらに向上できる。
　また、本実施形態の蒸気タービン３では、ステップ部を二段形成することにより小キャビティ１８を二つ形成しているので、各小キャビティ１８での縮流効果により漏洩流量を低減できる。そのため、全体としてさらに漏洩流量を低減できる。
（第四実施形態）
　次に、本発明の第四実施形態に係る蒸気タービン４を図１７に基づいて説明する。
　図１７は、第一実施形態の図１における要部Ｊに相当する部分を示す拡大断面図であり、第一実施形態の図２に対応する図である。
　なお、図１～図１６と同様の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
　図１７に示す第四実施形態は、以下の点で第一実施形態と異なる。第一実施形態では、本発明に係る「ブレード」を動翼５０とし、動翼５０の先端部に設けられてい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、仕切板外輪１１にシールフィン１５（１５Ａ～１５Ｃ）を設けている。一方、第四実施形態では、本発明に係る「ブレード」を静翼４０とし、静翼４０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３０とし、軸体３０にシールフィン１５を設けている。
　第四実施形態では、図１７に示すように、静翼４０の先端部において周方向に延びるハブシュラウド４１に、三つのステップ部５２（５２Ｆ～５２Ｈ）が形成されている。
　三つのステップ部５２Ｆ～５２Ｈは、軸体３０の軸方向上流側から下流側に向かうに従い、静翼４０から軸体３０に向かう突出高さが次第に高くなるように配設されている。ステップ部５２（５２Ｆ～５２Ｈ）の段差を形成する段差面５３（５３Ｆ～５３Ｈ）は、軸方向上流側を向いて形成されている。
　軸体３０のハブシュラウド４１に対応する部位には、周方向に延びる環状溝３３が形成されている。環状溝３３は、軸体３０のディスク３２，３２の間に形成されている。環状溝３３内には、ハブシュラウド４１が収容されている。また、環状溝３３における溝底面３３ａには、ハブシュラウド４１に向けて径方向外方側に延出する三つのシールフィン１５（１５Ｐ～１５Ｒ）が設けられている。環状溝３３は、各シールフィン１５の軸方向上流側に比べて下流側が深くなるように段状に形成されている。すなわち、環状溝３３の溝底面３３ａは、軸方向上流側から下流側に向かうに従い、静翼４０から次第に離れるように段状に形成されている。
　シールフィン１５（１５Ｐ～１５Ｒ）は、いずれもフィン本体部１６と空間制限部１７とを備えている。おりシールフィン１５（１５Ｐ～１５Ｒ）は、ステップ部５２（５２Ｆ～５２Ｈ）に１対１で対応するように溝底面３３ａから延出している。より詳細には、シールフィン１５（１５Ｐ～１５Ｒ）は、ステップ部５２（５２Ｆ～５２Ｈ）の軸方向上流側の部分（端縁部５５の近傍）に対向して設けられている。また、ステップ部５２（５２Ｆ～５２Ｈ）の段差面５３（５３Ｆ～５３Ｈ）は、軸方向において、シールフィン１５（１５Ｐ～１５Ｒ）よりも僅かに上流側に形成されている。
　シールフィン１５（１５Ｐ～１５Ｒ）のそれぞれにおいては、フィン本体部１６がステップ部５２（５２Ｆ～５２Ｈ）との間に微小隙間Ｈ（Ｈ６～Ｈ８）を径方向に形成している。また、空間制限部１７は、フィン本体部１６の軸方向上流側の空間を径方向に制限して、ステップ部５２（５２Ｆ～５２Ｈ）との間に小キャビティ１８を形成している。
　図１７に示すように、ハブシュラウド４１と、軸体３０のハブシュラウド４１に対応する部位（環状溝３３）との間には、キャビティＣ（Ｃ６～Ｃ８）が形成されている。
　キャビティＣ（Ｃ６～Ｃ８）は、各ステップ部５２に対応したシールフィン１５と、シールフィン１５に対して軸方向上流側で対向する隔壁（環状溝３３の軸方向上流側の内壁面３４又は軸方向上流側に隣り合う他のシールフィン１５）との間に形成されている。
　小キャビティ１８は、各キャビティＣ（Ｃ６～Ｃ８）と微小隙間Ｈ（Ｈ６～Ｈ８）との間にそれぞれ形成されている。
　フィン本体部１６と、各ステップ部５２の軸方向上流側における端縁部５５との間の軸方向距離をＬ（Ｌ６～Ｌ８）とすると、これらの距離Ｌのうち少なくとも１つは、式（１）を満足している。
　各ステップ部５２Ｆ～５２Ｈのうち少なくとも１つとこれに対応するフィン本体部１６との間の位置関係が式（１）を満足しているため、剥離渦Ｙ２による漏れ流れに対する縮流効果が十分に高くなり、漏洩流量が従来に比べ格段に低減される。したがって、上記シール構造を備えた蒸気タービン４においては、漏洩流量がより低減され、その性能を更に向上できる。
　（第五実施形態）
　次に、本発明の第五実施形態に係る蒸気タービン５を図１８に基づいて説明する。
　図１８は、第一実施形態の図１における要部Ｊに相当する部分を示す拡大断面図であり、第四実施形態の図１７に対応する図である。
　図１８に示す第五実施形態は、以下の点で第四実施形態と異なる。第四実施形態では、静翼（ブレード）４０の先端部に設けられているハブシュラウド４１にステップ部５２（５２Ｆ～５２Ｈ）を形成し、軸体（構造体）３０にシールフィン１５（１５Ｐ～１５Ｒ）を設けている。一方、第五実施形態では、軸体（構造体）３０にステップ部５２（５２Ｉ，５２Ｊ）を形成し、ハブシュラウド４１にシールフィン１５（１５Ｓ～１５Ｕ）を設けている。
　第五実施形態では、図１８に示すように、軸体（構造体）３０に形成された環状溝３３の溝底面３３ａに、段差面５３Ｉを有するステップ部５２Ｉと、段差面５３Ｊを有すると共にステップ部５２Ｉの軸方向下流側に設けられるステップ部５２Ｊとを形成している。ステップ部５２Ｉ，５２Ｊは、軸方向下流側に進むに従い、静翼４０側に向かう突出高さが次第に高くなるように配置されている。一方、静翼（ブレード）４０のハブシュラウド４１には、溝底面３３ａに向けて径方向内方側に延出する三つのシールフィン１５（１５Ｓ～１５Ｕ）が設けられている。
　シールフィン１５（１５Ｓ～１５Ｕ）のうち、軸方向最上流側のシールフィン１５Ｓは、空間制限部１７を備えずにフィン本体部１６のみを備えている。シールフィン１５Ｓは、ステップ部５２Ｉの軸方向上流側に位置する溝底面３３ａに対して延出して、溝底面３３ａとの間に微小隙間を径方向に形成している。
　また、シールフィン１５Ｔ，１５Ｕは、いずれもフィン本体部１６と空間制限部１７とを備えている。シールフィン１５Ｔ，１５Ｕは、それぞれステップ部５２Ｉ，５２Ｊに対して延出している。シールフィン１５Ｔ，１５Ｕの各フィン本体部１６は、対応するステップ部５２Ｉ，５２Ｊとの間に微小隙間Ｈ（Ｈ９，Ｈ１０）をそれぞれ径方向に形成している。シールフィン１５Ｔ，１５Ｕのそれぞれにおいて、空間制限部１７は、フィン本体部１６の軸方向上流側の空間を径方向に制限して、ステップ部５２Ｉ，５２Ｊとの間に小キャビティ１８を形成している。
　図１８に示すように、ハブシュラウド４１と、軸体３０のハブシュラウド４１に対応する部位（環状溝３３）との間には、キャビティＣ（Ｃ９，Ｃ１０）が形成されている。
　フィン本体部１６と、それに対応する各ステップ部５２の軸方向上流側における端縁部５５との間の軸方向距離をＬ（Ｌ９，Ｌ１０）とすると、これらの距離Ｌのうち少なくとも１つは、式（１）を満足している。
　小キャビティ１８は、各キャビティＣ（Ｃ９，Ｃ１０）と微小隙間Ｈ（Ｈ９，Ｈ１０）との間にそれぞれ形成されている。
　各ステップ部５２Ｉ，５２Ｊのうち少なくとも１つと、これに対応するシールフィン１５Ｔ，１５Ｕのフィン本体部１６との間の位置関係が式（１）を満足しているため、剥離渦Ｙ２による漏れ流れに対する縮流効果が十分に高くなり、漏洩流量が従来に比べ格段に低減される。したがって、上記シール構造を備えた蒸気タービン５においては、漏洩流量がより低減され、その性能を更に向上できる。
　なお、上述した実施形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であり、本発明の主旨から逸脱しない範囲において、設計要求等に基づき種々変更可能である。
　例えば、上述した第一～第三実施形態では、ケーシング１０に設けられた仕切板外輪１１が本発明における「構造体」であるが、仕切板外輪１１を設けずに、ケーシング１０自体を本発明の「構造体」としてもよい。すなわち、本発明の「構造体」は、動翼５０を取り囲むとともに、流体が通過する流路を形成するのであれば、どのような部材であってもよい。
　また、上述した第一～第五実施形態では、一方側のステップ部５２に対応すると共にシールフィン１５が設けられた他方側（例えば、溝底面１１ｂ，３３ａ）を段状に形成しているが、回転軸から上記他方側までの径を同一の径に形成してもよい。
　また、上述した第二～第五実施形態において、第一実施形態の変形例として説明したシールフィン１５Ｄ～１５Ｌを用いてもよい。
　また、上述した実施形態では、キャビティＣや小キャビティ１８をそれぞれ複数形成したが（上述した実施形態では、２つ若しくは３つ）、キャビティＣや小キャビティ１８の数は任意であり、一つであっても、あるいは四つ以上であってもよい。
　また、上述した実施形態のように、シールフィン１５とステップ部５２とは必ずしも１対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。例えば、一つのステップ部５２に対して、複数のシールフィン１５を延出させてもよい。
　また、上述した実施形態では、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。
　また、上述した実施形態では、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してもよい。
　さらに、上述した実施形態では、本発明を蒸気タービンに適用したが、ガスタービンに本発明を適用してもよい。さらには、回転翼を有する全ての回転構造に本発明を適用してもよい。
　本発明によれば、漏洩流量がより低減される高性能なタービンを提供することができる。
１～５…蒸気タービン
１０…ケーシング
１１…仕切板外輪（構造体）
１５（１５Ａ～１５Ｌ，１５Ｎ～１５Ｒ，１５Ｔ，１５Ｕ）…シールフィン
１６，１６Ａ…フィン本体部
１７，１７Ａ，１７Ｂ…空間制限部
１７ａ～１７ｄ…内周壁面
１７ｅ…角部
１７ｆ…端面
１８…小キャビティ
３０…軸体（構造体）
４０…静翼（ブレード）
４１…ハブシュウラド（先端部）
５０…動翼（ブレード）
５１…チップシュラウド（先端部）
５２（５２Ａ～５２Ｊ）…ステップ部
５５…端縁部
Ｃ（Ｃ１～Ｃ１０）…キャビティ
Ｈ（Ｈ１～Ｈ１０）…微小隙間
Ｌ（Ｌ１～Ｌ１０）…距離
Ｙ１…主渦
Ｙ２…剥離渦

Claims (9)

  1. 　ブレードと、
    　前記ブレードの先端側と隙間を空けて設けられるとともに、前記ブレードに対して回転軸周りで相対的に回転する構造体と、を備えたタービンであって、
    　前記ブレードの先端部と、前記構造体の前記先端部に対応する部位とのうちの一方には、段差面を有すると共に前記先端部と前記構造体の前記部位とのうちの他方側に突出するステップ部が設けられ、
    　前記先端部と前記構造体の前記部位とのうちの他方には、前記ステップ部に向けて延出するシールフィンが設けられ、
    　前記ブレードの先端部と前記構造体の前記部位との間には、前記シールフィンと該シールフィンに対して前記構造体の前記回転軸方向上流側で対向する隔壁との間にキャビティが形成され、
    　前記シールフィンは、
    　前記ステップ部との間に微小隙間を形成するフィン本体部と、
    　前記微小隙間の前記回転軸方向上流側の空間を制限し、前記キャビティと前記微小隙間との間に小キャビティを形成する空間制限部とを具備するタービン。
  2. 　前記空間制限部は、前記フィン本体部から前記回転軸方向上流側に延びる回転軸方向壁面を有する請求項１に記載のタービン。
  3. 　前記回転軸方向壁面は、前記回転軸を含む面での断面において円弧状に窪んでいる請求項２に記載のタービン。
  4. 　前記回転軸方向壁面は、前記フィン本体部に対して、前記回転軸を含む面での断面において円弧状に接続されている請求項２に記載のタービン。
  5. 　前記フィン本体部の少なくとも先端側が、前記回転軸方向上流側に向けて斜めに延在している請求項１に記載のタービン。
  6. 　前記空間制限部は、前記フィン本体部の前記回転軸方向上流側に間隔を空けて設けられ、前記ステップ部に向けて延出すると共に、該ステップ部との間に前記微小隙間よりも大きな隙間を形成する径方向壁体である請求項１に記載のタービン。
  7. 　前記微小隙間の大きさをＨとし、
    　前記フィン本体部と、前記ステップ部の前記回転軸方向上流側における端縁部との間の距離をＬとすると、以下の式（１）を満足する請求項１に記載のタービン。
    　　０．７Ｈ≦Ｌ　…………………（１）
  8. 　前記ステップ部は、前記回転軸方向上流側から下流側に向かって突出高さが次第に高くなるように複数設けられ、
    　前記先端部と前記構造体の前記部位とのうちの他方には、前記ステップ部のそれぞれに対して延出する前記シールフィンが少なくとも１つずつ設けられており、
    　前記ステップ部に対応するシールフィンは、前記回転軸方向下流側に隣り合うステップ部に対応するシールフィンに対して対向する前記隔壁となっている請求項１に記載のタービン。
  9. 　前記ステップ部は、前記回転軸方向上流側から下流側に向かって突出高さが次第に高くなるように複数設けられ、
    　前記構造体の、前記先端部に対応する部位は環状の凹部となっており、
    　前記複数のステップ部のうちの、前記回転軸方向最上流側に位置するステップ部に対応するシールフィンに対して対向する前記隔壁は、前記凹部の、前記回転軸方向上流側の内壁面によって形成されている請求項１に記載のタービン。
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