WO2017098959A1 - シールフィン，シール構造，ターボ機械及びシールフィンの製造方法 - Google Patents

シールフィン，シール構造，ターボ機械及びシールフィンの製造方法 Download PDF

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seal
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seal fin
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豊治 西川
祥弘 桑村
大山　宏治
雄久 ▲浜▼田
椙下　秀昭
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三菱日立パワーシステムズ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a seal fin that suppresses fluid leakage from between two relatively rotating structures, a seal structure using the seal fin, a turbomachine, and a seal fin manufacturing method.
  • a non-contact type seal structure such as a labyrinth seal is used in order to prevent leakage of the working fluid.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 There are technologies disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2 as technologies related to the non-contact type seal structure of such turbomachines.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 the techniques disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2 will be described.
  • reference numerals used in Patent Document 1 and Patent Document 2 are shown in parentheses for reference.
  • Patent Document 1 states that “in a sealing device for sealing between a stationary body (11) and a rotating body (12), the stationary body (11) A seal including a fin (13) protruding toward the surface (12a) of the rotating body (12) and having a sharp tip, and a rough surface portion (17) formed on the surface (12a) of the rotating body (12).
  • An apparatus is disclosed. According to Patent Literature 1, the flow around the fin (13) is disturbed by the rough surface portion (17), thereby increasing the pressure loss of the fluid (14), and the fin (13) and the rotating body (12). The amount of fluid (14) leaking from the gap can be reduced.
  • Patent Document 2 states that “in a turbomachine, a stationary casing (12) which is a stationary element and a blade shroud (11) which is a movable element.
  • the terminal element (34) that forms the tip of the sealing fin (26) provided radially inward from the stationary casing (12) is allowed to flow through the leakage flow (21).
  • a labyrinth seal inclined toward the upstream side in the direction is disclosed.
  • the circulation vortex (36) of the leakage flow (21) is formed on the upstream side of the sealing fin (26) due to the shape of the sealing fin (26), and the circulation vortex (36)
  • the effective area of the mutual gap between the casing (12) and the blade shroud (11) is reduced, and the leakage flow (21) through the mutual gap can be reduced.
  • the sealing device disclosed in Patent Document 1 cannot be said to have a sufficient leakage suppressing effect, and thus a sufficient leakage loss suppressing effect for the turbomachine.
  • This is a straight shape in which the fin (13) extends straight toward the rotating body (12), and restricts the flow (leakage) of the fluid (14) between the fin (13) and the rotating body (12). Is not a sufficient shape.
  • the tip of the fin (13) is rounded (here, "roundness" is rounded more than a certain radius of curvature that can affect the flow of fluid). Inevitable.
  • peeling point the point at which the fluid (14) peels off at the tip of the fin (13) (hereinafter referred to as “peeling point”) is the surface (12a) of the rotating body (12).
  • the direction of travel at the separation point of the fluid (14) is directed to the downstream side (side passing through the fin (13)), and the contraction flow is weakened.
  • the leakage suppression effect of the sealing device and, in turn, the leakage loss suppression effect of the turbo machine is diminished. Even in the labyrinth seal disclosed in Patent Document 2, it is inevitable that the tip end portion of the sealing fin (26) is rounded.
  • the tip portion is rounded in a shape where the tip portion is inclined like the sealing fin (26) disclosed in Patent Document 2
  • the fan angle of the roundness of the tip portion becomes 90 degrees or more. This is easy (that is, the rounded range is likely to be widened). Therefore, the “leakage of the leakage suppression effect” due to the roundness of the tip is greater than that of the straight-shaped seal fin disclosed in Patent Document 1.
  • the labyrinth seal disclosed in Patent Document 2 requires processing for making the end element (34) of the sealing fin (26) into an inclined shape. Since a certain processing accuracy is required for the sealing fin (26), it is preferable to use cutting for the shape processing. However, since burrs are generated when cutting is performed, there is a problem that an operation for removing the burrs is required, and the manufacturing cost of the sealing fin (26) becomes expensive.
  • the present invention was devised in view of the above-described problems, and a seal fin, which can obtain a high leakage suppressing effect while suppressing an increase in manufacturing cost, and thus can reduce leakage loss of a turbomachine, It is an object of the present invention to provide a seal structure, a turbomachine, and a method for manufacturing a seal fin.
  • the seal fin of the present invention is configured such that the gap between the first structure and the second structure that are opposed to each other in the radial direction with a gap therebetween and relatively rotated about the axis. From the first structure, the fluid is prevented from leaking, extending toward the second structure, and a clearance is provided between the distal end surface in the extending direction and the second structure. Seal fins provided to be opened, the fin body extending in the radial direction, the front surface of the fin body facing upstream in the fluid flow direction, and the tip of the fin body facing the second structure And a projection that is convex on the upstream side, and the length along the axis of the projection is 1.5 times the length of the fin body.
  • the angle of the protrusion is 75 degrees or less. Ri, the tip surface inclination angle of the protrusion relative to the of the fin body, -60 degrees or more, and characterized in that it is set in the range below 60 degrees.
  • the protrusion is a sharp protrusion with a sharp tip.
  • an inclined surface facing the axis is provided between the tip surface and a back surface facing the downstream side in the fluid flow direction.
  • the length dimension along the axis of the sharp protrusion is 0.1 to 0.5 times the length dimension of the fin body.
  • the projecting portion has an end surface facing the second structure formed flush with the tip surface of the fin body.
  • the seal structure of the present invention is configured such that the gap between the first structure and the second structure that are opposed to each other in the radial direction with a gap therebetween and that rotates relative to each other about the axis. From the above, it is a seal structure that suppresses the fluid from leaking, and extends to the first structure toward the second structure, and the front end surface in the extending direction and the second structure.
  • the seal fin according to any one of (1) to (5) is provided with a clearance between and
  • the turbomachine of the present invention is characterized by including the seal structure described in (6).
  • the method for manufacturing a seal fin according to the present invention includes a gap between the first structure and the second structure that are opposed to each other in the radial direction with a gap therebetween and that rotate relative to each other about the axis.
  • the tip structure extends from the first structure toward the second structure, and the distal end surface in the extending direction and the second structure
  • a cutting step is provided in which cutting is performed in a cutting direction that intersects the thickness direction, thereby forming a protruding portion that is convex in the cutting direction on a surface that intersects the cutting direction.
  • the fluid flowing toward the clearance between the seal fin and the second structure is guided by the protrusion provided on the seal fin toward the upstream side. Since the fluid traveling direction at the point of separation) is directed toward the upstream side (the direction opposite to the direction in which the fluid passes through the seal fin), the contracted flow of the fluid is strengthened. Therefore, a high leak suppression effect can be obtained, and consequently the leakage loss of the turbomachine can be reduced.
  • the main dimensions of the protrusion that is, the length along the axis of the protrusion, the angle of the protrusion, and the inclination angle of the protrusion are set within appropriate ranges, a higher leakage suppression effect can be obtained. Can do.
  • the protrusion can be provided by using the generation of burrs associated with the cutting process, it is not necessary to remove the burrs, and the protrusions can be provided inexpensively and easily. An increase in manufacturing cost can be suppressed.
  • FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view showing the overall configuration of a steam turbine according to an embodiment of the present invention.
  • 2 is a cross-sectional view of a main part of the steam turbine according to the embodiment of the present invention, and is an enlarged cross-sectional view of a portion I in FIG.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the tip of the seal fin according to one embodiment of the present invention (the hatched lines indicating the cross-section of the seal fin are omitted).
  • 4A, 4B, and 4C are schematic cross-sectional views for explaining the operation of the seal fin according to the embodiment of the present invention, and FIG. 4A is a diagram related to the seal fin according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4B is a diagram related to a conventional seal fin
  • FIG. 4C is a diagram related to an ideal conventional seal fin (in FIG. 4A, FIG. 4B and FIG. 4C, the oblique lines indicating the cross section of the seal fin are omitted).
  • FIG. 5 is a schematic diagram for explaining the setting range of the main dimensions of the seal fin according to the embodiment of the present invention, in which the leakage flow rate suppressing effect E and the length of the sharp protrusion 62 in the axial direction A are illustrated. It is a figure which shows the analysis result of the correlation with the dimension L1 and angle (theta) 1 of the sharp projection part 62.
  • FIG. 5 is a schematic diagram for explaining the setting range of the main dimensions of the seal fin according to the embodiment of the present invention, in which the leakage flow rate suppressing effect E and the length of the sharp protrusion 62 in the axial direction A are illustrated. It is a figure which shows the analysis result of the correlation with the dimension L1 and angle (theta)
  • FIG. 6A, 6B, and 6C are schematic cross-sectional views for explaining a method of manufacturing a seal fin according to an embodiment of the present invention, in which FIG. 6A shows a cutting step, and FIG. 6B shows a polishing step.
  • FIG. 6C is a diagram showing a completed product state after the polishing step (in FIG. 6A, FIG. 6B and FIG. 6C, the oblique lines showing the cross section of the seal fin are omitted). It is a typical sectional view showing the composition of the modification of the tip of the seal fin concerning one embodiment of the present invention (the hatching which shows the section of a seal fin is omitted).
  • 1 to 4 is the upstream side, and the right side is the downstream side. Further, the direction toward the axis CL of the steam turbine will be described as the inner peripheral side or the inner side, and the opposite side, the direction away from the axis CL will be described as the outer peripheral side or the outer side.
  • a steam turbine (turbo machine) 1 is provided with a casing (first structure) 10 and a machine such as a generator (not shown) that is rotatably provided inside the casing 10 and does not show power.
  • a rotating shaft 30 that transmits the rotating shaft 30, a stationary blade 40 provided on the casing 10, a moving blade 50 provided on the rotating shaft 30, and a bearing portion 70 that rotatably supports the rotating shaft 30 about the axis CL. It is prepared for.
  • the stationary blade 40 and the moving blade 50 are blades extending in the radial direction R of the rotating shaft 30. While the casing 10 is stationary, the rotor blade 50 rotates about the axis CL. That is, the casing 10 and the moving blade 50 (including a shroud 51 described later) rotate relative to each other.
  • Steam (fluid) S is introduced from a main inlet 21 formed in the casing 10 via a steam supply pipe 20 connected to a steam supply source (not shown), and is connected to a downstream side of the steam turbine 1. 22 is discharged.
  • the internal space of the casing 10 is hermetically sealed and is a flow path for the steam S.
  • a ring-shaped partition plate outer ring 11 through which the rotation shaft 30 is inserted is firmly fixed to the inner wall surface of the casing 10.
  • the bearing unit 70 includes a journal bearing device 71 and a thrust bearing device 72, and supports the rotary shaft 30 in a freely rotatable manner.
  • the stationary blades 40 extend from the casing 10 toward the inner peripheral side and constitute a group of annular stationary blades arranged radially so as to surround the rotary shaft 30, and are respectively held by the partition plate outer ring 11 described above. ing.
  • a plurality of annular vanes 40 composed of a plurality of vanes 40 are formed at intervals in the axial direction (hereinafter simply referred to as the axial direction) A of the rotary shaft 30, and the pressure energy of the steam S is used as velocity energy.
  • the steam S having the increased velocity energy is converted into the moving blade 50 adjacent to the downstream side.
  • the moving blades 50 are firmly attached to the outer peripheral portion of the rotating shaft main body 31 of the rotating shaft 30, and a large number of the moving blades 50 are radially arranged on the downstream side of each annular stationary blade group to constitute an annular moving blade group.
  • These annular stator blade groups and annular rotor blade groups are grouped into one stage.
  • the tip portions of the moving blades 50 adjacent in the circumferential direction of the rotating shaft 30 (hereinafter simply referred to as the circumferential direction) are connected by a ring-shaped shroud (second structure) 51.
  • the shroud 51 may be used to connect not only the final stage blade group, but also other blade groups, and even the stationary blade group.
  • seal structure As shown in FIG. 2, on the downstream side in the axial direction of the partition plate outer ring 11, an annular groove whose diameter is enlarged from the partition plate outer ring 11 and whose inner peripheral surface of the casing 10 is a bottom surface (hereinafter also referred to as a casing bottom surface) 13. (Hereinafter referred to as an annular groove) 12 is formed. A shroud 51 is accommodated in the annular groove 12, and the casing bottom surface 13 is opposed to the shroud 51 in the radial direction R via the gap Gd.
  • leak steam a part of the steam S (for example, about several percent) steam (hereinafter referred to as leak steam) SL does not flow into the rotor blade 50 but leaks into the annular groove 12. Since the energy of the leak steam SL is not converted into rotational energy, the leak steam SL causes a leak loss that reduces the efficiency of the steam turbine 1.
  • the shroud 51 includes a step portion 3 formed in a step shape with a central portion in the axial direction A protruding.
  • the surface on the outer peripheral side in the radial direction R of the shroud 51 has a base surface 4 and a step portion 3 formed with a step surface 5 that protrudes outward in the radial direction R from the base surface 4. is doing.
  • the casing bottom face 13 is provided with three seal fins 6A, 6B, 6C extending toward the inner side in the radial direction R toward the shroud 51 (not shown in FIG. 1).
  • seal fins 6A, 6B, and 6C are referred to as seal fins 6.
  • the seal fin 6 has an annular shape centering on the axis CL (see FIG. 1), and has a transverse cross-sectional shape (cross-sectional shape perpendicular to the circumferential direction) shown in FIG. 2 throughout the circumference.
  • the upstream seal fin 6A protrudes toward the base surface 4 upstream of the step portion 3, the intermediate seal fin 6B protrudes toward the step surface 5 of the step portion 3, and the downstream seal fin 6C Projecting toward the base surface 4 on the downstream side of the step portion 3.
  • the intermediate seal fin 6B is formed so that the length in the radial direction R is shorter than the upstream seal fin 6A and the downstream seal fin 6C.
  • These seal fins 6 form a minute gap (hereinafter also referred to as a clearance) m in the radial direction R with the shroud 51.
  • Each dimension of these minute gaps m is set within a range in which the seal fin 6 and the moving blade 50 do not contact each other in consideration of the thermal elongation amount of the casing 10 and the moving blade 50, the centrifugal extension amount of the moving blade 50, and the like.
  • An upstream cavity 25 and a downstream cavity 26 are formed in the gap Gd by the annular groove 12, the shroud 51, and the seal fin 6. The position of the seal fin 6 in the axial direction is appropriately set according to the behavior of the leaked steam SL leaked into the cavities 25 and 26.
  • the seal fin 6 has a great feature in the structure of the tip facing the base surface 4 and the step surface 5 of the shroud 51.
  • the structure of the tip will be described with reference to FIGS. 3 and 4A to 4C.
  • the seal fin 6 is integrated with a fin body 61 that extends straight inward in the radial direction R from the casing bottom surface 13 (see FIG. 2), and an inner peripheral end of the fin body 61. And a protrusion 62 provided.
  • the protruding portion 62 is a protruding portion that protrudes toward the upstream side and is formed on the inner peripheral end portion (tip portion) 61 b of the front surface (surface facing the upstream side) 61 a of the fin body 61.
  • the inner peripheral end portion 61b refers to a virtual fixed region adjacent to the inner peripheral end surface (tip surface, surface facing the shroud 51) 61c of the fin body 61 in the front surface 61a.
  • the fin body 61 is formed with a protruding portion 62 that protrudes upstream from the front surface 61a and the inner peripheral end surface 61c.
  • the protrusion tip 62c of the protrusion 62 (where the inner peripheral end surface 62a and the back surface (the surface opposite to the inner peripheral end surface 62a) 62b intersect) is rounded as it is (unprocessed). Since the “roundness” has a roundness of a certain radius of curvature or more that can affect the flow of fluid, sharpening is performed. Therefore, hereinafter, the protrusion 62 is also referred to as a sharp protrusion 62.
  • the sharp protrusion 62 refers to a protrusion having a sharpened protrusion tip 62c that is relatively sharpened by sharpening compared to an unprocessed case.
  • the inner peripheral end face 62 a of the protrusion tip 62 c is an end face facing the shroud 51.
  • the sharp protrusion 62 has an inner peripheral end surface 62 a that is flush with the inner peripheral end surface 61 c of the fin body 61.
  • the protruding portion 62 that is sharper than the front surface 61a is formed so as to extend the inner peripheral end surface 61c to the upstream side.
  • the inner peripheral end surface 61c and the inner peripheral end surface 62a are parallel to the axis CL (including substantially parallel) and are perpendicular to the back surface 61d of the fin body 61 (including substantially right angle). .
  • FIGS. 4A to 4C are schematic cross-sectional views for explaining the operation of the seal fin according to the embodiment of the present invention
  • FIG. 4A is a diagram related to the seal fin according to the embodiment of the present invention
  • FIG. 4B is a diagram related to a conventional seal fin
  • FIG. 4C is a diagram related to an ideal conventional seal fin (in FIG. 4A, FIG. 4B and FIG. 4C, the oblique lines indicating the cross section of the seal fin are omitted).
  • the clearance m between the seal fin 6 and the shroud 51 the clearance m between the conventional seal fin 6 'and the shroud 51, and the ideal conventional seal according to an embodiment of the present invention.
  • the clearances m between the fins 6 * and the shroud 51 are shown as the same height dimension (hereinafter also referred to as “geometric clearance”) h.
  • the leak steam SL flows as shown by the dashed line arrow in FIG. 4C.
  • the flow of the leak steam SL has an ideal shape with the tip 62c * having no roundness, and therefore the tip 62c * is peeled off from the seal fin 6 * (the peeling point Pe becomes the tip 62c *), and
  • the flow direction D * of the leaked steam SL at the peeling point Pe is a direction that goes straight to the shroud 51. Therefore, strong contraction is obtained.
  • the leaked steam SL after the contraction has a substantial clearance h1 * that is sufficiently narrow with respect to the geometrical clearance h, and a small contraction coefficient (h1 * / h) is obtained (a high contraction effect is obtained). can get).
  • the leak steam SL flows as shown by the dashed line arrow in FIG. 4B. That is, since the tip 62c 'is rounded, the leak steam SL flows along a part of the roundness, and peels off from the seal fin 6' on the fin base side (upper side in FIG. 4B) of the tip 62c '.
  • the flow direction D ′ of the leaked steam SL at the separation point Pe is directed to the downstream side (side passing through the seal fin 6 ′), the contracted flow is also weak.
  • the substantial clearance h1 ′ of the leaked steam SL after the contraction is wider than the substantial clearance h1 * of the ideal conventional seal fin 6 *, and the contraction coefficient (h1 ′ / h) is This is larger than the contraction coefficient (h1 * / h) of the ideal seal fin 6 * having the conventional structure (the contraction effect is reduced). Therefore, the flow rate of steam (hereinafter referred to as the leak flow rate) FL flowing downstream of the seal fin 6 'increases.
  • the leak steam SL flows as shown by the dashed line arrow in FIG. 4A. That is, since the projecting portion 62 facing the upstream side is formed at the tip of the seal fin 6, the flow direction D of the leak vapor SL at the peeling point Pe is the upstream side (the side opposite to the side passing through the seal fin 6). Therefore, the contraction flow stronger than that of the ideal conventional structure seal fin 6 * is obtained, and the substantial clearance h1 of the leaked steam SL after the contraction is substantially equal to that of the ideal conventional structure seal fin 6 *. It becomes narrower than the clearance h1 *.
  • the contraction coefficient (h1 / h) of the seal fin 6 is smaller than the ideal contraction coefficient (h1 * / h) of the seal fin 6 * having the conventional structure (a high contraction effect is obtained). ). Therefore, the leak flow rate FL is reduced.
  • FIG. 5 shows the correlation between the leakage flow suppression effect E, the length L1 of the sharp protrusion 62 in the axial direction A, and the angle (angle formed by the inner peripheral end face 62a and the rear face 62b) ⁇ 1 of the sharp protrusion 62. It shows the analysis result of the relationship.
  • the suppression effect E is obtained by the seal fin 6 when the angle ⁇ 1 is 45 degrees and the length dimension L1 is 0.25 times the length dimension L0 in the axial direction A of the fin body 61.
  • the leakage reduction amount is shown with the maximum leakage reduction amount being 100%.
  • the length dimension L1 of the sharp protrusion 62 is too short, the function as the protrusion of the sharp protrusion 62 is lost in the first place, and the suppression effect E is reduced. If the length dimension L1 is too long, the current is contracted by the action of the sharp protrusion 62. The leaked steam SL spreads on the downstream side while passing through the minute gap m (substantially increases the clearance h1) and reattaches to the bottom surface of the seal fin 6, so that the suppression effect E decreases. . For this reason, the relationship between the length dimension L1 and the leakage flow suppression effect E is as shown in FIG.
  • the length dimension L1 of the sharp protrusion 62 is preferably 1.5 times or less (L1 ⁇ 1.L) of the length dimension L0 of the fin body 61 because the suppression effect E of 50% or more is obtained. 5 ⁇ L0), and a suppression effect E of 80% or more is obtained. More preferably, the dimension L0 is 0.1 to 0.5 times (0.1 ⁇ L0 ⁇ L1 ⁇ 0.5 ⁇ ). L0). Further, as the angle ⁇ 1 of the sharp protrusion 62 is smaller (that is, the thinner the sharp protrusion 62 is), the flow direction D of the leaked steam SL at the separation point Pe (see FIG. 4A) can be directed upstream. The angle ⁇ 1 is preferably smaller.
  • the flow direction D can be close to a vertical direction (that is, a direction straight to the shroud 51), the flow direction D is preferably 75 degrees or less ( ⁇ 1 ⁇ 75). Since the flow direction D can be directed upstream, it is more preferably 45 degrees or less ( ⁇ 1 ⁇ 45).
  • ⁇ 2 is an inclination angle of the sharp protrusion 62, and is an intersection angle between the bisector B that bisects the angle ⁇ 1 of the sharp protrusion 62 and the parallel line P.
  • the parallel line P is a line that is positioned on the outer peripheral side in the radial direction R from the inner peripheral end surface 61c of the fin body 61 and is parallel to the inner peripheral end surface 61c.
  • the inclination angle ⁇ 2 of the sharp protrusion 62 is negative.
  • the inclination angle ⁇ 2 can make the flow direction D of the leaked steam SL at the separation point Pe close to a vertical direction (that is, a direction straight to the shroud 51), and therefore, ⁇ 60 degrees or more and 60 degrees. [degree] or less is preferred ( ⁇ 60 ⁇ ⁇ 2 ⁇ 60). If the inclination angle ⁇ 2 is too large, the position of the projection tip 62c and thus the separation point Pe will be separated from the shroud 51, and the shape clearance with the shroud 51 will be increased. Therefore, the range of the inclination angle ⁇ 2 is more preferable.
  • FIGS. 6A, 6B, and 6C A manufacturing method of a seal fin as an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6A, 6B, and 6C.
  • a cutting step shown in FIG. 6A is performed in the manufacturing method of the seal fin.
  • a polishing step shown in FIG. 6B is performed to complete the seal fin 6 as shown in FIG. 6C.
  • a portion 101 to be cut (the portion indicated by a halftone dot in FIG. 6A) provided at the tip of the fin raw material 100 is cut using the cutting blade 200 of the cutting machine.
  • the part to be cut 101 is within a certain range (that is, a predetermined thickness ⁇ T from the tip surface 100a) with respect to the thickness direction T (direction coincident with the radial direction R when attached to the casing 10) from the tip surface 100a of the fin raw material 100. Is set. In other words, the dimensions of the fin raw material 100 are set in consideration of the thickness ⁇ T of the part to be cut 101 with respect to the finished product (seal fin 6).
  • the cutting blade 200 is propelled in a cutting direction C (direction along the axial direction A when attached to the casing 10) intersecting the thickness direction T to cut the part 101 to be cut.
  • a cutting direction C direction along the axial direction A when attached to the casing 10.
  • the remaining portion does not resist the propulsive force of the cutting blade 200 and bends in the cutting direction C side to become a protruding portion 101 ′ (that is, remains as a burr).
  • 100 becomes the intermediate product 100 '.
  • the cutting process may be performed by electric discharge machining.
  • a surface 103 (hereinafter referred to as an unprocessed surface) opposite to the cutting surface 102 of the protrusion 101 ′ is not processed and is polished by the polishing machine 201.
  • the protrusion 101 ′ is formed as a sharp protrusion 62 having a sharp tip, and the manufacture of the seal fin 6 is completed.
  • the angle ⁇ 1 (see FIG. 3) of the sharp protrusion 62 can be adjusted according to the polishing amount and the polishing angle.
  • the inclination angle ⁇ 2 (see FIG.
  • the sharp protrusion 62 is adjusted by the pressing force applied to the protrusion 101 ′ by the polishing machine 201 when the protrusion 101 ′ is polished by the polishing machine 201 to be the sharp protrusion 62. can do.
  • a processing step such as bending for adjusting the inclination angle ⁇ 2 of the sharp protrusion 62 may be provided.
  • a leak steam SL that flows toward a minute gap (clearance) m between the seal fin 6 and the shroud 51 is projected from the inner peripheral end portion 61 b of the seal fin 6 toward the upstream side.
  • the flow direction D of the leak steam SL at the separation point Pe is directed upstream (the direction opposite to the direction passing through the seal fin 6), so that the leak steam SL is contracted. Since it strengthens, a high leak suppression effect can be obtained.
  • the projection 62 is formed as a sharp projection with a sharp tip, the peeling point Pe of the leaked steam SL from the seal fin 6 is formed at the projection tip 62c. Therefore, it is possible to prevent “the leakage suppressing effect from diminishing due to the tip of the protrusion 62 being rounded”. That is, it is possible to suppress the peeling point Pe from moving to the base side (the casing 10 side, the upper side in FIG. 4A) from the protruding portion 62 c to substantially widen the minute gap m with the shroud 51. .
  • the protrusion 62 is provided by using the burr generated by the cutting process, it is not necessary to remove the burr, and the protrusion 62 can be provided easily and inexpensively.
  • the shape of the tip of the seal fin 6 is not limited to that of the above embodiment.
  • the gap between the back surface 61d of the fin body 61 (the surface facing the downstream side) and the inner peripheral end surface 61c is cut obliquely,
  • An inclined surface 61e that is positioned upstream (ie, toward the inner peripheral side (axis line CL side)) as it approaches the end surface 61c may be provided.
  • the casing 10 is the first structure of the present invention and the shroud 51 is the second structure of the present invention and the seal fin 6 is provided in the casing 10.
  • the first structure of the invention and the casing 10 may be the second structure of the present invention, and the seal fin 6 may be provided on the shroud 51.
  • the seal structure of the present invention is applied to the seal structure between the casing 10 and the moving blade 50, but is applied to the seal structure between the rotating shaft main body 31 and the stationary blade 40. You can also
  • the step type is used for the shroud 51, but the shroud 51 may be a direct type without a step.
  • the sharp projections 62 are provided for all of the seal fins 6A, 6B, 6C. However, the sharp projections 62 may be provided on at least one of the seal fins 6A, 6B, 6C.
  • the protrusion 62 of the seal fin 6 is polished by the polishing step to obtain a sharp protrusion with a sharp tip, but the polishing step may be omitted.
  • the intermediate product 100 ′ before polishing shown in FIG. 6B may be used in the seal structure or turbomachine of the present invention as a finished product of the seal fin having the protrusion 101 ′. Even if the protrusion 101 ′ is not a sharp protrusion, the leakage steam SL can be guided upstream by the protrusion 101 ′, so that the effect of suppressing leakage can be improved by offsetting the influence of roundness.
  • the present invention can also be applied to a seal of a turbo machine other than a steam turbine, such as a gas turbine or a turbo compressor, Furthermore, as long as the seal is between two relatively rotating structures, the seal can be applied to a seal other than a turbo machine (for example, a rotary joint).

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Abstract

製造コストの上昇を抑制しつつ、高いリーク抑制効果が得られ、ひいてはターボ機械のリーク損失を低減できる、シール構造，ターボ機械及びシールフィンの製造方法を提供する。　径方向（Ｒ）に対向し軸線回りに相対回転する第一構造体と第二構造体（５１）との間の隙間から、流体がリークすることを抑制し、第二構造体（５１）との間にクリアランスをあけて前記第一構造体に設けられるシールフィン（６）であって、径方向（Ｒ）に延在するフィン本体（６１）と、フィン本体（６１）の前面（６１ａ）と先端面（６１ｃ）との間に形成され上流側に凸となる突起部（６２）とを備えて構成され、突起部（６２）の長さ寸法（Ｌ１）が、フィン本体（６１）の長さ寸法（Ｌ０）の１．５倍以下であり、突起部（６２）の角度（θ１）が７５度以下であり、フィン本体（６１）の傾斜角度（θ２）が、－６０度以上、６０度以下の範囲内に設定される。

Description

シールフィン，シール構造，ターボ機械及びシールフィンの製造方法
　本発明は、相対回転する二つ構造体の相互間からの流体のリークを抑制するシールフィン、それを使用したシール構造，ターボ機械及びシールフィンの製造方法に関する。
　蒸気タービン，ガスタービン及びターボ圧縮機などのターボ機械においては、静止側と回転側との間にできる隙間から蒸気などの作動流体がリークすると、このリークがターボ機械における効率の損失（リーク損失）を引き起こす。このため、ターボ機械では、作動流体のリークを防止するために、ラビリンスシールなどの非接触型のシール構造が用いられている。
　このようなターボ機械の非接触型のシール構造に関する技術として特許文献１及び特許文献２に開示された技術がある。以下、特許文献１及び特許文献２に開示された技術を説明する。その説明では、参考に、特許文献１及び特許文献２で使用されている符号を括弧付きで示す。
　特許文献１（フロント頁，段落[００２１]及び図１,２など参照）には、「静止体（１１）と回転体（１２）との間をシールするシール装置において、静止体（１１）から回転体（１２）の表面（１２ａ）に向けて突設され先端の尖ったフィン（１３）と、回転体（１２）の表面（１２ａ）に形成された粗面部（１７）とを備えたシール装置」が開示されている。特許文献１によれば、粗面部（１７）によりフィン（１３）の周辺の流れを乱すことで、流体（１４）の圧力損失を増大させて、フィン（１３）と回転体（１２）との間から流体（１４）がリークする量を低減できるとしている。
　特許文献２（フロント頁，段落[００３９]，[００４５]及び図１,２など参照）には、「ターボ機械において静止要素である静止ケーシング（１２）と可動要素であるブレードシュラウド（１１）との相互間隙を封止するラビリンスシールにおいて、静止ケーシング（１２）から径方向内側に設けられた封止フィン（２６）の先端部を構成する末端要素（３４）を、漏洩流（２１）の流れ方向上流側に向かって傾斜させたラビリンスシール」が開示されている。特許文献２によれば、封止フィン（２６）の形状により封止フィン（２６）の上流側に漏洩流（２１）の循環渦流（３６）が形成され、この循環渦流（３６）により、静止ケーシング（１２）とブレードシュラウド（１１）との相互間隙の有効領域が縮小して、相互間隙を通る漏洩流（２１）を減少させることができるとしている。
特開２００８－１９６５２２号公報 特開２０１３－０１９５３７号公報
　しかしながら、特許文献１に開示されたシール装置では、リーク抑制効果ひいてはターボ機械のリーク損失抑制効果が十分とはいえない。これは、フィン（１３）が回転体（１２）に向かって真っ直ぐに延在するストレート形状であり、回転体（１２）との間から流体（１４）の流れ（リーク）に規制をかけるのには十分な形状とはいえない。
　また、フィン（１３）の先端には、丸み（ここで言う「丸み」とは、流体の流れに影響を与えうる一定曲率半径以上の丸みである）を帯びてしまうことを加工上の制約から避けられない。フィン（１３）の先端部に丸みがあると、フィン（１３）の先端部で流体（１４）が剥離する点（以下、「剥離点」という）が、回転体（１２）の表面（１２ａ）とのクリアランスを実質的に拡大する方向に移動し、かつ流体（１４）の剥離点での進行方向が下流側（フィン（１３）を通過する側）に向き、縮流が弱くなる。このため、先端部に丸みの無い理想的な形状に較べて、シール装置のリーク抑制効果ひいてはターボ機械のリーク損失抑制効果が目減りしてしまう。
　特許文献２に開示されたラビリンスシールでも、封止フィン（２６）の先端部に丸みが生じることは避けられず同様の課題が生じていた。特に、特許文献２に開示された封止フィン（２６）のように先端部が傾斜した形状において先端部に丸みがあると、この先端部の丸みの扇角が９０度［degree］以上になりやすく（つまり丸みを帯びた範囲が広くなりやすく）、このため、特許文献１に開示されたストレート形状のシールフィンよりも、先端部の丸みによる「リーク抑制効果の目減り」が大きかった。
　さらに、特許文献２に開示されたラビリンスシールでは、封止フィン（２６）の末端要素（３４）を傾斜した形状にするための加工が必要となる。封止フィン（２６）には一定の加工精度が要求されるため、その形状加工には切削加工を用いることが好ましい。しかし、切削加工を行うとバリが生じるため、このバリを除去する作業が必要となって、封止フィン（２６）の製造コストが高価になるという課題がある。
　本発明は、上記のような課題に鑑み創案されたもので、製造コストの上昇を抑制しつつ、高いリーク抑制効果が得られ、ひいてはターボ機械のリーク損失を低減することができる、シールフィン，シール構造，ターボ機械及びシールフィンの製造方法を提供することを目的とする。
　（１）上記の目的を達成するために、本発明のシールフィンは、互いに隙間を空けて径方向に対向し軸線回りに相対回転する第一構造体と第二構造体との間の前記隙間から、流体がリークすることを抑制し、前記第一構造体から、前記第二構造体に向かって延在して、その延在方向の先端面と前記第二構造体との間にクリアランスをあけて設けられるシールフィンであって、前記径方向に延在するフィン本体と、前記フィン本体の前記流体の流通方向で上流側に向く前面と前記フィン本体の前記第二構造体に対向する先端面との間に形成され前記上流側に凸となる突起部とを備えて構成され、前記突起部における前記軸線に沿った長さ寸法が、前記フィン本体における前記長さ寸法の１．５倍以下であり、前記突起部の角度が７５度以下であり、前記フィン本体の前記先端面を基準とした前記突起部の傾斜角度が、－６０度以上、６０度以下の範囲内に設定されたことを特徴としている。
　（２）前記突起部が先端の尖った尖鋭突起部であることが好ましい。
　（３）前記フィン本体において、前記先端面と、前記流体の流通方向下流側に向く背面との間に、前記軸線側に向く傾斜面を備えることが好ましい。
　（４）前記尖鋭突起部における前記軸線に沿った長さ寸法が、前記フィン本体における前記長さ寸法の０．１倍以上且つ０．５倍以下であることが好ましい。
　（５）前記突起部は、前記第二構造体に対向する端面が、前記フィン本体の前記先端面と面一に形成されていることが好ましい。
　（６）上記の目的を達成するために、本発明のシール構造は、互いに隙間を空けて径方向に対向し軸線回りに相対回転する第一構造体と第二構造体との間の前記隙間から、流体がリークすることを抑制する、シール構造であって、前記第一構造体に、前記第二構造体に向かって延在して、その延在方向の先端面と前記第二構造体との間にクリアランスをあけて（１）～（５）の何れかに記載のシールフィンを備えたことを特徴としている
　（７）上記の目的を達成するために、本発明のターボ機械は、（６）に記載のシール構造を備えたことを特徴としている。
　（８）上記の目的を達成するために、本発明のシールフィンの製造方法は、互いに隙間を空けて径方向に対向し軸線回りに相対回転する第一構造体と第二構造体との間の前記隙間から、流体がリークすることを抑制する、シール構造において、前記第一構造体から、前記第二構造体に向かって延在して、その延在方向の先端面と前記第二構造体との間にクリアランスをあけて設けられるシールフィンの製造方法であって、フィン原材料に対し、厚さ方向に関して先端表面から一定の範囲を被切削部として設定し、前記被切削部を、前記厚さ方向と交差する切削方向に切削を行うことで、前記切削方向と交差する面に前記切削方向に凸となる突起部を形成する、切削ステップを備えたことを特徴としている。
　（９）前記突起部を研磨して先端の尖った尖鋭突起部に形成する、研磨ステップを備えることが好ましい。
　本発明によれば、シールフィンと第二構造体とのクリアランスに向かって流れる流体が、シールフィンに上流側に向けて設けられた突起部により案内される結果、剥離点（シールフィンから流体が剥離する点）における流体の進行方向が、上流側（流体がシールフィンを通過する方向とは逆方向）に向かうようになるため、流体の縮流が強まる。
　したがって、高いリーク抑制効果が得られ、ひいてはターボ機械のリーク損失を低減することができる。
　しかも、突起部の主要寸法、すなわち、突起部における軸線に沿った長さ寸法，突起部の角度及び突起部の傾斜角度が適宜の範囲に設定されているので、より高いリーク抑制効果を得ることができる。
　また、切削加工に伴うバリの発生を利用して突起部を設けることができるので、バリの除去が不要になる上に、安価且つ容易に突起部を設けることができ、突起部を設けることによる製造コストの上昇を抑制することができる。
図１は、本発明の一実施形態に係る蒸気タービンの全体構成を示す模式的な縦断面図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る蒸気タービンの要部断面図であり、図１のＩ部の拡大断面図である。 図３は、本発明の一実施形態に係るシールフィンの先端の構成を示す模式的断面図である（シールフィンの断面を示す斜線は省略している）。 図４Ａ，図４Ｂ及び図４Ｃは、本発明の一実施形態に係るシールフィンの作用を説明するための模式的断面図であって、図４Ａは本発明の一実施形態に係るシールフィンに関する図、図４Ｂは従来のシールフィンに関する図、図４Ｃは理想的な従来構造のシールフィンに関する図である（図４Ａ，図４Ｂ及び図４Ｃ共にシールフィンの断面を示す斜線は省略している）。 図５は、本発明の一実施形態に係るシールフィンの主要寸法の設定範囲を説明するための模式図であって、リーク流量の抑制効果Ｅと、尖鋭突起部６２の軸方向Ａに関する長さ寸法Ｌ１と、尖鋭突起部６２の角度θ１との相関関係の解析結果を示す図である。 図６Ａ，図６Ｂ及び図６Ｃは、本発明の一実施形態に係るシールフィンの製造方法を説明するための模式的断面図であって、図６Ａは切削ステップを示す図、図６Ｂは研磨ステップを示す図、図６Ｃは研磨ステップ後の製品完成状態を示す図である（図６Ａ，図６Ｂ及び図６Ｃ共にシールフィンの断面を示す斜線は省略している）。 本発明の一実施形態に係るシールフィンの先端の変形例の構成を示す模式的断面図である（シールフィンの断面を示す斜線は省略している）。
　以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
　本実施形態では、本発明のシールフィン，シール構造，ターボ機械及びシールフィンの製造方法を蒸気タービンに適用した例を説明する。
　なお、以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。以下の実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができると共に、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることが可能である。
　以下の説明では上流，下流と記載した場合は、特段の説明がない限り、蒸気タービン内の蒸気Ｓの流れに対して上流，下流を意味するものとする。すなわち、図１～図４における左側を上流側、右側を下流側とする。
　また、蒸気タービンの軸線ＣＬに向く方向を内周側又は内側とし、その反対側、軸線ＣＬから離れる方向を外周側又は外側として説明する。
［１．蒸気タービンの全体構成］
　図１に示すように、本実施形態の蒸気タービン（ターボ機械）１は、ケーシング（第一構造体）１０と、ケーシング１０の内部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回転軸３０と、ケーシング１０に設けられた静翼４０と、回転軸３０に設けられた動翼５０と、軸線ＣＬを中心に回転軸３０を回転可能に支持する軸受部７０とを備えて構成されている。静翼４０及び動翼５０は回転軸３０の径方向Ｒに延びるブレードである。
　ケーシング１０は静止しているのに対し、動翼５０は軸線ＣＬを中心に回転する。つまり、ケーシング１０と動翼５０（後述のシュラウド５１を含む）とは互いに相対回転する。
　蒸気（流体）Ｓは、図示しない蒸気供給源と接続された蒸気供給管２０を介して、ケーシング１０に形成された主流入口２１から導入され、蒸気タービン１の下流側に接続された蒸気排出管２２から排出される。
　ケーシング１０の内部空間は、気密に封止されていると共に蒸気Ｓの流路とされている。このケーシング１０の内壁面には、回転軸３０が挿通されるリング状の仕切板外輪１１が強固に固定されている。
　軸受部７０は、ジャーナル軸受装置７１及びスラスト軸受装置７２を備えており、回転軸３０を回転自在に支持している。
　静翼４０は、ケーシング１０から内周側に向かって伸び、回転軸３０を囲繞するように放射状に多数配置される環状静翼群を構成しており、それぞれ上述した仕切板外輪１１に保持されている。
　これら複数の静翼４０からなる環状静翼群は、回転軸３０の軸方向（以下、単に軸方向と呼ぶ）Ａに間隔を空けて複数形成されており、蒸気Ｓの圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して、速度エネルギーの増加した蒸気Ｓを下流側に隣接する動翼５０に流入させる。
　動翼５０は、回転軸３０の回転軸本体３１の外周部に強固に取り付けられ、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。このうち、最終段の動翼群では、回転軸３０の周方向（以下、単に周方向と呼ぶ）に隣接する動翼５０の先端部同士がリング状のシュラウド（第二構造体）５１により連結されている。最終段の動翼群のみなならず他の動翼群、さらには静翼群についてもシュラウド５１により連結するようにしても良い。
［２．シール構造］
　［２－１．シール構造の全体構造］
　図２に示すように、仕切板外輪１１の軸方向下流側には、仕切板外輪１１から拡径されケーシング１０の内周面を底面（以下、ケーシング底面ともいう）１３とする円環状の溝（以下、環状溝と呼ぶ）１２が形成されている。環状溝１２には、シュラウド５１が収容され、ケーシング底面１３は、シュラウド５１と隙間Ｇｄを介して径方向Ｒに対向している。
　蒸気Ｓのうち大部分の蒸気ＳＭは、動翼５０に流入し、そのエネルギーが回転エネルギーに変換され、この結果、回転軸３０に回転が付与される。その一方、蒸気Ｓのうち一部（例えば、約数％）の蒸気（以下、リーク蒸気と呼ぶ）ＳＬは、動翼５０に流入せずに環状溝１２にリークする。リーク蒸気ＳＬのエネルギーは回転エネルギーに変換されないので、リーク蒸気ＳＬは、蒸気タービン１の効率を低下させるリーク損失を招く。
　そこで、ケーシング１０と動翼５０との間の隙間Ｇｄには、本発明の一実施形態としてのシール構造（ステップ型のラビリンスシール）２が設けられている。以下、シール構造２について説明する。
　シュラウド５１は、軸方向Ａにおける中央部分が突出してステップ状に形成されたステップ部３を備えている。具体的には、シュラウド５１の径方向Ｒで外周側の面は、ベース面４と、ベース面４よりも径方向Ｒで外周側に突出するステップ面５が形成されたステップ部３とを有している。
　ケーシング底面１３には、シュラウド５１に向けて径方向Ｒで内周側にそれぞれ延在する三つのシールフィン６Ａ，６Ｂ，６Ｃが設けられている（図１では省略）。以下、シールフィン６Ａ，６Ｂ，６Ｃを区別しない場合には、シールフィン６と表記する。シールフィン６は、軸線ＣＬ（図１参照）を中心とした環状のものであり、図２に示す横断面形状（周方向に垂直な断面の形状）を全周に亘って一定に有する。
　上流のシールフィン６Ａは、ステップ部３よりも上流側のベース面４に向けて突出し、中間のシールフィン６Ｂは、ステップ部３のステップ面５に向けて突出し、下流側のシールフィン６Ｃは、ステップ部３よりも下流側のベース面４に向けて突出している。中間のシールフィン６Ｂは、上流側のシールフィン６Ａ及び下流側のシールフィン６Ｃよりも径方向Ｒの長さが短くなるように形成されている。
　これらシールフィン６は、シュラウド５１との間に微小間隙（以下、クリアランスともいう）ｍを径方向Ｒに形成している。これら微小間隙ｍの各寸法は、ケーシング１０や動翼５０の熱伸び量や動翼５０の遠心伸び量等を考慮して、シールフィン６と動翼５０とが接触することがない範囲で設定されている。
　隙間Ｇｄには、環状溝１２，シュラウド５１及びシールフィン６によって上流側キャビティ２５と、下流側キャビティ２６とが形成される。シールフィン６の軸線方向の位置は、これらキャビティ２５，２６内に漏洩したリーク蒸気ＳＬの流れの挙動に応じて適宜設定される。
　［２－２．シールフィン］
　シールフィン６は、シュラウド５１のベース面４やステップ面５と対向する先端の構造に大きな特徴がある。この先端の構造について図３及び図４Ａ～図４Ｃを参照して説明する。
　図３に示すように、シールフィン６は、ケーシング底面１３（図２参照）から径方向Ｒで内側に向かって真っ直ぐに延在するフィン本体６１と、フィン本体６１の内周端部に一体に設けられた突起部６２とを備えて構成される。突起部６２は、フィン本体６１の前面（上流側に向く面）６１ａの内周端部分（先端部分）６１ｂに形成された上流側に向かって凸となる突起部である。内周端部分６１ｂとは、前面６１ａの内、フィン本体６１の内周端面（先端面、シュラウド５１に対向する面）６１ｃに隣接する仮想的な一定の領域をいう。換言すれば、フィン本体６１には、その前面６１ａと内周端面６１ｃとの間に上流側に凸となる突起部６２が形成されている。
　突起部６２の突起先端６２ｃ（内周端面６２ａとその裏面（内周端面６２ａとは反対側の面）６２ｂとが交わる箇所）には、そのまま（未加工のまま）では丸み（ここで言う「丸み」とは、流体の流れに影響を与えうる一定曲率半径以上の丸み）があるため、尖鋭加工が施されている。そこで、以下、突起部６２を尖鋭突起部６２ともいう。換言すれば、尖鋭突起部６２とは、尖鋭加工により、未加工の場合に比べて相対的に突起先端６２ｃが尖鋭化された突起部をいう。
　なお、突起先端６２ｃの内周端面６２ａとは、シュラウド５１に対向する端面をいう。
　ここでは、尖鋭突起部６２は、その内周端面６２ａがフィン本体６１の内周端面６１ｃと面一に形成されている。換言すれば、内周端面６１ｃを上流側に延長するようにして前面６１ａよりも尖鋭的に凸となる突起部６２を形成している。また、内周端面６１ｃ及び内周端面６２ａは、本実施形態では、軸線ＣＬと平行（略平行も含む）に、且つフィン本体６１の背面６１ｄと直角（ほぼ直角を含む）を成している。
　以下、図４Ａ～図４Ｃを参照して、本発明の一実施形態であるシールフィン６の作用を説明する。
　図４Ａ，図４Ｂ及び図４Ｃは、本発明の一実施形態に係るシールフィンの作用を説明するための模式的断面図であって、図４Ａは本発明の一実施形態に係るシールフィンに関する図、図４Ｂは従来のシールフィンに関する図、図４Ｃは理想的な従来構造のシールフィンに関する図である（図４Ａ，図４Ｂ及び図４Ｃ共にシールフィンの断面を示す斜線は省略している）。
　図４Ａ，図４Ｂ及び図４Ｃでは、本発明の一実施形態に係るシールフィン６とシュラウド５１とのクリアランスｍ，従来のシールフィン６′とシュラウド５１とのクリアランスｍ及び理想的な従来構造のシールフィン６＊とシュラウド５１とのクリアランスｍを、それぞれ同一の高さ寸法（以下、「形状的クリアランス」とも表記する）ｈとして示す。
　理想的な従来構造のシールフィン、すなわち、尖鋭突起部６２が無く且つ先端６２ｃ＊に丸みの無いシールフィン６＊では、図４Ｃに一点鎖線の矢印で示すようにリーク蒸気ＳＬが流れる。つまり、リーク蒸気ＳＬの流れは、先端６２ｃ＊が丸みのない理想的な形状をしているため、この先端６２ｃ＊でシールフィン６＊から剥離し（剥離点Ｐｅが先端６２ｃ＊となり）、且つ、剥離点Ｐｅにおけるリーク蒸気ＳＬの流れの方向Ｄ＊は、真っ直ぐにシュラウド５１へと向かう方向となる。したがって、強い縮流が得られる。
　このため、縮流後のリーク蒸気ＳＬは、形状的クリアランスｈに対して十分に狭い実質的クリアランスｈ１＊が得られ、小さな縮流係数（ｈ１＊／ｈ）が得られる（高い縮流効果が得られる）。
　これに対し、尖鋭突起部６２のない従来のシールフィン６′では、図４Ｂに一点鎖線の矢印で示すようにリーク蒸気ＳＬが流れる。つまり、先端６２ｃ′が丸みを帯びているため、リーク蒸気ＳＬは、丸みの一部に沿って流れて、先端６２ｃ′のフィン根本側（図４Ｂにおける上側）でシールフィン６′から剥離するように流れ（剥離点Ｐｅが、先端６２ｃ′から根本側にΔｈ移動するようになり）、縮流前の実質的なクリアランスは、形状的クリアランスｈよりも広いクリアランスｈ′となる（ｈ′＝ｈ＋Δｈ）。さらに、剥離点Ｐｅにおけるリーク蒸気ＳＬの流れの方向Ｄ′が下流側（シールフィン６′を通過する側）に向くため縮流も弱い。
　このため、縮流後のリーク蒸気ＳＬの実質的クリアランスｈ１′は、理想的な従来構造のシールフィン６＊の実質的クリアランスｈ１＊よりも広くなり、その縮流係数（ｈ１′／ｈ）は、理想的な従来構造のシールフィン６＊の縮流係数（ｈ１＊／ｈ）に比べて大きくなる（縮流効果が低くなる）。したがって、シールフィン６′下流側に流れる蒸気流量（以下、リーク流量という）ＦＬが多くなる。
　これに対し、本発明の一実施形態であるシールフィン６では、図４Ａに一点鎖線の矢印で示すようにリーク蒸気ＳＬが流れる。つまり、シールフィン６の先端に上流側に向く突起部６２が形成されているため、剥離点Ｐｅにおけるリーク蒸気ＳＬの流れの方向Ｄが上流側（シールフィン６を通過する側とは逆側）に向くため、理想的な従来構造のシールフィン６＊よりも強い縮流が得られ、縮流後のリーク蒸気ＳＬの実質的クリアランスｈ１は、理想的な従来構造のシールフィン６＊の実質的クリアランスｈ１＊よりも狭くなる。
　これは、上流に凸となる尖鋭突起部６２の存在により、リーク蒸気ＳＬに対する流通抵抗が大きくなることに加え、リーク蒸気ＳＬが、一旦、上流側に案内され、その後、Ｕターンしてシールフィン６とシュラウド５１とのクリアランスｍを通過する際には、Ｕターンした分だけ、リーク蒸気ＳＬがシュラウド５１に近接して流れる（つまり実質的クリアランスｈ１が狭くなる）ためである。
　さらに、突起部６２が尖鋭化されているため、リーク蒸気ＳＬの流れは、突起部６２の先端６２ｃで剥離するようになり、縮流前のリーク蒸気ＳＬの実質的なクリアランスは、形状的クリアランスｈと一致（略一致も含む）する。
　このため、シールフィン６の縮流係数（ｈ１／ｈ）は、理想的な従来構造のシールフィン６＊の縮流係数（ｈ１＊／ｈ）に比べて小さくなる（高い縮流効果が得られる）。したがって、リーク流量ＦＬが低減する。
　ここで、尖鋭突起部６２の主な寸法Ｌ1，θ１，θ２の好ましい範囲を、図３及び図５を参照して説明する。
　図５は、リーク流量の抑制効果Ｅと、尖鋭突起部６２の軸方向Ａに関する長さ寸法Ｌ１と、尖鋭突起部６２の角度（内周端面６２ａと裏面６２ｂとが成す角度）θ１との相関関係の解析結果を示すものである。抑制効果Ｅとは、角度θ１が４５度[degree]で、長さ寸法Ｌ１が、フィン本体６１の軸方向Ａに関する長さ寸法Ｌ０に対して０．２５倍のときにシールフィン６により得られる最大のリーク低減量を１００％としてリーク低減量を示すものである。
　尖鋭突起部６２の長さ寸法Ｌ１は、短すぎると、そもそも尖鋭突起部６２の突起としての機能が失われて、抑制効果Ｅが低下し、長すぎると、尖鋭突起部６２の作用により縮流したリーク蒸気ＳＬが、微小隙間ｍを通過している最中に下流側で広がって（実質的クリアランスｈ１が広がって）シールフィン６の底面に再付着してしまうため、抑制効果Ｅが低下する。このため、長さ寸法Ｌ１とリーク流量の抑制効果Ｅとの関係は図５に示すようになる。
　図５より、尖鋭突起部６２の長さ寸法Ｌ１は、５０％以上の抑制効果Ｅが得られることから、好ましくは、フィン本体６１の長さ寸法Ｌ０の１．５倍以下（Ｌ１≦１．５×Ｌ０）、８０％以上の抑制効果Ｅが得られることから、より好ましくは、上記寸法Ｌ０の０．１倍以上且つ０．５倍以下（０．１×Ｌ０≦Ｌ１≦０．５×Ｌ０）である。
　また、尖鋭突起部６２の角度θ１が小さいほど（つまり尖鋭突起部６２が薄くなるほど）、剥離点Ｐｅにおけるリーク蒸気ＳＬの流れの方向Ｄ〔図４Ａ参照〕を上流側に向けることができるので、角度θ１は小さいほうが好ましい。具体的には、前記の流れの方向Ｄを、垂直方向（つまりシュラウド５１に対して真っ直ぐな方向）に近くすることができることから、好ましくは７５度[degree]以下（θ１≦７５）、前記の流れの方向Ｄを上流側に向けられることから、より好ましくは４５度[degree]以下（θ１≦４５）である。
　図３におけるθ２は、尖鋭突起部６２の傾斜角度であり、尖鋭突起部６２の角度θ１を二等分する二等分線Ｂと、平行線Ｐとの交差角度である。平行線Ｐは、フィン本体６１の内周端面６１ｃよりも径方向Ｒで外周側に位置すると共に内周端面６１ｃと平行な線である。
　ここで、二等分線Ｂと平行線Ｐとの交点よりも左側の交差角に着目した場合、平行線Ｐよりも二等分線Ｂが下方となるような交差角を負（マイナス）、平行線Ｐよりも二等分線Ｂが上方となるような交差角を正（プラス）とする。したがって、図３に示す例では尖鋭突起部６２の傾斜角度θ２は負である。
　この傾斜角度θ２は、剥離点Ｐｅにおけるリーク蒸気ＳＬの流れの方向Ｄを垂直方向（つまりシュラウド５１に対して真っ直ぐな方向）に近くすることができることから、－６０度[degree]以上、６０度[degree]以下の範囲が好ましい（－６０≦θ２≦６０）。傾斜角度θ２が大きすぎると、突起部先端６２ｃの位置ひいては剥離点Ｐｅがシュラウド５１から離隔して、シュラウド５１との間の形状クリアランスが拡大してしまうので、傾斜角度θ２の範囲は、より好ましくは、－６０度[degree]以上、０度[degree]以下である（－６０≦θ２≦０）。
　なお、図５に示す解析結果は、尖鋭突起部６２の傾斜角度θ２が－１０度[degree]の場合のものである。
［３．シールフィンの製造方法］
　本発明の一実施形態としてのシールフィンの製造方法を、図６Ａ，図６Ｂ及び図６Ｃを参照して説明すると、本シールフィンの製造方法では、先ず、図６Ａに示す切削ステップが行われ、次いで図６Ｂに示す研磨ステップが行われて、図６Ｃに示すようにシールフィン６が完成する。
　図６Ａに示す切削ステップでは、フィン原材料１００の先端部に設けられた被切削部１０１（図６Ａ中、網点で示す部分）を、切削機の切削刃２００を使用して切削する。被切削部１０１は、フィン原材料１００の先端表面１００ａから、厚さ方向Ｔ（ケーシング１０への取り付け時に径方向Ｒと一致する方向）に関して一定の範囲（つまり先端表面１００ａから所定厚み分ΔＴ）に設定されている。異なる言い方をすれば、フィン原材料１００は、完成品（シールフィン６）に対して、被切削部１０１の厚みΔＴ分を見込んで寸法が設定されている。
　そして、切削刃２００を、厚さ方向Ｔと交差する切削方向Ｃ（ケーシング１０への取り付け時における軸方向Ａに沿った方向）に推進し、被切削部１０１を切削する。切削が進んで被切削部１０１の残部が僅かになると、この残部が、切削刃２００の推進力に抗しきれずに切削方向Ｃ側に折れ曲がり突起部１０１′となり（つまりバリとして残り）、フィン原材料１００が中間製品１００′となる。なお、切削加工は放電加工により行うようにしても良い。
　図６Ｂに示す研磨ステップでは、突起部１０１′の切削面１０２とは反対側の面（以下、未加工面という）１０３は加工が施されていないので、研磨機２０１により研磨される。これにより、図６Ｃに示すように、突起部１０１′が先端の尖った尖鋭突起部６２として形成されて、シールフィン６の製造が完了する。
　尖鋭突起部６２の角度θ１（図３参照）は、研磨量や研磨角度に応じて調節することができる。尖鋭突起部６２の傾斜角度θ２（図３参照）は、研磨機２０１により突起部１０１′を研磨して尖鋭突起部６２とする際に、研磨機２０１により突起部１０１′に掛ける押圧力により調整することができる。研磨ステップとは別に、尖鋭突起部６２の傾斜角度θ２を調節する曲げ加工などの加工ステップを設けても良い。
　また、フィン本体６１の前面６１ａと尖鋭突起部６２の裏面６２ｂとの間を、Ｒを付けるなどして滑らかに繋ぐように研磨することが、リーク蒸気ＳＬをスムーズに案内できるので好ましい。
［４．効果］
　本発明の一実施形態によれば以下の利点がある。
　図４Ａに示すように、シールフィン６とシュラウド５１との微小間隙（クリアランス）ｍに向かって流れるリーク蒸気ＳＬが、シールフィン６の内周端部分６１ｂに上流側に向けて突設された突起部６２により案内される結果、剥離点Ｐｅでのリーク蒸気ＳＬの流れの方向Ｄが上流側（シールフィン６を通過する方向とは逆方向）に向かうようになるためリーク蒸気ＳＬの縮流が強まるので、高いリーク抑制効果が得られる。
　さらに、突起部６２が、先端の尖った尖鋭突起部として形成されているので、シールフィン６からのリーク蒸気ＳＬの剥離点Ｐｅが、突起部先端６２ｃに形成されるようになる。したがって、「突起部６２の先端が丸みを帯びることによってリーク抑制効果が目減りすること」を防止できる。すなわち、剥離点Ｐｅが突起部先端６２ｃよりも根本側（ケーシング１０側、図４Ａ中で上側）に移動してシュラウド５１との微小間隙ｍを実質的に広げてしまうことを抑制することができる。
　さらに、尖鋭突起部６２の主要寸法である長さ寸法Ｌ１，角度θ１及び傾斜角度θ２を適宜の範囲に設定することで、より高いリーク抑制効果を得ることができる。
　また、このようなリーク抑制効果の高いシールフィン６を使用することで、蒸気タービン１のリーク損失を抑制して高いタービン効率を得ることができる。
　また、切削加工に伴い生じたバリを利用して突起部６２を設けるので、バリの除去が不要となり、容易且つ安価に突起部６２を設けることができる。
［５．その他］
　（１）シールフィン６の先端の形状は上記実施形態のものに限定されない。例えば、図３に示す上記実施形態の構成に対し、図７に示すように、フィン本体６１の背面（下流側に向く面）６１ｄと内周端面６１ｃとの間を斜めに切り落として、内周端面６１ｃに近づくにつれて上流側に位置する（すなわち、内周側（軸線ＣＬ側）に向く）傾斜面６１ｅを設けても良い。シールフィン６の全体の軸方向Ａに関する長さ寸法（＝Ｌ１＋Ｌ０）は、長いと、尖鋭突起部６２の作用により縮流したリーク蒸気ＳＬが下流側で広がってシールフィン６の底面に再付着してしまうため、短いほどシールフィン６のリーク抑制効果が向上する。したがって、図７に示すよう構成にすることでシールフィン６の軸方向Ａに関する長さ寸法を短くしてリーク抑制効果が向上することができる。
　（２）上記実施形態では、ケーシング１０を本発明の第一構造体とすると共にシュラウド５１を本発明の第二構造体としてケーシング１０にシールフィン６を設けたが、逆に、シュラウド５１を本発明の第一構造体とすると共にケーシング１０を本発明の第二構造体として、シールフィン６をシュラウド５１に設けても良い。
　（３）上記各実施形態では、本発明のシール構造を、ケーシング１０と動翼５０との間のシール構造に適用したが、回転軸本体３１と静翼４０との間のシール構造に適用することもできる。
　（４）上記実施形態では、シュラウド５１にステップ型を使用したが、シュラウド５１を、ステップのない直通型としても良い。
　（５）上記実施形態では、シールフィン６Ａ，６Ｂ，６Ｃの全てについて尖鋭突起部６２を設けたが、シールフィン６Ａ，６Ｂ，６Ｃの少なくとも１つに尖鋭突起部６２を設ければ良い。
　（６）上記実施形態では、シールフィン６の突起部６２を研磨ステップにより研磨して先端の尖った尖鋭突起部としたが、研磨ステップを省くこともできる。換言すれば、図６Ｂに示す研磨前の中間製品１００′を、突起部１０１′を有するシールフィンの完成品として、本発明のシール構造やターボ機械に使用しても良い。突起部１０１′を尖鋭突起部としなくとも、突起部１０１′によりリーク蒸気ＳＬを上流に案内することができるので、丸みの影響を相殺してリーク抑制効果を向上することが可能となる。
　（７）上記実施形態では、蒸気タービンに本発明を適用した例を説明したが、本発明は、ガスタービンやターボ圧縮機など、蒸気タービン以外のターボ機械のシールにも適用することができ、さらには、相対的に回転する二つの構造体の間のシールであれば、ターボ機械以外のもの（例えばロータリージョイント）のシールにも適用できるものである。
　１　蒸気タービン（ターボ機械）
　２　シール構造
　３　ステップ部
　４　ベース面
　５　ステップ面　
　６,６Ａ,６Ｂ，６Ｃ　シールフィン
　１０　ケーシング（第一構造体又は第二構造体）
　２５，２６　キャビティ
　３０　回転軸
　３１　回転軸本体
　４０　静翼
　５０　動翼
　５１　シュラウド（第二構造体又は第一構造体）
　６１　フィン本体
　６１ａ　フィン本体６１の前面
　６１ｂ　前面６１ａの内周端部分（先端部分）
　６１ｃ　フィン本体の内周端面（先端面）
　６１ｄ　フィン本体６１の背面
　６１ｅ　フィン本体６１の傾斜面
　６２　尖鋭突起部
　６２ａ　尖鋭突起部６２の内周端面（先端面）
　６２ｂ　尖鋭突起部６２の裏面
　６２ｃ　突起部先端
　１００　フィン原材料
　１００′　中間製品
　１００ａ　フィン原材料１００の先端表面
　１０１　被切削部
　１０１′　突起部（バリ）
　１０２　突起部１０１′の切削面
　１０３　突起部１０１′の未加工面
　２００　切削刃
　２０１　研磨機
　Ａ　軸方向
　Ｂ　角度θ１の二等分線
　Ｃ　切削方向
　ＣＬ　軸線
　Ｄ，Ｄ′，Ｄ＊　リーク蒸気ＳＬの流れの方向
　Ｇｄ　隙間
　ｈ　シールフィン６とシュラウド５１との隙間寸法、形状的クリアランス
　ｈ１，ｈ１′，ｈ１＊　リーク蒸気ＳＬの実質的クリアランス
　Ｌ０　フィン本体６１の軸方向Ａに関する長さ寸法
　Ｌ１　尖鋭突起部６２の軸方向Ａに関する長さ寸法
　ｍ　微小間隙（クリアランス）
　Ｒ　径方向
　Ｓ　　蒸気（流体）
　ＳＬ　リーク蒸気
　Ｔ　厚さ方向
　ΔＴ　被切削部１０１の厚み
　Δｈ　実質的クリアランスの移動量
　θ１　尖鋭突起部６２の角度
　θ２　鋭突起部６２の傾斜角度
 

Claims (9)

  1. 　互いに隙間を空けて径方向に対向し軸線回りに相対回転する第一構造体と第二構造体との間の前記隙間から、流体がリークすることを抑制し、前記第一構造体から、前記第二構造体に向かって延在して、その延在方向の先端面と前記第二構造体との間にクリアランスをあけて設けられるシールフィンであって、
    　前記径方向に延在するフィン本体と、前記フィン本体の前記流体の流通方向で上流側に向く前面と前記フィン本体の前記第二構造体に対向する先端面との間に形成され前記上流側に凸となる突起部とを備えて構成され、
    　前記突起部における前記軸線に沿った長さ寸法が、前記フィン本体における前記長さ寸法の１．５倍以下であり、前記突起部の角度が７５度以下であり、前記フィン本体の前記先端面を基準とした前記突起部の傾斜角度が、－６０度以上、６０度以下の範囲内に設定された
    ことを特徴とする、シールフィン。
  2. 　前記突起部が先端の尖った尖鋭突起部である
    ことを特徴とする、請求項１記載のシールフィン。
  3. 　前記フィン本体において、前記先端面と、前記流体の流通方向下流側に向く背面との間に、前記軸線側に向く傾斜面を備えた
    ことを特徴とする、請求項１又は２記載のシールフィン。
  4. 　前記突起部における前記軸線に沿った長さ寸法が、前記フィン本体における前記長さ寸法の０．１倍以上且つ０．５倍以下である
    ことを特徴とする、請求項１～３の何れか一項に記載のシールフィン。
  5. 　前記突起部は、前記第二構造体に対向する端面が、前記フィン本体の前記先端面と面一に形成されている
    ことを特徴とする、請求項１～４の何れか一項に記載のシールフィン。
  6. 　互いに隙間を空けて径方向に対向し軸線回りに相対回転する第一構造体と第二構造体との間の前記隙間から、流体がリークすることを抑制する、シール構造であって、前記第一構造体に、前記第二構造体に向かって延在して、その延在方向の先端面と前記第二構造体との間にクリアランスをあけて請求項１～５の何れか一項に記載のシールフィンを備えた
    ことを特徴とする、シール構造。
  7. 　請求項６に記載のシール構造を備えたことを特徴とする、ターボ機械。
  8. 　互いに隙間を空けて径方向に対向し軸線回りに相対回転する第一構造体と第二構造体との間の前記隙間から、流体がリークすることを抑制する、シール構造において、前記第一構造体から、前記第二構造体に向かって延在して、その延在方向の先端面と前記第二構造体との間にクリアランスをあけて設けられるシールフィンの製造方法であって、
    　フィン原材料に対し、厚さ方向に関して先端表面から一定の範囲を被切削部として設定し、前記被切削部を、前記厚さ方向と交差する切削方向に切削を行うことで、前記切削方向と交差する面に前記切削方向に凸となる突起部を形成する、切削ステップを備えた
    ことを特徴とする、シールフィンの製造方法。
  9. 　前記突起部を研磨して先端の尖った尖鋭突起部に形成する、研磨ステップを備えた
    ことを特徴とする、請求項８記載のシールフィンの製造方法。
     
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