WO2019151221A1 - 軸流回転機械 - Google Patents

Abstract

軸流回転機械は、ロータと、ケーシングと、動翼及び動翼の外周側端に連なる外周側動翼環、を含む動翼段と、外周側動翼環とケーシングとの間をシールする動翼側シール装置とを備える。動翼側シール装置は、ケーシングから外周側動翼環の外周面に向けて延在する環状のシールフィンとシールフィンの上流側に形成されるキャビティにおいてケーシングに固定されるスワールブレーカとを含む。スワールブレーカは、ロータの半径方向に沿った面を有する第１板状部材、並びに、ロータの半径方向に対して傾斜した面を有する第２板状部材又は第３板状部材であって、第１板状部材の内側端から前記ロータの回転方向の下流側に向かって延在する第２板状部材、又は第１板状部材の内側端からロータの回転方向の上流側に向かって延在する第３板状部材、を含む。

Description

軸流回転機械

　本発明は、軸流回転機械に関する。

　従来、発電プラント等に用いられる蒸気タービンやガスタービン等の軸流回転機械が知られている。この軸流回転機械は、ケーシングに支持されたノズル構造体と、ノズル構造体の下流側に設けられ、ケーシングに対して回転自在なタービンロータ（以下、単にロータとする）に支持された動翼構造体と、動翼構造体の下流側に設けられ、ケーシングに支持された静翼構造体とを有し、ロータの軸線方向の上流から下流へと流れる作動流体のエネルギーをロータの回転エネルギーに変換するようになっている。

　上記軸流回転機械では、ロータ又は動翼構造体とケーシングとの間をシールするシール部において、主流路から逸れた作動流体がノズルを通過した際に与えられた旋回流成分を有したまま流入することにより、ロータの周方向に旋回流（所謂スワール流）が生ずることが知られている。スワール流により、ロータに偏心が発生した場合にロータの周方向にはロータの偏心方向と異なる方向にピークを有する正弦波状の圧力分布が生じ、例えば高出力の運転に伴ってスワール流が増加した際にはロータの自励振動の原因になることがある。このため、シール部におけるスワール流を抑制又は防止するための構造が種々考案されており、例えば、特許文献１には、ラビリンスシールの入口側に周方向のスワール流の向きを反転させるような角度を有したスワールブレーカを取り付けた構成が開示されている。

米国特許第４４２０１６１号明細書

　ここで、主流から半径方向外側のキャビティ部（シール入口部）におけるスワール流の動きは複雑であり、本発明者らの鋭意研究によれば、スワール流は単にロータの周方向に向かうだけではなく、周方向に向かいつつさらに３次元的に螺旋を描く螺旋流であることが判明した。すなわち、スワール流は、ロータの半径方向及び軸線方向への３次元的な螺旋移動を伴いながらロータの周方向（回転方向）に向かって流れる。このため、単にラビリンスシールの入口側に周方向のスワール流の向きを反転させるような角度を有したスワールブレーカを配置しても、必ずしも効果的にスワール流を抑制しているといえず、さらに改善の必要があった。

　本発明の少なくとも幾つかの実施形態は、軸流回転機械においてスワール流を防止乃至抑制することを目的とする。

（１）本開示の少なくとも一実施形態に係る軸流回転機械は、
　軸線周りに回転するロータと、
　前記ロータを回転可能に収容するケーシングと、
　前記ロータに対して周方向に間隔を空けて固定される動翼、及び前記動翼の外周側端に連なる外周側動翼環、を含む動翼段と、
　前記外周側動翼環と前記ケーシングとの間をシールする動翼側シール装置と、を備え、
　前記動翼側シール装置は、
　前記ケーシングから前記外周側動翼環の外周面に向かって延在する環状のシールフィンと、
　前記シールフィンの上流側に形成されるキャビティにおいて前記ケーシングに固定されるスワールブレーカと、を含み、
　前記スワールブレーカは、
　前記ロータの半径方向に沿った面を有する第１板状部材であって、前記第１板状部材の
　前記ロータの半径方向に沿った面を有する第１板状部材であって、前記軸線に沿って延在するか、又は、前記第１板状部材の上流縁が下流縁よりも前記ロータの回転方向の上流側に位置するように前記軸線に対して交差する方向に延在する第１板状部材、並びに、前記ロータの半径方向に対して傾斜した面を有する第２板状部材又は第３板状部材であって、前記第１板状部材の内側端から前記ロータの回転方向の下流側に向かって延在する第２板状部材、又は前記第１板状部材の内側端から前記ロータの回転方向の上流側に向かって延在する第３板状部材、を含む。

　軸流回転機械の運転の際、主流路から逸れた作動流体がロータの回転に伴って周方向に流れる所謂スワール流が発生し、軸周りにロータの偏心方向と異なる方向にピークを有する正弦波状の圧力分布が生じ得る。この圧力分布に基づくシール励振力に起因して、動翼段とケーシングとの間のシール部では偏心方向と垂直な方向（振れ回りを助長する方向）へのロータに流体力が作用しロータの自励振動が生じ得る。このような振動を抑制するべくスワールブレーカが用いられるが、キャビティ内のスワール流は複雑であり、適切な配置でなければスワールブレーカの効果が十分に得られない。

　この点、上記（１）の構成によれば、シールフィンの上流側でケーシングに固定されるスワールブレーカは、第１板状部材がロータの半径方向に沿った面を有するとともに、軸線に沿って延在するか、又は、第１板状部材の上流縁が下流縁よりもロータの回転方向の上流側に位置するように軸線に対して交差する方向に延在する。そして、この第１板状部材を介して該第１板状部材の内側端からロータの回転方向の下流側に向けて第２板状部材が延在する。又は、第１板状部材の内側端からロータの回転方向の上流側に向けて第３板状部材が延在する。即ち、ロータの周方向に対して螺旋を描きつつ流れるスワール流に、軸線方向及び周方向において異なる何れかの位置で直交し得るようにしてスワールブレーカを配置することができるので、スワール流を効果的に抑制して不安定振動の発生を防止することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載の構成において、
　前記第１板状部材の延在方向と前記軸線との交差角は３０°以上６０°以下である。

　本発明者らの鋭意研究の結果、ロータの軸線に対して第１板状部材を３０～６０°の傾斜角で配置することで、上記シールフィンにおけるスワール流の速度を大幅に抑制できることが判明した。つまり、ロータの半径方向視にて、第１板状部材の上記上流縁及び下流縁を結ぶ線とロータの軸線とのなす鋭角側の交差角が３０°以上６０°以下の場合にスワール流を効果的に抑制できる。よって、上記（２）の構成によれば、軸線に対して３０～６０°の傾斜角で第１板状部材が配置されるから、スワール流を適切に抑制できる軸流回転機械を得ることができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載の構成において、
　前記第１板状部材は、前記軸線に沿って延在する。

　上記（３）の構成によれば、シールフィンの上流側でケーシングに固定されるスワールブレーカの第１板状部材は、ロータの半径方向に沿った面を有するとともに、軸線方向に沿って配置される。このような構成であっても、ロータの周方向に対して螺旋を描きつつ流れるスワール流に、軸線方向及び周方向において異なる何れかの位置で直交し得るようにしてスワールブレーカを配置することができるので、スワール流を効果的に抑制して不安定振動の発生を防止することができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）～（３）の何れか一つに記載の構成において、
　前記第１板状部材、前記第２板状部材、及び前記第２板状部材よりも上流側に配置される前記第３板状部材を含む。

　上記（４）の構成によれば、ロータの周方向に対して螺旋を描きつつ流れるスワール流に、ロータの軸線方向及び周方向において異なる複数の位置で直交し得るようにしてスワールブレーカを配置することができるので、スワール流をより効果的に抑制して不安定振動の発生を防止することができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（４）に記載の構成において、前記スワールブレーカは、１枚のプレート部材からなり、
　前記第２板状部材および前記第３板状部材は、互いに独立して前記第１板状部材に対して屈曲可能に構成されるとともに、
　前記第１板状部材の前記内側端には、前記第２板状部材を前記ロータの回転方向の下流側に向かって延在せしめる第１屈曲部と、前記第３板状部材を前記ロータの回転方向の上流側に向かって延在せしめる第２屈曲部とが形成される。

　上記（５）の構成によれば、第１板状部材、第２板状部材及び第３板状部材を含むスワールブレーカを、一枚のプレート部材により一体的に形成することができる。第２板状部材は第３板状部材に影響を与えることなく、第１屈曲部を介してロータの回転方向の下流側に向けて延在する。他方の第３板状部材は第２板状部材に影響を与えることなく第２屈曲部を介してロータの回転方向の上流側に向けて延在する。よって、上記（４）で述べた効果を奏する軸流回転機械を、簡易な構成で容易に実現することができる。このようなスワールブレーカは、例えば、１枚のプレート部材を用意し、第１屈曲部を介して第２板状部材をロータの回転方向の一方である下流側に屈曲させ、第３板状部材をロータの回転方向の他方である上流側に屈曲させることで形成され得る。よって、施工性が向上し、組み立て容易な軸流回転機械を得ることができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（４）又は（５）に記載の構成において、
　前記第２板状部材は、前記軸線の下流側ほど前記第１板状部材の内側端から前記ロータの回転方向の下流側への距離が長くなるように延在し、
　前記第３板状部材は、前記軸線の上流側ほど前記第１板状部材の内側端から前記ロータの回転方向の上流側への距離が長くなるように延在するように形成される。

　第３板状部材よりもロータの軸線方向及び回転方向においてそれぞれ下流側に位置する第２板状部材には、同上流側且つ半径方向の内側から外側に向けてスワール流が衝突する。したがって、第２板状部材に衝突したスワール流の多くは、軸線方向の下流側且つ回転方向の下流側に流れると考えられる。一方、第３板状部材には、ロータの軸線方向の下流側、回転方向の上流側且つ半径方向の外側から同内側に向けてスワール流が衝突する。したがって、第３板状部材に衝突したスワール流の多くは、軸線方向の上流側に流れ、且つ第１板状部材の存在等により回転方向の上流側に向かう流れ成分が生じると考えられる。
　この点、上記（６）の構成によれば、ロータの軸線方向の下流側ほど第２板状部材がロータの回転方向のより下流側まで延在し、軸線の上流側ほど第３板状部材がロータの回転方向のより上流側まで延在する構成により、ロータの周方向を中心として旋回するスワール流に対して、少ない面積でも適切に直交し得るようにしてスワールブレーカを構成することができ、スワール流を阻止することができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（１）～（６）の何れか一つに記載の構成において、
　前記シールフィンの上流側において、前記ケーシングから前記ロータの半径方向の内側に向かって延在する環状の下流側ガイド部材をさらに備え、
　前記下流側ガイド部材の上流側面は、前記下流側ガイド部材の前記ロータの半径方向に沿った長さが前記軸線方向の上流側に向かうにつれて次第に小さく、且つ、前記キャビティに向けて凹となる湾曲状に形成される。

　上記（７）の構成によれば、下流側ガイド部材の上流側面により、主流路から逸れた作動流体を、半径方向の外側に向かうにつれて軸線の上流側に案内することができる。つまり、スワール流がロータの周方向を中心に旋回するように導くことができるから、本開示のスワールブレーカがスワール流の少なくとも一部に直交し得るように配置されることを補助し、スワール流を効果的に抑制することができる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（７）の何れか一つに記載の構成において、
　前記下流側ガイド部材の上流側において、前記ケーシングから前記ロータの半径方向の内側に向かって延在する環状の上流側ガイド部材をさらに備え、
　前記上流側ガイド部の下流側面は、前記上流側ガイド部材の前記ロータの半径方向に沿った長さが前記軸線方向の下流側に向かうにつれて次第に小さく、且つ、前記キャビティに向けて凹となる湾曲状に形成される。

　上記（８）の構成によれば、上流側ガイド部材の下流側面により、主流路から逸れてシールフィンの上流側面及びケーシングの内周に案内されて軸線の上流側に導かれた作動流体を、軸線の上流側に向かうにつれて半径方向の内側に案内することができる。つまり、スワール流がロータの周方向を中心に旋回するように導くことができるから、本開示のスワールブレーカがスワール流の少なくとも一部に直交し得るように配置されることを補助し、スワール流を効果的に抑制することができる。

（９）幾つかの実施形態では、上記（１）～（８）の何れか一つに記載の構成において、
　前記シールフィンの上流側において、前記ケーシングから前記ロータの半径方向の内側に向かって延在する環状のステータ側ガイド部材をさらに備え、
　前記ステータ側ガイド部材の上流側面は、
　前記ロータの半径方向に沿って延在する基端側面と、
　前記基端側面における前記半径方向の内側に接続される先端側面であって、前記ステータ側ガイド部の前記ロータの半径方向に沿った長さが前記軸線方向の上流側に向かうにつれて次第に小さく、且つ、前記キャビティに向けて凹となる湾曲状になる先端側面と、を有するように形成される。

　上記（９）の構成によれば、ステータ側ガイド部材に設けられた湾曲状の先端側面により、主流路から逸れて外周側動翼環の外周より半径方向外側に達した作動流体を、シールフィンの上流側で外周側動翼環の外周に向かうように旋回させて効率的に渦を発生させることができる。これにより、シールフィンと外周側動翼環との隙間を通って軸線の下流側に向かう作動流体の漏れを低減することができるから、シール機能の維持又は向上を図ることができる。

（１０）幾つかの実施形態では、上記（９）に記載の構成において、
　前記ステータ側ガイド部材の上流側において、前記外周側動翼環の前記外周面から前記ロータの半径方向の外側に向かって延在する環状のロータ側ガイド部材をさらに備え、
　前記ロータ側ガイド部材の下流側面は、前記ロータ側ガイド部の前記ロータの半径方向に沿った長さが前記軸線方向の下流側に向かうにつれて次第に小さく、且つ、前記ステータ側ガイド部材の前記先端側面に向けて凹となる湾曲状に形成される。

　上記（１０）の構成によれば、ロータ側ガイド部材により、主流路から逸れて外周側動翼環の上流側面に沿って半径方向外側に達した作動流体が、シールフィンの上流側で外周側動翼環の外周に向かうように旋回させて効率的に渦を発生させることができる。これにより、シールフィンと外周側動翼環との隙間を通って軸線の下流側に向かう作動流体の漏れを低減することができるから、シール機能の維持又は向上を図ることができる。

（１１）本開示の少なくとも一実施形態に係る軸流回転機械は、
　軸線周りに回転するロータと、
　前記ロータを回転可能に収容するケーシングと、
　前記ケーシングに対して周方向に間隔を空けて固定される静翼、及び前記静翼の内周側端に連なる内周側静翼環、を含む静翼段と、
　前記内周側静翼環と前記ロータとの間をシールする静翼側シール装置と、を備え、
　前記静翼側シール装置は、
　前記内周側静翼環の内周面から前記ロータに向かって延在する環状のシールフィンと、
　前記シールフィンの上流側において前記内周側静翼環に対して固定されるスワールブレーカと、を含み、
　前記スワールブレーカは、
　前記ロータの半径方向に沿った面を有する第１板状部材であって、前記軸線に沿って延在するか、又は、前記第１板状部材の上流縁が下流縁よりも前記ロータの回転方向の上流側に位置するように前記軸線に対して交差する方向に延在する第１板状部材、並びに、前記ロータの半径方向に対して傾斜した面を有する第２板状部材又は第３板状部材であって、前記第１板状部材の内側端から前記ロータの回転方向の下流側に向かって延在する第２板状部材、又は前記第１板状部材の内側端から前記ロータの回転方向の上流側に向かって延在する第３板状部材、を含む。

　軸流回転機械の運転の際、主流路から逸れた作動流体がロータの回転に伴って周方向に流れる所謂スワール流が発生し、軸周りにロータの偏心方向と異なる方向にピークを有する正弦波状の圧力分布が生じ得る。この圧力分布に基づくシール励振力に起因して、動翼段とケーシングとの間のシール部では偏心方向と垂直な方向（振れ回りを助長する方向）へのロータに流体力が作用しロータの自励振動が生じ得る。このような振動を抑制するべくスワールブレーカが用いられるが、キャビティ内のスワール流は複雑であり、適切な配置でなければスワールブレーカの効果が十分に得られない。

　この点、上記（１１）の構成によれば、上記（１）で述べた動翼段でのスワール流抑制効果を静翼段においても享受することができる。即ち、シールフィンの上流側で内周側静翼環に固定されるスワールブレーカは、第１板状部材がロータの半径方向に沿った面を有するとともに、軸線に沿って延在するか、又は、第１板状部材の上流縁が下流縁よりもロータの回転方向の上流側に位置するように軸線に対して交差する方向に延在する。そして、この第１板状部材を介して該第１板状部材の内側端からロータの回転方向の下流側に向けて第２板状部材が延在する。又は、第１板状部材の内側端からロータの回転方向の上流側に向けて第３板状部材が延在する。即ち、ロータの周方向に対して螺旋を描きつつ流れるスワール流に、軸線方向及び周方向において異なる何れかの位置で直交し得るようにしてスワールブレーカを配置することができるので、スワール流を効果的に抑制して不安定振動の発生を防止することができる。

　本発明の幾つかの実施形態によれば、軸流回転機械においてスワール流を防止乃至抑制することができる。

一実施形態に係る軸流回転機械の構成例を示す概略図である。 一実施形態に係る軸流回転機械のキャビティ内に生じるスワール流を概略的に示す模式図である。 動翼とケーシングとのシール部を流れる作動流体の流れを示す側断面図である。 一実施形態におけるスワールブレーカの配置を示す模式図である。 軸線に対するスワールブレーカの第１板状部材の取付角度とシールフィンにおけるスワール速度との関係を示す図である。 一実施形態におけるキャビティ内の作動流体の流れを示す側断面図である。 一実施形態におけるスワールブレーカの配置を示す斜視図である。 図６ＢにおけるＡ方向視およびＢ方向視を示す図である。 一実施形態におけるキャビティ内の作動流体の流れを示す側断面図である。 一実施形態におけるスワールブレーカの配置を示す斜視図である。 図７ＢにおけるＡ方向視およびＢ方向視を示す図である。 一実施形態におけるキャビティ内の作動流体の流れを示す側断面図である。 一実施形態におけるスワールブレーカの配置を示す斜視図である。 図８ＢにおけるＡ方向視およびＢ方向視を示す図である。 一実施形態におけるキャビティ内の作動流体の流れを示す側断面図である。 一実施形態におけるスワールブレーカの配置を示す斜視図である。 図９ＢにおけるＡ方向視およびＢ方向視を示す図である。 一実施形態におけるキャビティ内の作動流体の流れを示す側断面図である。 一実施形態におけるスワールブレーカの配置を示す側面図である。 一実施形態におけるキャビティ内の作動流体の流れを示す側断面図である。 一実施形態におけるスワールブレーカの配置を示す側面図である。

　以下、添付図面に従って本発明の例示的な実施形態について説明する。ただし、以下に示す幾つかの実施形態に記載された構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
　例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
　また例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
　一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

　図１は、一実施形態に係る軸流回転機械の構成例を示す概略図である。図２は、一実施形態に係る軸流回転機械のキャビティ内に生じるスワール流を概略的に示す模式図である。図３は、動翼とケーシングとのシール部を流れる作動流体の流れを示す側断面図である。

＜動翼側シール装置２３に関する実施形態＞
　図１～３に示すように、本開示の少なくとも一実施形態に係る軸流回転機械１は、軸線Ｘ周りに回転するロータ２と、ロータ２を回転可能に収容するケーシング３と、ケーシング３に対して周方向Ｐに間隔を空けて固定される複数の静翼１１、及び複数の静翼１１の各々の内周側端１１Ａに連なる内周側静翼環１２、を含む静翼段１０と、ロータ２に対して周方向Ｐに間隔を空けて固定される複数の動翼２１、及び複数の動翼２１の各々の外周側端２１Ａに連なる外周側動翼環２２、を含む動翼段２０と、外周側動翼環２２とケーシング３との間をシールする動翼側シール装置２３と、を備えている。また、静翼１１は、複数の静翼１１の内の最も上流側に配置される静翼であって、少なくとも一つのノズル４Ａを含むノズル構造体４を含んでいる。

　幾つかの実施形態に係る軸流回転機械１は、例えば、発電プラントや船舶等の動力系に用いられる蒸気タービンやガスタービン等の軸流タービンとして適用され得る。
　ロータ２は、図示しない発電機または船舶等の動力伝達系に連結されていてもよい。ロータ２は、当該ロータ２の回転力を発電機で電気エネルギーに変換したり船舶等の推進力として利用したりするべく、駆動力を伝達する。幾つかの実施形態において、ロータ２には、複数の動翼２１が固定されていてもよい。これらの動翼２１は、ロータ２の外周面において、該ロータ２の周方向に沿って間隔をあけて放射状に配置されていてもよい。

　ケーシング３には、ガス又は蒸気の供給管（不図示）が連結されており、燃焼器（不図示）において生成された燃焼ガス、又は、ボイラ（不図示）で生成された蒸気が、作動流体として、上述した最も上流側に配置される静翼１１（ノズル構造体４）の上流側から軸流回転機械１に供給されるようになっている。軸流回転機械１に供給された作動流体は、複数のタービン段落のうちの最も上流側のタービン段落に案内されるようになっている。
　上述した静翼段１０と動翼段２０とは、ロータ２の軸方向に交互に配置される。そして、一の静翼段１０と、当該一の静翼段１０の下流側に隣り合って配置された一の動翼段２０とにより、一のタービン段落が構成される。軸流回転機械１は、このようなタービン段落が、ロータ２の軸方向に複数設けられている。このようにして、ガス又は蒸気の供給管を介して供給された作動流体が複数のタービン段落を通過して、動翼２１に対して仕事を行い、ロータ２が回転駆動される。そして、最終段落の動翼２１を通過した作動流体は、排気流路を通って軸流回転機械１の外部へと排出されるようになっている。
　幾つかの実施形態において、ケーシング３は、ケーシング本体３Ａに加えて、動翼側シール装置２３を構成するシールフィン２４（後述）を支持する支持体３Ｂを含み得る（図１参照）。

　動翼側シール装置２３は、ケーシング３から外周側動翼環２２の外周面２２Ａに向かって延在する環状のシールフィン２４と、シールフィン２４の上流側に形成されるキャビティ６においてケーシング３に固定されるスワールブレーカ３０と、を含む。
　シールフィン２４は、動翼側シール装置２３における一以上のラビリンスシールの最上流側に配置されており、軸線Ｘ周りに環状に配置されている。なお、本開示に示す幾つかの実施形態では、シールフィン２４を含む一以上のラビリンスシールにより、動翼段２０又は静翼段１０それぞれの上流側と下流側との間における作動流体の漏れを防止するための部分をシール部８と称する。
　スワールブレーカ３０は、ロータ２の周方向Ｐに沿って形成されるスワール流Ｓを阻止するためのものであり、キャビティ６内でケーシング３又はロータ２に支持されている。幾つかの実施形態では、ケーシング３の内周に沿って間隔をあけて放射状に配置されていてもよい。
　そして、本開示の一実施形態におけるスワールブレーカ３０は、ロータ２の半径方向Ｄに沿った面を有する第１板状部材３１であって、第１板状部材３１の上流縁３１Ａが下流縁３１Ｂよりもロータ２の回転方向Ｒの上流側に位置するように軸線Ｘに対して交差する方向に延在する第１板状部材３１を含む（図６Ｂ、図７Ｂ参照）。

　ここで、軸流回転機械１における作動流体の流れについて説明する。
　図１～４に示すように、図示しない燃焼器で生成された燃焼ガスや、図示しないボイラで生成された蒸気等の作動流体が軸流回転機械１に供給されると、この作動流体は、隣接する動翼２１同士の隙間と、ノズル４Ａとにより、ロータ２の軸方向に沿って形成される主流路Ｍを通って上流側から下流側へと案内される。そして、この作動流体の運動エネルギーを動翼２１経由で受けたロータ２が回転方向Ｒ（図２参照）に向けて回転する。また、上流側の作動流体は下流側の作動流体よりも高圧である。このため、ケーシング３と外周側動翼環２２との隙間においては、作動流体がシールフィン２４を含む少なくとも一のラビリンスシールと外周側動翼環２２との隙間を通って下流側へと案内され、主流路Ｍへと戻される。

　軸流回転機械１の運転の際、作動流体がノズルを通過した際に与えられた旋回流成分を有したまま流入することにより、回転方向Ｒに向かう作動流体の流れすなわちスワール流Ｓ（図２～４参照）が形成される。動翼段２０と内周側静翼環１２との隙間のキャビティ７（図１を参照）内においても同様に、主流路Ｍから逸れた作動流体にスワール流Ｓが発生し、軸周りにロータの偏心方向と異なる方向にピークを有する正弦波状の圧力分布が生じ得る。この圧力分布に基づくシール励振力に起因して、動翼段２０とケーシング３との間のシール部８では偏心方向と垂直な方向への流体力によってロータ２の自励振動が生じ得る。このような振動を抑制するべくスワールブレーカ３０が用いられるが、キャビティ６内のスワール流Ｓは複雑であり、適切な配置でなければスワールブレーカ３０の効果が十分に得られない。
　ここで、本発明者らの鋭意研究によれば、スワール流Ｓは単にロータの周方向に向かうだけではなく、周方向に向かいつつさらに３次元的に螺旋を描く螺旋流であることが判明した（図２～４及び図６Ａ参照）。すなわち、スワール流Ｓは、ロータの半径方向及び軸線方向への３次元的な螺旋移動を伴いながらロータの周方向（回転方向）に向かって流れる。

　図５に、軸線Ｘに対するスワールブレーカ３０の第１板状部材３１の取付角度とシールフィン２４におけるスワール速度との関係を示す。スワールブレーカ（ＳＢ）３０のヨー角は、第１板状部材３１の上流縁３１Ａを下流縁３１Ｂよりもロータ２の回転方向Ｒの上流側に位置するように配置した際に、上流縁３１Ａと下流縁３１Ｂとを結ぶ線が軸線Ｘとなす鋭角側の角度である。図５からわかるように、上流縁３１Ａを下流縁３１Ｂよりも回転方向Ｒの上流側に配置するようにして、軸線Ｘに対して適切なヨー角をつけて第１板状部材３１を配置することで、シールフィン２４におけるスワール速度を抑制することができることが判明したものである。
　すなわち、上記の構成によれば、シールフィン２４の上流側でケーシング３に固定されるスワールブレーカ３０の第１板状部材３１は、ロータ２の半径方向Ｄに沿った面を有するとともに、上流縁３１Ａが下流縁３１Ｂよりもロータ２の回転方向Ｒの上流側に位置するようにして配置されから、シールフィン２４の上流側をロータ２の周方向Ｐに流れ、さらにロータ２の周方向Ｐを中心として螺旋状に旋回するスワール流Ｓの少なくとも一部に直交するようにして第１板状部材３１が配置され得るから、スワール流Ｓを効果的に抑制することができるのである。

　幾つかの実施形態では、第１板状部材３１の延在方向と軸線Ｘとの交差角が３０°以上６０°以下となるようにしてスワールブレーカ３０を配置してもよい。上記第１板状部材３１と軸線Ｘとの交差角は、例えば、４５°であってもよい。
　本発明者らの鋭意研究の結果、ロータ２の軸線Ｘに対して第１板状部材３１を３０～６０°の傾斜角で配置することで、上記シールフィン２４におけるスワール流Ｓの速度を大幅に抑制できることが判明した（図５参照）。つまり、ロータ２の半径方向Ｄ視にて、第１板状部材３１の上記上流縁３１Ａ及び下流縁３１Ｂを結ぶ線とロータ２の軸線Ｘとのなす鋭角側の交差角が３０°以上６０°以下の場合にスワール流Ｓを効果的に抑制できる。よって、上記構成によれば、軸線Ｘに対して３０～６０°の傾斜角で第１板状部材３１が配置されるから、スワール流Ｓを適切に抑制できる軸流回転機械１を得ることができる。

　図７Ａは、一実施形態におけるキャビティ内の作動流体の流れを示す側断面図である。図７Ｂは、一実施形態におけるスワールブレーカの配置を示す斜視図である。図７Ｃは、図７ＢにおけるＡ方向視およびＢ方向視を示す図である。図８Ａは、一実施形態におけるキャビティ内の作動流体の流れを示す側断面図である。図８Ｂは、一実施形態におけるスワールブレーカの配置を示す斜視図である。図８Ｃは、図８ＢにおけるＡ方向視およびＢ方向視を示す図である。図９Ａは、一実施形態におけるキャビティ内の作動流体の流れを示す側断面図である。図９Ｂは、一実施形態におけるスワールブレーカの配置を示す斜視図である。図９Ｃは、図９ＢにおけるＡ方向視およびＢ方向視を示す図である。
　幾つかの実施形態において、スワールブレーカ３０は、ロータ２の半径方向Ｄに対して傾斜した面を有する第２板状部材３２および第３板状部材３３であって第１板状部材３１の内側端からロータ２の回転方向Ｒの下流側に向かって延在する第２板状部材３２、および第２板状部材３２よりも上流側において第１板状部材３１の内側端からロータ２の回転方向Ｒの上流側に向かって延在する第３板状部材３３、をさらに含んでもよい。
　上記の構成によれば、第１板状部材３１を介して該第１板状部材３１の内側端３１Ｃからロータ２の回転方向Ｒの下流側に向けて延在する第２板状部材３２と、同内側端３１Ｃからロータ２の回転方向Ｒの上流側に向けて延在する第３板状部材３３とにより、ロータ２の周方向Ｐに対して螺旋を描きつつ流れるスワール流Ｓに、周方向Ｐの異なる位置で直交し得るようにしてスワールブレーカ３０を配置することができる。従って、より効果的にスワール流Ｓを抑制し、不安定振動の発生を防止することができる。

　図８Ａ～Ｃ及び図９Ａ～Ｃに示すように、幾つかの実施形態において、スワールブレーカ３０は、ロータ２の半径方向Ｄに沿った面を有する第１板状部材３１であって、軸線Ｘに沿って延在する第１板状部材３１、並びに、ロータ２の半径方向Ｄに対して傾斜した面を有する第２板状部材３２又は第３板状部材３３であって、第１板状部材３１の内側端３１Ｃからロータ２の回転方向Ｒの下流側に向かって延在する第２板状部材３２、又は第２板状部材３２よりも上流側において第１板状部材３１の内側端３１Ｃからロータ２の回転方向Ｒの上流側に向かって延在する第３板状部材３３、を含んでもよい。
　上記の構成によれば、シールフィン２４の上流側でケーシング３に固定されるスワールブレーカ３０は、第１板状部材３１がロータ２の半径方向Ｄに沿った面を有するとともに軸線Ｘ方向に沿って配置され、この第１板状部材３１を介して該第１板状部材３１の内側端３１Ｃからロータ２の回転方向Ｒの下流側に向けて第２板状部材３２が延在する。又は、第１板状部材３１の内側端３１Ｃからロータ２の回転方向の上流側に向けて第３板状部材３３が延在する。即ち、ロータ２の周方向Ｐに対して螺旋を描きつつ流れるスワール流Ｓに、軸線Ｘ方向及び周方向Ｐにおいて異なる何れかの位置で直交し得るようにしてスワールブレーカ３０を配置することができるので、スワール流Ｓを効果的に抑制して不安定振動の発生を防止することができる。

　幾つかの実施形態において、スワールブレーカ３０は、第１板状部材３１、第２板状部材３２及び第３板状部材３３を含んでもよい。このようにすれば、ロータ２の周方向Ｐに対して螺旋を描きつつ流れるスワール流Ｓに、ロータ２の軸線Ｘ方向及び周方向Ｐにおいて異なる複数の位置で直交し得るようにしてスワールブレーカ３０を配置することができるので、スワール流Ｓをより効果的に抑制して不安定振動の発生を防止することができる。

　図９Ａ～Ｃに非限定的に例示するように、幾つかの実施形態において、スワールブレーカ３０は、１枚のプレート部材３０Ａからなり、第２板状部材３２および第３板状部材３３は、互いに独立して第１板状部材３１に対して屈曲可能に構成されるとともに、第１板状部材３１の内側端３１Ｃには、第２板状部材３２をロータ２の回転方向Ｒの下流側に向かって延在せしめる第１屈曲部３２Ａと、第３板状部材３３をロータ２の回転方向Ｒの上流側に向かって延在せしめる第２屈曲部３３Ａとが形成されてもよい。
　上記の構成によれば、第１板状部材３１、第２板状部材３２及び第３板状部材３３を含むスワールブレーカ３０を、一枚のプレート部材３０Ａにより一体的に形成することができる。第２板状部材３２は第３板状部材３３に影響を与えることなく、第１屈曲部３２Ａを介してロータ２の回転方向Ｒの下流側に向けて延在する。他方の第３板状部材３３は第２板状部材３２に影響を与えることなく第２屈曲部３３Ａを介してロータ２の回転方向Ｒの上流側に向けて延在する。よって、上記の何れか一つの実施形態で述べた効果を奏する軸流回転機械１を、簡易な構成で容易に実現することができる。
　このようなスワールブレーカ３０は、例えば、１枚のプレート部材３０Ａを用意し、第２板状部材３２と第３板状部材３３との間に切れ目又は隙間を形成し、第１屈曲部３２Ａを介して第２板状部材３２をロータ２の回転方向Ｒの一方である下流側に屈曲させ、第３板状部材３３をロータ２の回転方向Ｒの他方である上流側に屈曲させることで形成され得る。こうすることで、施工性が向上し、組み立て容易な軸流回転機械１を得ることができる。

　図９Ａ～Ｃに非限定的に例示するように、幾つかの実施形態において、第２板状部材３２は、軸線Ｘの下流側ほど第１板状部材３１の内側端３１Ｃからロータ２の回転方向Ｒの下流側への距離が長くなるように延在し、第３板状部材３３は、軸線Ｘの上流側ほど第１板状部材３１の内側端３１Ｃからロータ２の回転方向Ｒの上流側への距離が長くなるように延在するように形成されてもよい。
　第３板状部材３３よりもロータ２の軸線Ｘ方向及び回転方向Ｒにおいてそれぞれ下流側に位置する第２板状部材３２には、同上流側且つ半径方向Ｄの内側から外側に向けてスワール流Ｓが衝突する。したがって、第２板状部材３２に衝突したスワール流Ｓの多くは、軸線Ｘ方向の下流側且つ回転方向Ｒの下流側に流れると考えられる。一方、第３板状部材３３には、ロータ２の軸線Ｘ方向の下流側、回転方向Ｒの上流側且つ半径方向Ｄの外側から同内側に向けてスワール流Ｓが衝突する。したがって、第３板状部材３３に衝突したスワール流Ｓの多くは、軸線Ｘ方向の上流側に流れ、且つ第１板状部材３１の存在等により回転方向Ｒの上流側に向かう流れ成分が生じると考えられる。
　この点、上記の構成によれば、ロータ２の軸線Ｘ方向の下流側ほど第２板状部材３２がロータ２の回転方向Ｒのより下流側まで延在し、軸線の上流側ほど第３板状部材３３がロータ２の回転方向Ｒのより上流側まで延在する構成により、ロータ２の周方向Ｐを中心として旋回するスワール流Ｓに対して、少ない面積でも適切に直交し得るようにしてスワールブレーカ３０を構成することができ、スワール流Ｓを阻止することができる。

　図１０Ａは、一実施形態におけるキャビティ内の作動流体の流れを示す側断面図である。図１０Ｂは、一実施形態におけるスワールブレーカの配置を示す側面図である。
　幾つかの実施形態では、シールフィン２４の上流側において、ケーシング３からロータ２の半径方向Ｄの内側に向かって延在する環状の下流側ガイド部材４０をさらに備えていてもよい（図１０Ｂ参照）。
　下流側ガイド部材４０の上流側面４１は、下流側ガイド部材４０のロータ２の半径方向Ｄに沿った長さが軸線Ｘ方向の上流側に向かうにつれて次第に小さく、且つ、キャビティ６に向けて凹となる湾曲状に形成されてもよい。
　上記の構成によれば、下流側ガイド部材４０の上流側面４１により、主流路Ｍから逸れた作動流体を、半径方向Ｄの外側に向かうにつれて軸線Ｘの上流側に案内することができる。つまり、スワール流Ｓがロータ２の周方向Ｐを中心に旋回するように導くことができるから、本開示のスワールブレーカ３０がスワール流Ｓの少なくとも一部に直交し得るように配置されることを補助し、スワール流Ｓを効果的に抑制することができる。

　幾つかの実施形態では、下流側ガイド部材４０の上流側において、ケーシング３からロータ２の半径方向Ｄの内側に向かって延在する環状の上流側ガイド部材５０をさらに備えていてもよい（図１０Ｂ参照）。
　上流側ガイド部材５０の下流側面５１は、上流側ガイド部材５０のロータ２の半径方向Ｄに沿った長さが軸線Ｘ方向の下流側に向かうにつれて次第に小さく、且つ、キャビティ６に向けて凹となる湾曲状に形成されてもよい。
　上記の構成によれば、上流側ガイド部材５０の下流側面５１により、主流路Ｍから逸れてシールフィン２４の上流側面及びケーシング３の内周に案内されて軸線Ｘの上流側に導かれた作動流体を、軸線Ｘの上流側に向かうにつれて半径方向Ｄの内側に案内することができる。つまり、スワール流Ｓがロータ２の周方向Ｐを中心に旋回するように導くことができるから、本開示のスワールブレーカ３０がスワール流Ｓの少なくとも一部に直交し得るように配置されることを補助し、スワール流Ｓを効果的に抑制することができる。

　図１１Ａは、一実施形態におけるキャビティ内の作動流体の流れを示す側断面図である。図１１Ｂは、一実施形態におけるスワールブレーカの配置を示す側面図である。
　幾つかの実施形態では、シールフィン２４の上流側において、ケーシング３からロータの半径方向Ｄの内側に向かって延在する環状のステータ側ガイド部材６０をさらに備えていてもよい（図１１Ｂ参照）。
　ステータ側ガイド部材６０の上流側面４１は、ロータ２の半径方向Ｄに沿って延在する基端側面６１と、基端側面６１における半径方向Ｄの内側に接続される先端側面６２であって、ステータ側ガイド部材６０のロータ２の半径方向Ｄに沿った長さが軸線Ｘ方向の上流側に向かうにつれて次第に小さく、且つ、キャビティ６に向けて凹となる湾曲状になる先端側面６２と、を有するように形成されてもよい。
　上記の構成によれば、ステータ側ガイド部材６０に設けられた湾曲状の先端側面６２により、主流路Ｍから逸れて外周側動翼環２２の外周より半径方向Ｄの外側に達した作動流体を、シールフィン２４の上流側で外周側動翼環２２の外周に向かうように旋回させて効率的にシールクリアランス直前に小渦を発生させることができる。これにより、シールフィン２４と外周側動翼環２２との隙間を通って軸線Ｘの下流側に向かう作動流体の流れに縮流効果を与えることで、漏れを低減することができるから、シール機能の維持又は向上を図ることができる。

　幾つかの実施形態では、ステータ側ガイド部材６０の上流側において、外周側動翼環２２の外周面２２Ａからロータ２の半径方向Ｄの外側に向かって延在する環状のロータ側ガイド部材７０をさらに備えていてもよい（図１１Ｂ参照）。
　ロータ側ガイド部材７０の下流側面７１は、ロータ側ガイド部材のロータ２の半径方向Ｄに沿った長さが軸線Ｘ方向の下流側に向かうにつれて次第に小さく、且つ、ステータ側ガイド部材６０の先端側面６２に向けて凹となる湾曲状に形成されていてもよい。
　上記の構成によれば、ロータ側ガイド部材７０により、主流路Ｍから逸れて外周側動翼環２２の上流側面４１に沿って半径方向Ｄ外側に達した作動流体が、シールフィン２４の上流側で外周側動翼環２２の外周に向かうように旋回させて効率的に渦を発生させることができる。これにより、シールフィン２４と外周側動翼環２２との隙間を通って軸線Ｘの下流側に向かう作動流体の漏れを低減することができるから、シール機能の維持又は向上を図ることができる。
　なお、幾つかの実施形態において、スワールブレーカ３０は、軸線Ｘを含む断面視にて該スワールブレーカ３０の内周側端３０Ｂから該スワールブレーカ３０の下流側端３０Ｃにかけて外周側動翼環２２に向けて凹状の湾曲面を有する切欠部３０Ｄ、を含んでもよい（図１１Ｂ参照）。切欠部３０Ｄは、スワールブレーカ３０と共に周方向Ｐに沿って間隔をあけて配置されていてもよいし、周方向Ｐに沿って環状に設けられていてもよい。このようにすれば、シールフィン２４の上流側で外周側動翼環２２の外周に向かうように旋回させて効率的に渦を発生させることができ、上記のようにシール機能の維持又は向上を図ることができる。

＜静翼側シール装置１３に関する実施形態＞
　本開示の少なくとも一実施形態に係る軸流回転機械１は、軸線周りに回転するロータ２と、ロータ２を回転可能に収容するケーシング３と、ケーシング３に対して周方向Ｐに間隔を空けて固定される複数の静翼１１、及び複数の静翼１１の各々の内周側端１１Ａに連なる内周側静翼環１２、を含む静翼段１０と、ロータ２に対して周方向Ｐに間隔を空けて固定される複数の動翼２１、及び複数の動翼２１の各々の外周側端２１Ａに連なる外周側動翼環２２、を含む動翼段２０と内周側静翼環１２とロータ２との間をシールする静翼側シール装置１３と、を備えていてもよい。

　図１～３に示すように、本開示の少なくとも一実施形態に係る軸流回転機械１は、軸線Ｘ周りに回転するロータ２と、ロータ２を回転可能に収容するケーシング３と、ケーシング３に対して周方向Ｐに間隔を空けて固定される複数の静翼１１、及び複数の静翼１１の各々の内周側端１１Ａに連なる内周側静翼環１２、を含む静翼段１０と、ロータ２に対して周方向Ｐに間隔を空けて固定される複数の動翼２１、及び複数の動翼２１の各々の外周側端２１Ａに連なる外周側動翼環２２、を含む動翼段２０と、内周側静翼環１２とロータ２との間をシールする静翼側シール装置１３と、を備えている。また、静翼１１は、複数の静翼１１の内の最も上流側に配置される静翼であって、少なくとも一つのノズル４Ａを含むノズル構造体４を含んでいる。

　幾つかの実施形態に係る軸流回転機械１は、例えば、発電プラントや船舶等の動力系に用いられる蒸気タービンやガスタービン等の軸流タービンとして適用され得る。
　ロータ２は、図示しない発電機または船舶等の動力伝達系に連結されていてもよい。ロータ２は、当該ロータ２の回転力を発電機で電気エネルギーに変換したり船舶等の推進力として利用したりするべく、駆動力を伝達する。幾つかの実施形態において、ロータ２には、複数の動翼２１が固定されていてもよい。これらの動翼２１は、ロータ２の外周面において、該ロータ２の周方向に沿って間隔をあけて放射状に配置されていてもよい。

　ケーシング３には、ガス又は蒸気の供給管（不図示）が連結されており、燃焼器（不図示）において生成された燃焼ガス、又は、ボイラ（不図示）で生成された蒸気が、作動流体として、上述した最も上流側に配置される静翼１１（ノズル構造体４）の上流側から軸流回転機械１に供給されるようになっている。軸流回転機械１に供給された作動流体は、複数のタービン段落のうちの最も上流側のタービン段落に案内されるようになっている。
　また、上述した静翼段１０と動翼段２０とは、ロータ２の軸方向に交互に配置される。そして、一の静翼段１０と、当該一の静翼段１０の下流側に隣り合って配置された一の動翼段２０とにより、一のタービン段落が構成される。軸流回転機械１は、このようなタービン段落が、ロータ２の軸方向に複数設けられている。このようにして、ガス又は蒸気の供給管を介して供給された作動流体が複数のタービン段落を通過して、動翼２１に対して仕事を行い、ロータ２が回転駆動される。そして、最終段落の動翼２１を通過した作動流体は、排気流路を通って軸流回転機械１の外部へと排出されるようになっている。
　幾つかの実施形態において、ケーシング３は、ケーシング本体３Ａに加えて、動翼側シール装置２３を構成するシールフィン１４（後述）を支持する支持体３Ｂを含み得る（図１参照）。

　静翼側シール装置１３は、内周側静翼環１２の内周面からロータ２に向かって延在する環状のシールフィン１４と、シールフィン１４の上流側において内周側静翼環１２に対して固定されるスワールブレーカ３０と、を含んでもよい。
　シールフィン１４は、静翼側シール装置１３における一以上のラビリンスシールの最上流側に配置されており、軸線Ｘ周りに環状に配置されている。
　スワールブレーカ３０は、ロータ２の周方向Ｐに沿って形成されるスワール流Ｓを阻止するためのものであり、例えば内周側静翼環１２の上流側面に支持されている。幾つかの実施形態では、内周側静翼環１２の上流側面に沿って間隔をあけて放射状に配置されていてもよい。
　そして、本開示の一実施形態におけるスワールブレーカ３０は、ロータ２の半径方向Ｄに沿った面を有する第１板状部材３１であって、第１板状部材３１の上流縁３１Ａが下流縁３１Ｂよりもロータ２の回転方向Ｒの上流側に位置するように軸線Ｘに対して交差する方向に延在する第１板状部材３１を含む。
　上記の構成によれば、上述した幾つかの実施形態で述べた動翼段２０でのスワール流抑制効果を静翼段１０においても享受することができる。即ち、シールフィン１４の上流側で内周側静翼環１２に固定されるスワールブレーカ３０の第１板状部材３１は、ロータ２の半径方向Ｄに沿った面を有するとともに、上流縁３１Ａが下流縁３１Ｂよりもロータ２の回転方向Ｒの上流側に位置するようにして配置される。つまり、シールフィン１４の上流側をロータ２の周方向Ｐに流れるスワール流Ｓであって、さらにロータ２の周方向Ｐを中心として旋回するスワール流Ｓの少なくとも一部に直交するようにして第１板状部材３１が配置され得るから、スワール流Ｓを効果的に抑制することができるのである。

　ここで、軸流回転機械１における作動流体の流れについて説明する。
　図１～４に示すように、図示しない燃焼器で生成された燃焼ガスや、図示しないボイラで生成された蒸気等の作動流体が軸流回転機械１に供給されると、この作動流体は、隣接する動翼２１同士の隙間と、ノズル４Ａとにより、ロータ２の軸方向に沿って形成される主流路Ｍを通って上流側から下流側へと案内される。そして、この作動流体の運動エネルギーを動翼２１経由で受けたロータ２が回転方向Ｒ（図２参照）に向けて回転する。また、上流側の作動流体は下流側の作動流体よりも高圧である。このため、内周側静翼環１２とロータ２との隙間においては、作動流体がシールフィン１４を含む少なくとも一のラビリンスシールとロータ２の外周面との隙間を通って下流側へと案内され、主流路Ｍへと戻される。

　軸流回転機械１の運転の際、作動流体がノズルを通過した際に与えられた旋回流成分を有したまま流入することにより、回転方向Ｒに向かう作動流体の流れすなわちスワール流Ｓ（図２～４参照）が形成される。動翼段２０と内周側静翼環１２との隙間のキャビティ７（図１を参照）内においても同様に、主流路Ｍから逸れた作動流体にスワール流Ｓが発生し、軸周りにロータの偏心方向と異なる方向にピークを有する正弦波状の圧力分布が生じ得る。この圧力分布に基づくシール励振力に起因して、静翼側シール装置１３では偏心方向と垂直な方向への流体力によってロータ２の自励振動が生じ得る。このような振動を抑制するべくスワールブレーカ３０が用いられるが、キャビティ７内のスワール流Ｓは複雑であり、適切な配置でなければスワールブレーカ３０の効果が十分に得られない。
　ここで、本発明者らの鋭意研究によれば、スワール流Ｓは単にロータの周方向に向かうだけではなく、周方向に向かいつつさらに３次元的に螺旋を描く螺旋流であることが判明した（図２～４及び図６Ａ参照）。すなわち、スワール流Ｓは、ロータの半径方向及び軸線方向への３次元的な螺旋移動を伴いながらロータの周方向（回転方向）に向かって流れる。

　図５に、軸線Ｘに対するスワールブレーカ３０の第１板状部材３１の取付角度とシールフィン１４におけるスワール速度との関係を示す。スワールブレーカ（ＳＢ）３０のヨー角は、第１板状部材３１の上流縁３１Ａを下流縁３１Ｂよりもロータ２の回転方向Ｒの上流側に位置するように配置した際に、上流縁３１Ａと下流縁３１Ｂとを結ぶ線が軸線Ｘとなす鋭角側の角度である。図５からわかるように、上流縁３１Ａを下流縁３１Ｂよりも回転方向Ｒの上流側に配置するようにして、軸線Ｘに対して適切なヨー角をつけて第１板状部材３１を配置することで、シールフィン１４におけるスワール速度を抑制することができることが判明したものである。
　すなわち、上記の構成によれば、シールフィン１４の上流側でケーシング３に固定されるスワールブレーカ３０の第１板状部材３１は、ロータ２の半径方向Ｄに沿った面を有するとともに、上流縁３１Ａが下流縁３１Ｂよりもロータ２の回転方向Ｒの上流側に位置するようにして配置されから、シールフィン１４の上流側をロータ２の周方向Ｐに流れ、さらにロータ２の周方向Ｐを中心として螺旋状に旋回するスワール流Ｓの少なくとも一部に直交するようにして第１板状部材３１が配置され得るから、スワール流Ｓを効果的に抑制することができるのである。

　幾つかの実施形態では、第１板状部材３１の延在方向と軸線Ｘとの交差角が３０°以上６０°以下となるようにしてスワールブレーカ３０を配置してもよい。上記第１板状部材３１と軸線Ｘとの交差角は、例えば、４５°であってもよい。
　本発明者らの鋭意研究の結果、ロータ２の軸線Ｘに対して第１板状部材３１を３０～６０°の傾斜角で配置することで、上記シールフィン１４におけるスワール流Ｓの速度を大幅に抑制できることが判明した（図５参照）。つまり、ロータ２の半径方向Ｄ視にて、第１板状部材３１の上記上流縁３１Ａ及び下流縁３１Ｂを結ぶ線とロータ２の軸線Ｘとのなす鋭角側の交差角が３０°以上６０°以下の場合にスワール流Ｓを効果的に抑制できる。よって、上記構成によれば、軸線Ｘに対して３０～６０°の傾斜角で第１板状部材３１が配置されるから、スワール流Ｓを適切に抑制できる軸流回転機械１を得ることができる。

　図７Ａは、一実施形態におけるキャビティ内の作動流体の流れを示す側断面図である。図７Ｂは、一実施形態におけるスワールブレーカの配置を示す斜視図である。図７Ｃは、図７ＢにおけるＡ方向視およびＢ方向視を示す図である。図８Ａは、一実施形態におけるキャビティ内の作動流体の流れを示す側断面図である。図８Ｂは、一実施形態におけるスワールブレーカの配置を示す斜視図である。図８Ｃは、図８ＢにおけるＡ方向視およびＢ方向視を示す図である。図９Ａは、一実施形態におけるキャビティ内の作動流体の流れを示す側断面図である。図９Ｂは、一実施形態におけるスワールブレーカの配置を示す斜視図である。図９Ｃは、図９ＢにおけるＡ方向視およびＢ方向視を示す図である。
　なお、上記図面は、動翼側シール装置２３を対象に記載しているため、図中のキャビティ６をキャビティ７と読み替えるとともに、その他の対応する構成についても適宜静翼側シール装置１３に対応するものに読み替えられたい。
　幾つかの実施形態において、スワールブレーカ３０は、ロータ２の半径方向Ｄに対して傾斜した面を有する第２板状部材３２および第３板状部材３３であって第１板状部材３１の内側端からロータ２の回転方向Ｒの下流側に向かって延在する第２板状部材３２、および第２板状部材３２よりも上流側において第１板状部材３１の内側端からロータ２の回転方向Ｒの上流側に向かって延在する第３板状部材３３、をさらに含んでもよい。
　上記の構成によれば、第１板状部材３１を介して該第１板状部材３１の内側端３１Ｃからロータ２の回転方向Ｒの下流側に向けて延在する第２板状部材３２と、同内側端３１Ｃからロータ２の回転方向Ｒの上流側に向けて延在する第３板状部材３３とにより、ロータ２の周方向Ｐに対して螺旋を描きつつ流れるスワール流Ｓに、周方向Ｐの異なる位置で直交し得るようにしてスワールブレーカ３０を配置することができる。従って、より効果的にスワール流Ｓを抑制し、不安定振動の発生を防止することができる。

　図８Ａ～Ｃ及び図９Ａ～Ｃに示すように、幾つかの実施形態において、スワールブレーカ３０は、ロータ２の半径方向Ｄに沿った面を有する第１板状部材３１であって、軸線Ｘに沿って延在する第１板状部材３１、並びに、ロータ２の半径方向Ｄに対して傾斜した面を有する第２板状部材３２又は第３板状部材３３であって、第１板状部材３１の内側端３１Ｃからロータ２の回転方向Ｒの下流側に向かって延在する第２板状部材３２、又は第２板状部材３２よりも上流側において第１板状部材３１の内側端３１Ｃからロータ２の回転方向Ｒの上流側に向かって延在する第３板状部材３３、を含んでもよい。
　上記の構成によれば、シールフィン１４の上流側でケーシング３に固定されるスワールブレーカ３０は、第１板状部材３１がロータ２の半径方向Ｄに沿った面を有するとともに軸線Ｘ方向に沿って配置され、この第１板状部材３１を介して該第１板状部材３１の内側端３１Ｃからロータ２の回転方向Ｒの下流側に向けて第２板状部材３２が延在する。又は、第１板状部材３１の内側端３１Ｃからロータ２の回転方向の上流側に向けて第３板状部材３３が延在する。即ち、ロータ２の周方向Ｐに対して螺旋を描きつつ流れるスワール流Ｓに、軸線Ｘ方向及び周方向Ｐにおいて異なる何れかの位置で直交し得るようにしてスワールブレーカ３０を配置することができるので、スワール流Ｓを効果的に抑制して不安定振動の発生を防止することができる。

　幾つかの実施形態において、スワールブレーカ３０は、第１板状部材３１、第２板状部材３２及び第３板状部材３３を含んでもよい。このようにすれば、ロータ２の周方向Ｐに対して螺旋を描きつつ流れるスワール流Ｓに、ロータ２の軸線Ｘ方向及び周方向Ｐにおいて異なる複数の位置で直交し得るようにしてスワールブレーカ３０を配置することができるので、スワール流Ｓをより効果的に抑制して不安定振動の発生を防止することができる。

　図９Ａ～Ｃに非限定的に例示するように、幾つかの実施形態において、スワールブレーカ３０は、１枚のプレート部材３０Ａからなり、第２板状部材３２および第３板状部材３３は、互いに独立して第１板状部材３１に対して屈曲可能に構成されるとともに、第１板状部材３１の内側端３１Ｃには、第２板状部材３２をロータ２の回転方向Ｒの下流側に向かって延在せしめる第１屈曲部３２Ａと、第３板状部材３３をロータ２の回転方向Ｒの上流側に向かって延在せしめる第２屈曲部３３Ａとが形成されてもよい。
　上記の構成によれば、第１板状部材３１、第２板状部材３２及び第３板状部材３３を含むスワールブレーカ３０を、一枚のプレート部材３０Ａにより一体的に形成することができる。第２板状部材３２は第３板状部材３３に影響を与えることなく、第１屈曲部３２Ａを介してロータ２の回転方向Ｒの下流側に向けて延在する。他方の第３板状部材３３は第２板状部材３２に影響を与えることなく第２屈曲部３３Ａを介してロータ２の回転方向Ｒの上流側に向けて延在する。よって、上記の何れか一つの実施形態で述べた効果を奏する軸流回転機械１を、簡易な構成で容易に実現することができる。
　このようなスワールブレーカ３０は、例えば、１枚のプレート部材３０Ａを用意し、第２板状部材３２と第３板状部材３３との間に切れ目又は隙間を形成し、第１屈曲部３２Ａを介して第２板状部材３２をロータ２の回転方向Ｒの一方である下流側に屈曲させ、第３板状部材３３をロータ２の回転方向Ｒの他方である上流側に屈曲させることで形成され得る。こうすることで、施工性が向上し、組み立て容易な軸流回転機械１を得ることができる。

　図９Ａ～Ｃに非限定的に例示するように、幾つかの実施形態において、第２板状部材３２は、軸線Ｘの下流側ほど第１板状部材３１の内側端３１Ｃからロータ２の回転方向Ｒの下流側への距離が長くなるように延在し、第３板状部材３３は、軸線Ｘの上流側ほど第１板状部材３１の内側端３１Ｃからロータ２の回転方向Ｒの上流側への距離が長くなるように延在するように形成されてもよい。
　第３板状部材３３よりもロータ２の軸線Ｘ方向及び回転方向Ｒにおいてそれぞれ下流側に位置する第２板状部材３２には、同上流側且つ半径方向Ｄの内側から外側に向けてスワール流Ｓが衝突する。したがって、第２板状部材３２に衝突したスワール流Ｓの多くは、軸線Ｘ方向の下流側且つ回転方向Ｒの下流側に流れると考えられる。一方、第３板状部材３３には、ロータ２の軸線Ｘ方向の下流側、回転方向Ｒの上流側且つ半径方向Ｄの外側から同内側に向けてスワール流Ｓが衝突する。したがって、第３板状部材３３に衝突したスワール流Ｓの多くは、軸線Ｘ方向の上流側に流れ、且つ第１板状部材３１の存在等により回転方向Ｒの上流側に向かう流れ成分が生じると考えられる。
　この点、上記の構成によれば、ロータ２の軸線Ｘ方向の下流側ほど第２板状部材３２がロータ２の回転方向Ｒのより下流側まで延在し、軸線の上流側ほど第３板状部材３３がロータ２の回転方向Ｒのより上流側まで延在する構成により、ロータ２の周方向Ｐを中心として旋回するスワール流Ｓに対して、少ない面積でも適切に直交し得るようにしてスワールブレーカ３０を構成することができ、スワール流Ｓを阻止することができる。

　図１０Ａは、一実施形態におけるキャビティ内の作動流体の流れを示す側断面図である。図１０Ｂは、一実施形態におけるスワールブレーカの配置を示す側面図である。
　なお、上記図面は、動翼側シール装置２３を対象に記載しているため、図中のキャビティ６をキャビティ７と読み替えるとともに、その他の対応する構成についても適宜静翼側シール装置１３に対応するものに読み替えられたい。
　幾つかの実施形態では、シールフィン１４の上流側において、ロータ２の外周面からロータ２の半径方向Ｄの外側に向かって延在する環状の下流側ガイド部材４０をさらに備えていてもよい（図１０Ｂ参照）。
　下流側ガイド部材４０の上流側面４１は、下流側ガイド部材４０のロータ２の半径方向Ｄに沿った長さが軸線Ｘ方向の上流側に向かうにつれて次第に小さく、且つ、キャビティ７に向けて凹となる湾曲状に形成されてもよい。
　上記の構成によれば、下流側ガイド部材４０の上流側面４１により、主流路Ｍから逸れた作動流体を、半径方向Ｄの外側に向かうにつれて軸線Ｘの上流側に案内することができる。つまり、スワール流Ｓがロータ２の周方向Ｐを中心に旋回するように導くことができるから、本開示のスワールブレーカ３０がスワール流Ｓの少なくとも一部に直交し得るように配置されることを補助し、スワール流Ｓを効果的に抑制することができる。

　幾つかの実施形態では、下流側ガイド部材４０の上流側において、ロータ２からロータ２の半径方向Ｄの外側に向かって延在する環状の上流側ガイド部材５０をさらに備えていてもよい（図１０Ｂ参照）。
　上流側ガイド部材５０の下流側面５１は、上流側ガイド部材５０のロータ２の半径方向Ｄに沿った長さが軸線Ｘ方向の下流側に向かうにつれて次第に小さく、且つ、キャビティ７に向けて凹となる湾曲状に形成されてもよい。
　上記の構成によれば、上流側ガイド部材５０の下流側面５１により、主流路Ｍから逸れてシールフィン１４の上流側面及びロータ２の外周に案内されて軸線Ｘの上流側に導かれた作動流体を、軸線Ｘの上流側に向かうにつれて半径方向Ｄの外側に案内することができる。つまり、スワール流Ｓがロータ２の周方向Ｐを中心に旋回するように導くことができるから、本開示のスワールブレーカ３０がスワール流Ｓの少なくとも一部に直交し得るように配置されることを補助し、スワール流Ｓを効果的に抑制することができる。

　図１１Ａは、一実施形態におけるキャビティ内の作動流体の流れを示す側断面図である。図１１Ｂは、一実施形態におけるスワールブレーカの配置を示す側面図である。
　幾つかの実施形態では、シールフィン１４の上流側において、内周側静翼環１２からロータ２の半径方向Ｄの内側に向かって延在する環状のステータ側ガイド部材６０をさらに備えていてもよい（図１１Ｂ参照）。
　ステータ側ガイド部材６０の上流側面４１は、ロータ２の半径方向Ｄに沿って延在する基端側面６１と、基端側面６１における半径方向Ｄの内側に接続される先端側面６２であって、ステータ側ガイド部材６０のロータ２の半径方向Ｄに沿った長さが軸線Ｘ方向の上流側に向かうにつれて次第に小さく、且つ、キャビティ７に向けて凹となる湾曲状になる先端側面６２と、を有するように形成されてもよい。
　上記の構成によれば、ステータ側ガイド部材６０に設けられた湾曲状の先端側面６２により、主流路Ｍから逸れて内周側静翼環１２の内周より半径方向Ｄの内側に達した作動流体を、シールフィン１４の上流側で内周側静翼環１２の内周に向かうように旋回させて効率的に渦を発生させることができる。これにより、シールフィン１４と内周側静翼環１２との隙間を通って軸線Ｘの下流側に向かう作動流体の漏れを低減することができるから、シール機能の維持又は向上を図ることができる。

　幾つかの実施形態では、ステータ側ガイド部材６０の上流側において、ロータ２の外周面２Ａからロータ２の半径方向Ｄの外側に向かって延在する環状のロータ側ガイド部材７０をさらに備えていてもよい（図１１Ｂ参照）。
　ロータ側ガイド部材７０の下流側面７１は、ロータ側ガイド部材のロータ２の半径方向Ｄに沿った長さが軸線Ｘ方向の下流側に向かうにつれて次第に小さく、且つ、ステータ側ガイド部材６０の先端側面６２に向けて凹となる湾曲状に形成されていてもよい。
　上記の構成によれば、ロータ側ガイド部材７０により、主流路Ｍから逸れて内周側静翼環１２の上流側面に沿って半径方向Ｄの内側に達した作動流体が、シールフィン１４の上流側で内周側静翼環１２の内周に向かうように旋回させて効率的にシールクリアランス直前に小渦を発生させることができる。これにより、シールフィン１４とロータ２との隙間を通って軸線Ｘの下流側に向かう作動流体の流れに縮流効果を与えることで、漏れを低減することができるから、シール機能の維持又は向上を図ることができる。
　なお、幾つかの実施形態において、スワールブレーカ３０は、軸線Ｘを含む断面視にて該スワールブレーカ３０の外周側端３０Ｂから該スワールブレーカ３０の下流側端３０Ｃにかけて内周側静翼環１２に向けて凹状の湾曲面を有する切欠部３０Ｄ、を含んでもよい（図１１Ｂ参照）。切欠部３０Ｄは、スワールブレーカ３０と共に周方向Ｐに沿って間隔をあけて配置されていてもよいし、周方向Ｐに沿って環状に設けられていてもよい。このようにすれば、シールフィン１４の上流側で内周側静翼環１２の内周に向かうように旋回させて効率的に渦を発生させることができ、上記のようにシール機能の維持又は向上を図ることができる。

　以上述べた本開示の幾つかの実施形態によれば、軸流回転機械１においてスワール流Ｓを防止乃至抑制することができる。

　本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変更を加えた形態や、これらの形態を組み合わせた形態も含む。

１　軸流回転機械（軸流タービン）
２　ロータ
３　ケーシング
３Ａ　ケーシング本体
３Ｂ　ケーシング支持体
４　ノズル構造体
６，７　キャビティ
８　シール部
１０　静翼段
１１　静翼
１１Ａ　内周側端
１２　内周側静翼環
１３　静翼側シール装置
１４　シールフィン
２０　動翼段
２１　動翼
２１Ａ　外周側端
２２　外周側動翼環
２２Ａ　外周面
２３　動翼側シール装置
２４　シールフィン
３０　スワールブレーカ
３０Ａ　プレート部材
３１　第１板状部材
３１Ａ　上流縁
３１Ｂ　下流縁
３１Ｃ　内側端
３２　第２板状部材
３２Ａ　第１屈曲部
３３　第３板状部材
３３Ａ　第２屈曲部
４０　下流側ガイド部材
４１　上流側面
５０　上流側ガイド部材
５１　下流側面
６０　ステータ側ガイド部材
６１　基端側面
６２　先端側面
７０　ロータ側ガイド部材
７１　下流側面
Ｍ　主流路
Ｓ　スワール流
Ｘ　軸線方向
Ｒ　回転方向
Ｄ　半径方向
Ｐ　周方向

Claims (11)

1. 　軸線周りに回転するロータと、
   　前記ロータを回転可能に収容するケーシングと、
   　前記ロータに対して周方向に間隔を空けて固定される動翼、及び前記動翼の外周側端に連なる外周側動翼環、を含む動翼段と、
   　前記外周側動翼環と前記ケーシングとの間をシールする動翼側シール装置と、を備え、
   　前記動翼側シール装置は、
   　前記ケーシングから前記外周側動翼環の外周面に向かって延在する環状のシールフィンと、
   　前記シールフィンの上流側に形成されるキャビティにおいて前記ケーシングに固定されるスワールブレーカと、を含み、
   　前記スワールブレーカは、
   　前記ロータの半径方向に沿った面を有する第１板状部材であって、前記軸線に沿って延在するか、又は、前記第１板状部材の上流縁が下流縁よりも前記ロータの回転方向の上流側に位置するように前記軸線に対して交差する方向に延在する第１板状部材、並びに、
   　前記ロータの半径方向に対して傾斜した面を有する第２板状部材又は第３板状部材であって、前記第１板状部材の内側端から前記ロータの回転方向の下流側に向かって延在する第２板状部材、又は前記第１板状部材の内側端から前記ロータの回転方向の上流側に向かって延在する第３板状部材、を含む
   軸流回転機械。
2. 　前記第１板状部材の延在方向と前記軸線との交差角は３０°以上６０°以下である
   請求項１に記載の軸流回転機械。
3. 　前記第１板状部材は、前記軸線に沿って延在する
   請求項１に記載の軸流回転機械。
4. 　前記スワールブレーカは、
   　前記第１板状部材、前記第２板状部材、及び前記第２板状部材よりも上流側に配置される前記第３板状部材を含む
   請求項１乃至３の何れか１項に記載の軸流回転機械。
5. 　前記スワールブレーカは、１枚のプレート部材からなり、
   　前記第２板状部材および前記第３板状部材は、互いに独立して前記第１板状部材に対して屈曲可能に構成されるとともに、
   　前記第１板状部材の前記内側端には、前記第２板状部材を前記ロータの回転方向の下流側に向かって延在せしめる第１屈曲部と、前記第３板状部材を前記ロータの回転方向の上流側に向かって延在せしめる第２屈曲部とが形成される
   請求項４に記載の軸流回転機械。
6. 　前記第２板状部材は、前記軸線の下流側ほど前記第１板状部材の内側端から前記ロータの回転方向の下流側への距離が長くなるように延在し、
   　前記第３板状部材は、前記軸線の上流側ほど前記第１板状部材の内側端から前記ロータの回転方向の上流側への距離が長くなるように延在するように形成される
   請求項４又は５に記載の軸流回転機械。
7. 　前記シールフィンの上流側において、前記ケーシングから前記ロータの半径方向の内側に向かって延在する環状の下流側ガイド部材をさらに備え、
   　前記下流側ガイド部材の上流側面は、前記下流側ガイド部材の前記ロータの半径方向に沿った長さが前記軸線方向の上流側に向かうにつれて次第に小さく、且つ、前記キャビティに向けて凹となる湾曲状に形成される
   請求項１乃至６の何れか一項に記載の軸流回転機械。
8. 　前記下流側ガイド部材の上流側において、前記ケーシングから前記ロータの半径方向の内側に向かって延在する環状の上流側ガイド部材をさらに備え、
   　前記上流側ガイド部材の下流側面は、前記上流側ガイド部材の前記ロータの半径方向に沿った長さが前記軸線方向の下流側に向かうにつれて次第に小さく、且つ、前記キャビティに向けて凹となる湾曲状に形成される
   請求項７に記載の軸流回転機械。
9. 　前記シールフィンの上流側において、前記ケーシングから前記ロータの半径方向の内側に向かって延在する環状のステータ側ガイド部材をさらに備え、
   　前記ステータ側ガイド部材の上流側面は、
   　前記ロータの半径方向に沿って延在する基端側面と、
   　前記基端側面における前記半径方向の内側に接続される先端側面であって、前記ステータ側ガイド部の前記ロータの半径方向に沿った長さが前記軸線方向の上流側に向かうにつれて次第に小さく、且つ、前記キャビティに向けて凹となる湾曲状になる先端側面と、を有するように形成される
   請求項１乃至８の何れか一項に記載の軸流回転機械。
10. 　前記ステータ側ガイド部材の上流側において、前記外周側動翼環の前記外周面から前記ロータの半径方向の外側に向かって延在する環状のロータ側ガイド部材をさらに備え、
    　前記ロータ側ガイド部材の下流側面は、前記ロータ側ガイド部の前記ロータの半径方向に沿った長さが前記軸線方向の下流側に向かうにつれて次第に小さく、且つ、前記ステータ側ガイド部材の前記先端側面に向けて凹となる湾曲状に形成される
    請求項９に記載の軸流回転機械。
11. 　軸線周りに回転するロータと、
    　前記ロータを回転可能に収容するケーシングと、
    　前記ケーシングに対して周方向に間隔を空けて固定される静翼、及び前記静翼の内周側端に連なる内周側静翼環、を含む静翼段と、
    　前記内周側静翼環と前記ロータとの間をシールする静翼側シール装置と、を備え、
    　前記静翼側シール装置は、
    　前記内周側静翼環の内周面から前記ロータに向かって延在する環状のシールフィンと、
    　前記シールフィンの上流側において前記内周側静翼環に対して固定されるスワールブレーカと、を含み、
    　前記スワールブレーカは、
    　前記ロータの半径方向に沿った面を有する第１板状部材であって、前記軸線に沿って延在するか、又は、前記第１板状部材の上流縁が下流縁よりも前記ロータの回転方向の上流側に位置するように前記軸線に対して交差する方向に延在する第１板状部材、並びに、
    　前記ロータの半径方向に対して傾斜した面を有する第２板状部材又は第３板状部材であって、前記第１板状部材の内側端から前記ロータの回転方向の下流側に向かって延在する第２板状部材、又は前記第１板状部材の内側端から前記ロータの回転方向の上流側に向かって延在する第３板状部材、を含む
    軸流回転機械。

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