WO2020158106A1

WO2020158106A1 - 回転機械

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Publication number: WO2020158106A1
Application number: PCT/JP2019/044478
Authority: WO
Inventors: 冲非段; 椙下　秀昭; 松本　和幸; 英樹小野; 祥弘桑村; 清瀬川; 久剛福島
Original assignee: 三菱日立パワーシステムズ株式会社
Priority date: 2019-01-31
Filing date: 2019-11-13
Publication date: 2020-08-06
Also published as: CN113631797B; US20220120188A1; KR102579622B1; JP2020122446A; DE112019006786T5; JP7145775B2; MX2021008565A; US11702947B2; CN113631797A; KR20210100726A

Abstract

中空形状をなすケーシング１１と、ケーシング１１内に回転自在に支持されるロータ１２と、ロータ１２の外周部に固定される動翼１４と、動翼１４に対して蒸気流れ方向Ａ１における下流側に配置されてケーシング１１の内周部に固定される静翼１３と、ケーシング１１の内周部と動翼１４の先端部との間に配置されるシール装置１５と、ケーシング１１におけるシール装置１５より蒸気流れ方向Ａ１の下流側にロータ１２の周方向Ｃに沿って設けられる旋回流生成室３１と、旋回流生成室３１にロータ１２の径方向Ｒに沿うと共にロータ１２の周方向Ｃに所定間隔を空けて設けられる複数の案内部材３２とを備え、旋回流生成室３１は、蒸気流れ方向Ａ１における下流側の第１壁面４７が、静翼１３の蒸気流れ方向Ａ１における上流側の前縁部１３ａより蒸気流れ方向Ａ１における下流側に位置する回転機械。

Description

回転機械

　本発明は、静止側と回転側との間に流体の漏えいを抑制するシール装置が配置される回転機械に関するものである。

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

　このような蒸気タービンでは、ケーシングと動翼の先端部との間における蒸気の軸方向の漏れ流れを抑制するため、動翼の先端部とケーシングとの間にシール装置が設けられる。このシール装置は、一般的に、ラビリンスシールが適用される。ラビリンスシールは、動翼の先端部やケーシングの内面に複数のシールフィンが設けられて構成される。複数のシールフィンとケーシングの内面や動翼の先端部との間に隙間を形成することで、各シールフィン前後の圧力比を小さくして漏れ流量の抑制を図っている。

　シール装置から漏れた蒸気の流れは、動翼や静翼を通過した蒸気の主流に合流する。動翼を通過した蒸気の主流は、ロータの軸方向に沿った流れであるが、動翼を通過せずにシール装置から漏れた蒸気の流れは、ケーシングの内周面からロータ側に向けて傾斜すると共に、静翼によりロータの周方向に旋回する流れである。この場合、蒸気の主流に対してシール装置からの漏れ蒸気の流れを滑らかに合流させることで、この合流部での混合損失を小さくして性能の低下を抑制することが重要である。このような技術として、例えば、下記特許文献１に記載されたものがある。

特許第５９８５３５１号公報

　上述した特許文献１の軸流タービンは、シールフィンより下流側に旋回流調整室を設け、この旋回流調整ロータの軸方向および径方向に延在する複数の遮蔽板を固定したものである。そのため、動翼を通過せずにシール装置から漏れた周方向に旋回する蒸気の流れは、複数の遮蔽板により周方向の速度成分が減少することとなり、蒸気の主流に対してシール装置からの漏れ蒸気の流れを滑らかに合流させることができる。ところが、この従来の軸流タービンでは、遮蔽板がロータの軸方向および径方向に延在する板形状をなすものであることから、周方向に沿った蒸気の流れが遮蔽板に衝突したとき、遮蔽板の連結部に剥離渦が生じて圧力損失が発生するおそれがある。

　本発明は上述した課題を解決するものであり、流体の主流に対してシール装置からの漏れる流体を滑らかに合流させることで合流部での混合損失を低減して性能の向上を図る回転機械を提供することを目的とする。

　上記の目的を達成するための本発明の回転機械は、中空形状をなすケーシングと、前記ケーシング内に回転自在に支持される回転体と、前記回転体の外周部に固定される動翼と、前記動翼に対して流体の流れ方向における下流側に配置されて前記ケーシングの内周部に固定される静翼と、前記ケーシングの内周部と前記動翼の先端部との間に配置されるシール装置と、前記ケーシングにおける前記シール装置より流体の流れ方向の下流側に前記回転体の周方向に沿って設けられる旋回流生成室と、前記旋回流生成室に前記回転体の径方向に沿うと共に前記回転体の周方向に所定間隔を空けて設けられる複数の案内部材と、を備え、前記旋回流生成室は、流体の流れ方向における下流側の壁面が、前記静翼の流体の流れ方向における上流側の縁部より流体の流れ方向における下流側に位置する、ことを特徴とするものである。

　従って、流体がケーシングの内部に供給されると、流体の主流が静翼と動翼を通過することで動翼が回転する一方、流体の一部が静翼を通過した後にケーシングと動翼の先端部との間に流れるが、シール装置が機能して流体の漏れが抑制される。このとき、シール装置は、一部の流体が漏れ、この漏れ流体が旋回流生成室で旋回した後に静翼と動翼を通過した流体の主流に合流する。シール装置から漏れた漏れ流体は、静翼を通過するものの動翼を通過していないことから周方向の速度成分を有する。ここで、周方向の速度成分を有する漏れ流体は、旋回流生成室に流れ込んだときに複数の案内部材に案内されることで周方向の速度成分が減少される。そして、周方向の速度成分が減少した漏れ流体は、旋回流生成室で旋回した後、旋回流生成室に流れ込む周方向の速度成分を有する漏れ流体に干渉して渦流が発生する。このとき、旋回流生成室が静翼の縁部より流体の流れ方向における下流側に位置することから、旋回流生成室の容積が大きくなり、発生した渦流を閉じ込めることができ、周方向の速度成分が減少した漏れ流体は、流体の主流に滑らかに合流する。その結果、流体の主流に対してシール装置から漏れた流体を滑らかに合流させることで、合流部での混合損失を低減して性能の向上を図ることができる。

　本発明の回転機械では、前記旋回流生成室は、前記ケーシングの内周面と、前記ケーシングにおける前記シール装置に対して流体の流れ方向における下流側に対向する第１壁面と、前記ケーシングの内周面に対して前記回転体の径方向における内側に対向する第２壁面とを有し、複数の案内部材は、少なくとも前記ケーシングの内周面と前記第１壁面に固定され、前記壁面としての前記第１壁面は、前記静翼の流体の流れ方向における上流側の縁部より流体の流れ方向における下流側に位置することを特徴としている。

　従って、案内部材が固定された第１壁面が静翼の流体の流れ方向における上流側の縁部より流体の流れ方向における下流側に位置することから、複数の案内部材により漏れ流体における周方向の速度成分を減少させることができると共に、旋回流生成室の容積を大きして発生した渦流を旋回流生成室に閉じ込めることができる。

　本発明の回転機械では、前記ケーシングの内周面に凹部が形成され、前記動翼の先端部が前記凹部内に所定隙間をあけて配置され、前記旋回流生成室は、前記凹部における流体の流れ方向における下流側に設けられ、前記凹部の内周面と、前記凹部に設けられる前記第１壁面と、前記ケーシングの内周面から流体の流れ方向の上流側に延出する突起部に設けられる前記第２壁面とを有し、前記第１壁面は、前記静翼の流体の流れ方向における上流側の縁部より流体の流れ方向における下流側に位置することを特徴としている。

　従って、動翼の先端部が配置された凹部に旋回流生成室を設け、旋回流生成室を構成する第１壁面を静翼の流体の流れ方向における上流側の縁部より流体の流れ方向における下流側に位置させることから、旋回流生成室の容積を大きして発生した渦流を旋回流生成室に閉じ込めることができる。

　本発明の回転機械では、前記突起部は、流体の流れ方向における上流側の端部が、前記案内部材の流体の流れ方向における上流側の端部より、流体の流れ方向における上流側に位置することを特徴としている。

　従って、突起部の端部を案内部材の端部より流体の流れ方向における上流側に位置させることから、旋回流生成室から流体の主流に合流する漏れ流体の出口を狭くすることで、旋回流生成室から排出される周方向の速度成分が減少した漏れ流体と、旋回流生成室に流れ込む周方向の速度成分を有する漏れ流体とが干渉して発生した渦流を旋回流生成室に容易に閉じ込めることができる。

　本発明の回転機械では、前記案内部材は、流体の流れ方向における上流側の端部が、前記突起部の流体の流れ方向における上流側の端部より、流体の流れ方向における上流側に位置することを特徴としている。

　従って、案内部材の端部を突起部の端部より流体の流れ方向における上流側に位置させることから、旋回流生成室に流れ込んだ漏れ流体は、複数の案内部材に案内されることで周方向の速度成分が減少されると共に、複数の案内部材との接触により摩耗が増加して強度が低下することとなり、旋回流生成室から排出される周方向の速度成分が減少した漏れ流体と、旋回流生成室に流れ込む周方向の速度成分を有する漏れ流体とが干渉することで発生する渦流を減少させることができる。

　本発明の回転機械では、前記案内部材と前記第２壁面との間に前記回転体の周方向に連通する連通部が設けられることを特徴としている。

　従って、案内部材と第２壁面との間に連通部を設けることから、旋回流生成室から排出される周方向の速度成分が減少した漏れ流体と、旋回流生成室に流れ込む周方向の速度成分を有する漏れ流体とが干渉して発生した渦流を旋回流生成室の連通部に閉じ込めて渦強度を低減することができる。

　本発明の回転機械では、前記連通部は、前記動翼の先端部より前記回転体の径方向における外側まで設けられることを特徴としている。

　従って、連通部を動翼の先端部より外側まで設けることから、発生した渦流を旋回流生成室の連通部に適正に閉じ込めて渦強度を低減することができる。

　本発明の回転機械では、前記動翼は、先端部にシュラウドが固定され、前記シュラウドは、流体の流れ方向の下流側に、前記連通部側へ延出する第１案内面が設けられることを特徴としている。

　従って、動翼に固定されたシュラウドの下流側に連通部側へ延出する第１案内面を設けることから、シール装置からの漏れ流れを連通部に適正に案内することができる。

　本発明の回転機械では、前記シュラウドは、流体の流れ方向の下流側に前記回転体の径方向における内側を向く第２案内面が設けられることを特徴としている。

　従って、シュラウドの下流側に径方向における内側を向く第２案内面を設けることから、旋回流生成室から流体の主流に合流する漏れ流体を第２案内面により滑らかに主流に合流させることができる。

　本発明の回転機械では、前記案内部材は、前記回転体の径方向における内側に位置する第１案内体と、前記回転体の径方向における外側に位置して前記第１案内体より前記流体の流れ方向における上流側に延出する第２案内体とを有することを特徴としている。

　従って、案内部材として、径方向における内側に位置する第１案内体と、径方向における外側に位置して第１案内体より上流側に延出する第２案内体とを設けることから、旋回流生成室に流れ込んだ漏れ流体は、複数の案内部材に案内される前に強度が低下した後、複数の第１案内体および第２案内体に案内されることで周方向の速度成分が減少されると共に、複数の第２案内体との接触により摩耗が増加して強度が低下することとなり、旋回流生成室から排出される周方向の速度成分が減少した漏れ流体と、旋回流生成室に流れ込む周方向の速度成分を有する漏れ流体とが干渉することで発生する渦流を減少させることができる。

　本発明の回転機械によれば、流体の主流に対してシール装置から漏れる流体を滑らかに合流させることで、合流部での混合損失を低減して性能の向上を図ることができる。

図１は、第１実施形態の回転機械としての蒸気タービンにおける蒸気の流れを説明するための要部断面図である。図２は、図１のII－II断面図である。図３は、図１のIII－III断面図である。図４は、第１実施形態の蒸気タービンを表す概略図である。図５は、第２実施形態の回転機械としての蒸気タービンにおける蒸気の流れを説明するための要部断面図である。図６は、第３実施形態の回転機械としての蒸気タービンにおける蒸気の流れを説明するための要部断面図である。図７は、第４実施形態の回転機械としての蒸気タービンにおける蒸気の流れを説明するための要部断面図である。図８は、第５実施形態の回転機械としての蒸気タービンにおける蒸気の流れを説明するための要部断面図である。

　以下に添付図面を参照して、本発明に係る回転機械の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。

［第１実施形態］
　図４は、本実施形態の蒸気タービンを表す概略図である。なお、以下の説明にて、ロータの軸方向をＡ、ロータの径方向をＲ、ロータの周方向をＣで表記する。

　本実施形態では、本発明の回転機械として、蒸気タービンを例に挙げて説明する。図４に示すように、蒸気タービン１０は、ケーシング１１と、ロータ（回転体）１２と、静翼１３と、動翼１４と、シール装置１５とを備える。

　ケーシング１１は、中空形状をなし、内部にロータ１２が水平方向に沿って配置されている。ロータ１２は、ケーシング１１に設けられた軸受２０により軸心Ｏを中心として回転自在に支持される。静翼１３は、ケーシング１１の内周部にロータ１２の軸方向Ａに所定間隔を空けて複数固定される。ロータ１２は、外周部に軸方向Ａに所定間隔を空けて複数のロータディスク２１が固定されており、動翼１４は、各ロータディスク２１の外周部に複数固定される。各静翼１３と各動翼１４は、ロータ１２の径方向Ｒに沿うと共に、ロータ１２の周方向に所定間隔を空けて配置され、ロータ１２の軸方向Ａに沿って交互に配置される。

　ケーシング１１は、軸方向Ａの一端部側に蒸気供給口２２が設けられ、蒸気供給口２２は、蒸気通路２３を通して各静翼１３および各動翼１４が配置される翼列部２４に連通される。この翼列部２４は、排気室２５を通して蒸気排出口２６に連通される。

　また、ロータ１２は、軸方向Ａの各端部とケーシング１１との間にシール部材２７が設けられる。各シール部材２７は、各軸受２０よりも内部側、つまり、静翼１３および動翼１４側に配置される。更に、動翼１４における径方向Ｒの外側に位置する先端部と、ケーシング１１の内周部との間にシール装置１５が設けられる。

　そのため、蒸気Ｓが蒸気供給口２２から蒸気通路２３を通して翼列部２４に供給されると、この蒸気Ｓが複数の静翼１３および複数の動翼１４を通過することで、各動翼１４を介してロータ１２が駆動回転し、このロータ１２に連結された図示しない発電機を駆動する。その後、動翼１４を駆動した蒸気Ｓは、排気室２５を通して蒸気排出口２６から排出される。

　ここで、上述した蒸気タービン１０におけるケーシング１１と静翼１３と動翼１４とシール装置１５との関係について詳細に説明する。図１は、第１実施形態の回転機械としての蒸気タービンにおける蒸気の流れを説明するための要部断面図、図２は、図１のII－II断面図、図３は、図１のIII－III断面図である。

　図１から図３に示すように、シール装置１５は、ケーシング１１と動翼１４の先端部との間に設けられる。シール装置１５は、ケーシング１１と動翼１４の先端部との間をロータ１２の軸方向Ａに沿って高圧側Ｈから低圧側Ｌに流れる蒸気（流体）Ｓの流れの漏えいを抑制するものである。ここで、蒸気Ｓは、高圧側Ｈから低圧側Ｌに流れ、主流蒸気Ｓ１は、静翼１３および動翼１４を通過するように、蒸気流れ方向Ａ１に沿って流れる。また、主流蒸気Ｓ１は、静翼１３を通過した後、一部がケーシング１１と動翼１４の先端部との間のシール装置１５に流れ、シール装置１５からの漏れる漏れ蒸気Ｓ２が発生する。この漏れ蒸気Ｓ２は、静翼１３を通過するものの、動翼１４を通過していないことから、周方向Ｃの速度成分を有する。

　すなわち、主流蒸気Ｓ１は、周方向Ｃの速度成分をほぼ持たない軸方向Ａの流れであり、静翼１３の前縁側に絶対速度ベクトルＶ１で流入する。主流蒸気Ｓ１は、静翼１３の翼間を通過するときに増速および転向され、周方向Ｃの速度成分を持つ絶対速度ベクトルＶ２となり、静翼１３の後縁側から流出する。静翼１３から流出した蒸気Ｓは、大部分が動翼１４に衝突することで、動翼１４と共にロータ１２を所定の回転速度で回転方向Ｃ１に回転させる。このとき、蒸気Ｓは、動翼１４を通過するときに減速および転向され、周方向Ｃの速度成分をほぼ持たない軸方向Ａに沿う絶対速度ベクトルＶ３となる。但し、主流蒸気Ｓ１が周方向Ｃの速度成分を持った流れの場合であっても、動翼１４を回転させる作用は同様である。

　一方、静翼１３の翼間を通過した蒸気Ｓの絶対速度ベクトルＶ２は周方向Ｃの速度成分を持っており、動翼１４を通過せずにシール装置１５からの漏れた漏れ蒸気Ｓ２は、後述のシールフィンによる加減速や側壁やカバーの粘性摩擦により、速度は変化しているものの、周方向Ｃの速度成分を持つ流れである。そのため、漏れ蒸気Ｓ２が、周方向Ｃの速度成分をほぼ持たない絶対速度ベクトルＶ３の主流蒸気Ｓ１に合流するとき、合流部で混合損失が発生する。

　なお、ここでは、主流蒸気Ｓ１が周方向Ｃの速度成分をほぼ持たない衝動タービンを対象にして説明したが、主流蒸気Ｓ１が周方向Ｃの速度成分を持つ反動タービンの場合であっても、主流蒸気Ｓ１と漏れ蒸気Ｓ２の方向ベクトルは異なるので、衝動タービンと同様に合流部で混合損失が発生する。本発明は、この反動タービンにも適用でき、また有効である。

　第１実施形態の蒸気タービン１０は、旋回流生成室３１と、複数の案内部材３２とを備える。旋回流生成室３１は、ケーシング１１におけるシール装置１５より蒸気流れ方向Ａ１の下流側にロータ１２の周方向Ｃに沿って設けられる。複数の案内部材３２は、旋回流生成室３１にロータ１２の径方向Ｒに沿うと共に、ロータ１２の周方向Ｃに所定間隔を空けて設けられる。

　静翼１３は、径方向Ｒの外側に位置する基端部がケーシング１１の内周部に固定される一方、動翼１４は、径方向Ｒの内側に位置する基端部がロータ１２（図４参照）の外周部に固定される。動翼１４は、軸方向Ａに所定間隔を空けて配置される各静翼１３の間に配置される。動翼１４は、径方向Ｒの外側に位置する先端部にシュラウド４１が設けられる。シール装置１５は、ケーシング１１の内周部と動翼１４におけるシュラウド４１の外周部との間に配置される。

　ケーシング１１は、シュラウド４１の外周部に対向する内周面１１ａに凹部４２が設けられる。凹部４２は、ロータ１２の周方向Ｃに沿って設けられる環状溝である。動翼１４のシュラウド４１は、ケーシング１１の凹部４２内に所定隙間をあけて配置される。シール装置１５は、複数のシールフィン４３，４４，４５を有する。シールフィン４３，４４は、基端部がケーシング１１における凹部４２の内周面４２ａに固定され、先端部が動翼１４におけるシュラウド４１の外周面４１ａに向けて延出される。シールフィン４５は、シールフィン４３，４４の間に配置され、基端部が動翼１４におけるシュラウド４１の外周面４１ａに固定され、先端部がケーシング１１における凹部４２の内周面４２ａに向けて延出される。

　シールフィン４３，４４，４５は、ロータ１２の軸方向Ａに所定間隔を空けて設けられる。シールフィン４３，４４，４５は、ロータ１２の周方向Ｃに沿って設けられる。シールフィン４３，４４は、先端部とシュラウド４１の外周面４１ａとの間に所定隙間が確保される。また、シールフィン４５は、先端部と凹部４２の内周面４２ａとの間に所定隙間が確保される。それぞれの所定隙間は、ほぼ同じ寸法に設定される。なお、シールフィン４３，４４，４５の数や取付位置は、上述したものに限定されるものではない。

　ケーシング１１の凹部４２は、軸方向Ａの長さが動翼１４のシュラウド４１の軸方向Ａの長さより長い。すなわち、凹部４２は、動翼１４の前縁よりも蒸気流れ方向Ａ１の上流側から、動翼１４の後縁よりも蒸気流れ方向Ａ１の下流側まで設けられる。旋回流生成室３１は、凹部４２における動翼１４の後縁よりも蒸気流れ方向Ａ１の下流側に設けられる。旋回流生成室３１は、ケーシング１１（凹部４２）の内周面４６と、ケーシング１１におけるシール装置１５に対して蒸気流れ方向Ａ１における下流側に対向する第１壁面４７と、ケーシング１１の内周面１１ａに対してロータ１２（図４参照）の径方向Ｒにおける内側に対向する第２壁面４８とを有する。ここで、旋回流生成室３１は、蒸気流れ方向Ａ１における下流側の第１壁面４７が、静翼１３の蒸気流れ方向Ａ１における上流側の前縁部１３ａより蒸気流れ方向Ａ１における下流側に位置する。

　すなわち、内周面４６は、凹部４２の内周面４２ａより径方向Ｒの外側に位置し、周方向Ｃに沿って連続する。第１壁面４７は、径方向Ｒに平行であると共に内周面４６に直交する面であり、周方向Ｃに沿って連続する。第１壁面４７は、旋回流生成室３１よりロータ１２における径方向Ｒの内側の内周面１１ａに固定された静翼１３の前縁部１３ａより蒸気流れ方向Ａ１における下流側に位置する。ケーシング１１は、凹部４２における蒸気流れ方向Ａ１の下流側に、ケーシング１１の内周面１１ａから蒸気流れ方向Ａ１の上流側（凹部４２側）に延出する突起部４９が形成される。第２壁面４８は、突起部４９における径方向Ｒの外側に設けられると共に、内周面４６に平行で第１壁面４７に直交する面であり、周方向Ｃに沿って連続する。

　案内部材３２は、ロータ１２の径方向Ｒおよび軸方向Ａに沿った板形状をなす。案内部材３２は、内周面４６と第１壁面４７と第２壁面４８に固定される。案内部材３２の蒸気流れ方向Ａ１における上流側の端部の位置と、突起部４９の蒸気流れ方向Ａ１における上流の端部の位置とは、軸方向Ａにおいて同じ位置である。また、案内部材３２は、蒸気流れ方向Ａ１の上流側の端面３２ａがシールフィン４４およびシュラウド４１と軸方向Ａにおいて所定距離だけ離間して配置される。

　そのため、蒸気Ｓがケーシング１１の内部に供給されて動翼１４が回転するとき、蒸気Ｓは、高圧側Ｈから低圧側Ｌに蒸気流れ方向Ａ１に沿って流れる。このとき、蒸気Ｓは、主流蒸気Ｓ１が静翼１３および動翼１４を通過するように流れ、一部が動翼１４を通過することなく、ケーシング１１と動翼１４の先端部との間に設けられたシール装置１５に流れる。このシール装置１５は、蒸気Ｓの漏れを抑制するものの、一部が漏れて漏れ蒸気Ｓ２が発生する。シール装置１５から漏れた漏れ蒸気Ｓ２は、旋回流生成室３１で旋回した後に静翼１３と動翼１４を通過した主流蒸気Ｓ１に合流する。

　このとき、シール装置１５から漏れた漏れ蒸気Ｓ２は、静翼１３を通過するものの動翼１４を通過していないことから、周方向Ｃの速度成分を有する。周方向Ｃの速度成分を有する漏れ蒸気Ｓ２は、旋回流生成室３１内で周方向Ｃに沿う軸心を有する旋回流蒸気Ｓ３となる。すなわち、漏れ蒸気Ｓ２は、案内部材３２案内されることで周方向Ｃの速度成分が減少された旋回流蒸気Ｓ３となる。そして、周方向Ｃの速度成分が減少して旋回流生成室３１内を旋回した旋回流蒸気Ｓ３は、旋回流生成室３１に流れ込む周方向Ｃの速度成分を有する漏れ蒸気Ｓ２に干渉して渦流が発生する。本実施形態では、旋回流生成室３１が静翼１３の前縁部１３ａより蒸気流れ方向Ａ１における下流側に位置することから、旋回流生成室３１の容積が大きくなっている。そのため、発生した渦流を旋回流生成室３１内に閉じ込めることができ、周方向Ｃの速度成分が減少した漏れ蒸気Ｓ４は、シュラウド４１と突起部４９の間を通り、動翼１４を通過した主流蒸気Ｓ１に滑らかに合流する。

　このように第１実施形態の回転機械にあっては、中空形状をなすケーシング１１と、ケーシング１１内に回転自在に支持されるロータ１２と、ロータ１２の外周部に固定される動翼１４と、動翼１４に対して蒸気流れ方向Ａ１における下流側に配置されてケーシング１１の内周部に固定される静翼１３と、ケーシング１１の内周部と動翼１４の先端部との間に配置されるシール装置１５と、ケーシング１１におけるシール装置１５より蒸気流れ方向Ａ１の下流側にロータ１２の周方向Ｃに沿って設けられる旋回流生成室３１と、旋回流生成室３１にロータ１２の径方向Ｒに沿うと共にロータ１２の周方向Ｃに所定間隔を空けて設けられる複数の案内部材３２とを備え、旋回流生成室３１は、蒸気流れ方向Ａ１における下流側の第１壁面４７が、静翼１３の蒸気流れ方向Ａ１における上流側の前縁部１３ａより蒸気流れ方向Ａ１における下流側に位置する。

　従って、周方向Ｃの速度成分を有する漏れ蒸気Ｓ２は、旋回流生成室３１に流れ込んだときに複数の案内部材３２に案内されることで周方向Ｃの速度成分が減少される。そして、周方向Ｃの速度成分が減少して旋回流生成室３１内を旋回した旋回流蒸気Ｓ３は、旋回流生成室３１に流れ込む周方向Ｃの速度成分を有する漏れ蒸気Ｓ２に干渉して渦流が発生するが、この渦流を容積が大きくなった旋回流生成室３１内に閉じ込めることができ、周方向Ｃの速度成分が減少した漏れ蒸気Ｓ４は、主流蒸気Ｓ１に滑らかに合流する。その結果、その結果、主流蒸気Ｓ１に対してシール装置１５から漏れた蒸気Ｓを滑らかに合流させることで、合流部での混合損失を低減して性能の向上を図ることができる。

　第１実施形態本発明の回転機械では、旋回流生成室３１は、凹部４２の内周面４６と、ケーシング１１におけるシール装置１５に対して蒸気流れ方向Ａ１における下流側に対向する第１壁面４７と、凹部４２の内周面４２ａに対してロータ１２の径方向Ｒにおける内側に対向する第２壁面４８とを有し、複数の案内部材３２を内周面４６と第１壁面４７に固定し、第１壁面４７を静翼１３の前縁部１３ａより下流側に位置させる。従って、複数の案内部材３２により漏れ蒸気Ｓ２における周方向Ｃの速度成分を減少させることができると共に、旋回流生成室３１の容積を大きして発生した渦流を旋回流生成室３１に閉じ込めることができる。

　第１実施形態の回転機械では、旋回流生成室３１を凹部４２における蒸気流れ方向Ａ１における下流側に設け、凹部４２の内周面４６と、凹部４２に設けられる第１壁面４７と、ケーシング１１の内周面１１ａから蒸気流れ方向Ａ１の上流側に延出する突起部４９に設けられる第２壁面４８とを有し、第１壁面４７を静翼１３の前縁部１３ａより下流側に位置させる。従って、旋回流生成室３１の容積を大きして発生した渦流を旋回流生成室３１に閉じ込めることができる。

［第２実施形態］
　図５は、第２実施形態の回転機械としての蒸気タービンにおける蒸気の流れを説明するための要部断面図である。なお、第２実施形態の基本的な構成は、上述した第１実施形態と同様であり、図１を用いて説明し、第１実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

　第２実施形態において、図１および図５に示すように、蒸気タービン１０は、ケーシング１１と、ロータ１２と、静翼１３と、動翼１４と、シール装置１５と、旋回流生成室３１と、複数の案内部材６１とを備える。

　旋回流生成室３１は、ケーシング１１におけるシール装置１５より蒸気流れ方向Ａ１の下流側にロータ１２の周方向Ｃに沿って設けられる。複数の案内部材６１は、旋回流生成室３１にロータ１２の径方向Ｒに沿うと共に、ロータ１２の周方向Ｃに所定間隔を空けて設けられる。案内部材６１は、内周面４６と第１壁面４７と第２壁面４８に固定される。ここで、旋回流生成室３１は、蒸気流れ方向Ａ１における下流側の第１壁面４７が、静翼１３の蒸気流れ方向Ａ１における上流側の前縁部１３ａより蒸気流れ方向Ａ１における下流側に位置する。

　また、突起部４９は、蒸気流れ方向Ａ１における上流の端部の位置が、案内部材６１の蒸気流れ方向Ａ１における上流側の端部の位置より、蒸気流れ方向Ａ１における上流側に位置する。すなわち、シュラウド４１の後端面４１ｂと案内部材６１の蒸気流れ方向Ａ１の上流側の端面６１ａとの距離Ｌ１は、シュラウド４１の後端面４１ｂと突起部４９の蒸気流れ方向Ａ１における上流の端面４９ａとの距離Ｌ２より長い。つまり、Ｌ１＞Ｌ２である。

　このように第２実施形態の回転機械では、突起部４９は、蒸気流れ方向Ａ１における上流側の端面４９ａが、案内部材６１の蒸気流れ方向Ａ１における上流側の端面６１ａより、蒸気流れ方向Ａ１における上流側に位置している。

　従って、旋回流生成室３１から主流蒸気Ｓ１に合流する漏れ蒸気Ｓ４の出口を狭くすることで、旋回流生成室３１から排出される周方向Ｃの速度成分が減少した旋回流蒸気Ｓ３と、旋回流生成室３１に流れ込む周方向Ｃの速度成分を有する漏れ蒸気Ｓ２とが干渉して発生した渦流を旋回流生成室３１に容易に閉じ込めることができる。

［第３実施形態］
　図６は、第３実施形態の回転機械としての蒸気タービンにおける蒸気の流れを説明するための要部断面図である。なお、第３実施形態の基本的な構成は、上述した第１実施形態と同様であり、図１を用いて説明し、第１実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

　第３実施形態において、図１および図６に示すように、蒸気タービン１０は、ケーシング１１と、ロータ１２と、静翼１３と、動翼１４と、シール装置１５と、旋回流生成室３１と、複数の案内部材７１とを備える。

　旋回流生成室３１は、ケーシング１１におけるシール装置１５より蒸気流れ方向Ａ１の下流側にロータ１２の周方向Ｃに沿って設けられる。複数の案内部材７１は、旋回流生成室３１にロータ１２の径方向Ｒに沿うと共に、ロータ１２の周方向Ｃに所定間隔を空けて設けられる。案内部材７１は、内周面４６と第１壁面４７に固定される。ここで、旋回流生成室３１は、蒸気流れ方向Ａ１における下流側の第１壁面４７が、静翼１３の蒸気流れ方向Ａ１における上流側の前縁部１３ａより蒸気流れ方向Ａ１における下流側に位置する。

　また、案内部材７１は、蒸気流れ方向Ａ１における上流側の端部が、突起部４９の蒸気流れ方向Ａ１における上流側の端部より、蒸気流れ方向Ａ１における上流側に位置する。すなわち、シュラウド４１の後端面４１ｂと案内部材７１の蒸気流れ方向Ａ１の上流側の端面７１ａとの距離Ｌ１は、シュラウド４１の後端面４１ｂと突起部４９の蒸気流れ方向Ａ１における上流の端面４９ａとの距離Ｌ２より短い。つまり、Ｌ１＜Ｌ２である。

　また、案内部材７１と第２壁面４８との間にロータ１２の周方向に連通する連通部７２が設けられる。つまり、案内部材７１は、内周面４６と第１壁面４７とにだけ固定されており、第２壁面４８に固定されずにここに連通部７２が設けられる。この連通部７２は、動翼１４のシュラウド４１における外周面４１ａよりロータ１２の径方向Ｒにおける外側まで設けられる。

　このように第３実施形態の回転機械では、案内部材７１の蒸気流れ方向Ａ１における上流側の端面７１ａが、突起部４９における蒸気流れ方向Ａ１における上流側の端面４９ａより、蒸気流れ方向Ａ１における上流側に位置する。

　従って、旋回流生成室３１に流れ込んだ漏れ蒸気Ｓ２は、複数の案内部材７１に案内されることで周方向Ｃの速度成分が減少されると共に、複数の案内部材７１との接触により摩耗が増加して強度が低下することとなる。そのため、旋回流生成室３１から排出される周方向Ｃの速度成分が減少した旋回流蒸気Ｓ３と、旋回流生成室３１に流れ込む周方向Ｃの速度成分を有する漏れ蒸気Ｓ２とが干渉することで発生する渦流を減少させることができる。

　第３実施形態の回転機械では、案内部材７１と第２壁面４８との間にロータ１２の周方向Ｃに連通する連通部７２を設ける。従って、旋回流生成室３１から排出される周方向Ｃの速度成分が減少した旋回流蒸気Ｓ３と、旋回流生成室３１に流れ込む周方向Ｃの速度成分を有する漏れ蒸気Ｓ２とが干渉することで発生する渦流を旋回流生成室３１の連通部７２に閉じ込めて渦強度を低減することができる。

　第３実施形態の回転機械では、連通部７２を動翼１４のシュラウド４１の外周面４１ａよりロータ１２の径方向Ｒにおける外側まで設ける。従って、発生した渦流を旋回流生成室３１の連通部７２に適正に閉じ込めて渦強度を低減することができる。

［第４実施形態］
　図７は、第４実施形態の回転機械としての蒸気タービンにおける蒸気の流れを説明するための要部断面図である。なお、第４実施形態の基本的な構成は、上述した第１実施形態と同様であり、図１を用いて説明し、第１実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

　第４実施形態において、図１および図７に示すように、蒸気タービン１０は、ケーシング１１と、ロータ１２と、静翼１３と、動翼１４と、シール装置１５と、旋回流生成室３１と、複数の案内部材８１とを備える。

　旋回流生成室３１は、ケーシング１１におけるシール装置１５より蒸気流れ方向Ａ１の下流側にロータ１２の周方向Ｃに沿って設けられる。複数の案内部材８１は、旋回流生成室３１にロータ１２の径方向Ｒに沿うと共に、ロータ１２の周方向Ｃに所定間隔を空けて設けられる。案内部材８１は、内周面４６と第１壁面４７と第２壁面４８に固定される。ここで、旋回流生成室３１は、蒸気流れ方向Ａ１における下流側の第１壁面４７が、静翼１３の蒸気流れ方向Ａ１における上流側の前縁部１３ａより蒸気流れ方向Ａ１における下流側に位置する。

　案内部材８１は、ロータ１２の径方向Ｒにおける内側に位置する第１案内体８２と、ロータ１２の径方向Ｒにおける外側に位置して第１案内体８２より蒸気流れ方向Ａ１における上流側に延出する第２案内体８３とを有する。そして、突起部４９は、蒸気流れ方向Ａ１における上流の端部の位置が、第１案内体８２の蒸気流れ方向Ａ１における上流側の端部の位置と、軸方向Ａにおいて同じ位置である。すなわち、シュラウド４１の後端面４１ｂと第２案内体８３の蒸気流れ方向Ａ１の上流側の端面８３ａとの距離Ｌ１は、シュラウド４１の後端面４１ｂと突起部４９の蒸気流れ方向Ａ１における上流の端面４９ａおよび第１案内体８２の蒸気流れ方向Ａ１における上流の端面８２ａとの距離Ｌ２より短い。つまり、Ｌ１＜Ｌ２である。

　このように第４実施形態の回転機械では、案内部材８１は、ロータ１２の径方向Ｒにおける内側に位置する第１案内体８２と、ロータ１２の径方向Ｒにおける外側に位置して第１案内体８２より蒸気流れ方向Ａ１における上流側に延出する第２案内体８３とを有する。

　従って、旋回流生成室３１に流れ込んだ漏れ蒸気Ｓ２は、複数の案内部材８１に案内される前に強度が低下した後、複数の第１案内体８２および第２案内体８３に案内されることで周方向の速度成分が減少されると共に、複数の第２案内体８３との接触により摩耗が増加して強度が低下することとなり、旋回流生成室３１から排出される周方向Ｃの速度成分が減少した旋回流蒸気Ｓ３と、旋回流生成室３１に流れ込む周方向Ｃの速度成分を有する漏れ蒸気Ｓ２とが干渉することで発生する渦流を減少させることができる。

［第５実施形態］
　図８は、第５実施形態の回転機械としての蒸気タービンにおける蒸気の流れを説明するための要部断面図である。なお、第５実施形態の基本的な構成は、上述した第１実施形態と同様であり、図１を用いて説明し、第１実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

　第５実施形態において、図１および図８に示すように、蒸気タービン１０は、ケーシング１１と、ロータ１２と、静翼１３と、動翼１４と、シール装置１５と、旋回流生成室３１と、複数の案内部材９１とを備える。

　旋回流生成室３１は、ケーシング１１におけるシール装置１５より蒸気流れ方向Ａ１の下流側にロータ１２の周方向Ｃに沿って設けられる。複数の案内部材９１は、旋回流生成室３１にロータ１２の径方向Ｒに沿うと共に、ロータ１２の周方向Ｃに所定間隔を空けて設けられる。案内部材９１は、内周面４６と第１壁面４７に固定される。ここで、旋回流生成室３１は、蒸気流れ方向Ａ１における下流側の第１壁面４７が、静翼１３の蒸気流れ方向Ａ１における上流側の前縁部１３ａより蒸気流れ方向Ａ１における下流側に位置する。

　また、案内部材９１は、蒸気流れ方向Ａ１における上流側の端部が、突起部４９の蒸気流れ方向Ａ１における上流側の端部より、蒸気流れ方向Ａ１における上流側に位置する。そして、案内部材９１と第２壁面４８との間にロータ１２の周方向に連通する連通部９２が設けられる。つまり、案内部材９１は、内周面４６と第１壁面４７とにだけ固定されており、第２壁面４８に固定されずにここに連通部９２が設けられる。この連通部９２は、動翼１４のシュラウド４１における外周面４１ａよりロータ１２の径方向Ｒにおける外側まで設けられる。

　更に、動翼１４のシュラウド４１は、蒸気流れ方向Ａ１の下流側の外周面４１ａに、連通部９２側へ延出する第１案内面９３が設けられると共に、蒸気流れ方向Ａ１の下流側にロータ１２の径方向Ｒにおける内側を向く第２案内面９４が設けられる。そして、シュラウド４１の第１案内面９３と案内部材９１の蒸気流れ方向Ａ１の上流側の端面９１ａとの距離Ｌ１は、シュラウド４１の後端面４１ｂと突起部４９の蒸気流れ方向Ａ１における上流の端面４９ａとの距離Ｌ２より短い。つまり、Ｌ１＜Ｌ２である。

　このように第５実施形態の回転機械では、動翼１４のシュラウド４１は、蒸気流れ方向Ａ１の下流側の外周面４１ａに、連通部９２側へ延出する第１案内面９３が設けられる。従って、シール装置１５からの漏れ蒸気Ｓ２を連通部９２に適正に案内することができる。

　第５実施形態の回転機械では、動翼１４のシュラウド４１は、蒸気流れ方向Ａ１の下流側にロータ１２の径方向Ｒにおける内側を向く第２案内面９４が設けられる。従って、旋回流生成室３１から主流蒸気Ｓ１に合流する旋回流蒸気Ｓ３を第２案内面９４により滑らかに主流蒸気Ｓ１に合流させることができる。

　なお、上述した実施形態では、シール装置をラビリンスシールとしたが、別の非接触式シールでもよい。

　また、上述した実施形態では、本発明の回転機械を蒸気タービン１０に適用したが、蒸気タービンに限らず、圧縮機や排気タービンなど、作動時に内部の圧力が外部の圧力より高くなる回転機械に適用することができる。

　１０　蒸気タービン（回転機械）
　１１　ケーシング
　１１ａ　内周面
　１２　ロータ
　１３　静翼
　１４　動翼
　１５　シール装置
　２０　軸受
　２１　ロータディスク
　２２　蒸気供給口
　２３　蒸気通路
　２４　翼列部
　２５　排気室
　２６　蒸気排出口
　３１　旋回流生成室
　３２，６１，７１，８１，９１　案内部材
　３２ａ，６１ａ，７１ａ，８２ａ，８３ａ，９１ａ　端面
　４１　シュラウド
　４１ａ　外周面
　４１ｂ　後端面
　４２　凹部
　４２ａ　内周面
　４３，４４，４５　シールフィン
　４６　内周面
　４７　第１壁面
　４８　第２壁面
　４９　突起部
　４９ａ　端面
　７２，９２　連通部
　８２　第１案内体
　８３　第２案内体
　９３　第１案内面
　９４　第２案内面
　Ａ　軸方向
　Ａ１　蒸気流れ方向
　Ｃ　周方向
　Ｃ１　回転方向
　Ｒ　径方向
　Ｓ　蒸気
　Ｓ１　主流蒸気
　Ｓ２　漏れ蒸気
　Ｓ３　旋回流蒸気
　Ｓ４　漏れ蒸気

Claims

　中空形状をなすケーシングと、
　前記ケーシング内に回転自在に支持される回転体と、
　前記回転体の外周部に固定される動翼と、
　前記動翼に対して流体の流れ方向における下流側に配置されて前記ケーシングの内周部に固定される静翼と、
　前記ケーシングの内周部と前記動翼の先端部との間に配置されるシール装置と、
　前記ケーシングにおける前記シール装置より流体の流れ方向の下流側に前記回転体の周方向に沿って設けられる旋回流生成室と、
　前記旋回流生成室に前記回転体の径方向に沿うと共に前記回転体の周方向に所定間隔を空けて設けられる複数の案内部材と、
　を備え、
　前記旋回流生成室は、流体の流れ方向における下流側の壁面が、前記静翼の流体の流れ方向における上流側の縁部より流体の流れ方向における下流側に位置する、
　ことを特徴とする回転機械。
　前記旋回流生成室は、前記ケーシングの内周面と、前記ケーシングにおける前記シール装置に対して流体の流れ方向における下流側に対向する第１壁面と、前記ケーシングの内周面に対して前記回転体の径方向における内側に対向する第２壁面とを有し、複数の案内部材は、少なくとも前記ケーシングの内周面と前記第１壁面に固定され、前記壁面としての前記第１壁面は、前記静翼の流体の流れ方向における上流側の縁部より流体の流れ方向における下流側に位置することを特徴とする請求項１に記載の回転機械。
　前記ケーシングの内周面に凹部が形成され、前記動翼の先端部が前記凹部内に所定隙間をあけて配置され、前記旋回流生成室は、前記凹部における流体の流れ方向における下流側に設けられ、前記凹部の内周面と、前記凹部に設けられる前記第１壁面と、前記ケーシングの内周面から流体の流れ方向の上流側に延出する突起部に設けられる前記第２壁面とを有し、前記第１壁面は、前記静翼の流体の流れ方向における上流側の縁部より流体の流れ方向における下流側に位置することを特徴とする請求項２に記載の回転機械。
　前記突起部は、流体の流れ方向における上流側の端部が、前記案内部材の流体の流れ方向における上流側の端部より、流体の流れ方向における上流側に位置することを特徴とする請求項３に記載の回転機械。
　前記案内部材は、流体の流れ方向における上流側の端部が、前記突起部の流体の流れ方向における上流側の端部より、流体の流れ方向における上流側に位置することを特徴とする請求項３に記載の回転機械。
　前記案内部材と前記第２壁面との間に前記回転体の周方向に連通する連通部が設けられることを特徴とする請求項２から請求項５のいずれか一項に記載の回転機械。
　前記連通部は、前記動翼の先端部より前記回転体の径方向における外側まで設けられることを特徴とする請求項６に記載の回転機械。
　前記動翼は、先端部にシュラウドが固定され、前記シュラウドは、流体の流れ方向の下流側に、前記連通部側へ延出する第１案内面が設けられることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の回転機械。
　前記シュラウドは、流体の流れ方向の下流側に前記回転体の径方向における内側を向く第２案内面が設けられることを特徴とする請求項８に記載の回転機械。
　前記案内部材は、前記回転体の径方向における内側に位置する第１案内体と、前記回転体の径方向における外側に位置して前記第１案内体より前記流体の流れ方向における上流側に延出する第２案内体とを有することを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の回転機械。