JP2011080452A

JP2011080452A - タービン

Info

Publication number: JP2011080452A
Application number: JP2009235430A
Authority: JP
Inventors: Sachihiro Kuwamura; 祥弘桑村; Kazuyuki Matsumoto; 和幸松本; Koji Oyama; 宏治大山; Yoshinori Tanaka; 良典田中; Asaharu Matsuo; 朝春松尾
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2009-10-09
Filing date: 2009-10-09
Publication date: 2011-04-21
Also published as: US8784046B2; CN102449268B; KR20120010272A; US20120121393A1; EP2487332A4; EP2487332B1; EP2487332A1; WO2011043286A1; CN102449268A; KR101279191B1

Abstract

【課題】漏洩流量をより低減化した高性能なタービンを提供する。
【解決手段】ブレード５０と、これに対して相対回転する構造体１１とを備えたタービンである。ブレード５０の先端部と、この先端部に対応する構造体１１との一方に、段差面５３Ａを有したステップ部５２Ａが設けられ、他方に、ステップ部５２Ａに対して延出して微小隙間Ｈを形成するシールフィン１５Ａが設けられている。ブレード５０と構造体１１との間には、シールフィン１５Ａとこれに対して構造体１１の回転軸方向上流側で対向する隔壁との間にキャビティＣ１が形成されている。キャビティＣ１の、隔壁とシールフィン１５Ａとの間の距離をキャビティ幅Ｗとし、シールフィン１５Ａと、ステップ部５２Ａの回転軸方向上流側における端縁部５５との間の距離をＬとすると、この距離Ｌのうち少なくとも１つは、次の式（１）を満足する。０．７Ｈ≦Ｌ≦０．３Ｗ ……（１）
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば、発電プラント、化学プラント、ガスプラント、製鉄所、船舶等に用いられるタービンに関する。

周知のように、蒸気タービンの一種として、ケーシングと、ケーシングの内部に回転自在に設けられた軸体（ロータ）と、ケーシングの内周部に固定配置された複数の静翼と、これら複数の静翼の下流側において軸体に放射状に設けられた複数の動翼とを備えたものがある。このような蒸気タービンのうち衝動タービンの場合は、蒸気の圧力エネルギーを静翼によって速度エネルギーに変換し、この速度エネルギーを動翼によって回転エネルギー（機械エネルギー）に変換している。また、反動タービンの場合は、動翼内でも圧力エネルギーが速度エネルギーに変換され、蒸気が噴出する反動力により回転エネルギー（機械エネルギー）に変換される。

この種の蒸気タービンでは、動翼の先端部と、動翼を囲繞して蒸気の流路を形成するケーシングとの間に径方向の隙間が形成され、また、静翼の先端部と軸体との間にも径方向の隙間が形成されているのが通常である。しかし、動翼先端部の隙間を下流側に通過する漏洩蒸気は、動翼に対して回転力を付与しない。また、静翼先端部の隙間を下流側に通過する漏洩蒸気は、静翼によって圧力エネルギーを速度エネルギーに変換されないため、下流動翼に対して回転力をほとんど付与しない。したがって、蒸気タービンの性能向上のためには、前記隙間を通過する漏洩蒸気の量を低減することが重要となる。

下記特許文献１には、動翼の先端部に、軸方向上流側から下流側に向かって高さが次第に高くなるステップ部が設けられ、ケーシングに、前記ステップ部に対して隙間を有するシールフィンが設けられた構造が提案されている。
このような構成により、シールフィンの隙間を通り抜けた漏れ流れがステップ部の段差面を形成する端縁部に衝突し、流動抵抗を増大させることにより、漏洩流量が低減化されている。

特開２００６−２９１９６７号公報（図４）

しかしながら、蒸気タービンの性能向上に対する要望は強く、したがって漏洩流量をさらに低減化することが求められている。
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、漏洩流量をより低減化した高性能なタービンを提供することを目的としている。

前記目的を達成するため、本発明のタービンは、ブレードと、前記ブレードの先端側に隙間を介して設けられるとともに、前記ブレードに対して相対回転する構造体と、を備えたタービンであって、
前記ブレードの先端部側と、前記構造体の前記先端部に対応する部位とのうちの一方には、段差面を有して他方側に突出するステップ部が設けられ、前記他方には、前記ステップ部に対して延出して該ステップ部との間に微小隙間Ｈを形成するシールフィンが設けられ、
前記ブレードの先端部と前記構造体の前記部位との間には、前記シールフィンと該シールフィンに対して前記構造体の回転軸方向上流側で対向する隔壁との間にキャビティが形成され、
前記キャビティの、前記隔壁と前記シールフィンとの間の距離をキャビティ幅Ｗとし、
前記シールフィンと、前記ステップ部の前記回転軸方向上流側における端縁部との間の距離をＬとすると、この距離Ｌのうち少なくとも１つは、以下の式（１）を満足することを特徴としている。
０．７Ｈ≦Ｌ≦０．３Ｗ ……（１）

このタービンによれば、キャビティ内に流入した流体がステップ部の端縁部を形成する段差面、すなわちステップ部の軸方向上流側に向く面に衝突し、上流側に戻るようにして第１方向に回る主渦を生じる。また、その際、特に前記段差面の端縁部（エッジ）において、前記主渦から一部の流れが剥離されることにより、前記第１方向と反対方向に回る剥離渦を生じる。この剥離渦は、シールフィン先端とステップ部との間の微小隙間Ｈを通り抜ける漏れ流れを低減する、縮流効果を発揮する。ただし、この剥離渦による縮流効果は、特に前記端縁部の位置（シールフィンからの距離Ｌ）と前記微小隙間Ｈの大きさとの関係、さらにはキャビティ幅Ｗとの関係によって変化する。
そこで、後述するシミュレーション結果に基づき、前記式（１）を満足させるようにこれらの関係を規定したことにより、剥離渦による縮流効果を十分に高くし、漏洩流量をより低減化することが可能になる。

また、前記タービンにおいては、前記距離Ｌが、以下の式（２）を満足するのが好ましい。
１．２５Ｈ≦Ｌ≦２．７５Ｈ（ただし、Ｌ≦０．３Ｗ） ……（２）
このようにすれば、後述するシミュレーション結果に示すように、剥離渦による縮流効果がより高くなり、漏洩流量がさらに低減化する。

また、前記タービンにおいて、前記ステップ部は、前記回転軸方向上流側から下流側に向かって突出高さが次第に高くなるように複数設けられ、前記他方には、前記ステップ部のそれぞれに対して延出する前記シールフィンが設けられており、前記ステップ部に対応するシールフィンは、前記回転軸方向下流側に隣接するステップ部に対応するシールフィンに対して対向する前記隔壁となっているのが好ましい。
このようにすれば、前記の剥離渦による縮流効果が各ステップ部毎に得られ、したがってブレードとこれに対応する構造体との間の漏洩流量が十分に低減化される。

なお、このタービンにおいては、前記構造体の、前記先端部に対応する部位は環状の凹部となっており、前記複数のステップ部のうちの、前記回転軸方向最上流側に位置するステップ部に対応するシールフィンに対して対向する前記隔壁は、前記凹部の、前記回転軸方向上流側の内壁面によって形成されているのが好ましい。
このようにすれば、回転軸方向最上流側に位置するステップ部においても、前記の剥離渦による縮流効果が得られ、したがってブレードとこれに対応する構造体との間の漏洩流量が十分に低減化される。

本発明によれば、漏洩流量をより低減化した、高性能なタービンを提供することができる。

本発明に係る蒸気タービンを示す概略構成断面図である。本発明の第１実施形態を示す図であって、図１における要部Ｉを示す拡大断面図である。本発明の第１実施形態に係る蒸気タービンの作用説明図である。シミュレーション結果を示すグラフである。図４の範囲［１］でのフローパターン説明図である。図４の範囲［２］でのフローパターン説明図である。図４の範囲［３］でのフローパターン説明図である。本発明の第２実施形態を示す図であって、図１における要部Ｉを示す拡大断面図である。本発明の第３実施形態を示す図であって、図１における要部Ｊを示す拡大断面図である。本発明の第４実施形態を示す図であって、図１における要部Ｊを示す拡大断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳しく説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る蒸気タービン１を示す概略構成断面図である。
蒸気タービン１は、ケーシング１０と、ケーシング１０に流入する蒸気Ｓの量と圧力を調整する調整弁２０と、ケーシング１０の内方に回転自在に設けられ、動力を図示しない発電機等の機械に伝達する軸体（ロータ）３０と、ケーシング１０に保持された静翼４０と、軸体３０に設けられた動翼５０と、軸体３０を軸回りに回転可能に支持する軸受部６０と、を主たる構成としている。

ケーシング１０は、内部空間が気密に封止されているとともに、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、軸体３０が挿通されたリング状の仕切板外輪１１が強固に固定されている。本実施形態では、この仕切板外輪１１が本発明における「構造体」となっている。

調整弁２０は、ケーシング１０の内部に複数個取り付けられており、それぞれ図示しないボイラから蒸気Ｓが流入する調整弁室２１と、弁体２２と、弁座２３とを備えており、弁体２２が弁座２３から離れると蒸気流路が開いて、蒸気室２４を介して蒸気Ｓがケーシング１０の内部空間に流入するようになっている。

軸体３０は、軸本体３１と、この軸本体３１の外周から径方向に延出した複数のディスク３２とを備えている。この軸体３０は、回転エネルギーを、図示しない発電機等の機械に伝達するようになっている。

静翼４０は、軸体３０を囲繞するように放射状に多数配置されて環状静翼群を構成しており、それぞれ前述した仕切板外輪１１に保持されている。これら静翼４０の径方向における内方側は、軸体３０が挿通されたリング状のハブシュラウド４１で連結され、その先端部が軸体３０に対して径方向の隙間をあけて配設されている。
これら複数の静翼４０からなる環状静翼群は、回転軸方向に間隔をあけて六つ形成されており、蒸気Ｓの圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して、下流側に隣接する動翼５０側に案内するようになっている。

動翼５０は、軸体３０が有するディスク３２の外周部に強固に取り付けられている。この動翼５０は、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。本実施形態では、この動翼５０が本発明における「ブレード」となっている。

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。すなわち、蒸気タービン１は、六段に構成されている。このうち、最終段における動翼５０の先端部は、周方向に延びたチップシュラウド５１とされている。

図２は、図１における要部Ｉを示す拡大断面図である。
図２に示すように、動翼（ブレード）５０の先端部となるチップシュラウド５１は、ケーシング１０の径方向において仕切板外輪（構造体）１１と間隙を介して対向して配置されている。チップシュラウド５１は、段差面５３（５３Ａ〜５３Ｃ）を有して仕切板外輪１１側に突出する、ステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）を形成したものである。

本実施形態では、チップシュラウド５１は三つのステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）を形成しており、これら三つのステップ部５２Ａ〜５２Ｃは、軸体３０の回転軸方向（以下、軸方向と記す）上流側から下流側に向かって、動翼５０からの突出高さが次第に高くなるように配設されている。すなわち、ステップ部５２Ａ〜５２Ｃは、段差を形成する段差面５３（５３Ａ〜５３Ｃ）が、軸方向上流側を向いた前向きに形成されている。

仕切板外輪１１には、前記チップシュラウド５１に対応する部位に環状溝（環状の凹部）１１ａが形成されており、この環状溝１１ａ内に、チップシュラウド５１が収容されている。
この仕切板外輪１１の環状溝１１ａにおける溝底面１１ｂは、本実施形態では軸方向において略同径に形成されている。また、この溝底面１１ｂには、チップシュラウド５１に向けて径方向内方側に延出する三つのシールフィン１５（１５Ａ〜１５Ｃ）が設けられている。

これらシールフィン１５（１５Ａ〜１５Ｃ）は、ステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）に１：１で対応してそれぞれ溝底部１１ｂから延出して設けられたもので、対応するステップ部５２との間に、微小隙間Ｈを径方向に形成したものである。この微小隙間Ｈ（Ｈ１〜Ｈ３）の各寸法は、ケーシング１０や動翼５０の熱伸び量、動翼５０の遠心伸び量等を考慮した上で、両者が接触することがない安全な範囲内で、最小のものに設定されている。なお、本実施形態では、Ｈ１〜Ｈ３は全て同じ寸法となっている。ただし、必要に応じて、これらを適宜に変えてもよいのはもちろんである。

このような構成のもとに、チップシュラウド５１側と仕切板外輪１１との間には、前記環状溝１１ａ内において、各ステップ部５２毎にこれに対応してキャビティＣ（Ｃ１〜Ｃ３）が形成されている。
キャビティＣ（Ｃ１〜Ｃ３）は、各ステップ部５２に対応したシールフィン１５と、このシールフィン１５に対して軸方向上流側で対向する隔壁との間に形成されている。

軸方向最上流側に位置する、第１段目のステップ５２Ａに対応する第１のキャビティＣ１では、前記隔壁は、前記環状溝１１ａの、軸方向上流側の内壁面５４によって形成されている。したがって、この内壁面５４と第１段目のステップ５２Ａに対応するシールフィン１５Ａとの間で、さらにチップシュラウド５１側と仕切板外輪１１との間に、第１のキャビティＣ１が形成されている。

また、第２段目のステップ５２Ｂに対応する第２のキャビティＣ２では、前記隔壁は、軸方向上流側に位置するステップ部５２Ａに対応するシールフィン１５Ａによって形成されている。したがって、シールフィン１５Ａとシールフィン１５Ｂとの間で、さらにチップシュラウド５１と仕切板外輪１１との間に、第２のキャビティＣ２が形成されている。
同様に、シールフィン１５Ｂとシールフィン１５Ｃとの間で、さらにチップシュラウド５１と仕切板外輪１１との間に、第３のキャビティＣ３が形成されている。

このようなキャビティＣ（Ｃ１〜Ｃ３）において、シールフィン１５（１５Ａ〜１５Ｃ）の先端部と、該シールフィン１５（１５Ａ〜１５Ｃ）の先端部と同径上の前記隔壁との間の軸方向距離をキャビティ幅Ｗ（Ｗ１〜Ｗ３）とする。
すなわち、第１のキャビティＣ１においては、前記内壁面５４とシールフィン１５Ａとの間の距離をキャビティ幅Ｗ１とし、第２のキャビティＣ２においては、シールフィン１５Ａとシールフィン１５Ｂとの間の距離をキャビティ幅Ｗ２とし、第３のキャビティＣ３においては、シールフィン１５Ｂとシールフィン１５Ｃとの間の距離をキャビティ幅Ｗ３とする。なお、本実施形態では、Ｗ１〜Ｗ３は全て同じ寸法となっている。ただし、必要に応じて、これらを適宜に変えてもよいのはもちろんである。

また、前記シールフィン１５と、それに対応する各ステップ部５２の軸方向上流側における端縁部５５との間の軸方向距離、すなわちシールフィン１５と段差面５３のエッジ５５との間の距離をＬ（Ｌ１〜Ｌ３）とすると、この距離Ｌのうち少なくとも１つは、以下の式（１）を満足して形成されている。
０．７Ｈ≦Ｌ≦０．３Ｗ ……（１）

また、この距離Ｌのうち少なくとも１つは、以下の式（２）を満足して形成されているのが、より好ましい。
１．２５Ｈ≦Ｌ≦２．７５Ｈ（ただし、Ｌ≦０．３Ｗ） ……（２）
ここで、前記の式（１）、さらには式（２）の条件を満たせば、運転条件には左右されることなく、本発明が意図するところの縮流効果を得ることができる。ただし、停止時に満足していても、運転時に満足していなければ意図する効果は得られなくなるため、前記の式（１）、式（２）の条件は、「運転時に満たしている」ことが必須となる。
なお、本実施形態では、Ｈ１〜Ｈ３は全て同じ寸法となっているため、ＨはＨ１〜Ｈ３を代表する数値となっており、同様に、ＷはＷ１〜Ｗ３を代表する数値となっている。

軸受部６０は、ジャーナル軸受装置６１及びスラスト軸受装置６２を備えており、軸体３０を回転可能に支持している。

次に、上記の構成からなる蒸気タービン１の動作について、図１〜図３を用いて説明する。
まず、調整弁２０（図１参照）を開状態とすると、図示しないボイラから蒸気Ｓがケーシング１０の内部空間に流入する。

ケーシング１０の内部空間に流入した蒸気Ｓは、各段における環状静翼群と環状動翼群とを順次通過する。この際には、圧力エネルギーが静翼４０によって速度エネルギーに変換され、静翼４０を経た蒸気Ｓのうちの大部分が同一の段を構成する動翼５０間に流入し、動翼５０により蒸気Ｓの速度エネルギーが回転エネルギーに変換されて、軸体３０に回転が付与される。一方、蒸気Ｓのうちの一部（例えば、数％）は、静翼４０から流出した後、環状溝１１ａ内に流入する、いわゆる、漏洩蒸気となる。

ここで、図３に示すように環状溝１１ａ内に流入した蒸気Ｓは、まず、第１のキャビティＣ１に流入し、ステップ部５２Ａの段差面５３Ａに衝突し、上流側に戻るようにして例えば図３の紙面上にて反時計回り（第１方向）に回る主渦Ｙ１を生じる。

その際、特にステップ部５２Ａの前記端縁部（エッジ）５５において、前記主渦Ｙ１から一部の流れが剥離されることにより、この主渦Ｙ１と反対方向、本例では図３の紙面上にて時計回りに回るように、剥離渦Ｙ２を生じる。この剥離渦Ｙ２は、シールフィン１５Ａとステップ部５２Ａとの間の微小隙間Ｈ１を通り抜ける漏れ流れを低減する、縮流効果を発揮する。

すなわち、図３に示したように剥離渦Ｙ２が形成されると、この剥離渦Ｙ２には、シールフィン１５Ａの軸方向上流側において、速度ベクトルを径方向内方側に向けるダウンフローを生じる。このダウンフローは、前記微小隙間Ｈ１の直前で径方向内方側に向う慣性力を保有しているため、前記微小隙間Ｈ１を通り抜ける流れに対し、径方向内方側に縮める効果（縮流効果）を発揮し、漏洩流量は小さくなる。

例えば、図３に示したように剥離渦Ｙ２が真円を形成すると仮定すると、この剥離渦Ｙ２の直径が前記微小隙間Ｈ１の２倍になってその外周がシールフィン１５Ａに接する場合、すなわちＬ１＝２Ｈ１（Ｌ＝２Ｈ）の場合に、この剥離渦Ｙ２のダウンフローにおける径方向内方側に向く速度成分が最大の位置が、シールフィン１５Ａの先端（内端縁）に一致し、したがってこのダウンフローが前記微小隙間Ｈ１の直前をより良好に通過するため、漏れ流れに対する縮流効果が最大になると考えられる。

そこで、このように縮流効果が十分に得られる条件が存在するとの知見のもとに、本願発明者はシミュレーションを行った結果、シールフィン１５（１５Ａ〜１５Ｃ）と段差面５３（５３Ａ〜５３Ｃ）の端縁部（エッジ）５５との間の軸方向距離Ｌ（Ｌ１〜Ｌ３）を、前記式（１）を満足させるように構成している。また、好ましくは、前記式（２）を満足させるように構成している。

（シミュレーション）
ここで、図２、図３に示した前記距離Ｌ、シールフィン１５の微小隙間Ｈ、キャビティ幅Ｗの相互間における条件と、タービン効率変化およびリーク量変化率との関係について、シミュレーションを行った結果について説明する。

図４は、シミュレーション結果を示すグラフであり、このグラフ中の横軸は前記Ｌの寸法（長さ）を示し、縦軸はタービン効率変化およびリーク量変化率を示している。なお、タービン効率変化およびリーク量変化率については、一般的なステップフィン構造でのタービン効率、リーク流量に対する大小を示している。また、このグラフでは、横軸、縦軸ともに、その目盛りは対数等の特殊な目盛りでなく、一般的な等差目盛りになっている。

図４に示した結果より、Ｌは以下の式（１）を満足する範囲とするのが好ましく、式（２）を満足する範囲とするのがより好ましことが分かった。
０．７Ｈ≦Ｌ≦０．３Ｗ ……（１）
１．２５Ｈ≦Ｌ≦２．７５Ｈ（ただし、Ｌ≦０．３Ｗ） ……（２）

すなわち、図４に示す範囲［１］（Ｌ＜０．７Ｈ）では、図５に示すように端縁部（エッジ）５５で剥離渦Ｙ２が生成せず、このためシールフィン１５の軸方向上流側にダウンフローが形成されないことが分かった。したがって、ダウンフローによる漏れ流れに対する縮流効果がほとんど得られなくなり、図４に示したようにリーク量変化率が高く（＋側）、すなわち、漏洩流量が多くなる。よって、タービン効率変化は低く（−側）、すなわち、タービン効率は低下する。

図４に示す範囲［２］（０．７Ｈ≦Ｌ≦０．３Ｗ）、すなわち前記式（１）の範囲内では、図６に示すように端縁部（エッジ）５５で剥離渦Ｙ２が生成し、そのダウンフローの強い部分（矢印Ｄ）が、シールフィン１５の先端近傍に位置するようになることが分かった。したがって、ダウンフローによる漏れ流れに対する縮流効果が十分に得られ、図４に示したようにリーク量変化率が低く（−側）、すなわち、漏洩流量が少なくなる。よって、タービン効率変化は高く（＋側）、すなわち、タービン効率は増加する。

なお、図４に示す範囲［２ａ］（０．７Ｈ≦Ｌ＜１．２５Ｈ）では、剥離渦Ｙ２が端縁部（エッジ）５５で生成されるものの、比較的小さく、ダウンフローの最も強くなる部分Ｄが、シールフィン１５の先端より径方向内方側の、微小隙間Ｈ内と対応する位置にあることが分かった。したがって、図４に示したように、ダウンフローによる漏れ流れに対する縮流効果は十分に得られるものの、後記する範囲［２ｂ］に比べると低くなる。

図４に示す範囲［２ｂ］（１．２５Ｈ≦Ｌ≦２．７５Ｈ）では、端縁部（エッジ）５５で強い剥離渦Ｙ２が生成し、この剥離渦Ｙ２のダウンフローの最も強くなる部分Ｄが、シールフィン１５の先端とほぼ一致することが分かった。したがって、図４に示したように、ダウンフローによる漏れ流れに対する縮流効果が最も高くなる。
特に、前述のように、Ｌ＝２Ｈ近傍で漏洩流量が最小で、タービン効率が最大になるといえる。

さらに、図４に示す範囲［２ｃ］（２．７５Ｈ＜Ｌ≦０．３Ｗ）では、端縁部（エッジ）５５で生成した剥離渦Ｙ２が大きくなり、ダウンフローの最も強くなる部分Ｄが、シールフィン１５の先端より径方向外方側に離れ始めることが分かった。したがって、図４に示したように、ダウンフローによる漏れ流れに対する縮流効果は十分に得られるものの、前記範囲［２ｂ］に比べると低くなる。

また、図４に示す範囲［３］（０．３Ｗ＜Ｌ）では、図７に示すように端縁部（エッジ）５５で生成した剥離渦Ｙ２が環状溝１１ａの溝底面１１ｂに付着し、大きな渦となるため、剥離渦Ｙ２のダウンフローの強くなる部分Ｄが、シールフィン１５の中間高さ辺りに移動する。そのため、シールフィン１５の先端部分には強いダウンフローが形成されないことが分かった。したがって、ダウンフローによる漏れ流れに対する縮流効果がほとんど得られなくなり、図４に示したようにリーク量変化率が高く（＋側）、すなわち、漏洩流量が多くなる。よって、タービン効率変化は低く（−側）、すなわち、タービン効率は低下する。

以上のシミュレーション結果より、本発明では前記Ｌを、前記式（１）を満足する範囲にしている。
これにより、前記の各キャビティＣ１〜Ｃ３では、各ステップ部５２Ａ〜５２Ｃとこれに対応するシールフィン１５Ａ〜１５Ｃとの間、さらにはキャビティ幅Ｗとの間の相互の位置関係が前記式（１）を満足しているため、剥離渦Ｙ２による縮流効果が十分に高くなり、漏洩流量が従来に比べ格段に低減化する。したがって、このようなシール構造を備えた蒸気タービン１にあっては、漏洩流量がより低減化した、高性能なものとなる。

また、式（２）を満足する範囲となっていれば、剥離渦Ｙ２による縮流効果がより高くなり、漏洩流量がさらに低減化するため、蒸気タービン１は、より高性能なものとなる。
また、この蒸気タービン１では、ステップ部を３段形成し、したがってキャビティＣを三つ形成しているので、各キャビティＣで前述した縮流効果により漏洩流量を低減化できるため、全体としてより十分な漏洩流量の低減化を達成することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る蒸気タービンを説明する。
図８は、第２実施形態を説明するための図であって、図１における要部Ｉを示す拡大断面図である図２に、対応する図である。

図８に示した第２実施形態が図２に示した第１実施形態と異なるところは、第１実施形態では動翼（ブレード）５０の先端部となるチップシュラウド５１にステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）を形成し、仕切板外輪（構造体）１１にシールフィン１５（１５Ａ〜１５Ｃ）を設けたのに対し、第２実施形態では、仕切板外輪（構造体）１１にステップ部５２を形成し、チップシュラウド５１にシールフィン１５を設けた点である。

すなわち、この第２実施形態では、図８に示すように、仕切板外輪（構造体）１１に形成された環状溝１１ａの溝底面１１ｂに、二つのステップ部５２、すなわち段差面５３Ｄを有するステップ部５２Ｄと、段差面５３Ｅを有するステップ部５２Ｅとを形成している。一方、動翼（ブレード）５０の先端部となるチップシュラウド５１には、前記溝底面１１ｂに向けて径方向外方側に延出する三つのシールフィン１５（１５Ｄ〜１５Ｆ）が設けられている。

これらシールフィン１５（１５Ｄ〜１５Ｆ）において、軸方向上流側のシールフィン１５Ｄは、前記ステップ部５２の軸方向上流側に位置する溝底面１１ｂに対応して延出し、シールフィン１５Ｅ、１５Ｆは、それぞれ前記ステップ部５２Ｄ、５２Ｅに対応して延出している。なお、これらシールフィン１５Ｄ〜１５Ｆも、対応する溝底面１１ｂあるいはステップ部５２との間に微小隙間を形成しており、特にシールフィン１５Ｅ、１５Ｆは、対応するステップ部５２Ｄ、５２Ｅとの間に、本発明に係る微小隙間Ｈ（Ｈ４、Ｈ５を径方向に形成している。

この微小隙間Ｈ（Ｈ４、Ｈ５）の各寸法は、第１実施形態と同様に、ケーシング１０や動翼５０の熱伸び量、動翼５０の遠心伸び量等を考慮した上で、両者が接触することがない安全な範囲内で、最小のものに設定されている。なお、本実施形態でも、Ｈ４とＨ５とは同じ寸法となっている。ただし、必要に応じて、これらを適宜に変えてもよいのはもちろんである。

このような構成のもとに、チップシュラウド５１側と仕切板外輪１１との間には、前記環状溝１１ａ内において、各ステップ部５２毎にこれに対応してキャビティＣ（Ｃ４、Ｃ５）が形成されている。
キャビティＣ（Ｃ４、Ｃ５）は、第１実施形態と同様に、各ステップ部５２に対応したシールフィン１５（１５Ｅ、１５Ｆ）と、これらシールフィン１５に対して軸方向上流側で対向する隔壁との間に形成されている。

軸方向最上流側に位置する、第１段目のステップ５２Ｄに対応する第１のキャビティＣ４では、前記隔壁は、軸方向上流側に位置するシールフィン１５Ｄによって形成されている。したがって、シールフィン１５Ｄとシールフィン１５Ｅとの間で、さらにチップシュラウド５１と仕切板外輪１１との間に、第１のキャビティＣ４が形成されている。
同様に、シールフィン１５Ｅとシールフィン１５Ｆとの間で、さらにチップシュラウド５１と仕切板外輪１１との間に、第２のキャビティＣ５が形成されている。

このようなキャビティＣ（Ｃ４、Ｃ５）において、前記シールフィン１５、１５間の軸方向距離をキャビティ幅Ｗ（Ｗ４、Ｗ５）とする。そして、前記シールフィン１５と、それに対応する各ステップ部５２の軸方向上流側における端縁部５５との間の距離、すなわちシールフィン１５と段差面５３のエッジ５５との間の軸方向距離をＬ（Ｌ４、Ｌ５）とすると、この距離Ｌのうち少なくとも１つは、前記の式（１）を満足して形成されている。また、この距離Ｌのうち少なくとも１つは、前記の式（２）を満足して形成されているのが、より好ましい。

このように形成することで、前記の各キャビティＣ４、Ｃ５では、各ステップ部５２Ｄ、５２Ｅとこれに対応するシールフィン１５Ｅ、１５Ｆとの間、さらにはキャビティ幅Ｗとの間の相互の位置関係が前記式（１）を満足しているため、剥離渦Ｙ２による漏れ流れに対する縮流効果が十分に高くなり、漏洩流量が従来に比べ格段に低減化する。したがって、このようなシール構造を備えた蒸気タービンにあっては、漏洩流量がより低減化した、高性能なものとなる。

また、式（２）を満足する範囲となっていれば、剥離渦Ｙ２による縮流効果がより高くなり、漏洩流量がさらに低減化するため、蒸気タービンは、より高性能なものとなる。
また、この蒸気タービンでは、ステップ部を２段形成し、したがってキャビティＣを二つ形成しているので、各キャビティＣで前述した縮流効果により漏洩流量を低減化できるため、全体としてより十分な漏洩流量の低減化を達成することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る蒸気タービンを説明する。
図９は、第３実施形態を説明するための図であって、図１における要部Ｊを示す拡大断面図であり、図２に対応する図である。

図９に示した第３実施形態が図２に示した第１実施形態と異なるところは、第１実施形態では本発明に係る「ブレード」を動翼５０とし、その先端部となるチップシュラウド５１にステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）を形成するとともに、本発明に係る「構造体」を仕切板外輪１１とし、ここにシールフィン１５（１５Ａ〜１５Ｃ）を設けたのに対し、第３実施形態では、本発明に係る「ブレード」を静翼４０とし、その先端部にステップ部５２を形成するとともに、本発明に係る「構造体」を軸体（ロータ）３０として、ここにシールフィン１５を設けた点である。

すなわち、この第３実施形態では、図９に示すように静翼４０の先端部に、周方向に延びてハブシュラウド４１が設けられている。このハブシュラウド４１には、第１実施形態のチップシュラウド５１と同様に、三つのステップ部５２（５２Ｆ〜５２Ｈ）が形成されており、これら三つのステップ部５２Ｆ〜５２Ｈは、軸体３０の軸方向上流側から下流側に向かって、静翼４０からの突出高さが次第に高くなるように配設されている。すなわち、ステップ部５２Ｆ〜５２Ｈは、段差を形成する段差面５３（５３Ｆ〜５３Ｈ）が、軸方向上流側を向いた前向きに形成されている。

軸体３０には、前記ハブシュラウド４１に対応する部位となる前記ディスク３２、３２間に、環状溝（環状の凹部）３３が形成されており、この環状溝３３内に、ハブシュラウド４１が収容されている。この軸体３０の環状溝３３における溝底面３３ａは、本実施形態では軸方向において略同径に形成されている。また、この溝底面３３ａには、ハブシュラウド４１に向けて径方向外方側に延出する三つのシールフィン１５（１５Ｇ〜１５Ｉ）が設けられている。

これらシールフィン１５（１５Ｇ〜１５Ｉ）は、ステップ部５２（５２Ｆ〜５２Ｈ）に１：１で対応してそれぞれ溝底部３３ａから延出して設けられたもので、対応するステップ部５２との間に、微小隙間Ｈを径方向に形成したものである。この微小隙間Ｈ（Ｈ６〜Ｈ８）の各寸法は、軸体３０や静翼４０の熱伸び量、軸体３０の遠心伸び量等を考慮した上で、両者が接触することがない安全な範囲内で、最小のものに設定されている。なお、本実施形態でも、Ｈ６〜Ｈ８は全て同じ寸法となっている。ただし、必要に応じて、これらを適宜に変えてもよいのはもちろんである。

このような構成のもとに、ハブシュラウド４１側と軸体３０との間には、前記環状溝３３内において、各ステップ部５２毎にこれに対応してキャビティＣ（Ｃ６〜Ｃ８）が形成されている。
キャビティＣ（Ｃ６〜Ｃ８）は、各ステップ部５２に対応したシールフィン１５と、このシールフィン１５に対して軸方向上流側で対向する隔壁との間に形成されている。

軸方向最上流側に位置する、第１段目のステップ５２Ｆに対応する第１のキャビティＣ６では、前記隔壁は、前記環状溝３３の、軸方向上流側の内壁面３４によって形成されている。したがって、この内壁面３４と第１段目のステップ５２Ｆに対応するシールフィン１５Ｇとの間で、さらにハブシュラウド４１側と軸体３０との間に、第１のキャビティＣ６が形成されている。

また、第２段目のステップ５２Ｇに対応する第２のキャビティＣ７では、前記隔壁は、軸方向上流側に位置するステップ部５２Ｆに対応するシールフィン１５Ｇによって形成されている。したがって、シールフィン１５Ｇとシールフィン１５Ｈとの間で、さらにハブシュラウド４１と軸体３０との間に、第２のキャビティＣ７が形成されている。同様に、シールフィン１５Ｈとシールフィン１５Ｉとの間で、さらにハブシュラウド４１と軸体３０との間に、第３のキャビティＣ８が形成されている。

このようなキャビティＣ（Ｃ６〜Ｃ８）において、前記隔壁と前記シールフィン１５との間の距離をキャビティ幅Ｗとする。そして、前記シールフィン１５と、各ステップ部５２の軸方向上流側における端縁部との間の距離、すなわちシールフィン１５と段差面５３のエッジ５５との間の距離をＬ（Ｌ６〜Ｌ８）とすると、この距離Ｌのうち少なくとも１つは、前記の式（１）を満足して形成されている。また、この距離Ｌのうち少なくとも１つは、前記の式（２）を満足して形成されているのが、より好ましい。

このように形成することで、前記の各キャビティＣ６〜Ｃ８では、各ステップ部５２Ｆ〜５２Ｈとこれに対応するシールフィン１５Ｇ〜１５Ｉとの間、さらにはキャビティ幅Ｗとの間の相互の位置関係が前記式（１）を満足しているため、剥離渦Ｙ２による漏れ流れに対する縮流効果が十分に高くなり、漏洩流量が従来に比べ格段に低減化する。したがって、このようなシール構造を備えた蒸気タービンにあっては、漏洩流量がより低減化した、高性能なものとなる。

また、式（２）を満足する範囲となっていれば、剥離渦Ｙ２による漏れ流れに対する縮流効果がより高くなり、漏洩流量がさらに低減化するため、蒸気タービンは、より高性能なものとなる。
また、この蒸気タービンでは、ステップ部を３段形成し、したがってキャビティＣを三つ形成しているので、各キャビティＣで前述した縮流効果により漏洩流量を低減化できるため、全体としてより十分な漏洩流量の低減化を達成することができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態に係る蒸気タービンを説明する。
図１０は、第４実施形態を説明するための図であって、図１における要部Ｊを示す拡大断面図であり、図２に対応する図である。

図１０に示した第４実施形態が図９に示した第３実施形態と異なるところは、第３実施形態では静翼（ブレード）４０の先端部となるハブシュラウド４１にステップ部５２（５２Ｉ、５２Ｊ）を形成し、軸体（構造体）３０にシールフィン１５（１５Ｊ〜１５Ｌ）を設けたのに対し、第４実施形態では、軸体（構造体）３０にステップ部５２を形成し、ハブシュラウド４１にシールフィン１５を設けた点である。

すなわち、この第４実施形態では、図１０に示すように、軸体（構造体）３０に形成された環状溝３３の溝底面３３ａに、二つのステップ部５２、すなわち段差面５３Ｉを有するステップ部５２Ｉと、段差面５３Ｊを有するステップ部５２Ｊとを形成している。一方、静翼（ブレード）４０の先端部となるハブシュラウド４１には、前記溝底面３３ａに向けて径方向内方側に延出する三つのシールフィン１５（１５Ｊ〜１５Ｌ）が設けられている。

これらシールフィン１５（１５Ｊ〜１５Ｌ）において、軸方向上流側のシールフィン１５Ｊは、前記ステップ部５２の軸方向上流側に位置する溝底面３３ａに対応して延出し、シールフィン１５Ｋ、１５Ｌは、それぞれ前記ステップ部５２Ｉ、５２Ｊに対応して延出している。なお、これらシールフィン１５Ｊ〜１５Ｌも、対応する溝底面３３ａあるいはステップ部５２との間に微小隙間を形成しており、特にシールフィン１５Ｋ、１５Ｌは、対応するステップ部５２Ｉ、５２Ｊとの間に、本発明に係る微小隙間Ｈ（Ｈ９、Ｈ１０を径方向に形成している。

この微小隙間Ｈ（Ｈ９、Ｈ１０）の各寸法は、第３実施形態と同様に、軸体３０や静翼４０の熱伸び量、軸体３０の遠心伸び量等を考慮した上で、両者が接触することがない安全な範囲内で、最小のものに設定されている。なお、本実施形態でも、Ｈ９とＨ１０とは同じ寸法となっている。ただし、必要に応じて、これらを適宜に変えてもよいのはもちろんである。

このような構成のもとに、ハブシュラウド４１側と軸体３０との間には、前記環状溝３３内において、各ステップ部５２毎にこれに対応してキャビティＣ（Ｃ９、Ｃ１０）が形成されている。
キャビティＣ（Ｃ９、Ｃ１０）は、第３実施形態と同様に、各ステップ部５２に対応したシールフィン１５（１５Ｋ、１５Ｌ）と、これらシールフィン１５に対して軸方向上流側で対向する隔壁との間に形成されている。

軸方向最上流側に位置する、第１段目のステップ５２Ｉに対応する第１のキャビティＣ９では、前記隔壁は、軸方向上流側に位置するシールフィン１５Ｊによって形成されている。したがって、シールフィン１５Ｊとシールフィン１５Ｋとの間で、さらにハブシュラウド４１と軸体３０との間に、第１のキャビティＣ９が形成されている。
同様に、シールフィン１５Ｋとシールフィン１５Ｌとの間で、さらにハブシュラウド４１と軸体３０との間に、第２のキャビティＣ１０が形成されている。

このようなキャビティＣ（Ｃ９、Ｃ１０）において、前記シールフィン１５、１５間の距離をキャビティ幅Ｗとする。そして、前記シールフィン１５と、それに対応する各ステップ部５２の軸方向上流側における端縁部５５との間の距離、すなわちシールフィン１５と段差面５３のエッジ５５との間の軸方向距離をＬ（Ｌ９、Ｌ１０）とすると、この距離Ｌのうち少なくとも１つは、前記の式（１）を満足して形成されている。また、この距離Ｌのうち少なくとも１つは、前記の式（２）を満足して形成されているのが、より好ましい。

このように形成することで、前記の各キャビティＣ９、Ｃ１０では、各ステップ部５２Ｉ、５２Ｊとこれに対応するシールフィン１５Ｋ、１５Ｌとの間、さらにはキャビティ幅Ｗとの間の相互の位置関係が前記式（１）を満足しているため、剥離渦Ｙ２による漏れ流れに対する縮流効果が十分に高くなり、漏洩流量が従来に比べ格段に低減化する。したがって、このようなシール構造を備えた蒸気タービンにあっては、漏洩流量がより低減化した、高性能なものとなる。

なお、前述した実施形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であり、本発明の主旨から逸脱しない範囲において、設計要求等に基づき種々変更可能である。
例えば、前記実施形態では、シールフィン１５を設ける側についてはステップ形状に形成することなく、平面形状に形成したが、シールフィン１５を設ける側についても、対向するステップ部５２の形状に合わせてステップ形状に形成してもよいし、テーパ面や曲面でもよい。

また、前記第１実施形態、第２実施形態では、ケーシング１０に設けられた仕切板外輪１１を構造体としたが、このような仕切板外輪１１を設けずに、ケーシング１０自体を直接本発明の構造体として、構成してもよい。すなわち、この構造体は、動翼５０を囲繞するとともに、流体が動翼間を通過するように流路を規定するものであれば、どのような部材であってもよい。

また、前記実施形態では、ステップ部５２を複数設け、これによってキャビティＣも複数形成したが、これらステップ部５２やこれに対応するキャビティＣの数については任意であり、一つであっても、三つ、あるいは四つ以上であってもよい。
また、前記実施形態のように、シールフィン１５とステップ部５２とは必ずしも１：１で対応させる必要はなく、また、シールフィン１５に比べてステップ部５２を１つだけ少なくする必要もなく、これらの数については任意に設計することができる。
また、前記実施形態では、最終段の動翼５０や静翼４０に本発明を適用したが、他の段の動翼５０や静翼４０に本発明を適用してもよい。

また、前記実施形態では、本発明を復水式の蒸気タービンに適用したが、他の型式の蒸気タービン、例えば、二段抽気タービン、抽気タービン、混気タービン等のタービン型式に本発明を適用することもできる。
さらに、前記実施形態では、本発明を蒸気タービンに適用したが、ガスタービンにも本発明を適用することができ、さらには、回転翼のある全てのものに本発明を適用することができる。

１…蒸気タービン（タービン）、１０…ケーシング、１１…仕切板外輪（構造体）、１１ａ…環状溝（環状の凹部）、１１ｂ…溝底面、１５（１５Ａ〜１５Ｌ）…シールフィン、３０…軸体（構造体）、３３…環状溝（環状の凹部）、３３ａ…溝底面、４０…静翼（ブレード）、４１…ハブシュラウド、５０…動翼（ブレード）、５１…チップシュラウド、５２（５２Ａ〜５２Ｊ）…ステップ部、５３（５３Ａ〜５３Ｊ）…段差面、５４…内壁面、５５…端縁部（エッジ）、Ｃ（Ｃ１〜Ｃ１０）…キャビティ、Ｈ（Ｈ１〜Ｈ１０）…微小隙間、Ｗ（Ｗ１〜Ｗ１０）…キャビティ幅、Ｌ（Ｌ１〜Ｌ１０）…距離、Ｓ…蒸気、Ｙ１…主渦、Ｙ２…剥離渦、

Claims

ブレードと、
前記ブレードの先端側に隙間を介して設けられるとともに、前記ブレードに対して相対回転する構造体と、を備えたタービンであって、
前記ブレードの先端部と、前記構造体の前記先端部に対応する部位とのうちの一方には、段差面を有して他方側に突出するステップ部が設けられ、前記他方には、前記ステップ部に対して延出して該ステップ部との間に微小隙間Ｈを形成するシールフィンが設けられ、
前記ブレードの先端部側と前記構造体の前記部位との間には、前記シールフィンと該シールフィンに対して前記構造体の回転軸方向上流側で対向する隔壁との間にキャビティが形成され、
前記キャビティの、前記隔壁と前記シールフィンとの間の距離をキャビティ幅Ｗとし、
前記シールフィンと、前記ステップ部の前記回転軸方向上流側における端縁部との間の距離をＬとすると、この距離Ｌのうち少なくとも１つは、以下の式（１）を満足することを特徴とするタービン。
０．７Ｈ≦Ｌ≦０．３Ｗ ……（１）
前記距離Ｌは、以下の式（２）を満足することを特徴とする請求項１記載のタービン。
１．２５Ｈ≦Ｌ≦２．７５Ｈ（ただし、Ｌ≦０．３Ｗ） ……（２）
前記ステップ部は、前記回転軸方向上流側から下流側に向かって突出高さが次第に高くなるように複数設けられ、前記他方には、前記ステップ部のそれぞれに対して延出する前記シールフィンが設けられており、前記ステップ部に対応するシールフィンは、前記回転軸方向下流側に隣接するステップ部に対応するシールフィンに対して対向する前記隔壁となっていることを特徴とする請求項１又は２に記載のタービン。
前記構造体の、前記先端部に対応する部位は環状の凹部となっており、
前記複数のステップ部のうちの、前記回転軸方向最上流側に位置するステップ部に対応するシールフィンに対して対向する前記隔壁は、前記凹部の、前記回転軸方向上流側の内壁面によって形成されていることを特徴とする請求項３記載のタービン。