JP2012132397A

JP2012132397A - タービン

Info

Publication number: JP2012132397A
Application number: JP2010286583A
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: 2010-12-22
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2012-07-12
Anticipated expiration: 2030-12-22
Also published as: JP5517910B2; US20130272855A1; EP2657452B1; US9353640B2; CN103228871B; EP2657452A4; KR20130114165A; KR101464910B1; EP2657452A1; WO2012086757A1; CN103228871A

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】チップシュラウド５１に、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）を設ける一方、仕切板外輪１１のチップシュラウド５１に対応する部位に、このチップシュラウド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）を設け、段差面５３（５３Ａ〜５３Ｃ）には、ステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）の上面１５２（１５２Ａ〜１５２Ｃ）に連なるように形成され、この上面１５２（１５２Ａ〜１５２Ｃ）において蒸気Ｓの主流から剥離した剥離渦Ｙ２をシールフィンシールフィン１５（１５Ａ〜１５Ｃ）に向かって案内する傾斜部５６（５６Ａ〜５６Ｃ）が設けられている。
【選択図】図３

Description

この発明は、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ものである。

従来から、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静翼と、この静翼の下流側において軸体に放射状に設けられた動翼とを複数段備えたものが知られている。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ていると共に、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場合が多い。
しかしながら、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しない。このため、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。

ここで、図９に示すように、例えば動翼５００の先端部５０１に、回転軸方向（以下、単に軸方向という）上流側から下流側に向かって高さが漸次高くなるステップ部５０２（５０２Ａ，５０２Ｂ，５０２Ｃ）を設け、ケーシング５０３に、ステップ部５０２（５０２Ａ，５０２Ｂ，５０２Ｃ）に対して微小隙間Ｈ１０１，１０２，１０３を有するシールフィン５０４（５０４Ａ，５０４Ｂ，５０４Ｃ）を設けた構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このように構成することで、シールフィン５０４（５０４Ａ，５０４Ｂ，５０４Ｃ）の隙間Ｓ１００を通り抜けた漏れ流れがステップ部５０２（５０２Ａ，５０２Ｂ，５０２Ｃ）の段差面５０６（５０６Ａ，５０６Ｂ，５０６Ｃ）を形成する端縁部（エッジ部）５０５（５０５Ａ，５０５Ｂ，５０５Ｃ）に衝突し、流動抵抗を増大させることができる。また、段差面５０６（５０６Ａ，５０６Ｂ，５０６Ｃ）の端縁部５０５（５０５Ａ，５０５Ｂ，５０５Ｃ）で剥離した蒸気が剥離渦Ｙ１００となって、シールフィン５０４（５０４Ａ，５０４Ｂ，５０４Ｃ）先端から動翼５００の先端部５０１に向かうダウンフローを生じさせる。これが微小隙間Ｈ１０１，１０２，１０３を通過する蒸気の縮流効果を奏する。このため、ケーシング５０３と動翼５００の先端部５０１との隙間を通過する漏洩流量が低減される。

特開２００６−２９１９６７号公報

ところで、図９に示すように、動翼５００を通過する流体の密度は下流側に向かうほど小さくなるので、ステップ部５０２（５０２Ａ，５０２Ｂ，５０２Ｃ）を通過する蒸気の流速は下流側に向かうほど速くなる。すなわち、段差面５０６（５０６Ａ，５０６Ｂ，５０６Ｃ）の端縁部５０５（５０５Ａ，５０５Ｂ，５０５Ｃ）で剥離した蒸気は、下流側のものほど径方向の速度が大きくなる。このため、段差面５０６（５０６Ａ，５０６Ｂ，５０６Ｃ）の傾斜角度が等しく設定されている場合、下流側に向かうほど径方向に湾曲した剥離渦Ｙ１００が形成される。このような形状の剥離渦Ｙ１００は、縮流効果が小さく、静圧低減効果も小さくなってしまい、漏洩流量を低減しにくいという課題がある。

そこで、この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、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ものである。

上記の課題を解決するために、本発明に係るタービンは、ブレードと、前記ブレードの先端部側に隙間を介して設けられると共に、前記ブレードに対して相対回転する構造体とを備え、前記隙間に流体が流通されるタービンにおいて、前記ブレードの前記先端部、および前記構造体の前記先端部に対向する部位の何れか一方には、少なくとも１つの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、前記他方側には、前記ステップ部に向かって延出し、このステップ部との間に微小隙間を形成するシールフィンが設けられ、前記段差面には、前記ステップ部の上面に連なるように形成され、この上面において前記流体の主流から剥離した剥離渦を前記シールフィンに向かって案内する切除部が設けられていることを特徴とする。

このように構成することで、ブレードを通過する流体の主流の一部が段差面に衝突し、上流側に戻るように主渦を形成すると共に、段差面の端縁部（エッジ）において主渦から一部の流れが剥離されて主渦とは反対方向に回る剥離渦が形成される。すなわち、剥離渦はシールフィン先端からステップ部に向かうダウンフローを生じさせる。このため、剥離渦がシールフィン先端とステップ部との間の微小隙間を通過する流体の縮流効果を奏するので、漏洩流量を低減することができる。

ここで、段差面には、ステップ部の上面に連なるように切除部が形成されている。すなわち、段差面の端縁部が切除部によって切除され、剥離渦が端縁部よりもシールフィンに向かって案内される。このため、切除部が形成されていない場合と比較してシールフィンの手前に形成される剥離渦の直径が縮径される。よって、シールフィン先端近傍での剥離渦によるダウンフローが強くなり、さらに微小隙間を通過する流体の縮流効果を向上させることができる。
また、剥離渦の直径が縮径されることにより、シールフィンの上流側の静圧を低減させることができる。このため、シールフィンを挟んで上流側と下流側との差圧を小さくすることができる。よって、さらに漏洩流量を低減することが可能になる。

本発明に係るタービンは、前記ステップ部は、前記段差面を複数有し、上流側から下流側に向かって突出高さが漸次高くなるように形成されており、前記切除部は、各段差面に形成され、前記上流側から前記下流側に向かって傾斜する傾斜部であって、各傾斜部の回転軸径方向に対する傾斜角度は、前記下流側の前記段差面に形成されている前記傾斜部の前記傾斜角度ほど大きく設定されていることを特徴とする。

このように構成することで、上流側も下流側も同様に、剥離渦の速度ベクトルをシールフィン先端側（軸方向）に向かせることができる。このため、各ステップ部で形成される剥離渦の直径を略均一にすることができる。すなわち、ステップ部の各段差面における流体の流速が変化しても各段差面に形成される剥離渦の直径を略均等に縮径させることができる。よって、微小隙間を通過する流体の剥離渦による縮流効果をさらに確実に向上させることができると共に、シールフィンの上流側の静圧をさらに確実に低減させることができる。

本発明に係るタービンは、前記ステップ部は、前記段差面を複数有し、上流側から下流側に向かって突出高さが漸次高くなるように形成されており、前記切除部は、各段差面に形成され、前記上流側から前記下流側に向かって滑らかに前記上面に連なる弧状部を有し、前記弧状部の前記上面に接続する部位の接線方向と回転軸径方向との間の角度は、前記下流側の前記段差面に形成されている前記弧状部の前記角度ほど大きく設定されていることを特徴とする。

このように構成することで、ステップの各段差面における流体の流速が変化しても各段差面に形成される剥離渦の直径を略均等に縮径させることができる。このため、微小隙間を通過する流体の剥離渦による縮流効果をさらに確実に向上させることができると共に、シールフィンの上流側の静圧をさらに確実に低減させることができる。

本発明によれば、段差面の端縁部が切除部によって切除され、剥離渦が端縁部よりもシールフィンに向かって案内されるので、切除部が形成されていない場合と比較してシールフィンの手前に形成される剥離渦の直径を縮径することができる。このため、シールフィン先端近傍での剥離渦によるダウンフローが強くなり、微小隙間を通過する流体の縮流効果を向上させることができる。
また、剥離渦の直径が縮径されることにより、シールフィンの上流側の静圧を低減させることができる。このため、シールフィンを挟んで上流側と下流側との差圧を小さくすることができる。よって、さらに漏洩流量を低減することが可能になる。

本発明の実施形態における蒸気タービンを示す概略構成断面図である。図１における要部Ｉを示す拡大断面図である。本発明の実施形態における蒸気タービンの作用説明図であって、（ａ）は図１における要部Ｉの拡大図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図である。本発明の第一変形例におけるステップ部の概略構成断面図である。本発明の第二変形例におけるステップ部の概略構成断面図である。本発明の第三変形例におけるステップ部の概略構成断面図である。本発明の第四変形例におけるステップ部の概略構成断面図である。本発明の第五変形例におけるステップ部の概略構成断面図である。従来の蒸気タービンにおける要部の概略構成図である。

（蒸気タービン）
次に、この発明の実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る蒸気タービン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。
軸受部６０は、ジャーナル軸受装置６１およ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。

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。

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の外周から回転軸径方向（以下、単に径方向という）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、不図示の発電機等の機械に回転エネルギーを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、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。

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。これら動翼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。
ここで、本実施形態では、軸体３０、および仕切板外輪１１が本発明における「構造体」となっている。また、静翼４０、ハブシュラウド４１、チップシュラウド５１、および動翼５０が本発明における「ブレード」となっている。そして、静翼４０およびハブシュラウド４１を「ブレード」とした場合は軸体３０を「構造体」とし、一方、動翼５０およびチップシュラウド５１を「ブレード」とした場合は仕切板外輪１１を「構造体」とする。なお、以下の説明においては、仕切板外輪１１を「構造体」とし、動翼５０を「ブレード」として説明する。

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１１と隙間Ｋ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）を形成している。これら三つのステップ部５２Ａ〜５２Ｃは、これらの上面１５２（１５２Ａ〜１５２Ｃ）の動翼５０からの突出高さが、軸体３０の軸方向上流側（図２における左側）から下流側（図２における右側）に向かうに従って、漸次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。

ここで、各段差面５３（５３Ａ〜５３Ｃ）は、それぞれ上面１５２（１５２Ａ〜１５２Ｃ）に向かうに従って下流側に傾くように傾斜部５６（５６Ａ〜５６Ｃ）を形成している。すなわち、各段差面５３（５３Ａ〜５３Ｃ）は、斜めに切除されて傾斜部５６（５６Ａ〜５６Ｃ）を形成した状態になっている。そして、ステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）の上面１５２（１５２Ａ〜１５２Ｃ）に、傾斜部５６（５６Ａ〜５６Ｃ）の上縁部５５（５５Ａ〜５５Ｃ）が接続された状態になっている。

また、傾斜部５６（５６Ａ〜５６Ｃ）は、径方向に対する傾斜角度θ１〜θ３が、下流側に向かうほど大きく設定されている。すなわち、三つのステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）のうち、最も上流に位置している一段目のステップ部５２Ａの段差面５３Ａに形成されている傾斜部５６Ａの傾斜角度θ１、一段目のステップ部５２Ａよりも下流側に位置している二段目のステップ部５２Ｂの段差面５３Ｂに形成されている傾斜部５６Ｂの傾斜角度θ２、および二段目のステップ部５２Ｂよりも下流側に位置している三段目のステップ部５２Ｃの段差面５３Ｃに形成されている傾斜部５６Ｃの傾斜角度θ３は、
θ３＞θ２＞θ１・・・（１）
を満たすように設定されている。

一方、仕切板外輪１１には、チップシュラウド５１に対応する部位、つまり、チップシュラウド５１の先端部（ステップ部５２）に対向する部位に、環状溝１１１が形成されており、この環状溝１１１に、チップシュラウド５１が臨まされた状態になっている。環状溝１１１は、三つのステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）に対応するように、上流側から下流側に向かって、段差により漸次拡径された三つの環状の凹部１１１Ａ〜１１１Ｃと、最下流側に形成され、三段目の凹部１１１Ｃよりも縮径された四段目の凹部１１１Ｄを形成している。

ここで、一段目の凹部１１１Ａと二段目の凹部１１１Ｂとの境界に位置する端縁部（エッジ部）１１２Ａ、二段目の凹部１１１Ｂと三段目の凹部１１１Ｃとの境界に位置する端縁部１１２Ｂ、および三段目の凹部１１１Ｃと四段目の凹部１１１Ｄとの境界に位置する端縁部１１２Ｃ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。すなわち、シールフィン１５（１５Ａ〜１５Ｃ）は、ステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）に１：１で対応するように設けられている。

各シールフィン１５（１５Ａ〜１５Ｃ）は、それぞれ対応するステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）との間に、微小隙間Ｈ（Ｈ１〜Ｈ３）を径方向に形成している。これら微小隙間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、これらを適宜変更することが可能であることはいうまでもない。

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、各ステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）と、これらに対応する環状溝１１１の三つの凹部１１１Ａ〜１１１Ｃとの間にキャビティＣ（Ｃ１〜Ｃ３）が形成されている。
より詳しくは、最上流側に形成され、一段目のステップ部５２Ａに対応する第一のキャビティＣ１は、一段目のステップ部５２Ａに対応するシールフィン１５Ａと、一段目の凹部１１１Ａの上流側の内壁面５４Ａとの間で、かつチップシュラウド５１側と仕切板外輪１１との間に形成されている。

また、二段目のステップ部５２Ｂに対応する第二のキャビティＣ２は、二段目のステップ部５２Ｂに対応するシールフィン１５Ｂと、二段目の凹部１１１Ｂの上流側の内壁面５４Ｂ、およびここの端縁部１１２Ａに設けられているシールフィン１５Ａとの間で、かつチップシュラウド５１側と仕切板外輪１１との間に形成されている。
さらに、三段目のステップ部５２Ｃに対応する第三のキャビティＣ３は、三段目のステップ部５２Ｃに対応するシールフィン１５Ｃ、およびこれが設けられている三段目の凹部１１１Ｃの下流側の内壁面５４Ｃと、三段目の凹部１１１Ｃの上流側の内壁面５４Ｄ、およびここの端縁部１１２Ｂに設けられているシールフィン１５Ｂとの間で、かつチップシュラウド５１側と仕切板外輪１１との間に形成されている。

（蒸気タービンの動作）
次に、図１〜図３に基づいて、蒸気タービン１の動作について説明する。
図３は、蒸気タービンの作用説明図であって、（ａ）は図１における要部Ｉの拡大図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図である。
図１〜図３（ａ）に示すように、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、所謂漏洩蒸気となる。

ここで、図３（ａ）に示すように環状溝１１１内に流入した蒸気Ｓは、まず、第一のキャビティＣ１に流入し、一段目のステップ部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に回る主渦Ｙ１を生じる。
その際、特に一段目のステップ部５２Ａの上縁部５５Ａにおいて、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が生じる。

ここで、一段目のステップ部５２Ａの段差面５３Ａは、上面１５２Ａに向かうに従って下流側に傾くように傾斜部５６Ａを形成している。このため、主渦Ｙ１の上縁部５５Ａにおける速度ベクトルは、段差面５３Ａが傾斜部５６Ａを形成していない場合と比較してシールフィン１５Ａ側に向かって傾く。これにより、一段目のステップ部５２Ａの上面１５２Ａ上に形成された剥離渦Ｙ２の直径は、段差面５３Ａが傾斜部５６Ａを形成していない場合と比較して小さくなる。

このような剥離渦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（ａ）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先端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、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、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。

ここで、図３（ｂ）に示すように、剥離渦Ｙ２は、この渦が真円を形成すると仮定すると、剥離渦Ｙ２の直径が微小隙間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Ｆの最大位置が、シールフィン１５Ａの先端（内端縁）に一致することになる。この場合、ダウンフローが微小隙間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。

本実施形態にあっては、一段目のステップ部５２Ａの段差面５３Ａが傾斜部５６Ａを形成しており、剥離渦Ｙ２の直径が段差面５３Ａに傾斜部５６Ａが形成されていない場合と比較して小さくなるので、剥離渦Ｙ２の直径を微小隙間Ｈ１の２倍に設定し易い。
また、シールフィン１５Ａと、これよりも上流側に位置する傾斜部５６Ａの上縁部５５Ａとの間の距離をＬ１したとき、この距離Ｌ１と傾斜部５６Ａの傾斜角度θ１を、剥離渦Ｙ２の直径が微小隙間Ｈ１の２倍となるように設定すればよい。

続いて、微小隙間Ｈ１を通過して蒸気Ｓは、第二のキャビティＣ２に流入し、二段目のステップ部５２Ｂの段差面５３Ｂ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に回る主渦Ｙ１を生じる。そして、二段目のステップ部５２Ｂの上縁部５５Ｂにおいて、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が生じる。

さらに、微小隙間Ｈ２を通過して蒸気Ｓは、第三のキャビティＣ３に流入し、三段目のステップ部５２Ｃの段差面５３Ｃ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に回る主渦Ｙ１を生じる。そして、三段目のステップ部５２Ｃの上縁部５５Ｃにおいて、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が生じる。

ここで、蒸気Ｓの密度は下流側に向かうほど小さくなるので、下流側のキャビティＣほど蒸気Ｓの子午面内の流速が速くなる。このため、第二のキャビティＣ２内で段差面５３Ｂに衝突した蒸気Ｓの径方向外側に向かう流れは、第一のキャビティＣ１内で段差面５３Ａに衝突した蒸気Ｓの径方向外側に向かう流れよりも強くなる。したがって、二段目のステップ部５２Ｂの上面１５２Ｂ上に形成される剥離渦Ｙ２の直径は、一段目のステップ部５２Ａの上面１５２Ａ上に形成される剥離渦Ｙ２の直径よりも大きくなる虞がある。
同様に、第三のキャビティＣ３内において、三段目のステップ部５２Ｃの上面１５２Ｃ上に形成される剥離渦Ｙ２の直径は、二段目のステップ部５２Ａの剥離渦Ｙ２の直径よりも大きくなる虞がある。

しかしながら、本実施形態にあっては、各段差面５３Ａ〜５３Ｃが形成している傾斜部５６Ａ〜５６Ｃの傾斜角度θ１〜θ３が、式（１）を満たすように設定、つまり、下流側に向かうほど大きく設定されている（図２参照）。このため、各キャビティＣ（Ｃ１〜Ｃ３）内で形成される剥離渦Ｙ２の速度ベクトルをシールフィン１５（１５Ａ〜１５Ｃ）側（軸方向）に向かせることができる。よって、各剥離渦Ｙ２の直径は、略同一に小さくなる。

なお、二段目のステップ部５２Ｂに対応するシールフィン１５Ｂと、これよりも上流側に位置する傾斜部５６Ｂの上縁部５５Ｂとの間の距離Ｌ２、傾斜部５６Ｂの傾斜角度θ２、三段目のステップ部５２Ｃに対応するシールフィン１５Ｃと、これよりも上流側に位置する傾斜部５６Ｃの上縁部５５Ｃとの間の距離Ｌ３、および傾斜部５６Ｃの傾斜角度θ３は、それぞれ距離Ｌ１や傾斜角度θ１と同様に、剥離渦Ｙ２の直径が微小隙間Ｈ２，Ｈ３の２倍となるように設定すればよい。

（効果）
したがって、上述の実施形態によれば、チップシュラウド５１に、三つのステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）を形成すると共に、仕切板外輪１１に形成されている環状溝１１１のステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）に対応する部位に、それぞれ三つのシールフィン１５（１５Ａ〜１５Ｃ）を設けることにより、各シールフィン１５（１５Ａ〜１５Ｃ）の上流側に剥離渦Ｙ２を形成することができる。この剥離渦Ｙ２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ので、各微小隙間Ｈ（Ｈ１〜Ｈ３）を通り抜ける漏れ流れを低減する、縮流効果を発揮することができる。

これに加え、ステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）の段差面５３（５３Ａ〜５３Ｃ）は、傾斜部５６（５６Ａ〜５６Ｃ）を形成しており、傾斜部５６（５６Ａ〜５６Ｃ）の傾斜角度θ１〜θ３が、下流側に向かうほど大きく設定されている。すなわち、傾斜角度θ１〜θ３が式（１）を満たすように設定されている。
このため、各キャビティＣ（Ｃ１〜Ｃ３）内で形成される剥離渦Ｙ２の直径は、略同一に小さくなるので、各シールフィン１５（１５Ａ〜１５Ｃ）の軸方向上流側におけるダウンフローを強くすることができる。よって、確実に各微小隙間Ｈ（Ｈ１〜Ｈ３）を通り抜ける漏れ流れを低減する、縮流効果を発揮することができる。

なお、上述の実施形態では、各段差面５３（５３Ａ〜５３Ｃ）は、斜めに切除されて傾斜部５６（５６Ａ〜５６Ｃ）を形成した状態になっており、ステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）の上面１５２（１５２Ａ〜１５２Ｃ）に、傾斜部５６（５６Ａ〜５６Ｃ）の上縁部５５（５５Ａ〜５５Ｃ）が接続された状態になっている場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、少なくともステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）の上面１５２（１５２Ａ〜１５２Ｃ）に連なるように各段差面５３（５３Ａ〜５３Ｃ）が切除されていればよい。

（第一変形例）
より具体的に、図４〜図８に基づいて説明する。
図４は、ステップ部の第一変形例の概略構成断面図である。なお、上述の実施形態と同一態様には、同一符号を付して説明する（以下の変形例についても同様）。
同図に示すように、チップシュラウド５１に形成されている三つのステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）の段差面５３（５３Ａ〜５３Ｃ）には、それぞれ端縁部（エッジ部）に平面取り部１５６（１５６Ａ〜１５６Ｂ）が形成されている。すなわち、各段差面５３（５３Ａ〜５３Ｃ）の上面１５２（１５２Ａ〜１５２Ｃ）側は斜めに切除されている。そして、この上面１５２（１５２Ａ〜１５２Ｃ）に、面取り部１５６（１５６Ａ〜１５６Ｃ）の上縁部１５５（１５５Ａ〜１５５Ｃ）が接続された状態になっている。

また、面取り部１５６（１５６Ａ〜１５６Ｃ）は、径方向に対する傾斜角度θ１’〜θ３’が、下流側（図４における右側）に向かうほど大きく設定されている。すなわち、一段目のステップ部５２Ａの段差面５３Ａに形成されている面取り部１５６Ａの傾斜角度θ１’、二段目のステップ部５２Ｂの段差面５３Ｂに形成されている面取り部１５６Ｂの傾斜角度θ２’、および三段目のステップ部５２Ｃの段差面５３Ｃに形成されている面取り部１５６Ｃの傾斜角度θ３’は、
θ３’＞θ２’＞θ１’・・・（５）
を満たすように設定されている。

したがって、上述の第一変形例によれば、前述の実施形態と同様の効果を奏することができる。また、面取り部１５６（１５６Ａ〜１５６Ｃ）は、前述の実施形態の傾斜部５６（５６Ａ〜５６Ｃ）を形成する場合と比較して各ステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）の切除量が少ないので、この分加工コストを低減することが可能になる。

（第二変形例）
図５は、ステップ部の第二変形例の概略構成断面図である。なお、以下の図面において、チップシュラウド５１に三つのステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）が形成されている点は、上述の実施形態と同様である。そして、各ステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）の構成が同様であるので、一部のステップ部５２のみ図示し、他のステップ部５２の図示を省略する。

同図に示すように、上述の実施形態と第二変形例との相違点は、上述の実施形態の各ステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）の段差面５３（５３Ａ〜５３Ｃ）には、それぞれ単に傾斜部５６（５６Ａ〜５６Ｃ）が形成されているのみであるのに対し、第二変形例では、一段目のステップ部５２Ａの上面１５２Ａと二段目のステップ部５２Ｂに形成されている傾斜部５６Ｂとの接続部分、および二段目のステップ部５２Ｂの上面１５２Ｂと三段目のステップ部５２Ｃに形成されている傾斜部５６Ｃとの接続部分に下流側（図５における右側）に向かって凹むように半径ｒ１の弧状部５７Ｂ，５７Ｃが形成されている点にある。

これら弧状部５７Ｂ，５７Ｃにより、一段目のステップ部５２Ａの上面１５２Ａと二段目のステップ部５２Ｂに形成されている傾斜部５６Ｂとが滑らかに接続されると共に、二段目のステップ部５２Ｂの上面１５２Ｂと三段目のステップ部５２Ｃに形成されている傾斜部５６Ｃとが滑らかに接続される。

したがって、上述の第二変形例によれば、漏洩蒸気をスムーズに傾斜部５７（５７Ａ〜５７Ｃ）に導くことができ、各傾斜部５７（５７Ａ〜５７Ｃ）の上縁部５５（５５Ａ〜５５Ｃ）から流出する主渦Ｙ１のエネルギー損失を小さくすることができる。この結果、剥離渦Ｙ２のダウンフローを大きくすることができ、さらに大きな縮流効果を発揮させることが可能になる。

（第三変形例）
図６は、ステップ部の第三変形例の概略構成断面図である。
同図に示すように、上述の実施形態と第三変形例との相違点は、上述の実施形態の各ステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）の段差面５３（５３Ａ〜５３Ｃ）には、それぞれ傾斜部５６（５６Ａ〜５６Ｃ）のみが形成されているのに対し、第三変形例では、傾斜部５６（５６Ａ〜５６Ｃ）に代わって半径ｒ２の弧状部２５６（２５６Ａ〜２５６Ｃ）のみが形成されている点にある。

弧状部２５６（２５６Ａ〜２５６Ｃ）は、下流側（図６における右側）に向かって凹むように形成されている。そして、ステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）の上面１５２（１５２Ａ〜１５２Ｃ）に、弧状部２５６（２５６Ａ〜２５６Ｃ）の上縁部２５５（２５５Ａ〜２５５Ｃ）が接続された状態になっている。ここで、上縁部２５５（２５５Ａ〜２５５Ｃ）における弧状部２５６（２５６Ａ〜２５６Ｃ）の接線方向と、径方向との間の角度θＡは、下流側に向かうほど大きく設定されている。

したがって、上述の第三変形例によれば、前述の実施形態と同様の効果を奏することができる。これに加え、前述の実施形態よりも漏洩蒸気をスムーズに弧状部２５６（２５６Ａ〜２５６Ｃ）の上縁部２５５（２５５Ａ〜２５５Ｃ）に導くことができるので、主渦Ｙ１のエネルギー損失を小さくすることができる。この結果、剥離渦Ｙ２のダウンフローをさらに大きくすることができ、より大きな縮流効果を発揮させることが可能になる。

（第四変形例）
図７は、ステップ部の第四変形例の概略構成断面図である。
同図に示すように、前述の第一変形例と第四変形例との相違点は、第一変形例におけるステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）の段差面５３（５３Ａ〜５３Ｃ）には、それぞれ端縁部（エッジ部）に平面取り部１５６（１５６Ａ〜１５６Ｃ）が形成されているのに対し、この第四変形例の平面取り部１５６（１５６Ａ〜１５６Ｃ）には、下縁側に半径ｒ３の丸面取り部３５６（３５６Ａ〜３５６Ｃ）が形成されている点にある。

丸面取り部３５６（３５６Ａ〜３５６Ｃ）により、段差面５３（５３Ａ〜５３Ｃ）と平面取り部１５６（１５６Ａ〜１５６Ｂ）とが滑らかに接続される。このため、段差面５３（５３Ａ〜５３Ｃ）に衝突した蒸気Ｓがスムーズに平面取り部１５６（１５６Ａ〜１５６Ｃ）に導かれる。この結果、平面取り部１５６（１５６Ａ〜１５６Ｃ）の下縁部分で主渦Ｙ１から剥離して小さな剥離渦Ｙ２’（図７における二点鎖線参照）が形成されてしまうことを確実に防止できる。よって、主渦Ｙ１のエネルギーロスを低減でき、剥離渦Ｙ２による縮流効果を大きくすることが可能になる。

（第五変形例）
図８は、ステップ部の第五変形例の概略構成断面図である。
同図に示すように、前述の第三変形例と第五変形例との相違点は、第五変形例における各ステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）の段差面５３（５３Ａ〜５３Ｃ）に形成されている半径ｒ４の弧状部４５６（４５６Ａ〜４５６Ｃ）の形状にある。

すなわち、第三変形例の弧状部２５６（２５６Ａ〜２５６Ｃ）は下流側（図６における右側）に向かって凹むように形成されているのに対し、第五変形例の弧状部４５６（４５６Ａ〜４５６Ｃ）は上流側（図８における左側）に向かって膨出するように形成されている。そして、ステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）の上面１５２（１５２Ａ〜１５２Ｃ）に、弧状部４５６（４５６Ａ〜４５６Ｃ）の上縁部４５５（４５５Ａ〜４５５Ｃ）が接続された状態になっている。

ここで、上縁部４５５（４５５Ａ〜４５５Ｃ）における弧状部４５６（４５６Ａ〜４５６Ｃ）の接線方向と、径方向との間の角度θＢは、下流側に向かうほど大きく設定されている。
したがって、上述の第五変形例によれば、前述の第三変形例と同様の効果を奏することができる。

なお、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述の実施形態に種々の変更を加えたものを含む。
例えば、上述の実施形態や変形例では、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。しかしながら、これに限られるものではなく、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、上述の実施形態や変形例では、仕切板外輪１１のチップシュラウド５１に対応する部位に環状溝１１１を形成し、この環状溝１１１を、三つのステップ部５２（５２Ａ〜５２Ｃ）に対応するように、段差により漸次拡径された三つの環状の凹部１１１Ａ〜１１１Ｃと、三段目の凹部１１１Ｃよりも縮径された四段目の凹部１１１Ｄとにより構成した場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、環状溝１１１全体を略同径に形成してもよい。

さらに、上述の実施形態や変形例では、チップシュラウド５１にステップ部５２を複数設け、これによってキャビティＣも複数形成した場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、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。
そして、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、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、上述の実施形態や変形例では、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。

さらに、上述の実施形態や変形例では、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）を設けた場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、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を設ける構成としてもよい。この場合もステップ部５２に、上述の実施形態や変形例を採用することができる。

また、上述の実施形態では、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、上述の実施形態では、本発明を蒸気タービン１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）
１５（１５Ａ〜１５Ｃ）シールフィン
３０軸体（構造体）
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〜５２Ｃ）ステップ部
５３（５３Ａ〜５３Ｃ）段差面
５５（５５Ａ〜５５Ｃ），１５５（１５５Ａ〜１５５Ｃ），４５５（４５５Ａ〜４５５Ｃ）上縁部
５６（５６Ａ〜５６Ｃ）傾斜部
５７Ｂ，５７Ｃ，２５６（２５６Ａ〜２５６Ｃ），４５６（４５６Ａ〜４５６Ｃ）弧状部
１５６（１５６Ａ〜１５６Ｃ）平面取り部（切除部）
３５６（３５６Ａ〜３５６Ｃ）丸面取り部
Ｃ（Ｃ１〜Ｃ３）キャビティ
Ｈ（Ｈ１〜Ｈ３）微小隙間
Ｋ隙間
Ｓ蒸気
Ｙ１主渦
Ｙ２剥離渦
θ１〜θ３，θ１’〜θ３’ 傾斜角度
θＡ，θＢ角度

Claims

ブレードと、
前記ブレードの先端部側に隙間を介して設けられると共に、前記ブレードに対して相対回転する構造体とを備え、
前記隙間に流体が流通されるタービンにおいて、
前記ブレードの前記先端部、および前記構造体の前記先端部に対向する部位の何れか一方には、少なくとも１つの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、
前記他方側には、前記ステップ部に向かって延出し、このステップ部との間に微小隙間を形成するシールフィンが設けられ、
前記段差面には、前記ステップ部の上面に連なるように形成され、この上面において前記流体の主流から剥離した剥離渦を前記シールフィンに向かって案内する切除部が設けられていることを特徴とするタービン。
前記ステップ部は、前記段差面を複数有し、上流側から下流側に向かって突出高さが漸次高くなるように形成されており、
前記切除部は、各段差面に形成され、前記上流側から前記下流側に向かって傾斜する傾斜部であって、
各傾斜部の回転軸径方向に対する傾斜角度は、前記下流側の前記段差面に形成されている前記傾斜部の前記傾斜角度ほど大きく設定されていることを特徴とする請求項１に記載のタービン。
前記ステップ部は、前記段差面を複数有し、上流側から下流側に向かって突出高さが漸次高くなるように形成されており、
前記切除部は、各段差面に形成され、前記上流側から前記下流側に向かって滑らかに前記上面に連なる弧状部を有し、
前記弧状部の前記上面に接続する部位の接線方向と回転軸径方向との間の角度は、前記下流側の前記段差面に形成されている前記弧状部の前記角度ほど大きく設定されていることを特徴とする請求項１に記載のタービン。