JP2017155626A - シール構造及びターボ機械 - Google Patents

Abstract

【課題】作動流体の漏洩量を抑制しつつ不安定振動を抑制することができるようにした、シール構造及びターボ機械を提供する。【解決手段】軸心線ＣＬ周りに所定方向に回転する回転構造体４と、回転構造体４の外周側に隙間Ｇｄを空けて径方向に対向する静止構造体１０との間の前記隙間Ｇｄから、作動流体のリーク流ＳＬの流れを抑制する、シール構造であって、静止構造体１０から軸心線ＣＬ側に延在するシールフィン６と、リーク流ＳＬの軸線方向Ａに関する流れ成分でシールフィン６の上流側の面６ａにおける先端側に取り付けられ、軸心線ＣＬを中心とした所定方向Ｃへの旋回を抑制するようにリーク流ＳＬを案内する案内プレート７とを備える。【選択図】図３

Description

本発明は、不安定振動を抑制するのに好適な、相対回転する二つ構造体の相互間から作動流体がリークすることを抑制するシール構造及びそれを使用したターボ機械に関する。

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、静止構造体と回転構造体との間にできる隙間から蒸気などの作動流体が漏洩（リーク）すると、この作動流体のリークがタービン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、当該隙間にシール用フィンを設けてシール構造を形成する（例えば特許文献１参照）。

ところで、ターボ機械においては、不安定振動と考えられる低周波振動が発生することがある。不安定振動が発生すると動作不良に繋がるおそれがあるためターボ機械を停止しなければならない。不安定振動が発生する大きな要因の一つとして考えられているのが、シール励振力である。何らかの原因により発生した回転構造体の微小振動に対して、シール励振力は、回転構造体の振れ回りを助長させるように回転構造体に作用し、ひいては不安定振動を引き起こす。
シール励振力についてさらに説明すると、シール部分（シール用フィンが設けられた部分）を流れる作動流体は、軸方向（流れ方向）速度成分だけでなく、周方向速度成分を持って流れており、（以下、この周方向に向かう流れを「旋回流」と呼ぶ）、シール励振力は、この旋回流が原因となり生じる。
つまり、回転構造体が径方向へ微小に変位すると（偏心すると）、回転構造体とシール用フィンとの間の流路が狭まって静圧が高くなる部分と、当該流路が広がって静圧が低くなる部分とが発生すると共に、リークした作動流体の旋回流に起因してシール用フィンの上流側と下流とで静圧分布に位相差が生じ、このような静圧の不均一性に起因した力が回転体に作用してシール励振力が生じる。

このようなタービンの不安定振動を抑制する技術として、リークした作動流体の旋回流を遮るための遮蔽板を、シール用フィンの付近において、周方向に沿って複数並設した技術が種々提案されている（例えば特許文献２，３）。

特開２０１１−２０８６０２号公報 米国特許第７００４４７５号明細書 特開２０１４−０６６１３４号公報

ところで、リークした作動流体の流れ（以下、「リーク流」と呼ぶ）は、回転構造体と同方向に旋回するだけでなく、子午面内（回転構造体の回転軸を含む断面内）における旋回成分も有しており、シールフィン周りの空間の形状によっては、シールフィンと回転構造体との隙間に向かっても旋回する。この隙間に向かって旋回する流れは、隙間を通過しようとするリーク流を押さえつけて縮流させ、リーク流を抑制する縮流効果を有している。
特許文献２,３に例示される技術では、リーク流に対して、回転構造体と同方向の旋回を抑制することができるが、同時にシールフィンと回転構造体との隙間に向かう旋回も抑制してしまうので、縮流効果が減少して、作動流体のリーク量ひいてはターボ機械のリーク損失の増大させてしまう。

本発明は、上記のような課題に鑑み創案されたもので、作動流体の漏洩量を抑制しつつ不安定振動を抑制することができるようにした、シール構造及びターボ機械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、本発明のシール構造は、軸心線周りに所定方向に回転する回転構造体と、前記回転構造体の外周側に隙間を空けて径方向に対向する静止構造体との間の前記隙間から、作動流体のリーク流の流れを抑制する、シール構造であって、 前記静止構造体から前記軸心線側に延在するシールフィンと、前記リーク流の軸線方向に関する流れ成分で前記シールフィンの上流側の面における前記軸心線寄りの先端側に取り付けられ、前記所定方向とは反対側に向く面の少なくとも内周部位を前記外周側に向ける傾斜姿勢として、前記リーク流を案内する案内プレートとを備えたことを特徴としている。

（２）前記静止構造体はタービンケーシングであり、前記回転構造体は、軸方向に沿って複数設置され、動翼の先端に取り付けられたチップシュラウドであって、前記シールフィン及び前記案内プレートは、前記チップシュラウドに対して前記径方向に対向して配置されることが好ましい。

（３）前記案内プレートの前記軸方向の寸法が、前記シールフィンの前記上流側の面と、前記チップシュラウドの前記軸方向を向く面であって前記シールフィンよりも前記上流側に位置する面との距離の半分よりも小さく設定されることが好ましい。

（４）前記案内プレートは、フラットなプレートであって、前記所定方向とは反対側に向く面を前記外周側に向ける傾斜姿勢とされることが好ましい。

（５）前記案内プレートは、前記径方向に対して所定の角度だけ傾斜し、前記所定の角度が５°〜３０°の範囲に設定されることが好ましい。

（６）前記案内プレートは、湾曲形状のプレートであり、前記湾曲形状の内側面を、前記回転構造体の回転方向である前記所定方向とは反対側に向けて前記シールフィンに取り付けられることが好ましい。

（７）前記シールフィンは前記軸心線を中心としたリング形状であり、前記案内プレートは、前記シールフィンに周方向に沿って複数設けられ、前記案内プレートの相互間の距離が、内周側の端部において前記外周側よりも狭くなるように設定されることが好ましい。

（８）前記案内プレートは、少なくとも、前記外周側の端部が、前記軸心線を中心とした円の接線に対して所定の角度だけ傾斜し、前記所定の角度が５°〜３０°の範囲に設定されることが好ましい。

（９）前記案内プレートの前記上流側を塞ぐ閉塞プレートを備えることが好ましい。

（１０）上記の目的を達成するために、本発明のターボ機械は、軸心線周りに所定方向に回転する回転構造体と、前記回転構造体の外周側に隙間を空けて径方向に対向する静止構造体と、（１）〜（９）の何れかに記載のシール構造とを備えたことを特徴としている。

（１１）前記回転構造体として、前記軸心線に沿って複数設けられたチップシュラウドを備えると共に、前記静止構造体として、前記複数のチップシュラウドを囲うタービンケーシングを備え、前記複数のチップシュラウドの内の、少なくとも一つのチップシュラウドに対し、前記シール構造を備えたタービンであることが好ましい。

（１２）前記少なくとも一つのチップシュラウドが、前記作動流体の入口の最も近くに配置されたチップシュラウドであることが好ましい。

（１３）前記少なくとも一つのチップシュラウドが、軸方向中央に配置されたチップシュラウドであることが好ましい。

本発明によれば、作動流体のリーク流は、回転構造体の回転方向（所定方向）と同方向の旋回成分を有するが、所定方向とは反対側に向く面の少なくとも内周部位を前記外周側に向ける傾斜姿勢とした案内プレートによって、作動流体のリーク流の所定方向への旋回成分が低減されるので、リーク流の旋回に起因した不安定振動を抑制することができる。
さらに、案内プレートをシールフィンの先端に設けているので、リーク流が、シールフィンと回転構造体とのクリアランスに向かって流れている最中に、このリーク流を、案内プレートにより案内することができる。これにより、前記クリアランスに向かう流れ成分を残しつつリーク流を案内プレートにより案内させることができるため、このクリアランスに向かう径方向の流れにより、このクリアランスを通過しようとする他のリーク流を押さえつけて縮流させる縮流効果が得られる。
したがって、縮流効果によって作動流体のリーク流量を抑制しつつ不安定振動を抑制することができる。

本発明の各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。 本発明の第１実施形態に係るシール構造の構成を示す模式図であって径方向に沿って切断した断面図である。 本発明の第１実施形態に係るシール構造の要部の構成を示す模式図であって、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその正面図（図２のａ方向矢視図）である。 本発明の第２実施形態に係るシール構造の要部の構成を示す模式図であって、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその正面図（図２のａ方向矢視図に相当する図）である。 本発明の第３実施形態に係るシール構造の要部の構成を示す模式図であって、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその正面図（図２のａ方向矢視図に相当する図）である。 本発明の第４実施形態に係るシール構造の要部の構成を示す模式図であって、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその正面図（図２のａ方向矢視図に相当する図）である。

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。
本発明の各実施形態では、本発明のシール構造及びターボ機械を蒸気タービンに適用した例を説明する。
なお、以下に示す各実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の各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。以下の各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、リーク蒸気ＳＬの軸方向Ａに関する流れ成分（軸流成分）に対しての上流，下流を意味するものとする。すなわち、図１及び図２における左側を上流側、右側を下流側とする。
また、蒸気タービンのロータ軸心線（以下、「軸心線」とも呼ぶ）ＣＬに向く方向を内周側又は内側とし、その反対側、軸心線ＣＬから離れる方向を外周側又は外側として説明する。
また、以下の説明で周方向と記載した場合は、特段の説明がない限り、軸心線ＣＬを中心とした周方向を意味するものとする。

［１．第１実施形態］
［１−１．蒸気タービンの全体構成］
本実施形態の蒸気タービン１について図１を参照して説明する。
本実施形態の蒸気タービン１は、図１に示すように、タービンケーシング（静止構造体、以下「ケーシング」とも呼ぶ）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ロータ軸３０と、ケーシング１０に設けられた静翼６０と、ロータ軸３０に設けられた動翼５０と、軸心線ＣＬを中心にロータ軸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６０及び動翼５０はロータ軸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は軸心線ＣＬを中心に回転する。つまり、ケーシング１０と動翼５０（後述のチップシュラウド４を含む）とは相対回転する。

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は、内部空間が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、ロータ軸３０を回転自在に支持している。

静翼６０は、ケーシング１０から内周側に向かって伸び、ロータ軸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６０からなる環状静翼群は、ロータ軸３０の軸方向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、下流側に隣接する動翼５０に流入させる。

動翼５０は、ロータ軸３０のロータ軸本体３１の外周部に形成されたディスク３２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。各動翼群を構成する複数の動翼５０の先端部同士は、リング状のチップシュラウド（回転構造体）４により連結されている。

［１−２．シール構造］
本実施形態のシール構造について、図２及び図３（ａ），（ｂ）を参照して説明する。
複数の仕切板外輪１１の各相互間には、図２に示すように、仕切板外輪１１の内周面から窪んだキャビティ１２が形成されている。キャビティ１２は、軸心線ＣＬを中心とする円環状の空間であり、ケーシング１０の内周面（以下、「キャビティ底面１３」とも表記する）１３を底面とする。
キャビティ１２には、チップシュラウド４が収容され、キャビティ底面１３は、チップシュラウド４と隙間（以下、「空間」とも呼ぶ）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、ロータ軸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％）の蒸気の流れ（リーク流、以下「リーク蒸気」とも呼ぶ）ＳＬは、動翼５０に流入せずに隙間Ｇｄ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と各チップシュラウド４との間の各隙間Ｇｄには、それぞれ、本発明の第１実施形態としてのシール構造２が設けられている。換言すれば、各チップシュラウド４に対して本発明の第１実施形態としてのシール構造２がそれぞれ設けられている。
以下、シール構造２について説明する。
チップシュラウド４は、上述したようにリング状のものであり、図２に示すように、軸方向Ａの中央部分が突出したステップ状の横断面形状（周方向に垂直な断面の形状）を、全周に亘って一定に有している。つまり、シュラウド４の外周面は、ベース面４１と、ベース面４１よりも外周側に突出するステップ面４２が形成されたステップ部３とを有している。以下、ベース面４１においてステップ部３よりも上流側をベース面４１Ａ、ステップ部３よりも下流側をベース面４１Ｂと呼ぶ。

キャビティ底面１３には、チップシュラウド４に向かって内周側に延在するシールフィン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を中心とした径方向Ｒに幅を有する環状をしており、図２に示す横断面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４１Ａ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４２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４１Ｂ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よりも幅（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４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。

そして、本発明の大きな特徴であるが、各シールフィン６Ａ，６Ｂ，６Ｃにはそれぞれ案内プレート７Ａ，７Ｂ，７Ｃが設置されている。以下、案内プレート７Ａ，７Ｂ，７Ｃを区別しない場合には、案内プレート７と表記する。
案内プレート７は、図２及び図３（ａ），（ｂ）に示すように、シールフィン６の上流面６ａの先端（軸心線ＣＬ側の端部）側に設けられている（異なる表現をすればフィン先端６ｂから所定の範囲Ｍに設けられている）。また、案内プレート７は、周方向に沿って所定の間隔をあけて複数設けられている。本実施形態では、案内プレート７を、その先端（以下、「プレート先端」とも呼ぶ）７ａを、シールフィン６の先端（内周端、以下「フィン先端」とも呼ぶ）６ｂに一致させてシールフィン６に設置しているが、プレート先端７ａとフィン先端６ｂとのは必ずしも一致させる必要はない。
各案内プレート７は、矩形のフラットな板状体であり、周方向に沿って延びるように配置されているが、ロータ軸の回転方向（以下、「ロータ回転方向」と呼ぶ）Ｃとは反対側に向く面７ｂを、外周側に向ける傾斜姿勢とされている。

ここで、案内プレート７Ａ，７Ｂ，７Ｃの軸方向Ａに関する寸法（以下、「幅寸法」とも呼ぶ）ＷＡ，ＷＢ，ＷＣに関して図２を参照して説明する。
案内プレート７Ａの幅寸法ＷＡは、後述の距離ＬＡの半分よりも小さく設定されている（ＷＡ＜ＬＡ／２）。同様に、案内プレート７Ｂの幅寸法ＷＢは、後述の距離ＬＢの半分よりも小さく設定され（ＷＢ＜ＬＢ／２）、案内プレート７Ｃの幅寸法ＷＣは、後述の距離ＬＣの半分よりも小さく設定されている（ＷＣ＜ＬＣ／２）。
距離ＬＡは、案内プレート７Ａの直ぐ上流側のシュラウド上流面（軸方向Ａに向く面）４３Ａと、案内プレート７Ａが取り付けられるシールフィン６Ａの上流面６ａとの軸方向距離（軸方向Ａに関する距離）である。同様に、距離ＬＢは、案内プレート７Ｂの直ぐ上流側のシュラウド上流面（軸方向Ａに向く面）４３Ｂと、案内プレート７Ｂが取り付けられるシールフィン６Ｂの上流面６ａとの軸方向距離であり、距離ＬＣは、案内プレート７Ｃの直ぐ上流側のシュラウド下流面（軸方向Ａに向く面）４３Ｃと、案内プレート７Ｃが取り付けられるシールフィン６Ｂの上流面６ａとの距離である。

以下、各案内プレート７を設ける理由、各案内プレート７をフィン先端６ｂに設けている理由、及び、案内プレート７Ａ，７Ｂ，７Ｃの幅寸法ＷＡ，ＷＢ，ＷＣの上記の設定の理由を説明する。
図２に示すように、空間Ｇｄは、シールフィン６Ａ，ＢＣ，６Ｃによって３つの小空間１２１，１２２，１２３に区画されている。
静翼６０を通過して軸方向Ａに流れる蒸気Ｓは、上述したように、その一部がリーク蒸気ＳＬとして、動翼５０に衝突することなく最上流側の小空間１２１に流入する。小空間１２１に流入したリーク蒸気ＳＬの一部は、チップシュラウド４の上流面４３Ａに衝突することにより、上流面４３Ａの上流側で、子午面内（ロータ軸心線ＣＬを含む断面内）で一方向に旋回する（図２では反時計回りとなる）主渦ＳＵ１を形成する。そして、この主渦ＳＵ１の一部は、上流面４３Ａの角部４４にて主渦ＳＵ１から剥離して、上流面４３Ａとシールフィン６Ａの上流面６ａとの間の空間（以下、「剥離渦形成空間」とも呼ぶ）１２１ａで、主渦ＳＵ１と逆回り、すなわち子午面内で他方向に旋回する（図２では時計回りとなる）剥離渦ＨＵ１を形成する。
この剥離渦ＨＵ１を上流側（図２中左側）と下流側（図２中右側）とに二分して考えた場合、上流側では外周側（図２中上側）に流れ、下流側つまりシールフィン６Ａ側では内周側（図２中下側）に流れる。したがって、剥離渦ＨＵ１は、シールフィン６Ａ側において、クリアランスｍに向かって流れるリーク蒸気ＳＬをシュラウドベース面４１Ａに押さえつけてその流れを抑制する縮流効果を発揮する。

リーク蒸気ＳＬは、静翼６０の作用によって、軸心線ＣＬを中心とし且つチップシュラウド４と同方向（つまりロータ回転方向Ｃ）に旋回する流れ成分（図２において紙面に垂直となる成分、以下「スワール成分」とも呼ぶ）を有している。このため、リーク蒸気ＳＬによって形成される主渦ＳＵ１及び剥離渦ＨＵ１も同様に周方向のスワール成分を有する。したがって、主渦ＳＵ１及び剥離渦ＨＵ１は図２に矢印で示すように渦を巻きつつ、さらに周方向にも旋回する旋回流となる。この周方向の旋回流が、「発明が解決しようとする課題」の欄にも記載したように、蒸気タービン１に不安定振動を引き起こす要因の一つとなっている。そこで案内プレート７Ａを設けて、この案内プレート７Ａにより、剥離渦ＨＵ１の周方向の旋回を抑制するようにリーク蒸気ＳＬの流れを案内するようにしている。

ここで、案内プレート７Ａによって、剥離渦ＨＵ１を上流側（図２中左側）で止めてしまうと、剥離渦ＨＵ１を形成するリーク蒸気ＳＬの周方向の旋回流を止めることができるが、同時に、縮流効果を有する剥離渦ＨＵ１の下流側の流れ（図２中右側の内周へ向かう流れ）も失われてしまう。
このため、剥離渦ＨＵ１の流れを上流側で抑制せず、確実に下流側で抑制できるように、案内プレート７Ａの幅寸法ＷＡを設定している。具体的には、案内プレート７Ａの設置範囲が、剥離渦形成空間１２１ａの下流側半分に収まるように、シールフィン６Ａの上流面６ａに設置される案内プレート７Ａの幅寸法ＷＡを、剥離渦形成空間１２１ａの軸方向寸法である距離ＬＡの半分よりも小さく設定している。

同様に、小空間１２２，１２３にも主渦ＳＵ２，ＳＵ３が発生すると共に、小空間１２２，１２３の下流側を構成する剥離渦形成空間１２２ａ，１２３ａにも剥離渦ＨＵ２，ＨＵ３が発生するので、案内プレート７Ａと同じ理由により、案内プレート７Ｂ，７Ｃを上記の設定としている。

さらに、案内プレート７の径方向Ｒに対する傾斜角度θは、５°〜３０°の範囲に設定されている。詳しくは、案内プレート７の基準線Ｌ０（図３（ａ），（ｂ）参照）に対する傾斜角度θは５°〜３０°の範囲に設定されている。基準線Ｌ０は、プレート先端７ａから径方向Ｒ外周側に向かう直線である。傾斜角度θを５°〜３０°の範囲に設定しているのは以下の理由による。
図２を参照して説明すると、蒸気タービン１では、静翼７０により蒸気ＳＭに旋回力を付与して、この蒸気ＳＭによって動翼６０ひいてはロータ軸３０を回転させるようにしている。静翼７０の傾斜角度は、動翼６０やロータ軸３０を効率よく回転駆動できるように設計されており、その範囲は蒸気タービンの種類や運用条件など種々の条件によって相違はあるものの一定の範囲に収束している。リーク蒸気ＳＬの周方向の旋回流も静翼７０によって付与されるものであるから、旋回流の流線や速度なども一定の範囲に収束し、リーク蒸気ＳＬの旋回流を効果的に抑制するための好ましい傾斜角度θも一定の範囲に収束する。この傾斜角度θの一定の範囲（好ましい範囲）を、シミュレーションや実験により解析した結果、５°〜３０°であることを発見した。

［１−３．作用・効果］
本発明の第１実施形態としてのシール構造２の作用・効果を、図２及び図３（ａ），（ｂ）を参照して説明する。
図３（ｂ）に二点鎖線で示すように、リーク蒸気ＳＬは、案内プレート７が無ければ矢印Ｆ４，Ｆ５のように渦を巻きつつロータ回転方向Ｃと同じ方向に旋回する。本実施形態のシール構造２では、案内プレート７が設けられているので、図３（ａ）に示すように、矢印Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３のように流れるリーク蒸気ＳＬは、案内プレート７に案内されて、矢印Ｆ１′，Ｆ２′，Ｆ３′のようにロータ回転方向Ｃと反対方向に流れるように案内される。なお、案内プレート７による案内は、リーク蒸気ＳＬを相対的にロータ回転方向Ｃと反対方向に向かって案内（転向）するものであればよい（ロータ回転方向Ｃへのスワール成分が低減されればよい）。

したがって、一部のリーク蒸気ＳＬがロータ回転方向Ｃと反対方向に流れるように案内されるので、リーク蒸気ＳＬの流れのロータ回転方向Ｃへのスワール成分がキャンセルされる〔スワール成分が完全にキャンセル（相殺される）だけでなく、部分的にキャンセルされてスワール成分が低減される場合も含む〕。これにより、リーク蒸気ＳＬの旋回に起因した蒸気タービン１の不安定振動を抑制することができる。

さらに、案内プレート７を、シールフィン６の先端側（フィン先端６ｂから所定の範囲Ｍ）に設け、加えて、案内プレート７Ａ，７Ｂ，７Ｃの幅寸法ＷＡ，ＷＢ，ＷＣを、剥離渦形成空間１２１ａ，１２２ａ，１２３ａの軸方向寸法である距離ＬＡ，ＬＢ，ＬＣの半分よりも小さく設定しているので、剥離流ＨＵ１，ＨＵ２，ＨＵ３（リーク蒸気ＳＬ）がクリアランスｍに向かって流れている最中に、リーク蒸気ＳＬを案内プレート７により案内することができる。
これにより、図３（ａ）に矢印Ｆ１′，Ｆ２′，Ｆ３′で示すように、リーク蒸気ＳＬのクリアランスｍに向かう流れ成分を残しつつリーク蒸気ＳＬをロータ回転方向Ｃに転向させることができる。したがって、剥離流ＨＵ１，ＨＵ２，ＨＵ３（リーク蒸気ＳＬ）による縮流効果が得られる。
よって、縮流効果によってリーク蒸気ＳＬの流量を抑制しつつ蒸気タービン１の不安定振動を抑制することができる。

さらに、案内プレート７は基準線Ｌ０に対する傾斜角度θを５°〜３０°の範囲に設定することで、リーク蒸気ＳＬの旋回流の抑制、ひいては、蒸気タービン１の不安定振動を効果的に抑制できる。

［２．第２実施形態］
以下、図４を参照して本発明の第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同一要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。

［２−１．シール構造］
本発明の第２実施形態のシール構造２Ａは、図２及び図３（ａ），（ｂ）に示す第１実施形態のシール構造２に対して、各案内プレート７に替えて、図４（ａ），（ｂ）に示す案内プレート１７を使用したものである。
案内プレート１７は、シールフィン６の上流面６ａに、周方向に沿って所定の間隔をあけて複数設けられている。本実施形態では、案内プレート１７は、その先端（以下、「プレート先端」とも呼ぶ）１７ｄを、フィン先端６ｂに一致させてシールフィン６に設置しているが、プレート先端１７ｄとフィン先端６ｂとの間にスペースをあけてもよい。
各案内プレート１７は、湾曲形状をしており、その湾曲内側面１７ｃを、ロータ回転方向Ｃとは反対側に向けてシールフィン６の上流側面６ａに取り付けられている。つまり、案内プレート１７は、その外周部位［図４（ａ），（ｂ）で上側の部位］１７ａが、内周側になるほどロータ回転方向Ｃ側となるように傾斜し、その内周部位［図４（ａ），（ｂ）で下側の部位］１７ｂが、内周側になるほどロータ回転方向Ｃとは反対側となるように傾斜している。換言すれば、湾曲内側面１７ｃ（つまりロータ回転方向Ｃとは反対側に向く面）の内周部位１７ｂを、外周側に向ける傾斜姿勢とされている。

案内プレート１７の湾曲形状は、リーク流ＳＬを、湾曲内側面１７ｃに滑らかに案内入れるような形状とするのが好ましい。例えば、案内プレート１７の外周端１７ｅの傾斜角度θ′は５°〜３０°の範囲が好ましい。この傾斜角度θ′は基準線Ｌ０′に対する角度であり、基準線Ｌ０′は、外周端１７ｅを通る直線であって、軸心線ＣＬを中心とした仮想的な円の接線である。傾斜角度θ′を５°〜３０°の範囲に設定するのが好ましい理由は、第１実施形態における、案内プレート７の傾斜角度θを５°〜３０°の範囲に設定するのが好ましい理由と同じである。
その他の点は第１実施形態のシール構造２と同様であるので説明を省略する。

［２−２．作用・効果］
図４（ａ）に矢印Ｆ６で示すように、ロータ回転方向Ｃに向かいながら流れるリーク蒸気ＳＬが、その流通方向と略同じ向きに傾斜した案内プレート１７の外周部位１７ａによって案内される。そして、リーク蒸気ＳＬは、案内プレート１７に湾曲形状に滑らかに転向して、案内プレート１７の内周部位１７ｂの案内により、ロータ回転方向Ｃとは反対方向へと流れるようになる。
本発明の第２実施形態によれば、リーク蒸気ＳＬのロータ回転方向Ｃとは反対方向への転向が滑らかに行われるようになる。したがって、転向する際にリーク蒸気ＳＬの速さが低下してしまうことが抑制されるようになるので、リーク蒸気ＳＬのロータ回転方向Ｃへのスワール成分を第１実施形態よりも効果的にキャンセルすることができ、ひいては不安定振動を第１実施形態よりも効果的に抑制することができる。

［３．第３実施形態］
以下、図５を参照して本発明の第３実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同一要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。

［３−１．シール構造］
本発明の第３実施形態のシール構造２Ｂは、図２及び図３（ａ），（ｂ）に示す第１実施形態のシール構造２に対して、各案内プレート７に替えて、図５（ａ），（ｂ）に示す案内プレート２７をそれぞれ使用したものである。
案内プレート２７は、シールフィン６の上流面６ａに、周方向に沿って所定の間隔をあけて複数設けられている。本実施形態では、案内プレート２７は、その先端（以下、「プレート先端」とも呼ぶ）２７ａを、フィン先端６ｂに一致させてシールフィン６に設置しているが、プレート先端２７ａとフィン先端６ｂとの間にスペースをあけてもよい。
各案内プレート２７は、湾曲し且つ概ね内周側に向かって先細りとなる翼形状であり、湾曲内側面２７ｂをロータ回転方向Ｃとは反対方向に向けた姿勢とされる。また、湾曲内側面２７ｂ（つまりロータ回転方向Ｃとは反対側に向く面）の内周部位２７ｂ′を、外周側に向ける傾斜姿勢とされている。
そして、隣接する案内プレート２７の互いに対向する面（すなわち一方の案内プレート２７の湾曲内側面２７ｂと、他方の案内プレート２７の湾曲外側面２７ｃとの相互間距離Ｌｎがプレート先端２７ａにおいて外周側よりも狭くなるように設定されている。換言すれば、案内プレート２７の相互間として規定されるリーク蒸気の流路ＳＬは、出口で絞られたノズル形状とされている。

案内プレート２７の湾曲形状は、リーク流ＳＬを、湾曲内側面２７ｂに滑らかに案内入れるような形状とするのが好ましく、第２実施形態の案内プレート１７と同じく、外周端２７ｅの傾斜角度θ′は５°〜３０°の範囲が好ましい。ここで、外周端２７ｅとは、湾曲内側面２７ｂと湾曲外側面２７ｃとの中心線Ｌ１上における案内プレート２７の外周端であり、外周端２７ｅの傾斜角度θ′とは、外周端２７ｅにおける中心線Ｌ１の基準線Ｌ０′に対する傾斜角度θ′である。
その他の点は第１実施形態のシール構造２と同様であるので説明を省略する。

［３−２．作用・効果］
本発明の第３実施形態によれば、案内プレート２７の相互間として規定されるリーク蒸気ＳＬの流路は、出口で絞られたノズル形状とされているので、案内プレート２７により回転方向Ｃとは反対方向に案内されたリーク蒸気の流れが速くなり、リーク蒸気ＳＬのロータ回転方向Ｃへのスワール成分を第１実施形態よりも効果的にキャンセルすることができ、ひいては不安定振動を第１実施形態よりも効果的に抑制することができる。

［４．第４実施形態］
以下、図６を参照して本発明の第４実施形態について説明する。なお、第１実施形態及び第３実施形態と同一要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。

［４−１．シール構造］
本発明の第４実施形態のシール構造２Ｃは、図５（ａ），（ｂ）に示す第３実施形態のシール構造２Ｂに対して、案内プレート２７の上流側を塞ぐ閉塞プレート２８を追加したものである。閉塞プレート２８は、軸心線ＣＬ（図１参照）を中心として径方向Ｒに幅を有するリング形状のプレートであり、全ての案内プレート２７の上流側を塞いでいる。また、各案内プレート２７の上流側の端面（以下、「上流端」と呼ぶ）２７ｄの全体を覆うようにその径方向Ｒの幅寸法が設定されている。
その他の点は第３実施形態のシール構造２７と同様であるので説明を省略する。
［４−２．作用・効果］
閉塞プレート２８を設けない場合には、案内プレート２７により案内されるリーク蒸気ＳＬの一部は、途中で、図６（ａ）に二点鎖線の矢印Ｆ７で示すように上流側（図６（ａ）における左側）に反れてしまう。この案内プレート２７から反れたリーク蒸気ＳＬは、ロータ回転方向Ｃの反対方向への転向が十分に行われないため、スワール成分をキャンセルする効果が低減してしまう。
本発明の第４実施形態によれば、閉塞プレート２８により案内プレート２７の上流側を塞いでいるので、リーク蒸気ＳＬが案内プレート２７から反れてしまうことを防止することができ、リーク蒸気ＳＬのロータ回転方向Ｃへのスワール成分を第３実施形態よりも効果的にキャンセルすることができ、ひいては不安定振動を第３実施形態よりも効果的に抑制することができる。

［４−３．その他］
閉塞プレート２８は、全ての案内プレート２７の上流側を塞ぐようにするのが好ましいが、一部の案内プレート２７の上流側を塞ぐようにしてもよい。また、閉塞プレート２８は、各案内プレート２７の上流端２７ｄの全体を覆うのが好ましいが、図６（ｂ）に二点鎖線で示すように、各案内プレート２７の上流端２７ｄを部分的に覆うようにしてもよい。

［５．その他］

（１）上記各実施形態の蒸気タービンでは、各チップシュラウド４に対し本発明のシール構造を適用したが、一部の（少なくとも一つの）チップシュラウド４に対し本発明のシール構造を適用するだけでもよい。
一部のチップシュラウド４に本発明のシール構造を適用する場合には、静圧の不均一性が最大となることから、蒸気Ｓの入口である主流入口２１に最も近い（換言すれば最も高圧側）のチップシュラウド４Ａ（図１参照）に本発明のシール構造を適用するのが好ましい。
または、ロータ軸３０の一次モードでの不安定振動が発生した場合、振幅は、軸方向Ａで中央において最大になるので、軸方向Ａで中央のチップシュラウド４Ｂ（図１参照）に本発明のシール構造を適用するのが好ましい。
蒸気タービンが、軸方向Ａで中央から蒸気が供給される場合には、軸方向Ａで中央のチップシュラウドが主流入口２１に最も近いチップシュラウドになるので、この軸方向Ａで中央且つ主流入口２１に最も近いチップシュラウドに本発明のシール構造を適用すると相乗的な効果が得られる。

（２）上記各実施形態の蒸気タービンでは、単一のチップシュラウド４に設けられた複数のシールフィン６の各々に対し案内プレート７，１７，２７を設置した例を説明したが、一部の（少なくとも一つの）シールフィン６に対し案内プレート７，１７，２７を設けるようにしてもよい。
一部のシールフィン６に案内プレート７，１７，２７を設置する場合には、静圧の不均一性が最大となることから、最上流側（最も換言すれば高圧側）のシールフィン６に案内プレート７，１７，２７を設置するのが好ましい。

（３）案内プレートの形状は、ロータ回転方向Ｃとは反対側に向く面の少なくとも内周部位を、外周側に向ける傾斜姿勢とされているものであれば、リーク蒸気ＳＬをロータ回転方向Ｃと反対方向に向かって案内することができるので、その形状は何ら限定されない。

（４）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る。

１ 蒸気タービン（ターボ機械）
２，２Ａ，２Ｂ シール構造
４ チップシュラウド（回転構造体）
４Ａ 最も上流側に配置されたチップシュラウド
４Ｂ リーク蒸気ＳＬの流れ方向で中央に配置されたチップシュラウド
６，６Ａ，６Ｂ，６Ｃ シールフィン
６ａ シールフィンの上流側の面
６ｂ シールフィンの先端
７，７Ａ，７Ｂ，７Ｃ 案内プレート
７ａ 案内プレート７，７Ａ，７Ｂ，７Ｃの先端
１０ タービンケーシング（静止構造体）
１２ キャビティ
１３ キャビティ底面（内周面）
１７ 案内プレート
１７ａ 案内プレート１７の外周部位
１７ｂ 案内プレート１７の内周部位
１７ｃ 案内プレート１７の湾曲内側面
１７ｄ 案内プレート１７の先端
１７ｅ 案内プレート１７の外周端
２０ 蒸気供給管
２１ 主流入口
２７ 案内プレート
２７ａ 案内プレート２７のプレート先端
２７ｂ 案内プレート２７の湾曲内側面
２７ｂ′ 案内プレート２７の内周部位
２７ｃ 案内プレート２７の湾曲外側面
２７ｄ 案内プレート２７の上流端
２７ｅ 案内プレート２７の外周端
２８ 閉塞プレート
４１，４１Ａ，４１Ｂ シュラウド４のベース面
４２ シュラウド４のステップ面
４３Ａ，４３Ｂ，４３Ｃ 案内プレートの直ぐ上流側に位置するシュラウド４の軸方向Ａに向く面
４４ シュラウド４の角部４４
５０ 動翼
６０ 静翼
１２１，１２２，１２３ 小空間
１２１ａ，１２２ａ，１２３ａ 剥離渦形成空間
Ａ 軸方向
Ｃ ロータ回転方向
ＣＬ ロータ軸心線（軸心線）
Ｇｄ 隙間
Ｆ１〜Ｆ７，Ｆ１′〜Ｆ３′ リーク蒸気ＳＬの流れ
ＳＵ１，ＳＵ２，ＳＵ３ 主渦
ＨＵ１，ＨＵ２，ＨＵ３ 剥離渦
Ｌ０，Ｌ０′ 基準線
Ｌ１ 案内プレート２７の中心線
ＬＡ，ＬＢ，ＬＣ 案内プレートと、その直ぐ上流側のシュラウド４の軸方向Ａに向く面との距離
Ｌｎ 隣接する案内プレート２７の相互間距離
Ｒ 径方向
Ｍ 案内プレートを設置する所定の範囲
ｍ 微小隙間
Ｓ 蒸気（作動流体）
ＳＬ リーク蒸気（リーク流）
ＷＡ，ＷＢ，ＷＣ 案内プレートの幅寸法
傾斜角度 θ，θ′

Claims (13)

1. 軸心線周りに所定方向に回転する回転構造体と、前記回転構造体の外周側に隙間を空けて径方向に対向する静止構造体との間の前記隙間から、作動流体のリーク流の流れを抑制する、シール構造であって、
   前記静止構造体から前記軸心線側に延在するシールフィンと、
   前記リーク流の軸線方向に関する流れ成分で前記シールフィンの上流側の面における前記軸心線寄りの先端側に取り付けられ、前記所定方向とは反対側に向く面の少なくとも内周部位を前記外周側に向ける傾斜姿勢として、前記リーク流を案内する案内プレートとを備えた
   ことを特徴とするシール構造。
2. 前記静止構造体はタービンケーシングであり、
   前記回転構造体は、軸方向に沿って複数設置され、動翼の先端に取り付けられたチップシュラウドであって、
   前記シールフィン及び前記案内プレートは、前記チップシュラウドに対して前記径方向に対向して配置された
   ことを特徴とする、請求項１に記載のシール構造。
3. 前記案内プレートの前記軸方向の寸法が、前記シールフィンの前記上流側の面と、前記チップシュラウドの前記軸方向を向く面であって前記シールフィンよりも前記上流側に位置する面との距離の半分よりも小さく設定された
   ことを特徴とする、請求項２に記載のシール構造。
4. 前記案内プレートは、フラットなプレートであって、前記所定方向とは反対側に向く面を前記外周側に向ける傾斜姿勢とされた
   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構造。
5. 前記案内プレートは、前記径方向に対して所定の角度だけ傾斜し、前記所定の角度が５°〜３０°の範囲に設定された
   ことを特徴とする、請求項４に記載のシール構造。
6. 前記案内プレートは、湾曲形状のプレートであり、前記湾曲形状の内側面を、前記回転構造体の回転方向である前記所定方向とは反対側に向けて前記シールフィンに取り付けられた
   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構造。
7. 前記シールフィンは前記軸心線を中心としたリング形状であり、前記案内プレートは、前記シールフィンに周方向に沿って複数設けられ、前記案内プレートの相互間の距離が、内周側の端部において前記外周側よりも狭くなるように設定された
   ことを特徴とする、請求項６に記載のシール構造。
8. 前記案内プレートは、少なくとも、前記外周側の端部が、前記軸心線を中心とした円の接線に対して所定の角度だけ傾斜し、前記所定の角度が５°〜３０°の範囲に設定された
   ことを特徴とする、請求項６又は７に記載のシール構造。
9. 前記案内プレートの前記上流側を塞ぐ閉塞プレートを備えた
   ことを特徴とする、請求項７、又は、請求項７を引用する場合の請求項８に記載のシール構造。
10. 軸心線周りに所定方向に回転する回転構造体と、前記回転構造体の外周側に隙間を空けて径方向に対向する静止構造体と、請求項１〜９の何れか一項に記載のシール構造とを備えた
    ことを特徴とする、ターボ機械。
11. 前記回転構造体として、前記軸心線に沿って複数設けられたチップシュラウドを備えると共に、前記静止構造体として、前記複数のチップシュラウドを囲うタービンケーシングを備え、
    前記複数のチップシュラウドの内の、少なくとも一つのチップシュラウドに対し、前記シール構造を備えたタービンであることを特徴とする、請求項１０に記載のターボ機械。
12. 前記少なくとも一つのチップシュラウドが、前記作動流体の入口の最も近くに配置されたチップシュラウドである
    ことを特徴とする、請求項１１に記載のターボ機械。
13. 前記少なくとも一つのチップシュラウドが、軸方向中央に配置されたチップシュラウドである
    ことを特徴とする、請求項１１又は請求項１２に記載のターボ機械。

Images