JP6209200B2 - ステップシール，シール構造，ターボ機械及びステップシールの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、二つ構造体の相互間からの流体のリークを抑制するステップシール，シール構造、それを使用したターボ機械及びそれに使用するステップシールの製造方法に関する。

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、静止側と回転側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ボ機械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、ラビリンスシールなどの非接触型のシール構造が用いられている。

ラビリンスシールとしては、ターボ機械の外郭をなすケーシングの内周に動翼に向かって伸びるシールフィン等のシール部材と、動翼の先端に設けられたステップ状のシュラウドとを有するステップ型のものが知られている（例えば特許文献１）。
このようなステップ型のラビリンスシールでは、シュラウドのステップ部（ステップシール）の径方向壁面により作動流体に主渦が発生すると共に、シールフィンの上流側において、ステップ部の角部の作用により主渦から剥離渦（剥離流の渦）が発生する。この剥離渦によって、いわゆる縮流効果が得られ、シールフィンとシュラウドとの微小間隙から作動流体のリーク量を低減させることができる。

特開２０１２−０７２６８９号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたような従来のステップ型のラビリンスシールでは、リーク抑制効果ひいてはターボ機械のリーク損失抑制効果が十分とはいえない。これは、ステップシールの角部を構成する、上流側に向く軸方壁面が、径方向に延在する真っ直ぐな形状であり、作動流体に積極的に主渦が発生をさせる（すなわち旋回させる）形状としては十分ではなかった。
レイアウト上の制約から十分なステップシールの高さを確保できない場合や、シュラウドが、ターボ機械の運転時に、熱により軸方向（ターボ機械の回軸方向）に伸びて、シールフィンとステップシールとの距離が設計点からずれてしまう場合には、上記形状は特に影響を受けやすく、主渦が十分に発達しない。

このため、ステップ部の角部において主渦からの剥離が不十分となり、剥離渦が十分に発達せずに期待通りの縮流効果を得ることができず、ひいては作動流体のリーク抑制効果及びターボ機械のリーク損失抑制効果を十分に得られないことがあった。

本発明は、上記のような課題に鑑み創案されたもので、安定して高いリーク抑制効果が得られ、ひいては安定してターボ機械のリーク損失を低減することができる、ステップシール，シール構造，ターボ機械及びステップシールの製造方法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、本発明のステップシールは、互いに隙間を空けて径方向に対向し軸線回りに相対回転する第一構造体と第二構造体との間の前記隙間から、流体がリークすることを抑制し、前記第二構造体に設けられたシールフィンにクリアランスをあけて、前記第一構造体に設けられるステップシールであって、前記流体の流通方向上流側に向く段差面と前記第二構造体に向く対向面とを有するステップシール本体と、前記段差面と前記対向面との間に形成された突起部とを備えて構成され、前記突起部が先端の尖った尖鋭突起部であり、前記尖鋭突起部における前記軸線に沿った長さ寸法が、前記シールフィンにおける前記長さ寸法の０．１倍以上且つ０．５倍以下であることを特徴としている。

（２）前記尖鋭突起部の角度が７５度以下であり、前記尖鋭突起部の傾斜角度が、−３０度以上、１５０度以下の範囲内に設定されたことが好ましい。

（３）前記尖鋭突起部が、前記第二構造体に向かって凸となることが好ましい。

（４）前記尖鋭突起部が、前記上流側に向かって凸となることが好ましい。

（５）上記の目的を達成するために、本発明のシール構造は、互いに隙間を空けて径方向に対向し軸線回りに相対回転する第一構造体と第二構造体との間の前記隙間から、流体がリークすることを抑制する、シール構造であって、前記第一構造体に設けられた、（１）〜（４）の何れかに記載のステップシールと、前記ステップシールの前記段差面よりも前記流体の流通方向下流側で前記ステップシールの前記対向面に向かって延在し、前記対向面との間にクリアランスをあけて前記第二構造体に設けられたシールフィンとを備えたことを特徴としている。
（６）上記の目的を達成するために、本発明のターボ機械は、（５）に記載のシール構造を備えることを特徴としている。

（７）上記の目的を達成するために、本発明のステップシールの製造方法は、互いに隙間を空けて径方向に対向し軸線回りに相対回転する第一構造体と第二構造体との間の前記隙間から、流体がリークすることを抑制するシール構造において、前記第二構造体に設けられたシールフィンにクリアランスをあけて、前記第一構造体に設けられるステップシールの製造方法であって、第一の面と、前記第一の面と交差する第二の面とを有するステップシール原材料において、前記第一の面及び前記第二の面の何れか一方の面に対し、表面から厚さ方向に関して一定の範囲を被切削部として設定し、前記被切削部を、前記厚さ方向と交差する切削方向に切削を行うことで、前記切削方向と交差する面に前記切削方向に凸となる突起部を形成する、切削ステップを備えたことを特徴としている。

（８）前記突起部を研磨して先端の尖った尖鋭突起部に形成する、研磨ステップを備えることが好ましい。

本発明によれば、ステップシールとシールフィンとの間のクリアランスに向かう流体の流れを、シールフィンの上流側において、ステップシールに設けた突起部によりクリアランスから逸らすことで、クリアランスに向かう流体の弱体化と、クリアランスの上流側における剥離渦の発達の促進（つまり縮流効果の向上の促進）とを積極的に行うようにしている。これにより、シール構造によるリーク抑制効果、ひいてはターボ機械のリーク損失の低減効果を安定して得ることができる。
また、突起部が、先端の尖った尖鋭突起部として形成されているので、突起部が丸みを帯びることによるリーク抑制効果の目減りを防止することができる。
さらに、尖鋭突起部の主要寸法である長さ寸法Ｌ１を適宜の範囲に設定することで、より高いリーク抑制効果を得ることができる。
また、切削加工に伴うバリの発生を利用して突起部を設けることができるので、安価且つ容易に突起部を設けることができ、突起部を設けることによる製造コストの上昇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実施形態に係る蒸気タービンの要部断面図であり、図１のＩ部の拡大断面図である。 本発明の第１実施形態に係るステップシールの構成を示す模式的断面図である（ステップシールの断面を示す斜線は省略している）。 本発明の第１実施形態に係るステップシールの作用を説明するための模式的断面図であって、（ａ）は本発明の第１実施形態に係るステップシールに関する図、（ｂ）は従来のステップシールに関する図である（（ａ），（ｂ）共にステップシールの断面を示す斜線は省略している）。 本発明の第１実施形態に係るステップシールの主要寸法の設定範囲を説明するための模式図であって、リーク流量の抑制効果Ｅと、尖鋭突起部５１３の軸方向Ａに関する長さ寸法Ｌ１と、尖鋭突起部５１３の角度θ１との相関関係の解析結果を示す図である。 本発明の第１実施形態に係るステップシールの製造方法を説明するための模式的断面図であって、（ａ）は切削ステップを示す図、（ｂ）は研磨ステップを示す図、（ｃ）は研磨ステップ後の製品完成状態を示す図である（（ａ），（ｂ），（ｃ）共にステップシールの断面を示す斜線は省略している）。 本発明の第２実施形態に係るステップシールの構成を示す模式的断面図である（ステップシールの断面を示す斜線は省略している）。 本発明の第２実施形態に係るステップシールの作用を説明するための模式的断面図である（ステップシールの断面を示す斜線は省略している）。 本発明の第２実施形態に係るステップシールの製造方法を説明するための模式的断面図であって、（ａ）は切削ステップを示す図、（ｂ）は研磨ステップを示す図、（ｃ）は研磨ステップ後の製品完成状態を示す図である（（ａ），（ｂ），（ｃ）共にステップシールの断面を示す斜線は省略している）。

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。
本実施形態では、本発明のシール構造，ターボ機械及びシールフィンの製造方法を蒸気タービンに適用した例を説明する。
なお、以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の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、蒸気タービン内の蒸気Ｓの流れに対して上流，下流を意味するものとする。すなわち、図１〜図４，図６〜図９における左側を上流側、右側を下流側とする。
また、蒸気タービンの軸線ＣＬに向く方向を内周側又は内側とし、その反対側、軸線ＣＬから離れる方向を外周側又は外側として説明する。

［１．第１実施形態］
［１−１．蒸気タービンの全体構成］
図１に示すように、本実施形態の蒸気タービン（ターボ機械）１は、ケーシング（第二構造体）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回転軸３０と、ケーシング１０に設けられた静翼４０と、回転軸３０に設けられた動翼５０と、軸線ＣＬを中心に回転軸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４０及び動翼５０は回転軸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（後述のシュラウド５１を含む）とは互いに相対回転する。

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、回転軸３０が挿通される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、回転軸３０を回転自在に支持している。

静翼４０は、ケーシング１０から内周側に向かって伸び、回転軸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４０からなる環状静翼群は、回転軸３０の軸方向（以下、単に軸方向と呼ぶ）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、回転軸３０の回転軸本体３１の外周部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。このうち、最終段の動翼群では、回転軸３０の周方向（以下、単に周方向と呼ぶ）に隣接する動翼５０の先端部同士がリング状のシュラウド（第一構造体）５１により連結されている。最終段の動翼群のみなならず他の動翼群、さらには静翼群についてもシュラウド５１により連結するようにしても良い。

［１−２．シール構造］
［１−２−１．シール構造の全体構造］
図２に示すように、仕切板外輪１１の軸方向下流側には、仕切板外輪１１の内周部から拡径されケーシング１０の内周面を底面（以下、ケーシング底面ともいう）１３とする円環状の溝（以下、環状溝と呼ぶ）１２が形成されている。環状溝１２には、シュラウド５１が収容され、ケーシング底面１３は、シュラウド５１と隙間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、回転軸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（以下、リーク蒸気と呼ぶ）ＳＬは、動翼５０に流入せずに環状溝１２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と動翼５０との間の隙間Ｇｄには、本発明の第１実施形態としてのシール構造（ステップ型のラビリンスシール）２が設けられている。以下、シール構造２について説明する。
図２に示すように、動翼５０の先端部には、前述のとおりリング状のシュラウド５１が配設されている。このシュラウド５１は、図２に示す階段状の横断面形状（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おり、ここでは３つのステップシール５Ａ，５Ｂ，５Ｃを備えている。以下、ステップシール５Ａ，５Ｂ，５Ｃを区別しない場合はステップシール５と表記する。

ステップシール５Ａは、上流側を向き径方向Ｒに沿った径方向壁面（段差面）５１１ａと、底面１３（換言すればケーシング１０の内壁面）に向き軸方向Ａに沿った軸方向壁面（対向面）５１２ａと、これらの壁面５１１ａ，５１２ａとの間に形成される突起部５１３ａとを備えて構成される。径方向壁面５１１ａは全体的に円環状、軸方向壁面５１２ａは全体的に円筒状、突起部５１３ａは全体的に円環状をなしている。
ステップシール５Ｂ，５Ｃは、それぞれステップシール５Ａと同様に構成される。つまり、ステップシール５Ｂは、上流側を向く径方向壁面（段差面）５１１ｂと、底面１３に向く軸方向壁面（対向面）５１２ｂと、これらの壁面５１１ｂ，５１２ｂとの間に形成される突起部５１３ｂとを備えて構成され、ステップシール５Ｃは、上流側を向く径方向壁面（段差面）５１１ｃと、底面１３に向く軸方向壁面（対向面）５１２ｃと、これらの壁面５１１ｃ，５１２ｃとの間に形成される突起部５１３ｃとを備えて構成される。

以下、径方向壁面５１１ａ，５１１ｂ，５１１ｃを特に区別しない場合には、径方向壁面５１１と表記し、軸方向壁面５１２ａ，５１２ｂ，５１２ｃを特に区別しない場合には、軸方向壁面５１２と表記し、突起部５１３ａ，５１３ｂ，５１３ｃを特に区別しない場合には、突起部５１３と表記する。
なお、シュラウド５１の断面形状は、本実施形態のものに限定されず適宜設計変更が可能であり、シュラウド５１に設けるステップシール５の個数は、１つ以上あれば良く、３個に限定されるものではない。

一方、図２に示す仕切板外輪１１の内周面には、上述の環状溝１２が形成されている。そして、この環状溝１２の底面１３には、３つのシールフィン６Ａ，６Ｂ，６Ｃが、径方向Ｒに突出するようにしてそれぞれ設けられている。

ここで、蒸気Ｓの流通方向で最も上流側に位置するシールフィン６Ａは、シュラウド５１のステップシール５Ａの径方向壁面５１１ａよりも若干下流側に設けられ、その先端とシュラウド５１の軸方向壁面５１２ａとの間には、微小間隙ｍａが径方向Ｒに形成されている。また、３つのシールフィン６のうち、２番目に上流側に位置するシールフィン６Ｂは、ステップシール５Ｂの径方向壁面５１１ｂよりも若干下流側に設けられ、その先端とシュラウド５１の軸方向壁面５１２ｂとの間にも、微小間隙ｍｂが径方向Ｒに形成されている。更に、３つのシールフィン６のうち、最も下流側に位置するシールフィン６Ｃは、ステップシール５Ｃの径方向壁面５１１ｃよりも若干下流側に設けられ、その先端とシュラウド５１の軸方向壁面５１２ｃとの間にも、微小間隙ｍｃが径方向に形成されている。このように構成されるシールフィン６は、シールフィン６Ａ，シールフィン６Ｂ，及びシールフィン６Ｃの順にその長さが短くなっている。
シールフィン６Ａ，６Ｂ，６Ｃを区別しない場合は、以下、シールフィン６と表記する。また、微小間隙ｍａ，ｍｂ，ｍｃを区別しない場合は、以下、微小間隙ｍと表記する。

なお、シールフィン６の長さや形状や設置位置や個数等は、本実施形態に限定されず、シュラウド５１および／または仕切板外輪１１の断面形状等に応じて適宜設計変更が可能である。また、微小間隙ｍの寸法は、ケーシング１０や動翼５０の熱伸び量、動翼の遠心伸び量等を考慮した上で、シールフィン６とシュラウド５１とが接触することがない安全な範囲内で、最小の値に設定することが好適である。本実施形態では、３つの微小間隙ｍを全て同じ寸法に設定しているが、必要に応じて、各シールフィン６によって微小間隙ｍを異なる寸法に設定してもよい。

［１−２−２．ステップシール］
上述したようにステップシール５は突起部５１３を備えたことに大きな特徴がある。この突起部５１３の構造について図３及び図４を参照して説明する。

図３に示すように、ステップシール５は、径方向壁面５１１と軸方向壁面５１２とを有するステップシール本体５１０と、ステップシール本体５１０の径方向壁面５１１と軸方向壁面５１２との間に形成された突起部５１３とを備えて構成されている。
突起部５１３の突起先端５１６〔径方向壁面５１１に連続する上流側の面（以下、前面という）５１４と、下流側の面（以下、背面という）５１５とが交わる箇所〕には、そのまま（未加工のまま）では丸み（ここで言う「丸み」とは、流体の流れに影響を与えうる一定曲率半径以上の丸み）があるため、尖鋭加工が施されている。そこで、以下、突起部５１３を尖鋭突起部５１３ともいう。換言すれば、尖鋭突起部５１３とは、尖鋭加工により、未加工の場合に比べて相対的に突起先端５１６が尖鋭化された突起部をいう。
本実施形態では、尖鋭突起部５１３は、径方向Ｒに沿って外周側に延設されており、その前面５１４がステップシール本体５１０の径方向壁面５１１に面一に形成されているが、二点鎖線で示すように、径方向壁面５１１に対して傾斜させてもよい（径方向Ｒに対して傾斜させてもよい）。

図４（ｂ）に示すように、尖鋭突起部５１３のない従来のシュラウド５１′のステップシール５′では、そもそもリーク蒸気ＳＬに圧力損失を十分に与えるような形状でない上に、その角部５１６′が「発明が解決しようとする課題」の欄で説明したように丸みを帯びているため、リーク蒸気ＳＬが一点鎖線の矢印で示すように流れ、縮流効果が低い。本来であれば（丸みを帯びていなければ）、リーク蒸気ＳＬが、ステップシール５′の径方向壁面５１１′により外周側に反れて流れるため、ステップシール５′の角部５１６′付近でリーク蒸気ＳＬによる剥離渦が発生する。これにより、リーク蒸気ＳＬが外周側に反れて流れることで微小間隙ｍへ向かう流れが弱まることと、剥離渦の縮流効果との相乗効果により一定のリーク抑制効果が得られるはずである。

しかし、角部５１６′は丸みを帯びているので、リーク蒸気ＳＬがこの丸みに沿って流れてしまうため、リーク蒸気ＳＬは、一点鎖線の矢印で示すように僅かに外周側に反れるだけで、下流側に向かう力が十分に弱まらないまま微小間隙ｍに流れ込んでしまう。
さらに、リーク蒸気ＳＬの流れと対向面５１２′との間に、剥離渦〔図４（ａ）の剥離渦ＳＳ参照〕が形成されるための空間が十分に生成されず、剥離渦が十分に発達しない。剥離渦が十分に発達すれば、この剥離渦によって、微小隙間ｍの上流側において図４（ｂ）で下側に向かう高速流れが起こされ、縮流効果が得られるが、剥離渦が十分に発達しないため縮流効果が得られない。換言すれば、リーク蒸気ＳＬの流れの有効高さｈ１´が比較的高く、シュラウド５１′のステップシール５′との隙間寸法ｈに対する有効高さｈ１´の比である縮流効果（＝ｈ１′／ｈ）が十分ではない。
特に、「発明が解決しようとする課題」の欄で説明したように、ステップシールの高さを確保できない場合や、熱によりシュラウド５１′に軸方向Ａへの伸びが生じて、シールフィン６とステップシール５′との位置関係が最適点である設計点からずれてしまう場合には、縮流効果が低くなる。

これに対し、図４（ａ）に本発明の第１実施形態のシュラウド５１においては、リーク蒸気ＳＬが一点鎖線の矢印で示すように流れるため、リーク蒸気ＳＬの流れの有効高さｈ１が、従来のシュラウド５１′を使用した時の有効高さｈ１´よりも低く、シールフィン６とシュラウド５１との隙間寸法ｈに対する有効高さｈ１の比である縮流効果（＝ｈ１／ｈ）が、従来のシュラウド５１′を使用した時の縮流効果（＝ｈ１′／ｈ）よりも向上している〔（ｈ１／ｈ）＜（ｈ１′／ｈ）〕。

これは、径方向Ｒで外周側に凸となる尖鋭突起部５１３の存在により、リーク蒸気ＳＬに対する流通抵抗が大きくなることに加え、リーク蒸気ＳＬが、図４（ａ）中に一点鎖線で示すように積極的に外周側に案内されるので、下流側に向かう力が十分に弱まる上に、剥離渦ＳＳの生成が誘発され、生成した剥離渦ＳＳにより、微小間隙ｍの上流側に、図４（ａ）において下方向に向かう高速流れが起こされることで縮流効果が得られるためである。つまり、リーク蒸気ＳＬが、大きく迂回してシールフィン６とシュラウド５１との微小間隙ｍに流れ込むようになるため、リーク蒸気ＳＬの流れと対向面５１２との間に、従来よりも広い空間が形成され、この広い空間により剥離渦ＳＳの発達が促進され、発達した剥離渦ＳＳにより高い縮流効果が得られるからである。
しかも、ステップシール５の尖鋭突起部５１３は、突起先端５１６が尖鋭形状となっているので、従来のシュラウド５１′のステップシール５′ように角部５１６′に丸みがあることによるリーク抑制効果の目減りがない。

ここで、尖鋭突起部５１３の主な寸法Ｌ1，θ１，θ２の好ましい範囲を、図３及び図５を参照して説明する。
図５は、リーク流量の抑制効果Ｅと、尖鋭突起部５１３の軸方向Ａに関する長さ寸法Ｌ１と、尖鋭突起部５１３の角度（前面５１４と背面５１５とが成す角度）θ１との相関関係の解析結果を示すものである。抑制効果Ｅとは、尖鋭突起部５１３の長さ寸法Ｌ１が、シールフィン６の軸方向Ａに関する長さ寸法Ｌ０に対して０．２５倍のときに得られる最大のリーク低減量を１００％としてリーク低減量を示すものである。
尖鋭突起部５１３の長さ寸法Ｌ１は、長すぎると、リーク蒸気ＳＬが尖鋭突起部５１３から剥離する点（剥離点）がシールフィン６よりも上流側に離れすぎるため剥離渦ＳＳが弱くなり（シールフィン６を通過しようとするリーク蒸気ＳＬに対する影響が弱くなり）、長さ寸法Ｌ１とリーク流量の抑制効果Ｅとの関係は図５に示すようになる。

図５より、尖鋭突起部５１３の長さ寸法Ｌ１は、５０％以上の抑制効果Ｅが得られることから、好ましくは、シールフィン６の軸方向Ａに関する長さ寸法Ｌ０の１．５倍以下（Ｌ１≦１．５×Ｌ０）、８０％以上の抑制効果Ｅが得られることから、より好ましくは寸法Ｌ０の０．１倍以上且つ０．５倍以下（０．１×Ｌ０≦Ｌ１≦０．５×Ｌ０）である。
また、尖鋭突起部５１３の角度θ１は、リーク蒸気ＳＬの剥離点の固定と、剥離点でのリーク蒸気ＳＬの進行方向に寄与する。角度θ１が大きすぎると、リーク蒸気ＳＬが尖鋭突起部５１３を回り込んでしまって剥離点を固定するため角（突起）としての機能を果たすことができず、リーク蒸気ＳＬが尖鋭突起部５１３に沿って流れてしまい、剥離渦によって生まれる縮流が弱くなる。
すなわち、尖鋭突起部５１３は、角度θ１が小さく薄いほうが好ましく、角度θ１が７５度[degree]以下だと剥離点の固定点としての機能を十分に果たすことができ、４５度[degree]以下だと尖鋭化が向上して剥離点でのリーク蒸気ＳＬの進行方向を精度よく制御することができる。したがって、角度θ１は、好ましくは７５度[degree]以下（θ１≦７５）、より好ましくは４５度[degree]以下（θ１≦４５）である。

図３におけるθ２は、尖鋭突起部５１３の傾斜角度であり、尖鋭突起部５１３の角度θ１を二等分する二等分線Ｂと、軸方向壁面５１２の平行線Ｐとの交差角度（つまりは二等分線Ｂと軸方向壁面５１２との交差角度）である。
ここで、二等分線Ｂと平行線Ｐとの交点よりも左側の交差角に着目した場合、平行線Ｐよりも二等分線Ｂが下方となるような交差角を負（マイナス）、平行線Ｐよりも二等分線Ｂが上方となるような交差角を正（プラス）とする。したがって、図３に示す例では尖鋭突起部５１３の傾斜角度θ２は正である。
角度θ２も、角度θ１と同様に、リーク蒸気ＳＬの剥離点の固定と、剥離点でのリーク蒸気ＳＬの進行方向に寄与する。角度θ２が−３０度[degree]よりも小さいと、尖鋭突起部５１３がリーク蒸気ＳＬの流れに対して対抗方向に向きすぎて突起先端５１６すなわち剥離点でのリーク蒸気ＳＬの流れ方向が微小間隙ｍに向かいすぎるようになるため、強い縮流を形成することができない。同様に、角度θ２が１５０度[degree]よりも大きいとリーク蒸気ＳＬの流れ方向が微小間隙ｍに向かいすぎるようになり、強い縮流を形成することができない。
このため、角度θ２の範囲は、−３０度[degree]以上、１５０度[degree]以下が好ましい（−３０≦θ２≦１５０）。
なお、図５に示す解析結果は、鋭突起部５１３の傾斜角度θ２が７５度[degree]の場合のものである。

［１−３．ステップシールの製造方法］
本発明の第１実施形態としてのステップシールの製造方法を、図６を参照して説明すると、本製造方法では、先ず、図６（ａ）に示す切削ステップが行われ、次いで図６（ｂ）に示す研磨ステップが行われて、図６（ｃ）に示すようにステップ５の加工が完了し、ステップシール５の製造が完了する。

図６（ａ）に示す切削ステップでは、原材料（ステップシール原材料）１００のステップ部１０１に設けられた被切削部１０２（図６（ａ）中、網点で示す部分）を、切削機の切削刃２００を使用して切削する。ステップ部１０１は、段差面１０１ａと、段差面１０１ａと交差する対向面１０１ｂを備え、被切削部１０２は、段差面（第一の面及び第二の面の何れか一方の面）１０１ａから、厚さ方向Ｔ（蒸気タービン１への取り付け時に軸方向Ａと一致する方向）に関して一定の範囲（つまり段差面１０１ａから所定厚み分ΔＴ）に設定されている。異なる言い方をすれば、原材料１００のステップ部１０１は、完成品（ステップシール５）に対して、被切削部１０２の厚みΔＴ分を見込んで寸法が設定されている。

そして、切削刃２００を、破線の矢印で示すように推進し、先ず、厚さ方向Ｔに沿って推進して段差面１０１ａと対向面１０３と境界に食い込ませた後、厚さ方向Ｔと交差する切削方向Ｃ（蒸気タービン１への取り付け時における径方向Ｒに沿った方向）に沿って対向面１０３から離隔する方向に推進し、被切削部１０２を切削する。切削が進んで被切削部１０２の残部が僅かになると、この残部が、切削刃２００の推進力に抗しきれずに切削方向Ｃ側に折れ曲がり突起部１０２′となり（つまりバリとして残り）、シュラウド原材料１００が中間製品１００′となる。なお、切削加工は放電加工により行うようにしても良い。

図６（ｂ）に示す研磨ステップでは、突起部１０２′の切削面１０４とは反対側の面（以下、未加工面という）１０５は加工が施されていないので、研磨機２０１により研磨される。これにより、図６（ｃ）に示すように、突起部１０２′が先端の尖った尖鋭突起部５１３として形成されて、ステップシール５の製造が完了する。
尖鋭突起部５１３の角度θ１（図３参照）は、研磨量や研磨角度に応じて調節することができる。尖鋭突起部５１３の傾斜角度θ２（図３参照）は、研磨機２０１により突起部１０２′を研磨して尖鋭突起部５１３とする際に、研磨機２０１により突起部１０２′に掛ける押圧力により調整することができる。研磨ステップとは別に、尖鋭突起部５１３の傾斜角度θ２を調節する曲げ加工などの加工ステップを設けても良い。

［１−４．効果］
本発明の第１実施形態としてのシール構造，蒸気タービン及びシュラウドの製造方法によれば以下の利点がある。

ステップシール５に突設された突起部５１３の案内により、微小隙間ｍに向かうリーク蒸気ＳＬの流れを外周側に逸らすことで、微小隙間ｍに向かうリーク蒸気ＳＬの流れの弱体化と微小隙間ｍの上流側における剥離渦ＳＳの発達の促進（つまり縮流効果の向上の促進）を積極的に行うようにしている。これにより、ステップシールの高さを確保できない場合や、熱によりシュラウド５１に軸方向Ａへの伸びが生じて、シールフィン６とステップシール５との位置関係が設計点からずれてしまう場合でも、これを相殺して、高いリーク抑制効果を安定して得ることができる。

さらに、突起部５１３が、先端の尖った尖鋭突起部として形成されているので、突起部５１３の先端が丸みを帯びることによるリーク抑制効果が目減りを防止することができる。

さらに、尖鋭突起部５１３の主要寸法である長さ寸法Ｌ１，角度θ１及び傾斜角度θ２を適宜の範囲に設定することで、より高いリーク抑制効果を得ることができる。
また、このようなリーク抑制効果の高いシールフィン６を使用することで、蒸気タービン１のリーク損失を抑制して高いタービン効率を得ることができる。

また、シールフィン６の先端に折曲加工により傾斜を設けて、この傾斜により突起部５１３のようにリーク流を上流側に案内することや、鋳造により予め突起部や傾斜備えた形状のシールフィン６を製造することも考えられるが、本発明では、切削加工に伴うバリの発生を利用して突起部５１３を設けることができるので、安価に突起部５１３を設けることができる。

［２．第２実施形態］
本実施形態の蒸気タービン及びシール構造は、第１実施形態に対しシュラウドの構成が異なるだけなので、シュラウドの構成のみ説明する。

［２−１．ステップシール］
本実施形態のシュラウドは、図２におけるシュラウド５１に対し、ステップシール５Ａ，５Ｂ，５Ｃを、それぞれ図７に示すステップシール１５に置き換えて構成される。
図７に示すように、ステップシール１５は、径方向壁面５１１と軸方向壁面５１２とを有するステップシール本体５１０と、ステップシール本体５１０の径方向壁面５１１と軸方向壁面５１２との間に形成された突起部５１３Ａとを備えて構成されている。
突起部５１３Ａは、ステップシール本体５１０の径方向壁面５１１に連続する上流側の面（以下、前面という）５１４と、ケーシング１０の底面１３（図２参照）に向く面（以下、背面という）５１５とが交わる突起先端５１６を、丸みの無い先の尖った形状に加工されている。そこで、以下、突起部５１３Ａを尖鋭突起部５１３Ａともいう。換言すれば、尖鋭突起部５１３Ａとは、尖鋭加工により、未加工の場合に比べて相対的に突起先端が尖鋭化された突起部をいう。
本実施形態では、尖鋭突起部５１３Ａは、軸方向Ａに沿って上流側に延設されており、その背面５１５がステップシール本体５１０の軸方向壁面５１２に面一に形成されている。

尖鋭突起部５１３Ａの主な寸法Ｌ１，θ１，θ２の好ましい範囲は、第１実施形態と同様である。つまり、長さ寸法Ｌ１は、好ましくは、シールフィン６の軸方向Ａに関する長さ寸法Ｌ０の１．５倍以下（Ｌ１≦１．５×Ｌ０）、より好ましくは上記寸法Ｌ０の０．１倍以上且つ０．５倍以下（０．１×Ｌ０≦Ｌ１≦０．５×Ｌ０）、尖鋭突起部５１３Ａの角度θ１は、好ましくは７５度[degree]以下（θ１≦７５）、より好ましくは４５度[degree]以下（θ１≦４５）、鋭突起部５１３の傾斜角度θ２は、好ましくは−３０度[degree]以上、１５０度[degree]以下である。

図８に一点鎖線で示すように、リーク蒸気ＳＬは、上流側に凸となる尖鋭突起部５１３Ａにより、大きな流通抵抗を受けることに加え、上流側（すなわち微小隙間ｍとは反対側）に案内される。これにより、リーク蒸気ＳＬは、第１実施形態の外周側に凸となる尖鋭突起部５１３よりも、微小隙間ｍに向かう流れが弱体化され、その上、上記の第１実施形態よりも大きく迂回して微小隙間ｍに流れるようになるのでリーク蒸気ＳＬの流れと対向面５１２との間に一層大きな空間が形成され、この空間により剥離渦ＳＳの発達が促進されて剥離渦ＳＳによる高い縮流効果が得られる。したがって、上記の第１実施形態よりもさらに高いリーク抑制効果が得られる。
この結果、本発明の第２実施形態のステップシール１５では、第１実施形態のステップシール５と同様に、図４（ｂ）に示す従来のステップシール５′よりもリーク流量を低減できる。換言すれば、リーク蒸気ＳＬの流れの有効高さｈ２が、従来のステップシール５′を使用した時の有効高さｈ１´よりも低く、シールフィン６と軸方向壁面５１２との隙間寸法ｈに対する有効高さｈ２の比である縮流効果（＝ｈ２／ｈ）が、従来のステップシール５′を使用した時の縮流効果（＝ｈ１′／ｈ）よりも向上している〔（ｈ２／ｈ）＜（ｈ１′／ｈ）〕。

加えて、ステップシール５Ａの尖鋭突起部５１３Ａは、第１実施形態の尖鋭突起部５１３と同様に、突起先端５１６が尖鋭形状となっているのでリーク抑制効果の目減りがない。

［２−２．ステップシールの製造方法］
本発明の第２実施形態としてのステップシールの製造方法を、図９を参照して説明すると、本ステップシールの製造方法では、先ず、図９（ａ）に示す切削ステップが行われ、次いで図９（ｂ）に示す研磨ステップが行われて、図９（ｃ）に示すようにステップシール１５の製造が完了する。

図９（ａ）に示す切削ステップでは、原材料１５０のステップ部１５１に設けられた被切削部１５２（図９（ａ）中、網点で示す部分）を、切削機の切削刃２００を使用して切削する。ステップ部１５１は、段差面１５１ｂと、段差面１５１ｂと交差する対向面１５１ａを備え、被切削部１５２は、対向面（第一の面及び第二の面の何れか一方の面）１５１ａから、厚さ方向Ｔ１（蒸気タービン１への取り付け時における径方向Ｒ）に関して一定の範囲（つまり対向面１５１ａから所定厚み分ΔＴ１）に設定されている。異なる言い方をすれば、原材料１５０のステップ部１５１は、完成品のステップシール１５に対して、被切削部１５２の厚みΔＴ１分を見込んで寸法が設定されている。

そして、切削刃２００を、破線の矢印で示すように推進し、先ず、厚さ方向Ｔ１に沿って対向面１５１ａに向けて推進し、対向面１５１ａと段差面１５３と境界に食い込ませた後、厚さ方向Ｔ１と交差する切削方向Ｃ１（蒸気タービン１への取り付け時における軸方向Ａ）に沿って段差面１５３から離隔する方向に推進し、被切削部１５２を切削する。切削が進んで被切削部１５２の残部が僅かになると、この残部が、切削刃２００の推進力に抗しきれずに切削方向Ｃ側に折れ曲がり突起部１５２′となり（つまりバリとして残り）、原材料１５０が中間製品１５０′となる。なお、切削加工は放電加工により行うようにしても良い。

図９（ｂ）に示す研磨ステップでは、突起部１５２′の切削面１５４とは反対側の面（以下、未加工面という）１５５は加工が施されていないので、研磨機２０１により研磨される。これにより、突起部１５２′が、図９（ｃ）に示すように先端の尖った尖鋭突起部５１３Ａとして形成されて、ステップシール１５の製造が完了する。
尖鋭突起部５１３Ａの角度θ１（図７参照）は、研磨量や研磨角度に応じて調節することができる。尖鋭突起部５１３Ａの傾斜角度θ２（図７参照）は、研磨機２０１により突起部１５２′を研磨して尖鋭突起部５１３Ａとする際に、研磨機２０１により突起部１５２′に掛ける押圧力により調整することができる。もちろん、研磨ステップとは別に、尖鋭突起部５１３Ａの傾斜角度θ２を調節する曲げ加工などの加工ステップを設けても良い。

本実施形態のステップシールの製造方法は、上記の図９（ａ）〜（ｃ）に示す方法に限定されない。例えば、第１実施形態と同様に、図６（ａ）に示すように段差面１０１ａの切削部１０２を切削した後、図６（ｂ）に示すように未加工面１０５を研磨し、この研磨の際に、研磨機２０１によって、突起部１０２′に研磨を掛けると共に突起部１０２′を対向面１０３と平行になるように押し倒すことにより、図７に示す本第２実施形態のステップシール１５を製造することもできる。

［２−３．効果］
本発明の第２実施形態としてのシール構造，蒸気タービンによれば、上流側（すなわち微小隙間ｍとは反対側）に向く尖鋭突起部５１３Ａにより、尖鋭突起部５１３が外周側に向く第１実施形態よりも、リーク蒸気ＳＬに大きな流通抵抗を付与すると共に剥離流を発達させることができるので、第１実施形態よりも高いリーク抑制効果及び高いタービン効率を得ることができる。
また、本発明の第２実施形態としてのステップシールの製造方法は上述したように行われるので、第１実施形態のステップシールの製造方法と同様の効果が得られる。

［３．その他］
（１）上記各実施形態では、シュラウド５１を本発明の第一構造体とすると共にケーシング１０を本発明の第二構造体として、シュラウド５１にステップシール５,１５を設け、ケーシング１０にシールフィン６を設けたが、逆に、ケーシング１０を本発明の第一構造体とすると共にシュラウド５１を本発明の第二構造体としてもよい。つまり、ステップシール５,１５をケーシング１０に設け、シールフィン６をシュラウド５１に取り付けてもよい。

（２）上記各実施形態では、本発明のシール構造を、ケーシング１０と動翼５０との間のシール構造に適用したが、回転軸本体３１と静翼４０との間のシール構造に適用することもできる。

（３）上記第１実施形態では、シュラウドの全てのステップシール５Ａ，５Ｂ，５Ｃに尖鋭突起部５１３を設け、上記第２実施形態では、シュラウドの全てのステップシール５Ａ，５Ｂ，５Ｃに尖鋭突起部５１３Ａを設けたが、ステップシール５Ａ，５Ｂ，５Ｃの少なくとも１つに尖鋭突起部５１３又は尖鋭突起部５１３Ａを設ければよい。また、一つのシュラウドにおいて、尖鋭突起部５１３を備えたステップシールと、尖鋭突起部５１３Ａを備えたステップシールとを混在させても良い。

（４）上記各実施形態では、突起部５１３，５１３Ａを研磨ステップにより研磨して先端の尖った尖鋭突起部としたが、研磨ステップを省くこともできる。換言すれば、図６（ｂ）に示す研磨前の中間製品１００′や図９（ｂ）に示す研磨前の中間製品１５０′を、突起部１０２′，１５２′を有するシュラウドの完成品として、本発明のシール構造やターボ機械に使用しても良い。突起部１０２′，１５２′を尖鋭突起部としなくとも、突起部１０２′，１５２′によりリーク蒸気ＳＬを上流に案内することができるので、丸みの影響を相殺してリーク抑制効果が得られる。

（４）尖鋭突起部の形状及びその加工は上記実施形態のものに限定されない。例えば、図７に二点鎖線で示す尖鋭突起部５１３Ｂとしてもよい。

（５）上記各実施形態では、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、さらには、相対的に回転する二つの構造体の間のシールであれば、ターボ機械以外のもの（例えばロータリージョイント）のシールにも適用できるものである。

１ 蒸気タービン（ターボ機械）
２ シール構造
５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，１５ ステップシール
６,６Ａ,６Ｂ，６Ｃ シールフィン
１０ ケーシング（第二構造体又は第一構造体）
１１ 仕切板外輪
１２ 環状溝
１３ 底面
１５ ステップシール
３０ 回転軸
３１ 回転軸本体
４０ 静翼
５０ 動翼
５１ シュラウド（第一構造体又は第二構造体）
１００ 原材料（ステップシール原材料）
１００′ 中間製品
１０１ ステップ部
１０１ａ 段差面（第一の面及び第二の面の何れか一方の面）
１０１ｂ 対向面
１０２ 被切削部
１０２′ 突起部（バリ）
１０３ 対向面
１０４ 切削面
１０５ 未加工面
１５０ 原材料（ステップシール原材料）
１５０′ 中間製品
１５１ ステップ部
１５１ａ 対向面
１５１ｂ 段差面
１５２ 被切削部
１５２′ 突起部（バリ）
１５３ 段差面
１５４ 切削面
１５５ 未加工面
２００ 切削刃
２０１ 研磨機
５１０ ステップシール本体
５１１，５１１ａ，５１１ｂ，５１１ｃ ステップシール５の径方向壁面（段差面）
５１２，５１２ａ，５１２ｂ，５１２ｃ ステップシール５の軸方向壁面（対向面）
５１３，５１３ａ，５１３ｂ，５１３ｃ ステップシール５の尖鋭突起部
５１３Ａ，５１３Ｂ ステップシール１５の尖鋭突起部
５１４ 尖鋭突起部５１３の前面
５１５ 尖鋭突起部５１３の背面
５１６ 突起先端
Ａ 軸方向
Ｂ 角度θ１の二等分線
Ｃ 切削方向 ＣＬ 軸線
Ｇｄ 隙間
ｈ シールフィン６とシュラウド５１との隙間寸法
ｈ１，ｈ１′ リーク蒸気ＳＬの有効高さ
Ｌ０ フィン本体６１の軸方向Ａに関する長さ寸法
Ｌ１ 尖鋭突起部５１３の軸方向Ａに関する長さ寸法
ｍ，ｍａ，ｍｂ，ｍｃ 微小間隙（クリアランス）
Ｒ 径方向
Ｓ 蒸気（流体）
ＳＬ リーク蒸気
ＳＳ 剥離渦
Ｔ，Ｔ１ 厚さ方向
ΔＴ 被切削部１０２の厚み
ΔＴ１ 被切削部１５２の厚み
θ１ 尖鋭突起部５１３の角度
θ２ 鋭突起部５１３の傾斜角度

Claims (8)

1. 互いに隙間を空けて径方向に対向し軸線回りに相対回転する第一構造体と第二構造体との間の前記隙間から、流体がリークすることを抑制し、
   前記第二構造体に設けられたシールフィンにクリアランスをあけて、前記第一構造体に設けられるステップシールであって、
   前記流体の流通方向上流側に向く段差面と前記第二構造体に向く対向面とを有するステップシール本体と、前記段差面と前記対向面との間に形成された突起部とを備えて構成され、
   前記突起部が先端の尖った尖鋭突起部であり、
   前記尖鋭突起部における前記軸線に沿った長さ寸法が、前記シールフィンにおける前記長さ寸法の０．１倍以上且つ０．５倍以下である
   ことを特徴とするステップシール。
2. 前記尖鋭突起部の角度が７５度以下であり、前記尖鋭突起部の傾斜角度が、−３０度以上、１５０度以下の範囲内に設定された
   ことを特徴とする、請求項１記載のステップシール。
3. 前記尖鋭突起部が、前記第二構造体に向かって凸となる
   ことを特徴とする、請求項１又は２記載のステップシール。
4. 前記尖鋭突起部が、前記上流側に向かって凸となる
   ことを特徴とする、請求項１〜３の何れか一項に記載のステップシール。
5. 互いに隙間を空けて径方向に対向し軸線回りに相対回転する第一構造体と第二構造体との間の前記隙間から、流体がリークすることを抑制する、シール構造であって、
   前記第一構造体に設けられた、請求項１〜４の何れか一項に記載のステップシールと、
   前記ステップシールの前記段差面よりも前記流体の流通方向下流側で前記ステップシールの前記対向面に向かって延在し、前記対向面との間にクリアランスをあけて前記第二構造体に設けられたシールフィンとを備えた
   ことを特徴とする、シール構造。
6. 請求項５に記載のシール構造を備えたことを特徴とする、ターボ機械
7. 互いに隙間を空けて径方向に対向し軸線回りに相対回転する第一構造体と第二構造体との間の前記隙間から、流体がリークすることを抑制するシール構造において、前記第二構造体に設けられたシールフィンにクリアランスをあけて、前記第一構造体に設けられるステップシールの製造方法であって、
   第一の面と、前記第一の面と交差する第二の面とを有するステップシール原材料において、前記第一の面及び前記第二の面の何れか一方の面に対し、表面から厚さ方向に関して一定の範囲を被切削部として設定し、前記被切削部を、前記厚さ方向と交差する切削方向に切削を行うことで、前記切削方向と交差する面に前記切削方向に凸となる突起部を形成する、切削ステップを備えた
   ことを特徴とする、ステップシールの製造方法。
8. 前記突起部を研磨して先端の尖った尖鋭突起部に形成する、研磨ステップを備えた
   ことを特徴とする、請求項７記載のステップシールの製造方法。

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