JP6638938B2

JP6638938B2 - 回転機械

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Publication number: JP6638938B2
Application number: JP2016062347A
Authority: JP
Inventors: 祥弘桑村; 松本　和幸; 和幸松本
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2016-03-25
Filing date: 2016-03-25
Publication date: 2020-02-05
Anticipated expiration: 2036-03-25
Also published as: DE112017001541T5; US20190071991A1; KR20180114175A; JP2017172564A; CN108779676A; KR102133173B1; CN108779676B; WO2017163911A1; US11092026B2; DE112017001541B4

Description

本発明は、回転機械に関する。

蒸気タービンやガスタービンを含むターボ機械は、外部から取り入れた流体のエネルギーをロータの回転運動に変換する。具体的には蒸気タービンは、軸線回りに回転するロータと、ロータを外周側から覆うケーシングと、を備えている。ロータの外周面には複数の動翼段（動翼）が設けられ、ケーシングの内周面には複数の静翼段（静翼）が設けられている。これら動翼段と静翼段とは、軸線方向に互いに違いになるように配列される。ケーシング内に導かれた流体は、動翼段と静翼段とに交互に衝突することで上記ロータを回転させる。

ところで、上記のような蒸気タービンでは、ロータの円滑な回転を実現するため、静翼の先端部（シュラウド）とロータの外周面との間には、一定のクリアランスが設けられることが一般的である。しかしながら、当該クリアランスを流通する蒸気は、動翼や静翼に衝突することなく下流側に流れ去ってしまうことから、ロータの回転駆動に際して何ら寄与するところがない。したがって、このクリアランスにおける蒸気の流通（漏れ）を可能な限り低減するための技術が必要となる。このような技術の一例として、下記特許文献１に記載された技術が知られている。特許文献１に記載された装置では、静翼ハブシュラウドと軸線方向に対向する動翼ハブに、上流側に向かって突出する抑制板が設けられている。

特開２００５−１４６９７７号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された構成では、抑制板と静翼ハブシュラウドとの間に間隙が形成されるため、依然として当該間隙を通じた蒸気の漏れを生じる可能性がある。加えて、この漏れは、ロータの径方向内側から外側に向かって流れることから、軸線方向に流れる蒸気の主流に対して直交する。このように、主流と漏れ蒸気とが互いに直角に衝突・混合する場合、混合損失と呼ばれるエネルギー損失が発生することが知られている。混合損失の増加は蒸気タービンの効率向上の妨げとなる場合がある。したがって、このような混合損失を低減することが可能な技術に対する要請が近年高まっている。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、混合損失が低減されることで効率の向上した回転機械を提供することを目的とする。

本発明の第一の態様によれば、回転機械は、軸線回りに回転し、外周面に凹部が形成されたロータと、前記軸線の径方向外側から内側に向かって延びる静翼本体、及び、該静翼本体の径方向内側に設けられて前記凹部に収容されたシュラウドを有する静翼と、前記シュラウドの径方向内側を向く内周面から前記凹部の底面に向かって突出して、該底面との間でクリアランスを形成するフィンと、を備え、前記凹部は、前記軸線方向下流側に径方向に延びる凹部径方向壁面を有し、該凹部径方向壁面は、前記底面から径方向外側に向かって延びる第一壁面と、該第一壁面よりもさらに径方向外側に向かって延びる第二壁面と、これら第一壁面と第二壁面との間で前記第一壁面から前記軸線方向上流側に突出する突出面と、を有し、前記シュラウドは、前記凹部径方向壁面に対向するシュラウド径方向壁面を有し、前記シュラウドには、前記シュラウド径方向壁面における前記突出面よりも径方向外側の部分から該シュラウド径方向壁面から後退するように径方向内側に向かって前記シュラウドの内周面に接続されるシュラウド溝部が形成されており、前記突出面は、前記シュラウド径方向壁面と前記凹部径方向壁面との間の空間を、該突出面よりも径方向内側に位置する第一空間と、該突出面を挟んで該第一空間よりも径方向外側に位置する第二空間とに区画することで、前記第一空間内及び前記第二空間内に旋回方向が互いに異なる渦を形成する。

この構成によれば、凹部径方向壁面における第一壁面と第二壁面との間に、下流側に向かって突出する突出面が形成されている。これにより、シュラウド径方向壁面と凹部径方向壁面とによって軸線方向から囲まれる空間で、互いに旋回方向が異なる渦を形成することができる。特に、上記空間のうち径方向外側に位置する領域で形成される渦は、静翼と動翼との間を流れる主流に対して、直交することなく合流する。これにより、蒸気タービン内における混合損失を低減することができる。
加えて、シュラウドには、シュラウド溝部が形成されていることから、渦の流れをより円滑に案内することができる。すなわち、渦が散逸する虞が低減されることで、安定的に渦を形成することができる。

本発明の第二の態様によれば、上記の回転機械では、前記シュラウド溝部における下流側を向く面は、前記シュラウド径方向壁面から上流側に向かうに従って径方向内側に延びる傾斜面と、該傾斜面の径方向内側の端縁から径方向内側に延び、前記シュラウドの内周面に接続される垂直面と、を有してもよい。

この構成によれば、傾斜面と垂直面とによってシュラウド溝部の下流側の面が形成される。これら傾斜面、及び垂直面はいずれも平面状をなしていることから、曲面状の加工を施す場合に比べて、より容易にシュラウド溝部を得ることができる。

本発明の第三の態様によれば、回転機械は、軸線回りに回転し、外周面に凹部が形成されたロータと、前記軸線の径方向外側から内側に向かって延びる静翼本体、及び、該静翼本体の径方向内側に設けられて前記凹部に収容されたシュラウドを有する静翼と、前記シュラウドの径方向内側を向く内周面から前記凹部の底面に向かって突出して、該底面との間でクリアランスを形成するフィンと、を備え、前記凹部は、前記軸線方向下流側に径方向に延びる凹部径方向壁面を有し、該凹部径方向壁面は、前記底面から径方向外側に向かって延びる第一壁面と、該第一壁面よりもさらに径方向外側に向かって延びる第二壁面と、これら第一壁面と第二壁面との間で前記第一壁面から前記軸線方向上流側に突出する突出面と、を有し、前記シュラウドは、前記凹部径方向壁面に対向するシュラウド径方向壁面を有し、前記突出面は、前記シュラウド径方向壁面と前記凹部径方向壁面との間の空間を、該突出面よりも径方向内側に位置する第一空間と、該突出面を挟んで該第一空間よりも径方向外側に位置する第二空間とに区画することで、前記第一空間内及び前記第二空間内に旋回方向が互いに異なる渦を形成する。

この構成によれば、凹部径方向壁面における第一壁面と第二壁面との間に、下流側に向かって突出する突出面が形成されている。これにより、シュラウド径方向壁面と凹部径方向壁面とによって軸線方向から囲まれる空間（第一空間、第二空間）で、互いに旋回方向が異なる渦を形成することができる。特に、径方向外側に位置する第二空間内で形成される渦は、静翼と動翼との間を流れる主流に対して、直交することなく合流する。これにより、蒸気タービン内における混合損失を低減することができる。

本発明の第四の態様によれば、上記回転機械は、前記シュラウド径方向壁面に設けられ、前記軸線方向下流側に向かって突出するシュラウド凸部を有してもよい。

この構成によれば、シュラウドには、シュラウド凸部が形成されていることから、シュラウド径方向壁面と凹部径方向壁面とによって軸線方向から囲まれる空間内で形成される渦の流れをより円滑に案内することができる。すなわち、渦が散逸する虞が低減されることで、安定的に渦を形成することができる。

本発明の第五の態様によれば、上記回転機械では、前記第二壁面における径方向外側の部分から該第二壁面から後退するように径方向外側に向かって前記外周面に接続される第二壁面溝部が形成されていてもよい。

この構成によれば、第二壁面溝部が形成されていることから、シュラウド径方向壁面と凹部径方向壁面とによって軸線方向から囲まれる空間内で形成される渦の流れをより円滑に案内することができる。すなわち、渦が散逸する虞が低減されることで、安定的に渦を形成することができる。

本発明の第六の態様によれば、上記回転機械では、前記第一壁面と前記第二壁面とは、前記軸線方向における同一の位置に設けられ、該第一壁面及び第二壁面との間には前記軸線方向上流側に向かって突出する凸部が形成されるとともに、前記突出面は該凸部の径方向内側の面をなしてもよい。

この構成によれば、凹部径方向壁面における第一壁面と第二壁面との間に、下流側に向かって突出する凸部（突出面）が形成されている。これにより、シュラウド径方向壁面と凹部径方向壁面とによって軸線方向から囲まれる空間（第一空間、第二空間）で、互いに旋回方向が異なる渦を形成することができる。特に、径方向外側に位置する第二空間内で形成される渦は、静翼と動翼との間を流れる主流に対して、直交することなく合流する。これにより、蒸気タービン内における混合損失を低減することができる。

本発明の第七の態様によれば、上記回転機械では、前記第一壁面は、前記第二壁面よりも前記軸線方向における下流側に設けられ、前記突出面は前記第一壁面の径方向外側の端部と前記第二壁面の径方向内側の端部を接続してもよい。

この構成によれば、底面、第二壁面、及び突出面に囲まれる領域内で、渦を十分に捕捉することができるとともに、この渦をより円滑に案内することができる。すなわち、渦が散逸する虞が低減されることで、安定的に渦を形成することができる。

本発明によれば、混合損失を低減することで効率を向上させた回転機械を提供することができる。

本発明の実施形態に係る蒸気タービンの構成を示す模式図である。本発明の第一実施形態に係る蒸気タービンの要部拡大図である。本発明の第二実施形態に係る蒸気タービンの要部拡大図である。本発明の第三実施形態に係る蒸気タービンの要部拡大図である。本発明の第四実施形態に係る蒸気タービンの要部拡大図である。本発明の第五実施形態に係る蒸気タービンの要部拡大図である。本発明の第六実施形態に係る蒸気タービンの要部拡大図である。本発明の第七実施形態に係る蒸気タービンの要部拡大図である。本発明の第八実施形態に係る蒸気タービンの要部拡大図である。本発明の第九実施形態に係る蒸気タービンの要部拡大図である。本発明の第十実施形態に係る蒸気タービンの要部拡大図である。本発明の第十一実施形態に係る蒸気タービンの要部拡大図である。本発明の第十二実施形態に係る蒸気タービンの要部拡大図である。

［第一実施形態］
本発明の第一実施形態について図１と図２を参照して説明する。図１に示すように、本実施形態に係る蒸気タービン１００（回転機械）は、軸線Ａｃ回りに回転するロータ１と、ロータ１を外周側から覆うケーシング２と、を備えている。

ロータ１は、軸線Ａｃを中心とする円柱状をなしている。ロータ１の外周面１Ｓには、軸線Ａｃ方向一方側から他方側に向かって配列された複数の動翼段３が設けられている。各動翼段３は、ロータ１の外周面１Ｓ上で、軸線Ａｃの周方向に間隔をあけて配列された複数の動翼４を有している。詳しくは図示しないが、動翼４は、軸線Ａｃの径方向から見て翼型の断面を有している。

さらに、ロータ１の軸線Ａｃ方向両側の端部には、軸受装置５が設けられている。この軸受装置５によってロータ１は軸線Ａｃ回りに回転可能に支持されている。具体的には、軸受装置５は、ロータ１の軸線Ａｃ方向両側に１つずつ設けられたジャーナル軸受５Ａと、軸線Ａｃ方向一方側のみに設けられたスラスト軸受５Ｂと、を有している。ジャーナル軸受５Ａは、ロータ１による径方向への荷重を支持する。スラスト軸受５Ｂは、ロータ１による軸線Ａｃ方向への荷重を支持する。

ケーシング２は、軸線Ａｃを中心とする筒状をなしている。ケーシング２の内周面には、軸線Ａｃ方向一方側から他方側に向かって配列された複数の静翼段６が設けられている。各静翼段６は、ケーシング２の内周面上で、軸線Ａｃの周方向に間隔をあけて配列された複数の静翼７を有している。静翼７も、上記の動翼４と同様に、軸線Ａｃの径方向から見て翼型の断面を有している。

ロータ１上において、互いに隣接する一対の動翼段３同士の間の領域には、ロータ１の外周面１Ｓから径方向内側に向かって凹没する角溝状の凹部８が形成されている。そして、各静翼７の先端部（径方向内側の端部）を含む部分には、後述する静翼シュラウド７１（シュラウド）が設けられている。この静翼シュラウド７１は、ロータ１上の凹部８内に収容されている。

さらに、ケーシング２の軸線Ａｃ方向一方側には、外部から蒸気を取り入れるための吸気口１０が形成され、軸線Ａｃ方向他方側には、ケーシング２内部を通過した蒸気を排気するための排気口１１が形成されている。以降の説明では、排気口１１から見て吸気口１０が位置する側を上流側と呼び、吸気口１０から見て排気口１１が位置する側を下流側と呼ぶ。

次に、図２を参照して、動翼４、及び静翼７の詳細な構成について説明する。同図に示すように、動翼４は、ロータ１の外周面１Ｓから径方向外側に向かって延びる動翼本体４０と、動翼本体４０の径方向外側の端部に取り付けられた動翼シュラウド４１と、を有している。軸線Ａｃ方向における動翼シュラウド４１の寸法は、同軸線Ａｃ方向における動翼４の寸法よりも大きく設定されている。ケーシング２の内周側であって、動翼シュラウド４１と対向する領域には、該動翼シュラウド４１を収容するための動翼収容部２０が形成されている。動翼収容部２０は、ケーシング２の内周面７４から径方向外側に向かって凹没する角溝状をなしている。さらに、動翼収容部２０の径方向外側の面上には、複数（２つ）の動翼側フィン４２が設けられている。これらのフィンは、いずれも動翼収容部２０の径方向外側の面から径方向内側に向かって延びる薄板状をなしている。動翼側フィン４２の先端部と、動翼収容部２０との間には、径方向に広がる間隙（クリアランス）が形成される。

静翼７は、ケーシング２の内周面７４から径方向内側に向かって延びる静翼本体７０と、静翼本体７０の径方向外側の端部に取り付けられた静翼シュラウド７１と、を有している。本実施形態では、静翼７と動翼４の径方向寸法は互いに同一とされている。言い換えると、軸線Ａｃ方向から見た場合、静翼７と動翼４とは互いに重なるように配列されている。軸線Ａｃ方向における静翼シュラウド７１の寸法は、同軸線Ａｃ方向における静翼７の寸法よりも大きく設定されている。この静翼シュラウド７１の径方向内側の面上には、複数（２つ）の静翼側フィン７２が設けられている。これらの静翼側フィン７２は、いずれも静翼シュラウド７１から径方向内側に向かって延びる薄板状をなしている。静翼シュラウド７１、及び静翼側フィン７２は、ロータ１と静翼７との間における蒸気の漏れを低減することを目的として設けられる。静翼シュラウド７１、及び静翼側フィン７２は、ロータ１の外周面１Ｓ上に形成された凹部８に収容されている。

凹部８はロータ１の外周面１Ｓから径方向内側に向かって凹没している。凹部８を形成する各面のうち、上流側に位置する面は径方向に広がる上流面８１とされている。この上流面８１を下流側から臨む面は同じく径方向に広がる下流面８２（凹部径方向壁面）とされている。さらに、これら上流面８１及び下流面８２の間には、軸線Ａｃに沿って広がる底面８３が形成されている。底面８３は、第一底面８３Ａ、第二底面８３Ｂ、及び段差部８３Ｃを有している。

第一底面８３Ａは、第二底面８３Ｂよりも径方向内側に位置している。段差部８３Ｃは、これら第一底面８３Ａと第二底面８３Ｂとの間を径方向に接続している。上述した２つの静翼側フィン７２のうち、上流側に位置する静翼側フィン７２は第一底面８３Ａに対向し、下流側に位置する静翼側フィン７２は第二底面８３Ｂに対向している。これら静翼側フィン７２と底面８３（第一底面８３Ａ、第二底面８３Ｂ）との間には、径方向に広がる間隙（クリアランス）が形成される。

凹部８における下流面８２上には、上流側に向かって突出する凸部８４が設けられている。凸部８４は、軸線Ａｃの径方向において、静翼シュラウド７１における下流側を向く面（シュラウド径方向壁面７３）と対応する領域に設けられる。言い換えると、凸部８４は、静翼シュラウド７１の径方向内側を向く面（内周面７４）よりも径方向外側に位置している。より具体的には、凸部８４は、軸線Ａｃを含む断面視で、矩形をなしている。凸部８４をなす各面のうち、径方向内側を向く面は突出面８４Ｓとされている。

以上のような凸部８４が設けられることで、凹部８の下流面８２は径方向に２つの領域に区画される。下流面８２において、凸部８４（突出面８４Ｓ）よりも径方向内側の領域は、上記底面８３（第二底面８３Ｂ）から径方向外側に向かって延びる第一壁面８５とされている。凸部８４（突出面８４Ｓ）よりも径方向外側の領域は、第一壁面８５よりもさらに径方向外側に向かって延びる第二壁面８６とされている。これら第一壁面８５、及び第二壁面８６は互いに同等の径方向寸法を有している。すなわち、凹部８の下流面８２は、凸部８４によって径方向に等分割されている。また、これら第一壁面８５及び第二壁面８６の軸線Ａｃ方向における位置は互いに同一である。

下流面８２とシュラウド径方向壁面７３との間には、軸線Ａｃ方向、及び径方向に広がる空間（対流空間Ｖｃ）が形成されている。この対流空間Ｖｃは、凸部８４が設けられる径方向位置を基準として、径方向内側に広がる第一空間Ｖ１と、径方向外側に広がる第二空間Ｖ２と、を有している。なお、凸部８４の突出寸法（軸線Ａｃ方向における突出面８４Ｓの寸法）は、軸線Ａｃ方向における上記第二底面８３Ｂの寸法よりも十分に小さく設定されている。

以上のように構成された蒸気タービン１００の動作について図１を参照して説明する。蒸気タービン１００を運転するに当たっては、まずボイラ等の蒸気供給源（図示省略）から供給された高温高圧の蒸気が、吸気口１０を通じてケーシング２の内部に導入される。ケーシング２内に導入された蒸気は、動翼４（動翼段３）、及び静翼７（静翼段６）に順次衝突する。これにより、ロータ１は回転エネルギーを得て、軸線Ａｃ回りに回転する。ロータ１の回転運動は、軸端に連結された発電機等（図示省略）によって取り出される。以上のサイクルが連続的に繰り返される。

次いで、図２を参照して、動翼４及び静翼７の周辺における蒸気の挙動について説明する。同図に示すように、上流側から流れてきた蒸気は、静翼７と動翼４とを経て、下流側に向かって流れることで、主流ＦＭを形成する。この主流ＦＭは、上記のように静翼７と動翼４とに順次衝突することで整流されるとともに、動翼４に対してエネルギーを与える。

一方で、上流側から流れてきた蒸気のうち、主流ＦＭを除く成分は、上記の凹部８内に向かって流れることで、リーク流ＦＬを形成する。このリーク流ＦＬの大部分は、静翼シュラウド７１に設けられたフィンによって阻止される。しかしながら、フィンと凹部８の底面８３との間にはクリアランスが形成されていることから、リーク流ＦＬの一部の成分が、当該クリアランスを通じて下流側の対流空間Ｖｃに向かって流れることで、当該対流空間Ｖｃ内でリターン流ＦＲを形成する。

ここで、凹部８の下流面８２に凸部８４が設けられていない場合、対流空間Ｖｃ内に流れ込んだリターン流ＦＲは、下流面８２及びシュラウド径方向壁面７３に沿って径方向内側から外側に向かって流れる。このとき、対流空間Ｖｃの上方では、上記の主流ＦＭが上下流方向に流れている。すなわち、リターン流ＦＲと主流ＦＭとは、互いに直交する方向から衝突する。このように、主流ＦＭとリターン流ＦＲとが互いに直角に衝突・混合する場合、混合損失と呼ばれるエネルギー損失が発生することが知られている。

しかしながら、本実施形態に係る蒸気タービン１００では、凹部８の下流面８２に凸部８４が形成されているため、対流空間Ｖｃ内におけるリターン流ＦＲの挙動を変えることができる。より詳細には図２に示すように、対流空間Ｖｃ（第一空間Ｖ１）内に流れ込んだリターン流ＦＲは、下流面８２（第一壁面８５）に沿って径方向外側に流通した後、凸部８４の突出面８４Ｓに衝突する。突出面８４Ｓに衝突したリターン流ＦＲは、該突出面８４Ｓに沿って向きを変え、上流側から下流側に向かって流れる。次いで、リターン流ＦＲの一部の成分は、静翼シュラウド７１のシュラウド径方向壁面７３に衝突して再び向きを変え、径方向外側から内側に向かって流れる。すなわち、凸部８４が設けられていることで、リターン流ＦＲは第一空間Ｖ１内で渦（第一の渦Ｔ１）を形成する。第一の渦Ｔ１は、第一空間Ｖ１内における底面８３側では、上流側から下流側に向かって流れる。一方で、第一空間Ｖ１内おける凸部８４側では、第一の渦Ｔ１は下流側から上流側に向かって流れる。

さらに、この第一の渦Ｔ１のうち、シュラウド径方向壁面７３に衝突した一部の成分は、当該第一の渦Ｔ１から逸脱して、径方向外側に向かって流れる。すなわち、第一の渦Ｔ１の一部は、上記第二空間Ｖ２に向かって流れる。これにより、第二空間Ｖ２内でも、上記第一の渦Ｔ１と同様に渦（第二の渦Ｔ２）が形成される。第二の渦Ｔ２の旋回方向は、第一の渦Ｔ１の旋回方向とは異なっている。より詳細には、第二の渦Ｔ２は、第二空間Ｖ２内における凸部８４側では、下流側から上流側に向かって流れる。一方で、第二空間Ｖ２内における主流ＦＭ側では、第二の渦Ｔ２は上流側から下流側に向かって流れる。すなわち、第二空間Ｖ２の径方向外側（主流ＦＭと接する側）では、第二の渦Ｔ２と主流ＦＭとが、互いにおおむね同一の方向に向かって流れる。言い換えると、対流空間Ｖｃを脱したリターン流ＦＲは、主流ＦＭに対して直交することなく合流することができる。

以上、説明したように、本実施形態に係る蒸気タービン１００では、下流面８２における第一壁面８５と第二壁面８６との間に、下流側に向かって突出する突出面８４Ｓ（凸部８４）が形成されている。これにより、シュラウド径方向壁面７３と下流面８２とによって軸線Ａｃ方向から囲まれる空間（第一空間Ｖ１、第二空間Ｖ２）で、互いに旋回方向が異なる渦を形成することができる。特に、径方向外側に位置する第二空間Ｖ２内で形成される渦は、静翼７と動翼４との間を流れる主流ＦＭに対して、直交することなく合流する。これにより、蒸気タービン１００内における混合損失を低減することができる。

［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について、図３を参照して説明する。なお、上記第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。図３に示すように、本実施形態に係る蒸気タービン１００では、下流面８２に凸部８４が設けられるとともに、静翼シュラウド７１にシュラウド溝部７５が形成されている。

シュラウド溝部７５は、上記のシュラウド径方向壁面７３、及び静翼シュラウド７１の内周面７４がなす角部に形成されている。すなわち、シュラウド溝部７５は、シュラウド径方向壁面７３から上流側に後退するように延びるとともに、上流側に向かうにしたがって次第に径方向内側に向かって延びる曲面によって形成される。シュラウド溝部７５を形成する曲面の上流側の端部は、内周面７４の下流側の端部に接続されている。

さらに、上記曲面の下流側の端部は、上記の凸部８４（突出面８４Ｓ）よりも径方向外側に位置している。すなわち、凸部８４はシュラウド溝部７５の曲面に対して下流側から対向している。

このような構成によれば、凸部８４が下流面８２に設けられていることによって、対流空間Ｖｃ（第一空間Ｖ１、第二空間Ｖ２）内で、旋回方向が互いに異なる２つの渦（第一の渦Ｔ１、第二の渦Ｔ２）を形成することができる。加えて、第一空間Ｖ１内で形成される第一の渦Ｔ１は、下流面８２（第一壁面８５）からシュラウド径方向壁面７３に向かう際に、上記のシュラウド溝部７５によって捕捉される。これにより、第一の渦Ｔ１の流れをより円滑に案内することができる。すなわち、第一の渦Ｔ１が第一空間Ｖ１から他の領域に散逸する虞が低減される。

［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態について、図４を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。図４に示すように、本実施形態に係る蒸気タービン１００では、上記第二実施形態において説明した凸部８４、及びシュラウド溝部７５に加えて、シュラウド凸部７６、及び第二壁面溝部８７が形成されている。

シュラウド凸部７６は、上述した静翼シュラウド７１のシュラウド径方向壁面７３における径方向外側の端部を含む部分に設けられている。シュラウド凸部７６は、シュラウド径方向壁面７３から下流側に向かって突出している。軸線Ａｃを含む断面視で、シュラウド凸部７６は矩形をなしている。静翼シュラウド７１の径方向外側を向く面と、シュラウド側凸部８４の径方向外側を向く面とは、軸線Ａｃ方向に連続している。一方で、シュラウド凸部７６の径方向内側を向く面は、シュラウド径方向壁面７３に対して直交している。さらに、シュラウド凸部７６の軸線Ａｃ方向における寸法は、第二底面８３Ｂの軸線Ａｃ方向における寸法よりも十分に小さい。また、シュラウド凸部７６の下流側の端部は、下流面８２上に設けられた凸部８４の上流側の端部よりも上流側に位置している。すなわち、径方向から見た場合、シュラウド凸部７６の下流側の端部と、下流面８２上に設けられた凸部８４の上流側の端部との間には間隙が形成されている。

第二壁面溝部８７は、第二壁面８６上であって、上記の凸部８４よりも径方向外側の部分に形成されている。より具体的には、第二壁面溝部８７は、ロータ１の外周面１Ｓと第二壁面８６とがなす角部に形成されている。すなわち、第二壁面溝部８７は、第二壁面８６から下流側に後退するように延びるとともに、下流側に向かうにしたがって次第に径方向外側に向かって延びる曲面によって形成される。第二壁面溝部８７を形成する曲面の下流側の端部は、ロータ１の外周面１Ｓに接続されている。また、軸線Ａｃの径方向における第二壁面溝部８７の寸法は、径方向におけるシュラウド凸部７６の寸法（厚さ）よりも十分に大きい。

このような構成によれば、第二空間Ｖ２内で形成される第二の渦Ｔ２のうち、径方向内側から外側に向かう成分は、シュラウド凸部７６によって案内されることで向きを変えて、上流側から下流側に向かって流れる。言い換えれば、シュラウド凸部７６が設けられているため、第二の渦Ｔ２における径方向内側から外側に向かう成分が主流ＦＭに対して直交する方向から衝突する可能性を低減することができる。加えて、第二壁面溝部８７が形成されていることから、第二の渦Ｔ２を第二空間Ｖ２内でさらに十分に捕捉することができる。具体的には、第二の渦Ｔ２は、第二壁面溝部８７の曲面に沿って流れることで、径方向外側から内側に向かうにしたがって下流側から上流側に次第に向きを変えるため、第二空間Ｖ２内で安定的に旋回することができる。

以上のように、シュラウド径方向壁面７３と下流面８２とによって軸線Ａｃ方向から囲まれる空間（第一空間Ｖ１、第二空間Ｖ２）で、互いに旋回方向が異なる渦を形成することができる。特に、シュラウド凸部７６が設けられていることで、径方向外側に位置する第二空間Ｖ２内で形成される第二の渦Ｔ２は、静翼７と動翼４との間を流れる主流ＦＭに対して、直交することなく合流する。加えて、第二壁面溝部８７が形成されていることから、第二の渦Ｔ２の流れをより円滑に案内することができる。すなわち、渦が散逸する虞が低減され、安定的に渦を形成することができる。これにより、蒸気タービン１００内における混合損失を低減することができる。

［第四実施形態］
続いて、本発明の第四実施形態について図５を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図５に示すように、本実施形態に係る蒸気タービン１００では、シュラウド径方向壁面７３には上記の凸部８４等が形成されていないとともに、下流面８２の形状が上記の各実施形態とは異なっている。

本実施形態では、下流面８２における第一壁面８５及び第二壁面８６の軸線Ａｃ方向における位置が互いに異なっている。具体的には、第一壁面８５は第二壁面８６よりも軸線Ａｃ方向の下流側に設けられている。さらに、第一壁面８５の径方向外側の端部と、第二壁面８６の径方向内側の端部とは、突出面８４Ｓによって互いに接続されている。突出面８４Ｓは軸線Ａｃに沿って延びている。また、突出面８４Ｓの下流側の端部と第一壁面８５の径方向外側の端部とは、互いに曲線状に接続されている。

第一壁面８５、及び第二壁面８６は互いに同等の径方向寸法を有している。すなわち、下流面８２は、上記の突出面８４Ｓによって径方向に等分割されている。さらに、下流面８２とシュラウド径方向壁面７３との間には、軸線Ａｃ方向、及び径方向に広がる空間（対流空間Ｖｃ）が形成されている。この対流空間Ｖｃは、突出面８４Ｓが設けられる径方向位置を基準として、径方向内側に広がる第一空間Ｖ１と、径方向外側に広がる第二空間Ｖ２と、を有している。

このような構成によれば、第一空間Ｖ１内に流れ込んだ蒸気は、まず第二底面８３Ｂに沿って上流側から下流側に向かって流れる。次いで、蒸気は、第一壁面８５に沿って径方向内側から外側に向かった後、突出面８４Ｓによって案内されることで向きを変え、下流側から上流側に向かって流れる。これにより、上述の第一実施形態と同様に、第一空間Ｖ１内では渦（第一の渦Ｔ１）が形成される。また、この第二空間Ｖ２内では、第一の渦Ｔ１とは旋回方向が異なる渦（第二の渦Ｔ２）が形成される。

このように、シュラウド径方向壁面７３と下流面８２とによって軸線Ａｃ方向から囲まれる空間（第一空間Ｖ１、第二空間Ｖ２）で、互いに旋回方向が異なる渦を形成することができる。特に、径方向外側に位置する第二空間Ｖ２内で形成される第二の渦Ｔ２は、静翼７と動翼４との間を流れる主流ＦＭに対して、直交することなく合流する。これにより、蒸気タービン１００内における混合損失を低減することができる。

［第五実施形態］
次に、本発明の第五実施形態について図６を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図６に示すように、本実施形態に係る蒸気タービン１００では、下流面８２が上記第四実施形態と同様に構成されていることに加えて、静翼シュラウド７１に上記第二実施形態において説明したシュラウド溝部７５が形成されている。シュラウド溝部７５の径方向外側の端部は、第二壁面溝部８７の径方向外側の端部よりも径方向外側に位置している。

このような構成によれば、対流空間Ｖｃ（第一空間Ｖ１、第二空間Ｖ２）内で、旋回方向が互いに異なる２つの渦（第一の渦Ｔ１、第二の渦Ｔ２）を形成することができる。加えて、第一空間Ｖ１内で形成される第一の渦Ｔ１は、下流面８２（第一壁面８５）からシュラウド径方向壁面７３に向かう際に、上記のシュラウド溝部７５、及び突出面８４Ｓによって捕捉される。これにより、第一の渦Ｔ１の流れをより円滑に案内することができる。すなわち、第一の渦Ｔ１が第一空間Ｖ１から他の領域に散逸する虞が低減される。

［第六実施形態］
続いて、本発明の第六実施形態について図７を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図７に示すように、本実施形態に係る蒸気タービン１００では、上記第五実施形態において説明したシュラウド溝部７５、及び突出面８４Ｓに加えて、上記第三実施形態において説明したシュラウド凸部７６、及び第二壁面溝部８７が形成されている。

このような構成によれば、シュラウド径方向壁面７３と下流面８２とによって軸線Ａｃ方向から囲まれる空間（第一空間Ｖ１、第二空間Ｖ２）で、互いに旋回方向が異なる渦を形成することができる。特に、シュラウド凸部７６が設けられていることで、径方向外側に位置する第二空間Ｖ２内で形成される第二の渦Ｔ２は、静翼７と動翼４との間を流れる主流ＦＭに対して、直交することなく合流する。加えて、第二壁面溝部８７が形成されていることから、第二の渦Ｔ２の流れをより円滑に案内することができる。すなわち、渦が散逸する虞が低減され、安定的に渦を形成することができる。これにより、蒸気タービン１００内における混合損失を低減することができる。

さらに、第一空間Ｖ１内で形成される第一の渦Ｔ１は、下流面８２（第一壁面８５）からシュラウド径方向壁面７３に向かう際に、上記のシュラウド溝部７５、及び突出面８４Ｓによって捕捉される。これにより、第一の渦Ｔ１の流れをより円滑に案内することができる。すなわち、第一の渦Ｔ１が第一空間Ｖ１から他の領域に散逸する虞が低減される。

［第七実施形態］
次に、本発明の第七実施形態について、図８を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図８に示すように、本実施形態に係る蒸気タービン１００では、静翼シュラウド７１のシュラウド径方向壁面７３に、上記のシュラウド凸部７６とは異なる他のシュラウド凸部７７が形成されるとともに、下流面８２は上記第四実施形態と同様に構成されている。シュラウド凸部７７は、静翼シュラウド７１のシュラウド径方向壁面７３における径方向内側の領域に設けられている。シュラウド凸部７７は、突出面８４Ｓよりも径方向内側に設けられている。

このような構成によれば、シュラウド径方向壁面７３と下流面８２とによって軸線Ａｃ方向から囲まれる空間（第一空間Ｖ１、第二空間Ｖ２）で、互いに旋回方向が異なる渦を形成することができる。径方向外側に位置する第二空間Ｖ２内で形成される第二の渦Ｔ２は、静翼７と動翼４との間を流れる主流ＦＭに対して、直交することなく合流する。加えて、シュラウド凸部７７が形成されていることから、第一の渦Ｔ１の流れをより円滑に案内することができる。すなわち、渦が散逸する虞が低減されることで、安定的に渦を形成することができる。これにより、蒸気タービン１００内における混合損失を低減することができる。

［第八実施形態］
続いて、本発明の第八実施形態について、図９を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図９に示すように、本実施形態に係る蒸気タービン１００では、シュラウド径方向壁面７３に、上記の第七実施形態において説明したシュラウド凸部７７、及び上記の第三実施形態において説明したシュラウド凸部７６が設けられている。シュラウド凸部７６、及びシュラウド凸部７７の突出寸法（軸線Ａｃ方向における寸法）は互いに同一とされている。

さらに、下流面８２には上記の第三実施形態において説明した第二壁面溝部８７が形成されるとともに、第一壁面８５と第二壁面８６との軸線Ａｃ方向における位置が異なっている。すなわち、第一壁面８５と第二壁面８６との間に、径方向内側を向く突出面８４Ｓが形成されている。

加えて、シュラウド凸部７７が形成されていることから、第一の渦Ｔ１の流れをより円滑に案内することができる。すなわち、渦が散逸する虞が低減されることで、安定的に渦を形成することができる。これにより、蒸気タービン１００内における混合損失を低減することができる。

［第九実施形態］
次に、本発明の第九実施形態について、図１０を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図１０に示すように、本実施形態に係る蒸気タービン１００では、上記第二実施形態と同様に、静翼シュラウド７１にシュラウド溝部７５が形成され、下流面８２に凸部８４が設けられている。このうち、凸部８４の形状が上記第二実施形態とは異なっている。

より具体的には、この凸部８４と下流面８２との接続部分は曲面状をなしている。すなわち、下流面８２の第一壁面８５と凸部８４の径方向内側の面（突出面８４Ｓ）との間の領域は、滑らかに湾曲する曲面状をなしている。さらに言い換えれば、当該領域は、第一壁面８５から突出面８４Ｓに向かうに従って、下流側から上流側に向かって徐々に湾曲している。

同様にして、第二壁面８６と凸部８４の径方向外側の面との間の領域も、滑らかに湾曲する曲面状をなしている。言い換えれば、当該領域は、第二壁面８６から凸部８４の径方向外側の面に向かうに従って、下流側から上流側に向かって徐々に湾曲している。

このような構成によれば、凸部８４が下流面８２に設けられていることによって、対流空間Ｖｃ（第一空間Ｖ１、第二空間Ｖ２）内で、旋回方向が互いに異なる２つの渦（第一の渦Ｔ１、第二の渦Ｔ２）を形成することができる。加えて、第一空間Ｖ１内で形成される第一の渦Ｔ１は、下流面８２（第一壁面８５）からシュラウド径方向壁面７３に向かう際に、上記のシュラウド溝部７５によって捕捉される。これにより、第一の渦Ｔ１の流れをより円滑に案内することができる。すなわち、第一の渦Ｔ１が第一空間Ｖ１から他の領域に散逸する虞が低減される。さらに加えて、凸部８４と下流面８２との接続部分が曲面状をなしていることから、当該曲面形状に沿って第一の渦Ｔ１及び第二の渦Ｔ２をより円滑に案内することができる。

［第十実施形態］
次に、本発明の第十実施形態について、図１１を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図１１に示すように、本実施形態に係る蒸気タービン１００では、上記第二実施形態と同様に、静翼シュラウド７１にシュラウド溝部７５が形成され、下流面８２に凸部８４が設けられている。このうち、凸部８４の形状が上記第二実施形態とは異なっている。

より具体的には、この凸部８４の上流側の端部は円弧状に湾曲している。すなわち、凸部８４は、下流面８２から上流側に向かって突出するとともに、その上流側の端部は鈍頭状をなしている。さらに言い換えれば、凸部８４の径方向内側の面（突出面８４Ｓ）と凸部８４の上流側の端面、及び凸部８４の径方向外側の面と凸部８４の上流側の端面は、径方向から見てそれぞれ曲線状に接続されている。

このような構成によれば、凸部８４が下流面８２に設けられていることによって、対流空間Ｖｃ（第一空間Ｖ１、第二空間Ｖ２）内で、旋回方向が互いに異なる２つの渦（第一の渦Ｔ１、第二の渦Ｔ２）を形成することができる。加えて、第一空間Ｖ１内で形成される第一の渦Ｔ１は、下流面８２（第一壁面８５）からシュラウド径方向壁面７３に向かう際に、上記のシュラウド溝部７５によって捕捉される。これにより、第一の渦Ｔ１の流れをより円滑に案内することができる。すなわち、第一の渦Ｔ１が第一空間Ｖ１から他の領域に散逸する虞が低減される。さらに加えて、本実施形態では凸部８４の上流側の端部が湾曲している。これにより、例えば当該端部に角部が形成されている場合に比べて、第一の渦Ｔ１及び第二の渦Ｔ２の流れに剥離を生じる虞を低減することができる。

［第十一実施形態］
次に、本発明の第十一実施形態について、図１２を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図１２に示すように、本実施形態に係る蒸気タービン１００では、上記第二実施形態と同様に、静翼シュラウド７１にシュラウド溝部７５が形成され、下流面８２に凸部８４が設けられている。このうち、シュラウド溝部７５の形状が上記第二実施形態とは異なっている。

より具体的には、このシュラウド溝部７５における下流側を向く面は、シュラウド径方向壁面７３及び内周面７４に対して傾斜する平面状をなしている。言い換えれば、この面は、上流側から下流側に向かうに従って、径方向内側から外側に向かって傾斜している。

このような構成によれば、凸部８４が下流面８２に設けられていることによって、対流空間Ｖｃ（第一空間Ｖ１、第二空間Ｖ２）内で、旋回方向が互いに異なる２つの渦（第一の渦Ｔ１、第二の渦Ｔ２）を形成することができる。加えて、第一空間Ｖ１内で形成される第一の渦Ｔ１は、下流面８２（第一壁面８５）からシュラウド径方向壁面７３に向かう際に、上記のシュラウド溝部７５によって捕捉される。これにより、第一の渦Ｔ１の流れをより円滑に案内することができる。すなわち、第一の渦Ｔ１が第一空間Ｖ１から他の領域に散逸する虞が低減される。さらに加えて、本実施形態ではシュラウド溝部７５における下流側を向く面が、シュラウド径方向壁面７３及び内周面７４に対して傾斜する平面状をなしている。これにより、曲面状の加工を施すことで当該シュラウド溝部７５を形成する場合に比べて、より容易にシュラウド溝部７５を得ることができる。

［第十二実施形態］
次に、本発明の第十二実施形態について、図１３を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図１３に示すように、本実施形態に係る蒸気タービン１００では、上記第二実施形態と同様に、静翼シュラウド７１にシュラウド溝部７５が形成され、下流面８２に凸部８４が設けられている。このうち、シュラウド溝部７５の形状が上記第二実施形態とは異なっている。

より具体的には、このシュラウド溝部７５における下流側を向く面は互いに交差する２つの平面によって形成されている。より具体的には、当該下流側を向く面は、傾斜面７５Ａと、垂直面７５Ｂとを有している。傾斜面７５Ａは、下流側から上流側に向かうに従って径方向外側から内側に向かって平面状に延びている。垂直面７５Ｂは、この傾斜面７５Ａの径方向内側の端縁から、軸線Ａｃの径方向に延びている。垂直面７５Ｂの径方向内側の端縁は、静翼シュラウド７１の内周面７４に接続されている。

このような構成によれば、凸部８４が下流面８２に設けられていることによって、対流空間Ｖｃ（第一空間Ｖ１、第二空間Ｖ２）内で、旋回方向が互いに異なる２つの渦（第一の渦Ｔ１、第二の渦Ｔ２）を形成することができる。加えて、第一空間Ｖ１内で形成される第一の渦Ｔ１は、下流面８２（第一壁面８５）からシュラウド径方向壁面７３に向かう際に、上記のシュラウド溝部７５によって捕捉される。これにより、第一の渦Ｔ１の流れをより円滑に案内することができる。すなわち、第一の渦Ｔ１が第一空間Ｖ１から他の領域に散逸する虞が低減される。さらに加えて、傾斜面７５Ａと垂直面７５Ｂとによってシュラウド溝部７５が形成される。これら傾斜面７５Ａ、及び垂直面７５Ｂはいずれも平面状をなしていることから、曲面状の加工を施す場合に比べて、より容易にシュラウド溝部７５を得ることができる。

以上、本発明の各実施形態について説明した。なお、上記の構成は一例であって、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいてはこれに種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記各実施形態では、回転機械として蒸気タービン１００を適用した例に基づいて説明した。しかしながら、回転機械の態様は蒸気タービン１００に限定されず、広義のターボ機械に属するものであれば、ガスタービン等、他の装置を回転機械として適用することが可能である。

また、蒸気タービン１００における動翼段３、及び静翼段６の数や、フィンの数等は上記実施形態によっては限定されず、設計や仕様に応じて適宜決定されてよい。

１…ロータ
１Ｓ…外周面
２…ケーシング
３…動翼段
４…動翼
５…軸受装置
５Ａ…ジャーナル軸受
５Ｂ…スラスト軸受
６…静翼段
７…静翼
８…凹部
１０…吸気口
１１…排気口
２０…動翼収容部
４０…動翼本体
４１…動翼シュラウド
４２…動翼側フィン
７０…静翼本体
７１…静翼シュラウド
７２…静翼側フィン
７３…シュラウド径方向壁面
７４…内周面
７５…シュラウド溝部
７５Ａ…傾斜面
７５Ｂ…垂直面
７６…シュラウド凸部
７７…シュラウド凸部
８１…上流面
８２…下流面
８３…底面
８３Ａ…第一底面
８３Ｂ…第二底面
８３Ｃ…段差部
８４…凸部
８４Ｓ…突出面
８５…第一壁面
８６…第二壁面
８７…第二壁面溝部
１００…蒸気タービン
Ａｃ…軸線
ＦＬ…リーク流
ＦＭ…主流
ＦＲ…リターン流
Ｔ１…第一の渦
Ｔ２…第二の渦
Ｖ１…第一空間
Ｖ２…第二空間
Ｖｃ…対流空間

Claims

軸線回りに回転し、外周面に凹部が形成されたロータと、
前記軸線の径方向外側から内側に向かって延びる静翼本体、及び、該静翼本体の径方向内側に設けられて前記凹部に収容されたシュラウドを有する静翼と、
前記シュラウドの径方向内側を向く内周面から前記凹部の底面に向かって突出して、該底面との間でクリアランスを形成するフィンと、
を備え、
前記凹部は、前記軸線方向下流側に径方向に延びる凹部径方向壁面を有し、
該凹部径方向壁面は、前記底面から径方向外側に向かって延びる第一壁面と、該第一壁面よりもさらに径方向外側に向かって延びる第二壁面と、これら第一壁面と第二壁面との間で前記第一壁面から前記軸線方向上流側に突出する突出面と、を有し、
前記シュラウドは、前記凹部径方向壁面に対向するシュラウド径方向壁面を有し、
前記シュラウドには、前記シュラウド径方向壁面における前記突出面よりも径方向外側の部分から該シュラウド径方向壁面から後退するように径方向内側に向かって前記シュラウドの内周面に接続されるシュラウド溝部が形成されており、
前記突出面は、前記シュラウド径方向壁面と前記凹部径方向壁面との間の空間を、該突出面よりも径方向内側に位置する第一空間と、該突出面を挟んで該第一空間よりも径方向外側に位置する第二空間とに区画することで、前記第一空間内及び前記第二空間内に旋回方向が互いに異なる渦を形成する回転機械。
前記シュラウド溝部における下流側を向く面は、前記シュラウド径方向壁面から上流側に向かうに従って径方向内側に延びる傾斜面と、該傾斜面の径方向内側の端縁から径方向内側に延び、前記シュラウドの内周面に接続される垂直面と、を有する請求項１に記載の回転機械。
軸線回りに回転し、外周面に凹部が形成されたロータと、
前記軸線の径方向外側から内側に向かって延びる静翼本体、及び、該静翼本体の径方向内側に設けられて前記凹部に収容されたシュラウドを有する静翼と、
前記シュラウドの径方向内側を向く内周面から前記凹部の底面に向かって突出して、該底面との間でクリアランスを形成するフィンと、
を備え、
前記凹部は、前記軸線方向下流側に径方向に延びる凹部径方向壁面を有し、
該凹部径方向壁面は、前記底面から径方向外側に向かって延びる第一壁面と、該第一壁面よりもさらに径方向外側に向かって延びる第二壁面と、これら第一壁面と第二壁面との間で前記第一壁面から前記軸線方向上流側に突出する突出面と、を有し、
前記シュラウドは、前記凹部径方向壁面に対向するシュラウド径方向壁面を有し、
前記突出面は、前記シュラウド径方向壁面と前記凹部径方向壁面との間の空間を、該突出面よりも径方向内側に位置する第一空間と、該突出面を挟んで該第一空間よりも径方向外側に位置する第二空間とに区画することで、前記第一空間内及び前記第二空間内に旋回方向が互いに異なる渦を形成する回転機械。
前記シュラウド径方向壁面に設けられ、前記軸線方向下流側に向かって突出するシュラウド凸部を有する請求項１から３のいずれか一項に記載の回転機械。
前記第二壁面には、該第二壁面から該第二壁面から後退するように径方向外側に向かって前記外周面に接続される第二壁面溝部が形成されている請求項１から４のいずれか一項に記載の回転機械。
前記第一壁面と前記第二壁面とは、前記軸線方向における同一の位置に設けられ、該第一壁面及び第二壁面との間には前記軸線方向上流側に向かって突出する凸部が形成されるとともに、前記突出面は該凸部の径方向内側の面をなす請求項１から５のいずれか一項に記載の回転機械。
前記第一壁面は、前記第二壁面よりも前記軸線方向における下流側に設けられ、前記突出面は前記第一壁面の径方向外側の端部と前記第二壁面の径方向内側の端部を接続する請求項１から５のいずれか一項に記載の回転機械。