JP6803772B2 - 軸流回転機械、及び、動翼 - Google Patents
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例えば蒸気タービンの場合、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、動翼内で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)に変換される場合もある。
本発明の一の態様では、軸流回転機械は、中心軸回りに回転する回転軸と、前記回転軸の径方向外側に配置され、その径方向内側を作動流体が前記中心軸方向に沿って上流側から下流側に向かって流れる筒状のケーシングと、前記ケーシングから径方向内側に向かって延びるよう設けられた静翼本体を有する静翼と、前記回転軸から径方向外側に設けられた動翼本体、前記動翼本体の径方向外側に設けられたチップシュラウド、及び、前記チップシュラウドにおいて径方向外側を向く外周面から径方向外側に延び、前記ケーシングの内周面に対向する動翼フィンを備えた動翼と、前記動翼フィンに対して上流側と下流側とにそれぞれ設けられ、前記ケーシングから径方向内側に延びて前記チップシュラウドの前記外周面に対向するケース側フィンと、を備え、前記動翼は、前記チップシュラウドの前記外周面において前記動翼フィンの前記上流側に形成された第一外周面と、前記チップシュラウドの前記外周面において前記動翼フィンの前記下流側に形成され、前記第一外周面よりも径方向内側に位置する第二外周面と、を、有する。前記動翼は、前記動翼フィンにおいて前記上流側を向く面の径方向内側の上流側内周端部が、前記動翼フィンの前記下流側を向く面の径方向内側の下流側内周端部よりも径方向外側に位置することで、前記チップシュラウドの前記上流側の上流端よりも前記チップシュラウドの前記下流側に位置する前記第二外周面の下流端の径方向の厚さ寸法が小さく形成されている。前記動翼は、前記動翼フィンにおいて前記上流側を向く面の径方向内側の上流側内周端部が、前記動翼フィンの前記下流側を向く面の径方向内側の下流側内周端部よりも径方向外側に位置することで、前記チップシュラウドの前記上流側の上流端よりも前記チップシュラウドの前記下流側に位置する前記第二外周面の下流端の径方向の厚さ寸法が小さく形成され、前記チップシュラウドの前記下流端は、下流側に向かって径方向の厚さが漸次小さくなる湾曲面又は傾斜面を有していてもよい。
また、剥離渦が小さくなることで、チップシュラウドの下流端から剥離した作動流体の漏れ流れは、ケーシング内で径方向内側に寄りやすくなる。これによって、作動流体の主流と作動流体の漏れ流れとの混合が、チップシュラウドの下流端に近い位置で開始される。
また、チップシュラウドの上流側で、作動流体の主流から分離した作動流体の漏れ流れは、チップシュラウドとケーシングとの間を径方向外側に向かって流れる。チップシュラウドの上流端は、下流端よりも径方向の厚さ寸法が大きいので、径方向外側に向かって流れる作動流体の漏れ流れは、チップシュラウドの上流端に沿って長く流れる。これにより、チップシュラウドの上流端の径方向外側で作動流体の漏れ流れから剥離して生成される剥離渦が強くなる。チップシュラウドの上流端側における剥離渦が強くなると、作動流体の漏れ流れは、チップシュラウドと上流側のケース側フィンとの隙間を通り抜けにくくなり、漏れ流れが低減される。
また、チップシュラウドとケーシングの内周面との隙間を通った作動流体の漏れ流れがチップシュラウドの下流端から剥離する際に生じる剥離渦が、より一層小さくなる。これにより、チップシュラウドの下流側における作動流体の漏れ流れによる損失を、より一層低減することができる。
このような構成によれば、チップシュラウドの下流端から剥離する際に生じる剥離渦をより小さくでき、後縁ロスのさらなる低減が可能である。
このような構成によれば、チップシュラウドの下流端から剥離する際に生じる剥離渦をより小さくでき、後縁ロスのさらなる低減が可能である。
このような構成によれば、径方向内側の第二湾曲面の方が、径方向外側の第一湾曲面よりも曲率半径が小さいので、第二湾曲面側で第一湾曲面側よりも蒸気がチップシュラウドの下流端で剥離しやすくなる。即ち、第一湾曲面側で径方向内側に蒸気が向かう一方、第二湾曲面側で中心軸方向に蒸気が向かう。これによって、蒸気の主流が、径方向外側から合流する蒸気の漏れ流れに巻き込まれることを抑制し、蒸気の主流と蒸気の漏れ流れとが混合するときの損失を抑制することができる。
また、チップシュラウドとケーシングの内周面との隙間を通った作動流体の漏れ流れがチップシュラウドの下流端から剥離する際に生じる剥離渦が、より一層小さくなる。これにより、チップシュラウドの下流側における作動流体の漏れ流れによる損失を、より一層低減することができる。
本発明の第二の態様では、上記第一の態様において、前記チップシュラウドの前記下流端は、下流側に向かって凸となる湾曲面を有し、該湾曲面は半円の円周面であってもよい。
このような構成によれば、チップシュラウドの下流端から剥離する際に生じる剥離渦をより小さくでき、後縁ロスのさらなる低減が可能である。
本発明の第三の態様では、上記第一の態様において、前記チップシュラウドの前記下流端は、下流側に向かって凸となる湾曲面を有し、該湾曲面は、長軸が前記中心軸方向に一致し、短軸が前記径方向に一致する半楕円の円周面であってもよい。
このような構成によれば、チップシュラウドの下流端から剥離する際に生じる剥離渦をより小さくでき、後縁ロスのさらなる低減が可能である。
本発明の第四の態様では、上記第一の態様において、前記チップシュラウドの前記下流端は、下流側に向かって凸となる湾曲面を有し、該湾曲面として、前記径方向の外側の第一湾曲面と、前記径方向の内側の第二湾曲面とが形成されており、前記第一湾曲面の曲率半径は、前記第二湾曲面の曲率半径よりも大きくともよい。
このような構成によれば、径方向内側の第二湾曲面の方が、径方向外側の第一湾曲面よりも曲率半径が小さいので、第二湾曲面側で第一湾曲面側よりも蒸気がチップシュラウドの下流端で剥離しやすくなる。即ち、第一湾曲面側で径方向内側に蒸気が向かう一方、第二湾曲面側で中心軸方向に蒸気が向かう。これによって、蒸気の主流が、径方向外側から合流する蒸気の漏れ流れに巻き込まれることを抑制し、蒸気の主流と蒸気の漏れ流れとが混合するときの損失を抑制することができる。
(第一実施形態)
図1は、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。図2は、上記蒸気タービンの動翼の先端部を示す拡大図である。
図1に示すように、本実施形態に係る蒸気タービン(軸流回転機械)100は、回転軸1と、ケーシング2と、複数の静翼7を備える静翼段6と、複数の動翼4を備える動翼段3と、を備えている。
ケーシング2は、吸気口10と、排気口11と、を備えている。吸気口10は、ケーシング2の中心軸方向Daの第一側に形成され、外部からケーシング2内に蒸気(作動流体)を取り入れる。排気口11は、ケーシング2の中心軸方向Daの第二側に形成され、ケーシング2内を通過した蒸気を外部に排気する。
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。
静翼本体70は、ケーシング2の内周面2Sから径方向Dr内側に向かって延びるよう設けられている。静翼本体70は、径方向Drから見て翼型の断面を有している。
静翼シュラウド71は、静翼本体70の径方向Dr内側の端部に取り付けられている。
本実施形態では、動翼本体40と静翼本体70との径方向Dr寸法は互いに同一とされている。言い換えると、中心軸方向Daから見た場合、動翼本体40と静翼本体70とは互いに重なるように配列されている。
この動翼側フィン42は、チップシュラウド41と一体成形することで形成されている。
また、チップシュラウド41において径方向Dr内側を向く内周面41tは、上流側から下流側に向かって径方向Dr外側に傾斜して形成されている。
これにより、動翼4は、チップシュラウド41の上流側の上流端41aよりもチップシュラウド41の下流側の下流端41bの径方向Drの厚さ寸法が小さく形成されている。
ここで、第一外周面45A及び第二外周面45Bの径方向Drの位置の差分は、ケース側フィン22Aの径方向Drの内側の先端部と第一外周面45Aとの間の間隔(クリアランス)よりも大きくなっているとよい。
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。各静翼段6においては、上流側から流れてきた蒸気が静翼7に当たることで、この蒸気の流れに回転軸1周りの旋回成分が付与される。これにより、各静翼段6の下流側では、蒸気の流れは回転軸1周りに旋回している。各動翼段3は、上流側の静翼段6を経て回転軸1周りに旋回した蒸気の流れが到達する。この旋回した蒸気の流れが各動翼4に当たることで、回転軸1は回転エネルギーを得て、中心軸Ac回りに回転する。この回転軸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。
この動翼漏れ流れFLは、チップシュラウド41に対して上流側で、チップシュラウド41の上流端41aと、その上流側に位置する動翼キャビティ20の上流側面21Aとの間を径方向Drの外側に向かって流れる。
ここで、チップシュラウド41の上流端41aの径方向Dr外側では、径方向Drの外側に向かう作動流体の漏れ流れFLの一部が剥離し、剥離渦S1が生成される。チップシュラウド41の上流端41aは、下流端41bよりも径方向Drの厚さ寸法が大きいので、径方向Dr外側に向かって流れる作動流体の漏れ流れFLは、チップシュラウド41の上流端41aに沿って長く流れる。これにより、生成される剥離渦S1が強くなる。
このようにして蒸気の主流FMと混合した蒸気の漏れ流れFLは、下流側の静翼7へと流れていく。
また、剥離渦S2が小さくなることで、チップシュラウド41の下流端41bから剥離した蒸気の漏れ流れFLは、径方向Dr内側に寄りやすくなる。これによって、蒸気の主流FMと蒸気の漏れ流れFLとの混合が、チップシュラウド41の下流端41bに近い位置で開始される。これによって、蒸気の漏れ流れFLが、チップシュラウド41の下流端41bに対向する動翼キャビティ20の下流側面21Bにまで到達することを抑制する。したがって、蒸気の漏れ流れFLが下流側面21Bに衝突することで生じる損失が低減される。
また、チップシュラウド41の上流端41aは、下流端41bよりも径方向Drの厚さ寸法が大きいので、チップシュラウド41の上流端41aの径方向Dr外側で蒸気の漏れ流れFLから剥離して生成される剥離渦S1が強くなる。このように、チップシュラウド41の上流端41a側における剥離渦S1が強くなると、蒸気の漏れ流れFLは、チップシュラウド41と上流側のケース側フィン22Aとの隙間を通り抜けにくくなる。したがって、蒸気の漏れ流れFLの量が低減される。
次に、本発明にかかる軸流回転機械、動翼の第二実施形態について説明する。以下に説明する第二実施形態においては、第一実施形態とチップシュラウド41の下流端41bの形状のみが異なるので、第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複説明を省略する。
この実施形態における蒸気タービン100の動翼4は、上記第一実施形態と同様の、動翼本体40と、チップシュラウド41と、動翼側フィン42(図2参照)を有している。
図4は、上記第二実施形態に係る蒸気タービンの動翼の先端部の形状の第一変形例を示す図である。
図4に示すように、チップシュラウド41の下流端41bは、下流側に向かって径方向Drの厚さが漸次小さくなる半楕円状の湾曲面48Bによって形成されている。ここで、湾曲面48Bは、中心軸方向Daに長軸方向A1が一致し、径方向Drに短軸方向A2が一致した半楕円状に形成するのが好ましい。
図5は、上記第二実施形態に係る蒸気タービンの動翼の先端部の形状の第二変形例を示す図である。
図5に示すように、チップシュラウド41の下流端41bは、下流側に向かって漸次径方向内側に傾斜することで、径方向Drの厚さが漸次小さくなる傾斜面48Cによって形成されている。
図6は、上記第二実施形態に係る蒸気タービンの動翼の先端部の形状の第三変形例を示す図である。
傾斜面48Cは下流側に突出する湾曲面であってもよい。この湾曲面では、径方向Drの中央部付近での接線の径方向Drに対する傾斜角度θが、0度<θ<90度を満たす。
図7は、上記第二実施形態に係る蒸気タービンの動翼の先端部の形状の第四変形例を示す図である。
図7に示すように、チップシュラウド41の下流端41bは、下流側に向かって径方向Drの厚さが漸次小さくなるよう形成されている。この変形例において、チップシュラウド41の下流端41bには、径方向Drの外側に第一湾曲面48Dが、径方向Drの内側に第二湾曲面48Eが形成されている。径方向Drの外側の湾曲面48Dの曲率半径Rdは、径方向Drの内側の湾曲面48Eの曲率半径Reよりも大きく設定されている。また、湾曲面48Dと湾曲面48Eとの間は、径方向Drに延びる平面49によって滑らかに連結されている。
ここで、チップシュラウド41の下流端41bにおいて、径方向Drの外側の第一湾曲面48Dの方が、径方向Drの内側の第二湾曲面48Eよりも曲率半径R1が大きいので、チップシュラウド41の径方向Drの外側を流れる蒸気の漏れ流れFLがチップシュラウド41の下流端41bから剥離しにくくなる。これによって、蒸気の漏れ流れFLを、第一湾曲面48Dの下流側で、径方向Drの内側に向かって転向させることができる。一方、チップシュラウド41の下流端41bにおいて、径方向Drの内側の第二湾曲面48Eの方が、径方向Drの外側の第一湾曲面48Dよりも曲率半径R2が小さいので、蒸気の主流FMがチップシュラウド41の下流端41bで剥離しやすくなる。即ち、第一湾曲面48D側で径方向Drの内側に蒸気が向かう一方、第二湾曲面48E側で中心軸方向Dcに蒸気が向かう。これによって、蒸気の主流FMが、径方向Drの外側から合流する蒸気の漏れ流れFLに巻き込まれることを抑制し、蒸気の主流FMと蒸気の漏れ流れFLとが混合するときの損失を抑制する。
例えば、上記各実施形態およびその変形例では、動翼側フィン42がチップシュラウド41と一体化されているが、これに限らない。
図8は、上記各実施形態の蒸気タービンの動翼の変形例を示す図である。
例えば、図8に示すように、動翼側フィン42Fを、チップシュラウド41Fとは別体とするようにしてもよい。この場合、動翼側フィン42Fは、チップシュラウド41Fの外周面41sに形成された第一外周面45Aと第二外周面45Bとの段差面46Fに沿わせるように配置される。動翼側フィン42Fは、その基端部42gを、第二外周面45Bに形成された溝47に嵌め込んで固定される。
1S 外周面
2 ケーシング
2S 内周面
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 静翼キャビティ
10 吸気口
11 排気口
20 動翼キャビティ
21A 上流側面
21B 下流側面
22A、22B ケース側フィン
40 動翼本体
41、41F チップシュラウド
41a 上流端
41b 下流端
41s 外周面
41t 内周面
42、42F 動翼側フィン
42g 基端部
43、43F 上流面
43a、43f 上流側内周端部
44、44F 下流面
44a、44g 下流側内周端部
45A 第一外周面
45B 第二外周面
46、46F 段差面
47 溝
48A、48B 湾曲面
48D 第一湾曲面
48E 第二湾曲面
48C 傾斜面
49 平面
70 静翼本体
71 静翼シュラウド
100 蒸気タービン
A1 長軸方向
A2 短軸方向
Ac 中心軸
Da 中心軸方向
Dr 径方向
FM 主流
FL 漏れ流れ
R1、R2、Rd、Re 曲率半径
S1、S2 剥離渦
Claims (12)
- 中心軸回りに回転する回転軸と、
前記回転軸の径方向外側に配置され、その径方向内側を作動流体が前記中心軸方向に沿って上流側から下流側に向かって流れる筒状のケーシングと、
前記ケーシングから径方向内側に向かって延びるよう設けられた静翼本体を有する静翼と、
前記回転軸から径方向外側に設けられた動翼本体、前記動翼本体の径方向外側に設けられたチップシュラウド、及び、前記チップシュラウドにおいて径方向外側を向く外周面から径方向外側に延び、前記ケーシングの内周面に対向する動翼フィンを備えた動翼と、
前記動翼フィンに対して上流側と下流側とにそれぞれ設けられ、前記ケーシングから径方向内側に延びて前記チップシュラウドの前記外周面に対向するケース側フィンと、
を備え、
前記動翼は、
前記チップシュラウドの前記外周面において前記動翼フィンの前記上流側に形成された第一外周面と、
前記チップシュラウドの前記外周面において前記動翼フィンの前記下流側に形成され、前記第一外周面よりも径方向内側に位置する第二外周面と、
を、有し、
前記動翼は、前記動翼フィンにおいて前記上流側を向く面の径方向内側の上流側内周端部が、前記動翼フィンの前記下流側を向く面の径方向内側の下流側内周端部よりも径方向外側に位置することで、前記チップシュラウドの前記上流側の上流端よりも前記チップシュラウドの前記下流側に位置する前記第二外周面の下流端の径方向の厚さ寸法が小さく形成され、
前記チップシュラウドの前記下流端は、下流側に向かって径方向の厚さが漸次小さくなる湾曲面又は傾斜面を有している、軸流回転機械。 - 前記動翼は、
前記チップシュラウドの前記外周面において前記動翼フィンの前記上流側に形成された第一外周面と、
前記チップシュラウドの前記外周面において前記動翼フィンの前記下流側に形成され、前記第一外周面よりも径方向内側に位置する第二外周面と、
前記第一外周面と前記第二外周面との間に設けられ、前記中心軸方向の下流側を向く段差面と、を有している、請求項1に記載の軸流回転機械。 - 前記動翼フィンは、前記第一外周面の前記下流側の端部から径方向外側に延びるように形成され、
前記動翼フィンの前記下流側を向く面の径方向内側の一部が前記段差面を形成する、請求項2に記載の軸流回転機械。 - 前記チップシュラウドの前記外周面は、前記中心軸に平行に形成されている、請求項1から3の何れか一項に記載の軸流回転機械。
- 前記チップシュラウドにおいて径方向内側を向く内周面は、前記上流側から前記下流側に向かって径方向外側に傾斜している、請求項1から4の何れか一項に記載の軸流回転機械。
- 前記チップシュラウドの前記下流端は、下流側に向かって凸となる湾曲面を有し、該湾曲面は半円の円周面である請求項1に記載の軸流回転機械。
- 前記チップシュラウドの前記下流端は、下流側に向かって凸となる湾曲面を有し、該湾曲面は、長軸が前記中心軸方向に一致し、短軸が前記径方向に一致する半楕円の円周面である請求項1に記載の軸流回転機械。
- 前記チップシュラウドの前記下流端は、下流側に向かって凸となる湾曲面を有し、該湾曲面として、前記径方向の外側の第一湾曲面と、前記径方向の内側の第二湾曲面とが形成されており、
前記第一湾曲面の曲率半径は、前記第二湾曲面の曲率半径よりも大きい請求項1に記載の軸流回転機械。 - 作動流体が上流側から下流側に向かって流れるケーシング内で、中心軸回りに回転可能に支持される回転軸の径方向外側に設けられる動翼であって、
前記回転軸から径方向外側に延びるよう設けられる動翼本体と、
前記動翼本体の径方向外側に設けられるチップシュラウドと、
前記チップシュラウドにおいて径方向外側を向く外周面に設けられ、前記外周面から径方向外側に延びる動翼フィンと、
を備え、
前記動翼フィンにおいて前記上流側を向く面の径方向内側の上流側内周端部は、前記動翼フィンの前記下流側を向く面の径方向内側の下流側内周端部よりも径方向外側に位置することで、前記チップシュラウドの前記上流側の上流端よりも前記チップシュラウドの前記下流側の下流端の径方向の厚さ寸法が小さく形成され、
前記チップシュラウドの前記下流端は、下流側に向かって径方向の厚さが漸次小さくなる湾曲面又は傾斜面を有している、動翼。 - 前記チップシュラウドの前記下流端は、下流側に向かって凸となる湾曲面を有し、該湾曲面は半円の円周面である請求項9に記載の動翼。
- 前記チップシュラウドの前記下流端は、下流側に向かって凸となる湾曲面を有し、該湾曲面は、長軸が前記中心軸方向に一致し、短軸が前記径方向に一致する半楕円の円周面である請求項9に記載の動翼。
- 前記チップシュラウドの前記下流端は、下流側に向かって凸となる湾曲面を有し、該湾曲面として、前記径方向の外側の第一湾曲面と、前記径方向の内側の第二湾曲面とが形成されており、
前記第一湾曲面の曲率半径は、前記第二湾曲面の曲率半径よりも大きい請求項9に記載の動翼。
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