JP7148273B2 - 蒸気タービン - Google Patents

Description

本発明は、蒸気タービンに関する。

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、蒸気タービンでは、ロータの円滑な回転を実現するため、動翼の先端部（シュラウド）とケーシングの内周面との間に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に記載されたものが知られている。特許文献１に係る装置では、静翼外輪の下流側に設けられた庇部の内周面と、動翼シュラウドの外周面との間に複数のフィンが設けられている。さらに、庇部の内周面は、静翼外輪の内周面よりも径方向外側に位置している。これにより、互いに隣接する一対の静翼外輪と、庇部の内周面とによって凹部が形成されている。動翼シュラウド及びフィンはこの凹部内に収容されている。フィンが設けられていることにより、主流蒸気から逸脱して凹部内に流れ込む漏れ蒸気が低減され、蒸気タービンの効率が向上するとされている。

特開２００７－３２１７２１号公報

しかしながら、上記のフィンの先端と動翼シュラウドの外周面との間には隙間が形成されていることから、この隙間を流通する漏れ蒸気が依然として存在する。漏れ蒸気は、最も下流側のフィンと、凹部の下流側の面（下流側に位置する静翼外輪の上流側を向く面）との間で渦を形成する。この渦から逸脱した一部の成分は、凹部の下流側の面に衝突して向きを変え、主流蒸気に合流する。具体的には、この漏れ蒸気は径方向外側から内側に向かって流れる。一方で、主流蒸気は上流側から下流側に向かって流れている。このため、漏れ蒸気と主流蒸気とが交差する角度が大きくなり、両者の間で混合損失（ミキシングロス）が発生してしまう。その結果、蒸気タービンの効率が低下してしまう虞がある。

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、ミキシングロスを低減することで効率の向上した蒸気タービン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、蒸気タービンは、軸線回りに回転する回転軸と、該回転軸から径方向外側に延びる動翼本体、及び、該動翼本体の径方向外側の端部に設けられたシュラウドを有する動翼と、前記動翼を径方向外側から囲うとともに、内周側に前記シュラウドを収容する凹部が形成されたケーシングと、前記凹部における前記シュラウドに対向する対向面から径方向内側に突出して、前記シュラウドの外周面との間にクリアランスを形成するフィンと、を備え、前記凹部は、前記クリアランスの軸線方向の下流側に対向するとともに下流側に向かうに従って径方向外側に延びる案内面と、該案内面の下流側かつ径方向外側の端部から、前記対向面よりも径方向外側を経由して上流側に向かうに従って径方向内側に向かって延びて、前記フィンの下流側を向く面における径方向外側の端部に接続された還流面と、を有し、前記案内面、前記還流面、前記前記フィンの下流側を向く面によって区画された領域に、前記案内面、前記還流面、前記前記フィンの下流側を向く面の順で旋回する渦が形成される。

ここで、フィンの下流側を向く面と、案内面及び還流面とによって囲まれた空間内では、クリアランスを通過した蒸気によって、案内面から還流面を経てフィンに向かう方向に旋回する渦が形成される。上記の構成では、案内面は下流側に向かうに従って径方向外側に延びている。これにより、例えば案内面が軸線に対して直交する方向（径方向）に広がっている場合に比べて、蒸気の流れにおける軸線方向の成分が増加して、より強い渦が形成されやすくなる。さらに、還流面は、対向面よりも径方向外側を経由してフィンの下流側を向く面まで延びている。これにより、例えば還流面が径方向において対向面と同一の位置にある場合に比べて、渦が形成される領域を拡大することができる。その結果、渦の旋回中心は相対的に下流側に移動するとともに、渦の半径はより大きくなる。したがって、シュラウドと案内面との間では、渦が径方向内側に向かって膨らむ。具体的には、フィンの下流面を経てシュラウドの外周面に到達した蒸気の流れは、シュラウドの下流側の端部から下流側かつ径方向内側に向かって流れる。即ち、凹部から流れ出る蒸気の流れ方向が、動翼本体の周囲を流れる蒸気（主流）の流れ方向に近付き、両者の間におけるミキシングロスを低減することができる。

本発明の第二の態様によれば、前記還流面は、前記軸線を含む断面視で、該軸線に交差する方向に直線状に延びていてもよい。

この構成によれば、還流面が軸線に交差する直線状に延びていることから、例えば還流面が曲面状である場合や複数の面で構成されている場合に比べて、加工に要する時間やコストを低減することができる。

本発明の第三の態様によれば、蒸気タービンは、軸線回りに回転する回転軸と、該回転軸から径方向外側に延びる動翼本体、及び、該動翼本体の径方向外側の端部に設けられたシュラウドを有する動翼と、前記動翼を径方向外側から囲うとともに、内周側に前記シュラウドを収容する凹部が形成されたケーシングと、前記凹部における前記シュラウドに対向する対向面から径方向内側に突出して、前記シュラウドの外周面との間にクリアランスを形成するフィンと、を備え、前記凹部は、前記クリアランスの軸線方向の下流側に対向するとともに下流側に向かうに従って径方向外側に延びる案内面と、該案内面の下流側かつ径方向外側の端部から前記対向面よりも径方向外側を経由して前記フィンの下流側を向く面まで延びる還流面と、を有し、前記還流面は、前記案内面の下流側かつ径方向外側の端部から前記対向面よりも径方向外側の位置まで、径方向外側に向かうに従って上流側に延びる第一還流面と、該第一還流面の径方向外側の端部から前記フィンの下流側を向く面まで、上流側に向かうに従って径方向内側に延びる第二還流面と、を有する。

この構成では、還流面が第一還流面と第二還流面とを有している。第一還流面は径方向外側に向かうに従って上流側に延び、第二還流面は上流側に向かうに従って径方向内側に延びている。即ち、案内面と第一還流面とがなす角度、及び第一還流面と第二還流面とがなす角度が、それぞれ鈍角に近付く方向に大きくなる。これにより、例えば第一還流面と第二還流面とが面一である場合（即ち、還流面が１つのみの面で形成されている場合）に比べて、案内面と還流面との間に形成される渦の死水域を小さくすることができる。加えて、渦の旋回中心がさらに下流側に移動する。その結果、渦のエネルギーの散逸が抑制され、ミキシングロスをさらに低減することができる。

本発明の第四の態様によれば、蒸気タービンは、蒸気タービンは、軸線回りに回転する回転軸と、該回転軸から径方向外側に延びる動翼本体、及び、該動翼本体の径方向外側の端部に設けられたシュラウドを有する動翼と、前記動翼を径方向外側から囲うとともに、内周側に前記シュラウドを収容する凹部が形成されたケーシングと、前記凹部における前記シュラウドに対向する対向面から径方向内側に突出して、前記シュラウドの外周面との間にクリアランスを形成するフィンと、を備え、前記凹部は、前記クリアランスの軸線方向の下流側に対向するとともに下流側に向かうに従って径方向外側に延びる案内面と、該案内面の下流側かつ径方向外側の端部から前記対向面よりも径方向外側を経由して前記フィンの下流側を向く面まで延びる還流面と、を有し、前記還流面は、前記案内面の下流側かつ径方向外側の端部から前記対向面よりも径方向外側の位置まで、径方向外側に向かうに従って上流側に延びる第一還流面と、該第一還流面の径方向外側の端部から径方向外側に向かうに従ってさらに上流側に延びる第二還流面と、該第二還流面の径方向外側の端部から前記フィンの下流側を向く面まで、上流側に向かうに従って径方向内側に延びる第三還流面と、を有する。

この構成では、還流面が第一還流面と第二還流面と第三還流面とを有している。第一還流面は径方向外側に向かうに従って上流側に延び、第二還流面は径方向外側に向かうに従ってさらに上流側に延びている。第三還流面は上流側に向かうに従って径方向内側に延びている。即ち、案内面と第一還流面とがなす角度、第一還流面と第二還流面とがなす角度、及び第二還流面と第三還流面とがなす角度が、それぞれ鈍角に近付く方向に大きくなる。これにより、案内面と還流面との間に形成される渦の死水域をさらに小さくすることができる。加えて、渦の旋回中心がさらに下流側に移動する。その結果、渦のエネルギーの散逸をさらに抑制することができる。

本発明の第五の態様によれば、前記還流面は、前記案内面の下流側かつ径方向外側の端部と前記フィンの下流側を向く面との間で、径方向外側に向かって膨らむ曲面状をなしていてもよい。

この構成によれば、還流面が曲面状をなしていることから、渦は死水域を形成することなくこの還流面に沿って流れる。加えて、渦の旋回中心がさらに下流側に移動する。その結果、渦のエネルギーの散逸をさらに効果的に抑制することができる。

本発明の第六の態様によれば、蒸気タービンは、蒸気タービンは、軸線回りに回転する回転軸と、該回転軸から径方向外側に延びる動翼本体、及び、該動翼本体の径方向外側の端部に設けられたシュラウドを有する動翼と、前記動翼を径方向外側から囲うとともに、内周側に前記シュラウドを収容する凹部が形成されたケーシングと、前記凹部における前記シュラウドに対向する対向面から径方向内側に突出して、前記シュラウドの外周面との間にクリアランスを形成するフィンと、を備え、前記凹部は、前記クリアランスの軸線方向の下流側に対向するとともに下流側に向かうに従って径方向外側に延びる案内面と、該案内面の下流側かつ径方向外側の端部から前記対向面よりも径方向外側を経由して前記フィンの下流側を向く面まで延びる還流面と、を有し、前記案内面の上流側かつ径方向内側の端部は、前記シュラウドの外周面よりも径方向内側に位置している。

この構成では、案内面の上流側かつ径方向内側の端部が、シュラウドの外周面よりも径方向内側に位置している。これにより、シュラウドの外周面と案内面の端部との間では、渦は下流側に向かうに従って径方向内側に流れる。その結果、凹部から流れ出る蒸気の流れ方向が、動翼本体の周囲を流れる蒸気（主流）の流れ方向に近付き、両者の間におけるミキシングロスをさらに低減することができる。

本発明の第七の態様によれば、前記案内面の下流側かつ径方向外側の端部は、前記シュラウドの外周面よりも径方向外側に位置していてもよい。

この構成によれば、案内面の下流側かつ径方向外側の端部は、シュラウドの外周面よりも径方向外側に位置している。これにより、シュラウドの外周面を通過して下流側に向かって流れる蒸気の流れを、径方向外側かつ下流側に向かってより円滑に案内することができる。その結果、渦の形成をさらに促進することができる。

本発明によれば、ミキシングロスを低減することで効率の向上した蒸気タービンを提供することができる。

本発明の第一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。

［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１は、回転軸２と、軸受装置３と、複数の動翼段４と、ケーシング５と、複数の静翼段６と、フィン７（図２参照）と、を備えている。回転軸２は軸線Ｏに沿って延びる柱状をなしており、当該軸線Ｏ回りに回転可能である。軸受装置３は、この回転軸２の軸端を支持している。軸受装置３は、一対のジャーナル軸受３１と、１つのみのスラスト軸受３２と、を有している。一対のジャーナル軸受３１は、回転軸２の軸線Ｏ方向両側の端部にそれぞれ設けられている。各ジャーナル軸受３１は、軸線Ｏに対する径方向への荷重を支持する。スラスト軸受３２は、軸線Ｏ方向一方側にのみ設けられている。スラスト軸受３２は、軸線Ｏ方向への荷重を支持する。回転軸２の外周面には、軸線Ｏ方向に間隔をあけて配列された複数の動翼段４が設けられている。各動翼段４は、軸線Ｏに対する周方向に間隔をあけて配列された複数の動翼４０を有している。動翼４０は、動翼プラットフォーム４１と、動翼本体４２と、動翼シュラウド４３と、を有している。動翼プラットフォーム４１は、回転軸２の外周面から径方向外側に向かって突出している。動翼本体４２は、動翼プラットフォーム４１の外周面に取り付けられている。動翼本体４２は、径方向に延びるとともに、径方向から見て翼型の断面形状を有している。動翼本体４２の径方向外側の端部には、動翼シュラウド４３が取り付けられている。

回転軸２、及び動翼段４（動翼４０）は、径方向外側からケーシング５によって囲われている。ケーシング５は、軸線Ｏを中心とする筒状をなしている。ケーシング５の内周面には、軸線Ｏ方向に間隔をあけて配列された複数の静翼段６が設けられている。これら静翼段６は、軸線Ｏ方向において上記の動翼段４と交互に配列されている。各静翼段６は、軸線Ｏに対する周方向に間隔をあけて配列された複数の静翼６０を有している。静翼６０は、静翼本体６１と、静翼シュラウド６２と、を有している。静翼本体６１は、ケーシング５の内周面に取り付けられている。静翼本体６１は、径方向に延びるとともに、径方向から見て翼型の断面形状を有している。静翼本体６１の径方向内側の端部には、静翼シュラウド６２が取り付けられている。ケーシング５の内周面における互いに隣接する一対の静翼６０同士の間には、ケーシング５の内周面から径方向外側に向かって凹む凹部８が形成されている。上述の動翼シュラウド４３は、この凹部８に収容されている。

ケーシング５の軸線Ｏ方向一方側の端部には、外部から供給された高温高圧の蒸気を導入する吸気口５１が形成されている。ケーシング５の軸線Ｏ方向他方側の端部には、ケーシング５内を通過した蒸気を排出する排気口５２が形成されている。吸気口５１から導入された蒸気は、軸線Ｏ方向一方側から他方側にむかってケーシング５内を通過する中途で複数の動翼段４（動翼４０）、及び複数の静翼段６（静翼６０）に交互に衝突する。これにより、回転軸２に回転エネルギーが付与される。回転軸２の回転は軸端から取り出されて、例えば発電機（不図示）の駆動等に利用される。以降の説明では、軸線Ｏ方向一方側から他方側に向かってケーシング５内を流通する蒸気の流れを主流Ｆｍと呼ぶ。さらに、主流Ｆｍの流れて来る側（軸線Ｏ方向一方側）を上流側と呼び、主流Ｆｍの流れ去る側（軸線Ｏ方向他方側）を下流側と呼ぶ。

続いて、図２を参照して上記の凹部８の周辺の構成について説明する。図２は、軸線Ｏを含む断面における凹部８の周辺を拡大して示した図である。同図に示すように、凹部８はケーシング５の内周面（ケーシング内周面５Ａ）から、径方向外側に向かって角溝状に凹んでいる。凹部８は、相対的に上流側に位置する第一領域８１と、第一領域８１の下流側に位置する第二領域８２と、を有している。第一領域８１を形成する各面のうち、下流側を向く面（即ち、第一領域８１内における上流側に位置する面）は上流側壁面８Ａとされている。第一領域８１を形成する各面のうち、径方向内側を向く面は対向面８Ｂとされている。対向面８Ｂは軸線Ｏに沿って延びている。対向面８Ｂは上記の動翼シュラウド４３の外周面（シュラウド外周面４３Ａ）に径方向外側から対向している。本実施形態では、断面視において上流側壁面８Ａと対向面８Ｂとは互いに直交している。

対向面８Ｂには、軸線Ｏ方向に間隔をあけて配列された複数（２つ）のケーシング側フィン７１（フィン７）が設けられている。各ケーシング側フィン７１は、対向面８Ｂから径方向内側に向かって延びる板状をなしている。各ケーシング側フィン７１の先端部とシュラウド外周面４３Ａとの間には、径方向に広がる隙間（クリアランスＣ）が形成されている。さらに、シュラウド外周面４３Ａ上であって、上記２つのケーシング側フィン７１同士の間には、動翼側フィン７２（フィン７）が設けられている。動翼側フィン７２は、シュラウド外周面４３Ａから径方向外側に向かって延びる板状をなしている。動翼側フィン７２の先端部と対向面８Ｂとの間には、径方向に広がる隙間（クリアランスＣ）が形成されている。

次に、第二領域８２の構成について説明する。第二領域８２は、上記２つのケーシング側フィン７１のうち、最も下流側に位置するケーシング側フィン７１（下流側フィン７１Ｄ）を挟んで、第一領域８１と隔てられている。第二領域８２は、下流側フィン７１Ｄの下流側を向く面である第二上流側壁面７１Ｓと、第二上流側壁面７１Ｓと軸線Ｏ方向から対向する案内面Ｓ１と、径方向内側を向く還流面Ｓ２と、を有している。第二上流側壁面７１Ｓの径方向外側の端部Ｌ１は、上述の対向面８Ｂよりも径方向外側に位置している。さらに、この端部Ｌ１は、動翼シュラウド４３の下流側の端縁Ｓ１よりも上流側に位置している。第二上流側壁面７１Ｓは、端部Ｌ１から径方向内側に向かうに従って、下流側から上流側に向かって延びている。

案内面Ｓ１は、下流側フィン７１Ｄの先端部とシュラウド外周面４３Ａとの間に形成されたクリアランスＣの下流側に対向している。即ち、案内面Ｓ１の径方向内側の端部Ｌ２は、シュラウド外周面４３Ａよりも径方向内側に位置している。案内面Ｓ１は、この端部Ｌ２から下流側に向かうに従って径方向外側に向かって平面状に延びている。言い換えると、案内面Ｓ１は軸線Ｏを含む断面視において、ケーシング内周面５Ａ（又は、軸線Ｏ）に対して交差する方向に延びている。案内面Ｓ１の下流側かつ径方向外側の端部Ｌ３は、第二上流側壁面７１Ｓの径方向外側の端部Ｌ１よりも径方向外側に位置している。なお、案内面Ｓ１と軸線Ｏとがなす角度θは、１５°から７５°までの範囲内にあることが望ましい。さらに望ましくは、角度θは、３０°から６０°までの範囲内とされる。最も望ましくは、角度θは、４０°から５０°までの範囲内とされる。

端部Ｌ１と端部Ｌ３とを接続する面は還流面Ｓ２とされている。即ち、還流面Ｓ２は、上流側の端部Ｌ１から下流側の端部Ｌ３に向かうに従って径方向外側に向かって平面状（断面視においては直線状）に延びている。さらに言い換えれば、この還流面Ｓ２は案内面Ｓ１の端部Ｌ３から、対向面８Ｂよりも径方向外側を経由して第二上流側壁面７１Ｓまで延びている。

次に、本実施形態に係る蒸気タービン１の動作について説明する。蒸気タービン１を運転するに当たっては、外部の蒸気供給源（ボイラ等）から上述の吸気口５１を通じてケーシング５内に蒸気が供給される。蒸気は、ケーシング５内を上流側から下流側に向かう主流Ｆｍを形成する。主流Ｆｍは、ケーシング５内を通過する中途で、複数の静翼段６、及び複数の動翼段４に交互に衝突する。静翼段６は蒸気の流れを整流する。この整流された蒸気の流れが動翼段４に衝突することで回転軸２に回転エネルギーが付与される。

ここで、主流Ｆｍの一部は上述の凹部８内に流れ込むことで副流Ｆｓを形成する。より詳細には、副流Ｆｓは、凹部８の上流側壁面８Ａと動翼シュラウド４３との間の隙間を通じて第一領域８１内に流入する。副流Ｆｓの一部の成分は、上述のフィン７によって阻止される。一方で、副流Ｆｓの残余の成分は、ケーシング側フィン７１とシュラウド外周面４３Ａとの間のクリアランスＣ、及び動翼側フィン７２と対向面８Ｂとの間のクリアランスＣを通じて下流側の第二領域８２内に流入する。第二領域８２内に流入した副流Ｆｓは、クリアランスＣと対向する案内面Ｓ１に衝突して向きを変え、当該案内面Ｓ１に沿って径方向外側に向かって流れる。案内面Ｓ１を経て径方向外側に到達した副流Ｆｓは、還流面Ｓ２に衝突して向きを変え、当該還流面Ｓ２に沿って下流側から上流側に向かって流れる。その後、副流Ｆｓは第二上流側壁面７１Ｓに沿って径方向外側から内側に向かって流れる。即ち、第二領域８２内では、案内面Ｓ１、還流面Ｓ２、及び第二上流側壁面７１Ｓの順で旋回する渦Ｖ１が形成されている。なお、案内面Ｓ１と還流面Ｓ２とが形成する隅部では、この渦Ｖ１とは別の小さな渦（小渦Ｖ２）が形成されている。即ち、この隅部は死水域となる。

上記の渦Ｖ１のうち、一部の成分Ｆｐ（即ち、副流Ｆｓの一部の成分）は、動翼シュラウド４３と案内面Ｓ１との間の隙間を通じて主流Ｆｍに合流する（混合される）。ここで、上記の構成では、案内面Ｓ１は下流側に向かうに従って径方向外側に延びている。これにより、例えば案内面Ｓ１が軸線Ｏに対して直交する方向（径方向）に広がっている場合に比べて、蒸気の流れにおける軸線Ｏ方向の成分が増加して、より強い渦Ｖ１が形成されやすくなる。

さらに、還流面Ｓ２は、対向面８Ｂよりも径方向外側を経由してフィン７の下流側を向く面まで延びている。これにより、例えば還流面Ｓ２が径方向において対向面８Ｂと同一の位置にある場合に比べて、渦Ｖ１が形成される領域の容積を拡大することができる。その結果、渦Ｖ１の旋回中心は相対的に下流側に移動するとともに、渦Ｖ１の半径はより大きくなる。したがって、シュラウドと案内面Ｓ１との間では、渦Ｖ１が径方向内側に向かって膨らむ。具体的には、フィン７の下流面を経てシュラウドの外周面に到達した蒸気の流れは、シュラウドの下流側の端縁Ｓ１から下流側かつ径方向内側に向かって流れる。即ち、凹部８（第二領域８２）から流れ出る蒸気の流れ方向が、動翼本体４２の周囲を流れる蒸気（主流Ｆｍ）の流れ方向に近付き、両者の間におけるミキシングロスを低減することができる。その結果、蒸気タービン１の効率を向上させることができる。

さらに、上記の構成によれば、還流面Ｓ２が軸線Ｏに交差する直線状に延びていることから、例えば還流面Ｓ２が曲面状である場合や複数の面で構成されている場合に比べて、加工に要する時間やコストを低減することができる。

加えて、上記の構成では、案内面Ｓ１の上流側かつ径方向内側の端部Ｌ２が、シュラウドの外周面よりも径方向内側に位置している。これにより、シュラウド外周面４３Ａと案内面Ｓ１の端部との間では、渦Ｖ１は下流側に向かうに従って径方向内側に流れる。その結果、凹部８から流れ出る蒸気の流れ方向が、動翼本体４２の周囲を流れる蒸気（主流Ｆｍ）の流れ方向に近付き、両者の間におけるミキシングロスをさらに低減することができる。

さらに加えて、上記の構成によれば、案内面Ｓ１の下流側かつ径方向外側の端部Ｌ３は、シュラウド外周面４３Ａよりも径方向外側に位置している。これにより、シュラウド外周面４３Ａを通過して下流側に向かって流れる蒸気の流れを、径方向外側かつ下流側に向かってより円滑に案内することができる。その結果、渦Ｖ１の形成をさらに促進することができる。

以上、本発明の第一実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記実施形態では、ケーシング側フィン７１が２つ設けられ、動翼側フィン７２が１つのみ設けられている例について説明した。しかしながら、これらケーシング側フィン７１、及び動翼側フィン７２の数は上記に限定されず、設計や仕様に応じて適宜変更することが可能である。

［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、詳細な説明を省略する。同図に示すように、本実施形態では、第二領域８２の形状が第一実施形態とは異なっている。より具体的には、還流面Ｓ２２は、第一還流面Ｓ２２１と、第二還流面Ｓ２２２と、を有している。

第一還流面Ｓ２２１は、案内面Ｓ２１の下流側かつ径方向外側の端部Ｌ３´から対向面８Ｂよりも径方向外側の位置まで延びている。より詳細には、第一還流面Ｓ２２１は、径方向外側に向かうに従って上流側に延びている。なお、この端部Ｌ３´は、上述の第一実施形態における端部Ｌ３よりも径方向内側かつ下流側に位置している。即ち、本実施形態では、案内面Ｓ２１とケーシング内周面５Ａ（又は、軸線Ｏ）とがなす角度θ´は、上述の第一実施形態における角度θよりも小さい。第二還流面Ｓ２２２は、第一還流面Ｓ２２１の径方向外側の端部Ｌ４から第二上流側壁面７１Ｓまで延びている。第二還流面Ｓ２２２は、上流側に向かうに従って径方向内側に延びている。

本実施形態に係る構成では、還流面Ｓ２２が第一還流面Ｓ２２１と第二還流面Ｓ２２２とを有している。第一還流面Ｓ２２１は径方向外側に向かうに従って上流側に延び、第二還流面Ｓ２２２は上流側に向かうに従って径方向内側に延びている。即ち、案内面Ｓ２１と第一還流面Ｓ２２１とがなす角度、及び第一還流面Ｓ２２１と第二還流面Ｓ２２２とがなす角度が、それぞれ鈍角に近付く方向に大きくなる。これにより、例えば第一還流面Ｓ２２１と第二還流面Ｓ２２２とが面一である場合（即ち、還流面Ｓ２２が１つのみの面で形成されている場合）に比べて、案内面Ｓ２１と還流面Ｓ２２との間に形成される死水域を小さくすることができる。加えて、案内面Ｓ２１と還流面Ｓ２２とが互いに直交している従来の構成に比べて、渦Ｖ１の旋回中心がさらに下流側に移動する。その結果、渦Ｖ１をより大きく発達させることができるとともに、渦Ｖ１のエネルギーの散逸が抑制され、ミキシングロスをさらに低減することができる。

以上、本発明の第二実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記実施形態では、ケーシング側フィン７１が２つ設けられ、動翼側フィン７２が１つのみ設けられている例について説明した。しかしながら、これらケーシング側フィン７１、及び動翼側フィン７２の数は上記に限定されず、設計や仕様に応じて適宜変更することが可能である。

［第三実施形態］
続いて、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、詳細な説明を省略する。同図に示すように、本実施形態では、第二領域８２の形状が上記の各実施形態とは異なっている。より具体的には、還流面Ｓ３２は、第一還流面Ｓ３２１と、第二還流面Ｓ３２２と、第三還流面Ｓ３２３と、を有している。

第一還流面Ｓ３２１は、案内面Ｓ２１の下流側かつ径方向外側の端部Ｌ３´から対向面８Ｂよりも径方向外側の位置まで延びている。より詳細には、第一還流面Ｓ３２１は、径方向外側に向かうに従って上流側に延びている。なお、この端部Ｌ３´は、上述の第一実施形態における端部Ｌ３よりも径方向内側かつ下流側に位置している。即ち、本実施形態では、案内面Ｓ２１とケーシング内周面５Ａ（又は、軸線Ｏ）とがなす角度θ´は、上述の第一実施形態における角度θよりも小さい。第二還流面Ｓ３２２は、第一還流面Ｓ３２１の径方向外側の端部Ｌ４´からさらに径方向外側に向かって延びている。第二還流面Ｓ３２２は、径方向外側に向かうに従って上流側に延びている。なお、第二還流面Ｓ３２２が軸線Ｏに対してなす角度は、第一還流面Ｓ３２１が軸線Ｏに対してなす角度よりも小さい。第三還流面Ｓ３２３は、第二還流面Ｓ３２２の径方向外側の端部Ｌ５から第二上流側壁面７１Ｓまで延びている。第三還流面Ｓ３２３は、上流側に向かうに従って径方向内側に延びている。

本実施形態に係る構成では、還流面Ｓ３２が第一還流面Ｓ３２１と第二還流面Ｓ３２２と第三還流面Ｓ３２３とを有している。第一還流面Ｓ３２１は径方向外側に向かうに従って上流側に延び、第二還流面Ｓ３２２は径方向外側に向かうに従ってさらに上流側に延びている。第三還流面Ｓ３２３は上流側に向かうに従って径方向内側に延びている。即ち、案内面Ｓ２１と第一還流面Ｓ３２１とがなす角度、第一還流面Ｓ３２１と第二還流面Ｓ３２２とがなす角度、及び第二還流面Ｓ３２２と第三還流面Ｓ３２３とがなす角度が、それぞれ鈍角に近付く方向に大きくなる。これにより、案内面Ｓ２１と還流面Ｓ３２との間に形成される死水域をさらに小さくすることができる。加えて、案内面Ｓ２１と還流面Ｓ３２とが互いに直交している従来の構成に比べて、渦Ｖ１の旋回中心がさらに下流側に移動する。その結果、渦Ｖ１をより大きく発達させることができるとともに、渦Ｖ１のエネルギーの散逸をさらに抑制することができる。

以上、本発明の第三実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記実施形態では、ケーシング側フィン７１が２つ設けられ、動翼側フィン７２が１つのみ設けられている例について説明した。しかしながら、これらケーシング側フィン７１、及び動翼側フィン７２の数は上記に限定されず、設計や仕様に応じて適宜変更することが可能である。

［第四実施形態］
次に、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。同図に示すように、本実施形態では、第二領域８２の形状が上記の各実施形態とさらに異なっている。より具体的には、還流面Ｓ４２は、案内面Ｓ２１の下流側かつ径方向外側の端部Ｌ３´と第二上流側壁面７１Ｓとの間で、径方向外側に向かって膨らむ曲面状をなしている。言い換えると、この還流面Ｓ４２は、端部Ｌ３´から当該端部Ｌ３´よりも下流側を経由するとともに、第二上流側壁面７１Ｓの端部Ｌ１よりも径方向外側を経由して当該端部Ｌ１まで延びている。なお、還流面Ｓ４２は、連続する一の曲面であることが望ましい。

本実施形態に係る構成によれば、還流面Ｓ４２が曲面状をなしていることから、渦Ｖ１は死水域を形成することなくこの還流面Ｓ４２に沿って円滑に流れる。加えて、案内面Ｓ２１と還流面Ｓ４２とが互いに直交している従来の構成に比べて、渦Ｖ１の旋回中心がさらに下流側に移動する。その結果、渦Ｖ１をより大きく発達させることができるとともに、渦Ｖ１のエネルギーの散逸をさらに効果的に抑制することができる。

以上、本発明の第四実施形態について説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記実施形態では、ケーシング側フィン７１が２つ設けられ、動翼側フィン７２が１つのみ設けられている例について説明した。しかしながら、これらケーシング側フィン７１、及び動翼側フィン７２の数は上記に限定されず、設計や仕様に応じて適宜変更することが可能である。

１…蒸気タービン
２…回転軸
３…軸受装置
４…動翼段
５…ケーシング
６…静翼段
７…フィン
８…凹部
３１…ジャーナル軸受
３２…スラスト軸受
４０…動翼
４１…動翼プラットフォーム
４２…動翼本体
４３…動翼シュラウド
５１…吸気口
５２…排気口
６０…静翼
６１…静翼本体
６２…静翼シュラウド
７１…ケーシング側フィン
７２…動翼側フィン
８１…第一領域
８２…第二領域
４３Ａ…シュラウド外周面
５Ａ…ケーシング内周面
７１Ｄ…下流側フィン
７１Ｓ…第二上流側壁面
８Ａ…上流側壁面
８Ｂ…対向面
Ｃ…クリアランス
Ｆｍ…主流
Ｆｓ…副流
Ｏ…軸線
Ｓ１，Ｓ２１…案内面
Ｓ２，Ｓ２２，Ｓ３２，Ｓ４２…還流面
Ｓ２２１，Ｓ３２１…第一還流面
Ｓ２２２，Ｓ３２２…第二還流面
Ｓ３２３…第三還流面
Ｖ１…渦
Ｖ２…小渦

Claims (7)

1. 軸線回りに回転する回転軸と、
   該回転軸から径方向外側に延びる動翼本体、及び、該動翼本体の径方向外側の端部に設けられたシュラウドを有する動翼と、
   前記動翼を径方向外側から囲うとともに、内周側に前記シュラウドを収容する凹部が形成されたケーシングと、
   前記凹部における前記シュラウドに対向する対向面から径方向内側に突出して、前記シュラウドの外周面との間にクリアランスを形成するフィンと、
   を備え、
   前記凹部は、
   前記クリアランスの軸線方向の下流側に対向するとともに下流側に向かうに従って径方向外側に延びる案内面と、
   該案内面の下流側かつ径方向外側の端部から、前記対向面よりも径方向外側を経由して上流側に向かうに従って径方向内側に向かって延びて、前記フィンの下流側を向く面における径方向外側の端部に接続された還流面と、
   を有し、
   前記案内面、前記還流面、前記前記フィンの下流側を向く面によって区画された領域に、前記案内面、前記還流面、前記前記フィンの下流側を向く面の順で旋回する渦が形成される蒸気タービン。
2. 軸線回りに回転する回転軸と、
   該回転軸から径方向外側に延びる動翼本体、及び、該動翼本体の径方向外側の端部に設けられたシュラウドを有する動翼と、
   前記動翼を径方向外側から囲うとともに、内周側に前記シュラウドを収容する凹部が形成されたケーシングと、
   前記凹部における前記シュラウドに対向する対向面から径方向内側に突出して、前記シュラウドの外周面との間にクリアランスを形成するフィンと、
   を備え、
   前記凹部は、
   前記クリアランスの軸線方向の下流側に対向するとともに下流側に向かうに従って径方向外側に延びる案内面と、
   該案内面の下流側かつ径方向外側の端部から前記対向面よりも径方向外側を経由して前記フィンの下流側を向く面まで延びる還流面と、
   を有し、
   前記還流面は、
   前記案内面の下流側かつ径方向外側の端部から前記対向面よりも径方向外側の位置まで、径方向外側に向かうに従って上流側に延びる第一還流面と、
   該第一還流面の径方向外側の端部から前記フィンの下流側を向く面まで、上流側に向かうに従って径方向内側に延びる第二還流面と、
   を有する蒸気タービン。
3. 軸線回りに回転する回転軸と、
   該回転軸から径方向外側に延びる動翼本体、及び、該動翼本体の径方向外側の端部に設けられたシュラウドを有する動翼と、
   前記動翼を径方向外側から囲うとともに、内周側に前記シュラウドを収容する凹部が形成されたケーシングと、
   前記凹部における前記シュラウドに対向する対向面から径方向内側に突出して、前記シュラウドの外周面との間にクリアランスを形成するフィンと、
   を備え、
   前記凹部は、
   前記クリアランスの軸線方向の下流側に対向するとともに下流側に向かうに従って径方向外側に延びる案内面と、
   該案内面の下流側かつ径方向外側の端部から前記対向面よりも径方向外側を経由して前記フィンの下流側を向く面まで延びる還流面と、
   を有し、
   前記還流面は、
   前記案内面の下流側かつ径方向外側の端部から前記対向面よりも径方向外側の位置まで、径方向外側に向かうに従って上流側に延びる第一還流面と、
   該第一還流面の径方向外側の端部から径方向外側に向かうに従ってさらに上流側に延びる第二還流面と、
   該第二還流面の径方向外側の端部から前記フィンの下流側を向く面まで、上流側に向かうに従って径方向内側に延びる第三還流面と、
   を有する蒸気タービン。
4. 軸線回りに回転する回転軸と、
   該回転軸から径方向外側に延びる動翼本体、及び、該動翼本体の径方向外側の端部に設けられたシュラウドを有する動翼と、
   前記動翼を径方向外側から囲うとともに、内周側に前記シュラウドを収容する凹部が形成されたケーシングと、
   前記凹部における前記シュラウドに対向する対向面から径方向内側に突出して、前記シュラウドの外周面との間にクリアランスを形成するフィンと、
   を備え、
   前記凹部は、
   前記クリアランスの軸線方向の下流側に対向するとともに下流側に向かうに従って径方向外側に延びる案内面と、
   該案内面の下流側かつ径方向外側の端部から前記対向面よりも径方向外側を経由して前記フィンの下流側を向く面まで延びる還流面と、
   を有し、
   前記案内面の上流側かつ径方向内側の端部は、前記シュラウドの外周面よりも径方向内側に位置している蒸気タービン。
5. 前記還流面は、前記軸線を含む断面視で、該軸線に交差する方向に直線状に延びている請求項１又は４に記載の蒸気タービン。
6. 前記還流面は、前記案内面の下流側かつ径方向外側の端部と前記フィンの下流側を向く面との間で、径方向外側に向かって膨らむ曲面状をなしている請求項４に記載の蒸気タービン。
7. 前記案内面の下流側かつ径方向外側の端部は、前記シュラウドの外周面よりも径方向外側に位置している請求項１から６のいずれか一項に記載の蒸気タービン。

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