JPWO2014091599A1 - 回転流体機械 - Google Patents

Abstract

隙間流路における漏れ流体の周方向速度の減少率を抑えることができ、これによって不安定流体力を抑えることができる回転流体機械を提供する。蒸気タービンは、動翼カバー６の外周面とケーシング１の溝部１４の内周面との間で形成された隙間流路１５と、隙間流路１５における動翼カバー６側に設けられ、ロータ軸方向に離間して配置された環状のシールフィン１７Ａ〜１７Ｄと、隙間流路１５における動翼カバー６側に周方向全体にわたって設けられた摩擦促進部（詳細には、粗面１９Ａ〜１９Ｅ）とを有する。

Description

本発明は、蒸気タービンやガスタービン等の回転流体機械に係り、特に、回転部の外周面と静止部の内周面との間で形成された隙間流路を有する回転流体機械に関する。

回転流体機械の一つである蒸気タービンは、一般的に、ケーシングと、このケーシング内に回転可能に設けられたロータと、ケーシングの内周側に設けられた静翼列と、ロータの外周側に設けられ、静翼列に対してロータ軸方向の下流側に配置された動翼列とを備えている。そして、主流路内にて作動流体が静翼列（詳細には、静翼間）を通過すると、作動流体の内部エネルギー（言い換えれば、圧力エネルギー等）が運動エネルギー（言い換えれば、速度エネルギー）に変換される。すなわち、作動流体を増速させるようになっている。その後、作動流体が動翼列（詳細には、動翼間）を通過すると、作動流体の運動エネルギーがロータの回転エネルギーに変換される。すなわち、作動流体が動翼列に作用してロータを回転させるようになっている。

蒸気タービンにおいては、動翼列の外周側に環状の動翼カバーが設けられ、この動翼カバーを収納する環状の溝部がケーシングの内周側に形成されたものがある。このような構造では、動翼カバーの外周面とこれに対向するケーシングの溝部の内周面との間に隙間流路が形成されている。そして、作動流体の大部分は、主流路内を流れて動翼列を通過するものの、作動流体の一部（漏れ流体）は、主流路から隙間流路に漏れて動翼列を通過せず、ロータ回転作用に寄与しない可能性がある。

上述したような漏れ流れを抑えてタービン効率を向上させるため、隙間流路には、一般的に、ラビリンスシールが設けられている。ラビリンスシールは、ロータ側又はケーシング側に設けられ、ロータ軸方向に離間して配置された複数段のシールフィン等で構成されている。ラビリンスシールのシール間隔（詳細には、シールフィンの先端とこれに対向する部分との間で形成された隙間縮小部の寸法）は、熱膨張やスラスト荷重による部材の変形や変位を吸収する等の観点から、制約がある。そのため、隙間流路にラビリンスシールを設けた場合でも、主流路から隙間流路への漏れ流れが生じ、この漏れ流れを起因とした不安定振動が発生する。この不安定振動を引き起こす流体力成分を、図１４を用いて説明する。

図１４は、回転部１００の外周面１０１（上述した動翼カバーの外周面に相当）と静止部１０２の内周面１０３（上述したケーシングの溝部の内周面に相当）との間に形成された隙間流路１０４を模式的に表す回転部径方向の断面図である。この図１４において、回転部１００は、図中矢印Ａで示す方向に回転している。また、回転部１００は、例えば製造上の公差、重力、又は回転中の振動などの理由により、静止部１０２に対し、図中点線で示す同心位置になく、図中実線で示す偏心位置にある。すなわち、回転部１００の中心は、静止部１０２の中心に対し、偏心量ｅだけ偏心している。そのため、隙間流路１０４の幅寸法Ｄ（言い換えれば、回転部１００の外周面１０１と静止部１０２の内周面１０３との間の径方向寸法）が周方向に不均一となる。

ここで、主流路から隙間流路１０４に流入した漏れ流体は、例えば図１５中矢印Ｂで示すように螺旋状に流れており、この螺旋状の流れは、軸方向速度成分と周方向速度成分に分解できる。そして、この周方向速度成分と隙間流路１０４の幅寸法Ｄの偏りによって、隙間流路１０４には周方向に不均一な圧力分布Ｐが発生する（図１４参照）。この圧力分布Ｐが回転部１００に作用する力は、偏心方向とは反対方向（図１４中上方向）の力Ｆｘと、偏心方向に対して垂直な方向（図１４中右方向）の力Ｆｙ（以降、不安定流体力と称す）に分解できる。そして、不安定流体力Ｆｙが回転部１００の振れ回りを発生させ、この不安定流体力Ｆｙが回転部１００の減衰力より大きい場合に、回転部１００の不安定振動が発生する。

不安定流体力Ｆｙ及び偏心量ｅを用いた関係式は、下記の式（１）で表される。この式（１）は、回転部１００の振れ回り速度をΩとし、振れ回り軌道が真円であると仮定し、さらに慣性項を省略することで得られる。ｋは流体力のばね定数である。Ｃは減衰係数であり、Ｃ×Ωは、振れ回りに伴う流体力の減衰効果である。

Ｆｙ／ｅ＝ｋ−Ｃ×Ω ・・・（１）
回転部１００の振れ回りを安定させて不安定振動を引き起こさないためには、式（１）の右辺が負になる必要がある。しかし、現実的には軸受等の別の安定化要素があるため、式（１）の右辺が負になる必要はなく、小さくなることが望ましい。すなわち、流体力のばね定数ｋが小さく、減衰係数Ｃが大きくなることが望ましい。

ところで、上述した不安定流体力を低減する従来技術として、主流路から隙間流路に漏れ流体が流入する際に漏れ流体の周方向速度を低減させることが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の従来技術では、隙間流路の上流側である隙間入口部におけるケーシングの溝部の側面に、例えば摩擦抵抗部を設けている。

特開２００６−１０４９５２号公報

上記従来技術では、主流路から隙間流路に漏れ流体が流入する際に漏れ流体の周方向速度を低減させることにより、不安定流体力を抑えるようになっている。しかし、本願発明者らは、別の観点から、不安定流体力を抑えることが可能であることを見出した。以下、詳述する。

主流路から隙間流路に流入した漏れ流体は、周方向速度成分を有している。そして、図１６で示すように、隙間流路１０４内に流入した漏れ流体は、静止部１０２の内周面１０３（静止壁）から、周方向速度成分Ｂ１を減少させるような周方向せん断力Ｃ１を受ける。一方、回転部１００の外周面１０１（回転壁）から、周方向速度成分Ｂ１を増加又は維持させるような周方向せん断力Ｃ２を受ける。そして、例えば静止壁からの周方向せん断力Ｃ１と回転壁からの周方向せん断力Ｃ２が等しい場合は、隙間流路１０４内を漏れ流体が螺旋状に流れるに従い、漏れ流体の周方向速度が回転部１００の回転速度Ｕの半分の値に漸近するように減少する（後述する図３中の点線を参照）。本願発明者らは、この漏れ流体の速度の減少に伴って圧力勾配（詳細には、漏れ流体の速度が減少する方向に向かって圧力が増加する圧力勾配）が生じており、この圧力勾配が不安定流体力を増加させる要因となっていることに気づいた。そして、回転壁からの周方向せん断力Ｃ２を高めれば、漏れ流体の周方向速度の減少率を抑えることが可能であり、これにより、前述した圧力勾配ひいては不安定流体力を抑える作用があることを見出した。但し、漏れ流体の周方向速度の減少率を抑えれば周方向速度自体が大きくなることから、不安定流体力を増加させる作用も生じる。そのため、例えば隙間流路が比較的短い場合等のように、前者の不安定流体力を抑える作用が後者の不安定流体力を増加させる作用より大きい場合に限られる。

本発明の目的は、隙間流路における漏れ流体の周方向速度の減少率を抑えることができ、これによって不安定流体力を抑えることができる回転流体機械を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、回転部の外周面と静止部の内周面との間で形成された隙間流路と、前記隙間流路における前記回転部側又は前記静止部側に設けられ、回転軸方向に離間して配置された少なくとも３段の環状シールフィンと、前記隙間流路における前記回転部側に周方向全体にわたって設けられた摩擦促進部とを有する。

このように本発明においては、隙間流路における回転部側に周方向全体にわたって摩擦促進部を設けて、回転部側からの周方向せん断力を高める。これにより、隙間流路における漏れ流体の周方向速度の減少率を抑えることができる。その結果、漏れ流体の速度の減少に伴って生じる圧力勾配を抑えることができ、ひいては不安定流体力を抑えることができる。

本発明によれば、隙間流路における漏れ流体の周方向速度の減少率を抑えることができ、これによって不安定流体力を抑えることができる。

本発明の第１の実施形態における蒸気タービンの部分構造を模式的に表すロータ軸方向の断面図である。 図１中II部の部分拡大断面図であり、本発明の第１の実施形態における隙間流路の詳細構造を表す。 本発明の第１の実施形態及び従来技術における漏れ蒸気の周方向速度の変化を概略的に表す図である。 本発明の第１の実施形態の効果を説明するための図であり、流体解析の結果として得られた回転部側の表面粗さとばね定数の関係を表す。 本発明の第２の実施形態における隙間流路の詳細構造を表す部分拡大断面図である。 本発明の第３の実施形態における隙間流路の詳細構造を表す部分拡大断面図である。 本発明の第２及び第３の実施形態の効果を、本発明の第１の実施形態及び従来技術と比較して説明するための図であり、流体解析の結果として得られたばね定数を表す。 分析結果として得られた各粗面のばね定数低減への寄与率を表す。 本発明の第４の実施形態における隙間流路の詳細構造を表す部分拡大断面図である。 本発明の第４の実施形態の効果を説明するための図であり、回転部側の表面粗さとばね定数の関係を表す。 本発明の第１の変形例における隙間流路の詳細構造を表す部分拡大断面図である。 本発明の第２の変形例における隙間流路の詳細構造を表す部分拡大断面図である。 本発明の第３の変形例における隙間流路の詳細構造を表す部分拡大断面図である。 不安定振動を引き起こす流体力成分を説明するために隙間流路を模式的に表す回転部径方向の断面図である。 隙間流路内の螺旋状の流れを説明するために隙間流路を模式的に表す斜視図である。 隙間流路内の周方向せん断力を説明するために隙間流路を模式的に表す回転部径方向の断面図である。

以下、本発明を蒸気タービンに適用した場合の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態における蒸気タービンの部分構造（段落構造）を模式的に表すロータ軸方向の断面図である。図２は、図１中II部の部分拡大断面図であり、隙間流路の詳細構造を表す。

これら図１及び図２において、蒸気タービンは、略円筒形状のケーシング１と、このケーシング１内に回転可能に設けられたロータ２とを備えている。ケーシング１の内周側には静翼列３（詳細には、周方向に配列された複数の静翼）が設けられ、ロータ２の外周側には動翼列４（詳細には、周方向に配列された複数の動翼）が設けられている。静翼列３の内周側（言い換えれば、複数の静翼の先端側）には環状の静翼カバー５が設けられ、動翼列４の外周側（言い換えれば、複数の動翼の先端側）には環状の動翼カバー６が設けられている。

蒸気（作動流体）の主流路７は、ケーシング１の内周面８と静翼カバー５の外周面９との間（詳細には、静翼間）に形成された流路や、動翼カバー６の内周面１０とロータ２の外周面１１との間（詳細には、動翼間）に形成された流路等で構成されている。動翼列４は、静翼列３に対してロータ軸方向下流側（図１中右側）に配置されており、静翼列３と動翼列４の組合せが１つの段落を構成している。なお、図１では、便宜上、１段しか示されていないが、一般的には、蒸気の内部エネルギーを効率よく回収するために、ロータ軸方向に複数段設けられている。

そして、例えばボイラ等で生成された蒸気が蒸気タービンの主流路７に導入されて、図１中矢印Ｇ１で示す方向に流れている。主流路７内にて蒸気が静翼列３を通過すると、蒸気の内部エネルギー（言い換えれば、圧力エネルギー等）が運動エネルギー（言い換えれば、速度エネルギー）に変換される。すなわち、蒸気を増速させるようになっている。その後、蒸気が動翼列４を通過すると、蒸気の運動エネルギーがロータ２の回転エネルギーに変換される。すなわち、蒸気が動翼に作用してロータ２を中心軸Ｏ周りに回転させるようになっている。

ケーシング１の内周側には、動翼カバー６を収納する環状の溝部１４が形成されている。そのため、動翼カバー６の外周面とこれに対向するケーシング１の溝部１４の内周面との間には隙間流路１５が形成されている。そして、蒸気の大部分（主流蒸気）は、主流路７を流れて動翼列４を通過するものの、蒸気の一部（漏れ蒸気）は、図１中矢印Ｇ２で示すように主流路７から隙間流路１５に漏れて動翼列４を通過せず、ロータ回転作用に寄与しない可能性がある。この漏れ流れを抑えるため、隙間流路１５にはラビリンスシールが設けられている。

本実施形態のラビリンスシールでは、ケーシング１の溝部１４の内周側には、２つの環状段差部１６Ａ，１６Ｂが形成されている。動翼カバー６の外周面には、ロータ軸方向に離間して配置された４段の環状シールフィン１７Ａ〜１７Ｄが設けられている。なお、シールフィン１７Ａ〜１７Ｄは、動翼カバー６と一体に形成されてもよいが、別体として作成されてもよい。そして、動翼カバー６の外周側に形成された溝に埋め込まれて固定されてもよい。

シールフィン１７Ａ〜１７Ｄは、動翼カバー６の外周面からケーシング１の溝部１４の内周面に向かって延在している。但し、シールフィン１７Ｂ，１７Ｄは、段差部１６Ａ，１６Ｂにそれぞれ向かって延在しているため、シールフィン１７Ａ，１７Ｃより短くなっている。シールフィン１７Ａ〜１７Ｄの先端と溝部１４の内周面との間には隙間縮小部がそれぞれ形成されており、シール機能を果たしている。

また、上流側から数えて１段目のシールフィン１７Ａと２段目のシールフィン１７Ｂとの間にはシール分割空間１８Ａが形成され、２段目のシールフィン１７Ｂと３段目のシールフィン１７Ｃとの間にはシール分割空間１８Ｂが形成され、３段目のシールフィン１７Ｃと４段目のシールフィン１７Ｄとの間にはシール分割空間１８Ｃが形成され、４段目のシールフィン１７Ｄの下流側にシール分割空間１８Ｄが形成され、１段目のシールフィン１７Ａの上流側にシール分割空間１８Ｅが形成されている。これらシール分割空間１８Ａ〜１８Ｅは、隙間流路１５を構成している。

そして、本実施形態の大きな特徴として、隙間流路１５の全体において、回転部側には、周方向全体にわたって回転摩擦促進部が設けられている。詳細には、シール分割空間１８Ａにおいて、動翼カバー６の外周面、シールフィン１７Ａの下流側側面、及びシールフィン１７Ｂの上流側側面には、周方向全体にわたって粗面１９Ａが形成されている。また、シール分割空間１８Ｂにおいて、動翼カバー６の外周面、シールフィン１７Ｂの下流側側面、及びシールフィン１７Ｃの上流側側面には、周方向全体にわたって粗面１９Ｂが形成されている。また、シール分割空間１８Ｃにおいて、動翼カバー６の外周面、シールフィン１７Ｃの下流側側面、及びシールフィン１７Ｄの上流側側面には、周方向全体にわたって粗面１９Ｃが形成されている。また、シール分割空間１８Ｄにおいて、動翼カバー６の外周面及びシールフィン１７Ｄの下流側側面には、周方向全体にわたって粗面１９Ｄが形成されている。また、シール分割空間１８Ｅにおいて、動翼カバー６の外周面及びシールフィン１７Ａの上流側側面には、周方向全体にわたって粗面１９Ｅが形成されている。これら粗面１９Ａ〜１９Ｅが回転摩擦促進部を構成している。

粗面１９Ａ〜１９Ｅは、ケーシング１の溝部１４の内周面より粗くなるように、具体的には、算術平均表面粗さ（Ｒａ）が５０〜２００μｍの範囲内で設定された所定値となるように、例えばブラスト加工で形成されている。ブラスト加工では、例えば、粒径が５０〜２００μｍの範囲内で設定された所定値に管理された特殊鋼製の粒子（投射材）を、対象表面に投射して衝突させる。この特殊鋼製の粒子は、動翼カバー６と同じ程度又はそれ以上の硬さを有しており、再利用することが可能である。これにより、投射材の使用コストを低減することが可能である。なお、本実施形態では、シールフィン１７Ａ〜１７Ｄの先端は、加工されていない。何故なら、その加工が難しく、隙間縮小部の寸法管理が難しくなるからである。また、シールフィン１７Ａ〜１７Ｄの先端の加工の有無が本発明の効果に与える影響は、小さいからである。

次に、本実施形態の作用効果を、図３を用いて説明する。図３は、本実施形態及び従来技術における漏れ蒸気の周方向速度の変化を概略的に表す図である。この図３において、横軸は、隙間流路１５の軸方向位置をとり、縦軸は、漏れ蒸気の周方向速度をとっている。

主流路７（詳細には、静翼列３の下流側）から隙間流路１５に流入する漏れ蒸気の周方向速度は、図３で示すように、動翼カバー６の回転速度Ｕと同じ程度である。ここで、隙間流路１５内に流入した漏れ蒸気は、ケーシング１の溝部１４の内周面（静止壁）から、周方向速度成分を減少させるような周方向せん断力Ｃ１を受ける。一方、動翼カバー６の外周面（回転壁）から、周方向速度成分を増加又は維持させるような周方向せん断力Ｃ２を受ける。そして、例えば静止壁からの周方向せん断力Ｃ１と回転壁からの周方向せん断力Ｃ２が等しいような従来技術（言い換えれば、回転部側に回転摩擦促進部が設けられていない場合）では、図３中点線で示すように、隙間流路１５内を漏れ蒸気が螺旋状に流れるに従い、漏れ蒸気の周方向速度が動翼カバー６の回転速度Ｕの半分の値に漸近するように減少する。そして、この漏れ蒸気の速度の減少に伴って圧力勾配（詳細には、漏れ蒸気の速度が減少する方向に向かって圧力が増加する圧力勾配）が生じ、この圧力勾配が不安定流体力を増加させる。

これに対し、本実施形態では、隙間流路１５の全体における回転部側に周方向全体にわたって摩擦促進部（詳細には、粗面１９Ａ〜１９Ｅ）を設けて、回転部側からの周方向せん断力Ｃ２を高める。これにより、図３中実線で示すように、隙間流路１５における漏れ蒸気の周方向速度の減少率を抑えることができる。その結果、漏れ蒸気の速度の減少に伴って生じる圧力勾配を抑えることができ、ひいては不安定流体力を抑えることができる。但し、漏れ蒸気の周方向速度の減少率を抑えれば周方向速度自体が大きくなることから、不安定流体力を増加させる作用も生じる。そのため、例えば隙間流路１５が比較的短い場合等のように、前者の不安定流体力を抑える作用が後者の不安定流体力を増加させる作用より大きい場合に限られる。

なお、摩擦促進部は、周方向全体にわたって設けられているので、例えば周方向に部分的に設けられている場合と比べ、周方向に流れの乱れを生じさせることがない。このような観点からも、不安定流体力を抑えることができる。

次に、本実施形態の効果を確認するために本願発明者らが行った流体解析について説明する。隙間流路モデルは、本実施形態の隙間流路１５と同様の構造である。条件は、隙間流路入口の圧力１１．８２ＭＰａ、温度７０８Ｋ、周方向速度１９０ｍ／ｓ、隙間流路出口の圧力１０．４２ＭＰａ、隙間流路の長さ５５ｍｍ、隙間縮小部の寸法０．８ｍｍとした。また、静止部側の表面粗さ（ケーシング１の溝部１４の内周面の表面粗さに相当）をゼロとし、回転部側の表面粗さ（粗面１９Ａ〜１９Ｅの表面粗さに相当）を０〜２００μｍの範囲内で変更した。そして、回転部と静止部を偏心させた解析を行い、上記の式（１）のばね定数ｋを求めた。

図４は、流体解析の結果として得られた回転部側の表面粗さとばね定数の関係を表す。この図４において、横軸は、回転部側の表面粗さをとり、縦軸は、回転部側の表面粗さがゼロである場合（言い換えれば、従来技術のように粗面１９Ａ〜１９Ｅが形成されない場合）のばね定数を基準（１００％）として表すばね定数の相対値をとっている。

この図４で示す流体解析の結果から、粗面１９Ａ〜１９Ｅの表面粗さを、ケーシング１の溝部１４の内周面の表面粗さより大きくなるように増加させれば、ばね定数が低下することがわかる。詳細には、粗面１９Ａ〜１９Ｅの表面粗さを５０μｍとした場合に、ばね定数が５％程度低下し、さらに粗面１９Ａ〜１９Ｅの表面粗さを増加させて１００μｍとした場合に、ばね定数が８％程度低下する。さらに、粗面１９Ａ〜１９Ｅの表面粗さを増加させて２００μｍとした場合に、ばね定数が１０％程度低下する。すなわち、不安定流体力を抑えることができる。

本発明の第２の実施形態を、図５により説明する。

図５は、本実施形態における隙間流路の詳細構造を表す部分拡大断面図である。なお、本実施形態において、上記第１の実施形態と同等の部分は同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

本実施形態では、シール分割空間１８Ａの粗面１９Ａが形成されているものの、シール分割空間１８Ｂの粗面１９Ｂ、シール分割空間１８Ｃの粗面１９Ｃ、シール分割空間１８Ｄの粗面１９Ｄ、及びシール分割空間１８Ｅの粗面１９Ｅが形成されていない。

以上のように構成された本実施形態においては、上記第１の実施形態と同様、隙間流路１５における漏れ蒸気の周方向速度の減少率を抑えることができ、これによって不安定流体力を抑えることができる。但し、第１の実施形態と比べて、その効果が小さくなる。また、例えばシール分割空間１８Ｂの粗面１９Ｂ、シール分割空間１８Ｃの粗面１９Ｃ、シール分割空間１８Ｄの粗面１９Ｄ、又はシール分割空間１８Ｅの粗面１９Ｅが単独で形成されている場合と比べて、その効果が大きくなる（詳細は後述）。

また、本実施形態においては、第１の実施形態と比べて加工範囲が小さくなるため、加工時間を短縮することができる。

本発明の第３の実施形態を、図６により説明する。

図６は、本実施形態における隙間流路の詳細構造を表す部分拡大断面図である。なお、本実施形態において、上記第１の実施形態と同等の部分は同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

本実施形態では、シール分割空間１８Ａの粗面１９Ａ、シール分割空間１８Ｄの粗面１９Ｄ、及びシール分割空間１８Ｅの粗面１９Ｅが形成されているものの、シール分割空間１８Ｂの粗面１９Ｂ及びシール分割空間１８Ｃの粗面１９Ｃが形成されていない。

以上のように構成された本実施形態においては、上記第１の実施形態とほぼ同様（詳細は後述）、隙間流路１５における漏れ蒸気の周方向速度の減少率を抑えることができ、これによって不安定流体力を抑えることができる。また、本実施形態においては、第１の実施形態と比べて加工範囲が小さくなるので、加工時間を短縮することができる。

次に、上記第２及び第３の実施形態の効果を確認するために、本願発明者らが行った流体解析について説明する。隙間流路モデル及び条件は、上記第１の実施形態で説明したものと同じである。但し、粗面１９Ａ〜１９Ｅのうちのいずれかが形成された場合に、その粗面の表面粗さを２００μｍに固定した。そして、回転部と静止部を偏心させた解析を行い、ばね定数ｋを求めた。

図７は、第２及び第３の実施形態の効果を、第１の実施形態及び従来技術と比較して説明するための図であり、数値結果として得られたばね定数の相対値を表す。このばね定数の相対値は、上述の図４で示したものと同様、従来技術のように粗面１９Ａ〜１９Ｅが形成されない場合のばね定数を基準（１００％）として表すものである。

この図７で示すように、第１の実施形態（すなわち、シール分割空間１８Ａ〜１８Ｅに粗面１９Ａ〜１９Ｅを形成した場合）では、ばね定数が１０％程度低下する。また、第２の実施形態（すなわち、シール分割空間１８Ａのみ粗面１９Ａを形成した場合）では、第１の実施形態と比べて効果が小さくなるものの、ばね定数が６％程度低下する。第３の実施形態（シール分割空間１８Ａ，１８Ｄ，１８Ｅのみ粗面１９Ａ，１９Ｄ，１９Ｅを形成した場合）では、第１の実施形態と同様、ばね定数が１０％程度低下する。

そして、本願発明者らは、各粗面のばね定数低減への寄与率を確認するため、さらに第１〜第３の実施形態とは異なる粗面形成パターンを用いて流体解析を行い、その結果を回帰分析した。図８は、分析結果として得られた各粗面のばね定数低減への寄与率を表す図である。

この図８で示すように、シール分割空間１８Ａの粗面１９Ａの寄与率が最も高く６０％程度である。また、シール分割空間１８Ｄの粗面１９Ｄの寄与率が２５％程度、シール分割空間１８Ａの粗面１８Ａの寄与率が１５％程度である。これに対し、シール分割空間１８Ｂの粗面１９Ｂ及びシール分割空間の粗面１９Ｃの寄与率がほぼ０％である（但し、隙間流路入口の周方向速度が高くなれば、上昇する可能性がある）。

上述した分析結果が得られた理由は、主流路７から隙間流路１５に流入する漏れ蒸気の周方向速度が比較的大きいことと、シール分割空間１８Ｅはその上流側に比較的大きな空間に開放され、シール分割空間１８Ｄはその下流側に比較的大きな空間に開放されていることが考えられる。そして，上述の図３で示すように、シール分割空間１８Ａにおける粗面１９Ａの作用、すなわち漏れ蒸気の周方向速度の減少率を抑える作用が最も大きくなるからである。また、シール分割空間１８Ｅにおける粗面１９Ｅの作用、すなわち漏れ蒸気の周方向速度の減少率を抑える作用が比較的大きくなるからである。また、上述の図３では便宜上示さないものの、シール分割空間１８Ｄにおける粗面１９Ｄの作用、すなわち漏れ蒸気の周方向速度の減少率を抑える作用が比較的大きくなるからである。

本願発明者らは、第１の実施形態と第３の実施形態の作用効果をさらに検討してみた。第１の実施形態と第３の実施形態は、ばね定数の低減効果がほぼ同じである。しかし、各粗面は、上記の式（１）で示されたばね定数ｋを低減させる作用だけでなく、上記の式（１）で示された減衰係数Ｃを低下させる作用も生じる。したがって、第３の実施形態では、第１の実施形態と比べて、シール分割空間１８Ｂの粗面１９Ｂ及シール分割空間１８Ｃの粗面１９Ｃを形成しないぶん、減衰係数Ｃの低下を抑えることができる。したがって、第１の実施形態と比べて、上記の式（１）の右辺が小さくなり、回転部の振れ回りを安定させる効果を高めることができる。

本発明の第４の実施形態を、図９及び図１０により説明する。

図９は、本実施形態における隙間流路の詳細構造を表す部分拡大断面図である。

本実施形態の隙間流路１５Ａのラビリンスシールでは、動翼カバー６Ａの外周側には、２つの環状段差部２０Ａ，２０Ｂが形成されている。ケーシング１の溝部１４Ａの内周面には、ロータ軸方向に離間して配置された４段の環状シールフィン２１Ａ〜２１Ｄが設けられている。

シールフィン２１Ａ〜２１Ｄは、ケーシング１の溝部１４Ａの内周面から動翼カバー６Ａの外周面に向かって延在している。但し、シールフィン２１Ｂ，２１Ｄは、段差部２０Ａ，２０Ｂにそれぞれ向かって延在しているため、シールフィン２１Ａ，２１Ｃより短くなっている。シールフィン２１Ａ〜２１Ｄの先端と動翼カバー６Ａの外周面との間には隙間縮小部がそれぞれ形成されており、シール機能を果たしている。

また、上流側から数えて１段目のシールフィン２１Ａと２段目のシールフィン２１Ｂとの間にはシール分割空間２２Ａが形成され、２段目のシールフィン２１Ｂと３段目のシールフィン２１Ｃとの間にはシール分割空間２２Ｂが形成され、３段目のシールフィン２１Ｃと４段目のシールフィン２１Ｄとの間にはシール分割空間２２Ｃが形成され、４段目のシールフィン２１Ｄの下流側にシール分割空間２２Ｄが形成され、１段目のシールフィン２１Ａの上流側にシール分割空間２２Ｅが形成されている。これらシール分割空間２２Ａ〜２２Ｅは、隙間流路１５Ａを構成している。

そして、本実施形態の大きな特徴として、隙間流路１５Ａの全体において、回転部側には、周方向全体にわたって回転摩擦促進部が設けられている。詳細には、シール分割空間２２Ａにおいて、動翼カバー６Ａの外周面（詳細には、段差部２０Ａの外周面及び上流側側面を含む）には、周方向全体にわたって粗面２３Ａが形成されている。また、シール分割空間２２Ｂにおいて、動翼カバー６Ａの外周面（詳細には、段差部２０Ａの外周面及び下流側側面を含む）には、周方向全体にわたって粗面２３Ｂが形成されている。また、シール分割空間２２Ｃにおいて、動翼カバー６Ａの外周面（詳細には、段差部２０Ｂの外周面及び上流側側面を含む）には、周方向全体にわたって粗面２３Ｃが形成されている。また、シール分割空間２２Ｄにおいて、動翼カバー６Ａの外周面（詳細には、段差部２０Ｂの外周面及び下流側側面を含む）には、周方向全体にわたって粗面２３Ｄが形成されている。また、シール分割空間２２Ｅにおいて、動翼カバー６の外周面には、周方向全体にわたって粗面２３Ｅが形成されている。これら粗面２３Ａ〜２３Ｅが回転摩擦促進部を構成している。

粗面２３Ａ〜２３Ｅは、ケーシング１の溝部１４Ａの内周面より粗くなるように、具体的には、算術平均表面粗さ（Ｒａ）が５０〜２００μｍの範囲内で設定された所定値となるように、例えばブラスト加工によって形成されている。

以上のように構成された本実施形態においても、隙間流路１５Ａにおける漏れ蒸気の周方向速度の減少率を抑えることができ、これによって不安定流体力を抑えることができる。

次に、本実施形態の効果を確認するために本願発明者らが行った流体解析について説明する。隙間流路モデルは、本実施形態の隙間流路１５Ａと同様の構造である。条件は、上記第１の実施形態で説明したものと同様、隙間流路入口の圧力１１．８２ＭＰａ、温度７０８Ｋ、周方向速度１９０ｍ／ｓ、隙間流路出口の圧力１０．４２ＭＰａ、隙間流路の長さ５５ｍｍ、隙間縮小部の寸法０．８ｍｍとした。また、静止部側の表面粗さ（ケーシング１の溝部１４Ａの内周面及びシールフィン２１Ａ〜２１Ｄの表面粗さに相当）をゼロとし、回転部側の表面粗さ（粗面２３Ａ〜２３Ｅの表面粗さに相当）を０〜２００μｍの範囲内で変更した。そして、回転部と静止部を偏心させた解析を行い、上記の式（１）のばね定数ｋを求めた。

図１０は、流体解析の結果として得られた回転部側の表面粗さとばね定数の関係を表す。この図１０において、横軸は、回転部側の表面粗さをとり、縦軸は、回転部側の表面粗さがゼロである場合（言い換えれば、従来技術のように粗面２３Ａ〜２３Ｅが形成されない場合）のばね定数を基準（１００％）として表すばね定数の相対値をとっている。

この図１０で示す流体解析の結果から、粗面２３Ａ〜２３Ｅの表面粗さを、ケーシング１の溝部１４Ａの内周面の表面粗さより大きくなるように増加させれば、ばね定数が低下することがわかる。詳細には、粗面２３Ａ〜２３Ｅの表面粗さを５０μｍとした場合に、ばね定数が１６％程度低下し、さらに粗面２３Ａ〜２３Ｅの表面粗さを増加させて１００μｍとした場合に、ばね定数が２２％程度低下する。さらに、粗面２３Ａ〜２３Ｅの表面粗さを増加させて２００μｍとした場合に、ばね定数が２３％程度低下する。すなわち、不安定流体力を抑えることができる。

なお、上記第４の実施形態においては、上記第１の実施形態の粗面形成パターンと同様、シール分割空間２２Ａ〜２２Ｅに粗面２３Ａ〜２３Ｅを形成した場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、上記第２の実施形態の粗面形成パターンと同様、シール分割空間２２Ａのみ粗面２３Ａを形成してもよい。また、上記第３の実施形態の粗面形成パターンと同様、シール分割空間２２Ａ，２２Ｄ，２２Ｅのみ粗面２３Ａ，２３Ｄ，２３Ｅを形成してもよい。これらの場合も、上述した効果を得ることができる。

また、上記第１〜第４の実施形態においては、回転摩擦促進部は、表面粗さが５０〜２００μｍの範囲内で形成された粗面で構成された場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で様々な変形が可能である。このような変形例を、詳述する。

例えば図１１で示す第１の変形例のように、回転摩擦促進部は、環状の表面凹部で構成されてもよい。この変形例では、シール分割空間１８Ａにおいて、動翼カバー６の外周面には、６つの表面凹部２４Ａが形成されている。また、シール分割空間１８Ｂにおいて、動翼カバー６の外周面には、６つの表面凹部２４Ｂが形成されている。また、シール分割空間１８Ｃにおいて、動翼カバー６の外周面には、６つの表面凹部２４Ｃが形成されている。また、シール分割空間１８Ｄにおいて、動翼カバー６の外周面には、４つの表面凹部２４Ｄが形成されている。また、シール分割空間１８Ｅにおいて、動翼カバー６の外周面には、３つの表面凹部２４Ｅが形成されている。

表面凹部２４Ａ〜２４Ｅは、深さが０．１ｍｍ以上でシールフィンの高さ寸法（詳細には、最小であるシールフィン１７Ｂ，１７Ｄの高さ寸法）の半分以下となるように、例えば切削加工で形成されている。これら表面凹部２４Ａ〜２４Ｅにより、動翼カバー６の外周面の表面積を増加させて、周方向のせん断力を高めることができる。なお、表面凹部２４Ａ〜２４Ｅの深さを０．１ｍｍ以上とした理由は、流れの速度境界層に埋もれて、周方向せん断力を高める効果が低減しないようにするためである。

なお、上記第１の変形例においては、上記第１の実施形態の粗面形成パターンと同様、シール分割空間１８Ａ〜１８Ｅに表面凹部２４Ａ〜２４Ｅを形成した場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、上記第２の実施形態の粗面形成パターンと同様、シール分割空間１８Ａのみ表面凹部２４Ａを形成してもよい。また、上記第３の実施形態の粗面形成パターンと同様、シール分割空間１８Ａ，１８Ｄ，１８Ｅのみ表面凹部２４Ａ，２４Ｄ，２４Ｅを形成してもよい。また、上記第４の実施形態のように静止部側にシールフィンを設けた構造に適用してもよい。これらの場合も、上述した効果を得ることができる。

また、例えば図１２で示す第２の変形例のように、回転摩擦促進部は、環状の表面凸部で構成されてもよい。この変形例では、シール分割空間１８Ａにおいて、動翼カバー６の外周面には、６つの表面凸部２５Ａが形成されている。また、シール分割空間１８Ｂにおいて、動翼カバー６の外周面には、６つの表面凸部２５Ｂが形成されている。また、シール分割空間１８Ｃにおいて、動翼カバー６の外周面には、６つの表面凸部２５Ｃが形成されている。また、シール分割空間１８Ｄにおいて、動翼カバー６の外周面には、４つの表面凸部２５Ｄが形成されている。また、シール分割空間１８Ｅにおいて、動翼カバー６の外周面には、３つの表面凸部２５Ｅが形成されている。

表面凸部２５Ａ〜２５Ｅは、高さが０．１ｍｍ以上でシールフィンの高さ寸法（詳細には、最小であるシールフィン１７Ｂ，１７Ｄの高さ寸法）の半分以下となるように、例えば動翼カバー６と一体で削り出しにより形成されている。言い換えれば、表面凸部２５Ａ〜２５Ｄの先端と溝部１４の内周面との間には隙間縮小部がそれぞれ形成されず、シール機能を果たしていない。これら表面凸部２５Ａ〜２５Ｅにより、動翼カバー６の外周面の表面積を増加させて、周方向のせん断力を高めることができる。なお、表面凸部２５Ａ〜２５Ｅの高さを０．１ｍｍ以上とした理由は、流れの速度境界層に埋もれて、周方向せん断力を高める効果が低減しないようにするためである。

なお、上記第２の変形例においては、上記第１の実施形態の粗面形成パターンと同様、シール分割空間１８Ａ〜１８Ｅに凸部２５Ａ〜２５Ｅを形成した場合を例にとって説明したが、これに限られない。すなわち、上記第２の実施形態の粗面形成パターンと同様、シール分割空間１８Ａのみ凸部２５Ａを形成してもよい。また、上記第３の実施形態の粗面形成パターンと同様、シール分割空間１８Ａ，１８Ｄ，１８Ｅのみ凸部２５Ａ，２５Ｄ，２５Ｅを形成してもよい。また、上記第４の実施形態のように静止部側にシールフィンを設けた構造に適用してもよい。これらの場合も、上述した効果を得ることができる。

また、例えば、上記第１の実施形態、上記第１の変形例、及び上記第２の変形例のうちのいずれかを組み合わせてもよい。さらに、第１の実施形態の粗面形成パターンに代えて、上記第２の実施形態の粗面形成パターンとしてもよい。また、上記第３の実施形態の粗面形成パターンとしてもよい（具体例の一つとして、図１３で示す第３の変形例を参照）。これらの場合も、上述した効果を得ることができる。

また、上記実施形態及び変形例のラビリンスシールにおいては、回転部側及び静止部側のうちの一方に２つの環状段差部を設け、回転部側及び静止部側のうちの他方に４段の環状シールフィンを設けた場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で様々な変形が可能である。すなわち、少なくとも３段の環状シールフィンを設けていればよく、シールフィンの数及び配置を変更してもよい。また、段差部の数及び配置を変更してもよいし、段差部を設けなくともよい。

なお、以上においては、本発明の適用対象として、軸流タービンの一つである蒸気タービンを例にとって説明したが、これに限られず、ガスタービン等に適用してもよい。また、他の回転流体機械に適用してもよい。これらの場合も、上記同様の効果を得ることができる。

１ ケーシング
２ ロータ
３ 静翼列
４ 動翼列
５ 静翼カバー
６，６Ａ 動翼カバー
１４，１４Ａ 溝部
１５，１５Ａ 隙間流路
１７Ａ〜１７Ｅ シールフィン
１８Ａ〜１８Ｅ シール分割空間
１９Ａ〜１９Ｅ 粗面
２１Ａ〜２１Ｅ シールフィン
２２Ａ〜２２Ｅ シール分割空間
２３Ａ〜２３Ｅ 粗面
２４Ａ〜２４Ｅ 表面凹部
２５Ａ〜２５Ｅ 表面凸部

上記目的を達成するために、本発明は、回転部の外周面と静止部の内周面との間で形成された隙間流路と、前記隙間流路における前記回転部側又は前記静止部側に設けられ、回転軸方向に離間して配置された少なくとも３段の環状シールフィンと、前記隙間流路における前記回転部側に周方向全体にわたって設けられた摩擦促進部とを有し、前記隙間流路は、最上流側である初段のシールフィンと中段のシールフィンとの間に形成された第１のシール分割空間、前記中段のシールフィンと最下流側である最終段のシールフィンとの間に形成された第２のシール分割空間、前記最終段のシールフィンの下流側に形成された第３のシール分割空間、及び前記初段のシールフィンの上流側に形成された第４のシール分割空間を有し、前記摩擦促進部は、前記第１のシール分割空間における前記回転部側に周方向全体にわたって設け、前記第２のシール分割空間に設けない。

この図８で示すように、シール分割空間１８Ａの粗面１９Ａの寄与率が最も高く６０％程度である。また、シール分割空間１８Ｄの粗面１９Ｄの寄与率が２５％程度、シール分割空間１８Ａの粗面１９Ａの寄与率が１５％程度である。これに対し、シール分割空間１８Ｂの粗面１９Ｂ及びシール分割空間の粗面１９Ｃの寄与率がほぼ０％である（但し、隙間流路入口の周方向速度が高くなれば、上昇する可能性がある）。

本願発明者らは、第１の実施形態と第３の実施形態の作用効果をさらに検討してみた。第１の実施形態と第３の実施形態は、ばね定数の低減効果がほぼ同じである。しかし、各粗面は、上記の式（１）で示されたばね定数ｋを低減させる作用だけでなく、上記の式（１）で示された減衰係数Ｃを低下させる作用も生じる。したがって、第３の実施形態では、第１の実施形態と比べて、シール分割空間１８Ｂの粗面１９Ｂ及びシール分割空間１８Ｃの粗面１９Ｃを形成しないぶん、減衰係数Ｃの低下を抑えることができる。したがって、第１の実施形態と比べて、上記の式（１）の右辺が小さくなり、回転部の振れ回りを安定させる効果を高めることができる。

Claims (7)

1. 回転部の外周面と静止部の内周面との間で形成された隙間流路と、
   前記隙間流路における前記回転部側又は前記静止部側に設けられ、回転軸方向に離間して配置された少なくとも３段の環状シールフィンと、
   前記隙間流路における前記回転部側に周方向全体にわたって設けられた摩擦促進部とを有することを特徴とする回転流体機械。
2. 請求項１記載の回転流体機械において、
   前記隙間流路は、最上流側である初段のシールフィンと中段のシールフィンとの間に形成された第１のシール分割空間、前記中段のシールフィンと最下流側である最終段のシールフィンとの間に形成された第２のシール分割空間、前記最終段のシールフィンの下流側に形成された第３のシール分割空間、及び前記初段のシールフィンの上流側に形成された第４のシール分割空間を有し、
   前記摩擦促進部は、前記第１のシール分割空間における前記回転部側に周方向全体にわたって設け、前記２のシール分割空間に設けないことを特徴とする回転流体機械。
3. 請求項２記載の回転流体機械において、
   前記摩擦促進部は、前記第３のシール分割空間及び前記第４のシール分割空間における前記回転部側に周方向全体にわたって設けたことを特徴とする回転流体機械。
4. 請求項１記載の回転流体機械において、
   前記摩擦促進部は、表面粗さが５０〜２００μｍの範囲内で形成された粗面で構成されたことを特徴とする回転流体機械。
5. 請求項１記載の回転流体機械において、
   前記摩擦促進部は、深さが０．１ｍｍ以上で前記シールフィンの高さ寸法の半分以下となるように、かつ、前記シールフィンで区間された空間毎に３つ以上となるように、前記回転部の外周面に形成された環状の表面凹部で構成されたことを特徴とする回転流体機械。
6. 請求項１記載の回転流体機械において、
   前記摩擦促進部は、高さが０．１ｍｍ以上で前記シールフィンの高さ寸法の半分以下となるように、かつ、前記シールフィンで区間された空間毎に３つ以上となるように、前記回転部の外周面に形成された環状の表面凸部で構成されたことを特徴とする回転流体機械。
7. 請求項１記載の回転流体機械において、
   ケーシングと、
   前記ケーシング内に回転可能に設けられたロータと、
   前記ケーシングの内周側に設けられた静翼列と、
   前記ロータの外周側に設けられ、前記静翼列に対して回転軸方向の下流側に配置された動翼列と、
   前記動翼列の外周側に設けられた環状の動翼カバーと、
   前記ケーシングの内周側に形成され、前記動翼カバーを収納する環状の溝部とを有し、
   前記隙間流路は、前記動翼カバーの外周面と前記ケーシングの前記溝部の内周面との間で形成されたことを特徴とする回転流体機械。

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