WO2017142077A1 - 回転機械 - Google Patents

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WO2017142077A1
WO2017142077A1 PCT/JP2017/005978 JP2017005978W WO2017142077A1 WO 2017142077 A1 WO2017142077 A1 WO 2017142077A1 JP 2017005978 W JP2017005978 W JP 2017005978W WO 2017142077 A1 WO2017142077 A1 WO 2017142077A1
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peripheral surface
downstream
upstream
seal fin
stationary
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PCT/JP2017/005978
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祥弘 桑村
英治 小西
豊治 西川
西本　慎
上原　秀和
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三菱日立パワーシステムズ株式会社
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    • F01D11/00—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/02—Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages by non-contact sealings, e.g. of labyrinth type
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23Q11/00—Accessories fitted to machine tools for keeping tools or parts of the machine in good working condition or for cooling work; Safety devices specially combined with or arranged in, or specially adapted for use in connection with, machine tools
    • B23Q11/08—Protective coverings for parts of machine tools; Splash guards
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    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/28—Arrangement of seals
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/55—Seals

Definitions

  • the present invention relates to a rotating machine including a stationary body and a rotating body.
  • a radial gap is formed between the tip of the rotor blade and a casing that surrounds the rotor blade to form a steam flow path, and the tip of the stationary blade and the shaft body are formed.
  • a radial gap is also formed between them.
  • the leaked steam that passes through the gap between the blade tip and the casing downstream does not impart a rotational force to the blade.
  • the leaked steam that passes through the gap between the tip of the stationary blade and the shaft downstream does not convert the pressure energy into velocity energy by the stationary blade, and therefore gives little rotational force to the downstream blade. . Therefore, in order to improve the performance of the steam turbine, it is important to reduce the flow rate (leakage flow rate) of the leaked steam passing through the gap.
  • Patent Document 1 a plurality of step portions whose height gradually increases from the upstream side toward the downstream side in the axial direction are provided at the tip of the moving blade, and the casing is directed toward each step portion.
  • a turbine having a structure in which a plurality of extending seal fins are provided and a minute gap is formed between each step portion and the tip of each seal fin.
  • the fluid that has entered the gap from the upstream side collides with the step surface of the step part, so that a main vortex is generated on the upstream side of the step surface and on the downstream side of the step surface (near the upstream side of the minute gap). A peeling vortex is generated.
  • An object of the present invention is to provide a rotating machine that can further reduce the flow rate of a leaking fluid.
  • the rotating machine includes a stationary body having a stationary side circumferential surface extending in the circumferential direction of the axis, and a rotating side circumferential surface that rotates about the axis and faces the stationary side circumferential surface. And one of the stationary side peripheral surface and the rotational side peripheral surface is located on the upstream peripheral surface extending in the axial direction and on the downstream side of the fluid on the upstream peripheral surface. A downstream peripheral surface extending in the axial direction and retreating from the other of the stationary peripheral surface and the rotating peripheral surface relative to the upstream peripheral surface, and the upstream peripheral surface and the downstream peripheral surface.
  • An upstream-side seal fin that has a backward-facing step surface that is connected and faces the downstream side, extends from the other side toward the upstream peripheral surface, and forms a minute gap with the upstream peripheral surface; , Extending from the other side toward the downstream peripheral surface and slightly between the downstream peripheral surface Further comprising a downstream sealing fin to form a gap, wherein the backward step surface, having a downstream guide surface connected to the upstream circumferential surface extends toward the toward the other.
  • a separation vortex can be formed on the upstream side of the downstream seal fin by disposing the backward step surface on the upstream side of the downstream seal fin. Since this separation vortex causes a flow in which the velocity vector is directed to one side on the upstream side of the downstream seal fin, it is possible to exert a contraction effect that reduces the leakage flow passing through the minute gap.
  • the backward step surface has the guide surface, the separation vortex formed between the downstream seal fin and the backward step surface can be strengthened. Thereby, the contraction effect of the fluid passing through the minute gap due to the separation vortex can be further strengthened, and the flow rate of the leaked fluid can be further reduced.
  • the upstream seal fin and the downstream seal fin are inclined toward the upstream side toward the one side. It's okay.
  • the fluid between the upstream seal fin and the downstream seal fin is The main vortex formed in the cavity can be formed more smoothly.
  • a main vortex can be strengthened and by extension, a peeling vortex can be strengthened.
  • the backward step surface and the downstream peripheral surface may be smoothly connected.
  • the separation vortex formed between the downstream seal fin and the backward step surface can be strengthened.
  • the upstream seal fin, the downstream seal fin, and the other are smoothly connected. You may have a fin arc-shaped part.
  • the main vortex formed in the cavity between the upstream seal fin and the downstream seal fin can be strengthened, and consequently, the separation vortex can be strengthened.
  • the rotating machine includes a stationary body having a stationary side circumferential surface extending in the circumferential direction of the axis, and a rotating side circumferential surface that rotates about the axis and faces the stationary side circumferential surface. And one of the stationary-side peripheral surface and the rotating-side peripheral surface is positioned on the downstream side of the working fluid on the upstream peripheral surface, and an upstream peripheral surface extending in the axial direction.
  • a separation vortex can be formed on the upstream side of each seal fin. Since this separation vortex generates a flow in which the velocity vector is directed to one side on the upstream side of each seal fin, it is possible to exert a contraction effect that reduces the leakage flow passing through the minute gap. Further, since the guide surface and the seal fin are formed to be inclined, the main vortex is formed along the seal fin. Thereby, a main vortex can be strengthened and by extension, a peeling vortex can be strengthened.
  • the present invention it is possible to form a separation vortex on the upstream side of the downstream seal fin by disposing the backward step surface on the upstream side of the downstream seal fin. Since this separation vortex causes a flow in which the velocity vector is directed to one side on the upstream side of the downstream seal fin, it is possible to exert a contraction effect that reduces the leakage flow passing through the minute gap.
  • the backward step surface has the guide surface, the separation vortex formed between the downstream seal fin and the backward step surface can be strengthened. Thereby, the contraction effect of the fluid passing through the minute gap due to the separation vortex can be further strengthened, and the flow rate of the leaked fluid can be further reduced.
  • the steam turbine 1 of the present embodiment is provided with a casing 10 which is a stationary body, and is rotatably provided around the axis inside the casing 10, and transmits power to a machine such as a generator (not shown).
  • a rotating shaft 30, which is a rotating body, a stationary blade 40 held in the casing 10, a moving blade 50 provided on the rotating shaft 30, and a bearing portion 60 that supports the rotating shaft 30 so as to be rotatable about the axis. It is generally configured.
  • the direction in which the axis A of the rotating shaft 30 extends is referred to as an axial direction Da.
  • a direction perpendicular to the axis A is defined as a radial direction Dr.
  • a side away from the axis A in the radial direction Dr is referred to as a radially outer side, and a side approaching the axis A in the radial direction Dr is referred to as a radially inner side.
  • the left side in FIG. 1 is referred to as an upstream Da1
  • the right side in FIG. 1 is referred to as a downstream Da2.
  • Steam S which is a fluid, is introduced from a main inlet 21 formed in the casing 10 via a steam supply pipe 20 connected to a steam supply source (not shown), and is connected to a downstream side of the steam turbine 1. 22 is discharged.
  • the casing 10 has an internal space hermetically sealed and a flow path for the steam S.
  • a ring-shaped partition plate outer ring 11 through which the rotary shaft 30 is inserted is firmly fixed to the inner wall surface of the casing 10.
  • the bearing unit 60 includes a journal bearing device 61 and a thrust bearing device 62, and supports the rotary shaft 30 in a freely rotatable manner.
  • the stationary blades 40 extend from the casing 10 toward the inner peripheral side and constitute a group of annular stationary blades arranged radially so as to surround the rotary shaft 30, and are respectively held by the partition plate outer ring 11 described above. ing.
  • a plurality of annular stator blade groups composed of a plurality of stator blades 40 are formed at intervals in the axial direction Da, and the pressure energy of the steam S is converted into velocity energy and flows into the moving blade 50 adjacent to the downstream side.
  • the moving blades 50 are firmly attached to the outer peripheral portion of the rotating shaft main body 31 of the rotating shaft 30, and a large number of the moving blades 50 are arranged radially on the downstream side of each annular stationary blade group to constitute the annular moving blade group.
  • the annular stator blade group and the annular rotor blade group are one set and one stage.
  • the tip portion of the moving blade 50 in the final stage is connected to the tip portions of the moving blades 50 adjacent to each other in the circumferential direction of the rotating shaft 30 (hereinafter simply referred to as the circumferential direction) and is called a shroud 51.
  • the shroud 51 that forms the tip of the rotor blade 50 is disposed opposite to the partition plate outer ring 11 of the casing 10 via a gap in the radial direction Dr.
  • a seal structure 2 ⁇ / b> A is provided between the shroud 51 and the partition plate outer ring 11 of the casing 10.
  • the seal structure 2A is a structure for sealing between a partition plate outer ring 11 that is a stationary body and a shroud 51 that is a rotating body.
  • the components of the seal structure 2A will be described in detail.
  • the shroud 51 has an outer peripheral surface 54 (rotation side peripheral surface) facing the partition plate outer ring 11.
  • the outer peripheral surface 54 facing the radially outer side of the shroud 51 is provided with a plurality of steps so that the diameter becomes smaller toward the downstream side.
  • the shroud 51 of the present embodiment has three step portions 52 arranged in the axial direction Da by providing two steps.
  • the step unit 52 includes a first step unit 52A disposed on the most upstream side, a third step unit 52C disposed on the most downstream side, and the first step unit 52A and the third step unit 52C. And a second step portion 52B that is arranged.
  • the outer diameters of the three step portions 52 are set to gradually decrease from the upstream side to the downstream side in the axial direction Da.
  • Adjacent step portions 52 are connected by a backward step surface 53 that is a step.
  • the backward step surface 53 faces the downstream side in the axial direction Da.
  • a first backward-facing step surface 53A is formed between the first step portion 52A and the second step portion 52B, and a second backward-facing step surface 53B is formed between the second step portion 52B and the third step portion 52C. Is formed.
  • the first rearward facing step surface 53A and the second rearward facing step surface 53B have substantially the same cross-sectional shape as viewed from the circumferential direction.
  • annular groove 12 extending in the circumferential direction is formed at a portion corresponding to the shroud 51.
  • the annular groove 12 is recessed radially outward from the inner peripheral surface of the partition plate outer ring 11.
  • the shroud 51 enters the annular groove 12.
  • Three annular recesses 13 are formed side by side in the axial direction Da at the bottom of the annular groove 12 facing radially inward so as to face the three step portions 52.
  • the three annular recesses 13 are gradually reduced in diameter by a step from the upstream Da1 toward the downstream Da2.
  • Each casing side edge 14 positioned at the boundary between two annular recesses 13 adjacent in the axial direction Da is provided with a seal fin 5 extending radially inward toward the shroud 51.
  • the positions in the axial direction Da of the casing side edge portion 14 and the seal fin 5 are set so as to face the outer peripheral surface 54 of each step portion 52.
  • the three seal fins 5 are arranged at intervals in the axial direction Da, and are provided so as to correspond to the three step portions 52 at 1: 1.
  • the three seal fins 5 are arranged at equal intervals in the axial direction Da.
  • the seal fin 5 extending toward the outer peripheral surface 54A of the first step portion 52A is referred to as a first seal fin 5A (upstream side seal fin), and the seal fin 5 extending toward the outer peripheral surface 54B of the second step portion 52B.
  • the second seal fin 5B (downstream seal fin) is referred to, and the seal fin 5 extending toward the outer peripheral surface 54C of the third step portion 52C is referred to as a third seal fin 5C.
  • a small gap H in the radial direction Dr is formed between the outer peripheral surface 54 of each step portion 52 and the tip of each seal fin 5.
  • Each dimension of the minute gap H is set to the minimum within a safe range where the casing 10 and the moving blade 50 are not in contact with each other in consideration of the thermal elongation amount of the casing 10 and the moving blade 50, the centrifugal elongation amount of the moving blade 50, and the like.
  • the dimensions of the three minute gaps H1, H2, and H3 are set to be the same.
  • the seal structure 2A of the present embodiment will be described using the first step portion 52A, the second step portion 52B, and the first backward-facing step surface 53A.
  • the first step portion 52A has an outer peripheral surface 54A (hereinafter referred to as an upstream peripheral surface 54A) extending in the axial direction Da.
  • the second step portion 52B has an outer peripheral surface 54B (hereinafter referred to as a downstream peripheral surface 54B) extending in the axial direction Da.
  • the downstream peripheral surface 54B is located on the downstream side of the upstream peripheral surface 54A, and recedes in the radial direction Dr from the annular recess 13 with respect to the upstream peripheral surface 54A. In other words, the downstream peripheral surface 54B is located radially inward of the upstream peripheral surface 54A.
  • the upstream peripheral surface 54A and the downstream peripheral surface 54B have a cylindrical shape coaxial with the axis A.
  • the backward-facing step surface 53 has a guide surface 55 that extends toward the downstream side Da2 and is connected to the upstream peripheral surface 54A toward the radially outer side (annular recess 13). That is, the guide surface 55 is not formed so as to be orthogonal to the axis A, but is formed in a tapered shape that gradually increases in diameter toward the downstream side Da2. In other words, the backward step surface 53 is inclined such that the radially outer side of the backward step surface 53 is downstream of the radially inner side Da2.
  • the angle ⁇ 1 of the guide surface 55 with respect to the plane orthogonal to the axis A is preferably 0 ° ⁇ 1 ⁇ 30 °.
  • the backward step surface 53 has an arcuate portion 56 that smoothly connects the backward step surface 53 and the downstream peripheral surface 54B.
  • the surface of the arc-shaped portion 56 has a circular arc shape when viewed from the circumferential direction.
  • the radius of curvature R of the surface of the arc-shaped portion is ⁇ when the height of the first step portion 52A (the distance in the radial direction Dr between the upstream peripheral surface 54A and the downstream peripheral surface 54B) is S1. It is preferable.
  • the distance between the second seal fin 5B and the lower end of the upstream peripheral surface 54A (the radially outer end of the guide surface 55) is L, and the distance between the second seal fin 5B and the downstream peripheral surface 54B.
  • the first step portion 52A and the second seal fin 5B are formed so as to satisfy the following expression (1).
  • L / H2 2.0
  • the steam S flows into the internal space of the casing 10 through a steam supply pipe 20 from a steam S supply source such as a boiler (not shown).
  • the steam S flowing into the internal space of the casing 10 sequentially passes through the annular stator blade group and the annular rotor blade group in each stage.
  • pressure energy is converted into velocity energy by the stationary blade 40, and most of the steam S passing through the stationary blade 40 flows between the moving blades 50 constituting the same stage.
  • the velocity energy and pressure energy of S are converted into rotational energy, and rotation is applied to the rotating shaft 30.
  • the peeling vortex SV1 is located in the vicinity of the upstream side of the minute gap H2 between the downstream peripheral surface 54B and the second seal fin 5B.
  • the contraction effect that reduces the leakage flow flowing from the cavity C1 through the minute gap H2 into the downstream Da2 is separated. Obtained by the vortex SV1.
  • the backward step surface 53 has a guide surface 55 that extends toward the downstream side Da2 and is connected to the upstream peripheral surface 54A as it goes radially outward, so that the second seal fin 5B and the backward step surface 53
  • the peeling vortex SV1 formed therebetween can be strengthened. Thereby, the contraction effect of the steam S passing through the minute gap H2 by the separation vortex SV1 can be further enhanced.
  • the diameter of the separation vortex SV1 becomes twice the minute gap H2
  • the maximum position of the velocity component facing radially inward in the downflow of the separation vortex SV1 coincides with the tip of the second seal fin 5B.
  • the contraction effect on the leakage flow is maximized.
  • the separation vortex SV ⁇ b> 1 can be formed on the upstream side of the seal fin 5 by arranging the backward step surface 53 on the upstream side of the seal fin 5. Since this separation vortex SV1 causes a downflow that directs the velocity vector radially inward on the upstream side of the seal fin 5, it is possible to exert a contraction effect that reduces the leakage flow that passes through the minute gap H.
  • the backward-facing step surface 53 has a guide surface 55 that extends toward the downstream side toward the radially outer side and is connected to the upstream peripheral surface 54A, whereby the seal fin 5 on the downstream side of the guide surface 55,
  • the separation vortex SV1 formed between the rearward step surface 53 can be strengthened. Thereby, the contraction effect of the leaking steam passing through the minute gap H by the separation vortex SV1 can be further strengthened, and the flow rate of the leaking steam can be further reduced.
  • the separation vortex SV1 formed between the seal fin 5 and the backward step surface 53 can be strengthened.
  • the arcuate portion 56 having a circular arc cross section is provided between the backward-facing step surface 53 and the downstream peripheral surface 54B.
  • the present invention is not limited to this.
  • the backward step surface 53 and the downstream peripheral surface 54 ⁇ / b> B may be connected to form an acute angle without providing an arcuate portion.
  • an arcuate arc-shaped portion 57 that smoothly connects the main surface of the seal fin 5 and the annular recess 13 may be provided at the connection portion between the seal fin 5 and the annular recess 13. Good.
  • the annular groove 12 is formed in a portion corresponding to the shroud 51 of the partition plate outer ring 11, and the annular groove 12 is gradually reduced in diameter by the step so as to correspond to the three step portions 52.
  • the case where it comprises the three annular recessed parts 13 was demonstrated.
  • the present invention is not limited to this, and the entire annular groove 12 may be formed to have substantially the same diameter.
  • the seal structure 2B of the second embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
  • differences from the first embodiment described above will be mainly described, and description of similar parts will be omitted.
  • the seal fin 6 of the seal structure 2 ⁇ / b> B of the present embodiment is inclined so as to go to the upstream Da ⁇ b> 1 as it goes to the radially inner side (the shroud 51). That is, the main surface of the seal fin 6 is not formed so as to be orthogonal to the axis A, but is formed in a tapered shape that gradually increases in diameter toward the downstream side Da2. In other words, the seal fin 6 is inclined so that the radially outer side of the seal fin 6 is on the downstream side of the radially inner side.
  • the seal structure 2B of the present embodiment is formed to satisfy the following expressions (2), (3), and (4). 10 ° ⁇ ⁇ 1 ⁇ 25 ° (2) 10 ° ⁇ ⁇ 2 ⁇ 25 ° (3) 0 ° ⁇ 2 ⁇ ⁇ 2 + 30 ° (4)
  • the seal fin 6 is inclined, so that the steam flowing into the downstream Da2 from the minute gap H1 between the first seal fin 6A and the upstream peripheral surface 54A is second seal fin 6B.
  • the main vortex MV2 can be formed more smoothly when it collides with.
  • the main vortex MV2 can be strengthened, and consequently, the separation vortex SV2 can be strengthened.
  • an arcuate arc portion 57 that smoothly connects the main surface of the seal fin 5 and the annular recess 13 is provided at the connection portion between the seal fin 6 and the annular recess 13.
  • the shroud 51 of the seal structure 2 ⁇ / b> C of the present embodiment includes a central step portion 72 formed in a step shape with a central portion protruding in the axial direction Da.
  • the radially outer surface of the shroud 51 ⁇ / b> C includes a base surface 74 and a central step surface 75 (central circumferential surface) that protrudes radially outward from the base surface 74.
  • the base surface 74 upstream of the central step portion 72 is referred to as a first base surface 74A
  • the base surface 74 downstream of the central step portion 72 is referred to as a second base surface 74B.
  • the annular recess 13 is provided with three seal fins 7 extending in the radial direction Dr toward the shroud 51C.
  • the seal fins 7 extend radially inward from the annular recess 13 toward the shroud 51C and extend in the circumferential direction.
  • the most upstream first seal fin 7A protrudes toward the first base surface 74A.
  • the second seal fin 7 ⁇ / b> B disposed on the downstream side of the first seal fin 7 ⁇ / b> A protrudes toward the central step surface 75.
  • the third seal fin 7C disposed on the downstream side of the second seal fin 7B protrudes toward the second base surface 74B.
  • the second seal fin 7B is formed to have a shorter length in the radial direction Dr than the first seal fin 7A and the third seal fin 7C.
  • seal fin 7 inclines so that it may go to an upstream as it goes to radial direction inner side (shroud 51).
  • the seal fin 7 forms a shroud 51C and a minute gap H in the radial direction Dr. That is, a seal structure 2C, which is a step-type labyrinth seal, is provided between the partition plate outer ring 11 and the shroud 51C of the present embodiment.
  • the first base surface 74 ⁇ / b> A and the center step surface 75 are connected by a forward step surface 73.
  • the forward step surface 73 faces the upstream side Da1 in the axial direction Da.
  • the central step surface 75 and the second base surface 74B are connected by a backward step surface 76.
  • the backward step surface 76 faces the downstream side Da2 in the axial direction Da.
  • the forward-facing step surface 73 has a guide surface 77 that is inclined toward the downstream side toward the radially outer side (annular recess 13) and connected to the central step surface 75.
  • An arcuate portion that smoothly connects the forward-facing step surface 73 and the first base surface 74A may be provided.
  • the seal structure 2 ⁇ / b> C of the present embodiment is formed so as to satisfy the following expressions (5), (6), and (7). 10 ° ⁇ ⁇ 3 ⁇ 25 ° (5) 10 ° ⁇ ⁇ 4 ⁇ 25 ° (6) 0 ° ⁇ 3 ⁇ ⁇ 3 + 30 ° (7)
  • the height in the radial direction Dr of the central step surface 75 from the first base surface 74A (the protruding amount of the central step portion 72 with respect to the base surface 74) is S1, and the radial direction Dr between the central step surface 75 and the annular recess 13 is in the radial direction Dr.
  • the seal structure 2C is formed to satisfy the following expression (8). 1.5 ⁇ H1 ⁇ S1 ⁇ D (8) That is, the distance S1 is set to 1.5 times or more of the minute gap H1, and is set to the distance D or less.
  • the steam S flowing in from the minute gap H1 between the first seal fin 7A and the first base surface 74A collides with the forward-facing step surface 73, thereby generating the main vortex MV3 in the cavity C1.
  • a separation vortex SV3 is generated by separating a part of the flow from the main vortex MV3 at the corner between the guide surface 77 and the central step surface 75.
  • the separation vortex SV3 reduces the leakage flow that flows into the downstream Da2 through the minute gap H2, similarly to the separation vortex SV1 of the first embodiment.
  • the main vortex MV4 is generated in the cavity C2 when the steam S flowing into the downstream Da2 from the minute gap H2 collides with the third seal fin 7C. At that time, a part of the flow is separated from the main vortex MV4 at the corner between the central step surface 75 and the backward step surface 76, thereby generating a separation vortex SV4.
  • the separation vortex SV3 is formed to be smaller because the guide surface 77 of the forward-facing step surface 73 is inclined. Thereby, the contraction effect by peeling vortex SV3 can be strengthened more. Further, the main vortex MV3 can be strengthened by forming the main vortex MV3 along the seal fin 7. As the main vortex MV3 is strengthened, the separation vortex SV3 can be strengthened.
  • the height S1 of the central step surface 75 from the first base surface 74A is set to 1.5 times or more of the minute gap H1, the steam S blown from the minute gap H1 to the minute gap H2 is reduced. be able to.
  • the width D in the radial direction Dr of the cavity is set to be equal to or higher than the height S1 of the central step surface 75 from the first base surface 74A, the second gap between the second seal fin 7B and the third seal fin 7C.
  • the main vortex MV4 formed in the cavity C2 can be increased. Thereby, the pressure on the downstream side of the minute gap H2 can be increased, and the steam S blown out from the minute gap H2 can be reduced.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes various modifications made to the above-described embodiment without departing from the spirit of the present invention.
  • the present invention is not limited to this, and the number of seal fins and corresponding cavities is arbitrary, and may be one, three, or four or more.
  • the present invention is applied to the moving blade 50 and the stationary blade 40 in the final stage.
  • the present invention may be applied to the moving blade 50 and the stationary blade 40 in other stages.
  • the case where the step portion is formed in the shroud 51 and the seal fin is provided in the partition plate outer ring 11 has been described.
  • the present invention is not limited to this, and a configuration may be adopted in which seal fins are provided on the shroud 51 and step portions are provided on the partition plate outer ring 11.
  • a step portion may be formed at the tip of the stationary blade 40 and a seal fin may be provided on the rotating shaft 30.
  • a seal fin may be provided at the tip of the stationary blade 40 and a step portion may be formed on the rotating shaft 30.
  • the present invention is applied to a condensing steam turbine.
  • the present invention is applied to other types of steam turbines, for example, turbine types such as a two-stage extraction turbine, an extraction turbine, and an air-mixing turbine. It can also be applied.
  • the present invention is applied to the steam turbine.
  • the present invention can also be applied to a gas turbine, and further, the present invention can be applied to all the rotor blades. .
  • the seal structure of the present invention may be applied to the gap between the casing and the rotating shaft.
  • the present invention it is possible to form a separation vortex on the upstream side of the downstream seal fin by disposing the backward step surface on the upstream side of the downstream seal fin. Since this separation vortex causes a flow in which the velocity vector is directed to one side on the upstream side of the downstream seal fin, it is possible to exert a contraction effect that reduces the leakage flow passing through the minute gap.
  • the backward step surface has the guide surface, the separation vortex formed between the downstream seal fin and the backward step surface can be strengthened. Thereby, the contraction effect of the fluid passing through the minute gap due to the separation vortex can be further strengthened, and the flow rate of the leaked fluid can be further reduced.

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Abstract

本発明に係わる回転機械は、静止側周面（１３）を有する静止体と、静止側周面（１３）と対向する回転側周面（５４）を有する回転体と、を備え、静止側周面（１３）と回転側周面（５４）との一方が、上流側周面（５４Ａ）と、下流側周面（５４Ｂ）と、後向きステップ面（５３）と、を有し、上流側周面（５４Ａ）との間に微小隙間（Ｈ１）を形成する上流側シールフィン（５Ａ）と、下流側周面（５４Ｂ）との間に微小隙間（Ｈ２）を形成する下流側シールフィン（５Ｂ）と、をさらに備え、後向きステップ面（５３）が、他方に向かうに従って下流側（Ｄａ２）に向かって延びて上流側周面（５４Ａ）に接続された案内面（５５）を有する。

Description

回転機械
　本発明は、静止体と回転体とを備える回転機械に関する。
　本願は、２０１６年２月１９日に日本に出願された特願２０１６－０３０２３６号について優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　周知のように、回転機械である蒸気タービンの一種として、ケーシングと、ケーシングの内部に回転自在に設けられた軸体（ロータ）と、ケーシングの内周部に固定配置された複数の静翼と、これら複数の静翼の下流側において軸体に放射状に設けられた複数の動翼とを備えたものがある。
　このような蒸気タービンのうち衝動タービンの場合は、蒸気（流体）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、反動タービンの場合は、動翼内でも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。
　この種の蒸気タービンでは、動翼の先端部と、動翼を囲繞して蒸気の流路を形成するケーシングとの間に径方向の間隙が形成され、また、静翼の先端部と軸体との間にも径方向の間隙が形成されているのが通常である。しかし、動翼先端部とケーシングとの間隙を下流側に通過する漏洩蒸気は、動翼に対して回転力を付与しない。また、静翼先端部と軸体との間隙を下流側に通過する漏洩蒸気は、その圧力エネルギーが静翼によって速度エネルギーに変換されないため、下流側の動翼に対して回転力をほとんど付与しない。したがって、蒸気タービンの性能向上のためには、間隙を通過する漏洩蒸気の流量（漏洩流量）を低減することが重要となる。
　従来では、例えば特許文献１のように、動翼の先端部に、軸線方向上流側から下流側に向かって高さが次第に高くなる複数のステップ部を設け、ケーシングに、各ステップ部に向けて延出する複数のシールフィンを設け、各ステップ部と各シールフィンの先端との間に微小隙間を形成した構造のタービンが提案されている。
　このタービンでは、上流側から間隙に入り込んだ流体がステップ部の段差面に衝突することで、段差面の上流側に主渦が発生し、段差面の下流側（微小隙間の上流側近傍）に剥離渦が発生する。そして、微小隙間の上流側近傍に生じる剥離渦によって、微小隙間を通り抜ける漏れ流れの低減化が図られている。すなわち、動翼の先端部とケーシングとの間隙を通過する漏洩流体の流量の低減化が図られている。
特開２０１１－０８０４５２号公報
　しかしながら、蒸気タービンの性能向上に対する要望は強く、したがって漏洩流量をさらに低減化することが求められている。
　この発明は、漏洩流体の流量をより低減することができる回転機械を提供することを目的としている。
　本発明の第一の態様によれば、回転機械は、軸線の周方向に延びる静止側周面を有する静止体と、前記軸線回りに回転して前記静止側周面と対向する回転側周面を有する回転体と、を備え、前記静止側周面と前記回転側周面との一方が、前記軸線方向に延びる上流側周面と、前記上流側周面における流体の下流側に位置して前記軸線方向に延びるとともに、前記上流側周面よりも前記静止側周面と前記回転側周面との他方から後退する下流側周面と、前記上流側周面と前記下流側周面とを接続して前記下流側を向く後向きステップ面と、を有し、前記他方から前記上流側周面に向かって延びて、前記上流側周面との間に微小隙間を形成する上流側シールフィンと、前記他方から前記下流側周面に向かって延びて、前記下流側周面との間に微小隙間を形成する下流側シールフィンと、をさらに備え、前記後向きステップ面が、前記他方に向かうに従って前記下流側に向かって延びて前記上流側周面に接続された案内面を有する。
　このような構成によれば、下流側シールフィンの上流側に後向きステップ面を配置することによって、下流側シールフィンの上流側に剥離渦を形成することができる。この剥離渦は、下流側シールフィンの上流側において、速度ベクトルを一方側に向けるフローを生じるので、微小隙間を通り抜ける漏れ流れを低減する、縮流効果を発揮することができる。
　また、後向きステップ面が案内面を有することによって、下流側シールフィンと後向きステップ面との間に形成される剥離渦を強めることができる。これにより、剥離渦による微小隙間を通過する流体の縮流効果をさらに強化し、漏洩流体の流量をより低減することができる。
　本発明の第二の態様によれば、上記第一の態様に係わる回転機械において、前記上流側シールフィン及び前記下流側シールフィンは、前記一方側に向かうに従って前記上流側に向かうように傾斜してよい。
　このような構成によれば、上流側シールフィンと上流側周面との間から下流側に流入した流体が下流側シールフィンに衝突する際に上流側シールフィンと下流側シールフィンとの間のキャビティに形成される主渦を、よりスムーズに形成することができる。これにより、主渦を強めることができ、ひいては、剥離渦を強めることができる。
　本発明の第三の態様によれば、上記第一又は第二の態様に係わる回転機械において、前記後向きステップ面と前記下流側周面とを滑らかに接続してよい。
　このような構成によれば、下流側シールフィンと後向きステップ面との間に形成される剥離渦を強めることができる。
　本発明の第四の態様によれば、上記第一から第三の態様のいずれか一態様に係わる回転機械において、前記上流側シールフィン及び前記下流側シールフィンと前記他方とを滑らかに接続するフィン弧状部を有してよい。
　このような構成によれば、上流側シールフィンと下流側シールフィンとの間のキャビティに形成される主渦を強めることができ、ひいては、剥離渦を強めることができる。
　本発明の第五の態様によれば、回転機械は、軸線の周方向に延びる静止側周面を有する静止体と、前記軸線回りに回転して前記静止側周面と対向する回転側周面を有する回転体と、を備え、前記静止側周面と前記回転側周面との一方が、前記軸線方向に延びる上流側周面と、前記上流側周面における作動流体の下流側に位置して前記軸線方向に延びるとともに、前記上流側周面よりも前記静止側周面と前記回転側周面との他方へ突出する中央周面と、前記中央周面の下流側に位置して前記軸線方向に延びるとともに、前記中央周面よりも前記他方から後退する下流側周面と、前記上流側周面と前記中央周面とを接続して前記上流側を向く前向きステップ面と、を有し、前記他方から前記上流側周面に向かって延びて、前記上流側周面との間に微小隙間を形成する上流側シールフィンと、前記他方から前記中央周面に向かって延びて、前記中央周面との間に微小隙間を形成する中央シールフィンと、前記他方から前記下流側周面に向かって延びて、前記下流側周面との間に微小隙間を形成する下流側シールフィンと、をさらに備え、前記前向きステップ面が、前記他方に向かうに従って前記下流側に向かって傾斜して前記中央周面に接続された案内面を有し、前記上流側シールフィンと前記中央シールフィンと前記下流側シールフィンとは、前記一方側に向かうに従って上流側に向かうように傾斜している。
　このような構成によれば、各々のシールフィンの上流側に剥離渦を形成することができる。この剥離渦は、各々のシールフィンの上流側において、速度ベクトルを一方側に向けるフローを生じるので、微小隙間を通り抜ける漏れ流れを低減する、縮流効果を発揮することができる。
　また、案内面及びシールフィンが傾斜して形成されていることによって、主渦がシールフィンに沿うように形成される。これにより、主渦を強めることができ、ひいては、剥離渦を強めることができる。
　本発明によれば、下流側シールフィンの上流側に後向きステップ面を配置することによって、下流側シールフィンの上流側に剥離渦を形成することができる。この剥離渦は、下流側シールフィンの上流側において、速度ベクトルを一方側に向けるフローを生じるので、微小隙間を通り抜ける漏れ流れを低減する、縮流効果を発揮することができる。
　また、後向きステップ面が案内面を有することによって、下流側シールフィンと後向きステップ面との間に形成される剥離渦を強めることができる。これにより、剥離渦による微小隙間を通過する流体の縮流効果をさらに強化し、漏洩流体の流量をより低減することができる。
本発明の第一の実施形態の蒸気タービンの概略構成断面図である。 本発明の第一の実施形態を示す図であって、図１における要部Ｉを示す拡大断面図である。 本発明の第一の実施形態を示す図であって、図２のシール構造を示す拡大断面図である。 本発明の第一の実施形態の蒸気タービンの作用説明図である。 本発明の第一の実施形態のシール構造の変形例を示す拡大断面図である。 本発明の第二の実施形態のシール構造を示す拡大断面図である。 本発明の第三の実施形態のシール構造を示す拡大断面図である。 本発明の第三の実施形態の蒸気タービンの作用説明図である。
〔第一の実施形態〕
　以下、本発明の第一の実施形態の回転機械である蒸気タービンについて図面を参照して詳細に説明する。
　図１に示すように、本実施形態の蒸気タービン１は、静止体であるケーシング１０と、ケーシング１０の内方に軸線回り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体である回転軸３０と、ケーシング１０に保持された静翼４０と、回転軸３０に設けられた動翼５０と、回転軸３０を軸回りに回転可能に支持する軸受部６０とを備えて大略構成されている。
　なお、以下の説明において、回転軸３０の軸線Ａが延びている方向を軸線方向Ｄａとする。また、軸線Ａに直交する方向を径方向Ｄｒとし、この径方向Ｄｒで軸線Ａから遠ざかる側を径方向外側と言い、この径方向Ｄｒで軸線Ａに近づく側を径方向内側という。また、軸線方向Ｄａにおいて、図１の左側を上流側Ｄａ１、図１の右側を下流側Ｄａ２という。
　流体である蒸気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。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６０は、ジャーナル軸受装置６１及びスラスト軸受装置６２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。
　複数の静翼４０からなる環状静翼群は、軸線方向Ｄａ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、各々の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。
　環状静翼群と環状動翼群とは、一組一段とされている。最終段における動翼５０の先端部は、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の先端部同士と連結されておりシュラウド５１と呼ばれている。
　図２に示すように、動翼５０の先端部をなすシュラウド５１は、ケーシング１０の仕切板外輪１１との間に径方向Ｄｒの間隙を介して対向配置されている。そして、シュラウド５１とケーシング１０の仕切板外輪１１との間には、シール構造２Ａが設けられている。シール構造２Ａは、静止体である仕切板外輪１１と、回転体であるシュラウド５１との間をシールするための構造である。以下、シール構造２Ａの構成要素について詳細に説明する。
　シュラウド５１は、仕切板外輪１１と対向する外周面５４（回転側周面）を有している。シュラウド５１の径方向外側を向く外周面５４には、下流側に向かうに従って直径が小さくなるように複数の段差が設けられている。
　本実施形態のシュラウド５１は、二つの段差が設けられていることによって、軸線方向Ｄａに並ぶ三つのステップ部５２を有している。ステップ部５２は、最も上流側に配置されている第一ステップ部５２Ａと、最も下流側に配置されている第三ステップ部５２Ｃと、第一ステップ部５２Ａと第三ステップ部５２Ｃとの間に配置されている第二ステップ部５２Ｂと、を有している。
　三つのステップ部５２の外径は、軸線方向Ｄａの上流側から下流側に向かうにしたがって漸次小さくなるように設定されている。
　隣り合うステップ部５２は、段差である後向きステップ面５３で接続されている。後向きステップ面５３は、軸線方向Ｄａの下流側に向いている。第一ステップ部５２Ａと第二ステップ部５２Ｂとの間には、第一後向きステップ面５３Ａが形成され、第二ステップ部５２Ｂと第三ステップ部５２Ｃとの間には、第二後向きステップ面５３Ｂが形成されている。第一後向きステップ面５３Ａと第二後向きステップ面５３Ｂは周方向から見た断面形状が略同一である。
　仕切板外輪１１には、シュラウド５１に対応する部位に周方向に延びる環状溝１２が形成されている。環状溝１２は、仕切板外輪１１の内周面から径方向外側に窪んでいる。シュラウド５１は、環状溝１２内に入り込んでいる。
　三つのステップ部５２に対向するように径方向内側に向く環状溝１２の底部には、三つの環状凹部１３（静止側周面）が軸線方向Ｄａに並べて形成されている。三つの環状凹部１３は、上流側Ｄａ１から下流側Ｄａ２に向かって、段差により漸次縮径している。
　軸線方向Ｄａに隣り合う二つの環状凹部１３の境界に位置する各々のケーシング側端縁部１４には、シュラウド５１に向けて径方向内側に延出するシールフィン５が設けられている。ケーシング側端縁部１４及びシールフィン５の軸線方向Ｄａ位置は、各々のステップ部５２の外周面５４に対向するように設定されている。
　三つのシールフィン５は、軸線方向Ｄａに間隔をあけて配列され、三つのステップ部５２に１：１で対応するように設けられている。三つのシールフィン５は、軸線方向Ｄａに等間隔で配列されている。以下、第一ステップ部５２Ａの外周面５４Ａに向かって延びるシールフィン５を第一シールフィン５Ａ（上流側シールフィン）と呼び、第二ステップ部５２Ｂの外周面５４Ｂに向かって延びるシールフィン５を第二シールフィン５Ｂ（下流側シールフィン）と呼び、第三ステップ部５２Ｃの外周面５４Ｃに向かって延びるシールフィン５を第三シールフィン５Ｃと呼ぶ。
　各々のステップ部５２の外周面５４と各々のシールフィン５の先端との間には、径方向Ｄｒの微小隙間Ｈが形成されている。微小隙間Ｈの各寸法は、ケーシング１０や動翼５０の熱伸び量、動翼５０の遠心伸び量等を考慮した上で、両者が接触しない安全な範囲で、最小のものに設定されている。本実施形態では、三つの微小隙間Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３の寸法が同一に設定されている。
　ここで、第一ステップ部５２Ａ、第二ステップ部５２Ｂ、及び第一後向きステップ面５３Ａを用いて、本実施形態のシール構造２Ａについて説明する。
　図３に示すように、第一ステップ部５２Ａは、軸線方向Ｄａに延びる外周面５４Ａ（以下、上流側周面５４Ａと呼ぶ）を有している。第二ステップ部５２Ｂは、軸線方向Ｄａに延びる外周面５４Ｂ（以下、下流側周面５４Ｂと呼ぶ）を有している。下流側周面５４Ｂは、上流側周面５４Ａの下流側に位置し、上流側周面５４Ａよりも環状凹部１３より径方向Ｄｒにおいて後退している。換言すれば、下流側周面５４Ｂは、上流側周面５４Ａよりも径方向内側に位置している。
　上流側周面５４Ａ及び下流側周面５４Ｂとは、軸線Ａと同軸の円筒形状をなしている。
　後向きステップ面５３は、径方向外側（環状凹部１３）に向かうに従って下流側Ｄａ２に向かって延びて上流側周面５４Ａに接続された案内面５５を有している。即ち、案内面５５は、軸線Ａと直交するように形成されておらず、下流側Ｄａ２に向かって漸次拡径するテーパ状に形成されている。換言すれば、後向きステップ面５３は、後向きステップ面５３の径方向外側が径方向内側よりも下流側Ｄａ２となるように傾斜している。
　案内面５５の周方向から見た断面形状において、軸線Ａに直交する平面に対する案内面５５の角度α１は、０°＜α１≦３０°とすることが好ましい。
　後向きステップ面５３は、後向きステップ面５３と下流側周面５４Ｂとを滑らかに接続する弧状部５６を有している。弧状部５６の表面は、周方向から見た断面形状が円弧状である。弧状部の表面の曲率半径Ｒは、第一ステップ部５２Ａの高さ（上流側周面５４Ａと下流側周面５４Ｂとの間の径方向Ｄｒの距離）をＳ１とした場合、○○とすることが好ましい。
　第二シールフィン５Ｂと、上流側周面５４Ａの下端部（案内面５５の径方向外側の端部）との間の距離をＬ、第二シールフィン５Ｂと下流側周面５４Ｂとの間の微小隙間の寸法をＨ２とすると、第一ステップ部５２Ａと第二シールフィン５Ｂとは、以下の式（１）を満足して形成されている。
　１．５≦Ｌ／Ｈ２≦５．０　・・・（１）
　即ち、距離Ｌは、微小隙間Ｈ２の１．５倍から５．０倍程度に設定されている。Ｌ／Ｈ２＝２．０とすることが最も好ましく、本実施形態のシール構造２Ａは、Ｌ／Ｈ２＝２．０とされている。
　蒸気タービン１の動作について説明する。
　まず、図示しないボイラなどの蒸気Ｓ供給源から蒸気供給管２０を介して、蒸気Ｓがケーシング１０の内部空間に流入する。
　ケーシング１０の内部空間に流入した蒸気Ｓは、各段における環状静翼群と環状動翼群とを順次通過する。この際には、圧力エネルギーが静翼４０によって速度エネルギーに変換され、静翼４０を経た蒸気Ｓのうちの大部分が同一の段を構成する動翼５０間に流入し、動翼５０により蒸気Ｓの速度エネルギー・圧力エネルギーが回転エネルギーに変換されて、回転軸３０に回転が付与される。一方、蒸気Ｓのうちの一部（例えば、数％）は、静翼４０から流出した後、環状溝内（動翼５０のシュラウド５１とケーシング１０の仕切板外輪１１との間隙）に流入する、いわゆる、漏洩蒸気となる。
　図４に示すように、環状溝１２内に流入した蒸気Ｓのうち、第一シールフィン５Ａと上流側周面５４Ａとの間から下流側Ｄａ２に流入した蒸気Ｓは、第二シールフィン５Ｂに衝突して、上流側Ｄａ１に戻るように流れる。これにより、キャビティＣ１（隣り合うシールフィン５間の空間）には第一回転方向に回る主渦ＭＶ１が発生する。
　その際、上流側周面５４Ａと後向きステップ面５３（案内面５５）との角部（エッジ）において、主渦ＭＶ１から一部の流れが剥離されることで、後向きステップ面５３と第二シールフィン５Ｂとの間の空間には、主渦ＭＶ１と反対の第二回転方向に回る剥離渦ＳＶ１が発生する。
　剥離渦ＳＶ１は、下流側周面５４Ｂと第二シールフィン５Ｂとの間の微小隙間Ｈ２の上流側近傍に位置している。特に、剥離渦ＳＶ１のうち径方向内側に向かうダウンフローが微小隙間Ｈ２の直前で生じるため、キャビティＣ１から微小隙間Ｈ２を通って下流側Ｄａ２に流入する漏れ流れを低減する縮流効果が、剥離渦ＳＶ１によって得られる。
　後向きステップ面５３が、径方向外側に向かうに従って下流側Ｄａ２に向かって延びて上流側周面５４Ａに接続された案内面５５を有することによって、第二シールフィン５Ｂと、後向きステップ面５３との間に形成される剥離渦ＳＶ１を強めることができる。これにより、剥離渦ＳＶ１による微小隙間Ｈ２を通過する蒸気Ｓの縮流効果をさらに強化することができる。
　また、距離Ｌが、微小隙間Ｈ２の２倍程度に設定されていることによって、剥離渦ＳＶ１が真円を形成すると仮定すると、剥離渦ＳＶ１の直径が微小隙間Ｈ２の２倍になって、その外周が第二シールフィン５Ｂに接する場合に、剥離渦ＳＶ１のダウンフローにおける径方向内側に向く速度成分の最大位置が、第二シールフィン５Ｂの先端に一致することになる。この場合、ダウンフローが微小隙間Ｈ２の直前をより良好に通過するため、漏れ流れに対する縮流効果が最大になると考えられる。
　上記実施形態によれば、シールフィン５の上流側に後向きステップ面５３を配置することによって、シールフィン５の上流側に剥離渦ＳＶ１を形成することができる。この剥離渦ＳＶ１は、シールフィン５の上流側において、速度ベクトルを径方向内側に向けるダウンフローを生じるので、微小隙間Ｈを通り抜ける漏れ流れを低減する、縮流効果を発揮することができる。
　また、後向きステップ面５３が、径方向外側に向かうに従って下流側に向かって延びて上流側周面５４Ａに接続された案内面５５を有することによって、案内面５５の下流側のシールフィン５と、後向きステップ面５３との間に形成される剥離渦ＳＶ１を強めることができる。これにより、剥離渦ＳＶ１による微小隙間Ｈを通過する漏洩蒸気の縮流効果をさらに強化し、漏洩蒸気の流量をより低減することができる。
　また、後向きステップ面５３と下流側周面５４Ｂとを滑らかに接続する弧状部５６を有することによって、シールフィン５と後向きステップ面５３との間に形成される剥離渦ＳＶ１を強めることができる。
　なお、上述の実施形態では、後向きステップ面５３と下流側周面５４Ｂとの間に断面円弧形状の弧状部５６が設けられているが、これに限ることはない。例えば、図５に示す変形例のように、弧状部を設けることなく、後向きステップ面５３と下流側周面５４Ｂとが鋭角をなすように接続されてもよい。
　また、図５に示す変形例のように、シールフィン５と環状凹部１３との接続部にシールフィン５の主面と環状凹部１３とを滑らかに接続する円弧状の弧状部５７を設けてもよい。シールフィン５と環状凹部１３との接続部に円弧状の弧状部５７を設けることによって、キャビティに生成される主渦ＭＶ１を強めることができる。
　また、上述の実施形態では、仕切板外輪１１のシュラウド５１に対応する部位に環状溝１２を形成し、この環状溝１２を、三つのステップ部５２に対応するように、段差により漸次縮径された三つの環状凹部１３により構成した場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、環状溝１２全体を略同径に形成してもよい。
〔第二の実施形態〕
　以下、本発明の第二の実施形態のシール構造２Ｂについて図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
　図６に示すように、本実施形態のシール構造２Ｂのシールフィン６は、径方向内側（シュラウド５１）に向かうに従って上流側Ｄａ１に向かうように傾斜している。即ち、シールフィン６の主面は、軸線Ａと直交するように形成されておらず、下流側Ｄａ２に向かって漸次拡径するテーパ状に形成されている。換言すれば、シールフィン６は、シールフィン６の径方向外側が径方向内側よりも下流側となるように傾斜している。
　第一シールフィン６Ａの軸線Ａに直交する平面に対する角度をβ１、案内面５５の軸線Ａに直交する平面に対する角度をα２、第二シールフィン６Ｂの軸線Ａに直交する平面に対する角度をβ２とすると、本実施形態のシール構造２Ｂは、以下の式（２）、式（３）、及び式（４）を満足して形成されている。
　１０°≦β１≦２５°　・・・（２）
　１０°≦β２≦２５°　・・・（３）
　０°＜α２≦β２＋３０°　・・・（４）
　上記実施形態によれば、シールフィン６が傾斜していることによって、第一シールフィン６Ａと上流側周面５４Ａとの間の微小隙間Ｈ１から下流側Ｄａ２に流入した蒸気が第二シールフィン６Ｂに衝突する際に、よりスムーズに主渦ＭＶ２を形成することができる。これにより、主渦ＭＶ２を強めることができ、ひいては、剥離渦ＳＶ２を強めることができる。
　なお、本実施形態のシール構造２Ｂにおいては、シールフィン６と環状凹部１３との接続部にシールフィン５の主面と環状凹部１３とを滑らかに接続する円弧状の弧状部５７を設けているが、弧状部を設けることなくシールフィン６と環状凹部１３とを接続してもよい。
〔第三の実施形態〕
　以下、本発明の第三の実施形態のシール構造２Ｃについて図面を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態では、上述した第一実施形態との相違点を中心に述べ、同様の部分についてはその説明を省略する。
　図７に示すように、本実施形態のシール構造２Ｃのシュラウド５１は、軸線方向Ｄａにおける中央部分が突出してステップ状に形成された中央ステップ部７２を備えている。具体的には、シュラウド５１Ｃの径方向外側の面は、ベース面７４と、ベース面７４よりも径方向外側に突出する中央ステップ面７５（中央周面）と、を有している。
　以下、中央ステップ部７２よりも上流側のベース面７４を第一ベース面７４Ａと呼び、中央ステップ部７２よりも下流側のベース面７４を第二ベース面７４Ｂと呼ぶ。
　環状凹部１３には、シュラウド５１Ｃに向けて径方向Ｄｒに延出する三つのシールフィン７が設けられている。シールフィン７は、それぞれシュラウド５１Ｃに向けて、環状凹部１３から径方向内側に延出しており、周方向に延びている。
　具体的には、最も上流側の第一シールフィン７Ａは、第一ベース面７４Ａに向けて突出している。第一シールフィン７Ａの下流側に配置されている第二シールフィン７Ｂは、中央ステップ面７５に向けて突出している。第二シールフィン７Ｂの下流側に配置されている第三シールフィン７Ｃは、第二ベース面７４Ｂに向けて突出している。第二シールフィン７Ｂは、第一シールフィン７Ａ及び第三シールフィン７Ｃよりも径方向Ｄｒの長さが短くなるように形成されている。
　また、シールフィン７は、径方向内側（シュラウド５１）に向かうに従って上流側に向かうように傾斜している。シールフィン７は、シュラウド５１Ｃと微小隙間Ｈを径方向Ｄｒに形成している。
　即ち、本実施形態の仕切板外輪１１とシュラウド５１Ｃとの間には、ステップ型のラビリンスシールであるシール構造２Ｃが設けられている。
　第一ベース面７４Ａと中央ステップ面７５とは、前向きステップ面７３で接続されている。前向きステップ面７３は、軸線方向Ｄａの上流側Ｄａ１に向いている。
　中央ステップ面７５と第二ベース面７４Ｂとは、後向きステップ面７６で接続されている。後向きステップ面７６は、軸線方向Ｄａの下流側Ｄａ２に向いている。
　前向きステップ面７３は、径方向外側（環状凹部１３）に向かうに従って下流側に向かって傾斜して中央ステップ面７５に接続された案内面７７を有している。
　前向きステップ面７３と第一ベース面７４Ａとを滑らかに接続する弧状部を設けてもよい。
　第二シールフィン７Ｂの軸線Ａに直交する平面に対する角度をβ３、案内面７７の軸線Ａに直交する平面に対する角度をα３、第三シールフィン７Ｃの軸線Ａに直交する平面に対する角度をβ４、とすると、本実施形態のシール構造２Ｃは、以下の式（５）、式（６）、及び式（７）を満足して形成されている。
　１０°≦β３≦２５°　・・・（５）
　１０°≦β４≦２５°　・・・（６）
　０°＜α３≦β３＋３０°　・・・（７）
　第一ベース面７４Ａからの中央ステップ面７５の径方向Ｄｒの高さ（ベース面７４に対する中央ステップ部７２の突出量）をＳ１、中央ステップ面７５と環状凹部１３との間の径方向Ｄｒの距離（シュラウド５１Ｃと仕切板外輪１１との間に形成されたキャビティの径方向Ｄｒの寸法）をＤとすると、シール構造２Ｃは、以下の式（８）を満足して形成されている。
　１．５×Ｈ１≦Ｓ１≦Ｄ　・・・（８）
　即ち、距離Ｓ１は、微小隙間Ｈ１の１．５倍以上に設定されているとともに、距離Ｄ以下に設定されている。
　次に、本実施形態のシール構造２Ｃの作用について説明する。
　図８に示すように、第一シールフィン７Ａと第一ベース面７４Ａとの間の微小隙間Ｈ１から流入した蒸気Ｓが、前向きステップ面７３に衝突することで、キャビティＣ１に主渦ＭＶ３が発生する。
　その際、案内面７７と中央ステップ面７５との角部において、主渦ＭＶ３から一部の流れが剥離されることで、剥離渦ＳＶ３が発生する。剥離渦ＳＶ３は、第一の実施形態の剥離渦ＳＶ１と同様に微小隙間Ｈ２を通って下流側Ｄａ２に流入する漏れ流れを低減する。
　また、微小隙間Ｈ２から下流側Ｄａ２に流入した蒸気Ｓが第三シールフィン７Ｃに衝突することで、キャビティＣ２に主渦ＭＶ４が発生する。その際、中央ステップ面７５と後向きステップ面７６との角部において、主渦ＭＶ４から一部の流れが剥離されることで、剥離渦ＳＶ４が発生する。
　上記実施形態によれば、前向きステップ面７３の案内面７７が傾斜して形成されていることによって、剥離渦ＳＶ３がより小さく形成される。これにより、剥離渦ＳＶ３による縮流効果をより強化することができる。また、主渦ＭＶ３が、シールフィン７に沿うように形成されることによって、主渦ＭＶ３を強めることができる。主渦ＭＶ３が強められることにより、剥離渦ＳＶ３を強めることができる。
　また、第一ベース面７４Ａからの中央ステップ面７５の高さＳ１が、微小隙間Ｈ１の１．５倍以上に設定されていることによって、微小隙間Ｈ１から微小隙間Ｈ２に吹き抜ける蒸気Ｓを低減することができる。
　また、キャビティの径方向Ｄｒの幅Ｄを第一ベース面７４Ａからの中央ステップ面７５の高さＳ１以上に設定することによって、第二シールフィン７Ｂと第三シールフィン７Ｃとの間の第二キャビティＣ２に形成される主渦ＭＶ４を大きくすることができる。これにより、微小隙間Ｈ２の下流側の圧力を高くすることができ、微小隙間Ｈ２から吹き抜ける蒸気Ｓを低減することができる。
　なお、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述の実施形態に種々の変更を加えたものを含む。
　例えば、上述の実施形態では、シールフィンを三つ設け、設け、これによってキャビティを二つ形成した場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、シールフィンやこれに対応するキャビティの数については任意であり、一つであっても、三つ、あるいは四つ以上であってもよい。
　また、上述の実施形態では、最終段の動翼５０や静翼４０に本発明を適用したが、他の段の動翼５０や静翼４０に本発明を適用してもよい。
　さらに、上述の実施形態では、シュラウド５１にステップ部を形成するとともに、仕切板外輪１１にシールフィンを設けた場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、シュラウド５１にシールフィンを設けるとともに、仕切板外輪１１にステップ部を設ける構成としてもよい。
　また、静翼４０の先端部にステップ部を形成するとともに、回転軸３０にシールフィンを設ける構成としてもよい。また、静翼４０の先端部にシールフィンを設けるとともに、回転軸３０にステップ部を形成する構成としてもよい。
　また、上述の実施形態では、本発明を復水式の蒸気タービンに適用したが、他の型式の蒸気タービン、例えば、二段抽気タービン、抽気タービン、混気タービン等のタービン型式に本発明を適用することもできる。
　また、上述の実施形態では、本発明を蒸気タービンに適用したが、ガスタービンにも本発明を適用することができ、さらには、回転翼のある全てのものに本発明を適用することができる。
　また、シール構造を回転翼が設けられていない箇所に適用してもよい。例えば、ケーシングと回転軸との間の間隙に本発明のシール構造を適用してもよい。
　本発明によれば、下流側シールフィンの上流側に後向きステップ面を配置することによって、下流側シールフィンの上流側に剥離渦を形成することができる。この剥離渦は、下流側シールフィンの上流側において、速度ベクトルを一方側に向けるフローを生じるので、微小隙間を通り抜ける漏れ流れを低減する、縮流効果を発揮することができる。
　また、後向きステップ面が案内面を有することによって、下流側シールフィンと後向きステップ面との間に形成される剥離渦を強めることができる。これにより、剥離渦による微小隙間を通過する流体の縮流効果をさらに強化し、漏洩流体の流量をより低減することができる。
　１　蒸気タービン
　２Ａ，２Ｂ，２Ｃ　シール構造
　５，６，７　シールフィン
　５Ａ，６Ａ，７Ａ　第一シールフィン
　５Ｂ，６Ｂ，７Ｂ　第二シールフィン
　５Ｃ，６Ｃ，７Ｃ　第三シールフィン
　１０　ケーシング
　１１　仕切板外輪
　１２　環状溝
　１３　環状凹部
　１４　ケーシング側端縁部
　２０　蒸気供給管
　２１　主流入口
　２２　蒸気排出管
　３０　回転軸
　３１　回転軸本体
　４０　静翼
　５０　動翼
　５１　シュラウド
　５２　ステップ部
　５２Ａ　第一ステップ部
　５２Ｂ　第二ステップ部
　５２Ｃ　第三ステップ部
　５３　後向きステップ面
　５４　外周面
　５４Ａ　上流側周面
　５４Ｂ　下流側周面
　５５　案内面
　５６　弧状部
　５７　フィン弧状部
　６０　軸受部
　６１　ジャーナル軸受装置
　６２　スラスト軸受装置
　７２　中央ステップ部
　７３　前向きステップ面
　７４　ベース面
　７５　中央ステップ面
　７６　後向きステップ面
　Ａ　軸線
　Ｃ　キャビティ
　Ｄａ　軸線方向
　Ｄｒ　径方向
　Ｈ　微小隙間
　Ｓ　蒸気 

Claims (5)

  1. 　軸線の周方向に延びる静止側周面を有する静止体と、
    　前記軸線回りに回転して前記静止側周面と対向する回転側周面を有する回転体と、を備え、
    　前記静止側周面と前記回転側周面との一方が、
    　前記軸線方向に延びる上流側周面と、
    　前記上流側周面における流体の下流側に位置して前記軸線方向に延びるとともに、前記上流側周面よりも前記静止側周面と前記回転側周面との他方から後退する下流側周面と、
    　前記上流側周面と前記下流側周面とを接続して前記下流側を向く後向きステップ面と、を有し、
    　前記他方から前記上流側周面に向かって延びて、前記上流側周面との間に微小隙間を形成する上流側シールフィンと、
    　前記他方から前記下流側周面に向かって延びて、前記下流側周面との間に微小隙間を形成する下流側シールフィンと、をさらに備え、
    　前記後向きステップ面が、前記他方に向かうに従って前記下流側に向かって延びて前記上流側周面に接続された案内面を有する回転機械。
  2. 　前記上流側シールフィン及び前記下流側シールフィンは、前記一方側に向かうに従って前記上流側に向かうように傾斜している請求項１に記載の回転機械。
  3. 　前記後向きステップ面と前記下流側周面とを滑らかに接続する弧状部を有する請求項１又は請求項２に記載の回転機械。
  4. 　前記上流側シールフィン及び前記下流側シールフィンと前記他方とを滑らかに接続するフィン弧状部を有する請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の回転機械。
  5. 　軸線の周方向に延びる静止側周面を有する静止体と、
    　前記軸線回りに回転して前記静止側周面と対向する回転側周面を有する回転体と、を備え、
    　前記静止側周面と前記回転側周面との一方が、
    　前記軸線方向に延びる上流側周面と、
    　前記上流側周面における作動流体の下流側に位置して前記軸線方向に延びるとともに、前記上流側周面よりも前記静止側周面と前記回転側周面との他方へ突出する中央周面と、
    　前記中央周面の下流側に位置して前記軸線方向に延びるとともに、前記中央周面よりも前記他方から後退する下流側周面と、
    　前記上流側周面と前記中央周面とを接続して前記上流側を向く前向きステップ面と、を有し、
    　前記他方から前記上流側周面に向かって延びて、前記上流側周面との間に微小隙間を形成する上流側シールフィンと、
    　前記他方から前記中央周面に向かって延びて、前記中央周面との間に微小隙間を形成する中央シールフィンと、
    　前記他方から前記下流側周面に向かって延びて、前記下流側周面との間に微小隙間を形成する下流側シールフィンと、
    をさらに備え、
    　前記前向きステップ面が、前記他方に向かうに従って前記下流側に向かって傾斜して前記中央周面に接続された案内面を有し、
    　前記上流側シールフィンと前記中央シールフィンと前記下流側シールフィンとは、前記一方側に向かうに従って上流側に向かうように傾斜している回転機械。 
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