WO2017150365A1 - シール構造及びターボ機械 - Google Patents

Abstract

不安定振動を効果的に抑制できるようにした、シール構造及びターボ機械を提供する。 軸心線（ＣＬ）周りに所定方向に回転する回転構造体（４）と、回転構造体（４）の外周側に隙間（Ｇｄ）を空けて径方向（Ｒ）に対向する静止構造体（１０）との間の隙間（Ｇｄ）から、作動流体のリーク流（ＳＬ）の流れを抑制する、シール構造であって、静止構造体（１０）には、回転構造体（４）を収容するキャビティ（１２）が備えられると共に、このキャビティ（１２）の内周面（１３）には、軸心線（ＣＬ）側に向かって延在するシールフィン（６）が設けられると共に、リーク流（ＳＬ）の流れ方向に沿って複数の静止側凹所（１４）が設けられ、前記流れ方向で最上流側の第１静止側凹所（１４Ａ）よりも、前記流れ方向で第１静止側凹所（１４Ａ）の直下流側に配置された第２静止側凹所（１４Ｂ）のほうが、深さ寸法を小さく設定さる。

Description

シール構造及びターボ機械

　本発明は、不安定振動を抑制するのに好適な、相対回転する二つ構造体の相互間から作動流体がリークすることを抑制するシール構造及びそれを使用したターボ機械に関する。

　蒸気タービン，ガスタービン及びターボ圧縮機などのターボ機械においては、静止構造体と回転構造体との間にできる隙間から蒸気などの作動流体が漏洩（リーク）すると、この作動流体のリークがタービンにおける効率の損失（リーク損失）を引き起こす。このため、ターボ機械では、作動流体のリークを防止するために、当該隙間にシール用フィンを設けてシール構造を形成する（例えば特許文献１参照）。

　ところで、ターボ機械においては、不安定振動と考えられる低周波振動が発生することがある。不安定振動が発生すると動作不良に繋がるおそれがあるためターボ機械を停止しなければならない。不安定振動が発生する大きな要因の一つとして考えられているのが、シール励振力である。何らかの原因により発生した回転構造体の微小振動に対して、シール励振力は、回転構造体の振れ回りを助長させるように回転構造体に作用し、ひいては不安定振動を引き起こす。
　シール励振力についてさらに説明すると、シール部分（シール用フィンが設けられた部分）を流れる作動流体は、軸方向（流れ方向）速度成分だけでなく、周方向速度成分を持って流れており、（以下、この周方向に向かう流れを「旋回流」と呼ぶ）、シール励振力は、この旋回流が原因で生じる。
　つまり、回転構造体が径方向へ微小に変位すると（偏心すると）、回転構造体とシール用フィンとの間の流路が狭まって静圧が高くなる部分と、当該流路が広がって静圧が低くなる部分とが発生すると共に、リークした作動流体の旋回流に起因してシール用フィンの上流側と下流とで静圧分布に位相差が生じ、このような静圧の不均一性に起因した力が回転体に作用してシール励振力が生じる。

　このようなタービンの不安定振動を抑制する技術として特許文献２に開示された技術がある。以下、特許文献２に開示された技術を説明する。その説明では、参考に、特許文献２で使用されている符号を括弧付きで示す。
　特許文献２に開示された技術では、動翼（１１）の頂部に設けられたシュラウド（１２）に対向して複数のシールフィン（４２）がロータ軸心線方向（Ｌ）に沿って複数設けられ、これらのシールフィン（４２）が取り付けられたシールリング（４１）には、シールフィン（４２）の各相互間において同一深さ（Ｄ２）の溝部（４３）が設けられている。溝部（４３）の深さ（Ｄ２）は、シールフィン（４２）を支持する強度を低下させない程度に設定されている。溝部（４３）を設けることにより、シールフィン（４２）の相互間の空間を、溝部が無い従来の蒸気タービンのシール構造の場合と比べて実質的に大きくすることができ、スチームホワール（不安定振動）の発生を抑制することができるとしている（段落[００２５]～[００２８]、図４など参照）。

特開２０１１－２０８６０２号公報 特開２０１３－０７６３４１号公報

　しかしながら、特許文献２に開示された技術では、溝部（４３）の深さ（Ｄ２）は、シールフィン（４２）を支持する強度を低下させない程度に制限されてしまう。このため、シールフィン（４２）の相互間の空間を実質的に拡大できる範囲、ひいては不安定振動の発生を抑制する効果も制限されてしまう。

　本発明は、上記のような課題に鑑み創案されたもので、不安定振動を効果的に抑制できるようにした、シール構造及びターボ機械を提供することを目的とする。

　（１）上記の目的を達成するために、本発明のシール構造は、軸心線周りに所定方向に回転する回転構造体と、前記回転構造体の外周側に隙間を空けて径方向に対向する静止構造体との間の前記隙間から、作動流体のリーク流の流れを抑制する、シール構造であって、前記静止構造体には、前記回転構造体を収容するキャビティが備えられると共に、前記キャビティの内周面には、前記軸心線側に向かって延在するシールフィンが設けられると共に、静止側凹所が前記リーク流の流れ方向に沿って複数設けられ、前記流れ方向で最上流側の第１静止側凹所よりも、前記流れ方向で前記第１静止側凹所の直下流側に配置された第２静止側凹所のほうが、深さ寸法を小さく設定されたことを特徴としている。

　（２）前記静止構造体はタービンケーシングであり、前記回転構造体は、軸方向に沿って複数設置され、動翼の先端に取り付けられたチップシュラウドであって、前記シールフィンは、前記チップシュラウドに対して前記径方向に対向して配置されることが好ましい。

　（３）前記静止側凹所が前記流れ方向に沿って３つ以上備えられ、前記深さ寸法が、前記流れ方向で下流側になるほど小さく設定されことが好ましい。

　（４）前記シールフィンが前記流れ方向に沿って複数設けられ、前記流れ方向で最上流側の第１シールフィンと、前記流れ方向で前記第１シールフィンの直下流側に配置された第２シールフィンとの相互間に、前記第１静止側凹所が設けられることが好ましい。

　（５）前記第１静止側凹所の前記深さ寸法は、前記第１シールフィンと前記第２シールフィンとの間のピッチの２倍よりも大きく設定されたることが好ましい。

　（６）前記シールフィンの相互間のピッチは互いに同一に設定されることが好ましい。

　（７）前記シールフィンの少なくとも１つは、隣接する前記静止側凹所から軸方向に所定の距離をあけて設けられることが好ましい。

　（８）前記第１静止側凹所と前記第２静止側凹所との少なくとも一方が、前記径方向に延設されることが好ましい。

　（９）前記静止側凹所の少なくとも一つに、軸方向に延設された軸方向凹所が連設されたことが好ましい。

　（１０）前記静止側凹所は、前記シールフィンの相互間に設けられ、前記軸方向に関する寸法であって前記静止側凹所と前記軸方向凹所とのトータルの寸法が、前記シールフィンの相互間のピッチよりも大きく設定されることが好ましい。

　（１１）前記静止側凹所に対向して前記回転構造体に回転側凹所が設けられ、前記回転側凹所として、少なくとも、前記第１静止側凹所に対向して設けられた第１回転側凹所、又は、前記第２静止側凹所に対向して設けられた第２回転側凹所が設けられことが好ましい。

　（１２）前記回転構造体に前記第１回転側凹所及び前記第２回転側凹所が設けられ、前記第１静止側凹所の底面と前記第１回転側凹所の底面との距離よりも、前記第２静止側凹所の底面と前記第２回転側凹所の底面との距離のほうが短く設定されることが好ましい。

　（１３）上記の目的を達成するために、本発明のターボ機械は、軸心線周りに所定方向に回転する回転構造体と、前記回転構造体の外周側に隙間を空けて径方向に対向する静止構造体と、（１）～（１２）の何れかに記載のシール構造を備えたことを特徴とすることを特徴としている。

　（１４）前記回転構造体として、前記軸方向に複数設けられたチップシュラウドを備えると共に、前記静止構造体として、前記複数のチップシュラウドを囲うタービンケーシングを備え、前記複数のチップシュラウドの内の、少なくとも一つのチップシュラウドに対し、前記シール構造を備えたタービンであることが好ましい。

　（１５）前記少なくとも一つのチップシュラウドが、前記作動流体の入口の最も近くに配置されたチップシュラウドであることが好ましい。

　（１６）前記少なくとも一つのチップシュラウドが、軸方向中央に配置されたチップシュラウドであることが好ましい。

　本発明では、回転構造体とシールフィンとを収容する静止構造体のキャビティの内周面に、静圧分布の不均一性を緩和する静止側凹所として、上流側から、第１静止側凹所と、第２静止側凹所とがこの順に設けられると共に、第１静止側凹所よりも第２静止側凹所のほうが、深さ寸法を小さく設定されている。
　第１静止側凹所と第２静止側凹所とで深さ寸法を同じにするよりも、前記不均一性の小さな下流側の第２静止側凹所の深さ寸法を小さく設定して静止構造体の強度の低下を抑制し、その分、前記不均一性の大きな上流側の第１静止側凹所の深さ寸法を、静止構造体の強度を確保しつつ大きく設定することができる。
　したがって、本発明によれば、凹所を設けることによる静止構造体の強度の低下を抑制しつつ、不安定振動を効果的に抑制できる。

図１は、本発明の各実施形態に係る蒸気タービンの全体構成を示す模式的な縦断面図である。 図２は、本発明の第１実施形態に係るシール構造の構成を示す模式図であって径方向に沿って切断した断面図である。 図３は、本発明の第２実施形態に係るシール構造の構成を示す模式図であって径方向に沿って切断した断面図である。 図４は、本発明の第３実施形態に係るシール構造の構成を示す模式図であって径方向に沿って切断した断面図である。

　以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
　本実施形態では、本発明のシール構造及びターボ機械を蒸気タービンに適用した例を説明する。
　なお、以下に示す各実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の各実施形態で明示しな
い種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。以下の各実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができると共に、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることが可能である。

　以下の説明では上流，下流と記載した場合は、特段の説明がない限り、リーク蒸気ＳＬの軸方向Ａの流れ成分に関する上流，下流を意味するものとする。すなわち、図１～図４における左側を上流側、右側を下流側とする。
　また、蒸気タービンのロータ軸心線（以下、「軸心線」とも呼ぶ）ＣＬに向く方向を内周側又は内側とし、その反対側、軸心線ＣＬから離れる方向を外周側又は外側として説明する。
　また、以下の説明で周方向と記載した場合は、特段の説明がない限り、軸心線ＣＬを中心とした周方向を意味するものとする。

［１．第１実施形態］
　［１－１．蒸気タービンの全体構成］
　本実施形態の蒸気タービン１について図１を参照して説明する。
　本実施形態の蒸気タービン１は、図１に示すように、タービンケーシング（静止構造体、以下「ケーシング」とも呼ぶ）１０と、ケーシング１０の内部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ロータ軸３０と、ケーシング１０に設けられた静翼６０と、ロータ軸３０に設けられた動翼５０と、軸心線ＣＬを中心にロータ軸３０を回転可能に支持する軸受部７０とを備えて構成されている。静翼６０及び動翼５０はロータ軸３０の径方向Ｒに延びるブレードである。
　ケーシング１０は静止しているのに対し、動翼５０は軸心線ＣＬを中心に回転する。つまり、ケーシング１０と動翼５０（後述のチップシュラウド４を含む）とは相対回転する。

　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（流体）Ｓの流路とされている。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。
　また、ケーシング１０の内壁面には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７０は、ジャーナル軸受装置７１及びスラスト軸受装置７２を備えており、ロータ軸３０を回転自在に支持している。

　静翼６０は、ケーシング１０から内周側に向かって伸び、ロータ軸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。

　これら複数の静翼６０からなる環状静翼群は、ロータ軸３０の軸方向Ａ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、ロータ軸３０のロータ軸本体３１の外周部に形成されたディスク３２に強固に取り付けられ、各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。
　これら環状静翼群と環状動翼群とは、一組一段とされている。各動翼群を構成する複数の動翼５０の先端部同士は、リング状のチップシュラウド（回転構造体）４により連結されている。

　［１－２．シール構造］
　本実施形態のシール構造について、図２を参照して説明する。
　複数の仕切板外輪１１の各相互間には、図２に示すように、仕切板外輪１１の内周面から窪んだキャビティ１２が形成されている。キャビティ１２は、軸心線ＣＬを中心とする円環状の空間であり、ケーシング１０の内周面（以下、「キャビティ底面」とも表記する）１３を底面とする。
　キャビティ１２には、チップシュラウド４が収容され、キャビティ底面１３は、チップシュラウド４と隙間Ｇｄを介して径方向Ｒに対向している。

　蒸気Ｓのうち大部分の蒸気ＳＭは、動翼５０に流入し、そのエネルギーが回転エネルギーに変換され、この結果、ロータ軸３０に回転が付与される。その一方、蒸気Ｓのうち一部（例えば、約数％）の蒸気の流れ（リーク流、以下「リーク蒸気」とも呼ぶ）ＳＬは、動翼５０に流入せずに隙間Ｇｄにリークする。リーク蒸気ＳＬのエネルギーは回転エネルギーに変換されないので、リーク蒸気ＳＬは、蒸気タービン１の効率を低下させるリーク損失を招く。

　そこで、ケーシング１０と各チップシュラウド４との間の各隙間Ｇｄには、それぞれ、本発明の第１実施形態としてのシール構造２が設けられている。換言すれば、各チップシュラウド４に対して本発明の第１実施形態としてのシール構造２がそれぞれ設けられている。
　以下、シール構造２について説明する。
　チップシュラウド４は、上述したようにリング状のものであり、図２に示すような軸方向Ａに長い矩形の横断面形状を、全周に亘って一定に有している。
　キャビティ底面１３には、チップシュラウド４に向かって内周側に延在するシールフィン６Ａ，６Ｂ，６Ｃが設けられている（図１では省略）。これらのシールフィン６Ａ，６Ｂ，６Ｃは同一形状に設定されており、軸心線ＣＬを中心としたリング状であって、図２に示す径方向Ｒに長い矩形の横断面形状を全周に亘って一定に有している。
　また、シールフィン６Ａ，６Ｂ，６Ｃは、軸方向Ａに沿って所定のピッチＢ１，Ｂ２で配設されており、本実施形態では、シールフィン６Ａとシールフィン６ＢとのピッチＢ１と、シールフィン６Ｂとシールフィン６ＣとのピッチＢ２とは同一寸法に設定されている（Ｂ１＝Ｂ２）。つまり、シールフィン６Ａ，６Ｂ，６Ｃは等ピッチで配置されている。
　ここでいうピッチＢ１，Ｂ２とは、シールフィン６Ａ，６Ｂ，６Ｃの厚さ方向（換言すれば軸方向Ａ）中心線の相互間距離をいう。
　以下、シールフィン６Ａ，６Ｂ，６Ｃを区別しない場合には、シールフィン６と表記する。
　なお、シールフィン６Ａ，６Ｂ，６Ｃは同一形状である必要はなく、異なる形状であってもよい。

　キャビティ底面１３には、シールフィン６Ａ，６Ｂ，６Ｃの各相互間において、外周側に向かって径方向Ｒに延設されたケーシング凹所（以下、「凹所」又は「径方向凹所」とも呼ぶ）１４Ａ，１４Ｂが形成されている。以下、凹所１４Ａ，１４Ｂを区別しない場合には凹所１４と表記する。凹所１４は、本実施形態では、軸心線ＣＬを中心としてキャビティ底面１３の全周に亘って形成されたリング状の凹所であり、互いに対向し径方向Ｒに幅を持ったリング状の側面１４ａ，１４ｂと、これらの側面１４ａ，１４ｂの外周縁を繋ぎ軸方向Ａに幅を持ったリング状の底面１４ｃとにより画成されている。
　凹所１４は、下流側になるほど浅く設定されており、上流側の凹所１４Ａの深さ寸法Ｌ１よりも下流側の凹所１４Ｂの深さ寸法Ｌ２のほうが小さく（浅く）設定されている（Ｌ２＜Ｌ１）。
　ここで、キャビティ底面１３、及び、凹所１４Ａ，１４Ｂを画成する底面１４ｃはそれぞれ軸心線ＣＬを中心とした円周面であり、凹所１４Ａ，１４Ｂの深さＬ１，Ｌ２とは、キャビティ底面１３と底面１４ｃとの径方向Ｒに関する距離である。
　また、各凹所１４は、軸方向Ａに関して、隣接するシールフィン６に対して所定の距離ΔＢ（ΔＢ＞０）をあけて形成されている。

　［１－３．作用・効果］
　本発明の第１実施形態としてのシール構造２の作用・効果を、図２を参照して説明する。
　「発明が解決しようとする課題」の欄に記載したように、キャビティ底面１３やチップシュラウド４の周辺の静圧分布が、周方向に対して不均一になることがある。しかし、キャビティ底面１３には、凹所１４Ａ，１４Ｂが設けられていることから、隙間Ｇｄを実質的に拡大することとなり、周方向の静圧分布のばらつきを緩和することができる。つまり、凹所１４Ａ，１４Ｂは、静圧分布の不均一性（非一様性）を緩和するアブソーバとしての機能（以下、「アブソーバ機能」と呼ぶ）を有している。

　また、静圧分布の不均一性は、上流側ほど大きく、下流側になるほど小さくなる傾向を有している。そこで、シール構造２では、静圧分布の不均一性が相対的に大きな上流側には、相対的に深さ寸法が大きく容積の大きな（アブソーバ機能が相対的に高い）凹所１４Ａを設け、静圧分布の不均一性が相対的に小さな下流側には、相対的に深さ寸法が小さく容積の小さな（アブソーバ機能が相対的に低い）凹所１４Ｂを設けるようにしている。

　凹所１４Ａ，１４Ｂを深くするほど、アブソーバ機能を向上させることができる一方、ケーシング１０の強度を低下させることとなる。しかし、このシール構造２では、静圧分布の不均一性の小さな下流側では、凹所１４Ｂの深さ寸法Ｌ２を小さく設定してケーシング１０の強度を必要以上に低下させることを抑制している。そして、凹所１４Ｂの深さ寸法Ｌ２を小さくした分だけ、静圧分布の不均一性の大きな上流側では、凹所１４Ａの深さ寸法Ｌ１を大きく設定してアブソーバ機能を向上させることができる。
　したがって、凹所１４Ａ，１４Ｂの深さ寸法Ｌ１，Ｌ２を同一寸法に設定する場合に比べて、ケーシング１０の強度の低下を抑制しつつタービンの不安定振動を効果的に抑制できる。

　さらに、シールフィン６Ａとシールフィン６Ｂとの間の凹所１４Ａ、すなわち最上流側の凹所１４Ａの深さ寸法Ｌ１を、シールフィン６Ａとシールフィン６ＢとのピッチＢ１の２倍よりも大きく設定したので（Ｌ１＞Ｂ１×２）、静圧分布の均一化ひいてはタービンの不安定振動の抑制を一層効果的に行うことができる。

　また、各凹所１４は、軸方向Ａに関して、隣接するシールフィン６に対して所定の距離ΔＢをあけて形成されている（ΔＢ＞０）。換言すれば、各シールフィン６には、その付け根部（シールフィン６とキャビティ底面１３との接続部）を支持する支持部が、凹所１４から所定の距離ΔＢに亘って形成されている。したがって、シールフィン６を、凹所１４の側面１４ａや側面１４ｂと面一に設ける場合（ΔＢ＝０）に比べて、シールフィン６の付け根の強度を向上させることができる。

［２．第２実施形態］
　以下、図３を参照して本発明の第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同一要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。

　［２－１．シール構造］
　本発明の第２実施形態のシール構造２Ａは、図２に示す第１実施形態のシール構造２に対して、径方向凹所１４Ａに、その外周端から下流側に向かって軸方向Ａに延在する軸方向凹所１４Ａ′を連設し、径方向凹所１４Ｂに、その外周端から下流側に向かって軸方向Ａに延在する軸方向凹所１４Ｂ′を連設したものである。
　軸方向凹所１４Ａ′，１４Ｂ′は、径方向凹所１４Ａ，１４Ｂ側が開口すると共に軸心線ＣＬを中心としてリング状に形成された凹所である。軸方向凹所１４Ａ′，１４Ｂ′は、外周側底面１４ｄ，内周側底面１４ｆ及び側面１４ｅにより画成されている。外周側底面１４ｄ，内周側底面１４ｆは、互いに対向し、それぞれ軸方向Ａに幅を持ったリング状の面である。また、外周側底面１４ｄは、径方向凹所１４の底面１４ｃに面一に形成されている。側面１４ｅは、これらの底面１４ｄ，１４ｆの下流縁を繋ぎ径方向Ｒに幅を持ったリング状の面である。

　軸方向凹所１４Ａ′を設けることにより径方向凹所１４Ａを実質的に拡大することができ、本実施形態では、径方向凹所１４Ａと軸方向凹所１４Ａ′とのトータルの軸方向寸法Ｄ１を、フィン６Ａとフィン６ＢとのピッチＢ１よりも大きく設定している（Ｄ１＞Ｂ１）。同様に、軸方向凹所１４Ｂ′を設けることにより径方向凹所１４Ｂを実質的に拡大することができ、本実施形態では、凹所１４Ｂと軸方向凹所１４Ｂ′とのトータルの軸方向寸法Ｄ２を、フィン６Ｂとフィン６ＣとのピッチＢ２よりも大きく設定している（Ｄ２＞Ｂ２）。
　その他の構造は第１実施形態のシール構造２と同様であるので説明を省略する。

　［２－２．作用・効果］
　本発明の第２実施形態によれば、径方向凹所１４Ａ，１４Ｂに加えて軸方向凹所１４Ａ′，１４Ｂ′を設けることにより、静圧分布の不均一性（非一様性）を緩和する凹所の容積を増加させることができるので、タービンの不安定振動を、第１実施形態よりも効果的に抑制することができる。
　特に、シールフィン６Ａ，６Ｂ，６Ｃの各相互間において径方向Ｒに延在する径方向凹所１４Ａ，１４Ｂだけでは、軸方向Ａの寸法を、シールフィン６Ａ，６Ｂ，６ＣのピッチＢ１，Ｂ２よりも大きな寸法とすることはできないが、軸方向凹所１４Ａ′，１４Ｂ′を設けることで、部分的ではあるが、径方向凹所１４Ａ，１４Ｂの軸方向Ａの寸法をピッチＢ１，Ｂ２よりも長くすることができる。
　また、上流側の径方向凹所１４Ａよりも下流側の径方向凹所１４Ｂが浅く形成されているので、径方向凹所１４Ａの外周部下流側には空きスペースが形成されることとなる。この空きスペースを利用して径方向凹所１４Ａの外周部下流側に軸方向凹所１４Ａ′を形成することができ、効率的に凹所を配置することができる。

　［２－３．その他］
　（１）上記第２実施形態では、軸方向凹所１４Ａ′，１４Ｂ′を、径方向凹所１４Ａ，１４Ｂの外周端に設けたが、径方向凹所１４Ａ，１４Ｂの外周端に設けることは必須ではない。例えば、図３に二点鎖線で示すように、径方向凹所１４Ａの径方向Ｒに関する中間部に軸方向凹所１４Ａ′を連接するようにしてもよい。

　（２）上記第２実施形態では、軸方向凹所１４Ａ′，１４Ｂ′を、径方向凹所１４Ａ，１４Ｂの下流側に設けたが、軸方向凹所１４Ａ′，１４Ｂ′を、径方向凹所１４Ａ，１４Ｂの上流側に設けてもよい。

［３．第３実施形態］
　以下、図４を参照して本発明の第３実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同一要素については同一の符号を付し、その説明を省略する。

　［３－１．シール構造］
　本発明の第３実施形態のシール構造２Ｂは、図２に示す第１実施形態のシール構造２に対して、チップシュラウド４に形成されたシュラウド凹所（以下、「凹所」とも呼ぶ）４１Ａ，４１Ｂが追加されたものである。シュラウド凹所４１Ａ（第１回転側凹所）はケーシング凹所１４Ａに対向して配置され、シュラウド凹所４１Ｂ（第２回転側凹所）はケーシング凹所１４Ｂに対向して配置されている。以下、凹所４１Ａ，４１Ｂを区別しない場合には凹所４１と表記する。
　凹所４１は、本実施形態では、軸心線ＣＬを中心として、シュラウド４の外周面４２の全周に亘って形成されたリング状の凹所である。凹所４１は、チップシュラウド４の外周面から内周側に凹んでおり（すなわち径方向Ｒに沿って延設されており）、互いに対向し径方向Ｒに幅を持ったリング状の側面４１ａ，４１ｂと、これらの側面４１ａ，４１ｂの内周縁を繋ぎ軸方向Ａに幅を持ったリング状の底面４１ｃとにより画成されている。

　上述した通り、シュラウド凹所４１Ａと対向して配置されるケーシング凹所１４Ａの深さ寸法Ｌ１よりも、シュラウド凹所４１Ｂと対向して配置されるケーシング凹所１４Ｂの深さ寸法Ｌ２のほうが小さく設定されている。加えて、上流側のシュラウド凹所４１Ａの深さ寸法Ｌ１′よりも、下流側のシュラウド凹所４１Ｂの深さ寸法Ｌ２′は小さく（浅く）設定されている（Ｌ２′＜Ｌ１′）。
したがって、凹所１４Ａ，４１Ａの相互間の空間１００Ａの高さ寸法（すなわち、「ケーシング凹所１４Ａの底面１４ｃ」と「シュラウド凹所４１Ａの底面４１ｃ」との距離）Ｈ１よりも、凹所１４Ｂ，４１Ｂの相互間の空間１００Ｂの高さ寸法（すなわち、「ケーシング凹所１４Ｂの底面１４ｃ」と「シュラウド凹所４１Ｂの底面４１ｃ」との距離）Ｈ２のほうが小さく設定されていることとなる（Ｈ１＞Ｈ２）。

　空間１００Ａ，１００Ｂは、キャビティ底面１３とチップシュラウド４との間の隙間Ｇｄを実質的に拡大して静圧分布の不均一性を緩和するものであり、第１実施形態と同様に、相対的に不均一性の大きな上流側ほど大きな空間１００Ａを設け、相対的に不均一性の小さな下流側ほど小さな空間１００Ｂを設けている。以下、空間１００Ａと空間１００Ｂとを区別しない場合には空間１００と呼ぶ。

　ここで、チップシュラウド４の外周面４２及び凹所４１Ａ，４１Ｂを画成する底面４１ｃはそれぞれ軸心線ＣＬを中心とした円周面であり、シュラウド凹所４１Ａ，４１Ｂの深さＬ１′，Ｌ２′とは、チップシュラウド４の外周面４２と底面４１ｃとの径方向Ｒに関する距離である。また、高さ寸法Ｈ１とは、ケーシング凹所１４Ａの底面１４ｃと、シュラウド凹所４１Ａの底面４１ｃとの径方向Ｒに関する距離であり、高さ寸法Ｈ２とは、ケーシング凹所１４Ｂの底面１４ｃと、シュラウド凹所４１Ｂの底面４１ｃとの径方向Ｒに関する距離である。
　［３－２．作用・効果］
　本発明の第３実施形態によれば、ケーシング凹所１４に加えてシュラウド凹所４１を設けると共に、凹所１４，４１の相互間に形成される空間１００を下流側になるほど小さく設定しているので、第１実施形態よりも効果的に、ケーシング１０の強度の低下を抑制しつつタービンの不安定振動を抑制することができる。

　［３－３．その他］
　（１）上記第３実施形態では、シュラウド凹所４１Ａの深さ寸法Ｌ１′よりもシュラウド凹所４１Ｂの深さ寸法Ｌ２′を小さく設定したが、上流側の空間１００Ａの高さ寸法Ｈ１よりも下流側の空間１００Ｂの高さ寸法Ｈ２のほうが小さければ、深さ寸法Ｌ１′よりも深さ寸法Ｌ２′を小さく設定する必要はない。例えば、上記第３実施形態において、深さ寸法Ｌ１′と深さ寸法Ｌ２′とを同じ寸法としてもよい。

　（２）上記第３実施形態では、ケーシング凹所１４と、このケーシング凹所１４に対向
配置されたシュラウド凹所４１とを一組として、二組を一つのチップシュラウド４に対して設けたが、一つのチップシュラウド４に対して三組以上設けてもよい。この場合、下流になるほど、ケーシング凹所１４とシュラウド凹所４１との間に形成される空間１００の高さ寸法を小さくするのが好ましいが、最上流側の空間１００Ａの高さ寸法Ｈ１よりも、上流側から二番目の空間１００Ｂの高さ寸法Ｈ２が小さければ、これに限定されない。例えば、上流側から二番目の空間１００Ｂの高さ寸法Ｈ２と、上流側から三番目以降の（凹所１４と凹所４１との間の）空間の高さ寸法とを同じ寸法としてもよい。

　（３）上記第３実施形態においても、第２実施形態と同様に、凹所１４Ａ及び凹所１４Ｂの少なくとも一方に軸方向凹所を設けても良い。

［４．その他］
　（１）上記各実施形態では、各チップシュラウド４に対し、シールフィン６を３個設け、ケーシング凹所１４をシールフィン６の各相互間に計２個設けたが、一つのチップシュラウド４に対して設けるシールフィン６の個数及びケーシング凹所１４の個数はこれらの個数に限定されない。一つのチップシュラウド４に対してケーシング凹所１４を３個以上設ける場合は、下流側になるほどケーシング凹所１４の深さ寸法を短くするのが好ましいが、最上流側のケーシング凹所１４Ａの深さ寸法Ｌ１よりも、上流側から二番目のケーシング凹所１４Ｂの深さ寸法Ｌ２が小さければ、これに限定されない。例えば、上流側から二番目のケーシング凹所１４の深さ寸法と、上流側から三番目以降のケーシング凹所１４の深さ寸法とを同じ寸法としてもよい。

　（２）上記各実施形態の蒸気タービンでは、各チップシュラウド４に対し本発明のシール構造を適用したが、一部の（少なくとも一つの）チップシュラウド４に対し本発明のシール構造を適用するだけでもよい。
　一部のチップシュラウド４に本発明のシール構造を適用する場合には、静圧の不均一性が最大となることから、蒸気Ｓの入口である主流入口２１に最も近い（換言すれば最も高圧側）のチップシュラウド４Ａ（図１参照）に本発明のシール構造を適用するのが好ましい。
　または、ロータ軸３０の一次モードでの不安定振動が発生した場合、振幅は、軸方向Ａで中央において最大になるので、軸方向Ａで中央のチップシュラウド４Ｂ（図１参照）に本発明のシール構造を適用するのが好ましい。
　蒸気タービンが、軸方向Ａで中央から蒸気が供給される場合には、軸方向Ａで中央のチップシュラウドが主流入口２１に最も近いチップシュラウドになるので、この軸方向Ａで中央且つ主流入口２１に最も近いチップシュラウドに本発明のシール構造を適用すると相乗的な効果が得られる。

　（３）上記実施形態では、蒸気タービンに本発明を適用した例を説明したが、本発明は、ガスタービンやターボ圧縮機など、蒸気タービン以外のターボ機械のシールにも適用することができる。

　１　蒸気タービン（ターボ機械）
　２，２Ａ，２Ｂ　シール構造
　４　チップシュラウド（回転構造体）
　４Ａ　最も上流側に配置されたチップシュラウド
　４Ｂ　リーク蒸気ＳＬの流れ方向で中央に配置されたチップシュラウド
　６,６Ａ,６Ｂ，６Ｃ　シールフィン
　１０　タービンケーシング（静止構造体）
　１２　キャビティ
　１３　キャビティ底面（内周面）
　１４　ケーシング凹所（静止側凹所）
　１４Ａ　ケーシング凹所（第１静止側凹所）
　１４Ｂ　ケーシング凹所（第２静止側凹所）
　１４Ａ′，１４Ｂ′　軸方向凹所
　１４ａ，１４ｂ　凹所１４，１４Ａ，１４Ｂを画成する側面
　１４ｃ　凹所１４，１４Ａ，１４Ｂを画成する底面
　１４ｄ，１４ｆ　軸方向凹所１４Ａ′，１４Ｂ′を画成する底面
　１４ｅ　軸方向凹所１４Ａ′，１４Ｂ′を画成する側面
　２０　蒸気供給管
　２１　主流入口
　３０　ロータ軸
　３１　ロータ軸本体
　５０　動翼
　４１　シュラウド凹所
　４１Ａ　シュラウド凹所（第１回転側凹所）
　４１Ｂ　シュラウド凹所（第２回転側凹所）
　４２　シュラウド４の外周面
　６０　静翼
　１００，１００Ａ，１００Ｂ　ケーシング凹所１４とシュラウド凹所４１との相互間の空間
　Ａ　軸方向
　Ｂ１　シールフィン６Ａ，６Ｂの軸方向Ａに関するピッチ
　Ｄ１，Ｄ２　最大寸法
　Ｂ２　シールフィン６Ｂ，６Ｃの軸方向Ａに関するピッチ
　ＣＬ　ロータ軸心線（軸心線）
　Ｇｄ　隙間
　Ｌ１　凹所１４Ａの深さ寸法
　Ｌ２　凹所１４Ｂの深さ寸法
　Ｒ　径方向
　Ｓ　蒸気（作動流体）
　ＳＬ　リーク蒸気（リーク流）
　ΔＢ　シールフィン６と凹所１４との距離

Claims (16)

1. 　軸心線周りに所定方向に回転する回転構造体と、前記回転構造体の外周側に隙間を空けて径方向に対向する静止構造体との間の前記隙間から、作動流体のリーク流の流れを抑制する、シール構造であって、
   　前記静止構造体には、前記回転構造体を収容するキャビティが備えられると共に、
   　前記キャビティの内周面には、前記軸心線側に向かって延在するシールフィンが設けられると共に、静止側凹所が前記リーク流の流れ方向に沿って複数設けられ、
   　前記流れ方向で最上流側の第１静止側凹所よりも、前記流れ方向で前記第１静止側凹所の直下流側に配置された第２静止側凹所のほうが、深さ寸法を小さく設定された
   ことを特徴とするシール構造。
2. 　前記静止構造体はタービンケーシングであり、
   　前記回転構造体は、軸方向に沿って複数設置され、動翼の先端に取り付けられたチップシュラウドであって、
   　前記シールフィンは、前記チップシュラウドに対して前記径方向に対向して配置されたことを特徴とする、請求項１に記載のシール構造。
3. 　前記静止側凹所が前記流れ方向に沿って３つ以上備えられ、前記深さ寸法が、前記流れ方向で下流側になるほど小さく設定された
   ことを特徴とする、請求項１又は２に記載のシール構造。
4. 　前記シールフィンが前記流れ方向に沿って複数設けられ、
   　前記流れ方向で最上流側の第１シールフィンと、前記流れ方向で前記第１シールフィンの直下流側に配置された第２シールフィンとの相互間に、前記第１静止側凹所が設けられた
   ことを特徴とする請求項１～３の何れか一項に記載のシール構造。
5. 　前記第１静止側凹所の前記深さ寸法は、前記第１シールフィンと前記第２シールフィンとの間のピッチの２倍よりも大きく設定された
   ことを特徴とする請求項４に記載のシール構造。
6. 　前記シールフィンの相互間のピッチは互いに同一に設定された
   ことを特徴とする請求項１～５の何れか一項に記載のシール構造。
7. 　前記シールフィンの少なくとも１つは、隣接する前記静止側凹所から軸方向に所定の距離をあけて設けられた
   ことを特徴とする請求項１～６の何れか一項に記載のシール構造。
8. 　前記第１静止側凹所と前記第２静止側凹所との少なくとも一方が、前記径方向に延設された
   ことを特徴とする請求項１～７の何れか一項に記載のシール構造。
9. 　前記静止側凹所の少なくとも一つに、軸方向に延設された軸方向凹所が連設された
   ことを特徴とする請求項１～８の何れか一項に記載のシール構造。
10. 　前記静止側凹所は、前記シールフィンの相互間に設けられ、
    　前記軸方向に関する寸法であって前記静止側凹所と前記軸方向凹所とのトータルの寸法が、前記シールフィンの相互間のピッチよりも大きく設定された
    ことを特徴とする請求項９に記載のシール構造。
11. 　前記静止側凹所に対向して前記回転構造体に回転側凹所が設けられ、
    　前記回転側凹所として、少なくとも、前記第１静止側凹所に対向して設けられた第１回転側凹所、又は、前記第２静止側凹所に対向して設けられた第２回転側凹所が設けられたことを特徴とする請求項１～請求項１０の何れか一項に記載のシール構造。
12. 　前記回転構造体に前記第１回転側凹所及び前記第２回転側凹所が設けられ、
    　前記第１静止側凹所の底面と前記第１回転側凹所の底面との距離よりも、前記第２静止側凹所の底面と前記第２回転側凹所の底面との距離のほうが短く設定された
    ことを特徴とする請求項１１に記載のシール構造。
13. 　軸心線周りに所定方向に回転する回転構造体と、前記回転構造体の外周側に隙間を空けて径方向に対向する静止構造体と、請求項１～１２の何れか一項に記載のシール構造を備えた
    ことを特徴とする、ターボ機械。
14. 　前記回転構造体として、前記軸方向に複数設けられたチップシュラウドを備えると共に、前記静止構造体として、前記複数のチップシュラウドを囲うタービンケーシングを備え、
    　前記複数のチップシュラウドの内の、少なくとも一つのチップシュラウドに対し、前記シール構造を備えたタービンであることを特徴とする、請求項１３に記載のターボ機械。
15. 　前記少なくとも一つのチップシュラウドが、前記作動流体の入口の最も近くに配置されたチップシュラウドである
    ことを特徴とする、請求項１４に記載のターボ機械。
16. 　前記少なくとも一つのチップシュラウドが、軸方向中央に配置されたチップシュラウドである
    ことを特徴とする、請求項１４又は請求項１５に記載のターボ機械。
    
     

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