JP2019100204A - タービン、動翼 - Google Patents

Abstract

【課題】スワール成分をさらに低減することで、軸振動を抑制することが可能なタービンを提供する。【解決手段】軸線回りに回転する回転軸１と、回転軸１から径方向外側に向かって延びる翼本体２２、および翼本体２２の先端に設けられたシュラウド２３を有する動翼2と、回転軸１及び動翼２を外周側から囲うケーシング３と、ケーシング３の内面に設けられて、シュラウド２３の外周面２３２に対向するシール部４と、を備え、シュラウドの外周面２３２が、シール部４が対向するシール対向領域Ａ１よりも上流側からシール対向領域Ａ１内にわたって配置されて、上流側から下流側に向かうに従って回転軸１の回転方向後方側に向かって延びる複数の溝部６０が形成された溝形成領域Ａ２と、軸線を中心とした円筒面状をなす平滑領域Ａ３と、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、タービン、動翼に関する。

蒸気タービンは、軸線回りに回転するロータと、ロータに取り付けられた複数の動翼と、ロータ及び動翼を外側から覆うケーシングと、ケーシングの内面に取り付けられた複数の静翼と、を備えている。軸線方向の一方側から高温高圧の蒸気が流入することで、動翼にエネルギーが付加され、回転軸は回転する。この回転エネルギーによって、蒸気タービンに接続された発電機等が駆動される。

ここで、上記のような蒸気タービンでは、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は、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。加えて、クリアランスを流通する蒸気は、スワール成分（周方向の速度成分）を含んでいる。このようなスワール成分によって、クリアランス内部における圧力分布が不均一化になり、その結果としてロータに振動を生じる可能性がある。したがって、スワール成分を低減することが可能な技術が望まれている。

このような技術の一例として、例えば下記特許文献１に記載された装置が知られている。特許文献１には、シュラウドカバーの上流側端部に、旋回流（スワール流れ）を遮る旋回防止板を設ける構成が記載されている。

特許第５１４７８８５号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された構成では、シュラウドカバーの上流側におけるスワール成分は低減できるものの、シュラウドカバーの外周面とケーシングの内周面との間のクリアランスには依然として蒸気の漏れ流れが流れ込んでしまう。その結果、この漏れ流れが再びスワール流れを形成してしまう可能性がある。即ち、上記特許文献１に記載された装置には改善の余地がある。

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、スワール成分をさらに低減することで、軸振動を抑制することが可能なタービン、動翼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、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向かって延びる翼本体、および該翼本体の先端に設けられたシュラウドを有する動翼と、前記回転軸及び前記動翼を外周側から囲うケーシングと、前記ケーシングの内面に設けられて、前記シュラウドの外周面に対向するシール部と、を備え、前記シュラウドの外周面が、前記シール部が対向するシール対向領域よりも上流側から該シール対向領域内にわたって配置されて、上流側から下流側に向かうに従って前記回転軸の回転方向後方側に向かって延びる複数の溝部が形成された溝形成領域と、前記シール対向領域における前記溝形成領域の下流側に配置され、前記軸線を中心とした円筒面状をなす平滑領域と、を有する。

この構成によれば、溝形成領域に形成された溝部によって、上流側から流れてきた流体を転向することができる。ここで、上流側から流れてくる流体は、上流側から下流側に向かうに従って、回転軸の回転方向前方側から後方側に向かうスワール成分を含んでいる。一方で、溝部は、上流側から下流側に向かうに従って、回転軸の回転方前方側から後方側に向かって延びている。このため、溝部内に流れ込んだスワール成分は当該溝部に案内されることで転向される。これにより、スワール成分が低減され、シュラウドの外周面における圧力分布の偏りを低減することができる。

さらに、溝形成領域の下流側には、平滑領域が形成されている。これにより、当該平滑領域におけるシュラウドの外周面とシール部との間のクリアランスを小さくすることができる。したがって、当該クリアランスを通じた軸線方向における流体の流れを低減することができる。したがって、タービンの性能を向上させることができる。

本発明の第二の態様によれば、前記溝部の深さは、前記シール部と前記シュラウドの外周面との間の離間寸法よりも大きくてもよい。

この構成によれば、溝部の深さが、シール部とシュラウドの外周面との間の離間寸法よりも大きいことから、上流側から流れてきた流体の大部分は、シール部とシュラウドの外周面との間ではなく、溝部に流れ込む。これにより、漏れ流れを低減するとともに、溝部によって効率的にスワール成分を低減することができる。

本発明の第三の態様によれば、前記溝部の深さは、上流側から下流側に向かうに従って次第に小さくなってもよい。

この構成によれば、溝部の深さが、上流側から下流側に向かうに従って次第に小さくなる。即ち、上流側では溝部内に流れ込んだスワール成分は当該溝部に案内されることで転向されるためスワール成分の低減が期待でき、溝部の下流側では溝部の深さが一定である場合に比べて溝部の深さが浅くなるため、流体が溝部を経由した漏れ流れを低減することができる。これにより、タービンの性能をさらに向上させることができる。

本発明の第四の態様によれば、前記シール部は、前記ケーシングの内面から前記シュラウドの外周面に向かって延びるとともに、前記軸線方向に間隔をあけて配列された複数のシールフィンであってもよい。

この構成によれば、シールフィンを用いることによって、シール部としてのシール性能を向上させることができる。特に、複数のシールフィンが軸線方向に間隔をあけて配列されていることから、軸線方向における流体の漏れ流れをさらに低減することができる。

本発明の第五の態様によれば、前記シール部は、前記ケーシングの内面に設けられ、前記軸線に対する径方向に延びる複数の孔部が形成されたハニカムシールであってもよい。

この構成によれば、ハニカムシールを用いることによって、シール部としてのシール性能を向上させることができる。特に、ハニカムシールに形成された複数の孔部によって効率的に流体を捕捉することができるため、軸線方向における流体の漏れ流れをさらに低減することができる。

本発明の第六の態様によれば、タービンは、前記シール対向領域における前記平滑領域の下流側に配置され、上流側から下流側に向かうに従って前記回転軸の回転方向後方側に向かって延びる複数の誘導溝部が形成された誘導溝形成領域を有してもよい。

この構成によれば、平滑領域の下流側に、誘導溝形成領域が形成されている。これにより、平滑領域を通じて上流側から流れてきた流体を転向することができる。特に、誘導溝部は、上流側から下流側に向かうに従って回転軸の回転方向前方側から後方側に向かって延びている。したがって、誘導溝部を通過した流体は、翼本体側を流れる流体の流れに沿って流れることになる。これにより、動翼の出口付近における混合損失を低減することができる。

本発明の第七の態様によれば、前記誘導溝部の深さは、上流側から下流側に向かうに従って次第に大きくなってもよい。

この構成によれば、誘導溝部の深さが、上流側から下流側に向かうに従って次第に大きくなる。即ち、溝部の深さが一定である場合に比べて、流体が誘導溝部内に滞留する可能性を低減することができる。これにより、タービンの性能をさらに向上させることができる。

本発明の第八の態様によれば、前記軸線に対する径方向から見て、前記誘導溝部が前記軸線に対してなす角度は、前記溝部が前記軸線に対してなす角度と異なっていてもよい。

この構成によれば、翼本体の形状や、スワール流れの方向に応じて、溝部及び誘導溝部が軸線に対してなす角度を適切に設定することができる。これにより、スワール流れを効率的に低減することができる。

本発明の第九の態様によれば、前記シール部は、前記ケーシングの内面のうち、前記溝形成領域及び前記平滑領域に対向する領域に設けられたハニカムシールと、前記誘導溝形成領域に対向する領域に設けられたシールフィンを有してもよい。

この構成によれば、ケーシングの内面のうち、溝形成領域及び平滑領域に対向する領域にはハニカムシールが設けられ、誘導溝形成領域に対向する領域にはシールフィンが設けられている。これにより、溝形成領域及び平滑領域に対向する領域では、スワール流れを効率的に低減することができる。一方で、誘導溝形成領域に対向する領域では、上流側の溝部によって転向されることで、当初のスワール流れとは異なる方向に流れる周方向流れが生じている。誘導溝形成領域に対向する領域では、ハニカムシールではなく、シールフィンが設けられていることから、この周方向流れは、抑止されることなく、動翼の出口に向かって流れる。これにより、動翼の出口付近における混合損失を積極的に低減することができる。

本発明の第十の態様によれば、タービンは、前記平滑領域に設けられ、前記軸線に対する周方向に延びるとともに、該平滑領域から前記ハニカムシールに向かって突出するレール部を有してもよい。

この構成によれば、レール部がハニカムシールに向かって突出していることから、シュラウドの外周面とハニカムシールとの隙間をさらに小さくすることができる。これにより、軸線方向の漏れ流れをさらに低減することができる。

本発明の第十一の態様によれば、動翼は、軸線回りに回転する回転機械の回転軸に取り付けられる動翼であって、該動翼は、翼本体、および該翼本体の先端に設けられたシュラウドを有し、前記シュラウドの外周面が、前記軸線方向一方側から他方側に向かうに従って前記回転軸の回転方向後方側に向かって延びる複数の溝部が形成された溝形成領域と、前記溝形成領域の前記軸線方向他方側に配置され、前記軸線を中心とした円筒面状をなす平滑領域と、を有する。

この構成によれば、溝形成領域に形成された溝部によって、軸線方向一方側から流れてきた流体を転向することができる。ここで、軸線方向一方側から流れてくる流体は、一方側から他方側に向かうに従って、回転軸の回転方向前方側から後方側に向かうスワール成分を含んでいる。一方で、溝部は、軸線方向一方側から他方側に向かうに従って、回転軸の回転方前方側から後方側に向かって延びている。このため、溝部内に流れ込んだスワール成分は当該溝部に案内されることで転向される。これにより、スワール成分が低減され、シュラウドの外周面における圧力分布の偏りを低減することができる。

本発明の第十二の態様によれば、前記溝部の深さは、前記軸線方向一方側から他方側に向かうに従って次第に小さくなってもよい。

この構成によれば、溝部の深さが、軸線方向一方側から他方側に向かうに従って次第に小さくなる。即ち、溝部の深さが一定である場合に比べて、流体が溝部内に滞留する可能性を低減することができる。これにより、タービンの性能をさらに向上させることができる。

本発明の第十三の態様によれば、前記平滑領域の前記軸線方向他方側に配置され、前記軸線方向一方側から他方側に向かうに従って前記回転軸の回転方向後方側に向かって延びる複数の誘導溝部が形成された誘導溝形成領域を有してもよい。

この構成によれば、平滑領域の軸線方向他方側に、誘導溝形成領域が形成されている。これにより、平滑領域を通じて軸線方向一方側から流れてきた流体を転向することができる。特に、誘導溝部は、軸線方向一方側から他方側に向かうに従って回転軸の回転方向前方側から後方側に向かって延びている。したがって、誘導溝部を通過した流体は、翼本体側を流れる流体の流れに沿って流れることになる。これにより、動翼の出口付近における混合損失を低減することができる。

本発明の第十四の態様によれば、前記誘導溝部の深さは、前記軸線方向一方側から他方側に向かうに従って次第に大きくなってもよい。

この構成によれば、誘導溝部の深さが、軸線方向一方側から他方側に向かうに従って次第に大きくなる。即ち、溝部の深さが一定である場合に比べて、流体が誘導溝部内に滞留する可能性を低減することができる。これにより、タービンの性能をさらに向上させることができる。

本発明の第十五の態様によれば、前記軸線に対する径方向から見て、前記誘導溝部が前記軸線に対してなす角度は、前記溝部が前記軸線に対してなす角度と異なっていてもよい。

この構成によれば、翼本体の形状や、スワール流れの方向に応じて、溝部及び誘導溝部が軸線に対してなす角度を適切に設定することができる。これにより、スワール流れを効率的に低減することができる。

本発明によれば、スワール成分をさらに低減することで、軸振動を抑制することが可能なタービン、動翼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。 本発明の第一実施形態に係るシュラウドを径方向外側から見た図である。 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。 本発明の第二実施形態に係るシュラウドを径方向外側から見た図である。 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。 本発明の第三実施形態に係るシュラウドを径方向外側から見た図である。 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。 本発明の各実施形態に係る蒸気タービンの変形例を示す要部拡大図である。

［第一実施形態］
本発明の第一実施形態について、図１から図３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１００（タービン）は、軸線Ｏ回りに回転する回転軸１と、回転軸１に取り付けられた複数の動翼２と、回転軸１及び動翼２を外周側から覆うケーシング３と、ケーシング３の内周面（内面）に設けられたシール部４（図２参照）と、を備えている。

回転軸１は、軸線Ｏに沿って延びる円柱状をなしている。回転軸１の軸線Ｏ方向における全領域のうち、ケーシング３で覆われる部分は、他の部分に比べて径寸法が大きい。回転軸１の軸端は、ジャーナル軸受５、及びスラスト軸受６によって支持されている。ジャーナル軸受５は、回転軸１における軸線Ｏに対する径方向への荷重を支持する。ジャーナル軸受５は、回転軸１の両端部に１つずつ設けられている。スラスト軸受６は、回転軸１における軸線Ｏ方向への荷重を支持する。スラスト軸受６は、回転軸１の軸線Ｏ方向一方側に１つのみ設けられている。

回転軸１の外周面上には、軸線Ｏ方向に間隔をあけて、複数の動翼列２０が設けられている。各動翼列２０は、軸線Ｏに対する周方向に配列された複数の動翼２を有している。動翼２は、回転軸１の外周面に設けられたプラットフォーム２１から径方向外側に向かって突出している。動翼２は、翼型の断面形状を有する翼本体２２と、翼本体２２の先端（径方向外側の端部）に取り付けられた動翼シュラウド２３（シュラウド）と、を有している。

ケーシング３は、軸線Ｏを中心とする略筒状をなしている。ケーシング３の軸線Ｏ方向一方側の端部には、外部から供給された作動流体（蒸気Ｓ）を取り込む蒸気供給管３１が設けられている。ケーシング３の軸線Ｏ方向他方側の端部には、蒸気Ｓを排出する蒸気排出管３２が設けられている。以降の説明では、蒸気排出管３２から見て蒸気供給管３１が位置する側を上流側と呼び、蒸気供給管３１から見て蒸気排出管３２が位置する側を下流側と呼ぶ。

ケーシング３の内周面には、軸線Ｏ方向に間隔をあけて、複数の静翼列３３が設けられている。上述の動翼列２０と静翼列３３は、軸線Ｏ方向に交互に配列されている。言い換えると、各動翼列２０は、互いに隣接する一対の静翼列３３同士の間に入り込むようにして配置されている。各静翼列３３は、軸線Ｏに対する周方向に配列された複数の静翼３４を有している。各静翼３４は、動翼２とは異なる方向に延びる翼型断面を有している。静翼３４の径方向内側の端部には、静翼シュラウド３５が設けられている。

ケーシング３の内部において、静翼３４と動翼２が配列された領域は、蒸気Ｓが流通する主流路Ｆ１を形成する。さらに、ケーシング３の内周面と動翼シュラウド２３との間には空間が形成されており、この空間はキャビティ５０とされている。蒸気Ｓは、上流側の蒸気供給管３１を介して、上述のように構成された蒸気タービン１００に供給される。その後、回転軸１の回転に伴って静翼３４と動翼２の列を通過し、やがて下流側の蒸気排出管３２を通じて後続の装置（不図示）に向かって排出される。ここで、静翼３４と動翼２の列を通過する際、前述のキャビティ５０にも蒸気Ｓは流入する。

シール部４は、キャビティ５０に流入する蒸気の流れを低減するために設けられる。図２に示すように、本実施形態に係るシール部４は、ケーシング３の内周面から径方向内側に向かって突出する複数のシールフィン４１である。シールフィン４１は板面が軸線Ｏ方向を向く板状をなしている。キャビティ５０内には、軸線Ｏ方向に間隔をあけて複数のシールフィン４１が配列されている。各シールフィン４１は、動翼シュラウド２３の外周面に、わずかな隙間（クリアランス）をあけて対向している。動翼シュラウド２３の外周面のうち、シールフィン４１と対向する領域は、シール対向領域Ａ１とされている。

次に、本実施形態に係る動翼２の詳細な構成について、図２と図３を参照して説明する。図２に示すように、動翼２の翼本体２２は、回転軸１の外周面上に設けられたプラットフォーム２１によって支持されている。翼本体２２は、上述の主流路Ｆ１上に露出している。図３に示すように、翼本体２２は、径方向から見て翼型の断面形状を有している。翼本体２２は、径方向外側から見て、回転軸１の回転方向Ｒ前方側に向かって突出するように曲面状に湾曲している。より詳細には、翼本体２２の上流側（前縁２Ｌ側）の端部を含む部分は、上流側から下流側に向かうに従って、回転軸１の回転方向Ｒ後方側から前方側に向かって延びている。一方で、翼本体２２の下流側（後縁２Ｔ側）の端部を含む部分は、上流側から下流側に向かうに従って、回転軸１の回転方向Ｒ前方側から後方側に向かって延びている。

動翼シュラウド２３は、翼本体２２の径方向外側の端部に取り付けられている。動翼シュラウド２３は、径方向外側から見て、例えば平行四辺形状をなしている。動翼シュラウド２３は、上述のキャビティ５０内に収容されている。キャビティ５０は、軸線Ｏに対する周方向から見て、略矩形の断面形状を有している。キャビティ５０内における上流側の面（キャビティ上流面５１）は、動翼シュラウド２３における上流側の面（シュラウド上流面２３１）と軸線Ｏ方向に隙間をあけて対向している。キャビティ５０内における径方向外側の面（キャビティ底面５２）は、上述のシールフィン４１を介して、動翼シュラウド２３の外周面（シュラウド外周面２３２）に対向している。キャビティ５０内における下流側の面（キャビティ下流面５３）は、動翼シュラウド２３における下流側の面（シュラウド下流面２３３）と隙間をあけて対向している。

シュラウド外周面２３２は、上流側から下流側に向かって順に配置された溝形成領域Ａ２、平滑領域Ａ３を有している。図３に示すように、溝形成領域Ａ２には、複数の溝部６０が形成されている。複数の溝部６０は、溝部６０自身の延びる方向に直交する方向に間隔をあけて配列されている。溝形成領域Ａ２は、シュラウド外周面２３２の上流端から当該シール対向領域Ａ１内にわたって配置されている。図３では、溝形成領域Ａ２の軸線Ｏ方向における寸法は、平滑領域Ａ３の軸線Ｏ方向における寸法よりも小さく図示しているが、平滑領域Ａ３の軸線Ｏ方向より大きくても良い。

各溝部６０は、例えば、シュラウド外周面２３２から径方向内側に向かって凹む角溝である。溝形状は角溝である必要はなく、Ｕ字溝やＶ字溝でも同様の効果は得られる。各溝部６０は、上流側から下流側に向かうに従って、回転軸１の回転方向Ｒ前方側から後方側に向かって直線状に延びている。なお、溝部６０が軸線Ｏに対してなす角度は、実際に形成されるスワール流れ（後述）の流れ方向に応じて、９０°から１８０°までの範囲内で適宜設定される。本実施形態では、溝部６０の深さ（軸線Ｏに対する径方向における溝部６０の寸法）は、上流側から下流側にかけて一定とされている。また、溝部６０の深さは、シールフィン４１の先端（径方向内側の端部）とシュラウド外周面２３２との間の離間寸法よりも大きい。

溝形成領域Ａ２の下流側には、平滑領域Ａ３が形成されている。平滑領域Ａ３は、軸線Ｏを中心とする円筒面状をなしている。平滑領域Ａ３上には、突起や段差等が形成されていない。平滑領域Ａ３は、上述のシールフィン４１に隙間をあけて対向することで、シール対向領域Ａ１の一部をなしている。

次に、本実施形態に係る蒸気タービン１００の動作について説明する。蒸気タービン１００を駆動するに当たっては、まず外部の蒸気供給源（不図示）から、上述の蒸気供給管３１を通じて蒸気Ｓがケーシング３内に供給される。ケーシング３内に供給された蒸気Ｓは、主流路Ｆ１を通過する間に、動翼２と静翼３４に交互に衝突することで、回転軸１を回転させる。回転軸１の回転エネルギーは、軸端に接続された発電機等（不図示）によって取り出される。

ここで、ケーシング３内に流入した蒸気Ｓの一部は、主流路Ｆ１ではなく、キャビティ５０内に流入する。以下では、主流路Ｆ１に流入する蒸気を主流Ｓ１と呼び、キャビティ５０内に流入する蒸気を副流Ｓ２と呼ぶ。キャビティ５０内に流入した副流Ｓ２は、回転軸１の回転に伴うスワール成分（周方向速度成分）を含んでいる。具体的には、副流Ｓ２は、上流側から下流側に向かうに従って、回転軸１の回転方向Ｒ後方側から前方側に向かって流れる。このようなスワール成分が卓越した場合、ケーシング３内における周方向の圧力分布に偏りが生じてしまう。圧力分布の偏りによって、回転軸１に振動を生じる場合がある。

しかしながら、本実施形態では、動翼シュラウド２３に溝形成領域Ａ２が形成されている。溝形成領域Ａ２の溝部６０は、上述のように、上流側から下流側に向かうに従って回転方向Ｒ前方側から後方側に向かって延びている。即ち、溝部６０は、上記の副流Ｓ２におけるスワール成分を打ち消す方向に延びている。したがって、溝部６０に流入することで副流Ｓ２は転向し、上流側から下流側に向かうに従って回転方向Ｒ前方側から後方側に向かって流れる。これにより、スワール成分が低減され、回転軸１に振動が生じる可能性が低減される。さらに、溝部６０を通過することで転向した副流Ｓ２は、下流側の平滑領域Ａ３に向かう。平滑領域Ａ３は、複数のシールフィン４１に対向している。したがって、副流Ｓ２は、シールフィン４１によってせき止められる。これにより、副流Ｓ２の流量自体が低減され、蒸気タービン１００の性能を向上させることができる。

以上、説明したように、上記の構成によれば、溝形成領域Ａ２に形成された溝部６０によって、上流側から流れてきた流体を転向することができる。ここで、上流側から流れてくる流体は、上流側から下流側に向かうに従って、回転軸１の回転方向Ｒ前方側から後方側に向かうスワール成分を含んでいる。一方で、溝部６０は、上流側から下流側に向かうに従って、回転軸１の回転方前方側から後方側に向かって延びている。このため、溝部６０内に流れ込んだスワール成分は当該溝部６０に案内されることで転向される。これにより、スワール成分が低減され、シュラウド外周面２３２における圧力分布の偏りを低減することができる。

さらに、溝形成領域Ａ２の下流側には、平滑領域Ａ３が形成されている。これにより、当該平滑領域Ａ３におけるシュラウド外周面２３２とシール部４との間のクリアランスを小さくすることができる。したがって、当該クリアランスを通じた軸線Ｏ方向における流体の流れを低減することができる。したがって、タービンの性能を向上させることができる。

加えて、上記の構成によれば、溝部６０の深さが、シール部４とシュラウド外周面２３２との間の離間寸法よりも大きいことから、上流側から流れてきた流体の大部分は、シール部４とシュラウド外周面２３２との間ではなく、溝部６０に流れ込む。これにより、漏れ流れを低減するとともに、溝部６０によって効率的にスワール成分を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、シールフィン４１を用いることによって、シール部４としてのシール性能を向上させることができる。特に、複数のシールフィン４１が軸線Ｏ方向に間隔をあけて配列されていることから、軸線Ｏ方向における蒸気の副流Ｓ２をさらに低減することができる。

以上、本発明の第一実施形態について図面を参照して説明した。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。

［第二実施形態］
続いて、本発明の第二実施形態について、図４と図５を参照して説明する。なお、上記の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。図４に示すように、本実施形態では、シール部４として、上記のシールフィン４１に代えて、ハニカムシール４２が設けられている。ハニカムシール４２は、キャビティ底面５２に沿って配置されている。ハニカムシール４２は、軸線Ｏに対する径方向に延びる複数の孔部が形成された多孔質の部材である。ハニカムシール４２は、例えばセラミック等のように被削性が比較的に良好な材料で一体に形成されている。

さらに、本実施形態では、シュラウド外周面２３２における平滑領域Ａ３上に、当該平滑領域Ａ３からハニカムシール４２に向かって突出するレール部７０が設けられている。レール部７０は、軸線Ｏに対する周方向から見て略矩形の断面形状を有している。図５に示すように、レール部７０は、軸線Ｏに対する周方向に延びている。レール部７０は、シュラウド外周面２３２上において、軸線Ｏ方向の略中央部に設けられている。レール部７０の径方向外側の面（レール部外周面７１）は、蒸気タービン１００を組み立てた直後の状態において、ハニカムシール４２の径方向内側の面（シール内周面４２１）に対して隙間なく対向している。蒸気タービン１００を駆動すると、レール部外周面７１とシール内周面４２１とが互いにこすれ、シール内周面４２１がわずかに削られる。即ち、レール部外周面７１とシール内周面４２１との間には、動翼シュラウド２３（回転軸１）の回転を妨げない限りにおいて最小限の隙間が形成される。

上記の構成によれば、ハニカムシール４２を用いることによって、シール部４としてのシール性能を向上させることができる。特に、ハニカムシール４２に形成された複数の孔部によって効率的に副流Ｓ２を捕捉することができるため、軸線Ｏ方向における蒸気の漏れ流れをさらに低減することができる。

さらに、上記の構成によれば、レール部７０がハニカムシール４２に向かって突出していることから、シュラウドの外周面とハニカムシール４２との隙間をさらに小さくすることができる。これにより、軸線Ｏ方向の漏れ流れ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図面を参照して説明した。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。

［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態について、図６と図７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。図６に示すように、本実施形態では、上述の平滑領域Ａ３の下流側に、誘導溝形成領域Ａ４が設けられている。誘導溝形成領域Ａ４には、複数の誘導溝部８０が形成されている。

各誘導溝部８０は、シュラウド外周面２３２から径方向内側に向かって凹む角溝である。溝形状は角溝である必要はなく、Ｕ字溝やＶ字溝でも同様の効果は得られる。図７に示すように、各誘導溝部８０は、上流側から下流側に向かうに従って、回転軸１の回転方向Ｒ前方側から後方側に向かって直線状に延びている。なお、誘導溝部８０が軸線Ｏに対してなす角度は、上述した翼本体２２の出口角度（即ち、翼本体２２の後縁２Ｔが軸線Ｏに対してなす角度）に応じて、９０°から１８０°までの範囲内で適宜設定される。言い換えると、誘導溝部８０が軸線Ｏに対してなす角度は、翼本体２２の出口角度に略等しく、後続の静翼列３３の入口角度に略等しい。特に、誘導溝部８０が軸線Ｏに対してなす角度は、溝部６０が軸線Ｏに対してなす角度と異なっていてもよい。

本実施形態では、誘導溝部８０の深さ（軸線Ｏに対する径方向における溝部６０の寸法）は、上流側から下流側にかけて一定とされている。また、誘導溝部８０の深さは、シールフィン４１の先端（径方向内側の端部）とシュラウド外周面２３２との間の離間寸法よりも大きい。

上記の構成では、平滑領域Ａ３に沿って上流側から下流側に流れてきた副流Ｓ２を、誘導溝部８０の延びる方向に応じて転向することができる。具体的には、副流Ｓ２の流れ方向は、翼本体２２の出口角度に略等しくなるとともに、後続の静翼列３３の入口角度に略等しくなる。即ち、副流Ｓ２は、翼本体２２側を流れる蒸気の流れ（主流Ｓ１）と略同一の方向に転向される。

このように、上記の構成によれば、平滑領域Ａ３の下流側に、誘導溝形成領域Ａ４が形成されている。これにより、平滑領域Ａ３を通じて上流側から流れてきた流体を転向することができる。特に、誘導溝部８０は、上流側から下流側に向かうに従って回転軸１の回転方向Ｒ前方側から後方側に向かって延びている。したがって、誘導溝部８０を通過した流体は、翼本体２２側を流れる蒸気の流れ（主流Ｓ１）に沿って流れることになる。これにより、動翼２の出口付近における混合損失を低減することができる。

さらに、上記の構成によれば、翼本体２２の形状や、スワール流れの方向に応じて、溝部６０及び誘導溝部８０が軸線Ｏに対してなす角度を適切に設定することができる。これにより、スワール流れを効率的に低減することができる。

以上、本発明の第三実施形態について図面を参照して説明した。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。

［第四実施形態］
次に、本発明の第四実施形態について、図８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。図８に示すように、本実施形態では、平滑領域Ａ３上に、上述のレール部７０が設けられ、平滑領域Ａ３の下流側には、誘導溝形成部が設けられている。さらに、溝形成領域Ａ２と平滑領域Ａ３に対向するキャビティ底面５２上には、上述のハニカムシール４２が設けられている。一方で、誘導溝形成領域Ａ４に対向するキャビティ底面５２上には、シールフィン４１が設けられている。

この構成によれば、溝形成領域Ａ２及び平滑領域Ａ３に対向する領域では、溝部６０によって副流Ｓ２を転向することで、スワール流れを効率的に低減することができる。一方で、誘導溝形成領域Ａ４に対向する領域では、上流側の溝部６０によって転向されることで、当初のスワール流れとは異なる方向に流れる周方向流れが生じている。誘導溝形成領域Ａ４に対向する領域では、ハニカムシール４２ではなく、シールフィン４１が設けられていることから、この周方向流れは、動翼２の出口に向かって流れる。これにより、動翼２の出口付近における混合損失を積極的に低減することができる。

以上、本発明の各実施形態について図面を参照して説明した。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、上記の各実施形態では、溝部６０、及び誘導溝部８０が、軸線Ｏ方向の全域にわたって一定の深さを有している構成を例に説明した。しかしながら、溝部６０、及び誘導溝部８０の態様は上記に限定されず、図９に示す構成を採ることも可能である。図９の例では、溝部６０の深さが、上流側から下流側に向かうに従って次第に小さくなっている。さらに、誘導溝部８０の深さは、上流側から下流側に向かうに従って次第に大きくなっている。この構成によれば、溝部６０の深さが一定である場合に比べて、流体が溝部６０内、及び誘導溝部８０内に滞留する可能性を低減することができる。これにより、タービンの性能をさらに向上させることができる。

加えて、上記の各実施形態では、蒸気タービン１００の動翼２を例に構成を説明した。しかしながら、本発明の適用対象は蒸気タービン１００に限定されず、ガスタービンのタービン部に適用することも可能である。

なお、上記の溝部６０、及び誘導溝部８０（溝形成領域Ａ２、及び誘導溝形成領域Ａ４）は、回転軸１に設けられた全ての動翼列２０のうち、最も下流側の動翼列２０を除く動翼列２０に適用することが望ましい。副流Ｓ２を転向させるために各動翼２が仕事をすることで各動翼２段の効率がわずかに低下するが、このような構成によれば、最終段の動翼２によって熱落差を回収することができるため、蒸気タービン１００全体としての効率低下を最小限に抑えることができる。

１…回転軸
２…動翼
２Ｌ…前縁
２Ｔ…後縁
３…ケーシング
４…シール部
５…ジャーナル軸受
６…スラスト軸受
２０…動翼列
２１…プラットフォーム
２２…翼本体
２３…動翼シュラウド
３１…蒸気供給管
３２…蒸気排出管
３３…静翼列
３４…静翼
３５…静翼シュラウド
４１…シールフィン
４２…ハニカムシール
５０…キャビティ
５１…キャビティ上流面
５２…キャビティ底面
５３…キャビティ下流面
６０…溝部
７０…レール部
７１…レール部外周面
８０…誘導溝部
１００…蒸気タービン
２３１…シュラウド上流面
２３２…シュラウド外周面
２３３…シュラウド下流面
４２１…シール内周面
Ａ１…シール対向領域
Ａ２…溝形成領域
Ａ３…平滑領域
Ａ４…誘導溝形成領域
Ｆ１…主流路
Ｏ…軸線

Claims (15)

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向かって延びる翼本体、および該翼本体の先端に設けられたシュラウドを有する動翼と、
   前記回転軸及び前記動翼を外周側から囲うケーシングと、
   前記ケーシングの内面に設けられて、前記シュラウドの外周面に対向するシール部と、
   を備え、
   前記シュラウドの外周面が、
   前記シール部が対向するシール対向領域よりも上流側から該シール対向領域内にわたって配置されて、上流側から下流側に向かうに従って前記回転軸の回転方向後方側に向かって延びる複数の溝部が形成された溝形成領域と、
   前記シール対向領域における前記溝形成領域の下流側に配置され、前記軸線を中心とした円筒面状をなす平滑領域と、
   を有するタービン。
2. 前記溝部の深さは、前記シール部と前記シュラウドの外周面との間の離間寸法よりも大きい請求項１に記載のタービン。
3. 前記溝部の深さは、上流側から下流側に向かうに従って次第に小さくなる請求項１又は２に記載のタービン。
4. 前記シール部は、前記ケーシングの内面から前記シュラウドの外周面に向かって延びるとともに、前記軸線方向に間隔をあけて配列された複数のシールフィンである請求項１から３のいずれか一項に記載のタービン。
5. 前記シール部は、前記ケーシングの内面に設けられ、前記軸線に対する径方向に延びる複数の孔部が形成されたハニカムシールである請求項１から３のいずれか一項に記載のタービン。
6. 前記シール対向領域における前記平滑領域の下流側に配置され、上流側から下流側に向かうに従って前記回転軸の回転方向後方側に向かって延びる複数の誘導溝部が形成された誘導溝形成領域を有する請求項１から５のいずれか一項に記載のタービン。
7. 前記誘導溝部の深さは、上流側から下流側に向かうに従って次第に大きくなる請求項６に記載のタービン。
8. 前記軸線に対する径方向から見て、前記誘導溝部が前記軸線に対してなす角度は、前記溝部が前記軸線に対してなす角度と異なっている請求項６又は７に記載のタービン。
9. 前記シール部は、前記ケーシングの内面のうち、前記溝形成領域及び前記平滑領域に対向する領域に設けられたハニカムシールと、前記誘導溝形成領域に対向する領域に設けられたシールフィンを有する請求項６から８のいずれか一項に記載のタービン。
10. 前記平滑領域に設けられ、前記軸線に対する周方向に延びるとともに、該平滑領域から前記ハニカムシールに向かって突出するレール部を有する請求項５又は９に記載のタービン。
11. 軸線回りに回転する回転機械の回転軸に取り付けられる動翼であって、
    該動翼は、翼本体、および該翼本体の先端に設けられたシュラウドを有し、
    前記シュラウドの外周面が、
    前記軸線方向一方側から他方側に向かうに従って前記回転軸の回転方向後方側に向かって延びる複数の溝部が形成された溝形成領域と、
    前記溝形成領域の前記軸線方向他方側に配置され、前記軸線を中心とした円筒面状をなす平滑領域と、
    を有する動翼。
12. 前記溝部の深さは、前記軸線方向一方側から他方側に向かうに従って次第に小さくなる請求項１１に記載の動翼。
13. 前記平滑領域の前記軸線方向他方側に配置され、前記軸線方向一方側から他方側に向かうに従って前記回転軸の回転方向後方側に向かって延びる複数の誘導溝部が形成された誘導溝形成領域を有する請求項１１又は１２に記載の動翼。
14. 前記誘導溝部の深さは、前記軸線方向一方側から他方側に向かうに従って次第に大きくなる請求項１３に記載の動翼。
15. 前記軸線に対する径方向から見て、前記誘導溝部が前記軸線に対してなす角度は、前記溝部が前記軸線に対してなす角度と異なっている請求項１３又は１４に記載の動翼。

Images