タービン
【課題】タービンの性能向上、及び、車室のコンパクト設計を図れるようにする。
【解決手段】ブレード５０と、その先端側に間隙を介して設けられると共に、ブレード５０に対して相対回転する構造体とを備え、さらに、ブレード５０の先端部及び構造体に、構造体の回転軸方向に交互に相手側に向かって延出して設けられ、相手側との間に微小隙間Ｈを画成する複数のシールフィン１５，５５と、隣り合うシールフィン１５，５５の間で、回転軸方向下流側のシールフィン１５，５５と共に微小隙間Ｈを画成するブレード５０の先端部または構造体に、回転軸の径方向に窪んで形成される拡張用凹部１７，５７と、を備えるタービンを提供する。
【解決手段】ブレード５０と、その先端側に間隙を介して設けられると共に、ブレード５０に対して相対回転する構造体とを備え、さらに、ブレード５０の先端部及び構造体に、構造体の回転軸方向に交互に相手側に向かって延出して設けられ、相手側との間に微小隙間Ｈを画成する複数のシールフィン１５，５５と、隣り合うシールフィン１５，５５の間で、回転軸方向下流側のシールフィン１５，５５と共に微小隙間Ｈを画成するブレード５０の先端部または構造体に、回転軸の径方向に窪んで形成される拡張用凹部１７，５７と、を備えるタービンを提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、発電プラント、化学プラント、ガスプラント、製鉄所、船舶等に用いられるタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、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。
【０００３】
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、前記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。
【０００４】
従来では、例えば特許文献１のように、動翼の先端部に、軸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。なお、微小隙間は軸方向から見てリング状に形成される。
このタービンでは、上流側から前記間隙に入り込んだ蒸気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（前記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蒸気の流量（漏洩流量）の低減化が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−０８０４５２号公報（図６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来のタービンのように、ステップ部及びシールフィンを軸方向に複数配列すると、ステップ部とシールフィンとの微小隙間も軸方向に複数配列されることになるが、複数の微小隙間のうち軸方向の下流側に配される微小隙間は、ステップ部によって，上流側に配される微小隙間よりも径方向外側に位置することになる。
このため、軸方向に配列するステップ部及びシールフィンの数を増やすと、下流側に配されるリング状の微小隙間の径寸法が大きくなり、これに伴って微小隙間の面積が大きくなってしまう。言い換えれば、ステップ部及びシールフィンの配列数が増えるほど、リング状に形成される複数の微小隙間の平均径寸法（クリアランス平均径）が大きくなってしまう。その結果として、動翼先端部とケーシングとの間隙を通過する漏洩流量の低減化、及びこれに伴うタービンの性能向上に限界が生じる虞がある。
【０００７】
また、上記従来のように、動翼や静翼の先端部にステップ部を複数配列して設ける場合には、ステップ部の配列数が増加するにしたがって、ステップ部の重量が重くなる、すなわち、動翼や静翼の先端部の重量が重くなってしまう。この場合、重力によって動翼や静翼にかかる曲げ応力が大きくなる。さらに、動翼の場合には、軸体の回転に伴って動翼にかかる引張応力も大きくなる。
動翼や静翼の形状を設計する際には上記応力も考慮する必要があるが、上記応力が大きくなると上記応力による動翼や静翼の形状の制約が大きくなり、その結果として、タービンの性能向上を図るための動翼や静翼の形状を設計することが困難となる。言い換えれば、動翼や静翼の形状の設計自由度が低くなり、タービンの性能向上を図りにくくなってしまう、という問題がある。
【０００８】
また、動翼や静翼の先端部にステップ部を複数配列する場合、ステップ部の配列数が増えるほど径方向外側に延びる動翼や静翼の長さが長くなるため、これに伴ってケーシングの車室内径も大きくなってしまう。すなわち、車室をコンパクトに設計することが難しくなる、という問題もある。
【０００９】
本発明は、上述した事情に鑑みたものであって、性能向上及び車室のコンパクト設計を図ることが可能なタービンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この課題を解決するために、本発明のタービンは、ブレードと、前記ブレードの先端側に間隙を介して設けられると共に、前記ブレードに対して相対回転する構造体と、を備え、さらに、前記ブレードの先端部及び前記構造体に、該構造体の回転軸方向に交互に相手側に向かって延出して設けられ、相手側との間に微小隙間を画成する複数のシールフィンと、隣り合う前記シールフィンの間で、前記回転軸方向下流側の前記シールフィンと共に前記微小隙間を画成する前記ブレードの先端部または前記構造体に、前記回転軸の径方向に窪んで形成される拡張用凹部と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
上記タービンでは、ブレードの先端部、構造体、及び、回転軸方向に隣り合う二つのシールフィンによって囲まれるキャビティが形成されている。また、このキャビティは、拡張用凹部によって回転軸の径方向に拡張されている。
さらに、上記タービンでは、隣り合う二つのシールフィンが互いに逆向きに延出しているため、前記二つのシールフィンによって画成される二つの微小隙間は、互いに回転軸の径方向にずれて位置している。
【００１２】
なお、前記タービンにおいて、前記シールフィンが三つ以上配列されている場合には、前述したキャビティが回転軸方向に複数配列されることになる。また、微小隙間も三つ以上画成されることになるが、これら複数の微小隙間は回転軸方向に千鳥状に配列されることになる。
【００１３】
以上のように構成されるタービンにおいて、流体が、回転軸方向上流側から微小隙間（上流側微小隙間）を通ってキャビティ内に流入すると、下流側のシールフィン（下流側シールフィン）に衝突して、回りながら上流側に戻るように流れる。すなわち、キャビティ内には第一回転方向（例えば反時計回り）に回る主渦が発生する。この主渦の中心軸は、拡張用凹部が形成されていない場合と比較して、拡張用凹部の窪み方向（回転軸の径方向）にずれるため、キャビティの下流側の微小隙間（下流側微小隙間）の径方向位置に近づくように位置する。その結果、キャビティのうち下流側微小隙間の上流側近傍では、主渦による回転軸の径方向の流速が大きくなり、下流側微小隙間からキャビティ外に流出する漏れ流れを低減することができる。すなわち、主渦による縮流効果を発揮することができる。
【００１４】
さらに、前述したようにキャビティが回転軸方向に複数配列されれば、上述した縮流効果がキャビティ毎に得られるため、ブレードの先端部と構造体との間隙を通る漏洩流量を十分に低減することが可能となる。
なお、複数のキャビティを配列した場合には、前述したように複数の微小隙間が千鳥状に配列されることで、第一回転方向に回る主渦が発生するキャビティの下流側に位置する別のキャビティでは、第一回転方向とは反対方向（第二回転方向）に回る主渦が発生する。
【００１５】
そして、上記タービンでは、前述したように、キャビティを回転軸方向に複数配列しても、複数の微小隙間は回転軸方向に千鳥状に配列されるため、キャビティの配列数が増加しても、ステップ部を用いた従来構成のように、リング状の微小隙間の径寸法が大きくなることを防いで、軸方向から見たリング状の微小隙間の面積を小さく抑えることができる。言い換えれば、複数の微小隙間の平均径寸法を小さく抑えることが可能となる。その結果、微小隙間を通る漏れ流れを低減して、主渦による縮流効果の向上を図ることが可能となる。
【００１６】
さらに、上記タービンでは、キャビティを回転軸方向に複数配列しても、ブレードの先端部にはシールフィン及び拡張用凹部が交互に配列されるだけである。すなわち、キャビティ数が増加しても、ステップ部を用いた従来構成のように、ブレードの先端部の厚みを増加させる必要が無いため、ブレードの先端部の重量増加を抑え、ブレードの先端部の重量によってブレードにかかる応力を低減することができる。したがって、ブレード形状の設計自由度が向上し、タービンの性能向上を図るためのブレード形状の設計が容易となる。
【００１７】
また、構造体がケーシングである場合には、キャビティの配列数が増加しても、ステップ部を用いた従来構成のように、ブレードの先端部の厚みが増すことは無い。すなわち、ブレードの径方向寸法が長くなることが無いため、ケーシングの車室内径をコンパクトに抑えることが可能となる。
【００１８】
そして、前記タービンにおいては、前記拡張用凹部のうち下流側の端縁の前記回転軸方向の位置と、該拡張用凹部の下流側に形成された前記シールフィンの前記回転軸方向の位置とが一致しているとよい。
【００１９】
上記タービンによれば、同一のキャビティを形成する下流側シールフィンと拡張用凹部との間に（回転軸方向の）段差が生じないため、キャビティの下流側微小隙間の上流側近傍において、キャビティ内に生じる主渦の流れに乱れが発生することを抑制できる。すなわち、主渦による縮流効果をさらに向上させることができる。
また、上記タービンによれば、ステップ部を利用して剥離渦を発生させる従来構成と比較して、前述した段差が無くなる分だけ、キャビティの回転軸方向の寸法を短く設定することが可能となる。したがって、ブレードの回転軸方向の長さを一定とした場合、従来構成と比較して、回転軸方向に配列可能なキャビティ数（シールフィンの数）を多く設定することができ、ブレードの先端部と構造体との間隙における漏洩流量をさらに低減することが可能となる。
【００２０】
また、前記タービンにおいては、前記径方向に延出する前記シールフィンの延出長さと、該シールフィンの前記回転軸方向上流側に形成された前記拡張用凹部の深さ寸法と、が一致していることが好ましい。
【００２１】
この場合には、前述したキャビティの径方向の中心位置がキャビティの下流側微小隙間の径方向位置に一致するため、このキャビティ内に生じる主渦の中心軸の径方向位置を、下流側微小隙間の径方向位置にさらに近づけて一致させることが可能となる。特に、主渦の中心軸及び下流側微小隙間の径方向が一致すると、主渦による回転軸の径方向の流速が下流側微小隙間の上流側近傍において最大となるため、下流側微小隙間からキャビティ外に流出する漏れ流れを効率よく低減することができる。言い換えれば、主渦による縮流効果を最大限に発揮することができる。
【００２２】
さらに、前記タービンにおいては、前記ブレードの先端部、前記構造体、及び、前記回転軸方向に隣り合う二つの前記シールフィンによって囲まれると共に、二つの前記シールフィンの間の前記拡張用凹部によって拡張されるキャビティが形成され、該キャビティの前記回転軸方向の寸法及び前記径方向の寸法が等しいとよい。
【００２３】
すなわち、上記タービンでは、前記キャビティの縦横比が１となっている。この場合には、キャビティ内に発生する主渦のエネルギーが、キャビティの縦横比が１より大きいあるいは小さい場合と比較して大きくなるため、これに伴って、キャビティのうち下流側微小隙間の上流側近傍では、主渦による回転軸の径方向の流速も大きくなる。したがって、下流側微小隙間からキャビティ外に流出する漏れ流れをさらに低減して、大きな縮流効果を得ることができる。
【００２４】
また、前記タービンにおいては、前記拡張用凹部の底部と該拡張用凹部の前記回転軸方向の端縁部との凹部内角部、及び、前記ブレードの先端部あるいは前記構造体の一方と、該一方から延出する前記シールフィンのうち前記回転軸上流側に向く部位とのフィン角部の少なくとも一つの角部に、傾斜面が形成されていることが好ましい。
【００２５】
そして、前記タービンにおいては、前記傾斜面が、曲面状に形成されていることが、さらに好ましい。
なお、前記傾斜面は、前記回転軸方向及び径方向の両方に傾斜する面のことを示している。また、前記凹部内角部や前記フィン角部は、前述したキャビティの角部をなし得るものである。
【００２６】
上記タービンによれば、前述したキャビティの角部をなす凹部内角部やフィン角部に傾斜面が形成されることで、キャビティ形状がキャビティ内に生じる主渦の形状に近づくため、キャビティの角部における主渦のエネルギー損失を小さく抑えることが可能となる。なお、傾斜面が曲面状に形成されていると、キャビティの形状が主渦の形状にさらに近づくため、主渦のエネルギーロスを特に小さく抑えることができる。このため、下流側微小隙間の上流側近傍において、主渦によって発生する回転軸の径方向の流速を、大きくすることができる。したがって、下流側微小隙間からキャビティ外に流出する漏れ流れをさらに低減して、主渦による縮流効果の向上をさらに図ることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、シールフィン及び拡張用凹部（キャビティ）の配列数を増やしても、リング状の微小隙間の面積を小さく抑えることができるため、ブレードの先端部と構造体との間隙を通過する漏洩流量を低減化、及び、これに伴うタービンの性能向上を容易に図ることができる。
また、シールフィン及び拡張用凹部（キャビティ）の配列数を増やしても、ブレードの先端部の重量増加を抑えてブレードにかかる応力を低減できるため、ブレード形状の設計自由度が向上して、タービンの性能向上を容易に図ることができる。
さらに、構造体がケーシングである場合に、シールフィン及び拡張用凹部（キャビティ）の配列数が増加しても、ブレードの径方向寸法が長くなることは無いため、ケーシングの車室内径をコンパクトに抑えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る蒸気タービンを示す概略構成断面図である。
【図２】本発明の第一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。
【図３】本発明の第一実施形態に係る蒸気タービンの作用説明図である。
【図４】本発明の第二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。
【図５】本発明の第二実施形態に係る蒸気タービンの作用説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
〔第一実施形態〕
以下、図１〜３を参照して本発明の第一実施形態について説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る蒸気タービン１は、ケーシング（構造体）１０と、ケーシング１０に流入する蒸気（流体）Ｓの量と圧力を調整する調整弁２０と、ケーシング１０の内方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軸体（ロータ）３０と、ケーシング１０に保持された静翼４０と、軸体３０に設けられた動翼（ブレード）５０と、軸体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。
【００３０】
ケーシング１０は、その内部空間を気密に封止するように形成されて、蒸気Ｓの流路を画成する本体部１１と、本体部１１の内壁面に強固に固定されたリング状の仕切板外輪１２と、を備えている。
調整弁２０は、ケーシング１０の本体部１１内部に複数個取り付けられており、それぞれ図示しないボイラから蒸気Ｓが流入する調整弁室２１と、弁体２２と、弁座２３と、蒸気室２４とを備えている。この調整弁２０では、弁体２２が弁座２３から離れることで蒸気流路が開き、これによって、蒸気Ｓが蒸気室２４を介してケーシング１０の内部空間に流入するようになっている。
【００３１】
軸体３０は、軸本体３１と、軸本体３１の外周から径方向外側に延出した複数のディスク３２とを備えている。この軸体３０は、回転エネルギーを、図示しない発電機等の機械に伝達するようになっている。
また、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、ケーシング１０の本体部１１内部に挿通された軸体３０を本体部１１の外側において回転可能に支持している。
【００３２】
静翼４０は、軸体３０を囲繞するように放射状に多数配置されて環状静翼群を構成しており、それぞれ前述した仕切板外輪１２に保持されている。すなわち、静翼４０はそれぞれ仕切板外輪１２からその径方向内側に延出している。
静翼４０の延出方向の先端部は、ハブシュラウド４１によって構成されている。このハブシュラウド４１は、同一の環状静翼群をなす複数の静翼４０を連結するようにリング状に形成されている。ハブシュラウド４１には軸体３０が挿通されているが、ハブシュラウド４１は軸体３０との間に径方向の間隙を介して配されている。
そして、複数の静翼４０からなる環状静翼群は、ケーシング１０や軸体３０の回転軸方向（以下、軸方向と記す）に間隔をあけて六つ形成されており、蒸気Ｓの圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して、軸方向下流側に隣接する動翼５０側に案内するようになっている。
【００３３】
動翼５０は、軸体３０を構成するディスク３２の外周部に強固に取り付けられ、軸体３０から径方向外側に延出している。この動翼５０は、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。
前述した環状静翼群と上記環状動翼群とは、一組一段とされている。すなわち、蒸気タービン１は、六段に構成されている。このうち、最終段における動翼５０の先端部は、周方向に延びるチップシュラウド５１となっている。
【００３４】
動翼５０の先端部をなすチップシュラウド５１は、図２に示すように、ケーシング１０の仕切板外輪１２との間に径方向の間隙を介して対向配置されている。
本実施形態では、チップシュラウド５１が断面矩形状に形成されている。そして、このチップシュラウド５１の外周面５１ｂは、軸方向に平行するように形成されている。また、チップシュラウド５１の軸方向の上流側の端面（以下、上流側端面５１ｃと記す）及び下流側の端面（以下、下流側端面５１ｄと記す）は、径方向に平行するように形成されている。
【００３５】
一方、仕切板外輪１２には、チップシュラウド５１に対応する部位に周方向に延びる環状溝１２ａが形成されている。
本実施形態では、環状溝１２ａが仕切板外輪１２の内周面から径方向外側に窪んで形成され、断面矩形状に形成されている。そして、この環状溝１２ａの溝底面１２ｂは軸方向に平行するように形成され、環状溝１２ａのうち軸方向の上流側の内側面（以下、上流側内側面１２ｃと記す）、及び、下流側の内側面（下流側内側面１２ｄと記す）は、それぞれ径方向に平行するように形成されている。
【００３６】
前述したチップシュラウド５１は、上記環状溝１２ａ内に収容されている。この収容状態では、チップシュラウド５１の外周面５１ｂが環状溝１２ａの溝底面１２ｂに対向している。また、チップシュラウド５１の上流側端面５１ｃが環状溝１２ａの上流側内側面１２ｃに対向し、チップシュラウド５１の下流側端面５１ｄが環状溝１２ａの下流側内側面１２ｄに対向している。
【００３７】
以上のように構成されるチップシュラウド５１及び環状溝１２ａには、軸方向に交互に配列されるように、相手側に向かって径方向に延出する複数（図示例では四つ）のシールフィン１５，５５が設けられている。そして、各シールフィン１５，５５と前記相手側との間には微小隙間Ｈが画成されている。なお、微小隙間Ｈは軸方向から見てリング状に形成されている。
具体的に説明すれば、チップシュラウド５１に設けられる二つのシールフィン５５（以下、ブレード側シールフィン５５とも記す）は、チップシュラウド５１の外周面５１ｂから環状溝１２ａの溝底面１２ｂに向けて延出している。このブレード側シールフィン５５の延出方向の先端と溝底面１２ｂとの間には、微小隙間Ｈ（Ｈ２，Ｈ４）が画成されている。
【００３８】
一方、環状溝１２ａに設けられる二つのシールフィン１５（以下、構造体側シールフィン１５とも記す）も、ブレード側シールフィン５５の場合と同様に、環状溝１２ａの溝底面１２ｂからチップシュラウド５１の外周面５１ｂに向けて延出している。この構造体側シールフィン１５の延出方向の先端とチップシュラウド５１の外周面５１ｂとの間には微小隙間Ｈ（Ｈ１，Ｈ３）が画成されている。
そして、これらブレード側シールフィン５５と構造体側シールフィン１５とが、軸方向に交互に配列されている。
【００３９】
なお、本実施形態では、全てのシールフィン１５，５５の延出長さＬが等しく設定されており、また、複数のシールフィン１５，５５が軸方向に等間隔で配列されている。さらに、軸方向の最も上流側には構造体側シールフィン１５（第一構造体側シールフィン１５Ａ）が配され、軸方向の最も下流側にはブレード側シールフィン５５（第四ブレード側シールフィン５５Ｄ）が配されている。また、第一構造体側シールフィン１５Ａは、チップシュラウド５１の上流側端面５１ｃの軸方向位置よりも下流側に配され、第四ブレード側シールフィン５５Ｄは、チップシュラウド５１の下流側端面５１ｄの軸方向位置よりも上流側に配されている。
【００４０】
そして、上述したように隣り合う二つのシールフィン１５，５５が互いに逆向きに延出しているため、隣り合う二つのシールフィン１５，５５によって画成される二つの微小隙間Ｈ（Ｈ１，Ｈ３），Ｈ（Ｈ２，Ｈ４）は、互いに径方向にずれて位置している。なお、本実施形態では、シールフィン１５，５５の個数に対応して四つの微小隙間Ｈ（Ｈ１〜Ｈ４）が画成されているが、これら四つの微小隙間Ｈ（Ｈ１〜Ｈ４）は、軸方向に千鳥状に配列されている。特に、本実施形態では、全てのシールフィン１５，５５の延出長さＬが等しいため、構造体側シールフィン１５とチップシュラウド５１の外周面５１ｂとの間に画成される二つの微小隙間Ｈ１，Ｈ３が、同一の径方向位置に配されている。また、ブレード側シールフィン５５と環状溝１２ａの溝底面１２ｂとの間に画成される二つの微小隙間Ｈ２，Ｈ４が、同一の径方向位置に配されている。
【００４１】
このように複数のシールフィン１５，５５が設けられることで、チップシュラウド５１と仕切板外輪１２との間には、複数のキャビティＣが軸方向に配列して形成されている。
具体的に説明すれば、軸方向の最も上流側に形成されるキャビティＣ（以下、最上流キャビティＣ１と記す）は、環状溝１２ａの上流側内側面１２ｃと、上流側内側面１２ｃに対して軸方向下流側で対向する第一構造体側シールフィン１５Ａ及びチップシュラウド５１の上流側端面５１ｃと、環状溝１２ａの溝底面１２ｂとによって囲まれるように形成されている。
また、最上流キャビティＣ１よりも軸方向下流側に順番に配列される残りのキャビティＣ（以下、間隙キャビティＣ２〜Ｃ４と記す）は、チップシュラウド５１の外周面５１ｂと、環状溝１２ａの溝底面１２ｂと、軸方向に隣り合う二つのシールフィン１５，５５とによって囲まれるように各々形成されている。
【００４２】
さらに、チップシュラウド５１及び環状溝１２ａには、軸方向に隣り合う二つのシールフィン１５，５５の間において径方向に窪む拡張用凹部１７，５７が形成されている。拡張用凹部１７，５７は、隣り合う二つのシールフィン１５，５５のうち軸方向下流側に位置するシールフィン１５，５５と共に微小隙間Ｈを画成するチップシュラウド５１または環状溝１２ａに形成されるように設定されている。そして、各拡張用凹部１７，５７は、断面矩形状に形成され、前述した間隙キャビティＣ２〜Ｃ４をそれぞれ径方向に拡張している。
【００４３】
具体的に説明すれば、環状溝１２ａには、互いに隣り合う第一構造体側シールフィン１５Ａと第二ブレード側シールフィン５５Ｂとの間、及び、第三構造体側シールフィン１５Ｃと第四ブレード側シールフィン５５Ｄとの間において、溝底面１２ｂから径方向外側に窪む拡張用凹部１７（以下、構造体側凹部１７とも記す）が形成されている。各構造体側凹部１７は、第一間隙キャビティＣ２及び第三間隙キャビティＣ４をそれぞれ径方向外側に拡張している。
一方、チップシュラウド５１には、第二ブレード側シールフィン５５Ｂと第三構造体側シールフィン１５Ｃとの間において、チップシュラウド５１の外周面５１ｂから窪む拡張用凹部５７（以下、ブレード側凹部５７とも記す）が形成されている。このブレード側凹部５７は、第二間隙キャビティＣ３を径方向内側に拡張している。
【００４４】
そして、上述した各拡張用凹部１７，５７の軸方向下流側の端縁（以下、下流側端縁１８ｄ，５８ｄと記す）は、各拡張用凹部１７，５７の下流側に形成されたシールフィン１５，５５（以下、下流側シールフィン５５Ｂ，１５Ｃ，５５Ｄとも記す）と、軸方向の位置について一致している。これにより、同一の間隙キャビティＣ２〜Ｃ４を形成する下流側シールフィン５５Ｂ，１５Ｃ，５５Ｄと拡張用凹部１７，５７との間には、軸方向の段差が生じない。
本実施形態では、各拡張用凹部１７，５７が断面矩形状に形成されているため、拡張用凹部１７，５７の下流側端縁１８ｄ，５８ｄから径方向に延びる拡張用凹部１７，５７の軸方向下流側の内側面（以下、下流側内側面１９ｄ，５９ｄと記す）は、径方向に平行している。したがって、拡張用凹部１７，５７の下流側内側面１９ｄ，５９ｄと、下流側シールフィン５５Ｂ，１５Ｃ，５５Ｄのうち軸方向上流側に向く面とが、同一平面をなしている。
【００４５】
また、各拡張用凹部１７，５７の深さ寸法Ｄ（Ｄ２〜Ｄ４）は、各拡張用凹部１７，５７の下流側に形成された下流側シールフィン５５Ｂ，１５Ｃ，５５Ｄの延出長さＬに一致している。これにより、各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４の径方向の中心位置が、間隙キャビティＣ２〜Ｃ４の下流側をなす各微小隙間Ｈ２〜Ｈ４の径方向に一致している。
【００４６】
さらに、本実施形態では、各拡張用凹部１７，５７の軸方向上流側の端縁（以下、上流側端縁１８ｃ，５８ｃと記す）が、各拡張用凹部１７，５７の上流側に形成されたシールフィン１５，５５（以下、上流側シールフィン１５Ａ，５５Ｂ，１５Ｃと記す）と、軸方向の位置について一致している。特に、本実施形態では、拡張用凹部１７，５７が断面矩形状に形成されているため、各拡張用凹部１７，５７の上流側端縁１８ｃ，５８ｃから径方向に延びる拡張用凹部１７，５７の軸方向上流側の内側面（以下、上流側内側面１９ｃ，５９ｃと記す）が、径方向に平行している。したがって、拡張用凹部１７，５７の上流側内側面１９ｃ，５９ｃと、上流側シールフィン１５Ａ，５５Ｂ，１５Ｃのうち軸方向下流側に向く面とが、同一平面をなしている。
【００４７】
以上のようにシールフィン１５，５５と拡張用凹部１７，５７との相対位置が設定されていることで、隣り合う二つのシールフィン１５，５５同士の間隔、及び、二つのシールフィン１５，５５の間に形成される拡張用凹部１７，５７の軸方向寸法が、互いに等しくなっている。すなわち、拡張用凹部１７，５７によって拡張される各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４がそれぞれ断面矩形状に形成されている。
さらに、本実施形態では、各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４の軸方向の寸法及び径方向の寸法が互いに等しくなっている。このため、本実施形態の間隙キャビティＣ２〜Ｃ４は、それぞれ断面正方形状に形成されている。言い換えれば、各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４の縦横比が１に設定されている。
【００４８】
なお、以上のように構成される蒸気タービン１において後述する効果を十分に発揮するためには、上述したシールフィン１５，５５と拡張用凹部１７，５７との相対的な位置関係や各種寸法、各キャビティＣの形状、各微小隙間Ｈの寸法等が、蒸気タービン１の運転状態の変化に伴うケーシング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、設定されることが好ましい。
すなわち、上述したシールフィン１５，５５と拡張用凹部１７，５７との相対的な位置関係や各種寸法、各キャビティＣの形状、各微小隙間Ｈの寸法等は、蒸気タービン１の運転時において設定されるようにすることが好ましく、特に、定格運転時において最適に設定されるようにすることがさらに望ましい。例えば、各拡張用凹部１７，５７の下流側端縁１８ｄ，５８ｄと、各拡張用凹部１７，５７の下流側に位置する下流側シールフィン５５Ｂ，１５Ｃ，５５Ｄとの軸方向の相対位置は、運転時において互いに一致することが好ましく、さらに定格運転時において一致することが最適である。
【００４９】
次に、上述した構成の蒸気タービン１の動作について説明する。
まず、調整弁２０（図１参照）を開状態とすると、図示しないボイラから蒸気Ｓがケーシング１０の内部空間に流入する。
【００５０】
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の速度エネルギーが回転エネルギーに変換されて、軸体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、図３に示すように、環状溝１２ａ内（動翼５０の先端部とケーシング１０の仕切板外輪１２との間隙）に流入する、いわゆる、漏洩蒸気となる。
【００５１】
ここで、環状溝１２ａ内に流入した蒸気Ｓは、まず、最上流キャビティＣ１に流入すると共にチップシュラウド５１の上流側端面５１ｃに衝突して、最上流キャビティＣ１内において回りながら上流側に戻るように流れる。これにより、最上流キャビティＣ１内には、反時計回り（第一回転方向）に回る主渦ＭＶ１が発生する。
【００５２】
その際、特にチップシュラウド５１の上流側端面５１ｃと外周面５１ｂとの角部（エッジ）においては、主渦ＭＶ１から一部の流れが剥離されることで、チップシュラウド５１の外周面５１ｂの前記角部近傍には、主渦ＭＶ１とは反対の時計回り（第二回転方向）に回る剥離渦ＳＶ１が発生する。
この剥離渦ＳＶ１は、第一構造体側シールフィン１５Ａとチップシュラウド５１との間の第一微小隙間Ｈ１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、第一微小隙間Ｈ１の直前で生じるため、最上流キャビティＣ１から第一微小隙間Ｈ１を通って下流側の第一間隙キャビティＣ２に流入する漏れ流れを低減する縮流効果が、上記剥離渦ＳＶ１によって得られる。
【００５３】
そして、蒸気Ｓが、上述した最上流キャビティＣ１から第一微小隙間Ｈ１を通り抜けて第一間隙キャビティＣ２内に流入すると、第一間隙キャビティＣ２の下流側をなす下流側シールフィン５５Ｂに衝突して、回りながら上流側に戻るように流れる。これにより、第一間隙キャビティＣ２内には、最上流キャビティＣ１に生じる主渦ＭＶ１と同一の第一方向（反時計回り）に回る主渦ＭＶ２が発生する。
【００５４】
このように発生する主渦ＭＶ２の中心軸Ａ２は、拡張用凹部１７が形成されていない場合と比較して、拡張用凹部１７の窪み方向（径方向外側）にずれるため、第一間隙キャビティＣ２の下流側の第二微小隙間Ｈ２の径方向位置に近づくように位置する。
これにより、第一間隙キャビティＣ２のうち第二微小隙間Ｈ２の上流側近傍では、拡張用凹部１７が形成されていない場合と比較して、主渦ＭＶ２による径方向外側の流速が大きくなる。すなわち、第二微小隙間Ｈ２の上流側近傍における主渦ＭＶ２の速度ベクトルのうち径方向外側の速度成分が大きくなり、第一間隙キャビティＣ２から第二微小隙間Ｈ２を通り抜けて下流側の第二間隙キャビティＣ３に流出する漏れ流れを低減することができる。言い換えれば、第一間隙キャビティＣ２内の主渦ＭＶ２による縮流効果を発揮することができる。
【００５５】
特に、本実施形態では、第一間隙キャビティＣ２の径方向の中心位置が第二微小隙間Ｈ２の径方向位置に一致しているため、第一間隙キャビティＣ２内に生じる主渦ＭＶ２の中心軸Ａ２の径方向位置を、第二微小隙間Ｈ２の径方向位置にさらに近づけて一致させることができる。
【００５６】
さらに、本実施形態では、第一間隙キャビティＣ２の下流側をなす下流側シールフィン５５Ｂと拡張用凹部１７との間に軸方向の段差が生じていないため、第二微小隙間Ｈ２の上流側近傍において、第一間隙キャビティＣ２内に生じる主渦ＭＶ２の流れに乱れが発生することが抑制されている。言い換えれば、第一間隙キャビティＣ２のうち第二微小隙間Ｈ２の上流側近傍において、径方向外側に向かう流れが弱められることを抑えることができる。
以上のことから、本実施形態では、第二微小隙間Ｈ２の上流側近傍において、主渦による径方向外側の流速が最大となり、第一間隙キャビティＣ２から第二微小隙間Ｈ２を通り抜けて第二間隙キャビティＣ３に流出する漏れ流れを効率よく低減することができる。言い換えれば、第一間隙キャビティＣ２内の主渦ＭＶ２による縮流効果を最大限に発揮することができる。
【００５７】
また、蒸気Ｓが、上述した第一間隙キャビティＣ２から第二微小隙間Ｈ２を通り抜けて第二間隙キャビティＣ３内に流入すると、第一間隙キャビティＣ２の場合と同様に、第二間隙キャビティＣ３の下流側をなす下流側シールフィン１５Ｃに衝突して、回りながら上流側に戻るように流れる。すなわち、第二間隙キャビティＣ３内にも主渦ＭＶ３が発生する。ただし、第二間隙キャビティＣ３は第一間隙キャビティＣ２と径方向に逆向きに形成されているため、第二間隙キャビティＣ３内に生じる主渦ＭＶ３は、第一間隙キャビティＣ２内で生じる主渦ＭＶ２の第一回転方向とは反対の第二回転方向（時計回り）に回る。
【００５８】
さらに、蒸気Ｓが、第二間隙キャビティＣ３から下流側の第三微小隙間Ｈ３を通り抜けて第三間隙キャビティＣ４内に流入すると、第三間隙キャビティＣ４の下流側をなす下流側シールフィン５５Ｄに衝突して、回りながら上流側に戻るように流れる。すなわち、第三間隙キャビティＣ４内にも主渦ＭＶ４が発生する。ただし、第三間隙キャビティＣ４内に生じる主渦ＭＶ４は、第二間隙キャビティＣ３内で生じる主渦ＭＶ３の第二回転方向とは反対の第一回転方向（反時計回り）に回る。
【００５９】
これら第二間隙キャビティＣ３及び第三間隙キャビティＣ４内に発生する主渦ＭＶ３，ＭＶ４は、前述した第一間隙キャビティＣ２内の主渦ＭＶ２の場合と同様の縮流効果を発揮する。例えば、第二、第三間隙キャビティＣ３，Ｃ４内に生じる主渦ＭＶ３，ＭＶ４の中心軸Ａ３，Ａ４の径方向位置も、それぞれ第三、第四微小隙間Ｈ３，Ｈ４の径方向位置に近づけて一致させることができるため、第二、第三間隙キャビティＣ３，Ｃ４から第三、第四微小隙間Ｈ３，Ｈ４を通り抜けて第二、第三間隙キャビティＣ３，Ｃ４外に流出する漏れ流れを効率よく低減することができる。
したがって、本実施形態では、縮流効果を得られる複数の間隙キャビティＣ２〜Ｃ４が配列されていることで、動翼５０の先端部とケーシング１０の仕切板外輪１２との間隙を通る漏洩流量を十分に低減することが可能である。
【００６０】
以上説明したように、本実施形態の蒸気タービン１によれば、隣り合う二つのシールフィン１５，５５によって形成される間隙キャビティＣ２〜Ｃ４を軸方向に複数配列しても、複数の微小隙間Ｈは軸方向に千鳥状に配列されるため、間隙キャビティＣ２〜Ｃ４の配列数が増加しても、ステップ部を用いた従来構成のように、リング状の微小隙間Ｈの径寸法が大きくなることを防いで、軸方向から見たリング状の微小隙間Ｈの面積を小さく抑えることができる。言い換えれば、複数の微小隙間Ｈの平均径寸法を小さく抑えることが可能となる。その結果、微小隙間Ｈを通る漏れ流れを低減して、主渦ＭＶ２〜ＭＶ４による縮流効果の向上を図ることが可能となる。
したがって、動翼５０の先端部とケーシング１０の仕切板外輪１２との間隙を通過する蒸気Ｓの漏洩流量の低減化、及び、これに伴う蒸気タービン１の性能向上を容易に図ることができる。
【００６１】
また、本実施形態の蒸気タービン１では、間隙キャビティＣ２〜Ｃ４を軸方向に複数配列しても、動翼５０の先端部をなすチップシュラウド５１にはシールフィン１５，５５及び拡張用凹部１７，５７が交互に配列されるだけである。すなわち、間隙キャビティＣ２〜Ｃ４の数が増加しても、ステップ部を用いた従来構成のように、チップシュラウド５１の厚みを増加させる必要が無いため、チップシュラウド５１の重量増加を抑え、チップシュラウド５１の重量によって動翼５０にかかる応力を低減することができる。したがって、動翼５０の形状の設計自由度が向上し、蒸気タービン１の性能向上を図るための動翼５０の形状の設計が容易となる。
【００６２】
さらに、本実施形態の蒸気タービン１では、間隙キャビティＣ２〜Ｃ４の配列数が増加しても、ステップ部を用いた従来構成のように、チップシュラウド５１の厚みが増すことは無い。すなわち、動翼５０の径方向寸法が長くなることが無いため、ケーシング１０の車室内径をコンパクトに抑えることも可能となる。
【００６３】
また、本実施形態の蒸気タービン１によれば、同一の間隙キャビティＣ２〜Ｃ４を形成する下流側シールフィン５５Ｂ，１５Ｃ，５５Ｄと拡張用凹部１７，５７との間に、軸方向の段差が生じないため、ステップ部を利用して剥離渦を発生させる従来構成と比較して、この段差が無くなる分だけ、間隙キャビティＣ２〜Ｃ４の軸方向の寸法を短く設定することが可能となる。したがって、チップシュラウド５１の軸方向長さを一定とした場合、従来構成と比較して、軸方向に配列可能な間隙キャビティＣ２〜Ｃ４の数（シールフィン１５，５５の数）を多く設定することができ、動翼５０の先端部とケーシング１０の仕切板外輪１２との間隙における漏洩流量をさらに低減することが可能となる。
【００６４】
また、本実施形態の蒸気タービン１では、各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４の縦横比が１となっているため、各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４内に発生する主渦ＭＶ２〜ＭＶ４のエネルギーが、間隙キャビティＣ２〜Ｃ４の縦横比が１より大きいあるいは小さい場合と比較して大きくなる。これに伴って、各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４の下流側に位置する微小隙間Ｈ２〜Ｈ４の上流側近傍では、主渦ＭＶ２〜ＭＶ４による径方向の流速も大きくなる。したがって、各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４から下流側の微小隙間Ｈ２〜Ｈ４を通り抜ける漏れ流れをさらに低減して、大きな縮流効果を得ることができる。
【００６５】
〔第二実施形態〕
次に、図４，５を参照して本発明の第二実施形態について説明する。
この実施形態では、第一実施形態の蒸気タービン１と比較して、各キャビティＣの断面形状のみが異なっており、その他の構成については第一実施形態と同様である。本実施形態では、第一実施形態と同一の構成要素について同一符号を付す等して、その説明を省略する。
【００６６】
図４に示すように、本実施形態のチップシュラウド５１及び環状溝１２ａには、第一実施形態と同様のシールフィン１５，５５及び拡張用凹部１７，５７が設けられ、これによって複数のキャビティＣ（Ｃ１〜Ｃ４）が形成されている。
【００６７】
そして、本実施形態では、各拡張用凹部１７，５７の底部と、軸方向の端縁部との凹部内角部に傾斜面７０Ａ，７０Ｂが形成されている。なお、本実施形態では、各拡張用凹部１７，５７が断面矩形状に形成されているため、前記底部は、各拡張用凹部１７，５７の凹部底面１９ａ，５９ａのことを示している。また、前記端縁部は、上流側端縁１８ｃ，５８ｃを含む各拡張用凹部１７，５７の上流側内側面１９ｃ、５９ｃや、下流側端縁１８ｄ，５８ｄを含む各拡張用凹部１７，５７の下流側内側面１９ｄ、５９ｄのことを示している。そして、前記凹部内角部は、断面矩形状に形成された各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４のうち二つの角部をなすものである。
このように各凹部内角部に形成される傾斜面７０Ａ，７０Ｂは、凹部底面１９ａ，５９ａと、上流側内側面１９ｃ、５９ｃや下流側内側面１９ｄ、５９ｄとが滑らかに連なるように曲面状に形成されている。
【００６８】
また、本実施形態では、チップシュラウド５１の外周面５１ｂと、チップシュラウド５１から延出するブレード側シールフィン５５のうち軸方向上流側に向く面（部位）とのフィン角部にも、傾斜面７０Ｃが形成されている。さらに同様にして、環状溝１２ａの溝底面１２ｂと、溝底面１２ｂから延出する構造体側シールフィン１５のうち軸方向上流側に向く面（部位）とのフィン角部にも、傾斜面７０Ｃが形成されている。なお、前記フィン角部は、各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４のうち一つの角部をなすもの、あるいは、最上流キャビティＣ１の一つの角部をなすものである。
このように各フィン角部に形成される傾斜面７０Ｃは、チップシュラウド５１の外周面５１ｂや環状溝１２ａの溝底面１２ｂと、軸方向上流側に向くシールフィン１５，５５の面とが滑らかに連なるように曲面状に形成されている。
【００６９】
さらに、本実施形態では、環状溝１２ａの溝底面１２ｂと上流側内側面１２ｃとの溝内角部にも、傾斜面７０Ｄが形成されている。なお、前記溝内角部は、最上流キャビティＣ１の一つの角部をなすものである。このように溝内角部に形成される傾斜面７０Ｄは、溝底面１２ｂと上流側内側面１２ｃとが滑らかに連なるように曲面状に形成されている。
【００７０】
そして、上述した全ての傾斜面７０（７０Ａ〜７０Ｄ）は、いずれも軸方向及び径方向の両方に傾斜している。また、各傾斜面７０は、ケーシング１０の仕切板外輪１２やチップシュラウド５１、シールフィン１５，５５に直接形成されてもよいが、図示例のように、ケーシング１０の仕切板外輪１２やチップシュラウド５１、シールフィン１５，５５とは別体の傾斜用壁部７１を各角部に設けることで形成されてもよい。
【００７１】
以上により、各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４の断面形状は、傾斜面７０Ａ〜７０Ｃによって、それぞれ第一実施形態のような矩形（図２，３参照）から「楕円」を含む円形に近づくように丸みを帯びて形成されることになる。特に、本実施形態では、第一実施形態と同様に間隙キャビティＣ２〜Ｃ４の縦横比が１に設定されているため、間隙キャビティＣ２〜Ｃ４の断面形状が「正円」に近づくことになる。ただし、各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４の四つの角部のうち、傾斜面７０Ａ〜７０Ｃは三つの角部にのみ形成されている。残り一つの角部には、微小隙間Ｈ１〜Ｈ３が位置するため傾斜面７０は形成されない。
また、最上流キャビティＣ１の二つの角部（溝内角部及びフィン角部）が、傾斜面７０Ｃ，７０Ｄによって丸みを帯びて形成されることになる。
【００７２】
以上のように構成される本実施形態の蒸気タービンの動作は、第一実施形態の場合と同様である。
すなわち、図５に示すように、環状溝１２ａ内に流入した蒸気Ｓが、まず、最上流キャビティＣ１に流入し、これによって、最上流キャビティＣ１内に第一回転方向に回る主渦ＭＶ１、及び、第二回転方向に回る剥離渦ＳＶ１が発生する。
ここで、最上流キャビティＣ１の溝内角部は、傾斜面７０Ｄによって主渦ＭＶ１の形状に近い円弧状に形成されているため、この溝内角部において生じる主渦ＭＶ１のエネルギー損失を小さく抑えることができる。言い換えれば、主渦ＭＶ１によって生じる剥離渦ＳＶ１のエネルギーが、第一実施形態の場合と比較して大きくなる。
【００７３】
また、最上流キャビティＣ１のフィン角部は、傾斜面７０Ｃによって剥離渦ＳＶ１の形状に近い円弧状に形成されているため、このフィン角部において生じる剥離渦ＳＶ１のエネルギー損失を小さく抑えることができる。
以上のことから、剥離渦ＳＶ１によって第一微小隙間Ｈ１の直前で生じる径方向内側に向かうダウンフローが、第一実施形態の場合と比較して大きくなり、最上流キャビティＣ１から下流側の第一間隙キャビティＣ２に流れ出す漏れ流れをさらに低減することができる。すなわち、剥離渦ＳＶ１による縮流効果の向上を図ることができる。
【００７４】
また、蒸気Ｓが、軸方向上流側（例えば最上流キャビティＣ１）から微小隙間Ｈ１〜Ｈ３を通って各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４内に流入すると、各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４内には主渦ＭＶ２〜ＭＶ４が発生する。
ここで、各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４の三つの角部は、傾斜面７０Ａ〜７０Ｃによって各主渦ＭＶ２〜ＭＶ４の形状に近い円弧状に形成されているため、これら三つの角部において生じる主渦ＭＶ１のエネルギー損失を小さく抑えることができる。言い換えれば、各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４の下流側に位置する微小隙間Ｈ２〜Ｈ４（以下、下流側微小隙間Ｈ２〜Ｈ４と記す）の上流側近傍において、主渦ＭＶ２〜ＭＶ４によって発生する径方向の流速が、第一実施形態の場合と比較して大きくなる。
したがって、下流側微小隙間Ｈ２〜Ｈ４から各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４外に流出する漏れ流れをさらに低減して、主渦ＭＶ２〜ＭＶ４による縮流効果の向上を図ることができる。
【００７５】
本実施形態の蒸気タービンでは、上述した効果の他、第一実施形態と同様の効果も奏する。
【００７６】
以上、本発明の詳細について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることができる。
例えば、第二実施形態では、傾斜面７０が、同一の間隙キャビティＣ２の三つの角部全てに形成されるとしたが、例えば一つの角部にのみ形成されてもよい。
また、第二実施形態では、傾斜面７０が、全てのキャビティＣに形成されているが、少なくとも一つの間隙キャビティＣ２〜Ｃ４に形成されていればよい。
【００７７】
さらに、第二実施形態において、各傾斜面７０は、キャビティＣの角部が丸みを帯びるように曲面状に形成されることに限らず、少なくともキャビティＣの角部形状が、キャビティＣ内で生じる主渦ＭＶ１〜ＭＶ４や剥離渦ＳＶ１の形状に近づくように、軸方向及び径方向の両方に傾斜して形成されていればよい。したがって、各傾斜面７０は、例えばキャビティＣが矩形状よりも多くの角を有する多角形状に形成されるように断面直線状に形成されてもよい。
また、傾斜面７０が断面直線状である場合、同一の角部には、傾斜面７０が一つだけ形成されることに限らず、例えば、キャビティＣの角部形状が、キャビティＣ内で生じる主渦ＭＶ１〜ＭＶ４や剥離渦ＳＶ１により近づくように、傾斜角度の異なる傾斜面７０が複数連ねて形成されてもよい。
【００７８】
そして、上述した全ての実施形態では、最上流キャビティＣ１から第一間隙キャビティＣ２への漏れ流れを低減する縮流効果は、剥離渦ＳＶ１を利用しているが、例えば主渦ＭＶ１を利用してもよい。この場合には、例えば間隙キャビティＣ２〜Ｃ４の下流側シールフィン５５Ｂ，１５Ｃ，５５Ｄの場合と同様に、第一構造体側シールフィン１５Ａの軸方向位置をチップシュラウド５１の上流側端面５１ｃに一致させればよい。なお、この場合には、第一微小隙間Ｈ１の上流側近傍において主渦ＭＶ１による径方向外側の流速が増加するように、第一構造体側シールフィン１５Ａの延出長さＬを上流側端面５１ｃの径方向寸法に一致させる等することがより好ましい。
【００７９】
また、各拡張用凹部１７，５７の深さ寸法Ｄは、各拡張用凹部１７，５７の下流側に位置する下流側シールフィン５５Ｂ，１５Ｃ，５５Ｄの延出長さＬに一致するとしたが、例えば延出長さＬと異なっていてもよい。
ただし、上述した深さ寸法Ｄと延長長さＬとの差は小さい方が好ましい。すなわち、深さ寸法Ｄと延長長さＬとの差が小さい程、各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４に生じる主渦ＭＶ２〜ＭＶ４の中心軸Ａ２〜Ａ４の径方向位置が、各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４の下流側に位置する微小隙間Ｈ２〜Ｈ４の径方向位置に近づくことなる。その結果、各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４から各微小隙間Ｈ２〜Ｈ４を通り抜けて下流側に流出する漏れ流れが減少し、各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４内の主渦ＭＶ２〜ＭＶ４による縮流効果をより効果的に発揮することができる。
【００８０】
また、各拡張用凹部１７，５７の上流側端縁１８ｃ，５８ｃの軸方向位置は、上記実施形態のように、各拡張用凹部１７，５７の上流側シールフィン１５Ａ，５５Ｂ，１５Ｃの軸方向位置に一致していなくてもよく、例えば、上流側シールフィン１５Ａ，５５Ｂ，１５Ｃに対して軸方向下流側にずれていてもよい。
さらに、上記実施形態では、同一の間隙キャビティＣ２〜Ｃ４を形成する下流側シールフィン５５Ｂ，１５Ｃ，５５Ｄと拡張用凹部１７，５７との間に、軸方向の段差が生じていないが、例えば段差が生じていてもよい。ただし、この場合には、各拡張用凹部１７，５７の下流側端縁１８ｄ，５８ｄが、下流側シールフィン５５Ｂ，１５Ｃ，５５Ｄよりも軸方向上流側に位置していることがより好ましい。
【００８１】
また、各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４は、上記実施形態のように、その縦横比が１に設定されなくてもよい。
さらに、上記実施形態では、複数のシールフィン１５，５５が軸方向に等間隔で配列されているが、例えば不等間隔で配列されてもよい。
【００８２】
また、複数のシールフィン１５，５５の延出長さＬは、全て等しくなるように設定されているが、例えば互いに異なっていても構わない。
さらに、上記実施形態では、間隙キャビティＣ２〜Ｃ４が複数形成されるとしたが、少なくとも一つだけ形成されていればよい。言い換えれば、上記実施形態ではシールフィン１５，５５が四つ形成されているが、少なくとも二つだけ形成されていればよい。
また、上記実施形態では、全てのシールフィン１５，５５が、チップシュラウド５１及び環状溝１２ａから相手側に向かって交互に延出しているが、少なくとも上記実施形態と同様の間隙キャビティＣ２〜Ｃ４が一つ形成されるように、少なくとも一つの構造体側シールフィン１５及び一つのブレード側シールフィン５５（一対のシールフィン１５，５５）が、軸方向に隣り合わせて配列されればよい。したがって、上述した一対のシールフィン１５，５５の他には、例えば、複数の構造体側シールフィン１５のみ、あるいは、複数のブレード側シールフィン５５のみが軸方向に連続して配列されてもよい。
【００８３】
また、キャビティＣや、キャビティＣをなすシールフィン１５，５５、拡張用凹部１７，５７は、ケーシング１０の仕切板外輪１２に形成されるとしたが、例えば仕切板外輪１２を設けずに、ケーシング１０の本体部１１に直接形成してもよい。
さらに、上記実施形態では、縮流効果を発揮するキャビティＣが最終段の動翼５０に形成されているが、例えば、他の段の動翼５０に形成されてもよい。
【００８４】
また、上記実施形態のように縮流効果を発揮するキャビティＣは、動翼５０の先端部をなすチップシュラウド５１とケーシング１０との間隙に形成されることに限らず、例えば、静翼４０の先端部をなすハブシュラウド４１と軸体３０との間隙に形成されてもよい。すなわち、静翼４０を本発明の「ブレード」とし、軸体３０を本発明の「構造体」としてもよい。この場合でも、上述した全ての実施形態と同様の効果が得られる。
【００８５】
また、上記実施形態では、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。
さらに、上記実施形態では、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。
【符号の説明】
【００８６】
１…蒸気タービン（タービン）、１０…ケーシング（構造体）、１１…本体部、１２…仕切板外輪、１２ａ…環状溝、１２ｂ…溝底面、１５，１５Ａ，１５Ｃ，５５，５５Ｂ，５５Ｄ…シールフィン、１７，５７…拡張用凹部、１９ａ，５９ａ…底面（底部）、１８ｃ，５８ｃ…上流側端縁（端縁）、１８ｄ，５８ｄ…下流側端縁（端縁）、１９ｃ，５９ｃ…上流側内側面（端縁部）、１９ｄ，５９ｄ…下流側内側面（端縁部）、３０…軸体、４０…静翼、５０…動翼（ブレード）、７０，７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ，７０Ｄ…傾斜面、７１…傾斜用壁部、Ｃ…キャビティ、Ｃ１…最上流キャビティ、Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４…間隙キャビティ、Ｄ，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４…深さ寸法、Ｌ…延出長さ、Ｈ，Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４…微小隙間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、発電プラント、化学プラント、ガスプラント、製鉄所、船舶等に用いられるタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、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。
【０００３】
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、前記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。
【０００４】
従来では、例えば特許文献１のように、動翼の先端部に、軸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。なお、微小隙間は軸方向から見てリング状に形成される。
このタービンでは、上流側から前記間隙に入り込んだ蒸気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（前記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蒸気の流量（漏洩流量）の低減化が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−０８０４５２号公報（図６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来のタービンのように、ステップ部及びシールフィンを軸方向に複数配列すると、ステップ部とシールフィンとの微小隙間も軸方向に複数配列されることになるが、複数の微小隙間のうち軸方向の下流側に配される微小隙間は、ステップ部によって，上流側に配される微小隙間よりも径方向外側に位置することになる。
このため、軸方向に配列するステップ部及びシールフィンの数を増やすと、下流側に配されるリング状の微小隙間の径寸法が大きくなり、これに伴って微小隙間の面積が大きくなってしまう。言い換えれば、ステップ部及びシールフィンの配列数が増えるほど、リング状に形成される複数の微小隙間の平均径寸法（クリアランス平均径）が大きくなってしまう。その結果として、動翼先端部とケーシングとの間隙を通過する漏洩流量の低減化、及びこれに伴うタービンの性能向上に限界が生じる虞がある。
【０００７】
また、上記従来のように、動翼や静翼の先端部にステップ部を複数配列して設ける場合には、ステップ部の配列数が増加するにしたがって、ステップ部の重量が重くなる、すなわち、動翼や静翼の先端部の重量が重くなってしまう。この場合、重力によって動翼や静翼にかかる曲げ応力が大きくなる。さらに、動翼の場合には、軸体の回転に伴って動翼にかかる引張応力も大きくなる。
動翼や静翼の形状を設計する際には上記応力も考慮する必要があるが、上記応力が大きくなると上記応力による動翼や静翼の形状の制約が大きくなり、その結果として、タービンの性能向上を図るための動翼や静翼の形状を設計することが困難となる。言い換えれば、動翼や静翼の形状の設計自由度が低くなり、タービンの性能向上を図りにくくなってしまう、という問題がある。
【０００８】
また、動翼や静翼の先端部にステップ部を複数配列する場合、ステップ部の配列数が増えるほど径方向外側に延びる動翼や静翼の長さが長くなるため、これに伴ってケーシングの車室内径も大きくなってしまう。すなわち、車室をコンパクトに設計することが難しくなる、という問題もある。
【０００９】
本発明は、上述した事情に鑑みたものであって、性能向上及び車室のコンパクト設計を図ることが可能なタービンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この課題を解決するために、本発明のタービンは、ブレードと、前記ブレードの先端側に間隙を介して設けられると共に、前記ブレードに対して相対回転する構造体と、を備え、さらに、前記ブレードの先端部及び前記構造体に、該構造体の回転軸方向に交互に相手側に向かって延出して設けられ、相手側との間に微小隙間を画成する複数のシールフィンと、隣り合う前記シールフィンの間で、前記回転軸方向下流側の前記シールフィンと共に前記微小隙間を画成する前記ブレードの先端部または前記構造体に、前記回転軸の径方向に窪んで形成される拡張用凹部と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
上記タービンでは、ブレードの先端部、構造体、及び、回転軸方向に隣り合う二つのシールフィンによって囲まれるキャビティが形成されている。また、このキャビティは、拡張用凹部によって回転軸の径方向に拡張されている。
さらに、上記タービンでは、隣り合う二つのシールフィンが互いに逆向きに延出しているため、前記二つのシールフィンによって画成される二つの微小隙間は、互いに回転軸の径方向にずれて位置している。
【００１２】
なお、前記タービンにおいて、前記シールフィンが三つ以上配列されている場合には、前述したキャビティが回転軸方向に複数配列されることになる。また、微小隙間も三つ以上画成されることになるが、これら複数の微小隙間は回転軸方向に千鳥状に配列されることになる。
【００１３】
以上のように構成されるタービンにおいて、流体が、回転軸方向上流側から微小隙間（上流側微小隙間）を通ってキャビティ内に流入すると、下流側のシールフィン（下流側シールフィン）に衝突して、回りながら上流側に戻るように流れる。すなわち、キャビティ内には第一回転方向（例えば反時計回り）に回る主渦が発生する。この主渦の中心軸は、拡張用凹部が形成されていない場合と比較して、拡張用凹部の窪み方向（回転軸の径方向）にずれるため、キャビティの下流側の微小隙間（下流側微小隙間）の径方向位置に近づくように位置する。その結果、キャビティのうち下流側微小隙間の上流側近傍では、主渦による回転軸の径方向の流速が大きくなり、下流側微小隙間からキャビティ外に流出する漏れ流れを低減することができる。すなわち、主渦による縮流効果を発揮することができる。
【００１４】
さらに、前述したようにキャビティが回転軸方向に複数配列されれば、上述した縮流効果がキャビティ毎に得られるため、ブレードの先端部と構造体との間隙を通る漏洩流量を十分に低減することが可能となる。
なお、複数のキャビティを配列した場合には、前述したように複数の微小隙間が千鳥状に配列されることで、第一回転方向に回る主渦が発生するキャビティの下流側に位置する別のキャビティでは、第一回転方向とは反対方向（第二回転方向）に回る主渦が発生する。
【００１５】
そして、上記タービンでは、前述したように、キャビティを回転軸方向に複数配列しても、複数の微小隙間は回転軸方向に千鳥状に配列されるため、キャビティの配列数が増加しても、ステップ部を用いた従来構成のように、リング状の微小隙間の径寸法が大きくなることを防いで、軸方向から見たリング状の微小隙間の面積を小さく抑えることができる。言い換えれば、複数の微小隙間の平均径寸法を小さく抑えることが可能となる。その結果、微小隙間を通る漏れ流れを低減して、主渦による縮流効果の向上を図ることが可能となる。
【００１６】
さらに、上記タービンでは、キャビティを回転軸方向に複数配列しても、ブレードの先端部にはシールフィン及び拡張用凹部が交互に配列されるだけである。すなわち、キャビティ数が増加しても、ステップ部を用いた従来構成のように、ブレードの先端部の厚みを増加させる必要が無いため、ブレードの先端部の重量増加を抑え、ブレードの先端部の重量によってブレードにかかる応力を低減することができる。したがって、ブレード形状の設計自由度が向上し、タービンの性能向上を図るためのブレード形状の設計が容易となる。
【００１７】
また、構造体がケーシングである場合には、キャビティの配列数が増加しても、ステップ部を用いた従来構成のように、ブレードの先端部の厚みが増すことは無い。すなわち、ブレードの径方向寸法が長くなることが無いため、ケーシングの車室内径をコンパクトに抑えることが可能となる。
【００１８】
そして、前記タービンにおいては、前記拡張用凹部のうち下流側の端縁の前記回転軸方向の位置と、該拡張用凹部の下流側に形成された前記シールフィンの前記回転軸方向の位置とが一致しているとよい。
【００１９】
上記タービンによれば、同一のキャビティを形成する下流側シールフィンと拡張用凹部との間に（回転軸方向の）段差が生じないため、キャビティの下流側微小隙間の上流側近傍において、キャビティ内に生じる主渦の流れに乱れが発生することを抑制できる。すなわち、主渦による縮流効果をさらに向上させることができる。
また、上記タービンによれば、ステップ部を利用して剥離渦を発生させる従来構成と比較して、前述した段差が無くなる分だけ、キャビティの回転軸方向の寸法を短く設定することが可能となる。したがって、ブレードの回転軸方向の長さを一定とした場合、従来構成と比較して、回転軸方向に配列可能なキャビティ数（シールフィンの数）を多く設定することができ、ブレードの先端部と構造体との間隙における漏洩流量をさらに低減することが可能となる。
【００２０】
また、前記タービンにおいては、前記径方向に延出する前記シールフィンの延出長さと、該シールフィンの前記回転軸方向上流側に形成された前記拡張用凹部の深さ寸法と、が一致していることが好ましい。
【００２１】
この場合には、前述したキャビティの径方向の中心位置がキャビティの下流側微小隙間の径方向位置に一致するため、このキャビティ内に生じる主渦の中心軸の径方向位置を、下流側微小隙間の径方向位置にさらに近づけて一致させることが可能となる。特に、主渦の中心軸及び下流側微小隙間の径方向が一致すると、主渦による回転軸の径方向の流速が下流側微小隙間の上流側近傍において最大となるため、下流側微小隙間からキャビティ外に流出する漏れ流れを効率よく低減することができる。言い換えれば、主渦による縮流効果を最大限に発揮することができる。
【００２２】
さらに、前記タービンにおいては、前記ブレードの先端部、前記構造体、及び、前記回転軸方向に隣り合う二つの前記シールフィンによって囲まれると共に、二つの前記シールフィンの間の前記拡張用凹部によって拡張されるキャビティが形成され、該キャビティの前記回転軸方向の寸法及び前記径方向の寸法が等しいとよい。
【００２３】
すなわち、上記タービンでは、前記キャビティの縦横比が１となっている。この場合には、キャビティ内に発生する主渦のエネルギーが、キャビティの縦横比が１より大きいあるいは小さい場合と比較して大きくなるため、これに伴って、キャビティのうち下流側微小隙間の上流側近傍では、主渦による回転軸の径方向の流速も大きくなる。したがって、下流側微小隙間からキャビティ外に流出する漏れ流れをさらに低減して、大きな縮流効果を得ることができる。
【００２４】
また、前記タービンにおいては、前記拡張用凹部の底部と該拡張用凹部の前記回転軸方向の端縁部との凹部内角部、及び、前記ブレードの先端部あるいは前記構造体の一方と、該一方から延出する前記シールフィンのうち前記回転軸上流側に向く部位とのフィン角部の少なくとも一つの角部に、傾斜面が形成されていることが好ましい。
【００２５】
そして、前記タービンにおいては、前記傾斜面が、曲面状に形成されていることが、さらに好ましい。
なお、前記傾斜面は、前記回転軸方向及び径方向の両方に傾斜する面のことを示している。また、前記凹部内角部や前記フィン角部は、前述したキャビティの角部をなし得るものである。
【００２６】
上記タービンによれば、前述したキャビティの角部をなす凹部内角部やフィン角部に傾斜面が形成されることで、キャビティ形状がキャビティ内に生じる主渦の形状に近づくため、キャビティの角部における主渦のエネルギー損失を小さく抑えることが可能となる。なお、傾斜面が曲面状に形成されていると、キャビティの形状が主渦の形状にさらに近づくため、主渦のエネルギーロスを特に小さく抑えることができる。このため、下流側微小隙間の上流側近傍において、主渦によって発生する回転軸の径方向の流速を、大きくすることができる。したがって、下流側微小隙間からキャビティ外に流出する漏れ流れをさらに低減して、主渦による縮流効果の向上をさらに図ることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、シールフィン及び拡張用凹部（キャビティ）の配列数を増やしても、リング状の微小隙間の面積を小さく抑えることができるため、ブレードの先端部と構造体との間隙を通過する漏洩流量を低減化、及び、これに伴うタービンの性能向上を容易に図ることができる。
また、シールフィン及び拡張用凹部（キャビティ）の配列数を増やしても、ブレードの先端部の重量増加を抑えてブレードにかかる応力を低減できるため、ブレード形状の設計自由度が向上して、タービンの性能向上を容易に図ることができる。
さらに、構造体がケーシングである場合に、シールフィン及び拡張用凹部（キャビティ）の配列数が増加しても、ブレードの径方向寸法が長くなることは無いため、ケーシングの車室内径をコンパクトに抑えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る蒸気タービンを示す概略構成断面図である。
【図２】本発明の第一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。
【図３】本発明の第一実施形態に係る蒸気タービンの作用説明図である。
【図４】本発明の第二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。
【図５】本発明の第二実施形態に係る蒸気タービンの作用説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
〔第一実施形態〕
以下、図１〜３を参照して本発明の第一実施形態について説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る蒸気タービン１は、ケーシング（構造体）１０と、ケーシング１０に流入する蒸気（流体）Ｓの量と圧力を調整する調整弁２０と、ケーシング１０の内方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軸体（ロータ）３０と、ケーシング１０に保持された静翼４０と、軸体３０に設けられた動翼（ブレード）５０と、軸体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。
【００３０】
ケーシング１０は、その内部空間を気密に封止するように形成されて、蒸気Ｓの流路を画成する本体部１１と、本体部１１の内壁面に強固に固定されたリング状の仕切板外輪１２と、を備えている。
調整弁２０は、ケーシング１０の本体部１１内部に複数個取り付けられており、それぞれ図示しないボイラから蒸気Ｓが流入する調整弁室２１と、弁体２２と、弁座２３と、蒸気室２４とを備えている。この調整弁２０では、弁体２２が弁座２３から離れることで蒸気流路が開き、これによって、蒸気Ｓが蒸気室２４を介してケーシング１０の内部空間に流入するようになっている。
【００３１】
軸体３０は、軸本体３１と、軸本体３１の外周から径方向外側に延出した複数のディスク３２とを備えている。この軸体３０は、回転エネルギーを、図示しない発電機等の機械に伝達するようになっている。
また、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、ケーシング１０の本体部１１内部に挿通された軸体３０を本体部１１の外側において回転可能に支持している。
【００３２】
静翼４０は、軸体３０を囲繞するように放射状に多数配置されて環状静翼群を構成しており、それぞれ前述した仕切板外輪１２に保持されている。すなわち、静翼４０はそれぞれ仕切板外輪１２からその径方向内側に延出している。
静翼４０の延出方向の先端部は、ハブシュラウド４１によって構成されている。このハブシュラウド４１は、同一の環状静翼群をなす複数の静翼４０を連結するようにリング状に形成されている。ハブシュラウド４１には軸体３０が挿通されているが、ハブシュラウド４１は軸体３０との間に径方向の間隙を介して配されている。
そして、複数の静翼４０からなる環状静翼群は、ケーシング１０や軸体３０の回転軸方向（以下、軸方向と記す）に間隔をあけて六つ形成されており、蒸気Ｓの圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して、軸方向下流側に隣接する動翼５０側に案内するようになっている。
【００３３】
動翼５０は、軸体３０を構成するディスク３２の外周部に強固に取り付けられ、軸体３０から径方向外側に延出している。この動翼５０は、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。
前述した環状静翼群と上記環状動翼群とは、一組一段とされている。すなわち、蒸気タービン１は、六段に構成されている。このうち、最終段における動翼５０の先端部は、周方向に延びるチップシュラウド５１となっている。
【００３４】
動翼５０の先端部をなすチップシュラウド５１は、図２に示すように、ケーシング１０の仕切板外輪１２との間に径方向の間隙を介して対向配置されている。
本実施形態では、チップシュラウド５１が断面矩形状に形成されている。そして、このチップシュラウド５１の外周面５１ｂは、軸方向に平行するように形成されている。また、チップシュラウド５１の軸方向の上流側の端面（以下、上流側端面５１ｃと記す）及び下流側の端面（以下、下流側端面５１ｄと記す）は、径方向に平行するように形成されている。
【００３５】
一方、仕切板外輪１２には、チップシュラウド５１に対応する部位に周方向に延びる環状溝１２ａが形成されている。
本実施形態では、環状溝１２ａが仕切板外輪１２の内周面から径方向外側に窪んで形成され、断面矩形状に形成されている。そして、この環状溝１２ａの溝底面１２ｂは軸方向に平行するように形成され、環状溝１２ａのうち軸方向の上流側の内側面（以下、上流側内側面１２ｃと記す）、及び、下流側の内側面（下流側内側面１２ｄと記す）は、それぞれ径方向に平行するように形成されている。
【００３６】
前述したチップシュラウド５１は、上記環状溝１２ａ内に収容されている。この収容状態では、チップシュラウド５１の外周面５１ｂが環状溝１２ａの溝底面１２ｂに対向している。また、チップシュラウド５１の上流側端面５１ｃが環状溝１２ａの上流側内側面１２ｃに対向し、チップシュラウド５１の下流側端面５１ｄが環状溝１２ａの下流側内側面１２ｄに対向している。
【００３７】
以上のように構成されるチップシュラウド５１及び環状溝１２ａには、軸方向に交互に配列されるように、相手側に向かって径方向に延出する複数（図示例では四つ）のシールフィン１５，５５が設けられている。そして、各シールフィン１５，５５と前記相手側との間には微小隙間Ｈが画成されている。なお、微小隙間Ｈは軸方向から見てリング状に形成されている。
具体的に説明すれば、チップシュラウド５１に設けられる二つのシールフィン５５（以下、ブレード側シールフィン５５とも記す）は、チップシュラウド５１の外周面５１ｂから環状溝１２ａの溝底面１２ｂに向けて延出している。このブレード側シールフィン５５の延出方向の先端と溝底面１２ｂとの間には、微小隙間Ｈ（Ｈ２，Ｈ４）が画成されている。
【００３８】
一方、環状溝１２ａに設けられる二つのシールフィン１５（以下、構造体側シールフィン１５とも記す）も、ブレード側シールフィン５５の場合と同様に、環状溝１２ａの溝底面１２ｂからチップシュラウド５１の外周面５１ｂに向けて延出している。この構造体側シールフィン１５の延出方向の先端とチップシュラウド５１の外周面５１ｂとの間には微小隙間Ｈ（Ｈ１，Ｈ３）が画成されている。
そして、これらブレード側シールフィン５５と構造体側シールフィン１５とが、軸方向に交互に配列されている。
【００３９】
なお、本実施形態では、全てのシールフィン１５，５５の延出長さＬが等しく設定されており、また、複数のシールフィン１５，５５が軸方向に等間隔で配列されている。さらに、軸方向の最も上流側には構造体側シールフィン１５（第一構造体側シールフィン１５Ａ）が配され、軸方向の最も下流側にはブレード側シールフィン５５（第四ブレード側シールフィン５５Ｄ）が配されている。また、第一構造体側シールフィン１５Ａは、チップシュラウド５１の上流側端面５１ｃの軸方向位置よりも下流側に配され、第四ブレード側シールフィン５５Ｄは、チップシュラウド５１の下流側端面５１ｄの軸方向位置よりも上流側に配されている。
【００４０】
そして、上述したように隣り合う二つのシールフィン１５，５５が互いに逆向きに延出しているため、隣り合う二つのシールフィン１５，５５によって画成される二つの微小隙間Ｈ（Ｈ１，Ｈ３），Ｈ（Ｈ２，Ｈ４）は、互いに径方向にずれて位置している。なお、本実施形態では、シールフィン１５，５５の個数に対応して四つの微小隙間Ｈ（Ｈ１〜Ｈ４）が画成されているが、これら四つの微小隙間Ｈ（Ｈ１〜Ｈ４）は、軸方向に千鳥状に配列されている。特に、本実施形態では、全てのシールフィン１５，５５の延出長さＬが等しいため、構造体側シールフィン１５とチップシュラウド５１の外周面５１ｂとの間に画成される二つの微小隙間Ｈ１，Ｈ３が、同一の径方向位置に配されている。また、ブレード側シールフィン５５と環状溝１２ａの溝底面１２ｂとの間に画成される二つの微小隙間Ｈ２，Ｈ４が、同一の径方向位置に配されている。
【００４１】
このように複数のシールフィン１５，５５が設けられることで、チップシュラウド５１と仕切板外輪１２との間には、複数のキャビティＣが軸方向に配列して形成されている。
具体的に説明すれば、軸方向の最も上流側に形成されるキャビティＣ（以下、最上流キャビティＣ１と記す）は、環状溝１２ａの上流側内側面１２ｃと、上流側内側面１２ｃに対して軸方向下流側で対向する第一構造体側シールフィン１５Ａ及びチップシュラウド５１の上流側端面５１ｃと、環状溝１２ａの溝底面１２ｂとによって囲まれるように形成されている。
また、最上流キャビティＣ１よりも軸方向下流側に順番に配列される残りのキャビティＣ（以下、間隙キャビティＣ２〜Ｃ４と記す）は、チップシュラウド５１の外周面５１ｂと、環状溝１２ａの溝底面１２ｂと、軸方向に隣り合う二つのシールフィン１５，５５とによって囲まれるように各々形成されている。
【００４２】
さらに、チップシュラウド５１及び環状溝１２ａには、軸方向に隣り合う二つのシールフィン１５，５５の間において径方向に窪む拡張用凹部１７，５７が形成されている。拡張用凹部１７，５７は、隣り合う二つのシールフィン１５，５５のうち軸方向下流側に位置するシールフィン１５，５５と共に微小隙間Ｈを画成するチップシュラウド５１または環状溝１２ａに形成されるように設定されている。そして、各拡張用凹部１７，５７は、断面矩形状に形成され、前述した間隙キャビティＣ２〜Ｃ４をそれぞれ径方向に拡張している。
【００４３】
具体的に説明すれば、環状溝１２ａには、互いに隣り合う第一構造体側シールフィン１５Ａと第二ブレード側シールフィン５５Ｂとの間、及び、第三構造体側シールフィン１５Ｃと第四ブレード側シールフィン５５Ｄとの間において、溝底面１２ｂから径方向外側に窪む拡張用凹部１７（以下、構造体側凹部１７とも記す）が形成されている。各構造体側凹部１７は、第一間隙キャビティＣ２及び第三間隙キャビティＣ４をそれぞれ径方向外側に拡張している。
一方、チップシュラウド５１には、第二ブレード側シールフィン５５Ｂと第三構造体側シールフィン１５Ｃとの間において、チップシュラウド５１の外周面５１ｂから窪む拡張用凹部５７（以下、ブレード側凹部５７とも記す）が形成されている。このブレード側凹部５７は、第二間隙キャビティＣ３を径方向内側に拡張している。
【００４４】
そして、上述した各拡張用凹部１７，５７の軸方向下流側の端縁（以下、下流側端縁１８ｄ，５８ｄと記す）は、各拡張用凹部１７，５７の下流側に形成されたシールフィン１５，５５（以下、下流側シールフィン５５Ｂ，１５Ｃ，５５Ｄとも記す）と、軸方向の位置について一致している。これにより、同一の間隙キャビティＣ２〜Ｃ４を形成する下流側シールフィン５５Ｂ，１５Ｃ，５５Ｄと拡張用凹部１７，５７との間には、軸方向の段差が生じない。
本実施形態では、各拡張用凹部１７，５７が断面矩形状に形成されているため、拡張用凹部１７，５７の下流側端縁１８ｄ，５８ｄから径方向に延びる拡張用凹部１７，５７の軸方向下流側の内側面（以下、下流側内側面１９ｄ，５９ｄと記す）は、径方向に平行している。したがって、拡張用凹部１７，５７の下流側内側面１９ｄ，５９ｄと、下流側シールフィン５５Ｂ，１５Ｃ，５５Ｄのうち軸方向上流側に向く面とが、同一平面をなしている。
【００４５】
また、各拡張用凹部１７，５７の深さ寸法Ｄ（Ｄ２〜Ｄ４）は、各拡張用凹部１７，５７の下流側に形成された下流側シールフィン５５Ｂ，１５Ｃ，５５Ｄの延出長さＬに一致している。これにより、各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４の径方向の中心位置が、間隙キャビティＣ２〜Ｃ４の下流側をなす各微小隙間Ｈ２〜Ｈ４の径方向に一致している。
【００４６】
さらに、本実施形態では、各拡張用凹部１７，５７の軸方向上流側の端縁（以下、上流側端縁１８ｃ，５８ｃと記す）が、各拡張用凹部１７，５７の上流側に形成されたシールフィン１５，５５（以下、上流側シールフィン１５Ａ，５５Ｂ，１５Ｃと記す）と、軸方向の位置について一致している。特に、本実施形態では、拡張用凹部１７，５７が断面矩形状に形成されているため、各拡張用凹部１７，５７の上流側端縁１８ｃ，５８ｃから径方向に延びる拡張用凹部１７，５７の軸方向上流側の内側面（以下、上流側内側面１９ｃ，５９ｃと記す）が、径方向に平行している。したがって、拡張用凹部１７，５７の上流側内側面１９ｃ，５９ｃと、上流側シールフィン１５Ａ，５５Ｂ，１５Ｃのうち軸方向下流側に向く面とが、同一平面をなしている。
【００４７】
以上のようにシールフィン１５，５５と拡張用凹部１７，５７との相対位置が設定されていることで、隣り合う二つのシールフィン１５，５５同士の間隔、及び、二つのシールフィン１５，５５の間に形成される拡張用凹部１７，５７の軸方向寸法が、互いに等しくなっている。すなわち、拡張用凹部１７，５７によって拡張される各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４がそれぞれ断面矩形状に形成されている。
さらに、本実施形態では、各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４の軸方向の寸法及び径方向の寸法が互いに等しくなっている。このため、本実施形態の間隙キャビティＣ２〜Ｃ４は、それぞれ断面正方形状に形成されている。言い換えれば、各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４の縦横比が１に設定されている。
【００４８】
なお、以上のように構成される蒸気タービン１において後述する効果を十分に発揮するためには、上述したシールフィン１５，５５と拡張用凹部１７，５７との相対的な位置関係や各種寸法、各キャビティＣの形状、各微小隙間Ｈの寸法等が、蒸気タービン１の運転状態の変化に伴うケーシング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、設定されることが好ましい。
すなわち、上述したシールフィン１５，５５と拡張用凹部１７，５７との相対的な位置関係や各種寸法、各キャビティＣの形状、各微小隙間Ｈの寸法等は、蒸気タービン１の運転時において設定されるようにすることが好ましく、特に、定格運転時において最適に設定されるようにすることがさらに望ましい。例えば、各拡張用凹部１７，５７の下流側端縁１８ｄ，５８ｄと、各拡張用凹部１７，５７の下流側に位置する下流側シールフィン５５Ｂ，１５Ｃ，５５Ｄとの軸方向の相対位置は、運転時において互いに一致することが好ましく、さらに定格運転時において一致することが最適である。
【００４９】
次に、上述した構成の蒸気タービン１の動作について説明する。
まず、調整弁２０（図１参照）を開状態とすると、図示しないボイラから蒸気Ｓがケーシング１０の内部空間に流入する。
【００５０】
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の速度エネルギーが回転エネルギーに変換されて、軸体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、図３に示すように、環状溝１２ａ内（動翼５０の先端部とケーシング１０の仕切板外輪１２との間隙）に流入する、いわゆる、漏洩蒸気となる。
【００５１】
ここで、環状溝１２ａ内に流入した蒸気Ｓは、まず、最上流キャビティＣ１に流入すると共にチップシュラウド５１の上流側端面５１ｃに衝突して、最上流キャビティＣ１内において回りながら上流側に戻るように流れる。これにより、最上流キャビティＣ１内には、反時計回り（第一回転方向）に回る主渦ＭＶ１が発生する。
【００５２】
その際、特にチップシュラウド５１の上流側端面５１ｃと外周面５１ｂとの角部（エッジ）においては、主渦ＭＶ１から一部の流れが剥離されることで、チップシュラウド５１の外周面５１ｂの前記角部近傍には、主渦ＭＶ１とは反対の時計回り（第二回転方向）に回る剥離渦ＳＶ１が発生する。
この剥離渦ＳＶ１は、第一構造体側シールフィン１５Ａとチップシュラウド５１との間の第一微小隙間Ｈ１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、第一微小隙間Ｈ１の直前で生じるため、最上流キャビティＣ１から第一微小隙間Ｈ１を通って下流側の第一間隙キャビティＣ２に流入する漏れ流れを低減する縮流効果が、上記剥離渦ＳＶ１によって得られる。
【００５３】
そして、蒸気Ｓが、上述した最上流キャビティＣ１から第一微小隙間Ｈ１を通り抜けて第一間隙キャビティＣ２内に流入すると、第一間隙キャビティＣ２の下流側をなす下流側シールフィン５５Ｂに衝突して、回りながら上流側に戻るように流れる。これにより、第一間隙キャビティＣ２内には、最上流キャビティＣ１に生じる主渦ＭＶ１と同一の第一方向（反時計回り）に回る主渦ＭＶ２が発生する。
【００５４】
このように発生する主渦ＭＶ２の中心軸Ａ２は、拡張用凹部１７が形成されていない場合と比較して、拡張用凹部１７の窪み方向（径方向外側）にずれるため、第一間隙キャビティＣ２の下流側の第二微小隙間Ｈ２の径方向位置に近づくように位置する。
これにより、第一間隙キャビティＣ２のうち第二微小隙間Ｈ２の上流側近傍では、拡張用凹部１７が形成されていない場合と比較して、主渦ＭＶ２による径方向外側の流速が大きくなる。すなわち、第二微小隙間Ｈ２の上流側近傍における主渦ＭＶ２の速度ベクトルのうち径方向外側の速度成分が大きくなり、第一間隙キャビティＣ２から第二微小隙間Ｈ２を通り抜けて下流側の第二間隙キャビティＣ３に流出する漏れ流れを低減することができる。言い換えれば、第一間隙キャビティＣ２内の主渦ＭＶ２による縮流効果を発揮することができる。
【００５５】
特に、本実施形態では、第一間隙キャビティＣ２の径方向の中心位置が第二微小隙間Ｈ２の径方向位置に一致しているため、第一間隙キャビティＣ２内に生じる主渦ＭＶ２の中心軸Ａ２の径方向位置を、第二微小隙間Ｈ２の径方向位置にさらに近づけて一致させることができる。
【００５６】
さらに、本実施形態では、第一間隙キャビティＣ２の下流側をなす下流側シールフィン５５Ｂと拡張用凹部１７との間に軸方向の段差が生じていないため、第二微小隙間Ｈ２の上流側近傍において、第一間隙キャビティＣ２内に生じる主渦ＭＶ２の流れに乱れが発生することが抑制されている。言い換えれば、第一間隙キャビティＣ２のうち第二微小隙間Ｈ２の上流側近傍において、径方向外側に向かう流れが弱められることを抑えることができる。
以上のことから、本実施形態では、第二微小隙間Ｈ２の上流側近傍において、主渦による径方向外側の流速が最大となり、第一間隙キャビティＣ２から第二微小隙間Ｈ２を通り抜けて第二間隙キャビティＣ３に流出する漏れ流れを効率よく低減することができる。言い換えれば、第一間隙キャビティＣ２内の主渦ＭＶ２による縮流効果を最大限に発揮することができる。
【００５７】
また、蒸気Ｓが、上述した第一間隙キャビティＣ２から第二微小隙間Ｈ２を通り抜けて第二間隙キャビティＣ３内に流入すると、第一間隙キャビティＣ２の場合と同様に、第二間隙キャビティＣ３の下流側をなす下流側シールフィン１５Ｃに衝突して、回りながら上流側に戻るように流れる。すなわち、第二間隙キャビティＣ３内にも主渦ＭＶ３が発生する。ただし、第二間隙キャビティＣ３は第一間隙キャビティＣ２と径方向に逆向きに形成されているため、第二間隙キャビティＣ３内に生じる主渦ＭＶ３は、第一間隙キャビティＣ２内で生じる主渦ＭＶ２の第一回転方向とは反対の第二回転方向（時計回り）に回る。
【００５８】
さらに、蒸気Ｓが、第二間隙キャビティＣ３から下流側の第三微小隙間Ｈ３を通り抜けて第三間隙キャビティＣ４内に流入すると、第三間隙キャビティＣ４の下流側をなす下流側シールフィン５５Ｄに衝突して、回りながら上流側に戻るように流れる。すなわち、第三間隙キャビティＣ４内にも主渦ＭＶ４が発生する。ただし、第三間隙キャビティＣ４内に生じる主渦ＭＶ４は、第二間隙キャビティＣ３内で生じる主渦ＭＶ３の第二回転方向とは反対の第一回転方向（反時計回り）に回る。
【００５９】
これら第二間隙キャビティＣ３及び第三間隙キャビティＣ４内に発生する主渦ＭＶ３，ＭＶ４は、前述した第一間隙キャビティＣ２内の主渦ＭＶ２の場合と同様の縮流効果を発揮する。例えば、第二、第三間隙キャビティＣ３，Ｃ４内に生じる主渦ＭＶ３，ＭＶ４の中心軸Ａ３，Ａ４の径方向位置も、それぞれ第三、第四微小隙間Ｈ３，Ｈ４の径方向位置に近づけて一致させることができるため、第二、第三間隙キャビティＣ３，Ｃ４から第三、第四微小隙間Ｈ３，Ｈ４を通り抜けて第二、第三間隙キャビティＣ３，Ｃ４外に流出する漏れ流れを効率よく低減することができる。
したがって、本実施形態では、縮流効果を得られる複数の間隙キャビティＣ２〜Ｃ４が配列されていることで、動翼５０の先端部とケーシング１０の仕切板外輪１２との間隙を通る漏洩流量を十分に低減することが可能である。
【００６０】
以上説明したように、本実施形態の蒸気タービン１によれば、隣り合う二つのシールフィン１５，５５によって形成される間隙キャビティＣ２〜Ｃ４を軸方向に複数配列しても、複数の微小隙間Ｈは軸方向に千鳥状に配列されるため、間隙キャビティＣ２〜Ｃ４の配列数が増加しても、ステップ部を用いた従来構成のように、リング状の微小隙間Ｈの径寸法が大きくなることを防いで、軸方向から見たリング状の微小隙間Ｈの面積を小さく抑えることができる。言い換えれば、複数の微小隙間Ｈの平均径寸法を小さく抑えることが可能となる。その結果、微小隙間Ｈを通る漏れ流れを低減して、主渦ＭＶ２〜ＭＶ４による縮流効果の向上を図ることが可能となる。
したがって、動翼５０の先端部とケーシング１０の仕切板外輪１２との間隙を通過する蒸気Ｓの漏洩流量の低減化、及び、これに伴う蒸気タービン１の性能向上を容易に図ることができる。
【００６１】
また、本実施形態の蒸気タービン１では、間隙キャビティＣ２〜Ｃ４を軸方向に複数配列しても、動翼５０の先端部をなすチップシュラウド５１にはシールフィン１５，５５及び拡張用凹部１７，５７が交互に配列されるだけである。すなわち、間隙キャビティＣ２〜Ｃ４の数が増加しても、ステップ部を用いた従来構成のように、チップシュラウド５１の厚みを増加させる必要が無いため、チップシュラウド５１の重量増加を抑え、チップシュラウド５１の重量によって動翼５０にかかる応力を低減することができる。したがって、動翼５０の形状の設計自由度が向上し、蒸気タービン１の性能向上を図るための動翼５０の形状の設計が容易となる。
【００６２】
さらに、本実施形態の蒸気タービン１では、間隙キャビティＣ２〜Ｃ４の配列数が増加しても、ステップ部を用いた従来構成のように、チップシュラウド５１の厚みが増すことは無い。すなわち、動翼５０の径方向寸法が長くなることが無いため、ケーシング１０の車室内径をコンパクトに抑えることも可能となる。
【００６３】
また、本実施形態の蒸気タービン１によれば、同一の間隙キャビティＣ２〜Ｃ４を形成する下流側シールフィン５５Ｂ，１５Ｃ，５５Ｄと拡張用凹部１７，５７との間に、軸方向の段差が生じないため、ステップ部を利用して剥離渦を発生させる従来構成と比較して、この段差が無くなる分だけ、間隙キャビティＣ２〜Ｃ４の軸方向の寸法を短く設定することが可能となる。したがって、チップシュラウド５１の軸方向長さを一定とした場合、従来構成と比較して、軸方向に配列可能な間隙キャビティＣ２〜Ｃ４の数（シールフィン１５，５５の数）を多く設定することができ、動翼５０の先端部とケーシング１０の仕切板外輪１２との間隙における漏洩流量をさらに低減することが可能となる。
【００６４】
また、本実施形態の蒸気タービン１では、各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４の縦横比が１となっているため、各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４内に発生する主渦ＭＶ２〜ＭＶ４のエネルギーが、間隙キャビティＣ２〜Ｃ４の縦横比が１より大きいあるいは小さい場合と比較して大きくなる。これに伴って、各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４の下流側に位置する微小隙間Ｈ２〜Ｈ４の上流側近傍では、主渦ＭＶ２〜ＭＶ４による径方向の流速も大きくなる。したがって、各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４から下流側の微小隙間Ｈ２〜Ｈ４を通り抜ける漏れ流れをさらに低減して、大きな縮流効果を得ることができる。
【００６５】
〔第二実施形態〕
次に、図４，５を参照して本発明の第二実施形態について説明する。
この実施形態では、第一実施形態の蒸気タービン１と比較して、各キャビティＣの断面形状のみが異なっており、その他の構成については第一実施形態と同様である。本実施形態では、第一実施形態と同一の構成要素について同一符号を付す等して、その説明を省略する。
【００６６】
図４に示すように、本実施形態のチップシュラウド５１及び環状溝１２ａには、第一実施形態と同様のシールフィン１５，５５及び拡張用凹部１７，５７が設けられ、これによって複数のキャビティＣ（Ｃ１〜Ｃ４）が形成されている。
【００６７】
そして、本実施形態では、各拡張用凹部１７，５７の底部と、軸方向の端縁部との凹部内角部に傾斜面７０Ａ，７０Ｂが形成されている。なお、本実施形態では、各拡張用凹部１７，５７が断面矩形状に形成されているため、前記底部は、各拡張用凹部１７，５７の凹部底面１９ａ，５９ａのことを示している。また、前記端縁部は、上流側端縁１８ｃ，５８ｃを含む各拡張用凹部１７，５７の上流側内側面１９ｃ、５９ｃや、下流側端縁１８ｄ，５８ｄを含む各拡張用凹部１７，５７の下流側内側面１９ｄ、５９ｄのことを示している。そして、前記凹部内角部は、断面矩形状に形成された各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４のうち二つの角部をなすものである。
このように各凹部内角部に形成される傾斜面７０Ａ，７０Ｂは、凹部底面１９ａ，５９ａと、上流側内側面１９ｃ、５９ｃや下流側内側面１９ｄ、５９ｄとが滑らかに連なるように曲面状に形成されている。
【００６８】
また、本実施形態では、チップシュラウド５１の外周面５１ｂと、チップシュラウド５１から延出するブレード側シールフィン５５のうち軸方向上流側に向く面（部位）とのフィン角部にも、傾斜面７０Ｃが形成されている。さらに同様にして、環状溝１２ａの溝底面１２ｂと、溝底面１２ｂから延出する構造体側シールフィン１５のうち軸方向上流側に向く面（部位）とのフィン角部にも、傾斜面７０Ｃが形成されている。なお、前記フィン角部は、各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４のうち一つの角部をなすもの、あるいは、最上流キャビティＣ１の一つの角部をなすものである。
このように各フィン角部に形成される傾斜面７０Ｃは、チップシュラウド５１の外周面５１ｂや環状溝１２ａの溝底面１２ｂと、軸方向上流側に向くシールフィン１５，５５の面とが滑らかに連なるように曲面状に形成されている。
【００６９】
さらに、本実施形態では、環状溝１２ａの溝底面１２ｂと上流側内側面１２ｃとの溝内角部にも、傾斜面７０Ｄが形成されている。なお、前記溝内角部は、最上流キャビティＣ１の一つの角部をなすものである。このように溝内角部に形成される傾斜面７０Ｄは、溝底面１２ｂと上流側内側面１２ｃとが滑らかに連なるように曲面状に形成されている。
【００７０】
そして、上述した全ての傾斜面７０（７０Ａ〜７０Ｄ）は、いずれも軸方向及び径方向の両方に傾斜している。また、各傾斜面７０は、ケーシング１０の仕切板外輪１２やチップシュラウド５１、シールフィン１５，５５に直接形成されてもよいが、図示例のように、ケーシング１０の仕切板外輪１２やチップシュラウド５１、シールフィン１５，５５とは別体の傾斜用壁部７１を各角部に設けることで形成されてもよい。
【００７１】
以上により、各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４の断面形状は、傾斜面７０Ａ〜７０Ｃによって、それぞれ第一実施形態のような矩形（図２，３参照）から「楕円」を含む円形に近づくように丸みを帯びて形成されることになる。特に、本実施形態では、第一実施形態と同様に間隙キャビティＣ２〜Ｃ４の縦横比が１に設定されているため、間隙キャビティＣ２〜Ｃ４の断面形状が「正円」に近づくことになる。ただし、各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４の四つの角部のうち、傾斜面７０Ａ〜７０Ｃは三つの角部にのみ形成されている。残り一つの角部には、微小隙間Ｈ１〜Ｈ３が位置するため傾斜面７０は形成されない。
また、最上流キャビティＣ１の二つの角部（溝内角部及びフィン角部）が、傾斜面７０Ｃ，７０Ｄによって丸みを帯びて形成されることになる。
【００７２】
以上のように構成される本実施形態の蒸気タービンの動作は、第一実施形態の場合と同様である。
すなわち、図５に示すように、環状溝１２ａ内に流入した蒸気Ｓが、まず、最上流キャビティＣ１に流入し、これによって、最上流キャビティＣ１内に第一回転方向に回る主渦ＭＶ１、及び、第二回転方向に回る剥離渦ＳＶ１が発生する。
ここで、最上流キャビティＣ１の溝内角部は、傾斜面７０Ｄによって主渦ＭＶ１の形状に近い円弧状に形成されているため、この溝内角部において生じる主渦ＭＶ１のエネルギー損失を小さく抑えることができる。言い換えれば、主渦ＭＶ１によって生じる剥離渦ＳＶ１のエネルギーが、第一実施形態の場合と比較して大きくなる。
【００７３】
また、最上流キャビティＣ１のフィン角部は、傾斜面７０Ｃによって剥離渦ＳＶ１の形状に近い円弧状に形成されているため、このフィン角部において生じる剥離渦ＳＶ１のエネルギー損失を小さく抑えることができる。
以上のことから、剥離渦ＳＶ１によって第一微小隙間Ｈ１の直前で生じる径方向内側に向かうダウンフローが、第一実施形態の場合と比較して大きくなり、最上流キャビティＣ１から下流側の第一間隙キャビティＣ２に流れ出す漏れ流れをさらに低減することができる。すなわち、剥離渦ＳＶ１による縮流効果の向上を図ることができる。
【００７４】
また、蒸気Ｓが、軸方向上流側（例えば最上流キャビティＣ１）から微小隙間Ｈ１〜Ｈ３を通って各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４内に流入すると、各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４内には主渦ＭＶ２〜ＭＶ４が発生する。
ここで、各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４の三つの角部は、傾斜面７０Ａ〜７０Ｃによって各主渦ＭＶ２〜ＭＶ４の形状に近い円弧状に形成されているため、これら三つの角部において生じる主渦ＭＶ１のエネルギー損失を小さく抑えることができる。言い換えれば、各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４の下流側に位置する微小隙間Ｈ２〜Ｈ４（以下、下流側微小隙間Ｈ２〜Ｈ４と記す）の上流側近傍において、主渦ＭＶ２〜ＭＶ４によって発生する径方向の流速が、第一実施形態の場合と比較して大きくなる。
したがって、下流側微小隙間Ｈ２〜Ｈ４から各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４外に流出する漏れ流れをさらに低減して、主渦ＭＶ２〜ＭＶ４による縮流効果の向上を図ることができる。
【００７５】
本実施形態の蒸気タービンでは、上述した効果の他、第一実施形態と同様の効果も奏する。
【００７６】
以上、本発明の詳細について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることができる。
例えば、第二実施形態では、傾斜面７０が、同一の間隙キャビティＣ２の三つの角部全てに形成されるとしたが、例えば一つの角部にのみ形成されてもよい。
また、第二実施形態では、傾斜面７０が、全てのキャビティＣに形成されているが、少なくとも一つの間隙キャビティＣ２〜Ｃ４に形成されていればよい。
【００７７】
さらに、第二実施形態において、各傾斜面７０は、キャビティＣの角部が丸みを帯びるように曲面状に形成されることに限らず、少なくともキャビティＣの角部形状が、キャビティＣ内で生じる主渦ＭＶ１〜ＭＶ４や剥離渦ＳＶ１の形状に近づくように、軸方向及び径方向の両方に傾斜して形成されていればよい。したがって、各傾斜面７０は、例えばキャビティＣが矩形状よりも多くの角を有する多角形状に形成されるように断面直線状に形成されてもよい。
また、傾斜面７０が断面直線状である場合、同一の角部には、傾斜面７０が一つだけ形成されることに限らず、例えば、キャビティＣの角部形状が、キャビティＣ内で生じる主渦ＭＶ１〜ＭＶ４や剥離渦ＳＶ１により近づくように、傾斜角度の異なる傾斜面７０が複数連ねて形成されてもよい。
【００７８】
そして、上述した全ての実施形態では、最上流キャビティＣ１から第一間隙キャビティＣ２への漏れ流れを低減する縮流効果は、剥離渦ＳＶ１を利用しているが、例えば主渦ＭＶ１を利用してもよい。この場合には、例えば間隙キャビティＣ２〜Ｃ４の下流側シールフィン５５Ｂ，１５Ｃ，５５Ｄの場合と同様に、第一構造体側シールフィン１５Ａの軸方向位置をチップシュラウド５１の上流側端面５１ｃに一致させればよい。なお、この場合には、第一微小隙間Ｈ１の上流側近傍において主渦ＭＶ１による径方向外側の流速が増加するように、第一構造体側シールフィン１５Ａの延出長さＬを上流側端面５１ｃの径方向寸法に一致させる等することがより好ましい。
【００７９】
また、各拡張用凹部１７，５７の深さ寸法Ｄは、各拡張用凹部１７，５７の下流側に位置する下流側シールフィン５５Ｂ，１５Ｃ，５５Ｄの延出長さＬに一致するとしたが、例えば延出長さＬと異なっていてもよい。
ただし、上述した深さ寸法Ｄと延長長さＬとの差は小さい方が好ましい。すなわち、深さ寸法Ｄと延長長さＬとの差が小さい程、各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４に生じる主渦ＭＶ２〜ＭＶ４の中心軸Ａ２〜Ａ４の径方向位置が、各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４の下流側に位置する微小隙間Ｈ２〜Ｈ４の径方向位置に近づくことなる。その結果、各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４から各微小隙間Ｈ２〜Ｈ４を通り抜けて下流側に流出する漏れ流れが減少し、各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４内の主渦ＭＶ２〜ＭＶ４による縮流効果をより効果的に発揮することができる。
【００８０】
また、各拡張用凹部１７，５７の上流側端縁１８ｃ，５８ｃの軸方向位置は、上記実施形態のように、各拡張用凹部１７，５７の上流側シールフィン１５Ａ，５５Ｂ，１５Ｃの軸方向位置に一致していなくてもよく、例えば、上流側シールフィン１５Ａ，５５Ｂ，１５Ｃに対して軸方向下流側にずれていてもよい。
さらに、上記実施形態では、同一の間隙キャビティＣ２〜Ｃ４を形成する下流側シールフィン５５Ｂ，１５Ｃ，５５Ｄと拡張用凹部１７，５７との間に、軸方向の段差が生じていないが、例えば段差が生じていてもよい。ただし、この場合には、各拡張用凹部１７，５７の下流側端縁１８ｄ，５８ｄが、下流側シールフィン５５Ｂ，１５Ｃ，５５Ｄよりも軸方向上流側に位置していることがより好ましい。
【００８１】
また、各間隙キャビティＣ２〜Ｃ４は、上記実施形態のように、その縦横比が１に設定されなくてもよい。
さらに、上記実施形態では、複数のシールフィン１５，５５が軸方向に等間隔で配列されているが、例えば不等間隔で配列されてもよい。
【００８２】
また、複数のシールフィン１５，５５の延出長さＬは、全て等しくなるように設定されているが、例えば互いに異なっていても構わない。
さらに、上記実施形態では、間隙キャビティＣ２〜Ｃ４が複数形成されるとしたが、少なくとも一つだけ形成されていればよい。言い換えれば、上記実施形態ではシールフィン１５，５５が四つ形成されているが、少なくとも二つだけ形成されていればよい。
また、上記実施形態では、全てのシールフィン１５，５５が、チップシュラウド５１及び環状溝１２ａから相手側に向かって交互に延出しているが、少なくとも上記実施形態と同様の間隙キャビティＣ２〜Ｃ４が一つ形成されるように、少なくとも一つの構造体側シールフィン１５及び一つのブレード側シールフィン５５（一対のシールフィン１５，５５）が、軸方向に隣り合わせて配列されればよい。したがって、上述した一対のシールフィン１５，５５の他には、例えば、複数の構造体側シールフィン１５のみ、あるいは、複数のブレード側シールフィン５５のみが軸方向に連続して配列されてもよい。
【００８３】
また、キャビティＣや、キャビティＣをなすシールフィン１５，５５、拡張用凹部１７，５７は、ケーシング１０の仕切板外輪１２に形成されるとしたが、例えば仕切板外輪１２を設けずに、ケーシング１０の本体部１１に直接形成してもよい。
さらに、上記実施形態では、縮流効果を発揮するキャビティＣが最終段の動翼５０に形成されているが、例えば、他の段の動翼５０に形成されてもよい。
【００８４】
また、上記実施形態のように縮流効果を発揮するキャビティＣは、動翼５０の先端部をなすチップシュラウド５１とケーシング１０との間隙に形成されることに限らず、例えば、静翼４０の先端部をなすハブシュラウド４１と軸体３０との間隙に形成されてもよい。すなわち、静翼４０を本発明の「ブレード」とし、軸体３０を本発明の「構造体」としてもよい。この場合でも、上述した全ての実施形態と同様の効果が得られる。
【００８５】
また、上記実施形態では、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。
さらに、上記実施形態では、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。
【符号の説明】
【００８６】
１…蒸気タービン（タービン）、１０…ケーシング（構造体）、１１…本体部、１２…仕切板外輪、１２ａ…環状溝、１２ｂ…溝底面、１５，１５Ａ，１５Ｃ，５５，５５Ｂ，５５Ｄ…シールフィン、１７，５７…拡張用凹部、１９ａ，５９ａ…底面（底部）、１８ｃ，５８ｃ…上流側端縁（端縁）、１８ｄ，５８ｄ…下流側端縁（端縁）、１９ｃ，５９ｃ…上流側内側面（端縁部）、１９ｄ，５９ｄ…下流側内側面（端縁部）、３０…軸体、４０…静翼、５０…動翼（ブレード）、７０，７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ，７０Ｄ…傾斜面、７１…傾斜用壁部、Ｃ…キャビティ、Ｃ１…最上流キャビティ、Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４…間隙キャビティ、Ｄ，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４…深さ寸法、Ｌ…延出長さ、Ｈ，Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３，Ｈ４…微小隙間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブレードと、
前記ブレードの先端側に間隙を介して設けられると共に、前記ブレードに対して相対回転する構造体と、を備えるタービンであって、
前記ブレードの先端部及び前記構造体に、該構造体の回転軸方向に交互に相手側に向かって延出して設けられ、相手側との間に微小隙間を画成する複数のシールフィンと、
隣り合う前記シールフィンの間で、前記回転軸方向下流側の前記シールフィンと共に前記微小隙間を画成する前記ブレードの先端部または前記構造体に、前記回転軸の径方向に窪んで形成される拡張用凹部と、を備えることを特徴とするタービン。
【請求項２】
前記シールフィンが、三つ以上配列されていることを特徴とする請求項１に記載のタービン。
【請求項３】
前記拡張用凹部のうち下流側の端縁の前記回転軸方向の位置と、該拡張用凹部の下流側に形成された前記シールフィンの前記回転軸方向の位置とが一致していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のタービン。
【請求項４】
前記径方向に延出する前記シールフィンの延出長さと、該シールフィンの前記回転軸方向上流側に形成された前記拡張用凹部の深さ寸法と、が一致していることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のタービン。
【請求項５】
前記ブレードの先端部、前記構造体、及び、前記回転軸方向に隣り合う二つの前記シールフィンによって囲まれると共に、二つの前記シールフィンの間の前記拡張用凹部によって拡張されるキャビティが形成され、
該キャビティの前記回転軸方向の寸法及び前記径方向の寸法が等しいことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のタービン。
【請求項６】
前記拡張用凹部の底部と該拡張用凹部の前記回転軸方向の端縁部との凹部内角部、及び、前記ブレードの先端部あるいは前記構造体の一方と、該一方から延出する前記シールフィンのうち前記回転軸上流側に向く部位とのフィン角部の少なくとも一つの角部に、傾斜面が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のタービン。
【請求項７】
前記傾斜面が、曲面状に形成されていることを特徴とする請求項６に記載のタービン。
【請求項１】
ブレードと、
前記ブレードの先端側に間隙を介して設けられると共に、前記ブレードに対して相対回転する構造体と、を備えるタービンであって、
前記ブレードの先端部及び前記構造体に、該構造体の回転軸方向に交互に相手側に向かって延出して設けられ、相手側との間に微小隙間を画成する複数のシールフィンと、
隣り合う前記シールフィンの間で、前記回転軸方向下流側の前記シールフィンと共に前記微小隙間を画成する前記ブレードの先端部または前記構造体に、前記回転軸の径方向に窪んで形成される拡張用凹部と、を備えることを特徴とするタービン。
【請求項２】
前記シールフィンが、三つ以上配列されていることを特徴とする請求項１に記載のタービン。
【請求項３】
前記拡張用凹部のうち下流側の端縁の前記回転軸方向の位置と、該拡張用凹部の下流側に形成された前記シールフィンの前記回転軸方向の位置とが一致していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のタービン。
【請求項４】
前記径方向に延出する前記シールフィンの延出長さと、該シールフィンの前記回転軸方向上流側に形成された前記拡張用凹部の深さ寸法と、が一致していることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のタービン。
【請求項５】
前記ブレードの先端部、前記構造体、及び、前記回転軸方向に隣り合う二つの前記シールフィンによって囲まれると共に、二つの前記シールフィンの間の前記拡張用凹部によって拡張されるキャビティが形成され、
該キャビティの前記回転軸方向の寸法及び前記径方向の寸法が等しいことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のタービン。
【請求項６】
前記拡張用凹部の底部と該拡張用凹部の前記回転軸方向の端縁部との凹部内角部、及び、前記ブレードの先端部あるいは前記構造体の一方と、該一方から延出する前記シールフィンのうち前記回転軸上流側に向く部位とのフィン角部の少なくとも一つの角部に、傾斜面が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のタービン。
【請求項７】
前記傾斜面が、曲面状に形成されていることを特徴とする請求項６に記載のタービン。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−１１３１８１（Ｐ２０１３−１１３１８１Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５８７１０（Ｐ２０１１−２５８７１０）
【出願日】平成２３年１１月２８日（２０１１．１１．２８）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２８日（２０１１．１１．２８）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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