JP6209199B2 - シールフィン，シール構造，ターボ機械及びシールフィンの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、相対回転する二つ構造体の相互間からの流体のリークを抑制するシールフィン，シール構造、それらを使用したターボ機械及びそれに使用するシールフィンの製造方法に関する。

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、静止側と回転側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ボ機械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、ラビリンスシールなどの非接触型のシール構造が用いられている。

このようなターボ機械の非接触型のシール構造に関する技術として特許文献１及び特許文献２に開示された技術がある。以下、特許文献１及び特許文献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１及び特許文献２で使用されている符号を括弧付きで示す。

特許文献１（フロント頁，段落[００２１]及び図１,２など参照）には、「静止体（１１）と回転体（１２）との間をシールするシール装置において、静止体（１１）から回転体（１２）の表面（１２ａ）に向けて突設され先端の尖ったフィン（１３）と、回転体（１２）の表面（１２ａ）に形成された粗面部（１７）とを備えたシール装置」が開示されている。特許文献１によれば、粗面部（１７）によりフィン（１３）の周辺の流れを乱すことで、流体（１４）の圧力損失を増大させて、フィン（１３）と回転体（１２）との間から流体（１４）がリークする量を低減できるとしている。

特許文献２（フロント頁，段落[００３９]，[００４５]及び図１,２など参照）には、「ターボ機械において静止要素である静止ケーシング（１２）と可動要素であるブレードシュラウド（１１）との相互間隙を封止するラビリンスシールにおいて、静止ケーシング（１２）から径方向内側に設けられた封止フィン（２６）の先端部を構成する末端要素（３４）を、漏洩流（２１）の流れ方向上流側に向かって傾斜させたラビリンスシール」が開示されている。特許文献２によれば、封止フィン（２６）の形状により封止フィン（２６）の上流側に漏洩流（２１）の循環渦流（３６）が形成され、この循環渦流（３６）により、静止ケーシング（１２）とブレードシュラウド（１１）との相互間隙の有効領域が縮小して、相互間隙を通る漏洩流（２１）を減少させることができるとしている。

特開２００８−１９６５２２号公報 特開２０１３−０１９５３７号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたシール装置では、リーク抑制効果ひいてはターボ機械のリーク損失抑制効果が十分とはいえない。これは、フィン（１３）が回転体（１２）に向かって真っ直ぐに延在するストレート形状であり、回転体（１２）との間から流体（１４）の流れ（リーク）に規制をかけるのには十分な形状とはいえない。
また、フィン（１３）の先端には、丸み（ここで言う「丸み」とは、流体の流れに影響を与えうる一定曲率半径以上の丸みである）を帯びてしまうことを加工上の制約から避けられない。フィン（１３）の先端部に丸みがあると、フィン（１３）の先端部で流体（１４）が剥離する点（以下、「剥離点」という）が、回転体（１２）の表面（１２ａ）とのクリアランスを実質的に拡大する方向に移動し、かつ流体（１４）の剥離点での進行方向が下流側（フィン（１３）を通過する側）に向き、縮流が弱くなる。このため、先端部に丸みの無い理想的な形状に較べて、シール装置のリーク抑制効果ひいてはターボ機械のリーク損失抑制効果が目減りしてしまう。
特許文献２に開示されたラビリンスシールでも、封止フィン（２６）の先端部に丸みが生じることは避けられず同様の課題が生じていた。特に、特許文献２に開示された封止フィン（２６）のように先端部が傾斜した形状において先端部に丸みがあると、この先端部の丸みの扇角が９０度［degree］以上になりやすく（つまり丸みを帯びた範囲が広くなりやすく）、このため、特許文献１に開示されたストレート形状のシールフィンよりも、先端部の丸みによる「リーク抑制効果の目減り」が大きかった。
さらに、特許文献２に開示されたラビリンスシールでは、封止フィン（２６）の末端要素（３４）を傾斜した形状にするための加工が必要となる。封止フィン（２６）には一定の加工精度が要求されるため、その形状加工には切削加工を用いることが好ましい。しかし、切削加工を行うとバリが生じるため、このバリを除去する作業が必要となって、封止フィン（２６）の製造コストが高価になるという課題がある。

本発明は、上記のような課題に鑑み創案されたもので、製造コストの上昇を抑制しつつ、高いリーク抑制効果が得られ、ひいてはターボ機械のリーク損失を低減することができる、シールフィン，シール構造，ターボ機械及びシールフィンの製造方法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、本発明のシールフィンは、互いに隙間を空けて径方向に対向し軸線回りに相対回転する第一構造体と第二構造体との間の前記隙間から、流体がリークすることを抑制し、前記第一構造体から、前記第二構造体に向かって延在して、その延在方向の先端面と前記第二構造体との間にクリアランスをあけて設けられたシールフィンであって、前記径方向に延在するフィン本体と、前記フィン本体の前記流体の流通方向で上流側に向く前面と前記フィン本体の前記先端面との間に形成され前記上流側に凸となる突起部とを備えて構成され、前記突起部が先端の尖った尖鋭突起部であり、前記尖鋭突起部における前記軸線に沿った長さ寸法が、前記フィン本体における前記長さ寸法の１．５倍以下であり、前記尖鋭突起部の角度が７５度以下であり、前記フィン本体の前記先端面を基準とした前記尖鋭突起部の傾斜角度が、−６０度以上、６０度以下の範囲内に設定されたことを特徴としている。

（２）前記フィン本体において、前記先端面と、前記流体の流通方向下流側に向く背面との間に、前記軸線側に向く傾斜面を備えることが好ましい。
（３）前記尖鋭突起部における前記軸線に沿った長さ寸法が、前記フィン本体における前記長さ寸法の０．１倍以上且つ０．５倍以下であることが好ましい。
（４）前記尖鋭突起部は、前記第二構造体に対向する端面が、前記フィン本体の前記先端面と面一に形成されていることが好ましい。

（５）上記の目的を達成するために、本発明のシール構造は、互いに隙間を空けて径方向に対向し軸線回りに相対回転する第一構造体と第二構造体との間の前記隙間から、流体がリークすることを抑制する、シール構造であって、前記第一構造体に、前記第二構造体に向かって延在して、その延在方向の先端面と前記第二構造体との間にクリアランスをあけて（１）〜（４）の何れか一項記載のシールフィンを備えたことを特徴としている。

（６）上記の目的を達成するために、本発明のターボ機械は、（５）に記載のシール構造を備えたことを特徴としている。

（６）上記の目的を達成するために、本発明のシールフィンの製造方法は、互いに隙間を空けて径方向に対向し軸線回りに相対回転する第一構造体と第二構造体との間の前記隙間から、流体がリークすることを抑制する、シール構造において、前記第一構造体から、前記第二構造体に向かって延在して、その延在方向の先端面と前記第二構造体との間にクリアランスをあけて設けられるシールフィンの製造方法であって、フィン原材料に対し、厚さ方向に関して先端表面から一定の範囲を被切削部として設定し、前記被切削部を、前記厚さ方向と交差する切削方向に切削を行うことで、前記切削方向と交差する面に前記切削方向に凸となる突起部を形成する、切削ステップを備えたことを特徴としている。

（７）前記突起部を研磨して先端の尖った尖鋭突起部に形成する、研磨ステップを備えることが好ましい。

本発明によれば、シールフィンと第二構造体とのクリアランスに向かって流れる流体が、シールフィンに上流側に向けて設けられた突起部により案内される結果、剥離点（シールフィンから流体が剥離する点）における流体の進行方向が、上流側（流体がシールフィンを通過する方向とは逆方向）に向かうようになるため、流体の縮流が強まる。
さらに、突起部が先端の尖った尖鋭突起部として形成されているので、シールフィンからのリークする流体の剥離点が、突起部先端に形成されるようになるので、突起部先端が丸みを帯びることによってリーク抑制効果が目減りすることを防止できる。
さらに、尖鋭突起部の主要寸法である軸線に沿った長さ寸法，角度及び傾斜角度を適宜の範囲に設定することで、より高いリーク抑制効果を得ることができる。
したがって、高いリーク抑制効果が得られ、ひいてはターボ機械のリーク損失を低減することができる。
また、切削加工に伴うバリの発生を利用して突起部を設けることができるので、バリの除去が不要になる上に、安価且つ容易に突起部を設けることができ、突起部を設けることによる製造コストの上昇を抑制することができる。

本発明の一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。 本発明の一実施形態に係る蒸気タービンの要部断面図であり、図１のＩ部の拡大断面図である。 本発明の一実施形態に係るシールフィンの先端の構成を示す模式的断面図である（シールフィンの断面を示す斜線は省略している）。 本発明の一実施形態に係るシールフィンの作用を説明するための模式的断面図であって、（ａ）は本発明の一実施形態に係るシールフィンに関する図、（ｂ）は従来のシールフィンに関する図、（ｃ）は理想的な従来構造のシールフィンに関する図である（（ａ），（ｂ），（ｃ）共にシールフィンの断面を示す斜線は省略している）。 本発明の一実施形態に係るシールフィンの主要寸法の設定範囲を説明するための模式図であって、リーク流量の抑制効果Ｅと、尖鋭突起部６２の軸方向Ａに関する長さ寸法Ｌ１と、尖鋭突起部６２の角度θ１との相関関係の解析結果を示す図である。 本発明の一実施形態に係るシールフィンの製造方法を説明するための模式的断面図であって、（ａ）は切削ステップを示す図、（ｂ）は研磨ステップを示す図、（ｃ）は研磨ステップ後の製品完成状態を示す図である（（ａ），（ｂ），（ｃ）共にシールフィンの断面を示す斜線は省略している）。 本発明の一実施形態に係るシールフィンの先端の変形例の構成を示す模式的断面図である（シールフィンの断面を示す斜線は省略している）。

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，ターボ機械及びシールフィンの製造方法を蒸気タービンに適用した例を説明する。
なお、以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の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、蒸気タービン内の蒸気Ｓの流れに対して上流，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、蒸気タービンの軸線ＣＬに向く方向を内周側又は内側とし、その反対側、軸線ＣＬから離れる方向を外周側又は外側として説明する。

［１．蒸気タービンの全体構成］
図１に示すように、本実施形態の蒸気タービン（ターボ機械）１は、ケーシング（第一構造体）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回転軸３０と、ケーシング１０に設けられた静翼４０と、回転軸３０に設けられた動翼５０と、軸線ＣＬを中心に回転軸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４０及び動翼５０は回転軸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（後述のシュラウド５１を含む）とは互いに相対回転する。

蒸気（流体）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。このケーシング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、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。

これら複数の静翼４０からなる環状静翼群は、回転軸３０の軸方向（以下、単に軸方向と呼ぶ）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、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。このうち、最終段の動翼群では、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の先端部同士がリング状のシュラウド（第二構造体）５１により連結されている。最終段の動翼群のみなならず他の動翼群、さらには静翼群についてもシュラウド５１により連結するようにしても良い。

［２．シール構造］
［２−１．シール構造の全体構造］
図２に示すように、仕切板外輪１１の軸方向下流側には、仕切板外輪１１の内周部から拡径されケーシング１０の内周面を底面（以下、ケーシング底面ともいう）１３とする円環状の溝（以下、環状溝と呼ぶ）１２が形成されている。環状溝１２には、シュラウド５１が収容され、ケーシング底面１３は、シュラウド５１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、回転軸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（以下、リーク蒸気と呼ぶ）ＳＬは、動翼５０に流入せずに環状溝１２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と動翼５０との間の隙間Ｇｄには、本発明の一実施形態としてのシール構造（ステップ型のラビリンスシール）２が設けられている。以下、シール構造２について説明する。
シュラウド５１は、軸方向Ａにおける中央部分が突出してステップ状に形成されたステップ部３を備えている。具体的には、シュラウド５１の径方向Ｒで外周側の面は、ベース面４と、ベース面４よりも径方向Ｒで外周側に突出するステップ面５が形成されたステップ部３とを有している。

ケーシング底面１３には、シュラウド５１に向けて径方向Ｒで内周側にそれぞれ延在する三つのシールフィン６Ａ，６Ｂ，６Ｃが設けられている（図１では省略）。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。シールフィン６は、軸線ＣＬ（図１参照）を中心とした環状のものであり、図２に示す横断面形状（周方向に垂直な断面の形状）を全周に亘って一定に有する。

上流のシールフィン６Ａは、ステップ部３よりも上流側のベース面４に向けて突出し、中間のシールフィン６Ｂは、ステップ部３のステップ面５に向けて突出し、下流側のシールフィン６Ｃは、ステップ部３よりも下流側のベース面４に向けて突出している。中間のシールフィン６Ｂは、上流側のシールフィン６Ａ及び下流側のシールフィン６Ｃよりも径方向Ｒの長さが短くなるように形成されている。

これらシールフィン６は、シュラウド５１との間に微小間隙（以下、クリアランスともいう）ｍを径方向Ｒに形成している。これら微小間隙ｍの各寸法は、ケーシング１０や動翼５０の熱伸び量や動翼５０の遠心伸び量等を考慮して、シールフィン６と動翼５０とが接触することがない範囲で設定されている。
隙間Ｇｄには、環状溝１２，シュラウド５１及びシールフィン６によって上流側キャビティ２５と、下流側キャビティ２６とが形成される。シールフィン６の軸線方向の位置は、これらキャビティ２５，２６内に漏洩したリーク蒸気ＳＬの流れの挙動に応じて適宜設定される。

［２−２．シールフィン］
シールフィン６は、シュラウド５１のベース面４やステップ面５と対向する先端の構造に大きな特徴がある。この先端の構造について図３及び図４を参照して説明する。

図３に示すように、シールフィン６は、ケーシング底面１３（図２参照）から径方向Ｒで内側に向かって真っ直ぐに延在するフィン本体６１と、フィン本体６１の内周端部に一体に設けられた突起部６２とを備えて構成される。突起部６２は、フィン本体６１の前面（上流側に向く面）６１ａの内周端部分（先端部分）６１ｂに形成された上流側に向かって凸となる突起部である。内周端部分６１ｂとは、前面６１ａの内、フィン本体６１の内周端面（先端面、シュラウド５１に対向する面）６１ｃに隣接する仮想的な一定の領域をいう。換言すれば、フィン本体６１には、その前面６１ａと内周端面６１ｃとの間に上流側に凸となる突起部６２が形成されている。
突起部６２の突起先端６２ｃ（内周端面６２ａとその裏面（内周端面６２ａとは反対側の面）６２ｂとが交わる箇所）には、そのまま（未加工のまま）では丸み（ここで言う「丸み」とは、流体の流れに影響を与えうる一定曲率半径以上の丸み）があるため、尖鋭加工が施されている。そこで、以下、突起部６２を尖鋭突起部６２ともいう。換言すれば、尖鋭突起部６２とは、尖鋭加工により、未加工の場合に比べて相対的に突起先端６２ｃが尖鋭化された突起部をいう。
ここでは、尖鋭突起部６２は、その内周端面６２ａがフィン本体６１の内周端面６１ｃと面一に形成されている。換言すれば、内周端面６１ｃを上流側に延長するようにして前面６１ａよりも尖鋭的に凸となる突起部６２を形成している。また、内周端面６１ｃ及び内周端面６２ａは、本実施形態では、軸線ＣＬと平行（略平行も含む）に、且つフィン本体６１の背面６１ｄと直角（ほぼ直角を含む）を成している。

以下、図４（ａ）〜（ｃ）を参照して、本発明の一実施形態であるシールフィン６の作用を説明する。
図４は、本発明の一実施形態に係るシールフィンの作用を説明するための模式的断面図であって、（ａ）は本発明の一実施形態に係るシールフィンに関する図、（ｂ）は従来のシールフィンに関する図、（ｃ）は理想的な従来構造のシールフィンに関する図である（（ａ），（ｂ），（ｃ）共にシールフィンの断面を示す斜線は省略している）。

図４（ａ），（ｂ），（ｃ）では、本発明の一実施形態に係るシールフィン６とシュラウド５１とのクリアランスｍ，従来のシールフィン６′とシュラウド５１とのクリアランスｍ及び理想的な従来構造のシールフィン６＊とシュラウド５１とのクリアランスｍを、それぞれ同一の高さ寸法（以下、「形状的クリアランス」とも表記する）ｈとして示す。
理想的な従来構造のシールフィン、すなわち、尖鋭突起部６２が無く且つ先端６２ｃ＊に丸みの無いシールフィン６＊では、図４（ｃ）に一点鎖線の矢印で示すようにリーク蒸気ＳＬが流れる。つまり、リーク蒸気ＳＬの流れは、先端６２ｃ＊が丸みのない理想的な形状をしているため、この先端６２ｃ＊でシールフィン６＊から剥離し（剥離点Ｐｅが先端６２ｃ＊となり）、且つ、剥離点Ｐｅにおけるリーク蒸気ＳＬの流れの方向Ｄ＊は、真っ直ぐにシュラウド５１へと向かう方向となる。したがって、強い縮流が得られる。
このため、縮流後のリーク蒸気ＳＬは、形状的クリアランスｈに対して十分に狭い実質的クリアランスｈ１＊が得られ、小さな縮流係数（ｈ１＊／ｈ）が得られる（高い縮流効果が得られる）。

これに対し、尖鋭突起部６２のない従来のシールフィン６′では、図４（ｂ）に一点鎖線の矢印で示すようにリーク蒸気ＳＬが流れる。つまり、先端６２ｃ′が丸みを帯びているため、リーク蒸気ＳＬは、丸みの一部に沿って流れて、先端６２ｃ′のフィン根本側（図４（ｂ）における上側）でシールフィン６′から剥離するように流れ（剥離点Ｐｅが、先端６２ｃ′から根本側にΔｈ移動するようになり）、縮流前の実質的なクリアランスは、形状的クリアランスｈよりも広いクリアランスｈ′となる（ｈ′＝ｈ＋Δｈ）。さらに、剥離点Ｐｅにおけるリーク蒸気ＳＬの流れの方向Ｄ′が下流側（シールフィン６′を通過する側）に向くため縮流も弱い。
このため、縮流後のリーク蒸気ＳＬの実質的クリアランスｈ１′は、理想的な従来構造のシールフィン６＊の実質的クリアランスｈ１＊よりも広くなり、その縮流係数（ｈ１′／ｈ）は、理想的な従来構造のシールフィン６＊の縮流係数（ｈ１＊／ｈ）に比べて大きくなる（縮流効果が低くなる）。したがって、シールフィン６′下流側に流れる蒸気流量（以下、リーク流量という）ＦＬが多くなる。

これに対し、本発明の一実施形態であるシールフィン６では、図４（ａ）に一点鎖線の矢印で示すようにリーク蒸気ＳＬが流れる。つまり、シールフィン６の先端に上流側に向く突起部６２が形成されているため、剥離点Ｐｅにおけるリーク蒸気ＳＬの流れの方向Ｄが上流側（シールフィン６を通過する側とは逆側）に向くため、理想的な従来構造のシールフィン６＊よりも強い縮流が得られ、縮流後のリーク蒸気ＳＬの実質的クリアランスｈ１は、理想的な従来構造のシールフィン６＊の実質的クリアランスｈ１＊よりも狭くなる。

これは、上流に凸となる尖鋭突起部６２の存在により、リーク蒸気ＳＬに対する流通抵抗が大きくなることに加え、リーク蒸気ＳＬが、一旦、上流側に案内され、その後、Ｕターンしてシールフィン６とシュラウド５１とのクリアランスｍを通過する際には、Ｕターンした分だけ、リーク蒸気ＳＬがシュラウド５１に近接して流れる（つまり実質的クリアランスｈ１が狭くなる）ためである。
さらに、突起部６２が尖鋭化されているため、リーク蒸気ＳＬの流れは、突起部６２の先端６２ｃで剥離するようになり、縮流前のリーク蒸気ＳＬの実質的なクリアランスは、形状的クリアランスｈと一致（略一致も含む）する。
このため、シールフィン６の縮流係数（ｈ１／ｈ）は、理想的な従来構造のシールフィン６＊の縮流係数（ｈ１＊／ｈ）に比べて小さくなる（高い縮流効果が得られる）。したがって、リーク流量ＦＬが低減する。

ここで、尖鋭突起部６２の主な寸法Ｌ1，θ１，θ２の好ましい範囲を、図３及び図５を参照して説明する。
図５は、リーク流量の抑制効果Ｅと、尖鋭突起部６２の軸方向Ａに関する長さ寸法Ｌ１と、尖鋭突起部６２の角度（内周端面６２ａと裏面６２ｂとが成す角度）θ１との相関関係の解析結果を示すものである。抑制効果Ｅとは、長さ寸法Ｌ１が、フィン本体６１の軸方向Ａに関する長さ寸法Ｌ０に対して０．２５倍のときにシールフィン６により得られる最大のリーク低減量を１００％としてリーク低減量を示すものである。
尖鋭突起部６２の長さ寸法Ｌ１は、短すぎると、そもそも尖鋭突起部６２の突起としての機能が失われて、抑制効果Ｅが低下し、長すぎると、尖鋭突起部６２の作用により縮流したリーク蒸気ＳＬが下流側で広がって（実質的クリアランスｈ１が広がって）シールフィン６の底面に再付着してしまうため、抑制効果Ｅが低下する。このため、長さ寸法Ｌ１とリーク流量の抑制効果Ｅとの関係は図５に示すようになる。

図５より、尖鋭突起部６２の長さ寸法Ｌ１は、５０％以上の抑制効果Ｅが得られることから、好ましくは、フィン本体６１の長さ寸法Ｌ０の１．５倍以下（Ｌ１≦１．５×Ｌ０）、８０％以上の抑制効果Ｅが得られることから、より好ましくは、上記寸法Ｌ０の０．１倍以上且つ０．５倍以下（０．１×Ｌ０≦Ｌ１≦０．５×Ｌ０）である。
また、尖鋭突起部６２の角度θ１が小さいほど（つまり尖鋭突起部６２が薄くなるほど）、剥離点Ｐｅにおけるリーク蒸気ＳＬの流れの方向Ｄ〔図４（ａ）参照〕を上流側に向けることができるので、角度θ１は小さいほうが好ましい。具体的には、前記の流れの方向Ｄを、垂直方向（つまりシュラウド５１に対して真っ直ぐな方向）に近くすることができることから、好ましくは７５度[degree]以下（θ１≦７５）、前記の流れの方向Ｄを上流側に向けられることから、より好ましくは４５度[degree]以下（θ１≦４５）である。

図３におけるθ２は、尖鋭突起部６２の傾斜角度であり、尖鋭突起部６２の角度θ１を二等分する二等分線Ｂと、平行線Ｐとの交差角度である。平行線Ｐは、フィン本体６１の内周端面６１ｃよりも径方向Ｒで外周側に位置すると共に内周端面６１ｃと平行な線である。
ここで、二等分線Ｂと平行線Ｐとの交点よりも左側の交差角に着目した場合、平行線Ｐよりも二等分線Ｂが下方となるような交差角を負（マイナス）、平行線Ｐよりも二等分線Ｂが上方となるような交差角を正（プラス）とする。したがって、図３に示す例では尖鋭突起部６２の傾斜角度θ２は負である。
この傾斜角度θ２は、剥離点Ｐｅにおけるリーク蒸気ＳＬの流れの方向Ｄを垂直方向（つまりシュラウド５１に対して真っ直ぐな方向）に近くすることができることから、−６０度[degree]以上、６０度[degree]以下の範囲が好ましい（−６０≦θ２≦６０）。傾斜角度θ２が大きすぎると、突起部先端６２ｃの位置ひいては剥離点Ｐｅがシュラウド５１から離隔して、シュラウド５１との間の形状クリアランスが拡大してしまうので、傾斜角度θ２の範囲は、より好ましくは、−６０度[degree]以上、０度[degree]以下である（−６０≦θ２≦０）。
なお、図５に示す解析結果は、尖鋭突起部６２の傾斜角度θ２が−１０度[degree]の場合のものである。

［３．シールフィンの製造方法］
本発明の一実施形態としてのシールフィンの製造方法を、図６を参照して説明すると、本シールフィンの製造方法では、先ず、図６（ａ）に示す切削ステップが行われ、次いで図６（ｂ）に示す研磨ステップが行われて、図６（ｃ）に示すようにシールフィン６が完成する。

図６（ａ）に示す切削ステップでは、フィン原材料１００の先端部に設けられた被切削部１０１（図６（ａ）中、網点で示す部分）を、切削機の切削刃２００を使用して切削する。被切削部１０１は、フィン原材料１００の先端表面１００ａから、厚さ方向Ｔ（ケーシング１０への取り付け時に径方向Ｒと一致する方向）に関して一定の範囲（つまり先端表面１００ａから所定厚み分ΔＴ）に設定されている。異なる言い方をすれば、フィン原材料１００は、完成品（シールフィン６）に対して、被切削部１０１の厚みΔＴ分を見込んで寸法が設定されている。
そして、切削刃２００を、厚さ方向Ｔと交差する切削方向Ｃ（ケーシング１０への取り付け時における軸方向Ａに沿った方向）に推進し、被切削部１０１を切削する。切削が進んで被切削部１０１の残部が僅かになると、この残部が、切削刃２００の推進力に抗しきれずに切削方向Ｃ側に折れ曲がり突起部１０１′となり（つまりバリとして残り）、フィン原材料１００が中間製品１００′となる。なお、切削加工は放電加工により行うようにしても良い。

図６（ｂ）に示す研磨ステップでは、突起部１０１′の切削面１０２とは反対側の面（以下、未加工面という）１０３は加工が施されていないので、研磨機２０１により研磨される。これにより、図６（ｃ）に示すように、突起部１０１′が先端の尖った尖鋭突起部６２として形成されて、シールフィン６の製造が完了する。
尖鋭突起部６２の角度θ１（図３参照）は、研磨量や研磨角度に応じて調節することができる。尖鋭突起部６２の傾斜角度θ２（図３参照）は、研磨機２０１により突起部１０１′を研磨して尖鋭突起部６２とする際に、研磨機２０１により突起部１０１′に掛ける押圧力により調整することができる。研磨ステップとは別に、尖鋭突起部６２の傾斜角度θ２を調節する曲げ加工などの加工ステップを設けても良い。
また、フィン本体６１の前面６１ａと尖鋭突起部６２の裏面６２ｂとの間を、Ｒを付けるなどして滑らかに繋ぐように研磨することが、リーク蒸気ＳＬをスムーズに案内できるので好ましい。

［４．効果］
本発明の一実施形態としてのシール構造，蒸気タービン及びシールフィンの製造方法によれば以下の利点がある。

図４（ａ）に示すように、シールフィン６とシュラウド５１との微小間隙（クリアランス）ｍに向かって流れるリーク蒸気ＳＬが、シールフィン６の内周端部分６１ｂに上流側に向けて突設された突起部６２により案内される結果、剥離点Ｐｅでのリーク蒸気ＳＬの流れの方向Ｄが上流側（シールフィン６を通過する方向とは逆方向）に向かうようになるためリーク蒸気ＳＬの縮流が強まるので、高いリーク抑制効果が得られる。

さらに、突起部６２が、先端の尖った尖鋭突起部として形成されているので、シールフィン６からのリーク蒸気ＳＬの剥離点Ｐｅが、突起部先端６２ｃに形成されるようになる。したがって、「突起部６２の先端が丸みを帯びることによってリーク抑制効果が目減りすること」を防止できる。すなわち、剥離点Ｐｅが突起部先端６２ｃよりも根本側（ケーシング１０側、図４（ａ）中で上側）に移動してシュラウド５１との微小間隙ｍを実質的に広げてしまうことを抑制することができる。

さらに、尖鋭突起部６２の主要寸法である長さ寸法Ｌ１，角度θ１及び傾斜角度θ２を適宜の範囲に設定することで、より高いリーク抑制効果を得ることができる。
また、このようなリーク抑制効果の高いシールフィン６を使用することで、蒸気タービン１のリーク損失を抑制して高いタービン効率を得ることができる。

また、切削加工に伴い生じたバリを利用して突起部６２を設けるので、バリの除去が不要となり、容易且つ安価に突起部６２を設けることができる。

［５．その他］
（１）シールフィン６の先端の形状は上記実施形態のものに限定されない。例えば、図３に示す上記実施形態の構成に対し、図７に示すように、フィン本体６１の背面（下流側に向く面）６１ｄと内周端面６１ｃとの間を斜めに切り落として、内周端面６１ｃに近づくにつれて上流側に位置する（すなわち、内周側（軸線ＣＬ側）に向く）傾斜面６１ｅを設けても良い。シールフィン６の全体の軸方向Ａに関する長さ寸法（＝Ｌ１＋Ｌ０）は、長いと、尖鋭突起部６２の作用により縮流したリーク蒸気ＳＬが下流側で広がってシールフィン６の底面に再付着してしまうため、短いほどシールフィン６のリーク抑制効果が向上する。したがって、図７に示すよう構成にすることでシールフィン６の軸方向Ａに関する長さ寸法を短くしてリーク抑制効果が向上することができる。

（２）上記実施形態では、ケーシング１０を本発明の第一構造体とすると共にシュラウド５１を本発明の第二構造体としてケーシング１０にシールフィン６を設けたが、逆に、シュラウド５１を本発明の第一構造体とすると共にケーシング１０を本発明の第二構造体として、シールフィン６をシュラウド５１に設けても良い。

（３）上記各実施形態では、本発明のシール構造を、ケーシング１０と動翼５０との間のシール構造に適用したが、回転軸本体３１と静翼４０との間のシール構造に適用することもできる。

（４）上記実施形態では、シュラウド５１にステップ型を使用したが、シュラウド５１を、ステップのない直通型としても良い。

（５）上記実施形態では、シールフィン６Ａ，６Ｂ，６Ｃの全てについて尖鋭突起部６２を設けたが、シールフィン６Ａ，６Ｂ，６Ｃの少なくとも１つに尖鋭突起部６２を設ければ良い。

（６）上記実施形態では、シールフィン６の突起部６２を研磨ステップにより研磨して先端の尖った尖鋭突起部としたが、研磨ステップを省くこともできる。換言すれば、図６（ｂ）に示す研磨前の中間製品１００′を、突起部１０１′を有するシールフィンの完成品として、本発明のシール構造やターボ機械に使用しても良い。突起部１０１′を尖鋭突起部としなくとも、突起部１０１′によりリーク蒸気ＳＬを上流に案内することができるので、丸みの影響を相殺してリーク抑制効果を向上することが可能となる。

（７）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、さらには、相対的に回転する二つの構造体の間のシールであれば、ターボ機械以外のもの（例えばロータリージョイント）のシールにも適用できるものである。

１ 蒸気タービン（ターボ機械）
２ シール構造
３ ステップ部
４ ベース面
５ ステップ面
６,６Ａ,６Ｂ，６Ｃ シールフィン
１０ ケーシング（第一構造体又は第二構造体）
２５，２６ キャビティ
３０ 回転軸
３１ 回転軸本体
４０ 静翼
５０ 動翼
５１ シュラウド（第二構造体又は第一構造体）
６１ フィン本体
６１ａ フィン本体６１の前面
６１ｂ 前面６１ａの内周端部分（先端部分）
６１ｃ フィン本体の内周端面（先端面）
６１ｄ フィン本体６１の背面
６１ｅ フィン本体６１の傾斜面
６２ 尖鋭突起部
６２ａ 尖鋭突起部６２の内周端面（先端面）
６２ｂ 尖鋭突起部６２の裏面
６２ｃ 突起部先端
１００ フィン原材料
１００′ 中間製品
１００ａ フィン原材料１００の先端表面
１０１ 被切削部
１０１′ 突起部（バリ）
１０２ 突起部１０１′の切削面
１０３ 突起部１０１′の未加工面
２００ 切削刃
２０１ 研磨機
Ａ 軸方向
Ｂ 角度θ１の二等分線
Ｃ 切削方向
ＣＬ 軸線
Ｄ，Ｄ′，Ｄ＊ リーク蒸気ＳＬの流れの方向
Ｇｄ 隙間
ｈ シールフィン６とシュラウド５１との隙間寸法、形状的クリアランス
ｈ１，ｈ１′，ｈ１＊ リーク蒸気ＳＬの実質的クリアランス
Ｌ０ フィン本体６１の軸方向Ａに関する長さ寸法
Ｌ１ 尖鋭突起部６２の軸方向Ａに関する長さ寸法
ｍ 微小間隙（クリアランス）
Ｒ 径方向
Ｓ 蒸気（流体）
ＳＬ リーク蒸気
Ｔ 厚さ方向
ΔＴ 被切削部１０１の厚み
Δｈ 実質的クリアランスの移動量
θ１ 尖鋭突起部６２の角度
θ２ 鋭突起部６２の傾斜角度

Claims (8)

1. 互いに隙間を空けて径方向に対向し軸線回りに相対回転する第一構造体と第二構造体との間の前記隙間から、流体がリークすることを抑制し、
   前記第一構造体から、前記第二構造体に向かって延在して、その延在方向の先端面と前記第二構造体との間にクリアランスをあけて設けられたシールフィンであって、
   前記径方向に延在するフィン本体と、前記フィン本体の前記流体の流通方向で上流側に向く前面と前記フィン本体の前記先端面との間に形成され前記上流側に凸となる突起部とを備えて構成され、
   前記突起部が先端の尖った尖鋭突起部であり、
   前記尖鋭突起部における前記軸線に沿った長さ寸法が、前記フィン本体における前記長さ寸法の１．５倍以下であり、前記尖鋭突起部の角度が７５度以下であり、前記フィン本体の前記先端面を基準とした前記尖鋭突起部の傾斜角度が、−６０度以上、６０度以下の範囲内に設定された
   ことを特徴とする、シールフィン。
2. 前記フィン本体において、前記先端面と、前記流体の流通方向下流側に向く背面との間に、前記軸線側に向く傾斜面を備えた
   ことを特徴とする、請求項１記載のシールフィン。
3. 前記尖鋭突起部における前記軸線に沿った長さ寸法が、前記フィン本体における前記長さ寸法の０．１倍以上且つ０．５倍以下である
   ことを特徴とする、請求項１又は２記載のシールフィン。
4. 前記尖鋭突起部は、前記第二構造体に対向する端面が、前記フィン本体の前記先端面と面一に形成されている
   ことを特徴とする、請求項１〜３の何れか一項記載のシールフィン。
5. 互いに隙間を空けて径方向に対向し軸線回りに相対回転する第一構造体と第二構造体との間の前記隙間から、流体がリークすることを抑制する、シール構造であって、前記第一構造体に、前記第二構造体に向かって延在して、その延在方向の先端面と前記第二構造体との間にクリアランスをあけて請求項１〜４の何れか一項記載のシールフィンを備えた
   ことを特徴とする、シール構造。
6. 請求項５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。
7. 互いに隙間を空けて径方向に対向し軸線回りに相対回転する第一構造体と第二構造体との間の前記隙間から、流体がリークすることを抑制する、シール構造において、前記第一構造体から、前記第二構造体に向かって延在して、その延在方向の先端面と前記第二構造体との間にクリアランスをあけて設けられるシールフィンの製造方法であって、
   フィン原材料に対し、厚さ方向に関して先端表面から一定の範囲を被切削部として設定し、前記被切削部を、前記厚さ方向と交差する切削方向に切削を行うことで、前記切削方向と交差する面に前記切削方向に凸となる突起部を形成する、切削ステップを備えた
   ことを特徴とする、シールフィンの製造方法。
8. 前記突起部を研磨して先端の尖った尖鋭突起部に形成する、研磨ステップを備えた
   ことを特徴とする、請求項７記載のシールフィンの製造方法。

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