JPS6123804A - タ−ビン段落構造 - Google Patents

タ−ビン段落構造

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JPS6123804A
JPS6123804A JP14385084A JP14385084A JPS6123804A JP S6123804 A JPS6123804 A JP S6123804A JP 14385084 A JP14385084 A JP 14385084A JP 14385084 A JP14385084 A JP 14385084A JP S6123804 A JPS6123804 A JP S6123804A
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哲男 笹田
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武 佐藤
Haruo Urushiya
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Katsukuni Kuno
久野 勝邦
Ryoichi Kaneko
金子 了市
Kazuo Ikeuchi
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Kunio Tsuji
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00Details, component parts, or accessories
    • F04D29/08Sealings
    • F04D29/16Sealings between pressure and suction sides
    • F04D29/161Sealings between pressure and suction sides especially adapted for elastic fluid pumps
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01DNON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D11/00Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages
    • F01D11/08Preventing or minimising internal leakage of working-fluid, e.g. between stages for sealing space between rotor blade tips and stator

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明のオM用分野〕 本発明は、蒸気タービン、ガスタービン等の軸流タービ
ンに係り、特にタービンの静翼と動翼から構成される出
力段落の構造に関するものである。
〔発明の背景〕
従来の蒸気タービンの段落構造を第2図に示す。
出力段落は、静止外壁1、および内輪3のような静止体
上に、複数枚配設された静翼2より形成される静止翼列
と、回転車盤6上に、複数枚配設された動翼4より形成
される動翼列から、1つの出力段落を構成している。動
翼4の翼頂部は、シュラウドバンド5により複数枚ずつ
連結されている。
シュラウ・ドパンド5と、静止外壁1間の円筒空間には
、作動流体である蒸気8がこの空間からの洩れ9を極力
防止するため、静止外壁1の内周la上に複数枚配設さ
れたフィン7よりラビリンスシールが形成されている。
さて、このような出力段落を複数段、連結して、大出力
を得るような大型タービンでは、定常運転時と起動停止
のような過渡状態では、静止体の熱膨張量と回転体の熱
膨張量に差が生ずる。すなわち、第3図に示すように、
定常運転時には動翼4は、静止壁1に対して図中実線で
示すような相対位置にあり、静止壁1の外周軸方向端面
1bとシュラウドバンド5間の軸方向間隙はδ、なる状
態となる。他方、起動停止のような過渡状態では、動翼
4′は回転体と静止体の熱膨張差により図中一点鎖線で
示すように静止壁lに近づき、軸方向間隙はδ、′なる
小さな状態となる。このため、いかなる状態でも静止体
と回転体の摺損を避けるために、定常運転時の軸方向間
隙δ1を犬きく設定する必要がある。静止体と回転体の
熱膨張差は、蒸気の高温高圧化および機械の大形化に比
例して増大するため、大容量タービンはど、大きな軸方
向間隙δ1を持つことになる。
一方、軸方向間隙δ、が、段落性能に与える影響は、例
えばソ連文献’J’hermal Engineeri
ng1973年第20巻1号にI 、 G、 Gogo
 l ev等による”phe Influence o
f Blade C1earanceon the C
haracteristics of a Turbi
ne3tage’や同じ(Thermal  Engi
neering1973年第20巻3号に人、S、zi
l’ 13erman等による’ ComparaHv
e Te5ts of PressureStages
 by T′%vo 5IrnulailOn 1ld
ethods、の実験研究に示されるように、軸方向間
隙a、が増加するほど、段落効率も低下する。一般に軸
方向間隙δ、の影響は、第4図に示すように、軸方向間
隙δ、と翼長Haの比の関数として表わされ、翼長が短
いほど軸方向間隙の増大による効率低下量も大きい。従
来の研究では、この翼長部の軸方向間隙δ、の影響によ
る効率低下の原因および機構は十分には解明されておら
ず、翼長に対して軸方向間隙の大きい高圧タービンなど
では、必然的な損失として積極的な改善策は提案されて
いない現状である。
一方、動翼4の翼頂部からの蒸気漏洩すなわちシュラウ
ドバンド5とシールフィン7の間隙よりの蒸気漏洩量の
低減は、段落効率向上策として有効なため、従来のター
ビンでは特公昭55−45726号公報に記載されてい
るように、シールフィン7の枚数を増加させる、あるい
は半径方向間隙δ1を極力小さくする、シュラウドバン
ド5の形状を複雑な階段状にするなどの方策がとられて
いる。このようなラビリンスシール部では、コ四す社出
版、小茂鳥和生著「非接触シール論」に詳述されている
ように、シールフィン7間の膨張室11において、効果
的に渦損を発生させて蒸気漏洩を防止させるためにj膨
張室11の容積を適当に大きくとる必要がある。したが
ってフィン7の長さhを、大きく取る必要があり、実際
の事業用蒸気タービンでは、h=10rmn前後に製作
されている。
この様な構造では、シュラウドバンド5の上流かつ外周
側に、静止外壁1の軸方向端面1bと、ラビリンスシー
ルフ4フ群7のうち、最も上流側のシールフィン7およ
ヒ、シールフィンヲ配設シた静止壁1aによって囲まれ
た空間10が形成される。小型の蒸気、ガスタービンや
大型蒸気タービンの低圧段長翼では、強度的問題でシュ
ラウドバンド5が取り付けられず、したがって翼頂部の
シールフィン7の効果も期待できない場合には、静止壁
を他力動翼頂部に近接させた構造となって、上記膨張空
間10の容積はあまり太きくはない。9しかし、大容量
タービンの高圧、中段圧の場合には、性能低下を防止す
るためにシュラウドバンド連結構造とし、翼頂部での摺
損時に壊滅的事故に到らぬようにシールフィン7構造と
するのが一般的であり、上記の膨張空間10は軸方向間
隙δ。
の増大とともに、比較的大きな容積をしめることとなる
ところで、前述した軸方向間隙δ、の増加による段落性
能の低下が、単に翼頂部からの漏洩量の増加に起因する
場合もある。すなわち、軸方向間隙δ、もラビリシール
の一部を構成するような場合である。確かに、軸方向間
隙δ、と、半径方向間隙δ、がほぼ等しい値の場合は、
軸方向間隙a、の増加によって翼頂部の漏洩量は増加す
るが、δ、〉2δ7ではδ1の値によって漏洩量はほと
んど変化しない。本発明者等の実験結果によれば、半径
方向間隙δ、を極めて小さくして翼頂部の漏洩量を少な
くした場合でも、依然軸方向間隙δ。
の増大による効率低下は、はなはだしく、漏洩蒸気量の
数倍の損失を発生する。したがって翼頂部の蒸気漏洩を
防止するだけでは、前述の軸方向間隙δ、の増加による
段落効率の低下を防ぐ決定的な手段とはなシ得ない。
本発明者等の実験研究によれば、翼頂部軸方向間隙δ1
の増大に伴う性能低下の原因は、前述の膨張空間10内
での流体挙動が、その主要因であるが、従来の技術文献
ではこの点に関して論述されたものをほとんど見ない。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、前述した従来構造の軸流タービンにお
いて、翼頂部の軸方向間隙の増大に伴って生ずる段落効
率の低下を防止して、タービンの熱効率を向上させよう
とするものである。
〔発明の概要〕
本発明者等の実験研究によれば、真頂部軸方向間隙δ、
の増大に伴う段落効率の低下は、第2図の従来構造にお
ける、膨張空間10内に、作動流体である蒸気の一部が
流入し、膨張空間内で渦損。
風損を発生して運動エネルギを消費した後、もう一度主
流に流入し、主流と混合して主流の運動エネルギを低下
させるという循環作用及び、との循環流に千って主流の
かく乱が大きくなることに起因するものであることが判
明した。本発明ではこの点に層目し、膨張空間そのもの
を埋込むリング、あるいは膨張空間への蒸気流人を阻止
する円筒板を静止壁土に設けることにより、段落効率を
向上させるものである。
〔発明の実施例〕
本発明の実施例を第1図を用いて説明する。
第1図は軸流タービンの子午断面を示すものであり、大
部分の構造は第2図で説明した従来構造と同じである。
本発明が従来例と異なる点は、静止翼列2を固定する静
止外壁1の静翼の直後に位置する軸方向端面1bとシュ
ラウドバンド5の上流端の間に形成される軸方向間隙δ
、の外周部の空間(従来構造の第2図において、膨張空
間10に相当する。)に、円筒リング12が埋設されて
、膨張空間の断面積ないしは容積を最小にしている。
円筒リング12は、静止壁1に溶接、ネジ止め等により
固定されるか、静止壁1より直接削り出すことにより、
静止壁の一部を成している。この円筒リング12の内周
面128部の最小内周半径RLは、回転体の外周すなわ
ち、シュラウドバンド5の外周半径R11よりも大きく
、シールフィン7とシュラウドバンド5間の半径方向間
隙をδ。
とした場合、 R,L =aa + (1,2〜1.5)?、   ・
・・・・・(1)程度に設定される。
これより、静止体と回転体の熱膨張差による、動翼4の
軸方向への移動の際も、円筒り/グ12と回転体でおる
シュラウドバンド5とが摺損することはない。円筒リン
グ12の軸方同市Wは、はぼ翼頂部軸方向間隙δ、と同
程度に設定するが、であれば、損失低減効果がある。ま
た、W〉δ、          ・・・・・・・・・
(3)の条件でも、その効果を発揮するが、シュラウド
バンド5の外周部には、翼頂部漏洩蒸気量を最小限にす
るため、シールフィン7によるラビリンス構造に十分な
スペースを与えて、両者の効果を同時に高めたほうがよ
り効果的である・から、程度が円筒リング12の適当な
軸方内申Wである。
さて、本発明でめる円筒す/グ12を備えた段落構造に
よる、段落効率の向上機能を以下に説明する。まず、円
筒リング12が埋設されるべき空間、すなわち、第2図
の従来例の膨張空間10における流体挙動と損失発生機
構を、第5図ないし第8図を用いて説明する。
第5図は、従来構造の静翼列2の下流側より俯撤した図
である。作動流体では蒸気の主流8は大半が静翼2で周
方向に加速された後、mJ翼4に流入してこれを駆動す
る。しかし、主流8の一部、特に外周側の流体9は、そ
の接線方向速度成分による遠心力および、膨張空間10
の吸引作用によって、膨張空間10に流入する。膨張空
間10への噴出流9はこの空間10内で、渦損、風損を
発生してその運動エネルギを失った後、一部は≠ゼラビ
リンスシールフイン部より、翼頂漏洩流9aとなって動
翼4の下流に排出されるが、かなりの部分が、低エネル
ギ流体塊9bとなって主流8に再混入し、主流をかく乱
して段落効率を低下させる。この循環作用をさらに詳し
く説明する。第6図に示す、靜X2と動翼4の間の空間
の圧力Pの分布は、主流8の周方向速度成分vIと、そ
9点の半径rより、半径方向の圧力分布を決定する関係
式として より、外周側はど圧力が高い状態となる。
ところが主流8も一様な流れではなく、第7図に示すよ
うに、はとんど損失のない高速流8aと、翼2とのM擦
損失により、低流速の後流8bが周期的に分布する非−
機先となっている。そして、後流8b部では、低流速で
あるために、流体の遠心力が主流の作り出す半径方向の
圧力勾配とバラ      1ンスせず、第6図に示す
ように、外周側から圧力の低い内周部に向って半径方向
に内向きの2次流れ8Cを生ずる。前述の膨張空間10
へ噴出した外向き流れ9も、膨張空間10で連動エネル
ギを消費して低流速流9°bとなった後、膨張空間10
から、圧力の低い後流部8bに向って流入してくるので
ある。このように、膨張空間10の存在により、高運動
エネルギの流体9が膨張空間10に飛び出し、この空間
での渦損、に損によシ低運動エネルギ状態になった流体
9bが主流に流入するという循環流が発生する。この循
環流の量が多ければ多い程すなわち、膨張空間10の容
積が大きい程、段落効率の低下黛も大きく、翼頂部漏洩
量9aの多少に係らず、膨張空間10が存在すれば段落
効率は低下するのである。
以上の説明、および実験結果によれば、上記循環作用に
よる段落効率の低下は、単に翼長部の軸方向間隙δ1の
みに依存するのではなく、膨張空間10の容積に依存す
るのである。第8図(a)はこの関係を示したものでお
り、膨張空間lOの子午断面積と主流8の通過する静翼
のど部の面積の比として定義されるパラメータf、の増
大に伴って段落効率が低下する。f、は、 ζこで、δ、:*頂部軸方向間隙 り、:膨張空間10の深さ S :静翼列2間の流路スロート巾 HN:靜X2の翼長 N :静翼2の枚数 であり、第8図(b)は上記記号の説8A図である。
以上の説明より、翼頂部の軸方向間隙δ、を大きくせざ
るをえない場合でも、膨張空間10の深さり、を小さく
することにより、段落効率を向上させることが可能であ
り、第1図に示す本発明の円筒リング12を設置した意
味も膨張空間10の深さり、を極力小さくして、損失の
発生を防止しようとするものである。第10図は、本発
明の実施例である第1図の構造を、静翼2の下流側より
見たる図である。本図に示すごとく、円筒リング12を
設けることにより、膨張空間10の深さり、を小さくし
、噴出流9の量を少なく押え、また該空間10内での渦
損、風損の発生を少なくすることが可能である。第11
図は、従来構造の段落における段落効率の翼長方向分布
13aと、本発明の段落における効率の翼長方向分布1
3bの測定結果を比較して示したものである。本図に示
したように、円筒リング12を設置することにより、段
落のほぼ全域にわたって効率改善がなされる。これは、
前述した循環作用によって、低運動エネルギ流体塊が翼
長方向の全域に渡って拡散して主流の運動エネルギを低
下させて段落の効率を悪化させていることを示すもので
ある。したがって本発明の段落構造による効率向上効果
も大きく、例えば前述のパラメータf、を0.04から
0にすれば、3チ近い効率向上効果がある。
つぎに他の実施例を第11図を用いて説明する。
本実施例では、第1図の円筒リング12の内周面12b
上に、内周側に突出した突起12Cが形成されている。
突起12Cの先端内周半径几りはシュラウドバンド5の
外周半径几8よりも大きく設定され、第1図の実施例と
同程度とする。突起Reの深さり、は、7−ルフィン7
とシュラウド5の半径方向間隙δ、に対し、 hf=δ、〜2δ2     ・・・・・・・・・(7
)または、円筒リング12による膨張空間の閉塞効果を
落さぬよう、円筒リング12の深さり、に対し、 hr=0.1ha〜0.4 h 、     ・・・・
・・・・・(8)程度に設定する。
第1図に示した本発明の構造では、前述の循環作用によ
る段落効率の低下を防止する目的として、は十分である
が、リング12の内周が主流と平行して平坦なためシー
ルフィン間隙δ、を通過する翼頂漏洩i9aに対しては
これを阻止する効果はなく、むしろ後続するフィン78
部の半径方向間隙δ2に、スムーズに流れを導いて、吹
抜は効果を増長させ、翼頂漏洩量9aの増加を招く場合
もある。
そこで、本発明第2の実施例では、上述した円筒リイグ
上の突起12Cよシ、噴出流9を内周側に向けることに
より、先頭のシールフィン7aを通過する翼頂漏洩流9
aの吹き抜は率を低下させて、漏洩量を減少させようと
するものである。間隙δ、が比較的大きく、翼頂漏洩量
が多い段落は一層有効であり、効率向上効果がある。
つぎに、第12図に本発明の第3の実施例を示す。本実
施例では、第1の実施例にて説明した円筒リング12の
内周端面12bが、軸方向に回転動翼4側に近づくにし
たがい、その半径が漸減するように傾斜している形状と
なっている。その最小内周半径RLは、シュラウドバン
ド5の外径より大きく、第1.第2の実施例と同様であ
る。
本構造により、第1の実施例で説明した循環流防止効果
と、第2の実施例で説明したと同様噴出流9を内周側に
向けることによる漏洩流9aの抑止効果を同様に発揮し
、段落効率を向上させる効果がある。
さて、以上のような本発明の他の応用例を数例挙げる、
第13図では、円筒リング12を、周方向に数個のブロ
ックに分割した構造となっており、はめ合わせ方式で静
止壁1に組込まれている。インサート部14は、円筒ブ
ロック12を、半径方向に移動可能な空間を有し、かつ
板バネ15によって、該ブロック12を内周側に押え付
けている゛。
本構造によって、回転体(動[4)の異常振動時にもは
なはだしい摺損を避けることができる。
また、第14図の例では、翼頂部のラジアルフィン7と
、円筒ブーツク12を合せ持ったパツキン16を翼頂部
に組込んだ例であるが、本発明の技術思想より逸脱する
ものではない。
つぎに、第15図を用いて、本預明の第4の実施例を説
明する。本実施例では、第1の実施例に述べた構造にお
ける円筒り/グの代りとして、膨張空間10内に、軸方
向に突出した円筒状の板ないしはフィン17を設置する
。この円筒板17の内周端17bの半径几りは、第1の
実施例と同様、シュラウドバンド5の外周半径几8より
も大きく設定される。そして、円筒板17の巾Wは、翼
頂部軸方向間隙δ1とは埋同程度あるいはそれ以上に形
成される。
本円筒板17の効果は、第1の実施的と同様、膨張空間
10への噴出流9の流入を防止して、循環作用を押え、
段落効率の向上を実現するものである。この場合、円筒
板17の外周部に空間lOが存在するため、円筒板の巾
Wは、極力大きくして、該空間への噴出流9の流入を防
止するのが望ましい。
つぎに、第16図を用いて、本発明の第5の実施例を説
明する。第16図は、静止翼列2の下流側より、段落構
造を見た図である。本実施例では、第4の実施例で述べ
た円筒板17と同寸法の円筒板18が、周方向に複数枚
分割されて配設されておシ、円筒板18間には図中gで
示される間隙を有する。この間隙gは、1枚の円筒板の
長さtに対し、 gキ0・1t       ・・・・・・・・・(9)
程度に設定されている。
本構造によれば、噴出流9の大半は、円筒板18に妨げ
られて膨張空間10に流入することはなく、第4の実施
例で示した円筒板と同様、循環作用を押えて段落効率向
上効果がある。さらに、周方向の円筒板間々隙gがある
ため、噴出流9の一部が円筒板18の下流端18aから
廻り込んで膨張空間10に流入する(9a)、この流入
流体9aは、わずかな量であるが、円筒板の下流端18
a、すなわち、これに近接するシールフィン7の直前に
おいて、流れを膨張室10の外周側に向けるので、シー
ルフィン7の間隙から流出する翼頂漏洩流の吹き抜は率
を減少させて、漏洩損失を減少させる効果があり、前述
の循環流防止効果とともに、段落効率を向上させること
が可能である。
〔発明の効果〕
以上述べたごとく、本発明の構造を採用することにより
、蒸気タービンの熱効率を向上させることが可能で、特
に翼頂部軸方向間隙の大きな事業用蒸気タービンの高圧
部では、その内部効率を1%〜3%高めることが可能で
あり、省エネルギー効果の高いものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明第1の実施例であり、軸流タービンの
子午線に沿った断面図、第2図は、従来のタービンの段
落構造を示す、子午断面図、第3図は、軸流タービンの
伸び差の説明図、第4図(a)は、翼頂部軸方向間隙が
、タービンの効率に及ぼす影響の説明図、第4図中)は
記号の説明図、第5図は、従来の段落構造における、損
失の発生機構の説明図、第6図は、第2図のvr−vs
断面図、第7図は、第6図の断面■−■線断面図、第8
図(a)は、翼頂部の膨張空間が、段落効率に及ぼす影
響の説明図、第8図の)はその記号の説明図、第9図は
、第1図の■−X線断面図、第1O図は、段落における
翼頂方向の効率分布を示す特性図、第11図は、本発明
の第2の実施例を示す断面図、第12図は、本発明第3
の実施例を示す断面図、第13図は、本発明の応用例を
示す断面図、第14図は、本発明の応用例を示す断面図
、第15図は、本発明第4の実施例を示す断面図、第1
6図は、本発明第5の実施例を示す断面図。 1・・・静止外壁、2・・・静翼、3・・・静止内輪、
4・・・動翼、5・・・シュラウドバンド、6・・・回
転車盤、7・・・ラビリンスジ−ルフィン、8・・・作
動流体主流、8a・・・高速流、8b・・・低速流、8
C・・・2次流れ、9・・・外周部噴出流、9a・・・
翼頂部漏洩流、9b・・・循環流、lO・・・外周部膨
張空間、11・・・ラビリンス膨張室、12・・・円筒
リング、12a・・・内周端面、12b−・・内周面、
12c・・・突起、13・・・段落の効率分布、13a
・・・従来例の効率分布、13b・・本発明の効率分布
、14・・・インサート部、15・・・バネ、16・・
・パツキン、17・・・円筒板、17b・・・内周端面
、1g・・・分割円筒板、18a・・・下流側端面、g
・・・分割円筒板18間の周方向間隙、h・・・ラビリ
ンスシールフィンの半径方向の深さ、h、・・・外周部
膨張空間深さ、hf・・・円筒リング内周上突起深さ、
HN・・・静翼長、Hll・・・動翼長、t・・・分割
円筒板18の周方向長さ、p・・・圧力、r・・・半径
、S・・・静翼スロート寸法、N・・・静翼枚数、■、
・・・周方向流速、RL・・・円筒リングの最小内周半
径、Rlg・・・シュラウドバンドの外周半径、W・・
・円筒リングの巾、δ、・・・翼頂部軸方向間隙、δ、
・・・翼頂部ラビリンスシールフィン半径方向間隙。 箔 3目 [ 第 40゜。。 Ro−□ (S/1−ta ) (e) 石60 第 qの 第 9 囚 ¥ 10口 加牽

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、回転動翼列と静止翼列から出力段落を構成する蒸気
    タービン等の軸流タービンの段落構造において、該静翼
    列を固定する静止外壁の静翼下流側の軸方向端面と、該
    動翼列の翼頂部上流端あるいは動翼列を連結するシユラ
    ウドバンドの上流端の間に形成される、該シユラウド部
    より外周側の空間に、該空間の容積を小さくし、かつそ
    の内周径が、該動翼列の外周ないしは、シユラウドバン
    ドの外周径よりも大きな、円筒リング状物体を埋設し、
    該円筒リングにより静止外壁の一部を形成したことを特
    徴とするタービン段落構造。 2、特許請求の範囲第1項において、更に円筒リングの
    内周端面の下流側に、内周側に突出した突起を形成し、
    かつこの突起の先端の内周径を、回転翼列ないしはシユ
    ラウドバンドの外周径よりも大きくした円筒リングを装
    着したことを特徴とするタービン段落構造。 3、特許請求の範囲第1項において、前記円筒リング内
    周径が、下流側に向うにしたがい漸減し、かつその最小
    径が、回転動翼列ないしはシユラウドバンドの外周径よ
    りも大きくしたことを特徴とするタービン段落構造。 4、特許請求の範囲第1項において、前記静止外壁とシ
    ユラウドバンド間の外周空間に、静止外壁の軸方向端面
    より軸方向に突出し、その内周径が、回転動翼列ないし
    はシユラウドバンドの外周径よりも大きな円筒板を形成
    したことを特徴とするタービン段落構造。 5、特許請求の範囲第4項において、前記円筒板を周方
    向に複数個分割し、個々の円筒板と円筒板の間に、1個
    の分割円筒板の周長よりも短かい、間隙をもたせたこと
    を特徴とするタービン段落構造。
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