JP2002327602A - タービンノズル及びシュラウドを選択的に配置する方法及びガスタービン - Google Patents
タービンノズル及びシュラウドを選択的に配置する方法及びガスタービンInfo
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Abstract
ラウドの全体寿命を延ばす方法・装置を提供する。 【解決手段】 ガスタービンは、円周配列のノズル
(N)及びシュラウドと複数の燃焼器(15)とを有
し、高温燃焼ガスを各組の隣接するノズル及びシュラウ
ドを通して流す。各組の第1ノズル(N3)及び第2ノ
ズル(N2)は、燃焼器及び遷移部品から流れる高温燃
焼ガスの異なる入口状態にさらされる。各組の第1のノ
ズル(N3)は、既知の異なる入口状態に基づき関連す
る燃焼器に対応する円周方向位置において、その組の第
2のノズル(N2)に対して選択的に配置される。同様
に、シュラウドは、異なる入口状態にさらされる。ノズ
ル及びシュラウドは、入口状態に基づいて選択的に設計
される。
Description
ス流路内のガスタービンノズル及びシュラウドに関し、
ノズル及びシュラウドは、該ノズル及びシュラウドへの
入口状態、すなわちノズル入口平面及びシュラウド入口
平面を通って流れる高温燃焼ガスの既知の円周方向の流
れ特性に基づき、円周配列の燃焼器に対応して選択的に
配置される。
来のガスタービンでは、燃焼装置は、一般的に円周方向
に間隔を置いて配置された燃焼器の環状配列からなって
いる。各燃焼器は、関連する遷移部品を通して高温燃焼
ガスを供給し、所定のスパンの第1段ノズル及び第1段タ
ービンバケットに対向する所定のスパンの第1段シュラ
ウド上を流し、次に後段のノズルを通りシュラウドを通
り過ぎて流す。ノズルに関しては、各ノズルは、円周方
向に間隔を置いて配置された1対の隣接するノズル羽根
とノズルを通る高温燃焼ガスのための流路を形成する内
側壁及び外側壁とからなっている。燃焼器の設計におい
ては、円周方向の流れ特性に変動があることが知られて
おり、このことが各ノズルが異なる入口状態を示す原因
となる。例えば、第1段ノズルの入口平面または遷移部
品のほぼ出口平面において、1つのノズルが、同じ燃焼
器及び遷移部品から高温燃焼ガスを受けている隣接する
ノズルとはかなり異なる熱伝達率及び/又は温度を示す
場合がある。さらに、単一の燃焼器から高温燃焼ガスを
受ける組のノズルのうちの1つのノズルが、ノズル入口
に沿う、異なる位置で異なる流れの状態を示す場合があ
る。例えば、14個の燃焼器及び42個の第1段ノズルを
有するガスタービン燃焼装置では、燃焼器/ノズルの時
計配列により1つの燃焼器から高温燃焼ガスを受ける3
つのノズルが設けられることが分かるであろう。流れ特
性の変動のために、ノズルのうちの1つが示す入口状態
は、他の2つのノズルが示す入口状態とはかなり異な
る。より具体的には、燃焼器内の燃料の流れの旋回作用
のために、3つのノズルのうちの第1のノズルは、2つ
の隣接するノズルより高い温度上昇となるだけでなく、
ノズルの外径に沿いかつ外側隅部に隣接する位置でより
高い温度となる可能性がある。1つの燃焼器から高温燃
焼ガスを受ける組のノズルのうちの他の2つのノズル
は、各ノズル入口にわたってほぼ一様に同じ入口温度と
なっている。従って、各燃焼器と組み合わされる各組の
ノズルのうちの第1段ノズル中にホットスポットが生じ
て、そのホットスポットは、その組の残りのノズルに比
較して華氏500度ほども温度が違う場合がある。異な
る流れ特性はまた、圧力における変動も引き起こす。
特性及び温度特性のこれら認められる変動のために、ノ
ズル構成部品は、最も有害な燃焼器状態に適合するよう
に、通常は一様に設計されている。その結果、各々のノ
ズルの組の1つ又はそれ以上のノズルは、過剰設計され
ることになり、そのことがエンジン性能及び費用にマイ
ナスの影響を与える。例えば、産業用ガスタービンの第
1段ノズルは、一般的に空冷にされるかまたは蒸気冷却
される。ある段の全てのノズルを同じにしかも最悪の場
合のシナリオに合わせて設計することで、第1のノズル
は、同じ燃焼器から燃焼ガスを受ける組のノズルのうち
の2つの隣接するノズルより高い温度の入口状態を示
し、そのような状態に適した冷却をされることになる。
しかしながら、その組の他のノズルは、有用な圧縮機吐
出空気または蒸気を用いて過剰冷却されることになり、
また有用な圧縮機吐出空気または蒸気を用いることはエ
ンジン性能にマイナスの影響をもたらす。その上に、産
業用ガスタービンのノズルは、一般的にノズルセグメン
トで形成され、ノズルセグメントの円周配列に固定され
て、第1段及び第2段ノズルを形成する。厳しい生産管
理にもかかわらず、各ノズルセグメントは品質が異なる
場合がある。例えば、ノズルセグメント上の溶接部が異
なったり、あるいは断熱被膜の量がわずかに異なる場合
がある。従って、セグメントの構造特性は、僅かなばら
つきを有することがあり、このばらつきがセグメントが
ガスタービン内で使うのに結果として受けられるか受け
られないかということにつながる。それ故、各ノズルセ
グメントの構造特性は、「ホットスポット」においてノ
ズルを形成するためには受け入れられないが、それほど
厳しい条件にさらされない同じ組の中の異なる位置にお
けるノズルには完全に受け入れられる可能性がある。
を取り囲むシュラウドの場合にも当てはまる。つまり、
様々な段のシュラウドは、シュラウド入口平面に沿う円
周方向の流れ特性の変動を同様に示す。従って、シュラ
ウドは、上流のノズル段から高温燃焼ガスを受ける隣接
するシュラウドとはかなり異なる熱伝達率及び/又は温
度を示す。ノズルと同様に、シュラウドも最も有害な流
路状態に適合するように、通常一様に設計されており、
過剰設計されたシュラウドが前述のノズルと同様にエン
ジン性能及び費用に同様なマイナスの影響を及ぼす。
がある。若しくは、ノズルとは異なる数のシュラウド、
例えば、各ノズル当り2つのシュラウドがあってもよ
い。いずれにしても、高温ガス流路の周りの様々なシュ
ラウドは、上述のように異なる入口状態を示すであろ
う。
関連する燃焼器に対するノズル及びシュラウドの各組の
うちのノズル及びシュラウドは、それぞれのノズル及び
シュラウドの入口状態に従って選択的に配置される。例
えば、またノズルに関して、関連する燃焼器から高温燃
焼ガスを受ける各組のノズルへの入口状態においてホッ
トスポットが認められる場所では、その円周方向位置に
おけるノズルは、その上昇した温度状態に合わせた設計
にすることができる。従って、そのノズルは、増強され
た冷却を施され、例えば、ノズルを通しての空気または蒸
気の流量を増し、ノズルをさらに冷却してホットスポッ
トを吸収することができる。逆に、同じ燃焼器から燃焼
ガスを受ける組のノズルのうちの残りの1つまたは複数
のノズルは、最悪の場合のシナリオに合わせて設計され
る必要はなく、例えば、空気または蒸気の冷却流量を減
少させて供給するように設計することができる。このよ
うにして、後に挙げた方のノズルの過剰設計が避けられ
る。また、1つの燃焼器から燃焼ガスを受ける組のノズ
ルを形成するノズルの品質を、異ならせることができ
る。例えば、高温燃焼ガスのより低温の流れを受けるノ
ズルの構造品質は、同じ燃焼器からより高温の流れを受
けるその組のノズルと同じ構造品質を有する必要はな
い。従って、壁厚さまたは断熱被膜のようなコーティン
グ、あるいはその両方ともを、より低温の燃焼ガスの流
れが認められるそれらのノズルについては、より高温の
燃焼ガスを受けるその組のノズルの壁厚さ及び/又はコ
ーティングと比べて減少させることができる。各燃焼器
からの入口状態に応じてその各組のノズルを選択的に設
計し、それらのノズルを配置することにより、エンジン
性能の向上及びノズルの全体寿命を延ばすことができ
る。上記のことは、第1段及び第2段両方のノズルに適
用可能であることが分かるであろう。
って入口平面を越えてロータ段の環状配列のシュラウド
まで流れる高温のガスの状態に従って、シュラウドは選
択的に配置される。例えば、ノズルの下流のシュラウド
への入口状態においてホットスポットが認められる場所
では、その位置のシュラウドは上昇した温度に適わせて
設計することができる。例えば、冷却を増強して供給し
てもよい。逆に、上流のノズルを通るにもかかわらず、
同じ燃焼器から燃焼ガスを受ける組の残りのシュラウド
のうちのシュラウドは、最悪のシナリオに合わせて設計
する必要はなく、冷却を減少させまたは構造品質を低下
させて設計することができる。その上に、厚さまたはコ
ーティングは、ガスの低下した温度に適応するように変
更することができる。従って、ノズルと同様に、シュラ
ウドも、シュラウドを越えて流れる高温燃焼ガスの状態
に応じて選択的に設計し、エンジンの性能を向上させま
たシュラウドの全体寿命を延ばすことができる。上記の
ことは、各タービン段のシュラウドに適用可能であるこ
ともまた分かるであろう。
は、タービンを通る高温ガス流路を少なくとも一部形成
する円周配列の構成部品とそれぞれの組の構成部品を通
して高温燃焼ガスを流すための複数の燃焼器とを有し、
各組の構成部品のうちの第1の構成部品及び第2の構成
部品が、関連する燃焼器からの高温燃焼ガスの異なる入
口状態にさらされるガスタービンにおける、構成部品及
び燃焼器を互いに対応させて配置する方法が提供され、
該方法は、構成部品への異なる入口状態に基づき、関連
する燃焼器に対応する円周方向位置において、各組の構
成部品のうちで第1の構成部品を第2の構成部品に対し
て選択的に配置する段階を含む。
ては、円周配列のノズルとそれぞれの組の隣接するノズ
ルを通して高温燃焼ガスを流すための複数の燃焼器とを
有し、各組のノズルのうちの第1のノズル及び第2のノ
ズルが、関連する燃焼器からの高温燃焼ガスの異なる入
口状態にさらされるガスタービンにおける、ノズル及び
燃焼器を互いに対応させて配置する方法が提供され、該
方法は、ノズルへの異なる入口状態に基づき、関連する
燃焼器に対する円周方向位置において、各組のノズルの
うちで第1のノズルを第2のノズルに対して選択的に配
置する段階を含む。
においては、タービンを通る高温ガス流路を少なくとも
部分的に形成する円周配列の構成部品とそれぞれの組の
構成部品を通して高温燃焼ガスを流すための複数の燃焼
器とを有し、各組の構成部品のうちの第1の構成部品及
び第2の構成部品が、関連する燃焼器からの高温燃焼ガ
スの異なる入口状態にさらされるガスタービンにおけ
る、構成部品及び燃焼器を互いに対応させて配置する方
法が提供され、該方法は、異なる入口状態に基づき、関
連する燃焼器に対応する円周方向位置において、各組の
構成部品のうちで第1の構成部品を第2の構成部品に対
して選択的に配置することにより、タービン性能を増大
させる段階を含む。
においては、タービンを通る高温ガス流路を少なくとも
部分的に形成する円周配列の構成部品とそれぞれの組の
構成部品を通して高温燃焼ガスを流すための複数の燃焼
器とを有し、各組の構成部品のうちの第1の構成部品及
び第2の構成部品が、関連する燃焼器からの高温燃焼ガ
スの異なる入口状態にさらされるガスタービンにおけ
る、構成部品及び燃焼器を互いに対応させて配置する方
法が提供され、該方法は、異なる入口状態に基づき、関
連する燃焼器に対応する円周方向位置において、各組の
構成部品のうちで第1の構成部品を第2の構成部品に対
して選択的に配置することにより、構成部品の部品寿命
を延ばす段階を含む。
においては、タービンを通る高温ガス流路を少なくとも
一部形成する円周配列の構成部品と、それぞれの組の隣
接する構成部品を通して高温ガス流路に沿って高温燃焼
ガスを流すための円周配列の燃焼器とを含んでおり、そ
の組の隣接する構成部品のうちの第1の構成部品及び第
2の構成部品が、それらと関連するそれぞれの燃焼器か
らの高温燃焼ガスの異なる入口状態にさらされており、
その各組の第1の構成部品が、異なる入口状態に基づ
き、その各組の第2の構成部品及び関連する燃焼器に対
応する円周方向位置に配置され、かつ第2の構成部品と
比べて品質的差異を有するガスタービンが提供される。
と、それぞれ全体を符号6及び符号8で表わすガスター
ビン用の第1及び第2段のノズルが示されている。第1
段ノズルは、複数の構成部品、すなわちノズルNを含
み、該ノズルNの各々は、それぞれ1対の隣接する羽根
11と内側壁12及び外側壁14とにより形成され、第
1段ノズルを通る高温ガス流路を部分的に形成する。す
なわち、燃焼器15(図3及び図4)からの高温燃焼ガ
スは、遷移部品16を通して軸方向に第1段のノズルN
まで、特に各円周方向に隣接するノズル羽根11と内側
壁12及び外側壁14の間を流れる。高温ガス流路に沿
ってノズルNを通過する高温燃焼ガスは、もちろん、第
1段のタービンバケット18を駆動する。第2段ノズル
8もまた、複数のノズルNを含み、該ノズルNの各々
は、それぞれ1対の隣接する羽根17と内側壁21及び
外側壁23とにより形成され、第2段ノズル8を通る高
温ガス流路を一部形成する。第2段のバケットは符号2
6で示す。
ビンバケット18及び26に対向する第1段及び第2段
の内側シュラウド及び外側シュラウドである。具体的に
は、第1段の内側シュラウド28及び外側シュラウド3
0と第2段の内側シュラウド32及び外側シュラウド3
4とを示している。
置を先ず説明すれば、ノズル羽根11は、その円周配列
で配置され、タービンの軸線20の周りに時計配列され
ている。図3では、複数の燃焼器15が、軸線20の周
りにその円周配列で配置されて、高温燃焼ガスを遷移部
品16を介してノズル10に供給することが分かるであ
ろう。各個々の燃焼器15は、図示されていないが、複
数の燃料ノズルを含み、該燃料ノズルが、燃料に、つま
り燃焼器15から遷移部品16を通してノズル中に流れ
る高温燃焼ガスに、旋回を与えることが分かるであろ
う。この高温燃焼ガスの旋回パターンが、燃焼器15か
ら遷移部品16を通してノズルN中へ流れる高温燃焼ガ
スの流れ特性に変動を生じさせることが分かった。これ
らの変動には、ノズルNの入口平面19に沿う温度及び
圧力変動が含まれる。
器15、遷移部品16及びノズルNの互いに対する配列
を示す典型的な燃焼器/ノズルの複合した時計配列を示
している。図4では、特にノズルN1、N2、及びN3
の3つのノズルが示されていて、それらのノズルは関連
する燃焼器15から関連する遷移部品16を介して高温
燃焼ガスのほぼ全体を受ける。各燃焼器に対して3つの
ノズルを示しているが、各燃焼器当りのノズルNの数
は、3対1の比率とは異なるようにすることも可能であ
り、より高いかまたはより低い比率とすることができる
ことが分かるであろう。従って、1つの燃焼器に対して
3つのノズルNを配置するのは、例示しただけのもので
あって限定的なものではない。本説明及び例示は、特に
第1段ノズルについて進めるが、本発明は第2段ノズル
にも同様に適用できることも分かるであろう。第2段ノ
ズルは、ここに述べるのと同様の理由で燃焼器に対応し
てロータ軸線の回りに時計配列され、このノズルも当然
内側壁及び外側壁を含む。
関連する遷移部品16を介して関連するノズルN1、N
2、及びN3中へ流れる高温燃焼ガスの流れ特性は異な
る。例えば、ノズルN1に入る高温燃焼ガスの、特にそ
の外径に沿う温度特性は、例えばコンピュータモデリン
グにより、ノズルN1の残りの部分とノズルN2及びN
3とを通過するガスより高温であるとして認められた。
このような温度変動は、華氏500度にもなり得る。従
って、遷移部品16とそれぞれ内側壁12及び外側壁1
4との間の間隙22及び24(図1)を通じて高温ガス
流路中に流れ込むパージ用空気は、例えば、ノズルN2
及びN3を通って流れるガスの温度と比較してノズルN
1を通って流れるガスの温度上昇に適応するようにしな
ければならないということが分かるであろう。さらに、
ノズルを通しての空気または蒸気の冷却流れはまた、こ
のより高温の温度に適応するように調整することが可能
である。冷却媒体がそれを通して流れる第1段ノズルの
代表的な例については、米国特許第6,079,943
号を参照されたく、その開示内容は参考文献として本明
細書に組み込まれる。ノズルN1の品質は、同様にこの
温度変動に適応しなければならない。先に述べたよう
に、ノズルは最悪のシナリオに適合するように一律の基
準に合わせて従来は設計されていた。従って、ノズルN
2及びN3は、ノズルN1に比して品質及び冷却の観点
からすれば過剰設計されている。品質とは、ノズルを形
成する部品の壁厚さ、溶接の強固さ、及び/又は全体と
しての部品の予想寿命あるいは堅牢さを意味する。
る燃焼器及び遷移部品に対応して各ノズルが示す入口状
態に従って、ノズルの環状配列で選択的に配置すること
ができる。例えば、ノズルN2及びN3が示す温度より
高い温度の入口状態を示すノズルN1は、ノズルN2及
びN3に与えられる冷却と比較して増強された冷却を施
されることが可能である。スロット22及び24を通じ
て供給されるパージ用空気を増加させてもよい。逆に、
ノズルN2及びN3は、ノズルN1の冷却流量または冷
却温度と比較して、冷却流量、例えば温度を減少させる
必要がある。従って、全てのノズルが最悪のシナリオに
適合するように、すなわちノズルN1を通る燃焼ガス流
のより高い温度に適応するように、全く同じに設計され
るとした場合に必要な冷却からノズルN2及びN3にと
って必要とされる冷却に減少させることによって、エン
ジン性能の増大を達成することができる。その上、関連
する燃焼器のより低い温度にさらされるノズル、すなわ
ちノズルN2、N3の品質を、低下させることができ
る。品質の低下とは、ノズルN1が燃焼ガスのより高い
温度部分に適応するのに必要なその構造上及びコーティ
ングの要件と比較して、ノズルN2及びN3が、構造上
の要件を低下させ及び/又はコーティングを減少させる
ことができることを意味する。例えば、ノズルセグメン
ト、すなわち外側壁12及び内側壁14とノズルセグメ
ントを形成する各羽根は、一定の公差内で製造される。
それらの公差内のセグメントの製造上のばらつきによ
り、他のセグメントより堅牢なセグメントが、特定され
て選択的に配置され、すなわち燃焼器と向かい合って時
計配列され、ノズル入口流れの既知の変動に適応するこ
とができる。ノズルへの入口流れ状態における既知のか
なりの不均衡のために、一部のノズルは、より不利な条
件に適応させるために、構造上の堅牢さ、例えば材料の
寸法を増大させて製造し配置することができ、一方、残
りのノズルは、それほど有害ではない入口状態に適応す
るように、構造上の堅牢さをより少なくなくして製造し
配置することができる。同様に、段のノズル内のその位
置に応じて、異なる断熱被膜(TBC)、例えば厚さま
たは材料を、ノズルNに施すことができる。また、段の
ノズルに沿うその予定された位置に応じて、異なる冷却
要件及びこれらの異なる冷却要件に適応させるための構
造を、様々なノズルに与えることができる。例えば、よ
り少ない熱負荷(もしそれが流れに誘発された熱伝達率
の上昇であれまたは円周方向の温度分布の関数であれ)
となることが知られている関連する燃焼器及び遷移部品
と向き合った部分に配置されるノズルには、減少した冷
却流れを供給するようにすることができる。従って、各
ノズルは、段の他のノズルとは異なる構造上の要件また
は冷却要件を有することができ、このようにして、ノズ
ル段の周りの様々な既知の入口状態に応じてノズル段の
中に選択的に配置される。
の説明は、また他のタービン構成部品、例えばタービン
の第1段及び他の段のシュラウドにも適用可能である。
高温のガスがノズルを通して流れるときの燃焼器からの
高温燃焼ガスの旋回パターンも、タービン段のバケット
の周りに配列されたシュラウド、例えばシュラウド28
及び32に沿って、それらの高温ガスの流れ特性に変動
を生じる。例えば、関連する段の各ノズルの下流に内側
シュラウドがあると仮定すれば、流れのパターンは関連
するノズルへの入口におけると同様な変動を持つことが
分かるであろう。例えば、また図5を参照すれば、シュ
ラウドS1がノズルN1から受ける流れの温度特性は、
シュラウド52及び53がノズルN2及びN3から受け
るガスより高温であるだろう。ノズルから最も高温のガ
スを受けるシュラウドは、最も高温のガスを受けるノズ
ルN1とは異なる円周方向位置にあるが、影響は同様で
あろう。従って、最も高温のガスを受けるシュラウドS
1は、より低温のガスを受けるシュラウド52及び53
とは異なる設計にすることができる。シュラウドには、
追加の冷却を施すことができるし、あるいは異なる品質
または厚さのコーティングを施すことができる。シュラ
ウドは、より低温のガスを受ける隣接するシュラウドよ
り構造的に堅牢にしてもよい。その結果、様々な段のシ
ュラウドは、シュラウドの入口平面中に流れ込む高温ガ
スの異なる状態に基づいて、タービン軸線の周りに互い
に対して選択的に配置されることができることになる。
施形態であると考えられるものに関して説明してきた
が、本発明は、開示した実施形態に限定されるべきでは
なく、逆に、添付の特許請求の範囲の技術思想及び技術
的範囲内に含まれる様々な変形形態及び均等構成を保護
しようとするものであることを理解されたい。なお、特
許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであ
ってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するもので
はない。
2段の概略部分断面図。
に向かって見た燃焼器/ノズルの複合した時計配列の概
略図。
る複合した時計配列を示す図4と同様の概略図。
Claims (4)
- 【請求項1】 タービンを通る高温ガス流路を少なくと
も一部形成する円周配列の構成部品(N、S)とそれぞ
れの組の構成部品を通して高温燃焼ガスを流すための複
数の燃焼器とを有し、各組の構成部品のうちの第1の構
成部品(N1、S1)及び第2の構成部品(N2、S
2)が、関連する燃焼器からの高温燃焼ガスの異なる入
口状態にさらされるガスタービンにおける、前記構成部
品及び燃焼器を互いに対応させて配置する方法であっ
て、 前記構成部品への前記異なる入口状態に基づき、前記関
連する燃焼器に対応する円周方向位置において、各組の
構成部品のうちで前記第1の構成部品(N1、S1)を
前記第2の構成部品(N2、S2)に対して選択的に配
置する段階、を含むことを特徴とする方法。 - 【請求項2】 円周配列のノズル(N)とそれぞれの組
の隣接するノズルを通して高温燃焼ガスを流すための複
数の燃焼器(15)とを有し、各組のノズルのうちの第
1のノズル(N1)及び第2のノズル(N2)が、関連
する燃焼器からの高温燃焼ガスの異なる入口状態にさら
されるガスタービンにおける、前記ノズル及び燃焼器を
互いに対応させて配置する方法であって、 前記ノズルへの前記異なる入口状態に基づき、前記関連
する燃焼器に対応する円周方向位置において、各組のノ
ズルのうちで前記第1のノズル(N1)を前記第2のノ
ズル(N2)に対して選択的に配置する段階、を含むこ
とを特徴とする方法。 - 【請求項3】 タービンを通る高温ガス流路を少なくと
も一部形成する円周配列の構成部品(N、S)と、 それぞれの組の隣接する構成部品を通して前記高温ガス
流路に沿って高温燃焼ガスを流すための円周配列の燃焼
器(15)と、を含んでおり、 前記組の隣接する構成部品のうちの第1の構成部品(N
1、S1)及び第2の構成部品(N2、S2)が、それ
らと関連するそれぞれの燃焼器からの高温燃焼ガスの異
なる入口状態にさらされており、 その各組の前記第1の構成部品(N1、S1)が、前記
異なる入口状態に基づき、その各組の前記第2の構成部
品(N2、S2)及び前記関連する燃焼器に対応する円
周方向位置に配置され、かつ前記第2の構成部品と比べ
て品質的差異を有する、ことを特徴とするガスタービ
ン。 - 【請求項4】 前記第1の構成部品(N1、S1)の各
々は、前記第2の構成部品に比較して増強された冷却能
力を有することを特徴とする、請求項3に記載のタービ
ン。
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