JP2003214113A - 地熱タービン - Google Patents

地熱タービン

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JP2003214113A
JP2003214113A JP2002018901A JP2002018901A JP2003214113A JP 2003214113 A JP2003214113 A JP 2003214113A JP 2002018901 A JP2002018901 A JP 2002018901A JP 2002018901 A JP2002018901 A JP 2002018901A JP 2003214113 A JP2003214113 A JP 2003214113A
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geothermal
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steam
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Atsuhide Suzuki
篤英 鈴木
Toshihiro Fujiwara
敏洋 藤原
Masataka Fukuda
正隆 福田
Kazuaki Ikeda
一昭 池田
Toshihiro Matsuura
俊博 松浦
Osamu Watanabe
渡邊  修
Hisao Fujihashi
久雄 藤橋
Kentaro Takagi
健太郎 高木
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Toshiba Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】厳しい蒸気環境下で運用される動翼、静翼、タ
ービンロータ軸等のタービン構成部品の耐腐食性、耐侵
食性を改善し、経年劣化防止対策を施して長寿命化を図
った地熱タービンである。 【解決手段】地熱タービン10はノズルダイアフラムの
静翼14とこの静翼14の下流側配置の動翼15とから
タービン段落12が構成される。動翼14の各翼頂部に
シュラウド37を設け、このシュラウド37の半径方向
外側にノズルダイアフラム外輪17の庇部38が対向し
て設けられる。シュラウド37の半径方向外側に庇部3
8の内周面に向って突出するシールフィン41が設けら
れ、動翼頂部の蒸気漏洩防止構造が構成される。ノズル
ダイアフラム外輪17の庇部38は平滑な内表面38a
を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は地熱蒸気を利用した
蒸気タービンに経年劣化防止対策を施し、長寿命化を図
った地熱タービンに係り、特に、翼、ノズルダイアフラ
ム、およびタービンロータ等のタービン構成部品の耐腐
食性、耐侵食性を改良した地熱タービンに関する。
【0002】
【従来の技術】地熱タービンは地下のマグマによって加
熱された蒸気(地熱蒸気)を、井戸を掘削して地上に導
き出し、この蒸気を直接タービンに導入して作動流体と
し、回転動力を得るようにしたものである。地熱蒸気の
持つエネルギは、地熱蒸気がノズル(静翼)と動翼とか
ら構成されるタービン段落を通って膨張することにより
速度エネルギに変換され、この速度をもった地熱蒸気が
動翼に作用して動翼が植設されているタービンロータ軸
を回転させる力を発生させる。
【0003】地熱蒸気は、地下水がマグマ等の地熱によ
って加熱されて発生する性質上、蒸気中に硫化水素、塩
分などの腐食性成分や、シリカ、カルシウムなどのスケ
ール成分、更には、砂、泥、酸化鉄などの固体粒子を含
んでいる。また、地熱蒸気は飽和状態、あるいは飽和状
態に近い状態にあるため、タービン内部では蒸気の湿り
度が高く、地熱タービンとしては過酷な運用を強いられ
る状況にある。さらには、地熱蒸気中に含まれる化学成
分の種類や濃度、地熱タービンに持ちこまれる固形物の
大きさや量、そして地熱蒸気の蒸気状態等は、地熱ター
ビンが設置される地熱地帯や井戸によって異なり、また
同じ井戸でも経年的に大きく変化してゆくことが、地熱
タービンの設計を一段と複雑なものにしている。
【0004】地熱蒸気中に硫化水素等の腐食性ガスが含
まれていることは、材料の腐食のほか、動翼やノズルお
よびロータ軸にとっては、応力腐食割れや腐食疲労に起
因する経年的な劣化や損傷といった、地熱タービンの寿
命を縮める要因を内在している。例えば、腐食疲労によ
る損傷は、一般に環境、材料、応力の三要素が重畳した
結果生ずるものであるが、動翼やノズルおよびロータ軸
のように高速で回転するため必然的に高応力が生じるタ
ービン部品にとっては、これら三要素の重畳を完全に避
けることは困難となる。したがって、自ずと使用される
材料や翼長には、実用面での制限があり、ひいては地熱
タービンの出力にも一定の上限が設けられることにな
る。
【0005】地熱タービンでは、地熱固有の腐食環境に
対する現実的な対策として、予め地熱蒸気中で各種材料
の評価試験を行い、試験結果の評価の中から適切なもの
を選定すると同時に、各部の応力を通常の火力タービン
等と比べて一段と低いレベルに設定するなど、環境の影
響を少しでも小さくするための努力がなされている。
【0006】一方、地熱蒸気の高い湿り度と蒸気中の固
体粒子の混入は、タービン各部の蒸気通路部やシール部
のドレンエロージョンや固体粒子エロージョンを引き起
こす可能性を秘めている。湿り蒸気や固体粒子は、地熱
蒸気中に含まれる腐食性ガスの存在と相俟って、エロー
ジョンとコロージョンの相乗作用を引き起こし、タービ
ンの損傷を一段と加速する要因となる。このため、各タ
ービン段落の出口にはドレンキャッチャを設け、水滴や
固形粒子を蒸気通路部外に排出する構成にしており、ま
た、最終段翼の先端部にはエロージョンシールドを貼り
付けるなどの損傷防止対策が施されている。
【0007】実際の地熱タービンプラントでは地熱蒸気
成分の経年変化による、より厳しい方向への変化等に対
して、タービンの損傷防止対策を講じているにもかかわ
らず、各部の劣化が進行する例がみられる。従って、地
熱タービンにとっては、タービンを構成する各要素の耐
腐食および耐侵食特性を如何に向上させるかが重要な課
題となっている。
【0008】地熱蒸気の持つ熱エネルギを効率的に地熱
タービンの回転エネルギに変換するには、まず、作動蒸
気を確実に地熱タービンのノズルと動翼に流す必要があ
る。タービンロータ軸は静止するケーシング内で回転す
るため、動翼先端部と静止側のノズルダイアフラム外輪
との間、タービンロータ軸とノズルダイアフラム内輪と
の間には、それぞれ間隙が必要であるが、これら静止部
と回転部の間隙を通して蒸気通路部を迂回する漏洩蒸気
量を最少にすることが重要である。
【0009】動翼先端部の漏洩蒸気量を最少にするため
に、従来の地熱タービンにおいては、動翼先端部に装着
されたシュラウドの半径方向外側に対向する静止部であ
るノズルダイアフラム外輪の庇部内周面に、シールフィ
ンが配置されている。
【0010】このシールフィンは複数枚で構成されリン
グを形成している。リングは動翼シュラウド方向へ伸び
て、シュラウドとの間の間隙を狭くしている。
【0011】タービンロータ軸部からの漏洩蒸気量を最
少にするための蒸気漏洩防止(蒸気シール)構造も同様
に、タービンロータ軸の半径方向外側に対向する静止部
であるノズルダイアフラム内輪の内周側に設けられた複
数のシールフィンが、半径方向内側へ伸びて、タービン
ロータ軸との間の間隙を狭くしている。ロータ軸のシー
ル構造の場合には、タービンロータ軸に凹凸状の溝を設
け、いわゆるラビリンスシール構造となし、蒸気漏洩防
止効果を一層高める場合が多い。このラビリンスシール
構造は、ロータ軸がケーシングを貫通する部分である、
グランドパッキン部のシール構造でも同様にしている。
【0012】いずれにしても、これら蒸気シール構造
が、地熱環境の中で劣化、損耗、あるいは脱落すること
なく、蒸気漏洩防止機能を発揮し続けることが、地熱タ
ービンの効率を維持するための必須の条件となる。
【0013】一般に、地熱タービンには、図11に示す
ように、軸流タービンが採用されており、静翼であるノ
ズル翼1と動翼2とを組み合せた多段のタービン翼構造
に構成される。地熱タービンのタービン翼は、ノズル翼
1のノズルから噴出した高速の蒸気によって励起される
動翼2の振動を抑制するため、周方向の複数の翼2aを
シュラウド3によって綴った群翼構造で構成される。こ
の群翼構造は、地熱タービンの回転中の蒸気によって生
じる振動による応力を許容レベル以下の抑制に効果的な
役割りを果している。
【0014】群翼構造は、シュラウド3を貫通する孔に
動翼2の各翼2aの翼頂部に一体に設けられたテノン4
を嵌合させてかしめることで、動翼2を構成する複数の
翼2aとシュラウド3とを結合して構成される。
【0015】ところが、動翼2の各翼頂部のテノン4の
先端部がシュラウド3より上面(翼の外径側)に出てい
ると、地熱蒸気のドレンや固形粒子によって侵食され、
動翼2の寿命が短くなる可能性がある。
【0016】動翼寿命を損なうのを避けるために、シュ
ラウド3上面よりテノン4が突出しないように、かしめ
部分が沈み込むように溝を設けてシュラウド表面を平ら
にし、加えてシュラウド3と対向するノズルダイアフラ
ム外輪5の庇部5aに複数のシールフィン5bを設けて
動翼頂部の蒸気漏洩防止構造とした例がある。そしてこ
のような動翼頂部の蒸気漏洩防止構造により、テノンの
侵食に対する耐力を改善することができる。
【0017】また、地熱タービンのような厳しい腐食環
境中で作動するタービン段落では、回転部である動翼や
ロータ材料は、腐食による疲労強度の大きな低下を伴
う。ロータ材料等の疲労強度の低下は、動翼の振動に関
わる寿命に直接の影響を及ぼすことになる。
【0018】上記のように、地熱タービンの動翼は、蒸
気によって生じる振動応力を群翼構造により、低減させ
ている。しかし、腐食環境下でタービン材料の疲労強度
が大きく低下することにより、振動応力が十分にタービ
ン材料の疲労限度以下に抑えきれない場合には、経年的
な腐食疲労損傷のリスクは避け難い。このリスクを最少
限に抑えるために、予め動翼の翼幅を広げた剛性の高い
翼を用いる例があるが、この場合には翼の重量が増える
ため、動翼植え込み部やホイール表面の応力を高めるこ
ととなり、結果として動翼植込み部等に応力腐食割れと
いった、別の面でのリスクを抱えることになる。
【0019】地熱タービンが低負荷で運転される場合に
は、最終段のタービン段落まわりの蒸気の流れは定格負
荷状態とは異なり、大きな逆流域を伴った乱れた流れと
なっている。
【0020】地熱タービンの最終段まわりの乱れた流れ
は翼に対する強い励振力として作用するため、最終段落
では一般のタービン段落以上に効果的な制振構造が必要
とされる。
【0021】このため、図12に示すように、動翼2の
翼先端部のテノン4、シュラウド3に加えて、翼中間部
にレーシングワイヤ6と呼ばれる連結部材を設ける場合
が多い。このレーシングワイヤ6は、翼に貫通した孔に
ワイヤを通し、互いをロウ付けにより固着させる方式
と、単にワイヤを孔に通すだけのルーズ結合方式とがあ
る。一般には、翼の制振効果の観点からはルーズ結合方
式の方が優れている。
【0022】また通常の火力タービンの最終段翼におい
ては、ルーズ結合による優れた制振効果を翼先端部の連
結にも取り入れて、図13に示すように、翼2a,2b
とカバーピース7とを別体とする例がみられる。図13
は菱形のカバーピース7の相対する側面から突出してい
るテノン4の片方7aを、翼先端に穿ったテノン孔に挿
入してかしめ固定するとともに、他方のテノン7bを隣
接する翼のテノン穴に通してルーズにかしめて、翼2
a,2bとカバーピース7の微小な動きを許容してい
る。このルーズ結合方式で全周の翼2a,2bをルーズ
に連結することにより、良好な制振効果が得られてい
る。
【0023】しかしながら、地熱タービンのような厳し
い腐食環境下では、翼に設けられたワイヤ孔、あるいは
テノン孔まわりに堆積した腐食性成分が、応力腐食割れ
や腐食疲労損傷の引き金になり易く、このようなルーズ
結合方式の連結構造を地熱タービンに採用するには難点
がある。
【0024】地熱タービンの入口部のように翼長の短か
いタービン段落では、動翼の振動疲労による損傷を避け
るため、群翼の低次の固有振動数が、ノズルから流出す
る蒸気と共振することを避ける設計が行われている。ノ
ズルから流出する蒸気による励振周波数としては、NP
F(ノズル枚数とロータ軸回転数の積)があるが、共振
を完全に避けるためには、このNPFを群翼構造が有す
る低次固有振動数の上に設定することとなる。これら翼
長の短かいタービン段落では翼の固有振動数が高いた
め、NPFは必然的に高く設定することとなり、ノズル
枚数が多くなるのが通常である。
【0025】ノズル枚数とノズルの大きさとは反比例の
関係にあるため、これらのタービン段落のノズルは結果
として小さくなる。翼長の短かいタービン段落にとって
ノズルが小さいことは、アスペクト比(翼長/翼幅)を
大きくとれることとなり、性能的には好ましい面もある
が、一方では、固形粒子による損傷や侵食、腐食成分に
よる劣化、あるいはスケールの堆積等、地熱タービン特
有の劣化損傷に対しては弱点となるといった不都合があ
る。
【0026】
【発明が解決しようとする課題】地熱タービンのノズル
出口の蒸気流は、周方向に大きな速度成分を持った旋回
流となっている。地熱タービンのように、蒸気の中に水
滴(ドレン)や固体粒子を含んでいる場合には、遠心力
によって半径方向外側に押しやられ動翼に流入すること
なく外に放り出される。
【0027】図11に示すように、ノズルダイアフラム
外輪5の庇部に配置されているシールフィン5bが遠心
力により半径方向外側に押しやられた粒子をせき止める
形となる。しかし、この部分はノズル出口の強い旋回流
が支配しているため、水滴や固体粒子は、ノズル出口と
シールフィン5bとで囲まれた狭いポケットPの領域で
旋回を繰り返すこととなる。その結果、このポケットP
がエロ−ジョンによって大きく抉られたり、あるいはシ
ールフィン5bが脱落するといった不具合を生じること
がある。地熱蒸気中に固体粒子が多く含まれる場合に
は、その危険度は高く、地熱タービンの信頼性を損なう
要因の一つとなっている。
【0028】この不具合を避けるため、ノズル出口とシ
ールフィン5bで囲まれたポケットPの領域と段落出口
とを結ぶ貫通孔5cを周方向に幾つか設ける対策がとら
れているが、その数が少ない場合には粒子を十分に排出
することが出来ず、逆に、孔数が多いと動翼2をバイパ
スする随伴蒸気が増えてタービン効率が低下するといっ
た問題が生じる。
【0029】地熱タービンの蒸気シール部のエロ−ジョ
ンやコロージョンによる損傷の問題は、動翼先端部に限
らない。タービンロータ軸8とノズルダイアフラム内輪
9の間の蒸気シール部にも、全く同様の問題が存在す
る。この領域もノズル出口の強い旋回流に支配されてお
り、水滴や固形粒子がノズルダイアフラム側に植えられ
たフィン9bを損傷して、タービンの効率劣化の要因と
なる例が多い。
【0030】また、シール効果を高めるため、ロータ軸
8側に凹凸溝8aを掘ったラビリンス構造とする場合が
多く、ロータ軸8aがタービンケーシングを貫通する部
分である、グランドパッキン部の蒸気シール構造も同様
である。
【0031】ところが、このラビリンス部を吹き抜ける
蒸気は高速流で、かつ、上記したように水滴や固体粒
子、および腐食性成分を含んでいるため、この凹凸溝8
aが経年的に削りとられてしまうという問題がある。
【0032】いずれにしても、回転部と静止部との間の
蒸気シール機能の長期的な信頼性の維持、あるいは長寿
命化は、地熱タービンにとって解決すべき課題の一つで
ある。
【0033】一方、タービン入口部の段落ではノズル出
口のスロート部の幅が例えば5〜8mm程度の比較的小
さなノズルが採用されている。
【0034】通常、地熱タービンの入口にはストレーナ
が設置され、大きな固体粒子がタービン内部に飛来しな
いように配慮されている。しかし、地熱蒸気の井戸の条
件によっては、ストレーナの目詰まりが頻繁に起こり、
度々クリーンナップが必要なため、やむを得ず粗いメッ
シュ、例えば2メッシュイン1インチ(1インチ内に2
つのメッシュを有するもの)を用いる場合がある。
【0035】このような粗いメッシュの場合にはメッシ
ュを通過した固体粒子が一部ノズル出口を閉塞し、それ
により出力の大幅な低下を招く恐れがある。また、たと
えノズル出口の閉塞といった事態には陥らなくても、ノ
ズル翼表面へのスケールの堆積によってスロート幅が狭
くなり、やはり出力低下につながる場合もある。
【0036】さらに、ノズル表面が腐食、孔食によって
粗れた場合にも、効率に与える影響が大きいと言われて
いる。特に地熱タービンの入口部の段落は腐食環境が活
性のため腐食、孔食(侵食)を受けやすく、ノズル、動
翼とも激しく肌粗れしている例が見受けられる。ノズル
翼や動翼の翼面粗さによる効率の低下は、粗さと翼弦長
との相対値に関連するため、小さな翼ほどその受ける影
響は大きい。
【0037】加えて小さなノズルでは、固体粒子による
翼面の損傷の問題もある。小さな翼ほど曲率が大きくな
るため、蒸気流の急激な偏向に固体粒子が追従できず、
慣性力によってノズルに衝突する割合が高くなる。その
結果、翼厚の薄い出口部が損傷されて翼形状を大きく損
なうこととなり、効率の低下をも生ずることになる。さ
らには損傷が大きい場合には動翼に対する過大な蒸気励
振力を伴い、動翼自体の信頼性にも影響を及ぼす。
【0038】また、地熱資源は有限のため、電力需要の
低い夜間には部分負荷運用される場合がある。特に、長
年使用されてきて地下の蒸気源が枯渇気味の場合には、
このような運用を余儀なくされる。
【0039】地熱タービンの低負荷を運転では、最終段
落まわりの蒸気の流れは、逆流を伴った乱れの強いもの
となる。この逆流は、タービン負荷が低くなるほど大き
く広がって激しいものとなり、翼への励振力も、より強
力になる。結果として、翼には高い振動応力が励起され
る。
【0040】翼の連結構造部の応力集中部や、経年的に
生じた孔食やエロージョン等の応力集中部の振動応力
が、腐食環境下で低下した材料の疲労強度を上回る場
合、最悪の場合には損傷する場合もある。
【0041】したがって、低負荷運用を強いられる地熱
タービンの長寿命化、信頼性向上は、効果的な制振機構
により最終段翼に誘起される振動応力を低減できるか否
かにかかっている。
【0042】本発明は、上述した事情を考慮してなされ
たもので、地熱蒸気により厳しい環境下で運用される動
翼、ノズルおよびタービンロータ軸等の耐腐食性・耐侵
食性を改善し、経年劣化防止対策を施して長寿命化を図
った地熱タービンを提供することを目的とする。
【0043】本発明の他の目的は、ノズル等の静止部と
動翼等の回転部との間に形成される蒸気漏洩防止構造を
地熱蒸気に含まれる不純物による機械的損失から保護
し、タービン構成部品の破損や損傷を有効的に防止し、
タービン機能を長期に亘り安定的に発揮できる地熱ター
ビンを提供するにある。
【0044】本発明の別の目的は、厳しい環境下で運用
される地熱タービンのタービン構成部品の保守性・メン
テナンス性を向上させることができ、タービン機器の維
持・管理が容易な地熱タービンを提供するにある。
【0045】
【課題を解決するための手段】本発明に係る地熱タービ
ンは、上述の目的を達成するために、請求項1に記載し
たように、タービンケーシング内に配設され、ノズルダ
イアフラム外輪とノズルダイアフラム内輪とに挟持され
た静翼と、この静翼に下流側に対向して、タービンロー
タ軸の円周方向に翼列をなすように植設された動翼とか
らなるタービン段落を複数段に構成した地熱タービンに
おいて、前記動翼の各翼頂部にシュラウドを設ける一
方、前記ノズルダイアフラム外輪を下流側に延長してこ
のシュラウドの半径方向外側に庇部として対向させ、こ
の庇部内周面を円滑な面に形成するとともに、前記シュ
ラウドから前記庇部内周面に向って半径方向外側に突出
するシールフィンを設けたことを特徴とするものであ
る。
【0046】また、本発明に係る地熱タービンは、上述
の目的を達成するために、請求項2に記載したように、
前記ノズルダイアフラム外輪の庇部は、その庇部の内周
面に耐腐食性または耐侵食性材料で溶接肉盛あるいはコ
ーティングを施したことを特徴とするものである。
【0047】また、本発明に係る地熱タービンは、上述
の目的を達成するために、請求項3に記載したように、
前記ノズルダイアフラム外輪の庇部は、着脱可能に設け
るとともに耐腐食性または耐侵食性材料で構成したこと
を特徴とするものである。
【0048】また、本発明に係る地熱タービンは、上述
の目的を達成するために、請求項4に記載したように、
前記ノズルダイアフラム外輪の庇部は、着脱可能に設け
るともに、前記ノズルダイアフラム外輪との間に蒸気通
路部とタービン段落出口とを連通するスリットを形成
し、このスリット形成部の表面に耐腐食性または耐侵食
性材料の溶接肉盛あるいはコーティングを施したことを
特徴とするものである。
【0049】また、本発明に係る地熱タービンは、上述
の目的を達成するために、請求項5に記載したように、
タービンケーシング内に配設され、ノズルダイアフラム
外輪とノズルダイアフラム内輪とに挟持された静翼と、
この静翼に下流側に対向して、タービンロータ軸の円周
方向に翼列をなすように植設された動翼とからなるター
ビン段落を複数段に構成した地熱タービンにおいて、前
記ノズルダイアフラム内輪内周面から前記タービンロー
タ軸に向って半径方向内側に凹凸状に突出するシールフ
ィンを設けるとともに、前記シールフィンと対向するタ
ービンロータ軸にその断面形状が台形もしくは半円形の
凹凸状溝を前記シールフィンの凹凸に対応するように形
成したことを特徴とするものである。
【0050】さらに、本発明に係る地熱タービンは、上
述の目的を達成するために、請求項6に記載したよう
に、前記タービンロータ軸に形成される凹凸状溝は、そ
の表面に耐腐食性または耐侵食性材料のコーティングを
施したことを特徴とするものである。
【0051】また、本発明に係る地熱タービンは、上述
の目的を達成するために、請求項7に記載したように、
耐腐食性または耐侵食性材料からなる円筒部材の内周面
に、前記タービンロータ軸に形成した凹凸状溝に対応す
るように凹凸状に突出したシールフィンを設けて前記ノ
ズルダイアフラム内輪に着脱可能に設置したことを特徴
とするものである。
【0052】また、本発明に係る地熱タービンは、上述
の目的を達成するために、請求項8に記載したように、
タービンケーシング内に配設され、ノズルダイアフラム
外輪とノズルダイアフラム内輪とに挟持された静翼と、
この静翼に下流側に対向して、タービンロータ軸の円周
方向に翼列をなすように植設された動翼とからなるター
ビン段落を複数段に構成した地熱タービンにおいて、上
記静翼の内、互いに隣接する静翼間に形成されるスロー
ト幅を前記地熱タービン入口に設けたストレーナのメッ
シュ網目よりも大きな値にするとともに、前記静翼の全
表面あるいは一部に耐腐食性または耐侵食性材料で溶接
肉盛あるいはコーティングを施したことを特徴とするも
のである。
【0053】さらに、本発明に係る地熱タービンは、上
述の目的を達成するために、請求項9に記載したよう
に、タービンケーシング内に配設され、ノズルダイアフ
ラム外輪とノズルダイアフラム内輪とに挟持された静翼
と、この静翼に下流側に対向して、タービンロータ軸の
円周方向に翼列をなすように植設された動翼とからなる
タービン段落を複数段に構成した地熱タービンにおい
て、耐腐食性または耐侵食性材料からなり、互いに隣接
する前記動翼の先端部同士を連結するカバーピースの一
側面にテノンを突設するとともに他側面にテノン孔を形
成し、全テノンを一方の翼の先端部に形成されたテノン
孔に挿入して結合させる一方、前記テノン孔には隣接す
る他方の翼の先端部から突出するテノンを挿入して全周
翼一群連結構造に構成したことを特徴とするものであ
る。
【0054】さらに、本発明に係る地熱タービンは、上
述の目的を達成するために、請求項10に記載したよう
に、タービンケーシング内に配設され、ノズルダイアフ
ラム外輪とノズルダイアフラム内輪とに挟持された静翼
と、この静翼に下流側に対向して、タービンロータ軸の
円周方向に翼列をなすように植設された動翼とからなる
タービン段落を複数段に構成した地熱タービンにおい
て、耐腐食性または耐侵食性材料からなり、互いに隣接
する前記動翼の先端部同士を連結するカバーピースの両
側面にテノン孔をそれぞれ形成し、前記テノン孔に隣接
する翼の先端部からそれぞれ突出するテノンを挿入して
全周翼一群連結構造に構成したことを特徴とするもので
ある。
【0055】また、本発明に係る地熱タービンは、上述
の目的を達成するために、請求項11に記載したよう
に、前記耐腐食性または耐侵食性材料は、コバルト(C
o)基合金、ニッケル(Ni)基合金、チタン(Ti)
もしくはTi合金、高クロム(Cr)−鉄(Fe)合
金、またはFe−Cr−Ni合金であり、前記耐腐食性
または耐侵食性肉盛溶接材料は、コバルト(Co)基合
金、ニッケル(Ni)基合金、チタン(Ti)もしくは
Ti合金、高クロム(Cr)−鉄(Fe)合金またはF
e−Cr−Ni合金の粉末に、WC,CrC,NbC,
VC等の炭化物もしくはTiB等のほう化物の粉末を
適量添加したサーメットであることを特徴とするもので
ある。
【0056】加えて、本発明に係る地熱タービンは、上
述の目的を達成するために、請求項12に記載したよう
に、前記溶接肉盛またはコーティングは、前記耐腐食性
もしくは耐侵食性材料または前記サーメットを用いたプ
ラズマ粉体肉盛溶接、被覆アーク溶接、プラズマ溶射
(APS)または高速ガス炎溶射(HVOF,HP−H
VOF)で行なうことを特徴とするものである。
【0057】
【発明の実施の形態】本発明に係る地熱タービンの実施
の形態について添付図面を参照して説明する。
【0058】図1は、本発明に係る地熱タービンに用い
られる蒸気タービンとして代表的な軸流タービンを示す
タービン段落の部分断面図である。
【0059】地熱タービン10ではタービンケーシング
11内にタービン段落12が多段落構造にかつ同芯状に
配設される。タービン段落12は、ノズルダイアフラム
外輪17とこの外輪17の半径方向内方に位置するノズ
ルダイアフラム内輪18との間に設けられたノズル19
と、この下流側に対向して配置される動翼15とを組み
合せて構成される。ノズルダイアフラム外輪17はター
ビンケーシング11の内面に形成される内周溝20に収
容され、固定される。
【0060】ノズル19は蒸気通路部を構成する一方、
ノズルダイアフラム外輪17とノズルダイアフラム内輪
18との環状部に多数枚が列状に配列されて翼列を形成
している。ノズルダイアフラム内輪18の内周側にはシ
ールフィン取付部21が形成され、このシールフィン取
付部21にリング状あるいはワッシャ状のシールフィン
22が断面櫛歯状に複数条設けられ、パッキン部として
構成される。
【0061】また、ノズルダイアフラム内輪18のシー
ルフィン22に対向してタービンロータ軸26外表面に
凹凸状溝27が形成される。凹凸状溝27はロータ軸2
6の全周に亘って形成され、周方向に延びる複数条の凸
状部28と各凸状部28間に形成される凹状部29とか
ら構成される。前記タービンロータの凹凸状溝27とノ
ズルダイアフラム内輪18に形成されるシールフィン2
2とにより微小な間隙30が形成され、ラビリンス構造
の蒸気シール部32が構成される。この蒸気シール部3
2により、蒸気の漏洩を防止するタービンロータ軸26
の蒸気漏洩防止構造が得られる。
【0062】タービンロータ軸26の蒸気シール部32
では、櫛歯状シールフィン22の先端はタービンロータ
軸26の軸方向に沿ってジグザグ状に形成され、凹凸状
溝27の凸状部28に対向するシールフィン22より、
凹状部29に対向するシールフィン22がタービンロー
タ軸26側に突出している。これにより、ノズルダイア
フラム内輪18のシールフィン取付部21とタービンロ
ータ軸26との間に形成される間隙30は小さくするこ
とができ、間隙30自体をジグザグ状に形成して流路を
長くとり、ラビリンス構造の蒸気シール部32の流路抵
抗を大きくとって蒸気漏洩を有効的に防止している。
【0063】また、タービンロータ軸26にはタービン
段落12を構成する動翼15が静翼部14に対して下流
側に対向して設けられる。動翼15はタービンロータ軸
26のロータディスク35に翼列をなすように円周方向
に沿って植設された多数の翼36を備え、各翼36の頂
部側にシュラウド37が設けられる。シュラウド37
は、複数枚、例えば数枚の翼36を結合して一体化し、
群翼構造を構成している。
【0064】翼36の翼頂部側は、ノズルダイアフラム
外輪17から下流側に延びる庇部38で覆われる。翼3
6は、蒸気通路部を構成する一方、ノズルダイアフラム
外輪17の庇部38内で回転するため、翼36の頂部に
位置するシュラウド37と、その半径方向外側に相対す
るノズルダイアフラム外輪17の庇部38との間には間
隙40が存在する。
【0065】蒸気の一部は翼36を通らず、この間隙4
0を通して仕事をせずに若干の蒸気が漏洩する。この漏
洩を防止する目的で、シュラウド37の外表面にノズル
ダイアフラム外輪17の庇部38に向って半径方向外側
に延びる複数のシールフィン41を断面櫛歯状かつ周方
向に沿って設け、シールフィン41の先端とノズルダイ
アフラム外輪17の庇部38内周面との間隙40を小さ
く保つ動翼頂部の蒸気シール部44を構成している。こ
の蒸気シール部44は動翼先端部の蒸気漏洩防止構造を
形成している。
【0066】蒸気の流れは、図1に矢印Aで示されてい
るが、蒸気通路部を構成するノズル19は、翼36の上
流側に位置して蒸気の流れを偏向し、翼36に回転力を
与える役目を担っている。したがって、地熱タービンの
効率を高めるためには、ノズル19を流出した蒸気を有
効に動翼15に導く必要がある。
【0067】一方、地熱蒸気の中に水滴や地熱蒸気特有
の固体粒子のような異物が含まれている。これら水滴あ
るいは固体粒子は蒸気に比べて比重が大きいため、ノズ
ル19出口では蒸気の強い旋回流による遠心力効果によ
って外周へと押しやられる。その結果、ノズル出口直後
の外周部、つまりノズルダイアフラム外輪17の庇部3
8の付け根部45付近には、これら異物が多く放出され
る。
【0068】このことから、図1に示す地熱タービン1
0では、ノズルダイアフラム外輪17の庇部38にシー
ルフィンを形成することなく、シュラウド37外周面に
シールフィン41を設け、ノズルダイアフラム外輪17
の庇部38に対向させたものである。シールフィン41
はシュラウド37の外周面側に、複数条例えば数条突設
し、断面櫛歯状に形成している。なお、ノズルダイアフ
ラム外輪17の庇部38の内周面にシールフィンを設
け、このシールフィンをシュラウド37から半径方向外
方に突出するシールフィン41と交互に配設し蒸気シー
ル機能を向上させてもよい。
【0069】ノズルダイアフラム外輪17の庇部38と
シュラウド37外表面のシールフィン41とにより小さ
な間隙40が形成され、動翼頂部の蒸気シール部44が
構成され、この蒸気シール部44が動翼先端部の蒸気漏
洩防止構造を形成している。またこのノズルダイアフラ
ム外輪17の庇部内表面38aには、地熱蒸気中に含ま
れる腐食性成分によるコロージョンや、水滴や固体粒子
によるエロージョンを防止するために、耐腐食性または
耐侵食性材料による肉盛溶接、あるいはコーティングが
施される。
【0070】耐侵食性材料、あるいは耐侵食溶接肉盛材
料としては、コバルト(Co)を主成分とする合金、ク
ロム(Cr)もしくはCrと鉄(Fe)またはCrとF
eとニッケル(Ni)を主成分とする合金、チタン(T
i)を主成分とする合金が用いられる。耐侵食コーティ
ング材料としては、Coを主成分とする合金、Crを主
成分とする合金、Cr−Ni−Feを主成分とする合
金、Crの化合物(たとえばクロムカーバイト)、Ti
の化合物(たとえばチタンナイトライド)、タングステ
ン(W)の化合物(例えばタングステンカーバイト)等
が好適に用いられる。
【0071】また、耐腐食性材料あるいは耐腐食溶接肉
盛材料としては、Crを主成分とする合金、Niを主成
分とする合金、Cr−Ni−Feを主成分とする合金、
Tiを主成分とする合金、Coを主成分とする合金が用
いられる。耐腐食コーティング材料としては、Crを主
成分とする合金、Niを主成分とする合金、Cr−Ni
−Feを主成分とする合金、Tiを主成分とする合金、
Coを主成分とする合金、Cr,W,Tiの化合物等が
好適に用いられる。
【0072】さらに、WC,CrC,NbC,VC等の
炭化物、TiB等のほう化物を前記耐腐食性または耐
侵食性材料と混合したサーメットとしてプラズマ粉体肉
盛溶接や被覆アーク溶接等の溶接を適用した肉盛溶接お
よびこれらの金属材料ならびにサーメットを溶射粉末と
してプラズマ溶射(APS)やガス炎溶射(HVOF、
HP−HVOF)等の溶射材を用いて被膜形成を行なう
ようにしてもよい。
【0073】サーメットを形成する耐食、耐侵食性金属
材料、炭化物およびほう化物粉末の粒径は20〜75μ
mが最も望ましい。75μmより粒子が大きいと溶射に
よる粒子が粗くなるばかりか、すべての完全に溶けない
粒子が生じる可能性があり、溶射部分の耐久性等に問題
が生じる。一方、20μmより粒子が細かいと溶射条件
の設定が難しくなり好ましくない。
【0074】このような構造の蒸気シール部44とする
ことにより、付け根部45に放出された異物は、蒸気の
強い旋回流によってノズルダイアフラム外輪17の庇部
38の内表面38aにへばりつきながら旋回することと
なるが、庇部38の内表面38aには流れをせき止める
障害物は何も無いため庇部38に滞留することはなく、
水分や固体粒子等の異物は、庇部38の平滑な内表面3
8aに沿って旋回しつつ、スムーズにタービン段落出口
47へと排出され、ドレンキャッチャに捕獲される。従
って、ノズルダイアフラム外輪17の付け根部45が集
中的にエロージョンの損傷を受けることがなくなる。ま
た庇部38が損耗すると、シュラウド37外周面のシー
ルフィン41の先端とノズルダイアフラム外輪17の庇
部38との間隙が増大することとなって、経年的なター
ビン効率低下の要因となるが、庇部38の内表面38a
に耐腐食性または耐侵食性材料による肉盛溶接あるいは
コーティングを施すことにより、蒸気中に含まれる腐食
性成分や固体粒子に対して有用である。そして、地熱タ
ービン10の経年的な蒸気シール部44の損耗を防ぐこ
とが可能となり、タービン効率を長期にわたって維持す
ることができる。
【0075】なお、動翼15の翼頂部側シュラウドフィ
ン41の先端とノズルダイアフラム外輪17の庇部38
内表面38aとの間に環状の間隙40が形成されるが、
この間隙40の寸法は従来と同程度であり、またノズル
ダイアフラム外輪17の庇部38に異物排出孔を必要と
しないため、その分、異物排出孔からタービン段落出口
47に逃げる蒸気による損失がなく、その分だけタービ
ン効率を高めることができる。
【0076】また、動翼先端部の蒸気漏洩防止構造で
は、ノズルダイアフラム外輪17の庇部38に流れる水
分(ドレン)は、遠心力作用により水膜となって庇部3
8の内表面38aを覆うため、間隙40を水膜の厚さ分
だけ実質的に狭める効果を有し、漏洩蒸気量をより一層
減少させることができる。漏洩蒸気量の減少はその分だ
けタービン効率の向上に寄与することができる。
【0077】図2は、地熱タービンの動翼先端部の蒸気
漏洩防止構造では、ノズルダイアフラム外輪17の庇部
50を、ノズルダイアフラム外輪17とは別体構造の円
筒部材で形成し、この円筒部材をボルト締め等の締結で
取外し可能に組み付け、一体に組み立てて構成したもの
である。ノズルダイアフラム外輪17の庇部50は円筒
状、スリーブリング状あるいはトーラス状に構成されて
いる。
【0078】また、この庇部50は、耐侵食性または耐
腐食性材料で製作される。耐侵食性あるいは耐腐食性に
優れた材料で作ることにより、蒸気シール部44を構成
する庇部50の内表面50aが水分や固体粒子によるエ
ロージョンや腐食成分によるコロージョンで侵されるの
を有効的に防止できる。
【0079】仮に、地熱タービン10が長期的な運用に
よって、庇部50が損傷を受けた場合にも、簡便に取り
替えることが可能であり、タービン機器の保守性・メン
テナンス性を向上させることができる。庇部50は単体
で作られるために、庇部50の材料選択の自由度が大き
く、地熱蒸気の条件により適宜最適な材料に変更するこ
とができ、図1に示された地熱タービン10と同等の効
果を奏する。他の構成は、図1に示すものと異ならない
ので、具体的な説明を省略する。
【0080】図3は、地熱タービンの動翼先端部の蒸気
漏洩防止構造の第2変形例を示すものである。
【0081】この変形例に示された動翼先端部の蒸気漏
洩防止構造は、ノズルダイアフラム外輪17の庇部52
をノズルダイアフラム外輪17と別体の円筒部材に構成
するとともに、ノズルダイアフラム外輪17と庇部52
との間に微小なスリット53を設け、このスリット53
に水分や固体粒子等の異物を間隙40を通過させずにタ
ービン段落出口47に排出する異物排出機能を持たせた
ものである。
【0082】ノズルダイアフラム外輪17にはスリット
形成部54が形成されており、このスリット形成部54
は、異物による損傷防止の目的で、その外表面に耐腐食
性あるいは耐侵食性材料で溶接肉盛あるいはコーティン
グされている。この溶接肉盛あるいはコーティングはス
リット形成部全面に形成する必要は必ずしもなく、部分
的であってもよい。
【0083】このようなスリット53は地熱タービンプ
ラントにおいて、地熱蒸気中に固体粒子等の不純物が多
い場合、蒸気シール部44のシールフィン41や蒸気通
路部を損傷から保護する上で有効である。ノズルダイア
フラム外輪17の庇部52を耐侵食性あるいは耐腐食性
の優れた材料で製作することは、図2の場合と同様であ
り、図2に示された地熱タービン10と同等の作用効果
を奏する。
【0084】図4は、本発明に係る地熱タービンの第2
実施形態を示す部分断面図である。
【0085】図4に示された地熱タービン10Aは、タ
ービンロータ軸26の蒸気漏洩防止構造が図1に示され
る地熱タービン10と異なるが、他の構成は実質的に異
ならないので同じ符号を付して説明を省略する。
【0086】図4に示されたタービンロータ軸26の蒸
気漏洩防止構造では、ノズルダイアフラム内輪18の内
周側にシールフィン取付部21が形成され、この取付部
21にリング状あるいはワッシャ状のシールフィン22
が断面櫛歯状にかつ周方向に複数条設けられる。
【0087】また、タービンのロータ軸26の表面に凹
凸状溝60が全周に亘って形成される。凹凸状溝60は
周方向に延びる複数条の凸状部61と各凸状部61間に
形成される凹状部62が構成される。凸状部61は図4
に示すように半径方向外方の先端に向って先細となるよ
うに、台形断面形状に形成される。凸状部61を台形断
面形状とすることより凹状部62の断面も台形形状ある
いは皿形状に形成される。また、この凹凸状溝60は、
断面が台形あるいは半円形、弧状溝断面形状に構成して
もよい。
【0088】ノズルダイアフラム内輪18の内周側に設
けられたシールフィン22とタービンのロータ軸26外
表面に形成される凹凸状溝60とにより、間隙30が形
成され、ラビリンス構造の蒸気シール部63が構成され
る。この蒸気シール部63により、タービンロータ軸2
6の蒸気漏洩防止構造が形成され、間隙30を通る蒸気
の漏洩を効果的に防止している。
【0089】蒸気シール部63の凹凸状溝60の表面は
耐腐食性あるいは耐侵食性に優れた材料で覆設されてい
る。凹凸状溝60の断面構造を台形状とすることで、蒸
気シール部63の間隙30を吹き抜ける高速蒸気とこの
高速蒸気に乗った水分や固体粒子等の異物の凸状部側面
への衝突角度が小さくなる。そのため、凹凸状溝60の
受ける衝突エネルギは従来のように直角で衝突する場合
に比べて減少し、それだけ凹凸状溝60の損耗も低減さ
れる。また、凹凸状溝60を台形にすることによって、
凸条部側面を含めた凹凸状溝60の表面全体にコーティ
ング材料のスプレーによる塗布を効率よくスムーズに行
なうことができる。
【0090】金属材料表面をコーティングするには、高
温に加熱した塗布材料粒子を、高速で金属表面に吹き付
けて溶着させる手法が一般にとられるが、良好な溶着条
件を確保するには、金属表面とスプレーの角度を直角近
傍に保つ必要がある。従来の凹凸状溝形状は、図11に
示す通り、凸条部28の側面がロータ軸26に直角に立
ち上がっているため、この条件を満たせず、良好なコー
ティングができなかったが、図4に示すロータ軸26の
凹凸溝60は台形断面形状を有するために、良好なコー
ティングが可能となる。
【0091】この間隙30を通って、ノズル19をバイ
パスする漏洩蒸気が蒸気シール部63を吹き抜けるが、
この漏洩蒸気はタービン段落12の仕事に寄与せず、タ
ービン効率を低下させる要因となるため、蒸気シール部
63にラビリンス構造を採用することにより、蒸気の漏
洩を効果的に防止することができる。
【0092】なお、蒸気漏洩防止構造はロータ軸26と
ノズルダイアフラム内輪18との間の蒸気漏洩防止のみ
ならず、タービンロータ軸26がタービンケーシング1
1を貫通するグランドパッキン部にも同様にして適用す
ることができる。
【0093】また、図4に示された蒸気漏洩防止構造
は、図1に示された地熱タービン10のタービン段落1
2に適用した例を示したが、この蒸気漏洩防止構造を図
2および図3に示された動翼頂部の蒸気漏洩防止構造と
組み合せてもよい。
【0094】図5は、本発明に係る地熱タービンの第2
実施形態における変形例を示すものである。
【0095】この変形例は、地熱タービン10Aのター
ビンロータ軸の蒸気漏洩防止構造を図4に示された蒸気
漏洩防止構造と異にするが、他の構成は実質的に異なら
ないので説明を省略する。
【0096】図5に示されたタービンロータ軸26の蒸
気漏洩防止構造は、ノズルダイアフラム内輪18に着脱
型シールフィン66をノズルダイアフラム内輪18とは
別体に構成し、ボルト締め等の締結によりノズルダイア
フラム内輪18に取外し可能に一体的に組み立てたもの
である。着脱型シールフィン66は、取付フランジ66
aを備えて円筒状、トーラス状あるいはスリーブリング
状に形成され、耐侵食性あるいは耐腐食性の優れた材料
で製作される。
【0097】ノズルダイアフラム内輪18の内周側に別
体の着脱型シールフィン66を取り付けた以外の構成
は、図4に示されたタービンロータの蒸気漏洩防止構造
と実質的に異ならない。
【0098】地熱タービン10Aでは、蒸気シール部6
3を通り抜ける蒸気中に水滴や固体粒子等の異物が含ま
れる。図11に示された従来のタービンロータの蒸気漏
洩防止構造では、蒸気シール部の間隙を吹き抜ける蒸気
中に含まれる水滴や固体粒子等の異物のロータ軸8の凹
凸状溝8aの凸状部に衝突した後、遠心力作用で飛散
し、ノズルダイアフラム内輪9の内表面9aに衝突し、
ノズルダイアフラム内輪9の内周側を損傷させる。
【0099】ノズルダイアフラム内輪9の内周側にシー
ルフィン9bが植設されているが、シールフィン9bの
根元が損傷を受け、抉られるとシールフィン9bの脱落
を招き、大きなタービン効率の低下を招く。
【0100】しかし、図5に示されるタービンロータ2
5の蒸気漏洩防止構造では、着脱型シールフィン66は
ノズルダイアフラム内輪18の内周側に取外し可能に取
り付けられ、しかも、着脱型シールフィン66は耐侵食
性あるいは耐腐食性の優れた材料で製作されている。し
たがって、着脱型シールフィン66は、その優れた材料
特性により、シールフィン22を取り付けている内周面
66bが水分や固体粒子によるエロージョンあるいは腐
食成分によるコロージョンによって侵されることを防い
でいる。
【0101】万一、地熱タービン10Aの長期的な運用
によって蒸気シール部が損傷を受けた場合においても、
着脱型シールフィン66を着脱することにより簡便に取
り替えることが可能となり、タービン機器の保守性が向
上する。着脱型シールフィン66は単体で作られるため
材料の選択に自由度が多く、図4に示されるロータ軸2
6との組み合わせで、タービン軸の蒸気シール部63の
長期信頼性が維持される。
【0102】また、図4および図5に示されたタービン
ロータ25のロータ軸26の漏洩蒸気防止構造では、ロ
ータ軸26の外表面に、ロータ軸26の軸方向の平面断
面が、台形断面形状の凹凸状溝60を形成した例を示し
たが、凹凸状溝60の断面形状を弧状、半円弧状、半長
円形状、あるいは半楕円形状の凸状部と凹状部を組み合
せた構成としてもよい。
【0103】ところで、地熱タービン10は、タービン
入口部側の初段(第1段)、第2段あるいは第3段のタ
ービン段落は、特に厳しい作動環境下にある。すなわ
ち、第1には、地熱蒸気中に含まれる腐食成分の影響で
ある。地熱蒸気中に含まれる腐食成分は、その温度環境
が180〜200℃近傍で活性であるが、この温度環境
が地熱タービン10の第1段〜第3段の作動条件とたま
たま一致すると、タービン入口部のタービン段落は腐食
を受け易い条件下にある。
【0104】第2には、固体粒子の影響である。一般に
固体粒子等の不純物の地熱タービン10への侵入を防ぐ
ために、タービン入口にはストレーナ(図示せず)を設
置しているが、そのストレーナは通常、1インチに4〜
5メッシュの網目を使用しており、大きな固体粒子の場
合には地熱タービン10内に入り得ない。
【0105】しかし、地熱井戸の条件が悪くて多量の固
体粒子が蒸気中に含有されている場合には、そのような
細かなメッシュではすぐ目詰まりを起こしてしまうた
め、やむを得ず1インチに2メッシュのような網目のス
トレーナが用いられている。この粗い網目のストレーナ
を通り抜けた粗い粒子はタービン入口部側のタービン段
落のノズル翼を直撃し、打痕とエロージョンによる損耗
を与える。タービン入口側のタービン段落は厳しい腐食
環境と重なるため損傷は一層ひどくなる。また、ストレ
ーナが1インチに2メッシュ程度の網目では、最大12
mm程度の固体粒子が侵入する可能性があり、スロート
幅が5〜8mmの従来のノズル翼19では閉塞する恐れ
がある。
【0106】本発明に係る地熱タービンでは、少なくと
もタービン入口側のノズル翼70を、図6に示すように
配列する。静翼71を構成するノズル翼70の各翼の翼
幅を従来のノズル翼のサイズの倍以上の大きさに構成
し、各翼間に形成されるノズル出口のスロート幅73を
1/2インチ以上に設定する。
【0107】翼列を形成するノズル翼70の各翼を図6
に示すように構成し、ノズル出口のスロート幅73を1
/2インチ以上に設定すると、すなわち、ノズル翼70
のスロート幅73をストレーナの網目の大きさ以上に設
定することにより、ストレーナの網目をくぐり抜ける最
大の固体粒子でも閉塞されることがなくなる。
【0108】一方、静翼71に、翼列ピッチが大きく、
かつ翼幅の広い大きなノズル翼70を採用すると、ノズ
ル枚数が少なくなるため、NRF(ノズル枚数とロータ
軸回転数の積)と動翼の低次固有振動数との共振を避け
る必要があるが、例えば、動翼先端のシュラウドを動翼
と一体に削り出し、シュラウド側面を隣接翼のシュラウ
ド側面と面圧をもって密着させ、全周翼一群構造とする
スナッバ翼を動翼に採用しノズル翼70とを組み合せる
ことによって、優れた振動減衰特性を有する。
【0109】図7は、ノズル翼の廻りを流れる蒸気流や
固体粒子等の挙動説明図を示す。
【0110】地熱タービン10に案内される地熱蒸気
は、ノズル翼70の翼列内を一点鎖線Bで示すように流
れる。一方、蒸気に含まれる水滴や固体粒子等の異物
は、その比重が大きいため、慣性力によって実線Cで示
されるように流れ、ノズル翼70の翼前縁70aから翼
腹側70bにかけて集中的に衝突し、この部位にエロー
ジョンによる侵食を与える。
【0111】この流れの境界層は次第に発達し、背側後
縁には行くほど厚く形成される。特に、境界層の低層
部、すなわち翼面近傍部分では流体(蒸気)の粘性によ
りその流れは殆ど無く、その結果腐食部分を含む凝縮水
に常に覆われた状態となる。一方、境界層上層部は蒸気
流と同程度の流れを有するため、前記境界層低層部の流
れの無い部分との相互作用により渦流が発生する。そし
て、この渦流により腐食成分と固体粒子との相互作用に
より、背側後縁はエロージョン、コロージョン等の損傷
を受け易い状態に常に置かれることになる。
【0112】本発明ではこの点に着目し、図6に示され
た地熱タービン10のタービン入口側のタービン段落で
は、ノズル翼70の全面、あるいは少なくとも水滴や固
体粒子の衝突によりエロージョン損傷を受け易いノズル
翼70の翼前縁70aから翼腹側70bにかけて、ま
た、流れの境界層76域で腐食成分の滞留によりコロー
ジョン損傷を受け易いノズル翼背側後縁部70c、すな
わち翼背側出口領域を、耐腐食性および耐侵食性に優れ
た材料でコーティングしている。ノズル翼70の表面を
耐腐食性および耐侵食性に優れた材料で、少なくとも必
要箇所をコーティングしたので、長期間にわたってノズ
ル翼表面を、固体粒子と腐食成分の両者による攻撃から
保護し、翼形状を維持する機能を有している。
【0113】従来に比べ倍以上の大きさを有する図6の
ノズル翼70は、たとえ翼表面にスケールが堆積して
も、スケールによるスロート幅73の減少は小さいた
め、タービン飲込み蒸気量の減少も少ない。したがっ
て、蒸気通路部へのスケールの堆積による経年的な出力
の低下を小さく押さえることができ、安定した運転を長
期間継続することが可能となる。従来技術においてみら
れるエロージョンやコロージョンの結果として生じるノ
ズル翼表面の凹凸や翼形状の欠損は、信頼性のみなら
ず、タービン効率面での大幅な低下をもたらすため、図
6ないし図8に示すようにノズル翼70の翼表面に、効
率劣化防止のためのコーティングを施すことはエネルギ
資源保護に対する貢献が極めて大きい。
【0114】図9は、本発明に係る地熱タービンのさら
に他の実施形態を示すものである。
【0115】図9は地熱タービンに組み込まれる各ター
ビン段落のうち、長翼を有する後段側のタービン段落に
適したものであり、タービン段落の動翼先端部の連結構
造を示すものである。この動翼先端部の連結構造では、
動翼80の互いに隣り合う各翼80a,80bの翼先端
部81をカバーピース82で連結したものである。カバ
ーピース82は菱形あるいは平行四辺形のブロック形状
を有し、カバーピース82の一側面からテノン83が突
出し、その反対側の側面にテノン孔84が対向して形成
される。
【0116】カバーピース82の一側面から突出したテ
ノン83は、動翼80aの翼先端部に穿設したテノン孔
85に挿入され、テノン83の頭部をかしめることで固
定される。あるいは、テノン83を翼80aの翼先端部
のテノン孔85にタイトに挿入することで固定してもよ
い。
【0117】テノン83の頭部をかしめる場合には、か
しめられたテノン頭部には、テノン孔85周縁部を完全
に覆い塞ぐと同時に、カバーピース82の側面はテノン
孔85の入口側平面部86と密着して、テノン孔85を
密封し、テノン孔85内面への腐食性成分の侵入を防い
でいる。テノン孔85とテノン83の頭部をタイトに挿
入固定する場合にも、カバーピース82の側面はテノン
孔85の入口側平面部86と密着しており、テノン孔8
5の孔内面への腐食成分侵入を防いでいる。
【0118】カバーピース82のテノン83を有する面
と反対側の面に形成されるテノン孔84には、動翼80
bの翼頂部81に形成されたテノン87がルーズに挿入
される。
【0119】しかして、動翼80の各翼80a,80b
をカバーピース82を介して順次結合することにより、
動翼80はタービンロータ軸の周方向に植設された全て
の翼80a,80bは互いにルーズに連結され、いわゆ
る全周翼一群ルーズ連結構造となる。この全周翼一群ル
ーズ連結構造により、動翼は振動に対して極めて良好な
ダンピング特性を有する。
【0120】カバーピース82の材料に、耐腐食性、耐
侵食性の優れた材料を採用することにより、ルーズに組
み立てられるテノン孔84内部の腐食を防止し、かつ水
滴によるエロージョンの防止も行なうことができる。こ
のような連結構造は、図12および図13に示された従
来の連結構造における腐食環境下での問題点を克服した
優れた技術となり、地熱タービンの安定した部分負荷運
用が長期に亘って可能となる。
【0121】図10(A)および(B)は、動翼の連結
構造の変形例を示すものである((A)はその鳥瞰図、
(B)は翼先端上面より見た図)。
【0122】この変形例に示された動翼の連結構造も、
互いに隣り合う動翼80の各翼80a,80bと、各翼
80a,80bの翼先端部81を連結するカバーピース
90で構成される。カバーピース90は菱形あるいは平
行四辺形のブロック形状に形成され、カバーピース90
の対向する両側の側面にテノン孔91,92が形成され
る。
【0123】一方、動翼80の各翼80a,80bの翼
頂部81には、相対する側面86,87にテノン93,
94が突設され、これらのテノン93,94をカバーピ
ース90のテノン孔91,92にルーズに挿入させる。
このように動翼80の各翼80a,80bの翼頂部81
をカバーピース90を介して順次結合することにより、
動翼80の周方向の全ての翼80a,80bは互いにル
ーズに連結され、いわゆる全周翼一群ルーズ連結構造の
動翼80が構成される。
【0124】この全周翼一群ルーズ連結構造の動翼80
により、振動に対して極めて良好なダンピング特性を有
している。カバーピース90の材料には、耐腐食性、耐
侵食性の優れた材料を採用して、ルーズに組み立てられ
るテノン孔91,92内部の腐食を防止し、かつ水滴に
よるエロージョンの防止をもしている。この動翼80の
連結構造においても、図9に示される連結構造と同様、
腐食環境下での問題点を克服した優れた技術となり、地
熱タービンの安定した部分負荷運用が長期にわたって可
能となる。
【0125】なお図9、図10において、「ルーズに」
とは、互いに隣接する翼同士の振動等による動きは拘束
しないが、テノン孔とテノンとはある程度接触し、その
振動がこのテノンとテノン孔との摩擦により減衰する状
態を言い、「タイトに」とは、テノン孔に挿入されたテ
ノンが、翼の振動程度の力ではテノン孔からは抜け出な
い、別の表現をするならば、翼とカバーピースとが一体
となり振動する状態を言い、テノンをテノン孔から外す
には相応の力が必要な状態を言う。
【0126】
【発明の効果】本発明に係る地熱タービンにおいては、
蒸気中に腐食性成分や水分、固体粒子等の不純物が含ま
れ、厳しい環境下で運用されるが、タービン構成部品で
あるタービンロータ軸、静翼(ノズル)、動翼および静
止部と回転部との間の各蒸気漏洩防止構造の耐腐食性、
耐侵食性を改善し、経年劣化を大幅に低減し、高効率運
転が可能となり、タービン機器の長寿命化を図ることが
できる。
【0127】また、ノズル等の静止部と動翼等の回転部
との間に形成される蒸気漏洩防止構造により、地熱蒸気
の不純物によって引き起こされる経年劣化を大幅に低減
させ、損傷やトラブル、タービン効率の低下等を効果的
に防ぐことができ、地熱タービンを長期に亘って安定的
に運転でき、エネルギ資源の有効活用が図れ、電力の安
定供給が図れる。
【0128】さらに、厳しい環境下で運用される地熱タ
ービンのタービン構成機器の保守性、メンテナンス性を
向上させることができ、タービン機器の保守点検、補修
のための停止、トラブルによる緊急停止等の機会が減
り、地熱タービンプラントの運用効率を向上させること
ができる。
【0129】また、地熱タービンの低負荷運転の信頼性
が向上し、タービンプラントの運用のフレキシビリティ
が増加するので、プラントの効率的運用が図れ、地熱資
源の節約とその有効活用が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る地熱タービンの第1実施形態を示
すタービン段落の部分断面図。
【図2】図1に示されたタービン段落における動翼先端
部の蒸気漏洩防止構造の第1変形例を示す部分断面図、
【図3】図1に示されたタービン段落における動翼先端
部の蒸気漏洩防止構造の第2変形例を示す部分断面図、
【図4】本発明に係る地熱タービンの第2実施形態を示
すタービン段落の部分断面図。
【図5】本発明に係る地熱タービンにおいて、タービン
ロータのロータ軸部の蒸気漏洩防止構造を示す図。
【図6】本発明に係る地熱タービンにおいて、静翼を構
成するノズル翼の実施例を示す図。
【図7】図6に示されたノズル翼廻りの流れの挙動を示
す説明図。
【図8】図6に示されたノズル翼の後縁側の流れの挙動
を示す説明図。
【図9】本発明に係る地熱タービンにおいて、タービン
動翼の連結構造の実施例を示す図。
【図10】(A)および(B)は図9に示されたタービ
ン動翼の連結構造の他の実施例を示す図。
【図11】従来の地熱タービンに適用される代表的な軸
流タービンのタービン段落を示す部分断面図。
【図12】従来の動翼の連結構造を示す部分的な斜視
図。
【図13】従来の動翼の連結構造を示す部分的な分解斜
視図。
【符号の説明】
10,10A 地熱タービン 11 タービンケーシング 12 タービン段落 14 静翼部 15 動翼部 17 ノズルダイアフラム外輪 18 ノズルダイアフラム内輪 19 ノズル 20 内周溝 21 シールフィン取付部 22 シールフィン 26 タービンロータ軸 27 凹凸状溝 28 凸状部 29 凹状部 30 間隙 32 蒸気シール部 35 ロータディスク 36 翼 37 シュラウド 38 庇部 40 間隙 41 シールフィン 44 蒸気シール部 45 付け根部 47 タービン段落出口 50,52 庇部 53 スリット 54 スリット形成部 60 凹凸溝 61 凸状部 62 凹状部 63 蒸気シール部 66 着脱型シールフィン 66a 取付フランジ 66b 着脱型シールフィンの内周面 70 ノズル 71 静翼 73 スロート幅 80 動翼 80a,80b 翼 81 翼先端部 82 カバーピース 83,87 テノン 84,85 テノン孔 86 入口側平面部 90 カバーピース 91,92 テノン孔 93,94 テノン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) B23K 35/30 B23K 35/30 340L 340M 35/32 35/32 B C22C 14/00 C22C 14/00 Z 19/00 19/00 L Z 32/00 32/00 H N P 38/00 302 38/00 302X 302Z C23C 4/04 C23C 4/04 4/08 4/08 F01D 5/06 F01D 5/06 5/22 5/22 9/04 9/04 11/02 11/02 F03G 4/00 531 F03G 4/00 531 (72)発明者 福田 正隆 東京都港区芝浦一丁目1番1号 株式会社 東芝本社事務所内 (72)発明者 池田 一昭 神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目4番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 松浦 俊博 神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目4番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 渡邊 修 神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目4番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 藤橋 久雄 東京都港区芝浦一丁目1番1号 株式会社 東芝本社事務所内 (72)発明者 高木 健太郎 神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目4番地 株式会社東芝京浜事業所内 Fターム(参考) 3G002 AA07 AA11 AB07 DA02 GA10 GB04 HA03 HA04 HA10 4E081 YG02 4K031 AA02 AB02 AB06 AB08 AB09 CB21 CB22 CB32 CB36 CB44 CB45 DA01 DA03 DA04

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 タービンケーシング内に配設され、 ノズルダイアフラム外輪とノズルダイアフラム内輪とに
    挟持された静翼と、この静翼に下流側に対向して、ター
    ビンロータ軸の円周方向に翼列をなすように植設された
    動翼とからなるタービン段落を複数段に構成した地熱タ
    ービンにおいて、 前記動翼の各翼頂部にシュラウドを設ける一方、前記ノ
    ズルダイアフラム外輪を下流側に延長してこのシュラウ
    ドの半径方向外側に庇部として対向させ、 この庇部内周面を円滑な面に形成するとともに、 前記シュラウドから前記庇部内周面に向って半径方向外
    側に突出するシールフィンを設けたことを特徴とする地
    熱タービン。
  2. 【請求項2】 前記ノズルダイアフラム外輪の庇部は、
    その庇部の内周面に耐腐食性または耐侵食性材料で溶接
    肉盛あるいはコーティングを施したことを特徴とする請
    求項1記載の地熱タービン。
  3. 【請求項3】 前記ノズルダイアフラム外輪の庇部は、
    着脱可能に設けるとともに耐腐食性または耐侵食性材料
    で構成したことを特徴とする請求項1記載の地熱タービ
    ン。
  4. 【請求項4】 前記ノズルダイアフラム外輪の庇部は、
    着脱可能に設けるともに、前記ノズルダイアフラム外輪
    との間に蒸気通路部とタービン段落出口とを連通するス
    リットを形成し、 このスリット形成部の表面に耐腐食性または耐侵食性材
    料の溶接肉盛あるいはコーティングを施したことを特徴
    とする請求項1記載の地熱タービン。
  5. 【請求項5】 タービンケーシング内に配設され、 ノズルダイアフラム外輪とノズルダイアフラム内輪とに
    挟持された静翼と、この静翼に下流側に対向して、ター
    ビンロータ軸の円周方向に翼列をなすように植設された
    動翼とからなるタービン段落を複数段に構成した地熱タ
    ービンにおいて、 前記ノズルダイアフラム内輪内周面から前記タービンロ
    ータ軸に向って半径方向内側に凹凸状に突出するシール
    フィンを設けるとともに、 前記シールフィンと対向するタービンロータ軸にその断
    面形状が台形もしくは半円形の凹凸状溝を前記シールフ
    ィンの凹凸に対応するように形成したことを特徴とする
    地熱タービン。
  6. 【請求項6】 前記タービンロータ軸に形成される凹凸
    状溝は、その表面に耐腐食性または耐侵食性材料のコー
    ティングを施したことを特徴とする請求項5記載の地熱
    タービン。
  7. 【請求項7】 耐腐食性または耐侵食性材料からなる円
    筒部材の内周面に、前記タービンロータ軸に形成した凹
    凸状溝に対応するように凹凸状に突出したシールフィン
    を設けて前記ノズルダイアフラム内輪に着脱可能に設置
    したことを特徴とする請求項5記載の地熱タービン。
  8. 【請求項8】 タービンケーシング内に配設され、 ノズルダイアフラム外輪とノズルダイアフラム内輪とに
    挟持された静翼と、この静翼に下流側に対向して、ター
    ビンロータ軸の円周方向に翼列をなすように植設された
    動翼とからなるタービン段落を複数段に構成した地熱タ
    ービンにおいて、 上記静翼の内、互いに隣接する静翼間に形成されるスロ
    ート幅を前記地熱タービン入口に設けたストレーナのメ
    ッシュ網目よりも大きな値にするとともに、前記静翼の
    全表面あるいは一部に耐腐食性または耐侵食性材料で溶
    接肉盛あるいはコーティングを施したことを特徴とする
    地熱タービン。
  9. 【請求項9】 タービンケーシング内に配設され、 ノズルダイアフラム外輪とノズルダイアフラム内輪とに
    挟持された静翼と、この静翼に下流側に対向して、ター
    ビンロータ軸の円周方向に翼列をなすように植設された
    動翼とからなるタービン段落を複数段に構成した地熱タ
    ービンにおいて、 耐腐食性または耐侵食性材料からなり、互いに隣接する
    前記動翼の先端部同士を連結するカバーピースの一側面
    にテノンを突設するとともに他側面にテノン孔を形成
    し、 全テノンを一方の翼の先端部に形成されたテノン孔に挿
    入して結合させる一方、前記テノン孔には隣接する他方
    の翼の先端部から突出するテノンを挿入して全周翼一群
    連結構造に構成したことを特徴とする地熱タービン。
  10. 【請求項10】 タービンケーシング内に配設され、 ノズルダイアフラム外輪とノズルダイアフラム内輪とに
    挟持された静翼と、この静翼に下流側に対向して、ター
    ビンロータ軸の円周方向に翼列をなすように植設された
    動翼とからなるタービン段落を複数段に構成した地熱タ
    ービンにおいて、 耐腐食性または耐侵食性材料からなり、互いに隣接する
    前記動翼の先端部同士を連結するカバーピースの両側面
    にテノン孔をそれぞれ形成し、 前記テノン孔に隣接する翼の先端部からそれぞれ突出す
    るテノンを挿入して全周翼一群連結構造に構成したこと
    を特徴とする地熱タービン。
  11. 【請求項11】 前記耐腐食性または耐侵食性材料は、
    コバルト(Co)基合金、ニッケル(Ni)基合金、チ
    タン(Ti)もしくはTi合金、高クロム(Cr)−鉄
    (Fe)合金、またはFe−Cr−Ni合金であり、 前記耐腐食性または耐侵食性肉盛溶接材料は、コバルト
    (Co)基合金、ニッケル(Ni)基合金、チタン(T
    i)もしくはTi合金、高クロム(Cr)−鉄(Fe)
    合金またはFe−Cr−Ni合金の粉末に、WC,Cr
    C,NbC,VC等の炭化物もしくはTiB等のほう
    化物の粉末を適量添加したサーメットであることを特徴
    とする請求項2ないし10のいずれか1項に記載の地熱
    タービン。
  12. 【請求項12】 前記溶接肉盛またはコーティングは、
    前記耐腐食性もしくは耐侵食性材料または前記サーメッ
    トを用いたプラズマ粉体肉盛溶接、被覆アーク溶接、プ
    ラズマ溶射(APS)または高速ガス炎溶射(HVO
    F,HP−HVOF)で行なうことを特徴とする請求項
    11記載の地熱タービン。
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