JP6067533B2 - 地熱タービン - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、地熱タービンに関する。

地熱発電プラントにおいては、地熱で加熱された作動流体を地熱タービンに導入して、地熱タービンを駆動させることによって、発電が行なわれる。

たとえば、地熱貯留層が「熱水卓越型」である場合には、フラッシャーを用いて地熱蒸気が抽出され、その抽出された地熱蒸気が作動流体として地熱タービンに導入される。また、地熱貯留層が「蒸気卓越型」である場合には、地熱蒸気が直接抽出され、ドレンセパレータを介して、その抽出した地熱蒸気が作動流体として地熱タービンに導入される。

地熱タービンは、たとえば、多段式の軸流タービンであって、ノズル翼（静翼）と、そのノズル翼の下流側に位置する動翼とによって構成されるタービン段落が、タービンロータの回転軸方向に沿って、複数段、設けられている。そして、作動媒体として地熱タービンに流入した地熱蒸気は、複数段のタービン段落を順次流れ、その複数段のタービン段落において膨張を繰り返して、タービンロータを回転させる。そして、そのタービンロータの回転によって、発電機が駆動して発電が行われる。

ところで、地熱貯留層は、時間の経過に伴って蒸気の流量が減衰する。たとえば、年率で１〜２％程度、減衰し、これに伴って、発電出力の低下が生ずる。このため、ノズル翼や動翼の変更などの措置が必要になる場合がある。その結果、地熱タービンについて高い効率で運用することが容易でない場合がある。

また、地熱蒸気は、シリカ、カルシウムなどのスケール成分を含んでいるため、スケール成分がノズル翼および動翼の表面に堆積してスロート面積が減少する場合がある。そして、地熱蒸気は、飽和状態、または、飽和状態に近い状態にあり、湿り度が高い状態で地熱タービンに導入されるため、ノズル翼および動翼の表面がエロージョン（侵食）によって粗くなり、内部効率が低下する場合がある。また、地熱蒸気は、砂、泥、酸化鉄などの固体粒子を含むため、固体粒子の付着によりスロート面積が減少すると共に、エロージョンが発生する場合がある。さらに、地熱蒸気は、硫化水素などの腐食性ガスを含むため、湿り蒸気との相乗作用によって、ノズル翼および動翼を腐食させる場合がある。

このような事情により、地熱発電プラントにおいては、性能および信頼性が低下する場合がある。このため、地熱発電プラントでは、地熱タービンを開放して保守を行っている。しかし、地熱タービンを頻繁に開放した場合には、地熱発電プラントの稼働率が低下する。

そこで、地熱タービンの保守を効率的に行うために、さまざまな技術が提案されている。たとえば、予備タービンロータなどの予備部品を別途準備し、その予備タービンロータについて、カップリング寸法等を既設のタービンロータと共通にすること等が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００９−１６２１４３号公報

地熱貯留層においては、時間の経過に伴って、蒸気の流量が減ったとしても、プラント効率が著しく低下しないような方策が求められている。

本発明が解決しようとする課題は、高い効率で運用することが可能な地熱タービンを提供することである。

実施形態の地熱タービンは、ノズル翼と、そのノズル翼の下流側に位置する動翼とを含むタービン段落が、ケーシングの内部において、回転軸に沿って複数設けられており、地熱媒体が作動媒体として流入し、当該複数のタービン段落を順次流れる。地熱タービンは、タービンロータと、ノズルダイヤフラムと、予備初段ノズルダイヤフラムとを有する。タービンロータは、ケーシングの内部において動翼が複数のタービン段落に対応して、複数段、配置されている。ノズルダイヤフラムは、ケーシングの内部において複数のタービン段落に対応して複数段が配置されており、ノズル翼が設置されている。予備初段ノズルダイヤフラムは、複数のタービン段落のうち初段に設置された初段ノズルダイヤフラムの予備として準備されている。ここでは、地熱タービンは、初段予備ノズルダイヤフラムを構成するノズル翼のスロート面積が、初段ノズルタイヤフラムを構成するノズル翼のスロート面積よりも小さい。

図１は、第１実施形態に係る地熱タービンについて、要部を模式的に示す図である。 図２は、第１実施形態に係る地熱タービンにおいて、ノズルダイヤフラムを構成するノズル翼と、タービンロータに設置された動翼との関係を示す図である。 図３は、第１実施形態に係る地熱タービンにおいて、予備ノズルダイヤフラムを構成するノズル翼と、タービンロータに設置された動翼との関係を示す図である。 図４は、第１実施形態に係る地熱タービンにおいて、スロート面積比と、反動度ＤＲとの関係を示す図である。 図５は、第１実施形態に係る地熱タービンにおいて、動翼の高さと、反動度との関係を示す図である。 図６は、第２実施形態に係る地熱タービンにおいて、スロート面積比と、相対流量との関係を示す図である。 図７は、第２実施形態に係る地熱タービンにおいて、ノズル翼の間を流出する地熱蒸気が動翼の間に流入するときの様子を示す図である。 図８は、第２実施形態に係る地熱タービンにおいて、動翼に地熱流体が入射する入射角と、プロフィル損失との関係を示す図である。 図９は、第２実施形態に係る地熱タービンにおいて、スロート面積比と、動翼に地熱流体が入射する相対入射角との関係を示す図である。

実施形態について、図面を参照して説明する。

＜第１実施形態＞
［Ａ］構成
図１は、第１実施形態に係る地熱タービンについて、要部を模式的に示す図である。

図１は、断面図であり、作動流体である地熱蒸気Ｆ（地熱媒体）の流れを破線の矢印で併記している。

図１に示すように、地熱タービン１は、ケーシング２、タービンロータ３、および、ノズルダイヤフラム４（タービンノズル）を有する。地熱タービン１は、多段式の軸流タービンであって、ノズル翼４２（静翼）と、そのノズル翼４２の下流側に位置する動翼３１とを含むタービン段落が、ケーシング２の内部において回転軸ＣＬに沿って、複数段、設けられている。

地熱タービン１においては、たとえば、地熱貯留層（地熱井）などの蒸気発生源（図示省略）から、地熱蒸気Ｆ（地熱媒体）が、ケーシング２の内部に作動媒体として流入する。そして、地熱蒸気Ｆは、ケーシング２の内部において、複数のタービン段落を順次流れる。つまり、地熱蒸気Ｆは、初段のタービン段落から最終段のタービン段落を順次流れ、それぞれのタービン段落において膨張して仕事を行う。これにより、ケーシング２の内部において、タービンロータ３が回転軸ＣＬを中心にして回転する。そして、地熱蒸気Ｆは、最終段のタービン段落を流出した後に、ケーシング２の内部から外部へ排出される。本実施形態では、地熱タービン１は、地熱発電プラントに設置されており、タービンロータ３の回転により発電機（図示省略）が駆動して、発電が行われる。

以下より、地熱タービン１を構成する各部について、順次説明する。

［Ａ−１］ケーシング２について
ケーシング２は、図１に示すように、内部に蒸気室２１を備えると共に、内部の収容空間にタービンロータ３とノズルダイヤフラム４とを収容している。

ケーシング２において、蒸気室２１には、入口（図示省略）が形成されており、その入口から蒸気室２１の内部に、地熱蒸気Ｆが流入する。そして、その地熱蒸気Ｆが、ケーシング２の内部において、タービンロータ３とノズルダイヤフラム４とを収容する収容空間を流れた後に、ケーシング２の出口から排出される。

ケーシング２において、タービンロータ３とノズルダイヤフラム４とを収容する収容空間は、たとえば、円錐台形状であって、水平方向に中心軸が延在しており、地熱蒸気Ｆの流れ方向に沿って内径が大きくなるように形成されている。

［Ａ−２］タービンロータ３について
タービンロータ３は、図１に示すように、回転軸ＣＬが水平方向に延在しており、ケーシング２を貫通している。タービンロータ３は、ケーシング２の外部において、回転軸ＣＬに沿った方向にて一端側に位置する部分と他端側に位置する部分とのそれぞれに、軸受６が設置されており、その軸受６において回転可能に支持されている。図示を省略しているが、タービンロータ３は、一端に発電機（図示省略）が連結されており、タービンロータ３の回転により発電機が駆動して、発電が行われる。

タービンロータ３において、ケーシング２の内部に収容された部分の外周面には、ディスク部３０が径方向の外方に突き出ている。ディスク部３０は、複数が回転軸ＣＬに沿って設けられており、そのディスク部３０の外周面には、動翼３１が植え込まれて支持されている。図示を省略しているが、動翼３１は、タービンロータ３の回転方向Ｒに沿って、複数が等間隔に配列されている。

そして、回転方向Ｒに配列された複数の動翼３１においては、先端にシュラウドリング３２が設置されており、その複数の動翼３１の間をシュラウドリング３２が連結している。

また、回転方向Ｒに配列された複数の動翼３１からなる列は、複数のタービン段落に対応して、複数の段落（列）が設置されており、その複数の段落が、回転軸ＣＬの方向に沿って間を隔てて並ぶように配置されている。動翼３１は、タービンロータ３の径方向（ラジアル方向）に延びる動翼３１の高さ（翼幅）が、地熱蒸気Ｆの流れ方向に沿って、順次、大きくなるように配置されている。

［Ａ−４］ノズルダイヤフラム４
ノズルダイヤフラム４は、ケーシング２の内部において、ケーシング２に固定されている。

ノズルダイヤフラム４は、内輪４１とノズル翼４２と外輪４３とを有し、内輪４１と外輪４３との間にノズル翼４２が設置されている。ここでは、ノズル翼４２は、内輪４１と外輪４３との間に形成される環状の流路において、複数が回転方向Ｒに沿って等間隔に配列されている。

上記のように構成されたノズルダイヤフラム４は、複数のタービン段落に対応して、複数段がケーシング２に設置されている。複数段のノズルダイヤフラム４は、回転軸ＣＬの方向に沿って間を隔てて並ぶように配置されている。複数段のノズルダイヤフラム４の間においては、タービンロータ３の径方向（ラジアル方向）に延びるノズル翼４２の長さ（翼幅）が、地熱蒸気Ｆが流れる方向に沿って順次長くなっている。

図２は、第１実施形態に係る地熱タービンにおいて、ノズルダイヤフラム４を構成するノズル翼４２と、タービンロータ３に設置された動翼３１との関係を示す図である。

図２では、複数のタービン段落のうち、初段のタービン段落に設けられたノズル翼４２と動翼３１との翼断面を示している。

図２に示すように、ノズル翼４２のスロート幅４２Ｈ（複数のノズル翼４２の間の流路において最小の幅）と、動翼３１のスロート幅３１Ｈ（複数の動翼３１の間の流路において最小の幅）とが、予め定められた関係になっている。つまり、動翼３１のスロート面積Ｓａをノズル翼４２のスロート面積Ｓｂで割ったスロート面積比ＲＳ（＝Ｓａ／Ｓｂ）が、所定の関係になるように、ノズル翼４２と動翼３１とが設置されている。

上記において、動翼３１のスロート面積Ｓａは、動翼３１のスロート幅３１Ｈについて、動翼３１の高さ（翼幅）全域に渡って積分した値に相当する。同様に、ノズル翼４２のスロート面積Ｓｂは、ノズル翼４２のスロート幅４２Ｈについて、ノズル翼４２の高さ全域に渡って積分した値に相当する。そして、スロート面積比ＲＳは、平均直径における動翼３１のスロート幅３１Ｈを、平均直径におけるノズル翼４２のスロート幅４２Ｈで割った値に近似される。

詳細については後述するが、本実施形態では、初段のタービン段落におけるスロート面積比ＲＳ（＝Ｓａ／Ｓｂ）が、１．７以下になるように、ノズル翼４２と動翼３１とが設けられている（Ｓａ／Ｓｂ≦１．７）。

［Ａ−５］予備ノズルダイヤフラム５
地熱タービン１は、上記の他に、予備ノズルダイヤフラム５を備える。

本実施形態において、予備ノズルダイヤフラム５は、予備初段ノズルダイヤフラムであって、複数のタービン段落のうち、初段のタービン段落に設置されたノズルダイヤフラム４の予備として準備されている。

予備ノズルダイヤフラム５（予備初段ノズルダイヤフラム）は、たとえば、地熱井から地熱タービン１へ導入される地熱蒸気Ｆの流量が、経年によって減少したときに利用される。つまり、予備ノズルダイヤフラム５は、定格な蒸気条件から所定条件に流量が低下したときに、ノズルダイヤフラム４から交換される。

図３は、第１実施形態に係る地熱タービンにおいて、予備ノズルダイヤフラム５を構成するノズル翼５２と、タービンロータ３に設置された動翼３１との関係を示す図である。

図３では、図２と同様に、初段のタービン段落に設置される予備ノズルダイヤフラム５（初段予備ノズルダイヤフラム）のノズル翼５２と、初段のタービン段落に既に設置されている動翼３１との翼断面を示している。

図３に示すように、予備ノズルダイヤフラム５は、複数のノズル翼５２を備えている。図示を省略しているが、複数のノズル翼５２は、既設のノズルダイヤフラム４（図１参照）と同様に、内輪（図示省略）と外輪（図示省略）との間に配列されている。

初段のタービン段落に設置される予備ノズルダイヤフラム５において、複数のノズル翼５２は、スロート幅５２Ｈが、初段のタービン段落に設置されている動翼３１のスロート幅３１Ｈとの間において、予め定められた関係になるように構成されている。つまり、動翼３１のスロート面積Ｓａをノズル翼５２のスロート面積Ｓｂ１で割ったスロート面積比ＲＳ（＝Ｓａ／Ｓｂ１）が、所定の関係になるように、ノズル翼５２が設置されている。

本実施形態では、図３に示すように、初段のタービン段落に設置される予備ノズルダイヤフラム５は、ノズル翼５２のスロート幅５２Ｈが、初段のタービン段落に既に設けられたノズル翼４２のスロート幅４２Ｈ（図２参照）と異なっていることを除いて、その既設のノズルダイヤフラム４と同様に形成されている。ここでは、交換後に初段のタービン段落に設けられるノズル翼５２のスロート幅５２Ｈは、その交換前のノズル翼４２のスロート幅４２Ｈ（図２参照）よりも狭い。すなわち、交換後に初段のタービン段落に設けられるノズル翼５２のスロート面積Ｓｂ１は、その交換前のノズル翼４２のスロート面積Ｓｂよりも小さくなるように設計されている（Ｓｂ１＜Ｓｂ）。

このため、初段のタービン段落において、既設のノズルタイヤフラム４を予備ノズルダイヤフラム５に交換したときには、その交換後のスロート面積比ＲＳ（＝Ｓａ／Ｓｂ１）が、その交換前のスロート面積比ＲＳ（＝Ｓａ／Ｓｂ）よりも大きくなる（Ｓａ／Ｓｂ１＞Ｓａ／Ｓｂ）。

［Ｂ］作用
［Ｂ−１］スロート面積比ＲＳと反動度ＤＲとの関係
図４は、第１実施形態に係る地熱タービンにおいて、スロート面積比ＲＳと、反動度ＤＲとの関係を示す図である。

図４において、横軸は、スロート面積比ＲＳを示しており、縦軸は、反動度ＤＲを示している。反動度ＤＲは、動翼３１における熱落差の割合を表している。反動度ＤＲが正の値の場合には、動翼３１を流れる蒸気が増速流であり、この一方で、反動度ＤＲが負の値の場合には、動翼３１を流れる蒸気が減速流であって、流れの剥離が生ずる場合がある。

図４に示すように、反動度ＤＲは、スロート面積比ＲＳが大きくなるに伴って減少する。

上記したように、初段のタービン段落において、既設のノズルタイヤフラム４を予備ノズルダイヤフラム５に交換したときには、交換後のスロート面積比ＲＳ（＝Ｓａ／Ｓｂ１）は、交換前のスロート面積比ＲＳ（＝Ｓａ／Ｓｂ）よりも大きい。このため、図４から判るように、初段のタービン段落において、既設のノズルタイヤフラム４を予備ノズルダイヤフラム５に交換すると、スロート面積比ＲＳが大きくなるから、反動度ＤＲが減少する。

その結果、地熱タービン１に作動媒体として供給される地熱蒸気Ｆの流量が経年によって減少した場合であっても、交換後においては、ノズル翼５２における熱落差が、交換前のノズル翼４２における熱落差よりも大きくなるので、発電出力の減少を防止することができる。

具体的には、本実施形態では、初段のタービン段落に予め設けられたノズル翼４２のスロート幅４２Ｈ（図２参照）よりも、交換によって初段のタービン段落に設けられるノズル翼５２のスロート幅５２Ｈ（図３参照）の方が狭い。このため、この交換によって、初期にノズル翼４２のスロート部を流れる地熱蒸気Ｆの圧力に近づけることができる。つまり、経年によって地熱タービン１において低下した入口圧力が、定格の圧力に近づき、発電出力の減少を防止することができる。

［Ｂ−２］動翼３１の高さＨと反動度ＤＲとの関係
図５は、第１実施形態に係る地熱タービンにおいて、動翼３１の高さＨと、反動度ＤＲとの関係を示す図である。

図５において、横軸は、動翼３１の高さＨ（翼幅）を示しており、縦軸は、反動度ＤＲを示している。

図５に示すように、反動度ＤＲは、動翼３１の高さＨが大きくなるに伴って増加する。

ノズル翼４２の出口から出た蒸気の流れは、回転方向Ｒにおいて大きく旋回する旋回成分を持っている。このため、ノズル翼４２の出口では、遠心力の効果によって外周側の方が内周側よりも高い圧力になる。その結果、動翼３１での熱落差が外周側の方が内周側よりも高くなるので、図５で示したように、動翼３１の高さＨに応じて、反動度ＤＲが増える。

このことから判るように、動翼３１において、ルート部（根本部）側は、先端部側よりも反動度ＤＲが低くなる。このため、このルート部側の反動度ＤＲが、負の値でなく、正の値になるように設計して、流れの剥離が発生することを防止すると共に、効率の低下を防止することが必要になる。つまり、動翼３１の反動度ＤＲが、高さＨの減少に応じて減少することを考慮する必要がある。

交換によって初段のタービン段落に設置される予備ノズルダイヤフラム５においては、スロート面積比ＲＳが、たとえば、１．９以下になるように、ノズル翼５２を設けることが好ましい。

上記の交換前に初段のタービン段落に設置されているノズルダイヤフラム４においては、動翼３１の反動度ＤＲが更に減少することを考慮すると、交換後よりもスロート面積比ＲＳを小さくなるように、ノズル翼４２を設けることが必要になる。この場合には、スロート面積比ＲＳが、たとえば、１．７以下になるように、ノズル翼４２を設けることが好ましい。

［Ｃ］まとめ
以上のように、本実施形態において、初段のタービン段落に設置される予備ノズルダイヤフラム５は、予備のノズル翼５２のスロート面積Ｓｂ１が、既設のノズルタイヤフラム４に設けられたノズル翼４２のスロート面積Ｓｂよりも小さい。このため、初段のタービン段落に設置されているノズルタイヤフラム４を予備ノズルダイヤフラム５に交換したときには、その交換後のスロート面積比ＲＳ（＝Ｓａ／Ｓｂ１）が、その交換前のスロート面積比ＲＳ（＝Ｓａ／Ｓｂ）よりも大きくなる。

その結果、本実施形態では、上述したように、経年によって、地熱井から地熱タービン１に作動媒体として供給される地熱蒸気Ｆの流量が減少した場合であっても、発電出力の減少を防止することができる。

また、本実施形態では、初段のタービン段落において、ノズルダイヤフラム４を予備ノズルダイヤフラム５に交換する前のスロート面積比ＲＳが、１．７以下である。このように設計することで、ノズルダイヤフラム４を予備ノズルダイヤフラム５に交換した後においても、適正な反動度を保持することができる。その結果、交換後においても、動翼３１において流れの剥離が発生することを防止することができると共に、効率の低下を防止することができる。

したがって、本実施形態においては、地熱蒸気Ｆが経年によって減衰した条件になったときであっても、同一のタービンロータ３や動翼３１を使用するので、地熱タービン１を高い効率で容易に運用することができる。

［Ｄ］変形例
上記の実施形態においては、予備ノズルダイヤフラム５として、初段のタービン段落に設置されるもの（初段予備ノズルダイヤフラム）を準備する場合について説明したが、これに限らない。

複数のタービン段落のうち、第２段から最終段のそれぞれに設置された第２段から最終段のノズルダイヤフラム４の予備として、第２段から最終段の予備ノズルダイヤフラム５を、別途、準備してもよい。この場合においても、第２段から最終段の予備ノズルダイヤフラム５のスロート面積のそれぞれは、第２段から最終段に既設のノズルダイヤフラム４のスロート面積のそれぞれよりも小さいことが好ましい。

これにより、経年によって地熱蒸気Ｆの流量が更に減衰したときであっても、同一のタービンロータ３や動翼３１を使用し、地熱タービン１を高い効率で容易に運用することができる。

＜第２実施形態＞
［Ａ］構成等
本実施形態では、初段のタービン段落に設置される予備ノズルダイヤフラム５（初段予備ノズルダイヤフラム）に関して、ノズル翼５２のスロート面積Ｓｂ１を所定の範囲に規定している。

本実施形態は、上記の点、および、関連する点を除き、第１実施形態の場合と同様である。このため、本実施形態において、上記の実施形態と重複する個所については、適宜、記載を省略している。

［Ａ−１］初段のタービン段落に設置される予備ノズルダイヤフラム５（初段予備ノズルダイヤフラム）のスロート面積Ｓｂ１について
初段のタービン段落に設置される予備ノズルダイヤフラム５において、ノズル翼５２のスロート面積Ｓｂ１は、既に初段のタービン段落に設けられているノズル翼４２のスロート面積Ｓｂに対して、７５％以上、８５％以下にすることが好ましい（０．７５＊Ｓｂ≦Ｓｂ１≦０．８５＊Ｓｂ）。

以下より、この理由について説明する。

図６は、第２実施形態に係る地熱タービンにおいて、スロート面積比ＲＳと、相対流量ＦＲとの関係を示す図である。

図６において、横軸は、スロート面積比ＲＳを示しており、縦軸は、相対流量ＦＲを示している。縦軸においては、初段のタービン段落にノズルダイヤフラム４が設置されたときのスロート面積比ＲＳが１．４である場合に、地熱蒸気Ｆが流れる流量を基準値（１）にしている。

上述したように、地熱井から地熱蒸気Ｆが供給される流量は、年率で１〜２％程度、減衰する。このため、地熱発電プラントの操業を開始してから、１５〜２０年程度、経過したときには、初期の定格点に対して、１０％以上の流量が減衰する場合がある。

そこで、経年によって減衰した後の地熱蒸気Ｆの流量が定格点に対して８５〜９０％になったときには、図６から判るように、ノズルダイヤフラム４を予備ノズルダイヤフラム５に交換することによって、スロート面積比ＲＳを、定格点のときの１．４から、１．７以上、１．８５以下に変更して、交換後の相対流量ＦＲを交換前の相対流量ＦＲに近づけることが好ましい。つまり、ノズルダイヤフラム４を予備ノズルダイヤフラム５に交換することによって、スロート面積比ＲＳが、定格点に対して、１．２倍以上であって、１．３倍以下になるようにすることが好ましい。

この関係をノズル翼のスロート面積について換算すると、予備ノズルダイヤフラム５に設けられるノズル翼５２のスロート面積Ｓｂ１は、既に初段のタービン段落に設けられているノズル翼４２のスロート面積Ｓｂに対して、７５％以上、８５％以下にすることが好ましいことが判る（０．７５＊Ｓｂ≦Ｓｂ１≦０．８５＊Ｓｂ）。この範囲から外れた場合には、相対流量が定格点の場合に比べて大きく異なるため、効率が低下する場合がある。

［Ａ−２］初段のタービン段落に設置されているノズルダイヤフラム４のスロート面積Ｓｂについて
初段のタービン段落において、既設のノズルダイヤフラム４のスロート面積Ｓｂに関しては、動翼３１に地熱流体Ｆが入射する入射角θが、−２０°程度になるように設定することが好ましい。

以下より、この理由について説明する。

図７は、第２実施形態に係る地熱タービンにおいて、ノズル翼の間を流出する地熱蒸気Ｆが動翼の間に流入するときの様子を示す図である。

図７（ａ）は、図２と同様に、初段のタービン段落に既に設置されているノズルダイヤフラム４のノズル翼４２と、初段のタービン段落に既に設置されている動翼３１との翼断面を示している。ここでは、ノズルダイヤフラム４のノズル翼４２の間を流出する地熱蒸気Ｆについて、速度三角形を併せて図示している。

この一方で、図７（ｂ）は、図３と同様に、初段のタービン段落に交換後に設置される予備ノズルダイヤフラム５（初段予備ノズルダイヤフラム）のノズル翼５２と、初段のタービン段落に既に設置されている動翼３１との翼断面を示している。ここでは、予備ノズルダイヤフラム５のノズル翼５２の間を流出する地熱蒸気Ｆについて、速度三角形を併せて図示している。

本実施形態では、第１実施形態の場合と同様に、図７（ａ）に示すように、既設のノズルダイヤフラム４を構成するノズル翼４２のスロート幅４２Ｈよりも、図７（ｂ）に示すように、交換後に設置される予備ノズルダイヤフラム５を構成するノズル翼５２のスロート幅５２Ｈの方が狭い。このため、既設のノズル翼４２のスロートから流出する地熱蒸気Ｆの絶対速度Ｃａ（図７（ａ）参照）よりも、交換後に設置されるノズル翼５２のスロートから流出する地熱蒸気Ｆの絶対速度Ｃｂ（図７（ｂ）参照）の方が、ベクトル値が大きい。

絶対速度Ｃａ，Ｃｂと動翼３１の周速Ｕ（回転速度）とによって導かれる相対速度Ｗａ，Ｗｂについては、既設のノズル翼４２から流出する地熱蒸気Ｆの場合（Ｗａ）よりも、交換後に設置されるノズル翼５２から流出する地熱蒸気Ｆの場合（Ｗｂ）の方が、周方向（回転方向）に対する角度が小さい。すなわち、動翼３１へ地熱蒸気Ｆが入射する入射角θは、既設のノズル翼４２から流出する地熱蒸気Ｆの場合（Ｗａ）よりも、交換後に設置されるノズル翼５２から流出する地熱蒸気Ｆの場合（Ｗｂ）の方が小さい。

図８は、第２実施形態に係る地熱タービンにおいて、動翼３１に地熱流体Ｆが入射する入射角θと、プロフィル損失Ｌとの関係を示す図である。

図８において、横軸は、動翼３１に地熱流体Ｆが入射する入射角θ（°）を示しており、縦軸は、プロフィル損失Ｌを示している。入射角θについては、動翼３１の幾何学的入射方向（動翼３１の前縁における法線方向）を基準にして、腹３１１の側に入射する方向の角度をプラスとし、背３１２の側に入射する方向の角度をマイナスで表記している。

図８に示すように、プロフィル損失Ｌは、入射角θがプラスである場合には、入射角θがマイナスである場合よりも、増加する割合が大きい。つまり、プロフィル損失Ｌは、入射角θがプラスであるときには、入射角θの増加に伴って急激に増加する。これに対して、入射角θがマイナスであるときには、入射角θの減少に伴って、プロフィル損失が、急激には増加せずに、ならだかに増加する。

このため、プロフィル損失Ｌを低いレベルに維持するためには、地熱蒸気Ｆが減衰する前の定格条件では、入射角θがマイナスであって、入射角θの絶対値がより大きい方が好ましい。また、地熱蒸気Ｆが経時によって減衰した後の条件では、入射角θがプラスであって、入射角θの絶対値がより小さい方が好ましい。

図９は、第２実施形態に係る地熱タービンにおいて、スロート面積比ＲＳと、動翼３１に地熱流体Ｆが入射する相対入射角θｓとの関係を示す図である。

図９において、横軸は、スロート面積比ＲＳを示しており、縦軸は、動翼３１に地熱流体Ｆが入射する相対入射角θｓを示している。縦軸においては、初段のタービン段落にノズルダイヤフラム４が設置されたときのスロート面積比ＲＳが１．４である場合に、地熱蒸気Ｆが動翼３１に入射する入射角θを基準値（０°）にしている。

上述したように、経年によって地熱蒸気Ｆの流量が定格点に対して８５〜９０％に減衰した場合には、初段タービン段落においてノズルダイヤフラム４を予備ノズルダイヤフラム５に交換することによって、スロート面積比ＲＳを１．４から、１．７以上１．８５以下程度に変更することが好ましい（図６参照）。

予備ノズルダイヤフラム５への交換により、スロート面積比ＲＳが１．７以上１．８５以下に変更されたときには、図９に示すように、動翼３１に地熱流体Ｆが入射する相対入射角θｓは、定格点（ＲＳ＝１．４，θｓ＝０）の場合に対して、＋１８〜２３°程度になる。

このため、動翼３１に地熱流体Ｆが入射する入射角θが−２０°程度になるように、交換前のノズルダイヤフラム４のスロート面積を設定することが好ましい。このようにすることで、ノズルダイヤフラム４から予備ノズルダイヤフラム５へ交換した後には、動翼３１に地熱流体Ｆが入射する入射角θが０°近傍になる。したがって、ノズルダイヤフラム４が設置された状態、および、予備ノズルダイヤフラム５へ交換した状態のそれぞれにおいて、プロフィル損失Ｌを十分に低いレベルにすることができる（図８参照）。

［Ｂ］まとめ
以上のように、本実施形態では、初段のタービン段落において、ノズルタイヤフラム４（初段ノズルタイヤフラム）から交換される予備ノズルダイヤフラム５（初段予備ノズルタイヤフラム）は、スロート面積Ｓｂ１が、そのノズルタイヤフラム４のスロート面積Ｓｂに対して、７５％以上、８５％以下である。

このため、上述したように、本実施形態では、地熱井から地熱蒸気Ｆが供給される流量が減衰したときであっても、効率の低下を防止することができる。

したがって、本実施形態においては、地熱タービン１を高い効率で運用することができる。

＜その他＞
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…地熱タービン、２…ケーシング、３…タービンロータ、４…ノズルダイヤフラム、５…予備ノズルダイヤフラム、６…軸受、２１…蒸気室、３０…ディスク部、３１…動翼、３２…シュラウドリング、４１…内輪、４２…ノズル翼、４３…外輪、５２…ノズル翼、Ｆ…地熱蒸気

Claims (2)

1. ノズル翼と前記ノズル翼の下流側に位置する動翼とを含むタービン段落が、ケーシングの内部において回転軸に沿って複数設けられており、地熱媒体が作動媒体として流入し、当該複数のタービン段落を順次流れる地熱タービンであって、
   前記ケーシングの内部において前記動翼が前記複数のタービン段落に対応して、複数段、配置されているタービンロータと、
   前記ケーシングの内部において前記複数のタービン段落に対応して複数段が配置されており、前記ノズル翼が設置されているノズルダイヤフラムと、
   前記複数のタービン段落のうち初段に設置された初段ノズルダイヤフラムの予備として準備されている予備初段ノズルダイヤフラムと
   を有し、
   前記初段予備ノズルダイヤフラムを構成するノズル翼のスロート面積が、前記初段ノズルタイヤフラムを構成するノズル翼のスロート面積よりも小さいことを特徴とする、
   地熱タービン。
2. 前記複数のタービン段落のうち第２段から最終段のそれぞれに設置された第２段から最終段のノズルダイヤフラムの予備として準備されている、第２段から最終段の予備ノズルダイヤフラム
   を更に有し、
   前記第２段から最終段の予備ノズルダイヤフラムのスロート面積のそれぞれは、前記第２段から最終段のノズルダイヤフラムのスロート面積のそれぞれよりも小さいことを特徴とする、
   請求項１に記載の地熱タービン。

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