JP6929942B2 - 低蒸気温度で作動するように適合される多段軸流タービン - Google Patents

Description

本発明は、一般に、多段であって、比較的低い蒸気温度及び圧力で作動する多段を有する軸流タービンであって、段のほとんどにおいて部分蒸気流入が存在する、軸流タービンに関する。

既存の蒸気タービンは、通常大きく、損失を克服し、財政的にやっていけるように１００ｋＷ＋を発生する。蒸気の膨張は、多段軸流及びラジアル設計において流れ面積の増加を必要とし、一方、高い圧力、温度、及び回転速度は材料選択を制限する。大きいサイズ及び全体的に水平の構成は、シャフトが軸方向に沿って支持されることを必要とする。回転ブレード列（ローター）は、固定ノズル列（ステーター）によって分離されなければならず、組立ての複雑さを増加させる。

原動流体として蒸気を使用する発電デバイスの長年にわたる開発は、発電量（ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ）であるＭＷ・時間当たりの金銭的コストを低減することに主に的を絞られてきた。そのため、蒸気タービン技術の改良は、出力、蒸気／ボイラー温度、ユニット信頼性／可用性、またはこれらの組合せに的を絞られてきた。これらの改良は、一般に、ユニットコストを倍加し、財政面でやっていけるために電力出力の増加を必要とする。

軸流タービン段は、接続されたデバイスに電力出力を送出するためのシャフトに接続されるエアフォイル型（ａｉｒｆｏｉｌ ｓｈａｐｅ）の回転列（通常、「バケット（ｂｕｃｋｅｔ）」、「ローター（ｒｏｔｏｒ）」、または「ブレード（ｂｌａｄｅ）」と呼ばれる）に衝当するように流体流を加速し方向付けるエアフォイルの固定列（通常、「ノズル（ｎｏｚｚｌｅ）」、「ステーター（ｓｔａｔｏｒ）」、または「ベーン（ｖａｎｅ）」と呼ばれる）からなる。

知られている軸流タービンに関する現在の問題は、流路面積の増加によって、ブレード高さの増加を通して蒸気の膨張に対処することが、後段においてティップ速度を増加させ、ブレードティップと根元部との間の周速差を増加させ、作動条件を、３Ｄブレードプロファイルが必要とされるポイントに変更することである。

ブレード材料は、同様に重くある必要があり、したがって、熱的及び機械的条件に対処するために高価である。ブレードが異なる３Ｄプロファイルを有することは、ブレードが、個々に製造され、その後、キャリアハブに別々に取付けられなければならず、組立て時間、複雑さ、及び釣合わせ(ｂａｌａｎｃｉｎｇ)の問題を著しく増加させることを意味する。

さらに、半径方向偏向を制限するために、シャフトは、各ステーター内の軸受けによって全体的に支持され、更なる各段によって、損失につながる軸受け抗力(ｂｅａｒｉｎｇ ｄｒａｇ)を増加させる。

さらに、複数段の組立てを容易にするために、ハウジングはその軸方向長さに沿って全体的に分割され、ステーターの半分は各ハウジング部分内に固定され、シーリングの複雑さ及びアライメントの難しさを増加させる。

流体密度がタービン入口で非常に高いとき、多段タービンの第１段（また、おそらくは、最初の少数の段）を「部分流入(ｐａｒｔｉａｌ ａｄｍｉｓｓｉｏｎ)」を用いて設計することが一般的な慣行である。部分流入は、ノズル流路が３６０度円周の或る部分（セグメント）について設けられるだけである段設計を指す。従来設計において使用される部分流入の主要な利点は、部分流入が、より大きなノズル及びブレード流路高さ（すなわち、半径方向長さ）の使用を可能にし、損失の低減によってよりよい効率をもたらすことである。これは、非常に低い高さを必要とする高密度流について特に重要である。しかし、部分流入特徴は、以下で論じる本発明において利用される幾つかの他の利益を有する。

従来のタービン、特に蒸気タービンにおいて、部分流入は、高密度流で作動する第１段（または、最初の少数の段）に適用されるだけである。後続の段は、それらの作動圧力及び密度が著しく低減されているため、部分流入を利用できない。結果として、入口から排気部まで蒸気が膨張するときに起こるより高い容積流量を補償するために、ノズル及びブレード流路面積のより著しい増加が必要とされる。これらのより高い容積流段について、完全流入（３６０度）が、ブレード高さを適正な機械的応力限界内に維持しながら、より大きい流路面積を達成するために、通常必要とされる。

その内容が参照により本明細書に組込まれる豪国特許出願公開第２０１６２２２３４２号に記載される装置において作動し得る、低蒸気温度で作動するように適合される多段軸流タービンを提供することによって、上記問題の少なくとも一部を克服する、または、有用な代替を大衆に提供することが本発明の目的である。

本発明の一形態において、複数段を有し、蒸気である原動流体(ｍｏｔｉｖｅ ｆｌｕｉｄ)を用いて低い絶対圧力で作動するために構成される、電力を発生するための軸流タービンが提案され、タービンは、部分流入入口を有する第１段を備え、後続の各段は、完全流入が最終段に向かって達成されるまで蒸気流入量を増加させ；各段は、シングルピースとして作られたブリスク及びブリスクの周縁に組込まれた前記蒸気流路を有する。

選好において、第１段は９０度角度を有する。

選好において、タービンは、その主軸が全体的に垂直であるように配向する。

選好において、タービンの各段はステーター及びローターを含み、ローターは、ギアボックスを通して発電機に接続される垂直シャフトに固定して取付けられる。

選好において、各ローターの高さは、１段当たり約１０％だけ増加する。

選好において、各ステーターは、２Ｄプロファイル及び約４５度の入口角度を有するノズルのセットを有する。

更なる態様によれば、本発明は、複数段からなる軸流タービンであって、低い絶対圧力で作動するために構成され、原動流体は蒸気である、軸流タービンを提供し；第１ノズル段は部分流入であり、流入量は、完全流入が、最終の段または最後から２番目の及び最後の段において達成されるまで段ごとに増加し、ブリスク対を収容するケーシングは、全体的に円柱であり、アキシャル軸上に分割又はシームがなくかつ全体的に一定の内部ボアを有し、各ブリスクはシングルピースとして作られ、蒸気流路はブリスク材料の周縁内にカットされ、したがって、個々のブレードをそのキャリアリングに固着するために必要とされる、シーム、継手、又は組立て体は存在しない。

上記態様の任意の１つの態様が、上記他の態様の任意の１つの態様の特徴の任意の１つの特徴を含むことができ、以下で述べる実施形態の任意の１つの実施形態の特徴の任意の１つの特徴を適宜含むことができることが留意されるべきである。

本発明の好ましい特徴、実施形態、及び変形を、当業者が本発明を実施するために十分な情報を提供する以下の詳細な説明から認識することができる。詳細な説明は、本発明の先行する要約の範囲をいずれの点でも制限すると見なされない。詳細な説明は、以下の通りに幾つかの図面を参照する。

タービン及び作動のための必要な構成要素の全体図である。 タービン及び関連する構成要素のワイヤーフレーム図である。 タービン及び関連する構成要素の断面図である。 ブレード、ノズル、及びシャフト組立て体を示す図である。 第１ブレード段の図である。 最終ブレード段の図である。 ブレードハブなしで組立てられたシャフトの図である。 第１ノズル段の図である。 最終ノズル段の図である。 中間ノズル段の上側表面の図である。 中間ノズル段の下側表面の図である。 ノズル固定機構の詳細図である。 ハウジングの図であり、ハウジング側部ノズル保持インタフェースを示す。 中央プレート及びノズルブロックの下側の図であり、上記入口を示す。 凝縮器の図であり、水冷式ブッシュ及び支持体を示す。

本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明は添付図面を参照する。可能であるところではどこでも、同じ参照数字は、同じ及び同様の部品を指すために、図面及び以下の説明全体を通して使用される。本明細書で使用するとき、絶対的配向（例えば、「上部（ｔｏｐ）」、「下部（ｂｏｔｔｏｍ）」、「前（ｆｒｏｎｔ）」、「後（ｂａｃｋ）」、「水平（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）」等）を示唆する用語のいずれの使用も、例証の都合のためのものであり、特定の図において示す配向を指す。しかし、こうした用語は、制限的な意味で解釈されない。その理由は、種々の構成要素が、述べられる又は示される配向と同じまたは異なる配向で実際には利用される場合があることが企図されるからである。図面に示す或る部品の寸法は、明瞭さまたは例証のために修正及び／または誇張されている。

図１を参照すると、タービン１０は、複数段を有する軸流型であり、第１の実施形態において、１０段が存在する。タービンは、発電機１２を含み、入口１４を通って送出される蒸気下で作動する。ローター及びステーターはハウジング１６内に位置し、凝縮された水は、パイプ１８の下流に流れ、そこで、従来のポンプ２０を使用してポンプアウトされる。

シャフトを発電機に接続するギアボックスは、冷却入口２２を通して入り、冷却出口２４を通して出る水を使用して冷却されるオプションを有する。タービンを通過した後のいずれの残りの蒸気も、ポート２６を通って入る水を使用して凝縮される。

図２及び図３には、ステーター及びローターを示すためにハウジングが除去された状態でタービンの側面図及び断面図が示され、代替の配置構成において、ブレードまたはローター２４の上部にステーターまたはノズル２２が配置され、そして、ローター２４ａの上部にステーター２２ａが配置される等であり、この実施形態において、全部で１０のステーター及びローターがそれぞれ存在する。第１ノズル段２２は、低圧の非過熱蒸気が、円周の周りで部分的にのみ流入することを可能にし、９０°入口角度を有する。ノズルの後続の各セットは、完全流入を有する最終段まで流入を増加させる。第２の及び後続のノズルセットは、それぞれ、同一の２次元プロファイル及び４５°の入口角度を有する。

ローターセット３０は同様に、同一のまたはほぼ同一の２Ｄプロファイルからなり、その高さは、１段について約１０％だけ増加する。各ローター及びステーター対は、同じブレード根元径を有し、ブレードティップ径は、ハウジングに対するローター隙間を可能にするために各段のノズル内でわずかに大きい。第１ノズルはケーシング３２に取付けられ、後続の各ノズルは、その後、ハウジング１６に取付けられ、一方、ブレードは、ギアボックス３６を通して発電機１２に動力を提供するシャフト３４に取付けられる。

ノズル及びブレードのサンドイッチ配置構成の斜視図が図４に示され、一方、第１ブレードは図５に示され、最終ブレードは図６に示され、個々のエアフォイル３８を示す。アパーチャ４０は、シャフト３４上に同軸アパーチャ４４を有するディスク４２にブレードが取付けられることを可能にする（図７）。位置決め穴４６は、シャフトディスク上にブレードを配置するために使用され得る。

図８及び図９は、第１及び最終ノズルをそれぞれ示す。第１ノズルは、アパーチャ４８を通してケーシング３２に取付けられ、一方、残りはハウジングに取付けられる。同様に、エアフォイル３８が示される。図１０及び図１１は、中間段ノズル、上面と底面の両方の斜視図を示す。中間段が、第１段より多いが、最終段より少ないエアフォイルを有することを読者は認識すべきである。図１１、図１２、及び図１３を参照すると、ノズルの下側に、チャンバー５０が存在する。ロッド５２はノズル及び突出部５４を有するエアフォイルを通過する。その突出部は、ハウジング１６の内側のスリット５６、その長さに沿って深さが変動するリストに係合する。これは、突出部がリストにしっかりと楔で留められることを可能にし、ステーターがハウジングに固定された状態を維持する。グラブねじは、ロッドを所定の場所に固定するために穴５８内で使用される。

第１の部分蒸気入口５０は図１４に示され、一方、図１５は、ブッシュ６２を通る水を使用することによって残留蒸気が冷却される凝縮システムを示す。

示さない第２の実施形態において、タービンは、複数段を有する軸流型であり、５段が存在する。第１ノズル段は、低圧の非過熱蒸気が、円周の周りで部分的にのみ流入することを可能にし、９０°入口角度を有する。ノズルの後続の各セットは、完全流入を有する最終段まで流入を増加させる。各ノズルセットは、２次元プロファイル及び４５°の入口角度を有し、ノズルプロファイルは、ノズル段内で同一であるが、他のノズル段と必ずしも同一でない。

読者を更に支援するために、本発明の働きを繰返すことが欲せられる。ハウジングは、各ステーターセットの外径に一致するように、一定外径及びステップ付き内径のシングルピースである。ステーターブレードを通る半径方向ピン１８は、ステーターがハウジングに挿入されるように引っ込められる。ステーターは、初期軸方向位置を提供するためにハウジングステップに接して位置する。精密配置は、その後、軸方向と円周方向の両方においてステーターを固定する、ハウジング内の対応するノッチ／スリットに入るように半径方向ピンを引出すことによって与えられる。各ピンのベースの取外し可能ロック機構は、ピン位置を固定し、分解時のピン引っ込めを可能にする。

第１ローターは、シャフトに直接固定され、後続のローターは、ローターを位置決めし、トルクを伝達するために一連のインターロックハブを有する。最終段後のロック操作は、各ローターとシャフトとの間の関係を任意の配向で固定する。シャフトの排気端の水冷式ブッシングは、シャフトの遊び及び旋回を低減する。ステーターとローターハブとの間の更なるブッシングは、通常作動条件下での隙間を可能にし、したがって、損失を全く導入しないが、半径方向シャフト偏向をサブクリティカル値に制限する。

こうして、多段軸流蒸気タービンが示され、段は、軸方向にスプリットまたはシームが全くないタービンハウジング内に収容され、タービンは、ギアボックスによってタービンに固定される発電機に機械的動力を提供し、この組立て体は、中央プレート及びノズルブロックを同様に収容し、ノズルブロックは、蒸気室の一部を形成して、原動蒸気を第１段ノズルに供給する。

蒸気は、タービンを真っすぐに下流に出て、直接接触型凝縮器に入り、凝縮器において、冷却液（通常、水）は、一連のジェットによって排気蒸気ガス内に噴射され；タービンの下方端は、水潤滑ブッシュによって半径方向であるが軸方向でない方向への過剰な移動を防止され；凝縮液及び冷却水は共に、遠心ポンプによって凝縮チューブスタンドパイプの下方端から（任意の非凝縮性ガスと共に）除去され、遠心ポンプは、作動排気側低圧であって、大気圧より多少低くかつ冷却水の水蒸気分圧の圧力に近づく、作動排気側低圧を凝縮器の内部に同様に生成する。

ノズルブロックは、タービン上部の周りで部分的に延在し、蒸気室手段を通して第１ノズル（部分流入）段にわたって均圧で蒸気を提供する。第１ステーター段は、タービンの円周の周りに部分的に延在し、部分蒸気流入（通常、約４０％）を提供する。この段は、ボルト手段によって中央プレートに固定される。第１ブレード段はシャフトに直接固定され、後続のブレード段はインターロックハブの使用を通して直前の段に固定され、インターロックハブは、シャフト上で各ローターを中央に集め、駆動力をシャフトに伝達し、直前の及び後続のステーター段に対する各ローターの正確なＺ軸配置を保証する。

ステーターは、一連のピン手段を通してタービンハウジングに固定され、一連のピンは、各回転ブレードの間に配置されたノズルベーン支持ブロックに入るように半径方向に内方に引っ込み可能である。ピンは、ベースの締結具を除去する手段によって引っ込められ、その軸に沿う自由度を提供し得、ノズル支持ブリスク内の凹所は、ピン位置を操作する手段のためのアクセスを提供する。引出された位置にあるとき、ピン端は、タービンハウジング内のスロット、穴、ボア、または他の特徴部内に位置する。こうして、ステーターの位置は、高い程度の（０．２ｍｍ未満）寸法精度を持って軸方向にかつ円周方向に固定される。

ピンが引っ込められた状態で、ステーターは、タービンハウジングに順次挿入され得る。ハウジングは、その軸方向寸法に沿ってスプリットまたはシームが全くないシングルピースである。これは、製造コスト及び適切な部分真空シールを生成する難しさを大幅に低減する（各段における支配的な圧力は、通常、大気圧未満である）。ハウジングの内部ボアはほぼ一定径である。これは、各ローター及びステーター段が一定ブレード根元径を有し、ブレード高さが、１段について約１０％だけ増加するため、許容される。ブレード高さが根元径に比較して小さい状態で、合計したローター／ステーター径の全体的な段ごとの増加は小さい。タービンを通した蒸気の膨張は、ブレード深さのこのわずかな増加によって、更に、各ステーターが、通常、最終段のみまたは最後の２つの段が１００％流入である状態で、直前の段より大きい蒸気流入であることによって許容される。

各段がブレード高さの最小増加を有し、ブレード高さが全ての段においてかなり低い状態で、作動条件は３Ｄブレードプロファイルを必要としない。これは、各ローター及びステーターが、低い製造コストでシングルピースとして機械加工または鋳造されることを可能にする。単一部品製造技法は、幾つかの組立てプロセスの削除によって更なるコスト低減を与え、回転（動）釣合わせをほとんどまたは全く必要としない構成要素をもたらす。さらに、各段は一定圧力比を有し、それは、同じブレードプロファイルが全ての段で使用され得ることを意味する。これは、同じツーリング、材料、及びプロセスが、ローター及びステーターの製造プロセス全体を通して使用されることを可能にすることによって、製造コスト及び容易さを更に改善する。

さらに、低い温度及び圧力における蒸気の作動条件は、より低い機械的及び熱的応力にさらされるブレードにおける低コスト材料の使用を可能にする。これに付け加えて、通常より低い回転速度及び小さい径に起因する低いティップ速度は、アルミニウムまたは更に一部のプラスチックからのブレード及びノズルの製造が実現可能であり、回転応力がかなり小さくなることを意味する。ブレードを高強度／高コスト材料から作る必要性をなくすことは、ブレード、ノズル、キャリア、及びハウジングが、同じ材料で作られることを可能にし、それにより、タービン作動中における異なる材料の異なる熱膨張に関連する問題を低減する。

タービンは、その主軸が全体的に垂直になるように配向される。これは、水平配向式タービンに関して起こる軸外重力負荷を低減するという利点を提供し、これらの負荷は、タービンブレードティップがハウジングに接触することを可能にする場合がある曲がり(ｂｏｗｉｎｇ)を低減するためにシャフト上の中間ロケーションに軸受けを必要とする。これらの更なる軸受けは、低動力タービンにおける主要な損失源であり、しばしば、低出力システムの経済的実現可能性を制限する。本構成で使用される軸受けは、軸方向と半径方向の両方でシャフトロケーションを固定するギアボックス内のローラー要素組立て体、及び、シャフトに安定性を提供し、半径方向偏向及び旋回のみを制限するが、Ｚ軸の推力を全く吸収しない、排気端の水潤滑ブッシュに限定される。

垂直配向は、排気配置構成を簡略化し最適化するという更なる利点を与える。タービン自身は、重力の助けを借りて、直接下流に直接接触型凝縮器内に排気する。凝縮液、及び、ハウジングの外周の周りに配置された下向きジェットによって送出される冷却水は、（直接接触型凝縮器の真上に配置された）水冷式ブッシュからの潤滑水と混合し、垂直配向式スタンドパイプ内に収集される。凝縮液は、従来の遠心ポンプ手段によってシステムから除去される。タービン排気部、凝縮器、スタンドパイプ、及び凝縮液除去ポンプの配置構成は、作動流体が、一部には重力の作用下でシステムを出ることを可能にし、全体的なシステム設計を簡略化し、必要とされるポンプ作業を減じると共に、正味吸込みヘッド(ｎｅｔ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｓｕｃｔｉｏｎ ｈｅａｄ)をポンプに提供し、したがって、ポンプ羽根車のエントリポイントにおけるキャビテーションを防止する。さらに、凝縮液除去ポンプは、大気より実質的に低い圧力をタービン排気部で発生できる。これは、低い絶対圧力（−４ｐｓｉ Ｇ程度に低い）での原動蒸気の使用、ならびに、タービンの段内での空気力学的抗力の影響及び乱流損失を低減することを可能にする。

これらの種々の革新の結果は、１ｋＷ〜２５ｋＷ以上の電力帯域での作動を可能にするために十分な効率を保証する、複数段を有する蒸気タービンの商業的にやっていけかつコスト競合的な生産を可能にすることである。一例として、４５０，０００豪＄のコストで１５０〜２５０ｋＷの出力電力を有する、最も身近な知られている市販のタービン（蒸気を含まない、制限された数の冷媒ガスに関して排他的に作動するために設計された）が引用され、そのコストは、（推定）５０ｔの凝縮器及び２５ｔのボイラー、または、再加熱用及び凝縮用の熱交換器の複雑な配置構成を含む密閉式回路を含まない。このシステムのコストは、推定１．５ミリオン＄を超えることになる。最大５００ｋｇ／秒の流体流量が必要とされる。ポンプ損失後、競合者のシステムは、正味の電力を全く生成しないと推定される。

述べるシステムの等価コストは、２０ｋＷタービン（正味電力）システムについて２０，０００＄未満の範囲内；電力出力について調整された、競合システムのコストの約１０分の１であると推定される。このシステムについての蒸気の流量は、約６０ｇ／秒（蒸気）及び１ｋｇ／秒（冷却水）であり、市販の競合システムの場合に比べて何桁も低い。

読者はここで、本発明の利点を認識するであろう。１０段部分流入タービンは、従来のタービン設計に勝る多くの利点を提供する。

最大効率は、完全流入を有する同じ段より低い速度でピーク効率に達するための部分流入段の特別な特性によって、より低いシャフト速度（ＲＰＭ）で実現される。ノズル及びブレードは、
（ａ）１段当たりの減少した圧力降下によって提供されるより小さい作動負荷、
（ｂ）より低い容積流量を流すために必要とされるより短い高さ、及び、
（ｃ）最大効率のために必要とされるより低い作動速度
によって、減少した応力レベルを受ける。

タービン入口から排気部までの低減式ブレード高さ変動は、比較的小さい最終段径をもたらし、ローターが、より小さいケーシング径に嵌合することを可能にする。全体的長さは、部分流入設計のために必要とされる段の密接した間隔によって低減される。製造コスト及び機械加工時間の低減は、
（ａ）より低いブレード高さの流路を機械加工するために必要とされる低減されたツール経路深さ、及び、
（ｂ）ほとんどの段において共通のノズル及びブレードプロファイルを使用できること
によってもたらされる。

ワンピースハウジングが存在するため、簡略化されたシーリングが存在し、一方、ブレードプロファイルは、各段についての一定圧力比によって、種々の段にわたって一定である。さらに、ブレードの２Ｄ設計は、より単純な機械加工を必要とし、組立てを大幅に減らし、また、ブレードが厳しくない環境下で作動するため、アルミニウム及び更にプラスチックから製造され得る。

本発明は、シャフトが垂直配向にある状態でタービンが作動することを実現し、それは、より少数の及び／または特別でない軸受けの使用を可能にする。これは、幾つかの因子、すなわち、コストがかからない部品が使用されることによる部品コストの低減；高精度製造作業数が減少することによる製造コストの低減；ならびに、構成要素数及び精密位置決めを必要とする部品の減少による組立てコストの低減によって、１ユニット当たりの全体コストを下げる。必要とされる在庫及び同様なものを低減するときに節約が同様にもたらされる。

更なる利点は、原動流体が、タービンを出てから、凝縮器を通る明確な経路を有することによってもたらされる。この流体経路内の典型的な屈曲部及び他の制限部を削除すること、ならびに、重力によって流体流量を増大させることは、２％の計算された電力増加をもたらす。

タービンが、垂直に作動すると共に、凝縮器及び関連する配管の低減された複雑さを利用することによって、システムのフットプリントは、従来の水平システムに比べてずっと低減される。これは、据付けのより大きな柔軟性ならびに据付け及び作動のために必要とされる床面積の低減を可能にし、それは、構築及び運転コストを低減し、システムがその中で実用的かつ財政的に実現可能である状況の数を増加させる。

読者は、ここで、従来のタービンと違って、本発明が、最後の１つまたは２つの段を除いて、各段において部分流入を用いてより効率的に作動するように設計された多段（通常、４段と１０段との間の）軸流タービンを実現することを認識するであろう。これは、より大きな圧力降下に対処するように各段を設計することによって、必要とされる段の総数を低減しようと努力する従来のタービンと全く異なる。逆に、主題のタービンの各段は、より小さい圧力降下を用いて効率的に作動し、それにより、１段当たりの流体密度のずっと小さい減少を維持するように設計されている。そして、後続の各段は、流入及びブレード高さのわずかな増加のみを使用することによって達成され得る流れ面積のわずかな増加を必要とするだけである。

より多くのエネルギーが単位質量の蒸気について引出されることを可能にしている間の、蒸気温度の増加は、高強度材料が利用されることを要求し、一般に、質量を倍加させる。さらに、ユニットサイズを増加させることは、作動条件を複雑にし、それにより、ブレードのスパンにわたって変動する複雑なブレードプロファイルは、所望の作動特性を達成するために、通常必要とされ、また、タービンローター組立て体（ブレード付きディスクまたはブリスク）がシングルピースとして形成されるのを一般に排除する複雑な製造プロセスを更に必要とする。

分散電力または地域エネルギーに対する動きは、ずっと小さい出力を可能にし、一方、分散電力ロケーションにおいて同様により多く利用可能である場合があるより低グレードのエネルギー源を利用できる。例えば、部分真空におけるフラッシュボイリング蒸気は、１００℃未満の温度での、乾燥してきれいな飽和蒸気の発生を可能にする。これは、ローターブレード及びノズルに対する機械的損傷がずっと少ない内部作動環境をもたらし、アルミニウムまたは更に一部のプラスチック等の、伝統的に不適であった材料の使用を可能にする。

選択されるターボ機械設計が、かなり低い所望の電力出力によってやはり与えられる、低い全体ブレード高さを有する場合、ブレードプロファイルは、そのスパンに沿って一定であるように作られ得る。低いブレード深さ及び比較的単純なブレード形状は、伝統的な機械加工技法によって形成されることが可能であるブレード幾何形状をもたらし、一方、軟質材料組合せの利用が、低コスト材料のシングルピースからのブリスクの製造を容易にする能力は、ターボ機械であって、伝統的な個々のブレード／キャリアホイール組立て体または硬質材料での同様の製品について必要とされるＥＣＭプロセスに比べて、製造が一桁安価である、ターボ機械を提供する。

読者は、ここで、本発明を認識するであろう。効率的な作動は、非常に低いローターティップ速度について特に目標とされてきた。最終段を除くすべての段において部分流入を使用することは、入口から排気部までの流れ面積の連続する増加を達成する。この面積増加は、蒸気が膨張しているときに起こる容積流量の自然な増加に一致するために必要とされる。各段において部分流入を使用することは、段の間の、必要とされるブレード長さ変化を最小にし、より小さいケーシング径を達成する。

同じノズル及びローターブレードプロファイルは、全ての他の段についての４５度と比較して９０度入口角度を必要とする第１段を除く各段において使用される。ブレード長さの最小変化は、ハブからティップまでの速度三角形（ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｔｒｉａｎｇｌｅ)の変動の低減を提供し、ハブからティップまでの一定エアフォイルプロファイルが使用されることを可能にする。

バレル型構造は、全てのノズル及びローターブレードの正確なアライメントを維持する。ローターは、共通シャフト上で個々のブレード付きディスクを収縮させることによって構築することができる。低い最高速度設計は、低温作動と共に、各ブリスクについてプラスチック材料の使用を可能にし、一方、ノズルはアルミニウムから構築される。

ノズルディスク組立て体は、プラスチックブッシュシールを使用してシャフトに対してシールされて、シャフト振動から或る程度の影響を受けることができる隣接する段の間での蒸気漏洩を防止する。対照的に、従来の設計は、シャフト振動及びスタートアップ作動中のローター偏位(ｅｘｃｕｒｓｉｏｎ)によって容易に損傷され得る複数のラビリンスシールを使用する。

ステーターまたはローターに対する参照がブリスクを指すことが理解される。

更なる利点及び改善は、本発明に対して、本発明の範囲から逸脱することなく非常にうまく行われることができる。本発明は、最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものにおいて示され述べられたが、逸脱が、本発明の範囲及び趣旨内で本発明に対して行われることができ、その逸脱が、本明細書で開示される詳細に限定されるのではなく、任意の及び全ての等価なデバイス及び装置を含むために特許請求項の全範囲に一致することが認識される。本明細書全体を通した従来技術のいずれの議論も、こうした従来技術が、広く知られている、または、この分野における共通の一般的な知識の一部を形成するという自認としていずれの点でも考えられるべきでない。

本明細書及び特許請求項において、（もしあれば）語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」ならびに「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」及び「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」を含むその派生語は、述べる整数のそれぞれを含むが、１つまたは複数の更なる整数の包含を排除しない。

１０ タービン
１２ 発電機
１４ 蒸気入口
１６ ハウジング
１８ パイプ
２０ ポンプ
２２ 冷却入口
２４ 冷却出口
２６ ポート
２８、２８ａ ノズル
３０、３０ａ ブレード
３２ ケーシング
３４ シャフト
３６ ギアボックス
３８ エアフォイル
４０ アパーチャ
４２ ディスク
４４ ディスクアパーチャ
４６ 位置決め穴
４８ ノズルアパーチャ
５０ チャンバー
５２ ロッド
５４ 突出部
５６ スリット
５８ 穴
６０ 部分蒸気入口
６２ ブッシュ

Claims (6)

1. 複数段を有し、蒸気である原動流体を用いて低い絶対圧力で作動するために構成される、電力を発生するための軸流タービンであって、
   各段は、ステーター及びローターを含み、
   前記段のうち第１段は、第１ステーター、及び、第１ローターを備え、前記第１ステーターは部分流入入口を有し、
   後続の各段は、完全流入が最終段に向かって達成されるまで前記ステーターの蒸気流入量を増加させ、
   各段の前記ローターは、シングルピースとして作られたブリスク及び前記ブリスクの周縁に組込まれた蒸気流路を有し、
   前記第１ステーターの入口角度は、他の全てのステーターの入口角度より大きい、軸流タービン。
2. 前記第１段は９０度の入口角度を有する、請求項１に記載の軸流タービン。
3. 軸流タービンの主軸が全体的に垂直であるように配向する、請求項１に記載の軸流タービン。
4. 前記ローターは、ギアボックスを通して発電機に接続される垂直シャフトに固定して取付けられる、請求項３に記載の軸流タービン。
5. 各ローターの高さは、段当たり約１０％だけ増加する、請求項４に記載の軸流タービン。
6. 各ステーターは、２Ｄプロファイル及び約４５度の入口角度を有するノズルのセットを有する、請求項１に記載の軸流タービン。

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