(57)【要約】  蒸気タービン用とくに地熱衝動タービン用の高耐腐食性の可動羽根組立体（２０）は、軸（Ａ）のまわりに回転するシャフト（７）によって担持された複数の回転羽根（１５）の配列体（１４）を備えている。各回転羽根（１５）は、シャフト（７）に取り付けられた基端部（２２）と、該回転羽根以外の他の複数の回転羽根（１５）の各頂部（２５）と機械的に接続されることなく該回転羽根の頂部（２５）で終端する自由端部（２４）との間を延びている。回転羽根（１５）は、クロム、鉄、ニオブ及びモリブデンを含みニッケルを基材とする合金、例えばＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）グループ又はこれと類似の材料に属する、ニッケルを基材とする合金で製作されている。可動羽根組立体は、物理的侵食及び化学的腐食に対して高い耐久性を有している。とくに、可動羽根は、沈着物の蓄積及び堆積物下の腐食を防止するために露出させられている。
2009544895.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸（Ａ）のまわりに回転するシャフト（７）によって担持された複数の回転羽根（１５）の配列体（１４）を備えている、蒸気タービン用とくに地熱衝動タービン用の高耐腐食性の可動羽根組立体であって、
各回転羽根（１５）が、上記シャフト（７）に取り付けられた基端部（２２）と、該回転羽根以外の他の複数の回転羽根（１５）の各頂部（２５）と機械的に接続されることなく該回転羽根の頂部（２５）で終端する自由端部（２４）との間を延び、
かつ、上記回転羽根（１５）が、ニッケルを基材とする合金で製作されていることを特徴とする可動羽根組立体。
【請求項２】
上記回転羽根（１５）が、クロム、鉄、ニオブ及びモリブデンを含みニッケルを基材とする合金で製作されていることを特徴とする、請求項１に記載の可動羽根組立体。
【請求項３】
上記合金が、おおむね４５重量パーセントを超える量のニッケルと、おおむね１５重量パーセントを超える量のクロムとを含んでいることを特徴とする、請求項１又は２に記載の可動羽根組立体。
【請求項４】
上記合金が、おおむね３重量パーセントを超える量のニオブと、おおむね２重量パーセントを超える量のモリブデンとを含んでいることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１つに記載の可動羽根組立体。
【請求項５】
上記合金が、有意量の鉄、ニオブ及びモリブデンを含み、かつ少量のアルミニウム及びチタンを含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の可動羽根組立体。
【請求項６】
上記合金が、おおむね０．１ないし１重量パーセントのアルミニウムと、おおむね０．５ないし１．５重量パーセントのチタンとを含んでいることを特徴とする、請求項５に記載の可動羽根組立体。
【請求項７】
上記合金が、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）グループ又はこれと類似の材料に属する、ニッケルを基材とする合金であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１つに記載の可動羽根組立体。
【請求項８】
固定子（５）と、回転軸（Ａ）のまわりに回転するシャフト（７）に一体的に接続された回転子（６）とを備えている、とくに地熱衝動タービン等のタービン（１）であって、
上記回転子（６）が、請求項１〜７のいずれか１つに記載の可動羽根組立体を備えていることを特徴とする蒸気タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気タービン用とくに地熱衝動タービン用の高耐腐食性の可動羽根組立体と、このような可動羽根組立体を備えていることを特徴とする蒸気タービンとくに地熱衝動タービンとに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
よく知られているように、蒸気タービンにおいては、蒸気を連続的に膨張させることにより、蒸気からシャフトへエネルギが移動させられる。かかる蒸気タービンでは、蒸気は、該蒸気タービンの固定部を構成するノズルの内部で膨張する際にその速度を増加させ、蒸気の熱エネルギを力学的エネルギに変換する。この力学的エネルギは、シャフトの周縁部に取り付けられた可動羽根によりシャフトに伝達される。
【０００３】
蒸気のエネルギの利用効率を最良の形態にするために、蒸気タービンは、通常、連続する多数の段ないしはステージを備えている。これらの段は、軸流タービンの場合は、タービン（機械）軸と同軸に配置される。このため、ある１つの段から排出された蒸気は、おおむね軸方向流で直接次の段に流入する。
【０００４】
各段の可動部（可動羽根）は、シャフトのまわりに放射状に配置され、種々の型式の複数の留め具（逆松葉形又はハンマーヘッド形の留め具）でもってシャフトに固定された多数の羽根を備えている。羽根の端部又は頂部は、例えば羽根の頂部に形成され又は羽根自体と一体形成された釘又は杭でリベット留め（アップセット）することにより、羽根の頂部に固定された被覆環状部材（shroud ring）でもって互いに接続されている。
【０００５】
蒸気タービンのよく知られた応用例の１つとしては、地熱利用エネルギ生成システムでの利用が挙げられる。地熱利用エネルギ生成システムにおいては、タービンに流入する流体は、従来の化石燃料又は核燃料を用いてボイラーで生成される蒸気ではなく、また組み合わせサイクルシステム（combination cycle system）などといった熱回収ボイラーで生成される蒸気でもなく、地下で発生する天然蒸気（endogenous natural steam）、すなわち地球内部で直接生成された蒸気である。
【０００６】
ボイラーにより生成された蒸気とは異なり、地下で発生する蒸気は、熱力学的状態（実質的には圧力及び温度）が普通の蒸気の熱力学状態に比べて低いだけでなく、蒸気が抽出される場所に大きく依存する制御不可能な化学物質を含むといった特徴がある。蒸気を生成するのに用いられた凝縮液（condensate）を処理するための専用のシステムにより蒸気の特性が確実に最適化される他のタイプのシステムの場合とは異なり、地熱システムにおいてタービンに供給される蒸気は、通常、最適な性状のものではなく、とくに化学的な侵害（chemical aggression）に関しては、決して最適な性状のものではない。実際、地下で発生する蒸気は、通常、非凝縮性の気体に加えて、工業用の蒸気には全く含まれていない化学的な侵害を生じさせる種々の形態の種々の物質を含んでいる。そして、このような物質は、結果的に、蒸気タービンの羽根に堆積物（deposits）又は沈着物を形成する。
【０００７】
これは、とくに、タービン内で膨張した蒸気が、過熱状態（superheated state）から飽和状態（saturated state）になる段に当てはまる。そして、このような堆積物又は沈着物は、結果的に、羽根に重大な化学的腐食（corrosion）又は物理的侵食（erosion）を生じさせ、とくに可動羽根の被覆環状部材の下に塩（典型的には硫化物及び塩化物）を堆積させ、これにより堆積物又は沈着物の下に化学的腐食（corrosion）を生じさせる結果となる。
【０００８】
その結果、可動羽根の寿命ないしは耐用期間（working life）が短くなり、とくに位相が移行ないしは変化する段で短くなる。このため、羽根の頻繁な交換とメンテナンス作業のためのシステムの停止とに起因して、運転コストが上昇するといった問題がある。
【０００９】
羽根及び被覆環状部材は、普通、ＡＩＳＩ  ４０３又はこれと類似又は同様の材料などといったマルテンサイトステンレス鋼で形成されている。これらの材料は、機械的な特性と物理的な耐侵食性との間の両立性が良好であり、地熱システムにおいての蒸気タービンの材料として広く用いられている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、マルテンサイトステンレス鋼で形成された可動羽根及び被覆環状部材を備えた蒸気タービンは、化学的腐食（corrosion）及び応力腐食（stress corrosion）に対する耐久性が低く、地熱システムの蒸気タービンの場合のように塩化物が存在するとき、あるいは凝縮機構ないしは凝縮現象が蒸気中の不純物の濃度を上昇させる、蒸気が過熱状態から湿った状態（wet state）に移行する段では、とくに耐久性が低い。
【００１１】
上記問題は、種々のタイプの堆積物又は沈着物の形成によりさらに悪化する（地下で発生しタービンに流入する蒸気の化学的な特性に依存する）。なお、このような堆積物は、とくに可動羽根の被覆環状部材の下側に堆積又は蓄積し、その結果堆積物の下に腐食（subdeposit corrosion phenomena）現象を生じさせる。
【００１２】
本発明は、従来技術に係る蒸気タービンにおける上記不具合を除去するように構成された、蒸気タービン用とくに地熱衝動タービン用の高耐腐食性の可動羽根組立体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、軸（axis）のまわりに回転するシャフト（shaft）によって担持された複数の回転羽根（rotor blade）の配列体（array）を備えている、蒸気タービン用とくに地熱衝動タービン（geothermal impulse turbine）用の高耐腐食性の可動羽根組立体（highly corrosion-resistant movable blade assembly）を提供する。この可動羽根組立体は、各回転羽根が、シャフトに取り付けられた基端部と、該回転羽根と隣り合う複数の回転羽根の各頂部と機械的に接続されることなく該回転羽根の頂部で終端する（terminate）自由端部との間を延びている。さらに、回転羽根が、ニッケルを基材とする合金（nickel-based metal alloy）、好ましくはクロム、鉄、ニオブ及びモリブデンを含んでいる、ニッケルを基材とする合金で形成されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明の好ましい実施態様においては、上記合金は、おおむね（roughly）４５重量パーセントを超える量のニッケルと、おおむね１５重量パーセントを超える量のクロムと、おおむね３重量パーセントを超える量のニオブと、おおむね２重量パーセントを超える量のモリブデンとを含んでいる。
【００１５】
上記合金は、有意量の（significant quantities of）鉄、ニオブ及びモリブデンに加えて、上記有意量よりは少量のアルミニウム及びチタン、とくに好ましくはおおむね０．１ないし１重量パーセントのアルミニウムと、おおむね０．５ないし１．５重量パーセントのチタンとを含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実質的に既知の構造を備えている地熱蒸気タービンの模式図である。
【図２】本発明に係る可動羽根組立体を備えた、図１に示すタービンの１つの段の模式的な一部縦断面図である。
【図３】本発明に係る可動羽根組立体の一部の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の非限定的な実施形態を、単なる例示として説明する。
【００１８】
図１において、参照番号１は、実質的に既知の蒸気タービンを示している。この蒸気タービンは、実質的に既知であるので、単に模式的に示している。より詳しくは、タービン１は、地熱発電システムの軸流衝動タービン（axial impulse turbine）である。
【００１９】
タービン１は、実質的に、地下で生成され地中から抽出された天然蒸気の流れの入口部３と出口部４とを有する外套部２（casing）ないしはケーシングを備えている。外套部２は、該外套部２と一体をなす固定子５（stator）と、該外套部２を通り抜けて回転軸Ａと同一方向に延びる駆動シャフト７に一体的に接続された回転子６（rotor）とを収容している。
【００２０】
普通のタービンと同様に、外套部２は、多数ないしは複数の連続する段１０ないしはステージを収容している。ここで、各段１０は、外套部２と一体をなし該外套部２の内壁部１３から実質的に径方向にないしは放射状に突出している固定された固定子羽根１２の配列体１１（array）と、シャフト７によって担持され該シャフト７と一体的に回転する可動の回転羽根１５の配列体１４とによって形成又は画成されている（defined）。
【００２１】
図２は、タービン１の段１０（stage）、とくに衝動段１０（impulse stage）を完全に模式的に示している。
【００２２】
段１０は、シャフト７のまわりに実質的に環状に配置されシャフト７から外套部２の壁部１３に向かって径方向にないしは放射状に突出する複数の回転羽根１５によって形成された可動羽根組立体２０を備えている。
【００２３】
図３に示すように、回転羽根１５は、実質的に凹面状の形態に形成されているが、既知のどのようなタイプのものであってもよい。例えば、断面が一定形状の円柱形ないしは円筒形（cylindrical）のもの、先細り形状（tapered）のもの、及び／又は、ねじれ形状（twisted）のものであってもよい。
【００２４】
各回転羽根１５は、既知の仕様で、シャフト７に直接固定され、あるいは図２に示すようにシャフト７と一体をなす支持輪２１（supporting wheel）に固定されている。各回転羽根１５は、シャフト７との接続のための接続部２３を有する締結端部２２（fastening end）と、締結端部２２と反対側に位置し他の複数の回転羽根１５の各頂部２５（top portion）と機械的に接続されていない該回転羽根１５の頂部２５で終端している自由端部２４（free end）との間を延びている。
【００２５】
換言すれば、回転羽根１５の頂部２５を接続する機械的な接続構造、とくに被覆環状部材（shroud ring）は設けられていない。被覆環状部材は設けられていないが、回転羽根１５が適切な形状及び寸法のものであれば、回転羽根１５の振動の問題は発生せず、また励起振動数を伴った共鳴現象（resonance phenomena with excitation frequencies）も発生しない。
【００２６】
本発明によれば、可動羽根組立体２０、とくに回転羽根１５は、ニッケルを基材とする合金でつくられている（すなわち、ニッケルが支配的ないしは主要な成分であり、おおむね４５重量パーセントを超えるニッケルを含んでいる）。さらに、この合金は、高い含有率（おおむね１５重量パーセントを超える）のクロムと、鉄と、有意量のニオブ（おおむね３重量パーセントを超える）及びモリブデン（おおむね２重量パーセントを超える）とを含んでいる。それゆえ、本発明で用いられる合金は、実質的に、有意量の鉄、ニオブ及びモリブデンを含むとともに、これらより少量のアルミニウム（おおむね０．１ないし１重量パーセント）及びチタン（おおむね０．５ないし１．５重量パーセント）を含む、ニッケルを基材とする合金である。
【００２７】
完全に例示的であるが、上記合金としては、とくには、スペシャルメタルズ社（Special Metals Corporation）製のＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）グループに属する、ニッケルを基材とする合金が挙げられる。これらの合金は、地熱システムで用いる場合における耐腐食性に関しては、従来の鋼、とくにＡＩＳＩ  ４０３マルテンサイト鋼に比べて、極めて優秀なものであることが証明されている。
【００２８】
ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）との名称の合金は、時効硬化される（age hardened）ことが可能であり、おおむね７００℃までは良好な耐クリープ性（creep resistance）を示し、一般的には腐食（corrosion）に対して高い耐久性を有し、とくに応力腐食（stress corrosion）に対しても高い耐久性を有する、ニッケルを基材とする合金のグループ（group）を含んでいる。
【００２９】
しかしながら、本発明では、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）グループに属する合金と類似又は同様の合金も用いることができるということが理解されるであろう。
【００３０】
表１に、回転羽根１５及び可動羽根組立体２０の製作に一般的に用いられる材料の具体例を示す（主要な成分のみ）。また、表２に、とくに有利で優れた材料を示す。
【００３１】
〔表１〕
表  １
2009544895.tif 000003
【００３２】
〔表２〕
表  ２
2009544895.tif 000004
【００３３】
既知の技術（known solution）より優れた本発明の利点ないしは効果は、前記の説明により明らかとなっているであろうが、以下で具体的に説明する。
・本発明により製作された可動羽根組立体、とくに回転羽根は、従来の材料で製作された回転羽根に比べて、極めて良好な耐腐食性を有している（corrosion resistant）。
・用いられる材料はまた、より良好な機械的特性を有し、このため、遭遇する物理的侵食（erosion）に対して良好な耐久性を有し、ひいては部品の寿命ないしは耐用期間を長くする。
・被覆環状部材を（及び各回転羽根の頂部同士を機械的に接続するその他のいかなる部材も）設ける必要がないので、回転子上における堆積物又は沈着物（蒸気中の物質によって決まる）が堆積する領域をなくすことができる。
・回転羽根の頂部と被覆環状部材との間の間隙腐食（gap corrosion）につながる間隙をなくすことができる。
・蒸気中の物質によって決まる堆積物又は沈着物は、固定子の上で径方向外向きないしは放射状に突出させられ（projected）、とくに回転羽根の頂部に直接対向する固定子に堆積する。このため、この後に生成される堆積物は、ある地点まで堆積するだけであり、この地点を超える堆積物は回転する際に掻き取り具（scraping tool）として機能する回転羽根の頂部により機械的に除去される。
・本発明に係る可動羽根組立体はまた、元々は従来技術により構築された蒸気タービンにおいて、元の固定部品（original fixed parts）と交換するだけで、従来の蒸気タービンで用いることができる。
【００３４】
本願の明細書及び図面により説明した前記の実施形態に係る可動羽根組立体は、本願の特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から離脱しない限り、修正又は変更することができることは明らかであろう。
【符号の説明】
【００３５】
１  蒸気タービン、２  外套部（ケーシング）、３  入口部、４  出口部、５  固定子（ステータ）、６  回転子（ロータ）、７  駆動シャフト、１０  連続する段（ステージ）、１１  配列体（アレイ）、１２  固定子羽根、１３  内壁部、１５  可動の回転羽根、２０  可動羽根組立体、２１  支持輪、２２  固定端部（基端部）、２３  接続部、２４  自由端部、２５  頂部。
【図１】
2009544895.tif 000005
【図２】
2009544895.tif 000006
【図３】
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【国際調査報告】
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