(57)【要約】  本発明は、タービン装置のタービン（１００）、特に蒸気タービン装置の蒸気タービンに関する。タービンは、半径方向又は対角線方向の流入部及び軸方向の流出部を備えた半径方向及び対角線方向のタービン段（１２０）と、軸方向の流入部と軸方向の流出部とを備えた少なくとも１つの軸方向のタービン段（１２１，１２２，１２３，１２４，１２５）とを有している。半径方向又は対角線方向の少なくとも１つのタービン段（１２０）がタービンの第１段として配置されていて、少なくとも１つの軸方向のタービン段（１２１，１２２，１２３，１２４，１２５）が半径方向又は対角線方向のタービン段（１２０）の下流でタービンの別の段として配置されている。少なくとも１つの半径方向又は対角線方向のタービン段（１２０）が、少なくとも１つの軸方向のタービン段（１２１，１２２，１２３，１２４，１２５）よりも高い耐熱性を有している。本発明によるタービン（１００）は、蒸気タービン装置のプロセス温度を著しく高めることができ、この場合、耐熱性を高めるための手段は、半径方向又は対角線方向のタービン段（１２０）の構成部分のためにだけ設ければよい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン装置のタービン（１００）、殊に蒸気タービン装置の蒸気タービンであって、
半径方向又は対角線方向の流入部及び軸方向の流出部を備えた半径方向及び対角線方向のタービン段（１２０）と、軸方向の流入部と軸方向の流出部とを備えた少なくとも１つの軸方向のタービン段（１２１，１２２，１２３，１２４，１２５）とを有しており、
各タービン段が少なくとも１つの動翼を有していて、少なくとも１つの半径方向又は対角線方向のタービン段（１２０）がタービンの第１段として配置されていて、少なくとも１つの軸方向のタービン段（１２１，１２２，１２３，１２４，１２５）が半径方向又は対角線方向のタービン段（１２０）の下流でタービンの別の段として配置されている形式のものにおいて、
少なくとも１つの半径方向又は対角線方向のタービン段（１２０）が、少なくとも１つの軸方向のタービン段（１２１，１２２，１２３，１２４，１２５）よりも高い耐熱性を有していることを特徴とする、タービン装置のタービン。
【請求項２】
タービンが、半径方向又は対角線方向の１つだけのタービン段（１２０）と、少なくとも１つの軸方向のタービン段（１２１，１２２，１２３，１２４，１２５）とを有している、請求項１記載のタービン。
【請求項３】
半径方向又は対角線方向のタービン段（１２０）が第１の材料より製造されていて、少なくとも１つの軸方向のタービン段（１２１，１２２，１２３，１２４，１２５）が第２の材料より製造されており、前記第１の材料が前記第２の材料よりも高い耐熱性を有している、請求項１又は２記載のタービン。
【請求項４】
半径方向又は対角線方向のタービン段（１２０）が、耐熱性材料より成るコーティングによって被覆されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のタービン。
【請求項５】
半径方向又は対角線方向のタービン段（１２０）が高耐熱性のニッケルをベースとした合金より製造されているか、又は高耐熱性のニッケルをベースとした合金より成るコーティングによって被覆されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のタービン。
【請求項６】
半径方向又は対角線方向のタービン段（１２０）がセラミック材料より製造されているか、又はセラミック材料より成るコーティングによって被覆されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のタービン。
【請求項７】
少なくとも１つの軸方向のタービン段（１２１，１２２，１２３，１２４，１２５）が、コーティングなしの一般的なタービン材料より製造されている、請求項１から６までのいずれか１項記載のタービン。
【請求項８】
半径方向又は対角線方向のタービン段（１２０）が冷却されていて、少なくとも１つの軸方向のタービン段（１２１，１２２，１２３，１２４，１２５）が冷却されていない、請求項１から７までのいずれか１項記載のタービン。
【請求項９】
タービンの半径方向又は対角線方向のタービン段（１２０）の段負荷は、タービン（１００）の定格運転時において、半径方向又は対角線方向のタービン段（１２０）への入口における貫流流体が、軸方向のタービン段の材料の最大可能な軟化温度よりも高い温度を有しており、半径方向又は対角線方向のタービン段（１２０）からの出口における貫流流体が、軸方向のタービン段の材料の最大可能な軟化温度と同じか又はこれよりも小さい温度を有している、請求項１から８までのいずれか１項記載のタービン。
【請求項１０】
半径方向又は対角線方向のタービン段内への入口と、半径方向又は対角線方向のタービン段からの出口との間における貫流流体の温度低下が、少なくとも５０℃、有利には６０℃以上、殊に１２０℃以上である、請求項１から９までのいずれか１項記載のタービン。
【請求項１１】
半径方向又は対角線方向のタービン段の平均的な出口直径が、半径方向又は対角線方向のタービン段に続いて配置された軸方向のタービン段の平均的な入口直径と同じである、請求項１から１０までのいずれか１項記載のタービン。
【請求項１２】
半径方向又は対角線方向のタービン段（１２０）と少なくとも１つの軸方向のタービン段（１２１，１２２，１２３，１２４，１２５）とが、１つの共通の軸（１３０）に配置されている、請求項１から１１までのいずれか１項記載のタービン。
【請求項１３】
半径方向又は対角線方向のタービン段（１２０）が第１の軸（１３０−Ｉ）に配置されていて、少なくとも１つの軸方向のタービン段（１２１，１２２，１２３，１２４，１２５）が第２の軸（１３０−ＩＩ）に配置されていて、これらの軸が、伝動装置有利には遊星歯車伝動装置を介して互いに接続されている、請求項１から１１までのいずれか１項記載のタービン。
【請求項１４】
半径方向又は対角線方向のタービン段（１２０）と少なくとも１つの軸方向のタービン段（１２１，１２２，１２３，１２４，１２５）とが、１つの共通のケーシング（１３２）内に配置されている、請求項１から１３までのいずれか１項記載のタービン。
【請求項１５】
請求項１から１４までのいずれか１項記載のタービンと内燃機関又は蒸気発生器とを備えたタービン装置殊に蒸気タービン装置において、
前記タービンが前記内燃機関又は蒸気発生器の直接下流に配置されていることを特徴とする、タービン。
【請求項１６】
請求項１から１４までのいずれか１項記載のタービンを構成するための方法において、
少なくとも１つの軸方向のタービン段を半径方向又は対角線方向のタービン段の下流に配置し、
半径方向又は対角線方向のタービン段を、前記少なくとも１つの軸方向のタービン段よりもより強い耐熱性で構成することを特徴とする、タービン段を構成するための方法。
【請求項１７】
タービンの定格運転中に半径方向又は対角線方向のタービン段内への入口における貫流流体が、軸方向のタービン段の材料の最大可能な軟化温度よりも高い温度を有し、半径方向又は対角線方向のタービン段からの出口における貫流流体が、タービンの軸方向のタービン段の材料の最大可能な軟化温度と同じか又はそれよりも低い温度を有するように、タービンの半径方向又は対角線方向のタービン段の段負荷を選定する、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
半径方向又は対角線方向のタービン段内への入口と、半径方向又は対角線方向のタービン段からの出口との間における貫流流体の温度低下が、少なくとも５０℃有利には６０℃以上殊に１２０℃以上となるように、選定されている、請求項１６又は１７記載の方法。
【請求項１９】
請求項１５記載のタービン装置を運転するための方法において、
燃機関内又は蒸気発生器内の貫流流体に熱を供給し、これによって貫流流体を、タービンの軸方向のタービン段の材料の最大可能な軟化温度を超える温度に加熱し、次いでタービンの半径方向又は対角線方向のタービン段内における貫流流体を、技術的な作業を加えることによって緊張解除し、それによって半径方向又は対角線方向のタービン段からの出口における貫流流体の温度がタービンの軸方向のタービン段の材料の軟化温度と同じか又はこれよりも小さくなるようにすることを特徴とする、タービン装置を運転するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はタービン装置のタービン、特に蒸気タービン装置の蒸気タービンに関する。さらに本発明は、タービンを構成するための方法、並びにこのようなタービンを備えたタービン装置を運転するための方法に関する。
【０００２】
従来の技術
最近のタービン装置特に最近の蒸気タービン装置においては、効率を改善するために、タービン装置のプロセス（処理）温度を高めることが望まれている。プロセス温度を高めると、これは一方では特に高圧タービンに影響を及ぼし、他方ではタービン装置の中間圧力タービンにも影響を及ぼす。従ってこの中間圧力タービンはより高い温度で負荷される。これによって、蒸気タービンにおいても今日既に達成されている温度が得られるが、この温度においては、特にタービンの翼配列、流れ通路壁、並びに温度低下手段が設けられていないタービン軸のための従来の材料を使用することは不可能である。
【０００３】
このような温度低下手段は、例えばタービンの翼を冷却媒体によって冷却することである。翼の冷却は、ガスタービンにおいては既に従来より公知である。しかしながらこのために一方では冷却流体を適当な形式で準備する必要がある。これは外部で準備されるか、又はタービン装置の圧縮段のうちの１つから取り出すことによって行われる。これによってタービン装置の全効率の低下を招く。フィルム冷却においても、又は冷却媒体をタービンの主流内に流入させることによる翼の吹き出し冷却においても、空力学的な損失が発生する。
【０００４】
選択的に、翼及び部分的にタービンの軸も高耐熱性の材料より製造されるが、それによってタービンの製造費用は著しく高価になる。
【０００５】
プロセス温度が上昇するのに伴って、大抵の場合プロセス圧力も高くなる。プロセスパラメータが高くなることによって、特に高圧タービンの第１のタービン段内においてタービンを通って流れる貫流流体（大抵の場合、ガスタービン内の空気若しくは煙道ガス又は蒸気タービン内の蒸気）の容積流は比較的少なくなる。
【０００６】
容積流が小さいと、タービン翼の翼高さが小さく、しかも翼の縦横比が小さいタービン翼に限定されることになる。従ってこのような形式の、良好な空力学効率を有するタービン翼配列を構成することは、非常に困難である。
【０００７】
発明の開示
本発明の課題は、冒頭に述べた形式のタービン及び、従来技術の欠点を減少させるか又は取り除くことができる、タービンを構成するための方法を提供することである。
【０００８】
さらに本発明の課題は特に、タービン装置のタービン、特に蒸気タービン装置の蒸気タービンの効率を高めることにある。別の観点によれば、本発明によって、安価に製造可能及び最適な効率を有する、高い入口温度で負荷可能なタービンを提供することである。
【０００９】
この課題は、本発明によれば、請求項１記載のタービンによって、並びにその他の独立請求項に記載したタービン装置によって、また独立請求項に記載した第１の方法によるタービンの構成方法によって、並びにその他の従属請求項に従って構成されたタービン装置を駆動するための方法によって解決された。
【００１０】
本発明に従って構成されたタービンは、半径方向又は対角線方向の流入部及び軸方向の流出部を備えた、半径方向及び対角線方向のタービン段を有している。軸方向の流出部とは、当該のタービン段の動翼から流出する際の流れがまだ対角線の流れ方向を有しているが、流れが後続のタービン段内に達する前に、流れ通路によって軸方向に変向される、ということである。また、本発明によるタービンは、軸方向の流入部と軸方向の流出部とを備えた、少なくとも１つの軸方向のタービン段を有している。
【００１１】
各タービン段は少なくとも１つの動翼を有している。一般的に、タービン段は静翼と、流れ方向で前記静翼に後置された動翼とを有している。
【００１２】
流入方向及び流出方向は、本発明の枠内で、それぞれ半径方向若しくは対角線方向及び軸方向に対して公差角度だけずれていてもよいが、この場合、主要な流れ方向が、その主要な流れ方向として維持される。
【００１３】
さらに、少なくとも１つの半径方向又は対角線方向のタービン段が、タービンの第１段として配置されていて、少なくも１つの軸方向のタービン段が、少なくとも１つの半径方向又は対角線方向のタービン段の下流で、タービンの別の段として配置されている。この場合、少なくとも１つの半径方向又は対角線方向のタービン段は、少なくとも１つの軸方向のタービン段よりも高い耐熱性を有するように構成されている。
【００１４】
本発明によるタービンは、有利な形式で高圧タービンとして構成されており、この高圧タービンはタービン装置内でタービン装置の蒸気発生器又は燃焼室の直接下流に配置されている。しかしながら本発明に従って構成されたタービンは、中間圧力タービンとして又は低圧タービンとして構成されており、この場合、中間圧力タービン又は低圧タービンの上流に一般的な形式で中間ヒータが配置されている。本発明に従って構成されたタービンの下流に、単数又は複数の別の、従来形式で構成されたタービンが配置されている。
【００１５】
タービンの第１段として構成された半径方向又は対角線方向のタービン段は、少なくとも１つの軸方向のタービン段よりも高い耐熱性を有しているので、タービン装置の定格運転時にタービンへの入口における最大プロセス温度は、軸方向のタービン段が入口タービン段を形成している場合におけるよりも高い。本発明に従って構成されたタービンの半径方向又は対角線方向のタービン段は、高いエンタルピー量を実現することができ、それによって、半径方方向又は対角線方向のタービン段からの出口における貫流流体の温度が、半径方向又は対角線方向のタービン段への入口におけるよりも著しく低くなる。半径方向又は対角線方向の１つのタービン段だけによって、タービンの構成部分特に翼の耐熱性を高めるための手段を半径方向又は対角線方向のタービン段の下流に設ける必要がない程度、貫流流体の温度を低下させることができ、それによって、後続のタービン段の構成部分の最大可能な材料温度を超えないようにすることができる。このような手段は、例えば当該の構成部分のために、又は冷却流体によってそれぞれのタービン段の構成部分を冷却するために高耐熱性の材料を使用することができる。タービンの第１段として半径方向又は対角線方向のタービン段を配置することによって、耐熱性を高めるために、半径方向又は対角線方向のタービン段のためにだけ単数又は複数の手段を使用することができる。
【００１６】
これに対して従来構造に従ってタービンが軸方向のタービン段だけを有している場合には、半径方向又は対角線方向の１つのタービン段だけによって得られるのと同じエンタルピー量及びひいてはこれと同じ温度低下を得るために、軸方向の複数のタービン段が必要となる。従って、この軸方向のタービン段の耐熱性を高め、ひいては最大可能な材料温度を超えるのを避けるために、軸方向の複数のタービン段に適した手段を設ける必要がある。従って、軸方向のタービン段だけを有しているタービンは、高耐熱性の材料を使用した場合、製造が著しく高価なものになる。当該の構成部分が冷却流体によって冷却される場合、一方では構成部分に冷却通路を設ける必要があり、他方ではそれによってタービンの効率が低下する。
【００１７】
特に蒸気タービンにおいては、第１のタービン段を、半径方向又は対角線方向のタービン段として構成すれば、有利である。その理由は、プロセス圧力を常に高めることによって、貫流流体の容積流が少なくなるからである。しかしながら少ない容積流においては、この少ない容積流のために適した半径方向又は対角線方向のタービン段の効率は、この少ない容積流のために適したタービン段の効率と比較し得る。これによって、本発明に従って構成されたタービンは、全効率のバランスは、軸方向タービン段だけを有しているタービンと同じ程度に良好であるか、若しくはそれよりも良好である。
【００１８】
貫流流体の特に高い入口温度においては、２つ、又は場合によってはそれ以上の半径方向又は対角線方向のタービン段をタービンの入口に直列に接続しても有利である。しかしながら半径方向又は対角線方向のタービン段を多数設けると、製造コストが高価になる。これによって流れ経路も構造的に高価になるので、半径方向又は対角線方向の１つだけのタービン段を備えた解決策が有利である。基本的に、非常に高い入口温度においては、対角線方向のタービン段よりも半径方向タービン段が有利である。何故ならば、半径方向のタービン段は、対角線方向のタービン段と比較してさらに高いエネルギー量が可能だからである。
【００１９】
特に有利には、本発明に従って構成されたタービンは、正確に半径方向又は対角線方向のタービン段及び少なくとも１つの軸方向のタービン段を有している。
【００２０】
本発明の説明の範囲内において、簡略化のためにタービン段だけについて全体的に記載されていても、高温の貫流流体に直接さらされる、タービン段の構成部分が、一次的に貫流流体の高い温度の影響を受ける。このような熱い貫流流体に直接さらされる、タービン段の構成部分は、特にタービン段の翼、並びに貫流通路の側壁、つまりハブ及びしばしばケーシング壁でもある。従って耐熱性を高めるための手段は、一次的にタービン段のこれらの構成部分にも適用される。しかしながらこの場合、熱伝導に基づいて、高温の貫流流体にさらされない構成部分も、非常に高い温度になり得るので、これらの構成部分のために同様に、耐熱性を高めるための手段を設ける必要がある。
【００２１】
基本的に、本発明は、一般的なタービン及びタービン装置に使用することができる。しかしながら特に有利には、本発明はタービン装置の蒸気タービンに使用される。蒸気タービン装置は、一般的に寸法が大きいので、蒸気タービンの従来の構成において、高耐熱性の材料及びひいては高価な材料が必要となる。何故ならば、軸方向の複数のタービン段がこのような高耐熱性の高価な材料より製造されるからである。また、従来では蒸気タービンは一般的に、貫流流体の最大容積流において比較的低い最大プロセス温度が生じるように、設計され、運転されていた。大きい容積流に基づいて、半径方向又は対角線方向のタービン段、若しくは半径方向又は対角線方向のタービンを使用することは不都合であった。プロセス温度とプロセス圧力とを組み合わせて高めることによって、及びその結果として容積流を小さくすることによってはじめて、蒸気タービンにおいて半径方向又は対角線方向のタービン段を使用することが、効果的に可能となり、これによって、全作用効率の改善、及び／又は製造コストの低減、並びに蒸気タービン装置のコンパクトな構造寸法が得られる。
【００２２】
有利には、半径方向又は対角線方向のタービン段が第１の材料より製造されていて、少なくとも１つの軸方向のタービン段が第２の材料より製造されている。前記第１の材料は前記第２の材料よりも高い耐熱性を有している。従って、半径方向又は対角線方向のタービン段は、例えば高耐熱性のニッケルをベースとした合金より製造されていて、これに対して少なくとも１つの軸方向のタービン段が例えば一般的な安価な鋳鋼又は、低い耐熱性を有するニッケル・クロム鋼より製造される。前述のように、この場合、タービン段のすべての構成部分を常に高耐熱性の材料より製造する必要はない、という点に留意すべきである。従ってこれは、高温の貫流流体に直接さらされる高耐熱性の材料より製造する必要のある構成部分、例えば翼及びタービン段の軸である。
【００２３】
本発明の選択的、又は補足的な実施態様によれば、半径方向又は対角線方向のタービン段が、高耐熱性の材料例えばニッケルをベースとした合金より成るコーティングによって被覆されている。この場合、コーティングの下に配置されていて低い耐熱性を有するベース材料は、熱伝導に基づいて過熱されないようにする必要がある。場合によっては、このような材料は付加的に冷却によって冷却する必要がある。
【００２４】
選択的に又は補足的に、半径方向又は対角線方向のタービン段は、セラミック材料より製造されているか、又はセラミック材料より成るコーティングによって被覆されている。セラミック材料は、これらの構成部分が高耐熱性を有しているだけではなく、セラミックより構成されているか、又はセラミック材料がコーティングされている構成部分は、断熱作用もあり、それによって例えば翼足部を介して低減された熱が軸内に侵入する。
【００２５】
少なくとも１つの軸方向のタービン段は、コーティングなしの一般的なタービン材料より製造されていてよい。
【００２６】
本発明の選択的な又は補足的な実施態様によれば、半径方向又は対角線方向のタービン段が冷却される。この場合、少なくとも１つの軸方向のタービン段は有利な形式で冷却されない。
【００２７】
本発明の有利な実施態様によれば、タービンの半径方向又は対角線方向のタービン段の段負荷は、タービンの定格運転時において、半径方向又は対角線方向のタービン段への入口における貫流流体が、軸方向のタービン段の材料の最大可能な軟化温度よりも高い温度を有しており、半径方向又は対角線方向のタービン段からの出口における貫流流体が、軸方向のタービン段の材料の最大可能な軟化温度と同じか又はこれよりも小さい温度を有している。逆に言えば、このことはつまり、タービン装置の最大プロセス温度が、上限が丁度まだ満たされている最大値まで上昇する、ということである。これによって、耐熱性を高めるための手段は、半径方向又は対角線方向のタービン段に制限される。
【００２８】
半径方向又は対角線方向の単数又は複数のタービン段を本発明に従ってタービン入口に配置したことによって、安価な形式で、タービン装置の最大プロセス温度を著しく高める可能性が得られる。これによって、経済性の観点で見て、これによって得られるタービン装置の効率の上昇と比較し得るのは、半径方向又は対角線方向のタービン段の耐熱性を高めるための安価な手段だけである。
【００２９】
タービンは有利な形式で、半径方向又は対角線方向のタービン段の平均的な出口直径が、半径方向又は対角線方向のタービン段に続いて配置された軸方向のタービン段の平均的な入口直径と同じである、これによって、半径方向のタービン段又は対角線方向及び軸方向のタービン段の間の流れ通路を真っ直ぐに構成することができる。
【００３０】
本発明の有利な実施態様によれば、半径方向又は対角線方向のタービン段と少なくとも１つの軸方向のタービン段とが、１つの共通の軸に配置されている。タービン段を１つの軸に共通に配置することは、タービン段が一貫して同じ回転数で駆動される場合だけ可能である。
【００３１】
本発明の選択的な構成によれば、半径方向又は対角線方向のタービン段が第１の軸に配置されていて、少なくとも１つの軸方向のタービン段が第２の軸に配置されていて、これらの軸が、伝動装置有利には遊星歯車伝動装置を介して互いに接続されている。このような２つの軸を配置した構成は、１つの軸だけの配置構成と比較して、より高価であるが、タービン段の異なる回転数を実現することができる。
【００３２】
さらにまた、半径方向又は対角線方向のタービン段、及び少なくとも１つの軸方向のタービン段は、有利な形式で１つの共通のケーシング内に配置されている。
【００３３】
また本発明は、タービンを構成するための方法に関するものである。本発明の方法によれば、少なくとも１つの軸方向のタービン段を半径方向又は対角線方向のタービン段の下流に配置し、半径方向又は対角線方向のタービン段を、前記少なくとも１つの軸方向のタービン段よりもより強い耐熱性で構成するようにした。本発明による方法は、特に、前記本発明によるタービンを構成するために適している。
【００３４】
本発明による方法の有利な実施態様によれば、タービンの定格運転中に半径方向又は対角線方向のタービン段内への入口における貫流流体が、軸方向のタービン段の材料の最大可能な軟化温度よりも高い温度を有し、半径方向又は対角線方向のタービン段からの出口における貫流流体が、タービンの軸方向のタービン段の材料の最大可能な軟化温度と同じか又はそれよりも低い温度を有するように、タービンの半径方向又は対角線方向のタービン段の段負荷を選定するようにした。
【００３５】
本発明はまた、タービン装置を運転するための方法に関する。この方法によれば、燃機関内又は蒸気発生器内の貫流流体に熱を供給し、これによって貫流流体を、タービンの軸方向のタービン段の材料の最大可能な軟化温度を超える温度に加熱し、次いでタービンの半径方向又は対角線方向のタービン段内における貫流流体を、技術的な作業を加えることによって緊張解除し、それによって半径方向又は対角線方向のタービン段からの出口における貫流流体の温度がタービンの軸方向のタービン段の材料の軟化温度と同じか又はこれよりも小さくなるようにした。
【００３６】
図面の簡単な説明
図１は、従来技術により公知な、蒸気タービン装置の高圧タービン、
図２は、本発明の第１実施例に従って構成されたタービン、
図３は、本発明の第２実施例に従って構成されたタービンを示す。
【００３７】
図面には、本発明を理解するために重要なエレメント及び構成部分しか示されていない。
【００３８】
図示の実施例は純粋に参考的なものであり、また理解し易くするためのものであるが、本発明はこの実施例だけに限定されるものではない。
【００３９】
発明を実施するための最良の形態
図１は、従来技術により公知な、蒸気タービン装置の高圧タービンとして構成されたタービン１０を示している。図示の実施例では貫流流体は水蒸気である。蒸気発生器（図１には示されていない）から送られてくる蒸気は、生蒸気流入スリーブ３１を介してタービン１０に半径方向に供給される。生蒸気流入スリーブ３１の半径方向の流入区分内に、蒸気流を整流させ、かつ／又は旋回させるために第１の静翼２０ＬＥが配置されている。次いで蒸気流は変向区分（流れ矢印３６の範囲内）内で半径方向の流れ方向（流れ矢印３５の方向）から、軸方向の流れ方向（流れ矢印３７の方向）に変向される。軸方向の流れ方向内に変向されてから初めて、蒸気流は第１のタービン段の動翼２０ＬＡを貫流し、それに続いて第１のタービン段の下流に配置された、タービン１０の別の軸方向のタービン段２１〜２８を貫流する。第１のタービン段２０（＝２０ＬＥ＋２０ＬＡ）を除くすべてのタービン段２１〜２８は、純粋に軸方向のタービン段として構成されている。第１のタービン段２０はこの実施例では、半径方向のタービン段と軸方向のタービン段とを組み合わせた半径方向・軸方向タービン段として構成されており、この場合、静翼２０ＬＥは、生蒸気流入スリーブ３１の半径方向の流入区分内に配置されていて、動翼ＬＡは、高圧タービンとして構成されたタービン１０の軸方向に貫流する区分内に配置されている。これによって、エネルギー変換率の高さは、軸方向に貫流される動翼内で最大に実現可能な流れ変向に基づいて、軸方向タービン段におけるのと同じ程度に制限される。
【００４０】
蒸気タービンに供給される蒸気が、動翼及び静翼の翼配列のために一般的な形式で用いられる材料例えば鋳鋼の軟化温度を超える高い又は非常に高い侵入温度を有している場合、少なくとも、流れ通路を形成し、かつ／又は流れ通路内に配置された、タービンのタービン段（このタービン段の範囲内で上記が軟化温度を超える温度を有している）が、耐熱材料より製造されているか、又は適当な形式で冷却されるようになっている。図１に示した実施例では、そのうちの最初の３つのタービン段２０，２１，２２が該当する。ここでは、第１の３つのタービン段の翼も、また流れ通路の通路側壁も高耐熱材料より製作されている。符号４０で示された加熱ゾーン境界は、耐熱性を高めるための手段の上流に規定される。多くの場合、この領域内における熱伝導に基づいて、軸も高耐熱性の材料より製造する必要がある。タービン１０の定格運転において、蒸気はまず第３のタービン段２２の下流で、タービン構造部のために一般的に使用される材料の軟化温度を下回る温度を有する。３つの第１のタービン段２０，２１，２２のために高耐熱性材料を使用することによって、このような蒸気タービンの製造コストは著しく高くなる。
【００４１】
これに対して、図２及び図３には蒸気タービンとして構成された本発明によるタービン１００が示されている。２つの実施例において図示されたタービンは、それぞれ半径方向の流入方向（矢印１３５で示した流れ方向で）及び軸方向の流出方向（符号１３７で示した流れ方向）を有する半径方向のタービン段１２０と、それぞれ軸方向の流入方向及び軸方向の流出方向を有する複数の軸方向のタービン段１２１，１２２，１２３，１２４，１２５とを有している。タービンの第１の段として構成された半径方向のタービン段１２０は、生蒸気スリーブ１３１の半径方向に延在する部分に直接接続している。軸宝庫のタービン段１２１，１２２，１２３，１２４，１２５は、２つの実施例では半径方向のタービン段１２０の直接下流に配置されている。
【００４２】
非常に熱い蒸気で被覆することができるようにするために、図２及び図３に示した半径方向のタービン段１２０は、それぞれ、軸方向のタービン段１２１，１２２，１２３，１２４，１２５よりも高い耐熱性を有して構成されている。これは例えば、半径方向のタービン段１２０がそれぞれ高耐熱性のニッケルをベースとした合金又はセラミック材料より製造されており、これに対して軸方向のタービン段１２１，１２２，１２３，１２４，１２５は、それぞれ一般的な鋳鋼又はニッケル・クロム鋼より製造されている。高耐熱性材料を使用する代わりに、或いは耐熱性材料を補う形で半径方向のタービン段１２０の翼は特別に断熱性のコーティング又は冷却手段を備えていてもよい。
【００４３】
従って、幾何学的にそれぞれ図１に示したほぼ半径方向・軸方向のタービン段２０の代わりに、図２及び図３に示した半径方向のタービン段１２０が用いられる。図２及び図３に示した半径方向のタービン段２０が貫流される際に、後続の軸方向のタービン段１２１〜１２５が従来のタービン材料より製造されている限りは、蒸気流の温度は低下する。半径方向及び対角線方向のタービン段２０も著しく強く負荷され、かつ軸方向のタービン段よりも著しく高いエンタルピー量を実現できるので、本発明の図２及び図３に示した実施例では、軸方向のタービン段１２１〜１２５の材料の軟化温度を十分に下回る温度を得るために、半径方向の１つのタービン段だけが必要となる。これに対して図１に示した、従来技術により公知の構成では、十分な温度低下を得るために３つの軸方向のタービン段２０，２１，２２が必要なだけである。それによって、図２及び図３に示されているように、タービンの入口における貫流流体の条件が同じであれば、それぞれ半径方向のタービン段１２０の構成部分だけが、高い耐熱性を有している。従って従来公知のタービンにおけるよりも著しく少ない部品点数で済む。
【００４４】
プロセス温度の高い効率を得るためにプロセス圧力も高められるので、タービン入口における貫流流体の容積流は比較的少ない。しかしながら容積流の量が少ないと、半径方向又は対角線方向のタービン段は、軸方向のタービン段と同じ効率を有する。従って図２及び図３に示したタービンの全効率は、図１に示したタービンと同程度であるのも拘わらず、製造コストは著しく安価で、コンパクトな寸法が得られる。
【００４５】
以下に、図２及び図３に示したタービン１００を用いて本発明によるタービンの構成を説明する。２つの実施例では、蒸気タービン装置において使用された高圧タービンのための典型的に幾何学的及びその他の使用条件、つまり約８８０ｍｍの軸直径、及び５０Ｈｚのタービン装置の定格回転数に基づいている。半径方向のタービン段１２０の動翼の設計は、従来技術により公知の、いわゆる「"Cordier-Diagramm"（例えばDubbel著、"Taschenbuch fuer den Maschinenbau（機械工学ハンドブック）"、第１８版、Ｒ２２参照）」が用いられる。このグラフにおいて、１段式のタービン機械のための、直径特性値δＭと固有回転数σＭとの間の関数的な相関関係がグラフで示されており、この場合：
【数１】
2008519192.tif 000003
【００４６】
これによって、約９０％の等エントロピー効率を有するタービン段の容認できる効率が保証される。
【００４７】
２つの実施例では、タービンの定格運転においてタービン入口の入口圧力は３００barであって、蒸気装入量は約４００ｋｇ／ｓである。これは最近の蒸気タービンのための典型的な値である。
【００４８】
タービン入口温度を６２０℃にしたい場合（これは、最近の設計による超臨界的な蒸気タービンのための典型的な値である）は、前記Cordier-Diagrammを用いて、以下の値が得られる。この場合、半径方向タービン段の出口における出口温度が５６５℃及びそれ以下である。
【００４９】
【数２】
2008519192.tif 000004
【００５０】
５６５℃及びそれ以下の温度において、半径方向のタービン段の下流の構成部分のために、耐熱性を高めるための手段は必要ない。何故ならば、この温度値は、軸方向のタービン段のために一般的な形式で使用される材料の軟化温度を下回っているからである。
【００５１】
このように構成された半径方向のタービン段１２０は、半径方向のタービン段の入口における３００barの蒸気を、半径方向のタービン段の出口において２１７barに低下させることができる。つまり圧力比は約１．４である。半径方向のタービン段の出口における温度は、約５６０℃となる。半径方向のタービン段の回転数は、平均的な直径ＤＭ≒１１２０ｍｍ、入口の翼幅が２３ｍｍそして出口の翼幅が４１ｍｍである場合に、５０Hzである。
【００５２】
半径方向のタービン段１２０の下流に配置された、第１の軸方向のタービン段１２１の静翼は、約０．２４の仮定の貫流係数において、典型的な軸方向の流入部及び翼高さ約６０ｍｍで作業する。このために第１の軸方向のタービン段１２１の静翼は、半径方向のタービン段１２０の動翼の平均的な出口直径に等しい平均的な入口直径を有している。これによって、半径方向のタービン段１２０から軸方向のタービン段１２１への移行部の領域内における直線的な貫流通路が実現され得る。
【００５３】
前記実施例により明らかなように、半径方向又は対角線方向のタービン段を、これが蒸気タービンの典型的な定格運転状態において（蒸気タービンに高い又は非常に高い入口温度を有する蒸気が装入される）、良好な効率で作業させることが可能である。このように構成されたタービン段は運転中に、半径方向又は対角線方向のタービン段内への侵入部における入口温度が軸方向のタービンの材料の可能な軟化温度を著しく越えている場合でも、下流側に配置された軸方向のタービン段が、一般的な明らかに低い温度負荷にさらされるように配慮する。
【００５４】
付加的に、図２に示した実施例において、半径方向のタービン段１２０は、軸方向のタービン段１２１〜１２５と同じ回転数で駆動される。これによって、半径方向のタービン段１２０及び軸方向のタービン段１２１〜１２５は、図２に示されているように１つの共通の軸１３０に配置することができる。ここでも、１つの連続的な共通のケーシング１３２が使用される。
【００５５】
図３に示した実施例では、蒸気タービンとして構成されたタービン１００内への侵入温度は７００℃である。これは、超超臨界タービンのための典型的な値である。また半径方向のタービン段１２０からの出口においては５６５℃又はそれよりも低い温度が必要である。このような要求から、前記Cordier-Diagrammを用いて以下の特性値が得られる。
【００５６】
【数３】
2008519192.tif 000005
【００５７】
このように構成された半径方向のタービン段１２０は、半径方向のタービン段への入口における３００barの蒸気流の圧力を、半径方向のタービン段の出口において１４５barに低下させる。つまり圧力比は約２．１である。半径方向のタービン段１２０の出口における温度は、約５６５℃である。半径方向のタービン段１２０の回転数は、平均的な直径ＤＭ≒１１２０、入口の翼幅１３ｍｍ、出口の翼幅３２ｍｍにおいて、１００Ｈｚである。
【００５８】
半径方向のタービン段２０の下流に配置された、第１の軸方向のタービン段１２１の静翼は、約０．２２の仮定の貫流係数において、典型的な軸方向の流入部及び約１００ｍｍの翼高さで作業する。第１の軸方向のタービン段１２１の静翼は、半径方向のタービン段１２０の動翼の平均的な出口直径と同じ平均的な入口直径を有している。それによって、半径方向のタービン段１２０から第１の軸方向のタービン段１２１への移行部の領域に、真っ直ぐに延在する貫流路が実現される。勿論、軸方向のタービン段１２１〜１２５の回転数は、この実施例では５０Ｈｚだけであるが、これに対して半径方向のタービン段１２０の回転数は１００Ｈｚである。
【００５９】
この実施例は、蒸気タービンの典型的な定格運転状態から出発して、タービンの入口における温度が非常に高い場合でも、蒸気タービンの入口段として半径方向又は対角線方向のタービン段を設けることが可能である、ことを示している。このように構成され、良好な効率で作業する半径方向のタービン段１２０は、運転中に、半径方向のタービン段１２０への入口における入口温度が軸方向のタービン段１２１〜１２５の材料の可能な軟化温度を著しく超えている場合でも、下流側に配置された軸方向のタービン段１２１〜１２５が著しく低い温度負荷だけにさらされるように、配慮する。耐熱性を高めるための手段の下流における熱ゾーン境界１４０は、この実施例では、半径方向のタービン段１２０と第１の軸方向のタービン段１２１との間に延在する。
【００６０】
しかしながらこの実施例では、半径方向のタービン段１２０と軸方向のタービン段１２１〜１２５とは、異なる回転数で駆動されるので、この実施例では半径方向のタービン段１２０と軸方向のタービン段１２１〜１２５とを１つの共通の軸に配置することはできない。半径方向のタービン段１２０の高い回転数は、半径方向のタービン段における大きい温度低下若しくは高いエンタルピー量を得るための要求に基づいている。大きい温度低下若しくは高いエンタルピー量は、半径方向のタービン段が高速回転するように構成されているか、又は選択的に半径方向のタービン段が非常に大きい直径を有しているか、又は選択的にタービン段の翼配列が空力学的に非常に強く負荷される場合にのみ可能である。半径方向のタービン段が非常に大きい直径を有しているか、又はタービン段の翼配列が空力学的に非常に強く負荷されるケースは、この実施例では不適当である。何故ならば、直径が非常に大きいと翼幅が小さくなり、翼の空力学的な負荷が非常に大きいと不都合な段効率が発生するからである。
【００６１】
この実施例では、半径方向のタービン段１２０が、軸方向のタービン段１２１〜１２５よりも高速で回転する。従って、半径方向のタービン段１２０は部分軸１３０−Ｉに配置されていて、軸方向のタービン段１２１〜１２５は他方の部分軸１３０−ＩＩに配置されている。この場合、半径方向のタービン段１２０を有する第１のタービン区分と、軸方向のタービン段１２１〜１２５を有する第２のタービン区分とを、それぞれ別個の軸に取付け、しかも１つの共通のケーシング１３２内に又は互いに分離された２つのケーシング内に取り付けることが可能である。
【００６２】
図３に示した部分軸１３０―Ｉ及び１３０ＩＩは、図３に図示されていない伝導装置を介して互いに接続されている。これらの軸は、遊星歯車伝動装置を介して互いに接続されていてもよいが、この場合、例えば半径方向のタービン段１２０が配置されている部分軸１３０―Ｉが、軸方向のタービン段１２１〜１２５が配置されている部分軸１３０−ＩＩを遊星歯車伝導装置内で包囲している。
【００６３】
図２及び図３に示したタービン１００は、蒸気タービン装置の高圧タービンとして配置されており、この場合、生蒸気スリーブ１３１の上流に蒸気発生器が配置されている。
【００６４】
図２及び図３に示した蒸気タービンは、蒸気タービン装置の中間圧力タービンとして配置し、この場合、新鮮蒸気スリーブの上流に一般的に中間ヒータが配置される。
【００６５】
図２及び図３に関連して記載されたタービン及びタービン装置、並びにその運転方法は、本発明の考え方を逸脱することなしに、当業者が多様な形式で直ちに変更することができる本発明の例示した実施例である。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】従来技術により公知な、蒸気タービン装置の高圧タービンを示す概略的な断面図である。
【図２】本発明の第１実施例によるタービンの概略的な断面図である。
【図３】本発明の第２実施例によるタービンの概略的な断面図である。
【符号の説明】
【００６７】
１０  タービン、
２０ＬＥ  半径方向のタービン段の静翼
２０ＬＡ  半径方向のタービン翼の動翼
２１〜２８  半径方向のタービン段
３０  軸
３１  生蒸気流入スリーブ
３２  ケーシング
３５，３６，３７  貫流媒体の流れ方向
４０  熱ゾーン境界
１００  タービン
１２０  半径方向又は対角線方向のタービン段
１２１〜１２５  軸方向のタービン段
１３０  共通軸
１３０−Ｉ，１３０−ＩＩ  部分軸
１３１  生蒸気スリーブ
１３２  ケーシング
１３５，１３６，１３７  貫流媒体の流れ方向
１４０  熱ゾーン境界
【図１】
2008519192.tif 000006
【図２】
2008519192.tif 000007
【図３】
2008519192.tif 000008
【国際調査報告】
2008519192.tif 000009
2008519192.tif 000010
2008519192.tif 000011
2008519192.tif 000012
2008519192.tif 000013
2008519192.tif 000014