(57)【要約】      （修正有）【課題】厳しい蒸気環境下での信頼性を向上させ、動翼の振動に対するダンピング特性を良好にし、安定した部分負荷運用を長期に亘って可能な地熱タービンを提供する。【解決手段】地熱タービンは、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、この静翼の下流側に対向して、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８０とからなるタービン段落を複数段に構成し、耐腐食性または耐侵食性材料からなり、動翼８０ａ，８０ｂの先端部同士を連結するカバーピース８２の一側面にテノン８３を突設するとともに他側面にテノン孔８４を形成し、カバーピースのテノン８３を一方の翼の先端部に形成されたテノン孔８５に挿入して結合させ、一方の翼８０ａのテノン孔８５には隣接する他方の翼８０ｂの先端部から突出するテノン８７を挿入して全周翼一群連結構造に構成した。【選択図】図９
2007146857.tif 000002
【特許請求の範囲】
【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、
この静翼の下流側に対向して、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、
前記カバーピースの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、前記一方の翼の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。
【請求項２】
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、
この静翼の下流側に対向して、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。
【請求項３】
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（Ｔｉ）もしくはＴｉ合金、高クロム（Ｃｒ）−鉄（Ｆｅ）合金またはＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ合金の粉末に、ＷＣ，ＣｒＣ，ＮｂＣ，ＶＣ等の炭化物もしくはＴｉＢ２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１または２に記載の地熱タービン。
【請求項４】
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−ＨＶＯＦ）で行なうことを特徴とする請求項３記載の地熱タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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２ａ，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、ＮＰＦ（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。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】
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８ａ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、蒸気タービンの低負荷運転の信頼性を向上させ、動翼の振動に対するダンピング特性を良好にし、安定した部分負荷運用を長期に亘って可能にし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、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にある。
【００４４】
さらに、本発明の別の目的は、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。
【００４５】
本発明のさらに他の目的は、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。
【課題を解決するための手段】
【００４６】
本発明に係る地熱タービンは、上述した課題を解決するために、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、この静翼の下流側に対向して、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、前記カバーピースの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、前記一方の翼の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。
【００４７】
また、本発明に係る地熱タービンは、上述した課題を解決するために、請求項２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、この静翼の下流側に対向して、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。
【００４８】
さらに、本発明に係る地熱タービンは、上述した課題を解決するために、請求項３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（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（Ｔｉ）もしくはＴｉ合金、高クロム（Ｃｒ）−鉄（Ｆｅ）合金またはＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ合金の粉末に、ＷＣ，ＣｒＣ，ＮｂＣ，ＶＣ等の炭化物もしくはＴｉＢ２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。
【００４９】
加えて、本発明に係る地熱タービンは、上述した課題を解決するために、請求項４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−ＨＶＯＦ）で行なうことを特徴とするものである。
【００５０】
また、地熱タービンの他の例は、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、この静翼の下流側に対向して、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ものである。
【００５１】
さらに、他の地熱タービンの例は、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ものであり、また、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ものである。
【００５２】
また、地熱タービンの別の例は、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、この静翼の下流側に対向して、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ものである。
【発明の効果】
【００５３】
本発明に係る地熱タービンにおいては、地熱タービンの低負荷運転の信頼性を向上させ、全周群−群連結構造の動翼により、振動に対して極めて良好なダンピング特性を有し、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優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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２６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２２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３２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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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３６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。
【００６２】
蒸気の一部は翼３６を通らず、この間隙４０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。
【００６３】
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。
【００６４】
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３８の付け根部４５付近には、これら異物が多く放出される。
【００６５】
このことから、図１に示す地熱タービン１０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。
【００６６】
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。
【００６７】
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Ｆｅとニッケル（Ｎｉ）を主成分とする合金、チタン（Ｔｉ）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。
【００６８】
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。
【００６９】
さらに、ＷＣ，ＣｒＣ，ＮｂＣ，ＶＣ等の炭化物、ＴｉＢ２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。
【００７０】
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２０〜７５μｍ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。
【００７１】
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３８ａ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。
【００７２】
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。
【００７３】
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３８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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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２６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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
第２実施形態の地熱タービン１０Ａは、タービンケーシング１１内に配設され、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とに挟持された静翼１４と、この静翼１４に下流側に対向して、タービンロータ軸２６の円周方向に翼列をなすように植設された動翼１５とからなるタービン段落を複数段に構成している。この地熱タービン１０Ａは、ノズルダイアフラム内輪１８内周面からタービンロータ軸２６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２２を設けるとともに、このシールフィン２２と対向するタービンロータ軸２６にその断面形状が台形もしくは半円形の凹凸状溝６０をシールフィン２２の凹凸に対応するように形成したものである。
【００９０】
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１１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。
【００９１】
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１２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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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６６ａ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。
【００９５】
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。
【００９６】
地熱タービン１０Ａでは、蒸気シール部６３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。
【００９７】
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。
【００９８】
しかし、図５に示されるタービンロータ２５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。
【００９９】
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２６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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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１２ｍｍ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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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８５の孔内面への腐食成分侵入を防いでいる。
【０１１６】
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８０ｂ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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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）。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
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。
【０１２６】
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。
【０１２７】
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】
【０１２８】
【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】
【０１２９】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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