JP6791777B2

JP6791777B2 - 地熱タービン

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Publication number: JP6791777B2
Application number: JP2017022699A
Authority: JP
Inventors: 亮 ▲高▼田; 光由土屋; 佑柴田
Original assignee: Mitsubishi Power Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2017-02-10
Filing date: 2017-02-10
Publication date: 2020-11-25
Anticipated expiration: 2037-02-10
Also published as: JP2018127985A; US10935007B2; WO2018146946A1; US20190345918A1

Description

本開示は、地熱タービンに関する。

従来より、地熱源（生産井）から得られた蒸気により地熱タービンを駆動して発電を行う地熱フラッシュ発電が利用されている。

地熱源から噴出する高温の熱水は、カルシウムやシリカ等の物質を多く含むため、これらの物質がセパレータで除去しきれないミストとともにタービンへ運ばれてタービンの初段静翼に付着すると、初段静翼上に炭酸カルシウムや非晶質シリカなどのスケールが析出する。スケールが析出すると、初段静翼間の流路が狭くなり、タービン性能の低下を招く。

特許文献１には、初段静翼におけるスケールの析出を抑制することを目的とした地熱タービンが開示されている。特許文献１に記載の地熱タービンでは、初段静翼と、初段静翼よりも下流側の後段静翼との間で冷却媒体をポンプによって循環させて初段静翼を冷却することで、初段静翼におけるスケール析出の抑制を図っている。

特開２０１５−３１１７４号公報

特許文献１に記載の地熱タービンでは、初段静翼におけるスケール析出を抑制できるものの、初段静翼と後段静翼との間で冷却媒体を循環させるためにポンプ等を設ける必要があるため、タービン構成が複雑化してしまう。

本発明の少なくとも一実施形態は、上述したような従来の課題に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、簡素な構成で初段静翼におけるスケール析出を抑制できる地熱タービンを提供することである。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る地熱タービンは、ロータと、前記ロータを収容するケーシングと、前記ロータの周りに設けられた複数の動翼と、前記ケーシングに支持された複数の静翼と、前記複数の静翼における初段静翼と前記複数の動翼における初段動翼との間から前記ロータの径方向内側へ流出する漏洩蒸気をシールするように、前記初段動翼よりも上流側にて前記ロータと前記ケーシングとの隙間に設けられた少なくとも一つのシール部と、を備え、前記初段静翼を通過した蒸気の一部を抽出し、前記初段静翼の内部を通って前記隙間に排出するよう構成された蒸気通路が設けられる。

本願発明者の知見によれば、初段静翼を軸方向に通過した蒸気は、初段静翼よりも温度が低い。これは、蒸気の主流（静翼と動翼とを交互に通過する軸方向の蒸気流れ）の温度が下流側に進むにつれて下がるのに対して、初段静翼は、翼本体部が主流からの入熱を受けるとともに初段静翼の外輪及び内輪がケーシングとの接触部からの入熱を受けるためであると考えられる。

したがって、上記（１）に記載のように、初段静翼を通過した蒸気の一部を抽出し、初段静翼の内部を通って上記隙間に排出するように構成された蒸気通路を設けることにより、初段静翼の内部を通る蒸気を冷却用蒸気として機能させ、初段静翼を冷却することができる。これにより、初段静翼の表面の乾燥を抑制し、初段静翼の乾湿の繰り返しに起因するスケールの析出を抑制することができる。

また、典型的な地熱タービンでは、上記隙間の圧力は、ケーシング内における初段動翼と第２段静翼の間の空間部の圧力よりも小さいため、ポンプ等を新たに設けなくとも、初段静翼を軸方向に通過した蒸気の一部を抽出して初段静翼の内部を通って（貫通孔を通って）上記隙間に排出することができる。よって、簡素な構成で、初段静翼を冷却して初段静翼におけるスケール析出を抑制することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載の地熱タービンにおいて、前記蒸気通路の蒸気出口は、前記シール部のうち少なくとも一つよりも前記漏洩蒸気の流れの下流側に設けられる。

上記（２）に記載の地熱タービンによれば、シール部のうち少なくとも一つの前後で圧力差がつくため、ケーシング内の空間のうち初段動翼と第２段静翼との間の空間部の圧力と上記隙間の圧力との差を大きくすることができる。このため、運転条件が変化しても蒸気通路に安定的に蒸気を流して初段静翼を効果的に冷却することができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（２）に記載の地熱タービンにおいて、前記静翼は、翼本体部と、前記径方向において前記翼本体部の内側に位置する内輪とを含み、前記少なくとも一つのシール部は、前記ロータと前記初段静翼の前記内輪との間に設けられた内輪シール部を含み、前記蒸気通路の蒸気出口は、前記内輪シール部よりも前記漏洩蒸気の流れの下流側に設けられる。

上記（３）に記載の地熱タービンによれば、内輪シール部の前後で圧力差がつくため、ケーシング内の空間のうち初段動翼と第２段静翼との間の空間部の圧力と上記隙間の圧力との差を大きくすることができる。このため、運転条件が変化しても蒸気通路に安定的に蒸気を流して初段静翼を効果的に冷却することができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れか１項に記載の地熱タービンにおいて、前記静翼は、翼本体部と、前記径方向において前記翼本体部の内側に位置する内輪とを含み、前記蒸気通路の蒸気出口は、前記ケーシングと前記初段静翼の前記内輪との境界に有する。

上記（４）に記載の地熱タービンによれば、ケーシングと初段静翼の内輪との境界部分（結合部分）を利用して初段静翼の内部を通った蒸気を上記隙間に排出することができるため、蒸気通路の構成を簡素化することができ、低コストで初段静翼におけるスケール析出を抑制することができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れか１項に記載の地熱タービンにおいて、前記静翼は、翼本体部と、前記径方向において前記翼本体部の内側に位置する内輪とを含み、前記少なくとも一つのシール部は、前記ロータと前記初段静翼の前記内輪との間に設けられた内輪シール部を含み、前記内輪シール部は、前記ロータと対向するロータ対向面と、前記ロータ対向面よりも前記漏洩蒸気の流れ方向における上流側に位置する上流面と、前記ロータ対向面よりも前記漏洩蒸気の流れの下流側に位置する下流面とを含み、前記蒸気通路の蒸気出口は、前記下流面に設けられる。

上記（５）に記載の地熱タービンによれば、内輪シール部の前後で圧力差がつくため、ケーシング内の空間のうち初段動翼と第２段静翼との間の空間部の圧力と上記隙間の圧力との差を大きくすることができる。このため、運転条件が変化しても蒸気通路に安定的に蒸気を流して初段静翼を効果的に冷却することができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（５）の何れか１項に記載の地熱タービンにおいて、前記静翼は、翼本体部と、前記径方向において前記翼本体部の内側に位置する内輪と、前記径方向において前記翼本体部の外側に位置する外輪とを含み、前記初段静翼の前記内輪及び前記初段静翼の前記外輪の少なくとも一方は、内部に環状の空洞部を有する。

上記（６）に記載の地熱タービンによれば、初段静翼の内輪及び外輪の少なくとも一方の内部に環状の空洞部を設けることにより、ケーシングから初段静翼の翼本体部への入熱を抑制することができる。これにより、初段静翼の温度上昇を抑制し、初段静翼におけるスケール析出を抑制することができる。

本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、簡素な構成で初段静翼におけるスケール析出を抑制できる地熱タービンが提供される。

本発明に係る地熱タービン２の適用例としての地熱発電システム１００を示す図である。地熱タービン２の概略構成を示す断面図である。一実施形態に係る地熱タービン２（２Ａ）におけるシール部３０近傍の構成を示す断面図である。一実施形態に係る地熱タービン２（２Ａ）におけるシール部３０近傍の構成を示す断面図である。一実施形態に係る地熱タービン２（２Ｂ）におけるシール部３０近傍の構成を示す断面図である。一実施形態に係る地熱タービン２（２Ｃ）におけるシール部３０近傍の構成を示す断面図である。空洞部４８の構成を説明するための図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は、本発明に係る地熱タービン２の適用例としての地熱発電システム１００を示す図である。
地熱発電システム１００は、地下深部の熱源により高温高圧の熱水及び蒸気を発生する生産井４と、生産井から得られた熱水と蒸気とを分離するセパレータ６と、セパレータ６で分離された熱水が戻される還元井８と、セパレータ６で分離された蒸気により駆動する地熱タービン２と、地熱タービン２に接続された発電機１０と、地熱タービン２を通過した蒸気を温水化する復水器１２と、復水器１２で生じた温水を冷却する冷却塔１４とを備える。

図２は、地熱タービン２の概略構成を示す断面図である。
図２に示すように、地熱タービン２は、ロータ１６と、ロータ１６を収容するケーシング１８と、ロータ１６の周りに設けられた複数の動翼２０と、ケーシング１８に支持された複数の静翼２２とを備える。

静翼２２の各々は、翼本体部２４と、ロータ１６の径方向において翼本体部２４の内側に位置する内輪２６と、ロータ１６径方向において翼本体部２４の外側に位置する外輪２８とを含む。複数の静翼２２における初段静翼２２ｆでは、内輪２６及び外輪２８がケーシング１８に結合されており、複数の静翼の２２のうち初段静翼２２ｆ以外の静翼２２では、外輪２８のみがケーシング１８に結合されている。

以下では、特記しない限り、ロータ１６の径方向を単に「径方向」といい、ロータ１６の軸方向を単に「軸方向」といい、ロータ１６の周方向を単に「周方向」という。また、特記しない限り、ケーシング１８内を流れる主流ｆ（静翼２２と動翼２０とを交互に通過する軸方向の蒸気流れ）の流れ方向における上流側と下流側をそれぞれ単に「上流側」「下流側」という。

図３は、一実施形態に係る地熱タービン２（２Ａ）におけるシール部３０近傍の構成を示す断面図である。
図３に示すように、地熱タービン２は、複数の静翼２２における初段静翼２２ｆと複数の動翼２０における初段動翼２０ｆとの間からロータ１６の径方向内側へ流出する漏洩蒸気Ｇｒをシールするように、初段動翼２０ｆよりも軸方向における上流側にてロータ１６とケーシング１８との隙間ｇに設けられた少なくとも一つのシール部３０（３０Ａ）を含む。シール部３０は環状構造を有しており、シール部３０の内周面とロータ１６の外周面との間にラビリンス構造を形成している。

また、地熱タービン２には、初段静翼２２ｆを通過した蒸気の一部を抽出し、初段静翼２２ｆの内部を通って隙間ｇに排出するよう構成された蒸気通路３２が設けられている。図示する例示的形態では、初段静翼２２ｆは、翼本体部２４を径方向に貫通する貫通孔３４を有しており、蒸気通路３２の蒸気入口３６は、初段静翼２２ｆの外輪２８に設けられており、蒸気通路３２の蒸気出口３８は、初段静翼２２ｆの内輪２６の内周面４０に設けられている。蒸気通路３２は、ケーシング１８内の空間Ｓのうち、複数の動翼２０における初段動翼２０ｆと複数の静翼２２における第２段静翼２２ｓとの間の空間部Ｓ１の蒸気を蒸気入口３６から抽出し、貫通孔３４を通って蒸気出口３８から隙間ｇに排出するよう構成されている。

本願発明者の知見によれば、初段静翼２２ｆを軸方向に通過した蒸気は、初段静翼２２ｆよりも温度が低い。これは、主流ｆの温度が下流側に進むにつれて下がるのに対して、初段静翼２２ｆは、翼本体部２４が主流ｆからの入熱を受けるとともに初段静翼２２ｆの外輪２８及び内輪２６がケーシング１８との接触部からの入熱を受けるためであると考えられる。

したがって、初段静翼２２ｆを軸方向に通過した蒸気の一部を抽出し、初段静翼２２ｆの内部を通って隙間ｇに排出するように構成された蒸気通路３２を設けることにより、初段静翼２２ｆの内部を通る蒸気を冷却用蒸気として機能させ、初段静翼２２ｆを冷却することができる。これにより、初段静翼２２ｆの表面の乾燥を抑制し、初段静翼２２ｆの乾湿の繰り返しに起因するスケールの析出を抑制することができる。

また、典型的な地熱タービンでは、隙間ｇの圧力は、ケーシング１８内における初段動翼２０ｆと第２段静翼２２ｓの間の空間部Ｓ１の圧力よりも小さいため、ポンプ等を新たに設けなくとも、初段静翼２２ｆを軸方向に通過した蒸気の一部を初段静翼２２ｆの内部を通って（貫通孔３４を通って）隙間ｇに導くことができる。よって、簡素な構成で、初段静翼２２ｆを冷却して初段静翼２２ｆにおけるスケール析出を抑制することができる。

なお、図４に示す形態では、ロータ１６は、初段動翼２０ｆが固定されるディスク部２１を含み、ディスク部２１は、軸方向に貫通するバランスホール２３を有する。本願発明者の知見によれば、図４に示すように、シール部３０Ａを通過する漏洩蒸気Ｇの流量は、バランスホール２３を介して隙間ｇに流入する漏洩蒸気ＧＢの流量と、漏洩蒸気Ｇｒの流量と、初段静翼２２ｆの内部を通って隙間ｇに導かれる蒸気Ｇｔ（以下、「冷却用蒸気Ｇｔ」という。）の流量との合計に等しくなるが、漏洩蒸気Ｇの流量は、冷却用蒸気Ｇｔの有無によってはほとんど変化しないため、冷却用蒸気Ｇｔを上記空間部Ｓ１から抽出することによる地熱タービンの性能低下はほとんど起きない。

図５は、一実施形態に係る地熱タービン２（２Ｂ）におけるシール部３０近傍の構成を示す断面図である。地熱タービン２（２Ｂ）に係る基本構成は、地熱タービン２（２Ａ）に係る基本構成と同様であるため、前述の符号と同一の符号を付して説明を省略する。地熱タービン２（２Ｂ）は、蒸気通路３２の蒸気出口３８の構成が地熱タービン２（２Ａ）と異なる。

図５に示す地熱タービン２（２Ｂ）では、少なくとも一つのシール部３０は、シール部３０Ａと、初段静翼２２ｆと初段動翼２０ｆとの間からロータ１６の径方向内側へ流出する漏洩蒸気Ｇｒをシールするように初段静翼２２ｆの内輪２６とロータ１６との間に設けられた内輪シール部３０Ｂとを含む。そして、蒸気通路３２の蒸気出口３８は、内輪シール部３０Ｂよりも漏洩蒸気Ｇｒの流れの下流側に設けられている。
かかる構成によれば、内輪シール部３０Ｂの前後で圧力差がつくため、初段動翼２０ｆと第２段静翼２２ｓとの間の空間部Ｓ１の圧力と隙間ｇの圧力との差を大きくすることができる。このため、運転条件が変化しても蒸気通路３２に安定的に蒸気を流して初段静翼２２ｆを効果的に冷却することができる。

また、図５に示す形態では、蒸気通路３２の蒸気出口３８は、ケーシング１８と初段静翼２２ｆの内輪２６との境界に設けられている。
かかる構成によれば、ケーシング１８と初段静翼２２ｆの内輪との境界部分（結合部分）を利用して初段静翼２２ｆの内部を通った蒸気を隙間ｇに排出することができるため、蒸気通路３２の構成を簡素化することができ、低コストで初段静翼２２ｆにおけるスケール析出を抑制することができる。

図６は、一実施形態に係る地熱タービン２（２Ｃ）におけるシール部３０近傍の構成を示す断面図である。地熱タービン２（２Ｃ）に係る基本構成は、地熱タービン２（２Ａ，２Ｂ）に係る基本構成と同様であるため、前述の符号と同一の符号を付して説明を省略する。地熱タービン２（２Ｃ）は、蒸気通路３２の蒸気出口３８の構成が地熱タービン２（２Ａ，２Ｂ）と異なる。

図６に示す地熱タービン２（２Ｃ）では、少なくとも一つのシール部３０は、シール部３０Ａと、初段静翼２２ｆと初段動翼２０ｆとの間からロータ１６の径方向内側へ流出する漏洩蒸気Ｇｒをシールするように初段静翼２２ｆの内輪２６とロータ１６との間に設けられた内輪シール部３０Ｃとを含む。内輪シール部３０Ｃは、ロータ１６と対向するロータ対向面４２と、ロータ対向面４２よりも漏洩蒸気Ｇｒの流れの上流側に位置する上流面４４と、ロータ対向面４２よりも漏洩蒸気Ｇｒの流れの下流側に位置する下流面４６とを含む。内輪シール部３０Ｃは、ロータ対向面４２においてロータ１６との間にラビリンス構造を有しており、蒸気通路３２の蒸気出口３８は、下流面４６に設けられている。

かかる構成においても、内輪シール部３０Ｃの前後で圧力差がつくため、初段動翼２０ｆと第２段静翼２２ｓとの間の空間部Ｓ１の圧力と隙間ｇの圧力との差を大きくすることができる。このため、運転条件が変化しても蒸気通路３２に安定的に蒸気を流して初段静翼２２ｆを効果的に冷却することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

例えば、幾つかの実施形態では、図７に示すように、上述した地熱タービン２（２Ａ〜２Ｃ）において、初段静翼２２ｆの内輪２６及び初段静翼２２ｆの外輪２８の少なくとも一方（図示する形態では両方）は、内部に環状の空洞部４８を有していてもよい。

かかる構成によれば、初段静翼２２ｆの内輪２６及び外輪２８の少なくとも一方の内部に環状の空洞部４８を設けることにより、ケーシング１８から初段静翼の翼本体部２４への入熱を抑制することができる。これにより、初段静翼２２ｆの温度上昇を抑制し、初段静翼２２ｆにおけるスケール析出を抑制することができる。

２地熱タービン
４生産井
６セパレータ
８還元井
１０発電機
１２復水器
１４冷却塔
１６ロータ
１８ケーシング
２０動翼
２０ｆ初段動翼
２２静翼
２２ｆ初段静翼
２２ｓ第２段静翼
２４翼本体部
２６内輪
２８外輪
３０シール部
３０Ａシール部
３０Ｂ内輪シール部
３０Ｃ内輪シール部
３２蒸気通路
３４貫通孔
３６入口開口
３８出口開口
４０内周面
４２ロータ対向面
４４上流面
４６下流面
４８空洞部
１００地熱発電システム

Claims

ロータと、
前記ロータを収容するケーシングと、
前記ロータの周りに設けられた複数の動翼と、
前記ケーシングに支持された複数の静翼と、
前記複数の静翼における初段静翼と前記複数の動翼における初段動翼との間から前記ロータの径方向内側へ流出する漏洩蒸気をシールするように、前記初段動翼よりも上流側にて前記ロータと前記ケーシングとの隙間に設けられた少なくとも一つのシール部と、
を備える地熱タービンであって、
前記初段静翼を通過した蒸気の一部を抽出し、前記初段静翼の内部を通って前記隙間に排出するよう構成された蒸気通路が設けられ、
前記静翼は、翼本体部と、前記径方向において前記翼本体部の内側に位置する内輪とを含み、
前記蒸気通路の蒸気出口は、前記ケーシングと前記初段静翼の前記内輪との境界に有する、
地熱タービン。
ロータと、
前記ロータを収容するケーシングと、
前記ロータの周りに設けられた複数の動翼と、
前記ケーシングに支持された複数の静翼と、
前記複数の静翼における初段静翼と前記複数の動翼における初段動翼との間から前記ロータの径方向内側へ流出する漏洩蒸気をシールするように、前記初段動翼よりも上流側にて前記ロータと前記ケーシングとの隙間に設けられた少なくとも一つのシール部と、
を備える地熱タービンであって、
前記初段静翼を通過した蒸気の一部を抽出し、前記初段静翼の内部を通って前記隙間に排出するよう構成された蒸気通路が設けられ、
前記静翼は、翼本体部と、前記径方向において前記翼本体部の内側に位置する内輪とを含み、
前記地熱タービンは、前記ロータと前記初段静翼の前記内輪との間に設けられた内輪シール部をさらに備え、
前記内輪シール部は、前記ロータと対向するロータ対向面と、前記ロータ対向面よりも前記漏洩蒸気の流れ方向における上流側に位置する上流面と、前記ロータ対向面よりも前記漏洩蒸気の流れの下流側に位置する下流面とを含み、
前記蒸気通路の蒸気出口は、前記下流面に設けられた、
地熱タービン。
前記蒸気通路の蒸気出口は、前記シール部のうち少なくとも一つよりも前記漏洩蒸気の流れの下流側に設けられた、請求項１又は２に記載の地熱タービン。
前記静翼は、翼本体部と、前記径方向において前記翼本体部の内側に位置する内輪とを含み、
前記地熱タービンは、前記ロータと前記初段静翼の前記内輪との間に設けられた内輪シール部をさらに備え、
前記蒸気通路の蒸気出口は、前記内輪シール部よりも前記漏洩蒸気の流れの下流側に設けられた、請求項３に記載の地熱タービン。
前記静翼は、翼本体部と、前記径方向において前記翼本体部の内側に位置する内輪と、前記径方向において前記翼本体部の外側に位置する外輪とを含み、
前記初段静翼の前記内輪及び前記初段静翼の前記外輪の少なくとも一方は、内部に環状の空洞部を有する、請求項１乃至４の何れか１項に記載の地熱タービン。