特許 6931991 蒸気タービン、蒸気タービンノズル、並びに蒸気タービンで水分を管理する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6931991

(24)【登録日】2021年8月19日

(45)【発行日】2021年9月8日

(54)【発明の名称】蒸気タービン、蒸気タービンノズル、並びに蒸気タービンで水分を管理する方法

(51)【国際特許分類】

   F01D 9/02 20060101AFI20210826BHJP

   F01D 25/00 20060101ALI20210826BHJP

   B23K 26/362 20140101ALI20210826BHJP

【ＦＩ】

   F01D9/02 103

   F01D25/00 Q

   F01D25/00 X

   B23K26/362

【請求項の数】10

【外国語出願】

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2016-231917(P2016-231917)

(22)【出願日】2016年11月30日

(65)【公開番号】特開2017-106451(P2017-106451A)

(43)【公開日】2017年6月15日

【審査請求日】2019年11月17日

(31)【優先権主張番号】14/966,466

(32)【優先日】2015年12月11日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】390041542

【氏名又は名称】ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ

(74)【代理人】

【識別番号】100105588

【弁理士】

【氏名又は名称】小倉 博

(74)【代理人】

【識別番号】100129779

【弁理士】

【氏名又は名称】黒川 俊久

(74)【代理人】

【識別番号】100113974

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 拓人

(72)【発明者】

【氏名】セオドア・ウィリアム・ファンドレイ，セカンド

【審査官】 所村 陽一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−１２０４７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−３０９２３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／０３２８９０５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００６／００９１１２３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１０−２０３４３８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０１Ｄ ９／０２

Ｂ２３Ｋ ２６／３６２

Ｆ０１Ｄ ２５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

蒸気タービン（１００）であって、当該蒸気タービン（１００）が、
タービンケーシング（１１０，１２０，１３０）と、
タービンケーシング（１１０，１２０，１３０）に配置されたタービンロータ（１０１）と、
タービンロータ（１０１）から延在する１以上のバケット（１３１）と、
タービンケーシング（１１０，１２０，１３０）によって支持された１以上のノズル（１３３）と
を備えており、
１以上のバケット（１３１）の除去面（１３４）上のレーザーエッチングされたナノスケールの模様からなる１以上の親水性表面模様（１３５）が、蒸気タービン（１００）の水分管理を向上させるために、除去面（１３４）の水分をタービンケーシング（１１０，１２０，１３０）から離れてタービンロータ（１０１）に向かう方向に導き、
１以上の親水性表面模様（１３５）の模様の配向が、蒸気タービン（１００）の運転中に、水分の流れを、タービンケーシング（１１０，１２０，１３０）から離れてタービンロータ（１０１）に向かう方向に導き、
１以上の親水性表面模様（１３５）が、１以上のバケット（１３１）の長さの上部３０％の領域から水分をタービンロータ（１０１）の方へ導くように配置されている、蒸気タービン（１００）。

【請求項2】

親水性表面模様（１３５）が、超親水性の模様である、請求項１に記載の蒸気タービン（１００）。

【請求項3】

１以上のノズル（１３３）がノズル壁（１４１）を含み、ノズル壁（１４１）が、内面（１４３）、外面（１４５）、内面（１４３）から外面（１４５）へとノズル壁（１４１）を通る１以上の抽出口（１３７）、１以上の抽出口（１３７）を通しての水分除去を向上させるためにノズル壁（１４１）の外面（１４５）に１以上の抽出口（１３７）に隣接して配置される第２の除去面（１３４）、及び第２の除去面（１３４）上のレーザーエッチングされた第２のナノスケールの模様からなる第２の親水性表面模様（１３５）を含む、請求項１又は請求項２に記載の蒸気タービン（１００）。

【請求項4】

第２の除去面（１３４）が、１以上の抽出口（１３７）に隣接して、ノズル壁（１４１）の上流側に配置される、請求項３に記載の蒸気タービン（１００）。

【請求項5】

第２の親水性表面模様（１３５）が、第２の除去面（１３４）の水分を１以上の抽出口（１３７）の方へ導く、請求項３又は請求項４に記載の蒸気タービン（１００）。

【請求項6】

１以上の抽出口（１３７）がスリットである、請求項３乃至請求項５のいずれか１項に記載の蒸気タービン（１００）。

【請求項7】

タービンケーシング（１１０，１２０，１３０）の表面に配置された第３の除去面（１３４）上の第３の親水性表面模様であって、水分をタービンケーシング（１１０，１２０，１３０）の排水口（１３９）の方へ導く第３の親水性表面模様をさらに含む、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の蒸気タービン（１００）。

【請求項8】

蒸気タービン（１００）において水分を管理する方法であって、当該方法が、
蒸気タービン（１００）の水分管理を向上させるために、蒸気タービン（１００）の１以上のバケット（１３１）の１以上の除去面（１３４）に、除去面（１３４）の水分をタービンケーシング（１１０，１２０，１３０）から離れてタービンロータ（１０１）に向かう方向に導くように構成されたレーザーエッチングされたナノスケールの模様からなる１以上の親水性表面模様（１３５）をレーザーエッチングするステップ
を含んでおり、蒸気タービン（１００）が、
タービンケーシング（１１０，１２０，１３０）と、
タービンケーシング（１１０，１２０，１３０）に配置されたタービンロータ（１０１）と、
タービンロータ（１０１）から延在する１以上のバケット（１３１）と、
タービンケーシング（１１０，１２０，１３０）によって支持された１以上のノズル（１３３）と
を備えており、
１以上の親水性表面模様（１３５）の模様の配向が、蒸気タービン（１００）の運転中に、水分の流れを、タービンケーシング（１１０，１２０，１３０）から離れてタービンロータ（１０１）に向かう方向に導き、
１以上の親水性表面模様（１３５）が、１以上のバケット（１３１）の長さの上部３０％の領域から水分をタービンロータ（１０１）の方へ導くように配置されている、方法。

【請求項9】

当該方法が、
内面（１４３）及び外面（１４５）を有する１以上のノズル（１３３）のノズル壁（１４１）を形成するステップと、
外面（１４５）から内面（１４３）へとノズル壁（１４１）を通る１以上の抽出口（１３７）を形成するステップと
をさらに含んでいて、ノズル壁（１４１）の外面（１４５）に抽出口（１３７）に隣接して第２の除去面（１３４）が配置される、請求項８に記載の方法。

【請求項10】

レーザーエッチングするステップが、１〜５００ｎｍの大きさ範囲のパターニングで、高エネルギーフェムト秒レーザーパルスを用いて除去面（１３４）をレーザーエッチングすることを含む、請求項８又は請求項９に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、蒸気タービンに関する。より詳細には、本発明は、水分管理向上のための親水性表面模様を有する、蒸気タービンに関する。

【背景技術】

【0002】

蒸気タービンは、ボイラによって生成された高温高圧の蒸気のエネルギーを回転エネルギーに変換することによって発電するために、静翼（ノズル）及び動翼（バケット）の翼列に蒸気を供給することによって、蒸気の流れから仕事を取り出す。典型的な蒸気タービンは、複数のホイールに関連付けられたロータを備えることができる。ホイールは、一連のタービン段を画成するように、ロータの長さに沿って互いに離間されていてもよい。タービン段は、タービンの入口から出口へと流路を流れてくる蒸気から、効率的な方法で、有用な仕事を取り出すように設計される。蒸気が流路に沿って流れると、ホイールが蒸気によってロータを駆動させる。蒸気は徐々に膨張し、蒸気の温度及び圧力は、徐々に低下する場合がある。蒸気は、その後、再使用その他のために、タービンの出口から排出される。蒸気の温度が上昇すると、抽出できるエネルギー全体が増加するため、高温蒸気タービンは、増大した出力を生成することができる。

【0003】

一般的に言うと、典型的な蒸気タービンは、高圧部、中間圧部、及び低圧部を含むことができる。この部分は、各部が任意の数の段を含み、直列して配置することができる。この部分で、ロータを駆動させるために、蒸気から仕事が取り出される。この部分同士の間で、次の部分で仕事を行うための蒸気が再加熱されてもよい。高圧部及び中間圧部は、蒸気タービン全体の出力を増加させるように、比較的高温で動作することができる。

【0004】

圧力及び温度が変化するにつれて、蒸気は湿るようになる。蒸気がバケット及びノズルのタービン段を通るにつれて、蒸気に含まれる水分が、ノズルを含むタービン表面で凝縮して細かい水滴になる。このような細かい水滴は、集まって粗い水滴になり、蒸気流によって散乱し、ノズルの下流のバケットに衝突する。高速による衝撃のため、この衝突によってバケットのトルクが減衰し、タービンの総合性能が低下する。粗い水滴は、また、バケットの表面の侵食を引き起こし、これは、空気力学的性能、及びバケットの部分厚さを低下させて、耐用寿命を短縮する。

【0005】

蒸気に含まれる水分は、水の膜の形態で、主にノズルの凹面に蒸着する。水膜は、ノズルの表面にわたって形成され、厚さを増しながら後縁へと流れる。水膜は、水滴としてノズルの後縁から放出される。水膜が厚いと、大きく粗い水滴が放出される。

【0006】

蒸気タービンでは、水滴の形態の後段の水分は、最終段のタービンブレードに著しい侵食を生成する場合がある。水滴の大きさが増すにつれて、水滴によって引き起こされる侵食の規模が増大するので、水分の除去又は別の方法で、粗い水滴の形成を防止することが、侵食を減少させるのに有効な場合がある。従来は、後段のブレードにコバルトクロム合金（米国ペンシルベニア州ラトローブのＫｅｎｎａｍｅｔａｌ社によってＳｔｅｌｌｉｔｅの登録商標で販売されているもの等）の浸食保護を取り付けること、バケットにスリンガ溝を用いること、バケットの前縁を火炎焼き入れすること、水滴浸食特性を改善した合金を選択すること、又はケーシングを介した抽出を改善すること等の保護方法を制御に取り入れてきた。上流のダイヤフラムノズルにおける、スリット又は穴を介した抽出もまた、水分除去に用いられてきた。水分除去の他の方法は、局所的に蒸気流を加熱すること、又はノズルを加熱することを含む。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】米国特許第８９９８５７１号明細書

【発明の概要】

【0008】

例示的な実施形態では、蒸気タービンは、タービンケーシング、タービンケーシングに配置されたタービンロータ、タービンロータから延在する１以上のバケット、及びタービンケーシングによって支持された１以上のノズルを備える。タービンケーシング、バケット、及びノズルのうちの１以上の除去面にある、１以上の親水性表面模様は、蒸気タービンの水分除去を向上させるために、除去面の水分を所定の方向に導く。

【0009】

別の例示的な実施形態では、蒸気タービンノズルはノズル壁を備え、ノズル壁は、内面、外面、外面から内面へとノズル壁を通る１以上の抽出口、並びに抽出口に隣接した、ノズル壁の外面の親水性表面模様を有する。

【0010】

さらに別の実施形態では、水分除去向上のための、蒸気タービンを形成する方法は、蒸気タービンの水分除去を向上させるために、除去面の水分を所定の方向に導くように、蒸気タービンのタービンケーシング、１以上のバケット、及び１以上のノズルのうちの１つの除去面に、１以上の親水性表面模様をレーザーエッチングするステップを含む。蒸気タービンは、タービンケーシング、タービンケーシングに配置されたタービンロータ、タービンロータから延在するバケット、及びタービンケーシングによって支持されたノズルを備える。

【0011】

本発明の他の特徴及び利点は、本発明の原理を例として図示する添付の図面と併せて、以下の好ましい実施形態のより詳細な説明から明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本開示による、蒸気タービンシステムを概略的に示す。

【図2】本開示による、親水性表面模様を有する図１の蒸気タービンの、低圧部の一部を概略的に示す。

【図3】本開示による、抽出口、及び親水性表面模様を有する、ノズルの断面を概略的に示す。

【図4】本開示による、複数の抽出口、及び親水性表面模様を有する、ノズルの断面を概略的に示す。

【図5】本開示による、複数の抽出口、及び複数の親水性表面模様を有する、ノズルの断面を概略的に示す。

【発明を実施するための形態】

【0013】

可能な限り、全図面を通して、同一の参照符号は同一の部品を示すように用いられる。

【0014】

蒸気タービンにおいて、１以上の所定の方向に表面水分を導く、１以上の親水性表面模様が提供される。いくつかの実施形態では、親水性表面模様は、親水性表面を生成する、レーザーエッチングされたナノスケールの模様である。いくつかの実施形態では、親水性表面模様は、超親水性表面を生成する。本開示の実施形態は、例えば、本明細書に開示された特徴のうちの１つ以上を含まない概念と比較して、水分除去の向上、蒸気タービンの特に低圧部の水分によって引き起こされる侵食の低減、又はこれらの組合せによって、水分管理の向上を可能にする。

【0015】

マージン段タービンバケットの侵食を制御することは、望ましくかつしばしば必要とされている。タービン設計が発達するにつれて、設計者は、大量の水分の存在、及び新たな材料の存在に直面することが多くなり、新たな材料のいくつかは、従来の遮蔽物で保護することが難しいものである。水分を効率的に除去し、水滴の寸法及び位置を制御することは、マージンバケットの寿命、及びタービンの空気力学的効率を向上させる。水分を削減し侵食を減らすことによって、最初に設計された翼形部の形状がより長期間維持されるため、タービン効率に良い影響を及ぼす。既存技術では単にスリットや穴や被膜を利用しているのに対して、この親水性表面模様を用いることによって、水分除去の高効率化が達成される。

【0016】

親水性表面模様の使用により、水分を抽出口の方へより効率的に導くのに必要な抽出口の数、大きさ、及び／又は位置を最適化することも可能になる。この最適化により、好ましくは、抽出口の数及び大きさが最小化される。抽出口の大きさ及び数を最小化することで、ノズル内部の高い真空度を回避することによって、タービン性能の効率性がさらに向上する。真空度を低下させることにより、ノズルの中に入る水蒸気の量を少なくし、より大きい動力を供給するために、下流で使用できる蒸気を多く残す。いくつかの実施形態では、親水性表面模様は、親水性又は超親水性の、レーザーエッチングされたナノスケールの模様である。

【0017】

抽出口から逃げる水滴の頻度が減少するため、流れからより多くの水分が除去される。スリットや穴の数を減らすことで、製造コストを削減する。スリット／穴を少なくすることで、抽出口が介在することによって起こる、ノズルの応力集中部の数を減らすことができ、ノズルの製造に安価な材料を用いることができる。

【0018】

ダイヤフラムノズルに基づく抽出システムでは、親水性表面模様は戦略的に、抽出点として働く抽出口の前面に配置されて、より大きい表面領域からの、凝縮した水分の抽出点の方への誘引を向上させることができる。いくつかの実施形態では、抽出口は、穴又はスリットである。これは、抽出される水の量を改善し、効率的な侵食の低減を達成するのに必要な穴やスリットの数及び大きさを減少させるために用いることができる。回転するロータ及びバケットからの遠心力が、バケットに蒸着した水分をロータから引き離し、ノズルの上部又はケーシングに蒸着させる。親水性表面模様及び抽出口は、好ましくは、ノズルの長さの上部４０％から離れた水分を集めるために配置される。親水性表面模様及び抽出口は、より好ましくは、ノズルの長さの上部３０％から離れた水分を集めるために配置される。ケーシング内からノズルの内部キャビティに印加された減圧又は吸引力は、抽出口を介して集められた水分をノズル内部キャビティから除去する。

【0019】

いくつかの実施形態では、親水性表面模様は、水分をロータの方に向かって下方に導いてケーシングから離すために、バケットに配置される。回転するロータ及びバケットからの遠心力は、バケットに蒸着した水分をロータから引き離してケーシングの方へ向かわせるが、バケットの親水性表面模様は、その水分の移動の一部に対抗する働きをする。親水性表面模様は、好ましくは、バケットの長さの上部４０％の領域から、水分をロータの方へ導くために配置される。親水性表面模様は、より好ましくは、バケットの長さの上部３０％の領域から、水分をロータの方へ導くために配置される。大きい水滴は、下流表面に当たることによって大規模な浸食を引き起こすが、親水性表面模様は、小さい水滴が凝集して大きい水滴になるのを防止することによってバケットから落ちてくる水滴の大きさを小さくする、一連の幅の狭い模様を有することができる。

【0020】

いくつかの実施形態では、親水性表面模様は、排水口に向かうより大きい表面領域からの、凝縮した水分の誘引を向上するように、ノズル、又はケーシングの排水口近くのケーシング表面に配置される。

【0021】

親水性表面模様用の上述した位置のそれぞれは、単独で用いられるか、又はその他の位置と任意に組合せて用いられてもよい。

【0022】

本発明の様々な実施形態の要素が紹介されるときの「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「この（ｔｈｅ）」という冠詞、及び「前記（ｓａｉｄ）」は、１つ以上の要素の存在を意味することを意図している。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、及び「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語は、包括的であることを意図し、かつ記載されている要素以外に追加の要素が含まれ得ることを意味する。

【0023】

発電に用いるシステムは、これに限定されないが、蒸気タービン、ガスタービン、並びに発電用の蒸気タービン又は地上設置航空転用型等の、他のタービン組立体を含む。いくつかの用途では、その中にターボ機械（例えばタービン、圧縮機、及びポンプ）その他の機械を含む発電システムは、過酷な摩耗条件にさらされる物品を含んでいてもよい。例えば、回転する物品は、蒸気タービンロータもしくはホイール、又はガスタービンロータもしくはホイール等の、いくつかの発電システムの構成部品を含み、高熱高回転の環境で動作することができる。

【0024】

図１は、本開示による、蒸気タービンシステム１００の例を概略的に示す。蒸気タービンシステム１００は、回転軸１０３の周りで回転可能に取り付けられた、タービンロータ１０１を備える。蒸気タービンシステム１００は、高圧（ＨＰ）部１０５、中間圧（ＩＰ）部１０７、及び低圧（ＬＰ）部１０９を備え、それぞれがロータ１０１に取り付けられている。図１は、ＨＰ部１０５、ＩＰ部１０７、及びＬＰ部１０９の１つの配置を示しているが、本開示はそのように限定されるものではなく、ＨＰ部１０５、ＩＰ部１０７、及び／又はＬＰ部１０９の任意適当な配置が用いられてもよい。ＨＰ部１０５、ＩＰ部１０７、及びＬＰ部１０９は、それぞれ、ブレード又はバケット１３１を備え（図２を参照）、これは、ＨＰ部１０５、ＩＰ部１０７、及びＬＰ部１０９のそれぞれの、ＨＰケーシング１１０、ＩＰケーシング１２０、及びＬＰケーシング１３０内で、それぞれロータ１０１に径方向に取り付けられる。バケット１３１は、各部に供給された蒸気によって駆動され、バケット１３１の回転は、機械的仕事を生成するこの蒸気から生じる。タービンシステム１００で生成された機械的仕事は、ロータ１０１を介して、発電機等の外部負荷１０４を駆動させる。

【0025】

図１に示すように、高圧蒸気は、高圧蒸気入口１１１を介して供給される。蒸気は、高圧蒸気出口１１３でＨＰ部１０５から排出されて再熱器１１５に供給され、ここで蒸気に熱が加えられる。再熱器１１５から、蒸気は中間圧蒸気入口１１７を介してＩＰ部１０７に供給される。蒸気は、中間圧蒸気出口１１９でＩＰ部１０７から排出されて、低圧蒸気入口１２１を介してＬＰ部１０９に供給される。蒸気は、次に、低圧出口１２３を介して、ＬＰ部１０９から排出される。

【0026】

ＨＰ部１０５、ＩＰ部１０７、及びＬＰ部１０９のそれぞれは、ロータ１０１に沿って、複数の連結器１２５を介して連結される。連結器１２５は、ボルト継手等の機械的な連結、又は溶接継手であってもよい。１つの実施形態では、連結器１２５は、再構成、修理、又は保守のために、ＨＰ部１０５、ＩＰ部１０７、及び／又はＬＰ部１０９のいずれかを分離させることができる。

【0027】

図２を参照すると、ＬＰ部１０９は、バケット１３１を周方向に埋め込まれたタービンロータ１０１、及びノズル１３３を支持するケーシング１３０を有する。バケット１３１及びノズル１３３は、タービンロータ１０１の軸線方向に、段として配置される。通常、バケット１３１、ケーシング１３０、及びノズル１３３は、これに限定されないが、鋼、ステンレス鋼、析出硬化ステンレス鋼、アルミニウム、チタニウム、これらの合金、又はこれらの組合せを含む、知られている適当なタービンバケット材料、ケーシング材料、及びノズル材料を含む材料で構成される。ＬＰ部１０９は、１以上の所定の方向に表面水分を導く、親水性表面模様１３５を伴う領域を有する、１以上の除去面１３４を含む。バケット１３１の親水性表面模様１３５は、表面水分をロータ１０１の方へ導き、ケーシング１３０から離す。ノズル１３３の親水性表面模様１３５は、抽出口１３７の上流に配置されて、表面水分をノズル１３３の抽出口１３７の方へ導く。遠心力によって、バケット１３１に蒸着した水分が、バケット１３１から滴下する前にロータ１０１から流れ去り、ノズル１３３の上部、及びケーシング１３０の壁の表面に集まる。ノズル１３３、及びケーシング１３０の表面の親水性表面模様１３５が、水分をケーシング１３０の排水口１３９の方へ導く。

【0028】

いくつかの実施形態では、蒸気タービンシステム１００は発電システムの一部であり、約１０％の水分量を有する湿り蒸気が低圧タービンの最終段近くを流れており、これは、蒸気の温度が低下しているためである。

【0029】

他の実施形態では、蒸気タービンシステム１００は、原子力発電施設の一部であり、湿り蒸気で動作する高圧タービン部１０５を有し、これは、最初に飽和蒸気が供給されるためである。このような実施形態では、親水性表面模様１３５は、水分管理の向上のために、蒸気タービンシステム１００の任意の段に配置されてもよい。

【0030】

本明細書で用いられる親水性表面は、９０度未満の水接触角を有する表面である。水接触角とは、水を介して測定され、水滴の水／空気の境界面が、固体面に接触する角度である。いくつかの実施形態では、親水性表面の水接触角は、４５度未満、もしくは３０度未満、もしくは２０度未満、もしくは１０度未満、又はこれらの任意適当な組合せ、部分的組合せ、又は部分的範囲である。本明細書で用いられる超親水性表面は、１０度未満の水接触角を有する表面である。いくつかの実施形態では、超親水性表面の水接触角は、５度未満である。

【0031】

本明細書で用いられる親水性表面模様１３５は、材料の表面に形成された任意の表面模様であり、これは、表面の親水性を高め、その結果、親水性表面模様１３５を有する表面を親水性にするために、表面を被覆するのではなく、表面のトポグラフィを変化させる。トポグラフィの変更は、これに限定されないが、刻み目、突出、キャビティ、溝、隆起、球体、又はロッドを含んでもよい。いくつかの実施形態では、トポグラフィの変更は、マイクロスケールの変更である。いくつかの実施形態では、トポグラフィの変更は、ナノスケールの変更である。親水性表面模様１３５を製造できる任意の方法は、本発明の精神の範囲内で、表面のトポグラフィを変更するために適用することができる。いくつかの実施形態では、親水性表面模様１３５を有する表面は、超親水性である。

【0032】

いくつかの実施形態では、除去面１３４は、レーザーエッチングの前に、仕上げ技術によって生成される。仕上げ技術によって、好ましくは、鏡面状に至るまでの任意の表面組織を有する除去面１３４をもたらし、この表面組織は、レーザーエッチングによる親水性表面模様を受けるために、除去面１３４の受容力を向上させる。この調整は、これに限定されないが、研削、研磨、艶出し、ホーニング、電解研磨、化学研削、ドラッグ仕上げ、その他これらの任意の組合せであってもよい。この処理は、使用される親水性表面模様１３５の大きさ及び深さによって、選択的にのみ必要になる。

【0033】

いくつかの実施形態では、親水性表面模様１３５は、除去面１３４を親水性にするため、又は親水性表面模様１３５がない場合よりも親水性を高めるために、ノズル１３３、バケット１３１、又はケーシング１３０に模様をレーザーエッチングすることが可能な、任意の方法で形成される。いくつかの実施形態では、親水性表面模様１３５は、表面を超親水性にする。いくつかの実施形態では、模様をレーザーエッチングするために用いられるレーザーは、フェムトレーザーとしても知られる、フェムト秒レーザーである。いくつかの実施形態では、フェムト秒レーザーは、除去面に高エネルギーフェムト秒レーザーパルスでレーザーエッチングすることによって、三次元模様を形成する。レーザーエッチングされた模様は、マイクロメートル乃至ナノメートルの寸法範囲の模様を有することができる。

【0034】

いくつかの実施形態では、レーザーエッチングは、材料の除去面１３４に１つ以上の刻み目を作成し、これは、突出、キャビティ、球体、ロッド、その他規則的な、又は不規則な形状特徴のマイクロ粗面を有し、これによって表面の親水性を高める。いくつかの実施形態では、この特徴は、０．５〜１００μｍの範囲、もしくは２５〜７５μｍの範囲、もしくは４０〜６０μｍの範囲、又はこれらの任意適当な組合せ、部分的組合せ、範囲、又は部分的範囲の寸法を有する。いくつかの実施形態では、レーザーエッチングは、材料の除去面１３４に１つ以上の刻み目を作成し、これは、突出、キャビティ、球体、ロッド、その他不規則な形状特徴のナノ粗面を有し、これによって除去面１３４の親水性を高める。いくつかの実施形態では、この特徴は、１〜５００ｎｍの範囲、もしくは１００〜４００ｎｍの範囲、もしくは２００〜３００ｎｍの範囲、又はこれらの任意適当な組合せ、部分的組合せ、範囲、又は部分的範囲の寸法を有する。

【0035】

いくつかの実施形態では、レーザーエッチングは、直接的なレーザーアブレーション、干渉レーザーアブレーション、近視野レーザーアブレーション、マスク投影アブレーション、レーザー誘起化学エッチング、レーザーアブレーションプルームからの蒸着、又はプラズモニックナノアブレーションによって達成される。いくつかの実施形態では、レーザーエッチングは、フェムト秒の持続時間のレーザーパルスを用いて達成される。本明細書で用いられるフェムト秒の持続時間のレーザーパルスは、持続時間が１〜９９９フェムト秒の範囲の任意のレーザーパルスである。いくつかの実施形態では、レーザーパルスは、１００〜７５０フェムト秒の範囲の持続時間を有する。いくつかの実施形態では、レーザーパルスは、４００〜６００フェムト秒の範囲の持続時間を有する。

【0036】

レーザーエッチングによって作成された親水性表面模様１３５は、除去面１３４を親水性にする、又はより親水性を高める、任意の規則的な、又は不規則な模様であってもよい。いくつかの実施形態では、レーザーエッチングによって作成された親水性表面模様１３５は、除去面１３４を超親水性にする。いくつかの実施形態では、親水性表面模様１３５は、除去面１３４に沿って、水分の流れを所定の方向に導く。いくつかの実施形態では、親水性表面模様１３５は、親水性表面模様１３５の特定の模様の配向によって、水分の流れを所定の方向に導く。いくつかの実施形態では、親水性表面模様１３５は、模様を付けられた領域の形状及び配向によって水分の流れを所定の方向に導き、これは、水分が、親水性表面模様１３５を有する構成部品の動き、又は蒸気タービンの運転中に表面上を流れる流体に基づいて流れる一方で、親水性に基づいて、模様を付けられた表面領域内に留まる傾向があるからである。

【0037】

いくつかの実施形態では、１つ以上の親水性表面の区画は、ダイヤフラムノズル１３３に作成され、その結果、凝縮した水分は、ノズル１３３のより広い表面領域から引き寄せられて、増量した液体を抽出するために設けられた、１つ以上の抽出口１３７の方へ導かれる。いくつかの実施形態では、これらの区画は、所定の量の水分を除去するのに必要な、機械加工された穴又はスリットの形状の、費用のかかる抽出口１３７の数を削減し、侵食を低減し、かつより薄い壁部、又は代替的な材料を使用可能にすることによって、機械加工された穴又はスリット、並びにバケットによって生じる、ノズルの局所的な応力集中を低減する。

【0038】

図３を参照すると、ノズル１３３はノズル壁１４１を備え、ノズル壁１４１は、内面１４３、外面１４５、外面１４５から内面１４３へとノズル壁１４１を通る抽出口１３７、並びに抽出口１３７に隣接した、ノズル壁１４１の外面１４５にある除去面１３４の親水性表面模様１３５を有する。親水性表面模様１３５は、抽出口１３７の上流に配置されて、表面水分を抽出口１３７の方へ、そして抽出口１３７の中に引き込む。引き寄せられた水分は、その後、ノズル壁１４１の内面１４３によって画成された、内部キャビティ１４７に流入する。ノズル壁１４１は、一般に非対称な形状であって、図３に示す前面に面する外面を有し、この外面は、わずかに凹んだ形状になっており、図３では見えない背面に面する外面は、わずかに凸形の形状になっている。親水性表面模様１３５、及び抽出口１３７は、図３では凹面側に示されているが、親水性表面模様及び抽出口は、これに代えて、又はこれに加えて、凸面側に配置されてもよい。

【0039】

図４を参照すると、ノズル１３３は、外面１４５から内面１４３へとノズル壁１４１を通る一対の抽出口１３７、及び抽出口１３７に隣接した、ノズル壁１４１の外面１４５にある除去面１３４の親水性表面模様１３５を有する。親水性表面模様１３５は、抽出口１３７の上流に配置されて、表面水分を抽出口１３７の方へ、そして複数の抽出口１３７の中に引き込む。引き寄せられた水分は、その後、ノズル壁１４１の内面１４３によって画成された、内部キャビティ１４７に流入する。親水性表面模様１３５、及び複数の抽出口１３７は、図４では凹面側に示されているが、親水性表面模様及び抽出口は、これに代えて、又はこれに加えて、凸面側に配置されてもよい。

【0040】

図５を参照すると、ノズル１３３は、外面１４５から内面１４３へとノズル壁１４１を通る３つの抽出口１３７、及び抽出口１３７に隣接した、ノズル壁１４１の外面１４５にある除去面１３４の複数の親水性表面模様１３５を有する。複数の親水性表面模様１３５は、抽出口１３７の上流に配置されて、表面水分を抽出口１３７の方へ、そして複数の抽出口１３７の中に引き込む。引き寄せられた水分は、その後、ノズル壁１４１の内面１４３によって画成された、内部キャビティ１４７に流入する。複数の親水性表面模様１３５、及び複数の抽出口１３７は、図５では凹面側に示されているが、親水性表面模様及び抽出口は、これに代えて、又はこれに加えて、凸面側に配置されてもよい。

【0041】

排水口１３９の特定の大きさ、形状、及び位置が図２に、抽出口の特定の大きさ、形状、数、及び位置、並びに親水性表面模様１３５の特定の大きさ、形状、数、及び位置が図２〜図５に示されているが、所定の水分管理を達成するために、任意適当な大きさ、形状、数、又は位置の排水口１３９、抽出口１３７、及び親水性表面模様１３５が用いられてもよい。いくつかの実施形態では、親水性表面模様１３５は、抽出口１３７の近くの表面水分を抽出口１３７の中に導くために、抽出口１３７のすぐ前の狭い領域のみを覆う。このような実施形態では、親水性表面模様１３５は、抽出口１３７の領域とほぼ同じ大きさの領域、もしくは約２倍の領域、もしくは約３倍の領域、もしくは約４倍の領域、もしくは約５倍の領域、もしくは抽出口１３７の領域の約２倍〜約５倍、又はこれらの任意適当な組合せ、部分的な組合せ、範囲、又は部分的範囲の領域のみを覆っている。

【0042】

いくつかの実施形態では、水分管理向上のための、蒸気タービン１００を形成する方法は、蒸気タービン１００の水分管理を向上させるために、除去面１３４の水分を所定の方向に導くように、蒸気タービン１００のタービンケーシング１３０、１以上のバケット１３１、及び１以上のノズル１３３のうちの１つの除去面１３４に、１以上の親水性表面模様１３５をレーザーエッチングするステップを含む。蒸気タービン１００は、タービンケーシング１１０、タービンケーシング１１０に配置されたタービンロータ１０１、タービンロータ１０１から延在するバケット１３１、及びタービンケーシング１１０によって支持されたノズル１３３を備える。いくつかの実施形態では、この方法は、内面１４３及び外面１４５を有する、ノズル１３３のノズル壁１４１を形成するステップと、外面１４５から内面１４３へとノズル壁１４１を通る、１以上の抽出口１３７を形成するステップとを含み、除去面１３４は、抽出口１３７に隣接して、ノズル壁１４１の外面１４５に配置される。親水性表面模様１３５は、抽出口１３７に隣接して、ノズル壁１４１の上流側にあることが好ましい。レーザーエッチングするステップは、好ましくは、外面を、１〜５００ｎｍの大きさ範囲のパターニングで、高エネルギーフェムト秒レーザーパルスを用いてエッチングすることを含む。

【0043】

いくつかの実施形態では、使用中の構成部品の使用を止めることができ、親水性表面模様１３５が、その構成部品の表面に適用されてもよい。このような構成部品は、以前に親水性表面模様１３５のある除去面１３４を有していた構成部品、又は以前に親水性表面模様１３５のある除去面１３４を有していなかった構成部品を含んでもよい。いくつかの状況において、除去面１３４が、蒸気タービン１００の運転中の時間経過と共に親水性を失う場合があり、その理由には、これに限定されないが、親水性表面模様１３５の損傷、又は蒸気タービンシステム１００の運転中の親水性表面模様１３５への異物の堆積が含まれる場合がある。いくつかの実施形態では、除去面１３４は、構成部品の使用中に、親水性表面模様１３５を有する除去面１３４を洗浄することによって、又は除去面１３４に新たな親水性表面模様１３５をレーザーエッチングすることによって、再度、親水性に作られる、又はより親水性を高めることができる。

【0044】

主として蒸気タービンの低圧部に対して、本発明が説明されているが、本発明は、これに限定されないが、蒸気タービンの高圧部、蒸気タービンの中間圧部、又はガスタービンの圧縮機部を含む、水分除去が有益となる任意の他のシステムに適用することができる。

【0045】

１つ以上の実施形態に関して、本発明が説明されているが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を加えることができ、その要素を均等物で置き換えてもよいことが、当業者には理解されるであろう。また、特定の状況又は材料に適合するように、本開示の本質的な範囲から逸脱することなく、本発明の教示に多くの修正を加えることができる。したがって、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良の態様として開示される、特定の実施形態に限定されず、本発明は、添付の特許請求の範囲内にある、全ての実施形態を含むことが意図される。
［実施態様１］
タービンケーシング（１１０、１３０）と、
タービンケーシング（１１０、１３０）に配置されたタービンロータ（１０１）と、
タービンロータ（１０１）から延在する、１以上のバケット（１３１）と、
タービンケーシング（１１０、１３０）によって支持された、１以上のノズル（１３３）とを備える蒸気タービン（１００）であって、
タービンケーシング（１１０、１３０）、バケット（１３１）、及びノズル（１３３）のうちの１以上の除去面（１３４）にある、１以上の親水性表面模様（１３５）が、蒸気タービン（１００）の水分管理を向上させるために、除去面（１３４）の水分を所定の方向に導く、蒸気タービン（１００）。
［実施態様２］
親水性表面模様（１３５）が、超親水性のレーザーエッチングされたナノスケールの模様である、実施態様１に記載の蒸気タービン（１００）。
［実施態様３］
ノズル（１３３）が、ノズル壁（１４１）を含み、ノズル壁（１４１）が、内面（１４３）、外面（１４５）、及び内面（１４３）から外面（１４５）へとノズル壁（１４１）を通る、１以上の抽出口（１３７）を有し、除去面（１３４）が、抽出口（１３７）を介した水分除去を向上させるために、抽出口（１３７）に隣接して、ノズル壁（１４１）の外面（１４５）に配置される、実施態様１に記載の蒸気タービン（１００）。
［実施態様４］
除去面（１３４）が、抽出口（１３７）に隣接して、ノズル壁（１４１）の上流側に配置される、実施態様３に記載の蒸気タービン（１００）。
［実施態様５］
親水性表面模様（１３５）が、除去面（１３４）の水分を抽出口（１３７）の方へ導く、実施態様３に記載の蒸気タービン（１００）。
［実施態様６］
抽出口（１３７）がスリットである、実施態様３に記載の蒸気タービン（１００）。
［実施態様７］
除去面（１３４）が、タービンケーシング（１１０、１３０）の表面に配置され、水分をタービンケーシング（１１０、１３０）の排水口（１３９）の方へ導く、実施態様１に記載の蒸気タービン（１００）。
［実施態様８］
ノズル壁（１４１）であって、内面（１４３）、外面（１４５）、外面（１４５）から内面（１４３）へとノズル壁（１４１）を通る１以上の抽出口（１３７）、並びに抽出口（１３７）に隣接した、ノズル壁（１４１）の外面（１４５）の親水性表面模様（１３５）を有する、ノズル壁（１４１）を備える、
蒸気タービンノズル（１３３）。
［実施態様９］
親水性表面模様（１３５）が、超親水性のレーザーエッチングされたナノスケールの模様である、実施態様８に記載の蒸気タービンノズル（１３３）。
［実施態様１０］
親水性表面模様（１３５）が、抽出口（１３７）に隣接して、ノズル壁（１４１）の上流側に配置される、実施態様８に記載の蒸気タービンノズル（１３３）。
［実施態様１１］
親水性表面模様（１３５）が、凝縮する水分を抽出口（１３７）の方へ導く、実施態様８に記載の蒸気タービンノズル（１３３）。
［実施態様１２］
抽出口（１３７）がスリットである、実施態様８に記載の蒸気タービンノズル（１３３）。
［実施態様１３］
蒸気タービン（１００）において水分を管理する方法であって、
蒸気タービン（１００）の水分管理を向上させるために、除去面（１３４）の水分を所定の方向に導くように、蒸気タービン（１００）のタービンケーシング（１１０、１３０）、１以上のバケット（１３１）、及び１以上のノズル（１３３）のうちの１以上の除去面（１３４）に、１以上の親水性表面模様（１３５）をレーザーエッチングするステップを含み、蒸気タービン（１００）は、
タービンケーシング（１１０、１３０）と、
タービンケーシング（１１０、１３０）に配置されたタービンロータ（１０１）と、
タービンロータ（１０１）から延在するバケット（１３１）と、
タービンケーシング（１１０、１３０）によって支持されたノズル（１３３）とを備える、方法。
［実施態様１４］
内面（１４３）及び外面（１４５）を有する、ノズル（１３３）のノズル壁（１４１）を形成するステップと、
外面（１４５）から内面（１４３）へとノズル壁（１４１）を通る、１以上の抽出口（１３７）を形成するステップとをさらに含み、
除去面（１３４）が、抽出口（１３７）に隣接して、ノズル壁（１４１）の外面（１４５）に配置される、
実施態様１３に記載の方法。
［実施態様１５］
除去面（１３４）が、抽出口（１３７）に隣接して、ノズル壁（１４１）の上流側に配置される、実施態様１４に記載の方法。
［実施態様１６］
親水性表面模様（１３５）が、超親水性のレーザーエッチングされたナノスケールの模様である、実施態様１３に記載の方法。
［実施態様１７］
除去面（１３４）が、バケット（１３１）の表面に配置され、水分を導いてタービンケーシング（１１０、１３０）から離す、実施態様１３に記載の方法。
［実施態様１８］
除去面（１３４）が、タービンケーシング（１１０、１３０）の表面に配置され、水分をタービンケーシング（１１０、１３０）の排水口（１３９）の方へ導く、実施態様１３に記載の方法。
［実施態様１９］
レーザーエッチングするステップが、外面（１４５）を、１〜５００ｎｍの長さ範囲のパターニングで、高エネルギーフェムト秒レーザーパルスを用いてレーザーエッチングすることを含む、実施態様１３に記載の方法。
［実施態様２０］
レーザーエッチングの前に、除去面（１３４）に仕上げを施すステップをさらに含む、実施態様１３に記載の方法。

【符号の説明】

【0046】

１００ 蒸気タービンシステム
１０１ タービンロータ
１０３ 回転軸
１０４ 外部負荷
１０５ 高圧（ＨＰ）部
１０７ 中間圧（ＩＰ）部
１０９ 低圧（ＬＰ）部
１１０ 高圧タービンケーシング
１１１ 高圧蒸気入口
１１３ 高圧蒸気出口
１１５ 再熱器
１１７ 中間圧蒸気入口
１１９ 中間圧蒸気出口
１２０ ＩＰケーシング
１２１ 低圧蒸気入口
１２３ 低圧出口
１２５ 連結器
１３０ ＬＰタービンケーシング
１３１ バケット
１３３ ダイヤフラムノズル
１３４ 除去面
１３５ 親水性表面模様
１３７ 抽出口
１３９ 排水口
１４１ ノズル壁
１４３ 内面
１４５ 外面
１４７ 内部キャビティ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】