タービン
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タービン（/ ˈ t ɜːr b aɪ n /または/ ˈ t ɜːr b ɪ n /）（ギリシャ語のτύρβη、tyrbē、またはラテン語のturbo（渦を意味する）に由来）[ 1 ] [ 2 ]は、流体の流れからエネルギーを抽出し、それを有用な仕事に変換する回転機械装置である。生成された仕事は、発電機と組み合わせることで電力を生成するために使用できる。[ 3 ]タービンは、ローターアセンブリと呼ばれる少なくとも1つの可動部品を備えたターボ機械であり、ローターアセンブリはブレードが取り付けられたシャフトまたはドラムである。移動する流体がブレードに作用してブレードが動き、回転エネルギーをローターに伝える。
ガスタービン、蒸気タービン、水力タービンは、ブレードの周囲に作動流体を封じ込め、制御するケーシングを備えています。現代の蒸気タービンでは、反動と衝動の両方を同じユニットで採用することが多く、通常、ブレードの根元から周辺にかけて 反動と衝動の強さを変化させます。
歴史
アレクサンドリアのヘロンは西暦 1 世紀にアイオロスの球でタービンの原理を実証し、ウィトルウィウスは紀元前 70 年頃にそれについて言及しました。
タービンという言葉がこの種の装置に初めて使われたのは、1822年、フランスの鉱山技師クロード・ブルダンがパリの王立科学アカデミーに提出した覚書「油圧式タービンまたは大回転機械」の中でだった。 [ 4 ]この言葉はラテン語のturboに由来し、「渦」や「頂点」を意味し、フランス語では特定の貝殻を表すのに使われていた。[ 5 ]しかし、1824年になって初めて、アカデミーの委員会（プロニー、デュパン、ジラールで構成）はブルダンの覚書を好意的に報告した。[ 6 ]クロード・ブルダンの教え子であったブノワ・フルネロンが、最初の実用的な水力タービンを製作した。
蒸気タービンの発明の功績は、反動タービンを発明したイギリス系アイルランド人技術者のサー・チャールズ・パーソンズ(1854–1931) と、衝動タービンを発明したスウェーデン人技術者のグスタフ・ド・ラバル(1845–1913) の両者に認められています。
動作原理
作動流体は、位置エネルギー（圧力水頭）と運動エネルギー（速度水頭）を有します。流体は圧縮性の場合もあれば、非圧縮性の場合もあります。タービンは、このエネルギーを回収するために、いくつかの物理的原理を利用しています。
衝動タービンは、高速の流体またはガスジェットの流れ方向を変えます。その結果生じる衝動によってタービンが回転し、流体の流れから運動エネルギーが減少します。蒸気タービンやガスタービンの場合のように、タービンブレード（動翼）内では流体またはガスの圧力変化は発生せず、すべての圧力降下は静翼（ノズル）で発生します。タービンに到達する前に、流体はノズルで加速され、圧力ヘッドが速度ヘッドに変換されます。ペルトン水車とラバル水車はこのプロセスを専ら利用しています。衝動タービンでは、流体ジェットがローター上のブレードに到達する前にノズルによって生成されるため、ローター周囲に圧力ケースメントを必要としません。ニュートンの第二法則は、衝動タービンのエネルギー伝達を説明しています。衝動タービンは、流量が少なく入口圧力が高い場合に最も効率的に使用されます。[ 3 ]
反動タービンは、ガスまたは流体の圧力または質量に反応してトルクを発生させます。ガスまたは流体の圧力は、タービンのローターブレードを通過する際に変化します。 [ 3 ]作動流体がタービン段に作用する際に作動流体を封じ込めるために圧力ケースメントが必要です。あるいは、タービン全体が流体の流れに完全に浸っていなければなりません（風力タービンなど）。ケースメントは作動流体を封じ込めて方向づけ、水力タービンの場合はドラフトチューブによってもたらされる吸引力を維持します。フランシス水車とほとんどの蒸気タービンはこの概念を採用しています。圧縮性の作動流体の場合、膨張するガスを効率的に利用するために、通常は複数のタービン段が使用されます。ニュートンの第3法則は、反動タービンのエネルギー伝達を説明しています。反動タービンは、流速が高い場合や、流体のヘッド（上流圧力）が低い用途に適しています。[ 3 ]
船舶用途や陸上発電用途の蒸気タービンの場合、パーソンズ型反動タービンは、同じ熱エネルギー変換率を得るために、ラバル型衝動タービンの約2倍の翼列数を必要とします。これによりパーソンズ型タービンは大幅に長くなり、重量も増加しますが、同じ熱エネルギー変換率を得るには、反動タービンの総合効率は同等の衝動タービンよりもわずかに高くなります。
実際には、現代のタービン設計では、可能な限り、反動翼と衝動翼の両方の概念を様々な程度で採用しています。風力タービンは、翼型を用いて流体の反動揚力を発生させ、それをローターに伝えます。また、風力を斜めに曲げることで、風の衝動からエネルギーを得ます。多段タービンでは、高圧下では反動翼または衝動翼のいずれかが使用される場合があります。蒸気タービンは伝統的に衝動翼でしたが、ガスタービンで使用されるものと同様の反動翼設計へと移行し続けています。低圧下では、作動流体はわずかな圧力低下で体積膨張します。このような条件下では、翼は完全に反動型設計となり、翼の根元は衝動翼のみとなります。これは、各翼の回転速度の影響によるものです。体積が増加すると、翼の高さが増加し、翼の根元は先端に比べて低速で回転します。この速度変化により、設計者は根元での衝動翼から、高反動型の先端翼へと変更せざるを得なくなります。
古典的なタービン設計手法は19世紀半ばに開発されました。ベクトル解析は、流体の流れとタービンの形状および回転を関連付けました。当初はグラフィカルな計算方法が用いられました。タービン部品の基本寸法に関する公式は十分に文書化されており、あらゆる流体流れ条件に対して高効率な機械を確実に設計できます。計算の一部は経験則または「経験則」に基づくものであり、その他は古典力学に基づいています。ほとんどの工学計算と同様に、単純化のための仮定が置かれています。
速度三角形を使用して、タービン段の基本性能を計算できます。ガスは、固定タービンノズルガイドベーンから絶対速度V a1で出ます。ローターは速度Uで回転します。ローターに対して、ローター入口に衝突するときのガスの速度はV r1です。ガスはローターによって方向を変えられ、ローターに対して相対的な速度V r2で出ていきます。ただし、絶対値では、ローター出口速度はV a2です。速度三角形は、これらのさまざまな速度ベクトルを使用して作成されます。速度三角形は、ブレードのどのセクション（ハブ、チップ、中間セクションなど）でも作成できますが、通常は平均段半径で示されます。段の平均性能は、この半径における速度三角形から、オイラー方程式を使用して計算できます。
したがって:
どこ：
- ステージ全体の比エンタルピー低下
- タービン入口全温度（またはよどみ点温度）
- タービンローターの周速度
- 旋回速度の変化
タービン圧力比は、タービン効率 の関数です。
現代のタービン設計では、計算がさらに高度化されています。数値流体力学は、従来の公式を導出する際に用いられた多くの単純化仮定を排除し、コンピュータソフトウェアによって最適化を容易にします。これらのツールは、過去40年間にわたってタービン設計の着実な進歩をもたらしてきました。
タービンの主な数値分類は比速度です。この数値は、出力と流量に対するタービンの最大効率における回転数を表します。比速度はタービンのサイズとは無関係に導出されます。流体の流れ条件と所望の軸出力速度が分かれば、比速度を計算し、適切なタービン設計を選択できます。
特定の速度といくつかの基本的な公式を使用すると、既知のパフォーマンスを持つ既存の設計を、対応するパフォーマンスを持つ新しいサイズに確実に拡張できます。
設計外性能は通常、タービン マップまたは特性として表示されます。
ローターのブレード数とステーターのベーンの数は、高調波を減らし、ブレード通過周波数を最大化するために、 2つの異なる素数になることが多い。 [ 7 ]
種類
- 蒸気タービンは、石炭、燃料油、または核燃料を使用する火力発電所の発電機を駆動するために使用されます。かつては船舶のプロペラなどの機械装置を直接駆動するために使用されていました（例えば、世界初のタービン駆動蒸気船であるタービニア号[ 8 ]）。しかし、現在ではほとんどの用途で減速ギアまたは中間電気段階が使用され、タービンで発電した電気で機械負荷に接続された電動モーターを駆動します。ターボ電気船舶機械は、主に米国と英国の造船所で十分なギア切削設備がなかったため、第二次世界大戦直前から戦時中にかけて特に人気がありました。
- 航空機用ガスタービンエンジンは、ピストンエンジンと区別するためにタービンエンジンと呼ばれることもあります。[ 9 ]
- 遷音速タービン。ガスタービンエンジンに用いられるほとんどのタービンでは、ガス流は膨張過程を通じて亜音速を維持します。遷音速タービンでは、ガス流はノズルガイドベーンを出る際に超音速になりますが、下流の速度は通常亜音速になります。遷音速タービンは通常よりも高い圧力比で運転されますが、通常は効率が低く、あまり普及していません。
- 二重反転タービン。軸流タービンでは、下流側のタービンを上流側と逆方向に回転させることにより、効率面でいくらかの利点が得られます。しかし、この複雑さは逆効果となる可能性があります。二重反転蒸気タービン（通称リュングストロームタービン）は、スウェーデンの技師フレドリック・リュングストローム（1875～1964年）がストックホルムで発明し、1894年に兄弟のビルガー・リュングストロームと共同で特許を取得しました。この設計は、基本的に多段ラジアルタービン（または「入れ子」になったタービンローターのペア）で、優れた効率、反動型（パーソンズ）タービンに比べて段あたりの熱損失が4倍、非常にコンパクトな設計を特徴とし、特に背圧発電所で成功を収めました。しかし、他の設計とは異なり、大量の蒸気を扱うのは困難であり、軸流タービン（デュレックス）と組み合わせることでのみ、約50MWを超える出力のタービンを製造できます。船舶用途では、1917年から1919年の間に約50台のターボ電気ユニットが発注され（そのうちかなりの数が最終的に陸上工場に売却された）、1920年から1922年の間には、あまり成功しなかったターボ機械式ユニットが数台販売された。[ 10 ] 1960年代後半には、少数のターボ電気式船舶プラント（SS Ragne、SS Regin）のみがまだ使用されていたが、ほとんどの陸上プラントは2010年現在も使用されている。
- ステータレスタービン。多段タービンは、ガス流を回転するローターブレードに導く静的（つまり固定された）入口案内羽根を備えています。ステータレスタービンでは、上流ローターから流出したガス流は、中間のステータベーン（流れの圧力／速度エネルギーレベルを再調整する）を介さずに下流ローターに衝突します。
- セラミックタービン。従来の高圧タービンブレード（およびベーン）はニッケル基合金で作られており、金属の過熱を防ぐため、複雑な内部空冷通路が用いられることが多い。近年、ローター入口温度の上昇、あるいは空冷の廃止の可能性を視野に入れ、実験的にセラミックブレードが製造され、ガスタービンで試験されている。セラミックブレードは金属製ブレードよりも脆く、壊滅的なブレード破損のリスクが高い。そのため、ジェットエンジンやガスタービンにおけるセラミックブレードの使用は、ステーターブレード（固定翼）に限定される傾向にあった。
- ダクトファン（シュラウド付き）タービン。多くのタービン動翼は、隣接する動翼と連動して減衰を高め、動翼のフラッターを低減するために、上部にシュラウドが備えられています。大型陸上発電用蒸気タービンでは、特に低圧タービンの長翼においては、シュラウドに加えてレーシングワイヤーが使用されることがよくあります。これらのワイヤーは、動翼の根元から適切な距離に開けられた穴を貫通し、通常は貫通箇所でろう付けされています。レーシングワイヤーは、動翼中央部における動翼のフラッターを低減します。レーシングワイヤーの導入により、大型タービンや低圧タービンにおける動翼破損の発生率が大幅に減少します。
- プロップファン（シュラウドレスタービン）。現代の慣例においては、可能な限りローターのシュラウドをなくすことで、ブレードにかかる遠心負荷と冷却要件を軽減しています。
- テスラ タービン、またはブレードレス タービンは、従来のタービンのように流体がブレードに衝突するのではなく、境界層効果を使用します。
- 水力タービン：
- 風力タービン。通常、ノズルや中間段ガイドベーンのない単段式で動作します。例外として、エオリエンヌ・ボレーはステーターとローターを備えています。
- 速度複合型「カーティス」。カーティスは、ド・ラバル式タービンとパーソンズ式タービンを組み合わせ、初段（ステーター）に固定ノズルを配置し、その後にパーソンズ式タービンやド・ラバル式タービンと同様に、固定翼列と回転翼列を並置しました。パーソンズ式タービンの最大段数は100段でしたが、カーティス式タービンの総合効率はパーソンズ式タービンやド・ラバル式タービンよりも劣りますが、低速・低圧運転を含む、はるかに広い速度範囲で良好な運転が可能であり、船舶の動力源として最適でした。カーティス式タービンでは、蒸気の熱損失はすべて最初のノズル列で発生し、後続の動翼列と静翼列は蒸気の方向を変えるだけです。カーティス式タービンの小セクション（通常は1つのノズルセクションと2列または3列の動翼）の使用は、通常カーティス「ホイール」と呼ばれ、この形態のカーティスは、多くの反動タービン、衝動タービン、およびタービンセットの「調速段」として海上で広く使用されました。この方法は、今日でも船舶蒸気プラントで広く使用されています。
- 圧力複合多段衝動式タービン、通称「ラトー」は、フランスの発明者オーギュスト・ラトーにちなんで名付けられました。ラトーは、ノズルダイヤフラムで区切られたシンプルな衝動ローターを採用しています。ダイヤフラムは、本質的にはタービン内部の仕切り壁であり、そこには漏斗状のトンネルが複数設けられています。トンネルは、広い端が前段に、狭い端が次段に面しています。これらのトンネルは、蒸気ジェットを衝動ローターに導くように角度が付けられています。
- 水銀蒸気タービンは、化石燃料発電所の効率向上のため、作動流体として水銀を使用していました。水銀蒸気タービンと従来の蒸気タービンを組み合わせた発電所もいくつか建設されましたが、金属水銀の毒性はすぐに明らかになりました。
- スクリュー水車は、アルキメデスのねじの原理を利用して上流の水の位置エネルギーを運動エネルギーに変換する水車です。
用途
| この節は、大部分または完全に単一の情報源に依存しています。関連する議論は ( 2018年5月) |
タービンは、陸上、海上、空中の ガスタービンエンジンに使用されます。
ターボチャージャーはピストンエンジンに使用されます。
ガスタービンは非常に高速で運転するため、非常に高い出力密度（つまり、出力対質量比、または出力対体積比）を有します。スペースシャトルのメインエンジンは、ターボポンプ（タービンエンジンで駆動されるポンプで構成される機械）を用いて推進剤（液体酸素と液体水素）をエンジンの燃焼室に供給していました。液体水素ターボポンプは自動車エンジン（重量約700ポンド）よりわずかに大きく、タービンは約70,000馬力（52.2MW ）を出力します。
ターボエキスパンダーは工業プロセスにおける冷凍に使用されます。
参照
注記
- ^ 「タービン」。「濁った」。オンライン語源辞典。
- ^ τύρβη .リデル、ヘンリー・ジョージ;スコット、ロバート;ペルセウス・プロジェクトのギリシャ語-英語辞典.
- ^ a b c d Munson, Bruce Roy, TH Okiishi, Wade W. Huebsch. 「ターボ機械」流体力学の基礎. 第6版. ホーボーケン、ニュージャージー州: J. Wiley & Sons, 2009. 印刷.
- ^身体と身体のアナール、vol. 21、183ページ（1822年）
- ^ “ドートルフォワ辞書” . 2025 年2 月 8 日に取得。
- ^ “Rapport sur le mémoire de M. Burdin intitulé: Des Turbines Hydrauliques ou Machines rotatoires à grande vitesse” (ブルダン氏のメモに関する報告: 油圧タービンまたは高速回転機械)、Annales de chimie et de physique、vol. 26、207～217ページ。プロニーとジラール (1824)
- ^ Tim J Carter. 「ガスタービンブレードの一般的な故障」 2004年、244-245ページ。
- ^ Adrian Osler (1981年10月). 「タービニア」(PDF) . (ASMEが後援する、タービニアが国際工学ランドマークに指定されたことを記念する小冊子) . Tyne And Wear County Council Museums. 2011年9月28日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2011年4月13日閲覧。
- ^ Wragg, David W. (1973). 『航空辞典』（初版）. Osprey. p. 267. ISBN 9780850451634。
- ^イングヴァル・ユング、1979年、「海洋タービンの歴史、第1部」、ストックホルム王立工科大学、技術史学科
さらに読む
- レイトン、エドウィン・T.「経験則から科学工学へ：ジェームズ・B・フランシスとフランシス水車の発明」NLAモノグラフシリーズ、ニューヨーク州ストーニーブルック：ニューヨーク州立大学研究財団、1992年。
外部リンク
