蒸気タービン
蒸気タービン(じょうきタービン、steam turbine)は、蒸気のもつエネルギーを、タービン(羽根車)と軸を介して回転運動へと変換する外燃機関。
タービンは羽根の付いた回転部分をもつ原動機の一種である。蒸気タービンは機械仕事を得るため、回転部分の回転に蒸気(流体)の運動量の変化を利用する熱機関の一種である。
火力・原子力・地熱などによる発電や産業用途(発電・ポンプ駆動等)に利用される。蒸気としては一般に水蒸気が使われる。
なお、蒸気を利用する原動機としては、蒸気タービンの他に、蒸気でシリンダ内のピストンを往復運動させるレシプロ型の蒸気エンジンが存在する。レシプロ型については蒸気機関を参照のこと。
外部の熱源(ボイラー)により高温高圧となった蒸気がノズルから噴射されると、圧力や温度が低下すると同時に速度が増加する。この蒸気をタービンブレードに当てる(衝動式の場合)ことでブレードに力が加わる。この力がトルクとなって軸を回転させ、発電機やポンプを駆動する。
理想的な蒸気タービンは等エントロピー過程とみなせる。
熱力学第二法則により、熱力学的温度(絶対温度)で現わした熱力学サイクルの最高温度と最低温度との比が大きいほど理論的に到達可能な熱効率は高くなる。実用上、サイクルの最低温度を常温から大きく下げることはできないため、火力発電所の高効率化は蒸気タービン入口の蒸気温度を高めることでなされてきた。現在、事業用火力発電タービンの蒸気温度は約600℃であるが、今以上の蒸気高温化による熱効率の上昇は、タービンやボイラーに高価な耐熱材料を使用しなければならないので難しい。
発電用蒸気タービンには大きく分けて火力発電(汽力発電)用と原子力発電用がある。いずれも効率向上が最重要であり大型のものが中心である。
火力発電用では蒸気の温度と圧力が比較的高く、原子力発電用は炉心温度の上限値や2段階に分かれる冷却水の関係から蒸気の温度と圧力はそれほど高くはない。ゴミ焼却工場での発電も自家発電の域を越えて、単機出力5万キロワット級といった規模の大型化が進んでいる。
特殊な蒸気タービンとして、海洋温度差発電やバイナリーサイクルによる地熱発電のように、アンモニアなどの水より低沸点の媒体を用いる場合もある。
産業用の蒸気タービンには大型から小型まで存在し、それぞれに多様な形式が使用されている。
石油化学プラントのように廃ガスが生じる施設や、サトウキビ加工工場での廃茎の焼却を行う施設では、ボイラーによって蒸気を作ることで蒸気タービンを駆動し、自家発電や主要な動力源として利用している。また、小型の蒸気タービンが減圧弁の代わりとして利用されることもある。
船舶で使用される蒸気タービンには、従来、後進用のタービンが前進用タービンの半分程度の大きさで同軸に備わっているものがほとんどだったが、21世紀の現在では船舶用主機関に蒸気タービンを採用するのが減った事と、蒸気タービンを採用する場合でも、可変ピッチプロペラの採用によって、後進時にも主機関側で逆回転させる必要がなくなっている。
Mk50 (魚雷)等一部の魚雷においては、閉サイクル蒸気タービン機関等が現役である。
液体燃料ロケット用ターボポンプの一部は、エキスパンダーサイクルの場合は外燃機関として蒸気(水蒸気とは限らない)タービンで駆動され、液体水素・液体酸素燃料タップオフサイクルの場合は内燃機関として燃焼ガスによる水蒸気タービンで駆動される。
蒸気タービンの基本原理を利用した装置の最初の記録は、アレクサンドリアのヘロン(Hero of Alexandria)によるヘロンの回転球(ヒーロの回転球、アイオロスの球参照)とされている。このヘロンの回転球は反動タービンの原型である。なお、ヘロンの回転球の記録は紀元前100年頃ともいわれているがヘロンの生没年は定かではない。
1629年にはイタリアの技術者ジョバンニ・ブランカ (Giovanni Branca) が、蒸気を羽根車に吹き付けて回転させ歯車を介して動力を伝達し穀物をつく機械を考案している。このブランカの機械は衝動タービンの原型である。
その後、1882年にスウェーデンのグスタフ・ド・ラバル(Gustaf de Laval, 1845年 - 1913年)が衝動式タービンを開発・試作した。1884年にイギリスのチャールズ・アルジャーノン・パーソンズ(Charles Algernon Parsons, 1854年 - 1931年)が多段階反動式タービンを開発・試作し、1889年に発電用に実用化した。1895年にアメリカのチャールズ・ゴードン・カーティス (Charles Gordon Curtis) が二段階多速衝動タービンを開発し、1898年にはフランスのオーギュスト・ラトー(Auguste Rateau)が現在のものの直系の原型にあたるタービンを実用化した。
蒸気タービンは1894年のタービニア号での登場以降、舶用原動機として広く利用が進み、やがて船舶の動力源として隆盛を極めていたレシプロ式蒸気エンジンの多くを駆逐した。陸上でのレシプロ式蒸気エンジンと水上での蒸気タービンは、それぞれが動力機関としての主要な位置を占めるに至った。第二次世界大戦前からディーゼルエンジンのような内燃機関が舶用原動機として広がり始め、戦後になると徐々にディーゼルエンジンが主流となって、その後のガスタービンエンジンと共に舶用エンジンは大型から小型船でのディーゼルと大型から中型船でのガスタービンの主流2つと小型船などでのガソリンエンジンを加えたものが利用されるようになった。そういった趨勢の中、蒸気タービン機関を搭載する船舶も、その他の船舶と燃料を統一する必要から軽油を用いるようになったが、蒸気タービンと揮発性の高い軽油の組み合わせは相性が悪く、しばしば爆発事故を起こした事から、蒸気タービン機関は使用されなくなった。一方で旧ソ連・ロシアにおいては、ソヴレメンヌイ級駆逐艦に蒸気タービンを採用(燃料は重油)し、現在に至る。
一方では、電力消費の増大に応じて水力発電所に加えて火力発電所の建設が進むと、コストが安く入手の容易な石炭を燃料とする蒸気ボイラーと蒸気タービンの組合せが主流となった。産業用ではこういった大型発電用途の他にも、石油・化学プラントなどに代表される大規模な生産施設内でのポンプや、攪拌機、破砕機、ファンといった電動モーターでも代替可能な程度の駆動力として蒸気タービンが使われている。21世紀となった今では、保守の手間や制御性から徐々に電動モーターが主流となっているが、プラント内で蒸気が生じる施設ではエネルギーの有効利用の点でも蒸気タービンが新たに採用され続けている。またガスタービンを用いる発電施設においては、ガスタービンの排熱を利用して発生させた蒸気で蒸気タービンを駆動する、いわゆるコンバインドサイクル発電によりエネルギー利用効率の改善を図るといった使い方もされている。
原子力に関しては、地上での発電や船舶などの大規模な動力用としては、核分裂反応を熱源とし、蒸気タービン機関を駆動するものが、現在もほぼ唯一の現実的な選択肢となっている。1960年代後半には空気など気体を利用するものも試みられたが、成功したとは言い難く、原子炉自体は二酸化炭素によって冷却されるマグノックス炉でも、最終的には水を加熱して蒸気機関によって動力を取り出すものとしている。比較的小規模のものに限っては、核分裂反応による熱を熱電素子で電力に変換するものやα崩壊の際に出る放射線そのものを電位に変換して取り出す原子力電池などが存在している。
理論上の蒸気タービンのサイクルには、次のものがある。
復水タービンの基本となるサイクル。
蒸気タービンで圧力の低下した蒸気を再び加熱して使用し、熱効率を上げるもの。
サイクルの途中から抽気した蒸気で復水を加熱して、燃料消費量を抑えるもの。
再熱サイクル・再生サイクルを組み合わせたもの。
非共沸混合媒体を利用した高効率サイクル。
21世紀現在の蒸気タービンは、軸方向に蒸気が流れる軸流タービンだけが作られている。
多数の動翼(回転翼、ローター)が回転軸を囲んで取り付けられ、ほぼ同数の静翼(固定翼、ステーター、ガイドベーン)が回転軸を囲んで外部壁面から取り付けられている。ほとんどの蒸気タービンで、動翼と静翼の1組1段が多数段備えている。
温度と圧力の低下に従って、後段になるほど動翼と静翼の長さ、つまり回転面の直径が増す。
車室(ケーシング)の蒸気入口から入った高圧高温の蒸気はノズルから初段のローターに向けて噴射される。ほとんどのタービンではノズルは全周には付いておらず、部分噴出になっている。
回転側であるローターは、軸(回転軸、シャフト)、羽根車(ディスク)、動翼(ブレード)、シュラウドバンド類から構成される。多段式では複数のローターが静翼を挟んで並んでいる。
軸・羽根車
出力軸となる軸は剛性軸(リジッドローター)と弾性軸(フレキシブルローター)に分けられる。剛性軸は軸が太く丈夫に作られており、軸そのものの固有振動数に相当する危険回転数が定格回転数よりも高い物を指す。運転時にも危険回転数を意識する必要はない。弾性軸は軸が比較的細く作られており、危険回転数が定格回転数よりも低い物を指す。運転時でも特に始動時には必ず危険回転数を通過するため、危険回転数付近を速やかに通過させて共振状態に陥らないよう注意が必要である。また、軸は一体構造型とはめ込み型に分けられる。一体構造型は軸と羽根車が一体で作られており高速回転にも対応できるが、はめ込み型では軸と羽根車が別々に作られ組み合されたもので6,000回転/分程度までが上限である。
蒸気からエネルギを得て回転する翼(翼列)である。初段では短い動翼も終段に近くなるに従って少しずつ長くなる。発電用のものでは翼高さが最長1mを越す。動翼は共振を避けるために互いが連接して隙間を作らないようにされる。動翼のルートが羽根車に植え込まれただけでは振動に弱いため外周部でのシュラウドバンドやダンピングワイヤーで横同士がつながれる。また、大きな遠心力にも耐える必要がある。大きなローターではシュラウド・リングと回転軸の中間にもバンディング・ワイヤと呼ばれる金具が付けられる。固有振動数を高くするために先端を細く根元を太くしたテーパー翼形状や、翼先端部と翼根元部での周速度の違いから生じる蒸気流入角度の差を最小にする「ねじれ羽根」が採用されている。低圧段の羽根には翼に付く凝集水分をタービン・ケーシングのドレン溝へ誘導する溝が掘られているものがある。
固定されており、蒸気の流れが効率よく動翼へ流れるように導く。
蒸気タービンは蒸気のエネルギーの利用のしかたにより衝動式と反動式に分類され、構造にも特徴がある。
衝動式: 静翼部分で蒸気の圧力エネルギーを運動エネルギーに変換し、静翼から噴出する高速の蒸気に当たる衝動力によって動力が発生する。一段落当たりの熱落差を大きく取れるので段落数は少ないが、翼は大型で幅広となる。
反動式: 動翼内でも蒸気の圧力エネルギーを運動エネルギーに変換し、動翼から噴出する蒸気の反動力も利用して回転力が発生する。一段落当たりの熱落差が小さく段落数は多くなるが、翼は小型となる。
タービン翼を収めて蒸気を導入する容器をタービン車室(しゃしつ)と呼ぶ。静翼は車室のケーシングに固定されており、動翼が取り付けられた回転軸が車室両端の回転軸受けで保持される。反動タービンでは動翼と車室との隙間から蒸気が逃げないようにシーリング・ストリップと呼ばれるリング状の部品で塞いでいる。シーリング・ストリップはハニカム状の柔らかい金属か多孔質の素材で作られており、初めて動翼を動かす時に、意図的に接触することで形状の最適化が図られる。蒸気入り口には多数のノズルが取り付けられており、第一段ローターへ蒸気を吹き付ける。
蒸気タービンでは蒸気の圧力を有効利用するため、多くの段階の膨張を繰り返している。大型の蒸気タービンでは、圧力に応じていくつかの部分に分割されており、上流から順に高圧・中圧・低圧タービンと呼ばれる。また、蒸気体積が大きくなるため低圧タービンは複数台が並列に配置されることが多く、翼は、非常に長いものとなっている。
通常の蒸気の入口と出口の配管の他に、抽気や再熱、再生の蒸気配管も備わるものがある。
動翼から得た回転力を外部に出力するのが回転軸である。反動タービンでは動翼とケーシングとの隙間が小さいため、回転軸は歪みが生じないように太く剛性の高いものになっている。衝動タービンでは軸端からの蒸気漏れを少なくするために、回転軸は細く弾性のあるものになっている。
回転軸は運転時と休止時の間で伸び縮みするため、両端は固定出来ない。普通は高圧側のスラスト軸受けで固定し低圧側の軸受けには遊びが設けられる。車室の伸び縮みは設置面に対しては低圧側で固定されており、高圧側のスラスト軸受けも車室の伸び縮みに合わせてズレが生まれる。このような組み合わせによって、回転軸のズレを最小にしている。
回転軸と静翼仕切り板との隙間からの蒸気漏れを最小にするために、ラビリンス・パッキン(ラビリンスシール)と呼ばれる何段ものヒレで蒸気の流れを遮断している。
この他、回転数と蒸気流量を調節するための装置類や警報機を含む測定器類が付随する。調速方式には絞り調速方式とノズル締切調速方式がある。絞り調速方式では絞り弁で蒸気の流入を調整する。ノズル締切調速方式では車室の多数あるノズルへの蒸気の流れの開閉によって調整する。
燃料の選択肢が広い。高温高圧の水蒸気が得られればその方法は何でもよく、石炭、石油、原子力、廃棄物固形燃料から、ごみ焼却炉の熱も利用できる
ボイラーや復水器などの付帯設備が必要で大空間・大重量となる
始動に時間がかかり、変動負荷運転や部分負荷運転に不適
膨張比が大きいため、熱効率が高い
回転運動のため振動が少なく、しかも振動が高周波なので減衰させやすい
摺動部が無く回転方向が一定のため、信頼性が高い
振動が少なく、高周波振動のため減衰させやすい。
吸気・排気カムや点火装置などが無く、信頼性が高い
回転速度を上げるとタービンや発電機が小型になり設備費を抑制できる。日本の火力発電用タービンの回転速度は、50Hzでは3000rpm、60Hzでは3600rpmである。原子力発電用タービンは蒸気が低温・低圧・大流量であるため動翼が長く、遠心力緩和のため50Hzでは1500rpm、60Hz機では1800rpmが採用されている。
高・中・低圧タービンを1つの軸に配置するものをタンデム・コンパウンドと呼ぶ。一方、高・中・低圧タービンをプライマリとセカンダリの2軸に振り分けて配置するものをクロス・コンパウンドと呼ぶ。タンデム・コンパウンドに比べクロス・コンパウンドは、大出力化が容易であり熱効率も高くできるが、設備コストが高い、建屋の占有面積が大きい、各軸の単独運転が不可能、運用・点検・保守が複雑などの欠点がある。
クロス・コンパウンドでは、高圧と低圧の半分をプライマリ軸とし、中圧と低圧の残り半分をセカンダリ軸とする方式と、高圧と中圧をプライマリ軸とし、低圧をセカンダリ軸とする方式がある。前者は低圧タービン及び発電機を2つの軸で同一設計にできる利点があるが、最近の大型火力ユニットのクロス・コンパウンド機では、後者が採用されることが多い。これは、セカンダリ軸の回転速度をプライマリ軸の半分とすることで低圧最終段動翼の遠心力を緩和し、40インチ以上の長い動翼を採用して低圧タービンの最終段の排気損失を低減することが可能なためである。また、この構成であれば復水器もセカンダリ側のみで良く、前者の構成に比べ設備コストの面でも有利となる。
従来、大型火力ユニットはベースロード運用が多く熱効率が重視されていたことや、高速回転に伴う低圧タービン最終段動翼の遠心力の制約などにより、500MW - 700MW以下はタンデム・コンパウンド機、それより大型のユニットはクロス・コンパウンド機とされていた。しかし、近年では原子力比率の拡大やピーク負荷の尖鋭化に伴い大型火力ユニットでも建設コストの低減や運用性向上が重視されるようになったため、軽量のチタン動翼による遠心力の緩和や材料強度の改善などにより中部電力碧南火力4号機(2001年)において国内の1000MW級火力ユニットでは初めてタンデム・コンパウンド機が採用された。
部分負荷でもボイラーの圧力を全負荷時と同じにして、加減弁を絞って蒸気の流量を変化させるものである。
部分負荷時に給水圧力を下げてボイラーの圧力を低下させ、加減弁は全開としたままで蒸気の流量を変化させるものである。
変圧運転の効率は、定圧運転と比較して向上する。
加減弁の絞り損失がなく、部分負荷時の蒸気温度の低下がない。
高圧タービンの調速機が不要となり、内部効率が向上する。
部分負荷時に給水ポンプの必要動力が少なくなる。
圧力低下によるサイクル効率の低下がある。(但し、他の効率向上により発電所全体としての効率は向上することが多い)
また、次の特徴もある。
高圧タービンの部分負荷時の温度低下がないため、負荷変動への追随に対する制約が少ない。
低負荷時の蒸気温度低下が無いため、停止時のケーシング温度を高くでき、再起動の時間を短くできる。また、温度変化に伴う熱応力による寿命消費も軽減できる。
部分負荷時に圧力を下げるため、機器の寿命を長くできる。
低圧タービンに供給される蒸気の湿り度が低下するため、低圧タービン翼のエロージョンが緩和される。
火力発電用などのように高速で回転する蒸気タービンは、定格回転速度より低い回転速度に共振点があるので、起動停止時に共振点付近の通過時間を短くしなければならない。また、許容最高回転速度以上で回転させると破損し、甚大な被害をもたらす。そのため、蒸気タービンには過大な振動や回転速度の異常などが発生した場合、自動的に蒸気の供給を停止させる保安装置が備えられている。