蒸気タービン

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蒸気タービン歴史et製造

蒸気タービンは、抽出装置で熱エネルギーを加圧から蒸気が行うこと及び使用機械的仕事出力回転軸上にあります。その現代的な表現は、1884年にチャールズパーソンズによって発明されました。[1] [2]

発電所で使用される最新の蒸気タービンのローター

蒸気タービンは熱機関の一種であり、蒸気の膨張に複数の段階を使用することで熱力学的効率が大幅に向上し、理想的な可逆膨張プロセスに近づくことができます。タービン回転運動を生成するため、発電機の駆動に使用するのに特に適しています。2014年の米国の全発電量の約85%は、蒸気タービンの使用によるものでした。[3]発電機に接続された蒸気タービンが呼び出されるターボ発電機

発電機に直接接続された1910年製の250kW産業用蒸気タービン(右) (左)

反応蒸気タービンとして分類される可能性のある最初の装置は、1世紀にローマのエジプトのアレクサンドリアのヘロンによって記述されたおもちゃ、古典的なアイオロスの球にすぎませんでし[4] [5] 1551において、TaqIをアル・ディンにおけるオスマンエジプトは、回転の実用化と蒸気タービンを説明串を。蒸気タービンは、イタリアのジョヴァンニブランカ(1629)[6]とイギリスのジョンウィルキンス(1648)によっても説明されました。[7] [8] Taqi al-DinとWilkinsによって記述されたデバイスは、今日、スチームジャックとして知られています。1672年に、インパルス蒸気タービン駆動車がフェルディナントヴェルビエストによって設計されました。この車のより現代的なバージョンは、18世紀後半のある時期に未知のドイツの整備士によって製造されました。1775年にソーホーでジェームズワットはそこで働くようにされた反応タービンを設計しました。[9] 1827年、フランス人のRealとPichonは、複合インパルスタービンの特許を取得して建設しました。[10]

現代の蒸気タービンは、1884年にチャールズパーソンズによって発明されました。チャールズパーソンズの最初のモデルは、7.5キロワット(10.1馬力)の電力を生成する発電機に接続されていました。[11]パーソンズの蒸気タービンの発明は、安価で豊富な電力を可能にし、海上輸送と海戦に革命をもたらしました。[12]パーソンズのデザインはリアクションタイプでした。彼の特許はアメリカ人のジョージ・ウェスティングハウスによって認可され、タービンはすぐにスケールアップされました。パーソンズタービンもスケールアップが容易であることが判明しました。パーソンズは、彼の発明が世界のすべての主要な発電所に採用されたことに満足し、発電機のサイズは、最初の7.5キロワット(10.1 hp)のセットアップから50,000キロワット(67,000 hp)の容量のユニットに増加しました。パーソンズの生涯の中で、ユニットの発電能力は約10,000倍に拡大され[13]、彼の会社であるCAパーソンズアンドカンパニーとそのライセンシーによって建設されたタービン発電機からの総出力は、土地目的だけで超過していました。 3,000万馬力。[11]

蒸気で効果的に機能するタービンの他のバリエーションが開発されました。デ・ラバルタービン(によって発明グスタフ・デ・ラバルは)タービンブレードに対してそれを実行する前に、フルスピードに蒸気を加速しました。De Lavalのインパルスタービンは、よりシンプルで安価であり、耐圧性である必要はありません。それはどんな圧力の蒸気でも作動することができますが、かなり効率が悪いです。[要出典] オーギュストRateauは早い1896年のように、と圧力を開発したデラバル原理を使用して衝動タービンを配合[14]が1903年に米国特許を取得した、と彼はで教え1904年にフランスの魚雷艇にタービンを適用エコール・デサンテティエンヌ鉱山は1897年までの10年間、その後、彼の死後、アルストム社に組み込まれた成功した会社を設立しました。蒸気およびガスタービンの近代的な理論の創始者の一人でしたオーレル・ストードラ、スイス工科(現在のスロバキアの物理学者やエンジニアと教授ETHチューリッヒ)。彼の作品DieDampfturbinen und ihreAussichtenalsWärmekraftmaschinen(英語:蒸気タービンとその熱機関としての将来の使用)は1903年にベルリンで出版されました。さらに本Dampf und Gas-Turbinen(英語:蒸気とガスタービン)は1922年。[15]

もともと米国の会社InternationalCurtis Marine Turbine Companyによって開発され、特許を取得されていたインパルスタイプのBrown-Curtisタービンは、1900年代にJohn Brown&Companyと共同で開発されました。ライナーやイギリス海軍の軍艦など、ジョン・ブラウンが設計した商船や軍艦で使用されていました。

トップカバーのない蒸気タービン

メーカーによって作られた蒸気タービンのための今日の製造業は、シーメンス、三菱、ゼネラル・エレクトリック、BHEL、発電機、ウラルタービン、アルストム、斗山シュコダパワー、および東芝を。[16] [更新が必要]。ハルビン電気、上海電気、東方電気などの中国市場の電力機器メーカーでは、中国本土の電力機器メーカーのトップ3です。

蒸気タービンは、ポンプ、コンプレッサー、その他のシャフト駆動機器の機械的駆動装置として使用される小さな<0.75 kW(<1 hp)ユニット(まれ)から、発電に使用される1,500 MW(2,000,000 hp)タービンまで、さまざまなサイズで製造されています。 。最新の蒸気タービンにはいくつかの分類があります。

ブレードとステージのデザイン

インパルスタービンと50%リアクションタービンの違いの概要を示す概略図

タービンブレードには、ブレードとノズルの2つの基本的なタイプがあります。ブレードは蒸気の影響で完全に動き、プロファイルは収束しません。これにより、蒸気がブレード内を移動するときに蒸気速度が低下し、本質的に圧力降下が発生しません。固定ノズルと交互になっているブレードで構成されるタービンは、インパルスタービンと呼ばれます。Curtisタービン、 Rateauタービン、またはBrown-Curtisタービン。ノズルはブレードに似ていますが、そのプロファイルは出口近くで収束します。これにより、蒸気がノズルを通って移動するときに、蒸気の圧力が低下し、速度が増加します。ノズルは、蒸気の衝撃と出口での高速蒸気による反応の両方によって移動します。固定ノズルと交互に動くノズルで構成されるタービンは、リアクションタービンまたはパーソンズタービンと呼ばれます。

低電力用途を除いて、タービンブレードは、直列に多段に配置呼ばれ配合大幅に向上、効率を低速で。[17]反応段階は、固定ノズルの列とそれに続く移動ノズルの列です。複数の反応段階により、蒸気の入口と排気の間の圧力降下が多数の小さな降下に分割され、圧力複合タービンが生成されます。インパルスステージは、圧力複合、速度複合、または圧力速度複合のいずれかです。圧力複合インパルスステージは、固定ノズルの列とそれに続く可動ブレードの列であり、複合用の複数のステージがあります。これは、発明者にちなんで、Rateauタービンとしても知られています。速度-配合インパルスステージは(カーティスによって発明され、また、「カーティス・ホイール」と呼ばれる)固定ブレードの列と交互動翼の2つの以上の行に続く固定ノズル列です。これにより、ステージ全体の速度の低下がいくつかの小さな低下に分割されます。[18]一連の速度複合インパルスステージは、圧力速度複合タービンと呼ばれます。

1905年頃のAEG船舶用蒸気タービンの図

1905年までに、蒸気タービンが高速船(HMS ドレッドノートなど)や陸上の電力用途で使用されるようになったとき、多段式の開始時に1つ以上のカーティスホイールを使用することが望ましいと判断されていました。タービン(蒸気圧が最も高い場所)、続いて反応段階。これは、タービンローターとケーシングの間の漏れが減少したため、高圧蒸気でより効率的でした。[19]これは、ドイツの1905AEG船舶用蒸気タービンの図面に示されています。ボイラーからの蒸気は、オペレーター(この場合はスロットルマンとして知られる船員)によって手動で制御されるスロットルを介して高圧で右から入ります。それは、低圧で、ほぼ確実にコンデンサーに出る前に、5つのカーティスホイールと多数の反応段階(中央の2つの大きなローターの端にある小さなブレード)を通過します。復水器は、蒸気から抽出されるエネルギーを最大化する真空を提供し、蒸気を給水に凝縮してボイラーに戻します。左側には、タービンを逆回転させて後進運転を行ういくつかの追加の反応段階(2つの大きなローター上)があり、蒸気は別のスロットルによって受け入れられます。船が逆に運転されることはめったにないので、後進タービンでは効率は優先事項ではなく、コストを節約するために使用されるステージはわずかです。

ブレード設計の課題

タービン設計が直面する主な課題は、ブレードが経験するクリープを減らすことでした。高温と高い動作応力のために、蒸気タービンの材料はこれらのメカニズムによって損傷を受けます。タービン効率を改善するために温度が上昇すると、クリープが顕著になります。クリープを制限するために、固溶体強化と粒界強化を備えた熱コーティングと超合金がブレード設計で使用されます。

保護コーティングは、熱による損傷を減らし、酸化を制限するために使用されます。これらのコーティングは、多くの場合、安定化された二酸化ジルコニウムベースのセラミックです。熱保護コーティングを使用すると、ニッケル超合金の温度暴露が制限されます。これにより、ブレードで発生するクリープメカニズムが減少します。酸化コーティングは、ブレードの外側に蓄積することによって引き起こされる効率の低下を制限します。これは、高温環境で特に重要です。[20]

ニッケルベースのブレードは、強度と耐クリープ性を向上させるためにアルミニウムとチタンと合金化されています。これらの合金の微細構造は、さまざまな組成領域で構成されています。ニッケル、アルミニウム、チタンの組み合わせであるガンマプライム相の均一な分散は、微細構造によりブレードの強度と耐クリープ性を促進します。[21]

レニウムやルテニウムなどの耐火性元素を合金に添加して、クリープ強度を向上させることができます。これらの元素を添加すると、ガンマプライム相の拡散が減少し、耐疲労性、強度、耐クリープ性が維持されます。[22]

蒸気の供給と排気の状態

原子力発電所の低圧蒸気タービン。これらのタービンは、大気圧より低い圧力で蒸気を排出します。

タービンの種類には、凝縮、非凝縮、再加熱、抽出、および誘導が含まれます。

凝縮タービン

凝縮タービンは、発電所で最も一般的に見られます。これらのタービンはボイラーから蒸気を受け取り、それを復水器に排出します。排出された蒸気は大気圧よりかなり低い圧力にあり、部分的に凝縮した状態にあり、通常は90%近くの品質です。

背圧タービン

非凝縮タービンまたは背圧タービンは、プロセス蒸気の用途に最も広く使用されており、蒸気はタービンから排出された後、追加の目的に使用されます。排気圧力は、プロセス蒸気圧力のニーズに合うように調整バルブによって制御されます。これらは一般に、大量の低圧プロセス蒸気が必要な製油所、地域暖房ユニット、紙パルプ工場、および脱塩施設で見られます。

タービンを再加熱します

再熱タービンは、発電所でもほぼ独占的に使用されています。再熱タービンでは、蒸気流はタービンの高圧セクションから出てボイラーに戻され、そこで追加の過熱が追加されます。その後、蒸気はタービンの中圧セクションに戻り、膨張を続けます。サイクルで再熱を使用すると、タービンからの仕事量が増加し、蒸気が凝縮する前に膨張が終了するため、最後の列のブレードの侵食が最小限に抑えられます。ほとんどの場合、蒸気の過熱のコストがタービンからの仕事量の増加を打ち消すため、サイクルで使用される再加熱の最大数は2です。

タービンの抽出

抽出タイプのタービンは、すべてのアプリケーションで一般的です。抽出型タービンでは、蒸気はタービンのさまざまな段階から放出され、工業プロセスのニーズに使用されるか、ボイラー給水加熱器に送られ、全体的なサイクル効率が向上します。抽出フローは、バルブで制御することも、制御しないでおくこともできます。抽出された蒸気は、タービンの下流段階で電力の損失をもたらします。

誘導タービンは、中間段階で低圧蒸気を導入して、追加の出力を生成します。

ケーシングまたはシャフトの配置

これらの配置には、シングルケーシング、タンデムコンパウンドおよびクロスコンパウンドタービンが含まれます。シングルケーシングユニットは、シングルケーシングとシャフトが発電機に結合される最も基本的なスタイルです。タンデムコンパウンドは、2つ以上のケーシングが直接結合されて単一の発電機を駆動する場合に使用されます。クロスコンパウンドタービン構成は、異なる速度で動作することが多い2つ以上の発電機を駆動するインラインではない2つ以上のシャフトを特徴としています。クロスコンパウンドタービンは通常、多くの大規模なアプリケーションに使用されます。典型的な1930年代から1960年代の海軍施設を以下に示します。これは、1つの高圧タービンにギア付きクルージングタービンがあり、一般的な減速ギアを駆動する高圧タービンと低圧タービンを示しています。

日本の古鷹級および 青葉型巡洋艦の 右舷蒸気タービン機械配置

2フローローター

2フロータービンローター。蒸気はシャフトの中央から入り、両端から出て、軸力のバランスを取ります。

移動する蒸気は、タービンシャフトに接線方向と軸方向の両方の推力を与えますが、単純なタービンの軸方向の推力は反対ではありません。正しいローター位置とバランスを維持するには、この力を反対の力で打ち消す必要があります。スラストベアリングはシャフトベアリングに使用でき、ローターはダミーピストンを使用でき、ダブルフローにすることができます。蒸気はシャフトの中央から入り、両端から出るか、またはこれらのいずれかの組み合わせです。で複流ロータ、各半面とは反対の方法でブレードは、軸方向の力が互いに打ち消しようしかし接線力が共に作用します。このローターの設計は、2フロー2軸流、またはダブルエキゾーストとも呼ばれます。この配置は、複合タービンの低圧ケーシングで一般的です。[23]

理想的な蒸気タービンは、等エントロピー過程、または一定のエントロピー過程であると考えられており、タービンに入る蒸気のエントロピーは、タービンを出る蒸気のエントロピーに等しい。真に等エントロピーである蒸気タービンはありませんが、タービンの用途に基づいて、典型的な等エントロピー効率は20〜90%の範囲です。タービンの内部は、ブレードまたはバケットのいくつかのセットで構成されています。1セットの固定ブレードがケーシングに接続され、1セットの回転ブレードがシャフトに接続されます。セットは、各段階での蒸気の膨張を効率的に利用するためにセットのサイズと構成が変化する、特定の最小クリアランスでかみ合っています。

蒸気タービンの実用的な熱効率は、タービンのサイズ、負荷条件、ギャップ損失、摩擦損失によって異なります。これらは、1,200 MW(1,600,000 hp)のタービンで最大約50%の最高値に達します。小さいものは効率が低くなります。[要出典]タービン効率を最大化するために、蒸気はいくつかの段階で膨張し、仕事をします。これらのステージは、エネルギーがステージからどのように抽出されるかによって特徴付けられ、インパルスタービンまたはリアクションタービンとして知られています。ほとんどの蒸気タービンは、リアクションとインパルスの設計を組み合わせて使用​​します。各ステージはどちらか一方のように動作しますが、タービン全体では両方を使用します。通常、低圧セクションは反応タイプであり、高圧ステージはインパルスタイプです。[要出典]

インパルスタービン

インパルスタービンブレードの選択

インパルスタービンには、蒸気の流れを高速ジェットに向ける固定ノズルがあります。これらのジェットにはかなりの運動エネルギーが含まれており、蒸気ジェットの方向が変わると、バケットのような形状のローターブレードによってシャフトの回転に変換されます。圧力降下は静止ブレードのみで発生し、ステージ全体の蒸気速度が正味増加します。蒸気がノズルを通って流れると、その圧力は入口圧力から出口圧力(大気圧、またはより一般的には復水器の真空)に低下します。蒸気のこの高い膨張比のために、蒸気は非常に高速でノズルを出ます。動翼を出る蒸気は、ノズルを出るときの蒸気の最大速度の大部分を占める。このより高い出口速度によるエネルギーの損失は、一般にキャリーオーバー速度または離脱損失と呼ばれます。

モーメントの法則は、コントロールボリュームを一時的に占有している流体に作用する外力のモーメントの合計が、コントロールボリュームを通過する角運動量フラックスの正味の時間変化に等しいことを示しています。

渦巻く流体は半径でコントロールボリュームに入ります 接線速度で 半径で去る 接線速度で

Velocity triangles at the inlet and outlet on the blades of a turbo-machine.
速度三角形

速度三角形は、様々な速度との関係をよりよく理解するための道を開きます。隣接する図には、次のものがあります。

そして それぞれ入口と出口での絶対速度です。
そして それぞれ入口と出口での流速です。
そして は、移動基準における入口と出口でのそれぞれの旋回速度です。
そして それぞれ入口と出口での相対速度です。
そして は、それぞれ入口と出口でのブレードの速度です。
はガイドベーン角度であり、 はブレード角度です。

次に、運動量の法則により、流体のトルクは次の式で与えられます。

インパルス蒸気タービンの場合: 。したがって、ブレードにかかる接線力は次のようになります。。単位時間または開発された電力ごとに行われる作業:

ωがタービンの角速度である場合、ブレード速度は次のようになります。 。開発された力は

ブレード効率

ブレード効率()は、流体に供給される運動エネルギーに対するブレードで行われる仕事の比率として定義でき、次の式で与えられます。

ステージ効率

収束-発散ノズル
インパルスタービンの効率を示すグラフ

インパルスタービンのステージは、ノズルセットと可動ホイールで構成されています。ステージ効率は、ノズルのエンタルピー降下とステージで行われる作業との関係を定義します。

どこ ノズル内の蒸気の特定のエンタルピードロップです。

熱力学の第一法則による:

仮定して はかなり少ない 、 我々が得る 。さらに、ステージ効率はブレード効率とノズル効率の積、または

ノズル効率はによって与えられます 、ノズルの入口での蒸気のエンタルピー(J / Kg)は ノズルの出口での蒸気のエンタルピーは

出口と入口でのブレード角度の余弦定理の比率を取得して表すことができます 。ブレードの入口に対する出口でのローター速度に対する蒸気速度の比率は、摩擦係数によって定義されます。

蒸気がブレードの周りを流れるときの摩擦による相対速度の損失を示しています( 滑らかなブレード用)。

入口での絶対蒸気速度に対するブレード速度の比は、ブレード速度比と呼ばれます。

が最大の場合 または、 。それは意味します したがって 。今 (単段インパルスタービンの場合)。

したがって、ステージ効率の最大値は、 の表現で

我々が得る:

等角ブレードの場合、 したがって、 、そして私たちは得る 。ブレード表面による摩擦を無視すると、

最大効率に関する結論

  1. 与えられた蒸気速度に対して、蒸気1kgあたりに行われる仕事は次の場合に最大になります。 または
  2. なので 増加すると、ブレードで行われる仕事は減少しますが、同時にブレードの表面積が減少するため、摩擦損失が少なくなります。

反応タービン

反応タービン、ロータブレード自体が収束形成するように配置されるノズル。このタイプのタービンは、ローターによって形成されたノズルを介して蒸気が加速するときに発生する反力を利用します。蒸気は、ステータの固定ベーンによってロータに向けられます。それは、ローターの全周を満たすジェットとしてステーターを離れます。次に、蒸気は方向を変え、ブレードの速度に比べて速度を上げます。圧力降下は、固定子と回転子の両方で発生し、蒸気は固定子を介して加速し、回転子を介して減速します。ステージ全体の蒸気速度は正味変化しませんが、圧力と温度の両方が低下します。ローターの駆動。

ブレード効率

ステージ内のブレードへのエネルギー入力:

は、固定ブレードに供給される運動エネルギー(f)+可動ブレードに供給される運動エネルギー(m)に等しくなります。

または、 =固定ブレード上のエンタルピー降下、 +移動するブレード上のエンタルピードロップ、

動翼上の蒸気の膨張の効果は、出口での相対速度を増加させることです。したがって、出口での相対速度 常に入口での相対速度よりも大きい

速度に関しては、動翼上のエンタルピー降下は次の式で与えられます。

(静圧の変化に寄与します)

速度図

固定ブレードに入る蒸気の速度が以前に移動していたブレードを出る蒸気の速度に等しいと仮定した場合の、固定ブレードのエンタルピー降下は次の式で与えられます。

ここで、V0はノズル内の蒸気の入口速度です。

は非常に小さいため、無視できます。したがって、

非常に広く使用されている設計では、反応の程度が半分または50%であり、これはパーソンのタービンとして知られています。これは、対称的なローターブレードとステーターブレードで構成されています。このタービンの場合、速度三角形は類似しており、次のようになります。

パーソンのタービンを想定し、得られるすべての式を取得します

入口速度三角形から

完了した作業(1秒あたりの単位質量流量の場合):

したがって、ブレード効率は次の式で与えられます。

最大ブレード効率の条件

インパルスタービンとリアクションタービンの効率の比較

場合 、その後

最大の効率のために 、 我々が得る

そしてこれは最終的に

したがって、 の値を置くことによって見つけられます ブレード効率の表現で

運用・保守

最新の蒸気タービン発電機の設置

蒸気回路と使用される材料に使用される高圧のために、蒸気タービンとそのケーシングは高い熱慣性を持っています。蒸気タービンを暖機して使用する場合、メインの蒸気停止バルブ(ボイラーの後)にはバイパスラインがあり、過熱蒸気がバルブをゆっくりとバイパスして、蒸気タービンとともにシステム内のラインを加熱します。また、蒸気がないときにターニングギアを作動させてタービンをゆっくりと回転させ、均一な加熱を確保して不均一な膨張を防ぎます。最初にタービンをターニングギアで回転させ、ローターが真っ直ぐな平面(曲がりがない)になるまで待った後、ターニングギアが外れ、蒸気がタービンに、最初に後進ブレードに、次に前方ブレードにゆっくりと流入します。タービンを10〜15 RPM(0.17〜0.25 Hz)で回転させて、タービンをゆっくりと暖めます。大型蒸気タービンのウォームアップ手順は10時間を超える場合があります。[24]

通常の操作中、ローターの不均衡は振動を引き起こす可能性があり、回転速度が速いため、ブレードがローターから離れてケーシングを通過する可能性があります。このリスクを減らすために、タービンのバランスをとるためにかなりの努力が費やされています。また、タービンは高品質の蒸気で運転されます。過熱(乾燥)蒸気、または乾燥率の高い飽和蒸気のいずれかです。これにより、凝縮水がブレードに吹き付けられるときに発生するブレードの急速な衝突と侵食が防止されます(水分の持ち越し)。また、ブレードに液体の水が入ると、タービンシャフトのスラストベアリングが損傷する可能性があります。これを防ぐために、高品質の蒸気を確保するためのボイラーの制御装置とバッフルとともに、タービンにつながる蒸気配管に復水排水管が設置されています。

最新の蒸気タービンのメンテナンス要件は単純で、低コストです(通常、kWhあたり約0.005ドル)。[24]それらの動作寿命はしばしば50年を超えます。[24]

速度調整

蒸気タービン発電機システムの図

損傷を防ぐためにタービンをゆっくりと稼働させる必要があり、一部のアプリケーション(交流電力の生成など)では正確な速度制御が必要なため、ガバナによるタービンの制御は不可欠です。[25]タービンローターの制御されていない加速は、過速度トリップにつながる可能性があり、タービンへの蒸気の流れを制御するガバナバルブとスロットルバルブが閉じます。これらのバルブが故障した場合、タービンは、しばしば壊滅的に崩壊するまで加速し続ける可能性があります。タービンは製造に費用がかかり、精密な製造と特別な品質の材料が必要です。

電力網と同期した通常の運転中、発電所は5パーセントの垂下速度制御で制御されます。これは、全負荷速度が100%で、無負荷速度が105%であることを意味します。これは、発電所の捜索や脱落のないネットワークの安定した運用に必要です。通常、速度の変化はわずかです。パワー出力の調整は、遠心調速機のばね圧を上げて垂下曲線をゆっくりと上げることによって行われます。一般に、これはすべての発電所の基本的なシステム要件です。古い発電所と新しい発電所は、外部の通信に依存することなく、周波数の瞬間的な変化に対応する必要があるためです。[26]

蒸気タービンの熱力学

過熱ランキンサイクルのTs図

蒸気タービンは、隣接する図に示されているランキンサイクルのパート3〜4を使用して、熱力学の基本原理に基づいて動作します。過熱蒸気(または用途によっては乾燥飽和蒸気)は、高温高圧でボイラーを出ます。タービンに入るとき、蒸気はノズル(インパルス型タービンの固定ノズルまたは反応型タービンの固定ブレード)を通過することによって運動エネルギーを獲得します。蒸気がノズルを出るとき、それはタービンローターのブレードに向かって高速で移動しています。ブレードにかかる蒸気の圧力によりブレードに力が発生し、ブレードが移動します。発電機などの装置をシャフトに配置することができ、蒸気にあったエネルギーを貯蔵して使用することができます。蒸気は、タービンに流入した温度と圧力よりも低い温度と圧力で飽和蒸気(または用途によっては液体と蒸気の混合物)としてタービンを出て、凝縮器に送られ、冷却されます。[27]最初の法則により、単位質量あたりの仕事の発達速度の公式を見つけることができます。周囲の環境への熱伝達がなく、運動エネルギーと位置エネルギーの変化が特定のエンタルピーの変化と比較して無視できると仮定すると、次の方程式に到達します。

どこ

  • は、単位時間あたりの作業の開発率です。
  • はタービンを通過する質量流量です

等エントロピー効率

タービンの性能を測定するために、その等エントロピー効率を調べることができます。これは、タービンの実際の性能を、理想的な等エントロピータービンによって達成される性能と比較します。[28]この効率を計算するとき、周囲に失われる熱はゼロであると想定されます。蒸気の開始圧力と温度は、実際のタービンと理想的なタービンの両方で同じですが、タービンの出口では、実際のタービンでは不可逆性があるため、実際のタービンの蒸気のエネルギー量(「比エンタルピー」)は理想的なタービンのエネルギー量よりも大きくなります。 。比エンタルピーは、実際のタービンと理想的なタービンの同じ蒸気圧で評価され、2つのタービンを適切に比較します。

等エントロピー効率は、実際の仕事を理想的な仕事で割ることによって求められます。[28]

どこ

  • h 3は、状態3での比エンタルピーです。
  • h 4は、実際のタービンの状態4での比エンタルピーです。
  • h 4sは、等エントロピータービンの状態4sでの比エンタルピーです。

(ただし、隣接する図には状態4が表示されていないことに注意してください。状態3より垂直に下にあります)

ダイレクトドライブ5MW蒸気タービン

発電所は、発電機を駆動する大型の蒸気タービンを使用して、世界の電力の大部分(約80%)を生産しています。大型蒸気タービンの登場により、定格の大きいレシプロ蒸気エンジンが非常にかさばり、低速で運転されるため、中央局の発電が実用化されました。ほとんどの中央発電所は、化石燃料発電所と原子力発電所です。一部の設備では、地熱蒸気を使用するか、集光型太陽光発電(CSP)を使用して蒸気を生成します。蒸気タービンは、火力発電所の給水ポンプなどの大型遠心ポンプを駆動するために直接使用することもできます。

発電に使用されるタービンは、ほとんどの場合、発電機に直接結合されています。発電機は電力システムの周波数に応じて一定の同期速度で回転する必要があるため、最も一般的な速度は50Hzシステムで3,000RPM、60Hzシステムで3,600RPMです。原子炉は化石火力発電所よりも温度制限が低く、蒸気品質が低いため、タービン発電機セットはこれらの半分の速度で動作するように配置できますが、タービンブレードの侵食を減らすために4極発電機を使用します。[29]

タービニア、1894年、最初の蒸気タービン動力船
SS マウイの高圧および低圧タービン
1928年のポーランド駆逐艦Wicherのパーソンズタービン

汽船、往復エンジンオーバー蒸気タービンの利点は、より小さなサイズ、より低いメンテナンス、軽量化、及び低振動です。蒸気タービンは数千RPMで動作する場合にのみ効率的ですが、最も効果的なプロペラ設計は300RPM未満の速度用です。その結果、タービニアなどの第一次世界大戦中の多くの初期の船が蒸気タービンからプロペラシャフトまで直接駆動していましたが、通常は正確な(したがって高価な)減速機が必要です。別の代替案はターボエレクトリックトランスミッションであり、高速タービンによって作動する発電機を使用して、プロペラシャフトに接続された1つまたは複数の低速電気モーターを作動させます。精密な歯車の切断は、戦時中の生産のボトルネックになる可能性があります。ターボ電気駆動は、最も第一次世界大戦中に、いくつかの高速ライナーに設計されており、いくつかの軍のトランスポートと量産に使用された大規模な米国の軍艦で使用された護衛駆逐艦で、第二次世界大戦。

タービンおよび関連するギアまたは発電機/モーターセットのコストが高いことは、同じ出力のレシプロエンジンと比較して、メンテナンス要件が低く、タービンのサイズが小さいことによって相殺されますが、燃料コストはディーゼルエンジンよりも高くなります。蒸気タービンは熱効率が低くなります。燃料費を削減するために、両方のタイプのエンジンの熱効率は長年にわたって改善されてきました。

初期の開発

1894年から1935年までの蒸気タービンの海洋推進力の開発は、レシプロエンジンと競争力のある全体的なコストで、タービンの高効率速度と船のプロペラの低効率速度(300 rpm未満)を調整する必要性によって支配されていました。1894年には、船が必要とする高出力に効率的な減速機が利用できなかったため、直接駆動が必要でした。タービニア各プロペラシャフトに直接ドライブを有し、タービンの効率的な速度は、おそらく動作約200タービン段を合計、直列に3つのすべての直接駆動タービン(各軸に1つずつ)を通る蒸気の流れを導くことによって、最初の試行後に減少しました。シリーズで。また、高速で動作するように各シャフトに3つのプロペラがありました。[30]当時の高いシャフト速度は、1909年に発売された最初の米国のタービン駆動駆逐艦の1つであるUSS スミスによって表されますこの駆逐艦は、直接駆動タービンを備え、3つのシャフトが728.35ノット(52.50 km /)で724rpmで回転しました。 h; 32.62 mph)。[31]

蒸気を互いに直列に排出するいくつかのケーシングでのタービンの使用は、その後のほとんどの海洋推進用途で標準となり、相互配合の一形態です。最初のタービンは高圧(HP)タービンと呼ばれ、最後のタービンは低圧(LP)タービンであり、その間のタービンは中圧(IP)タービンでした。1934年に発売されたカリフォルニア州ロングビーチのRMS クイーンメリー号では、タービニアよりもはるかに後の配置が見られます。各シャフトは、単一減速ギアボックスの2つの入力シャフトの端に接続された4つのタービンによって駆動されます。HP、1st IP、2nd IP、LPタービンです。

クルージング機械とギアリング

巡航速度を考えると、経済性の追求はさらに重要でした。巡航速度は、軍艦の最大速度の約50%、最大出力レベルの20〜25%です。これは、燃費が望ましいときに長い航海で使用される速度になります。これによりプロペラの速度は効率的な範囲に低下しましたが、タービンの効率は大幅に低下し、初期のタービン船の航続距離は不十分でした。蒸気タービン推進時代のほとんどを通して有用であることが証明された解決策は、クルージングタービンでした。これは、さらに多くのステージを追加するための追加のタービンであり、最初は1つ以上のシャフトに直接取り付けられ、HPタービンの途中でステージに排出され、高速では使用されませんでした。1911年頃に減速機が利用可能になると、一部の船、特に戦艦 USS ネバダは、直接駆動の主タービンを保持しながら、それらを巡航タービンに搭載しました。減速機は、タービンがシャフトよりもはるかに高速で効率的な範囲で動作することを可能にしましたが、製造に費用がかかりました。

クルージングタービンは当初、燃費向上のためにレシプロエンジンと競合していました。高速船でのレシプロエンジンの保持の例は、1911年の有名なRMS タイタニックでした。これは彼女の姉妹であるRMS オリンピックとHMHS ブリタニックとともに、2つの船外機にトリプル拡張エンジンを備えていました。 。1909年に打ち上げられたデラウェア級戦艦でタービンを採用した後、米国海軍は1912年にニューヨーク級戦艦のレシプロ機械に戻り、1914年にネバダのタービンに戻りました。アメリカ海軍は、第一次世界大戦後まで21ノット(39 km / h; 24 mph)を超える戦艦を計画していなかったため、経済的なクルージングほど最高速度は重要ではありませんでした。アメリカ合衆国は1898年にフィリピンとハワイを領土として買収し、イギリス海軍の世界的な石炭基地のネットワークを欠いていました。したがって、1900年から1940年の米海軍は、特に第一次世界大戦後に日本との戦争の見通しが生じたため、燃料経済に対するあらゆる国の最大のニーズを持っていました。駆逐艦は、通常巡洋艦に割り当てられている長距離任務を遂行する必要がありました。そのため、1908年から1916年に発売された米国の駆逐艦には、さまざまな巡航ソリューションが搭載されていました。これらには、1つまたは2つのシャフト上の小型レシプロエンジンとギア付きまたはギアなしのクルージングタービンが含まれていました。しかし、完全装備のタービンが初期費用と燃料で経済的であることが証明されると、それらは急速に採用され、ほとんどの船にはクルージングタービンも含まれていました。1915年以降、すべての新しいイギリス海軍駆逐艦は完全装備のタービンを備え、米国は1917年にそれに続きました。

で海軍まで、スピードが優先だったユトランド沖海戦半ば1916年がでていることを示したバトルクルーザーすぎ鎧はその追求に犠牲にされていました。イギリス軍は1906年からタービン駆動の軍艦のみを使用していました。世界的な帝国を考えると、長い航続距離が望ましいと認識していたため、一部の軍艦、特にクイーンエリザベス級戦艦には、1912年以降、初期の実験設備に続いて巡航タービンが装備されていました。 。

アメリカ海軍では、1935年から36年にかけて発射されたマハン級駆逐艦が、二重減速ギアを導入しました。これにより、タービン速度がシャフト速度よりもさらに増加し​​、シングルリダクションギアよりも小さいタービンが可能になりました。蒸気の圧力と温度も、第一次世界大戦時代のウィックス級の300 psi(2,100 kPa)/ 425°F(218°C)[飽和蒸気]から615 psi(4,240 kPa)/ 850°F( 454°C)[過熱蒸気]一部の第一次世界大戦フレッチャー級駆逐艦およびその後の艦艇。[32] [33]軸流高圧タービン(場合によっては巡航タービンが取り付けられている)と、二重減速ギアボックスに接続された二重軸流低圧タービンの標準構成が登場しました。この配置は、米海軍の蒸気時代を通して継続され、一部の英国海軍の設計でも使用されました。[34] [35]この構成の機械は、いくつかの国で多くの保存された第二次世界大戦時代の軍艦で見ることができます。[36]

1950年代初頭に米海軍の軍艦の建造が再開されたとき、ほとんどの水上戦闘員と空母は1,200 psi(8,300 kPa)/ 950°F(510°C)の蒸気を使用していました。[37]これは、1970年代初頭のノックス級 フリゲート艦による米海軍の蒸気動力軍艦時代の終わりまで続いた。水陸両用および補助艦は、第二次世界大戦後も600 psi(4,100 kPa)の蒸気を使用し続け、2001年に発売されたUSS 硫黄島は、おそらく米海軍向けに建造された最後の非核蒸気動力船です。

ターボエレクトリックドライブ

NS  50 Let Pobedy、原子力ターボ電気推進を備えた原子力砕氷船

ターボエレクトリックドライブは、1917年に発売された戦艦USS ニューメキシコに導入されました。次の8年間で、米海軍は5隻のターボエレクトリック戦艦と2隻の空母(当初はレキシントン級戦艦として注文されました)を発売しました。さらに10隻のターボ電気主力艦が計画されましたが、ワシントン海軍軍縮条約によって課された制限のためにキャンセルされました。

ニューメキシコ州は1931年から1933年改装でギヤードタービンを改装して、残りのターボ電動船は、自分のキャリア全体のシステムを保持しました。このシステムは、2つの大型蒸気タービン発電機を使用して、4つのシャフトのそれぞれで電気モーターを駆動しました。このシステムは当初、減速ギアよりも安価であり、ほとんどのギアシステムよりもシャフトが急速に逆転し、より多くの逆転力を提供できるため、港での船の操縦性が向上しました。

一部の遠洋定期船もターボエレクトリックドライブで建造され、第二次世界大戦中の一部の部隊輸送艦や大量生産の駆逐艦の護衛も同様でした。しかし、1927年に発売されたUSS ペンサコーラを皮切りに、米国が「トリートクルーザー」を設計したとき、重量を節約するためにギア付きタービンが使用され、その後はすべての高速蒸気動力船で使用され続けました。

現在の使用法

1980年代以降、蒸気タービンは高速船ではガスタービンに、他の船ではディーゼルエンジンに置き換えられてきました。例外は、原子力船、潜水艦、LNG船です。[38]一部の補助艦は引き続き蒸気推進を使用している。

アメリカ海軍では、従来型の動力を備えた蒸気タービンが、ワスプ級強襲揚陸艦の1隻を除いてすべて使用されています。イギリス海軍は、その最後の従来の蒸気と表面軍艦クラス、退役フィアレス級 着陸プラットフォームドックで、2002年に、イタリア海軍最後の従来の蒸気駆動の表面軍艦、廃止によって、2006年には、次のAUDACE級 駆逐艦を。2013年、フランス海軍は最後のトゥールヴィル級 フリゲート艦の廃止措置で蒸気時代を終わらせました。他の外洋海軍の中でも、ロシア海軍は現在、蒸気動力のクズネツォフ級 空母とソヴレメンヌイ級 駆逐艦を運用しています。インド海軍は現在、INS動作ビクラマディツア、修正キエフ級 空母を。また、2000年代初頭に就役したブラマプトラ級 フリゲート艦3隻と、廃止予定のゴダヴァリ級 フリゲート艦1隻を運航しています。中国海軍は現在、蒸気動力のクズネツォフ級 空母、ソヴレメンヌイ級 駆逐艦、ルダ級 駆逐艦、および唯一の051B型駆逐艦を運用しています。他のほとんどの海軍は、蒸気動力の軍艦を退役または再設計しました。2020年の時点で、メキシコ海軍は4隻の蒸気動力の旧米国ノックス級 フリゲート艦を運航しています。エジプト海軍と中国海軍の共和国は、それぞれ2および6元米動作ノックス級 フリゲート艦を。エクアドル海軍は現在、2つの蒸気駆動動作Condell級 フリゲート(変性リアンダー級 フリゲートを)。

今日、推進蒸気タービンのサイクル効率はまだ50%を超えていませんが、ディーゼルエンジンは、特に海洋用途では、日常的に50%を超えています。[39] [40] [41]ディーゼル発電所は、必要なオペレーターが少ないため、運用コストも低くなります。したがって、従来の蒸気動力はごく少数の新しい船で使用されています。例外はLNG運搬船であり、蒸気タービンでボイルオフガスを再液化するよりも使用する方が経済的であることがよくあります。

原子力船と潜水艦は、原子炉を使用してタービン用の蒸気を生成します。原子力発電は、ディーゼル発電が実用的でない場合(潜水艦の用途など)、または燃料補給のロジスティクスが重大な問題を引き起こす場合(砕氷船など)に選択されることがよくあります。英国海軍のヴァンガード級原子力潜水艦の原子炉燃料は、世界一周を40回持続するのに十分であり、船舶の耐用年数全体に十分である可能性があると推定されています。原子力推進は、メンテナンスの費用と、原子力システムと燃料サイクルに必要な規制管理のために、ごく少数の商用船にのみ適用されてきました。

蒸気タービン機関車エンジンは、蒸気タービンによって駆動される蒸気機関車です。最初の蒸気タービン鉄道機関車は、1908年にイタリア、ミラノのOfficine Meccaniche Miani Silvestri GrodonaComiのために建設されました。1924年、クルップはドイツ国営鉄道向けに1929年に稼働した蒸気タービン機関車T18001を製造しました。

蒸気タービン機関車の主な利点は、回転バランスが改善され、トラックでのハンマーブローが減少することです。ただし、不利な点は出力電力の柔軟性が低いことです。そのため、タービン機関車は一定の出力電力での長距離運用に最適でした。[42]

蒸気タービンの試験に使用される手順と定義を標準化するために、英国、ドイツ、その他の国内および国際的な試験コードが使用されています。使用するテストコードの選択は、購入者と製造者の間の合意であり、タービンおよび関連システムの設計にある程度の重要性があります。

米国では、ASMEが蒸気タービンに関するいくつかの性能テストコードを作成しています。これらには、ASME PTC 6–2004、蒸気タービン、ASME PTC 6.2-2011、複合サイクルの蒸気タービン、PTC 6S-1988、蒸気タービンの日常的な性能試験の手順が含まれます。これらのASME性能試験コードは、蒸気タービンの試験で国際的に認められ、受け入れられています。PTC 6を含むASMEパフォーマンステストコードの唯一の最も重要で差別化された特性は、測定のテストの不確かさがテストの品質を示し、商業的許容範囲として使用されないことです。[43]

  • バランシングマシン
  • 水銀蒸気タービン
  • 蒸気機関
  • テスラタービン

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  • 蒸気タービン: Hubert ECollinsによるこのクラスの原動機の主要なタイプの調整と操作に関する指示書
  • Mike's EngineeringWondersでの蒸気タービン建設
  • チュートリアル:「過熱蒸気」
  • 蒸気タービンディスクの流動現象-バランスホールによってチャネリングされた固定子キャビティ
  • 1920年頃の設計原理の紹介を含む100KWデラバル蒸気タービンの試験ガイド
  • 極端な蒸気-蒸気機関車の異常な変動
  • オーストラリアのブリスベンにあるクイーンズランド大学によって開発されたボイラーを備えた350MW蒸気タービンのインタラクティブシミュレーション
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