高圧蒸気のもつ熱エネルギーを羽根車の回転という速度エネルギー、つまり機械的仕事に変換する原動機関。ボイラーで発生した高温・高圧の蒸気をノズルまたは固定羽根から噴出、膨張させて羽根車に当て、または羽根車の中でさらに蒸気流を加速して、その反動によって羽根車を回転させる。原理的にはガスタービンと同じである。
[吉田正武]
紀元前55年にアレキサンドリアのヘロンが、蒸気の送り込まれている球に互いに反対方向を向いた吹き出し口をつけ、蒸気の吹き出す反動で球が回転する装置を考案した。これは反動タービンでタービンの始まりといわれている。実際に機械を動かしたタービンは、1629年イタリアのブランカGiovanni Branca(1571―1645)がつくった機械で、水平に回転する円板の周りに羽根をつけ、それに細い口から蒸気を吹き付けて回転させ、鉱石を砕くのに使用された。これは衝動タービンの始まりである。効率のよい実用的なタービンはなかなかできなかったが、いくつかの試みがなされた。たとえば1815年に、高圧蒸気機関をつくったイギリスのリチャード・トレビシックはヘロンと同じ原理の反動タービンをつくった。また1846年にはイギリスのジェームス・ジャミーソン・コーデJames Jamieson Codesとエドワード・ロックEdward Lockeは、ブランカと同じ原理の32馬力のタービンをつくり、のちに150馬力のタービンを船の原動機として用いた。その間に、蒸気ほど高速流にならない水力利用のタービンが大発展をし、近代的な高効率タービンがつくられた。これらを参考にして本格的な高効率蒸気タービンが開発された。
1888年スウェーデンのカール・グスタフ・パトリック・ド・ラバルは、高温高圧蒸気のエネルギーをほぼ完全に速度エネルギーに変換するノズルを完成した。このノズルは初め断面がしだいに細くなり、次に太くなる先細(さきぼそ)末広ノズルで、ラバルノズルといわれ、出口の蒸気流速は毎秒1000メートル以上となる。このノズルを数個、対称形の羽根をつけた回転羽根車の周りに置き、高速蒸気流を吹き付け、速度エネルギーの大部分を衝撃力で回転羽根車の回転力に変換する。この衝動タービンはかなりの高圧蒸気でも1段で膨張させることができるのでノズル出口の蒸気流速は高く、また回転羽根車の周速がノズル出口の蒸気流速の約半分のとき、もっとも効率が高くなるので、羽根車はきわめて高速で回転し、回転数は毎分4万回以上になる。したがって振動と遠心力が問題であったが、ド・ラバルは軸を細くして、低速で振動しても高速回転では振動がないようにくふうし、さらに羽根車の断面は軸のところでもっとも厚く、先端に向かって薄くつくった。1897年までには、ド・ラバルはヘリカル歯車を使った減速機を考案し、発電機の駆動にも用いた。しかし、ド・ラバルのタービンは高速回転のために遠心力が大きく外径を制限され、大出力のものはつくれなかった。1895年にアメリカのチャールズ・ゴードン・カーティスはド・ラバルタービンを改良し、ノズルは1段であるが回転羽根車を多数にし、速度エネルギーを各列ごとに分割して回転力に変換するタービンをつくった。この改良で回転羽根車の周速は遅くなり、回転数は低くなったので大型化でき、出力の比較的大きいタービンもつくられるようになった。通常はノズル1段に回転羽根2列を1組にし、この組を多数組み合わせて、1920年ごろには4万馬力以上に達した。また1897年にフランスのオーガスト・ラトーが、1903年にはスイスのツェリーY. H. Zoelly(1862―1937)が、ド・ラバル型を多数組み合わせて、蒸気の膨張を何段にも分割するタービンをつくった。これも回転数は低く、大出力のタービンがつくられた。
1884年にイギリスのチャールズ・アルジャーノン・パーソンズは、ド・ラバルとは別の原理のタービンを製作した。パーソンズのタービンは固定羽根と回転羽根の両方で蒸気を膨張させ、固定羽根を出た高速蒸気流の衝撃力と、回転羽根内で蒸気が膨張するときの反動で回転羽根車を回転させるもので、固定羽根と回転羽根が交互に置かれる。パーソンズのタービンは固定羽根と回転羽根が軸方向に環状の蒸気通路をつくり、軸流型といわれる。このタービンは蒸気通路が広く、回転数も低いため、大出力に向いている。パーソンズの設計では、羽根は回転羽根車や仕切り板に固定されずに溝にはめ込まれており、外側の筒(車室)は蒸気が膨張するにつれ段階的に太くし、回転羽根車の径も大きくし、蒸気の流速があまり高くならないように考えられている。1889年からパーソンズは一時、軸流タービンの特許を失い、蒸気が同心に置かれた固定羽根と回転羽根の間を通る半径流タービンをつくって船に使用したが、回転数が高く有効ではなかった。1896年になってふたたび軸流の特許をとり、3基の軸流タービンを積んだ高速船タービナ号を建造し、時速34ノットを記録した。こののち高速の船には蒸気タービンが使用されるようになり、1基で2万馬力以上のタービンを4基積む客船も現れた。また水力の利用できない地方では発電用として、初めにはカーティス型が、その後はパーソンズ型をつないだ4万馬力以上の蒸気タービンが使用されている。
1911年にスウェーデンのユングストレーム兄弟Birger Ljungström(1872―1948)& Fredrik Ljungström(1875―1964)は、固定羽根がなく互いに逆回転する回転羽根の間を半径方向に蒸気が膨張しながら通り、その反動で回転力を得る蒸気タービンをつくった。これは二つの軸が逆回転するので二つの発電機が必要であるが、全体が小型になるため、中程度の出力用として使用されている。
蒸気タービンはその後基本的には変化なく、現在も火力、原子力発電所の発電用や、大型客船や高速船の大出力の原動機として使用されている。
[吉田正武]
蒸気をノズルまたは固定羽根を通して膨張させて高速の蒸気流にし、これを衝動型では回転羽根に当てて衝撃力で回転させるが、反動型では回転羽根内でも蒸気を膨張させて加速し、その反動と高速気流の衝撃力によって回転させて機械的仕事を得る。この固定羽根と回転羽根の1組を段という。蒸気タービンはこの段を多数並べて構成される。
ボイラーからの高圧蒸気は、止め弁、調速機などで調節される絞り弁を通って蒸気室に入り、多数の段を通って膨張しながら排気室に達する。蒸気通路面積は、膨張によって蒸気の体積が増加するのに伴い大きくなっている。回転部分はタービン軸と羽根車(翼車(よくしゃ)ともいう)と回転羽根(動翼(どうよく)ともいう)からなる。回転羽根は羽根車の先端につけられ、反動を利用する形式では回転羽根の前後に圧力差があるので、車室との間を気密フィンで漏れ止めをする。車室はタービンの入る外側の部分で、固定羽根(静翼(せいよく))またはノズルを取り付ける。固定羽根は段の間の蒸気の漏れを止める仕切り板につけられ、仕切り板と羽根車は交互に置かれる。タービン軸が車室を通るところでは、軸受が軸を支えるとともに、蒸気の漏洩(ろうえい)や空気の漏入を止めるためにラビリンスパッキンなどがつけられている。なお、タービン軸からは出力を取り出すだけでなく、調速機や潤滑油などのポンプの駆動も行う。また反動を利用する形式では羽根車に軸方向の力が働くので、これとつり合う力を生じるような円板(つり合いピストン)を取り付ける。
[吉田正武]
蒸気タービンはいろいろな分類が行われる。
[吉田正武]
(1)衝動タービン 衝撃力だけを用いるもので、単式、速度複式、圧力複式の三つがある。単式は1列のノズルと1列の回転羽根からなり、ド・ラバルタービンともよばれる。羽根車の回転数が高く大型化できないので小型タービンに用いられる。速度複式は1列のノズルと2列以上の回転羽根からなり、速度エネルギーの回転力への変換を何段にも行うもので、カーティスタービンともいわれる。この形式も単独では小出力にしか用いられないが、他のタービンと組み合わせるときの1段目として大出力タービンに多く用いられている。圧力複式は単式を多数並べた形式で、高圧蒸気の熱エネルギーの速度エネルギーへの変換を何段にも行うもので、大出力に適しており広く用いられている。これはラトータービンあるいはツェリータービンといわれる。
(2)反動タービン 軸流と半径流があり、回転羽根内での膨張による反動も利用する。軸流は、交互に設けられる固定羽根と回転羽根で環状の蒸気通路をつくる。通常は固定羽根と回転羽根は同一断面である。パーソンズタービンともいわれる。半径流は、同心円状に回転羽根と固定羽根あるいは回転羽根を並べ、蒸気を中心から入れ膨張させて外に出すもので、二つの回転羽根を用い互いに逆回転させるユングストレームタービンが有名である。一方が固定翼のものにはジーメンス社のタービンなどがある。半径流は小型で中出力用として用いられている。
(3)混式タービン 反動タービンと衝動タービンを組み合わせたもので、蒸気体積の小さい高圧段にカーティスなどの衝動タービンを用い、その後を反動タービンとし、大出力タービンとして広く使用されている。
[吉田正武]
(1)復水タービン 排気を復水器に導いて水にして排気室を高真空にし、膨張を十分に行わせる。高効率・大出力を目的とする大型の発電用や船用に用いられる。この形式では低圧側の蒸気の体積は非常に大きくなるので、タービンを高圧段と低圧段、または高圧段、中圧段、低圧段のように分け、低圧段は2基以上にしてタービンの外径が大きくなりすぎないようにする。復水タービンのうち、蒸気をすべてタービンで膨張させて復水器に導くものは比較的小出力のタービンである。大出力のものは効率向上のため、一部の蒸気を多段タービンの途中で抽気し、ボイラーに送る水を加熱する再生タービンと、蒸気を途中で再度加熱する再熱タービンが広く用いられている。とくに大出力の発電用には再熱再生タービンが多い。復水タービンは、復水器で失う熱エネルギーがむだになる。これを利用するために考えられたのが背圧タービンや抽気タービンである。
(2)背圧タービン 排気圧力を大気圧以上とし、全排気を工場などの熱源として利用する。蒸気量の調節は出力以外の要素を加えて行うことが必要で、タービンの効率としてはすこし低くなるが、工場全体の熱効率は高い。
(3)抽気タービン 膨張途中の大気圧以上のところで蒸気の一部を抜き、これを加熱用などに使い、タービンの全段を通った残りを復水器に導くもの。タービンの効率をある程度維持しながら蒸気量を自在に調節でき、復水タービンと背圧タービンの中間である。
(4)混圧タービン 通常のタービンの途中から蒸気機関の排気などを供給して蒸気量を増すもの。
(5)排気タービン 蒸気機関などの排気だけを用いるもの。混圧タービンとともに、工場などの事業所全体の効率をあげることができる。
なお、近年では、水蒸気以外のフロンなどの蒸気を使用するタービンが内燃機関の排気の熱エネルギーの利用などの目的で開発されているが、構造は通常の蒸気タービンと同じである。しかし、一般に蒸気タービンというときは水蒸気を用いたタービンをいう。
[吉田正武]
蒸気タービンは大量の蒸気を送ることによって大出力を得ることができ、回転速度をあげれば出力当りの重量は小さくなり、また長時間の連続運転が可能で熱効率も高いなどの特徴をもつので、火力発電、船舶、工場などの大出力原動機として広く用いられている。なかでも発電用には高出力の蒸気タービンが使用され、100万キロワット程度のものまである。また排気清浄化と高効率化のためにガスタービンで発電し、排気で蒸気を発生して蒸気タービンで発電するコンバインドシステム用として35万キロワット程度のものが使用されている。船舶用としてもディーゼル機関の出力との差は小さくなったが静粛性が高いために、高速客船では5万キロワット程度のタービンが用いられている。工場用としても自家発電のほか作業用の蒸気や熱源が得られるなど、各分野での用途が多い。
[吉田正武]
『John Robert DayEngines ; The Search for Power(1980, The Hamlyn Publishing Group Ltd.)』
高温高圧蒸気のもつ熱エネルギーを機械的仕事に変換する蒸気原動機の一形式。蒸気原動機には,蒸気機関と蒸気タービンがあるが,前者が蒸気の静的圧力を利用してピストンを往復運動させ仕事をするのに対し,蒸気タービンでは,図1に示すように,まずノズルで高圧蒸気を膨張させて高速蒸気流を作り,これを回転円板の周囲に密接して植えられた反りをもった羽根の列にあてる。そして羽根を出るまでに蒸気の流れの方向を変え,その際羽根が蒸気から受ける反力を利用して羽根を回転させることによって仕事を行うものである。
蒸気を用いて回転運動を行わせる装置の着想は1世紀ころにさかのぼり,アレクサンドリアのヘロンは,ボイラーから発生する蒸気が,支柱管を通って球状の回転体に入り,これに取り付けられた2本の曲管から互いに反対方向に高速噴流となって吹き出し,球体がその反動で蒸気の噴出方向と逆向きに回転する装置を考案しているが,これは後で説明する反動タービンの原型といえるものである。長い空白ののち,1629年ごろに至って,イタリアの建築家G.ブランカによって,後述の衝動タービンの原型というべき考案が記録されている。それは,人形の形をしたボイラーから発生する蒸気が,人形の口につけた細管から高速噴流となって羽根車に吹きつけられ,羽根車を回転させるというもので,回転は歯車装置を経てカム軸に伝えられ,棒に上下運動を起こさせて,下の容器中の穀物をつくようになっている。
蒸気原動機はボイラーおよび復水器と一体となって,蒸気原動所を構成して初めて機能するものであるが,18世紀の蒸気動力の最初の実用化に当たって,その動力発生部分としてもっぱら用いられたのは,古くから着想のあった蒸気タービンではなく,蒸気機関であった。蒸気機関は構造が比較的簡単で,当時の機械材料や未熟な工作技術で実現が可能であったことに加えて,当時は比較的低速で力の強い原動機が実用に適していたためと思われる。これに対して,蒸気タービンの実用化には,大きい遠心力に耐え複雑な形状をした羽根,あるいは高速回転体のつり合いや軸受などに関して材料の進歩と加工技術の発達を待たねばならなかった。
蒸気タービン実用化の道が開かれたのは19世紀の終りになってからであり,スウェーデンのド・ラバルCarl G.P.de Laval(1845-1913)による単段の衝動タービンの製作(1883),イギリスのパーソンズCharles A.Parsons(1854-1931)による多段の反動タービンの製作(1884)に始まる。とくに後者は,本質的な形式の変化もなく今日の大出力機に受け継がれている。衝動タービンについては,その後,1896年アメリカのカーティスCharles G.Curtis(1860-1953)によって速度複式タービンが作られ,相前後して,97年にはフランスのラトーAuguste Rateau(1863-1930)により,また,1903年にはスイスのツェリーHeinrich Zoelley(1862-1937)によって,それぞれ独立に,蒸気の熱エネルギーを多数の段によって速度エネルギーに変換する形式の圧力複式衝動タービンが製作され,大出力化への道が開かれた。蒸気タービンはトルクはあまり大きくないが,高回転数とすることにより大きい出力を出せるという特徴をもっており,この特徴が発電機駆動用原動機としてうってつけのものであったため,その進歩はまさに電力使用の始まりとその需要の拡大と軌を一にしている。
蒸気タービンの基本構成要素は,蒸気を膨張させて高速気流とするノズルと,仕事を行う回転羽根であり,この1組を圧力段,あるいは単に段と呼び,本質的には図1で代表される。大型タービンは多数の段から構成される。この場合,ノズルはこの図のように離散的ではなく円環状に密に並べられ,羽根車の全周に隙間なく蒸気噴流があたるようになっており,回転羽根を出た蒸気は次の段のノズル入口に面することになる。このような多段式蒸気タービンの1段を取り出し,蒸気流の中心面,つまりタービン軸を中心線とし羽根高さの中央を通る円筒面で切り開いた展開図が図2であって,これを用いて蒸気の流れを考えてみよう。蒸気はノズルから絶対速度c1で流出するが,回転羽根が周速uで運動しているため,回転羽根には相対速度w1で流入する。そして蒸気流は回転羽根内で向きを変え相対速度w2で流出するが,周速uを加えれば,回転羽根出口での蒸気の絶対速度はc2となる。回転羽根の入口と出口における速度の関係を取り上げて,図3にあらためて示した。この図で,蒸気の周方向速度は回転羽根の入口と出口の間で(c1u+c2u)の差がある。したがって,蒸気の単位時間当りの流量をGとすれば,回転羽根を通過する蒸気流は単位時間当りG(c1u+c2u)の周方向の運動量変化を受け,その反作用として,回転羽根は同じ大きさの力を周速の方向に受けることになる。結局,この力に周速uを掛ければ,この段で発生する単位時間当りの仕事が得られ,それはGu(c1u+c2u)となる。
このことからわかるように,仕事を発生させる根元は蒸気流の回転羽根入口と出口の周方向速度差(c1u+c2u)である。この周方向速度差を生み出す方法の違いが,衝動タービンと反動タービンの形式を分けている。ここで簡単のため,羽根車の半径が無限に大きいとして,図2の回転羽根は速度uで近似的に直線運動しているものとすれば,回転羽根とともに動く座標系は慣性系となって,回転羽根に対する相対的な流動を考える限り回転羽根があたかも静止していると同じに取り扱える。したがって,回転羽根の出口部の圧力を入口部の圧力より低くすれば,ノズルの場合と同様に,回転羽根出口相対速度w2は入口相対速度w1より大きくなる。一方,回転羽根の出入口間に圧力差がないようにすれば,w2はw1と変わらない。実際この圧力差を0としたものが衝動タービンであって,段にかかる圧力差はノズルで一挙におとされる。この場合の速度線図は図3の上のようになり,回転羽根出入口間の周方向速度差(c1u+c2u)は,回転羽根の反りにより蒸気の流れ方向が変わることによってもたらされていることがわかる。これに対して,反動タービンでは,回転羽根の上流と下流に圧力差を設け,段にかかる圧力差はノズル(反動タービンでは固定羽根と呼ぶ)と回転羽根の両方に振り分けて消費される。この場合の速度線図は図3の下のようになり,(c1u+c2u)は回転羽根の出入口間で流れの向きが変わることと,w2がw1より大きくなることの二つが原因で引き起こされている。
蒸気タービンは多くの場合発電機の駆動に用いられ,発電機の回転数は日本では3000rpmか3600rpmに決まっている。衝動タービンで構成された段を衝動段,反動タービンで構成された段を反動段と呼び,同一回転数かつ同一径という条件のもとで比べれば,衝動段のほうが反動段より大きい圧力差を1段で消化することができる。したがって同一出力でも衝動段を用いた衝動タービンのほうが小型にできる。この長短をちょうど補うように,効率は反動タービンのほうが優れている。1段当りの出力が非常に大きくとれる形式としては,段にかかる圧力差をノズルで一挙に速度エネルギーに変え,これを複数列の回転羽根で順次仕事をさせる速度複式衝動タービンがある。なお,出力調整などの目的で蒸気を環状通路の一部だけに流す場合があり,これを部分送入と呼んでいる。衝動段では部分送入が可能であるが,反動段では蒸気の流れている部分と流れていない部分とで回転羽根の上流部の圧力に違いが生じ,蒸気のまわり込みが起こって著しい損失を生ずるため適用できない。
実際の蒸気タービンは,一般に多数の段を並べて構成されており,ボイラーから供給された蒸気は各段を次々と通過して仕事をし,排気室を経て復水器へいく。タービン軸はタービン車室(ケーシングともいう)内で両側を軸受によって支えられて回転し,タービン軸がタービン車室を貫く場所には蒸気の漏出や空気の漏入を防ぐためのパッキングが設けられる。タービン軸の一端は継手によって発電機などに連結され,他端はスラスト軸受で支えられる。
蒸気タービンはボイラーおよび復水器と一体となって蒸気原動所を構成して初めて機能し,非常におおがかりな一連の装置を必要とするだけに,きわめて大きな出力を必要とする分野で利用するのが有効であり,事実,他の熱機関ではとても及ばない出力のものも構成できる。すなわち,今日,大型ディーゼルエンジンが4万kW程度まで,また陸用のガスタービンが10万kW程度までの範囲で用いられるのに対して,蒸気タービンでは100万kW,あるいはそれ以上の出力のものを作ることも可能である。蒸気タービンは,高回転数における優れた特性と大容量化への可能性により,歴史的にも電力需要の拡大に歩調を合わせて発電機駆動用原動機として発達を遂げてきた。今日でも,蒸気タービンの最大の用途は発電用であり,火力発電所はもとより,これと原理的には同じ蒸気サイクルを用いている原子力発電所の原動機として,日本の電力発生の実に8割を担っている。火力発電所の蒸気サイクルにはふつう再熱再生サイクルが用いられており,また排気を復水器でできるだけ低圧にする形式のもの(復水タービン)となっている。大型蒸気タービンではタービン入口から出口までに,蒸気の温度と比体積がともに著しく変わるため,タービン車室をいくつかに分割して,熱膨張の無理を避けるとともに体積流量の増大に対処している。生産工場では,各種の処理や蒸発乾燥などの作業のための熱源として,比較的低圧の蒸気をかなり多量に必要とする場合がよくある。このような場合には,工場で必要とする蒸気より高い圧力の蒸気を発生するボイラーを設置し,背圧タービンや抽気タービンを備えて,電力会社の発電価格より安く電力を得ることがしばしば計画される。蒸気タービンのもう一つの用途は大型船舶の主機関としてであり,この場合も復水タービンが用いられる。ただし出力が5万kW以上では蒸気タービンを主機関として選ばざるをえないが,それ以下の出力範囲であれば大型ディーゼルエンジンで達成可能であり,最近の大型ディーゼルエンジンの熱効率は同出力規模では蒸気タービンを上回るため,石油危機による燃料の高騰以降,ディーゼルエンジンを採用する船が多くなっている。
→蒸気原動所
執筆者:田中 宏明
出典 株式会社平凡社「改訂新版 世界大百科事典」改訂新版 世界大百科事典について 情報
出典 株式会社平凡社百科事典マイペディアについて 情報
出典 ブリタニカ国際大百科事典 小項目事典ブリタニカ国際大百科事典 小項目事典について 情報
…石油,石炭,ガスなど燃料のもつ熱エネルギーを,原動機により機械エネルギーに変え,発電機を回転させて電力を発生させることをいう。火力発電は原動機の種類によりボイラーと蒸気タービンを用いる汽力発電,ディーゼルエンジンなどの内燃機関を用いる内燃力発電,ガスタービンを用いるガスタービン発電,ガスタービンと蒸気タービンの組合せによるコンバインドサイクル発電などに分類される。このうち汽力発電は,熱効率が高く大出力に適するため,事業用火力発電などにもっとも一般的に用いられている。…
…世界で初めての蒸気タービン船。1894年,実用蒸気タービン発明者の一人であるイギリスのC.A.パーソンズによって建造された。…
…大きい圧力差でも,複数の圧力段をおくことによって,圧力を順次落として仕事をとり出すことが可能である。 タービンには蒸気タービン,ガスタービン,水車,空気タービンなどがある。蒸気タービンは蒸気のエネルギーを利用したもので,火力発電所で代表される蒸気原動所の動力発生部として用いられ,ボイラーで発生した高温高圧の蒸気を復水器の低圧まで膨張させる間に仕事を発生する。…
※「蒸気タービン」について言及している用語解説の一部を掲載しています。
出典|株式会社平凡社「世界大百科事典(旧版)」
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