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ターボ機械を知ろう!・・・蒸気タービン

蒸気タービンとは?

 
 蒸気の持つ熱エネルギーから、羽根車の回転を介して動力を取り出す原動機を蒸気タービンといいます。原子力発電所や火力発電所では、蒸気をつくるために原子炉あるいはボイラを用い、蒸気タービンに発電機を連結させて、電気を作っています。

 図1のように、水をやかんで沸騰させて蒸気をつくり、それを「かざぐるま」に当てた場合を考えてみましょう。かざぐるまは膨張した蒸気の力で回転を始めます。これが蒸気タービンの原理です。しかし、やかんの蒸気は大気圧よりほんのわずかに高いだけなので、回転力が弱いです。これを強力にするには、やかんの中の圧力を上げてやればよく、蒸気タービンではやかんの代わりにボイラを、そして圧力を上げるために給水ポンプを用いています。

 火力発電所はLNG、石油、石炭などを燃料として蒸気タービンを使用して発電しています。図2はLNGを燃料とする火力発電所を示しています。

 表1は、このようなプラントの蒸気条件を示したもので、蒸気機関車も含めて表示しています。蒸気機関車は、主にピストンとシリンダーからなる往復動蒸気機関から動力を取り出しますが、出力500W程度の蒸気タービンも持っていて、前照灯や、室内灯などに利用しています。

 現在、蒸気タービンだけ使用している火力発電では、最高熱効率が43%に達し、蒸気条件は温度600℃、圧力は24.5 MPa (245気圧)です。この条件は、水の臨界点を超えて、水が沸騰せずに直接蒸気に変化する状態で、蒸気タービンは超臨界圧タービンと呼ばれます。

 火力、原子力発電所では復水器をつけて蒸気を水に凝縮して、再び給水ポンプに戻す閉じたサイクルを使用しています。これによって真空0.005MPa(0.05気圧)まで膨張させて発電量を増やしています。
【蒸気タービンの原理】
図1 蒸気タービンの原理
【蒸気タービンの使用例】
図2 蒸気タービンの使用例
【蒸気タービンの蒸気条件】
表1 蒸気タービンの蒸気条件

蒸気タービンの中の流れはどうなっているの?

 
 水は10m深くなるごとに圧力が1気圧上がりますので、タービンの入口圧力245気圧は深さ2450mの深海の圧力に相当します。また、タービンで出口圧力は0.05気圧で、上空21000mの大気圧に相当します。このように、蒸気タービンの圧力は入口から出口までの間に、深海から超高空にまたがり大変広い範囲に変化することになります。

 蒸気タービンの流れは、高圧蒸気を静止したノズル(一般には音速以下の流れでは狭まり流路、音速以上の流れでは広がり流路)で高速蒸気に変えて、これを羽根に当てて羽根車を回します。このノズルと羽根車の組み合わせを段といい、何段も組み合わせることにより入口部の高圧から徐々に膨張して、圧力、温度とも下がっていきますが、圧力の下がり方が大きいので、蒸気の密度は小さくなっていきます。

 このため、下流に行くにしたがって、体積流量が増え、タービン翼のサイズが大きくなっていきます。また上流から下流まで温度や圧力、速度が大きく変わりますので、各翼の周りの流れの慣性力や粘性力も大きく変化し、流動状態が全く違ってきます。最終部では、羽根の外周の速度が秒速700m、 流れの速度は蒸気の音速の約2倍で、超音速になって衝撃波を伴う流れになっているものもあります。

蒸気があると、どんなことが起こるの?

 
 液体を一定圧力の下で加熱すると、蒸気が発生して飽和液と飽和蒸気の共存する状態になり、さらに加熱を続けると飽和蒸気だけになりこのときの蒸気を乾き飽和蒸気といいます。さらに加熱を続けると飽和温度以上に過熱された過熱蒸気となり、乾き飽和蒸気と過熱蒸気を合わせて乾き蒸気といいます。

 蒸気タービンの出口部では湿り蒸気(水分を含む蒸気)域に入り、乾き度(乾き蒸気と水分を含んだ蒸気の重量比)が火力発電では0.9を下らない値です。一方、原子力発電では入口温度を上げられないので、入口から飽和蒸気です。タービンで蒸気は膨張しても、すぐには水滴を発生せず、過飽和の状態にあります。

 乾き度が0.97~0.96を下ると水滴が発生します。ノズル(静翼ともいう)で水滴(0.1~1ミクロン)ができると、水滴は蒸気で加速されますがその密度が蒸気の密度より大きいため、蒸気の流れより遅くなります。この蒸気と水滴の速度差のために、両者の間に摩擦が働き、蒸気のエネルギーは失われてしまいます。あたかも、網戸を風が通り抜けにくいように、水で出来た網戸を蒸気が通り抜けにくいことを想像すれば、速度エネルギーが失われることが理解できます。

 ノズルで発生した水滴が下流の回転する羽根(動翼という)に当たると、運動量を失い、損失が大きくなります。

 図3は、静翼(ノズル)から出た蒸気と蒸気の流れに乗って遅れて運ばれる水滴が、動翼の入口に入って来る速度図を示しています。動翼の外から見た速度を図中の①に、また動翼の内から見た速度(動翼という列車に乗って運動している人から見た速度)を図中の②の空色と橙色のベクトルで示しています。これより、蒸気と水滴は動翼前では進む方向が同じであっても、速度の大きさが違うと、動翼に対しては違う方向から入ってくることがわかります。

 したがって、蒸気の流れに沿うように動翼を設計すると、水滴の方向は羽根に沿わなくなり、側面に衝突して、羽根にエロージョン(侵食)や効率低下を引き起すことになります。水滴が大きくなるとこの方向差は更に大きくなります。

 このように、水滴を伴う蒸気タービン内の流れの解析や水滴の成長過程などの研究は、蒸気タービンにとって大変大切です。

 上で述べました蒸気タービン内の流れは、自然界に存在する上昇霧(滑昇霧)に例えられましょう。山を登る風が、圧力を下げながら断熱膨張して、温度を下げて霧になって流れていく現象です。そして霧が木の葉や草などに当たり水滴になります。この風は、蒸気以外の気体(分圧)を差し引けば、 蒸気タービンの流れに類似していますが、蒸気タービンの流れでは圧力や温度のレベルが非常に異なり、風の速度が速く超音速の霧の風が吹いている場合もあります。
 このような蒸気タービンの流れは、気液2相流(気体と液体)と呼ばれ、主としてタービンの出口側で起こります。また、ボイラの蒸気配管から剥がれてタービンの入口に飛んでくる酸化スケール(湯あかのようなもの)と蒸気の流れは固気2相流(固体と液体)と呼ばれ、エロージョンを引き起こします。前者に対しては水分の分離除去が行われ、後者は翼の表面硬化処置などの対策が取られています。

 わが国全体の一般電気事業用発電設備は、石炭火力、LNG利用コンバインサイクル(ガスタービン+蒸気タービン)を含む火力発電、原子力発電で80%以上を占めており、これらはすべて蒸気タービンを使用していますので、私たちが日常使っている電気の大半は、蒸気タービンに依存しているのです。

 今後は炭酸ガスの排出を減らすために、効率を更に上げる必要があります。このためには、蒸気条件が700℃、35MPa(350気圧)の蒸気タービンを開発する必要があります。これには耐熱材料、冷却技術、流動の研究などが重要になります。
【蒸気タービンの原理】
図3 蒸気タービンの原理

蒸気タービンの用途

 
1.火力発電
2.原子力発電
3.地熱発電
4.都市ごみ発電
5.産業廃棄物発電
6.LNG船
7.機械駆動用(圧縮機、ポンプ、冷凍機など)
8.冷熱発電(高温源を海水、低温源をLNG(マイナス160℃)としてプロパン蒸気などを使用する)
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