蒸気タービン
蒸気タービンは、蒸気発電所で最も好まれる原動機です。蒸気タービンの容量は5メガワットから2000メガワットまであります。
蒸気タービンがディーゼルエンジンに比べて持つ利点は以下の通りです。
蒸気タービンのサイズは同等の出力を持つディーゼルエンジンよりもはるかに小さいです。30メガワットの蒸気タービンのサイズは5メガワットのディーゼルエンジンと同じです。
構造的には蒸気タービンの方がディーゼルエンジンよりもずっとシンプルです。ローターシャフト、ブレード、蒸気制御弁が蒸気タービンの3つの主要な部品です。
システムの回転部品が正しく設置および整列されている場合、蒸気タービンはディーゼルエンジンよりも振動が少ないです。
蒸気タービンの回転速度はディーゼルエンジンよりもはるかに高いです。米国では電力発電所で使用される蒸気タービンの標準的な回転速度は3600RPM、英国では3000RPMです。同じ目的で使用されるディーゼルエンジンの最高の標準的な回転速度は200RPMです。
蒸気タービンの制御はディーゼルエンジンよりも簡単です。その目的のために制御弁が使用されます。この弁は蒸気の入口ラインに取り付けられています。この制御弁は蒸気の流れをタービンに制御します。制御弁の前にストップバルブが設置されています。ストップバルブの機能は、異常が発生した際にタービンへの蒸気の流れを完全に遮断することです。ストップバルブは緊急用バルブです。
蒸気は高圧・高温でタービンに入り、ローターを回転させる仕事を終えた後、低い圧力と温度で排出されます。蒸気は1800Pa、1000°Fの圧力と温度でタービンに入り、排出時の圧力と温度は1Paと100°Fとなります。
蒸気タービンの動作原理
往復式蒸気エンジンでは、加圧された蒸気がピストンに作用し、ピストンの機械的な動きを引き起こします。理想的には、往復式システムでは蒸気の動的作用は利用されません。しかし、蒸気タービンの場合、突然拡張された蒸気の動的作用が主に利用されて機械的な仕事を行います。
蒸気タービンでは、ノズル内の蒸気が膨張し、運動エネルギーを得て圧力を失います。蒸気は膨張中に内部エンタルピーから運動エネルギーを得ます。タービンのブレードが蒸気の運動量を妨げ、これにより蒸気の流れ方向が変わります。言い換えれば、蒸気の運動量はタービンのブレードに力を及ぼします。つまり、膨張する蒸気の運動量が蒸気タービンの駆動力となります。
蒸気の膨張と運動量の方向変化は、タービンの種類によって単一の段階で一度または複数の段階で何度も起こります。
タービン内で蒸気の膨張が一度だけ行われ、ノズルを通じて膨張した後、プロセス全体を通じて蒸気の圧力が均一に保たれる場合、そのタービンは単段衝動タービンと呼ばれます。衝動タービンでは、高圧・高温の蒸気がノズルヘッドから出て膨張し、蒸気ジェットを形成して直接移動ブレードに当たることでタービンローターを回転させます。
もう一つのタイプのタービンでは、蒸気はプロセス全体を通じて膨張します。ここでは、蒸気がタービンブレードを通過する際に膨張します。膨張中に蒸気のエンタルピーが運動エネルギーに変換され、タービンローターはプロペラ作用で回転します。
このタイプのタービンは反応タービンと呼ばれています。このタイプのタービンには2組のブレードがあります。1組は固定ブレードでタービンの静止部分に取り付けられ、もう1組は移動ブレードでタービンのローターに取り付けられています。蒸気の膨張は固定ブレードと移動ブレードの間で行われます。
通常、実用的なタービンには重要な2つの部品、ノズルとブレードがあります。ノズルはタービンの蒸気入口に取り付けられた装置です。高圧・高温の蒸気は微小な運動エネルギーを持っていて、ノズルを通じて膨張し、圧力を失い、十分な運動エネルギーを得て機械的な仕事を行います。
タービンのブレードは偏向器としても知られています。これは、動的な蒸気がブレードに当たって偏向するためです。膨張する蒸気の機械エネルギーはタービンブレードで抽出されます。
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