【電力】令和6年(下期)　問3｜汽力発電所における蒸気タービンの分類に関する穴埋め問題

次の文章は，汽力発電所における蒸気タービンの分類に関する記述である。

衝動タービンは，高温・高圧の蒸気が羽根に衝突するときに生ずる衝動力によってランナを回転させるもので，タービンのノズルを通る間に蒸気の圧力が \( \fbox{　（ア）　} \) し，高速度となってノズルから噴出する。この噴出した蒸気を前面の羽根に衝突させることにより，ランナを回転させる。羽根を通過する蒸気の通路の断面積が一様であり，羽根の出入口の蒸気の圧力は \( \fbox{　（イ）　} \) 。衝動タービンは蒸気の圧力が \( \fbox{　（ウ）　} \) のものに適する。

反動タービンは，衝動力と蒸気が回転羽根を離れるときの反動力を利用するもので，固定羽根で膨張させた蒸気を羽根に衝突させてランナを回転させるとともに，ランナの内部で蒸気を \( \fbox{　（エ）　} \) させ，排気するときの反動力を利用してランナを回転させる。反動タービンは，蒸気の圧力が \( \fbox{　（オ）　} \) のものに適する。

上記の記述中の空白箇所（ア）～（オ）に当てはまる組合せとして，正しいものを次の (1)～(5) のうちから一つ選べ。

→

\[ \begin{array}{cccccc} & （ア） & （イ） & （ウ） & （エ） & （オ） \\ \hline (1) & 　上昇　 & 　等しい　 & 　高圧　 & 　膨張　 & 　中低圧　 \\ \hline (2) & 　上昇　 & 　異なる　 & 　中低圧　 & 　凝縮　 & 　高圧　 \\ \hline (3) & 　上昇　 & 　等しい　 & 　中低圧　 & 　膨張　 & 　高圧　 \\ \hline (4) & 　降下　 & 　異なる　 & 　中低圧　 & 　凝縮　 & 　高圧　 \\ \hline (5) & 　降下　 & 　等しい　 & 　高圧　 & 　膨張　 & 　中低圧　 \\ \hline \end{array} \]

合格への方程式

蒸気タービンの基本原理

蒸気タービンとは

蒸気タービンは、高温高圧の蒸気が持つエネルギーを回転運動に変換する原動機です。汽力発電所において、ボイラで発生した蒸気のエネルギーを電気エネルギーに変換する重要な役割を果たします。

蒸気タービンの基本構成

  • ケーシング：蒸気を封じ込める外殻
  • ローター：回転軸と羽根車の組み合わせ
  • 固定羽根：蒸気の流れを制御
  • 回転羽根：蒸気エネルギーを回転力に変換
  • シール装置：蒸気の漏れを防止

蒸気エネルギーの変換原理

蒸気の持つエネルギーは主に2つの形態で利用されます。

蒸気エネルギーの利用方法

  • 衝動力：高速で噴出する蒸気が羽根に衝突する力
  • 反動力：蒸気が羽根から噴出する際の反作用

蒸気の状態変化

タービン内での蒸気の状態変化を理解することが重要です。

\[ \text{蒸気エネルギー} = \text{圧力エネルギー} + \text{運動エネルギー} + \text{内部エネルギー} \]

エネルギー変換の基本法則

蒸気がタービンを通過する際、圧力エネルギーが運動エネルギーに変換され、最終的に機械的な回転エネルギーとなります。この変換過程で、蒸気の温度と圧力は段階的に低下します。

タービンの分類方法

蒸気タービンは様々な観点から分類されます。

分類基準 種類 特徴
作動原理 衝動タービン 蒸気の衝突力を利用
反動タービン 衝動力と反動力を利用
段数 単段タービン 1段で圧力降下
多段タービン 複数段で段階的圧力降下
蒸気流れ 軸流タービン 軸方向に蒸気が流れる
ラジアルタービン 径方向に蒸気が流れる

圧力段階と適用領域

蒸気の圧力レベルによって、適用するタービンの種類が決まります。

圧力段階による分類

  • 高圧段：初期蒸気圧力が高い（通常10MPa以上）
  • 中圧段：中間的な圧力レベル（1～10MPa）
  • 低圧段：低い圧力レベル（1MPa以下）

多段タービンの必要性

実際の発電所では、蒸気の圧力を段階的に降下させる多段タービンが使用されます。

多段化の理由

  • 効率向上：各段で最適な圧力比を維持
  • 機械的制約：単段での大きな圧力降下は困難
  • 蒸気速度制限：過大な速度による損失防止
  • 構造的安定性：回転体の機械的強度確保

タービン効率の基本

タービンの性能を表す重要な指標が効率です。

\[ \eta_{\text{タービン}} = \frac{\text{実際の仕事}}{\text{理想的な仕事}} \times 100 \quad [\%] \]

効率に影響する要因

  • 蒸気の状態：温度、圧力、湿り度
  • 羽根の形状：空力設計の最適化
  • 内部損失：摩擦、漏れ、渦流
  • 運転条件：負荷、回転速度

蒸気の流れと速度

タービン内での蒸気の流れ方が性能に大きく影響します。

蒸気速度の分類

  • 絶対速度：固定座標系から見た蒸気速度
  • 相対速度：回転羽根から見た蒸気速度
  • 周速度：羽根の回転速度

ベクトル図の重要性

蒸気の流れを理解するためには、ベクトル図による解析が必要です。

ベクトル図の構成要素

  • 入口速度三角形：羽根入口での速度関係
  • 出口速度三角形：羽根出口での速度関係
  • 速度係数：理想速度に対する実際速度の比

現代のタービン技術

技術の発展により、タービンの性能は大幅に向上しています。

最新技術の動向

  • 3D設計：CFD解析による最適化
  • 先進材料：耐熱超合金の適用
  • 冷却技術：羽根冷却システム
  • 制御技術：可変案内羽根

衝動タービンの特性

衝動タービンの基本原理

衝動タービンは、高温高圧の蒸気をノズルで高速ジェットに変換し、その衝突力で羽根を回転させるタービンです。

衝動タービンの動作原理

  1. ノズル部：高圧蒸気を高速ジェットに変換
  2. 衝突部：蒸気ジェットが羽根に衝突
  3. 転向部：蒸気流の方向を変更
  4. 排出部：蒸気を次段または復水器へ

ノズルでの蒸気状態変化

衝動タービンの特徴は、ノズル部での蒸気の状態変化にあります。

ノズル内での変化

  • 圧力：大幅に降下（膨張）
  • 温度：降下（断熱膨張）
  • 速度：大幅に増加（加速）
  • 比容積：増加（密度低下）
\[ v_1 = \sqrt{2(h_0 - h_1)} \quad [\mathrm{m/s}] \]

ここで、\( v_1 \)：ノズル出口速度、\( h_0 \)：ノズル入口エンタルピー、\( h_1 \)：ノズル出口エンタルピー

回転羽根での蒸気流れ

衝動タービンの回転羽根では、蒸気の圧力は変化しません。

羽根通過時の特徴

  • 圧力：入口と出口で等しい（等圧過程）
  • 通路断面積：一定（収束発散なし）
  • 速度：方向変化のみ（大きさは摩擦損失で若干減少）
  • 温度：ほぼ一定

衝動タービンの羽根形状

効率的な衝動力を得るための羽根設計が重要です。

羽根形状の特徴

  • 対称形状：入口と出口の流路が対称
  • 一定断面：通路断面積が変化しない
  • 転向角：蒸気流の方向を効率的に変更
  • 厚み：機械的強度と空力性能の両立

衝動タービンの速度線図

衝動タービンの性能解析には速度線図が重要です。

速度線図の構成

  • C₁：ノズル出口の絶対速度
  • W₁：羽根入口の相対速度
  • U：羽根の周速度
  • W₂：羽根出口の相対速度
  • C₂：羽根出口の絶対速度

最適周速比

衝動タービンの効率を最大化する周速比があります。

\[ \frac{U}{C_1} = \frac{\cos\alpha_1}{2} \quad \text{（最適周速比）} \]

ここで、\( \alpha_1 \)：ノズル出口角度

衝動タービンの適用領域

衝動タービンは特定の条件で最も効率的に動作します。

適用条件

  • 高圧蒸気：初期圧力が高い場合
  • 大きな圧力比：ノズルでの大きな圧力降下
  • 小容量：比較的小さな出力
  • 単段運転：簡単な構造が求められる場合

衝動タービンの利点

衝動タービンは特定の用途で多くの利点を提供します。

主な利点

  • 構造の簡単性：羽根形状が単純
  • 軸推力小：圧力による軸方向力が小さい
  • 部分負荷特性：負荷変動に対する適応性
  • 製造コスト：比較的安価

衝動タービンの欠点

一方で、衝動タービンには以下の欠点もあります。

主な欠点

  • ノズル損失：高速ジェット生成時の損失
  • 速度損失：羽根での速度エネルギー損失
  • 漏れ損失：羽根先端での蒸気漏れ
  • 騒音：高速ジェットによる騒音

多段衝動タービン

実用的な出力を得るため、多段化が行われます。

多段化の方法

  • 圧力段：各段でノズルによる圧力降下
  • 速度段：1つのノズルで複数の羽根列
  • 圧力速度複合段：両方の組み合わせ

カーチス段（速度複合段）

1つのノズルで生成した高速蒸気を複数の羽根列で利用する方式です。

カーチス段の特徴

  • 高速蒸気：1段のノズルで大きな速度を得る
  • 複数羽根列：2～3列の羽根で速度エネルギーを回収
  • 案内羽根：羽根列間で蒸気流を案内
  • 高圧段での使用：発電所の高圧タービン初段

ラトー段（圧力複合段）

各段にノズルを設け、段階的に圧力を降下させる方式です。

ラトー段の特徴

  • 段階的圧力降下：各段で適切な圧力比
  • 中程度の速度：過大な速度を避ける
  • 高効率：各段での最適化が可能
  • 構造複雑：多数のノズルが必要

衝動タービンの制御

出力制御は主にノズル制御によって行われます。

制御方法

  • ノズル制御：ノズル開度による流量制御
  • スロットル制御：入口弁による圧力制御
  • バイパス制御：一部蒸気のバイパス

反動タービンの特性

反動タービンの基本原理

反動タービンは、衝動力に加えて蒸気が羽根から噴出する際の反動力を利用するタービンです。

反動タービンの動作原理

  1. 固定羽根：蒸気を減圧・加速して案内
  2. 回転羽根：衝動力と反動力の両方を利用
  3. 膨張過程：固定羽根と回転羽根の両方で膨張
  4. 連続流れ：滑らかな蒸気流を維持

反動力の発生メカニズム

反動力は、蒸気が羽根から噴出する際の反作用として発生します。

反動力の身近な例

  • ホースの例：水を流すホースから手を離すと逆方向に動く
  • スプリンクラー：水の噴出により回転する
  • ロケット：燃焼ガスの噴出による推進力

反動タービンの蒸気流れ

反動タービンでは、固定羽根と回転羽根の両方で蒸気が膨張します。

各部での蒸気状態変化

  • 固定羽根：圧力降下、速度増加、温度降下
  • 回転羽根：圧力降下、速度増加、温度降下
  • 通路形状：収束発散ノズル（ラッパ状）
  • 膨張分担：固定羽根と回転羽根で圧力降下を分担

羽根通路の形状

反動タービンの羽根通路は、膨張に対応した特殊な形状をしています。

通路形状の特徴

  • 収束発散形：入口が狭く、出口が広い
  • ラッパ状：段階的に断面積が拡大
  • 滑らかな曲線：蒸気流の剥離を防止
  • 最適角度：膨張に適した羽根角度

反動度の概念

反動タービンの特性を表す重要な指標が反動度です。

\[ R = \frac{\text{回転羽根での圧力降下}}{\text{1段での全圧力降下}} \]

反動度による分類

  • R = 0：純粋な衝動タービン
  • R = 0.5：50%反動タービン（一般的）
  • R = 1.0：純粋な反動タービン

50%反動タービン

最も一般的な反動タービンで、固定羽根と回転羽根で圧力降下を半分ずつ分担します。

50%反動タービンの特徴

  • 対称設計：固定羽根と回転羽根が同じ形状
  • 等圧力降下：各羽根列で同じ圧力降下
  • 高効率：バランスの取れた設計
  • 製造容易：同一形状による量産効果

反動タービンの適用領域

反動タービンは特定の圧力条件で最も効率的です。

適用条件

  • 中低圧蒸気：比較的低い圧力での運転
  • 大容量：大きな出力が必要な場合
  • 連続運転：定格負荷での長時間運転
  • 高効率要求：効率重視の用途

反動タービンの利点

反動タービンは多くの利点を持っています。

主な利点

  • 高効率：衝動力と反動力の両方を利用
  • 滑らかな運転：連続的な蒸気流
  • 大容量対応：大きな出力に適している
  • 部分負荷特性：負荷変動への適応性

反動タービンの欠点

一方で、反動タービンには以下の欠点もあります。

主な欠点

  • 軸推力大：圧力差による大きな軸方向力
  • 構造複雑：精密な羽根形状が必要
  • 製造コスト：高精度加工が必要
  • シール要求：厳しいシール性能が必要

軸推力の対策

反動タービンの大きな軸推力に対する対策が重要です。

軸推力対策

  • ダミーピストン：反対向きの推力を発生
  • 両流式構造：中央給気による推力相殺
  • 推力軸受：大容量の推力軸受
  • バランス孔：圧力バランスの調整

パーソンズタービン

反動タービンの代表的な形式で、多くの発電所で採用されています。

パーソンズタービンの特徴

  • 多段構成：多数の段による効率向上
  • 小さな圧力比：各段での圧力降下を小さく
  • 高効率：90%以上の効率を実現
  • 大容量対応：数百MW級の大容量に対応

反動タービンの速度線図

反動タービンでは、固定羽根と回転羽根の両方で速度変化があります。

速度変化の特徴

  • 固定羽根：相対速度が増加
  • 回転羽根：相対速度がさらに増加
  • 絶対速度：段階的に変化
  • 速度係数：各羽根列での速度比

反動タービンの最適設計

効率を最大化するための設計条件があります。

\[ \frac{U}{C_0} = \cos\alpha_1 \quad \text{（最適周速比）} \]

ここで、\( C_0 \)：段入口の絶対速度、\( \alpha_1 \)：固定羽根出口角

反動タービンの制御

反動タービンの出力制御は主にスロットル制御で行われます。

制御方法

  • スロットル制御：入口弁による圧力制御
  • 可変案内羽根：羽根角度の調整
  • 部分給気：一部のノズルからの給気
  • バイパス制御：蒸気の一部をバイパス

現代の反動タービン技術

最新の反動タービンでは、様々な先進技術が採用されています。

先進技術の例

  • 3D翼設計：CFD解析による最適化
  • 先進材料：チタン合金、耐熱超合金
  • 表面処理：耐食・耐摩耗コーティング
  • 振動制御：制振技術の適用

タービンの構造と応用

実用タービンの構成

実際の発電所では、衝動タービンと反動タービンを組み合わせて使用します。

複合タービンの一般的構成

  • 高圧タービン：衝動タービン（カーチス段＋ラトー段）
  • 中圧タービン：反動タービン（パーソンズ段）
  • 低圧タービン：反動タービン（大型羽根）

高圧タービンの設計

高圧タービンでは、高温高圧蒸気に対応した特殊な設計が必要です。

高圧タービンの特徴

  • 厚肉ケーシング：高圧に耐える構造
  • 小径ローター：高い回転速度に対応
  • 短い羽根：高圧での蒸気体積小
  • 耐熱材料：高温に耐える材料

中圧タービンの設計

中圧タービンは、再熱蒸気を受けて効率的に膨張させます。

中圧タービンの特徴

  • 再熱蒸気入口：高温の再熱蒸気を受ける
  • 中間的圧力：数MPa程度の圧力
  • 反動タービン：効率重視の構造
  • 抽気口：給水加熱用の抽気

低圧タービンの設計

低圧タービンは、大容量の蒸気を効率的に処理する必要があります。

低圧タービンの特徴

  • 大型羽根：大容量蒸気に対応
  • 湿り蒸気：凝縮による液滴対策
  • 複流構造：軸推力の相殺
  • 最終段羽根：特に長い羽根

タービンローターの構造

タービンローターは、高速回転に耐える精密な構造が必要です。

構造形式 特徴 適用部位
一体型ローター 1つの鍛造品から削り出し 高圧・中圧タービン
組立型ローター 円盤を軸に組み立て 低圧タービン
溶接型ローター 円盤を溶接で接合 大型低圧タービン

タービン羽根の取付方法

羽根とローターの結合方法は、遠心力に耐える重要な技術です。

主な取付方法

  • 燕尾継手：台形状の溝による固定
  • T字継手：T字形状の溝による固定
  • フォーク継手：二股状の継手
  • スタッド継手：ねじによる固定

タービンケーシングの構造

ケーシングは、蒸気を封じ込め、回転体を支持する重要な構造です。

ケーシングの要求性能

  • 耐圧性：高圧蒸気に耐える強度
  • 気密性：蒸気漏れの防止
  • 熱変形対応：温度変化への対応
  • 振動抑制：回転体の振動を抑制

シール装置

タービンの効率を維持するため、各部のシール技術が重要です。

シール装置の種類

  • ラビリンスシール：迷路状の隙間によるシール
  • ブラシシール：ブラシ状の繊維によるシール
  • リーフシール：薄い金属板によるシール
  • カーボンシール：カーボンリングによるシール

軸受システム

高速回転するタービンローターを支持する軸受技術です。

軸受の種類と特徴

  • ジャーナル軸受：径方向荷重を支持
  • 推力軸受：軸方向荷重を支持
  • 傾斜パッド軸受：高速回転に適応
  • 磁気軸受：非接触支持（特殊用途）

タービンの起動・停止

大型タービンの起動・停止には、特別な配慮が必要です。

起動・停止時の考慮事項

  • 熱応力：温度変化による応力
  • 熱膨張：部品の寸法変化
  • 振動：回転速度変化時の振動
  • 軸受負荷：重量による静的負荷

タービンの効率特性

タービンの効率は、運転条件によって変化します。

効率に影響する要因

  • 負荷率：部分負荷での効率低下
  • 蒸気条件：温度・圧力・湿り度
  • 回転速度：定格回転速度からの偏差
  • 経年変化：摩耗・腐食による性能低下

タービンの監視・診断

安全で効率的な運転のため、各種監視システムが重要です。

主な監視項目

  • 振動監視：軸受・ケーシング振動
  • 温度監視：軸受・蒸気温度
  • 変位監視：軸の位置・変位
  • 性能監視：効率・出力の監視

タービンの保守・点検

長期間の安定運転のため、定期的な保守が必要です。

主な保守項目

  • 羽根点検：亀裂・摩耗の確認
  • ローター点検：バランス・寸法測定
  • 軸受交換：軸受メタルの交換
  • シール交換：シール部品の交換

最新のタービン技術

技術の進歩により、タービンの性能は継続的に向上しています。

最新技術の動向

  • 先進材料：単結晶超合金、セラミックス
  • 冷却技術：内部冷却・フィルム冷却
  • 制御技術：デジタル制御・AI診断
  • 環境対応：低排出・高効率化

将来のタービン技術

さらなる高効率化と環境適応のため、新技術の開発が進んでいます。

将来技術の展望

  • 水素燃焼対応：水素社会への対応
  • デジタルツイン：仮想空間での運転最適化
  • 予知保全：AI による故障予測
  • フレキシブル運転：再生可能エネルギー協調

タービン選定の指針

用途に応じた適切なタービンの選定が重要です。

選定の考慮要素

  • 蒸気条件：圧力・温度・流量
  • 出力要求：必要な出力・効率
  • 運転パターン：連続・断続運転
  • 経済性：初期費用・運転費用

🔍 ワンポイントアドバイス： 蒸気タービンの理解は「衝動タービン」と「反動タービン」の違いが核心です。衝動タービンは「ノズルで圧力降下→羽根では圧力一定→高圧に適用」、反動タービンは「羽根内でも膨張→ラッパ状通路→中低圧に適用」と覚えましょう。実際の発電所では両方を組み合わせて使用することも重要なポイントです！

今日は汽力発電所の蒸気タービンについて勉強するで！

衝動タービンと反動タービンの違いを理解するのがポイントやな。

ちょっと専門的やけど、一つずつ丁寧に考えていこうや。

解説

本問は火力発電所における蒸気タービンの動作原理を問う問題です。タービンの専門知識が必要なため、難易度の高い出題といえます。このような高度な技術問題では、多くの受験者が苦戦することが予想されるため、冷静に対処することが大切です。

1.蒸気タービンの分類と動作原理

火力発電所で使用される蒸気タービンは、回転力を生み出すメカニズムによって衝動タービンと反動タービンに分類され、実際の発電所では両方式を効果的に組み合わせています。

①衝動タービン

②反動タービン

2.各設問の技術的解説

(ア) ノズル通過時の蒸気圧力は降下します。汽力発電システムでは給水ポンプ以外の機器では圧力上昇は発生しないと理解すれば正解に近づけます。

(イ) 衝動タービンでは蒸気流路の断面積が均一であり、羽根入口と出口における蒸気圧力は等しい状態を維持します。

(ウ) 衝動タービンは高圧蒸気条件での使用に適しています。

(エ) 反動タービンではランナ内部で蒸気の膨張が行われます。

(オ) 反動タービンは中低圧蒸気条件での運転に適用されます。

3.発電所における実用技術

現実の火力発電所では、高圧段に衝動タービン、中低圧段に反動タービンを配置する複合システムが主流となっています。この構成により、広い圧力範囲において最適な効率を実現できます。さらに最近では、蒸気パラメータの高温高圧化や先進材料の導入により、コンバインドサイクル発電との統合システムも普及が進んでいます。