蒸気タービンの複合化

複合蒸気タービンは、蒸気タービンの単一段階ではなく、複数の段階で蒸気エネルギーを抽出する方法です。複合蒸気タービンには、複数のノズルとローターのセットを備えた複数の段階があります。これらは、共通のシャフトにキーで固定されるか、ケーシングに固定されて直列に配置されます。この配置の結果、蒸気圧またはジェット速度のいずれかが、複数の段階でタービンによって吸収されるようになります。^{[1] [2]}

複合蒸気タービンは、ローター速度を下げて、毎分最適な運転回転数を達成するために使用されます。ボイラーで生成された蒸気は、過熱されると十分に高いエンタルピーを持ちます。すべてのタービンで、ブレード速度は、ブレードを通過する蒸気の速度に正比例します。ここで、蒸気の全エネルギーが 1 段階で抽出される場合、つまり、蒸気が 1 段階でボイラー圧力から凝縮器圧力まで膨張する場合、その速度は非常に高くなります。したがって、ローター (ブレードが固定されている) の速度は約 30,000 rpm に達する可能性がありますが、これは非常に高い振動のため、実際の使用には高すぎます。さらに、このような高速では遠心力が非常に大きく、構造を損傷する可能性があります。したがって、複合が必要です。高速の蒸気はローターの 1 つのリングに衝突するだけで、10% から 12% の蒸気の無駄が発生します。蒸気の無駄を克服するために、蒸気タービンの複合が使用されます。

1. 衝撃: 蒸気が動翼を通過するときに蒸気の圧力は変化しません。蒸気の流れの速度のみが変化します。
2. 反応: 蒸気が動いているブレードを通過すると、圧力と速度の両方に変化が生じます。

インパルス蒸気タービンでは、次の 3 つの方法で複合化を実現できます。

1. 速度複利
2. 圧力複合
3. 圧力速度複合

反応タービンでは、圧力配合によってのみ配合を実現できます。

速度複合インパルスタービンは、高圧高温蒸気の使用における単段インパルスタービンの問題を解決するために、CG Curtis によって初めて提案されました。

動翼のリングは固定翼のリングによって分離されています。動翼はタービン シャフトにキーで固定され、固定翼はケーシングに固定されています。ボイラーから来る高圧蒸気は、まずノズルで膨張します。ノズルは蒸気の圧力エネルギーを運動エネルギーに変換します。ノズルでは、総エンタルピーが低下し、圧力が低下します。したがって、その後の圧力は一定のままです。

この高速蒸気は、最初の動翼セット (リング) に向けられます。蒸気がブレード上を流れると、ブレードの形状により、蒸気は運動量の一部をブレードに伝え、速度がいくらか低下します。高運動エネルギーの一部のみがこれらのブレードに吸収されます。残りは次の固定ブレード リングに排出されます。固定ブレードの機能は、最初の動翼リングから出る蒸気を 2 番目の動翼リングに向け直すことです。蒸気が固定ブレードを通過する際、蒸気の速度は変化しません。次に、蒸気は次の動翼リングに入り、このプロセスは蒸気のエネルギーが実質的にすべて吸収されるまで繰り返されます。

図 1は、2 つの可動ブレード リングと 1 つの固定ブレード リングを備えたカーティス段衝動タービンの概略図を示しています。この図には、段を通過する際の圧力と絶対蒸気速度の変化も示されています。

どこ、

${\displaystyle P_{i}}$= 入口の蒸気の圧力

${\displaystyle V_{i}}$= 入口における蒸気の速度

${\displaystyle P_{e}}$= 出口の蒸気の圧力

${\displaystyle V_{e}}$= 出口における蒸気の速度

上の図では、2 つの動翼リングが 1 つの固定翼リングによって区切られています。前述のように、圧力低下はすべてノズルで発生し、その後のどの段階でも圧力損失は発生しません。速度低下は動翼で発生し、固定翼では発生しません。

上の図に示すように、固定ブレードのリングによって区切られた 2 つの動翼リングがあります。図 2の速度図は、蒸気速度のさまざまな成分と動翼のブレード速度を示しています。

どこ、

${\displaystyle V_{a}}$= 蒸気の絶対速度

${\displaystyle V_{r}}$= 蒸気の相対速度

${\displaystyle V_{b}}$= ブレード速度

${\displaystyle \theta}$= ノズル角度

${\displaystyle \Phi}$= ブレード入口角度

${\displaystyle \gamma}$= ブレード出口角度

${\displaystyle \delta}$= 流体出口角度

上の図から、蒸気は動翼から出た後に固定翼に入ることがわかります。固定翼は蒸気を次の動翼に向け直します。したがって、蒸気は 1 段階ではなく複数の段階で速度を失います。

最大出力が得られるブレードの速度です。したがって、この場合の最適なブレード速度は、

${\displaystyle V_{b,optimum}={\frac {V_{a1}\cos \theta _{1}}{2n}}}$

ここで、n はステージ数です。

この最適速度の値は、単段タービンの 1/n 倍です。つまり、はるかに低いブレード速度で最大出力を生成できるということです。

ただし、各段階で生成される仕事は同じではありません。2 段タービンで生成される仕事の比率は、高圧から低圧に移行すると 3:1 になります。この比率は、3 段タービンでは 5:3:1 で、4 段タービンでは 7:5:3:1 になります。

• 蒸気速度が高いため、摩擦損失が高くなります。
• 低圧段階で生成される仕事ははるかに少なくなります。
• このような高速度に耐えられるブレードの設計と製造は困難です。

圧力複合型衝動タービンは、発明者にちなんでラトー タービンとも呼ばれます。これは、単段衝動タービンの高ブレード速度の問題を解決するために使用されます。

ノズルとタービンブレードの交互リングで構成されています。ノズルはケーシングに取り付けられ、ブレードはタービンシャフトに固定されています。

このタイプの複合では、蒸気は速度複合の 1 つのノズルではなく、複数の段階で膨張します。これは、ノズルとして機能する固定ブレードによって行われます。蒸気は、すべての列の固定ブレードで均等に膨張します。ボイラーから来る蒸気は、固定ブレードの最初のセット、つまりノズル リングに供給されます。蒸気はノズル リング内で部分的に膨張します。したがって、入ってくる蒸気の圧力が部分的に低下します。これにより、蒸気の速度が増加します。したがって、ノズル内で圧力が低下し、速度が部分的に増加します。

次に、蒸気は動翼群を通過します。蒸気が動翼群を通過すると、その速度のほぼすべてが吸収されます。ただし、このプロセス中、圧力は一定のままです。その後、蒸気はノズル リングに送られ、再び部分的に膨張します。次に、次の動翼群に送られ、このプロセスがコンデンサー圧力に達するまで繰り返されます。

このプロセスは図 3に示されており、記号は上記と同じ意味を持ちます。

これは 3 段の圧力複合型衝動タービンです。各段は、ノズルとして機能する固定ブレード 1 リングと、可動ブレード 1 リングで構成されています。図に示すように、ノズルで圧力降下が発生し、多くの段に分散されます。

ここで注目すべき重要な点は、各段の動翼への入口蒸気速度が本質的に等しいということです。これは、速度が圧力の低下に対応しているためです。圧力複合蒸気タービンでは、蒸気の一部のみが各ノズルで膨張するため、蒸気速度は前の場合よりも低くなります。これは、次の式から数学的に説明できます。

${\displaystyle {\frac {V_{1}^{2}}{2}}+{h_{1}}={\frac {V_{2}^{2}}{2}}+{h_{2 }}}$

どこ、

${\displaystyle V_{1}}$= 流体の絶対出口速度

${\displaystyle h_{1}}$= 出口における流体のエンタルピー

${\displaystyle V_{2}}$= 流体の絶対流入速度

${\displaystyle h_{2}}$= 入口における流体のエンタルピー

式から、固定ブレードではエンタルピーのほんの一部だけが速度に変換されることがわかります。したがって、速度は前の場合に比べて小さくなります。

図 4に示す速度図は、蒸気速度とブレード速度のさまざまな要素の詳細を示しています。

ここで、記号は上記と同じ意味を持ちます。

上記の速度図から注目すべき重要な点は、流体の出口角度 (δ) が 90 度であることです。これは、すべてのステージの出口での流体の旋回速度がゼロであることを示しており、これは最適速度の概念 (前述のとおり) に準拠しています。

各段階で生成される作業の比率は、上記のタイプと同様です。

• ノズル内では圧力降下が発生するため、気密性を確保する必要があります。
• 34インチとかなり大きいです

これは、上記の 2 種類の複合を組み合わせたものです。蒸気の総圧力損失は、いくつかの段階に分割されます。各段階は、固定ブレードと可動ブレードのリングで構成されます。可動ブレードの各リング セットは、1 つの固定ブレード リングによって区切られています。各段階には、固定ブレード リングが 1 つと可動ブレード リングが 3～4 つあります。各段階は、速度複合インパルス タービンとして機能します。

固定ブレードはノズルとして機能します。ボイラーから出た蒸気は固定ブレードの最初のリングに送られ、そこで部分的に膨張します。圧力が部分的に低下し、それに応じて速度が上昇します。速度は、次の固定ブレードのリングに到達するまで、次の可動ブレードのリングによって吸収され、このプロセス全体がもう一度繰り返されます。

このプロセスは図5に図式的に示されています。

ここで、記号は通常の意味を持ちます。

先に説明したように、反動タービンでは動翼で圧力と速度の損失が発生します。動翼には収束する蒸気ノズルがあります。そのため、蒸気が固定翼を通過すると、蒸気圧が低下し、運動エネルギーが増加して膨張します。

このタイプのタービンには、ローターに取り付けられた多数の可動ブレードのリングと、ケーシングに取り付けられた同数の固定ブレードがあります。このタイプのタービンでは、圧力降下は複数の段階で発生します。

蒸気は、交互に並んだ固定ブレードと可動ブレードの上を通過します。固定ブレードはノズルとして機能し、蒸気の方向を変え、蒸気を膨張させます。次に、蒸気は可動ブレードを通過し、可動ブレードは蒸気をさらに膨張させ、蒸気の速度を吸収します。

これは図6で説明されています。

ここで、記号は上記と同じ意味を持ちます。

図 7の速度図は、蒸気速度とブレード速度のさまざまな要素の詳細を示しています (記号の意味は上記と同じです)。

• タービンの圧力複合

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