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蒸気タービンの設計において、複式化とは、蒸気エネルギーを単一の段階ではなく複数の段階で抽出する方法である。複式蒸気タービンの各段には、独自のノズルとローターのセットがある。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、直列に配置される。この配置により、蒸気圧またはジェット速度のいずれかを段階的に吸収することができる。[ 1 ] [ 2 ]
複合式蒸気タービンは、ローターの回転速度を下げて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。すべてのタービンにおいて、ブレードの速度はブレード上を通過する蒸気の速度に直接比例します。ここで、蒸気のエネルギー全体を1段階で抽出する場合、つまり、蒸気を1段階でボイラー圧力から復水器圧力まで膨張させる場合、その速度は非常に高くなります。したがって、ローター（ブレードが取り付けられている）の速度は約30,000rpmに達する可能性があり、これは非常に高い振動のため、実用には高すぎます。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、複合化が必要です。高速の蒸気はローターの単一のリングに衝突するだけで、10%から12%の蒸気の損失が発生します。蒸気の損失を克服するために、蒸気タービンの複合化が使用されます。
衝動式蒸気タービンでは、複式化は以下の3つの方法で実現できます。
反応タービンにおいては、混合は圧力混合によってのみ実現できる。
一般的に、蒸気タービンの種類には以下のようなものがあります。
速度複式衝動タービンは、高圧高温蒸気を使用する単段衝動タービンの問題を解決するために、C・G・カーティスによって初めて提案された。
可動羽根のリングは、固定羽根のリングによって隔てられています。可動羽根はタービン軸にキーで固定され、固定羽根はケーシングに固定されています。ボイラーから送られてくる高圧蒸気は、まずノズル内で膨張します。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。全エンタルピー降下、ひいては圧力降下はノズル内で発生します。そのため、その後の圧力は一定に保たれます。
この高速蒸気は、最初の回転翼（リング）に送られます。蒸気は翼の上を流れる際に、翼の形状によって運動量の一部が翼に伝わり、速度が若干低下します。高い運動エネルギーのごく一部だけがこれらの翼に吸収され、残りは次の固定翼リングに放出されます。固定翼の役割は、最初の回転翼リングから出た蒸気を2番目の回転翼リングに方向転換することです。蒸気は固定翼を通過する際に速度が変化しません。その後、蒸気は次の回転翼リングに入り、このプロセスが繰り返され、蒸気のエネルギーがほぼすべて吸収されるまで続きます。
図1は、可動羽根の2つのリングと固定羽根の1つのリングを備えたカーチス式衝動水車の概略図である。この図には、蒸気が各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る。
どこ：
上の図では、2つの可動ブレードのリングが1つの固定ブレードのリングによって隔てられています。前述のように、圧力降下はすべてノズルで発生し、それ以降のどの段階でも圧力損失はありません。速度降下は可動ブレードで発生し、固定ブレードでは発生しません。
上記の図に示すように、固定ブレードのリングによって隔てられた2つの可動ブレードのリングがあります。図2の速度図は、蒸気速度のさまざまな成分と可動ブレードのブレード速度を示しています。
どこ：
上の図からわかるように、蒸気は可動羽根から出た後、固定羽根に入ります。固定羽根は蒸気を次の可動羽根へと方向転換させます。そのため、蒸気は一度に速度を失うのではなく、複数段階で速度を失います。
これは、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次のとおりです。
どこはステージ数です。
この最適速度の値は、単段タービンの速度の1/n倍である。これは、より低いブレード速度で最大出力を生成できることを意味する。
しかし、各段階で発生する仕事量は同じではありません。2段タービンでは、高圧から低圧へと移行するにつれて、発生する仕事量の比率は3:1となります。この比率は3段タービンでは5:3:1となり、4段タービンでは7:5:3:1に変化します。
圧力複式衝動水車は、発明者の名にちなんでラトー水車とも呼ばれる。これは、単段衝動水車における羽根速度の高速化という問題を解決するために用いられる。
これは、ノズルとタービンブレードが交互に配置されたリング状の構造で構成されている。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キーで固定されている。
このタイプの複合化では、蒸気は速度複合化のように1箇所（ノズル）で膨張するのではなく、複数の段階で膨張されます。これは、ノズルとして機能する固定羽根によって行われます。蒸気はすべての固定羽根列で均等に膨張します。ボイラーから来た蒸気は、最初の固定羽根のセット、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で部分的に膨張します。そのため、流入す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、ノズルでは圧力が低下し、速度が部分的に増加します。
蒸気はその後、回転する羽根の上を通過します。蒸気が回転する羽根の上を流れる際、その速度のほぼすべてが吸収されます。しかし、この過程の間、圧力は一定に保たれます。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。そして、次の回転羽根に送られ、凝縮器の圧力に達するまでこのプロセスが繰り返されます。
このプロセスは図3に示されており、図中の記号は上記と同じ意味を持つ。
これは3段式圧力複式衝動水車です。各段は、ノズルとして機能する固定羽根のリングと、可動羽根のリングで構成されています。図に示すように、圧力降下はノズルで発生し、多くの段に分散されます。
ここで注目すべき重要な点は、各段の可動ブレードへの入口蒸気速度がほぼ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。圧力複式蒸気タービンでは、各ノズルで膨張するのは蒸気の一部のみであるため、蒸気速度は前の場合よりも低くなります。これは、次の式で数学的に説明できます。
どこ、
この式からわかるように、固定翼ではエンタルピーのごく一部しか速度に変換されません。したがって、速度は前述の場合と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様々な成分に関する詳細を示している。
ここで、記号は上記と同じ意味を持つ。
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90⁰であることです。これは、すべての段の出口における流体の旋回速度がゼロであることを示しており、これは（前述のように）最適速度の概念に合致しています。
各段階で生産される作業量の比率は、上記と同様である。
これは、上記の2種類の複合方式を組み合わせたものです。蒸気の全圧力降下は複数の段に分割されます。各段は、固定羽根と可動羽根のリングで構成されます。可動羽根のリングは、1つの固定羽根のリングによって隔てられています。各段には、1つの固定羽根のリングと3～4つの可動羽根のリングがあります。各段は、速度複合衝動タービンとして機能します。
固定羽根はノズルとして機能します。ボイラーから送られてきた蒸気は最初の固定羽根のリングに送られ、そこで部分的に膨張します。圧力は部分的に低下し、それに伴い速度が上昇します。速度は、次の固定羽根のリングに到達するまで、次の可動羽根のリングによって吸収され、このプロセス全体が再び繰り返されます。
このプロセスは図5に模式的に示されている。
ここで、記号は通常の意味を持つ。
先に説明したように、反動タービンとは、回転翼において圧力と速度の損失が生じるタービンです。回転翼には収束型の蒸気ノズルが設けられています。そのため、蒸気が固定翼を通過する際に、蒸気圧の低下と運動エネルギーの増加を伴って膨張します。
このタイプのタービンは、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を備えています。このタイプのタービンでは、圧力降下は複数の段階を経て発生します。
蒸気は、固定羽根と可動羽根が交互に配置された一連の羽根を通過します。固定羽根はノズルとして機能し、蒸気の方向を変えるとともに膨張させます。その後、蒸気は可動羽根に送られ、そこでさらに膨張し、速度が吸収されます。
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つ。
図7に示す速度図は、蒸気速度とブレード速度のさまざまな成分の詳細を示しています（記号の意味は上記と同じです）。
