ラジアルタービン

ラジアルタービンは、作動流体の流れがシャフトに対して放射状であるタービンです。軸流タービンとラジアルタービンの違いは、流体がコンポーネント（コンプレッサーとタービン）を流れる方法にあります。軸流タービンの場合、ローターは流体の流れによって「影響を受ける」のに対し、ラジアルタービンの場合、流れは回転軸に対して垂直にスムーズに配向され、水が水車を動かすのと同じようにタービンを駆動します。その結果、機械的ストレス（高温の作動流体の場合は熱ストレスも少ない）が少なくなり、ラジアルタービンは軸流タービンと比較して、よりシンプルで堅牢で、より効率的（同様の電力範囲で）になります。高電力範囲（5 MW以上）になると、ラジアルタービンは（ローターが重く高価であるため）競争力がなくなり、効率は軸流タービンと同等になります。

軸流タービンと比較すると、ラジアルタービンは、より低い流量で、ステージあたり比較的高い圧力比 (≈4) を使用できます。したがって、これらのマシンは、より低い特定の速度と出力の範囲に分類されます。高温アプリケーションでは、ラジアルステージでのローターブレードの冷却は、軸流タービンステージほど簡単ではありません。可変角度ノズルブレードにより、ラジアルタービンステージでは、設計点外での動作でもステージ効率を高めることができます。水車ファミリーでは、フランシス水車が非常によく知られた IFR タービンであり、比較的大きなインペラではるかに大きな電力を生成します。

• 
  90度内向き流ラジアルタービン段
• 
  片持ち翼を備えた内向き流ラジアル（IFR）タービン段の速度三角形

_{絶対速度 c 2 の}半径方向および接線方向の成分はそれぞれc _r2および c _q2である。流れの相対速度とローターの周速はそれぞれ w ₂および u ₂である。ローターブレード入口での空気角度は次のように表される。

${\displaystyle \,\tan {\beta _{2}}={\frac {c_{r2}}{c_{\theta 2}-u_{2}}}}$

ノズル入口でのガスのよどみ状態は、点 01 で表されます。ガスはノズル内で圧力p ₁からp ₂まで断熱膨張し、速度はc ₁からc ₂まで増加します。これはエネルギー変換プロセスであるため、よどみエンタルピーは一定のままですが、損失によりよどみ圧力は減少します (p ₀₁ > p ₀₂ )。エネルギー変換プロセスを伴うエネルギー転送は、ローター内で発生します。

等エントロピー速度、噴出速度、またはステージ終端速度として知られる基準速度 (c ₀ ) は、ステージの入口圧力と出口圧力の間でガスが等エントロピー膨張する際に得られる速度として定義されます。

${\displaystyle \,C_{0}={\sqrt {2C_{p}\,T_{01}\,\left(1-\left({\frac {p_{3}}{p_{01}}}\right)^{\frac {\gamma -1}{\gamma }}\right)}}}$

総静的効率はこの作業値に基づいています。

${\displaystyle {\begin{aligned}\eta _{\text{ts}}&={\frac {h_{01}-h_{03}}{h_{01}-h_{3ss}}}={\frac {\psi \,u_{2}^{2}}{C_{p}\,T_{01}\left(1-\left({\frac {p_{3}}{p_{01}}}\right)^{\frac {\gamma -1}{\gamma }}\right)}}\end{aligned}}}$

ノズルとローターブレードの相対圧力またはエンタルピー降下は、ステージの 反応度によって決まります。これは次のように定義されます。

${\displaystyle R={\frac {\text{ローターの静的エンタルピー低下}}{\text{ステージのよどみエンタルピー低下}}}}$

分子の括弧内の 2 つの量は、同じ符号または反対の符号を持つ場合があります。これは、他の要因に加えて、反応の値も左右します。ステージ反応は C _{θ2 が}増加すると減少します。これは、ステージエンタルピー降下の大部分がノズルリングで発生するためです。

ステージ内の空気力学的損失のため、ステージ仕事は等エントロピー ステージ エンタルピー降下より小さくなります。タービン シャフトでの実際の出力は、ステージ仕事からローター ディスクとベアリングの摩擦による損失を差し引いた値に等しくなります。

_{ブレード対ガス速度比は、等エントロピー段終端速度 c 0}で表すことができます。

${\displaystyle \,\sigma _{s}={\frac {u_{2}}{c_{0}}}=[2(1+\phi _{2}\cot {\beta _{2}})]^{-{\frac {1}{2}}}}$

のために

β ₂ = 90^度

σs ≈ _0.707

外向き流れラジアルタービン段では、ガスまたは蒸気の流れは小さい直径から大きい直径へと発生します。この段は、固定ブレードと可動ブレードのペアで構成されています。直径が大きいほど断面積が大きくなり、膨張するガスに対応します。

この構成は、蒸気タービンやガスタービンでは普及しませんでした。より一般的に採用されている唯一のものは、リュングストローム二重回転型タービンです。これは、反対方向に回転する 2 つのディスクから突き出た片持ちブレードのリングで構成されています。隣接する 2 列のブレードの相対周速度は、互いに高速です。これにより、段あたりのエンタルピー降下の値が高くなります。

1900 年代初頭、ニコラ・テスラはブレードのないテスラ タービンを開発し、特許を取得しました。ブレード付きタービンの難しさの 1 つは、非常によくバランスが取れている必要のあるブレード付きローターのバランス調整と製造に関する複雑で高精度な要件です。ブレードは腐食とキャビテーションの影響を受けます。テスラは、ローターのブレードを一連の狭い間隔のディスクに置き換えることでこの問題に取り組みました。作動流体はディスク間を流れ、衝動や反作用ではなく、境界層効果または粘着力と粘性によってローターにエネルギーを伝達します。テスラは、彼のタービンは蒸気によって信じられないほど高い効率を実現できると述べました。テスラ タービンがテスラの主張する効率を達成したという文書化された証拠はありません。タービンまたはポンプの役割において、それらは全体的な効率が低いことが判明しています。^[1]近年、ブレードレスタービンの研究が進み、エチレングリコール、フライアッシュ、血液、岩、さらには生きた魚など、腐食性/研磨性があり、汲み上げが難しい物質にも対応できる特許取得済みの設計が開発されています。^[1]

• 『タービン、コンプレッサー、ファン 第 4 版』[著者: SM Yahya、出版社: TATA McGraw-Hill Education (2010)] ISBN 9780070707023 
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