蒸気タービン

タービンブレードには、ブレードとノズルの2つの基本的なタイプがあります。ブレードは蒸気の衝突によって完全に動き、その形状は収束しません。このため、蒸気がブレードを通過する際に蒸気速度は低下しますが、圧力低下はほとんどありません。ブレードと固定ノズルが交互に配置されたタービンは、衝動タービンと呼ばれます。カーチス水車、ラトー水車、またはブラウン・カーチス水車。ノズルはブレードに似ていますが、出口付近で形状が収束します。これにより、蒸気がノズルを通過する際に蒸気圧が低下し、速度が増加します。ノズルは、蒸気の衝突と、出口での高速蒸気による反作用の両方によって動きます。可動ノズルと固定ノズルが交互に配置された水車は、反動水車またはパーソンズ水車と呼ばれます。

低出力用途を除き、タービンブレードは複数の段に直列に配置され、これをコンパウンディングと呼び、低速での効率を大幅に向上させます。 ^{[ 21 ]}反応段は、固定ノズルの列に続いて可動ノズルの列が配置されています。複数の反応段により、蒸気入口と排気の間の圧力降下が多数の小さな降下に分割され、圧力コンパウンドタービンとなります。インパルス段は、圧力コンパウンド、速度コンパウンド、または圧力速度コンパウンドのいずれかになります。圧力コンパウンドインパルス段は、固定ノズルの列に続いて可動ブレードの列が配置され、コンパウンディングのための複数の段があります。これは、発明者の名にちなんでラトータービンとも呼ばれます。速度コンパウンドインパルス段（カーティスによって発明され、「カーティスホイール」とも呼ばれる）は、固定ノズルの列に続いて、固定ブレードの列と交互に2列以上の可動ブレードの列が配置されています。これにより、段全体の速度降下がいくつかの小さな降下に分割されます。^{[ 22 ]}速度複式衝動段の連続は、圧力速度複式タービンと呼ばれる。

1905年までに、蒸気タービンが高速船（ HMSドレッドノート など）や陸上の動力用途で使用されるようになった頃には、多段タービンの最初（蒸気圧が最も高い場所）に1つ以上のカーチスホイールを使用し、その後に反動段を設けるのが望ましいと判断されていました。これは、タービンローターとケーシング間の漏れが減少するため、高圧蒸気でより効率的でした。^{[ 23 ]}これは、1905年のドイツ製AEG船舶用蒸気タービンの図面に示されています。ボイラーからの蒸気は、右側から高圧でスロットルを通って流入し、スロットルはオペレーター（この場合はスロットルマンと呼ばれる船員）によって手動で制御されます。蒸気は5つのカーチスホイールと多数の反動段（中央の2つの大きなローターの端にある小さなブレード）を通過してから、低圧で、ほぼ間違いなく復水器に排出されます。復水器は、蒸気から抽出されるエネルギーを最大化する真空を作り出し、蒸気をボイラーに戻される給水に凝縮します。左側には、後進運転時にタービンを逆回転させるための追加の反動段（2つの大型ローター上）がいくつかあり、蒸気は別のスロットルによって供給されます。船舶が後進運転されることは稀であるため、後進タービンでは効率は優先事項ではなく、コスト削減のために段数は少なくなっています。

タービン設計における大きな課題の一つは、ブレードに生じるクリープ現象を低減することであった。高温かつ高応力の運転環境下では、蒸気タービンの材料はこれらのメカニズムによって損傷を受ける。タービン効率向上のために温度が上昇すると、クリープ現象は顕著になる。クリープを抑制するために、ブレード設計には熱コーティングや、固溶強化および粒界強化を施した超合金が用いられる。

保護コーティングは、熱損傷を軽減し、酸化を抑制するために使用されます。これらのコーティングは、多くの場合、安定化された二酸化ジルコニウムベースのセラミックです。熱保護コーティングを使用すると、ニッケル超合金の温度暴露が制限されます。これにより、ブレードで発生するクリープメカニズムが軽減されます。酸化コーティングは、ブレードの外側に堆積物が発生することによる効率損失を抑制します。これは、高温環境では特に重要です。^{[ 24 ]}

ニッケルをベースとしたブレードは、強度とクリープ耐性を向上させるためにアルミニウムとチタンが合金化されている。これらの合金の微細構造は、異なる組成領域から構成されている。ニッケル、アルミニウム、チタンの組み合わせであるガンマプライム相の均一な分散により、微細構造によってブレードの強度とクリープ耐性が向上する。^{[ 25 ]}

レニウムやルテニウムなどの耐火元素を合金に添加することで、クリープ強度を向上させることができる。これらの元素を添加すると、ガンマプライム相の拡散が抑制され、疲労抵抗、強度、クリープ抵抗が維持される。^{[ 26 ]}

タービンの種類には、凝縮式、非凝縮式、再熱式、抽気式、誘導式などがある。

これらの構成には、シングルケーシング、タンデム複合、クロス複合タービンが含まれます。シングルケーシングユニットは、単一のケーシングとシャフトが発電機に結合される最も基本的なスタイルです。タンデム複合は、2 つ以上のケーシングが直接結合されて 1 つの発電機を駆動する場合に使用されます。クロス複合タービン構成は、一直線上にない 2 つ以上のシャフトが、多くの場合異なる速度で動作する 2 つ以上の発電機を駆動します。クロス複合タービンは、通常、多くの大型用途で使用されます。典型的な 1930 年代から 1960 年代の海軍設備を以下に示します。これは、高圧タービンと低圧タービンが共通の減速ギアを駆動し、一方の高圧タービンにギア付き巡航タービンが取り付けられていることを示しています。

移動する蒸気はタービン軸に接線方向と軸方向の両方の推力を与えますが、単純なタービンでは軸方向推力に抵抗がありません。ローターの正しい位置とバランスを維持するには、この力に反対の力で対抗する必要があります。軸ベアリングにはスラストベアリングを使用したり、ローターにダミーピストンを使用したり、二重流（蒸気が軸の中央から入り、両端から出る）にしたり、これらの組み合わせにしたりできます。二重流ローターでは、各半分のブレードが反対方向を向いているため、軸方向の力は互いに打ち消し合いますが、接線方向の力は一緒に作用します。このローターの設計は、2フロー、二重軸流、または二重排気とも呼ばれます。この配置は、複合タービンの低圧ケーシングでよく見られます。^{[ 27 ]}

衝動タービンには、蒸気流を高速ジェットに方向付ける固定ノズルがあります。これらのジェットは大きな運動エネルギーを含んでおり、蒸気ジェットの方向が変わる際に、バケツ状のローターブレードによってシャフトの回転に変換されます。圧力降下は固定ブレードでのみ発生し、段全体で蒸気速度は正味増加します。蒸気がノズルを通過する際、圧力は入口圧力から出口圧力（大気圧、またはより一般的には復水器の真空）まで低下します。蒸気の膨張率が高いため、蒸気は非常に高速でノズルから排出されます。可動ブレードから出る蒸気は、ノズルから出る際の最大速度の大部分を占めます。この高い出口速度によるエネルギー損失は、一般にキャリーオーバー速度または排出損失と呼ばれます。

運動量モーメントの法則は、制御体積を一時的に占めている流体に作用する外力のモーメントの総和が、制御体積を通過する角運動量フラックスの正味の時間変化に等しいことを述べている。

渦巻く流体は半径で制御体積に入る$\displaystyle r_1}}$接線速度で${\displaystyle V_{w1}}$半径の葉$\displaystyle r_2}}$接線速度で${\displaystyle V_{w2}}$。

速度三角形は、様々な速度間の関係をより深く理解するための道を開く。隣の図には、次のことが示されている。

${\displaystyle V_{1}}$そして${\displaystyle V_{2}}$はそれぞれ入口と出口における絶対速度である。

${\displaystyle V_{f1}}$そして${\displaystyle V_{f2}}$はそれぞれ入口と出口における流速である。

${\displaystyle V_{w1}}$そして${\displaystyle V_{w2}}$は、それぞれ移動基準における入口と出口での旋回速度である。

${\displaystyle V_{r1}}$そして${\displaystyle V_{r2}}$はそれぞれ入口と出口における相対速度である。

${\displaystyle U}$これはブレードの速度です。

${\displaystyle \alpha }$ガイドベーン角度と${\displaystyle \beta }$はブレードの角度です。

すると、運動量モーメントの法則により、流体にかかるトルクは次のように表される。

${\displaystyle T={\dot {m}}\left(r_{2}V_{w2}-r_{1}V_{w1}\right)}$

衝動式蒸気タービンの場合：${\displaystyle r_{2}=r_{1}=r}$したがって、ブレードにかかる接線力は${\displaystyle F_{u}={\dot {m}}\left(V_{w1}-V_{w2}\right)}$単位時間あたりに行われる仕事、または発生する電力：${\displaystyle W=T\omega }$。

ωがタービンの角速度である場合、ブレード速度は${\displaystyle U=\omega r}$発生した電力は${\displaystyle W={\dot {m}}U(\Delta V_{w})}$。

ステージ効率

衝動タービンの各段は、ノズルセットと回転する羽根車から構成される。段効率は、ノズルにおけるエンタルピー降下と段内で行われる仕事量との関係を定義する。 $${\displaystyle {\eta _{\mathrm {ステージ} }}={\frac {\mathrm {ブレード上での作業完了} }{\mathrm {ステージごとに供給されるエネルギー} }}={\frac {U\Delta V_{w}}{\Delta h}}}$$ どこ$\displaystyle \Delta h=h_{2}-h_{1}}$これはノズル内の蒸気の比エンタルピー降下である。

熱力学第一法則によれば： $${\displaystyle h_{1}+{\frac {1}{2}}{V_{1}}^{2}=h_{2}+{\frac {1}{2}}{V_{2}}^{2}}$$ と仮定すると${\displaystyle V_{1}}$よりかなり少ない${\displaystyle V_{2}}$そうすれば$\displaystyle {\Delta h}\approx {\frac {1}{2}}{V_{2}}^{2}}$さらに、段効率はブレード効率とノズル効率の積であり、${\displaystyle \eta _{\text{stage}}=\eta _{b}\eta _{N}}$。

ノズル効率は次式で与えられる。${\displaystyle \eta _{N}={\frac {{V_{2}}^{2}}{2\left(h_{1}-h_{2}\right)}}}$ここで、ノズル入口における蒸気のエンタルピー（J/Kg単位）は${\displaystyle h_{1}}$ノズル出口における蒸気のエンタルピーは${\displaystyle h_{2}}$。 $${\displaystyle {\begin{aligned}\Delta V_{w}&=V_{w1}-\left(-V_{w2}\right)\\&=V_{w1}+V_{w2}\\&=V_{r1}\cos \beta _{1}+V_{r2}\cos \beta _{2}\\&=V_{r1}\cos \beta _{1}\left(1+{\frac {V_{r2}\cos \beta _{2}}{V_{r1}\cos \beta _{1}}}\right)\end{aligned}}}$$ 出口と入口におけるブレード角度のコサインの比を取って、次のように表すことができる。${\displaystyle c={\frac {\cos \beta _{2}}{\cos \beta _{1}}}}$ブレードの出口と入口における蒸気速度とローター速度の比は、摩擦係数によって定義される。${\displaystyle k={\frac {V_{r2}}{V_{r1}}}}$。

${\displaystyle k<1}$そして、蒸気がブレードの周りを流れる際の摩擦による相対速度の損失を描写しています（${\displaystyle k=1}$（滑らかな刃用）。 $${\displaystyle \eta _{b}={\frac {2U\Delta V_{w}}{{V_{1}}^{2}}}={\frac {2U}{V_{1}}}\left(\cos \alpha _{1}-{\frac {U}{V_{1}}}\right)(1+kc)}$$

ブレード速度と入口における絶対蒸気速度の比は、ブレード速度比と呼ばれる。${\displaystyle \rho ={\frac {U}{V_{1}}}}$。

$\displaystyle \eta _{b}}$最大となるのは${\displaystyle {\frac {d\eta _{b}}{d\rho }}=0}$または、${\displaystyle {\frac {d}{d\rho }}\left(2{\cos \alpha _{1}-\rho ^{2}}(1+kc)\right)=0}$それはつまり$\displaystyle \rho ={\frac {1}{2}}\cos \alpha _{1}}$そのため$\displaystyle {\frac {U}{V_{1}}}={\frac {1}{2}}\cos \alpha _{1}}$。 今$\displaystyle \rho _{opt}={\frac {U}{V_{1}}}={\frac {1}{2}}\cos \alpha _{1}}$（単段衝動水車の場合）

したがって、ステージ効率の最大値は、次の値を設定することによって得られます。$\displaystyle {\frac {U}{V_{1}}}={\frac {1}{2}}\cos \alpha _{1}}$表現において$\displaystyle \eta _{b}}$。

私たちは以下を得ます：${\displaystyle {\eta _{b}}_{\text{max}}=2\left(\rho \cos \alpha _{1}-\rho ^{2}\right)(1+kc)={\frac {1}{2}}\cos ^{2}\alpha _{1}(1+kc)}$。

等角ブレードの場合、${\displaystyle \beta _{1}=\beta _{2}}$、 したがって${\displaystyle c=1}$そして私たちは${\displaystyle {\eta _{b}}_{\text{max}}={\frac {1}{2}}\cos ^{2}\alpha _{1}(1+k)}$ブレード表面による摩擦を無視すると、$\displaystyle {\eta _{b}}_{\text{max}}=\cos ^{2}\alpha _{1}}$。

反動タービンでは、ローターブレード自体が収束ノズルを形成するように配置されています。このタイプのタービンは、ステーターによって形成されたノズルを蒸気が加速する際に発生する反作用力を利用します。蒸気はステーターの固定羽根によってローターに導かれます。蒸気はローターの全周を満たすジェットとしてステーターから出ていきます。その後、蒸気は方向を変え、ブレードの速度に対して相対的に速度を増します。ステーターとローターの両方で圧力降下が発生し、蒸気はステーターを通過する際に加速し、ローターを通過する際に減速します。この段全体で蒸気速度に正味の変化はありませんが、圧力と温度の両方が低下し、ローターの駆動に行われた仕事が反映されます。

ブレード効率

1段におけるブレードへのエネルギー入力：

${\displaystyle E=\Delta h}$固定ブレード(f)に供給される運動エネルギーと可動ブレード(m)に供給される運動エネルギーの合計に等しい。

または、${\displaystyle E}$= 固定翼上のエンタルピー降下、$\displaystyle \Delta h_{f}}$+ 動くブレード上のエンタルピー降下、$\displaystyle \Delta h_{m}}$。

蒸気が回転する羽根の上で膨張すると、出口での相対速度が増加する。したがって、出口での相対速度は${\displaystyle V_{r2}}$入口での相対速度よりも常に大きい${\displaystyle V_{r1}}$。

速度の観点から見ると、移動するブレード上のエンタルピー降下は次のように表される。 $${\displaystyle \Delta h_{m}={\frac {V_{r2}^{2}-V_{r1}^{2}}{2}}}$$ （静圧の変化に寄与する）

固定翼におけるエンタルピー降下は、固定翼に入る蒸気の速度が、それまで動いていた翼から出る蒸気の速度と等しいと仮定した場合、次式で与えられる。 $${\displaystyle \Delta h_{f}={\frac {V_{1}^{2}-V_{0}^{2}}{2}}}$$ ここで、V₀_はノズル内の蒸気の入口速度である。

${\displaystyle V_{0}}$は非常に小さいため無視できます。したがって、${\displaystyle \Delta h_{f}={\frac {V_{1}^{2}}{2}}}$

$${\displaystyle {\begin{aligned}E&=\Delta h_{f}+\Delta h_{m}\\&={\frac {V_{1}^{2}}{2}}+{\frac {V_{r2}^{2}-V_{r1}^{2}}{2}}\end{aligned}}}$$ 広く用いられている設計の一つに、反動度が半分、つまり50%の反動を持つものがあり、これはパーソンズタービンとして知られています。これは対称な回転翼と固定翼で構成されています。このタービンの速度三角形は相似であり、次のようになります。 $${\displaystyle \alpha _{1}=\beta _{2}}$$、${\displaystyle \beta _{1}=\alpha _{2}}$$${\displaystyle V_{1}=V_{r2}}$$、${\displaystyle V_{r1}=V_{2}}$

パーソンズタービンを仮定し、すべての式を取得すると、 $${\displaystyle E=V_{1}^{2}-{\frac {V_{r1}^{2}}{2}}}$$ 入口速度三角形から、${\displaystyle V_{r1}^{2}=V_{1}^{2}+U^{2}-2UV_{1}\cos \alpha _{1}}$$${\displaystyle {\begin{aligned}E&=V_{1}^{2}-{\frac {V_{1}^{2}}{2}}-{\frac {U^{2}}{2}}+{\frac {2UV_{1}\cos \alpha _{1}}{2}}\\&={\frac {V_{1}^{2}-U^{2}+2UV_{1}\cos \alpha _{1}}{2}}\end{aligned}}}$$ 仕事量（単位質量流量/秒あたり）：${\displaystyle W=U\Delta V_{w}=U\left(2V_{1}\cos \alpha _{1}-U\right)}$

したがって、ブレード効率は次のように表される。 $${\displaystyle \eta _{b}={\frac {2U(2V_{1}\cos \alpha _{1}-U)}{V_{1}^{2}-U^{2}+2V_{1}U\cos \alpha _{1}}}}$$

ブレード効率が最大となる条件

もし${\displaystyle {\rho }={\frac {U}{V_{1}}}}$、 それから

${\displaystyle {\eta _{b}}_{\text{max}}={\frac {2\rho (\cos \alpha _{1}-\rho )}{1-\rho ^{2}+2\rho \cos \alpha _{1}}}}$

最大限の効率性を実現するために${\displaystyle {d\eta _{b} \over d\rho }=0}$そうすれば

${\displaystyle {d\eta _{b} \over d\rho }={\frac {\left(1-\rho ^{2}+2\rho \cos \alpha _{1}\right)\left(4\cos \alpha _{1}-4\rho \right)-2\rho \left(2\cos \alpha _{1}-\rho \right)\left(-2\rho +2\cos \alpha _{1}\right)}{(1-\rho ^{2}+2\rho \cos \alpha _{1})^{2}}}=0}$

そしてこれが最終的に${\displaystyle \rho _{opt}={\frac {U}{V_{1}}}=\cos \alpha _{1}}$

したがって、${\displaystyle {\eta _{b}}_{\text{max}}}$値を代入することで見つかります${\displaystyle \rho =\cos \alpha _{1}}$ブレード効率の表現において

${\displaystyle {\begin{aligned}{\eta _{b}}_{\text{reaction}}&={\frac {2\cos ^{2}\alpha _{1}}{1+\cos ^{2}\alpha _{1}}}\\{\eta _{b}}_{\text{impulse}}&=\cos ^{2}\alpha _{1}\end{aligned}}}$

蒸気タービンとそのケーシングは、蒸気回路で使用される高圧と使用されている材料のため、熱慣性が大きい。使用のためにセットを暖機するときは、主蒸気停止弁（ボイラーの後）にバイパスラインがあり、過熱蒸気がゆっくりと弁を迂回して、システム内の配管と蒸気タービンを加熱する。さらに、蒸気がないときは、回転ギアが作動してタービンをゆっくりと回転させ、均一な加熱を確保し、不均一な膨張を防ぐ。まず回転ギアでタービンを回転させ、ローターが直線面（湾曲なし）になるまで時間を置いてから、回転ギアを解除し、タービンに蒸気を供給し、まず後部ブレードに、次に前部ブレードに蒸気を供給して、タービンを10～15  RPM（0.17～0.25  Hz）でゆっくりと回転させ、タービンをゆっくりと加熱する。大型蒸気タービンの暖機手順は10時間を超える場合がある。^{[ 28 ]}

通常運転時、ローターのアンバランスは振動を引き起こし、高速回転のため、ブレードがローターから外れてケーシングを突き破る危険性があります。このリスクを軽減するため、タービンのバランス調整には多大な努力が払われています。また、タービンは高品質の蒸気、すなわち過熱蒸気（乾燥蒸気）または高乾き度の飽和蒸気で運転されます。これにより、凝縮水がブレードに吹き付けられる（水分の持ち越し）際に発生するブレードの急速な衝突と侵食を防ぎます。さらに、液体の水がブレードに入り込むと、タービン軸のスラストベアリングが損傷する可能性があります。これを防ぐため、ボイラー内の制御装置やバッフルによる高品質蒸気の確保に加え、タービンにつながる蒸気配管には凝縮水排出装置が設置されています。

現代の蒸気タービンのメンテナンス要件はシンプルで、コストも低く抑えられます（通常、1kWhあたり約0.005ドル）。^{[ 28 ]}その稼働寿命は50年を超えることがよくあります。

タービンのガバナーによる制御は不可欠です。タービンは損傷を防ぐためにゆっくりと起動する必要があり、一部の用途（交流電力の発電など）では精密な速度制御が求められます。^{[ 29 ]}タービンローターの制御されない加速は過速度トリップにつながり、タービンへの蒸気の流れを制御するガバナーとスロットルバルブが閉じます。これらのバルブが故障すると、タービンは壊れるまで加速し続け、多くの場合、壊滅的な結果になります。タービンは製造コストが高く、精密な製造と特殊な品質の材料が必要です。

電力ネットワークと同期した通常運転中、発電所は5%のドループ速度制御で制御されます。これは、全負荷速度が100%、無負荷速度が105%であることを意味します。これは、発電所のハンチングや停止を起こさずにネットワークを安定的に動作させるために必要です。通常、速度の変化はわずかです。出力の調整は、遠心ガバナーのスプリング圧力を上げてドループ曲線をゆっくりと上げることによって行われます。一般的に、これはすべての発電所の基本的なシステム要件です。なぜなら、古い発電所と新しい発電所は、外部通信に頼ることなく、周波数の瞬間的な変化に対応して互換性を持つ必要があるからです。^{[ 30 ]}

蒸気タービンは、隣の図に示すランキンサイクルのパート3-4を使用して、熱力学の基本原理に基づいて動作します。過熱蒸気（または用途に応じて乾燥飽和蒸気）は、高温高圧でボイラーから出ます。タービンに入ると、蒸気はノズル（衝動型タービンでは固定ノズル、反動型タービンでは固定ブレード）を通過することで運動エネルギーを得ます。蒸気がノズルを出ると、タービンローターのブレードに向かって高速で移動します。ブレードにかかる蒸気の圧力により、ブレードに力が加わり、ブレードが動きます。発電機などの装置をシャフトに設置すると、蒸気に含まれていたエネルギーを蓄積して使用できます。蒸気は、タービンに入るときよりも低い温度と圧力で飽和蒸気（または用途に応じて液相と気相の混合物）としてタービンを出て、冷却のために凝縮器に送られます。^{[ 31 ]}第一法則により、単位質量あたりに発生する仕事率の式を見つけることができます。周囲環境への熱伝達がなく、運動エネルギーと位置エネルギーの変化が比エンタルピーの変化に比べて無視できると仮定すると、次の式が得られます。

${\displaystyle {\frac {\dot {W}}{\dot {m}}}=h_{3}-h_{4}}$

どこ

${\displaystyle {\dot {W}}}$単位時間あたりに仕事が進められる速度

${\displaystyle {\dot {m}}}$はタービンを通過する質量流量です。

1894年から1935年にかけての蒸気タービン船舶推進装置の開発は、往復動エンジンと同等のコストで、タービンの高い効率回転数と船舶プロペラの低い効率回転数（300rpm未満）を両立させる必要性によって支配されていた。1894年当時、船舶に必要な高出力に対応できる効率的な減速機は存在しなかったため、直接駆動が必要だった。各プロペラ軸に直接駆動するタービニア号では、最初の試験の後、3基の直接駆動タービン（各軸に1基ずつ）を直列に通すことでタービンの効率回転数を下げた。これはおそらく、直列に動作しているタービン段の総数は約200段であったと考えられる。また、高速運転のために各軸に3基のプロペラが取り付けられていた。^{[ 34 ]}この時代の高速軸回転速度は、1909年に進水した最初の米国のタービン推進駆逐艦の1つであるUSSスミス によって代表され、この艦は直接駆動タービンを備え、3本の軸が28.35ノット（52.50 km/h、32.62 mph）で724 rpmで回転した。^{[ 35 ]}  

複数のケーシングに収められたタービンが直列に互いに蒸気を排出する方式は、その後のほとんどの船舶推進用途で標準となり、クロスコンパウンディングの一形態となった。最初のタービンは高圧（HP）タービン、最後のタービンは低圧（LP）タービン、その間のタービンは中圧（IP）タービンと呼ばれた。タービニアよりもずっと後の配置が、1934年に進水したカリフォルニア州ロングビーチのRMSクイーンメリー 号で見られる。この船では、各シャフトは、単段減速ギアボックスの2つの入力シャフトの端に接続された4つのタービンによって直列に駆動される。これらは、HP、1st IP、2nd IP、およびLPタービンである。

巡航速度を考慮すると、経済性の追求はさらに重要になった。巡航速度は軍艦の最大速度の約50%、最大出力の20～25%である。これは燃料効率が求められる長距離航海で使用される速度である。これによりプロペラ回転数は効率的な範囲まで低下したが、タービン効率は大幅に低下し、初期のタービン船は巡航距離が短かった。蒸気タービン推進時代の大半で有効であることが証明された解決策は、巡航タービンであった。これは、さらに多くの段を追加するための追加のタービンであり、当初は1つまたは複数のシャフトに直接取り付けられ、高圧タービンの途中の段に排気し、高速では使用されなかった。1911年頃に減速ギアが利用可能になると、特に戦艦USSネバダ などの一部の艦船は、直接駆動の主タービンを維持しながら、巡航タービンに減速ギアを搭載した。減速ギアにより、タービンはシャフトよりもはるかに高い速度で効率的な範囲で動作できるようになったが、製造コストが高かった。

巡航用タービンは当初、燃費の面で往復動エンジンと競合した。高速船で往復動エンジンが維持された例として、1911年の有名なRMSオリンピック号 が挙げられる。同船は姉妹船のRMSタイタニック号 、HMHSブリタニック号 とともに、2本の船外軸に3段膨張エンジンを搭載し、両方とも中央軸の低圧タービンに排気していた。 1909年に進水したデラウェア級戦艦でタービンを採用した後、アメリカ海軍は1912年のニューヨーク級戦艦で往復動機関に戻し、1914年のネバダ号で再びタービンに戻した。アメリカ海軍が往復動機関を好んだのは、第一次世界大戦後まで21ノット（39 km/h、24 mph）を超える主力艦の計画がなかったため、最高速度よりも経済的な巡航が重要視されたからである。アメリカ合衆国は1898年にフィリピンとハワイを領土として獲得したが、イギリス海軍が持つ世界的な石炭補給基地網を持っていなかった。そのため、1900年から1940年にかけて、アメリカ海軍はどの国よりも燃料効率の向上を必要としていた。特に第一次世界大戦後、日本との戦争の可能性が高まったことで、その必要性はさらに高まった。1908年から1920年にかけてアメリカが巡洋艦を進水させなかったため、駆逐艦が通常巡洋艦に割り当てられる長距離任務を遂行する必要が生じたことも、この必要性を一層強めた。そこで、1908年から1916年に進水したアメリカの駆逐艦には、さまざまな巡航用エンジンが搭載された。これには、小型の往復動エンジンや、1軸または2軸のギア付きまたはギアなしの巡航用タービンなどがあった。しかし、ギア付きタービンが初期費用と燃料の面で経済的であることが証明されると、急速に採用され、ほとんどの艦艇に巡航用タービンも搭載されるようになった。 1915年以降、イギリス海軍の新型駆逐艦はすべて完全ギアードタービンを搭載し、アメリカ合衆国も1917年にそれに続いた。  

イギリス海軍では、 1916年半ばのユトランド沖海戦で巡洋戦艦の速度を追求するあまり装甲が犠牲になりすぎたことが明らかになるまで、速度が最優先事項だった。イギリスは1906年からタービン動力の軍艦のみを使用していた。世界中に広がる帝国を考えると長距離航行が望ましいと認識していたため、初期の実験的な設置に続き、1912年以降、クイーン・エリザベス級戦艦をはじめとする一部の軍艦に巡航用タービンが搭載された。

アメリカ海軍では、 1935～36年に進水したマハン級駆逐艦が二段減速ギアリングを導入した。これにより、タービンの回転速度が軸回転速度よりもさらに高くなり、一段減速ギアリングよりも小型のタービンが可能になった。蒸気圧と温度も徐々に上昇し、第一次世界大戦時代のウィックス級駆逐艦の300 psi (2,100 kPa) / 425 °F (218 °C) [飽和蒸気]から、第二次世界大戦のフレッチャー級駆逐艦の一部やそれ以降の艦艇の615 psi (4,240 kPa) / 850 °F (454 °C) [過熱蒸気]まで上昇した。[36][37] 軸流高圧タービン（巡航タービンが付属することもある）と二段減速ギアボックスに接続された二重軸^{流低圧タービンという標準構成}が確立された。この配置はアメリカ海軍の蒸気機関時代を通して継続され、イギリス海軍の一部の設計でも使用されました。^{[ 38 ] [ 39 ]}この構成の機械は、いくつかの国で保存されている第二次世界大戦時代の軍艦の多くで見ることができます。^{[ 40 ]}        

1950年代初頭に米海軍の軍艦建造が再開されたとき、ほとんどの水上戦闘艦と航空母艦は1,200 psi (8,300 kPa) / 950 °F (510 °C) の蒸気を使用していた。^{[ 41 ]}これは、1970年代初頭のノックス級フリゲート艦で米海軍の蒸気動力軍艦時代が終わるまで続いた。第二次世界大戦後、揚陸艦と補助艦は600 psi (4,100 kPa) の蒸気を使用し続け、2001年に進水したUSSイオージマは、おそらく米海軍向けに建造された最後の非原子力蒸気動力艦である。       

ターボ電気推進は、1917年に進水した戦艦USSニューメキシコ で初めて導入された。その後8年間で、アメリカ海軍はさらに5隻のターボ電気推進戦艦と2隻の航空母艦（当初はレキシントン級巡洋戦艦として発注）を進水させた。さらに10隻のターボ電気推進主力艦が計画されたが、ワシントン海軍軍縮条約による制限のため中止された。

ニューメキシコは1931年から1933年にかけての改修でギアードタービンに換装されたが、残りのターボ電気推進艦は運用期間を通じてこのシステムを維持した。このシステムは、2基の大型蒸気タービン発電機で4本のシャフトそれぞれに取り付けられた電動モーターを駆動する方式だった。このシステムは当初、減速ギアよりもコストが低く、シャフトを素早く反転させることができ、ほとんどのギアードシステムよりも大きな逆回転動力を供給できたため、港内での艦船の操縦性が向上した。

第二次世界大戦中には、一部の客船や兵員輸送船、量産型駆逐艦護衛艦と同様に、ターボ電気推進システムを搭載した船も建造された。しかし、1927年に進水したUSSペンサコーラを皮切りに、米国が「条約巡洋艦」を設計する際には、重量を抑えるためにギアードタービンが採用され、その後も全ての高速蒸気船で使用され続けた。 

1980年代以降、高速船では蒸気タービンはガスタービンに、その他の船舶ではディーゼルエンジンに置き換えられてきた。原子力船、原子力潜水艦、LNGタンカーは例外である。^{[ 42 ]}一部の補助船は引き続き蒸気推進を使用している。

アメリカ海軍では、ワスプ級強襲揚陸艦のうち1隻を除いて、従来型の蒸気タービンがまだ使用されている。イギリス海軍は2002年に最後の従来型蒸気動力の水上軍艦であるフィアレス級ドック型揚陸艦を退役させ、イタリア海軍も2006年に最後の従来型蒸気動力の水上軍艦であるオーダス級駆逐艦を退役させてこれに続いた。2013年には、フランス海軍は最後のトゥールヴィル級フリゲートを退役させて蒸気時代を終えた。他の外洋海軍では、ロシア海軍は現在、蒸気動力のクズネツォフ級航空母艦とソヴレメンヌイ級駆逐艦を運用している。インド海軍は現在、改良型キエフ級航空母艦INSヴィクラマディティヤを運用しており、 2000年代初頭に就役したブラマプトラ級フリゲート3隻も運用している。中国海軍は現在、蒸気動力のクズネツォフ級航空母艦、ソブレメンヌイ級駆逐艦、ルダ級駆逐艦、そして唯一の051B型駆逐艦を運用している。他のほとんどの海軍は、蒸気動力の軍艦を退役させるか、エンジンを換装している。2020年現在、メキシコ海軍は蒸気動力の旧アメリカ海軍ノックス級フリゲート艦を4隻運用している。エジプト海軍と中華民国海軍はそれぞれ旧アメリカ海軍ノックス級フリゲート艦を2隻と6隻運用している。エクアドル海軍は現在、蒸気動力のコンデル級フリゲート艦（リアンダー級フリゲート艦の改良型）を2隻運用している。

今日、推進用蒸気タービンのサイクル効率はまだ50%を超えていないが、ディーゼルエンジンは特に船舶用途では50%を日常的に超えている。^{[ 43 ] [ 44 ] [ 45 ]}ディーゼル発電所は、必要なオペレーターが少ないため、運転コストも低い。そのため、従来の蒸気動力はごく少数の新造船でしか使用されていない。例外はLNGタンカーで、ボイルオフガスを再液化するよりも蒸気タービンで使用する方が経済的であることが多い。

原子力艦船や原子力潜水艦は、原子炉で発生した蒸気をタービンに供給する。現在、アメリカ海軍の原子力空母ニミッツ級およびフォード級の主推進用蒸気タービンはカーチス・ライト社製であり、バージニア級およびコロンビア級潜水艦の蒸気タービンはノースロップ・グラマン社製である。

原子力は、ディーゼル動力が実用的でない場合（潜水艦など）や、燃料補給のロジスティクスが大きな問題となる場合（砕氷船など）によく選ばれます。英国海軍のヴァンガード級潜水艦の原子炉燃料は、地球を40周するのに十分な量があると推定されており、これは潜水艦の耐用年数全体に十分である可能性があります。原子力推進は、維持費の高さや、原子力システムおよび燃料サイクルに求められる規制上の制約のため、ごく少数の商船にしか適用されていません。