Turbine

A turbine (/ˈtɜːrbaɪn/ or /ˈtɜːrbɪn/) (from the Greek τύρβη, tyrbē, or Latinturbo, meaning vortex)^[1][2] is a rotary mechanical device that extracts energy from a fluid flow and converts it into useful work. The work produced can be used for generating electrical power when combined with a generator.^[3] A turbine is a turbomachine with at least one moving part called a rotor assembly, which is a shaft or drum with blades attached. Moving fluid acts on the blades so that they move and impart rotational energy to the rotor.

Gas, steam, and water turbines have a casing around the blades that contains and controls the working fluid. Modern steam turbines frequently employ both reaction and impulse in the same unit, typically varying the degree of reaction and impulse from the blade root to its periphery.

Hero of Alexandria demonstrated the turbine principle in an aeolipile in the first century AD and Vitruvius mentioned them around 70 BC.

Early turbine examples are windmills and waterwheels.

The word "turbine" was first applied to this kind of device in 1822 by the French mining engineer Claude Burdin in a memo, "Des turbines hydrauliques ou machines rotatoires à grande vitesse", which he submitted to the Académie royale des sciences in Paris.^[4] The word derives from the Latin turbo, meaning "vortex" or "top", and was in use in French to describe certain seashells.^[5] However, it was not until 1824 that a committee of the Académie (composed of Prony, Dupin, and Girard) reported favorably on Burdin's memo.^[6]Benoit Fourneyron, a former student of Claude Burdin, built the first practical water turbine.

蒸気タービンの発明については、反動タービンを発明したアイルランド系イギリス人技師のチャールズ・パーソンズ卿（1854年～1931年）と、衝動タービンを発明したスウェーデン人技師のグスタフ・ド・ラヴァル（1845年～1913年）の両方に功績が認められている。

作動流体は、位置エネルギー（圧力水頭）と運動エネルギー（速度水頭）を含んでいます。流体は圧縮性または非圧縮性です。タービンはこのエネルギーを収集するために、いくつかの物理原理を利用しています。

衝動タービンは、高速流体ジェットの流れの方向を変えます。その結果生じる衝動によってタービンが回転し、流体の流れは運動エネルギーが減少します。蒸気タービンやガスタービンの場合とは異なり、タービンブレード（可動ブレード）内の流体の圧力は変化しません。圧力降下はすべて固定ブレード（ノズル）で発生します。流体はタービンに到達する前に、ノズルで加速されることで圧力ヘッドから速度ヘッドに変換されます。ペルトン水車とド・ラバル水車はこのプロセスのみを使用します。流体ジェットはローターのブレードに到達する前にノズルによって生成されるため、衝動タービンはローターの周囲に圧力ケーシングを必要としません。ニュートンの第2法則は、衝動タービンのエネルギー伝達を記述します。衝動タービンは、流量が少なく入口圧力が高い場合に最も効率的です。^{[ 3 ]}

反動タービンは、流体の圧力または質量に反応してトルクを発生させます。流体の圧力は、タービンのローターブレードを通過する際に変化します。^{[ 3 ]}タービン段に作用する作動流体を収容するために圧力ケーシングが必要であり、またはタービンは流体の流れに完全に浸されている必要があります（風力タービンなど）。ケーシングは作動流体を収容して方向付け、水力タービンの場合はドラフトチューブによって与えられる吸引を維持します。フランシス水車とほとんどの蒸気タービンはこの概念を使用しています。圧縮性作動流体の場合、膨張するガスを効率的に利用するために、通常は複数のタービン段が使用されます。ニュートンの第3法則は、反動タービンのエネルギー伝達を説明しています。反動タービンは、流速が高い場合や、流体ヘッド（上流圧力）が低い用途に適しています。^{[ 3 ]}

船舶用途や陸上発電などに使用される蒸気タービンにおいては、パーソンズ型反動タービンは、同じ熱エネルギー変換効率を得るために、ド・ラバル型衝動タービンの約2倍の羽根列数を必要とする。このためパーソンズ型タービンははるかに長く重くなるが、同じ熱エネルギー変換効率であれば、反動タービンの総合効率は同等の衝動タービンよりもわずかに高くなる。

実際には、現代のタービン設計では、可能な限り、反動と衝動の両方の概念をさまざまな程度で利用しています。風力タービンは、翼型を使用して流体の動きから反動揚力を発生させ、それをローターに伝達します。風力タービンはまた、風をある角度で偏向させることで、風の衝動からエネルギーの一部を得ます。多段式タービンは、高圧では反動または衝動のブレードを使用する場合があります。蒸気タービンは従来、衝動型が主流でしたが、ガスタービンで使用されているものと同様の反動型設計へと移行し続けています。低圧では、作動流体媒体は圧力のわずかな低下で体積が膨張します。このような条件下では、ブレードは完全に反動型設計となり、ブレードの基部は完全に衝動型になります。その理由は、各ブレードの回転速度の影響です。体積が増加すると、ブレードの高さが増加し、ブレードの基部は先端に比べて遅い速度で回転します。この速度の変化により、設計者は基部での衝動型から、先端で高い反動型に変更せざるを得なくなります。

古典的なタービン設計手法は19世紀半ばに開発されました。ベクトル解析によって、流体の流れとタービンの形状および回転の関係が明らかになりました。当初は図解による計算方法が用いられました。タービン部品の基本寸法に関する公式は十分に確立されており、あらゆる流体の流れ条件に対して高効率なタービンを確実に設計することができます。計算式の中には経験式や経験則に基づくものもあれば、古典力学に基づくものもあります。ほとんどの工学計算と同様に、簡略化のための仮定が用いられています。

速度三角形は、タービン段の基本性能を計算するために使用できます。ガスは、静止したタービンノズルガイドベーンから絶対速度V _a1で排出されます。ローターは速度Uで回転します。ローター入口に衝突するガスの速度は、ローターに対してV _r1です。ガスはローターによって方向転換され、ローターに対して速度V _r2で排出されます。ただし、絶対値で見ると、ローター出口速度はV _a2です。速度三角形は、これらのさまざまな速度ベクトルを使用して作成されます。速度三角形は、ブレードを通る任意の断面 (たとえば、ハブ、チップ、中間部など) で作成できますが、通常は平均段半径で示されます。この半径における速度三角形から、オイラー方程式を使用して、段の平均性能を計算できます。

${\displaystyle \Delta h=u\cdot \Delta v_{w}}$

したがって：

${\displaystyle {\frac {\Delta h}{T}}={\frac {u\cdot \Delta v_{w}}{T}}}$

どこ：

${\displaystyle \Delta h}$ステージ間の比エンタルピー降下は

${\displaystyle T}$タービン入口の全温度（または停滞温度）は

${\displaystyle u}$タービンローターの周速度は

$\displaystyle \Delta v_{w}}$旋回速度の変化

タービン圧力比は、$\displaystyle {\frac {\Delta h}{T}}}$そしてタービンの効率。

現代のタービン設計は、計算をさらに高度なレベルへと引き上げている。計算流体力学は、古典的な公式を導出する際に用いられてきた多くの簡略化された仮定を排除し、コンピュータソフトウェアは最適化を容易にする。これらのツールのおかげで、過去40年間にわたりタービン設計は着実に進歩を遂げてきた。

タービンの主要な数値分類は、比速度です。この数値は、出力と流量に対するタービンの最大効率時の回転速度を表します。比速度はタービンのサイズに依存しないことが示されています。流体の流れ条件と必要な軸出力速度が与えられれば、比速度を計算し、適切なタービン設計を選択することができます。

特定の速度といくつかの基本的な公式を用いることで、既知の性能を持つ既存の設計を、それに対応する性能を持つ新しいサイズに確実にスケールアップすることができる。

設計外性能は通常、タービンマップまたは特性として表示されます。

ローターのブレード数とステーターのベーン数は、高調波を低減しブレード通過周波数を最大化するために、しばしば異なる素数となる。 ^{[ 7 ]}

• 蒸気タービンは、石炭、重油、または核燃料を使用する火力発電所で発電機を駆動するために使用されます。かつては、船舶のプロペラなどの機械装置を直接駆動するために使用されていました（たとえば、タービン駆動の最初の蒸気船であるタービニア^{[ 8 ]}）。しかし、現在では、そのような用途のほとんどで減速ギアまたは中間電気ステップが使用され、タービンを使用して発電し、その電力で機械負荷に接続された電動機を駆動します。ターボ電気船舶機械は、第二次世界大戦直前と戦時中に特に人気がありましたが、これは主に米国と英国の造船所に十分な歯車切削設備がなかったためです。
• 航空機用ガスタービンエンジンは、ピストンエンジンと区別するためにタービンエンジンと呼ばれることがある。^{[ 9 ]}
• 遷音速タービン。ガスタービンエンジンで使用されるほとんどのタービンでは、膨張過程全体を通してガス流は亜音速のままです。遷音速タービンでは、ガス流はノズルガイドベーンを抜ける際に超音速になりますが、下流の速度は通常亜音速になります。遷音速タービンは通常よりも高い圧力比で動作しますが、一般的に効率が低く、あまり普及していません。
• 逆回転タービン。軸流タービンでは、下流側のタービンが上流側のタービンと逆方向に回転すると、効率面で有利になる場合があります。ただし、この複雑さは逆効果になることもあります。通常リュングストロームタービンとして知られる逆回転蒸気タービンは、もともとスウェーデンのエンジニア、フレドリック・リュングストローム（1875～1964）がストックホルムで発明し、弟のビルガー・リュングストロームと共同で1894年に特許を取得しました。この設計は基本的に多段ラジアルタービン（または「入れ子」になったタービンローターのペア）で、高い効率、反動（パーソンズ）タービンの4倍の段あたりの熱損失、非常にコンパクトな設計を実現し、背圧発電所で特に成功を収めました。しかし、他の設計とは異なり、大量の蒸気を扱うのは難しく、軸流タービン（DUREX）との組み合わせでのみ、約50MWを超える出力用にタービンを建設することができます。海洋用途では、1917年から1919年の間に約50基のターボ電気ユニットが発注されただけであり（そのうちかなりの数が最終的に陸上プラントに売却された）、1920年から1922年の間にはあまり成功しなかった少数のターボ機械式ユニットが売却された。^{[ 10 ]} 1960年代後半には少数のターボ電気式海洋プラント（ss Ragne、ss Regin）のみがまだ使用されていたが、陸上プラントのほとんどは2010年まで使用されていた。
• ステータレスタービン。多段タービンには、回転するローターブレードにガス流を導くための静止した（つまり固定された）入口案内羽根が備えられています。ステータレスタービンでは、上流側のローターから排出されたガス流は、中間にあるステータ羽根（流れの圧力/速度エネルギーレベルを再配置する羽根）を経由することなく、下流側のローターに直接衝突します。
• セラミックタービン。従来の高圧タービンブレード（および羽根）はニッケル基合金で作られており、金属の過熱を防ぐために複雑な内部空冷通路がよく用いられています。近年、ローター入口温度の上昇、あるいは空冷の廃止を目指し、実験的なセラミックブレードが製造され、ガスタービンで試験が行われています。セラミックブレードは金属製ブレードよりも脆く、ブレードが破損するリスクが高いという欠点があります。そのため、ジェットエンジンやガスタービンでは、ステーター（固定側）ブレードへの使用に限られています。
• ダクト付きファン（シュラウド付き）タービン。多くのタービンローターブレードの上部にはシュラウドが設けられており、隣接するブレードのシュラウドと連動することで減衰効果を高め、ブレードフラッターを低減します。大型の陸上発電用蒸気タービンでは、特に低圧タービンの長いブレードにおいて、シュラウドに加えて補強ワイヤーが用いられることがよくあります。これらのワイヤーは、ブレードの根元から適切な距離に開けられた穴を通り、通常は貫通部でブレードにろう付けされます。補強ワイヤーは、ブレード中央部のフラッターを低減します。補強ワイヤーの導入により、大型タービンや低圧タービンにおけるブレード破損の発生頻度を大幅に低減できます。
• プロップファン（シュラウドなしタービン）。現代の慣行では、可能な限りローターのシュラウドをなくすことで、ブレードにかかる遠心力と冷却要件を低減している。
• テスラタービン、またはブレードレスタービンは、従来のタービンのように流体がブレードに衝突するのではなく、境界層効果を利用する。
• 水力タービン：
  • ペルトン水車は、衝動式水力タービンの一種である。
  • フランシス水車は、広く使用されている水力タービンの一種である。
  • カプラン水車は、フランシス水車の変種である。
  • ターゴ水車は、ペルトン水車の改良型である。
  • タイソン水車は、円錐形の水車であり、頂点から途中まで螺旋状の羽根が伸びており、円錐の底部に向かって螺旋状に伸びるにつれて、半径方向の寸法が徐々に大きくなり、ピッチが小さくなる。
  • クロスフロー水車は、バンキ・ミッチェル水車、またはオスバーガー水車とも呼ばれる。
• 風力タービン。これらは通常、ノズルや段間案内羽根のない単段式で動作します。例外として、ステータとローターを備えたエオリエンヌ・ボレがあります。
• 速度複合型「カーチス」。カーチスは、第1段またはステータに固定ノズルを1つ使用し、その後にパーソンズやデ・ラバルと同様に固定および回転ブレード列を配置することで、デ・ラバルとパーソンズタービンを組み合わせた。通常、パーソンズ設計の最大100段に対し、カーチスは最大10段である。カーチス設計の全体効率はパーソンズ設計やデ・ラバル設計よりも低いが、低速や低圧での運転を含む、はるかに広い速度範囲で満足に運転できるため、船舶の動力装置での使用に最適であった。カーチス構成では、蒸気の熱損失はすべて最初のノズル列で発生し、後続の可動ブレード列と固定ブレード列はどちらも蒸気の方向を変えるだけである。カーチス水車の小部分、典型的にはノズル部1つと可動ブレード2～3列を用いた構成は、一般的にカーチス「ホイール」と呼ばれ、この形態のカーチス水車は、多くの反動水車や衝動水車、タービンセットの「制御段」として船舶で広く用いられた。この方式は、現在でも船舶用蒸気機関において一般的である。
• 圧力複合多段衝動タービン、またはフランスの発明家オーギュスト・ラトーにちなんで「ラトー」と呼ばれるタービン。ラトーは、ノズルダイヤフラムで隔てられた単純な衝動ローターを使用する。ダイヤフラムは基本的にタービン内の仕切り壁であり、そこに一連のトンネルが切り込まれている。トンネルは漏斗状で、広い端が前の段に、狭い端が次の段に面している。また、蒸気ジェットを衝動ローターに導くために角度が付けられている。
• 水銀蒸気タービンは、化石燃料発電所の効率向上を目的として、作動流体として水銀を使用していた。水銀蒸気タービンと従来の蒸気タービンを組み合わせた発電所もいくつか建設されたが、金属水銀の毒性がすぐに明らかになった。
• スクリュータービンは、アルキメデスの螺旋の原理を利用して、上流側の水の位置エネルギーを運動エネルギーに変換する水力タービンです。

世界の電力の大部分は、タービン発電機によって発電されている。

タービンは、陸上、海上、航空におけるガスタービンエンジンに使用されている。

ターボチャージャーはピストンエンジンに使用されます。

ガスタービンは非常に高速で回転するため、出力密度（つまり、出力と質量、または出力と体積の比）が非常に高い。スペースシャトルのメインエンジンは、ターボポンプ（タービンエンジンで駆動されるポンプで構成される機械）を使用して、推進剤（液体酸素と液体水素）をエンジンの燃焼室に供給した。液体水素ターボポンプは自動車エンジンよりわずかに大きく（重量は約700 ポンド）、タービンは70,000馬力（52.2MW ）近くを発生する。

ターボエキスパンダーは、工業プロセスにおける冷凍に用いられる。

• バル・イット・マシン
• ヘルムホルツの定理
• ローターダイナミクス
• セグナーホイール
• ターボファン
• ターボプロップ
• ターボシャフト
• タービン電気パワートレイン

• レイトン、エドウィン・T.「経験則から科学的工学へ：ジェームズ・B・フランシスとフランシス水車の発明」NLAモノグラフシリーズ。ニューヨーク州ストーニーブルック：ニューヨーク州立大学研究財団、1992年。

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