蒸気タービン：高温の蒸気が電気に変わる方法

科学者は、電流を生成する最も効果的な方法を見つけるのにまだ苦労しています-電気電池から最初のダイナモ、蒸気、原子力、そして現在は太陽、風力、水素発電所へと進歩が急いでいます。 現在、電気を生成する最も大規模で便利な方法は、蒸気タービンによって駆動される発電機のままです。



蒸気タービンは、人間が電気の性質を理解するずっと前に発明されました。 この投稿では、蒸気タービンの構造と動作について簡単に説明し、同時に、古代ギリシャの科学者が15世紀前にどのように進んでいたか、タービンエンジニアリングでクーデターがどのように行われたか、そして30メートルのタービンを0.005 mmの精度で製造する必要があると考える理由を思い出します。

蒸気タービンの仕組み

蒸気タービンの動作原理は比較的単純であり、その内部構造は一世紀以上も根本的に変わっていません。 タービンがどのように機能するかを理解するには、火力発電所がどのように機能するかを考えてください。化石燃料（ガス、石炭、燃料油）が電気に変換される場所です。



蒸気タービン自体は機能せず、機能するには蒸気が必要です。 したがって、発電所は燃料が燃焼するボイラーから始まり、ボイラーに浸透する蒸留水でパイプに熱を放出します。 これらの細いパイプでは、水が蒸気に変わります。





家庭を暖房するための電気と熱の両方を生成する、火力発電所の運転の明確なスキーム。 出典：モゼネルゴ



タービンは、大きなファンのように、半径方向に間隔を置いて配置されたブレードを備えたシャフト（ローター）です。 そのような各ディスクの後ろにはステーターがあります-異なる形状のブレードを備えた同様のディスクで、シャフトではなくタービン本体に取り付けられているため、固定されたままです（ステーターという名前）。



ブレードとステーターを備えた一対の回転ディスクはステップと呼ばれます。 1つの蒸気タービンには数十のステージがあります-蒸気を1つのステージのみに通すことで、質量が3から150トンのタービンの重いシャフトをほどいてはいけません。したがって、ステージは直列にグループ化され、蒸気の最大ポテンシャルエネルギーを抽出します。



非常に高温で高圧の蒸気がタービン入口に供給されます。 蒸気圧は、低圧（最大1.2 MPa）、中圧（最大5 MPa）、高圧（最大15 MPa）、超高圧（15-22.5 MPa）、超臨界（22.5 MPa以上）のタービンを区別します。 比較のために、シャンパンのボトル内の圧力は、乗用車の車のタイヤでは約0.63 MPa-0.2 MPaです。



圧力が高いほど、水の沸点が高くなります。これは、蒸気の温度を意味します。 550〜560°Cに過熱された蒸気がタービン入口に供給されます。 なぜそんなに？ 蒸気がタービンを通過すると、蒸気が膨張して流量を維持し、温度が低下するため、マージンが必要です。 上の蒸気を過熱しないのはなぜですか？ 最近まで、これは非常に複雑で無意味であると考えられていました。タービンとボイラーの負荷が重要になりました。



発電所用の蒸気タービンには、従来、ブレードを備えた複数のシリンダーがあり、そこに高圧、中圧、低圧の蒸気が供給されます。 まず、蒸気は高圧シリンダーを通過し、タービンを回転させ、同時に出口でパラメーターを変更し（圧力と温度の低下）、その後、中圧シリンダーに入り、そこから低圧になります。 実際には、蒸気のエネルギーをより効率的に抽出するために、さまざまなパラメータの蒸気のステップには、ブレードのサイズと形状が異なっています。



しかし、問題があります-温度が飽和点まで下がると、蒸気が飽和し始め、これがタービンの効率を低下させます。 これを防ぐために、発電所では、高圧シリンダーの後、低圧シリンダーに入る前に、蒸気が再びボイラーで加熱されます。 このプロセスは、中間過熱（産業過熱）と呼ばれます。



1つのタービンに複数の中低圧のシリンダーが存在する場合があります。 蒸気をシリンダーの端から供給し、すべてのブレードを順番に通過させ、中央で端に発散させて、シャフトの負荷を均等にします。



タービンの回転軸は発電機に接続されています。 ネットワークの電気に必要な周波数を持たせるために、発電機とタービンのシャフトは厳密に定義された速度で回転する必要があります-ロシアでは、ネットワークの電流の周波数は50 Hzで、タービンは1500または3000 rpmで動作します。



簡単に言えば、発電所で生産される電力の消費量が多いほど、発電機は回転に強くなるため、より多くの蒸気をタービンに供給する必要があります。 タービン速度コントローラは負荷の変化に即座に応答し、タービンが一定の速度を維持するように蒸気の流れを制御します。 負荷がネットワーク内で低下し、レギュレーターが供給される蒸気の量を減らさない場合、タービンは急速に速度を上げて崩壊します-そのような事故の場合、ブレードはタービン本体、火力発電所の屋根を容易に貫通し、数キロメートル離れて飛行します。

蒸気タービンについて

紀元前18世紀頃、人類はすでに要素のエネルギーを調整し、有用な仕事を行うために機械的エネルギーに変えていました。これらはバビロニアの風車でした。 紀元前2世紀までに。 e。 ローマ帝国には水車が出現し、その車輪は川や小川からの無限の水の流れによって動かされました。 そしてすでに1世紀の広告で e。 人は水蒸気のポテンシャルエネルギーを飼いならし、その助けを借りて人工システムを動かしました。





アレキサンドリアのジェロンのEolipilusは、次の15世紀の最初で唯一の反応性蒸気タービンです。 出典：American Mechanical Dictionary / Wikimedia



ギリシャの数学者でありメカニックのアレクサンドリアのジェロンは、オリピルの奇妙なメカニズムを説明しました。オリピルは、軸に固定されたボールであり、チューブが斜めに発せられます。 沸騰ボイラーからボールに供給された水蒸気は、強制的にチューブを出て、ボールを回転させました。 当時ヘロンが発明した機械は役に立たないおもちゃのように見えましたが、実際、古代の科学者は最初の蒸気ジェットタービンを建設し、その可能性は15世紀後に推定されました。 最新のeolipilレプリカの速度は最大1,500 rpmです。



16世紀に、ヘロンの忘れられた発明は、シリアの天文学者タキユディンアルシャミによって部分的に繰り返されましたが、ボールの代わりにホイールが動き始め、蒸気がボイラーから直接吹き出されました。 1629年、イタリアの建築家ジョヴァンニブランカによって同様のアイデアが提案されました。蒸気の流れが製材所を機械化するように適応できるパドルホイールを回転させました。





ブランカアクティブ蒸気タービンは、少なくともいくつかの有用な作業を行いました。2つの迫撃砲を「自動化」しました。



蒸気エネルギーを仕事に変換する機械のいくつかの発明者による説明にもかかわらず、それはまだ有用な実装からはほど遠いです-その当時の技術は実際に適用可能な電力で蒸気タービンを作成することを許可しませんでした。

タービン革命

長年にわたり、スウェーデンの発明家グスタフ・ラバルは、軸を高速で回転できる特定のエンジンを作成するというアイデアをかき立てました。これは、ラバルのミルク分離機の操作に必要でした。 セパレーターが「手動駆動」から作動している間、ギアシステムがハンドルの40 rpmをセパレーターの7000 rpmに変換しました。 1883年に、ラバルはヘロンのeolipilを順応させ、ミルクセパレーターにエンジンを供給しました。 アイデアは良かったが、蒸気タービンの振動、ひどい高コスト、および不経済性により、発明者は計算に戻らざるを得なかった。



ラバルタービンホイールは1889年に登場しましたが、その設計は今日までほとんど変わっていません。



何年にもわたる試練の後、ラバルはアクティブなシングルディスク蒸気タービンを作成することができました。 圧力のかかったノズルを備えた4本のパイプのブレードで、蒸気がディスクに供給されました。 ノズル内で膨張および加速すると、蒸気がディスクのブレードに当たり、ディスクが動き始めます。 その後、発明者は、3.6 kWの電力を備えた最初の市販のタービンを製造し、タービンを発電機に接続して発電し、また、蒸気凝縮器などの私たちの時代の不可欠な部分を含め、タービンの設計における多くの革新の特許を取得しました。 困難なスタートにもかかわらず、その後グスタフ・ラバルにとってはうまくいきました。以前の分離会社を去り、合資会社を設立し、ユニットの能力を増強し始めました。



ラバルと並行して、蒸気タービンの分野での彼の研究はイギリス人のチャールズ・パーソンズirによって行われ、サールズ・パーソンズはラバルの考えを再考し、うまく補完することができました。 最初のものがタービンにブレードを備えたディスクを1つ使用した場合、パーソンズは複数のディスクを直列にした多段式タービンの特許を取得し、少し遅れてステーターを構造に追加して流れを均等にしました。



パーソンズタービンには、ブレードの形状が異なる高圧、中圧、低圧の蒸気用の3つの連続したシリンダーがありました。 ラバルはアクティブなタービンに依存していましたが、パーソンズはリアクティブグループを作成しました。



1889年、パーソンズは都市の電化のために数百台のタービンを販売し、さらに5年後、実験船「タービニア」が建造され、以前は蒸気エンジンでは達成できなかった速度63 km / hを開発しました。 20世紀の初めまでに、蒸気タービンは地球の高速電化の主要なエンジンの1つになりました。





現在、ニューカッスルの博物館に「タービニア」が展示されています。 ネジの数に注意してください。 出典：TWAMWIR /ウィキメディア

東芝タービン-世紀の長い道のり

日本の電化鉄道と繊維産業の急速な発展により、州は新しい発電所を建設することで電力消費の増加に対応することを余儀なくされました。 同時に、日本の蒸気タービンの設計と製造に関する作業が始まりました。最初の蒸気タービンは1920年代に国のニーズに合わせて開発されました。 東芝（当時：東京電機と芝浦製作所）も訴訟に加わった。



最初の東芝タービンは1927年にリリースされ、23 kWの控えめな出力でした。 2年以内に、日本で製造されたすべての蒸気タービンが東芝の工場を去り、合計容量7500 kWのユニットが発売されました。 ちなみに、東芝は1966年にオープンした最初の日本の地熱発電所のために、蒸気タービンも供給しました。 1997年までに、すべての東芝タービンの総容量は100,000 MWでしたが、2017年には、同等の容量が200,000 MWになるほど配信が大きくなりました。



この要求は、製造精度によるものです。 最大150トンのローターは3600 rpmの速度で回転し、不均衡があると振動や事故につながります。 ローターは1グラムの精度でバランスが取れており、幾何学的な偏差は目標値から0.01 mmを超えてはなりません。 CNC装置は、タービン生産の偏差を0.005 mmに低減するのに役立ちます。これは、東芝の従業員間の目標パラメータとの差は良い形と見なされますが、許容される安全誤差は1桁大きくなります。 また、各タービンは高速でストレステストを受ける必要があります。3600rpmのユニットの場合、テストは4320 rpmの加速を提供します。





蒸気タービンの低圧段の寸法を理解するのに適した写真。 東芝ケーヒン製品オペレーション工場の最高のマスターのチームです。 出典：東芝

蒸気タービンの効率

蒸気タービンは、サイズが大きくなると、生成される電力と効率が大幅に向上するという点で優れています。 大規模な火力発電所に1つまたは複数のユニットを設置する方が、数百キロワットから数メガワットの電力で小さなタービンを備えた地元の火力発電所を建設するよりもはるかに経済的です。 事実、サイズと出力が小さくなると、キロワット単位のタービンのコストが時々増加し、効率は2〜3倍低下します。



過熱を伴う凝縮タービンの電気効率は、35〜40％のレベルで変動します。 最新のTPPの効率は45％に達します。







これらの指標を表の結果と比較すると、蒸気タービンは電力の大きなニーズを満たす最良の方法の1つであることがわかります。 ディーゼルは「家庭」の物語であり、風車は高価で低電力であり、水力発電所は非常に高価であり、地理参照されており、すでに説明した水素燃料電池は 、電気を生成する新しい、むしろモバイルな方法です。

興味深い事実

最も強力な蒸気タービン：このようなタイトルは、2つの製品（ドイツのSiemens SST5-9000とAmerican General Electricが所有するARABELLEによって製造されたタービン）によって同時に正当に運ばれます。 両方の凝縮タービンは、最大1900 MWの電力を供給します。 そのような可能性を実現することは、原子力発電所でのみ可能です。





1900 MWの容量を持つタービンSiemens SST5-9000を記録します。 記録ですが、そのような電力の需要は非常に小さいため、東芝は電力の半分のユニットに特化しています。 出典：シーメンス



数年前にロシアで最小の蒸気タービンがウラル連邦大学のエンジニアによって作成されました-直径わずか0.5メートルのPTM-30で、容量は30 kWです。 赤ちゃんは、他のプロセスからの余剰蒸気を利用して、それから経済的利益を得て、大気に放出しないようにすることで、地域の発電に使用できます。





ロシアのPTM-30は、世界最小の発電用蒸気タービンです。 ソース：UrFU



蒸気タービンの最も失敗した用途は、蒸気機関車です。ボイラーからの蒸気がタービンに入り、その後、機関車が電気モーターまたは機械式トランスミッションで動く蒸気機関車です。 理論的には、蒸気タービンは従来の蒸気機関車の何倍もの効率を提供しました。 実際、蒸気ターボ機関車は、時速60 kmを超える速度でのみ、高速性と信頼性などの利点を発揮することが判明しました。 低速では、タービンは過剰な蒸気と燃料を消費します。 アメリカとヨーロッパの国々は機関車で蒸気タービンを実験しましたが、ひどい信頼性と疑わしい効率により、蒸気タービンのクラスとしての寿命は10〜20年に短縮されました。





石炭蒸気タービンの機関車C＆O 500はほぼすべての旅行を壊したため、リリースから1年後にスクラップとして送られました。 ソース：ウィキメディア