蒸気タービンの構成と効率

蒸気タービンは、ボイラで発生させた蒸気の熱エネルギーを回転運動の機械的エネルギーに変換する原動機である。火力発電所では、蒸気タービンが発電機を駆動して電力を生み出すため、その構成と効率は火力発電の出力と熱効率を決める基本的な論点となる。試験では、タービンの構成要素の役割と、熱効率を求める計算過程を正確に区別できるかどうかが問われる。

蒸気タービンの構成

蒸気タービンは、蒸気の圧力と温度が高い高圧タービン、中間の圧力を扱う中圧タービン、最も低い圧力の蒸気を扱う低圧タービンに分けて構成されることが多い。高圧側から順に蒸気を通すことで、蒸気が持つ熱落差を段階的に仕事へ変えるのである。低圧タービンの排気は復水器に導かれ、冷却水によって凝縮して水に戻る。復水器内の圧力が低く保たれると、タービン出口の圧力である背圧が下がり、タービンで取り出せる熱落差は大きくなる。

タービンの一段は、蒸気の膨張の仕方によって衝動段と反動段に区別される。衝動段では、蒸気は静止しているノズルの中だけで膨張して速度を得て、動翼がその運動エネルギーを仕事に変える。反動段では、蒸気は静翼と動翼の両方で膨張し、動翼ではその膨張に伴う反動力も仕事に使われる。衝動段と反動段は、蒸気が動翼の内部で膨張するかどうかによって区別されるのであり、回転速度の大小によって区別されるのではない。

ランキンサイクルと熱効率

蒸気タービンの理論上の基準となるサイクルは、ランキンサイクルである。ランキンサイクルは、給水ポンプで水を昇圧し、ボイラで加熱して蒸気にし、タービンで断熱膨張させ、復水器で等圧のもとで冷却して水に戻す、という四つの過程から成る。

単純ランキンサイクルの理論熱効率は、ボイラで加えた熱量に対する正味仕事の割合である。主蒸気の比エンタルピを h1、タービン排気の比エンタルピを h2、復水器出口かつポンプ入口の比エンタルピを h3、ポンプ出口かつボイラ入口の比エンタルピを h4 とする。

η = ((h1 − h2) − (h4 − h3)) / (h1 − h4)

分子はタービン仕事 h1 − h2 からポンプ入力 h4 − h3 を差し引いた正味仕事、分母はボイラで加えた熱量である。ポンプ入力を無視できる場合は h4 ≈ h3 として、η ≈ (h1 − h2) / (h1 − h3) と近似できる。