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Water turbine - Wikipedia

目的としたことは英国産業革命時の動力源の推移の理解を容易にすることです。 英国産業革命時の工場 (mill) の動力源は最初に水車があり、そこから徐々に水力タービンに変遷していくようです。 多くの翻訳ででは水力タービン (water turbine) のことを水車と訳しているようですが、 これをすると、この変遷が読み取れなくなります。 (例えば クオリー・バンク・ミルを参照のこと。) 更に reaction turbine のことを「反動水車」と訳しているものが見られますが、 ここでは「反作用タービン」の訳語を与えています。ここで述べられている reaction はニュートンの法則における作用・反作用に由来するもので、ニュートンの法則を 前提にすれば「反作用タービン」の訳語しかありえないので、この訳語を採用することに しました。 第二次隊戦前の日本では技術において科学を前提にせず、単に欧米の真似をすることに 終始していたと思われ、すべての製品が欧米のコピー (ただの丸写し) と思われます。 残念なことに、この「反動タービン」の訳語は第二次世界大戦前の日本の技術レベルを 反映しているものと思われ、その点からも棄却しました。

水力タービン (Water turbine)

水力タービンは移動する水からエネルギーを得る回転エンジンである。

水力タービンは電力以前に産業用動力として広く使用された。 現在では、水力タービンは主に発電用に使用される。 水力タービンは主にダムにあり、水の運動エネルギーから電力を生成する。

カプラン・タービンと発電機の切り取り図 小さな水力タービンの羽根車 (runner)
  1. 歴史
  2. 動作理論
  3. 水力タービンの型式
  4. デザインと応用
  5. 保守
  6. 環境への影響
歴史

水車は産業用に何百年も使用された。 水車の主な欠点はその大きさであり、これにより利用できる水量や水頭に 制限があるのである。 水車から水力タービンへの移行はおよそ 100 年かかった。 開発されたのは産業革命の時で、科学的原理や方法が使用された。 水力タービンには当時開発された新しい素材や、製造方法も大量に使用された。


ガンツ・ウォータ・ターボ発電機
(Ganz water Turbo Generator)
の建設、1886 年ブダペスト
渦巻き

「タービン」の用語は 19 世紀初頭にフランスの技術者であるクロード・ビュルダン (Claude Burdin) が導入し、ラテン語の「渦をまくこと」や「渦」に由来する。 初期の水力タービンと水車の主な違いは渦を巻くことで、これが回転軸に エネルギーを伝達する。 この追加の動きにより、同じ馬力の水車よりは小さくすることができた。 水力タービンはもっと速く回転することにより、より多くの水を処理し、 より大きな水頭を開放することができた。 (後には、インパルス・タービンが開発され、これは渦を使用しなかった。)

タイム・ライン

最も古いタービンはローマ帝国にさかのぼる。 らせんタービンの工場の遺跡で、ほとんど同じデザインのものが、 現在のチュニジアのシャムトウ (Chemtou) とテストゥール (Testour) で発見されており、これは 3 世紀後半か 4 世紀のものである。 角度を付けた羽根がついた水平の水車が水を満たした円形の縦穴の底に設置された。 取り入れ口からの水は縦穴に接線方向で進入し、水の柱に渦を作り、 完全に水没している水車に本当のタービンのように作用した。


チュニジアのシャムトウにおけるローマ帝国のタービン工場
水の取り入れ口の接線方向からの水の流入がシャフトに
水没された水平水車を本当のタービンのように回転した。

ヨハン・セグナー (Johann Segner) は 18 世紀中ごろにハンガリー王国で、 反作用・水力タービン (セグナー・ホイール) を発明した。 これには水平な軸【訳注:垂直な軸の間違い】があり、現代の水力タービンの先祖である。 これは非常に単純な機械で、小規模利用のために現在でも製造される。 セグナーは水力タービンの初期の数学理論に関してオイラーと仕事をしている。 18 世紀にバーカー (Barker) 博士は類似の反作用・水力タービンを発明し、 これは講堂で実演され、人気があった。 動力生成に利用されるこの形式のエンジンで、現存するただ一つの実例は 1851 年製造のもので、プエルトリコのポンセ (Ponce) の アシェンダ・ブエナ・ビスタ (Hacienda Buena Vista) に見出される。

訳注:セグナー・ホイール
A 水の取り入れ口、B ローターの付いた垂直チューブ、 C ノズルの付いたローター (横からの図)、D ノズルの付いたローター (上からの図) 、 E 地面の穴、F ベルトと滑車による動力の伝達、G 動力を伝える装置

1820 年に、 ジャン=ヴィクトル・ポンスレ (Jean-Victor Poncelet) は流入タービン (inward-flow turbine) を開発した。

1826 年に、ベノワ・フネロン (Benoit Fourneyron) は流出タービン (outward-flow turbine) を開発した。 これは、効率が高い機械 (~80%) で、 水は一次元的に湾曲した羽根をつけた羽根車 (runner) を通過した。 静止した水の流出口にも湾曲したガイド (guide) が付いていた。

1844 年に、ユーライア A. ボイデン (Uriah A. Boyden) はフネロン・タービンの性能を改良した流出タービンを開発した。 この羽根車はフランシス・タービンと類似のものであった。

1849 年にジェームス B. フランシス (James B. Francis) は流入・反作用タービンを改善し、 90% 以上の効率を達成した。 彼はまた、精巧な試験を実施し、 水力タービンをデザインする技術的手段を開発した。 この水力タービンは今日でも世界中で最も広く使用されているものである。 フランシス・タービンはラジアル・タービン (放射流タービン、radial flow turbine) とも呼ばれる。 これは、外部の円周から、羽根車の中心に水が流れるからである。


フランシス・タービンの羽根車
百万馬力 (750 MW) に近い
米国グランド・クーリー・ダム
(Grand Coulee Dam) に設置

流入・水力タービンは機械的な配置がよく、 全ての現代の反作用・水力タービンはこのデザインによっている。 水が渦を巻いて流入すると、水が加速し、羽根車にエネルギーを伝達する。 水がタービンの羽根を通過して、エネルギーを失うと、 水圧は大気圧、もしくは低大気圧 (subatmospheric) に減少する。

1890 年頃、現代の 流体軸受 (fluid bearing) が発明され、現在では水力タービンの重い軸を支えるために 普遍的に使用されている。 2002 年現在では、 流体軸受が故障するまでの平均時間は 1300 年以上になったようである。

1913 年頃、ヴィクトル・カプラン (Viktor Kaplan) はプロペラ形式のカプラン・タービンを開発した。 これはフランシス・タービンからの進化であったが、 水頭が低い場所での開発に革命を引き起こした。


プロペラ形式の羽根車
28,000 馬力 (21 MW)
新しい発想

19 世紀末に至るまで普通の水力タービンは (水車も含め) すべて、 基本的には反作用マシンであった; 水頭の圧力が機械に作用し、(力学的な) 仕事 (work) が生成される。 反作用タービンはエネルギーの伝達の間、水を完全に封じ込める必要がある。

1866 年にカリフォルニアのミルライトのサミュエル・ナイト (Samuel Knight) は インパルス・システムを新しい段階に引き上げる機械を発明した。 金鉱の水力採掘 (hydraulic mining) で使用される高水圧ジェットに インスピレーションを受けて、 ナイトは (幾つも) バケットの付いたホイールを開発し、 自由落下する水流ジェットのエネルギーを捉え、 高い水頭 (何百フィートもの垂直パイプあるいは垂直導水路) の水を運動エネルギーに変換した。 これはインパルス・タービンとかタンジェント・タービンとか呼ばれた。 水流の速度は、円周のバケットの速度のおよそ二倍で、 バケットの中で U ターンし、低速度で羽根車から流れ落ちる。

1879 年に レスター・ペルトン (Lester Pelton) はナイト・ホイールで実験をし、 (二重バケットの) ペルトン・ホイールを開発した。 これは、水を横に排水し、ナイト・ホイールが 幾分ホイールの中心に排水することによって浪費していたエネルギーを消し去った。 1895 年にウィリアム・ドーブル (William Doble) はペルトンの半円柱の形のバケットを楕円形のバケットに 改良し、水流ジェットがバケットにうまく入るように切れ込みを入れた。 これがペルトン・タービンの現代の形で、 今日では 92% までの効率を達成している。 ペルトンは自分のデザインの効果的な推進者であった。 ドーブルはペルトンの会社を乗っ取ったが、 彼はペルトン・タービンの名前をドーブル・タービンにしなかった。 というのはペルトン・タービンの方がブランドとしての知名度が高かったからである。


ペルトンの元々の特許の図
(1880 年 10 月)

ターゴ (Turgo) タービン とクロスフロー (cross-flow, 横断水流) タービンは、後に登場するインパルス・タービンである。

訳注
古いペルトン・ホイール
ドイツ、ヴァルヒェン湖発電所
ターゴ・タービンと発電機 クロスフロー・タービン
1 排気バルブ、2 給水器、
3 タービン容器 (灰色全て)、4 羽根車、
5 容器の後方蓋、6 羽根、7 水流、8 軸
左端のペルトン・ホイールはドーブルによる改良版のように思われます。
動作理論

流れる水は羽根車の羽根に向けられ、羽根に力を及ぼす。 羽根車は回転しているため、力はある距離で作用する。 (力がある距離で作用する事が (力学的な) 仕事の定義である。) このようにして、エネルギーが水流からタービンに伝達される。

水力タービンは 2 つのグループに分割される:反作用タービンとインパルス・タービン。

水力タービンの羽根の正確な形は水の供給圧力と選択された羽根車に依存する。

反作用タービン

反作用タービンに水が作用し、水がタービンを通り抜けて、エネルギーを失うにつれ水の圧力が減少する。 反作用タービンは水の圧力 (あるいは吸引力) を封じ込めるために格納容器に入れるか、 もしくは流れの中に完全に水没させる必要がある。

ニュートンの第三法則が反作用タービンのエネルギー伝達の説明をしている。

使用されている大半の水力タービンは反作用タービンで、低水頭 (<30m あるいは 100 フィート) か 中水頭 (30 - 300 m もしくは 100 - 1000 フィート) の応用に使用される。 反作用タービンでは、圧力の低下が、固定羽根や回転羽根で起きる。 これは主にダムや大型の発電プラントで使用される。

インパルス・タービン

インパルス・タービンはジェット水流の流速を変化させる。 ジェット水流はタービンの湾曲した羽根を押し、羽根は流れの向きを変える。 その結果生じるモーメントの変化 (インパルス) がタービンの羽根に力を引き起こす。 タービンは回転しているので、力はある距離で作用し、 ((力学の) 仕事)、 向きを変えられた水にはエネルギーが残っていない。 インパルス・タービンでは羽根を越えて流れる液体の圧力が一定で、出力されるすべての仕事は 液体の運動エネルギーの変化によるものである。

タービンの羽根に衝突する前に、水の圧力 (ポテンシャル・エネルギー) はノズルによって運動エネルギー に変化し、タービンに焦点を合わせる。 タービンの羽根では圧力の変化が起きず、タービンには動作するための格納容器が必要ではない。

ニュートンの第二法則がインパルス・タービンのエネルギー伝達を説明している。

インパルス・タービンはきわめて高水頭 (> 300m あるいは 1000 フィート) の応用で使用される。

エネルギー

水流により利用可能なエネルギーは

P = η・ρ・g・h・q

但し

揚水発電

ある種のタービンは揚水発電用にデザインされている。 これらのタービンは流れを逆にすることができ、 電力需要のオフ・ピーク時には高い貯水池に揚水するポンプとして動作し、 電力需要のピーク時には発電用の水力タービンに変化する。 この形式のタービンはデザイン的にはデリア (Deriaz) タービン もしくは フランシス・タービンである。

効率

現代の大きな水力タービンは機械効率が 90% 以上で動作する。

水力タービンの型式

反作用タービン:

インパルス・タービン:

訳注
  1. ジョンバル・タービン
  2. 上の記述の中で「逆上射式水車」は間違いです。Wikipedia の原作者が間違えたものと思われます。 「逆上射式水車」は「上射式水車」の逆の動作によって、 水を持ち上げてポンプの役目をするものです。
  3. アルキメデスのスクリューは揚水に使用できますが、 この逆の動作をするのがスクリュー・タービンです。

色々な形式の水力タービンの羽根車、 左から右:ペルトン・タービン
2 種類のフランシス・タービン、カプラン・タービン
デザインと応用

タービンの選択は利用可能な水頭に基礎を置くが、 利用可能な流量にはそれほど基礎を置かない。 一般に、インパルス・タービンは水頭が高い場所で使用され、 反作用タービンは水頭が低い場所で使用される。

カプラン・タービンで、羽根の傾きが調整可能であれば、 幅広い流量の領域と水頭の状態に十分に対応する。 というのは、カプラン・タービンの最高効率が流量の状態の幅広い領域で 達成されるからである。

小さなタービン (大半が 10MW 以下) は水平の回転軸でもよく、 かなり大きな 100MW 程度までのバルブ形式のタービンでさえも水平の回転軸でよい。 非常に大きなフランシスあるいはカプラン・マシンは通常は垂直の回転軸である。 というのは、これにより利用可能な水頭をもっとも良く使用できるからで、 発電機の設置がもっと経済的となるからである。 ペルトン・ホイールは水平な回転軸でも垂直な回転軸のいずでもよい。 というのはマシンの大きさは利用可能な水頭よりもはるかに小さいからである。 ある種のインパルス・タービンでは、 羽根車一台ごとに複数のジェット水流を使用し、比速度とバランス・シャフトの推進 を増大している。


タービン適用図、縦軸 水頭、横軸 流量
黄 フランシス、青 カプラン
桃 クロスフロー、緑 ターゴ、橙 ペルトン
典型的な水頭の限界

以下 H は水頭 (m)。

水車 0.2<H<2
スクリュー・タービン 1<H<10
VLH タービン 1.5<H<4.5
カプラン・タービン 20<H<40
フランシス・タービン 40<H<600
ペルトン・タービン 50<H<1300
ターゴ・タービン 50<H<250
比速度 (specific speed)

タービンの比速度 ns はタービンの形を特徴づけ、大きさには関係しない。 これにより、パーフォーマンスの知られた既存のデザインから 拡大縮小して新しいタービンをデザインすることができる。 比速度は特定の場所に適切なタービンを設置する場合の判定条件でもある。 比速度はタービンが単位水頭で特定の出力をする時の、従って単位エネルギーを出力する時の 速度のことである。

親和法則 (affinity laws)

親和法則により、タービンの出力が模型の試験から予測できる。 直径およそ 1 フィート (0.3 m) の タービンの模型を実験室でテストすれば、 計測値から、最終製品の性能を高い信頼度で与えることができる。 親和法則にはテスト模型とタービンが相似であることが要求される。

タービンを通過する流量は、大きなバルブ、もしくはタービンの羽根車の外に配置される 小さな開口部 (wicket gate) により制御される。 異なる水頭と、流量が異なる開口部の個数に応じてプロットして 総合特性カーブ (hill diagram) が描かれ、これにより色々な条件下におけるタービンの効率がわかる。

無拘束速度 (runaway speed)

水力タービンの無拘束速度とは、最大流量でシャフトに負荷がないときの速度のことである。 タービンはこの速度の機械力に耐えるようにデザインされる。 製造業者は無拘束速度の評価を提供する。

保守

タービンは主要部品の保守をほとんどせずに長期間動くように デザインされており、オーバーホールの間隔は数年のオーダーである。 羽根車と水にさらされる部品の保守には、取り外し、点検、すり減った部分の修理がある。

通常の磨滅 (まもう) と引き裂きには浸食損傷からの孔腐食、疲労による割れ、水中に浮遊する固体による 磨滅がある。 鋼の部品は -- 通常はステンレス鋼の溶接棒で -- 溶接により修理される。 損傷した部分は切り取ったり、すりつぶしたりして、 そのあとで、元の形、あるいは改良した形に溶接し直される。 古いタービンの羽根車は、寿命が尽きる頃には、 このようにして付け加えられたステンレス鋼が随分と含まれることがある。 最も質の高い修理を達成するには巧妙な溶接の工程が使用される。


寿命のつきたフランシス・タービン
点腐食、疲労破断、破局的崩壊が見える
ステンレス鋼の溶接棒による以前の修復箇所が見える。

オーバーホールの時に、検査や修理が必要となる他の部品には次がある: ベアリング、パッキング・ボックス、シャフトの袖、サーボモーター、 ベアリングや発電用のコイルの冷却システム、 密閉リング、開口部の結合要素、そして全表面。

環境への影響

水力タービンは一般には清浄な動力生成装置と思われている。 タービンは基本的には水に変化を与えないためである。 タービンは再生可能なエネルギー源を使用し、 何十年もの間操業するようにデザインされている。 タービンは世界の発電量に重要な位置を占めている。

歴史的には否定的な結果もあった。 多くは発電に必要とされるダムに関連したものである。 ダムは川の自然な生態を変え、 潜在的には魚を殺し、(魚の) 移住を妨げ、人々の生計を崩壊させる。 例えば、アメリカ・インディアンはサケの釣りによって生計を立てていた。 しかし、侵略的なダム建設により、彼らの生活が破壊された。 ダムはそれほど明らかではないが潜在的には重要な結果を招く原因ともなっている。 これには水の蒸発の増加 (とりわけ乾燥地帯)、ダムの背後のシルトの堆積、 水温と流量の変化。 米国では、魚 -- 例えば北米の絶滅危惧種である 白チョウザメ -- の移住を妨げることは現在では非合法となっている。そのため、 ダムには 魚道を作らないといけない。