反動タービン

反応蒸気タービン

反動蒸気タービンとは、蒸気がノズルだけでなく動翼内部でも膨張するタービンを指します。反動タービンの動翼は、蒸気流の衝撃によって発生する力だけでなく、動翼内部での蒸気の膨張と加速によって発生する力も受けます。

反動型蒸気タービンでは、蒸気はノズル内だけでなく、動翼列を通過する際にも膨張・加速します。つまり、動翼列内では蒸気の流れの方向が変わり、相対速度も増加します。その結果、動翼はノズルから噴出する高速蒸気ジェットの衝撃力と、動翼列から流出する蒸気の反力の両方の作用を受けます。つまり、反動型蒸気タービンは、衝撃と反作用の両方の原理を利用して仕事をしているのです。

反動蒸気タービンは、蒸気動力機械の一種です。その動作原理は、静翼（ノズル）と動翼の両方で発生する蒸気の膨張を利用し、蒸気の衝動力と反力の両方を利用してローターを回転させます。

動作原理と構造的特徴：反動型蒸気タービンでは、蒸気はまず静翼列内で膨張・加速し、圧力降下と速度上昇を引き起こします。その後、動翼列に入り、蒸気はさらに膨張します。この膨張は流れの方向を変え、衝動力を生み出すだけでなく、膨張による加速によって反力も生じます。これら2つの力が相乗的に作用し、ローターを駆動して仕事を遂行します。この構造により、動翼の両側に圧力差が生じます。そのため、ローターは通常、過度の軸方向スラストを避けるためにドラム型構造を採用し、このスラストを打ち消すためにバランスピストンが備えられている場合が多くあります。反動型蒸気タービンの構造は、軸流型（蒸気が軸方向に流れ、翼がドラム上に取り付けられている）と半径流型（蒸気が半径方向に流れ、2つのローターが互いに逆方向に回転する）に分けられます。

衝動型蒸気タービンとの比較：反動型タービンと衝動型タービンの主な違いは、膨張過程にあります。衝動型タービンでは、蒸気の膨張は主に静翼で起こり、動翼ではほとんど膨張しません。一方、反動型タービンでは、静翼と動翼の膨張はほぼ同じです。そのため、反動型タービンはより高い段効率を実現します。ただし、反動型タービンは軸方向推力が大きく、通常は部分的な蒸気導入では運転できず、初段には衝動段が用いられることが多いです。

反応蒸気タービンの利点は、主に以下の点に反映されます。

1. 高い段効率：蒸気は静翼と動翼の両方で膨張し、衝動力と反動力の両方を利用して仕事をします。これにより、より合理的な速度三角形の設計が可能になり、流量損失が低減します。そのため、単段効率は衝動型蒸気タービンよりも通常約2～3%高くなります。

2. 類似したブレード構造により製造コストを削減：動翼と静翼の断面形状は実質的に同一です。この対称性により、ブレードの設計と製造プロセスが簡素化され、大量生産が容易になり、スペアパーツのコストも削減されます。

3. 部分負荷時の性能向上：蒸気膨張プロセスが各段にわたって均一に分散されるため、反応蒸気タービンは非全負荷状態でも比較的高い効率を維持でき、変動負荷運転への適応性が高まります。

4. 中圧および低圧条件に適合：設計特性により、中圧および低圧蒸気条件下における安定した運転を実現します。さらに、多段構造により、再加熱などの技術を容易に活用でき、全体的な効率をさらに向上させます。

5. バランスピストンにより軸方向のスラストを管理: 軸方向のスラストは大きいですが、ドラム構造やバランスピストンなどの設計により効果的に打ち消すことができ、動作の安定性を確保します。