タービンとは

タービンは、作動流体の運動エネルギーを速度の形で、そしてポテンシャルエネルギーを圧力の形で、シャフトに取り付けられた複数のタービンブレードを介して回転運動エネルギーに変換することによって、気体や液体からのエネルギーを動力に変換します。ブレードは、本質的には流体の運動量と圧力によって押されるレバーであり、レバーにかかる力がシャフトの周りにトルクを生み出し、力学的エネルギーを生成します。このエネルギーは、シャフトに接続されたあらゆるシステムで使用することができます。

「タービン」という言葉はラテン語のターボから来ており、「回転する」という意味です。流体からエネルギーを引き出すためのこの貫流アプローチは、内燃機関（ICE）や蒸気機関のようなピストンベースのエネルギー抽出機械とは対照的です。動力抽出のためにタービンを使用する装置は、通常ターボ機械に分類されます。

石臼に取り付けられた単純な水車や風車に始まり、人類はこれまで数千年にわたってタービンを使って産業革新を推し進めてきました。今日、私たちは、風、水、圧縮空気、蒸気、加熱気体からのエネルギーを、タービンを使用して電力に変換し、自動車のエンジンを効率化したり、航空機の推進力としたり、さまざまなことに役立てています。ターボ機械産業は、タービンとターボ機械の熱力学、流体力学、ロバスト性を理解し、改善することに焦点を当てています。

すべてのタービンは、シャフトに接続されたシリンダーに取り付けられているブレードと呼ばれる薄型構造体を、流体が押したり、周囲を流れたりすることによって動作します。タービンは、流体の運動量からエネルギーを引き出すか（衝動タービン）、流体の圧力を使用するか（反動タービン）に応じて、異なる種類に分類されます。 

衝動タービン

衝動タービンでは、パドルやバケツに似た一連のブレードに流体の流れがぶつかります。流体の流れの運動エネルギーは、ブレードを動かすことによって力学的エネルギーに変換されます。これが、シャフトにトルクを発生させ、ロータを回転させる力を生み出します。

最初期の衝動タービンは水車であり、水車に取り付けたパドルを川や運河の流れで動かしていました。現代の衝動タービンでは、ノズルによって水、蒸気、圧縮空気の高速流が作り出されます。反動タービンとは異なり、衝動タービンには、流体を誘導するエンクロージャーは不要です。衝動タービンシステムでは、流体の圧力はノズルを出ても変化せず、流体の流れの方向は、タービンのブレードに衝突した後に大きく変化することがあります。

反動タービン

反動タービンは、一連のブレードに流体を流して膨張させ、ブレードにかかる圧力を力に変換することによって機能します。各ブレードにかかる荷重は同じです。1つの反動タービンに、流体の流れの部分ごとの圧力に合わせて最適化されたロータセット（段）を複数含めることができます。

最もわかりやすいタイプの反動タービンは、風力タービンと、ジェットエンジンに使用されるガスタービンです。蒸気タービンや天然ガス発電用タービンは、ほとんどが反動タービンです。反動タービンでは、シュラウドまたはケースを使用して、タービンブレードを通る流体が流れる位置が決まります。反動タービン内の流れは、流体がタービンを通過するときに、圧力が著しく低下します。

タービンの主要コンポーネント

タービンの仕組みを理解するには、各主要コンポーネントの働きを見ると良いでしょう。

タービンブレード

タービンの最も重要なコンポーネントはブレードです。これらはプラットフォーム（通常はディスク）を介してシャフトに取り付けられています。タービンブレードは、ロータブレードと呼ばれる場合もあります。タービンブレードの目的は、運動量や圧力低下を、回転軸に垂直に作用する力に変換し、シャフトの周りにトルクを作り出すことです。

単純なタービンブレードでは、流れる水の中に、平らなパドルをくぐらせるように流れの方向に対して垂直に角度を付けるだけのものもあります。また、複雑なものでは、ターボチャージャー内の半径流タービンのように、らせん状に並べてロータの周囲から内向きの流れをシャフトに沿った軸流に変換することもできます。蒸気タービンや風力タービンのように非常に薄くて高さのあるブレードもあれば、ガスタービンエンジンの高圧ブレードのように長さがあって比較的厚いものもあります。

タービンロータ

タービンブレードを取り付ける車輪、ディスク、またはドラム状のものをタービンロータと呼びます。

シャフト

タービンブレードによって生成され、タービンロータによって伝達される機械動力は、シャフトによってタービンから外部へ伝達されます。シャフトは高速ベアリングを介して静的構造体に接続されています。複数のタービンロータを同一の軸に取り付けることができます。シャフトは、タービンが動力を供給するあらゆるシステムに、多くの場合はギアボックスを介して接続されます。

ギアボックス

シャフトの回転速度やトルクがタービンの用途と一致しない場合があります。ギアボックスは、タービンの回転速度を上げてトルクを下げたり、逆に回転速度を下げてトルクを上げたりするために、タービンに追加されます。

タービンロータアセンブリ

タービンロータアセンブリは、タービンの回転部分であり、タービンロータ、シャフト、タービンブレードで構成されます。これら3つのコンポーネントをそれぞれさまざまなメカニズムを介して分離したり組み合わせたりできるほか、構成コンポーネントを単一の材料から作ることもできます。

回転グループ

回転グループは、同じ速度で回転するタービンロータアセンブリの集まりです。ほとんどのガスタービンには、圧縮機に動力を与える多段の高圧回転グループと、推進ファンや動力シャフトに動力を与える低圧回転グループがあります。蒸気タービンでは、複数の段を使用して、蒸気中のエネルギーの減少に合わせて圧力が抽出されます。

ステータブレード（翼）

タービンロータアセンブリに出入りする流体流れの速度、大きさ、方向、および圧力は、タービンの性能にとって重要です。タービンは、ロータアセンブリの上流および下流の固定ブレードを使用して、圧力、軸方向速度、接線速度または旋回を制御します。これらの回転しないブレードは、ステータブレードまたはステータ翼と呼ばれます。

タービン段

タービン段とは、単一のロータアセンブリと、それを支える静的コンポーネント（対になっているステータを含む）を指します。多くのタービンには、タービンセクションに複数の段があります。タービンセクションは2つ以上ある場合も多く、それぞれ特定の圧力低下に合わせて最適化されています。

ノズル

ノズルは圧力を速度に変換し、最適な角度で円筒状の流れとして流れを誘導します。反動タービンでは、圧力を速度に変換する翼がノズルと呼ばれます。

ベアリング

タービンの重要なコンポーネントの1つは、システムの固定部分と相対的にロータアセンブリを回転させるベアリングです。タービンの速度、温度、動作環境、荷重によって、必要なベアリングの種類とサイズが決まります。

シュラウドまたはタービンケース

ほとんどの反動タービンは、流体をブレードに通すために、タービンロータアセンブリの外径に固体表面を必要とします。この外側のシェルは、シュラウドまたはタービンケースと呼ばれます。タービンケースは、通常はタービンの固定構造の一部です。シュラウド型タービンロータの場合、ロータアセンブリの外径に帯状の材料が追加されます。

入口

入口は、流体がタービンに入る領域です。入口は、圧力と速度がタービンにとって最適になるように成形されています。多くの場合、タービン内への流れを制御するために、可動の翼やバルブが入口に配置されます。

出口

作動流体は、出口を通ってタービンから出てきます。エンジニアは、性能向上のために出口の形状を最適化することもできます。

静的構造体

タービンの回転しない部分を指します。静的構造体には、入口と出口、マウント、冷却ハードウェア、ベアリングを保持する構造体、流れをタービン内に保持して異物を遮断するハウジングまたはケースが含まれます。

計測機器と制御システム

タービンの基幹となるのは、タービンの物理的特性を測定する機械的および電子的なコントロールとセンサーです。通常はターボ機械全体の制御システムの一部であり、タービンの効率、性能、安全性が最適になるように、タービンへの入力を修正する目的で使用されます。 

タービンにはさまざまな分類方法があります。これらの分類は、タービンによって動力が与えられるターボ機械システムや外部装置全体ではなく、動く流体のエネルギーを有用な仕事に変換する回転機械を指します。

1台のターボ機械で使用されるタービンのタイプを指定するには、一般的に以下のような方法があります。

• 作動流体: タービンは、水、風、蒸気、加熱気体、圧縮空気からエネルギーを変換できます。
• 流れの方向: 軸方向の流れはシャフトに沿い、接線方向の流れはシャフトに垂直で、半径流は外径からシャフトに向かう内向きの流れです。タービンによっては、入口の半径流と出口の軸方向の流れの両方を含む混合流を扱う場合もあります。
• 速度または圧力エネルギーの抽出: 前述のように、衝動タービンはブレードに対する速度を使用して力を生成し、反動タービンは圧力を使用します。

ターボ機械の一般的なタイプと用途

タービンが動力を与える機械のタイプを定義せずに、タービンについて語ることはできません。以下に、最も一般的なタイプのターボ機械、それらで使用される作動流体のエネルギー源、およびそれぞれの一般的な用途をリストアップします。

水力タービン

最も古いターボ機械は水力タービンです。作動流体は水であり、水のエネルギー源は重力です。ダムでの発電に使用する場合、水力発電タービンは通常、ダムの基部にある発電機に直接接続された混合流設計です。発電は、水力タービンの最も一般的な用途です。

蒸気タービン

世界中のほとんどの発電所では、蒸気タービンを使用して発電しています。水に熱が加えられて相変化を起こし、大きなエネルギーを捕捉します。熱エネルギー源は、通常は化石燃料の燃焼ですが、原子炉の場合もあります。成長を続ける再生可能エネルギーでは、集光型太陽熱発電を使用して、大規模発電所の蒸気タービンのために水を沸騰させているものもあります。

風力タービン

人類は風車を開発し、後に風力タービンを開発して、人間や動物の労働力に代わるものとして風力を利用してきました。大気中の太陽熱が、風のエネルギー源です。現代の風力発電システムでは、大型で効率性の高い3枚ブレードの風力タービンを、陸上または洋上のウィンドファームに設置して使用しています。上の写真のような大型の風力タービンは、大多数が水平軸風力タービンです。比較的小型の垂直軸風力タービンが、都市部で使用される場合もあります。一部の地域では、今でも風力を使って風車を回したり水を汲み上げたりしていますが、今日の風力タービンの主な用途は発電となっています。

エアタービン

高性能の手工具は、多くの場合、圧縮空気によって直接駆動されます。ピストンによって空気にエネルギーが加えられ、圧力容器に貯蔵されます。バルブが高圧空気を放出して衝動タービン（通常はペルトン水車）に衝突させ、非常に高い回転速度を作り出します。エアタービンの最も一般的な形態は歯科用ドリルです。

ガスタービンまたはタービンエンジン

ガスタービン（燃焼タービン）は、ターボ機械という大きな分類の1つです。燃焼室を使用してガスにエネルギーを加え、そのガスがタービンを通って膨張します。推進力を与えるタービンはタービンエンジンと呼ばれます。ガスタービンには通常、燃焼効率を改善するタービンセクション内の回転グループによって駆動される圧縮機も含まれます。ガスタービンは、使用する燃焼の種類や、出力の使用方法によって分類されます。

• 発電タービン: 通常は天然ガスを動力源とするガスタービンです。推進力ではなく電力を発電機に供給します。
• ターボチャージャー: 内燃機関の燃焼から、この状況以外では使用されないエネルギーをタービンが抽出し、シリンダーの上流にある圧縮機に動力を供給して、燃焼をより強力にします。
• ターボジェット: ターボジェットエンジンは、燃焼のみから航空機の推力を発生させ、単一の回転グループでターボチャージャーのように圧縮機を駆動し、燃焼効率を高めます。
• ターボファン: ターボファンエンジンには2つ目の回転グループがあり、これが、主な推力源である大きなファン（効率的なシュラウド型のプロペラ）を駆動します。ターボジェットエンジンよりも効率的であり、今日では民間航空機の推進力の主要な形態となっています。
• ターボシャフト: ターボシャフトエンジンは、推進のための推力を発生させる代わりに、航空機のプロペラ、船舶のスクリュー、陸上車両の車輪を動かすためのトルクを発生させます。
• ターボポンプ: ターボポンプは、燃焼による高温ガスを使用してポンプを駆動します。最も一般的なタイプのターボポンプは、液体燃料ロケットエンジン用の燃料ポンプや、石油やガスの抽出用の流量の高いポンプです。 

タービンの設計に携わるエンジニアは、タービンの定義と最適化に関してさまざまな側面を検討します。初期のタービンでは、試行錯誤を繰り返し、簡単な方程式を用いてブレードの形状、吸気口の配置、ロータの設計を行っていました。しかし、より効率的で低価格のタービンの需要が高まるにつれて、エンジニアは設計を推進する高度なシミュレーションに目を向けました。

どんな設計でも同じですが、タービンの設計は、コスト、効率性、性能、ロバスト性のバランスです。航空機の推進力に使用されるタービンの場合は、重量も考慮する必要があります。

流路の設計

タービンの基本構成は、流路設計の段階で決められます。性能担当のエンジニアは、タービンが駆動するターボ機械システム全体の観点から、タービンの熱力学的挙動を調べます。Ansys Vista TFターボ機械設計ソフトウェアのような2D貫流ツールを使用して、さまざまなタイプの流れ、段の構成、ステータのオプション、入口と出口の形状を試す場合もあります。

ブレードとステータの設計

流路を定義したら、次のステップは、各段に属するタービンブレードとステータを設計することです。ベクトル図と呼ばれる基本的な計算によって、エンジニアは最初の推測を立てることができます。次に、3次元形状を作成し、流体シミュレーションソフトウェアであるAnsys Fluentのような汎用数値流体力学（CFD）ツールや、Ansys CFXのようなターボ機械に焦点を当てたCFDプラットフォームを使用する必要があります。エンジニアは、このようなツールを使用して3D形状を精緻化し、複数の動作条件における流体の流れからのエネルギー抽出を最適化します。ブレード設計は、時間をかけて精緻化される反復プロセスです。

多段および非定常のコンポーネント設計

ブレードの設計が完了したら、次のステップは、固定された段と回転する段の連携を最適化することです。静的領域と回転領域の両方をモデル化できるCFXやFluentのようなターボ機械固有のツールの高度な機能を使用してエンジニアが定常および非定常の流れを時間の経過に応じて調べることができるように、各段のブレードとステータの角度が変更されます。

構造設計と熱設計

荷重条件が極端であり、高荷重が繰り返される性質があるため、タービンの回転部分と固定部分の両方を設計することは複雑で、容易ではありません。ガスタービンや蒸気タービンは高温になるため、タービンに周期的にかかる圧力や回転荷重による振動と同様に、課題を呈します。タービンの設計に携わる熱工学や機械工学のエンジニアの多くは、構造有限要素法解析（FEA）ソフトウェアであるAnsys Mechanicalのような汎用のマルチフィジックスシミュレーションツールを利用して、タービン内の各コンポーネントやアセンブリの静的、動的、振動の挙動を把握します。これには、ベアリング、二次冷却、ロータ力学、ディスク応力、ブレード応力、耐久性、熱応力のシミュレーションが含まれます。エンジニアは、CFXのようなCFDツールとMechanicalのような構造解析ソフトウェアを組み合わせて、流体領域と構造領域の間の振動の相互作用を確認することもできます。

‌システム設計

タービンを設計する際は、タービンが属するシステム全体の状態も考慮する必要があります。システムの計画が立てられると、エンジニアはAnsys ModelCenterのようなモデルベースシステムズエンジニアリング（MBSE）ツールを使用して、各コンポーネントがシステム全体で最適化されるようにします。

詳細については、Ansysの流体解析製品のコレクションをご覧ください。

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