蒸気タービン

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蒸気タービン

リード講演会

1911

チャールズ・A・パーソンズ卿、K.C.B.著

ケンブリッジ 大学出版局

1911

ケンブリッジ

ケンブリッジ：ジョン・クレイ医学博士の印刷による

大学出版局にて

サー・チャールズ・パーソンズの講演を説明するためのブロックの使用について ケンブリッジの大学出版局で印刷されました。 エンジニアリング誌の編集者、およびMr. の編集者、およびMr Alex. リチャードソン氏のご好意に感謝します。 パーソンズ蒸気タービンの発展 の著者であるアレックス・リチャードソン氏のご厚意に感謝いたします。

図1. "タービニア "と "モーレタニア"

蒸気タービン

近代の科学の進歩は驚異的な速さであった。古い研究方法は、新しい方法に取って代わられた。この関連で、キャベンディッシュ研究所やケンブリッジの工学研究所での仕事、タービンによる蒸気消費量の記録を早期に確立したユーイング教授との関わりを挙げざるを得ません。

工学の実用的な分野では、現在、同じ系統の研究が行われており、古い経験則は捨てられている。物理学者、化学者、冶金学者による発見やデータは、技術者が熱心に探し求め、可能な限り設計に利用している。また、設備の整った工場の多くでは、業務に直接関係する多くの実験的研究がスタッフによって行われている。

今日の講義の主題は蒸気タービンであるが、この研究が最初に始められたのは、既知のデータから成功する蒸気タービンを作ることができるはずだという計算があったからだということは、興味深いことである。このように、このエンジンの実用的な開発は、主として物理学者のデータに基づいて始められ、タービンによる船舶推進問題の調査には、注文を受けるまでに約24,000ポンドが費やされたと言えるかもしれない。もし、このシステムが失敗したり、満足のいくものでなかったら、この金額のほぼ全額が失われていたであろう。

さらに、商船や軍艦におけるタービンの機械式歯車の優位性を証明するために、最近約2万ポンドが費やされ、最初の契約に関してかなりの財務的リスクが引き受けられました。

このような前置きをした上で、今回の講演の主題に入りたいと思います。

噴射された蒸気は、ロケットのように噴流自体の反応によって、あるいは何らかのパドルホイールへの衝突によって、何らかの動力を得ることができることは、おそらくほとんどの人にとって自明であろう。1837年頃、ニューヨークのシラキュースでアベリーによって、またグリーノックでウィルソンによって、丸鋸や綿繰り機を駆動するためのいくつかの反動蒸気輪が作られました。図3はエイブリーの機械のローターで、中空軸から蒸気が導入され、その先端の噴流の反作用で回転するものである。ローターは5フィートの幅があり、速度は毎秒880フィートであった。この車輪は効率が悪く、この原理で経済的なエンジンができることはあまり明らかではない。1888年、ストックホルムのド・ラバール博士がこの問題に取り組み、かなりの成功を収めた。彼は蒸気をラッパ状に噴出させ、膨張のエネルギーを利用して蒸気に速度を与えるようにした。最近の実験によると、このような噴流では蒸気の利用可能なエネルギーの約80パーセントが直線的な速度の運動エネルギーに変換され、真空中で到達する速度は毎秒約4000フィートであることがわかった。ド・ラバル博士は、蒸気を最も丈夫な鋼鉄でできたパドル・ホイールに衝突させた。このホイールは、安全性を確保するために最高速度で回転したが、遠心力が非常に大きいので、現代のライフルの弾丸の速度の約半分の速度であった。しかし、残念なことに材料の強度が十分でなく、車輪の許容速度は、これから説明するように、経済性のために必要な速度の3分の2程度にしかならない。また、ド・ラバル博士の車輪は、その膨大な回転速度（表皮摩擦損失のため小径にする必要があった）を通常の被駆動物の速度に落とすために螺旋状の歯車を導入したが、これは将来のタービン開発において一般に非常に重要な役割を果たすと思われる機構であることを後で言及することにしよう。

図2 ヘロンのアイオロスの球

1884年、あるいはその4年前、私はタービンの問題を別の方法で扱った。タービン・モーターが原動機として一般に受け入れられるためには、適度な表面速度と回転速度が不可欠であると考えたからです。そこで私は、蒸気の圧力降下を、多数のタービンを直列に並べた小さな分割膨張に分割し、蒸気の速度を大きくすることにしました。その結果、後で見るように、最高の経済性を得るためには、タービンの速度は中程度で十分なのである。このようにタービンを直列に組み合わせる原理は、現在では蒸気の経済性が二の次となるような非常に小さなエンジンを除いて、すべてのエンジンに広く用いられている。また、各タービンの圧力を小さく下げるという配置は、蒸気が個々のタービンを実質的に非膨張的に流れるので、当時正確な試験で高い効率が証明されていた水力タービンの水に類似した方法で、高い効率が得られると私には思えた。 私はまた、高速の蒸気が金属に及ぼすよく知られた切削作用を避けたいと考えていた。

図4. ド・ラバル博士のタービン

小さな圧力差のもとでの蒸気と水の流れの法則の密接な類似性は実験によって確認されており、水頭をhとすると、速度＝√2ghという通常の公式が、小さな水頭を持つ蒸気や水の噴出速度を与えている。複合原理を決定した以上、最初は小さな単位から始める必要があった。そのため、複合化したにもかかわらず、回転数はかなり低下したものの、依然としてかなり高い速度であった。

最初の複合蒸気タービンは10馬力（7ページ）で、1分間に18,000回転し、動軸または主軸を中心に回転できるよう、わずかに弾性のある軸受けを備えていた。タービンの歯やブレードは、歯車のように斜めにセットされ、前縁が鋭利になっており、ガイドブレードも同様であった。次ページの図6に示すとおりである。

図5 パーソンズの最初のタービン

羽根の形状は、実験の結果、徐々に改良され、その一部を10ページに示した。背を厚くした曲面ブレードが登場した。ブレードは真鍮から長さを切り出し、硬く圧延して必要な断面に絞り、ディスタンスピースを挟んで溝に挿入し、しっかりとカシメて使用した。

ダミーラビリンスパッキンは、いろいろなタイプのものが導入された。10ページの図16と図17に、そのうちの2つが示されている。蒸気漏れを少なくし、膨張比を大きくするために、全般的に設計が改良された。

Fig. 6. Straight Blading of First Turbine made, 1884.

図16～17. ダミーストリップの連続したタイプ。

11ページの図は、タービンロータまたはケーシングの溝に相当する、2つの鋳物をボルトで固定した溝内に、ブレードとディスタンスピースをワイヤーで交互に張ってブレードのセグメントを形成する最新の方法を示しています。12ページの図では、これらのセグメントが作られている様子を示しています。15ページの図は、ローターにセグメントを装着しているところである。

図18、図19. ブレードのセグメントを作るためのフォーマー

蒸気の挙動は、各タービンともほとんど非圧縮性の流体であると言いましたが、その弾力性により、小さな圧力降下の連続によって体積が次第に増大し、その結果、後続のタービンはますます大きくなっていきます。1）羽根の高さを大きくする、（2）後続のドラムの直径を大きくする、（3）羽根の間の角度と開口部を変更する、である。この3つの方法は、一般に、復水式タービンで最後の羽根から復水器へ噴出するまでに100倍以上に達する蒸気の体積の膨張に対応するために採用されています（17ページ）。

図 20 ケーシングとローターブレードの成型

さて、ブレードの最適な速度についてですが、与えられた蒸気の量からできるだけ多くの出力を得るためには、各列が適切な条件で動作しなければならないことが容易に理解できるでしょう。これは実験によって、ガイドブレードに対するブレードの速度が、それらを通過する蒸気の速度の2分の1から4分の3、より正確には、ガイドまたは動翼の圧力低下による静止からの発行速度の2分の1から4分の3に等しくなければならないことが判明しており、通常の反動タービンではガイドは動翼と同一であるため、ガイドブレードの速度は、動翼の速度に等しい。

図21 タービニア工場におけるローターのブレード加工

速度比に対する効率の曲線はかなり平坦な頂点を持つので、タービンの回転数を最大効率に対してかなり変化させても結果に大きな影響を与えることはない。

複合陸上タービンでは、最初の列の効率は約60パーセント、後の列の効率は75～85パーセントで、タービン全体を考えると、蒸気のエネルギーの約75パーセントがシャフトに送られます。蒸気の膨張曲線は断熱曲線と等温曲線の間にありますが、75パーセントが軸の仕事に変換され、25パーセントだけが摩擦と蒸気の渦によって失われ、熱に変換されるので前者に近いといえます。タービンの設計では、蒸気とブレードの速度比はタービンを通る各列の速度の二乗の積分で表すことができます。例えば、この積分が数値的に15万に等しい場合（陸上タービンの通常の許容値）、ボイラー圧力200ポンドと良好な真空では、ブレードの速度は蒸気の半分強になり、タービンは最大効率を与える速度に近づいて働くことが分かります。重量とスペースが重要な大型の船舶用タービンでは、積分は80,000から120,000またはそれ以上になることがあります。前者の場合、達成可能な最大効率より約10パーセントの効率低下が許容され、後者の場合は約3パーセントの低下ですむ。

主な特徴は、18ページの図に示すように、電機子コアの磁気密度を非常に低くし、大きな遠心力に対抗するために小さな直径と手段を採用したことです。また、ダイナモは弾性軸受に取り付けられていた。タービンが最も適した分野を大出力に見いだし、その結果回転速度が低下した現在では、ベアリングの弾性はあまり重要ではなく、大規模な陸上プラントや海洋工事では硬質ベアリングが一般的である。タービンの形式は様々なものが市場に出回っている。しかし、ここでは主に次の4つのタイプについて考察する必要があるだけである。

第一に、これまで扱ってきた複合反応タービンは、世界で使用されているすべての海洋タービンの90パーセント以上を占め、陸上タービンの約半分はダイナモを駆動している。

図 22 高圧舶用タービンの断面図

第二に、小出力にのみ使用されるド・ラバルのタービン。

第三に、「複合型多重衝動」またはカーティスで、主に陸上で使用されているが、少数の船舶にも装備されている。

図27. カーチスブレードとノズルの図

最後に、複合反応型に、高圧端に反応翼の代わりに1つ以上の「多重衝動型またはカーチス素子」を組み合わせたものである。

図 28 パーソン式衝動反動複合タービン

図29. パーソン式衝動・反動複合タービン

この他の種類は、単に原型を変えただけで、何のオリジナリティも科学的興味もないものと見なすことができる。

さて、多重衝動型についてさらに説明すると、複合反応型とド・ラバルのタービンが使用されるようになって以来、タービンの実践における唯一の実質的な革新であることを最初に述べておこう。この方式は1842年にピルブロウが提案し、1896年にカーティスによって初めて成功裏に運転が開始されたものである。Curtisはまず、de Laval発散ノズルを使用し、また複合型の50〜100段に対し、5〜9段という限られた範囲で複合化を使用した。これらの但し書きによって、速度比に関しては抽象的な原理と同じものが適用され、噴射口から出る蒸気は、速度複合型の各段で固定バケットと移動バケットの間で何度も跳ね返されます。4列の多重衝立における最高の速度比はわずか7分の1、効率は約44パーセントで、したがって我々が述べたように好ましい条件の下で75から85パーセントである反応ブレードよりはるかに低いものです。

しかし，タービンの始動時に複数のインパルスエレメントを使用することによって得られる利点は，漏れによる損失がほとんどないため，固有効率が低いにもかかわらず，場合によっては1つまたは複数の多重インパルスホイールがリアクションブレードに取って代わることができることである。その理由は、中程度の出力と低速回転の複合反動式タービンでは、ブレードが始動時に非常に短いことが多く、その結果、クリアランススペースを通る漏れによる損失が大きくなり、効率が衝動ブレードのそれ以下になってしまうからである。このため、多くの場合、1枚の衝動翼を複数個使用し、その後に反動翼を使用することが望ましいとされています。このような衝動・反動タービンを23ページと24ページに図解しています。 高熱の蒸気を使用する場合、主タービンケーシングを通過する前に、噴流での膨張と衝動ホイールでの仕事によって温度が大幅に低下します。

しかし、陸上タービンで最も高い効率を達成したのは、大型の純粋な複合型であり、高圧部分を長さが短く、剛性の高い別のケーシングに収め、現在は通常鋼鉄製である。このような配置にすることによって、作業のクリアランスを最小限に抑え、最高の効率を達成することができるのである。

1900年にドイツに輸入された最初のタービンは2000hpで、最新のタービンは12000hpで、ロンドンのメトロポリタン鉄道の電流を生成している。

1896年に "タービニア "の単発タービンを、異なる軸に直列に（蒸気に）3台のタービンを取り付けた（26ページ）以来、同じ原理が海洋事業ではほぼ普遍的になっており、すべての大型定期船とほぼすべての大型軍艦で採用されている。船舶の場合、このタービンの分割は、動力が3つの軸に細分化されるため、より小さなスクリューが許容され、3つのタービンが直列の場合、回転数が1対√3の割合で増加することができるという利点もある。一般にタービンは、海峡横断船「マウレタニア」「ルシタニア」、魚雷艇、戦艦、巡洋艦（27ページ）のように2基直列に配置されるか、定期船「ラ・フランス」や現在建造中の最新かつ最大のキュナード定期船のように3基直列（29ページ）となることもある。4基のタービンを直列に並べることも提案されているが、まだ建設されていない。就航中の軍艦は、ほとんどの時間、出力を抑えて航行しており、長期の航海では燃料の節約が非常に重要である。この目的を達成するために、主な全出力タービンの前に追加のタービンが取り付けられている。このタービンは小型で、独立したケーシングに収納されているが、主高圧タービンと一体化している場合もあり、その場合は巡航用タービンを追加して長大化する（30ページ）。出力が大きくなると部分的にバイパスされ、全速力時には完全にバイパスされるか、または別個のケーシングにある場合は、適切なバルブによって蒸気供給から完全に隔離され、一般に復水器に接続されて真空中で回転するので、回転に対する大きな抵抗はない。近代的な海軍の建造物では、1つまたは複数の衝動輪が巡航要素を構成している例もある。 タービンの他の応用について考察する前に、あなたの許可を得て、キャビテーションの現象を説明する実験を繰り返したいと思います。タービンを船舶推進に応用する際の最大の難点は、スクリューをある限界以上回転させようとすると、水が破れ、空洞ができることであった。この現象はジョン・ソーンクロフト卿とシドニー・バーナビー氏によって初めて観測された。彼らはこの現象を「キャビテーション」という適切な名前で呼んだが、ところで、この現象は大きな動力損失を伴う。解決策は、プロペラのディスク面積の約2/3を占める非常に広いブレードを使用し、水面に非常に大きなベアリング面を提示することであり、この方法は船舶を推進するのに必要な力によるプロペラの屈折を効果的に防ぐ。

模型や中程度の速度の船舶では、プロペラを破損させるほどの力はない。

表1．表1 各時代におけるパーソンズ社製ターボジェネレータの性能。

日付 出力 蒸気/kw.時 真空(Bar. 30") スーパーヒート 蒸気圧/sq.inch
kw. lb. in. 華氏温度 lb.
1885 4 200 0* 0* 60
1888 75 55 0* 0* 100
1892 100 27.00 7 50 100
1900 1250 18.22 28.4 125 130
1902 3000 14.74 27 235 138
1907-1910 5000 13.2 28.8 120 200

飽和蒸気を使用する非凝縮式タービンです。

しかし、空気ポンプで大気圧を取り除くと、模型のスクリューは比較的穏やかな回転数でキャビテーションを起こします。

タービンの比率の変更と改良、およびサイズの拡大による効率の向上は、表1の通りである。

また、舶用タービンについては、このページの表IIに対応するデータがある。

表II. 表2 各時代の著名な船舶のパーソンズ社製タービンの性能。

年月日 船名 長さ 排気量 H.P. 1時間あたりの蒸気消費量 速度（ノット） ft.
ft. トン lb.
1897年 "Turbinia" 100 44½ 2,300 15 32.75
1901年 "キング・エドワード" 250 650 3,500 16 20.48
1905年 H.M.S. "Amethyst" 360 3,000 14,000 13.6 23.63
1906年 H.M.S. "ドレッドノート" 490 17,900 24,712 15.3 21.25
1907 「モーレタニア」、「ルシタニア」 785 40,000 74,000 14.4 26.0
 

現在、多くの軍艦が蒸気上に2重、3重のタービンを直列に設置し、"モーレタニア "や "ルシタニア "が開発した出力を超える設備を搭載している。現在までに船舶推進用に設置されたパーソンズ社製タービンの総出力は600万軸馬力に達しています。これは事実上、あらゆる国籍の船舶を含んでいる。陸上で発電やその他の義務を果たすために作られた同型のタービンの出力も約600万軸馬力で、ナイアガラの滝の利用可能出力よりかなり大きい。前4ページの図は、英国海軍と商船に装備された船の大きさを連続的に示している。

これまで述べてきたような改造を施した舶用タービンは、16ノット以上の速度の船にしか適さないので、世界のトン数の3分の2を占めるこれより低速の船にも使用できるようにすることが、我々の不変の目標であった。この目的を達成するための最初の計画は、やや妥協の産物であり、レシプロエンジンが膨張の最初の部分を担い、タービンが最後の部分を担うことから、コンビネーションシステムと呼ばれるものである。これまで述べてきたことから、レシプロエンジンとタービンの組み合わせは、それぞれが有利な条件の下で働くので、良いものであることが明らかであろう。往復動機関は蒸気を大気圧程度まで膨張させ、タービンはその膨張を復水器の圧力まで高い効率で継続させる。一方、低速のタービンは低圧の蒸気をレシプロエンジンよりもはるかに遠くまで、しかも経済的に膨張させることができます。この方式では、タービンは一般に全出力の3分の1程度を発生させることになる。

約15年前にこの計画が練られ、1902年にイギリス海軍の駆逐艦「ヴェロックス」に搭載された（43ページ）が、3年ほど前までその応用に向けたさらなる実用化措置はとられていなかった。

1901年に最初の商業用タービン船「King Edward」を建造したDumbartonのMessrs Dennyは、1908年に最初の複合船「Otaki」（9,900トン、速度13ノット）を建造した。この船は通常の2本のスクリューを3重膨張エンジンで駆動し、次ページに示すように中央のスクリューを駆動するタービンに排気する。タービンの初期圧力は9ポンドで、全出力の3分の1を発生させる。このコンビ船は、同じ航路を運航する姉妹船である「オラリ」号（4連レシプロエンジン搭載）に比べて、石炭消費量が12％少ないことがわかった。次のコンビ船はハーランド＆ウルフ社が建造した2万トンの「ローレンティック号」で、「メガンティック号」の姉妹船で4輪エンジンを搭載しており、同じ速度での運航ではコンビ船による石炭の節約は14パーセントであった。

この組み合わせ方式は、ホワイトスター社の排気量6万トンの客船「オリンピック」と「タイタニック」にも採用され、その他国内外のいくつかの船にも採用されている。

タービンを低速船に適用する場合、レシプロエンジンよりもさらにその分野を拡大する、もう一つの有望な解決策がある。ド・ラバルが80年代に、小型タービンの回転数を下げるためにヘリカル歯車を導入したことは前に述べた。この歯車は23年間、小規模なものでは見事に機能した。しかし、最近の実験により、大きな動力を伝達するための大規模なものでも、同様の成功が保証されるようになった。

数年前にヘリカル減速機で予備実験が行われ、98％以上の機械的効率を示し、1897年に22フィートのロケットが建造されました。到達した速度は時速9マイルで、この小さな船はヨットのギグとして何年も使用されました。これが最初のギヤード・タービン船である。次に、一般的な貨物船でギヤードタービンをテストすることになり、1908年に「ベスパシアン号」が購入されました。1908年に購入した「ベスパシアン号」は、総トン数4,350トンで、900馬力の3重機関によって推進される。既存の機械を徹底的に分解し、石炭と水の消費量をテストして、完全に良好な状態であることを確認した後、エンジンを取り外してギア付きタービンに交換し、プロペラ、軸系、ボイラーはそのまま残しました。この新しい機械で再度経済性をテストしたところ、レシプロエンジンに比べて15パーセントの利益があり、その後のプロペラの変更で22パーセントに増加し、非常に顕著な節約になりました。この新しい機械は、高圧タービンと低圧タービンからなり、それぞれが1,400回転でピニオンを駆動し、毎分70回転のスクリューシャフト上のスパーホイールに歯車をかける（52ページ）というもので、従来のものよりはるかに軽くなっている。歯車はすべてケーシングに収められ、ポンプで常にオイルが噴射されている。

新旧の機械の作動を比較するのは興味深いことである。添付の図(Fig.48)は、レシプロエンジンとタービンエンジンの水の消費量を比較したものである。スクリュー船で荒海を経験したことのある人なら誰でも、スクリューが水面から出るたびにエンジンが急回復する不快な感覚を知っているはずだ。しかし、タービン船ではそのようなことはない。タービンは角運動量が大きく、普通のエンジンの約50倍もある。そのため、速度を上げるのが非常に遅く、十分に加速する前にスクリューが再び水中に沈んでしまうのである。普通のエンジンは、大海原では通常の速度の3倍まで加速することがあり、船を揺さぶりスクリュー軸を破壊するのは、狂ったように回転するプロペラが海に突っ込むときの衝撃なのである。

「ヴェスパシアン号」は現在、あらゆる天候の中で2万マイルを走破し、ニューカッスルからロッテルダムまで9万トンの石炭を運んだ。

テーブルの上のピニオンは、この講演会で見せるために、1ヶ月前に船から取り外したものです。ご覧のように摩耗の兆候はありません。歯車装置については52ページに図解してあります。

歯車装置は、減速時の経済性を高めるために、軍艦では非常に重要な役割を果たすことが約束されています。このような条件下で良好な経済性を得ることが困難であることを説明しましたが、歯車式高速タービンによって、効率が大幅に向上します。タービニア社は現在、この配置で15,000馬力の30ノット級駆逐艦2隻を建造中である（54ページ）。高圧部分と巡航部分はそれぞれ3対1、5対1の割合で主低圧直結タービンと歯車で連結されており、これらを使用することで巡航速度での有効行動半径は、歯車なしの同種の駆逐艦に比べてほぼ50パーセント増加する。

ギアリングは最大級の軍艦にも適用できる（Fig.51）。また、海峡横断船にも適用され、South Western Railway 社の船舶 2 隻には、「Vespasian」 のような全歯車式タービンが装備されています。しかし、最も大きな利益は、タービンの使用を低速の船舶に拡大することであろう。

機械の配置
(60,000 軸馬力巡洋艦用（ギア式巡洋艦用タービン付
図-51

半世紀前、ほとんど全てのスクリュー船は機械的な歯車装置を持っていた。その後、エンジンの回転数をスクリューの回転数まで上げることが実用的であることがわかり、その結果、歯車装置は捨てられた。現在では、非常に低速のタービンは効率と相容れないことが分かっており、おそらく今後もそうでしょう。正確に切断された鋼鉄製の歯車が助けになり、蒸気が船を推進する限り、永久的な制度になると思います。

炭坑や鉄鋼地帯を通ると、蒸気の吹きだまりをよく見かけるが、以前よりずっと少なくなった。他のエンジンからの排気蒸気で動く低圧タービンが、これまで廃棄物であったものを利用するために広く使われるようになったからだ。一般には発電用、高炉の送風機、遠心ポンプ、ガスフォースターの駆動用として使われるが、最近ではスコットランドの鉄板工場の駆動用として750馬力の排気タービンが採用された。このタービンは、圧延機の駆動用として初めて採用されたものであり、特に興味深い。タービンは毎分2000回転で回転し、ヘリカルギアの二重減速によって70回転で圧延機を駆動する。圧延機と同じ軸には、重さ100トンのフライホイールがあり、速度を均一化するのに役立っています。タービンとフライホイールは短時間の圧延で合計4000馬力を発揮し、圧延終了時の最大減速率はわずか7％である。

このように、歯車装置は現在に至るまで非常に満足のいくものであったので、将来は歯車装置を使用することによって、多くの用途にタービンがより広く採用されるようになると思われる。

最後に、陸上・海上でのタービンの使用は着実に増加し、さらに経済性を高めるための改良が加えられ、原動機としてのタービンの地位は長期にわたって維持されると、私はあえて予想する。