インパルスタービン完全ガイド：定義、用途、構成部品

インパルスタービンとは

インパルスタービンは最もシンプルなタービンの一つで、反動タービンとともに水タービンとして分類されます。これらのタービンは、流体とタービン間のエネルギー交換の仕方に基づいてグループ分けされます。水流の位置エネルギーと運動エネルギーを機械的仕事に変換するために設置されます。水力発電所で広くインパルスタービンが使用され、水揚げにも使用可能です。

本記事では、インパルスタービンの定義、用途、機能、構成部品、図、種類、作動原理について解説します。また、インパルスタービンのさまざまな用途における利点と欠点についても説明します。

インパルスタービンの定義

インパルスタービンは、ノズルを通じて流体の運動エネルギーを翼に衝突させるデバイスです。これらのタービンでは、一連の回転機械が大気圧で動作します。高水頭・低流量に適しています。インパルスタービンは速度ベクトルの変化に基づいて動作し、水の位置エネルギー（または蒸気などの他の流体源）が滝の高さに依存し、1つ以上のノズルによって運動エネルギーに変換されます。

水が高速でタービン翼に衝突し、タービンが回転し、発電機に接続されたシャフトによって電気が生成されます。これにより、高水頭・低流量条件からのエネルギー抽出に適しています。

インパルスタービンはペルトン、ターゴ、クロスフローの3種類があります。ペルトンとターゴタービンの構造は非常に似ています。しかし、クロスフロータービンはインパルスタービンの改良版で、インパルスタービンとして分類されます。これはランナーが大気圧で回転し、反動タービンのように水没タービンではないためです。

インパルスタービンの用途

インパルスタービンの用途は電力生成に広く使用されています。実は、世界の電力の大部分はターボ発電機によって生成されています。

スペースシャトルのメインエンジンでは、ターボポンプ（タービンエンジンによって駆動されるポンプで構成される機械）を使用して、推進剤（液体酸素と液体水素）をエンジンの燃焼室に供給していました。

水タービンは水力発電所で使用されます。水を作動流体として使用します。最後に、

蒸気タービンは原子力と火力発電所で使用されます。水を加熱して蒸気を生成し、タービンを通して流して電気を生成します。

注：インパルスタービンの主な機能は発電と水揚げです。

インパルスタービンの構成部品

以下にインパルスタービンの主要構成部品とその機能を示します：

ランナー

インパルスタービンのこの部品は、多数の湾曲した翼が取り付けられた円盤のようなものです。中心にシリンダーシャフトがあり、ランナーと同様にステンレス鋼製です。水頭が低い場合、ランナーは鋳鉄製でも可能です。

バケット

バケットは、流体とタービン間のエネルギー交換のためにランナー周りに取り付けられたスプーン形のカップのセットのようなものです。ノズルを離れた高速流体がこれらのバケットに衝突し、タービン翼を回転させ、バケットの外縁から流出します。タービン設計により、衝突角度と比較して流出時の流体方向変化が決まります。最大運動量は180度の角度で得られます。

ノズル

インパルスタービンにおけるノズルの機能は、流体流を調整・変更・噴射してバケットに衝突させることです。このタービンの重要な部品の一つで、圧力変化を引き起こし、流量水頭を運動エネルギーに変換します。このデバイスの「スピア」と呼ばれる部品が、バケットに到達する水ジェットの量を調整するために使用されます。これらのノズルは非常に硬く侵食性粒子に耐えるタングステンカーバイドで設計されています。

ケーシング

インパルスタービンのケーシングは、水が飛び散るのを防ぐタービンの盾として機能します。また、余分な水からダムの構造的完全性を守るための放水路へ水を導きます。一般的にこの部品は鋳鉄で製造されます。

ペンストック

この部品は水力発電所でパイプとチャネルとして広く使用され、ダムと貯水池からタービンへ水を輸送します。水は非常に高圧で流れます。ペンストックは通常鋼で作られます。

インパルスタービンの図：

インパルスタービンの種類

以下に水力発電所で使用されるさまざまなインパルスタービンの種類とその作動を示します：

ペルトン

ペルトンタービンの主要構成部品はランナー、ノズル、ディフレクターです。高い落差水頭で使用されます。1つ以上のノズル（最大6つ）が水頭を高速流に変換するのを助けます。水が流れるにつれて、水流量を調整することでタービンの動力が制御されます。

システムはタービンの円筒形ランナーの周りに対称的に配置された一連のバケットを備えます。これらのバケットの設計と形状により、水ジェットがバケットの中央に衝突し、両側から流出します。この流出は、バケットから出る水が次のバケットに衝突しないよう、ブレーキとなるように発生します。タービン車軸は垂直または水平に取り付け可能です。高出力、高効率、多数のノズルの場合、車軸は常に垂直で、発電機はタービンの上に設置されます。

ディフレクターはランナーとノズルの間に位置します。負荷がタービンから突然除去されたとき、ノズルからバケットへの水の飛散を防ぎ、回転速度の上昇を抑制します。最後に、スピアで水流を止めます。

ペルトンインパルスタービンの図：

ターゴ

ターゴタイプのインパルスタービンはペルトンと同様に動作します。主な違いは、水ジェットがバケットに斜め（約20度）に衝突することです。これはバケット形状が複雑で製造がより困難なためです。ターゴタービンはペルトンより高い比速度を持ちます。これらのインパルスタービンタイプの利点の一つは、同等出力でペルトンより大きなジェットとより小さな機械サイズです。小規模水力発電所でこのタービンが使用されます。

ターゴインパルスタービンの図：

クロスフロー

これらのタービンタイプはインパルスタービンの改良版で、小規模水力発電所でよく使用されます。インパルスタービンと同様、ローターは空気中で回転し、反動タービンのように完全に水没しません。このタービンの利点には、広範囲の流量、水頭、結果として動力での作動が含まれます。さらに、効率を維持しながら流量変化に適応できます。水流量に応じてタービンの作動部分を調整する特殊な制御システムがあります。