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インパルスタービンと反動タービンの違い:主要な相違点と動作原理

インパルスタービンと反動タービンの違い

一般的に、水力タービンはインパルスタービンと反動タービンに分類され、それらにはいくつかの違いがあります。主要な違いの一つは、流体とタービン間のエネルギー交換の仕方です。共通点は、水力タービンが水流の位置エネルギーと運動エネルギーを機械的エネルギーに変換することです。詳細は後述します。

本記事では、インパルスタービンと反動タービンの違いとその作動について解説します。違いは表形式でも示します。

インパルスタービン

インパルスタービンは基本的にニュートンの第二法則の原理で動作します。ローターのハブに翼の代わりに、楕円形の半分サイズのバケットが複数取り付けられています。水が高速でバケットに衝突するとローターが回転し始め、これは水の運動エネルギーが回転機械エネルギーに変換されることを意味します。したがって、タービンシャフトの一端が発電機に接続されると電気が生成されます。インパルスタービンの例にはペルトン、ターゴ、クロスフローがあります。

ペルトンとターゴタービンは構造が似ています。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図:

インパルスタービンの作動動画:

反動タービン

反動タービンでは、圧力による水の位置エネルギーと速度による運動エネルギーの合計がタービン翼を回転させます。このタービンの全体が水中に没しており、水圧の変化と水の運動エネルギーによって動力交換が起こります。このタービンの用途は通常、インパルス型より低い水頭と高い流量です。

タービン翼またはインペラ翼は、水が流れるときに翼の片側に力を生成できるよう設計されており、まるで翼型(エアフォイル)のようです。飛行機では翼型が生み出す力が揚力を担います。同様に、ここではこの力が翼を回転させます。

さまざまな種類の反動タービンにはそれぞれ理想的な作動条件があります。例えば:

フランシスタービンは最高効率を提供し、幅広い作動条件で動作できるため、最も広く使用されているタービンです。

反動タービンの図:

反動タービンの作動動画:

反動タービンとインパルスタービンの違い(表形式)

以下はインパルスタービンと反動タービンの違いを表形式で示したものです:

反動タービン インパルスタービン
より多くのメンテナンスが必要 メンテナンスが少なくて済む
水力エネルギーの一部のみが運動エネルギーに変換される 水力エネルギーの総量が運動エネルギーに変換される
水流はタービン車輪に対して軸方向と半径方向 水流の方向はタービン車輪に接線方向
反動度は「0」から「1」の間 反動度はゼロ
高・中程度の水流量を必要とする 低水流量を必要とする
低・中水頭で動作 高水頭で動作
比較的高い水力効率 比較的低い効率
フランシスとカプランタービンが例 ペルトンホイールタービンが例
インペラ周りに水が流入 水はジェットの形でのみ流入
ランナーは水密ケーシング内に密閉必須 ケーシングは必須ではない。保護用として機能
流体がインペラーを通過する際に速度と圧力が変化。吸込点の圧力は吐出点よりはるかに高い ジェット速度が変化、圧力は大気圧のまま
流量制御はガイドベーンで実施。他の重要部品はスパイラルケーシング、ステイリング、ランナー、ドラフトチューブ 流量制御はノズルに取り付けられたニードルバルブで実施
水がバケット間の通路を満たし、入口と出口間を流れる際に翼に仕事をする タービンは完全には回転せず、空気がバケットに自由にアクセス
翼は非対称 翼は対称
流れる間に水圧が低下 流れる間に水圧は一定
インパルスタービンより高い作動速度 反動タービンより低い作動速度
バケット効率が高い バケット効率が低い
インパルスタービンより少ないスペースで済む 反動タービンと比較して多くのスペースを必要とする
ニュートンの第三法則が反動タービンからのエネルギー移転を定義 ニュートンの第二法則がインパルスタービンからのエネルギー移転を定義

結論

インパルスタービンと反動タービンの主な違いは、流体とタービン間のエネルギー交換の仕方です。本記事では、インパルスタービンと反動タービンの違いを表形式で説明しました。また、動画形式でそれらの作動原理も説明しました。

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