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蒸気タービン(じょうきたーびん、英steam turbine)は、原動機の一種であり、燃料をボイラーで燃やすなどして作られた蒸気でタービン(羽根車)を回し運動エネルギーへ変換する外燃機関であり蒸気機関である。

蒸気機関には、蒸気でタービンをまわす「蒸気タービン」の他に、蒸気をシリンダに導き、ピストンを動かして往復運動をさせる「レシプロ型の蒸気エンジン」が存在するが、本稿ではタービン型のものを説明する。レシプロ型のものについては蒸気機関を参照のこと。

◆ 歴史

古代アレクサンドリアの工学者・数学者であったヘロン(10年頃 - 70年頃)が考案したさまざまな仕掛けの中に、「ヘロンの蒸気機関」と呼ばれるものが存在する。これは、蒸気を円周上のノズルから噴出させることで回転力を得るものである。これが人類史上に蒸気機関が登場した最初のものであるとされる(これは現在のものとは原理が異なる)。

産業革命期(18世紀から19世紀にかけて起きた)に蒸気を動力源とする蒸気機関が実用化されたが、それらの大半はシリンダとピストンを使った往復運動をベースとするレシプロ式の蒸気機関であった。

蒸気タービンに関して、1629年にイタリアのジョバンニ・ブランカ(Giovanni Branca)が蒸気タービン(衝動タービン)の概念を図示したものを残している。その後、1882年にスウェーデンのド・ラバル(, 1845年-1913年)が衝動式タービンを開発(試作)。1884年にイギリスのチャールズ・アルジャーノン・パーソンズ(Charles Algernon Parsons, 1854年-1931年)が多段階反動式タービンを開発(試作)、1889年に発電用に実用化。1895年にアメリカのチャールズ・ゴードン・カーティス(Charles Gordon Curtis)が二段階多速衝動タービンを開発、1898年にはフランスのラトーが現在のものの直系の原型にあたるタイプのタービンを実用化した。

◆ 動作原理

高温高圧の水蒸気を減圧するとベルヌーイの定理により圧力エネルギーが速度エネルギーに変換される。この速度エネルギーを動力に変換する機械が蒸気タービンである。

熱力学第二法則により、熱力学的温度(絶対温度)で現わした熱サイクルの最高温度と最低温度との比が大きいほど理論的に到達可能な熱効率は高くなる。実用上、熱サイクルの最低温度を常温から大きく下げることはできないため、火力発電所の高効率化は蒸気タービン入口の蒸気温度を高めることでなされてきた。現在、事業用火力発電タービンの蒸気温度は約600℃であるが、今以上の蒸気高温化による熱効率の上昇は、タービンやボイラーに高価な耐熱材料を使用しなければならないので難しい。

◆ 長所と短所

・一般的特徴

  ・長所:燃料の選択肢が広い。高温高圧の水蒸気が得られればその方法は何でもよく、原子力やRDFから、ごみ焼却場の熱も利用できる。劣悪な燃料であっても燃焼を最適化することで比較的排気をきれいにしやすい。

  ・短所:また、ボイラーや復水器をはじめとする付帯設備が大掛かりになり、大きな空間を占めて大重量となる。高効率とするには、規模を大きくする必要がある。始動に時間がかかり、変動負荷、部分負荷運転に適していない。一般的には電動機のように回転方向を変えることが出来ない。ボイラー用精水の補給が常に必要。

・レシプロ式蒸気機関と比較して

  ・長所:膨張比が大きい為、熱効率が高い。回転運動の為、振動が少なく、振動も高周波の為、減衰させやすい。摺動部が無く回転方向が一定の為、信頼性が高い。

  ・短所:逆回転できない。変動負荷、部分負荷運転に適していない。構造が比較的複雑で小型化は不適。

・ディーゼル、ガソリン機関等のレシプロ式内燃機関と比較して

  ・長所:断続した爆発を伴わないので運転音が静か。振動が少なく、高周波振動の為、減衰させやすい。排気、吸気のカムや点火装置等が無く信頼性が高い。燃料を選ばない。

  ・短所:始動に時間が掛かる。変動負荷、部分負荷運転に適していない。大きく重い。ボイラー用精水の補給が常に必要。

・ガスタービンと比較して

  ・長所:運転音が静かで燃料を選ばない

  ・短所:大きく重い。復水器が必要等付帯設備が大掛かりになる。ボイラー用精水の補給が常に必要。

◆ 分類

◇ 蒸気の利用方法による分類

蒸気の利用方法による分類には、次のものがある。

・復水タービン : タービンから排出された蒸気を復水器で凝縮するまで冷却して利用するもので、タービン排気圧力を大気圧よりも低くできる。そのためタービンから取出せる動力や熱効率も背圧タービンに比べると大きくなる。最も基本的な蒸気タービンであり、発電用火力・原子力タービンで広く用いられている。

・背圧タービン : タービン排気を液化させず、他で利用または大気放出するもの。タービン排気圧力は大気圧よりも高くなるため、復水タービンに比べるとタービンから取出せる動力は小さくなる。しかし、タービン排気を熱源や蒸気源として利用すれば総合的なエネルギー利用効率を向上させることが可能である。そのため、熱や蒸気を多量に必要とする化学工場などの自家発電用として導入される場合がある。

・抽気タービン : 蒸気を他での利用に必要な量だけ、サイクルの途中から取り出す(抽気する)もの。復水・背圧の組み合わせともいえる。なお、再生サイクルにおいては抽気をボイラー給水の加熱に用いることで復水器に捨てられる熱量を低減し、熱効率の向上が図られている。

・再熱タービン : タービンで膨張する蒸気を取出し加熱するもの。熱効率が向上すると同時に低圧タービン蒸気の湿り度が低下するので翼のエロージョン対策としても有効である。

・混圧タービン : 圧力の異なる蒸気が供給される蒸気タービン。地熱発電で熱水を減圧して蒸気を得るダブルフラッシュサイクルなどに用いられる。

◇ 水以外の蒸気

特殊な蒸気タービンとして海洋温度差発電やバイナリーサイクルによる地熱発電のように、水以外の蒸気を使用するものもある。

◆ 構造

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