タービン

I

プロローグ

水や蒸気、ガスなどの流体の運動エネルギーを、機械的なエネルギーに転換する回転式の機械。タービンの中にある基本的な要素は、回転体の周囲にさまざまな形の羽根などを全周にそなえたもので、ローターとよばれる。

その仕組みは、流体が羽根にあたって回転体の軸を回転させ、エネルギーを発生し、この機械的エネルギーが駆動シャフトにつたえられて、機械やコンプレッサー、発電機、あるいはプロペラなどをうごかす。

タービンは、水力タービン、蒸気タービン、あるいはガス・タービンに分類される。今日では、タービンによる発電機が世界の電力の大半を生みだしている。発電用の風車は、風力タービンとして知られている。

II

水力タービン

1

水車

もっとも古く、もっとも簡単な水力タービンは水車である。古代ギリシャではじめてつかわれ、その後、古代および中世ヨーロッパのほとんどの国で、穀物をひくために利用された。水車は、流れのはやい小川や水路におかれた放射状の羽根車に回転軸がとりつけられたもので、その出力はおよそ0.5馬力である。

水平水車(水平な回転軸が垂直な外輪にとりつけられている水車)は、紀元前1世紀にローマの建築家であり技術者であったマルクス・ビトルビアス・ポリオによってはじめて紹介されたものである。これはいわゆる、アンダーショット水車(下射式。下をながれる水の力でうごき、外輪をそなえた水車)であったが、2世紀ごろまでに、もっと効率のよいオーバーショット水車(上射式。上から落下する水でうごく外輪をそなえた水車)がつかわれるようになった。木造の水車の最高出力は、中世には、3馬力から50馬力に増大した。

2

タービンへの改良

水車からタービンへの移行には大きな意味がある。水車の設計に関して、理論的な基礎をうちたてようとした最初の試みは、18世紀のイギリスの土木技術者ジョン・スミートンによるもので、彼は、オーバーショット水車のほうが、ずっと効率的であることを証明した。しかし、フランスの技術将校ジャン・ポンセットは、まがった羽根をもつアンダーショット水車を考案し、効率を従来の70%近く増大させた。

もうひとりのフランスの技術将校クロード・ブルディンは、回転速度の技術論の中で、タービンという用語をはじめて使用した。セント・エチエンヌの鉱山学校で、ブルディンのもとで勉強したベノイト・フォルニーロンは、フランスの鉄工所のために、60rpm(毎分の回転数)で50馬力の出力がある水車を設計し製作した。最終的に彼は、2300rpmでうごき、80%以上の効率で60馬力をだすタービンを開発した。

3

フランシス水車

フォルニーロンのタービンは、すばらしい性能にもかかわらずある種の欠陥をもっていた。水が放射状に外側にむかって通過する結果、水流が減少したり負荷がなくなるのである。これに対し、イギリス生まれのアメリカの技術者ジェイムズ・B.フランシスは、水が内側にながれるタービンを設計した。この反動水車またはフランシス・タービンとよばれる水車は、10～100mの高さがある水柱に相当する水圧、または落差を利用する水力タービンとして普及した。この種のタービンは、羽根の通路を水が通過する際の圧力エネルギーを拡大することによって作動する。その結果、水車を回転させる接線方向の力、ないしは反動が生じるのである。