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Nuclear and coal-based thermal power plants together produce almost half of the world's power.
原子力発電所と石炭火力発電所を合わせて、世界の電力のほぼ半分を生産している。
Steam turbines lie at the heart of these power plants.
蒸気タービンはこれらの発電所の心臓部である。
They convert thermal energy in the steam to mechanical energy.
蒸気の熱エネルギーを機械エネルギーに変換する。
This video will explain the inner workings of the steam turbines and why they are constructed in the manner they are in a step-by-step logical manner.
このビデオでは、蒸気タービンの内部構造と、なぜそのような構造になっているのかを、段階的に論理的に説明する。
To understand its basic workings, let's first observe one of their blades.
その基本的な仕組みを理解するために、まずブレードのひとつを観察してみよう。
You can see that the blade of a steam turbine has an airfoil shape.
蒸気タービンのブレードが翼形をしているのがわかるだろう。
When the high-energy fluid passes over it, this airfoil shape will create a pressure difference.
高エネルギーの流体がその上を通過するとき、この翼形は圧力差を生み出す。
This will subsequently create lift force.
その結果、揚力が生まれる。
The lift force will rotate the turbine.
この揚力がタービンを回転させる。
In short, the energy in the fluid transfers to the mechanical energy of the rotor.
つまり、流体のエネルギーがローターの機械的エネルギーに変換される。
To further understand steam turbine operation, let's understand fluid energy in greater depth.
蒸気タービンの運転をさらに理解するために、流体エネルギーをより深く理解しよう。
A fluid has three forms of energy due to its speed, pressure, and temperature.
流体には、速度、圧力、温度による3つのエネルギーがある。
As the blades absorb energy from the fluid, all three forms of energy come down.
ブレードが流体からエネルギーを吸収するとき、3つのエネルギーがすべて降り注ぐ。
The low-velocity jet is of no use to produce effective lift force.
低速ジェットは有効な揚力を生み出すのに役立たない。
To increase velocity, the fluid is passed through a stator section.
流速を上げるため、流体はステーターセクションを通過する。
The stator set is stationary and attached to the turbine casing.
ステーターセットは静止しており、タービンケーシングに取り付けられている。
You can see that flow area decreases along the stator and the speed thus increases.
ステーターに沿って流路面積が減少し、速度が増加しているのがわかる。
In short, the stator acts like a nozzle.
要するに、ステーターはノズルのような役割を果たす。
As the speed of the jet increases in the stator, kinetic energy increases.
ステーター内でジェットの速度が上がると、運動エネルギーが増加する。
As there is no net energy transfer in the fluid in stator section, the pressure and temperature of the jet should decrease to keep the total energy constant.
ステーター部の流体では正味のエネルギー移動がないため、総エネルギーを一定に保つためにはジェットの圧力と温度が低下するはずである。
Now, the next row of rotors is added.
さて、次の列のローターが追加される。
The stator also makes sure that the flow coming out of it will be at an optimum angle of attack to the next rotor set.
ステーターはまた、そこから出る流れが次のローターセットに対して最適な迎え角となるようにする。
After that, another nozzle set is added.
その後、別のノズルセットが追加される。
Many such sets are used in a steam turbine.
蒸気タービンには、このようなセットが多数使用されている。
There is an important term while designing steam turbines, namely degree of reaction.
蒸気タービンを設計する際に重要な用語がある。
This term is calculated by dividing pressure and temperature energy by the total energy change in the rotor.
この項は、圧力と温度のエネルギーをローターの全エネルギー変化で割ることによって計算される。
Pressure and temperature energy together is called enthalpy.
圧力と温度のエネルギーを合わせてエンタルピーと呼ぶ。
The degree of reaction decides what type of steam turbine it is.
その反応の度合いによって、蒸気タービンのタイプが決まる。
As the pressure of the steam undergoes a drastic reduction during steam turbine operation, its volume increases proportionally.
蒸気タービンの運転中に蒸気の圧力が急激に低下すると、それに比例して体積も増加する。
To accommodate such an expanded steam, we have to increase the flow area.
このように拡大した蒸気に対応するためには、流路面積を増やさなければならない。
Otherwise, the flow speed will become too high.
さもないと、流速が速くなりすぎる。
This is the reason why the steam turbine blades are too long towards the outlet.
これが、蒸気タービンのブレードが出口に向かって長すぎる理由である。
You can see how long the last stage turbine blades are compared to the first stage blades.
最終段のタービンブレードが第1段のブレードに比べていかに長いかがわかるだろう。
The tips of such long blades will have very high velocity compared to the root.
そのような長いブレードの先端は、根元に比べて非常に速い速度を持つ。
A twist is given to it so that all blade cross-sections will remain at an optimum angle of attack.
すべてのブレード断面が最適な迎角に保たれるよう、ひねりが加えられている。
This kind of large turbine uses two such symmetrical units.
この種の大型タービンは、このような左右対称のユニットを2基使用している。
You can see how the steam is equally divided between these units.
蒸気がこれらのユニットに均等に分配されているのがわかるだろう。
High-capacity power plants use different stages of steam turbines, such as high-pressure turbine, intermediate pressure turbine, and low-pressure turbines.
大容量の発電所では、高圧タービン、中間圧タービン、低圧タービンなど、さまざまな段階の蒸気タービンを使用する。
All these units are attached to a single rotating shaft.
これらのユニットはすべて、1本の回転軸に取り付けられている。
The shaft in turn is connected to a generator.
シャフトは発電機に接続されている。
The reason for such different stages is quite interesting.
このようにステージが異なる理由は非常に興味深い。
With greater steam temperature comes greater power plant efficiency.
蒸気温度が高ければ、発電所の効率も高まる。
This is according to the second law of thermodynamics.
これは熱力学の第二法則によるものだ。
But we cannot have temperature greater than 600 degrees Celsius since the turbine blade material will not withstand temperature more than that.
しかし、タービンブレードの素材がそれ以上の温度に耐えることができないため、600℃を超える温度は設定できない。
Temperature of the steam decreases as it flows along the rows of the blade.
蒸気の温度は、ブレードの列に沿って流れるにつれて低下する。
Consequently, a great way to increase power plant efficiency is to add more heat after the first stage.
その結果、発電所の効率を上げる素晴らしい方法は、第1段階の後にさらに熱を加えることである。
So after the first stage, the steam is bypassed to the boiler and more heat is added.
そのため、第一段階の後、蒸気はボイラーにバイパスされ、さらに熱が加えられる。
This is known as reheating.
これを再加熱という。
This will increase the steam temperature again, leading to higher power plant efficiency and output.
これにより蒸気温度が再び上昇し、発電所の効率と出力が向上する。
One challenging problem in power plant operation is to keep the speed of the steam turbine constant.
発電所の運転で難しい問題のひとつは、蒸気タービンの回転数を一定に保つことである。
This is important since frequency of the electricity produced is directly proportional to the generator speed.
発電される電気の周波数は発電機の回転数に正比例するので、これは重要である。
However, depending on the load or power demand, the steam turbine speed will vary.
しかし、負荷や電力需要によって、蒸気タービンの回転数は変化する。
To keep the steam turbine speed constant, a steam flow governing mechanism is used.
蒸気タービンの回転数を一定に保つために、蒸気流量制御機構が使用される。
If the steam turbine rotates at a higher speed, the control valve will automatically reduce the steam flow rate to the turbine until the speed becomes normal.
蒸気タービンの回転数が高くなると、制御弁は自動的にタービンへの蒸気流量を減少させる。
If the turbine rotates at a low speed, the inverse will be done.
タービンが低速で回転している場合は、その逆となる。
In this way, the balance of power demand and power supply will be perfectly synchronized.
こうすることで、電力需要と電力供給のバランスは完全に同期する。
To learn more about degree of reaction and its implications, please check the next video.
反応の度合いとその意味合いについては、次のビデオをご覧いただきたい。
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