ガスタービンの基礎知識：定義、用途、構成部品

ガスタービンとは

ガスタービンは1939年以来、発電に使用されてきました。今日、最も広く使用されている発電技術の一つです。ガスタービンは内燃機関（ICエンジン）として知られ、空気燃料混合気から高温ガスを生成してタービンを回転させ、動力を生み出します。このプロセスはジェットエンジン、自動車内燃機関、船舶、鉄道車両などで一般的です。

本記事では、ガスタービンの定義、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、ガスタービンの利点と欠点についても説明します。

ガスタービンの定義

ガスタービンは、燃料（天然ガスや類似燃料）の化学エネルギーを機械エネルギーに変換する機械装置です。タービンシャフトによって生成される機械エネルギーは、ギアボックスを通じて発電機のシャフトに伝達され、電力が生成されます。ガスタービンは燃料のせいではなく、燃料燃焼時に高温ガスが生成されるためそのように命名されています。燃料油、天然ガス、合成燃料など、さまざまな燃料を利用できます。このプロセスでは燃焼が断続的に、つまり連続的に発生します。

ガスタービンは燃焼タービンとも呼ばれ、連続的な内燃機関の一種です。主要な機能要素には、上流側の回転ガス圧縮機、燃焼室、圧縮機と同軸の下流側タービンが含まれます。効率を高め、動力を機械的または電気的形態に変換するためのコンポーネントがよく使用されます。また、アフターバーナー付きエンジンではより大きな推力重量比の達成に役立ちます。

さらに、ガスタービンは作動流体としてガスを使用してタービンを回転させる内燃機関とも言えます。最終的な動力は発電機、ポンプ、プロペラの駆動、または純粋なジェット航空機エンジンの場合に使用されます。

ガスタービンの用途

ガスタービンは航空機、列車、船舶、発電機、ポンプ、ガス圧縮機、戦車などの動力源として使用できます。では、ガスタービンのさまざまな用途を詳しく見ていきましょう。

• 電力生成 - 航空分野以外にも、電力産業でガスタービンが広く利用されています。蒸気タービンも使用可能です。
• 産業用途
• 船舶推進
• 鉄道推進
• 自動車推進

ガスタービンエンジンは中型「ピーク負荷」プラントとして、電力システムでの短時間の高電力需要時に間欠的に運転されます。

ガスタービンはパイプラインを通じた天然ガスの送出に使用され、送出ガスの少量がタービン燃料として使用されます。

石油精製プロセスでもこのシステムが利用されます。遠心圧縮機を備えた小型ポータブルガスタービンがポンプ駆動に使用されます。

注：ガスタービンの主な機能は機械的および電気的動力の生成です。

ガスタービンの構成部品

以下にガスタービンの構成部品を示します：

圧縮機

ガスタービン構成部品として使用される圧縮機にはさまざまなタイプがあり、初期のものは遠心圧縮機を採用していました。その設計は比較的シンプルで安価です。しかし低圧力比に限定され、効率の面では現代の軸流圧縮機と比較できません。遠心圧縮機は今日でも小型産業用ユニットで採用されています。

燃焼室

このシステムでは、圧縮機から2つの気流が来ます。少量の気流は中央に供給され、霧状化した燃料が噴射され、乱流発生障害物によって保持された炎で燃焼します。もう一方の気流（冷却気流と呼ばれる）は、「燃焼ライナー」（一種のシェル）に沿った穴を通じて燃焼室に供給されます。これにより全体温度をタービン入口に適したレベルまで低下させます。

タービン

これらのガスタービン構成部品は通常、反動原理に基づき、高温ガスが最大8段まで膨張します。1軸または2軸タービンを使用します。このタービンでは外部負荷が駆動され、膨張の一部が高圧タービンで行われます。この高圧タービンは圧縮機のみを駆動し、残りの膨張は負荷に接続された別のフリータービンで行われます。

制御と起動

電気発電機を駆動するガスタービンエンジンでは、電気負荷に関わらず速度を制御し、一定に保つ必要があります。このシステムで燃料流量を減らすと燃焼室の出口温度が低下します。これによりタービン効率はわずかに低下しますが、タービンで利用可能なエンタルピー降下が減少します。航空機用ガスタービンエンジンの制御はより困難です。

その他の設計考慮事項

現代のガスタービンエンジン設計では、効率向上のために追加の機能部品が追加されることがあります。

ガスタービンエンジンの図：

ガスタービンの種類

以下にさまざまな種類のガスタービンを示します：

ターボジェット

これらのガスタービンタイプは、全航空機タービンエンジンの中で最もシンプルです。作動時に4セクション（圧縮機、燃焼室、タービンセクション、排気）を達成します。ターボジェットは数十年前から存在し、第二次世界大戦前にドイツとイギリスで開発されました。ターボジェットタイプのガスタービンでは、空気が高速で燃焼室に送られます。この室は燃料を取り込み、着火装置を備えます。タービンは膨張空気によって駆動され、加速した排気ガスから推力が得られます。

ターボプロップ

ターボプロップタイプのガスタービンエンジンでは、プロペラが減速ギアを通じて駆動され、低い回転数で最適なプロペラ性能を提供します。これによりより高い燃料効率と低速での性能向上を達成し、小型機、コミューター機、貨物機、農業用機などの航空機エンジンとしてターボプロップをより良い選択肢にしています。なお、航空機速度が増すとプロペラの効率が低下するため、高速飛行しない航空機に適しています。

ターボファン

ターボファンは、燃焼室を迂回する二次気流を導く航空機タービンエンジンで、追加の推力を生み出します。ターボファンタイプのガスタービンエンジンは、高速輸送機と戦闘機に搭載される現代版です。

ターボシャフト（アフターバーニングターボジェット）

これらのガスタービンエンジンタイプは主に戦闘機で使用されます。コアターボジェットにアフターバーナーを含み、排気からのエネルギーの一部をタービン回転に使用します。アフターバーナー作動時、排気流に追加燃料が噴射され、追加推力を生み出します。これは航空機の追加速度を生み出さず、従来のターボジェット航空機より多くの燃料を消費します。

ガスタービンの作動原理

ガスタービンの作動は複雑ではなく、容易に理解できます。吸気、圧縮、膨張、排気のサイクルで動作します。通常、あらゆるガスタービンで空気が圧縮機によって圧縮され、燃焼室を通過します。燃料が連続的に燃焼し、高温高圧ガスを生成します。空気/燃料ガスが燃焼（着火）し、膨張が起こり、回転エネルギーが生成され、これが前段の圧縮機で使用されます。残りのエネルギーは出力シャフトで使用されます。

ガスタービンの作動動画：

https://www.youtube.com/watch?v=t7N1kKz5faM

いくつかのステップでガスタービンがどのように電気を生成するか説明します。上記と同じプロセスを経ますが、電気がどのように生成されるかを明確にする必要があります。電気を生成するため、ガスタービンは空気/燃料混合気を非常に高温で加熱し、タービン翼を回転させます。回転するタービンが発電機を駆動し、エネルギーを電気に変換します。ガスタービンは蒸気タービンと組み合わせて複合サイクル発電所で使用し、極めて効率的な発電が可能です。手順は以下の通り：

• 空気燃料混合気が着火
• 高温ガスがタービン翼を回転
• ドライブシャフトが翼と共に回転
• タービン回転が発電機を駆動
• 発電機の磁石が電子を動かし電気を生成

ガスタービンの利点と欠点

利点：

ガスタービンエンジンのさまざまな用途における利点：

• 往複エンジンと比較して出力重量比が非常に高い
• 同出力の往複エンジンより小型
• 可動部品が少ない
• メインシャフトの滑らかな回転
• 往複エンジンより振動が少ない
• 廃熱が排気でほぼ完全に放出
• 往複エンジンより低いピーク燃焼圧力
• 潤滑油コストと消費量が低い
• 多様な燃料が使用可能
• 始動後ウォームアップ不要
• 初期コストが低い
• 必要スペースが少ない

欠点：

ガスタービンエンジンの優れた利点がある一方で、いくつかの制約も存在します：

• 特殊材料使用によりエンジンコストが高い
• 起動時間が長い
• 電力需要変化への応答性が低い
• 固有効率が低い

結論

ガスタービンエンジンは航空用途で広く知られています。前述のさまざまなタイプのタービンは航空分野で使用されています。ガスタービンはほとんどの状況で優れた利点を提供し、化学エネルギーを利用して動作します。本記事では、ガスタービンの定義、用途、機能、構成部品、図、種類、作動について説明しました。また、利点と欠点についても議論しました。

お楽しみいただけたら幸いです。他の方にも共有していただけると嬉しいです。ご覧いただきありがとうございました。