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ガスタービン gas turbine

翻訳|gas turbine

ブリタニカ国際大百科事典 小項目事典の解説

ガスタービン
gas turbine

熱エネルギーを回転運動に直接変換する熱機関圧縮機で圧縮された空気中で燃料を燃焼させて生じた高温高圧ガスでタービンを回転させ,タービン出力と圧縮機駆動動力との差が有効出力となる。普通はこの出力を取出して,発電機,プロペラおよび車両などの駆動に用いるが,ターボジェット・エンジンのように噴流の運動エネルギーの形で取出して直接推進に利用するものもある。燃料は高級なものを必要としないうえ,構造が簡単で高速回転が得られるという特徴があり,小型軽量のものから大型高性能のものまで用途は広範囲にわたっている。 (→ブレートンサイクル )  

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デジタル大辞泉の解説

ガス‐タービン(gas turbine)

圧縮機で圧縮した空気を燃料と混合させて燃焼し、発生した高温高圧のガスタービン翼を回転させて動力を得る熱機関。航空機・発電などに使用。

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百科事典マイペディアの解説

ガスタービン

回転式熱機関の一種で,圧縮空気に燃料を混合して燃焼させ,生じた高温高圧ガスでタービンを回転させる原動機。基本的な構成要素は,空気を圧縮する圧縮機,混合気体を燃焼させる燃焼器,ガスの膨張によって回転力を生ずるタービンの3部分。
→関連項目ガスタービン機関車ガスタービン自動車軸流タービンタービン熱機関複合発電ヘリコプター

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世界大百科事典 第2版の解説

ガスタービン【gas turbine】

高温高圧のガスを用いてタービンを回し,動力を取り出す原動機。一般には,大気から空気を吸い込み,圧縮機で圧縮して圧力を高めてから燃焼器に入れ,この加圧空気で液体または気体の燃料を燃焼させて高温高圧のガスを得る。タービンで発生した動力の一部は圧縮機を駆動するのに用いられ,残りを有効出力として利用するので,原動機として作動するためには,タービンの発生動力が圧縮機駆動動力よりも十分大きいことが必要である。大気から空気を吸い込み,タービンを回した後,再び大気に排出する形式のものを開放サイクルガスタービンといい,これに対して,空気だけでなく炭酸ガスやヘリウムガスなどを閉じた流路に流し,外部加熱器で加熱して高温高圧のガスを作る形式のものを密閉サイクルガスタービンと呼ぶ。

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大辞林 第三版の解説

ガスタービン【gas turbine】

圧縮空気と燃料を混合して燃焼させ、発生した高温・高圧のガスで駆動するタービン。

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日本大百科全書(ニッポニカ)の解説

ガスタービン
がすたーびん
gas turbine

燃焼器などでつくられた高温高圧ガスを回転羽根車に当てて機械的エネルギーに変える熱機関の一種。内燃式の開放サイクル・ガスタービンと、外燃式の密閉サイクル・ガスタービンがある。[吉田正武]

歴史

ガスタービンの基本的な考えは1791年のイギリスのジョン・バーバーJohn Barber(1734―1801)の特許にあり、圧縮後燃焼させたガスを定圧で回転羽根車に吹き付けるものであった。1864年のブールトンM. P. W. Bourtonの特許には、燃焼ガスに二次、三次の空気を加え、燃焼ガス温度を低下させるとともに流量を増し、タービンの出力、効率を高めるくふうがあった。これらの案ではタービンの羽根車(タービン翼車)については検討されていない。
 一方、同様に高速の水流を用いる水車ではイギリスのジェームズ・ビシェノ・フランシスJames Bicheno Francis(1815―1892)の反動タービン、アメリカのペルトンLester Allan Pelton(1829―1908)の衝動タービンが大落差用の水車として19世紀中ごろまでにつくられていた。
 1872年にドイツのフランツ・シュトルツェFranz Stolze(1836―1910)は、多段軸流圧縮機と多段軸流タービンと一つの燃焼器をもつガスタービンを考案し、1900年につくった。これは現在の大型ガスタービンと構成的には変わらない。1903年ごろフランスのルネ・アルマンゴーRen Armengaudとチャールズ・ルマールCharles Lemaleは、連続燃焼で定圧の燃焼ガスをつくり蒸気タービン用の翼車に吹き付けるガスタービンを試作した。このタービンは衝動タービンである。その後彼らは、このタービンと、フランスのアウグスト・ラトーの三段遠心式ターボ圧縮機を用いて、正味出力300馬力程度のガスタービンをつくった。
 ガスタービンではタービン自身の効率も高くなければならないが、直結で運転される圧縮機をもつ場合は圧縮機の効率が高くないと、タービン出力の大半を圧縮機駆動に消費し、正味出力はわずかになり、全体の熱効率は低下する。アルマンゴーのガスタービンでも5%程度であった。1905年にフランスのビクター・ド・カラバダンVictor de Karavodineが、1918年ごろにドイツのハンズ・テオドール・ホルツバルトHans Theodor Holzwarth(1877―1953)が、間欠燃焼で燃焼ガスをつくりタービンに吹き付ける爆発型ガスタービンをつくった。ブラウン・ボバリー社でつくられたホルツバルト型のガスタービンは5000キロワットの発電機駆動にも用いられ、熱効率も全体で10%以上に達した。その後爆発型ガスタービンの開発が試みられたが、ターボ圧縮機の効率向上が困難なことから実用化されたものはない。爆発型はパルスジェットにその燃焼方法が採用され、さらにのちにフリーピストンエンジンを燃焼ガス発生装置として用いた爆発型ガスタービンの変形が実用化された。連続燃焼型のガスタービンの研究も続けられたが、正味出力が必要ない排気ターボ過給として実用化が進められた。
 アルマンゴーのガスタービンのターボ圧縮機をつくったラトーは、単段の軸流タービンと単段の遠心圧縮機からなる排気ターボ過給機を1918年ごろ航空機用に実用化した。排気ターボ過給機は着実に実用に供され、航空機用の大出力機関から、のちには大型、中型のディーゼルエンジンにも用いられるようになった。ブラウン・ボバリー社は1928年に爆発型ガスタービンを実用化し、ついで強制通風のボイラーに応用したベロックスボイラーをつくった。その後発達した流体力学の助けを借り、高効率のターボ圧縮機の製作を進め、1940年ごろにターボ圧縮機を用いた熱効率20%に近いガスタービンをつくった。
 ターボ型の連続燃焼のガスタービンが実用化されると、軽量大出力の特長を生かす航空機への応用が考えられ、1930年イギリスのフランク・ホイットルがターボジェットエンジンの特許をとり、ロールス・ロイス社の協力で1941年に実用化した。同じころBMW、ユンカース、ハインケル・ヒルト各社でもターボジェットエンジンがつくられ、実際に飛行機に搭載されている。それ以後、ジェットエンジンの発達とともにターボ圧縮機、タービンもさらに発達し、また燃焼器も進歩した。ガスタービンはタービン入口の燃焼ガスの温度が高いほど効率がよくなるが、そのためのタービン翼(動翼)の冷却方法も改良された。これらの進歩によって、ガスタービンは発電用、機関車用、船舶用にも用いられてはいるが、熱効率でディーゼルエンジンより不利であった。しかし、タービン翼などの材料と冷却方法の進化により、タービン入口温度が高くなり、発電用に大型のガスタービンが用いられるようになった。とくに発電用ガスタービンの排気で発生させた蒸気で蒸気タービンを駆動して両方で発電するコンバインドシステムは、総合効率が60%程度と高く小型でもあるので、21世紀になって従来の大型蒸気タービンを用いる火力発電所に変わって設置され始めた。[吉田正武]

構造

燃焼方式で外燃型と内燃型に分けられ、さらに内燃型は爆発型と連続燃焼型に分けられる。外燃型は圧縮した空気、水素などを熱交換器で加熱しタービンに吹き付けるもので、多くは作動流体が循環する密閉サイクルである。原子力利用のガスタービンとして密閉式が考えられている。内燃型は圧縮した空気中で燃料を燃焼させるもので、爆発型はあまり高い圧力に圧縮する必要がなく、圧縮機は簡単なポンプでもよい。連続燃焼型は火炎が持続できるほどの高温まで圧縮する必要があり、多段の軸流式か遠心式圧縮機が用いられる。空気は循環しないので開放サイクルといわれる。タービンは普通は圧縮機駆動用と出力取り出し用の2軸以上であるが、発電用など負荷が一定しているときには、すべての圧縮機、タービン、負荷が結合された1軸式が用いられる。
 航空機用を除いた、重量があまり問題にならないガスタービンでは、高温の排気ガスのもつ熱エネルギーを回収し圧縮機出口の高圧空気を加熱する再生式が普通であり、熱交換器をもつ。熱交換器は隔板式と回転する蓄熱体をもつ再生式が用いられ、小型ガスタービンでは再生式熱交換器が多い。また圧縮を1回で高圧力まで行うと空気の温度が高くなりすぎ効率が低くなるので、圧縮を2段以上にし、中間で冷却する中間冷却器をつけることがある。
 ガスタービンは、往復動内燃機関が一つのシリンダー内で圧縮、燃焼、膨張を行うのと異なり、圧縮機で圧縮し、燃焼器で燃焼させ、タービンで機械的仕事に変換し、その大半で圧縮機を駆動し、残りを正味出力として外に取り出すもので、全体の効率は各部分の効率の積になり、一つでも効率が低いと全体の効率が下がる。また出力の制御も往復動内燃機関のように直接的ではない。たとえば、燃料をすこし多く供給すると燃焼ガスの温度が上がり、タービンの出力、圧縮機の回転数、空気流量、燃焼器に入る空気の温度と圧力が次々に増加する。このように段階が多いので、制御は簡単でない。またタービン、ターボ圧縮機の流量と圧縮比は狭い範囲で制御しないと破壊に至るおそれがあり、この点でも制御は容易ではない。
 ガスタービンは、タービンのノズル、動翼の材質による制限のため、ノズルなどの冷却を行ってもタービン入口温度に制限があり、熱効率の向上にはこの温度を上げる必要がある。現在の燃焼器では、タービン入口温度の制限にあわせて、高温の燃焼ガスに二次、三次の空気を混合し、燃焼ガスを冷却している。[吉田正武]

今後の課題

ガスタービンは小型、軽量で大出力を取り出せることと始動後すぐに全力運転できるという大きな特長がある。単体では熱効率は現在ディーゼルエンジン以下である。また熱効率を高めるには中間冷却、再生、再熱などの方法が用いられ、機関として複雑になる。タービン入口温度を高くできれば簡単な構成で高い熱効率が得られるので、セラミックスなど金属以外の耐熱性の高い材料で燃焼器、タービン翼、ノズルをつくる研究が進められている。圧縮機でも金属より軽量で強いカーボン繊維を使用した複合材が利用され始めている。したがって、ガスタービンの向上は新しい材料の利用の成功が鍵(かぎ)になる。より軽量、高出力、高熱効率を要求するジェットエンジンで実用化されれば、他のガスタービンにも使用され、コストが低くなれば自動車、機関車、船舶用としてより広く利用されるであろう。また、21世紀に入って前述のコンバインドシステムや、ガスタービンの排気で蒸気や温水をつくるコ・ジェネレーションシステムが広く用いられ始めている。[吉田正武]
『五味努監修『自動車工学全書6 ロータリエンジン、ガスタービン』(1980・山海堂) ▽富塚清著『内燃機関の歴史』新改訂版(1984・三栄書房) ▽John Robert DayEngines ; The Search for Power(1980, The Hamlyn Publishing Group Ltd.)』

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世界大百科事典内のガスタービンの言及

【タービン】より

…大きい圧力差でも,複数の圧力段をおくことによって,圧力を順次落として仕事をとり出すことが可能である。 タービンには蒸気タービン,ガスタービン,水車,空気タービンなどがある。蒸気タービンは蒸気のエネルギーを利用したもので,火力発電所で代表される蒸気原動所の動力発生部として用いられ,ボイラーで発生した高温高圧の蒸気を復水器の低圧まで膨張させる間に仕事を発生する。…

※「ガスタービン」について言及している用語解説の一部を掲載しています。

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