要約：本稿では、ガスタービンの技術的特徴と各分野への応用を紹介し、ガスタービンのシステム構成を詳しく説明し、その構造的特徴と技術的・経済的性能の研究に焦点を当て、将来の技術開発動向を展望する。一般的なタイプの熱エンジンとして、ガスタービンは航空推進、船舶動力、海洋プラットフォーム、火力発電、軍用車両動力、石油・ガス輸送において重要な役割を果たしており、国家経済建設と国防産業の維持・発展を促進する上で消えない役割を果たしてきた。

キーワード: ガスタービン、蒸気タービン、ディーゼルエンジン、内燃機関、経済

1 ガスタービンの概要と分類

ガスタービンは、燃料の化学エネルギーをガスの熱エネルギーに変換し、その熱エネルギーの一部をタービンを通して機械エネルギーに変換できる熱機関の一種です。ガスタービンの全体的な分類は表1に示されています。

ガスタービンは、軽量で小型、起動が速い、メンテナンスが簡単、信頼性の高い操作、高度な自動化、低コストなどの利点があります。蒸気タービンと比較したガスタービンの主な欠点は、ユニットあたりの出力が低い、耐用年数が短い、燃料の種類に対する要件が高いことです。機関車用ガスタービンは長い間試作に成功してきました。わが国で成功裏に製造された長征2号ガスタービン機関車は、重油を燃料として使用しており、燃料コストを完全に節約しています。ガスタービンの欠点が継続的に克服されるにつれて、ガスタービンは近年多くの分野で広く使用されています。

2 ガスタービンの応用と開発

ガスタービンは急速な起動が可能で、火力発電所でピーク負荷を支えるため、またはスタンバイユニットとしてよく使用されます[5]。ガスタービンは、小出力火力発電所の基本負荷を支えるのに適しています。小型、軽量、メンテナンスが簡単、操縦性が良いなどの利点があるため、ガスタービンは移動式発電所や列車発電所でもよく使用されます。船舶分野では、ガスタービンは水上艦の加速装置や、水中翼船やホバークラフトなどの高性能船舶の主動力源としてよく使用されます。航空分野では、ガスタービンが広く使用されています。現在、ガスタービンは国家経済建設と国防産業システムにおいて比較的重要な役割を果たしています。ガスタービンの用途分類を表2に示します。

わが国は1970年代にはすでにガスタービンを独自に設計・製造する能力を持っていましたが、当時の石油資源が限られていたため、火力発電所へのガスタービンの応用は推進されていませんでした。わが国は石炭資源が比較的豊富であるため、当時は石炭火力蒸気タービンの開発が盛んに行われました。発電にガスタービンを使用することには多くの利点があります。発電用ガスタービンの技術的な長所と短所を表3に示します。

現在、世界各国は石炭火力ガス蒸気複合サイクルの研究に力を入れています。ガスタービンは石炭の燃焼で発生したガスを高温熱源として利用し、排気廃熱を十分に利用して蒸気タービンに次の出力を供給し、温水と蒸気を外部に供給し、熱電併給火力発電所を建設します。このガス蒸気複合サイクルは熱効率が高いです。ガスタービンの石炭火力技術に関しては、現在、石炭ガス化ガス蒸気複合サイクル（IGCC）と加圧流動床ガス蒸気複合サイクル（PFBC-CC）が研究の焦点となっています。この2種類の複合サイクルを採用することで、発電効率を大幅に向上させ、排ガス排出による汚染を軽減することができます。

3 ガスタービンのシステム構成

ガスタービンは、圧縮機、燃焼室、タービン、再生器などの部品で構成されています。ガスタービンの熱サイクルにおける圧縮、吸熱、膨張の仕事プロセスは、それぞれ圧縮機、燃焼室（再生器が装備されている場合もあります）、タービンで行われ、すべて連続運転状態にあります。したがって、ガスタービンは、蒸気タービンと同様に、蒸気エンジンや内燃機関などの断続流熱エンジンとは異なり、連続流熱エンジンです。ガスタービンは、オープンサイクルまたはクローズドサイクルを使用できます。ガスタービンは主にオープンサイクルを使用し、少数のガスタービンはクローズドサイクルを使用します。

クローズドサイクルを使用するガスタービンでは、作動流体は加圧後に外部燃焼（空気ボイラー、原子炉、またはその他の熱交換器）によって加熱され、膨張して作業した後、熱交換器を通じて熱が放出されます。クローズドサイクルを使用するガスタービンは、ヘリウムなど、空気以外のガスを作動流体として使用できます。蒸気タービンも、クローズドサイクルガスタービンの一般化された形式と見なすことができます。蒸気タービンは、水とその蒸気を作動流体として使用し、圧縮機の代わりに水ポンプを使用して圧力を高め、ボイラーで加熱し、凝縮器を通じて熱を排出して、対応する熱力学サイクルを実現します。

化学、冶金などの分野で使われるガスタービンは、産業用ガスタービンとも呼ばれます。広義には、ガス蒸気複合サイクルや内燃機関のターボチャージャーなどのシステムや機器もこのカテゴリに分類できます。内燃機関で広く使用されているターボチャージャーは、ガスタービンと内燃機関を組み合わせた動力装置と見なすことができます[19]。このタイプの動力装置では、内燃機関で高圧圧縮プロセス、燃焼プロセス、高圧膨張プロセスが断続的に実行され、ターボチャージャーで低圧圧縮プロセスが連続的に実行され、排気ガスタービンで低圧膨張プロセスが連続的に実行されます。

4 ガスタービンの構造特性に関する研究

4.1 概要

ガスタービン産業の発展は、蒸気タービン産業と航空機エンジン産業という2つの主要な産業システムに依存しています。これら2種類の産業システムの影響を受けて、ガスタービンは発展の過程で徐々に軽構造と重構造という明らかな違いを持つ2つの構造形態を形成してきました。

4.2 ガスタービンの構造特性に基づく設計コンセプトの研究

4.2.1 大型ガスタービンの構造特性に基づく設計コンセプトの研究

大型ガスタービンの設計プロセスは、主に蒸気タービンの伝統的な設計習慣、つまり厚くて厚い部品を使用するという方法に基づいています。 厚い部品は常温条件下では剛性が良好ですが、温度が急激に変化すると、部品の厚さに応じて熱応力が徐々に増加し、厚い部品は変形や破損を起こしやすくなります。 そのため、大型ガスタービンを設計する場合、温度勾配の大きい強力な冷却方法を使用することは困難であり、過度に高いガス温度を使用することも適切ではありません。 また、長期間の段階的なウォームアップと旋回対策により、部品が過度の熱応力を発生しないようにする必要があります。 また、適切な対策により部品が激しく変形しないことを保証することも困難です。 オープンサイクルガスタービンの作動流体の圧力はそれほど高くないため、蒸気タービンとは大きな違いがあります。 そのため、ガスタービンのシリンダーやローターなどの大型部品は、蒸気タービンほど重く設計する必要はありません。 一定の強度と剛性を確保することを前提に、部品のサイズが薄いほど安全です。厚すぎると熱応力が大きくなり、熱疲労を起こしやすくなります。

ガスタービンの圧力比は高くないため、その配管、燃焼室、熱交換器、エアフィルター、マフラーでのガス流の圧力損失は、ガスタービンの性能に比較的大きな影響を与えます。したがって、ガスタービンの構造を設計するときは、流動損失を最小限に抑える必要があります。このために、より大きな流動断面積を使用して作動流体の流速を下げ、短くてまっすぐな配管とより流線型の部品を使用することができます。大型ガスタービンでは、作動流体の流速は低いですが、本体が大きく、機器のレイアウトが分散しており、配管が長く曲がっているため、流動抵抗を減らすのに役立ちません。ガスタービンの圧縮機では、作動流体が圧力勾配に逆らって流れるため、対応する空力の問題は膨張プロセスよりも複雑です。ガスタービンブレード内の作動流体の流動効率は、蒸気タービンよりも装置全体の効率に大幅に大きく影響するため、ガスタービンには空力性能の高いブレード形状を採用する必要があります。従来の蒸気タービンの設計思想をガスタービンの分野に適用することは限られています。

4.2.2 軽量ガスタービンの構造特性に基づく設計コンセプトの研究

軽量ガスタービンの設計には、航空エンジンの分野での多くの科学研究成果と技術経験が取り入れられており、これに基づいて、投資コストや運転性能の面で、材料消費と設備投資が大幅に節約されています。部品が薄く、サイズが小さく、浮遊構造で熱膨張ギャップが大きいため、熱応力が大幅に軽減されます。段数が少なく、段間のエンタルピー降下が大きいため、ノズル出口のガス温度をさらに下げることができます。同時に、強力な空冷方式の助けを借りて、高温材料の強度、信頼性、寿命に一定の利点が達成されています。高温ガスと高速による悪影響を補い、急速な起動や運転条件の急激な変化に適応できます。同じ材料を使用する場合、より強力な冷却効果により、軽量ガスタービンは重量ガスタービンよりも高いガス温度を使用できます。一部の高温部品は、熱膨張係数が小さく、熱伝導性が良く、強度が高いフェライトまたはパーライトで作ることができ、軽量ガスタービンの高温金属のコストを大幅に削減できます。効率面では、軽ガスタービン内部の作動流体の流量が高く、循環が単純であるにもかかわらず、ガス温度と圧力比が高く、流動損失が少ない短い直管と、より効率的なブレード設計の採用により、軽ガスタービンの効率は重ガスタービンの効率を徐々に上回っています。質量慣性、体積慣性、熱慣性の低減は、ユニットの迅速な起動に役立ち、ユニットの動作調整特性も大幅に改善されています。シンプルでコンパクトな装置は、全自動制御に適しています。重ガスタービンの研究開発に重点を置くメーカーは、軽ガスタービンの設計思想を吸収し、ガスタービン産業の発展をさらに促進することができます。5応用プロセスにおけるガスタービンの技術的および経済的性能に関する研究

5.1 ガスタービンの技術的および経済的性能の発展の全体的な状況

近年、高出力火力エンジンは蒸気タービンが主流となっていますが、ガスタービンは蒸気タービンに比べて明らかに軽量・小型であり、プラントの立地選定において水源による制約を受けません。

作動流体の熱力学的特性の分析の面でも、ガスタービンと蒸気タービンの間には大きな違いがあります。蒸気タービンの作動流体の温度はガスタービンよりも低いですが、その圧力は大幅に高くなっています。超高圧は、ユニット構造をより厚くする必要があり、それによって製造コストが増加するなど、一連の問題を引き起こします。過度の圧力によって引き起こされる技術的な問題は、蒸気タービンの経済性の向上をさらに制限します。ガスタービンは、軽量構造を採用することで、設計および製造コストを十分に改善しました。

現在、中小型の熱エンジンは依然として主に内燃機関であり、その中でディーゼルエンジンは最も高い経済性能を持っています。現代のディーゼルエンジンのほとんどはターボチャージャーを使用しており、これは内燃機関とガスタービンの特別な組み合わせと見なすことができます。ガスタービンは構造がコンパクトで、サイズが軽く、操作性はディーゼルエンジンよりも大幅に優れています。ガスタービンの熱効率は比較的低いですが、低品質の燃料を燃焼し、潤滑油とメンテナンスコストを効果的に節約できるため、全体的な運転経済性は徐々にディーゼルエンジンに近づいています。

5.2 ガスタービンの技術的および経済的効率における利点

5.2.1 軽量小型デバイス

同じ出力を前提とすると、ガスタービンユニットの重量と体積は、蒸気タービンや内燃機関のほんの一部にすぎません。そのため、ガスタービンは移動機器、特に構造のコンパクトさに対する要求が高い移動機器の動力ユニットとしてより適しています。ガスタービンは占有面積が小さいため、プラントのインフラストラクチャコストを効果的に節約でき、蒸気タービン発電所よりも大幅に優れています。また、ガスタービン発電所の建設期間は短く、設計から試運転まで数か月しかかからない場合もあります。

5.2.2 燃料適応性が高く、汚染が少ない

ガスタービンは、重油、石炭ガスなどのより安価な燃料を燃焼することができ、さらには原子炉と組み合わせて密閉サイクルガスタービンとして動作させることもできます。同じガスタービンでさまざまな液体またはガス燃料を燃焼させることができ、通常、燃料供給システムに大規模な調整を行う必要はありません。ガスタービンの排出性能は一般に良好です。NOxなどの排出物に対して追加の対策を講じる必要があることを除けば、ユニットは大気汚染にほとんど影響せず、騒音も許容範囲内に抑えられています。

5.2.3 水と潤滑油を効果的に節約

ガスタービンは作動流体として蒸気を使用せず、水冷も使用しません。必要な水が少なく、水不足地域でも連続運転できます。内燃機関とは異なり、ガスタービンの作動流体はユニット内を連続的に流れ、厳密なピストンリングシール装置は必要ありません。部品の摩耗が少なく、潤滑油の量も少なくなります。

5.2.4 迅速な起動と高度な自動化

ガスタービンを冷間状態から始動し、全負荷状態まで加速するまでのプロセスは、通常、数十秒から数分しかかかりません。内燃機関や蒸気タービンが冷間状態から始動し、全負荷状態まで加速するには、数分から数時間かかります。ガスタービンは、極寒でも素早く始動し、自動化の度合いが高く、遠隔制御が容易で、現場で特別な監視要員を必要としません。

5.2.5 迅速なメンテナンスと信頼性の高い操作

ガスタービン設備はシンプルで、シリアル化、標準化、汎用化が容易であり、同時にボックス型構造に設計できるため、検出やメンテナンスが便利で、メンテナンスコストを効果的に節約できます。

6 現段階におけるガスタービンの主な技術開発動向の見通し

6.1 ガスタービン技術開発の全体状況

近年、エネルギーと汚染の問題により、動力機械に対する要求が高まっていますが、これらの要求は互いに矛盾する可能性があります。運転コストを削減するために、ガスタービンは安価な重油を燃焼できますが、重油を燃焼するときに発生する排気ガス汚染はより深刻で、ブレードが腐食しやすいです。そのため、運転中に作動流体の最高温度を適切に制御する必要がありますが、ユニットの熱効率が低下します。効率の低下を補うために、再生器や廃熱ボイラーなどの大型機器が必要になり、製造コストが増加します。

航空から改造された新世代の軽ガスタービンは、作動流体に使用される温度や圧力比などのパラメータが高く、熱効率が向上していますが、このタイプのユニットは通常、軽質燃料しか燃焼できないため、運用コストが増加します。現在、軽ガスタービンでの重質燃料油の使用は、さらに研究中です。

現在、ガスタービンはピーク負荷の分野で広く使用されているほか、徐々に基本負荷も担っています。ガスタービンを基本負荷の動力源として使用する場合、さらに効率を高め、より安価な燃料を使用して汚染を減らし、単位出力を高め、メンテナンスコストを削減する必要があります。ガスタービンを陸上車両の動力源として使用する場合は、ガスタービンの可変運転性能を最適化し、材料と製造プロセスのコストを削減することにも重点を置く必要があります。自動車業界では、自動車の総出力が高く、影響は広範囲に及びます。ガスタービンを動力源とする自動車はまだ広く普及していません。現時点では、ガスタービン車を大規模生産できるようになる前に、ユニットの経済性などの指標を最適化し続ける必要があります。

6.2 ユニット効率の向上

6.2.1 ガス温度を上げる

（1）高温材料の開発。ガスタービンブレードは高温で高速運転し、急激な温度変化に適応する必要があります。ブレード材料が熱応力、熱疲労、熱腐食、クリープに遭遇すると、ユニットの寿命に重大な影響を及ぼします。近年、高温合金の開発により、ガスの最高温度を効果的に上げることができます。ただし、高温合金の耐熱限界を無限に上げることはできません。そのため、現在は主にXNUMXつの対策があります。XNUMXつはブレード表面保護層を使用し、アルミニウム、クロム、複合材料を使用して、重質燃料を燃焼する際の高温腐食耐性を向上させることです。もうXNUMXつは、特殊なセラミックブレードを積極的に開発することです。この分野は現在も継続的に研究されています。

（２）冷却技術の向上
ユニットの正常な動作を確保するためには、ガスタービンの燃焼室とタービンブレードを冷却する必要があります。近年では、フィルム冷却や発散空気冷却など、より高度な冷却方法が採用されています。

6.2.2 ユニット圧力比を上げる

効率を向上させるために、シンプルサイクルガスタービンは、ガス温度を上昇させながら圧力比を高める必要があります。一方では、単段圧力比を高めて遷音速段を使用し、他方では、全機圧力比を高めて、調整可能なガイドベーンとデュアルローターを使用して、圧縮機の動作範囲を広げることができます。

6.2.3 廃熱を有効活用する

ガスタービンの排熱を最大限に活用することで、ユニット全体の効率を効果的に向上させることができます。再生器を使用します。ガスタービンに再生器を使用すると、ユニットの効率を大幅に向上させることができます。現在、高効率で軽量な再生器が開発されています。ガス蒸気複合サイクルを使用します。このタイプの複合発電ユニットは、ガスタービンから排出される排ガスの廃熱を利用して蒸気を加熱し、ユニット全体の効率を向上させることができます。これは、新しく建設された火力発電所の一般的なソリューションです。

6.3 低コストの燃料を使用し、新しいエネルギーを活用し、汚染物質の排出を削減する

重質燃料を燃焼させる前の処理。ガスタービンが重質油を長時間燃焼すると、タービンブレードが腐食しやすくなります。そのため、重質燃料が必要な場合は、ユニットへの悪影響を減らすために燃料を前処理する必要があります。まず、重質油を沈殿させ、濾過し、洗浄して供給する必要があります。

石炭のガス化と液化。ガスタービンは通常、石炭を直接燃焼させることはできませんが、この目標を達成するには、燃焼前に石炭をガス化または液化する必要があります。より低い発熱量のガスを燃焼させる必要がある場合は、燃焼装置も調整する必要があります。同時に、石炭ガスを燃焼させる燃焼装置はサイズが大きく、ガスタービン構造のコンパクトさに影響を与え、石炭灰を適時に清掃する必要があります。

核燃料を使用する。現在、原子炉と組み合わせた密閉サイクルガスタービンも開発中であり、高温ガス冷却炉とヘリウムタービンの組み合わせは有望である。

低公害の高温燃焼室を開発します。新しい燃焼室を設計し、冷却方式を最適化し、それに応じて燃焼プロセスを改善することで、汚染物質の排出を削減できます。

6.4 ユニットパワーを上げる

ガスタービンのユニット出力の増加は、作動流体の温度や圧力などのパラメータによって制限されるだけでなく、ユニットの流量、密度、流路面積によって決まる作動流体の流量によっても影響を受けます。

流路面積を増やす。一方では、ガスタービンのブレード長を長くすることができますが、高速運転時に発生する振動を設計で改善する必要があり、作動流体の3次元流れの影響を考慮する必要があります。他方では、ユニットを並列に組み立てることができ、複数の並列ガス発生器とタービンを使用することで流量を増やすことができます。

作動流体の流量を増やします。超音速コンプレッサやタービンを使用する場合は、作動流体の3次元流れの影響も考慮する必要があります。

作動流体の密度を高めます。現在、閉サイクルソリューションを採用することで作動流体の基本圧力を高めることができ、それにより作動流体の密度が比例して増加し、それによって単位出力が増加します。

6.5 効率的な監視とメンテナンスを実現する

ユニットのリアルタイム監視を強化します。コンピューターによる自動監視を実現し、ユニットの主要部分に一定数の測定ポイントを配置します。シリンダーを開けなくても問題を早期に発見できるため、タイムリーなメンテナンスが実現し、ユニットの信頼度が向上し、事故率も低下します。

ボックス型構造を採用。このような構造を使用すると、メンテナンスプロセスを効果的に簡素化し、ユニットの利用率を向上させることができます。

6.6 変化する動作条件下で効率的な動作を実現する

ガスタービンの運転条件が変動すると、圧縮機の運転性能が低下しやすくなり、ユニット性能の低下につながります。次のような最適化対策を採用できます。
まず、調整可能なステータを使用します。ガスタービンのコンプレッサとタービンは、調整可能なステータを使用することで作動流体の流れを改善し、ユニット性能の低下を軽減することができます。
2 番目に、多軸システムを使用します。分割軸、二重軸、三重軸などの多軸システムを採用することで、さまざまな動作条件下でのユニットの経済性を向上させることができます。
3 番目は、再生器を使用することです。再生器を使用することで、低負荷時のユニットの効率をそれに応じて向上させることができます。
4 番目は、クローズドサイクルを使用することです。クローズドサイクルガスタービンは、流量調整によって動作条件の変化に適応でき、低負荷時の効率低下は比較的小さくなります。

6.7 高度なプロセス技術の採用

ガスタービンブレードはプロファイル設計の要求が高く、耐熱合金は硬度が高く加工が難しいため、ガスタービンブレードの製造には特別なプロセスと設備が必要です。設計と製造のコストを削減するために、真空製錬、方向性結晶化、粉末冶金、セラミック冶金、高速鍛造、ショットピーニング、レーザー加工、CNC加工、爆発成形、高出力スピニング、プラズマ溶射、電子ビーム溶接、アルゴンアーク溶接、レーザー溶接、ろう付けなどの新しいプロセスが積極的に推進され、改善されています。

7まとめ

近年、ガスタービンは急速に発展し、その技術レベルは着実に向上しています。現在、ガスタービンの設計、製造、試験、応用、メンテナンスにはより高い要求が提示されています。このタイプの熱エンジンの徹底的な研究開発を通じて、我が国の経済建設と国防産業の発展をさらに促進することができます。