空気から電力へ：ガスタービンエンジンの理解

ガスタービンの動作原理

タービンによって駆動されるコンプレッサーは、大気から継続的に空気を取り込み、圧縮してその圧力を高めます。圧縮された空気は燃焼室に送られ、注入された燃料と混合して燃焼します。高温の燃焼ガスとなった後、タービンに流れ込み、膨張して作業を行います。作業が終わった後の燃焼ガスの圧力は大気圧まで低下し、大気に放出されます。

したがって、ガスタービンの主要な3つの部分は、コンプレッサー、燃焼室、およびタービンです。

軸流式コンプレッサーには多くの羽根があり、形状はプロペラの羽根に似ていますが、「可動羽根」と「固定羽根」に分かれています。可動羽根はプロペラのように回転し、回転中に空気流を後方に押し出します。このとき、空気流の圧力が上がり、温度も上昇します。

静止羽根の機能は、可動羽根の動作によって生成された回転する気流をガイドし、それを再び軸方向に戻して次のロータセットに正しい角度で入力させることです。通常、可動羽根と静止羽根が交互に配置されており、可動羽根と静止羽根の1セットを「ステージ」と呼びます。

さらに、遠心圧縮機があります。これは、インペラの回転によって発生する遠心力を用いて気流を外側に押し出し、圧縮効果を生成します。単段の遠心圧縮機は、数段の軸圧縮機に相当する圧縮比を持ち、小型ガスタービンにとって優れた選択肢となります。

燃焼室は、燃料の化学エネルギーを熱エネルギーに変換し、圧縮機によって押し込まれた高圧の空気を高温に加熱して、それがタービンで膨張して作業を行うようにします。燃料は液体燃料（例えばガソリン）またはガス燃料（例えば天然ガス）です。

燃焼室ケースの前方には圧縮機へ続く空気入口があり、後方にはタービンへ続く高温ガス出口があります。

タービンの役割は、高温高圧の燃焼ガスに含まれるエネルギーを機械的エネルギーに変換することです。

現在、多くの軸流タービンが使用されており、その特徴は高出力、大流量、高効率です。遠心タービンは放射状流れのタービンであり、主に一部の小出力ガスタービンで使用されます。

ガスタービンは、燃料のエネルギーを有用な作業に変換するために、作動流体として連続的に流れているガスを使用してインペラを高速で回転させる内燃機関です。これは回転インペラ式熱機関です。

ガスタービンにおける空気とガスの主なプロセスでは、通常「単純サイクル」と呼ばれる圧縮機、燃焼室、ガスタービンという3つの主要部品から成るガスタービンサイクルのみが存在します。ほとんどのガスタービンはこの単純サイクル方式を使用しています。

圧縮機は外部の大気環境から空気を取り込み、軸流圧縮機を通じて段階的に圧縮し、圧力を高めます。同時に空気の温度も上昇します。圧縮された空気は燃焼室に送られ、注入された燃料と混合され、燃焼して高温高圧のガスを生成します。その後、このガスはタービンに進入し、膨張しながら仕事を行い、タービンを駆動し、圧縮機と外部負荷ロータを高速で回転させ、ガスまたは液体燃料の化学エネルギーを部分的に機械的作業に変換し、電気エネルギーを出力します。タービンから排出される排気ガスは大気に放出され、自然に熱を放散します。このようにして、ガスタービンは燃料の化学エネルギーを熱エネルギーに変換し、その一部を機械的エネルギーに変換します。通常、ガスタービンでは、圧縮機はタービンの膨張仕事によって駆動され、これはタービンの負荷となります。単純サイクルでは、タービンが生成する機械的仕事の約1/2から2/3が圧縮機を駆動するために使用され、残りの1/3の機械的仕事が発電機を駆動するために使用されます。ガスタービンを起動する際には、まず外部電源が必要です。一般的に、スターターが圧縮機を駆動し、ガスタービンが生成する機械的仕事が圧縮機が消費する機械的仕事よりも大きくなるまで運転します。その後、外部スターターが切り離され、ガスタービンは独立して動作します。