ガスタービンエンジン

ガスタービンには、< 50hp（37.3 kW）のマイクロタービンから> 25万hp（190 kW）の大型産業用タービンまで、さまざまなサイズがあります。 このページでは、ガスタービンエンジンを中心に、タービンの種類による違いや原動機として適用する場合の留意点などを紹介する。 このサイクルは、

• 断熱圧縮
• 定圧加熱
• 断熱膨張

ガスタービンは、以下の構成要素からなる。

• 空気圧縮機
• 燃焼器
• 空気圧縮機と出力軸を駆動する力を発生させる発電タービン

• 

  Fig.F. 1-単純化されたシンプルサイクル・ガスタービンの図。

  空気は周囲条件で圧縮機入口に入り（ポイント1）、圧縮され（ポイント2）、燃焼システムを通過して燃料と結合し、サイクルの最高温度（ポイント3）まで「発射」される。 加熱された空気は、ガス製造タービン部（ポイント3～5間）で作動流体のエネルギーを取り出して圧縮機を駆動するための動力を発生し、電力タービンで膨張して負荷を駆動する（ポイント7）。 その後、大気中に排気される。 空気圧縮機を十分に回転させ、燃焼器に燃料を噴射して燃焼させるための空気を供給するために、始動装置が使われる。 タービンの連続燃焼サイクルは、タービンローターの連続回転と相まって、他の原動機に比べて可動部や摩耗点が少なく、振動のない運転が可能である。 最高サイクル温度はTRITと呼ばれ、タービンローター入口温度の略である。 API616では、定格出力で連続運転する場合の第1段タービンローター上流のタービン入口温度（TIT）をベンダーの計算による定格焼成温度と定義している。 TRITは、第1段タービンロータの直上流で計算され、冷却空気と第1段ステータベーンの温度低下の計算効果を含んでいます。 ガスタービン、特にコンプレッサの形状とコンプレッサの速度が基本的な空気の質量流量を決定する。 流量を増加させるには回転数を上げる必要がありますが、これは特定の設計における最大連続運転速度に制限されます。 ある回転数において、吸入空気密度を増加させると、質量流量が増加します。

  出力電力に影響を与える主なパラメータは、任意の機械的/空力的設計の速度とTRITである。 これらのパラメータのいずれかを増加させると、ガスタービンの出力容量が増加します。 速度および温度は、以下の要因によって課される制約内で、所望の出力パワーおよび熱率によって決定される場合がある：

  • 部品寿命
  • コスト
  • 技術的実現性

  • 速度制限
  • 温度制限
  • Rating point
  • Site rating
  • 吸気温度
  • タービン効率の向上
  • シンプルサイクル
  • 復熱サイクル
  • 複合サイクル
  • Air inlet system
  • Pressure Drop
  • ノイズ減衰
  • 空気入口
  • 排気
  • ケーシング/ギアボックス/駆動装置
  • ガスタービンの種類
  • Type of duty
  • Aircraft turbine engines
  • 重工業用ガスタービンエンジン
  • 軽工業用ガスタービンエンジン
  • 放射状または環状燃焼器
  • 缶型燃焼器
  • 軸配置
  • 1軸
  • 2軸式
  • パッケージングの程度
  • 排気
  • 窒素酸化物（NOx）
  • 一酸化炭素（CO）
  • 未燃炭化水素（UHC）
  • 二酸化硫黄（SO2）
  • Notewspaper in OnePetro
  • See also

  速度制限

  ガスタービンの回転数が増加するに従って、回転部品に対する遠心力が増加する。 これらの力は回転部品、特に以下の部品の応力を増加させます：

  • ディスク
  • ブレード
  • ディスクへのブレード取り付け

  部品材料はその速度限界に直接比例する応力限界を持っているので超過しないようにすることが望ましいです。 したがって、回転要素の最大連続速度は、次の関数である：

  • ローター幾何学
  • コンポーネント材料特性
  • 安全設計因子

  連続運転に対する最高許容速度です。

  温度制限

  出力パワーを高める一つの方法は、燃料フロー、したがってTRITを増やすことである。 TRITが増加すると、高温部部品はより高い金属温度で動作し、ガスタービンの検査間時間（TBI）が短縮される。 高温部の材料は高温時の応力によって寿命が制限されるため，ある TBI を達成するための最高温度には限界がある． 材料の寿命は温度が高くなると急激に短くなります。 TBIはTRITでの時間と、起動時などの過渡現象におけるTRITの変化率の関数である。 クリープまたは応力破断限界は、その応力レベルと動作温度の関数として材料特性によって確立されます。

  Rating point

  指定周囲条件、ダクト損失、燃料などに対するガスタービン性能を決定するために評価点を設定することが可能です。

  国際標準化機構はその標準条件を次のように定義しています。

  • 59°F

  1.013 bar

  • 60% relative humidity with no losses

  これはさまざまなメーカーとデザインのタービンを比較できる標準評価点になっています。

  Site rating

  サイトレーティングは、特定のサイト条件下におけるガスタービンの基本性能の表明であり、次のようなものがあります。

  • 周囲温度
  • 標高
  • ダクト圧力損失
  • 排気制御
  • 燃料 組成
  • 補助動力取り出し
  • 圧縮機空気取り出し
  • 出力レベル

  例えば、次のような場合です。 周囲温度の上昇により、ガスタービンの設計に影響され出力が低下する。

  吸気温度

  Fig. 3は、ガスタービンの一例について、最適な出力タービン回転数における入口空気温度との関係を示したものである。 3-出力電力対コンプレッサー入口空気温度。

  タービン効率の向上

  シンプルサイクル

  タービンによってガス流から抽出された機械エネルギーのほとんどは、空気コンプレッサーの駆動に必要となり、残りは機械負荷に利用可能です。

  復熱サイクル

  再生サイクルとも呼ばれる復熱サイクルでは、圧縮機の吐出空気は熱交換器または復熱器で予熱され、その熱源はガスタービンの排気ガスである。 排気から伝達されるエネルギーにより、燃料で加えなければならないエネルギー量を減らすことができる。 図4では、2～2′の斜線で示した部分が燃料の節約分である。 定置型レキュペレーターに用いられる主な設計は次の3つである。

  • プレートフィン
  • シェル＆チューブ
  • 主表面

  • 

    Fig.4-Recuperated cycle.（レキュペレーションサイクル

    複合サイクル

    ブレイトンサイクルにスチームボミングサイクルを加えることにより、排熱を利用して追加馬力を生み出し、図5のように共通負荷で使用することも、別の負荷で使用することも可能である。

    • 

      図5-複合サイクル

      Air inlet system

      Inlet Air Filtration.の項参照。 ガスタービンに入る空気の質は、非常に重要な設計上の考慮事項である。 タービン内部の流路や回転翼に堆積物が蓄積するため、タービン効率は時間の経過とともに低下します。 この堆積物は、メンテナンスと燃料消費の増加につながる。

      Pressure Drop

      タービンを通過する空気の圧力損失を最小にすることが重要です。 入口ダクト 入口エアフィルター 入口サイレンサー（下記のノイズ減衰を参照）

      タービンに入る大気中の空気の圧力損失は、ガスタービンの性能に大きく影響する

      ノイズ減衰

      ガスタービンによって生じるノイズは主に高周波領域であり、これは、往復動エンジンなどの低速原動機の出す低周波ノイズほど遠くには伝わらない。 タービンが発生する高周波騒音のほとんどは空気入口から発生し、排気から発生する騒音は少ない。 騒音源と減衰方法は次のとおりです。

      空気入口

      入口消音器は、ガスタービンの騒音プロファイルと現場の要件に合わせて特別に設計する必要があります。

      排気

      排気サイレンサーは、ガスタービンの騒音プロファイルと現場の要件に合わせて特別に設計する必要があります。 サイレンサーと連動した排気筒の高さは重要な考慮点である。 高温の排気ガスをできるだけ高く排出することで、地上レベルで測定可能な騒音を低減し、さらに高温の排気が空気吸入口に再循環する可能性を低減するという利点もある。 タービンの排気における圧力損失（背圧）は、ガスタービンの性能に大きく影響します。

      ケーシング/ギアボックス/駆動装置

      音響減衰エンクロージャは、スキッドマウントのウォークインエンクロージャなど装置の上に直接設置するか、要件を満たすように絶縁された装置を含む建物、またはその両方を設置することができます。 これらはファンの騒音を発生させますが、ファンの先端速度で制御することができます。 冷却媒体があればシェル＆チューブ水冷式クーラーを使用することで騒音を抑えることができます。

      ガスタービンの種類

      タービンの設計を区別することができる。

      • Type of duty
      • Combustor types
      • Shaft configuration
      • Degree of packaging

      Type of duty

      Aircraft turbine engines

      Aircraft turbine engine or jet engines are designed with highly sophisticated construction for light weight specifically for powering aircraft.A 航空機用のタービンエンジンは軽量化のため、高度に洗練された構造で設計されました。 これらの設計は、最小の重量と最大の燃料効率で最大の馬力または推力を必要とします。 航空機用タービンは、ローラーベアリングと高い燃焼温度を持ち、エキゾチックな冶金学が必要です。 また、使用できる燃料のバリエーションも限られている。

      重工業用ガスタービンエンジン

      重工業用ガスタービンエンジンの基本設計パラメータは、ジェットエンジンよりも遅い回転数、重いローター、大きなケースで長寿命を保証する工業用蒸気タービンから発展したものである。

      軽工業用ガスタービンエンジン

      航空機用タービンで使用されている基本設計パラメータと技術を重工業用ガスタービンの設計側面の一部と組み合わせることにより、重工業用ガスタービンに近い寿命を持つ軽量の産業用タービンを製造することができます。 燃焼器の種類

      放射状または環状燃焼器

      この燃焼器はガスタービン回転部を取り囲み、エンジンケーシングと一体になっている（図6）。

      • 

        図6-典型的なガスタービンの断面。

        缶型燃焼器

        回転するタービンと分離して外部燃焼缶とする単燃焼あるいは多燃焼システム（図7）である。 2926>

        • 

          図7-燃焼器付きガスタービン（切断面）。

          軸配置

          1軸

          ガスタービンには1軸と2軸のものがあり、1軸の場合、燃焼室が2つある。 1軸型は、空気圧縮機、ガス製造タービン、発電タービンを1つの回転体として連結したものである（図1）。

          2軸式

          2軸式は、エアコンプレッサとガスプロデューサを1軸に、パワータービンを独立した2軸に配置したもので、一定周波数の電気発電機を駆動するような定速用途に最も適しています。 この設計は、より効率的に被駆動機器の広い性能マップをカバーするために必要な速度の柔軟性を提供します。 これにより，遠心式コンプレッサやポンプなどの被駆動機器が必要とする馬力を発生させるために必要な回転数でガスプロ デューサを動作させることができる． 図6に代表的な2軸ガスタービンのカットアウェイ図を示す． 主な構成要素として，圧縮機，燃焼装置，ガス生成タービン，出力タービンがある． この設計では、2段のガス生成タービンおよび2段の電力タービンを含む。

          パッケージングの程度

          産業界で使用されるほとんどのガスタービンは、ガスタービンを基本動作単位に必要なすべてのコンポーネントとベースフレーム/スキッドに組み込むことが主流である。 これには、

          • 起動システム
          • 燃料システム
          • 潤滑システム
          • ローカルコントロール
          • いくつかのケースではギアボックスと駆動装置

          追加の動作に必要なシステムは、一般的にすべて個別の事前設計パッケージシステムで、タービンメーカーによって提供、カスタマイズすることができるものです。 このカテゴリーに含まれるのは、以下のようなシステムである。

          • 吸気フィルタ／サイレンサー
          • オイルクーラー
          • リモートコントロールシステム
          • 防音カバー
          • 排気サイレンサー

          排気

          ガス状汚染物による大気劣化は環境問題の一つとなっています。 ガスタービンは基本サイクル設計により、他の原動機に比べて燃焼がクリーンで汚染物質の発生が少ないことが大きな利点である。 ガスタービンは、窒素酸化物

        • 一酸化炭素
        • 未燃炭化水素
        • 微粒子
        • 二酸化硫黄

        これらの汚染問題のすべてではないが、いくつかの解決策はガスタービン燃焼器の中にある。 2926>

        窒素酸化物（NOx）

        7つの窒素酸化物のうち、2つだけが規制されています。 NOとNO2であり、これらを総称してNOxと呼ぶ。 原動機に関するほとんどすべての排出問題は、NOx生成とNOx制御に関するものである。 ガスタービンは、他の原動機に比べて比較的クリーンである。 例えば、天然ガスを燃焼させるガスタービンは、単位出力当たりのNOx発生量がレシプロエンジンの4～12倍と少ない。 しかし、NOxはガスタービンの設置を許可する主な要因である。

        一酸化炭素（CO）

        COも燃焼過程で空気が過剰なため、タービン排気では非常に低いレベルである。 したがって、通常は問題にならない。 しかし、COの周囲レベルが非常に高い地域や、ガスタービンのNOx制御のために水噴射を行っている場合、COが許可取得の要因となることがあります。

        未燃炭化水素（UHC）

        UHCを大量に生成する往復動エンジンと違い、ガスタービンでは大量の過剰空気によってほぼすべての炭化水素を完全に燃焼させるのでUHC生成量が少なくなっています。 その結果、UHC排出がガスタービンの環境許可を得るための重要な要因になることはほとんどありません。 ガスタービンでクリーンな燃料が燃焼される場合、このことがガスタービンの許可を得る要因になることはほとんどありません。

        二酸化硫黄（SO2）

        ガスタービンを含むほとんどすべての燃料燃焼機器は、燃料に含まれるすべての硫黄をSO2に変換しています。 このため、SO2はタービンの特性に関連した問題ではなく、燃料の問題となる。 燃料に含まれる硫黄の量を制限するか、ウェットスクラビングプロセスによって排ガスからSO2を除去することが、SO2を制御する唯一の効果的な方法である。 ドライ・エミッション・システムは、リーン・プレミックス燃料噴射装置、特殊燃焼技術、および最大火炎温度を低くし炭化水素燃料をより完全に酸化させることによって NOx および CO の排出を削減する制御装置によって開発されてきた。 産業用ガスタービンの各メーカーは、乾式低エミッション製品を開発しています。

        これらの希薄燃焼システムは、NOxとCOの生成を非常に低いレベルまで低減するため、NOxとCOが生成された後にそれらを除去するための高価でメンテナンスの必要な触媒コンバータを使用する必要がない。 極端な高濃度汚染地域では、NOxとCOのレベルをさらに下げるために選択的触媒コンバーターを使用する必要があるガスタービンもある。 ガスタービンの燃料は、最もクリーンな排気を生成するクリーンな乾燥天然ガスが選ばれます。 この熱を回収して、燃焼した燃料の全体的な熱効率を高めるために利用することができる。 排熱利用の最も一般的な方法は蒸気の生成である。

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        See also

        原動機

        往復機関

        PEH:Prime_Movers