ガスタービン

高温・高圧の燃焼ガスを利用して回転動力を得る熱機関で、発電・航空・産業分野で中核的な動力源として使用される。

ガスタービン

概要

ガスタービン（Gas turbine）は、空気を圧縮し燃料と混合して燃焼させた高温・高圧のガスでタービンを回転させ、機械的エネルギーを得る内燃機関である。ジェットエンジンの原理と同一であり、発電用・航空用・産業用に広く活用される。高出力密度と高速起動性が利点である一方、部分負荷効率が低く、高温部品の耐久性問題が課題である。

主な内容

動作原理

ガスタービンはブレイトンサイクル（Brayton cycle）に基づく。空気が圧縮機（compressor）で高圧に圧縮され、燃焼器（combustor）で燃料と混合されて燃焼する。この高温・高圧の燃焼ガスがタービン（turbine）を通過して膨張し、回転力を発生させる。タービンから出た排気ガスは、さらなる動力を得たり、熱回収装置を通じて蒸気を生産する複合発電に活用される。

主要構成要素

圧縮機: 軸流型または遠心型で空気を10～30倍に圧縮する。多段構造で効率を高める。
燃焼器: 燃料（天然ガス、軽油、水素など）を空気と混合して燃焼させ、火炎温度は1500～1700°Cに達する。希薄燃焼技術でNOx排出を低減する。
タービン: 高温ガスの膨張で回転力を得る中核部品。単結晶超耐熱合金、熱遮蔽コーティング（TBC）が適用される。
排気システム: 排気ガスを大気に放出するか、熱回収蒸気発生器（HRSG）に送る。

種類

中型・大型ガスタービン: 50～600MW級発電用。複合発電効率60%以上。GE、Siemens、Mitsubishi Powerなどが主要メーカー。
航空用ガスタービン（ターボファン、ターボジェット）: 推力中心設計、軽量化・高温化が進化。
産業用小型ガスタービン: 1～50MW、熱電併給（CHP）、海洋プラント、パイプライン圧縮機駆動。
マイクロガスタービン: 30～300kW、分散電源・ハイブリッド車用。

効率と性能

単純サイクル効率は30～40%程度だが、複合発電（ガスタービン＋蒸気タービン）で60%以上達成可能。最新のH級・J級タービンはタービン入口温度1600°C以上、圧縮比23:1以上。部分負荷効率低下を補うため、可変入口案内翼（IGV）などを採用。

長所と短所

長所: 高速起動（数分で定格到達）、高出力密度、燃料多様性（天然ガス、水素、バイオガス）、低初期投資（石炭火力比）。

短所: 部分負荷効率が低い、高温部品寿命制限（定期交換必要）、騒音・排出ガス（NOx、CO2）問題。

応用分野

発電: ベース・ピーク負荷発電、再生可能エネルギー変動補完（バックアップ電源）。
航空: 民間機・軍用機推進。
産業: 化学・精油プラント動力、LNG液化・再ガス化。
海洋: 船舶推進（COGAS、CODLAG）。
軍事: 戦車（M1 Abrams AGT1500）、艦艇。

ガスタービン