ガスタービンと蒸気タービンの比較

タービンは、ターボ機械の一種で、流れる流体のエネルギーをローター機構によって機械的エネルギーに変換する機械である。一般に、タービンは流体の熱エネルギーや運動エネルギーを仕事に変換する。ガスタービンや蒸気タービンは、作動流体のエンタルピー変化によって仕事が発生する、つまり圧力という流体の位置エネルギーが機械エネルギーに変換される熱ターボ機械である。

タービンは流体の流れる方向によって、軸流型と径流型に分けられる。技術的には、タービンはコンプレッサーの動作とは対照的に、圧力の減少によって機械的な仕事の出力を提供する膨張機である。この論文では、多くの工学的用途でより一般的に使用されている軸流タービンに焦点を当てます。

軸流タービンの基本的な構造設計は、流体を連続的に流しながらエネルギーを取り出すことを可能にします。熱タービンは、高温高圧の作動流体が、回転円盤に取り付けられた傾斜翼からなる一連のローターを通過する。各ローターディスクの間には、流体の流れのノズルとガイドとして機能する静止ベーンが取り付けられています。

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蒸気で機械的な仕事をするという発想は古くからあったが、現代の蒸気タービンは1884年にイギリスのエンジニア、チャールズ・パーソンズ卿が設計したものである。

蒸気タービンは、ボイラーから出る加圧された蒸気を作動流体として使用する。タービンに入った過熱蒸気は、ローターブレードを流れる間に圧力（エンタルピー）を失い、ローターブレードが接続されているシャフトを駆動します。蒸気タービンは、滑らかで一定の速度で動力を供給し、レシプロエンジンよりも熱効率が高い。蒸気タービンは高速で運転するのが最適です。

厳密に言えば、タービンは発電に使われるサイクル動作の一要素に過ぎず、理想的にはランキンサイクルでモデル化される。ボイラー、熱交換器、ポンプ、コンデンサーも運転の一部であるが、タービンの一部ではない。

現代では、蒸気タービンの主な用途は発電だが、20世紀初頭には船舶や機関車のエンジンのパワーユニットとして使用されていた。例外として、航空母艦や潜水艦など、ディーゼルエンジンが実用化されていない船舶の推進システムには、現在も蒸気機関が使用されているものがある。

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ガスタービンエンジンとは、空気などのガスを作動流体とする内燃機関の一種で、ガスタービンと呼ばれる。ガスタービンの熱力学的な理想的なモデルは、ブライトンサイクルである。

ガスタービンエンジンは、蒸気タービンとは異なり、圧縮機、燃焼室、タービンの3つの主要部品が回転軸に沿って組み合わされ、内燃機関のさまざまな仕事をこなすものである。入口から入ったガスは、まず軸流圧縮機で圧縮される。これは、単純なタービンとは全く逆の原理である。加圧されたガスは、ディフューザー（分岐ノズル）ステージに導かれ、そこでガスは速度を失うが、温度と圧力はさらに上昇する。

次の段階で、ガスは燃焼室に入り、燃料はガスと混合され点火される。燃焼の結果、ガスの温度と圧力は信じられないほど高くなる。そして、このガスがタービン部を通過する際に、シャフトに対して回転運動を発生させる。平均的なガスタービンの軸回転数は10,000rpmまで、小型のガスタービンはその5倍程度になることもある。

ガスタービンは、トルク（軸回転）、スラスト（高速排気）、またはその両方を発生させることができる。最初のケースは、蒸気タービンのように、シャフトによって伝達される機械的な仕事は、高温高圧のガスのエンタルピー（圧力）の変換に過ぎない。軸の仕事の一部は、内部機構を介してコンプレッサーの駆動に使われます。このガスタービンは主に発電用として使用されるが、戦車や自動車などの車両の動力装置としても使用できる。アメリカのM1エイブラムス戦車は、パワーユニットにガスタービンエンジンを採用しています。

第二のケースは、高圧ガスを収束ノズルから導いて速度を上げ、排気ガスで推力を発生させるものである。このタイプのジェット戦闘機用エンジンは、しばしばジェット・ジェット・エンジンと呼ばれる。この世代のターボプロップエンジンでは、ターボプロップとエンジンの組み合わせが採用されています。

ガスタービンには、特定の用途に特化したさまざまなタイプがあります。他のエンジン（主にレシプロエンジン）に比べ、高出力重量比、低振動、高速運転、高信頼性などの利点がある。廃熱は排気ガスでほぼ完全に放散される。発電工程では、この廃熱エネルギーで水を沸騰させ、蒸気タービンを駆動させる。これをコンバインドサイクル発電という。

蒸気タービンとガスタービンの違いは何ですか？

蒸気タービンは高圧の蒸気を作動流体とし、ガスタービンは空気などの気体を作動流体とする。

-蒸気タービンはトルクを仕事とする膨張機関であり、ガスタービンは圧縮機、燃焼室、タービンの一体型で、トルクまたは推力仕事を伝達するための循環運転を行うものである。

-蒸気タービンはランキンサイクルの一工程を担う部品に過ぎませんが、ガスタービンエンジンはブライトンサイクル全体を担っています。

-ガスタービンはトルクとスラストのどちらかを運転出力として出すことができますが、蒸気タービンはほとんどの場合トルクを運転出力として出します。

-ガスタービンは蒸気タービンに比べて運転温度が高いため、効率が非常に良い。(ガスタービンは約1500℃、蒸気タービンは約550℃）。

-ガスタービンは、蒸気タービンの運転に必要なボイラーと熱交換器を必要とし、熱を加えるために外部に接続する必要があるのに比べて、必要なスペースが非常に小さい。