ガスタービンエンジン

ガスタービンの構成例：（1）ターボジェット、（2）ターボプロップ、（3）ターボシャフト（発電機として表示）、（4）高バイパスターボファン、（5）低バイパスアフターバーナーターボファン

ガスタービンエンジン、または非公式にはガスタービンは、連続流内燃機関の一種です。[ 1 ]すべてのガスタービンエンジンに共通する主要部品は、発電部分（ガスジェネレータまたはコアとして知られています）を形成し、流れの方向に次のとおりです。

ガス発生器には、用途に合わせて追加コンポーネントを取り付ける必要があります。共通なのは空気取り入れ口ですが、海洋での使用、陸上での使用、または静止から超音速までのさまざまな速度での飛行の要件に合わせて構成が異なります。飛行用の推力を生成するために推進ノズルが追加されます。亜音速飛行速度での燃料消費量を削減するため (推進効率を高めることによって)、プロペラ (ターボプロップ) またはダクテッドファン (ターボファン) を駆動するための追加のタービンが追加されます。ヘリコプターのローターまたは陸上車両のトランスミッション (ターボシャフト)、船舶用プロペラ、または発電機 (パワータービン) を駆動するための追加のタービンも必要です。飛​​行用の推力重量比を高めるために、アフターバーナーを追加します。

ガスタービンの基本的な動作は、空気を作動流体とするブレイトンサイクルです。大気中の空気がコンプレッサを通過して圧力を高めます。次に、燃料を空気中に噴霧して点火することでエネルギーが追加され、燃焼により高温の流れが生成されます。この高温の加圧ガスがタービンに入り、その過程で軸仕事出力が生成され、コンプレッサを駆動するために使用されます。未使用のエネルギーは排気ガス中に放出され、ターボジェットエンジンで直接推力を発生させたり、ファン、プロペラ、発電機に接続できる2つ目の独立したタービン (パワータービン) を回転させたりするなど、外部仕事に再利用できます。ガスタービンの目的によって、推力と軸仕事の間で最も望ましいエネルギー分割が達成されるように設計が決定されます。ガスタービンは同じ空気を再利用しない オープンシステムであるため、ブレイトンサイクルの4番目のステップ (作動流体の冷却) は省略されます。

ガスタービンは、航空機、列車、船舶、発電機、ポンプ、ガス圧縮機、タンクなどの動力源として使用されています。[ 2 ]

開発のタイムライン

ジョン・バーバーのガスタービンのスケッチ（彼の特許より）

動作原理

ブレイトンサイクル

理想ガスタービンでは、ガスは4つの熱力学的過程、すなわち等エントロピー圧縮、等圧（定圧）燃焼、等エントロピー膨張、そして等圧放熱を経ます。これらが組み合わさって、ブレイトンサイクル（ 「定圧サイクル」とも呼ばれます）を構成します。[ 26 ]ブレイトンサイクルは、すべての過程（圧縮、点火燃焼、排気）が同時に連続的に発生するという点で、オットーサイクルと区別されます。 [ 26 ]

実際のガスタービンでは、ガスが圧縮される際（遠心圧縮機または軸流圧縮機）、機械エネルギーは（内部摩擦と乱流により）圧力と熱エネルギーに不可逆的に変換されます。燃焼室に熱が加えられ、ガスの比容積が増加し、それに伴ってわずかな圧力低下が発生します。タービン内のステーターとローターの通路を通る膨張時に、再び不可逆的なエネルギー変換が発生します。この際、熱が排出される代わりに、新鮮な空気が取り込まれます。

空気は、軸流式または遠心式、もしくはこの2つを組み合わせたガス発生器と呼ばれるコンプレッサによって取り込まれます。 [ 26 ]次に、この空気は、環状、缶型、または缶環状設計の燃焼器セクションに送られます。[ 26 ]燃焼器セクションでは、コンプレッサからの空気の約70%が冷却のために燃焼器自体の周囲に送られます。[ 26 ]残りの約30%の空気は燃料と混合され、すでに燃焼している空気と燃料の混合物によって点火され、次に膨張してタービン全体に電力を生成します。[ 26 ]この膨張した混合物は燃焼器セクションを出て、タービンセクション全体で速度が上昇し、タービンブレードに衝突して、ブレードが取り付けられているディスクを回転させ、有用な電力を生成します。生成された電力の60～70%は、ガス発生器の駆動にのみ使用されます。[ 26 ]残りの電力は、エンジンの用途、典型的には航空用途、ターボジェットの推力、ターボファンのファン、ターボシャフトのローターまたは付属品、ターボプロップのギア減速機およびプロペラの駆動に使用される。[ 27 ] [ 26 ]

エンジンに産業用発電機やヘリコプターのローターを駆動するためのパワータービンが追加されている場合、出口圧力は入口圧力に可能な限り近くなり、排気ダクトにおける圧力損失を克服して排気ガスを排出するのに十分なエネルギーのみが残ります。ターボプロップエンジンでは、プロペラ出力とジェット推力の間に特定のバランスがあり、最も経済的な運転が可能になります。ターボジェットエンジンでは、コンプレッサーなどの部品を駆動するのに十分な圧力とエネルギーのみが流れから抽出されます。残りの高圧ガスはノズルを通して加速され、航空機を推進するジェットを発生させます。

エンジンが小型化すればするほど、必要なブレード先端速度を得るためには、シャフトの回転速度を高くする必要があります。ブレード先端速度は、タービンとコンプレッサーで得られる最大圧力比を決定します。これは、エンジンで得られる最大出力と効率を制限します。先端速度を一定に保つためには、ローターの直径を半分に縮小した場合、回転速度を2倍にする必要があります。例えば、大型ジェットエンジンは約10,000～25,000 rpmで動作しますが、マイクロタービンは500,000 rpmという高速で回転します。[ 28 ]

機械的には、ガスタービンはレシプロエンジンよりもかなり単純です。シンプルなタービンには、コンプレッサー/シャフト/タービンローターアセンブリという1つの主要な可動部品と、燃料システム内の他の可動部品があります。これは価格に影響します。例えば、 材料費が10,000 ℛℳのユンカース 213ピストンエンジン（35,000  ℛℳ）よりも安価であることが証明されました。 [ 29 ]また、完成までに要した低技能労働時間（製造、組立、出荷を含む）はわずか375時間でした。一方、BMW 801は1,400時間でした。[ 30 ]しかし、これは効率と信頼性の低下にもつながりました。より高度なガスタービン（現代のジェットエンジンや複合サイクル発電所に見られるものなど）は、2軸または3軸のシャフト（スプール）、数百枚の圧縮機ブレードとタービンブレード、可動ステーターブレード、そして燃料、オイル、空気システム用の長い外部配管を備えている場合があります。また、耐熱合金を使​​用し、精密な製造が求められる厳しい仕様に基づいて製造されています。こうした理由から、単純なガスタービンの構造はピストンエンジンよりも複雑になることがよくあります。

さらに、現代のガスタービン発電所で最適な性能を発揮するには、ガスを正確な燃料仕様に合わせて調整する必要があります。燃料ガス調整システムは、タービンに流入する前に、圧力、温度、ガス組成、そして関連するウォッベ指数に関して、天然ガスを正確な燃料仕様に達するように処理します。

ガスタービンエンジンの主な利点は、その出力対重量比です。比較的軽量なエンジンでありながら、大きな有効仕事量を生み出すことができるため、ガスタービンは航空機の推進力として最適です。

スラスト軸受とジャーナル軸受は設計において重要な部品です。これらは流体動圧油軸受または油冷転がり軸受です。フォイル軸受はマイクロタービンなどの小型機械に使用されており[ 31 ] 、小型ガスタービンや補助動力装置にも大きな可能性を秘めています[ 32 ]。

クリープ

タービン設計、特にタービンブレードにおける大きな課題は、運転中に生じる高温と応力によって引き起こされるクリープを低減することです。効率向上のため、より高い運転温度が常に求められていますが、それにはクリープ速度の上昇という代償が伴います。そのため、クリープを抑制しながら最適な性能を達成するための様々な手法が採用されており、最も効果的なのは高性能コーティングと単結晶超合金です。[ 33 ]これらの技術は、転位すべり、転位上昇、拡散流動に大別できるメカニズムによって生じる変形を抑制することで機能します。

保護コーティングは、ブレードの断熱性を高め、酸化および腐食に対する耐性を高めます。遮熱コーティング（TBC）は安定化ジルコニウム二酸化ケイ素ベースのセラミックであることが多く、耐酸化/腐食コーティング（ボンドコート）は一般にアルミナイドまたはMCrAlY（Mは通常Feおよび/またはCr）合金で構成されます。TBCを使用すると、超合金基材の温度暴露が制限されるため、合金内の活性種（通常は空孔）の拡散性が低下し、転位および空孔クリープが軽減されます。1～200 μmのコーティングで、ブレードの温度を最大200 °C（392 °F）下げることができることが分かっています。[ 34 ] ボンドコートは、パック浸炭法を使用して基材の表面に直接塗布され、TBCの密着性向上と基材の耐酸化性向上という2つの目的を果たします。ボンドコートからのAlはTBCとボンドコートの界面でAl2O3を形成し、耐酸化性を提供しますが、同時にそれ自体と基材の間に望ましくない相互拡散（ID）ゾーンの形成をもたらします。[ 35 ]耐酸化性はIDゾーンに関連する欠点を上回り、ブレードの寿命を延ばし、ブレードの外側への蓄積によって引き起こされる効率損失を制限します。[ 36 ]

ニッケル基超合金は、その組成と結果として生じる微細構造により、強度とクリープ耐性が向上しています。ガンマ (γ) FCC ニッケルは、アルミニウムおよびチタンと合金化され、一貫性のあるNi 3 (Al,Ti)ガンマプライム (γ') 相の均一な分散を析出させます。細かく分散した γ' 析出物は転位の動きを妨げ、閾値応力を導入して、クリープの開始に必要な応力を増加させます。さらに、γ' は規則的な L1 2相であるため、転位がそれを通り抜けるのが困難です。[ 37 ]さらに、レニウムやルテニウムなどの耐火元素を固溶体に加えると、クリープ強度を向上させることができます。これらの元素を添加すると、ガンマプライム相の拡散が減少し、疲労耐性、強度、クリープ耐性が維持されます。[ 38 ]単結晶超合金の開発により、クリープ耐性も大幅に向上しました。単結晶は粒界がないため、コーブルクリープが抑制され、結果として変形モードが少なくなり、クリープ速度が低下します。[ 39 ]単結晶は高温でのクリープは低くなりますが、ホール・ペッチの関係で強度が決まる室温では降伏応力が大幅に低くなります。低温降伏強度を低下させず、高温クリープを抑制する設計パラメータを最適化するには注意が必要です。

種類

ジェットエンジンの種類

ジェットエンジン

典型的な軸流式ガスタービン・ターボジェットであるJ85を断面で展示しています。流れは左から右へ、左に多段圧縮機、中央に燃焼室、右に二段タービンがあります。

エアブリージングジェットエンジンは、排気ガス、またはガスタービンに接続されたダクテッドファンから推力を得るように最適化されたガスタービンです。 [ 40 ] [ 41 ]排気ガスの直接的な衝撃から推力を得るジェットエンジンは、しばしばターボジェットと呼ばれます。多くの軍隊や民間航空機で現在も運用されていますが、ターボジェットは燃費効率が低く、騒音が大きいため、ターボファンエンジンに取って代わられ、ほとんどが段階的に廃止されています。 [ 26 ]ダクテッドファンを追加して推力を得るエンジンは、ターボファン、または（まれに）ファンジェットと呼ばれます。これらのエンジンは、推力の約80%をエンジン前面から見えるダクテッドファンによって得ています。低バイパスターボファンと高バイパスの2種類があり、違いはファンによって移動される空気の量、つまり「バイパス空気」です。これらのエンジンは、余分な燃料を消費することなく、より大きな推力を得られるという利点がある。[ 26 ] [ 27 ]

ガスタービンは多くの液体燃料ロケットにも使用されており、ガスタービンでターボポンプを駆動することで軽量の低圧タンクの使用を可能にし、ロケットの空重量を軽減しています。

ターボプロップエンジン

ターボプロップエンジンは、タービンセクションの高い動作速度（多くの場合、数万）を、効率的なプロペラ動作に必要な低い数千に変換する減速ギアを使用して航空機のプロペラを駆動するタービンエンジンです。ターボプロップエンジンを使用する利点は、タービンエンジンの高い出力対重量比を使用してプロペラを駆動することで、より強力でありながら小型のエンジンを使用できることです。[ 27 ]ターボプロップエンジンは、ピラタスPC-12などのビジネス航空機、ビーチクラフト1900などの通勤航空機、セスナ208キャラバンやデ・ハビランド・カナダ・ダッシュ8などの小型貨物機、エアバスA400M輸​​送機、ロッキードAC-130、ツポレフTu-95戦略爆撃機などの大型航空機（通常は軍用）に幅広く使用されています。軍用ターボプロップエンジンは多種多様ですが、民間市場では主に2種類のエンジンが使用されています。プラット・アンド・ホイットニー・カナダ PT6（フリータービンターボシャフトエンジン）とハネウェル TPE331 （固定タービンエンジン、以前はギャレット AiResearch 331 と呼ばれていました）です。

航空機転用型ガスタービン

発電所アプリケーションにおけるLM6000

航空転用型ガスタービンは、一般的に既存の航空機用ガスタービンエンジンをベースとしており、産業用ガスタービンよりも小型で軽量です。[ 42 ]

航空転用型は、産業用機械よりも迅速に停止および負荷変動に対応できるため、発電に利用されています。[ 43 ]また、船舶業界では軽量化のためにも使用されています。一般的な機種としては、ゼネラル・エレクトリックLM2500、ゼネラル・エレクトリックLM6000 、そしてプラット・アンド・ホイットニーPW4000、プラット・アンド・ホイットニーFT4、ロールス・ロイスRB211の航空転用型などがあります。[ 42 ]

アマチュアガスタービン

アマチュアによって使用される、あるいは構築されるガスタービンの数が増えています。

最も単純な形では、これらは軍の余剰品やスクラップヤードの販売で入手した商用タービンであり、エンジン収集という趣味の一環として展示用に稼働させている。[ 44 ] [ 45 ]最も極端な形では、アマチュアが専門家の修理が不可能なほどエンジンを改造し、それを使用して陸上速度記録を競うこともある。

最も単純な自作ガスタービンは、自動車用ターボチャージャーをコア部品として採用する。燃焼室は圧縮機とタービン部の間に設置され、配管される。[ 46 ]

より洗練されたターボジェットも製造されており、その推力と軽量さは大型模型飛行機に動力を供給するのに十分である。[ 47 ]シュレックリングの設計[ 47 ]は、合板、エポキシ、巻かれた炭素繊維ストランドからの 遠心圧縮機ホイールの製造を含め、エンジン全体を原材料から構築する。

現在、いくつかの小規模企業がアマチュア向けに小型タービンとその部品を製造しています。ターボジェットエンジン搭載の模型飛行機のほとんどは、シュレックリングのような自作ではなく、これらの商用または準商用のマイクロタービンを使用しています。[ 48 ]

補助動力装置

小型ガスタービンは、航空機などの大型の移動機械に補助動力を供給する補助動力装置（APU）として使用され、ターボシャフト設計となっています。[ 26 ]供給するものは以下の通りです。

  • エアサイクルマシン式空調および換気用の圧縮空気、
  • 大型ジェットエンジンの圧縮空気始動電力、
  • シャフト付きアクセサリを駆動するためのギアボックスへの機械的（シャフト）動力、および
  • APU から離れた消費デバイスに電気、油圧、その他の動力伝達源を供給します。

発電用産業用ガスタービン

カリフォルニア州の複合サイクルガス火力発電所であるゲートウェイ発電所は、 2 基の GE 7F.04 燃焼タービンを使用して天然ガスを燃焼させます。
GE H シリーズ発電ガスタービン:複合サイクル構成では、最高の熱力学的効率は 62.22% です。

産業用ガスタービンは、フレーム、ベアリング、ブレードの構造が航空機用よりも頑丈である点で異なります。また、電力を供給する機器（多くの場合、発電機）や、残留エネルギー（主に熱）を回収する二次エネルギー装置と、より密接に統合されています。

ガスタービンは、可搬式のモバイルプラントから、専用の建物に設置された100トンを超える大型で複雑なシステムまで、その規模は様々です。ガスタービンを軸動力のみに使用する場合、熱効率は約30%です。しかし、発電するよりも購入する方が安価な場合もあります。そのため、多くのエンジンは、可搬式のコンテナに組み込めるほど小型のCHP（熱電併給発電）構成で使用されています。

ガスタービンは、タービンからの廃熱を排熱回収ボイラ（HRSG）で回収し、複合サイクル構成の従来型蒸気タービンに動力を供給すると、特に効率的になります。 [ 49 ] 605 MWのゼネラルエレクトリック9HAは、温度が1,540 °C（2,800 °F）に達する状態で62.22%の効率を達成しました。[ 50 ] 2018年には、GEは、積層造形と燃焼のブレークスルー の進歩により、826 MW HAの複合サイクルでの効率を64%以上で提供しており、2017年の注文の63.7%から向上しており、2020年代初頭までに65%を達成する予定です。[ 51 ] 2018年3月、GE Powerは7HAタービンで63.08%の総効率を達成しました。[ 52 ]

航空転用型ガスタービンはコンバインドサイクルでの使用も可能で、より高い効率が得られますが、専用に設計された産業用ガスタービンほど高くはありません。また、コジェネレーション構成で運転することも可能です。その場合、排気は暖房や給湯に利用されるか、吸収式冷凍機を駆動して吸気を冷却し、出力を高めます。この技術はタービン吸気冷却と呼ばれます。

もう一つの大きな利点は、数分以内にオン/オフを切り替えることができるため、ピーク時や予定外の需要時に電力を供給できることです。シングルサイクル（ガスタービンのみ）発電所はコンバインドサイクル発電所よりも効率が低いため、通常はピーク時発電所として使用され、電力需要と地域の発電能力に応じて、1日数時間から年間数十時間まで稼働します。ベースロードおよび負荷追従型発電所の容量が不足している地域、または燃料コストが低い地域では、ガスタービン発電所が1日のほとんどの時間定期的に稼働する場合があります。大型のシングルサイクルガスタービンは通常、100～400メガワットの電力を生産し、熱力学的効率は35～40％です。[ 53 ]

機械駆動用産業用ガスタービン

産業用ガスタービンは、機械駆動のみに使用されるか、回収蒸気発生器と併用されます。発電設備とは異なり、小型で、単軸ではなく二軸構造を採用していることが多いです。出力範囲は1メガワットから50メガワットまでです。これらのエンジンは、ポンプまたはコンプレッサーアセンブリに直接、またはギアボックスを介して接続されます。設置の大部分は石油・ガス産業で使用されています。機械駆動アプリケーションにより、効率は約2%向上します。

石油・ガスプラットフォームでは、これらのエンジンがコンプレッサーの駆動に必要であり、油井にガスを注入して別の坑井から石油を汲み上げたり、輸送のためにガスを圧縮したりします。また、プラットフォームへの電力供給にもしばしば使用されます。これらのプラットフォームでは、ガスを非常に低コストで（多くの場合、燃焼ガスを含まない）入手できるため、エンジンをコージェネレーションシステムと連携させる必要はありません。これらの企業は、様々な間隔で流体を陸上やパイプラインに送り出すためにポンプセットを使用しています。

圧縮空気エネルギー貯蔵

近年の開発では、圧縮空気貯蔵装置を用いてコンプレッサーとタービンを分離することで、別の方法で効率向上を図っています。従来のタービンでは、発電電力の最大半分がコンプレッサーの駆動に使用されます。圧縮空気エネルギー貯蔵装置では、電力はコンプレッサーの駆動に使用され、必要に応じて圧縮空気がタービンの駆動に使用されます。

ターボシャフトエンジン

ターボシャフトエンジンは、ガスポンプステーションや天然ガス液化プラントのコンプレッサーを駆動するために使用されます。また、航空分野では、小型を除くすべての最新式ヘリコプターの動力源として、また大型民間航空機の補助動力装置としても使用されています。主軸にはコンプレッサーとタービンが取り付けられており、タービンは燃焼器とともにガスジェネレーターと呼ばれます。ヘリコプターのローターを駆動するには、通常、別個に回転するパワータービンが使用されます。ガスジェネレーターとパワータービン/ローターをそれぞれ独自の速度で回転させることにより、設計の柔軟性が向上します。

ラジアルガスタービン

スケールジェットエンジン

スケールジェットエンジンは、この初期のフルスケールエンジンを縮小したものです。

典型的なスケールジェットエンジン、または小型ガスタービンやマイクロジェットでは、遠心圧縮機が使用されます。

現代のマイクロジェットの先駆者であるクルト・シュレックリングは、世界初のマイクロタービンの一つであるFD3/67を開発した。[ 47 ]このエンジンは最大22ニュートンの推力を生み出すことができ、機械に詳しい人であれば金属旋盤などの基本的な工学ツールがあれば誰でも作ることができる。[ 47 ]

マイクロタービン

ピストンエンジンのターボチャージャー、航空機のAPU、または小型ジェットエンジンから進化したマイクロタービンは、冷蔵庫ほどの大きさの25～500キロワットのタービンです。マイクロタービンの効率は、再生装置なしで約15% 、再生装置ありで20～30%に達し、コジェネレーションでは熱電併給効率85%に達します。[ 54 ]

外燃

ほとんどのガスタービンは内燃機関ですが、実質的には熱風エンジンのタービン版である外燃ガスタービンを製造することも可能です。これらのシステムは通常、EFGT（外燃式ガスタービン）またはIFGT（間接燃焼式ガスタービン）と呼ばれます。

外燃式は、微粉炭や細かく粉砕したバイオマス（おがくずなど）を燃料として用いる目的で利用されてきました。間接式では、熱交換器を用い、燃焼生成物を含まないクリーンな空気のみが発電タービンを通過します。間接式外燃式は熱効率が低いものの、タービンブレードが燃焼生成物にさらされないため、はるかに低品質（つまり安価）な燃料を使用できます。

外燃式燃焼を使用する場合、タービンからの排気を一次燃焼空気として利用することが可能となります。これにより、燃焼排気に伴う熱損失は避けられませんが、全体的な熱損失を効果的に低減できます。

ヘリウムまたは超臨界二酸化炭素をベースにした閉サイクルガスタービンも、将来の高温太陽光発電や原子力発電での使用が期待されています。

地上車両

MAZ-7907、タービン電動パワートレインを備えた輸送起立発射機

ガスタービンは、船舶、機関車、ヘリコプター、戦車などによく使用され、また、自動車、バス、オートバイにも使用されることは少ない。

ジェットエンジンとターボプロップエンジンが航空機の推進力として持つ重要な利点、すなわちピストンエンジン、特に自然吸気エンジンに比べて高高度での性能が優れていることは、ほとんどの自動車用途では無関係です。航空機ほど重要ではないものの、パワーウェイトレシオの優位性は依然として重要です。

ガスタービンは、非常に小型軽量でありながら高出力エンジンを実現します。しかし、車両用途で必要とされる幅広いエンジン回転数と出力範囲において、小型ピストンエンジンほど応答性と効率性に富んでいません。シリーズ式ハイブリッド車では、駆動用電気モーターが発電用エンジンから機械的に分離されているため、応答性、低速時のパフォーマンス低下、低出力時の効率低下といった問題ははるかに軽微です。タービンは出力に最適な回転数で運転でき、バッテリーとウルトラキャパシターが必要に応じて電力を供給し、エンジンのオン/オフを高効率運転時にのみ行います。無段変速機の登場も、応答性の問題を軽減する可能性があるとされています。

タービンの製造コストは歴史的にピストン エンジンよりも高くなっていますが、これはピストン エンジンが数十年にわたって大量に生産されてきたのに対し、小型ガスタービン エンジンは希少であるという理由も一部あります。ただし、タービンはターボチャージャーと密接に関連する形で大量生産されています。

ターボチャージャーは、基本的にコンパクトでシンプルなフリーシャフト式ラジアルガスタービンで、ピストンエンジンの排気ガスによって駆動されます。求心タービンホイールは、共通の回転軸を介して遠心コンプレッサーホイールを駆動します。このホイールは、ウェイストゲート、またはタービンハウジングの形状を動的に変更することで（可変容量ターボチャージャーのように）、エンジンの吸入空気を過給します。ターボチャージャーは主に動力回収装置として機能し、本来であれば無駄になる大量の熱エネルギーと運動エネルギーをエンジンブーストに変換します。

ターボコンパウンドエンジン（一部のセミトレーラートラックに搭載されている）には、ブローダウンタービンが搭載されています。ブローダウンタービンは、設計と外観がターボチャージャーに似ていますが、タービンシャフトが遠心コンプレッサーではなくエンジンのクランクシャフトに機械的または油圧的に接続されている点が異なります。これにより、ブーストではなく、追加のパワーが得られます。ターボチャージャーは圧力タービンですが、動力回収タービンは速度タービンです。

乗用車（自動車、自転車、バス）

ガスタービンを動力源とする自動車の実験は数多く行われており、その中でもクライスラー社による実験が最も大規模である。[ 55 ] [ 56 ]最近では、ハイブリッド電気自動車にタービンエンジンを使用するという関心が高まっている。例えば、マイクロガスタービンメーカーのBladon Jetsが率いるコンソーシアムは、次世代電気自動車用の超軽量レンジエクステンダー（ULRE）を開発するため、技術戦略委員会から投資を確保した。高級車メーカーのJaguar Land Roverや大手電気機械メーカーのSR Drivesを含むこのコンソーシアムの目標は、自動車用途に特化した世界初の商業的に実現可能で環境に優しいガスタービン発電機を生産することである。[ 57 ]

ガソリン エンジンやディーゼル エンジンによく使われるターボチャージャーもタービンの派生品です。

コンセプトカー

1950年型ローバーJET1

自動車へのガスタービン搭載に関する最初の本格的な研究は1946年、ニューヨークのエンジニアリング会社カーニー・アソシエイツのエンジニア、ロバート・カフカとロバート・エンガースタインの二人が、独自のコンパクトなタービンエンジン設計で後輪駆動車に動力を供給するという構想を思いついた時に始まりました。『ポピュラーサイエンス』誌に論文が掲載された後、論文発表の段階を過ぎて、それ以上の研究は行われませんでした。[ 58 ]

初期のコンセプト（1950年代/60年代）

1950年、イギリスの自動車メーカー、ローバー社の設計者F.R.ベルと主任技師モーリス・ウィルクスが、ガスタービンエンジンを搭載した初の自動車を発表しました。2人乗りのJET1は、エンジンが座席の後ろにあり、空気取り入れ口が車体の両側にあり、排気口が尾部の上端にありました。テストでは、タービン回転数50,000rpmで、最高速度140 km/h (87 mph) に達しました。1950年にイギリスとアメリカで公開された後、JET1はさらに開発され、1952年6月にベルギーのヤベケ高速道路で速度試験が行われ、240 km/h (150 mph) を超えました。[ 59 ]この車はガソリン、パラフィン（灯油）、またはディーゼル油で走りましたが、量産車では燃費の問題が克服できないものでした。JET1はロンドン科学博物館に展示されています。

1952年10月のパリモーターショーでは、フランスのタービンエンジン車「ソセマ・グレゴワール」が展示された。この車はフランス人技術者ジャン＝アルベール・グレゴワールによって設計された。[ 60 ]

GM ファイアーバード I

米国で最初に製造されたタービンエンジン搭載車は、 1953年に評価が開始されたGMのファイアーバードIでした。ファイアーバードIの写真を見ると、ジェットタービンの推力で航空機のように推進しているように見えますが、実際にはタービンは後輪を駆動していました。ファイアーバードIは商用乗用車としてではなく、試験・評価と広報目的のためだけに製造されました。[ 61 ] 1953年、1956年、1959年のモトラマ・オートショーに向けて、ガスタービンを搭載したファイアーバードのコンセプトカーがさらに開発されました。GMリサーチ社のガスタービンエンジンは、1953年のターボクルーザーIを皮切りに、一連の路線バスにも搭載されました。 [ 62 ]

1963年式クライスラータービン車のエンジンルーム

アメリカの自動車メーカー、クライスラーは、1954年に改良型プリムスを発売したのを皮切りに、[ 63 ] 1950年代初頭から1980年代初頭にかけて、ガスタービンエンジンを搭載した複数の試作車を発表しました。クライスラーは1963年に50台のクライスラータービンカーを製造し、ガスタービンエンジンを搭載した唯一の一般消費者向け試運転を実施しました。[ 64 ]クライスラーのタービンにはそれぞれ、効率を高める再生器と呼ばれる独自の回転式熱交換器が搭載されていました。 [ 63 ]

1954年、フィアットはタービンエンジンを搭載したコンセプトカー「フィアット・タービナ」を発表しました。車輪のついた航空機のような外観のこの車は、ジェット推進力とエンジンによる車輪駆動という独自の組み合わせを採用していました。最高速度は時速282km（175mph）と謳われました。[ 65 ]

1960年代には、フォードとGMもガスタービンセミトラックを開発していた。フォードは1964年の万国博覧会でビッグレッドを展示した。[ 66 ] トレーラー付きで全長29メートル（96フィート）、全高4.0メートル（13フィート）で、深紅に塗装されていた。フォードが開発したガスタービンエンジンを搭載し、出力は450kW（600馬力）、トルクは1,160Nm（855ポンドフィート）だった。キャブにはアメリカ本土の高速道路地図、ミニキッチン、バスルーム、助手席の運転手用のテレビが備え付けられていた。このトラックの運命は数十年にわたって不明だったが、2021年初頭に個人の手で再発見され、走行可能な状態に復元されていた。[ 67 ] [ 68 ] GMのシボレー部門は、ファイアーバードのコンセプトカーの類似品として、タービンモーターを搭載したコンセプトトラックのターボタイタンシリーズを製造した。これには、ターボタイタンI（ 1959年頃、ファイアーバードIIと同じGT-304エンジン）、ターボタイタンII（ 1962年頃、ファイアーバードIIIと同じGT-305エンジン）、ターボタイタンIII（1965年、GT-309エンジン）などがあり、さらに、GMバイソンガスタービントラックが1964年の世界博覧会で展示された。[ 69 ]

排出量と燃費（1970年代/80年代）

1970年の米国大気浄化法改正により、自動車用ガスタービン技術の開発研究に資金が投入された。[ 70 ]設計コンセプトと車両の研究は、クライスラー、ゼネラルモーターズ、フォード（ AiResearchと共同）、アメリカンモーターズ（ウィリアムズリサーチと共同）によって行われた。[ 71 ]比較可能な費用対効果を評価するために長期テストが実施された。[ 72 ]いくつかのAMCホーネットは、重量250ポンド（113 kg）、4450rpmで80馬力（60 kW; 81 PS）を発生する小型のウィリアムズ再生ガスタービンで駆動されていた。[ 73 ] [ 74 ] [ 75 ]

1982年、ゼネラルモーターズは、粉砕した石炭粉塵を燃料とするガスタービンを搭載したオールズモビル・デルタ88を導入しました。これは、当時、米国および西側諸国が中東産石油への依存を減らすための手段として考えられていました[ 76 ] [ 77 ] [ 78 ]

トヨタは、1975年のセンチュリー・ガスタービン・ハイブリッド、1979年のスポーツ800・ガスタービン・ハイブリッド、1985年のGTVなど、ガスタービンを搭載したコンセプトカーをいくつか発表しました。市販車は製造されませんでした。GT24エンジンは1977年に実車なしで発表されました。

その後の発展

1990年代初頭、ボルボはガスタービンを動力源とするハイブリッド電気自動車であるボルボECCを発表しました。[ 79 ]

1993年、ゼネラルモーターズは、ゼネラルモーターズEV1のプロトタイプとして、ガスタービン駆動のEV1シリーズハイブリッドを開発しました。ウィリアムズ・インターナショナル製の40kWタービンがオルタネーターを駆動し、オルタネーターがバッテリー電動パワートレインに電力を供給しました。タービンの設計には回生装置も含まれていました。2006年、GMはジェイ・レノと共にエコジェット・コンセプトカー・プロジェクトに着手しました。

2010年のパリモーターショー で、ジャガーはコンセプトカー「ジャガーC-X75」を披露しました。この電気自動車スーパーカーは最高速度204mph（328km/h）、0から62mph（0から100km/h）まで3.4秒で加速します。リチウムイオンバッテリーを4つの電気モーターに動力として供給し、合計780馬力を発揮します。バッテリー1回の充電で68マイル（109km）走行でき、さらに2基のBladon Micro Gas Turbineでバッテリーを充電することで、航続距離は560マイル（900km）まで延長されます。[ 80 ]

レーシングカー

インディアナポリス・モーター・スピードウェイ殿堂博物館に展示されている1967年型STPオイルトリートメントスペシャルとプラット・アンド・ホイットニー製ガスタービン
1968年式ハウメットTXは、タービンエンジンを搭載した唯一のレースカーで、レースで優勝した。

タービンを装備した最初のレースカー（コンセプトのみ）は、1955年に米国空軍グループが趣味のプロジェクトとして製作したもので、タービンはボーイングから貸与され、レースカーはファイアストン・タイヤ・アンド・ラバー社が所有していた。[ 81 ]実際のレースで使用することを目的としてタービンを装備した最初のレースカーは、ローバー社とBRMフォーミュラワンチームが協力して製作したガスタービン搭載クーペのローバーBRMで、1963年のル・マン24時間レースにグラハム・ヒルとリッチー・ギンサーの運転で参戦した。平均時速107.8マイル（173.5km/h）、最高速度142マイル（229km/h）を記録した。アメリカ人レイ・ヘッペンストールは、1968年にハウメット社とマッキー・エンジニアリング社に加わり、独自のガスタービン・スポーツカー「ハウメットTX」を開発しました。この車はアメリカとヨーロッパのレースで2度の優勝を含む数々のレースに出場し、1968年のル・マン24時間レースにも出場しました。この車にはコンチネンタル製のガスタービンが搭載され、最終的にタービンエンジン搭載車としてFIA陸上速度記録を6つ樹立しました。[ 82 ]

オープンホイールレースでは、1967年の革命的なSTP-パクストン ターボカーが、レーシングと起業家の伝説的人物であるアンディ グラナテッリが出場し、パーネリ ジョーンズが運転して、インディアナポリス500で優勝をほぼ果たしました。プラット & ホイットニー ST6B-62を搭載したタービンカーは、ゴールラインのわずか3周前でギアボックスのベアリングが壊れたとき、2位の車にほぼ1周リードしていました。翌年、STPロータス 56タービンカーは、新しい規則により空気取り入れ口が大幅に制限されたにもかかわらず、インディアナポリス500のポールポジションを獲得しました。1971年にチーム ロータスの代表であるコリン チャップマンは、プラット & ホイットニー STN 6/76ガスタービンを搭載したロータス 56B F1カーを発表しました。チャップマンは、チャンピオンシップを勝ち取る過激な車を製造するという評判でしたが、ターボラグの問題が多すぎたため、プロジェクトを断念せざるを得ませんでした。

バス

ゼネラルモーターズは、1950年代から1960年代にかけて、GT-30xシリーズのガスタービン（ブランド名は「ワールファイア」）を、ターボクルーザーI（1953年、GT-300）、ターボクルーザーII（1964年、GT-309）、ターボクルーザーIII（1968年、GT-309）、RTX （1968年、GT-309）、 RTS 3T（1972年）など、いくつかの試作バスに搭載した。 [ 83 ]

キャップストーンタービンの登場により、1999年にテネシー州チャタヌーガのAVS社が開発したHEV-1を皮切りに、複数のハイブリッドバス設計が生まれました。カリフォルニア州のEbus社とISE Research社、そしてニュージーランド（後に米国）のDesignLine社が、これに続きました。AVSのタービンハイブリッドは信頼性と品質管理の問題を抱え、2003年にAVS社は清算されました。Designline社による最も成功した設計は、現在6カ国5都市で運行されており、世界中で30台以上のバスが運行されています。また、数百台の注文がボルチモア市とニューヨーク市に納入されています。

イタリアのブレシアでは、市内の歴史的地区を通る路線でマイクロタービンで駆動するハイブリッドバスが運行されている。[ 84 ]

オートバイ

MTTタービン・スーパーバイクは2000年に登場し（MTTはY2Kスーパーバイクと呼んでいます）、タービンエンジンを搭載した初の量産バイクです。具体的にはロールスロイス・アリソン モデル250 ターボシャフトエンジンを搭載し、約283kW（380馬力）の出力を発揮します。時速365km（227mph）の速度テストに合格（一説によると、テスト中にテストチームが路肩に停車したとのこと）。このバイクは、最もパワフルな量産バイクとして、また最も高価な量産バイクとしてギネス世界記録に認定されており、価格は18万5000ドルです。

電車

いくつかの機関車クラスはガスタービンで駆動されており、最新のものはボンバルディアのJetTrainです。

戦車

2003年2月、クウェートのキャンプ・コヨーテで、第1戦車大隊の海兵隊員がハネウェルAGT1500多燃料タービンをM1エイブラムス戦車に積み込んでいる。

第三帝国国防軍（Heereswaffenamt）の開発部門である陸軍兵器局（ Heereswaffenamt）は、1944年半ばから戦車用ガスタービンエンジンの設計を複数研究した。装甲戦闘車両の推進力として最初に設計されたガスタービンエンジンは、BMW 003をベースとしたGT 101で、パンター戦車への搭載が想定されていた。[ 85 ] 戦争末期には、ヤークトティーガーに前述のガスタービンエンジンの1つが搭載された。[ 86 ]

装甲戦闘車両におけるガスタービンの2度目の採用は1954年で、CAパーソンズ社が戦車用に特別に開発したユニットPU2979がイギリスのコンカラー戦車に搭載され試験された。[ 87 ]ストリズヴァグン103は1950年代に開発され、ボーイングT50タービンエンジンを搭載した最初の量産主力戦車であった。それ以来、ガスタービンエンジンは一部の戦車の補助動力装置として、またソ連/ロシアのT-80や米国のM1エイブラムス戦車などの主力動力装置として使用されている。ガスタービンエンジンは同じ持続出力のディーゼルエンジンよりも軽量で小型であるが、現在までに搭載されたモデルは同等のディーゼルよりも燃費効率が低く、特にアイドリング時には同じ戦闘距離を達成するのに多くの燃料を必要とする。 M1の後継モデルは、バッテリーパックまたは二次発電機を搭載することでこの問題に対処し、停車中に戦車のシステムに電力を供給してきました。これにより、メインタービンのアイドル運転の必要性が減り、燃料を節約できます。T-80は、航続距離を延ばすために3つの大型外部燃料ドラムを搭載できます。ロシアはT-80の生産を中止し、ディーゼルエンジン搭載のT-90（T-72ベース）に切り替えました。一方、ウクライナは、ガスタービン戦車にほぼ匹敵する出力を持つディーゼルエンジン搭載のT-80UDとT-84を開発しました。フランスのルクレール戦車のディーゼルエンジンには、「ハイパーバー」ハイブリッド過給システムが搭載されています。このシステムでは、エンジンのターボチャージャーが小型ガスタービンに完全に置き換えられ、補助ディーゼル排気ターボチャージャーとしても機能します。これにより、エンジン回転数に依存しないブーストレベル制御と、通常のターボチャージャーよりも高いピークブースト圧を実現できます。このシステムにより、より小排気量で軽量なエンジンを戦車の動力源として使用でき、ターボラグを効果的に排除できます。この特殊なガスタービン/ターボチャージャーは、通常のAPUと同様にメインエンジンから独立して動作することもできます。

タービンは構造が単純で可動部品が少ないため、理論的にはピストンエンジンよりも信頼性が高くメンテナンスが容易です。しかし実際には、タービン部品は動作速度が高いため摩耗率が高くなります。タービンブレードは埃や細砂に非常に敏感なので、砂漠での運用ではエアフィルターを毎日数回取り付け、交換する必要があります。フィルターの取り付けが不適切だったり、銃弾や砲弾の破片がフィルターを突き破ったりすると、エンジンが損傷する可能性があります。ピストンエンジン（特にターボチャージャー付きエンジン）もフィルターの適切なメンテナンスが必要ですが、万が一フィルターが故障した場合でも、ピストンエンジンの方が耐久性が高いです。

戦車で使用されるほとんどの現代のディーゼルエンジンと同様に、ガスタービンは通常、多燃料エンジンです。

海洋用途

MGB 2009のガスタービン

ガスタービンは多くの海軍艦艇で使用されており、その高い出力重量比と、それによる船の加速および迅速な出航能力が高く評価されています。

ガスタービン推進の海軍艦艇として初めて建造されたのは、 1947年に改装されたイギリス海軍のモーターガンボートMGB 2009（旧MGB 509 ）である。メトロポリタン・ヴィッカース社は自社のF2/3ジェットエンジンにパワータービンを搭載した。蒸気砲艇グレイ・グースは1952年にロールス・ロイス社製のガスタービンに改装され、1953年から運用を開始した。[ 88 ] 1953年に建造されたボールド級高速哨戒艇ボールド・パイオニアとボールド・パスファインダーは、ガスタービン推進専用に建造された最初の艦艇であった。[ 89 ]

最初の大型で部分的にガスタービンを動力源とする艦艇は、蒸気とガスの複合動力源を備えたイギリス海軍の81型フリゲート艦（トライバル級）でした。最初の艦であるHMS アシャンティは1961年に就役しました。

ドイツ海軍は、世界初のディーゼル・ガス複合推進システム としてブラウン・ボベリ社製ガスタービン 2 基を搭載した最初のケ​​ルン級フリゲート艦を1961 年に進水させました。

ソ連海軍は1962年、カシン級駆逐艦25隻のうち、ガスタービン4基を搭載したガス・ガス複合推進システムを搭載した最初の1隻を就役させました。これらの艦艇は4基のM8Eガスタービンを搭載し、54,000～72,000kW（72,000～96,000馬力）の電力を発生しました。これらの艦艇は、ガスタービンのみで駆動する世界初の大型艦艇でした。

プロジェクト61大型対潜水艦、カシン級駆逐艦

デンマーク海軍は、1965年から1990年にかけて、6隻のソローヴェン級魚雷艇（イギリスのブレイブ級高速哨戒艇の輸出型）を運用していました。これらの艇には、合計9,510kW（12,750馬力）のブリストル プロテウス（後のRRプロテウス）船舶用ガスタービン3基と、低速時の燃費向上のため、340kW（460馬力）のゼネラルモーターズ製ディーゼルエンジン2基が搭載されていました。[ 90 ]また、同社は10隻のウィレムエス級魚雷/誘導ミサイル艇（1974年から2000年まで就役）を製造した。これらには、ソルヴェン級艇と同じ9,510kW（12,750馬力）のロールスロイス・マリン・プロテウス・ガスタービン3基と、低速時の燃費向上のため、600kW（800馬力）のゼネラルモーターズ・ディーゼルエンジン2基が搭載されていた。[ 91 ]

スウェーデン海軍は1966年から1967年にかけて、ブリストル・シドレー・プロテウス1282タービン3基を搭載し、それぞれ3,210kW（4,300馬力）を出力したスピカ級魚雷艇を6隻建造した。後に、同じエンジンを搭載した改良型ノルシェーピング級が12隻追加された。後部魚雷発射管が対艦ミサイルに換装され、最後の1隻が2005年に退役するまでミサイル艇として運用された。[ 92 ]

フィンランド海軍は1968年にトゥルンマー級コルベット2隻、トゥルンマーとカルヤラを就役させた。両艦は、16,410kW（22,000馬力）のロールスロイス社製オリンパスTM1ガスタービン1基と、低速用にバルチラ社製舶用ディーゼルエンジン3基を搭載していた。両艦はフィンランド海軍最速の艦艇であり、常時35ノット、海上公試では37.3ノットの速度を記録した。トゥルンマーは2002年に退役した。カルヤラは現在、トゥルクで博物館船となっており、トゥルンマーはサタクンタ工科大学の浮体式機械工場および訓練船として使用されている。

次の一連の主要海軍艦艇は、1972年に初めて就役したカナダのイロコイ級ヘリコプター搭載駆逐艦 4 隻でした。これらの艦艇は、2 基の ft-4 主推進エンジン、2 基の ft-12 巡航エンジン、および 3 基のソーラー サターン 750 kW 発電機を使用していました。

USS フォードのLM2500ガスタービン

米国初のガスタービン動力船は米国沿岸警備隊のポイント・サッチャーで、1961年に就役したカッターで、可変ピッチプロペラを使用した750kW（1,000馬力）のタービン2基を搭載していた。[ 93 ]より大型のハミルトン級高耐久性カッターは、ガスタービンを使用した大型カッターの最初のクラスであり、その最初のもの（USCGC ハミルトン）は1967年に就役した。それ以来、米国海軍のオリバー・ハザード・ペリー級フリゲート、スプルーアンス級およびアーレイ・バーク級駆逐艦、タイコンデロガ級ミサイル巡洋艦にガスタービンが動力として搭載されている。ワスプ級強襲揚陸艦を改造したUSS マキン・アイランドは、ガスタービンで駆動する海軍初の強襲揚陸艦となる。海洋ガスタービンは、空気と燃料に海塩が含まれており、安価な燃料が使用されているため、より腐食性の高い雰囲気で稼働します。

民間海事

1940年代後半まで、世界中の船舶用ガスタービンの進歩の多くは設計事務所やエンジンメーカーの工場で行われ、開発作業はイギリス海軍をはじめとする各国海軍が主導していました。海軍用および商船用のガスタービンへの関心は高まり続けましたが、初期のガスタービンプロジェクトにおける運用経験の成果が十分に得られなかったため、航洋商船への新規事業の着手数は限られていました。

1951年、載貨重量トン数（DWT） 12,290のディーゼル電気式石油タンカー「オーリス」が、海上運用条件下での主推進ガスタービンの運転経験を積むために使用され、ガスタービンを動力とする最初の外洋商船となった。アングロサクソン石油会社が作成した設計図と仕様に基づき、英国ヘバーン・オン・タインのホーソン・レスリー社で建造され、1947年、英国のエリザベス王女21歳の誕生日に進水したこの船は、高速エンジンの1つで重質燃料を実験的に使用したり、将来的にディーゼルエンジンの1つをガスタービンに交換したりできるように機関室レイアウトが設計された。[ 94 ]オーリスは、当初就役したディーゼル電気推進ユニットを搭載し、3年半タンカーとして商業的に運航されたが、1951年に「フェイス」、「ホープ」、「チャリティ」、「プルデンス」として知られていた4基の824kW（1,105馬力）ディーゼルエンジンのうち1基が、ラグビーのイギリスのトンプソン・ヒューストン社で製造された890kW（1,200馬力）オープンサイクルガスターボ発電機である世界初の船舶用ガスタービンエンジンに交換された。ノーサンブリア沖での海上試験に成功した後、オーリスは1951年10月にヘバーン・アポン・タインを出航し、アメリカのポート・アーサー、そして南カリブ海のキュラソー島に向けて出航し、44日間の航海の後エイボンマスに戻り、歴史的な大西洋横断を無事に完了した。この航海中、ガスタービンはディーゼル燃料を燃料として稼働し、不測の事態や機械的なトラブルは一切発生しませんでした。その後、スウォンジー、ハル、ロッテルダム、オスロ、サウサンプトンを訪れ、合計13,211海里を航行しました。その後、オーリスは全ての動力装置を3,910kW（5,250馬力）の直結型ガスタービンに交換し、ガスタービン動力のみで運航する初の民間船舶となりました。

この初期の実験航海の成功にもかかわらず、ガスタービンは大型商船の推進装置としてディーゼルエンジンに取って代わることはなかった。定速巡航においては、ディーゼルエンジンは燃費という重要な分野において全く匹敵するものがなかった。ガスタービンは、戦闘中の軍艦で急激な速度変化が求められるイギリス海軍艦艇や世界の他の海軍艦隊において、より大きな成功を収めた。[ 95 ]

アメリカ海事委員会は第二次世界大戦時のリバティ船の改修案を検討しており、その中の1つとして大型ガスタービンが選ばれた。1956年、ジョン・サージェントは全長が延長され、排気ガス再生装置、減速ギア、可変ピッチプロペラを備えたゼネラル・エレクトリック社製の4,900kW（6,600shp）HDガスタービンが搭載された。残余燃料（バンカーC）を7,000時間使用し、9,700時間稼働した。燃料効率は毎時0.318kg/kW（0.523lb/hp）で蒸気推進と同等であった[ 96 ]。また、北海航路の周囲温度がガスタービンの設計温度よりも低かったため、出力は予想よりも高い5,603kW（7,514shp）となった。これにより、船の速度能力は 18 ノットとなり、元の発電所の 11 ノットから向上し、目標の 15 ノットを大幅に上回りました。船は、途中で荒天に見舞われたにもかかわらず、平均速度 16.8 ノットで最初の大西洋横断を達成しました。燃料の品質が非常に重要であったため、適切なバンカー C 燃料は限られた港でしか入手できませんでした。また、燃料油は、汚染物質を減らすために船上で処理する必要があり、これは当時自動化に適さない労働集約的なプロセスでした。最終的に、新しい未テストの設計であった可変ピッチプロペラは、3 回連続の年次検査で応力亀裂が見つかったため、試験は終了しました。ただし、これは船舶推進ガスタービンのコンセプトに悪影響を与えるものではなく、試験は全体として成功でした。この試験の成功により、GE は重質燃料を使用する船舶用 HD ガスタービンの開発をさらに進めることができました。[ 97 ]ジョン・サージェントは1972年にペンシルベニア州ポーツマスで解体された。

ボーイング ジェットフォイル 929-100-007 TurboJETのウルゼラ

ボーイング社は1974年4月に初の旅客用ウォータージェット推進水中翼船ボーイング929を発売した。この船は2基のアリソン501 -KFガスタービンを搭載していた。[ 98 ]

1971年から1981年にかけて、シートレインラインズは、重量26,000トンのコンテナ船4隻を保有し、北大西洋を渡り米国東海岸の港と北西ヨーロッパの港の間で定期コンテナサービスを運航していた。これらの船には、プラット・アンド・ホイットニー社製のFT 4シリーズのガスタービン2基が搭載されていた。このクラスの4隻は、ユーロライナー、ユーロフレイター、アジアライナー、アジアフレイターと命名された。 1970年代半ばの石油輸出国機構（OPEC）による大幅な価格上昇を受けて、燃料費の高騰により運航が制約された。これらの船のエンジンシステムに一部変更を加え、低品位の燃料（船舶用ディーゼル燃料）を燃料として使用できるようになった。船舶用ガスタービンで異なる未試験燃料を使用することで燃料費の削減に成功したが、燃料変更に伴い保守費用が増加した。 1981 年以降、船舶は売却され、当時としてはより経済的なディーゼル燃料エンジンに改装されましたが、エンジンのサイズが増大したため、貨物スペースが減少しました。

ガスタービンを採用した最初の旅客フェリーは1977年建造のGTSフィンジェット号で、プラット・アンド・ホイットニー製FT 4C-1 DLF タービン2基を搭載し、55,000kW（74,000shp）の出力、時速31ノットの推進力を発揮した。しかし、燃料価格の高騰により採算が取れなくなったフィンジェット号は、商用船におけるガスタービン推進の欠点も浮き彫りにした。就航から4年後、オフシーズンの運航コストを削減するため、ディーゼルエンジンを追加搭載した。フィンジェット号は、ディーゼル・電気・ガス推進を組み合わせた初の船舶でもあった。旅客船でガスタービンを商用利用した別の例としては、ステナライン社のHSSクラス高速フェリーが挙げられる。 HSS 1500クラスのStena Explorer、Stena Voyager、Stena Discoveryは、GE LM2500タービン2基とGE LM1600タービン2基を組み合わせたガスタービンとガスタービンを組み合わせた複合発電システムを採用し、総出力68,000kW（91,000馬力）を誇ります。やや小型のHSS 900クラスのStena Carismaは、ABB – STAL GT35タービン2基を搭載し、総出力34,000kW（46,000馬力）を誇ります。Stena Discoveryは2007年に退役しましたが、これも燃料費の高騰が原因の一つです。

2000年7月、ミレニアム号はガスタービンと蒸気タービンの両方で駆動する初のクルーズ船となりました。この船にはゼネラル・エレクトリック社製LM2500ガスタービン発電機2基が搭載され、その排熱はCOGES（ガス・電気・蒸気複合発電）方式の蒸気タービン発電機の駆動に利用されました。推進力は、ロールス・ロイス社製マーメイド・アジマスポッド2基によって供給されました。定期船クイーン・メリー2号はディーゼルとガスの複合発電方式 を採用しています。[ 99 ]

海洋レース用途では、2010 C5000 Mystic カタマランMiss GEICO は、動力システムに 2 基の Lycoming T-55 タービンを使用しています。

技術の進歩

ガスタービン技術は誕生以来着実に進歩を続け、進化を続けています。開発においては、小型ガスタービンと、より高出力で効率的なエンジンの両方が積極的に生産されています。これらの進歩を支えているのは、コンピュータベースの設計（特に数値流体力学と有限要素解析）と先進材料の開発です。先進材料には、優れた高温強度を持つベース材料（例えば、降伏強度異常を示す単結晶超合金）や、構造材料を高温から保護する遮熱コーティングなどがあります。これらの進歩により、より高い圧縮比とタービン入口温度、より効率的な燃焼、そしてエンジン部品の冷却性能が向上します。

計算流体力学（CFD）は、複雑な粘性流と熱伝達現象の理解を深めることで、ガスタービンエンジン部品の性能と効率の大幅な向上に貢献してきました。このため、CFDはガスタービンエンジン[ 100 ] [ 101 ]の設計・開発において重要な計算ツールの一つとなっています。

初期のガスタービンのシンプルサイクル効率は、中間冷却、再生（または回生）、そして再加熱を組み込むことで実質的に2倍に向上しました。もちろん、これらの改善は初期費用と運転費用の増加を伴い、燃料費の削減が他の費用の増加を相殺しない限り、正当化できません。比較的低い燃料価格、設置費用を最小限に抑えたいという業界の一般的な要望、そしてシンプルサイクル効率が約40%まで大幅に向上したことから、これらの改良を選択する意欲はほとんど残っていませんでした。[ 102 ]

排出ガス面では、NOx排出量を低減し、最新の排出ガス規制を満たすために、タービン入口温度を上昇させると同時にピーク炎温度を低下させることが課題となっている。2011年5月、三菱重工業は320メガワットのガスタービンでタービン入口温度1,600℃（2,900°F）を達成し、また、460MWのガスタービン複合サイクル発電において、総熱効率が60%を超えるタービン入口温度を達成した。[ 103 ] [ 104 ]

コンプライアントフォイルベアリングは1990年代にガスタービンに商用導入されました。このベアリングは10万回以上の起動停止サイクルに耐えることができ、オイルシステムの必要性を排除しました。マイクロエレクトロニクスと電力スイッチング技術の応用により、配電および車両駆動用のマイクロタービンによる商業的に実現可能な発電技術の開発が可能になりました。

2013年、ゼネラル・エレクトリックは圧縮比61:1のGE9Xの開発を開始しました。 [ 105 ]

メリットとデメリット

ガスタービンエンジンの利点と欠点は以下の通りである。[ 106 ]

利点は次のとおりです:

  • 往復エンジンに比べてパワーウェイトレシオが非常に高い。
  • 同じ出力定格のほとんどの往復エンジンよりも小型です。
  • メインシャフトのスムーズな回転により、往復エンジンに比べて振動がはるかに少なくなります。
  • 往復エンジンよりも可動部品が少ないため、メンテナンスコストが低くなり、耐用年数全体にわたって信頼性と可用性が高まります。
  • 特に持続的な高出力が必要なアプリケーションにおいて、信頼性が向上します。
  • 廃熱はほぼすべて排気中に放散されます。その結果、複合サイクルにおける湯沸かしやコジェネレーションに非常に利用可能な高温の排気流が生成されます。
  • 一般的に往復エンジンよりもピーク燃焼圧力が低くなります。
  • 発電に使用される大型ガスタービンは同期速度で動作しますが、小型の「フリータービンユニット」ではシャフト速度が高くなります。
  • 潤滑油のコストと消費量が低い。
  • さまざまな燃料で稼働できます。
  • 過剰な空気、完全燃焼、冷たい表面での炎の「消火」がないため、CO と HC の有毒な排出が非常に少なくなります。

デメリットは次のとおりです:

  • 特殊材料の使用により、特に高い信頼性が求められる用途（航空機の推進など）では、コアエンジンのコストが高くなる場合があります。
  • アイドリング速度では往復エンジンよりも効率が悪いです。
  • 往復エンジンよりも始動に時間がかかります。
  • 往復エンジンに比べて、電力需要の変化に対する応答性が低い。
  • エンジン特有の異音を抑えるのは難しい場合があります。排気ガス（特にターボジェットエンジン）も独特の轟音を発することがあります。

主要メーカー

テスト

ガスタービンの試験手順と定義は、英国、ドイツ、その他の国、そして国際的な試験規格に基づいて標準化されています。使用する試験規格の選択は、購入者と製造業者の間の合意事項であり、タービンおよび関連システムの設計に一定の意味を持ちます。米国では、ASMEがガスタービンに関する複数の性能試験規格を制定しています。これには、ASME PTC 22-2014が含まれます。これらのASME性能試験規格は、ガスタービンの試験において国際的に認められ、受け入れられています。PTC 22を含むASME性能試験規格の最も重要かつ際立った特徴は、測定の試験不確かさが試験の品質を示すものであり、商業的な許容範囲として使用してはならないという点です。

参照

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