ブレイトンサイクル

ブレイトンサイクルは、ジュールサイクルとも呼ばれる、非可逆熱サイクルの一種である。 等圧燃焼形ガスタービンエンジンの理論サイクルである。

単純サイクル

1→2	圧縮機で等エントロピー圧縮
2→3	燃焼器で等圧加熱
3→4	タービンで等エントロピー膨張
4→1	等圧冷却

理論熱効率

以下のようにおく。

<math>\eta_{th}\,</math>	理論熱効率
<math>W\,</math>	有効仕事
<math>\phi\,</math>	圧力比
<math>\kappa\,</math>	比熱比
<math>c_p\,</math>	定圧比熱
<math>c_v\,</math>	定積比熱
<math>h\,</math>	比エンタルピー
<math>u\,</math>	比内部エネルギー
<math>p\,</math>	圧力
<math>v\,</math>	比体積
<math>T\,</math>	絶対温度

<math>

q_h=h_3-h_2=c_p(T_3-T_2) \,</math>

<math>

q_l=h_4-h_1=c_p(T_4-T_1) \,</math>

<math>

l=q_h-q_l \,</math>

<math>

\phi=\frac{p_h}{p_l} \,</math>

<math>

\kappa=\frac{c_p}{c_v} \,</math>

<math>

\eta_{th}=\frac{l}{q_h}=\frac{q_h-q_l}{q_h}=1-\frac{q_l}{q_h}=1-\frac{T_4-T_1}{T_3-T_2}=1-\frac{1}{\phi^\frac{\kappa-1}{\kappa}} \,</math>

再生サイクル

1 温度T₁－P₁ V₁からP₂ V₂まで断熱圧縮→2 温度T₂

2 温度T₂－再生器でQ_1'の熱を等圧力で吸熱→2` 温度T_2'

2' 温度T_2'－Q₁の熱を等圧力で吸熱→3 温度T₃

3 温度T₃－P₂ V₂からP₁ V₁まで断熱膨張→4 温度T₄

4 温度T₄－再生器でQ_1'の熱を等圧力で放熱→1 温度T_4`

4' 温度T_4'－Q₂の熱を等圧力で放熱→1 温度T₁

再生器での交換量だけ加熱熱量が減少し、熱効率向上が可能である。マイクロガスタービンエンジンで用いられている。

開放ブレイトンサイクル

開放ブレイトンサイクルは、サイクル内で燃料を燃焼させ、その燃焼ガスでタービンを回す内燃機関である。

特徴

• 直接燃焼ガスをタービンで利用するため、熱交換器による損失が無い。
• タービンに腐蝕性の燃焼ガスに耐える素材が必要である。

また、燃焼用空気の取入れ質量が吸気温度上昇や大気圧力の減少と共に減少し、軸出力の減少につながる。そのため、定置用途では高温時の吸気冷却・大気圧の低い高地での出力設定の補正、移動用途では出力低下に対応した運用が行われる。

軸・蒸気出力可変サイクル

軸・蒸気出力可変サイクルは、排熱ボイラーで発生させた、蒸気を燃焼ガスと共にタービンに吹き込み、軸出力を増加させるものである。蒸気・軸出力の発生割合を変化させることができるため、コジェネレーションにおいて用いられている。

純水の使用量が多くなる欠点がある。

• チェンサイクル : 過熱蒸気を燃焼器へ吹き込むものである。
• 二流体サイクル : 飽和蒸気と圧縮機より抽気した高温の圧縮空気とを混合して、燃焼器へ吹き込むものである。

密閉ブレイトンサイクル

密閉ブレイトンサイクルは、燃料の燃焼で間接的に熱交換器でサイクル内の動作流体を加熱しタービンを回す外燃機関である。

利点

• 動作流体を非腐食性のものにすることによって、タービンの素材の選択の幅が広くなる。
• 動作流体を密度の大きなものとすることで小型化が可能となる。
• サイクル内の動作流体の量を変化させることで、効率低下の少ない出力調整が可能である。

欠点

• 冷却水が必要で、付加装置も多く複雑な構成となる。
• 間接的に熱するため、燃焼ガスの圧力を利用できないなど、熱交換器での損失がある。
• 熱交換器があり熱容量が大きくなるため、開放サイクルに比べて始動時間が長くなる。

ピーク時用の大規模定置型発電として1940年代 - 1960年代まで使用されていたことがあったが、耐食性素材の進歩により使用されなくなった。また、ガス冷却原子炉で発生させた高温ガスでタービンを回すものが、2005年現在要素実験段階である。

半密閉ブレイトンサイクル

半密閉ブレイトンサイクルは、開放ブレイトンサイクルの排熱で密閉ブレイトンサイクルを動作させるものである。動作流体として腐食性の強い燃焼ガスが使用され、熱交換器が多く冷却水も必要となるなど、双方の欠点をあわせ持つものであった。

1950年代に実験的に発電に使用されたが、タービン素材の進歩により入口温度を上昇させることで排気温度が上昇し、蒸気タービンとのコンバインドサイクルが可能となって用いられなくなった。

関連項目

• 熱機関の理論サイクル
• ガスタービンエンジン
• ベッツの法則