ブレイトンサイクル

ブレイトンサイクルとは

ブレイトンサイクルは、熱力学における基本的なサイクルの一つで、断熱圧縮、等圧加熱、断熱膨張、等圧冷却という4つのプロセスで構成されています。このサイクルは、特にガス[[タービンエンジン]]の理論的な基盤として重要であり、ジュールサイクルとも呼ばれます。

歴史

ブレイトンサイクルの原型は、1791年にイギリスの技術者ジョン・バーバーによって提案されました。しかし、実際にこのサイクルを利用した熱機関を開発したのは、アメリカの技術者ジョージ・ブレイトンであり、彼の名前にちなんでブレイトンサイクルと呼ばれるようになりました。ブレイトンは1872年に「Ready Motor」という往復動式定圧燃焼機関の特許を取得し、この機関は圧縮機、膨張機、気化器で構成されていました。初期には石炭ガスを燃料としていましたが、後に灯油などの石油系燃料も使用されるようになりました。この機関は、揚水ポンプ、製粉、船舶推進など、様々な用途に利用されました。また、1878年には、ジョージ B. セルデンがブレイトンの熱機関を搭載した四輪自動車を開発しました。

現代では、ブレイトンサイクルは主にガスタービン機関の理論サイクルとして用いられています。ガス[[タービンエンジン]]は、回転式の圧縮機、タービン、燃焼器で構成され、ブレイトンサイクルに従って動作します。ターボジェットエンジンやターボファンエンジンなどのジェットエンジンもブレイトンサイクルを利用しており、空気取り入れ口が圧縮機の役割、推力用ノズルがタービンの役割を担っています。

ブレイトンサイクルの基本

単純なブレイトンサイクルは、以下の4つの過程から成り立っています。

1. 断熱圧縮: 圧縮機で空気を断熱的に圧縮します。
2. 等圧加熱: 燃焼器で圧縮された空気を等圧下で加熱します。
3. 断熱膨張: 加熱された空気をタービンで断熱的に膨張させます。
4. 等圧冷却: 大気中に排気し、給気を行うことで等圧冷却を行います。

熱力学的な考察

理想的な状態を仮定すると、各点の状態量は以下のようになります。ここで、κは比熱比(定圧比熱と定積比熱の比)であり、空気の場合、約1.4です。また、ϕは圧力比を表します。

加熱量(qh): qh = cp(T3 - T2) = T1(σ - 1)ϕ^((κ-1)/κ)
放熱量(ql): ql = cp(T4 - T1) = T1(σ - 1)
正味の仕事(w): w = qh - ql = T1(σ - 1){ϕ^((κ-1)/κ) - 1}
熱効率(η): η = w / qh = 1 - 1/ϕ^((κ-1)/κ)

熱効率は圧力比に大きく依存し、圧力比が上昇すると効率も向上します。しかし、現実のガスタービン機関では、タービン入口のガス温度に制限があるため、圧力比を上げすぎると逆に効率が低下する場合があります。

ブレイトンサイクルの改良

ブレイトンサイクルを改良し、効率を向上させるための技術がいくつかあります。

再熱サイクル

タービンを複数に分割し、途中で再度燃料を燃焼させて温度を上げることで、出力を増加させます。この再熱サイクルは、特にジェットエンジンではアフターバーナーとして応用されています。

圧縮機中間冷却

圧縮機を複数に分割し、圧縮途中の空気を冷却することで、圧縮に必要な仕事量を削減し、結果として出力を増加させます。

再生サイクル

タービンの排熱を利用して、燃焼器に入る前の圧縮空気を予熱することで、熱効率を向上させます。これにより、燃料消費量を削減することができます。

ブレイトンサイクルの種類

ブレイトンサイクルには、いくつかの異なる方式があります。

開放ブレイトンサイクル

燃料を燃焼させ、その燃焼ガスを直接タービンに利用する内燃機関です。シンプルで効率的ですが、腐食性のガスに耐えるタービン素材が必要です。

軸・蒸気出力可変サイクル

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方式です。コジェネレーションシステムに用いられます。

密閉ブレイトンサイクル

熱交換器を介して動作流体を加熱する外燃機関です。腐食性のない動作流体を使用でき、出力調整が容易ですが、装置が複雑になります。

半密閉ブレイトンサイクル

開放サイクルと密閉サイクルを組み合わせたもので、両方の欠点を併せ持っていました。現在は、より効率的な技術に取って代わられています。

まとめ

ブレイトンサイクルは、ガス[[タービンエンジン]]の基本となる重要な熱力学サイクルです。その効率向上と多様な応用に関する研究開発は、現在も進められています。エネルギー効率の向上や環境負荷の低減に貢献する技術として、今後もその重要性は増していくと考えられます。

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