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ガスタービンの仕組み

基本

 たいへん精密な加工が必要なエンジンですが、その基本構造は単純です。

上の図のように空気を圧縮する圧縮機(羽根車を多数重ねたようなもの)と、その空気と燃料を混合して燃やす燃焼室、できた高温高圧ガスを吹き付けるタービン、その力を取り出す出力軸からできています。出力軸が排気ガスが出る側にあるものと吸気側にあるものの2種類が存在します。圧縮機とタービンがつながっており、タービンの力で空気を圧縮します。そして余った力が出力軸から取り出されます。ジェットエンジンの場合は出力軸から回転力として取り出す代わりにジェット噴射となり推進力を得ます。

 この図のように圧縮機といっしょにすべてのタービンが回るガスタービンを1軸式といいます。この場合、ある一定の回転数以下では必要な圧縮空気が得られずエンジンは回ることができません。しかもまともに回ることのできる範囲は非常に狭く、 最大回転数から少し回転が落ちただけで効率、回転力ともに急激に落ちてしまいます。
 一定回転数で使用することの多い発電機や送風機ではあまり問題にはなりませんが、回転数を変えたい用途では使い物になりません。

2軸式

 そこで次の図のようにタービンを2つに分けて、圧縮機を回すタービンと出力を取り出すタービンを分離したらどうなるでしょうか。

圧縮機は前段のタービンと一体となって回転します。後段のタービンは圧縮機とは無関係に回ることができます。つまり停止状態から最大回転まで自由に回転数を変化できるのです。軸が2本あるのでこの構造のガスタービンを2軸式といいます。また、力を取り出すタービンが勝手気ままに回ることができるので自由タービン(フリータービン)あるいは独立出力タービンとも呼ばれます。分離されたタービンがたとえ停止していても圧縮機を駆動するタービンはほとんど回転数が落ちず、大量の燃焼ガスを供給し続けることができるため、勢いの良い燃焼ガスが後ろのタービンにぶつかり、強い回転力を生み出します。この仕組みのガスタービンは低速回転で大きな回転力を発生することができ、結果的に回転数の変化による効率の悪化が1軸式より少ないため、列車や自動車、飛行機や船のプロペラなどを動かすのは好都合となります。