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、空気または他のガスを作動流体とする特定の熱機関の動作を説明する 熱力学サイクルです。等エントロピー圧縮と膨張、および等圧熱付加と熱放出を特徴としますが、実際のエンジンでは等エントロピー段階ではなく 断熱段階が採用されています。

現在最も一般的な用途は、空気吸入式ジェットエンジンとガスタービンエンジンです。

エンジンサイクルは、1872年にピストンコンプレッサーとピストンエキスパンダーを使用したブレイトンレディモーターを開発したアメリカのエンジニア、ジョージ・ブレイトン（1830年 - 1892年）にちなんで名付けられました。 ^[1] このサイクルを使用するエンジンは、もともと往復コンプレッサーとタービンエキスパンダーを使用して、1791年にイギリス人のジョン・バーバーによって提案され特許を取得しました。^[2]

ブレイトンサイクルには、主にクローズドサイクルとオープンサイクルの 2 種類があります。クローズドサイクルでは、作動ガスはエンジン内に留まります。熱は熱交換器または外部燃焼によって導入され、熱交換器によって排出されます。オープンサイクルでは、大気から空気が取り込まれ、サイクルの 3 つのステップを経て、再び大気中に排出されます。オープンサイクルでは、内部燃焼が可能です。サイクルはオープンですが、熱力学分析の目的では、排気ガスが吸気で再利用されると通常想定されるため、クローズドサイクルとして分析できます。

1872年、ジョージ・ブレイトンは、ガス動力サイクルで動作する往復熱機関「レディ・モーター」の特許を申請した。このエンジンは2ストロークで、1回転ごとに動力を生成した。ブレイトンのエンジンは、ピストン・コンプレッサーとピストン・エキスパンダーを別々に使用し、圧縮された空気はエキスパンダー・シリンダーに入ると内部の火で加熱された。ブレイトン・エンジンの最初のバージョンは、圧縮機に入ると燃料と空気を混合する蒸気エンジンで、都市ガスが使用され、移動操作には表面気化器も使用された。^[3]燃料/空気はリザーバー/タンクに収容され、その後、膨張シリンダーに送られて燃焼した。燃料/空気混合物が膨張シリンダーに入ると、パイロット炎によって点火された。スクリーンは、火がリザーバーに入ったり、リザーバーに戻ったりするのを防ぐために使用された。エンジンの初期のバージョンでは、このスクリーンが時々故障し、爆発が発生した。1874年、ブレイトンは、エキスパンダー・シリンダーの直前で燃料を追加することで、爆発の問題を解決した。エンジンは、灯油や燃料油などのより重い燃料を使用するようになりました。点火はパイロット炎のままでした。^[4]ブレイトンは、水汲み上げ、工場の運転、発電機の運転、船舶の推進など、さまざまな作業を実行する「レディモーター」を製造および販売しました。「レディモーター」は1872年から1880年代まで製造され、この時期に数百台のモーターが製造された可能性があります。ブレイトンは、英国のシモーヌに設計のライセンスを与えました。レイアウトには多くのバリエーションが使用され、単動式と複動式がありました。ウォーキングビームが下にあるものもあれば、頭上にウォーキングビームがあるものもありました。水平型と垂直型の両方のモデルが製造されました。サイズは1馬力未満から40馬力を超えるものまでありました。当時の批評家は、エンジンがスムーズに動作し、効率が妥当であると主張しました。^[4]

ブレイトンサイクルエンジンは動力源として使われた最初の内燃機関の一つである。1875年、ジョン・ホランドはブレイトンエンジンを使って世界初の自走式潜水艦（ホランドボート1号）を開発した。1879年にはブレイトンエンジンを使って2隻目の潜水艦フェニアン・ラムを開発した。ジョン・フィリップ・ホランドの潜水艦はニュージャージー州パターソンのオールドグレートフォールズ歴史地区にあるパターソン博物館に保存されている。^[5]

1878年、ジョージ・B・セルデンは世界初の内燃自動車の特許を取得した。^{[6] 1876年にフィラデルフィアで開催された}百年祭博覧会で展示されたブレイトンが発明した内燃エンジンにヒントを得て、セルデンはより小型で軽量な多気筒バージョンの四輪自動車の特許を取得した。その後、彼は一連の申請書の修正を提出したため法的手続きが長引いたため、特許が付与されるまで16年の歳月がかかった。^[6] 1895年11月5日に特許が付与された。1903年、セルデンは特許侵害でフォードを訴え、ヘンリー・フォードは1911年までセルデンの特許を争った。セルデンは実際に動く自動車を製造したことがなかったため、裁判では特許図面に基づいて2台の機械が作られた。フォードは、自分の自動車はセルデンの自動車で使用されているブレイトンサイクルエンジンではなく、4ストロークのアルフォンス・ボー・ド・ロシャスサイクルまたはオットーサイクルを使用していると主張した。フォードは原告の控訴で勝訴した。^[7]

1887 年、ブレイトンは 4 ストローク直噴オイルエンジンを開発し、特許を取得しました。^[8]燃料システムでは、可変量ポンプと液体燃料の高圧スプレー型噴射が使用されました。液体は、バネ仕掛けのリリーフ型バルブ (インジェクター) に押し込まれ、燃料が小さな液滴に分割されました。噴射は、圧縮行程のピーク時またはその近くで発生するようにタイミングが調整されました。点火源はプラチナ点火装置でした。ブレイトンはこの発明を次のように説明しています。「私は、重油をシリンダーの点火部内または連通する点火室内で、機械的に細かく分割された状態に変換できることを発見しました。」別の部分には、「私の知る限り、液体燃料を燃焼室またはシリンダーに直接放出する量を可変制御して、即時燃焼に非常に好ましい細かく分割された状態にすることで、初めて速度を調整しました。」と書かれています。これは、エンジン速度と出力を調整するためにリーンバーン システムを使用した最初のエンジンだった可能性があります。このようにして、エンジンはすべての動力行程で点火し、速度と出力は噴射される燃料の量によってのみ制御されました。

1890年、ブレイトンは4ストロークのエアブラストオイルエンジンを開発し、特許を取得しました。^[9]燃料システムは、圧縮ストロークのピーク時またはその近くで圧力をかけた状態で、可変量の気化燃料をシリンダーの中心に供給します。点火源はプラチナ線の点火装置です。可変量噴射ポンプが燃料をインジェクターに供給し、燃料はシリンダーに入ると空気と混合されます。小型のクランク駆動式コンプレッサーが空気の供給源となります。このエンジンもリーンバーンシステムを採用していました。

ルドルフ・ディーゼルは当初、圧縮熱が燃焼熱を上回る非常に高い圧縮、定温サイクルを提案したが、数年にわたる実験の後、定温サイクルはピストンエンジンでは機能しないことに気づきました。初期のディーゼルエンジンは、1890年にブレイトンが開発したエアブラストシステムを使用していました。したがって、これらの初期のエンジンは定圧サイクルを使用しています。^[10]

• ブレイトンエンジンの例
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  ブレイトンガスエンジン 1872
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  ブレイトンウォーキングビームエンジン 1872
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  ブレイトンエンジン 1875
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  ブレイトン複動定圧エンジンの切断 1877
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  ブレイトン 4 ストローク エア ブラスト エンジン 1889
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  ブレイトン 4 ストローク エア ブラスト エンジン 1890

• 1791 ガスタービンの最初の特許（ジョン・バーバー、イギリス）
• 1904 ベルリンのフランツ・シュトルツェによるガスタービンプロジェクトは失敗に終わった（最初の軸流圧縮機）
• 1906年フランスのアルマンゴー・ルメールガスタービン（遠心圧縮機、有効電力なし）
• 1910年 間欠燃焼を特徴とする最初のガスタービン（ホルツワース150kW、定容積燃焼）
• 1923 ディーゼルエンジンの出力を高める最初の排気ガスターボチャージャー
• 1939年、世界初のジェット機であるターボジェットエンジンを搭載したハインケルHe178が初飛行。スイスのヌーシャテルにあるブラウン・ボベリ社による世界初の発電用ガスタービン。

(velox バーナー、エアロダイナミクスは Stodola 製)

ブレイトン型エンジンは、コンプレッサー、混合室、エキスパンダーの3 つのコンポーネントで構成されています。

現代のブレイトン エンジンはほぼ常にタービン タイプですが、ブレイトンはピストン エンジンしか製造していませんでした。19 世紀のオリジナルのブレイトン エンジンでは、周囲の空気がピストン コンプレッサーに引き込まれ、そこで圧縮されます。理想的には等エントロピー過程です。圧縮された空気は次に混合室を通過し、そこで燃料が追加されます。等圧過程です。加圧された空気と燃料の混合物は次に膨張シリンダーで点火され、エネルギーが放出され、加熱された空気と燃焼生成物がピストン/シリンダーを通って膨張します。これも理想的には等エントロピー過程です。ピストン/シリンダーによって抽出された仕事の一部は、クランクシャフト配置を介してコンプレッサーを駆動するために使用されます。

ガスタービンエンジンもブレイトンエンジンの一種で、空気圧縮機、燃焼室、ガスタービンの 3 つの部品で構成されています。

理想的なブレイトンサイクル:

1. 等エントロピー過程- 周囲の空気がコンプレッサーに吸い込まれ、そこで加圧されます。
2. 等圧プロセス- 圧縮された空気は燃焼室を通過し、そこで燃料が燃焼して空気が加熱されます。燃焼室は空気の流入と流出が可能なため、定圧プロセスとなります。
3. 等エントロピー過程 - 加熱され加圧された空気は、タービン（または一連のタービン）を通して膨張し、エネルギーを放出します。タービンによって抽出された仕事の一部は、コンプレッサーの駆動に使用されます。
4. 等圧過程 - 熱放出（大気中）。

実際のブレイトンサイクル:

1. 断熱過程– 圧縮
2. 等圧過程 – 加熱
3. 断熱過程 – 膨張
4. 等圧過程 - 熱除去

圧縮も膨張も完全に等エントロピーにはならないため、圧縮機と膨張機を通した損失は避けられない作業効率の低下の原因となります。一般的に、圧縮比を上げることがブレイトンシステム全体の出力を上げる最も直接的な方法です。^[12]

理想的なブレイトンサイクルの効率は であり、 は熱容量比です。^[13] 図1は、サイクル効率が圧力比の増加とともにどのように変化するかを示しています。図2は、2つの異なる圧力比の値に対して、ガスタービン入口温度の上昇とともに比出力がどのように変化するかを示しています。 ${\displaystyle \eta =1-{\frac {T_{1}}{T_{2}}}=1-\left({\frac {P_{1}}{P_{2}}}\right)^{(\gamma -1)/\gamma }}$${\displaystyle \gamma }$

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  図1: ブレイトンサイクル効率
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  図2: ブレイトンサイクルの比出力

サイクル中の最高ガス温度は、高圧タービン（ローター入口）への仕事の伝達が行われる場所で発生します。これは、エンジン（燃焼ゾーン）の最高ガス温度よりも低くなります。最高サイクル温度は、タービンの材質と必要なタービン寿命によって制限されます。これにより、サイクルで使用できる圧力比も制限されます。タービン入口温度が固定されている場合、サイクルあたりの正味仕事出力は、圧力比（したがって熱効率）と正味仕事出力とともに増加します。サイクルあたりの仕事出力が少ないと、同じ出力を維持するためにより大きな質量流量（したがってより大きなシステム）が必要になり、経済的ではない場合があります。最も一般的な設計では、ガスタービンの圧力比は約11〜16の範囲です。^[14]

ブレイトン エンジンの出力は、次の方法で向上できます。

• 再加熱では、作動流体(ほとんどの場合は空気) が一連のタービンで膨張し、次に 2 番目の燃焼室を通過して、最後の一連のタービンで周囲圧力まで膨張します。この方法には、冶金学的制約 (通常は約 1000 °C) を超えることなく、所定の圧縮比で可能な出力を増大できるという利点があります。ジェット機エンジンのアフターバーナーの使用も「再加熱」と呼ばれます。これは、再加熱された空気がタービンではなくスラスト ノズルで膨張するという点で異なるプロセスです。冶金学的制約がいくらか緩和され、はるかに高い再加熱温度 (約 2000 °C) が可能になります。再加熱は、ほとんどの場合、比出力を向上させるために使用され、通常は効率の低下を伴います。この影響は、余分な燃料が大量に使用されるアフターバーナーで特に顕著です。
• オーバースプレーでは、第1段の圧縮機の後で水が圧縮機内に注入され、圧縮機内の質量流量が増加し、タービン出力が大幅に増加し、圧縮機出口温度が低下します。^[15]第2段の圧縮機では、水は完全にガス状に変換され、その蒸発潜熱によってある程度の中間冷却が行われます。

ブレイトン エンジンの効率は、次の方法で向上できます。

• 圧力比の増加は、上の図 1 に示すように、ブレイトン サイクルの効率を高めます。これは、圧縮比が上昇したときにオットー サイクルで見られる効率の増加に似ています。ただし、圧力比の増加に関しては、実際的な制限があります。まず、圧力比の増加により、コンプレッサの吐出温度が上昇します。タービン温度には冶金学的制約と寿命制約によって決まる制限があるため、燃焼器内の許容温度上昇 (燃料追加) は小さくなります。また、高圧段ではコンプレッサ ブレードの長さが徐々に短くなるため、コンプレッサを通る一定の動作ギャップ (ブレード先端とエンジン ケーシングの間) がコンプレッサ ブレードの高さの大きな割合を占め、先端からの空気漏れが増加します。これによりコンプレッサ効率が低下し、小型​​ガス タービンで発生する可能性が高くなります (ブレードはもともと小さいため)。最後に、図 1 に示すように、圧力比が上昇するにつれて効率は横ばいになります。したがって、圧力比がすでに高いレベルにある場合、圧力比をさらに増加し​​てもほとんど効果は期待できません。
• 復熱装置^[16] – ブレイトンサイクルを低圧力比で実行し、燃焼室の温度上昇が激しい場合、排気ガス（最後のタービン段後）は、圧縮された吸入ガス（最後の圧縮段後だが燃焼器の前）よりもまだ高温になる可能性があります。その場合、熱交換器を使用して、排気からすでに圧縮されたガスに、燃焼室に入る前に熱エネルギーを伝達することができます。伝達された熱エネルギーは効果的に再利用されるため、効率が向上します。ただし、この形式の熱リサイクルは、エンジンがそもそも低圧力比の低効率モードで稼働している場合にのみ可能です。出口（最後のタービン後）から入口（最初のコンプレッサー段前）に熱を伝達すると、吸入空気が高温になると容積が増え、コンプレッサーの作業が増えるため、効率が低下します。液体極低温燃料、つまり水素を使用するエンジンの場合、効率を高めるために、圧縮前に燃料を使用して吸入空気を冷却することは可能です。この概念は、 SABREエンジンで広範に研究されています。
• ブレイトン エンジンも複合サイクルシステムの半分を構成し、ランキン エンジンと組み合わせることで全体の効率をさらに高めます。ただし、全体の効率は向上しますが、ブレイトン サイクル自体の効率は実際には向上しません。
• コージェネレーションシステムは、ブレイトン エンジンからの廃熱を、通常は温水生成や空間暖房に利用します。

クローズドブレイトンサイクルは作動流体を再循環させます。タービンから排出された空気はコンプレッサーに再導入されます。このサイクルでは、内部燃焼室の代わりに熱交換器を使用して作動流体を加熱します。クローズドブレイトンサイクルは、たとえば、クローズドサイクルガスタービンや宇宙発電で使用されます。^{[削除または説明が必要]}

2002年、EU SOLGATEプログラムの枠組みの中で、ハイブリッドオープンソーラーブレイトンサイクルが初めて一貫して効果的に運用され、関連する論文が発表されました。^[17] 燃焼室の空気は570Kから1000K以上に加熱されました。EU Solhycoプロジェクトでは、太陽エネルギーとバイオディーゼルのみを使用したハイブリッドブレイトンサイクルを運用し、さらなるハイブリッド化が達成されました。^[18] この技術は、セビリア近郊のプロジェクトSolugasで4.6MWまでスケールアップされ、現在はプレ商用規模で実証されています。^[19]

逆方向に駆動されるブレイトンサイクルは、熱を移動させるために仕事を使用する。これはガス冷凍サイクルの一種である。空気が作動流体である場合、それはベルコールマンサイクルとして知られている。^[20]

また、LNG業界では、ガスタービンの電力を使用してコンプレッサーを駆動し、LNG を過冷却するためにも使用されています。^{[疑わしい–議論が必要] [引用が必要]}

これは、熱から仕事を生成するオープンブレイトンサイクルですが、段階の順序が異なります。流入する空気は最初に大気圧で加熱され、次にタービンを通過して仕事を生成します。大気圧より低い圧力になったガスは、熱交換器で冷却されます。コンプレッサーは再び圧力を上げて、ガスを大気中に放出できるようにします。

ウィキメディア・コモンズにはブレイトンサイクルに関連するメディアがあります。

• ブリタラスロータリーエンジン
• 熱機関
• 空調設備
• ランキンサイクル

• 今日の科学記事、ブレイトンエンジンについて
• [1]
• ソーラーガスタービンシステム：設計、コスト、展望
• ヘラー、ピーター。プフェンダー、マルクス。デンク、トーステン。テレス、フェリックス。バルベルデ、アントニオ。フェルナンデス、ヘスス。リング、アリク (2006)。 「太陽光発電ガスタービンシステムの試験・評価」。太陽エネルギー。80 (10): 1225–1230。Bibcode :2006SoEn...80.1225H。土井：10.1016/j.solener.2005.04.020。