技術概要とその取り組み
(7)(20)7.1 概 要
第１章で世界のガスタービンの開発歴史の概 要について述べたが，ここではわが国における 取組み，開発，実機適用に関する歩みの概要を 述べる。
わが国は，戦中および敗戦による産業停滞の 中でガスタービンに関しても欧米の技術開発の 流れから大きな遅れを取った。
そのような中でわが国のガスタービン開発上 記念すべきものとして，1948年（昭和23年）に 鉄道技術研究所が製造した2,000kWがあげられ るが，それは大戦中に高速艇のエンジン用とし て開発着手されたものが，戦後に完成したもの であり，また研究用としての域を出ないもので あった(2)。しかし，昭和30年ごろになると，欧 米におけるガスタービンの技術進展とその応用，
とりわけ発電用としての適用が国内でも注目さ れるようになった。ただし，大半は非常用ある いはピーク用としてのもので，その形式もガス タービン単体（オープンサイクル）で，連続運 転を目指した発電用コンバインドサイクルとし ての適用までにはいたらなかった。しかし，
1980年（昭和55年）ごろからガスタービンの単 機容量（出力）の増大，信頼性の向上などもあ いまって，コンバインドサイクルとしての適用 が行われるようになった。
以降，例えば産業用としてはＪＲ東日本（当 時国鉄）川崎向け144MW（1981年運開）さらに 事 業 用 と し て は ， 東 北 電 力 東 新 潟 ３ 号 系 列 1,090MW（1984年運開）あるいは東京電力富津 火力１，２号系列1,000MW（1985年，1988年運 開）等の運転成功を契機として，今日見られる ようなコンバインドプラント導入が相次ぐこと になったことは，第１章でも述べたところであ る。
さて，これらの設備の設計・製作に関する日 本のメーカの対応であるが，当初これらの設計
製作は，海外メーカからの技術提携よるもので あったが，その後国内メーカの技術力向上に伴 い，近年では自主技術で開発および実機製作を 行うメーカも出てきた。ここでは，大容量ガス タービンを手がける国内メーカ数社につきその ガスタービンの特徴と取組状況を五十音順にて 紹介する。紹介するのは，「川崎重工業－アル ストーム型」，「日立／東芝－ＧＥ型」，「富 士－シーメンス型」，および「三菱重工業型」
であるが，その内容は2004年11月発表(7)（対象 によっては2002年10月発表(20)）の文献ベース によるものである。
7.2 「川崎重工業－アルストーム型」(7)(20) 川崎重工業は，アルストーム社との技術契約 により，大型を含むガスタービンの設計，製作 を行っている。したがって同ガスタービンは，
アルストーム社（Alstom）が開発した技術を基 にしているが，ガスタービンの基本構造として，
先ずロータは溶接製，燃焼器はアニュラー型に 加え，高環境適合形バーナ（ＥＶバーナ）を採 用したものである。また，近年の高温化と高効 率化対策としてタービン入口温度の上昇ととも に二段燃焼再熱方式を採用している。その初号 機（ＧＴ24）は，アメリカのギルバート発電所 に納入（運転開始1995年）され，以降その相似 設計による大型機種（ＧＴ26）とともに，多く の実績が得られて来ている。図7－1に川重－ア
図7－1 川重－アルストーム型ガスタービン ＧＴ24／26断面図
（出典：加藤誠他，特集発電設備の設計と材料「Ｖ．
複合発電設備の設計と材料」，火力原子力発電Vol.53 No.10，2002.10，P1254）
ルストーム形ガスタービンの断面図を，表7－1 に基本性能例を示す(20)。
表7－1 川重－アルストーム型ガスタービンの 基本性能例
（出典：加藤誠他，特集発電設備の設計と材料「Ｖ．
複合発電設備の設計と材料」，火力原子力発 電Vol.53 No.10，2002.10,P1254）
なお，アルストーム社の二段燃焼再熱方式の 実機適用は，1940年代から1970年代にかけて20 数台納入しているが，上記形式（ＧＴ26）から はじめてアニュラ方式が採用されている。
以上を含め同社方式の構造上の特徴を整理す ると次の通りである(20)。
１）二段燃焼再熱方式を採用。
２）ガスタービンの出力軸は，低温軸（コール ドエンドドライブ），排気は軸流排気とした。
３）圧縮機は22段の軸流圧縮（圧縮比は30）を 採用。入口３段の静翼を可変ピッチ方式とし て吸気流量の60％までを自由に変更可能とし た。これにより，ガスタービン負荷40％程度 までの部分負荷効率とともに，ガスタービン 排出NOx濃度の改善も図っている。
４）２段の燃焼器の内，高圧燃焼器は，30個の アニュラー型燃焼器（ＥＶバーナ）を用いて 予混合燃焼を行い，NOx低減を図っている。
また，低圧燃焼器は，24個の同様なアニュラ ー型燃焼器（ＳＥＶバーナ）を用いて，高温
燃焼器排ガスおよび高温空気（1,000℃級）
利用の低NOx燃焼を行う。
５）タービンは，高圧および低圧とも空気冷却 と適切な材料選定を行い信頼性を確保してい る。
例えば，高圧タービンの静翼，動翼とも１段 目は，シャワーヘッド冷却，対流冷却，および インピンジメント冷却を採用し，材料は，静翼 は１方向凝固翼（ＤＳ材）とセラミックコーテ ィング（ＴＢＣ）の組合せ，動翼は単結晶翼
（ＳＣ材）の使用などである。
7.3 日立／東芝－ＧＥ型(7)(20)
ＧＥ社技術の場合，特に冷却技術は航空機用 エンジンの経験が生かされている。同形式の最 新鋭形式は，1,100℃級ガスタービンをベース として高温化および出力増加を狙った設計で，
高温部品の耐熱合金の開発，新冷却技術の採用 が基本となっている。国内では既に同方式によ る1,100℃級のガスタービンを使ったコンバイ ンドプラントの多くの実績（総出力5,040MW）
(20)を踏まえ，その後1,300℃級採用によるコン バインドプラントもかなりの数が建設され，順 調に運転（総出力約17,000MW）(20)がなされて いる。さらに，1,500℃級採用ガスタービンの 計画も行われている。
本形式によるガスタービンの特徴として次の 点が挙げられている(7)。
１）ガスタービンの出力軸は，熱伸びの少ない 圧縮機側の軸端とし，排気側は排気損失が少 ない点で有利な軸流排気，またボイラは横置 き自然循環型を採用している。
２ ） 圧 縮 機 翼 列 は ， 高 温 度 適 用 の 場 合 も ， 1,100℃級ガスタービン圧縮機のスケールア ップであるが，高温化に際しては出力増に伴 う入口部の拡大，圧縮機段数の増加（例，18 段）で対応している。
３）タービンは，軸流３段の動静翼から構成さ れる。静翼では１～３段が冷却翼，動翼では １～２段が冷却翼，３段は無冷却翼となって
いる。なお，冷却に伴う翼構造および材料選 定に特別の配慮がなされている。
例えば，静翼（第１段）は，精密鋳造で内部 はインピンジメント冷却，翼前面はシャワーヘ ッド冷却，翼面はフィルム冷却等であり，また 材料は，熱疲労に優れたCo基超合金（ＦＳＸ－
414）を採用している。また，動翼（第１段）
には，内部冷却にリターンフロー，材料にNi基 超合金（ＧＴＤ－111）使用の一方向凝固翼を 採用している。それと同時に，タービン第１，
２段動翼には翼表面および翼内部に遮熱コーテ ィングが施している等である。
燃焼器は，希薄予混合燃焼方式によるドライ 低NOx燃焼器を採用し，高温燃焼（温度上昇に よる容量増加）に対応して，燃焼器本数を増加 している(7)。
図7－2に，ＧＥ－９Ｅ型（1,100℃級）ガス タ ー ビ ン ， 図 7－ 3に Ｇ Ｅ － ９ Ｈ 型 （ 1,500℃
級）ガスタービンの断面図を示す(20)。（注，
なおＧＥ系では，ＦあるいはＦＡ型と称して 1,300℃級ガスタービンが実用化されているが，
ここでは紙面の都合上省略する。）
同形式の基本性能例（50HZ用）を表7－2に示 す。
7.4 富士－シーメンス型(7)(20)
シーメンス社（ドイツ）は，大戦後から電力 用に特化したガスタービンの開発を行った。そ の基礎となったのが航空機エンジンであり，ガ スタービン本体構造はその思想（Ｖ型ガスター ビンと称す）を継承し，さらに，圧縮機とター ビン翼列には，プラット・アンド・ホイットニ ー社（Pratt & Whitney，ＰＷＡ）社の航空機 エンジンからの技術導入による技術が組み合わ されている。図7－4に典型的なＶ型ガスタービ ンの断面図を示す(7)。1,300℃級として，ＶＸ 4.3型（初号機1990年運開），1,400℃級として ＶＸ4.3Ａ型が開発されている。次に，富士－
シーメンス型の特徴を概説する。
図7－2 ＧＥ－９Ｅ型1,100℃級ガスタービン 断面図
（出典：加藤誠他，特集発電設備の設計と材料「Ｖ．
複合発電設備の設計と材料」，火力原子力発 電Vol.53 No.10，2002.10，P1251）
図7－3 ＧＥ－９Ｈ型1,500℃級ガスタービン 断面図
（出典：加藤誠他，特集発電設備の設計と材料「Ｖ．
複合発電設備の設計と材料」，火力原子力発 電Vol.53 No.10，2002.10，P1251）
表 7 － 2 Ｇ Ｅ 型 ガ ス タ ー ビ ン の 基 本 性 能 例
（50HZ）
形 式 MS9001E MS9001FA MS9001H 発 電 端 出 力 (kW) 116,900 255,600 490,000※ 発 電 端 効 率 (％LHV) 32 36.9 60※
排 ガ ス 温 度 (℃) 529 602 －
圧 力 比 12.1 17 23.2
空 気 流 量 (kg/s) 401 627 686
圧 縮 機 (段数) 17 18 18
タ ー ビ ン (段数) 3 3 4
燃 焼 器 (個数) 14 18 14
（注）※の出力および効率はコンバインドサイクルでの値を示す。
（ 出 典 ： 文 献 (20) を も と に Gas Turbine World 2006 Handbook他を参考に修正）
１）タービン全体の基本構造は，Ｖ型ガスター ビンの思想にもとづき，２軸受け支持方式，
水平２分割ケーシング，タービンは軸流排気 方式が採用されている。
図7－4 富士－シーメンスＶ型ガスタービン
（V84.3／V94.3）の断面図
（出典：入門講座「タービン・発電機及び熱交換器」
Ⅳ．ガスタービンの性能と構造，火力原子力 発電Vol.55 No.11，2004.11，P1250）
２）燃焼器は，ハイブリッド（ＨＢＲ）型燃焼 器と称し，24個のバーナをアニュラー形大型 燃焼室の円周上に配置した形式を採用。気体 および液体燃料にも対応可能で，低負荷領域 では拡散燃焼，高負荷領域では予混合燃焼運 転として切り替え使用される。同燃焼器の例 を図7－5に示す。
図7－5 ＨＢＲ燃焼室外形図
（出典：入門講座「タービン・発電機及び熱交換器」
Ⅳ．ガスタービンの性能と構造，火力原子力 発電Vol.55 No.11，2004.11，P1251）
３）タービンは，４段で構成されている。冷却 は，第４段以外は空冷翼であり，それぞれの 部分に応じた冷却方式と材料が採用されてい る。例えば，第１段静翼の冷却は，対流，イ
ンピンジメント・フィルム冷却の組合せ，第 １段動翼は，リターンフロー式対流・フィル ム冷却の組合せである。また材料面では，第 １，２段動翼にはNi基合金の単結晶翼（ＳＣ 翼），第１～３段動静翼には遮蔽コーティン グ（ＴＢＣ）を採用しているなどである。
7.5 三菱重工型(20)(7)
戦後，三菱重工業は米国のウエスチング社
（Westinghouse）との技術提携により，設計・
製作していたが，その後同社との契約を終結し，
現在は自社技術により，開発，設計・製作を行 っている。前述の国内事業用の初号機となる東 新 潟 ３ 号 系 列 の 1,150 ℃ 級 ガ ス タ ー ビ ン （ Ｄ 型）の製作に引き続き，1,350℃級（Ｆ型），
さ ら に 回 収 型 蒸 気 冷 却 燃 焼 を 特 徴 と し た 1,500℃級（Ｇ型）ガスタービンを開発してい る。三菱の設計は，Ｄ型が基本となって後継機 へ踏襲されている。Ｇ型ガスタービン（Ｍ501 Ｇ）の基本構造と最新技術を図7－6に示す(20)。 その特徴は，
１）ガスタービン本体構造としては，まずロー タは２軸受け支持構造としている。さらにロ ータは組立てディスク式が採用され，圧縮機 側はディスクをボルト結合，タービン側は，
カービックカップリングと称される歯継手を 使っている。また，車室は水平２分割方式で，
組立て保守が容易な構造となっている。
２）圧縮機は，大容量化に伴う大風量，高圧，
高効率化に対応するため，空力学的面からの 適正形状の検討（例，多重円弧翼，拡散制御 翼等），および起動時の旋回失速，サージン グ防止のため中間段での抽気導入，可変式の 入口案内翼を採用している。
３）燃焼器は，マルチキャン形ドライ低NOx燃 焼器を採用。中心に配したパイロットノズル の周囲にメインノズル（Ｇ型で８個）を配し，
予混合火炎の安定燃焼を図っている。冷却方 式は，空気冷却を基本とするが，1,500℃級 の高温化になると同燃焼温度の向上と同時に