新しいエンジンの開発。 オープンローター編

飛行機

皆さんこんにちは!

エンジン開発シリーズの「オープンロータ編」です。

オープンローター

エンジン開発に関する連載記事を連載しています。その目的は、エンジン開発の

スケジュールが機体開発よりも長くなり、製品の成熟度に問題が生じるリスクが

より大きくなった理由を理解することです。

なぜエンジン開発が困難な作業になっているのかを理解するには、エンジンの基

礎とその基礎に使用されるテクノロジーを理解する必要があります。

以前のコーナーで、ギア付きターボファンと直接駆動ターボファンについて説明

しました。オープンローターエンジンについて議論する時が来ました。

今日の CFM RISE の父である GE 36 Open Rotor エンジン。出典: GE アビエーション

ローター履歴を開く

このシリーズは、すべての航空機エンジンがエンジンを通過する空気を後方に加速

することによって機能し、その結果、航空機を通過する空気と比較して空気の速度

超過が引き起こされることを説明することから始めました。

このオーバースピードを誘発する最初の方法はプロペラでした。ブレードは航空

機の翼のような形状を形成し、空気を切り裂いて後方に加速させます

航空機の飛行速度が速くなると、プロペラに当たる空気の速度とプロペラ ブレー

ドの回転速度が組み合わされて、先端が超音速に達することになります。

超音速の流れは亜音速の流れとは大きく異なります。亜音速の流れでは、空気分

子は圧力波によってプロペラ ブレードが近づいていることを事前に警告され、

圧力によって動き、プロペラ ブレードの周囲の気流と整列します。

亜音速の空気分子は動きやすく、ブレードの周囲の流れはブレードの輪郭に

スムーズに追従します。

超音速の流れはスムーズではありません。現在、ブレードが近づいているという

事前警告はありません (圧力波はブレードと同じ速度で伝わり、ブレードの表面

から離れることはありません)。空気分子とブレードの先端の衝突は、ビリヤー

ドのボールが別のボールにぶつかるときのように激しくなります(私は超音速の

空気力学を「プールの空気力学」と呼んでいます)。

激しい衝突により、ブレードから音速で伝わるかみそりのような衝撃波が発生し、

非常に大きな騒音が発生します (騒音は圧力波です)。衝突と衝撃波もブレードか

ら多くのエネルギーを消費するため、プロペラ タンクの効率が低下します。

プロペラ飛行機は効率の低下のため、防音壁を通過して飛行することができませ

んでした。流れの超過速度は十分ではなく、音速に近づくほどプロペラブレード

に超音速の流れがかかるため、ブレード効率の損失が増大しました。

解決策はジェットエンジンでした。ジェット エンジンは、大量の空気を取り込ん

で適度なオーバースピードを与えるのではなく、空気をほとんど取り込まず、非

常に高いオーバースピードを与えました。胴体/ナセルの空気取り入れ口の助けを

借りて、超音速飛行中でも空気の速度をマッハ 0.5 程度まで下げることができま

した (ディフューザー部分が広がっているため)。したがって、航空機が超音速で

飛行しているときでも、コンプレッサーのブレードは亜音速で動作する可能性が

あります。エンジンの最後の部分であるノズルは、周囲が制限されているため、

空気を必要なオーバースピードまで加速します。

初期のジェット エンジンはオーバースピードが高すぎて、取り込む空気が少な

すぎました。推進効率は約45%とあまり良くなかった。この修正はバイパス

ターボファン エンジンであり、平均オーバースピードが低下し、エンジンを通過

する質量流量が増加したため、最新世代では推進効率が 83% に向上しました。

しかし、現在ではこの原則を使用して、バイパス比 (BPR) を 12 対 1 にし、

次世代エンジン (ロールスロイス ウルトラファンなど) では 15:1 以上を計画

しています。

エンジンのファンセクションと必要なインレットディフューザーを備えたナセル

が非常に大きくなっているため、アイデアはプロペラのよりコンパクトなバージ

ョンであるオープンローターまたはオープンファンに戻ります。

図 2 に示すように、先端が超音速の流れに入ることなくより速く飛行できるプ

ロペラの研究は、1970 年代から 1980 年代にかけて強化されました。

図2 .ロッキード エレクトラとして示された古典的なターボプロップと、当時の予想される高速プロペラおよびターボファン。出典: 1988 年の NASA レポート。

早すぎる超音速の流れを避けるために、翼と同じ方法がプロペラにも使用されま

した。ブレードはスイープされ、コードが増加しました (図 3)。

図 3. NASA レポートの高速プロペラ ブレードの写真。出典: NASA。

プロペラのブレードも増えたため、掃引面積あたりにより多くの空気が取り込

まれます (剛性比が増加しました) (図 4)。

図 4. 超音速風洞内にある 1982 年の NASA/ハミルトン標準 SR-3 高速プロペラ。出典: NASA

航空機の可能な速度が向上し、プロペラの効率の低下が改善されました (図 2)。

しかし、解決すべき根本的な問題がまだ残っていました。これらについては次

のコーナーで説明します。

オープンファンテクノロジー

シュラウドのないプロペラまたはファンの主な利点は、周囲のナセルが大きくな

って重くて引きずることなく、掃引面積、つまり質量流量を増加できることです。

逆推力装置を備えたナセルの重量は、通常、それが覆うエンジンの約 3 分の 1

です。ターボファンファンが大きくなるほど、逆推力装置を備えたナセルの質量

が大きくなり、ナセルの外側の抗力も大きくなります(ファンを越えた内側の抗

力はエンジンデータに含まれます)。

質量流量を根本的に増加させ、それによってオーバースピードを下げて推進効率

を高めるには、シュラウドのないオープンファンが利点をもたらします。この

利点はバイパス比、BPR で測定できるため、ターボファンの BPR 値と比較でき

ます。

図 2 は、いくつかのよく知られたエンジンとターボプロップのバイパス比を示し

ています。 CFM RISE のような Open Fan の典型的な BPR も含まれています。

この図は、オープン ローターに関する SAFRAN 出版物からのもので、バイパス

比 ( BPR、X 軸)、推進効率 (左側の Y 軸)、およびファン圧力比 ( FPR、右側の

Y 軸)の間の関係を示しています。 )。

図 2. この図は、一般的な航空機エンジンのバイパス比、推進効率、およびファン圧力比を示しています。出典: サフラン。

推進効率

これまでのコーナーから、推進効率を決定するパラメータはオーバースピード

(エンジンでいう比推力)、つまりファンがエンジンを通過するときに空気に与

える加速度であることがわかりました。この加速度はファン圧力比 (FPR) と

連動しています。これは、空気がファンを通過するときに空気に生じる加速度

を示す圧力パラメーターであるためです。

したがって、推進効率に関して重要なパラメータはファン圧力比 (FPR)です。

FPR が低いほど、空気の加速度が低くなり、オーバースピードが低くなり、

推進効率が高くなります。

推力を一定に保つには、エンジンの質量流量を増やす必要があります。これは

バイパス比 (BPR) の増加によってファンの掃引面積を増やすことによって達成

されます。

したがって、ファン圧力比は推進効率に関係し、バイパス比は主にエンジンの

質量流量に関係します。したがって、推進効率の直接的な尺度としてバイパス

比 (BPR) について人々が話すのは誤った情報です。これは、オーバースピード

が設定されているときにエンジンの質量流量を設定することによって、エンジン

の推力レベルに到達するために使用される間接的なパラメーターです。

したがって、FPR はエンジンの過速度を調整します。これはバイパスチャンネ

ルで直接行われます。コアについてはどうですか?コアについては、このシリ

ーズの後半で詳しく説明します。

現時点では、コアへの FPR が圧縮機の第 1 段の圧力増加を形成すると言えます。

エンジン設計者はコアの排気速度を調整するため、バイパス空気よりも 25%

高くなります。これにより、エンジンの全体的な効率が最適化されます (熱力

学の話がやや複雑になるのはなぜですか)。

最も多く生産されているターボファンである CFM56 は、巡航中のバイパス比

が約 5、圧力比が約 1.65 であることがわかります (図の BPR 5 からすぐ上を

読んでください)。高い FPR により、最新のエンジンよりも CFM56 バイパス

空気へのオーバースピードが増加します。

LEAP-1A30 の場合、BPR 10 ラインに沿って読み取ります。これにより、

ファン圧力比は 1.4 になります。 PW1130G の場合、FPR は約 1.37 です。

CFM RISE のような設計の BPR は 50 以上で、推進効率は約 95%、巡航

FPR は約 1.07 になります。

この 95% は、パート 4 の PW1130 GTF ターボファンの巡航推進効率 83%

と比較できます。つまり、CFM RISE のような設計では、BPR 12 ターボファ

ンから BPR 50+ Open へのステップを通じてのみ効率が 12% 向上します。

ファン?完全ではありません。オープンファンの推進効率に到達する前に、

次のステップがあります。これは、シャフトのパワーをコアからファンによっ

て引き起こされる空気の過速度に伝達する際の効率です。

これはファン効率係数と呼ばれます。

ファン効率の詳細については、次のコーナーで説明します。

ファン効率

コメント

  1. 坂本 大空 より:

    航空機のエンジンについて興味があり、読ませていただきました。ありがとうございます。
    しかし、改行のしかたが悪いのか分かりませんが、読みづらかったです。この部分を直してもらえるともっと読みやすくなると思います。

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