新しいエンジンの開発。 オープンローター編

オープンローターまたはファンを使用すると、空気の捕捉領域を増やすことがで

きるため、質量流量の増加により大幅に減少したオーバースピードを補うことが

できます。推力 = マスフロー * オーバースピードの関係で必要な推力が得られ

ます。

ただし、オープン ファンだけではなく、さらに多くのコンポーネントが必要です。

ファンが 1 つの場合、空気はファン ブレードによってまっすぐに押し戻されない

ため、空気の速度超過効率によりシャフト出力が失われます。フリーストリームに

対する角度は、飛行方向のオーバースピードを失い、したがって効率を失うことを

意味します。

これは、ターボファンのファンやコアのコンプレッサー段にも当てはまります。バイパスチャネルの後ろからターボファンを覗くと、空気をまっすぐに戻すために角度を付けた静翼が見えます。コアコンプレッサーのステーターベーンにも同じ機能がありますが、ここでは回転がより大きいため、空気はブレードに最適な角度で次のコンプレッサーステージに当たります。

ターボプロップ プロペラはこのステップを省略するため、効率が低下します。その

プロペラの下流側の空気 (プロペラウォッシュと呼ばれる) が渦巻きパターンで流れ

ます (図 2)。これはすべてのプロペラ パイロットが知っており、特に離陸時に補正

する必要があり、そのパターンが航空機のヨーを不安定にする可能性があります。

効率の損失は最大 5% になる可能性があります。プロペラの効率が最高で約 87% に達

するのに対し、静的バイパス羽根を備えたナセル内のファンのファン効率は 90% 以上

になるのはこのためです。

当初、オープンローター設計では、流れの旋回を解消するために、第 1 段の後に第 2 の

逆回転ファン段を配置し、エンジンの推力軸方向により多くのオーバースピードを噴射し

ました。これにより、コアと 2 つの逆回転ファンの間に複雑なデュアル ギアボックスが

必要になります (図 1)。

初期の GE オープン ローター設計、GE-36、およびその後の研究設計はすべて、この逆

回転設計を採用していました。そして 2014 年、Open RotorチームのGEエンジニアは

次のように述べています。 2 番目のローターを固定の渦巻き防止ステーター ベーンと

交換して、複雑さを解消してみてはいかがでしょうか。分析とテストの結果、効率の低下

は無視できるほどであるが、複雑さと重量は大幅に増加することがわかりました。 これ

によりGE 単段オープン ファン エンジンが誕生しました。

私は 2018 年のファーンボロー航空ショーのオープン スカイ スタンドで初めてこれを

見ました。そこで図 3 の写真を撮りました。ギアボックスの複雑さはターボプロップ

レベルになり、複雑さの軽減は明らかでした。ギアボックスとファン + ステーターも

エンジンのコールド側に配置され、複雑さがさらに軽減されました。

エンジンの後部にオープン ローターを最初に配置したのは、好ましい後部エンジン

レイアウトで、騒音の多いファンの先端 (ナセルによって減衰される騒音ではない) を

客室から遠ざけるためでした。しかし、GE は 1980 年代以降もオープン ローター コ

ンセプトと GE36 の研究を続けました。エンジンの非常に高い騒音の原因が判明。

最初のファンの先端渦と 2 番目のファンのブレードの相互作用から多くのことが起こり

ました。 NASA と共同で実施した研究で、GE は徐々に騒音レベルを低減することができ

現在ではオープン ファン アーキテクチャが LEAP エンジンの騒音レベルに達しています。

シングルオープンファンの利点は非常に説得力があったため、SAFRANは、市場最大の

エンジンセグメントであるシングル用推力25klbfから35klbfセグメント向けのLEAPの次

世代エンジンとして、CFM RISE（図4）を2021年に発売することにGEと合意しました。

アイルゼの旅客機。今後のコーナーでは、CFM RISE についてさらに詳しく説明します。

ナセルの役割

ターボファン エンジンは、ナセルを使用して空気の流れをパワープラントに導きます。

このとき、ナセルにはいくつかの機能があります (図 2)。

図 2. ターボファン ナセルのさまざまな部品と機能を示す図。クリックすると拡大します。出典: SAFRAN。

空力: ナセルは、航空機の種類に応じて約 0.76 ～ 0.85 の自由流空気を捕らえ、吸気

ディフューザー セクションのファンに導き、対気速度を M 0.5 程度に下げます。空気

の軸方向速度が低いため、高出力運転 (離陸、上昇) 中にファン ブレードの局所マッハ

数がマッハ 1.3 未満に緩和されます。ディフューザーには、高出力運転中の遷音速衝

撃波を含むファンからの音を吸収する穴あ​​き壁があります。

逆推力: ナセルの後部には逆推力装置のドアがあり、逆推力時にバイパス チャネルを

閉じてバイパス空気を外側と前方に導きます。ナセル構造は逆推力装置の力をエンジン

とパイロン (米国ではストラットとも呼ばれます) に伝達します。

ノズル: ナセルの後部は外壁を収縮させ、コア排気プラグを備えています。これにより、

コアとバイパス チャネルの出口速度が適切な速度になり、エンジンの効率が最適にな

ります (バイパス対コアの対気速度比は 80%)。

抗力の最小化: ナセルの外部表面は、空気摩擦による抗力を生み出します。ナセルは、

干渉や圧力抗力を回避してスムーズな流れを確保しながら、この表面を最小限に抑え

ます。内部摩擦抗力は、エンジン推力データに統合されます。

軽量: ナセルは多くの機能を備えているため、その重量は収容されているエンジンの

約 3 分の 1 です。最も重い部品は逆推力装置と空気取り入れ口で、高速走行時に雹や

雨の衝撃に耐える必要があります。そのため、ナセルの構造と壁は大部分が複合材です。

オープン ローター エンジンまたはファン エンジンにもナセルがあります。CFM RISE

(図 3) の場合、ナセルはコアとステータ ベーンを保持します。その形状により、ナセル

の背面にあるコア排気と比較したエンジン ファン フローの過速度が制御されます。

図 3. CFM RISE ファンはスピナーとナセルに取り付けられています。出典: CFM。

ファン スピナーは、ターボファンよりもオープン ファン エンジンにとって重要です。

ターボファンとは異なり、オープン ファン エンジンには拡散吸気口がありません。

スピナーとナセルの形状の組み合わせによって、ファンの周囲の空気速度と渦流を

抑える静翼を制御する必要があります。

図 4. GE36 後部搭載ファン周りの流れ場。出典: NASA UDF 設計レポート。

図 4 は、GE36 ファンの周囲の流れの設計を示しています。グラフは、GE-NASA

GE36 設計レポートからのものです。空気がファンブレードの厚い内側部分を通過す

るときに、空気速度を下げて超音速流を回避するために、ナセルの直径が後方に取り

付けられたファンの前でどのように小さくなっているかに注目してください。

CFM RISE のスピナーとナセルは同じ役割を担う。ここでは、ファンブレードの内側

部分が薄いため、マッハを低くする必要性が減るはずだ。しかし、飛行試験用の RISE

にコーラのボトル型のスピナーが付いていても驚かないでください。

ターボファン機体の統合

図 1. ボーイング 737NG (左) と MAX (右) のナセルの比較。出典: ボーイング 737 の画像から

ターボファン エンジンとオープン ローター エンジンのファンのサイズが大きくなる

につれて、機体の統合はより困難になります。CFM LEAP-1B エンジンの統合が低床

のボーイング 737 MAX に与える影響と、それが引き起こす問題はよく知られてい

ます (図 1)。

ナセルの直径が大きくなると、エンジンとナセルの組み合わせが前方および上方に

移動し、エンジンの排気流を翼の下に保ちながら、十分な地上高を確保します。

その結果、ナセルは回転体として上部に吸引圧を発生させ、高迎え角（AoA）で

機首上げのピッチングモーメントを生じさせる。従来の機械式飛行制御システムを

備えた737 MAXの場合、欠陥のあるMCAS安定性増強アドオンが生じました。

ピッチアップ効果は 737 MAX に限ったことではありません。他の航空機メーカー

も大型エンジン ナセルで同じ問題を抱えています。これは、現代のエンジンの

ファン サイズが大きくなり、バイパス比 (BPR) が増加するためです。ただし、

現代のフライバイワイヤ制御システムは、機械制御システムよりも不均一なピッチ

モーメント曲線をうまく処理できます。

現在のインストールの問題は、BPR が CFM56/IAE V2500 世代の 4 から 5 から

Pratt & Whitney GTF/CFM LEAP 世代の 9 から 12 に増加したときに発生しました。

次世代ターボファンでは、効率を上げるために BPR がさらに増加するため (低過

速度でより大きな空気質量流量を実現)、ナセルの大型化による設置効果により、

機体の統合の問題が増大します。

オープンローター機体統合

オープンローター機体の統合とそれがいかに問題であるかについては、多くのこと

が書かれています。CFM RISE に関する情報を使用して、問題を分析してみましょう。

CFM は図 2 のグラフを公開しています。これを議論の参考として使用します。

図 2. CFM RISE 機体統合の例。出典: CFM。

質量

オープンファン エンジンは軽量エンジンではありません。私たちの理解では、

30klbf CFM RISE は、ナセルと逆推力装置 (RISE は逆推力のためにブレード

を反転します) を含めると、同等の推力 CFM LEAP とほぼ同じ重量になります。

重いエンジンには、効率的な機体統合が必要です。図 2 の 3 つのうち、最も

質量効率の高い取り付けは前部です。これは、エンジン、着陸装置、および翼

の力が航空機の翼根の周囲に集中しているためです。エンジンの重量は、空気

による翼の曲がりに対するカウンターウェイトとしても機能します。

他の構造では、力が分散されるため、その力を機体の残りの部分に導くために

頑丈な構造が必要になります。

配置

CFM RISE ファンの直径は 13 フィート (4 メートル) で、ATR72-600 プロペラ

の直径と同じです。このようなプロペラ/ファンを低翼設計に搭載するには、翼の

ナセルを上げます。つまり、渦流が除去されたファン ストリームが翼の表面に衝

突し、スクラブ抵抗が発生します。CFM によると、この効果は LEAP に対する

20% の効率向上に含まれています。

ブレードアウト

オープンファンに対する次の反論は、ブレードアウトのシナリオです。ターボプロ

ップにはこのシナリオがあります。ターボプロップは認証を取得し、過去 50 年間

にわたって安全性が実証されています。CFM RISE ファンブレードは、ATR72-600

プロペラブレードよりも大きくも重くもなく、同じ RPM 範囲で回転します。

したがって、ターボプロップ セグメントの安全規則に準拠するオープン ファン

エンジンの認証は、同等のブレード エネルギー ターボプロップ エンジンよりも厳

しくなることはありません。

まとめ

ターボファンには、エンジンの BPR が大きくなるほど増加する機体統合の問題が

よく知られています。

CFM RISE には、ATR72 のプロペラと同じ統合の問題があります。したがって、

同じ認証基準を使用することが可能です。