皆さんこんにちは！
2050年の『カーボンニュートラル』に向けて、SAF（持続可能燃料）や、低燃費のエンジンの開発など様々な取り組みがなされています。
そんな中、水素蒸気ハイブリッドエンジンという新しいシステムが登場しました。
プラット・アンド・ホイットニー、水素蒸気ハイブリッドエンジンサイクルの詳細を発表
空気はエンジン後部の小さな逆流コアに入り、ファンに動力を与え、その後、蒸発器、凝縮器、水分離器を経由して排出されます。クレジット: プラット・アンド・ホイットニー
水素燃料は炭素排出量ゼロという目標に向けた魅力的な道筋を提供するかもしれませんが、そのビジョンを実用的な推進システムに変えるかどうかは別の問題です。
現在、プラット・アンド・ホイットニーは、燃料の極低温特性の利点と蒸気噴射の熱力学的利
点を組み合わせた新しいハイブリッドエンジン構成である水素蒸気噴射中間冷却タービンエンジン（HySIITE）コンセプトで、その道の第一歩を踏み出した可能性があると考えています。
プラット・アンド・ホイットニー社は、米国エネルギー省エネルギー高等研究計画局
（ARPA-E）の2年間にわたる380万ドルの取り組みの一環として研究されてきたこのコン
セプトの詳細を発表しました。プラット社は、このサイクルは複雑でさらなる研究が必要で
あることを認めていますが、現在の最先端のエンジンと比較してエネルギー使用量を最大35%削減できる可能性があることを示した結果が出ています。
蒸気注入はパフォーマンス向上の鍵であり、このコンセプトによりNOx排出量を99%以上削減できる可能性があります。
プラット社によると、この研究は、二酸化炭素排出量ゼロで、はるかに効率の高い商用ギアー
ドターボファンエンジンを含む、一連の新しい発電所への道を開く可能性があるということ
です。研究はまた、このコンセプトにより、水素の燃焼温度が高いことで副産物として生成さ
れる温室効果ガスである窒素酸化物（NOx）の排出を最小限に抑えられる可能性も示唆しています。
12 月に終了した HySIITE は、概念上のコンポーネントとシステムの設計、およびいくつかの
重要な高リスク要素の実現可能性テストに重点を置いていました。これには、高蒸気空気混合
での水素の燃焼、実用的な蒸発器設計の評価、および凝縮器でどれだけの水が生成できるかを調べるテストが含まれていました。
「確かにまだ多くの技術的課題が残っていますが、これらを通じて主要コンポーネントに関す
る迅速な回答が得られ、継続する価値があるかどうかがわかりました」とプラットの先進コンセプト担当テクニカルフェロー、ニール・ターウィリガー氏は語りました。
「HySIITE は、水素が存在するかどうか、そしてそれが脱炭素化の実現可能な道筋であるか
どうかを想像するプロジェクトです」と、1 月 9 日に米国航空宇宙学会サイテック フォー
ラムでターウィリガー氏は語りました。「どのようなエンジンが水素を最大限に活用できるで
しょうか。現在のエンジンと同じようなものにすべきでしょうか、それとも何か違うものにすべきでしょうか。」
「私たちはその疑問を分解して、『水素のどの要素を活用できるか』と問いました」とター
ウィリガー氏は続けました。「熱回収があります。極低温の超伝導パワーエレクトロニクスが
あります。また、水素は燃焼すると大量の水蒸気を生成するという事実もあります。これはあ
まり知られていない事実ですが、私たちはそれを活用できます。それが、エンジンの後ろから水を捕らえることを実際に可能にするのです。」
HySIITE シングルノズル燃焼器リグテストは RTX テクノロジー研究センターで実施されました。クレジット:プラット・アンド・ホイットニー
HySIITE のコンセプトは、外見上は従来のエンジンに似ていますが、内部はほとんどの点で
ターボファンとはまったく異なります。ターボファンと同様に、ほとんどの気流はバイパス
ダクトを通じてファンによって加速されますが、従来のマルチスプール コアや前向きのコンプレッサーはありません。
その代わりに、吸入空気の一部はエンジン後部の小さなコアに吸い込まれ、Uターンして逆圧
縮機を通って前方に流されます。これは、プラット・アンド・ホイットニー・カナダのPT6
ターボプロップ機で使用されている構成に似ています。蒸気のより大きな出力容量のおかげで、コアを小さくすることができたとターウィリガー氏は説明しました。
プラット・アンド・ホイットニー・カナダのPT6ターボプロップエンジン
吸入空気がコンプレッサーを通過すると、燃焼器の上流の圧縮段階の間に注入された蒸気と
混合されます。そこで、圧縮空気によってガス状水素が点火され、その後、シャフトを介してギア駆動ファンに接続されたパワータービンから燃焼生成物が排出されます。
高温の排気ガスは、従来の排気ノズルからエンジン後方に排出されて追加の推力を発生させる
のではなく、熱交換器の一種である蒸発器を通過します。排気ガスはその後、構造の大きな表面積を利用するためにバイパスダクトに組み込まれた一連の凝縮器に送られます。
凝縮器からの熱の一部は、極低温燃料を燃焼可能なガスに変えることで、水素を液化するために必要なエネルギーの一部を回収するために使用されます。
一方、コンデンサーはファンから分岐したバイパスブリード空気の流れによって冷却され、流れを冷やして排気ガスを冷却し、水に変えます。
水は、凝縮器から出ると、遠心分離機の壁に送られます。そこから、乾燥した空気がナセルの
後ろの混合排気流に排出され、水は蒸発器に戻されて蒸気に変換されます。この対流回収プロセスにより、蒸気ボトミングサイクルの一部として排気からの廃熱がさらに回収されます。
ARPA-E 契約には、液体水素から気体水素への変換プロセスから利用可能なエネルギー、
つまりエクセルギーを引き出す実証は含まれていませんでしたが、プラットの分析では、極低
温燃料を使用することで得られる温度差により、サイクル全体が実行可能であることが示されている。「水素なしでは取引は成立しなかった」とターウィリガー氏は語りました。
蒸気は高圧スプレーとして圧縮機と燃焼器に噴射され、半閉ループシステムを完成させ、
質量流量を増やして効率を向上させると同時に、流れを冷却し、プラット氏によるとNOx排出量を大幅に削減します。
「このエンジンに初めて挑戦したとき、私たちは基準をはるかに上回る成果をあげました」
とプラット・アンド・ホイットニーの親会社 RTX の主任科学者マイケル・ウィンター氏は
言いました。「現在認定されているエンジンと比較して窒素酸化物を 99.3% 削減し、3 秒ごとに 1 ガロンの水を生み出しました。これは驚くべき水の量です。」
HySIITE のテストの重要な部分は、最大 0.8 という高い蒸気対空気比での水素の燃焼性に
焦点が当てられました。「直接燃焼させると、蒸気の量は空気とほぼ同じになります」と
ターウィリガー 氏は述べました。空気はタービン エンジンの作動流体ですが、HySIITE の作動流体は蒸気であると同氏は付け加えました。
「コンプレッサーは単なる酸素ポンプで、蒸気に酸素を入れて直接水素を燃焼させようとし
ています」とターウィリガー氏は説明します。「蒸気発電所でできるよりもはるかに高い温度
まで上げることができます。なぜなら、水素は熱交換器を通らなければならないからです。」
蒸気を直接コンプレッサーに噴射すると、エンジンの熱効率の指標として使用される、最新の
ターボファンの入口圧力比とコンプレッサー圧力比の関数である総圧力比 (OPR) も上がりま
す。しかし、従来、OPR の上昇は高圧コンプレッサーの出口での材料温度能力によって制限
されていました。ターウィリガー氏によると、冷却剤として蒸気噴射を使用すると、この問題
を回避できるほか、従来は流路に熱交換器を挿入して行われていた中間冷却の新しいソリューションも得られます。
「水があれば、コンプレッサーに噴霧して、圧縮段階の合間に空気を冷却することができま
す」と彼は言いました。「コンプレッサーの作業が少なくなり、熱交換器インタークーラーを
使用する場合よりも容積と圧力損失が大幅に少なくなります。インタークーリングが可能で、
OPR が高いという事実は、パフォーマンスにとってほぼ同等に重要であると言えます。」
コアフローと中間冷却における避けられない圧力損失にもかかわらず、全体的な利点、特に全体的な効率がそれを補って余りあるとターウィリガー氏は述べました。
「熱回収サイクル、特に中間冷却サイクルとコアフローが非常に低いサイクルでわかったこと
の 1 つは、コアフローの圧力損失がそれほど重要ではないということです」と、彼は説明し
ました。「圧力損失のあるフローの量ははるかに少なくなり、OPR が失われることはなくな
りました。以前は、コンプレッサーで 5% 損失すると、OPR が 5% 低下しました。[コンプ
レッサー出口温度] 制限は同じままだったからです。しかし、中間冷却をもう少し行い、圧縮をもう少し行えば、元の状態に戻ります。」
水はコンセプトの非常に重要な要素であるため、HySIITE の凝縮器技術テストの一部は「こ
の装置の背面から何が出てくるか」に重点が置かれていたと Terwilliger 氏は言います。
「熱力学では 3 秒ごとに 1 ガロンが凝縮するとされていますが、その水はどのような形をし
ているのでしょうか。霧でしょうか。実際に水を得るには 1 年間遠心分離機にかけなければな
らないのでしょうか。それとも、後ろにバケツをかざすだけで水が得られるのでしょうか。」
答えはプラット社がほっとしたことに、「台所の蛇口と同じように」水が生成されるというものでした。
離陸時、特に暑い日には、エンジンに小さな水タンクが供給される。プラット氏によると、
降下中にさらに水が溜まるため、次の飛行までに機体の水タンクが満タンになるというこ
とです。「コンデンサーをもっと追加することもできたが、水タンクが小さい方が有利だ」とウィンター氏は付け加えました。
プラット社は、NASA の環境持続可能性のための先進航空機コンセプト (AACES) 2050
プロジェクトでの最近の受賞を含む、いくつかの取り組みを通じて HySIITE 水素推進研究
を進めています。プラットはまた、オランダのデルフト工科大学と協力して、新しい熱エネル
ギー回収エンジン構成の研究に取り組んでおり、姉妹会社のプラット・アンド・ホイットニ
ー・カナダは、カナダが支援する水素先進設計エンジン研究 (HyADES) プロジェクトの下で、改良型水素燃焼 PW127XT ターボプロップ機の開発に取り組んでいます。
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