飛行機に乗ると、エンジンの真ん中に小さな渦巻き（白いハシ）があり、目の錯覚のようにゆっくり回っているのに気づいたことがあるかもしれません。 その渦の奥には、おそらくこれまでに設計された中で最も複雑なエンジニアリングの断片があるのです。
「金属と金属が接触することはありません。 そのため、このような「幻の光」は、これまでで最も複雑なエンジニアリングのひとつといえるでしょう。 と、エンブリー・リドル航空大学の航空宇宙工学の教授であるMagdy Attia博士は述べています。
博士に話を聞きました。
そして、プラットホイットニーのマーケティング部長ジェームズ・スパイチ氏に、ジェットエンジンがどう動くかを聞いたところ
。 また、大学ではガスタービンの研究施設も運営しています。 シュパイヒ氏は、プラット社に45年間勤務する機械工学者である。彼は、ジェットエンジンの初期のコンピューターモデルや、プラット社がボーイング747用に設計した最初のエンジンの後継機PW4000に携わり、その経験を積んできたのである。
私たちはここで良い仕事をしていると思います。
まず最初に。 たくさんの空気。
ジェットエンジンは基本的に、たくさんの空気を吸い込み、燃料と混ぜ合わせ、できたガスを高速で後部に吐き出すことで動作します。 しかし、今日のジェットエンジンの仕組みはそうではありません。 実際、現代のジェット・エンジンが生み出す推力のほとんどは、信じられないほどの量の空気を、一度に、非常に速く動かすことによって得られる。 エンジンに入ってきた空気の9割は、燃料と混ざって着火することなく、そのまま通過してしまう。
ジェットエンジンの黎明期には、飛行機はもはや商業用には作られていないタイプのジェットエンジンを使用していました。 現在では、吸い込んだ空気のほとんどをエンジンコアの周りに押し出すターボファンが使われている。
現在就航している最大のジェット旅客機は、非常にハイバイパスなエンジンを搭載しており、エンジン内を加速する空気（コアをバイパスする）とエンジン自体のコアに入る空気の比率が高くなっている。 ボーイング777型機のようなそれらのエンジンの巨大な直径は、前部に巨大なファンを持つ必要があるためです。
民間のターボジェットはコンコルドで飛行を停止し、超音速戦闘機や爆撃機にのみ見られるもの、アフターバーナー（文字通り排気に燃料を注入して大きな推力を生み出す）さえ使用して、離陸時の加速や飛行後半での音速障壁の突破に役立てたのです。
最近の民間機では離陸時に後部から炎が出ることはない。
推進エネルギーがカギ
ターボファンで実践されていた理論とは推進効率というもので、この推進エネルギーによって、航空機はより速く、より速く、そしてより安全に飛行できる。 大量の空気を比較的ゆっくりとした速度で動かすほうが、少量の空気を高速で動かすよりもはるかに効率がよいのです。 (この格言を、アタシは暗記で繰り返した）。 「一般に、離陸時の推力の70〜80％はバイパスで、20％程度はコア自体でまかなわれる。 航空機が巡航高度に達すると、推力の95％から100％がバイパスから供給されるようになります」とAttiaは言う。 コンコルドのようなターボジェットエンジンは、バイパスが全くないため、運用コストが非常に高くつく。
Suck, Squeeze, Bang and Blow
「吸う、絞る、叩く、吹く」は、パイロットがエンジンのさまざまな段階を覚える方法です。
Suck
前面のファンで空気を吸い込みます。 この空気の10％がエンジンのいわゆる「コア」に入る。 90％はスピードアップしてコアの周りに押し出される。
絞り
コアに入った空気は、コンプレッサーと呼ばれるシャフトに取り付けられた一連の小さな回転するブレードを通過して移動する。 圧縮された空気に燃料を注入し、燃焼器で点火する。
ブロー
次に、急速に拡大する高温の混合ガスが、タービンと呼ばれる別のファンブレードのセットを通過する。 このタービンが回転することで、コンプレッサが回転し、一番手前にあるファンが回転するのです。 重要なのは、エンジンコアの要は前部のファンを回すことであり、推力の大部分を提供することではないのです」
「タービンは、燃焼によって生じた熱エネルギーを機械エネルギーに戻すものです。 回転するのは小さなタービンブレードで、シャフトに接続され、シャフトはコンプレッサー本体とファンに接続されています」とAttiaは説明します。
では、翼を動かすのに十分な前進運動を提供し、揚力を発生させるには、どのくらいの空気が必要なのでしょうか。
53 UPS Trucks
典型的なジェットエンジンは、1秒間に約1500キログラムの空気を摂取します。 海抜高度での空気の密度は、1立方メートルあたり約1.2キログラムです。 典型的な UPS トラックは 23 立方メートルなので、ジェット エンジンは 1 秒間に UPS トラック約 53 台分の空気を取り込みます。
「推力方程式の最も重要な部分は、空気の質量流量です」と Attia 氏は語ります。
このような状況下、「このままではいけない。 「
ファンブレード
ファンブレードが生み出すエネルギーには目を見張るものがあります。 そして、どのエンジンメーカーも、1枚の羽根に取り込まれたエネルギーを色とりどりに説明しているようだ。 あるメーカーは、作動中の1枚のファンブレードのエネルギーは、小型車を7階建てのビルの上に打ち上げることができると言った。 4177>
プラットエンジンのファンブレードは、高強度アルミニウム合金にチタンの前縁を付けて作られています。 他のジェットエンジンメーカーでは、チタン製の中空ブレードやカーボンファイバーで包んだブレードが使われています。 4177>
エンジンに近づくと気づくのは、ファンの先端がいかにエンジンケーシングに近いかということです。 実際、P&Wは、ゴム製のインナーケーシングとほんの少し、ミリ単位でこすれて、ゴムに小さな溝ができるほどの精度でそれらを作っています。
Supersonic Fan Tips and The Geared Turbofan Solution
飛行中、ファンブレードは約3,000 RPMで回転します。 それ以上になると、ファンの先端が超音速で回転し始め、突き刺すようなドローンという大きな騒音が発生します。 一方、低圧軸は毎分12,000回転、高圧軸は毎分20,000回転ほどで回転しています。 では、この回転をどうやって遅くするかというと、エンジン後部の高回転から前部の低回転にするのです。
エンジン設計に戻りますが、コアの真ん中を通るのは「シャフトの中のシャフト」です。 1本のシャフトで、上の図にある低圧タービン、低圧コンプレッサ、ファンを回しています。 もう1本の軸は、高圧タービンと高圧コンプレッサを回します。 4177>
前方のファンを減速させるためには、「高圧シャフトよりも遅い速度でファンを動かすために、より低圧のステージが必要です」と、従来の2スプールエンジン設計について、Speichは述べています。 これらの追加ステージは重量を増やし、燃料効率に悪影響を及ぼします。
そこで登場したのが、ギアード・ターボファン（GTF）です。
まず、P&Wは時間をかけて、軽量なギアボックスを作る方法を見つけ出しました。 現在のギアボックスは約250ポンドですが、最初の試みは600ポンドに近かったのです。 このギアは、回転速度を3分の1に減速させる。 低圧軸が1万回転している場合、ギアボックスはファン自体を3,000回転に落とす働きをするが、-決定的なのは-低圧の段数を増やさないことである。 Speichが入社して以来、Prattは20年間積極的にこの問題に取り組んできました。
「ギアを使えば、ファンをゆっくり回すことができますが、残りのコンポーネントは、彼らにとって最も効率のよい速度で回転させることができます」とSpeichは説明します。 その結果、ファンを低速で動かすために必要な低圧の段階が少なくなり、コンポーネントの重量も減ります。 「このような学習により……そしてついに今日、技術が追いつきました」
Efficiency Gains Over Time
Speich は 1970 年代半ばから P&W に勤務し、P&W が最初のボーイング 747 に搭載した JT9D を発売してすぐ入社しました。 「最初のエンジンのバイパス比は4.5対1くらいでしたね。 GTFエンジンは、12対1のバイパス比を誇り、燃料効率は15％向上すると報告されています。 「これは、この分野では非常に大きなことです」とAttiaは力強く語りました。
Speich氏は、同社が15％以上の効率向上を実現していることに言及。「燃費が1～2％向上することは、金鉱に当たることだったのを覚えています」と、同社でのキャリアを振り返った。 GTFは現在、エアバスA320Neoシリーズ、エアバスA220、エンブラエルのE-2ジェット、ロシア製のイルクートMC-21、三菱MRJの5つのプラットフォームで飛行している。 (
「空気力学、材料、構造、物理…すべてに関して、これらのすべてが限界に挑戦しています」とAttia氏は言います。 「また、エンジンのノーズの真ん中にある小さな渦巻きは、ファンが回転しているかどうかを視覚的に知らせるためのものです。
注目の画像は筆者によるものです。
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