ガスタービンエンジンの仕組み

空港に行って民間ジェット機を見ると、その動力を供給する巨大なエンジンに気付かずにはいられません。ほとんどの民間ジェット機はターボファン エンジンを搭載しており、ターボファンはガス タービンエンジンと呼ばれる一般的なクラスのエンジンの一例です。

ガスタービンエンジンについて聞いたことがないかもしれませんが、予期せぬあらゆる場所で使用されています。たとえば、あなたが目にする多くのヘリコプター、多くの小規模な発電所、さらにはガスタービンを使用しているものもあります。この記事では、ガス タービン エンジンを見て、何がそのエンジンを動かすのかを見ていきます。

タービンの種類

タービンにはさまざまな種類があります。

ガスタービンは、同じ概念を拡張したものです。ガス タービンでは、加圧されたガスがタービンを回転させます。最新のすべてのガス タービン エンジンでは、エンジンはプロパン、天然ガス、灯油、ジェット燃料などを燃焼させることで独自の加圧ガスを生成します。燃料の燃焼によって生じる熱で空気が膨張し、この熱風が高速で流入してタービンを回転させます。

ジェットエンジンのメリットとデメリット

では、なぜ M-1 戦車はディーゼル エンジンではなく 1,500馬力のガス タービン エンジンを使用しているのでしょうか?タービンにはディーゼルに比べて 2 つの大きな利点があることがわかりました。

ガスタービンの主な欠点は、同じサイズのレシプロエンジンと比較して高価であることです。ガスタービンは非常に高速で回転し、動作温度が高いため、エンジニアリングと材料の両方の観点から、ガスタービンの設計と製造は困難な問題です。また、ガス タービンはアイドリング時により多くの燃料を使用する傾向があり、変動する負荷よりも一定の負荷を好みます。このため、ガス タービンは大陸横断ジェット機や発電所などに最適ですが、車のボンネットの下にガス タービンがない理由もわかります。

ガスタービンのプロセス

ガスタービンエンジンは理論的には非常にシンプルです。それらには 3 つの部分があります。

次の図は、軸流ガス タービンの一般的なレイアウトを示しています。たとえば、ヘリコプターのローターを駆動するエンジンのようなものです。

このエンジンでは、空気はコンプレッサーによって右側から吸い込まれます。コンプレッサーは基本的に、小さなファンブレードが列状に取り付けられた円錐形のシリンダーです (ここでは 8 列のブレードが示されています)。水色が通常の気圧の空気を表していると仮定すると、空気が圧縮段階を通過すると、その圧力は大幅に上昇します。一部のエンジンでは、空気の圧力が 30 倍に上昇することがあります。コンプレッサーによって生成される高圧の空気は、濃い青で示されています。

燃焼領域

この高圧空気は燃焼領域に入り、そこでリング状の燃料インジェクターが燃料の定常流を噴射します。燃料は通常、灯油、ジェット燃料、プロパン、または天然ガスです。ろうそくの火を吹き消すのがいかに簡単かを考えれば、燃焼領域の設計上の問題がわかるでしょう。この領域には、時速数百マイルで移動する高圧空気が流入します。その環境では炎を継続的に燃やし続ける必要があります。この問題を解決する部品は「火立て」、または「缶」と呼ばれます。缶は中空で穴のあいた重金属片です。缶の半分の断面を以下に示します。

インジェクターは右側にあります。圧縮空気は穴から入ります。排気ガスは左側から出ます。前の図で、 2 番目のシリンダー セットがこの穴あき缶の内側と外側を包み込み、圧縮された吸気を穴の中に導くことがわかります。

タービン

エンジンの左側にはタービン部分があります。この図には 2 セットのタービンがあります。最初のセットはコンプレッサーを直接駆動します。タービン、シャフト、コンプレッサーはすべて単一のユニットとして回転します。

一番左にはタービンの最終段があり、ここでは 1 組のベーンが示されています。出力軸を駆動します。この最終タービン段と出力シャフトは、完全に独立したフリーホイールユニットです。それらはエンジンの他の部分と何の接続もなく自由に回転します。そして、それがガス タービン エンジンの驚くべき点です。最終出力タービンのブレードを吹き抜ける高温ガスには、1,500 馬力を生成し、63 トンのエンジンを駆動するのに十分なエネルギーがあります。ガスタービンエンジンは実にシンプルです。

タンクや発電所で使用されるタービンの場合、実際には排気ガスとは何の関係もありませんが、図に示すように、排気パイプを通して排出されます。場合によっては、他の目的のために熱を抽出したり、燃焼室に入る前に空気を予熱したりするために、排気が何らかの熱交換器を通過することがあります。

ここでの議論は明らかに少し単純化されています。たとえば、ベアリング、給油システム、エンジンの内部支持構造、静翼などの分野については説明していません。エンジン内の温度、圧力、回転速度が非常に高くなるため、これらの領域はすべて、エンジニアリング上の大きな問題となります。ただし、ここで説明する基本原理はすべてのガス タービン エンジンに適用され、エンジンの基本的なレイアウトと動作を理解するのに役立ちます。

ガスタービンのバリエーション

大型ジェット旅客機は、いわゆるターボファンエンジンを使用します。これは、エンジンの前部にある大きなファンとガス タービンを組み合わせたものにすぎません。ターボファン エンジンの基本的な (非常に単純化された) レイアウトは次のとおりです。

ターボファンのコアは、前のセクションで説明したような通常のガス タービン エンジンであることがわかります。違いは、タービンの最終段でシャフトが駆動され、シャフトがエンジンの前部に戻ってファン(この写真では赤色で示されている) に電力を供給することです。ちなみに、この複数の同心シャフトのアプローチは、ガス タービンでは非常に一般的です。実際、多くの大型ターボファンでは、上に示したように、ファン タービンに加えて、別個のタービンによって駆動される完全に別個の 2 つの圧縮段が存在する場合があります。 3 つのシャフトはすべて、同心円状に相互に収まります。

ファンの目的は、エンジン内を移動する空気の量を大幅に増加させ、それによってエンジンの推力を増加させることです。空港で民間ジェット機のエンジンを覗いてみると、エンジンの前部にあるこのファンが目に入るでしょう。それは巨大で、大型ジェット機では直径 10 フィート (3 m) 程度なので、大量の空気を動かすことができます。ファンが動かす空気は、エンジンのタービン部分をバイパスし、ナセル後方へ高速で直進して推力を与えるため、「バイパス空気」（上図紫色）と呼ばれます。

ターボプロップエンジンはターボファンに似ていますが、ファンの代わりにエンジンの前部に従来のプロペラがあります。出力シャフトは減速するためにギアボックスに接続され、ギアボックスの出力によってプロペラが回転します。

推力の基礎

ターボファン エンジンの目的は、飛行機を前進させるための推力を生成することです。米国では通常、推力はポンドで測定されます（メートル法ではニュートンが使用され、4.45 ニュートンが推力 1 ポンドに相当します）。 「推力ポンド」は、1 ポンドの材料を 1 秒あたり 32 フィートで加速できる力に等しいです (1 秒あたり 32 フィートは、たまたま重力によってもたらされる加速度に相当します)。したがって、1 ポンドの推力を生成できるジェット エンジンがある場合、ジェットを真下に向けると、空中に浮遊した物質を 1 ポンド保持できることになります。同様に、5,000 ポンドの推力を生成するジェット エンジンは、空中に浮遊した 5,000 ポンドの物質を保持できます。そして、ロケット エンジンが 5,000 ポンドの推力を生成し、宇宙に浮かぶ 5,000 ポンドの物体に加えられた場合、5,000 ポンドの物体は 1 秒あたり 32 フィートの速度で加速します。

推力は「あらゆる動作には等しく反対の反応がある」というニュートンの原理に基づいて発生します。たとえば、宇宙に浮かんでいて、地球上での体重が 100 ポンドであると想像してください。あなたの手には、地球上で 1 ポンドの重さの野球ボールがあります。毎秒 32 フィート (時速 21 マイル / 時速 34 キロ) の速度で野球ボールを投げると、体は毎秒 0.32 フィートの速度で反対方向に動きます (反応します)。このようにして 1 秒あたり 1 つの割合で野球ボールを投げ続けた場合、野球ボールは 1 ポンドの連続推力を生成することになります。 1 時間で 1 ポンドの推進力を生成するには、1 時間の開始時に 3,600 ポンドの野球ボールを保持する必要があることに注意してください。もっと上手くなりたければ、野球をもっと強く投げることです。毎秒 3,200 フィートで (たとえば銃で) 「投げる」と、100 ポンドの推力が生成されます。

ジェットエンジンの推力

ターボファン エンジンでは、エンジンが吐き出すボールは空気分子です。空気の分子はすでに存在しているので、少なくとも飛行機は空気の分子を持ち運ぶ必要はありません。個々の空気分子の重さはそれほど大きくありませんが、エンジンは大量の空気分子を非常に高速で飛ばします。推力はターボファンの 2 つのコンポーネントから発生します。

ご覧のとおり、ガス タービン エンジンは非常に一般的です。これらは非常に複雑でもあり、流体力学と材料科学の両方の限界を超えています。さらに詳しく知りたい場合は、優れた工学部のある大学の図書館を訪れる価値があります。このテーマに関する本は高価になる傾向がありますが、2 つの有名なテキストには、「」と「。」が含まれます。

自作ガス タービンの分野では驚くほど多くの活動が行われており、このテーマに関するニュースグループやメーリング リストに参加することで、同じトピックに興味を持つ他の人を見つけることができます。