ターボプロップエンジンの構造を仕組みを徹底解説【エンジンの仕組み】

ターボプロップエンジンの構造を仕組みを徹底解説【エンジンの仕組み】

 

【書き起こし】(2) ターボプロップエンジンの構造を仕組みを徹底解説【エンジンの仕組み】

(00:01) [音楽] みなさんこんにちはメカもロマンを探求 する会 今回のお題はこれ ターボプロップエンジン 世界の空を飛んでいる飛行機には主に プロペラ機とジェット機がいます このプロペラ機の中でターボプロップ機と いう種別の飛行機があります ターボプロップエンジンはプロペラがつい ていながらも中身はジェットエンジンだ なんてよく言われていますよね これは一体どういうことなのでしょうか ということで今回はターボプロップ エンジンについて調べてきましたのでご 紹介したいと思います ターボプロップエンジンの構造 それではさっそくターボプロップエンジン の中身を見ていきましょう このエンジンは国産旅客機の ys 11 や世界初のターボプロップ機である by カウントなどに積まれていたロールス ロイス製のダートという傑作エンジンです ダートにもいろいろ種類があって このカップモデルはダート7なので ys 11が積んでいたダートテントは多少構造 が異なると思われるますん 個人的な話なのですが僕は大阪市の淀川
(01:06) 近所で育ったので伊丹空港にアプローチ する ys 11をよく眺めていました ダートのあの音はすごく独特ですよねさて だと今日者にターボプロップエンジンを ざっくり説明すると前からプロペラ原則の ためのギアボックス 5プレッサー甲型の燃焼室タービンとなっ ています 意外とシンプルな構造していますよね ターボプロップエンジンはガスタービン エンジンの一種で 前から入ってきた空気をコンプレッサーで 圧縮して燃料を拭いて燃焼させ発生した ガスでタービンを回してコンプレッサーを 駆動します この際ギガスをそのまま後ろに出してその 水力だけを使うのがターボジェット エンジンです ちなみにガスタービンエンジンのこの文の 構造が数ジェネレーターと言います ターボプロップエンジンはタービン度 コンプレッサーをつなげる軸に追加で プロペラを付けてタービンが回収したガス のエネルギーでプロペラを回して主なす力 を得ます ターボジェットエンジンのように生え機 ジェットも水力の一部をになっていますが
(02:09) その割合は5%から10%程度ですので数 力の大部分はプロペラによるものです だからターボプロップエンジンの説明で 中身はジェットエンジンというのは完全に 間違っているのかというとそんなことは ありません ターボジェットもターボプロップもキモと なるガスじぇねえタブーがガスタービン エンジンなので構造的にはほぼほぼ同じな んです ではこのエンジンでどうやって数力を作る のでしょうか ガスの流れと各部を詳しく見ていき ましょう お話しする順番は燃焼室タービン コンプレッサーリアボックスとプロペラ です 燃焼室パーヴォプロップ期は最終的に プロペラを回してスラスト得て飛行機を 前進させるのが目的ですそのためには軸を 回転させる必要があって燃料を燃焼させて そのエネルギーを発生させます 燃焼した前のコンプレッサーの ディフューザーから流れてきた空気に燃料 噴射して燃やします この燃料はジェットエンジンと同じ経路 神経が主流です
(03:13) ターボプロップエンジンの燃焼は自動車に 使われるガソリンエンジンと大きく異なり ます ガソリンエンジンは完結麺匠克年少でガス の圧力が上昇しますでもターボプロップ エンジンは連続燃焼なのとガスの圧力が 上昇しません それぞれの違いをイメージでいうと ガソリンエンジンを燃焼ガスの圧力 エネルギーをピストンで回収して主力とし て取り出すのに対してアドプロペン人は 燃焼ガスの側部エネルギーをタービンで 取り出します 燃焼室にも複数種類があって 感がた兄らがたその間のカニューラ方です ダートは感が他の燃焼室ですね 官方は燃焼室が複数の間に分割されている 為整備性が良いのですが分割されているが ゆえに重量が重く また表面積が増えるために冷却をたくさん せねばならずそれが損失につながります したがってエンジンの性能自体は一体型の 兄ら方が優れるため 今時のガスタービン時はだいたい anela 方の燃焼室を採用しています
(04:16) [音楽] 燃焼室のガスの流れについて ターボプロップエンジンのカットモデルを 見てみるとこういうタイプがありますこれ はリバースフローというタイプの燃焼室で 前から来た空気が燃焼室を通り越し反転し て燃焼室に入ってきてさらに反転して後ろ に出ていくタイプの形状です こうすることによってエンジンを小型軽量 化することができます 一見すると効率が悪そうですが コンプレッサー出口の空気が燃焼室で加熱 されるためガスの流れの悪さによる効率 低下は米できるみたいです蛇足になるの ですが航空機用じゃない据え置きタイプの ガスタービンでは減少ガスの熱を使って コンプレッサーから出てきた空気を加熱し たりもしますこうすると重量増サイズ増と 皮下に熱効率を向上させられます なお2回目の斑点がないリバース風呂待っ てスバル製の t 7練習機が積んでいる アリソン250はこのタイプですだから 円陣の真ん中に排気の穴があるんですね タービン
(05:20) タービンは燃焼ガスが持つ圧力と温度速度 に変換してその速度エネルギーを軸の回転 として外に取り出す装置ですローターも ステーターも先細りになっているため ここでベルヌーイの定理によって流速が 増えます 加速させたガスとタービンブレードに ぶつかったり噴射して反動を得たりして 機械的な力としてと言わします エネルギーを搾り取られたガスは圧力が 下がるため同時に温度も低下します なので最終的にガスは膨張してしまってい ます ターボプロペン時の場合この得られた軸の 回転はコンプレッサーを回すのとプロペラ をまーすに使われます この技車ダートの場合は同一の軸に つながっていますがその後に開発された 多くのターボプロップエンジンはタービン がコンプレッサー工藤よとプロペラ駆動用 に分割されていて軸もそれぞれ持ってい ます これについては後で詳しくお話しします ターボ者10人と比較した場合プロペラを 回す分のエネルギーも回収するので タービンの容量が大きいものが必要です
(06:26) ターボプロップの場合タービンでは排ガス のエネルギーを全て回収するわけではなく 多少残った状態で廃棄されます 木葉駅ジェットも前水力の後から10%を 占めています コンプレッサー 燃焼室では空気に燃料噴射して燃焼させ ますがそれだけではパワーが出ませんし 効率も悪いです だからコンプレッサーによって圧縮した 空気を燃焼室に送り込みます このコンプレッサーはタービンが作って くれた軸の回転で動きます ダートの場合は車のターボチャージャーと 同様のラジアルフローのコンプレッサーが 採用されていますね 一般的なジェットエンジには axial フローが使われています ラジアルフローのコンプレッサーは石段 あたりの圧力火が大きくできる 空力的に安定していてストールしづらい 製造が容易 岩上て異物吸入に強い段数が少なくて済む ため古いタービンで軸を前に出す時に売 などのメリットがある判明 と檀家が難しく空気流量が増えるとさばき きれないという欠点もあります
(07:30) ダートの断面を見てみるとこれは2 ステージのコンプレッサーなのですが二段 目と2段目の間の通路に無理がありますよ ね 素人感覚でも効率が悪そうなのがわかり ます 一方の axial フロー コンプレッサーは空気がまっすぐ流れる ため経路がスムーズです 1段あたりの圧力日はラザール付ローンの 方が大きく設定できますが axial フローは多段化しやすいため大きな圧力票 を得るならば最終的には axial フローに軍配が上がります ダートの場合ストールしづらいという点が 重要視された結果ラジアルフローを採用 することによって設計を容易にしています ガスタービンエンジンは圧力費が高いほう が高効率なため 多段化しづらいとなると全体圧力費を稼ぎ づらく 高い熱効率を狙うのが難しくなってしまい ます 全体圧力日はタービンに入っていくガスの 温度 tit と表裏一体でタービンの 材料技術などが向上して pit を挙げ られるとそれに伴って圧力日も高める必要
(08:35) がありますだから radial フロー は新しいエンジンではあまり採用されない 傾向のようです なお axial フロートラジャル フロー組み合わせたタイプもあってこれも それなりにメジャーな方式です 特に小型馬エンジンではコンプレッサー 公団はブレードがものすごく小さいので 機械加工が難しくなるため一体で作れる ラジアルフローがよく使われています axial フローでも一体構造の無 リスクというタイプもありますけどね リアボックスとプロペラー コンプレッサー燃焼室タービンのおかげで エンジンの軸を回転させることができまし たあとはこの軸にプロペラをつけるだけ です by s 11-プロペラはダウティール を取るというメーカーのプロペラです飛行 機のプロペラってエンジンと一体にも見え ますが実は別個の扱いなんですね 自動車のエンジンとトランスミッションの ようなイメージかもしれません 零戦年人は中島飛行機生であるものの プロペラが実はアメリカのハミルトン スタンダード生のライセンス生産品で戦争 が始まってからも作り続けたという笑うに
(09:41) 笑えない話もあります 話は戻ってタービンがマース軸にプロペラ をつけるとはいってもそのままでプロペラ を回すことはできません これはターボプロップエンジンのタービン がまっシャフトは高速回転であってその ままプロペラを回したんじゃプロペラの 回転数が速くなりすぎるからです プロペラが回転数があまりに高いと発生 する遠心力に物理的に耐えられないという 問題もあるしプロペラの速度が音速近くや 超えてしまうと衝撃波によって効率が 著しく低下してしまうに騒音もひどくなり ます だからタービンがますシャフトとプロペラ の間にはギアボックスが設置されています レシプロエンジンの場合はそのそのギアが ないかあっても厳粛日は小さいものです 零戦が約0.
(10:33) 7倍スターライナーが約 0.35バイ セスないしなぁには直結ので一番いいです ね ターボプロップの場合はどうかというと ys 11の場合0.075倍となってい て0セントは一桁違いますダート店の最大 出力時のエンジン回転数は 15000rpm なのですがプロペラの 回転数は1100 rpm にまで落とさ れていますなお巡航時の14000rpm のエンジン回転数の時プロペラ先端速度は マッハ0.8店とのことです リアボックスのギアの種類について一般的 には遊星歯車が多く使われていますこの龍 は1セットで大きな減速比を得ることが できて入力と出力を同時国で出来るから ですね逆に減速比の設定については自由が あまり聞きません 皆兄弟 このようにしてターボプロップ機は燃料の 燃焼によってガスを発生させ最終的に プロペラを回して数力を得ることができ ます ガスタービンエンジンのターボジェット
(11:36) ターボファンターボプロップターボ シャフトは皆兄弟なので基本設計そのまま で別のタイプに作り変えられたり モジュールを共有したりするっていうのは 日常茶飯子です 特にターボプロップエンジンとターボ車付 10人はだいたい同じでプロペラを回して 廃棄ジェットを利用するものを ターボプロップ そうじゃないものを回すのターボシャフト と言いますだからほぼ同じ構造になるため 細部以外同一の設計であることも珍しく ありませんん 上野さんケシュ全然違う乗り物なのに エンジンのコア部分は同じです 面白いのがオスプレイで資料によって ターボシャフトと書いていたり ターボプロップと書いていたりします オスプレイのこれはプロップローターと 言ってプロペラ+メインローターらしく プロペラでもあるしそうでないと思います そう考えるとターボプロップなのかそう じゃないのかも決めきれません プロペラをまーす2つのタービン方式 パーヴォプロペン人のプロペラの回し方に は2つありますそれがフリータービンと
(12:40) 直結タービンです 直結タービンというのはさっき出てきた ダートが典型的な例ですね この場合タービンの宿は1本のみでその1 本にコンプレッサーとプロペラの両方が つながっています それではフリーター b はどうでしょう かこちらはタービンが2系統を装備されて いてコンプレッサーを動かす系統と プロペラを貸す継投で完全に分かれており 機械的には接続されていません 簡単に言えばプロペラマース専門の フリーランスなタービンがいるということ ですね このたーーーーミンのことをパワー タービンと言います コンプレッサーを動かすタービンはガス プロデューサータービンとか コンプレッサータービンとかガス ジェネレータータービンなどと言われてい ます この動画は古いタービンのターボプロップ エンジンを積んだサーブ34丸のエンジン スタートの様子で今から右エンジンが回り 始めます スターターの緩いとプロペラの動きが シンクロしていないのがわかるかと思い ます スターターがつながっているのはガス ジェネレーターだけなので
(13:43) ガスじぇネーターが作ったガスをパワー タービンが受けることによってプロペラが 本格的に回り始めます だから両者の動きにタイムラグと回転数の 差が生まれます [音楽] この2社にはそれぞれ得意と苦手があり ます直結タービンのいいところ 構造がシンプル 小型軽量になってパワーウェイトレシオに 優れる 各セクションの並びを自然に出来る エンジンブレーキの効きがいいこれは冗談 ではありません エンジンレスポンスが良い フリーター便のいいところ始動時にガス ジェネレーター部分のみをスターターで 回せばいいので指導が容易 ガスジェネレータータービンの回転がすぐ に上がるためコンプレッサーストールが 起きづらく 燃料系ぞの設計が直結タービンよりは 優しい
(14:46) プロからをブレーキで無理やり止められる ガスでネータータービンとパワータービン の回転数を開けられるためそれぞれの設計 を最適化できて法律が良い なおガスジェネレータータービンがさらに に分割されて high pressure 系統と low pressure 継投 で軸を分けているタイプもあります一般的 なターボファンエンジンと同じような構成 ですね ターボプロップの場合はプロペラように1 本軸を追加して計3本持つことになります 直結タービンは構造がシンプルで小型軽量 直結タービンはターボジェットエンジンに 軸を追加しただけなので構造がシンプルに なります シャフトをまあに伸ばしてぎゃぼっくすと プロペラをつければいいだけです 一方の古いタービンのタイプはプロペラ 専用のタービンを新設するため構造が複雑 になってしまいますさらにプロペラマース 軸をどうするかも悩みの種ですフリーター b はが数ジェネレータータービンの後ろ にありますでも普通の飛行機のプロペラは 前についていますよねだからどうにかして 動力を後ろから前まで持ってこなければ
(15:52) なりません 一つ考えられるのはマイナーのタービンと コンプレッサーの軸を中空にしてその中を プロペラ用の軸が通るようにする設計です これはターボファンエンジンと同じですね この方式は長いシャフト後ろから前まで 貫くので新郎の面で苦労しますしコストも かかりそうですね またベアリングが増えるためその潤滑の 考えないといけません そうじゃない方法をとっているエンジンも あってそれが園児の前後逆にしようという 方法です pt 6というエンジンがこの タイプです 前からプロペラギアボックス タービン燃焼室コンプレッサーと並んでい ます だから空気は後ろからエンジンに入って前 から出ていきます pt 6を積んだ飛行機てエンジンカウル の前の方からマフラーが出ていますがそれ にはこういった理由があります この逆転の配置方法は構造的には無理が ないのですが 最後のエキゾースト部分が曲がってしまっ ているので排気ジェットむすラストは妥協 するしかありません
(16:56) またイイねっとも内部で反転するため効率 は悪化します スターシップとアバンティーは pt 6 を積んでいる機体でかつプロペラを 後ろ向きにつけています 前にコンプレッサーが来るようになるの ですがプロペラとギアボックスを避ける ためにジェットパイプは曲がってしまって いますでも in テープはまっすぐ素直 な構造でラムか吸引は期待できそうですね 他の方法としてプロペラよの軸をエンジン から切り離してしまうというタイプもあり ます フリーター便は指導が容易 一般的なターボプロップエンジンは車と 同様電動モーターで指導します ys 11 の場合ここにスターターも違ってガスパス をスターターの竹が貫いてシャフトに つながっています エンジン始動時直結タービンのエンジンの コンプレッサーを回そうとするとプロペラ も回ってしまいます巨大なプロペラは 大きくて重たくて空気低下もバカになり ませんだからスターターがプロペラ6 コンプレッサーも一緒にまーすとなると
(17:59) スターターの容量が大きいものが必要に なります 一方のフリーター日はスターターが回すの は数字ネーターだけなのでプロペラも同時 にマースよりはスターターがなくできます それを踏まえてさっきのフリータービュー を持つターボプロップエンジンを積んだ サーブ34丸の指導の様子を見てみると リータービンがどんなものなのかわかり やすいかと思います フリーター便は効率がいい ガスタービンエンジンのタービンは複数段 用意されているのが普通です ターボプロップエンジンの場合タービン からの回転力でコンプレッサーとプロペラ を回すのでそれなりの容量が必要です 直結タービンの場合はコンプレッサーと プロペラが繋がっているため自由がきかず 全部を一つのタービンのセットで賄う必要 があります 一方のフリーター b はコンプレッサー 系統とは別の回転をすることができるので それぞれのタービンを最適化した設計に することができます 直結タービンと古いタービンを比較した 場合
(19:01) 直結タービンは水力の90%程度プロペラ が発生させますが 振りタービンはエネルギー回収効率が 高まるため プロペラの推力の割合が95%程度にまで 上昇するみたいですね またガス jna た分とは別にプロペラ が回転数を状況に応じて最適ができること もあって法律が良くなります ターボプロップエンジンの馬力はガス ジェネレーターの回転数に依存しますでも 求めるプロペラの回転数はおしい馬力と 比例するわけではありません ガスジェネレーターとプロペラが別行動 できるとなると離陸者プロペラの回転数を 高めてスラストを確保し 神光寺はプロペラの回転数を落として マッハ数を下げつつもガスジェネレーター の効率のいい回転数を使うなどの柔軟な 運用することができます その代わりフリーター便はあまりに自由な ため着陸時にプロペラの角度を寝かして エアブレーキとするときに負荷が減って プロペラが回転数が上がりすぎるという
(20:04) リスクもあるのでこれを制御する機構が 必要になるなど構造の複雑さに拍車をかけ ます 直結タービンのエンブレが効くというのは これにつながっていて 直結タービンはプロペラのブレードの角度 を浅くした時ガスジェネレータータービン やコンプレッサーも一緒に回そうとするの でプロペラを回す貞子が増えて6ブレーキ が効きます さらにその抵抗のおかげで回転数がむやみ に増加することもありません フリーター便はプロペラブレーキで 無理やり止められる 古いダーウィンは一種の流体クラッチの ようなものとみなすことができます車の トルコみたいな感じですねガス ジェネレーター部分と機械的につながって いないので援助も足ずつフリーター日の 系統だけブレーキで停止させるようなこと も可能ですこれをどういう場面で使うのか というとエンジン本体を apみたいに 使用する時です ハックが持っていたサーブ34丸 bwt という飛行機は右エンジンにプロペラ ブレーキが装備されていてエンジンを 動かして発電機を作動させつつプロペラ
(21:10) ブレーキでプロペラを回さないという芸当 が可能な飛行機です別にプロペラを回した ままでいいのならこういう装備はいらない のでしょうが地上でプロペラが回り放のは 危ないですのね ジェットに似ててジェットではない このようにターボプロップエンジンは ターボジェットエンジンにプロペラを つけるというのが基本的な構造になってい ます そもそもなんでターボジェットエンジンに わざわざプロペラをつけるのかが不思議 ですよね ターボジェットエンジンの排気ジェットも 息はあまりに高速です 機体が進む速度と排気の速度が近い方が 推進効率は高くなります だから高速な癖ジェットでそのまま推力を 得るよりはタービンで一旦エネルギーを 回収してプロペラでゆっくりな風を大量に 後ろに送ることによって効率が良くなり ますだからターボプロップ機は中低速度へ の燃費があるくなります 氷前付いたの詳しい話は一時停止してみて ください 逆に高速域はどうでしょうか期待の速度が 上がってくるとロペラから衝撃波が発生し
(22:14) てしまうのであまり効率よく飛ぶことが できません またプロペラが作るかでの流速もつけませ ん1本のターボジェットは機体の速度と はいジェットの速度が近くなっていくため 効率はどんどん子お嬢していきます そしてもう一つ大事なのが実は ターボプロップ機は加速性能が良いんです 2機の飛行機が速度ゼロから離陸に向けて 滑走する時を考えます 一期はターボジェットの飛行機 もう1機は同じが末ネーターを持ちながら ターボプロップに改造したエンジンを搭載 していたとします 期待も同様とか仮定します これらの飛行機がヨーイドンで加速を 始めるとどうなるのでしょうか エンジンが発生させるガスのエネルギー 自体は同じなのですが ターボジェットバージョンは排気ジェット と期待の速度があまりにかけ離れている ため効率よく加速できません 一方のターボプロップバージョンは ターボジェットに比べれば速度が遅い空気 でありながらもそれを大量に後ろに送る ため効率よく加速することができます
(23:18) だからターボプロップ機の方が短い滑走路 で離陸できるという特性があります こんな感じで10常磐高速向き ターボプロップ機は中低速向きです もっともエンジン自体にこういう違いが あるため機体そのものの設計も大きく 異なりますさっき挙げた例はあくまで たとえ話で商品として成り立ちません z旗は高速で飛ぶことを前提にした設計に しています 航空を高速で飛ぶから翼面荷重は大きめで それを補う高揚力装置をガッツリ装備 主翼は高速飛行時の衝撃波の発生を抑える 抗体格を持っています ターボプロップ機は翼面荷重が小さく フラップの装備もシンプルなことが多い です 速度が遅いので交代浴も持っていません こんな感じでエンジンの特性が違うため 機体そのものを狙いも変わります ターボプロップ機はますます低速が得意な 機体として設計されるためコミューター機 としてよく使われる理由となっています プロたら切って古めかしいイメージを持っ
(24:22) ている人が多くてだから離島などの ローカル線を飛んでいるのだろうと思う方 もいるかもしれませんが実はそうではなく てエンジンから来る期待の特性によるもの なんですね むしろ最近の10点人は水力に占める ファン排気の割合が増えていきリアード ターボファンなどという減速ギア付きの ターボファンエンジンさえも出てきてい ます これはジェットエンジンのターボプロップ かといっても差し支えないと個人的には 感じています ということで今回のご視聴ありがとう ございました このチャンネルでは今後も航空機の エンジンについての動画も投稿しようと 思っているので是非チャンネル登録お願い します また動画のネタも募集していますので何か リクエストがあればコメント欄にお願いし ますそれではバイバイ

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