ジェットエンジンの長所と短所を徹底解説！【エンジンの仕組み】
【書き起こし】(2) ジェットエンジンの長所と短所を徹底解説！【エンジンの仕組み
(00:01) [音楽] みなさんこんにちはメカのロマンを探求 する会 今回のお題はこれ ジェットエンジンの長所と短所 突然ですがこの日本国政府専用機 ボーイング777ラッシュ300 er が 積んでいるジェットエンジンは何馬力 くらいだと思いますか ジェットエンジンにはそもそも馬力という 概念がないので換算値にはなるものの実は 一台で5.5万馬力出力します そしてお値段は驚きの一大20億円です 高すぎですよねぇー このサイズのエンジンでどうやってそんな 大馬力を生み出しているのでしょうか しかも写真を見てみると中身はスカスカな のにペース さらにべらぼうに高い値段の理由はどこに あるのでしょうか ということで今回はジェットエンジンの 長所と短所について調べてきましたのでご 紹介したいと思います
(01:04) まずはジェットエンジンの概要 ターボジェップエンジン z エンジンの仕組みはこんな感じです 燃料を燃やしてその熱でガスを膨張させ たり加速させて廃棄ジェットの反力で推力 を得て飛行機を飛ばしたい だからこうやって通常の年創出を用意して 燃料を吹き込んで燃やします でもこれだとただのバーナーです パワーを出すためそして効率を向上させる ために圧縮した空気を燃焼室に送り込み ます これがジェットエンジンと言われるもの です 圧縮空気を調達するために扇風機のボス みたいな回転式のコンプレッサーを用意し て燃焼室の前に取り付け 圧縮した空気を燃焼室に送り込みます 今度はそのコンプレッサーを回す動力が 必要になりますのでタービン 日本語で言うと風車なのですが これが燃焼ガスのエネルギーを回収して コンプレッサーに伝えます
(02:09) 以上がガスタービン機関というシステム です [音楽] 排気ジェットで推力を得る内燃機関 ジェットエンジンとコンプレッサーと タービンで作られる内燃機関ガスタービン 機関 ターボジェットエンジンはこの汽車をがっ ちゃんこしたいん人なんです ターボジェットエンジンの工程を レスプレン人と並べるとこのようになり ます レシプロエンジンは1サイクル4つの工程 を一つの部屋で丁寧に取り扱うのに対して ターボジェットエンジンの方は流れ作業に なっていて それぞれの工程の専門家が連続で仕事を こなし多くの空気を処理していますこれが ジェットエンジンが小型でも食おう主力が 絞り出せる理由です その代わりホットセクションと呼ばれる 燃焼室タービン排気ノズルなどは延々と 効能ガスにさらされるためこの対応が大変 です ターボジェットエンジンの親戚に ターボプロップエンジンやターボシャフト
(03:13) エンジンがいますが これらはガスタービンではあるものの出力 を入りジェットで得るわけではありません ターボプロップも10%くらいは排気 ジェットを使いますがメインではありませ ん だからこれらのエンジンはガスタービン エンジンだけどジェットエンジンではあり ません ターボファンエンジン ターボジェットエンジンのもう一人の親戚 にターボファンエンジンがいます 今時のれ各機や戦闘機は軒並みターボ ファンですよね ターボジェットエンジンはうるさくて燃費 も悪いものです その理由は排気ジェットの速度が速すぎる からなんですね それなら廃棄ジェットのエネルギーを タービンで号竜して側道としその力で ファンを回して空気を送って水力にしよう という感じで考えられたのがターボファン エンジンです 大量まガスをゆっくり後ろに送ることにし たんです これが騒音の低減ばかりではなく燃費の 向上にも繋がりました
(04:18) なぜそうなるか詳しく知りたい方は動画を 一時停止してみてください ジェットエンジンの長所と短所 ジェットエンジンには大きな長所と短所が あります レシプロガソリンエンジンと比較すると このようになります 並べてみたところ 小型高出力や燃費が悪い点については やっぱりなという気がする半面 暖機運転が不要な点や 雑食性については意外に感じる方もいるの ではないでしょうか ジェットエンジンは小型高出力という メリットのためにあまりに多くの犠牲を 払っているエンジンです 小型光子力効果極悪燃費の3つは密接に 関連しているうえに大事なポイントですの でまずはこれからまとめてお話しします ジェットエンジンはとにかく暑いい ジェットエンジンは大量の空気を流れ作業 で処理してその分大量の燃料をだけ またパルスジェットエンジどう除いて連続 燃焼です
(05:22) さらに彼のシャフトやクランクシャフト などもありませんだから小型で高出力と なります ところがこの最大の長所を生み出す システムが実は厄介な短所を作ります レシプロエンジンのピストンやシリンダー やシリンダーヘッドなど 燃焼室周りの主な材料はアルミニウムです よね 対してジェットエンジンの場合コールド セクションはアルミニウムやしたニウムが メインですが 名称筆やタービンなどのホットセクション はニッケルきやコバルト大きな魚の特殊な 耐熱合金が使われています この違いはなぜなのでしょうか 鋳造のアルミ製シリンダーヘッドを作る時 この解けたアルミニウム合金は570年 くらいの温度らしいです頭のガソリンの 燃焼温度は最高で2500度 c にもた します 普通に考えたらアルミ合金製のヘッドは こんなコーンに耐えられませんよね なんで大丈夫なのかというとシリンダーや
(06:27) シリンダーヘッドなどの周りには冷却水が 流れていて常に冷やされています シリンダーの内壁表面には境界層という 空気の層が存在して高音を出すから シリンダーの表面を守っています さらにレシプロエンジンは一つの密閉され たシリンダーの中で吸気圧縮燃焼排気が 行われます 燃焼と端駅の間は熱々ですが逆に9期の時 は空気や燃料の気化熱で冷却されます このようにしてシリンダーやシリンダー ヘッドは境界層で表面を守られつつ 混合機や冷却システムで常にガンガン冷却 されているので 耐熱性が低いアルミ合金で作ることができ ます 一方の z エンジンはどうでしょうか z エンジンの燃焼2やタービンはコーン かつ大量の燃焼ガスに常にさらされるため 熱的には非常に厳しくなります さらに完結年少のレシプロエンジンのよう
(07:33) に休憩はありません また大人の事情としてタービンに流入する ガスの温度が高いほど効率が上がるため なるべく口のガスをタービンで処理したい という側面もあります コーン部分がずっと金されて熱に悩まさ れるという点はロータリー遠近と似てい ますよね z エンジンはこの熱から燃焼2や タービンセクションを守るために色んな 方法が投入されていてそれが効果で認否の 悪いん人となってしまっている原因です ここでは主に一番過酷なタービンブレード の熱対策を見ていきます 熱への対策は主に3つに分けられます 燃焼ガスの温度を下げる 耐熱合金を使うタービンブレードなどを 空気で冷却する 燃焼が村道を下げろ タービンを熱から守るには 燃焼ガスの温度を下げればとりあえずは 解決します ジェットエンジンの空燃比は40から
(08:37) 120対1となっていて ディーゼルエンジンも驚く長調希薄燃焼 です ガソリンエンジンの理論空燃比は14.7 対1ですし ジェットエンジンの燃料であるケロシンの 理論空燃比も大きくは変わらず重合体1 です ジェットエンジンは燃焼室にガンガン空気 を送り込んでガスの温度を下げています ガスの温度が下がれば下流のタービンに かかる熱的な負荷が軽減されるのは当然 です とういうもののいきなり空燃比40とかだ とエロシーンは燃えません だからディズ連刃の成層燃焼と同様に燃え 始める部分は理論空燃比付近になるように 空気の量を調整し後から空気を足していき ます 名称ガスの温度を下げると確かにタービン などへの負荷は軽減されます ところがガスタービンエンジンはタービン 入部度が高ければ高いほど効率が 上がるため
(09:41) 燃焼バスをあまりに薄めると効率がダダ 下がりになります だからいくらでも空燃比を大きくすれば いいというものでもありません ということでつ日以降に出てくる タービン事態へ工夫を凝らす必要がある わけです なおジェットエンジンのタービン入口温度 はだいたい900から1100度 c で 部品表面温度は800から900年にもた します 耐熱合金でとにかく耐えろ タービンの耐熱性を高めるにはそれ自身を 熱に対して強くすればいいわけですよね そこで使われるのが特殊な耐熱合金です 燃焼室から下流のホットセクションの中で も特にタービンブレードは高温になる上に 遠心力を受け止めなければならないので 強い荷重がかかります だから幸運によって酸化や竜化しない耐食 性に加えて耐クリープ性が重要になって いきます クリープというのは材料に長時間か水を
(10:46) かけ続けると断端歪んでくるような現象で 最後はもちろん破断してしまいます これはコーンになると顕著に現れます コーンかつ高果汁感という環境で使われる タービンブレードやタービンリスクは クリープにいかに強いかが大切です 耐熱合金でよく使われるのはて月ニッケル ぎーこばると昨日合金です さらにこれらの合金の決勝にまで気を使っ ています ニッケル基合金では鋳造の際に一方向凝固 棒金や単結晶合金とすることでコーン時の 耐久性をさらに高めています 金属は普通 原子が集まった結晶がさらに集まって形を 作っています ひび割れなどはこの決勝同士のつなぎ目 からよく発生します タービンブレードのダメージは遠心力に よる引っ張りによって パンて方向の結晶同士のつなぎ目に発生
(11:51) することが多いため 決勝同士の接触面の向きを長手方向に 揃えることで長手方向に強度を持たせます そうすると亀裂が入りにくくなります これが一方向凝固合金です さらに進化した単結晶防菌はブレード自体 が一つの結晶なのでキュッ所のつなぎ目 自体が存在しません こういった内部構造にすることで破談の きっかけをなるべく減らすような努力が なされています さらにブレード表面にはコーンによる腐食 を抑制するため プラスして遮熱するためのこれまた特殊な 耐熱コーティングが施されている場合が 多いです 暑けりゃ冷やせ 燃焼ガスの温度を下げて耐熱合金を使って も特に高圧側のタービンはまだ熱には勝て ません そこで特に温度に厳しい倍の方の段の タービンブレードには冷却機能を与えてい ます
(12:54) この手のタービンブレードの中は中空に なっていて この中を冷たい空気が流れており 憂のの表面や橋に開いている穴から空気が 排出されます 冷たい空気とは言ってもコンプレッサーで 圧縮された空気なので何百度もあります 燃焼ガスの温度よりは低いだけで 一般常識的には全然冷たくありません [音楽] まずはこの空気がブレードの中を流れる ことによって冷却を行っています ん 通路空気が流れるタイプをコンベクション 冷却 中区のブレードの中にさらにつつを用意し てそこから空気を吹き出してブレード表面 を冷却するタイプを インピンジメント冷却と言います さらにブレードの中を流れる空気をプレイ の表面に開けられた穴から噴き出して冷却 する方法 フィルム冷却と言います 吹き出された空気はブレードの表面を伝っ て熱からブレードを守ります
(13:58) 普通はこれらの3つの冷却方式を 組み合わせてタービンブレードを冷却して います 同様にノズルガイド便も空気によって冷却 されています 総合的に厳しいのは1段目のタービン動翼 なのでしょうが えつだけでいうと1段目タービン動力の前 にある ノズルガイドベーン喉の方が高くなります 熱に厳しいことによって結局どうなるのか ジェットエンジンのタービンブレードは 特殊な材料を噛ん決勝など特殊な方法で 製造する上に中空にしてさらに針で突いた ような穴がたくさん空いていますそれは とんでもなく高い技術が必要でコストが かかりますよね このタービンブレードの製造については 企業秘密どころか国家機密だときたことも あります 軍用機にも関わるので国防への影響もある のでしょう 本当か嘘かはわかりませんけどね こんなにお金をかけて耐熱性を上げて
(15:03) もらおう 燃焼ガスの熱をもろに受けるとブレードが 寝ずに耐えられませんから 最初に紹介したように燃焼ガスを空気で 薄めて冷やすなど ガスの温度を下げなければなりません [音楽] タービン入口温度が高い方が高効率なのに タービンの耐熱性によって燃焼ガスの温度 が制限されその分効率が悪くなります これがジェットエンジンの燃費が悪い理由 の一つです もちろん効率についてはエンジン全体の 設計となるため燃焼ガスを希釈する部分 だけが重要なわけではありません 技術の進歩によってタービンの耐熱性が 向上すると 効率を上げるためにタービン入口温度が 高くなるようにエンジンが設計されます だから耐熱冒険が進歩しても タービンは一向に楽になりませんし逆に 言うとタービンの耐熱温度が上がれば 上がるほどジェットエンジンの効率も高く
(16:07) なります コールドセクションでもコンプレッサーの 後ろの方は断熱圧縮された空気の熱で高温 になるため耐熱大金が使われています 新し目のエンジンのデータを見つけられ ませんでしたが 圧力比10%くらいの時代のエンジンでも コンプレッサー出口温度は250年付近な ので 燃費対策で圧力日40を軽く超えている 今時のエンジンは コールドセクションとはいえ 高圧コンプレッサーやディフューザーも かなり高になっているはずです なのでここの耐熱合金にもお金がかかって くるんじゃないかと推測します 回転運動であることの良い部分悪い部分 ガスタービンなジェットエンジンは回転 運動でパワーを生み出します だから往復運動のレシプロエンジンよりは 振動が少なくなり快適かつ軽量化に貢献し ます ところが大型機のジェットエンジンは巨大 で中で回転しているローターももちろん
(17:13) 巨大です さらに特にファンが含まれる低圧系統は 直径も大きくなります そんなローターが高速回転するため回転体 のバランス取りは非常に重要で 機会確保などに高い精度が要求されるため コストが跳ね上がる要因になっています また重たいローターが高速回転するという ことは その分加減速の際のレスポンスも悪くなり ます 高速に向いている ジェットエンジンのジェット排気は高速 です ジェット機でもプロペラ機でも後ろに贈る ガスより速く飛ぶことはできません レシプロエンジンでプロペラを回す飛行機 は音の壁が原因でプロペラ自体が邪魔に なって高速の空気を後ろに送れません ターボジェットエンジンは燃焼によって ガスを加速させるのでそういう制約を受け ません またパーヴォファンにしてもファン ブレード先端はフルパーの時には生音色に 達しますがファンの周りにケースガール
(18:19) おかげで大人壁の悪影響が軽減されます 暖機運転が不要 レシプロエンジンは各寸法について エンジンが温まった状態で設計されている ので南京運転が必要です もちろんジェップエンジンの熱学をあった 状態前提なのですが暖機運転は必要あり ません ハイパーを絞り出すジェットエンジンに 暖機運転が入らないとはいったいどういう ことなんでしょうか ガスタービンエンジンはレシプロエンジン と違って流れ作業で合奏さばきます だから機密性についてそれほど厳密では なく よってピストンリングに相当する 各ブレードの先端とケースの間には隙間が あります また動弁系等はありませんし シャフトについてもボールベアリング またはローラーベアリングで支えられてい ます これだからガスタービンエンジンはイオン ある程度上げて粘土を適切にして潤滑性を 確保する必要がありません
(19:26) 熱膨張やイオンによって影響を受ける 摺動部分や接触部分がほとんどなく 結果的に暖機運転せずにハイパワーで 動かすことができるのです ところが逆に再始動が苦手な側面も 持ち合わせています それがローター棒という現象です ローター棒というのはエンジン停止後に ローターが弓なりに曲がる現象です 高温になってるエンジンを停止させると エンジンライブの熱い空気はどんどん上に 登っていてその分下には冷たい空気が入り ます だからエンジンは下から順に冷えて行き 上野方は高温のままになります 上部と下部で温度差が生じると熱膨張の差 によってローターが弓なりになってしまい ベアリングなどに負荷がかかり次の死闘が 困難になったりエンジンが損傷します z エンジンは暖気運転が不要な香りに 停止後中途半端にへいてる状態で再始動
(20:33) できない場合があります ローター棒は普通エンジン全体が冷えれば 元に戻ります 雑食性が高く燃料の制約が少ない レシピ面人が使う燃料で大切なのが燃え やすいけど勝手に燃えないという特性です 萌えづらいと燃焼が間に合わないし逆に 勝手に燃えるとノッキングが起きてさ約 エンジンが壊れます この要望に適合する燃料であるガソリンを 使っていますが ジェットエンジンは連続燃焼なのでそこ まで燃料にこだわらなくても大丈夫です レシプロエンジンほど燃焼時間に制限は ありませんし 4今号ではないのでタイの区政も入りませ ん これは直噴やディーゼルと同じですね ぶっちゃけジェットエンジンの燃料は 燃えれば何でも良いということですね だからガソリンよりも安価なエロシーン ジェット a 1を使うことができますし 場合によってはガソリン系のジェット b
(21:38) を使用することも可能です また航空機ではそういうことはしませんが 粗悪な燃料を使うことができます 音がうるさい z エンジンは大量の空気が黄色電刃を 通過します ということは騒音対策が難しくなります ジェットエンジンにもマフラー的な装置が 付いていますがそれでもうるさいですよね このようにジェットエンジンはレシプロ エンジンに比べてとてつもなく小さい パワーウェイトレシオ持つという大きな 長所がある香りに値段や燃費の面でかなり の短所も持ち合わせています これの短所は自動車やバイクにとって致命 的でこれがガスタービン者がほとんどゼロ な理由と言えます逆に言うとパワー ウェイト裂傷がとても大切な航空機向けの エンジンとなります ということでご視聴ありがとうございまし た 今後もこのような動画を投稿していきます のでぜひチャンネル登録をお願いします また動画のネタも募集しています
(22:43) 何かリクエストがあればコメント欄にお 願いします
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