基本概要

上の画像は、現代の軍用機でジェットエンジンがどのように位置するかというものです。 基本的なジェットエンジンでは、空気は前部の吸気口から入り、圧縮されます(どのように圧縮されるかは後で説明します)。 そして、その空気を燃焼室に押し込んで燃料を噴射し、空気と燃料の混合物に点火する。 発生したガスは急速に膨張し、燃焼室の後方から排気される。 この気体は四方八方に均等な力を発揮し、後方に逃げる際に前方への推進力となる。 エンジンの外に出たガスは、扇状の羽根(タービン)を通過し、タービンシャフトと呼ばれる軸を回転させる。 このシャフトがコンプレッサーを回転させ、吸気口から新しい空気を取り込む。 以下は、孤立したジェットエンジンのアニメーションで、先ほど説明した空気の流入、圧縮、燃焼、空気の流出、シャフトの回転のプロセスを示しています。

このプロセスは、ジェットエンジンの有名メーカー、ロールスロイスのウェブサイトから採用した次の図で説明することができます。

このプロセスこそ、ジェットエンジンの仕組みの本質ですが、圧縮(絞り)のようなことは、具体的にどのように起こるのでしょうか。
吸い込む
エンジンは、ファンやコンプレッサーの段階を通して大量の空気を吸い込みます。 一般的な商用ジェットエンジンは、離陸時に1秒間に1.2トンの空気を吸い込み、スカッシュコートの空気を1秒足らずで空にすることができる。 ジェットエンジンが空気を吸い込む仕組みは、大部分が圧縮段階である。 多くのエンジンでは、コンプレッサーが空気の吸い込みと圧縮の両方を担っている。 中には、コンプレッサーとは別に、さらに空気を吸い込むためのファンを備えているエンジンもある。

SQUEEZE
コンプレッサは、エンジン内に空気を取り込む以外に、空気を加圧して燃焼室に送り込みます。 上図では、燃焼室の火のすぐ左側、ファンの右側にコンプレッサが写っています。 圧縮ファンは、タービンからシャフトで駆動される(タービンは、エンジンから出る空気で駆動される)。 コンプレッサーは40:1を超える圧縮比を実現できる。つまり、コンプレッサーの先端にある空気の圧力は、コンプレッサーに入る空気の40倍以上となる。

では、コンプレッサーが実際にどのように空気を圧縮するのかについて説明します。 ファンは回転し、空気をその方向に押し出すので、空気はエンジンの燃焼室に向かって右方向に移動し続けなければなりません。 その結果、一定量の空気がより大きな空間からより小さな空間へと移動し、圧力が増加します。

BANG
燃焼室では、燃料を空気と混合してBANGを発生させ、空気をタービンに押し込む膨張の役割を果たす。 一般的な商用ジェットエンジンの場合、燃料は燃焼室で最高2000℃の高温で燃焼する。 燃焼室は、燃料噴霧ノズルから供給される大量の燃料を、圧縮機から供給される大量の空気で燃焼させ、その結果生じる熱を、空気が膨張・加速して均一に加熱された滑らかな気流となるよう放出するという難しい仕事を担っている。 この作業は、限られたスペースの中で、最小の圧力損失と最大の熱放出で達成されなければならない。

空気に加える燃料の量は、必要な温度上昇に依存する。 しかし、最高温度はタービンブレードとノズルの材料によって決まるある範囲に制限される。 空気はコンプレッサーの働きですでに200~550℃に温められているので、燃焼に必要な温度は約650~1150℃となる。 ガス温度はエンジンの推力を決定するため、燃焼室は幅広いエンジン運転条件下で安定した効率的な燃焼を維持する能力が必要である。

ファンで吸入された空気のうち、エンジンの炉心を通らず燃焼に使われなかった空気(全風量の約60%)は、燃焼器内の温度を下げ、火炎管の壁を冷却するために徐々に火炎管に導入される。

BLOW
タービンから送り込まれる燃料と空気の混合ガスが膨張する反応で、ファンや圧縮機などが駆動されて排気ノズルから吹き出し、推進力となる。

このように、タービンはコンプレッサや付属品を駆動するための電力を供給する役割を担っている。 これは、燃焼装置から放出される高温のガスからエネルギーを取り出し、より低い圧力と温度に膨張させることによって行われる。 タービンがさらされる連続的なガスの流れは、850~1700℃の温度でタービンに入ることがあり、これも現在の材料技術の融点をはるかに超える。

駆動トルクを生み出すために、タービンはいくつかのステージから構成されることがあり、それぞれが1列の動くブレードと、ブレードに望むように空気を導く1列の固定ガイドベーンとを採用している。 段数は、ガス流から要求される動力と、それを発生させる回転速度、および許容されるタービンの直径との関係によって決まる。

高いエンジン効率を得るためには、タービンの入口温度を高くする必要があるが、タービンブレードが融点以上の温度で長時間作動する必要があるため、問題が発生する。 これらのブレードは赤熱しながらも、高速回転による遠心力を受け止めるだけの強度がなければなりません。
このような条件下で動作するために、ブレードにある多くの小さな穴から冷たい空気が押し出されます。 この空気はブレードの近くにとどまり、ブレードが溶けるのを防ぐが、エンジン全体の性能は大きく損なわない。 タービンブレードやノズルのガイドベーンには、高温で優れた特性を示すニッケル合金

が使用されている。

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