ジェットエンジンの主要コンポーネントとその機能を理解する

ジェット エンジンは、空気と燃料を使用して動力を生成し、排気から推力を提供したり、プロペラやローター ブレードに接続されたシャフトを駆動したりします。ジェット エンジンは低温部と高温部で構成されています。コールドセクションには、吸気、バイパスダクト、コンプレッサー、ディフューザー、ドライブシャフトが含まれます。高温セクションは、燃焼室、タービン、ノズル、アフターバーナー、排気で構成されます。ジェット エンジンは、冷気を吸い込んで圧縮し、燃料と混合して燃焼させ、排気口から排出することで動作します。この記事では、ジェット エンジンの主要コンポーネントについてさらに詳しく説明します。

ジェット エンジンのホット セクションの部品とは何ですか?

ジェット エンジンの高温部分は、ガス発生器としても知られる燃焼室から始まります。ここで高温のガスが生成され、後方に移動し、タービンブレード、超音速ノズル、アフターバーナーを通って膨張し、最終的には排気口を通って流れます。高温セクションは、燃焼室内で生成された高温ガスが含まれるため、そのように呼ばれます。排気ガスの温度範囲は 550 ～ 850 °C、またはアフターバーナーを使用すると最大 1,500 °C になります。

1.燃焼器

燃焼室は空気と燃料が混合されて点火される場所です。燃焼室は空気の流れを約 80 ～ 500 フィート/秒から減速し、炎が点火される中央にデッド ゾーンを作成する必要があります。燃料はチャンバー内で渦を巻いて空気と適切に混合されます。燃焼室から放出されるガスの温度は 1,800 ～ 2,000 °C の範囲になります。チャンバーの溶解を防ぐには、2 つのことが必要です。まず、燃焼前の空気流からの空気の一部が、高温ガスとチャンバーの間の境界層として導入されます。第二に、燃焼室はセラミックコーティングでコーティングされたチタン合金で作られています。これらの非常に薄いセラミックコーティングは、材料の温度を約 300 °C まで下げます。チタン燃焼室は鋳造され、セラミック コーティングが施される前に溶接されます。

2.タービン

高温のガスは燃焼室から出て、急速に膨張します。ガスの膨張はタービンブレードによって部分的に吸収され、タービンブレードを回転させます。タービンブレードはドライブシャフトを介してコンプレッサーブレードに接続されており、新しい空気を吸い込みます。タービンブレードは、金属境界層間のクリープを防ぐために、単一のニッケルベース合金結晶から製造されています。タービンブレードもセラミックコーティングでコーティングされており、溶融を防ぎます。コーティングに加えて、ブレードには内部空気チャネルがあり、冷気が表面の穴から排出され、ブレード上に冷気境界層が形成されます。

3.超音速ノズル

ほとんどのジェット エンジンでは、排気ノズルは収束ダクトです。ガスの流れを超音速まで加速し、エンジンの外側の自由流速度に導きます。 

4.アフターバーナー

アフターバーナーは、燃焼後の高温ガスに追加の燃料を追加して、短期間エンジンに追加の出力を加える単純な燃料噴射システムです。アフターバーナーを備えたジェット エンジンの場合、通常は二重壁があり、間に空隙があります。既存の高温ガスは、エンジンの前部からエンジンの内壁と呼ばれる空間を通って流れる冷気の流れと混合されます。これにより、航空機の構造への熱の伝達も防止されます。 

5.排気

排気装置から出る排気ガスの温度は 550 ～ 850 °C の範囲です。これらの条件に耐えるために、排気管はニッケル合金またはチタン合金で作られています。一般的に使用されるニッケル合金の 1 つはインコネル® です。 

ジェット エンジンのコールド セクションの部品とは何ですか?

ジェット エンジンのコールド セクション内には、空気取り入れ口、コンプレッサー、バイパス ダクト、コンプレッサーとタービン ブレードを接続するシャフト、およびディフューザー セクションがあります。エンジンの低温セクションは、空気の摩擦と圧縮により実際には非常に高温になることがあります。  ただし、低温セクションはエンジンの高温セクション (燃焼室から排気まで) に比べて低温です。

1.エアインテーク

エアインテークはシンプルに見えますが、実際は非常に複雑です。空気取り入れ口の形状は、収束または発散しています。マッハ 0.5 未満の速度を持つエンジンの空気を約 0.5 マッハまで加速するために、収束インテークが使用されます。マッハ 0.5 以上で動作するエンジンでは、空気をマッハ 0.5 まで減速するために発散ダクトが使用されます。エアインテークには、エンジン内に乱流を引き起こし、氷が大量に落ちた場合にエンジンが停止する可能性がある氷の蓄積を防ぐための加熱システムも組み込まれています。 

2.シャフト

ガス タービンのシャフトは、エンジン後部のタービン ディスクから前部のコンプレッサー ブレードに動力を伝達し、コンプレッサーが空気を吸い込めるようにします。シャフトの数はエンジンのスプールによって異なります。シングル スプール エンジンには、1 つのコンプレッサー ディスク、1 つのタービン ディスク、および 1 つのシャフトがあります。ツインスプールには、互いに独立して動く 2 つのコンプレッサーとタービンのディスクとシャフトがあります。ジェット エンジンのシャフトは、極端な温度とトルクに耐える必要があるため、熱処理された鋼で作られています。シャフトは通常、旋盤を使用して大きな鋼片から機械加工されます。 

3.コンプレッサー

コンプレッサーは、空気の運動エネルギーを増加させることにより、入ってくる空気流を圧縮するために使用されます。次に、ディフューザーは空気の速度を下げ、運動エネルギーを位置エネルギー (圧力) に変換し、エンジンの効率を高めます。コンプレッサーは、ディフューザーへの流れを外側に加速するラジアルフローインペラにすることができます。あるいは、コンプレッサーは、ディフューザーへの後方への空気流を加速する軸流コンプレッサーであってもよい。どちらのブレードも伝統的にチタン、アルミニウム、またはスチールで作られています。チタンは、その軽量性、耐腐食性、耐クリープ性により、多くの場合好まれます。カーボンファイバーブレードも使用されており、特に GEnx エンジンで使用されています。金属製のコンプレッサーブレードは、溶融金属で鋳造され、冷却されてから最終形状に機械加工されます。 

4.バイパスダクト

バイパスダクトを使用すると、バイパスファンによって圧縮された空気がエンジンコアの外側を通って移動し、推力として、または冷却機能のためにエンジンに再導入するために使用されます。バイパスダクトはエンジンの大きな部分を占めるため、重量を軽減するために通常はアルミニウムまたはカーボンファイバーで作られています。ダクトを形成するために取り付けられるパネルの製造にはアルミニウムが使用されます。カーボンファイバーダクトは、カーボンファイバーを型に積層し、樹脂で硬化させて作られます。硬化したら、カーボンファイバーパネルをエンジンに取り付けてダクトを作成できます。 

5.ディフューザーセクション

ディフューザーセクションは、コンプレッサーブレードによって生成された空気の運動エネルギーを位置（圧力）エネルギーに変換し、燃焼効率を高めるために使用されます。ディフューザーは通常、エンジン内の空気の流れを遅くするために使用される本質的に静的なコンプレッサーブレードであるステーターベーンです。ステータベーンは、鋼鉄またはインコネル® などのニッケルベースの合金から製造されます。 

ジェット エンジンとは何ですか?

ジェット エンジンは、吸気口、コンプレッサー、ディフューザー、燃焼室、タービン、排気装置で構成されるエンジンです。ジェット エンジンは、排気から推力を提供するか、プロペラやヘリコプターのメイン ローターを駆動するタービン ディスクを駆動します。ジェット エンジンは連続サイクルで動作し、その間常に空気の流れが吸い込まれ、圧縮され、燃焼され、排出されます。 

ジェット エンジンは、複数の部品が組み立てられた大型で複雑な機械です。エンジンの設計が承認されたら、コンポーネントを製造する必要があります。一部は自社で製作するが、多くは他社から導入して組み立てる予定だ。たとえば、ロールスロイス トレントは 8 つのモジュールで作られています。燃焼室やコンプレッサーなどの主要コンポーネントは個別に構築され、最終生産時に結合されます。主要部品の組み立て後、ケーブルや油圧機器などの付属品を追加します。製造の最終段階はテストであり、エンジンがテストベッド上で動作し、動作性能仕様を満たしていることを確認します。 詳細については、「アルミニウム鋳造とは何ですか?」に関するガイドを参照してください。

ジェット エンジンはどのように動作するのですか?

ジェットエンジンは、吸気口から空気を取り入れて圧縮することで作動します。圧縮は、空気を急速に加速および減速して運動エネルギーを生成し、それを圧力エネルギーに変換することによって達成されます。圧縮空気は燃料と混合され、点火されます。発火した混合物は急速に膨張します。膨張するガスは 2 つのことを実現します。第 1 に、より多くの空気を引き込むためにコンプレッサーを駆動するタービンを駆動します。第二に、排気装置からの推力として急速に放出するか、ヘリコプターのプロペラやメイン ローター ヘッドを駆動する別のタービン セットを駆動することによって、航空機を推進します。 

ジェット エンジンはどのように製造されますか?

ジェット エンジンは、複数の部品が組み立てられた大型で複雑な機械です。エンジンの設計が承認されたら、コンポーネントを製造する必要があります。一部は自社で製作するが、多くは他社から導入して組み立てる予定だ。たとえば、ロールスロイス トレントは 8 つのモジュールで作られています。燃焼室やコンプレッサーなどの主要コンポーネントは個別に構築され、最終生産時に結合されます。主要部品の組み立て後、ケーブルや油圧機器などの付属品を追加します。製造の最終段階はテストです。このテストでは、エンジンがテスト ベッド上で動作し、動作性能仕様を満たしていることを確認します。

ジェット エンジンの材料構成は何ですか?

ジェット エンジンは、極度の負荷や環境にさらされるため、多くの先進的で強力かつ軽量な素材で作られています。飛行には信じられないほどの力が必要なため、出力を最大化しながら重量を最小限に抑えることがジェット エンジン メーカーにとって重要な目標です。 ほとんどの材料は金属合金であり、次のものが含まれます。

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ニッケル基合金

コバルトベースの合金

チタン合金

エンジンには次のような非金属材料も使用されます。

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炭化ケイ素

カーボンファイバー

ジェット エンジンの製造は、極限の動作条件とエンジンが準拠しなければならない安全要件のため、非常に困難です。ジェット エンジンは、極度の熱負荷、機械負荷、空気力学的負荷にさらされます。また、安全上の理由から、故障率が非常に低くなければなりません。これら 2 つの要因が組み合わさって、ジェット エンジンの製造を非常に困難にしています。 

さらに、ジェット エンジンの一部の部品は 3D プリントされています。エンジン部品の印刷は機械的特性が必要なため困難ですが、現在では一部の部品の製造にこの方法が含まれています。ゼネラル・エレクトリックの GE9X には、他の製造技術では使用できないほど脆い材料 TiAl を使用する 3D プリントされたタービンブレードが搭載されています。 詳細については、航空宇宙産業における 3D プリントに関するガイドをご覧ください。

ジェット エンジンの部品製造の品質管理はどのように行われていますか?

多くの製造業者は、ISO 9001 品質管理システム (QMS) の航空分野に相当する AS9100 を遵守しています。 AS9100 は、効果的な品質管理の要件を定めた国際的に認められた規格です。要件には、すべての部品が正しい品質で追跡可能であることを保証するための作業システムの実装と、正しい文書の使用が含まれます。