航空機のタービン エンジンは、空気入口、コンプレッサー、燃焼室、タービン セクション、および排気で構成されています。 推力は、エンジンを流れる空気の速度を上げることによって生成されます。 タービン エンジンは、非常に望ましい航空機発電所です。 それらは、スムーズな操作と高いパワー対重量比が特徴で、すぐに利用できるジェット燃料を使用します。 材料、エンジンの設計、および製造プロセスが最近進歩した前は、小型/軽量の航空機でのタービン エンジンの使用は法外な費用がかかりました。 現在、いくつかの航空会社が小型/軽タービン動力航空機を生産または生産する計画を立てています。 これらの小型のタービン動力航空機は、通常、3 人から 7 人の乗客を乗せ、非常に軽いジェット機 (VLJ) またはマイクロジェットと呼ばれます。 [図 6-22]

6.9.1 タービン エンジンの種類 #

タービン エンジンは、使用するコンプレッサーの種類に応じて分類されます。 コンプレッサーには、遠心流、軸流、遠心軸流の 3 種類があります。 機械の縦軸に対して垂直な空気を外に加速することにより、遠心流エンジンで入口空気の圧縮が達成されます。 アキシャル フロー エンジンは、一連の回転および静止したエアフォイルによって空気を縦軸に平行に移動させることによって空気を圧縮します。 遠心軸流設計では、両方の種類のコンプレッサを使用して、目的の圧縮を実現します。

空気がエンジンを通過する経路と、どのように動力が生成されるかによって、エンジンのタイプが決まります。 航空機用タービン エンジンには、ターボジェット、ターボプロップ、ターボファン、ターボシャフトの 4 種類があります。

6.9.2 ターボジェット #

ターボジェット エンジンは、コンプレッサー、燃焼室、タービン セクション、および排気の 4 つのセクションで構成されています。 コンプレッサー セクションは、吸気を高速で燃焼室に流します。 燃焼室には、燃焼用の燃料入口と点火器が含まれています。 膨張する空気は、シャフトによってコンプレッサーに接続されたタービンを駆動し、エンジンの動作を維持します。 エンジンからの加速排気ガスが推力を提供します。 これは、圧縮空気の基本的なアプリケーションであり、燃料と空気の混合物に点火し、エンジンの運転を自立させる力を生成し、推進のために排気します。 [図 6-23]

ターボジェット エンジンは、範囲と耐久性に制限があります。 また、遅いコンプレッサーの速度でスロットル アプリケーションに対応するのも遅いです。

6.9.3 ターボプロップ #

ターボプロップ エンジンは、減速機でプロペラを駆動するタービン エンジンです。 排気ガスは、減速機アセンブリを駆動するシャフトによって接続された動力タービンを駆動します。 ターボプロップ エンジンでは、エンジンの作動回転数よりもはるかに遅い速度で最適なプロペラ性能を実現するため、減速ギアリングが必要です。 ターボプロップ エンジンは、ターボジェット エンジンとレシプロ パワープラントとの間の妥協点です。 ターボプロップ エンジンは、時速 250 ～ 400 マイル、高度 18,000 ～ 30,000 フィートで最も効率的です。 また、離陸と着陸に必要な遅い対気速度でも優れた性能を発揮し、燃費も良い。 通常、ターボプロップ エンジンの最小比燃料消費量は、対流圏界面から 25,000 フィートの高度範囲で利用できます。 [図 6-24]

6.9.4 ターボファン #

ターボファンは、ターボジェットとターボプロップの優れた機能のいくつかを組み合わせて開発されました。 ターボファン エンジンは、燃焼室の周囲の二次空気流をそらすことにより、さらなる推力を生み出すように設計されています。 ターボファン バイパス エアは、推力を増大させ、エンジンを冷却し、排気音抑制を助けます。 これにより、ターボジェット式の巡航速度と低燃費が実現します。

ターボファン エンジンを通過する入口空気は、通常、2 つの別々の空気の流れに分割されます。 1 つのストリームはエンジン コアを通過し、2 番目のストリームはエンジン コアをバイパスします。 「バイパス エンジン」という用語の原因は、このバイパス ストリームです。 ターボファンのバイパス比は、エンジン コアを通過する質量の気流によって除算された、ファンを通過する質量気流の比率を指します。 [図 6-25]

6.9.5 ターボシャフト #

ジェット エンジンの 4 番目の一般的なタイプは、ターボシャフトです。 [図 6-26] プロペラ以外のものを駆動するシャフトに電力を供給します。 ターボジェットとターボシャフト エンジンの最大の違いは、

ターボシャフト エンジンでは、膨張するガスによって生成されるエネルギーのほとんどが、推力を生成するのではなく、タービンを駆動するために使用されます。 多くのヘリコプターは、ターボシャフト ガスタービン エンジンを使用しています。 さらに、ターボシャフト エンジンは、大型航空機の補助動力として広く使用されています。

6.9.6 タービン エンジン機器 #

油圧、油温、エンジン回転数、排気ガス温度、および燃料の流れを示すエンジン計器は、タービンと往復エンジンの両方に共通です。 ただし、タービン エンジンに特有の計器がいくつかあります。 これらの計器は、エンジン圧力比、タービン排気圧力、およびトルクの表示を提供します。 さらに、ほとんどのガスタービン エンジンには、熱電対と呼ばれる複数の温度感知器具があり、パイロットがタービン セクション内およびその周辺の温度測定値を提供します。

6.9.7 エンジン圧力比 (EPR) #

エンジン圧力比 (EPR) ゲージは、ターボジェット/ターボファン エンジンの出力を示すために使用されます。 EPR は、コンプレッサの入口圧力に対するタービン排出量の比率です。 圧力測定値は、エンジンの入口と排気に取り付けられたプローブによって記録されます。 収集されると、データは差圧トランスデューサに送信され、フライト デッキの EPR ゲージに表示されます。 EPR システム設計は、対気速度と高度の影響を自動的に補正します。 周囲温度の変化には、正確なエンジン出力設定を提供するために、EPR 表示に修正を加える必要があります。

6.9.8 排気ガス温度 (EGT) #

ガスタービン エンジンの制限要因は、タービン セクションの温度です。 タービン ブレードやその他の排気セクション コンポーネントの過熱を防ぐために、タービン セクションの温度を注意深く監視する必要があります。 タービン セクションの温度を監視する一般的な方法の 1 つは、EGT ゲージを使用することです。 EGT は、エンジン全体の動作状態を監視するために使用されるエンジンの動作制限です。 EGT システムのバリエーションには、温度センサーの位置に基づいて異なる名前が付けられています。 一般的なタービン温度検知ゲージには、タービン入口温度 (TIT) ゲージ、タービン出口温度 (TOT) ゲージ、ステージ間タービン温度 (ITT) ゲージ、タービンガス温度 (TGT) ゲージが含まれます。

6.9.9 トルクメーター #

ターボプロップ/ターボシャフト エンジン出力は、トルクメーターによって測定されます。 トルクは、シャフトに加えられるねじり力です。 トルクメーターは、シャフトに加えられる力を測定します。 ターボプロップとターボシャフト エンジンは、プロペラを駆動するためのトルクを生成するように設計されています。 トルクメーターは、パーセンテージ ユニット、フット ポンド、または PSI で校正されます。

6.9.10 N1 インジケーター #

N1 は、低圧コンプレッサの回転速度を表し、インジケーターに設計 RPM のパーセンテージとして表示されます。 始動後、低圧コンプレッサの速度は N1 タービン ホイールによって決まります。 N1 タービン ホイールは、同心円状のシャフトを介して低圧コンプレッサーに接続されています。

6.9.11 N2 インジケーター #

N2 は高圧コンプレッサの回転速度を表し、インジケーターに設計 RPM のパーセンテージとして表示されます。 高圧コンプレッサーは、N2 タービン ホイールによって制御されます。 N2 タービン ホイールは、同心円状のシャフトを介して高圧コンプレッサーに接続されています。 [図 6-27]

6.9.12 タービン エンジンの運用上の考慮事項 #

多種多様なタービン エンジンは、特定の操作手順をカバーすることは現実的ではありませんが、すべてのタービン エンジンに共通する特定の操作上の考慮事項があります。 エンジンの温度制限、異物損傷、ホット スタート、コンプレッサー ストール、およびフレイムアウトです。

6.9.13 エンジンの温度制限 #

タービン エンジンの最高温度は、タービンの入口で発生します。 したがって、タービンの入口温度は、通常、タービン エンジンの動作を制限する要因となります。

6.9.14 推力変動 #

タービン エンジンの推力は、空気密度によって直接変化します。 空気密度が低下すると、推力も減少します。 さらに、気温の上昇に伴って空気密度が減少するため、温度が上昇すると推力も減少します。 タービンと往復動力エンジンは、相対湿度が高いことによってある程度影響を受けますが、タービン エンジンは推力の損失は無視できますが、往復エンジンはブレーキの馬力の大幅な損失を被ります。

6.9.15 異物損傷 (FOD) #

タービン エンジンの吸気口の設計と機能により、破片の摂取の可能性が常に存在します。 これは、特にコンプレッサーとタービン セクションに大きな損傷を与えます。 破片の摂取が発生すると、異物損傷 (FOD) と呼ばれます。 典型的な FOD は、ランプ、誘導路、または滑走路からの小さな物体の摂取によって引き起こされる小さな傷やへこみで構成されていますが、鳥の攻撃や氷の摂取による FOD の損傷も発生します。 FOD がエンジンの完全な破壊につながる場合があります。

FOD の予防は最優先事項です。 一部のエンジン入口は、地上操作中に地面と入口の間に渦を形成する傾向があります。 これらのエンジンには Vortex DissiPater が取り付けられている場合があります。 スクリーンおよび／またはデフレクタなどの他の装置も利用できる。 飛行前の手順には、FOD の兆候に対する目視検査が含まれます。

6.9.16 タービン エンジンのホット/ハング スタート #

EGT が航空機の安全限界を超えると、「ホット スタート」が発生します。 これは、燃焼室に燃料が多すぎるか、タービンの rpm が不十分であることが原因です。 エンジンの始動時には、いつでも AFM/POH または適切なメンテナンス マニュアルを参照して検査要件を確認してください。

エンジンが点火後に適切な速度まで加速できなかった場合、またはアイドル RPM まで加速しない場合、ハングまたは誤った始動が発生しました。 始動電源が不十分な場合や、燃料制御の誤動作が原因で起動が発生する可能性があります。

6.9.17 コンプレッサーストール #

コンプレッサー ブレードは小型の翼形であり、あらゆるエアフォイルに適用される同じ空力原理に従います。 コンプレッサー ブレードには、吸気速度とコンプレッサーの回転速度の結果として、アタックの角度があります。 これら 2 つの力が結合してベクトルが形成されます。このベクトルは、近づいてくる入口空気に対する翼の実際の攻撃角度を定義します。

コンプレッサー ストールは、入口速度とコンプレッサーの回転速度という 2 つのベクトル量の間の不均衡です。 コンプレッサーのストールは、コンプレッサー ブレードのアタック角度が臨界角を超えると発生します。 この時点で、スムーズな気流が中断され、圧力変動によって乱流が発生します。 コンプレッサーの失速により、コンプレッサー内の空気が減速して停滞し、時には逆方向になります。 [図 6-28]

コンプレッサーのストールは、過渡的で断続的である場合もあれば、安定して過酷な場合もあります。 一時的/断続的なストールの表示は、通常、バックファイアとフローの反転が発生するため、断続的な「強打」です。 失速が発生して安定すると、強い振動と大きな轟音が連続的な流れの逆転によって発生する可能性があります。 多くの場合、フライト デッキ ゲージは軽度または一時的な失速を示しませんが、開発された失速を示しています。 機器の代表的な表示には、RPM の変動や排気ガス温度の上昇が含まれます。 ほとんどの一時的な失速はエンジンに有害ではなく、1 回または 2 回の脈動の後で修正されることがよくあります。 定常状態のストールによる深刻なエンジン損傷の可能性は、すぐに起こります。 回復は、パワーをすばやく減らし、機体の攻撃角度を減らし、対気速度を上げることによって達成する必要があります。

すべてのガスタービン エンジンはコンプレッサー ストールの対象となりますが、ほとんどのモデルには、それらを抑制するシステムがあります。 1 つのシステムでは、可変入口ガイド ベーン (VIGV) と可変ステータ ベーンを使用して、入射する空気を適切な角度でローター ブレードに向けます。 気圧の失速を防ぐため、メーカーが定めたパラメータの範囲内で航空機を操作してください。 コンプレッサーストールが発生した場合は、AFM/POH で推奨される手順に従ってください。

6.9.18 フレイムアウト #

ガスタービン エンジンの作動中に、エンジン内の火災が意図せずに発火する火炎が発生します。 燃焼室で燃料/空気比のリッチ制限を超えると、火炎が吹き飛ばされます。 この条件は、リッチ フレイムアウトと呼ばれることがよくあります。 これは通常、非常に速いエンジンの加速度が原因で、混合物が過度に豊富なため、燃料温度が燃焼温度を下回る原因となります。 また、燃焼をサポートするのに十分な空気流が原因である可能性もあります。

より一般的な火炎の発生は、低燃圧と低エンジン回転数が原因で、通常は高高度飛行に関連しています。 この状況は、下降中にエンジンが戻されると発生する可能性もあり、リーンコンディションのフレイムアウトを設定できます。 混合物が弱いと、エンジンを通る通常の気流であっても、火炎が消滅する可能性があります。

燃料供給が中断されると、火炎状態になる可能性があります。 これは、異常な姿勢が長引いたり、燃料制御システムが故障したり、乱気流が発生したり、燃料が不足したりしたことが原因である可能性があります。

通常、火炎の症状は、エンジンの故障に続くものと同じです。 フレーバーアウトが、燃料の流れとエンジン速度の不均衡など一時的な状態が原因である場合は、条件が修正された後にエアスタートを試みることができます。 いずれの場合も、パイロットは、AFM/POH で概説されている該当する緊急手順に従う必要があります。 通常、これらの手順には、エアスタートが成功する可能性が最も高い高度と対気速度に関する推奨事項が含まれています。

6.9.19 パフォーマンスの比較 #

往復動力プラントとさまざまなタイプのタービン エンジンの性能を比較することができます。 比較が正確であるためには、往復動力プラントの推力馬力 (使用馬力) をブレーキ馬力ではなく使用し、タービン動力エンジンには正味推力を使用する必要があります。 さらに、航空機の設計構成とサイズはほぼ同じである必要があります。 性能を比較する場合、次の定義が役立ちます。 ブレーキ馬力 (BHP) – 実際に出力シャフトに供給される馬力。 ブレーキ馬力は、実際に使用できる馬力です。 正味推力 – ターボジェットまたはターボファン エンジンによって生み出される推力。 推力馬力 (THP) – ターボジェットまたはターボファン エンジンによって生み出される推力に相当する馬力。 等価シャフト馬力 (ESHP) – ターボプロップ エンジンに関して、プロペラに供給されるシャフト馬力 (SHP) と排気ガスによって生成される THP の合計。 図 6-29 は、対気速度の増加に伴う正味推力で 4 種類のエンジンを比較する方法を示しています。 この図は説明目的のみであり、エンジンの特定のモデルには適していません。 エンジンの 4 種類は次のとおりです。

• 往復動力発電
• タービン、プロペラの組み合わせ (ターボプロップ)
• ファンを組み込んだタービンエンジン (ターボファン)
• ターボジェット (純ジェット)

各エンジンの性能曲線をプロットすることにより、使用されるエンジンのタイプによる航空機の最大速度変動を比較できます。 グラフは比較の手段にすぎないため、正味推力、航空機の速度、抗力の数値は含まれていません。

正味推力に基づいて 4 つの発電所を比較すると、特定のパフォーマンス機能が明らかになります。 ライン A の左側に示されている速度範囲では、往復動力が他の 3 つのタイプよりも優れています。 ターボプロップは、ライン C の左側の範囲でターボファンよりも優れています。ターボファン エンジンは、ライン F の左側の範囲にあるターボジェットよりも優れています。 ライン B とライン C の右側にあるターボプロップ

航空機のドラッグ カーブが正味推力曲線と交差するポイントは、航空機の最大速度です。 各点からグラフのベースラインまでの垂直線は、ターボジェット機が他のタイプのエンジンを装備した航空機よりも高い最高速度を達成できることを示しています。 ターボファン エンジンを搭載した航空機は、ターボプロップまたは往復動力プラントを装備した航空機よりも高い最高速度を達成します。