小型のジェットエンジンは大型のものよりも速く回転しますか?

Corey

2024-10-05

ジェットエンジンは、航空機を地面から持ち上げ、飛行中に空中を維持するのに十分な出力を生成するように設計されています。これを達成するには、非常に高速で実行する必要があります。エンジンの回転数 (RPM) は、通常、最大許容回転速度のパーセンテージとして表されます。小型のエンジンは、大型のエンジンよりもはるかに高速で動作します。

過去数十年にわたり、ジェットエンジンのサイズは大幅に増大しました。エンジンが生成する推力の量は、その動作効率を大きく左右します。バイパス比の大きなエンジンは、エンジンが生成する推力の量が増加する傾向があります。バイパス比は、エンジンコアをバイパスする空気の質量流量（二次流）とコアに入る空気の質量流量（一次流）の比です。

写真: エアバス

大型のエンジンはより多くの推力を生成し、より効率的になります。しかし、小型エンジンよりも高速で動作させる必要があるのでしょうか?答えはノーです。

刃先速度

ブレード先端の速度によって、タービンとコンプレッサーが得られる最大圧力比が決まります。これにより、エンジンが得られる最大出力と効率が制限されます。エンジンメーカーは、効率を高めるために最適なブレード先端速度を達成することを目指しています。ブレードのサイズが大きくなるにつれて、ブレード先端速度が増加します。ローターの直径が半分になると、先端速度を一定に保つために回転速度を 2 倍にする必要があります。

ボーイング 777 に動力を供給する GE90: 22 枚のブレード
ボーイング 787 ドリームライナーに電力を供給する GEnx: 18 枚のブレード
ボーイング 777X に動力を供給する GE9X: 16 枚のブレード

複合材料を使用することで、大幅に最適化されたファンブレードの設計とその重量が最小限に抑えられました。新しいエンジンに必要なブレードの数は、古いエンジンに比べて大幅に少なくなります。によるとGEエアロスペース、

「GEのエンジニアは、GEnxエンジンの複合ファンブレードの設計をさらに進め、ファンシステムあたりのブレード数を減らすことができました（GE90の22ブレードからGEnxの18ブレード）。GEnxはまた、ファンケースにカーボンファイバー複合材料を利用して、エンジンの重量を400ポンド近く削減しました。」

「GE9X の 134 インチフロントファンには、ファンブレードがわずか 16 枚あります。ブレードの数が減り、薄くなったことでエンジンのエアフローが向上し、より軽量で効率的なファンが実現し、GE9X の全体的なパフォーマンスと燃料燃焼に役立ちます。」

エンジンサイズ

エンジンが小さいほど、最適なブレード先端速度を達成するために必要な RPM は高くなります。たとえば、エアバス A320neo ファミリー (LEAP 1-A) およびボーイング 737 MAX (LEAP 1-B) に搭載されている CFM LEAP エンジンの N1 速度は 4,600 RPM に近く、N2 速度は最大 20,500 RPM です。

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一方、エンジンメーカーは、大型エンジンのブレード先端速度を制限する必要があります。メーカーは、亜音速流域内またはその付近での先端速度を達成することを目指しています。先端周りの亜音速の流れにより、エンジンの騒音が最小限に抑えられ、燃料効率が向上します。ただし、ファンブレードの先端は、高出力時に離陸や上昇などの超音速に達します。によるとロールスロイス、

「トレント 900 はトレントファミリーの 4 番目の製品で、効率を向上させながら騒音と重量を軽減することが証明された最新のテクノロジーを搭載しています。たとえば、エンジンの 24 枚のファンブレードは新しいスイープ設計になっており、ファンの先端が超音速で回転する際の衝撃波の影響を軽減します。」

写真: ロールスロイス

したがって、大型エンジンの最大スプール速度は小型エンジンよりも低くなります。たとえば、ボーイング 777 航空機に動力を供給するゼネラルエレクトリック社の GE90 は、最高 N1 速度 2,850 RPM、N2 速度 10,850 RPM で回転します。同様に、大型の 3 スプールエンジンの速度は、小型のエンジンに比べて相対的に低くなります。エアバス A350 に動力を供給する 3 スプールのロールスロイストレント XWB エンジンの N1 速度は 2,700 RPM、N2 速度は 8,200 RPM、N3 速度は 12,500 RPM です。

典型的な 2 スプールエンジン	速度
N1シャフト	2,200 – 4,500 RPM
N2シャフト	10,000 – 15,000 RPM
N2シャフト（専用エンジン）	最大 30,000 RPM

ロールスロイスによれば、トレント XWB エンジンのフロントファンは直径 3 メートル弱で、離陸中に毎秒最大 1.3 トンの空気を吸い込むとのこと。同様に、エンジンのコアにある高圧タービンブレードは 12,500 RPM で回転し、ブレード先端は音速のほぼ 2 倍である 1,900 km/h に近づきます。