ターボファンエンジン

技術要素
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この用語のポイント

・ジェットエンジンの一種で、旅客航空機エンジンとして広く普及しているよ
ファンの回転で空気をたくさん吸気し、燃焼ガスと共に勢いよく後方へ排気することで、推進力を得るよ

簡単にいうと…

ターボファンエンジンとは

 ターボジェットエンジンの前方に回転ファンのついた

技術個体です。後方についてるやつもあるみたいです。

ファンの回転により、燃焼ガスだけでなく空気もたくさん吸気・排気することで、ターボジェットエンジンよりも速度の調整を容易にしています。

詳しくいうと…

旅客機の翼に垂れ下がっているあの円筒がターボファンエンジンです。

あれの中身をのぞいてみましょう。

左図の左側から数えて、

 行程①:吸気(ファン)

 行程②:圧縮(圧縮機)

 行程③:燃焼・膨張(燃焼室・タービン)

 行程④:排気(排気ノズル)

という4行程をたどります。

 

行程①:吸気

まず吸気です。

機体とエンジンの進行方向からやってくる空気流を、回転ファンがたくさん取り込みます。

ファンを通過した空気流はその後二手に分かれます。圧縮機へ送られる部分と、そのまま加速されて外殻内部を通り抜けてゆく部分へのルート分岐です。

以下では、前者の圧縮機へ送られる空気流の行方をしばらく見てゆきます。

 

行程②:圧縮

次に圧縮行程です。

ファン側からやって来た空気流は、タービン状の圧縮機の、幾重にも連なる回転によって、高圧状態になります。

はい、なりました。

 

 

行程③:燃焼・膨張

次は燃焼・膨張の行程です。

ぎゅっと圧縮された熱々の空気流は、気化燃料と混合され、点火プラグのスパークにより燃え上がります。

燃え盛る火炎流は、そのままガスタービンの回転翼を勢いよく回します。

また、このガスタービンの回転運動が前方のファンをひきつづき回転させます。

 

行程④:排気

最後に、排気です。

車のエンジンなどとは事情が異なり、航空機の排気行程は、機体を前進させる推進力ともなる重要なパートです。

燃焼後のガスが、ノズルを通って後方へと排出されます。

また同時に、ファンからそのまま通り抜けて(バイパスされて)きた空気流が、この燃焼ガス流へと合流し、一緒になってすごい勢いで出てゆきます。図にするとこんな感じです:

 

        →空気流(低温低圧)→

 ←<推進力>  ⇒燃焼ガス(高温高圧)⇒

        →空気流(低温低圧)→

 

この、燃焼ガスと空気流の比率をバイパス比といいます。

バイパス比が高い(バイパス空気流が高比率)構造だと、速度がよく中和され、低速飛行に向いており、

バイパス比が低い(バイパス空気流が低比率)構造だと、高速飛行に向いています。

 

このターボファンエンジンに対し、ターボジェットエンジンはファンが付いておらず、燃焼ガスのみの推進となるため、大変に高速となり、燃料を大量に消費してしまうデメリットがあります。

このため、ファンが付き、空気流によって速度を比較的低速にできるターボファンエンジンは燃費がよいため、民間航空機で広く普及しています。

ジェットエンジンから得られる推進力は、一般に次の式で求められます:

  推力 = エンジン通過空気の質量 × (排気ガスの速度-機体の速度)
      + (噴出空気の圧力-大気圧)×排気ノズルの面積

このことから、燃焼ガスの噴出速度を、低速の空気流によって中和することで、推進力をほどよく調整できることがわかります。

 

・ターボファンエンジンは、ファンで取り込んだ低温低圧の空気流を、圧縮/燃焼ガス流と合流させることで、速度を上手く調整できるよ
・ファンを取り付けない場合(=ターボジェットエンジン)に比べ、過度な高速を抑制し、高燃費を実現できるよ
 

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つまり…

ターボファンエンジンとは

 回転ファンとその空気流(低温低圧)によって、そのまま噴出させると過高速になる燃焼ガス(高温高圧)の速度をうまく調整できる航空機用エンジン

という技術個体です。

 

一概に速すぎてもだめなんじゃなぁ。
実際、ファンのないターボジェットエンジンのほうでは、燃料の問題だけでなく、音速を超えた場合の空力の変化(音の)や大気の断熱圧縮(熱の壁)などさまざまな課題が待ち受けていると聞くが、エンジン出力を低速にすることでそれら課題を回避するのじゃな。

歴史のツボっぽくいうと…

1960年代 ターボファンエンジンが開発される。

 

 

<参考文献>(2018/09/05 visited)

ターボファンエンジン - Wikipedia
音の壁 - Wikipedia
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http://www.comp.sd.tmu.ac.jp/comb/index.files/Page2220.htm