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A turboprop is a gas-turbine engine that drives an aircraft propeller.[1]
A turboprop consists of an intake, reduction gearbox, compressor, combustor, turbine, and a propelling nozzle.[2] Air enters the intake and is compressed by the compressor. Jet fuel is then added to the compressed air in the combustor, where the fuel-air mixture then combusts. The hot combustion gases expand through the turbine stages, generating power at the point of exhaust. Some of the power generated by the turbine is used to drive the compressor and electric generator. The gases are then exhausted from the turbine. In contrast to a turbojet or turbofan, the engine's exhaust gases do not provide enough power to create a major portion of the total thrust, since almost all of the engine's power is used to drive the propeller.[3]
Exhaust thrust in a turboprop is sacrificed in favor of shaft power, which is obtained by extracting additional power (beyond that necessary to drive the compressor) from turbine expansion. Owing to the additional expansion in the turbine system, the residual energy in the exhaust jet is low.[4][5][6] Consequently, the exhaust jet produces about 10% of the total thrust.[7] A higher proportion of the thrust comes from the propeller at low speeds and less at higher speeds.[8]
Turboprops have bypass ratios of 50–100,[9][10] although the propulsion airflow is less clearly defined for propellers than for fans.[11][12]
プロペラは、高回転数/低トルクの出力を低回転数/高トルクに変換する減速ギアを介してタービンに連結されます。これには、フリータービンと固定の 2 つの主要な設計があります。フリータービン ターボシャフトはPratt & Whitney Canada PT6に採用されており、タービンのみがプロペラに接続され、ガスジェネレーターの残りの部分 (コンプレッサーと燃焼器) は独立して回転します。これにより、プロペラの衝突や同様の損傷が発生してもガスジェネレーターが損傷することなく、そのような場合には動力部 (タービンとギアボックス) のみを取り外して交換することができ、エンジンの地上始動時の始動時のストレスも軽減されます。対照的に、固定シャフトエンジンでは、ハネウェル TPE331のように、ギアボックス、タービン、ガスジェネレーターが共通のシャフトに接続されています。
プロペラ自体は通常、大型航空機のレシプロエンジンで使用されるものと同様の定速（可変ピッチ）プロペラタイプですが、プロペラ制御の要件は大きく異なります。[ 13 ]タービンエンジンは、特に低速では動力入力に対する応答が遅いため、プロペラは、特にタクシー、逆走、その他の地上操作のために、推力を素早く変更できるように、選択可能な移動範囲が大きくなっています。[ 14 ]プロペラには、アルファとベータの 2 つのモードがあります。アルファは、離陸を含むすべての飛行操作のモードです。ベータは、通常、推力がゼロから負になるモードで、離陸以外のすべての地上操作に使用されます。[ 14 ]ベータモードは、さらに、タクシー用ベータと動力付きベータの 2 つのモードに細分化されます。ベータ フォー タクシーは、その名の通り、タクシー操作に使用され、最低のアルファ レンジ ピッチからゼロ ピッチまでのすべてのピッチ レンジで構成され、推力はほとんどゼロで、通常はパワー レバーをベータ フォー タクシー レンジに移動することでアクセスできます。ベータ プラス パワーは逆方向のレンジで、負の推力を発生させ、航空機が急速に減速する必要がある短い滑走路への着陸やバック操作によく使用され、パワー レバーをベータ フォー タクシー レンジより下に動かすことでアクセスできます。[ 14 ]バック時にパイロットが航空機の後方を見ることができないことと、逆方向のときに舞い上がる破片の量のため、メーカーはベータ プラス パワーを使用できる速度を制限し、未整備の滑走路での使用を制限することがよくあります。[ 14 ]これらのプロペラのフェザリングは、プロペラ コントロール レバーで行います。[ 14 ]
定速プロペラは、制御システムによって往復動エンジンの定速プロペラと区別されます。ターボプロップシステムは、ガバナー、過速度ガバナー、燃料トッピングガバナーの3 つのプロペラガバナーで構成されています。 [ 14 ]ガバナーは、往復動エンジンのプロペラガバナーとほぼ同じように動作しますが、ターボプロップガバナーには、ベータ動作のためにベータ制御バルブまたはベータリフトロッドが組み込まれている場合があり、通常は 12 時の位置にあります。[ 14 ]また、モデルによっては、プラット・アンド・ホイットニー・カナダ PT6の過速度および燃料トッピングガバナーや、ハネウェル TPE331の低速ガバナーなど、他のガバナーも含まれています。[ 14 ]ターボプロップは、燃料制御ユニットが出力を制御するためにガバナーに接続されているという点でも、 他の種類のタービンエンジンと区別されます。
エンジンをよりコンパクトにするために、逆流式ターボプロップエンジンを使用することができます。逆流式ターボプロップエンジンでは、コンプレッサーの吸気口はエンジンの後部にあり、排気口は前方に配置されているため、タービンとプロペラの間の距離が短縮されます。[ 15 ]
ターボファンエンジンで使用される小径ファンとは異なり、プロペラは大径であるため、大量の空気を加速できます。これにより、一定の推力に対してより低い気流速度が可能になります。低速では、少量の空気を大きく加速するよりも、大量の空気を小さく加速する方が効率的であるため、[ 16 ] [ 17 ]ディスク負荷（単位ディスク面積あたりの推力）が低いほど航空機のエネルギー効率が向上し、燃料消費量が削減されます。[ 18 ] [ 19 ]
プロペラは、航空機の飛行速度がブレード先端を通過する気流の速度が音速に達するほど高くなるまではうまく機能します。その速度を超えると、プロペラを駆動する動力のうちプロペラ推力に変換される割合が劇的に低下します。このため、ターボプロップエンジンは、ツポレフTu-95などの例外を除いて、マッハ0.6～0.7を超える速度で飛行する航空機[4][5][6][7]にはあまり使用されていません。しかし、ターボプロップエンジンと非常によく似たプロップファンエンジンは、マッハ0.75に近い飛行速度で巡航できます。幅広い速度範囲でプロペラの効率を維持するために、ターボプロップは定速（可変ピッチ）プロペラを使用します。定速プロペラのブレードは、航空機の速度が増加するにつれてピッチが大きくなります。このタイプのプロペラのもう1つの利点は、滑走路での停止距離を短縮するために逆推力を発生させるためにも使用できることです。さらに、エンジン故障の場合にはプロペラをフェザリングすることで、機能していないプロペラの抵抗を最小限に抑えることができる。[ 20 ]
パワータービンはガスタービン部と一体化している場合もあるが、今日の多くのターボプロップ機は独立した同軸シャフトに独立したパワータービンを備えている。これにより、プロペラはコンプレッサーの回転速度とは無関係に自由に回転することができる。[ 21 ]
アラン・アーノルド・グリフィスは1926年に圧縮機設計に関する論文を発表した。その後、王立航空研究所ではプロペラを駆動する軸流圧縮機設計の研究が行われた。1929年からは、フランク・ホイットルがエンジンで発生するガス動力をすべてジェット推力に利用する遠心圧縮機設計の研究を開始した。[ 22 ]
世界初のターボプロップは、ハンガリーの機械技師ジョルジ・ジェンドラシクによって設計された。[ 23 ]ジェンドラシクは1928年にターボプロップのアイデアを発表し、1929年3月12日にその発明の特許を取得した。1938年には、小型（100馬力、74.6kW ）の実験用ガスタービンを製作した。[ 24 ]より大型のジェンドラシクCs-1は、1,000馬力の出力が予測され、 1937年から1941年にかけてブダペストのガンツ工場で製造および試験された。これは、15段の圧縮機と7段のタービン、環状燃焼室を備えた軸流設計であった。1940年に初めて運転されたが、燃焼の問題により出力は400馬力に制限された。 2基のジェンドラシク Cs-1 は、世界初のターボプロップ機であるヴァルガ RMI-1 X/H のエンジンでした。これは第二次世界大戦中のハンガリーの戦闘爆撃機で、1機が完成しましたが、初飛行前に爆撃で破壊されました。[ 25 ] [ 26 ] 1941 年、戦争のためエンジンは放棄され、工場は従来型エンジンの生産に転換されました。
The first mention of turboprop engines in the general public press was in the February 1944 issue of the British aviation publication Flight, which included a detailed cutaway drawing of what a possible future turboprop engine could look like. The drawing was very close to what the future Rolls-Royce Trent would look like.[27] The first British turboprop engine was the Rolls-RoyceRB.50 Trent, a converted Derwent II fitted with reduction gear and a Rotol7 ft 11 in (2.41 m) five-bladed propeller. Two Trents were fitted to Gloster MeteorEE227 — the sole "Trent-Meteor" — which thus became the world's first turboprop-powered aircraft to fly, albeit as a test-bed not intended for production.[28][29] It first flew on 20 September 1945. From their experience with the Trent, Rolls-Royce developed the Rolls-Royce Clyde, the first turboprop engine to receive a type certificate for military and civil use,[30] and the Dart, which became one of the most reliable turboprop engines ever built. Dart production continued for more than fifty years. The Dart-powered Vickers Viscount was the first turboprop aircraft of any kind to go into production and sold in large numbers.[31] It was also the first four-engined turboprop. Its first flight was on 16 July 1948. The world's first single engined turboprop aircraft was the Armstrong Siddeley Mamba-powered Boulton Paul Balliol, which first flew on 24 March 1948.[32]
ソ連は、第二次世界大戦中のドイツのターボプロップ機の予備設計をユンカース・モトーレンヴェルケが手掛けたものを基に開発を進め、BMW、ハインケル・ヒルト、ダイムラー・ベンツも計画設計に取り組んでいた。[ 33 ]ソ連はボーイングのB-52ストラトフォートレスに匹敵するジェット戦略爆撃機の機体を作る技術を持っていたが、代わりにツポレフTu-95ベアを開発した。この機体は、4基のクズネツォフNK-12ターボプロップエンジンを搭載し、8基の二重反転プロペラ（ナセルあたり2基）を組み合わせ、超音速の翼端速度で時速575 マイルを超える最高巡航速度を達成した。これは初期のジェット機の多くよりも速く、ほとんどの任務におけるジェット機の巡航速度に匹敵する。ベアは、ソ連の最も成功した長距離戦闘機および偵察機として、20世紀末までソ連のパワープロジェクションの象徴となった。1950年代、アメリカはアリソンT40などの二重反転プロペラを備えたターボプロップエンジンを一部の実験機に使用した。T40エンジンを搭載したコンベアR3Yトレードウィンド飛行艇は、アメリカ海軍によって短期間運用された。
アメリカ初のターボプロップエンジンはゼネラル・エレクトリックXT31で、実験機コンソリデーテッド・バルティXP-81で初めて使用された。[ 34 ] XP-81は1945年12月に初飛行し、ターボプロップとターボジェットの動力を組み合わせた最初の航空機となった。アリソンの初期のT38設計の技術はアリソンT56に発展し、ロッキード・エレクトラ旅客機、その軍用海上哨戒派生型であるP-3オリオン、およびC-130ハーキュリーズ軍用輸送機の動力として使用された。
最初のタービン動力のシャフト駆動ヘリコプターは、チャールズ・カマンのK-125シンクロプターを発展させたカマンK-225で、 1951年12月11日にボーイングT50ターボシャフトエンジンで動力を得ていました。[ 35 ]
1963年12月、プラット・アンド・ホイットニー・カナダのPT6ターボプロップエンジンが、当時ビーチクラフト87と呼ばれていた機体（後にビーチクラフト・キングエアとなる）に初めて納入された。[ 36 ]
1964年には、三菱MU-2に搭載されたギャレット・エアリサーチTPE331 （現在はハネウェル・エアロスペースが所有）が初めて納入され、同年最速のターボプロップ機となった。[ 37 ]
ターボファンとは対照的に、ターボプロップはプロペラ（および排気）のジェット速度が比較的低いため、飛行速度が725 km/h（450 mph、390 ノット）未満の場合が最も効率的です。現代のターボプロップ旅客機は小型リージョナルジェット旅客機とほぼ同じ速度で運航していますが、乗客1人あたりの燃料消費量は3分の2です。[ 38 ]
ピストンエンジンと比較して、ターボプロップエンジンは出力重量比が高く（離陸距離が短くなる）、信頼性も高いため、初期費用、メンテナンス費用、燃料消費量が高いという欠点を補うことができる。また、遠隔地ではジェット燃料が航空ガソリンよりも入手しやすいため、セスナ・キャラバンやクエスト・コディアックなどのターボプロップ機はブッシュプレーンとして利用されている。
ターボプロップエンジンは一般的に小型の亜音速機に使用されますが、ツポレフ Tu-114 は470 kn (870 km/h; 540 mph)に達することができます。ツポレフ Tu-95のような大型軍用機や、ロッキード L-188 エレクトラのような民間機もターボプロップエンジンを搭載していました。エアバス A400Mは、 11 MW (15,000 hp)のクズネツォフ NK-12に次いで、これまでに製造されたターボプロップエンジンの中で 2 番目に強力な4 基のユーロプロップ TP400エンジンを搭載しています。
2017年に最も広く運用されていたターボプロップ旅客機は、 ATR 42 / 72 (950機)、ボンバルディア Q400 (506機)、デ・ハビランド・カナダ Dash 8 -100/200/300 (374機)、ビーチクラフト 1900 (328機)、デ・ハビランド・カナダ DHC-6 ツインオッター(270機)、サーブ 340 (225機) であった。[ 40 ]あまり普及していない古い旅客機には、BAe ジェットストリーム 31、エンブラエル EMB 120 ブラジリア、フェアチャイルド スウェアリンゲン メトロライナー、ドルニエ 328、サーブ 2000、西安 MA60、MA600およびMA700、フォッカー 27および50がある。
ターボプロップビジネス機には、パイパー・メリディアン、ソカタTBM、ピラタスPC-12、ピアジオP.180アバンティ、ビーチクラフト・キングエア、スーパーキングエアなどがあります。2017年4月時点で、世界のビジネス用ターボプロップ機の保有数は14,311機でした。[ 41 ]
2012年から2016年の間に、ATSBはターボプロップ機で417件の事故を観測しました。これは年間83件、140万飛行時間以上で、1万時間あたり2.2件に相当します。そのうち3件は単発エンジンのセスナ208キャラバンでのエンジン故障と計画外着陸を伴う「高リスク」、4件は「中リスク」、96%は「低リスク」でした。2件は農業用航空機 でのエンジン故障と地形衝突による軽傷事故で、5件は航空作業に関連する事故でした。農業で4件、救急航空で1件です。[ 42 ]
ジェーンズ・オール・ザ・ワールドズ・エアクラフト2005-2006年版