可変サイクルエンジン

可変サイクルエンジン (VCE) は、アダプティブサイクルエンジン (ACE)とも呼ばれ、亜音速、遷音速、超音速などの混合飛行条件下で効率的に動作するように設計された航空機ジェットエンジンです。

先進技術エンジンとは、すべてのタービンを同じ速度で回転させるのではなく、異なるタービンをそれぞれ異なる最適な速度で回転させることを可能にするタービンエンジンです。^[1]このエンジンは、他の用途に使われるようになる前に、大型飛行機に搭載されていました。

次世代の超音速輸送機(SST) には、何らかの形の VCE が必要になる可能性があります。超音速巡航時の航空機の抗力を低減するために、SST エンジンには、動力装置の断面積を最小限に抑えるための高い比推力(正味推力/空気流量) が必要です。これは、超音速巡航時および離陸時にジェット速度が高くなるため、航空機の騒音が大きくなります。

高比推力エンジンは定義上、ジェット速度が高く、これはネット推力の近似式で示される通りである: ^[2]

${\displaystyle F_{\text{n}}={\dot {m}}\left(V_{\text{jfe}}-V_{\text{a}}\right)}$

どこ：

${\textstyle {\dot {m}}={\frac {d}{dt}}m,\,}$吸入質量流量

${\displaystyle V_{\text{jfe}},\,}$完全に膨張したジェット速度（排気煙中）

${\displaystyle V_{\text{a}},\,}$航空機の飛行速度

式を変形すると、比推力は次のようになります。

${\displaystyle {\frac {F_{\text{n}}}{\dot {m}}}=V_{\text{jfe}}-V_{\text{a}}}$

したがって、飛行速度がゼロの場合、比推力はジェット速度に正比例します。

コンコルドに搭載されたロールスロイス/スネクマ オリンパス 593 は、超音速巡航時およびドライ テイクオフ時に高い比推力を発揮しました。このため、エンジンは騒音を発していました。離陸時 (および遷音速加速時) に適度な量のアフターバーニング(再加熱)が必要になったことで、問題がさらに悪化しました。

SST VCE コンセプトの 1 つはタンデム ファン エンジンです。このエンジンには 2 つのファンがあり、どちらも低圧シャフトに取り付けられ、大きな軸方向の隙間で分離されています。エンジンは巡航中は直列モードで動作し、離陸、上昇、進入、最終降下中は並列モードで動作します。

直列モードでは、空気はエンジンの前面から入ります。空気は前部のファンを通過した後、2 番目のファンに直接流れ込むため、エンジンはターボファンのように動作します。

並列モードでは、フロントファンから出た空気は、リアファンを通らずに、ナセルの下側にある補助ノズルからエンジンから排出されます。エンジンの両側にある吸気口が開いて空気を取り込み、リアファンとエンジンの残りの部分に直接送ります。並列モードでは、エンジンによって加速される空気の総量が大幅に増加し、空気の速度とそれに伴う騒音が低下します。

1970 年代、ボーイング社はプラット・アンド・ホイットニー JT8D を改造してタンデムファン構成を採用し、部分的な出力ではあるものの、エンジンを稼働させた状態で直列運転から並列運転 (およびその逆) への切り替えを成功裏に実証しました。

ミッドタンデムファンのコンセプトでは、高比流量の単段ファンがターボジェットコアの高圧 (HP) コンプレッサーと低圧 (LP) コンプレッサーの間に配置されています。バイパス空気のみがファンを通過します。LP コンプレッサーの出口流は、ファンブレードの真下にあるファンディスク内の通路を通過します。バイパス空気の一部は、補助吸気口からエンジンに入ります。離陸および進入中、エンジンは従来のターボファンとほぼ同じように動作し、ジェット騒音レベルは許容範囲内です (つまり、低比推力)。ただし、超音速巡航では、ファンの可変入口ガイドベーンと補助吸気口が閉じて、バイパス流量を最小限に抑え、比推力を高めます。このモードでは、エンジンは「漏れやすい」ターボジェット ( F404など) のように動作します。

エジェクター付き混流ターボファンのコンセプトでは、低バイパス比エンジンがエジェクターと呼ばれる長いチューブの前に取り付けられています。エジェクターは騒音を低減します。離陸時と進入時に作動します。ターボファンの排気ガスは、補助空気取り入れ口からエジェクターに空気を送り込み、最終排気の比推力/平均ジェット速度を低下させます。混流設計は低速では特に効率的ではありませんが、かなりシンプルです。

3ストリームアーキテクチャは、3番目の方向転換可能な気流を追加します。この気流は、燃料効率が必要な場合にはコアをバイパスし、より大きな出力が必要な場合はコアを通過します。多用途で手頃な価格の先進タービンエンジン（VAATE）プログラムの下で、米国空軍と業界のパートナーは、適応型多用途エンジン技術（ADVENT）とそれに続く適応型エンジン技術デモンストレーター（AETD）および適応型エンジン移行プログラム（AETP）プログラムの下でこのコンセプトを開発しました。^{[3]例としては、}ゼネラルエレクトリックXA100とプラットアンドホイットニーXA101、および次世代航空優勢（NGAD）戦闘機の推進システムがあります。^[4]

ゼネラル・エレクトリック社は、1980年代後半にYF-22 / YF-23戦闘機の競争のためにGE37またはゼネラル・エレクトリックYF120として知られる可変サイクルエンジンを開発した。GEはダブルバイパス/ハイブリッドファン配置を採用したが、そのコンセプトをどのように活用したかは明らかにしなかった。空軍は代わりに、ロッキード・マーティンF-22ラプターの後に開発された従来のプラット・アンド・ホイットニーF119を選択した。

ギアードターボファンは、ギャレット TFE731、ライカミング ALF 502 / LF 507、プラット・アンド・ホイットニー PW1000G、ターボメカ アスタファン、ターボメカ アスピン、アビアドビガテルPD-18R などのエンジンにも使用されています。これらのエンジンの一部はまだ開発中です。

ロールスロイスウルトラファンは、複数のタービン速度を可能にする最大かつ最も効率的なエンジンです。メインファンの後ろにあるタービンは小さく、より多くの空気がまっすぐに通過できます。一方、遊星ギアボックスにより、メインファンはより遅く回転し、コンプレッサーはより速く回転し、それぞれを最適なゾーンに置くことができます。^[5]

新興企業のアストロ・メカニカは、ターボエレクトリック・アダプティブ・ジェットエンジンと呼ばれるものを開発している。このエンジンは、停止状態からマッハ 6まで加速すると、ターボファンからターボジェット、ラムジェットへとモードが切り替わる。これは、デュアルタービン方式で実現されている。1 つのタービンはターボジェネレーターとして機能し、2 つ目のタービンは推進ユニットとして機能する。ターボジェネレーターは、2 つ目のタービンのコンプレッサーを制御する電気モーターに電力を供給する。モーターは、特定の飛行モードに最適な RPM でファンを回転させ続けるために速度を変更できる。ターボジェットおよびラムジェットモードでは、空気を圧縮してバイパスを排除するために吸気口が狭くなる。ターボジェネレーターは市販されており、推進ユニットは同社が製造している。重要なイノベーションは、電気モーターの電力密度が劇的に向上したため、モーターの重量がもはや法外な問題ではなくなったことである。^{[6] [7] [8]}

固定ギアボックスの代わりに、電気モーターを使用して、ファンの後ろにあるタービンを飛行の各段階に最適な速度で回転させます。同社は、効率的な離陸、亜音速、超音速、極超音速の速度をサポートすると主張しました。電気モーターは、タービンによって駆動される発電機によって駆動されます。このアプローチは、ヨークレスデュアルローター軸流モーターなどの新しい電気モーターの改善された電力密度に依存しており、従来の設計では重すぎてこのような用途には適さなかったため、はるかに高いkw/kgを提供します。^[7]

空気はターボ発電機を通って流れ込み、電気モーターを動かす電力を生成します。電気モーターは推進ユニットを適応的に制御し、対気速度に応じてターボファン、ターボジェット、またはラムジェットのように動作できるようにします。実際には、エンジンは比推力 (Isp) 曲線上の任意のポイントで動作できます - 低速では高い Isp、高速では低い Isp。^{[9] [7] [10]}

これは、プロペラを蒸気タービンの動力とは異なる速度で回転させることができる ターボ電気船舶エンジンといくつかの点で似ています。

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