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【B747の歴史】改良され続けたJT9Dエンジン|耐熱合金の変遷を探る

B747の歴史‗耐熱合金

B747によって進化したJT9Dエンジン

1970年初頭に就航開始したB747(ジャンボジェット)は、大量高速輸送時代を築いた主力機の一つ。

一度見れば忘れられない巨大なボディーに2階席のコブ、轟音を奏でる4発のエンジン。それがジャンボジェットだった。しかし、そんなB747も就航当初はエンジンで相当な苦労させられたという歴史がある。

今回は、日本航空が1970年から就航開始したB747の歴史と照らし合わせながら、耐熱素材の変遷を紹介します。

 

JT9Dエンジンに要求された設計目標

1960年当時、世界の空はDC-8などJT3Dと呼ばれる最初期のターボファン・エンジンが活躍していた。しかし、B747の開発において重要なエンジンの設計目標値は、JT3Dと比較して推力が2.4倍、燃費は30%低減という厳しい要求だった。

この大推力に対応させるには、これまでの低バイパス比(1:1)から高バイパス比の5:1にする必要があることから、大口径の大型ファンが開発された。

また、同時に燃費を低減させるには高圧タービン動翼・静翼を高い効率で運転させる必要があり、タービン入口温度をJT3Dの850℃に対して、最低でも1,150℃で運転可能にする必要があった。

わずか7年で大きく進化したJT9D-3/-7

航空博物館展示 P&W JT9D-3Aエンジン

1969年に就航開始したB747-100型には、最大離陸推力 19.7tのJT9D-3型が搭載されていた。しかし、この非力な-3型は十分な推力が出ず、また当初の設計よりも燃料消費率が悪く、高圧タービンの動翼・静翼の寿命時間も極端に短いことが問題となっていた。

元々、JT9Dエンジンの開発は技術への挑戦だった。

当時はまだまだ難しいとされていたチタン合金による大型ファンの製造。また、燃費改善の決め手となる高圧タービン部が受ける燃焼ガス温度をJT3Dと比較して約300℃上昇させる必要があった。

色々と難しい点は残っていたが、JT9D-3はどうにか1969年の初就航に間に合った。エアライン各社に引き渡した後も、想定外の問題が次々と起こり対応に追われた。特に高圧タービン系においては、部品寿命の短さと燃料消費率が著しく悪く何度も改良が施された。

 

そして、JT9Dエンジンは数年間で瞬く間に進化を遂げた。

  • 1969年:JT9D-3 (推力19.7トン)
  • 1970年:JT9D-3A(推力19.7トン)
  • 1971年:JT9D-7 (推力20.6トン)
  • 1972年:JT9D-7A(推力21.2トン)
  • 1974年:JT9D-7F(推力22.1トン)
  • 1978年:JT9D-7Q(推力24.0トン)
  • 1979年:JT9D-7R4G2(推力24.8トン)

日本航空が導入したB747

日本航空のB747は、1970年導入時はJT9D-3A型を使用いていたが、1973年までに保有していた全てのJT9D-3A型をJT9D-7に改修。また、1977年までには全てをJT9D-7A型に改修し統一している。

 

日本航空に導入されたB747シリーズ

  • B747-146:JT9D-7A(初期導入期 -3A)
  • B747SR-46:JT9D-7A
  • B747-146B/SUD:JT9D-7A
  • B747-246B:JT9D-7A,-7Q,-7R4G2
  • B747-246F:JT9D-7A,-7Q,-7R4G2
  • B747-300:JT9D-7R4G2
  • B747-300SR:JT9D-7R4G2

耐熱合金の変遷

航空博物館展示 JT9D-7R4G2 

初期のJT9D-3型から-7A型となったことで、燃費や部品寿命が大きく改善されたB747のエンジン。その大きな役割を果たしたのが、高圧タービン静翼と動翼(耐熱素材・クーリング方式・コーティング・結晶構造)の改良によるものだった。

 

高圧タービン静翼(一段目)

JT9D-3/-3A

航空博物館展示物: JT9D-3A 高圧1段目 ノズルガイドベーン

初期のJT9D-3/-3Aエンジンの高圧1段目静翼(NGV1)には、コバルト基耐熱合金の”WI-52”が使用されていたが、使用開始から僅か1,000時間(状況によっては500時間)程度で熱による破損が多発した。(第一・二世代)

JT9D-7/-7A

JT9D-7A:改良されたノズルガイドベーン(第四世代)コバルト基耐熱合金”MAR-M509”の採用によって使用時間は10,000時間まで伸びた。

JT9D-7/-7Aには、改良版となる第三世代のNGV1が採用された。材質は同じコバルト基合金だが、”MAR-M509”を採用したことで、使用時間は最大5,000時間と大きく改善した。

しかし、最大5,000時間で損傷するというのは経済的に見れば悪く、さらなる改良が必要とされたことで第四世代のNGV1が誕生した。

材質に関しては三世代目と同一だが、フィルム冷却孔を追加したことで熱損を抑えることが可能となり、使用時間は10,000時間程度まで延長することが可能となった。

JT9D-7Q

JT9D-7Q:第四世代 NGV1と材質は同じだが、フィルムクーリングを強化。-7Aと比較してTITは110℃上昇したが寿命は10,000時間と変わらない。

JT9D-7Aの第四世代 NGV1から大きな変更もなく、フィルム冷却の強化のみでタービン入口温度は1,360℃まで上昇。使用時間も10,000時間となっている。

※1970年代に開発されたJT9D-7Aは、2010年頃まで使用された。その間の技術革新は目まぐるしく行われており、紹介した素材よりも更に進化しているものと考えられる。

 

高圧タービン動翼(一段目)

JT9D-3/-3A

航空博物館展示 JT9D-3A:Udimet700を使用した最初期のHPT1ブレード(寿命は500~1,000時間)

JT9D-3/-3Aエンジンの高圧第1段動翼(HPT1)には、ニッケル基耐熱合金 Udimet700を普通鋳造したブレードが使用された。空冷方式は、中空のブレード内部に冷却空気を流すだけの単純なコンベクション方式を採用。

普通鋳造によるブレードは、クリープや熱疲労によって結晶と結晶の隙間(粒界)からクラックが発生しブレードの破断が多発した。

その寿命は、NGV1と同じく500~1,000時間程度と著しく悪く、またHPTの破断は後段まで多大な損傷を引き起こすことから早急な解決が求められた。

JT9D-7/-7A

JT9D-7A:材質をPWA1455に変更、普通鋳造のブレードだが寿命は5,000時間と著しく改善された。

JT9D-3/-3Aの著しく悪い高圧タービンの寿命を改善するために、5,000時間まで引き上げることを目標に多くの改良が行われた。

まず目を付けたのが素材の変更。Udimet700ではクリープや熱応力に耐えられないことから、材質を”B1900+Hf(PWA1455)”に変更。ブレード内部のクーリング方式も、コンベクション+インピンジメントを追加。

これらの改良によって、普通鋳造によるブレードだが寿命は目標の 5,000時間を達成した。

JT9D-7A改良型/-7J/-7F

JT9D-7J:JT9Dシリーズでは初となるフィルム冷却孔の採用と、材質をDS材に変更したことで大幅に性能が向上した。

さらなる燃焼ガス温度の引き上げ・耐久性の向上を目的に素材を”B1900+Hf”から”MAR-M200+Hf”へと変更。結晶構造も一方向凝固(DS)に変更された。

また、JT9Dシリーズでは初となるブレード前縁にフィルム冷却孔を採用。これにより、ガス温度を最大1,377℃と初期型より約237℃(-3:1,140℃)も大幅に上昇させることに成功した。

DS材+前縁フィルム冷却は、当時革新的な技術改良としてB747の性能・燃費向上に大きく貢献した。

JT9D-7R4G2

JT9D-7R:P&Wの民間エンジンでは初となる単結晶が採用された。燃費性能・耐久性が大幅に向上した。

JT9Dシリーズ最終バージョンの-7Rシリーズは、研ぎ澄まされたエンジンと呼ばれるほど革新的な性能アップが施された。

燃費性能の要となる高圧タービン動翼には、民間機では初の”PWA1480”と呼ばれる第一世代単結晶が使われた。これによって、ガス温度の上昇・耐久性の向上などあらゆる点で変わり、外観はJT9Dでも中身は別といわれるほどの高性能エンジンとなった。

JT9D-59A/-7Q

JT9D-59A/-7Q:大型化されたタービンブレード。これまでの-7シリーズとは別路線を歩むことになった。

・JT9Dシリーズではあるが別路線を進んだ-59A/-7Q。

初期の-3や-7シリーズは、高圧タービン動翼に普通鋳造を使用していた。このエンジンの場合、夏場の高温や高地では必要な最大離陸推力が得られない場合もあった。その対策として水噴射によって約3.5%の推力増強を行って運用する場合もあった。

しかし、エアラインの要望としては水噴射というシステムなしでも、必要な定格推力が得られるエンジンが求められた。そのニーズ答えるために開発されたのが、JT9D-59A(1976年)、-7Q(1979年)だった。

このエンジンは、JT9D-3/-7型のファンブレードを1インチ大型化、高圧タービン動翼・静翼に改良が加えられた。材質に関しては、先述の第四世代NGV1と同じMAR-M509DS材ブレードMAR-M200+Hfが採用されているが、空冷方法を改良したことで約10,000時間の耐久性となっている。

JT9D 耐熱合金一覧

型式の種類も多く、使用する耐熱合金も違うJT9Dエンジン。ここまで紹介した合金の数々を一覧でまとめた表がこちら。

 

型式タービン入口温度ノズルガイドベーン
NGV1
高圧タービンブレード
HPT1
JT9D-3/-3A1,140℃WI-52
(普通鋳造)
Udimet700
(普通鋳造 CC)
JT9D-71,250℃MAR-M509
(普通鋳造)
B1900+Hf
(普通鋳造 CC)
JT9D-7A1,265℃B1900+Hf
(普通鋳造 CC)
JT9D-7A改良MAR-M200+Hf
(一方向凝固 DS)
JT9D-7F1,375℃MAR-M200+Hf
(一方向凝固 DS)
JT9D-7J1,390℃MAR-M200+Hf
(一方向凝固 DS)
JT9D-7Q1,360℃MAR-M200+Hf
(一方向凝固 DS)
JT9D-7RシリーズPWA1480
(単結晶 SC)

※1970年代に開発されたJT9D-7Aは、2010年頃まで使用された。その間の技術革新は目まぐるしく行われており、紹介した素材よりも更に進化しているものと考えられる。

これからも進化を続ける耐熱合金

前回の【航空エンジン発達の歴史:JT9D】の続編として、今回はノズルガイドベーンを追加し耐熱合金の変遷を紹介しました。

JT9Dエンジンは、その技術を後継となったPW4000エンジンへと引き継いだ。その革新的な技術は、また次の機会にでも紹介したいと考えています。

 

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