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【747-400】RR RB211-524Gのジェットエンジン部品|タービンブレード

・ロッキード L-1011(トライスター)用として開発された、RR製の「RB211」大型ターボファンエンジン。後に、推力を増強した-524B型が747クラシックに搭載。

その後、1989年にはシリーズ最終型のRB211-524G/Hが開発され、B747-400/B767用のエンジンとなった。初期のRB211から格段に高効率化され、低燃費を達成した-524G/Hエンジン。そのカギとなった高圧タービンブレード(HPT)を紹介します。

このRB211は、Trentシリーズへと発展し(A380・A350・B787)といった最新鋭機にも搭載されている。

 

RR RB211-524G 高圧タービンブレード

BOEING 747-400

Rolls Royce RB211-524G

High Pressure Turbine Blade (HPT)

  • エンジン型式:Rolls Royce RB211-524G/H
  • 開発年:1989年
  • 材質:ニッケル基耐熱超合金 MAR-M-002
  • 結晶構造:一方向性凝固(DS材)
  • 冷却方式:コンベクション+インピンジメント+フィルム
  • 搭載機種:B747-400(-524G)B767(-524H)
  • 備考:アメリカ製のエンジンでは、ブレードの先端にシュラウドがないフラットなHPTブレードを持つエンジンが多いが、RR製のエンジンではブレードの先端にシュラウドを設けることで、燃焼ガスの漏洩を最小限に抑え効率を高める方式が採用されている。しかし、先端に重いシュラウドがあることは重量面で不利となる。特に、離陸時には1枚のタービンブレードの根元には約18トンという大きな遠心力が作用する。効率は良いが、全体的に頑丈に作る必要があるという不利な面もある。しかし、この方式は初期のRB211から現在のTrentシリーズまで継続的に採用されていることから、重いというデメリット以上に燃費効率の面で大変優れた性能を発揮していると考えられる。RB211-524G HPTのもう一つの技術的特徴は、毎分 10,000回転以上で回っている状態の高圧タービンブレード内部に、HP側(高温)LP側(低温)の異なった二種の冷却用圧縮空気を同時に導入している。

RR RB211-524G HPTブレードの詳細

・初期のRB211-22から改良を重ね、燃費や性能が格段に進化した最終型の-524G/Hエンジン。その決めての一つとなった高圧タービンブレードは、離陸出力時には 1,450℃という高温高圧の燃焼ガスを受け、毎分10,000回転を超える速さで運転している。

長さ11㎝・重さ230グラムの小さなブレード。

最大出力時、この1枚が約600馬力以上の力を発生させている。

・実際のブレードでは高温高圧の燃焼ガスからメタルを保護する目的で、ブレード表面にPt-Al(プラチナ・アルミナイド)や白色のセラミックコーティング(TBC)が施されている。

※このブレードは展示鑑賞用オブジェのため、一部コーティング類は剥がされスクラップ処理が施されています。

 

・初期の-524Gは後縁側が直線的なタイプとなっている。改良された-524G-Tでは、Trent700と共通コアとなりタービンブレードはより3次元的な立体形状となっている。

 

・先端シュラウドは燃焼ガスの漏洩を抑える形状となっている。効率的には優れているが、高温となるシュラウドも十分冷却する必要があることから、ブレード底面から取り込んだ空冷用圧縮空気を内部の冷却通路を通し先端まで正確な量を送る必要がある。

 

2種の冷却空気を同時に導入し空冷するHPTブレード

・RB211-524G 高圧タービン(HPT)の技術的特徴の一つに、HPT内部を空冷するための冷却用圧縮空気を HP側(高温)LP側(低温)の二つを同時にブレード内に導入している。

※静止している部品に対して二種類の圧縮空気を導入するだけなら比較的簡単だが、ブレードは10,000 rpm以上という高速で回転している。耐熱温度を超える燃焼ガスからブレードを守るには、回転している内部へ確実に正確な量の冷却空気を導入する必要がある。

 

HP側(高温)冷却空気:HP feed

離陸出力時、燃焼ガスは(約1,450)という高温高圧の状態で高圧タービンブレードに突入する。特に高温となるブレード前縁腹側(凹側)には、燃焼前の高圧空気(HP feed)をブレード底面から導入し冷却している。

ブレード内部を循環冷却した圧縮空気は、前縁に配置された微小な冷却孔からシャワー状に噴き出し、翼表面を空気の膜で覆うフィルム冷却の役目も兼ねている。

ブレード前縁からシャワー状に空気を噴き出すには、燃焼ガスよりも圧力が高くなければ正常なフィルム冷却はできない。その圧力差はわずか200kPa程度といわれている。

 

冷却空気は内部循環しながら前縁にある無数の冷却孔から噴出し翼表面を冷却する

LP側(低温)冷却空気:LP feed

・先述の燃焼前の高圧空気 HP側(高温)の抽気を使った冷却方法は、どのエンジンメーカーでもほとんど似たような仕組みで行っているが、RB211やTrentシリーズではもう一つ興味深いブレード冷却が行われている。

根元ステージ側面にある導入孔から、低温のLP側 圧縮空気を導入してブレードの後縁側を空冷する仕組みを持っている。

このような高速回転しているHPTブレードに、温度と圧力の異なった二種の空冷用圧縮空気を同時に導入する冷却方法は珍しく、RRエンジン以外ではあまり例がない。

 

温度と圧力の違う冷却用圧縮空気を同時に導入する複雑な冷却回路

参照
・The development of jet and turbine aero engines
・SUPER ALLOYS
・The Jet Engine

RR RB211-524G/H-Tシリーズについて

・ロッキード・トライスター(L-1011)用として開発されたRB211-22Bエンジン。その後、B747クラシック用として推力を増強したRB211-524Bへと進化した。

その最終シリーズとして、B747-400・B767用に開発されたRB211-524G(747-400)・-524H(B767)では、ワイドコードファンブレードの採用・圧縮機の改良・新しい材質のタービンブレード・FADECによるデジタル燃料制御など多くの新技術を取り入れたエンジンとなった。

それ以降は、次世代のエンジンとしてRB211の技術を受け継いだTrentシリーズへとバトンが渡された。1995年にはエアバスA330用のTrent 700、1996年 B777用 Trent 800が開発された。両者は共通のコアを使用、ファン径を変えることで幅広い推力に対応できる高性能・低燃費エンジンとなった。

このTrent 700/800の内部コア(高圧系)を、-524G/Hシリーズに転用できるのではないかという考えで改良されたのが、-524G-T(B747-400)、-524H-T(B767)エンジン。1998年から運用が開始された。

燃費や整備コストの決め手となる高圧タービンブレードを、これまでの一方向性凝固(DS材)からTrent 700/800シリーズと同じ単結晶(SC材)へ変更。他にも高圧圧縮機が改良されたことで効率が改善。-524G/Hは-Tシリーズになったことで劇的に高性能なエンジンへと生まれ変わった。

 

タービンブレードの材質や形状

ニッケル基耐熱合金 単結晶材
エンジン型式高圧側 タービンブレード中圧側 タービンブレード
RB211-524G/HMar-M-002不明
RB211-524G/H-TCMSX-4CMSX-4
Trent 700CMSX-4CMSX-4
Trent 800CMSX-4CMSX-10

※資料:SC and DS Blades and Vanesより

⇒Trent 700の高圧タービンブレード紹介

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