【航空エンジン発達の歴史】B747のJT9Dエンジンでタービンブレードの形状を比較する

航空エンジンは常に進化している。エンジン型式は同じでも燃費や性能の決め手となる『タービンブレード』は何度も改良され性能向上している。

その進化の過程が顕著にわかるエンジン、それがB747(ジャンボジェット)シリーズの747-100~747-300のクラシックタイプに搭載されていたプラット・アンド・ホイットニー社の傑作エンジンJT9Dだろう。

この記事では1970年代初期から2000年頃まで使用されていたタービンブレードを紹介しています。

一見、金属の塊にしか見えないこの部品には、その時代の最先端技術・人類の英知が詰まっています。

 

JT9Dは世界初の高バイパスターボファンエンジン

B747が開発された当時1960年代後半は、まだB707やDC-8が主力機という時代でエンジンもJT3Dなど低バイパス比ターボファンが使われ始めた頃でした。

しかし、B747を飛行させるには当時最も高出力のJT3D(推力8トン)エンジンの約2.5倍の推力(約20トン)が必要。

B747開発成功の鍵を握るのが高出力ターボファンエンジンの成否

プラット・アンド・ホイットニー社は、世界初の高バイパス比ターボファンエンジン JT9を、ボーイングB747(ジャンボジェット)のために開発しました。

こんな機種にも搭載されているJT9Dエンジン

JT9Dは後に派生型としてDC-10・A300・A310・B767用も開発されています。

エンジン型式とタービンブレードの関係

B747用 P&W JT9D タービンブレードの変革

(画像左から①~⑥)

エンジン
型式
推力
(トン)
タービン
入口温度
材質結晶構造画像
JT9D-720.6t1250℃B1900+Hf
(PWA1455)
精密鋳造
(CC)
JT9D-7A20.9t1265℃B1900+Hf
(PWA1455)
精密鋳造
(CC)
JT9D-7J22.1t1350℃MAR-M200+Hf
(PWA1422)
一方向凝固
(DS)
JT9D-7R4G25.4t1400℃PWA1480単結晶
(SC)
JT9D-7Q/-59A23.5t1300℃MAR-M200+Hf
(PWA1422)
一方向凝固
(DS)
JT9D-7Q
24.0t1350℃MAR-M200+Hf
(PWA1422)
一方向凝固
(DS)

※各種データや材質等は後述する複数の参考資料から調べたもので、数値は平均値にしています。ブレードとエンジン型式は個人的な趣味で調べたものです。複数の資料で確認していますが間違っている場合もあります。

画像のとおりブレード形状はほぼ同じながら、金属の結晶構造は精密鋳造多結晶(CC)~一方向凝固(DS)~単結晶(SC)と一つのエンジンシリーズが1970年から1982年までのわずか12年の間に3タイプを渡り歩いている。

軍用機とは違い特に保守的な民間機エンジン。一般的なエンジンは微小なマイナーチェンジや改良はするものの、性能や安全性に関わる最重要部品まで材料や製造方法を変更していることは珍しい。初期のB747が技術的困難に立ち向かって格闘している様子がブレードの歴史からもわかる。

金属工学に詳しい方ならこの珍しい歴史の凄さに驚くはず。

クローズアップで見るタービンブレードの形状

①:JT9D-7のタービンブレード

  • エンジン型式:P&W JT9D-7
  • 開発年:1971年
  • 材質:ニッケル基耐熱超合金 B1900+Hf(PWA1455)
  • 結晶構造:精密鋳造多結晶(CC材)
  • 冷却方式:コンベクション+インピンジメント
  • 搭載機種:ボーイング B747-100
  • 備考:金属の塊のように見えるが内部は中空構造になっており、その中を燃焼前の圧縮空気を流して空冷している。

②:JT9D-7Aのタービンブレード

  • エンジン型式:P&W JT9D-7A
  • 開発年:1972年
  • 材質:ニッケル基耐熱超合金 B1900+Hf(PWA1455)
  • 結晶構造:精密鋳造多結晶(CC材)
  • 冷却方式:コンベクション+インピンジメント
  • 搭載機種:ボーイング B747-100B・B747-200B
  • 備考:初期のJT9D-3はUdimet700という材質でわずか500~1000時間で破断したという話があるが、このPWA1455使用のブレードからは寿命が5000時間以上になったといわれている。

③:JT9D-7J/-7Aのタービンブレード

  • エンジン型式:P&W JT9D-7J/-7A
  • 開発年:1976年
  • 材質:ニッケル基耐熱超合金 MAR-M200-Hf(PWA1422)
  • 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:ボーイング B747-100・B747-200B・B747-300SR
  • 備考:今では当たり前となっている前縁の小さな孔(フィルム冷却)が採用され、材質・結晶構造ともに変更したことで耐熱温度が上昇、寿命も10000時間以上になったといわれている。-7Aは常に進化し続けていたエンジン。2009年に引退したJAL B747-300SRもこの-7Aだった。

④:JT9D-7R4Gのタービンブレード

  • エンジン型式:P&W JT9D-7R4G
  • 開発年:1982年
  • 材質:ニッケル基耐熱超合金 PWA1480
  • 結晶構造:単結晶(SC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:ボーイング B747-300
  • 備考:JT9Dエンジンの最終進化型タイプ、民間機初の単結晶タービンブレード。ダメージが酷いが裏を返せばここまで酷使しても大丈夫という頑丈な材質。B767-300のJT9D-7R4Dにも使用されていた。

⑤:JT9D-7Qのタービンブレード

  • エンジン型式:P&W JT9D-7Q
  • 開発年:1979年
  • 材質:ニッケル基耐熱超合金 MAR-M200+Hf(PWA1422)
  • 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
  • 搭載機種:ボーイング B747-200B
  • 備考:ハイパフォーマンス型JT9Dエンジンとして開発された-7Qは、タービンブレードも大型化され形状が大きく変化した。DC-10用のJT9D-59Aもこの形状と思われるが現在確認中。

⑥:JT9D-7Qの改良型タービン

  • エンジン型式:P&W JT9D-7Q
  • 開発年:1990年以降(確認中)
  • 材質:ニッケル基耐熱超合金 MAR-M200+Hf(PWA1422)
  • 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:ボーイング B747-200B
  • 備考:この空気力学的なデザインと形状が後のPW4000シリーズの基になっている。現在でも一般的な部類に入るブレード形状。
別路線を歩んだJT9D-7Q
画像を見るとJT9D-7Q/-59Aタイプのみブレード形状があきらかに違う。なぜか?時代は1970年代までさかのぼる。当時B747-100/-200Bに搭載されていたJT9D-7Aでは水噴射による推力増大を使用しても航続距離は8000km程度。大都市間の高需要路線をノンストップで移動するには10000kmを超える航続性能が必要。多くのエアラインの要望に答えるため1979年にJT9D-7Qが誕生。水噴射なしで推力を増強・燃費性能向上のため、既存のファンブレードを2.5cm大きく・圧縮機を一段追加し高圧縮化・タービンブレードの材質と形状を変更した。その結果、エンジン型式は同じでも内部コア部分は-7Aタイプと別の路線を歩むこととなった。

まとめ:画期的なJT9エンジンはB777用PW4000へと進化!DNAはこれからも引き継がれていく。

厳密にいえばJT3D ターボファンエンジンなど基礎的な開発があったからこそではあるが、B747用のJT9Dエンジンは革命的に進化を遂げたエンジンに間違いない。

1982年に開発されたB747-300用のJT9D-7R4Gエンジンでは、タービン翼にニッケル基耐熱超合金による単結晶ブレード(SC)が世界初の民間機エンジン用として使用開始された。

鋳物技術における金属の単結晶(SC)製法がどれほど凄いかという有名な例え話がある。

この技術を使えば…

・海峡横断橋も不可能ではない。

・翼幅が1000mの航空機さえも必要なら作ることができる。

これほど高強度かつ耐熱性の高い(長時間使用可能)な超合金は、これまでの精密鋳造(CC)や一方向凝固(DS)では達成できなかった。

鋳物技術はこの単結晶でピークに達したとさえいわれている。

これ以降、現代のB777(PW4000エンジン)でも高圧タービン翼には単結晶技術が用いられている。

金属材料・ブレード形状・コーティング技術は日々進化しているが、JT9DのDNAは今後のエンジンにも引き継がれていくものと思われる。

 

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【航空エンジン発達の歴史Ⅱ】GEタービンブレード DC-10~B747~B777(1974~2004)

参考にした資料とサイト

体系的にまとめるには1970年代までさかのぼる必要があったB747の原動力JT9 ターボファンエンジン。

資料となるスクラップ タービン翼を揃えるだけでも20数年という月日の流れが必要でした。

あまりに長い期間を要し参考にした資料が膨大だったので、ここでは特に活用した専門書・資料・サイトをまとめています。

サイト

NTRS:NASA Technical Reports Server

公益社団法人 日本ガスタービン学会:学会誌1980年6月号

専門書

【飛行機の本 #60】ジェット&ガスタービンエンジン その技術と変遷 【飛行機の本 #36】航空工学講座4 航空機材料:日本航空技術協会 【飛行機の本 #43】JAL B747 メモリアル・フォトブック 【おすすめ飛行機の本 #1】ジャンボジェットはどう飛ぶか:佐貫亦男著 【おすすめ飛行機の本 #13】ジェットエンジンの仕組み:吉中 司著 【飛行機の本 #47】The SUPERALLOYS:タービン翼 単結晶ブレードの本

 

タービンブレード画像について
紹介しているタービンブレードは全て使用済みスクラップ処理が施されたコレクション品を、エアライン公式ショップ・国内外の航空ジャンク市・海外の航空コレクター専門店から正規に購入したものです。

※間違いや不備などがありましたら教えてください。随時、内容の修正・追加を行っています。また画像提供も大歓迎ですツイッターのDMからお願いします。

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2 Comments

通りすがりの元エンジニア

資料的価値のある画像ですね。因みに⑤のHPTタービンは-59Aでも使ってましたよ。

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散歩中の人

先ほどのOB整備士です。私は昔エンジンに携わっていました。当時は日々の仕事に追われ、このような金属構造にもあまり興味はなかったというのが本音。毎日、ただ廃棄物として扱っていたブレードにここまで愛情を持って接していた人がいたとは驚きました。そんな自分を振り返ると恥ずかしいやら悲しいやら複雑です。今となっては存在しないブレードの数々大切にされてください。

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