ターボプロップエンジンのしくみ

ターボプロップエンジンは、ジェット機の信頼性と、低・中高度でのプロペラ機の効率性を兼ね備えています。50席以上の旅客機からシングルパイロットのクロップダスター(クロップダスターとは 大規模な農地の除塵や散布に使用される航空機のこと）まで採用されているターボプロップエンジンは、安全で効率的なローカルな旅行に最適なエンジンです。その仕組みはというと…

ターボプロップエンジンの中でも、最も人気のあるエンジンのひとつがPratt & Whitney社のPT6です。1960年代の就航以来、41,000機以上のPT6Aエンジンが生産され、3億3,500万時間の飛行時間を記録しています。PT6の69機種の出力は、500 SHPから2,000 SHP以上までと幅広いです。すべてのターボプロップエンジンがPT6と全く同じ働きをするわけではありませんが、基本的なコンセプトは同じです。PT6は広く普及しているため、注目すべき素晴らしい例です。

逆流
ターボファンやターボジェットとは異なり、PT6のようなターボプロップ機では、空気が逆流することで移動します。

プロペラの下や横にある大きなエアインテークで空気をすくい上げ、エンジンの防火壁に向かって後方へ移動します。吸気口の後方限界に達した空気は、180度回転して機体前方へ戻ります。

さらに、燃焼器に到達したところで再び方向を反転させることで、より短く、よりコンパクトなエンジンを実現しています。

圧縮
最初のコンプレッサーのステージは「軸流」であり、翼の形をした回転するブレードを何枚も使って空気を高速化し、圧縮します。空気がエンジンの軸と平行な方向に通過するため、軸流と呼ばれています。空気がコンプレッサーの中を通るとき、それぞれのブレードはわずかに小さくなり、より多くのエネルギーを加えて空気を圧縮します。

軸流圧縮機の最終段を通過した空気は、遠心流圧縮機の段に移動します。空気は、エンジンコアから離れ、燃焼室に向かって外側に投げ出されます。空気は再び90度回転します。

燃焼
火災が発生するのは燃焼器です。圧縮機から出た空気は燃焼器に入り、燃料と混合され、点火されます。簡単なようで、実はとても複雑なプロセスなのです。なぜなら、燃焼器では燃料と空気の混合物を安定的に燃焼させる必要がある一方、空気は非常に速い速度で燃焼器内を移動しているからです。

ディフューザーは、コンプレッサーからの空気を減速させ、着火しやすくするものです。ドームとスワラーは、空気に乱れを与え、燃料と混ざりやすくします。そして、燃料噴射ノズルは、ご想像のとおり、空気中に燃料を噴射し、燃料と空気の混合物をつくって着火させます。そこから先は、実際に燃焼が行われるライナーです。ライナーには複数の吸気口があり、燃焼領域内の複数のポイントから空気が入るようになっています。

イグナイター（点火器）は燃焼段階の最後の部品で、自動車やピストンエンジンの飛行機のスパークプラグに非常によく似ています。イグナイターで火をつけると自立するので、イグナイターの電源は切られます（ただし、悪天候時や着氷時にはバックアップとして使われることが多い）。

タービン
燃焼器を通過した空気は、コンプレッサータービンを通過します。タービンは、コンプレッサーのブレードと同じような翼型のブレードが連なっています。高温で高速の空気がタービンブレードの上を流れるとき、空気からエネルギーを取り出し、コンプレッサータービンを円形に回転させ、それに接続されたエンジンシャフトを回します。このシャフトには、コンプレッサー部やエンジン駆動のアクセサリー類がすべて接続されています。燃焼室の炎が点灯している限り、電力のサイクルは自立しているのです。PT6では、エンジン総出力の約70％をコンプレッサー部とエンジン駆動用アクセサリーの回転に充てています。

タービンエンジンの仕組みに関する記事を読み直しただけだとお思いですか？ここからが本題なのですが…。

コンプレッサータービンは、エンジンシャフトの後方部分（コンプレッサー部分とエンジン駆動のアクセサリー）を37,000rpm以上で回転させていますが、プロペラを回転させているのではありません。コンプレッサータービンのすぐ前方には、まったく別の第二エンジンシャフトがあります。

コンプレッサータービンを通過した気流は、次にエンジンのパワータービンにぶつかります。このパワータービンはコンプレッサタービンと同じように、翼型ブレードで回転します。この前方のエンジンシャフトはプロペラに直結しており、プロペラを回転させるための動力を供給しています。PT6では、エンジン総出力の約30％がプロペラの回転に費やされています。

PT6はフリータービンエンジンなので、理論的にはプロペラを手に持ってエンジンを始動させることができます。プロペラを回転させているのは、パワータービンの車輪の上を通過する空気だけなのです。このタービンはコンプレッサ部分とは別のエンジンシャフトに接続されているので、極端に低い出力設定では、タービンを通過する気流の中でプロペラを静止させることも考えられるのですが…。でも、くれぐれもご家庭で試されないように(笑)。

リダクションギアボックス
ターボプロップの前面にあるプロペラは、パワータービンの約33,000rpmで回転できるわけではありません。ほとんどのPT6エンジンで制限されている1,900rpmのレッドラインまで回転数を下げるために、一連のリダクションギアが取り付けられています。

次は？そうです、推力です。プロペラシャフトが適度な速度で回転するようになったので、プロペラは推力を発生させることができるようになりました。この記事では、その推力がどのように生み出されるのかをご紹介します。

排気
パワータービンを通過した排気は、実用的な使い道はありません。エンジンから離れた場所にある排気管から排出されるだけです。航空機によっては、排気ガスが直接発生させる推力を示す数値がPOHに記載されているものもあります。通常、排気ガスは全推力の数パーセントにすぎません。プロペラの勝利です。

ターボプロップの利点
ターボプロップは、ターボファンやターボジェットを搭載した飛行機に比べて、一般的にサービスシーリングが低い一方で、乗客一人当たりの燃料消費量は大幅に少なくなります。推進効率曲線により、400ノット以下の低速域で最も効率が良いことになります。高価ではあるますが、信頼性も高いのです。

このため、ターボプロップは比較的短距離のローカルフライトに最適なエンジンタイプです。そのため、Dash-8-Q400、Cessna Caravan、Pilatus PC-12、Beechcraft King Airなどの航空機に搭載されています。