2021年3月31日水曜日

ジェットエンジンを作る！　其之弐

投稿日 3月 31, 2021

熱サイクルを知ろう‼

熱サイクルとは。。。。WikiPediaで調べてみるとこんな感じで書かれています。

熱機関の作業物質が行うサイクル（一巡して元に戻る状態変化）を単純化･理想化したサイクルのことであり、一部を除いて可逆サイクルである。実際の熱機関のサイクルは多少なりとも不可逆変化を伴っており、ここで扱う理論サイクルとは異なっているが、 理論サイクルは熱機関の原理的理解や基本設計には必要なものである。（Wikipedia「熱機関の理論サイクル」より）

少々難しいかもしれませんが、ざっくり言えば、熱サイクルとは「エンジンが安定して稼働し続けるために必要なエネルギーの循環」を表したものです。

ちなみに、ここで言う「作業物質」とは、エンジン内部で熱や動力をやり取りする物質のことで、ジェットエンジンであれば内部で圧縮・加熱・膨張する空気(＋ちょっとの燃料)を指します。

ジェットエンジンは、下の図のようなブレイトンサイクルと呼ばれるサイクルで表されていて、基本的な計算式はちゃんと大昔に考えられています。

ブレイトンサイクルのP-V線図

（出典：Wikipedia）

この図は、横軸Vが作業物質の体積、縦軸Pが圧力を表していて、１→２→３→４→１・・・の順番で作業物質が変化することを表しています。それぞれの変化は、以下のようにジェットエンジンの各機器に対応しているわけです。

1 → 2 : 圧縮機 (断熱圧縮)
2 → 3 : 燃焼器 (等圧加熱)
3 → 4 : タービン (断熱膨張)
4 → 1 : 大気中への排気と給気 (等圧冷却)

効率を計算してみよう！

早速、ブレイトンサイクルの効率（加えた熱に対して得られる動力の割合）の計算をやっていきましょう！

下の図のような、ジェットエンジンより、より汎用的なガスタービンの構造を用いて考えると…

(煙突=排気ノズル、起動機＝スタータ、発電機＝負荷、熱交換機はなし)

効率の計算式はこんな感じに。

出典：ガスタービン―理論と設計 (1973年) (著)浜島操

この式を使えばざっくりと、あっという間に概算出来ちゃいます。

早速、効率を計算するエクセルを作ったので気になる人はお問い合わせを～♪

(見れない等、不具合がありましたら連絡頂けると幸いです。)

このエクセルを使って、効率がどんな感じかグラフで見ていくことにしましょう！

まずは効率と燃焼温度の関係・・・

フムフム、これによると圧力比一定(圧力比2)で燃焼温度がある温度を超えると効率はあまり変わらなくなるのが分かるね。。。

圧力比2におけるタービン入口温度と全体効率の関係。

全体効率の単位は%。

じゃあ、今度は効率と圧力の関係をみてみると。。。。
(タービン入口温度一定　700℃)

タービン入口温度700℃における、圧力比と全体効率の関係。

全体効率の単位は%。

ほほう、圧力が高くなれば効率も高くなる。。。だけど、結局ある圧力比になると効率が下がってきちゃうんだね。。。(´・ω・`)これが自然界の定めか。。。

では、効率をあげるにはどうしたらよいのだろう？

燃焼温度＝タービンにあたるガスの温度≒タービンの温度と考えると、、、、あまり温度を上げ過ぎるとタービンが割れたり融けたり、破損は不可避、つまり、燃焼温度はタービンに使用する材料の耐熱温度によって決まっちゃうんだね♪

そうなると効率を決める残りのパラメータは。。。。そう圧力‼　コレをいじってどうやって効率を高く出来るか‼

さぁ～て、具体的な話になってきましたね～ですが、今回の話はここまで！

次回はより詳細を迫る詳細設計についてお話しをしますね～♪

それではまた‼

以上

Mr. ヘルニア

超参考文献↓

★告知★

現在、僕らのガレージでは同時並行的に3台のエンジンを設計中。。。その内のどれか一つでも日の目に当たればいいな～と思うところですね♪(最近、ちょろちょろツイッターやfacebookで顔をひょっこり出してますね...)

一緒にガスタービンの設計にチャレンジしたい！　作ってみたい！と言う方はいつでもwelcomeなのでいつでも僕ガレにお問い合わせを～