Jet engine

Japanese: ジェットエンジン - じぇっとえんじん（英語表記）jet engine

An engine that produces thrust by ejecting pressurized and heated fluid from a nozzle as a jet. Rocket engines and ion engines are also included in the broad definition of jet engines, but jet engines generally refer to heat engines that draw in air and burn fuel to produce high-temperature gas. Therefore, jet engines can only be used within the atmosphere.

[Masatake Yoshida]

history

Modern jet engines, which compress air and burn fuel in it, were only made possible with the development of highly efficient compressors and turbines, and became practical with the development of gas turbines. Initially, research into practical application began in the 1930s in Britain and Germany with the aim of making fighter planes faster, and in 1937 British scientist Frank Whittle built a prototype jet engine using a centrifugal compressor, successfully flying it in 1941. In Germany, too, in 1939, a jet engine with a centrifugal compressor designed by Hans von Ohain (1911-1998) was successfully flown, leading to the jet age after World War II.

[Masatake Yoshida]

structure

It consists of an air intake, a compressor, a combustor, a turbine, a jet nozzle, an afterburner, and a fuel supply system. The air intake slows the air flow, increases the pressure, and guides it to the compressor. When flying at supersonic speeds, a cone-shaped protrusion is attached to the center of the air intake to divide the large shock wave into two or three stages to increase efficiency and pressure. There are two types of compressors: axial type, which has many pairs of rotating impellers and stationary blades arranged in the axial direction, and centrifugal type, which flows air in the radial direction. The intake air is compressed through many stages to the same level as a diesel engine. In the case of supersonic flight, the pressure increases if the supersonic flow is quickly made slower than the speed of sound, so there are also jet engines (called ramjet engines) that do not have compressors. Usually, eight or nine tubular combustors are used. Donut-shaped (annular) combustion chambers are also used. Fuel is injected upstream of the combustion chamber (primary combustion chamber) and burned. Secondary air is then introduced to lower the combustion gas temperature and guide it to the turbine. Turbines are used to drive compressors, and come in two types: axial and centrifugal, and have fewer stages than compressors. Ramjets do not have compressors, so they also do not have turbines. The jet nozzle is the part that controls the jet flow rate to optimize it for the flight speed, and variable area nozzles are often used. In a jet engine, the jet jet that leaves the nozzle should ideally be equal to the atmospheric pressure at that altitude, so the area is adjusted so that the jet pressure is at atmospheric pressure. Variable nozzles that can change the direction of the jet are also used to shorten takeoff distances and improve maneuverability. An afterburner is a device that adds fuel to the combustion gas after it has passed the turbine to heat it up again, and can increase thrust, and is used when a large amount of thrust is required for a short period of time. The fuel supply system consists of a pump and an injection nozzle, which is linked to other adjustment parts and controlled to maintain optimal engine operating conditions.

[Masatake Yoshida]

Classification

Jet engines are classified into six types based on their structure and function:

(1) Turbojet engine This is the most commonly used engine. It takes in air, compresses it in a compressor, injects fuel into the combustion chamber, burns it, and then ejects it from a nozzle as a jet after driving a turbine. Many also have an afterburner. It was the main type of jet engine, but as the demand for high-thrust engines with low fuel consumption for large airplanes has increased, it has come to be limited to medium and small sizes.

(2) Turbo-prop engine: An engine that uses a propeller to generate most of the thrust. It is considered a type of gas turbine rather than a jet engine. It is often used in large and medium-sized propeller aircraft because a high-power reciprocating engine would be too heavy.

(3) turbo-fan-jet engine A turbojet engine with a ducted fan with one or more pairs of impellers and airflow straighteners attached mainly before the compressor, which feeds a portion of the intake air into the turbojet and either mixes with the remaining air at the turbojet outlet or ejects it directly from the turbojet nozzle. The fan-driven design lowers the gas temperature that passes through the turbine, so that it is closer to the atmospheric temperature at the jet nozzle outlet, increasing efficiency, and the fan provides greater thrust, increasing overall thermal efficiency. Due to its characteristics of high thrust and low fuel consumption, it is the main type of jet engine. It is also called a turbofan engine or bypass jet.

(4) Ramjet engine: When flight speeds increase, simply slowing the flow rate by changing the shape of the airflow path from the air intake increases the pressure and temperature sufficiently to burn the fuel without the need for a compressor. Ramjets work on this principle. They do not require a compressor or turbine and are suitable for supersonic aircraft. However, they do not function as an engine at low speeds, so they need to be accelerated by another engine. For this reason, some ramjet engines have a turbojet built in. As they are only useful at high speeds, they are not used very often.

(5) Pulse-jet engine It has an automatic valve at the front end, and draws in air when the pressure inside the engine drops. When combustion occurs, a jet is ejected from the nozzle, lowering the pressure inside the engine. Air is drawn in from the outside through the automatic valve, slowing the flow rate and increasing the pressure and temperature. When fuel is injected, the pressure rises further, closing the automatic valve and causing the jet to eject from the nozzle. Therefore, although it is an intermittent combustion engine, its structure is simple, and it has been used in weapons and models. However, because its thrust is small, it is not in general use.

(6) Lift engine A jet engine for VTOL (vertical take-off and landing) and STOL (short take-off and landing) aircraft to temporarily generate vertical thrust during take-off. It is a turbojet whose only characteristic is that it has a high thrust-to-weight ratio. Note that the nozzle of the main engine may also be pointed downward to generate vertical thrust.

[Masatake Yoshida]

fuel

The fuel used in jet engines does not have to be octane or cetane, but rather requires low evaporation loss and high heat generation. Currently, JP-4, a mixture of kerosene and gasoline, is the standard.

[Masatake Yoshida]

Performance

Jet engines are regularly disassembled for maintenance, so ease of maintenance is a prerequisite, and reliability is ensured by this regular maintenance. Other requirements include high thrust per weight, high thrust per frontal area, low fuel consumption, and easy thrust control. In particular, fighter aircraft use afterburners to increase the specific impulse. Another factor that determines performance is the air intake, which plays an important role in adjusting the air flow rate and pressure to make it easier to inhale air. Recent large jet engines are large-diameter turbofan jets with high thrust, low fuel consumption, and a bypass ratio of about three times that of the air that passes through the fan alone compared to the air that enters the combustor, and when they are installed outside the fuselage of an airplane, the importance of a small frontal area is decreasing. Meanwhile, small, low-thrust jet engines have been steadily developed and are now being used in small one-seater aircraft.

[Masatake Yoshida]

The future of jet engines

Structurally, turbofan jets are expected to be used widely, even in small aircraft. In addition, as with gas turbines, the higher the combustion gas temperature at the turbine inlet, the better the thermal efficiency of a jet engine, so materials with high heat resistance other than metals will be used, and lightweight materials other than metals will likely be put to practical use in the compressor as well. It is expected that hydrogen will be used as fuel in addition to petroleum fuels such as JP-4, and methods for storing and transporting hydrogen fuel are being researched.

[Masatake Yoshida]

"The History of the Internal Combustion Engine" by Kiyoshi Tomitsuka, New Revised Edition (1984, Sanei Shobo)" ▽ "John Robert Day Engines; The Search for Power (1980, The Hamlyn Publishing Group Ltd.)"

[Reference] | Engine

Jet engine structure (axial compressor turbojet)
©Shogakukan Library ">

Jet engine structure (axial compressor type turbocharger)

Main types of jet engines
©Takashi Aoki

Main types of jet engines

Optimum Region for Aircraft Jet Engines
©Shogakukan ">

Optimum Region for Aircraft Jet Engines

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

機関内部で加圧・加熱された流体をジェット（噴流）としてノズルから噴出させ、その反動で推進力を得る機関。ロケットエンジン、イオンエンジンも広義のジェットエンジンに含まれるが、普通は空気を吸い込み燃料を燃焼させて高温ガスをつくる熱機関をいう。したがってジェットエンジンは大気圏内でしか使用できない。

［吉田正武］

歴史

現在のような空気を圧縮してその中で燃料を燃焼させるジェットエンジンは効率の高い圧縮機とタービンができてから実現し、ガスタービンの発達とともに実用になった。初めは戦闘機をより高速にする目的で1930年代からイギリス、ドイツなどで実用化の研究が始まり、イギリスのフランク・ホイットルは1937年に遠心型の圧縮機を用いたジェットエンジンを試作し、1941年には飛行に成功した。ドイツでも1939年には、ハンス・フォン・オハインHans von Ohain（1911―1998）が設計した遠心型圧縮機をもつジェットエンジンによる飛行に成功し、第二次世界大戦後のジェット機時代につながった。

［吉田正武］

構造

空気取入口、圧縮機、燃焼器、タービン、ジェットノズル、アフターバーナー、燃料供給装置で構成される。空気取入口は空気の流速を遅くし、圧力を高めて圧縮機に導くところである。超音速で飛行する場合は、空気取入口の中央にコーン状の突起をつけるなどして、大きな衝撃波を2、3段に分けて効率、圧力を高めるくふうがなされている。圧縮機は軸方向に回転羽根車と静止羽根の組を多数並べた軸流型と、半径方向に空気を流す遠心型があり、吸入した空気をディーゼルエンジンと同程度まで圧縮するために多くの段階を経て圧縮する。超音速飛行の場合には、超音速流を急速に音速以下の流れにすれば圧力が上昇するので、圧縮機をもたないジェットエンジン（ラムジェットエンジンという）もある。燃焼器は普通は管形のものを8、9個程度用いる。ドーナツ状（環状）の燃焼室も使用される。燃料は燃焼室の上流（一次燃焼室）に噴射され燃焼する。その後、二次空気を入れ燃焼ガス温度を低くしてタービンに導く。タービンは圧縮機を駆動するためのもので、軸流型、遠心型の2種があり、圧縮機よりも段数は少ない。ラムジェットは圧縮機がないのでタービンもない。ジェットノズルは、ジェットの流速を飛行速度に最適なように制御する部分で、可変面積のノズルが多く使われる。ジェットエンジンではノズルを出たジェット噴流がその高度の大気圧に等しいのが理想的で、ジェットが大気圧になるように面積を調節する。また、離陸距離の短縮や機動性向上のために噴出方向を変えられる可変ノズルも使用されている。アフターバーナーは、タービン通過後の燃焼ガスに燃料を加えてふたたび高温にする装置で、推力を増加でき、大推力を短時間必要とするときに用いられる。燃料供給系はポンプと噴射ノズルからなるが、これは他の調節部分と連動し、最適なエンジン運転状態を保つように制御される。

［吉田正武］

分類

ジェットエンジンは、構造および機能上から次の6種類に分類される。

(1)ターボジェットエンジンturbo-jet engine　もっとも普通に使用されてきたエンジン。吸入した空気を圧縮機で圧縮し、燃焼室で燃料を噴射し燃焼させ、タービンを駆動したあと、ジェットとしてノズルから噴出する。アフターバーナーをもつものも多い。ジェットエンジンの主力であったが、大型飛行機用として燃料消費量の少ない大推力エンジンの要求が高まるとともに、中型、小型に限定されてきている。

(2)ターボプロップエンジンturbo-prop engine　ターボジェットにさらにプロペラ駆動用のタービンをつけ、推力の大部分をプロペラで発生するエンジン。ジェットエンジンというよりも、ガスタービンの一種と考えられる。大出力往復動機関では重くなるので、大型、中型のプロペラ機に多く使用されている。

(3)ターボファンジェットエンジンturbo-fan-jet engine　ターボジェットのおもに圧縮機の前に一組以上の羽根車と整流翼をもつダクテッドファンducted fanをつけ、吸入した空気の一部分をターボジェットに入れ、ターボジェット出口で残りの空気を混合するか、そのままターボジェットのノズルとは別に噴出するエンジン。ファン駆動のためタービンを通過したガス温度が低下し、ジェットノズル出口で大気温度に近くなって効率があがるほか、ファンにより大きな推力が得られるので全体の熱効率が高くなる。大推力、低燃料消費量の特性から、ジェットエンジンの主力となっている。これはターボファンエンジン、バイパスジェットともいわれる。

(4)ラムジェットエンジンram-jet engine　飛行速度が高速になると、空気取入口からの流路形状で流速を遅くするだけで圧力と温度が十分に上昇し、圧縮機がなくても燃料を燃焼させられる温度になる。ラムジェットはこの原理による。圧縮機もタービンも不要で超音速機に適したエンジンである。しかし低速ではエンジンとして働かないので、他のエンジンによって加速してもらう必要がある。このため内部にターボジェットをもつものがある。高速でのみ有用なエンジンなので、あまり使用されていない。

(5)パルスジェットエンジンpulse-jet engine　前端に自動弁をもち、エンジン内部の圧力が低くなると空気を吸入する。燃焼させるとジェットがノズルから噴出し、エンジン内の圧力が低くなる。外から空気が自動弁を通って吸入され、流速が遅くなって圧力、温度が上昇する。燃料を噴射するとさらに圧力が上昇して自動弁が閉じ、ジェットがノズルから噴出する。したがって間欠燃焼機関であるが構造が簡単で、兵器、模型に用いられた。しかし推力が小さいので、一般には用いられていない。

(6)リフトエンジンlift engine　VTOL(ブイトール)機（垂直離着陸機）、STOL(エストール)機（短滑走離着陸機）用で、離陸時、一時的に垂直方向の推進力を得るためのジェットエンジン。重量に対する推力の比を大きくすることだけが特徴のターボジェットである。なお、主エンジンのノズルの向きを下方にも向けて垂直方向の推力を生む場合もある。

［吉田正武］

燃料

ジェットエンジンに用いられる燃料はオクタン価、セタン価はあまり問題ではなく、蒸発損失の少ないこと、発熱量の大きいことなどが主たる要求事項である。現在は灯油にガソリンを混合したJP‐4が標準的に用いられている。

［吉田正武］

性能

ジェットエンジンは定期的に分解整備を行うので整備の容易なことが必要条件で、信頼性はこの定期整備でも確保される。このほかに、エンジンの重量当りの推力が大きいこと、前面面積当りの推力が大きいこと、燃料消費の少ないこと、推力制御の容易なことなどが要求され、とくに戦闘機などでは比推力を大きくするためにアフターバーナーを用いる。また、性能を左右するものに空気取入口があり、空気吸入の容易なように空気流速、圧力などを調整する重要な役割を担っている。最近の大型ジェットエンジンは、ファンだけを通す空気が燃焼器に入る空気の3倍程度のバイパス比をもつ大推力、低燃料消費量、大口径のターボファンジェットで、飛行機の胴体外に装着される場合には、前面面積の小ささの重要度は小さくなっている。一方、小型小推力のジェットエンジンも着実に開発され、1人乗りの小型機にも用いられるようになってきた。

［吉田正武］

ジェットエンジンの今後

構造的にはターボファンジェットが広い範囲で使用され、小型機にも使われるようになると思われる。またジェットエンジンはガスタービンと同様にタービン入口の燃焼ガス温度の高いほど熱効率がよくなるので、金属以外の耐熱性の高い材料が使用され、また圧縮機でも金属以外の軽量材料が実用化されるだろう。燃料としてJP‐4などの石油燃料以外に水素を燃料として使用することが予想されており、水素燃料の貯蔵、運搬方法が研究されている。

［吉田正武］

『富塚清著『内燃機関の歴史』新改訂版（1984・三栄書房）』▽『John Robert DayEngines ; The Search for Power(1980, The Hamlyn Publishing Group Ltd.)』

[参照項目] | エンジン

ジェットエンジンの構造（軸流圧縮機型タ…

ジェットエンジンのおもな種類

航空機用ジェットエンジンの最適領域

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例

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