最近の民間エンジンの特徴と技術動向

　ジェットエンジンは非常に高度な技術の集積された工業製品である。そして民間航空機用のジェットエンジンはより経済性を重視する観点から軍用エンジンとは異なる技術が重点的に採用されている。本稿では最新の民間航空機用エンジンである ＰＷ１１００Ｇ-ＪＭ を中心に、そこに採用されている技術、特に複合材料についてその特徴や動向を紹介する。

　民間航空機用エンジンには、高性能化技術（高効率、高出力）、軽量化や低コスト化技術、高信頼性、環境技術（低騒音、低ＮＯｘ）といった技術が要求されるが（図１）、中でも最も重要なのは運行のコストに大きな影響を与える燃費消費率を低くする技術である。
　その民間航空機用エンジンの燃料消費率は、図２のように過去６０年間で約半減と大きく改善されて来ている。この改善は、ファン径の大型化とファンバイパス比の向上による推進効率の向上と、圧縮機の高圧化、タービンの高温化による熱効率の向上の寄与が大きいが、それぞれが技術的に成熟しつつある結果、世代間の改善度合いは次第に小さくなって来ている。
　こうした中で、ギヤードターボファン形態と軽量複合材の採用によってファンバイパス比をより大きくし、従来の限界を超えて（図３）燃料消費率を改善することに成功したのが ＰＷ１１００Ｇ-ＪＭ エンジンである。

　ＰＷ１１００Ｇ-ＪＭ エンジンは、エアバス社が開発した中小型民間輸送機の Ａ３２０ｎｅｏ ファミリー機（図４）に搭載されている最新のエンジンである。この Ａ３２０ｎｅｏ ファミリー機は、既存の Ａ３２０ ファミリー機のエンジン（ Ｖ２５００ および ＣＦＭ５６ ）に換えて最新型のエンジンを搭載することによって、経済性、環境適合性を大幅に向上させることを狙って開発された機体である。既存の Ａ３２０ と Ａ３２０ｎｅｏ の違いは表１のようになっている。
　Pratt & Whitney （ アメリカ ： Ｐ&Ｗ 社 ）の ＰＷ１１００Ｇ-ＪＭ と ＣＦＭ International 社（ フランス Snecma 社とアメリカ ＧＥ 社の合弁会社 ）の ＬＥＡＰ-１Ａ は、２０１０年１２月にエアバス社より Ａ３２０ｎｅｏ ファミリー機のエンジンに選定されたが、これらの新エンジンの実現には、安全性の確保を前提として厳しい要求に応える最新技術の適用が必要であり、Ｐ&Ｗ 社は、Ｖ２５００ 後継エンジンの位置付けも踏まえ、Ｖ２５００ 国際共同事業のパートナーである一般財団法人日本航空機エンジン協会（ＪＡＥＣ）および MTU Aero Engines AG （ ドイツ ： ＭＴＵ社 ）に対し、これまでの実績に対する信頼や保有する最新技術に対する期待からも、開発事業への参画を要請し、これを受けて ＪＡＥＣ と ＭＴＵ 社が同事業へ参画することを決定している。その結果、ＪＡＥＣ は ＰＷ１１００Ｇ-ＪＭ プログラムにおける Ｖ２５００ と同じ２３％のシェアで参画し、ファン、低圧圧縮機、低圧シャフトおよび燃焼器の一部を担当し、ＭＴＵ 社は１８％のシェアで低圧タービンと高圧圧縮機の一部を、Ｐ&Ｗ はそれら以外の部位を担当している。そして（株）ＩＨＩ は ＪＡＥＣ の構成メンバーとして、ＪＡＥＣ 担当部の６５%（全体の１５%）の開発を担当するとともに、複合材を含む ＰＷ１１００Ｇ-ＪＭ エンジンの成立に不可欠な技術を持ち込んでいる。

表１　Ａ３２０ｎｅｏ と Ａ３２０ の比較　

　図５は　ＰＷ１１００Ｇ-ＪＭ　に採用されている最新技術の例であるが、ファンケース、ファン構造案内翼　（ Structural Guide Vane：ＳＧＶ ）では、ＩＨＩ　独自の複合材技術が採用されている。
　また表２に　ＰＷ１１００Ｇ-ＪＭ　と　Ｖ２５００　シリーズの違いを示す。ＰＷ１１００Ｇ-ＪＭ　は、先進ギヤシステムを適用した　ＧＴＦ　（　Geared Turbo Fan　）形態を採用し、大口径のファンによってバイパス比を約１２まで増加させて高い推進効率を実現しているのが最大の特徴で、さらに先進複合材技術や最新要素技術を組み合わせ、燃料消費率・排気ガス・騒音レベルの改善を図っている。ＰＷ１１００Ｇ-ＪＭ　エンジンの開発は２０１１年度に始まり、設計、開発エンジンの試作および各種開発試験を経て、２０１４年にエンジン型式承認を取得し、Ａ３２０ｎｅｏ　に搭載されて２０１６年１月より就航を開始している。

表２　ＰＷ１１００Ｇ-ＪＭ と Ｖ２５００シリーズの比較

　さて、ここからはこの　ＰＷ１１００Ｇ-ＪＭ　エンジンに採用されているＩＨＩ独自技術である複合材の開発手法について解説する。

　図６に示すように複合材ファン部品の最大の課題は耐衝撃性とコストである。そして、ＳＧＶ　には運航中の鳥衝突に耐える高い衝撃強度が求められる一方、ファンケースはファンブレード飛散　（　Fan Blade Off　：　ＦＢＯ　）時にブレード飛散を止める防弾チョッキのような耐衝撃性（コンテインメント特性）確保のため、撃ち込み衝撃に対する高いエネルギー吸収性能が必要である。また、コスト削減のためには、両部品共に積層自動化・硬化時間削減等が求められる。

　耐衝撃性とコスト低減の両立には、複雑に関係し合う複合材素材・製造プロセス・設計手法の総合的開発が必要となるが、航空機用複合材部品では、このような総合開発において材料のクーポン（試験片）試験から実機スケールのコンポーネント試験までを段階的に積み重ねるビルディングブロックアプローチ　（　Building Block Approach　：　ＢＢＡ　）の適用が一般的であり、本開発でもこの手法が採用されている。
　ファンケースにおける　ＢＢＡ構成を図７に示す。ファンケースには撃ち込み衝撃時の吸収エネルギーが大きい変性エポキシ樹脂を用いたＣＦＲＰ素材（プリプレグ）と、自動積層が可能なフィラメントワインディング（ＦＷ）成形（芯金上にプリプレグを巻き付ける成形法）を採用し、耐衝撃性とコスト低減の両立を実現している。以下に　ＢＢＡに基づく各ステージの試験結果を示す。

　ファンケースに適した高エネルギー吸収材料を選定するために、小サイズの平板への高速衝撃試験を行った。候補材料は、３次元織物とＲＴＭ　（　Resin Transfer Modelling　）成形の組合せ（３ＤＲＴＭ材）、高靱化エポキシプリプレグのオートクレーブ成形（タフエポキシ材）、変性エポキシ樹脂と　ＦＷ成形の組合せ（ＦＷ材）である。そして試験平板の外周を固定し、飛翔体（鋼製円柱）をエアガンで試験板の中央に撃ち込んで、飛翔体が試験板を貫通した際の貫通前後の速度から求められる吸収エネルギーにより評価を行った。その試験結果を図８に示す。３種のＦＷ材の内、Ｄ２材料ではチタン合金の１.５倍以上の吸収エネルギー値が得られている。この試験結果から、ファンケースには、Ｄ２樹脂を用いたプリプレグによるＦＷ成形が採用された。

　サブ・コンポーネント試験ではカーブドパネル衝撃試験とハーフリング衝撃試験を実施した。カーブドパネル試験（図９）は、実機サイズの１/８円筒形状の供試体にチタン合金平板飛翔体を円筒面内に対して斜めに撃ち込む試験で、ＦＢＯ時に、ファンブレード先端がケース内面に衝突する現象を模擬したものである。飛翔体の挙動とパネルの損傷については衝撃解析も行い、解析的に予測可能であることを確認した。
　しかしながら、カーブドパネル衝撃試験での飛翔体は重量が数十グラム程度であり実機のファンブレードの重量との差は大きい。そこで、ファンブレードと同レベル重量の飛翔体を、実機サイズ半円筒状の複合材供試体に撃ち込むハーフリング試験を行った（図１０）。この試験では、飛翔体は円筒面内に対して垂直に撃ち込んでいる。

　ＢＢＡの最終段階として、ＦＢＯ試験を行った。前段階までの各種試験結果により設計された実機サイズファンケースに、チタン合金製ファンブレードを実機と同様に組み込み、回転するブレードの１枚のダブテール部（固定部）を火薬によって解放し、ファンケースがブレード飛散を閉じ込める（コンテインする）ことを実証する。図１１にファンブレードが解放された直後の写真を示す。ＦＢＯ試験の結果、ファンケースに損傷は見られるものの、ファンブレードはコンテインされ、設計の妥当性が示された。

　ＳＧＶには靱性が高く硬化時間の短い熱可塑性樹脂を用いた複合材素材（プリプレグ）と、ロボットによる自動積層、及び高速プレス成形を採用し、耐衝撃性とコスト低減の両立を図っている。図１２にＳＧＶのＢＢＡを示す。詳細は割愛するが、複合材ファンケースの開発と同様に各ステージでは以下のような試験を実施し製品の健全性の確認を行っている。
　・ゼラチン衝撃試験：翼を模擬した平板試験片に対して、鳥を模擬したゼラチン球をエアガンにて試験片中央に撃ち込む試験
　・単翼試験：実機サイズＳＧＶを供試体とし、供試体の一端を固定し他端にエンジン運転時の荷重をかける単翼強度試験、および、同様な実機サイズＳＧＶを供試体とし、２.５ポンド鳥衝突を模擬したゼラチン衝撃試験
　・フルリング試験：エンジン１台分の実機サイズＳＧＶを、ファンケースやファンフレームを模擬した治具に組付け、アクチュエーターを用いてエンジン運転時の荷重をかける試験

　前項までに紹介した技術特性の優秀さだけでなく、繊維、樹脂素材、成形・加工のプロセスをいかに確保するかによっても複合材の競争力は高められる。日本には繊維や樹脂素材のトップメーカーが集中しており、図１３のようにＩＨＩは国内メーカー、関係会社との連携によって強固な複合材バリューチェーンを確立しており、保有する複合材の競争力を増すことに寄与している。
　さらには、図１４に示すように、繊維、樹脂素材、プロセスの組み合わせのレパートリーを幅広く持っていることもＩＨＩの複合材料の強みであり、部品に要求される特性に合わせて最適の組み合わせを選択することでより高度な部品を作り出すことが可能となっている。

　次世代エンジンに向けた複合材開発はすでに始まっている。図１５に示すように、ファンケース、ＳＧＶでは要求されている、より軽量、より高強度な材料の開発が進められているが、それだけでなく、ＰＷ１１００Ｇ-ＪＭ　では採用されていないファンブレードやフレームでの採用を目指して、新しい複合材料の開発が進められている。
　さらには、高温タービン部品への適用を目指したセラミック基複合材料　（　Ceramic Matrix Composite　：　ＣＭＣ　）　の開発も進んでいる。高バイパス比化と並ぶ燃費低減方法が高圧力比化・高温化による熱効率向上であるが、最新エンジンの総圧力比（５０～６０）では耐熱合金を超えた材料を用いないと、冷却空気量増加により燃費低減効果が相殺されてしまう。このため次世代耐熱材料として　ＣＭＣが期待されている。　ＳｉＣ（炭化ケイ素）などのファインセラミックスは、軽量で耐熱性は高いものの単体では靱性が低く“脆い”ためタービン部品適用は本来困難であるが、これを高強度なセラミックス繊維との複合材料化することにより、靱性の大幅改善が得られ、構造材料として適用可能にするものである。従来より、ＳｉＣ繊維とＳｉＣマトリックスを用いたＳｉＣ/ＳｉＣＣＭＣのタービン部品基礎開発が進められており、図１６に、ＩＨＩにおけるＳｉＣ/ＳｉＣタービン部品の開発例を示す。

　以上、ＰＷ１１００Ｇ-ＪＭ　エンジンを例に、最近の民間エンジンで採用されている複合材技術を紹介した。
　エンジン複合材の採用はますます増えており、エンジン技術向上に不可欠な役割を果たしている。そして複合材は、高度な要素開発とバリューチェーンの構築を組み合わせてより強い競争力のある製品を実現できる。
　ＩＨＩは今後も複合材を活用した技術で民間エンジンの技術向上に貢献していきたい。