戦略的技術開発 （航空機用エンジンギアシステム技術） に関する事業評価用資料 平成２１年１２月７日 財団法人 日本航空機エンジン協会 目 次 1． 事業の目的・政策的位置付け…………………………………………… １ 1-1． 事業の目的…………………………………………………………… １ 1-2． 政策的位置付け……………………………………………………… ３ 2． 研究開発目標……………………………………………………………… ５ 2-1． 研究開発目標………………………………………………………… ５ 2-2． 全体の目標設定……………………………………………………… ５ 2-3． 個別要素技術の目標設定…………………………………………… ５ 3． 成果、目標の達成度………………………………………………………１０ 3-1． 成果……………………………………………………………………１０ 3-1-1． 全体成果……………………………………………………………１０ 3-1-2． 個別要素技術成果…………………………………………………１０ 3-1-3． 特許出願状況等……………………………………………………２８ 3-2． 目標の達成度…………………………………………………………２８ 4． 成果の活用について………………………………………………………２９ 4-1． 成果の活用の見通し…………………………………………………２９ 4-2． 波及効果………………………………………………………………２９ 5． 研究開発マネジメント・体制等…………………………………………３０ 5-1． 研究開発計画…………………………………………………………３０ 5-2． 研究開発実施者の実施体制・運営…………………………………３０ 5-3． 変化への対応…………………………………………………………３１ 2 １． 事業の目的・政策的位置付け １−１． 事業目的 航空機産業は、先行する欧米諸国のほか、後発のアジア諸国等発展途上国 を含めた国際的な産業競争の激化が進む中、その発展を通じて我が国産業構 造の高度化に大きく貢献することが期待されている。また、航空機関連技術 は、高度な先進技術を要することから、その技術波及効果によって、輸送機 器を始め、情報・通信、材料等の分野に高付加価値を生み出す上で重要な役 割を果たしている。 特に、航空機用先進システム関連分野においては、近年のエアラインの競 争激化等を受け、コスト低減、省エネルギー化の要請が高まっているが、同 時に、航空機の特性上、安全性や信頼性についても引き続き最高度の水準が 求められている。これらの社会的ニーズに対応し、競争力のある航空機用先 進システム技術（低損失ギアボックスシステム）を開発することが必要であ る。 航空機エンジンのギアボックスは、発電機、潤滑ポンプ、燃料ポンプ、ハイ ドロポンプ等を駆動するモジュールで、駆動力はエンジン本体から供給されて いる。ギアボックスのエンジンへの取り付け状況を図１−１に示す。 ギアボ ックスは、各補機を駆動するギア列、その支持軸受、並びにそれらを保持する ハウジングから構成されていて、ハウジングにはギア、軸受を潤滑するための オイルラインが巡らされている。ギア、軸受の潤滑はギアボックスの搭載補機 のひとつである潤滑ポンプで加圧されたオイルジェットにより行われ、専用の スカベンジポンプを介してギアボックス外へ排出される。 このギアボックスで伝達される動力の約５０％が発電機の駆動用であるが、 近年、Ｂ７８７機に代表されるように機体側での様々な電気化が進むにつれ て、要求される発電機の発電容量が飛躍的に増加することが予想され、それ に伴い、ギアボックス内で発生する動力損失も増加し、エンジンの燃費に悪 影響を及ぼす可能性が高くなってくると考えられる。仮に次世代の中小型機 においてＢ７８７機と同様の電気化が行われた場合、現状のギアボックスで は約１％のエンジン燃費悪化の原因となると推定されている。 本研究開発では、中小型機用エンジンへの適用を念頭に、ギアボックス全 体としての成立性の確保を図りつつ、エンジンの燃料消費を低減し地球温暖 化ガスの排出量削減に資するため、ギアボックス内での動力損失を低減する 技術を開発することを目的とする。 1 発電機 ギアボックス 図１−１ エンジンへの取り付け状況 2 １−２． 政策的位置付け 経済産業省の「航空機分野の技術戦略マップ」を図１−３から図１−５に示 す。 本航空機用エンジンギアシステム技術開発は、重点的に支援すべきエンジン 要素技術として定められている。（注参照） 注：航空機分野の導入シナリオ（抜粋） （１）我が国航空機産業が目指すべき方向性 ② 国際共同開発における地位の維持・拡大 ・ エンジンの国際共同開発においては、我が国は9％∼30％のシェアで共同開発 に参加するなど一定の役割を担うようになってきているが、新方式のエンジン の動向も視野に入れつつ、必要な要素技術での優位性を獲得し、質の面でもよ り高度な役割を担うこと。 （２）研究開発支援の重点等 ① 重点的に支援すべき技術について (a) 中核的要素技術 ・ 「エンジン要素技術」：同様の要請から、新方式を含めた軽量・高性能なエ ンジンを実現するために重要性が増している、耐熱セラミック複合材や複合材 ファンに関する技術等。 図１−３ 航空機分野の導入シナリオ 3 図１−４ 図１−５ 技術マップ 技術ロードマップ 4 ２． 研究開発目標 ２−１． 研究開発目標 低損失ギアボックスシステムの研究開発として、動力損失の原因とされて いる現状のジェット潤滑方式、ギアボックス構造システム等に代わる低損失 の新たな内部潤滑方式、構造システム等を検討するとともに、摩擦低減を図 る表面処理、加工処理についても検討する。また、試作したギアボックスに ついて、航空機使用環境下を想定した評価試験を実施し、損失低減の確認を 行う。 ２−２． 全体の目標設定 開発するギアボックスシステムは、中小型航空機エンジンへの適用を念頭 においた形状、大きさとし、現在想定されている動力損失の４０％を低減す ることを目標とする。 ２−３． 個別要素技術の目標設定 ＜現状と課題＞ 上述のような現在の一般的なギアボックスにおける動力損失の発生部位と その割合は過去の経験等から下表の通りである。 損失部位 ギア損失 損失割合 潤滑油加速損失 ４０％ 風損 １５％ 歯面摩擦損失他 ５％ （ギア損失小計） （６０％） 軸受損失 １５％ シール損失 １５％ その他 １０％ 計 １００％ 5 なお、上表でのそれぞれの損失のうち、全体の約半分を占めているギア部に おける各損失事象は図２−１に示す通りである。 風損 ギアが回転するとき、 回りの空気を動かすこ とで起きる。空気の圧 力が高かったり、オイ ル混じりだと損失大 歯面摩擦損失 ギア歯面が粗いと摩擦 が大きく、損失大とな る 潤滑オイル 潤滑油加速損失 歯面に当たった油がギア接線 方向に加速され、飛散するとき に油が受ける運動エネルギー は全て損失となる 潤滑オイル・ジェット・ノズル 図２−１ ギア部の各損失事象 上述のギア部、軸受部、およびシール部の各損失について以下の新技術を適用 することで、損失の低減を図る。 ① シュラウドの導入・最適化 図２−２に示すシュラウドの導入により潤滑油加速損失と風損を低減する。 ② ケミカルポリッシングの適用 ケミカルポリッシングを適用して歯面摩擦損失を低減する。 （図２−３参照） ③ ハウジング形状の最適化 ギアボックス内でスカベンジ（排油）流れが滑らかとなり、滞留時間を少 なくするようなハウジング形状の最適化をおこない、軸受部の損失の低減 を図る。 ④ ハイドロパッドシールの適用 ハイドロパッドの適用によりシール面摺動摩擦の低減を図る。（図２−４ 参照） 6 空気が排出され、シュラウ ド内部が負圧になることで 風損低減 圧力高 シュラウド ギア回転に よる空気の 流れ ギア噛み 合いによ りポンプ 作用が発 生 図２−２ 飛散した潤滑油をギアが 再加速しないよう速やかに 潤滑油を排出する構造 圧力低 オイルミスト状潤滑 潤滑ノズル 潤滑油はギア自体のポンプ作用 （吸引作用）により歯面に効果的に 到達・・・潤滑油量削減可能 シュラウドの導入によるギア損失の低減（模式図） ケミカル・ポリッシング ケミカル・ポリッシング（化学的 研磨）による鏡面仕上げで歯面摩 擦は飛躍的に低減する。 出典：文献 NASA/TM-2005-213958（The Influence of Roughness on Gear Surface Fatigue） 図２−３ ケミカルポリッシングの適用 7 ハイドロパッド シール面に積極的に油を導入し、 シール面を水中翼船のように浮 かせることで摩擦を低減する 図２−４ ハイドロパッドシールの適用 ＜新技術適用における課題＞ ・ シュラウドおよびハウジング最適形状決定技術の確立 ギアを覆うシュラウドを最適に設計することで、その内部圧力の低下、 潤滑油滞留防止による掻き混ぜ損失低減、冷却効率向上による潤滑油量低 減等の効果が発生し、損失低減効果があるのは分かっているが、未だその 最適設計技術が確立されていない。また、ギアボックス内潤滑油流れにお いて、 スカベンジ（排油）流れが最適となるよう、また、ミストがうまく ギア・軸受に導かれジェット潤滑の廃止が可能となるようなハウジング形 状の決定における設計技術の確立が必要である。 ・ ハイドロパッド並びにケミカルポリッシングの適用 新しい技術のため安定した品質を適切なコストで実現することが課題で ある。 ＜課題克服へのアプローチ＞ ・ シュラウドおよびハウジング最適形状決定技術の確立 最新のＣＦＤ解析を適用して、ギアボックス内部でのオイル流れを定量 的に把握できるようにするとともに、シュラウドおよびハウジングの最適 形状を見出す。具体的にはＣＦＤによる内部オイル流れの解析の実施、そ れに基づくシュラウドの設計・試作をして、試験による結果の評価を行う。 ・ ハイドロパッド並びにケミカルポリッシングの適用 試験用部品の設計・試作を行い、安定した品質を適切なコストで実現す ることを確認する。 なお、最終的には上記の各新技術を適用した評価用ギアボックス全体を設計・ 試作し、評価試験にて損失低減効果を確認する。 8 ＜ギアシステム損失低減目標＞ 前述の新技術の適用により、表２−１に示すような個々の低減目標を設定し、 ギアシステム全体としては４０％の損失低減を目指す。 表２−１ 損失部位 ギアシステム損失低減目標 目標 損失割合 低減目標設定の根拠 (低減後の 損失割合) ギア損失 潤滑油加速 損失 ４０％ ２０％ 最適給油によるオイル量の半 減、スカベンジ最適化による かき混ぜ損失の低減により損 失の半減が可能である。 風損 １５％ １０％ ギアによるポンプ作用でシュ ラウド内の圧力の低下を図る ため、風損の１/３が削減可能 である。 ５％ ３％ ケミカルポリッシングにより 歯面摩擦損失の低減が可能で ある。 歯面摩擦損 失他 （小計） （６０％） （３３％） 軸受損失 １５％ １２％ スカベンジ最適化によるかき 混ぜ損失低減、雰囲気潤滑に よるオイル量低減により削減 可能である。 シール損失 １５％ ８％ ハイドロパッドによりシール 面摩擦の５０％以上が低減可 能である。 その他 １０％ ７％ 潤滑油ポンプの負荷軽減によ り削減が可能である。 計 １００％ ６０％ 9 ３． 成果、目標の達成度 ３−１． 成果 ３−１−１． 全体成果 単ギアメッシュを用いてＣＦＤ解析技術を確立するとともに、損失低減のた めのシュラウド、ハウジング形状の最適化を図ることができた。また、ハイド ロパッドおよびケミカルポリッシング適用による損失低減の定量的効果を把 握することができた。更に、これらの成果を用いて、総合的な損失低減効果を 評価するための評価試験用ギアボックスの設計、試作を行った。 ３−１−２． 個別要素技術成果 （１）シュラウドおよびハウジング最適形状決定技術の確立 ①単ギアメッシュを用いたＣＦＤ解析技術の確立 １）既存の一般的なギアボックス（一組のベベル・ギアからなる単ギアメッ シュ）について、ＣＦＤ解析により内部でのオイル流れ及びギア損失（潤 滑油加速損失、風損、歯面摩擦損失等）の定量的な把握を行い、過去に実 施した実験により得られた動力損失と比較した。解析したモデルを図３− １に、実験との比較の結果を図３−２に示す。 図３−２より、解析結果 は相対的にほぼ実験と一致しており、ＣＦＤ解析手法が妥当であることが 確認できた。 ¾ギア パラメータ • 外径：A軸 約100mm, B軸 約150mm • 回転数：A軸 約20,000rpm，B軸 約15,000rpm ¾作動流体 • オイル，空気の2流体 ¾ﾎﾞｰﾙ・ﾛｰﾗﾍﾞｱﾘﾝｸﾞ…転動体の隙間をなくした円筒とした ¾給油…ｷﾞｱかみ合い，各ﾍﾞｱﾘﾝｸﾞ 流入(空気) 動力 直管部 (5D) 長ｼｭﾗｳﾄﾞ 短ｼｭﾗｳﾄﾞ 逆短ｼｭﾗｳﾄﾞ 逆短ｼｭﾗ ｳﾄﾞ ﾎﾞｰﾙﾍﾞｱﾘﾝｸﾞ ｷﾞｱ給油 ﾍﾞｱﾘﾝｸﾞ給油 A軸ｷﾞｱ ﾛｰﾗﾍﾞｱﾘﾝｸﾞ 流出 実験 B軸ｷﾞｱ ﾛｰﾗﾍﾞｱﾘﾝｸﾞ ﾎﾞｰﾙﾍﾞｱﾘﾝｸﾞ ※実験の動力は給排油温 度差を換算した値を用いた 直管部(5D) ｽｶﾍﾞﾝｼﾞ 図３−１ 解析 平均動力(10∼20回転) 図３−２ ＣＦＤ解析モデル 10 実験との比較 ２）単ギアメッシュについて、損失低減に有効と考えられるオイル流れ、オ イル噴霧（供給）、ギアボックス形状（シュラウド(*1)形状ならびにハウジ ング形状）をＣＦＤ解析にて検討し、潤滑油加速損失や風損などの損失低 減に有効と考えられる実サイズの数種シュラウドの試作を行った。 注*1： ギアの周辺をシュラウドで覆うことにより、シュラウド内はギアのポンプ 作用により空気が排出されるため負圧になり、風損が低減する。またシュラウド により潤滑に使用された油は整流され滑らかに排出されるため、かき混ぜによる 潤滑油加速損失が低減される。 解析した単ギアメッシュのモデルを図３−３に、検討のためにＣＦＤ解析 に用いたシュラウド形状を図３−４に、オイル流れＣＦＤ解析の結果を図 ３−５に示す。 また、試作したシュラウドの代表例を図３−６に示す。なお、シュラウド は内部可視化と製作期間短縮のため、光造形により製作した。 ¾ギア パラメータ • 外径：約100mm，回転数：約10,000rpm ¾作動流体 • オイル，空気の2流体 ¾ﾍﾞｱﾘﾝｸﾞ…転動体の隙間をなくした円筒とした ¾給油…ｷﾞｱかみ合い，各ﾍﾞｱﾘﾝｸﾞ シュラウド有り形態 シュラウド無し形態 図３−３ ＣＦＤ解析モデル 11 図３−４ 解析したシュラウド形状（代表例） ｼｭﾗｳﾄﾞ: 背面②，b-180-30 V e lo c i t y m a g n itu d e 7 5 [m /s ] 50 25 0 1回転後 2回転後 4回転後 5回転後 図３−５ 3回転後 6回転後 オイル流れＣＦＤ解析結果（シュラウド有り）代表例 12 ３Ｄモデル（代表例） 図３−６ 試作シュラウド（代表例） 試作したシュラウド代表例 ３）試作した数種のシュラウドを用いて、シュラウド形状、ギア回転数、潤滑 油供給量・温度等の組み合わせを変えての要素試験を行い、最適なシュラウ ド形状の絞込みを行った。 図３−７に単ギアメッシュでの評価試験を行った要素試験機を、図３−８ にギアボックス内のオイル流れ状態を示す。また、図３−９に各種のシュ ラウドについての要素試験による動力損失計測結果とＣＦＤ解析結果の 比較を示す。 図３−９より、オイル流れおよびシュラウド形態による動力の相対的な差 について、解析と試験結果がほぼ同様であることが確認できるとともに、 損失低減に最も有効なシュラウド形状（Type Ｇ）を確認することができ た。 ベベルギア ギアシュラウド 図３−７ 単ギアメッシュ要素試験機 13 排出口 135°，ｽﾘｯﾄ幅 15° シュラウド無し 排出口 180°，ｽﾘｯﾄ幅 30° シュラウド Type Ｃ 図３−８ シュラウド Type Ｇ ギアボックス内のオイル流れ 解析と試験結果の比較 1.955 14 13 1.905 11 10 1.855 9 8 1.805 7 6 1.755 ｼｭ ﾗｳ ﾄﾞ無 ｼｭ し ﾗｳ ﾄﾞ ty pe ｼｭ A ﾗｳ ﾄﾞ ty pe ｼｭ B ﾗｳ ﾄﾞ ty pe ｼｭ C ﾗｳ ﾄﾞ ty pe ｼｭ D ﾗｳ ﾄﾞ ty pe ｼｭ E ﾗｳ ﾄﾞ ty pe ｼｭ F ﾗｳ ﾄﾞ ty pe ｼｭ G ﾗｳ ﾄﾞ ty pe H 5 図３−９ 動力損失の解析と試験結果の相対比較 14 動力 kW（試験） 動力 kW（解析） 12 解析 試験 ②ＣＦＤ解析によるマルチギアメッシュのシュラウド形状の最適化 単ギアメッシュに続き、マルチギアメッシュについて、動力損失低減の ため、ギアボックスのＣＦＤ解析により内部でのオイル流れ及びギア損 失の定量的な把握を行った。 対象とするギアおよびギアボックスを図３−１０に、解析モデルを図３ −１１に示す。 E軸 F軸 C軸 B軸 スカベンジ D軸 ギア諸元 入力軸 C軸 B軸 D軸 E軸 F軸 ギア 直径 [mm] 幅[mm] 回転数 [rpm] C軸 200 6 7500 B軸 130 30 12000 D軸 133 30 11600 E軸 200 6 7500 F軸 200 6 7500 ギア周速：80m/s 図３−１０ 対象ギアおよびギアボックス C軸ギア B軸ギア D軸ギア E軸ギア F軸ギア スカベンジ スカベンジ (1) シュラウド無し (2) シュラウド有り 図３−１１ 15 解析モデル 100 80 60 40 20 0 -20 C軸 B軸 D軸 F軸 E軸 損失低減率=(1-ｼｭﾗｳﾄﾞ有り動力/ｼｭﾗｳﾄﾞ無し動力)×100[%] 0 2 動力低減率の平均値[%] 動力損失低減率[%] 解析の結果のうち、シュラウドの効果（動力損失低減率）を図３−１２ に、シュラウド無し／有りのオイル分布を図３−１３に、また、速度分 布を図３−１４に示す。 これらの図より、以下のことが明らかとなった。 １）シュラウドによりギアからギアボックス内への運動量伝達を抑制さ れ、損失が３０％低減した。ただし、各ギアの損失低減率にはばらつ きが見られ、Ｃ軸ギアの損失低減率が最高の６６％となった。 ２）Ｃ軸ギアは他のギアと比べて、オイル排出口からの運動量の漏れは 同等となったが、排出口付近のオイルの滞留は小さい結果となった。 したがって、排出口付近の滞留を無くすことで他のギアの損失をさら に低減できると考えられる。 ３）オイルの滞留の主因は排出口からの流れの衝突による澱みの発生で あるため、流れの衝突を無くして流れの方向がスカベンジに向くよう なバッフルの配置が必要である。 4 6 8 10 12 14 B軸ｷﾞｱ回転[回] (a) 合計動力 C軸 B軸 E軸 F軸 動力損失低減率[%] 100 80 60 40 20 0 -20 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 合計 C軸 B軸 E軸 F軸 損失低減率比較 0 2 ¾合計の損失低減率は30%となった ¾C軸ギアの損失低減率(66%)が最も大きく， シングルメッシュの損失低減率(77%)に近 い値となった 4 6 8 10 12 14 B軸ｷﾞｱ回転[回] (b) 各軸動力 ※両側モデル換算 動力損失低減率の時刻歴 (½モデルの動力を2倍) 図３−１２ シュラウドの効果（動力損失低減率） 16 オイル分布 F軸 C軸 D軸 B軸 (B軸ギア10回転後) E軸 シュラウド無し VOF=0.3の等値面 滞留 滞留 F軸 C軸 D軸 B軸 E軸 滞留なし 滞留 シュラウド有り 滞留 図３−１３ 速度分布 解析結果−オイル分布 F軸 C軸 (B軸ギア10回転後) B軸 D軸 E軸 0 [m/s] 25 シュラウド無し 50 衝突 75 100 F軸 C軸 B軸 シュラウド有り D軸 E軸 衝突 衝突 図３−１４ 17 解析結果−速度分布 ③ＣＦＤ解析によるハウジング形状の最適化 アクセサリ･ギアボックスのベアリングおよびシール部について、排油流 れの最適化により、滞留油を減少させる目的でＣＦＤ解析を実施した。 図３−１５に解析対象部を、図３−１６および図３−１７に解析結果を 示す。 ギア ﾍﾞｱﾘﾝｸﾞ ﾒｲﾃｨﾝｸﾞ･ﾘﾝｸﾞ ｱｸｾｻﾘ･ｷﾞｱﾎﾞｯｸｽ 解析対象部位 ﾍﾞｱﾘﾝｸﾞ／ｼｰﾙ部断面 ﾍﾞｱﾘﾝｸﾞ／ｼｰﾙ部 図３−１５ 解析対象部 解析結果(オイル流れ) 15回転後，VOF値0.5の等値面 回転方向 標準形状 ｵｲﾙｼﾞｪｯﾄ ｵｲﾙｼﾞｪｯﾄ 排油穴 損失改善形状 排油穴 ｵｲﾙｼﾞｪｯﾄ ｵｲﾙｼﾞｪｯﾄ ｵｲﾙの滞留が 改善された 排油穴 図３−１６ 排油穴 解析結果−オイル流れ分布 18 シール 図３−１７より、周方向位置２７０°、大きさ２０ｍｍの排油穴の場合、 損失が最も小さく、標準形状に比べ１８％損失が低減することが分かっ た。 0.06 ﾒｲﾃｨﾝｸﾞﾘﾝｸﾞ_排油穴10mm 損失18%低減 0.05 ﾒｲﾃｨﾝｸﾞﾘﾝｸﾞ_排油穴20mm 動力損失[kW] ﾒｲﾃｨﾝｸﾞﾘﾝｸﾞ_排油穴30mm ﾒｲﾃｨﾝｸﾞﾘﾝｸﾞ_STD 0.04 ﾍﾞｱﾘﾝｸﾞ_排油穴10mm 0.03 ﾍﾞｱﾘﾝｸﾞ_排油穴20mm ﾍﾞｱﾘﾝｸﾞ_排油穴30mm 0.02 ﾍﾞｱﾘﾝｸﾞ_STD 排油穴 0.01 0 0 50 100 150 200 250 ※軸10∼15回転の平均値 (一部15∼20回転) ﾒｲﾃｨﾝｸﾞﾘﾝｸﾞ動力については， ﾄﾞﾗﾑ回転抵抗の検証解析結果から， 300 解析結果を4.3倍した． 排油穴位置[°] 図３−１７ 解析結果−動力損失 19 （２）ハイドロパッドの適用 シ−ル損失低減のため、ハイドロパッドを適用した評価試験用部品の設計 及び試作を行い、試験によりその効果を評価した。図３−１８に試作した ハイドロパッド・カーボンシールを、図３−１９にシール試験機を示す。 ハイドロパッド・カーボンシール 標準的なカーボンシール バネによって常に 押し付けられている ﾒｲﾃｨﾝｸﾞ･ﾘﾝｸﾞのｼｰﾙ面にｽﾊﾟｲﾗﾙ状の ごく浅い溝を形成。 回転によるポンプ効果で空気を導入して わずかに浮かせることで摩擦損失を低減。 REXNORD社(米国) 特許技術 シール面（しゅう動面）の 摩擦損失が大きい 試験用部品 ｶｰﾎﾞﾝｼｰﾙ ﾒｲﾃｨﾝｸﾞﾘﾝｸﾞ 図３−１８ ｶｰﾎﾞﾝｼｰﾙ ﾒｲﾃｨﾝｸﾞﾘﾝｸﾞ 試作したハイドロパッド・シール 試験装置全景 シール取り付け部 図３−１９ シール試験機 20 試験結果を図３−２０に示すが、カーボンしゅう動部温度から推定した摩 擦損失は非適用の場合の約２０％となり、ハイドロパッドを適用すること により大幅に低減することが分かった。（損失低減率＝約８０％） 1サイクル ｶｰﾎﾞﾝしゅう動部温度 給油温度 排油温度 189℃ 67℃ 温度(°F) 128℃ 時間(sec) 時間(sec) ハイドロパッド ｶｰﾎﾞﾝ･ｼｰﾙ(ﾊｲﾄﾞﾛﾊﾟｯﾄﾞ非適用) カーボンしゅう動部温度から推定 される摩擦損失：８７．５Ｗ 図３−２０ カーボンしゅう動部温度から推定 される摩擦損失：４１９Ｗ ハイドロパッド試験結果 21 （３）ケミカルポリッシングの適用 ギアの歯面摩擦損失低減のため、ケミカルポリッシングを適用した評価試 験用部品の設計及び試作を行い、試験によりその効果を評価した。図３− ２１にケミカルポリッシングを適用した場合、適用しない場合の供試ギア と歯面粗さの比較を、図３−２２に試験機取り付け状況を示す。 ケミカルポリッシング非適用 ケミカルポリッシング適用 入力ギア 入力ギア ギア部（ｹﾐｶﾙﾎﾟﾘｯｼｭ対象部分） 出力ギア 出力ギア ケミカルポリッシュ Ra 入力ギア 適用 0.093∼0.122 非適用 0.340∼0.381 [μm] 0.110∼0.186 0.289∼0.326 出力ギア 図３−２１ ケミカルポリッシング供試ギア 出力ギア 入力ギア ギアボックス （アッパーケース取外した状態） 図３−２２ 試験機取り付け状況 22 図３−２３に試験結果を示すが、出力トルクの増加、回転数の上昇に伴い、 ケミカルポリッシング適用・非適用による歯面摩擦損失の差が増加してい る。このことから、ケミカルポリッシングによる損失低減効果が確認でき、 損失低減率は約２０％と推定される。 入力回転数：8,000rpm 歯面摩擦損失(kW) 約20%の損失低減 ケミカルポリッシュ 非適用 ケミカルポリッシュ 適用 出力トルク(Nm) 図３−２３ ケミカルポリッシング試験結果 （４）評価用ギアボックス全体の試作試験 上記（１）∼（３）項の解析結果および試験結果に基づき、総合的な損失 低減効果を評価･確認するため、評価試験用ギアボックスの設計及び試作を 行った。 図３−２４に設計した評価試験用ギアボックスの形状および特徴を示す。 また、図３−２５に試作したギアボックスの写真を示す。 なお、本ギアボックスを用いた評価試験は平成２１年度に実施する予定で ある。 23 特徴： ①オイル流れ最適化のために、シュラウドの取付 やハウジングの形状変更が可能 ②ギアボックス内部のオイル流れが確認できる ように可視化 ③アクセサリ・ギアボックスと同等のギアトレイン 及びハウジング形状 入力軸 ｷﾞｱﾎﾞｯｸｽ内部の可視化 ベベルギア 入力軸 スパーギア ギアトレイン アクセサリ・ギアボックスと同等のギア及びベアリング 図３−２４ 図３−２５ ｷﾞｱﾎﾞｯｸｽ外観 評価試験用ギアボックスの設計 試作した評価試験用ギアボックス（全体） 24 ハウジング シュラウド（後側） 図３−２５ シュラウド（前側） 試作した評価試験用ギアボックス（主要部品） 25 （５）ファン駆動用ギアシステムの成立性検討 次世代中小型機用新形態エンジンの候補にオープンローターがある。オ ープンローター・エンジンは２重反転プロップ・ローターを装備すること でターボファンの速度とターボプロップの効率を両立させた次世代エン ジンで、従来型に比べ３０％の燃費削減が期待されている。ここでは、そ の主要要素であるファン駆動用ギアシステム（パワーギアボックス）の成 立性について検討した。 パワーギアボックスは、図３−２６に示すとおり、差動遊星歯車の原理 を応用し、パワータービン出力馬力を前後ローターに分配し反転駆動させ る働きをするオープンローターシステムの要となる最重要部位である。 前部ローター駆動 約８００rpm 差動遊星歯車システム パワータービン出力シャフト ：約7,000rpm 後部ローター駆動 約８００rpm パワータービン 後部ローター 前部ローター 図３−２６ パワーギアボックス 本ギアボックスの特徴および技術課題は、表３−１に示すとおりであり、 各項目について、解析等により成立性を検討した。解析、検討を行った例 を図３−２７に示す。 表３−１ ギアボックスの特徴および技術課題 特徴 課題 １ 20,000hpクラスの大動力伝達 （西側最大はTP400の10,000hp） 強度、寿命 ２ ２重反転遊星歯車 潤滑、効率、 ３ 大オーバーハング・薄肉構造 ミスアライメント、共振 ４ 高温環境（高温ソークバック） 高温高強度材料 26 ﾐｽｱﾗｲﾒﾝﾄ量低減技術 歯形最適化技術 ミスアライメント量を低減する 遊星ギヤ支持部材の剛性最適化 ギヤ歯面応力を低減する 歯形形状の最適化 FEM解析 FEM解析 歯当り解析 初期形状 初期歯当り 回転 最適化形状 大馬力 薄肉構造 ギヤ支持 部材 平行 移動 図３−２７ 成立性検討の解析例 表３−２ 特徴 最適化歯当り 成立性評価結果 課題 評価結果 １ 20,000hpクラスの 大動力伝達 強度、寿命 歯当たり解析により歯面最大接触面 圧が許容値以下となることを確認 シャフトの座屈強度が許容値以下で あることを確認 ２ ２重反転遊星歯車 潤滑、効率 CFD解析により過剰なｵｲﾙの滞留が 無く、損失低減に有効なｵｲﾙ流れを 確認 ３ 大オーバーハング・ 薄肉構造 ミスアライメント、共振 ミスアライメントを低減する最適キャリ ア形状をＦＥＭ解析により見出した 共振解析を実施し、問題ないことを確 認 ４ 高温環境 （高温ソークバック） 高温高強度材料 ギア材としてPyrowear53を採用 各技術課題について検討し、成立性を検討した結果を表３−２に示す。表 より、ファン駆動用ギアシステムは成立するものと判断される結果を得た。 27 ３−１−３． 特許出願状況等 表３−３ 発表 特許 ３−２． 論文、投稿、発表、特許リスト 題目・メディア等 時期 MPT2009；Reduction Gear Windage and Churning Loss by Optimum Shroud Design with of CFD H21.5 ASME Turbo Expo 2009； CFD simulation for oil churning loss and windage loss on high-speed bevel gears with/without shroud H21.6 特願 No.2008-31705 歯車列の潤滑装置 H20.12 審査中 目標の達成度 表３−５に示すとおり、目標４０％損失削減に対し、現在のところ３６％削減 を達成している。 表３−５ 損失割合 損失部位 目標の達成度 目標 （損失後の 低減割合） ギア損失 潤滑油加速損失 ４０％ ２０％ 風損 １５％ １０％ 損失低減 見通し ３８％ 成果 マルチギアメッシュのCFD解析 により潤滑油加速損失＋風損 を約３０％低減できることを確 認した。 ５％ ３％ ４％ （６０％） （３３％） （４２％） 軸受損失 １５％ １２％ １２％ CFD解析により軸受部の損失 を約１８％低減できることを確 認した。 シール損失 １５％ ８％ ３％ ハイドロパッド試験により摩擦 損失を約８０％低減できること を確認した。 その他 １０％ ７％ ７％ 解析により、潤滑油量が半減 でき損失を約３０％低減できる ことを確認した。 １００％ ６０％ ６４％ 歯面摩擦損失 （小計） 計 ケミカルポリッシング試験によ り損失を約２０％低減できるこ とを確認した。 達成度 （見通し） 一部達成 最終的には ギアボックス 全体の評価 試験結果を 待つ必要が あるが、 CFD解析、 一部要素試 験の結果か ら３６％削減 を達成して いる。 目標である４０％の損失低減達成のため、さらなるオイル流れの改良が今後の 課題と考える。 28 ４． 成果の活用について ４−１． 成果の活用の見通し U U 本技術開発によって得られる技術は、今後の新しい高バイパス比のエンジ ンに応用ができる技術であり、比較的近い将来では次期中小型機（１５０席 クラス機）用エンジンでの実用化が想定される。具体的には、当協会が国際 共同開発のメンバーとして参画し開発したＶ２５００エンジンの後継エン ジンへの活用が考えられる。このクラスの後継エンジンの需要は今後２０年 間では３０，０００台以上（参考資料：財団法人日本航空機開発協会「平成 ２０年度小型民間輸送機に関する調査研究」）の大きな市場が見込まれてい るが、深刻化する地球温暖化防止などの面から益々燃料消費を抑えた高性能 なものが求められており、本技術開発成果による日本の技術が大いに貢献で きる。 更には、我が国の航空エンジン産業の国際共同開発での確固たる地位の構 築につながる。 ４−２． U 波及効果 航空機以外でも、ヘリコプタギアボックスや産業用高速ギアボックス（ガス タービン発電装置等）への応用が可能である。 29 ５． U 研究開発マネジメント・体制等 ５−１． U 研究開発計画 本研究開発の計画スケジュールを表５−１に示す。 表５−１ 実施項目 研究開発計画 平成 19 年度 平成 20 年度 平成 21 年度 1)シュラウド及びハウジング最適形状 決定技術の確立 ・単ギアメッシュを用いたＣＦＤ解析 技術の確立 ・マルチギアメッシュのシュラウド形 状の最適化 ・ハウジング形状の最適化 2)ハイドロパッドの適用 3)ケミカルポリッシングの適用 4)評価試験用ギアボックスの試作･試 験 5)ファン駆動ギアシステムの成立性検 討 ５−２． U 設計･製作 評価試験 研究開発実施者の実施体制・運営 本研究開発は、公募による選定審査手続きを経て、財団法人日本航空機エン ジン協会が経済産業省からの委託を受けて実施している。なお、細部の解析及 び試験等については川崎重工業株式会社並びに株式会社ＩＨＩに外注している。 実施体制を図５−１に示す。 また、外部有識者からなる評価委員会を設置し、年２回の頻度で、研究計画、 研究成果等について客観的な評価を受けている。委員会のメンバーを表５−２ に示す。 30 財団法人 日本航空機エンジン協会 川崎重工業 株式会社 株式会社 ＩＨＩ 図５−１ 表５−２ 実施体制 評価委員会メンバー 氏名 委員長 委 ５−３． U 員 渡辺 柳 評価委員会 紀徳 良二 所属 役職 東京大学大学院工学系研究科航空宇宙工学専攻 教授 独立行政法人宇宙航空研究開発機構 航空プロ グラムグループ 環境適応エンジンチーム チ ーム長 変化への対応 更なる省エネルギー化の要請により、オープンローター等の新たなエンジン 実現のために必要なファン駆動用ギアシステムについて、その技術課題を明ら かにし、成立性の検討を行った。 31
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