2020年度第1回超電導応用研究会シンポジウム

BLI ー なぜ、必要か

電動航空機における境界層吸い込み(BLI)の概要
BLI ： BOUNDARY LAYER INGESTION

全体効率 ＝
熱効率 × 伝達効率 × 推進効率

従来のエンジン 燃料のｴﾈﾙｷﾞｰでｴﾝｼﾞﾝﾌｧﾝを駆動
50%×99%×60%＝29.7%

燃料

4/5

1/560%

ｴﾈﾙｷﾞｰ

ハイブリッド電動化①
BLIなし 燃料のｴﾈﾙｷﾞｰの2/3でｴﾝｼﾞﾝﾌｧﾝ､1/3で電動ﾌｧﾝを駆動
50%×99%×60%×(2/3)＋
50%×99%×(95%)4×(99%)2
×70%×(1/3)＝29.0%
BLIあり
×90%×(1/3)＝31.7%

ｴﾝｼﾞﾝ
ﾌｧﾝ

2/3

ｴﾈﾙｷﾞｰ
ﾊﾞｯﾃﾘｰ

発電機 or ﾓｰﾀｰ
電動ファン BLI

伝達効率なし★ 電動航空機は電動ファンを追加し、BLIを適用することで効率が向上する

2020年12月15日

BLIあり
Propulsor
Efficiency

70%

全体のｴﾈﾙｷﾞｰの4/5は燃料､1/5はﾊﾞｯﾃﾘｰでｴﾝｼﾞﾝﾌｧﾝを駆動

90%推進効率日本航空機開発協会（JADC） 山北晃久

1/3（現 川崎重工業株式会社）

ハイブリッド電動化②
50%×99%×60%×(4/5)＋(95%)2×(99%)3
×60%×(1/5)＝34.3%

全体のｴﾈﾙｷﾞｰ（4/5は燃料､1/5はﾊﾞｯﾃﾘｰ）の2/3でｴﾝｼﾞﾝﾌｧﾝ､ 1/3で電動ﾌｧﾝを駆動

ハイブリッド電動化③ BLIあり
50%×99%×60%×(2/3)＋
注）
本ページは、効率を例示するもので、42数値は仮である。また、従来のエン 50%×99%×(95%) ×(99%)
ジンからの追加システムによる重量増の影響を考慮していない。
×90%×[(4/5)－(2/3)]＋(95%)2×(99%)3×90%×(1/5)＝40.3%
参考文献 Marty Bradley, Design of Electrified Propulsion Aircraft, SCITEC 2019 Short Course★ BLIの原理は1990年代から明らかになり、その評価手法が確立されている

BLI ー 原理・評価手法 BLIは、境界層の速度が遅い部位から空気を吸い込み、後方の速度が遅い部位へ空気を噴出するため、必要なSMITH (1993)
パワーが少なくて済む（推進効率がよくなる）効果がある【参考】 推進効率

1

BLIは、境界層の速度が遅い部位から空気を吸い込み、後方の速度が遅い部位へ空気を噴出するため、必要なパワーが少なくて済む（推進効率がよくなる）効果がある

パワー低減係数

推進効率 ηp（前方物体による速度低下あり)

0＜R 速度回復が大きくなるとパワーは少なくて済む
0＝R 速度回復なし

推進効率 ηp

面の速度分布を積分して、パワーと推進効率を評価
推進効率 ηp（前方物体なし）

0＜D/T 前方物体による速度低下があると推進効率がよくなる
1＝D/T 前方物体の抵抗＝推力

速度低下

0＝D/T 前方物体なし

速度回復
推進装置

前方物体
速度低下

D 抵抗
前方物体による抵抗

推力小 ←推進装置による速度回復

推力小 ←

推力Ｔ ＝ 単位時間当たりの運動量の変化 mu→ 推力大→ 推力大境界層による速度低下
本手法の特徴本手法は単純でいくつかを考慮していない
・速度方向以外の速度・推進装置による「前方物体による速度低下」への影響
ただし、速度分布を設定すれば、効果を評価できる

分子：推力Ｔ × 速度（単位時間当たりの距離） V ＝ 推力Ｔによる単位時間当たりの仕事
推進効率= V0 ＋ u とすれば、推進装置による推力

参考文献 GE, Smith, Wake Ingestion Propulsion Benefit, Journal of Propulsion and Power, 1993

パワーが少なくて済む↓式（1-3）の分母が減る↓
推進効率がよくなる

単位時間当たりの空気の質量（流量） m

0＜R 速度回復が大きくなると推進効率がよくなる
0＝R 速度回復なし

分母：単位時間当たりのエネルギーの変化 ＝ パワー

2

参考文献 航空工学講座６ プロペラ、 日本航空技術協会

推進効率（前方物体なし）

=

11+𝑢
2𝑉03

★ BLIの原理は1990年代から明らかになり、その評価手法が確立されている

BLI ー 原理・評価手法 BLIは、境界層の速度が遅い部位から空気を吸い込み、後方の速度が遅い部位へ空気を噴出するため、必要なDRELA (2009～2017) パワーが少なくて済む（推進効率がよくなる）効果がある

BLI ー 原理・評価手法 BLIは、境界層の速度が遅い部位から空気を吸い込み、後方の速度が遅い部位へ空気を噴出するため、必要なその他パワーが少なくて済む（推進効率がよくなる）効果がある

空間の速度・圧力等の分布を積分して、パワーのバランスを評価
参考文献[2]

参考文献[3]

BLIなし

参考文献[2]

参考文献[1]

胴体上方
機体による損失大

BLIあり

機体による損失小基本的な考え方：

推進器は機体の境界層を吸い込み、再加速する

同じ力でより少ない後流及び運動エネルギーが推進器により流れに与えられることが必要→ より少ないパワー→ 少ない燃料消費

メリット
機体による損失：減

BLIあり
デメリット
一部
機体による損失：微増（正味の推進パワー）＝（機体による損失）＋（推力による仕事率）

推進効率

主翼内部

主翼上方 胴体全周

BLIなし
推進効率5％増□
BLIあり

本図は解析結果であり、実験結果を p15 に示す
本手法の特徴本手法はすべてを考慮できる
・すべての方向の速度、圧力等・推力による「前方物体による速度低下」への影響
ただし、速度及び圧力分布等を設定する、流体力学解析又は実験が必要

参考文献 [1] MIT, Drela, Power Balance in Aerodynamic Flows, AIAA2009-3762[2] MIT, Hall, Boundary Layer Ingestion Propulsion – Benefit, Challenges, and Opportunities, 5 th UTIAS Workshop on Aviation and Climate Change, 2016[3] MIT, Hall, Drela, et al, Boundary Layer Ingestion Propulsion Benefit for Transport Aircraft, JPP Vol. 33, No.5, 2017

BLIの効果を単純化して説明

参考文献[1]
Univ of Cambridge, Sargeant, Performance of a BoundaryLayer Ingesting (BLI) Propulsion System, AIAA2007-450
参考文献[2]Bauhaus Luftfahrt, Concept study “Propulsive Fuselage“

45

胴体

BLI ー 適用例

主翼内部□
パワー6％減

推進効率

BLIなし

BLIの適用形態と効果のイメージ
全翼機上方パワー低減係数空間のパワーを積分して、パワーのバランスを評価

パワー比（BLIあり／BLIなし）

参考文献[1]★ 電動航空機が BLIを適用する形態は様々であり、機体と電動ファンのブレンドが鍵★ BLIの効果は数％～15％のCO2排出量削減

垂直尾翼【参考】 現代機とBLI適用例（1/2）
機数

エンジン
主翼

Narrow Body
Single Aisle 単通路機

Wide Body
Twin Aisle 双通路機

水平尾翼

Narrow Body

水平･垂直★ 機体の構成：主翼、尾翼、胴体、エンジン★ Narrow Body と Wide Body
Single Aisle

Twin Aisle

座席数：小座席数：大単通路

Wide Body

座席数 →参考文献は次ページ以降参照

6

737, A320 737, A321 777, 787,777
747, A380↓
A330, A350 ↓↓↓STARC-ABL NOVA-BLI
Propulsive BWB-450↓Fuselage
SUGAR Freeze D8
N3-X
T-BLI+
参考文献 JADC, 民間航空機に関する市場予測 ２０２０－２０３９, http://www.jadc.jp/files/topics/157_ext_01_0.pdf
現代機↓BLI適用例

双通路7

【参考】 現代機とBLI適用例（2/2）

BLI ー 適用例（1/11）

座席数

ｺﾝﾎﾟｰﾈﾝﾄ

ﾊﾟﾜｰ密度Propulsive
Fuselage

2/3〇〇 N3-X70％
運動量損失を取り込む比率

p1のハイブリッド電動化①

1/3〇
T-BLI+〇 〇STARC-ABL
SUGAR Freeze
T字尾翼
7408 km

14816 km航続距離8参考文献 JADC, 航空機関連データ 第Ⅶ章, http://www.jadc.jp/files/topics/44_ext_01_0.pdf

BLI ー 適用例（2/11）

BLIファン
参考文献 [1] NASA, Overview of
the NASA STARC-ABL (Rev. B)
Advanced Concept, 2017

燃料消費・CO2排出量削減 3.4％（2030年代機比）
BLIによる削減 記載なし
参考文献 [2] NASA, Turbo- and Hybrid-Electrified
Aircraft Propulsion Concepts for Commercial
Transport_AIAA2018-4984

境界層の速度分布

9

BLI ー 適用例（3/11）

NASAプログラムからBoeingが検討、長い主翼をトラスで支持、胴体尾部に超電導ファン、電源は燃料電池
2030年代機
BLIなし

T-BLI+ 欧州のClean Skyプロジェクトで独 DLRが検討、STARC-ABLと同様の構想

SUGAR Freeze
BLIあり

T字尾翼

BLIファン

燃料消費の変化

1852 kmSUGAR Freeze

50％

機体表面からの高さ

NOVA-BLI
D8

伝達効率131316kW/kg

BWB-450〇★ Narrow Body と Wide Body
座席数：小
座席数：大
航続距離：小航続距離：大NASAが検討、胴体尾部に電動BLIファンを１基配置、電源は主翼翼下のジェットエンジン＋発電機
文献[2]STARC-ABL
2030年代機境界層を吸い込む厚さ比

STARC-ABL

文献[1]

T-BLI
0.8％

TBLI+
1.4％

現代機

T-BLI

TBLI+

現代機のＴ部翼機

T字尾翼

重量増による損失

長い主翼

トラスで支持燃料消費削減の内訳

1.4％

パワー低減係数
3.8％（BLIによる削減）

LNGガスタービン＋燃料電池

超電導BLIファン

61%

9%
燃料消費・CO2排出量削減 61％（2030年代機比）
BLIによる削減 9％10
参考文献 NASA, Subsonic Ultra Green Aircraft Research Phase II: N+4 Advanced Concept Development, 2012

A320neo
推進電動化システムに2020年の技術を適応推進電動化システムに将来の技術を適応伝達係数による損失

燃料消費・CO2排出量削減 1.4％（現代機のＴ尾翼機比）
BLIによる削減 3.8％
11
参考文献 DLR, Multidisciplinary Investigation of Partially Turboelectric, Boundary Layer Ingesting Aircraft Concepts, AIAA2020-0504

BLI ー 適用例（4/11）
Propulsion Fuselage

BLI ー 適用例（5/11）

独 Bauhaus Luftfahrtが検討、BLIジェットエンジンを胴体尾部に１基配置
2030年代機

BLIなし

TailWind

米スタートアップ Ampaireが検討、小型機（９人乗りのジェネアビ機）でBLIを適用、バッテリーによる完全電動

BLIあり

BLIなし

胴体による損失大胴体による損失小

BLIあり
T字尾翼

電動BLIファン
尾翼なし

BLIジェットエンジン

BLIなし

BLIあり
パワー 5％減BLIによる削減

42%

14%
燃料消費・CO2排出量削減 100％
燃料消費・CO2排出量削減 42％（2030年代機比）
BLIによる削減 5％
BLIによる削減 14％ 12 参考文献 Ampaire, Development of a Ducted Propulsor for BLI Electric Regional Aircraft - Part I: Aerodynamic Design and Analysis, AIAA2019-3853 13
参考文献 Bauhaus Luftfahrt, Distributed propulsion and ultra-high by-pass rotor study at aircraft level, 2015

BLI ー 適用例（6/11）

BLI ー 適用例（7/11）

NOVA-BLI 仏 ONERAが検討、 BLIジェットエンジンを扁平胴体尾部側方に２基配置

D8
文献[1]

T字尾翼

π 字尾翼
BLIあり

BLIによる削減
扁平胴体実験模型
文献[2]

文献[4]
燃料消費削減の内訳

本図はp4の解析結果に対する実験結果
BLIなし実験外観

現代機

パワー係数

BLIジェットエンジン

パワー低減係数

扁平胴体

NASAプログラムからMIT及びAuroraが検討、BLIジェットエンジンを扁平胴体尾部上方に２基配置、実験で評価
文献[3]BLIなし
BLIジェットエンジン

D815%

パワー8.6％減
推進効率5％増

BLIあり

推力 － 抵抗 ＝66%

実験結果
推進効率

燃料消費・CO2排出量削減 記載なし
参考文献 [1] Aurora, Design and Development of the D8 Commercial Transport Concept, ICAS 2018
燃料消費・CO2排出量削減 66％（現代機比）
BLIによる削減 5.2％
[2] MIT, Boundary Layer Ingestion Propulsion – Benefit, Challenges, and Opportunities, 5 th UTIAS Workshop on Aviation and Climate Change, 2016
BLIによる削減 15％
参考文献 ONERA, Development of NOVA Aircraft Configurations for Large Engine Integration Studies, AIAA2015-2254[3] MIT, Boundary Layer Ingestion Propulsion Benefit of the D8 Transport Aircraft, AIAA J Vol. 55, No.11, 2017
1415
ONERA, Development of NOVA Aircraft Configurations for Large Engine Integration Studies, 2017[4] MIT, Boundary Layer Ingestion Propulsion Benefit for Transport Aircraft, JPP Vol. 33, No.5, 2017

BLI ー 適用例（8/11）
文献[1]

BLI ー 適用例（9/11）

BWB-450 NASAプログラムでBoeingが検討、全翼機の尾部上方にBLIジェットエンジンを３基配置
文献[2]
BLIなし

N3-X
BLIジェットエンジン

NASAが検討、全翼機の尾部上方に超電導BLIファンを多数配置、電源は主翼翼端のターボエンジン＋超電導発電機

全翼機

BLIなし

BLIあり

超電導BLIファン
ターボエンジン超電導発電機

燃料消費削減の内訳

全翼機（主翼と胴体を一体化）

超電導化
推力分散
BLI35％

BWB-450

現代機

42%

機体の後方で境界層は大きくなる

5.5%

境界層

1－(1－0.42)×(1-0.055)＝0.45
燃料消費・CO2排出量削減 45％（現代機比）
BLIによる削減 5.5％
参考文献 [1] Boeing, DESIGN OF THE BLENDED-WING-BODY SUBSONIC TRANSPORT, AIAA2002-0002[2] Boeing, Blended Wing Body Systems Studies: Boundary Layer Ingestion Inlets With Active Flow Control, NASA/CR-2003-212670

16

BLI ー 適用例（10/11）

水素ガスタービン＋燃料電池＋超電導発電機＝ 推力 － 抵抗

全翼機

参考文献 NASA, Turboelectric Distributed Propulsion in a Hybrid Wing Body Aircraft, 201172％（現代機比）

燃料消費・CO2排出量削減 72％（現代機比）
BLIによる削減 4％以上 17

BLI ー 適用例（11/11）
旅客機TRA

エミッションフリー航空機 JAXAが検討、全翼機の尾部に超電導BLIファンを多数配置、電源は主翼翼根の水素ガスタービン＋燃料電池＋超電導発電機
解析結果
超電導BLIファン

BLIによる削減
後方への推力4％

境界層

JADCが検討、胴体尾部に電動BLIァンを２基配置、STARC-ABLに基づく構想

T字尾翼

実験結果

BLIなし
BLIによる削減8％超

BLIあり

胴体による損失大胴体による損失小電動BLIファン２基としてファン径を小さくして境界層の速度が低い空気を吸い込み推進効率を向上← 胴体による損失大

BLIなし

パワー
実験模型

BLIなし

BLIあり

← 胴体による損失小

機体の特徴

BLIあり

実験外観

燃料消費・CO2排出量削減 100%
BLIによる削減 8％超

参考文献 JAXA, 岡井等, 推進ファン埋め込みによる機体エンジン統合効果の実験・数値解析による評価, 第58回飛行機シンポジウム 2020年11月

システム図18

燃料消費・CO2排出量削減 2～5％（2030年代機比）
BLIによる削減 記載なし

参考文献 JADC, 山北等, 推進電動化による技術革新旅客機の構想検討, 日本機械学会誌, 2020年11月

19BLI ー まとめ

BLIは、境界層の速度が遅い部位から空気を吸い込み、後方の速度が遅い部位へ空気を噴出するため、必要なパワーが少なくて済む（推進効率がよくなる）効果がある

本誌は、電動航空機における境界層吸い込み（BLI）の概要として、以下を示した
なぜ、必要か★ 電動航空機は電動ファンを追加し、BLIを適用することで効率が向上する

原理・評価手法★ BLIの原理は1990年代から明らかになり、その評価手法が確立されている

適用例★ 電動航空機がBLIを適用する形態は様々であり、機体と電動ファンのブレンドが鍵★ BLIの効果は数％～15％のCO2排出量削減

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