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日本ガスタービン学会誌

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No.3

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特集：歴史に見るガスタービンの発達プロセス

Whittle Turbojetの開発
MEHER-HOMJI, Cylus B.＊1
Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 120 (1998-4) pp. 249-256. Copyright © 1998 by ASME

裕＊2

(抄訳) 岩井IWAI Hiroshi

Keywords：Frank Whittle, Turbojet．はじめに（RAE）の優れた科学者であり1920年代に空力理論の発.

展に寄与したA. A. Griﬃth博士はガスタービンの発展に歴史的背景

タ ー ボ ジ ェ ッ ト 革 命 は イ ギ リ ス のFrank Whittle卿

重要な役割を果たしたが，彼も当初はWhittleのコンセと ド イ ツ のHans von Ohain博 士 に よ っ て も た ら さ れプトに否定的だったため，最も重要な時期に政府支援をた。彼らの功績は，Constant（1980），Schlaifer（1950），遅らせる結果を招いた。

von Ohain（1979），Scott（1995），Jones（1989）に詳しい。高度3万フィートで500mphを超える飛行速度を達成.

することを思い描いたこの二人のパイオニアは，学生時

Cranwellの英国空軍大学（Royal Air Force College）

Whittleの初期の仕事

代に得た画期的な着想を，当時の航空用エンジン会社のに通う飛行士官候補生であったWhittleは，1928年に書援助を受けることなく実現させた。Whittleのジェット

い た 論 文 ｢Future Developments in Aircraft Design｣

エンジン開発を歴史に組み込むためには，第二次世界大の中で，ピストンエンジン駆動の圧縮機を利用して燃料戦前のガスタービン分野での理論的および実際的な開発ジェットに空気を吹き込み，生成された高温空気を，推状況を知ることが必要だ。

進ノズルを通して排出する推進コンセプトを提案した。

ジェット推進の歴史はアレキサンドリア（西暦60年1929年10月には，圧力比を増加させてピストンエンジン頃の）のHeronの反動タービンの発明に始まる。1791をタービンに置き換えられることに気づき，このコンセ

年，John Barberはガスタービンで駆動するWatt式ビープトを英国航空省に持ち込んだ。しかし査定を担当しム機関を発明した。20世紀に入ると，米国ではGEのたGriﬃthは，Whittleのエンジンのシンプルさを見誤り，Sanford Moss（訳注：原文ではStirling Mossとなってその実現可能性を否定してしまった。

いるが誤記と思われるので訂正）が試作したものの性

1930年月16日Whittleは特許（Patent 347206）を申能が出ず（1907年），その後，航空機ピストンエンジン請した（図）が，航空省はわずか5ポンドの更新料を用のターボチャージャーへと展開した。フランスでは支払わず，彼はこの特許を失うこととなった。それでも1906年にC. LemaleとR. Armengaud（Societe Anonyme

彼は粘り強く目標へと突き進み，1935年

des Turbomoteurs）がにWUと呼ばれる実験用ターボジェットの特許（Patentパーセントの効率を達成した。

月18日，のちチューリッヒのBrown Boveri社では，1905年から1940年にかけていつくかの先駆的なガスタービンが建造された。1919年に，イギリスの航空省は，ガスタービンの航空機推進利用の見通しについてW. J. Stern博士に調査を依頼した。彼の仮定には欠点があったため，その報告書は否定的な内容となり，それが後にWhittleにとっては逆風となった。英国Royal Aircraft Establishment＊＊

原稿受付 2008年 月15日
Bechtel Corporation, Houston, TX 77056‑2166
京都大学大学院工学研究科航空宇宙工学専攻〒606‑8501 京都市左京区吉田本町
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図ー2ーWhittleの特許図面（1930年月16日）

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Whittle Turbojetの開発459980）を申請した。このエンジンは高強度アルミ合金

1937年月12日に，WUエンジンの最初の運転が行わ製で30ベーンをもつ直径19インチのダブルエントリー圧れた。図は最初の実験用エンジンとその試験台のイラ縮機を採用した。圧縮機は，17,750rpmで作動する直径ストである。このエンジンには，大きなヘリカル型燃焼16.4インチのタービンで駆動され，質量流量26lb/s，圧器が採用された。試運転では，圧縮機とタービンの効率力比は4.4であった。Whittleは，小容積で大きな発熱をはともに設計値に到達しなかった。またこのエンジンは，達成しなければならない燃焼器の開発が，最も大きな技

例えば1万2000rpmで圧縮機インペラーがケーシングを術的課題であると認識していた。そして1936年

こすり1.5秒でエンジン停止に至るなど，一連の事故に

月，自身がチーフエンジニアとなり，Power Jets Ltd.を苦しんだ。

万WUエンジンの最初の試験が1937年ポンドの資本で起こしたのである。

月に終了したのち，BTHは，圧縮機ディフューザの改良，新しい燃焼．Whittleエンジンの歴史システム，フリーボルテックス設計法に基づくタービン.

翼の改良などの改造を行った。

WUエンジンの設計開発

1936年

実験用エンジンの第月に，RugbyのBritish Thomson-Houston 社バージョンは1938年

月と（BTH）がWUの詳細な設計と建造を行うための契約を月に試験が行われ，フリーボルテックス法に基づき獲得した。厳しい財政状況のためWhittleには要素試験

Whittleによって設計されたタービンが84%の効率を達を行う資金はなく，大きなリスクを負ってでもいきなり成した。しかし第エンジン試験を行わなければならなかった。初期の燃焼大な問題が残っており，わずか実験は，図に示すような非常に粗雑な装置で行われた。

バージョンの燃焼システムにまだ重実験用エンジンの第時間の運転に終わった。

バージョンでは，10個のカウンターフロー燃焼器が採用された。図はエンジンのレイアウトである。燃焼器を複数にしたことで，そのひとつの燃焼器についてのベンチテストをBTH所有のブロアを利用して行うことが可能になった。1938年から1940年
まで，投入前の燃料を蒸発させる手法で，燃焼実験が集中的に行われた。1940年10月，アトマイザバーナーとフレームチューブが設計され，十分な性能を達成した。

図

BTHの工場の燃焼試験リグ（Whittle, 1945）

図.

つめの実験ユニットレイアウト

W.1X からW.2Bまでの設計

1939年

月，Power Jets社は航空用エンジンW.lの契約の約束を取り付けた。1939年8月に，Gloster Aircraft
社はW.l搭載の実験航空機を設計する契約を獲得した。
1939年末，W.1の開発が継続中であったにもかかわらず，政府はより野心的なW.2の開発費を払うと約束した。双発のGloster Meteor戦闘機に搭載することを考えてのことであった。
W.lの開発は1939年月に開始した。1940年12月にはW.lXと名づけられた最初のエンジンのテストが始まった。その経験を元に設計されたW.lエンジンは図
図E28/39ジェット機に搭載され，1941年

最初の実験用エンジンモデル

ー3ーの月15日，テス136

Whittle Turbojetの開発た。同年.

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月には推力1755lbを達成した。

Whittle型ジェットエンジンの生産者としてのRolls Royce

航空機用レシプロエンジンでは長い歴史を持つRollsRoyceであったが，Griﬃth博士と組んだガスタービンでは苦戦していた。Rolls Royceは1942年にRoverのジェッ図

トエンジンを引継ぎ，そのスタッフと施設を手にするこWhittle W.1を搭載したGloster E28/29実験機（ Squirt. の名で知られる英国で初のジェット機)ととなった。W.2B/23はRolls RoyceRiver級の最初のジェットエンジンでありWellandと名づけられた。図はWellandを搭載したMeteorである。Wellandは1943
年に生産が開始され（推力1600lb，重量850lb，燃料消費 率1.12lb/hr/lb）， 最 初 のMeteorは1944年月， ド イツに対して実戦投入された（Shacklady, 1962）。

図W.1Xのインレット部分（このエンジンは現在，Smithsonian Air and Space博物館に展示されている）

ト パ イ ロ ッ トJerry Sayerに よ る17分 間 の 初 飛 行 に 成

図功した。この成功は英国政府にはずみをつけ，Gloster

Rolls Royce製Whittle W.2エンジン 機を搭載した
Gloster Meteor (高度 万フィートにて最高速度410mph)

Meteor用の生産エンジンとしてのW.2Bの開発計画を決定的なものとした。図は W.1Xのインレット部である。

過給機の経験に基づいて，Rolls RoyceはWellandの流政府はPower Jets社には量産の体制が整っていないと量を40%増加させられると感じていた。時間的制約から考えたため，1940年初頭，エンジン生産の契約はRover

Wellandと同じ圧縮機ケーシングを使わなければならなCompanyに与えられた。1940年月にはW.2エンジン

かったが，W.2/500を改良した新しいインペラー，Rollsのプロトタイプの図面がRoverに手渡された。しかしRoyceによる新しいディフューザ，タービンのスケールその直後に行った詳細な解析の結果，Whittleはその設アップによって推力を25%向上させたDerwent Iは（推計に明らかな誤りがあることに気づき，すぐに修正版

力2000lb），500台が生産された。
W.2/500の開発後，Power Jet社の活動はRolls RoyceであるW.2Bに取り掛かった。1941年秋には，RoverはBarnoldswickに工場を設立しW.2Bの生産を始められるから離れていった。図ところまできたが，不幸にも技術的および政治的な問題として知られる全く新しいディフューザが導入された。

が発生した。

これによりWhittleが目指していた圧縮機効率80%が達成された（圧力比

技術面では，最初のW.2Bは推力1000lbを超えるとサーわずかジングが生じ，またタービン翼の損傷も見られた。政に示すW.2/700には，タイプ16）。最初のW.lによるテスト飛行から年で，Power Jets社はエンジンサイズを変え治的には，Rover側が独自に設計変更を行うことについての見解の違いから，Power Jets社とRoverの関係が急速に悪化した。結局，Power Jets社の活動はR&Dに特化され，生産エンジンについての権利は剥奪されることとなり，RoverはPower Jets社の承諾なしに設計変更を行うことが可能となった（1941年秋）。同年12月には，Rolls Royceのコンサルトも受けて設計されたW.2B
Mark IIの試験が行われ，推力1510lbを達成した。
.

Power JetsとW.2/500

1942年

図

月，Power Jets社は新たにW.2/500を設計しー4ー

W.2/700エンジンの試験データ(Power Jets社で製造された最後のエンジン)

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ることなく推力を137

Whittle Turbojetの開発.

倍にすることに成功した（Whittle,二重面（Double-Sided）遠心圧縮機二重面の遠心圧縮機はサイズに比して大きな流量を得1954, Appendix参照）。
1944年Power Jets社は国有化されたが，それは士気のるための選択だった。最初の実験用エンジン（WU）で大いなる低下をもたらした。Whittleはエンジン開発こは，圧縮機チップ径19インチであり，ブレードは可能なそが目標であるべきと考えたが，Power Jetsを研究開発限り多くとられ，30枚であった。

（R&D）の組織であるとみなし，これに満足する者もいた。
1945年

.

月 にWhittleはPower Jets（R&D） の 理 事

リバースフロー燃焼器

Whittleが開発初期にリバースフロー燃焼器を採用し会メンバーになった。英国のガスタービン発展のため
Gas Turbine Technical Advisory and Coordinating

た理由はいくつかある。

Committeeが設立されたのはこの時である。この年にな⑴シャフトが短くなるので軸受けが個ですみ，たわみ継手が必要なくなる

るとPower Jetsには実験用エンジンを設計・製作する権利がなく，基礎研究と要素開発に集中することを期待⑵圧縮機とタービンの間の伸縮継手を排除するされていることが明らかとなった。1946年⑶

月22日に，次燃焼領域へ空気を一様に供給する⑷タービン翼を火炎による直接熱放射から守る

WhittleはPower Jets（R&D）の理事会から退いた。彼が予見したとおり，英国でジェットエンジンを開拓した
Power Jets社の優秀な技術者たちは，ガスタービンに取.

り組んでいる他の会社に移っていった。

Whittleは，BTHの技術者が渦理論に基づいてタービタービン翼の渦設計

Whittleの エ ン ジ ン の 基 本 的 特 徴 はRolls Royceに もンを設計していると考えていたが，実際にはそうではな継承された。Stanley Hooker博士によって設計されたかった。若きWhittleがこの手法を強く主張したことで，Neneはある程度の新しい特徴を持っていたが，それで彼との関係が険悪になったBTHの技術者もいたようだ。

も割はPower Jetのアイデアと言ってよい。このエンジンは推力4500lbを達成し，小型版であるDerwent Vも．米国でのWhittleエンジン作られた。図

第二次世界大戦後，英国航空研究評議会の委員長ではRolls Royce Neneである。

あったHenry Tizard卿はジェットエンジンの技術を合衆国と共有するよう提案した。当時，米国軍情報部は英・独双方のジェット技術に注目していた。技術調査の た め に 英 国 を 訪 問 し たHap Arnold少 将 は，1941年月に英国にジェット技術を求める正式な要請を行った。1941年月21日にGEのRoxby CoxとRoy ShoultsはLadywood工場とGloster工場を訪問し，米国でこのエンジンを量産することが決定した。エンジンの生産をGEが，ジェット戦闘機の試作機の製造をBell Aircraftが図

Stanley Hookerが設計したRolls Royce Nene
（Whittleのデザインに強く影響されている）．Whittleのエンジンの技術的特徴
Whittleは，ジェットエンジンの開発を成功させるためには，その設計はシンプル，ロバスト，かつ迅速な開発が可能なものでなければならない，ということをよく理解していた。実際，彼のデザインは，設計や組立てのシンプルさと軽量であることにおいて傑作であった。彼
は設計の全体的なレイアウトは変更せず，外直径42インチを維持しつつ，推力を850lbから2400lbまで向上させた。Rolls Royce Wellandも始めはリバースフロー燃焼器を採用しておりW.2Bに類似したエンジンであった。
Derwent用にストレートスルー式に変更されたのは後になってのことである。

図10

ー5ー

GEのRoy ShoultsがBell Aircraftの技術者にWhittleエンジンの基礎を説明したときのスケッチ (Ford, 1992)

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Whittle Turbojetの開発行うこととなった。図10は1941年

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月にRoy ShoultsがBellの設計者たちにWhittleのエンジンの説明するために画いたスケッチである。
1941年10月日，W.IXが米国へ空輸され，GEのLynn

Massachusetts工場に到着した。それからわずかヶ月の間にGEの技術者はこのエンジンにいくつかの変更を施した。1942年

月にGEはI-Aと名づけられた台のエンジンをBell Aircraftに届けた。W.IXが英国を出発した
ちょうど年後の1942年10月日，Bell P-59が初飛行に成功した。米国における初期ジェットエンジンについてはFord（1992）が参考になる。

．失敗を通した工学的成功
図13

エンジン開発の歴史をこのように簡潔に書くと，エンジン開発は簡単で論理的なものだという印象を与えてW.2/800エンジンのキャンベル線図，タービン翼温度700℃（Vosey, 1945）しまうかもしれない。しかし決してそんなことはなく，Whittleと彼のチームは，数多くの問題を，最小のリソースと資金，そして常に厳しい時間的制約の中で乗り越えなければならなかった。彼らが直面した深刻な問題のいくつかを以下に示す。
.

インペラー，タービン翼，およびディスクの損傷

インペラーの振動とクラックについての問題がW.2/500から見られるようになった。Whittleは，たと

図14

ディスクの損傷

え短い間でも，共振速度での運転は図11のような共振クラックを生じさせることを明らかにした。図12はインペラーの損傷が原因で破壊されたW.2/500である。同様の問題は翼長を増したW.2/800のタービン翼でも生じた。これに対応するため，インペラーとタービン翼の振図11

動を解析する重要な手法がいくつか開発された。図13はインペラーに生じたクラック位置（Vosey, 1945）

W.2/800のキャンベル線図である。
De Laval型翼根を採用していた初期のディスクは図14のような損傷を被りやすかった。のちにクリスマスツリー型の採用と翼材料の変更でこの問題は解決された。
.

燃焼問題

最初の実験用エンジンの燃焼器はホットスポットや不適切な熱分布といった問題を抱えていた。Whittleは気化器と単一燃焼室からなる燃焼器を採用し，非常に多くの実験を繰り返し行った。Whittleが燃焼の問題と格闘していた1940年秋，Shell Fulham LaboratoryのIsaac
Lubbockはアトマイザを利用する燃焼器を開発した。
Power Jets社はこの燃焼器の開発を続け，それから燃焼図12の問題は減少した。これらの燃焼器を図15に示す。また

W.2/500エンジンでの圧縮機インペラーの損傷

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Whittle Turbojetの開発

図17

図15 （a）気化式燃焼器，（b）アトマイザ付Shell型燃焼器 (Whittle, 1945)

Frank Whittle卿（Whittle, 1954）

研 究 教 授 と し て 勤 務 し た。 そ こ で 彼 はGas Turbine
Aerothermodynamicsの 教 科 書 を 執 筆 し た（Whittle,1981）。Frank卿 に は，つの名誉博士号を含む多数の名誉が世界中から与えられたほか，英国王立協会のFellowshipに 選 出 さ れ た。 彼 はASMEのTom SawyerAwardも受賞した。Whittleは27の特許を持ち，その中には，高バイパス・エンジン（ターボファン）や，油田で使用されるターボドリルなども含まれている。Frank
Whittle卿の詳細な伝記をGolley（1987）が書いている。

参考文献

図16

Power Jets社製W.1Xエンジン

図16はW.1Xの燃焼器と排気部である。

．Frank Whittle卿，ジェットエンジンの共同発明者
Frank Whittle卿（図17）は1907年 月 日にCoventryで生まれ，16歳で英国空軍の見習いになった。彼は一生を通じて好奇心が強く熱心な読書家だった。学生のと き に 彼 は「Steam and Gas Turbines（Stodola著 ）」に 出 会 っ た。 そ の 後， 彼 はCranwellのRAF（RoyalAir Force） 大 学 で 士 官 候 補 生 と な っ た。Cranwellでは タ ー ボ ジ ェ ッ ト の 土 台 と な る 論 文 を 準 備 し，1932
年にその内容で特許を得た。1936年

月にPower Jets社を立ち上げ，1937年には最初の運転試験を行った。
Gloster E29/39に よ る 初 飛 行 は1941年月15日 で あ った。1948年にはナイトの爵位を授けた。1948〜52年の間，彼は英国のOverseas Airway社や様々な石油会社の コ ン サ ル タ ン ト を し て い た。1976年 に 米 国 へ 移 住し，Annapolis（Maryland）の米国海軍兵学校のNavairー7ーBoyne, W., and Lopez, D., eds., 1979, The Jet Age: 40 Yearsof Jet Aviation, Smithsonian Institute, Washington.
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注：．何れのエンジンも回転数は17,500rpmである。エンジン径も同じである。
．W.2/700のデータは最終版のものである（Nimonic 80ブ
レード，ブレード高さ3.63インチ，流量47.15 lb/s）

ー8ー