動静翼干渉によるタービン動翼ミッドスパンの非定常流れ

摘要

小型セラミックガスタービンやマイクロガスタービンでは，高温化による粘性係数の増加や翼列の小型化によって，レイノルズ数が低下する。 例えば，300kW級産業用セラミックガスタービンのタービン翼列のレイノルズ数は10{sup}4オーダであり，従来のガスタービンより一桁以上小さい。 低レイノルズ数域では，境界層の層流域と遷移域が増えて剥離が発生し，翼列性能が低下する。 小型の航空用ガスタービンを空気密度の低い高空で運転する場合にも，同様の低レイノルズ数化の問題が生じる。 SchulteらとMurawskiらの直線翼列での実験では，レイノルズ数が10{sup}4オーダに低下すると，翼負圧両側の後半部分で流れが剥離して，形状損失が急激に増加した。 Bonsらは翼面から間欠的にジェットを吹き出す方法を用いて，低レイノルズ数域での剥離を抑える研究に取り組んだ。 低レイノルズ数流れに対する信頼性の高い数値解析は難しいので，CFDコードの検証のためにも定量的な比較のできる詳細な実験データが求められている。 一方，本来のタービン翼列の流れは，静止翼列と回転翼列の空気力学的干渉（動静翼干渉）により，複雑な非定常流れになる。 図1の速度三角形のように，ウェークと主流の速度差は，絶対流れから相対流れへ変換する際，Slip Velocity (Negative Jet)として現れ，下流の翼列に影響を及ぼす。 Hodsonらは，非定常数値解析でNegative Jetを調べた。 前述の低レイノルズ数流れの研究は，全て直線翼列の定常流れを対象にしているので，実際のタービンに近い環状翼列で動静翼干渉を含んだ流れを調べる必要がある。 しかし，回転するタービン動翼内部の非定常流れの報告は，計測の困難さから非常に少なく，特に，低レイノルズ数域の非定常流れは皆無である。 本研究では，低レイノルズ数域で作動するタービン動翼のミッドスパンにおける非定常流れを，レーザードップラ流速計(LDV)によって測定した。 絶対座標系と相対座標系の両方から流れ（速度，流れ角，乱れ度，渦度，レイノルズ応力など）を観察し，静翼のウェークが下流のタービン動翼内部の流れに及ぼす影響を調べた。