非定常流動特性を考慮したターボ機械性能向上技術：ガスタービンの非定常流動特性と性能向上技術

摘要

現在、化石燃料を用いた発電方法として、ガスタービンと蒸気タービンを組み合わせた複合発電サイクルが主流であるが、数年前から顕著となった燃料価格の高騰と、CO{sub}2問題に代表される環境への配慮から、ますますガスタービンへの性能向上の要求が高まっている。 熱サイクル性能向上のためには、燃焼温度の向上が不可欠であり、Fig.1に示すように、年々高温化が進んでいる。 ガスタービンの高温化に伴い、エミッションのコントロールのための燃焼技術と、高温に曝されるタービンの冷却技術とともに、空力性能の高度化が重要である。 特に、高温化に伴い、タービン効率がシンプルサイクル及びコンバインドサイクルの効率向上に寄与する割合が増加したこと、及び空力/冷却設計間の高度な最適化が要求されることから、冷却面も考慮した新しい空力設計技術の開発が行われている。 更に翼の冷却·構造設計の信頼性を高めるには、設計境界条件の精度向上が必要であり、CFDによるタービン流れ計算や、非定常性を考慮した設計技術が不可欠である。 ガスタービンメーカーでは、長年にわたりこれらの技術の高度化と利用ノウハウの蓄積に取り組んできており、近年では従来の定常流れ解析に加え、非定常流れ解析技術あるいは翼列流れとキャビティを含めた二次流れ系統とを一体として解く大規模解析技術等を実用化している。 Fig.2に、ガスタービンの各コンポーネントに対するCFDの適用例を示す。