流れ制御デバイスを用いたフィルム冷却の高効率化に関する研究－高密度比条件におけるデバイス最適形状検討

摘要

ガスタービンには更なる高効率化が求められている。高効率化を達成するために有効な手法としては，圧力比の上昇と共にタービン入口温度（TIT)の上昇が挙げられるが，後者は同時に燃焼器下流に位置する高圧タービン部の熱負荷増加を招く。したがってタービン翼の冷却技術は系全体の高効率化に対し必須となるが，中でも熱負荷の増大に対して優れた遮熱効果を持つフィルム冷却技術の適用は不可欠である。フィルム冷却については，過去数十年に渡り様々な研究がなされておりHavenらはCRVP (Counter Rotating Vortex Pair)と呼ばれる渦構造が冷却空気の被冷却領域への付着性を著しく低下させることを示した。このことから，CRVPを抑制するために数多くの流れ場制御手法が過去の研究で提案されている。本研究では岩手大学が特許取得に成功した三次元形状の流れ制御デバイス（Double Flow Control Devices: DFCD)を冷却孔上流に設置することでフィルム冷却における流れ場を制御し，フィルム冷却性能向上を図っている。DFCDはこれまでFunazakiらにより密度比DR=0.85条件，誤差要因を吹き出し比BR=0.5, 0.75, 1.0 とし，実験·数値解析の両者を使用した形状最適化や密度比DR=1.53,吹き出し比BR=1.0条件下における数値解析を使用した形状最適化が行なわれてきた。しかしガスタービン実機は高DR条件であり，高吹き出し比を作動条件とする冷却孔も多く存在することから，本条件下における形状最適化はガスタービン実機適用を目指す上では必須項目であるといえる。そこで本研究では，最適化評価指標に面平均フィルム冷却効率を選定し，数値解析による調査，実験的調査の両者から高密度比DR=1.53,高吹き出し比BR=1.5条件下でのDFCD最適形状の導出及び最適形状の性能評価を実施した。