2019 Fiscal Year Research-status Report
The influence of non-axisymmetric geometry on the generation mechanism of rotating stall in a centrifugal compressor and the experimental validation
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19K14894
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
藤澤 信道 早稲田大学, 理工学術院, 講師(任期付) (10778153)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 遠心圧縮機 / ターボ機械 / 旋回失速 / 内部流れ / CFD |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、遠心圧縮機の幾何形状および流入条件がもたらす非軸対称性により発生する旋回失速の発生機構を解明し、失速の初生構造を実験により検証することを目的とする。
羽根車下流に渦型室を持つ遠心圧縮機は本質的に非軸対称であり、さらに実用下では、圧縮機入口で偏流・乱れなど非一様な流入となることも少なくない。このため、作動範囲を制限する旋回失速の発生予測は困難であり、発生構造の普遍的な理解も無い。そこで、１．実機試験により、渦型室により形成される不均一な圧力場および非一様流入条件が旋回失速の初生に与える基本特性を調査する。さらに、２．数値解析により、失速の初生位置およびその発生構造を明らかにし、遠心圧縮機特有の非軸対称条件下での汎用的な失速形成モデルを提案する。３．新たに壁面境界層内のせん断応力を測定する手法を確立・導入し、圧力計測と組み合わせることで、解析により明らかにした失速形成モデルを実験により検証する。
本年度は，遠心圧縮機全周を対象とした大規模DES解析の結果より、失速点に陥ると舌部を起点とした時計回りに90°離れた位置において、ディフューザ壁面ハブ側からの境界層剥離に起因して、ディフューザ失速が初生していることを明らかにした。さらに、失速セルが旋回するにつれてディフューザ内部の逆圧力勾配の影響により、ハブおよびシュラウドの交互に発生する境界層剥離とともに失速セルは大きく拡大する。最終的に、失速セルは舌部近傍における逆圧力勾配が低下するため、失速セルは縮小および消滅することが分かった。
さらに実機試験からも、数値解析と同様に舌部を起点とした時計回りに90°離れた位置においてディフューザ失速がハブ側で初生し、羽根車回転方向に拡大するとともに規模が大きくなることを確かめた。加えて、ディフューザ失速は渦型室の圧力分布により旋回速度を少しずつ変化させながら旋回していることが分かった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
数値解析においては、ケーシング領域を含めた大規模解析の数値コストが高く失速セルの発現には時間を要すると予想していたが、比較的順調にデータを取得できた。実機試験では、流速孔および圧力孔の追加加工が順調に進み、予定を上回るスピードでデータ取得が実行できた。一方で、新しくせん断応力計測のための熱戦流速計を購入したが、検定手法の確立に時間を要している。
実験および数値解析の結果、当初の予想通りディフューザ失速は壁面境界層により初生していることが明らかとなり、特に舌部付近のディフューザ流路におけるハブ、シュラウド側で交互に発達する境界層剥離が失速セル拡大の重要な役割を果たしていることが分かった。さらに、ディフューザ失速は渦型室の非軸対称な圧力分布の影響により旋回速度や規模が大きく異なることが確認された。
そこで、ディフューザ流路周方向での失速挙動の変化を同定するため、周方向の圧力多点計測による空間フーリエ解析手法を導入し、ディフューザ流路における圧力変動の測定実験を新たに研究計画に加えた。
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| Strategy for Future Research Activity |
１．一様流入条件下の旋回失速の初生機構の解明・失速形成モデルの提案
本圧縮機では、流量低下時に羽無しディフューザ流路の舌部を起点とした時計回りに90°離れた位置の境界層剥離から旋回失速が形成されるという知見を得られた。そこで失速初生・発達の形態変化の発生箇所を捉えるために、ディフューザ流路壁面で周方向8点の壁面圧力同時計測を行い、得られた波形に対して空間フーリエ解析を応用した手法により、失速に起因するモード分布を算出する。この解析より、煩雑な波形から失速初生のような微弱な変動を捉え、その旋回速度および規模の拡大を可視化できる。また、本年度と引き続きディフューザ失速の初生から発達する過程での非定常的な渦構造を調査するために、スクロールも含めた圧縮機系全体を対象としたDES解析を用いた数値解析を行う。特に、ディフューザ失速セルの拡大の要因であるハブ、シュラウド側で交互に発達する境界層剥離の発生構造を理解するため、ディフューザ流路内部の渦構造を明らかにする。以上より、ディフューザ流路内での逆圧力勾配の大きさと境界層剥離との関係を調査し、失速の形成モデルを提案する。
２．せん断応力計測技術の確立・導入、失速形成モデルの実験的検証
本項目は１より提案した失速の形成モデルを検証するため、新たにせん断応力計測技術を確立・導入し、圧力計測と組み合わせることでディフューザ壁面での非定常のせん断応力分布を得るものである。せん断応力計測技術の導入のために、１年目に境界層内流速計の校正技術を確立する。また、複雑な内部流動が非定常的に変化する失速機構を実験的に検証するため、圧力測定による空間フーリエ解析に加え、流速測定を用いた二重位相固定平均法を導入し。失速セルの実験的可視化を行う。
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| Causes of Carryover |
必要な経費の購入によって生じた端数分を次年度以降に引き渡す．
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