2020 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 |
昨年度と同様に、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し、以下の3点について研究を実施した。
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、ディフューザ流路壁面での壁面圧力測定と流路内での流速測定の同時計測を行い、得られた波形に対して失速セルの旋回周波数にてアンサンブル平均を施した。ディフューザ失速を検知するための流速プローブを失速による変動が最も強い周方向位置に設置し、内部構造を捉えるための圧力・流速プローブを周方向に同時計測を行った。ディフューザ失速は周方向の逆圧力勾配が強くなる箇所にて、ディフューザ入口のハブ壁面からの境界層剥離により初生することが分かった。また、失速セル前縁にて発達するハブ・シュラウド交互に形成される境界層剥離とケーシングからの逆流が干渉することにより、ディフューザ失速は発達しながら旋回することが明らかとなった。最終的に、失速セルは羽根無しディフューザ部を旋回し舌部通過後に、流路内の順圧力勾配の影響によりその規模を縮小させることが分かった。
さらに、非定常DES解析より得られたかいせき結果より、旋回失速セル周囲の渦構造および旋回メカニズムを解明した。また、試験結果と比較した結果、旋回失速周りの流動構造と同様な傾向が得られることも合わせて確認した。
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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
せん断応力計測のための熱線流速計の試験での活用においては、有意な結果が得られなかった。一方で、熱線流速計と圧力プローブを組み合わせた可視化手法を導入することで、試験において失速セル周りの渦構造を可視化することが出来た。また、数値解析においては、順調にデータを取得および分析が進み旋回失速周りの渦構造・旋回メカニズムを解明することが出来た。また、試験より得られた構造を数値解析と以上より、予定を上回るスピードでデータ取得・分析が進み、当初の目的であった失速の形成モデルを提案することが出来た。
実験および数値解析の結果より、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、渦型室からの逆流が旋回失速セルの拡大に大きな役割を果たしていることも分かった。
そこで、渦型室からの逆流とディフューザ失速の関係を調査するため、圧力・流速の測定箇所を渦型室内部まで拡大することを研究計画に新たに加える。
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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。渦型室からの逆流が旋回失速セルの拡大に大きな役割を果たしていることも分かった。そこで更なる失速の構造を捉えるために、渦型室内部の圧力・流速計測を新たに行い失速セルとの関係を明らかにする。また、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、流量を徐々に低下させた場合のスクロールも含めた圧縮機系全体を対象としたDES解析を用いた非定常数値解析および試験を行う。特に、羽根車内部流れとディフューザ壁面の境界層剥離の拡大の因果関係を調査し、ディフューザ失速セルの初生の要因を明らかにする。
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 |
必要物品を購入した端数を次年度に繰り越すため。
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