| 研究概要 |
MEMSガスタービンエンジン用マイクロ燃焼器の空力構造設計と試作を行った.燃焼パラメータの空力設計では、燃焼器はフレームホルダーの後流領域と火炎伝播領域の2領域で構成されると仮定して解析した.後流領域は燃焼ガスの濃度が一定の完全混合槽、火炎伝播領域は濃度勾配のある押し出し流通反応器と仮定して、それぞれにおける燃料、燃焼ガスの滞留時間、反応時間や燃焼負荷パラメータを考慮することにより、吹き消えが発生しない安定燃焼が実現可能な燃焼室体積、最適な当量比やそれに相当する燃焼温度等を計算した.
構造設計では、8層のシリコン基板の接合により燃焼室と冷却流路を形成する方法を採用した.燃焼室内にフレームホルダーと着火用プラグを配備した構造を考案した.圧縮機から燃焼器に送られた圧縮空気は燃焼器で2流路に分岐する。1つの分岐流は水素ガスと予混合された後に燃焼器本体に送られ、高温の燃焼ガスを生成する.もう1つの分岐流は、燃焼器ライナーの周囲を冷却しながら、タービン翼冷却空気として再利用される構造を考案した.分岐流の質量流量の比率が、燃焼温度やライナー冷却に及ぼす影響を解析した.
以上の計算から求めた見積もった燃焼器の予備仕様は次のとおりである.燃焼室体積:10^<-7>m^3、質量流量:0.2g/s、入口流速:30m/s、入口全温:445K、入ロ全圧:237kPa、出口全温1300K、出口全圧:176kPa、燃料:水素、燃焼方式:予混合燃焼及び高温表面着火方式,この仕様が満足された場合、プレイトンサイクル解析から、推力0.1Nで推重比0.5クラスのMEMSガスタービンエンジンが実現可能である.実際にDeep-DIEによるシリコンバルクマイクロマシニングを応用して8層のウエハ構造の直接接合による燃焼器を試作した.燃焼器のプラグ着火、冷却流と主流が流れる空力流路の形成に成功した.予備的な水素・酸素予混合燃料の着火試験や圧力損失計測を行い、燃焼器が正常に作動燃焼することを証明した.
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