任意面形状を有する非接触シールの静及び動特性の解析手法の開発

• 研究課題/領域番号: 22K03990
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分20010:機械力学およびメカトロニクス関連
• 研究機関: 近畿大学
• 研究代表者: 田浦 裕生 近畿大学, 理工学部, 准教授 (20334691)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2024年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2023年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円); 2022年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
• キーワード: 回転体の振動 / 非接触シール / 動特性 / 回転機械 / 表面テクスチャ

研究開始時の研究の概要

本課題は，複雑な表面テクスチャを有する非接触シールを対象に，その特長を最大限に発揮する最適なテクスチャ形状を，比較的容易に決定することが可能な解析手法の構築を目的とする．基本方針は，複雑なテクスチャの一部分を切り出し，さまざまな状況下における流量特性を解析し，得られた流量特性に基づき非接触シール全体の静および動特性を解析するもので，どの程度の解析精度が得られるのかを明らかにする．具体的には，テクスチャを有する流路のすきま流れの流量特性の数値解析とその実験的な検証，および，これらにより得られた流量特性を考慮した非接触シール全体の漏れ流量および動特性の解析手法の構築とその実験的検証を行う

研究実績の概要

本研究はしゅう動面に任意の凹凸を設けた非接触シールを対象とし，同シールの漏れ流量及びばね係数，および減衰係数を予測方法を開発するものである．今年度は，テクスチャを有する狭い流路のすきま流れの流量特性の数値解析および，テクスチャ付き表面の流量特性を考慮した非接触シールの漏れ流量および動特性の解析手法の構築を実施した．
テクスチャを有する狭い流路のすきま流れの流量特性の数値解析については，シール表面のテクスチャの一部を抜き出し，この部分についてSolidWorks FlowSimulationを用いて流出する漏れ流量を詳細に解析した．本年度は従来のように一定深さの断面（矩形断面）とはせずに，断面形状をくさび形状，逆くさび形状のような，すきま方向に深さを変化させた場合の解析方法（計算モデル・メッシュ等の設定）の確立した．結果として，内部の圧力，流速分布を確認し，流出流量をデータとしてまとめた．これらの特徴を変化させた際の流量特性の影響を明らかにした．
テクスチャ付き表面の流量特性を考慮した非接触シールの漏れ流量および動特性の解析手法の構築については，テクスチャの一部を抜き出して解析した結果を，非接触シール全体の漏れ流量および動特性（液膜のばね係数，減衰係数，付加質量係数）を計算するプログラムを作成した．具体的には，テクスチャの一部を抜き出して解析した結果に基づき，バルクフロー理論における摩擦係数に変換するために関係式を求めた．

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

今年度はテクスチャを有する狭い流路のすきま流れの流量特性の数値解析および，テクスチャ付き表面の流量特性を考慮した非接触シールの漏れ流量および動特性の解析手法の構築を実施した．一緒に実施する学生が退学するなどしたため，研究全体のスケジュールを，遅延を最小限にするよう，研究の順序を理論的な研究部分を先に実施した．別の学生に担当してもらう手続きをし，その学生に対して，実験等のトレーニング等を実施し，次年度に実験を実施する体制を整えた．

今後の研究の推進方策

最終年度となる次年度は残りの実施内容である，テクスチャを有する狭い流路のすきま流れの流量特性の数値解析結果の実験的な検証，および新たに構築された非接触シールの漏れ流量および動特性の解析手法の実験的検証を実施する．
テクスチャを有する狭い流路のすきま流れの流量特性の数値解析結果の実験的な検証については，実験装置は概ね完成されているため，本年度の計算結果に基づき，検証用のテスクチャを設けた平面試料を作製，実験により流量特性の確認をする．
新たに構築された非接触シールの漏れ流量および動特性の解析手法の実験的検証については，実験設備の動作確認を実施し，検証用のテスクチャ付きの試験用非接触シールを作製し，実験的な検証を実施する．
上記を年内に終了させるとともに，年度末にかけて報告書を作成する．