| 研究課題/領域番号 |
26289040
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| 研究機関 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 |
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研究代表者 |
瀬川 武彦 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 省エネルギー研究部門, 主任研究員 (50357315)
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| 研究分担者 |
松沼 孝幸 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 省エネルギー研究部門, 主任研究員 (40358031)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | プラズマアクチュエータ / 誘電体バリア放電 / 漏れ流れ / タービン / 翼列 / 流体制御 / 漏れ渦 / 流れの可視化 |
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| 研究実績の概要 |
漏れ流れ2次元モデルでは、先端面に複数凹凸が施された供試体、通常直角の先端エッジに丸みを付けた供試体などを試作した。PIV解析から、漏れ流れが強い場合には凹凸が施された先端面から局所的に強い誘電体バリア放電が生成され、漏れ流れ抑制効果が増大することや、先端エッジ形状は漏れ流れの上流側・下流側が非対称の場合には漏れ流れ制御効果が著しく低下するが、対称の場合には抑制効果が高くなることがわかった。また、壁面側に設置する電極構造として、これまで使用してきた絶縁被覆導線に加え、セラミック製のリング型プラズマアクチュエータ2次元モデルを用いて制御効果の違いを検証した。セラミック製は絶縁層厚みが0.2 mm以下であったため、絶縁被覆電線と比較してより強い誘電体バリア放電が形成されるが、漏れ流れ抑制効果は絶縁被覆導線を用いた場合より低下する傾向にあった。
漏れ流れ3次元モデルで使用するリング型プラズマアクチュエータ構築に向けては、円筒状ケーシングの3次元曲面への装着性向上に加え、絶縁被覆材料の耐久性を向上させる必要があるため、材料探索を行った。これまで実績のあるセラミックやシリコーン樹脂に加え、テフロン、PEEK、シリコーンゴムなどをコーティング技術を用いてプラズマアクチュエータ構造を試作した。特にPEEKは高電圧場、高温場で使用できる優れた特性を有しており期待されたが、耐コロナ性が著しく低く、0.03 mm/分のレートで薄膜化し、0.3 mm程度の厚膜絶縁層を用いた場合でも比較的短時間で絶縁破壊に至った。一方、PEEK表面にシリコーンゴムをスプレーコーティング、もしくは型取りによる被膜生成を行った場合には、高電圧を長時間印加した場合でも劣化は認められなかった。また、漏れ流れ3次元モデルにおける漏れ流れ抑制効果検証のための予備試験として、非定常圧力分布の測定にも着手している。
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| 現在までの達成度 (区分) |
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
これまで実施してきた漏れ流れ2次元モデルを用いた実験で、高い制御効果が期待できるリング型プラズマアクチュエータ駆動条件や金属部品および埋め込み電極の境界条件が明らかになった。3次元曲面表面へのリング型プラズマアクチュエータ構築手法についても目途がたったため、漏れ流れ3次元モデルの構築と環状タービン翼列風洞における性能評価試験を長時間継続して行うことが可能となった。また、漏れ流れ制御メカニズムの解明に向けては、環状タービン翼列風洞では空間流速分布測定が困難であったが、2次元風洞において直線翼列を導入することで漏れ渦の3次元構造を解析できるようになった。また、3次元モデルにおいて、リング型プラズマアクチュエータのセクター化にも成功し、本年度の目標を達成することができた。よって、最終年度となる平成29年度に生じる可能性がある新たな技術課題に対しても、これまでのノウハウを活かして対応可能であると推察されるため、最終的な研究目標に対して十分達成可能な進捗状況である。
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| 今後の研究の推進方策 |
漏れ流れ2次元モデルおよび3次元モデルを用いてリング型プラズマアクチュエータの配置様式や印加電圧条件がタービン翼列出口近傍の速度、乱れ度の分布、圧力損失に与える影響を評価する。これまで実施してきた耐久性試験の結果から、最終的な性能評価用のリング型プラズマアクチュエータとして、耐コロナ性に優れたシリコーン樹脂およびシリコーンゴムを絶縁層とする供試体を試作する予定である。平板および曲面への適用に向けては、シリコーン樹脂両面銅張積層板の両面エッチングにより高電圧印加用の埋め込み電極パターンの形成を試みる。一方、さらなる高電圧化に向けては絶縁層としてシリコーンゴムが有利であるため、埋め込み電極として0.05 mmから0.1 mm厚程度の薄膜金属板のエッチングを形成し、0.5 mm厚シリコーンゴム層で絶縁被覆することでリング型プラズマアクチュエータ構造を構築する方法を検討する。埋め込み電極パターンは回転方向や翼弦方向など多様化し、漏れ流れ抑制効果の変化を調査する。小型風洞において構築する漏れ流れ2次元モデルでは直線翼列を配置し、これまでの研究で高い漏れ流れ制御効果が得られたアクチュエータ配置や印加電圧条件で誘電体バリア放電の強度や空間分布が変化させ、PIV解析により制御効果を検証する。環状タービン翼列風洞において構築する漏れ流れ3次元モデルでは、最終的な性能評価試験を実施するために4つにセクター化されたリング型プラズマアクチュエータを作成し、昨年度に試作した高電圧多チャンネルパルス電源により様々なモードでリング型プラズマアクチュエータを駆動させる。漏れ流れ2次元モデルおよび3次元モデルで得られた実験結果と併せて、V-Qリサージュ法により高精度で解析されたリング型プラズマアクチュエータの消費電力などの指標を比較検討し、漏れ流れを効果的に抑制するための制御メカニズムを明らかにする。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
平成28年度中に3次元モデル用のリング型プラズマアクチュエータの静電容量に適用できる電源が決定し、セクター化も勘案して4ch独立運転および同期運転が可能なパルス電源の試作に成功したが、予定より低価格で調達することができた。一方、最終年度となる平成29年度で使用する予定の3次元モデル用のリング型プラズマアクチュエータは、研究開始当初に想定した寸法より厚みが大幅に増加する可能性が出てきた。これは、環状タービン翼列風洞に近傍の金属部品に対して短絡を防止し、埋め込み電極に対してより強固な絶縁被膜層を形成するためである。よって、3次元モデル用のリング型プラズマアクチュエータを固定するためのケーシングを平成29年度に試作するための予算を繰り越す必要が生じた。
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| 次年度使用額の使用計画 |
3次元モデル用のリング型プラズマアクチュエータを固定するための新しいケーシングを作成するために必要な額が繰越額と同程度と見積もっており、研究計画の変更することなく予算を執行できる。
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