2016 Fiscal Year Research-status Report
衝撃波管を用いた軸流圧縮機のサージ・旋回失速共存系の挙動とウインドミル特性の把握
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15K05811
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
太田 有 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (50211793)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 軸流圧縮機 / 非定常現象 / ウインドミル / 旋回失速 / サージ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度は特に，高流量運転状態でのウインドミル特性に研究の焦点を絞り，実験とCFDを実施した．
実験では，流量変化に伴う圧縮機のトルク特性，負荷特性に着目し，高流量運転時に動翼スパン方向で翼仕事が丁度相殺されてゼロになる(free windmill)状態と，全スパンにわたって完全なタービン特性を示す(fully developed windmill)状態を明確に識別し，それぞれの状態における動翼列内の非定常流動状況を把握するために，動翼表面上に圧力センサーを設置し，動翼列と一緒に回転させた系からの非定常計測を実施した．現段階ではまだ定常計測のみの実施ではあるが，結果はCFD結果と定量的に良い一致を示し，実験の精度とCFDの妥当性の検証を行うことが出来た．
一方，CFDではRANS，DESを用いた乱流解析を圧縮機動静翼列に適用し，2つの高流量運転状態における非定常流れ場を調査した．圧縮機動翼列では流量の増大に伴い，tip側からhub側へウインドミル駆動状態が拡大すると共に，翼コード方向にも前縁から後縁に向かって負荷特性が順に変化してウインドミル駆動へと移行していく過程を明確に示すことが出来た．これに伴い動翼表面上での圧力，負荷特性が，流量の増大と共にどのように変化するかを定量的に示すことが出来た．
ウインドミル駆動時には，動翼列への入射角が負となり，動翼列圧力面側で大規模な剥離流れとなり損失が増大する．CFDによる非定常流線の観察結果より，翼表面上での圧力，負荷分布の境界線上に存在する流れのサドル点が損失形成に支配的影響を与えていることを明らかにした．このサドル点位置に向かってtip側，hub側から各々巻き上がった流線が，サドル点上で渦コアを形成し，翼下流に向けて移流する．この渦コアが主たる損失の原因であり，流量の増大とともにその位置はhub側に向かって移動していく．
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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
ウインドミル駆動状態での流れ場に把握には，高精度乱流計算を行うための解析コードの確立と，回転系から非定常圧力データを計測するシステムの構築という，2つの大きなハードルがあった．前者については，当初の予定より早くRANS,DES解析コードが完成したが，実験結果と比較すると損失を過大評価している傾向があり，現時点でその理由は不明である．一方，実験での回転系計測では，複雑な計測，解析システムは想像以上に早く完成し，実際にデータ収集が可能となり，精度良い定常データを得ることが出来た．しかし，現時点では非定常データの取得や解析については手が付いていない状態である．
このように，計画はある面では予定よりかなり早く進んでいるが，損失の問題や非定常計測の困難さが新たに課題となっており，全体としては概ね順調に進展していると考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
2017年度は最終年度に当たり，高流域特性ではウインドミル時の動翼と静翼との干渉問題，低流量域では旋回失速とサージの共存状態に関する知見を深めていきたい．
ウインドミル特性の把握では，動翼表面上圧力の非定常計測を高精度で実施することで，損失の発生機構と非定常渦構造の関連性を調査したい．動翼列内で生成された渦列が下流の静翼列へと流入し，翼面との干渉によって損失が増大する機構を物理モデルで表現したい．また，動翼列内での損失生成と関連する渦コアの非定常挙動にも着目し，静翼列内で存在が確認されている縦渦の発生機構も明らかにしたい．CFD調査では，現在の部分翼列解析の計算領域の拡大と，損失を精度良く見積もるためのスキームの改良がまず必要である．LESを導入した大規模計算を採用することを考えている．
低流量域での非定常現象の把握では，サージサイクル中に生成・消滅を繰り返す非定常失速セルに研究の焦点を当てたい．そのためには，定常的なサージ・旋回失速共存状態を確実に再現するために，圧縮機下流側に直列に配置された衝撃波管からの圧縮波の印可実験を高精度で実施する．現在，実験装置を高精度化するための改良中であるが，印可された圧縮波を正確に把握するための多点同時計測法の開発が急務となる．従来の装置では得られなかった高精度計測により，サージサイクル中で失速セルが生成，消滅を繰り返す過程を詳しく調べることで，失速セルの非定常挙動に関する性質を見出すことを期待している．また，市販の汎用コードに境界条件として圧縮波印可を加えた非定常数値解析を援用して，セル挙動の解明に役立てたい．
サージや旋回失速などの非定常挙動は，特性曲線の右上がり領域のみで発生すると考えられてきたが，実験条件や外部擾乱によっては右下がり領域でも発生，継続するすることを実験，数値解析で示し，その理論的裏付けについても検証したい．
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| Causes of Carryover |
物品費として購入した計測システムの出精値引きと為替変動のため，見積もり時点より若干安価となったため，44,438円の次年度使用額が発生した．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度繰越額が，44,438円発生したので，次年度消耗品費にこの額を算入する．主な使用計画としては，圧縮機内部流れ場の解明に必要となる大型計算機使用料，および実験で使用する消耗品費である．
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