2017 Fiscal Year Research-status Report

冷却流脈動化によるディンプル面の熱遮蔽性能と対流伝熱促進の最適化

Research Project

Project/Area Number	17K06188
Research Institution	Tokyo University of Agriculture and Technology
Principal Investigator	村田章東京農工大学, 工学研究院, 教授 (60239522)
Project Period (FY)	2017-04-01 – 2020-03-31
Keywords	フィルム冷却 / 脈動流 / 伝熱促進 / ガスタービン翼 / ディンプル / 非定常法 / 流れの可視化 / LES
Outline of Annual Research Achievements	フィルム冷却はガスタービン翼表面への空気膜形成により高温ガスからの熱流入を遮蔽する高熱効率化に必須の技術である．特に翼後縁部は，両面からの熱負荷が非常に高いが薄さのために内部冷却が困難で，片側壁を除去したカットバック形状を採用している．そこでのフィルム冷却では，熱遮蔽性能を維持しつつカットバック面の伝熱促進が要求される．これは従来と異なる制約条件下での新たな伝熱促進問題である．本研究では冷却流の脈動化を利用して性能向上を図る．伝熱計測，PTV計測，LES・DNS解析を行うことで，最適脈動パラメータ，最適ディンプル面形状を決定し，この新たな伝熱促進問題の最適解を求める．伝熱実験での作動流体は空気であり，冷却流流路は高さH，主流流路は高さ4Hである．固体内３次元熱伝導を考慮した非定常法によって，フィルム冷却効率と熱伝達率の同時計測を行う．主流レイノルズ数25,000，ブロー比0.5～1.5とする．脈動冷却流はスピーカーで形成する．初年度はブロー比1.0での平滑カットバック面の計測を行った．脈動周波数は定常冷却流（ブロー比1.0）での渦発生周波数で規格化したストローハル数比を0.33～1.33と変化させた． PTV計測実験での作動流体は水であり，直径50μmの樹脂粒子で流れを可視化し，高速度ビデオカメラ２台で撮影する．YLFレーザからシート光を照射し，連続時刻間での粒子位置追跡から速度場を算出する．脈動冷却流はゴム管をレシプロモータで変形させて形成した．伝熱実験にパラメータを合わせて速度３成分計測を行った． LES・DNS解析での流路形状は実験と同一であり，非構造格子での有限体積法を用いる．初年度は実験に先行して平滑カットバック面での脈動冷却流のストローハル数比，流速片振幅を系統的に変化させた計算を行い，ストローハル数比0.8，流速片振幅１％でも性能向上することを確認した．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 伝熱実験ではスピーカーを用いた脈動冷却流発生において装置の共鳴が原因と思われる問題が生じ，ストローハル数比1.0での脈動発生が行えていない．しかし，流速片振幅が１％以下と低い値であるもののストローハル数比0.33, 0.5, 0.8, 1.33での実験を行い，熱遮蔽冷却総合性能指標（正味熱流束低減率：NHFR）がストローハル数比0.8と1.33では向上することを確認した．一方，PTV計測実験ではストローハル数比（1.0, 1.33, 1.5）と流速片振幅（4～17％）を変化させての計測に加え，位相平均処理を前倒しで実施し，ストローハル数比1.33で位相平均した壁面垂直速度振幅が減少することが確認できた．さらに，LES解析では実験に先行して，ストローハル数比（0.8, 1.0, 1.5）と流速片振幅(１％, ５％, 10％)を系統的に変化させての計算を行い，ストローハル数比1.5，流速片振幅10％の場合にはNHFRにおいて５％の性能向上が確認された．また，ストローハル数比が1.0より小さい0.8で流速片振幅１％の場合でもNHFRにおいて２％の性能向上が確認された．
Strategy for Future Research Activity	初年度の結果から，平滑カットバック面での冷却流脈動化の効果がストローハル数比0.8, 1.33, 1.5で，また流速片振幅１％以下でも確認された．伝熱実験でのストローハル数比1.0の実現には装置としての共鳴周波数の変更が必要であるが，ストローハル数比1.0はフィルム冷却性能を低下させる条件であるのでその実施は必ずしも必須条件ではない．カットバック面にディンプルを敷設させた場合には冷却流脈動化の影響は主流・冷却流間の混合層にだけでなく，粗面壁上の脈動流として伝熱促進に寄与することが予想される．今後，平滑カットバック面での脈動冷却流の結果と比較しながら，ディンプル面を対象とした伝熱実験，PTV計測，LES解析を実施していく．
Causes of Carryover	理由：伝熱実験でのスピーカーによる脈動冷却流生成に問題が生じ，ディンプル面製作の多くが次年度に繰り越しになり，実験材料等消耗品の購入が少なかったため．使用計画：次年度に実験用ディンプル面製作のための実験材料等消耗品購入費として使用予定である．また，国際会議発表を行う際の参加登録費・旅費としても使用予定である．