部分噴射マイクロ衝動タービンを用いた多目的熱発電システムの開発

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 22K03896
• Research Institution: Iwate University
• Principal Investigator: 柴田 貴範 岩手大学, 理工学部, 教授 (20902365)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: マイクロランキンサイクル / 部分噴射 / 極低比速度 / 衝動タービン / 排熱発電 / 最適化 / 実験 / 解析

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、部分噴射を考慮したタービンの翼形状を広範囲にパラメタサーベイできる設計システムを構築し、代表的な設計条件に対して流れ解析を援用しながら翼形状を最適化、得られたタービン形状を実際に製造・組み立てて要素試験にて達成効率を確認し、他の膨張機形式と比べた時の部分噴射タービンの優位性を明確化することを目的としている。
令和４年度は、部分噴射タービンの設計手法の確立に重点をおき、【１次元設計システムの構築】、【新規タービン翼のベースライン設計と翼形状の最適化】、【部分噴射時における損失評価手法の構築】に主として取り組み、以下の研究実績を得た。
【１次元設計システムの構築】　システム仕様に合わせて大局的に最適なタービン翼を選定するため、１次元的なフローパターンと速度三角形から概略性能を予測する性能予測手法システムを構築し、流量と出力を固定した条件で、タービンの部分噴射率、回転数、ガスパス平均径、翼前後の流れ角など、広範囲に探索した。それにより、一様流入よりも部分噴射が有意になる部分噴射率と回転数の関係が明らかとなった。
【新規タービン翼のベースライン設計と翼形状の最適化】　上記で選定した速度三角形に対して、新規のタービン翼のベースライン設計を実施した。そのベースラインの翼型形状を翼型最適化システムに取り込み、ラテン超方格サンプリング法にて翼形状をパラメトリックに修正、流れ解析も援用して最適な翼形状の創生方法を見出した。
【部分噴射時における損失評価手法の構築】　一様噴射の流れ解析結果を用いて部分噴射時におけるタービン性能を予測する、部分噴射タービンの損失予測手法を構築した。これにより、周期境界条件を仮定した簡便な定常流れ解析の結果から、非周期境界条件下における部分噴射時の性能を予測できるようになった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

申請時の研究計画では、令和４年度中の研究計画は以下の通りである。
①大局的に最適なタービン仕様を選定するため、１次元的なフローパターンと速度三角形から損失を予測する性能予測手法を構築し、流量と出力を固定した条件で、タービンの部分噴射率、回転数、ガスパス平均径、翼前後の流れ角など、広範囲に探索する。
②さらに、選定した速度三角形に対して、遺伝的アルゴリズムとサロゲートモデルを組み合わせた翼型最適化システムを用いて翼形状を創生する。
③そして、得られた翼形状に対して流れ解析を実施し、当初、想定していた効率や流れ場との違いを分析、損失モデルや翼形状設計にフィードバックすることにより、最適な翼形状を明らかにする。
①と③については概ね全てを実施することができている。②については、形状サーベイするための手法は異なるものの同様な検討が実施済みであるため。

Strategy for Future Research Activity

本年度は、昨年度の検討で得られた有望設計案に対して、部分噴射タービンの要素試験装置を設計、製作し、達成効率や設計手法の妥当性を試験で確認する計画にある。簡便のため、作動媒体は空気を用いた等価試験とし、あくまで設計手法の妥当性検証に焦点を当てたものとする。高速回転体としての軸振動上のトラブルを避けるため、軸系は実績あるタービン試験装置のものを流用する。そのような方針のもと、より具体的には以下を実施していく予定である。
【新規タービン翼のベースライン設計と翼形状の最適化】　昨年度得られた有望設計案をベースに、より広範囲な形状サーベイを行い、タービン効率のさらなる向上の余地を精査する。さらに、部分噴射にまつわる損失の発生メカニズムについての調査も進め、そのような損失の低減方法がないかも、流れ解析を援用して追加検討していく。
【タービン要素試験装置の設計、製作、試験】　上記の検討で得られた有望設計案に対して、タービン軸系およびケーシング系の設計を行い、有限要素解析などを援用して、強度、振動面からの成立性を検討する。成立性が見えた設計案を図面化し、学内での製作に着手する。また、試験における性能や信頼性の確認のための計測方法の検討も行い、温度、圧力などの計測機器や軸振動計など、必要な計測機器の選定を行っていく。さらに、圧縮空気供給系統についても検討を行い、製作したタービン装置に圧縮空気を供給して、回転試験を実施する。

Causes of Carryover

令和４年度の検討を進めていくにつれ、当初の想定よりも、より回転数の早い運転点にタービン効率が高くなる領域があることが判明し、仕様選定済みであったトルク計の購入を見合わせた経緯があった。また、それと同時に、圧力調整弁などの圧縮空気供給系統の購入も後ろ倒しにした。
令和５年度は、タービン効率を向上させるための検討をさらに継続する予定であり、その結論を以って、見合わせていた性能計測系や空気供給系の仕様を再検討し、購入を再開する予定である。
タービンの回転試験の実施には、物品の製作や購入に非常に多くの経費を必要とするため、無駄な支出をしないよう、予算の執行には細心の注意を払って行っている。検討の進捗はおおむね順調に進展しており、最終年度までには、すべての予算を使い切る予定である。