2017 Fiscal Year Annual Research Report
ロケット用エンジン設計を支える非定常流体力連成ロータダイナミクス解析技術の開発
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26289055
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
井上 剛志 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (70273258)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
安達 和彦 中部大学, 工学部, 教授 (30243322)
神谷 恵輔 愛知工業大学, 工学部, 教授 (50242821)
高木 賢太郎 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (60392007)
内海 政春 室蘭工業大学, 工学研究科, 教授 (60727634)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 振動解析 / 流体振動連成解析 / ロータダイナミック流体力 / 平行環状シール / 実験装置開発 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
下記の課題に関して実施した．
課題Ⅰ．RD流体力の理論モデル構築と計測：平行環状シールに作用するRD流体力の理論モデル拡張と構築を進めた．とくに，静的偏心＋円軌道をする場合については，大偏心の場合の解析コスト低減を実現する非線形バルクフロー理論の改良を行った．そして，基本構想とクリアランスの0.5倍までの低コスト解析を達成した．
課題Ⅱ：平行環状シールに関するRD流体力と軸振動との連成解析：平行環状シールに関するRD流体力と軸振動の連成解析コードを開発し，その有効性実証のための実験装置も作成した．また，ターボ要素としてインペラのモデリングにも着手し，まずはロケット用ターボポンプのインペラに作用するRD流体力の回転速度依存性を明らかにした．
課題Ⅲ-１．流体要素を組み込んだロータダイナミクス試験装置設計と製作：昨年度までに作成した装置が不調であったため，代表者の所属機関(名大)に設置するモータ駆動のロータダイナミクス試験装置の再製作を行った．公転運動実現はピエゾアクチュエータに切り替えることとし，その軌道制御の基礎的検討を達成した．また，自転と流体供給経路を組み込んだ装置部分も並行して作成し，0.2MPa程度の流体を流し込みつつ1000rpm程度で自転回転できるところまで完了した．
課題Ⅲ-２．磁気軸受を用いたRD流体力測定装置と制御系の開発：代表者の所属機関(名大)に設置する磁気軸受を用いたRD流体力測定装置と制御系に関し，軌道制御の高精度化を行った．そして，偏心を伴う100μmオーダーの大きさの楕円軌道を1μm精度で実現する制御系の構築を達成し，接触シールに作用する力の高精度測定を達成した．
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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
解析については，対象として平行環状シールを選びながら，静的大偏心がある場合の円軌道振れ回り時のRD流体力の低コスト解析手法までを順調に構築でき，精度の向上が達成できた．また，2次元CFDコードとロータ系の流体振動連成解析コードもその信頼性をさらに高めることができ，その妥当性を検証するための実験装置も作成できた．この成果は，本研究申請時に最重要項目として掲げていた連成解析コード開発の主要な部分であり，今後1年間で，計算規模の拡大と高速化を図っていく．その基本的アイデアはすでに検討済である．またこれと並行して，申請時の計画にはなかったが第2年度から引き続きCFD解析も行っており，新規CFDソフトウェアも導入し，流体力の解析に関する検証を実施できている．
実験装置についても，完全に新しいアイデアに切り替えて再製作することで今年度に大幅に遅れを取り戻すことができた．別途進めているピエゾアクチュエータ加振部分をH30年度前半に組み込み，RD流体力の計測を詳細に実施予定である．また並行して，第3年度から開始した磁気軸受加振によるRD流体力測定装置もその精度を大きく高めることができたので，こちらも用いて複合的に計測と実証を行っていくことができる．
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| Strategy for Future Research Activity |
来年度は最終年度であり，申請課題達成に向けて，下記に関して実施する計画である．
課題Ⅰ-１：RD流体力の理論モデル構築と計測：クリアランスの0.8倍までの静的大偏心＋楕円軌道振れ回り時の平行環状シールのRD流体力の理論モデル完成と実験的検証を達成する．また，シール以外の対象として，インペラの解析にも着手する．
課題Ⅰ-２：2次元CFDを用いた各種流体要素のRD流体力の特性解析：インデューサ・インペラ・流体軸受に関するRD流体力モデルの検証とパラメータ推定を行う．
課題Ⅱ：RD流体力と軸振動の連成解析コードの高速化：軸振動解析モデルをFEMモデルに拡張し，その連成解析の高速化を達成する．
課題Ⅲ-１：流体要素を組み込んだロータダイナミクス試験装置（名大）を用いた実証実験：平行環状シールを取り付け，流体要素近傍の変位（変位センサ）を計測して課題Ⅱの流体振動連成解析の実証実験を行う．
課題Ⅲ-２：ピエゾアクチュエータ，磁気軸受加振によるRD流体力検証実験：液体シール，すべり軸受，インペラを対象とし，回転速度掃引時や多様な軌道を実現し，その際の各部位の振動やRD流体力を詳細に計測し，課題Ⅰの解析の実証実験を行う．
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