冷却タービン翼の熱流体解析

翼は燃焼ガスをまともに受けると素材が耐えられないため、高圧の冷却空気を注入することによって翼を冷やし、耐久性を確保する。また、翼にある小穴により冷却空気を外へ出し翼面を高温から守る。ただし、冷却翼の設計上難しい所冷却流量を増やすとタービン効率も下がるので、冷却流量を極力下げないといけない。
→冷却流量、小穴の配置を変更して解析を行い、翼表面、周囲の温度を求める。

図3　計算モデル図

冷却穴は、小さいため、翼全体の熱流体解析は、格子数が2000万格子程度となり、phoenics_32bit版では不可能なので、精度を落として2Dの解析にダウングレードしたモデルで計算を行った。

◎結果図

・主流の入口-出口の圧力は、流線解析の結果と良く一致しており良好な結果となっている。

図4　計算結果

問題点
・温度分布は入口先端部で冷却空気が流れていない。
・出口側の翼面温度も高い。
・入口側-出口側で温度が高い。
　→冷却流量を増やす必要がある。

そこで、冷却流量を増やして（冷却流量/主流=5%）計算を行った。
その結果、全体的に翼面の温度が下がっていることが確認できた。

図5　計算結果

◎まとめ
・2D解析モデルに縮小して、タービン翼の冷却計算を行った結果、流れの状態は、流線解析結果と一致しており精度は良好。
・一方、温度の安定性、翼面の温度の精度は、低かったが、定性的な傾向はあっていることから、穴の配置などの検討には有効。
・温度の精度を上げるには、格子を細かくし、計算時間を長くすることで改善可能。
・壁面の温度はカットセル法の特性上、流体部と固体部で平均化された温度が出てしまう。それ故、設計上過剰にならないように適切に判断する必要がある。

その他の航空宇宙分野事例

• タービン翼の熱流体解析
• 軽飛行機回りの気流解析
• ロケット固体燃料
• ヘリコプター周り気流解析
• ウイングレスエアロトレイン
• ジェット機翼の結露解析