通商産業省工業技術院では,コージェネレーション用および可搬式発電用の300kW級セラミックガスタービンの研究開発を1988年10月より1999年3月までの11年計画で行ってきた。それらの基本設計からタービン翼に関するレイノルズ数を概算すると,特に低圧段においては10⁴のオーダとなり,既存のガスタービンに比べて一桁低くなる。このレイノルズ数の低下は,熱効率を上げる方法としてタービン入り口温度を高温化することにより,燃焼ガスの密度の低下,粘性係数の増加,また比出力の増加に伴うタービン翼の小型化による。翼型特性は一般的にレイノルズ数,マッハ数そして主流の乱れに依存することが知られているが,臨界レイノルズ数以上ではレイノルズ数による変化は小さくなり,マッハ数が問題となる。臨界レイノルズ数付近の低レイノルズ数領域における翼型特性の研究は,小型軽量飛行機などで注目されているが,主流の乱れとの関係を明らかにした研究は見あたらない。また,増速流れであるタービン翼の場合は,剥離し難い流れ場であることもあり低レイノルズ数に関する研究は少ない。本研究の目的は,低レイノルズ数領域における単独翼とタービン翼列の空力特性と,それに及ぼす主流乱れの影響を調べることにある。

　風洞実験において主流に乱れを与える方法として一般に採用されているのは,測定部上流に格子を置き,格子の後流と主流との混合を利用している。しかし,この方法は次のような短所がある。

　1)乱れ度を変えるためには,格子の交換が必要であり,設置に手間がかかる。

　2)乱れ度は,格子の種類と実験条件により変わるため,あらかじめ調べておかねばならず,目標の乱れ度を得るのが難しい。

　3)格子は流れに対して抵抗となるため,風洞の送風機に相応の負荷がかかり,主流の最大速度が設計値に比べ低速側に制限される。

　以上のことから,送風機に大きな負荷をかけずに,乱れ度を任意に変えることのできる噴流格子を考案,自作した。本装置は,風洞縮流部の入口に真鍮管を20本並べ,各々の管に開けられた複数の孔から主流方向に圧縮空気を吹く。このときの圧縮空気は風洞とは別の空気源より供給される。主流と噴流は速度差により混合し,乱れを作る。従って,乱れ度の制御は,噴流の速度,つまり管に送られる圧縮空気の流量を調整することで可能になる。実験結果より,同装置の設計基準となる乱れ度と噴流格子の仕様との関係について明らかにした。

　翼型は,機械技術研究所が風車用に開発したMEL001を用いた。この翼型は,翼弦長150mm,翼幅500mm,最大矢高位置が翼弦長に対して前縁から52%,最大厚み位置が翼弦長に対して前縁から42%,最大厚み比が15%,前縁部の半径が翼弦長に対して1.3%の2次元翼であり,迎角4゜で揚力係数が1になるように設計されている。実験条件として翼弦レイノルズ数R_e(翼弦長と主流速度を代表値とする)は,0.5×10⁵,1.0×10⁵,2.0×10⁵,主流の乱れ度TIは0.5〜4.0%,翼の迎角は-20゜〜+20゜の範囲で翼型特性を調べた。に対する揚力係数の変化は,-6゜<<+10゜の範囲に着目すると,R_eまたはTIの減少に伴いポテンシャル流れから外れ,低い値となる。特にR_e＝0.5×10⁵,1.0×10⁵の場合,＝6゜付近で揚力傾斜は急激に変化し,それらはR_eまたはTIが低い程顕著に現れる。揚抗比L/Dの場合も同様な変化を示す。揚力係数と揚抗比の変化から,-6゜<<+10°の範囲において翼面上の剥離の存在が圧力抗力に強く影響していると推測される。これらのことは翼面圧力分布と油膜法による翼面上の流れの可視化により明確となる。例えばレイノルズ数R_e＝1.0×10⁵における迎角＝8゜においては,TIに関わらず全体的にほぼ同一の圧力分布となっているが,TI＝0.6%の場合のみにX_C＝0.6付近に圧力分布の平坦な部分が見られ,この位置に剥離泡が形成されていると考えられる。低迎角においては,剥離泡の存在と,乱れ度が強くなるにつれ剥離泡の流れ方向の長さが短くなるあるいは消滅することが確認できる。

　タービン翼として設計された翼型は,翼弦長152mm,翼幅500mm,反り角107゜の2次元翼で,翼列の節弦比は0.7である。翼列は7枚の翼と上下壁付近の流れを整流する2枚のダミー翼の計9枚から構成される。実験条件として翼弦レイノルズ数R_eは,0.4×10⁵〜1.6×10⁵,上流の乱れ度TIは0.4〜4.0%,翼列の食い違い角は30゜,35゜,40゜,流れの入射角iは1゜〜26°の範囲で調べた。実験では,タービン翼列特性に及ぼすレイノルズ数と主流の乱れ度の影響を明らかにするために,翼面圧力分布を調べ,それらより翼に働く力を求めて検討した。翼に働く力は,ポテンシャル流れにおいて入口速度と出口速度のベクトル平均を取った場合のベクトル方向の力C_xとそれに垂直方向の力C_yの2成分に分ける。これらの力は,単独翼の場合の抗力と揚力に相当するものである。C_xとC_yのポーラ線図を描くと単独翼の場合と同じ様な図となり,が小さくなるとC_xが増加し,そのような状態では圧力との比較から翼の負圧面に剥離が生じていることがわかる。

　低レイノルズ数領域における単独翼とタービン翼の層流剥離特性を調べるために,剥離点に関する排除厚さレイノルズ数(排除厚さと境界層外縁の流速を代表値とする)を計算した。データには本研究で実験した単独翼MEL001とタービン翼の他に,以前,機械技術研究所で翼型特性試験を行ったFX68W137とFX84W140の2種類を加えて検討した。その結果,翼弦レイノルズ数R_eに対するの変化には上限があり,翼型と主流の乱れ度に依らない曲線関係が成り立つことがわかった。層流剥離に関するHolsteinとBohlenの形状係数を基に曲線を検討した結果,で整理され,aは約2.0となった。

　低レイノルズ数領域における単独翼とタービン翼列の翼型特性と,それに及ぼす主流乱れの影響を調べることを目的に風洞実験を行った。実験を進める途中においては,装置の考案,自作,検証も行った。以下に本研究の成果についてまとめる。

　(1)噴流格子:主流の乱れ度に対するデータを得るために噴流格子を考案,自作し,風洞実験で使用した。この装置は乱流格子を設置する場合に比べ,乱れ度を任意に制御できる点が最大の長所である。噴流格子の性能実験より,同装置の設計基準となる乱れ度と噴流格子の仕様との関係について明らかにした。

　(2)単独翼の翼型特性:低レイノルズ数領域における翼型特性は,レイノルズ数と主流の乱れ度の影響を強く受け,低迎角において顕著に現れることを翼面圧力分布と流れの可視化により示した。

　(3)直線タービン翼列:一般的にタービン翼列は増速流であるため,剥離の無い比較的好ましい流れであると考えられている。しかし,低レイノルズ数領域では単独翼の場合と同じ様に特性が悪化する可能性のあることを示した。

　(4)剥離特性:単独翼と直線タービン翼列の実験結果を基に,剥離位置に関する排除厚さレイノルズ数を整理し,翼弦レイノルズ数との関係を明らかにした。

　以上の結果より,低レイノルズ数領域で作動するタービン翼列を設計する際には,層流剥離の起きる可能性について十分認識しておかなければならないことがわかった。