内部流班
M2 中澤 巽, 横山 貴大
ガスタービンは高出力・高効率を実現できるため航空機用ジェットエンジンや船舶用エンジン、発電等に幅広く使用されており、私たちの社会活動を支えています。内部流班では、ガスタービンの一種であるジェットエンジンを主な研究対象としており、実験と数値シミュレーションを合わせて研究課題に取り組んでいます。実験では、ジェットエンジン内部の流れを再現する翼列風洞や小型のジェットエンジン実機等を用いて研究を行っています。数値シミュレーションでは、主にJAXAが開発中の数値流体力学(CFD)ソルバー「UPACS」を用いて研究を行っています。またJAXAに派遣された学生はジェットエンジンの着氷現象や航空機騒音に関する研究を進めています。
CFRP電熱技術を用いたファン動静翼の着氷対策
M2 横山 貴大
過冷却液滴や氷粒子が固体に衝突してその表面付近に氷層を形成する現象を着氷といい、航空機や船舶，電線など様々な場所で発生します。航空機においては機首、主翼、尾翼、エンジン、計器類で発生しやすく、空力性能の低下や計測データの異常を引き起こす原因となります。またジェットエンジンの着氷はノーズコーン、ファン動静翼、圧縮機前段部など入口付近で発生し、空気流路の狭窄や離脱した氷による機械的損傷を招いてしまいます。
これらに起因する航空機事故を防ぐため、様々な対策が講じられています。機体においては熱的防除氷システムとしてブリードエアや電熱ヒーター、機械的防除氷システムとしてラバーブーツ、また化学的防除氷システムとして防除氷液の散布などが挙げられます。またエンジンにおいてもブリードエアや電熱ヒーターが導入されていますが、最前方のファン動静翼に関しては形状や強度要求、回転系といった事情から機械的加工が難しく、現状着氷対策はされていません。
そこで本研究では、近年のファンブレードに炭素繊維強化プラスチック(以下、CFRP)が用いられていることに着目し、CFRP内部の炭素繊維を通電させると抵抗により発熱する特性を利用して、ファンブレード自体を発熱させる新しい着氷対策を提案しています。
研究はJAXA所有の実験装置を使用しており、現在平板のCFRP片にて通電・発熱させることによる防氷効果を確認できています。今後はより実機に近いファン動静翼形状を対象として効果検証を進めていきます。
CFRP試験片への着氷の様子
軸流圧縮機の失速特性改善
航空機の原動機であるジェットエンジンの圧縮機には一般に、軸流圧縮機が用いられています。今日ジェットエンジンは燃料消費率の向上が求められている中、圧縮機にも効率の向上などが求められます。圧縮機は扇風機のように羽根が環状に並んでおり、高速回転をすることにより空気を圧縮しますが、環状のままだと遠心力やコリオリ力の影響などの影響が加わってしまい、純粋な翼列の現象を捉えるには非常に複雑な現象となってしまいます。そのため本研究室では環状の羽根を直線に配置した「直線翼列」を用いることでこれらの影響を排除した現象を研究しています。また、実験とコンピュータ解析を用い、お互いの長所を生かしながら研究に取り組んでいます。
直線翼列風洞による実験風景
圧縮機翼列の翼端漏れ流れ制御による失速特性改善
M2 中澤 巽
軸流圧縮機は回転数を高くしすぎると内部の空気が乱れ、航空機の事故に繋がってしまいます。本研究では回転翼の翼端に溝加工を施し、翼端付近の空気の流れを安定化させることで、回転数を高くしても内部の空気が乱れにくい翼端溝形状を数値シミュレーションにより研究しています。実験で様々な模型を試すためには模型製作等に多大なコストと時間がかかってしまいます。そこで、まずコンピュータによる数値シミュレーションを様々な形状に適用し、軸流圧縮機内部流れの改善に適した形状を見つける研究を行っています。安全で且つ環境に優しい航空機の実現を目指し、日々研究に取り組んでいます。
翼端溝加工による回転翼周りの流れの変化