Elucidation of cavitation erosion characteristics of a cross-flow turbine blade for utilizing undeveloped hydropower

クロスフロー水車のキャビテーションの発生領域を推定するために水車室内の平均圧力分布や変動圧力分布をCFD解析により調査した．パラメータはガイドベーン開度と回転速度係数である．その結果，以下の知見を得ている．水車室内の流れはガイドベーン開度と回転速度係数により変化する．平均圧力分布において，ガイドベーン開度が全開から最適開度の範囲においては，水流はガイドベーン周りに沿って上下に分割されたのちにランナに作用する．最適開度より開度が小さくなるほどガイドベーンの前縁や後縁から流れのはく離が観察されるようになり，それに伴って局所的な静圧の低下領域が見られるようになる．特に，ガイドベーンの前縁から下部の領域においてははく離が顕著となり，ノズル内部にランナ回転と同期した周期的な圧力変動が生じるようになる．圧力変動の大きさは最大で入口全圧の1.2倍程度である．一方でノズル先端部のチップクリアランス部ではガイドベーン開度によらず大きな圧力の変動が見られ，この領域ではブレード通過周波数と同期した圧力の低下が発生する様子が確認された．キャビテーションの発生が懸念される低圧部となるのは，このノズル先端部のみであった．有効落差は20mに固定した検討であり，落差が増大すればガイドベーン周りのはく離領域の圧力低下がより顕著となる可能性があるため，今後は有効落差の影響も考慮した検討をおこなう必要がある．実験的に水車室内の様子をストロボで観察したところ，ガイドベーン開度によって気泡の存在領域が変化する様子が確認されている．ただし，キャビテーションによる気泡なのか，水車室内の気相が巻き込まれたものかは現時点では確認できていないため，2023年度に試験を継続する．

クロスフロー水車のキャビテーションの発生領域を推定するために水車室内の平均圧力分布や変動圧力分布をCFD解析により調査した．パラメータはガイドベーン開度と回転速度係数である．その結果，以下の知見を得ている．水車室内の流れはガイドベーン開度と回転速度係数により変化する．平均圧力分布において，ガイドベーン開度が全開から最適開度の範囲においては，水流はガイドベーン周りに沿って上下に分割されたのちにランナに作用する．最適開度より開度が小さくなるほどガイドベーンの前縁や後縁から流れのはく離が観察されるようになり，それに伴って局所的な静圧の低下領域が見られるようになる．特に，ガイドベーンの前縁から下部の領域においてははく離が顕著となり，ノズル内部にランナ回転と同期した周期的な圧力変動が生じるようになる．圧力変動の大きさは最大で入口全圧の1.2倍程度である．一方でノズル先端部のチップクリアランス部ではガイドベーン開度によらず大きな圧力の変動が見られ，この領域ではブレード通過周波数と同期した圧力の低下が発生する様子が確認された．キャビテーションの発生が懸念される低圧部となるのは，このノズル先端部のみであった．有効落差は20mに固定した検討であり，落差が増大すればガイドベーン周りのはく離領域の圧力低下がより顕著となる可能性があるため，今後は有効落差の影響も考慮した検討をおこなう必要がある．実験的に水車室内の様子をストロボで観察したところ，ガイドベーン開度によって気泡の存在領域が変化する様子が確認されている．ただし，キャビテーションによる気泡なのか，水車室内の気相が巻き込まれたものかは現時点では確認できていないため，2023年度に試験を継続する．