風レンズ風車の革新的最適空力設計法の創出とその適用によるベッツ限界への挑戦

为风透镜风力涡轮机创建创新的最佳空气动力学设计方法，并应用它来挑战贝茨极限

基本信息

批准号：
15J00212
负责人：
岡信仁
金额：
$ 1.22万
依托单位：
Kyushu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2015
资助国家：
日本
起止时间：
2015-04-24 至 2017-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

風レンズ風車では，ディフューザとつばを組み合わせた風レンズ（集風体）を翼車周りに装着することにより高い集風効果が得られる．本研究では，風レンズ風車に適用可能な革新的最適空力設計法を創出することにより，ベッツ限界（風車の理論効率の限界）を超越した高性能風車の実現を目的とする．まず，「風レンズ風車翼車の空力設計法」と「多目的最適化手法」を組み合わせることにより，風レンズと翼車の両者を同時に連成最適設計可能な「風レンズ風車の多目的最適空力設計法」を構築した．本最適化は，翼の空力負荷分布および風レンズ形状を設計変数とし，翼車の出力係数および風レンズの集風効果係数を評価関数として，最適設計を実施した．本最適空力設計によって得られたパレート最適解の代表ケースについて三次元定常RANS解析を行い，最も性能が優れていた風レンズ風車を試作して，九州大学応用力学研究所の大型風洞により性能試験を実施した．その結果，最適設計された風レンズ風車はベッツ限界を超越する性能を発揮できることを世界で初めて示し，本空力設計法の妥当性が検証できた．また，その流れ場と性能の関係について明らかにした．本空力設計手法は，これまでのターボ機械の空力設計手法では考慮できなかった翼車周りにあるケーシングやハブなどの子午面形状やその子午面形状に起因するはく離や渦などを考慮して設計できる事が大きな特徴である．そこで，本空力設計法を下流領域の流れ場に大きなはく離が発生する半開放形軸流ファンおよび端面境界層が発達する遠心圧縮機へと適用した．本空力設計手法の適用により，これまでの設計法では考慮できなかった翼車領域の速度分布や吐き出し損失，吸込み損失を考慮した翼車の設計が可能になることを確認した．また，翼車の空力負荷分布を調整する事により，流れ場および空力性能の改善に取り組み，対象としたターボ機械の高性能化を実現した．

风透镜风力涡轮机可以通过连接结合扩散器和翼轮周围的风透镜（风透镜）来提供大风收集效果。这项研究旨在实现超越BETTS极限（风力涡轮机理论效率的极限）的高性能风力涡轮机，从而创建了一种创新的最佳空气动力学设计方法，该方法可用于风镜风力涡轮机。首先，通过结合“风力透镜风力涡轮机的空气动力学设计方法”和“多目标优化方法”，我们已经构建了一种“多目标的最佳空气动力学设计方法，用于风镜风力涡轮机”，从而可以同时同时设计风镜和涡轮机轮。该优化是使用叶片的空气动力负载分布和风透镜形状作为设计变量设计的，并使用刀片轮的输出系数进行了最佳设计，并作为风镜的风态效应系数作为评估功能。对通过这种最佳空气动力学设计获得的帕累托最佳解决方案的代表性案例进行了三维稳态RANS分析，并对风镜风力涡轮机进行了原型测试，并使用Kyushu University Applied Mechanics的大型风洞进行了性能测试。结果，首先是最佳设计的风透镜风力涡轮机可以表现出超越Betts限制的性能，并验证了这种空气动力学设计方法的有效性。流场和性能之间的关系也得到了澄清。这种空气动力学设计方法是设计方法的主要特征，可以考虑到机翼轮周围的套管和轮毂的子午形状，以及由子午形状引起的剥离和涡旋，这在直到现在的涡轮机动设计方法中都是不可能的。因此，将这种空气动力学设计方法应用于半开放的轴向风扇，在下游区域的流场中脱皮，并开发了边界边界层的离心压缩机。已经确认，这种空气动力学设计方法的应用使设计机翼轮的应用可以考虑到机翼轮面的速度分布，放电损失和吸入损失，这在先前的设计方法中无法考虑。此外，通过调整机翼轮的空气动力负载分布，我们一直在努力改善流场和空气动力学性能，从而实现了较高的目标涡轮机。