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

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．

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．