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．

对于风镜式风力涡轮机，通过在叶轮周围安装由扩散器和边缘组合而成的风镜（集风器），可以获得较高的集风效果。这项研究的目的是通过创建一种可应用于风透镜风力涡轮机的创新的最佳空气动力学设计方法，创造出超越贝茨极限（风力涡轮机理论效率的极限）的高性能风力涡轮机。首先，将“风透镜风力机叶片气动设计方法”与“多目标优化方法”相结合，介绍一种可同时进行最优耦合设计的“风透镜风力机叶片气动多目标优化设计方法”风透镜和叶轮”的构造。本次优化以叶片气动载荷分布和风镜形状为设计变量，以叶轮出力系数和风镜集风效果系数为评价函数进行优化设计。。对最优气动设计得到的帕累托最优解的代表性案例进行了三维稳态RANS分析，制作了性能最佳的风透镜风力机原型机，并在大型环境下进行了性能测试。风洞是在九州大学应用力学研究所进行的。结果，我们在世界上首次证明了优化设计的风透镜风力涡轮机可以表现出超过贝茨极限的性能，并验证了这种气动设计方法的有效性。我们还阐明了流场与性能之间的关系。这种空气动力学设计方法考虑了叶轮周围的壳体和轮毂的子午形状，以及由子午形状引起的分离和涡流，这是传统涡轮机械空气动力学设计方法无法考虑的一大特点。可以做到。因此，这种气动设计方法适用于下游流场发生较大分离的半开式轴流风扇和端部边界层形成的离心压缩机。已经证实，应用这种气动设计方法，可以设计出考虑叶轮区域的速度分布、排出损失和吸力损失的叶轮，这是以前的设计方法无法考虑的。此外，通过调整叶轮气动载荷分布，改善流场和气动性能，实现了目标涡轮机的更高性能。