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日本ガスタービン学会誌

Vol.48No.5

2020.9流れ制御片側デバイスによるフィルム冷却性能向上に関する研究
Studies on One-Sided Flow Control Device to Improve Film Cooling Effectiveness宍戸 昌子＊1

船﨑 健一＊2

谷口 英夫＊2

SHISHIDO Masako

FUNAZAKI Ken-ichi

TANIGUCHI Hideo

河村 朋広＊3

齋藤 涼＊1

KAWAMURA Tomohiro

SAITO Suzuna

ABSTRACTThis study proposes a new flow control device (FCD), called one-sided FCD or OFCD, to improve conventionalcooling hole film effectiveness of turbine airfoils for gas turbine with less aerodynamic loss than that of the previously
developed devices such as double flow-control devices (DFCD) or V-shaped FCD. Detailed numerical investigations
on the flat-plate model are executed through RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations)-based simulation
using a commercial flow solver, calculating film effectiveness, net heat flux reduction (NHFR) and stagnationpressure loss coefficient for several types of OFCD along with DFCD and V-shaped FCD. Experimental examinations
are also conducted using PSP (Pressure-Sensitive Paint) method to verify the predictability of film effectiveness by
the present calculation. It is found that OFCD performs fairly well with less aerodynamic penalty than those of thehigh-performance devices.
キーワード：
Key words : Film Cooling, Flow Control Device, PSP method, RANS simulation．緒言を進めており⑵，一つの冷却孔の上流に単独⑶ またはガスタービンエンジンは発電用や航空機エンジン等に⑷対の突起DFCD（Double Flow Control Device），複数

用いられ，更なる高効率化が求められている。また，再ディンプル対⑸を設置してフィルム効率改善や熱負荷削

生可能エネルギーの系統大量投入時代を迎え，ベース電減率NHFR（Net Heat Flux Reduction）の変化状況調査，力の供給のみならず負荷変動に対する急速な応答性を

更には形状・配置の最適化を実施している。これらの研有するガスタービンへの期待が高まっている。このよ

究を通じて，デバイス設置効果によるフィルム冷却効率

うなガスタービンの高効率化手法としてタービン入口

向上を確認する一方で，デバイスから生成された縦渦に

温度TIT（Turbine Inlet Temperature）の上昇が挙げ起因するNHFRの悪化や空力損失増加の抑制など，実機られる。TITの上昇には冷却技術の進歩が大きく貢献し適用の際の課題も見出されている。

⑴ており，特にフィルム冷却の性能向上の寄与が大きい 。

本研究では，上記の課題解決を目的として考案された

フィルム冷却の高効率化の実現にとりCRVP（Counter-

単独のFCDの性能評価について調査している。DFCD

Rotating Vortex Pair）の制御が重要であり，そのためは冷却空気の翼面付着性向上には有効なデバイスではあの技術として，Fan-shaped形状化，複合角，Double Jet，るが，⑵

つの突起による空力損失増分は非常に大きく⑹，Sister Holeなどの制御技術が開発されている 。著者ら

その対策が必要である。Takisawaらの研究⑺で，DFCDのグループでもフィルム冷却の高効率化を目的としたへの流入角増加によりDFCD由来の渦の非対称性が見ら

流れ制御デバイスFCD（Flow Control Device）の開発れても，フィルム冷却効率改善の効果が維持されるとい＊＊＊原稿受付 2019年 月29日
査読完了 2020年 月 日
岩手大学大学院〒020-8551 盛岡市上田 丁目
岩手大学理工学部〒020-8551 盛岡市上田 丁目
東北電力㈱〒980-8550 仙台市青葉区

う知見が得られていることを元に，DFCDの片側だけを冷却孔上流に設置するデバイス，即ち流れ制御片側デバイス（以下，片側FCDまたはOFCDと称す）を考案する‑に至った。
本研究は，通常の丸形の冷却孔によるフィルム冷却を‑対象に，片側FCDが空力損失を抑制しつつDFCDなどの
両側FCDと同等のフィルム冷却性能向上能力を有し得ー 42 ー

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2020.9流れ制御片側デバイスによるフィルム冷却性能向上に関する研究

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るかの調査を目的としている。初めに数値解析により形状の片側FCDのフィルム冷却性能を調査した。次に数値解析で良い性能を示した形状については，DFCDなどとともに空力損失を数値的に調査し，更にPSP試験によるフィルム効率の計測を実施している。
主な記号：Stern-Volmerの式の係数（ i ＝0,1,2）

i：噴き出し比（=ρ2

2

/ρ∞

∞

＝

×

2

/

d

：冷却孔直径h , hf
I , I ref

：熱伝達率，フィルム冷却時の熱伝達率∞）：密度比（=ρ2/ρ∞）：発光強度，参照発光強度（参照酸素分圧時）：冷却孔長さm 2 , m ∞ ：二次空気流量，主流流量：分子量p , p ref ：酸素分圧，参照酸素分圧
P 2 , P ∞ ：二次空気よどみ点圧力，主流よどみ点圧力
Re：主流側レイノルズ数（=U ∞d /v）
T 2 , T ∞ ：二次空気温度，主流温度
T ad , T m ：断熱壁温度，翼温度
Tu：主流乱れ
U 2 , U ∞ ：二次空気速度（孔内平均速度），主流速度x , y , z ：座標系（主流方向，高さ方向，ピッチ方向）η：フィルム冷却効率（式⑵）θ：全体冷却効率（無次元翼温度）（式⑷）ρ2 , ρ∞ ：二次空気密度，主流密度ξ：正味熱流束削減率（式⑶）ζ：よどみ点圧損失係数
添字
air
：空気
CO2
：二酸化炭素
mix
：混合気体
ref
：参照状態
頭文字
CRVP ：Counter-Rotating Vortex Pair
DFCD ：Double Flow Control Device
DBV ：Device-Based Vortex
FCD：Flow Control DeviceMS：Mesh SizeNHFR ：Net Heat Flux Reduction
OFCD ：One-sided Flow Control Device
PSP：Pressure-Sensitive Paint
RH：Round HoleFig. 1 One-sided FCD with its geometrical parametersを与える

つのパラメータ（Height，Length，Width1，

Width2，Distance1，Distance2，Angle，Fillet） も 示されている。これらのパラメータは元々最適化を念頭に設定されているが，今回はDistance1，Distance2のみを変化させ，その他のパラメータについてはDCFDで多く採用されている数値に固定した（Table 1）。Fig. 2には，Table 1中に示された種類のデバイスの形状及び配置状況を示す。なお，文献⑷等を参考にLengthは2.0dに固定している。

Table 1 Parameters of device geometry and conﬁguration．片側デバイスFig. 1にはOFCDを示す。基本的な形状は，DFCDと同様に流れ方向に開き角を有する突起物であり，長手方
向及び横方向からの投影断面がともに半楕円状の形状をしている。Fig. 1には，形状及び冷却孔との位置関係
ー 43 ー
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Fig. 2 Tested one-sided FCD

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流れ制御片側デバイスによるフィルム冷却性能向上に関する研究

日本ガスタービン学会誌．実験手法（Oxygen Quenching）。冷却孔からCO2を噴出すること

本研究では，PSP（Pressure-Sensitive Paint）法によにより冷却孔下流でのO2分圧は低下し，結果としてPSPるフィルム冷却効率分布計測を実施した。実験手法の詳層からの発光強度も上昇する。この発光強度の変化と酸細については，河村らの報告⑻に詳しいので，以下には素分圧との関係の定式化には線形のStern-Volmerの式

その概要を述べる。

が一般的に用いられるが⑼，本研究では非線形性を考慮

.

試験装置

した次式を用いている。

Fig. 3に試験装置の概観を示す。供試ダクト（高さ㻵 㼞㼑㼒 㻙 㻵 㼐㼍㼞㼗

150mm，幅250mm）は小型吸込式低速風洞内に設置さ㻵 㻙 㻵 㼐㼍 㼞 㼗

れ，供試平板はダクト側面に固定されている。供試平板㻩 㻭㻜 㻗 㻭㻝㼜㼜 㻞㻗 㻭㻞 㻔
㻕
㼜㼞㼑㼒
㼜㼞㼑㼒

⑴

は，長さ470mm，幅220mm，厚み20mmのABS樹脂製で，

ここで，Idarkは，CCDカメラのレンズを完全に塞いだ状

直径d=10mm，傾斜角30°，ピッチ60mmの丸形冷却孔

態で計測した値である。式⑴中の係数は較正試験で決定（RH）が機械加工であけられている。OFCDなどのデバする。本研究で使用したPSPについて，Fig. 4に無次元

イスは，熱溶解積層法による3Dプリンターによって成周囲圧力と無次元発光強度との関係を示す。一般的に形され，両面テープで供試平板上の所定の位置に接着

PSPは感圧性のほかに，温度依存性を持つことが知られされている。冷却孔下流には，後述するPSP関係の塗料ているが⑼，本研究のPSPにおいても同様の傾向を示すが塗布されている。供試平板の下流部には，供試体温度ことを確認している。

を測定するための熱電対が複数取り付けられている。主流は，風洞整流部，絞りノズルを経て供試部に流入する。
その流速は供試部上流に装着されたピトー管で計測される。また，供試部入口での主流乱れは約%である。

フィルム冷却効率の計測では，二次空気の代替として
二酸化炭素（CO2）を用いている。タンクに蓄えられたCO2は，流量調整用のニードルバルブ，流量計，供試平板下部のプレナムを経て，ほぼ室温状態で冷却孔を通じて供試平板上に噴出する。

Fig. 4 Relation between Iuminous intensity and pressure under
three temperature conditions.

フィルム冷却効率の算出

式⑴に基づき，PSP層の発光強度情報からPSP層上のFig. 3 Test facilities for PSP measurement

O2分圧 p が算定され，物質移動と熱移動のアナロジー及.

PSP

び使用する気体の分子量の効果からフィルム冷却効率が

供試体表面には，下地として白色塗料を塗り，その次のように求められる⑽。

上にPSP層を塗布している。PSP層の成分は，感圧色素㼔㻩㼀 䌲 㻙 㼀㼍㼐㻩 㻝㻙㼀䌲 㻙 㼀㻞

波 長 が400nmのLED光 源（ 浜 松 ホ ト ニ ク ス 製 ） を 用

.

試験条件

い，発光を捉えるカメラには，ロングパスフィルター

本研究では，先行研究⑻に倣い主流側レイノルズ数Re（LV0630）を装着した高感度16ビットモノクロCCDカメ

を6000に固定し，主流側は空気（Mair=28.966），冷却側ラ（BITLAN製）を用いた。

はCO2（MCO2=44.010）を用いた。密度比DRは1.53であとしての白金ポルフィリン（PtTFPP），バインダーとしてのPtBSである。使用した色素の励起波長は392nm，
発光波長は650nmであることから，励起光源には中心PSP層は，温度が制御された状態においてその発光
強度 I はその周囲の酸素（O2）分圧 p によって変化する⑵

り，それを踏まえて，噴き出し比BRが1.0，1.5になるよ
うにCO2の体積流量を調整した。

ー 44 ー
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㻝㼜㼍㼕㼞 㼜㼞㼑㼒㻹㻝 㻗 㻯㻻 㻞 㻔㻙 㻝㻕㻹 㼍㼕㼞 㼜㼙 㼕㼤 㼜㼞㼑㼒

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2020.9流れ制御片側デバイスによるフィルム冷却性能向上に関する研究

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Fig. 6に使用した計算格子を示す。格子生成ソフトには，

不確かさ解析

PSP法 に よ る フ ィ ル ム 効 率 値 の 不 確 か さ に つ い て⑾

ANSYS® ICEM CFD™ ver15.0を用い，壁近傍及びそは佐々木の研究 に詳述されている。この研究では，れ以外の場所での格子解像度を考慮しながら，非構造格

Stern-Volmerの式のフィッティング誤差，画像取得誤子で格子生成を行った。主流側領域の格子生成では，使差などを考慮し，冷却孔中心線上で最大%程度の不確用ソフトの機能であるメッシュサイズ（MS；格子の一かさであることが示されている。本研究でも基本的には辺の最大値）⒁ を図のように層状に使い分け，格子解像

佐々木が開発した手法に基づいており，ほぼ同程度の不度と計算負荷の間のバランスを図っている。具体的には，確かさであると考えている。

y/d=0 〜 2.5dでMS=1mm，y/d=2.5 〜 3.5dでMS=3mm，
y/d=3.5 〜 7.5dでMS=5mmとしている。冷却孔領域で．数値解析手法のMSはすべて0.5mmとし，二次空気側領域ではy/d=‑.

3.0 〜 ‑3.2dでMS=1mm，y/d=‑3.2 〜 ‑13dでMS=3mm

計算対象及び計算格子

流れ解析の詳細については，河村らの報告⑻に詳しいである。また主流部ダクトと同様に壁面近傍にはプリズ
ムメッシュを適用しており，最小格子幅，拡大率，生成ので，以下にはその概要を述べる。
Fig. 5には，OFCD及び比較対照のためのDFCD及び層数も主流部ダクトと同様である．また壁面近傍には21

その派生形のV字形状デバイス⑿,⒀ を適用した場合の計層プリズムメッシュを適用し，壁面上でのy+＜1を実現

算領域を示す。計算領域は，主流側，冷却孔及び二次空している。総要素数は約2500万セルである。格子依存

気側のつの領域から構成されている。主流側領域の広性については，別形態のデバイス対象ではあるが本研究

がりは，冷却孔後縁を座標の原点として，幅方向（冷却での手法と同種の手法で同様の格子を複数作成し，それ

孔ピッチ方向）に冷却孔ピッチ分（6d；dは冷却孔直らに対して数値解析を行い詳細に比較検討を実施してい径），冷却孔上流側に10d，下流方向に36dとした。冷却る⒂。その結果，本研究で使用した非構造格子は，z方

孔領域は，冷却孔長さはL/d=6.0で，冷却孔傾斜角は30向（孔ピッチ方向）平均及び面平均フィルム冷却効率や［deg.］である。二次空気側領域は，底辺が一辺6dの正方流れ場解析（渦度分布）に関して2500万セル以上でほぼ形で，高さは10dである。

変化しなくなることを確認できていることから，十分な要素数及び格子解像度であると判断している。
.

計算ソルバー及び計算条件

計算ソルバーとしてANSYS® CFX™ ver15.0を用い，RANSによる解析を実施した。乱流モデルには，過去の調査結果⒃を元に，予測性能が比較的良好なSSTモデルを採用した。
計算領域に適用された主な境界条件は図の中に示されている。壁面境界条件について説明する。解析ドメイン
主流側上面部には，対称境界条件，主流側下面部には，断熱壁，すべりなし境界条件，主流側側面部には周期境Fig. 5 Computational domain

界条件を適応した。計算の際に使用した条件は，後述する実験で用いた条件に基づいて設定している。主流入口条件には，主流温度T∞=298.15［K］でのレイノルズ数
Re＝6,000となる主流速度を元に，実験で得た速度分布を与えている（x/d=−10.0位置での境界層厚みは0.24d）。
二次空気側入口では，所定の噴き出し比BRを達成するに必要な質量流量を与える。この時，フィルム冷却効率を求める場合には，実験のようにCO2を噴き出す代わりに，密度比DR=1.53を実現する温度（T2=194.85［K］）の空気を噴出している。また，実験では計測していないが，冷却孔なし及び冷却孔からの二次空気噴出ありの熱伝達率h，hfも算出しており，その場合はT2=298.15
［K］とし
ている。
.

冷却特性及び空力損失

本研究では，冷却特性の評価指標として，正味熱流束削減率（Net Heat Flux Reduction）ξを導入し，空力損失の評価指標として，よどみ点圧損失係数を導入した。

Fig. 6 Computational grid system（domain and FCD）

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流れ制御片側デバイスによるフィルム冷却性能向上に関する研究ȥ

⑶㼀 㻙 㼀㻞㼝㻩 䌲㼀 䌲 㻙 㼀㼙d=5でCRVP（‑）の上流視右側に位置することで，CRVP⑷（‑）と 強 く 干 渉 し そ の 構 造 を 大 き く 変 え（Fig. 14参照）， 結 果 と し てCRVPに よ るlift-oﬀ効 果 を か な り 抑制することで冷却空気のz正方向への拡散を促進して⑸⁄

日本ガスタービン学会誌

いるが，その後壁面との鏡像効果でz正方向に移動し，

ここで，θは全体冷却効率（無次元翼温度）の逆数で，フィルム冷却効率改善効果が低下している。OFCD5

本研究では1.6を用いた。この値は，無次元翼温度では（Distance1=0.4d, Distance2=1.2d）では，デバイスが冷

0.625となり，最新のガスタービンでの典型的な値であ却孔に接近することで，OFCD4の場合よりもDBV（+）⒄

る 。また，Pt, mixは一つの冷却孔あたりでの主流と二とCRVP（‑）との干渉位置がz負方向へ変化し（Fig. 15参次空気とが混合した状態でのよどみ点圧であり，次式で照），フィルム冷却効率改善の程度はOFCD4よりも小さ

算出した。

い。
BR=1.5（Fig. 10） の 場 合，CRVPが 強 化 さ れOFCD⑹の効果は弱まるが，OFCD2，3では，DBV（+）はCRVPの対称性に影響を与えながらCRVP（‑）のz正方向に移．結果および考察.

動し，結果としてDBV（+）とCRVP（‑）の間で吹き下ろ

片側デバイス間の性能比較（CFD）
Fig. 7に種類のOFCDのフィルム冷却効率に関する

BR=1.0及び1.5での計算結果を示す。また，Fig. 8にはFig. 7の結果から算出した面平均フィルム冷却効率を示す。面平均値の評価領域は，0≦x/d≦20，‑3≦z/d≦3である。この結果から，全体的に冷却空気の付着が高く，z方向への拡散も向上しているが，特にデバイスの頂点のピッチ方向位置（z=0.4d）が冷却孔の端部（z=0.5d）に近接するOFCD4及びがピッチ方向及び流れ方向への冷却空気の付着性向上をもたらしている。両者は，ともにデバイス中心が冷却孔中心よりピッチ方向に0.4d離れており，また，OFCD5の方がより冷却孔に接近している。Fig. 8に示すように，OFCD4はBR=1.0では面
平均フィルム冷却効率は0.27だが，BR=1.5では0.11まで

Fig. 7 Comparisons of calculated ﬁlm eﬀectivenessamong 5 test cases（left; BR=1.0, right; BR=1.5）

急落している。一方OFCD5では，BR=1.0で面平均フィルム効率が0.21，BR=1.5でも0.16となっており，高BRにおいても比較的良好な性能を示している。Fig. 9，10に，BR=1.0及びBR=1.5でのフィルム冷却効率分布と流れ方向渦分布（x/d=5,10,15）の複合図を示す。OFCDの場合は，その配置，開き角の関係で正の渦DBV（+）が発生するが，DBV（+）とCRVP との干渉は，OFCDの配置パターン及び噴き出し比によって大きく異なり，結果としてフィルム冷却分布の差異に大きく影響している
ことがわかる。例えば，Fig. 9（BR=1.0）から分かるよ
う に，OFCD1（Distance1=0.0d, Distance2=1.7d） で 発生したDBV（+）はCRVPの負の渦CRVP（‑）と干渉し合いながら，両者はそれぞれの誘導速度の効果で壁から離れる方向に移動しているが，OFCD2（Distance1=0.2d,
Distance2=1.7d） で は，DBV（+）がz正 方 向 に 移 動 し
CRVP（‑）の上部に位置することで，両者はz正方向へ移動する傾向を示し，結果としてフィルム冷却効率の 改 善 を も た ら し て い る。OFCD3（Distance1=0.2d,
Distance2=1.5d）では，デバイスが孔に近接することでフィルム冷却効率改善効果が低下している。OFCD4（Distance1=0.4d, Distance2=1.7d）では，DBV（+）はx/ー 46 ー
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Fig. 8 Area-averaged Film Eﬀectiveness（top; BR=1.0, bottom; BR=1.5）

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算で得られたフィルム冷却効率分布を示す。なお，両側
FCDはともに片側のデバイスの開き角は30°でOFCD4，5と共通している。また，Fig. 12，13には，x/d=0 〜 20，z/d=‑3 〜 3の領域での面平均フィルム効率値を実験及び計算について示す。
計算の予測精度に関しては，Fig. 11 〜 Fig. 13より，実験で得られた分布が概ね再現できており，面平均値についても傾向としてはOFCD4を除けばある程度一致していることが確認できる。ただし，BR=1.5においては，
特にOFCD4の実験とCFDの結果において異なる値を示しており，両側FCDの場合も定量的予測精度は低下す
る傾向にある。OFCD4の結果が異なる傾向を示している理由については現時点では明らかではない。可能性としては，剝離などを伴う非定常な流れ場での拡散現象を
RANS解析では再現するのが容易ではないことが挙げられる。また，数値解析では冷却孔空気に空気を使用し，温度差をつけることで密度比DR=1.53を達成しているのFig. 9 Film eﬀectiveness and vorticity distributions（BR=1.0）

に対し，実験では冷却空気にCO2を使用してDR=1.53を達成していることも要因と考えられるが，今後引き続き調査していく。

Fig. 10 Film eﬀectiveness and vorticity distributions（BR=1.5）

し現象が発生し，フィルム冷却効率改善が生じている。
OFCD4では，x/d=5でのDBV（+）とCRVP（‑）との距離が大きくなっており，その分フィルム冷却効率改善効果が弱まっている一方，OFCD5では両者が近接しており
フィルム冷却効率改善効果はある程度維持されている。
.

両側デバイスとの性能比較⑴フィルム効率（実験及びCFD）
Fig. 11に，フィルム冷却効率向上性能が認められた
OFCD4，OFCD5，

種類の両側FCD（瀧澤による最適⑺
化DFCD（Height 0.5d），V字デバイス（瀧澤が調査した高性能型; Height 0.4d）⑿ ）及び丸孔単独の場合（RHonly）について，BR=1.0，BR=1.5の条件下実験及び計ー 47 ー
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Fig. 11 Comparisons of measured and calculated ﬁlm
eﬀectiveness for devices（top; BR=1.0, bottom; BR=1.5）

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流れ制御片側デバイスによるフィルム冷却性能向上に関する研究

日本ガスタービン学会誌

もたらすなど，フィルム冷却効率の大幅な改善効果を有している。なお，実験，CFDともに，高BRではOFCDのフィルム冷却効率効果は低下しており，特にOFCD4で顕著である。
過去の研究⑷,⑺では，デバイスの効果はデバイスで発生する渦（DBV）の規模とCRVPとの位置関係が深く関係していることが示されている。既にFig. 9，10に示しているが，より詳細にOFCDによる渦構造を分析するため，フィルム冷却効率改善で良好な性能を示した
BR=1.0におけるOFCD4とOFCD5について，それらの流れ方向渦度分布（x/d=5における計算結果）を議論する（Fig. 14）
。なお，比較のためDFCD及びV字デバイスによる渦構造も同じFig. 14中に示す。この図から分かる
ように，両側デバイスがデバイス由来の渦対による吹き下ろしによるフィルム効率向上であるのに対し，OFCD
は非対称的な渦構造を生成することで，CRVPの対称性を崩し，両側デバイスと比べ計測領域内での投影面積のFig. 12 Comparison of measured（top）and calculated（bottom）
area-averaged ﬁlm eﬀectiveness for 4 devices and RH
only（BR=1.0）

小さな片側デバイスからのDBVのみでフィルム冷却効率を改善させるものである。この特徴は，後述するように空力損失にも関係し，結果として空力損失の抑制に繋がっている。

Fig. 13 Comparison of measured（top）and calculated（bottom）
area-averaged ﬁlm eﬀectiveness for 4 devices and RH
only（BR=1.5）

実験及び解析の結果として，フィルム効率向上に関する

種類のデバイスの効果の違いについては，下記の様にまとめることができる。即ち，BR=1.0，1.5ともにFig. 14 Comparisons of calculated streamwise vorticity contours
at x/d=5（BR=1.0）

DFCD，V字デバイスが中心線上の値，z方向への広がりという点で優れており，OFCDがそれに続く性能向上をもたらしている。Fig. 12，13の面平均値から分かるように，デバイス設置は丸孔単独の場合の倍以上の値をー 48 ー

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319⑵NHFR（CFD）
Fig. 15には，BR=1.0におけるNHFRの計算結果の比較を示す。なお，これ以降では実験と比較的よい一致を示したBR=1.0での計算結果についてのみ議論する。デバイスは冷却空気の壁面への付着性を高める一方で，渦運動による熱伝達率増加を引き起こす可能性があり，結果として熱流束低減効果の指標であるNHFRが負の値を示すこともあり得る。実際，Fig. 15上の分布図では，丸孔単独及びOFCD4，5で吹き出し付近（0≦x/d≦5）に，
また両側FCDではx/d=7より下流域で負の領域が確認できる。この場合は，伝熱促進効果がフィルム効率向上の効果を打ち消していることになり，フィルム冷却導入の実質的な価値が失われることを意味するが，DFCDではFig. 16 Comparisons of calculated stagnation pressure loss for 4
devices（BR=1.0）

そのような領域が広く存在している。Fig. 15下のNHFR
面平均値からは，OFCD4が．結論

つのデバイス形態の中で良好な冷却性能を有していることが分かる。

本研究では，丸形冷却孔によるフィルム冷却を対象に，⑶空力損失（CFD）
Fig. 16に，BR=1.0における

今回新たに提案した片側デバイスOFCDが，空力損失を種類のデバイス使用時抑制しつつDFCDなどの両側FCDと同等のフィルム冷のよどみ点圧損失係数面平均値を示す。それぞれの値は却性能向上能力を有し得るかの調査を，RANS解析及びDFCDの損失係数面平均値で無次元化されている。なお，

PSP法を用いたフィルム効率計測を通じて行った。本研

面平均は計算領域の最下流部で算出している。この結果

究で得られた成果は下記のようにまとめられる。

より，OFCD4はDFCDと比較して20％損失低減を実現

．

している。

種 類 のOFCDに 対 す るCFD解 析 の 結 果 か ら，
CFD冷却孔の中心線から0.4dオフセットすること
により，z方向（孔ピッチ方向）及び流れ方向への冷却空気付着性の改善が確認された（OFCD4，
OFCD5）。

．DFCD及びV字デバイスの両側デバイスを比較対象に選び，フィルム冷却効率，NHFR及び空力損失についての比較を行った。その結果，フィルム効率については両側デバイスには及ばないものの，OFCD
はNHFR及び空力損失の点では両側デバイスよりも良好な性能を示し得ることを確認した。
以上のように，今回提案した片側デバイスの有用性及び有望性は確認されたと考えられるが，一方で空力損失増加が当初の狙い通りには低減できないないなど改良の余地は十分にあるため，今後多目的最適化などを通じて，
より実用性の高いデバイス開発を進める予定である。

参考文献⑴

Fig. 15 Comparisons of calculated NHFR contours（top）and
area-averaged values（bottom）for 4 devices（BR=1.0）

船﨑健一，ガスタービンにおける伝熱・冷却技術の最新動向：総論，日本ガスタービン学会誌，Vol. 46 No. 6（2018），pp. 421-426.
⑵ 船﨑健一，流れ制御デバイスによるフィルム冷却の高効率化，日本ガスタービン学会誌，Vol. 46 No. 6（2018），
pp. 455-461.
⑶ Hirokazu Kawabata，Ken-ichi Funazaki，Ryota
Nakata，Daichi Takahashi， Experimental andNumerical Investigations of Effects of Flow Control
Devices upon Flat-Plate Cooling Performance ，ASME
Turbo Expo 2013，GT2013-95197，2013.

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流れ制御片側デバイスによるフィルム冷却性能向上に関する研究

船﨑健一，中田諒大，川端浩和，田川久人，堀内康広，⑽

Charbonnier, D., Ott, P., Jonsson, M., Cottier, F. and

流れ制御デバイスによるフィルム冷却性能の向上，日本

Kobke, Th., Experimental and Numerical Study of

ガスタービン学会誌，Vol. 42，No. 5，pp. 456-464，2014
河村朋広，船﨑健一，齋藤涼，流れ制御デバイスを用い

the Thermal Performance of a Film Cooled Turbine

たフィルム冷却の高効率化に関する研究−Dimple形状
最適化−，日本機械学会流体工学部門講演会（室蘭），PM57OS8-10，2018⑹ Hirokazu Kawabata, Ken-ichi Funazaki, Yuya Suzuki,
Hisato Tagawa and Yasuhiro Horiuchi, Improvementof Turbine Vane Film Cooling Performance by Double
Flow-Control Devices, Journal of Turbomachinery, Vol.
138, 111005（9 pages）,2016⑺ Hayato Takisawa, Ken-ichi Funazaki, Hirokazu Sasaki,
Tomohiro Kawamura, Hisato Tagawa, Susumu Nakano,
Improvement of Flat-Plate Film Cooling Performanceby Double Flow Control Devices under High Density
Ratio, Proceedings of ACGT 2016（Mumbai, India）,
2016⑻ 河村朋広，船﨑健一，瀧澤隼人，田川久人，森﨑哲郎，
流れ制御デバイスを用いたフィルム冷却の高効率化に関する研究−高密度比条件におけるデバイス最適形状検討−日本ガスタービン学会誌，Vol. 46 No. 4，pp. 306-313，
2018⑼ 満尾和徳，中北和之，柴田充，渡辺重哉，JAXA感圧塗料（PSP）計測システムの研究開発（3）―感圧塗料編―，宇宙航空研究開発機構研究開発報告，2014

Platform, ASME Turbo Expo 2009, GT2009-60306, 2009
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日本ガスタービン学会誌

佐々木宏和，感圧塗料計測系の開発及び先進的フィルム
冷却技術の伝熱性能評価，岩手大学修士論文（2016年度）
瀧澤隼人，流れ制御デバイスを用いたフィルム冷却の高効率化に関する研究−デバイス形状最適化及び新規デバ
イス形状の探索−，岩手大学修士論文（2016年度）
齋藤涼，船﨑健一，河村朋広，森崎哲郎，フィルム冷却の高効率化に関するV字流れ制御デバイス形状の最適化，第46回日本ガスタービン学会定期講演会（鹿児島），
2018
ANSYS ICEM CFD Ver. 15 Tutorial Manual, 2013
河村朋広，流れ制御デバイスを用いたフィルム冷却性能向上に関する研究―新規デバイス形状の探索―，岩手大学修士論文（2018年度）
川 端 浩 和， 高 圧 タ ー ビ ン 翼 フ ィ ル ム 冷 却 の 熱 流 体
特 性 及 び 流 れ 制 御 技 術 に 関 す る 研 究， 岩 手 大 学 博
士 学 位 論 文（2014年 度 ），p.148（https://iwate-u.
repo.nii.ac.jp/?action=pages̲view̲main&active̲
action=repository̲view̲main̲item̲detail&item̲
id=10423&item̲no=1&page̲id=13&block̲id=21）
ガスタービン工学，日本ガスタービン学会，p. 96，2013