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日本ガスタービン学会誌

Vol. 51No. 5

2023.9平板試験装置を用いた高性能フィルム冷却孔形状に関する研究―Pick-Shaped Holeの提案―
Studies on High-Performance Film Cooling Hole Shape using a Flat-Plate Test Facility- Proposal of Pick-Shaped Hole 佐々木 優大＊1
SASAKI Yudai

船﨑 健一＊2
FUNAZAKI Ken-ichi

ABSTRACT
Turbine inlet temperature (TIT) of gas turbines has been increasing for decades to achieve their larger output
and higher thermal efficiency and the advances in cooling technology for the turbine sections have significantly
contributed to this trend. Among the cooling technologies, film cooling is widely adopted for turbine blades becauseof its high cooling performance, however, further studies are still required on the film cooling so as to attain higher
cooling effectiveness with lower aerodynamic loss caused by the coolant injection into the main flow. This study
proposes a new cooling hole shape, called Pick-Shaped Hole. The film cooling performance and aero-thermal
performance of this new cooing hole are investigated experimentally and numerically in comparison with Round Holeand Fan-Shaped Hole under various flow conditions, such as blowing ratio and turbulence intensity.
キーワード：ガスタービン，フィルム冷却，冷却孔，感圧塗料，主流乱れ度
Key words : Gas Turbine, Film cooling, Cooling Hole, Pressure Sensitive Paint, Turbulence intensity．研究背景

Shaped Hole）⑷ であり，これにより主流への冷却空気

近年，燃料価格の高騰等によりガスタービンには更なの貫通を低減するとともにCRVPを制御することで，壁る高出力化，高効率化が求められている。これらを達成

面への付着性が向上することから広く実用に供されするためにはタービン入口温度（TIT）の上昇が重要でて い る。 ま た 近 年 で は，Arrowhead-Shaped Hole ⑸ やあるが，TITの上昇に伴って燃焼器直下流に位置する高NEKOMIMI cooling hole ⑹と呼ばれる高い冷却性能を有圧タービン部の熱負荷が増大するため，冷却技術の進歩する形状なども提案されている。

が必要不可欠である。その中でも，フィルム冷却技術は最も有効な冷却手法である。

一方で，フィルム冷却は主流との混合現象を伴うため冷却性能だけでなくタービン損失への影響も考慮しなけ

フィルム冷却の課題として，冷却空気と主流の干渉ればならない。Fan-Shaped Holeは1980年頃に提案されにより発生するCounter Rotating Vortex Pair（CRVP）

た革新的な形状であったが，その後提案された冷却孔形と呼ばれる渦構造の存在が挙げられる。CRVPにより冷状は主として冷却性能のみに関心が寄せられ，空力面の却空気を壁面から引き離す現象であるlift‑oﬀや高温主流調査が十分ではなかった。

の巻き込みが誘起されるため，結果として，CRVPによ⑴

本研究では，岩手大学において新たに考案された形状

りフィルム冷却性能が悪化することがHaven らの研究であるPick-Shaped Hole（PSH）を対象として，フィルで示されている。CRVPを制御することがフィルム冷却

ム冷却性能評価及び空力損失評価を行っている。そこで⑵

効率の向上に繋がる ため，CRVPの制御に向けて数多

は，吹き出し比，主流乱れ等の各流動条件におけるフィくの研究が実施されている。

ルム冷却性能及び空力損失について，Round Hole（RH）

フィルム冷却に関する最大の技術的進歩は，冷却孔出口形状に関するものであるとされている ⑶。最もよと777-Shaped Hole ⑺（SH）との比較により明らかにしている。

く知られている出口形状はDiﬀuser Hole（またはFan○主な記号＊＊

原稿受付 2023年 月14日
査読完了 2023年 月30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

A 0 ,A 1 ,A 2 ,A 3 ：Stern-Volmer係数［‑］：酸素濃度［%］：冷却孔直径（10［mm］）：拡大部長さ
［mm］
：分子量比
［‑］

‑
‑

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：吹き出し比［‑］：密度比［‑］：発光強度［a.u.］：直管部長さ［mm］：圧力［kPa］

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Po 2

No. 5

2023.9449

平板試験装置を用いた高性能フィルム冷却孔形状に関する研究―Pick-Shaped Holeの提案―

SHは冷却孔出口部の断面形状を末広状としているディ

：酸素分圧
［kPa］
/μ）
［-］

フューザー型である。一方で，PSHは上から見た冷却孔：主流乱れ度
［%］

：流速
［m/s］

出口部形状が先端にいくにつれて狭まっていく特徴を持

：流れ方向
［‑］

：高さ方向
［‑］

ち，弦楽器を弾く際に用いるピック（Pick）のような形：レイノルズ数（=ρ∞∞：スパン方向［‑］δ ：境界層厚さ［mm］状をしている。PSHの出口部形状の概要をFig. 3に示す。

δ1

：排除厚さ
［mm］

δ2 ：運動量厚さ［mm］

PSHはスパン方向拡大角を広げることで冷却空気をスパζ

：流れ方向渦度［s^‑1］

ン方向へと拡散させることと出口部形状の先端を狭めるη：フィルム冷却効率［‑］ことで冷却空気の速度を低減させることを目的としてパθ：無次元空間温度分布［‑］

ラメータを決定している。今回，比較対象としたSHの

μ

：粘性係数
［Pa･s］

形状は新たな冷却孔形状と比較するための基準の形状と

3

ρ

：密度
［kg/m ］

して考案されている。そのため，このSHの形状と比較○添え字することでPSHの性能を評価している。

∞

：主流空気

2 ：冷却空気dark：暗電流画像

ref ：リファレンス

wall

：断熱壁

Table 1 Parameter details

．実験手法
.

Cooling hole shape

RH

SH

PSH

Diameter（d）
［mm］

10

10

10

Metering length（Lm/d）
［‑］

‑

2.5

2.13

平板試験装置Injection angle（α）［deg.］

30

30

30

Fig. 1に実験装置の概要を示す。本研究では，吸込式

Forward expansion angle（β）［deg.］‑

75.3

風洞を用いている。主流は風洞下流に位置する送風機にLateral expansion angle（γ）［deg.］‑

711.2

より供給され，主流流入部を通過する際，ハニカム格子と枚の整流網を通過し整流される。その後，縮流され加速した空気がテストセクションへ流入する。冷却空気として二酸化炭素を代用しており（以下，便宜的に冷却空気という），ボンベから供給され，質量流量計で所定の流量に調整後，プレナム内へ流入する。テストセ
クションには感圧塗料（PSP: Pressure Sensitive Paint）
を塗布した供試体を取り付けている。PSP計測にはロングパスフィルタを取り付けた冷却CCDカメラとPSP励起

Fig. 2 Conﬁguration parameters（Left: RH, Middle: SH, Right: PSH）

用の紫外線LED光源を用いている。

Fig. 3 Cooling hole outlet shape（PSH）

.

PSP計測

PSPは発光色素をセンサとした機能性塗料であり，特定の波長により励起され発光し，その発光強度は色素周
辺の酸素濃度に応じて変化する性質を持っている。そFig. 1 Flat plate test equipment

こで本研究では，紫外線LED光源によってPSPを励起し，
.

冷却孔形状

冷却CCDカメラにより供試体表面のPSPの発光強度を撮

本研究で用いた冷却孔形状はTable 1，Fig. 2に示す通影した後，画像処理によりフィルム冷却効率を算出した。

りである。冷却孔の中心軸と壁面が交わる点を原点とし今回用いたPSPの感圧色素には常温で高い圧力感度をている。各冷却孔の冷却孔長さは6dであり，供試体の持つ白金ポルフィリン（PtTFTT）を使用しており，励

厚さは3dである。また冷却孔はスパン方向につ設け

起波長は392nm，発光波長は650nmである。そのため紫ており，冷却孔ピッチは6dである。形状の特徴として，

外線LED光源のピーク波長は400nmである。また650nm

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平板試験装置を用いた高性能フィルム冷却孔形状に関する研究―Pick-Shaped Holeの提案― 日本ガスタービン学会誌の発光波長を捉えるために，カットオン波長630nmのとが示されている。なお，境界層厚さδは流速が主流速

ロングパスフィルタを装着した冷却CCDカメラ（16bit）

度の98%に達する時の壁面からの距離と定義している。

を使用した。

⑷

PSPを用いたフィルム冷却効率の計測では，熱拡散と物質拡散のアナロジー成立が前提条件とされており，同⑸

アナロジーが成立する場合，フィルム冷却効率は式⑴のように定義される⑻。

また，本研究では，空気を用いて熱線プローブの較正を⑴行い，実験では冷却空気として二酸化炭素を使用している。そのため，空気との混合過程における物性値（定圧本研究では，分子量比の影響も考慮したCharbonnier

比熱，密度，粘性係数，熱伝導率）の変化に伴う熱線⑼

ら が提案した式⑵を定義式として採用している。MW

プローブの出力変化の影響が懸念された。そこでSHのは異種ガスである二酸化炭素と主流空気の分子量比

BR=2.5を対象に以下のように二酸化炭素と空気との混（MW=1.5194）である。

合効果を調査した。なお調査するにあたり，日本カノ

2,

/

2,

は冷却空気としては冷却空

マックス株式会社の技術資料⑿を参考にしている。濃度

気として二酸化炭素を代用した際の酸素分圧比である。

の見積もりに関する情報をTable 2に示す。まず式⑵をなお，冷却空気として空気を使用した際の酸素分圧の変用いて，x/d=18におけるフィルム冷却効率から空気を使用した際の酸素分圧比，2,/化は非常に小さく，無視できると仮定し，≈1として計測を行っている。

2,

2,

/

2,

2,

2,

/

を逆算した。酸素分圧の減少分を二酸化炭素分圧の増加分と仮定することで，計測時の二酸化炭素の割合⑵

また，PSPの発光強度と圧力の間には式⑶に示すStern-を算出した。そして，混合ガス中の各気体の割合から混合ガスの物性値を求める。その後動粘性係数，温度伝達率を求め，それらを用いてレイノルズ数，プラントル数，

Volmer式が成立するため，事前に真空チャンバーを用

ヌセルト数を求める。最後に放散熱量を算出する。Fig.

いてPSPの較正を行い，同式を取得しておくことでフィ

4に空気・混合ガスそれぞれの物性値から算出した放散

ルム冷却効率の算出が可能となる。

熱量と流速の関係を示す。Fig. 4より，流速の最大の誤⑶

ここで，は主流のみ通風時の画像，

差は約0.711%であり，境界層計測位置での出力変化はほぼ無視できると考えられる。

は暗電流画
Table 2 Concentration estimates at x/d=18

像， は冷却空気を噴出した際の画像の輝度である。また（ /）は表面圧力とリファレンスの比である。A0,

Film eﬀectiveness［‑］

A1, A2, A3は較正係数であり，供試体表面温度を制御

/

0.499

［‑］

0.604

した較正試験により取得する⑽。較正試験を行った後，

Oxygen ratio［%］

12.655式⑶を利用し，取得した画像から分圧比を算出し，式⑵Carbon dioxide ratio
［%］

8.325

2,

2,

に分圧比を代入することで，フィルム冷却効率を算出した。なお，各撮影条件で150枚の画像を取得し，平均した画像を用いた。
.

境界層計測

本研究ではDenton⑾ による空力損失の考えに基づき，
境界層計測を行っている。以下に境界層計測の手順を述べる。まずアクリルプレートに開けたスリット（吸い込み防止材付き）から通した熱線プローブをマイクロス
コープと隙間ゲージを用いて，x/d=18，y/d=0.03，z/d=0の位置まで正確に接近させる。その後，

軸トラ

バース装置によって壁面法線方向に0.03d 〜 2.5dまで移動させながら流速を計測することで境界層内の流速分布

Fig. 4 Relationship between dissipated heat and velocity
at x/d=18を得る。なお，使用する熱線プローブは，試験直前に風洞内で較正を行う。サンプリング周波数は20kHz，計測
時間は3.5sとしている。境界層内の速度分布から，式⑷.

及び式⑸によりそれぞれ排除厚さδ1及び運動量厚さδ2

主流乱れ度の導入のためにFig. 5に示す乱流格子を用を算出する。これらの二つの積分量は，Dentonによっいている。乱流格子は一辺がb（=8mm）の正方形断面て翼面境界層由来の翼列全圧損失と深く関係しているこを有する角材の組み合わせで作製しており，x/d=‑20

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乱流格子及び主流乱れ度

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2023.9451

平板試験装置を用いた高性能フィルム冷却孔形状に関する研究―Pick-Shaped Holeの提案―の位置に設置している。格子間隔Mは25mm，空隙率は

.

計測条件

0.462である。主流乱れ度の計測は熱線プローブを用い本研究では，PSP計測・境界層計測共に冷却孔直径て行い，x/d=1 〜 16，y/d=7.5，z/d=0の位置で計測し=10mmを代表長さ，x/d=0の位置でピトー管により取ている。サンプリング周波数は20kHzで計測時間は5sと得した主流流速を代表流速とし，した。主流乱れ度の算出については約100,000個のデー施した。主流（air）に対する冷却空気（CO2）の密度比

タを10分割してRMSを算出し，その後10区間の相加平はDR=1.53である。今回の行った試験ケースはTable 3

均を計算し，主流乱れ度としている。Fig. 6に主流乱れに示す通りである。PSP計測により取得したデータの処度と計測データから算出した積分長さスケールを示す。

理範囲は，0≦x/d≦20，‑3≦z/d≦3の領域である。

=6,000で試験を実

主流乱れ度は冷却孔直下（x/d=1）で定義しており，式⑹を用いて算出している。

Table 3 Test cases

は任意の流速である。乱

流格子を挿入しない場合はTu=1.4%であり，乱流格子を

Cooling hole shape

挿入した場合はTu=12.6%である。積分長さスケールは［‑］

速度データの自己相関係数の積分で得られる積分時間ス

［%］

RH

SH

0.5

1.0

PSH
1.5

1.4

2.5
12.6

ケールと平均流速から算出している。自己相関係数が．数値解析手法になる区間を積分範囲としており，自己相関係数のカー
ブがを下回らない場合は近似曲線によってフィッティ

ングしたデータから算出している。

Fig. 7に解析ドメインを示す。格子生成にはANSYSICEM CFD ver18.1を用いており，全て非構造格子を生成した。格子サイズは主流部ダクトにおいて0≦y/d⑹≦0.25の範囲で0.5mm，0.25≦y/d≦2.5の範囲で
2.5≦y/d≦3.5の 範 囲 でmm，mm，3.5≦y/d≦7.5の 範 囲 でmmとした。冷却孔の格子サイズは0.5mmとし，冷却 空 気 用 プ レ ナ ム に お い て‑3.5≦y/d≦-3.0の 範 囲 で0.5mm，‑13≦y/d≦‑3.5の範囲でmmとした。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：
0.0040mm，拡大率：1.2，生成層数：22（プリズム幅：〜mm）とし，y+は未満である。総格子要素数は約2,800万セルで，格子依存性調査の結果から計算格子を選択している。

Fig. 5 Turbulence grid解 析 ソ ル バ ー に はANSYS CFX ver18.1を 使 用 し て
RANS解析を行った。乱流モデルにはSSTモデルを使用した。SSTモデルの選定理由は過去に行われた流れ制
御デバイスの最適化の研究⒀において，RANS解析かつSSTモデルを採用した場合の数値解析結果と実験結果から導出された最適形状が一致した前例があるためである。
また，実験における境界層厚さ（x/d=‑9，z/d=0の位置で0.24d）を再現するため，主流入口部には速度分布を与えた。境界条件をTable 4に示す。主流側の上面部には対称境界条件，下面部には断熱壁条件，側面部には⒜ No Grid

周期境界条件を適用した。冷却空気側の上面部には断熱⒝ GridFig. 7 Analysis domain

Fig. 6 Turbulence intensity and integral length scaleー 71 ー
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平板試験装置を用いた高性能フィルム冷却孔形状に関する研究―Pick-Shaped Holeの提案― 日本ガスタービン学会誌

Table 4 Boundary conditions

BR=2.5で約36%増加した。
Tu=12.6%

Reynolds number=6,000Blowing ratio=0.5, 1.0, 1.5, 2.5

BR=0.5，1.0に お い てPSHはSHの ス パ ン 平 均 値 を 若=1.53

干下回った。しかし，PSHはSHの効率値と比較して，

Density ratio
Mainstream inlet

Velocity proﬁle［m/s］
Temperature: 298.15［K］
Turbulence: 1.4［%］

Mainstream outlet

Static pressure: 0［Pa］

Secondary flow inlet

Mass ﬂow rate［kg/s］
Temperature: 194.85［K］

BR=1.5で は 冷 却 孔 直 下 で 若 干 上 回 っ て お り，BR=2.5
ではほぼ全ての領域でSHのスパン平均値を上回り，x/d=6では約10%増加した。Tu=12.6%の条件でも高い吹き出し比において優位性を示している。
これらの結果から，PSHはSHと比較して，どちらの主流乱れ度の条件でも高い吹き出し比において優れた

壁条件，側面部には周期境界条件または断熱壁条件を適

冷却性能を有していることが確認できた。また，RHは用した。またデータの処理範囲は，PSP計測の処理範囲

BR=0.5，1.0においてTu=1.4%の条件の効率が高い一方と同様に0≦x/d≦20，‑3≦z/d≦3の領域である。

で，BR=1.5，2.5ではTu=12.6%の条件の方が高いスパン
平均値を示している。これは主流乱れによって冷却空．結果と考察気がスパン方向に広がり，効率が上昇したと考えられ，.

Saumweber⒂らの研究でも同様な傾向が示されている。

PSP計測結果

Fig. 8の⒜ 〜 ⒟に各吹き出し比における各冷却孔のフィルム冷却効率分布を示す。各条件において上段がTu=1.4%，下段がTu=12.6%の結果である。全体の傾向
として，主流乱れ度が増加するとスパン方向と主流流れ
方向共にフィルム冷却効率が低下している。これは高い
主流乱れ度によって主流空気と冷却空気の混合が促進したためだと考えられる。RHはどちらの主流乱れ度の条件でもBR=1.5，2.5では著しい効率の低下が確認される。
これは吹き出し比の上昇により主流に対する冷却空気⒜ BR=0.5の貫通が強まり，冷却空気がlift‑oﬀしたためだと思われる⒁。SHは冷却孔出口部が拡大している形状の効果により，冷却空気の運動量が低下し，RHに比べて冷却空気のlift‑oﬀの抑制やスパン方向への拡散を促進させる効果が確認できる。SH，PSHは各吹き出し比において傾向が似ているが，PSHはSHよりも広いスパン方向拡大角を有しており，SHと比較してスパン方向への広がりを維持したまま冷却空気が下流まで付着していることが分⒝ BR=1.0

かる。特にTu=1.4%かつ高い吹き出し比の条件ではその様子が顕著に確認できる。
Fig. 9の⒜ 〜 ⒟に各冷却孔のフィルム冷却効率のス
パン平均値を示す。図中の破線，点線，実線の鉛直線は，それぞれRH，SH，PSHの冷却孔の後縁（T.E.）の位置を示す。x/d=3.8付近に不連続性が見られるが，その位置は供試体のはめ込みによって生じるつなぎ目の位置である。

⒞ BR=1.5

Tu=1.4%
RHはBR=0.5で ス パ ン 平 均 値 の ピ ー ク を 取 り， 吹
き出し比の上昇に伴って効率が低下していっている。
BR=1.5，2.5ではほぼ無冷却のような効率分布であったため，スパン平均値としても非常に低い値になっている。各吹き出し比において，PSHはSHの効率を上回っており，効率分布からも明らかなように吹き出し比が上昇するにつれて差が広がっている。PSHはSHのスパン⒟ BR=2.5

平均値と比較して，x/d=20ではBR=1.5で約14%増加し，Fig. 8 Film cooling eﬀectiveness distributionsー 72 ー
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2023.9平板試験装置を用いた高性能フィルム冷却孔形状に関する研究―Pick-Shaped Holeの提案―.

453

境界層計測結果⑴ 時間平均速度分布
Fig. 10の（a），（b）は各主流乱れ度の条件における時間平均速度分布を示す。
Tu=1.4%
RHはBR=1.5のy/d=1.2付 近 で 流 速 が 低 下 し て お り，
噴流状となった冷却空気下流でのwake発生の様子が確認できる。これはPSP計測の結果から，BR=1.5ではすでに冷却空気が壁面からlift‑oﬀしている条件であることからも推測できる。BR=2.5になると冷却空気の噴出がないBR=0の速度分布の傾向に近づいているが，これ⒜ BR=0.5は，冷却空気が大きくlift‑oﬀし，冷却空気の存在する領
域が計測領域外に存在していることが推測される。また，
SHはBRの上昇に伴って，境界層が厚くなる傾向にある。
一方で，PSHはSHと比較して境界層が薄く，BRの上昇による変化があまり見られない。そのため，高い吹き出し比の場合でもlift‑oﬀを抑制できていることが分かる。
Tu=12.6%
Fig. 10 ⒝より壁面近傍での流速上昇が確認できることから主流乱れ度の増加により，主流空気と冷却空気の混合が促進され，PSP計測結果で示したようにフィルム
冷却効率の低下を招いたと考えられる。

⒝ BR=1.0⒜ Tu=1.4%⒞ BR=1.5⒝ Tu=12.6%
Fig. 10 Time-averaged velocity proﬁle at x/d=18⑵ 境界層厚さ⒟ BR=2.5

Fig. 11の⒜，⒝に各主流乱れ度の条件における時間平Fig. 9 Span-averaged ﬁlm eﬀectiveness

均排除厚さ（δ1）及び時間平均運動量厚さ（δ2）を示す。
ー 73 ー

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平板試験装置を用いた高性能フィルム冷却孔形状に関する研究―Pick-Shaped Holeの提案― 日本ガスタービン学会誌.

Tu=1.4%

数値解析結果RHはBR=1.5で運動量厚さがピークに達し，BR=2.5で以下ではTu=1.4%，BR=1.5の条件でのデータを例には大きく減少している。PSP計測の結果よりBR=2.5に考察を行っていく。Fig. 12，13にPSP計測結果と数値解

おいてもSH，PSHはフィルム冷却効率が維持されてい析結果のフィルム冷却効率分布及びスパン平均フィルムるのに対し，RHは冷却空気がlift‑oﬀしており，冷却性

効率を示す。全体的な傾向として，数値解析の方が実験能が発揮されていないことが分かる。したがって，RHよりも低い効率値を示した。フィルム効率分布を見るのBR=2.5の条件では今回の計測範囲外に冷却空気の影と，RHではlift‑oﬀの影響もあり実験とCFDとは傾向的響が大きく及んでいる。そのため運動量厚さが極大となには一致しているが，SH，PSHに関してはフィルム冷る吹き出し比以上の条件においては議論の対象にできな却効率分布及びスパン平均値に差異が確認できる。ただい。SH，PSHはBR=0.5において排除厚さ・運動量厚さ

し，実験結果でPSHがSHのスパン平均値を相当量上回に差はないが，BR=1.0以上では，SHはBRの上昇に伴いるという結果はCFD結果でも明確に確認できる。この排除厚さ・運動量厚さが増加している。一方で，PSHはように，RANSによる定常解析は定性的な議論には有用

SHと比較して，BR=2.5において約38%も空力損失（運であると考えられるが，フィルム冷却はそれ自体非定常動量厚さ）が低減している。

性の強い乱流拡散現象であり，今後，非定常解析による

Tu=12.6%

PSHの更なる考察が必要である。

主流乱れ度が増加したことにより各冷却孔共に排除
厚さ・運動量厚さが減少したことが確認できる。PSHはSHと比べて高い吹き出し比において排除厚さ・運動量
厚さが小さくなっており，BR=2.5では約12%の空力損
失（運動量厚さ）が低減された。PSP計測でもこの条件
で優位性を示している。

Fig. 12 Film cooling eﬀectiveness distributions（EXP vs CFD, BR=1.5）⒜ Tu=1.4%

Fig. 13 Span-averaged ﬁlm eﬀectiveness（EXP vs CFD, BR=1.5）

Fig. 14に各冷却孔のフィルム効率分布とx/d=0 〜 20
における無次元空間温度分布θを示す。θは空間における冷却空気の広がりを示す指標であり，式⑺で定義され⒝ Tu=12.6%

る。

Fig. 11 Time-averaged displacement thickness（δ1 ）andmomentum thickness（δ2 ）at x/d=18

は任意の地点の温度，∞

は主流温度，

2は冷却

空気温度を示している。
⑺

ー 74 ー
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2023.9平板試験装置を用いた高性能フィルム冷却孔形状に関する研究―Pick-Shaped Holeの提案―

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Fig. 14 Contours of ﬁlm eﬀectiveness and space temperature
calculated by RANS simulation

Fig. 15 Iso-Q value surfaces and contours of streamwise
vorticity calculated by RANS simulation

RHは下流にいくにつれて冷却空気が徐々にlift‑oﬀしRHではCRVPの規模が大きく，Fig. 14に見られるよていく様子が確認できる。一方で，SH，PSHは冷却空

うに冷却空気のlift‑oﬀを促進してしまい，フィルム冷却

気の付着性が良く，高い吹き出し比においても下流まで効率が低下する原因となっている。CRVPは時計回りの

広がっている。これらは冷却孔出口部の形状の効果によ

負の渦と反時計回りの正の渦の渦対（下流視）になってり，RHに比べてlift‑oﬀの抑制や冷却空気をスパン方向

いて，この渦対の距離が近いことで冷却空気のlift‑oﬀがへ拡散させる効果があるためであり，実験でもその様子強化され，冷却空気が覆う面積が少なくなる。一方で，が確認できた。もちろん，SHの場合でも下流へいくとSHとPSHはCRVPと 逆 回 転 の 渦（Anti-CRVP） が 発 生

冷却空気が徐々にlift‑oﬀしていく傾向は見られる。一方している。PSHはSHと比較してAnti-CRVPが大規模で，で，PSHはスパン方向への広がりを維持したまま下流ま下流にいくにつれてCRVPの規模がかなり小さくなってで広がり，lift‑oﬀの様子もSHほど顕著ではない。

いる。このAnti-CRVPが発生し，CRVPと干渉すること

Fig. 15に各冷却孔のQ値（速度勾配テンソルの第不変量）の等値面およびx/d=0 〜 20における流れ方向渦によって冷却空気のlift‑oﬀが抑制され，冷却空気をスパン方向へと拡散させていると考えられる。

度分布を示す。Q値は局所的な流体の回転運動と歪み率の関係を示しており，歪み率に対して回転運動が大きい
場合は正の値を示し，回転運動が小さい場合は負の値を示す。ここで流れ方向渦度は式⑻で定義される。wはz
方向速度，v はy方向速度である。
⑻

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平板試験装置を用いた高性能フィルム冷却孔形状に関する研究―Pick-Shaped Holeの提案― 日本ガスタービン学会誌．結言⑶

Cooling Technology, Journal of Heat Transfer, Vol. 127

本研究では，新奇出口形状であるPick-Shaped Hole（2005）, pp.441-453.

（PSH）のフィルム冷却性能及び空力性能評価を目的とし，吹き出し比や主流乱れ度等の各流動条件における性能評価を行い，以下の知見を得た。
PSP計測
PSHは低い主流乱れ度の条件でSHの冷却性能を大きく上回った（x/d=20においてBR=1.5で約14%増
加し，BR=2.5で約36%増加した）。
高い主流乱れ度の条件でもPSHは冷却孔直下流でSHを 上 回 る 冷 却 性 能 を 示 し た（x/d=6に お い て
BR=2.5で約10%増加した）。
境界層計測
PSHはSHと比較して境界層が薄く，BRの増加による速度分布の変化があまり見られないため，高い吹き出し比の場合でもlift‑oﬀを抑制する効果を有していることが分かった。
空力損失評価より，PSHはSHよりも運動量厚さが低 減 さ れ て い る（BR=2.5の 時，Tu=1.4%で 約38%
低減し，Tu=12.6%で約12%低減した）。
数値解析
実験結果と同様に，PSHはSHと比較して冷却空気がスパン方向への広がりを維持したまま下流へ広がっている様子が確認できた。
PSHは形状の効果により，より大規模なAnti-CRVPが発生し，それがCRVPを制御することで冷却空気のlift‑oﬀを抑制し，冷却空気をスパン方向に拡散させる効果を有していることが確認できた。
今後の展望として，より詳細かつ広範囲での境界層計測を実施するとともに，PSHの形状最適化に取り組む予
定である。

参考文献
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