226

日本ガスタービン学会誌

Vol.48No.4

2020.7

V字形状流れ制御デバイスによるフィルム冷却性能改善に関する研究
Studies of Film Cooling Performance Improvement
by V-shaped Flow Control Device
齋藤 涼＊1
SAITO Suzuna

船﨑 健一＊1
FUNAZAKI Ken-ichi

ABSTRACTThis paper describes a new V-shaped flow control device to improve film cooling performance of gas turbine
cooling holes. This is invented with the aim of reducing the aerodynamic loss and the thermal load of devices, which
are regarded as points for improvement of the double flow control devices (DFCD) invented by some of the authors.
This device is a V-shaped protrusion that is created by merging a pair of protrusions with the shape of hemi-spheroid.
In addition, this is attached to the turbine blade surface just upstream of each of cooling holes. The purpose of thisstudy is to optimize V shaped device, by use of CFD and Taguchi Methods so as to increase film effectiveness of thecooling hole and decrease the device-based total pressure loss than DFCD.
キーワード：ガスタービン，フィルム冷却，流れ制御，効率，タグチメソッド，CFD
Key words : Gas Turbine, Film Cooling, Flow Control, Efficiency, Taguchi-Method, CFD．研究背景

Vortices）が発生し，CRVPを抑制し，フィルム冷却性

近年，ガスタービンの更なる高効率化が求められてい能の向上が確認されている（Fig. 1）。しかし，DBVにる。高効率化を達成するための手段の一つとして，ターよる空力損失が大きいこと，デバイス自体への熱負荷がビン入口温度（TIT）の上昇が挙げられるが，TITの上大きいことも確認されており，これらを低減することが昇は同時に燃焼器直下流に位置する高圧タービン部の熱実機適用上の課題として認識されていた。そこで著者負荷を増大させるため，今後のタービン翼開発には少ら⑹は，DFCDをV字形状にした新規デバイス（以下，V

量の冷却空気で効果的な冷却を実現する技術の研究が

字デバイスと称す）を提案した。そこでは，冷却孔下流求められる。中でも高温の主流ガスに対して優れた遮面平均フィルム冷却効率ηaveを評価指標として最適化し熱効果を持つフィルム冷却技術については，フィルムた結果より，V字デバイスはデバイス間隔を狭めること

冷却効率の一層の向上が強く求められている。フィル

で規模の小さなDBVでもCRVPの抑制効果が持続し，空⑴

力損失の低減が期待できること，またDFCDより冷却孔

らは，フィルム冷却が主流と干渉する際に発生させると設置位置が近いためデバイス表面が冷却され，デバイ

Counter Rotating Vortex Pair（CRVP）と呼ばれる渦ス自体の熱負荷削減も期待できることが示された。

ム冷却については様々な研究がなされている。Haven

構造に着目し，それが冷却空気の巻き上がりを誘起し，本論文では，新たな制御デバイスであるV字デバイス

壁面への冷却空気付着性を著しく低下させることを示しの最適化について報告する。最適化評価指標に冷却孔下た。それ以後，CRVPを抑制するために数多くの流れ場

流面平均フィルム冷却効率ηave，全圧損失係数ζ，デバ制御手法⑵‑⑸ が研究されている。Funazaki⑵,⑶ らは三次イス表面平均フィルム冷却効率ηvdを選定し，数値解析

元形状の流れ制御デバイスであるDouble Flow Control

によりV字デバイスの最適形状を探索した結果，ならびDevices（DFCD）を発案した。なお，DFCDは岩手大に，探索された最適形状についての性能評価結果につい学と三菱日立パワーシステムズ㈱にて日本で特許登録さて報告する。

れている（登録番号：6134193）。DFCDを冷却孔上流に〇主な記号設置することでCRVPとは逆回転のDBV（Device-Based, , ：重み係数［‑］：温度［K］：吹き出し比［‑］：流速［m/s］＊

原稿受付 2019年10月 日
査読完了 2020年 月18日
岩手大学大学院〒020-8551 盛岡市上田 ‑d ：冷却孔直径（10［mm］）：密度比［-］：流量［kg/s］‑

ー 44 ー
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：評価指標［‑］+：壁面方向距離［‑］α：冷却傾斜角［deg.］

Vol.48No.4

2020.7227

V字形状流れ制御デバイスによるフィルム冷却性能改善に関する研究

n ：誤差因子数

ε ：主流流入角［deg.］

る。制御因子の水準値については，ηaveを評価指標とし：圧力［Pa］

ζ ：全圧損失係数［‑］て探索された最適解⑹を基準として，本研究の目的であ：熱流束［W/m2］

η ：フィルム冷却効率［‑］る「DBVの規模の縮小」と「デバイスの冷却」を目指：レイノルズ数［‑］

ρ ：密度［kg/m3］

しTable 1の通り選定した。また，本論文では制御因子, , ：主流方向，ピッチ方向，スパン方向

を

‑添え字‑
ave ：冷却孔下流面平均あてたことからL16直交表を採用した。本最適化に採用

因子に選定し，それぞれの因子に対し 水準を割り

vd ：デバイス表面平均

した直交表をTable 2に示す。Table 2のA 〜 Eは制御因

i ：条件名wall ：断熱壁子，数値

n ：誤差要因数：二次空気字デバイス形状を用いて，CFD解析によるサンプルデー：total∞ ：主流

タの取得を行なった。また，誤差因子には主流流入角〜

はLevel1 〜 Level4を表す。全16種類のV

ε（=0, 5, 10 deg.）を選定した。DFCDに関する研究⑼において，ε変化はデバイスが形成する渦構造に変化を与え，ηに大きく影響することが明らかになっている。
⑶ 評価指標最適化指標として，冷却孔下流面平均フィルム冷却効率 ηave（ 平 均 領 域0≦ / ≦20，‑3≦ / ≦3）， / ＝20における全圧損失係数ζ，及びデバイス表面平均フィル
ム冷却効率ηvdを選定した。評価範囲は実験で再現できる範囲⑺に設定した。式⑴にフィルム冷却効率η，式⑵に全圧損失係数ζ（参照全圧：式⑶），式⑷に評価指標の計算式Yを示す。

Fig.1 Flow mechanism ⑺…⑴．最適化手法
.

概要

…⑵

1⁄2

本論文では最適化手法にタグチメソッド⑻ を用いた。
本手法は解析対象への環境変動に対してロバストな設計…⑶

を実現する特徴がある。さらに，少ないサンプルデータ⁄

から最適形状を導出できる利点が挙げられる。
.

タグチメソッド式⑷の指標は，⑴ 最適化形状導出の流れ⁄…⑷

つの異なる評価項目（ηave，全圧損失係数の逆数1/ζ，ηvd）の重み付き平均で算出さ以下に最適化形状導出の流れ①〜⑦を示す。

れ，その値が最大値化される望大特性である。1/ζは①

V字デバイスの制御因子・誤差因子の選定

ηとは逆に低減させたいため逆数を取っている。重み②

各因子の水準値選定

係数a, b , c（a+b+c=1）をどのように定めるかについ③

適用する直交表の決定ては明確な指針がないことから，V字デバイス本来の目④

決定した水準値の直交表への割り付け的であるηave重視しつつTable 3に示すように合計13通⑤④で作成されたV字デバイス形状を用いた最適形

りの重み係数の組み合わせRatio1 〜 13を用意し，それ

状導出用サンプルデータの取得

ぞれの組み合わせ毎にV字デバイスの最適形状の探索を

サンプルデータを用いたSN比算出及び最適化形行った。なお，1/ζとηvdに対しては，それぞれが評価状の決定指標に与える影響度を導出された最適形状の性能評価目的として，前述の16種類のV字デバイスを設置した流⑥⑦⑵ 制御因子及び誤差因子

れ場をつの評価項目間で揃えることをつの主流流入角条件で解析し，それぞれの流入制御因子は設計パラメータとして制御可能な因子，誤角条件で得たηave及び1/ζの最大値最小値の差の平均値

差因子は出力に影響するが設計で制御することができ（ηave：0.31，1/ζ：0.82，ηvd：0.30）から調整係数をない因子である⑻。本論文ではV字デバイス形状の外観，求めた。その結果として，1/ζに調整係数1/2.7を乗じおよび最適化に用いた制御因子A 〜 EをFig. 2に示す。

ている。Table 3の重み係数は，均等に与えたRatio1を制御因子A 〜 Eにおいて，A：AngleはV字デバイスの除き，ηave重視型のRatio2 〜 8（a≧b≧c），1/ζ重視型

開き角度，B：DistanceはV字デバイス高さ最大点と冷のRatio9 〜 13（b≧a≧c）となっている。このような複却孔中心の距離，C：HeightはV字デバイスの高さ，D：数の重み係数の組み合わせでより多くの形状が最適デバ

Length1はV字デバイス高さ最大点より上流側長さ，E：イスの候補として探索され，様々な用途，流動条件に適Length2はV字デバイス高さ最大点より下流側長さであしたV字デバイス群が得られるものと期待された。

ー 45 ー
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228

V字形状流れ制御デバイスによるフィルム冷却性能改善に関する研究

また最適化形状導出のためには，SN比と呼ばれるシ

日本ガスタービン学会誌

Table 3 Weighting factor

グナル：Sとノイズ： Nの比を算出することが必要にな

Combination

D

E

F

る。SN比算出には式⑸を使用した。本研究において，S

Ratio1

0.33

0.33

0.33

は最適化評価指標であり，Nは誤差因子の主流流入角でRatio2

0.8

00.1

0.1

ある。Yは式⑷で算出され，添え字 iは条件名（Case1

Ratio3

0.7

00.2

0.1

〜 Case16），nは誤差要因数を表す。本研究ではn=3でRatio4

0.6

00.3

0.1

ある。

Ratio5

0.6

00.2

0.2

Ratio6

0.5

00.3

0.2

Ratio7

0.5

00.4

0.1

Ratio8

0.4

00.3

0.3

Ratio9

0.4

00.4

0.2

Ratio10

0.4

00.5

0.1

Ratio11

0.3

00.6

0.1

Ratio12

0.3

00.5

0.2

Ratio13

0.3

00.4

0.3

⁄

…⑸

．数値解析
Fig. 2 Control factor.

解析ソルバー
解析ソルバーには，汎用流体解析ソフトANSYS®

Table 1 Control factor s level

CFX® ver17.1⑽ を 使 用 し た。 ま た， 全 条 件 の 支 配 方

Level1

Level2

Levell3

Level4

程式はRANS，乱流モデルはSSTモデルを使用し解析

A : Angle

25deg

30deg

35deg

40deg

を行った。本研究で採用したRANS解析及びSSTモデ

B : Distance

1.0d

1.2d

1.4dd

1.6d

ルの使用の妥当性については，DFCD最適化に関する

C : Height

0.3d

0.4d

0.5dd

0.6d

Kawabataらの研究⑺,⑾,⑿ で検討されている。そこでは，

D : Length1

0.5d

0.8d

1.2dd

1.5d

数値的最適化及び実験的最適化の過程で探索された形状

E : Length2

1.5d

2.0d

2.5dd

3.0d

がほぼ一致したことが示されている。本研究で調査しているV字デバイスもフィルム冷却効率向上に関するメカニズムはDFCDと同様であると考えられ，RANS解析でTable 2 L16 orthogonal table

最適形状の探索が可能であると判断した。

A

B

C

D

E

Case1

1

1

1

1

1

Case2

1

2

2

2

2

Case3

1

3

3

3

3

Fig. 3に使用した解析ドメインを示す。原点は冷却孔

Case4

1

4

4

4

4

後縁にとり，主流流れ方向にx軸，高さ方向にy軸，ス

Case5

2

1

2

3

4

パン方向にz軸を取っている。計算領域はx方向の冷却

Case6

2

2

1

4

3

孔下流に36 ，z方向に.

解析ドメイン・計算格子⑴解析ドメイン

ピッチ分の6 とした。冷却孔

Case7

2

3

4

1

2

形状はRound hole，冷却孔傾斜角 =30［deg.］である。

Case8

2

4

3

2

1

また，流入角条件の変化 （ε=5, 10［deg.］）は，冷却孔

Case9

3

1

3

4

2

とV字デバイスの設置位置をスパン方向に角度を設けて，Case10

3

2

4

3

1

二次空気吹き出しの方向を傾けることで再現している。

Case11

3

3

1

2

4

⑵計算格子

Case12

3

4

2

1

3

本最適化で使用した計算格子は全て非構造格子で生Case13

4

1

4

2

3

成し，格子サイズは格子依存性調査を行って以下の通Case14

4

2

3

1

4

りに決定した。壁面近傍以外で格子のテトラの高さはCase15

4

3

2

4

1

0≦ / ≦2.5の 範 囲 で ［mm］
，2.5≦ / ≦3.5の 範 囲 で

Case16

4

4

1

3

2

［mm］，3.5≦ / ≦7.5の 範 囲 で ［mm］ と し た。 また，壁面近傍にはプリズムメッシュを適用し，最小格子
幅：0.004［mm］，拡大率：1.2，生成層数：22（プリズム幅：〜 ［mm］）とした。デバイス表面の格子のテトラの高さは0.2［mm］とした。
冷却孔の格子のテトラの高さは0.5［mm］とし，二次ー 46 ー

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2020.7229

V字形状流れ制御デバイスによるフィルム冷却性能改善に関する研究

空気部ダクトは‑3.0≦ / ≦‑3.2の範囲で1［mm］，‑3.2≦ / ≦‑13の範囲で3［mm］とした。また，壁面近傍にはプリズムメッシュを最小格子幅：0.004［mm］，拡大率：1.2，生成層数：22と主流部ダクトと同様の条件を適用した。
本最適化の格子は全条件において同じ方法で作成しており，計算格子の総格子要素数は約2,500万セルである。
また，y+は⒜ All domain未満である。Fig. 4に全体とV字デバイスの格子を示す。
.

解析条件

本研究で適用した解析条件をTable 4に示す。
代表長さに冷却孔直径 ，代表速度に入口速度をそれぞれ用いたレイノルズ数
される吹き出し比
次空気の密度比を6,000とした。式⑹で定義

は1.0，式⑺で定義される主流と二は1.53とした。主流乱れは⒝ Device%とした。また，主流入口部には流速（速度プロファイル）

Fig. 4 Computational grid⒀を与えた。これは実験 における境界層厚み（ / =10で0.24 ）を再現するためである。実際の解析では，x方向．結果と考察200d, y方向7.5 , z方向6 の直方体ドメインを別に用意

SN比算出から各因子及び各水準値のフィルム冷却性して，入口に流速（9.37m/s）を与えることで，実験と能への影響度をグラフ化した要因効果図の例をFig. 5に，ほぼ一致した速度分布が得られたものを入口条件に与えこの結果から得られた最適形状の結果をTable 5に示た。

す。なお，Fig. 5はRatio1の結果である。望大特性を取解析ドメイン主流側上面部には対称境界条件，主流側るため各Ratioの最適形状は式⑷が最大になる組み合わ

下面部には断熱壁条件，主流側側面部には周期境界条件

せとした。Table 5のA 〜 Eは制御因子，数値を適用した。解析ドメイン二次空気側上面部には断熱壁

Level 1 〜 Level 4を表す。重み係数の組み合わせ毎に条件，二次空気側側面部には周期境界条件または断熱壁

最適化を行った結果として，Ratio2及びRatio3，Ratio4，条件を適用した。

〜

はRatio6及びRatio7，さらにRatio11及びRatio12がそれぞ⁄⁄れ同様な最適形状を示した。その結果， つの最適形状…⑹

群を得ることとなった。以下にこれらの形状群から，各…⑺制御因子がどのように選択されているかを考察する。
A：AngleはLevel 1 〜 3（25, 30, 35deg.）が最適パラ

Table 4 Calculation conditions

メータとして選ばれた。Angleが拡大するとDBVの規模

Reynolds number

Re=66,000も拡大し，ηが向上するが，ζも増大する特徴がある。

Blowing ratio

BR=
=1.0

また，B：DistanceはLevel 1（1.0d）及びLevel 2（1.2d）

Density ratio

DR=1.53が最適パラメータとして選ばれた。Distanceが小さいほ

Mainstream inlet

Velocity proofile [m/s]

どV字デバイスが冷却され，デバイス自体の熱負荷が削

298.155 [K]減するため選ばれたと考える。しかし，デバイスと冷却

8.72100-4 [kg/s]

孔が重なると冷却空気の吹き出しを邪魔して冷却性能が194.855 [K]低下する特徴がある。さらに全ての最適化形状においStatic pressuure 0 [PaG]て，D：Length1はLevel 2（0.8 ）が最適パラメータとSecondary flow inlet
Mainstream outlet

して選ばれた。これは本研究で用いた重み係数に関わらず，V字デバイスの高性能化には0.8 が最適パラメータであることを示唆している。また，E：Length2では値の大きいLevel 3（2.5 ）及びLevel 4（3.0 ）が最適パ
ラメータとして選ばれた。過去に導出した最適形状⑺においてもLength2は制御因子内の最大値2.0 が選ばれていた。これらは，Length2が長いとDBVの規模が拡大し，スパン方向へ冷却空気がより拡散され，ηが高くなるため選ばれたと考える。
Table 6に示すように得られたFig. 3 Computational domain

ー 47 ー
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つの最適形状に名称

230

V字形状流れ制御デバイスによるフィルム冷却性能改善に関する研究

日本ガスタービン学会誌

Table 7 parameters of optimized DFCDを付け，それらの特性について比較検討した。比較対象⒁にKawamura が最適化を行ったDFCDを選定した。こAngle

30 [deg.]のDFCDについてFig. 6に形状的特徴及びTable 7に寸法

Curvature of fillet

0.1dDistance1

1.3d

Distance2

1.4d

Height0.6d

Length1
Length2

0.1d
0.1d

Width10.2d

Width2

0.2d

を示す。

.

冷却孔下流フィルム冷却効率分布

Fig. 7, 8, 9にε=0, 5, 10［deg.］における冷却孔下流
フィルム冷却効率η分布を示す。Fig. 7のε=0［deg.］

Fig. 5 Response graphs for major effect（Ratio1）において，DFCDと比較するとOpt1, 2, 4, 5, 8, 9は下流域でスパン方向へη分布が拡大している。反対にOpt3,
6, 7は下流域でη分布が縮小した。これら

つの共通点

はA：AngleがLevel 1（25deg.）とB：DistanceがLevel 1（1.0 ）である。しかし，Opt1, 2, 4, 5ではB：DistanceFig. 6 Optimized DFCD
Table 5 Optimal parameters

A

B

C

D

E

Ratio1

2

1

4

2

3

Ratio2

3

1

3

2

4

Ratio3

3

1

3

2

4

Ratio4

1

1

3

2

4

Ratio5

3

1

4

2

4

Ratio6

1

1

3

2

4

Ratio7

1

1

3

2

4

Ratio8

2

1

4

2

4

Ratio9

1

1

3

2

3

Ratio10

1

1

1

2

4

Ratio11

1

2

1

2

3

Ratio12

1

2

1

2

3

Ratio13

2

2

4

2

3

Table 6 Rename parameters

after

beforeOpt1

Ratio1

Opt2

Ratio2, Ratio3

Opt3

Ratio4, Ratio6, Ratio7

Opt4

Ratio5

Opt5

Ratio8

Opt6

Ratio9

Opt7

Ratio10

Opt8

Ratio11, Ratio12

Opt9

Ratio13

Fig. 7 Contours of film cooling effectiveness（Inflow angle = 0 deg.）ー 48 ー
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2020.7

V字形状流れ制御デバイスによるフィルム冷却性能改善に関する研究

231がLevel 1（1.0 ）でも二次空気付着性が良好であるこによるCRVPとの干渉位置のズレによりCRVPの抑制力とから，A：Angleの影響がη低下をもたらした要因のが小さくなり，DFCDよりも下流域でのηが低くなる結一つであると考えられる。A：AngleがLevel 1（25deg.）果となった。

のOpt8は冷却孔下流から付着性の改善が見られるが，Fig. 9の ε=10［deg.］ に お い て，ε=5［deg.］ と 同

他のOptと比べてスパン方向への付着領域が縮小してい様にOpt3, 6はスパン方向への二次空気の付着領域が拡る。A：Angleは小さいほど下流域でスパン方向への付大した。他の形状もε=5［deg.］と同様に二次空気の付着領域が縮小する特徴があるため，このようにLevel 1

着領域が縮小した。全てのOptはDFCDと比べ，ηが低

ではηが低い結果となった。

くなった。

Fig. 8のε=5［deg.］において，DFCDと比較すると，したがって，Opt3, 6ではε拡大と共にスパン方向

流入角0deg.と同様にOpt3, 6, 7はスパン方向への付着領への二次空気の付着領域が拡大し，他の形状はε拡大

域が縮小した。しかし，Opt3, 6はε=0［deg.］よりもと共に二次空気の付着領域が縮小した。これは，A：下流域でスパン方向への付着領域が拡大した。Opt7はAngleが大きく影響していると考える。また，Opt8は

C：HeightがLevel 1（0.3 ）と低いこともあり，DBVの

A：Angle とC：Heightが最も小さいLevel 1であっても，規模が小さく，生成位置のズレからCRVPを抑制できて同じ最適パラメータのOpt7よりも付着領域が拡大した。

いないためηが低くなったと考える。その他のOptは二

これは，B：DistanceとE ： Length2により，DBVが効

次空気の付着の付着領域が縮小したが，DFCDよりも下果的にCRVPを抑制できたからだと考える。

流域でスパン方向への二次空気の付着領域が拡大したものが多い。しかし，Opt8はOpt7と同様にC ：HeightがLevel 1（0.3 ）と低いため，DBVの規模が小さく，εFig. 9 Contours of film cooling effectiveness（Inflow angle = 10 deg.）.

Fig. 8 Contours of film cooling effectiveness（Inflow angle = 5 deg.）

冷却孔下流面平均フィルム冷却効率分布値

Fig. 10にηaveを示す。前項のη分布と各εのηaveの傾ー 49 ー

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232

V字形状流れ制御デバイスによるフィルム冷却性能改善に関する研究

日本ガスタービン学会誌

向は同様な結果を示した。Opt3, 6はε拡大と共にηaveが増加したが，DFCDよりηaveが低い。Opt7は著しく低いηaveを示した。また，Opt8はDFCDよりηaveが低いが最適パラメータの近いOpt7より約倍高いηaveを示した。
また，Opt8はDFCDよりηaveが低いが最適パラメー
タ の 近 いOpt7よ り 約

倍 高 い。 そ の 他 のOptはε=0,5［deg.］のとき，DFCDよりηaveが高いものが多いが，ε=10［deg.］のとき，DFCDよりηaveが低い結果を示した。また，ηaveにおいてε変化に対するロバスト性は
DFCDが最も高い。

Fig. 12 Contours of Device film cooling effectiveness面でのηが低くなったと考える。
DFCDと比較すると，全てのOptが二次空気の付着分布が拡大した結果を示した。これはDFCDよりもOptの
B：Distanceが小さいためだと考える。
Fig. 10 Area-averaged film cooling effectiveness.

デバイス表面平均フィルム冷却効率

Fig. 13にデバイス表面平均フィルム冷却効率ηvdを.

示す。デバイス表面のη分布の結果と同様に，全ての全圧損失係数

Fig. 11に全圧損失係数ζを示す。ηaveが低いOpt3, 6,

Opt がDFCDよりηvdの高い結果を示した。また，ηvd

7, C ： Heightの低いOpt8はDFCDと比べζが低い。まはηaveと定量的に傾向が同様であり，ηaveが低かった

た，ηaveが高いOpt1, 9もDFCDよりもε=10［deg.］以Opt3, 6, 7はηvdも他のOptより低い傾向を示した。

外は僅かにζが小さい値を示した。これらは重み係数a≒bか，b≧a条件のどちらかであり，ηaveよりζに重みを置いて最適化されたからと考える。
その他のOptはζがDFCDと同等か高い結果を示した。
これは重み係数aが大きく，ηaveに重みを置いたためと考える。

Fig. 13 Device area-averaged film cooling effectiveness.

デバイス表面熱伝達率分布

Fig. 14にε=0［deg.］のデバイス表面熱伝達率分布を示す。式⑻に熱伝達率を示す。DFCDと比較すると，Opt7を除くOptはデバイス下流側表面の熱伝達率が高い。
また，4.4節からOptはDFCDよりデバイス表面の冷却
Fig. 11 Total pressure loss factor

空気の付着性が高い結果となった。したがって，Optはデバイス下流側表面がDFCDより冷却され，下流側のデ.

バイス自体の熱負荷削減ができたと考えられる。

デバイス表面フィルム冷却効率分布

Fig. 12にε=0［deg.］のデバイス表面のη分布を示す。

…⑻

ηaveが低いOpt3, 6, 7は，デバイス表面においても他のOptと比べ二次空気の付着した領域が縮小した。これ

しかし，デバイス上流側表面は熱伝達率が高く，主流らの共通点であるA：AngleがLevel 1（25deg.）とB：

空気が直接当たるので温度も高い。そのため，デバイ

DistanceがLevel 1（1.0 ）より，デバイスが冷却孔を塞ス下流側の熱負荷が削減されても，デバイス上流側はぐ面積が大きく，冷却空気の流れが変わり，デバイス表

DFCDと変わらず熱負荷が高いままである。

ー 50 ー
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Vol.48No.4

2020.7

V字形状流れ制御デバイスによるフィルム冷却性能改善に関する研究⑵

233

ASME IGTI Turbo EXPO, No. 97-GT-45.
Ken-ichi Funazaki, Ryota Nakata, Hirokazu Kawabata,
2014,

Improvement of Flat-Plate Film Cooling

Performance by Double Flow Control Device ： Part1-

⑶

⑷

⑸

Fig. 14 Contours of Device film cooling effectiveness

今後はデバイス全体の熱負荷削減のため，デバイス上
流に冷却孔を設け，デバイス上流側表面の冷却の可能性⑹

を検討している。
⑺．結言
本研究では最適化手法のタグチメソッドを用い，フィルム冷却性能改善として V字デバイスの最適形状導出を行い，以下の知見を得た。
導出した全ての最適形状で，Length1は0.8 となった。
Length1はDBVの生成位置に関係するパラメータである⑻⑼

ことから，本検討の範囲ではV字デバイスのηを高めるためのLength1の最適パラメータは0.8 である。
定量的にDFCDよりηave，ηvdが高く，ζが低いもの⑽

がV字デバイスで有望な形状である。ε=0，5［deg.］
で はOpt1, 2, 9， ε=10［deg.］ で はOpt3がDFCDよ り
壁面及びデバイスのηが高く，ζが低いV字デバイスとなった。
多くの最適形状はηが高く，ζがDFCDと同等か高い結果となった。また，ηaveにおいて流入角εに対するロバスト性が低い結果となった。

⑾

デバイス下流側表面はDFCDより冷却されている結果を示した。しかし，上流側の熱負荷はDFCDと同様に高いままであるため，今後はデバイス上流に冷却孔を設けデバイス上流側の熱負荷削減を図ることを検討している。
本最適形状群の多くは全圧損失係数が高くV字デバイスの特徴を十分に発揮できない結果となった。したがって，今後は重み係数変更等の評価式の見直しを行う。更

⑿に，フィルム冷却効率ηと熱伝達率を合わせて伝熱性能を評価できるNet Heat Flux Reduction（NHFR）で最⒀

適化を行う。

参考文献⑴

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holes and their inﬂuence on ﬁlm cooling eﬀectiveness",⒁

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