2.2 高効率タービンの研究
2.2.1 ガスジェネレータ・タービンの研究
1. 概要
SMGTでは高い目標性能を達成するために、従来のこのクラスのガスタービンよりも高いタービン入口温度(TIT)を採用した。しかし、性能向上のためには冷却空気量はできるだけ少なくする必要があるため、少ない空気量でも十分な冷却効果が得られる高度な冷却設計の研究開発が必要となった。
ガスジェネレータ・タービンにおいては、タービン効率が高い2段タービン構成を採用し、速度三角形及び流路設計、空力設計、強度解析を行った。そして、設計した第1段静翼、動翼について要素試験を実施し、冷却性能の検証を行なった。
2. ガスジェネレータ設計
2.1 速度三角形及び流路設計
SMGTの目標要素性能が非常に高いため、要素効率翼列の負荷が低くタービン効率が高い2段タービンを採用し、流路及び速度三角形の設計を行った。(図2.2.1-1、図2.2.1-2)
2.2 空力設計
設計した速度三角形に基づき、各翼の空力設計を行い、圧縮性流れ解析により翼間流れの妥当性を評価した。図2.2.1-3に第1段静翼、図2.2.1-4に第1段動翼の解析結果を示す。翼面マッハ数は滑らかに変化し、翼間マッハ数にも急加減速している領域はなく、問題のない翼型であることを確認した。
2.3 強度解析
翼間流れ解析により決定した翼部形状をもとに、ディスクの強度解析、動翼の強度解析、固有振動数解析を行った。図2.2.1-5にタービンディスクの強度解析結果を、図2.2.1-6にタービン動翼の強度解析結果を、図2.2.1-7に固有振動数解析結果を示す。解析の結果、タービンディスク、タービン翼ともに設計仕様に定められる寿命を満足することを確認した。
2.4 静翼及び動翼の冷却構造設計
目標効率達成のためには、冷却空気量を必要以上に増加させないことが重要であるが、タービン冷却設計の観点からは少ない冷却空気でも十分な冷却効果が得られる高度な冷却設計、冷却構造が必要となる。
図2.2.1-8に第1段静翼冷却構造図を示す。内部構造はインピンジ+ピンフィン冷却方式とし、翼前縁部フィルム冷却孔を設けた。図2.2.1-9に第1段動翼冷却構造図を示す。内部構造は対流冷却＋ピンフィン冷却方式とし、翼前縁部、翼背側及び翼腹側にフィルム冷却孔を設けた。
第1段静翼について温度解析を実施した結果を図2.2.1-10に示す。翼前縁部及び翼背側の高温領域にフィルム冷却孔を配置することにより、設計目標の最高メタル温度以下を満足する結果が得られた。
第1段動翼について温度解析を実施した結果を図2.2.1-11に示す。翼前縁部、翼背側及び翼腹側の高温領域にフィルム冷却孔を配置することにより、第1段静翼同様、設計目標である最高メタル温度以下を満足する結果が得られた。
