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失速翼列の数値解析
航空宇宙技術研究所
西澤敏雄
１．研究の背景および内容
翼列の失速フラッタは，軸流圧縮機や軸流ファンに発生する重大な不安定現象であり，旋回失速と並んで，これらの回転機械の作動限界を定める原因の一つとなっている．ここで，失速フラッタは翼列翼の弾性振動と失速した翼周辺の非定常流れとの連成によって生じる空力弾性的な自励振動現象であり，一方，旋回失速は翼列の失速に基づいて発生する流体力学的な非定常現象であるが，いずれも結局は翼列翼の失速に起因して発生する現象である．従って，これらの二つの現象は翼列の作動状態によっては同時に発生することが可能であり，またこのときには両者の相互関係が失速フラッタの特性や旋回失速の性質に大きく影響するものと考えられる．
失速フラッタの問題を解明するためには，何よりもまず失速翼列を通るはく離流れの挙動を明らかにすることが重要である．しかしながら，理論面では，振動する翼周辺の非定常なはく離流れやそれに伴う非定常な境界層流れを厳密に取扱うことは極めて困難であり，また実験面でも，はく離流れ自身の複雑さに加えて，多数の翼から成る翼列を対象として取扱わなければならないという問題の複雑さのため，これまでは失速した流れ場を直接調べることはあまり行われず，主として振動する翼列翼の非定常空力特性を把握することに力が注がれてきた．
当所では，渦度の対流と拡散を合理的に取扱うことができて，高レイノルズ数のはく離流れを効果的に解くことが可能な渦モデルの解法を用いて，2次元圧縮機翼列に発生する旋回失速の数値解析を行い，旋回失速の様相やそれと渦流れとの関係を明らかにした(1)(2)．そしてその結果，剛翼列について広い作動条件の下で旋回失速の現象を合理的に捉えることができ，また旋回失速が発生・伝ぱするとき，前縁失速した翼の背面には失速渦と回復渦が形成され，これらの渦の挙動が旋回失速の機構の支配的要因となっていることなどを示した（図1）．
失速フラッタと旋回失速は，いずれも翼列翼の失速に起因する非定常現象であり，これまで明らかにしてきたような旋回失速発生・伝ぱ時の渦流れの性質を考えれば，失速フラッタ発生時にも同様な渦放出が起き，今度はさらに翼振動の影響をも受けて，この放出渦のふるまいが翼に働く流体力の変動を引き起こす原因となることは当然予想されるところである．しかしながら，このような観点から失速フラッタと旋回失速との関連を調べた研究は，従来行われていない．
そこで翼列失速フラッタの流れの数値解析を行って，失速した振動翼周辺における渦放出の挙動を調べ，これに基づいて失速フラッタの特性とその発生メカニズムを旋回失速との関連において明らかにした。その概要は以下のように要約される(3)(4)．
- 振動翼列を通る失速流れの様相は無次元振動数と翼間振動位相差の組合せによって変化し，その特徴は旋回失速の伝ぱが翼振動の位相伝ぱと同期する場合，旋回失速が翼振動にあまり関係なく独自に伝ぱする場合，そしてそれら両者の中間にあって旋回失速の伝ぱが不規則になる場合の3つに分類して考えることができる．
- 振動翼に働く非定常空気力（非定常モーメント）の特性もこの流れ場の分類に応じて特徴的に変化する．そして，翼が失速フラッタによる強い励振を受けるのは，旋回失速の伝ぱと翼振動の位相伝ぱとがちょうど同期する付近においてであり，その状態から離れるにつれて一般に翼振動は減衰側へ変化する．
- 従って圧縮機翼列の失速フラッタの問題は旋回失速との関連において理解することが重要である．
２．今後の課題
前節では、失速翼列の数値解析についてこれまでに得られた成果の概要を示したが、実際の航空エンジンにおいてエンジン作動不安定を正確に予測し、更に、安定作動範囲を拡大するとともに不安定作動を抑制するなどの実用的な技術を開発するためには、更に高度な数値解析が必要である。即ち、圧縮機翼列全周にわたる三次元解析や剥離流れに耐えうる乱流解析技術などである。これらを実現するためには、解析手法やモデリングの研究とともに、それらの性能を補完し得る分解能を提供可能な大規模高速計算機が必要である。
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時間の経過
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図１ 失速翼列の流れ
瞬間流線及び渦度分布の時間経過 |
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参考文献
- Nishizawa, T., Takata, H., Numerical
Analysis of Separated Flows through Stalled Cascade (in Japanese), Transaction
of JSME, Series B, 59-567, pp.3399-3406 (1993).
- Nishizawa, T., Takata, H., Numerical
Study on Rotating Stall in Finite Pitch Cascades, ASME Paper 94-GT-258 (1994).
- Nishizawa, T., Takata, H., Numerical
Study on Stalled Flutter of a Compressor Cascade (1st Report, Numerical Method
and Numerical Example), JSME International Journal, Series B, Vol. 43, No.
3, pp.351-360 (2000).
- Nishizawa, T., Takata, H., Numerical
Study on Stalled Flutter of a Compressor Cascade (2nd Report, Relationship between
Unsteady Aerodynamic Characteristics of Oscillating Blades and Rotating Stall),
JSME International Journal, Series B, Vol. 43, No. 3, pp.361-370 (2000).
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