8.3 タービン翼・ロータ等主要構成機器の開発

8.3.1 研究開発目標

8.3.1.1 研究目標

(1)　技術開発項目

　水素利用技術の一つとして、環境性に優れ、かつ画期的高効率が期できる水素燃焼タービンのタービン翼、ロータ等主要構成機器の開発に関する調査、要素技術開発を行い、パイロットプラント開発に必要な基礎技術を確立する。

(2)　技術開発目標

　水素燃焼タービンの要素技術開発を行うにあたって必要な、基礎技術の調査・検討を行う。

8.3.1.2 研究範囲

　水素利用技術の一つとして、環境性に優れかつ画期的高効率が期待できる水素燃焼タービンの開発に関し、調査研究とパイロットプラント開発のために必要な基礎技術開発を行う。
　平成７年度の実施内容としては、水素燃焼タービン（高温タービン）全体のフレーム設計を実施し、その成立性についての検討である。タービン動・静翼とロータ冷却技術については調査検討及び要素試験を行う。翼冷却については概念設計をさらに推進し、ロータ冷却については要素検討及びモデル試験を行う。

8.3.2 平成７年度の研究開発成果

(1)　水素燃焼タービン（高温タービン）のフレーム設計

　本年度は基本ヒートバランス（グラーツサイクル）に基き、再委託先４社にて高温タービンのフレーム設計を実施した。高温タービン軸系構成としては１8000rpm／3000rpmが選定されている。段数構成は軸系構成により多少ことなり、６段〜12段の範囲となっている。高温タービン動・静翼への冷却蒸気供給／回収系統は再委託先ごとに異なる提案がなされている。サイクル全体性能と高温タービン動・静翼冷却方式の選定及び冷却蒸気供給／回収系統とは密接に関連しており、慎重な検討が必要である。

(2)　タービン第一段動・静翼の冷却技術の開発

　本年度は先年度成果をベースに1700℃級高温水蒸気中での動・静翼冷却の概念設計を、下記の３種類の冷却方式により実施した。

(I) 強化型フィルム冷却方式
(II) 内部冷却強化方式
(III) 全面膜冷却方式

　又概念設計に反映すべく要素レベルでの冷却試験を実施した。
　まず強化型フィルム冷却方式では、フィルム冷却の大幅な効率向上が期待出来る横長ディフューザー孔を翼全面に配置したモデル翼（動翼）を用いて２次元冷却試験（試験温度４50℃、大気圧）を実施した。翼背側冷却孔面積が計画より小さい等の原因で、翼平均冷却効率は0.01程度の向上（目標0.03）に留まったが、試験結果より局所的なフィルム冷却性能の向上（特に翼腹側）が確認出来た。また試験結果を反映して第一段動・静翼の冷却設計を見直し、ＴＢＣ適用時の達成見込み性能として、静翼では冷媒流量約6.5％、動翼では約５％（何れも翼列入り口流量基準）の結果を得た。
　今回の横長ディフューザー孔はレーザーによる加工を前提としたものであるため、冷却孔を単結晶材に試作加工し、加振法により疲労強度を計測した。その結果従来の放電加工に対する疲労強度の低下割合（約25％）を確認することが出来た。
　内部冷却強化方式では前年度の研究成果をベースに、Ｖ型スタッガード乱流促進リブを内面に適用した動・静翼の概念設計を実施した。検討の結果熱負荷が高い、静翼では前縁鈍頭部背側、動翼では前縁背側及び腹側に各一カ所フィルム冷却を採用した回収型冷却方式が成立する見通しを得た。なおフィルム冷却は最小の冷媒吹き出し量（静翼で1.6％、動翼で2.4％）で計画されている。
　又第一段階翼のモデル翼を試作し、高温風洞での翼冷却試験（1500℃×5ataの条件）により冷却効率を実測し評価中である。
静翼エンドウオール部冷却はキャビテー複室化構造により、吹き出し冷媒の配分適正化を図り冷却効率均一化の見通しを得た。
　昨年来全面膜冷却方式（ＦＣＦＣ）系を検討中の２社は、今年度の検討結果に基き、１社は動・静翼ともハイブリット冷却方式（開放／回収組み合わせ冷却方式）を選択、他の１社は昨年同様ＦＣＦＣ方式を提案している。なお２社とも1700℃での冷却が成立する見通しを得ており、２段以降の動・静翼は何れもクローズド冷却（回収型）を採用している。ハイブリット冷却方式を選択した理由は、主としてサイクル性能向上を図るためで、フィルム冷却部については改良拡散型吹き出し孔形状の適用を計画している。ＦＣＦＣ方式提案の１社は1500℃級ＧＴの設計諸元をベースに、更にフィルム冷却効率の改善を図ることで冷却が成立する見通しである。

(3)　ロータ冷却技術の開発

　本年度は主としてロータのシールとディスク伝熱特性を把握するための検討及び試験についての検討を実施した。（２社へ再委託）
　１社はロータシール特性を明かにするため、ロータ・ディスク間領域をモデル化し、シール媒体の流量をパラメータとしたＣＦＤ解析により、シール部流動特性を検討。
　他の１社は試験装置によりローターのシール・伝熱特性（キャビテイーへの巻き込み量分布、ディスク表面熱伝達の計測）試験を実施。

8.3.3 今後の進め方及び課題

　タービンフレーム設計、動・静翼の冷却技術の開発に関しては本年度の成果をベースに、次年度上期に総合評価を実施の予定である。その後これまでの研究成果を盛り込んだモデル翼の試作試験を計画している。
　ロータ冷却技技術の開発に関しては、今後とも試験を実施しシール及び伝熱特性を明かにする予定である。