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
タービン翼、ロータ等主要機械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。
本年度は「水素燃焼タービン概念設計」を評価対象に中間評価を行い、冷却翼評価試験(平成10年度)を実施する翼冷却方式を抽出する。翼冷却技術の開発は、1700℃高温水蒸気中での冷却を確実とする設計検討及び要素試験を実施する。ロータ冷却技術の開発は、モデル試験によるシール基礎データの集積と数値流体力学（ＣＦＤ）によるロータ／ディスク間及びシール部の熱流動解析を実施する。
8.3.2 平成８年度の研究開発成果
(1) タービン翼冷却技術中間評価
主要構成機器開発部会において検討した結果、中間評価の対象はこれまでの研究実績を反映した「水素燃焼タービン概念設計」とし、評価項目は翼冷却技術開発に関連した基本事項である、①設計検討に使用した高温領域での蒸気物性の妥当性、②高効率なサイクル（プラント）性能を発揮する翼冷却方式の検討、③これを実現する冷却媒体の供給／回収系統の検討、温度的に一番厳しい④第一段静翼と⑤動翼の具体的設計検討及び⑥平成10年度の冷却翼評価試験で確認したい技術事項の６大項目を選定した。これら六項目を更に関連する中／小項目に区分 し、合計48の検討項目を選定した。
部会にて評価の結果下記４方式中３方式（ｂ．ｃ．ｄ）が選定され、これらはいずれも開発目的の高温と高性能を満たすため、冷媒の消費量（主流への放出）を制限し、伝熱促進により内部冷却を強化したものとなっている。
- フィルム冷却方式
- フィルム冷却＋回収式内部冷却方式（ハイブリッド冷却方式）
- 回収式内部（対流）冷却方式
- 水冷却方式
表８－３－１に翼冷却の比較を示す。
(2) タービン第一段動・静翼の冷却技術の開発
上記４方式の本年度開発内容と成果は以下の通りである。
- フィルム冷却方式では翼前縁部の冷却性能向上を目的として、二重壁トランスピレーションタイプの新型冷却構造について、拡大円柱モデルによる供試体で、冷却性能評価試験計画を実施した。比較のため、従来のシャワーヘッドタイプの冷却構造を有する円柱モデルの供試体も合わせて試験を実施した。試験の結果、新型冷却構造の平均冷却効率は、フィルム孔ピッチを小さくするほど向上し､最高で冷却効率0.7以上を示した。また従来のシャワーヘッドタイプの冷却構造と比較すると、冷却効率が0.03～0.04程度高い値を示し、これは1700℃級主流中でメタル温度を30～40℃低下させることに相当する。また冷却効率の局所分布は従来のものと大きく変わることはなく、流量特性（圧損）も従来並との結論を得た。
- 回収式内部（対流）冷却方式では、1700℃級高温タービンの基本設計見直しを実施した。さらに第１段動静翼冷却方式として回収式蒸気冷却の設計検討を実施し、成立する見通しを得た。
冷媒蒸気消費量削減を目的として、空力性能評価により翼枚数を低減し、冷媒消費量を昨年の検討結果より静翼で６％、動翼で13％削減した（％は相対値を示す）。
第１段動静翼の熱負荷の高い翼後縁部の冷却法確立のため、内部冷却伝熱要素試験を実施した。（動・静翼モデルいずれについても検討）冷却翼評価試験用の試験翼基本検討を実施した。
- ハイブリッド冷却方式では翼冷却要素試験として、多孔式モジュール試験装置により膜冷却効率を実測し、計算結果との対比を行い良好な一致をみた。
概念設計による吹き出し配置を有する翼列の全圧損失把握のため、低速風洞により、２次元翼列モデルを使用して翼列全圧損失試験を実施した。全ての吹き出しが作動した条件下で膜流量比が１％以上の場合、全圧損失が約66％の結果を得た（膜吹き出し無しで45％）。その他として個別膜吹き出し特性を計測した。
モデル翼冷却特性試験として、翼内／外面の熱伝達計測試験を立案し、蒸気風洞によるモデル翼冷却性能試験の計画も実施した。
冷却翼評価試験用の試験翼基本設計を実施した。
- 水冷却方式では目標のサイクル効率60％を実現する翼冷却システムとして「クローズド－水（静翼）／蒸気（動翼）」方式のシステム検討を実施した。
1700℃級タービン第１段水冷却静翼の基本検討として、３種類の銅合金について材料特性、モデル試験体による伝熱要素試験を実施した。
タービン第１段動翼設計の見直しを実施し、冷媒蒸気使用量約７％（内吹き出し量23％）のクローズド冷却構造で、翼全面にＴＢＣを採用することとした。
後縁冷却方式として検討の結果、乱流促進リブを採用することとした。
(3) ロータ／ディスク冷却技術の開発
ロータのシール特性把握試験及びＣＦＤ解析によるシール特性の検討を実施した。
- ロータの基本計画及びシール法の基本計画として高温高圧タービンのローターディスクキャビティ部シール蒸気について、回転時の流れ解析を実施した。また静翼翼環ラビリンスシールについてシール内の蒸気流動解析を実施した。図８－３－１に高温高圧タービン２段、高温低圧タービン５段と仮定した場合のロータの基本計画図を示す。
- また、試験装置により、主流の偏向がシール性能に与える影響を計測した。
結論として主流の偏向の影響は小さいことが判明した。
またシールのオバーラップ量を変えて主流巻き込み特性試験を実施し、結論としてオバーラップ量が３mmのシールは、他のオバーラップ量が小さいシール（-３mm、１mm）に比べ良好なシール性能を示す結果を得た。
また主流の圧力不均一がある場合も、オバーラップ量が３mmのシールは、高いシール性能を示した。ロータシール性能試験モデルと試験結果の一部を図８－３－２、図８－３－３に示す。
ローター／ディスク間の熱流動解析を目的として、３次元解析モデルの構築、計算領域での格子形成等の作業を行い、一部予備解析を実施した。
8.3.3 今後の課題
翼冷却技術の開発については、本年度の設計検討及び翼冷却要素試験の成果をベースに、来年度に冷却翼評価試験用の試験翼（静翼／動翼）の設計、製作を行う予定である。
ロータ冷却技術の開発に関しては、シール設計法の確立を目的として、シール特性試験とＣＦＤによる解析検討を今後とも平行して進める。
