水素燃焼による脈動流を伴うタービンノズル案内翼端壁の空気熱性能

Unofficial AI-generated summary based on the public title and abstract. Not an official translation.

🔬研究者:Provides detailed CFD and spectral analysis on hydrogen combustion-induced pulsations for turbine design researchers.

優れた熱力学的特性とゼロ炭素排出特性により、ガスタービンにおける水素燃焼は、世界的な脱炭素目標を達成するための有望な戦略として積極的に推進されている。しかし、著しく増強された流れの脈動は主要な障害となっている。水素燃焼によって誘起される流れの脈動がタービン端壁の空力熱性能に及ぼす影響を明らかにするため、本論文では、実機の水素燃焼試験から得られた流れの脈動データに基づき、URANS数値予測とFFTスペクトル解析を実施した。本研究は、設計条件における脈動周波数（f = 1000 Hz、3000 Hz、5000 Hz）と脈動振幅（K = 5%および10%）が端壁二次流れ場とフィルム冷却性能に及ぼす影響を系統的に調査した。主要な知見として、水素燃焼によって誘起される流れの脈動は端壁フィルム冷却性能に有害であり、脈動周波数の増加に伴いフィルム冷却効率が3.8%～10.1%の非単調な低下を示す可能性があることが明らかになった。低脈動振幅条件（K = 5%）では、端壁フィルム冷却効率の最大低下はf = 3000 Hz、最小低下は5000 Hzで観察された。脈動振幅の増加（K = 10%）は端壁フィルム冷却性能にさらなる低下をもたらし、その低下量は14.2%～0.2%の範囲で明確な周波数感度を示す。フィルム冷却効率の変動ピークは、フィルム孔下流、ベーン圧力面近傍、およびベーン流路スロート領域で見られ、ピッチ平均変動量はベーン流路内で10%未満である。注目すべきことに、水素燃焼によって誘起される流れの脈動は、スペクトル解析により明らかにされたように、周波数の減衰を伴わずにタービン翼列を伝播する。

AI 翻訳（deepseek-v4-flash）。 正確を期す場合は下の原文を参照してください。

Due to its superior thermodynamic properties and zerocarbon emission characteristics, hydrogen combustion in gas turbines is being actively promoted as a promising strategy for achieving worldwide decarbonization goals. However, significantly intensified flow pulsations represent a major obstacle. To clarify the impacts of flow pulsations induced by hydrogen combustion on the turbine endwall aerothermal performance, the URANS numerical predictions and FFT spectral analysis were performed in this paper, based on measured flow pulsation data from realistic hydrogen combustion tests. This study systematically investigated the impacts of pulsation frequencies (f = 1000 Hz, 3000 Hz, and 5000 Hz) and pulsation amplitudes (K = 5% and 10%) on the endwall secondary flow fields and film cooling performance at design conditions. Key findings revealed that flow pulsations induced by hydrogen combustion are detrimental to the endwall film cooling performance and potentially contribute to a non-monotonic decrease in film cooling effectiveness of 3.8%-10.1% as pulsation frequencies increase. At low pulsation amplitude conditions (K = 5%), the maximum and minimum reductions in endwall film cooling effectiveness are observed at f = 3000 Hz and 5000 Hz, respectively. Increased pulsation amplitudes (K = 10%) will introduce additional degradation in endwall film cooling performance, and the reduction magnitudes present distinct frequency sensitivity, with responses ranging from 14.2% to 0.2%. Fluctuation peaks in film cooling effectiveness are found in regions downstream of film holes, near the vane pressure side and vane passage throat, and pitch-averaged fluctuation magnitudes are less than 10% within the vane passage. Notably, flow pulsations induced by hydrogen combustion propagate through turbine cascades without frequency attenuation, as revealed by spectral analysis.

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