工学研究科機械系 航空宇宙工学分野博士前期課程１年 辻川研究室 永田 研太郎 中間報告資料 2003年11月12日 超小型燃焼器の開発に関する研究 工学研究科機械系 航空宇宙工学分野博士前期課程１年 辻川研究室　　　永田　研太郎

研究背景 1. 特徴は ２.用途として ・ロボットなど自立型動力機器の動力源 ・衛星用姿勢制御エンジンなどの推進動力源 ウルトラマイクロガスタービン（以下UMGT）は米国DARPAのMEMS(Micro Electrical Mechanical System)計画に始まり 極超小型システムの開発が各国研究機関で進められている 1. 特徴は 高エネルギー密度である。電池のLiSo2に対して3０～１５０倍 ２.用途として ・ロボットなど自立型動力機器の動力源 ・衛星用姿勢制御エンジンなどの推進動力源

これまでの研究 極超小型燃焼器を想定した燃焼実験を行った 2~10cc容積程度の小領域でも 安定燃焼が行えることを確認した。 　極超小型燃焼器を想定した燃焼実験を行った 　　 2~10cc容積程度の小領域でも 　　安定燃焼が行えることを確認した。 　　これを受けて燃焼器の設計に着手した。 燃焼実験器

燃焼器の設計 2次元微細加工に関するノウハウを持たない我々は 既存のGTから3次元形状のUMGTを製作する 然后 構造的により単純かつ小型であるＭＥＭＳレベルの ＵＭＧＴを目標とする

燃焼器の設計（仕様、サイクル） 構造的に単純 低Noxバーナ缶型燃焼器 目標サイクルを100W出力とし,流速を調整しサイクルを構成した スペック表 寸法 Type 単位 チャンバー材料 SUS304 着火方式 圧電素子 燃料 メタン 空気流量 2.1 g/s

燃焼器の設計（モデル用寸法） 燃焼器の容積 火炎長さ 火炎長さ 約17mm 空気流量2.1g/s 燃焼器容積を2ccとする 設計point 火炎長さ その他消炎距離なども考慮した ホッテル・ホーソンの火炎長推算式 噴射ガス中のモル比 火炎長さ　約17mm 完全燃焼のモル比

燃焼器の設計（燃焼器原型） 以上の考察をもとに燃焼器のプロトタイプを設計した Air 長さ 外径 内径 長さ 24.5mm 内径 17mm 外形 25mm 容積 2.7cc 燃焼器プロトタイプ Fuel

UMGTの全体構成（プロトモデル） 圧縮器 チャンバ 点火プラグ タービン

燃焼場の数値シミュレーション 空気は下方のタンクから、燃料のメタンは空気流れに垂直流れ込む。火炎は拡散噴流火炎　　解析にはSIMPLE法を用いた。 Exhaust Gas Adiabatic Wall Center Line Cylindrical x Ignition Point Coordinate System w Fuel r w Air u u

支配方程式の整理 一般系保存式 支配方程式 質量保存式 １ u運動方程式 v運動方程式 w運動方程式 エネルギ保存式

【解析条件】 進行中 計算諸元 物性値 初期条件 境界条件 数値計算条件 SIMPLE法による完全陰解法 円管半径 R = 0.00085m 円管長さ Z = 0.018m 流入口半径 ro = 0.001m 物性値 反応速度式係数 R = ATαexp[-E/Eo](Arrheniusの式) 比熱(化学種ごと) Cp = a0+a1T+a2T2+a3T3+a4T4J/mol・K エンタルピー(化学種ごと) H = H0+a0T+1/2a1T2+1/3a2T3+1/4a3T4+1/5a4T5 初期条件 流速 u = w =6m/s 温度 T(r,x) = 300K 圧力 P(r,x) = 1.0×104Pa 境界条件 壁面 断熱 流入口流速 v = 5.0 m/s T = 300K　 P = 2×105Pa 数値計算条件 時間差分 SIMPLE法による完全陰解法 対流項差分 運動方程式 ハイブリッド式 低レイノルズ数⇒中心差分 高レイノルズ数⇒風上差分 進行中 粘性係数 化学種ごと μi hapmann-Enslogの式 混合気体 μ Sutherland-Wassiljewaの式 熱伝導率 化学種ごと λi Euckenの式 混合気体 λ Wassiljewaの式 拡散定数 　　　　Sutherlandの近似式

プログラムの解析結果の妥当性を確認し、燃焼器の燃焼無しの流れ場を解析した。 コールドフローでの解析 プログラムの解析結果の妥当性を確認し、燃焼器の燃焼無しの流れ場を解析した。 円管内の強制、自然対流 Re=500 Gr=1000 Pr=0.71 　断熱壁 　壁面はノンスリップ 無次元温度分布 燃焼器壁面 初期温度、流速 無次元時間

今後の解析方針 化学種の保存式を一般化式に追加し燃焼反 応を離散式に追加する。 壁面における対流熱伝達を評価する。 　化学種の保存式を一般化式に追加し燃焼反　　　　応を離散式に追加する。 　壁面における対流熱伝達を評価する。 　燃焼器各部における温度、流速の分布を計　算する。

研究目標 燃焼器の性能や、特性を可能な限り数値計算によって検討し、 　設計を変更、再設計する

熱流体解析プログラムSUNSETの概要に関して以下に要点をまとめた。 SUNSETは熱流体解析用汎用のプログラムで、MAIN,入出力ファイル成ファイルから成り、 全体として以下の特徴がある。 定常、非定常両方の問題が扱える。 任意の幾何学形状の境界条件、初期条件が設定できる。 自然対流、強制対流、それらの複合対流が扱える。 層流、乱流があるかえる。 一般形保存式で記述すれば、支配方程式を加えることができる。 一般形保存式： SIMPLE法の計算手順 １．　初期条件より、従属変数（速度、圧力、温度）の初期値を設定する ２．　時間ステップを進める ３．　uおよびvの運動方程式を解く ４．　圧力補正式を解き、u,vを再計算 ５．　その他の支配方程式を計算 ６．　境界値を更新3へ戻り繰り返し計算 ７．　収束した値を得る。 長所 汎用性が高い 初期条件の設定が簡単 支配方程式を追加して、燃焼モデルなどの解析も可能 短所 収束の判定を結果を見ながら自分で判断し、調節しなければならない コードが古いため新しいコンパイラに部分的に対応していない箇所がある。

設計Process 燃焼器の構成要素とその仕様、型を決める 実機を制作し、性能を試験、評価する ガスタービン全体の仕様を決める 仕様とスペック、目標値を元に空気流量などを決め、計算から仮の　寸法値を決定 修正 燃焼器のモデルを作成し、燃焼場の数値シミュレーションを行う 燃焼器の実験用モデルを作り基本的な性能の試験を行う 実機を制作し、性能を試験、評価する

5 10 15 20 2 4 6 8 Tube Inner Flow vector field