タービン効率について考えてみる①

さて、先日のBlogでこれ以上高回転の改善は無理だと宣言したものの、どうしても何故こうなったのかの原因を自分なりに理解したくて色々調べています。

そこでこれまでも疑問に思いつつ、あまり触れていなかった領域。
タービン効率というものについて真面目に調べてみました。

ところが、よくタービン風量の限界だとか効率の良い領域という言葉は使われるものの、実際にそれがどういう物なのか調べてみると全然載ってないのですよ。。。

ようやく見つけたのが海外のサイト。
英語ではcompressor map、日本語では断熱性能曲線というらしいです。

単語が分かって検索のポイントが掴めれば海外サイトでは結構説明が載ってるのですが、日本語サイトは全然ですね。。。
なんなんでしょう？

さて、そしてようやく見つけた自分の今付けているタービンの効率を示すグラフがタイトル画像です。
この図が一体何を意味しているかというと、、、



グラフの横軸が補正空気流量、縦軸が圧力比。
赤いラインがサージライン、右の縦に走る青い線がチョークライン。
その間に走る弧を描くラインがタービン回転数で、中の貝の模様みたいなのが断熱効率を示しています。

これらそれぞれが何かというと、サージラインというのが良く大型タービンで発生すると言われるサージングという現象が起こる限界を示しており、チョークラインが俗に言うタービンの風量限界になるようです。

自分自身のおさらいにもなりますが、このサージングという現象は一体何なのか？
調べてみると所謂翼の失速現象のようです。



翼の失速（旋回失速）という現象は飛行機の羽などの傾きが大きくなりすぎ、流れが剥離してしまう現象です。
こうなると翼は揚力を失って墜落してしまいます。
この現象は高レイノルズ数領域で起きやすく・・・翼のサイズと流速のバランスや表面形状などによって決まってきます。

タービンの場合で考えると、タービンの出口圧力が高くなると、翼の入射角が大きくなり失速現象を起こし、空気を圧縮出来なくなってしまう、と考えるのが妥当かな？と思います。

グラフからも、空気流量が小さい状態で高圧力比だとサージングが起こりやすくなるのが分かります。

また、ビッグタービンになるとサージングが起こりやすいというのも次のグラフから分かります。


こちら、タービンサイズの異なる2つのグラフを並べていますが、赤いグラフが大きなタービンになります。
見てもらえば分かる通り、大きいタービンになるとより低流量、高圧力比でサージングが起こりやすくなるのが分かります。

さて、次にチョークライン。
こちらは比較的分かりやすい現象です。

タービンは圧縮機なので広い入口から狭い出口へ、遠心力を使って圧縮します。
広い所から狭い場所へと進むということは、入り口に比べて出口の流速が上がると言う事です。
ベルヌーイの定理ですね。
そして流速が上がって行くと・・・そこに待ち構えるのは音速の壁です。ソニックブームです。

基本的に音速というのは超えることが出来ないので、事実上この流速になった時点で風量限界となるわけですね。

また、音速に近付けば近づくほど、空気の摩擦熱は膨大となるため、タービンの断熱効率が著しく落ちるというわけです。
ブーストを保ってても高回転でトルクが落ちていくのはこの辺に原因がありそうです。

さて、次にでは実際自分のエンジンではどんな領域で使っているのか計算して行こうと思うのですが・・・
長くなってきたのと時間の都合で今日はここまでです。。。

続く！