二重反転形ダクテッドファンに関する研究開発

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１．まえがき

二重反転形羽根車は、騒音の問題や駆動系の複雑さなどから実用化が進んでいないと言われた時期があったが、二つの羽根車を個別のモータで駆動する手法を活用し、昨今では電子機器冷却ファン、扇風機、ドローンなどあらゆる分野で利用されるようになってきた。また、大型のものでは日章丸などのタンカーにも導入されており、推進力の向上、低燃費、振動の低減なども謳われている。二重反転形羽根車は、前段羽根車からの旋回流れを考慮した後段羽根車の設計が重要であり、設計の難易度も高いが、二重反転形羽根車のポテンシャルを最大限生かすことができれば、その可能性はより大きく広がるものと考えられる。二重反転形羽根車の性能上の利点は実験結果からも立証されており盧、その研究は、昨今、世界で活発に実施されている。軸流ファンでは、二重反転形軸流ファンの設計法が詳細に調査されており盪、羽根負荷が性能に及ぼす影響蘯や二重反転形羽根車の騒音低減に向けた研究なども実施されている盻。二重反転形羽根車を使用したVTOL UAVについては、UAV用二重反転形羽根車の離陸、着陸時の性能特性眈や音響特性眇も実験的に調査され、VTOL UAVに採用された二重反転形ダクテッドファンのチップクリアランスの影響なども解明されている眄。二重反転形羽根車は高い推進力を得ることができるが、ベルマウスを有するダクトを採用することで、その推進力がさらに増強される。その結果、同一推力条件下では、羽根車の小型化が可能となり、ダクトによる遮音効果も相まって低騒音化も期待できる。そこで、大型の二重反転形ダクテッドファンを研究対象として、その高推力・高効率化に向けた研究開発を実施することにした。本稿では、数値流れ解析結果の妥当性を大型

〔論文〕

二重反転形ダクテッドファンに関する研究開発

篠原大河＊４西井一敏＊３三輪昌史＊２重光亨＊１

Research and Development of Contra-Rotating Ducted Fan

Toru SHIGEMITSU, Masafumi MIWA, Kazutoshi NISHII and Taiga SHINOHARA

The contra-rotating rotors are applied to UAVs because of the counter balance of the torque. High thrust can be obtained for the contra-rotating rotors, and its thrust can be increased by adopting a duct with a bellmouse. Therefore, we started the research of the large scale ducted fan having the contra-rotating rotors. The numerical analysis result is validated by the experimental result using a thrust measurement apparatus in this paper. Furthermore, research and development results of the contra-rotating ducted fan based on the numerical analysis are presented.

Keywords：UAV, Ducted fan, Contra-rotating rotor, CFD, Thrust

＊１徳島大学大学院社会産業理工学研究部 E-mail：[email protected] ＊２徳島大学大学院社会産業理工学研究部＊３トヨタ自動車㈱＊４徳島大学大学院先端技術科学教育部原稿受付日令和2年7月15日

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の二重反転形ダクテッドファンの推力試験装置により検討した結果と、数値流れ解析を活用した大型の二重反転形ダクテッドファンの研究開発状況について報告する。

２．主な記号

：推力係数（−）：羽根車直径（m）：軸動力（W）：回転数（rps）：重力加速度（m/s2）：流量（m3/s）：半径（m）：推力（N）：羽根車チップ周速（m/s）：軸方向速度（m/s）：ダクト内軸方向平均速度（m/s）：周方向速度（m/s）：迎え角（°）：流量係数（−）：食違い角（°）：密度（kg/m3）：タイムステップ（s）：軸動力係数（−）：効率（％）

３．推力試験装置

推力試験装置を活用し、規定回転速度で運転した際の推力の計測を実施した。Fig.１に推力試験装置の三次元CAD図を示す。二重反転形ダクテッドファンは、Fig.１のフレームによ試験時の回転数は規定回転数よりも、1∼5％程度高くなった。また、羽根車の飛散を防止するために、八面体カバーを（Fig.１参照）ダクテッドファンの周囲に設置している。

４．数値流れ解析方法および計算条件

本研究開発では、主に数値流れ解析を活用し、高推力・高効率な二重反転形ダクテッドファンの研究開発を実施してきた。数値流れ解析には、汎用数値解析コードANSYS CFX18.0を使用している。最初に、数値流れ解析結果の検証を行うために、前章の推力試験装置を模擬した検証モデルを作成した。Fig.２に検証モデルにおける羽根車領域を示す。回転領域および非回転領域を分けるため、外部流体領域、羽根車外部冶具領域、上流スポーク領域、前段羽根車領域、翼列間スポーク領域、後段羽根車領域、 TVavc L = / η L D N = /ρ 5 3 λ t ∆ ρ γ Q D N = / 3 φ α Vc Vave Va Ut T r Q g N L D T D N = /ρ 4 2 Ct

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羽根車領域、その他の非回転領域共にANSYS-Meshingを使用し、非構造四面体格子によりメッシュ生成を行っている。ダクトや羽根車の壁面など壁面近傍ではインフレーション領域を７層設定しており、メッシュの品質向上を図った。本研究で使用した検証モデルの計算格子数をTable１に示す。前後段羽根車およびハブ壁面で回転座標系でのすべりなし条件、ダクト壁面では絶対座標系でのすべりなし条件を用いた。前後段羽根車の計算領域の接合面はTransient Rotor-Stator Model を用いている。事前に定常解析を行い、定常解析結果を初期値として非定常解析を行った。非定常解析におけるタイムステップは動翼2°回転分（ =2.222×10-4（s））としている。６回転分の解析を行い、６回転目の非定常数値流れ解析結果により各種データを取得した。流体は、非圧縮性流体かつ熱の移動を伴わないと仮定し、計算コードでは質量保存方程式および運動量保存方程式を有限体積法により解いている。数値流れ解析におけるチップクリアランスも推力試験装置と同一である。乱流モデルには、はく離流れの予測に適したSSTモデルを使用し、壁関数にはSSTモデルにおいて推奨されているAutomaticを採用した。各タイムステップにおける各種パラメータの残差は1.0×10-4以下に設定しており、計算時間は、計算モデルにより変化するが、２週間程度費やした。数値流れ解析の検証が完了した後は、推力試験装置の地面、八面体カバーなどの幾何学的制約を除いた直径の球の中心（Fig.３参照）に、ダクテッドファンを設置し、食違い角などの変化が性能に及ぼす影響を調査した。このモデルでは推力試験装置の治具などを除去し、ダクト、二重反転形羽根車、スポークなどの基本的なパーツのみを計算モデルに残している。外部流体領域での境界条件などは検証モデルと同じである。計算格子数については、食違い角を変更させた各種モデルとも1,500万格子程度である。 D 60 t ∆

Fig.２ Rotor region of validation model

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５．推力試験結果と

数値流れ解析結果との比較

数値流れ解析より得られた性能をTable２に示す。また、Table２には推力試験装置より得られた推力係数も併記する。実験結果と数値流れ解析結果を比較すると、数値流れ解析結果の推力は実験結果よりも14.6％大きな値となっている。推力試験では、実験を実施できる空間に制限があり、他の装置とのレイアウトの問題などもあるため、数値流れ解析と比較し、ダクテッドファンに流入する流量が若干低くなるものと考えられる。また、計算負荷の軽減の観点から、数値流れ解析においては、1 mm以下の推力試験装置（実験装置）の非常に細かな形状については簡略化されている。これらの影響により、実験値は数値流れ解析よりも小さな値になったものと考えられる。但し、上記の条件を加味すると、数値流れ解析は、ある程度妥当な結果が得られたものと判断できる。そこで、数値流れ解析をもとに詳細な性能を調査した。検証モデルの推力係数に着目すると、前段羽根車での推力は、後段羽根車よりも若干大きく、ダクト・スポーク部での推力は全体の推力の23.4％占めていることがわかる（なお、数値流れ解析より得られた羽根車内の流量より算出した検証モデルの流量係数は =0.4528であった）。また、効率については、大型なダクテッドファンを使用していることもあり、前段および後段羽根車を含めたファン全体で75.98％と比較的良好な結果が得られている。そこで、ダクテッドファンの適用を検討しているより厳密な条件（より高回転、高流量、高推力）に適合したモデルを φ

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作成し、数値流れ解析を実施した。

６．高推力モデルの数値流れ解析結果

高推力モデル（1stmodel）については、目標推力（推力係数0.4779）を実現させるために、前述の検証モデルよりも、規定回転速度を高く設定した。ダクテッドファンの直径は変更せず、ハブ比を検証モデルよりも大きくし、羽根車内の流速を増加させ、ダクトでの推力増加を図った。また、流入条件の変化を考慮して食違い角については、検証モデルよりも9°減少させた。 Table３に高推力モデルの数値流れ解析より得られた性能を示す。数値流れ解析より高推力モデルは目標推力を超える推力係数が得られることが確認できる。ダクトにおける推力は、全体の推力の41.9％と検証モデルと比較してその比率が大きく増加していることがわかる。ダクテッドファン全体の効率については、75.34％と流量が増加した分（高推力モデルの流量係数は =0.7083）、検証モデルよりも若干低下している。一方、軸動力については、前段と後段の軸動力の差が大きくなっている。二重反転形ダクテッドファンとしては、この軸動力の差は好ましくないため、次のモデルでは、前段と後段羽根車の軸動力の均一化を目的に食違い角の変更を行った。

７．前後段軸動力の

均一化へのアプローチ

高推力モデルでは、後段羽根車での軸動力が前段羽根車よりも、11.6％大きくなったため、後段羽根車の食違い角を増加させ、定常解析を実施した。後段羽根車の食違い角が異なる３種類のモデルにおける定常解析結果をもとに、最終的には、後段羽根車の食違い角を高推力モデルよりも2°増加させたモデル（2ndmodel）を採用し、非定常解析を実施した。なお、前段羽根車については、1stmodelと同一である。Table４にその結果を示す。前後段軸動力の均一化を図ったモデルにおいても目標推力を上回る結果を得 φ

Table４ Performance of the same shaft power model（2nd

model） Table３ Performance of high thrust model（1stmodel）

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ることができ、後段羽根車の軸動力と前段羽根車の差は3.0％と大幅に改善した。一方、軸動力均一モデルの効率については、前段羽根車の効率は若干低下し、後段羽根車の効率は増加した。次に、高推力モデルと軸動力均一モデルの迎え角分布をFig.４に示す。Fig.４における縦軸はデータ取得半径をダクト内半径で除した無次元半径である。軸動力均一モデルでは、後段羽根車の食違い角が増加したため、流入流量が減少し（2ndmodelにおける流量係数は =0.6964）、前段羽根車での軸方向速度が低下する。そのため、前段羽根車の迎え角が若干増加している。一方、後段羽根車では、食違い角を2°増加させた効果もあり、迎え角は高推力モデルよりも低下した。これらの迎え角の変化が、Table４低減させるために、食違い角を増加させた３種類のモデルを活用した定常解析を実施し、その結果から食違い角を3°増加させたモデルを選定し、その非定常数値流れ解析を実施した。このモデルにおける後段羽根車入口での速度分布を Fig.５に示す。図よりチップ側では、前段羽根車の翼端漏れ流れやダクト出口近傍内周部での逆流により、軸方向速度および周方向速度とも大きく低下していることがわかる。また、ハブ面の影響によりハブ近傍での軸方向速度も低下していることが確認できる。そこで、この後段羽根車入口での速度分布を考慮し、新たに後段羽根車の設計を実施し、さらなる性能改善を図った。Table５はこの最終モデル（3rdmodel）における性能を示す。前段羽根車の食違い角を増加させたため、流入流量が減少し（3rdmodelに φ

Fig.４ Attack angle distribution of 1st model and 2nd model

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羽根車は1％強改善し、ファン全体としても、数値流れ解析を実施した全てのモデルの中で最も良好な結果が得られた。Fig.６には、高推力モデル（1stmodel）、軸動力均一モデル（2ndmodel）、最終モデル（3rdmodel）の前段および後段羽根車の迎え角分布を示す。最終モデルについては、前段羽根車の食違い角を増加させた効果により迎え角が他のモデルよりも小さくなっていることがわかる。また、後段羽根車については、前段羽根車からの速度分布を考慮し、各半径位置での食違い角を調整したため、良好な迎え角を実現できている。しかし、2ndmodelの迎え角との比較より、チップ、ハブでの迎え角の調整が効率に及ぼす効果は限定的だと考えられる。ダクテッドファンの場合、食違い角の変更に伴い流入流量が変化するため、流量の変化に伴う迎え角の変化にも配慮する必要がある。また、二重反転形ダクテッドファンの場合、前段羽根車からの旋回流れを的確に把握しなければならない。そのため、その研究開発においては、三次元モデルを活用した非定常数値流れ解析による詳細な内部流れの調査結果を、設計へ適用する必要があるものと考えられる。

Table５ Performance of final model（3rd

model）

秬 Axial velocity 秡 Circumferential velocity Fig.５ Velocity distribution at the inlet of rear rotor（Front rotor stagger angle is larger than 2nd

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９．まとめ

大型ダクテッドファンの研究開発を実施した。推力試験装置により数値流れ解析結果の妥当性を検討した上で、数値流れ解析による基礎研究開発を行った結果、以下の諸点が得られた。 ① 大型ダクテッドファンの推力試験装置により計測した推力と数値流れ解析結果を比較した結果、数値流れ解析において妥当な結果が得られることが確認できた。 ② 数値流れ解析において高推力モデル、前段・後段羽根車軸動力均一モデル、最終モデルとも目標推力を満足することが確認できた。食違い角変更と迎え角の調整は二重反転形ダクテッドファンの前段・後段羽根段羽根車の旋回流れを考慮した後段羽根車の設計を実施する必要があり、理論解析や既存設計法の延長では、その高性能化は難しい。現段階では、三次元モデルを使用した数値流れ解析などを活用した詳細な内部流れに基づく設計の提案が必要不可欠であると考えられる。［謝辞］本研究開発費は、トヨタ自動車㈱に支援を頂いた。また、本研究開発を実施する上で、徳島大学の三輪昌史氏ならびにトヨタ自動車㈱の西井一敏氏に多くのご助言を賜った。ここに記して深い謝意を表する。

秬 Front rotor 秡 Rear rotor Fig.６ Attack angle distribution of 1st

model, 2nd

model and 3rd

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Congress and Exposition, Montreal, Canada, IMECE2014-39883（2014）, V001T01A075.

蘯 Ravelet, F., Bakir, F., Sarraf, C. and Wang, J., Experimental Investigation on the Effect of Load Distribution on the Performances of a Counter-Rotating Axial-Flow Fan, Experimental Thermal and Fluid Science, Vol.96（2018）, pp.101-110.

盻 Wang, C. and Huang, L., Passive Noise Reduction for a Contrarotating Fan, Journal of Turbomachinery, Vol.137 （2014）, 031007.

眈 Deng, S. and Ren, Z., Experimental study of a ducted contra-rotating lift fan for vertical/short takeoff and landing unmanned aerial vehicle application, Journal of Aerospace Engineering, Vol.232睇（2018）, pp.3108-3117.

眇 McKay, S. R., Kingan, J. M. and Go, R., Experimental investigation of contra-rotating multi-rotor UAV propeller noise, Proceedings of ACOUSTICS 2019, Cape Schanck, Victoria, Australia.

眄 Ryu, M., Cho, L. and Cho, J., The Effect of Tip Clearance on Performance of a Counter-Rotating Ducted Fan in a VTOL UAV, Trans. Japan Soc. Aero. Space Sci., Vol.60盧（2017）, pp.1-9.