周速430m/sで回転するタービン翼の液滴挙動を可視化 -実機相当の高速回転・低圧実験で地熱タービン高効率化へ-

2026-08-04 東北大学

東北大学、海洋研究開発機構、富士電機の研究グループは、地熱タービン動翼上で生じる液滴挙動を、実機相当となる周速430m/s・低圧1kPa条件で世界最高水準の可視化に成功した。ハイスピードカメラを用いて、液滴が翼へ衝突して液膜を形成し、微小液滴が飛散する様子や、付着した液体が遠心力・コリオリ力によって翼先端へ輸送され、液糸を形成して微粒化する一連の過程を初めて詳細に観測した。また、実験結果を基に液滴運動の理論モデルも構築し、高速回転翼面上での液体挙動を定量的に説明した。本成果は、地熱タービンで発生する湿り損失や液滴衝突による翼損傷のメカニズム解明を進めるとともに、ドレン排出機構や高効率タービン設計の高度化に貢献する。再生可能エネルギーである地熱発電の発電効率向上と設備寿命延伸につながる基盤技術として期待される。

周速430m/sで回転するタービン翼の液滴挙動を可視化 -実機相当の高速回転・低圧実験で地熱タービン高効率化へ-
1. 高速回転する地熱タービン動翼への液滴衝突・飛散の様子。

<関連情報>

地熱タービンバケット上の液滴の飛散と軌跡の可視化、および液滴の動きの理論的予測 Visualization of droplet splashing and droplet trajectory and theoretical prediction of a droplet motion on the geothermal turbine bucket

Ippei Oshima,Mikito Furuichi,Yuya Nakashima & Masahiro Sato
Experiments in Fluids  Published:03 August 2026
DOI:https://doi.org/10.1007/s00348-026-04273-4

Abstract

Understanding liquid behavior on the surface of rapidly rotating turbine blades is essential for clarifying drain formation in wet-steam turbines. However, direct experimental visualization of droplet impact and subsequent liquid transport under the combined conditions of ultra-high peripheral velocity and low ambient pressure has not been reported. In this study, we present high-speed visualization of droplet impact and liquid transport on an actual turbine bucket at peripheral velocities of 30–430 m/s under ambient pressures of 1–5 kPa. The results show that prompt splashing occurs even in this low-pressure regime, contrary to splash-suppression trends reported for lower-impact velocity and non-rotating conditions. Impinging droplets form thin films, ligaments, and droplet trains on the surface; despite their different morphologies, these liquid phases exhibit similar transport characteristics governed by the balance between centrifugal and Coriolis forces. At the bucket tip, accumulated liquid is stretched by centrifugal force and undergoes Rayleigh breakup, with the resulting droplet diameter decreasing systematically with increasing rotational speed. A minimal numerical model incorporating centrifugal, Coriolis, and effective interfacial resistance qualitatively reproduces the observed liquid transport trajectories on the actual bucket geometry. These combined experimental visualizations and numerical modeling provide a consistent physical description on rapidly rotating surfaces under low-pressure, ultra-high-speed conditions, and offer a basis for understanding drain-related loss mechanisms in wet-steam turbines.

0106流体工学
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