連成ダイナミクスの解析

ロータ系には，インペラやインデューサ，シールなどの流体作動部品があり，また，振動低減のためにすべり軸受やスクイズフィルムダンパ軸受で支持されます．本研究室では，それらの流体力を考慮したロータ系のモデル化と振動解析を行っています．また，磁気軸受で支持されたロータ系の振動解析や軌道制御も行っています．特に，流体力や電磁力はロータの位置や速度の非線形関数となるため，非線形モデリングや非線形性を考慮した振動解析に力を入れています．そして，従来知られている解析手法や成果をさらに一歩押し広げることに挑戦しています．

Keyword: Coupled system, Rotor system, Fluid Structure Interaction, Thermal Structure Interaction, Electro-magnetic Structure Interaction, Numerical simulation, Nonlinear theoretical analysis, Stability analysis

ロケット用ターボポンプの高精度非線形モデリングと振動解析

H2A，H3ロケットは日本独自技術（純国産ロケット）です．ロケットの中で唯一動く機械がエンジンのターボポンプです．ロケットのターボポンプはインデューサ，インペラ，タービン，シール部などで構造と流体，熱（極低温部と高温部が存在）が複雑に絡み合うマルチフィジックス系です．本研究室ではそのような連成系の高精度なモデル化とダイナミクス解析手法の開発を目指しています．現在，日本の宇宙スタートアップは100社以上と推定され，世界的にはロケットのハイパワー化の傾向の中で，今後このような高精度振動解析・予測技術へのニーズはさらに高まっていくでしょう． (update 2026/01)

油膜ダンパの流体構造連成（FSI）解析

円弧バネ型油膜ダンパ軸受のFSI解析

（2021 社会人博士テーマ）

左の動画は，航空機エンジン等に用いる円弧バネ型油膜ダンパ軸受です．構造を工夫し，省スペースで減衰性能を得ることを目指し，流体構造連成（FSI）解析を実施しています．

本研究室ではこれらのように，連成系のモデル化とそのダイナミクスの解析を行っています． (ASME2021)(update 2026/01)

軸振動解析に向けての旋回キャビテーションのモデル化

ロケットエンジンのターボポンプの最上流部のインデューサでは，旋回キャビテーション現象は大きな問題となりました．本研究では，インデューサ翼間流路モデルを用い，インデューサ部の流体のダイナミクスを２D翼間流路モデルと1D3流路パイプモデル，軸振動との連成モデルを構築し，旋回キャビテーションから非対称付着キャビテーションへの遷移現象の説明を行いました．今後，ターボポンプのフルモデルとのFSI解析を進めようとしており，この旋回キャビテーションとの連成も組み込んでいきます．(2023 JVET)(update 2026/01)

バランスピストン機構の動的解析

ロケットエンジンに用いられるターボポンプは吐出圧力が高く軸方向に発生する荷重を軸受のみで支持することができません．そのため，バランスピストン(BP)と呼ばれる機構を用いて軸スラストを自律調整します．BPはインペラ背部に搭載されており，ポンプ内部を循環する流れを利用した“流体ばね”のようなものです．静的には安定(正の復元力が作用)な特性を持ちますが，作動流体の圧縮性により動的に不安定(減衰力の作用が速度と同方向)となり自励振動を起こす場合があります．そのため，信頼性の高いターボポンプ設計のために，静特性だけでなく動特性ついても十分に評価する必要があります．本研究では，シミュレーションと実験の両面からBPの動特性の解明を行っており，その制振技術も研究を進めています．(JSME MEJ 2023) (2026/01)

自動車用ターボチャージャーのトライボ・振動連成解析

ターボチャージャーは排気を利用してエンジンに高圧の空気を供給することでエンジンの出力向上や高効率化を図る装置で，主に自動車に用いられています．毎分20万回転という非常に高速で回転しているため，一般にすべり軸受によって支持されています．しかしながら，すべり軸受で発生する油膜力が原因となって，自励振動が発生してしまう問題があります．ターボチャージャーで振動が発生すると騒音や不快感，さらには故障の原因となってしまうため，油膜力及び軸振動の詳細な解析により自励振動発生のメカニズムを明らかにすることが強く求められています．本研究では，一般的にターボチャージャーに用いられているセミフロート軸受とフルフロート軸受の2種類の単純化モデルを作成し，解析を行い，セミフロート軸受とフルフロート軸受それぞれの特徴の違いを調査しました．現在は，解析技術の高度化により，大域的な周波数応答の効率的な解析，自励振動を含めた非線形解析，自励振動発生のメカニズムの解明を進めています． (2026/01)

ジャーナル軸受の熱流体潤滑（THL）解析

近年のターボ機械に求められる気体の圧力比の仕様は，より高性能である製品設計を実現するために高くなっています．圧力比の増大させるためには，ロータを高速に回転させる必要がありますが，ロータの高速回転に伴い，様々な振動が発生し，安定な回転動作に悪影響を与える可能性があります．その一つにジャーナル軸受を用いたロータ系においては，軸受内部の温度不均衡によって振動が発生するモートン効果と呼ばれる現象が挙げられます．本研究では，モートン効果による振動現象を再現可能な実験装置を開発しました．剛体ロータをジャーナル軸受で支持しており，モートン効果に起因して生じる振動現象を再現できます．そして，THL解析モデルを構築し，結果の検証を行いました．今後はティルティングパッドジャーナル軸受の解析に発展させていきます．(JSME 2023 日本語)(2026/01)

バルクフロー解析によるロータダイナミック流体力特性の把握

ターボ機械要素の1つに“シール”と呼ばれる流体漏れを抑制するための機械要素があります．シール部に作用するロータダイナミック(RD)流体力は，近年高速・高圧化が進むターボ機械の軸振動問題の要因の1つとして挙げられます．バルクフロー理論はRD流体力の解析手法であり，従来より回転機械の設計にも多用されてきました．最近では数値流体解析(CFD)の発達により高精度な解析が可能となり，設計の現場で用いられることも多くなっています．しかしCFDには，計算コストが大きい，メッシュ生成の制限などにより複雑な振れ回り軌道を対象とすることが困難である，などの難点も依然としてあります．そこで本研究ではCFDとバルクフロー理論を両面で扱い，高精度，高効率な解析手法の構築を実施しています．(ASME JCND 2022)(update 2026/01)

ジャーナル軸受で支持されたロータ系の非線形解析

ジャーナル軸受は回転軸と軸受の間に存在する液膜のくさび効果を利用して回転軸を支持する軸受です．減衰特性，耐衝撃性，耐摩耗性に優れ，蒸気タービンやターボチャージャーロータなど様々な回転機械で用いられています．従来，ジャーナル軸受の油膜反力は線形モデルで表現され，軸振動解析に用いられてきました．本研究では，スターブ状態（給油量が不十分な状態）におけるジャーナル軸受・弾性ロータ系の非線形解析手法の構築を達成し，系のパラメータが分岐特性に及ぼす影響を明らかにしました．今後はティルティングパッドジャーナル軸受の解析に発展していきます．(ASME JGP2026)(JSV 2025) (2026/01)

ロータダイナミクス解析汎用ソフトウェアの開発

本研究室では，任意の形状の回転軸・ディスク系が玉軸受（ばねダンパモデル），すべり軸受（レイノルズ方程式の有限幅モデル）で支持されている場合の固有値解析，周波数応答解析，静たわみを解析する汎用ソフトウェアを開発している．複数部品の組み立ても表現でき，RD流体力（MCKモデル）の組み込みも可能です．曲げ振動に加えて，ねじり振動の解析へ拡張を行っています．

終了・一区切りした過去のテーマ

磁気浮上技術は非接触での物体保持力という特徴から近年実用化が進められています．磁気浮上技術を軸受に応用した磁気軸受は，その優れた特徴からかつては“夢の軸受”とも呼ばれ，これまで性能向上に関する多くの研究が行われてきました．また，磁気軸受には上記の軸受としての機能の他に，アクチュエータとしての機能も期待されています．一方，回転機械の不安定振動の発生要因としてロータダイナミック(RD)流体力が挙げられます．RD流体力に関しての研究は多く存在するものの，その殆どはロータがステータと同心円軌道で振れ回る場合に限られています．しかし実際の回転機械では静的偏心がある場合や，振れまわり軌道が楕円になる場合が考えられ，そのような際のRD流体力の特性を計測するための技術が求められています．本研究では磁気軸受のアクチュエータとしての機能を応用した任意形状の振れ回り軌道におけるRD流体力の計測を目指し，高精度な回転軸の軌道追従が可能な制御系設計および実験による有効性の検証を行っています．

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