ファン・ブロワー設計

3次元流線法による高効率羽根設計について

高効率な羽根を設計していくと、最終的には流体の流れを最もスムーズに導く羽根形状は3次元曲面を持つ滑らかなものとなります。

上図は高効率3次元羽根を設計するにあたって、流体の流れると仮定する3次元曲線つまり3次元流線を流体計算で求めて、それにより羽根形状を作り上げる過程の途中を示しています。

このような流れの状態を表す3次元流線は1本ではなく、羽根面上にたくさん作成出来るほうがより正確な高効率羽根となります。

それには左図のように、空間上の流体流れ領域に領域を分割する曲面状の仕切りとも言える境界を作り、領域ごとに細かい計算を行うことで、より正確な計算による3次元羽根が出来ていきます。

以上の3次元流線による羽根設計を行い最終製品形状まで造り上げたのが、左図の高比速度遠心ポンプインペラです。

このような3次元羽根を持つポンプは、高効率省エネ型のポンプとなります。

ただ3次元羽根インペラは、複雑形状ゆえに金型利用等による量産化設計が難しく型抜きが優先してしまい、左図のような疑似3次元羽根となるケースもあります。

しかし現在は金型製作でのいろいろな技術進歩である程度の3次元羽根なら型抜き可能な量産も出来るようになってきています。

小型ターボファンエンジンの概念計画

かなり小型のターボファンエンジンの概念設計を次の図のように行ってみました。

ターボファンの構成としては、ガス発生機部分とファン駆動部に分けられます。

ガス発生機部分は、2段軸流+遠心1段のコンプレッサーにより高圧空気を造り、それをリターン型燃焼機で燃焼させてコンプレッサーを駆動するラジアルタービンを回転させます。

このガス発生機を出たガスをファン駆動部の軸流単段ガスタービンに導きタービンを駆動するとそれにより軸流ファンを回転させて推力を発生します。

この軸流ファンは、ボス側が斜流ファンのように斜めになっていますので、ボス側の遠心効果も回転時に空気に付加されます。

これの推力を想定するならば、150~200Kgぐらいとなるでしょうか。
おおまなか全体構成を決める概念計画なので、詳細な計算をすればかなり違う全体形状になろうかと思います。
まず遠心コンプレッサーとラジアルタービン関係の概略計算から始めてみましょう。

小型ターボファンエンジンをより小型化する設計途中

小型ターボファンエンジンを更に、より小型化する為の設計進行の途中状態です。少し前にご紹介したものと同じ全体構成のターボファンエンジンですが、下図の全体寸法はより小型化しています。

設計はまだ軸流ファン部と遠心コンプレッサー部までであり、これからタービン部へと進んでいきます。

両手で軽く持てる全体となり、相当に小型ですが、軸流ファンの送風の一部をバイパスして後方へそのまま吐出しますので、燃料消費量は少なくなるエンジンです。
今後の設計部分であるタービン部には、少し前にご紹介した遠心タービンではなく、2段の軸流タービンを配置するよう計画しています。
この2段軸流タービンにより前部軸流ファンの回転力が確保され、た-ビン排気速度も適度な値となり、機体速度に最適なジェット噴射となることで、飛翔効率が高まります。

<今日の感想>
今日は近くの水力可能性現場に調査及び打合せに行き、充分な方向性を掴むことが出来ました。それにより設計進行の最終決断が進み、早急な製作図完成に向け走り出します。
ただもう一度ぐらい現地寸法確認に行かなければならない可能性もあります。

ターボファンエンジン構成改造中

ターボファンエンジンの軸流ファン配置を変更して再計画しています。

空気取り入れ口すぐに軸流ファンを持ってきています。これにより、ある速度からこのファン推力に切り替える場合に行い易くなるでしょう。

<今日の感想>
今日考えたことは、現在のエコブームはあとどのくらい続くのだろうということです。

この2年間ぐらいのヨーロッパなどを中心とした自然エネルギー発電設備設置のフィーバー的な動きも最近沈静気味であるように感じています。
日本はヨーロッパなどにすごく遅れて、再来年にやっと自然エネルギー発電の全量買取制が始まるようですので、もしかしたらこれからブーム的なものが起きるのかも知れません。
ただそれも、世界の流れが変わっていくと日本もすぐに方向性が変わりそうにも思います。
それほど自然エネルギー産業全体はどうなるか分からない業界のようにも思え、相当昔にあった第一次石油ショックの時に体験した
一時的な自然エネルギーの見直しと同じような結末にならなければ良いなとは思いますが、こればかりは分かりません。
ただ自然エネルギー業界に趣味的な興味を持っている方々は、これからも長く活動を行われるのでしょう。しかしもしかしたら、
数年後には小さな発電所が色々な場所に粛々としたペースで出来上がっているかもしれません。将来誰も顧みらなくなったそれら小さい発電所の
長いメンテナンスのことを考えると、それはなんとなく憂鬱なことのようにも思いますが・・・・・

ターボファンエンジン構成改造設計進行中 今日の結果

入口軸流ファン動翼のすぐ後ろに静翼を追加しました。

また、静翼のボス部にも4つの支えのステー翼も付加しました。このステー翼はボス内部にある軸受け関係への潤滑油の供給ルートや外部動力伝達のルートともなります。

また、遠心ラジアルタービンからの排気筒部の形状を変更するとともに、その長さを短くして、バイパス出口も短縮しました。
今後は、燃焼器部分の詳細化と補機類の付加が残っていますので、割と時間はかかると思います。

<今日の感想>
昨日の夜寝ている時に寒くなって寝られなくなくなったので、多分風邪の引き始めなのかもしれません。
これは油断出来ないなと色々と考えてしまいました。
今日も午後から事務所に出て仕事をしていますが、今のところ問題なく過ごせているので、悪化しなくて良かった~という感じです。

展示用ターボファンエンジン模型が出来て来た

展示用ターボファンエンジン模型が次の写真のように出来上がってきました。

弊社設計ターボファンの概要が分かるような簡素化したエンジン模型となっています。
しかし羽根部分はすべて本物であり、それ以外の構造部分が簡素化構造になっているだけです。
もう少し分かりやすくなる装飾を加えた姿は、また明日にでも詳しくご紹介します。

<今日の感想>
今日は、午後から現地調査行があり、実際に見た状況はなかなかに素晴らしいものがありました。
やはり百聞は一見にしかずだなと思いました。
これによりプロジェクトの具体的な方向が益々見えてきたというか、色々な困難な部分もあるのでしょうが、強力に進めれば現実化出来そうに思いました。
一人の力だけではなく、専門化が強力して寄れば、なせばなるのでしょう。

展示用ターボファンモデルの写真

少し装飾を施した、展示用ターボファンモデルの写真を載せてみます。

羽根類は全部本物ですが、エンジンカット断面には内部構造の絵と流れ解析結果の絵を貼り付けています。

その斜流コンプレッサー背面と遠心タービン部を拡大してみて見ると、流体解析による流れの様子がベクトル矢印図で表現されているのが分かって頂けると思います。

流体解析結果断面ともうひとつの断面には、3次元CADにて設計した構造部のスクリーンショットを断面構造として貼り付けています。
果たしてこれらの展示用工夫で良かったのかどうか分かりませんが、なんとか設計していることの方向性は捉えて頂けるかもしれません。
次の展示用カットモデルを作る時は、実際に実験して不要になった実可動タービンエンジンをカットモデルとして展示しましょう。
その為には、かなりお金がかかるように思います。
今回のカットモデルのカット部作成費も決して安かった分けではなく、わりとお金がかかっています。
ですからこれからは展示会の機会があるたびにちゃんとこのエンジンカット模型を展示しておこうと思っています。
展示すれば、なにか良いことが起こりそうな気が・・・・・・・