熱流体解析

翼型翼遠心ファンの子午面形状最適化検討

翼型翼を持つ遠心ファンは、一般的に効率が高く、音も静かであり、P-Q特性も良いという理想的な特徴をもちますが、翼型翼を製作する手間がかかり、必ずしも翼型翼だけの効果で効率がアップするわけではないという部分もあります。

翼型翼遠心ファンの子午面形状最適化検討1 翼型翼遠心ファンの子午面形状最適化検討2

そこで、遠心ファンなどのターボ機械を設計する場合に一番最初に最も重要な形状として検討を行う子午面形状がありますが、この善し悪しが翼型翼遠心ファンに与える影響について検討を進めてみます。

翼型翼遠心ファンの子午面形状最適化検討3 翼型翼遠心ファンの子午面形状最適化検討4

図のように、翼型翼遠心ファンインペラのまわりにスムーズに流れを吐出するケーシングをとりあえず配置して、翼型を持つブレードは良い形状であるが、子午面形状があまり適切でないインペラを用いて色々な流量について効率を求めてみます。

その後、子午面形状の最適化を行って効率の改善状況を確かめます。

軸流ファン流体解析時の羽根前後形状が解析に与える影響

軸流ファンなどの軸方向に流体が流れるターボ機械を流体解析する場合には、回転する羽根部前後のボス部やチップ部の断面形状がかなり流体解析に影響を与えることが推測出来ます。

そこで、下図のように回転羽根部の前後になるべく軸方向に入口・出口流を導くように形状を作成して解析を何種類か行い、解析に影響の少ない形状を探り出そうとしています。

軸流ファン流体解析1軸流ファン流体解析2軸流ファン流体解析3

これが、入口・出口形状が羽根部に与える影響を小さくしようと計画したものです。
ボス部にまっすぐな棒のようなものを設けています。

軸流ファン流体解析4軸流ファン流体解析5軸流ファン流体解析6

この解析では、羽根部スパン方向に翼型形状変化に不適なところがあり、逆流域、顕著な半径方向流などで大変に乱れた流れが羽根部で発生しています。
これでは、まともな解析結果が出てこないので、早急にスパン方向の翼型形状分布を見直し再解析に入ります。

高速回転3次元羽根ブロワーのインペラ部分流れの図

高速回転3次元羽根ブロワー1高速回転3次元羽根ブロワー2高速回転3次元羽根ブロワー3

この流体解析でのインペラ付近の流れを更に詳細に見る為に、図のようにベクトル矢印などをブレード表面に付け加えるとともに、一番右の図では子午面のミーンラインでの円錐曲面上での速度コンター図とベクトル矢印を表示しています。

流れ状態を見ると、最大流量流れていることより、入口での半径方向速度成分が大きくなっており、それにより入口周速度・絶対速度で構成される速度三角形での相対速度の流入角度が大変大きくなり、ブレード入口の負圧面に衝突して回り込みながら圧力面に流れるため、そこでの入口衝突損失が大きいと分ります。

明日は、設計点流量付近での流体解析としたいと思います。