熱流体解析

簡易平板翼軸流ガスタービンの流体解析

簡易平板翼軸流ガスタービンの流体解析1

ガス系軸流タービンの流体解析をご紹介します。

簡易平板翼軸流ガスタービンの流体解析

タービンは一般的には製作費が高くなる回転機械ですが、今回のタービンは翼形状を平板翼という平べったい形状を採用することで価格の低減を計画したものです。

簡易平板翼軸流ガスタービンの流体解析3

平板翼だとどうしても効率の低下が懸念されますので、どのくらい低下するものかを確認するために設計して解析を行った次第です。

簡易平板翼軸流ガスタービンの流体解析4

やはり平板翼であると、静翼での翼間流れ流出状態も、そして動翼での流入・翼間・流出などの状態がかなり荒れています。

平板翼では色々な面で効率的には無理がありそうです。

小型ファンジェットエンジンの為の初段斜流ファン

小型のファンジェットエンジン用として、初段に使われる斜流ファンの設計を開始してみたいと考えています。

かなり小型のファンジェットエンジンのファンを設計する場合に、エンジン直径が小さくなりますが、そうするとファンジェットとして使われる初段のバイパス流を造るファンが軸流タイプでは必要な圧力に達しない場合が考えられます。

そこでこの図のように弊社の斜流ファン設計技術を使って、比較的圧力比の高いバイパスファンを設計してみようと思います。

この斜流バイパスファンはファンというよりも圧力比はブロワーとなると考えられ、よってファン入口の子午面断面面積が動翼出口に向かって減少していく形状を持ちます。

また、圧力比を上げる為には、静翼の枚数も大幅に増え、次の段にスムーズに流すディフューザー形状の設計も難しそうです。

こうなると、2段目の燃焼器前コンプレッサーも斜流コンプレッサーとなりそうです。

動翼ランナ停止時 水中軸流タービン流れ解析

今日は、タービンのランナ(動翼)が回転数0、つまり停止しているが水は流れている状態での水中軸流タービンの流れ解析を行いました。

今日は、タービンのランナ(動翼)が回転数0、つまり停止しているが水は流れている状態での水中軸流タービンの流れ解析を行いました。

本日の解析では、水中タービン発電機の動翼は停止状態として解析を行いました。 ランナ停止状態つまり回転数は0rpmでは、タービンの特性としてランナに最大トルクがかかりますので、回転部にかかる最大応力を出すことを目的としています。

最大応力が分かれば、それに応じて構造各部の強度計算を行うことが可能となり、特に遊星増速機部分などは信頼性の高いタービン発電機となります。

次は、設計定格回転数でのトルクつまり設計点出力の解析結果や無拘束回転数を求める解析などを行い、タービンの全特性を把握していきます。

水中軸流タービン発電機の性能解析 設計点付近にて

マイクロ水力発電用「水中軸流タービン発電機」の性能解析を、設計点付近の条件を与えて行いました。

設計点付近での解析結果となり、速度ベクトルや流蹟線にて流れ状態を表しています。

この流れ状態を見ると、最も重要な効率に関わる要素としての羽根出口での旋回流は全くなく、タービンとしての流体エネルギー回収状態は最も効率が高くなり理想的です。

しかし、上流からの流蹟線を見るとガイドベーンから動翼入口まではスムーズに流れていますが、なぜか動翼から出なければならない流蹟線が相当に消えています。
何がその原因か色々と考えて再度解析作業を行うこととしましょう。

水中軸流タービンの回転数による下流旋回成分の変化

水中軸流タービン発電機を計画して、それの設置構想例などを紹介して来ましたが、今日は性能流体解析の結果を少しご紹介します。

動翼回転数が、設計回転数のちょうど半分ほどの場合の流れ状態です。
動翼後流では、回転方向と反対の旋回流が発生しています。それにより効率は落ちます。

これは設計回転数での流れ状態を表し、ほぼ動翼後方での旋回流がなくなる状態に近い、性能の良い運転状況となっています。

動翼がこれ以上回らない「無拘束速度」との設計点速度のちょうど中間の回転数での流れ状態を示します。
設計回転数より高い回転数なので、動翼後方では回転と同方向の旋回流がかなり残っています。

これは「無拘束速度」付近での流れ解析です。
このような定格回転数よりも倍ぐらいの回転数となると、ガイドベーンで作られた旋回流れは速すぎる回転の動翼にあまり作用することなく流れがすり抜けてしまうため、動翼ランナ後方には大きな旋回流が残ったままの状態となります。

究極高効率3次元羽根電動ウォーターポンプの性能解析 結果図

究極の高効率を目指して設計した3次元羽根電動ウォーターポンプの3次元設計モデルです。
この電動ウォーターポンプの用途は、ハイブリッド車用エンジン冷却用であり、高効率のポンプ流体部と細かく制御されるポンプ回転数により、ハイブリッド車の燃費を向上します。

この高効率電動ウォーターポンプがどれほどの性能を出すか、まず流体解析にて性能解析を行っています。

ケーシング入口から出口までの速度分布コンター図と速度ベクトル図となります。
速度ベクトルは、回転領域内では相対速度ベクトルを示しています。

これも角度を違えて、入口正面からの速度分布状態を見たものです。

いつもの定番である流蹟線で内部流れ状態を見たものです。
結果の数値的なものとしては、解析値ですが、最高効率90%ほどを示していました。
実機試験ではそれよりも効率が落ちますが、それでも80%以上の効率をこの電動ウォーターポンプでは確保出来るでしょう。
まさに省エネ・省燃費著しいウォーターポンプ設計の完成です。