熱流体解析

空気タービンの性能解析 流れ状態とトルク値を求める

色々な用途に使用可能な「空気源のエネルギーにより駆動されるタービン」の流れ解析を行いました。

その解析により、タービン入口・出口の流量・圧力・温度、それとタービン動翼の回転トルクなどが求められ性能を計算することが可能となります。

空気タービンの性能解析1

左図が空気タービンの流れ解析結果を流跡線で表したものとなります。
色は、速度の分布を示しています。

空気タービンの性能解析2

羽根がある部分を拡大表示してみました。
静翼や動翼の羽根により流れが転向されたり、基の方向に戻されたりなどしながら空気エネルギーが吸収されていきます。

空気タービンの性能解析3

羽根流れ部分にグッと寄ると左図のような感じです。
流れの変化状態が良く分かります。
速度の変化も良く分かります。
流れへの翼作用も分かります。
以上が、空気タービンの運転状態解析となります。

高性能レース用ウォーターポンプの設計事例

大馬力になるレース用エンジンの発熱を確実に抑えて、レースに必勝の目的で設計を行ったのが下図の高性能レース用ウォーターポンプです。

全体サイズと回転数、必要動力を変えずに、これまでの性能の1.5倍を達成しています。

高性能レース用ウォーターポンプ1

流水部の速度分布を示しています。

高性能レース用ウォーターポンプ1

流水の流跡線を示しています。

高性能レース用ウォーターポンプ1

ポンプインペラを正面から見たものです。

このインペラの羽根設計に性能1.5倍の秘密があり、簡単に言えばロケット用ターボポンプ設計手法を少し設計に取り入れています。

高性能レース用ウォーターポンプ1

より具体的に言えば、羽根出口角度の増大を適切に、そして中間羽根の採用による達成圧力の増加となります。

羽根出口直径と回転数が変えられないとすれば、羽根枚数と出口角度、これが圧力上昇に大きく関わるパラメーターです。

予旋回が入口部にある軸流送風機と送風機後方ミキシング流れの解析

軸流送風機前方に於いては旋回している流れを与え、軸流送風機の後方では流れをミキシングして目的を達しているか確かめる流体解析を行いました。

予旋回が入口部にある軸流送風機と送風機後方ミキシング流れの解析1

軸流送風機吸込み入口前にて、強力な旋回流が発生している様子が良く分かります。

予旋回が入口部にある軸流送風機と送風機後方ミキシング流れの解析2

入口旋回流が軸流動翼部で軸方向流に転向されて吐出側から出て行く様子が分かります。

予旋回が入口部にある軸流送風機と送風機後方ミキシング流れの解析3

入口から出口ミキシング領域までの速度分布と速度ベクトルの変化を示しています。

予旋回が入口部にある軸流送風機と送風機後方ミキシング流れの解析4

速度分布と速度ベクトルの方向を見ると、予想したよりも充分にファン後方にて流れがミキシングされている様子が分かります。

予旋回が入口部にある軸流送風機と送風機後方ミキシング流れの解析5

ミキシング領域の減速効果は思ったよりも大きくなり、かなりの送風ロスを発生しているのが分かります。

比速度500プロペラ水車初回設計案の性能解析結果

水力発電に使用する比速度500のプロペラ水車の初回分設計案による性能解析を行い、結果を得ることが出来ました。

比速度500プロペラ水車初回設計案の性能解析結果1

プロペラ水車性能解析結果である、流体入口から出口までの流跡線を示すものとなります。

比速度500プロペラ水車初回設計案の性能解析結果2

水車ブレード部分での相対速度ベクトルの分布様子を見ているのが左図です。
これを見ると、定格流量に対してボスからチップまでわずかにランナブレード翼が立ち過ぎていることにより水車効率が少し低い状態になっていることが分かりました。

しかし流量を決める要素のガイドベーンは、狙ったとおりのほぼ定格流量を、狙った流出角度で流していました。

比速度500プロペラ水車初回設計案の性能解析結果3

わずかに翼ブレードが立ち過ぎていることから、流れを流跡線で見た場合には、ランナ後方流にまあまあの旋回成分が残ってしまっています。

比速度500プロペラ水車の性能解析初回が終わり、性能改善の為の問題点も分かったので、現在ランナベーンとガイドベーンの形状修正行っているところです。このように即座に設計上の問題点が分かることは、ターボ機械設計においても飛躍的な進歩となっています。

空気機械の機械まわり風流れ解析結果

空気機械の機械のまわりを流れる風がどのようになるのか興味があり、解析をしてみました。

まずは、速度の分布がどうなっているかを示す図となります。

空気機械の機械まわり風流れ解析結果1

以外と外側からの風巻き込みが小さいなと思いましたが、これは風の流れに速度が充分にあるからだと推測は可能です。
次は、機械まわりの圧力分布を見てみましょう。

空気機械の機械まわり風流れ解析結果2

圧力分布をみる方が、機械まわりの流れが及ぼしている影響を良く捉えることが可能なようです。
その影響とは、空気機械後方に圧力の小さい領域が発生していることです。
これにより設計計算をした内容よりも各種値が特別な値を持つようになるでしょう。