熱流体解析

流体解析と構造解析の連携解析結果 事例

流体解析と構造解析の連携した解析結果事例をポンプ性能解析事例として載せてみます。

上図はポンプの流体解析を行った結果の流蹟線表示となります。この結果から羽根表裏に働く圧力分布を求めています。

上の2重反転プロペラは直径3mほどとなり、割と大きめのプロペラとなります。
それを毎分2000回転でそれぞれの羽根を逆方向に回転させて生じた流れの様子が次の図となります。

羽根の圧力分布と回転時の遠心力分布を同時に羽根に作用させて構造解析を行ったのが上図です。
この図は、応力と変位の分布を表しています。

そして重要な構造解析結果として上図の安全率表示があります。

タービン流れ解析

単段衝動タービンの流れ解析を次の図のように行ってみました。

流れ解析対象は、単段衝動タービンとなります。
流れ解析結果を見たところでは、ノズルからの噴射流れに対してタービン周速度が速過ぎるため旋回残留速度が残り過ぎ、タービン後方で高速の旋回流れが生じています。
よってタービン回転数をより下げ、タービン後方流れがなるべく軸方向に向くようにすればタービン羽根へのエネルギー伝達効率が上昇し動力を多く生み出します。

オープンプロペラ型流速発電機の性能解析を続行中

水路流速や潮流流速を利用して発電を行うタイプのタービン発電機であるオープンプロペラ型流速発電機の性能解析を次の図のように継続実行中です。

以前に性能解析を行っていたオープンプロペラ型発電機より少し全体構造を改造し、それでの性能をいろいろな流速毎に解析計算で求めています。

性能解析では少々不明な点もあり、水車運転からポンプ運転に切り替わるタイミングの回転数を求めることが難しいところです。

水車運転からポンプ運転に切り替わる目安としてはタービン効率値があり、
風力タービンと同様にタービンの後流に必ず流れ速度が必要となることより限界効率値があり、それを超えた高効率となった場合はポンプ運転に切り替わったと判断可能です。

流速発電機 オープンプロペラ型水力発電機の開発継続

用水路などの流速により発電するタイプのオープンプロペラ型水力発電機の開発は継続しています。

最近でも性能の改善は続けており、その研究により随分と発電出力を多く取れるようになってきました。

それでも更に工夫を加えて、より年間の発電量の増加を目指し発電設備の償却年数が短くなるよう行っています。

このタイプは割と面白い開発対象となっています。

そして応用範囲も広い技術の蓄積となるようにも思っています。

フランシス水車ケーシング周り流れ解析

水力発電用フランシス水車のケーシングからガイドベーン、そしてドラフトチューブまでの流れをランナを除いた形で流体解析した見た結果が次となります。

空気機械の機械まわり風流れ解析結果1

左図は流跡線で流れを示しており、次は速度ベクトルで流れを示していることとなります。

空気機械の機械まわり風流れ解析結果2

両方の図を見ると、ケーシングからガイドベーンまでの流れにより
強力な旋回流が作られ、ランナがあるべきところを抜けてドラフトチューブに流れ込んでいることがはっきり分かります。
このようにタービンのケーシング入り口前の圧力がスパイラルケーシングとガイドベーンの作用で旋回速度エネルギーに転換されることで、
動翼であるランナが強力に回転させられることを示しています。

気体エジェクタの性能解析を行いました

気体エジェクタの性能解析を行いました。

気体エジェクタとは、圧力の高い気体を筒内で高速度にて噴出させて、その高速度噴出流が周りにある他の気体を巻き込みながら吸い出すという構造を持つ一種の噴流ポンプのようなものです。
その用途としては高速蒸気を噴出させて周りの空気を連れ出すような真空ポンプ作用の蒸気エジェクタや高圧空気で周りの空気を連れ出すエアエジェクタなどがあります。
次の図は高圧空気をノズルスロットから噴出させてメインパイプ内の空気をどれだけ動かすことが出来るかを流体解析した結果の速度分布図となります。

高速空気の噴射流がメインパイプ内の空気も動かしていることが図から分かります。

左図は流れの流蹟線を表示したもので、これによってもエジェクタ拡大流路での吸出し効果が分かって頂けると思っています。

このような噴流で他の気体を加速するタイプのポンプは2つの流体が交じり合う時に損失が大きくなり ポンプ効率としては30%以下になることも通常ですが、この加速ポンプには駆動部がないため動作は確実で金額も廉価に出来ることが非常な有意点だと思います。

圧力の高い側の気体が簡単に手に入る場合は廉価なので真空ポンプ的な使い方が可能となり、役に立つ装置となります。