熱流体解析

ガスタービンエンジン部の性能解析

デスクトップPC熱流体解析2-1

次のようなガスタービンエンジン部の性能解析が進んでいます。

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解析結果として次は圧力の分布を示す流蹟線群です。

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次は、温度の分布を示す流蹟線群です。

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そして最後は速度の分布を示す流蹟線群です。

これら解析結果図では結果が分かりにくいかもしれませんが、自分としては最も分かりやすい結果図なのです。

解析値を見るとこのガスタービンは回転数毎分5万回転で120KWの出力を出しています。

タービン羽根の直径は、100mmですので小型で強力なエンジンとなります。

気体衝動タービンの流れ解析

気体により駆動される衝動タービンの流れ状態を解析してみました。

この状態は、タービン羽根が停止している回り始めの状態となっています。

よって噴流は跳ね返され、ケーシングの中をぐるぐる回るようになっています。

次は、この羽根が回転している状態にして性能解析を行ってみます。

単段軸流代替フロン衝動タービンの性能解析

単段軸流フロン衝動タービンの性能解析結果図を載せてみます。

タービンの入口での代替フロンの圧力は8気圧(ゲージ)、温度182℃であり、その場合の流量は毎秒5.3Kg、そしてタービン出力は220KWとなっています。

よって用途としては、排熱エネルギー回収において排熱温度200℃以上を代替フロン液体に熱交換で与え、その発生したフロンガスによりタービンが動力を発生して発電を行うエネルギー回収システム用タービンとなります。

構造としても単段の衝動タービンであるため作りやすく、製作費も意外と安くなります。

これであれば自家発電装置などの排気エネルギー回収にぴったりなタービン発電機でしょう。

横軸プロペラ水車の据え付け状態での性能解析を行いました

現地に据え付けた状態を正確に再現した横軸プロペラ水車の性能解析を行いました。

次は性能解析用プロペラ水車流力部モデルです。

空気機械の機械まわり風流れ解析結果1

このモデルでの性能解析結果が次の図です。

空気機械の機械まわり風流れ解析結果2

導水管から入口弁、そしてタービンケーシング内、ガイドベーン部、ランナ部、さらにエルボ吸出し管、テーパ管、最後の曲がり吸出し部と、全体流れは良い感じです。

ただ、エルボからテーパ管に入るところで片寄った流れが表れており、少々無理な流れの転向となっています。

この流れの片寄り吸出し部は現地の状況から形状を変更出来ず、それによる流れ損失は諦めるしかないようです。

やっぱり3次元羽根のほうが高効率です

ポンプ、ファン、ブロワー、ターボコンプレッサーなどでは、やっぱり3次元羽根インペラを採用するほうが効率は高くなります。

その理由は、インペラ入口形状が流れの流入状態によく合っているからで、無理ない入口流れ状態となり翼間流れでの損失が少なくなるからです。

次は3次元羽根を持つ遠心ポンプの流れ解析図となります。

空気機械の機械まわり風流れ解析結果1

そして次は、インペラ部分流れ状態を中心に見ている解析図です。

空気機械の機械まわり風流れ解析結果2

入口流れ状態が羽根に沿っているのが分かります。

それと翼間での流れにも渦部、剥離部などが少なくなっています。

ポンプの損失とは、流れの渦によるエネルギーの損失が中心となるので、それがないような無理ない流路を生成することが良い羽根設計となります。

結局無理のない形状、言い換えれば綺麗でバランスのとれた形状が理想であり、流体にとって無理のない流れが必要のようです。

ストレート型プロペラ水車の性能解析

一つの円筒内に流体部が収まる見た目がストレート型のプロペラ水車の性能解析を次のように行いました。

次は、性能解析用モデルです。

次は、解析計算時モニター画面です。

そして最後は、流れの流蹟線による結果表示です。

全体的には素直な流れで性能は確保しています。

サイクロン容器内流れ 流体解析結果 流蹟線図

サイクロン容器内流れの流体解析結果として、その流れを流蹟線図にて表したものを2つ載せてみます。

空気機械の機械まわり風流れ解析結果1

次は角度を変えて見ています。

空気機械の機械まわり風流れ解析結果2

流れの主流はサイクロン発生部にて渦となりながら中心部から上方向に流れていっていますが、 サイクロンの効果としてはサイクロン渦の発生距離が短いため少々効果が薄くなっていると評価しています。

もう少し渦の回数を増やす設計変更をすべきでしょう。

大流量タイププロペラ水車の性能解析結果

比速度を大きくした大流量タイプのプロペラ水車を設計して、その性能解析を行いました。

空気機械の機械まわり風流れ解析結果1

次は拡大図です。

空気機械の機械まわり風流れ解析結果2

ボスが小さくなり、流路断面積が増える、羽根枚数が減る、それらが特徴です。