熱流体解析

遠心コンプレッサーの設計と性能流体解析 例

流体機械設計事例として、遠心型コンプレッサーを設計して、その性能を流体解析で求めた事例です。

高速回転をする遠心型コンプレッサーの羽根が空気を高速流として渦巻ケーシングに流し込み、 渦巻ケーシング内で高速の流体速度が徐々に圧力へと減速しながら転換されて、渦巻ケーシング出口では圧力比の高い気体となっています。

元々ターボ型流体機械は、速度のエネルギーを遠心力などで流体に与え、それを吐出ディフューザーなどで圧力に転換して流体の昇圧や圧縮作用を行っています。

遠心に近い斜流ファンで渦巻ケーシングタイプの性能シミュレーション

遠心に近い低比速度斜流ファンで渦巻ケーシングを持つファンを設計しましたので、性能解析シミュレーションを次の図のように行いました。

構造上、あまり入口流入状態が良くないので、その点性能が悪くなりますが、全体的には狙い程度の性能となっています。

フランシスタービン性能シミュレーション結果検討図

フランシスタービンなどの遠心型タービンの性能を確認するための性能シミュレーション結果は、次の図のような流れ解析結果図を見ながら行っています。

この結果図であれば、ガイドベーン流入状態確認、ランナベーン相対流入状態確認、ランナベーン翼間流れ状態確認、ランナベーン出口絶対流旋回流れ状態確認などをすることが出来ます。

タービンノズルからの噴出状態解析事例

気体タービンにおいて、翼型ノズルからの旋回流噴出状態を流体解析した事例です。

この翼型ノズルは、ノズルに入ってきたガス流れを十分に出口角度近くに転向出来ていないことがノズル後流状態で分かります。

充分に流れを転向できていない最大の理由は、ノズルの出口部分の流れを整流する距離が短すぎて流れを曲げきれないことによります。

つまり動翼の弦長に比べて静翼の弦長は相当に長くとる必要があり、その場合は静翼羽根枚数も少なくて良いということになります。

とにかく静翼での流れ通路を長くとるほうが良いタービンになりますよという事例でした。

マントル掘削用タービンドリルの性能シミュレーション結果図

これまでに5年間マントル掘削用タービンドリルを開発設計していますが、最新の設計であるタービン部の性能シミュレーション結果が次の図です。

そして次は、タービン羽根部の多段タービン部流れ状態を見たものです。

これらの開発設計により強力な動力を発生するマントルドリル用タービンが完成していきます。

遠心コンプレッサーの設計と性能シミュレーション

効率の高い遠心コンプレッサーを設計して、性能シミュレーションを次のように行っています。

回転する羽根であるインペラ形状は何度も少しずつ修正しながら高効率化を図り、最終的に図にある性能シミュレーション結果の形状が最も性能が良くなりました。

このような設計形状の修正による高効率化は、何度も繰り返す地味な作業とかなりの手間が必要ですが、 弊社では常に行っている作業であるため、短期間で出来るようになった得意な分野です。

タービン運転シミュレーション

タービンの運転シミュレーションを行い、とりあえずの性能を見ました。

最適化すべき個所がたくさんあり、ひとつずつ解決していき、最終的に性能を満たすようにします。

修正個所は、絶対流量、不均一流速分布、旋回流など、いろいろと解決していきます。

高性能高速小型遠心ポンプの性能シミュレーション結果図

回転数が毎分9000回転というポンプとしては非常に高速の小型高性能遠心ポンプの性能シミュレーション結果図関係です。

最初の図は、羽根部の速度分布関係図となります。

次の図は、入口から出口までの流れ状態を示す流蹟線群表示となります。

これらの結果図から、流れのどこに停滞部があるか、損失の大きな渦があるか、意図した通りに流体が加速されているか、など色々と分かります。

空気タービン設計と性能解析

空気タービンの設計を行い、性能解析による結果図です。

旋回流エネルギー回収を行うことにより外向きに拡大する流れによるタービン駆動となっています。

それによりタービンの設計はより難しくなり、ガイドベーン流れを持つタービンとしての設計手法が必要になります。

つまり一般的なタービンの設計手法を使うということになります。

多段ポンプの性能解析結果図

多段ポンプの性能解析も次のように可能です。

段数の多いターボ機械であっても、この例のように性能解析が可能です。

これまでに最大10段ぐらいまで性能解析を行っています。

多段となると前段が後段に及ぼす影響が大きくなり、それらの流れ状態を把握することが非常に重要となりますから、多段性能解析は複雑ターボ機械には必須となります。

タービンの高効率化がうまくいっている

タービンの高効率化を行っていた作業により、次の性能解析結果図のように大変良い状態のタービン内流れを実現することが出来、一挙に出力が向上しました。

意図したとおりの流れ状態が、案内羽根、ランナ、中間通路、最終出口通路でできており、全体的に効率を上げています。