熱流体解析

軸流タービンの性能アップを極限まで

それほど性能の悪くない軸流タービンを極限まで性能をアップする設計変更、性能解析の作業に入っています。

性能改善のため、さらにガイドベーンの形状修正、ランナベーンの転向角修正・出口角度修正などが行う作業となります。

タービン効率を90%ぐらいに持っていくつもりです。

軸流タービン羽根部流れ状態を流線群で表示して確認する

軸流タービンの羽根部の流れ状態をボス付近とチップ付近について詳細に確認して改善検討をするために、次のように羽根付近の流れ状態を流線群表示として示している。

次の図は、ボス付近の流れ状態を示しています。

もちろんランナ近辺の流れ状態表示は相対速度によるものです。

次は、チップ付近の流れ状態を流線群で示しています。

これらを見て羽根入口出口角度、羽根転向角などを適切にするにはどうするかプロの目として判断します。

判断して羽根形状を修正すれば、やるたびに効率が改善されていくのです。

2段タービンの性能改善での流れ状態の細かい改善作業中

2段タービンの性能をこれも最大効率化してみるために、細かい形状変更をしては次の図のように流れ状態を性能解析結果図から判断しながら適切な改善策を実行しています。

次の図は渦巻ケーシングからの流入状態を主に見ています。

解析結果図はその意味するところの見方に慣れないと分かりにくいものではあります。

ただ要点としては、全体的に滑らかな偏りのない流れになっていれば大体において性能は良いと推定されます。

タービン性能改善設計作業の流体解析結果が出ました

2段タービン性能改善設計作業を昨日行って、昨晩に性能流体解析に入っていましたが、今朝結果が出ていたのでタービン流れ状態を吟味しました。

上図のような解析結果表示図を造って改良の余地ある流れ部を確認したところ、まず出口外径を広く取りすぎた、段間通路の形状に偏り流れ部がある、渦巻ケーシングの断面積変化割合を変える必要があるなどが確認されました。

更に設計改善をしたタービンの性能解析計算モニタリング画面

昨日2段タービンの気になる点の設計変更を行い、現在解析計算進行中ですが、解析計算途中の解析状況モニタリング画面は次のように良い流れ状態を示しています。

モニタリング時の画面から見る各計測値の値からは、前回よりも更に効率が3%ぐらいはアップしているようです。

この解析計算が終了したら結果を詳細に吟味して、更なる改良点を見つけていきます。

軸流タービン性能アップ作業での解析モニタリング画面

軸流タービン性能アップ作業は先週前半に良いところまで行っていたのですが、連休中の解析用PCバッチ計算中にPCの調子が悪くなり起動不能となりました。

なんとか内部データを取り出す作業をしてみたがだめで、仕方なくOSの入れ替えを行ったので先週までのデータがなくなり、改めて性能解析作業に入っているところです。

その解析モニタリング画面が次です。

このような流体解析計算のデータは1回の解析だけで1ギガを軽く超えるようなデータ量となります。

更に夜間などにバッチ処理で多数ケースを解析させると、そのハードディスクへの書き込みは大量に連続的となり、なにかの原因で書き込みが不良になるとOSにも影響が出て、PCが起動出来なくなるトラブルは定期的に起きています。

ポンプインペラの流れ解析

ポンプの羽根であるインペラの流れ状態を解析した事例です。

次の解析結果図は、設計点よりも流量が少ない時の流れ状態です。

羽根入口への相対速度の方向は、絶対流入速度の減少により周方向速度成分が大きくなり相対流入角度が小さくなってしまうため、羽根圧力側にぶつかるように流入し、羽根負圧側に充分に回り込めず、負圧側の流れ速度の小さい停滞域が大きくなってしまうのです。

次は、設計点よりも流量が多い場合の流れ結果図です。

設計点よりも流量が多いと半径方向速度が増え、周速度と半径方向速度の合成速度つまり相対速度は羽根入口の負圧側にぶつかるように流入して、羽根圧力側の流れ状態が遅くなります。

これら2つの流れ結果図では更に、シュラウドのないオープンタイプインペラでのケーシングシュラウド部との隙間流れも十分に解析しているため、狭い隙間で流れ速度が速くなっている流れベクトル表示が顕著に表れています。

隙間流れは、圧力の高い羽根表側から羽根裏側への漏れ流れによる効率と圧力の低下をもたらします。

機器組込み式高速ターボブロワー設計と性能解析

装置の中に組み込む高速型ターボブロワーを設計して、性能解析した事例です。

機械装置全体の関係で非常に狭い領域にブロワーを入れなければならないことから、まずブロワーを高速型として圧力、流量を満足しながら小型化していく設計手法を取っています。

ブロワーのインペラー出口円筒面から出てきた旋回流気体は、すべて半径方向に流れ方向をそろえなければならないので、インペラ出口に短いですが固定のディフューザー案内羽根を多数付けています。

また、ブロワー自体の効率を上げる為にインペラは入口方向に入口縁を伸ばし、翼間流れの長さが充分取れる3次元羽根形状を設計しました。

それらの工夫により、組み込みブロワーとしての性能は充分なものとなっています。

熱水タービンの作動状況図

熱水タービンは、半径流外向き流れタービンとなっていて、その流れ状況は次の解析結果図で分かります。

軸方向中心から入ってきた高速流が半径方向に流れ方向が転向され、羽根で速度が吸収されて外側に振り出されるのです。

ラジアルタービン(半径流内向き流れタービン)の流れ状態

一般的にラジアルタービンと言えば、半径流内向き流れタービンつまり外側から内側に向かって流れるタイプとなります。

その流れ状態はつぎの流れ解析の流蹟線に見られるようになります。

流れを上流側から説明すると、軸方向上流側から流れて来た気体がまず放射上に並んだガイドベーン群に入り、加速されて回転する動翼に速度のある流れを流し込みます。

速度のある流れを回転しながら受け止めた回転動翼は、その流れを羽根の転向作用で出口で軸方向流になるよう整えて動翼から流出するのです。

動翼から流出する流れに旋回流がなければ、羽根がうまくエネルギーを回転動力に代えたということになります。