熱流体解析

遠心ガスタービンの設計と性能解析 解析結果図

中比速度となる遠心式ガスタービンの設計を行い、性能解析を行った結果図が次です。

この解析結果図は、流量が設計点よりも多い状態の解析図であり、それはランナ出口流れが回転方向旋回流を持っていることからも分かります。

遠心タービンでは、まずガイドベーンまたはガイドベーンがない場合は渦巻ケーシングでランナに入る旋回流が造られ、ケーシング入口のガス圧力の7割ぐらいが速度エネルギーに転換された流れとしてランナに流入します。

その速度エネルギーがランナを回転させますが、ランナ入口で残っていた圧力もランナ内を通る時に加速され速度エネルギーに転換され、最終的にランナ出口では全圧力が使われて残速度をプラスした流れが排出されます。

以上からランナ入口で圧力が完全に速度に変換されていないので、一般的に遠心タービンは反動型となり、その反動の意味はランナ翼間を流れるながれが圧力を速度に変換されて出口の噴流反動でも回るからです。

ですから反動タービンとは言いながらもその入口では速度エネルギーを回転に利用するので完全反動ではないと言えます。

2段気体衝動タービン設計と性能解析

衝動タービン2段(圧力複式)の設計と性能解析例です。

圧力複式多段衝動タービンにする理由は、とにかく回転数を低い状態で性能を出すようにするためです。

衝動タービンは反動タービンに比べて最適回転数を同条件であれば低く取れ、更に圧力を多段で減圧すると1段あたり最適回転数を低くとれます。

気体系タービンは最適回転数が速くなりすぎるのを設計上の工夫でなんとか低回転に最適回転数を持ってくるのに大変苦労します。

ポンプ付き噴射ノズルの設計

噴射する液体を加圧するポンプが付いた設計事例です。

ディフューザー付き遠心ポンプ出口に更にリターンベーンも付けて、ノズルからジェット流を噴射します。

リターンベーンからノズルに入る液体に旋回流がなく、ノズルに綺麗に流入している点は注目ポイントです。

軸流タービン性能改善流れ解析結果の吟味

軸流タービンの効率性能を上げるための流れ解析結果を見て、改善点を判断している作業中画面です。


流線で流れの転向状態を全体的に適切か判断し、面上の流蹟線で翼型が適切であるか見たりしています。

2相流ポンプの設計例

新型地熱発電である湯けむり発電は、熱水と蒸気の2相流でタービンを駆動していますが、逆に液体と気体の2相流を送り出すポンプも次の性能解析図のモデルを設計しています。

この2相流ポンプは、まず入口に斜流インデューサーポンプがあり、次に3段の長弦長フラット動翼を持つ軸流ポンプで加圧し、最後に遠心ポンプで充分な圧力まで加圧する構成になっています。

入口インデューサーポンプで加圧された2相流は、次の3段の軸流ポンプではそのフラットで長弦長の転向角の少ない動翼でさらに緩やかに加圧され、最終段の遠心ポンプ入口ではキャビテーションが起きない圧力となるため、遠心ポンプで充分な最終加圧を達成します。

このような入口からじんわりと吸い込み緩やかに加圧するポンプであれば、2相流を取り扱うことが可能です。

排気タービンの性能解析開始

3次元設計が終了した排気タービンの性能を流体解析で求める作業を開始しました。

解析モニタリング画面です。

とりあえずはタービン入口温度200℃で開始しています。

低比速度軸流プロペラタービンの設計解析例

軸流プロペラタービンの一般的に用いられる比速度は400以上ぐらいとなります。

しかし比速度300以下ぐらいのフランシス水車の比速度範囲でも軸流プロペラタービンを設計することは可能であり、設計次第では効率も高く出来ます。

比速度の低いプロペラタービンでは、プロペラボス部直径がランナ外径に対して大きくなり、狭いドーナツ型面積を流体が流れることとなります。

更に、ブレードどうしの重なり具合を適切とするためにはブレード枚数が多くなり、フランシス水車ほどではありませんが6枚から10枚ぐらいのランナブレードを持つように設計することもあります。

そのような低比速度軸流プロペラタービンは比速度がフランシス水車と同じですから回転数が速すぎることもなく、フランシス水車ランナにあるブレード覆うバンドが必要なくブレードの仕上げがやり易く、ゴミもつまり難いので有利な点は多々あります。

ただ問題なのは、フランシス水車に比べて効率曲線が尖っていて部分負荷効率が落ちるので、出来れば可変ベーンタイプにすると非常に高性能化出来ます。お金もかかりますが。

1ノズル衝動タービンの流体解析

入口出口形状がシンプルであり、出口穴径が小さいために背圧が大きい場合の1ノズル衝動タービンの流体解析結果図です。

上部入口管から気体が入り、円筒空間を通って先細ノズル部から気体が噴出され、衝動タービン動翼を回し、その後旋回が強力に発生して、あまり出口パイプには到達していない状況の解析結果図です。

タービン後方旋回流が強いのは、タービン動翼回転数設定値が速すぎて、動翼部を絶対流れがすり抜けるように運動するからです。