熱流体解析

飛翔体の流れ解析


電動ヘリコプターのブレード回転時の流れ解析を行った結果図です。

今回は、メインブレードのピッチ角度を回転方向に対して10度の迎え角を付けて毎分1000回転させていますので、 充分なヘリ下方向への流れがブレード全体にわたって発生している状況となっています。

解析結果によるメインブレードが発生する機体全体を上方向へ押し上げる力は、450gほどであることが分かりました。 メインブレードだけでなく、メインブレードの回転トルクに打ち勝つ機体後端のサブブレードも同時に回転させてその推力を計測しています。

メインブレードの回転トルクを計測していますから、回転数とトルク値から必要回転動力の計算と、サブブレードが出すべき推力も計算出来るわけです。 これらのヘリコプター流体部の各種変更値を色々と変えて、ヘリコプター流体部の総合的な解析データマップを完成します。

簡易型エアタービンの流れ解析結果


静翼平板で動翼も平板である簡易型のエアタービンを設計して、流れ解析を行った結果図です。

羽根枚数が少ない方が静翼で、多い方が動翼です。
動翼シュラウドはないので、動翼チップ側の圧力面から負圧面への漏れ流れも速度ベクトル表示されています。

フロンタル型(前口型)ケーシングを持つ遠心タービンの流れ解析


フロンタル型(前口型)ケーシングを持つ遠心タービンの流れ解析結果図です。

前の水力タービンでは良く使われていた前口ケーシングとは、ドラム缶型ケーシングの蓋の片方から流体が、
流入して底にあたるほうにタービンの案内羽根とランナベーンがあるタイプであり、渦巻ケーシングを使わないので 全体製作費を大幅に減らすことが出来る良いタービン型式なのです。

この事例は水力ではなく気体タービンなのですが、気体タービンでも同様にケーシングの簡素化が出来、安くなる 設計であると考えています。
渦巻ケーシングではなく、フロンタル型ケーシングにしても効率が落ちることもそれほど有りません。

ヘリコプターメインブレード内、中、外3断面の相対速度流れ状況結果図


ヘリコプターメインブレード内、中、外3断面の相対速度流れ状況結果図です。
まず、一番内側付近の翼断面廻り相対速度流れを示した図です。

次は、ブレードスパン方向中央部の相対速度流れ状況です。

そして最後は、ブレード翼端付近の相対速度流れ状況です。

分かりづらいですが、外側ほど周方向速度に対して軸方向流入速度の割合が小さくなるので、相対速度は真横に近く流れています。
つまりそれは、ヘリブレードが下方向に送り出す風の速度が小さく、周方向速度の大きい違いに対しても迎え角度の変化割合が小さくなって いることであり、結局ヘリブレードはスパン方向ねじりが小さくてすむことを示していま
す。

ヘリコプターメインブレード内、中、外3断面の相対速度流れ状況結果図


電動ヘリコプターの推力(揚力)解析の結果データを次に示します。
次は、メインブレード中心線が水平より5度の迎え角で運転した場合の結果値と2000rpmでの結果図です。
これを見ると、迎え角5度では2000rpmでメインブレードは725gの推力を発生しています。

次は、メインブレード中心線が水平から10度の迎え角での回転数ごとの解析結果です。
これでは、メインブレード2000rpmで推力が1.79Kgと大きくなっています。

そして最後の次結果では、メインブレードが水平より迎え角15度で、回転数2000rpmなら推力は2.69Kgと
充分に大きくなり、機体+荷物を運べるほどになります。

この電動ヘリコプターのメインブレード直径は約80cmなのですが、メインブレードが遠心力に対して強度が十分
で、使用するモーターが400~500Wの出力を出せると、機体を含めて充分な重量を空中に持ち上げることを示しています。