その他タービン設計

遠心型ガスタービン発電機の計画開始

この2段遠心コンプレッサーは、2段で圧力比が6以上とれるものとなり、その入口には、可変インレットガイドべーンが配置され、使用流量に変動があっても入口状態を適切に保ちます。

また、遠心コンプレッサー2段目動翼出口には、可変ディフューザーを配置して流量に応じた適切な圧力で次の燃焼器に高圧空気を供給することが出来ます。

このように、可能な限りの可変機構を採用することで、運転範囲の拡大、高効率運転、振動回避など、優秀なコンプレッサーとなります。

遠心型ガスタービン発電機計画のガスタービン部

この遠心式ガスタービンは、自動車用ターボチャージャーに用いられる遠心式タービンと基本的に同じような形状をしていますが、ターボチャージャー用羽根よりは少し大きくなります。

これが、ターボチャージャー用タービンと大きく異なる点は、動翼の周りに案内羽根が多数配置されているところです。

これらの案内羽根は、角度を可変出来るタイプになっており、出力に応じてガス量の調整を行うことが出来ると共に、ガスノズルとして常に適切な噴射速度を実現することが出来ます。

この可変式ノズル案内羽根を持つことにより、タービンのケーシング自体は渦巻き型を使うことなく、円筒形というかドラム型のケーシングを採用することが出来ます。

軸流タービン計画図から3次元化開始

タービンとしての子午面断面計画図が詳細に出来上がったのであれば、そのまま2次元部品図作成に入っても良さそうですが、3次元化していく理由が有ります。

その1は、流路と羽根部分が3次元形状なので3次元CADを使う。

その2は、流体解析シミュレーションで性能を予測するためには、3次元形状データが必要である。

その3は、意外ですが3次元部品を作っていると短時間で製作用部品図を作成出来る。

これらの理由で断面計画図から一旦3次元データ作成に入っています。

ジェットエンジン設計 タービン部

このガスタービンは、遠心式タービンであり、しかも動翼全周に流量制御用の案内羽根を持つ、一般的にはバリアブルガイドべーンタイプと言われているものです。 

このガスタービンは、遠心式タービンであり、しかも動翼全周に流量制御用の案内羽根を持つ、一般的にはバリアブルガイドべーンタイプと言われているものです。 

可変式案内羽根(ガイドべーン)を持つことの利点は、ガス流量が減少した場合も案内羽根隙間面積を狭くすることで、動翼への流入スピードを一定に保つことが出来、効率を改善することが出来ます。 

小型蒸気タービン

小型の蒸気タービンと発電機を横から見たところです。
かなり小型でシンプルなすっきりとした全体構造に納めることが出来ています。

左側がタービン本体で、図中右側は誘導発電機となります。

このタービンは、一般的な蒸気系タービンの中でも、最小の部類に入ります。

そして、設計の繰り返し検討を羽根径・回転数などについて詳細に行いましたので、ここまで小型化出来ているというところです。 

使用する気体が非常に特殊なもので、わずかの漏洩しか許されないので、その点にも気を使ったシール・ベアリング・ギア減速機などとなっています。

設計もほとんど終了しているので、来週には加工に入りたいと願っていて、加工に難しいところがないか心配しますが、加工屋さんの素晴らしい加工技術で図面と変わらないものが出来上がるのは間違い無さそうです。

今後このような小型のタービンをたぶん多く設計して試作していかなければならないと思っていますので、その基本的な構造を確立できたことが、今回設計品の最も成果となったと思っています。

両持ちタービン組図

タービン回転数が高速となり危険速度の発生回転数が問題となる場合があります。

そのような場合に、軸受けを翼車片側だけに配置する片持ちタービンよりも、軸受けを両側に配置する両持ちタービンの方が危険速度発現回転数を高く取れる場合があります。

そこで、それを検討するために完全な最終設計まで行ってみたのが

危険速度の検討の為だけにここまで設計を進めてみたのも、軸などの慣性モーメント等の計算を行う場合に、それの詳細な最終形状まで分からないと正確な計算が出来難い理由からです。

この検討結果は次の設計には活かせることとなりましたが、最終的に採用した形態は片持ちタービン方式となりました。

その理由としては、シールや軸受け、潤滑供給路などが2倍になることと、軸方向長さが非常に長くなることなどを避けたことによります。

どの方式で行くかの最終決定、それはいつも大変迷う設計上の重大な問題です。

燃焼ガス用遠心ラジアルタービンの設計例

ガス用遠心型ラジアルタービンも液体用遠心タービンや蒸気用遠心タービンと同じく、流体エネルギーを入口で旋回エネルギーとして与え、動翼ブレード間の速度増加による出口での反動を更に加えて回転動力とします。

このガス用遠心タービンは蒸気用遠心タービンと同様に翼間流れが膨張しながら出口まで流れるので、入口から出口に向かって最適な膨張比となるように通過面積変化を決めていきます。

このガス用遠心型ラジアルタービンの設計で特に注意するところは、ブレード間を流れるガス流の速度が毎秒数百メートルと非常な高速となり、それに合わせる回転数は超高速領域に入ってしまう点です。

その超高速による強大な遠心力のブレードへの作用で羽根が壊れることがないように必要強度を持たせながら流体的にも最適なブレード形状を決めていかなければならないところは設計上の重要点です。

今回は羽根だけを図として載せていますが、ガス遠心ラジアルタービンでも入口旋回流はガイドベーンで発生させるか、又は羽根の廻りのガスを流入するケーシングを渦巻きケーシングとして渦巻きケーシング自体の形状で最適な旋回流を生成するかのどちらかとなります。

ガス遠心ラジアルタービン羽根の運転可能範囲を広く取る為には、入口可変ガイドベーン形式にして流量に応じた旋回流を作るようにするほうが良く、現在その形式が広く自動車用ターボチャージャーなどでも特にディーゼル用として使われるようになりました。

ガスタービン駆動遠心ポンプの構想

ガスタービン駆動遠心ポンプの全体3次元CAD図であり、まだ完全に完成しているわけではありませんが、今日時点での成果としてご紹介します。

図内で左側に軸流多段ガスタービンがあり、右側に高速回転でも運転可能に設計を進めている遠心型ポンプを配置しています。

タービンと遠心ポンプは直結で回転されるので、軸流ガスタービンは軸流多段のものとなっており、適切な回転数で馬力を遠心ポンプに伝達します。

この計画の初期に描いた構想図が上の図となります。

ほぼこの構想スケッチを基に3次元CADによる立体構想図を進めていたので、今日ご紹介することが出来ています。
一部3次元CADでの構想段階で、より部品などを作りやすく変更していたりはしています。

まだ完成していない主なところは、ガスタービン排気側ケーシングと軸受けボックス関係、そして遠心ポンプ側ではポンプ吸込み性能を改善するインデューサー羽根部分となります。

更にこれには付属の機器群が配置されますので、そこらへんも含めてまた詳しくご紹介したいと思っています。