タービン・ポンプ・ファン設計 熱流体解析

現在、色々なターボ系機械の設計を進めていますが、ターボ機械は一般的に圧力がかかる、回転遠心力がかかる、軸受け廻りや可動部の強度が必要である、などから強度解析も行っています。
図のように、部品の強度解析を行い、変形、座屈、破壊、振動などを主要部品では見ます。
やはり、解析すると不適切部分が良く分かります。

圧力のかかるパイプ状部品がどのように変形するか解析事例を載せてみます。
短く直径の小さい塩ビパイプで解析を行ってみました。
入口出口は固定されているので、ぷっくらとパイプ側面部分が膨らんでいます。
この膨らみも実際のふくらみではなく、比例的に大きくデフォルメされて見易くしているものです。

構造解析のなかで、製品が落下した時、つまり衝撃荷重を受けた場合の応力や変位も必要が有り、当方では解析を進めているところです。
左図は、直径が１７０ｍｍ程度で一端に接続用のテーパネジ部を持った圧力パイプを、およそ高さ１００ｍぐらいから落下させた場合の変形量を計算した結果図です。
これでは、テーパネジ部から落下させた為、その部分が本体パイプ部分に食い込むように変形している様子が分かります。

ターボ機械構造解析のなかで、羽根の高速回転による強大な遠心力に対して
羽根が破壊されないかどうかの検討事例を御紹介します。

回転遠心力解析の対象は樹脂で製作されたファン羽根であり、それを高速回転させた場合に
定格回転数で安全か、またどれだけ回転数を上げると破壊されるかを解析しました。

ファン羽根を４万回転で回した時の応力分布図となります。
これでは、樹脂強度500kg/cm2に対して、最大応力は150kg/cm2程度に収まっているので安全といえます。　

これは、羽根回転数を６万回転に上げた状態であり、定格回転数の１．５倍の回転数です。
しかし、この回転数では応力が強度を超えるために、羽根の破壊に至ります。

このように、強大な遠心力による羽根の破壊は、大変危険な事故へとなる可能性が有る為、高速回転機器では必須の解析となります。

直径５０ｍｍで長さ１００ｍｍの円柱状アルミ棒を ４８０ｍ／秒ほどの速度で平らなものにぶつけた時の解析内容となっています。
面に衝突する前のアルミ棒の形状がこれです。

面に衝突後の変位を現したのが、左図となります。
ぶつかった部分は傘のように広がり、この衝撃の大きさを表していると思います。

タービンの正規回転数である３０００ｒｐｍで回した場合の羽根の応力分布図を示しています。 この回転数では、強度的には全く問題ありません。

これは、タービンがランナウェイスピードとなった場合の応力分布を示しています。
無拘束速度は、正規回転数の倍ほどで、６０００ｒｐｍとなります。
これも、応力に対して強度的には全く問題ありません。

左図は、この羽根がどのくらいまで回転させても大丈夫かを見るため、限界回転数を求める解析を行いました。
その結果、約１３０００ｒｐｍぐらいで羽根内側中空部の縁が最初に破壊されるようです。