タービン・ポンプ・ファン設計 熱流体解析

遠心式のガスタービン羽根であり、一般的なターボチャージャーに使われるタイプのタービンとなります。ですから回転数は、毎分１０万回転以上の高速となり、その遠心力は強大となるため、製作には細心の注意が必要なターボ機械と言えます。

ターボチャージャーは、エンジンの高圧・高温の排気ガスを利用するためタービンは超高速となりますが、他の気体などを利用した膨張タービンという比較的低速（といっても数万回転です）の羽根としても使うことが出来るのがこのタイプのガスタービンです。

ガス膨張型タービンであり、これは発電に使用されるもので、省エネ製品としての需要を狙うものです。ただ、付属機器までを含めたシステム製品となるのでその点は勉強することの多い開発となると思います。以前設計した膨張型タービンの例が左図です。

昨日は、遠心2段ガスタービンの流力設計を行ないました。

流力設計というのは、流体機械において流体が流れる空間の形状を流体計算に基づき決めていくことを言いますが、特に羽根を持つタービン、ポンプ、ファンでは流れの道筋である空間上の流線を予想し、それにより最適な形状となる羽根やケーシングの形を計画していきます。

この流力設計に基づき３次元CADで形状生成を行なったのが、左図です。

省エネの為に、工場などでの廃熱を回収する目的のタービンとして、軸流３段ガスタービンの流力設計を行ないました。

先日設計した遠心２段ガスタービンと同じ仕様で、この軸流３段ガスタービンを設計していますが、軸流型のタービンは１段当たりが回収出来る圧力が同じ回転数なら遠心型より少なくなる為、この３段軸流タービンでも回転数を抑える為に、タービン翼直径は遠心型より大きく、しかも段数は１段多くなっています。

遠心型タービンとするか軸流型タービンとするかは、予算・製作方法・作りやすさ・発展性など判断しだいでどちらを使うかが決まり、どちらが良いかは難しいところです。

以前に流力設計を行っていた遠心２段ガスタービンを実際の発電装置とするための構想設計を行いました。

遠心型のガスタービンは、１段当りの熱落差を大きく取れるのですが、どうしても回転数が速くなりがちです。それでまず、遠心タービンを２段として１段当り熱落差が半分になりタービンの回転数が抑えられます。

それでもまだ回転数が速すぎるので、発電機との間に減速機を入れ通常の発電機を駆動します。このようにしてやっと電気が無理なく出てくる装置となります。

タービン系の水力発電設備は、効率も耐久性も高いのですが、一般的にその概観は発電している様子を観察出来るようにはなっておらず、見学をしてもホホーというような感じでしょうか。

それに対し、昔からある木製水車は水を利用している様子が誰にも分かり易く、自然エネルギー利用の良い事例です。この木製水車には、色々な方式が有り、下かけ式、中かけ式、上かけ式などそれらも昔の人がより多くの動力を求めての工夫となっています。

現在では、水が木製水車の羽根に作用する理論が良くわかっているので、そこから図のような効率を上げることの出来る木製水車の新しい方式が出てきています。

ガスにより駆動される軸流タイプのタービンを持つ発電装置の計画設計を行ないました。

軸流タイプのタービンは、１段当たりの熱落差はあまり高く取れませんが、段数を増やすことでそれを補います。また、軸流蒸気タービンの最終動翼に見られるように、まるでホイール式風車のような長い羽根を多数取り付けた翼が大量の気体エネルギーを効率良く回収することが出来ます。

このように、ガス量の多い条件に対応するために、今回の計画は軸流３段のタービンが圧力を受け止め駆動力を発生し、それを減速機が回転数を減じて発電機へと伝え使えることで電気を発生します。

設計上いつも迷うのは、要求仕様に対して余裕を持つ設計を行うのか、それとも極力無駄を省いて仕様に収まるぎりぎりを狙うのかというところです。一発で性能が出せる自信があるならば無駄を省けますが、流体物はまさに水物というか実験してみないと分からないことも有ります。　

そうすると余裕を見た設計を採用すれば安心ですが、それは機器の小型化・コンパクト化・廉価化に反することとなり、現在の省資源・省エネの要求に沿いません。難しいところです。

タービンを小型・高速化していくと必然的に回転数が速くなり、発電機を回したり、他の動力源となる場合に回転数が速すぎる問題が有ります。

そのような場合の対処方法としては、高速型発電機を使用する・減速機を使って回転数を落とすなどが行われますが、減速機といえば歯車減速機となるでしょうか。

今検討しているのは、遊星型の歯車減速機です。これは１段でも大きな減速比を持たせることが出来ますが、今回は１段当りの負荷を考え多段とした遊星歯車減速機ユニットの概略計画をしています。　

歯車の設計も調べれば調べるほど奥が深く、特に強度・耐久性・伝達効率・スムーズさ・静かさなどを充分に持たせる為には、深く研究する必要が有るようです。ターボ機械には必須の要素技術だと思います。

ファン・ポンプ・タービンなどのターボ機械の故障は、ほとんどがベアリング、つまり軸受けのトラブルが中心だと思います。特に長時間運転する機種に於いては。

よってターボ機械設計では、軸受けの種類を選定する場合に慎重な検討が必要だと思います。そして、寿命が長いか、振動などに強いか、熱は持たないかなどをクリアする設計を行います。

今日検討を行っていたベアリングは、振動・熱・軸受けにかかる力などが非常に厳しい条件で使用されるものなので、構造・材質・冷却機構・寿命・交換性などにまだ相当な時間を使って検討を続けなければならないと考えています。これも、奥が深く勉強することがいっぱいです。でも完成しなくちゃならない仕事なので、やってみます。