流体機械設計と流体解析シミュレーション

インターステラテクノロジズ向けロケットターボポンプ設計のインデューサー高性能化設計と性能流体解析を進めています。

次図はインデューサーが起す流れを矢印付き流線群で見たもので、流線の色は圧力の分布を示していて赤が圧力が高く青が圧力が低いこととなります。

次図はインデューサーブレード羽根表面の圧力分布を色分けで示しています。

青い部分は圧力が低下する箇所ですが、図を見るとブレード入口前縁で低圧領域が発生しており、これがキャビテーションを発生させます。

ブレード出口でもボス付近に低圧の青い領域が見られますが、これはブレード出口羽根厚みが厚くて流れが分かれることによる局所的圧力降下と思われます。

次図は、ボス近傍での流れの相対流れ状態を示す流線図です。

色の変化はこの場合は相対速度の変化を示しています。

細かい間隔の流線を見ると、ブレード入口縁ではわずかにボス翼角度が寝ているため滑らかな流入ではない状態です。

よってボス入口羽根角度を少し立てるブレード形状修正を行います。

次図はボスとシュラウドの中間あたりの流れの相対流れ線群を見たものです。

この位置では羽根入口縁形状に相対流れが沿って滑らかに流れ込み、翼間流れも良い状態です。

次図はシュラウド近傍の流れ円筒面での相対流れ流線群表示です。

このブレードチップ付近の翼入口縁への流れ込みは滑らかです。

翼間ながれも悪くありませんが、出口付近で流れが乱れている領域があり、理由を考えています。

＜今日の仕事＞

最初に見積りを提出する作業を行い、その後ポンプ設計に入ります。

今日はなるべく設計に集中します。

＜今日の成果＞

問い合わせへの回答、見積書作成、提出データ作成などを行っていたら水中ポンプ設計を始める前に既に終業時間の午後４時となってしまいました。

回答、見積、データ提出は売り上げ確保には必須なのでもちろん優先ですが、そうすると設計は自宅での夜間となりそうです。

＜今日の体調＞

夕方4時の終業時間後に今日もダンス練習を開始してみましたが、少し息が苦しい喘息症状があったので30分ほどで終了して帰宅しました。

季節的にもう少しの間は体調に気を付けなければと思っています。

液体ロケットエンジン用の縦軸1軸式ターボポンプの設計の現状進捗状況です。

このターボポンプ設計は新卒入社4年目の女性エンジニアが担当していましたが、結婚されて東京方面へ行かれることとなり、昨日退社された最後の設計成果となっています。

ターボポンプの全体構想設計を大変に素晴らしくまとめてくれていて、これまでの色々な新しい分野設計への挑戦成果と共に、今回も大変に感謝しています。

今後はこのターボポンプ全体計画図を基に、流体部の性能解析と高効率化改善設計、構造部の組立て易さなどについての細部修正と圧力強度解析、熱応力解析、回転部遠心力流体力複合解析、回転部の危険速度解析などを行って最終製品設計完成へと設計を進めます。

＜今日の流れ＞

今日は上図のロケットエンジン用ターボポンプの流体設計部の性能流体解析作業に入ります。

１軸ターボポンプ縦軸型の計画設計途中の図です。

次図が３次元設計外観図です。

特徴は少々タービン部が大きくなりすぎかな？　だから重量が大きすぎてターボポンプ部の過大重量？　よって小型化への設計変更をしなければ！　というところです。

次が内部構造です。

縦軸の一番上には液体酸素ターボポンプがあり、その下に燃料ターボポンプの入口円筒型ケーシングがあり、その下に燃料ターボポンプ本体があり、その下に速度複式衝動軸流タービンが有ります。

速度複式衝動タービンの羽根直径が大きいのは、タービンブレード周速比を決めるのに速度複式ではある程度効率を確保出来る高効率範囲として周速比を考えたためです。

そのタービン部の重量が重いので、周速比を現状の半分ぐらいとして効率は低下しますが、タービン羽根直径を半分にしてターボポンプ全体の軽量化構想を行ってみます。

タービン主軸の細くて長いことも気になる点です。危険速度が低下して共振による事故も気になります。

さらに主軸シール部もより多重シールが必要であり更に主軸長さが伸びることとなります。

構造としては、不適切な配管要素の修正、余分な余肉の削減、鋳造部を薄板溶接構造とする軽量化、組立て易いボルト配置や組立て手順、ベアリングの最適選定、余分な流体部形状の小型化、材質の適切な選定、などが今後あります。

＜今日の流れ＞

朝から用事が有り会社に出ています。

よって残っている仕事を事務所で行います。

インターステラテクノロジズ向け１軸式ロケットエンジンターボポンプの全体構成を開始しました。

液体酸素ターボポンプと燃料ターボポンプの流体部形状がほぼ決まってきましたので、１軸上にそれら流体要素を並べてターボポンプ全体構造設計を造っていきます。

＜今日の流れ＞

今日は午前中と午後でそれぞれ来客が有り、打合せをします。

昨日のインプラント治療の結果、頬がかなり腫れて体もだるいのですが、何とか元気に見せながら２組のお客様との打合せが無事終わりました。

でも体がだる～い！！　ウッウー・・・　と言う感じで弱音を吐いています。

だって人間だもの。

インターステラテクノロジズ向けのロケット燃料ターボポンプ設計をすすめています。

今回のこれら結果図は回転数22000rpmにおいて、設計圧力を満たし、設計流量より少し多い流量での流体解析結果データです。

次が透明化した燃料ターボポンプの流体解析モデルです。前回モデルからの修正点は主にインデューサー入口翼角度とインペラ入口角度、そして遠心インペラの出口直径です。

次は解析計算モニタリング画面であり値は収束して終了した状態です。

次図はポンプ入口から渦巻きケーシング出口までの全体流れの様子ですが、滑らかに流れています。

次はインデューサーでの圧力降下を見るためのる流体解析結果図です。

次は、燃料ポンプ遠心インペラの背面圧力分布を見たものですが、背面翼と背圧抜き穴の効果があり中央部の圧力が下がっています。

＜今日の仕事＞

今日は設計成果を提出することが中心です。

インターステラテクノロジズ向けロケットターボポンプ設計を進めていますが、今日は液体酸素ターボポンプの設計点付近の流体解析シミュレーションの結果図です。

液体酸素ポンプの吐出圧力は仕様圧力に達していますが、流量が仕様流量よりも少し多い状態です。

次図のようにポンプの全体流れは滑らかに流れています。

次図は主軸断面で流れを見たものですが、入口から渦巻きケーシングまである程度なめらかな流れです。

次図のインデューサーでの局所的な流れ状態では翼間で圧力が下がりすぎている領域があり、これが無くなる様に次の改良設計でインデューサーブレード形状の羽根角度分布を変更します。

インデューサー羽根入口での流れ込みは相対速度流れが羽根入口角にかなり沿っていてよい状態です。

設計流量よりも少し流量が多いことの改善では遠心インペラブレード入口角度を寝かして吸い込み流量を減らすことを行います。

＜今日の流れ＞

午前中は来客での昼までの打合せでした。

お客様とかなり詳しい情報共有が出来たので実りの多い打合せでした。

午後は気体タービンの基本設計を行います。

ロケットターボポンプのタービン設計のベース技術となる単段衝動蒸気タービン発電機の設計製作事例です。

次が単段蒸気タービン発電機の組立て３面図です。

次が３次元設計したタービン発電機全体の立体図です。

単段衝動蒸気タービンの回転数は４万rpmとなり、それを並行軸歯車減速機で減速して２極３６００ｒｐｍの発電機を駆動しています。

タービンの軸受け潤滑とギアの潤滑には油ポンプで強制潤滑をかけています。

潤滑油溜めは架台の中にあり、自然空冷となっていますが水冷化も可能です。

次は単段衝動タービンの３次元設計の姿ですが、ブリスクタイプのシュラウドなしタービン羽根となっています。

タービン主軸との締結はフランジ取り付け方式を使っていて、貫通軸でのキー溝タイプでは軸穴への４万ｒｐｍでの強い遠心力による応力集中が構造解析で分かり、よってこの取り付け方を採用しています。

次は実際に製作したこの単段衝動タービンのタービン関係部品の写真です。

ブリスク形状のタービン羽根はフランジ取り付けで主軸に組み付けています。

タービン主軸の蒸気シール部にはメカニカルシールを使っていますが、割とメカニカルシールの回転抵抗が大きくなっていたので、現在であればカーボン系のセグメントシールを使うでしょう。

タービン羽根の直径は１２０ｍｍ程度の小さなものです。

タービン回転部の１次危険速度は主軸を剛性軸として設計して５万ｒｐｍ程度だったので、弾性軸設計を使わずにすんでいます。

タービンノズル部は、ほぼ全周流入の静翼的な超音速拡大ノズルの集合となっており、これもブリスク方式で造った後にノズルケーシングに特殊な方法で固定しています。

以上の単段軸流衝動タービン設計製作技術は有効にロケットターボポンプのタービン部設計技術に応用出来ます。

＜今日の流れ＞

今日は設計を急がなければなりません。

幸い来客も用事もなく、設計に集中出来そうです。

高速回転軸流ポンプのキャビテーション発生を減らした設計事例です。

次は一般的な軸流ポンプを高速回転数で回した時のキャビテーション発生を流体解析シミュレーションで解析計算した結果です、

これを見ると、軸流ポンプブレード負圧面全体にキャビテーション発生ボリュームが存在することが分かりました。

これではキャビテーション泡がブレード翼間流路に充満して極端に流量が減ることとなります。

実際の実験でもこの高速回転になると急激に流量が減っていましたので、このキャビテーション解析は実際にかなり近いと考えられます。

次が高速軸流ポンプでのキャビテーション発生を減らす耐キャビテーション性能を持つインデューサー型軸流ポンプを設計して、それでのキャビテーション発生状況を流体解析した結果図です。

明らかにキャビテーション発生領域は減っていて、流量の減少幅は少なくなり、ポンプとしての性能を発揮できていると言えます。

これはロケットターボポンプ設計につながるポンプ設計の事例ですが、このように適切な設計とそれの流体解析シミュレーションを実施すれば実験の最初から充分な性能をターボ機械は出すことが出来て、実験と改良の回数を劇的に減らし、実験が一度で済むことも可能なのです。

そうすれば、ターボ機械開発の期間と費用は劇的に短くて安くなり、特に開発競争がある場合は非常に有利に立てるでしょう。

＜今日の流れ＞

今日は社外での地熱発電装置に関する打ち合わせがあり、午後遅くに会社に出てきました。

よって明日は急ぎの設計を集中して進めるつもりです。

二相流用の旋回噴流発生ノズルを設計して次写真のように出来上がっています。

この旋回発生ノズルを組み立てたのが次の状態です。

この技術は、ロケットターボポンプから吐出された２種類の高圧液体に旋回を与えて混合する場合に使える技術となりそうです。

＜今日の流れ＞

今日は既に設計が終了したターボファンエンジンの多数ある流体要素のそれぞれの性能解析結果について確認と検討をしています。

それ以外には２件ほど構想設計を行う流体機械があります。

遠心ポンプインペラ直径８５ｍｍで毎分12000回転という高速回転の遠心ポンプのキャビテーション発生を減らした改良設計の事例です。

次が改良設計を行う前の高速遠心ポンプでのキャビテーション発生を流体解析シミュレーションでキャビテーション発生領域を解析計算で求めたものです。

この耐キャビテーション改良前の遠心ポンプ羽根入口部では、羽根入口縁の羽根中間からチップ部にかけて大きく盛り上がったキャビテーションボリューム領域が発生していることが分かります。

次図は、羽根入口負圧面上でのキャビテーションによる蒸気の体積割合を示す色分け図であり、赤に近くなるほどそこでの蒸気割合が大きくなっています。

次の図でのキャビテーション発生量領域を見ると、ブレードとシュラウドの隙間にキャビテーション領域が発達しているのが分かり、これがより下流側に移動するとキャビテーション泡の崩壊が起こり、その2万気圧ほどの衝撃波で羽根表面が小さく削り取られることとなります。

次は、羽根入口部形状に耐キャビテーション性能を持たせる目的で、羽根入口縁シュラウド部が回転方向と逆方向に向けて後退角を持つように設計した改良羽根でのキャビテーション流れ解析計算結果を示しています。

この図を見ると、ポンプインペラ入口形状の改善で相当にキャビテーション発生領域が少なくなったのを分かって頂けると思います。

羽根入口縁のシュラウド部に後退角を持たせると、シュラウド部入口縁が少し後流の圧力が上昇した位置がブレード入口の始まりとなるのでキャビ発生を少なく出来ています。

ただシュラウド側ブレード入口に後退角を持たせるとシュラウド部の弦長つまり羽根巻き角が小さくなるため羽根出口圧力が少し減ります。

よって羽根出口角度を増やしたり、羽根巻き角を大きくしたりと細かい羽根ブレード部の修正も同時に行います。

＜今日の流れ＞

今日は自宅で、高速回転遠心ポンプとキャビテーション発生を減らインデューサーについて研究中です。

色々と自分の過去の設計を調べたり、専門書で調べたり、手計算やエクセル表での計算をしてみたりしています。

これはあまり苦にならない作業なので、ロケットターボポンプ設計が面白いと感じていると思われます。

その他気になる点は、低温材料、熱変形、固定部低温シール、回転部軸シール、入口出口配管との接合方法など適切な設計をしなければならない課題は大変多いと言えますが、なんとか解決出来るでしょう。