自分で設計していてなんですが、フランシス水車の羽根は曲面形状が複雑な形の良い羽根であると思っています。
羽根部のヌメヌメした曲面がなんとも良いというか、そんな感じです。
設計するのはかなり難しいのです。
４年ほど前にプロペラ型のタービンを設計製作して、次のように実験まで行っています。
このプロペラ型タービンの全体構造を飛行機体用推進プロペラ部にそのまま応用する計画を立てています。
タービン用のプロペラを推進機用のプロペラ翼型へ設計変更するためには、流体の作用方向が逆であることと、タービン用翼型断面に比べて転向角が小さいプロペラ専用翼型断面に変更する設計作業が必要です。
それと動力の作用方向を９０度転換するベベルギア部分も空気を扱う推進プロペラ用では荷重が少なくなり、ギア部のかなり小型化が可能となります。
タービンブレード本体は超々ジュラルミンからの３軸加工削り出しなのは推進プロペラでも同じ製作方法にします。
ドローン用の２重反転プロペラの性能アップを目的とした最適化設計の解析結果例です。
プロペラ形状を構成する多数断面翼型形状をスパン方向位置ごとに最適化設計を行い、動力効率、揚力効率を上げています。
熱水タービンの二相流ノズルを可変ノズルリンク機構に変更設計しました。
熱水タービンの二相流ノズルを可変機構としたのは、ノズルへの熱水と蒸気の流入状態を制御することでノズル位置での圧力と温度、流量を適切な状態とする目的です。
ノズル流入面積が一定では熱水流量の減少があると充分なノズル膨張状態が造り出せないことと入口圧力が極端に下がったりするため、可変ノズルで調整します。
可変ノズルは円周状多数ノズルに全て付くため、それらを一斉に動かすリンクモーション機構が必要となり、図のような手動可変式リンクモーション機構の設計を行っています。
動作が手動となっているのは流量調整の必要性が頻繁にあるわけではなく、一年に何回かでおさまる調整頻度によります。
ドローン用の直径２１４ｍｍの２重反転プロペラの性能流体解析結果図です。
市販のドローン用プロペラの性能を検証するために、市販ドローン用プロペラを購入してスケッチを行い解析モデル化して性能流体解析を行い、推力などの解析値を出しています。
２重反転プロペラなので上部のプロペラと下部のプロペラは逆方向に回転しますが、上部のプロペラが造った旋回流は下部プロペラが軸方向流に転向するため、解析結果図を見て分かるように２重反転プロペラから出た流れは真っ直ぐに下方に流れています。
この２重反転ドローンプロペラの効果は、ドローンプロペラの軸方向推進力を増す方向に作用して効率の良い推進力を造り出します。
ただ、この市販ドローン用プロペラはプロペラ単体としての最適化は行われてないので推進力に対する動力の割合である動力効率はまだかなり改善の余地があり、現在詳細なプロペラ翼形状の見直しを行い、プロペラ動力効率の最適化形状修正作業をすでに開始しています。
それにより、同推力で動力が３割は削減するプロペラ形状最適化結果が得られるでしょう。
今後、航空産業機械に進出する自分としては、休日を有効に使ってドローン産業について読書してドローンの流体部設計可能性について考えています。
自分が進出するドローンの関連分野はドローンの流体部設計になりますので、どこまで広くいろんな用途のドローンが研究され開発されていくのか大変に興味があり知りたいのです。
たくさんの用途に多数のタイプが開発されるほどに、それに最適化されるドローン流体部であるプロペラ、機体、翼の開発設計が多数必要となってくるでしょう。
現在自主的に行っているプロペラの効率改善では、プロペラ動力を同推力を維持しながら３０％近く削減する最適化設計例が出来ています。
プロペラ動力削減はそのまま飛行時間の延長になりますので、現在のようなバッテリーを動力源とするドローンでは仕事能力が上がり、大変に重要な開発設計テーマとなるでしょう。
垂直離着陸型飛行機タイプの手のひらに乗る小さなドローンの流れ解析結果です。
この流れ解析結果を流線図で見ると、２つのプロペラ廻りに流れの循環が出来ていて、上から下に送られた空気は舞い上がり再度上から下に流れることが分かります。
これはヘリコプターの流れ解析を行った結果と同じような循環流の発生であり、正確な流体解析が出来ていると判断しています。
現在、このプロペラ部分を設計変更して、揚力は同じであるがプロペラが使う動力は減る改良プロペラの設計と解析を行い、事例として結果データをまたご紹介します。
当社ターボブレードは航空産業向け機械の設計と解析へ進出します。
その具体的な事例を次に挙げています。
これは日刊工業新聞に出す広告の原稿であり、航空産業進出分野を端的に表現出来ていると考えています。
１．ガスタービン設計により、ターボファンエンジン、ターボプロップエンジン、ターボシャフトエンジン、ガスタービン発電機を開発
２．ドローン用の２重反転プロペラ型推進装置を開発
３．機体と推進装置関係の熱流体解析と構造解析による性能算出
などが主要分野です。
ガスタービンエンジン部の性能流体解析結果図です。
ガスタービン内部の流れを流線で見ており、色は速度分布を表しています。
ターボファンエンジンのエンジン部として設計していますが、ガスタービン発電機のエンジン部にもなる機械です。
