流体機械設計と流体解析シミュレーション

流体機械設計と流体解析シミュレーションを行っている株式会社ターボブレードの社長である林 正基の日々について記載しています

1000ccバイク用ツイン遠心スーパーチャージャーの設計

2017年04月28日 | 未来製品設計

1000ccバイク用のツイン遠心スーパーチャージャーの設計がほぼ出来ました。

バイクの前方から左右の2本ダクトに導かれた空気がツイン遠心型圧縮機スーパーチャージャーによって加圧されエンジンキャブレター手前の空気室に過給することでバイクエンジン出力を大幅に高めます。

ツイン遠心型圧縮機の良い点は、バイク左右から前方のラム圧を持った空気を吸込めることと、ツインの遠心インペラはひとつ当たりの比速度が小さく出来ますので低流量でのサージング限界にゆとりが生まれ、さらに低比速度羽根は羽根の3次元曲面部を少なく出来て5軸加工削り出し製法でも造りやすくコストが安くなります。

更に、遠心インペラが受ける軸方向スラスト力も左右インペラで釣り合うこととなり、特に軸受けの耐久性が上がりトータル使用可能時間が大幅に増えるでしょう。

エンジンが低回転で過給量が少ない時用に今回の計画ではサーボモーター駆動の遠心圧縮機入口ガイドベーンを付けましたので、低速での過給効果もサージングを気にすることなくスムーズな運転特性を示すこととなるでしょう。

<今日の流れ>

今日は連休前最後の日となり、いろいろな計画設計を済まさなければなりません。

その完成した計画設計での性能流体解析シミュレーションは連休中に実施する方向で、今年はゴールデンウィークは自分は無しにしようと考えています。

充分な成果を連休明けの8日には用意しておきたいと思っています。

連休中の作業は一人なので、日頃よりは集中出来て、進みそうです。

これが5月以降の会社の状態を決める重要作業となりそうです。


ターボファンエンジンの設計

2017年04月27日 | 未来製品設計

ターボファンエンジンの全体を設計しました。

流体部は、ターボファン部+2段遠心圧縮機+3段軸流タービンの構成となっています。

構造解析で強度を確認しながらカーボン素材やチタンを多用しているので非常に小型軽量です。

まだ燃焼器+燃料配管+噴射器+点火器+潤滑オイル配管+電装品+電線などの細かい部分が完成していませんので設計作業は続きます。

<今日の流れ>

流体解析シミュレーションの細部について色々と考えながら試しているところです。

もっと詳しく、複雑で正確にシミュレーションを行うにはどのようなやり方があるか、勉強しながら考えます。

実験をする前にシミュレーションでほぼ正確な結果を確認出来れば、新製品開発で試作と実験の期間と費用が極端に減り、次々と新製品を送り出せることとなり、企業が活発化するでしょう。

いまだにシミュレーションは実験した後の確認のために有効であると思っている方も多いのですが、実験する前にこそ改良設計の擬似実験としてシミュレーションを活用して大量のアイデアを試してもらいたいものです。


ペルトン水車流体解析シミュレーション用解析メッシュの作成例

2017年04月26日 | 熱流体解析

ペルトン水車流体解析シミュレーション用解析メッシュの作成例です。

ペルトンランナバケットは曲面形状の複雑な形なので、細かいメッシュ生成が行われています。

それと圧力水噴射ノズルのニードルとノズル出口部も細かいメッシュにしています。

ケーシングの内部空間もモデリングされていますから、高速水ジェットがランナバケットで跳ね返ったあとの流体挙動も良く分かることになります。

<今日の流れ>

今日はノズル噴射系のシミュレーションを中心に作業を行います。

ノズルから空気中に液体が噴射される場合は、空気との間に液体の自由表面が出来ますので、非定常解析の割と難しい解析となり、解析時間も長くかかります。

解析の合間は噴流機構の詳細な構造設計を行い、最終部品形状を明確に構築していきます。


タービンパンク世界での熱水タービンその3をInventorにて表示してみました

2017年04月25日 | タービンパンク

タービンパンク世界での熱水タービンその3はSolidWorksで造った設計データですが、それをInventorで読み込み、素材設定と外観設定を再度行って表示させてみました。

その結果が次の図ですが、全体的に暗くなり過ぎたように思います。

しかし機械としてのアンティーク観は更に出ていて、渋い感じとなり、CG系ムービーの中に環境機器として使われる場合は存在感が良さそうです。

なお、タービンパンク世界とは自分の造語であり、日常的に身の回りでたくさんのタービン機械が使われている近未来の世界観を示しています。

<今日の流れ>

流体挙動設計の続きを今日は行いますが、流体の粒子挙動をまず手計算から大まかに求めることが昨日からやっていますが難しく、プログラムを組んで3次元空間中にリアルタイム表示させる必要があるのではないかと思案中です。

何もない真空中での流体粒子挙動では摩擦による減速もなく計算は出来そうですが、空気が存在している場合はどのくらいの減速率となるのか求めるのはかなり困難が伴いそうで、悩んでいます。

物理計算ライブラリからまずパーティクル計算をさせてみることから始めるところでしょうか。

力学計算の教科書もあらためて見ています。

う~ん!?


タービンパンク世界の熱水タービン その3

2017年04月24日 | タービンパンク

タービンパンク世界は自分の造語の世界観であり、タービン技術が突出して発展し、身の回りの製品として大量に日常的に使われる近未来の世界を示しています。

大量にタービンが製作される場合は、現在の先端技術である3Dプリンティングにより金属部品が滑らかな鋳造品のような外観を持つ部品が手軽に使われるだろうとの仮定で、タービン機械の外観は丸みを帯びて着色も自由な一見レトロな感じを持つことも自在です。

今回は、そのタービンパンク世界観に合うイメージを持つ実際に製作可能で運転可能であるタービン例として、熱水タービンを外観はレトロなイメージを強調したものとして設計してみました。

<今日の流れ>

4月も最終の週に入り、現在3案件が同時進行している各種プロジェクトも最終局面を迎えている状況です。

これまでに無い性能や世界一又は日本一の性能を追求している開発案件が主体となっているため、設計の改良と性能解析の数が非常に多くなり、1プロジェクト当たりの改良設計回数が30回を越すことも普通になってきました。

そうなると非常に緻密な改良設計案をケース毎に考えなければならず精神的な負担も多くなりますが、最近は土日の完全な切り替えで以前に比べてストレスは減る方向にあり、その点で週が始まるとやる気の回復は保っています。

それら改良設計と同時に、色々な未来製品の基本設計、タービンパンク世界の基本的なタービン機械の構築なども同時進行ですが、各担当社員が充分にやってくれているので前には進んでいます。

自分の役目はそれらを調整して担当者の負担の偏りが無い様にすることと、プロジェクトを進めるための的確なアドバイスをすることを重点に行っています。

やはり少し先のこともはっきりとは分からないことが多いですから、なるべくたくさんの可能性を準備しておき、良い状態を保てるように模索します。


3次元CADのInventorでガスタービン発電機を設計中

2017年04月23日 | 3次元CAD設計

3次元CADのInventorでガスタービン発電機を設計中です。

ガスタービンの型式は、1軸式2段遠心圧縮機2段軸流反動ガスタービンとなります。

圧力比は7程度、タービン入口ガス温度は900℃以下です。

発電機はガスタービン直結式の永久磁石ローター高速同期発電機となります。

素材はタービン部耐熱鋼以外はほとんどチタンになっています。

<今日の流れ>

朝はカフェで朝食を済ませ、その後は自宅の部屋で3次元CAD Inventor2017での設計作業に入っています。

会社ではほとんど3次元CADSolidWorksによる作業なので、自宅では趣味方向の設計も兼ねてのInventor使用となります。

上の図はInventor画面ですが、SolidWorksに比べて部品の透明化が使い難く、透明もぼやけた感じになるのが気になるところです。

それと組立図でのカット図を造る機能はSoidWorksの方が自由度が高く、カットする部品を調整し易いので、Inventorでの組図カット画は積極的に使い難いという感じを持っています。

それら点は自分がまだInventorの機能を十分に把握していないだけかもしれません。

Inventorの良い点としては、画面画像が渋い感じの表現を機械に与え易いというところで、機械のレトロ感を出すには良さそうです。


ラジアルタービンの素材別外観イメージ

2017年04月22日 | 流体機械設計

ラジアルタービンの素材別外観イメージです。

次は、アンティークガンメタル色です。

次は、アルミ磨きです。

次は、チタン磨きです。

次は、ゴールドです。

次は真鍮です。

これらタービン羽根に素材を設定した色外観は、レンダリング環境でも見栄えが随分異なるので、機器の見え方を設定する場合は随分迷います。

それに使用する3次元CADそれぞれで同じ素材でも異なった外観になります。

<今日の流れ>

今日の掲載図のように最近ターボ機械の3次元CADでの設計後の機械外観色などの見え方が気になるようになり、同じ3次元設計でも画面での見え方が機械の高級感やリアル感、マシン感を形成する重要な要素であり、それを積極的に取り入れることとしました。

既に社員の女性エンジニアでは設計中から部品への素材割り振りによるリアルな見栄えと塗装のような色付けなどを行ってくれていたのですが、そこら辺の重要さに気づくのが遅くなっていました。

今後、このブログに載せる機械の3次元設計図も外観がリアルで綺麗になっていくでしょう。


バイクエンジン用の遠心型スーパーチャージャーの設計 途中過程

2017年04月21日 | 未来製品設計

1000CCクラスのバイクエンジン用の遠心型スーパーチャージャーの設計をおこなっている途中過程の3DCAD画面ショットです。

この遠心スーパーチャージャーの型式は、両吸込み遠心圧縮機過給機であり、エンジンからのチェーン駆動による動力伝達を遊星増速機で高速回転に変えて遠心コンプレッサーインペラを駆動して過給を行います。

よってこの両持ち式スーパーチャージャーへの空気取り入ダクトはエンジン左右に配置されることとなり、今その部分の設計に入るところです。

更にこのバイクエンジン用遠心スーパーチャージャーの特徴としては、遠心コンプレッサー入口に可変インレットガイドベーンを持ち過給空気量が少ない場合も有効に過給出来る性能を遠心コンプレッサーに持たせています。

その小流量サージング防止用インレットガイドベーンは、電動サーボのリンクモーションで一斉に駆動される機構を持ち、バイクエンジンの頻繁な運転状態の変化に追随するものとなっています。

今日のこの設計途中のバイクエンジン用遠心スーパーチャージャーは1000CCエンジン用を仮定していますが、今後はより低排気量のエンジンを活性化するシリーズを設計する予定です。

具体的には、250CCバイクエンジンを400CCクラスエンジン馬力に増やす遠心スーパーチャージャー、そして400CCクラスバイクエンジンを700CC以上の馬力に増やす両持ち式遠心スーパーチャージャーを設計します。

それにより、普通二輪免許でゆとりのある車体と走行性能を持つバイクが増え、低迷する国内バイク需要が比較的若い人が取り易い普通二輪免許で乗れるバイクで満足する可能性が出れば、小排気量バイクエンジンスーパーチャージャー化は良さそうに思われます。

<今日の流れ>

朝からこのブログを書いていて、自分の好きなバイクに新しい魅力を与える可能性があるバイクエンジン用両持ち遠心スーパーチャージャーに思い入れが出てきているところです。

自分のターボ機械設計を活かせる範囲が色々とひねり出せば、更に多くなりそうに思い、毎日ターボ機械の新しい使い方を模索しています。

そしてターボ機械にもデザインとエンジニアリングの融合を更に取り入れ、デザインエンジニアリングの代表機種となるようにしてみます。

更に、タービンを中心とした新しい使い方、他の技術との融合、新しい世界観としてのタービン技術の発展方向性など、を広く知ってもらうことが自分の後残りの仕事人生を充実化しそうです。


燃料圧送用の初段インデューサーポンプのキャビテーション解析結果図

2017年04月20日 | 流体機械設計

燃料圧送用ポンプでの初段がインデューサーポンプとなっている高速ポンプ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。

次がインデューサー羽根のシュラウド側の負圧領域にキャビテーションが発生している状況を示す解析結果図です。

羽根シュラウド側の後退角がもう少し大きければ、更にキャビテーションが減っていたであろうと推測しています。

ただ、あまりシュラウド側入口ブレード後退角を取ると、ポンプ圧力の下がってしまうので十分な検討が必要な点です。

次は、インデューサーインペラの羽根負圧面の表面のキャビテーション蒸気濃度分布図となります。

次が耐キャビテーションインデューサーポンプを横から見たものですが、シュラウド側負圧面に発生したキャビテーションがチップ隙間を通って羽根圧力面側にも回り込む様子が分かります。

次の2つの図は、インデューサー羽根をポンプ入口側からキャビテーション発生領域とともに見たものです。

<今日の長れ>

今日は流体機械設計の機能設計の続きです。

要求機能を満たす可能性を持つ流体構造と条件を仮定して概略計算と共に検討を行い、その結果形状を3次元CADにて3次元モデルに反映させ、その流体モデルを性能流体解析シミュレーションに掛け、結果を求めます。

改良設計とその性能解析結果が悪ければ、また最初から上記手順を繰り返します。

これら作業の延々とした繰り返しが頻繁にありますが、自分があまり忍耐力がないほうなのと実作業以外の事にもかなり時間を取られますから、弊社仕事の中心となる忍耐力の要る設計と解析作業に適した傾向を有する女性エンジニアを積極的に雇い、そのような女性エンジニアが弊社の中心人員となり、自分以外が全員女性社員となっていった理由です。

ただ正直、自分以外が全員女性社員だと時々変なほうに思われていることもあるように感じます。

でもいつも事務所は皆が気を使ってくれて片付き綺麗であるので、環境は抜群に良いこととなります。

自分は幸せな環境で仕事が出来ていると、皆に感謝しています。


レトロ感のあるタービンパンク世界観風な熱水タービンの設計 2個目

2017年04月19日 | タービンパンク

レトロ感のあるタービンパンクな世界で使われている風な60KW熱水タービンの設計例で、タービンパンク世界観用タービンとしては2個目となります。

タービンパンクとは世界観を示す自分の造語であり、タービン技術が突出して発展し日常の製品として大量に周りで使われている近未来な世界を示します。

このタービンパンク世界観用として出していくタービン機械設計例は、全て実際に造ることが出来、しかも高性能に稼働するものばかりとなりますので、近未来タービン機械設計と言っても良いでしょう。

次の図の60KW熱水タービンとは、熱水と蒸気の二相流で稼働する実際に動くタービンですが、タービン中に蒸気の割合も多いので、この外観のレトロ感から見ればスチームパンク風とも言えます。

<今日の流れ>

今日はこのブログにタービンパンク風タービンの2個目の設計例を上げてみました。

自分が設計するタービンの外観色は、ステンレスを多用した設計となっているため銀色が主体です。

よってタービンパンク風とは、高性能設計の実際のタービン機械で、もちろん製作も可能であり、しかも高度な鋳造技術を利用した部品が多くなって部品が丸みを帯びるため、外観がレトロな風に見えることとなります。

現在、3個目のタービンパンク風外観を持つこれも熱水タービンが設計進行中です。

今日の自分の仕事流れは、昨日からの続きの3次元設計作業となります。