CASE

ポンプの性能評価

概要

今回は、熱流体解析ソフトSimcenter FLOEFDのパラメータスタディ機能を使用して、ポンプのさまざまな部品の設計が、ポンプの性能や効率にどのように影響するかを調査した熱流体解析事例を紹介します。

背景

ポンプは、機械の冷却や流体の移送などさまざまな産業で使用されています。このような産業用途において、ポンプの性能や効率は、ポンプが効果的に機能を果たすための重要な要素です。本解析事例では、ポンプのさまざまな部品の設計がポンプの性能や効率にどのように影響するかを、熱流体解析ソフトSimcenter FLOEFDのパラメータスタディ機能を使用して調査しています。

解析概要

解析の目的
ケースやインペラの形状など、複数の設計パラメータを変更しながらポンプモデルの流体解析を行うことで、ポンプの性能と効率が大きく影響を受けるかどうかを確認します。解析結果に基づいて、性能が向上したポンプを生み出すための新しい設計要素を提案します。

解析モデル（ポンプ）
今回の解析では、SOLIDWORKSで作成した遠心ポンプを使用します。

解析条件

解析のゴール
設計変更の影響を評価するために、3つの主要なポンプの性能指標をゴールとして使用しました。
　全揚程 - ポンプによって行われる仕事の指標です。流体をポンプで移送できる総垂直高さとして表されます。
　軸動力 - ポンプがある速度でインペラを回転させるために必要な動力です。
　ポンプ効率 - ポンプが入力された動力のうち、有用な出力パワーに変換できる割合です。

パラメータスタディ
インペラの形状を変更させたときの影響を知るために、以下の４つの設計要素についてパラメータスタディを行いました。

1.　　インペラのブレードの数　　8 ~ 16

2.　　インペラの曲率半径　　0.045 ~ 0.1 m

3.　　インペラの迎え角　　0° ~ 30°

4.　　インペラのねじり角度　　0° ~ 30°

合計17個のケースについて解析を行いました。

解析結果

コントロールケースの結果は以下のようになりました。

インペラの羽根の枚数を8枚から14枚に増やした結果、ポンプの性能が向上しました。さらに羽根を14枚から16枚に増やすと、性能はわずかに低下しました。

インペラの羽の枚数による変化　（左から）軸動力、全揚程、ポンプ効率

次に、インペラの曲率半径を大きくすると、軸動力とポンプ揚程が全体的に増加することが判明しました。これはポンプ効率の低下につながります。

インペラの曲率半径による変化　（左から）軸動力、全揚程、ポンプ効率

次に、インペラの迎え角を大きくすることで、ポンプヘッドと軸動力の両方が減少し、全体的な効率が向上することがわかりました。

インペラの迎え角による変化　（左から）軸動力、全揚程、ポンプ効率

最後に、インペラのねじれ角度を大きくすると、軸動力が増加し、ポンプ効率が低下しました。羽根のねじれ角度を変えても、ポンプ揚程に明確な傾向は見られませんでした。

インペラのねじれ角度による変化　（左から）軸動力、全揚程、ポンプ効率

最適なパラメータの組み合わせ
パラメータスタディの結果を組み合わせることで、最良の設計点が作成されました。
- インペラブレード数：14
- インペラ翼曲率半径：0.045 m
- インペラブレード迎え角: 30°
- インペラブレードのねじれ：8.25°
この最適な組み合わせは、全揚程をわずかに減少させますが、最良の軸出力と効率の結果となりました。

考察

流体解析の結果を分析することで、いくつかの改善点を見出すことができます

1.　渦形室の端部分に渦が形成されています。これは鋭いコーナーの存在と渦形室の深さが急激に増加することに起因しています。より浅く、流線型の入り口を使用することで、この渦を抑制してエネルギー損失を減らすことができます。

2.　流れがインペラを離れた後、渦形室に渦が発生します。これは、インペラから出てくる流れがまだ垂直方向の速度成分を持っており、渦形室の壁にあたることで渦が発生していると推測できます。インペラの直前で流れを整えるために、インペラ、ケース、およびボリュートの形状を最適化することで、ボリュート内の渦を最小限に抑えることができるかもしれません。

3.　インペラ内部から流入口に向かって逆流が発生します。これは、インペラと渦形室のサイズと位置が一致しないことに起因すると考えられます。渦形室の入り口がインペラの上部まで伸びていないため、その領域の流れが上方に逸れて流入口に向かって戻っています。これは、渦形室の形状を変更してインペラの上部に達するようにすることで解決できると考えられます。

4. インペラ内部の流れには渦成分があります。これは、インペラの面が入口からの流れと平行であり、垂直な平面であるためかもしれません。下記に示すような「カスケード状」の形状にインペラの軸方向を変更することで、流れをより流線型にすることができます。

まとめ

今回はSimcenter FLOEFDのパラメータスタディ機能を使用してポンプの性能について検討しました。
解析の結果、インペラの設計の比較的単純な変更がポンプの性能に影響を与えることが示されました。4つのパラメータの組み合わせでインペラの設計を変更することで、シャフトの消費電力が5.74％削減されました。ただし、これに伴い全揚程は1.34％減少しました。全体的には、ポンプの効率が2.51％改善されました。パラメータスタディによって得られた「最適な組み合わせ」の流れパターンの分析では、エネルギー損失の複数の原因が明らかになりました。流体解析の結果から、インペラ、ケース、および渦形室のさらなる設計最適化によって解決できる可能性を発見することができました。

流入境界条件（質量流量）	0.01 m^3/s (600L/min)
流出境界条件（環境圧力）	101,325 Pa
インペラの回転数	2000 rpm
解析時間	0.3 s
時間ステップ	0.0005 s

2000rpmを維持するために必要な軸動力 (W)	2409
全揚程 (m)	13.40
ポンプ効率 (%)	54.6

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