Analysis of a Hydraulic Turbine
水力タービンの解析

効率的で費用効果も良い再生可能エネルギーの開発には、多くの努力がはらわれています。(文献参照。)　通常、水力では波と流れのエネルギーを利用するよう、うまくタービンを設計する事が重要です。今回のテーマは、電力供給網に接続していない、離れた住居に1.0?1.2kWの電力を供給する発電機のための新しい水力タービン設計の解析です。この解析は、SIM&TEC社(アルゼンチン)がADINAを用いて行いました。

タービンは、回転トルクや、電力対回転速度の特性を解析し、その結果よりモデル化しました。図は、一般的な傾向を表しているのみで、顧客の守秘義務により数値データを示していません。上の動画は、回転タービンを通過する流れを示しています。

図１はタービンの形状を示しています。図２と３には有限要素メッシュを示しています。

図２．有限要素モデル：固定領域と回転領域のメッシュ

図３．有限要素モデル：タービン

流体モデルでは、羽根に付いた回転メッシュ(図２の赤で示された部分)と、それと分離した固定メッシュ(図２の緑)を、二つのメッシュの間にスライディングメッシュを定義しました。回転タービンは上図動画で示しています。

解析結果からのバンド表示を図４?６で示します。

図４．羽根の縁に沿う径方向相対速度

図５．接線方向相対速度

図６．乱流強度

結果から乱流の効果を調査するために、自由流れの乱流強度（It）に異なる値を考慮しました。

数値結果は、二つの異なる乱流モデル：標準k-εモデルとSSTモデル（せん断応力輸送）で流れをモデル化して得られました。自由流れの部分にはk-εモデル、壁面に近い部分にはk-ωモデルを組み合わせています。

図７．縦軸：出力電力、横軸：回転速度

図８．縦軸：回転トルク、横軸：回転速度

図９．タービンパワー係数

参照文献

C. Deilmann & K.J. Bathe, "A holistic method to design an optimized energy scenario and quantitatively evaluatepromising technologies for implementation", International Journal of Green Energy, 6:1-21, 2009.

キーワード：
　タービン、回転メッシュ、乱れ、k-εモデル、k-ωモデル、SSTモデル、CFD、green power(環境パワー)、ターボ機械、スライディングメッシュ

Courtesy of SIM&TEC S.A.