BLOWN AWAY回転機械メーカーである Continental Industrie 社は，ANSYS の統合型ターボ機械設計プラットフォームを使用したことで，排水処理時に 2 ～ 5% の省エネを見込める遠心圧縮機を設計できました．それに加えて，次世代製品の開発にかかるコストと設計時間を削減することもできました．

曝気用圧縮機の効率を高めれば，コストとエネルギー消費を大いに 削減できる可能性が大いにあります．

Brice Caussanel，Renaud Signoret（フランス サン・トリヴィエ・シュル・モワナン，Continental Industrie，ターボ機械エンジニア）

大半の廃水処理プラントは，廃水に自然発生する微生物を利用して，有機物を迅速に分解し，二酸化炭素と水を生成します．曝気とは，廃水に空気を加えて有機汚染物質の好気性分解を促進する工程で，こうしたプラントで非常に重要な役割を果たしています．空気を注入する圧縮機は，水位による背圧および空気噴射系統における損失を克服するために大量の電力を消費します．この電力消費量は膨大です．たとえば，米国内の自治体が運営する約20,000ヵ所の廃水処理プラントで，米国の全発電量の約4%が消費され[1]，この消費量の約60%が曝気工程用の空気の圧縮に使用されていると推定されています[2]．

自治体の廃水処理プラントでは，曝気に莫大な費用がかかっています。したがって，曝気用圧縮機の効率を高めれば，コストとエネルギー消費を大いに削減できる可能性があります．Continental Industrie社は，遠心ブロワーと排気系製品の研究，開発，製造で40年の実績を持ちます．同社のエンジニアは，ANSYSの統合型ターボ機械設計システムを利用し，従来の圧縮機に比べて効率が2～5%向上した次世代の廃水曝気用遠心圧縮機を設計しました．この圧縮機を利用すれば，平均的な廃水処理プラントの消費電力を15～50kW削減できるはずです．年間の稼働時間が2,000時間で，kWh当たりのコストが0.20ドルだとすると，圧縮機1台につき年間6,000～20,000ドルを節約できることになります．Continental Industrie社

省エネを実現する遠心圧縮機を設計

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ターボ機械

のエンジニアは，最適化アルゴリズムを使用して，1次元/2次元/3次元設計を調査したことで，モデリングおよび計算の工数を最小限に抑えつつ，最初から適切な圧縮機の設計を作成することができました．

従来の設計手法遠心圧縮機の設計では，多数の設計変数

を扱います．各設計変数は，相互作用することも多く，完成製品の性能に複雑な影響を及ぼします．従来の遠心圧縮機は，熟練した設計者が経験的手法を用いて設計しました．設計者は，最初に，1次元解析とエンジニアリングの直感を頼りに，妥当な効率の初期設計を作成します。次に，おおよその性能を測定できるよう，ベンチモデルが作成されると，熟練したターボ機械設計者がこの試験結果を吟味し，大幅な性能向上を望める設計変更を経験から推測します．設計者は，大幅な性能向上を達成したものの，設計を完全に最適化することはできませんでした．フルスケールのプロトタイプが設計仕様を満たさないこともあり，その場合は，費用をかけて試作と物理試験のサイクルを繰り返す必要がありました．

Continental Industrie社は，廃水処理業界向けの最新の単段遠心圧縮機を設計するにあたって，物理的な試作の前に設計を最適化したいと考え，設計プロセスの初期段階からシミュレーションを利用しました．同社は，次に挙げる理由から，ANSYSの統合型ターボ機械設計プラットフォームを選択しました．第一に，ANSYSのソリューションは使いやすく，完全なワークフローと手順を短期間で設定することができます．第二に，ANSYSのパラメトリックプラットフォームにより，チームが設計空間全体を探索して，最適解を精度よく求め，推量を排除することができます．第三に，流体エンジニアリングチームと構造エンジニアリングチームの両方が同じ設計形状を使用して作業し，両方のシミュレーションタイプを最適化プロセスに簡単に組み込むことができます．

Continental Industrie社は，設計を最適化するために， 設計プロセスの初期段階からシミュレーションを 利用しました．

�新しい遠心圧縮機

�ANSYS Workbenchの形状およびCFDシミュレーションワークフローの概念図（新しい圧縮機の設計で使用）

ANSYS Advantage • Volume X, Issue 1, 2016 43

初期設計Continental Industrie社のエンジニアは，ANSYS Vista CCD

（ANSYS BladeModelerに同梱）を使用し，圧力比，質量流量，回転速度のほか，形状拘束などの入力パラメータに基づいて圧縮機の初期設計（サイジング）を行いました．さらに，約50枚のインペラー羽根を手動で評価し，様々なパラメータの影響を的確に把握してから，ANSYS DesignXplorerによる実験計画法で，さらに約200種類の設計を追加して評価し，これらの設計案を1次元の観点から完全に最適化しました．Vista CCDでは，計算時間が非常に短いため，各設計の評価を1分以内に終わらせることができました．

次に，Continental Industrie社のエンジニアは，ANSYS Vista TFを利用して，2次元の翼列設計を評価しました．このスルーフロー解析では，3次元解析よりはるかに少ない計算量で，完全な3次元流体シミュレーションの様々な特徴を捉えることができました．また，インペラー上の羽根を最適化するステップも追加しました．この段階では，20種類の設計を調査し，パラメータにわずかな変更を加えただけですが，予測効率が大幅に向上しました．

完全な3次元圧縮機設計次に，インペラーを完全な3次元圧縮機設計に組み込みました．

Continental Industrie社のエンジニアは，入口ガイドベーン，インペラー，ディフューザー，渦巻ケーシングで構成される流路全体の形状をSolidWorks® CAD（コンピュータ支援設計）ソフトウェアで作成しました．その後に，この形状をANSYS DesignModelerにインポートしてから，ANSYS Meshingプラットフォームを使用して，渦巻ケーシングの流体領域にメッシュを生成すると同時に，ANSYS TurboGridで，すべての羽根を持つ部品（入口ガイドベーン，インペラー，ディフューザー）の六面体メッシュを自動的に生成しました．ディフューザーとボリュートを通る流れの損失を最小限に抑えるために，数値流体力学（CFD）ソフトウェアであるANSYS CFXを使用し，ANSYS DesignXplorerを利用して，別の実験計画

（このケースでは，約250種類の設計）を実施し，システムを再び最適化しました．

�エンジニアは，シミュレーションを利用して，新製品の設計目的を達成した．

目的• 流量範囲 • 効率• 圧力比 • 公称流量

1次元解析• 目的に対するパラメータ

の影響• 最初のパラメータセット

試験

システム全体の調査• 全体性能• ディフューザーパラメータの設定• ボリュート形状の決定

インペラーの構造調査• 応力解析• 羽根の変形• モーダル解析

インペラーの2次元/3次元解析• ホイールの性能• パラメータの最適化

1次元 2次元ANSYS BladeModeler

3次元流体 3次元構造

ANSYS Vista CCD ANSYS Vista TF

ANSYS DesignXplorer

ANSYS CFX ANSYS Mechanical

�エンジニアは，ANSYS Workbenchを使用したことで，圧縮機を簡単に設計し，最適化することができた．

�ミッドスパンの圧力場（ANSYS CFXを使用して計算）

44 ANSYS Advantage • Volume X, Issue 1, 2016

ターボ機械

構造設計また，Continental Industrie社のエンジニアは，ANSYS CFDに

よる圧力と温度の予測結果をANSYS Mechanicalに転送し，インペラーホイールなどの機械部品の応力レベルと変形を評価しました．この構造シミュレーションにより，インペラーの初期設計では，応力値がインペラーの材料降伏強度を超えることが判明したため，羽根を厚くして信頼性を確保しました．さらに，追加のCFD計算を行って，新しい設計を3種類の質量流量で検証しました．イン

ペラーの変形をANSYS Mechanicalで予測した結果は，インペラー羽根の先端とシュラウドの接触を回避するために使いました．また，モーダル解析を実施して，回転インペラーの振動挙動を調査し，標準的な動作条件下で発生する可能性のある共振振動数がインペラーに存在しないことを確認しました．

Continental Industrie社のエンジニアは，3つの各段階で圧縮機を最適化する統合型設計プロセスを採用したことで，従来製品に比べて効率が2～5%向上した廃水曝気用遠心圧縮機を設計できました．この新しい圧縮機では，圧力を一定に保ちながら，流量を変えられるため，設計プロセスで必要とされる最小限のレベルに流量を抑え，より多くのエネルギーを節約できます．それだけではなく，Continental Industrie社は，3人のチームで全体の設計を完成させ，最初のプロトタイプで同社の性能要件を満たすことができたため，設計プロセスにかかるコストも大幅に削減することができました．

Reference[1] Circle of Blue. EPRI Technical Report: Water & Sustainability (Volume 4). U.S. Electricity Consumption for Water Supply & Treatment - The Next Half Century.circleofblue.org/waternews/ wp-content/uploads/2010/08/EPRI-Volume-4.pdf (09/22/2015).

[2] Bolles, S. Process Energy Services, LLC. Modeling Wastewater Aeration Systems to Discover Energy Savings Opportunities. processenergy.com/Aeration%20Paper.pdf (09/22/2015).

�Continental Industrie社は，ANSYS CFDを使用して，3次元流体シミュレーションを行ったことで，遠心圧縮機の性能を向上させることができた．

�インペラーのモーダル解析を行った． �圧縮機の羽根上の応力場をシミュレーションし，信頼性を確保した．

�圧縮機内の全圧変動

ANSYSを用いた流体-構造連成シミュレーションにより， 内部流による運動をモデリング – ウェビナー（英語）ansys.com/motion101

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