7.3双 翼 タ ー ビ ン に つ い て
製 作 した 双 翼 タ ー ビ ン の 出 力 測 定 にFig.7・4の よ うな 実 験 装 置 を用 い た.ト ル ク の 測 定 実 験 と 同様 に 双 翼 タ ー ビ ン の 側 面 部 に 非 常 に 軽 い 紐 を 接 着 し,こ の 紐 に 任 意 の 重 さの お も りを 吊 り下 げ る.さ らに, 出 力 測 定 に は お も り を巻 き 上 げ る と き の 回 転 数 が 必 要 とな る の で,レ ー ザ を 用 い て 回 転 数 の 測 定 を行 う た め に 回 転 実 験 と 同 様 に 双 翼 タ ー ビ ン の 側 面 部 の 一 部 を 白 と黒 で 半 周 ず つ 塗 っ た.
今 回 の 測 定 に お い て,圧 縮 空 気 は 直 径1.2mmの ノ ズ ル か ら噴 射 し,圧 縮 空 気 の 流 量 は7〜20■/min の 範 囲 で1L/minず つ 変 化 させ,各 流 量 に お け る 吊 る した お も りの 重 さ と巻 き 上 げ る と き の タ ー ビ ン の 回 転 数 を 記 録 した.
/へ
r、
A.
勤d
剣
Weight(0.19)
〈 実 験 結 果 〉
以 上 の 装 置 を 用 い て 測 定 し た 流 量,お も りの 重 さ,回 転 数 の 関 係 はTable.7‑2の よ う に な っ た.
Table.7‑2Resultoftheexperiment
R。tationalspeed(rpm)
Flowirlgquantity(レmin) Weight(9) 1 2 3 4 5 6
7 0.1 1818 1463 1622 1936 1579 1948
8 0.1 3125 3061 3191 3659 3846 3659
9 0.2 2830 2778 2459 2778 2830 2668
10 0.2 3846 3488 3659 3846 3947 3750
11 0.3 3488 3191 3125 3191 3191 3261
12 0.4 3409 3061 3061 3000 3061 3061
13 0.5 3125 2941 3061 3125 3000 3000
14 0.6 3061 3191 3061 3125 3061 3061
15 0.7 3261 3334 3409 3191 3261 3125
16 α8 3000 3061 3125 3191 3261 3261
17 0.9 3061 3000 3061 3261 3334 3334
18 1.0
1
3125 2941 2885 3261 3261 3261
19 1.1
■
2830 2941 2941 3334 3488 3261
20 1.2
■
2941 3061 2830 3191 3488 3488
以 上 の 実 験 結 果 の お も り の 重 さ と,回 転 数 を7.1項 で 示 し た 五=2.3623×10‑6× 初 × ノVに 代 入 し 求 め た 値 を グ ラ フ 化 す る と 以 下 の 図 の よ う に な っ た.
L‑1ーーIIーー﹁
ΩU倉0
L
﹂4n∠0(ヌ∈)言ぢO
12‑
110
0
Fig.7・5
●
1 5101520
Flowingquantity(L/min)
Relationshipbetweenoutputandflowingquantit¥
25
以 上 の 実 験 結 果 よ り,今 回 製 作 した 単 翼 の 軸 流 マ イ ク ロ タ ー ビ ン は 最 大 で9.OmW(流 量20Umin) の 出 力 を 発 生 可 能 で あ る こ と が わ か っ た.
〜 第8章 考 察 〜
8・1マ イ ク ロ ター ビ ン製 作 方 法 につ い て
本 研 究 で は,ワ イ ヤ を用 い て 軸 流 の マ イ ク ロ タ ー ビ ン翼 を 製 作 す る方 法 を考 案 ・確 立 した.今 回 考 案 した 製 作 方 法 を利 用 す る こ と で,任 意 の 寸 法 を 持 つ 軸 流 マ イ ク ロ タ ー ビ ン を製 作 す る こ と が で き る.
8‑1・1単 翼 タ ー ビ ン に つ い て
今 回 考 案 した 単 翼 タ ー ビ ン製 作 法 に お い て,ワ イ ヤ を巻 い て い く た め の 治 具 の 寸 法 を 変 え る こ とで, 希 望 す る 任 意 の 寸 法 の タ ー ビ ン を製 作 す る こ と が で き る.例 と して,直 径1mmの タ ー ビ ン を製 作 す る 場 合 につ い て 示 す.Fig.8・1の よ うに 直 径1mmの 治 具 を 使 用 す る こ とで 直 径1mmの タ ー ビ ン を 作 成 す る こ とが で き る.た だ し,直 径 が 小 さ く な る た め これ に あ わ せ ス テ ン レス ピ ン の径 も小 さ く し(直 径 0.1mm),さ らに 使 用 す る ワイ ヤ 径 も よ り細 い も の を使 用 す る必 要 が あ る.
→
Fig.8‑1Axialmicro・turbine.(Singlewing)
8・1‑2双 タ ー ビ ン に つ い て
今 回 考 案 した 双 翼 タ ー ビ ン 製 作 法 にお い て,ワ イ ヤ を 巻 い て い く軸 に 使 用 す る ス テ ン レス パ イ プ の 直 径 を変 え る こ と で 希 望 す る任 意 の 寸 法 の タ ー ビ ン を 製 作 す る こ とが で き る.例 と して,直 径1mmの タ ー ビ ン を製 作 す る 場 合 に つ い て示 す .Fig.8・2の よ うに 直径1mmの ス テ ン レス パ イ プ を使 用 す る こ とで 直 径1mmの 双 翼 タ ー ビ ン を 作 成 す る こ とが で き る.た だ し,直 径 が 小 さ くな るた め こ れ に あ わ せ 超 鋼 ピ ン の 径 も小 さ く し(直 径0.1mm),さ らに 使 用 す る ワ イ ヤ 径 も よ り細 い も の を使 用 す る必 要 が あ る.
⇒
8・2単 翼 タ ー ビ ン と双 翼 タ ー ビ ン の 性 能 比 較
本 研 究 に お い て 製 作 した2種 類 の ター ビ ン(単 翼 の 軸 流 マ イ ク ロ ター ビ ン と双 翼 の 軸 流 マ イ ク ロ タ ー ビ ン②)の 性 能 を 回 転 数,ト ル ク,出 力 の 面 か ら比 較 す る.
8・2‑1回 転 数
直 径1.2mmの ノ ズ ル を 用 い た 場 合 の 単 翼 タ ー ビ ン と 双 翼 タ ー ビ ン の3〜20L/minに お け る 回 転 数 測 定 結 果 を 比 較 す る と 以 下 の グ ラ フ の よ う に な っ た.
(∈g)で8αの歪￡￡︒匡
60000「
5。。。。!
40000 30000卜
20000 10000
[
﹂0
0
Fig.8・3
24681012
Flowingquantity(L/min)
Relationshipbetweenrotationalspeedandflowingquantity
以 上 の グ ラ フ よ り次 の こ と を読 み 取 る こ とが で き る.① 流 量 の 低 い 領 域 で は双 翼 タ ー ビ ン の 方 が 高 い 回 転 数 で 回 転 して い る.
② 流 量 の 高 い 領 域 で は 単 翼 タ ー ビ ン の 方 が 高 い 回 転 数 で 回 転 して い る.
③ 単 翼 タ ー ビ ン の 方 が 回 転 数 の 上 昇 に 仕 方 が 大 き い
④ 双 翼 タ ー ビ ン に 比 べ 単 翼 タ ー ビ ン の 方 が 各 流 量 に お け る値 の ば らつ き が 大 き い.
⑤ 流 量 を 増 や す こ とで 回 転 数 を上 昇 させ て い く こ とが で き る.
1 ま ず ④ に
つ い て,双 翼 タ ー ビ ン に比 べ 単 翼 タ ー ビ ン は 重 量 が 一 程 度 しか な い た め圧 縮 空 気 に よ る 軸 30
方 向 の 力 が 相 対 的 に 大 き く受 け て い る こ と に な る.こ の た め,双 翼 タ ー ビ ン に 比 ベ タ ー ビ ン の 振 れ 回 り が 大 き く な り,測 定 値 の ば らつ き が 大 き くな っ た と考 え られ る.こ の こ とは,圧 縮 空 気 に よ るカ が 大 き
く な る流 量 の 大 き い 領 域 の ほ うが 測 定 値 の ば らつ き が 大 き い こ とか ら も 読 み 取 る こ とが で き る.
ま た,① 〜 ③ に つ い て,重 量 が 軽 い た め 常 に 単 翼 タ ー ビ ン の 方 が 大 き な 回 転 数 を記 録 す る と予 想 を し た が 流 量 の 小 さ い 領 域 で は そ の よ うに は な らな か っ た.こ れ は,こ の領 域 に お い て 単 翼 タ ー ビ ン の 方 が 双 翼 タ ー ビ ン に 比 べ 発 生 させ る こ とが で き る トル ク が 小 さ い た め と考 え られ る.こ の こ と に つ い て は
「8‑2‑2ト ル ク 」 に お い て検 証 す る.
さ らに ⑤ よ り,本 研 究 で 作 成 した 軸 流 マ イ ク ロ ー ビ ン は 噴 射 す る圧 縮 空 気 の 流 量 を 増 や して い く こ と
8‑2‑2ト ノレク
お も りの 巻 上 げ に よ り得 られ た トル ク の 測 定 結 果 を 単 翼 タ ー ビ ン と双 翼 タ ー ビ ン と で 比 較 す る と以 下 の グ ラ フ の よ うに な っ た.
40
302010
(∈・Zミ)︒吾﹂︒ト
0
●SlngleWlng
●BothWlngs
● ●
」
0 5 10 15
Flowingquantity(L/min)
20
Fig.8・4Relationshipbetweentorqueandflowingquantity
25
以 上 の グ ラ フ よ り次 の こ と を読 み 取 る こ とが で き る.
① 流 量 の低 い 領 域 で は 双 翼 タ ー ビ ン の 方 が 大 き な トル ク を 得 る こ と が で き る.
② 流 量 の 高 い 領 域 で は 単 翼 タ ー ビ ン の 方 が 大 き な トル ク を 得 る こ と が で き る.
③ どち らの タ ー ビ ン も流 量 を 増 加 させ る と得 られ る トル ク を 増 加 させ る こ とが で き る.
④ 単 翼 タ ー ビ ン の 方 が トル ク の 増 加 の割 合 が 大 き い.
した が っ て,前 項 で 予 測 した 通 り,流 量 の 小 さい 領 域 で は 単 翼 ター ビ ン の 方 が トル ク が 小 さ い た め, 単 翼 タ ー ビ ン は 双 翼 タ ー ビ ン に 比 ベ タ ー ビ ン の 重 量 が 軽 い に も 関 わ らず 回 転 数 が 低 い こ とが わ か る.ま た ④ に つ い て,前 項 で 述 べ た 端 翼 タ ー ビ ン の 方 が 回 転 数 の 増 加 割 合 が 大 き い 原 因 の 一 つ が,発 生 す る ト ル ク の 増 加 の 割 合 が 単 翼 タ ー ビ ン の 方 が 大 き い とい う こ とに あ る と考 え られ る.
ま た,以 上 の グ ラ フ の 交 点 の座 標 を 求 め る と,(ト ル ク,流 量)=(23μN・m,15.4L/min)と な る.
した が っ て,今 回 の タ ー ビ ン か ら トル ク を 得 る場 合,必 要 な トル ク 値 に よ っ て23μN・m以 下 で あ れ ば 双 翼 タ ー ビ ン を23μN・m以 上 で あれ ば 単 翼 タ ー ビ ン を 用 い る こ とで よ り小 さな 流 量 で 得 る こ とが で き
る と い う こ とが わ か る.
さ ら に,今 回 作 成 した 単 翼,双 翼 の 軸 流 マ イ ク ロ タ ー ビ ン は どち ら も流 量 を 上 昇 させ て い く こ と で 発 生 させ る トル ク を 上 昇 させ て い く こ とが 可 能 で あ る とい うこ と が わ か る.
8・2‑3出 力
お も り を巻 上 げ る 時 の 回 転 数 を測 定 す る こ と で 得 られ た 出 力 の 測 定 結 果 を 単 翼 タ ー ビ ン と双 翼 タ ー ビ ン とで 比 較 す る と以 下 の グ ラ フ の よ うに な っ た.
ー一
りム0
4111 864
§∈)ぢ3δ
:L
O
「 §i・gl・wi・g l●Bothwings
5 1015
Flowingquantity(L/min)
20 25
Fig.8‑5Relationshipbetweenoutputandflowingquantity
以 上 の グ ラ フ よ り次 の こ と を読 み 取 る こ とが で き る 。
① 流 量 の低 い 領 域 で は 双 翼 タ ー ビ ン の 方 が 大 き な 出 力 を得 る こ とが で き る.
② 流 量 の 高 い 領 域 で は 単 翼 タ ー ビ ン の 方 が 大 き な 出 力 を得 る こ とが で き る.
③ どち らの タ ー ビ ン も流 量 を増 加 させ る と得 られ る 出力 を 増 加 させ る こ とが で き る.
④ 単 翼 タ ー ビン の方 が 出 力 の 増 加 の 割 合 が 大 き い.
回 転 数,ト ル ク と 同 様 に,流 量 の 小 さい 領 域 で は 双 翼 タ ー ビン の 方 が 大 き な 出 力 を 得 る こ とが で き, 流 量 の 大 き い領 域 で は 単 翼 タ ー ビ ン の 方 が 大 き な 出 力 を得 る こ とが で き る.し た が っ て,本 研 究 で 製 作 した2種 類 の 軸 流 マ イ ク ロ タ ー ビ ン は 必 要 とす る回 転 数,ト ル ク,出 力 に よ っ て 使 い 分 け る こ と で 作 成 した マ イ ク ロ ター ビン を効 率 良 く使 用 す る こ とが で き る.
さ ら に,今 回 作 成 した 単 翼,双 翼 の 軸 流 マ イ ク ロ タ ー ビ ン は どち ら も流 量 を 上 昇 させ て い く こ とで 発 生 させ る 出 力 を上 昇 させ て い く こ と が 可 能 で あ る とい うこ とが わ か る.
&3測 定 値 と理 論 値 の 比 較
今 回製 作 した タ ー ビ ン の トル ク に つ い て 実 験 に よ る測 定 値 と理 論 値 を比 較 す る.第6章 で は 風 洞 内 で タ ー ビ ン を 回 転 させ た 場 合 に つ い て 述 べ た が 本 項 で は 条 件 を 以 下 の よ うに 変 更 して トル ク の 理 論 値 を 求 め る.基 本 的 に 第6章 の 計 算 を 用 い,適 宜 条 件 を変 更 して い く.
条 件 『直 径1.2mの ノ ズ ル か ら噴 射 され た 圧 縮 空 気 が 翼1枚 に あ た り回 転 して い る場 合 』
(1)圧 縮 空 気 に よ り傾 い た 平 板 に働 く力
P62よ り,圧 縮 空 気 に よ り平 板 が 受 け る 力 は 以 下 の よ うに書 く こ とが で き る.
「圧 縮 空 気 に よ り平 板 が 受 け る 力=ρ9σCOSθ 」
(2)密 度 ρ
P62よ り,圧 縮 空 気 の 密 度 は 次 の よ うに な る.
ρ=2.393(kg/】m3)
(3)流 速 σ
P62よ り翼 に あ た る 圧 縮 空 気 の 流 速 は 連 続 の 式 よ り計 算 す る こ と が で き る.こ こ で,単 翼 タ ー ビ ン, 双 翼 タ ー ビ ン の 翼1枚 の 面 積 は 以 下 の よ うに 求 め る こ と が で き る.以 下 の 式 に お い て,単 翼 タ ー ビ ン で
は 五=2.55,1=0.3,双 翼 タ ー ビ ン で はL=2.35,1コ0.28を 代 入 す る.
単鄭 ぞ+25ヤ2‑3儒 睡)た だし・5一 α3(囲
双瓢 争+ひ 曇3鮒(rnm2)
し た が っ て,ノ ズ ル か ら の 流 量 を9.(m3/s)翼 に 当 た る圧 縮 空 気 の 流 速 は 以 下 の よ うに 求 め る こ と が で き る.
韓 鴨 煮1㌍(醐
9.(m/s) 双 翼:σ
2=3 .467×10一6
(4)流 量9
図 の 白抜 き部 に あ た る流 量 ρ を 求 め る.任 意 の 半 径 ㌃ に お い て 一 枚 の 翼 に 対 し圧 縮 空 気 が 衝 突 す る部 分 の 面積 ヨ は 第6章(P63,78)よ り次 の よ うに 書 く こ と が で き る.
単翼タービン・ バ π許 一㌃1釜 ㎡ を誼 卵
双翼タービン・ 贈L㌃1号 ㎡ 簿 卵
ま た,前 述 の よ うに 単 翼 タ ー ビ ン,双 翼 タ ー ビ ン 各 々 の 翼 一 枚 の 面 積 は 次 の よ うに計 算 す る こ とが で き る.
戦 暖L2+2 去 ガ2‑3梛(mm2)た だ い 一 α3(mm・)
双 翼 ・&一 著 五2+五1‑1冠2=3鮒(mm・)
した が っ て,白 抜 き 部 の 面 積 孟 を 代 入 す る と流 量9は 次 の よ うに 表 す こ とが で き る.
単翼タービン・9+階 一2㎡ を+2㎡ ÷》
卿 一ビン・9÷ 〔 誓 ÷2㎡ を+2㎡ ÷〕・ 砂
(5)傾 き φ
翼 列 の 傾 き φ は 第6章(P67,82)よ り 次 の よ う に 書 く こ と が で き る.