流体機械
流体機械(りゅうたいきかい、Fluid Machinery)とは、流体と機械の間でエネルギー変換をする装置である。一般に機械的エネルギーは電動機などの駆動軸の回転運動エネルギーであるが、プロペラのように直接推力として用いられる場合もある。
人類が農耕を中心とする定住生活を始める上で最も重要な問題は水の確保であり、世界四大文明はいずれも大河の河口付近の肥沃な三角州に始まった。人口が増えるに従って、大量の飲料水と灌漑用水の確保が最大の問題となり、水道を建設し、下水道を整備し、大量の水を汲み上げる装置を考案した。紀元前1000年ごろから中国、ユーフラテス、ナイル地方で水車が使われていた。初期には竹や木材で作られた下掛け水車だったが、水路の構築とともに上掛け水車が使われるようになった。紀元前3世紀ごろエジプトでアルキメデスがアルキメディアン・スクリューを改良したと伝えられている。
はじめて風の力を利用して動力を取り出したのは船の帆であると考えられている。エジプトでは紀元前2800年ごろからナイル川やエジプト沿岸で帆船が使用された。風車は、フェニキア時代の帆船の三角帆から発展したと言われる。
それ以来、人類は水を汲み上げるポンプ、流れる水や空気から動力を取り出す水車・風車に様々な工夫を加えてきたが、今日の機械の原型となるような革新的技術が生まれたのは、ジェームズ・ワットが蒸気機関を発明して以降である。今日我々が目にする様々な機械は、産業革命以降に発展を遂げてきたものであり、例えば、鉱山の通気を目的として送風機が開発されたのは19世紀に入ってからである。
流体継手やトルクコンバーターなどターボ型流体伝動装置は、1905年にドイツのヘルマン・フェッティンガー(Hermann Föttinger)によって発明された。
過給機はその概念が1885年のゴットリープ・ダイムラーの特許にあらわれている。機械駆動式過給方式は1920年代にレーシングカー、市販のスポーツカーにおいて実用化された。排気タービン式過給方式は1905年にスイスのAlfred Büchiが特許を取得したが、耐熱性に優れた加工性の良い材料の登場を待たねばならなかったため実用化は遅れ、第一次世界大戦で開発が促進された航空用エンジンの分野でさえ、1917年にターボ過給のルノーエンジンを搭載した試験飛行が登場した程度である。本格的なターボ過給を実現したのは1938年のボーイングB-17搭載のエンジンであり、その後、航空機、建設機械、舶用、工業用、機関車用、一般乗用車エンジンへと普及した。
流体が非圧縮性の場合は体積流量、圧縮性の場合は質量流量またはノルマル立米で示される。
流体が液体の場合は揚程[m]で示されるが、気体の場合はこれを圧力[Pa]として表示される。
流量と揚程の積を用いて表される。
P=\rho gQH
被動機の駆動軸に入力される動力である。
原動機の軸にかかるトルクである。
以上の性能は運転状態によって変化する。それをグラフで図示したものが性能曲線である。グラフの形式は分野によって異なり、ポンプや送風機・圧縮機では横軸を流量に、真空ポンプでは吸込み圧力に、水車では回転速度に、流体継手では速度比(出力軸回転速度/入力軸回転速度)にとって他の性能値をプロットする。
流体機械を運転させると必ずエネルギー損失が生じる。入力エネルギーに対する出力エネルギーの割合を効率という。損失には
機械損失:軸受けやシールでの摩擦、羽根車の背面などエネルギー変換に直接関係のない部分での流体との摩擦による損失
水力損失:流体が機械の中を流れる際に生じる、摩擦、二次流れ、剥離などの流体力学的損失
漏れ損失:羽根車など回転部とケーシングなど静止部の間にある隙間を通る漏れ流量に伴う損失
の3つがあり、それに対応して効率も3つに分類される。
具体的な効率の値についてはエネルギー効率を参照のこと。
軸動力(駆動軸に入力される動力)P0 に対する水動力(実際に流体に与えられる動力)P の割合を全効率ηといい、
\eta = \frac{P}{P_0} = \frac{P_0-P_\mathrm{m}{P_0}\cdot\frac{\rho gQ(H_\mathrm{th}-H_\mathrm{l})}{\rho g(Q+q)H_\mathrm{th} = \eta_\mathrm{m}\eta_\mathrm{h}\eta_\mathrm{v}
のように3つの効率に分解される。ただし
\eta_\mathrm{m} = \frac{P_0-P_\mathrm{m}{P_0}:機械効率
Pm :機械損失
\eta_\mathrm{h} = \frac{H_\mathrm{th}-H_\mathrm{l}{H_\mathrm{th}:水力効率
Hth :理論揚程
Hl :水力損失による損失揚程
\eta_\mathrm{v} = \frac{Q}{Q+q}:体積効率
Q :流量
q :漏れ流量
流量Q の流体が全揚程H で羽根車に流入するので入力P0 は
P_0 = \rho gQH
となり、この入力に対する羽根車の有効出力P の割合、すなわち全効率ηは
\eta = \frac{P}{P_0} = \frac{P}{P+P_\mathrm{m}\cdot\frac{\rho g(Q-q)(H-H_\mathrm{l})}{\rho gQH} = \eta_\mathrm{m}\eta_\mathrm{h}\eta_\mathrm{v}
となる。ただし
\eta_\mathrm{m} = \frac{P}{P+P_\mathrm{m}:機械効率
Pm :機械損失
\eta_\mathrm{h} = \frac{H-H_\mathrm{l}{H}:水力効率
Hl :水力損失による損失揚程
\eta_\mathrm{v} = \frac{Q-q}{Q}:体積効率
q :漏れ流量
流体機械の性能には機械の寸法、形状はもちろんのこと、作動流体の密度、粘度、圧縮性や、羽根車の回転数など運転条件によっても変化し、そこには多数の物理量が影響している。そのため解析をそのまま行うことは困難である。そこでパラメータを減らすために、流体力学の他の分野でも行われるように、相似則や次元解析といった手法を用いる。
ターボ型の場合、羽根車の直径D [m]、回転数n [s-1]、作動流体の密度ρ[kg/m3]を基準値として用い他の物理量を無次元化(正規化)する。
流量Q [m3/s]は羽根車直径D の3乗と回転数n に比例するので、これらで無次元化し流量係数\phi=\frac{Q}{D^3n}として考える。
圧力p [Pa]は流体密度ρ[kg/m3]と羽根車直径D [m]の2乗と回転数n [s-1]の2乗に比例するので、圧力係数\psi=\frac{p}{\rho D^2 n^2}とする。
動力P [W]は流体密度ρ[kg/m3]と羽根車直径D [m]の5乗と回転数n [s-1]の3乗に比例するので、動力係数\tau=\frac{P}{\rho D^5 n^3}とする。
粘度μ[kg/(m s)]はレイノルズ数Re=\frac{\rho D^2 n}{\mu}とする。ただし、レイノルズ数が大きい(流体の粘度が小さい、または回転数が大きい)場合、レイノルズ数の性能への影響は小さいため、このパラメータは無視されることが多い。
音速a [m/s]はマッハ数Ma=\frac{Dn}{a}とする。ただし、流体の圧縮性が無視できる場合はこのパラメータは無視される。
n_\mathrm{s}=n\frac{\sqrt{Q}{H^{3/4}
n_\mathrm{s}=n\frac{\sqrt{P}{H^{5/4}
をターボ型流体機械の分類法として用いることがある。
増速増圧の原理は速度三角形を用いて説明される。