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1EBARA RESEARCH CO., LTD.Property and CopyRightEbara Research Co., LTD. JSME設計研究会　2003年3月12日

第5回　設計研究会　2003年3月12日

メーカーにおける設計システムの現状

（株）荏原総合研究所・機械研究室足原　浩介

荏原製作所編


■風水力事業

　　水力機械・気体機械・冷熱機械　etc■環境エンジニアリング事業

　　環境プラント・水処理プラント・　etc■精密・電子事業

　　真空機器・半導体産業用装置機器　

■新エネルギー事業

　　新エネルギ機器　燃料電池、風車　etc

株式会社　荏原製作所設立 1920年(大正9年) 5月20日従業員数 4829名（2002年3月末）売上高 3963億円（2001年3月末）

荏原製作所　紹介

品川事務所プラント設計

本社・羽田工場大型ポンプ

袖ヶ浦工場蒸気タービン・ガスタービン

圧縮機・マイクロガスタービン

藤沢工場小型ポンプ・半導体製造装置

冷凍機・燃料電池株式会社・荏原総合研究所


荏原総合研究所　紹介

■事業内容・風水力機械、産業用機械、水処理、環境改善装置、ビーム利用技術等に関する技術の研究開発・荏原関連各企業から委託を受ける研究開発、あるいは共同で行う研究開発・総合研究所独自の自主研究開発・外部から受ける委託研究・国内、海外から受ける技術調査、技術コンサルタント、実験、分析、計測、試作および特殊加工品の製作

株式会社　荏原総合研究所設立/ 1984年(昭和59年）7月従業員数/ 110名（研究員76名）

Ebara Research Facilities

Ebara Corporation - Fujisawa Plant

Site Area 530,000 m2

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話題提供の概要

1. ポンプ開発の概要2. 逆解法・CFD設計システム3. Rapid Prototype4. 課題


話題提供の範囲ハイドロ開発

■　ポンプの製品開発の流れ大型ポンプの場合

●　顧客

●　ポンプメーカ

要求仕様

要求を達成する流体形状の設計

設計モデル試験

要求性能をモデルで実証

製造

立会い試験

納入建設据付

1.　ポンプ設計の概要


品質が設計者の経験に依存鋳物製作に時間が掛かる

3ヶ月

要求仕様モデル試験逆解法・CFD設計システム

Rapid Prototype

●　新システム

データベース 3DCAD 3Dデータ

1.　ポンプ設計の概要

■　ハイドロ開発の変革

●　従来

要求仕様

既存モデルを修正

新モデル設計鋳物モデル試験

設計ノウハウ 2DCAD 木型図

2週間

品質が安定開発期間が短縮

新設計支援システムを構築


1. ポンプ設計の概要2. 逆解法設計システム3. Rapid Prototype4. 課題

話題提供の概要


2.　逆解法設計システム

■　従来のポンプ設計

要求仕様によってポンプの形態が大きく変わる

ポンプの比速度毎に設計法が異なる。設計パラメータは線図を多用。特性（効率・剥離・吸込性能）の制御には設計者の勘と経験に依存。

●　ポンプの流体設計

代表比速度・特性毎にモデルを用意し、修正する事によって要求を満たす。

●　ハイドロ開発

新規モデル設計には時間が掛かり、性能が出ないリスクがある。

比速度や特性の異なるハイドロモデルのラインアップと修正法のノウハウが重要

流量: Q [m3/min]揚程: H [m]回転数: N [rpm]

顧客からの要求仕様

比速度: Nsで整理できる

Ns小 Ns大

遠心斜流軸流

●　ポンプの形態

最適な形状

43H

QNNs =

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■　逆解法とは？

形状流体CFD

逆解法

●　コンピュータの設計利用

●　三次元逆解法

主流（軸対称流れ）　流れ関数(2D ポアソン)周期変動流　フーリエ級数（3Dポアソン）

周方向グリッド不用で高速解析

翼負荷分布

子午面形状

設計要項初期翼面形状

誘起速度場の計算

inviscid slip condition に基づく翼面形状の修正

翼面形状の誤差収束判定

翼面形状の決定

YESNO

仮定：翼面は渦層で表される・非粘性・ポテンシャル流れ

Zangeneh (1991) ロンドン大学

逆解法はコンピュータで形状を求める設計ツール

1980年代　三次元理論の構築1990年代　CFDの普及　→　3D逆解法の実用化


■　三次元逆解法の利点

●　翼負荷分布

流体特性に論理的に関連した少ない数のパラメータを直接設計に利用可能

角運動量 rVθの分布は８個のパラメータで定義可

Tip

Hub

Tip SLOPE

LE

Hub

NC ND

ポンプの性能は翼面の圧力分布に影響される。

翼負荷分布 (Ps+-Ps

-) は、角運動量 rVθ の分布で制御可。

P PB

WrV

ms s m b l

+ −− =

2πρ

∂

∂θ

ρ : 密度 B : 翼枚数m : 子午面方向座標 Vθ : 周方向速度Ps

+ ：圧力面静圧 P s- ：負圧面静圧

Wmbl：翼面上子午面方向速度

流体力学的関係

三次元逆解法を用いる事によって



■　三次元逆解法の実用化

負荷分布パラメータ

三次元逆解法

CFD

実証実験

パラメータのデータベース化

●　パラメータの研究

CFD解析結果実験結果

従来設計ポンプ

●　流体特性制御の例負荷分布制御によるポンプディフューザの剥離抑制

CFD解析結果実験結果

逆解法設計ポンプ

三次元逆解法

剥離抑制効率5%アップ

比速度・流体特性に応じた翼負荷分布パラメータのデータを蓄積しデータベース化


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■　逆解法設計システム構築　1●　設計パラメータの連続関数化

全設計パラメータの数値化（子午面形状、翼負荷 etc ．．）

LE

TE

α１L

θ２

B２

B１D１

D２

Ss

Sh


任意比速度の設計パラメータを連続関数より計算し逆解法設計

Ns (m, rpm, m3/min)

0 500 1000 1500

比速度

ある

設計

パラ

メー

タ従来設計の実績

逆解法入力に対する最適関数

あるポンプシリーズの子午断面形状


Ns

Flow capacity

TotalHead

シリーズ1（高効率）

●　任意特性を持つポンプシリーズの逆解法設計


■　逆解法設計システム構築　2

任意特性の設計パラメータをデータベースより計算し逆解法設計

シリーズ2（通常特性）

任意特性のシリーズ

S=1.0 S=2.0S=1.5

任意の特性を持つポンプの設計パラメータを、他の特性のポンプシリーズの設計パラメータから算出

逆解法パラメータが流体特性と論理的に関連しているため、特性間の補間が可能


●　逆解法設計パラメータの自動探索


■　自動最適化の適用

逆解法

CFD

三次元形状

設計変数

目的関数

最適化アルゴリズム

最適化ソフトiSIGHT

ターボ機械自動設計

翼負荷分布パラメータ

CFD結果

制御

・CFDに掛かる時間が大きい

・三次元翼面形状のパラメータが多い・要求仕様を満たす必要がある

ポンプの自動最適設計での問題

自動最適化に掛かる時間が非常に大

逆解法を自動最適化にいれる利点

・要項仕様は逆解法入力で設定可・設計パラメータが少ない

リーズナブルな時間で自動最適化が可能

新たな特性を持つ逆解法パラメータのデータベース作成で期待



■　自動解析格子生成技術

●　逆解法理論が適用できない場合

リターン流路・ボリュートなどは逆解法理論が適用できない

-150

-50

50

150

250

-150 -50 50 150

流動解析(Pam-Flow)

自動ﾒｯｼｭ生成（Pam-Flow）

表皮ﾓﾃﾞﾙﾎﾞﾘｭｰﾄｹｰｼﾝｸﾞ

多段ﾎﾟﾝﾌﾟのﾘﾀｰﾝ流路

CFD解析環境を向上して従来の設計手法を支援



■　逆解法-CFD設計システム

●　目的に応じた設計パラメータを組み込んだ設計システム


1. ポンプ設計の概要2. 逆解法設計システム3. Rapid Prototype4. 課題


●　新プロセス

3Dモデリング逆解法

設計システムRapid

Prototype 試験モデル

3.　Rapid Prototype

●　従来プロセス

■　モデル試験用部品製作の変革

従来の設計手法

木型図

製作図

木型作成鋳造機械加工試験モデル

工程が多い木型製作、鋳造に時間が掛かる鋳造のため形状的制約が多く、複雑形状不可

3Dモデリング導入による工程の単純化Rapid Prototype で迅速造型

複雑形状の造型可能

翼形状の展開図



■　3Dモデリング

●　専用３Dモデリングシステム

市販の３DCADを、ポンプ・コンプレッサーなど

のターボ機械部品専用にカスタマイズ

三次元逆解法で設計した形状データから自動的に3Dソリッドモデル生成フィレットもなども自動生成可能羽根車部品全体の3Dモデル生成に約30分

●　３Dモデリングの必要性

逆解法設計の翼面は3D形状で２D展開図では表現が不充分３DモデルがあればRapid Prototypeへのデータ受渡しが容易



■　RP (Rapid Prototype)

●　光造型

特定波長の紫外線レーザに照射されると固まる特性を持つ「光硬化性樹脂」を利用し、立体形状をスライス分割して下から順番にレーザー照射し、立体モデルを造型する方法。大型部品の造型が可能。LSL（Laser Stereo Lithography)

製品開発において試作品を高速に製造する技術

●　粉末焼結造型

粉末素材をローラーで供給し炭酸ガスレーザーで粉末温度を瞬時に溶融温度まで上昇させ、下の層と溶融結合させる。これを各層毎に繰り返して立体モデルを造型する方法。高強度材料の造型が可能。SLS（Selective Laser Sintering)

ケーシングやディフューザで使用

エポキシ樹脂製ディフューザ

ガラスナイロン樹脂製羽根車

羽根車で使用

モデル試験用の部品を1日~2日で製造可能新設計システムの効果を迅速に評価が可能


1. ポンプ開発の概要2. 逆解法・CFD設計システム3. Rapid Prototype4. 課題


4.　課題

■　メーカーが抱える問題

●　設計支援システムの構築

設計システムの構築、維持管理は非常に大変莫大な時間とコストが掛かる（バグも膨大）リスクも大

●　設計支援システムの特徴

対象製品が具体的

高度性　↑高い一般性　↓低い

ルーティンには有効新規開発には適用難?

●　実際の製品開発

実際の製品トラブル

現状のCAEが対処困難な領域が多い

高非定常性・エロージョン・熱衝撃　etc　　未だに研究段階

In house


4.　課題

■　個人的希望

●　設計支援システムに期待する事

デファクト的な設計支援ツール（設計支援の一般化）様々な開発業務に応じたカスタマイズ性（設計支援の高度化）CAE高度化と実際問題への対処（理論の構築・実験・ツール）

大学

メーカー

ベンダ

実際問題の提議

デファクトな設計支援ツール高度CAE

カスタマイズ要求

理論・解決法デファクトな設計支援ツール高度CAE構築のための連携


END

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