ジェットエンジンやガスタービンにおける解析について

主な製品がジェットエンジンやガスタービンのような回転系のものです。例えば航空自衛隊のブルーインパルスに搭載されているF3ターボファンエンジンや、民間航空機用エンジンとしてA320などに搭載されているV2500ターボファンエンジン（写真下）があります。これは、日本、英、米、独、伊の国際共同開発事業として開発、量産されたもので、IHIとしては最前面にあるファンの設計を担当しています。最近ではGEとRSP（Revenue Share Partner）を結んで、CF34など70〜100席ぐらいの飛行機に積む最新のエンジンを開発中です。

F3のエンジンの直径が約６０cm、V2500ですと約1.6mですね。今IHIとGEが共同開発している最大のエンジンがGE90でして、その径が約2.5mで、B777に搭載されているエンジンです。これは世界最大級で、推力は10万ポンドになります。ジャンボのエンジンが約45000から50000ポンドですから、それの2倍の推力が一瞬にして出てしまうというものです。そのような航空用のジェットエンジンは、発電用にも転用できますので、それはガスタービンプラント事業部が発電機とセットにして販売しています。非常にコンパクト、低燃費、低騒音、低振動で客先からも好評です。

基本的に、圧縮機、燃焼器、タービンからの構成というコンセプトは変わりません。それぞれに最新のシミュレーション技術を応用して最適化を推進していますので、より軽量で信頼性が高く、長寿命であるものを開発しています。シャフトの回転数は年々上がっていまして、かつては回転翼先端の周速が450(m/sec)だったのが、今は500、600と増加しています。それを上げていくと、ディスクと呼ばれる回転円盤部の強度が非常に厳しくなりまして、シミュレーションを徹底的に活用しています。

はい、技術開発センターの他に実際のエンジン開発を担当する部門が、民間エンジン事業部、防衛エンジンシステム事業部、ガスタービンプラント事業部として並列で組織されており、これらの事業部の設計部門でも同様の解析を実施しています。

そうですね。我々の方で、エンジンの構造強度に関わる解析技術の整備・向上や技術支援取りまとめを行うというのが一つの使命です。また、温度の予測は構造解析とは切っても切れないので、温度予測技術も我々が見ています。当然それに対して設計に必要な電算ハードやソフトの利用促進も業務内容となっています。

実際のAnsysユーザーは約150名です。設計と解析のボーダーが明確ではないところが殆どで、設計として図面を描く人もCADを使う人も解析をやるということが定着しています。逆に我々のグループは、解析が主業務ですので、全体から見ると特殊な職場ですね。

平成3年の3月だったと思うのですが、その頃ホストコンピュータ全盛の時代でNASTRANを利用していました。ただ、プリ・ポストプロセッサーとの互換性やホストコンピュータの使い勝手などが問題でしたので、Ansysを検討しました。Ansysは、ポスト処理の時にデータを変換しなくてもいいですよね。他のソフトですと、変換に時間が結構かかってしまって、それにコストがかかってしまうということがあってUNIXと共にAnsysを導入したわけです。Ansys自体が回転系の部分の計算機能が優れていましたし、非線形としても評価できたということもあります。

基本的にはエンジン全体の構造の各部品すべての構造解析を行っています。ディスクからブレード、フレームまで、殆どの部品についてですね。単品だとズームアップの解析、3次元の詳細なソリッドモデルの解析です。そうはいっても最近は単体のみよりも全体の解析も増えてきています。

UNIXマシンを使えるようになったことやコンピュータの性能自体が上がったことで、精度を上げるために大規模なモデルになってきているということが言えますね。

CADはUnigraphicsを使用しています。設計者も解析者も基本的に同じですから、Unigraphicsのデータを有効に使おうとしているのですが、我々は航空エンジンの信頼性について細心の注意を払っておりますので、メッシュをかなり細かく切っていかなければならないんですね。それから、最初の概略的なところはテトラで切ってもいいのですが、最終的に寿命を評価するようなところでは、必ずヘキサのモデルを使っています。その6面体メッシュがUnigraphicsのデータですぐに作れないので、今そこが非常に苦労しているところです。

3DCADが一般的に広まって、効果が随分出ていると思うのですが、CAD/CAM/CAEの中で、CAEの部分はあまり恩恵を受けていないと思います。3次元CAD形状をそのまま使うことが実際は難しいわけですから。基本的には3次元CADは、製品と殆ど同じ物を作るためにあるので、設計者はCAEまで頭が回らないわけです。例えば、微小サーフェスがあると、自動メッシュで切るとやたら細かく切ってしまいますし、それを避けるために構造強度上関係のない穴は無視するとか対策が必要ですね。今は解析前にある程度直してから、解析に行くといったことをやっています。

３通りありまして、1つは昔から使っているI-DEASとかPATRANでメッシュを切るというのと、Ansysの中でParasolidを読み込んでメッシュを切るというのと、もう一つはAPDLを使ってパラメトリックな解析をやってしまうということです。

設計段階のパラメトリックスタディでは、いろいろな計算が必要ですから、そこの部分でよく使っています。ある程度トポロジーが決まっていればパラメータの設定だけで解析ができますから便利ですね。その機能は他のソフトにないですよね。

導入当初の期待以上に非常に使いやすいです。特にFORTRANライクというのが、我々にとってはありがたいです。
簡単にループさせたり、数式を入れることもできますし。荷重条件に圧力分布がついたり、温度分布を仮想的に決めるような場合にも利用しています。

構造解析についてはメッシュを丁寧に作りさえすれば、殆ど正確に合います。静解析の分野では問題ないです

そうですね。静解析や振動解析は並行してエンジン試験を開発途中で行いますので、それと必ず照らし合わしの検証をするわけです。それがノウハウとして積み重ねられていると思います。そういう社内のノウハウは先程のメッシュの細かさについてもそうですし、設計基準という形でもあります。

設計基準があり、その基準に従って行なっていくということです。今はイントラネットを使って見られるようになっています。

解析例は私が担当していまして、整備したものをサンプルとしてイントラネット上で公開しています。あまり言葉で書かれてもわからないでしょうから、過去に行った例えばローターの解析のメッシュはこうですよ、というような形で掲載しています。ある程度はたまっているのですが、まだ十分ではないので、これから増やしていきたいですね。

Ansysの使い方に関しては我々の方でイントラネット上にまとめていて、そこを見るとAnsysの情報が大体わかるという公開の仕方をしています。その中にはAnsysでの不具合や、やってはいけない事なども含めて書いています。

エンジン開発の成否に関わりますし非常にリスクが高いので、ファンを設計する場合には必須です。ファンを設計して、そのファンのブレードを製造して試験をするまでに長期間かかるのですが、そこで不合格になってまた作り直してということは、時間的に不可能です。一度でOKをとるためにはシミュレーションは絶対欠かせないのです。

バードストライクがなぜ重要かというと、一番鳥を吸い込む場面というのが離陸と着陸の時で、非常に飛行機が不安定な時なので、そこで吸い込んでしまって、離陸の時に急にエンジンが止まってしまうと、危険です。信頼性、安全性、危険の回避という意味でバードストライクはやらなくてはいけないのです。

具体的にはエンジンの大きさにもよりますが、1.5ポンドの鳥が４羽入っても推力の低下が２５％以下のこと、といった規定があるのです。

これはIHI独自に研究しているエンジン全体をシェル要素でモデル化したものです。モデルは別ソフトで作って解析はAnsysで行いました。軸対称部で、断面を作ってまわすということにはAPDLを適用しています。そういうのは精力的に取り入れていますね。例えばエンジン全体を支えるフレームの部分ですが、ストラットと呼ばれる半径方向にのびた柱が立っていて、それが全体の荷重を受け持つので強度的に厳しくなるために部分的に取り出して詳細にソリッドでメッシュを切っています。付け根の黄色になっている部分です。（図1、図2：エンジン全体解析シェル要素、フレームソリッド要素）