1tf . 6
4
z/be
図3. 9 周方向速度の軸方向分布 り立っていないが， このことに関しては 全庄損失係数分布の項で説明する.
流出角分布 図3. 1 0は? 周方向から測った流出角の軸方向分布で， 半径内向 き速度と周方向速度の逆正接で求めたものである. 図中には， 後述(3. 3.
2節)
の方法で求めた非粘性流れの解も同時に記している. 実験では 壁面近傍で半径方 向速度が増加し ， 流出角が大きくなり 非常にねじれた流 れになっている. b s/
bf=3.8と2.8の流出角分布は， スクロールの子午断面とノズルの非対称性のために 主流部において も流出角は一様でなく， 図の中 の非粘性の流出角分布とその傾きが
25
良く対応し， 非粘性的な主流が存在 することを示し ている. これに対し b sl b eが1.9以下では， 非粘性的な主 流は存在せず， 流れ場が 全領域にわ たって軸方向にねじれているこ とを 表している.
全圧損失係数分布 図3. 1 1 は，
全圧損失係数の軸方向分布である.
b sl b e比が3.8と2.8の場合， 前後壁 面近傍では 全圧損失が増加するが，
zl b s iJ{0.2から0.8までの流路の中央 付近で全圧損失が小さく， 主流領域 が存在する. b
/
be比が1.9では， 流 路中央部で， 全圧損失が負の領域が 現れる. 実験時にこの部分では， ピ トー管で観測される全圧がプレ ナム の全圧よりも増加していた . プレナ ムからここまで仕事を与える装置は 存在しないので 一見すると奇妙な 現象である. このbsl b e比では， 流 路中央部の流れ角がほぼOであって，この特殊な条件下で渦の歳差運動な どの何らかの非定常現象が発生し，
隣接する流体から仕事を付加された も のであろう. しかしながら， 後述 の全圧損 失 の周方 向 分 布(図 3. 1 5)を見れば分かるように全 体の損失は増加しており， エネルギ の保存則には抵触しない.
bs/be � 1.5 四 1. 9
6 2. 8 c) 3.8 40 Tong = 30
30
OD 20
'u ω
lぷ 1 0
(.Q
σコ
o I I \.司 1I!1〆
I
11 ....Q 、\
..QVI
。 . 2 . 4 .5 8
z/be
図3. 1 0 流出角の軸方向分布
b $ / b e くう 1 . 5 [!] 1. 9
6 2.8 ① 3.8 2 Tong = 30
1 . 5
l久よ .5
。
「コ \
z/ b
刻3. 1 1 全圧損失係数の軸方向分布
26
b) ノズル流れ場の周方向 分布
半径内向き速度分布 図3. 1 2 は， 半径速度の周方向分布である.
スクロール入口部の， 方位角にして 150度 までの領域でノ ズ ル流量 がA さく， その下流側で流量が増加して いる. 次に述べる図3. 1 3の周方 向速度と図3. 1 5の全圧損失係数 の周方向分布は， 入り口ダクトから の流入境界層の集中流出に関連づけ て説明できるのであるが， 半径速度 の周方向分布は， これらの量とあま り相関がなく， スクロール形状の三 次元性などF 非粘性的影響を受けて いることが考え られ， 一次元理論に 基づいたスクロ ール断面流量の線形 配置を考慮するだけでは， 均等なノ ズル流量分布は得られないことが推 察される. 3. 2. 1節の自由 渦流 れ場の形成に際して 述べたように舌 部角度30度で は スクロール入口部 で自由渦流れが 形成されていないた めに， スクロール外壁近傍の周方向
速度が減少していた. これは， スク ロ)ル入口領域で流れが多少直進気 味であることを意味し， このために スクロ)ル入口部で ノズルの半径方 向速度が減少したと考えられる.
27
b�/be � 1.5 � 1.9
A 2.8 (!) 3.8 1.1 Tong = 30
. 9
.8
1It..J ....
It..J 7
6
o 90 18n 270 360
。(deg)
図3. 1 2 半径内向き速度の周方向分布
〆�、，，-".8
、、、
�-'-'"
、、』
<l:l It..J
6
4
bs/be くう 1.5 eJ 1.9
A 2. 8 (!) 3.8
Tong = 30
o 90 180 270 360
。(deg)
刈3. 1 3 周方向速度の周方向分布
周方向速度分布 図3. 1 3は，
周方向速度の周方向分布である. 流 入境界層が流出する位置に速度欠損 が集中して現れ， b 51 b e iJ{ノj、さいほ ど 周方向速度欠損が大きくなって
いる. この分布は次に述べる 全圧損 失の分布と良く対応している.
平均流出角分布 図3. 1 4は，
平均流出角の周方向分布である. 流 出角の分布は b 51 b e比に伴って平行
(∞ω℃)旬勺
移動す る. b 51人比によって絶対値 は異なるが， 周方向の変化の様子は b 51 b e比の影響を受けない ように見 える. これは， 平均流出角の分布は
半径内向き速度の分布に類似してい るからである.
全圧損失係筋子布 図3. 1 5は，
全圧損失係数の周方向分布である.
全圧損失は， 何れ のb 51 b eにおいて も方位角150度付近に極大値を持つ 分布を示す. これは スクロールの 流入境界層のノズル部か ら の集中流 出に起因しており 以後の章で境界 層 の測定結果と共に詳しく述べる.
， J.Jl ぇ
4
c
) ノズル性能
b s/b e比を変えたときの全庄損失 係 数と平均流出 角 の 変 化を図
28
bs!be � 1. 5 回 1
.
9A 2. 8 ('.) 3.8 30 Tong = 30
20
nu --a&
0
o 90 180 270 360
。(deg)
図3. 1 4 流出角の周方向分布
b s ! b e くう 1 . 5 [!] 1. 9 A 2.8 ('.) 3.8
1 Tong = 30
. 8
. 6
.2
o 90 180 270 360
。(deg)
刈3. 1 5 全圧損失係数の周方向分布
3. 1 6に示す. 図中の破線は， 一 .8
次元 的考察によるノズルの平均流出
角であって， 式3. 4で定義した量 .6 である. 本図によれば全体平均の流 It�
(∞ω℃)
.2
出角は， ほぽ一次元理論にしたがっ 20
ていることが分かる. 全圧損失は，
b sl b eが2以下で増加し始める. この とき流路中央部では逆流が始ま り，
これは， 羽根車 に対して部分的にし かエネルギを供給しないことを意味 するので， 軸方向の一様性 の悪化と
.4
10 Ö lIö
01
bsl be
スクロールノズ、ルの全体性能
3 40
図3. 1 6
相まって羽根車の損失を増加させるであろう. 特にbsl b eが1.5では， 流路中央で逆 流が生じており， 逆流した流体は， スクロール流路で新たな損失を生じて壁近傍か ら流出すると思われ， ますます損失を増加させることになる. 何れの流路形状でも ノズル部の流出角が小さくなればなるほど， 流れは周方向を向き， ノズルまでの経 路長が増え摩擦損失は増加するので， 流出角が小さいほど全圧損失は大きいと言え る.
平行側壁スクロールにおいては， 損失が増加し始めるときの理論ノズル流出角は 約10度であるが これがベーンレススクロールノズルの一般的作動限界を示すかど うかは， 断面形状への依存性に関して議論のあるところである. 図3. 3において，
b sl b e比が小さいとき， 本スクロールが偏平な流路形状であることを考え ると， 流 路の流体直径などがパラメータとして関わってくることが予想される. b sl b e比の 大きな， ノズ、ル部で逆流の発生しない良好な流動条件においても， 仮にノズル部の 平行壁領域を中心に向かつて伸長する不合理な設計を行 った場合 側壁境界層が発 達し連続の条件 を保つために何れ流路中央部で逆流が発生すると考えられることか ら， 逆流の発生は， 幾何形状にも依存することは明らかである. そしてノズル中央 で逆流が始まれば壁面近傍でなく流路中央での剥離， いわゆる三次元剥離の状態と なり， 損失が急に増加すると思われるので 与えられたノズルで局所的な逆流が存 在すればノズルとして不適格であると言える.
3. 2. 4 舌部角度とノズル性能
29
スクロール入口の曲がりダクトは， 直進流を渦流れに変換しスクロールに供給す る役割を持つ. 一般に舌部角度が小さければ， 速度が半径方向にほぼ一様な， 強制 渦的な速度分布 の流れがスクロールに流入する. 舌部角度が過大であれば， 曲がり 通路で二次流れが発生し， 舌部負圧面上に低エネルギ流体の集積が起こる. スクロー ルの舌部角度は， 研究者によってまちまちであって， 以下にいくつかの例を挙げる.
舌部が全くない例;水町11975]ら， M illeerl198 8 ]ら の実験， Lymberoppul os
!1988]らの計算例がある.
30度までの短い舌部を有する例;実験では， Malak11987]ら， Hussainl1984]ら，
ベーン付スクロール では， Vu!1990]ら， Shyy11993]らの計算の例がある.
90度またはそれ以上の長い舌部を有する例;Chapplel1980 ]ら， Feng119 87]ら，
Tabakoffl1987]ら， Tabakoffl1987]らの実験.
このほかに， 舌 部の 曲がり方向と反対向き に曲がった入り口ダクトを接続した Baskharonel1984]の非粘性計算例や， 可動舌部を採用したために必然的に長 くなっ た例としては， Okazakil1984]らの例がある.
これらのことから舌部長さの最適値に関しては， 未だ定説が無いことが分かる.
本節 では， 流路幅比bsl b eを3.8一定に保ち， 舌部角度を変えたときの流れ場への影 響を調べた. 舌部角度の変更は， 舌部を取り替えることにより行った.
図3. 1 7にノズル流出角の軸方向分布を示している. これは， 周方向の平均化 操作(式3. 7)により得られたものである. 図の中のシンボルを付していない曲 線は， 局所軸対称流れ(3. 3. 2節)の流
出角分布である. 二次流れの影響で流れ場は，
軸方向にねじれている. 舌部角度によって流 出角の分布は あまり影響を受けないが，
90度のとき流れ場のねじれが最も大きいこ とが 分かる.
図3. 1 8に半径方向速度の周方向分布を 示している. 横軸の原点は 舌部角度がO度 のときの舌部端の位置に統ーして取られてい る. 舌部角度が小さいほど 周方向に一様な流 れ場が得られた. 舌部角度が小さいほど， 舌 30
30・
250 20・
IÖ� 15・
10。
5。
z/be
図3. 1 7 舌部角度と 流出角の
軸方向分布
部負圧面上に低エネルギ流体が集積しにく いことと 内壁の直径が一定であるのでス クロールの再循環流量が大きく舌部ウェー クが拡散しやすいことが， 流れ場の均一化
に貢献し てい るのであろう.
全圧損失は， ノズル部における全圧損失 の全体平均を舌部角度がO度のときのスク ロ-)レ入口の平均動圧で無次元化している.
図3. 1 9に全圧損失係数の軸方向分布を 示している. 全圧損失は， 舌部角度が小さ いほど小さい結果が得られた. これは， 舌 部角度が小さいほど単純に舌部の固体摩擦 面積が小さいこと， および曲がりダクト部
1.4
1.2 11<..，)"-
、、、
1<..，)"- 1.0
0.8
00 900 1800 2700 360。
。
図3. 1 8 舌部角度と半径内向き 速度の周方向分布
0.6
0.4
ト子
0.2
における低エネルギ流体の集積にともなう 0・oo c・2 0・
2
fJ
6 0・8 1・o損失の発生が小さいからであると考えられ
図3. 1 9 舌部角度と全圧損失係数
る. の軸方向分布
図3. 2 0に舌部角度を変えたときの全 体性能を示す. 舌部角度が0度と30度では 全圧損失にほとんど差はな く， 舌部角度が 大きくなるほど損失が増加するのが分かる.
0.3
E久子 0.2
舌部角度がO度の時， スクロール入口 で 0 30 6t 60 90。
自由渦流れが形成され てい ないこ とは， 図3. 2 0 舌部角度と全体性能
3. 2. 1節スクロール流路における自由渦流れの形成で述べたことから類推でき
る. このため自 由渦的な 流れ場は， スクロ ール流入後に 形成されると思われる. 半 径方向速度分布 と全圧損失の結果から言えば舌部角度が小さいほどノズル性能が優 れ， 舌部角度が0度の場合いわば “空気力学的な 舌 部" が形成され 入口ダクトに曲 がり部は， 必ずしも必要がな いと言える. 理想的には， 最短の舌部を持つ三次元形 状のスクロールを設計すべきと思われる.