広がり角の大きいディフューザの性能特性について: University of the Ryukyus Repository

Title

広がり角の大きいディフューザの性能特性について

Author(s)

山里, 栄昭

Citation

琉球大学理工学部紀要. 工学篇 = Bulletin of Science &

Engineering Division, University of the Ryukyus.

Engineering(1): 13-24

Issue Date

1968-05

URL

http://hdl.handle.net/20.500.12000/23748

13

広 が り角 の大 きいデ ィ フュ ーザ の性 能特 性

につ い て

山

里 栄 昭 *

PerformanceCharacteristicsofWide-AngleSubsonicDiffusers EishoYAMAZATO

AnanalysュsOfexperimentalresultsshowsthattheperformanceofthesubsonic diffusercorrelateswiththegeometric parameters (total divergenceangle,area ratio,aspectratio)andtheinletflow conditions.However,acompleteinvestigation oftheeffectoftheseparameterondiffuserperformancewasnotcarriedout

ln this paper,the problems of the flow mechanism indiffusersandthe pcrformance of wide angle diffusers are reviewed. Boundary layersuction. blowlng.VOrteXgenerators,andvanesatdiffuserinletin wi deanglediffusers forimprovingtheperfromancearediscussed,andit is indicated thattheflow lossesindiffusersareeffectively improvedbyoneormoreofabovemethodsof boundarylayercontrolintroducedintothediffuserflow

l ま え が き デ ィフューザの性能 に影響 をお よぼす因子 は､形状 では広 が り角 と面積 比 で あ り､長方形 断面 をもつ二 次元デ イ フ ユザで は これ らに アスペ ク ト比 (縦横 比) が加 わ る｡流 れ の様子 で は､入 口境界層 の発達 の状態 ､入 口主流 の乱れ の強度 ､ レイ ノル ズ数 ､出 口速度分布 な どと され てい る｡ しか しその うちで もっ とも支 配的 な因子 は広 が り角 と面積 比 で あ る｡ そ して流 れ の与 え られ た入 口状態 に対 して､エネル ギ損失 の もっとも小 さいデ ィ フ ューザ は広 が り角 1), 2) 70 ､面積 比4 二1附近 の もの とされ てい る｡ しか しか よ うな広 が り角 の小 さな ものでは面 積 比 が大 き くな る とディ フ ューザ壁 面 が長 くな り空間 の限 られ た場合 な どで は時 として不 都 合 にな るこ とがあ る｡ か よ うな場合 には広 が り角 の大 きなデ ィフ ューザが用 い られ ､ もしも そのエ ネル ギ損失 を許 し得 る程度 に小 さ くす る ことが出来れ ば ､与 え られ た面積 比 に対 して 必要 なデ イ フユ-ザの長 さを減 じた こ とにな り､製 作費の面 で も明 らかに有利 であ る｡ しか し実際には この よ うな広 が り角 の大 きなデ ィ フ ューザでは､流 れの損失は大 き くな る ととも には く離 した変動 の大 きい もっ とも予測 し難 い流 れ とな る｡ これ らの流れ の基本 的 な原 因は デ ィフ ューザ内の逆圧力 こ う配 の流れ にお け る乱流境界層 の発達 にあ るO したが って この こ とは､は く離や ス トール の問題 として取扱 わ なけれ ば な らない｡ これ らの問題 に関 しては こ

*

琉球大学理工学部機械工学:Fr･

14 _{山里 :広がり角の大 きいディフューザの性能特性について} れ まで沢 山の理 論解析や実験的研究 がな されて来 たが､いまだにまだ十分解 明 された とはい えない｡乱流 は く離 の問題 については､それ に対す る規準 も分 っていないのが現状 で､広が り角 の大 きいディ フューザ内でのは く離やス トール の状態 はほ とん ど流れの可視化 によって のみ実験的 に求 めディ フューザの性能 と関係づけてい るO ここでは､広 が り角 の大 きい亜音速ディフ ューザの性能 にお よぼす因子お よび性能改善 を 行 な うために用 い られてい る境界層制御 の方法 な どについて述 べ る｡

2

入 口流れの状態 デ ィ フューザの性能 が入 口流れの状藩 によっていかに影響 され るか を調 べた研究は沢山あ 3)∼ 7) るが､残念 な ことに これ らの研究 は入 口流れの状態 のほんの限 られた範 囲の ものであ り､ま 8) たデ ィ フューザの限 られた形状 の ものに対 してである｡最近､Co〇krellらによって入 口境界 層 の運動量厚 さとディ フューザのエネル ギ損失 とを関連づけよ うとしてい る試 みは一般 に不 4) 十分で ある｡ CockrellらはWinternityとRamszによってなされた実験結果 とを比較 して それ らがほ とん ど一致 しない ことを示 してい る.一般 に入 口境界層厚 さを増 す に は､入 口 流路 の長 さを長 くす るか､入 口部 にス ク リーン リングをお くかの二 つの方法 が とら れ て い る｡ ス ク リー ン リング を用 いた場合 には､運動量厚 さが増す につれてエネル ギ損失係数 も次 第 に大 き くなる｡一方流路 を長 くして運動量厚 さを増 した場合 には､ス クリー ン リング を用 いた場合 よ りもェネ/レギ損失係数 の増大の割合 は小 さく､あ る運動量厚 さ以上ではむ しろ損 失係数 は減少 してい る｡結局 これ らの ことか ら損失係数 は､運動量厚 さが非常 に小 さい場合 には､十分 に発達 した境界層の ときよ りも小 さくなる とい うことが明 らかにされただけであ る｡ Klineらは入 口の流れ を層流か ら十分 に発達 した乱流 に至 るまでの実験 を行 な った結果 ､ 9) デイ フェ-ザの性能 が流れの様子 にはほ とん ど影響 を与 えない と報告 してい るo Klineらは さらに広が り角 40-450 までの二次元ディ フューザ を用 いて､ 入 口流路 の長 さを変 えて入 口流れの状態 がデ ィ フューザの性能お よびディフ ューザ内の流れの様子 に与 える影響 を調べ てい る｡そ して圧力係数 は入 口境界層 の関数であ り､境界層厚 さが大 きくなるにつれて圧力 係数 も減少す ることを明 らかにしてい る｡ 10) JonesとBinderは 正 方形断面ディ フューザで､ 入 口主流の乱れの強度の影響 について調 1り べ､乱れの強 さは速度分布や流れの様子 に影響 を与 え ることを示 してい る｡ Kalinsl.{eは 面 積 比一定 の円す い形 デ イフユ-ザで入 口主流 の乱れの強度 の大 きい ものほ ど圧力回復効率 も 大 き くな ることを示 してい る｡ この ことはKlineらの実験 によって も同様 の ことが示 されて い る｡ 広 が り角 の小 さいデイ フユ-ザのエネル ギ損失 は主 として摩 擦損失によるものなので入 口 レイ ノルズ数 に関係す るが､広が り角 の大 きい もので､十分 に発達 した乱流減では､流れは は く離 に よる混合損失 が大 きいので レイ ノル ズ数 の影響 はほ とん どないよ うに思われ る｡ ま た流れの様子 もレイ ノル ズ数 にはほ とん ど影響 され ない ことが知 られてい る｡ 現在では､入 口流れの状態 が性能 にお よぽす影響 については､まだ満足す べき結果 が得 ら れていないので､ この問題 に関 しての組諭的 な研究が必要である｡

琉球大学理工学部紀要 (工学篇) 15 3 流れの様子 と最適圧力係数 Klineらは二次元ディフューザの一連の研究 を行 ない､ 流れの様子 と性能 に関 しての数多 12)- 17) 12) くの論文 を発表 している｡M00 reとKlineは低速水流 において､染料噴射 によ り､ディ フ ューザ内の流れ を直接に観察 しては く離の発生状況および逆流領域 を調 べて流れの様子 を次 の四つの領域に分類 してある｡ 1) は く離のない均一 な流れ 2)は く離の位置､大 きさ､強 さな どが時間的に変動す る一時逆流領域 3)比較的流れは定常だが一方の壁面 に偏流 してい る定着逆流領域 4) ジェ ット流の型 をしてデイフユ-ザの両広が り面 よ りは く離 してい る流れ

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13) Fig.1.(b)Re,gimescfdiffuserflow

L:WalHength W :Thoatwi dth

図1はディフューザの入 口流れの状態 を同 じにして広が り面 の一定長 さのディフューザに ぉいて広が り角 をい ろい ろ変えた時の流れの様子 を上記 の四つの領域 に分類 して示 した もの である｡ Klineらはこれ らの分類図は必要 な範囲にわたってのディフューザの既知のデータ や性能 を設明す るのに有用であるのみな らず性能の良好 な広 が り角 の大 きいディフューザの 設計に関 しても非常に有用であると述 べている｡図

2

はディフューザの広 が り壁面長 さに対

ユ6 山里 :広が り角の大 きいディフューザの性能特性について

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or L/R･ 1) Fig･2･C.)rrelaJJonOldoptim.:m r如OVeryatのnStlntL/W して最大 の圧 力係数 を有 す る広 が り角 をい ろい ろな研 究者 の実験結果 よ りプ ロッ トして示 し た もので あ るO これ らの デー タはほぼ- 直線 上 に並 び ､流 れ の様子 の領 域 を 示 すMooreと Klineの ∂-a線 をわずか上 方 に平行移動 した直線 上 にあ る こ とを明 らか に してい る｡ ここ は､ は く離 のほ とん ど生 じない均- な流 れ と時 間的 に大 き く変動す る一時逆流領域 との境 界 で ､ この領域 では流 れ は振動 を伴 な った非定常 な流れ で あ る ことに注意 すべ きであ る｡ 4 アスペ ク ト比 の影輩 18) 二 次元 ディ フューザ の圧力 回復効率 が アスペ ク ト比 に よって影響 され る こ とは､藤 本 ､古 19) 12) 屋､Klineらに よ って指適 され てい る｡ 藤 本 は､ 比較的広 が り角 の小 さなディ フ ューザ で三 つ の異 な るアスペ ク ト比 を用 いて効 率の最大 にな る角度 がそれぞれ違 うこ とを示 してい るO 古 屋 は広 が り角40と60のディ フ ューザ で入 口アスペ ク ト比 5/2-3/8に よる圧力係数 の変 11) 化 お よび流 れの二 次元性 につい て､境 界層理 論 との比較 をしてい る｡ またM∞reとKlineは

琉球大学理工学部紀要 (工学篇) 17 入 口アスペ ク ト比

2

0

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1-1

/

4

の実験 で､流れの状態 はアスペ ク ト比 にほ とん ど影響 され ない が効率は影響 され ることを示 してい る｡ 20) 筆者 らは面穣 比4 .'1､広 が り角100､300I600のデイフユ-ザ を用 いてアスペ ク ト比 の性能 にお よぼす影響 を調 べ､アスペ ク ト比が大 き くなる と流 れの二次元性 は よ くな り､圧 力係数 も大 き くなることを明 らかに してい る｡ また､吸込みのある二次元 ディフューザで も アスペ ク ト比が大 きくなるにつれて効率 もほぼ よくな ってい るが､各 アスペ ク ト比 ご との最 適 飲込量はアスペ ク ト比がノトさくな るにしたが って大 き くな ってい る｡

Fig.3.EffectofaspectratioomstaticprciSSureC舵fficients b:Thoatwidth X:Le ngth measuEedfrom throat

18 _{山里 ‥広がり角の大 きいディフューザの性能特性について} Fig･4･ Effectcfaspectratioonstaticpressureccefficients 図

3

と図

4

は広 が り角

3

0

0

と

6

0

0

のディフューザ について静圧分布 をアスペ ク ト比 をパ ラ メ- タに とって示 した ものであるo図か ら分 るよ うにいずれ の場合 もアスペ ク ト比が大 き く 19) な るにしたが って圧力係数 も上昇 してい る｡ これは古屋 が行 な った実験結果 とも一致 してい る｡

5

境界層 制御 入 口

の

2

1

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境界層 を吸込 む ことに よ っ て､ディフューザ内のは く離 を防 ぐ方 法 は 1926年 に Ackeretの円すい形 ディフ ューザの実験 によっては じめてな され､その効果 のあることが示 22)

2

3) 24)

2

5)

され てい るo またその後

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,Holzhauser,古屋 らによって吸込みによるディ フューザの実験 がな され､性能改善 についてかな りの成果 を挙 げてい る.Gratzerは面積比

4:1

､広 が り角

1

5

0-6

0

0

の円すい形 ディ フューザで境界層 ス リッ トを用いて実 験 を 行 ない､広 が り角

6

0

0

のディ フューザで圧力回復効率 を

7.

2%

か ら

6

00

/.に増大す ることが出来 る と報告 してい る｡図

5

はそれぞれの広 が り角 に対 しての圧力回復効率 の最大 となる吸込流

琉球大学理工学部紀要 (工学篇) 19 0 (Ⅹ/i) forma又.ワ A I/Q formal.7 0 0 ユ0 20 30 40 50 60 Totaldivergenceangle 22) Fig.5. Boundary]ayercontrolConfigurationformaximum diffuserefficienc/

り: Press･∬eefficiency i: Lengthofdiffuser

q/Q:Vo】um3f]ow ratio X:Lengthmeasu･redfrom thoat

量および攻込み位置の関係 を示 した ものである.図か ら分 るよ うに回復効率 の最大 になる吸 込流量は広が り角

4

0

0

の場合 が最小で､ これ よ り広 が り角度 が大 きくても､また小 さくて も 吸込量 は増大 してい る｡また､ディフューザ入 口か らの吸込みス リッ ト位置は広 が り角が大 きくなるにつれて入 口に近づいてい る｡ これは筆者 らが行 なった二次元 ディフューザで吸込 みス リッ トを用いての実験結果 とも一致 してい る｡広 が り角が大 きくなると､ディフューザ 流れのは く離点 も入 口に近 くなるのでそれに応 じた吸込みス リット位置 をえ らぶ ことが必要 である｡ 24) Holzhauserらは面積比

2:1

､広 が り角

3

00と5

0

0

の多孔壁 よ りなる円すい形

デイフユ-20 _{山里 :広がり角の大きいディフューザの性能特性について} ザ を用 いて-様 な吸込 み を行 ない､ディフューザ内のは く離 が吸込量

3%一4%

で と り除か れ ることを報告 してい る. またディ フューザの損失係数 は吹込み を行 なわない広 が り角100 の場合 よ りも小 さくな ることを明 らかに してい る｡図6は広が り角500におけ る全圧 回復効 1. 0. 0. 割 = o

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Fig.6.Variationoftotal-prcssuLrerecoveryWithsuction

24) massflow fors3Vera】extentsofporcLSarea fI:Tota】press.ire q:Dynamicpressure

率 と攻込量 を入 口か らの無次元長 さをパ ラメー タに して示 した ものである｡図か ら分 るよ う に､最′トの吸込量で効率 の最大 になる吸込 み範 囲は入 口附近であ り､吸込み部分が後方 まで 広 が るにつれて効率 の最大 となる吸込量 は次第 に大 き くな ってい る｡ 25) 最近古屋 らは､円すい形 ディフ ューザで､入 口にス リッ トを設 けて吸込み を行 ない､ディ フ ューザのエネル ギ損失 を実験的 に求 め､有効 な吸込量 について検討 してい る｡図

7

は損失

琉球大学理工学部紀要 (工学篇)

25) Fig･7･ CoefficientofJossoff】ow ; versISSICtionairq.lantity q/Q

21 係数 と吸込量 を広が り角 をパ ラメータとして示 した ものである｡吸込みによって広が り角の 大 きいものでは､損失係数 を著 しく減少 させ ることが出来 ､広 が り角600の場合で も0.2以 下に減少 させ うることを明 らかにしてい る｡ また､吸込みによる効果は入 口の境界層厚 さを ゼ ロにする吸込量 とし､この 目安 として

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0-401

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lの値 を境界層の理論式 よ り求 め､その 実験的実証 を得ている. ここで馴ま主流量､軌は吸込量

､D

lは ディフューザ入 口直径､ elは 入 口の運動量厚 さである｡ 20).26) 古屋 らは さらに吸込みによる二次元ディフューザの性能改善 に関 しての研究 を行 ない､デ ィフューザ内の流れの様子､有効 な吸込み位置や

3%

以上 の吸込みがエネルギ損失軽減 に有 効であることな どを明 らかにしている｡ また吸込みによる効率改善は広 が り角の大 きい もほ どその効果は大 きく､広 が り角300､600でほぼ広 が り角100の吸込みなしの値 と同 じになる ことを示 してい る｡

22 山里 :広が り角の大 さいディフューザの性能特性について

36) velocitydistributions

20-30

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A- 3 q毛

1/Q-01■

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Fig･8･(a)Eff∝tofslitsuctio_aon Fig.8. (b)Eff∝tofs)itsuctiononve

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A-3 q匂

Fig.9. (a)王khaviorofdiffuserflows Fig.9. (b)Behaviorofdilfius3rf】ows

琉球大学理工学部紀要 (工学簾) 23 図8は三孔 ピ トー管 を用いて測定 したディ フューザ内の速度分布 を示 した もので ある｡ また 図9はディフューザ入 口よ りかい炉灰 の火粉 を流 して上面 よ りとった流線写真 である｡流 れ の写真 は火粉の慣性 のために流れの細部 を正確 に示 してい る とはいえないが､吸込 みによる 変化 を定性的に表わ してい る｡広 が り角300においては､吸込 み なしの場合 ､流れは広 が り 面の一方 に強 く偏流 してい るが､吸込畳 が増加す るにつれ て､偏流は次第 に消えて流れ に対 し対称性 を保 つ よ うにな り､逆流領域 も縮小 されてい る｡ また､広が り角60? においては､ 吸込みなしの場合 ､流れはジェ ッ ト流 の型 をしてディ フ ューザの両広が り面 か らは く離 し､ デイフェザ出 口後 ､下流 ダク トの一方 の面 に偏流 してい る様子 がわか る｡ この場合 も吸込み によ って逆流領域 は縮少 され るが完全 にはな くな らず偏 流 も盤分 か消 えず に残 ってい ること が分 る｡ 271 生井 らは 側壁の長 さを一定 に し､ 広 が り角が 00-520 の範 囲 に変 え られ る二次元ディフ ューザ を用いて種 々の多孔壁 よ りなる側壁 よ り一様 な境界層 吸込 み を行 ない､吹込 み の 状 態 ､吸込量 を変 えた場合 ､ディフ ューザ性能 が どの よ うに変 るか を実験的 に調べてい る｡ ディフューザの性能改善 として､吹出 しによる境界層制御 を行 な った研究 はほ とん ど見 当 28) らない｡古屋 らは面積 比2.22:1､-定の曲率わん曲 (相 当広 が り角320､400､600､) よ りなるディフューザ を用いて実験 を行 ない､圧力 回復効率 を最大92%まで増加 させ ることが 出来 ると報告 してい る｡ (29) 30) Valentineらは面積比2 :1､広 が り角230の円すい形 ディ フューザ､Woodは面積 比1.9:

1

の急拡大 円環 ディフューザで､入 口部 に うず発生器 をおいて流れ に回転 を与 え､回復効率 31) を約30%増大出来 ることを報告 してい る｡ またAndresとPetersは､ディフューザの上流 に ベーンをおいて流れに回転 を与 え､回復効率 を約15-20%高 めて､回転流が効率 の増大 に非 常 に有効 であることを明 らかに してい る｡ 12) C∝hranとKlineらは二次元 デイ フユザで平 らなべ- ンを用 いての実験 を行 ない､それ に よってディフューザ内の流れの様子が改善 され､300以上 の広 が り角で回復効率 がベー ンな しのものに比べて約32%も増大出来 ることを明 らかにしてい る｡ベー ンの最適形状の規準 に 関 しての実験 もな され､ベー ンはディフューザ入 口部 にそれ らの通路角度 を約70 にして等 間隔 に配列 した場合 が もっとも有効 である と述 べてい る｡ 6 む す び 以上 ディ フューザの性能 にお よぼす因子お よび広 が り角 の大 きいデイ フユ-ザで性能改善 のために用 い られ ている境界層制御の方法についてその概略 を述 べた0 ディフューザ内の流れの機構 については､今後 さらにもっとくわ しい研究 が必要であ り､ それによっては く離 の発生 の規準､ス トール の状態､壁面近 くの流れ の様子 ､偏流 の状態 な どが解 明 されれば性能改善 のための最良な境界層制御 が可能 となるで あろ う｡ 最後 に､有用 な資料 を与 えていただいた各 引用論文 の著者 に心 か ら謝意 を表 します｡ 文 献

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