機械工学教室松　永　成　徳 三井三池製作所　飛

ターボポンプの系統的設計とその特性に関する研究

       （第3報）

開放羽根車先端圧力の分布状態

（日召和50年10」ヨ31日  垢〔稿受1…【！）

機械工学教室松 永 成 徳

三井三池製作所 飛  田  二  雄

機械工学教室 （大学院）  荒    尾   直   道

機械工学教宝（研究生）井上雅文

Study on the Systelnatic Design of Turbo−Pumps and  Their Performance Characteristics（3rd Report）

  一一The Pressure Distribution over

       the Shroud Casing of an Open−lmpeller一

by Shigeno1 i MATSUNAGA   Naomichi ARAO

  Tsugio HIDA   Masafumi INOUE

  In order to obtain a better凹nderstanding of tlle日ow phenomena in turbo−pumps， the in−

stantaneous pressure on亡he shroud casing of an impeller pump was measured．

  The impeller has four blades and the rotational speed was 1000 Tpm． The pressure Huotuat・

ed with the fundamentnl frequency of 3311z．

  The pressure gradie皿ts in tbe direction of periphery and also in the direotion of fllow are illustmted in 6gur巴s． There are four kinds o「state of e［1ergy−transfer ill this impeller， and the regions of each state are distinguished clearly． Significant changes of lhe regions depending upon the flO¶卍 rate are sho、Ψn in detail，

       流体とした場合高辿に変動する圧力の点測定が，導圧管

1・まえがき       などの酬を受牌す、、ため，プ。一プ酬測、ととも

 ターボ羽根車設計の一方式として水力損失を羽根数，   に回転させる特殊な装置としたり，熱線流速計を用いた 通路幅，羽根角度および揚程係数の関数として近似し，   例が多い3）。

分割羽根の水力効率を求めて羽根形状を決定するA．   本報告はターボポンプの流れの瞬時状態を測定し．水 DE KOV且TSの方法を応用した結果については既に報   力拍失の分布を明らかにする実験的研究の一部であり1 告しだ川。特性試験の結果によれば，正規点の特性仙   開放形羽根車のケーシング壁面瞬時圧力の分布を求めて は推定値と比校的良好な一致を示したが，低流量域の持   内部流れの状態を推測したものであるウ測定は水を作動 性は傾向的に一致する程度で，さらに詳細な流動状態の   流体としているため．高速変動圧力測定に良好な精度が 解明が望まれた。      期待できる。

 しかるにターボ羽根車の内部流れは本質的に非定常牲

      2．記   号 があり，瞬時値を精度良く測定することは容易でない

が1回転する羽根車の特性，特に羽根車効率の正しい平    D・ξ 1羽担車出口先端直径 均値を推定するにはその分布まで立ち入る必要がある。    D， ：吸込管内径 従来ターポ羽根車内部流れの瞬時値測定は，空気を作動    8  ：重力加辿度

 H  ：全揚程

 払np川：インプツトヘッド

L．、水動力        巴   6

 π  ：回転数      面      9

P 、静圧       審      10

 9  ：吐出し流量       唱  r  ：各取圧孔のポンプ軸中心からの半径      巴  5  ：翼弦上の前録からの距離

 丁  ：データ補正時間      透明ケーシング

 ∫f  ：y一こ起因するデータ集録時間差

 f、  ：サンプリングに起因するデータ集録時間差  μπ  ：羽根出口先端周速

 μ∫． ：羽根入ロ先端周速  恥  ：吸込管内平均子午面速度

 γ  ：羽根間周方向の羽根背面からの距離 ッ，  ：羽根と各取圧孔との相対的距離  2  ：各取圧孔のポンプ軸中心からの高さ  r  ：水の比重正

 β   ：羽根入口取付角  β、  ：羽根出ロ取付角

 φ  ：流量係数       一

 ψ、 ：静圧係数      図1取圧孔位置

 ψr ：揚程係数

       きを行なった上で閉管路にする。つぎに回転数を1000  π  ：動力係数

       rpmに固定し，予め求めておいた図2に示す特性曲線  η  ：ポンプ全効串

       上の31・13種の琉量点（EXP． No．1〜13）で迎転する。

       圧力は半導体圧力変換器およびプリッジヘッドによって  3． 実験装置および方法

       感度および零点を調整され，電圧に変換される。モの電  実験装置全体の骨組および特性試験の方法 土前第2  圧は直琉増幅器で増幅され，ディジタル式データ集録装 報と同様であるのでここでは省略する。         置により記録される。そのディジタル情報を柾テープに  供試ポンプは羽根数4枚であり，設計点における値は   出力して電子計算機により計算処理する。

吐出し量151n3／min，全揚程6m，回転数コ090 rpm    データ記録の前後にはポンプを一時停止して，定圧発 である。なお供試ポンプの主要寸法は第1報に掲載して   生装置による既知圧力を圧力変換器およびマノメータに いる。      より同時記録し検定データとする。圧力変換系のデータ  ポンプケーシングには図1に示すように羽根」巨に対向   は紙テープデータとして，その他の記録データはカード する壁面静圧測定用タップを計12個設け，そのうち6   データとして電子計算機への入力とする。この検定デー 個のタップに共振ゲインを低下させるための制助管を装   タにより尺度係数および零点圧力を決定し，測定電圧を 着した定格2kg／cm2の半導体圧力変換器を取り付け   圧力仙に変換する。

る。

 実験の手順はまずポンプ配管系を水で満たし，空気抜

4．データ処理

 本実験においては，高速に変動している壁面静圧の瞬 時値を高速記録可能なデータ集録装置により測定するの で，データの分解能力は非常に高い。

 供試羽根先端を直線翼列に近似的に展開すると，羽根 形状と壁面取圧孔との位置閏係は図3に示すようになっ  謹 ており・2番取圧孔は前緑直後，9番取圧孔は後縁直後  昏 に位置している。ただし入口取付角β∫＝9．5・，出□取 付角β・＝11・9コ・羽根厚み5mmである。羽根入口先 端が2番取圧孔に達した場合を基準忙した各取圧孔と羽 根先端との周方向距離y」は表1に示す伍となり，羽根 に対する圧力測定位相の遅れをもたらす。運転中の壁 ^loo 面静圧はAD変換装置の最高サンプリング周波数6×  80 103Hzで記録するが12番取圧孔を基準にしてそれぞれ の取圧孔【こは（1／6）X10 3sec破録時間差があり，羽 6 根に対して位相進みを生ずる。したがって羽根間圧力分

布を決定するためには概位雛を概する必要力1あ 4°

る。すなわち各取圧孔と羽根先端との相対的な位置のず  20 れによる時間差∫rとサンプIJング忙起因する時間差fま とを式（1）の丁目）だけ圧力波形を羽根に対して進め   0

1514 P31211

      13112H1098716

       0＿05      0．10      0．15 る。       φ

   τ（∫）一、、（、）一、、ω       図2押・11°°ポ 鰍元雛幽

     ＝＝γ1（1）X60／（2πτ（ ）刀）−r5（∫）    ・・・… （1）

ただしr賂取圧孔醜号であり，はポンプ軸中心 ．  ＼・＿   詑

か二鑑㌶霊㌶㌶欝；三・一嚇 〒ミぎ工締

（1）特性試験の状態を読み込みそれを出力する。      1  −−y

（2）電気計測系の尺度係数を算出しそれを出力する。      123㎡己孔温｝89川112

（3）掴転目の紙テープのデータを読み込みそれを出  図3取圧孔と羽根撲との位置関係

（4）データの位相を補正し尺度係数を用いて電圧値を      表1 取圧孔の周方向位置と集録時間差

  勘値ρへ変換Lρを出力する・    1旺孔番号

（5）圧力の論回転目までの累加平均を行なう．       （D

（の圧力の無次元係数ナ、を計算しそれを出力する。     2

（7）ψ・の掴媚までの累加平均を行なう・   ；

（8）10回転の処理を行なうまで（3），（4），（5），（6）     6

  およびのの計算を融返す。     ；

（9）圧力の10回転分の平均を出力する。

（10）ψ、の10回転分の平均を出力する。

y」（ ）

lml 0 0．045 0．159 0．227 0．270

r （ ）

Im1

    コ

0．350      0．1903     ｜

0．1803 0，1815 0．1847 0．1B69 0．1883

 r、 （」）

×10−3【se司 0 1／6 2／6 3／6 4／6 5／6

（・ユ）1回転分に集積平均したψ．を‖寺間齢しモれを 5・実験結果

   出力する。       取圧孔番号2，3，5，6，7および9における壁面静

（12）圧九ψパよ碑・刎鋼齢を・ピ・チに集 圧は羽根出酷酬醐で無次元化され証力係蜘，

   積平均し，モれらを出力する。       の羽根問分布状態として示される。

阯の流れ図を図4に示す・      図5はψ、の羽根蛭周に枇醐布で．③は最高

特性試験の状態の翫み込古と出力

START       かつ全圧が上昇する領域・（C）相対迭度が減速しかっ    、  ．      全圧が低下する領域，（d）いわゆるはく離（全圧一定）

の頗域の4領域に5｝類して考察する。

電気計測系の尺度係数の算出と出力@        大流量（1）の場合，羽根入口の圧力が羽根腹面付近

k回転目の抵テープデータの読み込みと出力 データの位相補正、電圧他の庄力他への変挽およ び圧力伍の出力

圧力のk回転目までの梁加平均 ψ。の算出と出力

ψ，のk回転目までの累加平均

k≦10

YES

で急激に上昇し，しかも羽根而に沿って圧力は低下して いる。これは羽根腹面近傍では全圧は上昇し．静圧は低 下していることになるので，相対速度が大きいことを示 す。すなわち（b）領域である。羽根腹面近傍流線の中 央より出口まで，および羽根背面近傍流線の入口から中 央までも同様に（b）領域である。

 また羽根間流路の中央では入口から出口まで相対流線 に沿って圧力は上昇しているが，全圧上昇が停止してい るので，相対速度が減速されており，（c）領域である。

圧力の1。回転蒜、一の出プ］  羽根背面出・近傍・／r−…一・・9では綱域（d）

がある。

ψ・の酬轍刎II責平均の出戊コ

@   低湘（5）の場合（b）頗域は，（・）とほぼ一致し

ψ・の時間微分と出力       ているが，モの範囲は狭くなっている。また（1）と異  圧力、ψ．およびψ、の時間徹分の1ピッチの集積平均と出力   なり（C）領域はみられない。      ・

      END       最高効率流丑点（3）の場合 （b）領域は羽根：背面近       傍流線の入口および羽根腹面近傍流線の出口にわずかに

       図4データ処理流掴    みられる離でありほの鵬（。）鞭である。

効率齪点，（・）および（5）はそれぞオ・最高効串蹴  図7翻根面上班力肺を示したものであり・灘

点翻根柵、梢する。      小湖点（5）の胎羽根緬上の圧加入゜近傍

全体的にみると圧加羽根輌剛加て次第に上昇 ではなはだしく低下しており その後隠激吐肌て

し，羽根腹面上で最大に達している。モの後圧力は急激   いる。

に低下し再び羽根背駈で蜘こなっている。脚の 大雌（i）の継羽根腹面上班加入゜近傍で

最大と最小の差は羽根表勲圧力差すなわち羽根鮪を かなり低下し 図6より全圧駐昇しているのではの

在する脈先轍れの影響によりそ班力差 よやや小 加辿・近敵急激吐昇しており・図6より全圧上

さくなっている可麟がある。嚇の流量にお・ナ班力 昇がみられないのではく離部分である・

の変化状態砒較するど満の砂につれて圧プ・勾配 嗣解湘間の齢羽根腹面の入゜近傍で圧

漱きくなっておりば揚程が増加すること｝・なる。 力低下がみられるが・大湖醐合と比較するとその度

4ピ。チにわた翻酬圧力分輪相似性は良好であ 合はかなり離されて・・る・また羽酬耐の圧力分布

：㌫禦集積平均によつ柵f動状ごわは監㌫ンプ卿の羽根先端を一醐

献肝の獺1、おいて汰硫点，最商効率櫛 列に展肌・獺間のψ・の鞠線すなわち駆線を描

点…蜘表示は図5と臓れそれ（・Σ（3克贈㌶灘㌶膿璽：㌶㌶

議三㌶耀鶏：鷲；㌫麟㌶㌶㌶：㌶難

鷺襟蒜㌶㌶欝葦羅標つ㌫硫（3） ，＿羽綱から（・一÷）・

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腹面 背面

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0       ユ 2      3 4

yハ 図5  10回集積平均静圧分布（羽根車全周）

      i｛    上昇が停止しているが・その他の繊で鱒圧線は羽根

       線は勾配をもち，全圧が上昇している。

      一

      珊肛     低硫（5）の胎流路の各流線i・沿って圧力低下

        −02      士2        1／2）∫の領域では，流線方向の圧力勾配 ま大きいが，周        φ＝ρ】095      方向にはモれほど勾配は大きくないので，全圧上昇は静        ψ・弍2162      圧上昇ほど大きくはない。さらに（1／2〜1）∫では全        NJ100

       圧，静圧ともに勾配が極めて小さい領域がある。この領  o  川ylt I o ｛3〕岬 1 0  ㈲ 蜻1  域は周方向にもかなりの広がりを持っているため，エネ  図6 40回集積平均静圧分布（羽根間1ピッチ）    ルギ損失が大きい可能性がある。

弍 。EX只。。．1       大蹄（1）の場合・羽根背面近傍端の（0〜1／2）∫付

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Φ    3       近で圧力勾配は流線方向にも周方向にもともに小さい。

・ ・   ＼．＿へ． ま帥央繍の（1／2）1付近で圧力低下力 見られる・

      〆 、  、

               、：   6．あとがき

   ！〆す… 斜流ポンプの内部綱態を解明する手段の、つとし

ア

  i ∠   」 て硝放羽根に対向する壁面静圧の恥値を測定しそ

』已∠／／方  援c灘1羅二耀：

i       その結果羽根先端の流れは複雑な要因が考えられるに       もかかわらず，流れのエネルギ伝達の状態をかなり明ら 1      かにすることができた。すなわち，羽根聞琉路でのエネ i         ム吸込み管圧力      ルギ変換形態を相対速度および全圧の組合せで（a）減

、         ∧吐出し管圧力       速かつ全圧上昇，（b）増速かつ全圧上昇，（￠）減速か       つ全圧低下，（d）はく離（全圧一定）の4形態に分類       し，大流量，定格流量および小流量の3運転状態におけ       る，ζれら形態の領域を実験的に把握した。

 2 3     5   6 7   9     最後に，本研究に多大な援助と協力をいただいた三井

       取庄孔麟      三池製作所飯野富士臨高松暎の両氏，および実験に

5＝° 釦 m 櫛 鍋認  熱心に協力された本弊業生花田端井上和幸，川

    田7 羽根面上の圧力分布         田勝三の諸氏に深く感謝の意を表する。またデータ処理        田o   似。 立5 。  は本学情報処理施設，OKITAC 45GOによったことを

       ψ・吐15 働   臨         1） 松永ほか3名：九州工呈大学研究報告，26号（胡

      ・    ．      φ＝OI凹5        4B，3）， p．51●

瑞毛  。卿1。±⊇白＝幽  2）松永ほか3名・九州麟大学研究報告・26号（昭

      〔訓      48。3）， P． 63・

       ・一晒靱 叫    3）LAKSHMINARAYANA・A・P・B・・P・S・U・

       Report， AERSP70−1，（July，1970）．

      r 1：擁

一〇ユ0一立15−0．1−0』5 00」日 0．10田502n

      べちコ

       囲8 羽根間等庄分布