傾斜溝 による遠心送風機旋 回失速 の抑制効果 坂 口 大

傾斜溝 による遠心送風機旋 回失速 の抑制効果

坂 口 大

作

植 木 弘 信書･孫 自 祥●

Ef fe c tofBe ve l e dGr oo ve sonSuppr e s s i onofRot a t i ngSt a l l i naCe nt r if uga lBl o we r

by

Da i s a k uS AKAGUCHI + , Ma s a h i r oI S HI DA ' ,

Hi r o n o b uUEKI 'a ndZi x i a ngS UN+

I nor de rt os uppr e s st her ot a t l ngS t a lli nava ne l e s sdi f fus e ro fac e nt r if uga lbl owe r ,s t r a i ghtb e v e l e dgr oove sa redi s ‑ t r ibut e dc i r c umf e r e nt i a l l yont hehub‑ s i dewa lla l onea tt hee nt r yr e gl OnOft hev a ne l e s sdi f fus e r . Thee f fe c toft hegr oov e a r r a ng e me ntont her o t a t l ngS t a l li nc e pt i onwa se xa mi n e de xp enme nt a ll y･ A s ar e s ul t , i ti sf oundt ha tt hef lo wr a t eofr o‑

t a t i ngS t a l li nc e pt i onWa sde c r e a s e dbya bout1 0%,ho we v e r ,as ma lldr opl nt hedi f fus e rpr e s s u r er e c ov e r yf ol l o we d.

Andi ts e e mst ha tt heuns t a bl ef l o wi nc e pt i oni ss uppr e s s e dbyt hel o c a lr e c i r c ul a t i onf lO wf or me da tt hehub‑ s i d eoft he di f f us e re nt r yr e g ion, whi c hi sf o r me dt hr oug h t hegr o ov ea rr a nge me n

1.まえがき

遠心送風機の羽根 な しデ ィフューザでは,流量 を減 少す る とデ ィフューザ壁面上の三次元境界層が剥離 し, いわゆるデ ィフューザ失速が発生す る. この失速が発 達する と,旋 回失速 などの不安定流動 を伴 い,正常 な 運転が困難 になる.近年,旋 回失速初生流量 を低流量 側へ移行 させ るための様 々な研究が な されてお り,例 えば黒 川 ら⁽1⁾は羽根 な しデ ィフューザ壁面 に配置 され た浅い放射状溝す なわちス ワールブ レーカが有効であ るこ とを示 した.放射溝 の効果 は,デ ィフューザ入口 における主流 と溝 に沿 って逆流 した流れ との混合 に基 づ く周分速度の顕著 な減少,お よび逆流 した流れが主 流へ戻 ることによる半径分速度の増加であるとしてい る.デ ィフューザ における逆圧力勾配は遠心力 と主流 の減速 によって支 え らているか ら,入口において周分 速度が減少 した分 だけデ ィフューザの圧力上昇が減 じ

られることになる し, また,主流 と逆流の混合 によっ て圧力損失が必然的に発生す る. この ような放射溝 は, 羽根車 出口全庄 に占める動庄の割合が小 さい場合,す なわち反動度の大 きな羽根車の場合 には,デ イフユー

ザ入口動圧が小 さいか ら安当か も知れない.

筆者 ら(2'は,羽根 な しデ ィフューザ において生 じる 旋 回失速 について,その発生原 因がハ ブ側 の三次元剥 離 にある と推定 し,その実験的検証 を行 った.す なわ ち,羽根車出口の シュラウ ド側 を部分的に塞 ぐことに よってハ ブ側の半径分速度 を増加 した ところ,顕著 な 旋 回失速抑制効果が得 られた.一方,逆流が シュラウ ド側 に存在す る場合 には,逆流 は シュラウ ド壁面 に沿 って滑 らかに羽根先端隙間内へ流入 し,ケー シング壁 面上 に剥離環が形成 される位置 に到達す るまで に羽根 通路 内へ再流入 して羽根車 によ りエ ネルギ を再 び付加 され,安定 した循環流が形成 されるため不安定流動の 発生 には至 らない.

逆流がハ ブ側 に存在す る場合 には, シュラウ ド側の ように循環流が形成 されることはな く,逆流 はデ ィフ ューザ入口において,羽根車か ら流出す る非軸対称流 れ と直接干渉 して不安定流動 の発生要因 となる.すな わち,旋 回失速 を抑制す るには,ハ ブ側の剥離 を直接 的に抑制す るか,あるいは,逆流 に対 して適切 な循環 流 を形成す ることに帰着す る.

平成

1 2

4

21

'機械 システム工学科 (

De pa rt me ntofMe c ha ni c a lSys t e msEngi ne e r ing)

1 3 2

Fi g.i Me r id i o n a l s e c t i o no ft e s t b l o we r

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o ･ 6 0 ･ 4 0 !te j tZa Jt2 8 ^ 0 0｣ 6 (6 a p )

[6 u t2 8 ^ 0 0 ) 6 0 0 0 0 4 3 2 1

Fi g.3 Gr o o v ea re ar a t i oa ndg r o o v ea n g l e

1 . 2

2.

図

1

r 2 ‑25 5

β1 ‑ 2 8 0

β2 ‑45 0

b 2 ‑1 7

1 6

0. 4 3

4 0%

Fi g .2 Be v e l e dg r o o v ea r r a ng e me n t

1 . 8

0. 0 2 9

0. 1 47

2

2. 7

,2 4

1 . 2

,

5

0

2

3

1 0m

1 . 1

5 0%

1 1

° e g.

1 . 2

3 4 d e g .

2

0 r pm

3.

3 .1

図

4

,vs

vs

a)

九 2 ‑0. 0 2 9

九 2 ‑0. 1 47

1 0m

,( C)

九2 ‑0. 1 47

5

の溝の有無 による比較 を示 している.国中の黒印は旋 回失速が観測 された流量であ り,セル数 は 1または

2

25%

してい る流量域 で は

,

vs

ど影響 を及ぼ していない.

溝幅

1 0

2 4

,九2 ‑0. 0 2 9

8. 5%,L 2 ‑0. 1 47

･ 1‑ 至 { 恋 . g Lo g fS

｣}‑ W' n hgr oov e( 10mr n ) ' '‑ ⊂トwi t hou tgr oove

̲ 8. 貞%

O wl

‑ ‑ 亡 トW● hg 一 ℃u r t o o gr v oo e t V lOmm) e

● ●

0. 05 0. 07 0. 09 0 0. 11 0. 1 3 0. 15 ( a)九2 ‑0. 029,gr oovewi dt h‑1 0m m

場合 は

1 0. 5%

4 ( a)

( b)

･ 1 0

, vs

vd

4(

)

,24

5m

3. 2

図

5

R

,

1.1 0

1.1 8

1. 02

. 1

席 盃意義 霊 ユ喜mm,

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. . .

｣05%

‑ . 昔 霊 蹄 濫 e omm ) . ‑. . . ‑

l 0. 05 0. 07 0. 09 0. 1 1 0. 13 0. 1 5

0

( b) 九2 ‑0.1 47,gr oov ewi dt h ‑1

0. 88 0. 26

0. 14 0. 8

茎 wwERgurtqVrO○O(V5em

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召:淵 .qr.W

. e j v S e m)

‑

音 9. h h .

芯 %5 . mm ) . .

0. 05 0. 07 0. 09 0. 11 0. 1 3 0. 1 5 1

( C)九2 ‑0.1 47,gr oov ewi dt h‑ 5

Fi g.4 Cha ngei nbl o we rc ha r a c t e r i s t i cs

1 3 4

している. この静圧上昇量の局所的な低下原 因につい て,各半径位置の速度分布 によ り考察 した.

3.3

図

6は,旋 回失速 が発生 す る直前 の流量 ￠‑0.1 31

vm

vu

02

.1

8

3

.1

0 2

Vu

Vm

0. 90 1. 00 1. 10 R

Fi g. 5 Wa l ls t a t icpr e s s ur ea longt hes h r oud

1. 20

Measur l ng Poi n t

1 . 0

0. 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1. 0

( a)Ra di a lv e l o ci t yVm

く減速せ ざる を得 ない こ とに基 づ い てい る.半径 比

1. 02

Vu

各半径位置 で の外 向 き流量 を比 較 す る と,半径 比 1

.1

0%の増加,半径比1.1 8

7. 6%の増加 してお

8

図

5

02

.1

.1

Vmが大幅 に加速 され,減速 に基づ く圧力上昇が

0%程度増加 していることによる急拡大

2

7

して可視化 した ものであ り,明確 な流跡 を得 るために

(S ＼

Mea sur l ng Poi n t

1.10 H

1.

0

0. 0 0. 2 0

0. 6 0. 8 1. 0 Y

( b) Ta nge nt ia lv e l o ci t yVu

Fi g.6 Ve l oc i t ydi s t r ibut i onbe t we e ns hr ouda ndhub

￠‑0.1 31,九2 ‑0.1 47, gr oovewi dt h‑1 0m m)

Fi g. 7 Pa t hl i n ea n ds e pa ra t i onr ingont h ehu b c a s i ngwa l1byoi lf l l mt e c h ni qu e

￠‑0. 1 9 7

N‑30 00 r pm,九2 ‑0. 1 47,g r o o v ewi d t h

0m m)

羽根車 回転速度 を30

00 r pm

27

傾斜溝 が ある半径比

1 . 0

1 . 2

6

した速度分布 とほほ同様 な現 象 を示 してい る.傾斜溝 外周部 で は,壁面近傍 の流 れ は外 向 きであ り,剥離環

よ り下流 の逆流 は この剥離環 の位 置 でせ き止 め られて, それ よ り内側‑ は流 入で きず ,流れの軸対称性が維持 され る要 因 になってお り,旋 回失速 の発生 を抑制す る 効果が あ る もの と推定 される.

図8は図 6の速度分布 お よび図 7の可視化結果 か ら 推定 され るデ ィフューザ入口部分子午面断面 内の模式 的 フローパ ター ンであ り,傾斜溝 を通 って逆流す る流 れは,羽根車 出口で角運動 エ ネルギー を付加 されて主

Fi g. 8 Mod e lo fr e c i r c u l a t i ngf lo w du et og r o o v e a 汀a n g e me n t

流へ戻 り,図 に示 した ような循環流 を形成 してい る と 考 え られ る.逆流域 の大 きさは,溝が ない場合 よ り拡 大 してい る ものの,エ ネルギーの再付加があ る安定 し

た循環流が形成 されてい る こ と,有効通路面積 が減少 して主流 の流 れ角が増加 す るこ と,溝 の外周部 で逆流 が消滅 し,剥離環 の外側 の逆流 をせ き止 めてい ること

な どが,旋 回失速 の初生 を抑制 した もの と考 え られる.

4.

遠心送風機 の低流量域 で生 じるデ ィフューザ部 の旋 回失速 を抑制す る 目的で,羽根 な しデ ィフューザ 入口 部分 のハ ブ側 壁面 に深 さ

2. 7m,溝 帽1 0m

4

5% ‑ 1 0. 5%低流 量側 ‑ 移行 で きた.溝 を

終 りに,本研 究 について終始懇切 なア ドバ イス を頂 いた九州大学 の妹尾泰利名誉教授 ,な らびに速水洋教 授 に深 く謝意 を表す る.

参考文献

(1)黒川 ･ほか

4

,6 4‑62 0( 1 99 8),1 67‑1 7 3 ( 2)

3

5 4 ( 2 000),2 3‑2 8

( 3)

,1 7‑6 4

( 1 9 97),46‑5 0