JPS61501463A

JPS61501463A - 流体羽根車ディフュ−ザと操作方法

Info

Publication number: JPS61501463A
Application number: JP60500264A
Authority: JP
Inventors: ゲリ−・ウルリツク・キ−ス
Original assignee: ゲリ−・ウルリック・キ−ス
Priority date: 1983-12-21
Filing date: 1984-12-18
Publication date: 1986-07-17
Also published as: IT1179887B; AU3786685A; IT8468274A0; GB8334120D0; WO1985002889A1; EP0167554A1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】流体羽根車ディフューザと操作方法この発明は軸流羽根車と組合わされて流体流れの運動エネルギーを静圧に転換するのに広く用いられる種類の流体流ディフューザに関する。例えば軸流ファンの場合、ディフューザは通常円錐形状を有する。こうしたディフューザ形状の効率は円錐体の発散角に応じて変化し、約１５’の開先角度が大抵の場合最適とみなされる。これよりも小さい角度はディフューザの長さを増すだけで効率はほとんど変わらず、より大きい角度は効率を漸次減じると共に、ディフューザ効率の大きな損失を伴うディフユーザ壁からの流れの離脱という危険を増す。１５°開先角度を有するディフューザは実際上構造が太き（、製作費が高価なものとなったり所定’ＡＮ内への組みこみが困難となる場合もある。

従来のディフューザの大寸法から生しるこれらの欠点が故、急激に広がる通路の壁に流体を付着させる手段を見出すことにより比較的短寸の効率的なディフューザを製作せんとする多くの試みがなされてきた。これを達成する種々の形態の境界層フロー制御が開示されたが、そうした手段の使用に伴う複雑さやコストのため広く採用されるには至っていない。これまでに調査された別の手段は定在渦層を用いてその直線軸に沿って通る流れを発散させるものであった。例えば、間怠配置された２本の異径円形ダクトの連結部において、その外径が大径ダクトの径と同径で、その内側が小径ダクトからの流出流と一致し、かつ、その運動が流出流と両立し得る定在渦層が形成され得るとすれば、その場合には渦作用により小径ダクトからの流れが渦運動に従って発散させられ大径ダクトの径いっばいまで広げられることが予期されよう。

実際には、一対の同芯状円形ダクトを単純に配置させただけでは上記効果を現出するに足る渦を発生させることはできない。この理由の一つは小径ダクトからの流出流により生成される渦が、半径に比例する渦内角速度を有する強制型だからである。こうした渦の中心部の圧力は外周部の圧力よりも高いため、渦が広がる傾向がある。

実際上最終的に発生するものは、拡散効果の少ない大径ダクト内の外側流れの大きな低速再循環にすぎず、小径ダクトから排出される高速空気の中心部が残される。

こうした配置による現出効果に及ぼす他の要因としては小径ダクト内の境界層特性、及び流れにおける何らかの不均一性などがある。それにもがかわらず２本のダクトの連結部の特殊な幾何学的配置構成により、少なくとも実験室条件下で安定渦層を生成することができ、また、特定のフロー制御手段を導入することで同一結果を得ることができる。上記構成は流れを拡散させるのに定在渦層が効果的であるということを立証するのには役立ったが、実際的に広く受け入れられるような問題解決策を与えるものではなかった。

流体羽根車を備えた改良拡散を提供することを目的とする。

もし渦層が半径に反比例する角速度を有する自由型であれば、その中心部がその外周部よりも低圧となろうからそれ独自の自然安定性を有するであろう。ある特定条件下では軸流羽根車の羽根先端の直接作用によってそうした渦が生成され、そして羽根車からの流出流がその渦作用により拡散されることを私は見出した。

したがって、この発明は羽根先端により推進され前記羽根車を通過した流れを拡散させるように旋回する渦層を形成、そして安定状態に維持することができる空間を部分的に形成するような軸流羽根車の羽根先端の上流側構造を提供するところにある。

羽根先端あるいはその近辺に渦を発生させる関連構成を有する流体羽根車に関する多くの他の装置が知られており、例えば、アメリカ特許３０１１７６２．３８７２９１６，３９３４４１０゜４０６１１８８．４０５０８４５　、フランス特許２０３４４０６，２０９６６３９．及びイギリス特許１５０２０００．２０３４４３５゜これらの例嘔おいては重要な拡散プロセスがなかったり、又は、羽根車の羽根先端の面上にかつ密接して閉ダクトが存在する根拠、あるいは渦中心部が構成物で満たされている根拠、あるいはダクト又はその他の境界構成部によって形成された羽根車の直上流の通路が羽根車の羽根先端よりも径が大きいか、又はこの発明に記述の渦を発生することのない形で羽根先端近くで羽根車を直通過する境界流線を有す根拠が存在する。拡散プロセスに関する特許としては、羽根車の羽根先端の作用は関与するが定在渦層は関与しないアメリカ特許３４４７７４１や、渦層による拡散に関するが羽根車の先端とは直接的関連性を有さないイギリス特許９７００４７及び１３１４８１９が更に参照されよう。

この発明を添付の部分概略図を参照した例によって説明する。

第１図は２本の異径円形ダクトの接合部にそれらと同芯状に設けられた羽根車の断面図で、羽根車の羽根先端に発達した渦層を示す図、第２歯は軸流ファンに使用したこの発明の一実施例の断面図、第３ａ、ｂ、ｃ、ｄ図は渦層が発達する空間を部分的に形成するのに用いられる種々の構成体の部分断面図、第４図は２段式のファンに使用したこの発明の一実施例の断面図、第５図は上流案内羽根を備えたファンに使用したこの発明の一実施例の断面図、第５ａ、ｂ図は下流案内羽根を備えたファンに使用したこの発明の一実施例の断面図、第７図は下流案内羽根を備えたファンに使用したこの発明のもう１つの例の断面図、第８図は内燃機関冷却用ファンに使用したこの発明の一実施例の部分断面図、第９図は空気に用いるダクテフドプロベラに使用したこの発明の一実施例の断面図、第１θ図は舶用プロペラに使用したこの発明の一実施例の部分断面図、第１１ａ、ｂ、ｃ及びｄ図は選択的なダクト装置の部分断面図、そして第１２ａ、ｂ及び０図は選択的な羽根車の羽根先端形状を示す部分断面図である。

第１図において、モータ２に駆動される羽根車１は２木のダクト３，４の接合部に同芯状に取付けられ、ダクト４がダクト３より大径であり、くぼみがダクト４側に向いた環状のＣ断面部材５によって両者が連結されている。羽根車１の直径は小さい方のダクト３のそれより少し大きく、羽根車１の先端が、矢印８の向きによって示される上流側が部材５によって境界づけされるダクト４内の空間７へ突出するよう羽根車１が配置されている。

矢印８の方向に流れを生じさせるように羽根車が回転させられると、羽根６の先端の作用で先ず前記空間７において強制渦が発生する。このとき羽根車１の羽根６の先端は普通の自由渦を流しだし、これらが強制渦に吸収されると後者は低圧中心１０をもつ安定自由渦環に変わる。

この渦９の作用は小径ダクト３を通って吸引される流れに対して径方向外方へ転向させようとする動きを与えるため、ダクト３．４の壁に近接した流線が示された進路１１をとることになる。その結果、羽根車を通過する流体流れの効果的な拡散が得られる。

第２図の実施例において発明はモータ１３に駆動される羽根車１２からなる軸流ファンに応用され、両者は羽根車１２よりもかなり大径の円形ダクト１４に同芯状にステー等の構造物（図示せず）を介して取付けられている０羽根車のすぐ上流のダクト１４内に取付けれたＣ形横断面をもつ環状部材１５は外径がダクト１４の内径のそれに等しく、内径が羽根車１６のそれより小さいため、羽根車の羽根の先端が部材１５の径方向部分とラップする。図示のように環状部材１５はそのへこみ側が羽根先端とダクト１４の下流部へ向くように配置されている。

作動流体を矢印１７の方向へ送るよう羽根車が回転させられると、第１図との関連ですでに述べた態様で安定自由渦環をもつ流れの形が発生する。このような構造は効果的な拡散をもたらし、ラッパぐち、羽根車に近接してとりまくケーシング・フィティング、円錐形ディフューザを必要とする従来構成のそれより簡単である。

背後に渦層が生成する環状部材はＣ形以外の横断面をもっていてもよい。

第３ａ図の構成において環状部材は、ダクトから内方へ先ず下流向き右方向に弧形凸状に延び、下流方向へ向く凹面をもつ反対方向に弧状に屈曲した内方部分に推移し、羽根車の羽根の先端１６より径方向内方で終端するＳ形なし波形の横断面１日をもつ。第３ｂ図の構成では環状部材はダクト壁から羽根先端１６へ向かう後方内方への傾斜２４をもつ直線状の横断面を形成する。第３ｃ図の構成では環状部材は２個の直線部分からなる横断面２０をもち、その外方部分は羽根先端１６へ向かって内方へ急角度で延び、内方部分はより緩やかな角度で延びている。第３ｂ、３ｃ図に示すように羽根先端１６は環状部材１９．２０の内端より少し内方で終端しているが、作動時において環状部材を通過する流体流れは環状部材のすぐ下流においてよく発達した縮流を生成させることが理解されよう。羽根先端１６は縮流の境界の外方へ突出するよう配置され、前述のように自由渦環を発生させる。このような構成は、取付け、取外しの目的で羽根車全体を環状部材の開口を通すことができるから、下流側への出入れが制限をうける場合の設置に好都合であろう。第３ｂ図の例において角度２４は直角でもよく、第３ｃ図の例において外方部分はダクト壁と部材２０の内方部分に対して直角でもよい。第３ｄ図の構成において環状部分は、取付け、取外しを容易にするために、径方向外方部分がダクト壁を通って径方向に延びてフランジ２３の間に固定された大体Ｊ形の断面２１をもっている。径方向内方部分は弧状に後方へ延び、凹面を下流方向に向けている。

本発明は前述の態様で、各段間、あるいはいくつかの段において、あるいは最終段だけ縮流を発生させる多段ファンの各段に採用することができる。２段ファンの最終段に採用した例が第４図に示されている。各段の羽根車が同径であることが望ましい場合が多いであろう。このような２個の羽根車２６．２７が一対の背向モータ２８，２９の反対側端に取付けられている。上流の羽根車２６は適宜形状の入口３０を備え、環状ケーシング３１がこの羽根車を囲んでモータの周囲の後方へ延びている。第２の羽根車２７の上流においてケーシング３１は近づいてくる流れを内方へ向ける短い、内方テーバ状の円錐部３２を備え、これにより第２羽根車２７の先端が前例のように自由渦環を発生させることができる。すでに述べたようにこの渦を位置づけるためにＣ形断面の環状部材３３が設けられている。

軸流ファンには一般に案内羽根が採用され、これらは羽根車の上流または下流に設けることができる。第５図に示す例では羽根３４が羽根車の上流に設けられ、ケーシング３５内に囲まれている。渦はこのケーシングの外側でＣ形断面の環状部材３６の背後に形成され得る。この渦の大きさを減少するために、外側のダクト３８と案内羽根３４用の内側のケーシング３５の間の空間にもうひとつのＣ形断面の形状部材（破線で示す）３７を導入してもい。この場合、他の例と同様に部材３６．３７の形状はＣ形断面に限定されない。

案内羽根が羽根車の下流に設けられる場合は、それが効率的に作用するために種々の手段を採用することができる。第６ａ、６ｂ図に２つの可能性が示され、第３の可能性が第７図に示されている。第６ａ図で、羽根車の羽根より小径の短い環状ダクト３９内に案内羽根が設けられ、羽根車の羽根の先端４０が前記短いダクト３９の外側に渦を発生させる。第６ｂ図では短いダクトが省かれ、流れは矢印４２のように羽根４１間を径方向外方へ自由Ｑこ通過する。第７図で、薦内羽根４３は拡散過程の大半が完了する更に下流位置に設けられている。これら構成の組合わせを採用してもよい。

第７図の実施例で、環状部材３６の上流側の入口ダクトが省かれ、内方下流側が渦室を形成する環状部材３６の外方上流面が延長入口ダクトを必要とせずに第７図のように羽根車に対する入口ダクトとして作用し得るのである。

発明の好適応用例が第８図に示され、ここではファンが内燃機関を冷却するために空気をラジェータを通して吸引するのに用いられる。これは、ファンがエンジンとラジェータの間の制限された空間に取付けられ、圧力回復のだめのディフューザを取付けるための十分なすき間がない一般的な車両の場合に特に有用である。ファンがエンジンに直接取付けられる場合、融通をもって取付けられたエンジンとしっかりと固定されたラジェータの差動のため、空気の循環を防止するためにファンブレードの面に絞りぼめ式の通気帽ないしダクトを取付けるのは実際的ではないかも知れない。これらの特色のため、このようなファンは非能率で動力の無駄になり勝ちである。

零発゛明は必要とされるディフューザが非常に短いこととファンディスクの主部を通る無駄な循環を防止することにより、これらのファンに適用できる。従って、第８図に示すように、エンジン４７に取付けられたファン４６へ流れを向ける入口ノズルを形成するためにラジェータ４５の後に加工部材４４が取付けられている。加工部材４４の端部にＣ形断面の環状部材４日が取付けられ、Ｃ形断面の内リップ４９がＣ形断面の内部に自由渦環を発生させる羽根先端の通路内のファン部分へ流れを向けるよう構成されている。Ｃ形断面の外リップは短い平行ダクト５０として羽根の後方へ延びている。この応用例における本発明の正確な形態は取付けに利用できる空間とファンに要求される性能次第であることが理解されよう。

更に、発明は空気または他の流体中で使用されるプロペラの囲い板を形成するために利用できる。第９図はホーバークラフトに通した装置の一例を示し、デツキ５３上のパイロン５２に取付けられたプロペラ５１が囲い板５４に囲まれている。囲い板の内面には環状の屈曲凹部５５が形成され、その中へプロペラ羽根５６の先端が突出しており、プロペラが外気を矢印５７の方向に送る方向に回転すると羽根先端が前述のように自由渦環を発生させる。図中６０で示すように、囲い板５８の屈曲凹部から後縁に亘る部分はプロペラと囲い板の共通軸芯５９と平行またはそれから発散あるいは収束してもよい。囲い仮の下部はブラケット６１または他の手段と径方向ステー（図示せず）を介してパイロンに取付けることができる。プロペラが可変ピッチ弐である場合、作動中に起る可能性のある羽根の移動や歪みを許容するために羽根の先端５６と凹部の内リップ６３の間に十分なすき間６２を設けなければならない。

第１０図は船舶用の装置を示す。船尾の下端６４とカカト６５の間に取付けられた囲い板６３は第８図の前例と同様に内部切欠きをもち、そこへプロペラ羽根の先端６６が突出している。この種の囲い板形状は一定の軸芯方向長さに亘って達成される拡散率が従来の形状で可能な拡散率よりかなり高く、羽根先端と囲い板内面の間のかなりの径方向すき間によって囲い板を所定の位置に取付けたままプロペラを取付けたり取外したりすることが相当容易になる。本例と前例における囲い板はこれに相当する従来の囲い板より軸芯方向にずっと短くてもよい。この応用例において本発明は拡散の増進だけでなく、羽根の先端を保護することにより安全面の特色を現出する。このような構成は、例えば、性能と安全の両方が重要である強力な船外モータへの適用に好都合である。

囲い仮の断面形状は第９．１０図の形状に限定されるものではなく、性能、構造の強度あるいは簡単さのため特定装置の条件に適合させることができる。囲い板の断面のいくつかの別個が第１１ａ、ｂ、ｃ図に示されている。

第１１ａ図の囲い仮に整形前外端６８が設けられ、そこから外側ダクト面６７が浅い傾斜で後内方に延び、前部の上流向き面６９がより急な総体の傾斜で弧状の盛上がりをもって内方かつ後方へ延びている。面６９の後には、渦室を形成し、面６９の内端と６３において整形状に交わる屈曲凹部５５が設けられている。凹部５５の上面は内側ダクト面６０として若干の傾斜をもって後方かつ内方へ延び、外側ダクト面と整形状に交わる。

第１１ｂ図の囲い板において、外側ダクト面６７は第１１ａ図の場合より惣、勾配に後方かつ内方へ延びてより短いダクトを形成している。

第１１ｃ図の囲い板においてダクト６０は均一の直径をもち、その前端には後向きの凹面をもつＣ形断面の内方へ突出した環状部分６９が形成されている。

第１ｉｄ図の囲い板においてダクト６０はＣ形断面の環状部板６９から内側へ（頃斜して後方へ延び、後部に内側段部７３が形成され、そこから内壁面７４が均一内径ダクト部として後方に延びている。

ある種の装置、特に船舶のプロペラの場合、プロペラに流入する流れは均一からほど遠く、囲い仮の周縁の断面形状を変化させることが望まれよう。外側と内側の形状とも変えることができ、前者は主として流体の局部接近速度と関連させ、後者は渦層の中心の動きを制御するものとする。作動流体が水のような液体である場合、渦の中心が空洞化し、このような空洞化を制御、例えば囲い板肉のある箇所でそれが消失するのを防止するために内側形状、特に凹部の横断面形状ないしは区域を変化させることが望まれる場合もあろう。

また、渦層は第１図中の楕円９で示す循環に加え、羽根車ディスクの面における更に別の回動をも行い、これにより渦中の全流体が羽根車の羽根の先端と同し方向により遅い速度で輪になって回動することが理解されよう。

この輪状の動きの結果のひとつとして周囲全体に亘って一定強さの渦を維持する傾向が生じるが、羽根車が不均一の流体流れの中で作動したならこのようにはならないであろう。

種々の事例との関連で作動するために羽根車の羽根の先端に種々の改変を加えることができ、第１２ａ、　ｂ　、ｃ図にそのいくつかを示す。第１２ａ図において、羽根先端の前部７１の一部が切欠かれ、先端の後部７０のみによって渦が発生する。このような構成は可変ピッチの羽根に有用であろうし、羽根の回転軸芯が先端部分７０の前縁のところの一点鎖線で示される放射線に沿う場合は可動部分と固定部分の間のすき間が実質的に一定にだもたれる。第１２ｂ図では逆の構成が採用され、先端の後部７０が切欠かれ、前部７１のみが渦を発生させる。この構成は渦に占められる軸方向距離を減縮するのに役立つであろうが、渦の一部が切欠部の後から流出して拡散流れに入ることにもなろう。第１２ｃ図には傾斜先端７２を備えた構成が占めされている。

本発明の適用範囲は広く、ここに挙げた例に限定されないことが理解されよう。

他の適用例としては航空機推進用のダクトファン、飛行船等の低速飛行体用の囲い付きプロペラ、軸流コンプレフサが含まれる。

本発明を以上の実施例で説明し、大体において円形断面のダクト内で作動するよう開示したが、発明の適用はそれに限定されるものではなく、非円形横断面、例えば換気および空調システムに一般的に使用されるような四角ないし矩形横断面のダクトに好適である。このことは、羽根車の回転通路がダクトの横断面よりかなり小さいことが本発明の１特徴であることから、特に言えるのである。非円形断面のダクトを採用した構成では、渦層形成用の空間を形成する環状部材はその外部がダクトの横断面に−敗し、その内部が羽根車の羽根の先端にラップするか、縮流を発生させて羽根先端がその外へ突出するように構成する必要がある。

第８〜１２図を参照して説明した実施例から、本発明の流体用羽根車ディフューザは羽根車を囲んで下流へ延びた比較的短い拡散ダクトに好都合に使用でき、例えば羽根車の先端通路の直径の２０〜５０％の長さのダクトが使用できることが理解されよう。

（特許法第１／ダ条の２第１項）補正書の写しく翻訳文）提田書昭和４０年２月２７日

Claims

【特許請求の範囲】

１．入口通路を形成してそこを通過する流体を羽根（６）の先端の回転経路内に案内すべく羽根（６）の先端の上流側にダクト（１１）の内側に向けて突出する形で環状構造体（５）を配置し、羽根（６）の先端とダクト（１１）の間を環状部材（５）から伸びる環状間隙（７）を環状構造体（５）とで部分的に形成すべく羽根先端経路に関して半径方向外側に離間してダクト（１１）を配置し、羽根先端により推進される環状渦を環状間隙（７）内に形成し羽根車（１）を通過する流れを拡散するように旋回さすべく羽根車を回転させることによって特徴づけられる羽根車（１）を取り囲む拡大ディフユーザダクト（１１）への入口通路間過渡部に先端により推進される環状渦を誘起する方法。
２．羽根車（１）を通過した流れ（８）を拡散するように旋回する羽根先端推進環状渦（９）が形成、そして安定状態に維持される間隙（７）を部分的に形成すべく羽根車（１）の羽根（６）の先端の上流側にダクト（１１）の内側に向け突出する形で環状構造体（５）が設けられ、間隙（７）が羽根（６）の先端とダクト（１１）の間を伸び、かつ、環状構造体（５）がダクト（１１）への圧縮入口通路を形成することを特徴とする周囲の拡散排出ダクト（１１）内に配設された回転羽根車（１）を有する流体羽根車ディフユーザ。
３．請求の範囲第２項に記載の流体羽根車ディフユーザであって、羽根車の羽根（６，１６，４６．５１，６６，６８）の先端通過経路内にある圧縮入口を通過する流体流の経路を形成すべく、その上流側に環状部材（５，１５，１８，１９．２０，２１，３３，３６，４９，６３）が配設されていることを特徴とする。
４．請求の範囲第２項又は３項に記載の流体羽根車ディフユーザであって、圧縮入口通路の直径が羽根車の直径と異なることを特徴とする。
５．請求の範囲第２項から４項のいずれか一つに記載の流体羽根車ディフユーザであって、環状構造体（５）が下流方向に向かう弧状凹面を形成することを特徴とする。
６．請求の範囲第５項に記載の流体羽根車ディフユーザであって、環状構造体（５）がＣ形放射断面を有することを特徴とする。
７．請求の範囲第２項から６項のいずれか一つに記載の流体羽根車ディフユーザであって、ダクト内径（６０，第９図，第１１ａ，１１ｂ．１１ｄ図）が軸方向で変わることを特徴とする。
８．請求の範囲第２項から７項のいずれか一つに記載の流体羽根車ディフユーザであって、羽根車の上流端径が下流端径と異なるように羽根車の羽根の先端（７０，７１，７２）が形成されていることを特徴とする。
９．請求の範囲第２項から７項のいずれか一つに記載の流体羽根車ディフユーザであって、段（２６）が羽根車の羽根先端の上流に配設されると共に拡散排出ダクトに外囲された環状構造体（３３）を有する次段の羽根車（２７）への圧縮入口に至る収束案内（３２）に接続されるように直列配置された複数の羽根車段（２６，２７）と、拡散排出ダクトの内側に向けて突出して圧縮入口を形成すると共に、羽根車（２７）を通過する流れを拡散するように旋回する羽根先端推進環状渦を形成、そして安定状態に維持することができる羽根先端と拡散ダクト間に広がる環状間隙を部分的に形成する環状構造体（３３）とによって特徴づけられる。
１０．請求の範囲第２項から９項のいずれか一つに記載の流体羽根車ディフユーザであって、羽根車ディフユーザ（４６，５０）の上流側が、ラジエータ（４５）から引出される冷却空気をラジエータ（４５）とエンジン（４７）間に配設された羽根車ディフユーザ（４６，５０）への制限入口に指向させるフローダクトカウリング（４４）によって車両エンジンラジエータ（４５）の下流側に連結されていることを特徴とする。