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技術 螺旋溝を付すことによる円板摩擦低減法

出願人 渡邊敬三
発明者 渡邊敬三
出願日 2004年2月23日 (16年10ヶ月経過) 出願番号 2004-079153
公開日 2005年9月2日 (15年3ヶ月経過) 公開番号 2005-233170
状態 未査定
技術分野 非容積形ポンプのロータ 非容積形ポンプのケーシング 非容積形ポンプの構造
主要キーワード 固体壁面 螺旋曲線 可視化結果 円板表面 軸方向すき間 流体摩擦抵抗 流れの可視化 一定本数
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2005年9月2日)のものです。
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図面 (9)

目的

液体気体エネルギー変化を行なうターボ式流体機械羽根車円板摩擦損失や液体中を回転する回転円板粘性摩擦抵抗に対して、その羽根車の側壁ケーシング内壁、あるいは円板表面を、流れ角変数とする対数螺旋曲線と一致する螺旋溝を多数付した表面にすることによって、それらの摩擦損失を低減させる。

構成

流れ角を変数とする対数螺旋曲線と一致する螺旋溝を多数、等間隔で付した表面にする。

概要

背景

概要

液体気体エネルギー変化を行なうターボ式流体機械羽根車円板摩擦損失や液体中を回転する回転円板粘性摩擦抵抗に対して、その羽根車の側壁ケーシング内壁、あるいは円板表面を、流れ角変数とする対数螺旋曲線と一致する螺旋溝を多数付した表面にすることによって、それらの摩擦損失を低減させる。 流れ角を変数とする対数螺旋曲線と一致する螺旋溝を多数、等間隔で付した表面にする。

目的

効果

実績

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請求項1

以下の式で与えられる所要流れ角φ変数とする所要半径rの対数螺旋曲線溝形状とし、円板表面に該螺旋溝のn=150〜160オーダー所要本数を等間隔に付したことを特徴とする液体あるいは気体作動流体とするターボ式流体機械羽根車表面やケーシング内壁、あるいは流体流動システムにおける回転円板表面。

請求項2

該螺旋溝の深さが0.05mm〜0.2mmオーダーにあることを特徴とする請求項1に記載の表面あるいは内壁

請求項2

該螺旋溝の断面形状がV字型、U字型あるいは台形型などにあることを特徴とする請求項1に記載の表面あるいは内壁。

技術分野

0001

本発明は液体気体など流体エネルギー変換を行なうターボ式流体機械円板摩擦損失や流体の流動システムにおける回転円板摩擦損失低減化に関する。

背景の技術

0002

近年、流体の損失抵抗の低減を低減させる試みは、地球温暖化省エネルギーに直接関連して国内外で大きな注目を浴びている。流体が流動する際、それと接する固体壁面摩擦抵抗実在流体では無視することが出来ず、その低減化は従来から流体工学の主要な研究や技術的課題となってきた。

0003

一方、回転円板摩擦抵抗はポンプ送風機ブロワー水車など液体や気体などのエネルギー変換を行なう流体機械であるターボ機械羽根車機械的摩擦損失動力に直接関連し、それら流体機械の効率向上と直接結びつくため、その低減化は工業的にも非常に重要である。

0004

通常,その損失動力は容器内回転円板摩擦抵抗の解析および実験結果から算定予測することが出来る。そして、流体の流動における抵抗や損失は流体と固体壁相互作用により生じると見なせば、その抵抗減少を実現させる方法は流体の特性を変える方法と固体表面の特性を変える方法の二つに大きく分けることができる。

0005

前者の流体の特性を変える方法としては水溶性高分子界面活性剤などの抵抗低減剤を添加する方法を上げることができる。しかしながら、これらは長時間高いせん断速度場で流動させるとその特性が失われる劣化の問題や流動後投棄された場合の環境への影響を考えると、一般的なターボ機械の運転状態では応用することが困難である。さらに、それは液体のみが対象とされる。それ故,ターボ機械の羽根車や流動システムにおける回転円板への抵抗減少効果の応用は後者の固体表面の特性に着目した方法が適し、その応用範囲も広いと考えられる。

0006

固体表面の特性に注目した例として、壁面における流体の滑りを生じさせる超はっ水性壁を固体表面に適用する方法がある(例えば、学術文献1参照)。しかしながら、これは層流域での抵抗減少効果を得ることが可能であるが、液体のみが対象であり、ポンプ羽根車など大きな機械的せん断力が長時間作用する流れ場では塗膜はがれや磨耗などが避けられず、その効果が失われる為、現時点でのその実用化は難しい。

0007

それ故,抵抗減少効果を有する固体表面の実用化に際しては耐久性に優れた壁面が必要となる。この耐久性に優れた壁面の一つとしてリブレットが考えられる。(例えば、学術文献2参照)。リブレットは固体表面に設けられたある種の規則性をもった溝であり、ある流れの領域で流体摩擦抵抗を低減させる効果をもつ。この抵抗減少効果の回転円板への応用は気体や液体ともに対象とすることが可能であり、耐久性の点においても優れていると考えられる。

0008

このことに関連し、ある種の表面形状をもつ流体機械が提案されている(例えば、学術文献3参照)。また、円板表面の流れの様相を実験的に明らかにした結果をもとにして、多条な溝をもつ羽根車として応用したものも提案されている。(例えば、学術文献4参照)。

学術文献

0009

学術文献1

渡辺、小方、超はっ水性回転円板のニュートン流体における摩擦抵抗の低減について、日本機械学会論文集、B編、63巻612号、(1997)、p.2752。

学術文献2

Walsh,W.J.,Riblets as a Viscous Drag Reduction Technique,AIAA Journal,Vol.21,No.4,(1982),p.485.

学術文献3

ゼンゲ・プロダーセン、流体機械、特許第3455586号(2003)

学術文献4

渡辺、側壁に多条な細溝を有するターボ機械の羽根車、特開平−121316、(1996)。

発明が解決しようとする課題

0010

しかしながら、すでに提案されている上述した方法は回転円板表面上の乱流境界層特性やその流れの様相を十分に把握していないため、実際に適用すると摩擦抵抗が逆に増加する条件まで内蔵し、そのことからは本来の抵抗低減を得ることが出来ない。学術文献3において、対象とした条溝構造はS=+5〜25としているが、溝本数を逆算すると450本以上となり、また、条溝構造面積はμmm2オーダーとしており、あまりに微少でありこれからは回転円板の境界層制御は不可能である。このことは単純に従来用いられているリブレットの円管平板からその形状を適用したに過ぎないことによると考えられる。さらに、最大に低減する最適かつ有効な円板の表面形状を特定することが出来ず、現実に実現される方法とは言い難い。

課題を解決するための手段

0011

本発明は、上述の従来の課題を解決することを目的としてなしたものであり、流体力学的に円板表面上の流れの挙動を捉え、その結果に基づいて決定された表面形状をもち、流れの遷移域及び乱流域において摩擦抵抗を減少させることを特徴とする表面で、従来提案されたリブレットの表面構造から類推することやそれらを参考にすることからは到底実現できない独創性新規性を有する。

発明の効果

0012

従来から行なわれた回転円板表面上の流れの可視化によって、円板表面上に滞留する渦や主流の方向が層流及び乱流域で明らかにされてきた(例えば、学術文献5参照)。すなわち、回転円板上の境界層の流れは、その主流の流れ方向と固定された渦を有する、ある種の組織構造をもった流れであると言える。

0013

学術文献5

、渡辺、納谷、高分子溶液中における回転円板付近の流れについて、日本機械学会論文集、B編、44巻379号、(1978)、p.970。

0014

可視化結果から明らかにされた円板近傍の流れに着目すれば、リブレットの効果よりも流れの整流効果すなわち制御をおこなうことにより、回転円板摩擦抵抗の低減化が得られると考えられる。この円板表面上の流れの制御は円板表面の流れに沿う螺旋状の円板の接線方向と半径方向の壁面せん断応力の比である流れ角φ関数とする対数螺旋曲線に従う一定本数の溝を等間隔に付すことで可能となる。

0015

これらの溝の製作は、エッチング機械的加工によって可能であり、当然のことながらそれらの加工が困難であれば、薄い膜やフイルム所要螺旋形状をもつ溝をプレス加工して、それを対象となる表面に接着することでも実現可能であることは言うまでもない。

0016

本発明によれば、ターボ機械の羽根車の側壁やケーシング内壁、あるいは流体中で回転する円板の表面を微細螺旋溝を付すことによって粘性損失が最大約15%低減する。遠心ポンプを例にとると、通常円板摩擦損失はポンプ全効率の10〜20%を占め、この低減化によってその性能は2〜3%の効率上昇が期待でき、本発明は優れた効果を発揮する。

発明を実施するための最良の形態

0017

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施例を説明する。第1図は円板表面に付す本発明による螺旋溝の対数螺旋曲線である。流れ角φは、円板の半径を代表寸法とする局所レイノルズ数ReLの関数として与え、対数螺旋曲線の半径rがそれを変数として与えられる。


ただし、φ=流れ角(rad)、τθ=接線方向の壁面せん断応力(Pa)、τr=半径方向の壁面せん断応力(Pa)、ReL=円板の半径を代表寸法とする局所レイノルズ数(・/・)、r=円板上の任意半径(m)、rl=基準となる半径(m)、θ=円周方向座標(rad)

0018

図2に示すように、円板表面あるいは内壁に、上述した対数螺旋曲線を150〜160オーダーで等間隔に付す。該螺旋曲線に従う螺旋溝の幅は等間隔に付したことにより、自動的に決まる。図3図5は該螺旋溝形状の例である。

0019

この螺旋曲線に一致する深さ約h=0.2mmの溝本数n=150本の表面で、容器内回転円板の容器と円板の側壁とのすき間sと半径aの比(s/a)が小さい場合に、図6の円板の摩擦抵抗モーメント係数Cmとレイノルズ数Reの関係に示すように、乱流域で平滑の円板と比較して水における円板の摩擦抵抗モーメント係数(図中の●印)を約15%低減させることができた。

0020

このときの流れの状態を表面が平滑な円板と該螺旋溝を付した円板付近の流れの可視化結果を図7及び図8に示した。図7の平滑な円板表面の流れは円周方向外向きで大きな渦の流れが生じているが。図8から該螺旋溝を付すことで流れは円周方向に向けられ制御されていることが判り、その効果が明確に確認できる。

0021

尚、本発明は上記実施例にのみ限定されるものでなく、流体攪拌システムタンク内に設置された回転円板や空気など気体の流れに対して、所要な表面にすることによってその粘性摩擦を減少させることも可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更を加え得ることは勿論である。

図面の簡単な説明

0022

本発明の方法の一実施例に用いる1本の螺旋溝の対数曲線図である。第1図を円板に等間隔で付した円板の実施例である。第2図の螺旋溝に対する断面形状が台形型の実施例である。第2図の螺旋溝に対する断面形状がU字形型の実施例である。第2図の螺旋溝に対する断面形状がV字形型の実施例である。本発明に基づいて製作した、軸方向すき間が比較的狭い場合に対する回転円板摩擦モーメン係数の実験結果の例である。第6図の実験条件と一致する円板表面が平滑な回転円板近傍の流れに対する可視化結果の例である。第6図及び図7の実験条件と一致する本発明による螺旋溝を付した回転円板近傍の流れに対する可視化結果の例である。

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