(57)【要約】【課題】スロートタップ式ノズルにおける流出係数の算出方法において、高レイノルズ数領域（Ｒｅｄ＞１．０×１０７）においても高精度に流出係数を算出する。【解決手段】実流試験の実測値から求められた各タップの口径と流出係数の相関関係から固有の基本特性値を得る工程と、前記実測値から求めた流出係数と前記基本特性値から求めた流出係数との差分から各タップの特性値を算出する工程と、該タップの特性値からタップの口径に依存しない一般式を算出する工程とを備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる口径の複数のタップを備え、
実流試験の実測値から求められた各タップの口径と流出係数の相関関係から固有の基本特性値が算出されることを特徴とするスロートタップ式ノズル。
【請求項２】
前記実測値から求めた流出係数と前記基本特性値から求めた流出係数の差分とから、各タップの特性値を算出し、該タップの特性値から得られた近似式と前記実測値とを足し合わせた一般式で表された基本特性を有することを特徴とする請求項１に記載のスロートタップ式ノズル。
【請求項３】
請求項１または２に記載のスロートタップ式ノズルと、
前記スロートタップ式ノズルの上流側に接続された第１の管路と、
前記第１の管路に接続された第１の圧力計と、
前記タップに接続された第２の圧力計と
を備えたことを特徴とする流量計。
【請求項４】
異なる口径のタップを複数備えたスロートタップ式ノズルにおける流出係数を算出する方法であって、
実流試験の実測値から求められた各タップの口径と流出係数の相関関係から固有の基本特性値を得る工程と、
前記実測値から求めた流出係数と前記基本特性値から求めた流出係数との差分から各タップの特性値を算出する工程と、
該タップの特性値からタップの口径に依存しない一般式を算出する工程と
を備えたことを特徴とする方法。
【請求項５】
前記基本特性値の特性曲線と理論式から求めた特性曲線との差分から、前記スロートタップ式ノズルのノズル形状に依存したエラーを推定する工程をさらに備えたことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記実流試験は、少なくともレイノルズ数Ｒｅ＝３．０×１０６〜６．０×１０６の領域において実施することを特徴とする請求項４または５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スロートタップ式ノズルおよびスロートタップ式ノズルの流出係数を算出するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
絞り式流量計は、管路内に設置された絞り装置の前後に生じた圧力差を測定し、圧力差と一定の関係にある流体の流量を測定する計測装置である。絞り式流量計の絞り装置としては、ベンチュリ管、オリフィス板、フローノズル等が知られている。また、絞り装置の前後に生じた管路内の圧力差を測定するための圧力取出口（タップ）の位置に応じて、コーナータップ方式とスロートタップ方式とがある。スロートタップ式ノズルは、絞り装置直後のタップを、フローノズルの出口側開口部付近の位置に設けたノズルである（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
スロートタップ式ノズルを用いた流量計は、非常に幅広い分野で用いられており、例えば、原子力発電所において熱出力管理のための給水流量計として使用されたり、発電所における蒸気タービンの性能試験のための流量計として使用されている。
【０００４】
測定された圧力差から流量を求めるために必要な流出係数（流量補正係数）は、想定されるレイノルズ数（流量、温度および粘性の関数による相似性が成立する無次元数）において予め実測または算出しておく必要がある。従来、流出係数は、使用するレイノルズ数領域より遥かに小さい領域における実流試験と、これにより得られたデータを半理論的な式にフィッティングし、外挿することにより算出されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１２５５７８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】The American society of Mechanical engineers, Performance Test Code, “Steam Turbine,” ASME PTC 6, pp.29-38, (2004)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
スロートタップ式ノズルにおける流出係数の算出は、非特許文献１に記載された半理論式が実流試験を十分に反映していないことから、しばしば実験値がこの半理論式から大きくはずれることがある。この主な理由は、半理論式が、タップの口径による流出係数への影響を反映していないことにある。非特許文献１においては、タップを４個所に設置すること、４個のタップの口径は全て同じであり、３〜６ｍｍまでのいずれかのタップ径とすることを要求している。しかしながら、理論式はタップの口径にかかわらず同一であり、口径に関する情報は一切含まれていない。実際には、タップの口径によって流出係数が異なり、特に、口径が大きい場合には、実流試験の計測結果が大きく半理論式から外れるという問題があった。また、レイノルズ数に対する外挿式（非特許文献１に記載された半理論式に実測データをフィッティングすることにより作出される）における傾きと、実流試験の計測結果の傾きとが大きく異なり、外挿により求められた流出係数が、実際の値と乖離している可能性もあった。
【０００８】
例えば、原子力発電所における冷却水の流量を計測する流量計のように、使用するレイノルズ数領域が非常に高い（Ｒｅｄ＞２．０×１０７）ことが想定されている場合、流出係数を精度良く求めるためには、同じレイノルズ数領域における実流試験による校正が最適である。しかしながら、使用する流量計ごとに、このような校正を実施することは実用的ではなく、また、実レイノルズ数（１．０ｘ１０７＜Ｒｅｄ＜５．０ｘ１０７）における校正自体が非常に困難である。従って、このような高レイノルズ数領域における流出係数は、基本的には外挿によって推定せざるを得ない。このため、外挿における計算精度を向上させることは非常に重要である。
【０００９】
本発明の目的は、スロートタップ式ノズルにおける流出係数の算出方法において、高レイノルズ数領域（Ｒｅｄ＞１．０×１０７）においても高精度に流出係数を算出することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このような目的を達成するために、本発明においては、流出係数の計測精度を向上させるために、スロートタップ式ノズルの流出係数の特性値（ノズルの形状に依存）と、圧力計測の誤差（タップエラーと呼ばれ、タップの口径に依存）を分離することに着眼した。現在の技術ではこれを分離することができない。本発明にかかるスロートタップ式ノズルは、異なる口径の複数のタップを備え、実流試験の実測値から求められた各タップの口径と流出係数の相関関係から固有の基本特性値が算出されることを特徴とする。
【００１１】
本発明の一実施態様は、異なる口径のタップを複数備えたスロートタップ式ノズルにおける流出係数を算出する方法であって、実流試験の実測値から求められた各タップの口径と流出係数の相関関係から固有の基本特性値を得る工程と、前記実測値から求めた流出係数と前記基本特性値から求めた流出係数との差分から各タップの特性値を算出する工程と、該タップの特性値からタップの口径に依存しない一般式を算出する工程とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、異なる口径のタップを２個以上設置することにより、タップの口径と流出係数との間の一次の相関性を利用してスロートタップ式ノズルの基本特性値を求めることができ、実流試験のレイノルズ数領域は、少なくともＲｅ＝３．０×１０６〜６．０×１０６の領域において実施することにより、高レイノルズ数領域（Ｒｅｄ＞１．０×１０７）においても高精度に流出係数を算出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態にかかるスロートタップ式ノズルを示す断面図である。
【図２】本実施形態のスロートタップ式ノズルにかかる流出係数とレイノルズ数の相関を示す図である。
【図３】本実施形態のスロートタップ式ノズルにかかる係数ａ，ｂを示す図である。
【図４】本実施形態により求めた係数と理論式より求めた係数とを比較した結果を示す図である。
【図５】本実施形態のスロートタップ式ノズルのタップ効果を確認するための図である。
【図６】一般式により求められた流出係数と実験結果の流出係数との差を示す図である。
【図７】一般式により求められた流出係数と実験結果の流出係数との差を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。  
上述したように、外挿によって流出係数を求める際の問題点は、スロートタップ式ノズルの基本特性を表す流出係数の特性値とタップエラーとが重畳することである。タップエラーを知るためには、まずスロートタップ式ノズルの基本特性値を知る必要がある。そこで、本実施形態においては、異なる口径のタップを２個以上設置することにより、タップの口径と流出係数との間の一次の相関性を利用してスロートタップ式ノズルの基本特性値を求める。
【００１５】
具体的には、複数のタップの試験結果における特性曲線から、タップの口径と流出係数に関する相関を作成する。この相関関係において、タップ口径がゼロとなる点を外挿すると、ノズル固有の基本特性値が算出される。（図２，３）この特性曲線と理論曲線との比較から、スロートタップ式ノズルのノズル形状に依存したエラーを推定することができる。（図４）タップエラーについては、実流試験の実測値から求められた流出係数と、タップ効果のない基本特性値から得られた流出係数との差分から、各タップについての特性値を得ることができる。（図５）各タップについての特性値から得られた近似式から、タップ径に依存しない一般化されたスロートタップ式ノズルの一般式を算出する。
【００１６】
ここで得られた式を元に、実際に使用するレイノルズ数領域（高レイノルズ数領域（Ｒｅｄ＞１．０×１０７））まで外挿を行うことにより、非常に高い精度で流出係数を求めることができる。（図６，７）
図１に、本発明の一実施形態にかかるスロートタップ式ノズルを示す。図１（ａ）は、上流側から見た流体の流路に対して垂直な面を示し、図１（ｂ）は、流路に沿って平行な中心軸線を通る面で切断したノズルの断面を示す。スロートタップ式ノズル１は、上流側の管路の直径φ１と下流側の管路の直径（スロート径）φ２とを有し、非特許文献１に記載された規格に則した形状を有している。本実施形態では、圧力計測用のスロートタップ１１〜１４は、４個であり、それぞれのタップ径φ１１〜φ１４は、それぞれ２／３．５／５／６ｍｍである。
【００１７】
本実施形態では、４個のスロートタップとしたが、異なる口径の４個以上のスロートタップを設けることにより信頼性が向上する。また、タップの口径については、少なくとも２以上の口径を必要とする。口径は、２〜６ｍｍ程度が望ましい。さらに、複数のスロートタップのうち同じ口径のタップは１個でも構わないが、スロートタップの作製誤差を考慮して、同じ口径のタップを２個所以上設けることが好ましい。
【００１８】
作製されたスロートタップ式ノズルに対して、実流試験を実施する。実流試験のレイノルズ数領域は、少なくともＲｅｄ＝３．０×１０６〜６．０×１０６の領域において実施する必要があり、Ｒｅｄ＝８．０×１０６程度まで実施することが望ましい。
【００１９】
図２に、本実施形態のスロートタップ式ノズルにかかる流出係数とレイノルズ数の相関を示す。タップの口径が異なることにより、実流試験の実測結果として、異なった複数の流出係数とレイノルズ数との相関が得られる。スロートタップ１１〜１４の口径が大きくなるにつれて、流出係数（Ｃｘ）が大きくなり、Ｒｅｄ＞３．０×１０６においては、レイノルズ数に対する勾配が、タップ径が大きくなるにつれ強くなるという、明瞭なタップ効果が観測される。
【００２０】
また、タップ径が２ｍｍ（スロートタップ１１）の場合を除いて、実際に使用するレイノルズ数領域（高レイノルズ数領域）において、ＡＳＭＥ−ＰＴＣ６に規定されている基準値（鎖線）からの許容偏差が、０．２５％を超えている。
【００２１】
次に、各タップの口径ごとの特性曲線について、式１に対して最小二乗法により係数ａ，ｂを決定する。係数ａ，ｂを算出するために適用されるデータは、レイノルズ数Ｒｅｄ＞３．０ｘ１０６の範囲とし、この範囲の全てのデータを使用する（条件１）。これより小さいレイノルズ数のデータについては適用しない。なお、図２においては、２．５ｘ１０６＜Ｒｅｄ＜１．４ｘ１０７のデータが示されているが、本実施形態の有効性を示すために、３．０ｘ１０６＜Ｒｅｄ＜６．０ｘ１０６の範囲のデータのみを使用する場合についても併記する（条件２）。
【００２２】
【数１】
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【００２３】
図３（ａ）に、本実施形態のスロートタップ式ノズルにかかる係数ａを示し、図３（ｂ）に係数ｂを示す。横軸はタップ径（ｄＴＡＰ）である。この相関に対して、直線近似を行い、近似式の切片、すなわちタップ径＝０の時、作製されたスロートタップ式ノズルに固有の係数ａ，ｂ（ノズル固有の基本特性値）が求められる。ここでは、レイノルズ数Ｒｅｄ＞３．０ｘ１０６の全てのデータを使用した場合（条件１）に、
ａ＝０．９９９８
ｂ＝０．１３８３
となり、３．０ｘ１０６＜Ｒｅｄ＜６．０ｘ１０６の範囲のデータを使用した場合（条件２）に、
ａ＝０．９９７９
ｂ＝０．０９４６
となる。
【００２４】
スロートタップ式ノズルの形状が、非特許文献１に記載された規格に則した形状を有しているので、式２の理論式から求めた係数と比較する。
【００２５】
【数２】
2014173933.tif 000004
【００２６】
図４に、本実施形態により求めた係数と理論式より求めた係数とを比較した結果を示す。全てのデータを使用した場合（条件１）において推定される式（式１）と理論式（式２）とがよく一致しているのがわかる。特に、レイノルズ数がＲｅ＝７．０×１０６以上の領域については、ほぼ同一の結果が得られている。このことは、作製されたスロートタップ式ノズルが、非特許文献１に記載された規格に則した形状を有していることを示している。したがって、式１と式２の比較によって、製作されたノズルが非特許文献１に記載された規格に則した形状を有しているか否かの判定を行うことができる。また、３．０ｘ１０６＜Ｒｅｄ＜６．０ｘ１０６の範囲のデータを使用した場合（条件２）においても、概ね理論式と一致している。理論式の差分は、Ｒｅｄ＝５．０ｘ１０７という高レイノルズ数においても、たかだか０．０７％程度である。
【００２７】
図５を参照して、図２において示されたタップ効果の確認方法について述べる。実流試験の実測値から求められた流出係数と、式１により求めた係数、すなわちタップ効果のない流出係数との差ΔＣを、タップ径（ｄＴＡＰ＝φ１１〜φ１４）とスロート径（ｄ＝φ２）の比ｄＴＡＰ／ｄにより除した値をプロットする。この結果、レイノルズ数のみとの相関に整理することができる。プロットされた値が１本の線上に乗っている場合には、タップが正しく作成されていると判定することができる。
【００２８】
一方、１本の線上に乗らない場合は、タップを作製した過程で何らかの問題があったことを意味する。このようにして求められた流出係数を用いると、正しく流量を求められない可能性があるので使用しないことが望ましい。スロートタップ式ノズルに、同径のタップが２個所ある場合には、正しくプロットされるタップのみを選択すれば良い。また、タップを作製した過程での問題点を明らかにすることもできる。
【００２９】
さらに図５の結果に基づいて、最小二乗法により次の近似式を算出する。
【００３０】
【数３】
2014173933.tif 000005
【００３１】
ここでは、全てのデータを使用した場合（条件１）に、
ｋ１＝０．０８７７
ｋ２＝−１．１２９３
となり、３．０ｘ１０６＜Ｒｅｄ＜６．０ｘ１０６の範囲のデータを使用した場合（条件２）に、
ｋ１＝０．０７９３
ｋ２＝−０．９９４７
となる。この近似式に式１を代入すると、タップ径の影響のない形として一般化されたスロートタップ式ノズルの一般式となる。この一般式は、スロートタップ式ノズルが、非特許文献１に記載された規格に則した形状をしていない場合においても、適応が可能である。
【００３２】
【数４】
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【００３３】
図６に、非特許文献１に記載された理論式により求められた流出係数と実験結果の流出係数との差、および本実施形態の一般式により求められた流出係数と実験結果の流出係数との差を示す。図６は、全てのデータを使用した場合（条件１）である。それぞれの差分について近似曲線を合わせて示した。この近似曲線は、式４の外挿に関する有意性を示している。本実施形態の一般式により求められた流出係数は、およそ０．０５％以内にて実験データを再現していることが分かる。また、近似曲線から、Ｒｅｄ＝５．０ｘ１０７においても０．１％以下の誤差にて流出係数が推定される。
【００３４】
図７に、３．０ｘ１０６＜Ｒｅｄ＜６．０ｘ１０６の範囲のデータを使用した場合（条件２）を示す。最大レイノルズ数１．４ｘ１０７において、本実施形態の一般式により求められた流出係数と実験結果の流出係数との差は、０．０９％程度となっており、非常に高精度にて高レイノルズ数領域における流出係数が推定される。また、近似曲線から、Ｒｅｄ＝５．０ｘ１０７においても０．２５％以下の誤差にて流出係数が推定される。
【００３５】
一方、非特許文献１から推定される流出係数については、いずれの場合も最大０．２５％程度、実験結果の流出係数との差が生じている。さらに、近似曲線からは、高レイノルズ数領域（Ｒｅｄ＝５．０ｘ１０７）において０．７５％程度の非常に大きなエラーが発生することを示している。このことから、本実施形態において流出係数を算出する方法は、従来の方法に比べて格段に高い精度において、流出係数を推定することができる。
【符号の説明】
【００３６】
１  スロートタップ式ノズル
１１〜１４  スロートタップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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