‑晴別講演会抄録‑

流れ学的観点からみた撹拝振作と羽根の開発
NewE)eyeTopmen†]mpeHert]

View

Poinl.

t)ynclm'lCS

FIuidofTechno一ogy

cmd仙xingfrom(S什'8nlUngSlehre)

講師:九州大学工学部化学機械工学科
教授 エ学博士
上､泰,臥■村Prof. Yasuhiro
Mural⊂ami,
Df. Eng.
ChemicalEngil一eering.
KyushUr)iversity

抄録:技術開発本部

伊藤Hisayosbi

市久田

Kazutaka

幸ltob

貴‑TakataA

has been
newimpellers
genealogy
of impellers
withvariousconventionalandconstructed
type,type,flow type. The
suggests
genealogy
and mixedclassified into.radialflow
axial.flow
fluid dynamics
someimf)eller development.
Recentstudies on mixing
possible tdirections in new
havealso
beenimpellerflow,
dropletdispersion,
reviewed
about
numericalanalysis,
andin
How･everfluid‑dynamic
behavior
is notf山1y
turb山ence.
reactionof impeners
chemicaldesig血into predict
newimpellerdevelopment.
At
thepresent
understoodenoughsuitabledevelopment
decisiondesignbythetriaトand‑error
still requires
experimentalof impeller
method.

まえがき

1.放射流,軸流に基づく羽根の系譜から何が読めるか

1990年8月31日,村上教授な当社にお迎えしてご講演い撹拝羽根の仮想の元祖として周方向,軸方向に均等回転ただいた｡村上教綬は魂在,イヒ学工学会九州支部長(平成元年, 2年度)および高分子学会反応工学研究会のアセス要素な持つ円柱を考える｡この円柱の切断方法と切断要素

メソ†s/l)‑ズvポ‑I.(12)T)アクティブプロセッシングの加工段階FL応じて,現在コマ‑シャ)I,化され七いる基本の主査をらとめられ,この分野の第一人者として研究,敬羽根を系譜的vL̲まとめると第1図のようになる.加=の方育FL尽力声れているo今回は永年研究を続けられておられ法としてほ水平型切断,垂直型卑断,らせん塾切断がある撹搾装置の開発FL関連して｢流れ学的観点からみた撹拝操作と羽根の開発+の演題にてご講演いただいた｡本報はる｡水平切断は放射流形式の原型である｡垂直切断は槽内の上から下まで羽根自体の物理的性能ケこよって事由流的な性能を出すと同時VL放射流的な要素も持つ.らせん切断も比そのご講演内容の抄録である｡

CylindeL･

ⅡorJ'zontal cut

チR2E' 嘩豊国患bh.5

召OA･害B‑て1亡

3｢‑rJr.

13ar htrbille

Radial節∈===生======:⊃

13nmlargl(⊃I

母Axial flow'=?

(CQmbinat血)

c&ScreⅣ

floIV

Verticalcut(Mixed flow)

白Spiral cu亡̀Axial良

Axial flow

I

一蹄I(OLrigin)

PaddleDisk turbine

べ藍,

G@e冒轡
⊂工D軸無声馳
Btltterfly

Radial flow trallSEormed

由比,

into axial flow

AllChor

孟荒｢･tA･6000'.r図
Fig1. 11ibasic genealogy

impellersYo7. 85 No.i

縛』恥棉Vjster(crossPaddle)

A･310
InterlTlig

輔製#A.315

ミ崩孤//羽根の基本系譜A節

of1derprop(1991/8)

神鋼パンテツク技報纂鞍鞘(Combitlatioll)

Felicalribbon

軸#Paddle

葺iFi】■Er弓(a) Radial‑flow typeIrnpeu)

IlllpeIlerer･ミ∃a)) ■A又ial･flow typeヽヽヽヽヽ＼ヽ＼ヽヽ:∫/イ￣′′￣ヽTD(a)J㌻J(a)
第2図Fig.

ノ))

̀.･}

/ノ

ヽ‑‑I‑＋̲‑‑/.J

/

鑑拝槽内の基本餌7ロ‑パタ‑ン
2

Typicalflow

I/′､＼pattems

一､≠=ノI(/A(,1.J=･sbO,J=

東:⊃(a)Projected arear/ (rT‑e) ･plane.

ona)) Projected area(r‑z) planeonTP(I))̲く￣i)D.̲UJ＼＼ー★

‑‑‑･‑★

＋.,＋/｢1第4国Fig.

Solidity＼＼､､東痕わ面鏡比率
41･VP(e)(?.')

ヽ＼､＼ratio･‑ト､ J′

さと七軸ま儒藷図赫容射痕に加顔的軸療の要素が/)//‑‑■･･(d)1ヽ'Dぇ,これらを組み合わせる既存の多様な羽根を概観し,I.㍉低(恥I)is16har岳epJ畠ttetf;;L1.TD,.
b): Cro亨室･甲S宇野tt甲,;不plarkindicates･
dis.appearancLe. a ･TP
fromtheimpellerofpar如1e(c) Asymrn由ic
discharge,i,attern, UD

どめ

中粘度め鑑搾紅づい七稚魚七重ると互るop

1)大型パ下ルの有効性(a) Mustratilon
J(e)Musttation

J上記の垂直切断の寧日すべき簡掛土大型パ:.Tti)I,め有効睦を示唆するo /さら紅他形式の問題点からそゐ有効性を補足

of･ weakdischarge

WDpattern,WP￣of,'☆eakcro占s･pass patterrl,.

するpo‑:

第3囲

放射掃および曲流形式の典型的なフロL‑パターンを第2函K=示す｡放射流形式では羽痕め上下A,･BpR:J±っの循環

Fig.

流が形成され,軸掩形式ではA,て重要であることを示唆する.放射流および軸流的な蹄Bを順紅通過する単一の大き‥な循環流が形成される｡昭和40年代中頃ぁぁる講演会
で大阪大学の伊藤教授が試算しておられたと記憶するが,領域Aでの旗度が平衡値の1%V‑近づく時間を混合時間tnfとすると,放射流でほt誠が平均循環時間Ⅴ/Qの4.6倍になる:のに対し,軸流では1.2倍となり軸涜が有利である1.

吐出とパスフ占‑め形態1)
3

VariotlS patterns

Of dischafge

flow

andcrosspass

flaもの共存する垂直切断系で今後は演者の見解ではSide.vi‑
solidityratio.(SVSR),すなわち,垂直断面で羽娘の占る勃合および形状が重要視されてくると考えている.
3 ) Trailingvortex乾よる分散機能..撹搾では循環作用による全体の均一化機能に和えて分散,荒海微細化,ミLアワ混合などの分散機能も必要てしタ;し実装置では軸流羽根といえども放射埼と軸流が混在し,層内全体を効率申年纏環する7ロ‑パターγの実矧キ やo循環機能と分散郡毎の比率を評価し良好なバランヌ
vort実現する串ほ‑,羽板￠樋軒こ:まって生じるtrailing
容参で′早まないo小塾の)piドル系P羽根でほ,が羽根を通り抜吟る
よればパドル羽■根の時間は全体の25 %確度匠n;･''･の挙動をI)
̲ら,
61'blpL

R: 凍る,痛撃がある.この間題については琴曲羽嫁b･可酸性#p.レしヽ壌拝羽根′の車乗寿尚の⊥っ忙上下大‑I:の流体を吸引,吐出する転各b:蜜蜂をj:奏す尋方向卓享奉り,上下の羽根り大き.な圧損が生じる三流乍

･と■適切な女差配置虹pよサ槽内全体に行きわたるフローノ‑シを形成する方法が考えられる｡高嶋ら3)い込みと吐出に無理を生じ; )ミ去フロ̲一億生の恐れが示疲
羽根の吐出流量は直角羽根虹比べて約22される.こわことからも大壷ゐ頚根が有軒と考えちれる■.
2 ) S?1idity

ratioの重視

dlMixin豆Equipment杜の窮4図に示すsム1idity【/はtopview

solidiity

ratio

ratio(TV畠R)が槽内の循環流に対しv‑よれば褒%雀度増大し(5因)加えて吐出が一様になるo全体甲循環転.は下段を曲羽根とする多段羽根が推奨される.女た混合に要す声ネ)t'ギ‑(動力Px混合時間e)を■小さくするにほ羽帝rl

神鋼パンテツク技報

vol. L185 No.

1(1991/lowest(a) Withめ) With

miⅩirlg effic: ency

highest40

miⅩir)g efficiency(a)(b)0(A)D=0･'2.

●(A)川)(15)

D‑8･6.

▽

30

8ミg===ここ

0.6

羊三叉o

●

20o一望三こ/て有;芯‑‑‑ ;こ‑＼＼ノこ.'4(C) hb/D‑l･8

A】10･hb/D= 0.2(′つo‑＼:Q.?′o＼L▼

O･9hl/D≒hb/[)‑O17 ▲ (C) hbID芦0･2】.bID=O12□ (1ま)
D‑LO.hb/D‑OJ
I(P･)hb/D‑OJ･De▼トー̀ーーJUy

10●＼.

.3

口■

.皇i
12

3
part

まcksurface

45
Front surfaceof blade

吐出流量の変化3)
Effectof blade〉0A

discharge

arlgle onFig.

6300

[J]

循環藤間Tと消費エネルギーP･βとの関係

ローパターン2)
Velocity vectorsir) aar)d flow pattems
double‑impellertanl(,

fI‑

2D,n‑

200‑
P･e.

hLR,≡
hLb;B≡8･.… 第7因多段羽根の流速ベクト/レ及びフ第6国flows)

100

▲

E･.?

Fig.

7

Relationshiptim?

TahaPIe,1 n主150150rpm2)

betweenenergyc享rcnlation
consumptiorlrpmr

巨離を小さくする方がよい2)｡第6国に示すように羽根間巨離が大きい時は多数の碍環流路ができ,槽上部より屈入

Pfir&cetiiOmnpOeVe冒tationtt￠やTレーサー.やミ櫓下由vL達するまで紅より多く甲時間を∠笠⊥+必要とするo第r7車忙示すよp5に混合エネルギp‑■p･0は全覇堅ので,循環流路数の増加
Relative motionof liqt(id

ま王昆合効率の低下をもたらす恐れが強い.

JThree blades■･5∫')耐付着性↑の考嘩

i:撹拝羽根の評価として野付着陸が実用的忙重要な場合が第8園ある.付着性吻質に対しては循環流を増やし流速を増加さ

Fig.

vorte】く

羽根内の流れ4)
8Flow

betweenpattrer)

blades4)てセルフクリーニング的効果卑出す方法と,付着する申Wave･J)L8･を絶対的に少なくするた.重罰痕外枠のみで構成し痩拝軸
E. M. Technoglass
除く方法がある｡後者の実蹟はpI.I
勺tPi)Ji7'

杜(イタリア)のケざr‑I(第1図参照)紅みられる｡この女イブは動力が他の羽根R7L̲比べて少ないが,循環涼が少く槽内金体にわたる循環流を形成できない点が問題で,改良句余地があろ.先に述べたsid'eview

solidityratioと関0a連させた耐付着性の検討が今後q)課題である.
♂

2･羽根近傍の温(Trdi喝アoftex)の挙動研究か::‥pら何が読･めるか･
2∴1渦の流動機構:.p撹拝槽内の羽根近傍の流動を詳細転換討した例を引用し潅がら標記の問題を∴鋭明するo
槽内で羽根を回転さ逼る
この渦は･t,羽根先由の背面匠･複雑な渦が形成されるotrailingと呼ばれ,第8国K.示す羽根内部の流れ

vortexを按影した竹田ら4) v‑よって最初R:見いだされた｡次いで高島ら3)の研究VLよLり羽根近傍の渦と循環ゐp関係が･論じられ,吐出沫の挙動を･説明するのVL第9図に森すような

第9図
Fig･. 9鑑拝翼闇の渦のモデル化
Vorte妄modelL inpthe･ impellef

T‑Qoc

Nq･d3･nPoc(T･d2)･d･nregion3)p･(Q/d2)一2.

また吐出流が羽根の外で消散する動力はvortexmodelが提案されJた.
長瀬ら5)はパドル羽根での渦度の伝達に着目し,

2次循

P‑

β･Q･(n･d)2環流QVLついてと表せることから
Npcx=(d/D)･Nq2.
Npoc

Nqの関係を示した｡この関係は渦度と変動流れの関係およびReynolds応力方程式による羽根面での消散を考慮した次を得られ声o両者の寄与比率をflとして簡単化するとの関係から導かれるo･ Np‑fl.Nq＋(1‑fl)･Nq2
Vol, 85No.

1(1991/8)

神鋼.パンテック技報

ocNqx也)

Vortex shedding from objects

過o.28

a

罵言筈l云SLA

rotatiol1

=

̲AA
tlo

Re‑辛‑103‑104&so.15

uob問

Ao.20

a

JりJワ

㌔B,[Djrectjon of/メj

こ:ト̲二===ニ‑戟rotatioll

第10囲

羽根上下面での流れ

Fig･Flow

10+L=

in theof the impellerpartspatterns＼lowerInter MIG

Jupperand.

Where

do

tile impellers shedthevortices

from?

Rotatiol1/〟‑ーヽButterfly＼‑､･ーMaxblelld

第12囲
Fig･ 12

第11図

いろいろな物体からの流出渦の挙動(一部推定)
Vortex,sheddir･g

傾斜パドルのtrailir)gfrom objects iJ) flow(Observed andlmagined).

aJ)d impelJervortex18)

Vo1･teX flow
Fig.

Axial flow

bladesll
Trai王ing vortex

羽根の上下端付近に循環をもつ渦が発生するとしたモデル

by紅基づく研究例があるo従来,/同⊥系統の羽根だと十分に発達した乱流に許してはウェーパ.‑数でよくまとまるが,acausedpitched blade

paddle

羽根の幾何形状が変わると完全には.合わないことが知られとなる｡

flを0.2‑0.5で設定してⅩを求めるとⅩ‑1,16′‑1･38が得られ,佐野らのNp‑a･Nql･84に一致する(タ‑ビンa‑6･6,パドルa‑4･3)｡また長瀬ら6)は軸流塾(プているo望月らは,槽内流体虹技入されるエネ)I,ギp‑とヘ1)カル流紅よって生じる循環との績を用いて,幾何形状が異なる羽根についても平均液滴径が精度よく相関できる普アベラ)についてもtrailingpvortexが生じるがこれは,第10図に示すように羽根上下面の速度差によるものであ遍的な整理法を提案した｡斉藤ら10)は,液滴化が羽根近辺るとしている｡この結果は第11図VL示す傾斜パド)I/巽のTatterson18)らの形態とは異なる挙動を示している｡さら動速度差のRMS値など)

忙長瀬ら7)･8)はパド)I,塾のtrailingvortexレとっき,渦部周辺速度は羽根先端速度(Vtip)と同程度(平均1.1× Vtip),渦径ほ平均値として0･26.×羽根幅,二･渦吐出流は全体の4.2とを示した｡
今後の殊題とL,て,羽根形状とtrailingvortexの因果関係を定量化す=る.こと,その関係を上記の研究vL̲結び付仕%,動力伝達の12‑15%を分担していることな明らかにしること,羽根の分散効率を評価し開発の方向を示すことがた｡

望まれるo特vL流出端を持つ渦の挙動に関連し,いろいろこのように,羽根近傍の渦に着目した掠れの解明は進んの#'陸値(変動速度のRMS値,液滴系の4‑.‑ダの相対変･で次号ろことを示し,相対変動速度差のRMS値匠ついては山本11)らの推算式が使えるこな羽根の場合,どこに,どの種度の蛍さのtrailingvortexで◆いるが,実用的な撹群羽根の開発という観点ではまだ課が流出するのかを明らか忙する必要があるo演者の推定す題が多いム比較的進展が認められる液滴化の研究を次に説る例を含妙第12園忙これを示したo

明し具体的な課題匠触れる.

3.旋回乱流系フローパターンの推算問題から何･.

2.

2渦の挙動を羽根の高楼能化に結びつけるにはを読むか‑液滴化の例‑
投弾槽内の乱流状態と液滴化を最も端的VLI結びつけた例とL,て,.望月,高島ら.9)のへ.)カ/i,流去デル,すなわち,撹拝槽内の乱流数値s'ミ.ユレーションについては,I::,;･':Placeckら12)による等方性乱流を仮定した2方程式モしかし,)I,(k‑6モデル)による解析例があるQ

神鋼パンテツク技報

Vol･ 85No.

旋回乱拐1 (1991/等方性を仮定しても実瓢値と一致しないことはよく知られている15)･16)0

k‑eモデル紅基づく渦粋陸の等方性
落小島o従って,ま串,反応を伴う乱流現象では,速度定数k,平均凍度C,鵠度変動cによ.り反応速度Rが次式で表されるo

政財こ代えて,Lilleyら1?)の異方性の考慮

R‑(a/r)2]1/2r妥(帝/r)リre‑1ro[･k('eAeB ＋蒜詣)適用した′J＼林ら14)の研究vt̲注目したい.しかし撹鉾槽内壊度変動の相関項石訪盲が乱流混合の反応に及ぼす効果と流動数値ジミュレ‑S'ヨシに乱鴻毛デルを適用することなる｡しかし,乱流場でニ成分物質の瞬間壊度を同時測定すること紅成功した例ほなかった.この分野における先駆,解くべき現象が極めて複雑であることや,等方性の仮が使えないことから,乱流モデルの撹押流動系への適用的研究17)が実際問題を解決する手段になることを望む.当こは限界があるo一方,流れケこなんら仮定を施さない直接(direct simulation)およびそれ匠近いL
E S (large

研究室でほこの分野で,先駆的研究が/+＼森助教授を中心Klddysimulation)を用いてフローパターンを求める問題
こ対して,現状でほスーパーコンピュークをもってしてもむ

メモリサイズおよび演算速度が/j､さいため,実際の羽根のを放射流タイプ,軸流タイプ,および放射流と軸流が混在するタイプの三つ匠分興すること紅より,羽根が進化して開発に計算結果を反映きせることほ困難である.現状では,本的な羽根の構成(これは理論計算からほ出てこない)行われている｡

すび

実際に使われている羽根の系譜を調べたQ

これらの羽根いく過程を明らかにしたo
これらの羽根についての流体エ学的研究はある程度進展しており,これからの羽根の開発'を既往の研究結果をよく調べ,深い洞察力による独創的発:Ll̲:L想と実験により定め,数値計卸羊羽根の最適な相対位置なに流体エ学匠基づく理論的,数値的手法を適用することが期待される｡､:;'どな決定するときの指針として借用されるべきである.

しかしながら,現状での羽根の開発をこれらの手法に頼㌔4.反応と乱流混合る剛ま不十分で,実際的には実験vL基づく試行錯誤法を併

化学装置(反応機)内でほ,乱流流動とイヒ学反応を伴う用する必要があろう｡エ学研究者は,研究結果を新しい羽り,これらの現象を解明することは装置の最適設計･換作を行う上で重要であるoしかし実際ほ,さき'に述べたよう匠反応機内部の高レイノ)l,ズ数流動匠関する解析もほとんど進んでいないことから,ここでは,実こ贋問題への適用を踏まえた基礎研究の紹介を行うことによ:1:'り,現実の問題解決への足がかりとしたいo
乱流研究FL̲ついては特K.壁面の拘束を受ける壁面勢断乱Prandtlの(約100年前),
淀が重要であるが, Bossinesq

混合距離理由(MixingLengthTheory),

Taylor,Yon

根の開発匠もっと結びつけていく必要がある.研究の精密化ほ基本的に優れた羽根にのみ有効であるo〔参考文献〕
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ティングなどさまぎまな現象がある.化学工学上重要なカラー量(熱･物質)の輸送機構,ーエバースト現象による上昇渦の自由表面更新現象はガス収理論の流れとの関連を解明するポ■ィソトとして注目さ

35

No.

1(1991/a)(1988)

E･ J,, 34, 6v (1988)
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神鋼パンテツク技報

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