JPS62283203A - デイフユ−ザ - Google Patents

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】 ３、発明の詳細な説明 産業上の利用分野 本発明はディフューザに係る。

従来の技術 ディフューザは当技術分野に於てよく知られている。デ
ィフューザは出口の流路断面積よりも入口の流路断面積
が小さく、主要な流れ方向に流体の流速を減少し又はそ
の圧力を増大し、又はそれらの現象の組合せを達成する
流体搬送通路として定義される。ディフューザは例えば
直径の異なる導管を接続する場合の如く、物理的な必要
性から通路の流路断面積をただ単に増大させるために使
用される場合もある。

ディフューザの壁の傾斜か主要な流れ方向に対し急峻で
ありすぎる場合には、境界層が流れ方向に二次元的に剥
離する。本明細書に於ける「境界層が流れ方向に二次元
的に剥離する」とは、物体の表面より流体バルクが離れ
、その結果物体の壁の近傍に流体バルクの流れ方向とは
逆方向に移動する流れが生じることを意味する。かかる
境界層の剥離により損失が増大し、圧力の回復が低下し
、また速度の減少度合が低下する。かかる現象が生じる
と、ディフューザは失速したと言われる。失速は境界層
の運動量がそれが壁に沿って下流側方向へ移動する際の
圧力上昇に打勝つことができない場合にディフューザ内
に発生し、壁近傍の流体の流れ方向は実際に逆方向にな
る。境界層はかかる点より下流側に於ては壁に付着した
状態に留まることができず、かかる点より下流側に剥離
領域が形成される。

失速を防止するためには、ディフューザは所要の末広角
度を減少するよう長く形成されなければならない。しか
しディフューザの長さを大きくすることは例えば空間上
の制限や重量の制限のために用途によっては許容されず
、従って必ずしも全ての場合に上述の問題を解決できる
ものではない。

従って失速を生じることなくより迅速に、即ち比較的短
い距離にて流体を拡散させ得ること、逆の言い方をすれ
ば成る与えられたディフューザ長さについて従来のディ
フューザを用いて達成し得る流路断面積よりも大きい流
路断面積まで流体を拡散させ得ることが非常に好ましい
。

従来のディフューザは二次元又は三次元ディフューザで
ある。二次元ディフューザは一般に４つの側面を有し、
二つの互いに対向する側面は互いに他に対し平行であり
、他の二つの互いに対向する側面はディフューザの出口
へ向けて互いに末広状をなしている。また円錐形のディ
フューザ及び環状のディフューザも二次元ディフューザ
と呼ばれることがある。環状のディフューザはガスター
ビンエンジンに使用されることが多い。三次元ディフュ
ーザは例えば二対の互いに対向する側面が互いに他に対
し末広状をなす４つの側面を有するものであってよい。

発明の開示 本発明の一つの目的は、改善された運転特性を有するデ
ィフューザを提供することである。

本発明の他の一つの目的は、従来のディフューザの場合
に比して短い長さにて同量の拡散を達成し得るディフュ
ーザを提供することである。

本発明の更に他の一つの目的は、成る与えられた長さに
ついて見て従来のディフューザよりも大きい拡散を達成
し得るディフューザを提供することである。

本発明によれば、ディフューザはその面の一部に亘り下
流側へ方向へ延在し互いに隣接して交互に配列された複
数個の谷及び畝を有している。

より詳細には、谷及び畝はディフューザの運転中に壁面
より流体が剥離する位置より上流側の点に於て開始し、
ディフューザの壁の起伏面部分を郭定している。谷及び
畝がディフューザの出口まで延在しておれば、ディフュ
ーザの壁の下流側端部は上流側方向に見て波形をなす。

傾斜の急峻なディフューザの壁が下流側に於て傾斜度が
小さくなっており、従って下流側部分に於ける剥離が問
題にはならない場合には、谷及び畝は出口よりも上流側
に於て終っていてよい。また谷及び畝を出口まで延在さ
せない他の理由があるかもしれない。

谷及び畝は、運動量の小さい境界層の流れを三次元的に
解放することにより、境界層の流れ方向の二次元的な剥
離の重大な影響を遅延せ又は防止するものと考えられる
。谷及び畝により創成される局部的な流路断面積の変化
により、圧力勾配が局部的に制御され、また好ましから
ざる圧力勾配に近づく境界層が壁面より剥離するのでは
なく横方向に移動することが可能にされる。境界層が下
流側方向へ流れて畝に到達すると、その境界層は畝の峰
に沿って薄く拡がり、畝の峰の両側に於て谷へ向う横方
向の運動量を獲得するものと考えられる。これに対応し
て、谷へ流入する境界層は横方向の運動量を獲得し、谷
の両側に於て谷の壁土を横方向に運動する。従って境界
層はそれが出口へ向けて移動する際に圧力上昇すること
を回避し得るので、境界層の二次元的な剥離が回避され
又は少なくとも遅延される。このメカニズムの全体とし
ての大きさは不可視の大きさであり、境界層それ自身の
大きさに直接的に拘束されるものではないものと考えら
れる。

失速を遅延させ又は防止するという所望の効果を達成す
るためには、谷の最大深さ、即ち波形の峰から峰までの
振幅は、谷のすぐ上流側の境界層の厚さの９９％の少な
くとも約２倍でなければらないものと考えられる。波形
の振幅が上述の値よりもかなり大きい場合にもディフュ
ーザは良好に作動するものと考えられる。損失を最少限
に抑える波形の振幅及び形状が最も好ましい。

本発明は実質的に任意の型式の二次元又は三次元ディフ
ューザに採用されてよい。更に本発明のディフューザは
亜音速ディフューザ又は超音速ディフューザの何れであ
ってもよい。ディフューザが超音速ディフューザである
場合には、谷及び畝は衝撃面の下流側に設けられてもよ
く、また衝撃それ自身により惹起こされる剥離損失を低
減すべく衝撃平面を横切るよう設けられてもよい。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を実施例について
詳細に説明する。

発明を実施するための最良の形態 第１図及び第２図に改良されたディフューザ１００が図
示されている。図示の実施例に於ては、ディフューザは
二次元ディフューザである。矢印１０２により示された
主要な流れ方向に流れる流体は、流路１０６よりディフ
ューザの入口１０４へ流入する。ディフューザ１００は
主要な流れ方向に延在し互いに平行に隔置された一対の
側壁１０８と、互いに末広状をなす上壁１１０及び下壁
１１２とを含んでいる。ディフューザの出口は符号１１
４にて示されている。壁１１０及び１１２はその長さの
最初の上流側部分１１６に於ては平坦である。これらの
平坦な部分は記号Ｙにて示された角度にて主要な流れ方
向より末広状をなしている。各壁１１０及び１１２の残
りの下流側部分１２２は、互いに隣接して交互に配列さ
れ下流側方向へ延在する複数個の谷１１８及び畝１２０
を含んでいる。これらの畝及び谷は基本的には断面Ｕ形
をなしており、それらの長さに沿って互いに滑かに接続
され、これによりディフューザの出口１１４に於て滑か
な波形を形成している。かくして谷及び畝はディフュー
ザ１００の下流側部分１２２全体に亙り延在する起伏面
を形成している。

またこの実施例に於ては、谷及び畝は平坦な上流側部分
１１６と滑かに接続されており、下流側端部の波形の振
幅（即ち谷の深さ＞　ｚｔで出口１１４へ向かうにつれ
てそれぞれ深さ及び高さが次第に増大している。この実
施例に於てはそうではないが、畝及び谷の側壁１２４は
互いに他に対し平行であることが好ましい場合もある（
第６図参照）。谷及び畝の設計に課せられる一つの制限
は、ディフューザがその入口よりその出口まで連続的に
断面積を増大するよう、谷及び畝の大きさ及び方向が設
定されなければならないということである。

説明の目的で、平坦な上流側部分１１６が同一の角度Ｙ
にてディフューザの出口１１４の平面まで延長されると
、ディフューザはＡ、の出口面積を有し、起伏面の起伏
が開始する平面のすぐ下流側に於て失速が生じるものと
仮定する。この実施例に於ては、起伏は出口面積Ａ、を
変化させることなくかかる失速を防止する。かくして出
口面積がＡＯの同一の値となるよう、谷１１８の底は上
流側部分１１６の仮想の延長部の一方の側に配置され、
畝の峰は上流側部分の他方の側に配置されている。

勿論最初の角度Ｙ、ディフューザの許容し得る長さ、起
伏の形状及び寸法に応じて、出口面積をＡ、よりも更に
大きくすることも可能である。出口面積の大きさは必要
性、本発明の限界、ディフューザ系に課せられる他の制
限因子に応じて選択されてよい事項である。

本明細書に於て、「ディフューザ出口の有効境界線」と
いう言葉は、ディフューザの出口１１４の平面内に存在
する滑かな直線的な仮想線であって、ディフューザの出
口に於ける実際の断面積と同一の断面積を郭定し又は包
含するよう谷及び畝を通過する仮想線として定義される
。第１図及び第２図に示された実施例に於ては、かかる
境界線は２本存在し、それらは図に於て符号１３０及び
１４０により示された仮想線である。更にディフューザ
の起伏をなす表面部分についての「有効末広角度」Ｅは
、ディフューザの壁の起伏の開始点とディフューザ出口
の有効境界線とを結ぶ直線と主要な流れ方向との間に形
成される角度である。

本発明によれば、畝及び谷を有しない同一の長さのディ
フューザに於て達成し得る有効末広角度よりも大きい有
効末広角度に於ても境界層の流れ方向の二次元的な剥離
が生じないよう畝及び谷の形状及び大きさを設定するこ
とが可能である。かくして本発明によれば、ディフュー
ザの壁に起伏が設けられることにより、ディフューザの
長さが同一である場合には流路断面積比を大きくして、
また流路断面積比が同一である場合にはディフューザ長
さを短くしてディフューザを設計することが可能になる
。

本発明によるディフューザを設計するに際しては、谷及
び畝（即ち起伏）がそれらが設けられていない場合に境
界層が壁より剥離する位置より上流側の位置にて開始す
るよう設計が行われなければならない。勿論谷及び畝は
ディフューザの全長に亘り延在していてもよいが、この
ことは必須ではない。第１図及び第２図に示された実施
例に於ては、畝の大きさ及び形状は逆転されている点を
除き谷と同一であるが、このことも必須ではない。

また互いに隣接する谷又は畝は相互に同一である必要も
ない。

境界層の剥離を防止するという所望の効果を達成するた
めには、谷の最大深さく波形の峰から峰までの振幅Ｚ）
は谷の上流側端部のすぐ前方に於ける境界層の厚さの９
９％の少なくとも２倍でなければらないものと考えられ
る。また最大振幅Ｚが谷及び畝が設けられない場合に発
生する剥離領域（即ちウェーク）の厚さく主要な流れ方
向及びディフューザの表面に垂直な厚さ）の大きさとほ
ぼ等しい場合に最良の結果が得られるものと考えられる
。Ｘが最大振幅Ｚの位置（通常ディフューザの出口）に
於ける互いに隣接する谷の間の距離（即ち波長）である
ものとすれば、Ｚに対するＸの比は約４，０以下であり
、約０．５以上であることが好ましい。一般に振幅Ｚが
小さすぎる場合、若しくはＺに比してＸが大きすぎる場
合には、失速が遅延されるだけであり、失速が解消され
る訳ではない。これに対しＸに比してＺが大きすぎる場
合、若しくは谷の幅が狭すぎる場合には、粘性損失によ
り本発明の効果の幾つか又は全てが相殺される。本発明
は従来技術を改善する任意の大きさの谷及び畝を含むも
のである。

第３図及び第４図に本発明が組込まれた三次元ディフュ
ーザ２００が図示されている。入口通路２０２はその全
長に亘り一定の長方形の断面を有している。ディフュー
ザの入口２０４に於ては、上壁２０６及び下壁２０８は
角度Ｙだけ主要な流れ方向２１０より末広状をなしてお
り、ディフューザの側壁２１２及び２１４も同一の角度
にて主要な流れ方向より末広状をなしている。これらの
壁２０６．２０８．２１２．２１４はディフューザの入
口２０４より下流側方向りの距離に亘り平坦であり、そ
れより下流側に於ては互いに隣接して交互に配列され下
流側方向へ延在する複数個の谷２１６及び２１８に形成
されており、これらの谷及び畝はディフューザの出口２
２０までの長さに沿って互いに滑かに接続されている。

またこれらの谷及び畝の上流側端部はそれぞれ対応する
平坦な壁２０６．２０８．２１２．２１４と滑かに接続
されている。谷の深さは実質的に零よりディフューザの
出口２２０に於ける最大深さまで下流側方向へ向かうに
つれて次第に増大している。谷及び畝により形成された
起伏面はディフューザの出口に於て滑かな波形をなして
いる。

第５図及び第６図に、本発明が符号３００にて示された
軸対称ディフューザに組込まれた状態にて図示されてい
る。ディフューザ３００は軸線３０２と、円筒形の入口
通路３０４と、ディフューザセクション３０６とを有し
ている。ディフューザセクションの入口は符号３０８に
て示されており、その出口は符号３１０にて示されてい
る。ディフューザセクション３０６の上流側部分３１６
は軸線３０２の周りの湾曲した回転面であり、入口３０
８に於て壁３１４に対し接線をなしている。

残りの下流側部分３１８は互いに隣接して周方向に隔置
された複数個の谷３２０及び畝３２２よりなる起伏面で
ある。谷及び畝は上流側部分３１６の下流側端部に於て
開始し該下流側端部と滑かに接続されており、出口３１
０まで下流側方向へ延在している。谷の深さ及び畝の高
さは零より出口３１０に於ける最大値まで次第に増大し
ている。

この実施例に於ては、各谷の側壁３２３は互いに他に対
し平行である。ディフューザ出口の有効境界線が符号３
２４にて示されており、該境界線は出口３１０に於ける
ディフューザの断面積と同一の断面積を有する円を郭定
している。また第５図には有効末広角度Ｅが示されてい
る。

ディフューザの上流側部分３１６の表面に沿って境界層
の剥離が生じないものと仮定すれば、本発明による谷及
び畝は、ディフューザの下流側部分３１８が円錐形又は
軸線３０２の周りの他の回転面の一部である場合の如く
、谷や畝が設けられていない同一の軸線方向長さの従来
のディフューザに於て可能である拡散度合よりも大きい
拡散度合を可能にする。

第１図及び第２図に示された二次元ディフューザについ
ての上述のガイドラインを使用して軸対称ディフューザ
の谷及び畝の大きさ及び間隔を決定する目的で、軸対称
ディフューザの波形の振幅Ｚが半径線に沿って測定され
、波長Ｘは半径方向最も外側の峰から峰までの円弧長さ
と半径方向最も内側の峰から峰までの円弧長さとの平均
値として測定される。

第７図及び第８図には符号４００にて示された環状の軸
対称ディフューザが図示されている。ディフューザの人
口平面が符号４０２にて示されており、その出口平面が
符号４０４にて示されている。ディフューザの入口平面
４０２より上流側の互いに同心の円筒形の内壁面４０８
及び外壁面４１０は、流体をディフューザ内へ導く環状
の流路４０９を郭定している。ディフューザの内壁４１
２は軸線４１１の周りの回転面である。またディフュー
ザの外壁４１４は上流側部分４１６と下流側部分４１８
とを含んでいる。上流側部分４１６は軸線４１１の周り
の回転面である。本発明によれば、下流側部分４１８は
交互に配列され下流側方向へ延在する複数個の畝４２０
及び谷４２２よりなる起伏面であり、畝４２０及び谷４
２２は主要な流れ方向に垂直な断面で見て実質的にＵ形
をなしている。谷及び畝の壁はそれらの長さに沿って互
いに滑かに接続され、これによりディフューザの全周に
亘り滑かに起伏する面を形成している。

ディフューザの出口４０４に於ける外壁４１４の滑かな
波形が第８図に示されている。

第９図及び第１０図に示された実施例に於ては、直径が
一定の通路４９８がディフューザ５００へ流体を導くよ
うになっており、ディフューザは平面５０３内に設けら
れた人口５０２と平面５０５内に設けられた出口５０４
とを有している。入口５０２は第一の直径を有しており
、出口５０４は第一の直径よりも大きい第二の直径を有
している。

平面５０６に於ては通路断面積が階段状に変化しており
、通路は平面５０６より下流側に於ては出口５０４まで
その直径が次第に増大している。通路の直径は平面５０
５より下流側に於ては一定である。平面５０６より上流
側のディフューザの壁５０８には周方向に互いに隔置さ
れ断面Ｕ形をなす複数個の谷５１０及び畝５１２が形成
されており、谷及び畝は下流側方向へ延在しており、そ
れらの深さ及び高さは平面５０６に於ける最大振幅Ｚま
で増大している。谷はそれに流体が充填されるよう設計
されている。従って流体の流れは平面５０６まで壁５０
８に付着した状態に留まる。平面５０６及びそれより下
流側の成る短い距離の範囲に於て不連続性に起因して成
る損失が生じるが、谷及び畝は恐らくはかかる不連続部
が存在しない場合よりも迅速に流体を半径方向外方へ導
くことによって上述の如き損失を大きく低減する流れパ
ターンを平面５０６のすぐ下流側に形成する。かくして
流体の流れは不連続部より下流側へ成る短い距離の位置
に於てディフューザの壁５１４（小さい末広角度を有し
ている）に再度付着し状態になり、ディフューザの出口
５０４までその付着した状態を維持する。

以上に於ては本発明を特定の実施例について詳細に説明
したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではな
く、本発明の範囲内にて他の種々の実施例が可能である
ことは当業者にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明が組込まれた二次元ディフューザを示す
断面図である。 第２図は第１図の線２−２に沿う矢視図である。 第３図は本発明が組込まれた三次元ディフューザを示す
断面図である。 第４図は第３図の線３−３に沿う解図的矢視図である。 第５図は本発明が組込４れた軸対称ディフューザを示す
断面図である。 第６図は第５図の線６−６に沿う解図的矢視図である。 第７図は本発明に従って構成された環状の軸対称ディフ
ューザを示す断面図である。 第８図は第７図の線８−８に沿う解図的矢視図である。 第９図は本発明が組込まれた階段状ディフューザを示す
断面図である。 第１０図は第９図の線１０−１０に沿う矢視図である。 １００・・・ディフューザ、１０２・・・主要な流れ方
向、１０４・・・人口、１０６・・・流路、１０８・・
・側壁。 １１０・・・上壁、１１２・・・下壁、１１４・・・出
口、１１６・・・上流側部分、１１８・・・谷、１２０
・・・畝、１２２・・・下流側部分、１２４・・・側壁
、１３０・・・有効境界線、２０・・・ディフューザ、
２ｏ２・・・入口通路。 ２０４・・・入口、２０６・・・上ｕ、２０８・・・下
壁、２１０・・・主要な流れ方向、２１２．２１４・・
・側壁。 ２１６・・・谷、２１８・・・畝、２２０・・・出口、
３００・・・ディフューザ、３０４・・・入口通路、３
０６・・・ディフューザセクション、３０８・・・入口
、３１０・・・出口、３１４・・・壁、３１６・・・上
流側部分、３１８・・・下流側部分、３２０・・・谷、
３２２・・・畝、３２３・・・側壁、３２４・・・有効
境界線、４００・・・ディフューザ、４０２・・・入口
、４０４・・・出口、４ｏ８・・・側壁、４０９・・・
流路、４１０・・・側壁、４１２・・・内壁。 ４１４・・・外壁、４１６・・・上流側部分、４１８・
・・下流側部分、４２０・・・畝、４２２・・・谷、４
９８・・・通路、５００・・・ディフューザ、５０２・
・・入口、　　５０３・・・入口平面、５０４・・・出
口、５０５・・・出口平面。 ５０８・・・壁、５１０・・・谷、５１２・・・畝、５
１４・・・特許出願人　　ユナイテッド・チクノロシー
ズ・コーポレイション

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 主要な流れ方向に下流側方向へ流体を導くよう構成され
   たディフューザにして、前記ディフューザの入口と前記
   ディフューザの出口とを郭定する壁手段を含み、前記壁
   手段は前記入口より前記出口まで延在する面を有し、前
   記面には互いに隣接して交互に配列され下流側方向へ延
   在する複数個の谷及び畝が形成されており、前記谷及び
   前記畝は前記主要な流れ方向に垂直な断面で見てＵ形を
   なしており、互いに隣接する前記谷及び前記畝はそれら
   の長さに沿って互いに滑かに接続されて下流側方向へ延
   在する滑かに起伏する面を形成しており、前記起伏面は
   該起伏面が設けられていない場合にディフューザの面に
   流れ方向の二次元的な境界層の剥離が生じる位置より上
   流側の位置にて起伏を開始しているディフューザ。