JP2013140107A - ディフューザの速度場計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】旋回失速時のディフューザにおける流体の速度場を、適切なタイミングでのＰＩＶ測定により精度よく計測すること。
【解決手段】ディフューザ流路の流体圧に応じた圧力センサ１５の出力から、ローパスフィルタ１７及びバンドパスフィルタ１９を用いて２つの周波数成分を抽出する。抽出した各周波数成分が同時にそれぞれの所定の位相となり、対応するパルスジェネレータ２１，２３が同時に同じ電圧値Ｖｐのパルス信号ｐ１，ｐ２をそれぞれ出力したときに、タイミングパルスＴＰを生成する。タイミングパルスＴＰからサンプリング周期の整数倍ｍ（ｍ＝１，２，３，…）ずつ位相を順次遅らせた各タイミングで、ディフューザ流路の流体の速度ベクトルをＰＩＶ測定する。各タイミングのＰＩＶ測定結果から、ディフューザ流路の速度場を計測する。ＰＩＶ測定の時間分解能（測定可能間隔）がサンプリング周期より長くても、精度よく速度場を計測できる。
【選択図】図７

Description

本発明は、遠心圧縮機や遠心送風機等のディフューザにおける流体の速度場を計測する装置に関するものである。

ディフューザを有する遠心圧縮機や遠心送風機等では、流体流量が下がると旋回失速が発生してディフューザ性能が急激に低下する。このようなディフューザ性能の低下を防ぐために、旋回失速の発生を検出することが重要である。

そこで、旋回失速の発生時にディフューザの速度場に生じる周期的な変動を、翼（インペラ）通過によりディフューザの速度場に生じる変動と共に、ＰＩＶ（粒子画像流速測定法；Particle Image Velocimetry）を用いて計測することが提案されている（例えば、非特許文献１）。

林信敬、小山正晴、佐野正利、「ＰＩＶによる遠心羽根なしディフューザにおける旋回失速発生時の速度場計測」、ターボ機械、日本工業出版株式会社、２０１０年４月、第３８巻、第４号、p.215-226

上述した先行技術文献に記載された従来技術では、翼の回転に同期してＰＩＶ測定を行うことで、翼通過による速度場の分布を計測し、翼回転とは同期しない旋回失速による速度場の分布については、複数のＰＩＶ測定結果に後処理を施して解析により求めるようにしている。

このように、従来技術では、旋回失速による速度場の変動周期と無関係な周期でＰＩＶ測定を行うことから、旋回失速による速度場の分布を求めるために膨大な後処理を行わなければならない。

本発明は前記事情に鑑みなされたもので、本発明の目的は、旋回失速時のディフューザにおける流体の速度場を、適切なタイミングでのＰＩＶ測定により精度よく計測することができる、ディフューザの速度場計測装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載した本発明のディフューザの速度場計測装置は、
ディフューザの流体圧を測定する流体圧センサと、
前記流体圧センサの出力から前記ディフューザの流体圧の変動に含まれる複数の周波数成分を抽出するフィルタリング手段と、
前記フィルタリング手段により抽出された前記ディフューザの流体圧の変動に含まれる各周波数成分にそれぞれ対応して設けられ、対応する周波数成分が所定の位相となる毎に予め定められた所定電圧値のパルス信号をそれぞれ出力する複数のパルスジェネレータと、
前記周波数成分の数をｎとした場合、前記各パルスジェネレータが同時に出力した前記パルス信号の合計電圧レベルが、前記所定電圧値のｎ−１倍より大きくかつ前記所定電圧値のｎ倍より小さい所定のしきい値を上回る毎に、クロック用のタイミングパルスを生成するタイミングパルス生成手段と、
前記タイミングパルスの周期に対する位相差を一定のサンプリング周期分の位相ずつ順次増やした計測周期毎に、前記ディフューザにおける流体の速度ベクトルを、ＰＩＶ（粒子画像流速測定法；Particle Image Velocimetry）を用いて測定するＰＩＶ測定手段と、
前記計測周期毎の前記ＰＩＶ測定手段の測定結果に基づいて、前記ディフューザにおける流体の速度場を計測する速度場計測手段と、
を備えることを特徴とする。

請求項１に記載した本発明のディフューザの速度場計測装置によれば、遠心羽根なしディフューザの速度場の回転と同期するディフューザの流体圧が流体圧センサにより測定される。そして、測定された流体圧の変動に含まれる複数の周波数成分がフィルタリング手段により抽出される。

また、抽出された各周波数成分がそれぞれに対応した所定の位相になると、対応するパルスジェネレータから所定電圧値のパルス信号が出力される。各パルスジェネレータが同時にパルス信号を出力すると、その合計電圧レベル（所定電圧値のｎ倍）が、所定電圧値のｎ−１倍より大きくｎ倍より小さい所定のしきい値を上回り、タイミングパルスがタイミングパルス生成手段により生成される。

このタイミングパルスが生成される度に、その周期に対する位相差を一定のサンプリング周期分の位相ずつ順次増やして、つまり、タイミングパルスの周期から一定のサンプリング周期分ずつ位相の遅れ量を増やしたタイミングで、ＰＩＶ測定手段によりディフューザの流体の速度ベクトルが測定される。

したがって、ＰＩＶ測定手段による速度ベクトルの測定を行いたいサンプリング周期に対して、ＰＩＶ測定手段の時間分解能が低い（ＰＩＶ測定手段による測定可能な周期が長い）場合であっても、適切なタイミングでＰＩＶ測定手段により速度ベクトルの測定を行って、その結果によりディフューザの速度場を、精度よく計測することができる。

本発明によれば、旋回失速時のディフューザにおける流体の速度場を、適切なタイミングでのＰＩＶ測定により精度よく計測することができる。

ディフューザを有するターボ圧縮機の流量ー圧縮比特性を示すグラフである。 旋回失速発生時における遠心羽根なしディフューザ内の流体の速度場分布を示す説明図である。 ＰＩＶによる流体速度の測定方法を示す説明図である。 遠心羽根なしディフューザ内のあるモードの速度場の回転周期と同期する静圧変動とＰＩＶを用いた流体速度測定の実行タイミングとの関係を示す説明図である。 （ａ）はディフューザの速度場の周期的な変動を示す２つの周波数成分を含んだ合成波形を示す説明図、（ｂ），（ｃ）は（ａ）の合成波形から分離した各周波数成分の波形を示す説明図である。 （ａ），（ｂ）は、本実施形態の速度場計測装置を用いて遠心羽根なしディフューザの速度場を計測する遠心圧縮機の要部を示す断面図及び正面図である。 本発明の一実施形態に係る遠心羽根なしディフューザの速度場計測装置の要部の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る遠心羽根なしディフューザの速度場計測装置でディフューザの速度場のコンター図を求める場合の手順を概念的に示す説明図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

まず、ディフューザを有するターボ圧縮機の流量ー圧縮比特性を、図１のグラフを参照して説明する。

ターボ圧縮機のインペラ回転数を一定に保ったまま流体流量を増減した場合の圧力比を示す図１のグラフのように、ターボ圧縮機には、チョーク（閉塞）による大流量側の運転限界があり、旋回失速などによる小流量側の運転限界とがある。このうち、小流量側の運転限界は、特に正確に把握できることが望ましい。その理由は、小流量側の運転限界を超えて流体流量が減ると、旋回失速によりディフューザ内の流体の流動が不安定になり危険である点や、ターボ圧縮機の運転可能範囲を拡げるという普遍的な要求がある点などにある。

ところで、旋回失速の発生時には、翼（インペラ）通過によりディフューザの速度場に生じる変動とは別に、翼の回転周期とは無関係な周期でディフューザの速度場に周期的な変動が生じる。しかも、翼の回転周期と無関係な速度場の周期的な変動は、旋回失速に至る過渡的な状態においては、複数の周波数成分を含んでいることがある。

図２は、旋回失速発生時におけるディフューザ内の流体の速度場分布を、遠心羽根なしディフューザの場合を例に取って示す説明図である。この説明図では、３つの低速領域が周方向に間隔をおいて径方向外側に膨出するモード３の速度場と、２つの低速領域が周方向に間隔をおいて径方向外側に膨出するモード２の速度場とが、同時に存在している場合を示している。これらの速度場がそれぞれの固有の周期でディフューザ内を周方向に回転している。改めての図示は省略するものの、羽根付きディフューザの場合も同様の傾向の速度場が内部に生じる。

なお、各モードの速度場は、本来は、段階的に速度が異なる複数の等高線（コンター図）によって表現すべきであるが、図面の見やすさのため１本の線によって各モードの速度場を簡略化して示している。また、図２中においては、翼通過により生じる速度場の変動に関する分布の図示を省略している。

上述したディフューザ内の流体の速度場は、ＰＩＶ（粒子画像流速測定法；Particle Image Velocimetry）を用いて流体速度を測定することで、求めることができる。ＰＩＶでは、図３の説明図に示すように、被測定空間に混入して流体の流れＦに追従させた粒子Ｐをレーザ光源Ｌからのシート状のレーザ光線ＬＢで照明しつつ、微少時間をおいて粒子Ｐの画像をカメラＣにより連続撮影する。そして、連続撮影した粒子Ｐの画像から粒子Ｐの変位ベクトルをコンピュータ等の解析装置Ａで求め、これを基に粒子Ｐの速度ベクトルを解析装置Ａで算出する。なお、レーザ光源Ｌ、カメラＣ、及び、解析装置Ａは、後述する計測系コントローラ２５と共に、請求項中のＰＩＶ測定手段を構成する。

ディフューザ内の速度場の回転周期は、ディフューザ内の流体の静圧変動と同期している。したがって、各モードの速度場の回転周期に対応するディフューザ内の流体の静圧変動の周期は、その周期よりも十分短いサンプリング間隔でＰＩＶによる流体速度測定を繰り返すことで、求めることができる。

しかし、ＰＩＶを用いた流体速度測定の分解能は、ディフューザ内の流体の静圧変動の周期に対して非常に低いのが実情である。即ち、図４の説明図に示すように、あるタイミングでＰＩＶによる１回目の流体速度測定を行った後、ディフューザ内の流体の静圧変動の周期よりも十分短いサンプリング周期ｄで２回目の流体速度測定を行いたい場合、そのタイミング（２回目の測定をしたい時刻）は、ＰＩＶの時間分解能に対して非常に早いタイミングで到来する。

したがって、実際には、ＰＩＶの時間分解能に応じたアイドルタイムを経た後に、ディフューザ内の流体の静圧変動の周期に対する位相を、２回目の流体速度測定を行いたかった時点の位相と合わせたタイミング（圧力変動のピークから周期ｄだけ遅らせたタイミング）で、２回目の流体速度測定を行わざるを得ない。

また、ディフューザの速度場の周期的な変動は先に説明したように複数の周波数成分を含んでいることがある。そのため、ＰＩＶの時間分解能に応じたアイドルタイムを経た後の、各周波数成分の位相が上述した２回目の流体速度測定を行いたいタイミングとそれぞれ一致するタイミングで、２回目の流体速度測定を行う必要がある。

例えば、ディフューザの速度場の周期的な変動が、図５（ａ）のグラフ中の点線で示す低周波成分を含む、同グラフ中の実線で示すような合成波形で示される場合を想定する。この合成波形が図５（ｂ），（ｃ）の各グラフにそれぞれ示す低周波成分と高周波成分とを含んでいる場合、図５（ｂ）に示す低周波成分では３つのタイミングで位相が一致するが、各タイミングにおける図５（ｃ）の高周波成分の位相は一致しない。

そのため、サンプリング間隔上で、ＰＩＶによる２回目の流体速度測定を行いたいタイミングが、例えば３つのうち中央のタイミングであるとすると、ＰＩＶの時間分解能に応じたアイドルタイムを経た後、図５（ｂ），（ｃ）の各周波数成分がそれぞれ同位相となるタイミングで、実際の２回目の流体速度測定を行う必要がある。

以上の点を考慮したのが、本発明に係るディフューザの速度場計測装置である。以下、図６及び図７を参照して、本発明の一実施形態に係るディフューザの速度場計測装置の構成について説明する。

図６（ａ），（ｂ）は、本実施形態の速度場計測装置を用いてディフューザの速度場を計測する遠心圧縮機の要部を示す断面図及び正面図である。

図６（ａ）に示すように、本実施形態の遠心圧縮機１は、ハウジング３の内部にインペラ５を配置し、インペラ５の回転により圧縮した気体（流体）を、ディフューザ流路７（請求項中のディフューザに相当）を介してスクロール流路１１に供給するものである。

図６（ｂ）に示すように、ハウジング３には、密閉された透明の観測窓１３が形成され、観測窓１３の近傍には、観測窓１３を透して観測される箇所の近傍においてディフューザ流路７内の流体圧を測定する圧力センサ１５（請求項中の流体圧センサに相当）が密閉状態で取り付けられている。圧力センサ１５のセンサヘッド（図示せず）は、ディフューザ流路７内に露出している。観測窓１３は、図３のレーザ光源Ｌのレーザ光線ＬＢによりディフューザ流路７内を照明する際や、カメラＣによりディフューザ流路７内を撮影する際に利用される。

図７に示すように、圧力センサ１５の出力は、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１７及びバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）１９（いずれも、請求項中のフィルタリング手段に相当）を用いて、低周波成分と高周波成分の２つの周波数成分に分離する。ここでは、ディフューザ流路７内の流体の静圧変動が２つの周波数成分を含んでいる場合を示している。３つ以上の周波数成分を含む可能性がある場合は、各周波数成分に応じた数のフィルタ（ローパスフィルタ、バンドパスフィルタ、ハイパスフィルタ等）を用いて、各周波数成分を分離することができる。また、各フィルタのフィルタリングレンジは、圧力センサ１５の出力をフーリエ変換して得た周波数スペクトルから決定することができる。

ＬＰＦ１７及びＢＰＦ１９で分離した、ディフューザ流路７内の流体の静圧変動の低周波成分及び高周波成分は、パルスジェネレータ２１，２３にそれぞれ入力される。各パルスジェネレータ２１，２３は、それぞれに入力された周波数成分が特定の位相となったときに、パルス信号ｐ１，ｐ２を出力する。本実施形態では、低周波成分の電圧値がしきい値ｖｔｈ１を超える位相に達したときに、パルスジェネレータ２１がパルス信号ｐ１を出力し、高周波成分の電圧値がしきい値ｖｔｈ２を超える位相に達したときに、パルスジェネレータ２３がパルス信号ｐ２を出力する。なお、パルス信号ｐ１，ｐ２は共に同じ電圧値Ｖｐを有している。

２つのパルスジェネレータ２１，２３の各出力は直列に接続されており、計測系コントローラ２５には、各パルスジェネレータ２１，２３のパルス信号ｐ１，ｐ２の電圧値を合計したレベルの信号が入力される。計測系コントローラ２５は、例えばコンピュータにより構成されており、入力信号の電圧レベルＶａｄｄが、Ｖｐ＜ｖｔｈ＜２Ｖｐの範囲に設定されたしきい値ｖｔｈを超えたときに、タイミングパルスＴＰを生成する。したがって、本実施形態では、請求項中のタイミングパルス生成手段が、計測系コントローラ２５によって構成されている。

なお、ディフューザ流路７内の流体の静圧変動が３つ以上の周波数成分を含んでいる場合は、含まれる周波数成分の数をｎとして、その数ｎと同数のパルスジェネレータを用いることになる。そして、各パルスジェネレータがそれぞれ出力するパルス信号の電圧値Ｖｐのｎ−１倍より大きくかつｎ倍より小さい値を、計測系コントローラ２５で用いるしきい値ｖｔｈの値に設定すればよい。

さらに、計測系コントローラ２５は、タイミングパルスＴＰから、例えば図４のサンプリング周期ｄの整数倍ｍ（ｍ＝１，２，３，…）ずつ位相を遅らせたタイミングで、図３のカメラＣ及びレーザ光源Ｌを駆動する。なお、整数倍ｍの値を順次増やすことで、タイミングパルスＴＰからの位相遅れ量を順次大きくしたタイミング毎に、カメラＣ及びレーザ光源Ｌを駆動することになる。これにより、各タイミングにおいて、レーザ光線ＬＢにより照明されたディフューザ流路７内の粒子Ｐが、観測窓１３（図６（ｂ）参照）を透してカメラＣにより撮影される。

各タイミングのカメラＣによる撮影画像は、図３の解析装置Ａに取り込まれる。解析装置ＡはカメラＣの撮影画像を用い、図３を参照して説明した手順で、ディフューザ流路７内の流体の速度ベクトルを算出し、これに基づいて、ディフューザ流路７の速度場を計測する。そして、図８の説明図に示すように、解析装置Ａが複数回計測した速度場（１回目計測、２回目計測、…）を用いて、ディフューザ流路７の速度場のコンター図を得ることができる。したがって、本実施形態では、請求項中の速度場計測手段が、解析装置Ａによって構成されている。

解析装置Ａが計測したディフューザ流路７の速度場は、図６（ａ）に示す遠心圧縮機１のインペラ５の回転数や圧縮する流体の流量との関係で、ディフューザ流路７に旋回失速が発生する際の目安となるデータとして利用することができる。

以上に説明したように、本実施形態では、圧力センサ１５による流体圧センサと、フィルタリング手段であるＬＰＦ１７及びＢＰＦ１９と、パルスジェネレータ２１，２３と、計測系コントローラ２５で構成されるタイミングパルス生成手段と、レーザ光源Ｌ、カメラＣ、計測系コントローラ２５、及び、解析装置Ａで構成したＰＩＶ測定手段と、解析装置Ａで構成される速度場計測手段とで、速度場計測装置を構成した。

そして、本実施形態の速度場計測装置では、ディフューザ流路７の流体圧の変動に含まれる２つの周波数成分が同時にそれぞれの所定の位相となったときのタイミングパルスＴＰを基準（のクロック）として、ＰＩＶ測定手段によるＰＩＶ測定を行うようにした。

このため、ＰＩＶ測定手段による速度ベクトルの測定を行いたいサンプリング周期ｄに対して、ＰＩＶ測定手段の時間分解能が低い（ＰＩＶ測定手段による測定可能な周期が長い）場合であっても、ディフューザ流路７内の流体の速度ベクトルの算出を行うのに適切なタイミングで、ＰＩＶ測定手段による測定（カメラＣによる撮影）を行い、ディフューザ流路７の速度場を精度よく計測することができる。

なお、本実施形態では、遠心圧縮機に本発明を適用した場合について説明したが、本発明は、遠心送風機等のディフューザにおける流体の速度場を計測する際に、広く適用可能である。また、本発明は、ディフューザが羽根付きであるか羽根なしであるかを問わず適用可能である。

１ 遠心圧縮機
３ ハウジング
５ インペラ
７ ディフューザ流路
１１ スクロール流路
１３ 観測窓
１５ 圧力センサ
１７ ローパスフィルタ
１９ バンドパスフィルタ
２１，２３ パルスジェネレータ
２５ 計測系コントローラ
Ａ 解析装置
Ｃ カメラ
Ｌ レーザ光源
ＬＢ レーザ光線
Ｐ 粒子
ＴＰ タイミングパルス
Ｖａｄｄ 電圧レベル
Ｖｐ 電圧値
ｄ サンプリング周期
ｐ１，ｐ２ パルス信号
ｖｔｈ，ｖｔｈ１，ｖｔｈ２ しきい値

Claims (1)

1. ディフューザの流体圧を測定する流体圧センサと、
   前記流体圧センサの出力から前記ディフューザの流体圧の変動に含まれる複数の周波数成分を抽出するフィルタリング手段と、
   前記フィルタリング手段により抽出された前記ディフューザの流体圧の変動に含まれる各周波数成分にそれぞれ対応して設けられ、対応する周波数成分が所定の位相となる毎に予め定められた所定電圧値のパルス信号をそれぞれ出力する複数のパルスジェネレータと、
   前記周波数成分の数をｎとした場合、前記各パルスジェネレータが同時に出力した前記パルス信号の合計電圧レベルが、前記所定電圧値のｎ−１倍より大きくかつ前記所定電圧値のｎ倍より小さい所定のしきい値を上回る毎に、クロック用のタイミングパルスを生成するタイミングパルス生成手段と、
   前記タイミングパルスの周期に対する位相差を一定のサンプリング周期分の位相ずつ順次増やした計測周期毎に、前記ディフューザにおける流体の速度ベクトルを、ＰＩＶを用いて測定するＰＩＶ測定手段と、
   前記計測周期毎の前記ＰＩＶ測定手段の測定結果に基づいて、前記ディフューザにおける流体の速度場を計測する速度場計測手段と、
   を備えることを特徴とするディフューザの速度場計測装置。

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