JP4928747B2 - 渦励振抑制構造 - Google Patents

Description

本発明は流体中に配置された構造物の下流側に発生する非定常渦による渦励振を抑制するための渦励振抑制構造に関するものである。

流体中に構造物を置いた場合、その下流側にカルマン渦等の非定常渦が発生する。この非定常渦の周波数が構造物の固有振動数に近づいた場合、共振が生じる。図９に流体中に配置された構造物の一例の平面図を示す。流体中に置かれた構造物Ｓｃは、それには限定されないがここでは、下流側が細く上流側端部８１及び下流側端部８２が曲面上に形成されている。前記流体の流れは上流側端部８１より構造物Ｓｃの表面に沿って流れていき、下流側端部８２で構造物Ｓｃの表面より剥離し非定常渦Ｖｘになる。このとき、渦Ｖｘの周波数は流体が構造物表面から剥離した場所での構造物の厚みｄ（以下、代表径ｄという）と流体の流速によって決定する。

前記渦の周波数と構造物Ｓｃの固有振動数が一致又は近づくと構造物Ｓｃは共振する。構造物Ｓｃの振動を抑えるためには渦Ｖｘの周波数と構造物Ｓｃの固有振動数の差を大きくしてやればよい。或いは、下流側に発生する渦の励振力を分散させて共振が発生しにくくしてやればよい。

図１０に図９に示す構造物に従来の渦励振の抑制手段を備えたものを流体中に配置した状態の一例の平面図を示す。図１０に示すように構造物ＳｃＡの下流側端部９２ａは剥離安定化部９５ａを有している。これらの剥離安定化部は、流れ方向に対して距離を有しいるため、カルマン渦等に代表される等間隔の渦列とはなり得ず不等間隔となる。これにより渦発生の周波数を分散することができ、励振力を低減することができる。

図１１に図９に示す構造物に従来の渦励振の抑制手段を備えたものを流体中に配置した状態の一例の平面図を示す。図１１に示す構造物ＳｃＢは下流側端部９２ｂの近傍に突起９７ｂを有している。構造物ＳｃＢの表面を流動してきた流体は突起９７ｂと接触して安定して構造物表面より剥離する。突起９７ｂの大きさ、設置場所を変えることで、代表径dと励振力を低減することができる。
特開２０００−１９２８９８号公報

しかしながら、図１０に示すように、構造物ＳｃＡの下流側端部９２ａに剥離安定化部９５ａを備えたものの場合、流体の剥離位置は剥離安定化部９５ａの端部であり、構造物ＳｃＡの側面を流れる流体が剥離する剥離部の流れ方向の変位の差も少ないので、渦の周波数の分散は小さい。

構造物Ｓｃの下流側に形成される非定常渦による振動は上述したように構造物Ｓｃの固有振動数と渦の周波数が同じ又は近いとき、換言すると、構造物ＳｃＡの固有振動数と渦の周波数の差が０又は小さいときに発生するものであり、渦の周波数の分散が小さいと、構造物ＳｃＡの固有振動数と渦の周波数の差が大きくなりにくい。その結果、渦による構造物ＳｃＡの共振を防ぐことができない場合がある。

また、図１１に示すように構造物ＳｃＢの下流側端部９２ｂの近傍に突起９７ｂを取り付けるものの場合、渦の周波数は大きく分散される。しかしながら、構造物９７ｂの形状、材質等によって、突起９７ｂの取り付けが困難である場合がある。また、構造物ＳｃＢの形状に合わせて突起９７ｂの構造物ＳｃＢとの接触部を加工しなくてはならず、手間と時間がかかる。

そこで本発明は、構造物に対して簡単に形成することができ、流体中に配置された構造物の下流側に発生する交番渦を抑制し、該交番渦によって起こる前記構造物の振動の発生を抑制することを目的とする。

上記目的を達成するための発明は、流体中に配置される構造物に形成される渦励振抑制構造であって、
前記構造物の前記流体の流れ方向に対する側面に凹部を有しており、前記凹部には、上流側に前記構造物の表面に沿って流れてきた流体を該凹部に沿って流すための引き込み部と、前記引き込み部を流動した流体が衝突する衝突部とが形成されており、前記引き込み部は、前記構造物の側面に対する角度が、前記構造物の表面に沿って流れてきた流体が沿って流れるようなゆるい傾斜の斜面又は曲面であるテーパ形状部と、該テーパ形状部に接続され前記流体の流れ方向に沿う底面とを有し、前記衝突部は、前記構造物の側面と前記凹部の前記底面とをつなぎ、該側面に対して直角又は略直角な面であり、前記凹部は、前記衝突部に衝突した流体が前記側面から定常的に剥離して、該凹部の下流側に定常的な渦が形成されるよう、前記構造物の全幅に亘って前記流れ方向の長さよりも該流れ方向に交差する方向に長く伸び、且つ、該構造物の該流れ方向で、前記衝突部で剥離した流体が前記構造物の表面に再付着しない位置に形成されている、ことを特徴とする。

この構成によると、前記凹部の衝突部に流体が衝突して定常的に剥離するので、前記構造物の下流側端部で発生する交番渦を抑制することができ、交番渦の周波数と構造物の固有振動数が一致又は略一致することで発生する渦励振による構造物の振動を抑制することができる。

また前記構造物の下流側端部に、少なくとも１個の切り欠き部が形成されていてもよい。前記切り欠き部はＶ字形状、台形形状等の安定して前記構造物に沿って流れる流体が剥離しやすい形状を有しているものを広く採用することができる。

上記構成において、前記凹部は前記構造物の一方の側面に形成されているものであってもよい。この構成によると、一方の側面では前記凹部の前記衝突部に流体が衝突し剥離するとともに、定常的に渦を発生するので、前記構造物の下流側端部から発生する交番渦の抑制効果が高い。

前記凹部が形成される側面として、圧力面が好ましい。前記構造物の側面のうち圧力面には前記流体が沿って流れ、負圧面には前記流体が沿って流れない又は沿って流れにくいので、前記凹部が圧力面に形成されているほうが、前記構造物の側面を沿って流れた流体が定常的に剥離しやすい。

上記構成において、前記凹部の配置位置は前記衝突部で剥離した流体が前記構造物の表面に再付着しない位置を広く採用することができる。

前記流体として、水を挙げることができる。また、水以外の液体で渦が発生するものを広く採用することができる。また、液体以外にも、空気、各種ガス等の気体も採用することができる。

前記構造物として、回転軸の軸受け支持用のストラット、ポンプのベーン等の流体中に配置されるものであって、渦励振の影響を受けるものを広く採用することができる。

本発明によると、簡単な形状の渦励振抑制構造を構造物に簡単に形成することができ、流体中に配置された構造物の下流側に発生する交番渦を抑制し、該交番渦によって起こる渦励振の発生を抑制することで前記構造物の振動の発生を抑制することができる。

本発明の最良の実施形態を図面を参照して説明する。図１（Ａ）に本発明にかかる渦励振抑制構造を備えた軸受け支持用のストラットを用いた給水ポンプの側断面図を、図１（Ｂ）に図１（Ａ）に示す給水ポンプの軸断面図を示す。図１（Ａ）に示す給水ポンプＰｎは、ケースＣａ内部に、ベーンＢｎと、ベーンＢｎが取り付けられる回転軸Ｓｐと、回転軸Ｓｐを支持する軸受けＢｒと、軸受けＢｒを支持するストラットＳｔとを有している。また、回転軸Ｓｐは図示を省略したモータによって回動されるものであり、回転軸Ｓｐが回動することでベーンＢｎが回動し水流が発生する。

ストラットＳｔは、ベーンＢｎの下流側に配置されており、流水の抵抗を受けにくい流線型の断面形状を有している。水はベーンＢｎの回転によって、旋回（図１（Ｂ）中時計回り）しながら下流に流れている。ストラットＳｔは水の流れる方向に延びており、ストラットＳｔは一方の面が圧力面Ｐｓ１に、他方の面が負圧面Ｐｓ２になっている（図１（Ｂ）参照）。ストラットＳｔの圧力面Ｐｓには後述する渦励振抑制構造の一部である凹部３が形成されている。

図２（Ａ）、（Ｂ）に図１に示すポンプに用いられるストラットの一例の側面図及び断面図を示す。図２に示すストラットＳｔは流水中に配置されており、流水は図２（Ａ）においては図中左から右に、図２（Ｂ）においては図中左上から右下に流れている。ストラットＳｔは流水の流れ方向に抵抗が小さく、また、軸受けＢｒ及び回転軸Ｓｐを十分に支持できる形状を有している。

図２（Ｂ）に示すようにストラットＳｔの断面形状は流水の流れ方向に延びる略軸対称形状を有しており、上流側端部１は流水の抵抗を減らすために曲面状に形成されている。下流側は所定の位置よりさらに下流側にいくにしたがって絞られた形状を有している。また、下流側端部２も上流側端部１と同様に曲面で形成されている。

図２（Ｂ）に示すストラットＳｔは図中上側が圧力面Ｐｓ１になっている。ストラットＳｔは圧力面Ｐｓ１に渦励振抑制構造として凹部３を備えている。凹部３はそれには限らないがここでは、ケースＣａの半径方向に延びる形状を有している。凹部３はストラットＳｔの圧力面Ｐｓ１に沿って流れてきた水を凹部３に引き込む引き込み部３１と、凹部３内を流れた水が衝突する衝突部３２とを有している。

引き込み部３１はストラットＳｔの圧力面Ｐｓ１に対してわずかに傾斜したテーパ形状部３１１と、テーパ形状部３１１接続する底部３１２とを有している。底部３１２の下流側は衝突部３２と接続している。それには限定されないがここでは、衝突部３２は圧力面Ｐｓ１に対して直角に形成されている。衝突部３２の圧力面Ｐｓ１に対する角度として流水が確実に剥離できる角度を広く採用することができる。

図２に示すように、圧力面Ｐｓ１に沿って流れてきた流水は引き込み部３１のテーパ部３１１に沿って流れ、テーパ部３１１と接続している底部３１２に沿って流れる。底部３３１２を流れた流水は衝突部３２と衝突し、外部に放出される。このとき、凹部３を流れた流水は図２に示すとおり、ストラットＳｔの側面から大きく離れて流れる、いわゆる、剥離が発生する。この剥離が再度ストラットＳｔの表面に沿う（再付着する）のを防ぐために、凹部３はそれには限定されないがここでは、ストラットＳｔの下流側の略１／４よりも下流に配置されている。

凹部３の最適な配置場所は流水の流速と、流体力学的性質、構造物（ここでは、ストラットＳｔ）の形状により決定するものであり、必ずしも構造物の下流側の略１／４よりも下流に配置されるものではない。

流水は凹部３の衝突部３２に衝突し、衝突部３２で定常的に剥離する。この剥離により渦が定常的に発生するので、ストラットＳｔの下流側端部２の下流で発生する交番渦の発生が抑制される。交番渦の発生が抑制されることで、交番渦の周波数とストラットＳｔの固有振動数が一致又は略一致することでおこる渦励振を抑制し、ストラットＳｔの振動を抑制することができる。

また、水流が左から右にストラットＳｔと平行する流れである場合であっても、ストラットＳｔの一方の側面に凹部３を設けることで、一方の面（図２（Ｂ）中上側）では凹部３の衝突部３２で流水が剥離するのに対し、他方の面（図中下側）では下流側端部２で流水が剥離するので、渦の周波数が分散され、渦励振を抑制することが可能である。

図３に本発明にかかる渦励振抑制構造を備えたストラットの他の例の断面図を示す。図３に示すようにストラットＳｔＡの下流側端部２に斜めにカットされた剥離安定化部５を備えていてもよい。図３に示すように流水がストラットＳｔＡと平行する方向に流れる場合、凹部３が備えられた側面（図中上側）では流水が凹部３の衝突部３２で安定して剥離し、反対側の面（図中下側）では、剥離安定化部５で安定して剥離する。また、衝突部３２で剥離しなかった流れや再付着した流れも剥離安定化部５で安定して剥離する。両方の面で安定して剥離が発生するので、確実に渦の周波数を分散させることができ、渦励振によるストラットＳｔの振動を抑制することが可能である。

図４（Ａ）に本発明に対する参考例としての渦励振抑制構造を備えたストラットの例の側面図を、図４（Ｂ）に図４（Ａ）に示すストラットの断面図を示す。図４各図に示すストラットＳｔＣの渦励振抑制構造は凹部３ｃが流水に対して直行する方向に複数個並んで配置されている。

図４（Ｂ）に示すように、ストラットＳｔＣの凹部３ｃの引き込み部３１ｃは、ストラットＳｔＣの上流側端部１ｃの曲面部まで延伸している。流水は引き込み部３１ｃに沿って流れ、引き込み部３１ｃ及び引き込み部３１ｃに沿って流れた後、衝突部３２ｃと衝突して剥離する。引き込み部３１ｃが上流側端部１ｃまで延伸していることで、流水が凹部３ｃに入り込みやすく、それだけ、衝突部３２ｃでの剥離効果を高めることが可能である。

また、図４（Ａ）に示すようにストラットＳｔＣには複数の凹部３ｃが断続的に並んで配置されているので、流水は凹部３ｃが配置されている部分では凹部３ｃの衝突部３２ｃで剥離し、凹部３ｃが配置されていない部分ではストラットＳｔＣの下流側端部２ｃで剥離する。これにより、ストラットＳｔＣの流水に交差する方向での剥離点が異なるので、渦の周波数を分散させることができ、渦励振の発生を抑制することが可能である。

図３で示したストラットＳｔＡに備えられた剥離安定化部５と同様のものを備えていてもよい、この場合、凹部３ｃが形成されていない部分でも、流水がストラットＳｔＣの下流側端部２ｃで安定して剥離するので、渦励振を抑制することができる。

図５に本発明に対する参考例としての渦励振抑制構造を備えたストラットの他の例の断面図を示す。図５に示すストラットＳｔＢは、図中左から右に向かって流水が流れており、渦励振抑制構造として第１の凹部３ａ及び第２の凹部３ｂを有している。第１の凹部３ａは図中上側の側面に配置されており、第２の凹部３ｂは第１の凹部３ａとは反対側の側面に配置されている。第１の凹部３ａ及び第２の凹部３ｂは図２に示すストラットＳｔに備えられている凹部３と同一の形状を有している。第１の凹部３ａは下流側に、第２の凹部３ｂは第１の凹部３ａに対して上流側に配置されている。

第１の凹部３ａ及び第２の凹部３ｂが流水の流れ方向に対してずれて配置されており、流水の剥離部がストラットＳｔＢの両側面で異なるため、渦の周波数が分散され、渦励振の発生を抑えることができる。また、ストラットＳｔＢの下流側端部２ｂに図３に示すストラットＳｔＡが備えているような剥離安定化部５が備えられていてもよい。

本実施例のストラットＳｔＢでは、第１の凹部３ａ及び第２の凹部３ｂの形状はいずれも図２に示す凹部３と同一形状のものであったが、どちらか一方又は両方が図４に示す凹部３ｃと同様の形状及び配置であってもよい。また、両方が図３に示す凹部３ｃと同様の形状を有する場合、第１の凹部と第２の凹部の配置場所はケースＣａに取り付けたときの半径方向にずれているものであってもよい。

また、図６に本発明に対する参考例としての渦励振抑制構造を備えたストラットの他の例の側面図を示す。図６に示すストラットＳｔＤは隣り合う凹部３ｄの衝突部３２ｄが流水の流れ方向にずれて配置されている。このように凹部３ｄが配置されていることで、各凹部３ｄでの流水の剥離位置がずれるので、渦の発生場所が並ばないので、渦強度を低減することができる。これにより、渦励振の強度を抑制することができる。

図７に本発明に対する参考例としての渦励振抑制構造を備えたストラットの他の例の側面図を示す。図７に示すストラットＳｔＥは下流側端部２ｅに切り欠き部６ｅを有している以外は図４各図に示すストラットＳｔＣと同一の構造を有している。

図７に示すように、ストラットＳｔＥは流水に交差する向きに配置される凹部３ｅと、下流側端部２ｅの凹部３ｅと流水の流れと交差する方向にずれて配置されるＶ字の切り欠き部６ｅとを有している。凹部３ｅは図７に示すように上流側端部１ｅに延伸した引き込み部３１ｅを有している。凹部３ｅに流入した流水は衝突部３２ｅで剥離し、隣り合う凹部３ｅの間に流れた流水は切り欠き部６ｅで剥離する。このことにより、渦がストラットＳｔＥに沿って並んで発生するのを防ぐことができ、渦の周波数を分散させることが可能である。渦の周波数が分散することで、渦励振の発生を抑制することが可能である。

また図示は省略するが、切り欠き部６ｅに図３に示すストラットＳｔＡに備えられている剥離安定化部５と同様のものが形成されていてもよい。この場合、流水が切り欠き部６ｅより安定して剥離することができ、確実に渦の周波数を分散させることが可能である。剥離安定化部は下流側端部の切り欠き部６ｅが形成されている以外の部分にも形成されていてもよい。

また、図７に示すストラットＳｔＥでは、切り欠き部６ｅとしてＶ字状に切り欠かれたものを例示しているが、それに限定されるものではなく、台形状、矩形状等流水の剥離が起こりやすい形状を広く採用することができる。

ストラットＳｔＥには片面に凹部３ｅが形成されているものを示しているが、両面に形成されているものであってもよい。このとき、隣り合う凹部は互いに異なる面に配置されるものであってもよい。また、各凹部の衝突部の位置は面ごとに又はそれぞれ異なった場所に配置されていてもよい。また、図２等に示すストラットＳｔのような、連続する凹部を有するストラットに対して、下流側端部に図７に示すきり欠き部６ｅのような切り欠き部を形成してもよい。

以上に示した各例では、ストラットに渦励振抑制構造を備えたものを例に説明してきたが、それに限定されるものではなく、例えば、ポンプのベーンＢｎ等の流水中に配置される構造物の表面に対して本発明の渦励振抑制構造を形成することができ、断面形状に限定されることなく広く採用されるものである。

以下に、ストラット以外の構造物に渦励振抑制構造を利用したものの例を示す。図８（Ａ）に本発明にかかる渦励振抑制構造を備えた円柱構造物の正面図を、図８（Ｂ）に図８（Ａ）に示す円柱構造物の断面図を示す。円柱構造物７は橋脚等の流水中に配置されるものであり、流水は図中左から右に流れるものとする。図８各図に示すように円柱構造物７の接線が流水に対して平行になる場所のうち一方に凹部３ｆが形成されている。

凹部３ｆは引き込み部３１ｆ及び衝突部３２ｆとを有している。引き込み部３１ｆはテーパ形状部３１１ｆと、底部３１２ｆとを有しており、テーパ形状部３１１ｆと底部３１２ｆは連続に接続している。また、底部３１２ｆの下流側は衝突部３２ｆと接続している。衝突部３２ｆは流水の流れ方向に対して直角になるように形成されている。

流水中に円柱状構造物７を配置した場合、円柱状構造物７の表面に沿って流れた流水は、円柱状構造物７の流水の上下流の中央よりも下流側の位置Ｐ１で剥離する。凹部３ｆを中央部よりの位置Ｐ２に配置することで、この場所で流水が剥離する。一方の側面に凹部３ｆを配置することで剥離場所がずれるので、渦の周波数が分散し渦励振が発生するのを防止することが可能である。

以上に示した各実施例において、本発明にかかる渦励振抑制構造が採用されているときの構造物の周りを流れる流体として流水であるものを例に挙げて説明したが、それに限定されるものではなく、該渦励振抑制構造は空気等の気体や水以外の液体等、渦が発生する特性を有する気体中に配置される構造物に広く採用することが可能である。

以上に示したとおり、本発明にかかる渦励振抑制構造は、流体中に配置される構造物の側面に凹部を形成するものであるので、前記渦励振抑制構造は前記構造物に予め形成しておくことも容易であり、別途部材を取り付けたりする方法に対して、既に設置されている構造物に対しても容易に渦励振抑制構造を付加することが可能である。

また、鋳鉄等の溶接不可の性質を有する構造物に対しても設置可能であるので、本発明にかかる渦励振抑制構造は、設置される構造物を構成する材料の性質や、構造物の形状等の施工可能条件が少なく、それだけ多くの構造物の渦励振対策として利用することが可能である。

図Ａ）は本発明にかかる渦励振抑制構造を備えた軸受け支持用のストラットを用いた給水ポンプの側断面図であり、図（Ｂ）は図（Ａ）に示す給水ポンプの軸断面図である。 図（Ａ）は図１に示すポンプに用いられるストラットの一例の側面図であり、図（Ｂ）は図（Ａ）に示すストラットの断面図である。 本発明にかかる渦励振抑制構造を備えたストラットの他の例の断面図である。 図（Ａ）は本発明に対する参考例としての渦励振抑制構造を備えたストラットの例の側面図であり、図（Ｂ）は図（Ａ）に示すストラットの断面図である。 本発明に対する参考例としての渦励振抑制構造を備えたストラットの他の例の断面図である。 本発明に対する参考例としての渦励振抑制構造を備えたストラットの他の例の側面図である。 本発明に対する参考例としての渦励振抑制構造を備えたストラットの他の例の側面図である。 図（Ａ）は本発明にかかる渦励振抑制構造を備えた円柱構造物の正面図であり、図（Ｂ）は図（Ａ）に示す円柱構造物の断面図である。 流体中に配置された構造物の一例の平面図である。 図９に示す構造物に従来の渦励振の抑制手段を備えたものを流体中に配置した状態の一例の平面図である。 図９に示す構造物に従来の渦励振の抑制手段を備えたものを流体中に配置した状態の一例の平面図である。

符号の説明

１ 上流側端部
２ 下流側端部
３ 凹部
３ａ〜３ｆ 凹部
３１ 引き込み部
３１ａ〜３１ｆ 引き込み部
３１１、３１１ｆ テーパ状部
３１２、３１２ｆ 底部
３２ 衝突部
３２ｃ、３２ｄ、３２ｅ、３２ｆ 衝突部
５ 剥離安定化部
６ｅ 切り欠き部
７ 円柱状構造物
Ｓｔ ストラット
ＳｔＡ〜ＳｔＥ ストラット
Ｐｎ 給水ポンプ
Ｃａ ケース
Ｂｎ ベーン
Ｓｐ 回転軸
Ｂｒ 軸受け
Ｓｃ 構造物
ＳｃＡ、ＳｃＢ 構造物
Ｖｘ 渦

Claims (8)

1. 流体中に配置される構造物に形成される渦励振抑制構造であって、
   前記構造物の前記流体の流れ方向に対する側面に凹部を有しており、
   前記凹部には、上流側に前記構造物の表面に沿って流れてきた流体を該凹部に沿って流すための引き込み部と、前記引き込み部を流動した流体が衝突する衝突部とが形成されており、
   前記引き込み部は、前記構造物の側面に対する角度が、前記構造物の表面に沿って流れてきた流体が沿って流れるようなゆるい傾斜の斜面又は曲面であるテーパ形状部と、該テーパ形状部に接続され前記流体の流れ方向に沿う底面とを有し、
   前記衝突部は、前記構造物の側面と前記凹部の前記底面とをつなぎ、該側面に対して直角又は略直角な面であり、
   前記凹部は、前記衝突部に衝突した流体が前記側面から定常的に剥離して、該凹部の下流側に定常的な渦が形成されるよう、前記構造物の全幅に亘って前記流れ方向の長さよりも該流れ方向に交差する方向に長く伸び、且つ、該構造物の該流れ方向で、前記衝突部で剥離した流体が前記構造物の表面に再付着しない位置に形成されている、ことを特徴とする渦励振抑制構造。
2. 前記構造物の下流側端部には、少なくとも１個の切り欠き部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の渦励振抑制構造。
3. 前記凹部は、前記構造物の一方の側面に形成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の渦励振抑制構造。
4. 前記凹部が形成される側面は、圧力面であることを特徴とする請求項３に記載の渦励振抑制構造。
5. 前記構造物の前記流体の流れ方向の下流側端部には側面に対して傾いた面で形成される剥離安定化部を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の渦励振抑制構造。
6. 前記流体は流水であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の渦励振抑制構造。
7. 前記構造物は、回転軸の軸受け支持用のストラットであることを特徴とする請求項６に記載の渦励振抑制構造。
8. 前記構造物はポンプのベーンであることを特徴とする請求項６に記載の渦励振抑制構造。

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