JP4974605B2 - 羽根車および水中ミキサ - Google Patents

Description

本発明は、羽根車および当該羽根車を備えた水中ミキサに関するものである。

従来から、例えば、下水処理場や貯水場等に貯留されている汚水を浄化すること等を目的として、その貯留水を水中ミキサで攪拌することが行われている。一般に、この種の水中ミキサは水中モータを備え、この水中モータの出力軸の先端部に、羽根車が取り付けられている。そして、水中ミキサは、汚水中に設置され、上記羽根車を回転させることによって、汚水中に旋回流を発生させる。

水中ミキサの羽根車は、羽根車の回転軸方向に一定の流れが形成されることを前提として、翼断面が流れの中において好適な迎角を有するように設計されている。具体的には、翼弦（羽根の前縁と後縁とを結ぶ線）方向が主流方向と所定の角度をなすように設計されている。

ところが、矩形槽の攪拌等では、主流の流れが一様になりにくく、羽根車の周囲の流れは、回転軸方向から様々な角度を持った方向に変化しやすい。そのため、翼断面の迎角が不適切となり、特に羽根の負圧面側で境界層剥離が生じやすくなる。大型の羽根を有する羽根車では、このような境界層剥離は、大きな振動の発生や効率の著しい低下を招く原因となる。そのため、大型の羽根を有する羽根車は、矩形槽等の攪拌には使用されず、閉水路や湖沼等において水流を発生させる等の用途に限定して使用されていた。

ところで、このような境界層剥離を防止する方策として、羽根の前縁付近に負圧面側に突出する突起部を設けることが開示されている（例えば、特許文献１参照）。このような羽根車によれば、上記突起部により羽根表面での境界層剥離を防止することができる。そのため、境界層剥離に起因する振動や効率の低下等を抑制することが可能となる。
特開２００２−３１７７９５号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の羽根車は、突起部が形成された部分の翼厚が比較的大きい。そのため、突起部を設けたことで流れに対する抵抗が増大し、羽根車を回転させるためにより大きな動力が必要となるという問題があった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、実質的に動力の上昇を招くことなく、羽根表面における境界層剥離を抑制する羽根車、および、当該羽根車を備えた水中ミキサを提供することを目的とする。

本発明に係る羽根車は、ボス部と、ボス部に接合された複数の羽根とを備えている。羽根は、ボス部に接合された基端部から、ボス部の径方向外側、および、ボス部の周方向に沿って延びており、さらに、ボス部の前方に向かって負圧面、ボス部の後方に向かって圧力面が形成されるように湾曲している。

羽根の翼厚は、翼弦方向の中央部において最大となり、かつ、当該翼弦方向の中央部から前縁部または後縁部にいくにつれて薄くなっている。当該羽根の前縁部には、負圧面側に突出した突起部が、羽根の前縁に沿って連続的に線状に形成されている。そして、羽根の単一の翼弦方向に沿い、かつ、ボス部の前後方向に沿った断面において、当該突起部が形成された部分における圧力面から負圧面までの厚みｔ０と、当該断面において当該翼弦方向の中央部における最大翼厚ｔＭＡＸとが、ｔ０≦（０．６２×ｔＭＡＸ）の関係である。

上記羽根車によれば、羽根の前縁部に突起部が形成されているため、羽根面上の流れを乱流化させることができる。これにより、羽根面上に、剥離が起こりにくい乱流境界層を形成することができる。したがって、上記羽根車によれば、境界層剥離に起因する効率の低下を抑制することができる。

また、上記羽根車の羽根は、羽根の単一の翼弦方向に沿い、かつ、ボス部の前後方向に沿った断面において、当該突起部が形成された部分における圧力面から負圧面までの厚みｔ０と、当該断面において当該翼弦方向の中央部における最大翼厚ｔＭＡＸとが、ｔ０≦（０．６２×ｔＭＡＸ）の関係である。そのため、突起部を設けても厚みを抑えることができ、流れに対する抵抗の増大を抑制することができる。したがって、上記羽根車によれば、実質的に動力の上昇を招くことなく、羽根表面における境界層剥離を抑制することができる。

また、前記突起部は、前記羽根の前縁に沿って連続的に線状に形成されている。このことにより、羽根表面の広範囲に渡って、境界層剥離を抑制することができる。

また、突起部は、断面において、突起部が形成された部分における圧力面から負圧面までの厚みｔ０から当該突起部の厚みを除いた翼厚ｔ１と、最大翼厚ｔＭＡＸとが、ｔ１≦（０．５×ｔＭＡＸ）の関係であってもよい。

前記突起部は、前記羽根の幅方向中央部に形成されていることが好ましい。

このことにより、羽根表面における境界層剥離をより効果的に抑制することができる。

本発明に係る水中ミキサは、前記羽根車と、前記羽根車を駆動する水中モータとを備えたものである。

これにより、高性能の水中ミキサを得ることができる。

前記水中ミキサは、非循環式の汚水処理槽に設置されるものであってもよい。

非循環式の汚水処理槽では、循環式の汚水処理槽と異なり、羽根車に対して不規則な方向から水が流入するので、境界層剥離が発生しやすくなる。しかし、上述したように、上記羽根車では、羽根の前縁部に上記突起部が形成されている。そのため、羽根面上の流れを乱流化させることができ、これにより、境界層剥離を抑制することができる。したがって、上記水中ミキサによれば、上述の効果をより強く享受することができる。

以上のように、本発明によれば、実質的に動力の上昇を招くことなく、羽根表面における境界層剥離を抑制する羽根車、および、当該羽根車を備えた水中ミキサを提供することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、実施形態に係る水中ミキサ１０が汚水処理槽１００に設置されている様子を模式的に示す斜視図である。本実施形態に係る水中ミキサ１０は、汚水処理槽１００に固定された固定支柱３０に取り付けられている。この水中ミキサ１０は、軸流式の水中ミキサである。ただし、本発明に係る水中ミキサは、軸流式の水中ミキサ１０に限定される訳ではない。固定支柱３０は、汚水処理槽１００の水面から突出して上方に延びている。なお、本実施形態の汚水処理槽１００は、矩形状の水槽である。また、この汚水処理槽１００は、内部の流れが一様ではない非循環式の水槽である。

図２は、水中ミキサ１０の設置状態を詳細に示す斜視図である。図２に示すように、固定支柱３０は、汚水処理槽１００の側壁面Ｐ１および底面Ｐ２に固定され、かつ、水面Ｗから突出して上方に延びている。水中ミキサ１０は、この固定支柱３０に取り付けられた状態で使用される。具体的には、水中ミキサ１０の支持部６を固定支柱３０に係合させ、さらに、支持プレート９をチェーン３１で吊り下げた状態とする。

水中ミキサ１０には、電力ケーブル８が接続されている。電力ケーブル８は、チェーン３１に沿って配設されている。水中ミキサ１０は、羽根車２０と、水中モータ４０とを備えており、電力ケーブル８を通じて当該モータに電力が供給される。これにより、羽根車２０が回転する。羽根車２０が回転すると、羽根車２０の後方の水が前方へ搬送され、汚水中に旋回流が発生する。これにより、汚水処理槽１００内の汚水が攪拌され、汚水処理が行われる。

次に、水中ミキサ１０の構成を説明する。図３は水中ミキサ１０の平面図であり、図４は水中ミキサの側面図であり、図５は水中ミキサ１０の正面図である。図３、図４に示すように、水中ミキサ１０は、内部にモータ４０（図２参照。図３〜５では図示せず。）を有する本体部２と、この本体部２における上記モータ４０の出力軸に回転一体に設けられている羽根車２０とを備えている。羽根車２０は、例えば、ステンレス鋼等によって形成される。

本体部２を形成するケーシング５の後部には、支持部６が固着されている。支持部６は、平面視コ字状に形成されており、対向した状態で後方に延びる一対の支持板６ａ、６ａを有している。支持部６は固定支柱３０（図２参照）と昇降自在に係合するように形成されており、支持板６ａ、６ａの間に固定支柱３０が嵌め込まれる。

また、ケーシング５における支持部６の近傍には、ケーシング５の内外を連通するポート７が、ケーシング５と一体的に形成されている。このポート７には、本体部２が備える上記モータ４０に電力を供給するための電力ケーブル８が接続されている。このポート７の連通口は、ケーシング５の内部への浸水を防止する目的で、水密状にシールされている。

また、ケーシング５の外周面には、上方に延びる支持プレート９（図２も参照）が固着されている。この支持プレート９には、チェーン３１（図２参照）の一端が接続される。チェーン３１の他端は、固定支柱３０の上部等に固定される。これにより、本体部２をチェーン３１により吊り下げた状態で支持することができる。

図５に示すように、羽根車２０は、前方（図５の紙面表側）に向かって小径となる略半球形状のボス部２１と、ボス部２１と接合された複数の羽根２２とを備えている。本実施形態では、羽根２２は２枚設けられている。ただし、羽根２２の枚数は特に限定される訳ではない。羽根２２におけるボス部２１側の基端部２２ａは、ボス部２１の外周面と同じ径の円弧形状を有している。羽根２２は、基端部２２ａにて、ボス部２１の外周面に接合されている。また、２枚の羽根２２は、ボス部２１の周方向に等間隔をあけて配置されている。

羽根２２の前縁部２２ｂには、負圧面５０側に向かって突出する突起部２２ｃが形成されている。本実施形態においては、突起部２２ｃは、幅方向中央部付近に形成されている。また、突起部２２ｃは、前縁に沿うように幅方向に連続的に形成されている。

図６（ａ）は、図５における羽根２２のＢ−Ｂ断面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）における羽根２２の前縁部２２ｂを拡大して示した図である。

図６（ａ）に示すように、羽根２２は、翼弦方向（図面の左右方向）中央部において、翼厚が最大（最大翼厚ｔＭＡＸ）となるように形成されている。また、羽根２２の翼厚は、中央部から前縁部２２ｂまたは後縁部２２ｄにいくにつれて薄くなっていく。ここで、翼厚は回転方向と略直交する方向における圧力面５１から負圧面５０までの長さを示す。

図６（ｂ）に示すように、突起部２２ｃが形成された部分における厚み（回転方向と略直交する方向における、圧力面５１から突起部２２ｃの頂点までの長さ）をｔ０とする。また、突起部２２ｃが形成された部分における翼厚（回転方向と略直交する方向における、圧力面５１から負圧面５０までの長さ）を翼厚ｔ１とする。また、突起部２２ｃの突起高さ（負圧面５０から突起部２２ｃの頂点までの高さ）をＨとする。このとき、厚みｔ０は、近似すると以下の近似式（１）のように表される。
ｔ０≒ｔ１＋Ｈ …（１）

ところで、突起部２２ｃを設けた羽根２２では、厚みｔ０が大きくなる。そのため、突起部２２ｃを設けると、流れに対する抵抗が増大し、羽根２２を回転させるためにより大きな軸動力が必要となるという問題がある。そこで、本発明者らは、厚みｔ０および突起高さＨと、水中ミキサ１０の軸動力および振動加速度との関係について試験を行い、厚みｔ０がどの範囲であれば軸動力の増大を抑制できるかを調べた。試験結果は以下の表１のとおりである。

ここで、表１に示す羽根車Ａは、羽根２２に突起部２２ｃを設けていない羽根車であり、比較例として試験を行ったものである。また、羽根車Ｂ，Ｃ，Ｄは、羽根２２に突起部２２ｃを設けた実施例に係る羽根車２０である。

上記試験より、厚みｔ０が最大翼厚ｔＭＡＸの０．４８倍である羽根車Ｂ、および、厚みｔ０が最大翼厚ｔＭＡＸの０．５４倍である羽根車Ｃを用いた場合に必要となる水中ミキサ１０の軸動力は、羽根２２に突起部２２ｃを設けていない羽根車Ａを用いた場合と同じであるという結果が得られた。また、厚みｔ０が最大翼厚ｔＭＡＸの０．６２倍である羽根車Ｃを用いた場合であっても、水中ミキサ１０の軸動力は、羽根車Ａを用いた場合に比べ僅かに増加するに止まり、羽根車Ｃを用いても軸動力の著しい増大を抑制できるという結果が得られた。つまり、上記試験より、羽根２２の厚みｔ０が以下の数式（２）を満たすように設定されている場合、実質的に水中ミキサ１０の軸動力の増大を抑制することができるという結果が得られた。
ｔ０≦０．６２ｔＭＡＸ …（２）

ところで、表１からもわかるように、振動加速度は、突起高さＨが高い程小さくなる。つまり、突起部２２ｃの突起高さＨが高い程、羽根２２の表面において境界層剥離を効果的に抑制することができ、振動抑制効果が大きくなることがわかる。しかし、突起高さＨを高くすると、上述の近似式（１）より、ｔ０が大きくなり、軸動力が大きくなる。そのため、振動抑制効果を高めるために突起高さＨを高くする場合、軸動力を軽減するためには、翼厚ｔ１が小さくなるように設計することが好ましい。具体的には、例えば、以下の数式（３）を満たすように形成することが好ましい。
ｔ１≦０．５ｔＭＡＸ …（３）

以上のように、本実施形態に係る羽根車２０では、羽根２２の前縁部２２ｂの負圧面５０側に突起部２２ｃが形成されている。そのため、羽根２２に向かって流れてきた汚水を当該突起部２２ｃによって乱流化させることができ、羽根２２の表面における流れの剥離を抑制することができる。

また、羽根２２は、羽根の単一の翼弦方向に沿い、かつ、ボス部の前後方向に沿った断面において、当該突起部が形成された部分における圧力面から負圧面までの厚みｔ０と、当該断面において当該翼弦方向の中央部における最大翼厚ｔＭＡＸとが、ｔ０≦（０．６２×ｔＭＡＸ）の関係である。そのため、突起部２２ｃを設けても厚みｔ０が抑えられるため、流れに対する抵抗の増大を抑制することができる。したがって、上記羽根車２０によれば、実質的に動力の上昇を招くことなく、羽根２２の表面における境界層剥離を抑制することができる。

なお、羽根車２０の羽根２２は、突起部２２ｃが形成された部分の厚みｔ０が以下の数式（４）を満たすように形成されていることがより好ましい。当該羽根車２０によれば、羽根２２の表面における境界剥離を抑制するとともに、動力の上昇をより確実に抑制することができる。
０．４８ｔＭＡＸ≦ｔ０≦０．６２ｔＭＡＸ …（４）

ところで、羽根２２の表面において境界層剥離を効果的に抑制するためには、突起部２２ｃの突起高さＨ（負圧面５０から突起部２２ｃの頂点までの高さ）を十分に確保することが好ましい。

本羽根車２０によれば、羽根２２は、突起部２２ｃが形成された部分の翼厚ｔ１が最大翼厚ｔＭＡＸの略０．５倍以下となるように形成されている。そのため、突起部２２ｃを設けても厚みｔ０を抑えることが可能であり、また、厚みｔ０を大きくすることなく突起部２２ｃの突起高さＨを十分確保することができる。したがって、羽根車２０によれば、境界層剥離を効果的に抑制することができる。

さらに、本羽根車２０の突起部２２ｃは、羽根２２の前縁部２２ｂに沿って連続的に形成されている。したがって、境界層剥離の抑制の効果を、満遍なく享受することができる。

なお、突起部２２ｃの具体的形状は、上記のものに限定される訳ではない。例えば、図７に示すように、非連続の複数の突起部２２ｃを備えていてもよい。このような形態によれば、突起部２２ｃを設けることにより流れに対する抵抗が増大することを抑制することができる。

また、本実施形態においては、羽根２２の幅方向中央部に突起部２２ｃが形成されている場合について説明した。しかし、本発明において、突起部２２ｃが形成される位置および範囲は特に限定されない。例えば、図８（ａ）に示すように、突起部２２ｃは、羽根２２の基端部２２ａの近傍にのみ形成されていてもよいし、図８（ｂ）に示すように、羽根２２の先端部２２ｆの近傍にのみ形成されていてもよい。また、図８（ｃ）に示すように、幅方向中央部だけでなく、幅方向全域に渡って形成されていてもよい。このような羽根車２０によれば、羽根２２の広範囲にわたって、境界層剥離を好適に抑制することができる。

また、本実施形態に係る水中ミキサ１０は、非循環式の汚水処理槽１００に設置されている。循環式の汚水処理槽と異なり、非循環式の汚水処理槽１００では、羽根車２０に対して種々の方向（図３の矢印Ｆ_２，Ｆ_３，Ｆ_４参照）から水が流入し、その流入方向によっては、境界層剥離が発生しやすくなる。しかし、本実施形態では、上述のように境界層剥離を抑制することができるので、非循環式の汚水処理槽１００に設置された場合であっても、好適に利用することができる。

なお、本実施形態においては、水中ミキサ１０は、非循環式の水槽（汚水処理槽１００）に設置されていたが、図９に示すような循環式の水槽（汚水処理槽等）２００に設置されてもよいことは勿論である。

また、本発明に係る水中ミキサ１０は、軸流式の水中ミキサであるが、これに限定されず、斜流式の水中ミキサであってもよい。

以上説明したように、本発明は、羽根車および水中ミキサについて有用である。

実施形態に係る水中ミキサが汚水処理槽に設置されている様子を模式的に示す斜視図である。 水中ミキサの設置状態を詳細に示す斜視図である。 水中ミキサの平面図である。 水中ミキサの側面図である。 水中ミキサの正面図である。 （ａ）は羽根の翼弦方向における断面図であり、（ｂ）は（ａ）の突起部周辺を拡大して示す図である。 変形例に係る羽根車の正面図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｂ）は変形例に係る羽根車の正面図である。 循環式の水槽の一例を示す斜視図である。

符号の説明

１０ 水中ミキサ
２０ 羽根車
２１ ボス部
２２ 羽根
２２ｂ 前縁部
２２ｃ 突起部
２２ｄ 後縁部
３０ 固定支柱
３１ チェーン
１００、２００ 汚水処理槽
ｔ０ 厚み
ｔ１ 翼厚
ｔＭＡＸ 最大翼厚
Ｈ 突起高さ

Claims (5)

1. ボス部と、
   前記ボス部に接合された複数の羽根と
   を備え、
   前記羽根は、
   前記ボス部に接合された基端部から、前記ボス部の径方向外側、および、前記ボス部の周方向に沿って延びており、さらに、前記ボス部の前方に向かって負圧面、前記ボス部の後方に向かって圧力面が形成されるように湾曲しており、
   前記羽根の翼厚は、
   翼弦方向の中央部において最大となり、かつ、当該翼弦方向の中央部から前縁部または後縁部にいくにつれて薄くなっており、
   当該羽根の前縁部には、
   前記負圧面側に突出した突起部が、前記羽根の前縁に沿って連続的に線状に形成されており、
   前記羽根の単一の翼弦方向に沿い、かつ、前記ボス部の前後方向に沿った断面において、当該突起部が形成された部分における前記圧力面から負圧面までの厚みｔ０と、当該断面において当該翼弦方向の中央部における最大翼厚ｔＭＡＸとが、
   ｔ０≦（０．６２×ｔＭＡＸ）の関係である、
   羽根車。
2. 前記突起部は、前記断面において、前記突起部が形成された部分における前記圧力面から負圧面までの厚みｔ０から当該突起部の厚みを除いた翼厚ｔ１と、前記最大翼厚ｔＭＡＸとが、
   ｔ１≦（０．５×ｔＭＡＸ）の関係である、
   請求項１に記載の羽根車。
3. 前記突起部は、前記羽根の幅方向中央部に形成されている、請求項１または２に記載の羽根車。
4. 請求項１〜３のいずれか一つに記載の羽根車と、前記羽根車を駆動する水中モータと、を備えた水中ミキサ。
5. 非循環式の汚水処理槽に設置される請求項４に記載の水中ミキサ。