JP5032047B2 - 軸流形流体機械 - Google Patents

Description

本発明は、吸込み部に吸込みベルマウスを有するケーシング内に軸流形羽根車を配設した（納まった）構成の軸流形流体機械に関するものである。

従来の軸流形流体機械１の例を図１及び図２に示す。図１はボックスファン、図２は産業用有圧換気扇の事例である。図１はボス１１の外周に羽根１２を設けてなる軸流形羽根車１０が吸込み部に吸込みベルマウス２１を有するケーシング２２内に配設された（納まった）構成のボックスファンであり、図２は軸流形羽根車１０の上流側部分がケーシング２２の外に出ている半開放型の構成の換気扇である。上記のようにボックスファンも換気扇もケーシング２２には吸込み部に吸込みベルマウス２１を有している。

上記従来の吸込み部に吸込みベルマウス２１を有するケーシング２２内に軸流形羽根車１０を配設した軸流形流体機械１において、軸流形羽根車１０の設計時に通常は吸込みベルマウス２１に流入する流体の流れの状態の影響、即ち流体は軸流形羽根車１０に吸込まれ吐出されるわけであり、そのときに流体の流れの状態はベルマウス２１の存在により影響を受けるが、その影響を考慮して羽根１２の形状を決定していないのが現状である。

上記図１及び図２に示すように、従来のボックスファンや産業用有圧換気扇は、ケーシング２２の吸込みベルマウス２１の上流側は開放された空間となっている事が多く、吸込みベルマウス２１の部分で流体の流路断面が急に縮小するため、縮流効果によってケーシング２２と軸流羽根車１０とを備えて構成された軸流形回転機械１の流路の外周側における流体の流入速度が増加してその分流路中心近傍の流入速度が減少し、更に外周部において半径方向内向きの速度成分を有する偏流になることが知られている。また、図２に示すような半分開放のケーシング２２となっている軸流形流体機械１の場合には、軸流形羽根車１０のケーシング２２に覆われていない部分では外周部から半径方向内向きに流体が流入することになる。
特開昭６１−１４２３９６号公報

軸流形羽根車１０の例えば設計時に、上記のようにケーシング２２の吸込みベルマウス２１の部分或いはその上流における流体の偏流状態を考慮しない場合には、軸流形羽根車１０の羽根１２の前縁及び外周部または少なくともその一方においては偏流と羽根１２の前縁及び外周部の形状が好適とならず、軸流形羽根車１０の羽根１２の前縁或いは外周部において流体流の剥離が増大して、軸流形流体機械１の効率の低下、静圧上昇量の低下、振動や騒音が発生する等の問題があった。また、上記軸流形流体機械１がポンプの場合には、キャビテーション（局所的な静圧の低下）が生じるという問題もあった。

なお、特許文献１においては、軸流ファン羽根車を対象とし、上記偏流による剥離渦の発生による流入損失の解決策として、軸流ファン羽根車の羽根（ブレード）の軸流ファン入口側寄りの外周を吸込み側に傾斜させたことを特徴とするプロペラ形流体機械が開示されている。しかしながら、このような構成のプロペラ形流体機械では、傾斜の角度範囲及び傾斜領域が不明確であった。また、上記特許文献１のように偏流を考慮して流体の流れがブレードに沿うようにブレードの入口側より外周を吸込み側に傾斜させる場合、好適な傾斜角度の範囲が存在する一方で、該好適な傾斜角度の範囲を逸脱した傾斜角度に設定した場合にはかえって乱流境界層剥離が増大するという問題がある。

本願発明は上述の点に鑑みてなされたもので、吸込みベルマウス部或いはその上流における流体の偏流状態と、そのように偏流した流体が軸流形流体機械に流入することを考慮し、当該軸流形流体機械の羽根車の羽根の前縁及び外周部での偏流に対して該羽根の前縁及び外周部の形状を好適な状態として羽根の前縁或いは外周部において流体流の流れの剥離を抑制して、効率の低下や静圧上昇量の低下を発生すること無く、振動や騒音を低減した軸流形流体機械を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため請求項１に記載の発明は、ボス外周に複数枚の羽根を設けてなる軸流形羽根車を、吸込み部に吸込みベルマウスを有するケーシング内に配設した軸流形流体機械であって、前記軸流形羽根車は前記ボスと前記羽根の上流側辺の交点Ａを始点とし、前記吸込みベルマウスの変曲点から半径方向に伸ばした前記ボスの中心軸線と垂直な平面と前記羽根の外周との交点Ｂを終点として、前記始点（交点Ａ）と終点（交点Ｂ）を自由曲線で結んで前記羽根の前縁として定義し、前記前縁の前記ボスの中心軸線に対する角度を外部から前記吸込みベルマウスに流入する流体の前記ボスの中心軸線に対する流入角度に適合するように前記前縁の前記終点（交点Ｂ）近傍を前記羽根車の回転方向に対して反対側に変位させると共に、前記終点（交点Ｂ）より下流側では前記ケーシング壁面と前記羽根車外周を略平行とした羽根車であることを特徴とする。

図３は上記前縁定義を説明するための図であり、ボス１１と羽根１２の上流側辺の交点Ａを始点とし、吸込みベルマウス２１の変曲点２３から吸込ベルマウス２１の半径方向にボスの中心軸線と垂直に伸ばした平面と羽根１２の外周との交点Ｂを終点として、始点（交点Ａ）と終点（交点Ｂ）を自由曲線で滑らかに結んで羽根１２の前縁１３として定義する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の軸流形流体機械において、前記軸流形羽根車は該羽根車の回転軸と同心の仮想円筒と前記羽根のキャンバ面との交線に対し、前記前縁において引いた接線と前記ボスの中心軸線との２つの直線が成す角度として定義される羽根角度βが、前記前縁に沿った任意位置における羽根角度βと前記終点（交点Ｂ）における羽根角度βＢとの間の角度差Δβ＝β−βＢとして定義される角度差Δβに対し、無次元の前記前縁距離の全長を１とし、前記ボス側端部を始点とする無次元前縁距離が０．９の位置で前記Δβが５°以上となること、及び前記無次元前縁距離の全長の７割以上の範囲５°≦Δβ≦２５°の関係を満たすこと、の少なくとも一方の条件を満足する羽根車であることを特徴とする。なお、本発明においては、前縁距離とは前記始点（交点Ａ）から前記終点（交点Ｂ）までの前縁に沿った長さを意味する。なお、上記羽根角度βはある平面上において成す角度であるから、具体的には前記接線と前記平面上における前記中心軸線の平行線とが成す角度であることは言うまでも無い。

図４を用いて説明すると、軸流形羽根車１０の回転軸（ボス１１）と同心の仮想円筒１１０と羽根１２のキャンバ面との交線に対し、前縁１３において引いた接線（例えば１１１，１１２）とボス１１の中心軸線１１３との２つの直線（換言すれば２種類の直線、即ち接線と中心軸線）が成す角度として定義される羽根角度βが、前縁１３に沿った任意位置における羽根角度βと終点（交点Ｂ）における羽根角度βＢとの間の角度差Δβの好適範囲として上記図３における始点（交点Ａ）と終点（交点Ｂ）の間を前縁距離の全長とし、これを無次元化した無次元前縁距離の全長の値を１とした場合、始点からの前記無次元前縁距離が０．９の位置で羽根角度差Δβを５°以上となること及び、前記無次元前縁距離の全長の７割以上の範囲で５°≦Δβ≦２５°の関係を満たすことの２つの条件のうち、少なくとも１つの条件を満たすこととした。なお、図４（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ矢視、図４（ｂ）は羽根車の一部を半径方向外側から中心に向かってみた図である。また、１２ａは羽根１２の外周、矢印１１４は流体の流れ方向を示す。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の軸流形流体機械において、前記軸流形羽根車を駆動する駆動機を備えたことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、始点（交点Ａ）と終点（交点Ｂ）を自由曲線で結んで羽根の前縁として定義し、前縁のボスの中心軸線に対する角度を外部から吸込みベルマウスに流入する流体のボスの中心軸線に対する流入角度に適合するように前縁の終点（交点Ｂ）近傍を羽根車の回転方向に対して反対側に変位させると共に、終点（交点Ｂ）より下流側ではケーシング壁面と羽根車外周を略平行にすることにより、軸流形流体機械の効率低下の防止や静圧上昇量の低下防止を図り、騒音や振動の発生を抑制できると共に、羽根車の外周を吸込みベルマウスの下流部分においてケーシング内周と略平行にすることにより、該平行部分において羽根車外周部の圧力面から負圧面への漏れを低減することができる。

請求項２に記載の発明によれば、軸流羽根車に吸込みベルマウスを有するケーシングを備えてなる軸流形回転機械の当該軸流形羽根車に対し、偏流した流体の流入流速に起因して、軸流形流体機械の外周部において相対流れ角が急変した流体の流入流れの向き（ボスの中心軸心に対する角度）に対し、軸流形羽根車外周部分においても流体が羽根に沿って流れ、剥離を生じない範囲に前記羽根の前縁における羽根角度（ボスの中心軸線に対する角度）の分布が好適に調整され、羽根面からの流体の流れの剥離が抑制されて、軸流形流体機械の効率上昇、静圧上昇量を向上させる効果がある。また、本発明に係る軸流形流体機械がファンの場合には流体の流れの羽根面からの剥離防止による騒音低下の効果もあり、ポンプの場合は前縁における流体流れの衝突を回避することにより局所的な静圧降下を防止してキャビテーションを抑制する効果もある。

なお、図５に示すように、羽根周速は、１０１としてしめされているが、この周速で回転する羽根車に対して流体の流入速度が偏流によってその速度の値が１０２から１０３でしめされるように増大した場合、相対速度の値は１０４で示される状態から１０５で示される状態に増大し、相対的流入角度はβ１からβ２に減少する。前記終点（交点Ｂ）において偏流による流体の流入流速の増大を考慮するとβＢの値は減少する。従って、Δβ＝β−βＢの値は流体の偏流を考慮しない場合と比較して増大することになる。羽根の中央部では、偏流による流体の流入速度は減少するので、βが増加し、その位置におけるΔβは増加する傾向がある。このように偏流を考慮するとΔβは増加する傾向を示すが、偏流による流入流速の増大量や減少量には限界がある。

また、流体の流入流速を軸流形流体機械の吸込側の全面について一様と仮定した場合、羽根車の内径側（換言すれば、羽根車において半径の比較的小さい領域）では流入速度は外周側（換言すれば羽根車において、その外周も含めて半径の比較的大きい領域）と等しいが羽根周速が半径に比例して減少するために内周側になるほど前記羽根角度βは小さくなる傾向があり、前記Δβは減少する傾向がある。また元々流体の偏流を考慮しないで設計した羽根車の羽根の前縁における羽根角度βの分布も設計条件により様々であるので、上記の効果を全て加味した偏流を考慮した軸流形羽根車として請求項２に記載の発明のようにΔβの範囲を好適条件として設定した。

以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。
〔第１の実施の形態例〕
図６は本発明に係る軸流形流体機械の羽根車の羽根の子午面を示す図で、図６（ａ）、（ｂ）は２種類の軸流形羽根車１０の羽根１２の子午面形状を示す図である。同図（ａ）は子午面１の形状を、同図（ｂ）は子午面２の形状を夫々示す図で、いずれも始点（ボス１１と羽根１２の上流側辺の交点Ａ）と終点（吸込みベルマウスの変曲点２３から半径方向に伸ばした垂面と羽根１２との交点Ｂ（図３参照））を自由曲線で滑らかに結んで羽根１２の前縁１３としている。なお、本実施形態例ではボックスファンの事例を示す。子午面１及び子午面２はその始点（交点Ａ）が終点（交点Ｂ））より下流側に位置し、子午面１の前縁１３−１は図６（ａ）に示すように始点Ａと終点Ｂを略直線に近い自由曲線としており、子午面２の前縁１３−２は図６（ｂ）に示すように始点Ａと終点Ｂを羽根１２の外周側（終点Ｂ側）を上流側に張り出した自由曲線としている。また、終点Ｂより下流側はケーシング壁面（図示せず）と略並行としている。

図７は図６（ａ）の子午面１の前縁１３−１、図６（ａ）の子午面２の前縁１３−２における上記角度差Δβの分布を示す図である。図７において縦軸は無次元前縁距離を示し、横軸は上記角度差Δβ＝β−βＢを示す。図中の曲線Ａは子午面１に対して流体が一様に流入するとして設計した場合を、曲線Ｂは子午面１に対して流体の偏流を考慮して設計した場合を、曲線Ｃは子午面２に対して流体が一様に流入するとして設計した場合を、曲線Ｄは子午面２に対して流体の偏流を考慮して設計した場合をそれぞれ示す。

図７により、子午面２の様に前縁１３−２を上流側に張り出すと、角度差Δβは若干大きくなる（曲線Ｃ参照）が、請求項２の５°≦Δβ≦２５°の範囲に入らず、上記流体の偏流を考慮すると特に無次元子午面距離が１．０〜０．９の間でΔβが急増し、無次元子午面距離０．９以下では１０°〜１５°の間、即ち請求項２の５°≦Δβ≦２５°の範囲に入っていることが分かる。無次元子午面距離が１．０〜０．９の間でΔβが急増する理由は、この領域で上記偏流による外周部の流体の流入流速の増大の影響が大きいためである。

〔第２の実施の形態例〕
図８は第２の実施の形態例の角度差Δβの分布を示す図である。なお、本実施形態例では第１の実施形態例と同様、ボックスファンの事例を示す。本実施形態例では羽根車の羽根の子午面形状及び設計仕様は上記第１の実施形態例と同一で、設計コンセプトを変更した例である。図８において、図７と同様、縦軸は無次元前縁距離を示し、横軸は上記角度差Δβを示し、曲線Ａは子午面１に対して流体が一様に流入するとして設計した場合を、曲線Ｂは子午面１に対して流体の偏流を考慮して設計した場合を、曲線Ｃは子午面２に対して流体が一様に流入するとして設計した場合を、曲線Ｄは子午面２に対して流体の偏流を考慮して設計した場合をそれぞれ示す。

図８に示すように、設計コンセプトの相違から、図７とはΔβの分布は異なっているが、曲線Ａ、Ｃに示すように子午面１、２に対して流体が一様に流入として設計した場合は、角度差Δβは請求項２の５°≦Δβ≦２５°の範囲に入らず、曲線Ｂ、Ｄに示すように流体の偏流を考慮するとこの範囲に入ることが分かる。

〔第３の実施の形態例〕
図９は本発明に係る軸流形流体機械の羽根車の羽根の子午面を示す図で、図９（ａ）、（ｂ）は２種類の羽根車の羽根の子午面形状を示す図で、同図（ａ）は子午面３の形状を、同図（ｂ）は子午面４の形状を夫々示す図である。なお、本実施形態例ではクリーンファンの事例を示す。子午面３及び子午面４はその始点Ａ及び終点Ｂが軸方向同位置に位置し、子午面３の前縁１３−３は図９（ａ）に示すように始点Ａと終点Ｂを直線で結んだ形状としており、子午面４の前縁１３−４は図９（ｂ）に示すように始点Ａと終点Ｂを羽根１２の外周側（終点Ｂ側）を上流側に張り出した自由曲線としている。設計仕様（流量、回転数、静圧上昇量）及び設計コンセプトは両子午面で同じであるとして設計した。また、終点Ｂより下流側はケーシング壁面（図示せず）と略並行としている。

図１０は第３の実施の形態例の角度差Δβの分布を示す図である。図１０において、図７及び図８と同様、縦軸は無次元前縁距離を示し、横軸は上記角度差Δβを示し、曲線Ａは子午面３に対して流体が一様に流入するとして設計した場合を、曲線Ｂは子午面３に対して流体の偏流を考慮して設計した場合を、曲線Ｃは子午面４に対して流体が一様に流入するとして設計した場合を、曲線Ｄは子午面４に対して流体の偏流を考慮して設計した場合をそれぞれ示す。本実施形態例でも、曲線Ａ、Ｃに示すように子午面３，４に対して流体が一様流入として設計した場合は、角度差Δβは請求項２の５°≦Δβ≦２５°の範囲に入らず、曲線Ｂ、Ｄに示すように流体の偏流を考慮するとこの範囲に入ることが分かる。

〔第４の実施の形態例〕
図１１は本発明に係る軸流形流体機械の羽根車の羽根の子午面を示す図である。図示するように、子午面５はその始点Ａ及び終点Ｂが軸方向同位置に位置し、子午面５の前縁１３−５は図１１に示すように始点Ａと終点Ｂを羽根１２の外周側（終点Ｂ側）を上流側に張り出した自由曲線としている。なお、本実施形態例では、ボックスファンの事例を示す。また、終点Ｂより下流側はケーシング壁面（図示せず）と略並行としている。

図１２は第４の実施の形態例の角度差Δβの分布を示す図である。図１２において、図７、図８、図１０と同様、縦軸は無次元前縁距離を示し、横軸は上記角度差Δβを示し、曲線Ａは子午面５に対して流体が一様に流入するとして設計した場合を、曲線Ｂは子午面５に対して流体の偏流を考慮して設計した場合をそれぞれ示す。本実施形態例でも、曲線Ａに示すように子午面５に対して流体が一様流入として設計した場合は、Δβは請求項２の５°≦Δβ≦２５°の範囲に入らず、曲線Ｂに示すように流体の偏流を考慮するとこの範囲に入ることが分かる。

上記実施形態例では、軸流形流体機械として、ボックスファン（第１、第２、第４の実施形態例）、クーリングファン（第３の実施形態例）を例に説明したが、吸込みベルマウスを持つケーシングと組み合わせた場合に、羽根車への流入に偏流が生じ、外周部で流入する流体の流速が増大するために羽根の内径側でΔβが増大する原理については共通なので、本願発明は斜流ファンの入口部で流路断面積に急減少がある場合にも適用できる。また、ファンなどの気体機械にとどまらずポンプの液体を移送する流体機械にも適用できる。

なお、図示は省略するが、上記軸流形羽根車１０のボス１１はモータ等の駆動機の駆動回転軸に直接又は間接的に連結され、軸流形流体機械を構成する。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。なお直接明細書及び図面に記載のない何れの形状・構造・材質であっても、本願発明の作用・効果を奏する以上、本願発明の技術的思想の範囲内である。

従来のボックスファンの概略構成例を示す図である。 従来の産業用有圧換気扇の概略構成例を示す図である。 本発明に係る軸流形流体機械の羽根車の羽根の前縁定義を説明するための図である。 軸流形流体機械の羽根車の羽根角度βの定義の説明図である。 偏流による流体の流入の流れ角の変化を説明するための図である。 本発明に係る軸流形流体機械の羽根車の羽根の子午面を示す図である。（第１、第２実施形態） 本発明の第１実施形態のΔβ分布を示す図である。 本発明の第２実施形態のΔβ分布を示す図である。 本発明に係る軸流形流体機械の羽根車の羽根の子午面を示す図である。（第３実施形態） 本発明の第３実施形態のΔβ分布を示す図である。 本発明に係る軸流形流体機械の羽根車の羽根の子午面を示す図である。（第４実施形態） 本発明の第４実施形態のΔβ分布を示す図である。

符号の説明

１ 軸流形流体機械
１０ 軸流形羽根車
１１ ボス
１２ 羽根
１３ 前縁
２１ 吸込みベルマウス
２２ ケーシング
２３ 変曲点

Claims (3)

1. ボス外周に複数枚の羽根を設けてなる軸流形羽根車を、吸込み部に吸込みベルマウスを有するケーシング内に配設した軸流形流体機械であって、
   前記軸流形羽根車は前記ボスと前記羽根の上流側辺の交点Ａを始点とし、前記吸込みベルマウスの変曲点から半径方向に伸ばした前記ボスの中心軸線と垂直な平面と前記羽根の外周との交点Ｂを終点として、前記始点（交点Ａ）と終点（交点Ｂ）を自由曲線で結んで前記羽根の前縁として定義し、前記前縁の前記ボスの中心軸線に対する角度を外部から前記吸込みベルマウスに流入する流体の前記ボスの中心軸線に対する流入角度に適合するように前記前縁の前記終点（交点Ｂ）近傍を前記羽根車の回転方向に対して反対側に変位させると共に、前記終点（交点Ｂ）より下流側では前記ケーシング壁面と前記羽根車外周を略平行とした羽根車であることを特徴とする軸流形流体機械。
2. 請求項１に記載の軸流形流体機械において、
   前記軸流形羽根車は該羽根車の回転軸と同心の仮想円筒と前記羽根のキャンバ面との交線に対し、前記前縁において引いた接線と前記ボスの中心軸線との２つの直線が成す角度として定義される羽根角度βが、前記前縁に沿った任意位置における羽根角度βと前記終点（交点Ｂ）における羽根角度βＢとの間の角度差Δβ＝β−βＢとして定義される角度差Δβに対し、無次元の前記前縁距離の全長を１とし、前記ボス側端部を始点とする無次元前縁距離が０．９の位置で前記Δβが５°以上となること、及び前記無次元前縁距離の全長の７割以上の範囲５°≦Δβ≦２５°の関係を満たすこと、の少なくとも一方の条件を満足する羽根車であることを特徴とする軸流形流体機械。
3. 請求項１又は２に記載の軸流形流体機械において、
   前記軸流羽根車を駆動する駆動機を備えたことを特徴とする軸流形流体機械。

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