JP5327742B2 - 遠心力ファン - Google Patents

Description

本発明は遠心力ファン用のインペラー装置ならびにインペラー装置が含まれる遠心力ファンに関する。本発明は特に、ホバークラフト用のリフトファンとして採用されると同時に、全体的あるいは部分的に、ガラスまたは炭素繊維補強エポキシ、ポリオールビニルエステルあるいは熱可塑性の複合材料製の遠心力ファンに関する。

異なる適用区域、流体、流速、および圧力上昇能力に基づく様々な方法で設計される数種類のファンがある。遠心力ファンは中でも特にホバークラフトのリフトファンとしての用途に相応しい数タイプのファンの１つである。

大型遠心力ファンは一般的にスチール、耐酸スチールまたはアルミニウムといった金属材料から製造される。これらのファンは通常は、ファンブレード上に重力加速度の1000倍から4000倍に相当する膨大な遠心力を発生させる極めて高速の回転速度を有する。従って、ファンの構造はこれらの極めて大きな力が構造体に吸収されるよう極端なほどに強靭でなくてはならない。

米国特許US 3171586には回転子とそれにボルト結合される翼ブレード付きの金属製遠心力ファンが説明されている。該ブレードはスタッドとナットによって側板および裏板に固定される。これらのボルトはブレード部分上に延びると同時に、緊密な接合がもたらされるよう意図されて、短いスタッドが曲げを伴わずにせん断と引張を受ける。前記スタッドによりブレードの強化は全くもたらされない。

軍事艦船およびそのシステムの用途には艦船からの磁気署名に関する要件が必要とされる。金属構造の回転により、例えば、地球の磁場に乱れが生じ、それは特殊なセンサーによって傍受されうる。従って、ファンにより生ずる渦巻き電流を最小におさえることが肝要である。これはファンの構造体への低電気伝導率の材料の採用によって解決され、さらに各個別の部品はその他の部品から相互に電気絶縁される。

複合遠心力ファンの既存の設計ではブレードの側面ディスクおよび中央輪への取付けには不十分な方法が採用されてきており、これによって実質的なせん断力がボルト接合部に生ずる。これにより供用寿命が短くなりかつまたファンが破損してしまう場合もあった。

米国特許6,402,467にはインペラーが説明されている。羽根、該羽根を所定位置に固定するための、羽根の反対側にある、複合材料から形成される第１および第２同軸ディスクならびに補強軸つばが含まれる、ディスク内面には羽根翼を受け入れるよう意図される窪み部が含まれ、これらはディスクに結合される空の空間である。１枚の羽根が欠損すると同時に交換しなくてはならない場合には、ディスクは撤去しなくてはならない。

本発明の目的は、従って、全体あるいは部分的に複合材料製であると同時に、羽根の取り付け/撤去に関連した上述の欠点を回避すると同時に羽根からの適正な荷重の伝達をもたらす強靭な遠心力ファンの提供にある。さらに低磁気署名付きの遠心力ファンの入手も目的とする。

さらに、本発明による遠心力ファンは慣性モーメントが低いので、ファンと駆動原動機間に複雑な結合および/または歯車装置が無くてもファンの起動が実行可能となる。
米国特許US 3171586 米国特許6,402,467

このように、本発明は中央輪、少なくとも１つの側面ディスクおよびファンブレードが含まれ、該ファンブレードに第１側面端部および第２側面端部があると同時に、該中央輪および側面ディスクにはブレード取付け用の取付装置が装備される遠心力ファン用インペラー装置に関する。本発明は中央輪取付け装置にほぼ中央輪の放射方向に延びるとともにファンブレードの第２端部に当接するよう配置される突起が含まれることを特徴とする。

各突出部は中央輪に最も近接して配置されるカーブ付き端部を含むとともに、ファンブレードの第２側面端部の一部が受け入れられるよう適応される。

側面車輪取付け装置はファンブレードの第１側面端部受け入れ用の奥まった部分も含むと同時に、これらの奥まった部分はファンブレードの第１側面端部に当接するように配置可能である。

本発明によるインペラー装置はほぼ複合材料製でありうると同時に、インペラー装置の個々の部品はガラス繊維補強塑性材料の絶縁層によって相互に分離可能である。

各ファンブレードは構造体に組み込まれる内側ねじ山付きの２本以上の内側金属製スリーブを利用した空気の流れが良くなる外形を有することができる。

各ブレードの端部はインペラー軸棒の応力を減少させるＳ字形状であることができる。

ファンブレードは側面ディスクの中央輪とは反対の側面から中央輪内へとねじ留めされるボルトによって側面ディスクおよび中央輪に取付け可能であって、前記ボルトは貫通スリーブに取付けられる。ナールドナット付き複合台座および側面ディスクの蝸牛状端部側面付きのメタルライニングの両方に押し付けて取付けられる、広い当接面を有するディスクが利用可能であるので、複合台座とライニングとの間でボルトのプレストレス応力が均一に分布することになる。

本発明には上述のインペラー装置が含まれるほぼ複合材料製の遠心力ファンも含まれる。遠心力ファンはファンケーシング上に自己シーリングならびに滑動する内部検査ハッチが装備されたファンケーシングをもつことができると同時に、このケーシングはハッチの幅よりも少しだけ長い当て金を利用するトグル装置によって開放させることが可能である。検査ハッチはハッチ開口部外側に突き出るハンドルをもちうる。

本発明による遠心力ファンのある実施例が図１に示される。遠心力ファン1には、自己シーリングと内側滑動ハッチ3付きのファンケーシング2、取込口4および排出口5が含まれる。

遠心力ファン1にはさらに軸棒12上に取付けられるインペラー装置（本図には図示されず）が含まれて、駆動装置（図示されず）によりインペラー装置が軸棒12を介して回転する。インペラー装置の回転軸はA-Aによって示される。本発明によるインペラー装置のある実施例が次に詳細に説明される。

図2bには本発明によるインペラー装置10の１実施例が示される。これには中央輪40の各側面に取り付けられる第１側面ディスク20と第２側面ディスク30が含まれる。第１側面ディスク20と中央輪40ならびに中央輪40と第２側面ディスク30はそれぞれ取付け装置60を用いて相互にファンブレード50を通じてかつディスク中央部品のネジくぎを通じて取付けられる。取付け装置60（図7a参照）には各端部にボルトねじ山の付いた金属製の管状引張棒が含まれるのが好ましい（同じことが図9bの部品61にも当てはまる）。

図2aにはほぼ傾斜放射状区域21および中央開口22のあるほぼ環状の第１側面ディスク20が示される。中央開口22近傍の側面ディスクに、中央輪40から放射方向に面がずれたフランジ23が含まれる。該フランジ23により遠心力ファンの取込口4の一部が構成される。

第１側面ディスク20にはさらにブレード50の第１側面端部取付け用の第１取付け装置24が含まれる。取付け装置24は中央輪40に面する側面に配置されるとともに、ブレード50を受け入れると同時にブレード周囲部品に当接するよう適応される奥まった部分101（図５a参照）が含まれて、遠心力に対する支持がもたらされる。ブレード50の側面ディスクへの取付け用の取付け装置60に合う穴もまた設けられるが、これについては後でさらにもっと詳しく説明されよう。

この実施例では第２側面ディスク30が第１側面ディスク20と同じ様に設計される点が注目されなくてはならない。

図2cでは中央輪40が示される。中央輪は環状形状でほぼ平坦であって、周囲区域41と中央開口42が含まれる。開口42は側面ディスク20の開口22より小さいと同時に、インペラー装置10を駆動装置に接続するために軸棒12が中央輪40に接合される。従って、開口42に最も近い区域では中央輪40が軸棒12に取付け可能となる数多くの穴103が含まれるフランジ102が構成される（図６aも参照のこと）。

中央輪40にはさらにブレード50の第２側面端部取付け用の第２取付け装置44が含まれる。
取付け装置44は、本発明のこの実施例ではブレード50が中央輪40の両側面に取付けされるので中央輪40の両側面に取付けされる。第２実施例ではインペラー装置10には１組だけのブレード50が含まれ、この事例では中央輪には片側に取付け装置44があるだけである。取付け装置44には中央輪40からある距離突出する（図6a参照）と同時にほぼ中央輪放射方向に延びる細長い突起45が含まれるのが好ましい。図3a、6c 、および7cでは、突起45はブレード50の周囲部品と一致する形状をなしており、これによってブレード50用の支持が形成される点が見受けられる。上述の取付け装置24の場合におけるように、多数の穴がブレード50の中央輪40への固定のための取付け装置60に設置されるが、これについては後でさらにもっと詳しく説明されよう。

図3aは本発明によるインペラー装置10の透視図である。各ブレード50の放射方向外側への移動が遠心力によって防止されることが図中で理解できる。遠心力に対抗する前記ブレードの取付け部品は側面ディスク20および30の奥まった部分101と合わせて中でも特に中央輪40の突起45からなる。この奥まった部分101により側面ディスク20および30の外側にある突起240が形成される。こうして、該取付け部品によりブレード50からの位置決めおよび荷重伝達が確保される

図3bは図3aのインペラー装置の側面図である。図では取付け装置60の引張棒にプリテンションをかけるための側面ディスク20および30上のナールドナット台座に押し当たるボルト63の頭部が示される。本発明の実施例では、ボルト63はスチール製である。これらのボルト63および引張棒もまた遠心力方向のブレード50を外側に押し出す力の吸収にも役立とう。本発明の第２実施例ではボルトはチタン製である。ねじ山とボルト接合用には金属製棒が相応しい。

図4aと4bでは側面輪20、30の正面図および側面図がそれぞれ示される。参照番号200により突起240の区域における地図上の立面等高線に相当する繊維布用の等高線が示される。突起240はある程度ブレード端部の形状にぴったりする形状を有するけれども、本発明のこの実施例の取付け装置24によりブレード端部の周囲全体が取り囲まれることはない点が重要であることを指摘しておく。これによりインペラー装置を分解しなくても個々のブレードの撤去が簡単となる。取付け装置24によりブレード端部の周囲全体が取り囲まれる実施例をもたらすこともでき、この場合には、ブレードの撤去には前記取付け装置を中心とする回転移動が含まれよう。

図5aには中央輪40に面する側面から見た図4aの側面輪が示される。本発明のこの実施例では、奥まった部分部101は細長楕円形（翼外形）である。本発明のこの実施例（図7d参照）はインペラー直径が1.5から2メートル程度でかつ毎分1000から2000回転の回転速度のファンに相応しい。

さらに高速のファン（gは重力加速度とし2000から4000gまでの）については、ブレード端部はS字状（図8b））である。この種の形状は軸棒上の応力の低減につながる。

傾斜した区域21により、ファン取込口が側面ディスクの内側上でカーブ付きの形状を必要とするこの種の高速ファンにさらに空気の流れの良くなるファン形状が与えられる。

図5bには軸棒へボルト締結100される中央輪120の正面から見た図4aの側面輪が示される。

図6a、6b、および6cと6dには、本発明の実施例の中央輪40がそれぞれ正面、側面および透視図で示される。 図6aにより中央輪40の開口部42および中央輪の軸棒12（図示されず）への取り付け用の孔103を伴ったフランジ102が示される。この図ではさらに製作中の中央輪の位置決め用ならびにブレード50の中央輪40への取付け用の孔104が示される。中央輪40はその半分の２つ分により１つが製作される。まず第１にその片方は取付け装置44を利用して製作された上で、これが突起45と噛合する奥まった部分とともにジグ内に置かれると同時に、孔104が明けられる。もう１つの半分も同様にして製作されるとともに、最終的には両半分が一体に接合される。この図には突起45付きの取付け装置44も含まれる。突起45には本発明の実施例でブレード50用の追加取付け装置の形成を目的とするカーブのついた端部105が含まれる。この端部105は「ノーズフック」とも呼ばれるとともに、ボルト63を緩めた後にブレード50を押し倒すことができる（ブレードの個々の損傷の際に）よう形作られる。「ノーズフック」が含まれない突起の設置も可能である。この突起45に加えて、「テイルフック」とも呼ばれる突起45の第２端部144によりブレードがしかるべき位置に固定される。

図7a、7b、および7cには本発明によるファンブレードが中央輪40に挿入された状態でそれぞれ透視図、側面図に示されている。ブレード50は後端縁52より厚い先端縁51を伴う流れ促進翼外形が採用されて設計される（図7b参照）。先端縁51は軸棒12により接近して設置されよう。さらに、ブレード50には第１側面ディスク20の取付け装置24および対応する第2側面ディスク30の取付け装置への取付け用の第１側面端部53およびならびに中央輪40の取付け装置44への取付け用の第２側面端部54がある。

ブレード50の後端縁52はその縁がほぼ９０度に向けられ空気の流れをさらに容易にする。この地点が切断されるのはこれによりテイルがより強度が強くかつ剛性があることになるからである。

図7bに示される通り、第１側面端部53および第２側面端部54には複合材製であるのが好ましい支持構造体55が含まれる。これらの支持構造体間で複合材料のブレード本体56が一体化される。ブレード本体56は上述の翼外形の形態であると同時に金属製棒に貫通開口57が含まれる（重量の節約）。

図7dには上から見た図7aのファンブレードが示されるとともに、側面端部53および54の形状が示される。第１側面端部53は側面ディスク20、30の取付け装置24にぴったり嵌まるように設計されるのが好ましい。取付け装置24は側面ディスク20の部分的なカーブ付き区域21に取付けされるので、第１側面端部53もまた該区域21に適応したカーブを有しよう。このカーブにより横方向にしっかり支持された空気流れの良いインペラーが可能となる。

第２側面端部54もまた取付け装置44に嵌め込まれるように設計され、従って、ほぼ平坦な表面を有する。

図8aと8bには本発明によるブレード50の第２実施例が示される。この実施例は高速回転用に適当である。この実施例では、後面縁52が真っ直ぐな終端を有する。この目的はインペラーを貫通するかもしれない物体からの衝撃に対して露出したテイル尖端を保護することにある。この実施例ではファンが120m/secほどまでの速度で約1900rpmの回転をしなくてはならない場合に、他の実施例よりも騒音が十分に少なくて済むようになる。図からこのブレード50の第１側面端部53はファンへの空気力学的取込口とするためS字形状であることが分かる。

図9aには中央輪40、第１および第２側面ディスク20および30のそれぞれとファンブレード50間の取付け装置が示されると同時に、図9bには図9aの詳細も示される。ブレード50は中央輪40の取付け装置44および側面ディスク20、30の取付け装置24に配置されるように接合が行われると同時に、締結装置60が利用されて固定される。図から分かるように、ブレード50が取付け装置44と24上の所定の場所にある場合に、前記取付け装置によって低い方のブレード放射方向への移動のみが防止される。これによりボルト63を緩めると同時に軸棒12に向かう応力を作用させることによって欠損したブレードの撤去が可能となる。

締結装置60には中空の例えば金属製スリーブ61またはブレード本体56（図7c）内の貫通開口57に配置される金属製の管状棒ならびに各スリーブにつき２本のボルト63が含まれ、該ボルトは該スリーブの各端部に配置される。スリーブ61には各端部に内側にねじ山が切られた部分が含まれる。さらに、中空の好ましくは金属製スリーブ62が第１側面ディスク20および中央車輪40のそれぞれの取付け装置24、44の開口部に取付けられる。スリーブ62の目的はボルトが複合材に食い込みできないことが確保されることである。締結装置60にはさらにディスク64、側面ディスク22内のスリーブ62、ブレードの支持構造体55に挿入された後に、ブレード50のスリーブ61の一端にねじ止めされるボルト63が含まれる。同様にして、ブレード50は中央輪40に取付けられると同時に、さらに同様にしてブレード50は中央輪40と第２側面ディスク30の間に取り付けられる。

第１側面ディスク20の取付け装置24にはブレード50（図9b、9c）を受け入れるよう適応される部分26が含まれることに注目しなくてはならない。第１側面ディスク20の反対側では、該側面ディスク20により中央輪40とほぼ平行な部分27が構成される。これはブレード取付け装置からのインペラー装置10の回転方向に垂直に吸収されるべき力に備えて配置される。

参照番号126は電気絶縁層、例えば、ブレード側面全体を覆うガラス繊維を指す。該層は磨耗層が必要な場合にブレード50を覆ってもよい。側面ディスク20および30さらに中央輪40の内側は渦巻き電流の影響を減ずるために絶縁される。

図10には本発明による遠心力ファンがファンケーシングの検査ハッチを伴って示される。

側面ディスク20、30のカーブ付きの区域21により遠心力ファン1の取込口4の一部が形成される。空気の流れはその後、ブレード50を通り側面ディスクと中央輪の間を排出口5に出て排気口まで通過する。ケーシング2は図10に示されるように蝸牛殻状排気口を有しうる。この実施例の取付け装置24によりブレード50の横方向縁全体が取り囲まれるので、該取付け装置24により安定したブレード50の取付けがもたらされると同時に、遠心力が第１側面ディスク20に均一に分布されることが確保される。

図11aから図11dまでには検査ハッチ3の詳細が示される。ハッチ3はトグル当て金200に接合され、ファンケーシング内側のガスケット205に加えてトグル当て金200によってハッチがシールされる。ハッチを開くためにはねじ止め機構が緩められ、シュー202（これによりトグルのしっかりした位置固定が確保される）が回転されると同時に、トグル200が斜めに回転される。それからハッチ204はケーシング中で傾斜可能であるとともに長方形ハッチ上の一番狭い経路が最も広い孔から引張り出されるまで回転可能である。111はプレート203によってハッチ3に取付けられるハンドルを示す。この配置によりファンケーシングの内側に円滑面がもたらされ、これにより自己密封されると同時にこれによりハッチが間違ってファンケーシングへと落下することが防止される。

本発明による装置の実施例は次に添付図面を参照して説明されよう。すなわち、

本発明による遠心力ファンのある実施例の透視図 本発明によるインペラー装置の第１側面ディスクを示す図 図2aの側面ディスクが含まれるインペラー装置の透視図 ３枚のファンブレードを採用する図2bのインペラー装置の中央輪を示す図 本発明によるインペラー装置を示す図 図3aのインペラー装置の側面図 本発明による側面輪を示す正面図 図４aの側面輪の側面図 図４aの側面輪の後方からみた透視図 軸棒への取付け用中央輪のボルトを伴う図４aの側面輪を示す正面図 本発明による中央輪を示す正面図 図６aの中央輪の側面図 中央輪のブレード位置を示す図 図６aの中央輪の透視図 本発明によるブレードの透視図 図７aのファンブレードの側面図 中央輪が挿入された図７aのファンブレードを示す図 図７aのファンブレードを示す上面図 本発明によるファンブレードの第２実施例を示す図 図８aのファンブレードを示す上面図 中央輪、第１および第２側面ディスクおよびファンブレード間の取付け状態を示す図 図６aの詳細図 図４aの側面輪の一部を示す図 図６aの詳細図 ファンケーシングに検査ハッチが付いた本発明による遠心力ファンを示す図 検査ハッチの詳細図 検査ハッチの詳細図 検査ハッチの詳細図 検査ハッチの詳細図

Claims (10)

1. 中央輪（４０）、少なくとも一つの側面ディスク（２０，３０）、およびファンブレード（５０）が含まれ、ファンブレードが第１側面端部（５３）および第２側面端部（５４）を有すると同時に、中央輪（４０）と側面ディスク（２０，３０）にブレード取付け用の取付装置（２４，４４）が装備される遠心力ファン（１）用インペラー装置（１０）であって、中央輪（４０）の取付装置（４４）に中央輪のほぼ放射方向に伸びると同時にファンブレード（５０）の第２側面端部（５４）に当接するように配置される突起（４５）が含まれ、
   側面ディスク（２０，３０）の取付装置（２４）にファンブレード（５０）の第１側面端部（５３）を受け入れるための奥まった部分（１０１）が含まれ、該奥まった部分がファンブレード（５０）の第１側面端部（５３）の周囲部分に当接して配置され、
   取付装置（２４）は側面ディスク（２０）の部分的なカーブ付き区域（２１）に取付けされ、
   側面ディスク（２０，３０）のカーブ付き区域（２１）により遠心力ファン（１）の取込口（４）の一部が形成され、
   各突起（４５）に中央輪（４０）の中央に最も近接して配置されるカーブ付き端部（１０５）が含まれ、該カーブ付き端部（１０５）がファンブレード（５０）の第２側面端部の一部を受け入れるよう適応されることを特徴とするインペラー装置（１０）。
2. 複合材料からほぼ構成されることを特徴とする、請求項１に記載のインペラー装置（１０）。
3. インペラー装置（１０）の個別部品がガラス繊維補強塑性材料（１２６）の絶縁層によって相互に分離されていることを特徴とする、請求項１に記載のインペラー装置（１０）。
4. 各ファンブレード（５０）が、構造上一体となった内側ねじ山付きの内部が金属製の２本以上のスリーブ（６１）を備える、空気が流れ易い外形形状を有することを特徴とする、請求項１に記載のインペラー装置（１０）。
5. ブレードの端部がインペラー軸棒（１２）の応力を減少させるＳ字形状（図８b）であることを特徴とする、請求項１に記載のインペラー装置（１０）。
6. ファンブレード（５０）が貫通スリーブ（６１）に接合されるボルト（６３）によって側面ディスク（２０，３０）および中央輪（４０）に取付けられることを特徴とする、請求項１に記載のインペラー装置（１０）。
7. 広い当接面を伴ったディスク（６４）がナールドナット付きの複合台座（２７）および側面ディスクの蝸牛殻状端部側面付きのメタルライニング（６２）の両方に押し付けて取り付けられて、ボルトプレストレス応力が該複合台座（２７）と該ライニング（６２）間に均等に分布することを特徴とする、請求項６に記載のインペラー装置（１０）。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載のインペラー装置が含まれる、ほぼ複合材料製の遠心力ファン（１）。
9. ハッチ（３）の幅より少しだけ長い当て金を使用するトグル装置（２００）によって開放可能な自己密封式の内部が平滑な検査ハッチ（３）がファンケーシング（２）上に装備されるファンケーシング（２）が含まれることを特徴とする、請求項８に記載の遠心力ファン。
10. 検査ハッチ（３）がハッチ開口部外側に突き出るハンドル（１１１）を有することを特徴とする、請求項９に記載の遠心力ファン。

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