JP2009036202A - 軸流ファンのためのハブ−プロファイル結合システム、及び前記結合システムが設けられた軸流ファン - Google Patents

Abstract

【課題】従来のシステムと比較して低い静荷重及び動荷重を示し、よってコストを節約すること及び振動を軽減することが可能なハブ−プロファイル結合システムを提供する。
【解決手段】排気プロファイル３が設けられている１つ以上のブレード２が固定されているハブ１からなる、軸流ファンのためのハブ−プロファイル結合システムであり、該システムは、ハブ１側にある固定部１１と、ブレード２側にある対応する固定部１２とにそれぞれ固定されている２つの分離した別個の柔軟性要素９、１０から構成する。
【選択図】図５

Description

本発明は、軸流ファンのためのハブ−プロファイル結合システムに関する。さらに、本発明は、前記結合システムが設けられた軸流ファンに関する。

軸流ファンは多量の気体が移送される場面において、特に、熱交換手段で冷却するために気体が使用されるシステムにおいて一般的に使用されており、これにより移送される気体によって生じる高い静圧を克服することができる。場合によっては、非常に大きな直径、例えば２０メーターにも及ぶ直径を有するファンが使用される。

このタイプのファンを設計する際、ハブと空気を動かすブレード（以下、プロファイル（ｐｒｏｆｉｌｅ）とも呼ばれる）との間の結合部が特に重要な問題となる。なぜなら、この結合部こそが最大のストレスがかかる部分であり、したがって破損する危険が高い領域だからである。

本発明の主となる目的は、軸流ファンのためのハブ−プロファイル結合システムを提供することであり、本発明によるシステムは、既存のヒンジや柔軟性硬制限結合システムと比較して、低い正荷重及び動荷重、より簡単な構造、及びより高い抵抗モーメントを示す。

上記及び他の目的は、請求項１から９の各々に記載されているハブ−プロファイル結合システム及び軸流ファンによって達成される。本発明を製造するための好ましい手段は残りの請求項から得られる。

また、上記かつ他の目的、利点及び特徴は、非限定的な例によって付属の図面に図示されている本発明のハブ−プロファイル結合及び軸流ファンに関する以下の記載から得られるものである。

従来技術と比較して、本発明のハブ−プロファイル結合システムは以下のような利点を有している。
−硬制限システムと比較して静荷重及び動荷重が低く、結果としてコストを節約すること及び振動を軽減することができる。
−ヒンジ型の制限システムと比較して構成が単純であり、垂直面における望ましい運動の自由度及び耐摩耗性を得ることができる。
−柔軟性制限結合システムと異なり、より高い抵抗モーメントを有しているので（したがって、より低い機械的特徴、すなわち断面が等しくなるコスト効率のよい材料を使用することが可能であるので）、垂直面におけるより高いねじれ強さ及びより高い剛性を得ることができる（したがって、これによって大直径ファンにおいてプロファイルの位置が過剰に低くなる問題を解決できる）。

本発明にしたがうシステムをより理解するために、図１に、作動している軸流ファンのブレードに作用する幾つかの重要な力を示す。その力とは、半径方向に働く遠心力ＣＦ、軸方向に働く空気力ＴＦ、軸方向に働く重量力ＰＦである。

これらの力は、ファンの構造寸法決め計算と特に関連している静荷重及び動荷重とともに、曲げモーメントとトルクを生みだす。これらのモーメントを減少させることで、大きな節約が可能となる。

軸流ファンのハブ１とプロファイル３のブレード２との間の結合部４としては、現在主に次の３つのものが作られている。すなわち、硬システム、ヒンジ型システム、柔軟性システムである。

これより、以上の３つのシステムと本発明のシステムとを比較し、該３つのシステムが有する主な利点及び欠点を明らかにすることにより、本発明の優位性を示したい。

硬システムの結合部の場合（図２）、ハブ−プロファイル結合部は要素５によって形成されており、該要素５は円形の断面を有し、回転面とその面に対して垂直な面との両方において硬く、一般的にその剛性はプロファイルの剛性と同等である。曲がりモーメント及びそれによって生じたストレスを軽減する場合に使用されるこの装置は、角度αを形成するように、気体が流れる方向とは反対の方向に回転面に対してブレードの軸が傾いている。その傾きは、前記要素５によって与えられたものであって固定されている。この装置では、ファンは引き寄せる力によって生み出されたモーメントとは反対の方向のモーメントを遠心力によって増大させるので、したがって曲がりモーメントを減少させることができる。しかし、このシステムは動荷重に対しては効果がないという欠点を有している。

ヒンジ型システムの結合部（図３）の場合、ハブ−プロファイル結合部は回転軸と垂直な軸に設けられたヒンジ手段６によって形成されている。この場合、ファンが作動している間、プロファイルは、垂直面において自由に回転し、引き寄せる力によって生み出されたモーメントとは反対の方向にありかつ実在するモーメントを遠心力によって該プロファイルに生じさせることが可能な領域に連続的に位置することで、曲がりモーメントをうち消すことができる。ブレードと回転面とによって作られた角度βは、この場合様々に変化する。しかし、このシステムは、自由に動くヒンジによってファンブレードの位置が際限なく低く下がるという大きな欠点を有しており、したがってファンが止まった状態となる静止点を必要とする。さらに、このシステムは風に対して非常に敏感であり、ヒンジの部品間における関連するモーメントにより該部品間が次第に摩耗することを避けることができない。

最後に、柔軟性システムの結合部（図４）の場合、ハブ−プロファイル結合部は薄い要素７から構成されており、該薄い要素７は回転面では硬く、回転面に対して垂直な面では高い柔軟性を有している。ファンが作動している間、その要素は曲がり、その断面が回転し、これによって、プロファイルが垂直面において回転すること、及び引き寄せる力のモーメントとは反対の方向のモーメントを遠心力によってそのプロファイルに生み出すことが可能な領域にプロファイルが連続的に位置することが可能となる。また、この場合、角度βは作動の方向によって様々に変化する。柔軟性要素の長手方向の断面はハブ側において最大の変形を有する放物線パターンを有するのであるが、これは、大きな直径を有するファンにおいてブレードの位置を著しく低く下げ、柔軟性要素の引き寄せる力を弱くするという欠点をもたらす。したがって、トルクが生じている状況下では、柔軟性要素は斜めにゆがむようになり、プロファイルのピッチ設定を変化させる。

図５に示されているのは、本発明にしたがって作られたハブ１−プロファイル３結合システムの実施形態である。本実施形態は、好ましくは四角形の断面を有する２つの柔軟性要素９及び１０からなる集合部８によって形成されており、ハブ１にある固定部１１とプロファイル３にある固定部１２の間の区間において、前記２つの柔軟性要素９及び１０はギャップ１４によって分離している。したがって、２つの柔軟性要素９及び１０はそれぞれ別個のものである。よって、ファンが作動しているときにかかる力は異なるやり方で２つの要素に作用する。なぜなら、それらの要素は等しく異なるやり方で変形するからである。

プロファイル３側にある要素９及び１０は互いに直接接触してもよい、又はスペーサ１３が該要素間に挿入されてもよい（図７）。前記スペーサは２つの前記要素よりも低い弾性係数を有する材料によって形成されることが好ましく、これによって、ブレード２が一般的な操作における様々な負荷にさらされるとき、負荷が等しくなるようにその断面のより大きな回転を決定することができるように、前記要素９及び１０は互いに対して滑動することが可能となる。

下方の要素１０の角度δは、正の角度、又は図９に示されているような負の角度、又は回転面（図５）に対してゼロと等しい角度（図８に示されている）のいずれかである。

さらに、前記２つの要素は相互に異なる寸法を有し、断面及び平面の両方においてテーパー状に加工されていてもよいし、異なる材料によって形成されていてもよい。

上記したように望ましい空間に相互に配置された２つの分離した別個の要素を使用することで、ハブ側で最大となりプロファイルの方向に向かって減少していく可変抵抗係数を有するハブ−プロファイル結合部を設計することが可能であり、これによって、プロファイルが作動上の負荷をかけられているとき、垂直面に対して大きく角度が増加するように、断面が回転することが可能となる。要素９及び１０の長手方向断面は円弧又は放物線パターンをしており、プロファイル側において最大湾曲を有している。

この結合システムは、プロファイルが水平面に対して傾くことを可能とし、よってプロファイルが、遠心力によって引き寄せる力とは反対の方向の実在する力を生み出すことが可能な領域に連続的に位置することで、曲がりモーメントをうち消すことができる。また、そのシステム自体も垂直面においてかなり変位するので、動荷重及び静荷重の両方を減少させることができる。本発明は、既存の技術では達成することができない非常にコントロールされたやり方で以上のことをなすことが可能である。

本発明の理解をより容易とするために、ブレードにハブを固定するための最も簡単なやり方、すなわちブレードが調節可能ではないやり方が、図５、８及び９では示されている。また、固定部１１及び１２は、留めピンで固定することが可能なブレードを設けることができるように設計されてもよく、本発明はまたこのタイプのファンにも適用される。

作動している軸流ファンのブレードに及ぼされる重要な力を概略的に示す図である。 従来技術にしたがうハブ−プロファイル結合システムである。 従来技術にしたがうハブ−プロファイル結合システムである。 従来技術にしたがうハブ−プロファイル結合システムである。 本発明のシステムの実施形態の概略的な側面図である。 図５におけるＡ−Ａ１に沿った断面図である。 図５におけるＢ−Ｂ１に沿った断面図である。 本発明のシステムの１つの実施形態を示す図である。 本発明のシステムのもう１つの実施形態を示す図である。

符号の説明

１ ハブ
２ ブレード
３ プロファイル
４ 結合部
５ 要素
６ ヒンジ
７ 薄い要素
８ 集合部
９ 柔軟性要素
１０ 柔軟性要素
１１ 固定部
１２ 固定部
１３ スペーサ
１４ ギャップ

Claims (9)

1. 軸流ファンのためのハブ−プロファイル結合システムにおいて、
   ハブ（１）と、排気プロファイル（３）が設けられた１つ以上のブレード（２）と、前記ハブ（１）に前記１つ以上のブレード（２）を結合するための手段と、を有し、
   前記結合手段は、前記ハブ（１）側の固定部（１１）と、前記ブレード（２）側の対応する固定部（１２）とにそれぞれ固定された、２つの分離した別個の柔軟性要素（９、１０）からなることを特徴とするハブ−プロファイル結合システム。
2. 前記システムの下部要素（１０）は、正、負又はゼロの角度（δ）で前記固定部（１１）に固定されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記要素（９、１０）は、前記固定部（１１、１２）の間に断面においてギャップ（１４）を有するようにお互い離されて配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のシステム。
4. 前記要素（９、１０）は、前記ブレード（２）の前記プロファイル（３）において、前記システム（８）の前記固定部（１２）に直接接触して１つにまとまっていることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
5. 前記固定部（１２）の断面において、前記要素（９、１０）の間にはスペーサ（１３）が挿入されていることを特徴とする請求項３に記載のシステム。
6. 前記スペーサ（１３）は、前記要素（９、１０）の弾性係数よりも低い弾性係数を有することを特徴とする請求項５に記載のシステム。
7. 前記要素（９、１０）は、四角形状の断面を有することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のシステム。
8. 前記要素（９、１０）は、長手方向断面において、該要素（９、１０）上の前記ブレード（２）の前記プロファイル（３）に収容される部分で最大湾曲を有する円弧又は放物線パターンをなしていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のシステム。
9. 請求項１から８のいずれかに記載のハブ−プロファイル結合システムを備えてなることを特徴とする軸流ファン。

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