JP2022063955A - オープン型斜流羽根車 - Google Patents

Abstract

【課題】翼端漏れ流れを抑制することができるオープン型斜流羽根車を提供する。【解決手段】本発明によるオープン型斜流羽根車２０は、回転可能な複数の羽根１を備える。羽根１は、回転の径方向の端部が翼端５であり、翼端５の全体を覆う側板を備えない。羽根１は、翼端５の一部に、１つまたは複数の、径方向の外側に向かって突出する突出部１０を備える。突出部１０は、羽根１の回転による遠心力により、翼端５が、予め定められた値より大きい値の変形を起こす位置に設置されるのが好ましい。【選択図】図５

Description

本発明は、羽根が側板で覆われていないオープン型の斜流羽根車に関する。

回転機械は、液体や気体の搬送用機械として、産業用製品や家電用製品に適用されている。羽根車が斜流型の回転機械は、流量と静圧の両方を大きくできる特性を持つ。斜流型の羽根車である斜流羽根車は、オープン型とクローズド型の２種類に分類することができる。

オープン型の斜流羽根車は、羽根の径方向の端部（翼端）が側板と呼ばれるカバーで覆われてなく、翼端とケーシングの間に翼端隙間と呼ばれる狭い流路が存在する。オープン型の斜流羽根車では、羽根車からエネルギを与えられた流体の一部が翼端隙間を流れる。翼端隙間を流れる流体は、翼端漏れ流れと呼ばれ、オープン型斜流羽根車のエネルギ損失の一因である。しかし、オープン型斜流羽根車には、側板が存在しないため、製造が容易であるとともに、軽量であるため材料コストが安いという利点があり、製造費と材料費を低減できるので様々な分野で使用されている。

クローズド型の斜流羽根車は、翼端の全体が側板で覆われており、翼端隙間が存在しないため、高効率で省エネ性が良いという利点がある。しかし、クローズド型斜流羽根車には、製造が難しいとともに、材料コストが高いという課題がある。

特許文献１には、従来の羽根車の例が記載されている。特許文献１に記載の羽根車は、半開放型の軸流ファンに備えられ、複数の羽根を有し、各羽根が空気の吹き出し側（軸方向）に突出する翼端板を備えることで、漏れ流れを抑制しつつ、風量の低下を抑制する。

特開２０１５－２１４９１２号公報

オープン型斜流羽根車には、流量と静圧の両方を大きくでき、製造費と材料費を低減できるという利点があるが、翼端漏れ流れが発生するので翼端漏れ流れによる損失（翼端漏れ流れ損失）が生じ、エネルギ効率が低くて省エネ性が悪いという課題がある。また、オープン型斜流羽根車では、軽量化と小型化を図るために厚さの薄い羽根を設けて、羽根車を高速で回転させることが試みられる。しかし、オープン型斜流羽根車には、羽根車を高速で回転させると、遠心力により羽根が変形して翼端隙間が広がり、翼端漏れ流れが増えて翼端漏れ流れ損失が増大するという課題がある。

本発明の目的は、翼端漏れ流れを抑制することができるオープン型斜流羽根車を提供することである。

本発明によるオープン型斜流羽根車は、回転可能な複数の羽根を備える。前記羽根は、回転の径方向の端部が翼端であり、前記翼端の全体を覆う側板を備えない。前記羽根は、前記翼端の一部に、１つまたは複数の、前記径方向の外側に向かって突出する突出部を備える。

本発明によると、翼端漏れ流れを抑制することができるオープン型斜流羽根車を提供することができる。

従来のオープン型斜流羽根車の一例を示す子午面図である。 クローズド型斜流羽根車の一例を示す子午面図である。 オープン型斜流羽根車において、遠心力により羽根の翼端が変形した例を示す子午面図である。 本発明の実施例１によるオープン型斜流羽根車の羽根とボスを示す斜視図である。 本発明の実施例１によるオープン型斜流羽根車を示す子午面図である。 従来のオープン型斜流羽根車において、羽根が高速で回転した場合の、遠心力による羽根の翼端の変形量の分布の一例を示す図である。 従来のオープン型斜流羽根車において、翼端の前縁と後縁とを示す子午面図である。 突出部を備えるオープン型斜流羽根車を示す子午面図において、突出部とケーシングとの間の隙間で発生する漏れ流れを示す図である。 本発明の実施例３によるオープン型斜流羽根車を示す子午面図である。 本発明の実施例３によるオープン型斜流羽根車の別の構成を示す子午面図である。

本発明によるオープン型斜流羽根車は、羽根が側板で覆われていないオープン型の斜流羽根車において、羽根の翼端の一部に、径方向の外側に向かって突出する突出部を備える。羽根は、１つまたは複数の突出部を備えることができる。翼端は、羽根の回転の径方向における、羽根の端部の面である。すなわち、翼端は、羽根車を収容したケーシングに対向している、羽根の端部の面である。径方向とは、羽根の回転軸（すなわち、羽根車の回転軸）に垂直な方向である。

本発明によるオープン型斜流羽根車は、羽根車の羽根の翼端の一部に突出部を備えることで、翼端漏れ流れ、特に翼端の変形によって翼端隙間が広がることによる翼端漏れ流れを抑制することができ、翼端漏れ流れ損失の増大を抑制することができる。このため、本発明によるオープン型斜流羽根車は、クローズド型斜流羽根車よりも製造費と材料費が低くでき、エネルギ効率の低下と省エネ性の低下を抑制することができる。羽根車のエネルギ効率は、羽根車を回転させるエネルギに対する、羽根車の回転により流体が得るエネルギの比で表すことができる。

初めに、オープン型斜流羽根車とクローズド型斜流羽根車について説明する。なお、本明細書で用いる図面において、同一のまたは対応する構成要素には同一の符号を付け、これらの構成要素については繰り返しの説明を省略する場合がある。

図１は、従来のオープン型斜流羽根車３０の一例を示す子午面図である。オープン型斜流羽根車３０は、回転機械に設置されている。図１には、オープン型斜流羽根車３０を備える回転機械の一部が示されている。

回転機械は、シャフト３と、ケーシング４と、オープン型斜流羽根車３０を備える。シャフト３は、回転軸６を中心として回転し、羽根車３０を回転させる。ケーシング４は、羽根車３０の径方向の外側に位置し、シャフト３と羽根車３０を収容し、羽根車３０に対する静止壁である。

オープン型斜流羽根車３０は、ボス２と、ボス２に周方向に沿って設置されている複数の羽根１を備え、回転軸６を中心として回転する。ボス２は、回転機械のシャフト３に固定され、シャフト３の回転とともに回転して羽根１を回転させる。羽根１は、シャフト３の回転によって回転軸６を中心として回転可能であり、回転することによって流体にエネルギを与える。羽根１の回転によってエネルギが与えられる流体の例には、水などの液体や空気などの気体が含まれる。なお、図１では、流体は左から右に流れる。

オープン型斜流羽根車３０は、羽根１の径方向の端部の面（すなわち、羽根１のケーシング４に対向している端部の面）である翼端５が、回転軸６に対して斜めに傾いている斜流羽根車である。斜流羽根車は、軸流羽根車と遠心羽根車に比べて、流量と静圧の両方を大きくできる特性を持つ。

オープン型斜流羽根車３０では、図１に示すように、羽根１の翼端５とケーシング４との間に、翼端隙間７と呼ばれる隙間が存在する。羽根１によってエネルギが与えられた流体の一部は、翼端隙間７を流れる。翼端隙間７を流れる流体は、翼端漏れ流れと呼ばれ、オープン型斜流羽根車３０のエネルギ損失の一因となり、オープン型斜流羽根車３０のエネルギ効率を低下させて省エネ性を悪くする。

図２は、クローズド型斜流羽根車４０の一例を示す子午面図である。クローズド型斜流羽根車４０は、オープン型斜流羽根車３０と同様の構成を備えるが、羽根１の翼端５に、羽根１を覆う側板８が設置されている点がオープン型斜流羽根車３０と異なる。側板８は、羽根１の翼端５の全体に設置されており、翼端５の全体を覆う。クローズド型斜流羽根車４０では、羽根１の翼端５に側板８が設置されているので、翼端５とケーシング４との間に翼端隙間７が存在せず、翼端漏れ流れが発生しない。

オープン型斜流羽根車３０（図１）は、側板８を備えないので、クローズド型斜流羽根車４０よりも製造費と材料費などのコストを低減することができる。また、オープン型斜流羽根車３０では、さらにコストを下げるために厚さの薄い羽根１を備え、羽根１を高速で回転させる運転を行うことがある。羽根１が高速で回転すると、翼端５が遠心力により変形して翼端隙間７が広がり、翼端漏れ流れが増えて羽根車３０のエネルギ効率が著しく低下することがある。

図３は、オープン型斜流羽根車３０において、遠心力により羽根１の翼端５が変形した例を示す子午面図である。図３には、遠心力により変形した羽根１を破線で示しており、羽根１の翼端５が遠心力により翼端９のように変形した例を示している。

羽根１の翼端５は、遠心力によって、破線で示された翼端９のように、すなわち翼端隙間７が広がるように変形することが多い。オープン型斜流羽根車３０は、翼端隙間７が広がると、翼端漏れ流れが増えて翼端漏れ流れ損失が増大し、エネルギ効率が著しく低下する。

本発明の実施例によるオープン型斜流羽根車は、翼端漏れ流れを抑制することができるとともに、羽根１が遠心力で変形しても翼端漏れ流れを抑制することができる。

以下、本発明の実施例によるオープン型斜流羽根車を説明する。

図４と図５を用いて、本発明の実施例１によるオープン型斜流羽根車２０を説明する。図４は、本実施例によるオープン型斜流羽根車２０の羽根１とボス２を示す斜視図である。図５は、本実施例によるオープン型斜流羽根車２０を示す子午面図である。以下では、本実施例によるオープン型斜流羽根車２０について、図１に示した従来のオープン型斜流羽根車３０と異なる構成を主に説明する。

本実施例によるオープン型斜流羽根車２０は、回転可能な複数の羽根１と、複数の羽根１が周方向に沿って設置されたボス２を備え、羽根１の翼端５に、翼端５の全体を覆う側板を備えない。翼端５は、羽根１の径方向の端部の面である。本実施例によるオープン型斜流羽根車２０は、ケーシング４に収容される。ケーシング４は、羽根車３０の径方向の外側に位置する。

本実施例によるオープン型斜流羽根車２０は、羽根１の翼端５の一部に、１つまたは複数の突出部１０を備える。突出部１０は、径方向の外側に向かって、すなわちケーシング４に向かって突出する。突出部１０は、任意の形状と大きさを備えることができる。例えば、突出部１０は、複数の羽根１の翼端５の一部を囲むように複数の羽根１に渡って設置された１つの筒状部材で構成してもよく、複数の羽根１のそれぞれに個別に設置された突起状部材で構成してもよい。突出部１０は、例えば、クローズド型斜流羽根車４０が羽根１に備える側板８と同様の素材で構成することができる。

突出部１０は、羽根１の翼端５の全体に設置されるのではなく、翼端５に部分的に設置される。すなわち、本実施例によるオープン型斜流羽根車２０では、１つまたは複数の突出部１０が、羽根１の翼端５の一部に設置され、翼端５の一部を覆う。

本実施例によるオープン型斜流羽根車２０では、流体は、流れ方向１５に示す向きに流れる。

本実施例によるオープン型斜流羽根車２０では、一例として図５に示すように、翼端５の後縁部５ａ（流体の流れ方向１５における下流部）に、１つの突出部１０が設置されている。突出部１０は、翼端５の後縁部５ａに複数が設置されてもよい。また、突出部１０は、翼端５の前縁部５ｂ（流体の流れ方向１５における上流部）に１つまたは複数が設置されてもよく、翼端５の後縁部５ａと前縁部５ｂの両方に設置されてもよい。

図３を用いて説明したように、従来のオープン型斜流羽根車３０では、羽根１が高速で回転すると、羽根１の翼端５が遠心力により変形して翼端隙間７が広がる。翼端隙間７が広がると、翼端漏れ流れが増えて翼端漏れ流れ損失が増大し、羽根車３０のエネルギ効率が低下する。

本実施例によるオープン型斜流羽根車２０（図５）において、突出部１０は、羽根１の回転による遠心力により、羽根１の翼端５が大きい変形を起こす位置に、部分的に設置されるのが好ましい。遠心力により翼端５が大きく変形する位置は、羽根１の形状などによって異なる。図５に示したオープン型斜流羽根車２０では、遠心力による羽根１の翼端５の変形が大きい位置が翼端５の後縁部５ａであるとして、翼端５の後縁部５ａに突出部１０が設置されている。例えば、遠心力による羽根１の翼端５の変形が大きい位置が翼端５の前縁部５ｂであれば、突出部１０は、翼端５の前縁部５ｂに設置されるのが好ましい。図５に示したオープン型斜流羽根車２０では、突出部１０は、遠心力による翼端５の変形により後縁部５ａでの翼端隙間７が広がるのを防ぎ、後縁部５ａでの翼端漏れ流れを抑制する。

なお、図５に示したケーシング４は、羽根１の翼端５の一部に突出部１０が設置されたため、図１や図３に示したケーシング４と形状が異なる。図５において、後縁部５ａの径方向外側の部分では、突出部１０とケーシング４との間に隙間６０がある。この隙間６０は、羽根１の上流側と下流側との圧力差が小さい部分であるので、翼端漏れ流れの量が少ない。すなわち、隙間６０が存在しても、翼端漏れ流れは増加しない。

以上説明したように、本実施例によるオープン型斜流羽根車２０は、翼端漏れ流れ、特に翼端５の変形によって翼端隙間７が広がることによる翼端漏れ流れを抑制するために、羽根１の翼端５の一部に突出部１０を備える。突出部１０は、翼端隙間７を狭めるので、翼端漏れ流れを抑制し、翼端漏れ流れ損失の増大を抑制することができる。本実施例によるオープン型斜流羽根車２０は、羽根１の翼端５の一部に突出部１０を備えることで、エネルギ効率の低下を防止できる。

また、突出部１０は、羽根１の翼端５の前縁部５ｂから後縁部５ａにかけて、すなわち翼端５の全体に設置されていない。このため、本実施例によるオープン型斜流羽根車２０は、クローズド型斜流羽根車４０よりも製造が容易であり軽量であるため、製造費と材料費を低減することができる。

本発明の実施例２によるオープン型斜流羽根車２０について説明する。本実施例では、突出部１０が設置される位置の例について説明する。実施例１で説明したように、突出部１０は、遠心力による羽根１の翼端５の変形が大きい位置に、部分的に設置されるのが好ましい。例えば、突出部１０は、遠心力により翼端５が予め定められた値より大きい値の変形を起こす位置に、部分的に設置される。図３を用いて説明したように、従来のオープン型斜流羽根車３０では、羽根１が高速で回転すると、羽根１の翼端５が遠心力により変形して翼端隙間７が広がる。

図６は、従来のオープン型斜流羽根車３０において、羽根１が高速で回転した場合の、遠心力による羽根１の翼端５の変形量の分布の一例を示す図である。図６のグラフは、従来のオープン型斜流羽根車３０の典型的な構成について、数値計算を実行することにより得られた。

図７は、従来のオープン型斜流羽根車３０において、翼端５の前縁１１と後縁１２とを示す子午面図である。翼端５の前縁１１は、翼端５の、流体の流れ方向１５における上流の端である。翼端５の後縁１２は、翼端５の、流体の流れ方向１５における下流の端である。

図６において、横軸は、前縁１１からの無次元距離で、翼端５の部分の位置を表している。横軸が０．０の値は、前縁１１の位置にある翼端５の部分の位置を示しており、横軸が１．０の値は、後縁１２の位置にある翼端５の部分の位置を示している。

図６において、縦軸は、横軸で示す各位置における翼端５の変形量を、その位置における翼端隙間７で割った値を表している。翼端５の変形量とは、遠心力により翼端５が変形したときの、翼端５上の点（翼端５を構成する点）の移動量である。図６の縦軸は、この翼端５の変形量を、変形量を求めた翼端５上の点の位置における、翼端５の変形前の翼端隙間７で割った値を示す。縦軸の値が１００％ということは、遠心力による翼端５の変形量が翼端隙間７の大きさと同じであることを意味する。

なお、図３を用いて説明したように、翼端５は、遠心力によって、ケーシング４に近づくように変形する、すなわち翼端隙間７を小さくするように変形するわけではなく、翼端隙間７が広がるように変形することが多い。

図６のグラフが得られたオープン型斜流羽根車３０では、翼端５が変形して翼端５の変形量が翼端隙間７の５０％よりも大きいと、翼端隙間７が大きく広がり、翼端漏れ流れが増えて翼端漏れ流れ損失が増大し、翼端５が変形する前に比べて、羽根車３０のエネルギ効率が許容できない程度に低下する。すなわち、翼端５の変形量が翼端隙間７の５０％よりも大きいと、羽根車３０のエネルギ効率が大きく低下する。図６より、翼端５の変形量が翼端隙間７の５０％よりも大きい位置は、翼端５の前縁１１からの位置が０．７７から１．０の間の位置である。

本実施例によるオープン型斜流羽根車２０では、突出部１０は、羽根１の回転による遠心力により、翼端５が予め定められた値より大きい値の変形を起こす位置に、部分的に設置される。具体的には、羽根１の回転の遠心力による翼端５の変形量が、翼端隙間７の５０％よりも大きい位置に、突出部１０が設置される。すなわち、突出部１０は、翼端５の前縁１１からの位置が０．７７から１．０の間の位置において、翼端５に設置される。本実施例によるオープン型斜流羽根車２０は、翼端５の変形量が予め定められた値より大きい値である位置（翼端５の変形量が翼端隙間７の５０％よりも大きい位置）に突出部１０を備え、突出部１０が翼端漏れ流れを抑制して翼端漏れ流れ損失の増大を抑制するので、翼端５の変形による羽根車２０のエネルギ効率の低下は、許容される程度である。

本実施例では、翼端５の変形量が翼端隙間７の５０％よりも大きいと、羽根車のエネルギ効率を大きく（許容できない程度に）低下させる例について説明した。羽根車のエネルギ効率を大きく低下させる翼端５の変形量は、必ずしも翼端隙間７の５０％よりも大きい変形量であるというわけではない。

また、本実施例によるオープン型斜流羽根車２０では、突出部１０は、羽根１の回転による遠心力により、翼端５が、羽根車２０のエネルギ効率が予め定められた値より低下するような変形を起こす位置に設置されるのが好ましい。この予め定められた値とは、例えば、羽根車２０に対して要求されているエネルギ効率の値である。すなわち、突出部１０は、翼端５が遠心力で変形することで生じる羽根車２０のエネルギ効率の低下を防止できる、翼端５の位置に設置されるのが好ましい。突出部１０がこのような位置に設置されることで、本実施例によるオープン型斜流羽根車２０は、翼端漏れ流れを抑制し、翼端漏れ流れ損失の増大を抑制することができる。

実施例１、２によるオープン型斜流羽根車２０は、突出部１０を、羽根１の翼端５の一部に、好ましくは遠心力による羽根１の翼端５の変形が大きく翼端隙間７が広がる位置に備え、翼端漏れ流れを抑制して、エネルギ効率の低下を防止する。しかし、突出部１０とケーシング４との間に隙間が存在すると、羽根車２０からエネルギを与えられた流体の一部が、この隙間を流れて羽根車２０の吸い込み側（上流側）に戻ることがある。この現象も漏れ流れであり、羽根車２０のエネルギ効率を低下させる。

図８は、突出部１０を備えるオープン型斜流羽根車２０を示す子午面図（図５）において、突出部１０とケーシング４との間の隙間１３で発生する漏れ流れを示す図である。羽根車２０からエネルギを与えられた流体の一部は、流れ方向１４に示す向きに流れ、突出部１０とケーシング４との間の隙間１３を流れて、羽根車２０の吸い込み側１７に戻る。

本発明の実施例３によるオープン型斜流羽根車２０は、突出部１０またはケーシング４が凹凸部（ラビリンス構造）を備え、流体が流れ方向１４に示す向きに流れて吸い込み側１７に戻る漏れ流れを抑制する。

図９は、本実施例によるオープン型斜流羽根車２０を示す子午面図である。以下では、本実施例によるオープン型斜流羽根車２０について、実施例１によるオープン型斜流羽根車２０（図５）と異なる構成を主に説明する。

本実施例によるオープン型斜流羽根車２０は、突出部１０が凹凸部１６を備える。突出部１０が備える凹凸部１６は、突出部１０とケーシング４との間の隙間１３において、突出部１０のケーシング４に向く位置に設けられる。突出部１０が備える凹凸部１６は、径方向の内側に向かって、すなわちケーシング４から離れる向きに凹む凹部と、径方向の外側に向かって、すなわちケーシング４に向かって突出する凸部を備える。

図１０は、本実施例によるオープン型斜流羽根車２０の別の構成を示す子午面図である。本実施例によるオープン型斜流羽根車２０は、羽根車３０を収容するケーシング４を備え、ケーシング４が凹凸部１６を備えてもよい。ケーシング４が備える凹凸部１６は、突出部１０とケーシング４との間の隙間１３において、ケーシング４の突出部１０に向く位置に設けられる。ケーシング４が備える凹凸部１６は、径方向の外側に向かって、すなわち突出部１０から離れる向きに凹む凹部と、径方向の内側に向かって、すなわち突出部１０に向かって突出する凸部を備える。

凹凸部１６は、その凹部の内部で発生する２次流れ渦によって、隙間１３を流れる漏れ流れの圧力損失を増大させるので、隙間１３を流れる漏れ流れを抑制することができる。従って、本実施例によるオープン型斜流羽根車２０は、翼端漏れ流れ損失の増大を抑制することができ、エネルギ効率の低下を防止できる。なお、凹凸部１６は、翼端５の前縁部５ｂから後縁部５ａに向かう流体の流れ（すなわち、羽根１の上流側と下流側との圧力差により生じる流れ）を抑制しない。

なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記の実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、本発明は、必ずしも説明した全ての構成を備える態様に限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能である。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、削除したり、他の構成を追加・置換したりすることが可能である。

１…羽根、２…ボス、３…シャフト、４…ケーシング、５…翼端、５ａ…後縁部、５ｂ…前縁部、６…回転軸、７…翼端隙間、８…側板、９…遠心力により変形した翼端、１０…突出部、１１…前縁、１２…後縁、１３…突出部とケーシングとの間の隙間、１４、１５…流体の流れ方向、１６…凹凸部、１７…吸い込み側、２０…オープン型斜流羽根車、３０…従来のオープン型斜流羽根車、４０…クローズド型斜流羽根車、６０…突出部とケーシングとの間の隙間。

Claims (5)

1. 回転可能な複数の羽根を備え、
   前記羽根は、回転の径方向の端部が翼端であり、前記翼端の全体を覆う側板を備えず、
   前記羽根は、前記翼端の一部に、１つまたは複数の、前記径方向の外側に向かって突出する突出部を備える、
   ことを特徴とするオープン型斜流羽根車。
2. 前記突出部は、前記羽根の回転による遠心力により、前記翼端が、予め定められた値より大きい値の変形を起こす位置に設置される、
   請求項１に記載のオープン型斜流羽根車。
3. 前記突出部は、前記羽根の回転による遠心力により、前記翼端が、前記オープン型斜流羽根車のエネルギ効率が予め定められた値より低下するような変形を起こす位置に設置される、
   請求項１に記載のオープン型斜流羽根車。
4. 前記オープン型斜流羽根車は、ケーシングに収容され、
   前記突出部は、前記ケーシングに向く位置に凹凸部を備える、
   請求項１に記載のオープン型斜流羽根車。
5. 前記オープン型斜流羽根車を収容するケーシングを備え、
   前記ケーシングは、前記突出部に向く位置に凹凸部を備える、
   請求項１に記載のオープン型斜流羽根車。

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