JP3588076B2

JP3588076B2 - バグフィルター用ファン

Info

Publication number: JP3588076B2
Application number: JP2001352660A
Authority: JP
Inventors: 勝英萩尾; 茂樹公江
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2001-11-19
Filing date: 2001-11-19
Publication date: 2004-11-10
Anticipated expiration: 2021-11-19
Also published as: JP2003148394A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、排煙などの状態に応じて回転数制御されるバグフィルター用ファンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば図１１に示すように、排煙源１０１（例えば転炉）において生じる煙Ｔを排出する際には、バグフィルター１０３を通過させて、ファン１０２（又は１０２’）にて前記煙Ｔを吸引して、煙突１０４より大気に開放することが一般に行われている。
【０００３】
従来は、そのようなバグフィルター用ファン１０２をほぼ一定の回転数でもって回転させていたが、近年、省エネの観点から、排煙がないときには、ファン１０２の回転数を、煙を吸引するときの回転数よりも低下させることが試みられている。
【０００４】
しかしながら、そのように排煙がないときには、ファン１０２の回転数が低下するように回転数制御を行うと、ファンを構成する羽根の取付部に作用する応力（遠心力による）が大きく変化することになる。そのため、変動幅の大きい繰り返し応力は、前記根元部に作用することになり、前記根元部において疲労による破損が生ずる原因となっていた。
【０００５】
そこで、発明者は、前記バグフィルター用ファンの羽根についての解析モデルとして、図１０に示す構造のものを採用し、ＦＥＭ解析により、どのくらいの最大応力が作用しているか、そしてどのようにすれば疲労による破損を抑制できるかを検討することとした。ここで、従来は、外方に突出するように湾曲した２つの側板部材１１，１２が溶接により固着されて筒形の中空形状の羽根１０が形成され、その羽根１０の内部の補強リブ（図１０の補強リブ１３，１４参照）が２枚設けられていた。そして、背側の側板部材１２の板厚が４．５ｍｍ、腹側の側板部材１１の板厚が６ｍｍ、補強リブ１３，１４の板厚が４．５ｍｍである。
【０００６】
まず、羽根１０の後端部の撓みが大きいため、その後端部にもう１枚の補強リブ１５を設け、その効果をＦＥＭ解析により検討したところ、最大応力が羽根の根元部付近であって補強リブ１３〜１５が設けられている部位に生じていることを確認でき、また、補強リブが２つの場合（補強リブ１３，１４だけの場合）には８４．７ｋｇ／ｍｍ^２であったのが、補強リブが３つの場合（補強リブ１３，１４，１５）には８３．８ｋｇ／ｍｍ^２となり、あまり最大応力に変化がないので、追加リブ数が１枚で十分であることが確認された。
【０００７】
そこで、羽根１０の主板への取付部に側板部材１１，１２それぞれ単独の局部曲げが生じ、前記取付部に最大応力が発生しているので、剛性が高めれば、最大応力が小さくなるとの着想に基づき、腹側の側板部材１１の板厚を６ｍｍから９ｍｍと厚くして、１．５倍にした。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、そのように側板部材１１の板厚を６ｍｍから９ｍｍと１．５倍にしても、最大応力は７０．７ｋｇ／ｍｍ^２と若干低下したものの、十分とはいえなかった。これは、羽根の根元部に作用する最大応力を小さくするために羽根全体の板厚を厚くすると、全体の重量が増加して遠心力が増加し、結果として最大応力をあまり低減できないことによるものと考えられる。
【０００９】
そこで、発明者がさらに研究を重ね、遠心力を余り増加させることなく、最大応力を低下させるには、羽根の根元部の厚さのみを厚くしたらよいとの着想に基づき、補強板（図１０の補強板２１，２１’，２２，２２’２３，２３’参照）を設けて板厚を厚くしたところ、最大応力が４０．９ｋｇ／ｍｍ^２と大幅に低下するのが、解析結果から確認された。そこで、発明者は、側板部材全体の板厚を厚くするよりも、取付部付近の板厚を厚くする方が、取付部において発生する最大応力の低減に効果があるという知見に基づき、本発明をなしたものである。
【００１０】
ところで、本発明に関連する先行技術として、例えば特許第３０８２５８６号公報に、プロペラファンにおいて、ハブの外側面に一体に接続されるファンの付け根部と、この付け根部におけるファン回転方向前側端部からファン外周側に延びる前縁部とは、他の部分よりも厚さ寸法が大きくされた厚肉部で形成され、前記前縁部における厚肉部は、外周側に向かうに従ってファン周方向に沿った断面積が次第に小さくなるように形成されているものが提案されているが、このファンと、バグフィルター用ファンとは基本となる構造が全く異なるものである。すなわち、先行技術に記載のファンは、円板形状の主板の表面に中空形状の羽根の根元部が取り付けられる一方、本発明に係るバグフィルター用ファンは、羽根が中空形状で、その羽根の先端部が環状のシュラウドが取り付けられ、前記羽根の内部に前記羽根の厚さ方向に延びる複数の補強リブが設けられ、排煙などの状態に応じて回転数制御されるものである。
【００１１】
この発明は、排煙などの状態に応じて回転数制御されるバグフィルター用ファンにおいて、羽根の根元部に作用する最大応力を低減して、応力の変動幅を小さくして、長寿命化を図ることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、円板形状の主板の表面に筒形の中空形状の羽根の根元部が周方向に一定間隔でもって取り付けられる一方、前記羽根の先端部が環状のシュラウドに取り付けられ、前記羽根の内部に前記羽根の厚さ方向に延びる複数の補強リブが設けられ、排煙などの状態に応じて回転数制御されるバグフィルター用ファンであって、前記羽根の根元部であって少なくとも前記補強リブが設けられている位置に、肉厚が他部より厚い厚肉部が形成されている構成とする。ここで、厚肉部には、羽根の根元部自体の肉厚を厚くした場合の厚肉部のほか、別の部材を溶接により固着することにより肉厚を厚くした場合の厚肉部も含まれる。
【００１３】
このようにすれば、主板に取り付けられる羽根の根元部のうち、特に補強リブが設けられている部位で最大応力が発生していることから、その最大応力が生じる部分を厚肉部とすることで、剛性が高められ、効果的に最大応力が低減され、応力の変動幅は小さくなる。この場合、羽根の根元部であって少なくとも前記補強リブが設けられている位置が厚肉部とされるだけであるので、全体重量はあまり大きくならず、遠心力をあまり増加させることがない。よって、疲労破壊が抑制され、長寿命化が図れる。
【００１４】
請求項２に記載のように、前記厚肉部は、前記羽根の内部に突出するように形成されていることが望ましい。
【００１５】
このようにすれば、厚肉部は、羽根の内部に突出するように形成されるので、羽根の外形形状は従来と変わりなく、羽根の外形に沿う排煙のスムーズな流れを損なうおそれはない。
【００１６】
請求項３に記載のように、前記羽根は、外方に突出するように湾曲した２つの側板部材が溶接により固着されて筒形の中空形状になるように形成され、前記各側板部材は、根元部側の厚さが厚い部材と先端部側の厚さが薄い部材とが接合されてなるように構成することも可能である。
【００１７】
このようにすれば、厚さが異なる部材を溶接するだけで、各側板部材の根元部側に厚肉部を形成することができるので、製造も簡単である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に沿って説明する。
【００２１】
図１は本発明に係るバグフィルター用ファンの一部を示し、図２のＸ方向矢視図、図２は本発明に係るバグフィルター用ファンの要部断面図である。
【００２２】
図１および図２に示すように、バグフィルター用ファン１は、中心回転軸２に円板形状の主板３が固定され、その主板３の両側の各表面に、その各表面に直交する方向に延びるように複数の筒形の中空形状の羽根１０，・・・の根元部が溶接により取り付けられ、前記羽根１０の先端部が環状のシュラウド５，６に溶接により取り付けられてなる。この羽根１０は、周方向に一定間隔でもって設けられ、排煙を吸引できるように半径方向に対して傾斜している。なお、前記バグフィルター用ファン１は、排煙があるときに回転数を高める一方、排煙がないときには回転数を低下させるように回転数制御される。すなわち、バグフィルター用ファン１は、前述したように、排煙などの状態に応じて回転数制御されるものである。
【００２３】
前記羽根１０は、外方に突出するように湾曲した２つの側板部材１１，１２が、溶接（図３の溶接部Ｓ１，Ｓ２参照）により固着されて、筒形の中空形状とされ、外側面は流線形状となっている。
【００２４】
前記羽根１０は、図３および図４に示すように、主板３に溶接（図４の溶接部Ｓ１１，Ｓ２１参照）により固着される根元部（すなわち、側板部材１１，１２の根元部）が、それより先端側の他部よりも肉厚が厚い厚肉部とされている。このように根元部の厚さを厚くするために、前記各側板部材１１，１２は、厚さが薄い側板部材１１Ａ，１２Ａと、厚さが厚い側板部材１１Ｂ，１２Ｂとが溶接により連結されて一体となっている（図４の溶接部Ｓ１２，Ｓ２２参照）。本実施の形態においては、各側板部材１１，１２は、根元側の厚さが厚い部材１１Ｂ，１２Ｂの厚さは、先端側の厚さが薄い部材１１Ａ，１２Ａのほぼ２倍とされている。なお、前記部材１１Ａ，１２Ａおよび１１Ｂ，１２Ｂの厚さの比率は、羽根の大きさや、作用する最大応力の大きさに応じて適宜変更される。また、溶接による接合強度を高めるために、各側板部材１１，１２と主板３との間にはレ型の開先が、部材１１Ａと部材１１Ｂとの間および部材１２Ａと部材１２Ｂとの間にはＸ型の開先が設けられている。
【００２５】
また、図４に示すように、羽根１０の根元部においては、厚さが厚い分だけ、部材１１Ｂ，１２Ｂが羽根１０の内部に突出するようになっている。よって、側板部材１１，１２の外側面側は、ほぼ面一とされている。
【００２６】
前記筒形の中空形状の羽根１０の内部には、前記両側板部材１１，１２を連結するように平行に延びる３つの補強リブ１３，１４，１５が順に設けられている。この補強リブ１３〜１５の、主板３側の部分は、前述した部材１１Ａ，１２Ａおよび１１Ｂ，１２Ｂの厚さの変化に対応して、その変化分だけ幅が狭くなっており、前記両側板部材１１，１２の内側面に沿う形状とされている。
【００２７】
続いて、前記バグフィルター用ファン１についてのＦＥＭ解析による検討結果について説明する。
（発生応力）
まず、図１０に示すように、応力の高い出口側の補強リブ１５付近には大きな三角形状の補強板２３，２３’を、入口側の２つの補強リブ１３，１４には、小さい四角形状の補強板２１，２１’，２２，２２’を設ける。補強板２１，２１’，２２，２２’，２３，２３’は、それぞれ、補強する側板部材１１，１２と同じ厚さとする。そして、ＦＥＭ解析を行ったところ、８９０ｒｐｍの回転速度の場合には、図５および図６に示すように、発生応力の最大値は４０．９ｋｇ／ｍｍ^２となり、損壊した羽根の最大値のほぼ半分程度に低下した。
【００２８】
ＦＥＭ解析の結果を示す図５および図６より、最大応力は補強リブ１３〜１５を設けた部位に生じているが、羽根１０の入口部分の補強リブ１３〜１５のない部位にも４０ｋｇ／ｍｍ^２程度の応力が生じている。このことと、応力集中を考慮しなくても２０ｋｇ／ｍｍ^２以上の応力が生じる負荷条件であることから、４０ｋｇ／ｍｍ^２程度の最大応力に低減するのが限度であると考えられる。
【００２９】
一方、羽根１０の各側板部材１１，１２への、補強リブ１３〜１５の取付部は、補強しなくても、最大応力が約３０ｋｇ／ｍｍ^２程度と比較的低く、こちらから疲労破壊することはない。
（疲労寿命評価応力の算出）
ＦＥＭ解析結果の応力分布から溶接部の疲労強度評価応力を求めた。検討部位は、次のＡ〜Ｄの４カ所である（図５参照）。各補強板は、上縁部と下縁部とが溶接により側板部材１１，１２に取り付けられている。
Ａ：出口側の補強リブ１５の根元部の、三角形状の補強板２３，２３’を設けた部位
Ｂ：中央の補強リブ１４の根元部の、四角板形状の補強板２２，２２’を設けた部位
Ｃ：入口側の補強リブ１３の根元部の、四角板形状の補強板２１，２１’を設けた部位
Ｄ：入口側の高応力が作用する部位
疲労評価応力は、評価部位の板の応力σを引張り成分σｔと曲げ成分σｂとに分けて、次の式で求められる。
【００３０】
σ＝σｔ＋（４／５）σｂ
図７〜図９に示すように、それぞれの部位での評価応力（引張換算応力）は次のようになる。
【００３１】
Ａ：２５．５ｋｇ／ｍｍ^２
Ｂ：２１．４ｋｇ／ｍｍ^２
Ｃ：２１．８ｋｇ／ｍｍ^２
Ｄ：２５．８ｋｇ／ｍｍ^２
よって、入口側の高応力が作用する部位（Ｄの部位）での疲労寿命が最も厳しいので、続いてＤの部位について疲労寿命評価を行う。
（発生応力範囲と頻度）
発生応力範囲と頻度との関係を求める。
▲１▼応力範囲
ＦＥＭ解析結果から、Ｄの部位において溶接部の疲労評価応力は、前述した通り、
σ_ｍａｘ＝２５．８ｋｇ／ｍｍ^２
である。これは、８９０ｒｐｍに対する値であり、実際の使用される８４０ｒｐｍに換算すると、
σ_ｍａｘ＝２５．８×（８４０／８９０）^２＝２３．０ｋｇ／ｍｍ^２
となり、各回転に対する応力は次のようになる。
【００３２】
【表１】

▲２▼頻度
これにより、応力範囲Δσが求まり、実測の頻度ｎと関連づけられ、次の表２のようになる。
【００３３】
【表２】

よって、Ｎｏ．１，２のファンの等価頻度を平均して、
疲労評価応力範囲は、Δσ＝２０．６ｋｇ／ｍｍ^２
その発生頻度は、ｎ＝５５回／日
となる。
（疲労寿命評価）
▲１▼従来と同じ変速条件で、疲労評価応力範囲Δσ＝２０．６ｋｇ／ｍｍ^２、発生頻度ｎ＝５５回／日における破断寿命の計算を行う。
【００３４】
十字隅肉溶接非仕上げのＳ−Ｎ関係は、次のように表される。
・平均線による寿命Ｎ／（２×１０^６）＝（１２．９／Δσ）^３
Δσ＝２０．６ｋｇ／ｍｍ^２を代入して、
Ｎ＝４．９×１０^５
１日の頻度は５５回であるから、使用日数Ｄと年数Ｙは、
Ｄ＝４．９×１０^５／５５＝８９００日
Ｙ＝８９００／３６５＝２４年
これは、平均的な寿命である。ばらつきを考慮しても破断しない寿命は、Ｓ−Ｎ関係の下限線（設計線）として表される。
・設計線による寿命
Ｎ／（２×１０^６）＝（８．２／Δσ）３
Ｎ＝１．２６×１０^５
Ｄ＝１．２６×１０^５／５５＝２２９０日
Ｙ＝２２９０／３６５＝６．３年
▲２▼従来とは同じ変速条件で、止端の仕上げをした場合
高応力発生部位の止端（母材の面と、溶接ビードの表面とが交わる点）のみグラインダー仕上げすることにより、疲労寿命を延長できる。
・平均線による寿命
Ｎ／（２×１０^６）＝（１７．９／Δσ）^３
Ｎ＝１．３０×１０^６
１日の頻度は５５回であるから、使用日数Ｄと年数Ｙは、
Ｄ＝１．３０×１０^６／５５＝２３７００日
Ｙ＝２３７００／３６５＝６５年
・設計線による寿命
Ｎ／（２×１０^６）＝（１０．２／Δσ）^３
Ｎ＝２．４３×１０^５
Ｄ＝２．４３×１０^５／５５＝４４２０日
Ｙ＝４４２０／３６５＝１２．１年
これにより、補強リブ１５を１枚追加し、補強板２１，２１’、２２，２２’、２３，２３’を取り付けた上で高応力部（主板３と羽根１０との取付部であって補強リブ１３〜１５付近）にグラインダー仕上げすれば、従来の使用条件でも、設計線による寿命で１２年、平均線による寿命で６５年というほぼ十分な寿命が得られる。
【００３５】
本発明は、以上説明した実施の形態に制限されることなく、次のように変更することも可能である。
（１）前記実施の形態おいては、根元部の厚さを厚くするために、前記各側板部材１１，１２を、厚さが薄い側板部材１１Ａ，１２Ａと、厚さが厚い側板部材１１Ｂ，１２Ｂとを溶接により接合して形成しているが、各側板部材の根元部の内側面側に別の板部材を全周にわたって溶接するようにしてもよい。
（２）前記実施の形態においては、主板３に取り付けられる根元部を全体にわたって厚肉部（部材１１Ｂ，１２Ｂ）としているが、最大応力が発生するのは補強リブの位置であるという知見に基づき、その補強リブの位置に補強板を溶接により設けるだけでも、羽根の根元部に作用する最大応力を十分に小さくし、寿命を延ばすことができる。
（３）前記実施の形態においては、側板部材１１，１２を主板３に単に溶接しているだけであるが、その溶接部分の止端のみグラインダー仕上げすることにより、さらに疲労寿命を延長することも可能である。
（４）前記実施の形態においては、ファンの回転数制御が低速域から高速域にわたる範囲で行われるようにしているが、中速域から高速域にわたる範囲で回転数制御を行うようにすることも可能である。この場合には、応力範囲（応力の変動幅）が小さくなり、より寿命を延ばすことが可能となる。
【００３６】
【発明の効果】
この発明は、以上に説明したように実施され、以下に述べるような効果を奏する。
【００３７】
請求項１の発明は、羽根の根元部であって補強リブが設けられている位置に、肉厚が他部より厚い厚肉部を形成するようにしているので、主板に取り付けられる羽根の根元部のうち、最大応力が生じる補強リブが設けられている部位を厚肉部とすることで、排煙などの状態に応じて回転数制御する場合において、効果的に最大応力を低減して、応力の変動幅を小さくすることができる。よって、疲労による破壊を抑制し、長寿命化を図ることが可能となる。
【００３８】
請求項２に記載のように、厚肉部を、羽根の内部に突出するように形成すれば、羽根の外形形状は従来と変わりなく、排煙の流れを損なうおそれなく、羽根の根元部に作用する最大応力を小さくすることができる。
【００３９】
請求項３に記載のように、前記羽根は、２つの側板部材を溶接により固着して筒形の中空形状に形成し、各側板部材を厚さが異なる部材を溶接により接合して形成するようにすれば、厚さが異なる部材を溶接により接合するだけで、厚肉部を形成することができ、製造も簡単である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るバグフィルター用ファンの一部を示し、図２のＸ方向矢視図である。
【図２】本発明に係るバグフィルター用ファンの要部断面図である。
【図３】本発明に係るバグフィルター用ファンの縦断面図である。
【図４】本発明に係るバグフィルター用ファンの羽根の、主板への取付部分の断面図である。
【図５】本発明に係るバグフィルター用ファンの羽根の外側の側板部材についてＦＥＭ解析の結果を示す説明図である。
【図６】本発明に係るバグフィルター用ファンの羽根の内側の側板部材についてＦＥＭ解析の結果を示す説明図である。
【図７】本発明に係るバグフィルター用ファンの羽根の外側の側板部材のＡ位置の応力状態を示す図である。
【図８】本発明に係るバグフィルター用ファンの羽根の外側の側板部材のＢ，Ｃ位置の応力状態を示す図である。
【図９】本発明に係るバグフィルター用ファンの羽根の外側の側板部材のＤ位置の応力状態を示す図である。
【図１０】ＦＥＭ解析に用いたモデルの説明図である。
【図１１】バグフィルター用ファンの説明図である。
【符号の説明】
１バグフィルター用ファン
３主板
５，６シュラウド
１０羽根
１１，１２側板部材
１３，１４，１５補強リブ
２１，２１’，２２，２２’，２３，２３’ 補強板

Claims

円板形状の主板の表面に筒形の中空形状の羽根の根元部が周方向に一定間隔でもって取り付けられる一方、前記羽根の先端部が環状のシュラウドに取り付けられ、前記羽根の内部に前記羽根の厚さ方向に延びる複数の補強リブが設けられ、排煙などの状態に応じて回転数制御されるバグフィルター用ファンであって、
前記羽根の根元部であって少なくとも前記補強リブが設けられている位置に、肉厚が他部より厚い厚肉部が形成されていることを特徴とするバグフィルター用ファン。
前記厚肉部は、前記羽根の内部に突出するように形成されている請求項１記載のバグフィルター用ファン。
前記羽根は、外方に突出するように湾曲した２つの側板部材が溶接により固着されて筒形の中空形状になるように形成され、
前記各側板部材は、根元部側の厚さが厚い部材と先端部側の厚さが薄い部材とが接合されてなる請求項１記載のバグフィルター用ファン。