JP3754244B2

JP3754244B2 - 軸流送風機の翼設計方法及び軸流送風機

Info

Publication number: JP3754244B2
Application number: JP26299699A
Authority: JP
Inventors: 誠一古賀; 毅樂間; 義徳遠谷; 正純牧野
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1999-09-17
Filing date: 1999-09-17
Publication date: 2006-03-08
Anticipated expiration: 2019-09-17
Also published as: JP2001082389A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気調和装置の室外機や換気扇、扇風機などに使用される軸流送風機、及びその軸流送風機の翼設計方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
空気調和装置の室外機や換気扇などに適用される軸流送風機は、多くの風量を得ることと同時に、騒音が低いものでなければならない。従って、このような軸流送風機の翼は、騒音の低減化のために低回転としても、風量を多量に発生できる翼弦長の長い翼が用いられる。軸流送風機の直径に対し翼弦長の長い翼は、軸流送風機の効率を向上させる必要上、３次元曲面形状を備えたものとなっている。
【０００３】
上述のような３次元性の強い翼を設計する方法は、種々提案されている。例えば、航空機（ヘリコプター等）の２次元翼の断面形状を基本とし、この断面形状を周方向に変形しながら延長して、３次元性の強い翼を形成する方法がある。ところが、このような翼の設計方法は、試行錯誤的な設計方法であり、しかも非常に困難である。
【０００４】
そこで、３次元性の強い翼を設計する方法として、特公平２−２０００号公報に記載の如く、数式を用いて、現実的に必要な空力性能を有する翼を設計する方法が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の公報記載の発明においては、翼の周方向断面形状が単一の円弧の場合に限られ、従って単純な形状の翼しか設計できない。このため、このような翼を備えた軸流送風機は、適用範囲が非常に限定されたものとなっている。
【０００６】
本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、適用範囲の広い軸流送風機を実現できる軸流送風機の翼設計方法及び軸流送風機を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、回転中心を備えたハブ部の外周に配置された翼を設計する軸流送風機の翼設計方法において、前記翼の回転軸に垂直な平面において前記回転中心を原点とする座標系を設定した場合に周方向の角度により示される前記翼の端位置を数式で定義するとともに、前記座標系における任意の角度位置における前記翼の半径方向断面形状を、当該角度位置における任意の点から前記回転中心までの距離と当該角度位置における翼先端から前記回転中心までの距離との差を変数とする数式により定義して、前記翼を設計することを特徴とするものである。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、回転中心を備えたハブ部の外周に複数枚の翼が配置された軸流送風機において、前記翼は、数式にて定義された周方向断面形状と、前記翼の任意の位置における半径と当該位置に対応する最大半径とを前記数式に加味することにより定義された半径方向断面形状とを有することを特徴とするものである。
【００１１】
請求項１乃至４に記載の発明には、次の作用がある。
【００１２】
軸流送風機の翼が、周方向断面形状と半径方向断面形状とを数式にて定義して構成されたことから、複雑な形状の翼を製作できる。このため、翼面形状、翼の反り深さ方向の形状、または翼の最大反り深さ位置のそれぞれを容易に設定できるので、適用範囲の広い軸流送風機を実現できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づき説明する。
【００１４】
図１は、本発明に係る軸流送風機の一実施の形態であるプロペラファンが適用された空気調和装置の室外機を示す正面図である。
【００１５】
空気調和装置は、室外機１０と図示しない室内機とが冷媒配管（不図示）により接続され、これらの間を冷媒が循環することにより冷房運転または暖房運転がなされる。室外機１０は、室外に設置されて外気と冷媒とを熱交換し、冷房運転時には冷媒を凝縮させて外気へ熱を放出し、暖房運転時には冷媒を蒸発させて外気から熱を取り込むものである。
【００１６】
室外機１０は、ケーシング１１内に圧縮機１２、アキュムレータ１３、四方弁１４、熱交換器１５、及び軸流送風機としてのプロペラファン１６を有して構成される。このプロペラファン１６は、図２に示すようにファンモータ１７に連結され、このファンモータ１７が支持板１８に支持されて熱交換器１５の前方に配置される。このプロペラファン１６のファンモータ１７による駆動によって、空気（外気）が図２の矢印Ａの如く熱交換器１５の内側から外側へ送風されて、熱交換器１５内の冷媒と外気とが熱交換される。
【００１７】
さて、上記プロペラファン１６は、図３及び図４に示すように、ハブ部１９と、このハブ部１９の外周に所定ピッチで配置された複数枚（例えば３枚）の同一形状の翼２０とを有して構成される。これらのハブ部１９及び翼２０は、例えば一体に樹脂成形される。
【００１８】
ハブ部１９は、その回転中心１９Ａにファンモータ１７のモータシャフト２１（図２）が挿通され、ファンモータ１７の駆動により各翼２０を図４の矢印Ｎ方向に回転させる。また、このハブ部１９は、外径がほぼ三角柱形状に構成されている。
【００１９】
上記翼２０は、図３〜図５に示すように、矢印Ｎ方向の回転により、その翼前縁２２側から翼後縁２３側へ向かい翼負圧面２４（翼裏面）に沿って空気（外気）を流動させ、この空気を全体として、プロペラファン１６の裏側から表側へ図２の矢印Ａ方向に送風する。
【００２０】
この翼２０は、図５に示すように、翼面が空間的に捻れながら、しかも翼前縁２２側が空気の吸込側に大きく前傾した３次元形状に構成される。この翼２０の形状（３次元形状）は、図６に示すように、プロペラファン１６の回転中心１９Ａを原点Ｏとする座標系において、周方向断面形状と半径方向断面形状の２つの断面形状を用いて定義される。具体的には、プロペラファン１６の送風性能を決定するために重要な周方向断面形状に重きを置き、原点Ｏから任意の半径ｒにおける周方向断面形状を数式で定義し、半径方向断面形状については、上記周方向断面形状を維持したままで変化させていくために、翼２０の最大半径Ｒと上記任意の半径ｒとの差（ｒ−Ｒ）を上記周方向断面形状に加味することによって定義する。
【００２１】
原点Ｏから任意の半径ｒにおける翼２０の周方向断面形状を図７に示す。この翼２０の周方向断面形状を示す曲線２５は、翼断面形状の基本となる翼弦直線２６から曲線２７を減算して求められたものであり、この曲線２７は、２本の異なる２次曲線２８及び２９をそれぞれのピーク位置で接続して構成したものである。ここで、図７の横軸は、図６の原点Ｏを通る水平軸Ｘから時計回りに増加する翼２０の周方向角度θであり、縦軸は翼２０の翼高さＨである。
【００２２】
この曲線２５にて示される翼２０の周方向断面形状を表す数式に、翼２０の半径方向の関係式（ｒ−Ｒ）を加味して、翼２０の３次元形状が数式（１）、（２）のように表記される。
【００２３】
【数１】

【００２４】
【数２】

ここで、Ｗ₁（ｒ）は反り前半角、Ｗ₂（ｒ）は反り後半角であり、曲線２７のピーク位置を決定するパラメータであって、後述の式（８）、（９）の如く半径ｒの関数である。また、θ_S（ｒ）は翼２０の開始角度（翼前縁２２側）を示すパラメータであり、半径ｒの関数である。
【００２５】
また、式（１）、（２）中のθ_L（ｒ）は翼２０の角度範囲を示すパラメータであり、半径ｒの関数であって次式（３）により定義される。
【００２６】
【数３】

ここで、θ_E（ｒ）は翼２０の終了角度（翼後縁２３側）を示すパラメータであり、半径ｒの関数であって次式（４）で示される。また、ＳＳ（ｒ）は翼２０の翼前縁２２位置を示すパラメータであり、翼２０の上面投影図から設定され、次式（５）の如く半径ｒの関数として示される。
【００２７】
【数４】

【００２８】
【数５】

これらの式（４）、（５）において、Ａ₁、Ａ₂、Ｂ₁、Ｂ₂、Ｃ₁、Ｃ₂、Ｄ₁、Ｄ₂はそれぞれ定数である。
【００２９】
また、式（１）、（２）中のＨ_L（ｒ）は、翼２０の高さ範囲を示すパラメータであり、半径ｒの関数であって次式（６）で示される。
【００３０】
【数６】

ここで、Ｈ_E（ｒ）は、翼２０の終了高さ（翼後縁２３側）であり、任意の値に設定される。また、Ｈ_S（ｒ）は翼２０の開始高さ（翼前縁２２側）を示すパラメータであり、ハブ部１９との接続位置を考慮して設定され、次式（７）の如く半径ｒの関数として示される。
【００３１】
【数７】

このＡ₃、Ｂ₃、Ｃ₃、Ｄ₃も定数である。
【００３２】
前記Ｗ₁（ｒ）、Ｗ₂（ｒ）は、これらの反り前半角Ｗ₁（ｒ）、反り後半角Ｗ₂（ｒ）の比を決定する翼変曲点分配率をＰとすると、それぞれ次式（８）、（９）で示される。
【００３３】
【数８】

【００３４】
【数９】

さらに、式（１）、（２）中のＤ（ｒ）は、翼２０の最大反り深さ（つまり、図７の翼弦直線２６と曲線２５との最大距離）を示すパラメータであり、次式（１０）に示す如く半径ｒの関数である。
【００３５】
【数１０】

ここで、Ｄ_Oは基準最大反り深さを示すパラメータであり、翼２０の最大半径Ｒ位置における最大反り深さＤ（Ｒ）を示す。
【００３６】
上述の式（１）〜（１０）によって翼２０の３次元形状が決定されるが、この決定に際しては翼２０の最外周位置、つまり最大半径Ｒ位置が基準とされる。
【００３７】
また、式（４）、（５）、（７）において、翼２０の半径方向断面形状の関係式（ｒ−Ｒ）が加味されている。そして、これら翼２０の終了角度θ_E（ｒ）、翼前縁２２位置ＳＳ（ｒ）、翼２０の開始高さＨ_S（ｒ）をそれぞれ規定する式（４）、（５）、（７）は、複数の翼２０を組み合わせて一つのプロペラファン１６を形成したとき、互いの翼２０が干渉しないように３次の多項式で定義され、翼２０の翼前縁２２側形状と翼後縁２３側形状の制約に柔軟に対応できるよう考慮されている。
【００３８】
更に、翼２０の開始角度θ_S（ｒ）は、図７に一点鎖線で示すように、翼２０の半径方向各位置における翼２０の周方向断面形状を示す曲線２５を定義するための開始点である。実際の翼２０は、翼２０の開始角度θ_S（ｒ）と終了角度θ_E（ｒ）との間で定義された上記曲線２５を、翼面の歪みを少なくするために不必要な部分を切除して形成される。この切除位置が翼２０の翼前縁２２位置ＳＳ（ｒ）である。また、翼２０の開始角度θ_S（ｒ）の値によって、翼２０の半径方向の広がり方やねじれを設定することができる。
【００３９】
次に、上述の式（１）〜（１０）を用いて、プロペラファン１６における３次元形状の翼２０を設計する手順を示す。
【００４０】
まず、翼２０の最大半径Ｒを数値設定し（例えばＲ＝２３０（ｍｍ））、翼前縁２２側の迎え角αと空気の入射角βとを考慮して、基準最大反り深さＤ_O及び翼変曲点分配率Ｐを数値設定する。その他、翼最外周の翼終了角度θ_E（Ｒ）及び翼終了高さＨ_E（Ｒ）と、翼２０の半径方向断面形状に関する関係式（ｒ−Ｒ）の項の係数Ａ_n、Ｂ_n、Ｃ_n、Ｄ_nをそれぞれ数値設定する。更に、翼２０の開始角度θ_S（ｒ）を零（θ_S（ｒ）＝０）と設定する。
【００４１】
ここで、翼２０の迎え角αは、図５に示すように、プロペラファン１６（ハブ部１９）の回転中心１９Ａに直交する平面３０に対する翼前縁２２の角度である。また、空気の入射角βは、上記平面３０に対し空気がプロペラファン１６へ流れ込む角度である。この空気の入射角βは、プロペラファン１６の相互の翼２０における空気の干渉や各翼２０の半径方向位置などによってバラツキがあるため、正確に把握することが困難であるが、既存のプロペラファンのデータから経験的に決定する。また、翼２０の迎え角αは、過小である場合には空気の流れの変化に対応できず、プロペラファン１６が失速してしまうおそれがあるため、空気の入射角βよりも大きな適切な角度に設定される。
【００４２】
図８に示すように、翼２０の迎え角αを例えば１２度以上とするためには、翼変曲点分配率Ｐを例えば６５％としたとき、基準最大反り深さＤ_Oの値は４０（ｍｍ）以上が望ましい。この実施の形態では、α＝１２（度）、Ｐ＝６５（％）、Ｄ_O＝４０（ｍｍ）にそれぞれ数値設定されている。
【００４３】
次に、上述のように数値設定されたパラメータＲ、Ｄ_O、Ｐ、θ_E（Ｒ）、Ｈ_E（Ｒ）、Ａ_n、Ｂ_n、Ｃ_n、Ｄ_n、θ_S（ｒ）の各値を式（４）、（５）、（３）、（７）、（６）にそれぞれ代入して、パラメータθ_E（ｒ）、ＳＳ（ｒ）、θ_L（ｒ）、Ｈ_S（ｒ）、Ｈ_L（ｒ）を算出し、また、式（８）、（９）にそれぞれ代入してパラメータＷ₁（ｒ）、Ｗ₂（ｒ）をそれぞれ算出し、更に式（１０）に代入してパラメータＤ（ｒ）を算出する。
【００４４】
次に、翼２０の半径方向各位置（例えばｒ＝２５０、２３０、２１０、１９０、１７０、１５０、１３０、１１０、９０、７０、５０、３０・・・）における、上述のパラメータθ_E（ｒ）、ＳＳ（ｒ）、θ_L（ｒ）、Ｈ_S（ｒ）、Ｈ_L（ｒ）、Ｗ₁（ｒ）、Ｗ₂（ｒ）及びＤ（ｒ）の値を算出する。これを整理したものが図９である。この図９では、パラメータθ_S（ｒ）及びＨ_E（ｒ）の値も表示されている。
【００４５】
その後、この図９の数値を式（１）、（２）に代入して、翼２０の半径方向各位置（ｒ＝２５０、２３０、２１０、・・・）での翼２０の周方向断面形状を表示するθに関する数式を求め、次に、これらの各数式にθの数値を代入して翼２０の翼高さＨの値を算出する。これにより、翼２０の３次元形状を表すＨ（θ、ｒ）の多数の座標データが点群として求められる。
【００４６】
これらの多数の座標データは、例えば３次元ＣＡＤ（ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｉｄｅｄＤｅｓｉｇｎ）に入力されることにより、３次元形状として見ることができる。
【００４７】
従って、上記実施の形態によれば、プロペラファン１６の翼２０が、周方向断面形状と半径方向断面形状とを数式（１）〜（１０）を用いて定義して構成されたことから、図７に示す異なる２次曲線２８及び２９を用いて翼２０の断面形状を設計できるので、複雑な形状の翼２０を設計し製作できる。このため、各種パラメータの数式を変更して、翼２０の翼面をスムーズな形状とし、翼面に極端に曲率変化が存在することによる抵抗の発生を防止したり、翼２０の最大反り深さＤ（ｒ）の数値を調整してプロペラファン１６による風量を適切に確保したり、翼２０の最大反り深さＤ（ｒ）の位置を、翼変曲点分配率Ｐを用いて調整して、翼２０の翼前縁２２側と翼後縁２３側の働きの相違を明確化することなどを容易に実施できる。この結果、適用範囲の広いプロペラファン１６を実現できる。
【００４８】
以上、本発明を上記実施の形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００４９】
例えば、翼２０の周方向断面形状を表す曲線２５を定義する際に、２つの２次曲線２８、２９を組み合わせた曲線２７を用いるものを述べたが、３以上の異なる２次曲線を組み合わせた曲線を用いて翼２０の周方向断面形状を定義しても良い。
【００５０】
【発明の効果】
以上のように、請求項１に記載の発明に係る軸流送風機の翼設計方法によれば、翼の周方向断面形状と半径方向断面形状とを数式にて定義することにより翼を設計することから、適用範囲の広い軸流送風機を実現できる。
【００５１】
請求項２に記載の発明に係る軸流送風機によれば、ハブ部の外周に複数枚配置された翼が、周方向断面形状と半径方向断面形状とを数式にて定義することにより、構成されたことから、適用範囲の広い軸流送風機を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る軸流送風機の一実施の形態であるプロペラファンが適用された空気調和装置の室外機を示す正面図である。
【図２】図１の室外機における主要部を示す縦断面図である。
【図３】図１及び図２のプロペラファンを示す斜視図である。
【図４】図３のＩＶ矢視図である。
【図５】図３のＶ矢視図である。
【図６】図３のＶＩ矢視図であり、単一の翼のみを示した図である。
【図７】図６の半径ｒ位置における翼の周方向断面形状を示す図である。
【図８】翼前縁の迎え角、翼変曲点分配率、翼の基準最大反り深さの関係を示すグラフである。
【図９】翼の半径方向各位置におけるパラメータの値を示す図表である。
【符号の説明】
１６プロペラファン（軸流送風機）
１９ハブ部
１９Ａ回転中心
２０翼

Claims

回転中心を備えたハブ部の外周に配置された翼を設計する軸流送風機の翼設計方法において、
前記翼の回転軸に垂直な平面において前記回転中心を原点とする座標系を設定した場合に周方向の角度により示される前記翼の端位置を数式で定義するとともに、
前記座標系における任意の角度位置における前記翼の半径方向断面形状を、当該角度位置における任意の点から前記回転中心までの距離と当該角度位置における翼先端から前記回転中心までの距離との差を変数とする数式により定義して、前記翼を設計することを特徴とする軸流送風機の翼設計方法。
回転中心を備えたハブ部の外周に複数枚の翼が配置された軸流送風機において、
前記翼は、数式にて定義された周方向断面形状と、前記翼の任意の位置における半径と当該位置に対応する最大半径とを前記数式に加味することにより定義された半径方向断面形状とを有することを特徴とする軸流送風機。