JP4491711B2 - ジェットファン - Google Patents

Description

この発明はジェットファンに関し、トンネルなどの換気に用いられる可逆回転式電動機で駆動され軸方向前後に同一性能で送風可能とされた２段の羽根車を備えたジェットファンの高性能化および低騒音化に関するものである。

鉄道用や自動車用のトンネル内の換気には、軸流式のジェットファンをトンネルの天井部に設け、自然の風向や車両の走行条件等に応じてトンネルの前後いずれにも送風できるように正転および逆転が可能とされ、送風方向によらず同一の性能を確保するようにしてある。

このようなジェットファンの概略構造は、特許文献１に記載のものを図６（ａ）に示すように、例えば２段の羽根車を備えて構成されている。

このジェットファン1は、トンネルの天井部に取付けられる円筒状のケーシング２を備えており、このケーシング２内には、可逆回転式の両軸モータ３がケーシング２と同心状に配置され、モータ支持台４によって支持されている。

そして、この両軸モータ３の両端部にそれぞれ複数の動翼を備える羽根車５，５が取り付けられ、各羽根車５，５の前後中心部には、整流用のノーズコーン６，６が取り付けてあり、両軸モータ３を正逆転することで、前後方向いずれにも送風できるようになっている。

このようなジェットファン１の羽根車５の翼の形状としては、例えば図６（ｂ）に速度三角形とともに示すように、前置動翼には正のキャンバーをつけ、実質的にすべての仕事をこの前置動翼が受け持ち、後置動翼には反対に負のキャンバーをつけたものが用いられていた。
特開２０００−２２０５９９号公報

近年、このような前置動翼に正のキャンバーをつけ、後置動翼に反対に負のキャンバーをつけた羽根車を用いるジェットファンに対してさらなる風量増大による高性能化を図るとともに、低騒音化を図ることが要求されており、大風量化のため揚程を増大しようとして羽根車の前置動翼にキャンバーをたくさんつけると、後置動翼の動力回収量も増えてしまい風量増加などを図ることができないなどの問題がある。

この発明はかかる従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、羽根車の形状を工夫することで、高効率化と低騒音化とを実現することができるジェットファンを提供しようとするものである。

上記課題を解決するため、この発明の請求項1記載のジェットファンは、可逆回転式電動機で駆動され軸方向前後に送風可能とされた２段の羽根車を備えたジェットファンにおいて、前記可逆回転式電動機を、前記羽根車の1段分の翼枚数と異なる枚数の断面形状を、略平行四辺形としたステーを介して取り付けた内筒に取り付けてなることを特徴とするものである。

また、この発明の請求項２記載のジェットファンは、請求項1記載の構成に加え、前記羽根車の翼の断面形状を略平行四辺形としたことを特徴とするものである。

さらに、この発明の請求項３記載のジェットファンは、請求項２記載の構成に加え、前記翼の断面形状における前縁部を円弧または楕円弧とするとともに、これら円弧または楕円弧に連続して負圧面側を翼厚までなめらかな曲線で連続させたことを特徴とするものである。

ここで、略平行四辺形とは、幾何学上の平行四辺形や各頂角部分を円弧などでなめらかにする場合、さらには対角位置の２つ頂角の大きさがわずかに異なる場合も含むものである。

この発明の請求項1記載のジェットファンによれば、可逆回転式電動機で駆動され軸方向前後に送風可能とされた２段の羽根車を備えたジェットファンにおいて、前記可逆回転式電動機を、前記羽根車の1段分の翼枚数と異なる枚数の断面形状を、略平行四辺形としたステーを介して取り付けた内筒に取り付けてなるので、羽根車の1段分の翼の枚数と異なる枚数の断面形状を、略平行四辺形としたステーによって動静翼干渉を抑えることができ、流れを乱すことなく一様な流れを確保することができ、しかも損失ヘッドを小さくすることができるとともに、剥離も抑えることができる。

また、この発明の請求項２記載のジェットファンによれば、請求項1記載の構成に加え、前記羽根車の翼の断面形状を略平行四辺形としたので、いずれの送風方向に対しても同一性能を確保しつつ、風量を増大するため高迎角で作動させる場合にも、無衝突流入に近づけることができ、翼負荷を広範囲に分担でき、動翼先端部での剥離などを抑えて高効率で低騒音のジェットファンとすることができる。

さらに、この発明の請求項３記載のジェットファンによれば、請求項２記載の構成に加え、前記翼の断面形状における前縁部を円弧または楕円弧とするとともに、これら円弧または楕円弧に連続して負圧面側を翼厚までなめらかな曲線で連続させたので、前縁部の円弧や楕円弧によって一層無衝突流入に近づけることができ、これに連続する負圧面側のなめらかな曲線によって一層翼負荷を広範囲に分担でき、動翼先端部での剥離などを抑えて高効率で低騒音のジェットファンとすることができる。

以下、この発明の実施の形態について図面に基づき詳細に説明する。

図１〜図５は、この発明のジェットファンの一実施の形態にかかり、図１は翼の略平行四辺形の断面形状の説明図、図２（ａ）は翼の断面形状の説明図、同図（ｂ）は前縁部の拡大断面図、同図（ｃ）は積重点からの平面図、図３は翼での流れの状態の説明図、図４はジェットファンの概略斜視図および速度三角形の説明図、図５は電動機の取付構造を示す部分斜視図である。

このジェットファン１０は、基本的な構成は、図４に概略を示すように、例えば２段の羽根車１１を備えて構成され、トンネルの天井部に取付けられる円筒状のケーシング１２を備えており、このケーシング１２内には、可逆回転式の両軸モータ１３がケーシング１２と同心状に配置され、モータ支持用のステー１４によって支持されている。

そして、この両軸モータ１３の両端部にそれぞれ複数の動翼を備える羽根車１１，１１が取り付けられ、各羽根車１１，１１の前後中心部には、整流用のノーズコーン１５，１５が取り付けてあり、両軸モータ１３を正逆転することで、前後方向いずれにも送風できるようになっている。

このジェットファン１０では、高性能化にともなって羽根車１１に対する負荷が増大することから前置動翼にほとんどの負荷を担わせるのではなく、後置動翼にも適当なレベルの負荷を分担させるようにし、このため、羽根車１１の翼２１の形状（断面形状）が図6で説明したジェットファンの場合と異なる。

しかし、このジェットファン１０では、前後の羽根車１１の翼２１の断面形状は、前後の羽根車１１の負荷分担が同一であれば、図１（ａ）に示すように、正転時も逆転時も翼２１の前縁の頂角ψ１と翼２１の後縁の頂角ψ２が同一の幾何学的な平行四辺形２２の翼型断面となるが、負荷分担が異なると、図１（ｂ）に示すように、翼２１の前縁の頂角ψ１と翼２１の後縁の頂角ψ２が異なり、全く点対称の翼型断面とはならず、正転時の前後の羽根車１１，１１の負荷を、例えば６０：４０とする場合には、前縁の頂角ψ１が大きく、後縁の頂角ψ２が小さい平行四辺形からわずかにずれた略平行四辺形２３の翼型断面となる。

そして、このジェットファン１０では、このような羽根車１１の翼２１の形状として、大風量、すなわち高揚程とするために高迎角となることから、この作動条件で略平行四辺形の翼型断面に、さらに次の条件を満たすような翼型としている。

（１） 流入側となる前縁部で、なるべく無衝突流入に近づく形状とすること、
（２） 翼負荷をなるべく広い範囲で分担できる形状とすること。

そこで、略平行四辺形の翼型断面にこれらの条件を満たすようにするため、前縁部（Ｌ／Ｅ）を円弧あるいは楕円弧２４とし、略一定厚さの厚翼として(１)の条件の流入側となる前縁部で、なるべく無衝突流入に近づく形状としている。

また、(２)の条件の翼負荷をなるべく広い範囲で分担できる形状として、前縁部(Ｌ／Ｅ)側の負圧面を大きな曲率半径の滑らかな曲線として円弧２５としてある。

そして、円弧あるいは楕円弧２４と滑らかな曲線である円弧２５とを連続させることで、直線部を介在させる場合に比べて、負圧面の円弧を極力大きくとって負荷を受ける持つ領域を広げるようにしてある。

さらに、前縁部(Ｌ／Ｅ)の頂角ψをインシデンスの２倍、すなわち、図２(ｂ)に示すように、流入方向と平行翼面とのなす角度の約２倍に設定した。

この前縁部(Ｌ／Ｅ)の頂角φは、耐インシデンス性を高めるためにはなるべく大きくとりたいところであるが、負圧面の滑らかな曲線である円弧２５の径（曲率半径）を極力大きくして負圧面の負荷分布を緩やかにすると同時に、後縁部(Ｔ／Ｅ)をできるだけシャープにしてウェークのミキシング損失を減らす必要から、この値に設定してある。

このような翼型断面の羽根車１１では、図３(ａ)にシュラウド側での相対速度分布を、同図（ｂ）に前置動翼の前縁部（Ｌ／Ｅ）の相対速度分布を拡大して示すように、前縁部（Ｌ／Ｅ）での剥離は見られず、速度コンターの分布も比較的なだらかであることがわかる。

なお、この実施の形態では、負圧面の滑らかな曲線として曲率半径の大きい円弧を用いたが、円弧に限らず他の滑らかな曲線で構成しても良い。

また、前縁部(Ｌ／Ｅ)の頂角ψを、流入方向と平行翼面とのなす角度の約２倍に設定したが、これは必ずしも２倍でなくても２倍近傍であれば良い。

このジェットファン１０では、静翼となる電動機のステー１４の形状は、既に説明したように、翼型を積重軸に対して点対称にしなければ成らないことからキャンバーはつけられず、平板翼となるが、板材のままではインシデンス特性が悪く、剥離騒音源となりかねないことや、後縁部（Ｔ／Ｅ）からカルマン渦音が発生する可能性があることなどから、図５に示すように、エッジ部分の形状を、負圧面側を円弧状のなめらかな曲線２６に削いだ形状の略平行四辺形とした。

また、静翼となるステー１４の翼枚数を、動静翼干渉を減らすため、羽根車１１の1段分の動翼と異なる枚数とし、ここでは、動翼より一枚少ない枚数で静翼を構成してある。

このような静翼の形状とすることで、デビエーションが小さく、損失ヘッドも小さく、フローパターンには、剥離が見られず良好であることを確認している。

そして、この静翼となるステー１４は、図５に示すように、ジェットファン１０のケーシング１２と同芯状に配置される内筒１６との間に放射状に配置されるとともに、円周等間隔に複数枚設けられる。

この内筒１６の内側に、両軸モータ１３で構成された可逆転式電動機が配置され、モータ１３が円周等間隔の複数箇所のブラケット１７を介して固定されている。

このような内筒１６を介して両軸モータ１３を取り付けることで、モータに直接ステーを取り付ける場合に比べ、製作が容易となるとともに、取付位置の調整が容易となる。

以上のような前後の羽根車１１とこれらの間のステー１４とを備えたジェットファン１０では、例えば図４（ｂ）に示すような速度三角形が各羽根車１１およびステー１４で形成され、前後の羽根車１１での負荷の分担が約５０：５０となる時は、羽根車の翼２１が図１（a）のようにψ１＝ψ２となり、正転と逆転のいずれの回転方向でも同一の性能で運転することができる。

そして、例えば吐出風速を高めることで高性能化を図った場合でも、騒音は、同一仕様であれば計算上、風速の５乗に比例して増大するにもかかわらず、騒音を吐出風速を高める前と同一のレベルに保つことができ、実質的に大幅な低騒音化を実現することができた。

なお、この実施の形態では、ステーおよび内筒を介して両軸モータを支持する構成を略平行四辺形の翼断面形状の羽根車を備えたジェットファンに適用する場合を例に説明したが、このような羽根車に限らず、これまでに使用されている他の翼断面形状の羽根車のジェットファンにも同様に適用することができる。

この発明のジェットファンの一実施の形態にかかり、翼の略平行四辺形の断面形状の説明図である。 この発明のジェットファンの一実施の形態にかかり、（ａ）はファンの断面形状の説明図、（ｂ）は前縁部の拡大断面図、（ｃ）は積重点からの平面図である。 この発明のジェットファンの一実施の形態にかかるファンでの流れの状態の説明図である。 この発明のジェットファンの一実施の形態にジェットファンの概略構成図および速度三角形の説明図である。 この発明のジェットファンの一実施の形態にかかる電動機の取付構造を示す部分斜視図である。 この発明が適用されるジェットファンの概略構造を示す概略斜視図および速度三角形とともに示す従来のファンの形状の説明図である。

符号の説明

１０ ジェットファン
１１ 羽根車
１２ ケーシング
１３ 両軸モータ(可逆転式電動機)
１４ ステー
１５ ノーズコーン
１６ 内筒
１７ ブラケット
２１ 羽根車の翼
２２ 平行四辺形
２３ 略平行四辺形（変形した平行四辺形など）
２４ 円弧あるいは楕円弧
２５ 円弧（なめらかな曲線）
２６ 円弧状のなめらかな曲線（ステーの削いだ部分の形状）
ψ 翼の頂角
ψ１ 翼の前縁の頂角
ψ２ 翼の後縁の頂角

Claims (3)

1. 可逆回転式電動機で駆動され軸方向前後に送風可能とされた２段の羽根車を備えたジェットファンにおいて、
   前記可逆回転式電動機を、前記羽根車の1段分の翼枚数と異なる枚数の断面形状を、略平行四辺形としたステーを介して取り付けた内筒に取り付けてなることを特徴とするジェットファン。
2. 前記羽根車の翼の断面形状を略平行四辺形としたことを特徴とする請求項１記載のジェットファン。
3. 前記翼の断面形状における前縁部を円弧または楕円弧とするとともに、これら円弧または楕円弧に連続して負圧面側を翼厚までなめらかな曲線で連続させたことを特徴とする請求項２記載のジェットファン。