JP5290031B2

JP5290031B2 - 攪拌機用羽根

Info

Publication number: JP5290031B2
Application number: JP2009094463A
Authority: JP
Inventors: 二郎伊能; 直宮内; 北川　　義雄; 一行臼井
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2009-04-09
Filing date: 2009-04-09
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2029-04-09
Also published as: JP2010240612A

Description

この発明は攪拌機用羽根に関し、特にたとえば、下水処理場における反応タンク内の汚水を攪拌するための攪拌機に用いられる、攪拌機用羽根に関する。

従来技術の一例が特許文献１に開示されている。特許文献１の技術は、駆動手段と回転軸と攪拌羽根とを有する液中攪拌装置に関し、この液中攪拌装置の攪拌羽根は、水平回転方向に対して傾斜すると共に開口部を有する主翼と、主翼に傾斜して取り付けられる副翼とを有している。

また、特許文献２には、ターボ機械の羽根に関する技術が開示されている。特許文献２の技術では、羽根の設計にＮＡＣＡ（National Advisory Committee on Aeronautics）６５系の翼型が採用され、その翼型は、ＮＡＣＡ６５系の厚み分布関数の前縁付近だけを部分的に修正した修正厚み分布関数により肉厚が規定されている。具体的には、この修正厚み分布関数は、その前縁部分が弦長の０．００６８７倍を上回り０．０３倍以下の修正円によって構成され、羽根の前縁部分の肉厚が、ＮＡＣＡ６５系の厚み分布関数をそのまま適用した場合よりも大きくなるように形成されている。これにより、特許文献２の技術では、羽根の前縁部分の強度が確保される。

特開２００７−１６７７０８号公報 [Ｂ０１Ｆ７/０６] 特開２００８−９５５８０号公報 [Ｆ０４Ｄ２９/１８]

特許文献１の技術では、攪拌羽根の主翼と副翼との協働作業によって撹拌動力密度が低減されているが、十分とは言えない。たとえば、攪拌羽根の開口部周辺に異物が絡み易く、これによって羽根のバランスが偏って回転軸が偏心し、余分な動力が必要となって、効率の低下を引き起こす恐れがある。また、攪拌羽根が、主翼に開口部および副翼を設けるという特殊で複雑な構造を有するため、攪拌羽根の製作に手間がかかり、製作コストが高くなってしまう。

一方、特許文献２の技術では、ＮＡＣＡ６５系の翼型を適用することによって、旋回時に羽根にかかる抗力は低減されて、羽根の効率は改善されると考えられる。しかしながら、特許文献２の技術は、ターボ機械、具体的には軸流ポンプの羽根に関する技術であり、これをそのまま攪拌機の羽根に対して応用することはできない。

たとえば、下水処理場における反応タンク内の汚水を攪拌することを考えると、その汚水には、髪の毛や繊維物などといったし渣分が含まれており、また汚泥濃度も高いため（具体的には３０００ｍｇ/リットル）粘度も高い。その上、攪拌機の羽根は大型になる（たとえば羽根車の外径が２５００ｍｍに設定される）ため、攪拌時には、羽根の根元部およびチップ部に大きな荷重（反力）が作用する。したがって、羽根の前縁部分の肉厚のみを大きくした特許文献２の技術を攪拌機の羽根に用いると、羽根の根元部およびチップ部の強度が不足して破損してしまう恐れがある。

それゆえに、この発明の主たる目的は、新規な、攪拌機用羽根を提供することである。

この発明の他の目的は、効率の良い、攪拌機用羽根を提供することである。

この発明のさらに他の目的は、高い強度を有し、し渣分などの異物を含む水や粘度の高い水を攪拌したときに作用する荷重に耐えることができる、攪拌機用羽根を提供することである。

この発明は、上記の課題を解決するために、以下の構成を採用した。なお、括弧内の参照符号および補足説明などは、本発明の理解を助けるために後述する実施の形態との対応関係を示したものであって、この発明を何ら限定するものではない。

第１の発明は、下水処理場における反応タンク内の異物を含む水を攪拌するための攪拌機に用いられる攪拌機用羽根であって、ＮＡＣＡ６字系の翼型を有し、根元部の肉厚比が１５−２０％であり、チップ部の肉厚比が１０−１５％である、攪拌機用羽根である。

第１の発明では、攪拌機用羽根（１０）は、たとえば、下水処理場において生物処理を行う反応タンク（１００）に取り付けられる攪拌機（１２）に用いられる。攪拌機用羽根は、飛行機の翼型を応用した形状、具体的にはＮＡＣＡ６字系の翼型を有し、その外面は滑らかな流線形を有している。また、ボス（２２）との接続部である根元部（２８）は、１５−２０％の肉厚比を有し、チップ部（３０）は、１０−１５％の肉厚比を有している。つまり、根元部およびチップ部の厚みは、本来のＮＡＣＡ６字系の翼型の厚み（肉厚比３％）よりも大きく設定される。

第１の発明によれば、ＮＡＣＡ６字系の翼型を適用することによって、撹拌動力密度を低下させることができ、羽根効率を改善できる。また、根元部の肉厚比を１５−２０％とし、チップ部の肉厚比を１０−１５％とすることによって、ＮＡＣＡ６字系の翼型を適用したことによる高効率を維持しつつ、し渣分などの異物を含む水や粘度の高い水を攪拌したときに作用する荷重に耐え得る強度を保持できる。

第２の発明は、第１の発明に従属し、根元部の反り比が４−６％であり、チップ部の反り比が３−５％である。

第２の発明では、攪拌機用羽根（１０）の根元部（２８）は、４−６％の反り比を有し、チップ部（３０）は、３−５％の反り比を有している。つまり、根元部およびチップ部の反りは、本来のＮＡＣＡ６字系の翼型の反り（反り比６％）よりも少し小さく設定される。

第２の発明によれば、根元部の反り比を４−６％に設定し、チップ部の反り比を３−５％に設定することによって、揚抗比を高めることができ、羽根効率をより向上させることができる。

この発明によれば、ＮＡＣＡ６字系の翼型を適用する共に、根元部およびチップ部の厚みを大きくすることによって、攪拌時の荷重に対する十分な強度を保持しつつ、羽根効率を改善できる。

この発明の上述の目的、その他の目的、特徴および利点は、図面を参照して行う後述の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。

この発明の一実施例である攪拌機用羽根を用いた攪拌機が設置された様子を示す図解図である。図１の攪拌機用羽根を示す斜視図である。図１の攪拌機用羽根を示す正面図である。図１の攪拌機用羽根を示す平面図である。ＮＡＣＡ６５系の翼型の肉厚分布と反り分布とを示す表である。図１の攪拌機用羽根の根元部の翼型の一例を示す図解図である。図１の攪拌機用羽根のチップ部の翼型の一例を示す図解図である。

図１を参照して、この発明の一実施例である攪拌機用羽根（以下、単に「羽根」という。）１０は、し渣分などの異物を含む水や粘度の高い水を攪拌するための攪拌機１２に用いられる。この実施例では、下水処理場において生物処理を行う反応タンク１００に取り付けられて、反応タンク１００内の汚水を攪拌する攪拌機１２に羽根１０を適用する場合について説明する。

反応タンク１００は、活性汚泥によって汚水中の有機物を分解すると共に窒素やリンを除去する等の汚水処理を行う、嫌気槽ないし無酸素槽である。反応タンク１００は、角筒状や円筒状の形状を有し、その大きさは、たとえば、幅８ｍ、長さ１２ｍ、高さ（深さ）５ｍである。反応タンク１００の上部には、架台１０２が設けられ、この架台１０２に攪拌機１２が取り付けられる。

攪拌機１２は、軸受を介して架台１０２によって回転自在に支持される回転軸１４を備える。回転軸１４は、ＳＵＳ（ステンレス鋼）等によって形成され、その長さは、たとえば２−４ｍである。回転軸１４の一方端には、電動モータおよびギア等を備える駆動装置１６が接続され、この駆動装置１６によって回転軸１４は回転駆動される。また、回転軸１４の他端には、羽根車２０が取り付けられる。

図２−４に示すように、羽根車２０は、円筒状のボス２２、およびボス２２の側壁に形成される複数枚（この実施例では２枚）の羽根１０を含み、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）によって一体成形される。ただし、ボス２２と羽根１０とは、別個に製作して、接着や融着などによって一体的に接続するようにしてもよい。ボス２２の外径は、たとえば３２０ｍｍであり、羽根１０を含む羽根車２０の外径（羽根径）は、たとえば２５００ｍｍである。なお、羽根車２０の形成に用いるＦＲＰの材料は特に限定されず、樹脂としては、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂およびフェノール樹脂などを用いることができ、繊維としては、ガラス繊維、カーボン繊維およびアラミド繊維などを用いることができる。

このような羽根車２０は、駆動装置１６による回転軸１４の回転に伴い回転（たとえば４０ｒｐｍ）し、羽根１０によってその周囲に下降流を発生させて、反応タンク１００内の汚水を攪拌する。ここで、生物反応を利用して汚水処理を行う場合、反応タンク１００内の汚泥の沈降を防止するために、一般的には、反応タンク１００の底面から１０ｃｍ上方の位置において０．１ｍ/ｓｅｃ以上の流速を確保できる能力が必要とされる。そこで、本件発明者は、上述の流速を確保できることを前提とした上で、攪拌動力密度を低減でき、かつ攪拌時に作用する荷重に耐え得る強度を有する羽根形状を鋭意検討した結果、この実施例の羽根１０の形状に想到した。以下、攪拌機１２の羽根１０の形状について具体的に説明する。

羽根１０は、飛行機の翼型の理論（翼素理論）を応用した形状を有している。翼型は、ＮＡＣＡやＲＡＦ（The Royal Air Force）等の研究機関でその性能が詳細に調べられており、その形状は無数に存在している。ＮＡＣＡが解析的に定義した翼型にも、ＮＡＣＡ４字系、ＮＡＣＡ５字系およびＮＡＣＡ６字系などの様々なものがあるが、攪拌機用の羽根として効率良く機能するためには、羽根１０には、ＮＡＣＡ６字系の翼型を適用することが特に好ましい。このＮＡＣＡ６字系の翼型は、攪拌機の羽根が低速で回転する（たとえば４０ｒｐｍ）ことや、し渣分などの異物を含む水や粘度の高い水を攪拌すること等の、飛行機や軸流ポンプの羽根との違いを考慮した上で、揚力と抗力とのバランスが最も良くなるものを選択したものである。

図５には、一例として、ＮＡＣＡ６５系の翼型の厚み分布と反り分布とを示す。図５の表において、位置とは、羽根の前縁を０とし、後縁を１００としたときの翼弦長方向の位置を表す。また、厚みとは、最大厚みに対する百分比を表し、反りとは、最大反りに対する百分比を表わす。図５の表から分かるように、ＮＡＣＡ６５系の翼型では、４０％の位置で最大厚みとなる。また、５０％の位置で最大反りとなり、前縁側と後縁側とで反りの大きさが対称になっている。

このようなＮＡＣＡ６字系の翼型を羽根１０に適用し、羽根１０の外面を流線形に形成することによって、揚力と抗力とのバランスが良くなり、粘度の高い水を攪拌するときでも羽根１０にかかる抗力を低減でき、撹拌動力密度を低下させることができる。つまり、羽根１０の効率を改善できる。

ただし、図５の表に示す厚み分布を羽根１０にそのまま適用すると、前縁部２４および後縁部２６の厚みが薄くなりすぎて、ＦＲＰ成形において繊維マットを充填できない恐れがある。また、前縁部２４および後縁部２６の強度も不足する恐れがあるので、適宜な大きさの修正円を用いて前縁部２４および後縁部２６の厚みを大きくしておくことが好ましい。

図２−４に戻って、羽根１０の取付角は、たとえば、根元部２８では６５°程度、チップ部３０では１５°程度であり、根元部２８からチップ部３０に向かうに従いその角度は小さくなる。また、羽根１０の翼弦長は、たとえば、根元部２８では４５０ｍｍ程度、チップ部３０では１３０ｍｍ程度であって、根元部２８からチップ部３０に向かうに従いその長さは短くなる。

さらに、羽根１０においては、根元部２８およびチップ部３０の肉厚比は、本来のＮＡＣＡ６字系の翼型の肉厚比（３％）よりも大きく設定される。具体的には、根元部２８の肉厚比は１５−２０％に設定され、チップ部３０の肉厚比は１０−１５％に設定される。また、根元部２８およびチップ部３０の反り比は、本来のＮＡＣＡ６字系の翼型の反り比（６％）よりも少し小さく設定される。具体的には、根元部２８の反り比は４−６％に設定され、チップ部３０の反り比は３−５％に設定される。

なお、肉厚比［％］とは、その断面における最大厚みと翼弦長との比（最大厚み／翼弦長×１００）を表し、反り比［％］とは、その断面における最大反りと翼弦長との比（最大反り／翼弦長×１００）を表す。

図６には、羽根１０の翼型（断面）の一例として、ＮＡＣＡ６５系の厚み分布と反り分布とを有する翼型を適用し、肉厚比ｔが１７％、反り比ｍが５.４％である根元部２８の翼型を示す。同様に、図７には、肉厚比ｔが１２.１％、反り比ｍが３.９％であるチップ部３０の翼型を示す。

ボス２２との接続部である根元部２８の肉厚比を１５％よりも小さくすると、強度が不足して、攪拌時に作用する反力によって根元部２８が破損する恐れがある。また、根元部２８の肉厚比を２０％よりも大きくすると、揚力に対し抗力が過大となって効率低下が顕著となる。しかしながら、上述のように、根元部２８の肉厚比を１５−２０％に設定することにより、羽根１０は、ＮＡＣＡ６５系の翼型を適用したことによる高効率を維持しつつ、根元部２８の破損を防止できる。同様に、羽根１０の先端であるチップ部３０の肉厚比を１０％よりも小さくすると、強度が不足して、攪拌時に作用する交番荷重や固形物の衝突によってチップ部３０が破損する恐れがある。また、チップ部３０の肉厚比を１５％よりも大きくすると、揚力に対し抗力が過大となって効率低下が顕著となるが、チップ部３０の肉厚比を１０−１５％に設定することにより、羽根１０は、高効率を維持できると共に、チップ部３０の破損を防止できる。

また、根元部２８およびチップ部３０の反り比が小さすぎると、必要な揚力が得られず、反り比が大きすぎると、抗力が大きくなりすぎてしまい、効率低下が起きてしまう。しかしながら、上述の肉厚比や取付角などとの組み合わせを考慮して、根元部２８の反り比を４−６％に設定し、チップ部３０の反り比を３−５％に設定することによって、羽根１０の揚抗比を高め、羽根効率を改善することができる。

具体的には、本実施形態の羽根１０を用いると、羽根径φ２５００ｍｍ、回転数１０ｒｐｍで、攪拌動力密度は、０．８Ｗ／ｍ^３であった。

この実施例によれば、ＮＡＣＡ６字系の翼型を羽根１０に適用することによって、撹拌動力密度を低下させることができ、羽根１０の効率を改善できる。また、根元部２８の肉厚比を１５−２０％、反り比を４−６％とし、チップ部３０の肉厚比を１０−１５％、反り比を３−５％とすることによって、ＮＡＣＡ６字系の翼型を適用したことによる高効率を維持しつつ、し渣分などの異物を含む水や粘度の高い水を攪拌したときに作用する荷重に耐え得る強度を保持できる。

また、羽根１０の外面は滑らかな流線形に形成されるので、し渣分などの異物が付着し難い。したがって、羽根１０にし渣分が絡むことなく、安定した効率の高い攪拌が可能となり、羽根１０の吊り上げ点検や清掃が不要となる。さらに、特許文献１の技術のように、後加工で孔を開けたり、副翼を形成したりする必要がないので、製作コストを低減できる。

なお、上述した羽根１０や攪拌機１２などの長さや角度を示す具体的数値は、いずれも単なる一例であり、攪拌する水の量や状態（粘性、異物の量や種類）などに応じて、適宜変更可能である。また、上述の実施例では、羽根１０によって下降流を発生させたが、羽根１０の取付角を適宜変更して、羽根１０によってその周囲に上昇流を発生させることにより、反応タンク１００内の汚水を攪拌することもできる。

１０ …攪拌機用羽根
１２ …攪拌機
１４ …回転軸
１６ …駆動装置
２０ …羽根車
２８ …根元部
３０ …チップ部
１００ …反応タンク

Claims

下水処理場における反応タンク内の異物を含む水を攪拌するための攪拌機に用いられる攪拌機用羽根であって、
ＮＡＣＡ６字系の翼型を有し、
根元部の肉厚比が１５−２０％であり、
チップ部の肉厚比が１０−１５％である、攪拌機用羽根。
前記根元部の反り比が４−６％であり、
前記チップ部の反り比が３−５％である、請求項１記載の攪拌機用羽根。