JP5424245B2 - 遠心送風機、遠心多段型圧縮機および遠心ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、ケーシング内を延びる回転軸に設けた羽根車を回転することにより、吸込コーン側から羽根車側に吸い込んだ空気を送風する遠心送風機、ならびに該遠心送風機と同様の構成を有する遠心多段型圧縮機および遠心ポンプに関する。

従来から送風機はあらゆる産業に広範囲に使用されている。そして、大型のものは、そのモータ出力が数千ｋＷにも及んでおり、多大な電力消費機械であるといえる。使用電力量の例を挙げれば、製鉄所では、使用する電力量の約６０％を送風機が占めており、セメント工場では、使用する電力量の約４０％を送風機が占めているといわれている。

このような例示した大型の送風機に限らず、送風機の送風効率を改善することにより、大きな省エネルギー効果が得られ、総電力使用量を低減させることができる。

また、送風機から発生する騒音は大きく、心身に悪影響を与え得る。したがって、送風機から発生する騒音を小さくすることが望まれている。

送風機から発生する騒音には、羽根車側に空気を吸い込んだときの空気の流れに起因する場合がある。これについて図４を参照しながら説明する。図４は、従来の遠心送風機の構造を側面から見たものの一例を示す摸式図である。

図４に示すように、遠心送風機２００は、渦巻状のケーシングＣ、空気が吸い込まれる吸込コーン２１０、ケーシングＣ内を延びる回転軸２２０、この回転軸２２０に取り付けられた羽根車２３０等から構成されている。送風される空気は、吸込コーン入口２１１から羽根車２３０の入口２３１を通って羽根車２３０内へ流入し、回転する羽根２３２によって昇圧され、羽根車２３０の出口２３３を通り、ケーシングＣに形成された送風口からケーシングＣの外へ送風される。すなわち、吸込コーン２１０から吸い込まれて羽根車２３０側に流入した空気は、羽根車２３０の各羽根２３２の遠心力によって昇圧されると共に、回転方向に面した羽根２３２の圧力面側と回転方向とは反対方向に面した負圧面側に分離して羽根車２３０の出口２３３外へと導かれる。

このような構造を有する遠心送風機２００では、空気は、回転軸２２０の延びる方向に沿って羽根車２３０の入口２３１から羽根車２３０内に流入し、略直角に流路を曲げられて羽根車２３０の半径方向に流れる。このため、空気流は、羽根車２３０に設けられている羽根車側板２３４から剥離して、渦を発生する。また、空気の三次元流れに対して羽根板形状は製作コストの関係で通常二次元に成形される。このため、空気の流れとミスマッチングが生じ、特に羽根車側板２３４の近傍において、羽根２３２の負圧面側では二次元流れによる境界層剥離を生じ、強い渦ができる。この渦の発生が送風効率の低下、騒音の発生を招いている。

この境界層剥離による渦の発生は、羽根車側板２３４と吸込コーン２１０の形状およびその間隙ｔを取って重ねるようにすることにより、境界層剥離による渦の発生をある程度抑制することができる。すなわち、羽根車２３０が回転すると、吸込コーン２１０の外側は高圧となり、羽根車２３０の入口２３１側は低圧となっているので、羽根車側板２３４と吸込コーン２１０との間隙ｔから入る空気によって高速噴流が羽根車２３０側に生じる。この高速噴流が羽根車側板２３４に沿って流れるため、羽根車側板２３４の近傍での境界層剥離による渦の発生を抑制することができる。

ここで、羽根車側板２３４と吸込コーン２１０との間隙ｔが大きくなると、噴流量が多くなるため、漏れが大きくなる。したがって、送風効率および騒音は、この間隙ｔに大きく影響される。

間隙ｔが大きい場合には、送風効率は悪くなり、騒音は大きくなる。一方、間隙ｔが小さい場合には、送風効率および騒音ともに改善される。ただし、間隙ｔが全くないように完全にシールされた状態である場合には、噴流が発生しないので、この場合にも送風効率は悪くなり、騒音は大きくなってしまう。したがって、送風効率の向上と騒音の低減とを図るためには、間隙ｔの大きさが小さいほど良い。

しかしながら、高速回転する羽根車側板２３４と静止している吸込コーン２１０とが接触すると、大事故になる恐れがあるので、羽根車側板２３４と静止している吸込コーン２１０との間隙ｔは、機械的な安全のためにある程度の余裕をもった数値にしておく必要がある。ところが、羽根車側板２３４や吸込コーン２１０は、製缶品で製作することが多く、ある程度の寸法誤差や偏心は避けられないこと、燃焼排ガス等の高温ガスを扱う遠心送風機２００では、熱膨張を考慮する必要があることなどから、遠心送風機２００の性能を犠牲にしてでも間隙ｔを大きく確保しておかなければならないという問題点があった。

この騒音の原因となる境界層剥離による渦の発生を抑制することによって送風機性能の低下をもたらさずに騒音を小さくすることを目的として提案された従来の遠心送風機として、特許文献１に示すようなものがある。特許文献１のアプローチは、羽根車側板２３４と吸込コーン２１０との間隙ｔをできる限り小さくするという視点とは異なる視点からなされたものであり、吸込コーン２１０から吸い込んだ空気の流れ自体を境界剥離を起こしにくいように滑らかにしようとするものである。すなわち、羽根車側板の傾斜角とベルマウス（吸込コーン）の先端部における接線との傾斜角度をできるだけ小さく取ることにより、ベルマウスから吸い込まれた気体の流れをベルマウスの先端部から羽根車のマウス（羽根車側板）へと滑らかに導いて、これによって羽根車側板の内側における境界剥離による渦の発生を減少させ、もって、騒音を低減させるものである。

特開２０００−１３０３９７号公報

しかしながら、特許文献１においても、例えば燃焼排ガス等の高温ガスを扱う遠心送風機においては、熱膨張に起因して羽根車側板の傾斜角とベルマウス（吸込コーン）の先端部における接線との傾斜角度を所望の角度以下に維持しておくことができないことがあり得る。

本発明は、このような従来の技術が有する問題点に着目してなされたもので、安全性を確保しながら羽根車側板と吸込コーンとの間隙を極めて小さくすることにより、送風効率を向上させるとともに騒音を低減させることができるようにした遠心送風機を提供することを目的としている。

かかる目的を達成するための本発明の要旨とするところは、次の各項の発明に存する。
［１］ ケーシング（Ｃ）内を延びる回転軸（２０）に固定された羽根車（３０）を回転することにより、吸込コーン（１０）側から羽根車（３０）側に吸い込んだ空気を送風する遠心送風機（１）において、
前記羽根車（３０）は、該羽根車（３０）の上流部に羽根車側板（３４）を有し、
前記吸込コーン（１０）は、前記ケーシング（Ｃ）側に固定された静止コーン部（１１）と、該静止コーン部（１１）と前記羽根車（３０）との間に位置するように前記回転軸（２０）に固定された回転コーン部（１２）とから成り、
前記回転コーン部（１２）の下流側縁部（１２ｂ）および前記羽根車側板（３４）の下端部（３４ａ）それぞれの先端同士が、送風効率を高めると同時に騒音を低減させる間隙（ｔ２）をもって略上下方向に重なるように近接されたことを特徴とする遠心送風機（１）。

［２］ ケーシング（Ｃ）内を延びる回転軸（２０）に固定された羽根車（３０）を回転することにより、吸込コーン（１０）側から羽根車（３０）側に吸い込んだ空気を送風する遠心送風機（１）において、
前記羽根車（３０）は、該羽根車（３０）の上流部に羽根車側板（３４）を有し、
前記吸込コーン（１０）は、前記ケーシング（Ｃ）に固定された、空気吸込部となる静止コーン部（１１）と、該静止コーン部（１１）と前記羽根車（３０）との間に位置するように前記回転軸（２０）に固定された回転コーン部（１２）とから成り、
前記回転コーン部（１２）の下流側縁部（１２ｂ）および前記羽根車側板（３４）の下端部（３４ａ）それぞれの先端同士が、送風効率を高めると同時に騒音を低減させる間隙（ｔ２）をもって略上下方向に重なるように近接され、
前記回転コーン部（１２）と前記静止コーン部（１１）との間隙（ｔ１）を略密閉するシール手段（４０）を設けたことを特徴とする遠心送風機（１）。

［３］ ケーシング（Ｃ）内を延びる回転軸（２０）に固定された羽根車（３０）を回転することにより、吸込コーン（１０）側から羽根車（３０）側に吸い込んだ空気を送風する遠心送風機（１）において、
前記羽根車（３０）は、該羽根車（３０）の上流部に羽根車側板（３４）を有し、
前記吸込コーン（１０）は、前記ケーシング（Ｃ）に固定された、空気吸込部となる静止コーン部（１１）と、該静止コーン部（１１）と前記羽根車（３０）との間に位置するように前記回転軸（２０）に固定された回転コーン部（１２）とから成り、
前記回転コーン部（１２）は、前記回転軸（２０）から半径方向に延設された支持手段（５０）に固定され、
前記支持手段（５０）は、回転時に前記静止コーン部（１１）側から羽根車（３０）側に空気を吸い込むように形成された軸流羽根状のものであり、
前記回転コーン部（１２）の下流側縁部（１２ｂ）および前記羽根車側板（３４）の下端部（３４ａ）それぞれの先端同士が、送風効率を高めると同時に騒音を低減させる間隙（ｔ２）をもって略上下方向に重なるように近接され、
前記回転コーン部（１２）と前記静止コーン部（１１）との間隙（ｔ１）を略密閉するシール手段（４０）を設けたことを特徴とする遠心送風機（１）。

［４］ 項［１］，［２］または［３］に記載の遠心送風機（１）と同様の構成を有することを特徴とする遠心多段型圧縮機。

［５］ 項［１］，［２］または［３］に記載の遠心送風機（１）と同様の構成を有することを特徴とする遠心ポンプ。

前記本発明は次のように作用する。
遠心送風機（１）は、モータによって回転軸（２０）が回転を始めると、回転軸（２０）に固定された羽根車（３０）が回転する。羽根車（３０）の各羽根（３２）は、回転によって吸込コーン（１０）側から羽根車（３０）側に空気を吸い込むような形状に成形されている。

空気は、吸込コーン（１０）の空気吸込部となる静止コーン部（１１）の入口から吸い込まれ、吸込コーン（１０）の回転コーン部（１２）を通って羽根車（３０）側に流れる。羽根車（３０）が回転しているときは、吸込コーン（１０）の外側よりも羽根車（３０）側の圧力が低くなるので、近接する羽根車（３０）と回転コーン部（１２）との間隙（ｔ２）を通って、吸込コーン（１０）の外側の空気が羽根車（３０）側へと噴流となって吸い込まれる。

これら近接する羽根車（３０）と回転コーン部（１２）とは、同じ回転軸（２０）に固定されているので、回転軸（２０）が回転しているときでも相対的な変位はない。したがって、それらの間隙（ｔ２）は極めて狭くすることができるので、高速噴流が生じるようにすることができる。この高速噴流により、回転コーン部（１２）から羽根車（３０）側に吸い込まれた空気が渦を発生してしまうことを防止することができ、もって、送風効率の向上と騒音の低減とを実現することができる。

さらに、回転軸（２０）に固定され、回転コーン部（１２）が取り付けられている支持手段（５０）は、回転時に羽根車（３０）側に空気を吸い込むように形成された軸流羽根状のものでは、吸込コーン（１０）から羽根車（３０）側への空気の吸い込みがより効率的に行われる。

なお、吸込コーン（１０）の静止コーン部（１１）と回転コーン部（１２）との間隙（ｔ１）は、ラビリンスシール等のシール手段（４０）によって密閉しておけばよい。以上の作用は、遠心送風機（１）と同様の構成を有する遠心多段型圧縮機および遠心ポンプについても同様である。

本発明にかかる遠心送風機、遠心多段型圧縮機、および遠心ポンプによれば、吸込コーンがケーシングに固定された静止コーン部と、該静止コーン部の下流で羽根車との間に位置するように回転軸に固定された回転コーン部とから成るので、回転コーン部と羽根車との間に相対的な変位の生じることがなく、安全性を維持しながら回転コーン部と羽根車との間隙を極めて狭くすることができ、もって、送風効率の向上と騒音の低減を容易に実現することができる。

本発明の一実施の形態に係る遠心送風機の側面から見た構成を示す摸式図である。 本発明の一実施の形態に係る遠心送風機の正面から見た構成を示す摸式図である。 図１における、吸込コーンと羽根車側板およびその近傍を示す拡大図である。 従来の遠心送風機の構成を示す摸式図である。

以下、図面に基づき本発明の好適な一実施の形態を説明する。
図１から３までは、本発明の一実施の形態を示している。
以下には、本発明の一実施の形態として遠心送風機１を例に挙げて説明をするが、遠心多段型圧縮機や遠心ポンプは、それらの構成を遠心送風機１の構成と同様のものとすることができるので、以下の説明は、遠心多段型圧縮機や遠心ポンプについての説明にもなっている。
図１は、本発明の一実施の形態に係る遠心送風機の側面から見た構成を示す摸式図であり、図２は、本発明の一実施の形態に係る遠心送風機の正面から見た構成を示す摸式図である。ただし、図１に示した吸込コーンは図示を省略してある。
図１および図２に示すように、遠心送風機１は、そのケーシングＣ内を延びる回転軸２０に羽根車３０が固定されている。羽根車３０は、回転軸２０側から半径方向に等間隔で延設された複数枚の羽根３２を備えている。各羽根３２は、回転軸２０の所定方向の回転により、吸込コーン１０側から羽根車３０側に空気を吸い込むような形状に成形されている。また、羽根車３０の上流部には、後述する羽根車側板３４が設けられている。

回転軸２０は、ケーシングＣの外側の端部がモータを含む駆動部（図足せず）に連結されている。羽根車３０は、ケーシングＣ内でケーシングＣの一側面寄りに配置されている。この側面と相対する側面には、ケーシングＣから外部の空気を吸い込むための開口Ａが穿設された開口部を有しており、その開口Ａ内には空気吸込部となる吸込コーン１０が設けられている。

吸込コーン１０は、ケーシングＣの開口ＡからケーシングＣ内に向けて開口半径を絞るように形成され、ケーシングＣに固定された静止コーン部１１と、該静止コーン部１１と羽根車３０との間に配設された回転コーン部１２とから成っている。回転コーン部１２は、回転軸２０の延びる方向に沿った回転コーン部１２の縦断面の形状が、図１に示されているように連続する曲線から成る凹状になっており、回転軸２０に基端部を固定された支持アーム５０の先端に取り付けられている。

この支持アーム５０は、軸流羽根状に成形されている。すなわち、空気を吸い込む方向に回転軸２０が回転しているときに、静止コーン部１１側から空気を吸い込むような形状に成形されている。

図１および図３に示すように、回転コーン部１２の上流側縁部１２ａは、静止コーン部１１の下流縁部１１ｂよりも回転軸２０から遠い位置にあり、間隙ｔ１をもって略上下方向に重なっている。回転コーン部１２の下流側縁部１２ｂは、羽根車側板３４の下端部３４ａよりも回転軸２０から近い位置にあり、僅かな間隙ｔ２をもって略上下方向に重なっている。なお、回転コーン部１２の上流側縁部１２ａと静止コーン部１１の下流縁部１１ｂとの回転軸２０に対する遠近の位置関係は、逆であってもよい。

静止コーン部１１の下流縁部１１ｂと回転コーン部１２の上流側縁部１２ａとの間隙ｔ１は、下流縁部１１ｂおよび上流側縁部１２ａそれぞれの上面に設けられたシール手段４０によって略密閉されている。シール手段４０は、例えば、一般的なラビリンスシールでもよい。

次に作用を説明する。
不図示のモータによって回転軸２０が回転を始めると、回転軸２０に固定された羽根車３０と回転コーン部１２が回転する。

羽根車３０および回転コーン部１２が回転すると、ケーシングＣ内の空気は、送風口からケーシングＣの外へ送風される。吸い込まれた空気は、静止コーン部１１から回転コーン部１２を通って羽根車３０側に流れる。

したがって、羽根車３０の羽根車側板３４の下端部３４ａと回転コーン部１２の下流側縁部１２ｂとの間隙ｔ２を通って、静止コーン部１１、回転コーン部１２および羽根車側板３４の外側の空気が羽根車３０側へと噴流となって吸い込まれる。間隙ｔ２は、極めて狭いので、噴流は高速噴流となる。このため、静止コーン部１１および回転コーン部１２の内側を通って吸引された空気は、羽根車側板３４の下端部３４ａに至ったところで前記の高速噴流と衝突するので、渦の発生が抑制される。

静止コーン部１１の下流縁部１１ｂと回転コーン部１２の上流側縁部１２ａとの間隙ｔ１は、シール手段４０によって略密閉されているので、この間隙ｔ１から空気が噴流となって吸い込まれることはない。

このように、近接する羽根車３０の羽根車側板３４と回転コーン部１２とは、同じ回転軸２０に固定されているので、回転軸２０が回転しているときでも相対的な回転は皆無である。したがって、遠心送風機１の動作中にそれらが仮に接触したとしても何らかの故障や事故に至る心配がないので、間隙ｔ２を極めて狭くすることができる。このため、間隙ｔ２から吸い込まれる空気を高速噴流とし、かつ、吸い込まれる空気の量を極めて少なくすることができ、送風効率を向上させることができるとともに発生する騒音を低減させることができる。

また、回転軸２０が回転しているときでも羽根車側板３４と回転コーン部１２との相対的な回転は皆無であることは、熱膨張によって羽根車側板３４と回転コーン部１２との間隙ｔ２の大きさが変わり得る燃焼排ガス等の高温ガスを扱う遠心送風機１においては、万が一、熱膨張等に起因して羽根車側板３４と回転コーン部１２とが接触しても何らの事故に繋がらないので、極めて高い安全性を維持することができる。

このように、本実施の形態に係る遠心送風機１によれば、回転コーン部１２から羽根車３０側に吸い込まれた空気に起因する渦の発生を効果的に防止することができるので、送風効率の向上と騒音の低減とを実現することができる。しかも、全く安全な構造で実現することができる。

なお、遠心多段型圧縮機や遠心ポンプの基本構成は、本実施の形態に係る遠心送風機１の基本構造と同じものとすることができる。
また、本発明と特許文献１に記載した技術とを組み合わせることができることはいうまでもない。

羽根車を回転させて、吸込コーンに相当する流体の導入吸込手段から吸い込んだ流体を送出する構成を有するものに広く適用することができる。

Ａ…開口
Ｃ…ケーシング
ｔ１…間隙
ｔ２…間隙
１…遠心送風機
１０…吸込コーン
１１…静止コーン部
１１ｂ…下流縁部
１２…回転コーン部
１２ａ…上流側縁部
１２ｂ…下流側縁部
２０…回転軸
３０…羽根車
３２…羽根
３４…羽根車側板
３４ａ…下端部
４０…シール手段
５０…支持アーム

Claims (5)

1. ケーシング内を延びる回転軸に固定された羽根車を回転することにより、吸込コーン側から羽根車側に吸い込んだ空気を送風する遠心送風機において、
   前記羽根車は、該羽根車の上流部に羽根車側板を有し、
   前記吸込コーンは、前記ケーシング側に固定された静止コーン部と、該静止コーン部と前記羽根車との間に位置するように前記回転軸に固定された回転コーン部とから成り、
   前記回転コーン部の下流側縁部および前記羽根車側板の下端部それぞれの先端同士が、送風効率を高めると同時に騒音を低減させる間隙をもって略上下方向に重なるように近接されたことを特徴とする遠心送風機。
2. ケーシング内を延びる回転軸に固定された羽根車を回転することにより、吸込コーン側から羽根車側に吸い込んだ空気を送風する遠心送風機において、
   前記羽根車は、該羽根車の上流部に羽根車側板を有し、
   前記吸込コーンは、前記ケーシングに固定された、空気吸込部となる静止コーン部と、該静止コーン部と前記羽根車との間に位置するように前記回転軸に固定された回転コーン部とから成り、
   前記回転コーン部の下流側縁部および前記羽根車側板の下端部それぞれの先端同士が、送風効率を高めると同時に騒音を低減させる間隙をもって略上下方向に重なるように近接され、
   前記回転コーン部と前記静止コーン部との間隙を略密閉するシール手段を設けたことを特徴とする遠心送風機。
3. ケーシング内を延びる回転軸に固定された羽根車を回転することにより、吸込コーン側から羽根車側に吸い込んだ空気を送風する遠心送風機において、
   前記羽根車は、該羽根車の上流部に羽根車側板を有し、
   前記吸込コーンは、前記ケーシングに固定された、空気吸込部となる静止コーン部と、該静止コーン部と前記羽根車との間に位置するように前記回転軸に固定された回転コーン部とから成り、
   前記回転コーン部は、前記回転軸から半径方向に延設された支持手段に固定され、
   前記支持手段は、回転時に前記静止コーン部側から羽根車側に空気を吸い込むように形成された軸流羽根状のものであり、
   前記回転コーン部の下流側縁部および前記羽根車側板の下端部それぞれの先端同士が、送風効率を高めると同時に騒音を低減させる間隙をもって略上下方向に重なるように近接され、
   前記回転コーン部と前記静止コーン部との間隙を略密閉するシール手段を設けたことを特徴とする遠心送風機。
4. 請求項１，２または３に記載の遠心送風機と同様の構成を有することを特徴とする遠心多段型圧縮機。
5. 請求項１，２または３に記載の遠心送風機と同様の構成を有することを特徴とする遠心ポンプ。

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