JP6505028B2

JP6505028B2 - 羽根車

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Publication number: JP6505028B2
Application number: JP2016010774A
Authority: JP
Inventors: 広紀小林; 晃輔梅村; 壮平鮫島; 健一迫田; 治彦角谷; 市弥高橋
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-03-30
Filing date: 2016-01-22
Publication date: 2019-04-24
Anticipated expiration: 2036-01-22
Also published as: JP2016191377A

Description

本発明は、例えば送風機に使用される羽根車に関するものである。

軸流式の羽根車は、送風機に多く採用されており、気体を軸線方向から吸い込んで軸線方向に送風するために複数枚の羽根が、回転軸付近でボス部材に連結されており、それぞれの羽根が軸の回転とともに回転される。回転中の羽根は回転軸に対して放射方向に発生する遠心力に耐えてボス部材と連結されている必要がある。より大容量の送風性能を実現するために、より大型でより高速で回転したときの遠心力に耐える羽根車が求められている。

繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Fiber Reinforced Plastics）、特に炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Carbon Fiber Reinforced Plastics）は、高い比強度・比剛性を実現できる複合材料である。繊維強化プラスチックを用いた羽根車は、比強度・比剛性が高いため、破損または著しい変形を生ずることなく、より大型でより高速回転が可能で大容量の送風性能を有する送風機を実現するのに有利である（例えば、特許文献１参照）。

一方、複数枚の羽根を連結する方法としては、羽根に貫通穴を設けてボルトでボス部材と締結する方法がよく用いられる。この方法は、ボルト壁面と穴壁面の接触による固定力と、ボルトの軸力によって発生する摩擦力とで、羽根を固定することができるため、大きな固定力が得られる。しかし、特に異方性の強いＦＲＰ製の羽根を締結する場合は羽根の貫通穴周辺で応力集中が顕著になり破壊の起点となる恐れがある。

そこで、羽根に貫通穴を有するボルト締結構造を用いずに羽根をボス部材に連結するために、羽根の根元にアンダーカット形状を設け、ボス部材にはそのアンダーカットを嵌合する形状を設け、両者を嵌合する方法が考えられている（例えば、特許文献２参照）。これにより、貫通穴を設けるのに比べて応力集中が緩和できるため、大型、高速回転の羽根車が得られる。

特開平６−２１２９０４号公報特許第５０１６４８２号公報

しかしながら、特許文献２は、ハブと押さえ板とが接触しており、羽根の根元部を締付ける力が少ないまたは全くないため、羽根を固定する摩擦力が十分に得られず、さらなる大型化、高速回転化が望めない。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、羽根の固定力を増して、さらなる大型化、高速回転が可能な羽根車を得ることを目的としている。

上述した目的を達成するため、本発明は、全体または一部が繊維強化プラスチックで構成された、羽根と、前記羽根を支持するボス部材と、前記羽根の根元部をボス部材に押さえつける板と、前記ボス部材と前記板とを締結する締結部と、を備える羽根車であって、前記羽根の根元部は、アンダーカット形状を有しており、前記ボス部材は、前記羽根の根元部を受け入れる堀り込み部を有し、前記堀り込み部は、前記アンダーカット形状の全体もしくは一部と同じ形状、または、前記羽根の根元部を受け入れた状態で前記アンダーカット形状の全体もしくは一部との間で間隙を生じる形状を有しており、前記羽根の根元部は、前記ボス部材と前記板との間にクリアランスが設けられた状態で、前記ボス部材と前記板とを介して締結力による締付けを受けている。

この発明によれば、羽根とボス部材とが嵌合されているので遠心力によって羽根が回転軸に対して放射方向に移動するのを拘束する固定力が作用し、さらに羽根の根元部がボルト軸力による締付けを受けているので摩擦による固定力で羽根を拘束するので、単に嵌合のみによって連結する従来の羽根車に比べてより大きな遠心力に耐えることができる。

本発明の実施の形態１の羽根車を示す正面図である。図１のＡ−Ａ’線による断面を示す図である。図１の羽根車に関し、押さえ板とボルトとを除いて表示した場合の正面図である。本発明の実施の形態１に関し、ボス部材の中心部に雄ネジを設けた場合の羽根車を示す正面図である。本発明の実施の形態１に関し、ボス部材の中心部に雄ネジを設け、押さえ板の中心部に設けた雌ネジと上記雄ネジとを締結することで羽根の根元部に軸力を付与した場合の羽根車を示す正面図である。本発明の実施の形態２による羽根車１１を示す正面図である。図６のＢ−Ｂ’線による断面を示す図である。図６のＣ−Ｃ’線による断面を示す図である。図６において押さえ板とボルトとを除いて表示した場合の羽根車の正面図である。

以下、本発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は対応部分を示すものとする。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による羽根車１を示す正面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ’線による断面を示す図であり、図１の押さえ板４とボルト５を除いて表示した場合の正面図を図３に示す。

この発明の実施の形態１にかかる羽根車１は、根元部２ａにアンダーカット形状を有する複数枚の羽根２と、羽根２のアンダーカット形状と同じ形状もしくは羽根２のアンダーカット形状に所定の間隙を設けた掘り込み部を有し、回転軸に対して放射方向に羽根２が抜け出るのを防止するように羽根２と嵌合したボス部材３と、羽根２の根元をボス部材３に押さえつける、押さえ板４と、前記ボス部材３と前記板４とを締結する複数のボルト５とを有している。

羽根２の根元部２ａは、ボス部材３と押さえ板４との間にクリアランスが設けられた状態で、ボス部材３と押さえ板４とを介してボルト軸力による締付けを受けている。

羽根車１は、５枚の羽根２を有しており、それぞれの羽根の根元部２ａがボス部材３の掘り込み部３ａに嵌め込まれている。押さえ板４の穴４ｂを通るボルト５の雄ネジ（締結部）が、ボス部材３に設けられた雌ネジ３ｄ（締結部）に螺合され、その軸力によって羽根の根元部２ａが締付けられた状態で固定されている。押さえ板４の穴４ｂの内面と、ボルト５の外面との間には、隙間があり、また、ネジ溝が存在しない。

羽根２は所定の空力特性を得られるように所定の形状を有している。羽根車１は回転軸１ａを軸に回転することで、羽根２が回転軸１ａに対して放射方向に遠心力を受けながら、図１の紙面に対して垂直方向に空気を押し出すようになっている。ここでは羽根の枚数を５枚としたが、特に限定されるものではなく、所定の空力特性を得られるような枚数を設ける。

羽根２は、その全体または一部が、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）で構成されている。すなわち、羽根２の材質は比強度、比剛性の観点からＦＲＰが好ましい。ＦＲＰの樹脂は所定の性能が付与されるよう材質を選択するが、強度、剛性の観点からここではビニルエステルを用いる。その他に、エポキシ、不飽和ポリエステル、フラン、ポリウレタン、ポリイミド、ポリアミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリカーボネイト、アクリロニトリルスチレン、アクリロニトリルブタジエンスチレンいわゆるＡＢＳ、変性ポリフェニレンエーテルでも良好な性能が得られる。樹脂は所定の性能が付与されるよう添加剤やフィラーを混ぜてもよい。

ＦＲＰの強化繊維は所定の性能が付与されるよう材質を選択するが、強度と剛性が優れ比重が小さい炭素繊維が望ましい。その他の強化繊維としては、ガラス繊維、アラミド繊維、ケブラー繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維、ステンレス繊維等であっても良好な性能が得られる。

一般的に、繊維強化プラスチックは、アルミハニカム構造、または、発泡樹脂などをコアとしたサンドイッチ構造とすることが容易である。このような構造は、羽根を軽量化し、それによって遠心力の発生を抑制するのに有効である。一方、本実施の形態１では、根元部２ａは、ボルト５の軸力（締結力）による締付けに耐えるために有利な構造を有していることが好ましく、羽根２の根元部２ａ（特に締付けを受けている部分）は、コア材料を挟んだ形態ではなくＦＲＰ材料が充填された中実構造である。ここでは、成形性の観点から、羽根２の全体を中実構造とする。

強化繊維は連続繊維の一方向材、織物、短繊維のチョップド繊維、ミルド繊維の状態で用いるか、それらの組み合わせを用いると良好な強度・剛性が得られる。とくにチョップド繊維を含むコンパウンドをプレス機で成形したＦＲＰは、厚肉を中実で成形するのが容易でるため、羽根２の破壊を抑制するのに特に有利である。

羽根の根元部２ａは羽根の回転軸を中心とした放射方向に移動するのを拘束するようなくびれ、すなわちアンダーカット形状を有している。アンダーカット形状は、羽根車の回転軸に垂直な面で描かれる２次元形状においてみて、羽根の周方向幅を、羽根外周２ｅから羽根最根元２ｆに至る向きの推移として捉えた場合、羽根外周２ｅから羽根最根元２ｆに向かうにつれ幅が一度狭まりその後に幅が広がる形状を含む。アンダーカット形状がこのような形状を含むことにより、遠心力に対して羽根が抜け出るのを防止する構造が実現できる。

ここでは回転軸に対して垂直な面でアンダーカット形状を設けたが、これを回転軸に対して垂直な面に対して傾けても良い。

ボス部材３の掘り込み部３ａは、ボス部材３における羽根側の面すなわち押さえ板側の面に形成された、凹所である。掘り込み部３ａの凹所は、羽根車の回転軸に垂直な面で描かれる２次元形状においてみて、羽根の根元部２ａのアンダーカット形状の全体もしくは一部と同じ形状の輪郭、もしくは、前記アンダーカット形状の全体もしくは一部に所定の公差を設けた輪郭を有している。

羽根の根元部２ａは、ボス部材の掘り込み部３ａに挿入された状態、いわゆる嵌合された状態となっており、押さえ板４の穴４ｂを通るボルト５がボス部材３に設けられた雌ネジ３ｄに挿入され、その軸力によって羽根の根元部２ａが締付けられた状態で固定されている。このとき、ボス部材の掘り込み部３ａの高さ３ｂは羽根の根元部の厚さ２ｂよりも低くなっている、すなわち、押さえ板４とボス部材３との間にクリアランスが設けられているので、羽根の根元部２ａにボルト５の軸力のすべてが伝わり、ボス部材３と押さえ板４に接した状態で羽根は締付け力を受けて固定される。ボルト５は、後述する適正な軸力Ｐを得るために、径、材質および本数を選定すればよいが、ここでは５枚の羽根２をそれぞれ同じ締付け力を受けるようにする観点と、羽根車が回転したときのアンバランスを抑制する観点とから、羽根２の枚数と同数の５本を等間隔で配置している。５本のボルト５は、ボス部材３の掘り込み部３ａを避けた位置に配置しているため、羽根の根元部２ａに貫通穴を設ける必要がない。なお、ボルトの数は、羽根の枚数以上とすることができ、ボルトは、羽根を貫通しない場所に配置されているとよい。

これにより、羽根２にはボルト５の軸力に比例して、遠心力に対して羽根が移動するのを拘束する摩擦力が発生し、単に嵌合で固定するのに比べてより大きな遠心力に耐えることができる。

このように本実施の形態１の羽根車では、羽根の根元部２ａに貫通穴がないので、応力集中による破壊を抑制することができる。

クリアランスの大きさは、具体的に、羽根の根元部厚さ２ｂの５％〜１５％とするのが良い。５％以上にすることで、羽根根元部２ａが締付け力によって圧縮クリープ変形を起こしても、ボス部材３と押さえ板４との間にクリアランスが残るので、羽根の根元部２ａに軸力をかけ続けることができる。さらに、１５％以下にすることで、掘り込み部３ａの壁と羽根の根元部２ａとが接触する面積を大きく確保でき、羽根の根元部２ａの圧縮破壊を抑制できる。ここで、羽根根元部２ａが均一厚さでない場合はその最小値の５％〜１５％とすれば良い。

ここで、根元部２ａのアンダーカット形状は、回転軸を中心とした放射方向に直交する断面の最も狭い面２ａ−１の面積と、回転軸を中心とした周方向に直交する断面のうちボス部材の嵌合部先端３ｃを通り回転軸を中心とした放射方向に平行な面２ａ−２の合計面積との比が、羽根の根元部２ａを構成している材料の周方向の引張強度と放射方向の引張強度の比の２倍にするのが良い。２倍より著しく小さい値、たとえば０．２にすると面２ａ−２でのせん断破壊が生じるため耐えられる遠心力が小さい。また、２倍より著しく大きい場合、たとえば２０にすると、回転軸に対して放射方向に直交する断面の最も狭い面２ａ−１で引張破壊が生じるため、耐えられる遠心力が小さい。２倍のとき、これら２種類の破壊がほぼ同時に発生するので最も良く、０．５倍〜１０倍の範囲で良好な性能が得られる。

羽根の根元部２ａはチョップド繊維含むコンパウンドをプレス機で成形したＦＲＰで、かつ羽根全体が中実なので、サンドイッチ構造を有するものに比べて大きな締付け力に対しても圧縮破壊および圧縮クリープを生じにくい。具体的には１２０Ｎ／ｍｍ２以下であれば良い。この数字は、高強度ボルトの研究分野でＦＲＰの限界面圧としてすでに公知の数字を根拠としている。（たとえば、丸山一男，賀勢晋司，澤俊行訳（１９８９）：ＶＤＩ２２３０Ｂｌａｔｔ１（１９８６）高強度ねじ締結の体系的計算法，ｐ．５５，日本ねじ研究協会に開示）

また、締付け圧力が小さすぎると、摩擦力が低いため大きな固定力が得られない。具体的には、摩擦力が遠心力に耐えるような力で締付けるのが望ましい。この範囲は、羽根１枚当たりの軸力Ｐ、羽根１枚当たりの質量ｍ、羽根１枚の重心と回転軸との距離ｒ、最大回転数ω、軸力の経時低下と摩擦係数を考慮して使用期間中に破壊なく動作するために設ける係数α、ボス部材３から締付けを受けている面の投影面積と押さえ板４から締付けを受けている面の投影面積とのうち小さい方の面積Ｓ、限界面圧βを用いて、次の式で表現できる。
αｍｒω＾２＜Ｐ＜βＳ
本実施例では、ｍ＝０．５［ｋｇ］、ｒ＝０．１２５［ｍ］、ω＝１２５［ｒａｄ／ｓｅｃ］、α＝５、Ｓ＝０．００３［ｍ^２］、β＝１２０００００００［Ｎ／ｍ^２］であり、羽根１枚当たりの軸力Ｐは単位を［Ｎ］とすると、
４，８８３＜Ｐ＜３６０，０００
において最も良い。

ここでαは羽根車の耐久性試験を行ってα＝５と決定した。αが５よりも著しく小さい値をとると嵌合のみで固定する場合とくらべて、耐えられる遠心力の増加効果が小さい。αが５よりも著しく大きい値をとると、必要な軸力を生み出すために、大きなボルト径と多くのボルト本数を要し、羽根車の重量が増加するため良くない。具体的には、５を最適値として３〜７の範囲が望ましい。

また、上記の式で下限が上限の０．５倍を上回るようなときは、
０．５βＳ＜Ｐ＜βＳ
の範囲とすれば、圧縮破壊および圧縮クリープを容易に生じない範囲で、摩擦力を最大限に活用でき、嵌合のみで固定するよりも大きな遠心力に耐えることができる。

ここではボルトによって締付ける例を挙げて説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、その他の方法で羽根の根元部を締付けても良い。たとえば図４に示すようにボス部材３の中心部に雄ネジ３ｅ（締結部）を設け、図５に示すように押さえ板４の中心部に設けた雌ネジ４ａ（締結部）と雄ネジ３ｅとを締結することで羽根の根元部２ａに軸力（締結力）を付与しても良い。

実施の形態２．
次に、図６〜図９を用いて、本発明の実施の形態２について説明する。図６は、本発明の実施の形態２による羽根車１１を示す正面図である。図７は、図６のＢ−Ｂ’線による断面を示す図である。図８は、図６のＣ−Ｃ’線による断面を示す図である。図９は、図６において押さえ板とボルトとを除いて表示した場合の羽根車の正面図である。なお、本実施の形態２は、以下に説明する内容を除いては、上述した実施の形態１と同様であるものとする。

羽根１２の層数は６枚である。回転軸方向に対して垂直な面（回転軸を垂線とする面）で見た場合、実施の形態１に比べて実施の形態２は羽根１枚当たりに使用できるボス部材１３の面積が小さい。ここで、実施の形態１のようにボス部材の面積が十分に確保できる場合は、回転軸方向に対して垂直な面で、アンダーカット形状を設け、締付け部を形成すると、ボス部材の生産性が良い。一方、本実施の形態２では、面積を節約する必要があるので羽根の根元部１２ａのアンダーカット形状を、Ｃ−Ｃ’断面のように回転周方向に対して垂直な面で設けると良い。羽根１２はＦＲＰであるので、厚さ分布を持たせた形状を作ることは特段複雑な工程を介することなく実現できる。たとえば、成形後のＣ−Ｃ’断面にあたる箇所のキャビティをアンダーカット形状とする型を用いてシートモールディングコンパウンド法、いわゆるＳＭＣ法で成形することで、目的のアンダーカット形状が得られる。

ボス部材１３は、羽根の根元部１２ａのアンダーカット形状を受け入れるように掘り込み１３ａを有しており、回転軸に対して放射方向に羽根１２が抜け出るのを防止するように羽根１２と嵌合されている。押さえ板１４は、回転軸方向に対して垂直な面で構成されている単純な板なので、複雑な加工なく容易に得られる。

羽根１２の根元部１２ａは、ボス部材１３と押さえ板１４との間にクリアランスが設けられた状態で、ボス部材３と押さえ板４とを介してボルト軸力による締付けを受けている。

以上、好ましい実施の形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の改変態様を採り得ることは自明である。よって、具体的な構成は上述した実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更や別用途への流用があってもこの発明に含まれる。

１、１１羽根車、１ａ回転軸、２、１２羽根、２ａ、１２ａ根元部、２ａ−１回転軸を中心とした放射方向に直交する断面の最も狭い面、２ａ−２回転軸を中心とした周方向に垂直な断面のうちボスの嵌合部先端から回転軸に対して放射方向に平行な断面、２ｂ根元部の厚さ、３、１３ボス部材、３ａ、１３ａ掘り込み部、３ｂ掘り込み部の高さ、３ｃ嵌合部先端、３ｅ中央部の雄ネジ、４、１４押さえ板、４ａ中心部に雌ネジ、５ボルト。

Claims

全体または一部が繊維強化プラスチックで構成された、羽根と、
前記羽根を支持するボス部材と、
前記羽根の根元部をボス部材に押さえつける板と、
前記ボス部材と前記板とを締結する締結部と、を備える羽根車であって、
前記羽根の根元部は、アンダーカット形状を有しており、
前記ボス部材は、前記羽根の根元部を受け入れる堀り込み部を有し、
前記堀り込み部は、前記アンダーカット形状の全体もしくは一部と同じ形状、または、前記羽根の根元部を受け入れた状態で前記アンダーカット形状の全体もしくは一部との間で間隙を生じる形状を有しており、
前記羽根の根元部は、前記ボス部材と前記板との間にクリアランスが設けられた状態で、前記ボス部材と前記板とを介して締結力による締付けを受けている、
羽根車。
前記クリアランスの大きさが、前記羽根の根元部厚さの最小値の５％〜１５％である、
請求項１の羽根車。
１枚の前記羽根を締付ける軸力をＰ、
１枚の前記羽根の質量をｍ、
１枚の前記羽根の重心と回転軸との距離をｒ、
最大回転数をω、
係数α＝５、
前記羽根の根元部における、前記ボス部材から締付けを受けている面の投影面積と、前記羽根の根元部における、前記板から締付けを受けている面の投影面積とのうち、小さい方の投影面積をＳ、
限界面圧をβとした場合、
αｍｒω＾２＜Ｐ＜βＳ
を満たすように、構成された、
請求項１の羽根車。
前記羽根の根元部には、貫通穴がなく、
前記締結部は、前記羽根の枚数以上のボルトで構成され、前記羽根を貫通しない場所に配置されている、
請求項１の羽根車。
前記羽根の根元部における、前記板から締付けを受けている面は、回転軸方向に対して垂直な面である、
請求項１の羽根車。
前記羽根の根元部のうち、締付けを受けている部分は、中実である、
請求項３の羽根車。
前記羽根の根元部は、チョップド繊維が含まれた繊維強化プラスチックである、
請求項１〜３の何れか一項の羽根車。
前記繊維強化プラスチックで構成された前記羽根の根元部のアンダーカット形状は、回転軸を中心とした放射方向に直交する断面の最も狭い面の面積と、回転軸を中心とした周方向に直交する断面のうち前記ボス部材の嵌合部先端を通り回転軸を中心とする放射方向に平行な断面の合計面積との比が、羽根の根元部を構成している材料の周方向の引張強度と放射方向の引張強度との比の０．５倍から１０倍である、
請求項１〜３の何れか一項の羽根車。