JPS5949439B2 - リミツトロ−ド型斜流送風機の羽根車 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はリミットロード型斜流送風機の新規な羽根車
の構成に関する。

通常のリミットロード型遠心送風機の羽根車は、第１図
に示すように、羽根１の入口縁２および出口縁３がそれ
ぞれ回転軸心４と平行で、かつ羽根１を回転軸心４と平
行な方向（矢印Ｐ方向）から眺めたとき、第２図に示す
ように、羽根１は周方向へＳ字形に彎曲しているけれど
も、回転軸心４の方向では羽根１にねじれがなく、回転
軸心４に直交する各平面ａ０、ａ２、・・・、ａｎにお
ける各断面が互いに重なつて見えるような２次元曲面を
有する。

また、羽根１の断面の多くはＳ字形のそれぞれの彎曲部
で単一半径の円弧か多くて２個の円弧を連結したものが
ほとんどである。したがつて、リミットロード型遠心送
風機の羽根車における羽根１の製作は比較的簡単である
。しかし、この種の羽根１においても、流体力学的な観
点から理想に近い円弧の半径が弦長（流れ方向の羽根長
さ）に沿つて漸次変化していくものは工作が非常に困難
であるゆえ、効率、騒音などの点で有利であるのはわか
つていても、あえてこの困難を冒して製作されている翼
形（エアロフオイル形）遠心送風機を除いてはいまだ実
用化されていない。これに対し、リミットロード型斜流
送風機では、第３図に示すように、羽根１１の入口縁１
２および出口縁１３はいずれも回転軸心１４と平行でな
い。

そして、いま、主板１６と側板１７の間の気体通路内を
気体が入口縁１２から出口縁１３の方向へ流れるとき、
気体は上記気体通路内で層状に、かつ連続した無限の数
の流線上を流れると仮定し、この中の複数の代表的なも
のを代表流線１５１、１５２、・・・、１５ｎとして、
これら代表流線１５１、１５２、・・・、１５ｎにより
、気体通路の横断面を複数（この例ではｎ−１個）に分
割する。こうすると、回転軸心１４から入口縁１２まで
の半径が羽根車内の気体通路中における各代表流線１５
１，１５２，…２１５ｎごとにγＩｎ］ＦＴｉｎ２′１
３５γＩｎｎのように漸次変化し、また、軸心１４から
出口縁１３までの各半径もγ０Ｕｔ１？γ０Ｕｔ２Ｆ１
３′γ０ｕｔｎのように漸次変化している。これら半径
が変化すればそれに応じて流入出点での回転周速度が変
化するので、第４図に示すように、入口縁１２での衝突
損失を少なくするためには、流入角β１を入口縁１３に
沿つて漸次変化させねばならず、また、出口縁１３での
昇圧ヘツドを揃えるためには、流出角β２を出口縁に沿
つて漸次変化させねばならない。したがつて、理想的な
送風機性能を得るには、羽根１１の形状を回転軸心１４
の方向から見たとき、ねじれた複雑な３次元曲面を持つ
ようにしなければならない。換言すれば、第３図に示す
リミツトロード型送風機の羽根車に第１図および第２図
に示したリミツトロード型遠心送風機の羽根１と同じＳ
字形のそれぞれの彎曲部で単一円弧または２個円弧を持
つ２次元曲面の羽根１１を、代表流線１５，，１５２，
・・・，１５ｎが傾いているのに合わせて傾けて取付け
るだけでは、ごく小型のものを除いて送風機性能が低下
し、これを改良せんがために強いてねじれた３次元曲面
の羽根１１を製作しようとしても極めて困難である。

元来、この種の送風機の羽根車は、いずれも鋳造ではな
く、主として圧延鋼板から組立てて作られ、しかも直径
３〜４ｍ級の大型のものまで各種の寸法のものを多種小
量生産されるものであるから、このような羽根車の羽根
に、２次元曲面は良いとしても、３次元曲面を持たせた
送風機をその都度商業採算に乗るコストで作ることは極
めて困難である。

このことが、第１図のような２次元曲面の羽根１を植設
した羽根車を持つリミツトロード型遠心送風機が従来の
一般に製作されているのに反し、第３図および第４図に
示すような３次元曲面の羽根１１を必要とするリミツト
ロード型斜流送風機については、それが遠心送風機と軸
流送風機との中間的な高い性能を持つものと期待されて
いるにもかかわらず、いまだに実用化されていない理由
の１つである。

そこで、この発明の目的は、２次元曲面である２つの円
筒面の一部を羽根に利用することにより、流体力学的に
理想に近い３次元曲面の羽根と同等効果を得て、優れた
送風機性能を持ち、なおかつ、上に記した工作上の困難
を解消して、製作の容易なリミツトロード型斜流送風機
の羽根車を提供することにある。

上記目的を達成するために、この発明は、主板と側板が
構成する両円錐面に対して、円筒母線上で互いに接する
２個の共通な円筒面を相貫させ、これら２個の円筒面の
中心軸は、上記回転軸心に対して交差しないねじれた位
置関係にあり、もつて上記相貫による各相貫線を、羽根
の入口縁に沿つて漸次変化すべき羽根の流入点の流入角
、羽根の出口縁に沿つて漸次変化すべき羽根の流出点の
流出角、ならびにこれら流入点と流出点とを結んで円筒
面上に位置する曲線にそれぞれ合致させ、上記２個の円
筒面の一部で薄板の羽根を形成した構成としている。

以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。

リミツトロード型斜流送風機の羽根車はすでに第３図に
おいて一部説明したように、ハブ１８に固定した回転軸
心１４と同心の截頭円錐形の主板１６と、この主板１６
との間で斜流的気体通路を形成すべく回転軸心１４方向
に距離を隔てて同心的に配設された截頭円錐形の側板１
７と、この気体通路内に回転軸心１４と同心の円周上に
多数配設され、そのそれぞれが一方の側縁を主板１６に
、他方の側縁を側板１Ｔに溶接またはリベツト止め等で
固定され、かつ、回転軸心１４寄りに気体の入口縁１２
を、反対側に気体の出口縁１３をもち、運転時この入口
縁１２から出口縁１３へ連続して気体が流れる如くした
羽根１１とから構成されている。

羽根車内の代表流線１５１，１５２，・・・，１５０は
それぞれ半頂角θ１，θ２，・・・，θ。の円錐面を構
成し、各円錐面は回転軸心１４と同心である。羽根１１
はこれら各円錐面上をそれぞれ流入点Ｍｌ，Ｍ２，・・
・，ＭＯから始まり、流出点Ｎ，，Ｎ２，・・・，Ｎｎ
で終つている。その１つである代表流線１５１が構成す
る円錐面を平面に展開したものが第５図で、同図には羽
根１１の断面が１枚だけ描かれている。第５図における
羽根１１の断面は、流出点Ｍ１で所望の流入角β１，を
、流出点Ｎ１で所望の流出角β２１を持ち、その間は楕
円の一部に近似した如く、曲率半径ρが次第に変化する
曲線で連結され、この羽根１１の所望の流入角β１１お
よび曲率半径ρは、第３図の代表流線１５２，１５３，
・・・，１５。に移行するにしたがい、第４図に示すＡ
２，β１３，・・・，β，ｎのように漸次変化するので
羽根１１には複雑な３次元曲面が要求される。第６図は
第３図に示す代表流線１５，，１５２，・・・，１５ｎ
が構成する各円錐面と新規に想定する２個の円筒面１９
，２０との相貫斜視図で、第７図Ａ〜Ｃにおいて代表流
線１５１が構成する円錐面と、円筒面１９および円筒面
２０との相貫図が投影的に示されている。

第６図において、半径Ｃ，の円筒面１９は、Ｕ軸方向へ
距離Ｕ。ｌ，Ｖ軸方向へ距離ＶＯｌを存し、半径Ｃ２の
円筒面２０はＵ軸方向へ距離Ｕ。２，Ｖ軸方向へ距離Ｖ
。

２を存し、かつ、両円筒面１９，２０は半頂角θ１の円
錐面１５，１の中心軸Ｈに対して同一角度Ｋだけ傾くと
ともに、Ｖ軸上の点Ｓを通る円筒母線Ｓ，−Ｓ２上で互
いに接している。

すなわち、円筒面１９の中心軸０，から距離Ｕ。ｌ離れ
ていて、かつ中心軸Ｈ（回転軸心１４と同じ）を含む平
面（この平面は同時にＶ軸も含む）を考え、この平面と
直角方向に、すなわちＵ方向に眺めたとき、円筒面１９
の中心軸０１および円筒面２０の中心軸０２は、第７図
Ｂの通り角度Ｋだけ傾いている。つまり、円筒面１９，
２０の中心軸０，，０２はいずれも、回転軸心Ｈに対し
て交差しないねじれた位置関係にある。ここでＵ，Ｖ，
Ｗは、円錐面１５，１の頂点Ｅを原点とし、Ｗ軸が円筒
面１９の中心軸０，および円筒面２０の中心軸０２と平
行で、軸が第７図に示すように、Ｗ軸方向（第６図の矢
印Ｑ方向）に見たときに曲線′１５ＮＭ１Ｎ１上におけ
る円筒面１９と円筒面？との接点であるＭ８ｌに重なる
ように取つた３次元直交座標である。

Ｗ軸の取り方から、円筒１９の傾き角度Ｋはｗ軸と円錐
面１５，１の中心軸Ｈとがなす角で表わされる。円錐面
１５，，は第３図における代表流線１５１が構成する円
錐面と同一であり、この円錐面１５，，と両円筒面１９
，２０との相貫線、つまり接触線のうちＭ１からＭ８ｌ
を通りＮ，までの線分が第７図Ｃにおいて円錐面１５１
１を展開した図面上で太線によつて示され、これは第５
図と等価となる。すなわち、第５図に示された１つの代
表流線１５１の円錐面１５１，上における所望の流入角
β，１、流出角β２１を持ち、流入点Ｍ１と流出点Ｎ１
との中間部が漸次変化する曲率半径ρを持ち、かつ上記
円筒面１９，２０（第７図参照）上に位置する滑らかな
Ｓ字形曲線で連結された羽根１１の断面形状は、第７図
Ａ，Ｂに示す距離Ｕ。

ｌ，ＶＯｌ，ＵＯ２，ＶＯ２、傾き角度Ｋ、および半径
Ｃｌ，Ｃ２を後述する方法で求めることにより幾何学的
に得られる。これらの関係を幾何学的に考察する。いま
、第７図において、代表流線１５１が構成する円錐面１
５１１と円筒面１９との相貫線の一部である曲線′２５
＼Ｍ８ｌＮｌ上にある任意の点ｍを考える。

点ｍは第７図Ａ上では座標Ｕ，ｖを持ち、第７図Ｂ上で
は座標Ｖ，ｗを持ち、第７図Ｃ上では座標Ｘ，ｙを持つ
。ここで、座標Ｘ，ｙは円錐面１５１１の頂点Ｅを原点
とし、接点Ｍ８ｌを通るＹ軸とこれに直交するＸ軸とか
らなるＸ−Ｙ座標系の座標である。この場合、つぎの関
係がある。ｘ＝ｆ（θ１９Ｕ９γ） （１）ｙ
＝ｆ（θ１，Ｕ，γ） （２）ｕ：ｆ（Ｕ
ＯｌＦｖＯｌＦＫ′θ１ｙＣ１Ｆγ） （３）ψ＝ｆ（
θ１，Ｕ，γ） （４）ここで、γは第７
図Ｂに示すように、点ｍと中心軸Ｈとの距離、ψは第７
図Ｃに示すように、点ｍと原点Ｅとを結ぶ直線がＹ軸と
なす角である。

さらに、微分法による関係式にそれぞれ（１）〜（４）
式を代入すれば、ｍ点の第７図Ｃにおける曲率半径ρと
角度（流れ角）βが得られる。

点ｍが接点Ｍ８ｌ上にあれば、そのときのβはＳ字形の
変曲点での流れ角β８１に一致し、点ｍが流出点Ｎ１上
にあれば、そのときのβは流出角β２１と一致する。同
様に、任意の点ｍが、代表流線１５１の構成する円錐面
１５１１と円筒面２０との相貫線の一部である弧線煩？
８，上にある場合を考えると、上記（３）式がｕ：ｆ（
ＵＯ２りＶＯ２》Ｋ！θ１？Ｃ２ラγ） （３Ｙと変わ
るだけで、上記の理論をそのまま適用できる。

したがつて、点ｍが流入点Ｍ１上にあれば、そのときの
流れ角βは流入角β，１と一致し、点ｍが接点Ｍ８ｌ上
にあれば、そのときの流れ角βはＳ字形の変曲点での流
れ角β５１に一致する。このβ，１は、２個の円筒面１
９，２０がその母線Ｓ１−Ｓ２上において互いに接して
いるから、円筒面１９上（曲線０１上）での演算でも、
円筒面２０上（曲線Ｍ？？１上）での演算でも、その接
点（変曲点）での流れ角β８１は同じ値となり、その結
果、Ｓ字形の曲線ｍｌ），は代数学で言う連続となる。
また、曲率半径ρは点ｍが流入点Ｍ１から流出点Ｎ１へ
移動して行くにしたがい、少しづつ変化して行くので、
Ｓ字形のそれぞれの彎曲部において単一のもしくはせい
ぜい２個の半径を連結した従来のリミットロード型遠心
送風機の羽根車に比べて、流入点Ｍ１から流出点Ｎ１ま
でのＳ字形曲線が理想的な滑らかなものとなる。以上に
よつて、第３図に示した代表流線１５１が第６図に概略
的に示すように得られる。

以下、同様にして第３図の各代表流線１５２，１５３，
・・・１５ｎが円筒面１９，２０と各円錐面１５２１，
１５３１，・・・，１５０１との各相貫線として得られ
る。第８図Ａはこの状態を第６図の矢印Ｑ方向から見た
投影図で、この図は第７図Ａに対応し、また、第８図Ｂ
は第７図Ｂに対応する。これら各相貫線は各円錐面１５
２１，１５３１，・・・，１５０１に対し、円錐面１５
１１について行なつたと同様の演算を行なえば容易に算
出することができる。つまり、第８図Ａ，Ｂは第７図に
、さらに円錐面１５１１と共通の軸心Ｈを持ち、それぞ
れ半頂角θ２夕θ３夕゜゜゜９θ。

を持つ円錐面１５２１，１５３１９゜゜゜９１５ｎ１が
付加されている。この様なｎ個の円錐面１５１１，１５
２１，・・・，１５。１を第３図の代表流線１５１，１
５２，・・・，１５ｎが構成するｎ個の円錐面と同じ配
置とし、かつ第３図の羽根１１を第８図の半径Ｃ１なる
円筒面１９および半径Ｃ２なる円筒面２０の一部に置換
する。

第６図、第８図Ａでも明らかなように、ｎ個の円錐面上
の各相貫線を円筒面１９，２０の軸方向（第６図の矢印
Ｑ方向）に見れば、各相貫線つまり羽根１１は半径Ｃ１
を持つ円筒面１９および半径Ｃ２を持つ円筒面２０で構
成されるところの２次元曲面の一部としてねじれがなく
、同一断面形に重なつて見える。

円錐面１５１１を平面に展開すれば前記の通り第７図Ｃ
となるが、円錐面１５２１，１５３１，・・・，１５。
１も同様に展開することができ、各展開による各相貫線
は、第８図では図示が省略されているけれども、第６図
に概略的に示すように、流入点Ｍ２，Ｍ３，・・・，Ｍ
ｎで始まり、接点（変曲点）ＭＳ２２ｍＳ３′１８′Ｍ
Ｓｎを通つて）流出点Ｎ２′Ｎ３，・・・，Ｎｎで終り
、それぞれ代表流線１５１における流入角β，，、流出
角β２１とは少しづつ異なつた流入角β，２，β，３，
・・・，β１ｎおよび流出角β２２，β２３，・・・，
β２。

を有し、流入点と流出点との中間は少しづつ曲率半径ρ
が変化するような曲線で滑らかに連結されている。勿論
、各相貫線は円筒面１９と円筒面２０の接点ＭＳ２ｙｍ
Ｓ３ＦｌＯツＭｓｎにおいても代数学で言う連続となつ
ている。

流入角β１１，β１２，・・・，β，。および流出角β
２１，β２２，・・・，β２。が相互に少しづつ異なる
ことは先に第３図において述べたように、各代表流線１
５１，１５２，・・・，１５０ごとに流入点の半径距離
γＩｎおよび流出点の半径距離γ。Ｕ１が変化している
ために当然のことがらである。上記のようにして、各相
貫線つまり各代表流線１５，，１５２，・・・，１５。

が演算決定されたならば、代表流線１５１での曲線〈脳
、、代表流線１５。での曲線Ｍ中ド。、残る各代表流線
にまたがる曲線／５−＼ＮｌＮｎおよび直線Ｍ８ｌｍ８
。

で囲まれる部分を半径Ｃ１の円筒面１９から、また、代
表流線１５，での曲線（≧，、代表流線１５０での曲線
０８。残る各代表流線にまたがる曲線ＭｌＭＯおよび直
線Ｍ８ｌｍ５。で囲まれる部分を円筒面２０から切り出
す。この切出軌跡は第７図におけるｍ点座標つまりｍ（
Ｕ，ｖ，ｗ）より容易に知ることができる。他方、平面
に展開した場合の切出軌跡も同様に、ｍ点座標ｍ（Ｘ，
ｙ）より容易に知れるので、先に１枚の鋼板から曲線Ｍ
？？，◎０，？脳。および既？辷で囲まれる部分を切り
出してから半径Ｃ，および半径Ｃ２に曲げてＳ字形とし
てもよい。この場合、半径Ｃ１の円筒面１９と半径Ｃ２
の円筒面２０との連結線は、それぞれの円筒面の母線で
あるので、たとえば、ロール加工によつて鋼板を曲げる
場合には加工が容易である。上記のようにして、円筒面
１９，２０から羽根１１を切り出し、あるいは、先に切
り出した鋼板を半径Ｃｌ，Ｃ２からなるＳ字形羽根１１
に曲げて、第９図に示すように、主板１６と側板１７と
の間に挿入して組立てれば、斜流送風機として必要とさ
れていた３次元曲面を持つ羽根を用いなくとも、それと
同等の性能を持つ羽根を容易に製作することができる。

実際に、この発明によるリミツトロード型斜流送風機の
羽根車を設計する場合には、まず、第３図に示す代表流
線１５１〜１５ｎを決める。

これより円錐面の半頂角θ１〜θ。が決まる。羽根の内
外径比は風量および風圧により一応の標準値が決まつて
いるから、回転数より羽根入口縁１２に沿う流入角β１
の分布および羽根出口縁１３に沿う流出角β２の分布が
定まる。

また変曲点Ｍ８での流れ角β８も経験的な値として一応
の標準値が決まつている。第６図および第７図に示す距
離Ｕ。，，Ｏｌ，ＵＯ２，ＶＯ２は傾き角度Ｋと円筒半
径Ｃｌ，Ｃ２が決まれば変曲点Ｍ８ｌの半径距離γ８１
（第７図Ｂ）と流れ角β８１とから一義的に決定される
。したがつて、残る変数はＫ，Ｃｌ，Ｃ２の３つであつ
て、流入点ではＫとＣ２、流出点ではＫとＣ１の２つが
それぞれ変数となる。この３変数を変化させて出口縁１
３における流出角β２および入口縁１２における流入角
β１が所定の値となるようにＫ，Ｃｌ，Ｃ２の値を求め
る。以上のように、設計資料としては羽根車の流入角、
流出角および内外径比が与えられたとき、直ちに諸寸法
が見い出せるようにデータを用意しておくとよい。

たとえば、内外径比λ、円錐半頂角θ，Ｓ字形変曲点で
の流れ角β８の場合、円筒半径Ｃ１をパラメータとして
横軸に傾き角度Ｋ、縦軸に流出角β２を取つた図表と、
円筒半径Ｃ２をパラメータとして横軸に傾き角度Ｋ、縦
軸に流入角β２を取つた図表とを作成しておくとよい。
この２枚の図表の使用に際しては、勿論、傾き角度Ｋを
共通の値としなくてはならない。第１０図は、第３図の
羽根車にさらに円錐形の中間板２１が入り、羽根１１が
全周にわたつて１１，および１１２に２分割されている
。

事情によつては中間板を複数枚入れて羽根１１をより多
く分割することもできる。これは、羽根１１上の全部の
代表流線１５１〜１５ｎにわたつて２個の円筒面１９，
２０だけでは流入角β１１〜β，ｎや流出角β２，〜β
２ｎの必要な変化を満たせない場合、互いに異なる４個
またはそれ以上の円筒面との相貫による羽根を用いるこ
とができるからである。さらに他の理由は、中間板２１
を介挿して羽根車自体の強度を増すためである。この発
明は前述の通り、リミツトロード型斜流送風機の羽根車
において、従来必要とされていた３次元曲面に代わり、
２次元曲面である。

円筒面の一部を用いて理想的な３次元曲面羽根と同等の
性能を発揮できるようにしたものである。すなわち、羽
根車内の気体通路中における各代表流線が気体通路中に
占める位置に応じて羽根の流入角および流出角が漸次変
化している上に、流入点から流出点までの曲線も、リミ
ツトロード型遠心送風機に見られるようなＳ字形のそれ
ぞれの彎曲部で単一半径の円弧かせいぜい２個の円弧を
連結したようなものではなく、流体力学的に理想に近い
、曲率半径が弦長（羽根の流れ方向長さ）に沿つて漸次
変化する形状となつている。このように、従来３次元曲
面羽根を必要とするために極めて製作困難と考えられ、
そのため、遠心送風機と軸流送風機との中間的な高い性
能を持つものとして期待されながら製品化が行なわれな
かつたリミツトロード型斜流送風機を、この発明によれ
ば、安価に製作できて工業的価値を高めることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図はリミツトロード型遠心送風機の羽根車の一部を
示す縦断面図、第２図は第１図の正面図、第３図はリミ
ツトロード型斜流送風機の羽根車の一部を示す縦断面図
、第４図は第３図の要部斜視図、第５図は第３図の代表
流線１５１が構成する円錐面１５１１の平面展開図、第
６図はこの発明による羽根車の羽根の製作を説明するた
めの斜視図、第７図Ａ−Ｃおよび第８図Ａ，Ｂは第６図
の投影図、第９図はこの発明によるリミツトロード型斜
流送風機の羽根車の一例を示す一部分の斜視図、第１０
図は他の例の一部を示す縦断面図である。 １１（１１１，１１２）・・・・・・羽根、１２・・・
・・・入口縁、１３・・・・・・出口縁、１４１０・・
・・・・回転軸心、１５１，１５２，・・・，１５ｎ・
・・・・・．代表流線、１５１１，１５２１，・・・，
１５ｎ１・・・・・・代表流線が構成する円錐面、１６
・・・・・・主板、１７・・・・・・側板、１９，２０
・・・・・・円筒面、２１・・・・・・中間板、Ｓ１−
Ｓ２・・・・・・円筒母線、θ１，θ２，・・・，θ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 回転軸心と同心の截頭円錐形の主板と、この主板と
   斜流的気体通路を形成すべく回転軸心方向に距離を隔て
   て同心的に配設された截頭円錐形の側板と、上記気体通
   路内に上記回転軸心と同心の円周上に多数配設され、そ
   のそれぞれが一方の側縁を上記主板に、他方の側縁を上
   記側板に固定され、かつ、上記回転軸心寄りに気体の入
   口縁を、反対側に気体の出口縁をもち、運転時この入口
   縁から出口縁へ連続して気体が流れる羽根とを備え、上
   記主板と側板が構成する両円錐面に対して、円筒母線上
   で互いに接する２個の共通な円筒面を相貫させ、これら
   ２個の円筒面の中心軸は、上記回転軸心に対して交差し
   ないねじれた位置関係にあり、もつて上記相貫による各
   相貫線を、羽根の入口縁に沿つて漸次変化すべき羽根の
   流入点の流入角、羽根の出口縁に沿つて漸次変化すべき
   羽根の流出点の流出角、ならびにこれら流入点と流出点
   とを結んで円筒面上に位置する曲線にそれぞれ合致させ
   、前記２個の円筒面の一部で薄板の羽根を形成したこと
   を特徴とするリミットロード型斜流送風機の羽根車。