JP2008232019A - ターボファン用羽根車 - Google Patents

Abstract

【課題】外径を大きくしたり回転数を上げることなく、風量の増大と効率の改善及び騒音の低減を図ることができるターボファン用羽根車を提供すること。
【解決手段】駆動源に直結される主板２と、該主板２に対向配置された側板と、これらの主板と２側板との間に周方向に配列された複数枚の羽根４を備えたターボファン用羽根車において、前記各羽根４の前縁４ａの前記側板への結合点Ｐ１を固定して同前縁４ａの前記主板２への結合点Ｐ２を径方向内方へオフセットさせることによって、各羽根４に主板２付近裏側の流線に沿う傾斜と捩りを付与する。具体的には、各羽根４を前縁４ａ側から見たとき該前縁４ａが水平線と成す入口傾斜角φを７８°〜８９°に設定するとともに、各羽根４の主板２との結合面における迎え角ψを２０°〜４０°に設定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、主板とこれに対向配置された側板との間に複数枚の羽根を周方向に配列して成るターボファン用羽根車に関するものである。

ターボファンは、例えば空調用設備におけるコンデンサやエバポレータ等の熱交換器に空気を送風するために使用されるが、その羽根車（インペラ）をケーシング内で回転駆動させることによって所要の送風作用を行うものである。

ところで、斯かるターボファンにおいて風量を増やす方法としては、羽根車の外径を大きくするか回転数を上げる方法が一般的に採られている。因みに、ターボファンの風量は、羽根車の外径の３乗に比例し、回転数に比例する特性を有している。

ところが、羽根車の外径を大きくするとターボファン全体が大型化及び高重量化してコストアップを招くという問題がある。又、羽根車の回転数を上げると、風速が上がるために風切り音が大きくなったり、回転数に比例した騒音や振動が発生する可能性が高くなる。

そこで、特許文献１には、図７の羽根車の部分斜視図に示すように、各羽根１０４の内径部を曲線状に形成するとともに、各羽根１０４の側板１０３への取付角αが主板１０２への取付角βより小さくなる（α＜β）ように捩りを付与することによって、吸込部の側板１０３付近に生じる渦流を抑えて風量の増加と騒音の低減を図るようにした提案がなされている。

又、特許文献２には、羽根の後縁を該羽根の回転方向に傾斜させることによって、発生圧力や効率を低下させることなく回転騒音を低減させる提案がなされている。

更に、羽根車の効率向上と騒音の低減を目的として、特許文献３には、羽根の後縁における側板側の結合部の位置を主板側の結合部の位置よりも反回転方向にオフセットさせるとともに、羽根の前縁における側板側の結合部の位置を主板側の係合部の位置よりも回転方向側へオフセットさせる提案がなされている。又、特許文献４には、同様の目的に加えてターボファンの製造の容易化を図る目的のために、羽根の主板側との結合部に対して主板側との結合部の位置を前縁から後縁に亘って回転方向側へオフセットさせる構成が提案されている。
特開平６−２４１１９５号公報 特開２００３−２０１９９６号公報 特開平５−０３９９３０号公報 特開２００３−２０６８９２号公報

しかしながら、特許文献１，２において提案された構成では、羽根車の各羽根を前縁側から見たとき該前縁が水平線と成す入口傾斜角（図７に示す角度φ’）が９０°であるため、各羽根の主板付近裏側に渦が発生し、この渦による圧力損失によって効率の低下と騒音の増大を招くという問題があった。

又、特許文献３，４には、羽根に主板付近裏側の流線に沿う傾斜と捩りを付与するための条件、特に羽根の前縁の入射傾斜角と前縁の主板との結合面における迎え角の最適値についての開示はなく、各羽根の主板付近裏側に発生する渦を完全に消すには至らなかった。特に、羽根の迎え角には最適範囲が存在し、その範囲を超えるとファン効率の低下や騒音の増大を招く。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、外径を大きくしたり回転数を上げることなく、風量の増大と効率の改善及び騒音の低減を図ることができるターボファン用羽根車を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、駆動源に直結される主板と、該主板に対向配置された側板と、これらの主板と側板との間に周方向に配列された複数枚の羽根を備えたターボファン用羽根車において、前記各羽根の前縁の前記側板への結合点を固定して同前縁の前記主板への結合点を径方向内方へオフセットさせることによって、各羽根に主板付近裏側の流線に沿う傾斜と捩りを付与したことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記各羽根を前縁側から見たとき該前縁が水平線と成す入口傾斜角を７８°〜８９°に設定するとともに、各羽根の前記主板との結合面における迎え角を２０°〜４０°に設定したことを特徴とする。

本発明によれば、ダーボファン用羽根車の各羽根の前縁の側板への結合点を固定して同前縁の主板への結合部を径方向内方へオフセットさせることによって、各羽根に主板付近裏側の流線に沿う傾斜と捩りを付与したため、各羽根の主板付近裏側に発生していた渦が消え、渦によるエネルギー損失が防がれ、羽根車の外径を大きくしたり回転数を上げることなく、風量の増大と効率の改善及び騒音の低減を図ることができる。

尚、羽根車の風量の増大と効率の改善及び騒音の低減を図る上での各羽根の前縁の入口傾斜角と前縁の主板との結合面における迎え角の最適値をシミュレーション解析並びに実験により測定した結果、入口傾斜角の最適値として７８°〜８９°、迎え角の最適値として２０°〜４０°が得られた。従って、各羽根の前縁の入口傾斜角と迎え角を上記最適値の範囲に設定すれば、各羽根の主板付近裏側に発生していた渦を消して前記効果を得ることができる。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は本発明に係るターボファン用羽根車の斜視図、図２は同羽根車の羽根の配列を示す図１のＬ−Ｌ平面に沿う断面図である。

本発明に係るターボファン用羽根車１は、図１に示すように、平円板状の主板２と、該主板２に所定距離隔てて対向配置された短ノズル円板状の側板（シュラウド）３と、これらの主板２と側板３との間に周方向に配列された複数枚（図１に示す例では８枚）の羽翼４を含んで構成されている。そして、主板２の軸中心部には円錐台状のボス５が立設されており、このボス５には駆動源である不図示のモータの出力軸（モータ軸）が挿通固定されている。従って、羽根車１は、ボス５を介して駆動源である不図示のモータに直結されている。

又、複数枚の前記羽根４は翼型形状を成し、羽根車１の回転方向Ｒ（図２の反時計方向）に対して後方に湾曲するような姿勢（後方湾曲翼）で周方向に等角度ピッチで配列されている。

而して、以上のように構成されたターボファン用羽根車１は、不図示のモータが起動されると、不図示のケーシング内で図１の矢印Ｒ方向に所定の速度で回転駆動される。すると、空気が羽根車１の側板３の開口部（吸込口）３ａから羽根車１内へと軸方向（図１の矢印Ａ方向）に導入され、この空気は、羽根車１内の複数枚の羽根４の間を通過する際に羽根４から静圧と動圧を付与されるとともに、遠心力を受けて径方向外方へと流れ、各羽根４の後縁４ｂからそれぞれ速度ベクトルＷ方向に吹き出され、このようにして羽根車１による所要の送風作用がなされる。

ここで、本発明の要旨を図３〜図６に基づいて説明する。

図３は本発明に係る羽根車の各羽根の主板への取付状態を示す部分斜視図、図４は同羽根車の各羽根の主板への取付面形状（翼型形状）を示す平面図、図５は羽根の迎え角及び入口傾斜角とファン効率との関係を示す図、図６は本発明に係る羽根車の風量と静圧の関係を従来の羽根車のそれと対比して示す図である。

本発明に係るターボファン用羽根車１は、図３に示すように、各羽根４の前縁４ａの側板３への結合点Ｐ１を固定して同前縁４ａの主板２への結合点Ｐ２を径方向内方（図３の右方）へ図示のεだけオフセットさせることによって、各羽根４に主板２付近裏側（図３のＳ部分）の流線（図３に矢印にて示す）に沿う傾斜と捩りを付与したことを特徴とする。

ここで、従来の羽根車の羽根４’の形状及び取付状態を図３に破線にて示すが、本発明に係る羽根車１の羽根４は、従来の羽根４’に対して前縁４ａの主板２への結合点Ｐ２のみを径方向内方へオフセットさせることによって全体を三次元的に捩ったものであって、後縁４ｂの形状及び角度は従来の羽根４’の後縁のそれと同じである。尚、各羽根４の前縁４ａの形状は直線でも曲線でも構わない。

本発明に係る羽根車１においては、上述のように各羽根４に主板２付近裏側の流線に沿う傾斜と捩りを付与したため、各羽根４を前縁４ａ側から見たとき該前縁４ａが水平線と成す入口傾斜角φが従来の羽根４’の入口傾斜角φ’（＝９０°）よりも小さくなる（φ＜φ’）。但し、羽根４の出口傾斜角（各羽根４を後縁４ａ側から見たとき該後縁４ａが水平線と成す角度）は従来の羽根４’の出口傾斜角と同じく９０°に設定されている。

又、従来の羽根４’の主板２への取付面形状（翼型形状）を図４に破線にて示すが、本発明に係る羽根車１の各羽根４の主板２への取付面（翼型形状）の迎え角ψは、従来の羽根４’の迎え角ψ’よりも大きくなる（ψ＞ψ’）。ここで、羽根の迎え角とは、回転中心を中心とする円に前縁先端において引いた接線と羽根の反回転中心側の曲面に前縁先端において引いた接線との成す角度と定義される。

ここで、羽根４の迎え角ψと入口傾斜角φのファン効率への影響をシミュレーション解析した結果を図５に示すが、同図に示すように、高いファン効率が得られる入口傾斜角φの最適値として７８°〜８９°、迎え角ψの最適値として２０°〜４０°が得られた。従って、各羽根４の前縁４ａの入口傾斜角φと迎え角ψを上記最適値の範囲に設定すれば、各羽根４の主板２付近裏側に発生していた渦を消すことができ、渦によるエネルギー損失を防ぐことができる。この結果、羽根車１の外径を大きくしたり回転数を上げることなく、風量の増大と効率の改善及び騒音の低減を図ることができる。具体的には、風量が１０〜３０％増加し、ファン効率が１０％改善し、騒音が２ｄＢ下がった。尚、従来の羽根車（羽根４’の入口傾斜角９０°、迎え角１６．５°）のファン効率は図５の点ａにて示される。

図６に本発明に係る羽根車１（羽根４の入口傾斜角８０°、迎え角３９°）の風量と静圧との実測結果を実線にて示すが、同図に破線にて示す従来の羽根車（羽根４’の入口傾斜角９０°、迎え角１６．５°）の結果と対比することによって明らかなように、本発明に係る羽根車１によれば、全静圧範囲で風量が増大する。

以上の説明で明らかなように、本発明に係るターボファン用羽根車１によれば、各羽根４の前縁４ａの側板３への結合点Ｐ１を固定して同前縁４ａの主板２への結合点Ｐ２を径方向内方へオフセットさせることによって、各羽根４に主板２付近裏側の流線に沿う傾斜と捩りを付与したため、各羽根４の主板２付近裏側に発生していた渦が消え、渦によるエネルギー損失が防がれ、羽根車１の外径を大きくしたり回転数を上げることなく、風量の増大と効率の改善及び騒音の低減を図ることができるという効果が得られる。

本発明は、熱交換器やフィルタを備えた空気調和機、空気清浄機等の機器に備えられるターボファンの羽根車に対して好適である。

本発明に係るターボファン用羽根車の斜視図である。 本発明に係るターボファン用羽根車の羽根の配列を示す図１のＬ−Ｌ平面に沿う断面図である。 本発明に係るターボファン用羽根車の各羽根の主板への取付状態を示す部分斜視図である。 本発明に係るターボファン用羽根車の各羽根の主板への取付面形状（翼型形状）を示す平面図である。 羽根の迎え角及び入口傾斜角とファン効率との関係を示す図である。 本発明に係るターボファン用羽根車の風量と静圧の関係を従来の羽根車のそれと対比して示す図である。 従来のターボファン用羽根車の部分斜視図である。

符号の説明

１ 遠心ファン用羽根車
２ 主板
３ 側板
３ａ 側板の開口部（吸込口）
４ 羽根
４ａ 羽根の前縁
４ｂ 羽根の後縁
５ ボス
Ｐ１ 羽根前縁の側板への結合点
Ｐ２ 羽根前縁の主板への結合点
Ｓ 主板付近裏側
Ｗ 速度ベクトル
ε 羽根前縁の主板への結合点のオフセット量
φ 羽根の入口傾斜角
ψ 羽根の迎え角

Claims (2)

1. 駆動源に直結される主板と、該主板に対向配置された側板と、これらの主板と側板との間に周方向に配列された複数枚の羽根を備えたターボファン用羽根車において、
   前記各羽根の前縁の前記側板への結合点を固定して同前縁の前記主板への結合点を径方向内方へオフセットさせることによって、各羽根に主板付近裏側の流線に沿う傾斜と捩りを付与したことを特徴とするターボファン用羽根車。
2. 前記各羽根を前縁側から見たとき該前縁が水平線と成す入口傾斜角を７８°〜８９°に設定するとともに、各羽根の前記主板との結合面における迎え角を２０°〜４０°に設定したことを特徴とする請求項１記載のターボファン用羽根車。

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