JP5455498B2 - エアフォイル羽根を備えた斜流送風機 - Google Patents

Description

本発明はエアフォイル羽根を備えた斜流送風機に係り、詳しくは、空力特性を上げ剥離を抑えて送風機性能の向上と発生騒音の低減を図るべく、翼厚の変化するエアフォイルを羽根に適用した斜流送風機に関するものである。

軸流送風機と遠心送風機の中間の形態をとる斜流送風機は、軸流と遠心のそれぞれの送風機の利点を兼ね備える。しかし、吸込み空気が加圧される箇所の流路が羽根車の軸線に対して３０度や４５度といったように傾斜しているので、羽根（ブレード）の形状が複雑になる難点がある。

遠心送風機の場合、電動機によって回転駆動される主板と流路を規制するための側板の間に羽根が掛けわたされて溶接により取付けられるか一体的に鋳造されるなどして羽根車が形成される。斜流送風機の場合も遠心送風機と類似する構造で羽根車が形成され、側板を有しない軸流送風機とは異なったものとなる。しかし、流路が上記したように傾斜しかつ捻られた複雑さと羽根の低廉化の要請から、翼厚一定の円弧翼を採用することが多くなる。

上記の円弧翼は空気力学的に理想的な翼形でないから送風効率は高いと言えず、また剥離も起こしやすく、所望外のレベルの騒音発生を伴う。羽根による加圧効率の高さは翼上面での加速流の大小に大きく依存するが、動力消費との関係で適度な翼厚分布のエアフォイルの採用と軽量化は不可欠であり、さらには、複雑な流路での翼面からの流れの剥がれを可及的に抑える配慮が騒音低減面で大いに必要となる。

送風機の種々の特性を改善しノイズの発生を抑えるためには、例えば特開平１１−２０１０９１号公報に開示されているように、羽根にＮＡＣＡなどで研究された多数のエアフォイル（翼形）の一つを翼断面として与えればよいことが知られている。しかし、その形状を羽根車にどのようにして適用するかは、製作費に大きく影響する。出荷数が多ければ主板と羽根と側板を一体鋳造することが許される。もしくは、上記公報の図８に記載されたごとく、前縁部と後縁部を翼幅方向（スパン方向）に延びる中実体、それらを繋ぐ翼下面を薄肉部として与えてこれを一体成形し、前縁部と後縁部を繋ぐ翼上面を薄板で蓋をして溶接するといったことが可能となる。

さらには、特開平９−４５９８号公報に開示されたごとく、アルミ押し出し成形による中空体とすることもできる。したがって、送風機の規模にもよるが、５ＫＷ前後で駆動される送風機に適用する場合、成形の肉厚限界を考慮すれば、エアフォイルの大きさの割りには外皮が厚くなり、重量の嵩んだ羽根となる難点がある。

羽根の重量が嵩むと、それが回転されたときに生じる遠心力は増大し、翼根部には大きな負担が掛かる。それに耐えるべく翼根部の支持剛性・曲げ剛性を高める必要があり、また二次元構造だけでは済まされない翼となることも起こりうる。

一方、出荷数が少なければ、少し手間を要しても成形型費の低減を可能にする羽根とすることが迫られる。その策の一つとして、特開平５−３０５３７６号公報に開示されたように、一枚の鉄板をヘアピン状に曲げて表皮とし、両端部を揃えて接合し、中空体のエアフォイルとした板金加工品とする例を挙げることができる。

前縁の丸みを帯びた成形は当該公報に記載されたような簡単な治具を準備すれば可能であり、後縁の閉止は溶接で対処させることができる。このように外皮だけで構成された羽根を例えば送風機一基あたり４ないし６枚作り、これを斜めの流路に配置し、翼根相当側を主板もしくはハブに、翼端相当側を側板に溶接すれば、一つの羽根車を形成させることができる。

エアフォイル羽根を流路に配置する際、厚みの少ない円弧翼に比べれば空間占有率の大きいエアフォイルは残余スペースを狭める関係で溶接による固定操作は容易でなくなる。しかし、翼面での剥離が少なくなって発生ノイズの低減が図られ、高揚力を発揮することにより加圧作用が高まって送風機性能の向上が期待される。

ところで、エアフォイル型の羽根には、例えばＮＡＣＡが空力データを採取した形状を再現させておかねばならない。しかし、翼を製作するにあたっては、空力的要求に対して製造上の要求を加味した妥協が余儀なくされる。上記した例で述べれば、後縁が薄い板の合わせ部になる点で、後縁が溶接ビードの存在と溶接歪みの残存により流れ方向に滑らかとならない。幾分かは鑢を当て溶接跡を修正できなくはないが、後縁にシャープさを与えようとするとビードを潰してしまい、また修正操作は残存ビードの薄厚や形状の不均一を招くおそれが高い。

いずれにしても、溶接の時点では外皮両端部でむらのない溶接肉盛を可及的に少ない量で達成し、しかも縁部が翼幅方向に溶融変形しないように入熱させる伎倆が要求される。一方、溶接後の手直し工程も不可欠となるが、その際の外皮の翼幅方向の溶接強度の不均等を助長してしまったり、羽根ごとに仕上がりの不揃いを生じさせる。歩留りを高くしようとすると製作工数が上がってしまい、低コスト化にも限界が生じる。

特開平１１−２０１０９１号公報 特開平９−４５９８号公報 特開平５−３０５３７６号公報

本発明は上記の問題に鑑みなされたもので、その目的は、円弧翼羽根の場合よりは空力特性に優れまた騒音の発生を減らすことができるようにするため羽根にエアフォイルを充て、薄い金属板を曲げ加工して二次元翼の羽根を製作するにあたり、羽根には可及的忠実に所望するエアフォイルを再現できること、エアフォイル後縁での溶接操作が容易でかつ溶接むらが生じにくくすること、翼外皮に残る溶接歪みの発生を抑えて外皮の面変形を少なくでき、また必要に応じて後縁を尖鋭に形成することも可能となるエアフォイル羽根を備えた斜流送風機を提供することである。

本発明は、送風機の主板と側板の間に掛けわたされた数枚の羽根が翼厚の変化するエアフォイルである斜流送風機に適用される。その特徴とするところは、図１を参照して、各羽根７は曲げ加工した一枚の金属薄板により形成される表皮構造とされ、その羽根７の表皮上面２１は採用エアフォイルの上面が後縁２２まで再現される一方、羽根７の表皮下面２３では表皮上面２１の後縁２２に至る手前でその後端２４がとどめられる。表皮下面２３の後端２４と表皮上面２１の裏面との当接線上に溶接ビード２５が施されて羽根７が外皮構造の中空体である。その溶接ビード２５は羽根の表皮下面２３の空間の一部を埋めてエアフォイルの再現を助成し、後縁２２の突端は表皮上面２１のみの一枚構造であって変形させることが容易となっていることである。

本発明によれば、曲げ加工された一枚の金属薄板による表皮のみでエアフォイルが形成され、それを斜流送風機の羽根としたので、同一動力で得られる遠心送風機よりは風量を多く確保でき、軸流送風機より高いヘッドを得ることができるにもかかわらず、比騒音を落とすことができる。薄い金属板を曲げ加工して得た外皮のみの二次元翼の中空構造羽根としているから、製作にあたっては安価な治具で成形でき、そのエアフォイルが簡単な板金加工操作により再現され、溶接による形状の熱変形もほとんど伴わせなくて済む。

表皮下面の後端と表皮上面の裏面との当接線上に溶接ビードを施すので、溶接は略平面上での作業であり、隅肉溶接的なビードの形成であって接合強度もビードの形状も均一なものとなりやすくなる。ビードは翼幅方向に真っ直ぐ延びるから、外皮に及ぼす溶接の影響が小さくとどめられる。

羽根の表皮上面は後縁に至るまでエアフォイルの上面が再現されるから、表皮下面が表皮上面の後縁に至る手前で途切れていても、所望するエアフォイルの空力特性を保ちやすくなる。したがって、加圧性能の向上が送風機性能を大いに高める。羽根の表皮下面では表皮上面の後縁に至る手前で後端がとどめられ、これによって羽根後縁近傍では採用エアフォイルの下面が不完全な再現となるが、溶接ビードの存在が空間の一部を埋めてエアフォイルの再現を助成する。

なお、後縁の下面では後縁に近づくにつれて所望エアフォイルと些か相違することになっても、後縁下面は空力特性に影響するところでないので、溶接ビードの存在が特に問題となることはない。後縁の突端は一枚構造となるゆえ、仮に後縁剥離があれば、その部分で表皮上面を意図的に変形させることも容易となる利点がある。

本発明に係るエアフォイル羽根の一例であって、（ａ）は上面俯瞰図、（ｂ）は下面仰瞰図。 エアフォイル羽根を備えた斜流送風機の縦断面図。 （ａ）は羽根の板取り状態展開図、（ｂ）は採用された翼厚が変化するエアフォイルの断面図。 薄板による表皮構造羽根の断面図で、（ａ）は表皮下面の後端が表皮上面の裏面に当接するまで直線的となるよう僅かに曲げられている例、（ｂ）は表皮上面の裏面に当接するまで円弧状に曲げられている例、（ｃ）は表皮上面の裏面に当接するまで波状に曲げられている例。 図４における丸囲み箇所の拡大図で、（ａ）は直線的に曲げられている例、（ｂ）は円弧状に曲げられている例、（ｃ）は波状に曲げられている例、（ｄ）は（ａ）の例にトリム処理を施した例。 側板を除去して吸込口側から見た羽根車の正面図。

以下に、本発明に係るエアフォイル羽根を備えた斜流送風機を、その実施の形態を表した図面に基づいて詳細に説明する。これは羽根がエアフォイル断面を持ち、図２の右側のエアインレット１から左側のエアアウトレット２に至る途中に設置された電動機３によって回転駆動される主板４と、この主板に対面する側板５との間の流路６に配置されるブレード７である。吸入される空気はインレットベーン８で整流され、羽根車９で加圧され、電動機周囲の流路に設けられたアウトレットベーン１０を通過して吐出される。羽根７に採用される翼形は翼厚が変化する後述するエアフォイルであるが、ステータベーン８，１０は安価に製造できる円弧翼となっている。なお、遠心送風機では主板も側板も概ねディスク状であるが、斜流送風機の場合、いずれもがコーン状をなす。

羽根車９は主板４もしくはハブ、羽根７、側板５からなり、主板４の回転により溶接で一体化されている羽根車９の全体が回転する。すなわち、数枚の羽根７が主板４と側板５の間に掛けわたされ、流路６を通過する空気を加圧する。なお、ケーシング１１は円筒体であり、羽根車９から出た流れをアウトレットベーン１０のある輪状空間へ導く。ケーシングの前面パネル１２には吸込口１３としての開口があり、その前面にネット１４が張られて、異物の吸引を防止する。インレットベーン８は前面パネル１２に固定されたベルマウス１５とベーンサポート１６との間に取りつけられ、羽根車９にはベルマウスと僅かな隙間を隔てて流路６を繋ぐリップ１７が設けられ、約４５度傾斜した加圧通路６への吸気の進入を容易かつ滑らかなものとしている。

羽根７に適用される翼形は上記各ベーンなどに採用された円弧翼とは異なり、図３の（ｂ）に示す例えばゲッチンゲン６２３形やＮＡＣＡのいずれかのエアフォイル１８が適用される。原則的には、円弧翼を配置するとして決められた位置が、キャンバラインとなるようにエアフォイル羽根７が配置される。翼厚が変化するエアフォイルは、円弧翼よりも空力特性の優れていることは言うに及ばないが、空気流の剥がれも少なくなる。

送風機の騒音は、Ｌ_A ＝Ｌ_SA ＋１０ｌｏｇ（Ｑ×Ｐt ² ）で与えられるが、そのレベルはエアアウトレット（吐出口）２から１メートル離れた位置で計測される。式中、Ｌ_A はノイズレベル（ｄＢ）、Ｌ_SAは比騒音レベル、Ｑは吐出量（ｍ³ ／分）、Ｐt は全圧（ｍｍＡｑ）である。本発明者の調査によると、同じ動力（ＫＷ）で駆動される送風機で円弧翼を採用の場合、送風機固有の比騒音Ｌ_SAが約２５であるのに対して、エアフォイルでは１７にまで低減することができた。したがって、送風機の性能をＱとＰt で与えれば、その送風機が発する騒音のレベルを容易に予見することができる。比騒音Ｌ_SAが小さければ、上の例でいえば、２５−１７＝８だけ、エアフォイルは低ノイズ羽根であることが分かる。

ところで、羽根７にエアフォイルを適用するにあたっては、板厚が例えば１．５ミリメートルである曲げ加工された一枚の金属薄板による表皮で形成した中空構造の羽根が対象とされる。その詳細は、図４に示すように、羽根７の重要な部分である表皮上面２１に所望エアフォイルの上面を後縁２２まで与える。これによって、表皮上面２１は完全にエアフォイルの負圧側の座標が再現されるから、次に述べるごとく表皮下面２３が表皮上面２１の後縁２２に至る手前で途切れていても、所望するエアフォイルの空力特性を保ちやすく、したがって加圧性能の向上が送風機性能を大いに高める。

一方、羽根７の表皮下面２３では表皮上面２１の後縁２２に至る手前で後端２４の位置がとどめられる。これによって、羽根後縁２２の近傍の下面では所望エアフォイルの下面が不完全な再現となるが、次に述べる図５にあるように、溶接ビード２５の存在が空間の一部を埋めてエアフォイルの再現を少しでも助成する。このエアフォイル後縁２２の下面は元々空力特性に影響を及ぼすことの小さい箇所であるから、所望するエアフォイルと幾らかの相違が生じていても、送風用の羽根として問題となることはほとんどない。

図５に示すように、表皮下面２３の後端２４と表皮上面２１の裏面との当接線上に溶接ビード２５が施され、羽根７が中空体とされる。その溶接された羽根の下面の溶接ビード２５は、図１の（ｂ）に示すように翼幅方向に対して平行で直線的に施される。したがって、翼幅のいずれの位置においても同一のエアフォイルを形成するが、これについては後で説明する。

図４は薄板による表皮構造羽根の断面図であるが、（ａ）のように表皮下面２３の後端２４が表皮上面２１の裏面に当接するまで直線的に僅かに跳ねていても、（ｂ）のように表皮上面２１の裏面に当接するまで円弧状に曲げられても、（ｃ）のように、波形に曲げておいてもよい。いずれの図でも曲がりは少々誇張して描かれているが、図５のごとく施された溶接ビード２５は必要に応じてグラインダを掛けるなどして、表面の凹凸が少なくされる。なお、図４と図５において後縁下に引かれた破線はエアフォイル正圧側の正規のプロフィールである。

成形前の板取りは図３の（ａ）に示す形とされ、所定の曲がりを与えると所望するエアフォイルとなり、主板と側板の間の流路に納まるように決められた外郭をなす。これを特許文献３に示されているなどの方法により変形させればよい。図中の細線の混みあった箇所は曲がりが激しいことを意味しており、表皮上面２１は後縁になるにつれて曲がりが緩やかであり、エアフォイルの負圧側の形（座標）を与える。一方、表皮下面２３では、翼前縁近傍を除けばほとんど曲がりのないことが示されている。

上記したように、表皮下面２３の後端２４と表皮上面２１の裏面との当接線上の板厚分の段差が生じたところに、隅肉溶接とはいっても被さるようにしてビード２５が形成される。溶接は略平面上での作業であり、個々の羽根７の下面である図１の（ｂ）に示すように、翼幅方向に連続して一律に施せばよいからビードの形状ならびに接合強度はばらつきにくいものとなる。ビード２５は翼幅方向に真っ直ぐ延びるので、外皮に及ぼす溶接の影響が最小限にとどめられる。必要に応じて点溶接して形を整えておけば、ビードの形成は都合のよい時期に行えばよく、スケジュール上など製造作業に柔軟性を持たせることができる。

図１の（ａ）は個々の羽根７の上面俯瞰図であり、（ｂ）は下面の仰瞰図である。羽根７に与えたエアフォイルは図中に二点鎖線を入れた方向に与えられ、翼幅方向には同一断面とされる。なお、図１において翼根部２８および翼端部２９が曲線となっているが、これは次に述べるごとく主板と側板とが存在することによるものである。それらの存在を無視した場合の矩形翼３０は図１の（ａ）に示した二点鎖線のとおりである。各翼弦におけるエアフォイル１８は同じ寸法とされている。羽根７は傾斜しかつ曲がっている流路を規制する主板や側板と干渉する部分は上記した矩形翼から当然に取り除かれた形であり、したがって符号の３１で示した翼根面は主板に密着し、３２で示した翼端面は側板に密着する。羽根７の主板や側板への接合はこの密着部の上面および下面での隅肉溶接によって行われる。

上で述べたごとく溶接ビード２５が安定したもとなるから溶接歪みは生じにくく、仮に手直しするにしても複雑な操作や熟練の勘を要することは少ない。ビード２５が例えば上面の外皮後端より１５ミリメートル程度に位置するなら、ビード２５から後方は一枚皮となるから、仮にその部分に意図的な変形を与えるにしても、下面に表皮がない分、操作は極めて容易となる。例えば 後縁剥離があれば、図５の（ｄ）のように後縁端を僅かに上方に跳ねてトリム３３したり、下方に曲げてコアンダ効果を生じさせたりフラップ作用を発揮させるなどの処理が可能となる。それを流速の高い側板寄りと遅い主板寄りとで違えるなど翼幅方向で変えておくこともできる。さらには、板厚が１．５ミリメートルとしても完全に後縁２２がシャープとなるわけではないが、鑢を当てれば尖鋭な後縁２２を形成することも容易となる。

このようにして製作された羽根７の例えば６枚を図６のように主板４の周りに配置し、翼根部２８を主板４との間で隅肉溶接する。溶接は翼弦全てに及ぶ必要はなく、遠心力その他の力を考慮して、例えば不連続ビードとしてもよい。翼端部２９は図示されない側板との溶接であり、主板でのそれよりも少ないビードとしておくことができる。溶接歪みの発生や程度を考慮してビードの位置や長さ、翼の上面側、下面側であることも配慮して決めればよい。

以上詳しく述べたことから分かるように、曲げ加工された一枚の金属薄板による表皮のみでエアフォイルが形成され、それを斜流送風機の羽根としたので、同一動力で得られる遠心送風機よりは風量が確保でき、軸流送風機よりは高いヘッドを得る。それにもかかわらず、羽根の空力特性の向上による加圧性能の向上で、比騒音は大幅に落とすことができる。

加えて、エアフォイルを薄い金属板の曲げ加工により得た外皮のみの中空構造の二次元翼の羽根としているから、製作にあたっては安価な治具で成形でき、そのエアフォイルが簡単な板金加工操作により再現され、溶接による形状の熱変形も可及的に抑えられ、極めて実用的な利点が発揮される。

４…主板、５…側板、７…羽根（ブレード）、９…羽根車、１８…エアフォイル、２１…表皮上面、２２…後縁、２３…表皮下面、２４…後端、２５…溶接ビード。

Claims (1)

1. 送風機の主板と側板の間に掛けわたされた数枚の羽根が翼厚の変化するエアフォイルである斜流送風機において、
   前記各羽根は曲げ加工した一枚の金属薄板により形成される表皮構造とされ、その羽根の表皮上面は採用エアフォイルの上面が後縁まで再現される一方、羽根の表皮下面では前記表皮上面の後縁に至る手前で後端がとどめられ、
   表皮下面の後端と表皮上面の裏面との当接線上に溶接ビードが施されて羽根が外皮構造の中空体でなり、前記溶接ビードは羽根の表皮下面の空間の一部を埋めてエアフォイルの再現を助成し、後縁の突端は表皮上面のみの一枚構造であって変形させることを容易となっていることを特徴とするエアフォイル羽根を備えた斜流送風機。