(57)【要約】【課題】高温気体の送風においても振動を生じることのない高温気体の送風に好適な送風機の羽根車及び送風機を提供すること。【解決手段】円柱状の回転軸１１と、回転軸１１に取り付けられたボス１２と、ボス１２に固定されボス１２の外周に放射状に延びる複数枚の翼１３とを備え、ボス１２はボス１２と回転軸１１の間に円周方向に等配した３個以上のキー１５で固定した。これにより常温から数百度の高温に至る気体を送風する際に回転軸１１とボス１２の温度差により回転軸１１とボス１２の間に発生する隙間による振動を抑制する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円柱状の回転軸と、
該回転軸に取り付けられたボスと、
該ボスに固定され該ボスの外周に放射状に延びる複数枚の翼とを備え、
該ボスは該ボスと前記回転軸の間に円周方向に配置した３個以上のキーで固定されたことを特徴とする羽根車。
【請求項２】
請求項１に記載の羽根車において、
前記３個以上のキーは円周方向に等配されていることを特徴とする羽根車。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の羽根車において、
前記キーは３個であることを特徴とする羽根車。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の羽根車において、
前記回転軸と前記ボスの間の温度差により、該回転軸と該ボスの間に温度差が無いときには存在しない隙間が生じることを特徴とする羽根車。
【請求項５】
ケーシングと、該ケーシング内に回転自在に配置された羽根車とを備えた送風機であって、前記羽根車に請求項１乃至４のいずれか１項に記載の羽根車を用いたことを特徴とする送風機。
【請求項６】
請求項５に記載の送風機において、気体温度が３００℃以上であることを特徴とする送風機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は送風機に関し、特に温度が数百度になる高温気体用送風機の羽根車、及び該羽根車を備えた送風機に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１、２は送風気体温度が数百度になる従来の高温送風機である両吸込遠心送風機の概略構成を示す図で、図１は水平断面図、図２はケーシング付近の断面図である。図示するように、送風機１００は、ケーシング１０１内に羽根車１１０が回転自在に配置された構成である。ケーシング１０１の両側面には吸込口１０２が設けられ、両側面の吸込口１０２の外周側には吸込配管１２０が接続されている。また、ケーシング１０１の外周所定位置には吐出口１０３が設けられている。
【０００３】
羽根車１１０は円柱状の回転軸１１１と、回転軸１１１に取り付けられた肉厚の円筒状のボス１１２と、ボス１１２に溶接等で固定され外周方向に放射状に延びる複数枚の翼１１３とを備えている。なお、１１４は翼１１３を補強するための補強板であり、翼１１３と翼１１３の間に位置し、内側辺がボス１１２の外周に溶接等で固定され、両側辺が翼１１３、１１３の面に溶接等で固定されている。ボス１１２はボス１１２と回転軸１１１の間に配置した１本のキー溝１１６に挿入されたキー１１５で固定されており、回転軸１１１を回転することにより、ボス１１２と補強板１１４で補強された複数の翼１１３が一体に回転するようになっている。
【０００４】
羽根車１１０の回転軸１１１の両端部は軸受（図示せず）により回転自在に支持されており、回転軸１１１を電動モータ等の駆動機で回転させると、一体的に複数枚の翼１１３も回転し、吸込配管１２０内の気体はケーシング１０１両側面に設けた吸込口１０２からケーシング１０１内に吸い込まれ、複数枚の翼１１３の回転により加圧され、吐出口１０３から吐き出される。なお、ボス１１２や回転軸１１１には、例えばステンレス鋼を用いている。
【０００５】
従来タービン等の高速回転機器では翼と回転軸をクリスマスツリー状の溝ではめあい、遠心力で固定することで回転体と翼の間にガタは生じなくなるが、加工が多量・煩雑かつ高精度ではめあい部も硬さが必要等材料制約も大きく、コスト的には大きなものとなる。
【０００６】
また、例えば従来技術として特開2009-287580号公報ではロータと回転軸を締結体を介して結合することで、ロータが回転軸よりも熱膨張係数の高い材料により形成されていてもトルクを伝達することが可能な機構が提供されている。
【０００７】
しかし上記特許は回転軸とロータの材料の熱膨張率の差に対しては有効であるものの、締結体の結合には圧入が使用されており、雰囲気温度変化による回転軸と締結体の温度差に対しては従来のしまりばめ固定と同じ問題点を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−２８７５８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記構成の送風機１００を温度が数百度の気体（例えば加熱炉排ガス）の送風に用いた場合、送風機の運転中に大きな振動が発生するという問題を生じる。送風機の運転中に大きな振動が発生することは、騒音源となるだけでなく、送風機１００の寿命にも影響を与えるという問題がある。
【００１０】
上記振動発生の原因は取扱気体が常温から数百度に上昇する場合、また数百度から常温に下降する場合等に主に回転軸１１１とボス１１２の間に温度差が生じ、温度差が無いときに存在しない回転軸１１１と羽根車１１０のボス１１２との間に隙間が発生し、隙間の発生により、回転軸１１１とボス１１２の間にガタツキが生じ、互いに振れ回ることにより、発生していたと考えられる。
【００１１】
振動の原因として熱膨張による回転軸１１１と羽根車１１０のボス１１２の熱伝達解析と熱応力解析をおこなった結果、回転軸１１１の径φ≒４４０ｍｍ、ボス１１２の径φ≒６５０ｍｍのもので、気体温度が常温から６００℃に上昇する場合、回転軸１１１とボス１１２との間では、最大で２００℃以上の温度差が生じ、そのため回転軸１１１とボス１１２との間に０．５〜２．０ｍｍ程度の隙間が生じることが分かった。気体温度６００℃での運転が継続すれば、ボス１１２だけではなく回転軸１１１の温度も上昇するため、温度差は小さくなり隙間も小さくなるから、ここで「温度差最大」という意味は、ボス１１２の温度が上昇したが、回転軸１１１の温度が低いためその温度差が最も大きいということである。
【００１２】
また、羽根車１００は常温において回転バランスを調整されているものの、高温への昇温時には熱膨張等によってアンバランスを生じているということも振動を誘発する原因の一つと考えられる。
【００１３】
上記振動を抑制するためには、回転軸１１１とボス１１２及び複数枚の翼１１３を一体に形成するということも考えられるが、コスト等を考えると実現は困難である。
【００１４】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、高温気体の送風においても振動を生じることのない高温気体の送風に好適な送風機の羽根車及び該羽根車を備えた送風機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の課題を解決するために、本発明は、円柱状の回転軸と、該回転軸に取り付けられたボスと、該ボスに固定され該ボスの外周に放射状に延びる複数枚の翼とを備え、該ボスは該ボスと前記回転軸の間に円周方向に配置した３個以上のキーで固定されたことを特徴とする羽根車を要旨とする。
【００１６】
また、本発明は、上記羽根車において、３個以上の前記キーは円周方向に等配されていることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明は、上記羽根車において、前記キーは３個であることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明は、上記羽根車において、前記回転軸と前記ボスの間の温度差により、該回転軸と該ボスの間に温度差が無いときには存在しない隙間が生じることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明は、ケーシングと、該ケーシング内に回転自在に配置された羽根車とを備えた送風機であって、上述の特徴を備えた羽根車を具備する送風機を要旨とする。
【００２０】
また、本発明は、上記送風機において、気体温度が３００℃以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、放射状に延びる複数枚の翼が固定されたボスと回転軸の間にあるキーが、ボスと回転軸の間に温度差が生じている送風機の運転時にあっても、キーは少なくとも円周方向において、回転軸とボスの相対的な動きを抑制できる作用を奏することから、円周方向に３個以上のキーを設けることにより、羽根車のボスと回転軸との間のガタツキを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来の高温送風機である両吸込遠心送風機の概略構成を示す水平断面図である。
【図２】図１に示す送風機のケーシング付近の断面図である。
【図３】本発明に係る羽根車を回転軸と共に示す垂直断面図である。
【図４】本発明に係る送風機である両吸込遠心送風機の概略構成を示す水平断面図である。
【図５】図４に示す送風機のケーシング付近の断面図である。
【図６】運転振動解析実験装置の構成を示す図である。
【図７Ａ】振動解析実験装置に用いた回転軸を除く羽根車の構成を示す水平断面図である。
【図７Ｂ】振動解析実験装置に用いた回転軸を除く羽根車の構成を示す垂直断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。図３は本発明に係る送風機の羽根車の垂直断面図である。本羽根車１０は円柱状の回転軸１１と、回転軸１１に取り付けられた肉厚の円筒状のボス１２と、ボス１２に溶接等で固定され外周方向に放射状に延びる複数枚（図では６枚）の翼１３とを備えている。翼１３と翼１３の間には翼１３を補強するための補強板１４が配置されている。補強板１４のボス側辺はボス１２の外周円周率と同じ円周率の円弧状で溶接等によりボス１２の外周面に固定されると共に、両側辺は直線状で翼１３の側面に溶接等で固定されている点は、図１、２に示す羽根車１１０と同じである。
【００２４】
本羽根車１０が羽根車１１０と異なる点は、回転軸１１の外周面とボス１２の内周面にキー溝１６を１２０度の等間隔で３個ずつ設け、キー溝１６とキー溝１６の間にキー１５を挿入し、ボス１２を３個のキー１５を介して回転軸１１に固定している点であり、他の構成は図１、２に示す従来の羽根車１１０と同じである。なお、回転軸１１とボス１２を構成する材料にはここではステンレス鋼（ここでは、ボス部にＳＣＳ１６Ａ、ボス部以外にＳＵＳ３１６を使用している）を使用している。
【００２５】
上記構成の羽根車を送風機の羽根車とし、数百度に達する高温の気体を送風すると、上述したように、回転軸１１とボス１２の間に温度差を生じ、これによる回転軸１１とボス１２の間に温度差が無かった場合には存在しなかった隙間が発生し、隙間の発生により、回転軸１１とボス１２の間にガタツキが生じ、運転中に互いに振れ回ることにより、振動が発生する。ここではボス１２と回転軸１１との間に円周方向に等間隔で３本のキー１５を介在させて、回転軸１１にボス１２を固定している。キー１５は円周方向において、回転軸１１とボス１２の相対的な動きを抑制できる作用を奏するから、円周方向に等配に３個キーを設けることにより、回転軸１１とボス１２とが半径方向に力（加振力）を受けても２つ以上のキー１５により両者の相対的な動きが抑制される。
【００２６】
回転軸１１とボス１２の間に配置される複数のキー１５は円周方向に等配されることが望ましい。円周方向に等配されるキー１５の数は４個以上でもよいが、キー１５の個数をコストや製造の容易性が犠牲になる。即ち、回転軸１１の外周面やボス１２の内周面に等配に精度よくキー溝１６を形成することや、キー溝１６に挿入されるキー１５の加工等が困難で加工費が嵩む等、その結果、キー１５の個数は３個が適切である。
【００２７】
図４、５は羽根車に上記本羽根車１０を用いた、本発明に係る送風機の概略構成を示す図で、図４は水平断面図、図５はケーシング付近の断面図である。本送風機２０が図１、２に示す送付機１００と異なる点は、羽根車に図３に示す構成の本羽根車１０を用いた点で、その他の点は同じである。即ち、ケーシング２１内に羽根車１０が軸受（図示せず）により回転自在に支持されて配置され、ケーシング２１の両側面には吸込口２２が設けられ、両側面の吸込口２２の外周側には吸込配管２３が接続されて、ケーシング２１の外周所定位置には吐出口２４が設けている点等は、図１、２に示す構成の送風機と同じであり、回転軸１１を回転させると、一体的に複数枚の翼１３も回転し、吸込配管２３内の気体はケーシング２１両側面に設けた吸込口２２からケーシング２１内に吸い込まれ、複数枚の翼１３の回転により加圧され、吐出口２４から吐き出される。
【実施例】
【００２８】
本発明の効果を確認するため、図７Ａ、７Ｂに示す本発明に係る羽根車の回転軸の無い羽根車モデル１０′を製作し、羽根車モデル１０′を図６に示すように回転軸３１に固定し、図６に示す運転振動解析実験装置３０で回転実験を行った。運転振動解析実験装置３０は図示すように、回転軸３１を回転自在に支持する油浴潤滑軸受３２、３３を備え、回転軸３１に羽根車モデル１０′を３個のキーで固定し、電動機（図示せず）で回転軸３１を回転させ、運転振動解析実験装置３０の軸受３２又は軸受３３で振動を測定した。その条件を表１に示す。
【表１】
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【００２９】
表１において、「実施例」は回転軸３１に羽根車モデル１０′を３個のキーでボス１２′内周面と回転軸３１の外周面の間に高温昇温時の隙間を形成して固定している。また、「比較例１」は回転軸３１に羽根車モデル１０′を１個のキーと焼き嵌めにより固定（ボス１２′内周面と回転軸３１の外周面に隙間なし）し、「比較例２」は回転軸３１に羽根車モデル１０′を１個のキーと焼き嵌め固定（ボス１２′内周面と回転軸３１の外周面に隙間なし）し、「比較例３」は回転軸３１に羽根車モデル１０′を１個のキーと焼き嵌めにより固定（ボス１２′内周面と回転軸３１の外周面に隙間有り）している。なお、羽根車モデル１０′には、図７Ａ、７Ｂに示すように翼１３′の所定の位置にアンバランサ（アンバランサウエイト１７）を設ける場合があり、「実施例」、「比較例２」、「比較例３」はアンバランサを設け、「比較例１」はアンバランサを設けていない。
【００３０】
また、羽根車モデル１０′は、ボス１２′の内径（回転軸３１に取り付ける部分の内径）径φ１＝１６５、ボス１２′の外径φ２＝２５０、羽根車モデル１０′の外径（翼１３′外径）φ３＝７８０とし、ボス１２′内周面（回転軸３１に取り付ける部分の内面）には周方向に均等に配置した３個のキー溝１６′を設けた構成とし、羽根車モデル１０′を３個のキーで回転軸３１に固定している。羽根車モデル１０′を装着（固定）の回転軸３１の両端部を運転振動解析実験装置３０の軸受３２及び軸受３３に枢着し、回転数８９０ｒｐｍで回転する。このときケーシングの吸込口及び吐出口は省略している。運転時（羽根車モデル１０′回転時）の気体温度（気温）は常温としている。
【００３１】
表１において、「比較例１」はボス１２′内周面と回転軸３１の外周面の間に隙間がない状態、即ち回転軸３１に羽根車モデル１０′を１個のキーと焼き嵌めにより固定した従来技術の気体が高温になる前の状態を想定している。また、「比較例２」は回転バランスが悪化し、ボス１２′内周面と回転軸３１の外周面の間に隙間がない状態を想定している。また、「比較例３」は回転バランスが悪化し、ボス１２′内周面と回転軸３１の外周面の間に隙間が生じた状態、即ち従来技術の軸とボスの温度差が最大となった状態を想定している。
【００３２】
また、表１において、「締め代」は、回転軸３１とボス１２′の幾何公差により設定される。通常、ボス１２′は回転軸３１に対して焼き嵌めされ、締め嵌めとなっている。焼き嵌めでは、０．００７ｍｍ〜０．０３５ｍｍの締め代を設定した。「隙間有り」では、０．７ｍｍ程度の隙間（上記段落「０００８」の解析時のサイズに換算すると２ｍｍ程度の隙間に相当）となるように設定している。また「アンバランス」の有無とは、熱膨張等による羽根車の回転バランスの悪化を模擬するためのもので、図７Ａ、７Ｂに示すように一部の翼１３′アンバランサウエイト１７を溶接で取り付けることで、故意にバランスを崩している。なお、アンバランサウエイト１７は縦横８０ｍｍ×８０ｍｍ、厚さ６ｍｍ、重さ３６０ｇの矩形状の板材をその中心がボス１２′の回転中心から半径３４０ｍｍ離れた位置に位置するように配置固定している。
【００３３】
各例で、軸受での振動を測定した結果を表２に示す。表２において、各要素の単位は、振幅［μｍ］（ピークｔｏピーク）、速度［ｍｍ／ｓ］、加速度［Ｇ（Ｒ.Ｇ.Ｍ）］である。
【表２】
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【００３４】
「実施例」では、表２（ａ）に示すように、
・水平方向の、振幅＝２３．０、速度＝０．９２、加速度＝０．０２６
・垂直方向の振幅＝２．２、速度＝０．２９、加速度＝０．０２３
・軸方方向の振幅＝９．０、速度＝１．００、加速度＝０．０１６
である。
【００３５】
「比較例１」では、表２（ｂ）に示すように、
・水平方向の、振幅＝２．８、速度＝０．３６、加速度＝０．０１６
・垂直方向の振幅＝０．６、速度＝０．１１、加速度＝０．０２４
・軸方方向の振幅＝３．２、速度＝０．６、加速度＝０．０１６
である。
【００３６】
「比較例２」では、表２（ｃ）に示すように、
・水平方向の、振幅＝２８．５、速度＝１．０、加速度＝０．０１８
・垂直方向の振幅＝２．１、速度＝０．１２、加速度＝０．０２８
・軸方方向の振幅＝６．８、速度＝０．４４、加速度＝０．０１４
である。
【００３７】
「比較例３」では、表２（ｄ）に示すように、
・水平方向の、振幅＝３６．０、速度＝５．８、加速度＝０．２
・垂直方向の振幅＝１２．０、速度＝１．９、加速度＝０．４
・軸方方向の振幅＝３２．０、速度＝３．６、加速度＝０．２
である。
【００３８】
上記のように「実施例」の数値は何れも回転アンバランスのみを生じている「比較例２」と同等の値となっており、「比較例３」に較べて著しく数値が小さくなっている。回転軸３１に羽根車モデル１０′を３個のキーにより固定することにより、効果的に振動を抑制できることが実験的に確認できる。「比較例３」では、軸受付近でのボス１２′と回転軸３１とが接触したと思われる音といった異音が発生したが、「実施例」ではそのような異音の発生はなく、「比較例１」に較べれば振動は大きいものの、許容できる範囲にある。このように回転軸３１に羽根車モデル１０′を３個のキーにより固定することにより、振動を抑制できるため、羽根車や回転軸、軸受等の寿命を延ばすことができる。
【００３９】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。なお、直接明細書、面に記載がない何れの形状や構造であっても、本発明の作用効果を奏する以上、本発明の技術範囲である。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、複数枚の翼が固定されたボスはボスと回転軸の間に円周方向に配置した３個以上のキーで固定された放射状に延びる複数枚の翼が固定されたので、ボスと回転軸の間に温度差が生じている送風機の運転時にあっても、キーは少なくとも円周方向において、回転軸とボスの相対的な動きを抑制できる作用を奏することから、羽根車のボスと回転軸との間のガタツキを防止できる。よって、回転軸とボスの間に温度差によって回転軸とボスの間に隙間が発生することにより発生する振動を抑制できる高温気体用の送風機の羽根車として利用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１０    羽根車
１０′    羽根車モデル
１１    回転軸
１２    ボス
１２′    ボス
１３    翼
１３′    翼
１４    補強板
１５    キー
１６    キー溝
２０    送風機
２１    ケーシング
２２    吸込口
２３    吸込配管
２４    吐出口
３０    実験装置
３１    回転軸
３２    軸受
３３    軸受
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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