(57)【要約】【課題】冷却塔に組み込まれる送風機を開発するにあたり、送風機の各評価項目をシミュレーションによって解析し、その際に適切な順序で各評価項目を解析する手法を見出して設計時間を短縮し、開発に要する時間とコストの削減を図る。【解決手段】送風機の設計を以下の１）〜５）処理プロセスを経て行なう。１）羽根の長さと翼型を選定する工程２）羽根を送風機内に設置したときのケーシングとの接触の有無を判定する工程３）送風機を作動させたときの送風機周りに生じる乱流エネルギー、羽根に作用する風圧を導出する流体解析工程４）導出された風圧と回転時の遠心力が作用したときの応力が所定値以下であるか否かを判定する強度評価工程５）導出された風圧と遠心力が羽根に作用したときの羽根の変形量が所定値以下であるか否かを判定する変形量評価工程【選択図】図４
2017101590.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却塔に組み込まれる送風機の設計方法において、
ハブを中心に回転する羽根の長さと翼型を選定する工程と、
前記選定された羽根を送風機内に設置したときの送風機のケーシングとの接触の有無を判定する工程と、
前記選定された羽根が取り付けられた送風機を作動させたときに生じる乱流エネルギーや羽根に作用する風圧を導出する流体解析工程と、
前記選定された羽根に前記流体解析工程で導出された風圧と回転時の遠心力が作用したときの応力が所定値以下であるか否かを判定する強度評価工程及び同じく前記風圧と遠心力が羽根に作用したときの羽根の変形量が所定値以下であるか否かを判定する変形量評価工程からなる構造解析工程と、
の各工程を経て送風機を設計することを特徴とする送風機の設計方法。
【請求項２】
選定された羽根を送風機内に設置したときの送風機のケーシングとの接触の有無の判定は、羽根が取付けられるハブの回転中心を原点Ｏ、原点Ｏから羽根の根元部分の中心を垂直に貫いて羽根の先端へと伸びる直線をｘ軸、原点Ｏから羽根が回転する向きへｘ軸と位相を９０度ずらしてｘ軸と直交して伸びる直線をｙ軸、原点Ｏを通るハブの回転軸方向に沿った直線をｚ軸にとり、円筒状のケーシングの半径Ｒをとしたときに、ケーシングの横断面の内部空間が以下の式（１）で表わされるｘｙｚ座標空間を設定して行なわれ、
選定された羽根の長手軸方向の最大寸法をＸ、羽根の短手幅方向の最大幅寸法をＹ、羽根の上下方向の最大高さ寸法をＺとしたときに、以下の式（２）の条件を満たせば羽根とケーシングとの接触が生じないと判定することを特徴とする請求項１に記載の送風機の設計方法。
式（１）    Ｘ２＋Ｙ２＝Ｒ２ 
式（２）    Ｘ２＋Ｙ２＋Ｚ２＜Ｒ２
【請求項３】
冷却塔に組み込まれる送風機を設計するための装置であって、
ハブを中心に回転する羽根の少なくともその長さと翼型を設定する手段と、
前記選定された羽根を送風機内に設置したときの送風機のケーシングとの接触の有無を判定する手段と、
前記選定された羽根が取り付けられた送風機を作動させたときの送風機周りに生じる乱流エネルギーや羽根に作用する風圧を導出する流体解析処理手段と、
前記選定された羽根に導出された風圧と回転時の遠心力が作用したときの応力が所定値以下であるか否かを判定する強度評価手段と、
同じく前記風圧と遠心力が羽根に作用したときの羽根の変形量が所定値以下であるか否かを判定する変形量評価手段と、
の各処理手段を備えて構成される送風機の設計装置。
【請求項４】
羽根とケーシングの接触の有無を判定する手段は、
羽根が取付けられるハブの回転中心を原点Ｏ、原点Ｏから羽根の根元部分の中心を垂直に貫いて羽根の先端へと伸びる直線をｘ軸、原点Ｏから羽根が回転する向きへｘ軸と位相を９０度ずらしてｘ軸と直交して伸びる直線をｙ軸、原点Ｏを通るハブの回転軸方向に沿った直線をｚ軸にとり、円筒状のケーシングの半径Ｒをとしたときに、ケーシングの横断面の内部空間が以下の式（１）で表わされるｘｙｚ座標空間を設定し、
選定された羽根の長手軸方向の最大寸法をＸ、羽根の短手幅方向の最大幅寸法をＹ、羽根の上下方向の最大高さ寸法をＺとしたときに、以下の式（２）の条件を満たせば羽根とケーシングとの接触が生じないと判定する処理プログラムをコンピュータに実行させ、情報入力手段で前記Ｘ、Ｙ、Ｚ及びＲの数値を入力し、判定結果を情報表示手段に表示出力するように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の送風機の設計装置。
式（１）    Ｘ２＋Ｙ２＝Ｒ２ 
式（２）    Ｘ２＋Ｙ２＋Ｚ２＜Ｒ２
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却塔に組み込まれる送風機の設計方法に係り、送風機に装備する羽根の型や長さに基づいて新規な送風機を効率的に設計するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
冷却塔に組み込まれる送風機はその送風能力に比例して騒音が大きくなる傾向があることから、騒音対策に関する技術がこれまでにいくつか開示されている。そのうちの一つに、送風機の羽根の外周端部に吐き出し側へ立設した翼端板を一体に設けることで、大がかりな部材を用いることなく騒音の低減を図った構成のものが知られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−９６３０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記羽根の形状の改良は送風機の騒音を低減する手段として極めて有効である。
然し乍ら、新規に冷却塔とこれに組み込む送風機を開発する場合、冷却塔に必要とされる冷却能力に応じた風量が確保されるように羽根の大きさや形状を選定して送風機を設計したとしても、送風機を作動させたときに発生する騒音の大きさは、実際に羽根を製造して送風機を実作動させて測定しなければ得ることができかった。
また、前記外周端部に翼端板を有する羽根を備えた送風機を設計する場合、翼端板を有する羽根は翼端板のない羽根と比較して、取付角によってケーシングとのクリアランスが大きく変動し、翼端板の高さを少しでも変えると羽根の変形量が大きく変わってしまうこと、また、羽根は翼の回転時に遠心力を受けることで送風機のケーシング側へ外傾し、その外傾によって羽根がケーシングと接触および衝突することが起き得るため、設計時点で衝突の有無が判明せず、翼端板を有する羽根を選定し羽根を作製して送風機を作動させたときに初めて、羽根が送風機のケーシングに衝突するという事態が明らかとなることがあった。
【０００５】
新たに送風機を開発し製品化するにあたって評価が必要な前記騒音、羽根の衝突の有無と作用する応力といった項目は、例えば羽根の衝突はその大きさや形状を変えることで改善することができるが、羽根の大きさや形状を変化させることに伴って前記騒音や応力などの他の評価項目が全て変化してしまう。そのため、現状の新たな送風機の開発は、カットアンドトライで大きさや形状が異なる羽根を装備した送風機を設計し、これを逐次製造し実作動させながら前記評価項目を判定して行なわざるを得ず、再設計が必要となれば羽根の金型を作り直すことによる多大の時間とコストを要する可能性があった。
【０００６】
勿論、送風機を設計する段階で前記各評価項目をシミュレーションによって解析することは可能であるが、例えば解析処理に時間を要する羽根に作用する応力の解析結果が良好であると判定されたが、その後、比較的短時間で判定が可能な羽根の衝突の有無について判定を行なった結果、羽根がケーシングに衝突することが判明したときは、その羽根を使用することができず、最初から設計をやり直す必要がある。前記各評価項目をシミュレーションによって解析するときは、各項目について適切な順序で解析を実施しないと再設計に時間を要する虞がある。
【０００７】
本発明は従来技術の有するこのような問題点に鑑み、冷却塔に組み込まれる送風機を新たに開発するにあたり、送風機の各評価項目をシミュレーションによって解析し、その際に適切な順序で各評価項目を解析する手法を見出して設計時間を短縮し、開発に要するコストを削減することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するため本発明は、冷却塔に組み込まれる送風機の設計方法において、
ハブを中心に回転する羽根の長さと翼型を選定する工程と、
前記選定された羽根を送風機内に設置したときの送風機のケーシングとの接触の有無を判定する工程と、
前記選定された羽根が取り付けられた送風機を作動させたときに生じる乱流エネルギーや羽根に作用する風圧を導出する流体解析工程と、
前記選定された羽根に前記流体解析工程で導出された風圧と回転時の遠心力が作用したときの応力が所定値以下であるか否かを判定する強度評価工程及び同じく前記風圧と遠心力が羽根に作用したときの羽根の変形量が所定値以下であるか否かを判定する変形量評価工程からなる構造解析工程と、
の各工程を経て送風機を設計することを特徴とする。
【０００９】
また、本発名の送風機の設計方法は、前記選定された羽根を送風機内に設置したときの送風機のケーシングとの接触の有無の判定を、羽根が取付けられるハブの回転中心を原点Ｏ、原点Ｏから羽根の根元部分の中心を垂直に貫いて羽根の先端へと伸びる直線をｘ軸、原点Ｏから羽根が回転する向きへｘ軸と位相を９０度ずらしてｘ軸と直交して伸びる直線をｙ軸、原点Ｏを通るハブの回転軸方向に沿った直線をｚ軸にとり、円筒状のケーシングの半径Ｒをとしたときに、ケーシングの横断面の内部空間が以下の式（１）で表わされるｘｙｚ座標空間を設定して行なわれ、
選定された羽根の長手軸方向の最大寸法をＸ、羽根の短手幅方向の最大幅寸法をＹ、羽根の上下方向の最大高さ寸法をＺとしたときに、以下の式（２）の条件を満たせば羽根とケーシングとの接触が生じないと判定することを特徴とする。
式（１）    Ｘ２＋Ｙ２＝Ｒ２ 
式（２）    Ｘ２＋Ｙ２＋Ｚ２＜Ｒ２
【００１０】
送風機の設計プロセスを構成する前記処理工程は、パーソナルコンピュータなどの情報処理端末で、２次元ＣＡＤや３次元ＣＡＤソフト、流体解析ソフト、構造解析ソフトなどのシミュレーションソフトウェアやアプリケーションプログラムを実行させることによる設計装置により実施することが可能である。
すなわち、前記送風機の設計方法は、ハブを中心に回転する羽根の少なくともその長さと翼型を設定する手段と、前記選定された羽根を送風機内に設置したときの送風機のケーシングとの接触の有無を判定する手段と、前記選定された羽根が取り付けられた送風機を作動させたときの送風機周りに生じる乱流エネルギーや羽根に作用する風圧を導出する流体解析処理手段と、前記選定された羽根に導出された風圧と回転時の遠心力が作用したときの応力が所定値以下であるか否かを判定する強度評価手段と、同じく前記風圧と遠心力が羽根に作用したときの羽根の変形量が所定値以下であるか否かを判定する変形量評価手段との各処理手段を備えた設計装置によって実施可能である。
例えば前記羽根とケーシングの接触の有無を判定する手段は、前記ｘｙｚ座標空間を設定し、情報入力手段から入力される、前記羽根の長手軸方向の最大寸法Ｘ、短手幅方向の最大幅寸法Ｙ、上下方向の最大高さ寸法Ｚ及びケーシングの半径Ｒを基にして、前記接触の有無を判定処理する処理プログラムをコンピュータに実行させることにより構成することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の設計方法によれば、送風機を設計する際に適切な順序で各種解析を実施することで、例えば各判定・評価にあたり不適切であった項目を、その判定結果を反映させて再設計が可能であり、判定結果を後に実行する解析において有効活用することができ、再設計による評価をスムーズに行なって設計時間の短縮を図ることが可能である。また、羽根がケーシングに衝突しないための適切なクリアランスの確保、且つクリアランス、すなわち羽根の長さの最適化による適切な風量の確保が可能であり、送風機を実作動させたときの騒音をある程度予想することができるとともに、羽根を適切な応力に設計し製品化することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】冷却塔の一例の外観図である。
【図２】図１の冷却塔を概略的に示した断面図である。
【図３】送風機を概略的に示した平面図である。
【図４】本発明により送風機を設計する処理工程をフローチャートで示した図である。
【図５】送風機の羽根の一例の外観図である。
【図６】ケーシングと羽根の接触判定に用いる座標系を説明するための図である。
【図７】羽根の取付角の軸を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の好適な実施形態を、図面を参照して説明する。
図１及び図２は、本発明により設計した送風機を組み込んだ冷却塔の一例を示しており、図示した冷却塔１は冷却塔本体２と冷却塔本体２の上部に設置される送風機３を備えて構成されている。
【００１４】
詳しくは、冷却塔１は、冷却塔本体２の内部に熱交換器２１、側面にはルーバー２２がそれぞれ設けられ、送風機３に備えられたモータ（図示せず）を駆動することにより、ルーバー２２を通して冷却塔本体２内に外気を取り込み、取り込んだ外気を、熱交換器２１内を流通する循環熱媒体に直接又は間接的に強制的に接触させることで外気と循環熱媒体との間で熱交換を行って熱媒体を冷却するように構成してある。
【００１５】
また、送風機３は、図３に示されるように、モータ（図示せず）の回転軸に設けられたハブ３１に、ハブ３１を中心にして回転する複数枚の羽根３２を取り付け、羽根３２の周囲を円筒状のケーシング３３で覆って構成してある。
【００１６】
このような送風機３の設計は、送風機３を作動させたときに発生する騒音、羽根３２とケーシング３３との衝突の有無、羽根３２に作用する応力といった評価項目をシミュレーションによる解析を通じて、具体的には、羽根３２の選定工程、３ＤＣＡＤモデルを用いた羽根の接触判定工程、流体解析工程及び構造解析工程の各工程の処理を順次実施することで行なうことができる。
なお、設計処理は、キーボードなどの情報入力手段や表示ディスプレイなどの情報表示手段を備えたパーソナルコンピュータなどの情報処理端末で、２次元ＣＡＤや３次元ＣＡＤソフト、流体解析ソフト、構造解析ソフトなどのシミュレーションソフトウェアやアプリケーションプログラムを実行させ、設計に必要な情報を逐次入力し処理結果を表示処理して行なわれる。
【００１７】
より詳しくは、図４は、送風機３の設計にあたり行なわれる情報処理のフローチャートを示している。同図中、Ｓ１は羽根３２の選定工程の処理ステップ、Ｓ２，Ｓ３は３ＤＣＡＤモデルを用いた羽根の接触判定工程の処理ステップ、Ｓ４は流体解析工程の処理ステップ、Ｓ５，Ｓ６は構造解析工程の処理ステップである。
【００１８】
送風機３の設計手順を、図４を参照して説明すれば、先ず、Ｓ１において使用する羽根３２の長さや翼型を選定する。
【００１９】
羽根３２の選定は、２次元ＣＡＤソフトを使用した送風機３の設計処理であり、例えば以下のようにして行なわれる。
図５は送風機３の羽根３２とケーシング３３の位置関係を示し、同図中、符号Ｄはケーシング３３の内径、Ｌはハブ３１の中心から羽根３２の先端に亘る羽根３２の長さ、Ｃは羽根３２の先端とケーシング３３の間のクリアランス、Ｈは羽根３２の先端に設けられた翼端板の高さを示している。
同図において、例えばケーシング３３の内径Ｄを１８００ｍｍ、この寸法のケーシング３３内に設置することができる羽根３２の最大長さＬを９００ｍｍ、クリアランスＣを５ｍｍ、翼端板の高さＨを５０ｍｍなどと設定し、また、翼型（羽根の形状）を「ＮＡＣＡ６５−００６」などと特定して設定する。
この際、羽根３２を回転させたときに生じることが予想される羽根３２の変形量（例えば１ｍｍ）も仮設定しておく。ここで、送風機３を作動させて羽根３２が回転すると、羽根３２に作用する遠心力と風圧によって羽根３２に変形が生じ、羽根３２の先端部分はケーシング３３に近づいてクリアランスＣが狭まることとなる。よって、クリアランスＣは前記で定めた「５ｍｍ」に予想変形量「１ｍｍ」を加えた６ｍｍに設定され、この羽根３２の変形も考慮したクラアランスＤの設定値から、先に設定した羽根３２の長さは８９４ｍｍ（９００ｍｍ―６ｍｍ）に変えて再設定する。そして、２次元ＣＡＤに前記各設定数値を入力して送風機３の設計を行なう。
【００２０】
次いで、Ｓ２において前記選定した羽根３２の形状を後述する解析処理で用いることができるように、前記２次元ＣＡＤで作成及び設定したデータを基に、３次元ソフトを使用して羽根３２の３ＤＣＡＤモデルを作成する。前記羽根３２の選定工程で特定した翼型は羽根の長手方向における断面形状の選択であり、選択した翼型同士を滑らかなカーブで繋ぎ合せることにより、羽根３２の３次元モデルを得ることができる。
【００２１】
３ＤＣＡＤモデルは、羽根３２をケーシング３３内に設置した状態の送風機３の３次元形状であり、羽根３２とケーシング３３の位置関係から羽根３２を回転させたときにケーシング３３に接触するか否かの一次判定を行なうことが可能である。
接触の有無は、Ｓ１で仮入力した羽根３２の変形量を加味して判定される。なお、後述するＳ５，Ｓ６の構造解析の判定結果により羽根３２の選定及び３ＤＣＡＤモデルの再設計を行なう場合、通常、設計が変わっても翼型や長さが大きく変わらない限り、羽根３２の変形量は大きく変化することはないため、２サイクル目以降の再設計においては、Ｓ６の構造解析で求めた変形量を加味して接触判定を行なうことができる。
また、図５に示された翼端板を備えた羽根３２を使用する場合、翼端板の高さを変えると羽根３２の変形量が大きく変わるため、接触判定に関しては翼端板の高さの変更比分だけ変形量を変化させることで適正な接触判定を行なうことが可能である。
このとき、後述する羽根３２の軸方向での回転によって、ケーシング３３とのクリアランスＣが変化するため、最初の設計工程では勿論のこと、使用が想定される羽根３２の回転時においても接触が起こらないことを確認する。接触が起こった場合、前記Ｓ１の処理ステップに戻り、回転中心位置から接触した部位の長さを短くすることで接触を回避する設計に変更する。
【００２２】
Ｓ２における３ＤＣＡＤモデルを基にして、Ｓ３で羽根３２とケーシング３３との接触の有無を判定する。
【００２３】
羽根３２は、送風機３に要求される冷却性能に応じてハブ３１との取付角が適宜に調整される。それにより、羽根３２の先端部分とケーシング３１との距離が変化するが、どのような取付角であっても、接触が生じないようにするため、所定の大きさのクリアランスＣは確保しておく必要がある。
クリアランスＣを確保するための接触の有無の判定は、例えば以下の数式処理により行なうことができる。
【００２４】
図６は送風機３の上部における羽根３２とケーシング３３の配置を示しており、同図において、回転体である羽根３２の回転中心、つまり羽根３２が取り付けられたハブ３１の中心位置Ｏにｘｙｚ座標空間の原点（０，０，０）をとる（図５参照）。この座標のｘ軸はハブ３１の中心から羽根３２の根元部分の中心を垂直に貫いて羽根３２の先端へと伸びる軸、ｙ軸はｚ軸と直交していてハブ３１の中心から羽根３２が回転する向きへ位相を９０度ずらした軸である。また、ｚ軸はｘ，ｙ両軸と垂直に交差した軸であり、このｚ軸の原点は羽根３２の根元部分をハブ３１に固定する際に用いる円形クランプの中心点とする。このようにして定められた座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の原点を基にして、設計する羽根３２の全ての部位を前記座標で示すことができる。
ここで、ｘｙｚ座標空間上の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）で表わされる変数は、Ｘが羽根３２の長手軸方向の最大寸法、Ｙが羽根３２の短手幅方向の最大幅寸法、Ｚが羽根３２の上下方向の最大高さ寸法であり、翼端板を有する羽根３２では翼端板の高さ寸法である。
【００２５】
一方、ケーシング３３の横断面の内側空間は、ケーシング３３とハブ３１の中心が同じであることから、前記座標において、ケーシング３３の半径（Ｄ／２）をＲとして以下の方程式で表わすことができる。
Ｘ２＋Ｙ２＝Ｒ２ 
なお、ケーシング３３はＺ軸方向に沿って同じ形状であるため、ｚ軸のパラメータは取り扱う必要がない。
ここで、Ｓ１の処理工程で設定したケーシング３３の直径Ｄは１８００ｍｍであり、前記方程式の右辺は以下の数値となる。
（半径Ｒ）２＝（９００）２＝８１００００
つまり、ハブ３１の中心を原点とする座標系の羽根３２のｘ軸とｙ軸の数値、換言すれば前記方程式の左辺の数値が上記数値よりも大きいとケーシング３３に羽根３２が衝突することとなる。
Ｘ２＋Ｙ２＞８１００００
一方、前記方程式の左辺の数値が上記数値よりも小さいとケーシング３３に羽根３２が衝突しないこととなる。
Ｘ２＋Ｙ２＜８１００００
【００２６】
前述の通り、羽根３２はハブ３１に対して取付角、すなわち図７に示される、前記ｘ軸の軸廻りの羽根３２の取付け角度を適宜に調整して取付けられることから、所定の取付角で羽根３２を取付けたときにケーシング３３との衝突がないことが確認できても、別の取付角に変更したときには衝突が生じる可能性がある。これは座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が取付角によって変化することによる。
ここで、座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の点において、取付角が変わることで、この点の変化した座標が（Ｘ’，Ｙ’，Ｚ’）であっても、｜ＸＹＺ｜＝｜Ｘ’Ｙ’Ｚ’｜である。
取付角を変えたときの衝突の有無は、Ｚ軸を含む座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の中心からの距離で捉えて判断する。
すなわち、羽根３２がケーシング３３に衝突しない条件を整理すると、
｜ＸＹＺ｜≧｜ＸＹ｜の関係が常に成り立つため、
Ｘ２＋Ｙ２＋Ｚ２≧Ｘ２＋Ｙ２である。
上述の衝突の判定式は、Ｘ２＋Ｙ２＜８１００００  であったので、
Ｘ２＋Ｙ２＋Ｚ２≧Ｘ２＋Ｙ２より、
衝突の判定式はＸ２＋Ｙ２＋Ｚ２＜８１００００  のように書き直すことができる。
以上から、羽根３２上のある座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が、Ｘ２＋Ｙ２＋Ｚ２＜８１００００を満たすとき、どんな取付角であってもケーシング３３との衝突が起きないと判断することができる。
例えば、Ｘ＝８９０、Ｙ＝１００、Ｚ＝１０の位置であれば、
Ｘ２＋Ｙ２＋Ｚ２＝８０２２００  となって衝突は起こらないと判断することができ、一方、ＸとＹは前記数値でありＺ＝１００の位置であるときは、
Ｘ２＋Ｙ２＋Ｚ２＝８１２１００  となって衝突が起こると判断することができる。
【００２７】
上記接触の有無の判定の結果、接触が生じている場合はＳ１に戻って羽根３２を再選定し、接触がない場合はＳ４の処理へと移行する。
なお、Ｓ１における羽根３２を再選定は、羽根３２の長さＬを短くすることでクリアランスＣを確保することでケーシング３３との接触余裕を織り込んで回避可能であり、長さＬの変更は羽根３２の先端をカットしたり羽根３２の全体を縮小化したりして行なうことができる。
【００２８】
前記接触の有無の判定後、Ｓ４において、前記３ＤＣＡＤモデルを基に流体解析ソフトを使用して、羽根３２が取り付けられた送風機３を作動させたときの送風機３の周りに生じる乱流エネルギーと、羽根３２に作用する風圧を導出する。
流体解析においては、初期設計候補が複数ある場合の翼端板の違いによる乱流エネルギーの値を確認するとともに翼にかかる風圧の出力を行う。
このとき、乱流エネルギーの値は回転開始から一定時間までは安定しないため、安定してきた時間での値を読み取り、比較するものとする。
乱流エネルギーなどの解析結果で送風機３を実作動させたときに発生する騒音値の傾向をある程度予測する。
すなわち、解析の結果が例えば、２０ｍｍの高さの翼端板を有する羽根３２で乱流エネルギーの値が０．６ｍ２／ｓ２、同じく翼端板の高さが４０ｍｍのものでは０．４ｍ２／ｓ２と計算される場合、騒音は乱流エネルギーと相関性があるとみられており、上記比較から、乱流エネルギーの小さい４０ｍｍの高さの翼端板を有する羽根３２の採用が望ましいと判断することができる。
この羽根３２にかかる風圧が羽根の陽圧面で１００Ｐａ、陰圧面で−１００Ｐａであれば、これを次工程の構造解析に反映させることができる。
【００２９】
次いで、Ｓ５において羽根３２の強度を評価する。
具体的には、前記解析で導出した風圧を基に、構造解析ソフトを使用して、羽根３２を回転させることに伴い羽根３２に遠心力が作用したときの応力を導出し、羽根３２の強度設計が適正か否かを判定する。
例えば羽根３２の強度の所定値として応力が１０ＭＰａ以下であると設定し、応力が所定値以下であればＳ６に移行し、応力が所定値より大きいときには、応力低減を図るためにＳ１に戻って羽根３２を再選定する。なお、導出した応力を基にした安全係数を強度設計が適正か否かの判定基準としてもよい。
上記で選定した羽根３２のモデルを５００ｒｐｍで回転させているときに羽根３２にかかる応力と変形量を求めるために構造解析を実施する。このとき、流体解析で求めた圧力を羽根３２に定義することによって、解析結果が実際の運転時の条件の再現に近くなる。
【００３０】
羽根３２の強度設計が適正であると判定したならば、Ｓ６において羽根３２の変形量を評価する。
具体的には、前記導出した風圧を基に、風圧と遠心力が羽根３２に作用したときの羽根３２の変形量が、Ｓ１で仮入力した変形量、或いはＳ２で加味した変形量を所定値として、これら以下であるか否かを判定する。
【００３１】
Ｓ１又はＳ２で扱った変形量よりも、羽根３２の変形量が大きいときは、羽根３２がケーシング３３に接触することが予想されることから、変形量が所定値より大きいときは、接触を避けるためにＳ１に戻って羽根３２を再選定し、又はＳ２に戻って３ＤＣＡＤモデルを作成し直す。具体的には、Ｓ１で翼型を変更してケーシング３３とのクリアランスを確保したり、Ｓ２で羽根３２の長さを短くしたり全体を縮小化したりする。
羽根３２の変形量が所定値以下であれば、送風機３の設計は終了することができる。終了の場合、以降、羽根３２を製作するための金型の成形などの送風機３の製造工程へと移行する。ただし、変形量が所定値以下であっても羽根３２を長くすることによって風量を増やすことができるため、変形量を再考慮した再設計を行ってもよい。
【００３２】
このように本発明の設計方法によれば、送風機３を設計する際に適切な順序で各種解析を実施することで、例えば各判定・評価にあたり不適切であった項目を、その判定結果を反映させて再設計が可能であり、また、判定結果を後に実行する解析において有効活用することができ、再設計による評価をスムーズに行なって設計時間の短縮を図ることが可能である。
また、前記本発明の設計プロセスによれば、羽根３２がケーシング３３に衝突しないための適切なクリアランスの確保、且つクリアランス、すなわち羽根の長さの最適化による適切な風量の確保が可能であり、さらに、送風機３を実作動させたときの騒音をある程度予想することができるとともに、羽根３２を適切な強度に設計し製品化することが可能である。
【００３３】
本発明による送風機の設計プロセスを、図４に示された処理ステップを参照しつつ、以下の実施例に基づいて詳細に説明する。
【００３４】
〔設計１周目〕
（１）  羽根３２の選定（Ｓ１）
最初に、羽根３２の長さ、翼型の選定、翼端板の選定を行なった。
羽根の長さによって冷却塔の冷却性能、送風性能が変わり、羽根３２が長いほど風量は増えて冷却性能が高くなることから、羽根３２の長さの選択は製品設計において極めて重要である。また、羽根３２の形状（翼型）については、ＳＥＲＩ、ＮＡＣＡ、ＤＵなどの多様な翼型シリーズが報告され、揚力や抗力特性などに応じて数多くの翼型が存在しており、送風性能や騒音低減に効果的な羽根形状を選定することが肝要である。
ここでは、図５に示される、送風機３のケーシング３３の内径Ｄを１８００ｍｍとし、羽根３２の先端とケーシング３３の間のクリアランスＣを５ｍｍにそれぞれ設定した。翼型は「ＮＡＣＡ６５−００６」に設定した。
【００３５】
羽根３２の長さの算出をするために、先ず、後に構造解析を実施することで判明する羽根３２の変形を仮に２ｍｍと設定し、遠心力及び風圧によって生じる変形によって羽根３２の先端部分がケーシング３３に近づくことを考慮し、前記クリアランスＣの値を、先に設定した５ｍｍに、同じく仮設定した変形２ｍｍを加えた７ｍｍに再設定した。
すなわち、羽根３２がクリアランスを確保するためにとれる限界は、
Ｄ／２−Ｃ＝１８００／２−７＝８９３
この式から、｜ＸＹＺ｜＜８９３ｍｍであることがクリアランスを織り込んだ上での衝突が起こらない判定式として取り扱う。
ここで、翼端板の高さが４０ｍｍの場合を考えると、｜Ｚ｜＝４０であり、
｜ＸＹＺ｜の大きさ８９３ｍｍとなる羽根３２の長さＬを求めるには、以下の式から、
｜ＸＹ｜＝（｜ＸＹＺ｜２−Ｚ２）１／２＝    （８９３２−４０２）１／２ 
＝８９２．１ｍｍ  と算出することができる。
この結果から、羽根３２の長さＬが８９２．０ｍｍであれば、４０ｍｍの翼端板がついている場合に、羽根３２の取付角が変化してもクリアランス７ｍｍが確保されることとなる。
同様に、翼端板の高さが２０ｍｍの場合を考えると、｜ＸＹＺ｜の大きさ８９３ｍｍは、翼端板の高さＺが２０ｍｍでは、
｜ＸＹ｜＝（｜ＸＹＺ｜２−Ｚ２）１／２＝    （８９３２−２０２）１／２ 
＝８９２．７８ｍｍ  と算出することができる。
この結果から、羽根３２の長さＬが８９２．７ｍｍであれば、２０ｍｍの翼端板がついている場合に、羽根３２の取付角が変化してもクリアランス７ｍｍが確保されることとなる。
【００３６】
なお、前記の通り、翼端板については、その高さが異なるときの羽根３２回転時の騒音の違いを判定するため、翼端板の高さが１５ｍｍの羽根３２と７０ｍｍの羽根３２の二つを設定した。
【００３７】
（２）  ３ＤＣＡＤモデルの作成（Ｓ２、Ｓ３）
前記選定した翼型を並べ、繋ぎ合せることにより羽根３２の３次元モデルを作成した。このとき、羽根３２の軸方向（図６中のＸ軸方向）で、羽根３２の回転に伴ってその先端部とケーシング３３とのクリアランスＣが変化するため、前述の数式処理により接触の有無の判定し、使用が想定される回転時においても羽根３２とケーシング３３との接触が生じないことを確認した。
【００３８】
（３）  流体解析（騒音判定；Ｓ４）
前記翼端板の高さが異なる二種の羽根３２について、乱流エネルギーの値を確認し、羽根３２にかかる風圧を導出して比較した。なお、乱流エネルギーの値は、安定回転中での値を読み取って比較した。
解析の結果、翼端板の高さが２０ｍｍの羽根３２の乱流エネルギーの値は０．６ｍ２／ｓ２、翼端板の高さが４０ｍｍの羽根３２では０．４ｍ２／ｓ２と計算された。羽根３２回転中の騒音の大きさは、乱流エネルギーと相関性があるとみられていることから、乱流エネルギーが小さい方の、翼端板の高さが４０ｍｍの羽根３２について、次の構造解析を行なった。
また、羽根３２にかかる風圧は、羽根３２の陽圧面で１００Ｐａ、陰圧面で−１００Ｐａであった。
【００３９】
（４）  構造解析（Ｓ５、Ｓ６）
前記翼端板の高さが７０ｍｍの羽根３２について、５００ｒｐｍで回転中にかかる応力と変形量を求めるために、構造解析を実施した。
解析は、前記流体解析で求めた圧力１００Ｐａ、１００Ｐａを羽根３２に定義することによって、解析結果が実際の運転時に近くなるようにした。
解析の結果、羽根３２に遠心力が作用したときに、許容値の１０ＭＰａよりも大きな１０．５ＭＰａの応力がかかり、羽根３２の強度を増すために肉厚を大きくするなどの改良を行なう必要があることが判明した。
併せて変形量を求めたところ、羽根３２の先端の変形は１．０ｍｍであり、事前に予測して仮設定していた２．０ｍｍとは乖離があることから、前記設定したクリアランスＣや羽根３２の長さＬを変更することで送風性能を向上させることのできる余地があることが判明した。
構造解析の結果から、羽根３２の長さＬや翼型を変更し、前記と同様な処理工程による再設計を試みた。
【００４０】
〔設計２周目〕
（１）羽根３２の選定（Ｓ１）
前記構造解析の結果から羽根３１の変形量は１．０ｍｍであることが確認されたので、羽根３２とケーシング３３とのクリアランスを８ｍｍに変更して、羽根３２の長さＬを再考する。また、応力を改善するため、羽根３２の高応力部位であった箇所の肉厚が増すように羽根３２の厚みを設定し直した。
【００４１】
（２）３ＤＣＡＤモデルの作成（Ｓ２、Ｓ３）
前記再選定した翼型を並べ、繋ぎ合せることにより羽根３２の３次元モデルを作成した。
前記クリアランスＣの値を設定した５ｍｍに、構造解析から求めた変形値の１ｍｍを加えた６ｍｍに再設定した。
翼端板の高さが４０ｍｍ（｜Ｚ｜＝４０ｍｍ）のとき、｜ＸＹＺ｜＝８９４ｍｍとなるＬの長さは、
｜ＸＹ｜＝（｜ＸＹＺ｜２−Ｚ２）１／２＝    （８９４２−４０２）１／２ 
＝８９３．１ｍｍ  と算出することができる。
この結果から、羽根３２の長さＬが８９３．０ｍｍであれば、４０ｍｍの翼端板がついているときに、羽根３２の取付角が変化してもクリアランス６ｍｍが確保されることとなる。このような数式処理によって接触の有無の判定し、使用が想定される回転時においても羽根３２とケーシング３３との接触が生じないことを確認した。
【００４２】
（３）流体解析（騒音判定；Ｓ４）
解析の結果、再選定した羽根３２の乱流エネルギーの値は、前記と同様に０．４ｍ２／ｓ２と計算された。また、羽根３２にかかる風圧は、羽根３２の凹面で１００Ｐａ、凸面で−１００Ｐａであった。
【００４３】
（４）  構造解析（Ｓ５、Ｓ６）
解析の結果、遠心力が作用したときに羽根３２にかかる最大応力は、許容値１０ＭＰａよりも小さい９．９ＭＰａであり、強度を満たせることが判明した。
また、羽根３２の先端部分の変形量は、前記と同様に１．０ｍｍであった。
応力と変形量がともに所定値以下であることが確認され、これにより、目的の性能を備えた送風機３を設計することができた。
【００４４】
前記実施例の設計プロセスによれば、騒音に効果的な翼端板の選別、羽根とケーシング間の適切なクリアランスの確保及び羽根の強度の確保をシミュレーション結果から確認することができ、高性能で安全な羽根を備えた送風機を設計することができた。
また、前記設計プロセスによれば、３Ｄモデル作成時に羽根を回転させた際のクリアランスを確認しておくことで、構造解析が完了した後に衝突が発覚することによる、或いは風圧を入手する流体解析の前に構造解析を行なうことによる、流体解析及び構造解析の結果の無駄の発生を防止し、従来の設計プロセスと比較して、設計時間を短縮し、送風機の開発に要するコストを削減することが可能である。
【００４５】
なお、図示した冷却塔とこれに組み込まれる送風機の構成及び羽根の形態は一例であり、本発明は図示した構成や形態のものに限定されず、他の適宜な形態の羽根を用いた適宜な構成の送風機に適用可能である。
【符号の説明】
【００４６】
１  冷却塔、２  冷却塔本体、２１  熱交換器、２２  ルーバー、３  送風機、３１  ハブ、３２  羽根、３３  ケーシング
【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７】
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