(57)【要約】本発明はハイドロダイナミック式省エネ冷却タワーに応用される１種の直連結低速小型混流式水車に関し、１つの入水のための渦巻き型シェル（１）と、単列ガイドベーンが配置される１つの環状のソケットリング（２）と、ランナ（１２）と、１つの直錐形状の出水管（９）と、１つのサイド出水箱（１０）とを含み、前記ソケットリング（２）は渦巻き型シェル（１）の内側に取り付けられ、ソケットリング（２）中のガイドベーン間の出水口は曲面ブレード（４）との間で形成される入水口と連通され、曲面ブレード（４）の間に形成される出水口は直錐形状の出水管（９）の入水口と連通され、直錐型出水管（９）の出水口はサイド出水箱（１０）の入水口と連結されており、その特徴は、前記ランナ（１２）上にベアリングブロック（６）が取り付けられ、ベアリングブロック（６）中にシャフト（７）が取り付けられ、シャフト（７）上に冷却ファンのブレードが直接装着されており、ユニット回転速の値は２８〜４２である。本発明は小サイズ、高効率、ローノイズの優位性を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの入水のための渦巻き型シェル（１）と、
単列ガイドベーンが配置される１つの環状のソケットリング（２）と、
１つの下リング（３）と、曲面ブレード（４）と、上トップ（５）とからなる低回転速混流式水車のランナ（１２）と、
１つの直錐形状の出水管（９）と、１つのサイド出水箱（１０）と、を含み、
前記ソケットリング（２）は渦巻き型シェル（１）の内側に取り付けられ、ソケットリング（２）におけるガイドベーン間の入水口は渦巻き型シェル（１）の出水通路と連通され、渦巻き型シェル（１）の入水口は冷却タワーの循環水管の出水口と連通され、ソケットリング（２）中のガイドベーンの間の出水口はランナ（１２）における曲面ブレード（４）の間で形成される入水口と連通され、曲面ブレード（４）の間で形成される出水口は直錐形状の出水管（９）の入水口と連通され、直錐形状の出水管（９）の出水口はサイド出水箱（１０）の入水口と連通され、サイド出水箱（１０）の出水口は冷却タワーの循環水管の入水口と連通されるハイドロダイナミック式の省エネ冷却タワーに応用される直連結低速小型混流式水車において、
前記ランナ（１２）上にベアリングブロック（６）が取り付けられ、ベアリングブロック（６）中にシャフト（７）が取り付けられ、シャフト（７）上に冷却ファンのブレードが直接取り付けられており、ユニット回転速
【数１】
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の値は２８〜４２であり、式中のｎは冷却ファンブレードの定格回転数であり、Ｄ１はランナ（１２）の入水口直径であり、Ｈはタワーに入る水圧を表すことを特徴とするハイドロダイナミック式の省エネ冷却タワーに応用される直連結低速小型混流式水車。
【請求項２】
前記ランナの流路部分の高度Ｈ１とランナ（１２）の入水口直径との関係はＨ１／Ｄ１＝０．３５〜０．４２で表され、ランナ（１２）の出水口直径Ｄ２と入水口直径Ｄ１の比例値がＤ２／Ｄ１＝０．４〜０．６で、ランナ（１２）の上トップ面と下リング面はいずれも曲面であり、その中で上トップ面を形成する母線の平均曲率は１．６ｒａｄ／ｍ〜１．７ ｒａｄ／ｍであり、下リング面を形成する母線の平均曲率は４．８ ｒａｄ／ｍ 〜４．９ ｒａｄ／ｍであり、ランナ（１２）中の曲面ブレード（４）の数は１６〜２０であり、曲面ブレード（４）の翼形状の最小厚さと最大厚さとの比が０．２８〜０．３４である、ことを特徴とする請求項１に記載の水車。
【請求項３】
前記ソケットリング（２）のガイドベーンが単列配置され、流れガイド作用と支持作用との両方を果たし、ガイドベーンの内円直径Ｄ４、外円直径Ｄ３とランナ（１２）の入水口直径Ｄ１との比例Ｄ４／Ｄ１、Ｄ３／Ｄ１がそれぞれ１〜１．１と１．１５〜１．２５であり、ガイドベーンの数が１５〜１９で、マイナス曲率の翼形状を採用している、ことを特徴とする請求項１に記載の水車。
【請求項４】
前記直錐型出水管（９）の高度Ｈ２はランナ（１２）の入水口直径Ｄ１の０．２〜０．５倍であり、直錐型出水管（９）の出口直径Ｄ５はランナ（１２）の入水口直径Ｄ１の０．４５〜０．７５倍である、ことを特徴とする請求項１に記載の水車。
【請求項５】
前記サイド出水箱（１０）の高度Ｈ３はランナ（１２）の入水口直径Ｄ１の０．２〜０．４倍であり、サイド出水箱（１０）は全部で４つの出水口を有し、各出水口の幅Ｂはランナ（１２）の入水口直径Ｄ１の０．４〜０．６倍である、ことを特徴とする請求項１に記載の水車。
【請求項６】
前記水車の左右方向における最大サイズＬ１がランナ（１２）の入水口直径Ｄ１の１．８〜２．０倍で、前後方向における最大サイズＬ２がランナ（１２）の入水口直径Ｄ１の１．７〜１．９倍である、ことを特徴とする請求項１に記載の水車。
【請求項７】
前記ガイドベーンの受水面の曲線方程式はｙ ＝Ａ１ｘ４ ＋Ｂ１ｘ３＋Ｃ１ｘ２ ＋Ｄ１ ｘ＋Ｅ１で表され、その中でＡ１＝−７×１０−８〜−９×１０−８、Ｂ１＝３．５×１０−５〜５．５×１０−５、Ｃ１＝−６．５×１０−５〜−８．５×１０−５、Ｄ１＝２．２×１０−１〜２．６×１０−１、Ｅ１＝−９×１０−２〜−１．３×１０−１であり、背水面の曲線方程式はｙ ＝Ａ２ｘ４ ＋Ｂ２ｘ３ ＋Ｃ２ｘ２ ＋Ｄ２ ｘ＋Ｅ２で表され、その中でＡ２＝１．９×１０−９〜２．３×１０−９、Ｂ２＝−１．７×１０−６〜−２．１×１０−６、Ｃ２＝−９．５×１０−４〜−１．０×１０−３、Ｄ２＝２．５×１０−１〜３．０×１０−１、Ｅ２＝３．１〜３．７であり、方程式におけるｘ、ｙの単位はミリメートルで、且つ前記ガイドベーンの頭部における受水面と背水面とは円滑に連接され、尾部における受水面と背水面とは折線的に連接される、ことを特徴とする請求項１に記載の水車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は１種の冷却タワーに関し、特に冷却タワーにおける冷却ファンを駆動する１種の水車に関し、具体的には１種の減速ボックスを有しない、各部分のサイズ、特に入水ソケットリングとランナの鍵となるパラメーターを合理的に設計することにより、水車の出力回転速をファン回転速の定格値とするため、伝統的な反動式タービンに使用される減速器を省けるハイドロダイナミック式の省エネ冷却タワーに応用される直連結低速小型混流式水車に関する。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、エアコン冷却タワー、特に工業用エアコン冷却タワーは設計上、循環水を冷却する際、十分に有り余るエネルギーを残しており、省エネの目的を実現するために、水車を使用してこの部分の有り余るエネルギーを回収して、水車の冷却ファンを駆動するための回転力学的エネルギーに転換することにより、伝統的な大パワー冷却モーターが不用となり、省エネ効果が非常に顕著である。
【０００３】
現在の我国における工業用エアコン冷却タワーの循環水における有り余る水頭は一般的には４ｍ〜１５ｍの間であり、水管を配置するところは０．５ｍ〜１ｍの圧力水頭を必要とするため、この部分の循環水で有り余る水頭を回収するのに用いる水車は背圧環境下で動作している。冷却タワーファンの回転速は比較的低いため、冷却タワーファンと直接に連結させるには、混流式低速水車を選定する必要がある。しかしながら、現在わが国における水車モデルレンジにおいては、このような動作環境を満たし、且つ冷却ファンと直連結する混流式低速水車はまだ存在せず、一般的な混流式水車を１つの減速器を介して冷却タワーファンと相互に連結させる駆動モデルを採用する必要がある。けれど、減速器の動作条件は比較的劣るため、騒音が大きく、寿命が短い上に、製造コストも相応して高くなる。このため、この種の動作環境を満足させる、単位回転速が低く、冷却タワーファンと直連結する混合流水車を開発するのは、重大な現実意義を有する。
【０００４】
出願人は大量の計算分析と実験から、水車の各部分のサイズを合理的に設計すれば、その出力回転速を希望する範囲内にコントロールできると認識する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、減速器を付帯する冷却タワー用水車の騒音が大きい、故障率が高い、製造とメンテコストが高い問題に対し、効率が高く、サイズが小さい、幅広い範囲にわたるハイドロダイナミック式の省エネ冷却タワーに応用される１種の直連結低速小型混流式水車を設計し、冷却タワー用水車を完全にギア式減速器と離脱させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の技術方案は：
ハイドロダイナミック式の省エネ冷却タワーに応用される直連結１種の低速小型混流式水車であり、
１つの入水のための渦巻き型シェル（１）と、
単列ガイドベーンが配置される１つの環状のソケットリング（２）と、
１つの下リング（３）と、曲面ブレード（４）と、上トップ（５）とからなる低回転速混流式水車のランナ（１２）と、
１つの直錐形状の出水管（９）と、１つのサイド出水箱（１０）と、を含み、
前記ソケットリング（２）は渦巻き型シェル（１）の内側に取り付けられ、ソケットリング（２）におけるガイドベーン間の入水口は渦巻き型シェル（１）の出水通路と連通され、渦巻き型シェル（１）の入水口は冷却タワーの循環水管の出水口と連通され、ソケットリング（２）中のガイドベーンの間の出水口はランナ（１２）における曲面ブレード（４）の間で形成される入水口と連通され、曲面ブレード（４）の間で形成される出水口は直錐形状の出水管（９）の入水口と連通され、直錐形状の出水管（９）の出水口はサイド出水箱（１０）の入水口と連通され、サイド出水箱（１０）の出水口は冷却タワーの循環水管の入水口と連通され、その特徴は、  前記ランナ（１２）上にベアリングブロック（６）が取り付けられ、ベアリングブロック（６）中にシャフト（７）が取り付けられ、シャフト（７）上に冷却ファンのブレードが直接取り付けられており、ユニット回転速
【数１】
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の値は２８〜４２である。式中のｎは冷却ファンブレードの定格回転数であり、Ｄ１はランナ（１２）の入水口直径であり、Ｈはタワーに入る水圧を表す。
【０００７】
前記ランナの流路部分の高度Ｈ１とランナ（１２）の入水口直径との関係はＨ１／Ｄ１＝０．３５〜０．４２で表され、ランナ（１２）の出水口直径Ｄ２と入水口直径Ｄ１の比例値がＤ２／Ｄ１＝０．４〜０．６で、ランナ（１２）の上トップ面と下リング面はいずれも曲面であり、その中で上トップ面を形成する母線の平均曲率は１．６ｒａｄ／ｍ〜１．７ ｒａｄ／ｍであり、下リング面を形成する母線の平均曲率は４．８ ｒａｄ／ｍ 〜４．９ ｒａｄ／ｍであり、ランナ（１２）中の曲面ブレード（４）の数は１６〜２０であり、曲面ブレード（４）の翼形状の最小厚さと最大厚さとの比が０．２８〜０．３４である。
【０００８】
前記ソケットリング（２）のガイドベーンが単列配置され、流れガイド作用と支持作用との両方を果たし、ガイドベーンの内円直径Ｄ４、外円直径Ｄ３とランナ（１２）の入水口直径Ｄ１との比例Ｄ４／Ｄ１、Ｄ３／Ｄ１がそれぞれ１〜１．１と１．１５〜１．２５であり、ガイドベーンの数が１５〜１９で、マイナス曲率の翼形状を採用している。
【０００９】
前記直錐型出水管（９）の高度Ｈ２はランナ（１２）の入水口直径Ｄ１の０．２〜０．５倍であり、直錐型出水管（９）の出口直径Ｄ５はランナ（１２）の入水口直径Ｄ１の０．４５〜０．７５倍である。
【００１０】
前記サイド出水箱（１０）の高度Ｈ３はランナ（１２）の入水口直径Ｄ１の０．２〜０．４倍であり、サイド出水箱（１０）は全部で４つの出水口を有し、各出水口の幅Ｂはランナ（１２）の入水口直径Ｄ１の０．４〜０．６倍である。
【００１１】
前記水車の左右方向における最大サイズＬ１がランナ（１２）の入水口直径Ｄ１の１．８〜２．０倍で、前後方向における最大サイズＬ２がランナ（１２）の入水口直径Ｄ１の１．７〜１．９倍である。
【００１２】
直接本発明の効率に影響する前記ガイドベーンの受水面の曲線方程式はｙ ＝Ａ１ｘ４ ＋Ｂ１ｘ３ ＋Ｃ１ｘ２＋Ｄ１ ｘ＋Ｅ１で表され、その中でＡ１＝−７×１０−８〜−９×１０−８、Ｂ１＝３．５×１０−５〜５．５×１０−５、Ｃ１＝−６．５×１０−５〜−８．５×１０−５、Ｄ１＝２．２×１０−１〜２．６×１０−１、Ｅ１＝−９×１０−２〜−１．３×１０−１であり、背水面の曲線方程式はｙ ＝Ａ２ｘ４ ＋Ｂ２ｘ３ ＋Ｃ２ｘ２＋Ｄ２ ｘ＋Ｅ２で表され、その中でＡ２＝１．９×１０−９〜２．３×１０−９、Ｂ２＝−１．７×１０−６〜−２．１×１０−６、Ｃ２＝−９．５×１０−４〜−１．０×１０−３、Ｄ２＝２．５×１０−１〜３．０×１０−１、Ｅ２＝３．１〜３．７であり、方程式におけるｘ、ｙの単位はミリメートルで、且つ前記ガイドベーンの頭部における受水面と背水面とは円滑に連接され、尾部における受水面と背水面とは折線的に連接される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は合理的な設計とマッチングを通して非発電型冷却タワー用混流式水車における出力回転速をコントロールする問題を根本的に解決した。冷却ファンの必要とする定格回転速を介して、ソケットリングにおけるマイナス曲率のガイドベーンのサイズと形状を最終的に確定することができ、及びランナ中における曲面ブレードのサイズと形状を確定することができ、且つ駆動力の要求を満たすように、コンピュータによる最適化でベストなサイズを取得することができる。
【００１４】
本発明は減速器が不用となり、それによりマシン全体の騒音を大いに減少させ、製造とメンテコストを低減させ、無故障動作時間を８０％以上も大いに増加させると同時に、マシン全体の効率を８６％以上に保持させることができる。
【００１５】
本発明は伝統的な水車設計における単位回転速の使用範囲を突破し、単位回転速の取る値を伝統的な８０以上から２８〜４２の間にまで減少させ、すなわち、
【数１】
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の値は２８〜４２の間に介在しており、そのうち、ｎ１１は単位回転速であり、ｎは実際のファン回転速（ｒ／ｍｉｎ）であり、Ｄ１はランナ（１２）の入水側直径であり、Ｈはタワーに入る水圧を表す（水柱を単位：ｍとする）。冷却タワー水車の特長に適応している上、全体のサイズを小さくして、効率を高めるのに有利である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係わる渦巻き型シェル断面が多金属梯形のときにおける全体構造正視略図である。
【図２】図１を下視した略図である。
【図３】本発明に係わる渦巻き型シェル断面が多金属楕円形のときにおける全体構造正視略図である。
【図４】本発明に係わるランナブレードを３つの異なる位置から視た投影図である。
【図５】本発明に係わるマイナス曲率の翼形状を有するガイドベーンを３つの異なる位置から視た投影図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付図面と実施例に合わせて本発明に対しより詳しい説明を行う。
【００１８】
図１〜５に示す通り、
ハイドロダイナミック式の省エネ冷却タワーに応用される直連結１種の低速小型混流式水車であり、
入水の横断面が楕円形（図３）または梯形（図１）の１つの金属の渦巻き型シェル（１）と、
単列で環状のガイドベーンが配置される１つのソケットリング（２）と、
１つの下リング（３）と、曲面ブレード（４）と、上トップ（５）とからなる低回転速混流式水車のランナ（１２）と、
１つの直錐形状の出水管（９）と、１つのサイド出水箱（１０）と、を含み、
前記ソケットリング（２）は渦巻き型シェル（１）の内側に取り付けられ、渦巻き型シェル（１）は支え（８）により支持され、ランナ（１２）の下には合流プレート（１１）が取り付けられ、図１に示すように、ソケットリング（２）におけるガイドベーン間の入水口は渦巻き型シェル（１）の出水通路と連通され、渦巻き型シェル（１）の入水口は冷却タワーの循環水管の出水口と連通され、ソケットリング（２）中のガイドベーンの間の出水口はランナ（１２）における曲面ブレード（４）の間で形成される入水口と連通され、曲面ブレード（４）の間で形成される出水口は直錐形状の出水管（９）の入水口と連通され、直錐形状の出水管（９）の出水口はサイド出水箱（１０）の入水口と連通され、サイド出水箱（１０）の出水口は冷却タワーの循環水管の入水口と連通され、前記ランナ（１２）上にベアリングブロック（６）が取り付けられ、ベアリングブロック（６）中にシャフト（７）が取り付けられ、シャフト（７）上に冷却ファンのブレード（図中には示されていない）が直接取り付けられており、マシン全体のユニット回転速
【数１】
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の取る値は２８〜４２間であり、（式中のｎは冷却ファンブレードの定格回転数であり、Ｄ１はランナ（１２）の入水口直径であり、Ｈはタワーに入る水圧を表し、水柱高度ｍを単位とする。）公式から分かるように、ファンの回転速ｎと小ヘッドの圧力Ｈが確定されれば（この２つのパラメーターは冷却タワーの設計パラメーターにより確定する）、唯一のランナ入水口直径Ｄ１を確定することができ、よって、水車全体の各部分のサイズを唯一確定することができる（ランナ、ブレード、ソケットリング、ガイドベーン、最大長と最大幅を含む）。
【００１９】
図４に示すように、ランナ（１２）の流路部分の高度がＨ１／Ｄ１＝０．３５〜０．４２であり、ランナ（１２）の出水口直径と入水口直径の比例値がＤ２／Ｄ１＝０．４〜０．６であれば、ランナ（１２）の上トップ面と下リング面はいずれも曲面であり、その中で上トップ面を形成する母線の平均曲率は１．６ｒａｄ／ｍ〜１．７ ｒａｄ／ｍであり、下リング面を形成する母線の平均曲率は４．８ ｒａｄ／ｍ 〜４．９ ｒａｄ／ｍであり、ランナ（１２）中の曲面ブレード（４）の数は１６〜２０であり、曲面ブレード（４）の翼形状の最小厚さと最大厚さとの比が０．２８〜０．３４である。
【００２０】
図５はマイナス曲率の翼形状を有する１つのガイドベーンを３つの異なる位置から視た投影図であり、ソケットリング（２）のガイドベーンは単列配置され、流れガイド作用と支持作用との両方を果たし、ガイドベーンの内円、外円とランナの公称入口直径との比例Ｄ４／Ｄ１、Ｄ３／Ｄ１がそれぞれ１〜１．１と１．１５〜１．２５であり、ガイドベーンの数が１５〜１９で、マイナス曲率の翼形状を採用している。
【００２１】
図１、３に示すように、直錐型出水管（９）の高度Ｈ２はランナ（１２）の入水口直径Ｄ１の０．２〜０．５倍であり、直錐型出水管（９）の出口直径Ｄ５はランナ（１２）の入水口直径Ｄ１の０．４５〜０．７５倍である。
【００２２】
図１、３に示すように、サイド出水箱（１０）の高度Ｈ３はランナ（１２）の入水口直径Ｄ１の０．２〜０．４倍であり、サイド出水箱（１０）は全部で４つの出水口を有し、各出水口の幅Ｂはランナ（１２）の入水口直径Ｄ１の０．４〜０．６倍である。
【００２３】
水車の左右方向における最大サイズＬ１がランナ（１２）の入水口直径Ｄ１の１．８〜２．０倍で、前後方向における最大サイズＬ２がランナ（１２）の入水口直径Ｄ１の１．７〜１．９倍である。
【００２４】
直接本発明の効率に影響するガイドベーンの受水面の曲線方程式はｙ ＝Ａ１ｘ４ ＋Ｂ１ｘ３ ＋Ｃ１ｘ２＋Ｄ１ ｘ＋Ｅ１で表され、その中でＡ１＝−７×１０−８〜−９×１０−８、Ｂ１＝３．５×１０−５〜５．５×１０−５、Ｃ１＝−６．５×１０−５〜−８．５×１０−５、Ｄ１＝２．２×１０−１〜２．６×１０−１、Ｅ１＝−９×１０−２〜−１．３×１０−１であり、背水面の曲線方程式はｙ ＝Ａ２ｘ４ ＋Ｂ２ｘ３ ＋Ｃ２ｘ２＋Ｄ２ ｘ＋Ｅ２で表され、その中でＡ２＝１．９×１０−９〜２．３×１０−９、Ｂ２＝−１．７×１０−６〜−２．１×１０−６、Ｃ２＝−９．５×１０−４〜−１．０×１０−３、Ｄ２＝２．５×１０−１〜３．０×１０−１、Ｅ２＝３．１〜３．７であり、方程式におけるｘ、ｙの単位はミリメートルで、且つ前記ガイドベーンの頭部における受水面と背水面とは円滑に連接され、尾部における受水面と背水面とは折線的に連接される。
【００２５】
以上から分かるように、当業者が本発明にて提供される方程式に従えば便宜的に要求を満たす水車を設計することができる。実験のデータによって、単位回転速ｎ１１が２８〜４２の間に介する値を取るときだけ、本発明に係わる水車の効率を８６％前後に保持できると保証される。ｎ１１の取る値が２８より小さいとき、実測による回転速度は明らかに定格回転速度より３０％以上低く、回転速度を１／３高めるためには効率をもともとの基礎上において９０％以上高める必要がある。上記ｎ１１の取る値が４２より大きいときは、全体のサイズが増加する上、実測する出力回転速にも同様の状況が発生し、そのため単位回転速ｎ１１が取るべき値の範囲は２８〜４２の間が最適であることを証明した。
【００２６】
本発明の主要動作のプロセスは、一定圧力と流量の水が渦巻き型シェルを介して一定の環状量を形成してソケットリングに入り、ガイドベーンの流れガイドと増速作用を介して水車のランナを衝撃することにより、ランナを回転させる。ランナはシャフト（７）を回転させ、シャフト（７）は上端のファンブレードを回転させて、ハイドロダイナミックから機械エネルギーへの転換を完了させる。ランナから出た水は最終的にサイド出水箱から排出され、エアコンシステムに入りサイクル利用される。
【００２７】
本発明において関わらない他の部分は現有技術と同じか、現有技術を採用することにより実現されることができる。
【符号の説明】
【００２８】
１  渦巻き型シェル
２  ソケットリング
３  下リング
４  曲面ブレード
５  上トップ
６  ベアリングブロック
７  シャフト
８  支え
９  直錐形状の出水管
１０  サイド出水箱
１１  合流プレート
１２  ランナ
【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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【国際調査報告】
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2012528261.tif 000014
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