低粘度液撹拝のための新しい軸流翼｢ウィングスター+Axial

Flowlmpeller

New一y

WINGSTIR

for Mixingof Low

Developed

LiquidViscosity(化)技術部岡本華

道Yukimichi
Okamoto(環)設計部設計第1課

山本

Masafumi

低粘度液の混合に用いる撹拝機の小型化と省エネを目的とし,昌史

Yamamoto

1995年11月,当社は新しい軸流撹拝翼ウイングスターを開発した｡動力,回転数,トルクが同じ条件で比較すると,ウイングスターはプロペラの125%の流量を発生する｡均相混合と固体粒子の懸濁実験において,ウイングスターは45度傾斜パドルが必要とするト)I,クを1/3に低減し,動力を1/5に低減できることが確かめられた｡この撹拝翼は,また,小型翼からオーダーメイドの大型翼まで正確に同じ形状で経済的に製作できるという特長を合わせ持つ｡これは,スケールアップにおいて軸洗翼の特性維持に配慮したためである｡ウイングスターの製作販売を日下,展開中である｡
InNovember

1995,Sbinko‑Pantec

reducepower

andequal

impeller

power,

eqlユal speed

asmuch
WINGSTIR

wasas

custom‑made,keep

its flowwellalso hasshaft

aflow

axial

impeller,

WINGSTIR,

tocharacteristics

粒size in mixing

impeller's.
blade
to 1/3 of the pitchedpaddlereduce its shaft torquecanfromfeature that it
be easily manufactured
impeller toaもench‑scale
impellercommercial‑scale

液がantoas軸
低えdeveloped

newly

liquids. Under
the conditionof low viscosity
offlow rate is as
WINGSTIR's
pumpingand equal shaft torque,
Whenin liquid blendingused
andsolid particle suspension,of a propeller's.
impellerblade paddle
impellertosave4/5that the pitched
thepowerobservedof125%

required,
WINGSTIR

まbadimpeller流

粘 度 撹体混子

as

懸keeping

WINGSTIR

in scale‑up.

its shape

preciselyis available

in the翼

Axial

flow

拝Low

viscosity

合濁Liqtlid I)lending
Solidきsame,

whichis crucial

atomarket.

impellerparticlemixingsuspension.と考えられるからである｡

1995年11月,当社は低粘度液撹拝のための新しい軸流撹
拝翼ウイングスターを開発し,その販売を開始した｡ウイ

この種の翼として,一般には,傾斜パドルやプロペラが用いられる｡傾斜パドルは最も簡単で安価に製作でき,あングスター開発の狙いは才覚拝機の小型化と省エネである.
低粘度液の撹拝においてこの狙いを達成するには,小さならゆる用途に用いられている｡プロペラに比べ流量の割にトルクと少ない動力で良好に撹拝出来る効率の良い撹拝翼

斜角度により軸流と放射淀の中間的な流れになるといわれが必要である｡これを実現した新しい撹拝翼がウイングス

るo一方,船舶用プロペラに準じて製作された撹拝翼はよターである｡
低粘度液の混合や異相系分散等の操作を行う撹拝においり優れた効率を持つが,その製作コストがかさむ,容器に搬入するための大きな開口部を必要とする等,大型のオートルクと動力が大きくなりがちで吐出効率は良くない｡傾ては,撹拝軸の方向に液を吐出する軸流型の撹拝翼が比較ダーメイドには採用しがたい欠点がある｡これらの欠点を的多く用いられる｡その理由は,この種の翼が他の異に比解消するため,各国の撹拝機メーカーが撹拝機用の各種軸べ,小さなトルクと少ない動力でより多い吐出流量が得ら洗翼を考案し市場に捷倶してきた｡しかしながら,トルクれ,撹拝機の設備費と運転費において経済的に有利であると動力が同じという条件の下でプロペラに匹敵する効率をVol.

40 No.

2 (1997/3)

神鋼パンテツク技報25

達成した翼は見受けられない｡に合わせて捻った当社設計によるもので翼理論やプロペラ理論とは無関係の翼であるが,ウイングスターを除いてはい

そこで,当社は,プロペラと同等以上の効率を持ち大型翼の製作が容易な軸流翼の開発に注力し,プロペラの125ずれの軸流翼もこのプロペラに及ばない｡また,単に平板%の流量に達する翼をウイングスターとして完成した｡そを折り曲げただけの翼6･ 7)や傾斜パドルとの比戟においても翼理論ヤプロベラ理論に基づいた翼2･5)が劣るケース
4･の形状を写真1に示す｡ウイングスターは均相混合や固体粒子の懸濁撹拝において45度傾斜パドルが必要とするトルが少なくない｡これらの事実は前述の疑念を強く支持する｡
プロペラをはじめとする軸流翼の性能設計の要点は羽根クを1/3に低減し,動力を1/5に低減出来る性能を持つことが実験で確かめられた｡次にウイングスターの概要を紹介する｡

坂幅,傾斜角度,羽根彼のそりを半径方向にどのように分1.開発の考え方

実な方法は,実際にこれらの諸元をかえて撹拝翼の吐出効布させれば最高の吐出効率が実現出来るかにある.p最も確率を測定し最適化することである｡

既存の軸流翼の考案はほとんどの場合,翼理論あるいはプロペラ理論に基づいている｡ところで,Winardiと長瀬の研究l)によれば,船舶用プロペラを撹拝槽で用いた場合
ち,タービンや傾斜パドルの場合と同様に撹拝槽内の流れは不安定であり,翼近傍での吐出洗ですら周方向の漁連に2倍程度の揺らぎがある｡また,乱れの強さも20‑50%と大きい｡■翼への涜入と流出が間欠的に変動する事実は,流れに対する迎え角を一定に保つ3)という船舶用プロペラの設計手法が撹拝異に真の効果をもたらし得るかどうかの疑問を投げかけるだけでなく,翼理論を応用する各種の軸流翼の性能についても同様の見直しを迫る｡なぜなら,翼理論が扱う涜れは整った一様な流れであり,撹拝槽の流れとは大いに異なるからである｡
実際,各国の特許公報に開示された既存の軸流翼を公報に忠実に試作し,等トルク等動力の条件の下で吐出流量をレーザードップラー掩速計で測定し比重交した結果を,第1図に示す｡国中のプロペラは単に平板を一定のピッチ高さ

写真1

新しい軸涜巽,ウイングスター

Photo.

1 Newaxial

flow

impeller,WINGSTIR⊂〉冒‑‑蘭諏フ幣DE37304235)

日YDROFOIL2)
US4468130

uK14542774)♯モ軒帯筋β〃WINGSTIR

12030o PITCHED

Fig.

R

10045o PITCⅢED

第1図＼±P RO PELLE

8060

上iE‑37)aUS50528926)

等トルク,等動力の下での吐出洗量の比較
1Comparisonof pumplng

flow

rate

underequal

power

a,nd equal

神鋼パンテツク技報

torqueconditionsVol･40 No.

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140

140

140120

⊥ 120

I]

I120

‑(D(D･l..Jq)

J.Jく勺
ゝ.■J..+(勺I+⊂匂ha○aa(⊃lヰ･･+(⊃しl･+

ヽ･=bJ);≡

旨100tW⊂=bD

旨100･邑100≡
コP+Pl〔L

0.5
1017pitch angle at thewidest

第2図
Fig.

220
portion30

第3図
Fig･vs.

rate

angleat radiauy lnJTIOSt
portion of blades [deg]bladesト7

Pumplng

pitchangle
atthe radial
theposition
whereblades
become(equal powerwidest.
and equal torque condition)

吐出流量と最大幅部の半径位置
3PuI?Plngflowrate

第4図

吐出流量と羽根板付け根部での傾斜角度

vs･

radialposltlOn
Or the widest
portion(equal powerin blades.
andequal torquecondition)Fig.

4lmpeller

power

享ngtimebecame1ngof water)

50Lt

rate

vs.

at
angle
radially
portionof blades(equal power
andequalpitchinmostcondition)

液量を測定し比較した｡

混合時間10秒の才覚拝に要した動力とトルク
1Tableflow

Pumplng

torqne

第1表

9PitchRadial positionof thewidest portion
jTlLdeg〕

吐出流量と最大幅部での傾斜角度
flow

45 50

1.0

torqueat which
andlOsec･( 4 400mm tankthemix‑

contaln‑羽根板の最大幅に関しては翼径の1/3以下であれば吐出流量に大きな変化は見られなかった｡羽根板の幅が最大になる半径位置とその位置での羽根板傾斜角度は吐出流量

ImpellerTorqueに大きな影響を与え最適値が存在する｡第2図に最大幅部8.1 W/m30.63 Nm/m3の傾斜角度と吐出流量の関係を,第3図に最大幅部の半径位置と吐出流量の関係を示す｡半径位置60%において傾150 rpm

15.5 W/m3

0.99 Nm/m3

192rpm37.1W/m3

1.84Nm/m3

Speed

PowerWINGSTIR

122 rpm

HYDROFOIL
45o PITCfIED

斜角度17度とするのが最適である｡羽根板先端部の帽と傾斜角度については,いずれも最大幅部の半分程度が良い結果となった｡第4図に示すように,羽根板付け根側の傾斜角度は40‑45度が最適となる｡また,付け根側の幅は最大幅の半分以上であれば良い｡
このようにして決定された各寸法比を採用して製作され2.形状の選択と各寸法比の最適化
2.

1形状の選択大型翼から小型翼まで正確に同じ形状と寸法比で経済的に製作出来ること,分解組立が容易な翼であることの2点を重視すると,平板の数カ所を折り曲げて羽根板を形成し,撹拝軸に羽根板を固定するためのボスと羽根板との取り合いが平面であることが望ましい｡さらに,半径方向に羽根板の傾斜角度が変えられること,羽根板にそりと同等の機能が与えられること等を考慮して基本的な形状が選択された結果が写真1に示したウイングスターである｡羽根板の形状が鳥の異に似た撹拝翼というところからWINGとST工Rを合わせ命名された｡その吐出流量を既存の軸流翼と比較した結果は,第1図に示した通り,プロペラの125%となり従来のいずれの翼よりも優れた効率を達成している｡

3.撹拝性能の比較
3. 1混合時間の比重交US混合時間を同一にする撹拝条件をウイングスター,た｡

Patent羽根板先端側を回転方向に先行させる前傾翼の形状を指向したことが,前述の条件を満たす形状の考案を容易にしの3種について比較し第1表に示す｡
内径400mmのアクリル製タンクに邪魔板を4枚取り付け,た｡

50Ltの水道水を張り込み,水をヨード澱粉で着色した後,所定量のチオ硫酸ソーダで脱色する混合実験を上記3種の2.

2各寸法比の最適化

羽根板各部の寸法としては,羽根板の最大幅,その最大幅部の半径位置と傾斜角度,羽根板先端部の幅と傾斜角度,4468130のハイドロフォイル翼,45度傾斜パドル翼について実施し,混合時間が10秒になる撹拝条件を求めた｡ウイングスターは傾斜パドルの22%の動力,340/oの羽根板付け根側の帽と傾斜角度を選んだ｡これらの諸元をトルクで同一の混合が可能であり,翼理論に基づくハイド変え,撹拝翼のトルク,回転数,動力が等しい条件で吐出ロフォイル翼の52%の動力,Vol.

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神鋼パンテツク技報

64%のトルクで同一の混合
31第2表Table2が可能である｡
3. 2
固体粒子の腰濁粒子懸濁に要する撹拝動力とトルク
Impellerpending150/∠m

前述と同じ装置を利用し径150ミクロンのガラスビーズ

torquefor sus‑powerandrequired( ≠400mm tank,50Lt,solidparticles.
glass beads
9.8wt%)を約5kg投入した｡前述3種の異にプロペラを加えた4種
Impeller

Speed

PowerTorque

WINGSTIR

295 rpm

124 W/m3

4.0 Nm/m3

PROPELLER

375rpm288W/m3

7.3 Nm/rna

HYDROFOIL

370rpm273W/m3

7.0 Nm/m3

45o PITCfIED

510 rpm

765 W/m3

14.3 Nm/m3の巽のそれぞれについて,撹拝速度を変え撹拝動力と液表面近傍での粒子濃度の関係を調べたo結果を第5囲に示す｡
液面での粒子濃度が仕込み濃度に近づけば均一な懸濁状態と見なせる｡ウイングスターでは約0.5kW/m3の撹拝で均一な状態に至るが,他の翼ではその2倍以上の動力を与えても均一状態を達成できそうにない｡今,液面での粒子濃度が仕込み濃度の70%の撹拝状態を達成するとして4種の翼の撹拝条件を比較すると,第2表のようになる｡ここ
でもウイングスターは傾斜パドルの16%の動力,28%の10
HYDROq宗主FOIL//9.8

average‑i :∴早￣￣￣△￣D‑‑‑wt%

二ローー△‑PRO PE LLER/一ノ△d.)U(勺■‑■‑‑■一/̲&/‑◇′‑､亡:コ0,B.o(/)̲￣‑‑‑■一■一￣/:営;コ̲′◇′￣￣′ー◇//･1Uー♪一ノの◇/一.a)トedd)

45o PITCHEDPADDLE/∠′;≡//事=く=)/■工i/ロ(勺トく)/J･J/;=4)[コU///〔コ⊂)Ud)
U/♂

◇‑o//

ココレく勺D<

0.2

0.4

0.6

Impeller

第5固1,01.2[kW/m3]power

液面近傍の粒子濃度と才覚拝動力の関係
5Fig.

Particle

concentration
50Lt,(卓400Tnmtank,

3

表

Table

3

第0.8

thenear

150FL mliquid

glass

beads

vs.
surface
9.8wt%,

impeller
0.B.

power

shows

theoff‑bottom

conditionof eachimpeller.)

50m3スラリー貯槽の撹拝横
AgitatorsforI‑pellera

50m3

slurrystoragetank

Agci:;ttor
Eel.esctt,r;;itry

Dial

Speed

Motor

45o PITCHED1.21Ⅵ

120rpm

55kW

5.32.5PROPELLER

1.4m

l12rpm

22kW

4,01.0*

WINGSTIR

1.5 m86rpm

llkW

3.00.5く::〉
〈=)
く=)

3500

く.a

*taken32

asunitor cost

神鋼パンテツク技報

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トルクで同一の懸濁撹粋が可能であり,プロペラの43%効率を評価し,この評価法において優れた軸流翼を開発し,の動力, 55%のトルクで同一の懸濁撹粋が可能である｡

さらには,その翼が混合や個体粒子の懸濁において実際に4.大型貯槽への適用試算

トルク及び動力の低減に有効であることを実験で確認した｡

150ミクロンのガラスビーズと同等の沈降性を持つ粒子

この撹拝翼は大型翼から小型翼まで正確に同じ形状で経済的に製作出来る｡これは,スケールアップにおいて軸流のスラリー貯槽を想定する｡ほぼ均一な粒子濃度で次の工程に供給するには,少なくとも,第2表と同等の撹拝条件

翼の特性維持に配慮し,さらには,オーダーメイドの大型が必要である｡貯槽の径を3.5m,高さを6m,容量を50翼で自由に翼径を選択出来ることに配慮したためである｡

m3とし2段翼での撹拝を想定し,傾斜パドル,プロペラ,ウイングスターでの撹拝機コスト,モーター運転コストを試算し,第3表に示す｡撹拝機の小型化による設備費の低これらの特長を生かし,今後,ウイングスターを大型貯槽の撹拝機の小型化と省エネに役立てて行きたい｡

減もさることながら,省エネ効果による運転費の削減の大[参考文献]

きいことが理解出来る｡ちなみに,撹拝機の償却期間を5年と設定すると,ウイングスターでの償却費と運転費の合

1) winardi&Nagase:
No.2,
Weetman

計は傾斜パドルでの1/3,プロペラでの2/3になる｡
む すびH]'orth&PatentUS:

Forshner

きく,運転コストは動力に比例する｡撹拝機の経済性を追US:

Jonqueres

撹拝機の設備コストは伝達トルクに依存するところが大∫. Cbem.

Eng.

Japarl,Vol.

24,(1991)

243

Sknnberg&4468130

PatentHerbert:4147437
UK:

PatentDeutsches

Specification
Patentamt

1454277
DE3730423

Al

求するにはトルクと動力の両方を制限する必要がある｡こ6) Fasano:のような観点から等トルク等動力の条件下で軸淀翼の吐出

7) Cbemineer

US

PatentCatalogue,

5052892
HE‑3

Impeller

連絡先
本岡

幸

道

化工横事業部

(工学博士)

山

本

昌

史

設計部

次長
TE
FAX
E‑mailVol.

40

No.

y.

環境装置事業部

技術部

L

0794‑

36079436

okamoto@pantec.

2(1997/3)

‑

設計第1課

2512

‑2578
‑co.
jp

E‑mailm.

TEL

078‑232‑8117

FAX

078‑232‑8058

yamamoto@pantec.

神鋼パンテツク技報

co.

jpβ∂