回　風洞研究会議論文集 33

第

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回　風洞研究会議論文集 33

風洞用高速ファンの設計事例

和田茂、大野俊仁、関沢裕明、三代川伸、川田貴之（日本飛行機）

　　　　　　

Design of Fan Assembly for Low-Speed Wind Tunnel

Shigeru WADA, Toshihito OHNO, Hiroaki SEKIZAWA, Shin MIYOKAWA, Takayuki KAWADA (NIPPI)

概　要

　日本飛行機　 2m φ低速風洞の最大風速の向上を想定した、現存ファンの再設計の事例を紹介する。

　当社　低速風洞の風速性能を 50m/s から 70m/s に向上させるにあたり、現存ファン構造をベースとしつつ、

その限界を検証しながら設計を行った。

　また、試作品にてブレード固有振動数計測、静強度試験、整備性確認を実施した。

　実運転による風速データは未だ取得出来ていないが、ファンの構造については見通しが得られた。

１．はじめに

　日本飛行機　

2m

φ低速風洞の最大風速の向上を想 定した、現存ファンの再設計の事例を紹介するにあた り、まず日飛低速風洞について説明する。

　図１に日飛低速風洞の諸元を示す。

　型式は水平単回路式、測定部断面は開放型円形（直 径

2m

）であり、送風機形式は固定ピッチ１段軸流式

（

110kW

） 、最大風速は

50m/s

となっている。送風機 は、ファン径

3.06m

、ボス比

0.33

、ブレード枚数８ 枚であるが、このファンは自社製である、ニッピハウ デンファンを採用している。

いて、これまでに

10,000

台以上の製造・販売実績が ある。

２． 現状ファンの構造

　現状ファンであるニッピハウデンファンの基本構 造を図２に示す。

　先ず、ブレードは凹面凸面の積層型に外皮部分を 積層後、強度部材であるガラステープをステム部か ら放射状に積層し、硬化後両面を接着して中空のブ レードとして成型される。

　成型されたブレードは、スチール製のハブプレー トに取り付けられる。ハブプレート側のロアークラ ンプとアッパークランプにブレードのステム部を挟 み込み、

U

ボルトで締結し固定する。このときブレ ードとクランプは

U

ボルト締付けによる摩擦力のみ で固定され、遠心力やねじりモーメントの外力を負 担する。

図１　日飛低速風洞

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　ニッピ　ハウデンファンは、オランダ・

HOWDEN

社のライセンス品であり、用途として、主に冷却塔や 熱交換器用に設置されている。

T

型、

E

型、

SX

型と ３種類のタイプに別れ、特に

SX

型は、超低騒音型と して特化した製品である。 ファンブレードはＧＦＲＰ 製であり、ファン径はφ約

1m

^～

10m

^{を標準として}

図２　現状ファンの構造

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３． 現状風洞諸元と性能向上後の想定条件

　現状風洞の諸元と、性能向上後の想定条件を示す。

現状風洞の性能諸元は、風速：

50m/s

、風量：

157m^３/ s

^、静圧：

502Pa

^{、回転数：}

500rpm

^{、モーター出力：}

110kW

^{、ファン径：}

3.06m

^、

Tip Speed

^：

80m/s

^であ る。今回の性能向上において、風速性能を

50m/s

か ら

70m/s

に上げるが、ここで各値は、以下に示すファ ンの相似則に従う。

D

　： ファン径

N

　 ： 回転数

Q

　 ： 風量

P

　 ： 静圧

dB

　： 騒音

W

　 ： 出力

　風量

Q２ = Q1 x ( D2 / D1 )³ x ( N2 / N1 )

　静圧

P２ = P1 x ( D2 / D1 )² x ( N2 / N1 )²

　騒音

dB２ = dB₁ + 70log( D₂ / D₁ ) + 50log( N₂ / N₁ )

　出力

W２ = W1 x ( D2 / D1 )⁵ x ( N2 / N1 )³

　この相似則によって得られた性能向上後の想定条件 を図３に示す。

５．現状ファンの限界

　この荷重条件でファンを設計する場合、現状の基 本構造のままでは、様々な問題が生じてくる。増加 する遠心力、ねじりモーメントに対抗する為

U

^ボル トはサイズアップまたは本数を増やし応力レベルを 下げなければならないが、スペース上の制約もあり ブレードの固定方式そのものを見直す必要が生じる。

また、高速回転に対しファンの固有振動数を確保す るためにハブ部は更に高い剛性を必要とするが、現 状のシングルプレートタイプでは限界が生じてくる。

　ブレードについても、空気力、遠心力の増加に合 わせて積層数を大幅に上げる必要がある。図５に示 す。

図３　性能向上後の想定条件

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４．性能向上後のファンブレード荷重の算出 　更に、性能向上後の想定条件を基に、ブレード１枚 に負荷される荷重を算出した。図４に示す。現状風洞 のファンブレードの荷重と比較して、 空気力又は空気 力モーメント相当で２倍、ねじりモーメントは２倍、

遠心力に至っては

2.4

^{倍に増加する。}

図４　性能向上後のファンブレード荷重 2.0୚

2.0୚

2.4 ୚ 2.0 ୚

-891 Nm

895 Nm

71900 N 1466 N

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図５　現状ファンの限界

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2.0୚ 2.0୚

６．ファン構造の検討と結果

　これらの問題点に対し、検討を重ね性能向上後の 想定条件に見合ったファンを設計することができた。

ブレードは重心位置に留意しつつ積層数を大幅アッ プした。ブレードの取付部はステム式からフランジ 式とし、ストレートボルト４本で取り付ける様にし た。そのフランジ部のプレートには

SUS

材を採用 し、ボルトは高強度品を採用した。その結果、遠心 力とねじりモーメントに対し十分な強度を得ること ができた。

　ハブ部は高い剛性を持たせる為にダブルプレート 式とし、全て溶接構造とした。ブレードピッチ角調 整の為、ボルト穴を長穴とし、また上面プレートを 切り欠いて、ボルト締めツールがアクセスできる様 にした。図

6-1

にブレードとハブ部構造の検討を示 す。また、図

6-2

に検討後のファン全体図と諸元を 示す。

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回　風洞研究会議論文集 35

７．試験結果

　設計を終え、ブレードとハブの試作を行い、ブレー ドについては、固有振動数の計測および曲げ試験を、

ハブ部には実際にブレードを取り付けて、整備性の 確認を行った。

　固有振動数は２枚のブレードを計測した。図

7-1

に 計測状況と結果を示す。要求値は、ファンの回転数か ら

23.3Hz

^{以上、計算予想値も}

23.3Hz

^{としたが、計} 測の結果、

No.1

^供試体は

32.8Hz

^、

No.2

^供試体は

32.4Hz

という結果が得られた。計算モデルは、強度

部材であるガラステープのみの片持ち梁とし安全側 の検討を行ったが、ブレード表層部分（ガラスクロ ス）が予想以上に剛性に寄与し、この様な結果となっ たと思われる。

　次にブレードの曲げ試験を実施した。 試験状況は図

7-2

に示す。

　試験荷重は、 想定運用の

500

^{％相当荷重の}

7423N

^ま で負荷した。先ず、

100

^{％相当荷重}

1559N

^において 最大主歪

441

μεを記録し、評価基準値

554

με以 下であることを確認した。また、想定運用の

500

％相 当荷重においてブレード取付部に破壊の無いことを確 認した。荷重

-

^{歪みの計測結果を図}

7-3

^に示す。

図

6-1

　ファン構造の検討

図

6-2

　ファン全体図

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図

7-1

　固有振動数の計測

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32.8Hz

32.4Hz

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2202 Hz

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図

7-2

　ブレード曲げ試験状況

図

7-3

　ブレード曲げ試験結果

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　整備性については、 実際にハブ部にブレードを取り 付けて、 上面プレートの切り欠きからボルト締めツー ルがアクセスできることを確認した。状況を図

7-4

^に 示す。

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８． まとめ

　今回の設計および試験の結果により、日飛低速風 洞の高速化を想定したファンについて、ブレード積 層構成、取付部構造、ハブ部の基本構造を確立でき た。またハブ部とブレードの整備性を確認できた。

　今後の目標は、ブレードを８枚フルに製作しファ

ン

ASSY

としての固有値を確認することである。そ

して何よりも、実運転し風速等ファン性能データを 取得したい。

図

7-4

^{ファン整備性の確認}

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