小型多段遠心ファンの高効率化に関する研究

小型多段式遠心ファンの開発に関する基礎的研究
片平 渉
野田 和希
小林 育樹
向井 沙椰
◆ Experimental apparatus
◆Introduction
遠心ファンの用途
工場の吸・排気 / 家庭向けの換気 / 機器の冷却 etc
2nd Impeller
Test fan
Booster
近年，電気・電子機器の
高機能・小型化が進んでいる
装置内部の
高発熱・高密度化
Return vane
Flow
http://sakuranetpc.com/
support/cleaning.html
Return channel
Flow
1st Impeller
従来より高差圧・高流量の性能を
有するファンの開発が望まれている
（exp. 高集積サーバーの冷却装置）
http://jpn.nec.com/slpf/p
roduct/cpdc/#01
Cross section diagram
◆ Impeller ＆ Return vane
Purpose of the study
KEY SYMBOLS
 圧力係数 Ψ
Δ𝑃𝑠
Ψ=
高差圧・高流量の性能を有する
小型多段式遠心ファンの開発を目指す
1
𝜌𝑢𝜃 2
2
 流量係数 Φ
𝑄
𝜋2 𝐷2 2 𝑏𝑁
Φ=
Backward impeller
Forward impeller
動翼形状およびReturn vane設置角度の
関係が性能特性に及ぼす影響を調べる
 静圧効率 η
Backward Forward
42.5
42.5
Inlet radius r 1 (r 3) [mm]
ファン内部で生ずる周期的な速度・圧力
変動の発生メカニズムを明らかにする
η=
RV
42.5
Outlet radius r 2 (r 4) [mm]
Blade width b [mm]
Inlet vane angle β 1 (β 3) [deg]
71
21
41
71
21
90
71
21
9 , 20 , 40
Outlet vane angle β 2 (β 4) [deg]
Number of blade Z
45
20
135
20
90
12
Δ𝑃𝑠 𝑄
𝑃𝑤
 速度変動rms値
𝑉𝑟𝑚𝑠
Return vane
∗
𝑉𝑟𝑚𝑠
=
𝑢𝜃
 流れ角 α [deg]
α = tan
−1
Q
π𝐷2𝑏(u𝜃−𝑤 cos 𝛽2)
Q [m3/min] : 流量
ΔPs [Pa] : ファン圧力差
（入口全圧-出口静圧）
uθ [m/s] : 動翼周方向速度
Pw [W] : 電力
ρ [kg/m³] : 密度
D2 [m] : 動翼外径
w [m/s] : 相対速度
N [rpm] : 回転数
m : セル数
𝑽𝒓𝒎𝒔 ∗ θ [deg] : 2計測点のなす角
θI [deg] : 擾乱の位相差
∗
v’ : 無次元変動速度
t [s] : 時間
◆ Experimental result Characteristic of flow instabilition at 1 rotor + RV ( β3 = 20° )
(c) Phase difference
(a) Power spectrum
m=2
m=1
𝜃𝐼 =
Characteristic of flow instabilition
Forward
at 1 rotor + RV
(𝛷 ≈ 0.06 )
NUMERICAL SIMULATION BY CFD
(b) Velocity fluctuations
α/β
Φ
1
0.18 0.06
0.06 0.02
α/β
Φ
1
v'* 3
0.5
0.21
0.08
0.16 0.06
0.06 0.02
周方向にセルが伝播
v'* 3
0.5
v'*
v'*
Low pressure
1.5
0.25
0.08
× 360
セル数 m；局所的な高圧・低圧領域の数
Backward
1.5
Δ𝑡
𝑇
0
0
-0.5
-0.5
-1
-1
-1.5
-1.5
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0
0.05
0.1
0.15
t [s]
t [s]
Forward
Backward
(𝛷 = 0.08 , 0.06 , 0.02 )
0.2
0.25
0.3
High
pressure
Pressure distribution (β3 =20 ° , 𝛷 = 0.02 )
◆
Conclusions
◆Conclusions
 Return vane まわりではReturn vane入口での剥離による旋回失速に起因する周期的な速度・圧力変動が
生じており，この変動は単数または複数の周方向に伝播するセル構造を有していることが明らかとなった.
 この不安定現象は動翼羽根方向，流量よりも,α/β3に大きく依存して発生していることが示唆される．