JP2006118363A - 高効率プロペラ - Google Patents

Abstract

【課題】
他種、多目的に対応できる回転羽根に関し、軽量でありながら、大翼面積に相当する翼面積を確保するとともに、使用目的、使用状態に応じて効率の良いプロペラの提供を図る。
【解決手段】
偶数枚の羽根からなるプロペラとし、後方に傾斜した傾斜角を有する羽根と、前方に傾斜した傾斜角を有する羽根とを組合せ、または、これを軸方向の取付け位置を前後に位相させ、更には可変ピッチ装置と組合せること、若しくはこれらを組合せたものを一対とし、これを複数対組合せることによって高効率なプロペラを提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、空調装置や換気装置等に用いられるプロペラファン、水や空気中において回転する推進プロペラ、加圧タービンのブレード、風力発電機用ブレード等のプロペラに関し、詳しくは高効率化に好適なプロペラに関するものである。

プロペラの構造体は、可能な限り軽量で成形容易であって高強度等を有し、その送風性能が良好なものであることが望ましい。

このような要求に応じるため、特に船舶産業や航空産業、更には風力発電業や送風機業の業界においては、流体の可視化による解析を行い、最適な形状や枚数等の種々の要件について検討され決定されている。そしてその用途に対して、特に回転羽根のピッチコントロールをすることにより、運転効率および推力コントール性の改善を目的としたプロペラが、広く一般的に用いられている。かかる従来のピッチ可変プロペラは、中空の支持軸に取付けられた羽根を備え、かつ上記中空軸を通って延びる操作機構を有している。

上記従来形式の典型的な機構は、米国特許第３７８５７４７号及び同第４６４８３４５号に開示されている。また、特開平１１−２４５８８９は、電磁石と電流の位相関係によって、回転羽根のピッチ角の相対的角度位置をコントロールする態様のものが示されている。

しかし、これら従来の構成は、回転羽根のピッチに係るものであるため、船舶等の推力コントロールに効果があるものの、急激な旋回中の推進力を得るために必要となる傾斜角（レーキアングル）を確保することにはできない。すなわち、従来技術であるピッチコントロールによって、傾斜角確保に対応できるものではない。

また、近年、風力発電においては、発電量、効率、軽量、美観等の総合的な観点から、薄幅な３枚羽根のプロペラ型を採用することが多くなってきている。しかし、羽根自体が受ける空気抵抗及び重量の問題から翼面積を大きくとることができないため、低回転時では発生するトルクが小さく、起動のために高いトルクを必要とするプロペラ型は微風では発電できない。そしてまた、風力対応範囲についても５ｍ／ｓ〜２５ｍ／ｓと以外に狭いものであり、稼働時間も短い。したがって、風力の弱い地域ではプロペラ型は向かず、絶対的発電量では劣るが微風でも起動できる多翼式や、弱い風力で高トルクを要求する場合にサボニウス形が適する場合等はこれらが選択される。すなわち、季節や時間帯等によって風力差が大きい地域では、これら各種の羽根の形状による長所と短所を比較考量し、最も適した形式の選択が必要不可欠であり、一定の条件下においては妥協した選択が強いられてしまうという現状が存在する。

またさらに、攪拌機においては、遠心力の作用を受けるため、容器の外側と中心部では流体内に含まれる密度の異なる物質が全体的に均一に攪拌されないという欠点がある。該問題点を解消するため、容器自体を傾けたり、回転羽根の形状を複雑にする等、製作コストが大きくなるという欠点がある。
米国特許第３７８５７４７号公報 米国特許第４６４８３４５号公報 特開平１１−２４５８８９号公報

上記問題点に鑑み、本発明は、プロペラの製作費を押さえる効果並びに、単体で従来の船舶、航空機、風車、送風機、攪拌機械等の各種プロペラに使用されている同一翼面積及び同一重量のプロペラに対して、高効率なプロペラを提供することを目的とし、それにより経済効果を期待するものである。

上記課題を解決するため、本発明は、偶数枚の羽根からなるプロペラであって、後方に傾斜した傾斜角を有する羽根と、前方に傾斜した傾斜角を有する羽根とを一対とし、これを複数の組合せからなる構成を採用する。

また、本発明は、前方に傾斜した傾斜角を有する羽根が、後方傾斜のプロペラの取付け位置より支持軸前方に取付けられた構成とすることもできる。

さらに、本発明は、後方に傾斜した傾斜角を有する羽根のピッチ角と、前方に傾斜した傾斜角を有する羽根のピッチ角とが異なるピッチ角を有する構成を採ることもできる。

またさらに、本発明は、羽根が前方及び後方への傾斜角を任意に可変可能とする構成を採用することもできる。

そしてまた、本発明は、羽根のピッチ角を任意に可変可能とする構成を採ることができる。

以上の結果、本発明にかかるプロペラによれば、回転軸の軸方向に対して後方に傾斜した傾斜角を有する羽根と、垂直または僅かに前方へ傾斜した傾斜角を有する羽根とを一対としたプロペラを使用することによって、特に船舶において、急激な旋回中の推進力を確保することができるようになる。

また、回転軸の軸方向に対して前方に傾斜した傾斜角を有する羽根と、垂直または僅かに後方へ傾斜した傾斜角を有する羽根とを一対としたプロペラを使用するとにより、特に航空機の離陸時において、短い滑走距離で離陸が可能となる。

さらに、風力の弱い地域や、季節又は時間帯等によって風力差の大きい地域では、前述した従来技術の問題点、すなわち、プロペラ形状による特性と風力環境に起因した妥協選択をすることなく、あらゆる局面に対応することができ、不安定な風力環境においても高効率な運転が可能となる。

そしてまた、回転軸の軸方向に対して後方に傾斜した傾斜角を有する回転羽根と、前方に傾斜した傾斜角を有する回転羽根とを一対としたプロペラを使用すると、流体の流れ方向は、回転軸の軸方向に対して外側向きに作用するベクトルを有する流線と、内側向きに作用するベクトルを有する流線とが向かい合うこととなるため、攪拌機においては均密な攪拌が可能となる。

本願発明は、偶数枚の羽根からなるプロペラであって、後方に傾斜した傾斜角を有する回転羽根と、前方に傾斜した傾斜角を有する回転羽根とを一対とし、これを複数対組合せる構成とすることで、高効率なプロペラを提供することを最大の特徴とする。以下、本発明にかかる高効率プロペラについて、図面に基づいて説明する。

図1及び図２は、本発明にかかる高効率プロペラを示しており、図１は正面図、図２は側面図である。該プロペラは、偶数枚の回転羽根から構成され、図２に示すように、後方に傾斜した傾斜角βを有する回転羽根１と、前方に傾斜した傾斜角γを有する回転羽根２とを一対とし、これが支持軸３に取付けられる。尚，図面では二対、計四枚の回転羽根から構成されたプロペラを示しているが、本発明は一対の回転羽根を複数対組合せてなることを特徴とするものであって、その組数は限定されない。

また、図2に示すように、前方に傾斜した傾斜角γを有する羽根２が、後方に傾斜した傾斜角βを有する羽根1の取付け位置より支持軸３前方に取付けられたものとすることによって、傾斜角αを抑えて前述の構造的効果を得ることも可能であり、この場合は高速回転を必要とする場合に特に効果を有する。

次に、風力発電機のプロペラを例にとり説明する。図３は、一対の回転羽根に作用する流体の流れを示した図である。回転羽根２のピッチ角θ２は、羽根１のピッチ角θ１より少ない（θ1＞θ2）。従って、ピッチ角の違いによって正面（Ｘ方向）から受ける翼面積が異なり、羽根１の方が大きくなる（ａ＞ｃ）。また、回転方向に対しては翼面積が小さくなることから空気抵抗が小さく高回転に適する（ｂ＜ｄ）。

前方に傾斜した傾斜角γを有する回転羽根２に目を向けると、Ｘ方向から流れてきた流体の流量Ｑ４はピッチ角θ２によってＹ方向にそれぞれ流量Ｑ５及び流量Ｑ６へと方向を変えようとするが、ピッチ角θ２が小さいことから、流量Ｑ５と流量Ｑ６との流量差が大きくなり、回転初期に必要なトルクが得られる。

これに対し、後方に傾斜した傾斜角βを有する回転羽根1に目を向けると、Ｘ方向から流れてきた流体の流量Ｑ１はピッチ角θ１によってＹ方向にそれぞれ流量Ｑ２及び流量Ｑ３へと分岐し、方向を変えようとするが、ピッチ角θ１が大きいため、流量Ｑ２と流量Ｑ３との流量差が少なく、回転初期に必要なトルクが得られない。

しかし、後方に傾斜した傾斜角βを有する回転羽根１と、前方に傾斜した傾斜角γを有する回転羽根２とを一対とすること、または、前方に傾斜した傾斜角γを有する回転羽根２が後方に傾斜した傾斜角βを有する回転羽根２の取付け位置より支持軸3前方に取付けられたことにより、先行する回転羽根２と後に続く回転羽根１と間に軸方向に対して距離ｅが生じることとなる。したがって、流量Ｑ５は回転羽根１に流入することとなるため、結果的に回転羽根１から回転方向に向かう損失流用Ｑ３を生じさせない効果を生むこととなり、図５に示すような流れとなる。

即ち、回転羽根１には正面（Ｘ方向）から流入する流量Ｑ１のみならず、流量Ｑ５が流入するので、小さな翼面積かつ軽量な二枚羽根の構成でありながら図４に示す斜線部ｈような大きな翼面積の一枚羽根と同等（回転羽根１の翼面積＋回転羽根２の翼面積）の回転力を得ることが可能であり、翼面積倍増効果が生じることとなる。

船舶においては、旋回時の推進力を得るため、通常、後方に傾斜角を設けているが、その反面で推進力を低下させる原因にもなる。しかし、本発明によれば、旋回時には前方に傾斜した傾斜角βを正面（Ｘ方向）に対して垂直にすることで推進力を得ながら、後方に傾斜した傾斜角γを大きくして旋回性の向上を図ることができ、直進時には前方に傾斜した傾斜角βを有する回転羽根１と、後方に傾斜した傾斜角γを有する回転羽根２とを一対とすることによって得られる前述の翼面積倍増効果が生じることとなることから高い推進力を得ることができる。

航空機等の場合においては、図２に示すように、正面（Ｘ方向）から流入した流れが、前方に傾斜した傾斜角γを有する回転羽根２の回転によって流出される流体のＹ方向（外側）と、後方に傾斜した傾斜角βを有する回転羽根１の回転によって流出される流体のＹ方向（内側）はそれぞれ相反し、速度エネルギーの損失が生じるようにも見える。しかし、現実には相殺され、X方向のみに向かうこととなり、流体の密度によって異なるものの効率の低下はせず、後方に傾斜した傾斜角βを有する回転羽根１と、前方に傾斜した傾斜角γを有する回転羽根２とを一対とすることによって、前述の翼面積倍増効果が生じることとなることから、高い推進力を得ることができる。

また、航空機においては、離陸時に機体を持ち上げるための揚力を、主に機体自体の速度から得ている。このため速度を高める必要があり滑走距離が長くなる。しかし、本願発明によれば、前方に傾斜した傾斜角γを有する回転羽根２から外側に向けて流出された流体の作用を受けられる主翼面積ｇ（図７）は、通常のプロペラによって流出された流体の作用を受けられる主翼面積ｆ（図７）と比べて大きくなる。

すなわち、後方に傾斜した傾斜角βをＸ方向に垂直にして推進力を得ながら、前方に傾斜した傾斜角γを大きくして離陸時の揚力を高めることにより、短い滑走距離で離陸が可能となる。尚、直進時には後方に傾斜した傾斜角βを有する回転羽根１と、前方に傾斜した傾斜角γを有するの回転羽根２とを一対とすることにより、図６に示すような流れとなることから、前述の翼面積倍増効果が生じて、高い推進力を得ることができる。

攪拌機においては、図８に示すように被攪拌流体が外壁４に覆われるため、後方に傾斜した傾斜角βを有する回転羽根１により壁面に向おうとしたベクトルを有する流体Ｑ７と、前方に傾斜した回転羽根２によって中心部に向かおうとするベクトルを有する流体Ｑ８とが向かい合うこととなり良好な攪拌性を発揮する。

本発明にかかる高効率プロペラを示す正面図である。 本発明にかかる高効率プロペラを示す側面図である。 本発明の高効率プロペラにかかる一対の回転羽根の断面図であり、かつ、流体の流れを示す説明図である。 本発明にかかる高効率プロペラの効果を示す説明図である。 風力発電機用羽根に使用する場合の実施例を表した説明図である。 航空機に使用する場合の実施例を表した説明図である。 本発明にかかる高効率プロペラを航空機に使用した場合の流れを示す説明図である。 攪拌機に使用した場合の実施例を表した説明図である。

符号の説明

１ 後方傾斜回転羽根
２ 前方傾斜回転羽根
３ 支持軸
４ 攪拌機容器
Ｑ１ 後方に傾斜した傾斜角を有する羽根１に係る流体流量
Ｑ２ 羽根１からの流出流量
Ｑ３ 羽根１から損失方向に流出する流量
Ｑ４ 前方に傾斜した傾斜角を有する羽根２に係る流体流量
Ｑ５ 羽根２からの流出流量
Ｑ６ 羽根２から損失方向に流出する流量
α 前方傾斜角と後方傾斜角の総合角
β 後方傾斜角
γ 前方傾斜角
θ１ 羽根１羽根１のピッチ角のピッチ角
θ２ 羽根２のピッチ角
ａ 羽根１の推進方向断面積
ｂ 羽根１の回転方向断面積
ｃ 羽根２の推進方向断面積
ｄ 羽根２の回転方向断面積
ｅ 羽根１と羽根２の位相距離
ｆ 通常航空機の流体の流れ幅
ｇ 本願発明を使用した航空機の流体の流れ幅
ｈ 二枚羽効果を示した翼面積

Claims (5)

1. 偶数枚の羽根からなるプロペラであって、後方に傾斜した傾斜角を有する回転羽根と、前方に傾斜した傾斜角を有する回転羽根とを一対とし、これを複数対組合せてなることを特徴とするプロペラ。
2. 前方に傾斜した傾斜角を有する回転羽根が、後方傾斜の回転羽根の取付け位置より支持軸前方に取付けられていることを特徴とする請求項１に記載のプロペラ。
3. 後方に傾斜した傾斜角を有する回転羽根のピッチ角と、前方に傾斜した傾斜角を有する羽根のピッチ角とが異なるピッチ角を有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のプロペラ。
4. 回転羽根の前方及び後方への傾斜角を任意に可変可能とすることを特徴とする請求項１から請求項３に記載のプロペラ。
5. 回転羽根のピッチ角を任意に可変可能とすることを特徴とする請求項１から請求項4に記載のプロペラ。
   
   

Images