JP2006131160A - 回転推進翼要素、及び、回転推進翼 - Google Patents

Abstract

【課題】回転推進翼を軽量化する。
【解決手段】回転軸２の心線方向に流れる流体に対して、回転方向に前記流体から相対的に回転力を受ける捻れ面と、前記流体が通り抜けることが可能である穴３を有し、前記捻れ面は完全に閉じ又は概ね閉じた環状面として形成し、前記穴３は前記環状面で囲まれている回転推進翼要素１とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、軽量化され得る回転推進翼要素、及び、回転推進翼に関する。

船体を推進させるために、図１に示されるような回転推進翼が慣用的に用いられている。このような回転翼は、扇風機に適用可能である。回転翼は、慣用的には、３枚の翼要素又は４枚の翼要素の回転方向の配列により構成されている。風力発電機の回転翼の翼要素の数は、慣用的に３又は４である。風力発電機の回転翼の翼要素の回転方向の幅は、ヘリコプターのそれと同様に、図１の回転翼の翼要素の回転方向の幅より狭い。風力発電機の回転翼の翼要素数の増大は、かえって発電効率を低下させる。

回転推進翼の軽量化が求められる。更には、推進効率の増大が望まれる。

本発明の課題は、回転推進翼を軽量化することにある。
本発明の他の課題は、軽量化と推進力の増大を実現することにある。

本発明による回転推進翼要素は、回転軸心線方向に流れる流体に対して回転方向にその流体から相対的に回転力を受ける捻れ面を有し、その捻れ面には穴（３）が貫通的に開いている。穴（３）は、流体が回転軸心線方向に通り抜けることができる穴として形成されている。その捻れ面は完全に閉じ又は概ね閉じた環状面（実質的に閉じた環状面）として形成されていて、穴（３）は環状面で囲まれている。環状に閉じる回転推進翼要素の環状部分である基端部位は、回転軸に一体に結合され、又は、可変ピッチ可能に結合される。複数の回転推進翼要素のそれぞれの基端部位は、直接に互いに結合されることが可能である。既述の捻れ面と穴（３）の関係は、複数のメビウス環部分が環状に連続する翼環として同義的に表現可能である。

公知の回転推進翼要素の環状の周縁部分で囲まれる中央部位は、特にヘリコプター型風車翼では、回転力生成のためには無効部分又は効果が薄い部分であり、回転力生成に寄与するために存在しているのではなく、第１義的には強度保証のために存在している。環状構造の回転推進翼要素は、それの中抜きのために強度を大きく低下させることはない。中抜きの回転推進翼は、原理的に、その能力（例示：推進力、発電力）を低下させないが、その質量低減は結果的にその能力を高めることがあり得る。本発明は、第１義的には、能力増大を意図しておらず、質量低減を意図し、風力発電用風車としては景観の保存を意図している。ここで推進は、相対的にいわれ、本発明は船舶の回転翼、風車に適用されて有効である。

本発明による回転推進翼は、回転方向に配列される複数の回転翼要素（１）と、複数の回転翼要素（１）を結合する回転軸（２）と、その他の機器部分とから形成されている。回転翼要素（１）は、既述の通りに構成されている。回転翼要素は、中実（充実、ソリッド）ではなく中空に形成されることにより、強度の劣化を招かないで更に軽量化され得る。流体は風であり、中抜きに対応して、翼枚数は４又はそれ以上に増加され得る。このような増加は、推力を増強することができる。流体が海水であれば、回転軸は船体に回転自在に支持されている。回転翼要素（１）の環状体の環状体部分の回転方向に離隔する翼端部位（８，９）の端部面が抵抗低減曲面（１１，１２）に形成されることは有意義である。

流体が水であれば、回転軸は飛び魚ロボットの本体に回転自在に支持されて特に有効である。漁船の周囲の魚群に高速で接近する飛び魚ロボットは、水面上を滑空して魚群に速やかに接近し、漁船が魚群に接近する前に有用な情報を速やかに入手することができる。

回転翼要素を炭素繊維材料で製造することにより、軽量化と強度向上を両立させることができる。中抜き回転翼を炭素繊維材料で製作することは顕著に有効である。

本発明による回転推進翼要素、及び、回転推進翼は、性能劣化を招かずに顕著な軽量化効果を奏することができる。追加的には、推進効率を向上させることができる。

本発明による回転推進翼の実施の最良の形態は、図に対応して、詳細に記述される。回転推進翼１０は、図２に示されるように、複数枚、特に、４枚の回転翼要素１の集まりとして構成されている。互いに同形であり同寸である４枚の回転翼要素１は、回転方向に等間隔に配列されている。４枚の回転翼要素１の半径方向内側の基端部位は、それぞれに単一のボス（回転軸）２に結合している。ボス２と４枚の回転翼要素１は、同体物体又は一体物体として一体成形技術により成形されて製造され得る。この場合には、いわゆる回転軸は存在しない。

回転翼要素１は、環状体特に楕円的環状体として形成されている。環状体の表面（楕円環面）は、環の環状有効中心線（閉曲線）に沿って一周する間に連続的に２次元的に捻られている。その捻れは、公知の回転翼要素の捻れに完全に一致し、又は、公知の回転翼要素の捻れに近似的に（補正的に）一致している。回転軸心線に直交する平面に回転翼要素１が投影される投影楕円環は、回転軸心線に平行である線束のうち回転翼要素１に交わらない非交叉線束が通過する空間部分３を完全に又は概ね完全に囲んでいる。このような幾何学的定義表現は不正確に表現されれば、４枚の回転翼要素１はそれぞれにメビウスの環に部分的に似ている（捻れ率は異なる。）。

既述の幾何学的表現を物理的表現に変えるために、回転翼要素１の製造方法が次に記述される。図３は、実用的に市場に現に供給されている船体推進用の回転翼を示している。この回転翼１０’は４枚の回転翼要素１’により構成されている。回転翼要素１’の楕円環面に含まれる閉じられた閉曲線Ｃがその楕円面に描かれる。その閉曲線Ｃに沿って回転軸心線に直交する向きにレーザービームを照射することにより、閉曲線Ｃで囲まれる部分が刳り抜かれて除外される。このような部分が除外されたものが本発明による図１の楕円環である回転翼要素１に完全に又は概ね完全に（適正な補正は許容される）一致している。このような製造方法は、物理的表現の便宜のために記述されていて、本発明の実施の好ましい製造形態は、下記に改められて記述される。

図４と図５は、本発明による回転推進翼の製造のための実施の好ましい形態を示している。回転翼要素１の半分側の面に倣って形成される一方側楕円環面４を有する固定成形型５に炭素繊維シートが接合される。回転翼要素１の他の半分側の面に倣って形成される他方側楕円環面６を有する可動成形型７が固定成形型５に被せられる。両型５，７の全体を加熱することにより、熱硬化型炭素繊維製翼が成形される。一方側楕円環面４と他方側楕円環面６は、分割型部分の集合体として構成されれば、立体的に捻れている物体を成形することができる。２つの半割成形体を重ねて１体の回転翼要素１を構造化する場合に、２つの半割体の対向面間に空洞が形成されれば、機械的強度を保持し、且つ、より軽量化する設計が可能である。

このような軸方向中抜化の回転推進翼１０は、図３の閉曲線部分が除外されたものに完全には一致していないことが実際には好ましい。図２のＶＩ−ＶＩ線断面を表す図６に示されるように、回転翼要素の既述の環状体の環状体部分の回転方向Ｒに離隔する翼端部位８，９の端部面は、ともに抵抗低減曲面１１，１２に形成されていることが好ましい。

回転方向に並ぶ２枚の回転翼要素１の回転方向の隙間と空間部分３を軸方向に通り抜ける流体（例示：風としての空気流）が回転力に寄与する割合は小さい。空間部分３を設けることによる抵抗の軽減効果（例示：発電効率）は小さい。このような空間部分３を設けると同時に空間部分３の回転面投影面積に対応する面積の翼部分を回転翼要素１に追加して拡張することにより、公知翼の発電効率より高い発電効率を得ることができる。公知翼と本発明翼の発電効率が互いに同じである場合には、本発明翼の質量は公知翼の質量より小さい。質量の低減は、遠心力の低減を導く。回転翼要素１の基端部位を回転可能に（可変ピッチ可能）取り付ける際に、遠心力の低減は可変ピッチのための歯車構造を簡素化することができる。風力発電に用いられる回転推進翼１０は、従来比で発電効率を向上させることがなく、且つ、質量が同じであっても、ヘリコプター型翼との対比で周囲の景観の保存の点で有利である。軽量化されている本発明翼を風車塔に設置する設置工事は、公知翼のそれよりも容易である。

図７は、本発明による回転推進翼を利用する水中移動体又は水上移動体を示している。水上移動体として、飛び魚ロボット２０が例示されている。魚本体１３の尾部に回転推進翼１０が装備されている。魚本体１３には、展開自在であり且つ収納自在である鰭翼１４が取り付けられている。鰭翼１４は、水面滑空の際には、魚本体１３の内側から、魚本体１３の外側に展開的に跳出することができる。軽量である回転推進翼１０は、搭載される小型エンジン（例示：小型電気モータ）により高速に回転し、飛び魚ロボット２０は滑空中に鰭翼１４を介して揚力を与えられる。飛び魚ロボット２０は、水族館のプールで余興的に展示され、児童に対する学習効果がある。

図１は、公知の回転翼を示す正面図である。 図２は、本発明による回転推進翼の実施の好ましい形態を示す正面図（断面図ではない。）である。 図３は、製造過程を示す正面図である。 図４は、他の製造過程を示す正面図である。 図５は、更に他の製造過程を示す背面図である。 図６は、翼断面形状を示す図２のＶＩ−ＶＩ線断面図である。 図７は、利用形態を示す正面図である。

符号の説明

１…回転翼要素
２…回転軸（ボス）
３…穴
８，９…翼端部位
１１，１２…抵抗低減曲面

Claims (9)

1. 回転軸心線方向に流れる流体に対して回転方向に前記流体から相対的に回転力を受ける捻れ面と、
   前記流体が通り抜けることが可能である穴を有し、
   前記捻れ面は完全に閉じ又は概ね閉じた環状面として形成され、前記穴は前記環状面で囲まれている
   回転推進翼要素。
2. 中実ではなく中空に形成されている
   請求項１の回転推進翼要素。
3. 回転方向に配列される複数の回転翼要素と、
   前記複数の回転翼要素を結合する回転軸とを具え、
   前記回転翼要素は、
   回転軸心線方向に流れる流体に対して回転方向に前記流体から回転力を受ける捻れ面と、
   前記流体が前記回転軸方向に通り抜けることができる穴を有し、
   前記捻れ面は完全に又は概ね閉じた環状面として形成され、前記穴は前記環状面で囲まれている
   回転推進翼。
4. 前記流体は風であり、前記複数は４である
   請求項３の回転推進翼。
5. 前記回転翼要素の環状体の環状体部分の回転方向に離隔する翼端部位の端部面は、抵抗低減曲面に形成されている
   請求項３の回転推進翼。
6. 前記流体は海水であり、前記回転軸は船体に回転自在に支持される
   請求項３の回転推進翼。
7. 前記流体は水であり、前記回転軸は飛び魚ロボットの本体に回転自在に支持される
   請求項３の回転推進翼。
8. 前記回転翼要素は炭素繊維材料で形成されている
   請求項３〜７から選択される１請求項の回転推進翼。
9. 回転方向に配列される複数の回転翼要素と、
   前記複数の回転翼要素を結合する回転軸とを具え、
   前記回転翼要素は、複数のメビウス環部分が環状に連続する翼環として形成されている
   回転推進翼。

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