JP2012224140A - 流体機器用ロータのブレード - Google Patents

Abstract

【課題】シンプルな形状で剛性に優れ、ブレードの表面における流体圧の変化を利用し、小さな動力でブレードの背面の流体を正面の前方へ流動させえる流体回転車を提供する。
【解決手段】ハブの周面に、放射方向へ向く複数のブレード３を突設した流体機器用ロータ１において、ブレード３の翼端を上向き状態とした正面３Ｄは平坦面とし、背面３Ｆにおける弦長方向の前縁３Ａ寄り部分の翼厚を最大とし、後縁３Ｂを薄くした湾曲面とし、側面視においては、正面３Ｄを垂直として、翼根から翼端へかけて翼厚を次第に薄くした。
【選択図】図２

Description

本発明は、流体機器用ロータのブレードに係り、特にブレードの翼厚が厚く、剛性に優れ、かつブレードの背面の流体を正面の前方向へ、高速で流動させ得る、流体機器用ロータのブレードに関する。

従来、推進器や送風機等に用いられているロータのブレードは、全体的に薄く、かつ回転方向に対して、流体押出し面は捻れているものであり、翼根部分において、回転時にキャビテーションが生じ易い。
また、全体的に捻れているので、製造時に精度を出すことにコストがかかる。キャビテーションが生じにくいブレードの例が、特許文献１及び２に記載されている。

特開２００７−１２５９１４号公報 特開２００７−０７６５６２号公報

従来型のロータのブレードは、正面で流体を押出す形態のものであり、大きな動力を要し、相対的に押出し面の面積を、大とする必要がある。
また、正面に迎角を付与するためには、三次元の立体形成に、設計上の困難が伴い、製造上のコスト負担も大となる。
本発明は、ブレードが極めてシンプルな形状で、剛性に優れ、キャビテーションが生じず、ブレードの表面における流体圧の変化を利用した、小さな動力で流体の送出し機能に優れた、流体機器用ロータのブレードを提供する。

本発明は、回転時に、ブレードの正面よりも背面に高速流を生じさせ、それにより生じる流体圧の差を利用して、ブレードの背後の流体を、正面の前方向へ流動させる、ロータのブレードに関するものである。
本発明の具体的な内容は、次の通りである。

（１） ハブの周面に、放射方向へ向く複数のブレードを突設した流体機器用ロータにおいて、ブレードの翼端を上向き状態とした正面は平坦とし、背面における弦長方向の前縁寄り部分の翼厚を最大とし、後縁を薄くした湾曲面とし、側面視においては、正面を垂直として、翼根から翼端へかけて翼厚を次第に薄くした流体機器用ロータのブレード。

（２） 正面視において、翼根から翼端へかけて弦長を次第に大とし、最大弦長部分から翼端にかけて先細とした前記（1）に記載の流体機器用ロータのブレード。

（３） 正面における最大弦長部分は、回転方向に対して迎角状に形成されている前記（1）または（2）に記載の流体機器用ロータのブレード。

（４） 正面は、回転方向に対して、前縁から後縁へかけて、背後方向へ傾斜している前記（1）または（2）に記載の流体機器用ロータのブレード。

（５） 最大弦長部における翼厚は、最大弦長の１５％〜２５％である前記（1）〜（４）のいずれかに記載の流体機器用ロータのブレード。

（６） 側面視の翼端を、背面から先端の前方へかけて面取りした、先端湾曲面とした前記（1）〜（5）のいずれかに記載の流体機器用ロータのブレード。

（７） 最大弦長部分から先端を、正面方向へ傾斜する傾斜部とし、傾斜部の側面視において、背面の最大弦長部分から翼端へかけて、次第に薄くして傾斜湾曲面とした前記（1）〜（6）のいずれかに記載の流体機器用ロータのブレード。

本発明によると、次のような効果が奏せられる。

前記（1）に記載のロータのブレードは、正面は平坦面とし、背面は、弦長方向における前縁寄り部分の翼厚を最大とし、後縁を薄くした湾曲面としたので、正面よりも背面の弦長方向の距離が長く、回転時において、正面よりも背面に沿って、弦方向へ流動する流体の速度が高速となって、流体圧に差が生じる。
背面の弦方向へ沿う高速流は、コアンダ効果によって、背面の湾曲面に沿って後縁から正面の前方向へ流動する。これによって、ブレードの正面で流体を押出さずに、流体を背面から正面の前方へ送り出すことができる。
ブレードの正面と背面における流体圧の差によって、流体が流動するので、ブレードの正面で押出すための動力を要しないから、小さな動力で大きな流動をさせることができる。

前記（2）に記載のブレードは、翼根から翼端へかけて次第に弦長を大とし、最大弦長部分から翼端にかけて先細としてあるので、回転時における翼端失速が生じず、回転軸から遠い部分の弦長が大であるため、流体を効率良く流動させる。

前記（3）に記載のブレードは、正面における最大弦長部分が、回転方向に対して迎角を有しているので、流体回転体の回転に伴い、ブレードの前縁に当る相対流は、背面に沿う気流の他、正面に沿う気流も正面の前方向へ押出される。

前記（4）に記載のブレードは、正面が回転方向に対して、前縁から後縁へかけて、背後方向へ傾斜しているので、背面方向から風または水を受けることにより、効率のよい回転をし、水車や風車に適用する。

前記（5）に記載のブレードは、最大弦長部における翼厚が、最大弦長の15％〜25％の厚さに形成されているので、ブレードの背面に沿う気流は、正面に沿う気流よりも効率のよい高速度となり、正面方向へ流動する。

前記（6）に記載のブレードは、翼端に、背面から翼端前部にかけて、先端湾曲面が形成されているので、ブレードの回転に伴い、ブレードの背面に沿う流体は、翼端において、先端湾曲面に沿って正面の前方向へ流動する。

前記（7）に記載のブレードは、最大弦長部分から先端へかけて、正面方向へ傾斜した傾斜部とし、傾斜部の側面視は、最大弦長部分の背面から翼端へかけて、次第に薄くして傾斜湾曲面としてあるため、傾斜部の正面における弦方向の長さよりも、傾斜部の背面における弦方向の長さの方が長いため、回転時に傾斜部の前後面に沿う気流は、正面側よりも背面に沿う気流の方が高速となり、背面の後縁部から正面の前方向へ高速の流体が流動する。

本発明のロータのブレードの正面図である。 図１におけるII-II線拡大横断平面図である。 図１における流体回転車の側面図である。 図１におけるIV-IV線拡大横断平面図である。 ブレードの背面により生ずる流体の状態を示す模式図である。 本発明のブレードの実施例２の側面図である。 図６における最大弦長部の横断平面図である。 本発明のブレードの実施例３の側面図である 図８におけるブレードの平面図である。

本発明の実施例を、図面を参照して説明する。

図１において、流体機器用ロータ１（以下単にロータという）は、ハブ２の周面に、放射方向を向く複数（図では２枚）のブレード３、３を固定して形成されている。ブレード３は、翼端を上向きとした状態の正面視において、翼根から翼端方向へ向かって、次第に弦長を大とした後、最大弦長部３Ｃから先端へかけて先細に尖らせている。

図２に示すように、ブレード３の回転方向の前縁３Ａから、後縁３Ｂへかけての正面３Ｄは、ロータ軸４の中心線Ｓに対して、直交する平坦面としてある。
前縁３Ａの部分は円弧状で、背面３Ｆには、弦方向において、前縁３Ａ寄りの中間の翼厚を最大翼厚部３Ｅとして、後縁３Ｂへかけて湾曲面としてある。

最大翼厚部３Ｅの厚さは、最大弦長の15％〜25％、好ましくは約23％とされている。15％以下では、正面３Ｄと背面３Ｆの幅比が小さくて、背面３Ｆに効果的な高速流が生じにくい。また25％以上では、回転時の抵抗が大となり、回転効率が低下する。

ブレード３の回転に伴い、背面３Ｆを、前縁３Ａから後縁３Ｂへ流動する流体は、正面３Ｄに沿う流体よりも高速となり、コアンダ効果により、図２におけるｂ矢示方向へ高速で流動する。

ブレード３の側面視は、図３に示すように、翼根から翼端へかけて、正面３Ｄは回転中心線Ｓと直交状とし、背面３Ｆは、翼根の翼厚を大として、翼端へかけて次第に薄くしてある。翼根の翼厚は、翼根の弦長と略同としてある。

また背面３Ｆにおける翼端縁は、図３に示すように、面取りをして、経方向かつ正面３Ｄ方向へ湾曲する、翼端湾曲面３Ｇとしてある。
そのため、ロータ１の回転時に、ブレード３の背面３Ｆを翼端方向へ移動する流体は、翼端湾曲面３Ｇの湾曲面に沿ってａ矢示方向へ流れる。

図４は、図１におけるIV−IV線横断拡大平面図である。最大翼厚部３Ｅの厚さは、図１に示す最大弦長部３Ｃにおける翼厚の約２倍あり、弦長は最大弦長部３Ｃにおけるそれよりも小となっている。

そのため、弦長方向における背面３Ｆの湾曲度は大となっており、背面３Ｆを前縁３Ａから後縁３Ｂ方向へ滑る流体は、内側方すなわちｃ矢示方向へ流れ、回転中心線Ｓに近づくことになる。

図５は、図１に示すロータ１が回転する時の、流体の状態を示す模式図である。ロータ１の回転に伴い、ブレード３の前縁３Ａに当る相対流Ｙは、背面３Ｆを、前縁３Ａから最大翼厚部３Ｅを超えて高速化され、後縁３Ｂへ向かう高速のｂ矢示流となる。ブレード３の各部位における回転半径の違いにより、回転中心線Ｓに近づくｃ矢示流よりも、ｂ矢示流の速度の方が速くなる。

ロータ１の回転時に、ブレード３の背面３Ｆの翼根部分を、前縁３Ａから後縁３Ｂへと高速で滑る流体は、ｃ矢示流となり、中心線Ｓに近づいている。
このｂｃ間の斜線部分は、高速流であり、正面視では環状となり、内側よりも外側の方が高速となっている。

高速流においては、流体の密度が低下しているから、流体圧は低下する。図５においては、周囲からＸ矢示の常圧流が、流体圧の差によって、低圧となっているｂｃ間の、斜線で示す流体帯に合流して、中心線Ｓ方向へ押しつつ、正面３Ｄより前方向へ流動する。

従って、ブレード３の正面３Ｄが、中心線Ｓと直交する平坦面であって、回転時に流体を押出すことが出来なくても、ブレード３の背面３Ｆの湾曲面に沿って流動する大量の流体を、正面３Ｄの前方向へ、流体圧の差によって流動させることができる。

このように、このロータ１のブレード３は、ロータ軸４を動力で駆動する推進器、送風機などに適する。また、従来型のブレードは、翼厚が薄いので、風が止むと正面側に渦流が生じて失速するが、本発明のブレード３は、前縁部の翼厚を大としたことにより、風が止んだ時に、正面側の流速が上って失速せず、再度風を受けると加速して回転する。

図６は、ロータ１の実施例２を示す側面図で、図７は、その最大弦長部３Ｃにおける横断平面図である。前例と同じ部材には、同じ符号を付して説明を省略する。

この実施例は、ブレード３の正面３Ｄにおいて、翼根部分は回転方向に沿わせ、最大弦長部３Ｃ部分を、回転方向に対して、３度〜７度の迎角θを持たせたものとしてある。

ロータ１の回転に伴い、ブレード３の前縁３Ａに当る相対流Ｙは、迎角θを持つ正面３Ｄの最大弦長部３Ｃに押されて、ｄ矢示流となる。このｄ矢示流は常圧流であるが、相対流Ｙよりは高速である。翼根部分は迎角を有していないので、流速は変らず、キャビテーションが生じない特長がある。

図６に示すように、最大弦長部３Ｃは、垂直に対して回転軸４の中心線Ｓ方へ傾斜しているので、この最大弦長部３Ｃにより押される流体は、中心方向へ傾斜して押出される。これによって、図５におけるｂ矢示流とｃ矢示流は、ｄ矢示流を囲みながら流動し、その外域からＸ矢示流が包むように流動し、大きな流れとなる。

図７において、ブレード３の正面３Ｄの迎角θを、逆向き、すなわち回転方向に対して、前縁３Ａから後縁３Ｂへかけて、背後方向へ向いて傾斜させた。
図７において、背面３Ｆ方向から流体を受けると、ブレード３は回転するので、水車や風車として利用することができる。

従来型のブレードは、翼厚が薄いので、風が止むと正面側に渦流が生じて失速するが、本発明のブレード３は、前縁３Ａ部分の翼厚を最大としたことにより、風が止んだ時に、正面側の流速があがり失速せず、再度風を受けると、加速して回転する。

図８は、ロータ１の実施例３を示す側面図で、図９は拡大平面図である。前例と同じ部材には同じ符号を付して、説明を省略する。
この実施例は、ブレード３の翼端における、最大弦長部３Ｃから先端へかけての部分を、正面の前方向へ傾斜する前向き傾斜部31としてある。

傾斜部31における傾斜部の正面31Dは、側面視で垂直に対して35度〜45度傾斜する平坦面とし、傾斜部31は、最大弦長部３Ｃから先端へかけて次第に薄く、かつ傾斜部の背面31Fは、膨らみのある湾曲面としてある。

図８において、ブレード３が回転すると、翼根よりも翼端の方が回転周速が早いので、翼根を滑る流体の速度よりも、翼端に沿って流動する流体の速度が早くなり、流体圧が低下するので、翼根から翼端の方へ流体が移動し、正面３Ｄにおいては、傾斜部の正面31Dを滑って、ｅ矢示方向へ流れる。また背面３Ｆに沿う流体は、傾斜部の背面31Fの湾曲面を先端方向へ滑り、ｅ矢示方向へ流れる。

これによって、ブレード３の回転に伴い、背面３Ｆに当る流体は、翼端方向へ移動するものは、傾斜部の背面31Fに沿って、正面３Ｄにおける前方向のｅ矢示方向へ高速で流動する。

このｅ矢示流は、傾斜部の背面31Fが、回転軸４から最遠の位置にあるため、回転周速は最大であり、図５、図６におけるｂ矢示、及びｃ矢示流よりも高速で、これらを外側から環状に囲って、周囲の常圧流を吸収して流速を高める。

また、図６において、背面３Ｆ方向からブレード３に流体が当ると、ｂｃ方向へ高速で流れ、反動でブレード３は、前縁３Ａ方向へ回転する。回転に伴い、相対流もｂｃ方向へ高速で流れ、ブレード３の回転速度は高まる。これによって、風車や水車に利用することができる。

以上詳述したように、本発明のロータのブレード３は、その構造が簡単で、剛性と送流機能に優れているので、飛行機や船舶の推進器や、空調機器などの送風、送水ポンプなどに有効に利用することができる。
また、流体を受けて回転する、風車や水車にも利用することができる。

ブレードの構造が単純であり、高速流を流動できるので、推進器、送風機、送水機、或いは、背面に流体を受けて回転する水車や風車などに、効果的に利用することができる。

１．ロータ
２．ハブ
３．ブレード
３Ａ．前縁
３Ｂ．後縁
３Ｃ．最大弦長部
３Ｄ．正面
３Ｅ．最大翼厚部
３Ｆ．背面
３Ｇ．先端湾曲面
31.傾斜部
31D.傾斜部の正面
31F.傾斜部の背面
４．回転軸

Claims (7)

1. ハブの周面に、放射方向へ向く複数のブレードを突設した流体機器用ロータにおいて、ブレードの翼端を上向き状態とした正面は平坦面とし、背面における弦長方向の前縁寄り部分の翼厚を最大とし、後縁を薄くした湾曲面とし、側面視においては、正面を垂直として、翼根から翼端へかけて翼厚を次第に薄くしたことを特徴とする流体機器用ロータのブレード。
2. 正面視において、翼根から翼端へかけて弦長を次第に大とし、最大弦長部分から翼端にかけて先細としたことを特徴とする請求項１に記載の流体機器用ロータのブレード。
3. 正面における最大弦長部分は、回転方向に対して迎角状に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の流体機器用ロータのブレード。
4. 正面は、回転方向に対して、前縁から後縁へかけて、背後方向へ傾斜していることを特徴とする請求項１または２に記載の流体機器用ロータのブレード。
5. 最大弦長部における翼厚は、最大弦長の１５％〜２５％であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の流体機器用ロータのブレード。
6. 側面視の翼端を、背面から先端の前方へかけて面取りした、先端湾曲面としたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の流体機器用ロータのブレード。
7. 最大弦長部分から先端を、正面方向へ傾斜する傾斜部とし、傾斜部の側面視において、背面の最大弦長部分から翼端へかけて、次第に薄くして傾斜湾曲面としたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の流体機器用ロータのブレード。

Images