JP2013184645A - 可変ピッチプロペラ - Google Patents

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Abstract

【課題】簡単な構造で可動部や部品点数が少なく、メンテナンスが容易となるとともに、ブレード平面形状を最適化して効率を向上することができ、フラッタを起こしにくく、プロペラの回転に伴う慣性モーメントの影響を排除してブレードの有効迎角を常に理想的な値に保つことが可能な可変ピッチプロペラを提供すること。
【解決手段】複数枚のブレード120の迎角変更軸121を回動可能な状態でプロペラ軸110と連結する可変ピッチプロペラ100であって、ブレード120は回動軸線がブレード120の翼弦長の4分の1より前方に位置する翼型に形成され、ブレード120には回動軸線周りの慣性モーメント最大となる方向が異なる固定可能なカウンターウエイト130が設けられていること。
【選択図】図3

Description

本発明は、負荷に応じて自律的にブレードの迎角を変更することで高い効率を得ることが可能な可変ピッチプロペラに関する。
可変ピッチプロペラは周知慣用され、航空機等の推進のためのプロペラや風車等に広く用いられている。
特に、航空機の推進用として1930年代以降多く用いられており、代表的なものとしてハーツウェル社の方式が主流となっているが、この方式は機械的な調速器と油圧ピストン、カム機構等からなり、複雑で維持に手間がかかり、高価であることが問題である。
この問題を解決するために様々な機構が提案されている。
例えば、特許文献1、2に示すように、ブレードの回転軸線をブレードの圧力中心より前に設け、空気力とバネの反力との釣り合いで迎角変更が自律的に行われるものが公知である。
また、特許文献3に示すように、翼先端の後縁を延長し、空気力のみによりブレードの迎角が変更されるものや、特許文献4に示すように、ブレード先端にアレイを装着し、アレイの質量量分布を利用してプロペラブレードのねじれ角が自律的に変化されるものが公知である。
特開2007−50869号公報 特開2004−353644号公報 特開平6−56092号公報 特開昭63−212200号公報
しかしながら、特許文献1、2に記載のような公知の可変ピッチプロペラは、ブレード重心立置が回転軸線後方に位置しやすく、フラッタを起こす危険があるとともに、プロペラの回転に伴う慣性モーメントによって、ブレードの迎角を減少させるモーメントが加わり、ブレードの有効迎角を常に理想的な値に保つことが困難であった。
また、バネの弾性を使用するために可動部が多く部品点数も多くなり、メンテナンスに手間がかかるという問題があった。
特許文献3に記載のような公知の可変ピッチプロペラは、機構は単純であるものの、ブレード平面形状を最適化できないためにプロペラ効率が下がるとともに、特許文献1、2に記載のような公知の可変ピッチプロペラと同様に、ブレードの重心位置によるフラッタの問題、プロペラの回転に伴う慣性モーメントの問題があった。
特許文献4に記載のような公知の可変ピッチプロペラでは、ねじれを変化させることで、プロペラ効率は向上するものの、ブレードの構造が複雑であるとともに、迎角の変更の構成は特許文献1、2に記載のような公知の可変ピッチプロペラと同様であり、同様の問題があった。
また、高速になるブレードの先端に空気抵抗が大きいアレイを装着するため、ブレードの空気抵抗が増加するという問題があった。
本発明は公知の課題を解決するものであって、簡単な構造で可動部や部品点数が少なく、メンテナンスが容易となるとともに、ブレード平面形状を最適化して効率を向上することができ、フラッタを起こさず、プロペラの回転に伴う慣性モーメントの影響を排除してブレードの有効迎角を常に理想的な値に保つことが可能な可変ピッチプロペラを提供することを目的とするものである。
本請求項1に係る発明は、プロペラ軸と、該プロペラ軸を中心として回転する複数枚のブレードと、該ブレードの前記プロペラ軸側に一体的に設けられた迎角変更軸と、前記迎角変更軸を回動可能な状態で前記プロペラ軸と連結するハブとを有する可変ピッチプロペラであって、前記ブレードは、前記迎角変更軸の回動軸線が前記ブレードの翼弦長の4分の1より前方に位置する翼型に形成され、前記ブレードには、固定可能なカウンターウエイトが設けられ、該カウンターウエイトの前記回動軸線周りの慣性モーメント最大となる方向が、前記ブレードの前記回動軸線周りの慣性モーメント最大となる方向と直交するように形成され、前記ブレードおよびカウンターウエイトの全体の重心位置が、前記回動軸線上に位置するように構成されていることにより、前記課題を解決するものである。
本請求項2に係る発明は、請求項1に係る可変ピッチプロペラの構成に加え、前記カウンターウエイトが、前記回動軸線周りの慣性モーメントを変更可能に構成されていることにより、前記課題を解決するものである。
本請求項3に係る発明は、請求項1または請求項2に係る可変ピッチプロペラの構成に加え、前記カウンターウエイトが、前記回動軸線と直交する平面内の重心位置を変更可能に構成されていることにより、前記課題を解決するものである。
本請求項4に係る発明は、請求項2または請求項3に係る可変ピッチプロペラの構成に加え、前記カウンターウエイトが、前記ブレードまたは迎角変更軸に固定されるベース部材と、該ベース部材に固定されるウエイト本体とを有し、前記ベース部材が、前記ウエイト本体の回動軸線からの距離を変更可能に構成されていることにより、前記課題を解決するものである。
本請求項5に係る発明は、請求項2乃至請求項4のいずれかに係る可変ピッチプロペラの構成に加え、前記カウンターウエイトが、前記ブレードまたは迎角変更軸に固定されるベース部材と、該ベース部材に固定されるウエイト本体とを有し、前記ベース部材が、質量の異なるウエイト本体を交換可能に構成されていることにより、前記課題を解決するものである。
本請求項1に係る可変ピッチプロペラによれば、プロペラの回転に伴う慣性モーメントによって発生するブレード迎角を減少させる回動軸線周りのモーメントを、固定的に設けられるカウンターウエイトによって発生する回動軸線周りのモーメントによって、調整して所定のモーメントとすることが可能となるため、複雑な可動機構を設けることなくブレードに加わる空気力と慣性力のみで自律的にブレードが最適な迎角となる。
このことで、簡単な構造で可動部や部品点数が少なく、メンテナンスが容易となるとともに、ブレード平面形状を最適化して効率を向上することができ、ブレードおよびカウンターウエイトの全体の重心位置が回動軸線上に位置することでフラッタを起こさず、プロペラの回転に伴う慣性モーメントを調整してブレードの有効迎角を自律的に理想的な値に保つことが可能となる。
さらに、逆回転時でも、何らの制御を行うことなく最適な迎角となり、効率を向上することができる。
本請求項2に記載の構成によれば、カウンターウエイトの慣性モーメントの変更で、プロペラ特性を変更することが可能となり、使用条件に応じた最適な効率を得ることが可能となる。
本請求項3に記載の構成によれば、カウンターウエイトの慣性モーメントを変更しても、ブレードおよびカウンターウエイトの全体の重心位置を回動軸線上に設定することが可能なため、プロペラの特性を最適化でき、さらに使用条件に応じた最適な効率を得ることが可能となるとともに、回動軸線周りのバランスが安定し迎角が変化してもフラッタを起こさず、迎角を変化させたり安定させるために複雑な可動機構や付勢機構を設ける必要もない。
本請求項4に記載の構成によれば、カウンターウエイトの慣性モーメントや重心位置の変更を容易に行うことができ、プロペラの形状や特性の変更が容易となるとともに、メンテナンスが容易となる。
本請求項5に記載の構成によれば、カウンターウエイトの慣性モーメントや重心位置の変更を容易に行うことができるとともに、その変更範囲を大きく拡大することが可能となり、プロペラ特性の変更範囲が拡大し、様々な使用条件への適用が可能となる。
可変ピッチプロペラのブレードの迎角と揚力の関係の説明図。 本発明の可変ピッチプロペラの概略動作説明図。 本発明の1実施形態である可変ピッチプロペラの一部断面外観図。 図3のスピナ内部の一部断面斜視図。 図4のカウンターウエイトの拡大斜視図。 本発明の1実験例である可変ピッチプロペラの前面投影形状を示す線図。 図6の可変ピッチプロペラの効率を示すグラフ。
本発明の可変ピッチプロペラは、プロペラ軸と、該プロペラ軸を中心として回転する複数枚のブレードと、該ブレードのプロペラ軸側に一体的に設けられた迎角変更軸と、迎角変更軸を回動可能な状態でプロペラ軸と連結するハブとを有する可変ピッチプロペラであって、ブレードは、迎角変更軸の回動軸線がブレードの翼弦長の4分の1より前方に位置する翼型に形成され、ブレードには、固定可能なカウンターウエイトが設けられ、該カウンターウエイトの回動軸線周りの慣性モーメント最大となる方向が、ブレードの回動軸線周りの慣性モーメント最大となる方向と直交するように形成され、ブレードおよびカウンターウエイトの全体の重心位置が、回動軸線上に位置するように構成されているものであって、簡単な構造で可動部や部品点数が少なく、メンテナンスが容易となるとともに、ブレード平面形状を最適化して効率を向上することができ、フラッタを起こさず、プロペラの回転に伴う慣性モーメントを調整してブレードの有効迎角を自律的に理想的な値に保つことが可能なものであれば、その具体的な実施態様はいかなるものであっても良い。
本発明の可変ピッチプロペラの基本動作について説明する。
本発明の可変ピッチプロペラは、ブレードに作用する揚力の作用点が、迎角に応じて翼弦長方向に位置を変えることを利用し、ブレードの迎角変更軸の回転軸線の位置を所定の迎角の時の揚力の作用点に位置させることで安定させ、カウンターウエイトを付加することで、プロペラの回転に伴う慣性モーメントを変化させて、回転数の変化による迎角の変化を最適なものとするものである。
図1に、翼弦長がcでモーメント係数(Cm)が正のブレードのレイノルズ数200,000の場合の、迎角と揚力の関係を示す。
例えば、このブレードの回転軸線の位置を迎角が5°の時に揚力が作用する位置とし、前後の重量バランスを取ると、揚力に起因する回転軸線周りのモーメントは、迎角5°未満になった場合は迎角を大きくする方に、迎角5°を超えると迎角を小さくする方に作用するため、揚力のみを考慮すると迎角5°に自律的に安定する。
なお、この揚力はブレードの翼弦方向の対気速度Uの2乗に比例する。
また、ブレードの長手方向の捻れを考慮した場合、長手方向のすべての断面における回転軸線周りのモーメントの総和がゼロになる迎角で自律的に安定する。
しかしながら、実際はプロペラの回転に伴って発生する回転軸線周りの慣性モーメントが加わり、この慣性モーメントはプロペラの回転数によって変化するため、自律的に安定する迎角はプロペラの回転数によって一定ではない。
本発明の可変ピッチプロペラは、カウンターウエイトを付加することで、プロペラの回転に伴って迎角の変化に作用する慣性モーメントを変更して、ブレードの迎角をプロペラの回転数に応じて自律的に最適に安定させるものである。
図2は半径0.4R、0.6R、0.8Rのブレード断面とカウンターウエイトを模式的に示している。
本発明の可変ピッチプロペラのブレードは、モーメント係数(Cm)が正の翼型であり、0.25以下の定数kを用いてブレード前縁から翼弦長のk倍の位置に迎角変更軸の回転軸線CPが置かれている。
回転軸線CPと直交する慣性主軸のうち、慣性モーメントが大きい方の軸をy軸とし、小さい方の軸をz軸とし、それぞれの慣性モーメントをIyy、Izzと表記する。
一般にy軸はブレードの前縁と後縁を結ぶ方向にある。
また、ブレードのプロペラ軸側付け根のz軸方向に上下対称のカウンターウエイトが設けられており、上下それぞれの重心の回転軸線CPからの距離をl、質量をmとする。
このカウンターウエイトの重心の回転軸線CPからの距離をlと質量mは可変であり、ブレードとカウンターウエイト全体の回転軸線CP周りの重心位置は、図示しない別途の質量を付加することで回転軸線CPに一致させる。
ブレードとカウンターウエイト全体の回転体全体のIyy、Izz、はブレード単体の慣性モーメントをIyy’、Izz’、カウンターウエイトの慣性モーメントをIyy”、Izz”とすれば、
Iyy=Iyy’+Iyy”
Izz=Izz’+Izz”
となり、
カウンターウエイトのz軸方向の慣性モーメントIzz”は、
Izz”=2ml
で与えられる。
ブレード単体の慣性モーメントIyy’、Izz’は一定であり、カウンターウエイトのy軸方向の慣性モーメントIyy”は、本モデルでは前後の長さが小さく微小であるため、回転体全体のy軸方向の慣性モーメントIyyは実質一定である。
回転体全体のz軸方向の慣性モーメントIzzは、カウンターウエイトの重心の回転軸線CPからの距離lまたは質量mを変えてIzz”を変えることで調整可能となる。
上記のブレードをプロペラ軸周りに回転させると、プロペラ軸から直交する方向にブレードの重心を通るように延びるx軸(本説明では回転軸線CPと一致)周りに、次のモーメントMiが発生することが一般に知られている。
Mi=−1/2Ω(Iyy−Izz)sin2θ
ここでΩは回転角速度であり、θは回転面からのy軸の傾きである。なお、Miは迎角が大きくなる方向を正とした。
IyyとIzzの値の差が大きくなる程モーメントMiは大きくなり、またモーメントMiはθが45°の時に最大となり、回転角速度Ωの二乗に比例する。
プロペラ軸方向の対気速度がゼロであれば迎角は常にブレードの回転面に対する角度でありy軸の傾きθと合致するが、プロペラ軸方向の対気速度がゼロでない場合、迎角を一定に保つようにするとブレード翼弦方向の対気速度Uと回転角速度Ωの関係に応じてy軸の傾きθが変化する。
ブレードの形状は、所定の条件(所定のブレード翼弦方向の対気速度Uと回転角速度Ωの関係)における所定の迎角を想定してプロペラの効率が最適となるように設計されているが、上記所定の条件が変化すると、想定された所定の迎角にするようy軸の傾きθを変化させるだけでは、プロペラ効率は低下する。
本発明は、ブレード翼弦方向の対気速度Uと回転角速度Ωの関係の変化に対してプロペラ効率が最適となるように、上記Izz”を任意に設定可能なカウンターウエイトを固定するものである。
すなわち、回動軸線周りの慣性モーメント最大となる方向が、ブレードの回動軸線周りの慣性モーメント最大となる方向と異なるよう形成したカウンターウエイトをブレードに固定可能とすることによって、回転角速度Ωやy軸の傾きθの変化に対応してMiを前記式(1)に従って最適な値とし、迎角変更軸の回動機構以外の付加的な可動機構を一切設けずに、ブレードを自律的に最適な迎角とし、プロペラ効率を最適に維持することが可能となる。
また、このプロペラを逆回転させたとき、ブレードは単に180°角度を変え、幾何学的には正回転と同じ形状となるため、逆回転でも正回転と同じ効率を発揮する。
次に、本発明の1実施形態に係る可変ピッチプロペラ100について、図3乃至図5に基づいて説明する。
本実施形態に係る可変ピッチプロペラ100は、例えば小型の無人航空機等に用いられるプロペラであり、図3に示すように、モータ102の回転軸が直接プロペラ軸110となっており、プロペラ軸110に固定されたハブ140にブレード120の迎角変更軸121が回動可能に取付けられて構成されている。
モータ102は、プロペラ軸110が突出するようにモータマウント101に固定されるとともに、該モータマウント101にはモータ102の外周を覆うようにモータハウジング103が固定され、該モータハウジング103にはモータ102を収容するようにハウジングベース105が固定されている。
ハブ140にはベアリング144が設けられ、該ベアリング144の内周にブレード120の迎角変更軸121が挿入され、迎角変更軸121の端部にナット145が螺合されることで、ブレード120がハブ140に対して迎角変更軸121の回動軸線回りの回動のみ可能となるように取付けられている。
なお、図示では、ベアリング144はスラストおよびラジアルの2列のボールベアリングで構成されている。
迎角変更軸121には、ハブ140に近接してカウンターウエイト130が固定されている。
ハブ140およびカウンターウエイト130の周囲は、図3および図4に示すように、プロペラ軸110およびハブ140と一体に回転するスピナ142で覆われており、該スピナ142のプロペラ軸110の軸線方向先端部には、冷却空気取入口143が設けられている。
スピナ142のモータ102側には冷却空気通過孔146が設けられ、冷却空気取入口143から導入された空気は、冷却空気通過孔146を通過しモータ102を冷却して、モータハウジング103のハウジングベース105側に設けられた冷却空気出口104から排出される。
また、スピナ142の左右にはブレード120の迎角変更軸121を挿入可能な迎角変更軸挿通孔147が設けられている。
なお、本実施形態に係る可変ピッチプロペラ100は2枚のブレード120をプロペラ軸110に対して回転方向180°の位置に配するものであるため、ハブ140およびスピナ142は、プロペラ軸110の軸線に対して180°回転対称の形状・構造であるが、ブレード120の枚数が3枚、4枚等である場合は、ハブ140およびスピナ142の形状、構造も120°回転対称、90°回転対称等の形状、構造としても良い。
カウンターウエイト130は、図5に示すように、固定片132を有する複数のウエイト本体131と、該固定片132を固定可能な3方向に延びるアーム部139を有するベース部材134とで構成される。
ベース部材134には、ブレード120の迎角変更軸121が挿入されるブレード固定孔137が設けられ、側方からブレード固定孔137内に貫通し内周面にネジ山が設けられたブレード固定ネジ孔138を有している。
ベース部材134は、ブレード固定孔137に迎角変更軸121が挿入し、ブレード固定ネジ(図示せず)をブレード固定ネジ孔138に螺合して締め付けることで、迎角変更軸121に強固に固定されて、ブレード120と一体となってプロペラ軸線回りを回転、および、回動軸線回りを回動する。
ウエイト本体131の固定片132には固定用長孔133が設けられ、ベース部材134の3方向に延びるアーム部139には、それぞれ、固定片132を固定するための2つのウエイト固定ネジ孔135が設けられている。
アーム部139と固定片132が、ウエイト固定ネジ136を固定片132の固定用長孔133を挿通してウエイト固定ネジ孔135に締め付けることにより強固に固定されることで、ベース部材134とウエイト本体131が一体となってカウンターウエイト130を構成する。
各アーム部139の2つのウエイト固定ネジ孔135は、迎角変更軸121の回動軸線から離れる方向に並べて設けられており、固定片132の固定用長孔133は、該2つのウエイト固定ネジ孔135の間隔よりも長く設定されている。
このことで、ウエイト本体131の迎角変更軸121の回動軸線からの距離を調整して固定することが可能で、回動軸線周りの慣性モーメントを調整可能に構成されている。
また、ウエイト固定ネジ136を完全に取外すことで、ウエイト本体131の交換が可能であり、異なる質量のウエイト本体131を固定することでも、回動軸線周りの慣性モーメントを調整可能である。
3方向に延びるアーム部139のうち、2つは迎角変更軸121の回動軸線に直交する平面内で180°対称の方向に延び、残り1つは90°の方向に延びるように構成され、ベース部材134を迎角変更軸121に固定する際に、前者の2つのアーム部139がブレード120の回動軸線周りの慣性モーメント最大となる方向と直交する方向となるように設定される。
このことで、前者の2つのアーム部139に取り付けられたウエイト本体131により、プロペラの回転に伴う慣性モーメントによって発生するブレード120の迎角を減少させる回動軸線周りのモーメントを調整して最適なモーメントとすることが可能となる。
また、後者の90°の方向に延びるアーム部139に取り付けられたウエイト本体131により、ブレード120全体の回動軸線周りの重心位置を最適に維持することが可能となる。
なお、本実施形態では、3つのアーム部139の形状・寸法、および、それぞれに取り付けられるウエイト本体131の形状・寸法を同一のものとしたが、それぞれ異なる形状・寸法としても良い。
また、各部の形状・構造・寸法は、図示のものに限定されるものではない。
次に、本発明の可変ピッチプロペラの実験例について説明する。
実験に使用したプロペラのブレードは設計点として以下の諸元を用い、公知の設計方法、性能推定方法で、図6に示すような前面投影形状に設計した。
前進速度(U) 27.8m/s(100km/h)
直径(D) 0.2667m(10.5inch)
角速度(回転数n) 1043rad/s(10,000rpm)
入力パワー 225W(0.3hp)
揚力係数 0.4
推力 7.26
効率 89.4%
このプロペラを、固定ピッチプロペラとして使用した場合、図7に示すように、設計点の進行率(U/nD:前述した対気速度と回転角速度の関係に対応する数字)を上回る条件では急激に効率が低下し、設計点の進行率を40%上回ると効率はゼロとなってしまう。
これに対し、このプロペラを本発明の可変ピッチプロペラの構成とすることにより、設計点の進行率の2倍の条件でも効率は70%を超える。
このように、本発明の可変ピッチプロペラは、進行率、すなわち、前述した対気速度(前進速度)と回転角速度の関係が幅広く変化するような使用条件であっても、高効率を維持することが可能となる。
本発明は、航空機の推進用の可変ピッチプロペラとして好適であり、特に小型軽量で自律的に制御されメンテナンスの容易な設計を必要とされる、電気モータ駆動の無人の航空機等に好適である。
また、航空機以外の推進用に用いることも可能であり、逆に、空気の流れから回転力を得る風車としての用途に用いることも可能である。
特に、進行率が幅広く変化しても高効率を維持することが可能であり、簡単な構造で可動部や部品点数が少なく、メンテナンスも容易なことから、風力発電等の用途に好適である。
100 ・・・可変ピッチプロペラ
101 ・・・モータマウント
102 ・・・モータ
103 ・・・モータハウジング
104 ・・・冷却空気出口
105 ・・・ハウジングベース
110 ・・・プロペラ軸
120 ・・・ブレード
121 ・・・迎角変更軸
130 ・・・カウンターウエイト
131 ・・・ウエイト本体
132 ・・・固定片
133 ・・・固定用長孔
134 ・・・ベース部材
135 ・・・ウエイト固定ネジ孔
136 ・・・ウエイト固定ネジ
137 ・・・ブレード固定孔
138 ・・・ブレード固定ネジ孔
139 ・・・アーム部
140 ・・・ハブ
142 ・・・スピナ
143 ・・・冷却空気取入口
144 ・・・ベアリング
145 ・・・ナット
146 ・・・冷却空気通過孔
147 ・・・迎角変更軸挿通孔

Claims (5)

  1. プロペラ軸と、該プロペラ軸を中心として回転する複数枚のブレードと、該ブレードの前記プロペラ軸側に一体的に設けられた迎角変更軸と、前記迎角変更軸を回動可能な状態で前記プロペラ軸と連結するハブとを有する可変ピッチプロペラであって、
    前記ブレードは、前記迎角変更軸の回動軸線が前記ブレードの翼弦長の4分の1より前方に位置する翼型に形成され、
    前記ブレードには、固定可能なカウンターウエイトが設けられ、
    該カウンターウエイトの前記回動軸線周りの慣性モーメント最大となる方向が、前記ブレードの前記回動軸線周りの慣性モーメント最大となる方向と直交するように形成され、
    前記ブレードおよびカウンターウエイトの全体の重心位置が、前記回動軸線上に位置するように構成されていることを特徴とする可変ピッチプロペラ。
  2. 前記カウンターウエイトが、前記回動軸線周りの慣性モーメントを変更可能に構成されていることを特徴とする請求項1に記載の可変ピッチプロペラ。
  3. 前記カウンターウエイトが、前記回動軸線と直交する平面内の重心位置を変更可能に構成されていることを特徴とする請求項2に記載の可変ピッチプロペラ。
  4. 前記カウンターウエイトが、前記ブレードまたは迎角変更軸に固定されるベース部材と、該ベース部材に固定されるウエイト本体とを有し、
    前記ベース部材が、前記ウエイト本体の回動軸線からの距離を変更可能に構成されていることを特徴とする請求項2または請求項3に記載の可変ピッチプロペラ。
  5. 前記カウンターウエイトが、前記ブレードまたは迎角変更軸に固定されるベース部材と、該ベース部材に固定されるウエイト本体とを有し、
    前記ベース部材が、質量の異なるウエイト本体を交換可能に構成されていることを特徴とする請求項2乃至請求項4のいずれかに記載の可変ピッチプロペラ。
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