JP2020008014A - 折板汎用タービン - Google Patents

Abstract

【課題】一枚の平面材を折り曲げるだけで簡単に強靭かつ高い回転効率の汎用タービンを製造する方法を提供する。【解決手段】一枚の平面材に切断線３と折線４Ａと折線４Ｂを入れ、谷折りと山折りを一定の面角ｕで交互に折り曲げてゆくことによって形成される汎用タービン。【選択図】図１２

Description

本発明は水力タービン、蒸気タービン、風力タービン、ガスタービン、ファン、ポンプ、スクリュー、プロペラ等に使われる、強靭で高い回転効率を生む汎用タービンを簡単に製造する技術に関する。

水力、風力、蒸気、ガスを問わず、従来のタービンは、強固な円筒シャフトを回転軸とし、その側面に、曲面をなす多数の羽根を溶接等で取り付けることによって作られている。古典的な例として、Ｋａｐｌａｎ型、Ｆｒａｎｃｉｓ型、Ｐｅｌｔｏｎ型、Ｔｕｒｇｏ型、Ｃｒｏｓｓｆｌｏｗ型、Ｍｕｌｔｉ−Ｊｅｔ型などが有名である（非特許文献１および図１を参照）。もっと遡れば、アルキメデス・ポンプや、オランダの風車、粉ひき水車などはタービンの最も原初的な形式である。船のスクリューや飛行機のプロペラも広義のタービンである。

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上記の先行技術によれば、回転軸と羽根の接合部は破損しやすく、複雑で高度な加工精度を要した。そこで、本発明は、一枚の平面材を折り曲げるだけで簡単に強靭かつ高い回転効率の汎用タービンを製造する方法を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するために、本発明は、一枚の平面材に切断線３と折線４Ａ、４Ｂを入れ、一定の面角ｕで折線４Ａを「谷折り」、折線４Ｂを「山折り」として交互に折り曲げてゆくことによって汎用タービンの機能を持たせることを特徴とする。

本発明によって、素材の強度を最大限発揮するタービンが得られる。また複雑な曲面を必要としないので加工はきわめて簡単であり、しかも高い回転効率が得られる。

非特許文献１による、従来知られているタービンの分類である。 本発明の実施形態に係る、羽根の長さｈを０、平面材の厚さｔを０とした場合のタービンを構成する一単位の、回転軸方向から見た平面図と、その側面図である。 同上の連続する２単位の展開図である。 偏角ｗを１３７．５度、羽根の角度ｖを２０度、羽根の幅ｃを２０、羽根の長さｈを０、平面材の厚さｔを０．５、羽根の枚数ｎを２とした実施例の斜視図ある。 偏角ｗを１３７．５度、羽根の角度ｖを２０度、羽根の幅ｃを２０、羽根の長さｈを２０、平面材の厚さｔを０．５、羽根の枚数ｎを３０とした実施例の斜視図ある。 同上の回転軸方向から見た平面図である。 同上の斜視図である。 偏角ｗを１３７．５度、羽根の角度ｖを２０度、羽根の幅ｃを２０、羽根の長さｈを２０、平面材の厚さｔを０．５、羽根の枚数ｎを８とした実施例の展開図である。 同上の回転軸方向から見た平面図である。 同上の斜視図である。 偏角ｗを１３７．５度、羽根の角度ｖを２０度、羽根の幅ｃを２０、羽根の長さｈを２０、平面材の厚さｔを０．５、羽根の枚数ｎを５０とした実施例の回転軸方向から見た平面図である。 同上の斜視図である。

以下に本発明を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。タービンの形とサイズを決めるパラメーターとしては、一定の羽根の幅ｃ、隣り合う羽根同士がつくる一定の偏角（以下「偏角」と呼ぶ。）ｗ、回転軸を法線とする平面と羽根平面がなす一定の角度（以下「羽根の傾き」と呼ぶ。）ｖの３つが本質的である。

副次的パラメーターとして、平面材の厚さｔ、羽根の長さｈ、羽根の枚数ｎが加わって全体の形状が決定される。

羽根の幅ｃ、偏角ｗ、羽根の傾きｖが与えられ、平面材の厚さｔを０とし、羽根の長さｈを０とした場合、一枚の羽根は二等辺三角形となり、回転軸方向から見た平面図と、その側面図は図２で表される。

そのとき、隣り合う二枚の羽根の展開図は図３のように示され、斜辺＝ａ、底辺＝ｃ、高さ＝（ｓ＋ｒ）の二等辺三角形が二枚接続された形となる。回転軸の位置２から二等辺三角形頂点までの距離ｒ、回転軸の位置２から二等辺三角形底辺中点までの距離ｓ、二等辺三角形斜辺の長さａの値は以下の式によって決まる。
ｒ＝ｃ＊ｃｏｓ ｖ／（２＊ｓｉｎ ｗ）
ｓ＝−ｒ＊ｃｏｓ ｗ
ａ＝√（ｃ^２＋（ｓ＋ｒ）^２）

図３を展開図とし、厚さｔの平面材を折線４Ａで谷折りした実施例の斜視図が図４である。二枚の羽根が作る面角ｕは偏角ｗと羽根の傾きｖで決まり、以下の式で表される。
ｔａｎ ｕ＝ｔａｎ ｖ＊ｓｉｎ ｗ／（２＊ｃｏｓ（ｗ／２））

本発明は羽根の枚数ｎを任意に設定できる。一例として３０枚の羽根からなる実施例の展開図は図５のように示され、図７のように折線４Ａを面角ｕで谷折りし、折線４Ｂを面角ｕで山折りすることを交互に繰り返して、実施例は完成する。回転軸方向から見た平面図は図６のようになり、半径＝ｒの円をほぼ万遍なく埋め尽くす。

本発明には対掌性（カイラリティー）があり、折線４Ａを山折りとし、折線４Ｂを谷折りとした、上記実施例と鏡像関係をなすタービン実施例が存在する。すなわち、一方向からの流体に対し、互いに逆回転する二種類のタービン実施例が、同一の展開図から製造できる。

上記の実施例は羽根の長さｈを０とした場合であり、二等辺三角形の羽根で構成されたタービンであった。回転効率をより高めるならば、羽根の長さを０以上に設定するとよい。図８は羽根の長さを羽根の幅と等しく２０とし、８枚の５角形の羽根で構成された場合の実施例の展開図である。厚さ０．５の平面材を切断線３で切断し、図１０のように折線４Ａを面角ｕで谷折りし、折線４Ｂを面角ｕで山折りすることを交互に繰り返して、実施例は完成する。回転軸方向から見た平面図は図９のようになり、半径＝（ｓ＋ｈ）の円をほぼ万遍なく埋め尽くす。この実施例の場合も、折線４Ａを山折りとし、折線４Ｂを谷折りとした鏡像のタービン実施例が存在する。

本発明は羽根の枚数ｎに制限はない。図１２は羽根の枚数ｎを５０枚に設定した実施例の斜視図である。回転軸方向から見た平面図は図１１のようになり、半径＝（ｓ＋ｈ）の円をほぼ万遍なく埋め尽くす。

偏角ｗ以外のパラメーターを固定し、様々な偏角ｗの本発明実施例を比較した場合、特に偏角ｗが２π（３−√５）／２ラジアン≒１３７．５度、いわゆる「黄金角」をなす場合が最も回転効率が高くなる。しかし本発明は任意の偏角ｗに対応するものである。場合によっては、黄金角以外の角度を使うことによって、回転効率をあえて低く抑える必要も起こりうる。

本発明は水力タービン、蒸気タービン、風力タービン、ガスタービン、送風ファン、ポンプ、スクリュー、プロペラなど、汎用的なタービンに利用できる。

ａ 展開図における折線４Ａ、４Ｂの長さ
ｂ 羽根の傾きｖのときの羽根の幅ｃの水平距離
ｃ 羽根の幅
ｄ 隣り合う羽根同士のピッチ間隔
ｈ 羽根の長さ
ｗ 隣り合う羽根同士のなす偏角
ｖ 羽根の傾き角度
ｕ 隣り合う羽根同士のなす面角
ｓ ｈ＝０としたときの二等辺三角形の羽根において、回転軸の位置２から底辺中点までの距離
ｒ ｈ＝０としたときの二等辺三角形の羽根において、回転軸の位置２から頂点までの距離
ｎ 羽根の枚数
ｔ 平面材の厚さ
１ 羽根部分
２ 展開図における回転軸の位置
３ 切断線
４Ａ 折線
４Ｂ ４Ａが谷折りならば山折り折線。４Ａが山折りならば谷折り折線。
５ 回転軸

そのとき、隣り合う二枚の羽根の展開図は図３のように示され、斜辺＝ａ、底辺＝ｃ、高さ＝（ｓ＋ｒ）の二等辺三角形が二枚接続された形となる。回転軸の位置２から二等辺三角形頂点までの距離ｒ、回転軸の位置２から二等辺三角形底辺中点までの距離ｓ、二等辺三角形斜辺の長さａの値は以下の式によって決まる。
ｒ＝ｃ＊ｃｏｓ ｖ／（２＊ｓｉｎ ｗ）
ｓ＝−ｒ＊ｃｏｓ ｗ
ａ＝√（（ｃ／２） ^２＋（ｓ＋ｒ）^２）

Claims (1)

1. 隣り合う羽根同士がなす偏角（ｗ）、羽根の傾き（ｖ）、羽根の幅（ｃ）によって決定された切断線（３）と折れ線（４Ａ、４Ｂ）と回転軸の位置（２）で構成される展開図に基づき、厚さ（ｔ）の平面材を、切断線（３）で切断し、一方の折線（４Ａ）を谷折り、もう一方の折線（４Ｂ）を山折りとして、一定の面角（ｕ）で交互に折り曲げることによって形成された汎用タービン。