JP2021188513A - 回転体 - Google Patents

Abstract

【課題】より一層性能が向上した回転体を提供する。【解決手段】回転体は、軸線に沿って延びる回転軸と、回転軸から径方向外側に突出し、回転軸の回転方向に間隔をあけて配列された複数の翼２と、を備え、翼は、回転軸に接続されるとともに、回転方向の前方側を前縁Ｌｅとし、回転方向に対して第一の迎角θ１をなす翼型断面を有する翼本体と、翼本体の外周側の端部から径方向外側に突出し、周方向に間隔をあけて配列されるとともに、回転方向の前方側を前縁とし、回転方向に対して第一の迎角よりも小さい第二の迎角θ２をなす翼型断面を有する複数のチップ翼２２と、を有する。【選択図】図２

Description

本開示は、回転体に関する。

例えば船舶のスクリューや、ポンプのインペラは、放射状に配列された複数の翼を有する回転体である。この回転体を回転させることによって流体力が発生する。このような装置の具体例として、下記特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１に記載されたプロペラファンの翼は、前縁部、後縁部、及び外縁部によって形成されており、外縁部には複数の凹部と凸部が設けられている。これら凹部と凸部によって、翼端部で生じた渦のエネルギーが主流に供給され、主流の剥離が抑制できるとされている。

特許第５６９７４６５号公報

ところで、上記のプロペラファンを含む回転体では、回転中に翼端渦キャビテーションと呼ばれる現象が生じることが知られている。具体的には、まず翼の前縁で剥離が生じることで複数の小さな渦が発生し、これら小さな渦が翼端で翼端渦と連成する。これにより、翼端で渦管が発生する。渦管が主流によって引き延ばされることで渦度が増し、渦管内部の圧力は低下する。その結果、翼端渦キャビテーションが発生する。つまり、上記特許文献１に記載されたプロペラファンでは、翼端渦と主流とを積極的に合流させていることから、このような翼端渦キャビテーションが特に発生しやすい。翼端渦キャビテーションが崩壊すると、プロペラファンにエロージョンが生じる虞がある。その結果、プロペラファンとしての性能が低下したり、騒音・振動が発生したりする虞がある。

本開示は上記課題を解決するためになされたものであって、性能がより一層向上した回転体を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示に係る回転体は、軸線に沿って延びる回転軸と、該回転軸から径方向外側に突出し、回転方向に間隔をあけて配列された複数の翼と、を備え、前記翼は、前記回転軸に接続されるとともに、回転方向の前方側を前縁とし、該回転方向に対して第一の迎角をなす翼型断面を有する翼本体と、該翼本体の外周側の端部から径方向外側に突出し、周方向に間隔をあけて配列されるとともに、前記回転方向の前方側を前縁とし、該回転方向に対して前記第一の迎角よりも小さい第二の迎角をなす翼型断面を有する複数のチップ翼と、を有する。

本開示によれば、性能がより一層向上した回転体を提供することができる。

本開示の第一実施形態に係る回転体の平面図である。 本開示の第一実施形態に係る回転体の翼を径方向外側から見た図である。 本開示の第一実施形態に係る回転体における流体の挙動を示す説明図である。 本開示の第二実施形態に係る回転体の翼を径方向外側から見た図である。 本開示の第二実施形態に係る回転体の翼の斜視図である。 本開示の第三実施形態に係る回転体の翼を拡大して示す平面図である。 本開示の第三実施形態に係る回転体の翼の斜視図である。

＜第一実施形態＞
（回転体の構成）
以下、本開示の第一実施形態に係る回転体１００について、図１から図３を参照して説明する。回転体１００は、例えば船舶のスクリューや、ポンプの羽根車として使用されるものであり、主として液体中で流体力を発生させるために用いられる。

図１に示すように、回転体１００は、回転軸１と、複数の翼２と、を備えている。回転軸１は、軸線Ａｃに沿って延びる柱状をなしている。回転軸１には、図示しない動力源が同軸上に接続される。これにより、回転軸１は軸線Ａｃ回りに回転する。

回転軸１の外周面には、径方向外側に向かって延びるとともに、回転軸１の回転方向に間隔をあけて配列された複数の翼２が設けられている。本実施形態では３つの翼２が設けられている例について説明するが、翼２の数は２つや４つ以上であってもよい。

（翼の構成）
翼２は、回転軸１に接続された翼本体２１と、この翼本体２１の外周側の端部から径方向外側に突出する複数のチップ翼２２と、を有している。翼本体２１は板状をなすとともに、径方向内側から外側に向かうに従って周方向の寸法が次第に大きくなるように構成されている。

図２に示すように、翼本体２１は、曲線状に形成された前縁Ｌｅから尖頭状をなす後縁Ｔｅにかけて延びる翼型断面を有している。回転軸１の回転方向Ｄｒに対して翼本体２１の中心線Ｄｗ１がなす角度（ピッチ）は、第一の迎角θ１とされている。なお、ここで言う「中心線Ｄｗ１」とは、前縁Ｌｅと後縁Ｔｅとを結ぶ直線を指す。厚さ方向における翼本体２１の一方側の面は曲面状に凹む圧力面Ｓｐとされ、他方側の面は曲面状に凸となる負圧面Ｓｎとされている。回転体１００を軸線Ａｃ回りに回転させるに当たっては、圧力面Ｓｐが前方を向くように回転方向が決定される。また、翼本体２１の外周側の端部は翼端Ｔ１とされている。

チップ翼２２は、翼本体２１の翼端（外周側の端部）から径方向に突出している。チップ翼２２は、周方向に間隔をあけて複数配列されている。本実施形態では４つのチップ翼２２が設けられている例について説明するが、チップ翼２２の数は３つ以下や５つ以上であってもよい。それぞれのチップ翼２２は、周方向における寸法が翼本体２１よりも小さい。また、図１に示すように、複数のチップ翼２２同士の間で、径方向の寸法は互いに同一である。なお、ここで言う「同一」とは実質的な同一を示すものであって、設計上の公差や製造上の誤差は許容される。また、前縁Ｌｅ側から後縁Ｔｅ側にかけてチップ翼２２の周方向の寸法は次第に小さくなっていることが望ましい。この構成では、回転体１００として、外周側にケーシング等が設けられていないプロペラファンを用いた場合に、その効率をさらに向上させることができる。一方で、全てのチップ翼２２の周方向における寸法を同一とする構成を採ることも可能である。この構成では、回転体１００として、外周側にケーシングが設けられているポンプを用いた場合に、その効率をさらに向上させることができる。

チップ翼２２は、翼本体２１と同様に、翼型断面を有している。チップ翼２２の中心線Ｄｗ２が回転方向Ｄｒに対してなす角度は、第二の迎角θ２とされている。第二の迎角θ２は、上述した第一の迎角θ１よりも小さな値に設定されている。また、チップ翼２２の外周側の端部は翼端Ｔ２とされている。

（作用効果）
次に、図３を参照して回転体１００の表面における流体の挙動について説明する。回転体１００を回転させると、翼２の表面に沿って流体が流れる。この時、前縁Ｌｅでは、流体の剥離によって複数の小さな渦（横渦Ｖ１）が発生する。これら横渦Ｖ１は、前縁Ｌｅから翼端Ｔ１に向かって集積する。ここで、比較のためにチップ翼２２が設けられていない場合を考える。この場合、翼端Ｔ１では、圧力面Ｓｐ側から負圧面Ｓｎ側に向かう翼端渦が発生している。この翼端渦が上記の横渦Ｖ１と連成すると、翼端Ｔ１で渦管が発生する。渦管が主流によって引き延ばされることで渦度が増し、渦管内部の圧力は低下する。その結果、翼端渦キャビテーションが発生してしまう。

しかしながら、本実施形態では翼端Ｔ１にチップ翼２２が設けられている。これにより、チップ翼２２の翼端Ｔ２で発生する翼端渦Ｖ２と、翼本体２１の翼端Ｔ１に集積している横渦Ｖ１とが互いに分散した状態となる（図３）。その結果、これら翼端渦Ｖ２と横渦Ｖ１とが連成した場合に生じる渦管の発達が抑制され、翼端渦キャビテーションの発生を回避することができる。

さらに、チップ翼の迎角（第二の迎角θ２）は、翼本体２１の迎角（第一の迎角θ１）よりも小さいため、チップ翼２２の翼端渦Ｖ２はさらに小さくなる。これにより、横渦Ｖ１に対する翼端渦からの渦度の供給をさらに抑制することができる。なお、翼本体２１の迎角は相対的に大きいため、圧力面Ｓｐ側と負圧面Ｓｎ側との間の圧力比を確保することができる。つまり、チップ翼２２を設けたことによる性能低下を抑えつつ、翼端渦キャビテーションの発生を回避することができる。

＜第二実施形態＞
続いて、本開示の第二実施形態について、図４と図５を参照して説明する。なお、上記の第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。これら図に示すように、本実施形態に係る翼２ｂでは、各チップ翼２２の翼端に翼端延長部２３が設けられている。翼端延長部２３は、チップ翼２２の翼端から、翼本体２１の負圧面Ｓｎ側に向かって立ち上がる板状をなしている。なお、翼端延長部２３とチップ翼２２とがなす角度は９０°以上であることが望ましい。また、翼端延長部２３は、圧力面Ｓｐ側から負圧面Ｓｎ側に向かうに従って回転方向前方側から後方側に向かうように斜めに延びている。

上記構成によれば、チップ翼２２に翼端延長部２３が設けられていることから、当該チップ翼２２の翼端における翼端渦の発生を抑制することができる。これにより、翼２で翼端渦キャビテーションが発生する可能性をさらに低減することができる。

＜第三実施形態＞
次に、本開示の第三実施形態について、図６と図７を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。これら図に示すように、本実施形態に係る翼２ｃでは、複数のチップ翼２２の翼端Ｔ２に、これら翼端Ｔ２同士を接続する板状の翼端接続部２４が設けられている。

上記構成によれば、複数のチップ翼２２同士が翼端接続部２４によって接続されていることから、例えばチップ翼２２同士が接続されていない構成に比べて、翼２ｃの剛性を高めることができる。これにより、より安定的に回転体１００を使用することができる。

（その他の実施形態）
以上、本開示の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

＜付記＞
各実施形態に記載の回転体１００は、例えば以下のように把握される。

（１）第１の態様に係る回転体１００は、軸線に沿って延びる回転軸と、該回転軸から径方向外側に突出し、前記回転軸の回転方向に間隔をあけて配列された複数の翼と、を備え、前記翼は、前記回転軸に接続されるとともに、回転方向の前方側を前縁とし、該回転方向に対して第一の迎角をなす翼型断面を有する翼本体と、該翼本体の外周側の端部から径方向外側に突出し、周方向に間隔をあけて配列されるとともに、前記回転方向の前方側を前縁とし、該回転方向に対して前記第一の迎角よりも小さい第二の迎角をなす翼型断面を有する複数のチップ翼と、を有する。

上記構成によれば、チップ翼２２の端部で発生する翼端渦Ｖ２は、翼本体２１の翼端Ｔに集積している横渦Ｖ１から十分に離間した状態となる。その結果、渦管の発達が抑制され、翼端渦キャビテーションの発生を回避することができる。さらに、チップ翼の迎角（第二の迎角θ２）は、翼本体２１の迎角（第一の迎角θ１）よりも小さいため、チップ翼２２の翼端渦Ｖ２はさらに小さくなる。これにより、横渦Ｖ１に対する翼端渦からの渦度の供給をさらに抑制することができる。

（２）第２の態様に係る回転体１００では、径方向における前記複数のチップ翼２２の寸法は互いに同一である。

上記構成によれば、径方向におけるチップ翼２２の寸法が互いに同一であることから、各チップ翼２２にかかる遠心力による負荷を均一にすることができる。その結果、翼２としての剛性を確保することができる。

（３）第３の態様に係る回転体１００では、前記翼２ｂは、前記チップ翼２２の外周側の端部に設けられ、前記翼本体２１の前記回転方向後方側を向く負圧面Ｓｎ側に向かって立ち上がる翼端延長部２３をさらに有する。

上記構成によれば、チップ翼２２に翼端延長部２３が設けられていることから、当該チップ翼の翼端における翼端渦の発生を抑制することができる。これにより、翼２で翼端渦キャビテーションが発生する可能性をさらに低減することができる。

（４）第４の態様に係る回転体１００では、前記翼２ｃは、前記複数のチップ翼２２の外周側の端部に設けられ、該複数のチップ翼２２同士を接続する翼端接続部２４をさらに有する。

上記構成によれば、複数のチップ翼２２同士が翼端接続部２４によって接続されていることから、例えばチップ翼２２同士が接続されていない構成に比べて、翼２の剛性を高めることができる。これにより、より安定的に回転体１００を使用することができる。

（５）第５の態様に係る回転体１００において、前記複数のチップ翼２２では、前記前縁Ｌｅ側から前記後縁Ｔｅ側に向かうに従って、前記チップ翼２２の前記回転方向の寸法が次第に小さくなっている。

上記構成によれば、回転体１００として、外周側にケーシング等が設けられていないプロペラファンを用いた場合に、その効率をさらに向上させることができる。

（６）第６の態様に係る回転体１００において、前記複数のチップ翼２２では、前記回転方向の寸法が互いに同一である。

上記構成によれば、回転体１００として、外周側にケーシングが設けられているポンプを用いた場合に、その効率をさらに向上させることができる。

１００ 回転体
１ 回転軸
２，２ｂ，２ｃ 翼
２１ 翼本体
２２ チップ翼
２３ 翼端延長部
２４ 翼端接続部
Ａｃ 軸線
Ｄｗ１，Ｄｗ２ 中心線
Ｌｅ 前縁
Ｓｐ 圧力面
Ｓｎ 負圧面
Ｔ１，Ｔ２ 翼端
Ｔｅ 後縁
Ｖ１ 横渦
Ｖ２ 翼端渦

Claims (6)

1. 軸線に沿って延びる回転軸と、
   該回転軸から径方向外側に突出し、前記回転軸の回転方向に間隔をあけて配列された複数の翼と、
   を備え、
   前記翼は、
   前記回転軸に接続されるとともに、回転方向の前方側を前縁とし、該回転方向に対して第一の迎角をなす翼型断面を有する翼本体と、
   該翼本体の外周側の端部から径方向外側に突出し、周方向に間隔をあけて配列されるとともに、前記回転方向の前方側を前縁とし、該回転方向に対して前記第一の迎角よりも小さい第二の迎角をなす翼型断面を有する複数のチップ翼と、
   を有する回転体。
2. 径方向における前記複数のチップ翼の寸法は互いに同一である請求項１に記載の回転体。
3. 前記翼は、前記チップ翼の外周側の端部に設けられ、前記翼本体の前記回転方向後方側を向く負圧面側に向かって立ち上がる翼端延長部をさらに有する請求項１又は２に記載の回転体。
4. 前記翼は、前記複数のチップ翼の外周側の端部に設けられ、該複数のチップ翼同士を接続する翼端接続部をさらに有する請求項１又は２に記載の回転体。
5. 前記複数のチップ翼では、前記前縁側から前記後縁側に向かうに従って、前記チップ翼の前記回転方向の寸法が次第に小さくなっている請求項１から４のいずれか一項に記載の回転体。
6. 前記複数のチップ翼では、前記回転方向の寸法が互いに同一である請求項１から４のいずれか一項に記載の回転体。

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