JP3987960B2 - 流体機械 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体機械に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、流体機械においては、回転自在に配設され、ハブ及び複数の翼を備えた回転体を有し、該回転体と流体との間においてエネルギーを授受するようになっている。例えば、送風機、軸流ポンプ、プロペラ、冷却ファン、換気扇等においては、前記回転体が回転させられ、それに伴って機械エネルギーが流体エネルギーに変換され、風力タービン、蒸気タービン、水力タービン等においては、流体エネルギーが機械エネルギーに変換され、それに伴って回転体が回転させられる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の流体機械においては、翼がハブから径方向外方に向けて突出させて形成されるので、外力を受けたとき等に破損しやすく、耐久性が低い。
【0004】
また、回転体の回転に伴って、翼の先端において渦成分、すなわち、チップボルテックスが発生し、該チップボルテックスによって翼に振動及び騒音が発生してしまう。
【0005】
本発明は、前記従来の流体機械の問題点を解決して、翼の耐久性を高くすることができ、翼に振動及び騒音が発生するのを抑制することができる流体機械を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
そのために、本発明の流体機械においては、回転自在に支持された翼支持部と、該翼支持部の円周方向における複数箇所に、径方向外方に突出させて、かつ、回転方向における翼の基準線より下流側及び上流側にわたって、翼幅中心線が設定された複数の翼とを有する。
【0007】
そして、該翼は、前記翼支持部における第1の取付位置から径方向外方に向けて延びる第1の翼素、前記翼支持部における第2の取付位置から径方向外方に向けて延びる第2の翼素、及び前記第1、第2の翼素を連結し、前記翼の基準線上を前記翼幅中心線が通るように延びる第3の翼素を備える。
また、前記第1、第2の翼素の翼弦長に対するキャンバーの比を表すキャンバー比が、第1、第2の翼素のキャンバーが同じ方向に形成されるように、かつ、第3の翼素で0になるように、前記翼支持部及び翼から成る回転体の半径位置ごとに設定される。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【0014】
図1は本発明の第1の実施の形態におけるファンの斜視図、図2は図1のA−A断面図、図3は図1のB−B断面図、図4は図1のC−C断面図、図5は本発明の第1の実施の形態における翼の断面図、図6は本発明の第1の実施の形態におけるピッチ角の説明図、図7は本発明の第1の実施の形態における翼の展開図、図8は本発明の第1の実施の形態における翼の取付状態を示す正面図、図9は本発明の第1の実施の形態における翼の取付状態を示す側面図、図10は本発明の第1の実施の形態における一定ピッチ翼のピッチ分布を示す図、図11は本発明の第1の実施の形態における逓増ピッチ翼のピッチ分布を示す図、図12は本発明の第1の実施の形態におけるキャンバー分布を示す図、図13は本発明の第1の実施の形態における循環強度分布を示す図である。なお、図6において、横軸に半径比率γrを、縦軸にピッチ比γpを採ってあり、図10及び11において、横軸に比r/Rを、縦軸にピッチ比γpを採ってあり、図12において、横軸に比r/Rを、縦軸にキャンバー比γcを採ってあり、図13において、横軸に比r/Rを、縦軸に循環強度を採ってある。また、図7〜13において、実線は本発明のファンの特性を、破線は従来のファンの特性を示す。
【0015】
図1〜4において、11は流体機械としてのファン、13は図示されない支持部に取り付けられた電機装置及び駆動手段としての電動機、14は該電動機13に対して回転自在に配設された回転体である。前記電動機13は、ケース19、該ケース19に対して回転自在に配設された図示されないロータ、及び該ロータより径方向外方において前記ケース19に取り付けられた図示されないステータから成る。また、前記回転体14は、翼支持部としてのハブ16、及び複数の、本実施の形態においては、3個の翼21を備える。本実施の形態において、翼支持部は一つのハブ16によって形成されるが、翼支持部を二つのハブ及び各ハブ間を連結する軸によって形成することもできる。また、本実施の形態において、駆動手段として電動機13を使用しているが、電動機13に代えて内燃機関、油圧機械、空圧機械等を使用することもできる。
【0016】
前記翼21は、ハブ16の円周方向における複数箇所、本実施の形態においては、3箇所に、互いに等角度で径方向外方に突出させて形成される。また、翼21は、ループ状の形状を有し、ハブ16における前側の第1の取付位置p1から径方向外方に、かつ、斜め前方に向けて延びる第1の翼素としての前側翼部24、ハブ16における後側の第2の取付位置p2から径方向外方に、かつ、斜め後方に向けて延びる第2の翼素としての後側翼部25、及び前記前側翼部24と後側翼部25とを最大半径の部分で連結し、ハブ16から等距離を置いて、平坦に延びる第3の翼素としての中央翼部26を備える。
【0017】
次に、前記翼21について説明する。
【0018】
図5において、21は翼であり、前記回転体14(図1)を矢印X方向に回転させると、流体としての空気は翼21に対して矢印V方向に流入する。また、εは前記翼21の翼厚中心線、q1は前記翼21の前縁、q2は前記翼21の後縁、M1は前縁q1と後縁q2とを結ぶ線分、M2は翼21の移動方向(矢印X´方向)に延びる線分である。そして、L1は前記前縁q1と後縁q2との間の直線距離を表す翼弦長、γrは、回転体14の径方向における所定の位置、すなわち、所定の半径位置で翼21をカットしたときの、回転体14の回転方向における前縁q1と後縁q2との間の直線距離を表す半径比率、γpは、回転体14の径方向における所定の半径位置で翼21をカットしたときの、回転体14の軸方向における前縁q1と後縁q2との間の直線距離を表すピッチ比、θは前記線分M1と線分M2とが成す角度を表すピッチ角、fは前記翼厚中心線εと線分M1との間の最大距離を表すキャンバーである。なお、翼弦長L1に対するキャンバーfの比を表すキャンバー比γcは、
γc=f/L1
である。前記翼弦長L1、ピッチ比γp、半径比率γr、ピッチ角θ及びキャンバーfは、回転体14の半径位置ごとに設定される。
【0019】
ところで、前記ピッチ比γp及び半径比率γrは、回転体14の寸法に対応させて設定され、回転体14の直径をDとし、回転体14の半径をRとし、回転体14の径方向における中心から半径位置までの距離を半径距離rとし、ピッチをHとしたとき、前記半径比率γrは、
γr=πr/R にされ、前記ピッチ比γpは、
γp=H/D
にされる。したがって、所定の半径位置におけるピッチ角θは、
になる。
【0020】
本実施の形態においては、翼21として、回転体14の径方向においてピッチ比γpが一定にされた一定ピッチ翼が使用される。そして、前記半径比率γrは、半径距離rが短いほど小さく、半径距離rが長いほど大きいので、翼21の径方向においてピッチ角θが異なり、半径距離rが短いほど、すなわち、半径比率γrが小さいほどピッチ角θが大きく、半径距離rが長いほど、すなわち、半径比率γrが大きいほどピッチ角θが小さくなる。図6に示されるように、半径比率γrが0.5πのときのピッチ角θ1は、半径比率γrが1.0πのときのピッチ角θ2より大きい。
【0021】
ところで、図7及び8に示されるように、回転体14の回転方向(矢印X方向)において、前側翼部24は翼21の基準線GLより上流側に、後側翼部25は基準線GLより下流側に位置させられる。なお、翼厚、翼幅分布等は、前記基準線GLを基準として展開表示される。そして、前側翼部24及び後側翼部25は、回転体14の中心から離れるほど、すなわち、半径Rに対する半径距離rの比r/Rの値が大きくなるほど、基準線GLから回転方向に離れ、かつ、翼弦長L1が長くなる。また、基準線GLから最も離れ、かつ、翼弦長L1が最も長くなる点、通常は前記比r/Rの値が0.7〜0.9になる点の近傍で、すなわち、回転体14の最大半径の部分で前側翼部24及び後側翼部25と中央翼部26とが接続される。なお、翼弦長L1が最も長くなる点は翼21の形状によって適宜設定される。
【0022】
また、図7において、Lsはスキューライン(翼幅中心線)、Lfは基準線GLより下流側に設定されたフォワードスキュー、Lbは基準線GLより上流側に設定されたバックワードスキューである。
【0023】
前記フォワードスキューLfは、飛行機の後退翼と同様の効果、すなわち、後側翼部25によって発生させられる揚力を後側翼部25の先端側に移動させ、送風効率を向上させる効果を有する。また、バックワードスキューLbは前側翼部24によって発生させられる揚力を前側翼部24の根元側に移動させ、前側翼部24の先端側の後縁q2にチップボルテックスが発生するのを抑制する。
【0024】
また、例えば、図9に示されるように、前側翼部24は回転体14の中心から離れるほど前方に、後側翼部25は回転体14の中心から離れるほど後方に位置させられる。そして、前側翼部24が最も前方に位置させられる点の近傍、及び後側翼部25が最も後方に位置させられる点の近傍において、前側翼部24及び後側翼部25と中央翼部26とが接続される。なお、前側翼部24及び後側翼部25の形状は任意に設定される。
【0025】
また、例えば、図10に示されるように、後側翼部25におけるピッチ比γpが前側翼部24におけるピッチ比γpより小さくされる。なお、図10においては、翼21として、回転体14の径方向においてピッチ比γpが一定にされた一定ピッチ翼が使用されるが、図11に示されるように、翼21として、回転体14の中心から離れるほどピッチ比γpが大きくなる逓増ピッチ翼を使用することもできる。
【0026】
さらに、例えば、図12に示されるように、同じ半径距離rにおいて、後側翼部25におけるキャンバー比γcが前側翼部24におけるキャンバー比γcより小さくされ、中央翼部26におけるキャンバー比γcはほぼ0される。
【0027】
このように、翼21は、前側翼部24及び後側翼部25によって2種類の特性を有することができるので、翼21の目的に応じて前側翼部24と後側翼部25とで異なる性能を持たせることができる。例えば、前側翼部24及び後側翼部25の配設方法においては、フラップ効果(前側翼部24と後側翼部25とが互いに及ぼす効果)を期待することもできる。
【0028】
また、図10に示されるピッチ分布、及び図12に示されるキャンバー分布に基づいて、図13に示されるような循環分布を得ることができる。なお、循環分布は圧力分布を表したものであり、該圧力分布が翼21の断面の性能(揚力等)を表現し、各断面の半径方向における積分値が翼21の全体の性能(揚力等)を表現する。循環理論には、単純モデル、三次元モデル、渦要素を加えたもの等がある。
【0029】
前記構成のファン11において、前記電動機13を駆動して回転体14を矢印X方向に回転させると、前記翼21によって機械エネルギーが流体エネルギーに変換され、流体としての空気が矢印Y方向に流される。この場合、前側翼部24は回転体14の回転方向における上流側に、後側翼部25は回転体14の回転方向における下流側に位置させられ、回転体14が駆動されるのに伴い、後側翼部25は前側翼部24より先行する。したがって、後側翼部25によって発生させられた風を前側翼部24によって加速することができる。
【0030】
そして、前記前側翼部24及び後側翼部25は、ハブ16から径方向外方に向けて突出させて形成され、先端で中央翼部26によって連結されるので、外力を受けたとき等に、前側翼部24及び後側翼部25の根元27に働く応力を小さくすることができるので翼21が破損するのを抑制することができ、翼21の耐久性を向上させることができる。また、前記根元27に働く応力を小さくすることができるので、前側翼部24及び後側翼部25に加わる負荷が変動しても、翼21に発生する撓(たわ)みを小さくすることができる。さらに、前側翼部24及び後側翼部25に加わる負荷が小さい場合には、中央翼部26に発生する遠心力によって前側翼部24及び後側翼部25の根元に発生する曲げモーメントを小さくすることができる。
【0031】
したがって、回転体14の回転に伴って脈動、反力等が翼21に加わることがなくなり、翼21に振動が発生するのを抑制することができる。さらに、翼21の耐久性を向上させ、翼21に発生する撓みを小さくすることができる分だけ翼21を薄くすることができるので、回転体14を軽量化することができる。したがって、電動機13を小型化することができる。
【0032】
また、前記中央翼部26が形成され、翼21の翼面上の圧力が後側翼部25における正圧から前側翼部24における負圧に連続的に変化するので、翼21の先端にチップボルテックスが発生するのを抑制することができる。したがって、チップボルテックスによって翼21に振動及び騒音が発生するのを抑制することができる。例えば、騒音レベルで10〔dB〕以上、音の強度では7倍以上抑制することができる。
【0033】
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。なお、第1の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。
【0034】
図14は本発明の第2の実施の形態におけるダクト式のファンの正面図、図15は本発明の第2の実施の形態におけるダクト式のファンの第1の断面図、図16は本発明の第2の実施の形態におけるダクト式のファンの第2の断面図、図17はダクト式のファンの特性を示す参考図、図18は本発明の第2の実施の形態におけるダクト式のファンの特性を示す図である。
【0035】
この場合、30は流体機械としてのダクト式のファンであり、該ファン30は、筒状のダクト31、該ダクト31に連結体32〜34を介して取り付けられた電機装置及び駆動手段としての電動機13、及び該電動機13に対して回転自在に配設された回転体14を備える。前記ダクト31は、後端 (図15における左端) に流体としての空気を吸引する吸引口37を、前端 (図15における右端) に空気を吐出する吐出口38を備え、吸引口37から吐出口38方向に中央部まで徐々に内径が小さくされる。
【0036】
従来のダクト式のファンにおいては、図17に示されるように、翼35の翼面上において正圧(図において+で表される。)が加わる部分と、負圧(図において−で表される。)が加わる部分との境界が線状であるので、翼35の先端部分における圧力の回込みが大きく、チップボルテックスTVが発生してしまうのに対して、本実施の形態におけるダクト式のファン30においては、図18に示されるように、後側翼部25の翼面上において正圧(+)が加わる部分と、前側翼部24の翼面上において負圧(−)が加わる部分との境界が面状であるので、翼21の先端部における圧力の回込みを大幅に減少させることができ、チップボルテックスTVが発生するのを抑制することができる。したがって、ダクト31の内周面と中央翼部26の外周面との間に形成されるチップクリアランスδをその分小さくすることができるので、ファン30の圧力性能を向上させることができるだけでなく、振動及び騒音が発生するのを抑制することができる。
【0037】
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。
【0038】
図19は本発明の第3の実施の形態における風力タービンの斜視図、図20は図19のE−E断面図、図21は図19のF−F断面図、図22は図19のG−G断面図、図23は本発明の第3の実施の形態における翼の断面図である。
【0039】
図19〜22において、51は流体機械としての風力タービン、53は電機装置としての発電機、54は該発電機53に対して回転自在に配設された回転体、71は軸受、73は前側ステー、74は後側ステーであり、該後側ステー74の上端に図示されない軸受が形成される。前記軸受71、及び前記後側ステー74の上端の軸受によって回転体54が回転自在に支持される。また、前記前側ステー73及び前記後側ステー74の下端に図示されないナセルが配設され、該ナセルは、支持部としての図示されない支柱に対して回転自在に取り付けられる。前記発電機53は、ケース、該ケースに対して回転自在に配設された図示されないロータ、該ロータより径方向外方において前記ケースに取り付けられた図示されないステータから成る。また、前記回転体54は、前記ロータに取り付けられた軸55、該軸55の前端に固定された前側ハブ56、該前側ハブ56と所定の間隔を置いて、かつ、発電機53に隣接させて前記軸55に固定された後側ハブ57、及び前記前側ハブ56と後側ハブ57との間に架設された複数の、本実施の形態においては、3個の翼61を備える。なお、前記軸55、前側ハブ56及び後側ハブ57によって翼支持部62が構成される。本実施の形態において、翼支持部62は軸55、前側ハブ56及び後側ハブ57によって構成されるが、翼支持部62を一つのハブによって構成することもできる。また、前記回転体54の外径をDRとし、回転体54の軸方向寸法をDLとしたとき、
DR≧1.3×DL
にされる。
【0040】
前記翼61は、翼支持部62の円周方向における複数箇所、本実施の形態においては、3箇所に、互いに等角度で径方向外方に突出させて形成される。また、翼61は、ループ状の形状を有し、前側ハブ56における第1の取付位置p1から径方向外方に、かつ、斜め後方に向けて延びる第1の翼素としての前側翼部64、後側ハブ57における第2の取付位置p2から径方向外方に、かつ、斜め前方に向けて延びる第2の翼素としての後側翼部65、及び前記前側翼部64と後側翼部65とを最大半径の部分で連結し、翼支持部62から等距離を置いて、ほぼ平坦に延びる第3の翼素としての中央翼部66を備える。
【0041】
次に、前記翼61について説明する。
【0042】
図23において、流体としての空気を翼61に対して矢印Z方向に流入させると、回転力F1及び揚力F2が発生させられ、翼61が矢印X´方向に移動させられ、前記回転体54は矢印X方向に回転させられる。また、εは前記翼61の翼厚中心線、q1は前記翼61の前縁、q2は前記翼61の後縁、M1は前縁q1と後縁q2とを結ぶ線分、M2は翼61の移動方向(矢印X´方向)に延びる線分である。そして、L1は前記前縁q1と後縁q2との間の直線距離を表す翼弦長、θは前記線分M1と線分M2とが成す角度を表すピッチ角、fは前記翼厚中心線εと線分M1との間の最大距離を表すキャンバーである。
【0043】
前記構成の風力タービン51において、空気が矢印Z方向に流れると、翼61によって流体エネルギーが機械エネルギーに変換され、回転体54が矢印X方向に回転させられ、発電機53が駆動されて発電が行われる。すなわち、正面から流入する空気だけでなく、斜めに流入する空気についても、エネルギーの変換を行うことができる。
【0044】
この場合、前側翼部64は回転体54の回転方向における上流側に、後側翼部65は回転体54の回転方向における下流側に位置させられ、回転体54が回転されるのに伴い、後側翼部65は前側翼部64より15〔°〕以上先行する。したがって、回転体54が低速で回転させられる場合、後側翼部65は、矢印Z方向に流入する風について前側翼部64の影響を受けることがない。一方、回転体54が高速で回転させられる場合、前側翼部64の影響が、後続する翼61の上流側、すなわち、後続する翼61の後側翼部65に与えられ、回転体54は失速し、制動された状態になる。すなわち、低速領域においては、3個の翼61によって実質的に6個の翼の機能を有し、大きいトルクを発生させることができ、高速領域においては、翼61の撓みをほとんど伴うことなく大きいトルクが発生するのを防止することができる。すなわち、風力タービンの出力を制限することができる。
【0045】
また、中央翼部66においては、正面から流入する空気については、流体エネルギーが機械エネルギーに変換されず、チップアンロード状態が形成される。したがって、チップボルテックスが発生するのを抑制することができ、翼61に振動及び騒音が発生するのを抑制することができる。
【0046】
また、翼61がループ状の形状を有しているので、回転している翼61に物が当たったときの衝撃を小さくすることができる。したがって、風力タービン51を遠隔地に設置する必要がなく、設置場所の制約を無くすことができ、電力の需要地に近く、人が多く住む地域に設置したり、森、建築物等によって空気の流れが乱れる地域等に設置したりすることができる。そして、風力タービン51によって発生させた電力を需要地に送るためのコストを低くすることができる。しかも、従来の翼のようなナイフ状のエッジ部分を無くすことができるので、安全性の高い印象を与えることができる。
【0047】
また、前記前側翼部64は前側ハブ56から、後側翼部65は後側ハブ57から径方向外方に向けて突出させて形成され、先端で中央翼部66によって連結されるので、外力を受けたとき等に前側翼部64及び後側翼部65の根元67に働く応力を小さくすることができるので、翼61が破損するのを抑制することができ、翼61の耐久性を向上させることができる。また、前記根元67に働く応力を小さくすることができるので、前側翼部64及び後側翼部65に加わる負荷が変動しても、翼61に発生する撓みを小さくすることができる。さらに、前側翼部64及び後側翼部65に加わる負荷が小さい場合には、中央翼部66に発生する遠心力によって前側翼部64及び後側翼部65の根元67に発生する曲げモーメントを小さくすることができる。
【0048】
したがって、回転体54の回転に伴って脈動、反力等が翼61に加わることがなくなり、翼61に振動が発生するのを抑制することができる。さらに、翼61の耐久性を向上させ、翼61に発生する撓みを小さくすることができる分だけ翼61を薄くすることができるので、回転体54を軽量化することができる。
【0049】
また、前記中央翼部66が形成され、翼61の翼面上の圧力が後側翼部65における正圧から前側翼部64における負圧に連続的に変化するので、翼61の先端にチップボルテックスが発生するのを抑制することができる。したがって、チップボルテックスによって翼61に振動及び騒音が発生するのを抑制することができる。例えば、騒音レベルで10〔dB〕以上、音の強度では7倍以上抑制することができる。
【0050】
そして、中央翼部66が平坦であるので、中央翼部66を手で抑えて静止させることができるだけでなく、翼61のループに図示されない係止部材を引っかけることによって、回転体54が回転するのを阻止したりすることができる。したがって、強風時等において、回転体54を停止させておくことができるので安全性を向上させることができる。
【0051】
本実施の形態においては、風力タービン51について説明しているが、本発明を風力タービン51のほかに、前後翼相互干渉による後流失速タービン、渦成分を多く含んだ流体によって駆動される乱流内設置型タービンに適用することもできる。
【0052】
また、前側ハブ56及び後側ハブ57は、軸55を介して所定の距離を置いて配設されるので、回転体54はほぼ球形の形状を有し、重心が回転体54の外に出ることがなく、安定している。したがって、風力タービン51を海上に浮上させて使用することが可能になる。
【0053】
次に、本発明の第4の実施の形態について説明する。なお、第3の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。
【0054】
図24は本発明の第4の実施の形態における風力タービンの正面図、図25は本発明の第4の実施の形態における風力タービンの側面図である。
【0055】
この場合、前側ハブ56より前方、及び後側ハブ57より後方に軸受71、72が配設され、前記軸受71、72によって回転体54が回転自在に支持される。前記軸受71、72は、それぞれ前側ステー73及び後側ステー74を介してナセル75と連結され、前記後側ステー74に、後方(図25における右方)に向けて突出させて尾翼76が取り付けられる。前記ナセル75は支柱79に対して回転自在に取り付けられる。なお、前記ナセル75と回転体54との間にはストッパ78が配設される。
【0056】
この場合、回転体54の中心と、支持部としての支柱79の中心とが同一軸上に配設されるので、回転体54が回転するのに伴って振動が発生するのを抑制することができるだけでなく、回転体54が風上に向く際の旋回力を小さくすることができる。また、旋回力が小さいので、強風時等において回転体54の回転に伴って発生するジャイロモーメントと尾翼76に働く偏向モーメントとの相互干渉力を小さくすることができ、振動が発生するのを抑制することができる。
【0057】
なお、各翼61の径方向における中央付近に棒状又は板状の連結材を配設し、各翼61間を連結すると、各翼61に撓みが発生するのを抑制することができる。
【0058】
次に、本発明の第5の実施の形態について説明する。
【0059】
図26は本発明の第5の実施の形態における風力タービンの側面図、図27は本発明の第5の実施の形態における風力タービンの正面図、図28は本発明の第5の実施の形態における風力タービンの斜視図である。
【0060】
図において、81は流体機械としてのダウンウインド型の風力タービン、85は支持部としての支柱52の上端に回転自在に取り付けられた電機装置としての発電機、84は該発電機85に対して回転自在に配設された回転体である。該回転体54は、前記発電機85の図示されないロータに取り付けられた軸55、該軸55のほぼ中央に、かつ、発電機85に隣接させて固定された前側ハブ56、前記軸55の後端(図26における左端)に固定された後側ハブ57、及び前記前側ハブ56と後側ハブ57との間に架設された複数の、本実施の形態においては、3個の翼61を備える。なお、軸55、前側ハブ56及び後側ハブ57によって翼支持部が構成される。
【0061】
この場合、流体としての空気は、発電機85側から矢印Z方向に流入させられ、回転体84を矢印X方向に回転させる。これに伴って、発電機85が風上に向けられるので、尾翼は不要である。
【0062】
前記各実施の形態においては、流体として空気を使用するファン、風力タービン等について説明しているが、本発明を、流体として水を使用し、水中で使用される軸流ポンプ、タグボード等の翼、水中において低雑音性能を有する潜水艦の推進器、水力タービン、軸流タービン、ウォータージェット用ポンプ、河川の中に配設される超低速タービン等に適用することができるだけでなく、蒸気中で使用される蒸気タービンに適用することもできる。
【0063】
例えば、本発明を軸流ポンプに適用した場合、翼の先端部において発生する圧力損失を小さくすることができるので、圧力性能を一層向上させることができる。また、タグボートにおいては、船が停止させられたボラード状態において全速運動が要求されると、翼に加わる負荷が極めて大きくなる。したがって、本発明をタグボートの翼に適用した場合、翼の先端部に圧力損失が発生するのを抑制することができるだけでなく、チップボルテックスが発生するのを抑制することもできる。その結果、翼の先端部においてキャビテーションが発生するのを抑制することができ、翼及びダクトの耐久性を高くすることができる。
【0064】
さらに、本発明を、流体として粘性の高い材料を使用し、流体を搬送するための搬送装置のブレード、流体を攪拌(かくはん)するための攪拌装置のブレード等に適用することもできる。
【0065】
そして、第1の翼素に流体を前進させるための機能を持たせ、第2の翼素に流体を後退させるための機能を持たせ、回転体を回転させると、流体は、第1、第2の翼素間をジグザグ状に流れる。したがって、流体を攪拌しながら極めて低速で流すこともできる。
【0066】
前記各実施の形態においては、翼21、61が一つの材料、例えば、樹脂によって一体に形成されるが、翼21の前縁q1及び後縁q2に沿ってピアノ線等の補強材を埋設し、前縁q1と後縁q2との間を伸縮性のある材料で形成することもできる。この場合、流体の流れによってキャンバーfが変化する特殊な流体機械を形成することができる。
【0067】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【0068】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、流体機械においては、回転自在に支持された翼支持部と、該翼支持部の円周方向における複数箇所に、径方向外方に突出させて、かつ、回転方向における翼の基準線より下流側及び上流側にわたって、翼幅中心線が設定された複数の翼とを有する。
【0069】
そして、該翼は、前記翼支持部における第1の取付位置から径方向外方に向けて延びる第1の翼素、前記翼支持部における第2の取付位置から径方向外方に向けて延びる第2の翼素、及び前記第1、第2の翼素を連結し、前記翼の基準線上を前記翼幅中心線が通るように延びる第3の翼素を備える。
また、前記第1、第2の翼素の翼弦長に対するキャンバーの比を表すキャンバー比が、第1、第2の翼素のキャンバーが同じ方向に形成されるように、かつ、第3の翼素で0になるように、前記翼支持部及び翼から成る回転体の半径位置ごとに設定される。
【0070】
この場合、第1、第2の翼素は、翼支持部から径方向外方に向けて突出させて形成され、第3の翼素によって連結されるので、外力を受けたとき等に翼が破損するのを抑制することができ、翼の耐久性を向上させることができる。また、第3の翼素に働く応力を小さくすることができるので、第1、第2の翼素に加わる負荷が変動しても、翼に発生する撓みを小さくすることができる。さらに、第1、第2の翼素に加わる負荷が小さい場合には、第3の翼素に発生する遠心力によって第1の翼素及び第2の翼素の根元に発生する曲げモーメントを小さくすることができる。
【0071】
したがって、翼支持部及び翼の回転に伴って脈動、反力等が翼に加わることがなくなり、翼に振動が発生するのを抑制することができる。さらに、翼の耐久性を向上させ、翼に発生する撓みを小さくすることができる分だけ翼を薄くすることができるので、翼支持部及び翼を軽量化することができる。したがって、翼支持部及び翼に連結される駆動手段等を小型化することができる。
【0072】
また、前記第3の翼素が配設されるので、翼の翼面上の圧力が第2の翼素における正圧から第1の翼素における負圧に連続的に変化するので、翼の先端にチップボルテックスが発生するのを抑制することができる。したがって、チップボルテックスによって翼に振動及び騒音が発生するのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態におけるファンの斜視図である。
【図2】図1のA−A断面図である。
【図3】図1のB−B断面図である。
【図4】図1のC−C断面図である。
【図5】本発明の第1の実施の形態における翼の断面図である。
【図6】本発明の第1の実施の形態におけるピッチ角の説明図である。
【図7】本発明の第1の実施の形態における翼の展開図である。
【図8】本発明の第1の実施の形態における翼の取付状態を示す正面図である。
【図9】本発明の第1の実施の形態における翼の取付状態を示す側面図である。
【図10】本発明の第1の実施の形態における一定ピッチ翼のピッチ分布を示す図である。
【図11】本発明の第1の実施の形態における逓増ピッチ翼のピッチ分布を示す図である。
【図12】本発明の第1の実施の形態におけるキャンバー分布を示す図である。
【図13】本発明の第1の実施の形態における循環強度分布を示す図である。
【図14】本発明の第2の実施の形態におけるダクト式のファンの正面図である。
【図15】本発明の第2の実施の形態におけるダクト式のファンの第1の断面図である。
【図16】本発明の第2の実施の形態におけるダクト式のファンの第2の断面図である。
【図17】ダクト式のファンの特性を示す参考図である。
【図18】本発明の第2の実施の形態におけるダクト式のファンの特性を示す図である。
【図19】本発明の第3の実施の形態における風力タービンの斜視図である。
【図20】図19のE−E断面図である。
【図21】図19のF−F断面図である。
【図22】図19のG−G断面図である。
【図23】本発明の第3の実施の形態における翼の断面図である。
【図24】本発明の第4の実施の形態における風力タービンの正面図である。
【図25】本発明の第4の実施の形態における風力タービンの側面図である。
【図26】本発明の第5の実施の形態における風力タービンの側面図である。
【図27】本発明の第5の実施の形態における風力タービンの正面図である。
【図28】本発明の第5の実施の形態における風力タービンの斜視図である。
【符号の説明】
11、30 ファン
13 電動機
14、54、84 回転体
16 ハブ
21、61 翼
24、64 前側翼部
25、65 後側翼部
26、66 中央翼部
51、81 風力タービン
53、85 発電機
62 翼支持部
p1、p2 第1、第2の取付位置
Claims (6)
- (a)回転自在に支持された翼支持部と、
(b)該翼支持部の円周方向における複数箇所に、径方向外方に突出させて、かつ、回転方向における翼の基準線より下流側及び上流側にわたって、翼幅中心線が設定された複数の翼とを有するとともに、
(c)該翼は、前記翼支持部における第1の取付位置から径方向外方に向けて延びる第1の翼素、前記翼支持部における第2の取付位置から径方向外方に向けて延びる第2の翼素、及び前記第1、第2の翼素を連結し、前記翼の基準線上を前記翼幅中心線が通るように延びる第3の翼素を備えるとともに、
(d)前記第1、第2の翼素の翼弦長に対するキャンバーの比を表すキャンバー比が、第1、第2の翼素のキャンバーが同じ方向に形成されるように、かつ、第3の翼素で0になるように、前記翼支持部及び翼から成る回転体の半径位置ごとに設定されることを特徴とする流体機械。 - 前記回転体のピッチを直径で除算することによって得られるピッチ比が、前記翼支持部及び翼から成る回転体の半径位置ごとに設定される請求項1に記載の流体機械。
- (a)前記翼支持部及び翼によって回転体が構成され、
(b)該回転体は電機装置を駆動することによって回転させられる請求項1に記載の流体機械。 - (a)前記翼支持部及び翼によって回転体が構成され、
(b)該回転体は駆動手段を駆動することによって回転させられる請求項1に記載の流体機械。 - (a)前記翼支持部及び翼によって回転体が構成され、
(b)該回転体を流体によって回転させることにより、電機装置が駆動される請求項1に記載の流体機械。 - 前記翼支持部の回転方向において、前記第2の翼素は第1の翼素に対して先行する請求項1に記載の流体機械。
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