JP3987960B2 - 流体機械 - Google Patents
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Description
【０００１】
【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
【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、
【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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