JP4008239B2 - 分岐型ロータブレードを備えたロータ - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、ロータに関し、動作中、それを通って流体は主流方向に流れ、前記ロータは、ロータ軸周りに回転できるように配置された少なくとも一つのロータブレードを有し、前記ロータブレードは、旋回軸から少なくとも部分的に離れて流体中に伸び、前記ロータブレードは、推進力、または流れの為に、旋回軸周りに、ロータの回転の際、旋回軸周りに角運動量が生じ、もって、後引き渦が発生し、前記ロータブレードは、旋回軸から所定の距離で少なくとも２つのパーシャルブレードへと分岐され、前記パーシャルブレードの一つは、ロータブレードに関し、回転方向に伸び、他のパーシャルブレードは、ロータブレードに関し、回転方向とは反対に連続している。
【０００２】
従来技術から、スラストや推進力を発生させるロータ、または、角運動量を発生させるロータが知られている。１番目の場合として、プロペラ、船舶用プロペラ、ブロワー、扇風機、ベンチレータ等が含まれ、２番目の場合として、流体駆動式リペラーやタービン、ウインドミルがある。船舶あるいは航空用プロペラの場合、ハブ上に取り付けられたロータブレードは、旋回軸周りを回転し、そのプロファイル形状の為または旋回軸周りを回転する間、その発生の為、推進力を発生させる。１回の旋回にわたり平均すると、推進力は旋回軸と本質的に平行に伸び、船や飛行機を推進させる。ヘリコプタのロータの場合、旋回軸の周りの回転中、ロータブレードをシフトさせることが、推進力を発生させ、それは旋回軸に関し傾斜している。この状況では、主流方向は、ロータが遠視界における平面で減じられる場合、ロータを流体が通過する方向として理解される。
【０００３】
ロータの効率は、渦発生、渦巻、ロータが液体中で作動する場合にはキャビテーションという形で、流体損失によって減じられる。しばしば、音響放出が問題となる。船舶用または航空用プロペラやヘリコプタのロータ、ウインドミル、例えば、エアコンディションシステムにおける様々なファンやブロワーにより発生されるノイズは、今日のアコースティックな環境負荷に著しく影響する。
【０００４】
従来技術から一般的なタイプのロータは、以前に知られたロータと比較すると、効率の改善、音の放出、音の発生の減少につながる。
【０００５】
例えば、上記一般的なタイプのロータは、ＤＥ４２２６６３７Ａ１から既知である。このロータは、ロータブレードを有し、このロータブレードは２つの平行ブレードに分岐されている。このロータは、作動中の振動を減少させる。
【０００６】
一般的なタイプの他のロータは、ＤＥ−ＰＳ８３０５０から既知である。このロータは、反動圧力の増加につながる。
【０００７】
ＵＳ１４１８９９１から他のロータが知られている。このロータは、旋回軸から一定距離で２つのパーシャルブレードに分岐されるロータブレードにも特徴があり、パーシャルブレードは、ロータブレードに関し回転方向に沿って／反して伸びている。ＵＳ１４１８９９１のロータは、流体抵抗を減少させることができる。
【０００８】
従来技術から知られるロータの短所は、それらが達成する効率及びノイズ放出における改良点が今日の応用に対して最早、十分でない点である。
【０００９】
そのため、本発明の目的は、最初に言及したロータを、簡単な設計方法により改善し、それらの効率を向上させることである。
【００１０】
特に、改善された効率を有する他、そのロータは、ノイズが少なく、よって、特に環境にとって利点があることが意図されている。
【００１１】
この目的は、流体が通過して流れる少なくとも一つのループを形成する為にパーシャルブレードが連結されているという点、更に、渦が起こる循環流が、ロータの作動中、本質的に一様に分布可能である方法を、パーシャルブレードを構成するという点で、上記一般的なタイプのロータにより解決される。
【００１２】
この解決策は簡単であり、ロータに伴う著しいノイズ減少になる。
【００１３】
ループにパーシャルブレードを連結または組み合せることにより、一つのパーシャルブレードから他のパーシャルブレードへと、ブレード輪郭に沿って、連続的に上記循環流が変化する。ブレード輪郭に沿って一地点で循環流はゼロにならなければならないが、ここで、２つのパーシャルブレード間で循環流の符号が変わる。そのため、そのループは、そのループの全周にわたり、よって、後流域で生じた後引き渦内でのロータの循環流が一様に分布される手段を形成する。それによって、循環流の分布ですら、従来技術で既知のものより、ロータブレードに沿って、更に、ループ形成パーシャルブレードに沿って到達することが可能である。渦巻き運動は、全ブレード周囲またはループ周辺にわたり、空間的に分布され、渦発生による損失の減少、更に、流れノイズ発生の減少につながる。パーシャルブレードのループ状リングクロージャも同様に、ロータの高度な機械的安定性が生じる。これにより、構造的な重量を減らすことができ、より細線細工設計につながる可能性がある。さらに、プロファイルの深さやコードは、パーシャルブレードにより形成されたループの部品にて減少されるが、これらの部品は、スラストに対して、あまり貢献しない。
【００１４】
簡単な適用例（簡単な扇風機や換気扇、おもちゃの飛行機、おもちゃの風車など）に対して、ロータブレード及びパーシャルブレードは、例えば、傾斜された平らな面として形成されてもよいが、より複雑な適用例（飛行機のプロペラや船のプロペラなど）に対して、ロータブレード及びパーシャルブレードは、特定の厚さ分布及びそりを備えたウイング状プロファイルにより形成されてもよい。地域的流れの条件によるが、ロータブレードに沿って、更に、パーシャルブレードに沿って変更するプロファイルは、特に有利な流れ特性、更に、効率の改善につながる。この状況において、ブレード深さ及び迎えの地域的角度の変更は、地域的流れ条件に適合されてもよい。
【００１５】
ロータブレードによるスラストや推進力の発生または角運動量の発生は、本発明にとって本質的なものである。この原理により、本発明のロータは、ＤＤ−ＰＳ６１４３８のロータと異なる。このロータはループを形成するが、ここで開示されたロータは、旋回軸から離れて流れの中に伸び、スラストを発生させるロータブレードを持たない。むしろ、ループ状リボンが支持アームにより保持され、それは、流体の流れに相互作用するか妨害することを可能な限り小さくするに違いない。ＤＤ−ＰＳ６１４３８のロータは、周辺リボンにより単に推進力を発生させる。作動中、リボンは、魚の尾や鳥の羽の波運動に似た動きを行なう。この推進方法は、効率が低い。本発明によるロータも、上述した原理により、ＵＳ５８９０８７５のブレード装置のような他の既知のループ設計とは異なる。この設計では、ロータブレードが備えられていないので、小さな推進力や角運動量が発生するにすぎない。
【００１６】
ロータの好適な実施例において、パーシャルブレードは、本質的に遷移のない, 急変のない方式で、緩やかにロータブレードから離れて曲げられてもよい。このようなパーシャルブレードの連続的形状の遷移は、ロータの強く変動する作動条件中、よれやしわが存在する可能性があり、損失を導く可能性がある角部の流れを避けることができる。
【００１７】
本発明の特に有利な実施例において、一つのパーシャルブレードは他のパーシャルブレードの前にあってもよく、両方とも、回転方向と主流方向に関し、少なくともロータブレードに近い領域内にある。この場合、一つのパーシャルブレードの前縁が、他のパーシャルブレードの、前縁の主流方向に関して上流に置かれるか、或いは、一つのパーシャルブレードが全体的に他のパーシャルブレードの上流に置かれるか、である。パーシャルブレードの当該配置において、前部の圧力側からの流れ、すなわち、上流側パーシャルブレードは、後部の吸引側、すなわち、少なくともロータブレードに近い領域の下流側ロータに導かれてもよい。そのため、運動エネルギーは、低圧あるいは上流側パーシャルブレードの吸引側からの速い流れにより、下流側パーシャルブレード周りの流れに付加される。これにより、リアパーシャルブレード周りの、より安定した流れになる。
【００１８】
更なる有利な本発明の実施例は、両方のパーシャルブレードは、それらの端部に一体的に連結されてもよい点である。パーシャルブレードの機械的連結のため、この設計は特に安定しており、耐負荷性があり、そのため、ロータにより発生される振動を減少させることができる。さらに、パーシャルブレードの先端に起因する損傷の危険性は、最小限になる。
【００１９】
本発明の更なる利点において、両方のパーシャルブレードは、円滑遷移または互いに併合していることが好ましい。これは、両方のパーシャルブレードが連結点において本質的に同一プロファイル形状を有していること、更に、それらの輪郭が互いに本質的に円滑な方法で連結されていることを意味する。これは、例えば、２つのパーシャルブレードの一体的形成により達成できる。
【００２０】
他の有利な実施例において、ロータブレードの後縁が、好ましくは円滑かつ連続方式で、下流側リアパーシャルブレードのように連続する点で、流体損失は独立して最小限にされる可能性がある。同様に、ロータブレードの前縁が、上流側フロントロータブレードの前縁のように連続してもよい。これによって、前縁における不規則性により流れが不利に影響されることが避けられる。同様に、対応するロータブレードまたはパーシャルブレードの、それぞれの後縁で、単に小さな不規則性が存在する場合、循環流の分布は、相当に変わる。単一のロータブレードだけを有する本発明によるロータの場合に特に有利な、他の実施例において、旋回軸は、ループ領域を通過する。
【００２１】
たった一つのロータブレードを有するロータの場合に旋回軸がループ面を通過するとき、ロータ回転中の平衡誤差は、この簡単な設計手段により、避けられる。
【００２２】
更なる実施例の利点において、ロータは、複数のロータブレードを備えてもよいが、これらのロータブレードは、回転方向において等間隔に配置され、ロータブレードの上流側フロントパーシャルブレードを有し、これは、円周方向において先方に置かれるロータブレードの下流側リアパーシャルブレードにそれぞれ連結されているのが好ましい。これらの実施例が確実にすることは、低い材料消費とループに沿った逆循環流である。多数のロータブレードが可能にすることは、小さな容積で、総体的に大きな推進力を得ることである。この実施例の利点は、ロータの後流域における循環流の有利な一様分布と、高推進または高角運動量との結合にある。高出力または高パワーに拘わらず、この実施例では、ロータは静かである。円周方向で隣接するロータブレードのパーシャルブレードは、ループを形成する為に連結されているのが好ましい。
【００２３】
様々な作動状態におけるパーシャルブレード、更に、ロータブレードで、適切な流れ状態を得るためには、少なくとも一つのパーシャルブレードとロータブレードは、地域的流れ条件における変化、すなわち、それぞれのロータブレード及び／又はパーシャルブレードの配置に限定される流れ条件に適合可能であるべきである。このため、少なくとも一つのロータブレードとパーシャルブレードは、少なくとも断面的に弾性外部スキンを備えてもよい。適切な回転または材料の適合さらに外部スキンの対応するプレストレスを用いることにより、ロータブレード及び／又はパーシャルブレードのプロファイル幾何学的形状の地域的変更が単独で受動的あるいは能動的に可能になる。受動的に可能になるのは、プロファイルに作用する流体機械的な力の為であり、能動的に可能になるのは、輪郭適合手段を用いることによるものであり、流れに不利に影響する可能性がある、外部スキンでのしわやよれの発生は生じない。更に、適切に選択された弾性を備えた弾性外部スキンは、より少ない損失を有するパーシャルブレード及び／又はロータブレードの周りの流れを導くことができる。弾性外部スキンは、地域的に限定された変形により地位的圧力障害に作用し、そのため、これらの地域的圧力障害を吸収することができ、これにより、ロータブレード及び／又はパーシャルブレードの周りの放出流は、より静かに、かつ、ノイズが少なくなる。
【００２４】
更に、他の有利な実施例において、ロータは、プロファイル調整手段が装備されてもよい。プロファイル調整手段は、外部スキンに作用し、ロータブレード及び／又はパーシャルブレードのプロファイル幾何学的形状の地域的変化とグローバル変化に対し、少なくとも断面的にシフト可能であってもよい。この状況において、地域的変化は、プロファイル幾何学的形状における変化、或いは、ロータブレード及び／又はパーシャルブレードのそれぞれの輪郭における変化として理解されるが、それは、ロータブレード及び／又はパーシャルブレードの、かなり限定領域だけで生じ、ロータブレード及び／又はパーシャルブレードの他の領域では本質的に流れは影響されないままになっている。プロファイル幾何学的形状のグローバルな変化は、比較すると、ロータブレード及び／又はパーシャルブレードのプロファイル幾何学的形状の大部分を変え、ロータブレード及び／又はパーシャルブレード周辺の流れ特性の実質的変化を導く。
【００２５】
更なる有利な実施例において、ロータはハブを装着し、そこでロータブレードが支持されている。ロータブレードは、そのハブで、迎え角変更手段により、回転自在または旋回自在に支持されてもよい。迎え角を変更することにより、ロータにより発生される推進力は、ロータの回転速度の広範囲にわたって一定に保たれてもよく、非常に簡単な方法で瞬間的な作動状態に適合されてもよい。ロータの弾性的設計において、ループ線に沿ってブレード構造の有利なねじりやねじり上げを更に得ることは可能である。同様に、迎え角変更手段が備えられ、それにより、パーシャルブレードが回転自在にロータブレードで支持され、迎え角を変更してもよい。流体機械において、一般的に、迎え角とは、ロータブレード及び／又はパーシャルブレードの地域的奔流に対する、ロータブレード及び／又はパーシャルブレードのプロファイルコードの傾斜を指す。プロファイルコードは、前縁（すなわち、ロータブレード及び／又はパーシャルブレードの上流側淀み地点の接続ライン）を後縁（すなわち、ロータブレード及び／又はパーシャルブレードの下流側淀み地点の接続）に連結する。
【００２６】
更に有利な実施例において、片揺れまたは掃引角（ sweep angle ）変更手段が備えられ、それにより、推進方向においてハブに対し旋回自在にロータブレードが保持されてもよい。そのような作動手段により、ロータブレードの掃引角、すなわち、主流方向に対する前縁の角度が変更され、ロータにより発生される循環流は、後流域において良好に分布される。同様の手段が、ロータブレードとパーシャルブレード間に備えられ、パーシャルブレードの掃引を変更してもよい。掃引角が変更されるとき、ロータブレード及び／又はパーシャルブレードの奔流の渦巻部品を考慮に入れるため、掃引角変更手段は、旋回軸に対し平行な流れ付近で、ロータブレード及び／又はパーシャルブレードの少なくとも一つを旋回させてもよい。
【００２７】
更に有利な実施例において、開口角変更手段が、ロータブレード及びパーシャルブレードとの間に備えられており、ロータブレードの、少なくとも２つのパーシャルブレード間の開口角がロータの作動状態により適合され前記開口角が本質的に回転方向に向けられるような方法で、少なくとも一つのパーシャルブレードが連結されている。
【００２８】
ロータ幾何学的形状を適合させて調整する可能性は、多数の作動状況での効率を改善させるが、これは、ロータブレードとパーシャルブレード間に備えられ、もって、ロータブレードのスパン方向に関し拡張自在に支持される拡張手段によって達成できる。パーシャルブレード及び／又はロータブレードを拡張することにより、推進力を発生させる表面領域が拡大され、ロータブレード及び／又はパーシャルブレードの表面領域当りの循環流を一定に保つ間、より多くの推進力が発生可能になる。
【００２９】
最後に、本発明に従い２以上のロータが一連に結合される。ロータが、互いに反対方向に回転する場合、これらのロータの後流域において、対応する渦巻き運動強度は加重され、互いに部分的に相殺される。適切な調節を用いることにより、旋回軸の方向において、少なくとも一つのロータの、渦巻、渦巻き運動強度の完全な相殺でさえ、達成可能である。渦巻の排除により、一連に連結されたプロペラの後流域において損失が最小限になる可能性がある。渦巻き運動強度の最適加重は、ロータがほぼ同一径を有する場合に達成できる。上流側ロータは、ステータとして構成されてもよく、それにより、設計努力は減少する。
【００３０】
次に、本発明に従い、パーシャルブレード内で分岐されたロータブレードを備えたロータの設計と機能を、例示的実施例を参考に説明する。
【００３１】
最初に、図１に示された実施例を参照して、本発明によるロータの基本構造を説明する。
【００３２】
図１には、旋回軸２の方向において、ロータ１が平面図で示されており、その周辺で、ロータは回転自在に支持されている。図示の実施例において、ロータ１は、ブロワー又はファン、プロペラ、ロータの為に、或いは、タービンや風車として、使用可能である。旋回軸の周囲には、ハブ３が配置され、そこで、２つのロータブレード４が取り付けられている。各ロータブレード４は、放射方向において、ハブ又は旋回軸から離れて、ロータ１を囲む流体へと、本質的に伸びている。
【００３３】
各ロータブレード４は、２つのパーシャルブレード５，６に分岐されている。円周方向において、２つの継続的または連続的ロータブレードのパーシャルブレード５，６は、それぞれ、ループを形成するように組み合わされている。
【００３４】
作動中、ロータ１は、回転方向Ｄにおいて、旋回軸２の周りを回転する。ロータ１は、風車を例にとると、流れと共に受動的に回転する。この場合、ロータ１に反する流れは、軸２に沿って、本質的に向けられる。パーシャルブレードと同様、ロータブレード４の迎え角及び／又はプロペラプロファイルの為、角運動量は旋回軸２の周りに発生される。角運動量は、ロータと共に回転するロータシャフト（図示せず）に連結されているジェネレータ（図示せず）の援助をもって、エネルギ発生に使われる。逆に、ロータ１は、駆動用モータ（図示せず）により積極的に駆動される。ロータブレード４及び／又はパーシャルブレード５，６の適切な傾斜及び／又はプロファイルのため、ロータの回転により、流れすなわち推進力が発生し、ロータブレード４とパーシャルブレード５，６が動く面積を通じて、更に、ループを通じて、流れが向けられる。
【００３５】
図２Ａ及び図２Ｂには、図１の詳細が、ロータブレードの幾何学的な形状とパーシャルブレードの幾何学的形状を説明するために示されている。ロータブレードにより形成されたループは、簡略化のため、図２Ａ及び図２Ｂに示されていない。
【００３６】
ロータブレード４は、距離Ａで、フロントパーシャルブレード５（主流方向において上流側に配置）とリアパーシャルブレード６（主流方向において下流側に配置）に分岐されている。ロータブレード４は、横断面において、いかなる急変もなく、それぞれのパーシャルブレード５，６と円滑に併合している。
【００３７】
主流方向に面するロータブレード４の前縁７は、フロントパーシャルブレード５の前縁７aとして、継ぎ目なく連続している。ロータブレード４の後縁８は、リアパーシャルブレード６の後縁８ｂとして、継ぎ目なく連続している。フロントパーシャルブレード５は、ロータブレード４が２つのパーシャルブレード５，６に分岐した後、自らの後縁８aを発達させている。後縁８aは、ロータブレード４付近の領域にて、少なくとも部分的に前縁７ｂと重複しており、前縁７aは、リアパーシャルブレード６により発達されている。
【００３８】
フロントパーシャルブレード５は、リアパーシャルブレード６に関し、回転方向において、離れるように曲げられており、フロントパーシャルブレード５は、リアパーシャルブレード６から拡散する。
【００３９】
見る方向が旋回軸２に沿った主流方向である、図２Ａにおいて、ロータブレード４と２つのパーシャルブレード５，６の表面９は、圧力側、プロペラやロータ等で吸引側を形成する。吸引側と圧力側は、そこに優勢する圧力条件によって互いに異なる。吸引側の平均的圧力は、圧力側の平均的圧力より低い。この圧力差により、ロータの推進力、旋回軸２の方向を指す推進力、又は、ウインドミルの場合、角運動量が発生する。吸引側と圧力側は、前縁７，７a、７ｂにより、また、後縁８、８a、８ｂにより、互いに分離されている。
【００４０】
この状況において、前縁は、ロータブレードの淀み地点またはパーシャルブレードの淀み地点の接続ラインであり、奔流方向、すなわち、これらの地点の方向において対面し、そこでは、それぞれのロータ構造に関して平均速度はゼロである。後縁は、後ろの淀み地点の接続ラインから対応した結果になっている。
【００４１】
図２Ａの例示的実施例において、フロントパーシャルブレード５は、リアパーシャルブレード６より広く構成され、ロータブレードはプロファイル深さやコードで分割されている。
【００４２】
代替え的に、ロータブレード４は、コード方向で分岐されず、厚さ方向、例えば、平均または中心線に沿って、吸引側ブレード１１と圧力側パーシャルブレード１０内で、分岐されてもよい。厚さ方向に分岐されたロータブレードを有する本発明によるロータは、図３、また詳細IIとして、示されている。プロファイルの平均または中心線は、プロファイルに刻まれた場合、当該プロファイルの上側と下側に接触する円周の中心により形成された線である。
【００４３】
パーシャルブレードが任意に重複し、パーシャルブレードの前縁または後縁が、それぞれ、ロータブレードの吸引側または圧力側に併合し得る、本発明によるロータブレード遷移の様々な可能な形がある。
【００４４】
ロータ１の回転方向において、パーシャルブレード５の曲率のため、フロントパーシャルブレード５の吸引側の急速流は、リアパーシャルブレード６に向けられる。これにより、加速され、そのため、より安定した流れがリアパーシャルブレード付近に導かれる。
【００４５】
それにより、吸引側パーシャルブレード１１は、その独自の吸引側（符号なし）を発達させる。同様に、圧力側パーシャルブレード１０は、その独自の吸引側９aを発達させる。吸引側パーシャルブレード１１は、主ロータに対し回転方向Ｄに伸び、圧力側パーシャルブレード１０は、ロータブレード４に対し回転方向とは反対に伸びる。パーシャルブレード１１の吸引側は、ロータブレード４の吸引側と併合し、パーシャルブレード１１の圧力側は、ロータブレード４の吸引側と併合する。図１の実施例では、２つのパーシャルブレード１０、１１は、ほぼ同一の大きさである。しかし、図２Ａに示された変形例と同様に、異なる大きさを有するパーシャルブレード１０，１１の構成は可能である。２つのパーシャルブレード１０，１１の前縁は、ロータブレード４の前縁と円滑に併合し、２つのパーシャルブレード１０，１１の後縁は、ロータブレード４の後縁と円滑に併合する。
【００４６】
図２Ｂは、詳細図IIにおいて、図１のロータブレードの、他の変形例である。
【００４７】
図２Ａと図２Ｂのロータブレードは、回転方向に沿う、あるいは、反するロータブレードのそれぞれの曲率により、ロータブレード４が分岐される距離Ａにより、互いにパーシャルブレード５，６の大きさにより、更に、ロータブレード４に関するパーシャルブレード５，６の大きさにより、異なる。
【００４８】
図２Ｂには、開口角Ｗが示されており、それは、２つのパーシャルブレード５，６が開き、半開きを支持する角度である。
【００４９】
開口角Ｗは、一つの（フロント）パーシャルブレードと他の（リア）パーシャルブレードの前縁との間、または、２つのパーシャルブレードの、中心線間の空間で測定することができる。中心線は、放射断面において、コードを半分に切断する、これらの地点を接続する。
【００５０】
図２Ｂのロータにおいて、リアパーシャルブレード６は、フロントパーシャルブレード５より広く構成されている。これにより、プロペラの場合には、より多くの推進力、リペラーの場合には、より大きな角運動量が、フロントパーシャルブレード５よりリアパーシャルブレード６により発生され、リアパーシャルブレード６の後流域において、対応して、渦巻き運動の高濃度が導かれる。ブレード先端をループに拡張することにより、後流域においてでさえ、好都合の渦巻き運動分布を発生させることができ、例えば、大きなプロファイル深さを備えたパーシャルブレードを有することにより、小さなプロファイル深さを備えたパーシャルブレードよりも、ループの円周に大きな貢献を有することができる。
【００５１】
図４、図５は、たった一つのロータブレード４を有するループプロペラとして構成された、本発明によるロータの更なる例示的実施例を示す。図１のロータにおいて、フロントパーシャルブレード５は、ループ様式でリアパーシャルブレード６に連結されており、そのため、ループ領域１２を形成する。このループ領域は、回転方向Ｄに回転し、流体により横断される。２つのパーシャルブレード５，６は、旋回軸２がループ領域１２に配置されるような方法で湾曲している。そのため、パーシャルブレード５，６の接続は、通常、旋回軸２に関し、ロータブレード４と反対側に配置される。しかし、図４の実施例において、フロントパーシャルブレード５は、比較的に長く、螺旋状に湾曲し、一方、リアパーシャルブレード６は、短く、旋回軸２から離れ本質的に放射方向に伸びている。フロントパーシャルブレード５とリアパーシャルブレード６は、領域Ｂで互いに連結され、この特定実施例では、主ブレードの拡張方向に、ほぼ配置されている。領域Ｂにおいて、循環流は符号が変わる。
【００５２】
パーシャルブレード５，６は、互いに継ぎ目なく併合し、可能な限り小さな障害がループプロペラ周りの流れに発生する。図４の実施例において、主ロータは、回転方向Ｄで強く湾曲し、旋回軸から離れた相対的に短い距離Ａで、２つのパーシャルブレード５，６へと分岐される。
【００５３】
図４の実施例において、パーシャルブレード５，６は、異なる長さを有するが、ほぼ同一のプロファイル深さとコード長を有する。しかし、この場合、同一サイズのパーシャルブレードも同様に使用され、パーシャルブレードのプロファイル深さは変化する。
【００５４】
パーシャルブレード５からパーシャルブレード６までの遷移部に沿って、ブレードの縁に沿って、循環流の回転方向は変わらなければならない。循環流の特定回転方向に対し正の符号を任意に選び、ロータブレード４が２つのパーシャルブレード５，６または１０，１１に分岐される領域において循環流量をΓ0と指定する場合、循環流は、２つの等しい大きさのパーシャルブレードの場合、＋Γ0／２から−Γ0／２までループに沿って変化しなければならない。
【００５５】
循環流の当該変化は、ブレード要素に沿って、緩やかな方法で起こる。後流域内に誘発された渦の強度は境界渦の強度の地域的変化に依存することから、後流域において連続的渦巻き運動層が総体的に生じ、それは、プロペラジェットを包み、至るところで、ほぼ同一の強度を有する。
【００５６】
図４のループプロペラを備えた、全体の外部輪郭は、ロータブレード及びパーシャルブレードに沿って、推進力（被駆動モータの場合）またはエネルギ産出（受動的に作動されるロータの場合）の最適分布を得るために使用されてもよい。例えば、外部要素の負荷は、外方向に更に伸びたブレード要素により、或いは、一層の環状構成により、変更されてもよい。次に、船舶用プロペラの場合、これは、キャビテーションの危険性を減少させる為に使用されてもよい。パーシャルブレード５，６のループ状リングクロジャーのため、ループ型プロペラは、高度の機械的安定性を達成し、ループ型プロペラを一層軽い様式で設計することを可能ならしめる。循環流が小さいにすぎないループ型プロペラの断面において、特に、循環流が符号を変更する領域において、プロファイル深さは減少してもよい。
【００５７】
図５と図６は、ループ型プロペラの更なる実施例を示す。
【００５８】
図４の実施例と比較すると、図５の単一ブレードループ型プロペラは、ロータブレード４の湾曲の強さは小さくなっている。ロータブレード４が分岐される距離Ａは、大きく、パーシャルブレードは、ほぼ同一の長さになっている。全体として、図５のループ型プロペラのループ領域１２は、より丸く構成されており、ロータのバランスが容易になっている。
【００５９】
図６の実施例は、２つのブレードを備えたループ型プロペラの更なる実施例を示す。図１のループ型プロペラと比べると、図６のループ型プロペラは、より細長いループ領域１２を具備し、２つのパーシャルブレード６への、ロータブレード４の分岐間の広い断面積Ａにより、本質的に達成されている。図６では、一つのロータブレード４のフロントパーシャルブレードが他のロータブレードのリアパーシャルブレードと連結する領域Ｂが示されている。領域Ｂにおいて、循環流は、その符号を変え、ゼロに近い値を有する。領域Ｂは、小さなプロファイル深さを有する。更に、領域Ｂがループ型プロペラ１の推進力やエネルギ発生に対し非常に僅かしか貢献しないので、この領域においてプロファイルは、非常に細く、対称に維持することが可能である。そのため、プロファイルまたは形状の抗力と摩擦の両方は、この領域で最小限にできる。
【００６０】
図１から図６によるループ型プロペラの原理は、複数のブレードを備えたロータにも転用可能である。複数ブレードループ型ロータの例示的実施例は、図７に示されている。ここでは、ロータ１から回転方向Ｄに等間隔に間隔を置いて配置された、３つのロータブレード４が示されている。ロータ４は、旋回軸２から等間隔Ａで、それぞれがフロントパーシャルブレード５とリアパーシャルブレード６に分岐されている。ロータブレード４のフロントパーシャルブレード５は、回転方向において次のロータブレード４のパーシャルブレード６に連結されている。実際の適用例により、パーシャルブレードが回転方向に関し、互いに連結される方向は、逆であってもよい。
【００６１】
そのため、ループ領域１２を備えた３つのループが形成される。ループ領域１２は、それぞれ、共通の前縁７を有し、それは、ロータブレードの上流側の縁部から、同一のロータブレード４のフロントパーシャルブレード５から、更に、他のロータブレード４のリアパーシャルブレード６から、連続的に形成されている。同様に、パーシャルブレード５，６により、更に、パーシャルブレード６に接合するロータブレードにより構成されたループの各後縁８は、連続的に形成されている。
【００６２】
図７の実施例による原理に基づき、任意数のロータブレード４を備えたループ型ロータが実現し得る。そのため、例えば、一つのロータブレードのフロントパーシャルブレード５を、隣接するロータブレード４のリアパーシャルブレード６ではなく、より遠くのロータブレード４のリアパーシャルブレードと連結することにより、ループが挟まれた、より複雑な幾何学的形状でも可能である。
【００６３】
この可能な変形例の改良として、２を超えるパーシャルブレードへの分岐は可能であり、本発明に従い、多くの空間的ロータ構造に連結し得る。
【００６４】
本発明によると、ロータブレードとパーシャルブレードの幾何学的形状を様々な流体条件に適合させる手段がロータ１に提供される。
【００６５】
このような適合は、ロータブレード４及び／又はパーシャルブレード５，６の一つが弾性材料で形成されるか、弾性外部スキンを有するかにより、達成される。これにより、ロータブレードとパーシャルブレードの流体幾何学的形状の、特にループ構造に沿った緩やかな調整が可能になるという重要な利点が生じる。
【００６６】
例えば、ロータブレード４及び／又はパーシャルブレード５のプロファイルの幾何学的形状は、弾性外部スキンを持って変えることができる。これは、図８Ａから図８Ｃに概略的に示されている。
【００６７】
図８Ａは、図１のIIX−IX線に沿った断面図を示す。断面IIX−IX線は、回転軸２から半径方向の伸長に対して直交する方向に引かれている。プロファイル１３は、弾性の柔軟な外部スキンで覆われている。ロータブレード４或いはパーシャルブレード５，６の一つのプロファイル１３は、柔軟な外部スキン１４で装備されている。柔軟な外部スキン１４は、プロファイル１３を完全に覆うか、プロファイルの輪郭が調整される場所で部分的に覆うことができる。
【００６８】
プロファイル１３の内部には、輪郭を調整する手段が備えられているが、それは、例示的に図８Ａに示され、プロファイルの鼻部を形成する、中心を外れて支持されたカム１６を備え、圧力側１８にプロファイル１３の吸引側を連結する連結要素１７を備えている。輪郭調整手段は、プロファイル１３の奔流に依存して、プロファイルの形状を変更することができる。例えば、鼻部の傾斜角度は、図８Ｂ、図８Ｃに示されるように、中心を外れて支持カム１６が旋回軸１９の周りを回転する場合、そのカムを用いて変更可能である。そのため、矢印により表示されたようなプロファイル１３の奔流と、前縁を後縁に連結するコード Ｓとの間の迎え角 Ｎは、図８Ｂから図８Ｃにいくにつれて増加している。図８Ｃの大きな迎え角 Ｎで吸引側の前縁で剥がれを避けるため、図８Ｃではプロファイル１３のそりが、輪郭調整手段により増加され、鼻部は、奔流方向で低くなっている。
【００６９】
これは、例えば、カム１６を回転させることにより、或いは、連結要素１７を互いにシフトすることにより、達成可能である。連結要素１７のシフトは、プロファイルの区分的変形になり、いかなる問題もなく、輪郭の円滑さに影響を与えることなく、弾性外部スキンが続くことができる。同様な方法で、リアプロファイル領域の変更が、例えばＳ形変形を作る為に、なされる。複数の輪郭調整手段の協力により、プロファイルの幾何学的形状は、非常に複雑な方法で影響を受け得る。輪郭調整手段の他の原理も同様に可能であり、例えば、プロファイルに沿って配分された複数の偏心カム、外側方向または内側方向に外部スキンの一部を曲げるカム、又は、圧縮空気により膨らむか、回転力により広がるプロファイル１３がある。
【００７０】
流れにより生成された力によって少なくとも部分的に変形される、たとえ柔軟なプロファイルであっても可能である。そのようなプロファイルを備えると、流れは、受動的に（すなわち、外部から入力されるエネルギを有することなく、単に流れ自身からのエネルギだけを用いて）影響を受けることが可能である。
【００７１】
これらの原理の改良において、都合の良い方法で、能動的かつ受動的プロファイル調整の両方を組み合せる実施例は、認識可能である。
【００７２】
更に、ロータの更なる調整方法が図９に示されている。ロータブレード４をハブ３に円弧で連結することにより、ロータブレード４の上流側淀みの傾斜は、掃引角（ sweep angle ）調整手段を用いて、矢印ＰＲに沿ってロータ１の回転面に関し、調整可能である。掃引角は、前縁に沿った放射方向で二次流による後流域における渦巻き運動濃度に影響を与える。パーシャルブレードも、推進方向または主流の方向で矢印ＰＴに沿って、それらの独自の掃引角調整手段により、円弧状の接合と調整可能である場合、パーシャルブレード５，６に対し、同様の効果が達成可能である。同様に、迎え角調整手段（図示せず）が備えられてもよく、ロータブレード４は、矢印ＡＲに沿って、旋回軸２に関し、放射方向に本質的に伸びる回転軸の周りを旋回可能である。迎え角の調整により、推進力または、受動的に作動されるロータの場合には角運動量が、様々な回転速度と奔流速度に対し、最適化し得る。パーシャルブレード５，６は、迎え角調整手段を用いてロータブレード４に配列可能であり、パーシャルブレード５，６の迎え角は、矢印ＡＴの方向で、ロータブレード４に関し、変更可能である。
【００７３】
図１０Ａ及び図１０Ｂにおいて、本発明によるロータ４の効果が概略的に示されている。図１０Ａにおいて、２つのブレードを備えた既知のプロペラ２０が示されている。先端渦巻きは、ロータ２０の各ロータブレードの先端で形成され、互いの内部で螺旋状に捻じられる、２つの後引き渦２１，２２が生じる。このような既知のロータにおいて、渦巻き運動は、渦巻き運動フィラメント２１，２２に集中し、大きなノイズが生じる。高度の渦巻き運動の集中は、高損失と大きなノイズが発生する。渦巻き運動フィラメント２１，２２は、本体に衝突し、流れノイズが発生する。
【００７４】
対照的に、本発明による分岐型ロータブレード４を有する本発明によるループ型プロペラの後流域における循環流は、包み込み様式で一様に分布される。これにより、損失の減少、流れノイズの減少になる。本発明によるロータの後流域において、渦巻き運動の、一様な包み込み様式の分布は、シュラウド型プロペラのシュラウドに類似した方法で機能する。そのロータの後流域において、渦巻き運動の分布でさえ、対応する渦巻き運動を備えた２つの後流域の加重により、旋回軸の方向で、渦巻き運動の構成要素を相殺することが可能になる。この原理の実施は、以下の実施例で検討する。
【００７５】
図１１は、本発明による分岐型ロータブレード４を有する、ループ型プロペラ１またはロータ１の配置を示し、この配置は、流体機械損失の追加的な減少になる。本発明による二つのロータ１a、１ｂは、一方が他方の後方に連続的に連結されている。２つのロータ１a、１ｂの回転速度は、異なる。ロータ１a、１ｂの相対的回転速度の適切な調整は、上流側ロータ１aのの後流域からの渦巻の除去になり、ロータ１ｂの後流域は、渦巻がなくなる。流れの渦巻は、図１１に示されると同時に上述されたように、ロータの後流域において、渦巻形フィラメントの螺旋状のねじれに貢献する。渦巻のため、能動的または受動的作動ロータの推進力発生のため、或いはエネルギ発生のために使うことができない後流域内の流れ域の回転に、追加のエネルギが投入される。下流側ロータ１ｂの適切な逆回転を用いることにより、渦巻は、除去され、スラストに変換される可能性があり、ロータ１ｂの後流域における渦巻域の螺旋状のねじれは最早、存在しない。
【００７６】
ロータ１a、１ｂは、干渉による流れのノイズや振動を減らすために、同数のブレードや同一のブレード幾何学的形状は提供されていない。適切な構成を使用することにより、上流側ロータ１aは、例えば、推進力より大きな渦巻を発生させるし、下流側ロータ１ｂは、渦巻より大きな推進力を発生させる可能性がある。極端な場合、上流側ロータは、ステータとして構成されてもよい。
【００７７】
同様に、複数のロータをジェットエンジンに配置することは可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、それぞれが分岐された２つのロータブレードを備えた、本発明によるロータの第１実施例を示す。
【図２】 図２Ａは、図１のロータの第１変形例の詳細II、図２Ｂは、図１のロータの第２変形例の詳細IIを示す。
【図３】 図３は、本発明によるロータの第２実施例の詳細IIを示す。
【図４】 図４は、本発明によるロータの第３実施例の詳細を示す。
【図５】 図５は、本発明によるロータの第４実施例を示す。
【図６】 図６は、本発明によるロータの第５実施例を示す。
【図７】 図７は、本発明によるロータの他の実施例を示す。
【図８】 図８Ａ−８Ｃは、本発明の他の実施例が適合された、ロータブレードのプロファイル幾何学的形状における変更例を示す。
【図９】 図９は、本発明の他の実施例が適合されて構成されたロータブレードを備えた調整可能性を示す。
【図１０】 図１０Ａ、１０Ｂは、従来技術から既知のプロペラの後流域における渦巻き運動域と、本発明によるプロペラの後流域における渦巻き運動域を示す。
【図１１】 図１１は、２つのロータが連続して連結されている、本発明の他の実施例を示す。
【符号の説明】
１…ロータ、２…回転軸、３…ハブ、４…ロータブレード、５，６…パーシャルブレード、７…前縁、８…後縁、９…表面、１０…圧力側パーシャルブレード、１１…吸引側パーシャルブレード、１２…ループ領域、１３…プロファイル、１４…外部スキン、１６…カム、１８…圧力側、１９…旋回軸

Claims (13)

1. 動作中、主流方向（Ｈ）に流体が通過するロータ（１）において、前記ロータは、ロータ軸（２）周りに回転自在に配置され、前記ロータ軸（２）から少なくとも部分的に離れて前記流体に伸びるロータブレード（４）を有し、前記ロータブレードは、前記ロータ軸から所定の距離（Ａ）で少なくとも２つのパーシャルブレード（５，６）に分岐され、少なくとも２つのパーシャルブレード（５，６）のうちの一方は、前記ロータブレード（４）から離れて回転方向（Ｄ）に沿って湾曲し、少なくとも２つのパーシャルブレード（５，６）のうちの他方は、前記ロータブレード（４）から離れて少なくとも回転方向（Ｄ）に反して湾曲し、前記少なくとも２つのパーシャルブレード（５，６）は、ループを形成するように連結された、前記ロータであって、
   前記ロータ軸（２）付近の推進力または角運動量は、前記ロータブレード（４）により動作中に発生され、前記ロータ軸（２）は、前記ループにより囲まれたループ領域（１２）を通過することを特徴とする、ロータ。
2. 前記少なくとも２つのパーシャルブレード（５，６）のうちの一方は、フロントパーシャルブレード（５）であり、前記少なくとも２つのパーシャルブレード（５，６）のうちの他方は、リアパーシャルブレード（６）であり、主流方向（Ｈ）において、前記フロントパーシャルブレード（６）の前縁（７ａ）は前記リアパーシャルブレード（６）の前縁（７ｂ）上流側、少なくとも前記ロータブレード（４）に近い領域に位置していることを特徴とする、請求項１記載のロータ。
3. 動作中、主流方向（Ｈ）に流体が通過するロータ（１）において、前記ロータは、ロータ軸（２）周りに回転自在に配置され、前記ロータ軸（２）から少なくとも部分的に離れて前記流体中に伸びる、少なくとも２つのロータブレード（４）を有し、前記ロータブレードは、前記ロータ軸から所定距離（Ａ）で少なくとも２つのパーシャルブレード（５，６）に分岐され、一つのパーシャルブレード（５，６）は、前記ロータブレード（４）から離れて回転方向（Ｄ）に沿って湾曲し、他のパーシャルブレード（５，６）は、前記ロータブレード（４）から離れて回転方向（Ｄ）に反して湾曲し、一つのロータブレード（４）のパーシャルブレード（５，６）は、ループを形成するために、他のロータブレード（４）のパーシャルブレード（５，６）にそれぞれ連結されている、前記ロータであって、
   前記ロータ軸（２）付近の推進力または角運動量は、前記ロータブレード（４）により動作中に発生され、前記少なくとも２つのパーシャルブレードのうちの一方は、フロントパーシャルブレード（５）であり、前記少なくとも２つのパーシャルブレードのうちの他方はリアパーシャルブレード（６）であり、前記フロントパーシャルブレード（５）の前縁（７ａ）は、主流方向（Ｈ）において、前記リアパーシャルブレード（６）の前縁（７ｂ）上流側、少なくとも前記ロータブレード（４）に近い領域に位置しており、
   フロントパーシャルブレード（５）の後縁（８ａ）とリアパーシャルブレード（６）の前縁（７ｂ）は、少なくとも２つのロータブレードがプロファイルコードで分割されている開口角で互いに拡散していることを特徴とする、ロータ。
4. 前記ロータブレード（４）の前縁（７）は、上流側に置かれた前記フロントパーシャルブレード（５）の前縁（７ａ）として、連続していることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のロータ。
5. ループ（５，６）を形成する為に連結される前記２つのパーシャルブレード（５，６）は、互いに円滑に併合することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のロータ。
6. 前記フロントパーシャルブレード（５）は、リアパーシャルブレード（６）にそれぞれ連結されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載のロータ。
7. 前記ローターブレード（４）と前記パーシャルブレード（５，６；１０，１１）の少なくとも一つは、少なくとも部分的に弾性外部スキン（１４）が備えられている、請求項１〜６のいずれか一項に記載のロータ。
8. プロファイル調整手段が備えられ、それにより、前記ロータブレード（４）及び前記パーシャルブレード（５，６；１０，１１）の少なくとも一つの輪郭（１３）が、少なくとも部分的に調整されることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載のロータ。
9. 迎え角調整手段が備えられ、前記迎え角調整手段は、前記ロータブレード（４）及び前記パーシャルブレード（５，６）の少なくとも一つを、迎え角の調整の為に、前記ロータブレード（４）で回転自在に支持することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載のロータ。
10. 掃引角（sweep angle）調整手段が備えられ、前記掃引角調整手段は、前記ロータブレード（４）及び前記パーシャルブレード（５，６）の少なくとも一つを、本質的に推進方向で、前記ロータブレード（４）上で旋回自在に支持することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載のロータ。
11. 開口角調整手段が前記ロータブレード（４）前記パーシャルブレード（５，６）間に備えられ、前記開口角調整手段は、ロータブレード（４）上のパーシャルブレードの少なくとも一つを、ロータブレード（４）の２つのパーシャルブレード（５，６）間の開口角（Ｗ）が調整可能であり、かつ、前記開口角が前記回転方向（Ｄ）を指すように、旋回自在に支持することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のロータ。
12. 拡張手段が前記ロータブレード（４）と前記パーシャルブレード（５，６）間に備えられ、前記拡張手段は、前記ロータブレード（４）の、流体中への拡張方向に関し前記パーシャルブレード（５，６）を支持することを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のロータ。
13. 少なくとも二つのロータから成る設定において、前記ロータは、それらの旋回軸に沿って、前後に配置され、それぞれが反対の回転方向を有する前記設定であって、前記ロータ（１）の少なくとも一つは、請求項１〜１２のいずれか一項に従って構成されることを特徴とする、ロータ。

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