JP4357797B2 - 推進性スラストリングシステム - Google Patents

Description

【０００１】
【技術分野】
この発明は、一般にファンおよびプロペラによって流体を動かし混合するための改善した方法、そしてまたプロペラおよびファン駆動の乗物、特に船舶およびあらゆる型の航空機、ファン、その他の流体駆動装置用のスラスト（推力）を増大し、制御するための改善した推進システムに関するものである。
【０００２】
【背景技術】
プロペラまたは関連する回転形態のもの、例えばローター、ファンおよびスクリューは、船舶および航空機の設計において肝要な面である。現在の船舶スクリューは低効率であり、それは高い騒音と言う特徴のためで、羽根における水の空洞発生作用によって性能が制限されている。現在の船舶スクリューなどが、水中のマネティ（海牛）、人々、そして沈んで見えない物体と衝突したときの安全性の欠如は、日々の新聞でしばしば報じられている。毎時６０マイルで動いている小型船を正確に停止させられるかどうかは疑問である；他の船舶、泳いでいる人達、および残骸物との衝突を回避する助けとなる実際的なブレーキシステムは、現在存在しない。低速度で回転する大型のプロペラは、船の設計上必要な選択であり、船／スクリュー寸法の関係の故に、船体から生じる著しい流れ妨害があり、結果的には一層低い効率をもたらす。
【０００３】
飛行機のプロペラおよびヘリコプターの尾部ローターは、許容できる程度の効率を得るために、比較的低い誘起加速度の流れを有する大量の空気を動かさねばならない。そのようなローターの寸法は、相対的に制限される。それ故十分なスラストを生成するために、これらのローターは、羽根の翅端速度を高くして駆動される。高い〔スラスト／翅端速度〕の比の条件により生成される翅端の渦巻は、システムの騒音を増加させる。
それ故、プロペラのスラスト、馬力を強化し、プロペラの騒音を減らすことによってプロペラが生成する性能を改善する構造的なシステムが必要である。また動きの不活発または活発な物体にプロペラが衝突したときに安全性を確保し、プロペラの性能を不利にすることなしにプロペラを保護するケージの必要性も存在する。さらに船舶、航空機、ヘリコプターおよびファンに使用されるプロペラの動作から発生する騒音レベルを減らす必要性も存在する。
【０００４】
プロペラ、スクリュー、安全装置の分野について、またプロペラのスラストを増加させる手段について、これまでの特許が詳しく調査され、つぎの結果を得た。
M.S.Smallに付与された米国特許No.4,689,026は、プロペラスクリューに関するもので、スクリューを取り囲む方形のトンネルを示しており、このシステムは、トンネルのすみ及び水の回転損失の故に過大な水の抵抗および低い流動効率を有するものと思われる。
米国特許No.4,666,411は、管状の、船の伴流発生機のためのものであり、これはまた高い水の抵抗をもち無推進力の代物である。
V.W.Toneに付与された米国特許No.4,031,846は、案内駆動装置と円錐形の半力バーについて記載し、それは反通風板として作用するかも知れないが、明らかに推進力を発生するものではないと思われる。プロペラの先端のみをカバーする円錐板として、それは安全防護物としての作用はしないものと思われる。
【０００５】
米国特許No.3,742,895は、プロペラ伴流中の操舵用の舵について記載しており、私の発明には関係しない。
米国特許No.3,528,382は、伴流をまっすぐにすることによってその伴流中の回転エネルギを回収するため、流れをまっすぐにする装置について記載している。この事は、伴流速度測定を行ってシャフトの回転軸に対して高々１５°以下という流れの斜交角を示すことで、最善のときでさえ生じるスラスト利得は小さいことを示している。この事は、反回転ベーンに対する抗力が存在しなかった場合、精々３．５％のスラストを増加させるものと思われ、評価できる積極的なスラスト効果は期待できない。
米国特許No.4,580,517は、管内に配置した、おおい隠されたプロペラについて記載している。これは、前方運動では推進力を発生しないシュラウドシステムである。
【０００６】
この管は静力学的スラスト状態ではスラストを改善するが、運動に必要なパワーに大きな不利を強いるような高い抵抗を、速度増加と共に有するに至る。
米国特許No.3,722,454は、プロペラに隣接する長い、流体の管を示している。前方への運動の間に起こるこの装置の高い表面摩擦のため極端な動力を必要とし、しかも前進速度は非常に低いから、その装置の使用は除外される。
米国特許No.4,441,163は、プロペラを保護するための、推進力を発生しないケージを示している。このケージは、推進力を発生しない性質のものであるから、ある適当な動作速度において過大な力を必要とする。
D.C. Babusに付与された米国特許No.4,078,516は、上記した同じ高い抗力特性を有する、推進力を発生しないケージを再度示している。
【０００７】
Freibheim Zimmerに付与された米国特許No.3,968,944は、入口に配置した、プロペラを有するテーパー付き収縮シュラウドを示している。これは、シュラウドが推進力を発生しない性質のものであるから、これもまた高い抵抗のある代物を提供するだろう。
シュラウドまたはトンネルについて記載している上記の従来技術の大部分は、人および／または海洋生物がプロペラと接触しないように保護するが、効率的な性能を犠牲にし、かつこれらのものが高い抵抗の代物であるため大きな動力を必要としていることに気付かれるだろう。
私の発明は、同じ速度を出すために必要な通常のプロペラ動力のたった半分（１／２）と言う小さい人力を用いてさえも推進力を発生するスラストを増加させつつ、ケージによって提供される安全性を達成している。
【０００８】
H.E. Lemontに付与された関連特許No.4,506,849、
「ヘリコプターロータのスラストリング」は尾部ローターの周囲に単一のスラストリングを使うことを記載している。主ローターからおよび平行移動飛行(translational flight)から生じる両方の交差流は、スラストリングから発生するスラストを強めるために使用される。軸方向の推進力を十分増加させるために、単一のスラストリングを採用するに必要なその面積は、余りに多くの抗力を課すことになり、軸方向に高速モードで成功裏に動作させることは不可能になるものと考えられる。
タウンエンドリング（星形状配置の航空機エンジンを流線型にする初期の方法）は、航空機のプロペラを取り囲んでスラストを増大させるために使用された。これは、上記の特許No.3,722,454及びNo.3,969,944のシュラウドを使った航空機の変形である。船舶にあてはまる同じ難点は、また航空の応用にもあてはまる。これらのタウンエンドリングは、静力学的な地上のスラストを増大させる一方、航空機の並みの平行移動速度(moderate translational speed)では、抵抗がスラスト増加の効果とすぐに等しくなり、正味の有効性をゼロまで減らす。
【０００９】
輸送用航空機は、騒音抑制のためダクト／カウリングシステム内に封入された、推進力を発生するファンを使用する。ファンの羽根がダクト内に配置されるとき、カウルリップ上の負の空気圧の分布によりスラストを強めること、そしてまた羽根翅端の渦を消去することが要求される。並進と交差の流れを伴うダクトリップ圧力の変動は、ダクト内部の空気速度の方向と大きさに変化を起こし、ファン内部の面速度分布に変化をもたらす。この事は、ダクト内の半径方向の空気流分布に対し、必要とするファン羽根ねじりとの釣合をくつがえし効率を減じる。翅端の渦を消去するため、ファン羽根の翅端はダクト壁に非常に接近することが必要であり（半径の０．５％以内に）、それはさらにクリアランスの問題を伴う。小さなクリアランスの問題は、ダクトの構造を硬くして高速で動く羽根との接触をさけるために重量が追加されると言う重大な不利益を生ずる。
米国特許No.4,506,849に対して参考文献として引用された特許は、揚力を達成するため平行移動飛行速度の間、縁に沿って交差する流れの原理を使用しており；従って８４９特許に対して言及したのと類似の限界を示している。
【００１０】
【発明の概要】
この発明によるスラスト増加装置を使用すると、実質的に改善されたスラストがファンあるいはプロペラから得られる。この事は多重リング構造体を採用することによって達成される。その構造体では、複数のリングがスラスト増強距離(thrust enhancing distance)だけ軸方向に相互に間隔をあけ設けられている。１つのスラストリングは、回転する羽根の向い側に半径方向に配置され、かつリングが画定する環状ポンプ開口部を形成するように少くとも１つの他のリングが下流で軸方向に間隔を取って配置される。ファンであれプロペラであれ回転羽根によって発生された渦は、リング間のポンプ開口部を通って流体の主流に再度入り、主流を増加させるために有益に使用される。
この発明によるスラスト増加システムを使用すると、増加した流体流の量が、同じ馬力で達成することができる。例えば、固定されていない空気ファンでこの発明によるリング構造体を備えているものは、同じ馬力に対してそのマスフローを５倍の大きさに増加させることができる。
【００１１】
実質的な騒音低減は、回転羽根の平面内とまたその平面から４５°のところの両方で、この発明のリング構造体を使って得られる。このリング構造体は、人々および水中生物を回転羽根から守る安全性を高め、かつ制御可能なピッチ羽根を使って強化したスラスト逆転を得ることを可能にしている。羽根は経済的な平坦板で小アスペクト比の構成にすることができる。
本文中に記述した発明の一実施例において、多重リング構造体は、コンピュータ回路または類似物を取り囲む電子的収納体を換気するために使用する型の小型高速度ファンを組み込んでいる。ファン羽根周縁辺の掃引ラインに対向して半径方向に配置した少くとも数個の環状のリング画定開口を備えるように、複数のリングが、ファン羽根の軸方向の幅の中に配置される。リングの幅、リング間の間隔、その形、方向、および厚さは、回転ファン羽根によって発生した渦からスラスト増加を生成するように選択される。多重リング使用の結果として、入力する動力の関数として増大されたマスフローおよび優れた静圧対流量の性能が得られる。
【００１２】
発明による多重リング構造体は、小アスペクト比の羽根を使えば特に効果的であって、例えばファン、ボートプロペラ、羽根車、ポンプ、タービンエンジン、吹付けドライヤー、ヒーターファン、ペイントとスラリー混合機および類似品等で遭遇する羽根である。
発明による、軸方向に延びた１つの多重リング構造体においては、少くとも１つの、リングが画定する開口部が、回転する羽根に向い側半径方向にあり、１つまたはそれ以上のリング開口部が羽根の下流に配置されている。これにより膨張する伴流が生成される。
発明による多重リング構造体を使用すると、単一のリングを採用するときより発生する抗力ははるかに小さい。多重リングの配置を適切にすると、スラスト増加の改善が達成でき、より小さい動力で一層大きいスラストを発生させる結果となる。
それ故この発明の一つの目的は、従来型のファンまたはプロペラから得られるスラストに比べ、より小さい入力の動力を使って同じ寸法のファンまたはプロペラから得られるスラストを増進することである。
【００１３】
私の発明のその他の目的、利点および社会的利益はつぎのごとくである。
１．破壊的で不具にするようなプロペラの打撃から人々、海洋の生物と動物を保護すること。
２．乗物に設けた、取り囲んだプロペラ、ロータ、またはスクリュー等のスラスト増進に積極的に貢献し、燃料消費を減らす保護的なリングケージの設置。
３．多重リング作用により、羽根翅端と根本の渦により代表される、これまで無駄になっていた誘起動力を使用することによって余分の乗物推進力スラストを供給し、燃料を節約し、より速く行く、そしてもっと効率のよい乗物を提供すること。
４．緊急時または他の状況時に、乗物にブレーキをかけるため、可変ピッチプロペラを使い、スラスト逆転を含みスラストの大きさの一層よい制御をすること。
５．ファンまたはプロペラの渦から発生する騒音の低減。ファン、ヒータ、ヘアドライヤおよび類似品の静かな動作の可能化。
６．経済的なスラスト増加システムを使用してファンまたはプロペラの燃料効率を向上させる事。ボート、船、航空機、潜水艦および類似物について有意の走行コスト節約が達成できる。この発明の多重リング構造体の中には動く部分がないので、長期間持ちこたえられ、ライフサイクルの原価は極めて低いものと期待できる。
７．私の発明によって達成されるスラスト増加は、推進力発生；空気または流体の混合；ガス、スラリー、スラッジ、粒体の汲み揚げ；およびファン、ヒータ、ヘアドライヤー、石油バーナ、伝送パイプラインの並列ポンプ等に必要な空気または他の媒体を動かすことにかかわる多種類の羽根に適用できる。
８．リングを通って動かされる空気または水の中の主要な寸法の粒子の分離を容易に行う事。
【００１４】
本発明は、小アスペクト比の多羽根のプロペラ、ファン、羽根車あるいはロータと組合せて使用できる多重リング構造体を有している。この多重リング構造体は、幅の狭い環状翼を形成し、軸方向に間隔をとった多重リングを有し、これらの環状翼は、環状リング開口部によって分離されており、その開口部の幅はリングの翼弦距離の関数として表わされる。なおこの翼弦距離はリングの内径対外径比に基づいている。これらのリングを相互の関係において、またプロペラの平面内に配置するための構造はこの発明の一部である。第１リングの平面は、プロペラの軸方向長さの範囲内にかつプロペラの上流翅端渦の僅かに後ろに配置される。プロペラの平面に対する前方リングの僅かな傾斜および続く下流リングの大きな角度は、いくつかの応用に対し有益な効果がある。プロペラは、小アスペクト比の羽根、特別の翼断面およびリングケージ構造体のスラスト作用を強めるための平面図形状によって強度の増した後流に関連する翅端および根本の渦を有している。リングケージは、通常無駄にしていた渦の回転エネルギを、プロペラによって作られるスラストの方向に働く力として変換することにより、これらの渦を余分なスラストに変換する。
発明のこれらおよびその他の利点、ならびに目的は、図面に示す数個の実施例に関する以下の説明から理解できる。
【００１５】
【実施例の詳細な記述及び発明の効果】
図１−５を参照すると、この発明によるファン４０が示されている。このファン４０には多重リング構造体４２が設けられており、それにより、プロペラ羽根４４によって矢印４８の方向に発生されたスラストが顕著に増加される。図１は、２つの静圧カーブ５０、５２を示している。カーブ５０は、ファン４０（４．００インチ直径）と類似の大きさであるが僅かに大きい（４．４１インチ直径）標準的管内ファンについてのカーブである。カーブ５２は、リングケージ構造体４２を有するファン４０に対するカーブである。
特に重要な意味を持つのは、約０．２インチの水という通常動作の静圧において、ファン４０を用いて得られたマスフローの増加（２倍になった）である。標準の管内ファンに対する静圧カーブに通常存在する非線形のディップ（少しの降下）５４は、ファン４０の使用で実質的に消去されている。カーブ５２は本質的に直線であるが、ファンの構成によっては変動する可能性がある。
【００１６】
ファン４０により顕著に改善されたこの性能は、多重リング構造４２を使って達成される。この構造体４２は、少くとも２つのリングそしてこの実施例では複数のリング５６．１、５６．２，５６．３、と５６．４を有し、これらのリングはファン羽根４４の周辺スイープラインから半径方向に間隔を有しかつプロペラ羽根４６の軸方向での距離内に配置される。リング５６．１は、またファン４０を適当な表面に取り付ける台として役立つ。
多重リング構造体４２は、３つの環状リングで画定された開口６０、６２、６４を有し、翅端が流し出す渦と混合した空気流がそれらの開口を通って流量を増加させる。リング５６．２、５６．３は環状で、比較的薄い翼型構造をしており、それら構造体の半径方向の幅（外半径より内半径を差引いた）、または翼弦Ｃ、および軸方向間隔Ｗは、リング構造体４２により流量増加を強めるために選択される。リング翼弦Ｃが余り大きく作られると、増加作用は減少する傾向になり、また乗物への応用における抵抗が大きくなり過ぎるかも知れない。リング翼弦が小さ過ぎると、増加作用も減少する傾向にある。リング翼弦Ｃの寸法は、ファン半径Ｒの関数として表現でき、約０．１Ｒから、好ましくは約０．１５Ｒから、約０．５９Ｒの範囲内に入れるべきである。特に効果的な流量増加は、リング翼弦の寸法が０．２５Ｒのときであることが判った。
【００１７】
リングの厚さｔは、また性能に影響を与え、リングが厚過ぎてもまた薄過ぎても増加作用は減退する。一般に、リングの厚さは翼弦寸法Ｃの関数として表現される。リング厚さｔは、好ましくは約０．１Ｃから約０．４Ｃの範囲内であり、増加流量は、一般にリング厚さが０．３５Ｃに近づくにつれて低下する。リングの最大厚さは、一般に約０．１５Ｃから約０．２Ｃまでの範囲で最大の静流量増加をもたらすことが判った。直径８インチのファン内に２つ羽根のプロペラを有する４つのリングを使用した１つの多重リング構造体内では、リング厚さｔの最適値は０．２Ｃであった。改善されたマスフローは、０．１Ｃ以下のリング厚さを使ってさえも得ることができる。
【００１８】
リング間の軸方向間隔をＷ、すなわち環状リングが画定する開口６０、６２、６４の軸方向幅Ｗは、マスフローを増加させるため渦からの空気流にとって十分でなければならない。もし開口が広げられると流量増加は徐々に減少する。開口幅Ｗがゼロになるとき、性能は単一リングを使って得られる増加量に近づく。好ましくは、リング流開口の幅Ｗは、一般にリング翼弦長さＣの約半分から約４倍の間に選択される。もっともこの範囲からはみ出ることは、空気と水のような異なった媒体で遭遇できるであろう。上記した８インチ、２つ羽根のファン用の１つの多重リング構造体内で、リング厚さを０．２１Ｃに、ファンの剛率比(Solidity ratio)を０．２にし、かつリング間隔を約翼弦Ｃの２倍にして、ファンのみの場合と比較してマスフローで４０％の改善が得られた。単一リングの使用から得られたマスフローの増加は、約１６％であった。
【００１９】
回転面６７に関して前方リングの軸上位置は、流量増加に影響を与える。一般に上流にあるつまり前方のリング５６．１の後縁６５は、翅端渦の前方にあってはならず、好ましくは回転面６７の近くに配置されるべきである。前方リングの後縁６５は、面６９の前方にまたは下流に配置することができる。一般に流量増加は、後縁６５の位置が後方に動くときよりも前方に動くときに一層急速に減少する。
前方リングの６５のような後縁が、回転面からプロペラ半径Ｒの約０．０６倍以上前方に出なくて、約０．２Ｒより以上下流に出なければ、流量増加は一対の羽根を使って１つのファンで得られた。これらの位置は、プロペラの種々の係数、例えば羽根によって生成される渦の強さ等によって変更することができる。
【００２０】
図１Ｂは、この発明のリングケージ構造体を使って達成された重要な改善事項を図示している。カーブ７０は、２枚羽根、１０インチ直径のファンで、かつ３つのリング５６の間に１翼弦長のリング間隔と１５°の羽根ねじり角を持つファンの翅端７２のピッチ角の関数としてマスフローを表わしている。ピッチ角が増加するにつれて、マスフローは増加し、約４３°の角度で点７４において最大値になるまで増え、そこで失速が起こる。ピッチ角が更に増加すると、点７６で示すようにマスフローが減少する。しかし点７８においてカーブは約５０°で安定し少くとも６０°まではこの状態のままである。
【００２１】
従来のファンにあっては、マスフローは約６０°のピッチ角になるまで８０に示すように減少し続け、軸方向の流は本質的になくなる。このことは、この発明のリングケージ構造体は、失速以上の大きいピッチ角において発生する一層強力な渦を有用なマスフローに変換するうえで特に効果的である、と云うことを説明しているのである。
【００２２】
リングケージ構造体４２の特別の利点は、その内容をプロペラ羽根４４の周辺スイープラインに接近した間隙を保つようにしなくてもよいことである。クリアランスＳが小さ過ぎると、ファンと組立構造体とリング構造体４２とが不注意で接触することを避けるために要求される公差（精度）が厳しくなる。クリアランスＳが大き過ぎると、リングケージ構造体４２から生じる有益な効果は減少し、逆空気流の可能性が出てくる。一般にはプロペラ羽根の半径Ｒの約１０％以下の程度のクリアランスＳが許容でき、通常はＲの約５％の値が使われる。
【００２３】
この多重リング構造体４２は、比較的小さいアスペクト比を有するプロペラ羽根４４を使えば特に効率よく動作する。プロペラ羽根に対するアスペクト比（ＡＲ）はｂがハブ６６の外に露出した羽根の長さで、Ａがハブの外に出た羽根の面積であるとき、関係式ＡＲ＝ｂ^２／Ａによって定義される。羽根４４のアスペクト比が大き過ぎると、それが翅端渦の強度、従ってリングケージ構造体４２の有益性を低下させる。小アスペクト比のプロペラ羽根４４を使えば、一層強力な翅端渦が発生され、これが有用なマスフローに変換でき、一層良好で全効率を生成する。
【００２４】
一般的に適切な値と分かった小アスペクト比は、典型的には約０．１０から約３．０までの範囲にある、もっともこの発明のシステムは、この範囲を外れたプロペラのアスペクト比を使ってもある程度まで動作できる。
ファン４０においては、先頭の上流リング５６．１は回転軸６８に対して傾いている。このような傾斜角が一層良好な空気流を作ることを可能にし、５６．２および５６．３のような他の下流リングに対しても適用できる。この傾斜角は、約１５°程度のオーダーにすることができるが、他の角度も使用できる。
【００２５】
下流リング５６．４は、環状の内側に面したノッチ７９と共に整形される、このノッチ７９は、リング５６．１、５６．２と５６．３を使って得た流量増加を妨害すると思われる逆空気流を阻止するのに役立つ。
リング５６．２と５６．３は、翼型断面形状を有する。この形状が、リングの周辺に矢印８４により示した流れを選択的に強めるが、これらのリングは４８の方向におけるマスフローを強化するものである。
【００２６】
図３と４は、ファン４０を一層詳細に図示している。図４に９２で示すようにリング５６は、インターロック用ブラケット９４と共に組み立てられ、ボルト９６により適当なフレーム９８に保持されている。フレーム９８は通風される空間（図示せず）を取り囲んでいる。ファン４０は、ハブ６６内のモータ（原動機）９９により駆動される。そのようなブラケット９４を使用することは以下の事を表わすものである。そのようなブラケットの使用により、私の発明の流量増加をなお行いつつ、リング５６が連続している必要はなく、円周上の場所（複数）で中断できることを示している。
【００２７】
図５および６では、ファン１００が示され、それは、ファン羽根１０４のピッチ長さに沿って軸方向に間隔をとった６つのリング１０３をもって形成された多重リング構造体１０２を有している。リング間の環状開口１０６の全部は、正のポンプ作用に貢献し、それによって顕著なマスフローの増加が得られる。ファン１００は、カップ形のブラケット１１０を用いて数個の適当なフレーム１０８の１つに取り付けることができる。モータリード線１１２は、ファンモータ１１４とリング１０３を支持するために使用する４つの適当な中空の支柱１１６の１つを通ってモータ１１４に連結される。望ましいと思われる場所にリング１０３のいくつか、または大多数をファン羽根１０４の回転軸に対して相対的に傾けられることに留意すべきである。
【００２８】
図７は、周辺モータ１２４により回転されるプロペラ羽根１２２を有するファン１２０を図示している。多重リング構造体１２６は、回転軸１２９に対して相対的に種々の角度で傾斜しているリング１２８．１、１２８．２および１２８．３を使ってマスフローを増加するために使用される。
図８は、船外機１３２を備えた船外機モータボート１３０に適用した私の発明の一形式を示している。この船外機１３２は、従来のスロットルおよび操舵レバー１３６を有し、典型的には現在の慣例に従ってボートの船尾肋板１３４上に取り付けられている。船外機１３２の部品は、反通風板１３８および下部直角ギヤーボックスケーシング１４０として図８の中で注目できよう。私の発明の、２つの主要な要素は、すなわち小アスペクト比の羽根のプロペラ１４２と、軸方向に間隔を取った３つのリング１４６．１、１４６．２および１４６．３から形成されたリングケージ１４４である。
【００２９】
プロペラ１４２（図１０参照）は短い、幅広の、薄い羽根１５２を有している。特殊な前縁横断面のみならず、特殊な羽根１５２の平面図形状が、翅端および根本の渦作用による大きい迎え角におけるプロペラのスラスト値を高めて境界層のエネルギーを増加させる。これに対して、図９に示すような通常のスクリューは、これらの渦を最小限にして動力損失を減少させようとする。リングケージ１４４を使用してこれらの渦を有用なスラストエネルギに変換することが、渦を強化するようなプロペラ設計の使用を促進する。図２、４、６、７、と８に示す実施例にあっては、３つまたはそれ以上のリングが使用される。しかし、この発明による多重リング構造体の利点は、リングとリングの間で環状の渦ポンピング開口を画定するところの一対のリングを使用することにより得られることを理解すべきである。この開口は、プロペラ羽根の軸方向ピッチ長さの範囲内に少くとも部分的に配置しなければならない。
【００３０】
図８、１０、および１１において、角度をつけ分配した４つのレール１５４により連結した３つのリングが示されている。これらのレールは、船外機１３２に取り付けられ、プロペラ１４２の面に関して適切な配列でリングの間隔をとり、それらを支持してスラスト増加の機能を遂行する。レール１５４の数、その形状、寸法とは何れも変更してもよい。一般に、レール１５４により生成されるようなリング支持構造は、リングケージ１４４の一部を形成し、水流に略平行に配置される。レール１５４は、各ケースに応じて現在の空気力学または流体力学の理論に従って低い抵抗となる構成に整形した断面を有している。
【００３１】
図９は、船外機から出ている駆動軸に取り付けた従来のスクリュープロペラ１６０の回りの水流を示している。その流れを、図１０に示す、本発明の推進力発生スラストリングシステムにおける流れ及び図１１に示した、個々の羽根の回りの流れおよびリングの回りの半径方向の流入の詳細な検討、と比較すべきである。
【００３２】
図９のプロペラ１６０は、水平ベクトル１６２で示す水流を有している。従来の反通風板１３８は、水表面からプロペラ１６０内への空気洩れを防止する。プロペラ１４２は、通常「誘導速度(induced velocity)」と称される付加的速度を、影響を受けた水力線管(tube of water)に付加する。この機能を行う際に、上側の低圧および下側の高圧は羽根の翅端近くで渦を形成させ、この渦は羽根を越えて下流に流れ、「翅端が流す渦」と称される。これは、船内流れ(inboard flow)と共に、高回転速度の境界渦速度を有する横断面減小の伴流を形成する。矢印を付けた渦の円１６６は、水流に直角の平坦な切断面内における渦回転流の方向を示している。渦円１６６のではなく、伴流の縮んでいる直径は、プロペラ１６０によって作られる追加された誘導速度の結果である。
【００３３】
図１０は、２つの部分からなる、推進力スラストリングシステム１４４の水流を示しており、その内の１つは、本来の流れであり、２つ目はリング１４６を越える誘導流である。ベクトル１７０はプロペラ１５２に向う、ギヤケース１４０の回りの本来の水流を示しており、速度ベクトル１７２はリング１４６に向う誘導流を示している。２組の渦はプロペラ羽根１５２の各により作られる。すなわち船内渦１７４と船外渦１７６である。流れベクトル１７２は、渦１７６．１および渦１７６．２の混合流と共にリング１４６の回りに半径方向の増加流を作る。
【００３４】
この混合は前方リング１４６．１において始まり、下流でプロペラ１４２の直径の２倍から３倍まで続く。船外渦１７６と船内渦１７４により示した直径の寸法の大きい事と直径の増大とは、渦が小さいときの渦内の高回転速度エネルギーから渦が大きい時の低回転速エネルギへの変換が有益であることを示している。図９のプロペラ１４２とは異なって、プロペラのこれらの渦は、渦の回転エネルギと質量とを伴流に加えることによって下流で消える。最終の伴流ベクトル１８０は、誘導されたリング速度ベクトル１７２と一次の流れベクトル１７０との和からくる流量により発生した伴流膨張を示している。
【００３５】
船外機１３２にボルト止めした取付部品１８２のリングケージ６０は、一次流路内には置かれていない。そして流れベクトル１７０と１７２に直角のそれらの投影面積は、伴流への影響が最小である。
図１１は、推進力発生スラストリングシステム１４４および前に定義したプロペラ１４２の斜視図である。プロペラ１４２は、固定位置、２枚羽根の可変ピッチプロペラで、フロントハブ１８６をリアハブ１８８の処に保持するクランピングねじ１８４により生成される調整能力を備えている。羽根１５２は、平板ベベルドエッジ（はすぶち）構造体であり、それは羽根のバット上のクランピングねじ１８４の作用により保持されている。羽根１５２の周囲の水流作用は、船内渦１９０、船外渦１９２、および前縁渦１９４により示されている３組の渦によって表現される。羽根１５２の迎え角はベクトル１７０（図１０参照）およびシャフト１９６の軸のまわりの羽根回転速度によって確定される。羽根１５２により作られる誘導速度およびベクトル１７２で示す増加速度流は、図１１に示す方向となる。
【００３６】
羽根１５２の下部表面から上部表面にわたる正／負の圧力比により作り出された渦１９０および渦１９２は、図１１に示す縁渦を生ぜしめる。これらの渦は、下部表面から上部表面に流れ、つぎに誘起したリング流と混合して下流にて次第に消える。これらは、１．０またはそれ以下という小アスペクト比の表面に対する各単一の渦として示されているが、２つ以上の渦が羽根の各側縁に発生するかも知れない。１９４のような渦は、前縁２００の斜面の働きによるものであり、この前縁は２％の翼弦前縁半径２００により僅かに丸められるかもしれない。羽根１５２の正の迎え角において、鋭い縁がベベル（斜面）を越える流れを分離してきた。
【００３７】
流れは、斜面のあとで翼弦方向の向きに羽根１５２に再び付着し、上昇泡を発生させる。この上昇泡は、羽根１５２の斜面部分上で渦１９０から渦１９２までスパン方向に広がる。この上昇泡が羽根上で重要な揚力を作り出すが、これらの羽根はその小アスペクト比の形状を用いて斜めの平板部分を作ることができるもので、よい側面をした翼断面よりも一層大きい単位面積当り揚力を生ぜしめる。
【００３８】
他の２つの重要な効果は、渦１９０、１９２と１９４により作られる。１つは、揚力喪失と抗力増加を来たす失速なしに４５°を越える迎え角（図１３参照）を達成するため、羽根１５２の上部表面上の境界層を付勢することである。プロペラ１４２の揚力値は、他の型の揚力値の２倍を越えるかも知れない。第２の効果は、上記の渦が従来のスクリュープロペラ１６０（図９参照）より一層強力な混合作用を生成することである。この、スクリュープロペラ１６０では失われるエネルギは、私の発明によって有用なスラストに変換される。
【００３９】
図１１は、誘発した流れベクトル１７２を斜視図で示している。これらのベクトルは、上流でシャフト１９６の軸に平行に始まり、内部リングケージ混合作用（流体沈下作用(fluid sink action)）の影響の結果として、リング１４６．１、１４６．２、１４６．３の前方表面２０２．１、２０２．２、２０２．３を横切るよう曲がり、つぎに下流に進む。リング１４６．１、１４６．２、１４６．３の前方表面２０２．１、２０２．２、２０２．３を横切り内側向きの半径方向の流れは、リング揚力(ring lift)を発生させ、それによりスラスト改善を生じる。
【００４０】
図１２は、異なるシステム（複数）のスラスト生成能力を比較するため、それらシステムの静スラストの試験データのグラフである。各システムにより発生されたポンド表示スラスト値が、プロペラシャフトの毎分回転数（ＲＰＭ）に対してプロットされている。カーブＡは、基準線となる、１０図の１４２のような、３枚羽根、標準設計、半楕円面形平のスクリューの、ものの場合である。カーブＣは、リングケージ６０がなく１４２のような３枚羽根、７５％直径のプロペラのものの場合である。破線カーブＤは、３つのリング１４６を使用しているリングケージ１４４を有する、カーブＣのプロペラ１４２に対するもの。これらのデータ解釈は以下のようである。
【００４１】
１．２０００ＲＰＭにおいて、カーブＣのスラストは、カーブＡに対するプロペラより小さいプロペラの値であるが、カーブＡの標準プロペラの値より約２０％小さい。
２．２０００ＲＰＭにおいて、カーブＣ用のプロペラではあるが推進スラストリングシステム１４４を有するものに対する破線カーブＤは、カーブＡで表わされた標準プロペラシステムのスラストよりやや大きいスラストを生成する。
【００４２】
上記の事から引き出される結論は、リングケージ１４４を有し、より低い羽根翅端速度（カーブＡのそれの７５％）で動作するより小さい直径のプロペラ１４２は、同じかまたはやや大きい静スラストを発生させるということである。リング１４６は、それらの誘起流によって全スラストに貢献し、かくしてトータルとしての推進力を増加し、カーブＡで表わされる標準型でより大きいプロペラに等しくする。リングケージ構造体１４４を有する一層小型の低翅端速度のプロペラ１４２は、このようにシャフトのより小さい馬力のレベルにおいて、より大型のプロペラと同じ静スラストを作り出すことができる。
【００４３】
図１３は、図１２のカーブＡとカーブＤのシステムについて静スラスト／馬力の試験データのグラフである。プロットしたのは、設計スラストに対する各システムのパーセント馬力のデータである。設計スラストの１００％において、この推進力を発生スラストリングシステムは、標準のスクリュープロペラの馬力の約５０％だけを使用する。これは効率の顕著な改善である。
【００４４】
図１４は、図１２のカーブＤに関して説明されたリングケージ１４４を有するプロペラに対する試験データのグラフである。カーブＤはパーセント巡航速度の関数として達成されたパーセント増加値である。増加パーセントは、リングケージ１４４を使って達成されたスラストＴ_ＤからプロペラのみのスラストＴ_Ａを減じた値をＴ_Ａで割って１００を掛けた値として定義される。
平行移動速度ゼロにおける図１４の静スラスト増加は、プロペラ１４２のみのスラストの約２４％である。ボートの巡航速度において増加率は約６０％まで増す。図１４に図示するこの増加率は、図１３に示す低減馬力所要量を使って達成される。〔馬力／エネルギ〕比の節約の結果、同じ燃料使用量に対して高い経済性の、より速い、より長距離の車が生まれる。
【００４５】
図１５は、空気プロペラの音測定値を示すもので、音の強さ（ｄＢＡ）、スラスト、および馬力の値が、毎分回転数の全範囲において測定された。マイクロホンは、プロペラの回転面およびプロペラから４５°の角度でそれぞれプロペラの直径の１．５倍の距離に置いた。コンピュータで換算したデータが図１５にプロットしてある。同図は、プロペラの設計スラストパーセンテージに対する音の強さを示している。両方の類似の位置からのデータは略等しかった。カーブＥはプロペラのみのｄＢＡ値を示し、他方カーブＦは、１４４のようなリングケージをシステムに付加した効果を示している。
【００４６】
図１２、１３、１４に対する試験データは、３枚羽根のプロペラシステムを使って得られた。力及びモーメントのデータが、４枚羽根のプロペラ４４の試験によって見出されている。剛率として定義されるパラメータは下記のものである。
【００４７】
【数１】

【００４８】
このパラメータは、リングおよびプロペラの数を変更して試験評価し、０．０６から１．０以上までの範囲に対して構成部分の選択を最適にした。空気プロペラ羽根のアスペクト比が３．０のとき、０．２０から０．３５という剛率は適切である。他方、水に使用する羽根に対しては、１．０という剛率は正当な値である。コンピュータのような電子構成部分を冷却するために使用されるかも知れないファンは、一般に１．８から２．０の大きさの剛率を有している。それ故、剛率は発明を種々のプロペラへ適用するについて、約０．０６から約３．０まで変更してよい。
図１５から判るように、１００％の設計スラスト値において静粛化は約５ｄＢＡである。リングケージ１４４は、プロペラ渦を消散させることによって文字通り騒音を飲み込む。
【００４９】
図１６は、プロペラ１４２とリングケージ構造体１４４からなる推進力発生スラスト−リングシステムの立面図である。プロペラハブの断面部分は、その組立方法を明かにするため露出してあり、且つリング１４６のある部分は同じ理由で削除してある。レール４０は、鋳造かモールドか、そうでなければ図８と図１６に示すように板１３８とギヤケース１３９と一体的に組み立ててよい。安全性を増すため重要な部分に肋間筋を使用しても差支えない。リングケージ１４４は、上流に面する翼部分を有する薄いリング１４６を備えている。
【００５０】
リング（複数）１４６は、狭い、円形の、環状をしており、プロペラ１４２の直径より約５．０％だけ大きい内径を有している。リング１４６の外径は、プロペラ１４２の渦強度および／また他の計画された使用法に応じてプロペラ直径の１２０％から１６０％まで変化しても差支えない。リング１４６およびレール１５４は、金属、プラスチックまたは複合材を一体的に鋳造またはモールドして、それらの交差部分にしっかりした継ぎ目を形成してもよい。または別法として、ボルト締めした継ぎ目をシステムを一緒に保持するためにも使用してよい。個々のリング１４６は、レール１５４上のラグまたはスペーサブロックに取り付けてもよい、そのスペーサブロックは、通しボルト付きのリングをアフトリング１４６．３からギヤケース１３９に分離する。
【００５１】
リングケージ１４４に使用するリング１４６の数の選択は、プロペラ１４２の作る渦の強度に関係する。特別の設計条件に対して所要の推進力を達成するためには、２つまたはそれ以上のリング１４６が必要である。リング１４６間の軸方向間隔は、１／２翼弦から４翼弦の長さまで変更してよい。１翼弦の長さは、環状リング１４６の内径外径間の差の１／２と定義されている。
前方リング１４６．１の平面は、プロペラシャフト軸１９６に関して約５°あるいは１５°だけ傾けてもよく、それによりスラスト増加値に認められる程に影響を与えることはない。しかし傾けたまたは傾けていないリング１４６の上流側は、適切なポンプ作用を確保するため、羽根１５２の渦１７４および１７６の前方にあってはならない。下流リング１４６．２と１４６．３は、１つの軸側の片側の翼弦間隔を維持し増加効果に実質的に影響を与えることがないようにしながら、シャフト１９６に関して最大４５°まで傾けてもよい。
【００５２】
第１リング１４６．１の下流でのリング１４６（複数）の半径方向の片寄りは、重大な増加損失を起こさなければリング翼弦Ｃの最大１／２まではよい。試験をして判明したが、リング１４６の内径を増減しつつ、内径対外径比を同じに維持することは、増加効果に僅かに小さな変化を起こすだけである。４つの翼弦間隔の範囲内で均一または非均一のリング間隔は、マスフローの増加の効果に重大な影響を示さなかった。
【００５３】
少くとも先頭の、前方の、つまり上流のリング１４６．１は、プロペラ１４２の向い合うように配置され、且つ好ましくは第２リング１４６．２もまたそのように配置されていることに注意されたい。このように、各リング１４６．１と１４６．２は渦変換に貢献し、流量増加効果を強化する。追加の下流リング１４６（複数）が、プロペラ１４２の下流に配置された１４６．３のようなものと共に延長リング構造体として使用することができる。そのような延長リング１４６（複数）は、膨張する伴流を収容するため、より一層大きな直径のものとすることができる。
【００５４】
これらの考察は、図２、４、６、と７に示すリングケージ構造体にもまた適用され、そして逆に、これらの図に示す空気ファンに関して説明した設計基準は、ボートのプロペラおよびリングケージ構造体にも適用できる。
レール１５４は、リングケージ１４４のある部分を形成し、構造体を支持し、配置し、また構造体を衝撃から守りかつ保護するという構造的機能を発揮する。１０図の１７２のようなベクトルによって発生した流体力学の力は、レール１５４によって抵抗され、ギヤケース１３９に分配されて最後にはボート３０に加えられる。レール１５４は、リング（複数）１４６の相互にプロペラ１４２の面に関連するように位置決めする。
【００５５】
上流側では、レール１５４は、水流の方向に対して半径方向および斜め方向に傾いていて、物体をプロペラ１４２からまた一部リング１４６から逸らせる。図１６は、リング１４６をギヤケース１３９および反通風板１３８に取り付けているレール１５４を示す。この事で、プロペラ１４２の周辺の回り４点への衝突に対する防護を行っている。物体、動物および人々を守りプロペラ等から逸らせることを更に補うため、２次的な適当な肋間レール１５４を、図１６に示した位置の間の角度位置に追加し、第１リング１４６．１の前方に配置してもよい。リング１４６の間及びそれに沿ったレール１５４の断面形状は、一般に抗力を最小限にするように選択され、レールの断面輪郭は翼型をしており、その前縁はシャフト１９６から離れて船外に面している。
【００５６】
シャフト１９６は標準の船外機型のもので、保持用ナットおよびウッドラフキーハブドライブ手段を有している。その他のプロペラ付属品が使用できる。プロペラ組立体は３つの主要構造物からなる。すなわち前方ハブ２１０、後方ハブ２１２およびプロペラ羽根１５２である。他の部品は、羽根のピッチ角をきめるピン２１４およびハブ部分と羽根を適切な位置に固定するスクリュー取付片等である。前方ハブ２１０は、シャフト１９６上で滑りはめあいを可能にする内径を有し、また流線型にするのを補う外形を備えている。後方ハブ２１２は、またシャフト１９６にぴったりはまる内径をもち、且つ駆動負荷をシャフト１９６から羽根１５２に伝えるためのトルク伝達用のウッドラフキー（Woodruff key：所謂、半月キー）を有している。
【００５７】
羽根１５２は各々、固定位置、可変ピッチの設計に適したワンピース構造体である。その流体力学的で本質的に矩形の表面は、縁を斜めにした平板で、その半径方向の最上部において翼弦の２％から１５％の幅を有している。斜めになった前縁と後縁は、用途を考慮して選択され、半径方向最上部表面上で翼弦の１０％から２５％まで伸びている。羽根１５２から生じるスラストは、主として前縁斜面によって影響されるので、いくつかの応用に対して羽根１５２の後方斜面の広さまたは必要性は決定的なものではないことに留意されるだろう。両縁の等しい斜面化は、ピッチ角の適切な選択によって、羽根１５２が左回転または右回転のプロペラ回転の何れかに使用できるようにする。左回転がこの出願の図中で使用され、下流の位置から見たとき反時計方向運動として定義されている。
【００５８】
図１８は、プロペラ羽根断面の特別の断面プロファイルを示し、それらが、ＮＡＳＡまたは他の航空機プロペラの標準的な断面に加えて使用できる。平板はす縁断面２３０は、推進力発生スラストリングシステム用に流体力学的／空気力学的な特別の特性を与えるため、薄い翼（２％−１５％）の翼弦厚さに対するものである。迎え角における前縁への流れは、図１８上左方へと仮定するが、急カーブの点で分離し、斜面の後ろの平坦な厚い部分２３２上で再びくっつく。吸引泡(suction bubble)は斜面表面と自由流れ(free stream flow)の間に生じる。この事が、効果的なシステムを設計することを可能とする効率で表面揚力を発生させる。泡効果が上部表面上の揚力決定に支配的であることから、コンターおよびプロファイルの表面仕上の精度は２次的なものになっている。下部表面圧力は総計して正となり、その表面の粗さに無関係となる傾向にある。斜面表面は前縁から最小の約８％の翼弦および最大の約３０％の翼弦まで広がっている。
【００５９】
断面２３４は、上部表面２３５を形成している大きい〔半径／翼弦〕比をもつ円弧、と断面２３０のような厚さ比の範囲を有している。
断面２３６は、２５％翼弦傾斜の前縁２３８、平坦な底２４０、および斜面の後ろのテーパつき断面を有している。断面厚さ比は断面２３０の値のよう変化する。
断面２４２は、図１８に示す傾斜した点線２４４において始まる２重テーパを有する。この線は、断面翼弦の２５％の点でテーパつき両表面の最上部交差点を通過する。水平線に対するこの線の角度は、使用条件によって垂直線の前または後で７５°程度になりうるが、この角度が断面図における前方と後方の底線の交点を決定する。翼断面型に普通使用されるドループスヌート形は、航空機の設計に使用される多くの型のスロットやフラップのような、これらのプロファイルを更に変化するためのものを組み込んでもよい。
【００６０】
図１９は、この発明の多重リング構造体の中のリング２４８に使用される横断面プロファイルを示す。断面２５０は、ＮＡＳＡまたは均等な他の標準的な航空機のプロファイルである。図１９の左側の前縁２５２は、リング２４８の内径を形成し、後縁２５４は外径である。リング２４８のこの断面は、リング２４８の平面に対してある角度で据え付けうるものであり翼断面型の迎え角に相当する角度である。リングケージの流れは、断面縁の後縁２５４から前縁へのもので、それは通常の飛行機の翼動作とは１８０°の差がある。翼弦の９％から３８％までのリング断面厚さについての試験が示したところでは、翼弦の１５％から２０％が静状態マスフロー増加を最大にする値である。
【００６１】
図１９の断面２６０は、内径に丸くされた縁２６２を有する曲げ板リング２４８に対するものである。このカッピング式の設計は平坦板が上部の曲率を欠く点を補償する。断面２６０の形状は、標準的なＮＡＳＡの翼の最上部プロファイル線に近似しているかも知れない。多重構造体における誘起された速度は、大抵この最上部表面２６４に影響を及ぼし、静圧が下側表面上で発生する。それ故最上部表面は非常に重要で、流れを不利な状態に変えるおそれのある突出部またはくぼみが全くなく、滑かでなければならない。
【００６２】
図１９の断面２７０は、図２０の多重リング構造体２７２内の最初の上流に応用するため特別に設計した翼である。その断面は、クラーク−Ｙ型翼の断面からなり、それは航空機工学で既知のもので、突端が部分的に変更されている。最上部の実線と尾部下方の実線に加えダッシ線はクラーク−Ｙの原形である。クラーク−Ｙ突端半径に接する垂直線は、通常平坦な翼の下面の前方延長部と交わる。これらの線の交差により作られた角は、クラーク−Ｙの前縁半径に等しい半径によって曲げられる。この翼断面の部分変更は、リングケージ２７２に流量増加をもたらすものと思われる。
【００６３】
図２０は、推進性スラストリングシステム２７２を個人飛行用の双発型軽航空機２７４へ応用したものである。航空用に設計された引張式プロペラ２７６がエンジン上に配置されている。リングケージ２７２は、レール１５４に固定している間隔をあけた２つの延伸ビーム２８０により飛行機の翼２７８に取り付けられている。基本的な性能拡大に対する補足的利益は、利用できる視野の改善および一層小型のプロペラに組合されたより軽量の着陸装置である。
【００６４】
図２１は、この発明の推進力発生スラストリングシステムを単発型推進式航空機２８６に応用したものである。航空機用に設計したプロペラ２８８は、通常のプロペラの位置でエンジン上に配置されている。リングケージ２９０は適当な手段により胴体に取り付けられている。
私の記述は多くの特定事項を含んでいるが、これらは発明の範囲についての限定と解釈してはならず、発明の好ましい実施例と解釈すべきである。その他の沢山の変形例が可能である。例えばこの文中で記述した多重リング構造体は円形リングを採用している。いくつかの適用例では幾分異った形のリングが、発明の範囲から逸脱することなく使用できる。この文中で使った術語リングはそのような他の形をも包含する。発明の適用例のいくつかは以下のごとくである。
【００６５】
１．スラストを生成する使用法、
ａ．スキューバダイバ用潜水引張機、
ｂ．魚釣り用電動静粛トロール船外機、
ｃ．空気／水推進力発生システムが共通で、潜水には少量の燃料が必要な飛行潜水船、
ｄ．ストール航空機用揚力発生円形翼およびプロペラ、
ｅ．ホーバリング用およびヴィストール操作を使って前方飛行構成への変換用の傾斜プロペラ航空機、
ｆ．ヴィストール動作用傾斜翼プロペラ付乗物、
ｇ．小型および大型の航空機両用ロータ羽根の翅端推進力発生
ｈ．超軽量航空機の推進力発生
ｉ．グランドエフェクト機およびスワンムプボートの推進力発生、
ｊ．水中翼船。
【００６６】
２． 空気および水駆動装置；
ａ．軽重量機を有するリーフブロワー、
ｂ．増速度または減動力の要求に応じる風洞動力システム、
ｃ．技術情報を得るための水流試験用ウォータートンネル、
ｄ．自動車への応用のための水ポンプ、
ｅ．自動車ラジエータ冷却用ブロワー、
ｆ．ブレーキ冷却用ブロワー、
ｇ．車、家庭、霜なし冷蔵庫用の静粛除霜ファン、
ｈ．粒状体の汲み揚げ、
ｉ．電子装置用冷却ファン、
ｊ．事務所、工場、または他の建物内におけるダクトまたはダクトなしの空気循環ファン、
ｋ．除雪機、
ｌ．電気掃除機
ｍ．衣類乾燥機
ｎ．冷却板または冷却管内への空気を吹きつけによる除湿機。
【００６７】
３． 加熱機と冷却機：
ａ．加熱素子とダクトを有するファン、
ｂ．電気炉、熱風加熱機、
ｃ．中空、蒸気充満リングケージを有する蒸気加熱ファン、
ｄ．リングのファン冷却による熱交換器、
ｅ．空気から熱を除去するための中空リング内でフレオン冷却剤を膨張させるエアコン、
ｆ．対流オーブン式ファン暖房装置。
【００６８】
４． 混合機：
ａ．料理用キッチンミキサ、
ｂ．コーヒーひき器、
ｃ．フードプロセッサ、
ｄ．ペイント混合機、
ｅ．化学製品混合機、
ｆ．下水管混合および固形物切刻み機。
【００６９】
従ってこの発明の範囲は、図解した実施例によってではなく、添付した請求範囲によって決定されねばならない。
【図面の簡単な説明】
本発明およびその利点を一層完全に理解するため、添付図面に関して行われる以下の説明を参照する。ここで
【図１Ａ】図１Ａは、この発明による多重リング構造を備えたファン及び従来の僅かに大きいファンの静圧を示すカーブである。
【図１Ｂ】図１Ｂは、この発明による多重リング構造を使用したファン及び従来型のファンについての、翅端ピッチ角の関数としてマスフローを示すカーブである。
【図２】図２は、多重リング構造体、及びそれと共に使用されるファンの略示的図面である。
【図３】図３は、この発明によるファンの正面図である。
【図４】図４は、図３に示すファンのプロペラ部分の側面図である。
【図５】図５は、この発明のファンの立面における正面図である。
【図６】図６は、図５の線６−６に沿って取った図５のファンの側面断面図である。
【図７】図７は、周辺型原動機駆動装置を採用しているファンの図６と同様の側面断面図である。
【図８】図８は、発明によるリングケージシステムを備えたボートの立面図である。
【図９】図９は、従来のボートスクリュープロペラを使って得られた水流の略示図解図である。
【図１０】図１０は、本発明による推進力発生スラストリングシステムを通った水流の略示図解図である。
【図１１】図１１は、発明によるリングケージ構造を有する小アスペクト比プロペラの斜視図である。
【図１２】図１２は、従来のスクリューのみ、スクリュー直径の７５％の直径を有する小アスペクト比プロペラ、および発明による推進力発生リングケージを有する７５％直径の小アスペクト比プロペラの夫々により生成された静スラストを比較するための諸カーブのプロットである。
【図１３】図１３は、従来のスクリューが必要とするパーセントスラスト馬力と、発明によるリングケージシステムを有する小アスペクト比プロペラが必要とするパーセントスラスト馬力の比較を示すためのカーブ付きグラフである。
【図１４】図１４は、この発明のリングケージを有する小アスペクト比プロペラを用いて得た船速度の増加を示すカーブのグラフである。
【図１５】図１５は、この発明のリングケージを有する、および有しない小アスペクト比の空気プロペラにより生成された騒音を示すカーブのグラフで、マイクロホンが、プロペラの面内およびプロペラ直径の１．５倍の距離においてその面に対し４５°傾けて設置される場合である。
【図１６】図１６は、推進力発生スラストリングシステムの立面部分断面図である。
【図１７】図１７は、図１６の推進力発生スラストリングシステムの平面図である。
【図１８】図１８は、この発明で使用される小アスペクト比プロペラに適した羽根部分の断面図である。
【図１９】図１９は、この発明のリングケージシステムに使用されるリングの断面図である。
【図２０】図２０は、この発明のリングケージシステムの航空機装着部の立面図であり、私用航空機上で引張推進式飛行機の構成を有している。
【図２１】図２１は、この発明のリングケージシステムの航空機装着部の立面図であり、私用航空機上で後押推進式飛行機の構成を有している。

Claims (33)

1. 原動機駆動のプロペラが、上流側から下流側に流体の流れを確立するため軸の回りに回転されるとき、そのプロペラの性能を強化するための装置であって、
   複数のリングを有し、その内の少なくとも１つはプロペラの軸方向スパンの範囲内に配置され、もう１つのリングが上記１つのリングの下流に配置され；
   上記それぞれのリングは、相互に軸方向に間隔を保って配置され、上記１つのリングと上記下流に配置されたリングの間で流量を増加させる開口部を形成し、上記開口部は、それによってプロペラが発生させた渦が更に流体の流量を増加させる寸法につくられており、
   上記リングの半径方向翼弦幅、リング間の軸方向間隔、およびリングの厚さが、流体流量の上記増加を確立するべく選択され、
   上記リングの翼弦寸法Ｃが、上記プロペラ半径の約１５％から約５９％の範囲内にあり；リング間の軸方向間隔Ｗが翼弦寸法Ｃの約１／２倍から約４倍の範囲内にあり；そして上記リングの厚さｔは、翼弦寸法Ｃの約１０％から約３５％の範囲内にある、
   装置。
2. 請求項１による装置であって、複数のリングがプロペラの軸方向スパンの範囲内に配置されて複数の流量増加開口部を形成し、それらを通ってプロペラが発生させた翅端渦が流体流量を増加させるようにした装置。
3. 請求項１による装置であって、上記リングの１つは、それがプロペラの回転軸に関して傾いた迎え角を形成するように方向づけられた装置。
4. 請求項１による装置であって、上記リングの半径方向翼弦幅およびリング間の軸方向間隔が流体流量の上記増加を確立するために選択された装置。
5. 請求項１による装置であって、更に少くとも上記リングの１つの中に配置されているヒータ素子を含むところの装置。
6. 請求項１による装置であって、上記プロペラは翅端を有し、上記プロペラ翅端と上記１つのリングの内径間のクリアランスＳは、プロペラ半径の約１０％以下である、装置。
7. 請求項１による装置であって、上記リングは翼形の横断面を有し、その一方の側は上記プロペラからの１次的流体流量を増加させる方向に上記リングの回りの流体の誘起流を促進するように整形されている、装置。
8. 流体を動かすための装置であって、
   原動機；
   軸の回りに回転するためその原動機に結合され、比較的小さいアスペクト比を有するプロペラ；
   複数のリングから形成され、そのプロペラを囲むように置かれた多重リングケージ構造体で、上記リングの少なくとも１つが上記プロペラの軸方向スパンの範囲内に配置され、もう１つのリングが上記１つのリングの下流に配置され、上記複数のリングは、上記１つのリングと上記下流に配置されたリングとの間で完全にプロペラの軸方向スパンの範囲内で少なくとも１つの流量増加開口部を形成するように、相互に軸方向に間隔を保たれ、かつプロペラに関して配置され、また上記複数のリングおよび開口部は更に、プロペラから生じる流体の翅端渦を有用な流体流に効果的に変換せしめる寸法につくられたもの、
   を具備し、
   上記リングはプロペラの半径の約１０％から約５９％までの範囲内で選択した半径方向翼弦長さを有している、
   装置。
9. 請求項８による装置であって、上記プロペラは、約０．１から約３までの範囲のアスペクト比を有する羽根を備えた装置。
10. 請求項８による装置であって、プロペラの剛率が約０．０６から約１．０の範囲内にある装置。
11. 請求項８による装置であって、プロペラは複数の羽根を有し、上記羽根は矩形の平面図形を有している装置。
12. 請求項８による装置であって、複数のリングはプロペラの軸方向スパンの範囲内でプロペラを取り囲むように配置された装置。
13. 流体を動かすための装置であって、
    原動機；
    軸の回りに回転するためその原動機に結合され、比較的小さいアスペクト比を有するプロペラ；
    複数のリングから形成され、そのプロペラを囲むように置かれた多重リングケージ構造体で、上記リングの少なくとも１つが上記プロペラの軸方向スパンの範囲内に配置され、もう１つのリングが上記１つのリングの下流に配置され、上記複数のリングは、上記１つのリングと上記下流に配置されたリングとの間で完全にプロペラの軸方向スパンの範囲内で少なくとも１つの流量増加開口部を形成するように、相互に軸方向に間隔を保たれ、かつプロペラに関して配置され、また上記複数のリングおよび開口部は更に、プロペラから生じる流体の翅端渦を有用な流体流に効果的に変換せしめる寸法につくられたもの、
    を具備し、
    軸方向に並んだ少くとも１対のリング間の軸方向間隔が、流体流を増加する開口部を画定し、その軸方向幅は、半径方向翼弦長さの約１／２倍から約４倍の範囲内にあり、かつ少くとも部分的にプロペラの軸方向スパンの範囲内に位置している、
    装置。
14. 請求項８による装置であって、
    少くとも１対の軸方向に並んだリングは、間隔をあけ流量を増加させるための開口部を形成し、その幅は半径方向翼弦長さの約１／２倍から約４倍の範囲内にある、装置。
15. 請求項１４による装置であって、上記リングの少くとも１つの翼弦の部分は上記プロペラの回転軸に関してある角度で傾斜している装置。
16. 請求項１５による装置であって、上記翼弦の部分の傾斜角は約５°から約４５°の範囲内にある装置。
17. 請求項８による装置であって、プロペラは、約１５°から少くとも約６０°までの範囲内の翅端ピッチ角を有する羽根を備えている装置。
18. 空気を動かすためのファンであって、
    原動機；
    その原動機に結合して軸の回りに回転駆動される、この軸に沿って設けられた複数の羽根を有するプロペラ；
    複数のリングから形成され、そのプロペラを囲むように置かれた多重リングケージ構造体で、上記リングの少なくとも１つが上記プロペラの軸方向スパンの範囲内に配置され、もう１つのリングが上記１つのリングの下流に配置され、上記複数のリングは、上記１つのリングと上記下流に配置されたリングとの間で少なくとも１つの流量増加開口部を形成するように、相互に軸方向に間隔を保たれ、かつプロペラに関して配置され、また上記複数のリングおよび開口部は更に、プロペラから生じる流体の翅端渦を有用な流体流に効果的に変換せしめる寸法につくられており、
    上記リングは、あるリング翼弦寸法を有し、上記１つのリングと軸方向に続くリング間の軸方向間隔が、上記流量増加を生成するように選択され、
    上記リング翼弦寸法はプロペラの半径の約１０％から約５９％の範囲内にある、
    ファン。
19. 請求項１８によるファンであって、複数のリングが上記プロペラ羽根の軸方向スパンの範囲内に配置されたファン。
20. 請求項１８によるファンであって、複数の上記空気流量増加用環状開口部が上記プロペラ羽根の軸方向スパンの範囲内に配置されている、ファン。
21. 請求項１８によるファンであって、少くとも上記１つのリングと軸方向に並んだリング間の間隔が翼弦長さの約１／２倍から約４倍までの範囲内に選択された、ファン。
22. 請求項１８によるファンであって、そのリング翼弦寸法、上記軸方向間隔、および上記プロペラは、実質的に直線的な静圧対マスフローのカーブを生成するように選択された、ファン。
23. 請求項２２によるファンであって、上記プロペラ羽根は比較的小さいアスペクト比を有するファン。
24. 請求項２３によるファンであって、プロペラ羽根が約０．１から約３までの範囲内のアスペクト比を有する、ファン。
25. 請求項２４によるファンであって、プロペラは約０．０６から約３までの範囲内の剛率を有する、ファン。
26. 請求項２５によるファンであって、上記リングの少くとも１つは回転軸に対して相対的に所望の角度で傾けられている、ファン。
27. 請求項２４によるファンであって、上記環状開口部を形成しているリングはその横断面が翼形で、翼表面が上記空気流の上流に向けられている、ファン。
28. 請求項２７によるファンであって、リング翼表面は、各通常鈍い前縁および通常薄い後縁を有し、前記鈍い前縁は胴体中心寄りでかつ前記薄い後縁は胴体端寄りにあり、そのため前記翅端渦から生じる空気流は、後縁から翼表面を横切って鈍い前縁に向かって動く、ファン。
29. 回転するシャフトを有する飛行機エンジンにおいて；回転のためシャフトに結合し、軸方向スパンを有し、かつ上流方向から下流方向に向う気体流を作るプロペラ；プロペラを取り囲むように取り付けられたリングケージ構造体を有し、上記リングケージ構造体は複数の、軸方向に間隔を保ったリングを有し、上記リングの少くとも１つは軸方向で上記プロペラのスパンの範囲内に配置されることによって上記プロペラを取り囲み、上記リングはプロペラが発生させた渦がプロペラの作った気体を増加させるように軸方向で少なくとも部分的にプロペラのスパンの範囲内に配置される開口部によって軸方向に分離されている構造体であること；を改善点として有しており、
    上記プロペラは約０．１０から約３までの範囲内で比較的小さいアスペクト比を有し、
    上記リングは上記プロペラの半径の約１５％から約５９％の範囲内で選択した半径方向の翼弦幅Ｃを有する、
    エンジン。
30. 請求項２９による改善された飛行機エンジンであって、リング間の軸方向間隔Ｗは半径方向翼弦幅の約１／２倍から約４倍の範囲内にある、エンジン。
31. 請求項３０による改善された飛行機エンジンであって、リングは上流に向いた翼表面を有しかつリングの厚さは半径方向翼弦幅の約１０％から約３５％の範囲内にある、エンジン。
32. 請求項３１による改善された飛行機エンジンであって、上記プロペラは翅端を有し、上記プロペラの翅端と上記１つのリングの内径の間のクリアランスＳはプロペラの半径の約１０％以下である、エンジン。
33. 流体を動かすための軸流プロペラシステムであって、
    軸の回りに回転するための複数の、半径方向に延びる羽根を有する軸流プロペラ、上記羽根は回転の間上記流体を軸に沿って下流方向に動かすために選択した軸方向スパンで方向付けられており；
    軸回りに配置された複数の、軸方向に間隔を保った流体流量増強リングから形成されたリングケージ構造体、上記流体流量増強リングの少くとも１つは軸方向での羽根のスパンの範囲内で羽根の回りに軸方向に配置されており；
    上記プロペラ羽根は、回転の間翅端渦を発生させる翅端を有し、羽根の形は、その翅端渦を強化するよう選択されており；羽根の翅端および上記１つの流体流量強化リングの半径方向に内側の縁は十分に近接しており、かつ上記軸方向流体流量増強リングおよびそれらの軸方向間隔の寸法は羽根から生じる翅端渦が流体流量を上記下流方向に増加させる開口部を形成するように選択されており；
    それによって翅端渦は、軸流プロペラシステムの性能増進のために有用な流体流に変換され、
    上記リングはプロペラ半径Ｒの約５９％以下のリング翼弦Ｃを有し、またプロペラ羽根の翅端と上記１つの流体流量増強リングの内側縁の半径方向クリアランスは上記半径Ｒの約１０％以下であり、リング間の軸方向距離はリング翼弦Ｃの約１／２倍から約４倍の範囲内にある、
    ところの軸流プロペラシステム。

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