JP4636668B2 - マリーンウォータージェット推進装置のインペラ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マリーンウォータージェット推進装置のインペラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、マリーンウォータージェット推進装置は、回転するブレードの並びと静止したブレードの並びとから構成される。回転するブレードの並びはインペラと称される。回転するブレードの並びの目的は、推進装置を通り抜ける水の総エネルギーを起こすことであり、これは親船が水を貫いて推進するのに有用なスラストを生み出すのに使用することができる。静止したブレードの並びはディフューザないし案内羽根と称される。静止したブレードの並びのひとつの目的は、それが回転するブレードの並びの下流に配されている場合には、インペラによって生み出された回転流のエネルギーを回収することにあって、これは、親船が水を貫いて推進するのに有用なスラストを生み出すに際して、推進装置の能力を増大させるのに使用することができる。静止したブレードの並びが回転するブレードの並びの上流に配されている場合には、そのひとつの目的は、回転するブレードの並びの付近で見受けられる、流れ速度の大きさ及び方向についての大規模な揺らぎを緩和することにある。
【０００３】
流れ速度の大きさ及び方向についての揺らぎは、推進装置のパフォーマンスに対して有害な結果を起こし得る。特にそれは、回転又は静止している影響されるすべてのブレードの並びにおいて生じる、圧力の揺らぎの原因になり得る。これらの揺らぎは典型的には、推進装置の効率の低下や、振動の増加、及び騒音の増加を生じさせる。猛烈な揺らぎの場合には、ブレードの並びの表面の圧力が水の蒸気圧より下のレベルに減少して、水が泡立つことになる。この現象はキャビテーションと称される。水蒸気の気泡はブレードの表面に生じて、これは大きなキャビティーに合体してブレードに付着し続けるか、または、ブレードの並びの表面から剥離して下流へと向かう。キャビティー及び気泡はいくつかの点で推進装置のパフォーマンスに対して有害である。
【０００４】
推進装置のキャビテーションの程度が十分に猛烈な場合には、装置を通る水の流れに妨害を生じ、キャビテーションブレークダウンやスラストブレークダウンを起こして、装置の有効なスラストが激変的に衰える。
【０００５】
キャビティーないし水蒸気の気泡が、装置における流れの場の圧力が水の蒸気圧よりも高いような領域へ向かった場合には、水蒸気は急速に凝縮して、気泡は液体状態へと急激に収縮する。その爆縮の作用は激しくて、過大な過渡的な圧力揺らぎを生じさせ、これは推進装置の構成部分の構造を物理的に損傷させるのに十分に荒々しい。
【０００６】
水蒸気の気泡の爆縮は、最低でも、騒音を発生するのに十分な体積及び圧力の揺らぎを起こす。さらに、こうした揺らぎは、推進装置の構造と共に関連する親船の構造にも振動を起こす。振動は、構造の疲労破壊につながることがあると共に、親船の中で及び水中へ、ともに付加的な騒音を放射する。
【０００７】
既知のウォータージェット推進装置は一般にキャビテーションに悩まされている。ウォータージェット推進装置の代表的な設備では、親船の動作範囲を厳しく制限することなくしては、いかなる実際的な手段によっても流れ速度の大きさと方向との揺らぎを十分に緩和することができない。船の動作条件のいくらかの範囲にわたって、キャビテーションは十分に猛烈で、推進装置を物理的に損傷させるか、または、最低でも振動と騒音とを著しく増大させる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、２つのブレードの並び、ひとつは回転しひとつは静止した並びを有するウォータージェット推進装置であって、与えられたいかなるサイズにおいても、既知のウォータージェット推進装置と比較して、流れの速度の大きさ及び方向の空間的及び時間的な揺らぎに起因するキャビテーションの始まりに対してより大きな抵抗力を示すような装置を提供することにある。他の目的は、特に海洋学の研究やレクリエーション、及び軍事用の船に利益をもたらすもので、キャビテーションに誘導された騒音及び振動が存在することのない船の動作範囲を拡張することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述の目的は、本発明によれば、ウォータージェットの推進装置のためのインペラであって、複数のブレードを有し、それぞれのブレードが前方、つまりブレードに固定されブレードと共に回転する座標系上において測るとき衝突する上流の水の流れの方向と向かい合う方向へ著しくスキューないし広がっているインペラによって達成される。こうしてブレードの先端は、前縁のより内側の部分を回転方向において先導する。前方へスキューした領域は、外側の先端から内側へ、ブレードの前縁のスパンの７０％以上にわたって延在する。回転中心と前縁の最小スキューの点とを通る直線と、前縁の最小スキューの点と前縁の最大スキューの点（ブレードの先端）とを通る直線との間において測定される投影スキュー角度は、３５゜よりも大きく、好ましくは５０゜よりも大きい。
【００１０】
ブレードの前縁の先端付近は、入射に関連した上流の流れ速度の揺らぎのために、キャビテーションが最も早く始まる代表的な位置である。先端における最大の前方スキューの効果は、３次元流れの影響を導入するように作用して、キャビテーション発生の原因となる、ブレード表面圧力の揺らぎのピークを低減させる。ブレード表面圧力のピークの揺らぎを低減させることはまた、ブレード負荷の揺らぎと結果的な振動とを低減し、これは、疲労による推進装置の構成部品への構造的損傷の原因を低下させる。
【００１１】
後縁の形状は対応させて改めることなしに、前方スキューを前縁においてブレードに導入するのが有利である。こうして、ブレードの翼弦長さは、少なくともブレードスパンの外側７０％において増加させられて、投影ブレード面積比率の増大をもたらす。特定のブレード負荷に対してブレードの面積が増加することは、ブレードの片側に誘発する圧力の大きさが低下することになる。揺らぎの負荷に伴なうキャビテーションの危険はそれにより低下する。特に、投影ブレード面積比率は１．５よりも大きくて、投影ブレード面積比率は、ブレードの数と回転軸線に対して垂直な平面上に投影したブレードの面積とを掛け合せて、回転軸線に対して垂直な平面上にすべてのブレードの外側輪郭を投影した面積によって割ったものとして定義される。比較的に大きな投影ブレード面積比率は、流れ速度の大きさと方向との揺らぎの存在なしに、より低いブレード表面圧力の大きさを総合的にもたらす。こうした揺らぎの存在の下で、ブレード表面圧力の揺らぎのピークが蒸気圧へ達する傾向と、これによるキャビテーションの原因とを比例的に低下させる。
【００１２】
流れ速度の入射の揺らぎの結果による、ブレードの前縁付近でのキャビテーションで誘発される圧力の低下は、ブレード断面のノーズ半径を大きくすることと、ブレードの先端へ向かっての前縁の前方スキューないし広がりとによって緩和されることが見いだされた。しかしながら、ブレード断面のノーズ半径の利益は、断面ノーズの“肩部”における平均的流れにおいて圧力低減が大きくなることによって制限されている。さらに、与えられたブレード断面の形状の原型において、ノーズ半径を増やすことは、ブレード断面の厚さの増加を意味し、これはブレード間の平均的流れにおいて、受入れ難い妨害及びキャビテーションをもたらし得る。
【００１３】
入射の速度揺らぎの変化に対する圧力応答を減少させることにより、外向き前方へスキューしたブレードの前縁は、設計者にとって可能なノーズ半径より望ましくないものをより良く補償する。。与えられた入射揺らぎ、周辺圧力、及び速度に対して、補償するための前縁のスキュー角度は断面ノーズ半径の平方根に逆比例することが見いだされた。
【００１４】
本発明の他の実施形態は、インペラブレードの先端を取囲み固定された、円周状の先端帯構造を含んでおり、これは先端のギャップ隙間でのキャビテーションを防止するように働くと共に、ブレードの付いたインペラ組立体の構造的完全性を改善する。先端帯は部分的であるか又は完全的、すなわち、それはブレードの軸線方向の範囲に沿って部分的にだけ又は全体的に延在する。
【００１５】
本発明とその効果についてのより完全な理解のために、例示的な実施形態に関して、添付図面と関連づけて以下に記載の詳細な説明を参照する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１乃至図３に全体を概略的に示すように、マリーンウォータージェット推進装置２０は、１つの静止したブレードの並びと１つの回転するブレードの並びとを利用している。回転するブレードの並びないしインペラ２２は、静止したブレードの並びないしディフューザ２４と関連して使用されて、推進装置を通る水の流れにエネルギーを与え、これは有用なスラストを発生させるのに使用することができる。マリーンウォータージェット推進装置の図示された残りの構成部品、つまりインペラハウジング２６、ディフューザハブコーン２８、及び出口ノズル３０は、推進装置を通る水の流れを収容し振向けるために用いられる。
【００１７】
水の流れは、インペラハウジング２６へ入って、インペラ２２による作用を受ける。インペラ２２は、推進装置を通る水の流れのエネルギーを増加させて、これを有用なスラストを発生させるのに使用することができる。さらに、インペラ２２は水の流れに回転エネルギーを与えるが、これは有用なスラストを発生させるために使用することができない。流れは推進装置を通ってディフューザ２４へと続くが、ここでインペラ２２によって与えられた回転エネルギーを、有用なスラストを発生するのに使用できるエネルギーへと変換できる。コーン２８と出口ノズル３０とは協調して、インペラとディフューザとの作用によって推進装置を通る水の流れに与えられたエネルギーを、有効なスラストへと変換する。
【００１８】
インペラ２２はハブ４０を有していて、これはややフットボールの半分のような形状で、インペラが固定されるドライブシャフト（図示せず）を受入れる軸孔４２を有している。６枚の全く同一の、円周方向に等しく間隔を隔てられたインペラブレード４４が、ハブ４０のまわりに並んで延びている。ブレードの先端とインペラハウジング２６の内面との間の運転隙間は小さい。後述するように、インペラ２２の６枚のブレード４４のそれぞれの前縁には前方スキューが与えられている。
【００１９】
図に示してここで説明した実施形態のインペラ２２は混合流タイプのインペラであるけれども、本発明は多くの異なるデザインのインペラに適用することができ、それには誘導タイプ、軸流タイプ、及び遠心タイプが含まれると共に、様々なブレード数のインペラに適用することができる。
【００２０】
図７は、１枚のインペラブレード４４についての線図を示している。Ｃ１、Ｃ２などの２０の二重の曲線は、２０の等間隔に隔てられた仮想的な二重に曲った切断面とブレードとの交差によって形成されたブレードの断面を、インペラ２２の軸線Ａに対して垂直な平面上に投影したものであり、前述の仮想的な面のそれぞれは、ハブ４０の外面とインペラハウジング２６の内面との間の通路を通る水の流れ経路の流れ線を軸線Ａを中心として回転させることによって生じる。根元ブレード断面Ｃ１と先端ブレード断面Ｃ２０とはスパン方向についてのブレードの範囲を描いており、一方、前縁周縁５２と後縁周縁５４とは翼弦方向についてのブレードの範囲を描いている。最小投影スキュー線ＳＬ_minは、インペラの回転軸線Ａと最小投影スキュー点ＳＰ_minとを通るように引かれる。最大投影スキュー線ＳＬ_maxは、最小投影スキュー点ＳＰ_minと前縁先端点５６とを通るように引かれる。最大投影スキュー線ＳＬ_maxと最小投影スキュー線ＳＬ_minとの間の投影スキュー角度αは３５゜よりも大きくて、好ましくは５０゜よりも大きい。前方スキューは、前縁先端点５６と最小投影スキュー点ＳＰ_minとの間においてブレードの前縁の部分に沿って維持されるが、スキューの量はかかる部分に沿って点５６から漸進的に減少する。最小投影スキュー点ＳＰ_minは、先端から、ブレードの投影スパンの７０％よりも大きいような距離に配されている。
【００２１】
図８は、１枚のインペラブレード４４の周辺によって囲まれた領域の真の直交投影を描いていて、回転軸線Ａに対して垂直な平面上に投影している。図９は、インペラ２６のすべての６枚のブレード４４の組合わされた周辺によって囲まれた領域の真の直交投影であって、回転軸線Ａに対して垂直な平面上に投影している。投影ブレード面積比率は、インペラのブレードの数に１枚のブレードの投影面積（図８）を掛け合せて、これを、すべての６枚のブレードの組合わされた周辺によって囲まれた面積（図９）で割ることによって計算されるが、それは１．５よりも大きい。
また、上述の実施形態において、ブレードの断面の最大厚さと各ブレードの前縁の半径との双方が、前方へスキューした領域と対応するスパンの部分で根元から先端の方向において漸進的に増加するようにしてもよい。さらに、上述の実施形態において、各ブレードのブレードの断面の最大厚さと各ブレードの前縁の半径との双方が、根元から先端の方向において、スパンの外側７０％以上の部分に沿って漸進的に増加するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、マリーンウォータージェット推進装置組立体の概略的な分解斜視図であって、本発明によって各ブレードの前縁に与えられた前方スキューを備えているインペラの実施形態を含んでいる。
【図２】図２は、図１に示したマリーンウォータージェット推進装置組立体の組立てられたようすを示す側横断面図であって、図３における２−２線から見た図である。
【図３】図３は、図１及び図２の組立体について示した正面立面図である。
【図４】図４は、図１乃至図３の組立体におけるインペラを示した斜視図である。
【図５】図５は、図４に示したインペラの正面立面図である。
【図６】図６は、図４及び図５に示したインペラの側立面図である。
【図７】図７は、図４乃至図６に示したインペラの１枚のブレードの線図であって、インペラの回転軸線に対して垂直な平面上にブレードの断面を投影している。
【図８】図８は、１枚のブレードの周辺輪郭を示した線図であって、インペラの回転軸線に対して垂直な平面上に投影した図である。
【図９】図９は、すべてのブレードの根元及び先端の輪郭を組合わせて示した線図であって、インペラの回転軸線に対して垂直な平面上に投影した図である。
【符号の説明】
２２ インペラ
４４ ブレード
５２ 前縁
５６ 外側先端

Claims (10)

1. マリーンウォータージェット推進装置のためのインペラであって、複数のブレード（４４）を有し、ブレード（４４）のそれぞれは前縁部分を有しているものにおいて、
   それぞれのブレードの前縁部分は、インペラの回転軸線から最小スキュー点を通って引かれる最小投影スキュー線よりも前方にスキューした領域を有しており、これが外側先端（５６）から内側へ向かってブレード（４４）の前縁（５２）のスパンの７０％以上の部分に沿って延在していることを特徴とするインペラ。
2. それぞれのブレード（４４）における、前記ブレードの外側先端と最小スキュー点を結ぶ最大投影スキュー線と、前記最小投影スキュー線がなす角が、３５°以上であることを特徴とする請求項１に記載されたインペラ。
3. それぞれのブレード（４４）における、前記ブレードの外側先端と最小スキュー点を結ぶ最大投影スキュー線と、前記最小投影スキュー線がなす角が、５０°以上であることを特徴とする請求項１に記載されたインペラ。
4. それぞれのブレード（４４）の翼弦長さは、前方へスキューした領域と対応するスパンの部分で根元から先端の方向において漸進的に増加すると共に、ブレード（４４）の翼弦方向の断面は前縁スキューのカーブに合わせて翼弦方向の長さが延びていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のインペラ。
5. 投影ブレード面積比率が１．５以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のインペラ。
6. ブレードの断面の最大厚さと各ブレードの前縁の半径との双方が、前方へスキューした領域と対応するスパンの部分で根元から先端の方向において漸進的に増加することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のインペラ。
7. 各ブレードのブレードの断面の最大厚さと各ブレードの前縁の半径との双方が、根元から先端の方向において、スパンの外側７０％以上の部分に沿って漸進的に増加することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のインペラ。
8. 少なくともブレードの先端の部分に、円周状の先端帯が固定されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のインペラ。
9. 先端帯はブレードの軸方向の範囲における一部だけに広がっていることを特徴とする請求項８に記載のインペラ。
10. 先端帯はブレードの軸方向の範囲における全体にわたって広がっていることを特徴とする請求項８に記載のインペラ。

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