JP5372319B2 - 横軸プロペラ - Google Patents

Description

本発明は、横軸プロペラに係り、特に、プロペラ翼の翼根部にピッチ角がなく、翼端縁部に回転方向の相対流に対するピッチ角を形成して、高速回転時に軸心方向への内圧を高め、翼根部における空洞、水泡、キャビテーションの発生をなくし、小型原動機で高速回転と、多量の流体を背後方向へ移動させることの可能な横軸プロペラ に関する。

従来、例えば水中推進機用のスクリュープロペラは、主軸に対して翼根が傾斜して配設され、翼根から翼端にかけて大きく捻れている。換気用ファンもほぼ同じ形態をしている。また特許文献１のような、翼全体が後方へ傾斜されているプロペラが開示されている。
特開平８−０７２７９４号公報。

従来の船舶用スクリューは、翼根部におけるピッチ角が大で、板厚が厚く設定され、回転に伴い水流が捻れて、背後へ排出されるようになっている。
また翼根部のピッチ角が大のために、板厚が大となり、回転速度があがると、水流がピッチ角に沿って流れることができず、翼面からの流体の剥離現象が生じ、内圧が下がる過程でキヤビテーションが生じ、大きな回転音と気泡が生じることとなる。
このように水流が捩れるロスと、キャビテーションが起るロスとは、回転エネルギーを大きく損失させることとなる。
本発明は、プロペラ翼の翼根部に捻れがなく、翼端縁部にピッチ角が形成されているため、流体内圧が高められて、キャビテーションや回転音が生じにくく、回転速度を高めることができ、推進機用の他に、空調用ファン、換気用ファン、ポンプ用等、流体を小さなエネルギーで大量に移動させることができ、並びに回転音のしない風水車用の横軸プロペラを提供することを目的としている。

この発明の具体的な内容は、次の通りである。

（１） 原動機で回転させられる横軸プロペラであって、プロペラ翼の翼根部分における正面はプロペラ軸と直交し、側面視で前縁端面の正面は、翼根から翼端へかけてプロペラ軸と直交し、背面前縁は、翼根から傾斜基端線へかけて次第に正面方向へ傾斜し、背面視における前縁と後縁の先端部を弦長方向に結んで、プロペラ軸から等距離に設けた傾斜基端線が、側面視で前縁から後縁へかけて背後方向へ傾斜し、傾斜基端線より先端を先細にして背後方向へ傾斜する翼端傾斜部とした横軸プロペラ。

（２） 前記翼端傾斜部における傾斜基端線部分の弦長は、翼根の弦長よりも大としてあり、該翼端傾斜部の後縁端は、翼根の後縁端よりも背後方向へ突出している前記（1）に記載の横軸プロペラ。

本発明によると、次のような効果が奏せられる。

前記(1)及び（2）に記載の横軸プロペラは、プロペラ翼の背面において、翼端寄りの部分に、回転前方の相対流に対するピッチ角が形成されているので、推進機として使用するとき、回転に伴い、プロペラ軸から遠い翼端縁部で水流が後方に強く押出されるため、高い推進力が得られる。
翼根部にはピッチ角がないので、翼端傾斜部により軸心方向へ押出される水流により、中心部の圧力が高まり、空洞や水流の渦が発生することはなく、また回転音も発生しない。
回転効率がよいので、原動機を小型にすることができる。換気扇、空調機などのファンに使用するときは、原動機を小型にすることができる。

以下、本発明の実施例を、図面に基づいて説明する。各側面図における右側が正面である。 またプロペラの回転方向について前後と表記する。

図１は、本発明に係る横軸プロペラの実施例１の背面図、図２は側面図で、プロペラ軸３の前端は、図示しない前置の原動機に接続してある。横軸プロペラ１は、ボス部１ａの周面にプロペラ翼２を４枚、等間隔に設けて形成されている。プロペラ翼２の枚数は、４枚に限定されるものではない。

各プロペラ翼２の弦長は、翼根から翼端付近にかけて、ほぼ等しく設定されている。
すなわち、横軸プロペラ１が図１の時計方向に回転するものとすると、各プロペラ翼２の先端の半円状の翼端傾斜部２ｂを除く部分の両側縁である回転方向の前縁２ｃと、後縁２ｄとは、ほぼ平行をなし、かつ翼端傾斜部２ｂの基端部である傾斜基端線２ａは、ボス部１ａにおけるプロペラ軸３を中心とする同一円弧上にある。

図２に示すように、各プロペラ翼２は、プロペラ軸３から遠ざかるにつれて、回転方向の後縁２ｄが前縁２ｃよりやや後方に位置するように捩曲されている。
従って、前記傾斜基端線２ａも、後縁２ｄ側が前縁２ｃ側よりやや背後方に位置するように捩曲されている。

プロペラ翼２における前記翼端傾斜部２ｂを除く部分に対する翼端傾斜部２ｂの傾斜角度は、１５度〜４５度の範囲とされている。
また、翼端傾斜部２ｂの径方向の長さは、翼端傾斜部２ｂを除くプロペラ翼２の径方向の長さの約１５％としてある。しかしこの値をより大とし、最大６０％とすることもある。

図１において、プロペラ翼２の、前縁２ｃの先端部は、前記傾斜基端線２ａに接し、この交点から翼根部の後縁２ｄにかけて、傾斜境界線２ｅが形成されている。
傾斜境界線２ｅを境界として、そこからプロペラ翼２の後縁２ｄにかけての部分を、背後方へ傾斜させ、回転方向の相対流に対する、ピッチ角を形成する傾斜背面２ｆが形成されている。

すなわち、図２において、プロペラ翼２の前縁は、プロペラ軸３に対して直交しているが、前記傾斜境界線2ｅは、翼根部分において後縁２ｄに接し、径方向の外端は、翼端傾斜部２ｂの前縁２ｃに近接しており、翼厚は翼端で薄肉とされている。

傾斜背面２fのピッチ角(P)は、７度〜25度の範囲としてある。
プロペラ翼２の翼根部の背面においてはピッチ角がなく、翼根部から翼端部にかけて、傾斜境界線２ｅよりも後縁２ｄ側の部分が、次第に背後方へ傾斜して、回転方向に対してピッチ角(P)を有する傾斜背面２ｆを形成している。ただし、必要に応じて翼根部のピッチ角は０度〜４度の範囲で形成することができる。

横軸プロペラ１は、船の推進機として、図１において時計回りに回転させられると、翼根部から遠心方向へ拡散する水流は、翼端傾斜部２ｂによって抑止され、プロペラ翼２の背面における、翼端傾斜部２ｂとピツチ角(P)を有する傾斜背面２ｆとで、掬われるように背後方へ押動される。

従来のスクリューは、翼根に強いピッチ角が付けられているため、低速回転では、ピッチ角に沿って水流が流れるが、高速回転になると、高速流水はピッチ角のある面に沿った長い距離を流れずに、ピッチ角面からの剥離現象が生じる。その結果空洞が出来、内圧が下り、泡立ちや騒音が生じるが、この横軸プロペラ１はそれが生じない。

すなわち、横軸プロペラ１の回転に伴い、翼根部分は、回転方向の相対流に対して、ピッチ角を有していないため、水の抵抗が小さく、高速回転をするとプロペラ翼２の翼端縁部から、軸心方向へ流体が高速で押動されて中心部の圧力が高まるため、空洞や、渦や泡立ちなどの原因となるキャビテーションが生じることはなく、回転音のない静かな回転をする。

プロペラ翼２の背面における、先端縁部のピッチ角(P)が小さい場合は回転時に水の抵抗が小さく、横軸プロペラ１の回転速度をあげられる。高速回転をするとプロペラ翼２の翼端部の回転速度は大きく、その部分における水流の押出し量は大きいので、推進力は高くなる。

この横軸プロペラ１においては、プロペラ翼２の弦長が、翼根から翼端にかけてほぼ等しく、更に翼根部の背面におけるピッチ角がなく、傾斜背面２ｆの翼端縁部におけるピッチ角(P)も、緩やかなことに特徴がある。

プロペラ翼２は、この形状により、回転時に、ねじれのない翼根部での渦や、キヤビテーシヨンが生じないこと、弦長が小で、翼端縁部のピッチ角(P)が緩やかなことから、回転時の抵抗が小さく、高速回転が可能で、翼端傾斜部２ｂが水流の拡散を抑止して、背後の軸心方向へ水流を集めることから、効率のよい推進力を得ることができる。

また、この横軸プロペラ１をファンとして使用するときは、小型の原動機で、風切音もなく、高速で回転させることが出来る。効率良く送風をすることができるので、空調機、換気扇等のファンに使用することができるほか、舟艇のファン推進機に好適である。

図３は、横軸プロペラの実施例２の背面図、図４は側面図である。前例と同じ部位には同じ符号を付して説明を省略する。
この実施例２は、図示するように、プロペラ翼２の傾斜基端線２ａが、翼端から翼長の約40％にあたる部分に設定され、翼端傾斜部２ｂの長さが、翼長の約40％に設定されているが、これに限定されるものではない。

プロペラ翼２の弦長は、翼根よりも傾斜基端線２ａ部分の弦長が大としてある。これによって、傾斜背面２ｆの面積が増加することと、翼端傾斜部２ｂが、回転前方の相対流に対して、ピッチ角(P)を持つ面積が広くなることによって、背後方へ押出す流体量を多くすることができる。

翼端傾斜部２ｂの長さは、翼長の15％〜60％に設定することができ、翼端傾斜部２ｂの長さを長くしたときは、翼端傾斜部２ｂの傾斜角度は小さくするのが好ましい。

図５は、横軸プロペラの実施例３の背面図、図６は側面図である。前例と同じ部位には、同じ符号を付して説明を省略する。
図５において、プロペラ翼２の後縁２ｄの先端部は、傾斜基端線２ａに接して、その交点から翼根部の前縁２ｃへかけて、傾斜境界線２ｅが形成されている。

図６において、前縁２ｃ部分は、翼根部から翼端縁の傾斜基端線２ａに向けて、板厚を薄くし、背面側が正面方に向けてわずかに傾斜している。傾斜境界線２ｅを境として、プロペラ翼２の背面における前縁２ｃ側が正面方に傾斜して、傾斜背面２ｆを形成し、これによって、回転方向の相対流に対するピッチ角(P)が形成されている。該ピッチ角(P)は、図６に示すように、回転方向に対して７度〜25度の範囲とされている。

上記のように構成したこの実施例３においては、翼根部分においてはピッチ角がないので、高速回転時において空洞や渦が生じず、泡立ちや回転音がせず、キャビテーションが生じない。

また翼根部において、傾斜境界線２ｅよりも後縁２ｄ側の部分が幅広いので、剛性に優れており、全体の板厚を薄くすることができるため、回転時における抵抗を小とすることができる。

このように、横軸プロペラ１を推進機とするとき、プロペラ翼２は、回転に伴って、最大弦長をもつ傾斜基端線２ａ部分において、正面に近い位置における水を掬って、後縁２ｄへかけてのピッチ角を有する傾斜背面２ｆを利用して、水をプロペラ翼２の背後方へ押動させて、その反動で船を推進させる。
回転時において、プロペラ翼２の遠心方向へ拡散されずに、背後方向へ押動される水流は、高い水圧を有して、その反動として船は前進する。

同時に、プロペラ翼２の表面を滑って、後方へ流動する水流の力により、プロペラ翼２は、回転方向へ自然に押されて回転するために、横軸プロペラ１は原動機の駆動力を小さくすることができる。これはプロペラ風車に風流が当ると、プロペラ翼２が回転するのと同様に、回転しているプロペラ翼２の前面に当る相対流の力によって、プロペラ翼２が回転するからである。

従来型スクリユーは、背後方へ水を捻って排出している。その結果、水を捻る力が余分にかかってロスとなっている。また捻れて背後方に排出される水流に対して、回転前方から後方へと流れる水流は、後方へ円滑に抜けにくく、水泡が生じ、キャビテーションを生じて回転力のロスとなっている。

これに対して、本発明のプロペラ翼２は、翼根部においてはピッチ角がなく、水流の捻れがないために、回転時における水の抵抗が小で、翼端部において、緩やかなピッチ角で、水を背後方に円滑に押出すことができ、騒音や水泡が生じにくく、回転力のロスが小となる。

従来型のスクリユーと比較すると、本発明の横軸プロペラ１は、同じ動力でも回転速度が向上するので、その分だけ駆動力の小さな原動機を使用することができる。またプロペラ翼２の翼端部に、最大弦長を持つ傾斜基端線２ａがあり、傾斜背面２ｆと翼端傾斜部２ｂとが、何れもピッチ角(P)を具備しているために、流体を背後へ移動させる効率が高い。

同時に、プロペラ翼２の正面を滑って、後縁２ｄ方へと流動する水流は、回転に伴いプロペラ翼２の正面に沿って生じる負圧によって、前方の水流を、後方へ高速で流動させ、後方に至った水流を、プロペラ翼２の傾斜背面２ｆが掬って背後方へ押動させる、という作用を繰返す。

これにより、プロペラ翼２の進行方向にある水流が、円滑に後方へと流動するため、プロペラ翼２の正面を滑って、後方へ流動する強い水流の力によって、プロペラ翼２の回転が加速され、横軸プロペラ１の回転速度が高まる。

この横軸プロペラ１は、小型でも推進力が高いので、船舶の推進機に適しているほか、船の舳先部でプロペラ軸を横向きに配して、操舵用に使用することができる。
また、プロペラ翼２の回転半径を変えることによって、水と空気のような質量の異なる流体に対応することができ、舟艇のファン推進機用のほか、空調機、換気扇等のファンに利用することができる。

なお、この流体用の横軸プロペラ１は、推進機の場合は、水或いは空気を背後へ押出して、その反作用で、自身は前進するものであるが、送風に利用するときは、回転音がせず、送風量は多く、プロペラ翼２の板厚を薄くすることができる。

しかも原動機を小型にすることができるので、空調機のファン、トンネル内その他の換気用ファン、或いはポンプ等、流体を背後方へ移動させるための用途に、幅広く利用することができる。

図７は、横軸プロペラの実施例４の背面図、図８は側面図である。前例と同じ部位には、同じ符号を付して説明を省略する。
この実施例４は、プロペラ翼２の正面視の両側縁の前縁２ｃと後縁２ｄとが、大の角度で開いている点に特徴がある。

従って、傾斜背面２ｆの面積を大に設定している。図８において、傾斜背面２ｆの回転方向の相対流に対するピッチ角は、傾斜背面２ｆが回転方向に長いため、15度程度の緩やかな傾斜としてある。

傾斜基端線２ａは、プロペラ軸３を中心とする円弧状になっており、翼端傾斜部２ｂはその円弧状の傾斜基端線２ａを基点として全体が緩やかに傾斜し、前縁２ｃは、背面視において湾曲形状としてある。また、図８に示すように、翼端傾斜部２ｂも前縁２ｃにあたる相対流に対してピッチ角を有している。

これによって、横軸プロペラ１が回転すると、傾斜背面２ｆ並びに翼端傾斜部２ｂのピッチ角を有する面が、水流を背後方へ押動することになり、ピッチ角のある面積が大の部位が、プロペラ軸３から遠い位置であるので、推進力は大きい。

なおこの発明は、前記実施例に限定されるものではなく、目的に沿って適宜設計変更をすることができる。図面における傾斜基端線２ａ、傾斜境界線２ｅは、区域を示すもので、山や谷の角状態を示すものではなく、なだらかな曲面とすることができる。プロペラ翼２の翼端部の弦長を、翼根部の弦長より大とすることは当然にできる。

この横軸プロペラ１は、推進機、ポンプ、換気用ファン、空調用ファン、空冷用ファン、風水車等、に利用される。

本発明に係る横軸プロペラの背面図である。 図１における側面図である。 横軸プロペラの実施例２の平面図である。 図３における側面図である。 横軸プロペラの実施例３の背面図である。 図５における側面図である。 横軸プロペラの実施例４の背面図である。 図７における側面図である。

１ 横軸プロペラ、
１a ボス部、
２ プロペラ翼、
２ａ 傾斜基端線、
２ｂ 翼端傾斜部、
２ｃ 前縁、
２ｄ 後縁、
２ｅ 傾斜境界線、
２ｆ 傾斜背面、
２ｇ 正面。
３ プロペラ軸

Claims (2)

1. 原動機で回転させられる横軸プロペラであって、プロペラ翼の翼根部分における正面はプロペラ軸と直交し、側面視で前縁端面の正面は、翼根から翼端へかけてプロペラ軸と直交し、背面前縁は、翼根から傾斜基端線へかけて次第に正面方向へ傾斜し、背面視における前縁と後縁の先端部を弦長方向に結んで、プロペラ軸から等距離に設けた傾斜基端線が、側面視で前縁から後縁へかけて背後方向へ傾斜し、傾斜基端線より先端を先細にして背後方向へ傾斜する翼端傾斜部としたことを特徴とする横軸プロペラ。
2. 前記翼端傾斜部における傾斜基端線部分の弦長は、翼根の弦長よりも大としてあり、該翼端傾斜部の後縁端は、翼根の後縁端よりも背後方向へ突出していることを特徴とする請求項１に記載の横軸プロペラ。

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