JP5557118B2 - ブレードホイールを備えた流体機械 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部分に従った、ブレードホイールを備えた流体機械に関する。

このような機械は、特に２００３年９月１５日に出願された特許文献１で公知である。

この特許では、流体がブレードによってブレードホイールの軸に対して垂直に受け止められるメカニズムが記述されている。このブレードは、常に適切な調節介入によって調整可能である。流体内、例えば水中に含まれる運動エネルギーを受け止めることができ、ブレードによって、ブレード自身の全面積で、流体流に対して垂直な位置で受け止められ、それによってブレードは固定した位置になく、ブレードはその回転軸周りに回転しながら、トルクがないか又はマイナスになるとすぐに、流体流に対して最小の抵抗を備えるようになる。流体の密度及び物理的特性、並びに受け取りたいエネルギーに応じて、ブレード及びローターは目的にかなった方法で寸法決めすることができる。

そのようなメカニズムを使用して、この種のメカニズムがさまざまな観点から改善可能でありさらに優れた結果を達成することが可能であることを、出願人は自ら発見した。

伊国特許第１３４５０９７号明細書

従って本発明の課題は、流体の運動エネルギーを最大量及び最大収益で利用することが可能である、流体機械を提案することである。

この課題は、発明に従い、請求項の特徴を備えた流体機械によって解決される。

本発明に従い、流体機械は、「クロスフロー」の類のゆっくり動く反動タービンと比較して、流体流れ方向に対して垂直な軸を備え、２つの（又は複数の）同軸及び同心のインペラーによって作動する。

この流体機械は、流体機械がその中で作動している流体流（水、空気）から運動エネルギーを受け止めるために設計されている。各インペラーは円形の回転体から構成され、仮想の円上に通常等間隔で配置されその直径を円直径の一部として考えてよい、複数のブレード（２つ又は多数）を持っている。各インペラーのブレードは同じであり、左右対称であり、機械の中央軸に対して平行な自身の回転軸の周りを、３６０°すべての２つの方向に回転可能である。

各ブレードの自身の軸周りの回転は、メカニズムの形状（異なった、メカニズム形状によって配置されて）によって定められ、これは各ブレードに対して、他の、ブレートを支えているインペラー及び流体の流れ方向ブレードに対する正確な角度位置を確保する。

動きの機械的な接続は、設計要求に応じて自由に選択することができ、単にインペラーとブレード間の動きの関係を保つ必要があるだけである。すべては１つの同じ配列構造に従い、最良の流体の運動エネルギーを最適に受け止めるため、及びインペラーの回転中の瞬間ごとに採択される位置に応じて設計される。動きは調和的であり、揺れ又は振動はない。なぜなら、舵取り又は手動による制御が調整に介入しない場合でも、動きは常に同じ方向に、インペラーの回転に対して比例している速度で実施されるからである。

ブレードの回転は、自身の軸周りに１８０°、同じ時点での自身のインペラーの回転方向と反対周りに回転するよう設計され、インペラーは同じ期間内に中央の軸の周りを完全に３６０°回転するよう設計されている。これは同時に、インペラー自身の基準円上にあるすべての関係するブレードに、及び各回転に関する限り有効である。

２つのインペラーは互いに上下で反対方向に回転し、対応するブレードの動きも同じである。これは、機械ユニットがそれを支えるベースを回転させる傾向になる、ねじれの結果を相殺するのに役に立ち、及び舵取りの感度に影響を及ぼす機械的摩擦が相殺される。これらは、インペラーを１つしか使用しない場合に起こりうることである。

より大きな直径を備えたインペラーの角速度は、より小さな直径を備えたそれよりもゆっくりであり、貫流する流体の速度に比例する。個々のインペラーの各角速度は、（機械的に）自由であり、流体のブレード上への衝撃動作によってのみ制御され、又はインペラー同士の正確な比率によって接続され、配置される。場合により、２つのパワーアウトプットの自由な連結は、差動装置又は比例的な接続として機械的に選択される。

２つのインペラーの反対回転は、運動エネルギーを受け止めるための、すでに組立時にあらかじめ設定されたその傾き位置に応じた、流体のブレード上への推進力によって保持され、そのときにエネルギーがトルクに変換され、及びそのときにブレードが通過する流れによって向きを変えられ、システムを完全に通り抜けられるまで、改善されたシナジー効果によって流体がすぐ後ろに続くブレード上の１つ及びもう１つ他のインペラーの間に導かれる。同じく希望があれば、組立時にインペラーが一方向だけに回転することが前提条件としてもたらされる。

ブレードの形状は、自身の軸に対して左右対称でなければならない場合でも、典型的な空力プロファイルを備える必要はない。なぜならインプットエッジ及びアウトプットエッジは、その役割の後退のため対応するインペラーのどの回転方向時でも同じでなければならないからである。これはつまり、ブレード比率の実施形態の最大の可変性をも意味している：自身のインペラー上のブレードがすべて同じで左右対称であるという条件のもとで、短く幅の広いブレード、長く細いブレード、及びその中間のすべての可能性がある。機械の寸法、インペラー、並びに寸法、形状及びブレードの数は、備えられている出力、流体の物理的な特性及び機械が置かれた環境に依存する。従って機械の材料は計画された設計に依存する。

この機械は、通例水平軸を備えた作動方法を企図しているが、軸が流体方向に対して垂直であるという条件の下で任意の配置及び偏位をも企図している。機械自身は、流体方向を案内し、機械のインプット制御に作用する舵取り又は他の装置を備えていてよく、このインプット制御は２つのインペラーのブレードを同時に制御するために備えられている。インプットの差動装置を介して、手動の制御と接続することも可能である。従って他の流体機械と比べた利点は、機械がフルに稼働している状態でブレードだけを調整でき、及びユニット全体を調整する必要なしに力の伝達を楽に調整できることである。これだけではなく、インペラーを同じ効率で速度だけを落とし、ブレーキをかけるために、及び場合によっては流体による全負荷時でも、及び何らかのブレーキを操作することなく反対方向に回すために、介入する手段があることである。

このシステムは、可逆的であり、そのために動力装置としても有効である。アウトプットでエネルギーを受け止める代りにモーター又は類似のものが使用されると、浸されている流体に推進力を与えるために逆の方法で機械システムを使用することができる。回転数への作用の下で力が決められ、ブレードの調整へ作用することで推進力が同じように任意の方向に３６０°向けられることが可能である。操縦性の確実な利点は、特に航海術上の分野において、軸中央の推進力により、持続的に、浮動ブレードに起因する振動がないことである。これに加えて、インペラーが比較的ゆっくりであり、キャビテーションの危険がほとんどないことである。寸法及び比率は、常に同じ作動コンセプトを維持しながら、明らかに入念な設計の対象であり、適用に応じて、この場合は駆動機械のために規定される。

その他の特徴及び変形は、請求項及び以下でいくつかの図に示された実施形態によって記述される。

動きが機械的に接続されたインペラーを備えた、発明に従った流体機械の第一の実施形態の模式的軸方向断面図である。 図１を拡大した、模式的部分拡大軸方向断面図である。 アウトプットで差動装置によって動きをまとめられたインペラーを備えた、発明に従った流体機械の第二の実施形態の模式的軸方向断面図である。 図３を拡大した模式的部分拡大軸方向断面図である。 独立したパワーアウトプットを具備したインペラーを備えた、発明に従った流体機械の第三の実施形態の模式的軸方向断面図である。 図３を拡大した模式的部分拡大軸方向断面図である。

この図中で参照符号１は、本発明に従った流体機械全体を示している。これはベースハウジング２を備えている。この中に一般に軸受３によって第一のインペラー４が収容される。インペラー４の円周に沿って少なくとも２つのブレード５がシャフト６によって回転可能に支承され、及び等間隔に配分され、その軸はインペラー４に対して垂直である。各回転可能なシャフト６は、対応するブレード５を固定的に支え、ベベルギヤ７を備えており、ベベルギヤ７は対応するベベルギヤ８とかみ合っており、ベベルギヤ８はバー９に共回転するように支承されており、バー９はシャフト６の軸に垂直であり、及びインペラー４によって回転可能に支えられている。バー９はそのもう一方の端部で共回転するようにベベルギヤ１０を支え、ベベルギヤ１０はベベルギヤ１１にかみ合い、ベベルギヤ１１はスリーブ１２に固定的に支えられ、スリーブ１２は軸受１３によって、ハウジング１に回転可能に支えられたシャフト１４上に支えられている。インペラー４はさらに例ではその中央のボアでコニカルリングギヤ１５を支え、コニカルリングギヤ１５にピニオン１６が噛みあい、ピニオン１６はハウジング１によって回転可能に支えられたシャフト１７に固定され、リングギヤ１５に対して垂直な軸を備えている。シャフト１７はさらに第二のピニオン１８を支え、第二のピニオン１８は正面の、シャフト１４上の嵌入された円板１９のコニカル歯部とかみ合っている。

本発明に従い、第一のインペラー４に第二のインペラー２０が割り当てられ、第二のインペラー２０は第一のインペラー４の軸受２１に回転可能に支えられており、円周に沿って同じに配分された、少なくとも２つのブレード２２を支え、ブレード２２はシャフト２３によって支えられ、シャフト２３はインペラー２０によって同じ垂直の軸に支えられている。第一のインペラー４のように、この場合シャフト２３も、これに固定されたベベルギヤ２４を支え、ベベルギヤ２５とかみ合い、ベベルギヤ２５はインペラー２０のバー２６によってシャフト２３に垂直な軸に回転可能に支承され、この軸のもう一方の端部でベベルギヤ２７を支え、ベベルギヤ２７はスリーブ１２に固定的に支えられるベベルギヤ２８とかみ合う。インペラー２０はさらに共回転するようにフランンジ５９を介してシャフト１４と接続されている。

スリーブ１２は、自身に固定しながらスプロケット５７を支え、スプロケット５７はチェーン５８によってスプロケット２９と接続し、スプロケット２９はハウジング１によって回転可能に支承されたシャフト３０に嵌入されている。これによって、シャフト３０が１回回転すると、スリーブ１２の位置が変化し、そのために流体流に対するインペラー４の任意の位置でブレード５の傾斜度が変化する。図３及び図４では、最終的に第二の実施形態が示されており、この実施形態では第一及び第二のインペラーの２つの動きが差動装置によって補正される。差動装置はその全体を参照符号３１で示されている。

差動装置３１は、ダブルクラウンギヤ３２から構成され、ダブルクラウンギヤ３２はシャフト１４に回転可能に支えられ、一方で第一のインペラー４はピニオン１６を介して、他方でプラネタリーギヤ３３及び３４とかみ合っており、プラネタリーギヤ３３及び３４はそれらの側でクラウンギヤ３５とかみ合っており、クラウンギヤ３５はシャフト１４上に嵌入され、シャフト１４は第二のインペラー２０に固定されて接続されている。プラネタリーギヤ３３及び３４は、ピン３６によってベルハウジンング３７の壁に回転可能に支えられ、ベルハウジンング３７はシャフト１４の周りに回転可能であり、アウトプットシャフト３８を固定的に支えている。アウトプットシャフト３８がコンシューマの駆動装置として使用されているのは明らかである。

従ってプラネタリーキャリア３３、３４を介して第二のインペラー２０の動きが、第一のインペラー４から伝達された動きと最適に補正される。

さらなる特徴は以下のとおりである：
これによって、機械の全体を構成し、インペラーをその作動中に支える固定されたベース２が得られる。機械の全体は、固定された構造に、又は可動的に、作動条件に合わせて適用可能である。

大きい、又は外側の、第一のインペラー４は、シャフトの振動及び対応する動きの経過を受け入れる。小さい、又は内側の第二のインペラー２０は、シャフトの振動及び対応する動きの経過を受け入れる。軸受３は、インペラーが垂直の位置にある場合に、ベースと大きい又は外側のインペラーとの間の接続プレートを形成する。

軸受２１は、インペラーが垂直の位置にある場合に、大きい又は外側のインペラーと小さい、又は内側のインペラーとの間の接続プレートを形成する。

調節部のインプットシャフト３０は通常停止しており、直接舵取り又は類似の装置又は手動によって制御される。調節部の入力部にあるシャフト３０と調節部のスリーブとの間の接続は、チェーン５８の代りに、コックドベルト、ギヤホイール、又はその他によって実施してよく、伝達率を決め、スリップがないようにすることだけが必要である。

調節部の中央のスリーブ１２は、通常停止しており、調節部のシャフト３０を操作することでのみ回転可能である。スリーブは、外側のインペラーと内側のインペラーの両方のブレードを調整するために、ピニオンの２つのかみ合いリング１１及び２８を固定的に支える。それを操作することによって、すべての第一のピニオンが、大きいインペラーでも小さいインペラーでも同時に動く。

調節シャフトを制御するためのホイールは、スリーブと共回転する。

大きいインペラーの第二のブレード−ピニオン８（各ブレードに１つ）は、対応する第一のブレード−ピニオンの歯数のきっかり半数を備えている。

小さいブレードホイールの第二のブレード−ピニオン２５（各ブレードに１つ）は、対応する第一のブレード−ピニオンの歯数のきっかり半数を備えている。

ブレードリングは大きいブレードホイールのブレードシャフトと固定されている。ブレードリングは対応する第二のブレード−ピニオンによって操作され、そのためにその連動部となる。ブレードリングは、対応する第一のブレード−ピニオンの上側のかみ合いリングときっかり同数の歯を備えている。小さいインペラーのブレードシャフトに固定されたブレードリング２４は、対応する第二のブレード−ピニオンによって動かされ、そのためにその連動部となる。これは、対応する第一のブレード−ピニオンの下側のかみ合いリングときっかり同数の歯を備えている。

大きいインペラーのブレードシャフトはブレード用連結システムを備えており、このシステムはすでに公知のメカニズムに従った種類であってよい。

小さいインペラーのブレードシャフトは、ブレード用連結システムを備えており、このシステムはすでに公知のメカニズムに従った別の種類であってよい。

大きいインペラーのブレード種類は、左には面の方を（参照符号５）及び右には狭い側面の方を示している。小さいインペラーのブレード種類は、左には狭い側面の方を及び右には面の方を（参照符号２２）示している。

小さいインペラーと中央のアウトプットシャフトの第一の部分との間の中央の接続フランンジ５９（図２）は、小さいインペラーが生成するトルク全体を伝達する。

中央のシャフト１４の第一の部分は、実際に機械が生成する出力の約半分を伝達する。２つのプラネタリーギヤ１６及び１８は、共回転するようにその上に互いに接続されている。

中央のクラウンギヤ１９は、大きいインペラーと小さいインペラーの間の動きを直接パワーシャフトの第二の部分と固定的に及び比例的に接続し、その際大きいインペラーのトルクは、小さいインペラーのトルクに加算される。中央のリングと、大きいインペラーに固定されているリングとの間の歯数の比率は、小さいインペラーと大きいインペラーとの間の動きに適合される。図のような配置により、大きいインペラーの反転も起こり、それゆえにその方向で、小さいインペラーの反転と整合のとれた動きを伴って行われる。

アウトプットに差動装置を備えた変形例
ダブルクラウンギヤは、１９のような部分を備えているが、パワーシャフトと接続されておらず、別のリングと接続され、それによってこのリングに大きいインペラーのトルクと小さいインペラーの方向が伝達される。

かみ合っている、第一及び第二のリングがかみ合って連動している、回転方向に整合しているプラネタリーギヤは、それらの側で差動装置ハウジング、つまりベルハウジンングを回転に連動させる。

自由な動きを伴う変形例
ダブルリングを力軸と同軸のスリーブによって外部コンシューマと直接接続することができる。中央のパワーシャフトを他のコンシューマと接続することも可能である。

図５及び図６に示された一実施形態では、第一のキネマチック管部４０がダブルベルハウジンング４１から構成され、ダブルベルハウジンング４１は軸受４２によってシャフト１４上に支持され、一方でピニオン１６とかみ合っている正面歯部４３と、他方では固定された構造２上で向きを変えるシャフト４６と嵌入されたギヤホイール４５とを備え、第一の動力取出しとして適している。その上に、第二のキネマチック管部４７が形成され、シャフト１４上に嵌入されたベルハウジンング４８及びその正面歯部４９とベースハウジング２内で回転可能なシャフト５１と嵌入されたギヤホイール５０とがかみ合っており、第二の動力取出しとして適している。こうして各インペラー４、２０のために、別々のアウトプットがさまざまなコンシューマ用に備えられている。

１ハウジング／流体機械全体
２ ベースハウジング
３ 軸受
４ インペラー
５ ブレード
６ シャフト
７ 伝達手段
８ ブレード−ピニオン／伝達手段
９ バー／伝達手段
１０ ベベルギヤ／伝達手段
１１ ベベルギヤ／かみ合いリング
１２ スリーブ
１３ 軸受
１４ シャフト
１５ クラウンギヤ
１６ ピニオン／プラネタリーギヤ
１７ シャフト
１８ ピニオン／プラネタリーギヤ
１９ 嵌入された円板／クラウンギヤ
２０ インペラー
２１ 軸受
２２ ブレード
２３ シャフト
２４ ベベルギヤ／伝達手段
２５ ベベルギヤ／ブレード-ピニオン／伝達手段
２６ 支承されたバー／伝達手段
２７ 伝達手段
２８ ベベルギヤ／かみ合いリング
２９ スプロケット
３０ インプットシャフト
３１ 差動装置
３２ ダブルクラウンギヤ
３３ プラネタリーギヤ
３４ プラネタリーギヤ
３６ ピン
３７ ベルハウジンング
３８ アウトプットシャフト
３９ キネマチック管部
４０ 軸受
４１ ダブルベルハウジンング
４２ 軸受
４３ 正面歯部
４４ シャフト
４７ キネマチック管部
４８ 嵌入されたベルハウジンング
４９ 正面歯部
５０ 嵌入されたギヤホイール
５１ 回転可能なシャフト
５７ スプロケット
５８ チェーン
５９ 接続フランンジ

Claims (12)

1. ブレードホイールを備えた流体機械であって、ベースハウジング（２）と、ハウジング（１）によって回転可能に収容された第一のインペラー（４）と、少なくとも２つの回転可能に配置され、第一のインペラー（４）の円周に沿って等間隔に配置され及び第一のインペラー（４）の軸に対して平行な軸に支承されたブレード（５）と、前記ブレード（５）の軸とブレードホイールのシャフト（１４）上で回転可能なスリーブ（１２）との間の伝達手段（７、８、．９、１０）とを含んでいる流体機械において、第一のインペラー（４）に第二のインペラー（２０）が並列に配置され、第二のインペラー（２０）が第一のインペラー（４）に回転可能に収容され、第二のインペラー（２０）が少なくとも２つの回転可能に配置されるブレード（２２）を含み、前記ブレード（２２）が第二のインペラー（２０）の円周に沿って等間隔に配置され、及び第二のインペラー（２０）の軸に対して平行な軸に支承され、伝達手段（２４、２５、２６、２７、２８）が、前記ブレード（２２）の軸と前記ブレードホイールのシャフト（１４）上で回転可能である前記スリーブ（１２）との間にあることを特徴とする流体機械。
2. 前記伝達手段が、各ブレードの軸上に固定されたベベルギヤ（２４）と、べベルギヤ（２４）とかみ合うベベルギヤ（２５）と、べベルギヤ（２５）を支え及び回転可能にインペラー（２０）によって支承されるバー（２６）と、バー（２６）によって固定されて支えられるベベルギヤ（２７）と、及びスリーブ（１２）によって、スリーブ（１２）と共に回転するように支えられるベベルギヤ（２８）と、から構成されることを特徴とする、請求項１に記載の流体機械。
3. 前記スリーブ（１２）が、前記スリーブ（１２）自身の中心軸に対して回転方向に位置調整できることを特徴とする、請求項１に記載の流体機械。
4. 前記スリーブ（１２）が、運動学的にスプロケット（２９）と接続され、スプロケット（２９）がベースハウジング（２）に回転可能に収容され、及び手動によって又は別の操作手段によって、回転方向に位置調整可能であることを特徴とする、請求項１に記載の流体機械。
5. 第一のインペラー（４）がクラウンギヤ（１５）を備え、クラウンギヤ（１５）が第一のピニオン（１６）にかみ合い、第一のピニオン（１６）がベースハウジング（２）によってシャフト（１４）の軸に垂直な軸に回転可能に支えられ、及び第二のピニオン（１７）と接続されており、第二のピニオン（１７）がその側でシャフト（１４）上に配置されているリング（１９）とかみ合うことを特徴とする、請求項１に記載の流体機械。
6. 第二のインペラー（２０）が第一のインペラー（４）と同じシャフト（１４）上に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の流体機械。
7. 第一のインペラー（４）及び第二のインペラー（２０）が、アウトプットシャフト（３８）と差動装置（３１）を介して接続していることを特徴とする、請求項１に記載の流体機械。
8. 前記差動装置（３１）がダブルクラウンギヤ（３２）から構成され、ダブルクラウンギヤ（３２）がシャフト（１４）に回転可能に支えられ、及び一方で第一のインペラー（４）と及び他方でプラネタリーギヤ（３３及び３４）とかみ合い、プラネタリーギヤ（３３及び３４）はクラウンギヤ（３５）とかみ合い、該クラウンギヤ（３５）はシャフト（１４）上に配置されており、シャフト（１４）と第二のインペラー（２０）が固定的に接続され、プラネタリーギヤ（３３及び３４）がベルハウジンング（３７）によって回転可能に支えられ、ベルハウジンング（３７）がシャフト（１４）の周りを回転可能であり、及び固定的にアウトプットシャフト（３８）を支えることを特徴とする、請求項１及び６に記載の流体機械。
9. 第１のインペラー（４）及び第２のインペラー（２０）の回転力が、別々の出力軸に出力されて使用されることを特徴とする、請求項１に記載の流体機械。
10. 前記流体機械が可逆的であることが可能であり、それゆえに前記流体機械が作動している流体中で推進力を生じさせるために使用可能であることを特徴とする、請求項１、６及び７に記載の流体機械。
11. その全体が２つの重なり合ったインペラーハウジングと共に作動可能であり、その際同軸及び同心のブレード全体の作動が継続維持され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流体機械。
12. その全体が１か所に固定されて作動するか、又は導かれた流れに乗って作動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流体機械。

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