JP5946048B2

JP5946048B2 - 流体抵抗のない羽

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Publication number: JP5946048B2
Application number: JP2015094414A
Authority: JP
Inventors: 智栄吉岡
Original assignee: 智栄吉岡
Priority date: 2014-05-23
Filing date: 2015-04-15
Publication date: 2016-07-05
Anticipated expiration: 2035-04-15
Also published as: JP2016000991A

Description

本発明は、流体の流速や質量を回転の力に転換する羽に関するものである。

流体を利用する羽の中で、風力や水力発電装置用の羽は、飛行機や船舶さらにタービン等の流体力学を基に羽に流体の力を保存する形状を応用して保存した力を中心軸から外側へ流れる形状にし、羽の枚数を遠心バランスの考えから３枚として安定的回転を得られる形状として実用に供されている。実用の羽は、流体の流速や質量に合わせて羽の丈の長さや奥行きの幅を変化するのみで実用上十分であった。

また、多くの流体の力を利用する場合は、回転数を上げる方法でなく丈を長くして面積を確保し、ある一定回転の範囲で利用し、回転数の確保は増速機を補完する事で効率的に実現し、流体の安定的な確保が可能な設置場所等を十分に考慮する必要がある。図２から図５は実用化されている羽の基本形とされる代表例である。これまでの羽の仕組みは、流れの入口で抵抗を少なくして歪曲した凹み又は流体の流れの抵抗となる曲がりの部分で質量を保存しながら中心軸から外側に向けて流体が流れる様に設計されている。つまり、ある一定の流体を留める又は流体が渦を発生して留まる部分の歪曲した凹みになる若しくは曲がりの部分があり、いわゆる水かきの様な役割になる。図２から図５では（ｄ）（ｅ）の部分であり、実用に供される羽の形状の殆どは、これら図２から図５を組合せた技術である。

流体が羽を移動する状況を説明すると、流体の流れは、羽に向うとまず、ラフリングの角度によるジャイロ効果により初期の回転力を得る。これは、羽を中心軸の軸に対して直進方向に対してある一定の角度を持たせ流体が羽にぶつかる瞬間に流体が真っすぐ進もうとする力に対して羽が邪魔をする形となり角度比例に対して抵抗となって羽が回転力を得る事になる。この場合、流体は角度比例分だけ流れを曲げられる事になる。次にラフリング角度を抜けると歪曲した凹み又は流体の流れの抵抗となる曲がりの部分へ流れる流体と、抵抗となり難い曲面や平らな部分へ流れる流体に分かれる。歪曲した凹み又は流体の流れの抵抗となる曲がりの部分へ流れる流体は、歪曲した凹み又は、流体の流れの抵抗となる曲がりの部分の中心に向って渦を発生させた状態となり澱みの様に留まることで質量を増加させる。留まった流体の渦は、歪曲した凹み又は流体の流れの抵抗となる曲がりの部分に相当する体積に比例して渦の澱みの様相で貯められ、体積を超えた瞬間に羽の後ろへと本来の流体の質量より大きな流体として流れ出す。この後ろへ流れ出す流体を中心軸から外側に向って流れる様に丈の長さと奥行きの幅で変化させた形状が風力や水力の発電装置に利用される羽である。この留めた質量増加の流体の力の繰り返しは、歪曲した凹み又は流体の流れの抵抗となる曲がりの部分の大きさと羽の回転速度に比例し、高速回転させて後ろへ流れると飛行機の様な大きな後ろへの力を得る事が出来、さらに速度を増すとジェットタービンの様な強力な力をつくる事が出来る。この現象は、ベルヌーイの定理で証明される。また、渦の状態や貯まる量はヘルムホルツの定理やラグランジュの定理で証明される。また、抵抗となり難い曲面や平らな部分へ流れた流体はそのまま外へ移動して流れ出ることとなりラフリング角度分以上の増加回転力は得られない。
概略すると、流れ込む流体は、ラフリングの角度の抵抗分だけ中心軸を基に回転を始め、渦の定理及びベルヌーイの定理分だけ加速度を増して回転し、質量の増大した流体と本来の流体の力が合わさって後ろ又は外側へ流れ出る。そこで羽に入った流体は出口で力が大きくなる。この設計は羽の入口で流体が流れ込み、羽の出口で流体の力を大きくし推進力や回転の安定性を確保するという方法である。

また、抵抗となる凹みや歪曲面は入質量より出質量が大きくなるので羽を通過した瞬間に平らな部分へ流れた流体と重なり合った際に巻き戻しの流体が発生して羽の回転への抵抗となり、はねの回転へのブレーキとなる事や回転しようとする力と抵抗しようとする力の関係から羽の振動の発生を回避できない。そのために羽の損傷や支柱へ振動を伝えて支柱へのヒビの発生や倒壊等にも繋がる事は歪めない。当然、歪曲した凹み又は流体の流れの抵抗となる曲がりの部分へ流れる流体の渦の発生と澱みから体積分を貯えられる迄の時間は羽の回転に対して加速度出来ない。

さらに、歪曲した凹み又は流体の流れの抵抗となる曲がりの部分へ流れる流体の量だけ流体に対する力の効率が低下する。歪曲した凹み又は流体の流れの抵抗となる曲がりの部分へ流れる流体の渦の発生と澱みは、回転しようとする羽と回転に対する留まるための逆に流体移動が起こっているため流体の進行方向に対する流れの正逆移動となるため羽の振動を引き起こす事になる。また、同時に羽の振動は流体をはじく行為も連動するため接する物質の例えば風の流体であれば大気を叩く事となり大気等の接する物質の振動波を引き起こす事となる。その振動波は高周波の波長を発生させて生物への影響が起こるともされている。また、歪曲した凹み又は流体の流れの抵抗となる曲がりの部分の渦の発生と澱みは、回転が高くなると羽の振動が原因となり一定以上の回転が望めないという欠点があった。
特に風力の流体では、その振動や振動波によって羽にヒビが入る、さらに折れる等の状況や中心軸や支柱が折れる等の被害があり、対応して羽の回転速度を低速化し、設置場所や高さを設定して対策している。また、この設定を前提とする羽の大きさが流体の速度に比例して回転しないという現象が起こる。

また、羽の回転以前に歪曲した凹み又は流体の流れの抵抗となる曲がりの部分への流体の流れ込みは必然とするため、流体の流れの抵抗となる部分がある限り渦の発生と澱みによる羽の振動とそれと同時に接する物質の例えば風の流体であれば大気を叩く大気等の振動波は解消出来ずに羽の振動は地面へと伝わり大気等の振動波は周辺へと伝わっている。

流体の力を利用する用途において、羽自身を回転させて流体の力を後ろに必要とする場合は非常に有利であるが、流体の力で羽を回転させ、後ろに流体の力を必要とせずに流体の力を余す所無く利用して回転する力に伝えたい場合は非常に問題が多くなる。この欠点は流体により羽の回転を求める事に関して大きな障害である。具体的には、流体の流速や質量が小さくなれば羽が回転しない。また、流体の流速や質量がある程度あっても羽の歪曲した凹み又は、流体の流れの抵抗となる曲がりの部分の体積が大きい場合は回転しなくなったり、安定回転が出来なかったり、あるいは、全く回転しないなどの問題や、羽にヒビが入ることや壊れる状況、さらに風の流体では、羽の振動が地面へ伝達され、支柱の倒壊や破損、また周囲への接する物質の大気等の振動波などの発生問題があり、液体の流体も同様の問題があった。また、歪曲した凹み又は流体の流れの抵抗となる曲がりの部分へ流れる流体の渦の発生による澱みの様相状態は流体の流れを妨げることになる。これらの要因は、流体の力を回転の力へ転換する場合の流体力の利用効率低下となっている。

この改善策として、形状的には歪曲した凹み又は流体の流れの抵抗となる曲がりの部分へ流れる流体の渦の発生と澱みの様相を最小限に押さえ、遠心力を加味し、中心軸から外側へ流れる様に改善して安定回転に利用し、羽の回転をある一定範囲に規準し、設置場所の特定を行っている。また、回転軸へ増速機を装置して回転速度を確保し、陸上では風速６ｍ／ｓ以上、洋上では７ｍ／ｓ以上の場所で基準化され、本来の流体速度は１２ｍ／ｓとされている。また、風速２５ｍ／ｓ以上の場合は負荷がかかり過ぎるため回転停止とし、さらに、回転の安定性やバランスを考慮して３枚羽が定着している。
しかし、全く停止状態となる場合は、流体が羽へ当たる抵抗が羽の損傷や支柱への負担を歪めない為、超低速回転で対応している。
また、羽の材質については、強度の高い材質や炭素繊維を利用する等の技術投入がなされている。

特願２０１４−１１９０５４
特開２００９−２８１１６０号公報
特表２０１１−５１８２８７号公報
特表２００７−５２９６６２号公報
特開２００５−６１２３３号公報

解決しようとする問題点は、歪曲した凹み又は流体の流れの抵抗となる曲がりの部分へ流れる流体の渦の発生による澱みの様相があり羽の振動とそれと同時に接する物質の例えば風の流体であれば大気を叩く大気等の振動波を無くすことが出来ない。また、同様の前提は流体の力の利用効率低下となり、流体利用を充分発揮出来ない。特に流体の流速や質量の小さい流体又はある一定以上の、例えば風速２５ｍ／ｓ以上には殆ど利用出来ない点や流体の力を回転の力にそのまま転換出来ない点であり、設置場所も特定される点、さらに回転に転換した後の流体が本来の流体の速度や質量の流れから変化している点である。

本発明は、図１で示すように流体の流れを留めて渦を発生し澱みの様相をつくる場所をなくした設計とする方法である。つまり、流体が羽を通過した後を後ろへ流す方法でラフリングの角度による初動回転を連鎖的に動作させるために歪曲した凹みにある流体の流れの抵抗となる曲がりの部分や渦の発生や澱みが起こる流体の流れの抵抗となる部分を無くして羽から出た瞬間の流体も巻戻しにならないように辺を曲線にした三角形状の羽にし、ジャイロ効果による羽の安定回転のために羽の先を中心軸の辺に対してラフリングの角度と同じ角度で傾けて歪曲させ、羽の回転による流体の流れと本来の流体の流れの差による渦の発生をなくすためにバルバスバウ理論を応用利用する方法である。

この場合、第１に、流体の速度に比例して中心軸に対するラフリングの角度によるジャイロ効果によって初期の回転力を得るため羽の丈の長さを変化させ、第２に、流体質量に比例して回転軸に対する奥行きの長さを変化させる。第３に、ラグランジュの定理に基づく渦のない状況とシュレディンガーの定理を利用して歪曲を変化させて羽の先端へ位置する。そして第４に、歪曲した部分は渦の発生と澱みが起こらない様に巻戻しになる部分を無くし、流体の質量が大きい場合は鋭角にして流体の質量が小さい場合は鈍角に角度をとる。これらを四項目考慮すると羽の形状は一辺を曲線とする三角形状となり、さらに第５にラフリングの角度によるジャイロ効果がより効率的に流体が流れるように羽の先を歪曲させる際に、中心軸とのラフリングの角度を総体的に考慮して歪曲面を中心軸の辺に対してラフリングの角度に対応した角度に傾けて歪曲する。また、ラフリングの角度によるジャイロ効果による流れの変化と軸に対して直進方向へ流れる流体の速度変化に対して、羽の回転によって流れる流体がそれぞれが重なった瞬間に僅かながら流れの速度の差があるため第６にバルバスバウの理論を利用して重なる瞬間になる部分にバルバスバウを装置して羽の回転によって起こる僅かな流体速度の差を無くした状態にすることで対応する。さらに、流体により回転させられる羽であるから、羽の枚数を求めるに当たっては、回転という円である事や流体が羽の円回転を通り抜けて行くことからπの理論を応用し、πの端数の点と流体が羽を通過して流れる際はジャイロ効果にあることを考慮してねじの理論を整合して導きだし、安定的なπの端数を次のねじの流れとジャイロ効果に連鎖させるため４枚のシンメトリー配置とする第７の解決手段とした。これら七項目を最も主要な特徴とする。

設置場所によっては流体の大きさは様々であり、その場所の流体に応じた丈の長さや必要な回転に合わせた丈の長さを考慮する事になる。そのため第１のラフリングの角度により初動する際により多くの流体を効率的に利用するためには流体の速度とたけの長さを効率的な比率に設計しなければならない。また、設置場所によっては流体の質量も異なり質量の大きいものへは第２の中心軸に対して奥行きを長くし、質量の小さいものへは短くした効率的な設計しなければならない。さらに、羽の回転を安定的に回転させる設計として第３の羽の先を歪曲させて位置する。この設計は、実際に航空機に利用されて確実な実績を上げている。また、第３で歪曲した部分は、軸に対して直進方向へは効率的な良好影響を及ぼすが、回転に対しては澱みによる渦が発生するため、渦の発生と澱みが起こらない様に流体の抵抗となる部分を無くすために第４の一辺を曲線とする三角形の形状とし、ラフリングの角度の連鎖による流体の効率的な利用を促すために第５の歪曲面を中心軸側の羽の辺に対してラフリングの角度と同じ角度に傾けている。さらに、ラフリングの角度によるジャイロ効果による流れの変化と軸に対して直進方向へ流れる流体の速度変化は、羽の回転によって起こる流体の速さと質量の変化のそれぞれが重なった瞬間に僅かながら流れの速度の差に巻戻しによる渦を発生させるため、その発生をなくすため第６のバルバスバウを装備することで、羽の振動の発生や接する物質の例えば風の流体であれば大気等の振動波の発生がなくなり、第７の４枚のシンメトリー配置の羽により流体の連続的ねじの理論同様に安定的な流体の後ろへの流れが出来上がり、流体の流速や質量の殆どを回転力に転換するため、流体の効率性を飛躍的に向上させて利用出来、さらに場所を選ばず必要な回転を設定出来、流体の大小も殆ど関係なく利用出来る事が可能となる。

本発明の羽は、流体の抵抗や巻戻しによる渦の発生と澱みの様相となる歪曲した凹み又は流体の流れの抵抗となる曲がりの部分がなく、回転によって起こる羽と流体の流れの変化による僅かな流体の流れの誤差を無くすためのバルバスバウを装備した４枚のシンメトリー配置の羽による流体の連続的ねじの理論同様に安定的な流体の後ろへの流れとしていることで、羽の振動や接する物質の振動波等もなく、流体は常に入口と出口の流速や質量を殆ど同じとする事が可能で流速や質量の変化に対応した回転を得ることが出来る。また、流体の直線的流れに対して流速や質量の約８６．７％以上を回転力に転換することが出来、羽は高効率で高回転できるという利点がある。このため流体の大小や場所の設定等の制限を受ける事無く、小さい羽から大きな羽まで自由設計出来、さらに、流体に対応した寸法の設計が可能であるため流体の種類も選ばない利点がある。

本発明の羽と流体の流れの説明図である。本発明の歪曲させる前の羽の説明図である。従来の羽と流体の流れの説明図である。従来の羽と流体の流れの説明図である。従来の羽と流体の流れの説明図である。従来の羽と流体の流れの説明図である。実用に供されている代表的な風力の羽の説明図である。

羽の歪曲した凹み又は流体の流れの抵抗となる曲がりの部分へ流れる流体の渦の発生による澱みの様相による羽の振動とそれと同時に接する物質の例えば風の流体であれば大気を叩く大気等の振動波を無くすため、また、ラフリングの角度によるジャイロ効果による流れの変化と軸に対して直進方向へ流れる流体の速度変化は、羽の回転によって起こる流体の速さと質量の変化のそれぞれが重なった瞬間に僅かながら流れの速度の差に巻戻しによる渦を発生させるため、その発生をなくすための羽の設計をするに当たり、求める回転数に合わせる場合は、流体の速度が速く回転数を高くする場合は丈を長く、流体の速度が速く回転数を低くする場合は丈を短く、また、流体の速度が遅く回転数を高くする場合は丈を長く、流体の速度が遅く回転数を低くする場合は丈を短くを基本とする。また、丈の長さだけの単一的な設計では求める速度に合致出来るとは言えず、流体の質量に対する設計も合わせなければならない。流体の質量が大きい場合は、回転中心軸に対して奥行きの長さを長くして質量が小さい場合は短くするという基本も兼ね備え、丈の長さと奥行きの長さの比率の兼ね合いを整合して設計しなければならい。この比率が合理的でない場合は羽が流体に押される反発の形で曲ることになる。
さらに、ラフリングの角度により得られる流体の流れを確実に安定的に利用するため羽の先を歪曲させて流体移動を安定させると同時に羽の回転の安定性に利用する。この歪曲度は流体の質量に対して比較的関係しており、流体の質量が大きい場合は中心軸に向って広く歪曲させ、流体の質量が小さい場合は小さく歪曲させる。また、羽の回転によって流体の流れの速度や質量が殆ど変化せず、羽の回転が流体の力を殆ど利用出来る様にするため、羽の先に歪曲させた部分はラフリングの角度に応じた角度を傾け、基本的にはラフリングの角度と同じ角度を設定して設計する。また、ラフリングの角度によるジャイロ効果による流れの変化と軸に対して直進方向へ流れる流体の速度変化は、羽の回転によって起こる流体の速さと質量の変化のそれぞれが重なった瞬間に僅かながら流れの速度の差に巻戻しによる渦を発生させるため、その発生をなくすためにバルバスバウ理論によるバルバスバウを装備する。さらに、羽の回転と流体の流れを円滑に流すために回転円のπの理論と流れの理論であるねじの理論を整合して４枚のシンメトリー配置の羽とすることで、ベルヌーイの定理による流体力学に依存しない設計とすることで流体は常に巻き戻しの抵抗なく羽の出入口の流体の流速や質量を殆ど同じとすることが出来、無駄のない高効率な羽の高い回転を生み出すという目的を、流体の流れを妨げる部分や巻戻しによる渦の発生や澱みの様相を無くした形態で、流体の流れを損なわずに実現した。

図３から図５迄は、これまでの羽と流体の流れの関係を示した図である。各図に示す様に、（ａ）の入る流体が（ｂ）で出る迄の間に、（ｆ）のラフリングの角度によって流体の流れは変化し、（ｃ）のように平な部分や殆ど流体を流れの抵抗となる部分の無い流体の流れと（ｄ）の様に流体の流れの抵抗となる部分によって（ｅ）の巻戻しされて留められて質量増加となる流体に分かれる事になる。留められて質量増加した流体は、留められる場所の体積を超えた瞬間に本来の流体質量を超えた流体の力として流れ出し、（ｃ）の本来の流れと合成されて流れて行く。
図６は、歪曲した凹み又は、流体の流れの抵抗となる曲がりの部分の無い平たい羽であるが、流体が羽を通り過ぎた瞬間に（ｅ）の巻戻しが起こり渦の発生と澱みの様相で流体の質量が増加し羽への影響を及ぼす図である。
図７は実用に供されている代表的な風力の羽の図であり、（ａ）の入る流体は、歪曲した凹み又は流体の流れの抵抗となる曲がりの部分を羽の外側に広げながら羽の先端に向って流れ（ｂ）で出る様子である。（ａ）の入る流体は殆ど羽の先端に向って流され（ｄ）の澱みの渦や歪曲面の抵抗による（ｅ）の巻戻しも混ざり合いながら（ｂ）へ出て行く。さらに羽の後ろ側を流れた流体は、羽を通り過ぎた瞬間に羽の方へ引き戻される力として（ｅ）の巻戻しが起こり、羽の中にある流体と混ざり合いながら羽の先端から（ｂ）へ出て行く。
図１は、本発明の羽の図であって、（ｇ）は歪曲した凹み又は流体の流れの抵抗となる曲がりの部分を無くした様子であり、（ｈ）は本来の流体の流れと羽の回転によって起こる流れのそれぞれが重なった瞬間に僅かながら流れの速度の差による巻戻しの渦を発生させるため、その発生をなくすためのバルバスバウである。（ｉ）は（ａ）の入る流体が（ｂ）で出る迄の間に抵抗無く流れる様子である。
図２は、羽の歪曲させる前の形状を示した図である。形状は一辺が曲線となる三角形状である。（ｍ）は、（ｋ）回転軸側の辺であり（ｎ）は流体が入る側の辺である。（ｋ）回転軸に対して設けた（ｌ）の歪曲させる場合に（ｆ）のラフリングの角度と同じ角度を基本として（ｍ）の辺から対応した角度に傾けて歪曲させる。

このような歪曲した凹み又は流体の流れの抵抗となる曲がりの部分を無くして流体の流速や質量を損なわずに殆ど回転の力へ利用する事となる法則を利用したので、羽の振動や接する物質の例えば風の流体であれば大気等の叩く振動波を無くし、流体の流速や質量を低下することなく、羽の入口と出口の流体質量を巻き戻しなく羽の回転の力へ利用できる。従って、流体の流速や質量の大きさに関係なく流速や質量に即した回転エネルギーを確保できるために高効率の安定した高い回転を確保でき、様々な用途や場所への利用が容易になる。さらに、流体の流速や質量が殆ど低下しないため同じ流体を何度も利用することができ、流体の流速や質量や必要回転数に応じて対応できるので多種多様に応用利用する事が可能である。

ａ流体の入口への流れの方向
ｂ流体の出て行く流れの方向
ｃ速度や質量が殆ど変化せず流れる方向
ｄ流体が抵抗となり澱みとなり質量増加する場所
ｅ流体の流れの抵抗となって巻戻しする部分
ｆラフリングの角度
ｇ歪曲した凹み又は、流体の流れの抵抗となる曲がりの部分を無くした部分
ｈバルバスバウ
ｉ質量増加とならず流体の流れに即して流れる流体
ｊジャイロ効果の流れ
ｋ回転軸
ｌ歪曲する方向
ｍ回転軸側の辺
ｎ流体が入る側の辺

Claims

回転軸と平行に流れる流体に対し、回転軸に平行な中心に対して回転軸に平行方向な底辺となる第一辺を装備し、第一辺の流体の入る側の頂点から回転軸方向でない方向に垂直に伸びる辺を第二辺、第二辺の第一辺と接していない頂点と流体が出る側の第一辺の頂点を結ぶ辺を第三辺とし、流体の流れの抵抗となる部分をなくした一辺を第三辺の外膨らみの曲線とする三角形状の羽を、中心となる回転軸の中心に対する第一辺の流体の出る側の頂点を起点に、流体の平行した流れに対してぶつかるように回転方向に向けたラフリングの角度に応じた角度で傾けて、流体の出る側の第一辺の頂点から、流体が入る側の第二辺方向に向かって、ラフリングの角度と同じ角度で斜め上向きに引いた線より上の部分を、第二辺と第三辺の二辺を結ぶ頂点の羽の先から、回転軸を基に羽が回転する方向と逆方向に向かって第三辺を歪曲させて、流体の入る側を始まりとする流体の流れの差による渦の発生をなくすためのバルバスバウを装備し、流体の入る側方向から視た回転軸の中心に対して、上下左右に４枚の羽をシンメトリーに回転軸に配置して、流体の流れの力を回転の力に転換する羽。