JP5995200B2

JP5995200B2 - 可変ピッチプロペラ

Info

Publication number: JP5995200B2
Application number: JP2012053224A
Authority: JP
Inventors: 原田　正志; 正志原田
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2012-03-09
Filing date: 2012-03-09
Publication date: 2016-09-21
Anticipated expiration: 2032-03-09
Also published as: JP2013184645A

Description

本発明は、負荷に応じて自律的にブレードの迎角を変更することで高い効率を得ることが可能な可変ピッチプロペラに関する。

可変ピッチプロペラは周知慣用され、航空機等の推進のためのプロペラや風車等に広く用いられている。
特に、航空機の推進用として１９３０年代以降多く用いられており、代表的なものとしてハーツウェル社の方式が主流となっているが、この方式は機械的な調速器と油圧ピストン、カム機構等からなり、複雑で維持に手間がかかり、高価であることが問題である。
この問題を解決するために様々な機構が提案されている。
例えば、特許文献１、２に示すように、ブレードの回転軸線をブレードの圧力中心より前に設け、空気力とバネの反力との釣り合いで迎角変更が自律的に行われるものが公知である。
また、特許文献３に示すように、翼先端の後縁を延長し、空気力のみによりブレードの迎角が変更されるものや、特許文献４に示すように、ブレード先端にアレイを装着し、アレイの質量量分布を利用してプロペラブレードのねじれ角が自律的に変化されるものが公知である。

特開２００７−５０８６９号公報特開２００４−３５３６４４号公報特開平６−５６０９２号公報特開昭６３−２１２２００号公報

しかしながら、特許文献１、２に記載のような公知の可変ピッチプロペラは、ブレード重心立置が回転軸線後方に位置しやすく、フラッタを起こす危険があるとともに、プロペラの回転に伴う慣性モーメントによって、ブレードの迎角を減少させるモーメントが加わり、ブレードの有効迎角を常に理想的な値に保つことが困難であった。
また、バネの弾性を使用するために可動部が多く部品点数も多くなり、メンテナンスに手間がかかるという問題があった。
特許文献３に記載のような公知の可変ピッチプロペラは、機構は単純であるものの、ブレード平面形状を最適化できないためにプロペラ効率が下がるとともに、特許文献１、２に記載のような公知の可変ピッチプロペラと同様に、ブレードの重心位置によるフラッタの問題、プロペラの回転に伴う慣性モーメントの問題があった。
特許文献４に記載のような公知の可変ピッチプロペラでは、ねじれを変化させることで、プロペラ効率は向上するものの、ブレードの構造が複雑であるとともに、迎角の変更の構成は特許文献１、２に記載のような公知の可変ピッチプロペラと同様であり、同様の問題があった。
また、高速になるブレードの先端に空気抵抗が大きいアレイを装着するため、ブレードの空気抵抗が増加するという問題があった。

本発明は公知の課題を解決するものであって、簡単な構造で可動部や部品点数が少なく、メンテナンスが容易となるとともに、ブレード平面形状を最適化して効率を向上することができ、フラッタを起こさず、プロペラの回転に伴う慣性モーメントの影響を排除してブレードの有効迎角を常に理想的な値に保つことが可能な可変ピッチプロペラを提供することを目的とするものである。

本請求項１に係る発明は、プロペラ軸と、該プロペラ軸を中心として回転する複数枚のブレードと、該ブレードの前記プロペラ軸側に一体的に設けられた迎角変更軸と、前記迎角変更軸を回動可能な状態で前記プロペラ軸と連結するハブとを有する可変ピッチプロペラであって、前記ブレードは、前記迎角変更軸線が前記ブレードの翼弦長の４分の１より前方に位置する翼型に形成され、前記ブレードには、固定可能なカウンターウエイトが設けられ、該カウンターウエイトの前記迎角変更軸線に直交する慣性モーメント最大となる方向が、前記ブレードの前記迎角変更軸線に直交する慣性モーメント最大となる方向と直交するように形成され、かつ、ブレードの慣性モーメント最大値とカウンターウエイトの慣性モーメントが等しく、前記ブレードおよびカウンターウエイトの全体の重心位置が、前記迎角変更軸線上に位置するように構成されていることにより、前記課題を解決するものである。

本請求項２に係る発明は、請求項１に係る可変ピッチプロペラの構成に加え、前記カウンターウエイトが、前記迎角変更軸線に直交する慣性モーメントを変更可能に構成されていることにより、前記課題を解決するものである。
本請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に係る可変ピッチプロペラの構成に加え、前記カウンターウエイトが、前記迎角変更軸線と直交する平面内の重心位置を調整可能に構成されていることにより、前記課題を解決するものである。
本請求項４に係る発明は、請求項２または請求項３に係る可変ピッチプロペラの構成に加え、前記カウンターウエイトが、前記ブレードまたは迎角変更軸に固定されるベース部材と、該ベース部材に固定されるウエイト本体とを有し、前記ベース部材が、前記ウエイト本体の迎角変更軸線からの距離を変更可能に構成されていることにより、前記課題を解決するものである。
本請求項５に係る発明は、請求項２乃至請求項４のいずれかに係る可変ピッチプロペラの構成に加え、前記カウンターウエイトが、前記ブレードまたは迎角変更軸に固定されるベース部材と、該ベース部材に固定されるウエイト本体とを有し、前記ベース部材が、質量の異なるウエイト本体を交換可能に構成されていることにより、前記課題を解決するものである。

本請求項１に係る可変ピッチプロペラによれば、プロペラの回転に伴う慣性モーメントによって発生するブレード迎角を減少させる迎角変更軸線周りのモーメントを、固定的に設けられるカウンターウエイトによって発生する迎角変更軸線周りのモーメントによって、調整してモーメントを０とすることが可能となるため、複雑な可動機構を設けることなくブレードに加わる空気力のみで自律的にブレードが最適な迎角となる。
このことで、簡単な構造で可動部や部品点数が少なく、メンテナンスが容易となるとともに、ブレード平面形状を最適化して効率を向上することができ、ブレードおよびカウンターウエイトの全体の重心位置が迎角変更軸線上に位置することでフラッタを起こさず、プロペラの回転に伴う慣性モーメントを調整して０とすることにより、ブレードの有効迎角を自律的に理想的な値に保つことが可能となる。
さらに、逆回転時でも、何らの制御を行うことなく最適な迎角となり、効率を向上することができる。

可変ピッチプロペラのブレードの迎角と揚力の関係の説明図。本発明の可変ピッチプロペラの概略動作説明図。本発明の１実施形態である可変ピッチプロペラの一部断面外観図。図３のスピナ内部の一部断面斜視図。図４のカウンターウエイトの拡大斜視図。本発明の１実験例である可変ピッチプロペラの前面投影形状を示す線図。図６の可変ピッチプロペラの効率を示すグラフ。

本発明の可変ピッチプロペラは、プロペラ軸と、該プロペラ軸を中心として回転する複数枚のブレードと、該ブレードのプロペラ軸側に一体的に設けられた迎角変更軸と、迎角変更軸を回動可能な状態でプロペラ軸と連結するハブとを有する可変ピッチプロペラであって、ブレードは、迎角変更軸線がブレードの翼弦長の４分の１より前方に位置する翼型に形成され、ブレードには、固定可能なカウンターウエイトが設けられ、該カウンターウエイトの迎角変更軸線に直交する慣性モーメント最大となる方向が、ブレードの迎角変更軸線に直交する慣性モーメント最大となる方向と直交するように形成され、かつ、ブレードの慣性モーメント最大値とカウンターウエイトの慣性モーメントが等しく、ブレードおよびカウンターウエイトの全体の重心位置が、迎角変更軸線上に位置するように構成されているものであって、簡単な構造で可動部や部品点数が少なく、メンテナンスが容易となるとともに、ブレード平面形状を最適化して効率を向上することができ、フラッタを起こさず、プロペラの回転に伴う慣性モーメントを調整して０とすることによりブレードの有効迎角を自律的に理想的な値に保つことが可能なものであれば、その具体的な実施態様はいかなるものであっても良い。

本発明の可変ピッチプロペラの基本動作について説明する。
本発明の可変ピッチプロペラは、ブレードに作用する揚力の作用点が、迎角に応じて翼弦長方向に位置を変えることを利用し、ブレードの迎角変更軸の回転軸線の位置を所定の迎角の時の揚力の作用点に位置させることで安定させ、カウンターウエイトを付加することで、プロペラの回転に伴う慣性モーメントを０とし、回転数の変化による迎角の変化を最適なものとするものである。

図１に、翼弦長がｃでモーメント係数（Ｃｍ）が正のブレードのレイノルズ数２００，０００の場合の、迎角と揚力の関係を示す。
例えば、このブレードの回転軸線の位置を迎角が５°の時に揚力が作用する位置とし、前後の重量バランスを取ると、揚力に起因する回転軸線周りのモーメントは、迎角５°未満になった場合は迎角を大きくする方に、迎角５°を超えると迎角を小さくする方に作用するため、揚力のみを考慮すると迎角５°に自律的に安定する。
なお、この揚力はブレードの翼弦方向の対気速度Ｕの２乗に比例する。
また、ブレードの長手方向の捻れを考慮した場合、長手方向のすべての断面における回転軸線周りのモーメントの総和がゼロになる迎角で自律的に安定する。
しかしながら、実際はプロペラの回転に伴って発生する慣性モーメントが加わり、この慣性モーメントはプロペラの回転数によって変化するため、自律的に安定する迎角はプロペラの回転数によって一定ではない。

本発明の可変ピッチプロペラは、カウンターウエイトを付加することで、プロペラの回転に伴って迎角の変化に作用する慣性モーメントを０として、ブレードの迎角をプロペラの回転数に応じて自律的に最適に安定させるものである。
図２は半径０．４Ｒ、０．６Ｒ、０．８Ｒのブレード断面とカウンターウエイトを模式的に示している。
本発明の可変ピッチプロペラのブレードは、モーメント係数（Ｃｍ）が正の翼型であり、０．２５以下の定数ｋを用いてブレード前縁から翼弦長のｋ倍の位置に迎角変更軸線ＣＰが置かれている。
迎角変更軸線ＣＰと直交する慣性主軸のうち、慣性モーメントが大きい方の軸をｙ軸とし、小さい方の軸をｚ軸とし、それぞれの慣性モーメントをＩｙｙ、Ｉｚｚと表記する。
一般にｙ軸はブレードの前縁と後縁を結ぶ方向にある。
また、ブレードのプロペラ軸側付け根のｚ軸方向に上下対称のカウンターウエイトが設けられており、上下それぞれの重心の迎角変更軸線ＣＰからの距離をｌ、質量をｍとする。
このカウンターウエイトの重心の迎角変更軸線ＣＰからの距離をｌと質量ｍは可変であり、ブレードとカウンターウエイト全体の迎角変更軸線ＣＰ周りの重心位置は、図示しない別途の質量を付加することで迎角変更軸線ＣＰに一致させる。

ブレードとカウンターウエイト全体の回転体全体のＩｙｙ、Ｉｚｚ、はブレード単体の慣性モーメントをＩｙｙ’、Ｉｚｚ’、カウンターウエイトの慣性モーメントをＩｙｙ”、Ｉｚｚ”とすれば、
Ｉｙｙ＝Ｉｙｙ’＋Ｉｙｙ”
Ｉｚｚ＝Ｉｚｚ’＋Ｉｚｚ”
となり、
カウンターウエイトのｚ軸方向の慣性モーメントＩｚｚ”は、
Ｉｚｚ”＝２ｍｌ^２
で与えられる。
ブレード単体の慣性モーメントＩｙｙ’、Ｉｚｚ’は一定であり、カウンターウエイトのｙ軸方向の慣性モーメントＩｙｙ”は、本モデルでは前後の長さが小さく微小であるため、回転体全体のｙ軸方向の慣性モーメントＩｙｙは実質一定である。
回転体全体のｚ軸方向の慣性モーメントＩｚｚは、カウンターウエイトの重心の迎角変更軸線ＣＰからの距離ｌまたは質量ｍを変えてＩｚｚ”を変えることで調整可能となり、Ｉｙｙと同じ値に調整する。

上記のブレードをプロペラ軸周りに回転させると、プロペラ軸から直交する方向にブレードの重心を通るように延びるｘ軸（本説明では迎角変更軸線ＣＰと一致）周りに、次のモーメントＭｉが発生することが一般に知られている。
Ｍｉ＝−１／２Ω^２（Ｉｙｙ−Ｉｚｚ）ｓｉｎ２θ
ここでΩは回転角速度であり、θは回転面からのｙ軸の傾きである。なお、Ｍｉは迎角が大きくなる方向を正とした。
ＩｙｙとＩｚｚの値の差が大きくなる程モーメントＭｉは大きくなり、またモーメントＭｉはθが４５°の時に最大となり、回転角速度Ωの二乗に比例する。よってＩｙｙ＝Ｉｚｚとなるよう調整する。

このプロペラを逆回転させたとき、ブレードは単に１８０°角度を変え、幾何学的には正回転と同じ形状となるため、逆回転でも正回転と同じ効率を発揮する。

次に、本発明の１実施形態に係る可変ピッチプロペラ１００について、図３乃至図５に基づいて説明する。
本実施形態に係る可変ピッチプロペラ１００は、例えば小型の無人航空機等に用いられるプロペラであり、図３に示すように、モータ１０２の回転軸が直接プロペラ軸１１０となっており、プロペラ軸１１０に固定されたハブ１４０にブレード１２０の迎角変更軸１２１が回動可能に取付けられて構成されている。
モータ１０２は、プロペラ軸１１０が突出するようにモータマウント１０１に固定されるとともに、該モータマウント１０１にはモータ１０２の外周を覆うようにモータハウジング１０３が固定され、該モータハウジング１０３にはモータ１０２を収容するようにハウジングベース１０５が固定されている。

ハブ１４０にはベアリング１４４が設けられ、該ベアリング１４４の内周にブレード１２０の迎角変更軸１２１が挿入され、迎角変更軸１２１の端部にナット１４５が螺合されることで、ブレード１２０がハブ１４０に対して迎角変更軸１２１の迎角変更軸線回りの回動のみ可能となるように取付けられている。
なお、図示では、ベアリング１４４はスラストおよびラジアルの２列のボールベアリングで構成されている。
迎角変更軸１２１には、ハブ１４０に近接してカウンターウエイト１３０が固定されている。

ハブ１４０およびカウンターウエイト１３０の周囲は、図３および図４に示すように、プロペラ軸１１０およびハブ１４０と一体に回転するスピナ１４２で覆われており、該スピナ１４２のプロペラ軸１１０の軸線方向先端部には、冷却空気取入口１４３が設けられている。
スピナ１４２のモータ１０２側には冷却空気通過孔１４６が設けられ、冷却空気取入口１４３から導入された空気は、冷却空気通過孔１４６を通過しモータ１０２を冷却して、モータハウジング１０３のハウジングベース１０５側に設けられた冷却空気出口１０４から排出される。

また、スピナ１４２の左右にはブレード１２０の迎角変更軸１２１を挿入可能な迎角変更軸挿通孔１４７が設けられている。
なお、本実施形態に係る可変ピッチプロペラ１００は２枚のブレード１２０をプロペラ軸１１０に対して回転方向１８０°の位置に配するものであるため、ハブ１４０およびスピナ１４２は、プロペラ軸１１０の軸線に対して１８０°回転対称の形状・構造であるが、ブレード１２０の枚数が３枚、４枚等である場合は、ハブ１４０およびスピナ１４２の形状、構造も１２０°回転対称、９０°回転対称等の形状、構造としても良い。

カウンターウエイト１３０は、図５に示すように、固定片１３２を有する複数のウエイト本体１３１と、該固定片１３２を固定可能な３方向に延びるアーム部１３９を有するベース部材１３４とで構成される。
ベース部材１３４には、ブレード１２０の迎角変更軸１２１が挿入されるブレード固定孔１３７が設けられ、側方からブレード固定孔１３７内に貫通し内周面にネジ山が設けられたブレード固定ネジ孔１３８を有している。
ベース部材１３４は、ブレード固定孔１３７に迎角変更軸１２１が挿入し、ブレード固定ネジ（図示せず）をブレード固定ネジ孔１３８に螺合して締め付けることで、迎角変更軸１２１に強固に固定されて、ブレード１２０と一体となってプロペラ軸線回りを回転、および、迎角変更軸線回りを回動する。

ウエイト本体１３１の固定片１３２には固定用長孔１３３が設けられ、ベース部材１３４の３方向に延びるアーム部１３９には、それぞれ、固定片１３２を固定するための２つのウエイト固定ネジ孔１３５が設けられている。
アーム部１３９と固定片１３２が、ウエイト固定ネジ１３６を固定片１３２の固定用長孔１３３を挿通してウエイト固定ネジ孔１３５に締め付けることにより強固に固定されることで、ベース部材１３４とウエイト本体１３１が一体となってカウンターウエイト１３０を構成する。

各アーム部１３９の２つのウエイト固定ネジ孔１３５は、迎角変更軸１２１の迎角変更軸線から離れる方向に並べて設けられており、固定片１３２の固定用長孔１３３は、該２つのウエイト固定ネジ孔１３５の間隔よりも長く設定されている。
このことで、ウエイト本体１３１の迎角変更軸１２１の迎角変更軸線からの距離を調整して固定することが可能で、迎角変更軸線に直交する慣性モーメントを調整可能に構成されている。
また、ウエイト固定ネジ１３６を完全に取外すことで、ウエイト本体１３１の交換が可能であり、異なる質量のウエイト本体１３１を固定することでも、迎角変更軸線に直交する慣性モーメントを調整可能である。

３方向に延びるアーム部１３９のうち、２つは迎角変更軸１２１の迎角変更軸線に直交する平面内で１８０°対称の方向に延び、残り１つは９０°の方向に延びるように構成され、ベース部材１３４を迎角変更軸１２１に固定する際に、前者の２つのアーム部１３９がブレード１２０の迎角変更軸線に直交する慣性モーメント最大となる方向と直交する方向となるように設定される。
このことで、前者の２つのアーム部１３９に取り付けられたウエイト本体１３１により、プロペラの回転に伴う慣性モーメントによって発生するブレード１２０の迎角を減少させる迎角変更軸線に直交するモーメントを調整して０とすることが可能となる
また、後者の９０°の方向に延びるアーム部１３９に取り付けられたウエイト本体１３１により、ブレード１２０全体の迎角変更軸線周りの重心位置を最適に維持することが可能となる。
なお、本実施形態では、３つのアーム部１３９の形状・寸法、および、それぞれに取り付けられるウエイト本体１３１の形状・寸法を同一のものとしたが、それぞれ異なる形状・寸法としても良い。
また、各部の形状・構造・寸法は、図示のものに限定されるものではない。

次に、本発明の可変ピッチプロペラの実験例について説明する。
実験に使用したプロペラのブレードは設計点として以下の諸元を用い、公知の設計方法、性能推定方法で、図６に示すような前面投影形状に設計した。
前進速度（Ｕ）２７．８ｍ／ｓ（１００ｋｍ／ｈ）
直径（Ｄ）０．２６６７ｍ（１０．５ｉｎｃｈ）
角速度（回転数ｎ）１０４３ｒａｄ／ｓ（１０，０００ｒｐｍ）
入力パワー２２５Ｗ（０．３ｈｐ）
揚力係数０．４
推力７．２６
効率８９．４％

このプロペラを、固定ピッチプロペラとして使用した場合、図７に示すように、設計点の進行率（Ｕ／ｎＤ：前述した対気速度と回転角速度の関係に対応する数字）を上回る条件では急激に効率が低下し、設計点の進行率を４０％上回ると効率はゼロとなってしまう。
これに対し、このプロペラを本発明の可変ピッチプロペラの構成とすることにより、設計点の進行率の２倍の条件でも効率は７０％を超える。
このように、本発明の可変ピッチプロペラは、進行率、すなわち、前述した対気速度（前進速度）と回転角速度の関係が幅広く変化するような使用条件であっても、高効率を維持することが可能となる。

本発明は、航空機の推進用の可変ピッチプロペラとして好適であり、特に小型軽量で自律的に制御されメンテナンスの容易な設計を必要とされる、電気モータ駆動の無人の航空機等に好適である。
また、航空機以外の推進用に用いることも可能であり、逆に、空気の流れから回転力を得る風車としての用途に用いることも可能である。
特に、進行率が幅広く変化しても高効率を維持することが可能であり、簡単な構造で可動部や部品点数が少なく、メンテナンスも容易なことから、風力発電等の用途に好適である。

１００・・・可変ピッチプロペラ
１０１・・・モータマウント
１０２・・・モータ
１０３・・・モータハウジング
１０４・・・冷却空気出口
１０５・・・ハウジングベース
１１０・・・プロペラ軸
１２０・・・ブレード
１２１・・・迎角変更軸
１３０・・・カウンターウエイト
１３１・・・ウエイト本体
１３２・・・固定片
１３３・・・固定用長孔
１３４・・・ベース部材
１３５・・・ウエイト固定ネジ孔
１３６・・・ウエイト固定ネジ
１３７・・・ブレード固定孔
１３８・・・ブレード固定ネジ孔
１３９・・・アーム部
１４０・・・ハブ
１４２・・・スピナ
１４３・・・冷却空気取入口
１４４・・・ベアリング
１４５・・・ナット
１４６・・・冷却空気通過孔
１４７・・・迎角変更軸挿通孔

Claims

プロペラ軸と、該プロペラ軸を中心として回転する複数枚のブレードと、該ブレードの前記プロペラ軸側に一体的に設けられた迎角変更軸と、前記迎角変更軸を回動可能な状態で前記プロペラ軸と連結するハブとを有する可変ピッチプロペラであって、
前記ブレードは、前記迎角変更軸線が前記ブレードの翼弦長の４分の１より前方に位置する翼型に形成され、
前記ブレードには、固定可能なカウンターウエイトが設けられ、
該カウンターウエイトの前記迎角変更軸線に直交する慣性モーメント最大となる方向が、前記ブレードの前記迎角変更軸線に直交する慣性モーメント最大となる方向と直交するように形成され、かつ、ブレードの慣性モーメント最大値とカウンターウエイトの慣性モーメントが等しく、
前記ブレードおよびカウンターウエイトの全体の重心位置が、前記迎角変更軸線上に位置するように構成されていることを特徴とする可変ピッチプロペラ。
前記カウンターウエイトが、前記迎角変更軸線に直交する慣性モーメントを変更可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の可変ピッチプロペラ。
前記カウンターウエイトが、前記迎角変更軸線と直交する平面内の重心位置を調整可能に構成されていることを特徴とする請求項２に記載の可変ピッチプロペラ。
前記カウンターウエイトが、前記ブレードまたは迎角変更軸に固定されるベース部材と、該ベース部材に固定されるウエイト本体とを有し、
前記ベース部材が、前記ウエイト本体の迎角変更軸線からの距離を変更可能に構成されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の可変ピッチプロペラ。
前記カウンターウエイトが、前記ブレードまたは迎角変更軸に固定されるベース部材と、該ベース部材に固定されるウエイト本体とを有し、
前記ベース部材が、質量の異なるウエイト本体を交換可能に構成されていることを特徴とする請求項２乃至請求項４のいずれかに記載の可変ピッチプロペラ。