JP6670052B2 - 風水車用のプロペラ - Google Patents

Description

本発明は、回転トルクの大きな風水車用のプロペラに関する。

風車用プロペラの弦長は、翼根よりも翼端の弦長が小さなものであり、その厚さも薄いものである（例えば特許文献１）。水力発電機用のプロペラは、抵抗が小さいようにと、厚さが薄くなっている（例えば特許文献２）。

特開平８−９３６３１号公報

特開２０００−９０１２号公報

前記、特許文献１に記載のようなプロペラは、ブレードの翼端を小さくしないと乱気流が生じ、失速を生じるとされて弦長が短いため、遠心部分における受風面積が小さく、トルクの損失を招いている。
また特許文献２におけるプロペラは、ブレードの遠心部の受流面積は大であるが、ブレードの厚さが薄く、回転速度は上ってもトルクが上がりにくい。
潮流等の水力によるプロペラロータによる発電では、ブレードの先端が細いものや、厚さの薄いプロペラでは、水の質量になじまず回転トルクが上がりにくい。
本発明は、プロペラブレードの厚さを厚くし、回転に伴い生じるコアンダ効果によるトルクの増大を得ることのできる、トルクの大な風水車用のプロペラを提供することを目的としている。

本発明の具体的な内容は、次の通りである。

（１）先端を上向きとして垂直とした揚力型ブレードの、最大弦長部分の横断面において、前縁と後縁を結ぶ弦中央線を、前縁部分をハブ中心の回転方向線よりも正面側とし、後縁部分を前記回転方向線より背面側に傾斜させ、前記前縁は正円の半球面とし、該正円の半球面後部の円心を通る直径部分に接する正面及び背面は、直径部分から後縁へかけて正面はほぼ直線とし、背面は前後の中間が、ハブの背面に近接する位置まで膨らみをもつ曲面とし、該背面に沿う背面流動線に沿って通過する水流が、後縁においてブレードの弦中央線に対して３０〜４５度で交差するようにしてなる風水車用のプロペラ。

（２）前記、最大弦長部は翼端に設け、最大弦長を回転半径の４０〜５０％としてある前記（1）に記載の風水車用のプロペラ。

（３）前記、揚力型ブレードの翼根における水平正面線が回転方向線に対して４５度〜５０度の範囲で、後縁を背面方向へ傾斜させてなる前記（1）又は（2）に記載の風水車用のプロペラ。

本発明によると、次のような効果が奏せられる。

前記（1）に記載の発明は、背面の延長線である背面流動線が、後縁において回転方向線に対して３０〜４５度で交差しているので、回転時に、この背面に沿って後縁の後方へ通過する水流は、コアンダ効果によって高速となり、一定時間内に流れる水量も多く、反動としてブレードの回転トルクを高める。
前記交差角度が大きいほど、ブレードの厚さが厚く、背面の膨らみも大きいので、コアンダ効果による通過速度は高速となる。
その結果、反動として、ブレードは回転方向へ力強く押されるので、回転速度が遅い場合でも、ブレードの厚さが薄いものよりも回転トルクが大となり、例えば水力発電装置での発電効率が高まる。

前記（2）に記載の発明は、最大弦長部は翼端部に設け、その長さは、回転半径の４０〜５０％としてあるので、遠心部における受水面積が大で、回転トルクを大とする効果がある。

前記（3）に記載の発明は、揚力型ブレードの翼根における水平正面線が、回転方向線に対して４５度〜５０度の範囲で、後縁を背面方向へ傾斜させてあるので、
回転時において、翼根部分に当たる水流は通過しやすく、キャビテーションが生じにくい。

本発明の一実施形態の正面図である。 図１における側面図である。 図２におけるブレードの拡大平面図である。 図２におけるIV−IV線横断面図である。 図２におけるV−V線横断面図である。 図２におけるVI−VI線横断面図である。 図４における厚さの半分のブレードの横断平面図である。 図４におけるブレードの前進過程を示す平面図である。 図７におけるブレードの前進過程を示す平面図である。 ブレードの変形例の横断平面図である。

以下本発明を、図面を参照して説明する。
図１におけるプロペラ１は、ハブ２の周面に複数（図では５枚）の揚力型ブレード３、３（以下単にブレードという）を定間隔に装着してある。

ブレード３は、正面において、翼根３Ａから翼端へ向かって弦長を次第に大とし、最大弦長部３Ｂから先を先細にしてある。最大弦長部３Ｂの長さは、回転半径の40〜50％の範囲とし、図では一例として50％を示している。

図２に示すブレード３の側面視は、正面３Ｆと背面３Ｇは平行とし、最大弦長部３Ｂにおける厚さは、最大弦長の25〜35％の範囲とし、図では一例として35％で示している。図３におけるブレード３の弦長方向の弦中央線Ｋは、回転方向線Ｒに対してほぼ１０度、背面方向へ傾いているが、０度でも構わない。

図１及び図２において、最大弦長部３Ｂにおける水平正面線Ｕは、回転方向線Ｒに対して、ほぼ２３度ほど背面３Ｇ方向へ傾斜している。
またブレード３の回転時に、背面３Ｇに沿ってその延長線上に流動する水流の背面流動線Ｖと、回転方向線Ｒとの交差角は、ほぼ30度ほどとなり、またブレード３の弦中央線Ｋと水流の背面流動線Ｖとの交差角度はほぼ33度である。

図１及び図２において、最大弦長部３Ｂより先端部を、最大弦長部３Ｂにおける水平正面線Ｕから直交する正面方向へ、30〜45度の範囲で傾斜させた傾斜部３Ｃが形成されている。従って水平正面線Ｕと直交するＴ線は、回転軸心線Ｓに対してほぼ23度ほど後縁３Ｅ方向へ傾斜している。

このことから、ブレード３が正面３Ｆに水流を受けて回転すると、回転軸心線Ｓから水平正面線Ｕ迄の約113度の半分の56.5度、すなわち水平正面線Ｕに対してほぼ56.5度で交差するＷ矢示線方向の水力がブレード３にかかることになり、これは回転方向線Ｒには、ほぼ３３度で交差するので、水力が効率良く作用する。

またブレード３が回転すると、コアンダ効果により、大きな膨らみのある背面３Ｇに沿って高速で流れるＶ矢示流は、回転方向線Ｒに対してほぼ30度の角度で、かつ弦中央線（キャンバ）に対して約35度で高速で流れ、その一定時間内の流量は大で、反作用としてブレード３の回転力を高める。この反発する力の方向は、ブレード３に対する水力のかかるＷ矢示方向に近い。

図７は、図３、図４に示すブレード３の、最大弦長部３Ｂの最大厚さを半分、すなわち17.5％とした、対比のための参考図である。
水平正面線Ｕと回転方向線Ｒとの交差角度は、ほぼ９度である。

従って、回転軸心線Ｓから水平正面線Ｕ迄の97度の半分、48.5度で、回転軸心線Ｒに交差するＷ矢示線が、水力の作用する方向となる。従って、弦中央線Ｋを０度にしても、水流の背面流動線Ｖと回転方向線Ｒとの交差角度は、ほぼ２２度と狭いもので、回転方向に対する力のある水力になりにくい。

このことから、回転方向線Ｒに対して、水力の作用線Ｗ矢示が、ほぼ３３度で交差する図３に示す厚いブレード３に対して、厚さが半分の図７に示すブレード３は、回転方向線Ｒに対して、水力の作用方向が48.5度という交差角度であり、図３に示すものよりも回転方向線Ｒに近いので、図３に示した厚さの厚いブレード３の方が、図７に示す厚さの薄いブレードよりも、１対1.469％で水力の利用効率がよいことになる。

図７におけるブレード３の後面３Ｇに沿って通過する水流Ｖ矢示と、回転方向線Ｒとの交差角度はほぼ18度である。図３における背面流動線ＶとＲ矢示線の交差角度30度との差は、コアンダ効果による高速流の速度の違いとして理解される。

図８は、図４に示すブレード３が、水流において移動する過程を説明する拡大図である。図８におけるブレード３の前縁３Ｄは正円の半球面としてあるので、最大の厚さは正円の直径となる。

従って、正円の中心点Ｏから、半径の長さだけ前進すれば、最大厚さの半分の移動ができるので、その後方部分については、コアンダ効果によって流速が早まり、回転時における水の抵抗は小さい。

前記、中心点Ｏから半径の長さは、ブレード３の前縁３Ｄから後縁３Ｅ迄の、全弦長に対する比率は、ほぼ16.8％である。
図８において、前縁３Ｄがその正円の半径分だけ前進して、定点７の位置まで移動した時、定点11、13、７、14、12、５、11の範囲の水が、ブレード３の周面に沿ってその後方へ移動する。

この場合、ブレード３の前進によりブレード３の後縁３Ｅが前進しただけ、その後部に負圧の空洞が生じて、周囲の水がその負圧の空洞を埋める。
またブレード３によって前方へ押された水は、トコロテン押器で押されるように、単純に前方へ押されるのではなく、ブレード３の前縁３Ｄの表面及びブレード３の周面を薄い層で滑って、後方へ移動する。

すなわち、ブレード３が前進すると、定点11、６、12、８、11の範囲で負圧の空間が形成されるので、ブレード３の前縁３Ｄで押されて高圧となった水が、コアンダ効果により高速で、後部に形成される負圧空間に充当されるが、実際には負圧空間は直ぐに周囲の水で満たされるので、前縁３Ｄで押されて加圧された水が、常圧の後部の負圧空間である部分に、水圧の差で入り込み、その反動でブレード３は、前方へ押し出されて回転する。

従って、定点11、13、７、14、12、５、11の範囲と、定点11、６、12、８、11の範囲とは同じ容積である。この定点11、６、12、８、11の範囲に形成される空間には、周囲からの水圧がかかり充填されるが、定点11、13、７、14、12、５、11の範囲の水は、ブレード３の移動による加圧によって水圧が高まって、コアンダ効果により後方へ移動した時に、その水圧が反作用としてブレード３を押出す。

従って、その水量が多いほど、ブレード３の回転トルクは高くなる。このことは、後記する図７及び図９に示す、厚さの薄いブレードでは、コアンダ効果により移動した水の反作用が小さく、回転トルクが低い。

この場合、定点５、11、６の距離よりも、定点５、12、６の距離が長いので、定点５、12、６の後面に沿って通過する水流の速度が、正面３Ｆのそれより高速で、後部に形成される前記した負圧空間に水流が早く入り込む。

次に、定点７が定点９の位置まで移動すると、定点13、10、14、12、10、13の範囲に、前縁３Ｄで押された前部の水が移動する。この時、定点13、10、14、12、10、13の範囲に負圧が生じるので、後は前例と同じである。

図９は、図７のブレード３が水流で移動する過程を説明するためのブレードの拡大図である。ブレード３の厚さは、図８のブレード３の半分である。
図８におけるブレード３が、厚さの半分だけ前進するのと、図９におけるブレード３が、厚さ相当の距離を前進するのとでは同じ距離となる。

その結果、図９において、定点15が定点24まで移動したとき、定点21、25、16、23、22、21の範囲の水の移動があることになる。これと定点11、６、12、８、11の範囲と比較すると、大きさが比較にならない差があり、コアンダ効果で高速で移動する水流による反作用の差が、厚さの厚い方が大なことを示している。

図９におけるブレード３は、水力による回転では速度が出そうに見えるが、コアンダ効果による高速流は生じにくい。このブレード３は、コアンダ効果による回転速度の高速化は意図されていない。

これに対して図８における、弦長の３０％を越える厚いブレード３は、水力による回転速度は上がりにくいように見えるが、後面３Ｇの大きな膨らみによって生じる大なコアンダ効果によって、後面３Ｇに沿って通過する高速流の反作用が、回転トルクを大にするものである。これは子供の手で押すことと、お相撲さんの手で押すのと対比される違いである。

ブレード３の厚さを弦長の17.5としたものは、図７で説明したように、コアンダ効果による強いＶ矢示流が得られない。実験によると、最大弦長の２６％の厚さで、水平正面線Ｕに対するＶ矢示線の交差角度は、ほぼ１４度である。

また回転方向線Ｒに対する水平正面線Ｕは１１度であるので、正面に当たる水力の力の向きは、回転方向線Ｒに対してほぼ４０度で、４５度以下で交差するため、回転効率は図７のものよりも高い。

図１０は、ブレード３の最大弦長部分の横断平面図である。この前縁３Ｄの半円部分よりも後方へかけての表面に、無数の微細凹凸３Ｈを形成して、厚さの厚い部分での水の滑りをよくしたものである。

微細凹凸３Ｈは、例えば縦縞、格子、網代等の線、あるいは粒状、噴霧器による塗着物の塗着など任意である。前縁３Ｄの厚さが厚いので、微細凹凸３Ｈが厚さの厚い部分に無数にあると、微細な乱流が生じて、流体の粘性による抵抗を抑止して滑りをよくする。

低速流でも回転トルクを大きくすることができるので、潮流発電機などに利用する。

１．プロペラ
２．ハブ
３．揚力型ブレード
３Ａ．翼根
３Ｂ．最大弦長部
３Ｃ．傾斜部
３Ｄ．前縁
３Ｅ．後縁
３Ｆ．正面
３Ｇ．背面
３Ｈ．微細凹凸
４．プロペラ軸
５〜25．定点
Ｋ．ブレードの弦中央線（キャンバ）
Ｌ．半円中心
Ｍ．半円直径部
Ｒ．回転方向線
Ｓ．回転軸心線
Ｔ．傾斜方向線
Ｕ．水平正面線
Ｖ．背面流動線
Ｗ．水力のかかる方向

Claims (3)

1. 先端を上向きとして垂直とした揚力型ブレードの、最大弦長部分の横断面において、前縁と後縁を結ぶ弦中央線を、前縁部分をハブ中心の回転方向線よりも正面側とし、後縁部分を前記回転方向線より背面側に傾斜させ、前記前縁は正円の半球面とし、該正円の半球面後部の円心を通る直径部分に接する正面及び背面は、直径部分から後縁へかけて正面はほぼ直線とし、背面は前後の中間が、ハブの背面に近接する位置まで膨らみをもつ曲面とし、該背面に沿う背面流動線に沿って通過する水流が、後縁においてブレードの弦中央線に対して３０〜４５度で交差するようにしてなることを特徴とする風水車用のプロペラ。
2. 前記、最大弦長部は翼端に設け、該最大弦長を回転半径の４０〜５０％としてあることを特徴とする請求項１に記載の風水車用のプロペラ。
3. 前記、揚力型ブレードの翼根における水平正面線が回転方向線に対して４５度〜５０度の範囲で、後縁を背面方向へ傾斜させてなることを特徴とする請求項１又は２に記載の風水車用のプロペラ。

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