JP6952312B2 - ピッチ制御システム - Google Patents

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Description

本発明は、ブレードを回転させるためのピッチ制御システムに関する。
ターボ機械は、一般に、回転するブレードの円形アレイを1つ以上含む。このようなアレイは、軸流ファン、遠心ファン、斜流ファン、プロペラ、ローター、風力タービンブレードを含む。このようなブレードすべては、固定ピッチ又は可変ピッチとすることができる。固定ピッチシステムでは、通常、所望のパラメータ値(例：流量)を得るために回転速度を変化させるが、一部の可変ピッチシステムには、回転速度をほぼ一定に保つもの(例：ヘリコプターローター)もある。
高性能又はエネルギー集約型のターボ機械の場合、空力効率、推力、又は別の対象パラメータを最大限にするために、ピッチと回転速度の両方を制御することは、理にかなっていることが多い。ピッチ制御システムは、性能を最適化するだけでなく、オーバースピンのような問題に対処することもできる。
多くの既存のピッチ制御システムは、若干粗雑である。ピッチは手動でレバーを操作して制御することもあり、ピッチと回転速度の組み合わせの最適化には至らない。可変ピッチプロペラの場合は、離陸前に1度、巡航中にもう1度、パイロットが能動的にプロペラのピッチを設定してもよい。この場合、数時間のフライトで、ピッチは2度しか変更されていない。フライト中、ピッチが回転速度に伴って自動的、且つ連続的に変更されれば、燃料消費の削減、通信範囲の拡張、耐久性の向上などの利点が得られるであろう。
既存のピッチ制御システムは、ブレードピッチを自動的、且つ連続的に変化させることができる。例えば、ヘリコプターでは、複雑なリンク、スワッシュプレートなどの機構を使用して、ブレードピッチサイクルを反復させる。ブレードピッチサイクルは、ヘリコプターの転動とピッチを制御するために使用される。これらのピッチ制御システムは、狭い範囲の用途にのみ適切である。
既存の高度ピッチ制御システムは、可変回転速度が作動中であっても、連続的、且つ自動的にブレードピッチを調節することができるが、複雑、且つ高価であるため、幅広い使用はされていない。多くのターボ機械は、ラジコン航空機のプロペラなどの小型ブレードに適切な、より簡素で安価なシステムから恩恵を受けることもあり得るのであろう。
現在、高度ピッチ制御システムは、大型風力タービンなどの大型で高価なターボ機械にほぼ独占的に適用されている。大型風力タービンの場合、これらのシステムは、通常、各ブレードに個別のモーターを備えている。各モーターはピニオンを有し、ブレードに切り込まれた歯、又はブレードへの取り付け部品に切り込まれた歯と係合する。モーターは、内部プログラミングと、風速計、温度計、回転速度計、その他センサーから得られるデータに基づいて、搭載コンピュータから電気的コマンドを受信する。このようなシステムは、機能的であるが、複雑で高価でもある。いかなるセンサーのエラーや不具合も、システムの性能を低下させ、深刻な損傷を招き、且つ／又は風力タービンの作動を完全に停止させる可能性がある。このようなシステムは、コマンド送信、設定変更、又はソフトウェアのアップデートを手動で行う際に発生し得るユーザーエラーのみならず、落雷、停電、その他電気系統の故障も受けやすい。遠隔地の高層タワーに上り、保守点検を実施する場合もあり、ダウンタイムにはコストがかかる可能性がある。従来技術は、大型ターボ機械を考慮に入れても、より簡素、且つ信頼性の高いピッチ制御システムを使用することで、改善できるであろう。
本発明は、従来技術の上記課題を解決する、ターボ機械のためのブレードピッチ制御システムである。ピッチ制御システム(100)は、少なくとも2つのブレードハウジング(2)を有するハブ(12)を含む。ブレードハウジング(2)は、ハブ軸(40)の周りの円形アレイの中に配置される。ブレード(1)のピッチに変化を生じさせるために、螺旋軌道のセグメント(43)の周りをハブ軸(40)に向かい、且つハブ軸(40)から離れて、螺旋運動することができるように、ブレード(1)は各々のブレードハウジング(2)と係合する。螺旋方向はハウジング長手軸(41)に沿う。ハブ軸(40)と直交する仮想平面(42)を考える。ハウジング長手軸(41)は、仮想平面(42)に対して角度θにあり、θの大きさは、30°以下である。
１つ以上の弾性部材(3)は、ブレード(1)をハブ軸(40)の方向へ直接的又は間接的に引き寄せる。ピッチ機構(4)は、ブレード(1)がハウジング長手軸(41)周りを螺旋運動するのを促進する。ブレード(1)は、弾性力と遠心力を受ける。弾性力は１つ以上の弾性部材から生じる。遠心力はハブ(12)の回転により生じ、これにより、ブレード(1)はハブ軸(40)の周りを回転する。各々の力は、ハウジング長手方向(41)に対抗する成分を有する。遠心力の成分が、（空気力、重力、摩擦力など、他の力を無視して）弾性力の成分を上回る時、ブレード(1)はハブ軸(40)から引き離される。遠心力の成分が弾性力の成分を下回る時、ブレード(1)はハブ軸(40)方向に引き寄せられる。
ピッチ機構(4)は、螺旋軌道(43)のセグメントに沿って伸びるガイド(5)とガイド係合部(6)を含み、ガイド(5)とガイド係合部(6)は、互いに沿った摺動又は転動に伴う拘束運動の関係を有し、ブレード(1)がハウジング長手軸(41)に沿って螺旋運動するのを促進する。
各ブレードハウジング(2)は、2つの側面、すなわち内側面(44)及び外側面(45)を有してもよい。ブレードルート(16)もまた、2つの側面、すなわち内側面(46)及び外側面(47)を有してもよい。ガイド(5)とガイド係合部(6)を構成する方法は２つある。第1のガイド(5)は、ブレードハウジングの側面(44,45)に配置し、ガイド係合部をブレードルートの側面(46,47)に配置してもよい。あるいは、各ガイドをブレードルートの側面(46,47)に配置し、ガイド係合部をブレードハウジングの側面(44,45)に配置してもよい。ブレードルート(16)とブレードハウジング(2)との間、又はガイド(5)とガイド係合部(6)との間に生じる摩擦を低減するために、1組のベアリングをブレードルート(16)及び／又はブレードハウジング(2)に配置してもよい。回転カバー(13)はハブ(12)に配置され、ハブ軸(40)の周りを回転する。回転カバーは、実質的には円蓋状又は円錐状である。
弾性部材(3)は、ハブ(12)及び／又はブレードハウジング(2)内に配置される。弾性部材(3)は、一方の端部でブレードルート(16)に、他方の端部でブレードハウジング(2)、ハブ(12)、シャフト(10)、回転カバー(13)、又はブレードウェイトアセンブリ(7)に、直接的又は間接的に取り付けてもよい。
ブレードルート(16)が対応するブレードハウジング(2)内に摺動するように、ブレードルート(16)の外径はブレードハウジング(2)の内径より小さくてもよい。あるいは、ブレードルート(16)が対応するブレードハウジング(2)上を摺動するように、ブレードルート(16)の内径は対応するハウジング(2)の外径より大きくてもよい。ブレードハウジング（2）は、全体または一部がハブ(12）内に包含されることができる、又はハブ(12)の完全に外側に位置することができる。
ピッチ制御システムはブレードウェイトアセンブリ(7)を更に備えることができ、これにより、他のブレードに対する１つのブレードのハウジング長手方向位置に、ブレード重量が与えるアンバランスな影響が、全体的又は部分的に打ち消される。ブレードウェイトアセンブリ(7)は、トラック(8)とトラック係合部(9)から成る。トラック(8)は、閉ループを形成するために、ハブ軸(40)の周りに配置される。トラック係合部(9)は、トラック(8)の周りを移動するために、拘束される。トラック(8)は、非円形断面を有すること、且つ／又はハブ軸(40)から垂直にオフセットされることができる。
ピッチ制御システムのいくつかの実施形態では、ハウジング長手軸(41)と一直線に並ぶコイルばねである、弾性部材(3)を使用してもよい。弾性部材(3)は、ハブ(12)、側壁(27)、ブレードハウジング(2)を通過し、一方の端部でブレードルート(16)に、他方の端部でブレードウェイトアセンブリ(7)に連結する。
ピッチ制御システムの好適な実施形態では、円筒状のトラック(8)を使用し、そのトラック係合部(9)もまた円筒状で、トラック(8)及びハブ軸(40)と同心円状にある。トラック係合部(9)は、トラック(8)の周りを回転する。好適な実施形態では、トラック(8)の内側面又は外側面を取り囲み、トラック係合部(9)に連結するねじりばね(48)である、弾性部材(3)を使用する。
好適な実施形態では、ハブ軸(40)の周りの円形アレイ中のロッド(19)も使用する。ロッドは各々2つの端部を有する。一方の端部はブレードルート(16)又はブレードハウジング(2)内にあり、ブレードルート(16)へ直接的又は間接的に連結する。他方の端部は、ハブの側壁(27)を通過してハブ(12)の中に入り、ここで、他方の端部はアーム(24)の一方の端部と枢動可能に連結する。アーム(24)の他方の端部は、トラック係合部(9)と枢動可能に連結する。ロッド(19)が内外に摺動する時、ロッド(19)とハブの側壁(27)とに生じる摩擦を低減するために、軸受筒(22)を使用する。ベアリング(20)は、ロッド(19)に対してブレード(1)が回転する時の摩擦を低減するために使用する。
本発明の利点は、従来技術と比較すると、
1）用途が幅広く、
2）簡素であり、
3）安価であり、
4) 維持コストが低く、
5) 耐久性が高く、
6) 信頼性が高く、
a.停電、b.電子機器の不具合、c.センサーの誤差、又はd. ユーザーエラーの影響を受けない、
ということである。
図1Aは、3枚ブレードのプロペラ又はタービンのピッチ制御システムを、重要な平面及び軸に沿って示す。
図1Bは、ブレードハウジングを面外範囲に限定したものと定義する。
図2は、モーターに取り付けられたピッチ制御システムを示す。
図3は、モーター又はジェネレーターを取り囲むハウジングを有する、ピッチ制御システムを示す。
図4は、実施形態Aに係る単一のブレード及びブレードハウジングの拡大図である。
図5は、実施形態Aの分解図である。
図6は、実施形態Aの透視分解図である。
図7 は、ブレードルートがブレードハウジング上を摺動する、実施形態Aの代替形式を示す。
図8は、ブレードルート上のガイドとブレードハウジング上のガイド係合部を示す。
図9は、低摩擦のガイド係合部を示す。
図10は、ハブ内部のブレードハウジングを備えた、実施形態Aを示す。
図11は、実施形態 Aに係る代替保持部を示す。
図12は、ブレードウェイトアセンブリを備えた、実施形態Bの断面図である。
図13は、実施形態Bに係るモーターカバーを示す。
図14は、実施形態Bに係る実施例のモーターを示す。
図15は、実施形態Bに係る、組み立てられたブレードとブレードハウジングを示す。
図16は、実施形態Bに係るブレードとブレードハウジングの分解図である。
図17は、実施例のトラック係合部の等角図である。
図18は、実施例のトラックを示す。
図19は、トラックの断面図である。
図20は、トラックの分解図である。
図21は、トラック係合部が設置されているトラックを示す。
図22は、トラック係合部を有するトラックの透視正面図であり、トラックの非円形性及び垂直オフセットを明確に示す。
図23は、トラック係合部に取り付けられた弾性部材を示す。
図24は、地球固定及びボディ固定の座標系を示す。
図25は、ブレードが受ける、重要な力及びモーメントを示す。
図26は、「法線」及び「従法線」を示す、直交座標系である。
図27は、ハブ固定座標系に対する、ガイドベースの座標系を示す。
図28は、回転カバーを取り外した状態の実施形態C を示す。
図29は、実施形態Cに係る、ブレードとブレードハウジングの分解図である。
図30は、実施形態Cに係る、ブレードとブレードハウジングの別の分解図である。
図31は、組み立てられた実施形態Cの断面図である。
図32は、実施形態Cに係る、ハブ内部の部品の分解図である。
図33は、螺旋軌道に沿って切り取られたガイドを有する、ブレードルートの外側面上の、螺旋軌道のセグメントを示す。
動力学
ブレードは、ハブの周りの円形アレイ中に配置されたブレードハウジング内に取り付けられる。すべての回転ブレードには、ハブ回転速度の2乗に比例する遠心力がかかる。回転速度が速いほど、ブレードをハブから引き離す遠心力は大きくなる。遠心力は、弾性部材により抵抗を受ける。考察のために、弾性部材が線形ばねであり、回転速度が上昇するにつれて伸びる、と一時的に仮定する。このばねが伸びる時、ブレードは、そのガイドとガイド係合部によって強制され、長手軸の周りを回転する。(プロペラの場合と同様)、回転速度の上昇に伴い厳密にピッチを増加させるように、ガイド係合部を設計することができ、又は、(タービンの場合と同様)、安全範囲でピッチを増加させ、回転速度が上昇しすぎると、ピッチを減少させ、且つ／又はゼロにするように、ガイド係合部を設計することができる。
ピッチ制御システムは非自明の設計工程を有し、これは、当業者が単独で想到し得るものではない。所定の用途に適切な設計を作成する助けとなるように、システムの動的モデルを作成し、動力学及び挙動を分析しなければならない。この工程を説明するために、実施形態Bのブレードウェイトアセンブリとの垂直面における定速ハブ回転について、動的モデル例を導出する。これは、ブレードウェイトアセンブリなし(実施形態A)での動作に対応するために、容易に変更が可能であり、実施形態Cを含むピッチ制御システムの様々な他の実施形態に関するモデリングに、洞察を与えるであろう。
同一の原点を有する地球固定及びハブ固定の座標系を定義することは有用である。図24では、XYZは地球固定座標系、xyzはハブ固定座標系を示す。両座標系の中心は、ブレードハウジングの中心線が交差する場所に位置する。X軸は縦軸、Y軸はページからはみ出しており、Z軸は横軸である。y軸及び Y軸は常に同一直線状にあるが、x軸及びz軸は、ある角度βでハブが回転する時に方向を変え、z軸が常に１つのブレードハウジングの中心線に沿ってポイントするようにする。
ブレードにかかる力及びモーメントを考慮し、外乱に対する反応など、ブレードの運動をモデル化して理解することが必要である。このような力は、空気力学、重力、ガイドとガイド係合部との相互作用、遠心力、弾性力、ブレードとブレードハウジングとの相互作用から生じる。図25に示すように、自由体図は、力及びモーメントを理解するのに有用である。
A、 C、 R、 G、４つのキーポイントがある。Aはブレードの空力中心で、空気力
Figure 0006952312
とモーメント
Figure 0006952312
がかかるポイントである。z方向の空気力は、x軸及びy軸の周りの空力モーメントと同様、無視できると想定される。
Cは、ブレード質量の中心で、遠心力
Figure 0006952312
と重量
Figure 0006952312
がかかるポイントである。ブレード重量は、ブレードが回転する時、様々なハブ固定座標方向に作用し得る。残念ながら、この重量は一般に、xz 平面で作用し、z方向の力に寄与し、その結果、各ブレードのピッチ角を最終的に設定するブレード牽引力に周期的変動をもたらすであろう。各ブレードのピッチ角が周期的に変動する時、加えられたすべての力及びモーメントの周期変動が、ブレード回転の振動数で発生するであろう。ブレード重力アセンブリは、このような影響を是正するため、周期の最上部にある時はブレード上で押し上げ、周期の底部にある時はブレード上で引き上げるように、設計されている。その結果、ブレードのz位置は、 ハブの回転速度のみに影響を受け、角度位置βには左右されないであろう。数学的には、ばねの自由長z s0を変化させることにより、ブレードウェイトアセンブリの効果を、角度位置βの関数としてモデル化することができる。
重要な考慮点は、ブレードウェイトアセンブリに関連する付加的なコスト及び複雑さを回避することかできるかどうかである。ブレードの重量は一定であり、遠心力はハブの回転速度の2乗に比例する。このため、回転速度が大きいと、遠心力がブレード重量を支配するであろう。また、先端の方向により高い質量密度を有するブレードを設計することで、ブレード重量の影響を軽減することができ、その結果、ブレード重量に対する遠心力は更に増加するであろう。共振を回避するために、このシステムは、固有振動数が回転速度領域外となるように設計することができる。このシステムの減衰もまた適用し、且つ調整してもよい。ストリングによって回転の中心に連結される、垂直面で回転する単純な点質量について、考察する。点質量が最下位置にある時、遠心力と重量は同一方向に作用し、その場合、ストリング内の張力は、
Figure 0006952312
である。ここで、ｌはストリングの長さ、gは重力の加速とする。 小型無人航空機の場合、プロペラの半径は、「ストリングの長さ」おそらく0.035 mに対応して、0.1 mとしてもよい。 小型無人航空機のプロペラ回転速度は、これらの振動数がシステムの固有振動数として回避されるように、フライト中78.5〜130.9 rad/sとしてもよい。質量及びストリングとしてモデル化される小型無人航空機の場合、重力はハブ回転速度の全範囲に亘り、遠心力の1.6%〜4.5%である。この場合、ピッチ振動は軽微であろう。故に、ブレードウェイトアセンブリを完全に省略することが実用的であり得る。回転が水平面である、又は重力なしで動作する、すべてのシステムは、ブレードウェイトアセンブリなしで完璧に良好に機能するであろう。別の例として、ブレードの長さが40 m、質量が5500 kg であり、1.05 rad/sで垂直面において回転する、典型的な大型風力タービンを考察する。この場合、重力は遠心力の67%であるため、ブレードウェイトアセンブリを必要とする。
ポイントR は、反力
Figure 0006952312
及びモーメント
Figure 0006952312
がかかると想定されるポイントである。実際には、ブレードハウジングに対するブレードルートの円滑な移動を促進するために恐らく1つ以上のベアリングを介して行われる、ルートとハウジングの相互作用についての詳細が、ブレードルート上の反力の分布に影響する。この例では、円形断面の中心にあるブレードハウジングの外側エッジで、ポイントRが引き寄せられる。発明者らが相互作用の詳細に関心を持たなければ、Rの位置は若干任意的になる。これは、適用のいかなる想定ポイントについても、正確な反力・モーメント座標系を決定することができるからである。Z方向の反力及びモーメントは、無視できるほど小さい（十分に潤滑で、摩擦がない）と想定される。弾性力
Figure 0006952312
もまた、ポイントRを通過し、幾何学的結果が得られる。
最後のキーポイントはGであり、ガイド係合部の平面において、円形断面の中心にある。反力とガイド係合部の力を分離することにより、負荷荷重に耐えるように、ガイド係合部を適切に設計することができる。この例に関しては、ガイド係合部にかかる力は、対応するモーメント
Figure 0006952312
を有し、ポイントGでかかる１つの力
Figure 0006952312
として、モデル化される。 ガイドとガイド係合部は、多くの様々な方法で設計することが可能であろう。図26 で示す例では、ガイドの深さが十分であり、ガイド係合部の先端がガイドの底面に接触するのを防ぐことができると想定される。その結果、ガイドの従法線方向
Figure 0006952312
において、ガイド係合部にかかる力はない。更に、ガイド接線方向
Figure 0006952312
において、ガイド係合部にかかる力がないように、摩擦は無視される。従って、図26に示すように、ガイドは、ガイド法線方向
Figure 0006952312
のみにおいてガイド係合部にかかる力として、モデル化される。 完全剛体のブレードが想定され、運動方程式は次のとおり導出される。
Figure 0006952312
Figure 0006952312
この６つの運動方程式は8つの未知数、すなわち、
Figure 0006952312
を有するが、トラックとローラーの相互作用に関して、より多くの方程式を書くことができる。
Figure 0006952312
導入された４つの新たな未知数、
Figure 0006952312
Figure 0006952312
と共に、３つの新たな方程式が既に書かれているが、
Figure 0006952312
は、ガイドの設計工程において決定されるであろう。その後、
Figure 0006952312
Figure 0006952312
は１つの未知関数
Figure 0006952312
になり、9つの未知数で9つの方程式ができるであろう。これが、唯一の解を持つ可解系である。
ガイドの設計は、この特定の発明に新規性がある。図27に示すとおり、
Figure 0006952312
となるように、ガイドの内側エッジから始まるg添字付き座標系を定義するのは便利である。この例では、各ガイドはブレードハウジングの中央線から一定の半径方向距離を特徴とし、円筒座標を自然にする。
Figure 0006952312
定数
Figure 0006952312
は、一変数の関数
Figure 0006952312
として表現することができる。ここで、関数
Figure 0006952312
は、ブレードが特定の
Figure 0006952312
位置に引っ張られる時、ブレードのピッチ角を決定する。特定の領域内で動作する特定のブレード設計のために、回転速度とピッチの最適な組み合わせを幾つか算出することができる。この領域内で最適な回転速度・ピッチポイントにカーブフィッティングを適用し、
Figure 0006952312
を得ることができる。変換により基本のハブ固定デカルト座標軸に戻ることで、トラックについて有用な説明が得られる。
Figure 0006952312
次に、ガイドのカーブの長さsが、zの関数として決定される。
Figure 0006952312
Figure 0006952312
などを導入して、単位法線ベクトルを
Figure 0006952312
として決定する。
遠心力は、
Figure 0006952312
としてモデル化される。
ここで、
Figure 0006952312
はブレードの質量、
Figure 0006952312
はハブの回転速度であり、
Figure 0006952312
はブレード質量の中心位置で、
Figure 0006952312
の関数である。
ハブが垂直面で回転すれば、ブレード重量はy成分を有さないであろう。この場合、ハブ固定座標系において重量に起因する力は、以下のように、ブレードの回転角に依存するであろう。
Figure 0006952312
弾性部材が動作範囲に亘り線状に伸びるばねであると仮定すると、ブレードにかかる力は、
Figure 0006952312
としてモデル化される。
ここで、
Figure 0006952312
は線形ばね定数であり、
Figure 0006952312
は、ばねの圧縮又は伸びゼロに応じた、ブレードローラーのz位置である。
Figure 0006952312
は、z方向
Figure 0006952312
におけるブレードの重量を打ち消すように設計される。
Figure 0006952312
は、ハブ回転角
Figure 0006952312
の既知関数になる。ブレードのピッチングにより、ばねは伸びるだけでなくねじれる。(1)ばねモーメントが有意であり、(2)カップリングが無視され、且つ(3)ねじれに起因するモーメントが線形である、と仮定すると、
Figure 0006952312
となる。
ここで、
Figure 0006952312
は、ねじりばね定数であり、
Figure 0006952312
は、ばねのねじれゼロに応じたピッチ角である。
上記のことから、ブレードにかかる正味の反力及びモーメントは、先に導出された運動方程式を用いて決定することができる。
確認として、ハウジングに沿ったブレードの移動により、ブレードディスクの直径に変化が生じ、その結果、特定のブレードセクションで、回転に起因する速度に変化が生じるであろう。移動が有意であれば、これらの空力効果は、提示されたモデルにおいて無視されるべきではない。そのような場合、ブレードにかかる空気力及びモーメントには、特に注意を払わねばならず、また、ブレードディスク領域の変化にも考慮しなければならない。
構造
ピッチ制御システムの様々な構造的表示について説明するために、3つの実施例を提供する。ピッチ制御システムのすべての実施例は、ブレード(1)、ブレードハウジング(2)、弾性部材(3)、ガイド(5)及びガイド係合部(6)を有するピッチ機構(4)、シャフト(10)、ハブ(12)、回転カバー(13)、モーター(14)を含む。２つの実施例は、トラック(8)及びトラック係合部(9)を有する、ブレードウェイトアセンブリ(7)を含む。
ハブ、ブレードハウジング、ブレードはすべて、シャフトと共に回転する。ブレードは、円運動を維持するために求心力を必要とし、それは、各ブレードに直接的又は間接的に連結される弾性部材によって提供される。シャフトの回転が速いほど、弾性部材の伸長とブレードの外向き移動は大きくなる。
ピッチング機構は、ブレードが長手方向に移動するたびに、長手軸の周りをピッチ回転するよう導くことによって、ブレード移動をブレードピッチングに変換する。これを達成するために、ガイドはブレードハウジング、又はブレードルートに配置される。対応するガイド係合部は、ブレードルート又はブレードハウジングに配置される。ガイドは、ガイド係合部をガイドに沿って強制的に移動させ、所望のピッチが各回転速度で達成されるようにする。ピッチング機構は、ピッチと回転速度の最適な組み合わせを維持して空力効率を最大限にするように、用途に応じて設計することができる。あるいは、より広範囲な流速を作り出す一方で、モーターにはより狭い範囲の回転速度を可能にするようなピッチング機構を設計することができる。タービンの場合、ピッチング機構は、過速度防止機能を提供し、回転速度が過度に上昇すると、ピッチを低減することができる。ピッチ機構は、通常は、ブレード回転速度と共にブレードピッチを増加させるように、設計されるであろう。 これらの場合には、各ブレードが外向きに移動するにつれて、そのピッチ角は徐々に増加する。逆に、各ブレードが内向きに移動する時、ピッチ角は徐々に減少する。
図33は、螺旋軌道(43)のセグメントをたどるブレードルート(47)の外側面に配置された、３つのガイド(5)の実施例を提供する。この実施例のガイドは設置セクション(55)を有し、これにより、ガイドは、対応するブレードハウジング(2)の内側面の周りに配置されたガイド係合部(6)上を摺動できる。これら実施例のガイドは、回転速度の上昇に伴いピッチを増加させる、漸増ピッチセクション(53)を有する。回転速度が安全閾値に近づくにつれて、ブレードは継続して外向けに移動するが、ピッチは漸減ピッチセクション(54)を介して減少するであろう。
シャフトが一定速度で回転すると、各ブレードにかかる正味の力及びモーメントのバランスは良好となり、シャフト周りの均一な円運動の状態が各ブレードによって実現される。各ブレードは、適切に設計され組み立てられた場合、長手方向にほぼ同等量移動し、ほぼ同等量ピッチする。慣性力及び空気力は、ブレードディスク上でかなり良好なバランスが保たれており、振動を誘導する傾向はほとんどない。ブレードディスク軸(ハブ軸)が垂直面に配向された(重力に対して平行である)システムにも、高回転速度のシステムにも、ブレードウェイトアセンブリは必要ない。このようなシステムの実施例は、あらゆるサイズのマルチローター（垂直に配向されたブレードディスク軸）と、より小型のラジコン飛行機のプロペラ（高回転速度）を含む。
実施形態Ａ
図1に示すとおり、複数のブレードハウジング(2)は、ハブ(12)の周りの円形アレイ中に配置されている。回転カバー(13)は、ハブに取り付けられる。図2に示すとおり、ハブ(12)はモーター(14)に取り付けられる。モーターとハブとの間にはギアボックスがあってもよい。モーターとハブの取り付け工法は、コレット、ねじ取付板、又は他の機構を含むこともあり得る。図3に示すとおり、モーターは、通常、モーターカバー(15)を用いるであろう。
ブレードハウジング(2)は、ブレード(1)をハブの周りに取り付けることを可能にする。提示された実施形態のブレードハウジング(2)は、ブレード(1)のために取付穴(28)を有する。ブレードハウジングとブレードルート(16)は、円筒管状の形状であってもよい。ブレードハウジングは、それぞれのブレードが実質的にブレード長手方向に移動するのを制限しない。ブレードハウジングに対するブレードの移動は、古典的な望遠鏡が広げられたり折り畳まれたりしているのを連想させる。ブレードハウジングに対するブレードの円滑な移動を容易にするために、ラジアルリニアベアリング、潤滑、又は他の摩擦低減システムを使用することができる。図４に示すように、ブレードルートの外径をブレードハウジングの内径よりも小さくすれば、ブレードルートはブレードハウジング内に摺動可能である。
実施形態Aでは、弾性部材(3)をコイルばねとして示す。弾性部材の各エンドプレートには、ねじ部品を収容するための穴がある(図5)。ブレードルート(図6)とハブも、前記ねじ部品を収容するための、穴を有する。各弾性部材の一方の端部は、ブレードルートに連結し、他方の端部はハブに連結する。弾性部材は、ブレードハウジングの中心とブレードルートの中心を通過する。ブレードルート及びブレードハウジングの内側面(46,44)は、弾性部材が圧縮された場合に曲がることを防ぐ。ガイドは、ブレードハウジングの内側面の周りに円周状に配置される。これらは、内側面へ切り込まれた溝として、図示されている。
ガイド係合部(6)は、ブレードルートの周りを取り囲む、突起部の円形アレイとして示される。ブレードルートがブレードハウジング内に摺動する時、ガイド係合部はガイド内に摺動する。図6に示すとおり、弾性部材の取り付けられていないほうの端部を、ハブの内側から、ブレードハウジング(2)又はハブ側壁(27)に、ボルトで固定するために、ねじ部品を使用する。
ブレードがブレードハウジングに装着されるとすぐに、保持部(11)が設置され、ブレードがブレードハウジングから抜け出るのを防ぐ。実施例の保持部は、引き開けて、ブレードハウジングの開口先端に接触させて配置し、ねじ部品で固定できるように、切り込まれたスリットを有する、弾力性のあるリングとして示される。この保持部はガイドの開口部を覆う。
実施形態Aの代替実施形態を図７に示す。ここでは、ブレードルートがブレードハウジング上を摺動するように、ブレードルートの内径がブレードハウジングの外径より大きくする。図8で示すように、保持部は、2つの別個の部品から構成することができ、これらが1つになり、ブレードルートの開口端部の中にねじで固定される。ガイドは、ブレードハウジングに位置する必要はなく、ブレードルートに配置させることもできる。図8にも示すとおり、ガイドがブレードルートに配置される場合、ガイド係合部はブレードハウジングに配置されるべきである。
図8及び図9に示すとおり、ガイド係合部は、ブレードルート又はブレードハウジングの周りの様々な長手方向位置に、2つの円形アレイを含むことができる。２つの円形アレイの長手方向の分離は、ブレードが曲がるのを支持し、ブレードルートとブレードハウジングとの結合を避け、内向き及び外向きの移動面が互いに直接接触することを防ぎ、ユーザーがラジアルリニアベアリングを省略することを可能にする。ブレードルート及びブレードハウジングのサイズに十分大きな差があれば、これらの断面形状は円形である必要はない。
図9には、ユニークなタイプの特殊摩擦低減システムを示す。このシステムのガイド係合部は2つのベアリング、１つは法線(17)、１つは従法線(18)を有する。法線ベアリングは、従法線ベアリングの軸に垂直な軸の周りを回転する。従法線ベアリングは、法線ベアリング内に位置し、使用中は、溝状ガイドの底面に接触する。従法線ベアリングには角度がついており、引きずることなく、ガイドに沿って接線方向に転動する。法線ベアリングは、溝状ガイドの幅より若干小さくなっている。その結果、法線ベアリンは、引きずることなく回転するように、1度にガイドの1つの壁のみに接触する。従法線ベアリングは、法線ベアリングの中心に設置する必要はなく、完全に分離することもできる。
ブレードハウジングは、通常、鈍器であろう。このため、液体の流れにさらされると、流れ剥離及び乱流を引き起こす可能性がある。内外径比の小さいターボ機械の場合、ブレードハウジングはハブから突き出して流れにさらされるであろうが、対応するフローの弊害は最小限になるであろう。図10に示すとおり、内外径比の大きいターボ機械の場合、ブレードハウジングをハブによって部分的に、又は完全に包むことができる。この場合、ブレードハウジングは、外部の流れにさらされないため、流れ剥離、後方乱気流、ブレードハウジング上の抵抗が低減される。
使用されるブレードは軸流ファンブレードを含め、どのタイプでも構わない(図10)。ガイドはブレードハウジング全体を切断できる。さらに、図11に示すように保持部分はハブの内側に配置されたスナップリングからなり得る。
実施形態Ｂ
いくつかの用途では、ハウジング長手方向に作用するブレード重量の成分を打ち消すために、ブレードウェイトアセンブリを含む必要がある。ブレードウェイトアセンブリは、シャフト周りのブレードの回転角に関係なく、この成分を打ち消すことができる。各ブレードの重量に伴い、且つハブ軸の配向が水平(重力方向に垂直)に近づく程度に伴い、ブレードウェイトアセンブリの必要性は増加する。また、ハブの回転速度の上昇に伴い、ブレードウェイトアセンブリの必要性は減少し、ハブ軸が垂直(重力方向に平行)である時に、その必要性はゼロになる。実施形態Bのブレードウェイトアセンブリは、ブレード・ディスク配向が有意に変動する用途(例えば、フルスケールプロペラ駆動戦闘機)には適切でない。
図12は実施形態Bを示す。モータハウジング(15)の内部に、モーター(14)がある。モーターとモーターハウジングを、図13と図14にそれぞれ示す。この実施例の場合、ハブ(12)のバックプレート(26)は、モーターのシャフト(10)に溶接されるプレートにボルトで固定される。一般に、ハブをシャフトに取り付ける方法は、数多く様々あり、そのいずれも使用することができる。実施形態Bでは、回転カバー(13)が、その外周にあるハブの側壁(27)に、ねじ部品で取り付けられる。ブレードハウジングは、バックプレートと側壁を一体化して、形成することができる。あるいは、ブレードハウジングは個別に作った後、ブレードハウジングの外側面にねじ山を配置し、対応するねじ穴を側壁に配置することにより、側壁に取り付けることができる。留め具のアレイを用いる、又は接着剤で接合するなど、ハブの側壁と個別に作ったブレードハウジングを接合する方法は他にも数多くある。使用する技術に関わらず、設置後、ブレードハウジングとガイドの適切な配向を確実にするように、配慮すべきである。
図15に示すとおり、実施形態Bでは、トラック係合部(9)が ローラーとして示される。図16に示すとおり、トラック係合部は、複数のボルトによって弾性部材に取り付けられる。他の取付方法も同様に有効である。実施形態Bは8つの車輪を有する（図17）が、使用する車輪の数はこれより多くても少なくてもよい。実施形態Bに類似した実施形態では、１つのトラック係合部につき、少なくとも4つの車輪が推奨される。
ブレードウェイトアセンブリのトラック(8)は、円形である必要のない閉ループを形成する（図18）。図示されている実施形態の場合、トラックは、3つの同心部を利用して建造された2つの平行した長方形水路に類似しているが(図19)、これも円形である必要はない。最後部の同心部は、ねじ部品により、モーターハウジングに固定される。各同心部は、その外周に配列された穴を有し、この穴を介して他の同心部と一緒に互いに固定される(図20)。トラック(8)の3つの同心部が一緒に固定される時、トラック係合部はトラック内に配置される(図21)。トラック係合部は、トラックに沿って移動するために拘束され、同心部を分解することなく、トラックから取り外すことはできない(図22)。トラックはハブ軸から垂直にオフセットされ、各ブレードにトラック係合部が１つずつある。
弾性部材(3)はコイルばねであり、一方の端部でトラック係合部(9)に(図23)、他方の端部でブレードルート(16)に取り付けられ、すべての取り付けには、ねじ部品を使用する。実施形態Aの場合と同様に、ブレード(1)は保持部(11)を用いて、ブレードハウジング内に保持される。
ハブは、円筒状ブレードハウジングの内径と類似した直径の穴を有する(図12、図16)。実施形態Bでは、弾性部材は、側壁及びブレードハウジングの穴を通過してブレードルートに連結する、ばねとして図示されている。ブレードハウジングはトラックに向かって内側に更に拡張され、圧縮中に弾性部材がねじれるのを防ぐ、ということに留意すべきである。また、トラックと側壁との間隙における弾性部材の横変形も防ぐ。
トラック係合部は、トラックに沿って強制的に移動するため、各弾性部材の一方の端部もトラックに沿って強制的に移動する。これには、シャフトが回転する時に、弾性部材の内端を移動させる効果がある。弾性部材の内端の移動は長手方向で各ブレードの重量を打ち消すように設計される。
ブレードはシャフトと共に周期的に回転するが、ブレード重量のベクトルは常に下方にポイントする。重量ベクトル成分は、ブレード長手方向にポイントし、遠心力ベクトルから加算又は減算する場合がある。その結果、遠心力に対し、ブレード重量による不要な周期的寄与が生じる。
ブレードディスク軸が水平(重力に対して垂直)であり、ブレードが最下位置にある時、ブレード重量は遠心力を増大させ、そのため、取り付けられた弾性部材は過度に引張変形するであろう。その結果、ブレードは極端に下方に移動するであろう。これに対抗するために、トラックは、弾性部材の内端を、ハブ軸に向かって上方に強制的に移動させる(図22)。ブレードが回転の最上部にある時は、逆のことが起こり、ブレード重量は遠心力に対抗する。この場合、弾性部材の引張変形が不十分であるため、ブレードの上方への移動は不十分となるであろう。これを補うため、トラックは弾性部材の内端を、ハブ軸から離れて、更に上方へ強制的に移動させる。ハブ軸はシャフトと同一直線状にある。
実施形態Ｃ
実施形態C は、ロッド(19)、ベアリング(20)、リテーナ(21)、軸受筒(22)、コネクタ(23)、アーム(24)、ピン(25)などの追加部品を含む。図28は、回転カバーが取り外された状態の実施形態Cの全体等角図である。
実施形態Cでは、ブレード(1)とブレードハウジング(2)は以下のように組み合わされている。個別に作られた袖状のガイド（5）はブレードハウジング（2）に挿入される。ガイドは１つ以上のキー(29)を有し、ブレードハウジングは1つ以上のキーホール(30)を有する。図29に示すとおり、キーとキーホールは係合し、ガイドとガイドハウジング間の回転を防ぐ。
ロッド(19)はベアリング(20)に挿入され、リテーナ(21)を通過する。ベアリングはリテーナ内のくぼみの中に取り付けられる。リテーナはその外周にねじ山を有する。図30に示すとおり、各ブレードルート(16)は、円筒状の内表面に沿ってねじ山を有する。リテーナ(21)はブレードルート(16)にねじ込まれ、ロッド(19)とベアリング(20)をブレードルートに連結させる。ベアリング(20)はスラスト軸受であり、ロッド(19)はブレードの長手方向に沿って摺動することができるが、ロッド(19)は一方の端部にヘッドを有し、ロッドがブレードルート、ベアリング、リテーナから完全に引き抜かれるのを防ぐ。ブレードルートの深さは不十分であり、ロッドが内部に摺動しすぎるのを可能にするほどではない。図31に示すとおり、各ロッドの他方の端部には、後にアーム(24)に連結するためのピン(25)を収容する穴がある。
各ブレードハウジングの根元は、穴を有する。この穴は、ハブ(18)の側壁（27）を通る。軸受筒(22)は各穴に設置される。ブレードルートは、ガイド(5)内に摺動するガイド係合部(6)を有する。同時に、ロッドは軸受筒と側壁を通過し、ハブ内に摺動する。止め輪状の保持部(11)は、各ブレードハウジングの外側部に設置され、対応する袖状ガイド及びブレードルートを固定する。各ロッド(19)の自由端は、各アーム(24)の一方の端部にピンで固定される。
図28に示すとおり、実施形態Cは、ブレードウェイトアセンブリ(7)を有する。このアセンブリは、実質的に棒状又は管状であり、ハブの中心に位置し、ハブの回転軸と一直線上に並ぶ、トラック(8)を１つのみ所有する。管状のトラックは、バックプレート(26)の内側面から外向きに突起する。トラック係合部（9）は１つのみあり、これも実質的には管状又はリング状であり、トラック上を摺動し、トラック底面付近のすぐ手前で止まる。トラックとトラック係合部は同心円状にある。
ねじりコイルばね形状の弾性部材(3)は、トラックを取り囲んで、トラック上を下方に摺動する。あるいは、弾性部材は、トラック係合部上を下方に摺動することも可能であろう。弾性部材は、一方の端部でトラックに、他方の端部でトラック係合部に固定される。トラック係合部はトラックの周りを回転することができるが、トラックに沿って移動することはできない。トラック係合部の回転は、弾性部材によって抵抗される。
図32に示すとおり、トラック係合部は、その周りに配置された取付部を有する。各アームの一方の端部は、取付部にピンで固定され、他方の端部は、ロッドにピンで固定される。ピンで固定された接合部により、対応するトラック係合部とロッドに対する、各アームの平面回転が可能である。実施形態Cのピン(25)は、1つのヘッドを有するクレビスピンとすることができる(図32)。
管状トラックの内表面上部は、回転カバー(13)の設置を容易にするために、ねじ山を有する。回転カバーは、ハブの上流側と係合し、ハブと同軸である。回転カバーは、円蓋状又は円錐状の内表面の中心から内向きに突起する、中央の管状コネクタ(23)を有する。コネクタ(23)は、一方の端部にねじ山を有し、回転カバーがトラックにねじ込まれるのを可能にする。あるいは、コネクタはトラックよりも大きい内径を有し、トラック上にねじで固定することができる。回転カバー(13)の開口端の外周にステップがある。このステップは、側壁(27)の開口端に沿って、１つのステップと係合し、回転カバーと側壁との間に滑らかな連続面を提供する。
ハブが回転する時、モーメントが回転カバーの周りにかかり、ハブを締め付けやすくする。同時に、遠心力はブレードを外向きに引っ張り、ロッドを外向きに移動させる。外向きの移動はピンで固定されたアームを介して、トラック係合部の回転に変換される。トラック係合部周りのモーメントのバランスがとれた時、外向きの移動は停止する。このバランスは、変形した弾性部材から発生するモーメントとブレードにかかる遠心力から発生するモーメントとの間に生じる。
3つのすべてのブレードは、ブレード重量又はブレード配向に関わらず、機械的に強制されて、同一の回転速度で同一のピッチを有する。ブレードディスクの底面付近のブレードは、外向きの力を増大させるであろう。同時に、ブレードディスクの最上部付近の他のブレードは、外向きの力を減少させるであろう。この方法で、ブレード重量の影響は、ブレードディスクの傾斜角又は重力の局所的加速に関わらず、自動的に打ち消される。これは、宇宙、火星、水平面、垂直面、又はその中間のどこにおいても、同様に良好に機能するであろう。実施形態Cのブレードウェイトアセンブリにより、すべてのブレードは機械的強制されて、同一の長手方向位置及びピッチを同時に有する。ガイドの1つに過剰な摩擦が生じた場合、対応するブレードは他のブレードのピッチ角から逸脱しないであろう。
記載されたピッチ制御システムは、停電、センサーの誤差、又はユーザーエラーに影響を受けない、純粋に機械的な機構を採用する。この手法は、システムの信頼性を高める。全体的な構造は、非常にシンプルである。かなり低い製造費及び維持費が期待できる。
本発明の上記明細書は、現在その最良の形態と考えられるものを、一人の当業者が作り、使用することを可能にする一方で、当業者らは、本明細書に記載される特定の実施形態、工程、実施例の変更、組み合わせ、均等物の存在を理解し、認識するであろう。従って、本発明は、上記実施形態、工程、実施例によってではなく、本発明の範囲内及び趣旨内のすべての実施形態及び工程によって限定されるべきである。
定義
「シャフト」は、その周りをハブ及びブレードが回転する軸のことを指す。このシャフトはモーターに直接、あるいは、ギアボックス又は別の1組のリンクを介して、連結してもよい。
本特許のための「モーター」は、モーター、エンジン、ジェネレーターを含むと解釈される。「モーター」は回転ブレードを駆動する、又は回転ブレードによって駆動される。
「弾性部材」は、ブレードハウジングに対するブレードの移動に抵抗することができる、直接的又は間接的にブレードに連結された、あらゆる非剛性の部品又は1組の部品を指す。
「ガイド」は、あらゆるトラック、溝、スロット、チャネル、パス、レール、バー、ロッド、又は、適切に設計されたガイド係合部をそれに沿って強制的に移動させる他の装置を指す。「ガイド」は、具体的にはピッチ機構に適用される。
「ガイド係合部」は、あらゆる突起部、ペグ、凸縁（トング）、ローラー、ホイール、スライダー、リング、又は、ガイドに沿って強制的に移動させられるように、ガイドと係合することができる、他の装置を指す。「ガイド係合部」は、具体的にはピッチ機構に適用される。
「トラック」は、あらゆるトラック、溝、スロット、チャネル、パス、レール、バー、ロッド、チューブ、又は、適切に設計されたトラック係合部を、それに沿って強制的に移動させる、他の装置を指す。「トラック」は、具体的にはブレードウェイトアセンブリに適用される。
「トラック係合部」は、あらゆる突起部、凸縁（トング）、ローラー、ホイール、スライダー、カラー、チューブ、又は、トラックに沿って強制的に移動させられるように、トラックと係合することができる、他の装置を指す。「トラック係合部」は、具体的にはブレードウェイトアセンブリに適用される。
「保持部」は、ブレードが外向きに移動しすぎて、それぞれのブレードハウジングから滑り出る又は滑り落ちるのを防ぐ、あらゆる部品を指す。保持部はリング状である必要はない。
「ピッチ機構」は、ブレードがブレードハウジングに対して移動する時、ブレードを強制的にピッチさせるために使用される、あらゆる機構又は1組の機構を指す。
「ブレードウェイトアセンブリ」は、ブレードピッチ角に対するブレード重量の影響を部分的に又は完全に打ち消す、部品アセンブリを指す。
「螺旋の」（”Helical”及び”Spiral”）は、平面が柱面の周りに巻き付けられる時、その平面に描かれるあらゆる線によって形成される、曲線、又は曲線に沿う運動を指す。
「あらゆる線」とは、曲線状であり、且つ/又は不連続の導関数を有する(滑らかでない)線を含む。
「円筒」「円筒状の」及び「円筒状に」は、直円柱、固体円柱、又は円柱に限定されるものと解釈されるべきではない。
1 ブレード
2 ブレードハウジング
3 弾性部材
4 ピッチ機構
5 ガイド
6 ガイド係合部
7 ブレードウェイトアセンブリ
8 トラック
9 トラック係合部
10 シャフト
11 保持部
12 ハブ
13 回転カバー
14 モーター
15 モーターカバー
16 ブレードルート
17 法線ベアリング
18 従法線ベアリング
19 ロッド
20 ベアリング
21 リテーナ
22 軸受筒
23 コネクタ
24 アーム
25 ピン
26 バックプレート
27 側壁
28 取付穴
29 キー
30 キーホール
31 取付部
40 ハブ軸
41 ブレードハウジング長手軸
42 仮想平面
43 螺旋軌道のセグメント
44 ブレードハウジングの内側面
45 ブレードハウジングの外側面
46 ブレードルートの内側面
47 ブレードルートの外側面
48 ねじりばね
49 ロッドの第1端部
50 ロッドの第2端部
51 アームの第1端部
52 アームの第2端部
53 漸増ピッチセクション
54 漸減ピッチセクション
55 設置セクション
100ピッチ制御システム

Claims (17)

  1. （ａ）ハブ（１２）と、
    （ｂ）ハブ軸（４０）を中心に、ハブ（１２）に配置されたブレードハウジング（２）と、
    （ｃ）ハブ軸（４０）に直交する仮想平面Ｂ（４２）と、
    （ｄ）ブレードハウジング（２）と係合するブレード（１）を備え、
    （ａ）ブレード（１）は、そのピッチに変化を生じさせるために、螺旋軌道のセグメント（４３）の周りでハブ軸（４０）に向かって、且つ、ハブ軸から離れて螺旋運動するように構成されており、螺旋方向はブレードハウジング長手軸（４１）に沿い、ブレードハウジング長手軸（４１）は平面Ｂ（４２）に対して角θを有し、角θは｜θ｜≤３０°と定義される大きさを有し、
    （ｂ）ここでは、少なくとも２つのブレード（１）及びブレードハウジング（２）があり、更に、
    （ｅ）ブレード（１）をハブ軸（４０）の方向に直接的又は間接的に引き寄せる、弾性部材（３）と、
    （ｆ）ブレード（１）がブレードハウジング長手軸（４１）の周りで螺旋運動することを促進するのに有効な、ピッチ機構（４）を備え、
    （ａ）遠心力が他の力を無視し、ハウジング長手方向において対抗する弾性力よりも大きい時、ブレード（１）はハブ軸（４０）から離れ、ここでは、 遠心力と弾性力の両方がブレード（１）にかかり、遠心力はハブ（１２）の回転から生じ、弾性力は１つ以上の弾性部材（３）から生じ、又は
    （ｂ）前記遠心力が他の力を無視し、ハウジング長手方向において、前記弾性力よりも小さい時、ブレード（１）はハブ軸（４０）に向かい、
    前記ピッチ機構（４）は、
    （ａ）螺旋軌道のセグメントに沿って伸びるガイド（５）と、
    （ｂ）ガイド係合部（６）を含み、
    ブレード（１）がブレードハウジング長手軸（４１）に沿って螺旋運動するのを促進するために、ガイド（５）とガイド係合部（６）が互いに沿って摺動又は転動に伴う拘束運動関係を有し、
    （ａ）弾性部材は、ハブ（１２）又はブレードハウジング（２）内に配置され、
    （ｂ）弾性部材（３）の第１の端部は、ブレードルート（１６）に直接的又は間接的に取り付けられ、
    （ｃ）弾性部材（３）の第２の端部は、ブレードハウジング（２）、ハブ（１２）、シャフト（１０）、回転カバー（１３）、又はブレードウェイトアセンブリ（７）に直接的又は間接的に取り付けられる、ことを特徴とするピッチ制御システム（１００）。
  2. （ａ）ガイド（５）は、ブレードハウジング（２）の側面（４４，４５）に配置され、
    （ｂ）ガイド係合部（６）は、ブレードルート（１６）の側面（４６， ４７）に配置される、請求項１に記載のピッチ制御システム（１００）。
  3. （ａ）ガイド（５）はブレードルート（１６）の側面（４６， ４７）に配置され、
    （ｂ）ガイド係合部（６）は、ブレードハウジング（２）の側面（４４， ４５）に配置される、請求項１に記載のピッチ制御システム（１００）。
  4. １組のベアリング（２０）は、ブレードルート（１６）及び／又はブレードハウジング（２）に配置され、ブレードルート（１６）とブレードハウジング（２）との摩擦を低減するのに有効である、請求項１に記載のピッチ制御システム（１００）。
  5. （ａ）ブレードルート（１６）の外径は、対応するブレードハウジング（２）の内径よりも小さく、
    （ｂ）ブレードルート（１６）は、対応するブレードハウジング（２）内に摺動する、請求項１に記載のピッチ制御システム（１００）。
  6. （ａ）ブレードルート（１６）の内径は、対応するハウジング（２）の外径よりも大きく、
    （ｂ）ブレードルート（１６）は、対応するブレードハウジング（２）上を摺動する、請求項１に記載のピッチ制御システム（１００）。
  7. ブレードハウジング（２）は全体的又は部分的にハブ（１２）内に包含される、請求項１に記載のピッチ制御システム（１００）。
  8. ブレードハウジング（２）はハブ（１２）の完全に外側にある、請求項１に記載のピッチ制御システム（１００）。
  9. ブレードウェイトアセンブリ（７）を更に備え、他のブレードに対してブレードのハウジング長手方向位置にブレード重量が与えるアンバランスな影響を全体的又は部分的に打ち消す、請求項１に記載のピッチ制御システム（１００）。
  10. ブレードウェイトアセンブリ（７）は、
    （ａ）ハブ軸（４０）の周りに配置され、閉ループを形成するトラック（８）と、
    （ｂ）トラック（８）の周りを移動することを拘束される、トラック係合部（９）を備える、請求項９に記載のピッチ制御システム（１００）。
  11. トラック（８）は、ハブ軸（４０）から垂直にオフセットされる非円形断面又は中心を有する、請求項１０に記載のピッチ制御システム（１００）。
  12. 弾性部材（３）は、
    （ａ）ハウジング長手軸（４１）と一直線上になっており、
    （ｂ）ハブ（１２）、側壁（２７）、ブレードハウジング（２）を通過し、
    （ｃ）一方の端部でブレードルート（１６）に、他方の端部でブレードウェイトアセンブリ（７）に連結する、
    コイルばねであり、請求項１１記載のピッチ制御システム（１００）。
  13. （ａ）トラック（８）は円筒状であり、
    （ｂ）トラック係合部（９）は円筒状で、トラック（８）と同心であり、
    トラック係合部（９）はトラック（８）の周りを回転する、請求項１０に記載のピッチ制御システム（１００）。
  14. （ａ）第１の端部と第２の端部を有するロッド（１９）と、
    （２）第１の端部と第２の端部を有するアーム（２４）であり、ロッド（１９）の第１の端部は、ブレードルート（１６）又はブレードハウジング（２）内にあり、ハブ（１２）の側壁の穴を通過し、ロッド（１９）の第２の端部はアーム（２４）の第１の端部に軸動連結し、アームの第２の端部はトラック係合部（９）に軸動連結する、アーム（２４）とを、
    更に備える、請求項１３記載のピッチ制御システム（１００）。
  15. 弾性部材（１３）は、トラック（８）の内部又は外部を取り囲み、トラック係合部（９）に連結する、ねじりばね（４８）である、請求項１４に記載のピッチ制御システム（１００）。
  16. （ａ）軸受筒（２２）はロッド（１９）の周りに配置され、ロッド（１９）が側壁（２７）を通ってハブ（１２）の内外に摺動する時の摩擦低減に有効であり、
    （ｂ）ベアリング（２０）は、ブレード（１）がロッド（１９）に対して回転する時に摩擦を低減する、請求項１４に記載のピッチ制御システム（１００）。
  17. ハブに配置され、ハブ軸（４０）の周りを回転する、回転カバー（１３）を更に備え、回転カバー（１３）は実質的に円蓋状又は円錐状である、請求項１に記載のピッチ制御システム（１００）。

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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111278733B (zh) * 2017-10-25 2023-06-02 理念科技有限公司 自平衡螺旋桨组件
CN110285014B (zh) * 2019-07-02 2024-08-16 中国大唐集团新能源科学技术研究院有限公司 独立变桨叶片
WO2021030630A2 (en) * 2019-08-14 2021-02-18 Unmanned Aerospace Llc Aerial vehicle
CN114641610A (zh) * 2019-10-30 2022-06-17 通用电气公司 用于使用变桨马达信号来防止风力涡轮中的变桨轴承故障的系统及方法
IT202000010372A1 (it) * 2020-05-08 2021-11-08 Matteo BABETTO Elica a passo variabile
CN118358747B (zh) * 2024-06-19 2024-08-16 西北工业大学 一种基于离心载荷的两级自动变距螺旋桨

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1404403A (en) * 1921-01-12 1922-01-24 Ray L Sturm Airplane propeller
US1986752A (en) * 1933-08-07 1935-01-01 Rorvik John Self-governed wind motor
FR843495A (fr) * 1937-09-17 1939-07-04 Hélice à pas automatiquement variable
US4952119A (en) * 1989-09-21 1990-08-28 Phoenix Industries Of Crookston Ltd. Tip brake mechanism for a wind generator blade
US5286166A (en) * 1992-05-19 1994-02-15 Steward Richard B Automatic centrifugal force variable pitch propeller
JP2004060646A (ja) * 2002-06-05 2004-02-26 Furukawa Co Ltd 風車の起動風速低減装置
US6761533B2 (en) * 2002-07-31 2004-07-13 Natus Technology Corp. Pitch governing assembly for windmills
JP4361063B2 (ja) * 2005-05-30 2009-11-11 隆信 福岡 風力発電装置
US7581929B2 (en) * 2005-10-13 2009-09-01 Hamilton Sundstrand Corporation Rotational airfoil balance system
US20070205603A1 (en) * 2006-03-03 2007-09-06 Karl Appa Methods and devices for improving efficiency of wind turbines in low wind speed sites
US10526076B2 (en) * 2007-04-24 2020-01-07 Textron Innovations Inc. Rotor hub vibration attenuator
US9452828B2 (en) * 2007-04-24 2016-09-27 Textron Innovations Inc. Rotor hub vibration attenuator
FR2926535B1 (fr) * 2008-01-23 2011-08-12 Eurocopter France Dispositif et procede d'equilibrage dynamique d'une pale
JP2012067737A (ja) * 2010-09-21 2012-04-05 Ａｍｉｔｙ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ 株式会社 風力発電機
JP6505990B2 (ja) * 2014-07-08 2019-04-24 国立大学法人鳥取大学 ダリウス型垂直軸風車
CN105775109A (zh) * 2015-12-29 2016-07-20 王伟 自变距螺旋桨与其专用电机和装配该装置的飞行器
CN105539837A (zh) * 2015-12-30 2016-05-04 王伟 一种自动变桨螺旋桨与自动変桨旋翼机
CN105620728B (zh) * 2016-02-26 2017-08-11 西北工业大学 一种能够变桨径桨距的螺旋桨
CN106081067A (zh) * 2016-07-04 2016-11-09 王伟 一种变距螺旋桨与装配该装置的飞行器
CN106043671A (zh) * 2016-07-09 2016-10-26 王伟 一种变距螺旋桨与装配该装置的飞行器

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