JP7008584B2 - ブレード及びこのブレードを備える回転体 - Google Patents

Description

本開示は、ブレード及びこのブレードを備える回転体に関する。

船舶のプロペラやポンプのインペラのように、液体中で回転することによって揚力を発生させる回転体は、液体中に発生する渦によって揚力が生じるため、渦の発生を避けることができない。渦が発生すると、回転体を含む回転機械において振動、騒音、及びエロージョンの原因となる。

一般に、渦のサイズが小さくなるほど渦の強度が増し、キャビテーションの発生リスクが高くなる。渦のサイズは、液体が巻き上がる領域における局所境界層の厚さに依存するため、局所境界増の厚さを変更して渦のサイズを大きくする技術が提案されている。

このような技術として、例えば特許文献１及び２にはそれぞれ、液体中で回転する回転体ではないが、エアブロアのインペラ及び航空機の翼にウィングレットを設けることが記載されている。また、例えば特許文献３及び４にはそれぞれ、航空機の翼に、空気の噴流を吹くノズルを設けることが記載されている。

米国特許第６９９４５２３号明細書 米国特許出願公開第２０１５／０２１７８５８号明細書 米国特許第８０１６２４４号明細書 米国特許第７２７０２１４号明細書

しかしながら、プロペラやインペラのような回転体のブレードにウィングレットやノズルを設けると、推進力の低下や振動の発生等の副作用が発生するといった問題点があった。

上述の事情に鑑みて、本開示の少なくとも１つの実施形態は、キャビテーションの発生を抑制したブレード及びこのブレードを備える回転体を提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも１つの実施形態に係るブレードは、
液体中で回転する回転体に設けられたブレードであって、
前記ブレードの圧力面は、疎水性処理された部分を含み、前記ブレードの負圧面は、親水性処理された部分を含む。

ブレードを備える回転体が液体中で回転するとき、ブレードの圧力面から負圧面に回り込む流れが生じ、ブレードのチップ部で剥離が生じて渦が発生する。上記（１）の構成によると、ブレードの圧力面に疎水性処理された部分が存在することにより、ブレードの圧力面に沿った流れが加速されるので、圧力面に疎水性処理された部分がない場合と比べて、チップ部で剥離して負圧面側に回り込む流れが加速され、負圧面側に回り込むことによって形成される渦のサイズは大きくなる。また、ブレードの負圧面に親水性処理された部分が存在することにより、ブレードの負圧面に沿った流れを減速させるので、負圧面に親水性処理された部分がない場合と比べて、渦を形成する流れの負圧面による減速の程度が大きくなる。この結果、渦を形成する流れの流速が最大となる位置と渦心との間の圧力降下が小さくなるので、キャビテーションの発生を抑制することができる。

（２）いくつかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記疎水性処理された部分は、前記圧力面において前記ブレードのチップ部を含む領域に位置し、前記親水性処理された部分は、前記負圧面において前記ブレードのチップ部を含む領域に位置する。

ブレードのチップ部を含む領域で主に渦が発生するが、上記（２）の構成によると、ブレードの圧力面及び負圧面のそれぞれにおいて主に渦が発生する領域に疎水性処理された部分及び親水性処理された部分を設けることにより、確実にキャビテーションの発生を抑制することができる。

（３）いくつかの実施形態では、上記（２）の構成において、
前記疎水性処理された部分は、前記ブレードの前縁を含む領域にさらに位置する。

ブレードの圧力面に沿った流れは必ずブレードの前縁を通るが、上記（３）の構成によると、ブレードの前縁を含む領域に疎水性処理された部分が存在することにより、ブレードの圧力面に沿った流れを確実に加速することができるので、発生する渦の大きさを確実に大きくすることができる。

（４）いくつかの実施形態では、上記（２）または（３）の構成において、
前記親水性処理された部分は、前記ブレードの前縁から後縁に向かって、前記前縁から前記後縁に向かう方向に対して交差する方向の幅が広くなるように構成されている。

ブレードの後縁側ほど、チップ部を含む領域において圧力面から負圧面に回り込む流れが多くなるので、上記（４）の構成によると、前縁から後縁に向かう方向に対して交差する方向の親水性処理された部分の幅が広くなっていることにより、渦を形成する流れを親水性処理された部分によって確実に減速することができる。

（５）いくつかの実施形態では、上記（１）～（４）のいずれかの構成において、
前記疎水性処理された部分及び前記親水性処理された部分を両方含むように前記ブレードを切断した断面において、前記疎水性処理された部分と前記親水性処理された部分との間に、疎水性処理及び親水性処理のいずれも施されていない未処理部分が設けられている。

疎水性処理された部分と親水性処理された部分との間に未処理部分が存在しないと、ブレードの圧力面から負圧面に回り込む流れが親水性処理された部分によって減速されてしまい、渦のサイズを大きくする効果が低下してしまうおそれがある。しかし上記（５）の構成によると、疎水性処理された部分と親水性処理された部分との間に未処理部分が存在することにより、親水性処理された部分による減速のおそれが低下するので、より確実に渦のサイズを大きくすることができる。

（６）いくつかの実施形態では、上記（５）の構成において、
前記未処理部分は前記負圧面に位置する。

圧力面に沿った流れが負圧面に回り込んだ後に渦が発生するので、渦は負圧面側に生じる。上記（６）の構成によると、未処理部分が負圧面に位置することにより、圧力面から負圧面に回り込む水の流れが親水性処理された部分によって減速されるおそれをより確実に低下することができるので、より確実に渦のサイズを大きくすることができる。

（７）いくつかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記疎水性処理された部分は前記圧力面の全面に位置し、前記親水性処理された部分は前記負圧面の全面に位置する。

上記（７）の構成によると、圧力面の全面に疎水性処理を施すとともに負圧面の全面に親水性処理を施せばよいので、疎水性処理及び親水性処理の作業性を向上することができる。

（８）いくつかの実施形態では、上記（１）～（７）のいずれかの構成において、
前記疎水性処理された部分の接触角は１５０°以上である。

上記（８）の構成によると、疎水性処理された部分は、接触角が１５０°以上の超疎水性処理された部分であるので、ブレードの圧力面に沿った流れをより確実に加速することができるので、発生する渦の大きさをより確実に大きくすることができる。

（９）本発明の少なくとも１つの実施形態に係る回転体は、
ハブと、
前記ハブに設けられた上記（１）～（８）のいずれかのブレードと
を備える。

上記（９）の構成によると、キャビテーションの発生を抑制した回転体を提供することができる。

本開示の少なくとも１つの実施形態によれば、ブレードの圧力面に疎水性処理された部分が存在することにより、ブレードの圧力面に沿った流れが加速されるので、圧力面に疎水性処理された部分がない場合と比べて、チップ部で剥離して負圧面側に回り込む流れが加速され、負圧面側に回り込むことによって形成される渦のサイズは大きくなる。また、ブレードの負圧面に親水性処理された部分が存在することにより、ブレードの負圧面に沿った流れを減速させるので、負圧面に親水性処理された部分がない場合と比べて、渦を形成する流れの負圧面による減速の程度が大きくなる。この結果、渦を形成する流れの流速が最大となる位置と渦心との間の圧力降下が小さくなるので、キャビテーションの発生を抑制することができる。

本開示の実施形態１に係るブレードを圧力面側から見た図である。 本開示の実施形態１に係るブレードを負圧面側から見た図である。 ブレードの正圧面から負圧面に水が回り込む際に渦が発生する原理を説明するための断面図である。 渦心からの距離と渦を形成する水の流速との関係を示すグラフである。 本開示の実施形態１に係るブレードの変形例の断面図である。 本開示の実施形態２に係るブレードを含む回転体の概略図である。

以下、図面を参照して本発明のいくつかの実施形態について説明する。ただし、本発明の範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、本発明の範囲をそれにのみ限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

（実施形態１）
図１に示されるように、本開示の実施形態１に係るブレード１０は、回転体であるプロペラのハブ１に設けられている。尚、このプロペラは、例えば船舶に取り付けられたプロペラのように、水中で回転するプロペラである。ブレード１０の圧力面１１は、ブレードの前縁１３、後縁１４、ハブ側側縁１５及びチップ部１６によって画定されている。図２に示されるように、ブレード１０の負圧面１２も、ブレードの前縁１３、後縁１４、ハブ側側縁１５及びチップ部１６によって画定されている。

図１に示されるように、圧力面１１の一部の領域、すなわち、少なくともチップ部１６を含む領域Ａ、好ましくは、前縁１３及びチップ部１６を含む領域Ｂに疎水性処理が施されている（尚、領域Ａは領域Ｂの一部である）。すなわち、領域Ａ又は領域Ｂは、疎水性処理された部分である。疎水性処理は任意の方法で行うことができ、例えば、コーティング剤の塗布、膜形成、表面処理等を用いることができる。

図２に示されるように、負圧面１２の一部の領域、すなわち、少なくともチップ部１６を含む領域Ｃに親水性処理が施されている。すなわち、領域Ｃは、親水性処理された部分である。親水性処理は任意の方法で行うことができ、例えば、コーティング剤の塗布や膜形成等を用いることができる。

次に、プロペラが回転する際のブレード１０の圧力面１１及び負圧面１２に沿った水の流れについて説明する。
図１に示されるように、プロペラが水中で回転すると、水が前縁１３を横切って圧力面１１に沿って流れる（水の流れＦ）。領域Ａから離れた位置で圧力面１１に沿って流れる水の流れＦ（破線の矢印で描かれた流れ）は、後縁１４を横切ってブレード１０から離れていく。一方、領域Ａに沿った水の流れＦ（実線の矢印で描かれた流れ）は、チップ部１６付近で負圧面１２（図２参照）に回り込む（水の流れＦ’）。また、図２に示されるように、負圧面１２側でも水は、前縁１３を横切って負圧面１２に沿って流れ（水の流れＦ）、後縁１４を横切ってブレード１０から離れていく。圧力面１１（図１参照）から負圧面１２に回り込む水の流れＦ’は、負圧面１２側で渦ＳＷを形成する。

図３（ａ）は、圧力面１１及び負圧面１２のそれぞれに疎水性処理及び親水性処理が施されていないブレード１０において、渦ＳＷ’が形成される原理を示している。圧力面１１から負圧面１２に回り込む水の流れＦ’は、チップ部１６で剥離して負圧面１２側に回り込むことによって渦ＳＷ’を形成する。これに対し、図３（ｂ）に示されるように、実施形態１に係るブレード１０には、圧力面１１に疎水性処理された部分（領域Ａ又はＢ）が存在する。疎水性処理された部分では、圧力面１１に沿った水の流れＦは加速されるので、渦ＳＷ’と比べて、チップ部１６で剥離して負圧面１２側に回り込む水の流れＦ’が加速される。このため、負圧面１２側に回り込むことによって形成される渦ＳＷが崩されるので、渦ＳＷのサイズは、渦ＳＷ’と比べて大きくなる。

また、実施形態１のブレード１０では、渦ＳＷを形成する水の流れ（渦ＳＷの接線方向の水の流れ）が負圧面１２の近傍（図３（ｂ）の部分Ｄ）を流れる際に、親水性処理された部分（領域Ｃ）の存在によって、渦ＳＷ’と比べて、渦ＳＷを形成する水の流れが大きく減速される。このように、圧力面１１における疎水性処理された部分及び負圧面１２における親水性処理された部分の有無によって、形成される渦のサイズが異なるとともに、渦を形成する水の流れが負圧面１２の近傍を流れる際に、渦を形成する水の流れの減速の程度が異なることから、渦ＳＷ’の強度及び渦ＳＷの強度も互いに異なる。

図４には、渦ＳＷ’及び渦ＳＷのそれぞれにおいて、渦心からの距離ｒと渦を形成する水の流速Ｖ_θとの関係を示している。一般に、渦を形成する水の流速は、渦心からの距離が小さくなるほど（渦心に向かうほど）増加し、ある距離で最大となった後、さらに渦心に向かうに従って減少し、渦心においてゼロになる。渦ＳＷ’及び渦ＳＷには、上述したように、サイズ及び負圧面１２による水の流れの減速の程度に違いがあることから、渦ＳＷにおける水の流速Ｖ_θの最大値は渦ＳＷ’における水の流速Ｖ_θの最大値よりも小さくなる。そうすると、流速Ｖ_θが最大となる地点と渦心との間の圧力降下が渦ＳＷ’に比べて渦ＳＷの方が小さくなるので、キャビテーションの発生リスクが小さくなる。したがって、ブレード１０の圧力面１１に疎水性処理された部分が存在するとともに負圧面１２に親水性処理された部分が存在することによって、プロペラにキャビテーションが発生するのを抑制することができる。

尚、水の流れＦが圧力面１１から負圧面１２に回り込む際に主にチップ部１６の近傍で渦ＳＷが発生することから、圧力面１１において疎水性処理された部分が領域Ａであれば、発生する渦ＳＷのサイズを大きくする効果はある。しかし、圧力面１１に沿った水の流れＦは必ず前縁１３を通るため、疎水性処理された部分を領域Ｂとすることにより、圧力面１１に沿った水の流れＦをより確実に加速することができるので、圧力面１１から負圧面１２に回り込む水の流れＦ’がより確実に減速されて、発生する渦ＳＷの大きさをより確実に大きくすることができる。

また、圧力面１１に沿った水の流れＦをより確実に加速するために、接触角が１５０°以上となるように領域Ａ又はＢを疎水性処理してもよい。領域Ａ又はＢを、接触角が１５０°以上の超疎水性処理された部分とすることにより、圧力面１１から負圧面１２に回り込む水の流れＦ’がより確実に減速されて、発生する渦ＳＷの大きさをより確実に大きくすることができる。

ただし、疎水性処理された部分と親水性処理された部分とが接近するほど、圧力面１１から負圧面１２に回り込む水の流れＦ’が親水性処理された部分によって減速されてしまい、渦ＳＷのサイズを大きくする効果が低下してしまうおそれがある。そこで、図５に示されるように、疎水性処理された部分（領域Ａ又はＢ）と親水性処理された部分（領域Ｃ）とを両方含むようにブレード１０を切断した断面において、領域Ａ又はＢと領域Ｃとの間に、疎水性処理及び親水性処理のいずれも施されていない未処理部分Ｄを設けてもよい。領域Ａ又はＢと領域Ｃとの間に未処理部分Ｄが存在することにより、圧力面１１から負圧面１２に回り込む水の流れＦ’が親水性処理された部分によって減速されるおそれを低下するので、より確実に渦ＳＷのサイズを大きくすることができる。

尚、未処理部分Ｄは負圧面１２に位置することが好ましい。この構成により、圧力面１１から負圧面１２に回り込む水の流れＦ’が親水性処理された部分によって減速されるおそれをより確実に低下することができるので、より確実に渦ＳＷのサイズを大きくすることができる。

実施形態１では、図２に示されるように、親水性処理された部分（領域Ｃ）を、前縁１３から後縁１４に向かって、前縁１３から後縁１４に向かう方向に対して交差する方向（言い換えると、ハブ側側縁１５からチップ部１６に向かう方向）の幅が広くなるように構成してもよい。後縁１４側ほど、チップ部１６を含む領域において圧力面１１から負圧面１２に回り込む水の流れＦが多くなるので、前縁１３から後縁１４に向かう方向に対して交差する方向の親水性処理された部分の幅を広くすることにより、渦ＳＷを形成する水の流れを親水性処理された部分によって確実に減速することができる。

（実施形態２）
次に、実施形態２に係るブレードについて説明する。実施形態２に係るブレードは、実施形態１に対して、任意の液体を昇圧するためのポンプのインペラのブレードとしたものである。尚、実施形態２において、実施形態１の構成要件と同じものは同じ参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図６に示されるように、本開示の実施形態２に係るブレード２０は、回転体であるインペラのハブ２に設けられている。尚、このインペラは、例えば軸流ポンプに設けられるオープン型インペラである。ブレード２０の圧力面２１は、ブレードの前縁２３、後縁２４、ハブ側側縁２５及びチップ部であるチップ側側縁２６によって画定されている。ブレード２０の負圧面２２も、ブレードの前縁２３、後縁２４、ハブ側側縁２５及びチップ側側縁２６によって画定されている。

圧力面２１の一部の領域、すなわち、少なくともチップ側側縁２６を含む領域Ａ、好ましくは、前縁２３及びチップ側側縁２６を含む領域Ｂに疎水性処理が施されている。すなわち、領域Ａ又は領域Ｂは、疎水性処理された部分である。実施形態１と同様に、疎水性処理は任意の方法で行うことができ、例えば、コーティング剤の塗布、膜形成、表面処理等を用いることができる。

負圧面２２の一部の領域、すなわち、少なくともチップ側側縁２６を含む領域Ｃに親水性処理が施されている。すなわち、領域Ｃは、親水性処理された部分である。実施形態１と同様に、親水性処理は任意の方法で行うことができ、例えば、コーティング剤の塗布や膜形成等を用いることができる。

実施形態２においても実施形態１と同様に、昇圧される液体（以下の説明では水を例にする）中でインペラが回転すると、水が前縁２３を横切って圧力面２１及び負圧面２２のそれぞれに沿って流れ（水の流れＦ）、圧力面２１に沿った水の流れＦの一部がチップ側側縁２６付近で負圧面２２に回り込む（水の流れＦ’）際に、チップ側側縁２６で剥離が生じて渦ＳＷが発生する。

これに対し、本開示の実施形態２に係るブレード２０においても、圧力面２１の領域Ａ又はＢが疎水性処理された部分であるとともに負圧面２２の領域Ｃが親水性処理された部分であることにより、実施形態１で説明した原理と同じ原理によって、ポンプにキャビテーションが発生するのを抑制することができる。

実施形態２においても、実施形態１と同様に、接触角が１５０°以上となるように領域Ａ又はＢを疎水性処理してもよく、領域Ａ又はＢと領域Ｃとを両方含むようにブレード２０を切断した断面において、領域Ａ又はＢと領域Ｃとの間に、疎水性処理及び親水性処理のいずれも施されていない未処理部分Ｄ（図５参照）を設けてもよい。これらの特徴によって得られる作用効果も、実施形態１と同様である。

実施形態１及び２ではそれぞれ、圧力面１１及び２１の一部の領域に疎水性処理が施されているとともに負圧面１２及び２２の一部の領域に親水性処理が施されているが、圧力面１１及び２１の全面に疎水性処理を施すとともに負圧面１２及び２２の全体に親水性処理を施すこともできる。この場合、疎水性処理及び親水性処理の作業性を向上することができる。

１ ハブ
２ ハブ
１０ ブレード
１１ 圧力面
１２ 負圧面
１３ 前縁
１４ 後縁
１５ハブ側側縁
１６ チップ部
２０ ブレード
２１ 圧力面
２２ 負圧面
２３ 前縁
２４ 後縁
２５ハブ側側縁
２６ チップ側側縁（チップ部）
Ａ 領域（疎水性処理された部分）
Ｂ 領域（疎水性処理された部分）
Ｃ 領域（親水性処理された部分）
Ｄ 未処理部分
Ｆ 水の流れ
Ｆ’ 圧力面から負圧面に回り込む水の流れ
ＳＷ 渦

Claims (7)

1. 液体中で回転する回転体に設けられたブレードであって、
   前記ブレードの圧力面は、疎水性処理された部分を含み、前記ブレードの負圧面は、親水性処理された部分を含み、
   前記疎水性処理された部分は、前記圧力面において前記ブレードのチップ部を含む領域に位置し、前記親水性処理された部分は、前記負圧面において前記ブレードのチップ部を含む領域に位置し、
   前記親水性処理された部分は、前記ブレードの前縁から後縁に向かって、前記前縁から前記後縁に向かう方向に対して交差する方向の幅が広くなるように構成されているブレード。
2. 前記疎水性処理された部分は、前記ブレードの前縁を含む領域にさらに位置する、請求項１に記載のブレード。
3. 前記疎水性処理された部分及び前記親水性処理された部分を両方含むように前記ブレードを切断した断面において、前記疎水性処理された部分と前記親水性処理された部分との間に、疎水性処理及び親水性処理のいずれも施されていない未処理部分が設けられている、請求項１または２に記載のブレード。
4. 液体中で回転する回転体に設けられたブレードであって、
   前記ブレードの圧力面は、疎水性処理された部分を含み、前記ブレードの負圧面は、親水性処理された部分を含み、
   前記疎水性処理された部分及び前記親水性処理された部分を両方含むように前記ブレードを切断した断面において、前記疎水性処理された部分と前記親水性処理された部分との間に、疎水性処理及び親水性処理のいずれも施されていない未処理部分が設けられているブレード。
5. 前記未処理部分は前記負圧面に位置する、請求項３または４に記載のブレード。
6. 前記疎水性処理された部分の接触角は１５０°以上である、請求項１～５のいずれか一項に記載のブレード。
7. ハブと、
   前記ハブに設けられた請求項１～６のいずれか一項に記載のブレードと
   を備える回転体。

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