JP7116459B2 - ダクテッドファン、マルチコプタ、垂直離着陸機、cpu冷却用ファン及びラジエータ冷却用ファン - Google Patents
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Description
本発明の目的は、静止推力を最大とすることができるダクテッドファンを提供することにある。
本発明の目的は、そのようなダクテッドファンを搭載するマルチコプタや垂直離着陸機を提供することにある。
本発明の目的は、そのようなダクテッドファンからなるCPU冷却用ファン及びラジエータ冷却用ファンを提供することにある。
図1は、本発明の一実施形態に係るダクテッドファンを示す上面図、図2は図1のA-A断面図である。
ダクテッドファン1は、ダクト10と、プロペラ20と、モーター30と、ハウジング40と、ステーター50とを有する。
ハブ21は、ハウジング40に収容されたモーター30により回転駆動される。これにより、ブレード22が回転する。
図3は図2の符号Bで示す領域の拡大図である。
図4はブレード22の翼弦長CLの分布の一例を示すグラフである。
ここで、ブレード22の翼端22Aの翼弦長をCLA、ブレード22の翼端近傍部22Bの翼弦長をCLBとしたとき、
1.0×CLB≦CLA≦1.3×CLB
であることが好ましい。CLAが1.3×CLBを超えるとダクト10内の気体の流れが却って一様でなくなる。
上記のブレード22の翼弦長CLの漸減の程度は、翼端22Aに近づくに従って小さくなることが好ましい。この漸減が低下する翼弦長分布によってダクト内の流れは一様に近づき、誘導エネルギ損失が最小になる。
ハブ21の直径Dhは、ダクト10の内径Rdの10%以上で50%以下であることが好ましい。10%より小さいとブレード付根の翼弦長が小さく設計され、強度を保つのが困難になる。50%より大きいと、ブレード回転面の面積に占めるハブの面積が大きくなり過ぎ、発生できる推力が減少する。
ダクト本体11の排出口12のリップ14は、ダクト10の内径をRdとしたとき、
3/100×Rd≦rr≦30/100×Rd
の曲率半径rrのR形状を有することが好ましい。3/100より小さいと、リップを回る流れが剥離する。30/100より大きいと必要以上にリップが大きくなり、ダクテッドファンの無意味な大型化につながる。
ダクト10の長さLd(図2参照)は、ダクト10の内径Rdの25%より長いことが好ましい。25%より小さいと、ダクト後方で流れの収縮が起こり、フィギュアオブメリットが低下する。
(実施例)
このように構成されたダクテッドファン1の実施例を示す。
表1に設計条件を、表2に設計されたダクテッドファン1の性能を示す
図5に示すように、出口速度vはブレード22の付根の点Dから翼端22Aの点Eにかけて単調増加し、一次関数で近似できる。この一次関数をブレード22の半径をrとして
v=ar+b
で近似すると、ブレード角θは
θ=tan-1((ar+b)/rΩ)+θ0
図7にこの実施例でのレイノルズ数を示す。
本発明は、以上のとおりダクテッドファンの静止推力を最大とすることができるものである。以下、このことを証明する。
1.静止推力を最大にする設計における問題
1-1.リップに生じる前縁推力の問題
平板翼では図8(a)に示すように、翼の前縁を回り込む流れにより前縁に大きな負圧が生じ、この負圧により推力方向の力が前縁に働く。Vortex Lattice Method(以下、VLM)では翼が平板により近似されるため、前縁面積が0、回り込む流れの速さが無限となる。そのためこの前縁推力の算出には特別な計算方法を用いる必要がある(Weissinger, J. : The Lift Distribution of Swept-Back Wings, NACA TM-1120, 1947.参照)。しかしこの方法は対象表面のポテンシャルが連続である場合にのみ適用可能である。
本発明者は非特許文献3においてはこの前縁推力の計算を避けるためにリップを回り込む流れを無視出来る条件、つまりV>vという制約の下に計算を行った。
1-2.螺旋渦ピッチの問題
1-3.Trefftz面での運動量の不整合の問題
1-4.VLMの精度の問題
2.問題の解決方法
3.最適化手法
3-1.ダクテッドファンのモデル
3-2.ファンの推力及び吸収パワー
wBiは一般に負の値をとる。水平方向の相対速度UTi
は次式で与えられる。
3-5.ダクト表面上の境界条件
ブレードの馬蹄渦がダクト格子のコントロールポイントに引き起こす誘導速度の格子に対する法線成分uDBを次式で表す。
クッタの条件より後縁の循環は0でなければならない。これを図17の循環の向きに注意して式で表すと
(29)式に(26)、(27)、(28)式を代入して次式を得る。
3-10.最適化問題
静止推力を最大とするダクテッドファンの形状を決定する問題は、ここまでの計算より次の最適化問題を満たすΓBを求める問題に帰着する。
minimize -T
subject to P -P0 = 0
ここでP0は設計者が設定する吸収パワーである。
ΓBが得られればブレード角θiは(6)式から、翼弦長ciは(10)式より求められる。
改善された問題は次の形をとる。
minimize -T
subject to P -P0 = 0,TD = 0.5T
3-11.最適化問題の繰り返し計算
3-12.ハブを考慮したモデルへの拡張
4.計算結果
〈計算条件〉
ダクト直径: 0.25m
スピナー直径: 0.06m
吸収パワーP0: 1200W
ブレード枚数B: 4
ダクト長さ: 0.12m
ダクト前部長さ: 0.015m
ブレード分割数NB: 80
格子階層数n: 2
ダクト格子数ND: 15,000 程度(ハブ無し)
: 30,000 程度(ハブあり)
設計揚力係数CL: 0.6
形状抵抗係数 CD: 0.014(Re 非依存とした)
〈パラメータ〉
リップ半径 RR: 0.01~0.06m
フランジ半径 RF: 0.25、0.75m
5.考察
6.結言
静止推力を最大とするダクテッドファンの設計を最適化問題としてあらわし、最小化した。
最適化問題を最小化して得られたブレードは先端が拡大している特徴的な形状をしており、かつ拡大の程度はダクトのリップ半径に依存する結果が得られた。
(その他)
本発明は上記の実施形態には限定されず様々に変形して実施が可能であり、その実施の範囲も本発明の技術的範囲に属することは勿論である。
10 :ダクト
12 :排出口
14 :リップ
15 :内壁
20 :プロペラ
21 :ハブ
21A :翼端
22 :ブレッド
22 :ブレード
22A :翼端
22B :翼端近傍部
Claims (14)
- R形状のリップを有するダクトと、
翼端が前記ダクトの内壁に近接し、翼弦長が前記翼端に近づくに従って漸減し、且つ、前記翼端近傍部からは前記翼端まで拡大し又は一定長となるブレードを有するプロペラとを具備し、
前記ダクト内の流れの軸流速度が前記ブレードの翼端に近づくに従って増加し、前記ダクトの内壁の壁面近くの流れの軸流速度が最大となるように、前記ブレードの翼弦長を、前記翼端に近づくに従って漸減し、且つ、前記翼端近傍部からは前記翼端まで拡大し又は一定長とした
ダクテッドファン。 - フランジが設けられたダクトであって、前記フランジとの接続部にR形状のリップを有するダクトと、
翼端が前記ダクトの内壁に近接し、翼弦長が前記翼端に近づくに従って漸減し且つ前記ダクト内の外側の流速を高めるために前記翼端近傍部からは前記翼端まで拡大し又は一定長となるブレードを有するプロペラとを具備し、
前記リップを回り込む流れを呼び込む流れである、前記ダクトの内壁の壁面近くの流れの軸流速度が、他の領域の軸流速度より大きくなるように、前記ブレードの前記翼端近傍部から前記翼端までの翼弦長を拡大し又は一定長とした
ダクテッドファン。 - 請求項1又は2に記載のダクテッドファンであって、
前記ブレードの前記翼端の翼弦長をCLA、前記ブレードの前記翼端近傍部の翼弦長をCLBとしたとき、
1.0×CLB≦CLA≦1.3×CLB
である
ダクテッドファン。 - 請求項1乃至3のうちいずれか1項に記載のダクテッドファンであって、
前記翼弦長が拡大又は一定長となる前記翼端近傍部の位置は、前記翼端より前記ブレードの半径の15%以内にある
ダクテッドファン。 - 請求項1乃至4のうちいずれか1項に記載のダクテッドファンであって、
前記ブレードの前記翼弦長の漸減の程度は、前記翼端に近づくに従って小さくなる
ダクテッドファン。 - 請求項1乃至5のうちいずれか1項に記載のダクテッドファンであって、
前記ブレードの最大翼弦長と最小翼弦長との比は、1.5以上で3.0以下である
ダクテッドファン。 - 請求項1乃至6のうちいずれか1項に記載のダクテッドファンであって、
前記リップは、前記ダクトの内径をRとしたとき、
3/100×R≦r≦30/100×R
の曲率半径rのR形状を有する
ダクテッドファン。 - 請求項1乃至7のうちいずれか1項に記載のダクテッドファンであって、
前記ダクトの長さは、前記ダクトの内径の25%より長い
ダクテッドファン。 - 請求項1乃至8のうちいずれか1項に記載のダクテッドファンであって、
前記プロペラは、前記ブレードを保持するハブを有し、
前記ハブの直径は、前記ダクトの内径の10%以上で50%以下である
ダクテッドファン。 - 請求項9に記載のダクテッドファンであって、
前記ハブは、2枚から8枚の前記ブレードを保持する
ダクテッドファン。 - 請求項1乃至10のいずれか1項に記載のダクテッドファンを有するマルチコプタ。
- 請求項1乃至10のいずれか1項に記載のダクテッドファンを有する垂直離着陸機。
- 請求項1乃至10のいずれか1項に記載のダクテッドファンからなるCPU冷却用ファン。
- 請求項1乃至10のいずれか1項に記載のダクテッドファンからなるラジエータ冷却用ファン。
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