WO2002059464A1

WO2002059464A1 - Machine a fluide

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Publication number: WO2002059464A1
Application number: PCT/JP2001/000517
Authority: WO
Inventors: Minoru Yoshida
Original assignee: Y & Y Co., Ltd.
Priority date: 2001-01-26
Filing date: 2001-01-26
Publication date: 2002-08-01
Also published as: ES2328666T3; US20040067138A1; EP1365106A4; US7018167B2; EP1365106A1; EP1365106B1; ATE438787T1; DE60139508D1

Description

流体機械技術分野

本発明は、流体機械に関するものである <

従来、流体機械においては、画転自在に配設され、ハブ及び複数の翼を備えた画転体を有し、該面転体と流体との間明においてエネルギーを授受するようになつている。例えば、送風機、軸流ポンプ、プロペラ、冷却ファン、換気扇等においては、前記画転体が画転させられ、それに伴って機械エネルギーが流体エネルギ一に変換され、風力タービン、蒸気タービン、水カタ一ビン等においては、流体ェネルギ一が機械工ネルギ一に変換され、それに伴つて回転体が面転させられるしかしながら、前記従来の流体機械において、翼は、ハブから径方向外方に向けて突出させて形成されるので、外力を受けたとき等に破損しやすく、耐久性が低い。

また、画転体の面転に伴って、翼の先端において渦成分、すなわち、チップボルテックスが発生し、該チップボルテックスによって翼に振動及び騒音が発生してしまう。

本発明は、前記従来の流体機械の問題点を解決して、翼の耐久性を高くすることができ、翼に振動及び騒音が発生するのを抑制することができる流体機械を提供することを目的とする。発明の開示

そのために、本発明の流体機械においては、回転自在に支持された翼支持部と、該翼支持部の円周方向における複数箇所に、径方向外方に突出させて形成された複数の翼とを有する。そして、該翼は、前記翼支持部における第 1の取付位置から径方向外方に向けて延びる第 1の翼素、前記翼支持部における第 2の取付位置から径方向外方に延びる第 2の翼素、及び前記第 1、第 2の翼素を連結する第 3の翼素を備える。この場合、第 1、第 2の翼素は、翼支持部から径方向外方に向けて突出させて形成され、第 3の翼素によって連結されるので、外力を受けたとき等に翼が破損するのを抑制することができ、翼の耐久性を高くすることができる。また、第 3 の翼素に働く応力を小さくすることができるので、第 1、第 2の翼素に加わる負荷が変動しても、翼に発生する撓（たわ）みを小さくすることができる。さらに、第 1、第 2の翼素に加わる食荷が小さい場合には、第 3の翼素に発生する遠心力によって第 1、第 2の翼素の根元に発生する曲げモ一メントを小さくすることができる。

したがって、翼支持部及び翼の画転に伴って脈動、反力等が翼に加わることがなくなり、翼に振動が発生するのを抑制することができる。さらに、翼の耐久性を高くし、翼に発生する撓みを小さくすることができる分だけ翼を薄くすることができるので、翼支持部及び翼を軽量化することができる。したがって、翼支持部及び翼に連結される駆動手段等を小型化することができる。

また、前記第 3の翼素が形成され、翼の翼面上の圧力が第 2の翼素における正圧から第 1の翼素における負圧に連続的に変化するので、翼の先端にチップボルテックスが発生するのを抑制することができる。した力、'つて、チップボルテックスによつて翼に振動及び騒音が発生するのを抑制することができる。

本発明の他の流体機械においては、さらに、前記第 3の翼素は、前記翼支持部から等距離を置いて、平坦（たん）に延びる。

本発明の更に他の流体機械においては、さらに、前記翼支持部の画転方向において、前記第 2の翼素は第 1の翼素に対して先行する。

本発明の更に他の流体機械においては、さらに、前記翼支持部及び翼によって回転体が構成される。そして、該回転体は電機装置を駆動することによって回転させられる。

本発明の更に他の流体機械においては、さらに、前記翼支持部及び翼によって画転体が構成される。そして、該画転体は駆動手段を駆動することによって画転させられる。

本発明の更に他の流体機械においては、さらに、前記回転体はダクトによって包囲される。

本発明の更に他の流体機械においては、さらに、前記翼支持部及び翼によって回転体が構成される。そして、該回転体を流体によって画転させることにより、電機装置が駆動される。図面の簡単な説明

第 1図は本発明の第 1の実施の形態におけるファンの斜視図、第 2図は第 1図の A— A断面図、第 3図は第 1図の B— B断面図、第 4図は第 1図の C一 C断面図、第 5図は本発明の第 1の実施の形態における翼の断面図、第 6図は本発明の第 1の実施の形態におけるピッチ角の説明図、第 7図は本発明の第 1の実施の形態における翼の展開図、第 8図は本発明の第 1の実施の形態における翼の取付状態を示す正面図、第 9図は本発明の第 1の実施の形態における翼の取付状態を示す側面図、第 1 0図は本発明の第 1の実施の形態における一定ピッチ翼のピッチ分布を示す図、第 1 1図は本発明の第 1の実施の形態における遁増ピッチ翼のピツチ分布を示す図、第 1 2図は本発明の第 1の実施の形態におけるキャンバ一分布を示す図、第 1 3図は本発明の第 1の実施の形態における循環強度分布を示す図、第 1 4図は本発明の第 2の実施の形態におけるダクト式のファンの正面図、第 1 5図は本発明の第 2の実施の形態におけるダクト式のファンの第 1の断面図、第 1 6図は本発明の第 2の実施の形態におけるダクト式のファンの第 2の断面図、第 1 7図はダクト式のファンの特性を示す参考図、第 1 8図は本発明の第 2 の実施の形態におけるダクト式のファンの特性を示す図、第 1 9図は本発明の第 3の実施の形態における風力タービンの斜視図、第 2 0図は第 1 9図の E— E断面図、第 2 1図は第 1 9図の F— F断面図、第 2 2図は第 1 9図の G— G断面図、第 2 3図は本発明の第 3の実施の形態における翼の断面図、第 2 4図は本発明の第 4の実施の形態における風力タービンの正面図、第 2 5図は本発明の第 4の実施の形態における風力タービンの側面図、第 2 6図は本発明の第 5の実施の形態における風力タービンの側面図、第 2 7図は本発明の第 5の実施の形態における風カタ一ビンの正面図、第 2 8図は本発明の第 5の実施の形態における風カタ一ビンの斜視図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。第 1図は本発明の第 1の実施の形態におけるファンの斜視図、第 2図は第 1図の A— A断面図、第 3図は第 1図の B— B断面図、第 4図は第 1図の C— C断面図である。

第 1図〜第 4図において、 1 1は流体機械としてのファン、 1 3は図示されない支持部に取り付けられた電機装置及び駆動手段としての電動機、 1 4は該電動機 1 3に対して回転自在に配設された回転体である。前記電動機 1 3は、ケース 1 9、該ケース 1 9に対して回転自在に配設された図示されないロータ、及び該ロータより径方向外方において前記ケース 1 9に取り付けられた図示されないステータから成る。また、前記回転体 1 4は、翼支持部としてのハブ 1 6、及び複数の、本実施の形態においては、 3個の翼 2 1を備える。本実施の形態において、翼支持部は一つのハブ 1 6によって形成されるが、翼支持部を、二つのハブ、及び各ハブ間を連結する軸によって形成することもできる。また、本実施の形態においては、駆動手段として電動機 1 3を使用しているが、電動機 1 3に代えて内燃機関、油圧機械、空圧機械等を使用することもできる。

前記翼 2 1は、ハブ 1 6の円周方向における複数箇所、本実施の形態においては、 3箇所に、互いに等角度で径方向外方に突出させて形成される。また、翼 2 1は、ループ状の形状を有し、ハブ 1 6における前側の第 1の取付位置 P 1から径方向外方に、かつ、斜め前方に向けて延びる第 1の翼素としての前側翼部 2 4 、ハブ 1 6における後側の第 2の取付位置 P 2から径方向外方に、かつ、斜め後方に向けて延びる第 2の翼素としての後側翼部 2 5、及び前記前側翼部 2 4と後惻翼部 2 5とを最大半径の部分で連結し、ハブ 1 6から等距離を置いて、平坦に延びる第 3の翼素としての中央翼部 2 6を備える。

次に、前記翼 2 1について説明する。

第 5図は本発明の第 1の実施の形態における翼の断面図、第 6図は本発明の第 1の実施の形態におけるピッチ角の説明図、第 7図は本発明の第 1の実施の形態における翼の展開図、第 8図は本発明の第 1の実施の形態における翼の取付状態を示す正面図、第 9図は本発明の第 1の実施の形態における翼の取付状態を示す側面図、第 1 0図は本発明の第 1の実施の形態における一定ピッチ翼のピッチ分布を示す図、第 1 1図は本発明の第 1の実施の形態における遁増ピッチ翼のピッチ分布を示す図、第 1 2図は本発明の第 1の実施の形態におけるキャンバー分布を示す図、第 1 3図は本発明の第 1の実施の形態における循環強度分布を示す図である。なお、第 6図において、横軸に半径比率 r rを、縦軸にピッチ比 r Pを採ってあり、第 1 0図及び第 1 1図において、横軸に比 r /Rを、縦軸にピッチ比 r Pを採ってあり、第 1 2図において、横軸に比 r /Rを、縦軸にキャンバー比 r cを採ってあり、第 1 3図において、横軸に比 r /Rを、縦軸に循環強度を採ってある。また、第 7図〜第 1 3図において、実線は本発明のファンの特性を、破線は従来のファンの特性を示す。

第 5図において、 2 1は翼であり、前記回転体 1 (第 1図）を矢印 X方向に回転させると、流体としての空気は翼 2 1に対して矢印 V方向に流入する。また、 εは前記翼 2 1の翼厚中心線、 q 1は前記翼 2 1の前縁、 q 2は前記翼 2 1の後縁、 M 1は前縁 q 1と後縁 q 2とを結ぶ線分、 M 2は翼 2 1の移動方向（矢印

X '方向）に延びる線分である。そして、 L 1は前記前緣 q 1と後縁 q 2との間の直線距離を表す翼弦長、 r rは、回転体 1 4の径方向における所定の位置、すなわち、所定の半径位置で翼 2 1をカジ卜したときの、画転体 1 4の回転方向における前緣 q 1と後縁 q 2との間の直線距離を表す半径比率、 r は、画転体 1 4の径方向における所定の半径位置で翼 2 1をカツトしたときの、画転体 1 4の軸方向における前縁 q 1と後縁 q 2との間の直線距離を表すピッチ比、 0は前記線分 M 1と線分 M 2とが成す角度を表すピッチ角、 f は前記翼厚中心線 εと線分 M lとの間の最大距離を表すキャンバである。なお、翼弦長 L 1に対するキヤンバー f の比を表すキヤンバー比 r cは、

r c = f /L 1

である。前記翼弦長 L l、ピッチ比 r p、半径比率 r r、ピッチ角 ø及びキャンバー ίは、画転体 1 4の半径位置ごとに設定される。ところで、前記ピッチ比 r p及び半径比率 T" rは、回転体 14の寸法に対応させて設定され、面転体 14の直径を Dとし、画転体 14の半径を Rとし、画転体 14の径方向における中心から半径位置までの距離を半径距離 rとし、ピッチを Hとしたとき、前記半径比率 r rは、

γ r = τε r /R

にされ、前記ピッチ比 r Pは、

γ p =H/D

にされる。したがって、所定の半径位置におけるピッチ角 6は、

Θ = t a n"¹ \ r ρ / r r )

= t a η"¹ { (H/D) / (π r/R) }

になる。

本実施の形態においては、翼 21として、回転体 14の径方向においてピッチ比 T" Pが一定にされた一定ピッチ翼が使用される。そして、前記半径比率 r rは、半径距離 rが短いほど小さく、半径距離 rが長いほど大きいので、翼 21の径方向においてピッチ角 S力異なり、半径距離 rが短いほど、すなわち、半径比率 r rが小さいほどピッチ角 0が大きく、半径距離 rが長いほど、すなわち、半径比率 Γ rが大きいほどピッチ角 0が小さくなる。第 6図に示されるように、半径比率 r rが 0. 5 πのときのピッチ角 1は、半径比率 r rが 1. Ο τεのときのピッチ角 2より大きい。

ところで、第 7図及び第 8図に示されるように、画転体 14の画転方向（矢印 X方向）において、前側翼部 24は翼 21の基準線 GLより上流側に、後側翼部 25は基準線 GLより下流側に位置させられる。なお、翼厚、翼幅分布等は、前記基準線 G Lを基準として展開表示される。そして、前側翼部 24及び後側翼部 25は、回転体 1 4の中心から離れるほど、すなわち、半径 Rに対する半径距離 rの比 r/Rの値が大きくなるほど、基準線 GLから画転方向に離れ、かつ、翼弦長 L 1が長くなる。また、基準線 GLから最も離れ、かつ、翼弦長 L 1が最も長くなる点、通常は前記比 r/Rの値が 0. 7〜0. 9になる点の近傍で、すなわち、回転体 14の最大半径の部分で前側翼部 24及び後側翼部 25と中央翼部 26とが接続される。なお、翼弦長 L 1が最も長くなる点は翼 2 1の形状によつて適宜設定される。

また、第 7図において、 L sはスキュ一ライン（翼幅中心線）、 L f は基準線 G Lより下流側に設定されたフォワードスキュー、 L bは基準線 G Lより上流側に設定されたバックヮ一ドスキューである。

前記フォワードスキュー L f は、飛行機の後退翼と同様の効果、すなわち、後側翼部 2 5によって発生させられる揚力を後側翼部 2 5の先端側に移動させ、送風効率を向上させる効果を有する。また、ノックワードスキュ一L bは前側翼部 2 4によって発生させられる揚力を前側翼部 2 4の根元側に移動させ、前側翼部 2 4の先端側の後緣 q 2にチップボルテックスが発生するのを抑制する。

また、例えば、第 9図に示されるように、前側翼部 2 4は画転体 1 4の中心から離れるほど前方に、後側翼部 2 5は回転体 1 4の中心から離れるほど後方に位置させられる。そして、前側翼部 2 4が最も前方に位置させられる点の近傍、及び後側翼部 2 5が最も後方に位置させられる点の近傍において、前側翼部 2 4及び後側翼部 2 5と中央翼部 2 6とが接続される。なお、前側翼部 2 4及び後側翼部 2 5の形状は任意に設定される。

また、例えば、第 1 0図に示されるように、後側翼部 2 5におけるピッチ比 r Pが前側翼部 2 4におけるピッチ比 r Pより小さくされる。なお、第 1 0図においては、翼 2 1として、面転体 1 4の径方向においてピッチ比 r Pが一定にされた一定ピッチ翼が使用されるが、第 1 1図に示されるように、翼 2 1として、画転体 1 4の中心から離れるほどピッチ比 r pが大きくなる遁増ピッチ翼を使用することもできる。

さらに、例えば、第 1 2図に示されるように、同じ半径距離 rにおいて、後側翼部 2 5におけるキャンバ一比 r cが前側翼部 2 4におけるキヤンバ一比 τ· cより小さくされ、中央翼部 2 6におけるキャンバー比 r cはほぼ 0される。

このように、翼 2 1は、前側翼部 2 4及び後側翼部 2 5によって 2種類の特性を有することができるので、翼 2 1の目的に応じて前側翼部 2 4と後側翼部 2 5 とで異なる性能を持たせることができる。例えば、前側翼部 2 4及び後側翼部 2 5の配設方法においては、フラップ効果（前側翼部 2 と後側翼部 2 5とが互いに及ぼす効果）を期待することもできる。また、第 1 0図に示されるピッチ分布、及び図 1 2に示されるキャンバー分布に基づいて、第 1 3図に示されるような循環分布を得ることができる。なお、循環分布は圧力分布を表したものであり、該圧力分布が翼 2 1の断面の性能（揚力等）を表現し、各断面の半径方向における積分値が翼 2 1の全体の性能（揚力等 ) を表現する。循環理論には、単純モデル、三次元モデル、渦要素を加えたもの等がある。

前記構成のファン 1 1において、前記電動機 1 3を駆動して画転体 1 4を矢印 X方向に! a転させると、前記翼 2 1によって機械エネルギーが流体エネルギーに変換され、流体としての空気が矢印 Y方向に流される。この場合、前側翼部 2 4 は回転体 1 4の回転方向における上流側に、後側翼部 2 5は回転体 1 4の回転方向における下流側に位置させられ、回転体 1 4が駆動されるのに伴い、後側翼部 2 5は前惻翼部 2 4より先行する。したがって、後側翼部 2 5によって発生させられた風を前側翼部 2 によって力 Π速することができる。

そして、前記前側翼部 2 4及び後側翼部 2 5は、ハブ 1 6から径方向外方に向けて突出させて形成され、先端で中央翼部 2 6によって連結されるので、外力を受けたとき等に、前側翼部 2 4及び後側翼部 2 5の根元 2 7に働く応力を小さくすることができるので翼 2 1が破損するのを抑制することができ、翼 2 1の耐久性を高くすることができる。また、前記根元 2 7に働く応力を小さくすることができるので、前側翼部 2 4及び後側翼部 2 5に加わる負荷が変動しても、翼 2 1 に発生する撓みを小さくすることができる。さらに、前側翼部 2 4及び後側翼部 2 5に加わる負荷が小さい場合には、中央翼部 2 6に発生する遠心力によって前側翼部 2 4及び後側翼部 2 5の根元に発生する曲げモ一メントを小さくすることができる。

したがって、回転体 1 4の回転に伴って脈動、反力等が翼 2 1に加わることがなくなり、翼 2 1に振動が発生するのを抑制することができる。さらに、翼 2 1 の耐久性を高くし、翼 2 1に発生する撓みを小さくすることができる分だけ翼 2 1を薄くすることができるので、面転体 1 4を軽量化することができる。したがつて、電動機 1 3を小型化することができる。

また、前記中央翼部 2 6が形成され、翼 2 1の翼面上の圧力が後側翼部 2 5における正圧から前側翼部 2 4における負圧に連続的に変化するので、翼 2 1の先端にチップボルテックスが発生するのを抑制することができる。したがって、チ yプボルテツクスによって翼 2 1に振動及び騒音が発生するのを抑制することができる。例えば、騒音レベルで 1 0 〔 d B〕以上、音の強度では 7倍以上抑制することができる。

次に、本発明の第 2の実施の形態について説明する。なお、第 1の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。

第 1 4図は本発明の第 2の実施の形態におけるダクト式のファンの正面図、第 1 5図は本発明の第 2の実施の形態におけるダクト式のファンの第 1の断面図、第 1 6図は本発明の第 2の実施の形態におけるダクト式のファンの第 2の断面図、第 1 7図はダクト式のファンの特性を示す参考図、第 1 8図は本発明の第 2の実施の形態におけるダクト式のファンの特性を示す図である。

この場合、 3 0は流体機械としてのダクト式のファンであり、該ファン 3 0は、筒状のダクト 3 1、該ダクト 3 1に連結体 3 2〜3 4を介して取り付けられた電機装置及び駆動手段としての電動機 1 3、及び該電動機 1 3に対して画転自在に配設され、ダクト 3 1によって包囲された画転体 1 4を備える。前記ダクト 3 1は、後端（第 1 5図における左端）に流体としての空気を吸引する吸引口 3 7 を、前端（第 1 5図における右端）に空気を吐出する吐出口 3 8を備え、吸引口 3 7から吐出口 3 8方向に中央部まで徐々に内径が小さくされる。

従来のダクト式のファンにおいては、第 1 7図に示されるように、翼 3 5の翼面上において正圧（図において十で表される。）が加わる部分と、負圧（図において一で表される。）が加わる部分との境界が線状であるので、翼 3 5の先端部分における圧力の回込みが大きく、チップボルテ 'ンクス T Vが発生してしまうのに対して、本実施の形態におけるダクト式のファン 3 0においては、第 1 8図に示されるように、後側翼部 2 5の翼面上において正圧（+ ) が加わる部分と、前側翼部 2 4の翼面上において負圧（一）が加わる部分との境界が面状であるので、翼 2 1の先端部における圧力の画込みを大幅に減少させることができ、チップボルテックス T Vが発生するのを抑制することができる。したがって、ダクト 3 1の内周面と中央翼部 2 6の外周面との間に形成されるチップクリアランス (5をその分小さくすることができるので、ファン 3 0の圧力性能を向上させることができるだけでなく、振動及び騒音が発生するのを抑制することができる。

次に、本発明の第 3の実施の形態について説明する。

第 1 9図は本発明の第 3の実施の形態における風力タービンの斜視図、第 2 0 図は第 1 9図の E— E断面図、第 2 1図は第 1 9図の F— F断面図、第 2 2図は第 1 9図の G— G断面図である。

第 1 9図〜第 2 2図において、 5 1は流体機械としての風力タービン、 5 3は電機装置としての発電機、 5 4は該発電機 5 3に対して画転自在に配設された回転体、 7 1は軸受、 Ί 3は前側ステ一、 7 4は後側ステ一であり、該後側ステ一 7 4の上端に図示されない軸受が形成される。前記軸受 7 1、及び前記後側ステ - 7 4の上端の軸受によって回転体 5 4が回転自在に支持される。また、前記前側ステー 7 3及び前記後側ステー 7 4の下端に図示されないナセルが配設され、該ナセルは、支持部としての図示されない支柱に対して回転自在に取り付けられる。前記発電機 5 3は、ケース、該ケースに対して回転自在に配設された図示されないロータ、該ロータより径方向外方において前記ケ—スに取り付けられた図示されないステ一タから成る。また、前記画転体 5 4は、前記ロータに取り付けられた軸 5 5、該軸 5 5の前端に固定された前側ハブ 5 6、該前側ハブ 5 6と所定の間隔を置いて、かつ、発電機 5 3に隣接させて前記軸 5 5に固定された後側ハブ 5 7、及び前記前側ハブ 5 6と後側ハブ 5 7との間に架設された複数の、本実施の形態においては、 3個の翼 6 1を備える。なお、前記軸 5 5、前惻ハブ 5 6及び後側ハブ 5 7によって翼支持部 6 2が構成される。本実施の形態において、翼支持部 6 2は軸 5 5、前側ハブ 5 6及び後側ハブ 5 7によって構成されるが、翼支持部 6 2を一つのハブによって構成することもできる。また、前記回転体 5 4の外径を D Rとし、画転体 5 4の軸方向寸法を D Lとしたとき、

D R≥ 1 . 3 X D L

Jしされる。

前記翼 6 1は、翼支持部 6 2の円周方向における複数箇所、本実施の形態においては、 3箇所に、互いに等角度で柽方向外方に突出させて形成される。また、翼 6 1は、ループ状の形状を有し、前側ハブ 5 6における第 1の取付位置 p 1から径方向外方に、かつ、斜め後方に向けて延びる第 1の翼素としての前側翼部 6 4、後側ハブ 5 7における第 2の取付位置 P 2から径方向外方に、かつ、斜め前方に向けて延びる第 2の翼素としての後側翼部 6 5、及び前記前側翼部 6 4と後側翼部 6 5とを最大半径の部分で連結し、翼支持部 6 2から等距離を置いて、ほぼ平坦に延びる第 3の翼素としての中央翼部 6 6を備える。

次に、前記翼 6 1について説明する。

第 2 3図は本発明の第 3の実施の形態における翼の断面図である。

図において、流体としての空気を翼 6 1に対して矢印 Z方向に流入させると、画転力 F 1及び揚力 F 2が発生させられ、翼 6 1が矢印 X '方向に移動させられ、前記回転体 5 4は矢印 X方向に画転させられる。また、 sは前記翼 6 1の翼厚中心線、 q 1は前記翼 6 1の前縁、 2は前記翼 6 1の後縁、 M 1は前緣 q 1と後縁 q 2とを結ぶ線分、 M 2は翼 6 1の移動方向（矢印 X '方向）に延びる線分である。そして、 L 1は前記前縁 q 1と後縁 q 2との間の直線距離を表す翼弦長、 Θは前記線分 M 1と線分 M 2とが成す角度を表すピッチ角、 ίは前記翼厚中心線 sと線分 M lとの間の最大距離を表すキャンバーである。

前記構成の風力タービン 5 1において、空気が矢印 Z方向に流れると、翼 6 1 によって流体ヱネルギ一が機械エネルギーに変換され、回転体 5 4が矢印 X方向に回転させられ、発電機 5 3が駆動されて発電が行われる。すなわち、正面から流入する空気だけでなく、斜めに流入する空気についても、エネルギーの変換を行うことができる。

この場合、前側翼部 6 4は回転体 5 4の面転方向における上流側に、後側翼部 6 5は回転体 5 4の回転方向における下流側に位置させられ、画転体 5 4が回転されるのに伴い、後側翼部 6 5は前側翼部 6 4より 1 5 〔。〕以上先行する。したがって、回転体 5 4が低速で画転させられる場合、後側翼部 6 5は、矢印 Z方向に流入する風について前側冀部 6 4の影響を受けることがない。一方、画転体 5 4が高速で回転させられる場合、前側翼部 6 4の影響が、後続する翼 6 1の上流側、すなわち、後続する翼 6 1の後側翼部 6 5に与えられ、面転体 5 4は失速し、制動された状態になる。すなわち、低速領域においては、 3個の翼 6 1によつて実質的に 6個の翼の機能を有し、大きいトルクを発生させることができ、高速領域においては、翼 6 1の撓みをほとんど伴うことなく大きいトルクが発生するのを防止することができる。すなわち、風力タービンの出力を制限することができる。

また、中央翼部 6 6においては、正面から流入する空気については、流体エネルギ一が機械エネルギーに変換されず、チップアンロード状態が形成される。したがって、チップボルテックスが発生するのを抑制することができ、翼 6 1に振動及び騒音が発生するのを抑制することができる。

また、翼 6 1がル一プ状の形状を有しているので、面転している翼 6 1に物が当たったときの衝撃を小さくすることができる。したがって、風カタ一ビン 5 1 を遠隔地に設置する必要がなく、設置場所の制約を無くすことができ、電力の需要地に近く、人が多く住む地域に設置したり、森、建築物等によって空気の流れが乱れる地域等に設置したりすることができる。そして、風力タービン 5 1によつて発生させた電力を需要地に送るためのコストを低くすることができる。しかも、従来の翼のようなナイフ状のエッジ部分を無くすことができるので、安全性を高くすることができる。

また、前記前側翼部 6 4は前側ハブ 5 6から、後側翼部 6 5は後側ハブ 5 7から径方向外方に向けて突出させて形成され、先端で中央翼部 6 6によって連結されるので、外力を受けたとき等に前側翼部 6 4及び後側翼部 6 5の根元 6 7に働く応力を小さくすることができるので、翼 6 1が破損するのを抑制することができ、翼 6 1の耐久性を高くすることができる。また、前記根元 6 7に働く応力を小さくすることができるので、前側翼部 6 4及び後側翼部 6 5に加わる負荷が変動しても、翼 6 1に発生する撓みを小さくすることができる。さらに、前側翼部 6 4及び後側翼部 6 5に加わる負荷が小さい場合には、中央翼部 6 6に発生する遠心力によって前側翼部 6 4及び後側翼部 6 5の根元 6 7に発生する曲げモーメントを小さくすることができる。

• したがって、回転体 5 4の回転に伴って脈動、反力等が翼 6 1に加わることがなくなり、翼 6 1に振動が発生するのを抑制することができる。さらに、翼 6 1 の耐久性を高くし、翼 6 こ発生する撓みを小さくすることができる分だけ翼 6 1を薄くすることができるので、画転体 5 4を軽量化することができる。

また、前記中央翼部 6 6が形成され、翼 6 1の翼面上の圧力が後側翼部 6 5における正圧から前側翼部 6 4における負圧に連続的に変化するので、翼 6 1の先端にチップボルテックスが発生するのを抑制することができる。したがって、チ Vプボルテックスによって翼 6 1に振動及び騒音が発生するのを抑制することができる。例えば、騒音レベルで 1 0 〔d B〕以上、音の強度では 7倍以上抑制することができる。

そして、中央翼部 6 6が平坦であるので、中央翼部 6 6を手で抑えて静止させることができるだけでなく、翼 6 1のループに図示されない係止部材を引っかけることによって、回転体 5 4が回転するのを阻止したりすることができる。したがって、強風時等において、回転体 5 4を停止させておくことができるので安全性を向上させることができる。

本実施の形態においては、風力タービン 5 1について説明しているが、本発明を、風力タービン 5 1のほかに、前後翼相互干渉による後流失速タービン、渦成分を多く含んだ流体によって駆動される乱流内設置型タービンに適用することもできる。

また、前側ハブ 5 6及び後側ハブ 5 7は、軸 5 5を介して所定の距離を置いて配設されるので、回転体 5 4はほぼ球形の形状を有し、重心が画転体 5 4の外に出ることがなく、安定している。したがって、風カタ一ビン 5 1を海上に浮上させて使用することが可能になる。

次に、本発明の第 4の実施の形態について説明する。なお、第 3の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省赂する。

第 2 4図は本発明の第 4の実施の形態における風カタ一ビンの正面図、第 2 5 図は本発明の第 4の実施の形態における風カタ一ビンの側面図である。

この場合、前側ハブ 5 6より前方、及び後側ハブ 5 7より後方に軸受 7 1、 7 2が配設され、前記軸受 7 1、 7 2によって画転体 5 4が回転自在に支持される。前記軸受 7 1、 7 2は、それぞれ前側ステ一 7 3及び後側ステー 7 4を介してナセル 7 5と連結され、前記後側ステ一 7 4に、後方 (第 2 5図における右方) に向けて突出させて尾翼 7 6が取り付けられる。前記ナセル 7 5は支柱 7 9に対して回転自在に取り付けられる。なお、前記ナセル 7 5と回転体 5 4との間にはストツバ 7 8が配設される。

この場合、画転体 5 4の中心と、支持部としての支柱 7 9の中心とが同一軸上に配設されるので、画転体 5 4が画転するのに伴って振動が発生するのを抑制することができるだけでなく、回転体 5 4が風上に向く際の旋回力を小さくすることができる。また、旋回力が小さいので、強風時等において回転体 5 4の画転に伴って発生するジャィ口モ一メントと尾翼 7 6に働く偏向モ一メントとの相互干渉力を小さくすることができ、振動が発生するのを抑制することができる。なお、各翼 6 1の柽方向における中央付近に棒状又は板状の連結材を配設し、各翼 6 1間を連結することによって、各翼 6 1に撓みが発生するのを抑制することができる。

次に、本発明の第 5の実施の形態について説明する。

第 2 6図は本発明の第 5の実施の形態における風力タービンの側面図、第 2 7 図は本発明の第 5の実施の形態における風力タービンの正面図、第 2 8図は本発明の第 5の実施の形態における風力タービンの斜視図である。

図において、 8 1は流体機械としてのダウンウィンド型の風力タービン、 8 5 は支持部としての支柱 5 2の上端に回転自在に取り付けられた電機装置としての発電機、 8 4は該発電機 8 5に対して画転自在に配設された画転体である。該回転体 5 4は、前記発電機 8 5の図示されないロータに取り付けられた軸 5 5、該軸 5 5のほぼ中央に、かつ、発電機 8 5に隣接させて固定された前側ハブ 5 6、前記軸 5 5の後端（第 2 6図における左端）に固定された後側ハブ 5 7、及び前記前側ハブ 5 6と後側ハブ 5 7との間に架設された複数の、本実施の形態においては、 3個の翼 6 1を備える。なお、軸 5 5、前側ハブ 5 6及び後側ハブ 5 7によって翼支持部が構成される。

この場合、流体としての空気は、発電機 8 5側から矢印 Z方向に流入させられ、画転体 8 4を矢印 X方向に画転させる。これに伴って、発電機 8 5が風上に向けられるので、尾翼は不要である。

前記各実施の形態においては、流体として空気を使用するファン、風力タービン等について説明しているが、本発明を、流体として水を使用し、水中で使用される軸流ポンプ、タグボード等の翼、水中において低雑音性能を有する潜水艦の推進器、水カタ一ビン、蚰流タービン、ウォータージヱット用ポンプ、河川の中に配設される超低速タービン等に適用することができるだけでなく、蒸気中で使用される蒸気タ一ビンに適用することもできる。

例えば、本発明を軸流ポンプに適用した場合、翼の先端部において発生する圧力損失を小さくすることができるので、圧力性能を一層向上させることができる。また、タグボートにおいては、船が停止させられたボラ一ド状態において全速運動が要求されると、翼に加わる負荷が極めて大きくなる。したがって、本発明をタグボートの翼に適用した場合、翼の先端部に圧力損失が発生するのを抑制することができるだけでなく、チップボルテッタスが発生するのを抑制することもできる。その結果、翼の先端部においてキヤビテ一シヨンが発生するのを抑制することができ、翼及びダクトの耐久性を高くすることができる。

さらに、本発明を、流体として粘性の高い材料を使用し、流体を搬送するための搬送装置のブレード、流体を攪拌（かくはん）するための攪拌装置のブレード等に適用することもできる。

そして、第 1の翼素に流体を前進させるための機能を持たせ、第 2の翼素に流体を後退させるための機能を持たせ、回転体を回転させると、流体は、第 1、第 2の翼素間をジグザグ状に流れる。したがって、流体を攪拌しながら極めて低速で流すこともできる。

前記各実施の形態においては、翼 2 1、 6 1がーつの材料、例えば、樹脂によつて一体に形成されるが、翼 2 1の前緣 q 1及び後縁 q 2に沿ってピアノ線等の補強材を埋設し、前縁 q 1と後縁 q 2との間を伸縮性のある材料で形成することもできる。この場合、流体の流れによってキャンバー f が変" ί匕する特殊な流体機械を形成.することができる。産業上の利用可能性

この発明は、送風機、軸流ポンプ、プロペラ、冷却ファン、換気扇等の、機械エネルギーを流体エネルギーに変換する流体機械、及び風力タービン、蒸気タービン、水力タービン等のような流体エネルギーを機械エネルギーに変換する流体機械に利用することができる。

Claims

請求の範囲

1. (a ) 回転自在に支持された翼支持部と、

(b)該翼支持部の円周方向における複数箇所に、径方向外方に突出させて形成された複数の翼とを有するとともに、

(c)該翼は、前記翼支持部における第 1の取付位置から径方向外方に向けて延びる第 1の翼素、前記翼支持部における第 2の取付位置から径方向外方に延びる第 2の翼素、及び前記第 1、第 2の翼素を連結する第 3の翼素を備えることを特徴とする流体機械。

2. 前記第 3の翼素は、前記翼支持部から等距離を置いて、平坦に延びる請求項 1に記載の流体機械。

3. 前記翼支持部の回転方向において、前記第 2の翼素は第 1の翼素に対して先行する請求項 1に記載の流体機械。

4. (a) 前記翼支持部及び翼によつて画転体が構成され、

( b )該回転体は電機装置を駆動することによって回転させられる請求項 1に記載の流体機械。

5. (a) 前記翼支持部及び翼によつて回転体が構成され、

( b )該回転体は駆動手段を駆動することによって面転させられる請求項 1に記載の流体機械。

6. 前記回転体はダクトによって包囲される請求項 1〜 5のいずれか 1項に記載の流体機械。

7. (a) 前記翼支持部及び翼によつて回転体が構成され、

(b)該画転体を流体によって画転させることにより、電機装置が駆動される請求項 1に記載の流体機械。