WO2016152639A1 - プロペラロータ - Google Patents

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WO2016152639A1
WO2016152639A1 PCT/JP2016/058092 JP2016058092W WO2016152639A1 WO 2016152639 A1 WO2016152639 A1 WO 2016152639A1 JP 2016058092 W JP2016058092 W JP 2016058092W WO 2016152639 A1 WO2016152639 A1 WO 2016152639A1
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WO
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blade
rotor
propeller
water
hub
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PCT/JP2016/058092
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Inventor
鈴木　政彦
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株式会社ベルシオン
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B3/00—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
    • F03B3/04—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto with substantially axial flow throughout rotors, e.g. propeller turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B3/00—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
    • F03B3/12—Blades; Blade-carrying rotors
    • F03B3/14—Rotors having adjustable blades
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20—Hydro energy

Definitions

  • the present invention relates to a propeller rotor, and more particularly, to a propeller rotor in which a rotor blade of a water turbine can be replaced with a hub in accordance with conditions such as a flow velocity of a water channel.
  • Patent Document 1 A water wheel installed at the bottom of a water channel is disclosed in Patent Document 1, for example.
  • the water wheel described in Patent Document 1 has a water wheel installed with a foundation built on the bottom of the water. When this is installed in a water channel, the flow speeds in the water channel are different, so it is difficult to generate power efficiently and stably with a single rotor.
  • An object of the present invention is to provide a propeller rotor that can be attached to a rotor by selecting a blade most suitable for conditions such as the flow velocity of the water channel when installing a water turbine device in a small water channel.
  • a plurality of blade mounting portions facing the radial direction are formed on the rear peripheral surface of the hub so that the blade mounting portion can be mounted on the blade mounting portion even if the blade mounting portion is reversed forward and backward.
  • Propeller rotor formed.
  • the water turbine device has a horizontal axis rotor arranged on the front and rear of the water turbine casing, the front and rear hubs are mounted in opposite directions, and the front and rear blades are mounted with the front facing upstream.
  • the propeller rotor according to (1) or (2).
  • the hub blade mounting portion has a fitting hole that is long in the direction of rotation perpendicular to the axial center line, and the mounting portion formed at the base end of the blade faces either direction.
  • the propeller rotor according to any one of (1) to (3), which can be fitted into the fitting hole.
  • the mounting portion of the blade is formed so that there is no step in the joint when the peripheral surface is deleted so as to fit the fitting hole in the hub and the blade mounting portion is attached to the hub.
  • the propeller rotor according to any one of (4).
  • the front edge is a spherical surface
  • the curved surface is from the diameter portion to the rear edge
  • the rear flow line along the rear surface has a large bulge.
  • the horizontal front line at the root of the lift type blade is in the range of 45 to 50 degrees with respect to the rotational direction line, and the trailing edge is inclined toward the rear surface.
  • the propeller roller according to any one of the above.
  • the front edge of the lift type blade is a perfect semicircle in a cross section, and the front surface and the rear surface are continuous from the front and rear vertices according to any one of (1) to (7).
  • the propeller rotor described in the above (1) is a horizontal shaft rotor of a water turbine device, in which a plurality of blade mounting portions facing the radial direction are formed on the rear peripheral surface of the hub, Since it is formed so that it can be attached to the blade attachment part, in the structure where the rotor is attached before and after the long shaft before and after the water turbine device, even if the hub is attached in the opposite direction in the front and rear, it is attached to this The direction of the blade can be easily mounted with the front and rear facing upstream.
  • the propeller rotor described in (2) can be changed by selecting a blade having the most appropriate water receiving area in accordance with the flow velocity state of the water channel in which the water turbine device is installed. Since the size of the generator and hub can be a single size, a larger blade is used when the flow speed of the waterway to be installed is slow, and a smaller blade is selected when the flow speed is fast. can do.
  • the blade mounting portion is formed as a long fitting hole along the rotational direction, the blade mounting portion can be connected to the blade mounting portion even if the blade size is different. It can be easily attached only by being fitted into the fitting hole, and can be easily attached even if the blade is reversed in the front-rear direction.
  • the rear flow line which is an extension of the rear surface having a large bulge, intersects at 30 to 45 degrees with respect to the rotational direction line at the rear edge.
  • the water flow that passes rearward along the line becomes high speed due to the Coanda effect, and the amount of water flowing in a certain time is large, which increases the rotational torque of the blade as a reaction.
  • the blade is strongly pressed in the rotation direction, so that the rotational torque becomes large even when the rotation speed is slow, and the power generation efficiency in, for example, a hydroelectric generator is increased.
  • the maximum thickness portion of the rear surface having a large bulge is in the range of 25 to 35% of the maximum chord length.
  • the bulge on the curved surface of the rear surface also increases, and the water flow that passes along the bulged rear surface when the blade rotates is greatly bulged by the Coanda effect. The faster the speed.
  • the maximum thickness exceeds 35% of the chord length, the water flow that passes along the rear surface enters the front direction, and the reaction force is directed in a direction transverse to the rotation direction. Hateful.
  • it is 25% or less the amount of water that passes through the Coanda effect due to the bulge of the rear surface is small, and the rotational force due to the reaction is inevitably small.
  • the front edge of the lift type blade is a semicircular shape of a perfect circle in the cross section, the water flow can be smoothly distributed back and forth regardless of the position of the front or back of the blade. And resistance is small.
  • the maximum chord length portion is used as a base point, and the tip portion thereof is inclined in the front direction toward the trailing edge direction by 13 degrees to 23 degrees with respect to the rotation axis, and downward. Since the inclined portion is formed, the water flow passing through the inclined portion passes in the direction of the trailing edge of 13 degrees to 23 degrees, and improves the rotational efficiency as a reaction.
  • FIG. 8 is a side view of the blade in FIG. 7.
  • FIG. 8 is an enlarged plan view of the blade in FIG. 7.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view taken along line XX in FIG.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view taken along line XI-XI in FIG. FIG.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view taken along line XII-XII in FIG.
  • FIG. 10 is a cross-sectional plan view of the half-thick blade in FIG. 9.
  • FIG. 10 is a plan view showing a blade advancement process in FIG. 9. It is a top view which shows the advance process of the braid
  • the propeller rotor 1 of the present invention has a plurality of blade attachment portions 3 (five in the drawing) formed in the radial direction on the rear peripheral surface of the hub 2.
  • the blade mounting portion 3 is protruded to a height that allows the blade 5 to be attached and does not wobble and can be screwed.
  • the blade mounting portion 3 has a base of the lift type blade 5 (hereinafter simply referred to as a blade).
  • a mounting hole 4 into which the end mounting portion 5B can be fitted is formed deep in the centripetal direction and orthogonal to the axial direction.
  • the maximum chord length 5A of the blade 5 is about 50% of the rotation radius, and the water receiving area is set large.
  • the blade 5 has a blade end portion that is cut out from the base end surface within the range of the depth of the mounting hole 4 so that the mounting portion 5B can be mounted in the mounting hole 4 of the blade mounting portion 3. Is formed.
  • a screw hole 5C is formed in the attachment portion 5B at a position that matches the screw hole of the blade attachment portion 3.
  • the blade 5 has a common mounting portion 5B, and multiple types with different water receiving areas are prepared. Accordingly, even if the generator and the hub 2 are single, any size blade 5 can be fitted into the mounting hole 4. After the attachment portion 5B of the blade 5 is fitted into the attachment hole 4, it is fixed with the screw 3A.
  • the water channel where the water turbine is installed it can be determined how much power can be generated at the flow rate of the water channel. If the flow rate is slow by calculating backward from the amount of water received per second, the blade 5 having a large water receiving area is used. When the selected flow velocity is high, the blade 5 having a small water receiving area is selected and attached to the hub 2, so that the hydroelectric generator of the single hub 2 of the single generator has different conditions. Can be used for waterways.
  • the blade 5 has a front surface 5D with a rear edge 5F inclined with respect to the rotational direction line T by 6 to 12 degrees in the rear surface direction. Further, the inclined portion 5C is inclined from the maximum chord length portion 5A as the starting point. The maximum thickness at the leading edge 5E of the blade 5 is 25-30% of the chord length at the blade root portion, and the Coanda effect is large and acts as a rotational force.
  • the blade mounting portion 3 of the hub 2 shows the mounting hole 4, it may be formed in a plane U shape and the mounting portion 5B of the blade 5 may be fitted into the recess, and the type is not limited. Since the rotational force and the centrifugal force are applied to the blade 5, the blade 5 is fixed so that there is no glare.
  • FIG. 6 is a side view showing a state in which the rotor 1 is attached to the water wheel.
  • a water turbine casing 11 is horizontally suspended through a shaft tube 10 on an upper horizontal frame 9A of a support frame 7 assembled in a cube by a column 8 and horizontal frames 9A and 9B. ing.
  • a bottom plate 12 is stretched on the lower horizontal frame body 9B, and a tip portion of the bottom plate 12 projects forward and is inclined so as to come into contact with the water channel bottom G, thereby forming a water guide plate 13.
  • the space between the bottom plate 12 and the bottom surface of the water turbine casing 11 is made as narrow as possible.
  • a bottom layer flow is guided from the water guide plate 13 onto the bottom plate 12, mixed with the upper layer flow, passes through with increased pressure, and efficiently rotates the rear rotor 1.
  • rotor shafts 14 and 15 are laid across the front and rear, and the front end of the rotor shaft 14 protrudes from the water turbine casing 11 to fix the rotor 1.
  • the rear end of the rear rotor shaft 15 protrudes from the turbine casing 11 and the rotor 1 is fixed.
  • Transmission gears 14A and 15A are fixed to the inner ends of the rotor shafts 14 and 15, and are linked to the transmission gears 16A and 17A at the lower ends of the transmission shafts 16 and 17, respectively.
  • the shaft tube 10 is long in the front-rear direction in plan view, the left and right thicknesses of the front part are thick, and the rear part is gradually thinned.
  • transmission shafts 16 and 17 that transmit the rotational force of the rotor 1 to the output shaft 18 are vertically supported.
  • Transmission gears 16B and 17B that mesh with the transmission gear 18A of the output shaft 18 are fixed to the upper portions of the transmission shafts 16 and 17, respectively.
  • a bearing portion 10A is supported by a support plate 10B on the upper portion of the shaft tube 10, and an output shaft 18 is supported in the bearing portion 10A. If necessary, the bearing portion 10A can be supplemented with an auxiliary bearing (not shown) at the top.
  • the rotational force is transmitted to the output shaft 18 by the two transmission shafts 16 and 17, and the output shaft 18 receives the torque of the front and rear rotors 1 at the same time. It can be rotated efficiently.
  • an adjustment plate 19 is horizontally stretched on the support frame 7 at an upper portion of the water turbine casing 11 with an interval within the height of the water turbine casing 11.
  • the water flow that flows down on the water turbine casing 11 hits the front surface of the shaft tube 10 and moves upward. Therefore, when the adjustment plate 19 is stretched, upward swelling is suppressed.
  • the rear rotor 1 is efficiently rotated by being pressurized, flowing down at a high speed.
  • the blades 5 are directed upstream.
  • the front and rear hubs 2 and 2 face in opposite directions. That is, if the blade 5 is built in the hub 2, it cannot be used.
  • the hubs 2 are mounted in opposite directions.
  • the front and rear blades 5 are attached with their front and rear surfaces reversed.
  • the attachment hole 4 of the blade attachment portion 3 in the hub 2 is formed long with respect to the rotational direction, the attachment portion 5B of the blade 5 can be easily attached to this even if the front and rear surfaces are reversed. Can do.
  • FIG. 7 and the following are explanations regarding the thickness of the blade.
  • the same members as those of the previous example are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • the front surface of the lift-type blade 5 in the propeller rotor 1 in FIG. 7 has a chord length that gradually increases from the blade root toward the blade tip, and tapers from the maximum chord length portion 5A.
  • the chord length of the maximum chord length portion 5A is in the range of 40 to 50% of the turning radius, and FIG. 7 shows 50% as an example.
  • the front surface 5F and the rear surface 5G are parallel, and the thickness of the maximum chord length portion 5A is in the range of 25 to 35% of the maximum chord length.
  • the vertical center line K in the chord length direction of the blade 5 in FIG. 9 is inclined to the rear surface direction by about 10 degrees with respect to the rotation direction line R, but may be 0 degrees.
  • the horizontal front line U in the maximum chord length portion 5A is inclined in the direction of the rear surface 5G by about 23 degrees with respect to the rotation direction line R. Further, when the blade 5 rotates, the crossing angle between the rear flow line V of the water flow flowing on the extension line along the rear surface 5G and the rotation direction line R is about 30 degrees, and the vertical center line K of the blade 5 And the rear flow line V of the water flow are approximately 33 degrees.
  • an inclined portion 5C is formed in which the tip portion is inclined from the maximum chord length portion 5A in the range of 30 to 45 degrees in the front direction perpendicular to the horizontal front line U in the maximum chord length portion 5A. ing. Therefore, the T line orthogonal to the horizontal front line U is inclined in the direction of the trailing edge 5E by about 23 degrees with respect to the rotation axis S.
  • the V arrow flow that flows at a high speed along the rear surface 5G having a large bulge due to the Coanda effect is at an angle of approximately 30 degrees with respect to the rotational direction line R and the chord long center line (camber )
  • the flow rate within a certain time is large, and the rotational force of the blade 5 is increased as a reaction.
  • the direction of the repelling force is close to the direction indicated by the arrow W where hydraulic force is applied to the blade 5.
  • FIG. 13 is a reference diagram for comparison in which the maximum thickness of the maximum chord length portion 5A of the blade 5 shown in FIGS. 9 and 10 is halved, that is, 17.5%.
  • the intersection angle between the horizontal front line U and the rotation direction line R is approximately 9 degrees.
  • the blade 5 shown in FIG. 13 having half the thickness is thicker than the thick blade 5 shown in FIG. 9 where the hydraulic action line W arrow intersects the rotation direction line R at approximately 33 degrees.
  • the hydrodynamic action direction is 48.5 degrees with respect to the rotational direction line R, and is closer to the rotational direction line R than that shown in FIG. 9, so the thicker blade 5 shown in FIG.
  • the use efficiency of hydraulic power is better at 1.469% than the thin blade 5 shown in FIG.
  • the crossing angle between the water flow V arrow passing along the rear surface 5G of the blade 5 and the rotation direction line R is approximately 18 degrees.
  • the difference between the crossing angle 30 degrees between the rear flow line V and the R arrow line in FIG. 9 is understood as the difference in the speed of the high-speed flow due to the Coanda effect.
  • FIG. 14 is an enlarged plan view for explaining a process in which the blade 5 shown in FIG. 10 moves in the water flow. Since the front edge (point A) of the blade 5 in FIG. 14 is a perfect hemispherical surface, the maximum thickness is the diameter of the perfect circle.
  • the ratio of the radius from the center point O to the total chord length from the leading edge (point A) to the trailing edge (point B) of the blade 5 is approximately 16.8%.
  • the leading edge (point A) moves forward by the radius of the circle and moves to the position of the fixed point C
  • the water in the range of the fixed points G, I, C, J, H, A, G is The blade 5 moves rearward along the peripheral surface.
  • the trailing edge (point B) of the blade 5 advances to the point D, so that a negative pressure cavity is formed at the rear portion thereof, and the surrounding water fills the negative pressure cavity.
  • the water pushed forward by the blade 5 is not simply pushed forward so as to be pushed by the tokoroten pusher, but the surface of the front edge (point A) of the blade 5 and the peripheral surface of the blade 5 are thin. Slip on the layer and move backwards.
  • the range of the fixed points G, I, C, J, H, A, G and the range of the fixed points G, B, H, D, G are the same volume.
  • the space formed in the range of the fixed points G, A, H, D, and G is filled with water pressure from the surroundings, but the water in the range of the fixed points G, I, C, J, H, A, and G is filled.
  • the velocity of the water flow that passes along the rear surface 5G of the fixed points A, H, and B is higher than that of the front surface 5F. It quickly enters the negative pressure space formed at the rear part at high speed.
  • FIG. 15 is an enlarged plan view of the blade for explaining a process in which the blade 5 of FIG. 13 moves in the water flow.
  • the thickness of the blade 5 is half that of the blade 5 in FIG.
  • the blade 5 in FIG. 14 advances by half the thickness, and the blade 5 in FIG. 15 has the same distance as it advances a distance corresponding to the thickness.
  • the blade 5 in FIG. 15 seems to increase in speed when rotated by hydraulic power, but high-speed flow due to the Coanda effect is unlikely to occur.
  • the blade 5 is not intended to increase the rotational speed due to the Coanda effect.
  • the crossing angle of the V arrow line with respect to the horizontal front line U is approximately 14 degrees at a thickness of 26% of the maximum chord length.
  • the direction of the hydraulic force hitting the front is approximately 40 degrees with respect to the rotation direction line R and intersects at 45 degrees or less, so the rotation efficiency is Higher than thirteen.
  • FIG. 16 is a cross-sectional plan view of the maximum chord length portion of the blade 5.
  • An infinite number of fine irregularities 5H are formed on the surface from the semicircular portion of the front edge 5D to the rear to improve water slippage at the thick portion.
  • the fine unevenness 5H is optional, for example, lines such as vertical stripes, lattices, mesh allowances, etc., or coating of a coated object with a granular or sprayer. Since the thickness of the leading edge 5D is large, if there are innumerable fine irregularities 5H in the thick part, fine turbulent flow is generated, and resistance due to the viscosity of the fluid is suppressed to improve sliding.
  • the propeller rotor of the present invention can select and use blades of a size suitable for the flow velocity of the water channel, so even if the generator and the hub are single, by changing the blade, Can be used for hydroelectric generators. If the blade is thicker, the rotational torque can be increased even at low flow rates, so efficient power generation is possible when used for tidal current generators.

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Abstract

　本発明は、小水路に設置する水力発電装置におけるロータのブレードを、現地の状況に応じて、大きさを適宜変える事のできるプロペラロータを提供する。　水車装置の横軸ロータにおいて、ハブ（２）の後部周面に、放射方向を向く複数のブレード取付部を形成し、ブレードの取付部（５Ｂ）を前後反転しても、ブレード取付部（３）に取付けられるように形成した。

Description

プロペラロータ
　本発明は、プロペラロータに係り、特に水路の流速等の条件に合わせて、水車のロータブレードを、ハブに対して交換ができるプロペラロータに関する。
　水路の底に設置する水車は、例えば、特許文献１に開示されている。
特開２０１２－１８４７４６号公報
　特許文献１に記載の水車は、水底に基礎を構築して水車櫓が配設されているものである。
　これを水路に設置する場合、水路における流速はそれぞれ異なるので、単１のロータでは、効率良く、安定して発電させることは困難である。
　本発明は、小水路で水車装置を設置する時に、その水路の流速などの条件に最適なブレードを選択して、ロータに取付けることのできるプロペラロータ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）　水車装置の横軸ロータにおいて、ハブの後部周面に、放射方向を向く複数のブレード取付部を形成し、ブレードの取付部を前後反転しても、ブレード取付部に取付られるように形成したプロペラロータ。
（２）　受水面積の異なったブレードの中から、設置現場の流速に対して最適な受水面積のブレードを選定し、ハブのブレード取付部に、ブレードの取付部を取付ける前記（1）に記載のプロペラロータ。
（３）　前記水車装置は、水車筐体の前後に横軸ロータを配設したものであり、前後のハブはそれぞれ逆方向を向いて取付けられ、前後のブレードは前面を上流方向へ向けて取付けた前記（1）または（2）に記載のプロペラロータ。
（４）　前記ハブのブレード取付部は、回転方向へ長い嵌装孔を軸心線と直交状に形成し、ブレードの基端部に形成した取付部が、前後いずれの方向を向いた時にも嵌装孔に嵌合させることができる前記（1）～（3）のいずれかに記載のプロペラロータ。
（５）　前記ブレードの取付部は、ハブにおける嵌装孔に合うように周面を削除し、ハブのブレード取付部に取付けた時、継目に段差がないように形成された前記（1）～（4）のいずれかに記載のプロペラロータ。
（６）　前記揚力型ブレードを直立させた状態の最大弦長部分の横断面において、前縁は球面とし、その直径部分から後縁へかけて曲面とし、大きな膨らみをもつ後面に沿う後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た前記（1）～（5）のいずれかに記載のプロペラロータ。
（７）　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、後縁を後面方向へ傾斜させてなる前記（1）～（6）のいずれかに記載のプロペラローラ。
　（８）　前記、揚力型ブレードの前縁は、横断面において正円の半円形としてあり、その前後の頂点から前面及び後面が連なっている前記（1）～（7）のいずれかに記載のプロペラロータ。
　（９）　前記、最大弦長部の正面を基点とし、それより先端部を正面方向で、回転軸心線に対して１３度～２３度後縁方向へ向けて、かつ下向きに傾斜させてなる前記（1）～（8）のいずれかに記載のプロペラロータ。
　本発明によると、次のような効果が奏せられる。
　前記（1）に記載されたプロペラロータは、水車装置の横軸ロータにおいて、ハブの後部周面に、放射方向を向く複数のブレード取付部を形成し、ブレードの取付部を前後反転しても、ブレード取付部に取付けられるように形成したので、水車装置の前後に長い軸の前後にロータを装着する構造において、ハブを前後で逆方向に向けて装着してあっても、これに装着するブレードの向きを、前後とも上流方向に向けて、容易に装着させることができる。
　前記（2）に記載されたプロペラロータは、水車装置を設置する水路の流速の状態に応じて、最も適切な受水面積のブレードを選択して、取変えることができる。
　発電機とハブの大きさは単１でよいので、設置する水路の流速が遅い時は大きめのブレードを採用し、流速が早い時は小さめのブレードを選択するなど、現場の条件に適切に対応することができる。
　前記（3）に記載の水車装置は、水車筐体の前後にロータを配設してあるので、ハブの向きは前後で逆向きであるが、ブレードは受水面を同じ上流側へ向けて配設することになる。ハブとブレードが作り付けの場合では、使用することが出来ないが、本発明では可能で、かつ大きさの異なるものを取り変えて取付けることができる。
　前記（4）に記載のプロペラロータは、ブレード取付部を回転方向に沿って長い嵌装孔として形成してあるので、ブレードの大きさが異なっても、ブレードの取付部を、ブレード取付部の嵌装孔に嵌合させるだけで、容易に取付けることができ、かつ、ブレードを前後反転させても容易に取付けることができる。
　前記（5）に記載のプロペラロータは、ブレードの取付部が、ハブにおける嵌装孔に合うように周面を削除してあるので、ハブのブレード取付部に取付けた時、継目に段差がなく、継目において乱流が生じることがない。
　前記（6）に記載の発明は、大きな膨らみを持つ後面の延長線である後面流動線が、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、この後面に沿って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、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、回転トルクが大となり、例えば水力発電機での発電効率が高まる。
　前記（7）に記載の発明は、前記、大きな膨らみを持つ後面の最大厚さ部分は、最大弦長の２５～３５％の範囲としてある。
　この場合、弦長が同じで、最大厚さが大きくなると、後面の曲面における膨らみも大きくなり、ブレードの回転時に、この膨らみのある後面に沿って通過する水流は、コアンダ効果によって、膨らみが大きいほど速度が高速となる。
　しかし最大厚さが弦長の３５％を超えると、後面に沿って通過する水流は、正面方向へ入り込むため、その反動の力は回転方向に対して横の方向を向くため、回転力になりにくい。また２５％以下では、後面の膨らみによってコアンダ効果により通過する１定時間内における水量が少ないため、その反動により回転する力も必然的に小さくなる。
　　前記（8）に記載の発明は、揚力型ブレードの前縁は、横断面において正円の半円形としてあるので、水流がブレードの前後のどの位置に当っても、円滑に前後に振分けることができ、抵抗が小さい。
　前記（9）に記載の発明は、前記最大弦長部を基点とし、その先端部を正面方向で回転軸心線に対して１３度～２３度後縁方向へ向けて、かつ下向きに傾斜させて傾斜部が形成されているので、傾斜部に当って通過する水流は、１３度～２３度後縁方向へ向けて通過し、反動として回転効率を高める。
本発明プロペラロータの正面図である。 図１におけるハブ部分の平面図である。 図１におけるブレードの正面図である。 図３におけるブレードの側面図である。 図４におけるブレードの平面図である。 水車装置に装着したプロペラロータの側面図である。 本発明の別の実施形態の正面図である。 図７におけるブレードの側面図である。 図７におけるブレードの拡大平面図である。 図７におけるX－X線横断面図である。 図７におけるXI－XI線横断面図である。 図７におけるXII－XII線横断面図である。 図９における厚さの半分のブレードの横断平面図である。 図９におけるブレードの前進過程を示す平面図である。 図１３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。
　以下本発明の実施例を、図面を参照して説明する。
　本発明のプロペラロータ１は、図１に示すように、ハブ２の後部周面に、放射方向へ向けてブレード取付部３が複数（図では５個）形成されている。
　ブレード取付部３は、ブレード５を取付けてぐらつきがなく、ネジ留めできる程度の高さに突出させてあり、突端には図２に示すように、揚力型ブレード５（以下単にブレードという）の基端部の取付部５Ｂを嵌装可能な取付孔４が求心方向へ向かって深く、かつ軸心方向へ直交状に形成されている。
　ブレード５は、図３に示すように、最大弦長部５Ａは、回転半径の50％前後の長いものとしてあり、受水面積が大きく設定されている。
　ブレード５の翼端部は、前記ブレード取付部３の取付孔４に取付可能のように、基端面から取付孔４の深さの長さの範囲内で、周囲を切り欠いて取付部５Ｂが形成されている。取付部５Ｂには、ブレード取付部３のネジ孔と合う位置に、ネジ孔５Ｃが形成されている。
　ブレード５は、取付部５Ｂを共通として、受水面積の異なった複種類を用意しておく。これによって、発電機とハブ２が単１であっても、取付孔４には、どの大きさのブレード５でも嵌合することができる。取付孔４にブレード５の取付部５Ｂを嵌合させた後にネジ３Ａで固定する。
　水車を設置する水路が決まったら、その水路の流速でどのくらいの発電ができるかが判るので、必要な秒間の受水量から逆算して、流速が遅い場合には、受水面積の大きなブレード５を選択し、流速が早い場合には、受水面積の小さなブレード５を選択して、ハブ２に装着することによって、単１の発電機の単１のハブ２の水力発電装置を、条件の異なる水路に汎用することができる。
　ブレード５は、図５に示すように、前面５Ｄが、回転方向線Ｔに対して後縁５Ｆが、後面方向へ６～12度傾斜している。また最大弦長部５Ａを起点として、上流方向へ傾斜する傾斜部５Ｃとされている。
　ブレード５の前縁５Ｅにおける最大厚さは、翼根部分で弦長の25～30％としてあり、コアンダ効果が大きく回転力として作用する。
　ハブ２のブレード取付部３は、取付孔４を示してあるが、平面コ字状とし、凹部にブレード５の取付部５Ｂを嵌合させるようにしてもよく、形式は限定されない。ブレード５には、回転力と遠心力がかかるので、グラツキがないように固定する。
　図６は、水車にロータ１を取付けた状態を示す側面図である。水車装置６は、柱体８と横枠体９Ａ、９Ｂとで立方体に組まれた支持枠体７の上横枠体９Ａに、軸筒10を介して水車筐体11が水平に吊設されている。
　下横枠体９Ｂには底板12が張設され、その先端部は前方へ突出して、水路底Ｇに接地するように傾斜されて、導水板13とされている。底板12と水車筐体11の底面との間は可及的に狭くされる。導水板13から底層流が底板12の上に導かれ、上層流と混合して圧力を高めて通過し、後部のロータ１を効率良く回転させる。
　水車筐体11内には、前後にロータ軸14、15が横架され、前部のロータ軸14の先端は水車筐体11から突出されてロータ1が固定されている。後部のロータ軸15の後端は水車筐体11から突出されてロータ1が固定されている。両ロータ軸14、15の内側端部には、伝動ギア14Ａ、15Ａが固定され、それぞれ伝動軸16、17の下端部における伝動ギア16Ａ、17Ａと連係されている。
　前記軸筒10は平面視で前後に長く、かつ前部の左右厚みは厚く、後部へ次第に薄く形成されている。内部にはロータ１の回転力を出力軸18へ伝える伝動軸16、17が垂直に支持されている。各伝動軸16、17の上部には、出力軸18の伝動ギア18Ａと噛合する伝動ギア16Ｂ、17Ｂが固定されている。
　軸筒10の上部には、軸受部10Ａが支持板10Ｂに支持されて、軸受部10Ａ内に出力軸18が支持されている。必要に応じて、軸受部10Ａは、上部に図示しない補助軸受を継ぎ足すことができる。
　これによって、水流によってロータ１が回転すると、その回転力は両伝動軸16、17によって出力軸18に伝えられ、出力軸18は、前後のロータ１のトルクを同時に受けるので、図示しない発電機を効率良く回転させることができる。
　図６において、水車筐体11の上部に、水車筐体11の高さ以内の間隔をおいて、調整板19が水平に支持枠体７に張設されている。図６において、水車筐体11の上に沿って流下する水流は、軸筒10の前面に当って上方へ移動するので、調整板19が張設されていると、上方への盛りあがりが抑止され、加圧され、高速となって流下して、後部のロータ1を効率良く回転させる。
　さて、前後のロータ１は、ブレード５の向きは上流方向へ向いている。しかし前後のハブ２、２はそれぞれ反対方向を向いている。すなわち、ハブ２にブレード５が作り付けのものでは、使用することが出来ない。
　図１、２におけるロータ１では、ハブ２はそれぞれ逆向きに取り付けられている。これに対して、前後のブレード５は、それぞれ前後面を逆にして取付けることになる。
　その点、ハブ２におけるブレード取付部３の取付孔４は、回転方向に対して長く形成されているので、プレード５の取付部５Ｂは、前後面を反転させても、これに容易に取付けることができる。
　図７以下は、ブレードの厚さに関する説明である。前例と同じ部材には同じ符号を付して説明を省略する。
　図７におけるプロペラロータ１における揚力型ブレード５の正面は、翼根から翼端へ向かって弦長を次第に大とし、最大弦長部５Ａから先を先細にしてある。最大弦長部５Ａの弦の長さは、回転半径の40～50％の範囲とし、図７では一例として50％を示している。
　図８に示すブレード５の側面視は、前面５Ｆと後面５Ｇは平行とし、最大弦長部５Ａにおける厚さは、最大弦長の25～35％の範囲とし、図８では一例として35％で示している。
　図９におけるブレード５の弦長方向の縦中央線Ｋは、回転方向線Ｒに対してほぼ１０度、後面方向へ傾いているが、０度でも構わない。
　図９及び図１０において、最大弦長部５Ａにおける水平正面線Ｕは、回転方向線Ｒに対して、ほぼ２３度ほど後面５Ｇ方向へ傾斜している。
　またブレード５の回転時に、後面５Ｇに沿ってその延長線上に流動する水流の後面流動線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５の縦中央線Ｋと水流の後面流動線Ｖとの交差角度はほぼ33度である。
　図９及び図１０において、最大弦長部５Ａより先端部を、最大弦長部５Ａ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５Ｃ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５Ｅ方向へ傾斜している。
　このことから、ブレード５が前面５Ｆ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５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５が回転すると、コアンダ効果により、大きな膨らみのある後面５Ｇ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、かつ弦長央線（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５の回転力を高める。この反発する力の方向は、ブレード５に対する水力のかかるＷ矢示方向に近い。
　図１３は、図９、図１０に示すブレード５の、最大弦長部５Ａ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、縦中央線Ｋを０度にしても、水流の後面流動線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９に示す厚いブレード５に対して、厚さが半分の図１３に示すブレード５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９に示すものよりも回転方向線Ｒに近いので、図９に示した厚さの厚いブレード５の方が、図１３に示す厚さの薄いブレード５よりも、１対1.469％で水力の利用効率がよいことになる。
　図１３における、ブレード５の後面５Ｇ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９における後面流動線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１４は、図１０に示すブレード５が、水流において移動する過程を説明する拡大平面図である。図１４におけるブレード５の前縁（点Ａ）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５の前縁（点Ａ）から後縁（点Ｂ）迄の、全弦長に対する比率は、ほぼ16.8％である。
　図１４において、前縁（点Ａ）がその正円半径分だけ前進して、定点Ｃの位置まで移動した時、定点Ｇ、Ｉ、Ｃ、Ｊ、Ｈ、Ａ、Ｇの範囲の水が、ブレード５の周面に沿ってその後方へ移動する。
　この場合、ブレード５の前進によりブレード５の後縁（点Ｂ）が点Ｄまで前進しただけ、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５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５の前縁（点Ａ）の表面及びブレード５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５が前進すると、定点Ｇ、Ｂ、Ｈ、Ｄ、Ｇの範囲で負圧の空間が形成されるので、ブレード５の前縁（点Ａ）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（点Ａ）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５は、前方へ押し出されて回転する。
　従って、定点Ｇ、Ｉ、Ｃ、Ｊ、Ｈ、Ａ、Ｇの範囲と、定点Ｇ、Ｂ、Ｈ、Ｄ、Ｇの範囲とは同じ容積である。この定点Ｇ、Ａ、Ｈ、Ｄ、Ｇ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Ｇ、Ｉ、Ｃ、Ｊ、Ｈ、Ａ、Ｇの範囲の水は、ブレード５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５を押出す。
　従って、その水量が多いほど、ブレード５の回転トルクは高くなる。このことは、後記する図１３及び図１５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Ａ、Ｇ、Ｂの距離よりも、定点Ａ、Ｈ、Ｂの距離が長いので、定点Ａ、Ｈ、Ｂの後面５Ｇに沿って通過する水流の速度が、前面５Ｆ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早く入り込む。
　次に、定点Ｃが定点Ｅの位置まで移動すると、定点Ｉ、Ｆ、Ｊ、Ｈ、Ｆ、Ｉの範囲に、前縁５Ｄ（点Ａ）で押された前部の水が移動する。この時、定点Ｉ、Ｆ、Ｊ、Ｈ、Ｆ、Ｉの範囲に負圧が生じるので、後は前例と同じである。
　図１５は、図１３のブレード５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平面図である。ブレード５の厚さは、図１４のブレード５の半分である。
　図１４におけるブレード５が、厚さの半分だけ前進するのと、図１５におけるブレード５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１５において、定点ａが定点ｈまで移動したとき、定点ｊ、ｋ、ｂ、ｉ、ｈ、ｇの範囲の水の移動があることになる。これと定点Ｇ、Ｂ、Ｈ、Ｄ、Ｇ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１５におけるブレード５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５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１４における、弦長の３０％を越える厚いブレード５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５Ｇ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５Ｇ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５の厚さを弦長の17.5としたものは、図１３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１３のものよりも高い。
　図１６は、ブレード５の最大弦長部分の横断平面図である。この前縁５Ｄ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５Ｈ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５Ｈ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５Ｄの厚さが厚いので、微細凹凸５Ｈ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。
　本発明のプロペラロータは、水路の流速に適する大きさのブレードを選択して使用することが出来るので、発電機とハブが単一であっても、ブレードを換えることによって、流速の異なる水路で水力発電機に使用することができる。
　ブレードの厚さの厚い方が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と効率の良い発電ができる。
１．プロペラロータ
２．ハブ
３．ブレード取付部
３Ａ．ネジ
４．取付孔
５．揚力型ブレード
５Ａ．最大弦長部
５Ｂ．取付部
５Ｃ．傾斜部
５Ｄ．前縁
５Ｅ．後縁
５Ｆ．前面
５Ｇ．後面
５Ｈ．微細凹凸
６．水車装置
７．支持枠体
８．柱体
９Ａ．上横枠体
９Ｂ．下横枠体
10．軸筒
10Ａ．軸受
11．水車筐体
12．底板
13．導水板
14、15．ロータ軸
14Ａ、15Ａ．伝動ギア
16、17．伝動軸
16Ａ、16Ｂ、17Ａ、17Ｂ．伝動ギア
18．出力軸
18Ａ．伝動ギア
Ｇ．水路底
Ｓ．軸線
Ｔ．回転方向線

Claims (9)

  1. 　水車装置の横軸ロータにおいて、ハブの後部周面に、放射方向を向く複数のブレード取付部を形成し、ブレードの取付部を前後反転しても、ブレード取付部に取付られるように形成したことを特徴とするプロペラロータ。
  2. 　受水面積の異なったブレードの中から、設置現場の流速に対して最適な受水面積のブレードを選定し、ハブのブレード取付部に、ブレードの取付部を取付けることを特徴とするプロペラロータ。
  3. 　前記水車装置は、水車筐体の前後に横軸ロータを配設したものであり、前後のハブはそれぞれ逆方向を向いて取付けられ、前後のブレードは前面を上流方向へ向けて取付けたことを特徴とする請求項１または２に記載のプロペラロータ。
  4. 　前記ハブのブレード取付部は、回転方向へ長い嵌装孔を軸心線と直交状に形成し、ブレードの基端部に形成した取付部が、前後いずれの方向を向いた時にも嵌装孔に嵌合させることができることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載のプロペラロータ。
  5. 　前記ブレードの取付部は、ハブにおけるブレード取付孔に合うように周面を削除し、ハブのブレード取付部に取付けた時、継目に段差がないように形成された請求項１～４のいずれかに記載のプロペラロータ。
  6. 　前記揚力型ブレードを直立させた状態の最大弦長部分の横断面において、前縁は球面とし、その直径部分から後縁へかけて曲面とし、大きな膨らみをもつ後面に沿う後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たことを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載のプロペラロータ。
  7. 　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、後縁を後面方向へ傾斜させてなることを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載のプロペラローラ。
  8. 　前記、揚力型ブレードの前縁は、横断面において正円の半円形としてあり、その前後の頂点から前面及び後面が連なっていることを特徴とする請求項１～７のいずれかに記載のプロペラロータ。
  9. 　前記、最大弦長部の正面を基点とし、それより先端部を正面方向で、回転軸心線に対して１３度～２３度後縁方向へ向けて、かつ下向きに傾斜させてなることを特徴とする請求項１～８のいずれかに記載のプロペラロータ。
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