JP2001158396A - マリーンウォータージェット推進装置のインペラ - Google Patents

マリーンウォータージェット推進装置のインペラ

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JP2001158396A JP2000323000A JP2000323000A JP2001158396A JP 2001158396 A JP2001158396 A JP 2001158396A JP 2000323000 A JP2000323000 A JP 2000323000A JP 2000323000 A JP2000323000 A JP 2000323000A JP 2001158396 A JP2001158396 A JP 2001158396A
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 いかなるサイズにおいても、流れの速度の大
きさ及び方向の空間的及び時間的な揺らぎに起因するキ
ャビテーションの始まりに対して大きな抵抗力を示すよ
うにする。 【解決手段】 キャビテーション、振動、騒音、及び、
推進装置又は親船の設備の重要な構成部品に対する物理
的損傷を低減するように形成されたブレード４４を有し
ているインペラ２２の各ブレードの前縁５２は、少なく
ともそのスパンの外側７０％にわたって前方へスキュー
しており、前方スキューは先端５６で最大となり、それ
は３５゜よりも大きくて、好ましくは５０゜よりも大き
い。インペラは１．５よりも大きい投影ブレード面積比
率を有し、それぞれのブレードの翼弦長さは、最小スキ
ュー点から先端へ向けて漸進的に増加して、キャビテー
ションクリチカル領域における荷重を減少させる。ブレ
ードの先端には部分的な又は全体的な先端帯を固定して
も良い。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、マリーンウォータ
ージェット推進装置のインペラに関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、マリーンウォータージェット推
進装置は、回転するブレードの並びと静止したブレード
の並びとから構成される。回転するブレードの並びはイ
ンペラと称される。回転するブレードの並びの目的は、
推進装置を通り抜ける水の総エネルギーを起こすことで
あり、これは親船が水を貫いて推進するのに有用なスラ
ストを生み出すのに使用することができる。静止したブ
レードの並びはディフューザないし案内羽根と称され
る。静止したブレードの並びのひとつの目的は、それが
回転するブレードの並びの下流に配されている場合に
は、インペラによって生み出された回転流のエネルギー
を回収することにあって、これは、親船が水を貫いて推
進するのに有用なスラストを生み出すに際して、推進装
置の能力を増大させるのに使用することができる。静止
したブレードの並びが回転するブレードの並びの上流に
配されている場合には、そのひとつの目的は、回転する
ブレードの並びの付近で見受けられる、流れ速度の大き
さ及び方向についての大規模な揺らぎを緩和することに
ある。
【０００３】流れ速度の大きさ及び方向についての揺ら
ぎは、推進装置のパフォーマンスに対して有害な結果を
起こし得る。特にそれは、回転又は静止している影響さ
れるすべてのブレードの並びにおいて生じる、圧力の揺
らぎの原因になり得る。これらの揺らぎは典型的には、
推進装置の効率の低下や、振動の増加、及び騒音の増加
を生じさせる。猛烈な揺らぎの場合には、ブレードの並
びの表面の圧力が水の蒸気圧より下のレベルに減少し
て、水が泡立つことになる。この現象はキャビテーショ
ンと称される。水蒸気の気泡はブレードの表面に生じ
て、これは大きなキャビティーに合体してブレードに付
着し続けるか、または、ブレードの並びの表面から剥離
して下流へと向かう。キャビティー及び気泡はいくつか
の点で推進装置のパフォーマンスに対して有害である。
【０００４】推進装置のキャビテーションの程度が十分
に猛烈な場合には、装置を通る水の流れに妨害を生じ、
キャビテーションブレークダウンやスラストブレークダ
ウンを起こして、装置の有効なスラストが激変的に衰え
る。
【０００５】キャビティーないし水蒸気の気泡が、装置
における流れの場の圧力が水の蒸気圧よりも高いような
領域へ向かった場合には、水蒸気は急速に凝縮して、気
泡は液体状態へと急激に収縮する。その爆縮の作用は激
しくて、過大な過渡的な圧力揺らぎを生じさせ、これは
推進装置の構成部分の構造を物理的に損傷させるのに十
分に荒々しい。
【０００６】水蒸気の気泡の爆縮は、最低でも、騒音を
発生するのに十分な体積及び圧力の揺らぎを起こす。さ
らに、こうした揺らぎは、推進装置の構造と共に関連す
る親船の構造にも振動を起こす。振動は、構造の疲労破
壊につながることがあると共に、親船の中で及び水中
へ、ともに付加的な騒音を放射する。
【０００７】既知のウォータージェット推進装置は一般
にキャビテーションに悩まされている。ウォータージェ
ット推進装置の代表的な設備では、親船の動作範囲を厳
しく制限することなくしては、いかなる実際的な手段に
よっても流れ速度の大きさと方向との揺らぎを十分に緩
和することができない。船の動作条件のいくらかの範囲
にわたって、キャビテーションは十分に猛烈で、推進装
置を物理的に損傷させるか、または、最低でも振動と騒
音とを著しく増大させる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、２つ
のブレードの並び、ひとつは回転しひとつは静止した並
びを有するウォータージェット推進装置であって、与え
られたいかなるサイズにおいても、既知のウォータージ
ェット推進装置と比較して、流れの速度の大きさ及び方
向の空間的及び時間的な揺らぎに起因するキャビテーシ
ョンの始まりに対してより大きな抵抗力を示すような装
置を提供することにある。他の目的は、特に海洋学の研
究やレクリエーション、及び軍事用の船に利益をもたら
すもので、キャビテーションに誘導された騒音及び振動
が存在することのない船の動作範囲を拡張することにあ
る。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上述の目的は、本発明に
よれば、ウォータージェットの推進装置のためのインペ
ラであって、複数のブレードを有し、それぞれのブレー
ドが前方、つまりブレードに固定されブレードと共に回
転する座標系上において測るとき衝突する上流の水の流
れの方向と向かい合う方向へ著しくスキューないし広が
っているインペラによって達成される。こうしてブレー
ドの先端は、前縁のより内側の部分を回転方向において
先導する。前方へスキューした領域は、外側の先端から
内側へ、ブレードの前縁のスパンの７０％以上にわたっ
て延在する。回転中心と前縁の最小スキューの点とを通
る直線と、前縁の最小スキューの点と前縁の最大スキュ
ーの点（ブレードの先端）とを通る直線との間において
測定される投影スキュー角度は、３５゜よりも大きく、
好ましくは５０゜よりも大きい。
【００１０】ブレードの前縁の先端付近は、入射に関連
した上流の流れ速度の揺らぎのために、キャビテーショ
ンが最も早く始まる代表的な位置である。先端における
最大の前方スキューの効果は、３次元流れの影響を導入
するように作用して、キャビテーション発生の原因とな
る、ブレード表面圧力の揺らぎのピークを低減させる。
ブレード表面圧力のピークの揺らぎを低減させることは
また、ブレード負荷の揺らぎと結果的な振動とを低減
し、これは、疲労による推進装置の構成部品への構造的
損傷の原因を低下させる。
【００１１】後縁の形状は対応させて改めることなし
に、前方スキューを前縁においてブレードに導入するの
が有利である。こうして、ブレードの翼弦長さは、少な
くともブレードスパンの外側７０％において増加させら
れて、投影ブレード面積比率の増大をもたらす。特定の
ブレード負荷に対してブレードの面積が増加すること
は、ブレードの片側に誘発する圧力の大きさが低下する
ことになる。揺らぎの負荷に伴なうキャビテーションの
危険はそれにより低下する。特に、投影ブレード面積比
率は１．５よりも大きくて、投影ブレード面積比率は、
ブレードの数と回転軸線に対して垂直な平面上に投影し
たブレードの面積とを掛け合せて、回転軸線に対して垂
直な平面上にすべてのブレードの外側輪郭を投影した面
積によって割ったものとして定義される。比較的に大き
な投影ブレード面積比率は、流れ速度の大きさと方向と
の揺らぎの存在なしに、より低いブレード表面圧力の大
きさを総合的にもたらす。こうした揺らぎの存在の下
で、ブレード表面圧力の揺らぎのピークが蒸気圧へ達す
る傾向と、これによるキャビテーションの原因とを比例
的に低下させる。
【００１２】流れ速度の入射の揺らぎの結果による、ブ
レードの前縁付近でのキャビテーションで誘発される圧
力の低下は、ブレード断面のノーズ半径を大きくするこ
とと、ブレードの先端へ向かっての前縁の前方スキュー
ないし広がりとによって緩和されることが見いだされ
た。しかしながら、ブレード断面のノーズ半径の利益
は、断面ノーズの“肩部”における平均的流れにおいて
圧力低減が大きくなることによって制限されている。さ
らに、与えられたブレード断面の形状の原型において、
ノーズ半径を増やすことは、ブレード断面の厚さの増加
を意味し、これはブレード間の平均的流れにおいて、受
入れ難い妨害及びキャビテーションをもたらし得る。
【００１３】入射の速度揺らぎの変化に対する圧力応答
を減少させることにより、外向き前方へスキューしたブ
レードの前縁は、設計者にとって可能なノーズ半径より
望ましくないものをより良く補償する。。与えられた入
射揺らぎ、周辺圧力、及び速度に対して、補償するため
の前縁のスキュー角度は断面ノーズ半径の平方根に逆比
例することが見いだされた。
【００１４】本発明の他の実施形態は、インペラブレー
ドの先端を取囲み固定された、円周状の先端帯構造を含
んでおり、これは先端のギャップ隙間でのキャビテーシ
ョンを防止するように働くと共に、ブレードの付いたイ
ンペラ組立体の構造的完全性を改善する。先端帯は部分
的であるか又は完全的、すなわち、それはブレードの軸
線方向の範囲に沿って部分的にだけ又は全体的に延在す
る。
【００１５】本発明とその効果についてのより完全な理
解のために、例示的な実施形態に関して、添付図面と関
連づけて以下に記載の詳細な説明を参照する。
【００１６】
【発明の実施の形態】図１乃至図３に全体を概略的に示
すように、マリーンウォータージェット推進装置２０
は、１つの静止したブレードの並びと１つの回転するブ
レードの並びとを利用している。回転するブレードの並
びないしインペラ２２は、静止したブレードの並びない
しディフューザ２４と関連して使用されて、推進装置を
通る水の流れにエネルギーを与え、これは有用なスラス
トを発生させるのに使用することができる。マリーンウ
ォータージェット推進装置の図示された残りの構成部
品、つまりインペラハウジング２６、ディフューザハブ
コーン２８、及び出口ノズル３０は、推進装置を通る水
の流れを収容し振向けるために用いられる。
【００１７】水の流れは、インペラハウジング２６へ入
って、インペラ２２による作用を受ける。インペラ２２
は、推進装置を通る水の流れのエネルギーを増加させ
て、これを有用なスラストを発生させるのに使用するこ
とができる。さらに、インペラ２２は水の流れに回転エ
ネルギーを与えるが、これは有用なスラストを発生させ
るために使用することができない。流れは推進装置を通
ってディフューザ２４へと続くが、ここでインペラ２２
によって与えられた回転エネルギーを、有用なスラスト
を発生するのに使用できるエネルギーへと変換できる。
コーン２８と出口ノズル３０とは協調して、インペラと
ディフューザとの作用によって推進装置を通る水の流れ
に与えられたエネルギーを、有効なスラストへと変換す
る。
【００１８】インペラ２２はハブ４０を有していて、こ
れはややフットボールの半分のような形状で、インペラ
が固定されるドライブシャフト（図示せず）を受入れる
軸孔４２を有している。６枚の全く同一の、円周方向に
等しく間隔を隔てられたインペラブレード４４が、ハブ
４０のまわりに並んで延びている。ブレードの先端とイ
ンペラハウジング２６の内面との間の運転隙間は小さ
い。後述するように、インペラ２２の６枚のブレード４
４のそれぞれの前縁には前方スキューが与えられてい
る。
【００１９】図に示してここで説明した実施形態のイン
ペラ２２は混合流タイプのインペラであるけれども、本
発明は多くの異なるデザインのインペラに適用すること
ができ、それには誘導タイプ、軸流タイプ、及び遠心タ
イプが含まれると共に、様々なブレード数のインペラに
適用することができる。
【００２０】図７は、１枚のインペラブレード４４につ
いての線図を示している。Ｃ１、Ｃ２などの２０の二重
の曲線は、２０の等間隔に隔てられた仮想的な二重に曲
った切断面とブレードとの交差によって形成されたブレ
ードの断面を、インペラ２２の軸線Ａに対して垂直な平
面上に投影したものであり、前述の仮想的な面のそれぞ
れは、ハブ４０の外面とインペラハウジング２６の内面
との間の通路を通る水の流れ経路の流れ線を軸線Ａを中
心として回転させることによって生じる。根元ブレード
断面Ｃ１と先端ブレード断面Ｃ２０とはスパン方向につ
いてのブレードの範囲を描いており、一方、前縁周縁５
２と後縁周縁５４とは翼弦方向についてのブレードの範
囲を描いている。最小投影スキュー線ＳＬminは、イン
ペラの回転軸線Ａと最小投影スキュー点ＳＰminとを通
るように引かれる。最大投影スキュー線ＳＬmaxは、最
小投影スキュー点ＳＰminと前縁先端点５６とを通るよ
うに引かれる。最大投影スキュー線ＳＬmaxと最小投影
スキュー線ＳＬminとの間の投影スキュー角度αは３５
゜よりも大きくて、好ましくは５０゜よりも大きい。前
方スキューは、前縁先端点５６と最小投影スキュー点Ｓ
Ｐminとの間においてブレードの前縁の部分に沿って維
持されるが、スキューの量はかかる部分に沿って点５６
から漸進的に減少する。最小投影スキュー点ＳＰ
minは、先端から、ブレードの投影スパンの７０％より
も大きいような距離に配されている。
【００２１】図８は、１枚のインペラブレード４４の周
辺によって囲まれた領域の真の直交投影を描いていて、
回転軸線Ａに対して垂直な平面上に投影している。図９
は、インペラ２６のすべての６枚のブレード４４の組合
わされた周辺によって囲まれた領域の真の直交投影であ
って、回転軸線Ａに対して垂直な平面上に投影してい
る。投影ブレード面積比率は、インペラのブレードの数
に１枚のブレードの投影面積（図８）を掛け合せて、こ
れを、すべての６枚のブレードの組合わされた周辺によ
って囲まれた面積（図９）で割ることによって計算され
るが、それは１．５よりも大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、マリーンウォータージェット推進装置
組立体の概略的な分解斜視図であって、本発明によって
各ブレードの前縁に与えられた前方スキューを備えてい
るインペラの実施形態を含んでいる。
【図２】図２は、図１に示したマリーンウォータージェ
ット推進装置組立体の組立てられたようすを示す側横断
面図であって、図３における２−２線から見た図であ
る。
【図３】図３は、図１及び図２の組立体について示した
正面立面図である。
【図４】図４は、図１乃至図３の組立体におけるインペ
ラを示した斜視図である。
【図５】図５は、図４に示したインペラの正面立面図で
ある。
【図６】図６は、図４及び図５に示したインペラの側立
面図である。
【図７】図７は、図４乃至図６に示したインペラの１枚
のブレードの線図であって、インペラの回転軸線に対し
て垂直な平面上にブレードの断面を投影している。
【図８】図８は、１枚のブレードの周辺輪郭を示した線
図であって、インペラの回転軸線に対して垂直な平面上
に投影した図である。
【図９】図９は、すべてのブレードの根元及び先端の輪
郭を組合わせて示した線図であって、インペラの回転軸
線に対して垂直な平面上に投影した図である。
【符号の説明】 ２２ インペラ ４４ ブレード ５２ 前縁 ５６ 外側先端
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ニール エイ ブラウン アメリカ合衆国 マサチューセッツ州 02421 レキシントン フォーレン ロー ド 216

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 マリーンウォータージェット推進装置の
    ためのインペラであって、複数のブレード（４４）を有
    し、ブレード（４４）のそれぞれは前縁部分を有してい
    るものにおいて、それぞれのブレードの前縁部分が前方
    へスキューした領域を有していて、これが外側先端（５
    ６）から内側へ向かってブレード（４４）の前縁（５
    ２）のスパンの７０％以上の部分に沿って延在している
    ことを特徴とするインペラ。
  2. 【請求項２】 それぞれのブレード（４４）における前
    方へスキューした領域は外側先端（５６）において最大
    となり、これが３５゜以上のスキューを有することを特
    徴とする請求項１に記載されたインペラ。
  3. 【請求項３】 それぞれのブレード（４４）における前
    方へスキューした領域は外側先端（５６）において最大
    となり、これが５０゜以上のスキューを有することを特
    徴とする請求項１に記載されたインペラ。
  4. 【請求項４】 それぞれのブレード（４４）の翼弦長さ
    は、前方へスキューした領域と対応するように、スパン
    の部分で根元から先端の方向において漸進的に増加する
    と共に、ブレード（４４）の断面は前縁スキューに合わ
    せて広がっていることを特徴とする請求項１乃至３のい
    ずれか１項に記載のインペラ。
  5. 【請求項５】 投影ブレード面積比率が１．５以上であ
    ることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記
    載のインペラ。
  6. 【請求項６】 ブレードの断面の最大厚さと各ブレード
    の前縁の半径との双方が、前方へスキューした領域と対
    応するように、スパンの部分で根元から先端の方向にお
    いて漸進的に増加することを特徴とする請求項１乃至５
    のいずれか１項に記載のインペラ。
  7. 【請求項７】 各ブレードのブレードの断面の最大厚さ
    と各ブレードの前縁の半径との双方が、根元から先端の
    方向において、スパンの外側７０％以上の部分に沿って
    漸進的に増加することを特徴とする請求項１乃至５のい
    ずれか１項に記載のインペラ。
  8. 【請求項８】 少なくともブレードの先端の部分に、円
    周状の先端帯が固定されていることを特徴とする請求項
    １乃至７のいずれか１項に記載のインペラ。
  9. 【請求項９】 先端帯はブレードの軸方向の範囲におけ
    る一部だけに広がっていることを特徴とする請求項８に
    記載のインペラ。
  10. 【請求項１０】 先端帯はブレードの軸方向の範囲にお
    ける全体にわたって広がっていることを特徴とする請求
    項８又は９に記載のインペラ。
JP2000323000A 1999-10-22 2000-10-23 マリーンウォータージェット推進装置のインペラ Expired - Lifetime JP4636668B2 (ja)

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AT (1) ATE285356T1 (ja)
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DE (1) DE60016873T2 (ja)
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