JP5925997B2 - 流体機器用ロータのブレード - Google Patents

Description

本発明は、流体機器用ロータのブレードに係り、特にブレードの翼厚が厚く、剛性に優れ、かつブレードの背面の流体を正面の前方向へ、高速で流動させ得るようにした流体機器用ロータのブレードに関する。

従来、推進機や送風機等に用いられているロータのブレードは、全体的に薄く、かつ回転方向に対して、流体押出し面は捻れており、翼根部分において、回転時にキャビテーションが生じ易い。
また、全体的に捻れているので、製造時に精度を出すことにコストがかかる。キャビテーションが生じにくいブレードの例が、特許文献１及び２に記載されている。

特開２００７−１２５９１４号公報 特開２００７−０７６５６２号公報

従来型のロータのブレードは、正面で流体を押出す形態のものであり、大きな動力を要し、相対的に押出し面の面積を、大とする必要がある。
また、迎角を付与するためには、三次元の立体形成に、設計上の困難が伴い、製造上のコスト負担も大となる。
本発明は、ブレードの形状が極めてシンプルで、剛性に優れ、キャビテーションが生じず、ブレードの表面における流体圧の変化を利用した、小さな動力で流体の送出し機能に優れた、流体機器用ロータのブレードを提供するものである。

本発明は、回転時に、ブレードの正面よりも背面に高速流を生じさせ、それにより生じる流体圧の差を利用して、ブレードの背面の流体を、正面前方向へ流動させるようにした、ロータのブレードに関するものである。
本発明の具体的な内容は、次の通りである。

（１） ハブの周面に、放射方向を向く複数の揚力型ブレードを突設した流体機器用ロータの揚力型ブレードにおいて、揚力型ブレードの翼端を上向き状態とした側面視において、正面を垂直とし、背面を翼根から翼端へかけて正面方向へ次第に傾斜させて翼厚を翼端へかけて次第に薄くし、かつ平面視における正面は前縁から後縁へかけて平坦面とし、背面は、弦長方向の前縁寄り部分の最大翼厚を、翼根ではその部分の弦長と略同とし、最大弦長部では、その部分の弦長の15％〜25％の範囲として、後縁を薄くした凸曲面とし、回転時のコアンダ効果により、背面に添って正面前方向へ流動する流体速度を、正面に添う流速よりも高速として、背面から正面前方向へ通過する流体により、流体送出力を得るようにしたことを特徴とする流体機器用ロータのブレード。

（２） 前記ブレードは、背面における翼端部を、背面から正面の翼端に向けて面取りして、背面に生じるコアンダ効果による高速流体が、正面前方向に通過するように先端凸曲面としたことを特徴とする請求項１に記載の流体機器用ロータのブレード。

（３） ブレードの翼端を上向き状態とした平面視において、正面は回転方向に対して、前縁から後縁へかけて正面前方向へ傾斜する迎角としている前記（1）または（2）に記載の流体機器用ロータのブレード。

（４） ブレードの翼端を上向き状態としたブレードの側面視において、正面は翼根から翼端へかけて垂直状で、背面は翼根から翼端へかけて次第に正面方向へ傾斜され、最大弦長部分から翼端を、正面斜上方向へ先尖りに突出する斜突出部とし、その正面は最大弦長部から翼端へかけて直線面とし、その背面は、最大弦長部分から翼端へかけて、中間が外方へ大きく膨出する翼端凸曲面とし、厚さの厚い前縁部から後縁へかけて次第に薄くした前記（1）〜（3）のいずれかに記載の流体機器用ロータのブレード。

本発明によると、次のような効果が奏せられる。

前記（1）に記載のロータのブレードは、正面は平坦面とし、背面は、最大弦長部において、弦長方向における前縁寄り部分の最大翼厚を弦長の15％〜25％とし、後縁を薄くした湾曲面としてあるので、正面よりも背面の弦長方向の長さが長く、回転時において、正面よりも背面に沿って、正面方向へ流動する流体の速度が高速となって、流体圧に差が生じる。
背面の弦方向へ沿う高速流は、コアンダ効果によって、背面の湾曲面に沿って後縁から正面の前方向へ流動するので、これによって、ブレードの正面で流体を押出さずに、流体を背面から正面の前方へ送り出すことができる。
ブレードの正面と背面における流体圧の差によって、流体が流動するので、ブレードの正面で押出すための動力を要しないため、小さな動力で大きな流動をさせることができる。

前記（2）に記載のブレードは、背面における翼端部を、背面から正面の翼端に向けて面取りして、先端凸曲面としてあるので、回転時における翼端失速が生じず、回転軸から遠い部分の弦長が大であるため、流体を効率良く流動させる。

前記（3）に記載のブレードは、翼端を上向き状態とした平面視において、正面は回転方向に対して、前縁から後縁へかけて正面方向へ傾斜しているので、背面方向から風または水流を受けたとき、風車、水車として利用することができる。

前記（4）に記載のブレードは、翼端を上向き状態としたブレードの側面視において、正面は翼根から翼端へかけて垂直状で、背面は翼根から翼端へかけて次第に正面方向へ傾斜され、最大弦長部分から翼端を、正面斜め上方向へ突出する斜突出部とし、その正面は弦長部から翼端へかけて直線面とし、その背面は、最大弦長部分から正面の翼端へかけて、中間が外方へ大きく膨出する翼端凸曲面としてあるので、回転時に、背面に添う流動水は、翼端方向へ移動し、凸曲面を滑って正面の前方向へ流動する。

本発明のロータのブレードの正面図である。 図１におけるII-II線拡大横断平面図である。 図１における流体回転車の側面図である。 図１におけるIV-IV線拡大横断平面図である。 ブレードの背面により生ずる流体の状態を示す模式図である。 本発明のブレードの実施例２の側面図である。 図６における最大弦長部の横断平面図である。 本発明のブレードの実施例３の側面図である 図８におけるブレードの平面図である。

本発明の実施例を、図面を参照して説明する。

図１に示す流体機器用ロータ１（以下単にロータという）は、ハブ２の周面に、放射方向を向く複数（図では２枚）のブレード３、３を固定して形成されている。各ブレード３は、翼端を上向きとした状態の正面視において、翼根から翼端方向へ向かって、次第に弦長を大とした後、最大弦長部３Ｃから翼端へかけて先細状に尖らせている。

図２に示すように、ブレード３の正面３Ｄは、回転方向の前縁３Ａから、後縁３Ｂへかけて、ロータ軸４の中心線Ｓに対して、直交する平坦面としてある。
前縁３Ａの部分の断面は円弧状で、背面３Ｆは、弦方向において、前縁３Ａ寄りの中間の翼厚を最大翼厚部３Ｅとし、後縁３Ｂに向かって湾曲面としてある。

最大翼厚部３Ｅの厚さは、最大弦長の15％〜25％、好ましくは約23％としてある。15％以下では、正面３Ｄと背面３Ｆの幅の比が小さくて、背面３Ｆに効果的な高速流が生じにくい。また25％以上では、回転時の抵抗が大となり、回転効率が低下する。

ブレード３の回転に伴い、背面３Ｆを、前縁３Ａから後縁３Ｂへ流動する流体は、正面３Ｄに沿う流体よりも高速となり、コアンダ効果により、図２におけるｂ矢示方向へ高速で流動する。

ブレード３の側面視は、図３に示すように、翼根から翼端へかけて、正面３Ｄは回転中心線Ｓと直交状とし、背面３Ｆは、翼根の厚さを大として、翼端へかけて次第に正面方向へ傾斜して薄くしてある。翼根の最大厚さは、翼根の弦長とほぼ同寸としてある。

また背面３Ｆにおける翼端部は、図３に示すように、背面から正面の翼端へ向かって面取りをして、経方向かつ正面３Ｄ方向へ凸曲する、翼端の凸曲面３Ｇとしてある。そのため、ロータ１の回転時に、ブレード３の背面３Ｆを翼端方向へ移動する流体は、翼端の凸曲面３Ｇに沿って前方ａ矢示方向へ流れる。

図４は、図１におけるIV−IV線横断拡大平面図である。最大翼厚部３Ｅの厚さは、図１に示す最大弦長部３Ｃにおける翼厚の約２倍であり、弦長は、最大弦長部３Ｃにおけるそれよりも小となっている。

そのため、弦長方向における背面３Ｆの凸曲度は大となっており、背面３Ｆを前縁３Ａから後縁３Ｂ方向へ流れる流体は、正面の内側方向、すなわちｃ矢示方向へ流れ、回転中心線Ｓに近づくことになる。

図５は、図１に示すロータ１が回転する時の、流体の状態を示す模式図である。ロータ１の回転に伴い、ブレード３の前縁３Ａに当る相対流Ｙは、背面３Ｆを、前縁３Ａから最大翼厚部３Ｅを超えて高速化され、後縁３Ｂへ向かう高速のｂ矢示流となる。ブレード３の各部位における回転半径の違いにより、回転中心線Ｓに近づくｃ矢示流よりも、ｂ矢示流の速度の方が高速となる。

ロータ１の回転時に、ブレード３の背面３Ｆの翼根部分を、前縁３Ａから後縁３Ｂへ高速で滑る流体はｃ矢示流となり、中心線Ｓに近づいて行く。
このｂ矢示流とｃ矢示流との間の斜線部分は、高速流であり、正面視では環状となり、内側よりも外側の方が高速となっている。

高速流においては、流体の密度が低下しているから、流体圧は低下する。図５においては、周囲からＸ矢示の常圧流が、流体圧の差によって、低圧となっているｂ、ｃ間の、斜線で示す流体帯に合流して、中心線Ｓ方向へ押しつつ、正面３Ｄより前方向へ流れる。

従って、ブレード３の正面３Ｄが、中心線Ｓと直交する平坦面であって、回転時に流体を押出すことが出来なくても、ブレード３の背面３Ｆの凸曲面３Ｇに沿って流動する大量の流体を、正面３Ｄの前方向へ、流体圧の差によって流動させることができる。

このように、このロータ１のブレード３は、ロータ軸４を動力で駆動する推進機、送風機などに適する。また、従来型のブレードは、翼厚が薄いので、風が止むと正面側に渦流が生じて失速するが、本発明のブレード３は、前縁３Ａ部の翼厚を大としたため、風が止んだ時に、正面３Ｄ側の流速が上って失速せず、再度風を受けると加速して回転する。

図６は、ロータ１の実施例２を示す側面図、図７は、その最大弦長部３Ｃにおける横断平面図である。
前例と同じ部材には、同じ符号を付して説明を省略する。

この実施例２では、ブレード３の正面３Ｄにおいて、翼根部分は回転方向と平行とし、最大弦長部３Ｃ部分を、回転方向に対して、３度〜７度の迎角θを持たせたものとしてある。

ロータ１の回転に伴い、ブレード３の前縁３Ａに当る相対流Ｙは、迎角θを持つ正面３Ｄの最大弦長部３Ｃに押されて、ｄ矢示流となる。このｄ矢示流は常圧流であるが、相対流Ｙよりは高速である。翼根部分は迎角を有していないので、流速は変らず、キャビテーションが生じることはない。

図６に示すように、最大弦長部３Ｃは、垂直に対して回転軸４の中心線Ｓ方へ傾斜しているので、この最大弦長部３Ｃにより押される流体は、中心方向へ傾斜して押出される。これによって、図５におけるｂ矢示流とｃ矢示流は、ｄ矢示流を囲みながら流動し、その外域からＸ矢示流が包むように流動し、大きな流れとなる。

図７において、ブレード３の正面３Ｄの迎角θを、回転方向に対して、前縁３Ａから後縁３Ｂへかけて、正面方向へ向いて傾斜させた。
図７において、背面３Ｆ方向から流体を受けると、ブレード３は回転するので、水車や風車として利用することができる。

従来型のブレードは、翼厚が薄いので、風が止むと正面側に渦流が生じて失速するが、本発明のブレード３は、前縁３Ａ部分の翼厚を最大としたことにより、風が止んだ時に、正面側の流速が上り失速せず、再度風を受けると、加速して回転する。

図８は、ロータ１の実施例３を示す側面図で、図９は同じく拡大平面図である。前例と同じ部材には同じ符号を付して、説明を省略する。
この実施例は、翼端を上向きとしたブレード３の翼端における、最大弦長部３Ｃから翼端へかけての部分を、正面の斜上向に突出する斜突出部31としてある。

斜突出部31における正面31Dは、側面視で垂直に対して35度〜45度傾斜する直線面とし、斜突出部31は、最大弦長部３Ｃから翼端へかけて次第に薄く、かつ斜突出部31の背面31Fは、最大弦長部３Ｃから翼端へ向けて中間が膨らんだ凸曲面31Ｆとしてある。

図８において、ブレード３が回転すると、翼根よりも翼端の方が回転周速が早いので、翼根に沿って流れる流体の速度よりも、翼端に沿って流れる流体の速度が早くなり、流体圧が低下するので、翼根から翼端方向へ流体が移動し、正面３Ｄにおいては、斜突出部31の正面31Dを滑って、ｅ矢示方向へ流れる。また背面３Ｆに沿う流体は、斜突出部31の背面の凸曲面31Ｆを翼端方向へ滑り、ｅ矢示方向へ流れる。

これによって、ブレード３の回転に伴い、背面３Ｆに当る流体は、翼端方向へ移動するものは、斜突出部31の背面の凸曲面31Fに沿って、正面３Ｄにおける前方向のｅ矢示方向へ高速で流動する。

このｅ矢示流は、斜突出部31の背面31Fが、回転軸４から最遠の位置にあるため、回転周速は最大であり、図５、図６におけるｂ矢示、及びｃ矢示流よりも高速で、これらを外側から環状に囲って、周囲の常圧流を吸収して流速を高める。

また、図６において、背面３Ｆ方向からブレード３に流体が当ると、ｂ、ｃ方向へ高速で流れ、その反動で、ブレード３は前縁３Ａ方向へ回転する。回転に伴い、相対流もｂ、ｃ方向へ高速で流れ、ブレード３の回転速度は高まる。従って、風車や水車に好ましく利用することができる。

以上詳述したように、本発明のロータのブレードは、その構造が簡単で、剛性と送流機能に優れているので、飛行機や船舶の推進機や、空調機器などの送風、送水ポンプなどに有効に利用することができる。
また、流体を受けて回転する、風車や水車にも利用することができる。

ブレードの構造が単純であり、高速流を流動できるので、推進機、送風機、送水機、或いは、背面に流体を受けて回転する水車や風車などに、効果的に利用することができる。

１．ロータ
２．ハブ
３．揚力型ブレード
３Ａ．前縁
３Ｂ．後縁
３Ｃ．最大弦長部
３Ｄ．正面
３Ｅ．最大翼厚部
３Ｆ．背面
３Ｇ．翼端凸曲面
31.斜突出部
31D.斜突出部の正面
31F.凸曲面
４．ロータ軸

Claims (4)

1. ハブの周面に、放射方向を向く複数の揚力型ブレードを突設した流体機器用ロータの揚力型ブレードにおいて、揚力型ブレードの翼端を上向き状態とした側面視において、正面を垂直とし、背面を翼根から翼端へかけて正面方向へ次第に傾斜させて翼厚を翼端へかけて次第に薄くし、かつ平面視における正面は前縁から後縁へかけて平坦面とし、背面は、弦長方向の前縁寄り部分の最大翼厚を、翼根ではその部分の弦長と略同とし、最大弦長部では、その部分の弦長の15％〜25％の範囲として、後縁を薄くした凸曲面とし、回転時のコアンダ効果により、背面に添って正面前方向へ流動する流体速度を、正面に添う流速よりも高速として、背面から正面前方向へ通過する流体により、流体送出力を得るようにしたことを特徴とする流体機器用ロータのブレード。
2. 前記ブレードの、背面における翼端部を、背面から正面の翼端に向けて面取りして、背面に生じるコアンダ効果による流体が正面前方向に通過するように先端凸曲面としたことを特徴とする請求項１に記載の流体機器用ロータのブレード。
3. ブレードの翼端を上向き状態とした平面視において、正面は回転方向に対して、前縁から後縁へかけて正面前方向へ傾斜する迎角としていることを特徴とする請求項１または２に記載の流体機器用ロータのブレード。
4. ブレードの翼端を上向き状態としたブレードの側面視において、正面は翼根から翼端へかけて垂直状で、背面は翼根から翼端へかけて次第に正面方向へ傾斜し、最大弦長部分から翼端を、正面斜上方向へ先尖りに突出する斜突出部とし、その正面は、最大弦長部から翼端へかけて直線面とし、その背面は、最大弦長部分から翼端へかけて、中間が外方へ大きく膨出する凸曲面とし、厚さの厚い前縁部から後縁へかけて、次第に薄くしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の流体機器用ロータのブレード。

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