JPH074336A

JPH074336A - 連続流体加速軸流羽根車

Info

Publication number: JPH074336A
Application number: JP5149035A
Authority: JP
Inventors: Arutinyaano Antonio; アントニオ・アルティニャーノ
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-06-21
Filing date: 1993-06-21
Publication date: 1995-01-10

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】広範囲の圧力差に対応できるタービン機械の
羽根車を提供する。【構成】内部コア１２とジャケット１６が協力して連
続的に変化する流体通過領域２０を形成する羽根車１０
を提供する。この流体通過領域２０の連続的変化は、流
体に連続的軸流加速を与え、又これに相当する圧力勾配
を生ずる。本発明は同時に流体通過領域２０に設けら
れ、連続的に変化する角度を有する羽根１４を提供す
る。かかる連続的に変化する羽根１４の傾斜角は、流体
を連続的に角加速しトルクを与える。連続変化傾斜角を
有する羽根１４は内部コア１２と共に回転し、トルクを
生ずる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は一般にタービン機械技術
に関し、更に特に流体の圧力差と広範囲の比速度に関連
する圧力差を含む、異なる状態に組み合わせた圧力差に
対応する羽根車に関する。

【０００２】

【従来の技術】カプラン型タービン等の配置は非常に特
殊なものであり、色々の用途に使用することはできな
い。カプラン型タービンは例えば、水頭１００ｍ未満で
は使用できない。更に、現代のタービン機械技術ではジ
ェットエンジンに要求される圧力まで単段階で空気を圧
縮する多数羽根付き羽根車の設計ができていない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、圧
力、流体密度、圧縮性、粘性、温度等の異なる状態下で
流量及び圧力が連続的に示す作用に連続的に対応し作動
する羽根車を提供することである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明に基づいて、内部
コアとジャケットが協動して連続的に変化する流体通過
領域部面積を提供する羽根車が得られる。流体通過領域
部面積のこの連続的変化によって流体の連続軸流加速が
生じ、これに相当する圧力勾配が得られる。また本発明
により流体通過領域に設けられ連続的に変化する角度を
有する羽根が同時に得られる。この様に連続的に変化す
る羽根の傾斜角によって流体の連続的角加速とこれに相
当するトルクが生ずる。傾斜角が連続的に変化する羽根
は内部コアと共に回転しトルクを生ずる。

【０００５】上述の発明に基づく羽根車を用いて本発明
の一組の異なる実施例を開示する。本発明が提供する軸
方向延長部を有する内部コアでは連続的な軸流加速及び
角加速を生ずる特徴に加えて、羽根が羽根車の全長を越
えて軸方向に延長している。このことはスクリュウまた
は典型的なタービン設計等の従来技術配置とは異なる重
要な点である。

【０００６】本発明は、流体と羽根車間で効率的にエネ
ルギー交換を行うためには速度変化（軸流方向及び回転
方向共）が無ければならず、それには流体通過領域部面
積の連続的変化を必要とするという理解に基づいてい
る。この領域の連続変形は加速を生じ、作り出された圧
力差によって羽根にトルクを発生する。この技術によ
り、流体の回転速度を低く抑え同時に入出力間の圧力差
を高度に利用できる。この技術はまた流体が液体である
用途においてキャビティ現象の発生を防止する。

【０００７】ここに述べる実施例により明かな如く、面
積比（入力対出力）の役割は非常に重要である。

【０００８】流体の管理された回転及び軸方向同時加速
により、流体及び羽根車間で非常に効率的にエネルギー
交換をすることができる。流体は羽根車に入る前に回転
されるので、最初に接触するときはエネルギーの一部は
回転運動エネルギーとなり一部は軸流運動エネルギーと
なっている。羽根車に入る前に流体に与えられる角速度
の量は所定のトルクを生ずるように選定され、一方、軸
流速度は羽根車を貫流する質量を決定する。また入り口
と出口間には圧力差が存在し、これは貫流質量と結合し
てエネルギーを決定する。流体の軸方向及び回転方向加
速が連続的に変化することにより、なだらかな圧力勾配
が形成される。もし流体が回転運動エネルギーを伴って
羽根車を出る時は、出口に固定翼を設け流れを真っ直ぐ
にし負の圧力差の形でエネルギーを回収することが必要
である。

【０００９】上記の有益な特色に基づく羽根車を形成す
るため、本発明に従って上述の原理が適用されている。
前述の如く、この新技術の重要な特徴の一つは、流体の
軸流加速を内部で創出し、トルク発生に役立つ圧力差を
得ることである。従って、羽根車は本発明に従い、上記
原則に基づき、更にまた羽根車内において流体の軸流加
速がどの程度生ずるかに関する選択を加味して製作され
ている。本発明に従ってこの選択により内部コアの形状
が決定される。また外部ジャケットとして直線シリンダ
ー以外の形状が選択される場合は、この形状選定の要因
が流体の回転方向加速のみならず軸流加速に重要な役割
を果たし、従ってまた羽根車に沿った圧力勾配分布に重
要な役割を果たしている。

【００１０】固定の別個のジャケットを装備することが
困難なプロペラー等の用途においては、外部ジャケット
が羽根車と共に回転する様に設計することができる。

【００１１】軸流加速の基準が一旦定められれば、数学
的関数が決定され、羽根車に沿った全ての点で流体の瞬
間軸流速度が判明する。この関数により内部コアの形状
が決定される。

【００１２】本文に使用されている流体通過の「面積」
とは外部ジャケットと内部コア間に残った面積であり、
流量と速度の関数として設定される。もし当該流体が非
圧縮性であるならば流れは定常で、この領域は軸に沿っ
た全ての点で流量対瞬間速度比により決定される。他
方、もし流体が圧縮性であるならば、圧力及び温度の関
数としての密度の変化も又考慮されなければならない。
すなわち、面積の計算は選定された加速評価基準と、可
変密度の関数でもある流量の瞬間値との関数となる。

【００１３】内部コアの半径の変化は本発明の重要な特
徴の一つである。流体通過面積の記述から、羽根車の軸
に沿った全ての点での内部コアの半径の計算式が得られ
る。外部ジャケットに相当する円が描く範囲から流体通
過のため残された範囲を減算することによりこの式が成
立する。この減算の結果は内部コアが描く円の面積で、
次にこれによりその半径が決定される。

【００１４】本発明により流体の角速度を管理された分
布状態に保つことができる。ここにあげた例に示される
如く、流体のエネルギーの一部は、羽根車を出入りする
時は回転速度の形を取らなければならない。羽根車内に
おけるこの回転エネルギーの交換に関する基準は、これ
を有効に利用するため設計者が選定しなければならな
い。

【００１５】従って設計者は自ら考える回転加速取扱い
方法を選定しそれを表す数式を定めなければならない。
乱流及び若しくはキャビティの発生を防止するため、入
口出口で流れに与える擾乱を最小にすることが重要であ
る。

【００１６】内部コアの径が連続的に変化するにつれ
て、羽根車の軸の周りに異なる質量の流体が半径が変化
しながら但し同じ回転速度で回転する。回転運動量保存
の法則によって、羽根車が受取または作りだしたトルク
は全て羽根車外で回転エネルギーの形を取らなければな
らない。このことは、我々のタービンにおいて、もし出
口における流体の回転エネルギーが０とすれば、所望の
トルクを作るに必要な回転速度は全て入り口において存
在していなければならないことを意味する。この関係を
総トルクを計算するのに使用できる。

【００１７】本発明により羽根の傾斜角を求めることが
できる。羽根車の使用可能角速度と流体の角及び軸流加
速度が結合したものは、羽根車の回転軸に沿った全ての
点で測定した羽根と軸に垂直な面間の角度（傾斜角）の
値を決定する。この角度は、軸流速度の角速度の代数的
減算に外部ジャケットの半径を乗じたものに対する比の
逆正接として計算できる。これは軸上の全ての指定点と
そこにおける羽根の最外径部間の、羽根の傾斜角であ
る。この計算は構造決定目的で行われる。

【００１８】本発明により羽根の回転前進角が得られ
る、すなわち、スタートの点から羽根車軸上の如何なる
点まででも、測定した羽根が回転してどれだけ進んだか
を示す角度が得られる。この値は角速度を軸速度で除し
た値の積分値として計算され、構造決定目的に使用され
る。

【００１９】トルクはエネルギーに直接比例し角速度に
逆比例する関数である。又流体が回転的に加速された場
合、流体質量により羽根が受ける力の関数である。これ
は羽根の半径方向投影面積にその平均径上で作用する力
の、羽根車の長さに沿った積分値として計算できる。

【００２０】羽根車の形状は滑らかで速度の急激な変化
が強制されることはないから、通常の用途にこの手法を
用いた場合、現実からの重要な逸脱が生ずることは考え
られない。流体の色々な流れの間に大きな相対速度差は
無いと考えられるから、従ってこれらの式により流体の
振舞いを予め詳細に知ることができる。

【００２１】設計者はトルクの分布に対して異なる取組
み方を選定できる。例えば、設計者は、流体の角速度を
滑らかに変化させようと決めることができる。その場
合、羽根車の長さに沿ってトルクを一定に分布させる方
法も、又は用途に適した他の如何なる分布方法をも取り
得る。角加速度の分布状態により羽根の形状が決定され
る。

【００２２】流体はトルクを発生するのに必要なある量
の角速度を持って羽根車に入り及び若しくは出なければ
ならない。この角速度は羽根車の前及び若しくは後に配
置された固定羽根によつて生じ及び若しくは調整され
る。入出力の角速度は、羽根車の全長に亙って羽根によ
り生じる流体の加速度の積分値として計算され、これら
は羽根車の長さの計算に利用される。羽根車の回転軸に
沿ったどの位置における角速度も既述のとおり計算でき
る。

【００２３】全角速度は羽根車の全長に亙る同様な積分
値として計算され、特定用途の必要性に従って設計者が
分布を決めることができる。例えば、ここに上げた例に
見る如く評価基準としてキャビティを重視する場合は、
羽根車出口において角速度が無いことが望ましく、従っ
て我々は必要な流体回転速度を全て羽根車前に配置した
固定羽根で作り出さなければならない。

【００２４】上述の如く、流体の角速度が分かれば、本
発明に準拠して羽根車の長さを計算することができ、ま
た羽根の数を変えることによりそれを修正できる。

【００２５】羽根によって回転軸に垂直な平面上に投影
された面積は羽根車の固体性を決定し吸引力を支える面
積である。例えば、水力タービンの場合は、この面積は
タービンとスピル（ｓｐｉｌｌ）間の水頭により作られ
た吸引力と、流体の軸方向減速及び角減速により生ずる
吸引力とを支える。

【００２６】固定羽根は羽根車の上流及び下流に設ける
のが好ましい。羽根車の前において羽根車に入る前の流
体に角速度を与え、羽根車の後ろに配置されて流れを真
っ直ぐにするこれら固定羽根は、軸が通過できる円筒形
ハブ上に作られる。

【００２７】これらの羽根の形状は設計者により、摩擦
と乱流間に存在する妥協に基づいて決定されなければな
らない。羽根がより長いとそれだけ乱流の可能性が減少
するが、羽根の長さが増加すると摩擦損失も又増大す
る。

【００２８】蒸気または他の全てのガスを含む用途にお
いて、これらの羽根はまた液体分離装置としても使用で
きることが注目される。

【００２９】固定羽根の羽根車に近い端部における角度
は、本発明に従って下記に概要を示す方法で計算され
る。

【００３０】羽根車内において軸方向に移動する間に流
体が滑らかに取扱われるため、損失を非常に少なく保つ
ことができる。

【００３１】開示された好適な実施例により分かる如
く、羽根の数は少なくすることができ、もし羽根車が適
当な長さに作られれば、流体の半径方向の動きもまた遅
いものとなる。

【００３２】不可避的損失は流体速度の形でシステムを
出て行くエネルギーに基づく損失しか無く、他のエネル
ギー損失も乱流及び若しくは摩擦として失われるもので
あるから、注意深く設計することにより、効率を非常に
高めることができる。

【００３３】外部に出て行く速度に相当するエネルギー
は、羽根車の径を増すことによりシステム全体のエネル
ギーに比べて非常に低くすることができる。流速の急激
な変化は無く、流れの層間の相対速度差は殆ど無くせる
から、乱流及び摩擦は大きくならないであろう。

【００３４】殆どの用途において、逸出速度としてシス
テムを去るエネルギーに相当する損失は、総エネルギー
の１％未満に保つことができるから、９８％付近の効率
は容易に達成できる。

【００３５】羽根車内の全ての点における圧力は更に下
記に述べる如く、ベルヌーイの方程式により決定でき
る。

【００３６】本発明を特徴づける種々の特色である斬新
さは、この開示の一部を構成している添付の特許請求の
範囲において特に指摘されている。本発明の内容と、そ
の使用により達成できる本発明の利点及び特別の目的を
更に良く理解するため、添付の図面と、本発明の好適な
実施例を説明する記述を参照されたい。

【００３７】

【実施例】図面特に図５を参照する。本発明は全体的に
１０で表示する連続流体加速軸流羽根車からなり、内部
コア１２と一つ以上の羽根１４と外部ジャケット１６を
含む。図５は、本発明の特徴を一般的に示そうとする概
略図である。軸１８は発生トルクを伝達する（またはプ
ロペラーとして使用するトルクを供給する）。この軸１
８は内部コアとそれに接続された羽根にのみ連結される
か、または外部ジャケットに連結されるか、または内部
コア及び羽根と固定され回転するようにすることができ
る。

【００３８】本発明によれば、内部コアの半径Ｒは配置
の中心線すなわちＸ軸に沿った長さの関数である。この
半径は外部ジャケットと内部コア間（領域２０）の流体
通過面積が連続的に変化するように、連続的に変化す
る。外部ジャケット１６と内部コア１２間（領域２０）
のこの連続的に変化する流体通過面積は、取入れ口２２
から排出口２４へ通過する流体を連続的に軸流加速す
る。本発明の軸流加速は、Ｘ軸に関して外部ジャケット
の半径Ｒ₀を変化させることによっても与えることがで
きる。すなわち、外部ジャケットの半径Ｒ₀はＸ軸Ｒ₀
ｘに沿った距離ｘの関数であると言える。

【００３９】本発明により取入れ口２２から出口２４に
流れる流体を連続的に角加速するトルクを得ることがで
きる。これは本発明に従って羽根１４の傾斜角を連続的
に変化することにより達成できる。従って、羽根角度の
一定変化を伴う角度Γ（羽根１４の連続変化傾斜角）
は、流体に連続角加速度とこれに相当するトルクを与え
る。

【００４０】下記は、今後の論述に使用する用語であ
る。

【表１】

【００４１】流体加速の正確な姿は、体積流量ＱとＸ軸
に沿った流体の軸流速度Ｖ（ｘ）を含む設計上の拘束事
項に準拠して選定される。本発明の連続流体加速軸流羽
根車は下記事項に準拠して設計できる。

【００４２】本発明の羽根車の設計にはまず羽根車内の
流体の軸流加速がどの位生ずるかを考察しなければなら
ない。羽根車の軸方向の速度を決定したならば、外部ジ
ャケットに相当する円が描く領域から流体通過部面積を
減じて成立する式に基づいて内部コアの半径が決まる。
減算の結果得られた領域は内部コアが描く円の領域で、
次にこれを利用して半径を決定する。

【００４３】

【数５】

【００４４】本発明に基づいて次に考慮すべき重要事項
は、羽根車の回転軸（Ｘ軸方向）に沿った任意の点にお
いて測定した、羽根と軸に垂直な平面間の角度Γ（ｘ）
の値である。この角度（羽根の傾斜角）は連続的に変化
し、その状態は２枚羽根羽根車のこの角度を示す図１ｅ
を見れば最も良く分かるであろう。

【００４５】この角度Γ（ｘ）は、軸流速度の、角速度
の代数減算に外部ジャケットの半径を乗じたものに対す
る比の逆正接として計算できる。これは軸に沿った任意
の指定点と、そこにおける羽根の最外径部間の羽根の傾
斜角である。これは構造上の目的のために計算される。
次式は羽根の傾斜角Γ（ｘ）の計算のため使用される。
上述の如く、羽根は内部コアの先端から後端まで内部コ
アの全長に延びている。

【００４６】

【数６】

【００４７】本発明の他の重要な特徴は、羽根の回転前
進角である。この角度は、羽根の始点（内部コア上のス
タート場所）からＸ軸に沿った任意の点（羽根車の軸方
向）まで、羽根が回転によりどれだけ進むかを表してい
る。羽根の角度的スタート位置から軸線方向反対端にあ
る角度的終点まで、角度位置上の変化に基づいて羽根の
回転前進が行われることを示す図６を見れば、このこと
は最も良く理解できるであろう。

【００４８】角度的スタート位置と角度的終点間の差
が、回転前進角である。羽根の傾斜角Γ（ｘ）は連続的
に変化するから、回転前進角Θ（ｘ）は、軸速度で除し
た角速度の総計の積分値として計算され、構造上の目的
に使用される。この回転前進角Θ（ｘ）は、次式（３）
で与えられる。

【００４９】

【数７】

【００５０】トルクは仕事率に直接比例し（４）式で表
す作用角速度に逆比例する関数である。

【００５１】

【数８】

【００５２】回転運動量保存の法則のため、タービン出
口における流体の回転エネルギー（またはポンプの入口
側）が０ならば、トルクをやはり計算で求めることがで
きる。この場合のトルクは、次式で計算できる。

【００５３】

【数９】

【００５４】ここにＭＦは流体質量、ｒ（ｘ）は流体質
量の平均半径、Ｗ（ｘ）は流体の角速度である。

【００５５】トルクは又流体質量が回転加速をされた
時、羽根に及ぼす力の関数である。トルクは羽根車の長
さに沿って、次式５ａ、５ｂで与えられる平均半径地点
で羽根面積の半径方向投影に作用する力の積分値として
計算できる。

【００５６】

【数１０】

【００５７】式４ｂは羽根車に沿った任意の点Ｘのトル
クを計算するため次のように変更できる。

【００５８】

【数１１】

【００５９】入出力の角速度は、羽根車の全長に亙り羽
根により閉塞される流体の加速度の積分値として計算で
きる。これらの角速度は次に羽根車の長さの計算に使用
できる。式（６）により、羽根車の回転軸に沿った任意
の点における角速度が得られる。

【００６０】

【数１２】

【００６１】回転軸に垂直な平面上に羽根が投影した面
積は吸引圧を支える面積で、次式（７）で計算される。

【００６２】

【数１３】

【００６３】上記の如く、羽根車の上流に固定羽根を設
けることが望ましい。上流の羽根は羽根車に入る前に流
体に角速度を生じさせ、下流の羽根は流れの方向を真っ
直ぐにする。羽根の正確な形状は幾つかの考慮に基づ
き、設計者が摩擦と乱流間の妥協に基づいて決めるであ
ろう。羽根が長くなる程乱流の可能性は減少するが、長
さが増すと摩擦も増大する。固定羽根の、羽根車に近い
下流部分の角度は次式（８）により計算される。

【００６４】

【数１４】

【００６５】この配置の効率は（９）式により計算され
る。

【００６６】

【数１５】

【００６７】Ｘ軸（羽根車の軸方向）に沿った任意の点
の圧力はベルヌーイの方程式により決定でき、次式（１
０）により求められる。

【００６８】

【数１６】

【００６９】図１１に示す如く、もし点２において流体
の軸速度が有するエネルギーが回転速度相当のエネルギ
ーより大きい場合は、流体は羽根車の回転と逆方向の回
転速度を持って羽根車を出て行く。他方でもし回転速度
相当のエネルギーが軸速度の有するエネルギーより大き
い場合は、流体は羽根車の回転と同方向の回転速度を持
って羽根車を出て行く。これは固定羽根を追加し、点３
以後の流れを真っ直ぐにすることにより制御できるが、
キャビティ現象に対する配慮のためこの点で我々が制御
できる回転の量は限定されている。固定羽根を用いてこ
の点で回転速度を消滅させることは、圧力の減少をもた
らし、これはキャビティ現象の課する制限を超えて減少
することは許されない。

【００７０】理想的状態は出口点２において、流体の回
転速度が無いことである。このことは、羽根車が設計パ
ラメータに従って作動している時に、軸流及び回転エネ
ルギーが点２で釣り合を保つ様に、点１及び２間の回転
速度を調整することにより制御できる。我々が設計パラ
メータより上または下に遊離した時には、損失を重大に
する渦が発生するが、これは固定羽根を有するタービン
では典型的な事柄である。最大効率は設計条件のもとで
達成される。しかし殆どの用途では一定の作業速度を要
求するから、点２における軸流及び回転エネルギーが等
しいことは滅多にない。従って点１、２間の流体回転速
度を調整しなければならないことが非常に多い。この調
整は、軸方向及び回転方向動圧を平均化し、求められる
動回転圧ともし調整されなければ起こる圧力との差を見
つけることにより、下記の如く計算できる。

【００７１】調整の無い場合、点２における流体の回転
速度は

【００７２】

【数１７】

【００７３】もし点２における二つの動圧を等しいとす
れば

【００７４】

【数１８】

【００７５】あるべき流体の実際角速度は

【００７６】

【数１９】

【００７７】点１、２間の角速度の調整は次のようにな
る。

【００７８】

【数２０】

【００７９】図１〜図６に示す如く、本発明に準拠して
開発された３枚羽根の羽根車に基づき、本発明の一例に
ついて述べる。

【００８０】説明を簡明にするため下記の仮定を設け
る。１．流体の圧縮性は考慮しない。２．摩擦、粘性及び乱流による損失は無視する。３．回転軸に沿った軸流速度の変化率は一定とし、内部
コアの形状による半径方向加速は考慮しない。４．流体は密度１０００ｋｇ／ｍ³の水とする。

【００８１】半径方向及び軸方向加速のみならず角加速
についても異なる評価基準が使用できることを銘記する
必要がある。この例では上述の評価基準に基づき、評価
基準として羽根車の長さに沿って速度変化が一様に分布
することが選定された。設計者は、羽根車の長さに沿っ
てトルクが一様に分布することを基準として選定するこ
とも、又軸流及び若しくは角加速の分布に付いて特定用
途に適した異なる評価基準を選定することもできる。羽
根車内の任意の点における圧力は、ベルヌーイの方程式
に相当する式（１０）により計算でき、この解析では絶
対圧が取り扱われる。

【００８２】例として、羽根車は水頭１５０ｍ、回転数
６００ＲＰＭで全体で２０ＭＷを生産するものとして設
計された。タービンはスピル上２ｍで作動するものと
し、キャビティによる制限により温度及び溶解ガスの極
端な状態で推定した最小許容絶対圧は４２０００Ｐａで
ある（Ｐ₃点における最小許容値、図６参照）。

【００８３】これは理論上の例であるから、簡単化のた
め軸１８の断面積及び羽根１４の厚みは無視した。

【００８４】同一軸上に背中合わせに配置し連続一体品
とした２つの同一断面積の内部コア１２の場合を考え
る。後で判明する如く、選定した両方の内部コアの断面
積は同一であるが、羽根１４、１４’は異なる形状を有
する。この理由は我々が羽根車１０の終端で流体の角速
度が０となることを選定し、羽根の傾斜角は流体の角速
度に従って変化するからである。出口における角速度を
０に選定したことは、キャビティが重視される羽根車終
端において、流体回転速度による吸引が無いようにする
ためである。このことは又、その終端において流体偏向
用の固定羽根が必要ないことを意味する。

【００８５】発電現場における水路の両端の大気圧は等
しく、その値は９４０００Ｐａと仮定する。

【００８６】設計者が選定する非常に重要ファクターは
出口端における速度Ｖ₃である。この特定なケースに対
し、我々はＶ₃＝３．０ｍ／ｓを選定し、高効率を維持
し排出量を合理的範囲内に抑える。

【００８７】始めに排出（流出）率を決定する。この例
を通じて、式による計算より得た値はコンピュータによ
り近似法を用いて計算し表１に示した計算の最終結果と
一致することに注目されたい。

【００８８】

【数２１】

【００８９】もし羽根車の終端部における水の角速度０
を希望するならば、羽根車を出るエネルギーは全て軸流
速度の形を取り、従ってＶ₃＝８ｍ／ｓの値を選定する
ことにより我々は次式を得る。

【００９０】

【数２２】

【００９１】Ｐ₃はキャビティを避けるため常に最小許
容圧力（この場合は、４２０００Ｐａ）より大きくある
べきである。

【００９２】我々はＶ₃の値から、外部ジャケットの面
積も計算できる。

【００９３】

【数２３】

【００９４】従つてその半径は

【００９５】

【数２４】

【００９６】作り出す必要のあるトルクは

【００９７】

【数２５】

【００９８】これは水が回転加速された時に、羽根に与
える反力に等しい。この例においては、この反力は羽根
車の両半分に均等に配分される。従って各区分に対し
て、

【００９９】

【数２６】

【０１００】このことは次の事項を意味する。

【０１０１】

【数２７】

【０１０２】なお羽根車に沿った軸流速度の変化の分布
は、次式で求められる。１から２へ：

【０１０３】

【数２８】

【０１０４】２から３へ：

【０１０５】

【数２９】

【０１０６】従って、ｘに関するＶ_xの変化率は、

【０１０７】１から２へ：

【０１０８】

【数３０】

【０１０９】２から３へ：

【０１１０】

【数３１】

【０１１１】この例に対してＸ軸方向に沿った角速度の
一様な分布が仮定され、両区分に対して、

【０１１２】

【数３２】

【０１１３】従ってｘに対するその変化率は、

【０１１４】

【数３３】

【０１１５】しかし、ｄｘ＝ｄＶ（ｘ）ｄｔであるか
ら、この場合に対する角加速度は、

【０１１６】

【数３４】

【０１１７】全長に亙りこの加速度を積分することによ
りＷ₁の値を得る（式（６）参照）。式５ａ、５ｂと共
に角加速に関する式を使用することにより、トルクを計
算できる。

【０１１８】

【数３５】

【０１１９】最初の試みとして、領域（Ｒａ）比を６と
すると、Ｋｔが計算できるが、この計算はトルクを求め
る式と全く同じである。この計算はコンピュータを使用
し積分法または数値計算法により求めることができる。

【０１２０】またＲａの値を知ることにより次式を得
る。

【０１２１】

【数３６】

【０１２２】エネルギーから計算したトルクと積分によ
り計算したトルクを等しいとすることにより、Ｗ₂＝２
７．９５を得る。

【０１２３】ここで全正味エネルギーの１／２は、点２
で全て運動エネルギー（軸及び角速度）として利用でき
ると言う事実を用いる。

【０１２４】

【数３７】

【０１２５】Ｖ₂₁を、Ｖ₂＝Ｖ₀Ｒａで計算される点２
の軸流速度と比較すると，Ｒａの新しい値を決めるのに
使用できる誤差値が判明する。近似法によって、領域比
の適当な値を見つけるまでこの方法を繰り返す。

【０１２６】この例において我々が得たＲａの最終値
は：Ｒａ＝４．１２６である。

【０１２７】我々はより高いＶ₃値を選ぶことにより設
計を改良できる。このことはより小さくより安い羽根車
ができることを意味する。我々の製品の最小寸法は点３
における圧力状態により定まり、このケースでは圧力は
決して４２０００Ｐａ未満であってはならない。

【０１２８】羽根車は、またスピルを超えるタービン高
さを低くすることにより及び若しくは点５における軸流
速度を増加することにより、より小さくできる。もしＶ
₅の値を増加すれば、効率減少というペナルティを払う
ことになるが、Ｖ₅によるエネルギーの損失は、損失＝
σＶ₅ ²／２＝０．３１％、である。すなわち、摩擦及
び乱流を考慮しない期待効率は９９．６９％である。効
率は又次のように計算できる。

【０１２９】

【数３８】

【０１３０】軸に垂直な平面上に羽根が投影した面積を
積分し、選定した羽根数（この場合は３）と併せて、点
３における外部ジャケットの面積と等式化し、羽根車の
長さを概算できる（式（７）を使用）。点５における面
積は、

【０１３１】Ａ₅＝Ｑ／Ｖ₅＝４．５６ｍ²で、半径はＲ₅＝Ａ₅／π＝１２０ｍ

【０１３２】Ｖ₅を増加し効率を落とし羽根車の半径を
より小さくして、コストを減少することができる。

【０１３３】羽根と内部コアの形状は式（１）、
（２）、（３）を用いて計算する。コンピュータによる
概算の結果は表Ｉ、IIとしてここに含まれている。表Ｉ
は本例と一致するデータを含み、表IIは使用角速度が３
６０ＲＰＭに減速されたことを除き同じデータを使用し
た他の例のデータを提供しているので、読者は羽根の形
状、水の角速度及び点１、２における圧力が如何に変化
するかを知ることができるであろう。遅い羽根車では、
羽根はバケット（水受け）形状を取り必要トルクを出す
ためＷ₁が如何に増大するかに注目されたい。

【０１３４】表Ｉ（ＴＡＢＬＥＩ）の条件は次のとお
りである。

【０１３５】

【表２】

【０１３６】

【表３】

【０１３７】表II（ＴＡＢＬＥ II）の条件は次のとお
りである。

【０１３８】

【表４】

【０１３９】

【表５】

【０１４０】水の軸流加速により生ずる圧力を余分のト
ルクを作るに必要な圧力と釣り合わせるため、点３にお
ける軸流速度は第１の例（表Ｉ）の８ｍ／ｓから７．５
ｍ／ｓ（表II）に減速しなければならない。

【０１４１】上述の如く、本発明は各種の異なる用途に
利用できる。図７はプロペラーとして使われた本発明の
羽根車を示す。この場合、外部ジャケット１６は単純化
のため羽根車と一緒に回転できるものとする。羽根車１
０はプロペラー実施例では一つ以上の羽根１４を備えて
いる。排出用定速ダクト３０が設けられ、これは内部表
面３２と協力して排出流体の定常速度を達成している。
先行する羽根偏向エレメント３４もまた流体に回転速度
を与えるため設けられている。配置には軸１８が示さ
れ、軸１８はフィルタースクリーン３６を回転支持（フ
ィルタースクリーンは軸と共に回転する）するか、また
は適当なベアリングが相互回転運動のため設けられてい
る。

【０１４２】タービンまたはポンプの配置を図８に示す
（流れる流体からエネルギーを受けるためのタービン配
置または軸１８から供給されるエネルギーにより流体を
ポンプ輸送するポンプの配置）。この配置では外部ジャ
ケット１６が示され、その中で流体は取入れ口２２から
排出口２４に流れる。適当な先行する偏向羽根３４が設
けられ、又同様な適当な後続の偏向羽根３８も設けられ
る。この実施例では二つの羽根車コア１２と１２’が図
３に示されたのと同じ方法で例示されている。羽根１４
は図１ｃの例と同じ方法で設けられている。

【０１４３】本発明の羽根車は図９に示す如きジェット
エンジンとしても有効である。この配置も又外部ジャケ
ット１６を含み、後続部分３０は内部表面３２と協力し
これにより出口２４で流体の定常速度が得られる。取入
れ口２２に隣接して前部すなわち先行の偏向羽根３４が
設けられる。内部コア１２はその表面が例で述べた物と
同等に作成され、羽根１４も例示されたものと同様に設
けられている。バーナー４０は取入れ羽根車１０’の下
流、排出羽根車１０”の上流に設置され、先行すなわち
取入れ偏向羽根３４’は排出羽根車１０’の上流に設置
されている。排出羽根車１０”は前の例と同様なやり方
で作られた内部コア１２と羽根１４を含む。

【０１４４】タービン機械（エンジン）が図１０に示す
如く開示されている。この配置は前方すなわち先行の偏
向羽根３４と後続すなわち排出偏向羽根３８を有する。
回転子１０ａと１０ｂは、例で述べた物と同様の方法で
作成された内部コア１２と羽根１４を含んでいる。外部
ジャケット１６が設けられ、羽根車と協力して流体通過
領域を形成し、またバーナー４０が設けられている。各
羽根車は軸１８に接続し回転する。

【０１４５】羽根車はコンピュータ制御の機械を使用
し、素材から形状を削り加工して製造できる。

【０１４６】または内部コアを成形し、羽根の前進角に
準拠して孔明けし、適当な形の羽根のピンを孔に挿入
し、プラスチック賦形剤を用いて羽根を成形し、希望す
る仕上げ状態にそれらを紙やすりと仕上げ磨きで仕上げ
て構築することができる。

【０１４７】内部コアの形状は素材から切り出すか、ま
たは異なる直径の円盤を糊付けし、前述の如く孔明けし
ピンを挿入する前に、希望する仕上げ状態に紙やすりを
掛け仕上げ磨きをしても作成できる。

【０１４８】一度模型が完成すると、製造用の型は適当
な材料を用いて製作できる。型から羽根車のコピーを直
接作成することができるし、或いはロストワックス法や
発泡法を用いて品物を金属鋳造するため使用される鑞ま
たは発泡整形品を得ることができる。

【０１４９】羽根車は用途の要求に従って中実または中
空に製作できる。羽根を組み立てるピンの形状は、選定
された材料の強度と極限作動状態の下で羽根が耐えるべ
き応力に準拠して計算される。

【０１５０】本発明の特有な実施例を詳細に提示説明
し、本発明の原理の妥当性を例証したが、本発明はかか
る原理から逸脱すること無く他の形でも具体化し得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づく３羽根式連続流体加速軸流羽根
車の斜視図である。

【図２】本発明に基づく３羽根式連続流体加速軸流羽根
車の、内部コアの最大径部を示す断面斜視図である。

【図３】本発明に基づく３羽根式連続流体加速軸流羽根
車の、コアと羽根の断面を示す斜視図である。

【図４】本発明に基づく連続流体加速軸流羽根車の最も
簡単な形における概略図である。

【図５】タービンとして実用され、背中合わせに配置さ
れた二つの羽根車を有し、外部ジャケットと内部コア間
の連続的に変化する流体通過領域及び連続的に変化する
羽根の角度を示す、本発明に基づく羽根車の概略図であ
る。

【図６】羽根の角進行の角度を示す本発明に基づく連続
流体加速軸流羽根車の概略図である。

【図７】プロペラーとして使用された本発明に基づく連
続流体加速軸流羽根車の概略図である。

【図８】タービンまたはポンプとして使用された本発明
に基づく連続流体加速軸流羽根車の概略図である。

【図９】ジェットエンジンとして使用された本発明に基
づく連続流体加速軸流羽根車の概略図である。

【図１０】タービン機械として使用された本発明に基づ
く連続流体加速軸流羽根車の概略図である。

【図１１】水力タービン配置のタービンとして使用され
た本発明に基づく連続流体加速軸流羽根車の概略図であ
る。

【符号の説明】

１０羽根車１２内部コア１４羽根１６外部ジャケット１８軸２０領域２２取入口２４排出口

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】軸方向の延長部を有する内部コアを備え
た羽根車と、該内部コアと協動し少なくとも該軸方向延
長部と同じ軸方向の大きさを有するジャケットとを有
し、該内部コアと該ジャケットは協動して取入れ端から
排出端まで連続的に変化する流体通路を画成し流体の連
続軸流加速とこれに相当する圧力勾配を生じさせる手段
を提供し、該内部コアに接続し該流体通路に配置された
羽根は連続的に変化する傾斜角を有し流体に連続的角加
速を生じさせる手段と成っていることを特徴とする軸流
羽根車。
【請求項２】該各羽根は該内部コアの第１端から第２
端に向かって軸方向に延長することを特徴とする請求項
１に記載の羽根車。
【請求項３】被駆動軸が該内部コアに接続され、該内
部コア及び該羽根をプロペラーとして駆動することを特
徴とする請求項２に記載の羽根車。
【請求項４】該内部コアに軸が接続され、該内部コア
と該羽根を駆動し、流体をポンプ輸送し及び若しくはガ
スを圧縮することを特徴とする請求項２に記載の羽根
車。
【請求項５】該取入れ端の流体は圧力水頭を有し、該
排出端には流体出口が設けられて水力タービンを備え、
タービン内における流体の該連続角加速によりこれに相
当するトルクが生ずることを特徴とする請求項２に記載
の羽根車。
【請求項６】該取入れ端は高圧蒸気源に接続され該排
出端は流体出口に接続され、該高圧蒸気は連続的に軸流
方向に加速され、該連続角加速はこれに相当するトルク
を生ずることを特徴とする請求項２に記載の羽根車。
【請求項７】タービンを構成する該内部コアと該羽根
の上流部にバーナーが設けられ、また該タービンの上流
には該羽根を有する追加の該羽根車が設けられて圧縮機
として作動し、それによりジェットエンジン形式の該出
口端において推力が生ずることを特徴とする請求項２に
記載の羽根車。
【請求項８】該羽根車が送風機または扇風機として形
成されていることを特徴とする請求項２に記載の羽根
車。
【請求項９】該羽根車がガスまたは空気モーターとし
て形成されていることを特徴とする請求項２に記載の羽
根車。
【請求項１０】固定偏向板が該内部コアの上流に設け
られ、流体が該内部コアと該羽根に作用する前に該偏向
板により流体に回転速度が与えられることを特徴とする
請求項２に記載の羽根車。
【請求項１１】内部コアと複数の羽根と外部ジャケッ
トとを備える羽根車を提供し、羽根は内部コアの第１軸
端から第２軸端に延長しており、羽根車を貫流して流体
を流し流体に連続軸流加速を生じさせ、又羽根車を貫流
して流体を流し流体に連続角加速を生じさせこれに相当
するトルクを発生させることを特徴とするエネルギー利
用方法。
【請求項１２】該取入れ端において流体に水頭圧を与
え、偏向板を設けて該流体が羽根車を通過する前に該流
体に回転速度を分与することを特徴とする請求項１１に
記載のエネルギー利用方法。
【請求項１３】軸方向の延長部を有する内部コアを備
えた羽根車と、該内部コアと協動し少なくとも該軸方向
延長部と同じ軸方向の大きさを有するジャケットとを有
し、該内部コアと該ジャケットは協動して連続的に変化
する流体通路を画成し、該内部コアに接続し該流体通路
に配置された羽根は該軸方向延長部と等しい大きさの軸
方向延長部を有し且つ連続的に変化する傾斜角を有する
軸流羽根車において、Ｑ（ｘ）はＸ軸に沿った位置関数としての所定位置の流
量であり、Ｖ（ｘ）はＸ軸に沿った流体の軸流速度であるとする
時、コアの半径Ｒ（ｘ）は次式【数１】により与えられ、これによる流体の連続軸流加速を生ず
ることを特徴とする軸流羽根車。
【請求項１４】Ｗ（ｘ）はＸ軸に沿った流体の角速
度、Ｗ₀は羽根車の角速度、Ｒ₀（ｘ）はＸ軸に沿った
外部ジャケットの半径とする時、羽根の傾斜角Γ が次
式【数２】で与えられることを特徴とする請求項１３に記載の軸流
羽根車。
【請求項１５】羽根車の一軸端における各羽根の始点
と羽根車の他の軸端における各羽根の終点間の角度Θが
次式【数３】で与えられることを特徴とする請求項１３に記載の軸流
羽根車。
【請求項１６】回転軸に垂直な平面上における各羽根
の投影面積は次式【数４】によって与えられることを特徴とする請求項１４に記載
の羽根車。