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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6806503
(24)【登録日】2020年12月8日
(45)【発行日】2021年1月6日
(54)【発明の名称】横軸ロータ
(51)【国際特許分類】
F03B 3/04 20060101AFI20201221BHJP
【ＦＩ】
F03B3/04
【請求項の数】4
【全頁数】8
(21)【出願番号】特願2016-175235(P2016-175235)
(22)【出願日】2016年9月8日
(65)【公開番号】特開2018-40304(P2018-40304A)
(43)【公開日】2018年3月15日
【審査請求日】2019年8月26日
(73)【特許権者】
【識別番号】000102692
【氏名又は名称】ＮＴＮ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100060759
【弁理士】
【氏名又は名称】竹沢 荘一
(74)【代理人】
【識別番号】100083389
【弁理士】
【氏名又は名称】竹ノ内 勝
(74)【代理人】
【識別番号】100198317
【弁理士】
【氏名又は名称】横堀 芳徳
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 政彦
【審査官】
北村 一
(56)【参考文献】
【文献】
特開２０１４−２３１７５９（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１２−２５１４４８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１５−０６８１９７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許出願公開第２０１２／０３２１４８１（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｆ０３Ｂ １／００−１１／０８
Ｆ０３Ｄ １／００−８０／８０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ロータのハブに固定された揚力型ブレードにおける正面視で、翼長のほぼ中央部を最大弦長部とし、該最大弦長部から翼根の方を基部として、ハブとの境界へかけて弦長を次第に小とするとともに、前記最大弦長部から翼端へかけて先細として該最大弦長部を基点として後縁方向へ大きく屈曲させた横向傾斜部を形成し、該横向傾斜部は側面視で前記基部との境界から翼端へかけての正面を、前記最大弦長部を基点として前記基部の正面に対して前方向へ前向傾斜させてあることを特徴とする横軸ロータ。
【請求項2】
前記揚力型ブレードの正面視で、該揚力型ブレードの長さのほぼ中心部で弦長の中央部Ｏを通る前記基部の幅の中央線Ｓと、前記横向傾斜部の幅の中央線Ｔとが、120度〜140度の範囲で交差し、前記基部を直立させた状態の平面視で、前記横向傾斜部は翼端を先細として、前記最大弦長部を基点として前記基部の後縁よりも前方斜めに突出してあることを特徴とする請求項１に記載の横軸ロータ。
【請求項3】
前記揚力型ブレードの正面視において、前記基部の幅の中央線Ｓと交叉する前記横向傾斜部の幅の中央線Ｔに対して、前記横向傾斜部の前縁は、その長さの中間部分が外側に突出した弧曲面とされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の横軸ロータ。
【請求項4】
前記揚力型ブレードの枚数が３枚を超える偶数の時において、片面に大きく膨らむ凸面がある揚力型ブレードを、回転方向の前後において、前記凸面のある面とない面を正面視で交互に形成して配設することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の横軸ロータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、横軸ロータに係り、特に水力発電機用の回転効率の高い横軸ロータに関する。
【背景技術】
【0002】
水力発電機用のロータにおける揚力型ブレードとしては、ブレードの翼端部の幅を大としたものが、例えば特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０００−９０１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
前記、特許文献１に記載のブレードでは、受流面積は広いが、その反面、抵抗が大きいため、回転効率が悪い。本発明は、ブレードの翼端部分の幅は小とするとともに、後縁方向へ傾斜させて横向傾斜部とすることによって、横向傾斜部に当たる流体を、放射外方向ではなく、回転半径内へ通過させることによって、基部に沿う流体と合流させて回転効率を高めたブレードを有する、横軸ロータを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明の具体的な内容は、次の通りである。
【0006】
（１） ロータのハブに固定された揚力型ブレードにおける正面視で、翼長のほぼ中央部を最大弦長部とし、該最大弦長部から翼根の方を基部として、ハブとの境界へかけて弦長を次第に小とするとともに、前記最大弦長部から翼端へかけて先細として該最大弦長部を基点として後縁方向へ大きく屈曲させた横向傾斜部を形成し、該横向傾斜部は側面視で前記基部との境界から翼端へかけての正面を、前記最大弦長部を基点として前記基部の正面に対して前方向へ前向傾斜させてある横軸ロータ。
【0007】
（２） 前記揚力型ブレードの正面視で、該揚力型ブレードの長さのほぼ中心部で弦長の中央部Ｏを通る前記基部の幅の中央線Ｓと、前記横向傾斜部の幅の中央線Ｔとが、120度〜140度の範囲で交差し、前記基部を直立させた状態の平面視で、前記横向傾斜部は翼端を先細として、前記最大弦長部を基点として前記基部の後縁よりも前方斜めに突出してある前記（1）に記載の横軸ロータ。
【0008】
（３） 前記揚力型ブレードの正面視において、前記基部の幅の中央線Ｓと交叉する前記横向傾斜部の幅の中央線Ｔに対して、前記横向傾斜部の前縁は、その長さの中間部分が外側に突出した弧曲面とされている前記（1）または（2）に記載の横軸ロータ。
【0009】
（４） 前記揚力型ブレードの枚数が３枚を超える偶数の時において、片面に大きく膨らむ凸面がある揚力型ブレードを、回転方向の前後において、前記凸面のある面とない面を正面視で交互に形成して配設する前記（1）〜（3）のいずれかに記載の横軸ロータ。
【発明の効果】
【0010】
本発明によると、次のような効果が奏せられる。
【0011】
前記（1）に記載の横軸ロータは、揚力型ブレードが正面視で、翼長のほぼ中間点から翼端へかけて、後縁方向へ、大きく横向き屈曲しているので、正面に受ける流体によって回転すると、基部の正面に当たる流体は、横向傾斜部の方向に移動し、横向傾斜部によって移動が抑止され、前縁部分から後縁へかけて傾斜する横向傾斜部の正面に沿って回転半径内へ入り、基部正面の前縁から後縁へかけての傾斜面に沿って通過する流体と合流して高速で通過し、回転効率を高める。また、揚力型ブレードにおける横向傾斜部は、基部との境界部から翼端を、正面の前方向きに前傾斜させてあるので、回転時に、翼根方向から翼端方向へ移動する流体は、横向傾斜部に当たって正面方向に移動するため、ブレードに対する流体圧が高まり、回転効率を高める。
【0012】
前記（2）に記載の横軸ロータにおいて、前記揚力型ブレードの基部の中央線Ｓと、横向傾斜部の幅の中央線Ｔとが、１２０度〜１４０度の範囲で交差し、翼端を正面視で先細とするので、回転時の抵抗を減少させて、回転効率を高める効果がある。
【0013】
前記（3）に記載の前記揚力型ブレードは、前記揚力型ブレードの正面視において、前記基部の幅の中央線Ｓと交叉する前記横向傾斜部の幅の中央線Ｔに対して、前記横向傾斜部の前縁は、その長さの中間部分が外側に突出した弧曲面とされているので、回転時に前記横向傾斜部の前縁にあたる気流は滑らかにブレードの後縁方向へ通過し、回転効率を高める。
【0014】
前記（4）に記載の発明においては、揚力型ブレードの枚数が３枚を超える偶数の時に、正面と後面において、膨出の強い凸面を前後交互に形成して配設するので、回転方向の前後の揚力型ブレードによって生じる流体の向きが、交互に前後方向を向くため、流体の干渉が生じにくい効果がある。
【発明を実施するための形態】
【0016】
本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。横軸ロータ１は、正面視でハブ２の周面に揚力型ブレード３（以下単にブレードという）が３枚、均等間隔で配設されている。ブレード３の枚数が少ないと、受流面積が小となり、枚数が多いと、回転時に、流動する流体の干渉による乱流を生じて、回転効率が低下する。
【0017】
ブレード３の正面３Ｃにおいて、長さのほぼ中心部で弦長の中央部を点Ｏとし、点Ｏより翼根部を基部３Ａとし、点Ｏから翼端部は、回転後方向へ向かって、大きく屈曲して、横向傾斜部３Ｂが形成されている。前縁３Ｅに沿う長さは後縁３Ｅに沿う長さよりも長いが、回転半径は前縁３Ｄ及び後縁３Ｅの長さより小となっている。
【0018】
ブレード３の長さ方向の、ほぼ中間の中央点Ｏから翼根方向の基部３Ａの中央線Ｓと、中央点Ｏより翼端方向の横向傾斜部３Ｂの中央線Ｔとの交差角は、図１においては125度としてあるが、120度〜140度の範囲で任意に設定される。交差角がこれより小さいと、半径内に流体を通過させにくくなり、大きいと、直線に近くなり、横向傾斜部３Ｂを作る意味が薄れる。
【0019】
基部３Ａは、翼根から中央点Ｏ方向へ、次第に弦長を大となるようにしてあり、前記中央線Ｓと中央線Ｔの交差する部分の弦長を、最大弦長部３Ｆとして形成されている。これは、翼根から横向傾斜部３Ｂへ流体が移動して集合するためであり、集合した流体は、後縁３Ｅ方向へ円弧を描いて通過し、その反作用として、ブレード３を前縁方向へ回転させ、回転効率を高める。
【0020】
側面視で、図２に示すように、基部３Ａの境界部分から横向傾斜部３Ｂを、正面３Ｃ前方に向けて傾斜させて、前向傾斜部３Ｈとしてある。図２における前傾の傾斜角度は、基部３Ａに対して約25度前向傾斜としてあるが、20度〜45度の範囲で任意に設定される。
【0021】
正面視で前縁３Ｄにおける、基部３Ａと横向傾斜部３Ｂとの屈曲角度よりも、後縁３Ｄにおける基部３Ａと、横向傾斜部３Ｂとの屈曲角度の方が、大角度となっている。これによって、横向傾斜部３Ｂの前縁３Ｄに当たる流体は、小さな抵抗で後縁３Ｅ方向へ通過し、かつ、基部３Ａにおける後縁３Ｅと、横向傾斜部３Ｂにおける後縁３Ｅとが交差する中間の、Ｕ矢示線方向へ通過する。
【0022】
また図９に示すように、横向傾斜部３Ｂにおいては、前縁３Ｄから後縁３Ｅへ抜ける流体は、Ｖ矢示方向に流れ、半径線Ｘより内側を流れることになる。その流速は、回転半径の違いによって、基部３ＡにおけるＵ矢示線より内側の流速より高速となり、その反作用は、Ｖ矢示線の反対方向へ作用して、ブレード３の回転効率を高める。
【0023】
これにより、前記Ｕ矢示線方向に、基部３Ａの後縁３Ｅを通過する流体と、横向傾斜部３Ｂの後縁３Ｅを通過する流体は、Ｕ矢示線方向で集合して通過し、その反作用として、Ｖ矢示線の反対方向の回転力を得て、ブレード３を効率良く回転させる。
【0024】
図３〜図８は、図１におけるブレード３の、各横断面の拡大横断面図である。横向傾斜部３Ｂの先端における正面３Ｃの前縁３Ｄから、後縁３Ｅへかけて傾斜する先端勾配線Ｇは、図３〜図８ともに同じであるが、各断面の端面において、前縁３Ｄから後縁３Ｅへかけて傾斜する中間勾配線Ｅは、それぞれの部位によって異なっている。
【0025】
すなわち先端勾配線Ｇと中間勾配線Ｅとの交差角度は、図３において約３２度、図４においては約３２度、図５においては約３０度、図６においては約３０度、図７においては約２８度、図８においては約２５度となっている。
【0026】
これは、正面３Ｃにおける後縁３Ｅ部分が、基部３Ａの翼根部分から横向傾斜部３Ｂの翼端へかけて、次第に正面の前方向へ移動していることを示している。しかし、これは横傾斜部３Ｂが横方向へ傾斜しているのに、基部３Ａと同じ横断をしているためで、図１０に示すように、先端勾配線Ｇと中間勾配線Ｅの間を流体は通過することになる。
【0027】
図３〜図８の横断面に示すように、正面３Ｃよりも後面Ｇの方が大きく膨らむ凸面を有しており、前縁３Ｄから後縁３Ｅまでの距離は、正面３Ｃのそれよりも大きくなっている。その結果、正面３Ｃに当たる流体は、ブレード３を前縁３Ｄ方向へ押して回転させる。
【0028】
また、正面３Ｃに沿って通過する流体の速度よりも、大きな凸面の後面３Ｇに沿って通過する流体の速度の方が大となり、流速が大である方が、流体圧が低下するので、正面３Ｃと後面３Ｇの流体圧の差によって、ブレード３は、流体圧の低い前縁３Ｄ方向へ押されて、回転効率を高める。
【0029】
図１１は、別の実施形態の横軸ロータの正面図である。前例と同じ部材には、同じ符号を付して説明を省略する。この実施形態では、ハブ２の周面に、ブレード３を４枚配設してある。ブレード３の形は前例と基本的に同じものであるが、正面３Ｃを後面３Ｇとし、後面３Ｇを正面３Ｃとしたものと、図１に示すブレードとを交互に配設してある。
【0030】
このように、ブレード３の数が４枚、６枚などと増加すると、前後のブレード３から、コアンダ効果によって高速で通過する流体が、前後面方向へ分かれ、高速回転時に、流体の干渉が生じにくいという効果が生じる。なお、本発明の横軸ロータは、風力発電機、水力発電機に活用することができる。
【産業上の利用可能性】
【0031】
翼端に横向傾斜部が形成されているので、回転時に翼根から翼端方向へ移動する流体は、横向傾斜部で抑制されて、直径円内方向へ通過するため、回転効率が高まり、発電効率の高い水力発電に利用される。
【符号の説明】
【0032】
１．横軸ロータ２．ハブ
３．揚力型ブレード
３Ａ．基部
３Ｂ．横向傾斜部
３Ｃ．正面
３Ｄ．前縁
３Ｅ．後縁
３Ｆ．最大弦長部
３Ｇ．後面
３Ｈ．前向傾斜面
４．ロータ軸
Ｅ．中間勾配線
Ｇ．先端勾配線
Ｏ．中央点
Ｓ．基部弦中央線
Ｔ．横傾斜部弦中央線
Ｕ．中間の流体通過方向
Ｖ．横向傾斜部の流体通過方向
Ｘ．回転半径線