JP7007841B2

JP7007841B2 - ロータブレードとこれを備える横軸水車

Info

Publication number: JP7007841B2
Application number: JP2017172448A
Authority: JP
Inventors: 政彦鈴木
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2017-09-07
Filing date: 2017-09-07
Publication date: 2022-01-25
Anticipated expiration: 2037-09-07
Also published as: JP2019049203A; WO2019049902A1

Description

本発明は、ブレードの径方向の中間部に流体を寄せ集めて、合流した多量の流体を、高速で通過させるようにした厚基部ロータブレードと、これを備える横軸水車に関する。

先端に前向傾斜部が形成されている水車用ロータブレードは、例えば特許文献１に開示されており公知である。

特開２００８－１９６４２５号公報

特許文献１に記載の発明における前向傾斜部は、回転時に翼根方向から翼端方向へ移動する水流を前向傾斜部で抑止し、前向傾斜部の後縁先端部から、水流を遠心方向へ通過させるものである。
本発明は、遠心方向へ通過する水流を、ブレードの径方向の中間部分に寄せるとともに、翼根部分から効率良く水流を中間部分に集めて、合流する多量の水流を高速で通過させるようにしたロータブレードと、これを備える横軸水車を提供することを目的とするものである。

本発明は前記課題を解決するために、次のような技術的手段を講じたものである。

正面視で翼端を上向きにした揚力型ブレードにおいて、翼根から前記翼端方向へ次第に弦長を大とし、前記翼端から最大弦長の８０％ほどの長さの位置に最大弦長部を設け、前記揚力型ブレードにおける側面視で、前記翼根から前記翼端へ向かって厚基部、主部、前向屈曲部を区画し、前記主部と前記前向屈曲部との境界部分を最大弦長部とし、前記厚基部は前記翼根の厚さを前記主部の１．５倍～２倍に設定し、前記翼根から前記主部へかけて厚さを次第に薄くして、これと連続する前記主部は前記厚基部の長さよりやや長くして厚さを側面視で全体に同じくし、前記前向屈曲部は前記主部との境界から前記翼端へかけて厚さを側面視で次第に薄く形成し、前記翼根の横断面は略鶏卵形で前記主部にかけて次第に揚力型とし、かつ弦長方向に平坦面である正面を前記主部においては、その横断面における前縁から後縁の部分で、前記後縁を、側面視における後面方向に次第に傾斜させ、前記前向屈曲部においては、その横断面における前記前縁から前記後縁の部分で、前記後縁を、側面視における前記後面方向に次第に傾斜させてなることを特徴とするロータブレード。

前記揚力型ブレードの後面は、横断面において、前記前縁は厚く前記後縁にかけて次第に薄くなる弦長方向に弧曲面を持ち、前記主部においては、前記ブレードの弦長方向において前記厚さ中心線より前記後面寄りにある後半部は、その前記後縁を、側面視における後面に接するよう弧曲させるとともに、前記前向屈曲部においては、そのブレードの厚さの中央寄りにある前記前縁から前記後縁へかけてその後縁を、側面視における前記後面に接するようにしてなることを特徴とする前記（１）に記載のロータブレード。

（３）前記最大弦長部は、ブレードの前記翼端から前記主部方向へ前記最大弦長部の弦長だけ寄った位置に設定してあり、正面視で前記前向屈曲部の面積は、前記厚基部、前記主部、前記前向屈曲部の中で最大としてなる前記（1）又は（2）に記載のロータブレード。

（４）前記（1）～（3）に記載のいずれかのロータブレードを備える横軸ロータをもって発電機を回転させるようにした横軸水車。

本発明によると、次のような効果が奏せられる。

前記（1）に記載の発明においては、翼端がブレードの長さのほぼ中間で前向きに屈曲しており、回転により、遠心方向へ移動しようとする水流は前向屈曲部で抑止されて最大弦長部へ集合し、また翼根の基端部は厚さが厚いため、翼根部分から主部の中間方向へ水流が移動し、ここで合流した多量の水流は、高速となって後縁へと通過するので、回転効率が高まる。

前記（2）に記載の発明においてロータブレードの後面は、前縁部が厚く、後縁へかけて次第に薄くなる弧曲面としてあり、平面視の後縁は側面視の後面に接しているので、回転時に、後面に沿う流体は正面よりもコアンダ効果によって高速で通過し、反作用でロータブレードの回転効率を高める。

前記（3）に記載の発明においてロータブレードの前記最大弦長部分は、前記翼端から前記最大弦長部の長さを前記主部寄りの位置としてあるので、ここを基点として屈曲する前向屈曲部の面積が大きく設定され、これによって後縁方向へ通過する水量は多く、回転効率を高める。

前記（4）に記載の発明においては、横軸水車の横軸ロータのロータブレードとして前記（1）～（3）に記載のいずれかのロータブレードを配設したので、水流をよく集合させて、高いトルクを生みだして発電機を回転させるので、効率のよい発電をさせることができる。

本発明のロータブレードの正面図である。同じく右側面図である。同じく平面図である。図１におけるIV－IV線断面図である。図１におけるV－V線断面図である。図１におけるVI－VI線断面図である。図１におけるVII－VII線断面図である。図１におけるVIII－VIII線断面図である。図１におけるIX－IX線断面図である。図１におけるX－X線断面図である。

本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。
図１に示す本発明のロータブレード１（以下単にブレードという）は、ロータのハブ９の周面に、例えば２～６枚を等間隔に固定して使用に供される。

各ブレード１は、正面視で翼根２Ａから翼端３へかけて、弦長を次第に大とし、最大弦長部４から翼端３へかけて、先尖り状とされている。
図２に示すようにブレード１は、側面視において、基部である翼根２Ａは、主部５の厚さの少なくとも１．５倍、好ましくは２倍近い厚さを有し、かつ主部５の最大弦長部４と翼根２Ａとの中間へ向けて、次第に薄くなるように前後面を傾斜させた厚基部２とされている。

厚基部２の基部を厚くする理由は、この厚基部正面２Ｂに当たるＷＢ矢示の水流を、主部正面５Ａの方へ速く移動させるためであり、主部正面５Ａに集めた水流を図１における後縁８方向へ纏めて通過させることによって、ブレード１の回転効率を高めることができる。

前記最大弦長部４は、翼端３から翼根２Ａに向かって最大弦長の８０％ほどの長さの位置に設定されている。その最大弦長部４を基点として、先端部分は、主部５の厚さ中心線Ｔに対し、４５°±５°の範囲で前向きに屈曲されて、前向屈曲部６が形成されている。

この角度より翼端３が、厚さ中心線Ｔの方向に開いている場合は、前向屈曲部６で流体を主部５の方へ囲い込むという本発明の目的に合わなくなり、また、この角度より狭く傾き過ぎると、最大弦長部４の方へ集めようとする流体の量が、減少することになる。

図３は、ブレード１の平面図である。前向屈曲部６は、主部５から大きく前方へ突出している。またハブ９に対する前向屈曲部６の水平方向の向きの傾斜角度は約９度で示してあるが、この角度は厚さによって適宜変化させる。

図４は図１におけるIV－IV線断面図で、前向屈曲部６なので薄く形成されている。図５は、図１におけるV－V線断面図で、前向屈曲部６の基部にあたるので、やや厚さが厚くなっている。

図６は、図１におけるVI－VI線断面図で、ここは最大弦長部４にあたっており厚さも厚くなっている。図７は、図１におけるVII－VII線断面図で、主部５の先方部なので弦長が狭くなってきている。

図８は図１におけるVIII－VIII線断面図で、厚さは厚くなり、弦長は狭くなってきている。図９は図１におけるIX－IX線断面図で、弦長が最大弦長部のほぼ３分の２になり、厚さは主部５の二倍近くになって略鶏卵のような形になって、堅固になっている。図１０は図１におけるX－X線端面図で剛性を持たされている。

図８に示すように、ブレード１の主部５は、図１におけるVIII－VIII線部分から主部正面５Ａが、前縁７から後縁８へかけて後面方向へ傾斜し始めている。
またその傾斜角度は、翼根２Ａの方から翼端３へ至るに従って、次第に傾斜度を高めている。そのことは、主部５の方から翼端３の方へ、流体が移動しにくいことを意味している。

図２において、左の方向からブレード１の正面に流体が当たると、ブレード１は回転する。流体ＷＡ矢示が、前向屈曲部６の屈曲部正面６Ａに当ると、ブレード１は前縁７方向へ回転する。
また、ブレード１の厚基部正面２Ｂに当った流体ＷＢ矢示は、最大弦長部４の方向に滑って移動し、前向屈曲部６の方から移動するＷＡ矢示の流体と合流する。

その結果、主部正面５Ａに集合した流体は、図１に示す主部５の前縁７から後縁８方向へ通過し、その強い反作用によりブレード１は前縁７方向へ回転させられる。従ってこのブレード１を、例えば水力発電装置における横軸水車のロータブレードとして使用すると、効率のよい回転効果が得られ、発電効率は従来のものに比して著しく高められる。

この発明は、ブレードの長さ方向の中間に多量の水流を集合させて回転するので、その反作用によりブレードは大きな回転トルクを得ることができる。
そのため、例えば水路などに配設される水力発電装置のロータに、効果的に使用することができる。

１．ロータブレード
２．厚基部
２Ａ．翼根
２Ｂ．厚基部正面
２Ｃ．厚基部後面
３．翼端
４．最大弦長部
５．主部
５Ａ．主部正面
５Ｂ.主部後面
６．前向屈曲部
６Ａ．屈曲部正面
７．前縁
８．後縁
９．ハブ
Ｓ．正面中心線
Ｔ．厚さ中心線
ＷＡ．屈曲部に当る流体
ＷＢ．流体

Claims

正面視で翼端を上向きにした揚力型ブレードにおいて、翼根から前記翼端方向へ次第に弦長を大とし、前記翼端から最大弦長の８０％ほどの長さの位置に最大弦長部を設け、前記揚力型ブレードにおける側面視で、前記翼根から前記翼端へ向かって厚基部、主部、前向屈曲部を区画し、前記主部と前記前向屈曲部との境界部分を最大弦長部とし、前記厚基部は前記翼根の厚さを前記主部の１．５倍～２倍に設定し、前記翼根から前記主部へかけて厚さを次第に薄くして、これと連続する前記主部は前記厚基部の長さよりやや長くして厚さを側面視で全体に同じくし、前記前向屈曲部は前記主部との境界から前記翼端へかけて厚さを側面視で次第に薄く形成し、前記翼根の横断面は略鶏卵形で前記主部にかけて次第に揚力型とし、かつ弦長方向に平坦面である正面を前記主部においては、その横断面における前縁から後縁の部分で、前記後縁を、側面視における後面方向に次第に傾斜させ、前記前向屈曲部においては、その横断面における前記前縁から前記後縁の部分で、前記後縁を、側面視における前記後面方向に次第に傾斜させてなることを特徴とするロータブレード。
前記揚力型ブレードの後面は、横断面において前記前縁は厚く、前記後縁にかけて次第に薄くなる弦長方向に弧曲面を持ち、前記主部においては、前記ブレードの弦長方向において前記厚さ中心線より前記後面寄りにある後半部は、その前記後縁を、側面視における後面に接するよう弧曲させるとともに、前記前向屈曲部においては、そのブレードの厚さの中央寄りにある前記前縁から前記後縁へかけてその後縁を、側面視における前記後面に接するようにしてなることを特徴とする請求項１に記載のロータブレード。
前記最大弦長部は、ブレードの前記翼端から前記主部方向へ前記最大弦長部の弦長だけ寄った位置に設定してあり、正面視で前記前向屈曲部の面積は、前記厚基部、前記主部、前記前向屈曲部の中で最大としてなることを特徴とする請求項１又は２に記載のロータブレード。
前記請求項１～３に記載のいずれかのロータブレードを備える横軸ロータをもって発電機を回転させるようにしたことを特徴とする横軸水車。