(57)【要約】  本発明は、航空機／海上船舶、ポンプシステム、風力タービンおよび水力タービンに使用されるプロペラに関する。また、本発明は、プロペラ（１０）ハブ（１１）の周りに配分されかつプロペラハブ（１１）の軸線（Ｘ）と或る角度を設定するように配置されたプロペラ羽根（１３）と、水を押す前記羽根（１３）の吸込側（ａ）に形成された凹状に湾曲された接触面（１３．３）と、この凹状面（１３．３）に続きかつ前記凹状面（１３．３）より短い凸状の流出側の面（１３．４）とにも関する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
本発明は、航空機／海上船舶、ポンプシステム、風力タービンおよび水力エネルギータービンに使用されるプロペラに関し、
羽根（１３）の後部に沿って延び、前記羽根（１３）の幅の投影長さの３分の１の幅を有する平面（１３．２）と、
前記平面（１３．２）と交差しかつ前記後部の投影幅の３分の２を構成するＲ半径を有し、もって前記後部の残り部分を構成する、丸みが付けられた背面（１３．１）と、
後部の前記丸みが付けられた背面（１３．１）の空の端部上に、３〜９グレードの角度を作るように前記プロペラ回転面と交差する、１．５Ｒの半径を有する内接触面（１３．３）と、
前記内接触面（１３．３）および前記平面（１３．２）の羽根端部の厚みの半分下方に位置する平面と交差しかつ前記内接触面（１３．３）の逆方向に湾曲している、０．５Ｒの半径を有する流出側の丸みが付けられた面（１３．４）と、
を有し、
Ｒおよび１．５Ｒの半径を有する前記丸みが付けられた面（１３．１、１３．３）の交差点から後部の前記平面（１３．２）が配置されている面までの距離が、前記後部の投影幅の４分の１および５分の１である。
前記羽根（１３）の背面（１３．７）のＦ直径がＲ４００〜Ｒ６５０の直径であり、Ｇ距離が前記Ｆ直径の４分の１である、プロペラ。
【請求項２】
前記プロペラが羽根を備え、前記羽根のアタック取入口（１３．５）の丸みの直径とｇ通路（１３．６）の丸みの直径とが互いに等しいことを特徴とする、請求項１に記載のプロペラ。
【請求項３】
前記プロペラのハブ（１３）上に３６°〜４８°で配置された、或る羽根直径を有する複数の羽根（１３）を備えることを特徴とする、請求項１および２に記載のプロペラ。
【請求項４】
前記羽根（１３）の端部の距離が、Ｇ距離の３分の１の割合のＥ距離を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のプロペラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空機、海上乗物（ｓｅａ  ｖｅｈｉｃｌｅｓ）、ポンプシステム、風力タービンおよび水力エネルギータービンに使用するために開発された高エネルギー効率のプロペラに関する。
【０００２】
本発明は、プロペラハブの周りに配分されかつプロペラハブの軸線（Ｘ）に対して或る角度を設定するように配置された複数のプロペラ羽根（ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ  ｂｌａｄｅｓ）と、水を押す前記羽根の前面上に形成された凹状に湾曲された接触面と、この接触面に続きかつ前記接触面よりも短い凸状の流出側丸み部（ｏｕｔｐｕｔ  ｒａｄｉｕｓ）と、にも関する。
【背景技術】
【０００３】
知られているように、舶用プロペラは、船舶を動かすために使用される駆動構成要素であり、駆動部により回転運動を行う。様々な形で生産されるプロペラは、水上で船舶を動かすために、船体機（ｈｕｌｌ  ｍａｃｈｉｎｅｓ）によって生成された動力を推進力に変換する。プロペラはプロペラを貫流する水を加速させ、この加速流に起因する運動量の増大からもたらされる反作用が船舶を推進する。運動量の増大は、莫大な水塊中でのわずかな速度上昇（大型の緩動プロペラ（ｓｌｏｗ  ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  ｐｒｏｐｅｌｌｅｒｓ））によっても、小さな水塊中での大きな速度上昇（小型の高速プロペラ（ｈｉｇｈ  ｓｐｅｅｄ  ｐｒｏｐｅｌｌｅｒｓ））によっても、確保される。第１のシステムはより高い効率を有する。
【０００４】
船の船体の形状は、プロペラに向かう水流に大きな影響を及ぼす。船は前方に移動しながら水塊の一部をひきずるので、水中でのプロペラの相対速度は船の実速度より遅い。
【０００５】
水の軸線速度はプロペラの様々な部分で異なる。したがって、各回転羽根は高速である水域や低速である水域を通過する。一般に、相対水速度は、羽根が羽根の最高位置（垂直）にある間に最低レベルに達し、相対水速度は、羽根が最低位置にある間に最高レベルに達する。その結果、羽根によって加えられる力は一定範囲の値で連続的に変化し、後に、振動、耐久性およびキャビテーションの問題に遭遇する。
【０００６】
キャビテーション：
翼型形状のプロペラ羽根はウィングフラップとして機能する。羽根の周囲を通過する水は、前部に低圧を作り出し、後部で圧力を高める。プロペラ効果の大部分は低圧領域内で生じる。圧力が任意の場所で水の蒸発圧力を下回ると、水中に泡が発生する。海中で使用されるプロペラは、キャビテーションのために、空中で使用される羽根よりもずっと大きな羽根で製作される。
【０００７】
プロペラの製作に関する重要な問題の１つは、船の力が予備指定回転数で反発力に変換されることである。このことはプロペラピッチに大規模に依存する。ピッチが羽根の流れ方向で作られる角度に依存するという事実、および、生成される反発力および圧力がプロペラの動きから生じるという事実は、ピッチをキャビテーションに関して重要なものにする。したがって、生じうるキャビテーションは、羽根の全面上で半径の各値に対して変化するようにピッチを配置することによって低減される。
【０００８】
好ましい特許出願（１９８２年付の米国特許第４，１３１８，６７１号明細書）におけるプロペラに関し、この特許では、特殊な構造が言及されており、この構造は、船のプロペラ上で生じるエネルギー損失を低減するために三角形断面の羽根縁部上に高分子表面を用いることに関し、乱流を引き起こす表面損失を低減することにも関する。本発明では、プロペラ羽根上の３つの異なる角度での表面通過が、エネルギー効率を高めるために使用される。
【０００９】
１９７９年１０月１６日付の米国特許第４，１７１，１８３号明細書では、エネルギー効率を高めるためにプロペラ羽根の角度を変えることができる機構が提案されている。羽根の角度が速度に応じて変わること（ピッチ制御）が、本明細書で提案されているプロペラ設計のアタッチメントとして使用されうる。羽根の角度制御は、本明細書に記述されている設計の主概念から独立している。１９９０年６月１２日付の米国特許第４，９３２，９０８号明細書では、プロペラ羽根は、プロペラ羽根上での粘性摩擦を最小限に抑え、羽根上での運動エネルギー損失を最小限に抑え、かつ全エネルギー効率を高めるために、斜軸角で流入する流体に対抗する。本発明では、三角形断面のプロペラ羽根プロファイルおよび全エネルギー変換効率は、シャフトに関しての差をもたらさずに高められる。
【００１０】
２００５年４月１２日付の米国特許第６，８７７，６９２号明細書は、流体中でのエネルギー変換効率を高めかつ圧縮流体が反発力を確実に生成するための、２つのプロペラ羽根の互いに対する逆位相振動に言及している。
【００１１】
１９７８年２月１４日付の米国特許第４，０７３，６０１号明細書は、高速のプロペラ羽根表面を生成することを含んでいる。本発明はキャビテーション効果を低減する類似した機構を有しているが、主な違いは、逆方向の流入側の（迎え）角（ｉｎｐｕｔ（ａｔｔａｃｋ）ａｎｇｌｅ）およびリリース（開き）角（ｒｅｌｅａｓｅ（ｔｒａｉｌｉｎｇ）ａｎｇｌｅｓ）が、エネルギー変換効率を同時に高める特定値を有すること、および、それに応じて羽根プロファイルが設計されることである。
【発明の概要】
【００１２】
本発明の目的は、航空機、海上乗物、ポンプシステム、風力タービンおよび水力エネルギータービンに使用するために開発された高エネルギー効率を達成するとともに、振動をなくすことである。
【００１３】
本発明の別の目的は、船舶がプロペラの状態に起因して前進しないときに船舶の後ろで泡立ちが確実に生じないようにすることである。システムは、水に対する空力アタック取入口（ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ  ａｔｔａｃｋ  ｉｎｔａｋｅ）が水を受け入れることができること、および、既存の羽根が高圧表面全体に適合し、必要に応じてバランスを保つことに基づいている。
【００１４】
また、本発明の一目的は、羽根全体が水と接触するときに羽根の全表面で押すことによる強い力を達成することである。
【００１５】
本発明の一目的は、あらゆる種類の船舶に容易に適合できることである。したがって、本発明は、プロペラが船と一体化された場合にプロペラを交換する必要なしにシステムに容易に適合するように設計される。
【００１６】
本発明は、プロペラの流体変位と回転運動との間の変換中にエネルギー変換を最大にするように設計され、この目的のために開発されたプロペラの基本的特徴は、羽根を通る流体の色々な軸線方向変化に基づく３つの別々の領域があることである。
【００１７】
本発明の別の目的は、既存の方法で使用されているプロペラに生じる騒音およびハミング音を、新しいプロペラ構造で９０％取り除くことである。騒音は９０％減少するので、泡立ちは起きない。
【００１８】
本発明の別の目的は次の通りである。既存の方法で使用されるプロペラでは、エンジンのｒｐｍ（毎分回転数）が３２００から２６００に減少する。新しいプロペラを用いると、ｒｐｍは３２００から３５００に増加する。この回転の結果として、船舶は１２マイル／時（１９．３ｋｍ／時）の速度で走行する。この開発のおかげで、燃料を節約することができ、高出力および高性能が達成される。
【００１９】
本発明の別の目的は、羽根のスパンと各羽根の端部とがＧ通路形状を形成することである。
【００２０】
流体が空力アタック取入口（ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ  ａｔｔａｃｋ  ｉｎｔａｋｅ）に入り、次いで「受入領域（Ｒｅｃｅｉｐｔ  Ａｒｅａ）」で受け入れられた後、流体は中間領域「移行領域（Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ  Ａｒｅａ）」で最大圧力に達する。最後に「押し領域（Ｐｕｓｈｉｎｇ  Ａｒｅａ）」で、流体は、押し作用、反発作用および付随作用を起こして羽根表面を通り過ぎる。流体力学的効率は、入口から受け入れられた流体が押し運動に変換され、押し運動は回転運動に変換される。
【００２１】
本発明の別の目的は、３つの異なる表面を有しかつ２つの異なる逆方向角度を有する羽根のメカニズムが、乱流およびキャビテーションを低減し、ひいては、羽根の回転運動と垂直軸線における変位運動との間の最大エネルギー変換効率が達成されることである。このプロペラ設計では、出力流体が回転軸線と比べて連続した並流を作り出すので、換気損失は最小限となる。換気損失が用いられる流体の密度および公称回転速度によれば、羽根の凹状面および凸状面ならびに表面積および枚数は３６通りの方法で調整されうる。
【００２２】
前述した目的を達成するために、本発明は、プロペラハブの周りに配分されかつプロペラハブの軸線（Ｘ）と或る角度を設定するように配置されたプロペラ羽根と、水を押す前記羽根の前面上に形成された凹状に湾曲された接触面と、この接触面に続くかつ前記接触面より短い凸状の流出側丸み部とに及ぶ。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の主題であるプロペラの、プロペラハブ上に一定角度の羽根が配置されたときの斜視図である。
【図２】本発明の主題であるプロペラの２次元正面図である。
【図２．１】本発明の主題であるプロペラのＧ−Ｇ範囲の２次元断面図である。
【図２．２】本発明の主題であるプロペラのＨ−Ｈ範囲の２次元断面図である。
【図３】本発明の主題であるプロペラ羽根の２次元上面図である。
【図３．１】プロペラ羽根のＣ−Ｃ範囲の２次元断面図である。
【図３．２】プロペラ羽根のＤ−Ｄ範囲の２次元断面図である。
【図３．３】プロペラ羽根のＥ−Ｅ範囲の２次元断面図である。
【図３．４】プロペラ羽根のＦ−Ｆ範囲の２次元断面図である。
【図４】プロペラ羽根がプロペラハブ上にあるときのプロペラ羽根の２次元断面図である。
【図４．１】流体がプロペラ羽根と接触する表面の代表的な図である。
【図５】本発明の主題である羽根のすべての羽根を示す２次元上面図である。
【図５．１】本発明の主題である羽根の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明は、航空機／海上船舶（ｓｅａ  ｖｅｓｓｅｌｓ）、ポンプシステム、風力タービンおよび水力タービンに使用されるプロペラに関し、プロペラ（１０）のハブ（１１）の位置決め面の周りに配分されかつプロペラのハブ（１１）の軸線（Ｘ）に対して或る角度を設定するように固定されたプロペラ羽根（１３）と、水を押す前記羽根（１３）の前面（ａ）上に形成された凹状に湾曲された接触面（１３．３）と、この接触面（１３．３）に続きかつ前記接触面（１３．３）より短い凸状の流出側丸み部（１３．４）と、前記羽根（１３）の背面（ｂ）上の開始点（ｃ）から終点（ｃ１）まで形成された丸みが付けられた背面（１３．１）と、前記丸み終点（ｃ１）から終点（ｃ２）までの範囲に形成された平面（１３．２）とに及ぶ。
【００２５】
プロペラ（１０）は、プロペラ（１０）が接触面（１３．３）から回転方向（ｆ）に受けた流体を、最初に或る角度変化部を有する船体羽根の中間部分（ｈｕｌｌ−ｂｌａｄｅ  ｍｉｄ−ｐａｒｔ）に向け、次いで、前記プロペラ（１０）が最大圧力下で逆方向に放出した流体を、流出側丸み部（１３．４）を通過するときにさらに小さい値を有する第２の半径変化部で、最初の変化部に向け、したがって、羽根の回転軸線に従って前後の圧力差が生じると、流体を前記プロペラ（１０）の現在の速度に応じて相対的に漸増方向に線形ラインで（乱流なしに）放出し、回転エネルギーを直線運動エネルギーに変換する効率を従来のプロペラプロファイルに比べて増大させ、プロペラ羽根表面に対するキャビテーション効果および摩擦効果を減少する。
【００２６】
羽根（１３）の接触面（１３．３）は背面の軸線（ｂ）と比べて凹状であることから、したがって接触面（１３．３）は回転から生じる押圧力に寄与する。流体を受ける接触面（１３．３）の縁部は凸状後部と比べて下部ほど傾斜しており、底面の構成物は薄い表面を形成していることから、上面および下面に流体をこすることにより生じる損失を最小限に抑えることができる。発明者らが接触面（１３．３）および流出側の丸みが付けられた面（丸み面または丸み部とも称する）（１３．４）を含む領域を摩擦面（ｄ）と呼ぶ場合、
ｄ＝１３．３＋１３．４
１３．３＞１３．４
である。すなわち、摩擦面（ｄ）の接触面（１３．３）は、流出側丸み部（１３．４）と比べて９０％以上のスペースをとる。
【００２７】
流出側丸み面（１３．４）は接触面（１３．３）より小さくなっており、接触面（１３．３）が終わり流出側丸み面（１３．４）が始まる点で乱流効果が起こる。
【００２８】
丸みが付けられた背面（１３．１）の流体が空力アタック取入口から入り、次いで受け入れられた後、流体は接触面（１３．３）の中間部分で最大圧力に達する。接触面（１３．３）は広い面積および大きい半径を有するので、押し作用、反発作用および付随作用を起こし、出力半径（１３．４）を経由して羽根表面を通り過ぎる。
【００２９】
３つの異なる表面を有しかつ２つの異なる逆方向角度を有する羽根のメカニズムは、乱流およびキャビテーションを低減し、ひいては、羽根の回転運動（１０）と垂直軸線における変位運動との間の最大エネルギー変換効率が達成される。このプロペラの設計では、出力流体が回転軸線と比べて連続した並流を作り出すので、換気損失は最小限である。
【００３０】
前述の平面（１３．２）は羽根（１３）の後部に沿って延び、平面（１３．２）は羽根の幅（１３）の投影長さの３分の１の幅を有する。丸みが付けられた背面（１３．１）は、平面（１３．２）と交差しかつ後部の投影幅の３分の２を構成するＲ半径を有し、したがって後部の残り部分を構成する。
【００３１】
後部丸み部（１３．１）の空の端部上には、３〜９グレードの角度を作るようにプロペラ回転面と交差する、１．５Ｒの半径を有する内接触面（１３．３）があり、前記内接触面（１３．３）および前記平面の羽根端部の厚みの半分下方に位置する平面と交差しかつ内接触面（１３．３）の逆方向に湾曲している、０．５Ｒの半径を有する流出側丸み面（１３．４）がある。Ｒおよび１．５Ｒの半径を有する前記丸み面（１３．１、１３．３）の交点から後部平面（１３．２）が配置されている面までの距離は、後部の投影幅の４分の１および５分の１である。羽根の背面（１３．７）のＦ直径はＲ４００〜Ｒ６５０の直径である。羽根の背面（１３．７）の直径が６００であれば、流体は羽根を通過した後で広げられなければならず、流体はすその広がった押しを引き起こさなければならない。したがって、直径がＲ６００である場合、すその広がった押しが行われなければならない。
【００３２】
羽根（１３）がプロペラハブ（１１）の位置決め面（１２）に対して３６°、４０°、４４°および４８°の角度を作るように固定され、かつ、この基線（１３）の角度が３６°である場合、Ａ距離：５５、Ｂ距離：Ａ／５、Ｃ距離：Ａ／３、Ｄ距離：Ａ／３である。Ｋ直径が１１２である場合、Ｌ直径は９０になる。
【００３３】
羽根が３６°、４０°、４４°および４８°の角度で配置される場合、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｅ、ＫおよびＬの比率を下表に挙げる。
【表１】
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【００３４】
Ｋ直径がＡ／Ｋである場合、Ｋ直径は０．４９〜０．５３のＲ直径を有する。
Ｌ直径がＡ／Ｌである場合、Ｌ直径は０．５５〜０．７３のＲ直径を有する。
Ｋ＝（０．４９〜０．５３）×Ａ
Ｌ＝（０．５５〜０．７３）×Ａ
Ｂ＝Ａ×１／５＝Ａ×０．２
【符号の説明】
【００３５】
１０  プロペラ
１１  プロペラハブ
１２  位置決め面
１３  羽根
１３．１  丸みが付けられた背面（Ｂａｃｋ  ｒａｄｉｕｓｅｄ  ｓｕｒｆａｃｅ）
１３．２  平面
１３．３  接触面
１３．４  丸みを付けた流出側の面，流出側丸み面（Ｏｕｔｐｕｔ  ｒａｄｉｕｓｅｄ  ｓｕｒｆａｃｅ）
１３．５  アタック取入口
１３．６  Ｇ通路
１３．７  背面
ａ  前面
ｂ  背面
ｃ  丸み部の始点
ｃ１  丸み部の終点
ｃ２  平面の終点
ｄ  摩擦面
ｆ  羽根の回転方向
【図１】
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【図２】
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【図２．１】
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【図２．２】
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【図３】
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【図３．１】
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【図３．２】
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【図３．３】
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【図３．４】
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【図４】
2014501652.tif 000013
【図４．１】
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【図５】
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【図５．１】
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【国際調査報告】
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2014501652.tif 000018