プロペラ

本発明は、例えばプロペラのようなブレード装置に関する。

一般に、プロペラは回転運動を推進力や流体流れに変換することにより動力を伝達するような多岐にわたる形態において、例えば飛行機、船、タービン、その他の類似装置に使用されてきた。

プロペラは通常、中心軸やハブに取り付けられた2枚以上のブレードからなり、ブレードは、ブレードを通る水や空気などの流体に推進力を与えるべくブレードの前・後面間に圧力差を生じるために、湾曲状になったり、ねじられたり、或いはその他の形状となっている。 そのブレードの形状、ピッチ及び捩れの全てがプロペラの作業効率の要因となっている。

プロペラ性能を高めるに当たってはブレードデザインを変更することにより数多くの試みがなされてきた。 そのようなアプローチはある程度の効果を奏するものではあるが、例えば限定された達成可能傾斜角とピッチのように、結果としてプロペラに制限特性を伴うものとなっている。

従来のプロペラと比較して、それらの特性が向上したプロペラを提供する必要がある。

本発明の実施形態では、ブレードの側部からプロペラの回転軸線に向けて内側に、更にプロペラの前方から後方へと空気を引き込むプロペラを提供する。 そのプロペラは回転軸線に一致する中心軸と、中央軸線の周囲に配置された1枚以上のブレードとを有する。 各ブレードは遠位端と近位端を有する。 ブレードは上部、下部及び側部を備え、側部は遠位端の位置か、或いは遠位端に向かって配置される。 1枚以上のブレードの上部と下部は、それらの近位端において中心軸に接続され、中心軸から半径方向外方に延びる。 ブレードの上部と下部が中心軸と接続する各接続部の間には間隙があり、間隙内ではプロペラの回転に伴って空気が圧縮される。 ブレード上部は、ブレード上部交差角で中心軸と交差し、ブレード下部はブレード下部交差角で中心軸と交差する。 プロペラの長手軸線に垂直な線からの測定で、ブレード下部交差角はブレード上部交差角よりも大きい。 上ブレード部は下ブレード部と非対称とすることができる。

ブレードはループの形態をとることができ、ループ形態なるブレードの各々は、同じ回転平面内で回転する。 前記ブレード各部の少なくとも1つはゼロではないブレード角を呈することができる。 ブレードの断面は翼の形状を持つことができる。 ブレードは、その遠位端がその近位端と比較して幅広とすることができる。 ブレードは、ブレードの捩れとは関係なく、真っすぐであったり、湾曲しても良い中線を有している。

プロペラは回転軸線周りで互いに対向する1組以上のブレードを有することができる。 対向するブレードの組は単一の連続ループを形成することができる。 回転軸線に対する各交差角は、対向するブレード間で異なる場合もある。

プロペラ同士は、それらの間に空間を開けたり、或いは空間無しで互いの上部に積層することが可能である。 更に、プロペラを、中心軸の周りで螺旋状に配置された複数のブレードから構成することが可能である。

プロペラブレードは回転軸線近傍において疎ピッチを有し、回転軸線から半径方向外方にかけて減少するピッチを有することができる。 ブレードの側部はゼロでないピッチを呈する。

本発明は又、開示されたプロペラのいずれかを有する装置を含んでいる。 本発明は更に、プロペラ製造方法であって:所望の空気流を選択し、所望量の推進力を選択し、ブレードの曲率、ブレード同士の組み合わせ、及びブレード交差角を選択して所望の空気流と推進力を達成するようなプロペラ製造方法を含んでいる。

本発明の実施形態の更なる詳細については、以下の図面に関連して以下に掲げた詳細なる説明を参照されたい。

本発明の実施形態によるプロペラを示す概略的側面図である。

本発明の実施形態による、2枚の対向ブレードを備えたプロペラを示す図である。

本発明の実施形態によるブレードのループ形態の側面図である。

本発明の実施形態による、図3Aに示したブレードの代替的断面図である。

本発明の実施形態による、図3Aに示したブレードの代替的断面図である。

本発明の実施形態による、図3に示したブレードの代替図である。

本発明の実施形態による、図3に示したブレードの代替図である。

本発明の実施形態による、2枚の対向ブレードを備えたプロペラの断面図である。

本発明の実施形態による、上・下ブレード部分を取り付ける直立部を備えたプロペラを示す図である。

本発明の実施形態による3ループプロペラを示す図である。

本発明の実施形態による3ループプロペラの側面図である。

本発明の実施形態による4ループプロペラを示す図である。

本発明の実施形態による4ループプロペラの側面図である。

本発明の実施形態による多重ループプロペラを示す図である。

下ブレード部を取り付けない2ループプロペラの等角図である。

本発明の実施形態による積層プロペラの等角図である。

本発明の実施形態によるプロペラを示す図である。

本発明の実施形態による積層プロペラを示す図である。

本発明の実施形態による、オープンループブレードを備えたプロペラの上面図である。

本発明の実施形態による、オープンループブレードを備えたプロペラの側面図である。

一般に、本発明は1枚以上の“ブレード”を備えたプロペラを包含しており、ここではブレードはプロペラ側部から内方に回転軸線に向かって、例えば回転軸線に垂直な面において空気流を生成すると共に、例えばプロペラの“前方”から“後方”へと、回転軸線の長手方向に沿う空気流を生成するように形成されている。 ブレードは、空気がブレードの外方部分によって内側か“サポート”に向けて引き込まれ、そしてプロペラの中心近傍で圧縮されるように形成される。 結果的には、プロペラの回転に伴ってブレードは中央域に圧力を生み、より大きな推進力もたらすことになる。 反対に、反対方向に回転すると、プロペラは逆の推進力を生成することになる。 本発明の実施形態では、逆推進力の量は生成された推進力の量と等しくない場合もある。

ここでは“ブレード”という用語は、単に、軸線周りに回転することで所望の空気流を生成する構成要素を示すものとして用いられ、例えば「平坦」のような特定形状を示すこと目的とするものではない。

本発明の実施形態において、ブレードは3つの部分、即ち上部と下部と側部とを含んでいる。 プロペラは様々な角度で配置することができるため、各用語の使用例を図1に示しており、例えば仮にプロペラ102が垂直な平面内で回転している場合、“上部”及び“下部”はこれら用語の従来の意味と一致しなくなる場合があることに留意されたい。 プロペラ102は2枚のブレード104、106を有する。 ブレード106は上部、その上部108に対向する下部110、及び側部112を有する。 側部112はブレード108の遠位端に位置し、上部108を下部110に接続している。 この特定実施形態において、側部112は上部と下部との間の大まかな領域である。 他の実施形態では、ブレードの側部は、図5の側部516のようにブレードの個別的部分となる可能性もある。

ここで使用され、〜°の単位で測られる“ブレード角度”なる用語は、ブレードの側方断面と回転面との間の角度として定義される。 “ピッチ”なる用語は、ここでは“ブレード角度”と代用できるものとして用いられる。 本発明の各実施形態では、ゼロでないブレード角度を示す少なくとも1つの部分を有するブレードが提供される。

プロペラに関して使用される“前方”という用語はプロペラの側/面を表わすものであり、それは図で見てプロペラの左回りの動作が見えることになる側/面である。 プロペラの“後方”はこれとは反対側となる。 プロペラ回転に伴い、空気流の方向は前方から後方へと流れることが好ましい。

本発明の実施形態では、中心軸からブレードの前縁114の遠位端までの距離は、中心軸からブレードの後縁の遠位端116までの距離よりも大きい。 ブレードの遠位前縁での長さからブレードの遠位後縁での長さまでのブレード長の減少は、この特徴がない比較対象としてのプロペラ設計に比較して、より大きな空気圧縮とより大きな推進力をもたらすことができる。

図2は本発明の実施形態によるプロペラの前方図である。 この実施形態は互いに対向するループ形態の2枚のブレード202、204を含んでいる。 ここで使用される“ループ”は連続した湾曲面を有するブレードを定義している。 プロペラは各ブレードを連結する中心軸206を備えている。 中心軸はプロペラ回転軸線と一致している。 尚、ここで用いた“ポスト”なる用語は特定形状や形態を指すものではなく、単にブレードを取り付けたり、それによって各ブレードが互いに固定されるような構成要素を指していることに留意されたい。 この実施形態では、各ループの近位部分210の幅は遠位部分212の幅より小さい。 これら幅の比の具体例としては約2:1である。 図示したように、プロペラは湾曲矢印に示したように反時計回りに回転する。 これにより、例えば図面の左右の側にある3つの矢印で示したように、その両側からプロペラ中心に向かう空気流が生じる。 空気は又、反時計回りのプロペラの回転に伴い、図示した形態によりページの中(前後)へと流動することになる。

ブレードの湾曲化により、平坦なブレードに比べて空気流の指向性を高めた様々な例が図示されている。 図面は凡そ完全ループ形態のブレードを示しているが、所望の空気流が作られるという条件で、閉じループが作られないようなより少ない程度でブレードが湾曲されてもよい。

図3Aは本発明の実施形態によるループブレードを示している。 図3Aは本発明の実施形態によるプロペラの中心軸306に取り付けられたブレード302を示している。 ブレード302の回転軸線は本実施形態の中心軸306の長手軸線に一致している。 ブレード302は上部308と下部310を有する。 中線ブレード302は、ブレード302の近位端312から遠位端320へと走る点線316によって示されたように、ブレード前縁312とその後縁314との間の中間点の軌跡として定義される。 ブレード形態によっては、その中線は上部から側部を経て下部へと連続しないであろう。 ブレード302中線は湾曲することでブレード部に湾曲した外観を与える。 他の実施形態において、ブレード部は上反りとなったり、違うように湾曲化されたり、角が設けられたり平坦であったり、或いはこれらを組み合わせたものであっても良い。 例えば、以下に更に論じる図5は、ブレード部が実質的に直線状で、場合によっては非連続の中線を有する実施形態を示している。

プロペラの回転に伴って空気は中心軸306の近傍で圧縮される。 図3Bに示すようにブレード302の下部310と上部312との間にある間隙342によって、間隙が存在しない時よりも大量の空気が圧縮される。 空気はブレード302の内面で捕捉され、ひいては空気を引き込み、上述したように側部からの空気流を形成する一方、ブレード302の外面はプロペラの後方に向けて空気を押し出す働きをする。

図3B及び図3Cは図3Aの線A−Aと線B−Bに沿ったブレード302の断面を夫々示している。 断面B−Bは飛行機の翼断面に相当するエアフォイル型を示している。 図3Cに示すように、ブレード302の表面332は湾曲しているのに対し、反対側の表面330は平坦である。 ブレード302の断面は、これも又飛行機の翼に対応し、第1の領域334では、第2の反対側の領域336よりも断面がより薄くなるように、横方向にテーパが付いている。 他のブレード形態も本発明の範囲内であり、それはある程度、プロペラにかかる所望の負荷に依存することになる。

図3Bを参照するに、ブレード302は中心軸306に対し、第1ブレード交点338と第2ブレード交点340で交差する。 発明の本実施形態では、第1及び第2ブレード交点338、340は中心軸306と交差するが、それらは中心軸306の長手軸線に垂直な線でかつ図3Bで“水平”線として現れるものを指定基準線とした場合、この線から反時計周りで測定して、ほぼ同じ角度θで交差することができる。 交差の事例的角度は約25°であり、その事例的範囲は約10°〜約35°である。 更に具体的交差角度範囲は約15°〜約25°である。

本発明の模範的実施形態では、ブレード下部と中心軸との交差角はブレード上部と中心軸との交差角よりもより極端なものである。 通常、交差角は約1°〜89°の範囲内とすることができる。 “極端”とはより垂直に向けたものという意味である。 ブレード上部の交差角とブレード下部の交差角との事例的差は約10°である。 実例となる範囲は約5°〜約20°であり、さらに具体的な範囲としては約7°〜約15°である。 本発明の特定実施形態では、ブレード上部の交差角は約30°であり、ブレード下部の交差角は約40°である。 本発明の更なる実施形態では、ブレード上部の交差角は約75°であり、ブレード下部の交差角は約85°である。

図3A乃至図3Cに示したようなブレード302は、回転軸線近傍では疎のブレード角又はピッチを呈し、そのピッチは回転軸線から半径方向外方に減少している。 この下降勾配にもかかわらず、ブレードの最外点は依然としてノンゼロピッチを呈することになる。 本発明の代替的実施形態として、ブレードは回転軸線から最も離れた地点ではよりより疎なブレード角を有するかもしれない。

図3D及び図3Eは中心軸306が紙面に対して垂直となる状態で見たブレード302を示している。 図3Dでは、ブレード302は時計周りに回転することになり、前縁346と後縁344を有する。 図3Eではブレード302は反時計周りに回転することになる。

図2のブレード202、204のように2枚のブレードが対向する実施形態では、回転軸線の両側の対向するブレード交点のピッチは互いに異なる。 故に、例えば図4では、第1ブレード402は角度θ_Aの第1ブレード交点404と角度θ_Bの第2ブレード交点406を有し、これと対向するブレードは夫々、θ_A±Xとθ_B±Xとなる第1ブレード交差角と第2ブレード交差角を有することになる。 故に、言い換えれば対向するブレード交点のピッチが異なる。 対向するブレード交点間の実例的ピッチ差は約50°であって、例えば一方のブレード交点は25°ピッチを有し、これに対向するブレードは−25°ピッチの交点を有する。 これらの差は均等に分配しても、或いは不均等に分配することが可能である。 対向ブレードのピッチ間差の通常の範囲は約40°〜約60°である。 対向するブレード交点のピッチは、前出の例のように回転面から均等である必要はない。

図5は、実質的に湾曲していない中線を伴う2枚のブレード502、504を含んだ実施形態を示している。 ブレード502の上ブレード部508の中線506と下ブレード部512の中線510は実質的に直線状であり、平行であってもなくても良い。 ブレード504も実質的に直線状の中線を有する。 1つ以上の実質上垂直なウイング部514、516は、中心軸518から、必ずしもそうとは限らないがブレード502の遠位端520まで放射状に広がる間隔で、上ブレード部508と下ブレード部510を接続する。 ブレード504は類似又は同一の垂直部を有しても良い。 ブレードはある程度平坦化され、必ずしも連続面を伴った“ループ”と見なされはしないだろうが、それでもウイング部514又はウイング部516、或いはその両方を付加することで所望の空気流が作られるかもしれない。 プロペラの回転に伴い、ウイング部514、516は側部から中心軸518に向けて空気を引き込み、ひいては所望の空気流を形成する。

図11に示すような更なる実施形態では、上ブレード部1102と下ブレード部1104は互いに対称ではない。 これは、例えば、下部1104が上部1102よりも長く、側部1106がプロペラの前方に向かって傾斜し、短い上部1102と接続することで達成することができる。 これは、側部から引き込まれた空気流によってブレードを前方に推進させるのを容易にすることができる。 一般に、ブレードの側部と上部との間の角度をより極端なものにすると、ブレードの上部に対して、より大きな推進力とより高い前方レーキをもたらすことになる。

図6A及び図6Bは本発明の実施形態による3枚のループ状ブレード602、604、606を備えたプロペラを示している。 図6Aは反時計回りの回転により紙面内方向への空気流を生じるように回転するプロペラの図であり、図6Bはそのプロペラの側方図である。 ブレード602、604、606は中心軸608から放射状に延びている。 ブレード602、604、606はほぼ同一面上に位置する。 所望の空気流を得るために任意の数のループを組合わせることが可能である。 4枚のブレードを伴った図7Aと図7B、及び8枚のブレードを伴った図8を参照されたい。

プロペラは異なる平面内で回転するように“積層”することが可能である。 この“積層”はそれらが必ず当接し合うという意味ではない。 積層されたプロペラ間に間隙があっても良い。 それらは同じサイズであっても、回転面に垂直な方向において後方から前方にかけて小さいものから大きなものへと変化するものであっても、或いはその方向で大きいものから小さなものへと変化するものであっても良い。 例えば、図10は第1の回転面を有する8ループプロペラ1002を第2の回転面を有する別の8ループプロペラ1004に積層したものを示している。 プロペラ1002の各ブレードは中心軸1006に取り付けられており、プロペラ1004のブレードは中心軸1008に取り付けられている。 図10では2つ別々の中心軸1006、1008を示しているが、プロペラは又、単一の中心軸上に積層するようにしても良い。

図12は積み重ねプロペラの更なる実施形態を示している。 ブレードは中心軸の周りで螺旋状に配置されている。

図7A及び図7Bは本発明の実施形態による4枚のブレード702、704、706、708を有するプロペラを示している。 ブレード702、704、706、708は中心軸710から放射状に延び、各ブレード702、704、706、708はその他と同じ面内を大まかに回転することになる。 図7Aから明らかなように本実施形態では、各ブレードの上部と下部の取り付け位置の間には、回転軸線と一致する中心軸に沿って“間隙”712が存在する。 “間隙”という用語はここでは、ブレードの上・下部を中心軸又は回転軸線に沿った異なる長手方向位置に取り付けた際に作られる、中心軸とのブレード交点の中心間にあって回転軸線周りの空間を記述するのに使用される。 図3Bは線340によって示されるような間隙の位置を示している。 本発明の特定実施形態によっては、図9及び図13A、Bに示したようにブレード下部は中心軸に取り付けられなくとも良く、この場合、間隙は中心軸と交差する上ブレード部の中心と、仮に下ブレード部を中心軸まで延ばした場合に中心軸と交差する下ブレード部の中心との間の距離となる。

プロペラの回転と共に、空気が間隙712に向かって引かれ、その周囲で圧縮される。 プロペラを様々な間隙サイズを以て設計することが可能である。 実例的な間隙サイズ範囲はプロペラの長さのおおよそ約2%〜55%である。 又、別の実例的な間隙サイズ範囲はプロペラのブレード長さの約20%からプロペラのブレードの約35%までとなる。 第3の実例的な間隙サイズ範囲はプロペラのブレード長さの約30%からプロペラのブレード長さの約55%までとなる。 通常は、間隙の増加に伴い大容量の空気を圧縮することができ、ひいてはプロペラの推進能力を増やすことができる。

ブレードが湾曲又は直線状の中線を持つ、持たないを問わず、それらは例えば、中線周りに捩れた形であっても良い。 例えば、捩れは図5で見ることかできる。 ブレード502の上部508と下部512の双方が見掛けの捩れを有している。 例えば図7A、Bでも分かるように、或いは図4に示したようなブレード交差角θの差に由来するように、湾曲したブレードも又、付加的に捩れさすことも可能である。 本発明の実施形態では、プロペラは、ブレードの曲率又は対向するブレードの相対的曲率を形成する、約35°の捩れを有する。 捩れの実例的な範囲としては約30°〜約40°の範囲である。 その他の捩れ角度も発明の範囲内に含まれ、様々な角度と方向の空気流を作ることができる。

図8は、僅かに傾斜するも半回転していない4つのサークルからなる8枚の“ブレード”802、804、806、808、810、812、814、816を伴った本発明の実施形態を示している。

本発明の模範的実施形態では、空気を切り開くためにループの少なくとも前縁は薄いが、他の端縁形状は所望の空気流パターンを達成するために有益なものであっても良い。 通常、所望の空気流パターンを作るために、特定の形状、数量、及び配置形態のループを選択することができる。

図9は互いに向かい合うループ形態のブレード902、904を有するプロペラを示しており、ここではブレードの902、904の下ブレード部906、908は中心軸910には取り付けられていない。 その代わり、“支柱”912が下ブレード部906を上ブレード部914に柔軟につないでいる。 同様に支柱916は下ブレード部908を上ブレード部918に柔軟につないでいる。 ここで使用される“支柱”は異種のブレード部同士を柔軟につなぐために使用されるブレード構成部品である。 支柱はスチール、アルミニウム、カーボンガラス繊維のような複合材料、その他の適当なブレード材から作ることができる。 支柱912、916はプロペラの回転に伴い、空気を回転軸線に向けて引き込み、ひいては抗力を作るように回転面に対して傾斜付けられている。 支柱は所望の空気流を達成するためにブレード側部と同じように角度付けられても良い。 更に、支柱の厚み、長さ、幅、その他の特性は、例えば飛行といったような特定のブレード用途の所望作動を達成するために設計される。 ブレード902、904は、それらのピッチを調整することの柔軟性を提供するような形で中心軸910に対して配置される。 限定しない実例として、飛行機のプロペラとして使用された際には、支柱があることで、例えば離陸や飛行や着陸のような活動の際にピッチを変えるためのブレード902、904の操作を可能にする。 プロペラは、上ブレード部914、918と下ブレード部906、908との間に夫々形成された間隙において選択可能な変動を可能にする調整機構を備えることができる。

図13A、Bは本発明の実施形態による開放ループブレードを伴ったプロペラの更なる実施形態の上面図及び側面図を夫々、示している。 このバージョンは図9で設けられたような支柱を備えない。

本発明は様々な装置を含んでおり、それらは様々な実施形態の開示プロペラを採用する。 例えば、本発明は以下に掲げる実例的装置、即ち:飛行機、船舶、風力タービン、冷却装置、加熱装置、自動車エンジン及び空気循環装置を含んでいる。 本発明は又、ここで説明したり、図解したり、或いは請求した実施形態のいずれかに沿ってプロペラを製造する方法;上述したプロペラのいずれかを有する装置を製造する方法;及び上述したプロペラのいずれかを含む装置を装着するステップを含んで、製品を製造する方法を含んでいる。

本発明の様々な実施形態を説明してきたが、実施形態の夫々は様々な組合わせの要素を有している。 本発明は特定の実施形態に限定されず、開示された要素を様々に組み合わせたり、そのような構造物の中の幾つかの要素や同等物を削除したりするかもしれない。

本発明を実施形態により説明してきたが、当業者であるならば追加の長所や変更が想起されるだろう。 従って、広い解釈において本発明はここに図示・説明した特定の詳細に限定されない。 例えば、ブレードの数やブレードの曲率についても、本発明の精神と範囲から逸脱することなく変更が可能である。 即ち、本発明は特定の実施形態に限定されず、添付された請求の全範囲及びそれらと等価なものの中で解釈されることを目的としている。