CN111315978A - 垂直轴型水力发电装置、垂直轴型水力发电单元、垂直轴型水力发电用叶片 - Google Patents

Abstract

垂直轴型水力发电装置(10)具备：发电机(50)，其接受来自水流的旋转驱动力而产生电力；垂直旋转轴(20)，其旋转自如地连结于发电机(50)，并且沿铅垂方向垂下设置；以及多个叶片(13)，它们沿着圆周方向以大致等角度间隔配设于垂直旋转轴(20)的周围，多个叶片(13)沿铅垂方向延伸而形成并且形成为横截面形状由翼型形状(X)构成的直线翼，翼型形状(X)的后缘由具有曲率的圆弧形状(13a)形成。这样，通过实现构成叶片的翼型形状的最适化，从而得到即使在用于接受来自水流的较大载荷的水力发电的情况下，也能够消除后缘的强度不足且维持可得到高输出的翼性能的翼型形状。

Description

垂直轴型水力发电装置、垂直轴型水力发电单元、垂直轴型水 力发电用叶片

技术领域

本发明涉及垂直轴型水力发电装置、垂直轴型水力发电单元以及垂直轴型水力发电用叶片。

背景技术

以往，已知有一种水力发电装置，其利用水流使水车所具备的叶片进行旋转运动，并通过将该旋转运动传递给发电机来产生电力。在以往的小型的水力发电装置中，大多使用将水路拦截来进行发电的“落差式”的水车、利用水流的阻力来进行发电的“桶形转子型(Savonius)型”的水车(例如，参照下述专利文献1)。然而，在要将这些水车设置于现有的水路的情况下，需要用于避免水从水路溢出的大规模的水路改造工事等，因此对水力发电装置的设置场所存在较多的制约。另外，就水车的特性而言，由于在水路中流动的垃圾堆积于水车，因此还需要除尘装置以及巨额的维护费用。也就是说，在以往的水力发电装置中，从需要巨大的初期成本以及维持成本等经济合理性的观点出发，存在阻碍其普及的重要因素。

作为解决上述的以往的水力发电装置中所存在的课题的方法，近年来，对利用了升力特性的垂直轴型水力发电装置的实现进行了研究。该垂直轴型水力发电装置具备：发电机，其接受来自水流的旋转驱动力而产生电力；垂直旋转轴，其以旋转自如的方式与发电机连结，并沿铅垂方向下垂设置；以及多个叶片，它们沿着圆周方向以大致等角度间隔在该垂直旋转轴的周围配设，该垂直轴型水力发电装置具有多个叶片沿与水流垂直的方向配置的形式，因此具有不需要以往技术所需要的除尘装置、巨额的维护费用的优点。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2003-106247号公报

发明内容

发明所要解决的课题

然而，现状是垂直轴型水力发电装置所设想的沿垂直方向配置的以往的叶片多用于风力发电，尚未向水力发电装置普及。这是因为，与风车所利用的风(空气)不同，水车所利用的水流(水)具有空气的约800倍的密度，因此存在正常对叶片施加的来自水流的载荷变得非常大这样的课题，根据发明人们的验证研究，也确认了，若将以往用于风力发电的由翼型形状构成的叶片简单地用于水力发电，则会发生叶片的破损。

特别是，以往用于风力发电的翼型形状为了得到高输出而由翼型形状构成的后缘尖锐的尖锐边缘形状，但若将具有由这样的尖锐边缘形状构成的后缘的翼型形状的叶片用于水力发电，则存在后缘部分的强度不足而发生破损、反而降低输出效率的担忧。另一方面，若为了应对水力发电而简单地将翼型形状的后缘部分的形状进行壁厚化等来进行变更、以要得到能够耐受来自水流的载荷的强度，则翼性能发生变化，在该情况下也存在反而降低输出效率的可能性。

本发明是鉴于上述的以往技术中所存在的课题而作出的，其目的在于，提供一种垂直轴型水力发电装置、垂直轴型水力发电单元以及垂直轴型水力发电用叶片，其中，通过实现构成叶片的翼型形状的最适化，从而即使在用于接受来自水流的较大载荷的水力发电的情况下，也能够制造出消除后缘的强度不足且维持可得到高输出的翼性能的翼型形状，能够高效且稳定地利用于水力发电。

用于解决课题的方案

本发明的垂直轴型水力发电装置具备：发电机，其接受来自水流的旋转驱动力而产生电力；垂直旋转轴，其旋转自如地连结于所述发电机，并且沿铅垂方向垂下设置；以及多个叶片，它们沿着圆周方向以大致等角度间隔配设于所述垂直旋转轴的周围，所述多个叶片沿铅垂方向延伸而形成并且形成为横截面形状由翼型形状构成的直线翼，所述垂直轴型水力发电装置的特征在于，所述翼型形状的后缘由具有曲率的圆弧形状形成。

另外，在本发明中，能够实现一种垂直轴型水力发电单元，其特征在于，所述垂直轴型水力发电单元具有：上述的垂直轴型水力发电装置；支承体，其在所述垂直轴型水力发电装置的固定设置时进行支承；以及桥接部，其连接于所述支承体，所述桥接部通过固定设置于在设置位置设置的基础部而进行安装。

并且，本发明的垂直轴型水力发电用叶片用于垂直轴型水力发电装置，所述垂直轴型水力发电装置具备：发电机，其接受来自水流的旋转驱动力而产生电力；垂直旋转轴，其旋转自如地连结于所述发电机，并且沿铅垂方向垂下设置；以及多个叶片，它们沿着圆周方向以大致等角度间隔配设于所述垂直旋转轴的周围，所述多个叶片沿铅垂方向延伸而形成并且形成为横截面形状由翼型形状构成的直线翼，所述垂直轴型水力发电用叶片的特征在于，所述翼型形状的后缘由具有曲率的圆弧形状形成。

发明效果

根据本发明，能够提供一种垂直轴型水力发电装置、垂直轴型水力发电单元以及垂直轴型水力发电用叶片，其中，通过实现构成叶片的翼型形状的最适化，从而即使在用于接受来自水流的较大载荷的水力发电的情况下，也制造出消除后缘的强度不足且维持可得到高输出的翼性能的翼型形状，能够高效且稳定地利用于水力发电。

附图说明

图1是示出本实施方式的垂直轴型水力发电单元的整体结构的外观立体图。

图2的(a)和(b)是例示以往在风力发电等中使用的翼型形状的图。

图3是示出构成能够有效地应用于本实施方式的垂直轴型水力发电装置的叶片的横截面形状的翼型形状的图。

图4的(a)和(b)是用于对图3所示出的本实施方式的翼型形状的设计思想进行说明的图，图中的分图(a)示出本实施方式的翼型形状的整体的截面形状，分图(b)示出将由分图(a)中的附图标记α表示的双点划线所围起的位置放大了的主要部位放大截面。

具体实施方式

以下，使用附图对用于实施本发明的优选的实施方式进行说明。需要说明的是，以下的实施方式并非对各专利请求范围的发明进行限定，另外，实施方式中所说明的特征的组合未必全部是发明的解决方案所必须的。

首先，对本实施方式的垂直轴型水力发电单元100的整体结构例进行说明。在此，图1是示出本实施方式的垂直轴型水力发电单元的整体结构的外观立体图。

本实施方式的垂直轴型水力发电装置10是利用水流使由叶片13构成的水车11进行旋转运动，并通过将该旋转运动传递至发电机50来产生电力的装置。作为具体的结构，如图1所示，本实施方式的垂直轴型水力发电装置10具有：水车11，其通过水流而旋转；垂直旋转轴20，其供水车11设置；轴承支撑部30，其具备将垂直旋转轴20支承为能够旋转的轴承；以及发电机50，其通过垂直旋转轴20的旋转驱动力而产生电力。并且，本实施方式的垂直轴型水力发电装置10设置于例如用水路。

另外，作为垂直轴型水力发电单元100，以用于对作为旋转构件的水车11、垂直旋转轴20进行支承且进行垂直轴型水力发电装置10的固定设置的支承体60包围垂直旋转轴20、轴承支撑部30的方式设置，在该支承体60连接有跨架于用水路等的桥接部61。支承体60和桥接部61相对于例如设置于用水路的两岸的基础部62固定设置，由此进行本实施方式的垂直轴型水力发电单元100的设置。

关于图1中所例示的水车11，构成该水车的多个叶片13沿着圆周方向以大致等角度间隔配设于垂直旋转轴20的周围，在图1中，例示了设置有3片叶片13的情况。该3片叶片13构成为分别具有由大致コ字形构成的外观形状，且以大致コ字形的开放部朝向垂直旋转轴20的方式设置。另外，大致コ字形的纵棒部沿铅垂方向延伸而形成，并且形成为其横截面形状由翼型形状构成的直线翼。像这样作为直线翼而形成的沿铅垂方向延伸的大致コ字形的纵棒部作为水车11的叶片部发挥功能。即，如图1所示，本实施方式的水车11将3片叶片13配置于水中而接受来自水流的力(水的推力)，作为由翼型形状构成的直线翼的叶片12接受水流而产生升力，从而以水车11的中心(垂直旋转轴20)为中心轴进行旋转。

如上所述，垂直旋转轴20是在其下端侧设置有3片叶片13并通过接受由叶片13的作用而产生的旋转力而进行旋转运动的构件。垂直旋转轴20与3片叶片13通过例如螺栓以及螺母等那样的周知的紧固机构而被可靠地紧固固定。并且，垂直旋转轴20被轴承支撑部30所具备的轴承支承为能够旋转。

垂直旋转轴20的旋转由轴承支撑部30支承并传递至发电机50，从而发电机50产生电力。需要说明的是，本实施方式的发电机50以发电机50所具备的未图示的输入轴与垂直旋转轴20同轴的方式设置。但是，在使用行星齿轮、减速器将发电机50与垂直旋转轴20连接的方式的情况下，发电机50所具备的未图示的输入轴也可以不与垂直旋转轴20同轴地配置。并且，所发电产生的电力通过未图示的送电机构被向电力消耗场所、蓄电机构等输送。

以上，对本实施方式的垂直轴型水力发电单元100的整体结构例进行了说明。接下来，基于上述的垂直轴型水力发电单元100，对本发明人们新提出的翼型形状进行说明。需要说明的是，以下所说明的发明人们所提出的提案发明的内容是，为了得到在确保了充分的输出特性的同时也能够耐受正常施加于叶片13的来自水流的非常大的载荷的、以往所没有的垂直轴型水力发电装置10以及垂直轴型水力发电单元100，发明人们首次构思并进行研究所得的成果。

首先，图2的(a)和(b)是例示以往在风力发电等中所使用的翼型形状的图。图2中的分图(a)的翼型形状表示NASA(美国航空宇宙局：National Aeronautics and SpaceAdministration)的前身即NACA(美国航空顾问委员会：National Advisory Committeefor Aeronautics)所定义的“NACA0018”的翼型，图2中的分图(b)的翼型形状表示东海大学所开发的“TWT12013-05-BA642”的翼型。这些以往的翼型形状能够在风力发电中发挥效率良好的升力特性。并且，该图2所示出的以往的翼型形状均具有后缘端部尖锐的尖锐边缘形状，但采用上述那样的尖锐边缘形状的理由在于，为了确保噪声的减少和高升阻比。另外，基于风力发电中的以往的见解，根据经验可知，若为了提高翼型形状的强度而轻易地增加后缘的厚度，则输出会大幅下降。为此，在该种技术领域中，通常使用具有图2所示那样的后缘端部尖锐的尖锐边缘形状的翼型形状。

然而，根据本发明人们所进行的验证实验等研究，确认到在将具有图2所示那样的后缘端部尖锐的尖锐边缘形状的翼型形状用于水力发电的情况下，由尖锐边缘形状构成的翼型形状的后缘部分发生了破损。基于上述那样的见解，发明人们进行了在水力发电中也能够有效地使用的新的翼型形状的开发，制造并具体实现了如下那样的翼型形状：即使在用于从水流接受较大的载荷的水力发电的情况下，也消除后缘的强度不足且维持了可得到高输出的翼性能。在图3示出本发明人们所完成的新的翼型形状。在此，图3是示出构成能够有效地应用于本实施方式的垂直轴型水力发电装置10的叶片13的横截面形状的翼型形状X的图。

如图3所示，关于构成本实施方式的叶片13的横截面形状的翼型形状X，该翼型形状X的后缘由具有曲率的圆弧形状13a形成。准备多个由将上述那样的翼型形状X设为横截面形状的直线翼构成的叶片13，通过由那样的多个叶片13构成的水车11来构成垂直轴型水力发电装置10，从而叶片13不会破损，另外，可得到与以往的翼型形状相比不会降低输出特性的水力发电装置，这经过发明人们检查证实实验而得以确认。

在此，接下来使用图4对图3所示出的本实施方式的翼型形状X的设计思想进行说明。在此，图4是用于对图3所示出的本实施方式的翼型形状的设计思想进行说明的图，图中的分图(a)示出本实施方式的翼型形状的整体的截面形状，分图(b)示出将由分图(a)中的附图标记α表示的双点划线所围起的位置放大了的主要部位放大截面。

在图4中，虚线表示的位置表示具有后缘Ya的端部尖锐的尖锐边缘形状的以往的翼型形状Y，实线表示的位置表示本实施方式的翼型形状X。图4中的虚线表示的翼型形状Y与实线表示的翼型形状X重叠，据此也可知，本发明人们对于以往的翼型形状Y的后缘部分的附近位置以外的部分未进行形状变更，而如分图(b)所示那样，仅对以往的翼型形状Y的后缘Ya部分的附近位置进行了形状变更。

作为本实施方式的翼型形状X的具体的设计思想，首先，本实施方式的翼型形状X如下那样构成：在假定为后缘Ya具有尖锐的形状的基准翼型形状Y(即，为以往技术的翼型形状、且为由东海大学开发的“TWT12013-05-BA642”的翼型)的基础上，将具有曲率的圆弧形状13a以与基准翼型形状Y的尖锐了的后缘Ya相接的方式配置，并配置将圆弧形状13a的圆弧端部与形成基准翼型形状Y的后缘前方的曲线Yb、Yc相连的连接线段(上方连接线段13b以及下方连接线段13c)。

圆弧形状13a构成为，在本实施方式的翼型形状X的后缘由具有恒定的曲率R的圆弧形状13a构成，且将翼型形状的翼弦长设为C时，下述不等式成立。

R≤1.5％C

该圆弧形状13a的设计条件是基于发明人们进行深入研究而得的结果所得出的设计条件，根据发明人们进行的检查证实实验而确认到，在用于水力发电的情况下，为消除后缘Ya的强度不足且维持了可达到高输出的翼性能的翼型形状X。即，若后缘的曲率R比1.5％C大，则由于在翼型形状X的表面流过的水流产生涡流、或翼型形状X后方的止水域扩大等理由，翼性能降低。

另外，关于包括上方连接线段13b以及下方连接线段13c的连接线段，连接线段的前方侧即后缘相反侧构成为，与形成基准翼型形状Y的后缘Ya的前方的曲线Yb、Yc分别切线连接。另一方面，包括上方连接线段13b以及下方连接线段13c的连接线段的后方侧构成为，与圆弧形状13a的圆弧端部切线连接。也就是说，本实施方式的翼型形状X针对以往技术的基准翼型形状Y将由圆弧形状13a、上方连接线段13b以及下方连接线段13c围起的区域加厚而构成，但这些圆弧形状13a与上方连接线段13b及下方连接线段13c、曲线Yb与上方连接线段13b、曲线Yc与下方连接线段13c具有各线段彼此在切线方向上相连的形状，因此能够在不会扰乱在翼型形状X的后缘附近流过的水流的情况下，满足对叶片13要求的设计上的输出特性。

此外，如图4中的分图(b)所示，包括上方连接线段13b以及下方连接线段13c的连接线段如下那样构成：在将与形成基准翼型形状Y的后缘Ya前方的曲线Yb、Yc切线连接的位置设为A点，将与圆弧形状13a的圆弧端部切线连接的位置设为B点时，作为将具有从A点朝向B点而连续的曲率变化的曲线组合而成的线段而构成，并且连续的曲率变化从曲率大变为曲率小。通过采用上述那样的形状，从而实现了在维持输出特性的同时还提高了强度的翼型形状X。

在作成采用了基于以上所说明的设计思想而作成的本实施方式的翼型形状X的叶片13，并进行了将该叶片13设置于上述的垂直轴型水力发电装置10来进行实际的发电的验证实验后，发明人们确认到，翼型形状X的后缘不会破损，并且，能够发挥与以往技术的翼型形状(基准翼型形状Y)同等以上的输出特性。即，根据本实施方式的翼型形状X，即使在用于从水流接受较大的载荷的水力发电的情况下，也能够消除后缘的强度不足且维持可得到高输出的翼性能，因此能够提供一种能够高效且稳定地用于水力发电的垂直轴型水力发电装置10、垂直轴型水力发电单元100以及垂直轴型水力发电用叶片13。

需要说明的是，本实施方式的翼型形状X是基于上述的设计思想而作成的，但发明人们使用精密测定仪器对设置于上述的垂直轴型水力发电装置10且用于所进行的验证实验中的翼型形状X进行了形状确认后发现，由于制造上不可避免的制造误差的关系，对于具有恒定的曲率R的本实施方式的圆弧形状13a，在将翼型形状的翼弦长设为C时，下述不等式成立。

0.5％C≤R≤1.5％C

也就是说，关于本实施方式的圆弧形状13a的形状条件，确认到只要满足上述不等式的条件范围即可。这表示在量产化具有本实施方式的翼型形状X的叶片13的方面也是较好的实验结果，且由于在制造圆弧形状13a的方面的制约较少，因此本发明也可有效地应用于实际的产业上。

以上，对本发明的优选的实施方式进行了说明，但本发明的技术范围并不限定于上述实施方式所记载的范围。可以对上述实施方式施加多种变更或改善。

例如，在上述的实施方式中，例示了以东海大学开发的“TWT12013-05-BA642”翼型为基准翼型形状Y来设计、制造本发明的翼型形状的情况来进行说明，但本发明的适用范围并不局限于上述的实施方式，也可以将所有的周知的翼型作为基准翼型形状来进行设计。

另外，在上述的实施方式中，例示了翼型形状X的后缘由具有恒定的曲率R的圆弧形状13a构成的情况，但能够应用于本发明的圆弧形状不局限于具有恒定的曲率R，例如也包含由椭圆形、长圆形这样的曲线形状构成的圆弧形状。根据发明人们的研究，即使是具有采用了由椭圆形、长圆形这样的曲线形状构成的圆弧形状的后缘的翼型形状，也得到与上述的实施方式同样的作用效果。

根据专利请求范围的记载可知，施加了这样的变更或改善而得的方式也可包含于本发明的技术范围内。

附图标记说明：

10...垂直轴型水力发电装置；11...水车；13...叶片；13a...圆弧形状；13b...上方连接线段；13c...下方接线线段；20...垂直旋转轴；30...轴承支撑部；50...发电机；60...支承体；61...桥接部；62...基础部；100...垂直轴型水力发电单元；X...(本实施方式的)翼型形状；Y...基准翼型形状(以往技术的翼型形状)；Ya...(基准翼型形状的)后缘；Yb、Yc...曲线。

Claims (7)

1.一种垂直轴型水力发电装置，其具备：

发电机，其接受来自水流的旋转驱动力而产生电力；

垂直旋转轴，其旋转自如地连结于所述发电机，并且沿铅垂方向垂下设置；以及

多个叶片，它们沿着圆周方向以大致等角度间隔配设于所述垂直旋转轴的周围，

所述多个叶片沿铅垂方向延伸而形成并且形成为横截面形状由翼型形状构成的直线翼，

所述垂直轴型水力发电装置的特征在于，

所述翼型形状的后缘由具有曲率的圆弧形状形成。

2.根据权利要求1所述的垂直轴型水力发电装置，其特征在于，

所述翼型形状如下那样构成：

在假定为后缘具有尖锐的形状的基准翼型形状的基础上，

以与所述基准翼型形状的尖锐的后缘相接的方式配置具有曲率的圆弧形状，

配置将所述圆弧形状的圆弧端部与形成所述基准翼型形状的后缘前方的曲线相连的连接线段。

3.根据权利要求2所述的垂直轴型水力发电装置，其特征在于，

所述连接线段如下那样构成：

在将与形成所述基准翼型形状的后缘前方的曲线切线连接的位置设为A点，

将与所述圆弧形状的圆弧端部切线连接的位置设为B点时，

作为将从A点朝向B点具有连续的曲率变化的曲线组合而成的线段而构成，并且连续的曲率变化从曲率大变为曲率小。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的垂直轴型水力发电装置，其特征在于，

所述翼型形状的后缘由具有恒定的曲率R的圆弧形状构成，并且

在将所述翼型形状的翼弦长设为C时，下述不等式成立，

R≤1.5％C。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的垂直轴型水力发电装置，其特征在于，

所述翼型形状的后缘由具有恒定的曲率R的圆弧形状构成，并且

在将所述翼型形状的翼弦长设为C时，下述不等式成立，

0.5％C≤R≤1.5％C。

6.一种垂直轴型水力发电单元，其特征在于，

所述垂直轴型水力发电单元具有：

权利要求1至5中任一项所述的垂直轴型水力发电装置；

支承体，其在所述垂直轴型水力发电装置的固定设置时进行支承；以及

桥接部，其连接于所述支承体，

所述桥接部通过固定设置于在设置位置设置的基础部而进行安装。

7.一种垂直轴型水力发电用叶片，其用于垂直轴型水力发电装置，

所述垂直轴型水力发电装置具备：

发电机，其接受来自水流的旋转驱动力而产生电力；

垂直旋转轴，其旋转自如地连结于所述发电机，并且沿铅垂方向垂下设置；以及

多个叶片，它们沿着圆周方向以大致等角度间隔配设于所述垂直旋转轴的周围，

所述多个叶片沿铅垂方向延伸而形成并且形成为横截面形状由翼型形状构成的直线翼，

所述垂直轴型水力发电用叶片的特征在于，

所述翼型形状的后缘由具有曲率的圆弧形状形成。

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