CN114450480A - 升力型垂直轴风水车 - Google Patents

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Abstract

提供一种旋转轴不易疲劳破坏的风水车。风车(100)具有：旋转轴(110)，其沿垂直方向延伸；多个臂部(120)，其从该旋转轴(110)沿水平方向延伸并且在旋转方向上等间隔形成；以及多个叶片(130)，其安装于该臂部(120)的前端并沿上下方向延伸，旋转轴(110)在产生于该叶片(130)的升力的作用下记性旋转，其中，叶片(130)的剖面从叶片(130)的上端至叶片(130)的下端为止具有均匀形状且均匀面积，在从旋转轴(110)的延伸方向观察时，多个叶片(130)投影于以旋转轴(110)为中心的单个假想圆环(C)的整个圆周上，铅锤方向上的叶片(130)的长度在整个圆周上相等。

Description

升力型垂直轴风水车
技术领域
本发明涉及旋转轴通过产生于叶片的升力旋转的升力型垂直轴风车或者水车(以下，称为“风水车”)。
背景技术
作为借助于叶轮连续地转换能量的涡轮机械之一，已知有通过旋转的叶轮将自然风所具有的风能转换为机械能的风车。
风车大致分为叶轮的旋转轴相对于地面水平的水平轴风车和叶轮的旋转轴相对于地面垂直的垂直轴风车。
进而，在各种风车中，还可大致分为通过阻力使叶轮旋转的阻力型和通过升力使叶轮旋转的升力型。
水平轴风车需要使叶轮的旋转面正对风向，因此为了使叶轮不断旋转而需要使叶轮的旋转面追随风向的变化。
另一方面，垂直轴风车没有对于风向的指向性，因此无需具有风向追随单元，可以简化装置结构。
此外，阻力型的风车具有在周速比(叶轮的前端速度和风速的比)低的区域风车效率(从风中获得能量的效率)变高的特征。
另一方面，升力型的风车具有在周速比高的区域风车效率变高的特征。
由于以上特征，近年来着眼于升力型的垂直轴风车。
作为这种升力型的垂直轴风车，已知有具有形成为剖面形状为流线形且为大致长方形的板状的多个旋翼、与发电机的转子相连接并沿垂直方向配置的旋转轴、固定于旋转轴的第一旋转轴贯穿部件、以及在远离所述第一旋转贯穿部件的位置固定于旋转轴的第二旋转轴贯穿部件的风车(例如，专利文献1)。
该风车还具有一端固定于第一旋转轴贯穿部件并且另一端安装于多个旋翼的旋转轴侧的面中的任意一个的第一支承部件、以及一端固定于第二旋转轴贯穿部件并且另一端安装于多个旋翼的旋转轴侧的面中的任意一个的第二支承部件。
此外，用于分别支承多个旋翼的一对第一支承部件和第二支承部件被配置成从旋转轴的轴向观察时具有规定角度的开度。
(现有技术文献)
(专利文献)
专利文献1：日本特开2005-240632号公报
发明内容
(发明所要解决的问题)
然而，在俯视时，在上述风车中具有存在叶片的部分和不存在叶片的部分，因此因旋转轴的角度而从风中获得的风能周期性变化。
因此，作用于旋转轴的力矩(moment)、轴力因旋转轴的角度而周期性变化，因此，存在旋转轴因周期性的力矩、轴力的施加而疲劳破坏的风险。
因此，本发明为用于解决上述的现有技术的问题的发明，即，本发明的目的在于提供一种旋转轴不易疲劳破坏的风水车。
(解决问题所采用的措施)
权利要求1所涉及的发明为具有以下特征而解决上述问题的发明：即，升力型垂直轴风水车具有：旋转轴，其沿垂直方向延伸；多个臂部，其从所述旋转轴沿水平方向延伸并且在旋转方向上等间隔形成；以及多个叶片，其安装于所述臂部的前端并沿上下方向延伸，所述旋转轴在产生于所述叶片的升力的作用下进行旋转，其中，所述叶片的剖面从所述叶片的上端至所述叶片的下端为止具有均匀形状且均匀面积，从所述旋转轴的延伸方向观察时，多个所述叶片投影于以所述旋转轴为中心的单个假想圆环的整个圆周上，铅锤方向上的所述叶片的长度在整个圆周上相等。
权利要求2所涉及的发明为除了权利要求1所述的升力型垂直轴风水车的结构以外还具有以下特征而解决上述问题的发明：所述叶片由从所述臂部朝向上方延伸并且向与旋转方向相反的方向延伸的上方叶片和从所述臂部朝向下方延伸并且向与旋转方向相反的方向延伸的下方叶片构成，所述叶片的形状在侧视时为V字状。
权利要求3所涉及的发明为除了权利要求1或2所述的升力型垂直轴风水车的结构之外还具有以下特征而解决上述问题的发明：在所述臂部在其前端具有以铅锤方向为旋转轴而转动自如地保持所述叶片的轴支单元，在所述臂部和所述叶片之间设置有用于调整所述叶片的迎角的迎角调整单元，在所述旋转轴的旋转数小于规定的旋转数的情况下，所述迎角调整单元不改变所述叶片的迎角，在所述旋转轴的旋转数在所述规定的旋转数以上的情况下，所述迎角调整单元改变所述叶片的迎角，以使产生于所述叶片的升力降低或者阻力增加。
(发明的效果)
根据权利要求1的发明的升力型垂直轴风水车，叶片的剖面从叶片的上端至叶片的下端为止具有均匀形状且均匀面积，由此产生于叶片的升力从叶片的上端至下端为止为恒定，由叶片中的上下方向的升力产生的推力分布均匀，因此不易围绕臂部的延伸方向产生扭转力矩，可以使得臂部不易疲劳破坏。
此外，在从旋转轴的延伸方向观察时，多个叶片投影于以旋转轴为中心的单个假想圆环的整个圆周上，铅锤方向上的叶片的长度在整个圆周上相等，由此，侧视时的叶片的受风面积与旋转轴的旋转位置无关地近乎恒定，因此由从与叶片的旋转方向正交的方向接受的风所产生的来自臂部的轴力、力矩近乎恒定，可以使得旋转轴不易疲劳破坏。
根据权利要求2的发明的升力型垂直轴风水车，除了权利要求1的发明的升力型垂直轴风水车所起到的效果之外，叶片由从臂部朝向上方延伸并且与旋转方向相反的方向延伸的上方叶片和从臂部朝向下方延伸并且与旋转方向相反的方向延伸的下方叶片构成，叶片的形状在侧视时为V字状，由此，上下受到相等的风压，以臂部为中心向叶片的上下施加的力始终平衡，因此可以使作用于旋转轴的力均匀。
因此，可以使作用于旋转轴的力均匀，抑制用于支承旋转轴的轴承的疲劳，延长风水车的寿命。
根据权利要求3的发明的升力型垂直轴风水车，除了权利要求1或2的发明的升力型垂直轴风水车所起到的效果之外，在旋转轴的旋转数小于规定的旋转数的情况下，迎角调整单元不改变叶片的迎角，在旋转轴的旋转数在规定的旋转数以上的情况下，迎角调整单元改变叶片的迎角，以使产生于叶片的升力降低或者阻力增加，由此，在例如强风时这样的旋转轴的旋转数变大的情况下降低升力，因此可以抑制旋转轴的旋转数的增加。
换言之，迎角调整单元根据作用于叶片的离心力调整叶片的迎角，由此若旋转轴的旋转数增大至某一程度，则叶片的迎角发生变化，使旋转数不增加。
附图说明
图1为本发明的第一实施例的风车的立体图。
图2为图1所示的风车的俯视图。
图3为图1所示的风车的侧视图。
图4为本发明的第二实施例的风车的结构图。
具体实施方式
本发明只要是具有以下特征的升力型垂直轴风水车，则其具体的实施方式不受限制。升力型垂直轴风水车具有：旋转轴，其沿垂直方向延伸；多个臂部，其从所述旋转轴沿水平方向延伸并且在旋转方向上等间隔形成；以及多个叶片，其安装于所述臂部的前端并沿上下方向延伸，旋转轴在产生于所述叶片的升力的作用下进行旋转，其中，叶片的剖面从叶片的上端至叶片的下端为止具有均匀形状且均匀面积，从旋转轴的延伸方向观察时，多个叶片投影于以旋转轴为中心的单个假想圆环的整个圆周上，铅锤方向上的叶片的长度在整个圆周上相等，旋转轴不易疲劳破坏。
例如，并不限定本发明中所使用的叶片的个数，只要是多个即可。
此外，并不限定叶片的剖面形状，只要能够产生升力即可。
此外，叶片的材质优选碳纤维制，但并不限定于此，例如，也可以是铝制。
或者，也可以是施加空气、液体等的压力而形成为叶片形状，而卸掉压力而丧失叶片形状的可变形的橡胶制、布制、膜(film)制等。
例如，为了顺利塑造形状而贴附于线材(wire)等的骨架上的材料也可用于叶片。
在这种在压力的作用下形状可变的叶片的情况下，可以通过卸掉压力来实现强风时的迎角调整功能。
例如，用于使本发明的升力型垂直轴风水车工作的流体可以是液体，也可以是气体，若工作流体为液体，则成为水车，若工作流体为气体，则成为风车。
(实施例一)
以下，基于图1至图3，对本发明的第一实施例的风车100进行说明。
此外，在以下的说明中，即使在不同的附图中，标注有相同的附图标记则表明为相同结构，会有省略其说明的情况。
<1.风车的概要>
首先，基于图1和图2，对本发明的第一实施例的风车100进行说明。
图1为本发明的第一实施例的风车的立体图，图2为图1所示的风车的俯视图。
本发明的第一实施例的作为升力型垂直轴风水车的风车100，将气体作为工作流体，如图1所示，所述风车100具备：旋转轴110，其沿垂直方向延伸；多个臂部120，其从该旋转轴110沿水平方向(与铅锤方向正交的方向)延伸；以及多个叶片130，其安装于各个臂部120的前端并沿上下方向延伸。
在该风车100中，在产生于叶片130的升力的作用下旋转轴110向一个方向旋转。
即，风车100既是在升力的作用下进行旋转的升力型的风车，也是旋转轴为垂直朝向的垂直轴型的风车。
旋转轴110的剖面形状为圆形，其下端与未图示的发电机相连接，在其上端形成有臂部120。
如图2所示，臂部120沿旋转方向R而等间隔形成有6个。
即，相邻的臂部120的间隔成60度。
此外，臂部120的与半径方向正交的面的剖面形状成矩形。
在臂部120的前端设置有沿垂直上方延伸的圆柱状的上部连接部121和沿垂直下方延伸的圆柱状的下部连接部122。
<2.关于叶片的形状>
接着，基于图1至图3，对叶片详细说明。
图3为图1所示的风车的侧视图。
叶片130与臂部120的上部连接部121的上端和下部连接部122的下端相连接。
更具体地，叶片130在稍微偏离重心的位置与臂部120相连接。
此外，在本实施例中，臂部120和叶片130的连接点设置于叶片130的侧视时的中心和叶片130的前端部之间的中间地点附近，位于相比于重心更靠近叶片的前端侧的位置，但该连接点根据叶片的形状而不同。
如图2所示，叶片130的剖面形状为NACA(National Advisory Committee forAeronautics；美国国家航空咨询委员会)0012翼型，从铅锤方向上端至下端为止具有相同形状且相同面积。
即，本实施例中的叶片130的最大叶片厚度为翼弦长度(chord length)的12％。
如此形成叶片130而产生于叶片130的升力在铅锤方向上几乎恒定。
在如图3所示的侧视时，叶片130为对于旋转方向R具有后掠角的V字状。
即，叶片130由从臂部120朝向上方延伸并且向与旋转方向R相反的方向延伸的上方叶片131和从臂部120朝向下方延伸并且向与旋转方向R相反的方向延伸的下方叶片132构成。
所述上方叶片131和下方叶片132相对于沿水平方向延伸的叶片130的中心线L成为对称。
此外，叶片130的最前端F与作为相邻的旋转方向前方侧的叶片130的上下端的后端的最后端E相比位于旋转方向前方，并且，与相邻的旋转方向前方侧的叶片130的上下端的前端G几乎一致。
即，在如图2所示的从旋转轴110的延伸方向观察时的俯视下，以旋转轴110为中心的单一的假想圆环C的整个圆周上投影有多个叶片130。
因此，叶片130的弯度(camber)(在叶片130的剖面中，连接前缘和后缘的叶片的中弧线与翼弦(chord)(连接叶片的前缘和后缘的直线)之差)也位于假想圆环C上。
如此形成叶片130，由此，与旋转轴110的旋转位置无关地，产生于叶片130的升力都相等。
此外，该假想圆环C的直径(从假想圆环C的中心到假想圆环C的半径方向的中心为止的距离)
Figure BDA0003569948170000061
与侧视时(图3)的叶片130的高度H几乎相等。
此外，如图3所示，在叶片130中，铅锤方向上的叶片130的长度在整个圆周上相等。
具体地，在铅锤方向上与相邻的叶片130相重叠的位置P1上的叶片130的铅锤方向的长度L1为：旋转方向前方侧的叶片130的上方叶片131的铅锤方向的长度L1a、旋转方向后方侧的叶片130的铅锤方向的长度L1b以及旋转方向前方侧的叶片130的下方叶片132的铅锤方向的长度L1c之和。
另一方面，在铅锤方向上不与相邻的叶片130重叠的位置P2上的叶片130的铅锤方向的长度L2为：叶片130的上方叶片131的铅锤方向的长度L2a和叶片130的下方叶片132的铅锤方向的长度L2b之和。
此外，在该铅锤方向上与相邻的叶片130相重叠的位置P1上的叶片130的铅锤方向的长度L1与在铅锤方向上不与相邻的叶片130重叠的位置P2上的叶片130的铅锤方向的长度L2相等。
如此形成叶片130，由此，与旋转轴110的旋转位置无关地，风车100从侧方接受的风的受压面积都相等。
(实施例二)
以下，基于图4，对本发明的第二实施例的风车200进行说明。
图4为本发明的第二实施例的风车的结构图。
第二实施例的风车200为改变了第一实施例的风车100中的臂部120和叶片130的连接方式的风车，许多元件与第一实施例的风车100相同，因此省略关于相同的事项的详细说明，仅标注后两位相同的200系列的附图标记。
在第二实施例的风车200中，臂部220在其前端具有以铅锤方向为旋转轴而转动自如地保持叶片230的轴支单元221。
由此，叶片230可相对于臂部220转动。
此外，叶片230通过形成在轴支单元221的上端侧的上侧连接部221a和形成在轴支单元221的下端侧的下侧连接部221b连接于轴支单元221。
此外，在第二实施例的风车200中，旋转轴210在叶片230所产生的升力的作用下进行旋转，但在强风时，旋转轴210的旋转数可能会超过允许的旋转数。
因此，第二实施例的风车200在臂部220和叶片230之间具有用于调整叶片230的迎角的迎角调整单元240。
在旋转轴210的旋转数小于规定的旋转数的情况下，迎角调整单元240不改变叶片230的迎角，在旋转轴210的旋转数在规定的旋转数以上的情况下，迎角调整单元240改变叶片230的迎角，以使产生于叶片230的升力降低。
该迎角调整单元240例如可以是伺服电机这样的执行器，也可以是弹性元件、衰减元件。
根据如此构成的第二实施例的风车200，在旋转轴210的旋转数成为规定的旋转数以上的情况下，改变叶片230的迎角，以使产生于叶片230的升力降低或者阻力增加，由此，在如强风时这样的旋转轴210的旋转数变大的情况下降低升力，因此抑制旋转轴210的旋转数的增大，旋转轴210变得不易损耗，可以增强风车200的耐久性。
此外，本实施例的风车200具有迎角调整单元240且臂部220和叶片230的连接点与叶片230的重心彼此偏离，由此与旋转时的离心力成比例而自动地改变迎角的力作用于叶片230。
此时，即使迎角调整单元240是简单的像弹簧这样的结构，也可以改变叶片230的角度，将旋转轴210的旋转数的上升抑制为恒定。
还注意到风压的变化对弹簧的影响，但该影响远小于离心力的影响，因此在旋转轴210旋转时叶片230的迎角几乎不会存在脉动。
此外，离心力与旋转数的次方成比例，因此在本实施例的风车200中，叶片230的迎角在通常的风速范围内几乎不变，在超过限制风速时叶片230的迎角开始改变，即使在强风时也不会超过额定旋转数。
<变形例>
以上，对本发明的实施例进行了说明，但本发明并不限定于上述记载。
例如，如图1等所示，臂部的剖面形状为矩形状，但并不限定于此，例如，也可以是叶片形状。
例如，在上述实施例中，叶片130为一级，但该叶片130也可以在上下方向上设置多级。
在将叶片130设定为多级的情况下，并不限定各级的旋转方向全部相同，而可以各自朝向不同的方向旋转。
例如，在上述实施例中，假想圆环C的直径(从假想圆环C的中心到假想圆环C的半径方向的中心为止的距离)
Figure BDA0003569948170000082
与侧视时(图3)的叶片130的高度H大致相等，但并不限定于此。
例如，在第二实施例中，迎角调整单元设置在臂部220和叶片230之间，但也可以是在旋转轴的旋转数小于规定的旋转数的情况下，不改变叶片的迎角，在旋转轴的旋转数在规定的旋转数以上的情况下，改变叶片的形状而改变叶片的迎角，从而降低产生于叶片的升力的叶片的剖面形状、材质。
(附图标记的说明)
100、200：风车(升力型垂直轴风水车)；110、210：旋转轴；
120、220：臂部；121：上侧连接部；122：下侧连接部；
221：轴支单元；221a：上侧连接部；221b：下侧连接部；
130、230：叶片；131：上方叶片；132：下方叶片；
240：迎角调整单元；R：旋转方向；L：上下方向的中心线；
H：叶片的高度；F：最前端；E：最后端；G：上下端的前端；
C：假想圆环；
Figure BDA0003569948170000081
假想圆环的直径。

Claims (3)

1.一种升力型垂直轴风水车，其具有：旋转轴，其沿垂直方向延伸；多个臂部，其从所述旋转轴沿水平方向延伸，并且在旋转方向上等间隔形成；以及多个叶片，其安装于所述臂部的前端并沿上下方向延伸，所述旋转轴在产生于所述叶片的升力的作用下进行旋转，其特征在于，
所述叶片的剖面从所述叶片的上端至所述叶片的下端为止具有均匀形状且均匀面积，
从所述旋转轴的延伸方向观察时，多个所述叶片投影于以所述旋转轴为中心的单个假想圆环的整个圆周上，
铅锤方向上的所述叶片的长度在整个圆周上相等。
2.根据权利要求1所述的升力型垂直轴风水车，其特征在于，
所述叶片由从所述臂部朝向上方延伸并且向与旋转方向相反的方向延伸的上方叶片和从所述臂部朝向下方延伸并且与旋转方向相反的方向延伸的下方叶片构成，
所述叶片的形状在侧视时为V字状。
3.根据权利要求1或2所述的升力型垂直轴风水车，其特征在于，
在所述臂部在其前端具有以铅锤方向为旋转轴而转动自如地保持所述叶片的轴支单元，
在所述臂部和所述叶片之间设置有用于调整所述叶片的迎角的迎角调整单元，
在所述旋转轴的旋转数小于规定的旋转数的情况下，所述迎角调整单元不改变所述叶片的迎角，在所述旋转轴的旋转数在所述规定的旋转数以上的情况下，所述迎角调整单元改变所述叶片的迎角，以使产生于所述叶片的升力降低或者阻力增加。
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