JP2002507266A - 螺旋ウィンドローターおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 螺旋ウィンドローターであって、該螺旋ウィンドローターは少なくとも２つのブレード（１）を有し、該ブレード（１）は横断面に見られるように、実質的に同じ形状でありおよび湾曲しており、回転軸（ｏ）に関して平行して置かれ、円柱座標系（ｏ、ｚ）の回転角に関して等しい間隔で最も適切に配置されるよう構成されている。ウィンドローターの螺旋形状を生じさせるためにブレード横断面（ｓｐ）はウィンドローターの長手方向（ｚ）に回転するように配置される。ウィンドローターに所属するブレード横断面（ｓｐ）は、実質的に平面の半加工品のブレードの製造を可能とするために、半円形とは実質的に異なって構成される。本発明はまた、上に示された形式のウィンドローターを製造する方法に関する。

Description

【発明の詳細な説明】 螺旋ウィンドローターおよびその製造方法 本発明は螺旋ウィンドローターに関し、この螺旋ウィンドローターは少なくと も２つのブレードを有し、該ブレードは、横断面図に見られるように、実質的に 等しい形状をなし、かつ湾曲しており、回転軸に平行に配置され、円柱座標系の 回転角に関して等間隔に最も適切に配置されるように構成されている。ウィンド ローターの螺旋形状を生じさせるために、ブレード横断面はウィンドローターの 長手方向に回転するよう配置される。 上述のタイプの従来のローター、たとえばフィンランド特許Ｎｏ．６５９４０ のいわゆるＳａｖｏｎｉｕｓローターは、回転軸に関して対称的に置かれている 半円形シリンダー形状の２つのブレードより成る。この種のローターの横断面は 長手方向に沿って一定であり、さらに、上部および底部エッジにはキャッププレ ートが設けられている。 上記ローターを更に発展させるために、形状を手直ししたウィンドローターが 、フィンランド特許Ｎｏ．６７９１９にある。このいわゆるウィンドサイドロー ターでは、ローター中のいわゆるデッド位置を除去するために、キャッププレー トは取り除かれ、螺旋形状を追加している。このウィンドローターでは、ｘｙ− 平面横断面は、ウィンドローターの垂直軸周りに一様に回転する一方、ウィンド ローターの長手方向に移動する。問題のローターの設計は、１つのシャーシと湾 曲横断面を持つ２つの長楕円形ブレードを有し、この長楕円形ブレードは凹状ブ レード側が互いに部分的に重畳し、ブレード内側エッジ間に軸間隙を残すように 幾何学的軸周りに軸方向に対称的に配置される。更に、ブレードは互いに螺旋状 に捻れている。ローター構造体に所属するローターシャフトは、幾何学的軸に平 行であり、一端でシャーシに接続されている。ローター構造体は、構造体を強化 するためにローターシャフトを横断して、ブレードエッジを互いに接続するリブ 状アダプターを有する。ウィンドローターアダプターは長手方向に連続的に調節 さ れ、その上、たとえば航空機の翼の輪郭形状のような横断面に膨らまされる。当 該公報は、ブレードの捻れが１８０°であるウィンドローターの応用例を挙げて いる。 上述のさらに発展させたウィンドローターは、その螺旋形状のために、以前の 比較し得るものよりも明らかに利点を有しており、なぜなら、殆ど如何なる方向 からの風でもウィンドローターの運動を引き起こすからである。しかしながら、 この種のウィンドローターに関する致命的な問題は、ブレードは平面シート半加 工品を形成して製造することができないので、常にウィンドローター全長の型を 作ることを必要とするその製造の困難性にある。したがってまた、製造は希望す る結果のものを到達するために先ず非常に正確な寸法出しを必要とし、次いで高 度の専門技術を必要とするので、当該ウィンドローター形式の製造コストは非常 に高い。また、複数のウィンドローターを若干異なる寸法で製造する場合、個々 の型を別々に寸法出しし、それぞれ別個に製造しなければならないという別の問 題もある。 本発明による螺旋ウィンドローターは、上記の問題を決定的に改良し、こうし てこの分野の技術レベルを本質的に向上させるために意図されている。この目的 を果たすために、本発明によるウィンドローターは、実質的に平面の半加工品の ブレードの製造を可能にするために、ウィンドローターに所属するブレードの横 断面が半円形とは実質的に異なって構成されることを主たる特徴とする。 本発明によるウィンドローターの最も重要な利点は、その製造を容易にすると ころにあり、その理由は実際のウィンドローター全長の型を作る必要がないが、 所望のウィンドローター形状を非常に容易に作ることが可能で、たとえば、原材 料にもよるが、平面の半加工板を圧縮したり、または弾性材料製のブレード半加 工品を正しい形状に曲げることなどによつて非常に容易に作ることが可能である 。たとえば薄い金属シート、またはポリマーシートを使用して、ブレードをたと えば管状シャーシで上部および底部のエッジの正しい位置に支持することが可能 で、剛性シャフト構造体は正しい高さを保ち、ブレードの他の部分は正しい形状 が保たれる。したがって、ブレードは内側および外側エッジの螺旋曲線に沿って 支持 してもよい。したがって、本発明によるウィンドローターの製造コストは特に廉 価であり、また僅かに異なる寸法のウィンドローターの製造は、平面のブレード 半加工品に対して計算によって形状を定めることができるために、容易に、しか も正確に実行し得る。 本発明によるウィンドローターの有利な実施例は、関係する独立請求項に示さ れている。 本発明はまた、関連する独立請求項の導入部に詳細に規定されているウィンド ローターの製造方法に関係する。この方法の主要な特性は、対応の請求項の特徴 部に示されている。 本発明による方法の最も重要な利点は、平面のブレード半加工品に対して、計 算により作製することができる、または計算により形状を定めることができると いうその簡便性と明確性にあり、平面のブレード半加工品はさらにウィンドロー ターの非常な低コスト製造を可能とする。この方法の決定的な利点は、比較可能 なタイプのウィンドローターの先行の製造方法とは反対に、このウィンドロータ ーは、明確な平面の半加工品として計算によって寸法決めが可能で、該半加工品 をさらに、シート材料形成のための適切な方法を使用して、非常に正確に寸法取 りされたウィンドローターに形成することが可能である点にある。本発明による 方法は特に非常に有利で、なぜなら、ウィンドローター全長の型はもはや必要で はなくなり、本発明によるウィンドローターは、計算により規定された半加工ブ レード板を希望する形状に曲げることにより、非常に簡単な支持構造体を使用し て組み立てることが可能であるからである。本発明の他の決定的な利点はまた、 ブレードの原材料が先行の解決策よりも多彩に選択できることである。 本発明による方法の有利な実施例は、関係する独立請求項に示されている。 本発明は以下の説明で詳細に明示され、ここにおいて、 図１は、従来のウィンドローターに所属するブレードの横断面、および関係する 数学的研究に使用されるパラメータを示し、 図２は、平行射影としての従来のウィンドローターに所属するブレード、および 数学的研究に使用される三次元に関係するパラメータを示し、 図３は、本発明のよるウィンドローターに所属する平面の展開ブレード、および 数学的研究に使用される平面展開に関するパラメータを示し、 図４は、従来のウィンドローターの横断面を示し、 図５は、本発明によるウィンドローターの横断面を示し、 図６は、本発明によるウィンドローターに所属する平面の展開ブレードを示し、 図７は、平行射影としての本発明によるウィンドローターのブレードを示す。 螺旋ウィンドローターは、少なくとも２つのブレード１を有し、該ブレード１ は、横断面に見られるように、実質的に同じ形状であり、湾曲しており、回転軸 ｏに関して平行して置かれ、円柱座標系（ｏ、ｚ）の回転角に関して等間隔で最 も適切に配置されるように構成されている。ウィンドローターの螺旋形状を生じ させるために、ブレード横断面ｓｐはウィンドローターの長手方向ｚに回転する ように配置される。ウィンドローターに所属するブレード横断面ｓｐは、実質的 に平面の半加工品のブレードの製造を可能とするために、半円形とは実質的に異 なって構成される。 本発明の有利な実施例として、特に図１，２および３を参照し、およびそこに 明示されたパラメータを使用して、横断面ｓｐの形状ｆ（φ）および平面の展開 ブレード１’の断面曲線ξ（φ）、η（φ）は、境界値問題として規定される。 更に、図６に示された平面の展開ブレード１’は、円形環状部の一部切断であ り、他の寸法は以下の方程式で規定される。 更に、好適な実施例として、特に図７に示した解決策に関係して、ウィンドロ ーターの総螺旋捻れは、Ｕ＝１８０°、およびローター高さは、Ｈ＝２である。 実際の適用を考慮して、より伸長したローターの使用が有利であり、たとえばＨ ＝４である。また、螺旋９０°または他の如何なる角度の使用も当然可能である 。更に、たとえば同一横断面に３つのブレードを持つウィンドローターを構成す ることも可能である。 したがって、本発明による方法は、実質的に平面の半加工品のブレードを製造 することに基づいており、ブレード横断面は実質的に半円形とは異なって構成さ れる。 上記についての変数は、図１および２に示されたパラメータを使用して、以下 の方程式が半円ブレードｘｙ−平面断面に対して得られる数学的検討を通して理 解される。 方程式１： ｘｙ−平面断面形状に関係なく、以下のように表わすことができる： 方程式２： 方程式３：方程式４： ブレード表面が平面に展開されるべきであるなら、第１の条件は、上部および 底部エッジのコーナー角度β（Ｏ）およびβ（π）は正しくあるべきである、と いうことである。β（φ）は一定ではないので、底部エッジは直線として描くこ とはできない。 半加工品は、上方渦巻きエッジが垂直に描かれ、および底部エッジの内側コー ナーが左側に向かって底部にあるように置かれる。ｘｙ−平面断面の異なる点の 軌跡は長さが異なるので、垂直半加工品エッジもまた直線ではありえない。しか し、それは一定の幅を持つので、環状扇形（アニュラセクタ）として描かれなけ ればならない。垂直方向の規則性は、それが詳細には円形環状部であることを意 味している。 次に、平面の展開ブレードの幾何学的配置に関する概念、および特にそのより 低いエッジ、すなわち展開断面曲線に関する概念： ρ（φ） −環状部の半径 ρ_o −環状部の内半径 ξ（φ） 一断面曲線の水平座標 η（φ） −断面曲線の垂直座標 θ（φ） −水平方向に関する断面曲線に引かれた半径の角度 Ψ −環状扇形全体の角度 断面曲線は、低左点ξ＝０、η＝０における方向角度β（０）に向かってスタ ートし、曲線に沿うその長さはｓ（φ）である。座標は閉じた形式で一般的に述 べることはできない。φに関する導関数は、以下のように表わすことができる： 方程式５：方程式６： 角度θ（φ）に対して、以下の依存性が得られる： 方程式７： 扇形（セクタ）曲げ半径に対する一般式は、簡単に得られる。 方程式８： 曲げ半径は、以下のようにξ−およびη−座標の関数として表わしてもよい： 方程式９： 方程式５〜９から、３つの未知の関数ｆ（φ）、ξ（φ）およびη（φ）につ いて、一組の３つの微分方程式が与えられる。 方程式１０：方程式１１： 方程式１２： 関数ξ（φ）およびη（φ）に対する初期条件は、以下の定義から直接得られ る。 方程式１３： 断面曲線のスタート点および到達点は、ローター軸と同一の直線に落ちる、と いうことを参照して、以下の境界条件が得られる。 方程式１４： ウィンドサイドローター（ＦＩ６７９１９）の半円断面曲線または方程式１は 、方程式１０〜１４に述べられた条件を満たさない。 捻れ角度がゼロに接近する特別なケースは、ただ一つである。傾斜角β（φ） が一定値０に接近し、ｇ（φ）が一定値１に接近し、および曲げ半径ρは無限大 に増加する。直立ブレードのこのケースでは、如何なる関数ｆ（φ）も、平面に 展開可能な半加工品について設定された条件を満たしている。 ここで処理すべきことは、どの形状が方程式１０〜１４に示された条件を満た すかを解くことである。複雑な非線型微分方程式群は、数値解法によって解くこ とができるだけである。パラメータＱを設定して、方程式１４の境界条件を満足 する半加工品扇形角度Ψを、試行反復法によって求める。その解により、関数ｆ （φ）、ξ（φ）およびη（φ）の近似が得られる。 パラメータＱの各値について、その値がδを低値限界として０．２近傍の範囲 （δ、１）内にあるとき、唯一の解を得ることができることが分かる。解をそれ より低い値で得ることはできず、低値限界に近付いていくと、曲線はローター軸 からむしろ急峻に離れてスタートするという点において、形状は好ましいもので はない。最初に述べた基本的な幾何学的配置をいくらか修正すれば、平面に展開 可能な他のブレード形状を見出せるであろう。 平面の半加工品を描くために、残りの半加工品寸法を、まだ解く必要がある。 方程式８から環状扇形（アニュラセクタ）に対する内半径および外半径が得られ る。 方程式１５： 内側エッジコードＪおよび傾斜角度関数β（φ）が、さらに以下の方程式から 得られる。 方程式１６： 方程式１７： 図７は、平行射影として上に示した手順に従って形作られたウィンドローター を示す。 平面の半加工品用材料は、曲がるがそれほど容易に伸長しないものでなければ ならない。薄い金属シートおよび多くのポリマーシートが、丁度そのような振舞 いのものである。構造体は上部および底部エッジのみで、たとえば管状シャーシ に支持され、剛性シャフト構造体が正しい高さを保つとき、残りのブレードは正 しい形状に落ち着く。一方、曲げ弾性は、ウィンドローターを長手方向に伸長す る傾向があり、このことは、シャフトとブレードの固定はこの歪みをうまく処理 するように設計しなければならないということを意味している。ウィンドロータ ーの動作を考慮して、シャフト近傍は、空気流が一方のブレードから他方に通過 できるように開放されていることも必須であり、このことは、たとえば支持構造 体の設計にあたり、当然考慮すべきことである。 本発明は、上に示された、または記述された実施例に限定されず、同じ基本的 な概念の範囲内で変更され得ることは明らかである。たとえば、方程式１０の境 界条件は、ブレード横断面の始点および終点、およびローター軸が総て同一直線 上にあるように選択されている。微分方程式の境界条件は、ブレードを平面に展 開することを可能とするのであれば、別の選択も可能である。このようなケース では、たとえばストリップがいずれかのエッジから除去されたブレード、または 内側あるいは外側に伸長されたブレードを得ることが可能である。強風時にはロ ーター直径が一時的に増加するように、ローターブレードを弾性的に支持するこ ともまた可能である。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１０年１１月１１日（１９９８．１１．１１） 【補正内容】 請求の範囲 １．螺旋ウィンドローターであって、少なくとも２つのブレード（１）を有し 、該少なくとも２つのブレード（１）は、横断面に見られるように、実質的に同 じ形状をなし、湾曲しており、回転軸（ｏ）に関して平行して配置され、円柱座 標系（ｏ、ｚ）の回転角に関して等間隔で最も適切に配置されるように構成され 、ウィンドローターの螺旋形状を生じさせるために、ブレード横断面（ｓｐ）は ウィンドローターの長手方向（ｚ）に回転するように配置された螺旋ウィンドロ ーターにおいて、ウィンドローターに所属するブレード横断面（ｓｐ）は、平面 の展開ブレード（１’）が円形環状部の一部切断であるような、実質的に平面の 半加工品のブレードの製造を可能とするために、半円形とは実質的に異なって構 成される、ことを特徴とする螺旋ウィンドローター。 ２．ブレード横断面（ｓｐ）の形状、および円形環状部の寸法および断面曲線 は下記の方程式によって規定されることを特徴とする請求項１に記載のウインド ローター。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ， ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，Ｌ Ｓ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ， ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，Ｅ Ｅ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，Ｍ Ｄ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ， ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，Ｕ Ｚ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ 【要約の続き】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．螺旋ウィンドローターであって、少なくとも２つのブレード（１）を有し 、該少なくとも２つのブレード（１）は、横断面に見られるように、実質的に同 じ形状をなし、湾曲しており、回転軸（ｏ）に関して平行して配置され、円柱座 標系（ｏ、ｚ）の回転角に関して等間隔で最も適切に配置されるように構成され 、ウィンドローターの螺旋形状を生じさせるために、ブレード横断面（ｓｐ）は ウィンドローターの長手方向（ｚ）に回転するように配置された螺旋ウィンドロ ーターにおいて、ウィンドローターに所属するブレード横断面（ｓｐ）は、実質 的に平面の半加工品のブレードの製造を可能とするために、半円形とは実質的に 異なって構成されることを特徴とする螺旋ウィンドローター。 ２．平面の展開ブレード（１’）は円形環状部の一部切断部であり、ブレード 横断面（ｓｐ）の形状、および円形環状部の寸法および断面曲線は下記の方程式 によって規定されることを特徴とする請求項１に記載のウィンドローター。 ここで、 Ｈ ＝ローターの高さ Ｑ ＝ローター直径に比例するブレードの内側エッジ間の間隙 φ ＝ｘｙ−平面極角座標 内側エッジにおいてφ＝０ ｆ（φ）＝ローター直径に比例する極角度φの関数としてのローター軸〜ブレー ド点の距離 ξ（φ）＝展開断面曲線の水平座標 η（φ）＝展開断面曲線の垂直座標 ρ_o ＝円形環状部の内半径 ρ_π ＝円形環状部の外半径 Ψ ＝環状扇形全体の角度 Ｕ ＝ブレードの総螺旋捻れ Ｅ ＝ブレードの螺旋傾斜＝Ｕ／Ｈ ３．ブレードの総螺旋捻れは、Ｕ＝πまたは１８０°、ローター高さは、Ｈ＝ ４であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のウィンドロータ ー。 ４．螺旋ウィンドローターを製造するための方法であって、該螺旋ウィンドロ ーターは、少なくとも２つのブレード（１）を有し、該少なくとも２つのブレー ド（１）は、横断面に見られるように、実質的に同じ形状をなし、湾曲しており 、回転軸（ｏ）に関して平行して配置され、円柱座標系（ｏ、ｚ）の回転角に関 して等間隔で最も適切に配置されるように構成され、ウィンドローターの螺旋形 状を生じさせるために、ブレード横断面（ｓｐ）はウィンドローターの長手方向 （ｚ）に回転するように配置された螺旋ウィンドローターを製造する方法におい て、ウィンドローターに所属するブレード横断面（ｓｐ）は、実質的に平面の半 加工品のブレードの製造を可能とするために、半円形とは実質的に異なって構成 されることを特徴とする螺旋ウィンドローターを製造する方法。 ５．平面の展開ブレード（１’）は円形環状部の一部切断部であり、ここでブ レード横断面（ｓｐ）の形状、および円形環状部の寸法および断面曲線は下記の 方程式によって規定されることを特徴とする請求項４に記載の方法。 ここで、 Ｈ ＝ローターの高さ Ｑ ＝ローター直径に比例するブレードの内側エッジ間の間隙 φ ＝ｘｙ−平面極角度座標 内側エッジにおいてφ＝０ ｆ（φ）＝ローター直径に比例する極角度φの関数としてのローター軸〜ブレー ド点の距離 ξ（φ）＝展開断面曲線の水平座標 η（φ）＝展開断面曲線の垂直座標 ρ_o ＝円形環状部の内半径 ρ_π ＝円形環状部の外半径 Ψ ＝環状扇形全体の角度 Ｕ ＝ブレードの総螺旋捻れ Ｅ ＝ブレードの螺旋傾斜＝Ｕ／Ｈ