JP2002539363A

JP2002539363A - 回転翼

Info

Publication number: JP2002539363A
Application number: JP2000604125A
Authority: JP
Inventors: ペデルセン，リカルド
Original assignee: ビンド−オックバッテントゥルビネル
Priority date: 1999-03-10
Filing date: 2000-03-09
Publication date: 2002-11-19
Also published as: EP1163443B1; WO2000053923A1; SE515161C2; AU3689200A; PL195663B1; CA2365346C; BR0008838A; EP1163443A1; AU761905B2; ZA200107418B; SE9900847D0; ES2222191T3; DK1163443T3; PL351166A1; NO323140B1; ATE267956T1; SE9900847L; CA2365346A1; DE60011056T2; CZ298097B6

Abstract

(57)【要約】本発明は、流れ方向（Ａ）に流れる流体中で回転することを意図した回転翼に関するものであって、その回転翼は回転軸（３）の周囲で回転するべく配置された、少なくても二枚かつ最大でも四枚の動翼（２）を具備している。各々の動翼（２）が単一の湾曲した面を構成していて、その母線は、回転軸に直交する平面内で延伸しており、回転翼における先縁と後縁とを相互に結ぶ仮想平面が、回転軸（３）に対して鋭角を形成している。つけ加えて、各々の動翼が、鋭角（α）を調節するために、回動移動するべく旋回軸（８）の周囲に回動可能に取りつけられていて、旋回軸（８）は、回転軸（３）に直交する平面内で延伸し、かつ回転軸（３）から放射状に延伸している仮想半径（９）に対して、平行で距離（ｄ）だけ離間している。回転翼は非常に静かで、効率的なエネルギー変換、例えば風力エネルギーの取り出しを提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】技術分野本発明はエネルギー変換用に使用されるべく設計された多翼式回転翼に関する
。回転翼は、例えば流体流れから回転エネルギーを取り出すのに使用してもよい
し、あるいは反対に、回転エネルギーから流体流れを作り出してもよい。回転翼を発電機に接続して、風力又は水力からエネルギーを取り出すことは特
に利点のあることである。

【０００２】技術的背景前述の種類の多くの回転翼がすでに公知である。特に一般的なものは、シャフ
トに配置された数枚のプロペラ翼を有する様々な種類のプロペラのものである。
そのようなプロペラにおいて、各々のプロペラ翼は細長い面を有していて、シャ
フトから半径方向に延伸しており、プロペラの長手方向において曲がっている。しかしながら、従来技術における回転翼はいくつかの欠点を有していて、その
最も重大な欠点は後述されている。

【０００３】第一に、従来の回転翼の効率は比較的低いものである。風力の場合、専門家は
次のように言っている。１ｍ² の受風面積からの実質効率は風速１ｍ／ｓあたり
１Watt以下である。１ｍ² （半径約６０cm）の受風面積を有するプロペラは、風
速が１０ｍ／ｓの場合約１０Wattを取り出すことができる。

【０００４】第二に、従来技術における回転翼が流れている流体の作用を受けると、非常に
大きな力が軸方向に発生する。風力発電所において、専門家の計算によると、支
持構造物は、回転翼がエネルギーに変換可能である二倍の力に耐えるように寸法
化されなければならない。

【０００５】従来技術における回転翼において判明している他の問題は、回転翼がある人達
にとっては不快な騒音である高周波音を発生することである。

【０００６】本発明の目的本発明における第一の目的は、風力のような、有効なエネルギーの取り出しを
提供することである。本発明における第二の目的は、安価で製作の簡単な回転翼を提供することであ
る。本発明における第三の目的は、運転において比較的騒音のない回転翼を提供す
ることである。

【０００７】本発明の概要これらの目的は前述の回転翼であって請求項１に規定される特徴を有する回転
翼により達成されている。

【０００８】前述したように流れを曲げるために、回転翼は数枚の翼を具備していて、翼各
々が単一の湾曲面を構成しており、その先縁（ｌｅａｄｉｎｇｅｄｇｅ）は、
回転軸から半径方向に延伸し、回転軸と小角度（好ましくは８０°〜１００°）
を形成する平面内に配置されている。

【０００９】さらに、各々の翼はシャフトに取りつけられていて、そのシャフトは、回転軸
に直交する平面内に延伸し、かつ回転軸から外向きに延伸する仮想半径に対して
、平行でかつ所定の距離だけ離間している。

【００１０】各々の翼は長方形を構成していて、その曲率は翼の投影面、すなわち流れに対
する翼の延伸範囲がほぼ正方形を形成するようになっている。

【００１１】このように形状化された回転翼を用いて、流れ全体が、翼の延伸範囲に見られ
るように、回転軸に直交する平面内に曲げられる。先縁が回転軸及び流れから半
径方向に突出しているので、流れは曲った後に先縁に対して直角に流れ、各々の
翼に関連する流れは回転軸の周囲における９０°区画の領域を占有する。翼の枚
数が四枚を越えると、曲げられた流れは隣接する翼に接触するようになり、その
結果回転翼の損傷を招く。この理由により、本発明における回転翼は最大で四枚
の動翼を具備している。

【００１２】従来技術における回転翼において、各々の動翼の旋回軸、すなわち各々の翼が
回動する軸は回転軸から半径方向に外向きに配置されていて、動翼の先縁は仮想
半径に対して、平行でかつ所定距離だけ離間している。本発明における教示にお
いて、配置は対向しているけれど、先縁は回転軸から半径方向に外向きに延伸し
て配置され、さらに旋回軸は仮想半径に対し、平行でかつ離間している。明細書
に説明する特定のフローパターンを作り出すことが、この問題の解決法である。

【００１３】各々の翼が長方形面を構成していて、その曲率は翼の投影面、すなわち翼が流
れに対して提供する延伸範囲／広がりが、正方形面を構成するためのものである
。

【００１４】本発明における回転翼が、空気流れのような流れからエネルギーを取り出すた
めに使用される場合、回転翼は以下のように配置されていて、流れが、軸方向に
流れ、かつ最初に翼の先縁に衝突するようになっている。各々の翼は流れの移動
方向を、回転軸に対して平行な方向から回転軸に直交する平面に対して接線方向
に、変更させるのに有効である。この流れの方向変更は、回転軸の周囲にトルク
力を生み出す接線方向の力を発生する。翼の枚数は、流体の影響がある場合でも
、回転翼全体が回転するために、協働するように配置されている。

【００１５】つけ加えると、各々の翼における後縁（ｔｒａｉｌｉｎｇｅｄｇｅ）を通過
した流れは、比較的速い流速になっていてエジェクタ作用をもたらし、そのエジ
ェクタ作用が、翼の風下側に停滞流体を発生させる。その結果、多少の負圧が、
翼の背後に生じトルクをさらに増大させる。

【００１６】流れ全体が方向を変化するので、空気は回転翼を貫通して回転翼の背後に流れ
ることなく、連続的に周囲の流体により補充される後流が形成される。

【００１７】新歩性のあるプロット・タイプの回転翼を用いて非公開で風の流れで行なった
試験において、煙の補給によりほぼ図１に示めされるようなフローパターンが形
成されることが判明した。

【００１８】翼の構造及び方位と、発生する流れ像とは、すばらしい電力の取り出し結果を
もたらす。前述の試験は、１ｍ² の受風面積を有する、新歩性のあるプロット・
タイプを用いて、風力が１０ｍ／ｓの状態で行なわれた。取り出された有効電力
は、回転速度１４０rpm において約２００Wattであった。このようにして得られ
た電力は非常に驚くべきものであった。

【００１９】さらに、回転翼は起動直後に全出力が得られることが判明した。取り出し可能
な電力は回転速度とは無関係である。

【００２０】翼における先縁及び後縁を相互に結ぶ仮想平面と、回転軸との間における角度
は、利点的に３０°〜５０°の範囲であって、好ましくは約４５°である。

【００２１】つけ加えると翼は、スプリング入りであってもよくて、流速に対し自動調節用
旋回軸の周囲を回転する。

【００２２】本発明が添付図を用いて以下に詳細に説明されるが、その添付図面は例示の目
的で本発明における好適な実施の形態を示めすものである。

【００２３】好適な実施の形態の説明図２に示めされる回転翼１はこの場合四枚の複数の翼２を具備していて、翼は
回転軸３の周囲を回転するべく配置されている。回転翼１は流れ方向Ａの方向に
回転翼を通過する流体中で回転するようになっている。

【００２４】例示の実施の形態において、各々の翼２は単一の湾曲した面を構成していて、
母線すなわち面を形成する直線が回転軸に直交する平面内で延伸している。翼２
の曲率は図３により明瞭に示めされていて、以下に詳細を説明する。翼２が先縁
（ｌｅａｄｉｎｇｅｄｇｅ）５を有していて、その先縁５は、流体の流れ方向
Ａに向いており、回転翼１に向けての流体流れが最初に衝突する翼の一部分とな
っている。翼は後縁（ｔｒａｉｌｉｎｇｅｄｇｅ）６を構成していて、先端部
５の下流に配置されている。

【００２５】先縁５と後縁６とを相互に結ぶ仮想平面７は回転軸３に対して鋭角αを形成し
ている。この角度は例えば３０°〜５０°であって、好ましくは約４５°である
。

【００２６】本実施の形態における翼は長方形であってほぼ正方形状である。この形状は利
点があることが判明しているが本発明を限定するものではない。

【００２７】各々の翼２が回転するべく旋回軸８に取りつけられていて、その旋回軸８は、
回転軸に直方する平面内で延伸しており、翼における先縁と後縁との間の場所に
配置されている。

【００２８】旋回軸８は、回転軸３から半径方向に外向きに延伸していて、好ましくは仮想
半径９に対して、平行でかつ距離ｄだけ離間している。

【００２９】旋回軸が、好ましくは翼２の風下側２ａ、すなわち流れ方向に対面しない側に
配置されている。

【００３０】例示の実施の形態において、四本の旋回軸８が、回転軸３の周囲に対称に配置
された四枚のシート・メタル・プレート１０に取りつけられている。プレートは
、例えば溶接で管状ボディー又はリング状ボディー１１に取りつけられていても
よくて、代わりに相互接続されていてもよい。リング状ボディー１１及びプレー
ト１０は共にハブ構造体１２を構成している。

【００３１】好ましくは、翼２はそれぞれの旋回軸８の周囲に回転するべくスプリング入り
となっている。ばね作用は例えば、圧縮コイルばね１３のような、ばね要素がハ
ブ構造体１２の下流において回転軸３に対して同心状に配置されているところの
、例示の実施の形態において達成されている。コイルばね１３はロッド１４の周
囲に配置してもよくて、そのロッド１４は、上流に所定の距離にわたって延伸し
ており、さらにハブ構造体１２に固定的に取りつけられている。

【００３２】コイルばね１３における一方の端部１３ａにおいて、環状ランナー（ａｎｎｕ
ｌａｒｒｕｎｎｅｒ）１５が、ロッド１４の周囲に配置されていて、コイルば
ね１３のばね作用に抗してロッド上で移動可能である。コイルばね１３における
対向する端部１３ｂは、例えばロッドに固定的に取りつけるか、又はコイルばね
１３が当接する停止面となっているブロック１８により、ロッド１４に対して固
定されている。

【００３３】例示の実施の形態において、ステー１６が、各々の翼における先縁５に、平行
に固定的に取りつけられていて、回転軸３の内側に向けて所定の距離だけ延伸し
ている。リンク１７における一方の端部１７ａがステー１６の端部に回転軸と近
接して回動可能に取りつけられていて、さらにリンクにおける対向する端部１７
ｂはランナー１５に回動可能に取りつけられている。

【００３４】図３において、本発明における翼２の面の湾曲形状が詳細に示めされている。
先縁５と翼２において旋回軸８と対向して配置されている点Ｐとの間に延伸して
いる仮想線Ｌは、回転軸３に対して２０度の角度βとなっている。翼の湾曲は、
翼の先縁５と翼の後縁とを相互に結んだ仮想線が、回転軸に対して約４５度の角
度αを形成するように延長している。先縁５において、翼が流れ方向Ａと回転軸
３とに対して角度ψを形成し、その角度ψは０°と１０°との間における範囲で
あって、後縁６において、翼２は流れ方向Ａと回転軸３とに対して角度δを形成
し、その角度δは８０°と１００°との間における範囲となっている。

【００３５】回転翼の機能は、後述されているけれど、回転翼を使用して、例えば空気のよ
うな通過流体流れからエネルギーを取り出すことをベースにしたものである。そ
の機能が反対のものである場合、すなわち回転翼が回転エネルギーを流体流れに
変換する場合でも、以下の説明は適用できるにちがいない。そうすることは、専
門家の能力範囲内のことである。

【００３６】流体流れが翼２の先縁５に衝突すると、流れは、翼の湾曲に沿って流れ、続い
て曲げられる。曲りは、横向きの加速度であって、回転軸３に対する外周方向に
おいて翼２に作用する遠心力を発生し、それによりトルク力Ｍ₁ が生じる。翼２
は、翼の発生トルク力が協働して回転翼１を回転するように、回転翼内に配置さ
れていて、さらにエネルギー取り出しの目的で翼に接続されたどのような装置を
も駆動する。

【００３７】旋回軸８が翼２の風下側に配置されているので、翼の風上側すなわち流体流れ
に向けられた側は、完全に滑らかで、一様な流れをもたらしている。

【００３８】流れが翼の後縁６を通過する場合、流れ方向は変化し、回転軸３に平行という
よりはむしろ回転軸３から離れる方向になる。例示の実施の形態において、翼２
の後縁における流れ方向は、回転軸に対して外向きに直交していて、従って回転
軸３に直交する平面内で延伸している。

【００３９】翼の曲率が一定なので、流体流れの速度は遅くなるどころか、むしろ速くなる
。というのは断面方向における翼の投影面１９を構成する受風面に向けて流れる
すべての流体は、後縁６を通過するようになっている（図１参照）からである。
そのために、翼における曲率の正しい適用が本質的なこととなり、翼における受
風面積と曲率と長さとの間に適切な関係が達成される。翼の曲率は翼の長さと共
に角度αを決定する。

【００４０】流体は、初期の流速より速い速度で後縁６を通過するようになる。このことは
エジェクタ作用を発生し、そのことにより風下側における流体は後縁６を通過し
て流れる流体流れＢに沿って流れるようになる。このエジェクタ作用は翼２の風
下側に負圧を発生させ、そのことが回転翼のトルクＭ₁ をさらに強化する。

【００４１】回転軸３に沿ったすべての流体流れが、曲がり、代りに回転軸から離れる方向
に流れるので、比較的流れの無い領域すなわち後流２０が回転翼の下流側に発生
する。翼２の形状化に配慮することにより、後流２０内が完全な無風状態となる
かも知れない。図１に示めすように、後流に向かう流体流れＣがこのようにして
発生する。

【００４２】トルクＭ₁ を発生する外周方向の力Ｆ₁ による影響に加えて、どの翼もがトル
クＭ₂ を発生する力Ｆ₂ の影響も受けていて、力Ｆ₂ は翼を旋回軸８の周囲で回
動しようとする。この回動移動がステー１６により阻止されていて、そのステー
はリンク１７を介してランナー１５により拘束されている。流速が非常に速いと
、トルク力Ｍ₂ も大きくなるけれど、非常に大きなものとなるのでランナーはコ
イルばね１３の作用に抗してロッド１４に沿って移動する。

【００４３】回動作用は、翼が流体流れの曲がりを減少するようにする。というのは翼の受
風面積が小さくなるからである。つけ加えて多少の流体が、翼の先縁と翼の風下
側との間に回転軸３に近接して流されてもよくて、風下側においてかつて優勢で
あった負圧状態を消滅する。これと共にトルクＭ₁ 及びＭ₂ の減少をももたらす
。このように翼２の角度状態は自己調節式であって、角度αは、トルク力Ｍ₂ が
圧縮ばね１３のばね作用と釣り合いがとれた値となる。従って適切なばね要素の
選択が回転翼におけるトルクＭ₁ の所望する調節をもたらす。

【００４４】本発明における回転翼は、全流量が回転軸に直交する面内において接線方向に
曲がるようになっている。各々の動翼の先縁が回転軸から半径方向に突出してい
るので、図４ａ〜ｃに示めすフロー・パターンが得られていて、その図は本発明
における種々の回転翼構成を示めしている。流れに向かう動翼の延伸範囲が２５
ａ〜ｃで示めされていて、流れ方向を示めす矢印が２６ａ〜ｃで示めされている
。

【００４５】図４ａは二枚の動翼２５ａの構成を示めしている。これらの動翼に沿った流れ
２６ａは、回転軸に直交する平面内で、回転翼から対向方向に流れ出す。図４ｂ
は三枚の動翼２５ｂを示めしていて、この場合流れ２６ｂは、回転翼から１２０
°の角距離で離間した方向に流れ出す。図４ｃは前述の回転翼構成に一致してい
て、四枚の動翼２５ｃを具備している。この場合、流れ２６ｃは、回転翼から四
つの異なる方向に、流れ出す。

【００４６】図４ａ〜ｃにおける流れがある時間における状態を表示していることは役に立
つものではない。運転にあたって、流れ方向２６ａ〜ｃは回転翼の回転により漸
次変化し、原理的に連続流体が回転軸からあらゆる方向に流れ出す結果となって
いる。

【００４７】前述の特許請求の範囲内において、前述の実施の形態における多くの修正が可
能であることは理解されるであろう。しかしながら進歩性のあるアイデアは、こ
こに教示された方法で単一の湾曲した翼により、流体流れの方向を曲げるすべて
の回転翼を包含している。

【００４８】本発明による動翼における代りの、かつ好適な実施の形態の一例が図５に示め
されていて、その実施の形態は、動翼の両側面に配置されたプレート形状のカバ
ー要素２７を具備しており、バケット状構造体２８が構成されている。カバー要
素が、流体流量の大部分を翼の後縁に流し出していて、従って回転翼効率を２０
％もしくはそれ以上上げている。例示において、回転翼自身はカバープレート２
７からいくらか延伸しているけれど、この形状が限定されるものと見なされるべ
きではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明による一つの実施の形態における回転翼を通過する流れを概略的
に示めしている。

【図２】図２は本発明による一つの実施の形態における回転翼の斜視図を示めしている
。

【図３】図３は図２における回転翼の調節装置を概略的に示めしている。

【図４ａ】図４ａは本発明による回転翼の構成を概略的に示めしていて、二枚の動翼を含
んでいる。

【図４ｂ】図４ｂは本発明による回転翼の構成を概略的に示めしていて、三枚の動翼を含
んでいる。

【図４ｃ】図４ｃは本発明による回転翼の構成を概略的に示めしていて、四枚の動翼を含
んでいる。

【図５】図５は本発明による一つの実施の形態における動翼を概略的に示めしている。

───────────────────────────────────────────────────── 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，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】流れ方向（Ａ）に流れている流体中で回転することを意図し
た回転翼であって、回転軸（３）の周囲で回転するべく配置された、少なくても
二枚かつ最大でも四枚の動翼（２）を具備する回転翼において：各々の該動翼（２）が、単一の湾曲面を構成し、その湾曲面の母線は該回転軸
に直交する平面内で延伸することと；該動翼（２）が先縁（５）及び後縁（６）を有していて、その先縁（５）は、
該流れ方向（Ａ）を向いており、かつ該回転軸（３）から半径方向外向きに、該
回転軸（３）に対して０°〜１０°の範囲の入口角度（ψ）を構成する平面内に
延伸しており、その後縁（６）は、該先縁（５）から下流側に配置され、かつ該
回転軸（３）に対して８０°〜１００°の範囲の出口角度（δ）を構成する平面
内に延伸していることと、該先縁と該後縁とを相互に結ぶ仮想平面（７）が該回転軸に対し鋭角（α）を
形成していることと；各々の該動翼が、該鋭角（α）を調節するために、回動移動するべく旋回軸（
８）の周囲に回動可能に取りつけられていて、該旋回軸（８）は、該回転軸（３
）に直交する平面内で延伸し、かつ該回転軸（３）から放射状に延伸している仮
想半径（９）に対して、平行でかつ距離（ｄ）だけ離間していることと、を特徴としている回転翼。
【請求項２】該鋭角（α）が、３０〜５０度の範囲であって、好ましくは
約４５°であるところの、請求項１に記載の回転翼。
【請求項３】該動翼が、流速に対して自動的に該鋭角（α）を調節するた
めに、該旋回軸の周囲を回転するべくスプリング入りであるところの、請求項１
または２に記載の回転翼。
【請求項４】四枚の動翼（２）を具備する、請求項１〜３のいずれか一項
に記載の回転翼。
【請求項５】各々の該動翼（２）が長方形面であるところの請求項１〜４
のいずれか一項に記載の回転翼。
【請求項６】該回転翼が風力を取り出すために使用されるところの、請求
項１〜５のいずれか一項に記載の回転翼。
【請求項７】該回転翼が水力を取り出すために使用されるところの、請求
項１〜５のいずれか一項に記載の回転翼。