JP2003293937A

JP2003293937A - 垂直軸風車のブレード構造

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Publication number: JP2003293937A
Application number: JP2002100775A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Kimura; 村克己木; Yoshihiko Ando; 藤嘉彦安; Kenji Ichihara; 原堅治市; Masaaki Imafuku; 福賢明今; Kazuya Hirata; 田和也平
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2002-04-03
Filing date: 2002-04-03
Publication date: 2003-10-15

Abstract

(57)【要約】【課題】垂直軸風車のブレードの変形を抑制すること
が出来る様なブレード構造の提供。【解決手段】ブレード（３０）中に補強部分として機
能する区画（４０）を設け、該区画は、ブレード全体の
変形量を減少せしめる様に配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転軸が垂直方向
に延在している垂直軸風車に関し、より詳細には、垂直
軸風車のブレードの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１、図２には、係る垂直軸風車が示さ
れている。図１、図２は本発明の実施形態の図面である
が、従来技術と共通する内容について説明するためにの
み、ここでは参照する。

【０００３】図１において、全体を符号１０で示す垂直
軸風車は、羽根車部分１２と、回転軸部分１４と、図示
しない発電設備を内蔵する発電部１６と、基台部１８、
とから構成されている。ここで、回転軸部分１４は、回
転軸２２と、回転軸２２及びそれを支持する軸受（図示
せず）をカバーするケーシング２４、とを備えている。

【０００４】羽根車部分１２は、ブレード３０と、ブレ
ード３０を回転軸２２（或いは、ケーシング２４）に対
して支持するためのブレード支持部材３２、とを有して
いる。ブレード支持部材３２は、上方からそれぞれ符号
３２−１、３２−２、３２−３で示されている。換言す
れば、図１において、符号３２はブレード支持部材３２
−１、３２−２、３２−３を包括的に示す記号である。

【０００５】従来のブレード３０が図５で示されてい
る。ブレード３０は、薄肉、中空形状に構成されてお
り、例えば繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製である。

【０００６】ブレード３０内の空間３０Ｉには、ブレー
ド３０の剛性を高めたり、断面２次モーメントを増加す
る等の作用を奏する補強材（例えばリブ等）は、設けら
れていない。そのため、従来のブレード３０は、外力が
付加された場合に、変形してしまう。

【０００７】風速が増加して、垂直軸風車１０の羽根車
部分１２（図１）の回転速度が上昇すると、ブレード３
０は全体が図６で表現する様な挙動を示す。図６におい
て、垂直軸風車１０（図６では、ブレード３０と３本の
ブレード支持部材３２−１〜３２−３のみが示されてい
る）が停止している状態のブレードの位置３０−１が、
点線で示されている。

【０００８】垂直軸風車が回転すると、ブレード３０に
遠心力が付加されるので、ブレード３０は半径方向（図
６の矢印Ｒ方向）外方（図６では左下側）へ移動しよう
とする。しかし、ブレード支持部材３２−１、３２−
２、３２−３は、半径方向Ｒについては変位しないの
で、ブレード３０とブレード支持部材３２との接合箇所
（支持部材３２により、アーム３０を支持する箇所）Ｊ
の位置（半径方向Ｒにおける位置）は殆ど変位しない。

【０００９】ブレード３０全体は遠心力の作用により半
径方向外方に移動しようとするのに対して、前記接合箇
所Ｊの半径方向位置が不変である結果として、ブレード
３０は全体が波型に変形し、接合箇所Ｊの間の箇所（図
６では符号３０Ｍで示す領域）が最も半径方向Ｒ外方に
撓む、或いは変形することとなる。その様な状態のブレ
ードの位置３０−２が、図６では実線で示されている。

【００１０】係る半径方向外方への変形（撓み）の代償
として、ブレード３０における符号３０Ｍで示す領域、
特にその半径方向内方（図６では右上側）の面におい
て、圧縮応力が発生し、ブレード３０を破損する可能性
が存在する。

【００１１】さらに、風車の回転による遠心力を受けて
半径方向（図６のＲ方向）外方に撓んだブレードに対し
ては、図７で示す様に、捩れが作用する。図７におい
て、風車回転前のブレードの位置が符号３０−１で示さ
れている。そして、遠心力により半径方向外方（図７で
は上方）の力のみが作用して、捻り力は付加されない、
と仮定した場合の仮想的なブレード位置が、図７では点
線で示されており、符号３０−１２が付されている。

【００１２】しかし、実際には、遠心力により半径方向
外方へ変形したブレードは、「捻り」も受けるので、ブ
レードは、符号３０−２で示す様な位置に変形する。換
言すれば、遠心力を受けて変形したブレード（位置３０
−２のブレード：中心線Ｃ２）は、捻りを受けないと仮
定したブレード（位置３０−１２のブレード：中心線Ｃ
１）に対して、角度φだけ傾斜するのである。

【００１３】この様な捩れ変形も、半径方向外方（図７
では上方）への撓み変形と共に、ブレード３０に対して
応力を付加することになり、最悪の場合には、ブレード
が損傷する可能性がある。

【００１４】垂直軸風車のブレード３０と同様な形状を
している航空機の主翼が、図８で示されている。図８で
示す様に、航空機主翼５０は、風車のブレード３０に比
較して肉厚が大きく、しかも、補強用のリブ５２、５３
が設けられている。そのため、主翼５０の変形が抑制さ
れ、破損が防止されている。係る原理を垂直軸風車に利
用した技術が、図９で示されている。

【００１５】図９において示すブレード６０は、その内
部に補強用の薄肉中空パイプ状部材７０が挿入されてい
る。ここで、パイプ状部材７０の挿入位置は、辺７０
Ｆ、７０Ｒが、図８の補強用リブ５２、５４と対応する
位置となる様に、設定されている。具体的には、ブレー
ド前縁部６０Ｆから辺７０Ｆまでの距離ＬＦは、ブレー
ド長さＬの２０％程度、ブレード後縁部６０Ｒから辺７
０Ｒまでの距離ＬＲは、ブレード長さＬの５９％程度と
されている。

【００１６】しかし、図９で示したような構造では、プ
レード６０の変形量は、図５で示す従来のブレードと殆
ど変化せず、破損の可能性も減少していないことが確認
された。換言すれば、図８で示す様な航空機主翼と相似
する形状、或いは構造を垂直軸風車のブレードに適用し
ても、ブレード変形の防止は出来ないことが、確認され
たのである。

【００１７】ブレード６０は、辺７０Ｒで支えられてい
る領域からブレード後縁部６０Ｒまでの距離が長く、そ
のため、ブレード後縁部６０Ｒ側領域の変形、振動が十
分に抑制されていないことが原因であると推測される。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上述した従来
技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、垂直軸風
車のブレードの変形を抑制することが出来る様なブレー
ド構造の提供を目的としている。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明の垂直軸風車のブ
レード構造は、ブレード中に補強部分として機能する区
画を設け、該区画は、ブレード全体の変形量を減少せし
める様に配置されていることを特徴としている（請求項
１）。

【００２０】また、本発明の垂直軸風車のブレード構造
は、ブレードの内部空間を複数の空間に分割し、該複数
の空間を仕切る隔壁が補強材として作用する様に構成さ
れていることを特徴としている（請求項２）。

【００２１】本発明の垂直軸風車は、補強部分として機
能する区画を内部空間中に設け、該区画はブレード全体
の変形量を減少せしめる様に配置されているブレードを
備えたことを特徴としている（請求項３）。

【００２２】或いは本発明の垂直軸風車は、内部空間を
複数の空間に分割し、該複数の空間を仕切る隔壁が補強
材として作用する様に構成されているブレードを備えた
ことを特徴としている（請求項４）。

【００２３】係る構成を具備する本発明によれば、ブレ
ードの内部空間における特定の区画（例えば、中空状の
薄肉パイプ４０）、或いは、空間同士を仕切る隔壁（ブ
レード補強用リブ１４０Ｆ、１４０Ｒ）が、ブレードの
補強材として機能して、ブレードの断面２次モーメント
を増加し、ブレードの剛性を高める作用を奏する。これ
により、ブレードの変形が防止或いは抑制されるのであ
る。

【００２４】本発明の垂直軸風車のブレード構造を実施
するに際して、プレード内部空間を３つの区画に分割し
た場合には、前記特定の区画（例えば、中空状の薄肉パ
イプ４０）、或いは、空間同士を仕切る隔壁（ブレード
補強用リブ１４０Ｆ、１４０Ｒ）におけるブレード後縁
側の位置は、ブレード後縁部からブレード長さ（Ｌ）の
２７％〜３８％の距離（ＬＲ）だけ離隔しているのが好
ましい。

【００２５】この距離（ＬＲ）が短過ぎると、係る特定
の区画或いは隔壁をブレード内部空間（３０Ｉ）に挿入
或いは加工することが、困難である。一方、この距離
（ＬＲ）が長過ぎると、ブレード後縁部側の補強されて
いない領域が長くなり過ぎて、ブレード全体の変形を減
少することが困難となる。

【００２６】また、本発明の垂直軸風車のブレード構造
を実施するに際して、プレード内部空間を３つの区画に
分割した場合には、前記特定の区画（例えば、中空状の
薄肉パイプ４０）、或いは、空間同士を仕切る隔壁（ブ
レード補強用リブ１４０Ｆ、１４０Ｒ）におけるブレー
ド前縁側の位置は、ブレード前縁部から、ブレード長さ
（Ｌ）の２５％〜４３％の距離（ＬＦ）だけ離隔してい
るのが好ましい。

【００２７】この距離が短過ぎると、図９で示す従来技
術との差異が無くなり、ブレードの強度を向上出来な
い。一方、この距離が長過ぎると、ブレード前方におけ
る補強されていない領域が大きくなり過ぎて、ブレード
全体の変形を抑制することが出来なくなる。

【００２８】本発明の垂直軸風車のブレード構造を実施
するに際して、プレード内部空間を３つの区画に分割し
た場合には、前記特定の区画（例えば、中空状の薄肉パ
イプ４０）、或いは、空間同士を仕切る隔壁（ブレード
補強用リブ１４０Ｆ、１４０Ｒ）間の長さ（ＬＳ）は、
ブレード長さ（Ｌ）の１９％〜４８％であるのが好まし
い。

【００２９】この距離（ＬＳ）が短過ぎると、プレード
の前方領域及び／又は後方領域が長くなり過ぎて、ブレ
ードの変形量を減少することが出来なくなる。一方、こ
の距離が長過ぎると、前記特定の区画或いは隔壁の位置
がブレード前方縁部或いは後方縁部に近接し過ぎてしま
うので、ブレード内部空間内に加工することが困難とな
る。

【００３０】上述した本発明によれば、ブレードの変形
が抑制或いは防止される結果、座屈強度が向上する。ま
た、より早い風速に耐えることが出来るようになり、定
格風速が向上する。

【００３１】本発明において、ブレードの内部空間は、
３区画に分割できるのみならず、２区画に分割すること
が可能であり、或いは、４区画以上に分割することも出
来る。

【００３２】

【発明の実施の形態】以下、図１〜図３を参照して、本
発明の実施形態について説明する。図１および図２は、
本発明を実施する垂直軸風車を示している。

【００３３】図１において、全体を符号１０で示す垂直
軸風車は、羽根車部分１２と、回転軸部分１４と、図示
しない発電設備を内蔵する発電部１６と、基台部１８、
とから構成されており、地盤Ｇ上に建造されている。こ
こで、回転軸部分１４は、回転軸２２と、回転軸２２及
びそれを支持する軸受（図示せず）をカバーするケーシ
ング２４、とを備えている。また、基台部１８は、図示
しない基礎構造により、地盤Ｇに対して強固に建造され
ている。

【００３４】羽根車部分１２は、ブレード３０と、ブレ
ード３０を回転軸２２（或いは、ケーシング２４）に対
して支持するためのブレード支持部材３２、とを有して
いる。図２で示す様に、ブレード３０は３本設けられて
いる。再び図１において、ブレード支持部材３２は、上
方からそれぞれ符号３２−１、３２−２、３２−３で示
されている。換言すれば、図１において、符号３２はブ
レード支持部材３２−１、３２−２、３２−３を包括的
に示す記号である。

【００３５】図１で示す垂直軸風車では、ブレード支持
部材３２−１、３２−２は、接続部材３４−１、３４−
２により、回転軸２２と一体的に接合されている。これ
に対して、最下方のブレード支持部材３２−３のみは、
回転軸２２をカバーするケーシング２４に対して、軸受
３６により、回転自在に取り付けられている。ケーシン
グ２４よりも上方の領域を出来る限り小さくして、垂直
軸風車全体の安定性を向上させるためである。もちろん
本発明は、全てのブレード支持部材３２−１、３２−
２、３２−３が回転軸２２に接合されているタイプであ
っても、適用可能である。

【００３６】以上説明した内容は、従来技術と同様であ
る。しかし、本発明は、図３以降を参照して説明する内
容について、特徴を有している。図３において、本発明
の実施形態に係るブレードは、符号「３０Ｐ」で示され
ている。図３で示す様に、本発明に係るブレード３０Ｐ
の内部空間３０Ｉ中には、断面形状が概略四角形（矩
形）の中空パイプ４０が挿入されており、該中空パイプ
４０の厚さ寸法が符号ｔで示されている。

【００３７】この中空パイプ４０は、ブレード３０Ｐの
内部空間３０Ｉに容易に挿入或いは嵌合される様に構成
されており、中心線Ｃに対して直角な辺４０Ｆ、４０Ｒ
がブレードの補強用リブとして作用する。そして、辺４
０Ｆ、４０Ｒが補強用リブとして作用する結果、ブレー
ド３０Ｐは、従来技術の様な変形が抑えられる。図３の
実施形態の場合、変形量は従来技術の約６０％程度まで
減少することが、実験的に確認されている。

【００３８】ここで、中空パイプ４０のブレード後縁３
０Ｒ側（図３中左側）の位置は、ブレード３０の後縁部
３０Ｒからブレード長さＬの２７％〜３８％離隔してい
る。すなわち、ブレード後縁部３０Ｒから中空パイプ４
０の後縁側４０Ｒからの距離ＬＲは、ブレード長さＬの
２７％〜３８％に設定されている。ここで、図３から明
らかな様に、ブレード長さＬ及び距離ＬＲはブレードの
中心線Ｃと平行な方向の長さであり、ブレード３０Ｐの
進行方向Ｇと平行な方向の長さである。

【００３９】ブレード後縁部３０Ｒからブレード長さＬ
の２７％未満の領域は、ブレード後縁部３０Ｒに近すぎ
るので、その部分まで到達するような中空パイプ４０を
ブレード内部空間３０Ｉに挿入することは、困難であ
る。一方、中空パイプ４０後縁部３０Ｒ側の辺４０Ｒの
位置が、ブレード後縁部３０Ｒからブレード長さＬの３
８％よりも隔離すると、図９で示す従来技術と同様に、
ブレード後縁部３０Ｒ側の補強されていない領域が長く
なり過ぎて、ブレード全体の変形を減少することが困難
となる。

【００４０】また、中空パイプ４０の前方側辺４０Ｆ
は、ブレード３０Ｐの前縁部３０Ｆから、ブレード長さ
Ｌの２５％〜４３％離隔している。換言すれば、ブレー
ド前縁部３０Ｆから中空パイプ前方辺４０Ｆまでの距離
ＬＦは、ブレード長さＬの２５％〜４３％となる様に設
定されている。

【００４１】ブレード前縁部３０Ｆからブレード長さＬ
の２５％よりも近接した領域に中空パイプ４０の前方辺
４０Ｆを配置したのでは、中空パイプ４０がブレード前
縁３０Ｆに近接し過ぎるので、図９で示す従来技術との
差異が無くなり、ブレード３０Ｐの強度を向上出来な
い。一方、ブレード前縁部３０Ｆから前方辺４０Ｆをブ
レード長さＬの４３％よりも離隔した場合は、ブレード
前縁３０Ｆからあまりに離隔し過ぎることとなり、ブレ
ード３０Ｐの前方における補強されていない領域が大き
くなり過ぎて、ブレード３０Ｐ全体の変形を抑制するこ
とが出来なくなる。

【００４２】さらに、中空パイプ４０のブレード進行方
向（中心線Ｃに平行な方向）長さＬＳは、ブレード長さ
Ｌの１９％〜４８％であるのが好ましい。

【００４３】中空パイプ４０のブレード進行方向長さＬ
Ｓがブレード長さＬの１９％未満であれば、プレード３
０Ｐの前方領域及び／又は後方領域が長くなり過ぎて、
ブレード３０Ｐの変形量を減少することが出来なくな
る。一方、中空パイプ４０のブレード進行方向長さＬＳ
がブレード長さＬの４８％よりも長ければ、中空パイプ
４０の前方辺４０Ｆ及び／又は後方辺４０Ｒがブレード
前方縁部３０Ｆ及び／又は後方縁部３０Ｒに近接し過ぎ
ることとなり、加工が困難となる。

【００４４】なお、図３において、中空パイプ４０をブ
レード内部空間３０Ｉに挿入・嵌合したことにより、ブ
レード内部空間が３つの区画に分割されたこととなる
が、本発明は、ブレード内部空間を２つの区画に分割す
る場合にも、４つ以上の区画に分割する場合にも適用可
能である。

【００４５】図４は、図３とは異なる実施形態を示して
いる。図３においては、ブレード内部空間３０Ｉに中空
パイプ４０を挿入・嵌合して、中空パイプ４０の辺４０
Ｆ、４０Ｒを補強リブとして作用させている。これに対
して、図４の第２実施形態では、ブレード１３０の内部
空間１３０Ｉに、２本の補強用リブ１４０Ｆ、１４０Ｒ
を形成している。

【００４６】２本の補強用リブ１４０Ｆ、１４０Ｒを形
成した結果、ブレード１３０の変形量が減少し、応力集
中による破損の恐れが解消する。

【００４７】補強用リブ１４０Ｆ、１４０Ｒの設置位置
は、図３の中空パイプ４０の前方辺４０Ｆと後方辺４０
Ｒの位置と同様に設置されている。すなわち、補強用リ
ブ１４０Ｒは、ブレード１３０の後縁部１３０Ｒからブ
レード長さＬの２７％〜３８％に設定されている。すな
わち、ブレード後縁部１３０Ｒからリブ１４０Ｒまでの
距離ＬＲは、ブレード長さＬの２７％〜３８％に設定さ
れている。

【００４８】また、補強用リブ１４０Ｆは、ブレード１
３０の前縁部１３０Ｆから、ブレード長さＬの２５％〜
４３％離隔した位置に設けられている。換言すれば、ブ
レード前縁部１３０Ｆから補強用リブ１４０Ｆまでの距
離ＬＦは、ブレード長さＬの２５％〜４３％となる様に
設定されている。

【００４９】補強用リブ１４０Ｆ、１４０Ｒの位置を上
述した様に設定した理由については、図３のブレード３
０Ｐ内の中空パイプ４０の位置設定の理由と同様であ
る。図４の実施形態においても、図３と同程度まで、ブ
レード変形量が減少した。

【００５０】なお、図４では補強リブが２本設けられて
いるが、補強リブの本数はこれに限定されるものではな
い。換言すれば、本発明は、補強リブが２本であって
も、３本以上であっても、適用可能である。

【００５１】図示の実施形態はあくまでも例示であり、
本発明の技術範囲を限定する趣旨の記述ではない旨を付
記する。例えば、図示の実施形態では、ブレードの内部
空間を３つの区画に分割しているが、２つの区画に分割
しても良いし、或いは、４区画以上に分割した場合であ
っても、本発明の技術範囲によりカバーされる。また、
ブレードの本数も３本には限定されない。

【００５２】

【発明の効果】本発明の作用効果を以下に列挙する。（１）ブレードの変形量を減少することが出来る。（２）変形量を減少することにより、ブレードの破損
を防止することが出来る。（３）垂直軸風車の定格回転数、定格風速を、増加さ
せることが出来る。その結果、定格出力を上昇させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用される垂直軸風車の正面図。

【図２】図１で示す垂直軸風車の羽根車部分の平面図。

【図３】本発明の第１実施形態に係るブレードの断面
図。

【図４】本発明の第２実施形態に係るブレードの断面
図。

【図５】従来のブレードの断面図。

【図６】風車回転時における従来のブレードの挙動を示
す部分斜視図。

【図７】風車回転時における従来のブレードの変形状態
を示す断面図。

【図８】航空機主翼の１例を示す断面図。

【図９】図５で示すのとは異なる従来のブレードを示す
断面図。

【符号の説明】

１０・・・垂直軸風車１２・・・羽根車部分１４・・・回転軸部分１６・・・発電部１８・・・基台部Ｇ・・・地盤２２・・・回転軸２４・・・ケーシング３０、６０、３０Ｐ、１３０・・・ブレード３２、３２−１、３２−２、３２−３・・・ブレード支
持部材３０Ｉ、１３０Ｉ・・・ブレードの内部空間３０Ｆ、６０Ｆ、１３０Ｆ・・・プレード前縁部３０Ｒ、６０Ｒ、１３０Ｒ・・・ブレード後縁部４０・・・中空パイプｔ・・・中空パイプの厚さ寸法４０Ｆ、４０Ｒ・・・中空パイプの中心線に対して直角
な辺１４０Ｆ、１４０Ｒ・・・ブレード補強用リブＬ・・・ブレード長さＣ・・・ブレードの中心線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者市原堅治東京都大田区羽田旭町11番１号株式会社荏原製作所内 (72)発明者今福賢明東京都大田区羽田旭町11番１号株式会社荏原製作所内 (72)発明者平田和也神奈川県藤沢市本藤沢４丁目２番１号株式会社荏原総合研究所内Ｆターム(参考） 3H078 AA05 AA26 BB11 BB12 CC02 CC22

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ブレード中に補強部分として機能する区
画を設け、該区画は、ブレード全体の変形量を減少せし
める様に配置されていることを特徴とする垂直軸風車の
ブレード構造。
【請求項２】ブレードの内部空間を複数の空間に分割
し、該複数の空間を仕切る隔壁が補強材として作用する
様に構成されていることを特徴とする垂直軸風車のブレ
ード構造。
【請求項３】補強部分として機能する区画を内部空間
中に設け、該区画はブレード全体の変形量を減少せしめ
る様に配置されているブレードを備えたことを特徴とす
る垂直軸風車。
【請求項４】内部空間を複数の空間に分割し、該複数
の空間を仕切る隔壁が補強材として作用する様に構成さ
れているブレードを備えたことを特徴とする垂直軸風
車。