JP2005030317A - 七円弧薄型翼 - Google Patents

Abstract

【課題】風車や水車、航空機その他の翼の形状に関し、最も実用的で有効な翼形状を実現する。
【解決手段】風車、水車、航空機その他の薄型翼であって、最大７個の円弧によって構成され、翼の前縁の断面形状がほぼ円状又は楕円状に形成されている。前記翼の翼面の少なくとも表面側に翅脈状の凸紋様が形成されており、前記の前縁の断面形状がほぼ円状又は楕円状の部分と翼面との間が凹曲面となっている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、風車や水車、航空機その他の翼の形状に関する。

従来は翼型といえば、ＮＡＣＡ、ＮＰＬ、ゲッチンゲン系統翼型のように「厚肉翼型」が一般的であり、欧米では様々な系統翼型に対して膨大な理論的実験的な研究が積み重ねられ、その成果が航空機主翼を始め各種流体機械の要素であるブレードの型として活用されてきている。例えば、最近注目を集めている風力発電機の回転翼もその型の多くが航空機用に開発された「厚肉翼」系統のそれを転用したものと言える。

しかし、風車ブレードに厚肉翼型を採用した場合、大型機になるほどブレード重量およびその遠心力が著しく増加して、開発・設計上の大きな難点として浮上してきている。

一方、平板翼、円弧翼等の「薄肉翼型」も以前より知られていたが、これらは専ら理論的に、例えば厚さゼロの平板翼、円弧翼としてその性能を解析するために用いるか、あるいは実用的にはブリキ板等に反り（曲率）を持たせ「低コスト翼」として、いわば代用的・簡便翼型として使用されるに過ぎなかった。

これら「薄肉翼型」は理想流体力学の理論によれば十分に高い揚力を発生させるものの、そのまま実用に供した場合、小さな迎え角においても翼前縁の鋭さのために流れが翼表面よりはく離してしまい、翼が失速しやすいことが良く知られた欠点であった。

しかし、次項に述べるように本発明者らは、薄肉翼型のこの欠点は前縁近傍にわずかに略楕円状の形状を付加することによって大きく改善されることを理論的、実証的に明らかにしたものである。事実、本発明につながるものとして本発明者らは、特願2001−298615号において、「任意の翼型の後縁にできるだけ薄い板を取付けるか、あるいは翼後縁をできるだけ薄く延ばすことを特徴とする翼型」を提案している。

本発明者らは、小型風力発電機の開発研究に取り組む中で「超軽量で安全」な風車用ブレード開発の必要性を痛感し、それを考究することによって今回の発明に到達した。具体的には、例えば「コウノトリの高性能飛翔翼」翼型を、数値解析的に調べることによって、翼型は必ずしも厚肉翼である必要性は無く、「最大７個の円弧の組み合わせにより、翼の前縁近傍にのみ適当な丸み（厚さ）を持たせ、その他の大部分は１つの薄肉円弧翼で構成」して良いとの知見に達した。

また、同じく自然界に多く見られる、昆虫（例えばトンボ）の翅脈、植物（例えば飛翔する楓の実の）葉脈等にヒントを得て、当該薄肉翼に葉脈あるいは翅脈状紋様の突起を与え、翼強度を増加させると同時に翼性能を向上させ得るとの結論に到達したものである。

本発明の技術的課題は、このような考察に基づき、最も実用的で有効な翼形状を実現することにある。

本発明の技術的課題は次のような手段によって解決される。請求項１は、風車、水車、航空機その他の薄型翼であって、最大７個の円弧によって構成され、翼の前縁の断面形状がほぼ円状又は楕円状に形成されていることを特徴とする翼である。

このように、薄型翼において、翼の前縁を円状又は楕円状に形成してあるため、翼の薄型化と軽量化が可能となり、新しい高性能の薄型翼を実現できる。すなわち、薄型翼であるにもかかわらず、はく離現象の生じない、安定した翼となる。

請求項２は、請求項１に記載の翼の翼面の少なくとも表面側に翅脈状の凸紋様が形成されていることを特徴とする翼である。

このように、前縁が円状又は楕円状の翼の翼面の少なくとも表面側に翅脈状の凸紋様が形成されているため、翼の薄型化と軽量化が可能なことに加えて、新しい高性能の薄型翼を実現できる。すなわち、翼面の少なくとも表面に翅脈状の凸紋様を形成してあるため、流体力学的に翼性能を向上させることができるとともに、薄型翼の強度を増すことができる。

請求項３は、請求項１または請求項２に記載の翼の前縁の断面形状がほぼ円状又は楕円状の部分と翼面との間が凹曲面となっている翼形状である。

このように、翼前縁の断面形状が円状又は楕円状の部分と翼面との間を、翼表面側も翼裏面側も凹曲面に形成してあるため、円状又は楕円状の翼前縁と薄い翼面との間において、徐々に厚みを変えることができ、機械的強度の低下を来すことがなく、デザイン的にも遜色が無い。

請求項１のように、薄型翼において、翼の前縁を円状又は楕円状に形成してあるため、翼の薄型化と軽量化が可能となり、新しい高性能の薄型翼を実現できる。すなわち、薄型翼であるにもかかわらず、はく離現象の生じない、安定した翼となる。

請求項２のように、前縁が円状又は楕円状の翼の翼面の少なくとも表面側に翅脈状の凸紋様が形成されているため、翼の薄型化と軽量化が可能なことに加えて、新しい高性能の薄型翼を実現できる。すなわち、翼面の少なくとも表面に翅脈状の凸紋様を形成してあるため、流体力学的に翼性能を向上させることができるとともに、薄型翼の強度を増すことができる。

請求項３のように、翼前縁の断面形状が円状又は楕円状の部分と翼面との間を、翼表面側も翼裏面側も凹曲面に形成してあるため、円状又は楕円状の翼前縁と薄い翼面との間において、徐々に厚みを変えることができ、機械的強度の低下を来すことがなく、デザイン的にも遜色が無い。

次に本発明による翼形状が実際上どのように具体化されるか実施形態を説明する。図１は、風力発電機の風車に適用した場合の斜視図である。支柱１の上端において水平方向に旋回可能な胴体２の前端に風車３を有している。この風車３は、水平の回転軸４に１２０度間隔に翼５を有している。６は垂直尾翼である。

各翼５は、翼面５１の前縁に断面楕円形状の部分５２を一体に有している。図２はこの翼５の詳細を示す平面図であり、一見すると、とんぼの羽根状をしている。すなわち、翼面５１には、翅脈状の凸紋様を形成してある。裏面は図示されていないが、裏面にも同様に翅脈状の凸紋様を形成してもよい。

この翼面５１の前縁５２に沿って断面楕円形状に形成してある。翼面５１の付け根の部分５３は、翼軸４への取付けを考慮して、固定ブラケット５３を設けてあるが、この固定ブラケット５３を設けないで、翼面５１の付け根側を翼軸４に直接溶接したりして固定してもよい。翼面５１は、固定ブラケット５３側の前後方向の幅を小さくしてあるが、固定ブラケット５３まで同じサイズにしてもよい。なお、翅脈状の凸紋様は、翼面５１の付け根近傍の部分５４にまで設ける必要はなく、凸紋様の無い薄板のままでもよい。

図３は図２の翼５におけるＡ−Ａ方向の拡大断面図であり、薄型の翼面５１の前縁５２が断面楕円状になっている。この断面楕円状の前縁５２は中実であってもよいが、軽量化のためには図示のような中空形状がよい。この翼５を風車のブレードとして使用する際は、この前方丸み部分にパイプを挿通して、ブレード主軸とすることもできる。

翼面５１と前縁５２からなる翼５は、Ｒ１〜Ｒ７の７円弧からなっている。そして、７円弧の凹凸関係は、ほぼ図示のとおりであり、寸法比も概略図示のとおりである。図３の例では、翼面５１は１円弧状であり、前縁５２は５円弧で丸みをつけた構成になっている。

翼面５１の凸曲面状の表面とその裏側の凹曲面側を構成するＲ１とＲ７は常に厚さｔ（１〜数ｍｍ）だけ半径の異なる同心円の一部である。いま、Ｒ１＝Ｒ７＝∞の場合は、図４のような平板翼となる。すなわち、平板翼５１の前縁５２に丸みを付与した形状となる。この場合は、上下対称形状の翼になる。

この断面楕円状の前縁５２を詳述すると、Ｒ１・Ｒ７は翼上下の基本円弧面、Ｒ２・Ｒ６は凹曲面、Ｒ３・Ｒ５は凸曲面、Ｒ４は前縁凸曲面である。すなわち、楕円の短円部をＲ３とＲ５で構成し、このＲ３とＲ５の間のＲ４の部分を、翼面５１とは反対側の長円とする。

したがって、Ｒ１・Ｒ７は翼上下の基本円弧面であり、Ｒ４を前縁５２の前縁凸曲面とし、Ｒ３・Ｒ５を前縁５２の上下の凸曲面とすると、Ｒ２・Ｒ６は基本円弧面Ｒ１・Ｒ７と凸曲面Ｒ３・Ｒ５間の凹曲面となる。そして、Ｒ１＝Ｒ７＝∞、Ｒ２＝Ｒ６、Ｒ３＝Ｒ５のような特別な場合が、図４のような対称翼となる。なお、前縁５２は、楕円状に代えて、円状にすることも可能である。

翼面５１は薄翼であるから、翼の弦長（コード長）Ｌと翼面５１の厚みｔの比は、風車の場合、数１０〜１００倍程度になる。前縁５２の最大厚Ｔと弦長Ｌの比（厚み比）が重要であるが、図示の例では0.１程度となる。

図３の形状は、コウノトリの主翼断面図を検討し、参考にしたものである。すなわち、前縁５２の丸みは、楕円状に接する様に作図するが、図示のような寸法比（Ｗ＞Ｔ）を考えている。実例を挙げると、Ｌ＝１００ｍｍに対し、Ｔ＝１０ｍｍ、Ｗ＝１５ｍｍ程度となる。

そして、翼面５１の表面と前記の上側の短円部Ｒ３の間を凹曲面Ｒ２とし、翼面５１の裏面と前記の下側の短円部Ｒ５の間を凹曲面Ｒ６とする。このように、前縁５２の断面楕円状の部分と翼面５１との間において、表裏両側を凹曲面Ｒ２、Ｒ６にすると、翼面５１と断面楕円状部との間の厚み寸法が漸次変化することになるので、機械的な強度の低下も防げる。

凹曲面にしないで、鎖線のような直線状にすると、傾斜面と翼面５１との境界部で曲率が急変し、応力集中による折損などの危険があるが、前記のように凹曲面にすると、応力集中を防止できる。直線状にした場合に比べて、翼面５１の薄型部の面積もより広くできる。

このように、コウノトリの主翼断面形状を参考にして前縁５２を断面楕円状又は円状にしてあるので、翼面５１の薄型化と翼５全体の軽量化が可能となる。特に、空気力学的に、高性能を実現できる。

図５〜図７は、平板翼と七円弧対称翼の翼性能をそれぞれ比較検討する理論計算結果であり、図５は平板翼と七円弧対称翼の形状を示し、図６は平板翼と七円弧対称翼の翼表面の圧力（係数）分布を示し、図７は平板翼と七円弧対称翼の揚力係数と迎え角との関係を示す。

図８〜図１０は、円弧翼と七円弧薄型翼の翼性能をそれぞれ比較検討する理論計算結果であり、図８は円弧翼と七円弧薄型翼の形状を示し、図９は円弧翼と七円弧薄型翼の翼表面の圧力（係数）分布を示し、図１０は円弧翼と七円弧薄型翼の揚力係数と迎え角との関係を示す。

揚性能を決定するのは結局揚力係数の勾配ｄｃＬ／ｄα（図７と図10）であるが、理想流体力学の範囲、すなわち前述の失速現象の生じない限り、では薄型翼の間には性能差はみられない。

ただし、迎え角１０°の場合の計算例（図６と図９）において、翼前縁近傍の翼上面（負圧面）側圧力分布に、薄型翼と七円弧翼とで著しい違いがあることを確認できる。

すなわち、平板翼と円弧翼の前縁近傍翼上面においてはいずれもｃｐが−∞から急上昇していることがわかり、七円弧翼ではそれが大きく緩和されている。

この急峻な圧力勾配「ｄｃｐ／ｄｘ」が翼表面からの流れのはく離すなわち翼失速の原因であるから、本発明による翼の効果は明らかであると言える。

次に、薄型の翼面５１は、図２で表現してあるように、翼面５１の表面側に翅脈状の凸紋様を形成してある。この翼面５１の裏面側も同様に翅脈状の凸紋様を形成してもよい。凸紋様の突出量は0.5 〜10ｍｍ程度が適している。

最近テレビ等で紹介されているように、カエデの”飛種子”は、ヘリコプターのように回転飛行することが知られているが、その翼表面に翅脈（または葉脈とも言う）があることによって、”揚力”を大きくすることが確認されている。専門的には、翅脈（または葉脈）が「翼表面の境界層流れに作用して、翼性能を向上させる」ことが推定されている。加えて、トンボの翼（羽根）の場合、強度的にも有利であることは言うまでもない。

このような理由から、風車、水車、航空機、その他の各種翼の表側又は裏側の表面に翅脈状の凸紋様を形成することによって、揚力の発生その他の空気力学的な効果を奏する。したがって、翼の前縁を断面楕円状に形成したことと相まって、翼５全体の薄型化と軽量化、翼の性能向上に寄与できる。

前記のように、翼の弦長Ｌ＝１００ｍｍ、Ｔ＝１０ｍｍ、Ｗ＝１５ｍｍ程度とした場合、翼面５１の厚さｔ＝１〜数ｍｍとし、現在開発中の３枚翼（水平軸）小型風車のブレードとして実施を計画中である。３ｋＷ機とした場合、翼５すなわちブレード１枚の長さを１.8ｍとする。

なお、断面楕円状の前縁５２は、翼の前縁の全長に設けてもよいが、部分的に一部のみに設けることもできる。また、部分的に設ける場合、どの位置を断面楕円状にするかも自由である。

本発明を風力発電機の風車に適用した場合の斜視図である。 翼の詳細を示す平面図である。 図２のＡ−Ａ拡大断面図である。 翼面の別の実施形態を示す断面図である。 平板翼と七円弧対称翼の形状を示す図である。 平板翼と七円弧対称翼の翼表面の圧力（係数）分布を示す図である。 平板翼と七円弧対称翼の揚力係数と迎え角との関係を示す図である。 円弧翼と七円弧薄型翼の形状を示す図である。 円弧翼と七円弧薄型翼の翼表面の圧力（係数）分布を示す図である。 円弧翼と七円弧薄型翼の揚力係数と迎え角との関係を示す図である。

符号の説明

１ 支柱
２ 胴体
３ 風車
４ 回転軸
５ 翼
５１ 翼面
５２ 断面楕円状の前縁
５３ 付け根部分
６ 垂直尾翼
Ｒ１・Ｒ７ 翼面上下の基本円弧面
Ｒ２・Ｒ６ 上下の凹曲面
Ｒ３・Ｒ５ 上下の凸曲面
Ｒ４ 前縁凸曲面

Claims (3)

1. 風車、水車、航空機その他の薄型翼であって、最大７個の円弧によって構成され、翼の前縁の断面形状がほぼ円状又は楕円状に形成されていることを特徴とする翼。
2. 前記翼の翼面の少なくとも表面側に翅脈状の凸紋様が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の翼。
3. 前記翼の前縁の断面形状がほぼ円状又は楕円状の部分と翼面との間が凹曲面となっていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の翼。

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