JP2009121392A

JP2009121392A - 垂直軸風車

Info

Publication number: JP2009121392A
Application number: JP2007298062A
Authority: JP
Inventors: Kentaro Takahashi; 健太郎高橋
Original assignee: Satsuki Seisakusho Co Ltd
Current assignee: Satsuki Seisakusho Co Ltd
Priority date: 2007-11-16
Filing date: 2007-11-16
Publication date: 2009-06-04

Abstract

【課題】揚力を発生させる部分と乱流を発生させる部分とを兼用させることを課題とするものであり、さらに、翼体自体の部品点数が少なく、構造が簡単で、より安価に製作することのできる垂直軸風車を提供するものである。
【解決手段】垂直軸２に対して複数個の翼体が周方向の等分位置に回転自在に取り付けられている。翼体６は薄板で形成され、回転方向における翼体６の両側部に対して、該翼体６の中央部分が垂直軸方向全域に亘って径方向外方に向って僅かに湾曲され、垂直軸２の周りの回転方向の翼体６の側部に、垂直軸方向全域に亘って翼体の外面に向けて湾曲して形成された湾曲部９が設けられている。湾曲部９は、空気の流れの上流では揚力発生と乱流発生させる機能を兼ねる。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば、風力発電などの用途として好適で、回転軸が地面に対してほぼ垂直に設置された方式の垂直軸風車に関する。

従来提案されている垂直軸風車として、複数枚の対称翼型ブレードが、回転軸周りに配設され、該回転軸を中心に回転する垂直軸風車であって、該ブレードはその前縁に乱流形成促進部を有しているものが公知である（特許文献１）。特許文献１に記載のものは、乱流形成促進部が凹凸形状をなしているもので、ブレードの前縁近傍の層流気流が乱流となり、境界層剥離のタイミングが遅れブレードの後方にずれることにより、回転が起動され、ブレードの背面で剥離の少ない流れとなり推進力が発生し、旋回速度と流入速度の比である周速比を低く設定でき、低速でも高性能を発揮できるものである。

また、翼体に凹凸を設けることにより、境界層の剥離を空気の流れ方向の後方にずらす技術として、次のものが提案されている。例えば、ボス部周りに複数の翼を配設した軸流送風機において、各翼の負圧面の前縁部と外周部、もしくはそれらの一部に、空気の流れ方向と交差する複数の溝を形成した軸流送風機が公知である（特許文献２）。特許文献２に記載されているものは、複数の溝により、空気の流れ翼面境界層は層流から乱流への遷移が促進され、乱流境界層は層流境界層よりも剥離がしにくいために、送風性能を向上させるものである。

また、軸流送風機のファンにおいて、各々のファンブレードの先端部上下表面が細かい凹凸に仕上げられた軸流送風機のファンブレードが公知である（特許文献３）。特許文献３に記載のものは、ファンが高速回転した場合でも、細かい凹凸にあたった風が乱流に遷移し、乱流境界層を形成することで、気流の剥離をはじめる場所を流れの下流に移動させ、風特性を向上させるものである。

特開２００３−２２７４５３号公報特開２０００−１１０７９０号公報実願平１−２４１７７号のマイクロフィルム

上記特許文献１に記載されているブレードは、所謂、流線形をなしており、空気の流れに対する揚力はこの流線形によって発生させているものである。

そこで、本発明は、揚力を発生させる部分と乱流を発生させる部分とを兼用させることを課題とするものであり、さらに、翼体自体の部品点数が少なく、構造が簡単で、より安価に製作することのできる垂直軸風車を提供するものである。

請求項１に係る垂直軸風車は、垂直軸に対して複数個の翼体が周方向の等分位置に回転自在に取り付けられたものであって、上記課題を解決するために、前記翼体は薄板で形成され、回転方向における前記翼体の両側部に対して、該翼体の中央部分が前記垂直軸方向全域に亘って径方向外方に向って僅かに湾曲され、前記垂直軸の周りの回転方向の前記翼体の側部に、垂直軸方向全域に亘って前記翼体の外面に向けて湾曲して形成された湾曲部が設けられたことを特徴とする。

請求項１に係る垂直軸風車によれば、翼体の外面の一側に湾曲部を形成することで、揚力を発生させる部分と乱流を発生させる部分とを湾曲部で兼用させることができる。しかも、１枚の板を湾曲して翼体を形成できるので、翼体自体の部品点数が少なく、構造が簡単で、より安価に製作することができる。

以下、本発明の実施形態に係る垂直軸風車を示す斜視図である。垂直軸風車１は、鉛直方向に向けて垂直軸２が設置され、垂直軸２と一体に回転可能に複数個の翼体が周方向の等分位置に取り付けられ、該垂直軸２を中心に回転するものである。本実施形態では、垂直軸２の上部寄りと下部寄りにそれぞれ互いに平行にブレード支持体３，３の中央部分が該垂直軸２と一体に固着され、ブレード支持体３，３の両側先端には、翼体６を備えたブレードユニット４，４が固定されている。また、垂直軸２の下端には発電機５が設置され、垂直軸２は直接的に回転可能或いは伝達機構を介して回転可能に設置されている。なお、実施形態では、垂直軸２の周りに２つのブレードユニット４を具備した場合を示しているが、２つ以上、例えば３つ或いは４つであってもよい。

ブレードユニット４は、翼体６と、翼体６の上端部を支持する天板７と、翼体の下端部を支持する底板８で構成されている。なお、上部のブレード支持体３の両側先端部がブレードユニット４，４の各天板７，７に固定され、下部のブレード支持体３の両側先端部がブレードユニット４，４の各底板８，８に固定されている（図１参照）。

次に、本発明の特徴部分である翼体６について説明する。図２は主として翼体６を示す垂直軸風車１の平面図である。翼体６は、樹脂製あるいは金属製の薄板で構成されている。翼体６は、回転方向における翼体６の両側部に対して、中央部分が上下方向全域（垂直軸２方向全域）に亘って径方向外方に向って僅かに湾曲され、垂直軸２周りの回転方向に向いた側部に、垂直軸２方向全域に亘って、例えば、楕円の一部のように、翼体６の外面に向けて湾曲して形成された湾曲部９が設けられている。また、回転方向において後方となる他方の側部は、翼体６の内面に向けて折り返し部分（結果的に翼体６の他側縁となる）が丸みを有するようにして形成された折返部１０が設けられている。なお、図２に示すように、本実施形態では、湾曲部９は翼体６の外面の一側縁に沿った円筒形状をなしたものとなっている。しかしながら、本発明において、湾曲部９は円筒形状をなすものに限らず、回転方向における翼体６の側部に垂直軸２方向に全域に亘って湾曲部９が形成されていればよく、その後面側（翼体６の中央側）が開放されたものであってもよい。

次に、風に対する翼体６の作用について説明する。図２おいて、矢印で示すように、空気の流れの向きは右から左に向けて流れている。図２において、下側に図示されている翼体を６ａとし、上側に図示されている翼体を６ｂとする。翼体６ａは、空気の流れにおいて上流側に湾曲部９が向いており、翼体６ａの裏面を通過する空気の流れ１１ａの速さは、湾曲部９によって流れの向きが外側に向けられる翼体６ｂの外面を通過する空気の流れの速さ１１ｂよりも大きい。よって、圧力差によって空気の流れに垂直な方向に揚力が発生する。この揚力の周方向成分が回転力（回転の駆動力）となる。一方、翼体６ｂは、空気の流れにおいて下流側に湾曲部９が向いており、湾曲部９が空気の流れによって抗力を受け（１１ｃ）、抗力の周方向成分が回転力（回転の駆動力）となる。

また、図３に示すように、垂直軸風車が回転すると、低速回転時及び高速回転時の両方において、湾曲部９の後面から後方において空気の流れに乱流が発生する。このため、翼体６の外面に乱流境界層ができ上がり、境界層剥離が翼体６の後方にずれることになり、風車として高性能を発揮することができる。

図４は翼体６に対する空気の相対速度が低速である時の空気の流れを示す図である。図５は翼体６に対する空気の相対速度が高速である時の空気の流れを示す図である。なお、図４及び図５で乱流境界層は３／４円形の矢印で示されている部分である。図４に示すように、翼体６と空気との相対速度が低速である時には、乱流境界層が翼体６の外面方向に大きな厚みで形成される。これに対して、図５に示すように、翼体６と空気との相対速度が高速である時には、低速時と比較して乱流境界層が翼体６の外面方向に小さい厚みで形成される。このように、本発明の翼体６は、低速時と高速時とで乱流境界層の形状が変化し、翼体６に対する空気の相対速度に応じて最適の乱流境界層が自動的に形成されるのである。

以上に説明したように、本発明によれば、翼体の外面の一側に湾曲部９を形成することで、揚力を発生させる部分と乱流を発生させる部分とを湾曲部９で兼用させることができ、しかも、１枚の板を湾曲して翼体６を形成できるので、翼体自体の部品点数が少なく、構造が簡単で、より安価に製作することができる。

本発明の実施形態に係る垂直軸風車の斜視図である。湾曲部による揚力の発生を説明するための垂直軸風車の平面図である。湾曲部による乱流の発生を説明するための垂直軸風車の平面図である。翼体に対する空気の相対速度が低速である時の空気の流れを示す図である。翼体に対する空気の相対速度が高速である時の空気の流れを示す図である。

符号の説明

１垂直軸風車
２垂直軸
３ブレード支持体
４ブレードユニット
５発電機
６翼体
７天板
８底板
９湾曲部
１０折返部
１１ａ湾曲部が空気の上流に向いた場合の翼体裏面の空気の流れ
１１ｂ湾曲部が空気の上流に向いた場合の翼体外面の空気の流れ
１１ｃ湾曲部が空気の下流に向いた場合の湾曲部に働く空気の流れ

Claims

垂直軸に対して複数個の翼体が周方向の等分位置に回転自在に取り付けられた垂直軸風車において、
前記翼体は薄板で形成され、回転方向における前記翼体の両側部に対して、該翼体の中央部分が前記垂直軸方向全域に亘って径方向外方に向って僅かに湾曲され、前記垂直軸の周りの回転方向の前記翼体の側部に、垂直軸方向全域に亘って前記翼体の外面に向けて湾曲して形成された湾曲部が設けられたことを特徴とする垂直軸風車。