JP2009191744A - Vertical shaft wind turbine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回転軸が風向に対して垂直に設置される、いわゆる垂直軸型の風力発電用風車に係り、特に低風速域における効率と起動性及び風速変動に対する応答性に優れた小型の垂直軸型風車に関する。 The present invention relates to a so-called vertical axis type wind turbine for wind power generation in which a rotation axis is installed perpendicularly to a wind direction, and particularly, a small vertical having excellent efficiency and startability in a low wind speed region and responsiveness to fluctuations in wind speed. It relates to a shaft type windmill.
一般に、小型の風車は地上の近くで使用されることが多く、障害物によって風が遮られやすい。そのため、風向や風速の変動が非常に大きく、風速が小さい。従って、小型の風車ではレイノルズ数（Ｒｅ）が低い値となる。
翼弦長ｃのブレードを有する風車が後述する相対風速Ｗの風を受けている場合、レイノルズ数（Ｒｅ）はＷｃ／ν（νは空気の動粘性係数）で表される。例えば、回転半径０．５ｍの小型の垂直軸型風車（ブレードの翼弦長ｃ＝０．２ｍ）が風速Ｖ∞（＝６ｍ／ｓ）の風を受けて周速比（風速Ｖ∞に対するブレード先端速度の比）１．５で回転している場合には、レイノルズ数（Ｒｅ）は４０，０００〜２００，０００の範囲で変化する。このように、小型の風車のブレードは航空機等の翼に比べるとレイノルズ数（Ｒｅ）がかなり低い値となる。従って、小型の風車において効率を向上させるには、ブレードの低レイノルズ数領域における空力特性を改善するとともにブレードを軽量化することにより、回転効率と起動性及び風速変動に対する応答性を向上させることが必要である。
In general, a small windmill is often used near the ground, and the wind is easily blocked by an obstacle. For this reason, fluctuations in the wind direction and wind speed are very large and the wind speed is small. Therefore, the Reynolds number (Re) is a low value in a small windmill.
When a windmill having a blade having a chord length c receives wind at a relative wind speed W, which will be described later, the Reynolds number (Re) is expressed by Wc / ν (ν is a dynamic viscosity coefficient of air). For example, a small vertical axis windmill with a radius of rotation of 0.5 m (blade chord length c = 0.2 m) receives wind at a wind speed V ∞ (= 6 m / s) and has a peripheral speed ratio (blade against the wind speed V ∞) . When rotating at a tip speed ratio of 1.5, the Reynolds number (Re) varies in the range of 40,000 to 200,000. Thus, the blades of small windmills have a significantly lower Reynolds number (Re) than wings of aircraft and the like. Therefore, in order to improve the efficiency of a small windmill, it is possible to improve the aerodynamic characteristics in the low Reynolds number region of the blade and reduce the weight of the blade, thereby improving the rotational efficiency, the startability, and the response to fluctuations in wind speed. is necessary.
図６は従来技術に係る垂直軸型風車の正面図であり、図７は風車のブレードに作用する力と迎角の関係を示す概念図である。
図６に示すように、一般に、垂直軸型風車は、風向に対して垂直に設置される回転軸５１と、断面が翼形状をなすブレード５２と、回転軸５１を中心とする仮想の円周上にブレード５２を配置するための支持部材５３とを備えており、回転軸５１から放射状に支持部材５３が延設されて、この支持部材５３の一端にブレード５２が取り付けられている。このような構造の風車が風速Ｖ∞の風を受けて回転している場合、ブレード５２は図７に示すようにブレード５２の周速度Ｖφと風速Ｖ∞との合成速度（以下、相対風速Ｗという）の風を受けることになる。なお、相対風速Ｗとブレード５２の翼弦線５４（ブレード５２の前縁５２ａと後縁５２ｂを結ぶ線）とのなす角を迎角αといい、相対風速Ｗに対して垂直な方向及び平行な方向に作用する力をそれぞれ揚力Ｌ及び抗力Ｄという。そして、風車の回転に対して寄与するのは、揚力Ｌと抗力Ｄの合力Ｆの回転方向成分Ｆｔである。また、垂直軸型風車においては、迎角αがブレード５２の回転方向の位置（位相φ）に応じて正又は負の値をとって変化する。
FIG. 6 is a front view of a vertical axis wind turbine according to the prior art, and FIG. 7 is a conceptual diagram showing the relationship between the force acting on the blade of the wind turbine and the angle of attack.
As shown in FIG. 6, generally, a vertical axis type windmill has a rotating shaft 51 installed perpendicular to the wind direction, a blade 52 having a blade shape in cross section, and a virtual circumference centered on the rotating shaft 51. And a support member 53 for disposing the blade 52 thereon. The support member 53 extends radially from the rotating shaft 51, and the blade 52 is attached to one end of the support member 53. When the wind turbine having such a structure is rotated by receiving wind of wind speed V ∞ , the blade 52 has a combined speed (hereinafter referred to as relative wind speed) of the peripheral speed V φ of the blade 52 and the wind speed V ∞ as shown in FIG. W). The angle formed by the relative wind speed W and the chord line 54 of the blade 52 (the line connecting the leading edge 52a and the trailing edge 52b of the blade 52) is called the angle of attack α, and is perpendicular to and parallel to the relative wind speed W. Forces acting in different directions are called lift L and drag D, respectively. Then, to contribution to the rotation of the wind turbine is a rotating direction component F t of the resultant force F of the lift L and drag D. Further, in the vertical axis type windmill, the angle of attack α changes with a positive or negative value depending on the position (phase φ) in the rotational direction of the blade 52.
図８は回転軸側の面を背面としたブレードを備えた風車が周速比２で回転している場合のブレードの位相φと迎角αの関係を示した図である。なお、ブレードの翼型は、迎角αが１０°のときに揚力係数ＣＬ（揚力Ｌを動圧と代表面積で除して無次元化した値）の絶対値が極大となるように設計されているものとする。
図８に示すように、ブレードの位置（位相φ）が変化すると迎角αは−３０°から＋３０°の範囲内で変化し、それに伴い、回転トルクが変動する。すなわち、ブレードは一回転する間に、回転に寄与したり、回転を妨げたりする。ブレードが対称翼の場合、一回転の間に、回転に寄与するトルクが極大となるブレードの位置（位相φ）は４ヶ所存在し、その近くではブレードの揚力係数ＣＬが極大（以下、このときの迎角をα（ＣＬｍａｘ）という。）あるいは極小（以下、このときの迎角をα（ＣＬｍｉｎ）という。）となる。図８の場合、揚力係数ＣＬはブレードの位相がφ２，φ３の付近で極大となり、φ１，φ４の付近で極小となる。そして、回転に寄与するトルクはブレードが風上側にある場合（位相φ２）に最大となる。従って、風車の効率を向上させるには、最大トルクを発生させる位相φ２における最大揚力係数ＣＬｍａｘの値を大きくすることが必要である。
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the blade phase φ and the angle of attack α when a wind turbine provided with a blade whose surface on the rotating shaft side is the back is rotating at a peripheral speed ratio of 2. The blade airfoil is designed so that the absolute value of the lift coefficient C L (the value obtained by dividing the lift L by the dynamic pressure and the representative area) is maximized when the angle of attack α is 10 °. It is assumed that
As shown in FIG. 8, when the blade position (phase φ) changes, the angle of attack α changes within the range of −30 ° to + 30 °, and the rotational torque fluctuates accordingly. That is, the blade contributes to rotation or prevents rotation during one rotation. When the blade is a symmetric blade, there are four blade positions (phase φ) at which the torque contributing to the rotation is maximized during one rotation, and the blade lift coefficient CL is maximized (hereinafter referred to as this). The angle of attack at that time is referred to as α (CLmax) ) or the minimum (hereinafter, the angle of attack at this time is referred to as α (CLmin) ). In the case of FIG. 8, the lift coefficient C L becomes maximum when the phase of the blade is near φ 2 and φ 3 , and becomes minimum near φ 1 and φ 4 . The torque that contributes to rotation is maximized when the blade is on the windward side (phase φ 2 ). Therefore, in order to improve the efficiency of the wind turbine, it is necessary to increase the maximum lift coefficient C Lmax in the phase phi 2 for generating the maximum torque.
次に、揚力型の垂直軸型風車のブレードの翼型について図９を用いて説明する。
図９（ａ）〜（ｃ）は従来技術に係るブレードの断面（翼型）を示す図である。なお、図７に示した構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
従来の揚力型の垂直軸型風車であるダリウス型風車や直線翼垂直軸型風車などでは、迎角の変動を考慮して翼の背面及び腹面がともに有効に機能するように対称翼型のブレードが用いられることが多い。また、非対称翼の場合には、通常、ブレードの回転によって描かれる円弧状の軌跡の曲率の方向と、ブレードの反り曲線の曲率の方向が一致するように、凸状をなす翼の背面が上記円弧状の軌跡の外側を向くように設置される。
図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、一般に、垂直軸型風車に用いられるブレード５２には、航空機の翼型のように翼厚が前縁５２ａから後方に向かって連続的に増加して最大翼厚ｔｍａｘをとり、その後、後縁５２ｂに向かって連続的に減少するといった、翼弦方向全長に亘って翼厚が変化するものが用いられる。そして、翼型における厚みの分布が翼面上の圧力分布及び強度に影響を与え、翼面上の圧力分布が翼の空力特性に直接影響を与えることから、従来、所定の性能を満たすように厚みの分布を変化させた翼型が多数開発されている。しかしながら、これらの翼型の多くは高レイノルズ数領域で使用される航空機の翼に対応したものであるため、低レイノルズ数領域で使用した場合には、必ずしも良好な空力特性が得られるとは限らない。例えば、図９（ｃ）に示すような５％程度の反りを付けた円弧状の薄翼であっても、レイノルズ数（Ｒｅ）のオーダーが１０４の場合には、最大揚力係数ＣＬｍａｘと失速する迎角の双方が代表的な翼型であるＮＡＣＡ００１２に比べて大きくなるという報告がある（非特許文献１）。なお、薄翼とは理論的には厚みをもたない翼のことであり、現実的には翼性能において、翼弦長ｃに対して厚みが無視できる程度に薄い翼のことをいう。上述の薄翼は、低レイノルズ数領域においてＮＡＣＡ００１２よりも空力特性が良くなることがあるものの、迎角が負の値を示す領域では空力特性が著しく低下する上、ブレードの振動や風切り音あるいは強度不足等の問題を有するため、風車のブレードには使用することができない。
Next, the blade type of the lift type vertical axis wind turbine blade will be described with reference to FIG.
9A to 9C are views showing a cross section (airfoil shape) of a blade according to the prior art. In addition, about the component shown in FIG. 7, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.
In conventional lift type vertical axis wind turbines such as Darius type wind turbines and straight blade vertical axis type wind turbines, symmetrical blades are used so that the back and abdominal surfaces of the blades function effectively in consideration of the variation in angle of attack. Is often used. Also, in the case of an asymmetric wing, the back surface of the convex wing is usually such that the direction of curvature of the arc-shaped trajectory drawn by the rotation of the blade matches the direction of curvature of the curvature curve of the blade. It is installed so as to face the outside of the arc-shaped locus.
As shown in FIGS. 9A and 9B, in general, the blade 52 used in the vertical axis type wind turbine has a blade thickness continuously increasing from the leading edge 52a toward the rear as in an aircraft airfoil. Then, the blade thickness changes over the entire length in the chord direction, such as taking the maximum blade thickness t max and then continuously decreasing toward the trailing edge 52b. The thickness distribution in the airfoil affects the pressure distribution and strength on the blade surface, and the pressure distribution on the blade surface directly affects the aerodynamic characteristics of the blade. Many airfoils with varying thickness distributions have been developed. However, since many of these wing types correspond to aircraft wings used in the high Reynolds number region, good aerodynamic characteristics are not always obtained when used in the low Reynolds number region. Absent. For example, even in the case of an arcuate thin wing with a warpage of about 5% as shown in FIG. 9C, when the Reynolds number (Re) order is 10 4 , the maximum lift coefficient C Lmax is There is a report that both the stalling angle of attack is larger than that of NACA0012 which is a typical airfoil (Non-Patent Document 1). The thin wing is a wing having no thickness in theory, and actually means a wing that is thin enough to be negligible with respect to the chord length c in blade performance. Although the above thin blades may have better aerodynamic characteristics than NACA0012 in the low Reynolds number region, the aerodynamic characteristics are significantly reduced in regions where the angle of attack is negative, and blade vibration, wind noise or strength It cannot be used for wind turbine blades due to problems such as shortage.
さらに、低レイノルズ数領域における揚力係数ＣＬについて図１０を用いて説明する。
図１０は低レイノルズ数領域における迎角αと揚力係数ＣＬの関係の一例を示す図である。
一般に、通常の翼型においては、反りを付けたものの方が反りを付けない対称翼型よりも最大揚力係数ＣＬｍａｘが大きくなる。また、低レイノルズ数領域においては、迎角αが増加する場合と迎角αが減少する場合とで、迎角αに対応して変化する揚力係数ＣＬの履歴が異なる（ヒステリシスをもつ）。例えば、図１０に示すように、迎角αが増加する場合、揚力係数ＣＬはＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅのように変化するため、Ｃの付近において最大となる。一方、迎角αが減少する場合には揚力係数ＣＬはＥ→Ｄ→Ｆ→Ｂ→Ａのように変化して、Ｂにおいて最大となる。すなわち、迎角αが増加する場合の最大揚力係数ＣＬｍａｘよりも、迎角αが減少する場合の最大揚力係数ＣＬｍａｘの方が小さくなる。
Furthermore, will be described with reference to FIG lift coefficient C L in the low Reynolds number region.
Figure 10 is a diagram showing an example of the relationship between the angle of attack α and the lift coefficient C L in the low Reynolds number region.
In general, in a normal aerofoil, the maximum lift coefficient C Lmax is greater when warped than when a symmetric aerofoil without warp. Further, in the low Reynolds number region, in a case where the angle of attack α is the angle of attack α is decreased in the case of increasing, (with hysteresis) which history is different coefficient of lift C L that varies in response to α angle of attack. For example, as shown in FIG. 10, if the angle of attack α increases, the lift coefficient C L is to change as A → B → C → D → E, the maximum in the vicinity of the C. On the other hand, the lift coefficient C L if the angle of attack α is decreased is varied as E → D → F → B → A, the maximum in B. In other words, than the maximum lift coefficient C Lmax when angle of attack α increases, the direction of maximum lift coefficient C Lmax when angle of attack α is decreased smaller.
垂直軸型風車のブレードに関する従来技術としては、例えば、特許文献１に「風力発電用の風車」という名称で、３０，０００〜３，０００，０００の範囲の低レイノルズ数領域の風に対して発電可能な風力発電用の垂直軸型風車が開示されている。
特許文献１に開示された発明は、１．０〜１．４の範囲の揚力係数を有する翼型のブレードを複数枚備え、このブレードの回転軸側の面が前縁から翼弦長の３５％〜４５％の位置を起点として後縁まで切り欠かれたことを特徴としている。
このような構造の風車においては、ブレードの一部が切り欠かれているため、ブレード後縁側からの風をとらえ易く、起動性が向上し、また、ブレードの軽量化が可能となっている。
As a conventional technique related to a blade of a vertical axis type windmill, for example, it is named “Windmill for wind power generation” in Patent Document 1 and is applied to wind in a low Reynolds number range of 30,000 to 3,000,000. A vertical axis wind turbine for wind power generation capable of generating power is disclosed.
The invention disclosed in Patent Document 1 includes a plurality of airfoil blades having a lift coefficient in the range of 1.0 to 1.4, and the surface on the rotating shaft side of the blade has a chord length of 35 from the leading edge. It is characterized by being cut out from the position of% to 45% to the trailing edge.
In the wind turbine having such a structure, since a part of the blade is cut out, it is easy to catch the wind from the rear edge side of the blade, the startability is improved, and the weight of the blade can be reduced.
また、特許文献２には、「翼形」という名称で、各種用途の翼について後縁失速特性の改善を目的とする翼形状に関する発明が開示されている。
特許文献２に開示された発明は、反り曲線の延長線上において、板厚が略一定の薄板を翼後縁と一体となるように後方に向けて取り付けたことを特徴とするものである。
このような構造によれば、後縁近傍において生じる急激な圧力上昇を抑え、後縁失速の開始を遅らせることができる。
Patent Document 2 discloses an invention related to a blade shape for the purpose of improving trailing edge stall characteristics of blades of various uses under the name “airfoil”.
The invention disclosed in Patent Document 2 is characterized in that a thin plate having a substantially constant plate thickness is attached to the rear of the blade trailing edge on an extension of the warp curve.
According to such a structure, it is possible to suppress a rapid pressure increase that occurs in the vicinity of the trailing edge, and to delay the start of trailing edge stall.
さらに、特許文献３には、「縦軸風車の受風羽根」という名称で、受風羽根にかかる向かい風の抵抗並びに回転時の空気抵抗を可及的に小さくし、どの位置においても受風羽根に受けた風力を回転推力として有効に利用できる縦軸風車の受風羽根に関する発明が開示されている。
特許文献３に開示された発明は、薄板状に形成された受風羽根の受風部の内側に、平面において回転推力造成用の膨出部が設けられた構造となっている。
このような構造によれば、受風膜板の内側面前部域に生じる負圧によって回転推力が造成される。また、弾力性を有するように受風膜板を薄く形成することにより、受風羽根が内側面前部域に生じる負圧を利用できない位置にあるとき（風向きの変化を含む）でも、受風膜板が湾曲して風圧を反らすように作用する。
The invention disclosed in Patent Document 3 has a structure in which a bulging portion for generating rotational thrust is provided on a flat surface inside a wind receiving portion of a wind receiving blade formed in a thin plate shape.
According to such a structure, the rotational thrust is created by the negative pressure generated in the inner surface front area of the wind receiving membrane plate. In addition, by forming the wind receiving membrane plate thinly so as to have elasticity, the wind receiving membrane can be used even when the wind receiving blades are in a position where the negative pressure generated in the front part of the inner surface cannot be used (including changes in the wind direction). The plate bends and acts to warp the wind pressure.
特許文献１に開示された発明は、翼型の前縁から３５％〜４５％の位置を起点として、後縁まで切り欠き部を有するため、ブレード後縁側からの風による起動性の向上とブレードの軽量化は可能であるが、迎角が負の値をとる場合、切り欠き部において気流が剥離して失速状態となり、ブレードに発生する揚力が極端に低下するおそれがある。 Since the invention disclosed in Patent Document 1 has a notch portion from the front edge of the airfoil starting at a position of 35% to 45% to the rear edge, the startability is improved by wind from the blade rear edge side and the blade However, when the angle of attack takes a negative value, the airflow is peeled off at the notch portion, resulting in a stalled state, and the lift generated on the blade may be extremely reduced.
特許文献２に開示された発明は、後縁近傍において生じる急激な圧力上昇を抑えて後縁失速の開始を遅らせることを目的として、翼の後縁角に着目し、後縁角が略０°となるように薄板を設けるものである。従って、翼の厚みの分布に着目し、翼全体の厚みを薄くすることによる翼の特性の改善と軽量化を目的とするものではない。また、後縁失速は翼厚が比較的厚い翼型において生じる失速型であるため、比較的薄い翼型において生じる前縁失速型や薄翼失速型に対しては性能が改善されないという課題があった。さらに、前述の低レイノルズ数領域においては円弧状の薄翼の揚抗比の方がＮＡＣＡ００１２の揚抗比よりも大きいことを考慮すると、本発明は必ずしも低レイノルズ数領域における翼性能を改善するものとはいえず、また、形状の改良による軽量化も期待できない。 The invention disclosed in Patent Document 2 pays attention to the trailing edge angle of the blade for the purpose of suppressing the rapid pressure increase that occurs in the vicinity of the trailing edge and delaying the start of trailing edge stall, and the trailing edge angle is substantially 0 °. A thin plate is provided so that Therefore, paying attention to the distribution of the thickness of the blade, it is not intended to improve the characteristics of the blade and reduce the weight by reducing the thickness of the entire blade. In addition, since the trailing edge stall is a stalled type that occurs in an airfoil with a relatively large blade thickness, there is a problem that the performance is not improved with respect to the leading edge stalled type and the thin blade stalled type that occur in a relatively thin airfoil. It was. Further, considering that the lift-drag ratio of the arcuate thin blade is larger than the lift-drag ratio of NACA0012 in the low Reynolds number region, the present invention does not necessarily improve the blade performance in the low Reynolds number region. However, it cannot be expected to be lightweight by improving the shape.
既に述べたように、垂直軸型風車においては風車が一回転する間に、ブレードの迎角が正負の値をとって変化することから、負の迎角時において翼性能に影響を与える、膨出部と反対側の形状が重要となってくる。ところで、特許文献３に記載された発明は薄い板状の羽根を用いることで内側面前部域に生じる負圧を回転推力として利用することを特徴とするものであるが、特許文献３には、膨出部と反対側の形状の重要性について何ら開示がされていない。また、受風羽根の受風部が弾性を持たせるべく薄板状に形成されているため、迎角が大きい場合や迎角が負の値をとる場合には振動が発生し、極端な場合には共振によって受風部が破損したり、騒音が発生したりするおそれがあるという課題があった。 As already mentioned, in the vertical axis type wind turbine, the angle of attack of the blade changes with a positive / negative value during one rotation of the wind turbine, so that the blade performance is affected at the negative angle of attack. The shape on the opposite side to the protruding part is important. By the way, the invention described in Patent Document 3 is characterized in that the negative pressure generated in the inner front surface area is used as a rotational thrust by using a thin plate-like blade. There is no disclosure about the importance of the shape opposite the bulge. In addition, since the wind receiving portion of the wind receiving blade is formed in a thin plate shape to give elasticity, vibration occurs when the angle of attack is large or the angle of attack takes a negative value. However, there is a problem that the wind receiving part may be damaged by resonance or noise may be generated.
本発明はかかる従来の事情に対処してなされたものであり、低レイノルズ数領域においてブレードの空力特性を改善するとともに軽量化を図り、もって風車の回転効率及び起動性と風速変動に対する応答性を向上させることを目的とする。 The present invention has been made in response to such a conventional situation, and improves the aerodynamic characteristics of the blade and reduces the weight in the low Reynolds number region, thereby improving the rotational efficiency and startability of the windmill and the response to fluctuations in wind speed. The purpose is to improve.
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明である垂直軸型風車は、風向に対して垂直に設置される回転軸と、この回転軸を中心とする仮想の円周上にその接線方向と所望の角度をなすように設置される複数のブレードと、このブレードを回転軸に取り付ける支持部材とを備え、ブレードは一方の面が前縁から後縁の翼弦長方向の略全長に亘って凸状に形成されるとともに、ブレードの前縁から後縁に向かって翼弦長の３０%〜７０%において翼厚の変化する部分を有し、その翼厚の変化する部分の後端を薄翼開始部として、この薄翼開始部から後縁に亘って厚さが略一定の薄板状をなすことを特徴とするものである。
このような構造の垂直軸型風車においては、そのブレードが低レイノルズ数領域で正の迎角に対して最大揚力係数及び失速角が増加するという円弧状の薄翼に近い空力特性を示すとともに、負の迎角においては前縁から気流が剥離し難いため、この円弧状の薄翼に比べて性能低下や振動あるいは風切り音が発生し難いという作用を有する。さらに、従来の翼弦長方向の全長に亘って厚みが変化する翼と比較して重量が大幅に軽減される。
In order to achieve the above object, a vertical axis type windmill according to claim 1 is a rotating shaft installed perpendicular to the wind direction, and a tangential direction on a virtual circumference centered on the rotating shaft. And a plurality of blades installed so as to form a desired angle, and a support member for attaching the blades to the rotating shaft, and one surface of the blade spans substantially the entire length in the chord length direction from the leading edge to the trailing edge. And has a portion where the blade thickness varies from 30% to 70% of the chord length from the leading edge to the trailing edge of the blade, and the trailing edge of the portion where the blade thickness varies As the thin blade starting portion, a thin plate shape having a substantially constant thickness is formed from the thin blade starting portion to the trailing edge.
In the vertical axis wind turbine having such a structure, the blade exhibits aerodynamic characteristics close to an arcuate thin blade in which the maximum lift coefficient and the stall angle increase with respect to a positive angle of attack in a low Reynolds number region, At negative angles of attack, the airflow is difficult to peel off from the leading edge, so that it has the effect that the performance is not reduced and vibrations or wind noises are less likely to occur compared to this arcuate thin wing. Further, the weight is greatly reduced compared to a conventional blade whose thickness varies over the entire length in the chord length direction.
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の垂直軸型風車において、ブレードは、前縁から薄翼開始部までの間の最大翼厚が翼弦長の１５％以下であることを特徴とするものである。
このような構造の垂直軸型風車においては、薄翼化によって正の迎角に対して最大揚力係数及び失速角が増加するとともにブレードの重量が軽減されるため、低レイノルズ数領域における空力特性の改善と軽量化という請求項１に記載された作用がより確実に発揮される。
According to a second aspect of the present invention, in the vertical axis wind turbine according to the first aspect, the blade has a maximum blade thickness from the leading edge to the thin blade starting portion being 15% or less of the chord length. It is a feature.
In a vertical axis wind turbine having such a structure, the maximum lift coefficient and stall angle increase with respect to the positive angle of attack and the weight of the blade is reduced by reducing the blade thickness, so that the aerodynamic characteristics in the low Reynolds number region are reduced. The effect described in claim 1 of improvement and weight reduction is more reliably exhibited.
請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の垂直軸型風車において、ブレードの翼弦長方向の略全長に亘って凸状に形成された面と翼弦線に対して反対側の面と翼弦線との交点から前縁までの距離が翼弦長の１５％以上であることを特徴とするものである。
このような構造の垂直軸型風車においては、ブレードが負の迎角をとるときに前縁から気流が剥離し難いため、円弧状の薄翼に比べて性能低下や振動あるいは風切り音の発生が抑えられるという請求項１又は請求項２に記載の作用がより確実に発揮される。
According to a third aspect of the present invention, in the vertical axis wind turbine according to the first or second aspect, the surface and the chord line are formed in a convex shape over substantially the entire length in the chord length direction of the blade. The distance from the intersection of the opposite surface and the chord line to the leading edge is 15% or more of the chord length.
In a vertical axis wind turbine with such a structure, when the blade takes a negative angle of attack, it is difficult for the air flow to peel off from the leading edge, so performance is reduced and vibration or wind noise is generated compared to the arcuate thin blade. The action according to claim 1 or claim 2 can be suppressed more reliably.
請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の垂直軸型風車において、ブレードは、翼弦長方向の略全長に亘って凸状をなす側の面が回転軸側を向くように設置されることを特徴とするものである。
このような構造の垂直軸型風車においては、ブレードが風上側にあるときに正の迎角をとるとともに、ブレードの回転に伴って正の迎角が増加する方向に変化するという作用を有する。
According to a fourth aspect of the present invention, in the vertical axis wind turbine according to any one of the first to third aspects, the blade has a surface on the side that is convex over substantially the entire length in the chord length direction. It is installed so as to face the rotating shaft side.
The vertical axis wind turbine having such a structure has an effect that when the blade is on the windward side, it takes a positive angle of attack and changes in a direction in which the positive angle of attack increases as the blade rotates.
以上説明したように、本発明の請求項１記載の垂直軸型風車においては、翼弦の全長に亘って厚みが異なる従来の翼型に比べて、低レイノルズ数領域において、空力特性の改善と軽量化により、風車の回転効率及び起動性と風速変動に対する応答性を向上させることが可能である。また、ブレードの一部が薄翼となっており、構造が簡単であるため、材料費を削減し、製造コストを安くすることができる。 As described above, in the vertical axis type wind turbine according to claim 1 of the present invention, the aerodynamic characteristics are improved in the low Reynolds number region as compared with the conventional airfoil having different thicknesses over the entire length of the chord. By reducing the weight, it is possible to improve the rotational efficiency and startability of the windmill and the responsiveness to fluctuations in wind speed. In addition, since a part of the blade is a thin blade and the structure is simple, the material cost can be reduced and the manufacturing cost can be reduced.
本発明の請求項２記載の垂直軸型風車においては、請求項１に記載された発明の効果がより確実に発揮される。 In the vertical axis type windmill according to claim 2 of the present invention, the effect of the invention described in claim 1 is more reliably exhibited.
本発明の請求項３記載の垂直軸型風車によれば、請求項１又は請求項２に記載された発明のブレードの負の迎角時における効果がより確実に発揮される。 According to the vertical axis type wind turbine of the third aspect of the present invention, the effect of the blade according to the first or second aspect at the time of the negative angle of attack is more reliably exhibited.
本発明の請求項４記載の垂直軸型風車においては、請求項１乃至請求項３に記載されたブレードの能力を最大限に発揮させて、風車の効率を飛躍的に向上させることが可能である。 In the vertical axis type wind turbine according to claim 4 of the present invention, it is possible to maximize the performance of the blade described in claims 1 to 3 and to dramatically improve the efficiency of the wind turbine. is there.
本発明の最良の実施の形態に係る垂直軸型風車の実施例について図１乃至図５を用いて説明する。 An example of a vertical axis type wind turbine according to the best mode of the present invention will be described with reference to FIGS.
図１は本発明の実施の形態に係る垂直軸型風車の実施例の外観斜視図であり、図２は本実施例の垂直軸型風車の正面図である。また、図３（ａ）は本実施例のブレードの翼型の外観斜視図であり、（ｂ）は同図（ａ）のＹ−Ｙ線矢視断面（翼型）を示す図である。
図１及び図２に示すように、本実施例の垂直軸型風車１は、風向に対して垂直に設置される回転軸２に３枚のブレード３が、支持部材４を介して回転軸２を中心とする仮想の円周上にその接線方向と所望の角度をなすように取り付けられたことを特徴とするものである。なお、ブレード３は、材質がアルミ合金やプラスチック（繊維強化プラスチックを含む）である。そして、翼弦線５に対して非対称に形成され、翼弦長方向の略全長に亘って凸状をなす背面３ａ側が回転軸２側に向くように設置されている。また、支持部材４は、回転軸２から放射状に延設されるアーム４ａと、このアーム４ａの一端を回転軸２に固定する円板状の固定具４ｂとから構成されている。
FIG. 1 is an external perspective view of an example of a vertical axis wind turbine according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a front view of the vertical axis wind turbine of this example. FIG. 3A is an external perspective view of the blade shape of the blade of this embodiment, and FIG. 3B is a view showing a cross section (wing shape) taken along the line Y-Y in FIG.
As shown in FIGS. 1 and 2, the vertical axis type windmill 1 of the present embodiment includes three blades 3 on a rotary shaft 2 installed perpendicular to the wind direction, and a rotary shaft 2 via a support member 4. It is characterized in that it is mounted on a virtual circumference centering on the tangent direction so as to form a desired angle. The blade 3 is made of an aluminum alloy or plastic (including fiber reinforced plastic). The rear surface 3a side, which is formed asymmetrically with respect to the chord line 5 and has a convex shape over substantially the entire length in the chord length direction, is disposed so as to face the rotary shaft 2 side. The support member 4 includes an arm 4 a extending radially from the rotating shaft 2 and a disk-shaped fixture 4 b that fixes one end of the arm 4 a to the rotating shaft 2.
図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、ブレード３はその両面のうち、一方の面（背面３ａ）側が前縁６から後縁８の全面に亘って凸状をなし、他方の面（腹面３ｂ）側が前縁６から薄翼開始部７に亘って翼厚が変化する部分を有し、薄翼開始部７から後縁８に亘って翼厚が略一定の薄板状をなしている。そして、前縁６から薄翼開始部７までの距離Ｃｂ１は翼弦長ｃの３０％〜７０％であり、前縁６から薄翼開始部７の間におけるブレード３の最大翼厚ｔmaxは翼弦長ｃの１５％以下となっている。また、ブレード３の腹面３ｂと翼弦線の交点Ｐから前縁６までの距離Ｃｂ２は翼弦長ｃの１５％以上となっている。
なお、Ｃｂ１が翼弦長ｃの３０％より短い場合あるいはＣｂ２が翼弦長ｃの１５％より短い場合には、負の迎角時に前縁６から気流が剥離し易くなって風車の性能が低下するとともに、翼の強度不足につながる。一方、Ｃｂ１が翼弦長ｃの７０％より長い場合あるいは最大翼厚ｔmax が翼弦長ｃの１５％を超える場合には、正の迎角時に最大揚力係数及び失速角が増加するという後述する薄翼の効果が低減する。
As shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b), the blade 3 has a convex surface extending from the front edge 6 to the rear edge 8 on one side (the back surface 3a) side of the both surfaces. The (abdominal surface 3b) side has a portion in which the blade thickness varies from the leading edge 6 to the thin blade starting portion 7, and the blade thickness is substantially constant from the thin blade starting portion 7 to the trailing edge 8. Yes. The distance C b1 from the leading edge 6 to the thin blade starting portion 7 is 30% to 70% of the chord length c, and the maximum blade thickness t max of the blade 3 between the leading edge 6 and the thin blade starting portion 7 is. Is 15% or less of the chord length c. The distance C b2 from the intersection P of the pressure surface 3b and the chord line of the blade 3 to the leading edge 6 has a more than 15% of the chord length c.
Incidentally, C b1 is shorter than 30%, or C b2 of chord length c is shorter than 15% of the chord length c, the windmill is easily airflow peeled from the leading edge 6 at a negative angle of attack As the performance deteriorates, it leads to insufficient strength of the wing. On the other hand, when C b1 is longer than 70% of the chord length c or when the maximum blade thickness t max exceeds 15% of the chord length c, the maximum lift coefficient and the stall angle increase at the positive angle of attack. The effect of the thin wing described later is reduced.
図４（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ薄翼及び本実施例のブレードの翼型における負の迎角時の翼周りの気流の状態を示す図である。なお、図１乃至図３に示した構成要素については同一の符号を付して、その説明を省略する。
図４（ａ）に示すように相対風速Ｗの風を受ける場合、薄翼のブレード５２では、前縁５２ａから気流が大きく剥離するため、抗力が大幅に増加するとともに、剥離した流れによってブレード５２の振動や騒音が引き起こされる。一方、本実施例のブレード３の翼型においては、図４（ｂ）に示すように前縁６から気流が剥離し難いため、抗力の増加が抑えられ、ブレード３の振動や騒音も抑制される。
FIGS. 4A and 4B are views showing the state of the airflow around the blades at the negative angle of attack in the blades of the thin blades and the blades of the present embodiment, respectively. The components shown in FIGS. 1 to 3 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
As shown in FIG. 4A, when the wind of the relative wind speed W is received, the air current is largely separated from the leading edge 52a in the blade 52 of the thin blade, so that the drag is greatly increased and the blade 52 is caused by the separated flow. Cause vibration and noise. On the other hand, in the airfoil of the blade 3 of the present embodiment, since the airflow is difficult to peel off from the front edge 6 as shown in FIG. 4B, an increase in drag is suppressed and vibration and noise of the blade 3 are also suppressed. The
次に、本発明のブレードの空力特性に関する実験結果について図５を用いて説明する。
図５は従来の翼型と本発明の翼型についてブレードの揚力係数ＣＬ及び抗力係数（抗力Ｄを動圧と代表面積で除して無次元化した値）ＣＤを実験により求めた結果である。横軸は揚力Ｌが０となる迎角α０（ゼロ揚力角）と実際の迎角αとの差（α−α０）（図ではΔαと示す）であり、実験時のレイノルズ数（Ｒｅ）は３０，０００である。なお、対象翼の場合、ゼロ揚力角は０（すなわち、α０＝０）である。さらに、従来の翼型として、一般的な翼型であるＮＡＣＡ００１２と反りが５％の円弧翼を用い、本発明の翼型として、図３に示したＣｂ１及びＣｂ２がそれぞれ翼弦長ｃの５８％及び３５％、最大翼厚ｔ max が翼弦長ｃの８％のものを用いた。また、図５においてΔαが正の場合に、Δαの増大に伴って揚力係数ＣＬが増大し、その後、一旦、減少しているが、この落ち込んだ部分は失速状態を示している。この失速状態に陥るΔαの値（以下、失速角という。）が大きいほど、広範囲の位相に亘ってブレード３から回転トルクに寄与する力を取り出すことができる。
図５に示すように、本発明の翼型では従来の翼型であるＮＡＣＡ００１２に比べて最大揚力係数ＣＬｍａｘが大幅に増加し、広範囲に亘って高迎角における揚力係数ＣＬが増加するとともに、失速角も増加している。また、１５°より高い迎角に対し、抗力係数ＣＤが従来の翼型である円弧翼に比べて大幅に小さくなっている。さらに、負の迎角において円弧翼の抗力係数ＣＤが著しく増加しているのに対し、本発明の翼型の抗力係数ＣＤはＮＡＣＡ００１２と同程度となっている。すなわち、本発明の翼型では、円弧翼の場合のような負の迎角時における著しい性能低下は発生しない。なお、これらの作用は、風車が一回転する間にブレードの迎角αが大きく変化する垂直軸型風車において大幅な効率向上に寄与する。
Next, experimental results regarding the aerodynamic characteristics of the blade of the present invention will be described with reference to FIG.
Figure 5 is a result obtained by experiments lift coefficient C L and (dimensionless value drag D divided by the representative area as the dynamic pressure) drag coefficient C D of the blade for the airfoil of a conventional aerofoil and the present invention It is. The horizontal axis is the difference (α−α 0 ) (shown as Δα in the figure) between the angle of attack α 0 (zero lift angle) at which the lift L becomes 0 and the actual angle of attack α, and the Reynolds number (Re ) Is 30,000. In the case of the target wing, the zero lift angle is 0 (that is, α 0 = 0). Further, as a conventional airfoil, a general airfoil NACA0012 and warping with 5% of the arc blades, as airfoil of the present invention, C b1 and C b2 are each chord length c shown in FIG. 3 58% and 35%, and the maximum blade thickness t max was 8% of the chord length c. Further, [Delta] [alpha] 5 is the case of a positive lift coefficient C L increases with increasing [Delta] [alpha], then once it has decreased, the depressed portion indicates a stall condition. The greater the value of Δα that falls into this stalled state (hereinafter referred to as stall angle), the more force that contributes to the rotational torque can be extracted from the blade 3 over a wide range of phases.
As shown in FIG. 5, with the airfoil of the present invention the maximum lift coefficient C Lmax greatly increases as compared with NACA0012 a conventional airfoil, the lift coefficient C L is increased at high angle of attack over a wide range The stall angle is also increasing. Further, with respect to higher than 15 ° angle of attack, the drag coefficient C D is much smaller than the arc blade is a conventional airfoil. Furthermore, while the drag coefficient C D of the arc blades has increased significantly in the negative angle of attack, the drag coefficient C D of the airfoil of the present invention are at the same level as NACA0012. That is, the airfoil of the present invention does not cause a significant performance degradation at a negative angle of attack as in the case of an arc wing. Note that these effects contribute to a significant improvement in efficiency in a vertical axis type wind turbine in which the angle of attack α of the blade changes greatly during one revolution of the wind turbine.
以上説明したように、垂直軸型風車１においては、ブレード３が翼弦長方向の略全長に亘って凸状をなす背面３ａ側を回転軸２側に向けて設置されているため、ブレード３が風上側にあるときに正の迎角をとり、かつブレード３の回転に伴って正の迎角が増加する方向に変化する。従って、本実施例の垂直軸型風車１においては、ブレード３が風上側にあるとき（例えば、図８中に示した位相φ２）に揚力係数ＣＬが最大値（最大揚力係数ＣＬｍａｘ）をとり、回転トルクも最大となる。そして、上述のとおり、この位相領域ではブレード３の回転とともに正の迎角が増加することから、図１０を用いて既に説明したように、上記最大揚力係数ＣＬｍａｘは迎角が減少する場合に比べてより大きい値となる。また、本実施例の垂直軸型風車１によれば、正の迎角時に最大揚力係数ＣＬｍａｘ及び失速角が増加するとともに、負の迎角時に前縁６から気流が剥離し難いというブレード３の能力を最大限に発揮させることが可能である。これにより、従来の翼型を備えた垂直軸型風車に比べて風車の回転効率及び起動性と風速の変動に対する応答性を大幅に改善することが可能となる。さらに、翼型が簡単であるため、アルミ合金の薄板の曲げ加工やプラスチックの型成形による製作によってブレード３を比較的容易に製作することができる。この場合、ブレード３を軽量化するとともに、製造コストを安くすることが可能である。 As described above, in the vertical axis type windmill 1, since the blade 3 is installed with the rear surface 3a side, which is convex over substantially the entire length in the chord length direction, facing the rotating shaft 2, the blade 3 Takes a positive angle of attack when is on the windward side, and changes in a direction in which the positive angle of attack increases as the blade 3 rotates. Therefore, in the vertical axis wind turbine 1 of the present embodiment, when the blade 3 is on the windward side (for example, the phase φ 2 shown in FIG. 8), the lift coefficient C L is the maximum value (maximum lift coefficient C Lmax ). The rotational torque is also maximized. As described above, since the positive angle of attack increases with the rotation of the blade 3 in this phase region, as described above with reference to FIG. 10, the maximum lift coefficient CLmax is obtained when the angle of attack decreases. It becomes a larger value in comparison. Further, according to the vertical axis type windmill 1 of the present embodiment, the maximum lift coefficient CLmax and the stall angle increase at the positive angle of attack, and the air flow is difficult to separate from the front edge 6 at the negative angle of attack. It is possible to make full use of the ability. As a result, it is possible to significantly improve the rotational efficiency and startability of the wind turbine and the responsiveness to fluctuations in wind speed compared to a vertical axis wind turbine having a conventional airfoil. Furthermore, since the airfoil is simple, the blade 3 can be relatively easily manufactured by bending an aluminum alloy thin plate or by plastic molding. In this case, the blade 3 can be reduced in weight and the manufacturing cost can be reduced.
なお、本発明の垂直軸型風車は本実施例に示した場合に限定されるものではない。例えば、ブレード３の枚数は３枚に限らず、適宜変更可能である。 また、薄翼開始部７から後縁８に亘って薄板状に形成される部分の厚みは本実施例では翼弦長の１％程度であるが、これに限定されるものではなく、変形が小さく必要な強度を確保できる範囲内であれば、さらに薄くすることもできる。また、ブレード３の背面３ａ側の形状はＮＡＣＡ等の翼型を参考に適宜選択しても良い。そして、ブレード３の腹面３ｂ側の形状は、例えば、前縁６と薄翼開始部７を通る直線に関して背面３ａ側の曲線と対称としても良い。具体的には、ＮＡＣＡ００１２においてＣｂ１を翼弦長ｃの６０％とし、前縁６と薄翼開始部７とを結ぶ直線に関して背面３ａ側の曲線と腹面３ｂ側の曲線が対象となるように翼型を形成することができる。このとき、この薄板状部分の厚みを翼弦長ｃの１％程度にとるならば、ブレード３を均質な素材で形成する場合において、ブレード３の質量をＮＡＣＡ００１２の約５８％とすることができる。これにより、大幅な軽量化が可能となる。 The vertical axis wind turbine of the present invention is not limited to the case shown in this embodiment. For example, the number of blades 3 is not limited to three and can be changed as appropriate. Further, the thickness of the portion formed in a thin plate shape from the thin blade starting portion 7 to the trailing edge 8 is about 1% of the chord length in this embodiment, but is not limited to this, and the deformation is not limited to this. The thickness can be further reduced as long as the required strength can be ensured. The shape of the blade 3 on the back surface 3a side may be appropriately selected with reference to an airfoil such as NACA. The shape of the blade 3 on the side of the abdominal surface 3b may be symmetrical with the curve on the back surface 3a side with respect to a straight line passing through the leading edge 6 and the thin blade starting portion 7, for example. Specifically, the C b1 in NACA0012 to 60% of the chord length c, as the curve of the front edge 6 and the rear 3a side with respect to the straight line connecting the thin wings starting portion 7 curves and ventral surface 3b side of interest An airfoil can be formed. At this time, if the thickness of the thin plate portion is about 1% of the chord length c, when the blade 3 is formed of a homogeneous material, the mass of the blade 3 can be about 58% of NACA0012. . Thereby, a significant weight reduction is possible.
以上説明したように、請求項１乃至請求項４に記載された発明は、風力発電に用いられる垂直軸型風車について利用可能である。 As described above, the invention described in claims 1 to 4 can be used for a vertical axis type wind turbine used for wind power generation.
１…垂直軸型風車 ２…回転軸 ３…ブレード ３ａ…背面 ３ｂ…腹面 ４…支持部材 ４ａ…アーム ４ｂ…固定具 ５…翼弦線 ６…前縁 ７…薄翼開始部 ８…後縁 ５１…回転軸 ５２…ブレード ５２ａ…前縁 ５２ｂ…後縁 ５３…支持部材 ５４…翼弦線 α…迎角 φ…位相 ｃ…翼弦長 ｔ max …最大翼厚 Ｄ…抗力 Ｆ…合力 Ｆｔ…回転方向成分 Ｌ…揚力 Ｐ…交点 Ｗ…相対風速 Ｖφ…周速度 Ｖ∞…風速
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Vertical axis type windmill 2 ... Rotating shaft 3 ... Blade 3a ... Back surface 3b ... Abdominal surface 4 ... Support member 4a ... Arm 4b ... Fixing tool 5 ... Chord line 6 ... Leading edge 7 ... Thin blade start part 8 ... Trailing edge 51 ... Rotary shaft 52 ... Blade 52a ... Lead edge 52b ... Rear edge 53 ... Support member 54 ... Chain line α ... attack angle φ ... Phase c ... Chain chord length t max ... Maximum blade thickness D ... Drag F ... Song force F t ... Rotational direction component L ... Lifting force P ... Intersection W ... Relative wind speed Vφ ... Peripheral speed V∞ ... Wind speed
Claims (4)
4. The blade according to claim 1, wherein the blade is disposed such that a surface on the side that is convex over substantially the entire length in the chord length direction faces the rotating shaft side. 5. Vertical axis type windmill as described in the paragraph.
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Cited By (5)
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