JP2012047182A

JP2012047182A - 風車における翼体のピッチ角及び翼断面の制御方法

Info

Publication number: JP2012047182A
Application number: JP2011240157A
Authority: JP
Inventors: Takayasu Matsumoto; 隆康松本
Original assignee: MATSUMOTO ENGINEERING KK
Current assignee: MATSUMOTO ENGINEERING KK
Priority date: 2008-07-14
Filing date: 2011-11-01
Publication date: 2012-03-08
Also published as: JP4857314B2; JP2010043529A

Abstract

【課題】停止状態からの起動が速やかで、旋回効率も向上された風車を提供する。
【解決手段】支柱２ａの上端に、風上側に位置せしめられる偏心部３を有する。支柱の上下に設けた回転部６，６に上下対向してアーム７，９が設けられ、その先端に翼部材１３を有する。翼部材１３は、上下の枠片２５、２６間に翼体２７を有し、上下の枠片２５、２６は、回動連結部で翼体２７に連結されている。回動連結部の前側に存する前側連結部５３と偏心部３が、規制ロッド１１１で連結され、翼部材１３は支柱回りに旋回する。風上側、風下側の翼部材は、規制ロッドを介して枠片が回動する。風上側では、翼弦が、旋回方向前部が後部よりも支柱から遠い傾斜状態を呈し、翼断面は、支柱に近い面が凸面を呈する非対称型となる。風下側では、翼弦が、前部が後部よりも支柱に近い傾斜状態を呈し、翼断面は、支柱から遠い面が凸面を呈する非対称型を呈する。
【選択図】図１

Description

本発明は、心棒の軸線回りに旋回する翼体のピッチ角の最適化を図ると同時に翼断面の最適化を達成できて翼体の旋回効率を向上させ得る、風車における翼体のピッチ角及び翼断面の制御方法に関するものである。

旋回する翼体のピッチ角の最適化を図ることにより翼体の旋回効率を向上させんとする風車の一例が、特開２００６−１５２９２２号公報で開示されている。該風車は、支柱から見て風上側に位置した状態においては、翼体の翼弦を、旋回方向前部がその後部よりも支柱から遠い傾斜状態に設定すると共に、支柱から見て風下側に位置した状態においては、該翼弦を、旋回方向前部がその後部よりも支柱に近い傾斜状態に設定することにより翼体の旋回効率の向上を達成せんとするものであった。

しかしながら、かかる風車にあっては、該公報の図１〜図６に示されているように対称翼を用いる場合は、低周速比での性能低下が問題となっていた。ところで同公報の図７には、非対称翼を具える風車が開示されているが、かかる非対称翼を具える風車は翼断面の形状が旋回のどの時点をとらえても同一に固定されていたため、翼体が風上側に位置した状態と風下側に位置した状態の双方において共に旋回方向の回転トルクを効率的に発生させるということができず、その結果、翼の旋回効率の向上に限界があった。

特開２００６−１５２９２２号公報

本発明は前記従来の問題点に鑑みて開発されたものであり、旋回する翼体のピッチ角の最適化を図ると同時に翼断面の最適化を達成することによって、静止状態からの起動を速やかに行うことができると共に翼体の旋回効率を向上させ得る、風車における翼体のピッチ角及び翼断面の制御方法の提供を課題とするものである。

前記課題を解決するため本発明は以下の手段を採用する。
即ち本発明に係る、風車における翼体のピッチ角及び翼断面の制御方法（以下制御方法という）は、翼体が心棒の軸線回りに一方向に旋回できるようになされている風車において、前記翼体が前記心棒から見て風上側に位置した状態においては、前記翼体の翼弦を、前記旋回方向で見た前部がその後部よりも前記心棒から遠い傾斜状態にさせると共に、前記翼体の翼断面を、前記心棒に近い内方側の面が凸面に形成され且つ該翼断面が翼弦に対して非対称を呈する如く変形させる一方、前記翼体が前記心棒から見て風下側に位置した状態においては、前記翼体の翼弦を、前記旋回方向で見た前部がその後部よりも前記心棒に近い傾斜状態にさせると共に、前記翼体の翼断面を、前記心棒から遠い外方側の面が凸面に形成されて該翼断面が翼弦に対して非対称を呈する如く変形させることを特徴とするものである。

本発明は以下の如き優れた効果を奏する。
本発明によるときは、風上側近辺及び風下側近辺の大部分の領域において、翼部材を失速状態とするような事態を招くことなく、旋回方向の回転トルクを効率的に発生させることができ、その結果、風車における翼体の旋回効率を向上させることができる。

図１は、本発明に係る制御方法を応用した風車１を示すものであり、該風車１は、心棒２の一端側又は両端側に、該心棒２の軸線Ｌ１と偏倚して偏心部３が設けられ、該偏心部３に風向制御装置５が設けられている。そして該心棒２には、その軸線Ｌ１回りに回転し得る回転部６を介して、所要間隔を置いて対向状態に突設された一対のアーム７，９を具えるアーム部材１０が設けられ、該一対のアーム７，９の先端部分１１，１２に翼部材１３が設けられており、該翼部材１３が該心棒２の軸線Ｌ１回りに一方向（順方向）に旋回できるものである。以下これを、ジャイロミル型風車に応用された場合を例にとって具体的に説明する。

前記心棒２は、図２〜４に示すように、例えば中空鋼管を以ってなる垂直な支柱２ａとして構成されており、該支柱２ａは、通常の運転状態では、軸線回りには回転しない。該支柱２ａの挿通孔１５には、前記風向制御装置５を構成する風向制御軸１６が該支柱２ａ内でその軸線回りに回転可能に納設されており、図４に示すように、その下端部分が支柱２ａの下端１７から下方に稍突出して操作軸部１９が設けられている。そして該支柱２ａは、その下端部分に、例えば正方形板状を呈する台座片２０が固定されると共に、該台座片２０の下面側で、架台等の設置面２１に載置される支持片２２，２２，２２，２２が放射状に突設されている。なお本実施例においては、該支柱２ａの長さは１４００ｍｍ程度に設定されている。

そして前記支柱２ａの上端寄り部位と下端寄り部位に、例えば１０００ｍｍ程度の間隔を置いて、該支柱２ａの軸線回りに回転し得るベアリング６ａ，６ａとしての前記回転部６，６が設けられており、該上下のベアリング６ａ，６ａに、逆方向に突出する上下一対のアーム７，９、７，９の基端部２３，２３，２３，２３が固定されている。これにより、図１に示すように、左右方向に突出する上下一対のアーム７，９、７，９からなる前記アーム部材１０が設けられ、該アーム部材１０は、前記支柱２ａの軸線Ｌ１回りに回転部６，６（ベアリング６ａ，６ａ）を介して回転できる。そして、例えば前記下の回転部６Ａを、出力用として利用できる。なお本実施例においては、該上下のアーム７，９は共に、細長な水平矩形板状に形成されており、その突出長さは１０００ｍｍ程度に設定されている。

前記翼部材１３は、図５〜６、図７〜８に示すように、前記上下のアーム７，９の先端部分１１，１２を間において配設された上下の枠片２５，２６間に翼体２７を配設してなり、該翼体２７は、該上下のアーム７，９の対向方向に延長する翼芯部材２９の上下端側（本実施例においては上下端）３０，３１が該上下のアーム７，９の先端部分１１，１２に固定されている。そして、図９に示すように、該上下の枠片２５，２６の夫々が、該翼芯部材２９に、該アーム７，９の対向方向（上下方向）に延長する同一の回動軸線Ｌ２回りで回動可能となるように回動連結部７０，７６で連結されている。

該上下の枠片２５，２６は、本実施例においては軽量素材、例えばアルミニウム製のものであり、前記旋回方向に比較的長く形成され、該旋回方向で見た先側部分３２，３３は、前記翼部材１３の旋回時における空気抵抗を減少させるために先細に形成され、該先側部分３２，３３には、図７〜８に示すように、挿入孔３５，３６が上下方向に貫設されている。又、該上下の枠片２５，２６の旋回方向の後側部分には、枠片後端３７，３９で開放し且つ枠片の軸線方向に延長する割り溝４０，４１が上下方向に貫設されると共に、該上下の枠片２５，２６の、前記旋回方向で見た稍後側部位に、ネジ孔４２，４３が上下方向に貫設されている。

該上下の枠片２５，２６相互は、図５〜８に示すように、上下方向に延長する、例えばアルミニウム製の平板状を呈する上下に長い後部連結片４５で連結されており、該後部連結片４５の上下端部分４６，４７が前記上下の割り溝４０，４１に嵌め入れられて固着されている。又、上下方向に延長する例えば断面円形軸４９ａとしての前部連結片４９の上下端部分５０，５１が、前記上下の挿入孔３５，３６に挿入され、上下の枠片２５，２６に固着されている。なお本実施例においては、該前部連結片４９の上端部分が前記上の枠片２５の上方に稍突出せしめられて、突出枢軸５２としての前側連結部５３（図９）が設けられている。

そして前記翼芯部材２９は、図７〜８に示すように、前記枠片２５，２６の軸線方向に長く形成されており、前記アーム７，９の延長方向で見て前記支柱２ａに近い内側表面５５が内方に凸に湾曲すると共に、前記支柱２ａから遠い外側表面５６が、外方に向けて同程度に凸に湾曲した横断面楕円形状の筒体に形成されている。

かかる構成の翼芯部材２９は、その長軸を前記アーム７，９の前記先端部分１１，１２の幅方向に合わせて前記前部連結片４９と前記後部連結片４５との間に配設されている。そして前記のように、該翼芯部材２９の上端３０が前記上のアーム７の先端部分１１の下面５７に固着される一方、該翼芯部材２９の下端５９が前記下のアーム９の先端部分１２の上面６０に固着されている。なお本実施例においては、図９に示すように、該翼芯部材２９の旋回方向で見た前後端６１，６２は該先端部分１１，１２の前後の縁６３，６５に略合致させてある。

そして、図５、図９、図７に示すように、前記上のアーム７の先端部分１１の上面６６の後端部位（前記翼芯部材２９の後端部位）で、上下のジョイント片６７，６９がボールを介して水平面内で相対回転し得る回動連結ジョイント具としての回動連結部７０の該下のジョイント片６９が固着されると共に、該上のジョイント片６７のネジ筒部７１が前記上の枠片２５のネジ孔４２に螺合されて前記上の枠片２５に固定されている。又、前記下のアーム９の先端部分１２の下面７２の後端部位（前記翼芯部材２９の後端部位）で、上下のジョイント片７３，７５がボールを介して水平面内で相対回転し得る回動ジョイント具としての回動連結部７６の該上のジョイント片７３が固着されると共に、該下のジョイント片７５のネジ筒部７７が前記下の枠片２６のネジ孔４３に螺合されて前記下の枠片２６に固定されている。これらよって、前記上下の枠片２５、２６は、前記回動連結部７０，７６を支点として、前記同一の回動軸線Ｌ２（図９）回りで正逆回動できる。

前記翼体２７は、カバー片７９が、前記前部連結片４９と前記翼芯部材２９を包み且つ前記後部連結片４５に取り付けられることによって構成されている。本実施例においては、前記後部連結片４５と前記翼芯部材２９と前記前部連結片４９とを周方向で包囲するように、例えば、ポリエステル繊維糸を用いて製織してなる織布にウレタン樹脂を含浸させた繊維補強の樹脂シートからなるカバー片７９が張設状態に取り付けられることによって、前側部分７８ａが丸く形成されると共に後側部分７８ｂが細く形成された流線型を呈する前記翼体２７が構成されている。このようにして包囲状態に取り付けられた包囲カバー部７９ａの後部分７９ａ１は、前記後部連結片４５の後端部分８４に対してスリップできる当接状態とされてもよいのであるが、本実施例においては、接着等によって固着されている。そして該包囲カバー部７９ａの前部分７９ａ２は、該翼体２７の翼断面が前記枠片２５，２６の回動に伴って変形できるように、前記前部連結片４９に対してスリップできる当接状態にある。なお本実施例においては、該翼体２７の上下方向長さは１０００ｍｍ程度に設定されており、該翼体２７の翼弦８０の長さは１６０ｍｍ程度に設定されている。

又、前記支柱２ａの上端部分８１には図２、図１０に示すように、キャップ部材８２を介して、前記偏心部３となる偏心軸８３が上方向に突設されている。図１〜２においてＬ３は、該偏心軸８３の軸線である。該キャップ部材８２は、頂面部８５で上端が閉塞されると共に下端が開放された偏平円筒状を呈しており、前記支柱２ａの前記上端部分８１に被冠されるもので、内蔵されたベアリング８４を介して前記支柱２ａの軸線回りに回転自在となされている。又、該キャップ部材８２の前記頂面部８５の下面８６には、前記風向制御軸１６の上端８７が同心に固着されている。そして、該キャップ部材８２の頂面部８５の上面８９には、図２、図１１に示すように、前記支柱２ａの軸線（即ち、前記頂面部８５の中心）Ｌ１と１０ｍｍの偏心量Ｌ４で、前記偏心軸８３が上方向に突設されている。そして、該偏心軸８３の中心９０と前記キャップ部材８２の上面８９の中心９１とを結ぶ直線（図１１）Ｌ５は、前記アーム７，９、７，９の延長方向に略合致している。

該偏心軸８３には、内蔵のベアリング９２を介して、該偏心軸８３の軸線回りに回転し得る円板状取付け片９３が設けられている。該円板状取付け片９３の上面には図２、図１０に示すように、前記偏心軸８３を挿通させる挿通孔９４が設けられて逆方向に突出する水平突出片９５，９５がボルトで固定されており、該水平突出片９５，９５の先端で、垂下片９６，９６が下方向に屈曲形成されている。そして該垂下片９６の外面９７には、水平な軸孔９９が設けられた軸受部材１００が突設されると共に該軸孔９９は、該垂下片９６の中央部に設けられた挿通孔１０１に連通されている。

該垂下片９６，９６には、図２、図１０に示すように、互いに逆方向に突出し且つ同一長さを有するする直棒状の規制ロッド本体（後述の規制ロッド１１１を構成する）１０２の基端側部分１０３が取り付けられている。該基端側部分１０３は、前記軸孔９９と前記挿通孔１０１を挿通して、前記水平突出片９５の下側で前記偏心軸８３に向けて突出状態とされると共に、該基端側部分１０３の端部分１０５は、前記水平突出片９５の下面に固定された緩衝器１０６に納められている。又、該基端側部分１０３には、該緩衝器１０６の稍外方部位でバネ受け鍔部１０７が設けられており、該バネ受け鍔部１０７と前記垂下片９６との間に、コイルバネ（以下、基端側のコイルバネともいう）１０９ａとしての付勢手段１０９が稍圧縮状態で介装されている。

そして該規制ロッド本体１０２の先端部１１０には、図９、図５〜７に示すように、前記上の枠片２５の前端側で突設された前記突出枢軸５２が挿通され且つ該突出枢軸５２の軸線回りに回転し得るベアリング１０８が設けられている。該規制ロッド本体１０２の先端部１１０が該ベアリング１０８を介して該突出枢軸５２としての前記前側連結部５３に連結されることにより、図１〜２に示すように、前記偏心軸８３と前記突出枢軸５２とが、前記規制ロッド本体１０２と前記水平突出片９５と前記円板状取付け片９３と前記基端側のコイルバネ１０９ａとからなる規制ロッド１１１で連結状態とされている。

なお本実施例においては図１、図１２に示すように、該規制ロッド本体１０２の基端寄り部分１１２に、その軸線方向にスライドにより移動し得る遠心力調整ウエイト１１３が設けられている。該規制ロッド本体１０２の該基端寄り部分１１２にはバネ受け部材１１５が固設され、該バネ受け部材１１５と該遠心力調整ウエイト１１３との間にコイルバネ（以下、中間のコイルバネともいう）１１６ａとしての付勢手段１１６が介装されている。

前記翼体２７が風速の変動によって過大回転したときには、遠心力の作用によって、前記規制ロッド１１１が、例えば図１３に示すように、前記基端側のコイルバネ１０９ａをより圧縮状態にして伸長する。このとき前記遠心力調整ウエイト１１３が、例えば図１４に示すように、前記中間のコイルバネ１１６ａを圧縮状態にして規制ロッド先側に向けて移動するので、前記翼体２７の質量が比較的小さい場合であっても比較的大きい遠心力が得られることとなり、これによって前記規制ロッド１１１が所要に伸長できる。なお、風速の小刻み変動に追随して規制ロッド１１１が小刻みに伸縮するとロータを損傷する恐れがあるため、前記緩衝器１０６でこれが防止されている。

又、前記風向制御装置５は、図１〜２に示すように、前記偏心軸８３の中心９０と前記キャップ部材８２の中心９１とを結ぶ直線Ｌ５（図１１）上で該偏心軸８３から離れる方向に延長し且つ、前記アーム７，９の先端部分１１，１２を越えて更に突出する風向バー１１７を有し、その基端部１１９が該偏心軸８３に固定されると共に、その先端に、垂直板状を呈する風向板１２０が設けられてなる。然して、風が吹いている状態では該風向板１２０が、前記支柱２ａから見て風下側に位置することにより、前記偏心軸８３が、前記支柱２ａから見て風上側に位置することになる。

偏心軸（偏心部３）８３がこのように風上側に位置せしめられた状態における翼部材１３の風上側と風下側における状態を図１５に基づいて説明する。なお図１５（Ａ）に示す矢印は風向を示し、図１５（Ｂ）（Ｃ）に示す矢印は、例えば周速比が略２の場合の相対風向を示している。

前記翼部材１３が図１５（Ａ）の左側に示すように風上側に位置した状態にあっては、図１５（Ａ）（Ｂ）に示すように、前記規制ロッド１１１により、前記前部連結片４９が前記支柱２ａから遠ざかるように外方に移動せしめられる。これによって、前記翼体２７の翼弦８０が、図１５（Ｂ）に示すように、前記旋回方向で見た前部１２１がその後部１２２よりも前記支柱２ａから遠い傾斜状態（旋回円の接線方向に対して傾斜した状態）とされる。これと同時に、前記翼芯部材２９がアーム７，９に固定状態にあることからして、前記翼体２７の翼断面は、図１５（Ｂ）に示すように、支柱２ａに近い内方側の面１１８が凸面を呈した非対称を呈する如く変形せしめられる。

一方、このように偏心軸（偏心部３）８３が風上側に位置せしめられた状態において、前記翼部材１３が図１５（Ａ）の右側に示すように風下側に位置した状態にあっては、図１５（Ａ）（Ｃ）に示すように、前記規制ロッド１１１が、前記前部連結片４９が前記支柱２ａに近づくように内方に移動せしめられる。これによって、前記翼体２７の翼弦８０が、図１５（Ｃ）に示すように、前記旋回方向で見た前部１２１がその後部１２２よりも前記支柱２ａに近い傾斜状態（旋回円の接線方向に対して傾斜した状態）とされる。これと同時に、前記翼芯部材２９がアーム７，９に固定状態にあることからして、前記翼体２７の翼断面は、図１５（Ｃ）に示すように、支柱２ａから遠い外方側の面１２３が凸面を呈した非対称を呈する如く変形せしめられる。

図１６は、前記翼部材１３が風上側にある状態からアーム部材１０が９０度回転した状態を示すものである。なお、図１６（Ａ）に示す矢印は風向を示し、図１６（Ｂ）（Ｃ）に示す矢印は相対風向を示している。この状態においては、前記翼体２７，２７は相対風向に略沿う状態となり、ピッチ角が略ゼロとなる。

このように、ロータ（２個の翼部材１３，１３とアーム部材１０と上下の回転部６，６を具える部分）１２５（図１）の１回転につき１周期となる翼体２７のピッチ角（前記翼弦８０と前記旋回円の接線方向とのなす角）の制御と、ロータ１２５の１回転につき１周期となる翼断面の変形制御が行われることから、風上側近辺及び風下側近辺の大部分の領域において、翼部材を失速状態とするような事態を招くことなく、順方向旋回時における正トルク（ロータを旋回させるようとするトルク）の領域を最大化でき負トルク（ロータを制動させるトルク）の領域を最小化できることとなる。それ故、前記構成の風車１によるときは、静止状態からの起動が速やかに行われると共に、ロータ１２５が順方向に効率よく旋回できる。

前記翼体２７が、風速の変動によって過大回転したときには、前記のように、前記規制ロッド１１１が遠心力の作用によって伸長する。かかることから図１７に示すように、前記翼体２７が風上側に位置する状態では、ピッチ角が過大となり、前記翼体２７が風下側に位置する状態では、ピッチ角が過少となる。図１７（Ａ）に示す矢印は風向を示し、図１７（Ｂ）（Ｃ）に示す矢印は、例えば周速比が略４の場合の相対風向を示している。図１８は、該翼体２７が風向と略直角を呈する側に位置する状態を示している。図１８（Ａ）に示す矢印は風向を示し、図１８（Ｂ）（Ｃ）に示す矢印は相対風向を示している。この状態ではピッチ角が発生することになるので、該翼体２７が直角乃至その前後の角度範囲において失速状態になる。従って、順方向旋回に対する負トルクが増大して、前記のような正常な順方向の旋回が得られないことになる。その結果、ロータ１２５は減速されることになる。なお、風速が通常状態に戻ることにより前記規制ロッド１１１は当初の長さに戻るので、前記ロータ１２５は前記した正常旋回状態に自動復帰できる。

風速が大きくてロータ１２５が過大回転したときは、前記偏心部３を風下側に向けるための強制制御手段を作動させる。該強制制御手段は、前記風向バー１１７を水平面内で強制回転させる手段からなる。然して、前記風向バー１１７を手で持って水平面内で強制回転操作することによって、又は、前記風向制御軸１６の前記操作軸部１９を手動や作動装置で強制回転操作して前記風向バー１１７を強制回転操作することよって、前記偏心軸８３を前記支柱２ａの軸線回りに所要角度公転させると、この公転角度に応じて、前記翼体２７のピッチ角と翼断面を変えることができ、ロータ１２５を停止させることができる。

前記風向バー１１７を回転させる角度に応じて、緩和減速から急減速まで所望に選択できるのであるが、前記風向バー１１７を風上側に１８０度回転させた場合について説明すれば次のようである。即ち、１８０度回転させた場合は前記偏心軸８３が風下側に位置することになるため、前記翼部材１３が風上側に位置する状態においては、図１９（Ａ）に示すように、前記規制ロッド１１１により、前記前部連結片４９が前記支柱２ａに近づくように移動せしめられる。図１９（Ａ）において、風向を矢印で示している。これによって、前記翼体２７の翼弦８０が、前記旋回方向で見た前部１２１がその後部１２２よりも前記支柱２ａに近い傾斜状態（旋回円の接線方向に対して傾斜した状態）とされる。これと同時に、前記翼体２７の翼断面は、図１９（Ｂ）に示すように、支柱２ａから遠い外方側の面１２３が凸面を呈した非対称を呈する如く変形せしめられる。

そして、前記翼部材１３が風下側に位置する状態においては、図１９（Ｃ）に示すように、前記規制ロッド１１１により、前記前部連結片４９が前記支柱２ａから遠ざかるように外方に移動せしめられる。これによって、前記翼体２７の翼弦８０が、前記旋回方向で見た前部１２１がその後部１２２よりも前記支柱２ａから遠い傾斜状態（旋回円の接線方向に対して傾斜した状態）とされる。これと同時に、前記翼体２７の翼断面は、図１９（Ｃ）に示すように、支柱２ａに近い内方側の面１１８が凸面を呈した非対称を呈する如く変形せしめられる。

従って、風上側の翼体及び風下側の翼体は共に、失速状態となって、旋回方向と逆方向のトルクが増大して減速し乃至停止することになる。このように、前記風向制御装置５は、過大な風速に対しては翼体２７を失速させて風車１を停止させる安全装置の構成要素ともなっている。

図２０〜２１は、前記実施例において、前記規制ロッド１１１の連結状態を変更した態様のものである。

より具体的に説明すれば、図２０、図２１（Ａ）は、前記回動連結部７０の後側に位置させて設けた、例えば上方への突出枢軸としての後側連結部１０８と、前記偏心部（本実施例においては偏心軸８３）３とが規制ロッド１１１で連結された状態を示している。この場合は、同図に示すように、該偏心部３は、前記風向制御装置５の制御作用によって、風下側に位置せしめられる。なお図２１（Ａ）において、風向を矢印で示している。

図２１（Ｂ）は、前記翼部材１３が風上側に位置する状態を示し、前記規制ロッド１１１を介して前記上下の枠片２５，２６が回動することにより、前記前部連結片４９が、前記心棒（支柱２ａ）２から遠ざかるように外方に移動され、前記翼体２７の翼弦８０が、前記旋回方向で見た前部１２１がその後部１２２よりも該支柱２ａから遠い傾斜状態とされている。そして、このように外方に移動することよって、前記翼体２７の翼断面が、支柱２ａに近い内方側の面１１８が凸面に形成され且つ該翼断面が翼弦８０に対して非対称を呈する如く変形している。

又図２１（Ｃ）は、前記翼部材１３が風下側に位置する状態を示し、前記規制ロッド１１１を介して前記上下の枠片２５，２６が回動することによって、前記前部連結片４９が前記支柱２ａに近づくように内方に移動され、前記翼体２７の翼弦８０が、前記旋回方向で見た前部１２１がその後部１２２よりも前記支柱２ａに近い傾斜状態にされている。そしてこのように内方に移動されることよって、前記翼体２７の翼断面が、支柱２ａから遠い外方側の面１２３が凸面に形成されて該翼断面が翼弦８０に対して非対称を呈する如く変形している。

図２２は、本発明に係る制御方法を応用した風車１の他の実施例を示すものであり、心棒２が水平状態に配置されている。該心棒２は、本実施例においては中空鋼管を以って形成されており、図示しない架台に設けられた左右の支持部１２６，１２６の上端に設けられた軸受１２７，１２７で支持され、通常の運転状態では軸線回りには回転しない状態で支持されている。そして図２３〜２４に示すように、該水平状態の心棒２の、該軸受１２７，１２７の内方側において、円板状を呈する偏心固定板１２９，１２９が、その中心（偏心部３）１３０を該心棒２の中心１２８と例えば１０ｍｍ程度偏心させた状態で固定されており、該心棒２に対する左右の偏心固定板１２９，１２９の固定状態は左右対称である。

該偏心固定板１２９，１２９の夫々は、図２３〜２５に示すように、ベアリング１３０，１３０の内輪１３２の内周面１３３に嵌着されている。そして、該ベアリング１３２の外輪１３５が取付け部材１３６の嵌合凹部１３７の内面に固定されることにより、該取付け部材１３６が前記心棒２に対して偏心状態で回転可能となされている。該取付け部材１３６の外面１３８には、図２２〜２５に示すように、逆方向に突出する取付け板１３９，１３９が設けられており、その先端には、前記心棒２の軸線方向内方に向けて屈曲した取付け片１４０，１４０が設けられている。

そして図２２に示すように、前記支持部１２６，１２６の内側において、前記心棒２の左右側に設けられた左右の回転部（本実施例においてはベアリング６ｂ，６ｂ）６，６を介して、アーム部材１０が設けられている。該アーム部材１０は、該心棒２の軸線と直交する状態で心棒２の両側に突出した左右のアーム７，９、７，９からなり、該アーム部材１０は、該回転部６，６（ベアリング６ｂ，６ｂ）を介して前記心棒２の軸線回りに回転できる。そして、例えば一方の回転部を出力用として利用できる。

前記左右のアーム７，９の先端部分１１，１２に翼部材１３が設けられており、該翼部材１３は、前記アーム部材１０が前記心棒２の軸線回りに一方向に回転するに伴って、該軸線回りに一方向（順方向）に旋回できるようになされている。

該翼部材１３の構成は、基本的には前記実施例で示したと同様であり、翼体２７は、図２２に示すように、該左右一対のアーム７，９の対向方向に延長する翼芯部材２９の長さ方向の両端側（本実施例においては左右端）が該左右のアーム７，９に固定されている。そして、左右の枠片２５，２６の夫々が、該翼芯部材２９に、該アーム７，９の対向方向（左右方向）に延長する同一の回動軸線回りで回動可能となるように回動連結部１４４，１４４で連結されている。

又、前記旋回方向で見て前記翼芯部材２９の後側において、前記対向する枠片２５，２６相互が後部連結片４５で連結されており、その前側に位置させて、該枠片２５，２６相互を連結するように前部連結片４９が設けられると共に、該前部連結片４９の左右突出枢軸５２，５２としての前側連結部５３，５３と前記左右の偏心部３，３とが規制ロッド１１１，１１１で連結されている。該規制ロッド１１１は前記実施例におけるものと略同様の構成を有しており、その基端側部分１０３が、図２５に示すように、コイルバネ１０９ａとしての付勢手段１０９を介して取付け片１４０に連結され、又、遠心力調整ウエイト１１３がコイルバネ１１６ａとしての付勢手段１１６を介して該規制ロッド１１１に取り付けられている。そして、該対向する左右の枠片２５，２６間で、該後部連結片４５と前記翼芯部材２９と前記前部連結片４９とを周方向に包囲するようにカバー片７９（図２２）が張設状態に取り付けられることによって翼体２７が形成されている。

本実施例においては、このように心棒２の両端側に偏心部３，３を設け、翼芯部材２９の両端側において、前側連結部（突出枢軸５２）５３と偏心部３とを規制ロッド１１１で連結しているため、翼体２７の翼断面の変形をより安定的に行うことができる。なお風車１が小型の場合は、心棒２の一端側にのみ偏心部３を設け、該一端側でのみ規制ロッド１１１を配設することもある。

そして本実施例においては、風向センサの検知信号を受けて作動するギヤードモータ等の駆動制御手段を具える風向制御装置（図示せず）によって、前記偏心部３が風上側に存する如く風向制御が行われる。図２２において風向Ｆを矢印で示している。

かかる構成の風車１によるときも、前記実施例におけると同様の作用によってロータの一回転につき１周期となる翼体２７のピッチ角の制御と、ロータ１２５の１回転につき１周期となる翼断面の変形制御が行われることから、順方向旋回時における正トルクの領域を最大化でき負トルクの領域を最小化できることとなる。それ故、前記構成の風車１によるときには、静止状態からの起動を速やかに行うことができると共に、ロータ１２５が順方向に効率よく旋回できる。

そして、前記翼体２７が風速の変動によって過大回転したときには、規制ロッド１１１が遠心力の作用によって伸長し、その結果、前記と同様の作用によって、翼部材１３が風上側に位置した状態にあっても風下側に位置した状態にあっても共に、多くの領域において失速状態となり、旋回方向と逆向きのトルクが増大して、前記のような正常な順方向の旋回が得られなくなり、ロータ１２５は減速されることになる。なお、風速が通常状態に戻ることにより前記規制ロッド１１１は当初の長さに戻るので、前記ロータ１２５は前記した正常旋回状態に自動復帰できる。

又、風速が大きくてロータ１２５が過大回転したときは、風速センサの検知信号を受けて作動するギヤードモータ等の強制制御手段によって、前記偏心部３を風下側等、任意の位置に向けることができる。この位置の設定によって前記翼体２７の受ける風力を変えることができ、ロータ１２５を減速乃至停止させることができる。

なお、本実施例に係る風車１において、前記水平状態の心棒２を、その軸線回りに回転調節可能となるように前記軸受１２７，１２７に支持させるときは、該風車１を傾斜地に設置した場合において、前記偏心部３と前記心棒２の中心とを結ぶ直線が該傾斜地の傾斜面と平行状態となるように、即ち、前記偏心部３が該傾斜面の傾斜方向の風上側に位置した状態となるように、前記心棒２を回転調節しその状態を固定することにより、該傾斜面を上昇する風をより有効に活用して翼体２７の旋回効率の向上を期し得ることとなる。又このように構成するときは、該風車を洋上に設置した場合、設置面の揺れを前記心棒２を回転調節することで吸収できることとなり、翼体２７の旋回効率の向上を期し得ることとなる。

本発明の制御方法を応用した風車は、前記実施例で示したものに限定されるものでは決してなく、「特許請求の範囲」の記載内で種々の設計変更が可能であることはいうまでもない。その一例を挙げれば次のようである。

(1) 前記の各実施例においては、前記対向する枠片２５，２６の夫々の稍後側部位を、前記アーム７，９の先端部分１１，１２に、該一対のアーム７，９の対向方向に延長する同一回動軸線回りで回動可能となるように回動連結部で連結しているが、前記前部連結片４９と前記後部連結片４５と間の所要部位、例えば中央部位や前側部位において回動連結部７０で連結すればよい。

(2) 図２６は、実施例１に係る風車１の前記支柱２ａの下端側部分にも偏心部３を設けた構成を示すものであり、前記翼部材１３の前側連結部５３と該偏心部３とが規制ロッド１１１で連結されている。なお、該偏心部３の構成と作用は、前記実施例２における場合と同様であるためその詳細な説明を省略する。

(3) 図２７は、偏心部３の他の構成を示すものであり、支柱２ａとしての心棒２に設けたクランク部１４２の垂直支柱部１４３を以って偏心部３としている。水平方向の心棒２にあっても同様に構成できる。

(4) 図２８（Ａ）（Ｂ）は、前記翼体２７の、前記旋回方向で見た前側部分において、前記翼芯部材２９と前記前部連結片４９との間を構成するカバー片部分１４５の内、前記心棒２側をなす内側カバー部１４６を厚肉に構成した態様を示すものである。本実施例においては、前記カバー片７９と同一素材からなり且つ翼体２７の上下方向に延長するシート状の質量増大片１４７を融着等により固着することによって、前記内側カバー部１４６を厚肉に構成している。
このようにして前記内側カバー部１４６の質量を増大させる場合は、前記翼部材１３が旋回することに伴う遠心力の作用によって、前記内側カバー部１４６と対向する外側カバー部１４９が外方向に過大に膨らみ傾向となるときに、例えば図２８（Ｃ）に示すように、質量が増大された該内側カバー部１４６が外方向に凹み変形することになる。そのため、該外側カバー部１４６が前記前部連結片４９の周面５０をスリップして内側に引っ張られることとなり、結果的に、前記外側カバー部１４９の張力が高められて、その膨らみ変形が抑制されることになる。かかることから、翼体２７の翼断面をより最適状態に維持させながら翼部材１３の旋回を可能となし得る利点がある。

(5) 本発明の制御方法を応用した風車を構成する前記翼体２７は、カバー片７９が、前記前部連結片４９と前記翼芯部材２９を包み且つ前記後部連結片４５に取り付けられることによって構成されればよいのであり、例えば図２９に示すように、前記前部連結片４９と前記翼芯部材２９を包むように設けられたカバー片７９の両端部分１５０，１５０を前記後部連結片４５の両側部１５１，１５１に接着等により取り付けることによって構成することもある。

(6) 前記カバー片７９は、前記枠片２５，２６の回動によって翼体２７の翼断面が変形できる可撓性を具備することが必須であるが、該翼体２７は、剛体としての前記翼芯部材２９を具えるために、該カバー片７９としては、質量の小さい材料を以って構成することが可能となり、これによって翼体２７の軽量化を達成でき、翼体２７の旋回効率の向上に寄与できる。例えば０．４ｋｇ／ｍ²〜１．５ｋｇ／ｍ²のものを採用でき、前記実施例においては０．４ｋｇ／ｍ²のものを用いている。

(7) 本発明の制御方法を応用した風車１は、前記翼部材１３が１個とされることもあり、３個や４個等の複数個とされることもある。そして、各翼部材１３を構成する前側連結部５３と前記心棒２に設けた偏心部３とが規制ロッド１１１で連結される。

(8) この場合、該偏心部３に対する該規制ロッド１１１の基端側部分１０３の回動可能の連結は、個別的に行われてもよい。図３０は、前記心棒２が支柱２ａである場合において、実施例１におけると同様にして設けられた偏心軸（偏心部３）８３の上下に、ベアリング等の回動手段を介して該基端側部分１０３を独立的に連結した場合を示している。このような構成は、心棒２が水平状態に配設される場合にも応用され得る。

(9) 図３１は、前記翼芯部材２９の上端３０を前記上のアーム７の先端部分１１よりも上方に位置させると共に、その下端３１を前記下のアーム９の先端部分１２よりも下方に位置させた場合を示すものであり、該翼芯部材２９の側面部１５２に上下のアーム７，９の先端部分１１，１２が固着されている。このように構成する場合、前記カバー片７９は、該上下の先端部分１１，１２を避けて取り付けられる。このように構成するときは、翼体２７の上下長さを上下のアーム７，９間の間隔によらず、出来るだけ長く形成できる利点がある。かかる構成は、心棒２が水平状態に配置される場合にも同様に採用され得る。

(10)後部連結片４５は、要は、前記翼芯部材２９の後側において、対向する枠片２５，２６相互を連結できるものであればよいのであり、軸状を呈するものであってもよい。又、前記前部連結片４９は、要は、前記翼芯部材２９の前側において、対向する枠片２５，２６相互を連結できるものであればよいのであり、前端部分が丸味を帯びたものであれば横断面が楕円形状を呈する軸状を呈するものや板状を呈するものであってもよい。

(11)前記翼芯部材２９の横断面形状は、前記した楕円形状を呈するものの他、断面円形状や、丸みを帯びた矩形状等を呈するものであってもよい。又、該翼芯部材２９は、前記したような一体の管体等の棒状部材として構成されることの他、複数本の管体等の棒状部材を組み合わせて構成してもよい。

(12)前記実施例１における場合において、前記支柱２ａは、風車の運転状態においてもその軸線回りの回転が許されないものではない。

(13)前記回動連結部７０，７６，１４４は、対向する枠片２５，２６の夫々を、これに対向するアームの先端部分１１と前記翼芯部材２９との一体化物に、該一対のアームの対向方向に延長する同一回動軸線回りで回動可能となるように連結できるものであればよいのであり、前記翼芯部材２９に連結されることもある。そして、該回動連結具は、前記した回動ジョイント具の他、ベアリングやブシュで支持された軸体等を以って構成することもできる。

(14)心棒２である前記支柱をその軸線回りに回転可能に構成するときは、前記偏心部３を該心棒２に一体に設ける場合、風向制御装置５によって該偏心部３を風上側に位置させる際、該心棒２をその軸線回りに回動させることによって風向制御を行うことができる。

(15)ロータが過大回転した場合に、遠心力の作用によりコイルバネ（バネ部材等の付勢手段の一種）を弾性圧縮させて規制ロッド１１１を伸長させ、これによってロータの回転を減速させんとする際は、例えば前記のようにして遠心力調整ウエイト１１３を付設するのが好ましいが、前記翼部材１３の質量が比較的大きい場合は、該遠心力調整ウエイト１１３を省略することもある。

(16)図３２はアーム部材１０の他の態様を示すものであり、該心棒２が例えば支柱２ａである場合において、前記回転部６を、該心棒２に外挿され且つ上下のベアリング１５３，１５３を介して該心棒２の軸線回りに回転し得る回転筒体１５５として構成した場合を示すものであり、上下に長く形成されている。そして該回転筒体１５５の上下に位置させて上下一対のアーム７，９の基端部２３，２３が固定されることによって、該上下一対のアーム７，９からなるアーム部材１０が構成されている。このような構成は、心棒２が水平状態に配設される場合にも応用され得る。

(17)アーム部材１０は、図３３に示すように、心棒２に所要間隔を置いて設けた回転部６，６相互を連結部材１４８で連結すると共に、該連結部材の両端で一対のアーム７，９を対向状態に突設することによって構成することもできる。
又、軸線回りに回転し得る前記回転部６は、心棒２に１個だけ設けられることもある。この場合アーム部材１０は、該回転部６に、該心棒２に沿って連結部を設け、該連結部の両端に一対のアーム７，９を対向状態に突設することによって構成できる。或いは、該回転部から逆方向の傾斜状態でアーム７，９を突設することによって構成することもある。

(18)前記規制ロッド１１１を、バネ部材等の付勢手段１０９を介して弾性的に伸長可能とする場合、該バネ部材を採用するときは、これは、前記したコイルバネには特定されず、遠心力の作用によって弾性的に圧縮され或いは弾性的に伸長できるものであれば、流体バネやゴム製バネ、皿バネ等であってもよい。又、かかる付勢手段１０９を規制ロッド１１１に組み込む部位は、遠心力の作用による該規制ロッド１１１の伸長によってロータの過大回転を防止できるものであれば、限定されない。

(19)前記規制ロッド１１１は、前記翼体のピッチ角と翼断面を変化させるように作用するものである限り、直線状に構成されないこともある。

(20)本発明の制御方法を応用した風車が実施例１で示すようなジャイロミル型風車に応用された場合、前記風向制御装置は、前記した風向バー１１７を用いて手動操作により行う手段を採用できる他、かかる風向バーを用いることなく自動制御する手段を採用してもよい。例えば、風向センサの検知信号を受けて作動するギヤードモータ等の駆動制御手段を用いて構成することができる。

本発明の制御方法を応用した風車を示す斜視図である。ジャイロミル型風車に応用された場合の支柱の上端側部分に設けられた上の回転部と偏心部の構成を説明する断面図である。その支柱の下側部分に設けられた回転部の構成を説明する断面図である。その支柱の下端部分の構成を説明する断面図である。風車の一方の翼部材の構成を示す一部欠切斜視図である。風車の他方の翼部材の構成を説明する一部欠切斜視図である。一方の翼部材の構成を説明する分解斜視図である。他方の翼部材の構成を説明する分解斜視図である。翼部材の構成を説明する、中間省略の正面図である。偏心部の構成を説明する斜視図である。偏心部の偏倚状態を示す説明図である。規制ロッドに対する遠心力調整ウエイトの装着状態を説明する正面図である。規制ロッドの基端寄り部分を偏心部に取り付けた状態示す正面図である。遠心力調整ウエイトが規制ロッド先側に向けて移動した状態を示す平面図である。偏心部が風上側に位置せしめられた状態における風上側と風下側に位置する翼部材を示す平面図と、風上側と風下側における翼体の翼断面を示す断面図である。翼部材が風上側にある状態からアーム部材が９０度回転した状態を示す平面図と、各翼体の翼断面を示す断面図である。偏心部が風上側に位置せしめられた状態において規制ロッドが遠心力の作用によって伸長した状態を示す平面図と、風上側と風下側における翼体の翼断面を示す断面図である。アーム部材が９０度回転した状態を示す平面図と、各翼体の翼断面を示す断面図である。強制制御手段を作動させた状態を示す平面図と、風上側と風下側における翼体の翼断面を示す断面図である。回動連結部の後側に位置させて設けた後側連結部と偏心部とを規制ロッドで連結してなる風車を示す部分斜視図である。その平面図と、風上側と風下側における翼体の翼断面を示す断面図である。心棒が水平状態に配置されてなる風車を示す斜視図である。その風車の偏心部分の構成を示す断面図である。その側面図である。その斜視図である。ジャイロミル型風車において、支柱の下端側部分にも偏心部を設けると共に、翼部材の前側連結部と該偏心部とを規制ロッドで連結した状態を示す部分斜視図と底面図である。心棒に設けたクランク部を以って偏心部を構成した状態を示す一部断面側面図である。翼体の他の構成を説明する斜視図とその作用を説明する断面図である。翼体の他の態様を示す断面図である。翼部材が２個の場合における、２本の規制ロッドの偏心部に対する連結状態を示す斜視図である。アームの先端部分を翼芯部材に取り付ける他の態様を説明する斜視図である。心棒に設けられた回転部の他の構成を説明する一部断面正面図である。アーム部材のその他の構成を説明する正面図である。

１風車
２心棒
３偏心部
５風向制御装置
６回転部
７アーム
９アーム
１０アーム部材
１１アームの先端部分
１２アームの先端部分
１３翼部材
１６風向制御軸
１９操作軸部
２５上の枠片
２６下の枠片
２７翼体
２９翼芯部材
４５後部連結片
４９前部連結片
５３前側連結部
５５内側表面
５６外側表面
７０回動連結部
７６回動連結部
８０翼弦
８３偏心軸
１０２規制ロッド本体
１１６付勢手段
１１７風向バー
１２０風向板
１２５ロータ
１２９偏心固定板
１４４回動連結部

Claims

翼体が心棒の軸線回りに一方向に旋回できるようになされている風車において、
前記翼体が前記心棒から見て風上側に位置した状態においては、前記翼体の翼弦を、前記旋回方向で見た前部がその後部よりも前記心棒から遠い傾斜状態にさせると共に、前記翼体の翼断面を、前記心棒に近い内方側の面が凸面に形成され且つ該翼断面が翼弦に対して非対称を呈する如く変形させる一方、
前記翼体が前記心棒から見て風下側に位置した状態においては、前記翼体の翼弦を、前記旋回方向で見た前部がその後部よりも前記心棒に近い傾斜状態にさせると共に、前記翼体の翼断面を、前記心棒から遠い外方側の面が凸面に形成されて該翼断面が翼弦に対して非対称を呈する如く変形させることを特徴とする風車における翼体のピッチ角及び翼断面の制御方法。