JP2015209831A

JP2015209831A - 軸流羽根車およびタービン

Info

Publication number: JP2015209831A
Application number: JP2014093223A
Authority: JP
Inventors: 寛川嶋; Hiroshi Kawashima
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-04-28
Filing date: 2014-04-28
Publication date: 2015-11-24
Anticipated expiration: 2034-04-28
Also published as: JP5670591B1; WO2015166813A1

Abstract

【課題】大型化することなく、出力効率を改善することができる軸流羽根車およびタービンを提供する。【解決手段】複数の回転翼１２が、ヘッド１１の周囲に等角度間隔で配置され、ヘッド１１の中心軸方向に沿った流体の流れを受けて、ヘッド１１の中心軸周りに回転可能に設けられている。複数の突出部１３が、各回転翼１２に同じ数ずつ、それぞれ所定の間隔をあけて設けられている。各突出部１３は、各回転翼１２の上流側の表面に、上流側に向かって突出し、各回転翼１２の回転方向に沿って円弧状に設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、軸流羽根車および、その軸流羽根車を有するタービンに関する。

従来、風力発電などのタービンの羽根車の出力効率を改善するために、翼型の最適化や翼端部の屈曲、ベーンやボルテックスジェネレータの付与などが行われているが（例えば、特許文献１参照）、大幅な出力効率の改善は実現していない。そこで、大幅な出力効率の改善を目指して、風の入口から出口に向かって開口面積が拡がるよう形成された筒状のディフューザ（通称：風レンズ）を、羽根車の外周を囲うよう取り付けることにより、羽根車の出力を２〜３倍に高める技術が開発されている（例えば、特許文献２参照）。また、高効率回転が得られるものとして、回転中心から半径方向への空気や水の流れを利用した半径流タービンが知られている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００２−３４９４１８号公報国際公開第２０１０／１０９８００号特開２００６−３７７９１号公報

特許文献２に記載の風レンズを利用した風車では、風レンズ自体は固定されて回転に直接寄与せず、その出口の外径は羽根車の直径の１．４倍となっている。この風レンズを利用した風車では、出力効率をさらに高めるためには大型化する必要があるが、風レンズの大きさにより羽根車の大型化に制限を受けてしまう。このため、出力効率の改善には限度があるという課題があった。

また、特許文献３に記載のような半径流タービンは、タービンに対する衝動力や反動力が増加するため高効率回転となるが、出力効率をさらに高めるためには、やはり大型化する必要がある。しかし、半径流タービンは立体構造を有しているため、設置スペースによって、大型化に制限を受けてしまう。このため、出力効率の改善には限度があるという課題があった。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、大型化することなく、出力効率を改善することができる軸流羽根車およびタービンを提供することを目的とする。

本発明者は、従来型の軸流式の羽根車では、羽根車の回転翼に沿って回転中心から半径方向に流れる流体の半径流成分が、羽根車の回転に寄与していないことに着目し、この半径流成分を羽根車の回転に有効に活用するための技術について試行錯誤を行った結果、本発明に至った。

すなわち、本発明に係る軸流羽根車は、所定の中心軸周りに互いに角度間隔をあけて配置され、前記中心軸方向に沿った流体の流れを受けて前記中心軸周りに回転可能に設けられた複数の回転翼と、各回転翼の上流側の表面に、上流側に向かって突出し、各回転翼の回転方向に沿って円弧状に設けられた１または複数の突出部とを、有することを特徴とする。

本発明に係る軸流羽根車では、各回転翼に中心軸方向に沿って流れる流体が当たると、その流れが各回転翼を押して各回転翼を回転させる。このとき、各回転翼に当たった流体は、各回転翼の上流側の表面に沿って、各回転翼の回転方向成分と半径流方向成分とを有する流れとなり、各回転翼の回転方向の前方側端縁から後方側端縁にかけて、中心軸から外側に向かって傾斜した向きに流れる。その傾斜した流れのうちの一部は、中心軸側から各突出部に当たり、各突出部に沿って流れて各回転翼の回転方向の後方側端縁に抜けていく。このとき、その流れにより各突出部が斜めに押されるため、各回転翼の回転方向成分の力が得られ、各回転翼の回転効率を高めることができる。このように、本発明に係る軸流羽根車は、各突出部を設けることにより、各回転翼に沿った半径流成分を利用して回転効率を高めることができ、大型化することなく、出力効率を改善することができる。なお、本発明に係る軸流羽根車は、大型化してさらに出力効率を改善してもよい。

本発明に係る軸流羽根車で、各突出部は、各回転翼の回転方向に沿って円弧状に設けられているため、各回転翼の回転による抵抗を受けにくい。各突出部は、各回転翼の幅いっぱいに、各回転翼の回転方向の前方側端縁から後方側端縁にかけて形成されていることが好ましい。また、各突出部は、各回転翼の表面に円弧状の突出片を取り付けて形成されてもよく、各回転翼の表面を円弧状に盛り上げて形成されてもよく、各回転翼の表面に円弧状の溝を形成して形成されてもよい。円弧状の盛り上げ形状や溝の横断面は、例えば三角形状であってもよい。また、各突出部は、複数の突起を円弧状に並べて形成されていてもよい。

各突出部は、各回転翼に所定の間隔で複数設けられていることが好ましい。また、各突出部は、各回転翼の下流側の表面にも設けられていてもよい。この場合、各回転翼の下流側の表面に沿った半径流成分も利用することができ、各回転翼の回転効率をさらに高めることができる。本発明に係る軸流羽根車で、各回転翼は、軸流式のものであれば、プロペラやスクリュー等いかなるものであってもよく、従来の軸流式の羽根車であってもよい。

本発明に係る軸流羽根車で、各突出部は、各回転翼の回転面に沿った断面が、回転の外側に膨らんだ翼型形状を成していてもよい。また、各突出部は、各回転翼の回転方向に対して前傾していることが好ましい。各突出部を翼型形状にすることにより、各回転翼の表面を流れる流体により、各突出部で回転の外側に向かって揚力が発生する。このとき、各突出部を前傾させておくことにより、その揚力から各回転翼の回転方向成分が得られるため、各回転翼の回転効率をさらに高めることができる。また、各突出部を前傾させることにより、各回転翼の回転による抵抗をさらに受けにくくすることができ、回転効率を高めることができる。

本発明に係るタービンは、本発明に係る軸流羽根車を有することを特徴とする。
本発明に係るタービンは、本発明に係る軸流羽根車を有しているため、大型化することなく、出力効率を改善することができる。本発明に係るタービンは、流体の運動エネルギーを回転エネルギーに変換可能であれば、いかなるものであってもよく、例えば、蒸気タービンやガスタービン、発電用水車、風力原動機などである。

本発明によれば、大型化することなく、出力効率を改善することができる軸流羽根車およびタービンを提供することができる。

本発明の実施の形態の軸流羽根車を示す（ａ）正面図、（ｂ）中心軸および回転翼の中心を通る切断部端面図である。図１に示す軸流羽根車の、突出部に作用する力を示す、突出部を拡大した正面図である。本発明の実施の形態の軸流羽根車の（ａ）回転翼の第１の変形例の、ヘッドおよび１枚の回転翼を示す正面図、（ｂ）その中心軸および回転翼の中心を通る切断部端面図、（ｃ）回転翼の第２の変形例の、ヘッドおよび１枚の回転翼を示す正面図、（ｂ）その中心軸および回転翼の中心を通る切断部端面図である。本発明の実施の形態の軸流羽根車の（ａ）回転翼の第３の変形例の、ヘッドおよび１枚の回転翼を示す正面図、（ｂ）その中心軸および回転翼の中心を通る切断部端面図である。

以下、図面に基づき、本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図４は、本発明の実施の形態の軸流羽根車を示している。
図１に示すように、軸流羽根車１０は、ヘッド１１と複数の回転翼１２と複数の突出部１３とを有している。

ヘッド１１は、円錐形を成しており、その中心軸を中心として回転可能に設けられている。
各回転翼１２は、細長い板状であり、ヘッド１１の周囲に、等角度間隔で配置されている。各回転翼１２は、ヘッド１１から半径方向に伸び、一方の表面がヘッド１１の前方側に向くよう取り付けられている。各回転翼１２は、ヘッド１１の中心軸方向に沿った流体の流れを受けたとき、ヘッド１１の中心軸周りに回転可能に、ヘッド１１の中心軸方向に対して傾斜して設けられている。

各突出部１３は、板状であり、各回転翼１２に同じ数ずつ、それぞれ所定の間隔をあけて設けられている。各突出部１３は、それぞれ各回転翼１２の上流側の表面に、上流側に向かって突出して設けられている。各突出部１３は、各回転翼１２の表面に対して、垂直に直立して設けられている。各突出部１３は、各回転翼１２の一方の側縁から他方の側縁にかけて各回転翼１２の幅いっぱいに、各回転翼１２の回転方向に沿って円弧状に設けられている。なお、図１に示す具体的な一例では、回転翼１２は６枚から成っており、突出部１３は、各回転翼１２にそれぞれ５つずつ設けられている。

次に、作用について説明する。
軸流羽根車１０では、各回転翼１２に中心軸方向に沿って流れる流体が当たると、その流れが各回転翼１２を押して各回転翼１２を回転させる。このとき、各回転翼１２に当たった流体は、各回転翼１２の上流側の表面に沿って、各回転翼１２の回転方向成分と半径流方向成分とを有する流れとなり、各回転翼１２の回転方向の前方側端縁から後方側端縁にかけて、中心軸から外側に向かって傾斜した向きに流れる。図１および図２に示す具体例では、各回転翼１２が矢印Ａの方向に回転し、各回転翼１２の表面では、矢印Ｂの方向に流体が流れる。

その傾斜した流れのうちの一部は、中心軸側から各突出部１３に当たり、各突出部１３に沿って流れて各回転翼１２の回転方向の後方側端縁に抜けていく。このとき、その流れにより各突出部１３が斜めに押されるため、各回転翼１２の回転方向成分の力が得られ、各回転翼１２の回転効率を高めることができる。これを図２に示す具体例で示すと、矢印Ｂの方向の流れが各突出部１３に当たると、その流れによる衝動力Ｃと反動力Ｄが発生し、それらの合力Ｅから回転翼１２の回転方向成分が得られ、各回転翼１２の回転効率を高めることができる。

このように、軸流羽根車１０は、各突出部１３を設けることにより、各回転翼１２に沿った半径流成分を利用して回転効率を高めることができ、大型化することなく、出力効率を改善することができる。また、軸流羽根車１０は、ダウンウインド方式で後傾したり、流体の圧力で各回転翼１２が下流側に傾斜するコーニングが発生したりしたときでも、それらにより増加する半径流成分を各突出部１３により有効活用することができ、回転効率を高めることができる。また、軸流羽根車１０は、各回転翼１２が高速で回転したときでも、その円板効果により増加する半径流成分を各突出部１３により有効活用することができ、回転効率を高めることができる。

また、従来の羽根車は、各回転翼の中心軸側の端部で、回転への寄与が少なかったが、軸流羽根車１０は、各回転翼１２の中心軸側の端部にも突出部１３を設けることにより、その部分による回転への寄与を増やし、回転効率を高めることができる。また、軸流羽根車１０は、各突出部１３が各回転翼１２の回転方向に沿って円弧状に設けられているため、各回転翼１２の回転による抵抗を受けにくい。軸流羽根車１０は、蒸気タービンやガスタービン、発電用水車、風力原動機などのタービンの羽根車として使用することができる。これにより、タービンを大型化することなく、出力効率を改善することができる。

なお、軸流羽根車１０で、各突出部１３は、各回転翼１２の下流側の表面にも設けられていてもよい。この場合、各回転翼１２の下流側の表面に沿った半径流成分も利用することができ、各回転翼１２の回転効率をさらに高めることができる。また、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、軸流羽根車１０は、各回転翼１２の表面が円弧状の盛上部２１と、円弧状の溝２２とが交互に設けられた形状を成し、各盛上部２１が各突出部１３を成していてもよい。盛上部２１や溝２２の横断面は、三角形状である。また、図３（ｃ）および（ｄ）に示すように、各突出部１３は、複数の突起２３を円弧状に並べて形成されていてもよい。

また、図４に示すように、各突出部１３は、各回転翼１２の回転面に沿った断面が、回転の外側に膨らんだ翼型形状を成し、各回転翼１２の回転方向に対して前傾していてもよい。この場合、図４（ａ）に示すように、翼型形状の各突出部１３に沿って、各回転翼１２の表面を流体が流れることにより、各突出部１３で回転の外側に向かって揚力Ｆが発生する。このとき、各回転翼１２が前傾しているため、その揚力Ｆから各回転翼１２の回転方向成分が得られ、各回転翼１２の回転効率をさらに高めることができる。また、各回転翼１２が前傾しているため、各回転翼１２の表面を斜めに流れる流体（矢印Ｂ）による抵抗をさらに受けにくくすることができ、回転効率を高めることができる。

［回転実験］
図４に示す軸流羽根車１０を用いて、回転効率を調べる実験を行った。実験に使用した軸流羽根車１０は、各回転翼１２の直径が280mm、ピッチ角度が10度、各突出部１３の高さが5mmである。また、軸流羽根車１０の正面から風速5m/sの風を当て、非接触赤外線式回転計により各回転翼１２の回転数を測定した。また、比較のために、突出部１３がない以外は同じ条件の羽根車についても、実験を行った。

実験結果を、表１に示す。表１では、突出部１３がない羽根車の各値を１．００として、軸流羽根車１０の結果を示している。また、出力は、重量×回転数である。

表１に示すように、突出部１３を有する軸流羽根車１０は、突出部１３がない従来型の羽根車と比べて、出力効率が１３０％以上改善されていることが確認された。

１０軸流羽根車
１１ヘッド
１２回転翼
１３突出部

２１盛上部
２２溝
２３突起

すなわち、本発明に係る軸流羽根車は、所定の中心軸周りに互いに角度間隔をあけて配置され、前記中心軸方向に沿った流体の流れを受けて前記中心軸周りに回転可能に設けられた複数の回転翼と、各回転翼の上流側の表面に、上流側に向かって突出し、各回転翼の回転方向に沿って円弧状に設けられた１または複数の突出部とを有し、各突出部は、各回転翼の回転面に沿った断面が、回転の外側に膨らんだ翼型形状を成していることを特徴とする。

本発明に係る軸流羽根車で、各突出部は、各回転翼の回転方向に対して前傾していることが好ましい。本発明に係る軸流羽根車で、各突出部は、各回転翼の回転面に沿った断面が、回転の外側に膨らんだ翼型形状を成しているため、各回転翼の表面を流れる流体により、各突出部で回転の外側に向かって揚力が発生する。このとき、各突出部を前傾させておくことにより、その揚力から各回転翼の回転方向成分が得られるため、各回転翼の回転効率をさらに高めることができる。また、各突出部を前傾させることにより、各回転翼の回転による抵抗をさらに受けにくくすることができ、回転効率を高めることができる。

Claims

所定の中心軸周りに互いに角度間隔をあけて配置され、前記中心軸方向に沿った流体の流れを受けて前記中心軸周りに回転可能に設けられた複数の回転翼と、
各回転翼の上流側の表面に、上流側に向かって突出し、各回転翼の回転方向に沿って円弧状に設けられた１または複数の突出部とを、
有することを特徴とする軸流羽根車。
各突出部は、各回転翼の回転面に沿った断面が、回転の外側に膨らんだ翼型形状を成していることを特徴とする請求項１記載の軸流羽根車。
各突出部は、複数の突起を円弧状に並べて形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の軸流羽根車。
各突出部は、各回転翼の回転方向に対して前傾していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の軸流羽根車
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の軸流羽根車を有することを特徴とするタービン。