JP2019105213A

JP2019105213A - Rotor

Info

Publication number: JP2019105213A
Application number: JP2017238041A
Authority: JP
Inventors: 劉　浩; Hiroshi Ryu; 浩劉; 敏是中田; Toshiyuki Nakata; 悠真吉永; Yuma YOSHINAGA; 旭彰池田; Teruaki Ikeda; 武夫藤井; Takeo Fujii
Original assignee: Chiba University NUC; Teral Inc
Current assignee: Chiba University NUC; Teral Inc
Priority date: 2017-12-12
Filing date: 2017-12-12
Publication date: 2019-06-27
Anticipated expiration: 2037-12-12
Also published as: JP6989845B2

Abstract

To provide a rotor that can preferably change a torsion angle in a passive manner.SOLUTION: A rotor for a wind/hydraulic machinery includes: a hub supported by a spindle; a blade 20 connected to the hub so as to be rotatable about a predetermined blade axis; and an urging member 30 for rotatably urging the blade with respect to the hub. The blade includes: an alula 210 having flexibility; and a high-stiffness front edge part 220 having stiffness higher than the alula and constituting a leading-edge of the blade.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、風力発電機や送風機等の風水力機械に用いられるロータに関する。 The present invention relates to a rotor used for wind and water machines such as wind power generators and blowers.

一般的に、風力発電機や送風機等の風水力機械に用いられるロータにおいては、周速比に依って、良好な効率を得るのに最適な、翼の平面形状（翼を平面に展開したときの形状）や翼のねじれ角の翼長方向の分布が異なる。そのため、例えば流体の速度や向きが絶えず大きく変動するような場所にロータが設置される場合、周速比に応じて翼の平面形状やねじれ角を適切に変化させられれば、安定的に良好な発電効率を得られることが期待できる。しかし、翼の平面形状を変化させることは難しい。
一方、従来より、翼のねじれ角を電気的に制御する技術が知られている（例えば、特許文献１）。 Generally, in a rotor used for wind-hydraulic machines such as wind power generators and blowers, the plane shape of the blade (when the blade is expanded in a plane, which is optimal for obtaining a good efficiency depending on the peripheral speed ratio) Distribution of the twist angle of the wing and the twist angle of the wing in the wing length direction are different. Therefore, for example, when the rotor is installed in a place where the velocity and direction of the fluid constantly and continuously fluctuate, it is stable and good if the plane shape and the twist angle of the blade can be appropriately changed according to the peripheral speed ratio. It can be expected that the power generation efficiency can be obtained. However, it is difficult to change the planar shape of the wing.
On the other hand, there is conventionally known a technique for electrically controlling a twist angle of a wing (for example, Patent Document 1).

特開２００６−２３３９１２号公報JP, 2006-233912, A

しかしながら、上述した、ねじれ角を電気的に制御する技術を用いる場合、構造が複雑となり、コストも高くなる。
本発明の発明者は、鳥や昆虫の翼を規範とし、試行錯誤を重ねた結果、電気的な制御を用いずに、受動的に、ねじれ角を良好に変化させることができる技術を、新たに見出した。 However, in the case of using the above-described technique for electrically controlling the twist angle, the structure is complicated and the cost is increased.
The inventor of the present invention is based on the wing of a bird or an insect as a standard, and as a result of repeated trial and error, it is possible to change the twist angle favorably, passively, without using electrical control. I found it.

本発明は、受動的に、ねじれ角を良好に変化させることができる、ロータを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a rotor which can change a twist angle well passively.

本発明のロータは、風水力機械用のロータであり、
主軸に支持されるハブと、
該ハブに対して所定の翼軸線の周りで回転可能に連結された翼と、
前記翼を前記ハブに対して回転付勢する付勢部材と、
を備え、
前記翼は、
柔軟性を有する翼膜と、
前記翼膜よりも高い剛性を有するとともに、前記翼の前縁を構成する、高剛性前縁部と、
を有している。 The rotor of the present invention is a rotor for wind and water machines,
A hub supported by the spindle,
A wing rotatably coupled to the hub about a predetermined wing axis;
An urging member for rotationally urging the wing against the hub;
Equipped with
The wings are
A flexible wing membrane,
A high rigidity front edge which has higher rigidity than the wing membrane and which constitutes the front edge of the wing;
have.

本発明のロータにおいては、
前記翼の前縁は、前記翼軸線から、前記翼軸線に垂直な方向に離間されていると、好適である。 In the rotor of the present invention,
The leading edge of the wing is preferably spaced from the wing axis in a direction perpendicular to the wing axis.

本発明のロータにおいては、
前記ロータは、周速比が高くなるのに応じて、前記翼の全長にわたって、前記翼のねじれ角が減少するように構成されていると、好適である。 In the rotor of the present invention,
The rotor is preferably configured such that the twist angle of the wing decreases over the entire length of the wing as the circumferential speed ratio increases.

本発明のロータにおいては、
前記翼は、前記翼膜よりも高く前記高剛性前縁部よりも低い剛性を有するとともに、前記翼の翼根を構成する、高剛性翼根部を、さらに有していると、好適である。 In the rotor of the present invention,
It is preferable that the wing further has a high-rigidity blade root portion that has a rigidity higher than the wing membrane and lower than the high-rigidity front edge portion and that constitutes a wing root of the wing.

本発明のロータにおいては、
前記翼は、前記翼膜よりも高く前記高剛性前縁部よりも低い剛性を有するとともに、前記翼の平面展開視において前記翼軸線に交差する方向に延在する、骨部を、さらに有していると、好適である。 In the rotor of the present invention,
The wing further has a bone portion which has a rigidity higher than the wing membrane and lower than the high rigidity leading edge, and extends in a direction intersecting the wing axis in plan view of the wing. Is preferred.

本発明のロータにおいては、
前記翼は、前記翼膜として、正圧面を構成する第１翼膜と、負圧面を構成する第２翼膜と、を有しており、
前記第１翼膜と前記第２翼膜とは、少なくとも一部分で、互いに固定されていないと、好適である。 In the rotor of the present invention,
The wing has, as the wing membrane, a first wing membrane that constitutes a pressure surface, and a second wing membrane that constitutes a suction surface,
It is preferable that the first wing membrane and the second wing membrane are not fixed to each other at least in part.

本発明によれば、受動的に、ねじれ角を良好に変化させることができる、ロータを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a rotor which can passively change the twist angle well.

本発明の一実施形態に係るロータを備えた風水力機械を示す斜視図である。1 is a perspective view showing a wind and water machine provided with a rotor according to an embodiment of the present invention. 図１のロータの一部を拡大して示す拡大斜視図である。It is an enlarged perspective view which expands and shows a part of rotor of FIG. 図２に示すロータの部分を、別の角度から観たときの様子を示す、拡大斜視図である。FIG. 3 is an enlarged perspective view showing a part of the rotor shown in FIG. 2 as viewed from another angle. 図１のロータの翼を、平面に展開したときの様子を、剛性分布の一例とともに示す、平面展開図である。It is a plane development view which shows a mode when the wing | blade of the rotor of FIG. 1 is expand | deployed on a plane with an example of rigid distribution. 図１のロータの動作を説明するための斜視図である。It is a perspective view for demonstrating the operation | movement of the rotor of FIG. 図５のロータを、翼軸線の一方側から観たときの様子を示す図であり、図１のロータの動作を説明するための図である。FIG. 6 is a view showing the rotor of FIG. 5 as viewed from one side of the blade axis, for illustrating the operation of the rotor of FIG. 1; 本発明のロータの第１変形例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the 1st modification of the rotor of this invention. 本発明のロータの第２変形例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the 2nd modification of the rotor of this invention. 本発明のロータの第３変形例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the 3rd modification of the rotor of this invention. 本発明のロータの第４変形例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the 4th modification of the rotor of this invention. 本発明のロータの比較例１〜４、実施例１における、ロータの回転時での翼のねじれ角分布の解析結果を示す図である。It is a figure which shows the analysis result of the twist angle distribution of the wing | blade at the time of rotation of a rotor in Comparative Examples 1-4 of Example 1 of a rotor of this invention. 本発明のロータの比較例１〜４、実施例１における、周速比とパワー係数との関係についての解析結果を示す図である。It is a figure which shows the analysis result about the relationship between peripheral speed ratio and power coefficient in Comparative Examples 1-4 of the rotor of this invention, and Example 1. FIG. 本発明のロータの比較例１〜４の翼を示す図である。It is a figure showing a wing of comparative examples 1-4 of a rotor of the present invention.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に例示説明する。
本発明のロータは、風水力機械に用いられるものであり、特に水平軸型の風力発電機又は送風機に用いられると好適なものである。本発明でいう「風水力機械」とは、風力発電機（風車等）、送風機、水力発電機（水車等）、ポンプ、ヘリコプター、ドローン等の、風力又は水力により得られる動力を利用する機械を意味するものとする。
本発明のロータの直径は、任意の値でよいが、ロータが水平軸型の風力発電機に用いられる場合は例えば７４１〜１１１１ｍｍであると好適であり、ロータが送風機に用いられる場合は例えば７００〜１１００ｍｍであると好適である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be illustrated and described in detail with reference to the drawings.
The rotor of the present invention is used in a wind and water machine, and is particularly suitable when used in a horizontal axis type wind power generator or fan. The "wind-hydraulic machine" in the present invention refers to a machine utilizing wind power or hydropower obtained by wind power or water power such as wind power generator (wind turbine etc.), blower, hydro power generator (water wheel etc.), pump, helicopter, drone etc. Shall be meant.
The diameter of the rotor of the present invention may be any value, but it is preferably, for example, 741 to 1111 mm when the rotor is used for a horizontal axis type wind power generator, and 700 for example when the rotor is used for a blower. It is suitable that it is -1100 mm.

本発明の一実施形態を、図１〜図６を参照して説明する。図１は、本実施形態に係るロータ１を備えた風水力機械を示す斜視図である。図２は、図１のロータ１の一部を拡大して示す拡大斜視図である。図３は、図２に示すロータ１の部分を、別の角度から観たときの様子を示す、拡大斜視図である。図４は、図１のロータ１の翼２０の剛性分布の一例を示す、剛性分布図である。図５は、図１のロータ１の動作を説明するための図である。図６は、図５のロータ１を、翼軸線ＢＡの一方側から観たときの様子を示すとともに、図１のロータ１の動作を説明するための図である。
本実施形態において、ロータ１を備えた風水力機械は、水平軸型の風力発電機として構成されている。ただし、ロータ１を備えた風水力機械は、水力発電機（水車等）として構成されてもよく、また、送風機として構成されてもよい。 One embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a perspective view showing a wind and water machine provided with a rotor 1 according to the present embodiment. FIG. 2 is an enlarged perspective view showing a part of the rotor 1 of FIG. 1 in an enlarged manner. FIG. 3 is an enlarged perspective view showing a part of the rotor 1 shown in FIG. 2 as viewed from another angle. FIG. 4 is a stiffness distribution diagram showing an example of the stiffness distribution of the wing 20 of the rotor 1 of FIG. FIG. 5 is a diagram for explaining the operation of the rotor 1 of FIG. FIG. 6 is a view for explaining the operation of the rotor 1 of FIG. 1 as well as showing the rotor 1 of FIG. 5 as viewed from one side of the blade axis BA.
In the present embodiment, the wind and water machine provided with the rotor 1 is configured as a horizontal axis wind power generator. However, the wind and water machine provided with the rotor 1 may be configured as a hydroelectric generator (a water wheel or the like) or may be configured as a blower.

図１において、本実施形態のロータ１は、主軸（図示せず）に支持されるハブ１０と、ハブ１０に対してそれぞれ所定の翼軸線ＢＡの周りで回転可能に連結された複数（本例では３つ）の翼２０と、各翼２０をそれぞれハブ１０に対して回転付勢する付勢部材３０と、を備えている。図示されない主軸は、図１で見たときに、ハブ１０の背面から後方へ向かって、例えばほぼ水平に、延在する。主軸の中心軸線が、ロータ１の回転中心軸線Ｏとなる。
なお、翼２０の数は、３つに限られず、任意の数とすることができる。
また、ロータ１の各翼２０は、本例では互いに同一の構成を有しているが、一部の翼が他の翼とは異なる構成を有していてもよい。 In FIG. 1, the rotor 1 of the present embodiment includes a hub 10 supported by a main shaft (not shown) and a plurality of rotors 10 rotatably connected to the hub 10 around predetermined blade axes BA (this example In this case, three wings 20 and a biasing member 30 which rotationally biases each wing 20 to the hub 10 are provided. A main shaft, not shown, extends rearward from the back of the hub 10, for example, substantially horizontally, as viewed in FIG. The central axis of the main shaft is the rotation center axis O of the rotor 1.
The number of wings 20 is not limited to three, and may be any number.
Moreover, although each wing | blade 20 of the rotor 1 has mutually the same structure in this example, one wing | blade may have a different structure from another wing | blade.

図１に示すように、本例では、翼２０のねじれ角θ（図６参照。「ピッチ角」とも呼ばれる。）が、翼２０の翼長方向に沿って一定ではなく、翼長方向に沿って翼根２１（翼２０におけるハブ１０側（内周側）の端部。）から翼端２２（翼２０におけるハブ１０とは反対側（外周側）の端部。）に向かうにつれて徐々に減少している。
翼２０のねじれ角θの翼長方向での分布を、本例のようにすることによって、風力発電機の効率を向上できる。ただし、翼２０のねじれ角の翼長方向での分布は、任意でよい。
ここで、「ねじれ角θ」とは、翼２０上のあるロータ１の半径方向位置における、ロータ１の回転中心軸線Ｏに対して垂直な仮想平面Ｐ（図６参照）と、翼２０の翼弦線（翼２０の前縁２３と後縁２４とを結ぶ直線）との、鋭角側のなす角度である。
図６では、便宜のため、翼２０の翼根２１でのねじれ角θのみを示しており、翼２０の他の半径方向位置でのねじれ角θの図示を省略している。
本明細書において、「ねじれ角θ」というときは、特に断りがない限り、翼２０の各半径方向位置でのねじれ角（ひいては、ねじれ角の翼長方向での分布）を指すものとする。 As shown in FIG. 1, in this example, the twist angle θ of the wing 20 (see FIG. 6, also referred to as “pitch angle”) is not constant along the wing length direction of the wing 20 but along the wing length direction The diameter gradually decreases from the wing root 21 (the end of the wing 20 on the hub 10 side (inner circumferential side)) to the wing tip 22 (the end of the wing 20 on the opposite side (the outer circumferential side) of the hub 10 to the hub 10). doing.
The efficiency of the wind power generator can be improved by making the distribution of the twist angle θ of the wing 20 in the spanwise direction as in this example. However, the distribution of the twist angles of the wing 20 in the span direction may be arbitrary.
Here, “twist angle θ” means a virtual plane P (see FIG. 6) perpendicular to the rotation center axis O of the rotor 1 at a certain radial position of the rotor 1 on the wing 20 and the wing of the wing 20 The angle formed by the acute angle side of a chord line (a straight line connecting the front edge 23 and the rear edge 24 of the wing 20).
In FIG. 6, for convenience, only the twist angle θ at the blade root 21 of the wing 20 is shown, and the twist angle θ at other radial positions of the wing 20 is omitted.
In the present specification, the term “twist angle θ” refers to the twist angle at each radial position of the wing 20 (and hence the distribution of the twist angle in the span direction) unless otherwise noted.

図２及び図３に示すように、翼２０は、シャフト５０によって、ハブ１０に対して回転可能に連結されている。シャフト５０は、例えば、ヒンジピンから構成される。より具体的に、翼２０の翼根２１には、剛体からなる連結部材４０が固定されている。そして、シャフト５０の一方の端部が、ハブ１０に固定されており、シャフト５０の他方の端部が、翼２０の連結部材４０を回転可能に軸支している。
ただし、本例に限らず、シャフト５０の一方の端部が、ハブ１０に回転可能に軸支されて、シャフト５０の他方の端部が、翼２０の連結部材４０に固定されていてもよい。
シャフト５０の中心軸線（ひいては付勢部材３０の中心軸線）が、翼２０の翼軸線ＢＡである。 As shown in FIGS. 2 and 3, the wing 20 is rotatably connected to the hub 10 by a shaft 50. The shaft 50 is composed of, for example, a hinge pin. More specifically, a connecting member 40 made of a rigid body is fixed to the blade root 21 of the blade 20. Then, one end of the shaft 50 is fixed to the hub 10, and the other end of the shaft 50 rotatably supports the connecting member 40 of the wing 20.
However, not limited to this example, one end of the shaft 50 may be rotatably supported by the hub 10 and the other end of the shaft 50 may be fixed to the connecting member 40 of the wing 20. .
The central axis of the shaft 50 (and hence the central axis of the biasing member 30) is the wing axis BA of the wing 20.

図２及び図３に示すように、本例において、付勢部材３０は、ねじりばねから構成されている。ただし、付勢部材３０は、各翼２０をそれぞれハブ１０に対して回転付勢できるように構成されている限り、任意の構成を有していてよい。本例において、付勢部材３０は、シャフト５０の周りに設けられている。そして、付勢部材３０は、ハブ１０に固定されているとともに直線状に延在する第１端部３１と、翼２０の連結部材４０に固定されているとともに直線状に延在する第２端部３２と、第１端部３１と第２端部３２とを連結するとともに、シャフト５０の周りに螺旋状に延在する、中間部３３と、からなる。
ハブ１０には、溝１１が形成されており、この溝１１には、付勢部材３０の中間部３３のうちの第１端部３１側の一部分と、第１端部３１とが、収容されている。これにより、第１端部３１の位置がハブ１０に対して固定されている。また、翼２０の連結部材４０には、溝４１が形成されており、この溝４１には、付勢部材３０の中間部３３のうちの第２端部３２側の一部分と、第２端部３２とが、収容されている。これにより、第２端部３２の位置が連結部材４０に対して固定されている。 As shown in FIGS. 2 and 3, in this example, the biasing member 30 is constituted by a torsion spring. However, the biasing member 30 may have any configuration as long as it is configured to be able to rotationally bias the wings 20 respectively to the hub 10. In the present example, the biasing member 30 is provided around the shaft 50. The biasing member 30 is fixed to the hub 10 and extends linearly, and a second end fixed to the connecting member 40 of the wing 20 and extending linearly. And a middle portion 33 connecting the first end 31 and the second end 32 and spirally extending around the shaft 50.
A groove 11 is formed in the hub 10, and a portion of the middle portion 33 of the biasing member 30 on the first end 31 side and the first end 31 are accommodated in the groove 11 ing. Thereby, the position of the first end 31 is fixed to the hub 10. Further, a groove 41 is formed in the connecting member 40 of the wing 20, and in the groove 41, a portion on the second end 32 side of the middle portion 33 of the biasing member 30, and a second end 32 and are housed. Thereby, the position of the second end 32 is fixed to the connecting member 40.

図４は、本実施形態のロータ１の翼２０の好ましい剛性分布の一例を示している。図４では、翼２０を、平面に展開した状態で示している。ここで、翼２０を「平面に展開した状態」とは、すなわち、翼２０のねじれ角θを翼２０の全長にわたって一様（同一）にした状態を指す。
図４に例示するように、翼２０は、その全部が剛体からなるものではなく、その大部分が柔軟性を有するような、柔軟翼である。より具体的に、翼２０は、柔軟性を有する翼膜２１０と、翼膜２１０よりも高い剛性を有するとともに、翼２０の前縁２３を構成する、高剛性前縁部２２０と、翼膜２１０よりも高く高剛性前縁部２２０よりも低い剛性を有するとともに、翼２０の翼根２１を構成する、高剛性翼根部２３０と、を有している。
翼２０の「前縁２３」は、翼２０の翼型（翼２０の翼厚方向の断面）におけるロータ１の回転方向ＲＤの前側の端であり、「後縁２４」は、翼２０の翼型におけるロータ１の回転方向ＲＤの後側の端である。
図４では、便宜のため、翼２０の各部分の剛性を、５種類のハッチによって５段階で示しているが、各種類のハッチは、剛性がそれぞれ所定の数値範囲内にあることを示しているにすぎず、剛性がそれぞれある１点の数値であることを示しているのではない。したがって、各種類のハッチによって示される部分の中で、剛性は、均一でもよいし非均一でもよい。 FIG. 4 shows an example of a preferred stiffness distribution of the wing 20 of the rotor 1 of the present embodiment. In FIG. 4, the wing | blade 20 is shown in the state expand | deployed on the plane. Here, “a state in which the wing 20 is developed in a plane” refers to a state in which the twist angle θ of the wing 20 is uniform (identical) over the entire length of the wing 20.
As illustrated in FIG. 4, the wing 20 is a flexible wing that does not consist entirely of a rigid body, but is mostly flexible. More specifically, the wing 20 has a flexible wing membrane 210 and a high rigidity leading edge 220 which has higher rigidity than the wing membrane 210 and constitutes the leading edge 23 of the wing 20, and the wing membrane 210. It has higher rigidity and lower rigidity than the high rigidity leading edge 220 and has a high rigidity blade root 230 that constitutes the blade root 21 of the blade 20.
The “front edge 23” of the wing 20 is the front end of the rotational direction RD of the rotor 1 in the wing of the wing 20 (cross section in the wing thickness direction of the wing 20), and the “rear edge 24” is the wing of the wing 20 It is the rear end of the rotational direction RD of the rotor 1 in the mold.
Although the rigidity of each portion of the wing 20 is shown in five stages by five types of hatches in FIG. 4 for convenience, each type of hatch indicates that the rigidity is within a predetermined numerical range. It does not indicate that the stiffness is a numerical value of one point each. Thus, within the portion represented by each type of hatch, the stiffness may be uniform or non-uniform.

本明細書において、翼２０の「剛性」とは、曲げ剛性を指している。曲げ剛性は、つぎの式（１）で表される。

式（１）において、Ｄは曲げ剛性（ｍＮｍ）、Ｅはヤング率（ＧＰａ）、ｔは翼厚方向の厚み（ｍｍ）である。式（１）からわかるように、曲げ剛性Ｄは、ヤング率Ｅと厚みｔとから決まるものである。すなわち、本明細書において説明する翼２０の剛性（曲げ剛性Ｄ）は、例えば、図１の例のように翼２０の厚みｔを均一にするとともに、翼２０の部分ごとに材料（ひいてはヤング率Ｅ）を調整することによって達成されてもよいし、あるいは、翼２０の全体を同じ材料で構成するとともに、翼２０の部分ごとに厚みｔを調整することによって達成されてもよいし、あるいは、翼２０の部分ごとに厚みｔと材料（ひいてはヤング率Ｅ）との両方を調整することによって達成されてもよい。
翼膜２０の各部分の曲げ剛性Ｄは、それぞれ、翼長方向と翼弦方向とで大きさが同じでもよいが、翼長方向と翼弦方向とで大きさが異なっていてもよい。本明細書において、「剛性」あるいは「曲げ剛性」というときは、特に断りがない限り、翼長方向の曲げ剛性と翼弦方向の曲げ剛性との両方を指すものとする。
なお、翼２０の「翼長方向」とは、翼２０の翼弦方向に垂直な方向であり、翼２０の翼軸線ＢＡに平行な方向でもある。 As used herein, the "stiffness" of the wing 20 refers to bending stiffness. The bending stiffness is expressed by the following equation (1).

In Formula (1), D is flexural rigidity (mNm), E is Young's modulus (GPa), and t is thickness in the blade thickness direction (mm). As seen from the equation (1), the flexural rigidity D is determined from the Young's modulus E and the thickness t. That is, the rigidity (bending rigidity D) of the wing 20 described in the present specification makes the thickness t of the wing 20 uniform as in the example of FIG. E) may be achieved by adjusting, or may be achieved by adjusting the thickness t for each part of the wing 20 while constituting the whole of the wing 20 with the same material, or It may be achieved by adjusting both the thickness t and the material (and thus the Young's modulus E) for each part of the wing 20.
The bending rigidity D of each portion of the wing film 20 may be equal in size in the wing length direction and the chord direction, but may be different in size in the wing length direction and the chord direction. In the present specification, the terms "rigidity" or "bending stiffness" refer to both bending stiffness in the span direction and bending stiffness in the chord direction, unless otherwise specified.
The “blade length direction” of the wing 20 is a direction perpendicular to the chord direction of the wing 20 and is also a direction parallel to the wing axis BA of the wing 20.

翼２０は、図４の例のように高剛性翼根部２３０を有する場合、ロータ１が回転する間に翼２０の翼根２１が大きく動くことによる流体抵抗の増大を抑制でき、ひいては、効率を向上できるので、好ましい。
ただし、翼２０は、高剛性翼根部２３０を有しなくてもよく、すなわち、翼２０のうち、高剛性前縁部２２０を除く部分の全てが、翼膜２１０から構成されてもよい。 In the case where the wing 20 has a highly rigid wing root 230 as in the example of FIG. 4, it is possible to suppress an increase in fluid resistance due to a large movement of the wing root 21 of the wing 20 while the rotor 1 rotates It is preferable because it can be improved.
However, the wing 20 may not have the highly rigid wing root 230, that is, all parts of the wing 20 excluding the highly rigid leading edge 220 may be configured of the wing membrane 210.

連結部材４０は、例えば、金属（アルミニウム等）、合成樹脂などから構成される。
図４に示す例では、連結部材４０が、翼２０の翼根２１のうちの前縁２３側の端部に、固定されている。図４では図示を省略しているが、図１に示すように、連結部材４０は、翼２０の翼根２１のうちの前縁２３側の端部に固定された固定部４３を一体に有している。このように、連結部材４０を、翼２０のうちの最も剛性の高い部分に固定することにより、連結部材４０の翼軸線ＢＡ周りでの回転をダイレクトに翼２０に伝えることができる。ただし、図４の例のように翼２０が高剛性翼根部２３０を有する場合、連結部材４０は、翼根２１のうちの任意の部分に固定されていてよく、例えば、翼根２１のうちの翼軸線ＢＡ（の延長線）上に位置する部分、あるいは、翼根２１のうちの後縁２４側の端部に、固定されていてもよい。 The connection member 40 is made of, for example, metal (such as aluminum), a synthetic resin, or the like.
In the example shown in FIG. 4, the connecting member 40 is fixed to the end of the wing root 21 of the wing 20 on the front edge 23 side. Although illustration is abbreviate | omitted in FIG. 4, as shown in FIG. 1, the connection member 40 has integrally the fixing | fixed part 43 fixed to the edge part by the side of the front edge 23 among the wing roots 21 of the wing | blade 20. doing. By fixing the connecting member 40 to the most rigid portion of the wing 20 in this manner, the rotation of the connecting member 40 about the wing axis BA can be directly transmitted to the wing 20. However, when the wing 20 has a highly rigid wing root portion 230 as in the example of FIG. 4, the connecting member 40 may be fixed to any part of the wing root 21, for example, the wing root 21 It may be fixed to a portion located on (an extension of) the wing axis BA or to the end of the wing root 21 on the trailing edge 24 side.

つぎに、図５及び図６を参照しつつ、本実施形態のロータ１の動作を説明する。図５及び図６において、実線は、ロータ１が静止しているとき（すなわち、ロータ１に対して風が吹いていないとき）の状態を示しており、点線は、ロータ１が回転しているときの状態を示している。
ロータ１が静止しているとき、翼２０の翼根２１のねじれ角θは、所定の初期値をとる。ねじれ角θの初期値は、例えば、付勢部材３０の構成や、付勢部材３０の第１端部３１及び第２端部３２を収容するハブ１０及び連結部材４０側の溝１１、４１の構成などが予め調整されることによって、所定の値に設定されている。また、図６の例においては、ロータ１が静止しているとき、翼２０は、ロータ１の各半径位置において、前縁２３が後縁２４よりもロータ１の正面側（図６の左側）に位置している。そして、翼２０の正圧面が、ロータ１の正面側を向いている。また、ロータ１が静止しているとき、付勢部材３０の第２端部３２が、翼軸線ＢＡよりもロータ１の正面側に位置し、付勢部材３０の第１端部３１が、翼軸線ＢＡよりもロータ１の背面側に位置している。
風がロータ１の正面側から吹くと、ロータ１は、ロータ１の回転中心軸線Ｏの周りで所定の回転方向ＲＤに回転されるとともに、図５及び図６に破線で示すように、翼２０に当たる風の作用によって、連結部材４０が、付勢部材３０の付勢力に対抗しながら、翼軸線ＢＡの周りで、付勢部材３０の第２端部３２が第１端部３１に近づく方向に、回転される。これに連動して、連結部材４０と固定された翼２０の翼根２１のねじれ角θが、減少するとともに、翼２０の残りの部分もそれに追従するように、ねじれ角θが減少する方向に回転される。このとき、さらに、翼２０の翼膜２１０のもつ柔軟性によって、翼膜２１０が変形する。
このように、ロータ１に当たる風の速度が増して、周速比が増大すると、翼２０の全長にわたって、ねじれ角θが減少する方向に、翼２０が回転および変形する。これにより、翼２０が、ロータ１の回転中心軸線Ｏに垂直な仮想平面Ｐ（図６）、すなわち、ロータ１の回転面に、より沿うようになるので、翼２０が受ける流体抵抗を低減できる。
一方、ロータ１に当たる風の速度が低下し、周速比が低下すると、翼２０に当たる風の作用が弱まるのに応じて、連結部材４０が、付勢部材３０の復元力（付勢力）によって、翼軸線ＢＡの周りで、付勢部材３０の第２端部３２が第１端部３１から離れる方向に、回転される。これ連動して、連結部材４０と固定された翼２０の翼根２１のねじれ角θが、増大するとともに、翼２０の残りの部分もそれに追従するように、ねじれ角θが増大する方向に回転される。このとき、さらに、翼２０の翼膜２１０のもつ柔軟性によって、翼膜２１０が変形する。
そして、風が止むと、再びもとの状態（図５及び図６に実線で示す状態）に戻り、ねじれ角θが所定の初期値に戻る。 Next, the operation of the rotor 1 of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 5 and 6. In FIG. 5 and FIG. 6, the solid line shows the state when the rotor 1 is at rest (that is, when the wind is not blowing against the rotor 1), and the dotted line shows that the rotor 1 is rotating. It shows the state of the day.
When the rotor 1 is at rest, the twist angle θ of the blade root 21 of the blade 20 takes a predetermined initial value. The initial value of the twist angle θ is, for example, the configuration of the biasing member 30 or the grooves 11 and 41 on the side of the hub 10 and the connecting member 40 in which the first end 31 and the second end 32 of the biasing member 30 are accommodated. The configuration and the like are set in advance by adjusting in advance. Further, in the example of FIG. 6, when the rotor 1 is at rest, the wing 20 has the front edge 23 closer to the front side of the rotor 1 than the rear edge 24 at each radial position of the rotor 1 (left side of FIG. 6). It is located in The pressure surface of the wing 20 faces the front side of the rotor 1. Further, when the rotor 1 is at rest, the second end 32 of the biasing member 30 is located on the front side of the rotor 1 with respect to the wing axis BA, and the first end 31 of the biasing member 30 is a wing It is located on the rear side of the rotor 1 with respect to the axis BA.
When the wind blows from the front side of the rotor 1, the rotor 1 is rotated in a predetermined rotational direction RD around the rotation center axis O of the rotor 1, and as shown by a broken line in FIGS. In the direction in which the second end 32 of the biasing member 30 approaches the first end 31 around the wing axis BA while the connecting member 40 opposes the biasing force of the biasing member 30 by the action of the wind striking the , Is rotated. In conjunction with this, in a direction in which the twist angle θ decreases so that the twist angle θ of the blade root 21 of the wing 20 fixed to the connecting member 40 decreases and the remaining portion of the blade 20 also follows it. It is rotated. At this time, the wing membrane 210 is further deformed due to the flexibility of the wing membrane 210 of the wing 20.
Thus, when the speed of the wind striking the rotor 1 increases and the circumferential speed ratio increases, the wing 20 rotates and deforms in the direction in which the twist angle θ decreases over the entire length of the wing 20. As a result, since the wing 20 is more along the virtual plane P (FIG. 6) perpendicular to the rotation center axis O of the rotor 1, that is, the rotation plane of the rotor 1, the fluid resistance received by the wing 20 can be reduced. .
On the other hand, when the velocity of the wind striking the rotor 1 decreases and the peripheral speed ratio decreases, the action of the wind striking the blades 20 weakens, and the connecting member 40 receives the restoring force (biasing force) of the biasing member 30. The second end 32 of the biasing member 30 is rotated away from the first end 31 about the wing axis BA. In conjunction with this, the twist angle θ of the blade root 21 of the wing 20 fixed to the connection member 40 increases, and the remaining portion of the wing 20 also rotates in the direction of increasing the twist angle θ to follow it. Be done. At this time, the wing membrane 210 is further deformed due to the flexibility of the wing membrane 210 of the wing 20.
Then, when the wind stops, it returns to the original state (state shown by the solid line in FIGS. 5 and 6) again, and the twist angle θ returns to a predetermined initial value.

なお、「周速比λ」は、風速に対する翼端速度（翼の翼端の回転方向の速度）の比である。風速をＵ（ｍ／ｓ）、ロータの回転速度をω（ｒａｄ／ｓ）、ロータの半径をＲ（ｍ）とすると、周速比λは、つぎの式（２）で表すことができる。

The “circumferential velocity ratio λ” is the ratio of the tip speed (the speed in the rotational direction of the tip of the blade) to the wind speed. Assuming that the wind speed is U (m / s), the rotational speed of the rotor is ω (rad / s), and the radius of the rotor is R (m), the peripheral speed ratio λ can be expressed by the following equation (2).

つぎに、本実施形態のロータ１の作用効果を説明する。
一般的に、周速比に依って、良好な効率を得るのに最適な翼のねじれ角分布（以下、単に「ねじれ角」ともいう。）が異なる。より具体的に、周速比が低いときは、翼のねじれ角が大きいほうが、高い効率が得られる。一方、周速比が高いときは、翼のねじれ角が小さいほうが、流体抵抗を効果的に抑制でき、高い効率が得られる。したがって、仮にロータ１の翼２０が回転や変形ができないように構成されている場合、良好な効率が得られる周速比の範囲が狭くなる。
一方、本実施形態のロータ１は、周速比に応じて、ロータ１に当たる風のみに応じて、受動的に、翼２０のねじれ角（ねじれ角分布）を良好に変化させることができる。より具体的に、ロータ１は、周速比が高くなるのに応じて、翼２０の全長にわたって、翼２０のねじれ角θが減少し、一方、周速比が低くなるのに応じて、翼２０の全長にわたって、翼２０のねじれ角θが増大するように、構成されている。したがって、周速比が低いときも高いときも、高い効率を得ることができ、ひいては、広い周速比範囲において、安定して良好な効率を得ることが可能となる。このことは、ロータ１が、例えば、流体の速度や向きが絶えず大きく変動するような場所に設置されることの多い、小型の水平軸型の風力発電機などの風水力機械に用いられる場合、安定的に良好な効率を得ることができるので、特に好適である。
そして、本実施形態のロータ１は、翼２０のねじれ角の変化が、受動的に生じるように構成されているので、例えば特許文献１のように翼のねじれ角を電気的に制御する技術を用いる場合に比べ、構造の簡単化、低コスト化が可能となる。このことは、ロータ１が、例えば小型の水平軸型の風力発電機などの風水力機械に用いられる場合、低コストが求められるので、特に有利である。
また、本実施形態のロータ１は、翼２０が、柔軟性を有する翼膜２１０と、翼膜２１０よりも高い剛性を有するとともに、翼２０の前縁２３を構成する、高剛性前縁部２２０と、を有している。これにより、仮に翼２０の全体が剛体からなる場合に比べて、より良好に、翼２０のねじれ角分布を周速比に応じて変化させることができ、ひいては、効率を向上できる。仮に、特許文献１のように翼２０の全体が剛体からなる場合、翼の回転に伴い、翼の全長にわたって、ねじれ角が一様に変化してしまう。しかし、周速比に応じて良好な効率を得るのに最適なねじれ角分布は異なるものである。本実施形態では、柔軟性を有する翼膜２１０が、高剛性前縁部２２０よりも後縁側に位置し、そこで変形可能にされているので、周速比に応じて翼の全長にわたってねじれ角が一様に変化するのを抑制でき、より良好に、翼２０のねじれ角分布を周速比に応じて変化させることが可能になるのである。
また、本実施形態のロータ１は、付勢部材３０によって翼２０をハブ１０に対して回転付勢しており、付勢部材３０の付勢力と翼２０に当たる風の作用とのバランスによって、周速比に応じて翼根２１が翼軸線ＢＡの周りで回転し、翼根２１のねじれ角θが変化するようにされている。これにより、周速比に応じて、より良好に、翼根２１のねじれ角θを変化させることが可能になる。仮に、付勢部材３０によって翼２０がハブ１０に対して回転付勢されておらず、翼２０の翼根２１がハブ１０に対して固定されている場合、翼２０が柔軟な翼膜２１０を有するとはいえ、翼根２１のねじれ角θを良好に変化させることは出来ないため、ねじれ角分布を十分良好に変化させることができない。すなわち、付勢部材３０は、翼２０の翼根２１側で比較的大きな回転に主に寄与するものであり、柔軟性を有する翼膜２１０は、翼端２２側での比較的な小さなねじれ変形に主に寄与するものである。 Below, the effect of the rotor 1 of this embodiment is demonstrated.
Generally, depending on the circumferential speed ratio, the wing twist angle distribution (hereinafter, also simply referred to as "twist angle") optimal for obtaining a good efficiency is different. More specifically, when the circumferential speed ratio is low, the higher the twist angle of the blade, the higher the efficiency. On the other hand, when the circumferential speed ratio is high, the smaller the twist angle of the blade, the more effectively the fluid resistance can be suppressed, and high efficiency can be obtained. Therefore, if the blades 20 of the rotor 1 are configured not to be able to rotate or deform, the range of the peripheral speed ratio at which good efficiency can be obtained is narrowed.
On the other hand, in the rotor 1 of the present embodiment, the twist angle (twist angle distribution) of the wing 20 can be favorably changed passively according to only the wind striking the rotor 1 according to the peripheral speed ratio. More specifically, in the rotor 1, the twist angle θ of the wing 20 decreases over the entire length of the wing 20 as the circumferential speed ratio increases, and the wing 1 as the circumferential speed ratio decreases. The twist angle θ of the wing 20 is configured to increase over the entire length of the twenty. Therefore, high efficiency can be obtained both when the circumferential speed ratio is low and high, and in turn, stable and good efficiency can be obtained in a wide circumferential speed ratio range. This is the case, for example, when the rotor 1 is used in a wind-hydraulic machine such as a small horizontal axis type wind power generator, which is often installed in a place where the velocity and direction of the fluid constantly fluctuate. It is particularly preferable because stable and good efficiency can be obtained.
And since rotor 1 of this embodiment is constituted so that change of a twist angle of wing 20 may occur passively, the technique which electrically controls the twist angle of a wing like patent documents 1 is made, for example The structure can be simplified and the cost can be reduced as compared to the case of using it. This is particularly advantageous when the rotor 1 is used for wind and water machines, such as, for example, small horizontal axis wind power generators, since low costs are sought.
Further, in the rotor 1 of the present embodiment, the wing 20 has a wing membrane 210 having flexibility, and a high rigidity front edge portion 220 which has higher rigidity than the wing membrane 210 and which constitutes the front edge 23 of the wing 20. And. As a result, the twist angle distribution of the wing 20 can be changed according to the peripheral speed ratio more favorably than when the entire wing 20 is a rigid body, and the efficiency can be improved. If the entire wing 20 is a rigid body as in Patent Document 1, the twist angle changes uniformly over the entire length of the wing as the wing rotates. However, the optimal twist angle distribution for obtaining a good efficiency according to the circumferential speed ratio is different. In the present embodiment, the flexible wing film 210 is located on the trailing edge side of the high rigidity leading edge 220 and is made deformable there, so that the torsion angle is increased over the entire length of the wing according to the circumferential speed ratio. A uniform change can be suppressed, and the twist angle distribution of the wing 20 can be changed according to the peripheral speed ratio better.
Further, the rotor 1 of the present embodiment rotationally biases the wing 20 against the hub 10 by the biasing member 30, and the balance between the biasing force of the biasing member 30 and the action of the wind hitting the wing 20 makes The blade root 21 rotates around the blade axis BA according to the speed ratio, and the twist angle θ of the blade root 21 is changed. Thereby, it is possible to change the twist angle θ of the blade root 21 more favorably according to the peripheral speed ratio. Assuming that the wing 20 is not rotationally biased to the hub 10 by the biasing member 30 and the wing root 21 of the wing 20 is fixed to the hub 10, the wing 20 has a flexible wing membrane 210. Although the twist angle θ of the blade root 21 can not be changed well, the twist angle distribution can not be changed sufficiently sufficiently. That is, the biasing member 30 mainly contributes to a relatively large rotation on the blade root 21 side of the blade 20, and the flexible wing film 210 has a relatively small torsional deformation on the blade tip 22 side. Contributing to the

図４に戻り、翼２０の好ましい構成について、さらに詳しく説明する。
翼２０の高剛性前縁部２２０は、図４の例のように、翼２０の全体の中で、最も剛性が高いことが好ましい。また、高剛性前縁部２２０は、高剛性前縁部２２０上の各点において、翼長方向の曲げ剛性が翼弦方向の曲げ剛性よりも高いと、好適である。また、高剛性前縁部２２０は、翼長方向の曲げ剛性が、翼根２１側の端部で最も高いと、好適であり、特には、翼根２１側から翼端２２側に向かって徐々に減少すると、より好適である。
効率向上の観点からは、高剛性前縁部２２０は、翼長方向の曲げ剛性が、高いほど好適であり、例えば、１．０×１０^３ｍＮｍ以上、１．０×１０^４ｍＮｍ以上、５．０×１０^４ｍＮｍ以上、１．０×１０^５ｍＮｍ以上、５．０×１０^５ｍＮｍ以上、１．０×１０^６ｍＮｍ以上、５．０×１０^６ｍＮｍ以上、１．０×１０^７ｍＮｍ以上、５．０×１０^７ｍＮｍ以上、１．０×１０^８ｍＮｍ以上、５．０×１０^８ｍＮｍ以上であると、好適である。一方、製造しやすさの観点からは、高剛性前縁部２２０は、翼長方向の曲げ剛性が、１．０×１０^１１ｍＮｍ以下、特には８．０×１０^１０ｍＮｍ以下、さらに特には６．０×１０^１０ｍＮｍ以下が、好適である。
効率向上の観点からは、高剛性前縁部２２０は、翼弦方向の曲げ剛性が、高いほど好適であり、例えば、１．０×１０^３ｍＮｍ以上、１．０×１０^４ｍＮｍ以上、３．０×１０^４ｍＮｍ以上であると、好適である。一方、製造しやすさの観点からは、高剛性前縁部２２０は、翼弦方向の曲げ剛性が、１．０×１０^７ｍＮｍ以下、特には５．０×１０^６ｍＮｍ以下、さらに特には３．０×１０^６ｍＮｍ以下が、好適である。
高剛性前縁部２２０は、例えば、カーボンロッド、バネ剛棒、合成樹脂、軽金属、複合材、木材等から構成されると好適である。 Returning to FIG. 4, the preferred configuration of the wing 20 will be described in more detail.
The high stiffness leading edge 220 of the wing 20 is preferably the stiffest of the entire wing 20, as in the example of FIG. Also, it is preferable that the high rigidity leading edge 220 be such that the bending rigidity in the spanwise direction is higher than that in the chord direction at each point on the high rigidity leading edge 220. The high-rigidity front edge portion 220 is suitable if the bending rigidity in the spanwise direction is the highest at the end on the blade root 21 side, and in particular, gradually from the blade root 21 side toward the blade tip 22 side Is more preferable.
From the viewpoint of improving the efficiency, the high rigidity front edge portion 220 is preferable as the bending rigidity in the blade length direction is high, for example, 1.0 × 10 ³ mNm or more, 1.0 × 10 ⁴ mNm or more, 5 1.0 × 10 ⁴ mNm or more, 1.0 × 10 ⁵ mNm or more, 5.0 × 10 ⁵ mNm or more, 1.0 × 10 ⁶ mNm or more, 5.0 × 10 ⁶ mNm or more, 1.0 × 10 ⁷ or more It is suitable that mNm or more, 5.0 × 10 ⁷ mNm or more, 1.0 × 10 ⁸ mNm or more, 5.0 × 10 ⁸ mNm or more. On the other hand, from the viewpoint of ease of manufacture, the high rigidity front edge portion 220 has a bending rigidity of 1.0 × 10 ¹¹ mNm or less, particularly 8.0 × 10 ¹⁰ mNm or less in the blade length direction, and more particularly 6.0 × 10 ¹⁰ mNm or less is preferred.
From the viewpoint of improving the efficiency, the high rigidity front edge portion 220 is preferable as the bending rigidity in the chord direction is higher, for example, 1.0 × 10 ³ mNm or more, 1.0 × 10 ⁴ mNm or more, 3 It is preferable that it is not less than 0 × 10 ⁴ mNm. On the other hand, from the viewpoint of ease of manufacture, the high rigidity front edge portion 220 has a bending rigidity in the chord direction of 1.0 × 10 ⁷ mNm or less, particularly 5.0 × 10 ⁶ mNm or less, and more particularly 3.0 × 10 ⁶ mNm or less is preferred.
The high rigidity front edge portion 220 is preferably made of, for example, a carbon rod, a spring rod, a synthetic resin, a light metal, a composite material, a wood or the like.

翼２０の翼膜２１０は、図４の例のように、翼２０の全体の中で、最も剛性が低いことが好ましい。また、翼膜２１０のうち、最も後縁２４側かつ翼端２２側の部分は、翼膜２１０の全体の中で最も剛性が低いことが好ましい。図４の例では、翼２０の最も後縁２４側かつ翼端２２側の部分が、翼２０の全体の中で最も剛性が低い第１翼膜部２１０ａによって構成されている。第１翼膜部２１０ａは、翼２０の後縁２４の一部及び翼端２２の一部を構成している。また、翼膜２１０は、翼膜２１０上の各点において、翼弦方向の曲げ剛性が翼長方向の曲げ剛性よりも高いと、好適である。
また、図４の例では、翼膜２１０は、第１翼膜部２１０ａに対して翼根２１側及び前縁２３側に位置する部分が、第１翼膜部２１０ａよりも剛性が高い。具体的に、翼膜２１０は、第１翼膜部２１０ａに加えて、第１翼膜部２１０ａに対して翼根２１側および前縁２３側に隣接するとともに、第１翼膜部２１０ａよりも高い剛性を有する、第２翼膜部２１０ｂと、第２翼膜部２１０ｂに対して翼根２１側に隣接するとともに、第２翼膜部２１０ｂよりも高い剛性を有する、第３翼膜部２１０ｃと、をさらに有している。
ただし、翼膜２１０の剛性分布は、図４の例とは異なるものでもよい。例えば、翼膜２１０の全体にわたって剛性が均一でもよい。
効率向上の観点からは、翼膜２１０は、翼長方向の曲げ剛性が、低いほど好適であり、例えば、１．０×１０^５ｍＮｍ以下、５．０×１０^４ｍＮｍ以下、１．０×１０^４ｍＮｍ以下、５．０×１０^３ｍＮｍ以下、１．０×１０^３ｍＮｍ以下、５．０×１０^２ｍＮｍ以下、１．０×１０^２ｍＮｍ以下、５．０×１０^１ｍＮｍ以下、１．０×１０^１ｍＮｍ以下、５．０ｍＮｍ以下、１．０ｍＮｍ以下、５．０×１０^−１ｍＮｍ以下、１．０×１０^−１ｍＮｍ以下、５．０×１０^−２ｍＮｍ以下であると、好適である。一方、製造しやすさの観点からは、翼膜２１０は、翼長方向の曲げ剛性が、１．０×１０^−３ｍＮｍ以上、特には５．０×１０^−３ｍＮｍ以上、さらに特には１．０×１０^−２ｍＮｍ以上が、好適である。
効率向上の観点からは、翼膜２１０は、翼弦方向の曲げ剛性が、低いほど好適であり、例えば、１．０×１０^５ｍＮｍ以下、５．０×１０^４ｍＮｍ以下、１．０×１０^４ｍＮｍ以下、５．０×１０^３ｍＮｍ以下、１．０×１０^３ｍＮｍ以下、５．０×１０^２ｍＮｍ以下、１．０×１０^２ｍＮｍ以下、５．０×１０^１ｍＮｍ以下、１．０×１０^１ｍＮｍ以下、５．０ｍＮｍ以下、１．０ｍＮｍ以下、５．０×１０^−１ｍＮｍ以下、１．０×１０^−１ｍＮｍ以下であると、好適である。一方、製造しやすさの観点からは、翼膜２１０は、翼弦方向の曲げ剛性が、１．０×１０^−３ｍＮｍ以上、特には５．０×１０^−３ｍＮｍ以上、さらに特には１．０×１０^−２ｍＮｍ以上、またさらに特には５．０×１０^−２ｍＮｍ以上が、好適である。
翼膜２１０は、図４に示す例のように、翼２０の後縁２４の一部分を構成していることが好ましく、例えば、後縁２４のうち、後縁２４の翼長方向の全長の６０％以上、特には８０％以上、さらに特には９０％の長さを有する、翼端２２側の部分を、構成していると、好ましい。
また、翼膜２１０は、図４に示す例のように、翼２０の翼端２２の一部分を構成していることが好ましく、例えば、翼端２２のうち、翼端２２の翼弦方向の全長の６０％以上、特には８０％以上、さらに特には９０％の長さを有する、後縁２４側の部分を、構成していると、好ましい。
翼膜２１０は、例えば、布、紙、ゴム、複合材、合成樹脂、軽金属等から構成されると好適である。翼膜２１０が布又は紙から構成される場合、翼膜２１０が自由に変形できるようになるので、良好にねじれ角を変化させることが可能になる。また、効率および耐久性の観点から、翼膜２１０は、紙よりも布から構成されると、好適である。布の材料としては、例えば、ポリエステル、ナイロン等が挙げられる。紙としては、例えば、カードボード紙等が挙げられる。 The wing membrane 210 of the wing 20 is preferably the least rigid of the entire wing 20, as in the example of FIG. Further, it is preferable that the portion of the wing membrane 210 closest to the trailing edge 24 and the wing tip 22 is the least rigid in the entire wing membrane 210. In the example of FIG. 4, the portion on the most trailing edge 24 side and the wing tip 22 side of the wing 20 is configured by the first wing membrane portion 210 a having the lowest rigidity in the entire wing 20. The first wing membrane portion 210 a constitutes a part of the trailing edge 24 of the wing 20 and a part of the wing tip 22. In addition, it is preferable that the wing membrane 210 has a flexural rigidity in the chord direction higher than that in the span direction at each point on the wing membrane 210.
Further, in the example of FIG. 4, the wing membrane 210 is higher in rigidity than the first wing membrane portion 210 a in a portion positioned on the wing root 21 side and the front edge 23 side with respect to the first wing membrane portion 210 a. Specifically, in addition to the first wing membrane portion 210a, the wing membrane 210 is adjacent to the wing root 21 side and the front edge 23 side with respect to the first wing membrane portion 210a, and is more than the first wing membrane portion 210a. A second wing membrane portion 210b having high rigidity, and a third wing membrane portion 210c adjacent to the wing root 21 side with respect to the second wing membrane portion 210b and having rigidity higher than the second wing membrane portion 210b. And further.
However, the stiffness distribution of the wing membrane 210 may be different from the example of FIG. 4. For example, the rigidity may be uniform throughout the wing membrane 210.
From the viewpoint of improving efficiency, it is preferable that the wing membrane 210 have a lower bending rigidity in the wing length direction, for example, 1.0 × 10 ⁵ mNm or less, 5.0 × 10 ⁴ mNm or less, 1.0 × 10 ⁴ mNm or less, 5.0 × 10 ³ mNm or less, 1.0 × 10 ³ mNm or less, 5.0 × 10 ² mNm or less, 1.0 × 10 ² mNm or less, 5.0 × 10 ¹ mNm or less, 1.0 × 10 ¹ mNm or less, 5.0 mNm or less, 1.0 mNm or less, 5.0 × 10 ⁻¹ mNm or less, 1.0 × 10 ⁻¹ mNm or less, 5.0 × 10 ⁻² mNm or less And is preferred. On the other hand, from the viewpoint of ease of manufacture, the wing membrane 210 has a flexural rigidity of 1.0 × 10 ⁻³ mNm or more, particularly 5.0 × 10 ⁻³ mNm or more, and particularly 1 or more in the blade length direction. .0 × ¹⁰ -2 mNm or more, is preferred.
From the viewpoint of efficiency improvement, it is preferable that the wing membrane 210 have a lower bending rigidity in the chord direction, for example, 1.0 × 10 ⁵ mNm or less, 5.0 × 10 ⁴ mNm or less, 1.0 × 10 ⁴ mNm or less, 5.0 × 10 ³ mNm or less, 1.0 × 10 ³ mNm or less, 5.0 × 10 ² mNm or less, 1.0 × 10 ² mNm or less, 5.0 × 10 ¹ mNm or less, 1.0 × ¹⁰ 1 mNm or less, 5.0MNm hereinafter 1.0MNm below 5.0 × ¹⁰ -1 mNm or less, if it is 1.0 × ¹⁰ -1 mNm or less, it is preferred. On the other hand, from the viewpoint of ease of manufacture, the wing membrane 210 has a bending rigidity in the chord direction of 1.0 × 10 ⁻³ mNm or more, particularly 5.0 × 10 ⁻³ mNm or more, more particularly 1 .0 × ¹⁰ -2 mNm or more, further particularly 5.0 × ¹⁰ -2 mNm or more, is preferred.
The wing membrane 210 preferably constitutes a part of the trailing edge 24 of the wing 20 as in the example shown in FIG. 4 and, for example, 60 of the entire length of the trailing edge 24 in the wing length direction of the trailing edge 24. It is preferable to construct a portion on the wing tip 22 side having a length of% or more, particularly 80% or more, more particularly 90%.
Further, as in the example shown in FIG. 4, the wing membrane 210 preferably constitutes a part of the wing tip 22 of the wing 20, and, for example, of the wing tip 22, the entire length in the chordwise direction It is preferable to constitute a portion on the trailing edge 24 side having a length of 60% or more, in particular 80% or more, more particularly 90%.
The wing membrane 210 is preferably made of, for example, cloth, paper, rubber, a composite material, a synthetic resin, a light metal or the like. When the wing membrane 210 is made of cloth or paper, the wing membrane 210 can be freely deformed, so that the twist angle can be changed well. Also, from the viewpoint of efficiency and durability, the wing membrane 210 is preferably made of cloth rather than paper. Examples of the material of the cloth include polyester, nylon and the like. Examples of the paper include cardboard and the like.

翼２０の高剛性翼根部２３０は、図４の例のように、翼２０の高剛性前縁部２２０と翼膜２１０との間の剛性を有することが好ましい。高剛性翼根部２３０は、翼膜２１０よりも高い剛性を有するのが好ましいものの、柔軟性を有していることが好ましい。
また、高剛性翼根部２３０は、高剛性翼根部２３０上の各点において、翼弦方向の曲げ剛性が翼長方向の曲げ剛性よりも高いと、好適である。また、高剛性翼根部２３０は、曲げ剛性が、後縁２４側の端部で最も低いと、好適であり、特には、前縁２３側から後縁２４側に向かって徐々に減少すると、より好適である。
過度の変形を抑える観点からは、高剛性翼根部２３０は、翼長方向の曲げ剛性が、高いほうがよく、例えば、１．０×１０^−２ｍＮｍ以上、５．０×１０^−２ｍＮｍ以上、１．０×１０^−１ｍＮｍ以上、５．０×１０^−１ｍＮｍ以上が、好適である。一方、十分な変形し易さの確保の観点からは、高剛性翼根部２３０は、翼長方向の曲げ剛性が、低いほうがよく、例えば、１．０×１０^５ｍＮｍ以下、５．０×１０^４ｍＮｍ以下、１×１０^４ｍＮｍ以下、５．０×１０^３ｍＮｍ以下、１．０×１０^３ｍＮｍ以下、５．０×１０^２ｍＮｍ以下、１．０×１０^２ｍＮｍ以下、５．０×１０ｍＮｍ以下、１．０×１０ｍＮｍ以下、５．０ｍＮｍ以下であると、好適である。
過度の変形を抑える観点からは、高剛性翼根部２３０は、翼弦方向の曲げ剛性が、高いほうがよく、例えば、１．０×１０^−２ｍＮｍ以上、５．０×１０^−２ｍＮｍ以上、１．０×１０^−１ｍＮｍ以上、５．０×１０^−１ｍＮｍ以上、１．０ｍＮｍ以上が、好適である。一方、十分な変形し易さの確保の観点からは、高剛性翼根部２３０は、翼弦方向の曲げ剛性が、低いほうがよく、例えば、１．０×１０^５ｍＮｍ以下、５．０×１０^４ｍＮｍ以下、１×１０^４ｍＮｍ以下、５．０×１０^３ｍＮｍ以下、１．０×１０^３ｍＮｍ以下、５．０×１０^２ｍＮｍ以下、１．０×１０^２ｍＮｍ以下、５．０×１０ｍＮｍ以下、１．０×１０ｍＮｍ以下であると、好適である。
高剛性翼根部２３０は、例えば、カーボンロッド、バネ剛棒、合成樹脂、軽金属、複合材、木材等から構成されると好適である。 Preferably, the highly rigid wing root 230 of the wing 20 has a stiffness between the highly rigid leading edge 220 of the wing 20 and the wing membrane 210, as in the example of FIG. The highly rigid blade root 230 preferably has a higher rigidity than the wing membrane 210, but preferably has flexibility.
In addition, it is preferable that the high rigidity blade root 230 have a bending rigidity in the chord direction higher than that in the blade length direction at each point on the high rigidity blade root 230. In addition, it is preferable that the high rigidity blade root 230 has the lowest bending rigidity at the end on the trailing edge 24 side, and in particular, if the bending rigidity gradually decreases from the leading edge 23 side to the trailing edge 24 side, It is suitable.
From the viewpoint of suppressing excessive deformation, the high rigidity blade root 230 preferably has a high bending rigidity in the blade length direction, for example, 1.0 × 10 ⁻² mNm or more, 5.0 × 10 ⁻² mNm or more, 1.0 × 10 ⁻¹ mNm or more and 5.0 × 10 ⁻¹ mNm or more are preferable. On the other hand, from the viewpoint of securing sufficient ease of deformation, the high rigidity blade root 230 preferably has a lower bending rigidity in the blade length direction, for example, 1.0 × 10 ⁵ mNm or less, 5.0 × 10 ⁴ mNm or less, 1 × 10 ⁴ mNm or less, 5.0 × 10 ³ mNm or less, 1.0 × 10 ³ mNm or less, 5.0 × 10 ² mNm or less, 1.0 × 10 ² mNm or less, 5.0 It is suitable that it is x10 mNm or less, 1.0 x 10 mNm or less, 5.0 mNm or less.
From the viewpoint of suppressing excessive deformation, the high rigidity blade root 230 preferably has a high bending rigidity in the chord direction, for example, 1.0 × 10 ⁻² mN m or more, 5.0 × 10 ⁻² mN m or more, 1.0 × 10 ⁻¹ mNm or more, 5.0 × 10 ⁻¹ mNm or more, 1.0 mNm or more is preferable. On the other hand, from the viewpoint of securing sufficient ease of deformation, the high rigidity blade root 230 preferably has a lower bending rigidity in the chord direction, for example, 1.0 × 10 ⁵ mNm or less, 5.0 × 10 ⁴ mNm or less, 1 × 10 ⁴ mNm or less, 5.0 × 10 ³ mNm or less, 1.0 × 10 ³ mNm or less, 5.0 × 10 ² mNm or less, 1.0 × 10 ² mNm or less, 5.0 It is suitable that it is x10 mNm or less and 1.0 x 10 mNm or less.
The highly rigid blade root 230 is preferably made of, for example, a carbon rod, a spring rod, a synthetic resin, a light metal, a composite material, a wood or the like.

図４及び図６に示すように、翼２０の前縁２３は、翼軸線ＢＡから、翼軸線ＢＡに垂直な方向に離間されていると、好適である。これにより、例えば前縁２３が翼軸線ＢＡ（の延長線）上に位置している場合に比べて、同じ風の作用によって、翼２０が翼軸線ＢＡの周りでより大きく回転でき、ひいては、ねじれ角θをより大きく変化させることができる。
より具体的に、翼２０の平面展開視（図４）において、翼軸線ＢＡに垂直な方向に沿って測ったときの翼２０の翼根２１の長さＢＲＬに対する、翼軸線ＢＡに垂直な方向に沿って測ったときの翼根２１における前縁２３側の端部から翼軸線ＢＡまでの距離Ｄ１の割合（すなわち、（Ｄ１×１００／ＢＲＬ）（％））は、４５〜１００％が好適であり、５５〜９５％がより好適であり、６５〜８５％がさらに好適であり、７０〜８０％がよりさらに好適である。図４の例では、当該割合（Ｄ１×１００／ＢＲＬ）（％）が、７５％である。
また、同様の観点から、翼２０の高剛性翼根部２３０は、翼軸線ＢＡから、翼軸線に垂直な方向に離間されていると、好適である。 As shown in FIGS. 4 and 6, the leading edge 23 of the wing 20 is preferably separated from the wing axis BA in a direction perpendicular to the wing axis BA. This allows, for example, the wing 20 to rotate more about the wing axis BA by the action of the same wind than when the leading edge 23 is located on (the extension of) the wing axis BA, and thus a twist The angle θ can be changed larger.
More specifically, in a plan developed view of wing 20 (FIG. 4), a direction perpendicular to wing axis BA with respect to length BRL of wing root 21 of wing 20 as measured along a direction perpendicular to wing axis BA. Of the distance D1 from the end on the leading edge 23 side of the blade root 21 to the blade axis BA (ie, (D1 × 100 / BRL) (%)) is preferably 45 to 100%. With 55-95% more preferred, 65-85% more preferred, and 70-80% even more preferred. In the example of FIG. 4, the ratio (D1 × 100 / BRL) (%) is 75%.
From the same point of view, it is preferable that the highly rigid blade root 230 of the blade 20 be separated from the blade axis BA in a direction perpendicular to the blade axis.

以下、図７〜図１０を参照しながら、本発明のロータ１の翼２０の変形例を説明する。なお、図７〜図１０の各例においても、図４を参照して上述したような剛性分布や上記割合（Ｄ１×１００／ＢＲＬ）（％）を満たすと、好適である。また、図７〜図１０の各例において、翼２０以外の部分のロータ１の構成は、図１〜図６の例について上述したものと同様でよい。 Hereinafter, the modification of the wing | blade 20 of the rotor 1 of this invention is demonstrated, referring FIGS. 7-10. In each of the examples of FIGS. 7 to 10, it is preferable that the rigidity distribution as described above with reference to FIG. 4 and the ratio (D1 × 100 / BRL) (%) be satisfied. Moreover, in each example of FIGS. 7-10, the structure of the rotor 1 of parts other than the wing | blade 20 may be the same as that of what was mentioned above about the example of FIGS.

図７は、ロータ１の第１変形例における翼２０を平面展開視により示す図である。
図７の例では、翼膜２１０の剛性が、翼膜２１０の全体にわたってほぼ均一である。翼膜２１０は、柔軟性のある材料から構成されている。より具体的に、図７の例では、翼膜２１０は、紙から構成されている。ただし、翼膜２１０は、例えば、図４の例において述べた翼膜２１０の好適な材料のうち任意のものから構成されてもよい。
また、図７の例では、高剛性前縁部２２０と高剛性翼根部２３０とが、それぞれ、翼膜２１０よりも剛性の高い、棒状体により構成されている。より具体的に、図７の例では、高剛性前縁部２２０と高剛性翼根部２３０とが、いずれもカーボンロッドから構成されている。ただし、高剛性前縁部２２０と高剛性翼根部２３０とは、例えば、図４の例において述べた高剛性前縁部２２０および高剛性翼根部２３０のそれぞれの好適な材料のうち任意のものから構成されてもよい。
図７の例では、高剛性前縁部２２０は、高剛性翼根部２３０よりも、径（ひいては厚み）が大きい。これにより、高剛性前縁部２２０の剛性が、高剛性翼根部２３０の剛性よりも高くされている。ただし、高剛性前縁部２２０と高剛性翼根部２３０とをそれぞれ同径にしつつ、高剛性前縁部２２０を構成する材料のヤング率を、高剛性翼根部２３０を構成する材料のヤング率よりも高くすることにより、高剛性前縁部２２０の剛性を、高剛性翼根部２３０の剛性よりも高くしてもよい。
図７の例において、高剛性前縁部２２０と高剛性翼根部２３０とは、それぞれ、翼膜２１０の正圧面側に、接着等により固定されている。ただし、高剛性前縁部２２０と高剛性翼根部２３０とは、翼膜２１０の負圧面側に固定されてもよい。これらを翼膜２１０の負圧面側に配置する場合、翼２０の正圧面形状を滑らかにできるので、ロータ１の回転時における流体抵抗を低減でき、ひいては、効率を向上できる。
図７に示す例では、翼２０の平面展開視において、翼２０の前縁２３が非直線状である。ただし、翼２０の平面展開視において、例えば後述の図８の例のように、前縁２３を、直線状にしてもよい。その場合、翼２０の製造時において、高剛性前縁部２２０を、翼膜２１０の前縁２３側の端部に沿って固定しやすくなる。
このような構成によっても、図４の例と同様に、周速比に応じて、ロータ１に当たる風のみに応じて、受動的に、翼２０のねじれ角（ねじれ角分布）を良好に変化させることができる。ひいては、広い周速比範囲において、安定して良好な効率を得ることが可能となる。 FIG. 7 is a plan view of the wing 20 in the first modified example of the rotor 1.
In the example of FIG. 7, the stiffness of the wing membrane 210 is substantially uniform throughout the wing membrane 210. The wing membrane 210 is made of a flexible material. More specifically, in the example of FIG. 7, the wing membrane 210 is made of paper. However, wing membrane 210 may be comprised of, for example, any of the suitable materials of wing membrane 210 mentioned in the example of FIG.
Further, in the example of FIG. 7, the highly rigid front edge portion 220 and the highly rigid blade root portion 230 are each formed of a rod-like body that is more rigid than the wing membrane 210. More specifically, in the example of FIG. 7, the high rigidity front edge 220 and the high rigidity wing root 230 are both made of carbon rods. However, the high rigidity leading edge 220 and the high rigidity wing root 230 may be made of, for example, any of the suitable materials of the high rigidity leading edge 220 and the high rigidity wing root 230 described in the example of FIG. 4. It may be configured.
In the example of FIG. 7, the high rigidity leading edge 220 has a diameter (thus, thickness) larger than that of the high rigidity blade root 230. Thereby, the rigidity of the high rigidity front edge portion 220 is made higher than the rigidity of the high rigidity blade root portion 230. However, the Young's modulus of the material forming the high-rigidity front edge 220 and the Young's modulus of the material forming the high-rigidity blade root 230 while making the high-rigidity front edge 220 and the high-rigidity blade root 230 equal in diameter The rigidity of the high rigidity leading edge 220 may be made higher than the rigidity of the high rigidity wing root 230 by making it also higher.
In the example of FIG. 7, the high-rigidity front edge portion 220 and the high-rigidity blade root portion 230 are each fixed to the pressure side of the wing membrane 210 by adhesion or the like. However, the high rigidity front edge portion 220 and the high rigidity wing root portion 230 may be fixed to the suction surface side of the wing membrane 210. When these are disposed on the suction surface side of the wing membrane 210, the pressure surface shape of the blades 20 can be smoothed, so that the fluid resistance at the time of rotation of the rotor 1 can be reduced, and hence the efficiency can be improved.
In the example shown in FIG. 7, the front edge 23 of the wing 20 is non-linear in plan view of the wing 20. However, in the plane development view of wing 20, front edge 23 may be made linear, for example like the example of below-mentioned FIG. In that case, when the wing 20 is manufactured, it becomes easy to fix the high rigidity leading edge 220 along the end on the leading edge 23 side of the wing membrane 210.
Also according to such a configuration, similarly to the example of FIG. 4, the twist angle (twist angle distribution) of the wing 20 is favorably changed passively according to the wind striking the rotor 1 according to the peripheral speed ratio. be able to. As a result, stable and good efficiency can be obtained in a wide circumferential speed ratio range.

図８は、ロータ１の第２変形例における翼２０を示しており、図８（ａ）は翼２０の正圧面側を平面に展開したときの状態で示す図であり、図８（ｂ）は翼２０の負圧面側を平面に展開したときの状態で示す図であり、図８（ｃ）は翼２０の図８（ｂ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図８（ｂ）のＡ−Ａ線は、翼２０の翼弦方向に沿っている。
図８の例は、翼膜２１０の正圧面側ではなく負圧面側に、高剛性前縁部２２０および高剛性翼根部２３０が、接着等により固定されているとともに、さらに、負圧面側に、複数の骨部２４０も、接着等により固定されている点で、図７の例とは主に異なる。図７と同様の構成については、説明を省略する。
骨部２４０は、翼膜２１０よりも高く高剛性前縁部２２０よりも低い剛性を有するとともに、翼２０の平面展開視において翼軸線ＢＡに交差する方向に延在している。各骨部２４０は、それぞれ、ロータ１の径方向において互いに異なる位置に配置されているとともに、骨部２４０は、翼２０の平面展開視において翼軸線ＢＡに垂直な方向、また、翼２０の翼弦方向に平行な方向に、延在している。また、骨部２４０は、それぞれ、高剛性前縁部２２０の後縁２４側の端部から、後縁２４まで、延在している。
骨部２４０は、柔軟性を有することが好ましく、特には、高剛性翼根部２３０と等しい又はそれよりも低い剛性を有することが好ましく、より特には、高剛性翼根部２３０よりも低い剛性を有することが好ましい。図８の例において、骨部２４０は、カーボンロッドから構成されている。ただし、骨部２４０は、バネ剛棒、合成樹脂、軽金属、複合材、木材等から構成されてもよい。
また、図８の例において、翼膜２１０は、布から構成されている。ただし、翼膜２１０は、例えば、図４の例において述べた翼膜２１０の好適な材料のうち任意のものから構成されてもよい。
また、図８の例において、高剛性前縁部２２０は、硬質の合成樹脂からなる棒状体から構成されており、高剛性翼根部２３０は、柔軟性のあるカーボンロッドから構成されている。高剛性前縁部２２０の翼厚方向の断面積は、高剛性翼根部２３０の翼厚方向の断面積よりも大きくされている。これにより、高剛性前縁部２２０の剛性が、高剛性翼根部２３０の剛性よりも高くされている。
また、図８の例において、高剛性翼根部２３０の翼厚方向の断面積は、骨部２４０の翼厚方向の断面積よりも大きくされている。これにより、高剛性翼根部２３０の剛性が、骨部２４０の剛性よりも高くされている。
本変形例では、翼膜２１０に、翼膜２１０よりも高い剛性を有する骨部２４０を、翼２０の平面展開視において翼軸線ＢＡに交差する方向に延在させているので、例えば図７の例のように翼膜２１０に骨部２４０が設けられていない場合に比べて、翼根２１が翼軸線ＢＡの周りで回転される際に、翼２０の残りの部分が、それに良好に追従できるようになる。ひいては、効率を向上できる。なお、仮に、骨部２４０が、翼２０の平面展開視において翼軸線ＢＡに平行な方向に延在している場合は、翼根２１が翼軸線ＢＡの周りで回転される際に、翼２０の残りの部分を良好に追従させることができない。
また、本例では、高剛性前縁部２２０、高剛性翼根部２３０、骨部２４０を、翼膜２１０の負圧面側に配置しているので、仮にこれらを翼膜２１０の正圧面側に配置した場合に比べて、翼２０の正圧面形状を滑らかにできるので、ロータ１の回転時における流体抵抗を低減でき、ひいては、効率を向上できる。 FIG. 8 shows a wing 20 in a second modification of the rotor 1, and FIG. 8 (a) is a view showing the pressure side of the wing 20 in a plan view. FIG. 8C is a cross-sectional view of the wing 20 taken along the line A-A in FIG. 8B when the suction side of the wing 20 is developed into a flat surface. The line A-A in FIG. 8B is along the chord direction of the wing 20.
In the example of FIG. 8, the high rigidity front edge 220 and the high rigidity wing root 230 are fixed by adhesion or the like on the suction surface side of the wing film 210 instead of the pressure surface side, and on the suction surface side. The plurality of bone parts 240 are also mainly different from the example of FIG. 7 in that they are fixed by adhesion or the like. The description of the same configuration as that of FIG. 7 will be omitted.
The bone portion 240 has a rigidity higher than the wing membrane 210 and lower than the high rigidity front edge portion 220, and extends in a direction intersecting the wing axis BA in a plan developed view of the wing 20. The respective bone parts 240 are respectively arranged at mutually different positions in the radial direction of the rotor 1, and the bone parts 240 are in a direction perpendicular to the wing axis BA in plan view of the wing 20 and the wing of the wing 20 It extends in a direction parallel to the chord direction. Also, the bone parts 240 extend from the end on the rear edge 24 side of the high rigidity front edge 220 to the rear edge 24 respectively.
The bone portion 240 preferably has flexibility, in particular, preferably has a rigidity equal to or lower than that of the high-rigidity blade root 230, and more particularly has rigidity lower than that of the high-rigidity blade root 230. Is preferred. In the example of FIG. 8, the bone part 240 is comprised from the carbon rod. However, the bone portion 240 may be made of a spring-rod, a synthetic resin, a light metal, a composite material, a wood or the like.
Further, in the example of FIG. 8, the wing membrane 210 is made of cloth. However, wing membrane 210 may be comprised of, for example, any of the suitable materials of wing membrane 210 mentioned in the example of FIG.
Further, in the example of FIG. 8, the high rigidity front edge portion 220 is formed of a rod-like body made of hard synthetic resin, and the high rigidity blade root portion 230 is formed of a flexible carbon rod. The cross-sectional area in the blade thickness direction of the high-rigidity front edge portion 220 is larger than the cross-sectional area in the blade thickness direction of the high-rigidity blade root 230. Thereby, the rigidity of the high rigidity front edge portion 220 is made higher than the rigidity of the high rigidity blade root portion 230.
Further, in the example of FIG. 8, the cross-sectional area in the blade thickness direction of the highly rigid blade root 230 is larger than the cross-sectional area in the blade thickness direction of the bone 240. Thereby, the rigidity of the highly rigid blade root portion 230 is made higher than the rigidity of the bone portion 240.
In this modification, the wing portion 210 has the bone portion 240 having rigidity higher than that of the wing portion 210 extended in a direction intersecting the wing axis BA in a plan development view of the wing 20. The remaining portion of the wing 20 can follow well when the wing root 21 is rotated about the wing axis BA, as compared to the case where the wing portion 210 is not provided with the wing portion 210 as in the example. It will be. As a result, the efficiency can be improved. If the bone portion 240 extends in a direction parallel to the blade axis BA in plan view of the blade 20, the blade 20 rotates when the blade root 21 is rotated around the blade axis BA. The rest of the can not be followed well.
Further, in this example, since the high rigidity front edge 220, the high rigidity blade root 230, and the bone 240 are disposed on the negative pressure surface side of the wing film 210, these are temporarily disposed on the positive pressure surface side of the wing film 210. Since the pressure surface shape of the wing 20 can be smoothed as compared with the case where it does, the fluid resistance at the time of rotation of the rotor 1 can be reduced, and hence the efficiency can be improved.

図９は、ロータ１の第３変形例における翼２０を示しており、図９（ａ）は翼２０の正圧面側を平面に展開したときの状態で示す図であり、図９（ｂ）は翼２０の負圧面側を平面に展開したときの状態で示す図であり、図９（ｃ）は図９（ｂ）のＢ−Ｂ線に沿う翼２０の断面図である。図９（ｂ）のＢ−Ｂ線は、翼２０の翼弦方向に沿っている。
図９の例は、高剛性前縁部２２０の形状が流線型をなしている点と、翼２０が翼膜２１０を２つ有している点で、図８の例とは主に異なる。
前述した図８の例では、図８（ｃ）に示すように、高剛性前縁部２２０が、翼厚方向の断面において矩形状に構成されている。一方、図９に示す第３変形例では、高剛性前縁部２２０が、図９（ｃ）に示すように、翼厚方向の断面において、前縁２３に向かうにつれて徐々に翼厚方向の厚みが小さくなるような先細り形状を有するとともに、その前縁２３側の端部において、後縁２４とは反対側に向かって（回転方向ＲＤの前側に向かって）凸に突出した湾曲した形状（例えば、ＮＡＣＡ００１２翼型、楕円の半分に相当する形状、半円形状など）をなしている。これにより高剛性前縁部２２０が、流線型をなすため、図８の例に比べて、ロータ１の回転時の流体抵抗を低減でき、ひいては、効率を向上できる。
また、図９の例では、翼２０が翼膜２１０を２つ有している。具体的に、翼２０は、翼膜２１０として、正圧面を構成する第１翼膜２１１と、負圧面を構成する第２翼膜２１２と、を有している。第１翼膜２１１と第２翼膜２１２とは、翼２０の翼厚方向に互いに対向している。第１翼膜２１１には、図８の例の翼膜２１０と同様に、第１翼膜２１１の負圧面側に、高剛性前縁部２２０、高剛性翼根部２３０、及び複数の骨部２４０が、接着等により固定されている。第２翼膜２１２は、第１翼膜２１１の負圧面側を覆うように設けられる。このとき、第２翼膜２１２は、翼２０の外縁部（前縁２３、翼根２１、後縁２４、翼端２２、及びこれらの近傍部分）のうち少なくとも一部分（好ましくは全部）では、他の部材（高剛性前縁部２２０、高剛性翼根部２３０、翼膜２１０、骨部２４０）に対して、接着等により固定されるものの、翼２０の外縁部より内側に位置する第１翼膜２１１や骨部２４０には、固定されていない。このように、第１翼膜２１１と第２翼膜２１２とは、少なくとも一部分で、互いに固定されておらず、翼２０の外縁部よりも内側においては、第１翼膜２１１と第２翼膜２１２との間に、空間が区画される。これにより、本例の翼２０は、負圧面側を第２翼膜２１２によって覆っていない図８の例に比べて、第２翼膜２１２によって、翼２０の負圧面側で高剛性前縁部２２０や骨部２４０によって形成されている段差を覆って、翼２０の負圧面形状を滑らかにすることができる。これにより、図８の例に比べて、ロータ１の回転時の流体抵抗を低減でき、ひいては、効率を向上できる。
なお、第１翼膜２１１と第２翼膜２１２とは、それぞれ、図１〜図８を参照しながら上述した翼膜２１０の構成を満たすのがよく、すなわち、柔軟性を有し、高剛性前縁部２２０、高剛性翼根部２３０、及び骨部２４０よりも剛性が低いのがよい。また、第１翼膜２１１と第２翼膜２１２とは、互いに剛性や材料が異なるものでもよい。図９の例では、第１翼膜２１１が布により構成され、第２翼膜２１２が紙により構成されている。第２翼膜２１２を紙により構成することで、仮に第２翼膜２１２を布により構成する場合に比べて、第２翼膜２１２の滑らかな形状をより効果的に維持できる。 FIG. 9 shows a wing 20 in a third modification of the rotor 1, and FIG. 9 (a) is a view showing the pressure side of the wing 20 expanded in a plane, and FIG. 9 (b) Fig. 9 (c) is a cross-sectional view of the wing 20 taken along the line B-B in Fig. 9 (b), in which the suction side of the wing 20 is developed into a flat surface. The line B-B in FIG. 9 (b) is in the chord direction of the wing 20.
The example of FIG. 9 is mainly different from the example of FIG. 8 in that the shape of the high-rigidity front edge portion 220 is streamlined and the wing 20 has two wing membranes 210.
In the example of FIG. 8 mentioned above, as shown to FIG. 8C, the highly rigid front edge part 220 is comprised by the rectangular shape in the cross section of the blade thickness direction. On the other hand, in the third modification shown in FIG. 9, the thickness of the high rigidity front edge 220 gradually increases toward the front edge 23 in the cross section in the blade thickness direction as shown in FIG. And a curved shape (for example, convex toward the front side in the rotational direction RD) at the end on the front edge 23 side thereof. , The shape corresponding to half of an ellipse, a semicircular shape, etc.). As a result, since the high rigidity front edge portion 220 has a streamlined shape, fluid resistance can be reduced during rotation of the rotor 1 as compared with the example shown in FIG. 8, and hence efficiency can be improved.
Further, in the example of FIG. 9, the wing 20 has two wing membranes 210. Specifically, the wing 20 includes, as the wing membrane 210, a first wing membrane 211 that constitutes a pressure surface, and a second wing membrane 212 that constitutes a suction face. The first wing membrane 211 and the second wing membrane 212 are opposed to each other in the wing thickness direction of the wing 20. Similar to the wing membrane 210 in the example of FIG. 8, the first wing membrane 211 has a high rigidity front edge 220, a high rigidity wing root 230, and a plurality of bones 240 on the negative pressure surface side of the first wing membrane 211. Are fixed by adhesion or the like. The second wing membrane 212 is provided so as to cover the negative pressure surface side of the first wing membrane 211. At this time, at least a part (preferably all) of the second wing membrane 212 is at least partially (preferably all) of the outer edge of the wing 20 (the leading edge 23, the wing root 21, the trailing edge 24, the wing tip 22 and their vicinity) The first wing film located inside the outer edge portion of the wing 20 although fixed by bonding or the like to the members (high rigidity front edge portion 220, high rigidity wing root portion 230, wing film 210, bone portion 240) It is not fixed to 211 or the bone part 240. Thus, the first wing membrane 211 and the second wing membrane 212 are not fixed to each other at least in part, and the first wing membrane 211 and the second wing membrane are inside the outer edge portion of the wing 20. A space is partitioned between 212 and 212. Thereby, the wing 20 of this example has a high rigidity leading edge on the suction side of the wing 20 by the second wing membrane 212 as compared with the example of FIG. 8 in which the suction side is not covered by the second wing membrane 212. The suction surface shape of the wing 20 can be smoothed by covering the step formed by the bone portion 220 and the bone portion 240. Thereby, compared with the example of FIG. 8, the fluid resistance at the time of rotation of the rotor 1 can be reduced, and hence the efficiency can be improved.
The first wing film 211 and the second wing film 212 preferably satisfy the configuration of the wing film 210 described above with reference to FIGS. 1 to 8, that is, they have flexibility and high rigidity. It should be less rigid than the leading edge 220, the stiff blade root 230, and the bone 240. Further, the first wing film 211 and the second wing film 212 may be different in rigidity and material from each other. In the example of FIG. 9, the first wing membrane 211 is made of cloth, and the second wing membrane 212 is made of paper. By forming the second wing film 212 by paper, the smooth shape of the second wing film 212 can be more effectively maintained as compared with the case where the second wing film 212 is temporarily formed by cloth.

図１０は、ロータ１の第４変形例における翼２０を示しており、図１０（ａ）は翼２０の正圧面側を平面に展開したときの状態で示す図であり、図１０（ｂ）は翼２０の負圧面側を平面に展開したときの状態で示す図である。図１０の例は、骨部２４０の延在方向のみが、図８の例とは異なる。具体的に、図１０の例では、骨部２４０が、それぞれ、翼軸線ＢＡに平行な方向及びこれに垂直な方向の両方に交差する方向に延在しており、より具体的には、翼２０の前縁２３側かつ翼根２１側から、後縁２４側かつ翼端２２側に向かって、徐々に互いから離間されながら、放射状に延在している。
このような構成においても、仮に、翼２０の平面展開視において骨部２４０が翼軸線ＢＡに平行な方向に延在している場合に比べて、翼根２１が翼軸線ＢＡの周りで回転される際に、翼２０のねじれ角を、より良好に変化させることができる。 FIG. 10 shows a wing 20 in a fourth modification of the rotor 1, and FIG. 10 (a) is a view showing the pressure side of the wing 20 in a plan view. These are figures which show the state when the negative pressure surface side of the wing | blade 20 is expand | deployed on plane. The example of FIG. 10 differs from the example of FIG. 8 only in the extension direction of the bone portion 240. Specifically, in the example of FIG. 10, the bones 240 respectively extend in a direction intersecting both the direction parallel to the wing axis BA and the direction perpendicular thereto, more specifically, the wing 20 radially extend from the front edge 23 side and the blade root 21 side to the rear edge 24 side and the blade tip 22 side while being gradually separated from each other.
Even in such a configuration, the blade root 21 is rotated about the blade axis BA, as compared with the case where the bone portion 240 extends in a direction parallel to the blade axis BA in plan view of the blade 20. At the same time, the twist angle of the wing 20 can be changed better.

以上、本実施形態のロータ１について、ロータ１が水平軸型の風力発電機に用いられる場合の説明をした。
ただし、ロータ１は、水力発電機（水車等）に用いられてもよく、また、送風機、ポンプ、ヘリコプター、ドローン等に用いられてもよい。ただし、この場合、上述した各例における翼２０の正圧面が、ロータ１の背面側を向き、翼２０の負圧面が、ロータ１の正面側を向くようにされるとよい。ロータ１が図示しないモータによって回転されると、風は、ロータ１の背面側から正面側へ向かって流れる。このような場合においても、周速比に応じて、受動的に、ねじれ角を良好に変化させることができ、ひいては、広い周速比範囲において、安定して良好な効率を得ることが可能となる。 In the above, the case where the rotor 1 is used for a horizontal axis type wind power generator was demonstrated about the rotor 1 of this embodiment.
However, the rotor 1 may be used for a hydroelectric generator (water turbine or the like), or may be used for a blower, a pump, a helicopter, a drone or the like. However, in this case, it is preferable that the pressure surface of the wing 20 in each of the examples described above faces the back side of the rotor 1 and the suction surface of the wing 20 faces the front side of the rotor 1. When the rotor 1 is rotated by a motor (not shown), the wind flows from the back side to the front side of the rotor 1. Even in such a case, the twist angle can be favorably changed passively according to the peripheral speed ratio, and it is possible to stably obtain good efficiency in a wide peripheral speed ratio range. Become.

本発明の比較例１〜４及び実施例１のロータの性能を、解析により評価したので、図１１〜図１３を参照しながら説明する。
図１３は、比較例１〜４のロータの翼２０’をそれぞれ示している。比較例１〜４の翼２０’は、いずれも、その全体が剛体からなる剛体翼であり、また、ハブ１０に対して回転可能ではなく、ハブ１０に対して位置が固定されていた。図１３に示すように、比較例１〜４は、翼２０’の平面形状とねじれ角分布が互いに異なるものであった。より具体的には、比較例１から比較例４に向かう順番で、翼弦長が短くなり、また、ねじれ角θが小さくなるものだった。なお、比較例１〜４の翼２０’は、翼素運動量理論（ＢＥＭ）により、それぞれ周速比λ＝２、３、４、５に対して最適な効率を得るための平面形状及びねじれ角分布を計算により求めることにより得たものである。
実施例１は図１〜図６に示す例のロータの構成を有しており、すなわち、翼２０が、図２及び図３に示すように、ねじりばねからなる付勢部材３０によってハブ１０に対して回転付勢されているとともに、図４の例の剛性分布を有するものであった。また、実施例１の翼２０は、ロータ１の静止時における平面形状及びねじれ角分布を、比較例２と同じものとした。
比較例１〜４及び実施例１のロータの直径は、いずれも９４６ｍｍとし、翼の翼長は、互いに同じとした。
そして、比較例１〜４及び実施例１のロータを用いて、流体−構造連成解析を行うことにより、風速を５ｍ／ｓにて一定とし、周速比λをλ＝２、３、４、５のそれぞれにしたときの、翼のねじれ角分布とパワー係数Ｃ_Ｐを求めた。その結果をそれぞれ図１１及び図１２に示す。
図１１は、比較例１〜４及び実施例１における、ロータが回転しているときの翼のねじれ角分布の解析結果を示している。図１１において、横軸はロータの半径方向位置であり、右側に向かうにつれて外周側（翼端側）に向かう。縦軸はねじれ角（°）である。図１１から判るように、比較例１〜４は、翼がハブに固定されているとともに、翼が剛体からなるため、ロータが回転しても、ねじれ角分布は変化しなかった。一方、実施例１は、周速比λが高くなるにつれて、翼の全長にわたってねじれ角が減少する方向に、ねじれ角分布が変化した。
図１２は、比較例１〜４及び実施例１における、周速比λとパワー係数Ｃ_Ｐとの関係についての解析結果を示している。図１２において、横軸は周速比λであり、縦軸はパワー係数Ｃ_Ｐである。パワー係数Ｃ_Ｐの値が大きいほど、効率が高いことを意味する。
なお、周速比λは、上述の式（２）により定義されるものである。
また、「パワー係数Ｃ_Ｐ」は、ロータ受風面積を単位時間に通過する自由空気流の運動エネルギーに対する風力発電機の正味出力の比である。空気の密度をρ（ｋｇ／ｍ^３）、回転トルクをＴ（Ｎｍ）とすると、パワー係数Ｃ_ｐは、つぎの式（３）で表すことができる。

図１２から判るように、実施例１のロータは、比較例１〜４のロータに比べて、より広い周速比の範囲で安定して良好なパワー係数Ｃ_ｐひいては効率が得られた。 The performances of the rotors of Comparative Examples 1 to 4 of the present invention and Example 1 were evaluated by analysis, and therefore will be described with reference to FIGS. 11 to 13.
FIG. 13 shows the blades 20 ′ of the rotors of Comparative Examples 1 to 4, respectively. Each wing | blade 20 'of Comparative Examples 1-4 was a rigid wing | blade which the whole became a rigid body, and was not rotatable with respect to the hub 10, but the position was fixed with respect to the hub 10. FIG. As shown in FIG. 13, in Comparative Examples 1 to 4, the planar shape and the twist angle distribution of the wing 20 ′ were different from each other. More specifically, in the order from Comparative Example 1 to Comparative Example 4, the chord length is shortened and the twist angle θ is decreased. In addition, wing | blade 20 'of Comparative Examples 1-4 is a plane shape and a twist angle for obtaining optimal efficiency with respect to circumferential velocity ratio (lambda) = 2, 3, 4, 5 by blade element momentum theory (BEM), respectively. It is obtained by calculating the distribution.
The first embodiment has the configuration of the rotor shown in FIGS. 1 to 6, that is, the wing 20 is attached to the hub 10 by the biasing member 30 comprising a torsion spring as shown in FIGS. 2 and 3. It was rotationally biased and had the stiffness distribution of the example of FIG. Further, in the wing 20 of the first embodiment, the planar shape and the twist angle distribution at the time when the rotor 1 is at rest are the same as those of the comparative example 2.
The diameters of the rotors of Comparative Examples 1 to 4 and Example 1 were all 946 mm, and the wing lengths of the blades were the same.
Then, by performing fluid-structure interaction analysis using the rotors of Comparative Examples 1 to 4 and Example 1, the wind speed is kept constant at 5 m / s, and the peripheral speed ratio λ is λ = 2, 3, 4. The twist angle distribution of the wing and the power coefficient C _P were obtained when each of 5 and 5 was used. The results are shown in FIGS. 11 and 12, respectively.
FIG. 11 shows analysis results of twist angle distribution of the blades when the rotor is rotating in Comparative Examples 1 to 4 and Example 1. In FIG. 11, the horizontal axis is a radial position of the rotor, and as it goes to the right, it goes to the outer peripheral side (the wing tip side). The vertical axis is the twist angle (°). As can be seen from FIG. 11, in Comparative Examples 1 to 4, the wing was fixed to the hub and the wing was a rigid body, so the twist angle distribution did not change even if the rotor was rotated. On the other hand, in Example 1, as the circumferential speed ratio λ increases, the twist angle distribution changes in the direction in which the twist angle decreases over the entire length of the blade.
Figure 12 shows the analysis result of the relationship between in Comparative Examples 1-4 and Example 1, the circumferential speed ratio λ and power coefficient C _P. 12, the horizontal axis represents the peripheral speed ratio lambda, the vertical axis represents the power coefficient C _P. The larger the value of the power coefficient C _P, it means that the efficiency is high.
The circumferential speed ratio λ is defined by the above-mentioned equation (2).
Also, “power coefficient C _P ” is the ratio of the net output of the wind power generator to the kinetic energy of the free air flow passing through the rotor receiving area in unit time. Assuming that the density of air is ρ (kg / m ³ ) and the rotational torque is T (Nm), the power coefficient C _p can be expressed by the following equation (3).

As can be seen from FIG. 12, the rotor of Example 1 stably and favorably achieved the power coefficient C _p over a wider range of peripheral speed ratio than the rotors of Comparative Examples 1 to 4.

本発明のロータは、風水力機械に用いられるものであり、特に水平軸型の風力発電機又は送風機に用いられると好適なものである。 The rotor of the present invention is used in a wind and water machine, and is particularly suitable when used in a horizontal axis type wind power generator or fan.

１ロータ
１０ハブ
１１溝
２０、２０’ 翼
２１、２１’ 翼根
２２、２２’ 翼端
２３、２３’ 前縁
２４、２４’ 後縁
２１０翼膜
２１１第１翼膜
２１２第２翼膜
２１０ａ第１翼膜部
２１０ｂ第２翼膜部
２１０ｃ第３翼膜部
２２０高剛性前縁部
２３０高剛性翼根部
２４０骨部
３０付勢部材
３１付勢部材の第１端部
３２付勢部材の第２端部
３３付勢部材の中間部
４０連結部材
４１溝
４３固定部
５０翼軸
ＢＡ翼軸線
ＢＲＬ翼根長
Ｄ１翼根における前縁側の端部から翼軸線までの距離
Ｏロータの回転中心軸線
Ｐロータの回転中心軸線に対して垂直な仮想平面
ＲＤ回転方向
θ ねじれ角 Reference Signs List 1 rotor 10 hub 11 groove 20, 20 'wing 21, 21' wing root 22, 22 'wing tip 23, 23' front edge 24, 24 'trailing edge 210 wing membrane 211 first wing membrane 212 second wing membrane 210a second wing membrane 1 wing film portion 210b second wing film portion 210c third wing film portion 220 high rigidity front edge portion 230 high rigidity blade root portion 240 bone portion 30 biasing member 31 biasing member 31 first end 32 biasing member second End portion 33 Biasing member middle portion 40 Connecting member 41 Groove 43 Fixing portion 50 Blade axis BA Blade axis BRL Blade root length D1 Distance from leading end of blade root to blade axis O Distance of rotation center axis P of rotor Virtual plane RD perpendicular to the central axis of rotation

Claims

A hub supported by the spindle,
A wing rotatably coupled to the hub about a predetermined wing axis;
An urging member for rotationally urging the wing against the hub;
Equipped with
The wings are
A flexible wing membrane,
A high rigidity front edge which has higher rigidity than the wing membrane and which constitutes the front edge of the wing;
Has a rotor for wind and water machines.

The rotor according to claim 1, wherein a leading edge of the wing is spaced apart from the wing axis in a direction perpendicular to the wing axis.

The rotor according to claim 1 or 2, wherein the rotor is configured such that the twist angle of the wing decreases over the entire length of the wing as the circumferential speed ratio increases.

The wing has a rigidity higher than the wing membrane and lower than the high-rigidity front edge, and further includes a high-rigidity wing root portion constituting a wing root of the wing. The rotor according to any one of the preceding claims.

The wing further has a bone portion which has a rigidity higher than the wing membrane and lower than the high rigidity leading edge, and extends in a direction intersecting the wing axis in plan view of the wing. The rotor according to any one of claims 1 to 4, wherein:

The wing has, as the wing membrane, a first wing membrane that constitutes a pressure surface, and a second wing membrane that constitutes a suction surface,
The rotor according to any one of claims 1 to 5, wherein the first wing membrane and the second wing membrane are not fixed to each other at least in part.