JP2020026784A - 翼角度自律振幅制御式風車 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明では、翼弦線(=中心線)を予め平行に置き、これを傾き角度0度で初期設定角として、と、初期設定の有無から異なり、しかも受ける風により正負角に傾かせる、振幅方法と全く異なり、且つ、高速回転時は振れないよう、翼連動振幅制御菱形板(511)を固定する機構と、振幅動作を固定する機能も無く、全体でも大きく異なる。
また、公知の特許では「全ての前記可動翼とをそれぞれ連結する連結部材を有するリンク機構を備えており」とあるが、本発明では、複数翼の後縁側が抗力で自律的に独立して傾くので、複雑で余計なリンク機構は無く、独自の自然な自律制御方式の発明と全く異なる。
更に、「回転によって発生する遠心力..に対応した角度に前記可動翼を揺動させて、該風車の回転速度を調整する」と、あるが、本発明では、遠心力で振幅角度を段々と抑える構造と全く異なり、速度調整は振幅スリット(図5−504)と、反りの無い対称後縁部と翼角度自律振幅制御に加え、回転時の相対風(211、又は610)による風上面側揚力(210、又は606)と相対風自身の抗力をバランスさせて過剰回転抑止を行うため動作原理が全く異なる。
また平板では後縁角が無いので循環の概念からもピッチ角度が0度では揚力が生まれず、駆動力も発生しないので本出願発明と基本原理が異なる。
更に「その一辺を、弾性体(3)を介して腕に取り付け(第2図)、あるいはピッチを変えられるように直接腕に取り付け」と、翼の曲がる部分2が腕1の後方と離れているが、本出願発明は、振らせる中心点は対称流線形状翼内で、翼弦線(=中心線)を予め平行に置き、これを傾き角度0度で初期設定角として、初期設定の有無から異なり、しかも受ける風により正負角に傾かせる、振幅方法と全く異なり、且つ高速回転時は振れないよう、翼連動振幅制御菱形板(511)を固定する機構と、振幅動作を固定する機能も無く、しかも後縁が風下に傾けば、前縁が風上に傾くシーソ構造で全く異なる等、全体の形状、構造が異なる
尚ここで、以下説明図における3桁の符号番号の付与ルールを述べると、頭1桁目は図面番号で下2桁がその図面内で出現する追番だが、共通部位等は、他の図面番号で再度現れる事もある。
なお、翼支えアーム(505)を長くすれば回転速度は遅くなるが駆動力が増し、多極発電機(本機は24極3相200W)等が駆動出来、前記課題(4)優しく優雅に廻るので、横軸風車に比べ回転数が低く抑えられ異音も出ず、回転軸受ベアリングの磨耗も減り、前記課題(5)耐久性も格段に向上する。
請求項3で述べた風車を構成するスマート対称流線形状翼(101)を実施例2で、
請求項1で述べた、縦軸型風車(図5)を実施例3で、
請求項2で述べた、横軸型風車(図6)を実施例4で、それぞれ説明する。
このような縦軸型風車が回転することにより風車の円筒状(502)の回転掃過面を基準に、予め各回転する対称流線形状翼(図5−105)の翼弦線(102)を平行になり、傾き角度0度を初期設定迎角として、風があれば翼が自律的に独立して振れ、回転する構造となる。
更に、台風等、暴風迄耐える必要がある場合は、材質は出来るだけ薄く、軽く、柔軟で撓り易く曲がり易く、身近な運用での重要条件は、静かに廻る縦軸型が望ましい。
また、この逆風による相対風の効果図は省略するが、正面風と同じ効果も継続される。
また、PHV(プラグインハイブリッド)車等に搭載すれば走行スピードに応じた大きな風力で効率良く発電出来、下り坂での回生ブレーキ発電に加え、登り坂では充放電ロスの無い効率良い補助電源により更なる燃費向上や、停車中でも風さえあればエコで有用な移動電源車にも成る。
102 翼弦線(中心線)
103 回転掃過面(二点鎖線)
104 前縁
105 後縁
106 拡張表裏対称後縁部
107 対称後縁角
108 傾斜振幅中心点
109 下向き風(抗力)
110 上面揚力
111 上向き風(抗力)
112 下面揚力
113 駆動力
201 −傾斜中心線
202 +傾斜中心線
203 振幅角(〜60°)
204 対称後縁振幅角(〜40°)
205 急な下向き逆風
206 急な上向き逆風
207 急な逆風圧で傾きが反転
208 迎角(+)
209 迎角(−)
210 揚力(駆動力)
211 大気速度(回転による相対風)
212 抗力
301 +迎角での揚力変化
302 −迎角での揚力変化
303 抗力変化(点線)
304 +抗力が増せば傾きが戻る
305 −抗力が増せば傾きが戻る
306 対称後縁角
307 振幅角
308 対称後縁角で失速角内に収まる
309 失速角度内
401 迎角(+)時の境界層流れ
402 迎角(−)時の境界層流れ
403 振幅スリット窓
404 振幅スリットにより境界層の流入と流出がよどみ点を減らして乖離を抑え、
カルマン渦の非対称化や発生位置のズレによる相殺効果で流を安定化
501 縦軸型風車回転軸
502 回転掃過面(円筒状)
503 発電機(24極200W3相コアレス等)
504 振幅スリット窓(本図例では16か所:4箇所×4枚)
505 翼支えアーム(本図例では8本:4箇所×上下2本)
506 迎角振幅制御機構拡大部(本図例では4ケ所の1例部)
507 振幅抑制スライドストッパー(重め)
508 引バネ
509 無給油翼振幅軸受
510 振幅幅
511 翼連動振幅制御菱形板
601 横軸型風車回転軸
602 ハブ
603 回転掃過面(円盤状)
604 正面風
605 左正面風時の迎角
606 上向き揚力
607 回転方向
608 急な逆風
609 右逆風時の迎角
610 回転による相対風(正面風時)
611 相対風による風下面揚力
612 振幅スリット(3枚で計6ケ所)
613 翼振幅角
614 ハブ内構造(3翼の1翼分のみ表示)
615 振幅復元バネ(3翼の1翼分のみ表示)
616 翼傾き連動フックとバネ連結ピン(3翼の1翼分のみ表示)
701 本発明式風車の出力性能線
702 従来式固定翼型の出力性能線
本発明の基本概念の振幅循環揚抗特性で必要となる基礎データは多種あるが、循環理論におけるジューコフスキー写像から算出される表裏面が等価な対称流線形状翼(対称ジューコフスキー翼型とも称す:非特許文献1−P124)と、迎角に敏感で制御しやすい大きな揚力の特性を、判り易く説明し公開されている揚抗変化曲線(非特許文献3の資料)等の資料を基に、現実の運用環境に倣い、その逆風抗力による迎角反転事象を想定して変化する揚力効果を知るべく、負〜正迎角抗力特性グラフに、正迎角揚力特性グラフを重ね、負迎角側に、先の正迎角側の揚力特性グラフをミラーして重畳し、
更に図2(翼傾き駆動後の迎角と急反転時の振幅動作)に於ける翼弦線迎角(208、209)と揚抗変化に対応させ、横軸中央を翼の中心線(=翼弦線)即ち迎角0度で、右に翼弦線迎角(+度)、左に翼弦線迎角(−度)を、縦軸値左側に抗力係数変化特性(303:点線)と、右側に揚力係数変化特性(301と303:太実線)で本論の動的振幅翼変化に対応させ表した新たな、振幅循環揚抗動作特性グラフ(図3)を開発し、負〜正迎角での揚抗特性が一目で見ることが出来る。
また、風が強まれば、翼にあたる風圧抗力(109、111)で自律的に振らせ、振幅させる構造により、最適な迎角で揚力として得れば、図3の振幅循環揚抗特性の両縦軸揚抗力係数値比から、抗力の最大約100倍の揚力が得られる。
また、図6の横軸型風車では、翼(617)が円盤状の回転掃過面(603)と予め平行にあっても、対称流線翼(618)の後縁角(107)の効果で、正面風(604)と、急な逆風(608)でも、表裏2面方向のどちらかの風で揚力が得られ、
更に風向きが急に逆転したり風力が増せば、横軸型風車用片持ち振幅対称流線形状翼(618)を、左正面風時の迎角(605)、右逆風時の迎角(609)と振らせて更に大きな揚力が得られ、且つ、逆風時も常に一定方向(607)に連続的に回転するため、横軸型風車が最も苦手な瞬間的な反転ヨー制御が不要(小角度のヨー制御は容易)で、翼枚数倍の大きな回転駆動力が得られる。
更に、風向速が激変しても、その風圧の抗力度に応じて、翼弦線(102)は回転掃過面(103)に対し並行に且つ、形状記憶材料やバネ、ゴム等で柔軟に振幅する構造により、対称流線形状翼(101)を(201)から(202)と可変に傾け振らせることで、短時間でも最適な角度になれば、風力、即ち抗力に対し直角方向に、抗力の最大約100倍(図3:振幅循環揚抗特性の右左縦軸揚抗力係数値比)の揚力が得られ、横軸風車では、翼枚数倍の大きな合成駆動力で回転し、逆風時でも、振幅角度の反転により常に一定方向(607)に連続的に回転するため、最も苦手な瞬間的な反転ヨー制御が不要(小角度のヨー制御は容易)となり、前記課題(2)風向速激変反転対策も含んだ振幅翼が構成される。
発電機(503)に連結された縦軸の風車回転軸(501)に、翼支えアーム(505:例図は上下計8本)で4枚のスマート対称流線形状翼(図5−101)の上下(長尺の場合は途中引き出し)の
傾斜振幅中心軸(図5−108)を磨耗の少ないフランジブッシュ等の無給油翼振幅軸受(509)で翼を振れやすく支えるため、
円筒状の回転掃過面(502)の軸方向と、回転する対称流線形状翼(101)の翼弦線を予め平行に置き初期設定中心位置として保持し、且つ、翼が振幅幅(510)で表裏に振幅可能とする、傾斜振幅中心軸(108)を翼の中心より前縁側に定め、この翼を支えるアーム(505)の先端側の、無給油翼振幅軸受(509)に、回転翼(101)と連結された、図11の翼支え連結金具(1102)を振幅可動出来る様、翼支え軸(1103)を、無給油翼振幅軸受(509)の穴に挿入して抜けた所を、緩んで抜けないようにロックナット等で固定し、
また、翼支え連結金具(1102)に連結された、翼連動振幅制御菱形板(511)の右先端から翼弦線平行維持バネ(1104)を、直線バネ保持軸(1106)まで渡し、待ち受け初期状態に於いては連結された回転翼(101)の翼弦線と回転掃過面(502)の平行な待ち受け中心位置を維持する構造を形成しておく。
なお、スライドストッパー(507)は、引きバネ(508)や形状記憶材料、ゴム等で引っ張り、片方は翼支えアーム(505)の上部に固定しておく。
一方、そのハブ内に複数翼枚分ある、1翼分を図示した、ハブ内振幅構造(614)で動作原理を説明すれば、翼傾き連動フックとバネ連結ピン(616)で、ピン両側の振幅復元バネ(615)の中央で、回転掃過面(603)と翼弦線(102)とが、平行になる保持位置(617)の翼角度に、横軸型風車用片持ち振幅対称流線形状翼(618)を連結し、この回転掃過面と翼弦線とが平行な保持位置(617)を中心に、+角度(605)又は、−角度(609)となるように、翼振幅連動フック角(613)の振幅制御を行う仕組みを、翼(618)枚数分構成した構造に置く。
また、正面から風圧(604)を受けると翼の後縁部(106)が、風の強さに応じて可変に、この時の風下側に傾き(605)、また、逆風時(608)には、右逆風時の迎角(609)に傾くことで、
従来の横軸型風車の弱点だった、風向きが急に反転(608)しても風下側(前記と反対の左側)に傾く迎角(609)での拡張対称後縁部(106)の表裏2面のどちらかで常に前縁方向に揚力(606)を得て、同一回転方向(607)に、翼枚数分の大きな合成駆動力を得て連続して回転するため効率も良い構造となる。
102 翼弦線(中心線:一点鎖線)
103 回転掃過面(二点鎖線)
104 前縁
105 後縁
106 拡張表裏対称後縁部
107 対称後縁角
108 傾斜振幅中心点
109 下向き風(抗力)
110 上面揚力
111 上向き風(抗力)
112 下面揚力
113 駆動力
201 −傾斜中心線
202 +傾斜中心線
203 振幅角(〜50°)
204 対称後縁振幅角(〜40°)
205 急な下向き逆風
206 急な上向き逆風
207 急な逆風圧で傾きが反転
208 迎角(+)
209 迎角(−)
210 揚力(駆動力)
211 大気速度(回転による相対風)
212 抗力
301 +迎角での揚力変化(実線)
302 −迎角での揚力変化(実線)
303 抗力変化(点線)
304 +抗力が増せば傾きが戻る
305 −抗力が増せば傾きが戻る
306 対称後縁角
307 振幅角
308 対称後縁角で失速角内に収まる
309 失速角度内
401 迎角(+)時の境界層流れ
402 迎角(−)時の境界層流れ
403 振幅スリット窓
404 振幅スリットにより境界層の流入と流出がよどみ点を減らして乖離を抑え、カルマン渦の非対称化や発生位置のズレによる相殺効果で流を安定化
501 縦軸型風車回転軸
502 回転掃過面(円筒面状:二点鎖線)
503 発電機(24極200W3相コアレス等)
504 振幅スリット窓(本図例では16か所:4箇所×4枚)
505 翼支えアーム(本図例では8本:4箇所×上下2本)
506 迎角振幅制御機構拡大部(本図例では4ケ所の1例部)
507 振幅抑制スライドストッパー(重め)
508 引バネ
509 無給油翼振幅軸受
510 振幅幅(しんぷくはば)
511 翼連動振幅制御菱形板
601 横軸型風車回転軸
602 ハブ
603 回転掃過面(円盤面状:二点鎖線)
604 正面風
605 左正面風時の迎角
606 上向き揚力
607 回転方向
608 急な逆風
609 右逆風時の迎角
610 回転による相対風(正面風時)
611 相対風による風下面揚力
612 振幅スリット(3枚で計6ケ所)
613 翼振幅連動フック角
614 ハブ内振幅構造(例では3翼の1翼分のみ表示)
615 振幅復元バネ(3翼の1翼分のみ表示)
616 翼傾き連動フックとバネ連結ピン(3翼の1翼分のみ表示)
617 回転掃過面と平行な保持位置
618 横軸型風車用片持ち振幅対称流線形状翼
619 正面からの風の流れ
620 反対からの風の流れ
701 本発明式風車の出力性能線
702 従来式固定翼型の出力性能線
1101 翼支えアーム外周端
1102 翼支え連結金具
1103 翼支え軸
1104 翼弦線平行維持バネ
1105 振幅時のバネ曲がり状態
1106 直線バネ保持軸
1107 振れ止め幅なし
1108 振れ止め幅あり
1109 菱形板止め枠端右寄り
1110 菱形板止め枠端左寄り
1111 振幅はば
また、風が強まれば、翼にあたる風圧抗力(109、111)で自律的に振らせ、振幅させる構造により、最適な迎角で揚力として得れば、振幅循環揚抗特性(図3)の両縦軸揚抗力係数値比から、抗力の最大約100倍の揚力が得られる。
このような縦軸型風車が回転することにより風車の円筒状(502)の回転掃過面を基準に、予め各回転する対称流線形状翼(図5−105)の翼弦線(102)を平行になり、傾き角度0度を初期設定迎角として、風があれば翼が自律的に独立して振れ、回転する構造となる
102 翼弦線(中心線:一点鎖線)
103 回転掃過面(二点鎖線)
104 前縁
105 後縁
106 拡張表裏対称後縁部
107 対称後縁角
108 傾斜振幅中心点
109 下向き風(抗力)
110 上面揚力
111 上向き風(抗力)
112 下面揚力
113 駆動力
201 −傾斜中心線
202 +傾斜中心線
203 振幅角(〜50°)
204 対称後縁振幅角(〜40°)
205 急な下向き逆風
206 急な上向き逆風
207 急な逆風圧で傾きが反転
208 迎角(+)
209 迎角(−)
210 揚力(駆動力)
211 大気速度(回転による相対風)
212 抗力
301 +迎角での揚力変化(実線)
302 −迎角での揚力変化(実線)
303 抗力変化(点線)
304 +抗力が増せば傾きが戻る
305 −抗力が増せば傾きが戻る
306 対称後縁角
307 振幅角
308 対称後縁角で失速角内に収まる
309 失速角度内
401 迎角(+)時の境界層流れ
402 迎角(−)時の境界層流れ
403 振幅スリット窓
404 振幅スリットにより境界層の流入と流出がよどみ点を減らして乖離を抑え、カルマン渦の非対称化や発生位置のズレによる相殺効果で流を安定化
501 縦軸型風車回転軸
502 回転掃過面(円筒面状:二点鎖線)
503 発電機(24極200W3相コアレス等)
504 振幅スリット窓(本図例では16か所:4箇所×4枚)
505 翼支えアーム(本図例では8本:4箇所×上下2本)
506 迎角振幅制御機構拡大部(本図例では4ケ所の1例部)
507 振幅抑制スライドストッパー(重め)
508 引バネ
509 無給油翼振幅軸受
510 振幅幅(しんぷくはば)
511 翼連動振幅制御菱形板
601 横軸型風車回転軸
602 ハブ
603 回転掃過面(円盤面状:二点鎖線)
604 正面風
605 左正面風時の迎角
606 上向き揚力
607 回転方向
608 急な逆風
609 右逆風時の迎角
610 回転による相対風(正面風時)
611 相対風による風下面揚力
612 振幅スリット(3枚で計6ケ所)
613 翼振幅連動フック角
614 ハブ内振幅構造(例では3翼の1翼分のみ表示)
615 振幅復元バネ(3翼の1翼分のみ表示)
616 翼傾き連動フックとバネ連結ピン(3翼の1翼分のみ表示)
617 回転掃過面と平行な保持位置
618 横軸型風車用片持ち振幅対称流線形状翼
619 正面からの風の流れ
620 反対からの風の流れ
701 本発明式風車の出力性能線
702 従来式固定翼型の出力性能線
Claims (3)
- 風向速が激変反転する厳しい運用環境でも効率良く廻せる風車と複数枚の翼(ブレード)に関し、先ず揚力・抗力と迎角の反転変化も模せる振幅循環揚抗曲線(図3)を開発し、更に、翼の振幅による新たな風力エネルギー獲得概念を見出し、これらを自律的に行わせる方法として、
風車の回転掃過面(基本図:図1−103)、先に説明する縦軸型風車では円筒状(図5−502)を基準に、回転する対称流線形状翼(新機能翼は下記請求項3で詳説)の翼弦線(102:中心線でもある)を予め平行に置き、これを傾き角度0度で初期設定角とし、
風圧(図1−109、又は111)により翼が傾き(図2−202、又は201)、弱くなれば初期位置に戻り、また逆風で反対に傾く時の傾斜振幅中心点(108)を翼の中心より前縁(104)側に定めて支え、形状記憶材量やバネ、ゴム等で振れるよう柔軟に固定する、迎角振幅制御機構(図5−506:図5例では4ケ所)を、縦軸型風車では翼支えアーム(図5−505)側に無給油翼振幅軸受(509)と、引きバネ(508)に加え、回転速度が上がれば遠心力で振れ幅を段々と狭くして、高速回転時は振れないよう、翼連動振幅制御菱形板(511)を挟み段々と固定して行く、振幅角抑制スライドストッパー(507)を組み合わせた構造により、
風で、各複数翼が傾き振れることにより更に受風範囲が重なり広くなる、拡張表裏対称後縁部(図5−106)面への抗力や揚力を得て起動性が高まり、更に風が強くなったり風車が回転すれば、常に複数翼のどれかの後縁側が抗力で自律的に独立して傾き、風向きに対する迎角(図2−208、又は209)が最適になり、風の抗力の直角方向に抗力の最大約100倍(図3:振幅循環揚抗曲線の両縦軸揚抗力係数値比)の揚力(210)を得て、回転方向に大きな合成駆動力を得る機能を有したことを特徴とする翼角度自律振幅制御式風車。 - 前記請求項1の翼の共通基本機能を横軸型風車(図6)に適用する方法として、
風車の回転掃過面(横軸型風車では円盤状:図6−603)を基準に、予め各位置で回転する対称流線形状翼(新機能組み込み翼は下記請求項3で詳説)の翼弦線が平行になるように置き、これを傾き角度0度で初期設定角とし、正面からの風圧(604)により翼が傾き(605)、逆風で戻る(609)時の傾斜振幅中心点(図6−108)を翼の中心より前縁側に定め、この翼を複数枚、回転横軸(601)に連結して纏めるハブ内(614)に、翼傾き連動フックとバネ連結ピン(616)と、両側の振幅復元バネ(615)より成る振幅制御機能で翼振幅角(613)幅の振幅制御を行う構造により、
正面風(604)では、拡張表裏対称後縁部(図6−106:図例では各3枚)面への抗力を得て後縁が風下に傾き、風向きに対する迎角(605)が最適になれば抗力の最大約100倍(図3:両縦軸揚抗力係数値比)の揚力(606)により、大きな合成駆動力を得て回転し、更に風向きが急に逆転(608)しても風下側(前記と反対側)に傾く迎角(609)での拡張対称後縁部(図6−106)で常に前縁方向に揚力(606)を得るため同一方向に連続して回転して効率良く、且つ、反転ヨー制御が不要となる自律振幅制御機能の特徴を有した翼角度自律振幅制御式風車。 - 前記請求項1、2の風車を構成する翼の性能を向上させるため揚抗比を良くし、且つ高速回転を安定化させる為、表裏対称な流線形状翼で後縁角(図1−107)を有する対称ジューコフスキー翼型(非特許文献1−P124)を大幅に改良し、翼の表裏両後縁面(106)を後縁方向に翼弦長を長く伸ばして表裏両法面積を拡げることにより受風性能を向上させ(レイノルズ数=翼弦長×対気速度1 ×動粘性係数 )、レイノルズ数=揚力を増やし、更に後縁(105)に至る途中に矩形で前縁側に片持ち、後縁側に片開きする窓状に剥離抑制用振幅スリット(図4−403)を切り抜き、風圧により後縁側が表裏に傾き開き、また、真っ直ぐ(図4−102と並行)に戻るよう片持側を柔軟に支える構造にして、ブレードの長尺方向の長さに応じて複数個所(例として、図5−504:1翼で4ケ所、図6−612:1翼で2ケ所)に設けた構造的特徴を有する(仮称)スマート対称流線形状翼(図4−101)と称す翼を、
請求項1の縦軸型風車(図5)や、請求項2の横軸型風車(図6)に組み込むことにより、風車回転時に翼の境界層流れ(図4−401、402)を前縁側から吸入し、後縁側から剥離抑制用振幅スリット(403)を抜けて排出するため表裏の圧力がバランスして、よどみ点での逆流による剥離を抑えると共に、流体のレイノルズ数を位置的に変化させて翼の後端渦(404)がずれることによる相殺効果で高速回転時の乱流と流体騒音を抑え、回転安定化を図る自律機能的特徴を付加したことを特徴とする、請求項1、2記載の翼角度自律振幅制御式風車。
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