JP2020029853A - Lift-type vertical axis wind turbine - Google Patents

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栄徳 斎藤
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Abstract

To suppress blade parts of a windmill from rotating excessively to reduce influence of friction and suppress enlargement of an overrotation suppression mechanism, without the axial movement of an arm.SOLUTION: A lift-type vertical axis wind turbine 1 includes a rotation hub 3 and wind turbine blade parts 4. The wind turbine blade part 4 has an arm 41 and a blade 42. The arm 41 is provided so as to twist around a rotational axis Y of the arm 41. The lift-type vertical axis wind turbine 1 further includes a tuning mechanism 6 that tunes the rotations of the arms 41 about the rotation axis Y with each other, and an energization member SP that energizes the arm 41 in a direction in which a wind receiving area of the blade 42 increases.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、風力発電機に用いられる揚力型垂直軸風車に関する。さらに詳しくは、突風などに伴う強風が吹いた場合でも過回転により翼の破損や発電機の故障を生じないように構成された揚力型垂直軸風車に関する。   The present invention relates to a lift type vertical axis wind turbine used for a wind power generator. More specifically, the present invention relates to a lifting type vertical axis wind turbine configured to prevent damage to wings and failure of a generator due to excessive rotation even when a strong wind due to a gust or the like blows.

小型風車は系統電源のない場所における電源や災害時に系統電源が途絶えた場合の非常用電源として役立ち、設置場所の制限が少ないことから、分散型電源として有用である。しかし、強風時には容易に高速回転に至ることから安全面の配慮が重要である。   The small wind turbine is useful as a power source in a place where there is no system power supply or as an emergency power source when the system power supply is cut off in the event of a disaster. However, safety considerations are important because high-speed rotation easily occurs in strong winds.

このような強風時の安全対策として、たとえば特許文献1には、風車の翼部の過回転を防止する機構を有する風車が開示されている。この特許文献1の風車は、ブレード軸(以下、アームという)がブレードの回転に伴う遠心力により半径方向に移動し得ると共に、半径方向を軸として自転することによりブレードの実効的ピッチ角および受風面積を変えるように構成されている。これにより、強風時には、ブレードに加わる遠心力により、ブレードが半径方向外側に移動して受風面積を減らして、ブレードの回転数を減らすことができる。   As a safety measure at the time of such a strong wind, for example, Patent Document 1 discloses a windmill having a mechanism for preventing over rotation of a blade portion of the windmill. In the wind turbine disclosed in Patent Document 1, a blade shaft (hereinafter, referred to as an arm) can move in a radial direction due to centrifugal force caused by rotation of the blade, and can rotate with the axis in the radial direction as an axis. It is configured to change the wind area. Thereby, at the time of strong wind, the centrifugal force applied to the blade causes the blade to move radially outward to reduce the wind receiving area, thereby reducing the number of rotations of the blade.

特開2016−17463号公報JP 2016-17463 A

しかし、特許文献1の風車は、アームが半径方向外側への平行移動とアームの回転軸周りの回転運動を同時に行う機構であり、非直線状のガイド溝を必要とするため摩擦の影響を受け易い。また構造が複雑であるとともに、アームの軸方向のストロークを確保するスペースがロータ中心部および半径方向外側に必要となり、過回転抑制機構が大きくなってしまう。   However, the windmill disclosed in Patent Literature 1 is a mechanism in which the arm simultaneously performs a parallel radial outward movement and a rotational movement about the rotation axis of the arm, and requires a non-linear guide groove. easy. Further, the structure is complicated, and a space for securing the stroke of the arm in the axial direction is required at the center of the rotor and the outer side in the radial direction.

そこで、本発明はかかる問題点に鑑みて、揚力型の垂直軸風車において、アームの軸方向の移動を伴わずに、風車の翼部の過回転を抑制し、摩擦の影響を減らすとともに、過回転抑制機構の大型化を抑制することができる、揚力型垂直軸風車の提供を目的とする。   Accordingly, the present invention has been made in view of such a problem, and in a lift-type vertical axis wind turbine, it is possible to suppress the over rotation of the wing portion of the wind turbine without moving the arm in the axial direction, reduce the influence of friction, and reduce It is an object of the present invention to provide a lift-type vertical axis wind turbine capable of suppressing an increase in the size of a rotation suppressing mechanism.

本発明の揚力型垂直軸風車は、回転用ハブと、垂直軸周りに回転する複数の風車翼部を備えた揚力型垂直軸風車であって、前記複数の風車翼部のそれぞれは、前記回転用ハブに支持され、前記垂直軸に対して垂直な水平方向に延びるアームと、前記アームの一端に設けられたブレードとを有し、前記アームは、前記回転用ハブに前記水平方向に延びる回転軸周りに回転可能に支持され、前記ブレードの受風面積を減少させるように前記アームの前記回転軸周りにツイストするように設けられ、記アームおよび前記ブレードは、前記アームが前記回転軸周りにツイストする際に、前記アームの前記回転軸の軸方向へ移動せず、前記揚力型垂直軸風車がさらに、前記複数の風車翼部のそれぞれの前記アームおよび前記ブレードのツイスト角が互いに等しくなるように、前記アームの前記回転軸周りの回転を互いに同調させる同調機構と、前記アームがツイストした際に、前記アームを前記ブレードの受風面積が大きくなる方向に向かって付勢する付勢部材とを備えている。   The lift type vertical axis wind turbine of the present invention is a lift type vertical axis wind turbine including a rotating hub and a plurality of wind turbine blades rotating around a vertical axis, wherein each of the plurality of wind turbine blades is An arm supported by the hub for rotation and extending in the horizontal direction perpendicular to the vertical axis, and a blade provided at one end of the arm, wherein the arm is rotated by the rotation hub and extends in the horizontal direction. The arm and the blade are supported so as to be rotatable around an axis and are twisted around the rotation axis of the arm so as to reduce the wind receiving area of the blade. When twisting, the arm does not move in the axial direction of the rotation axis of the arm, and the lift-type vertical axis windmill further moves the arm and blade of each of the plurality of windmill blades so that the twist angles of the arms are different from each other. A tuning mechanism for tuning the rotation of the arms around the rotation axis so as to be equal to each other, and a biasing mechanism for urging the arms in a direction in which the blade receiving area increases when the arms are twisted. And a biasing member.

また、前記アームは、前記ブレードの前記垂直軸周りの回転時に前記ブレードおよび/またはアームに加わる空気力によって、前記回転軸周りにツイストするように構成されていることが好ましい。   Further, it is preferable that the arm is configured to be twisted around the rotation axis by an air force applied to the blade and / or the arm when the blade rotates around the vertical axis.

また、前記ブレードの断面は、前縁が湾曲し後縁が尖った流線形であり、前記ブレードを前記アームの軸方向に見たときに、前記アームの前記回転軸が、前記アームの前記回転軸に対して等距離に位置する2つの空力中心点を結んだ線に対して、前記ブレードの後縁側に位置するように、前記アームが設けられていることが好ましい。   Further, the cross section of the blade is a streamline having a curved front edge and a sharp rear edge, and when the blade is viewed in the axial direction of the arm, the rotation axis of the arm is rotated by the rotation of the arm. It is preferable that the arm is provided so as to be located on the trailing edge side of the blade with respect to a line connecting two aerodynamic center points located equidistant from the axis.

また、前記アームは、前記ブレードがツイストしていない状態(ツイスト角0°)において前記垂直軸に平行な方向に扁平に形成されていることが好ましい。   Further, it is preferable that the arm is formed flat in a direction parallel to the vertical axis when the blade is not twisted (twist angle is 0 °).

また、無風状態のときに対応する前記ブレードの初期位置が、前記2つの空力中心点を結んだ線が鉛直線に対して所定の初期ツイスト角で傾斜した状態となるように設定され、前記ブレードの初期位置において、前記ブレードは、前記付勢部材から所定の付勢力で予圧が加えられた状態で保持されていることが好ましい。   Further, the initial position of the blade corresponding to the time of a windless state is set such that a line connecting the two aerodynamic center points is inclined at a predetermined initial twist angle with respect to a vertical line, In the initial position, it is preferable that the blade is held in a state where a preload is applied by a predetermined urging force from the urging member.

また、前記ブレードが前記付勢部材によって付勢された状態で、前記所定の初期ツイスト角で傾斜した状態で保持されるように、前記ブレードの初期位置を画定する位置決め部材を有していることが好ましい。   Further, a positioning member defining an initial position of the blade is provided so that the blade is held in a state of being inclined at the predetermined initial twist angle in a state where the blade is urged by the urging member. Is preferred.

また、前記ブレードが、前記初期位置から前記ブレードの受風面積が減少した第2の位置までツイストした際に、前記ブレードのさらなるツイストを規制し、前記ブレードの最大ツイスト角を画定する第2の位置決め部材を有していることが好ましい。   Further, when the blade has been twisted from the initial position to a second position where the wind receiving area of the blade has decreased, a second twist that regulates further twisting of the blade and defines a maximum twist angle of the blade. It is preferable to have a positioning member.

また、前記同調機構は、前記複数の風車翼部の前記アームの他端にそれぞれ設けられた複数のアーム側歯車と、前記回転用ハブに設けられ、前記複数のアーム側歯車に噛み合う1つのハブ側歯車とを有していることが好ましい。   In addition, the tuning mechanism includes a plurality of arm-side gears respectively provided at the other ends of the arms of the plurality of wind turbine blades, and one hub provided on the rotation hub and meshing with the plurality of arm-side gears. It is preferable to have a side gear.

また、前記付勢部材が前記同調機構の前記ハブ側歯車を付勢することにより、前記アームを間接的に付勢していることが好ましい。   Further, it is preferable that the urging member urges the arm indirectly by urging the hub-side gear of the tuning mechanism.

また、前記回転用ハブが、前記回転用ハブが回転し所定の遠心力が加わったときに前記回転用ハブに対して移動可能な錘部材を有し、前記錘部材は、前記同調機構に連結部材を介して連結され、前記付勢部材は、前記錘部材の遠心力による移動を抑制する方向に前記錘部材を直接または間接的に付勢するように構成され、前記空気力によるツイストモーメントおよび前記遠心力による前記錘部材に加わる力が、前記付勢部材の付勢力に打ち勝って前記錘部材が移動したときに、前記錘部材の移動に連動する前記連結部材の動作によって前記同調機構が動作されて、前記ブレードが前記ブレードの受風面積を減少させる方向にツイストするように構成されていることが好ましい。   Further, the rotating hub has a weight member movable with respect to the rotating hub when the rotating hub rotates and a predetermined centrifugal force is applied, and the weight member is connected to the tuning mechanism. Connected via a member, the biasing member is configured to directly or indirectly bias the weight member in a direction to suppress movement of the weight member due to centrifugal force, and a twist moment due to the aerodynamic force and When the force applied to the weight member by the centrifugal force overcomes the urging force of the urging member and the weight member moves, the tuning mechanism operates by the operation of the connecting member interlocked with the movement of the weight member. In addition, it is preferable that the blade is configured to be twisted in a direction to reduce a wind receiving area of the blade.

また、前記同調機構は、前記複数の風車翼部の前記アームの他端にそれぞれ設けられた複数のアーム側歯車と、前記回転用ハブに設けられ、前記複数のアーム側歯車に噛み合う1つのハブ側歯車とを有し、前記連結部材が前記回転用ハブに対して前記垂直軸に平行な軸周りに揺動可能に取り付けられ、前記連結部材が、前記連結部材の揺動軸から前記錘部材に向かって延びる第1延出部と、前記連結部材の前記揺動軸から前記ハブ側歯車に向かって延び、前記ハブ側歯車に取り付けられる第2延出部とを備え、前記第2延出部は、前記ハブ側歯車に取り付けられる端部に長孔を有し、前記ハブ側歯車は、前記長孔に挿入される軸部材を有し、前記錘部材が遠心力により移動し、前記第2延出部の端部が前記連結部材の揺動軸を中心に揺動したときに、前記軸部材が前記第2延出部の長孔の縁部から力を受けることによって前記ハブ側歯車が回転することが好ましい。   In addition, the tuning mechanism includes a plurality of arm-side gears respectively provided at the other ends of the arms of the plurality of wind turbine blades, and one hub provided on the rotation hub and meshing with the plurality of arm-side gears. A side gear, wherein the connecting member is attached to the rotating hub so as to be swingable around an axis parallel to the vertical axis, and the connecting member is connected to the weight member by a swing shaft of the connecting member. A second extension extending toward the hub-side gear from the pivot shaft of the connecting member, and being attached to the hub-side gear. The part has an elongated hole at an end attached to the hub-side gear, the hub-side gear has a shaft member inserted into the elongated hole, the weight member moves by centrifugal force, and the (2) The end of the extension portion swings about the swing axis of the connecting member. To come, it is preferable that the hub-side gear by said shaft member receives a force from the edge of the long hole of the second extending portion is rotated.

また、前記同調機構は、前記複数の風車翼部の前記アームの他端にそれぞれ設けられた複数のアーム側歯車と、前記回転用ハブに設けられ、前記複数のアーム側歯車に噛み合う1つのハブ側歯車とを有し、前記連結部材が前記回転用ハブに対して前記垂直軸に平行な軸周りに揺動可能に取り付けられ、前記連結部材が、前記連結部材の揺動軸から前記錘部材に向かって延びる延出部と、前記連結部材の揺動軸と同軸上に設けられた連結部材側歯車とを備え、前記同調機構が、前記連結部材側歯車と噛み合い、前記ハブ側歯車と同軸上に設けられた同調機構側歯車を備え、前記ハブ側歯車は、前記同調機構側歯車の回転に応じて回転するように構成され、前記錘部材が遠心力により移動し、前記連結部材が前記揺動軸を中心に揺動したときに、前記同調機構側歯車の回転によって、前記ハブ側歯車が回転することが好ましい。   In addition, the tuning mechanism includes a plurality of arm-side gears respectively provided at the other ends of the arms of the plurality of wind turbine blades, and one hub provided on the rotation hub and meshing with the plurality of arm-side gears. A side gear, wherein the connecting member is attached to the rotating hub so as to be swingable around an axis parallel to the vertical axis, and the connecting member is connected to the weight member by a swing shaft of the connecting member. And a connecting member side gear provided coaxially with the swing axis of the connecting member, wherein the tuning mechanism meshes with the connecting member side gear and is coaxial with the hub side gear. A tuning mechanism-side gear provided above, wherein the hub-side gear is configured to rotate in accordance with rotation of the tuning mechanism-side gear, the weight member moves by centrifugal force, and the coupling member is When swinging around the swing axis, By rotation of the serial tuning mechanism side gear, it is preferable that the hub-side gear is rotated.

また、前記ブレードの前記垂直軸周りの回転により前記ブレードに所定の遠心力が加わったときに前記ブレードの半径方向外側に最大変形が生じる前記ブレードの変形箇所と、前記同調機構との間に延びる補強部材をさらに有し、前記補強部材の一端は前記ブレードの前記変形箇所に接続され、前記補強部材の他端は前記同調機構に連結部材を介して接続され、前記付勢部材は、前記連結部材を介して、前記補強部材が前記ブレードの前記変形箇所に対して半径方向内側に向かう張力を加えるように、前記同調機構を付勢し、前記ブレードに所定の遠心力が加わり、前記補強部材および前記変形箇所が前記付勢部材の付勢力に抗して半径方向外側に変位したときに、前記補強部材の変位によって前記連結部材を介して前記同調機構が操作されて、前記ブレードが前記ブレードの受風面積を減少させる方向にツイストするように構成されていることが好ましい。   In addition, when a predetermined centrifugal force is applied to the blade by rotation of the blade around the vertical axis, a maximum deformation occurs in a radially outward direction of the blade when the blade is deformed, and the blade extends between the tuning portion and the tuning mechanism. A reinforcing member, one end of the reinforcing member is connected to the deformed portion of the blade, the other end of the reinforcing member is connected to the tuning mechanism via a connecting member, and the urging member is connected to the connecting member. Via a member, the tuning mechanism is urged so that the reinforcing member applies a radially inward tension to the deformed portion of the blade, a predetermined centrifugal force is applied to the blade, and the reinforcing member When the deformed portion is displaced radially outward against the urging force of the urging member, the tuning mechanism is operated via the connecting member by the displacement of the reinforcing member. It is preferable that the blades are configured to twist in a direction to decrease the swept area of the blades.

また、前記同調機構は、前記複数の風車翼部の前記アームの他端にそれぞれ設けられた複数のアーム側歯車と、前記回転用ハブに設けられ、前記複数のアーム側歯車に噛み合う1つのハブ側歯車とを有し、前記連結部材の一端は、前記ハブ側歯車に、前記垂直軸と平行な軸周りに揺動可能に取り付けられ、前記連結部材の他端は、前記補強部材の他端に揺動可能に取り付けられ、前記ブレードに所定の遠心力が加わって、前記補強部材および前記変形箇所が半径方向外側に変位したときに、前記連結部材の移動により前記ハブ側歯車が回転し、前記ハブ側歯車の回転によって前記アーム側歯車が回転し、前記ブレードが前記ブレードの受風面積を減少させる方向にツイストすることが好ましい。   In addition, the tuning mechanism includes a plurality of arm-side gears respectively provided at the other ends of the arms of the plurality of wind turbine blades, and one hub provided on the rotation hub and meshing with the plurality of arm-side gears. A side gear, one end of the connecting member is attached to the hub side gear so as to be swingable about an axis parallel to the vertical axis, and the other end of the connecting member is the other end of the reinforcing member. Is attached to the blade so that a predetermined centrifugal force is applied to the blade, and when the reinforcing member and the deformed portion are displaced radially outward, the hub-side gear rotates due to the movement of the connecting member, It is preferable that the rotation of the hub-side gear causes the rotation of the arm-side gear, and the blade twists in a direction to reduce the wind receiving area of the blade.

本発明によれば、揚力型の垂直軸風車において、アームの軸方向の移動を伴わずに、風車の翼部の過回転を抑制し、摩擦の影響を減らすとともに、過回転抑制機構の大型化を抑制することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in a vertical axis wind turbine of a lift type, without rotating the arm in the axial direction, the over rotation of the wing of the wind turbine is suppressed, the influence of friction is reduced, and the over rotation suppressing mechanism is enlarged. Can be suppressed.

本発明の一実施形態の揚力型垂直軸風車の側面図である。It is a side view of a lift type vertical axis windmill of one embodiment of the present invention. 図1の風車の一部を示す斜視図である。It is a perspective view which shows a part of windmill of FIG. 図2の風車の上面図である。FIG. 3 is a top view of the windmill of FIG. 2. 風車翼部の一部が取り除かれた状態の風車の側面図である。It is a side view of the windmill in the state where some windmill blade parts were removed. 図4のV−V線断面図であり、翼断面形状の一例を示す概略図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view taken along line VV of FIG. 4, showing an example of a blade cross-sectional shape. 本発明の一実施形態の風車において、ブレードがツイストする前とツイストした後の状態を示す概略図である。It is the schematic which shows the state before and after the twist of the blade in the windmill of one Embodiment of this invention. ブレードのツイスト角を変更する位置決め部材が取り付けられる取付部を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating an attachment portion to which a positioning member for changing a twist angle of a blade is attached. ブレードの半径方向外側に位置する直線状の部分における回転軸に対して等距離にある空力中心点と空力中心点に作用する空気力を示した模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram showing aerodynamic center points equidistant from a rotation axis and aerodynamic forces acting on the aerodynamic center points in a linear portion located radially outward of a blade. アームが空力中心点よりも回転方向後方にシフトしている場合にブレードがツイストした状態のアームを基準として対称な位置にある2つの空力中心点Aと空力中心点Bの垂直軸方向からみた位置関係を示す図である。Positions as viewed from the vertical axis direction of two aerodynamic center points A and B at symmetric positions with respect to the arm with the blade twisted when the arm is shifted rearward in the rotational direction from the aerodynamic center point. It is a figure showing a relation. 無次元ツイストモーメントの翼取付位置およびツイスト角への依存性を示す図である。It is a figure which shows the dependence of a dimensionless twist moment on a blade mounting position and a twist angle. 初期ツイスト角が変化した場合の、風車回転数と風車の軸トルクとの関係を示すグラフである。4 is a graph showing a relationship between a windmill rotation speed and a windmill shaft torque when an initial twist angle changes. (A)〜(C)は、一実施形態の風車の組立作業の一例を示す概略図である。(A)-(C) is a schematic diagram showing an example of assembling work of a windmill of one embodiment. 本発明の他の実施形態の揚力型垂直軸風車の斜視図である。It is a perspective view of a lift type vertical axis windmill of another embodiment of the present invention. 図11の風車の上面図である。It is a top view of the windmill of FIG. 本発明のさらに他の実施形態の揚力型垂直軸風車の斜視図である。It is a perspective view of a lift type vertical axis windmill of yet another embodiment of the present invention. 図13の風車の上面図である。It is a top view of the windmill of FIG. 図13の風車の連結部材側歯車と同調機構側歯車とを示す概略側面図である。FIG. 14 is a schematic side view showing a connection member side gear and a tuning mechanism side gear of the wind turbine of FIG. 13. ケース6の風車の軸トルクと風車回転数の関係を示す図である。It is a figure showing the relation between the shaft torque of the windmill of case 6, and windmill rotation speed. ケース7の風車の軸トルクと風車回転数の関係を示す図である。FIG. 14 is a diagram illustrating a relationship between a shaft torque of a windmill and a windmill speed in a case 7; ケース8の風車の軸トルクと風車回転数の関係を示す図である。It is a figure showing the relation between the shaft torque of the windmill of case 8, and windmill rotation speed. ケース6、7、8における発電電力の風速依存性の比較を示す図である。It is a figure which shows the comparison of the wind speed dependence of the generated electric power in case 6,7,8. 有限要素法に基づく構造解析によって、三角状の翼の変形をシミュレーションした結果である。It is the result of having simulated the deformation of the triangular wing by the structural analysis based on the finite element method. ブレードの変形を抑制するための補強部材が取り付けられたブレードを示す概略図である。It is the schematic which shows the blade to which the reinforcement member for suppressing the deformation of a blade was attached. ブレードのツイストを駆動する力として、補強部材を介して作用するブレードの変形力を利用する実施の形態4の揚力型垂直軸風車の斜視図である。FIG. 14 is a perspective view of a lift-type vertical axis wind turbine according to a fourth embodiment in which a deformation force of a blade acting via a reinforcing member is used as a force for driving the twist of the blade. 図22に示される揚力型垂直軸風車の上面図である。FIG. 23 is a top view of the lift-type vertical axis wind turbine shown in FIG. 22.

以下、図面を参照し、本発明の実施形態の揚力型垂直軸風車を説明する。なお、以下に示す実施形態はあくまで一例であり、本発明の揚力型垂直軸風車は、以下の実施形態に限定されるものではない。   Hereinafter, a lift type vertical axis wind turbine according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The embodiment described below is merely an example, and the lift-type vertical axis wind turbine of the present invention is not limited to the following embodiment.

<実施の形態1>
図1に示されるように、本実施形態の揚力型垂直軸風車1(以下、単に風車1と呼ぶ)は、発電部21を有する基部2と、基部2に対して垂直軸Xまわりに回転する回転用ハブ3と、回転用ハブ3とともに垂直軸X周りに回転する複数の風車翼部4とを備えている。
<First Embodiment>
As shown in FIG. 1, a lift-type vertical axis wind turbine 1 of the present embodiment (hereinafter, simply referred to as a wind turbine 1) rotates around a vertical axis X with respect to the base 2 having a power generation unit 21. The rotating hub 3 includes a plurality of wind turbine blades 4 that rotate about the vertical axis X together with the rotating hub 3.

基部2は、風車1の土台となる部分である。基部2の構造は特に限定されないが、本実施形態では、図1に示されるように、風車1の風車翼部4を設置面から所定の高さに位置させるために所定の高さに形成される脚部22を備えている。   The base 2 is a portion serving as a base of the wind turbine 1. Although the structure of the base 2 is not particularly limited, in the present embodiment, as shown in FIG. 1, the base 2 is formed at a predetermined height in order to position the wind turbine blade 4 of the wind turbine 1 at a predetermined height from the installation surface. Leg 22 is provided.

回転用ハブ3は、風車翼部4が受風したときに基部2に対して回転する。本実施形態では、回転用ハブ3は、垂直軸X周りに回転する軸部(図示せず)に接続され、風車翼部4が風を受けて、回転用ハブ3および軸部が垂直軸X周りに回転することにより発電が行なわれる。   The rotation hub 3 rotates with respect to the base 2 when the wind turbine blades 4 receive wind. In the present embodiment, the rotating hub 3 is connected to a shaft (not shown) that rotates around the vertical axis X, and the wind turbine blades 4 receive wind, and the rotating hub 3 and the shaft are connected to the vertical axis X. Power is generated by rotating around.

風車翼部4は、風を受けて回転する部位である。本実施形態では、風車翼部4は、ダリウス型の風車翼を改良したバタフライ型の風車翼である。なお、本実施形態では、揚力型垂直軸風車としてダリウス型風車を改良したバタフライ型の風車を例に挙げて説明するが、揚力型の垂直軸風車であればバタフライ型以外の風車であってもよいし、ダリウス型風車以外の風車であってもよい。風車翼部4は、図2および図3に示されるように、垂直軸X周りに等間隔で複数(図2および図3においては3枚)設けられている。なお、風車翼部4の数は特に限定されない。風車翼部4の材料は特に限定されないが、たとえば、アルミニウムなど、所定の強度を有し軽量な材料が好適に用いられる。   The wind turbine blade part 4 is a part which rotates by receiving wind. In the present embodiment, the windmill blade section 4 is a butterfly-type windmill blade obtained by improving a Darrieus-type windmill blade. In the present embodiment, a lift-type vertical axis wind turbine will be described as an example of a butterfly-type wind turbine obtained by improving a Darrieus-type wind turbine, but a lift-type vertical-axis wind turbine may be a non-butterfly-type wind turbine. Alternatively, a windmill other than the Darrieus-type windmill may be used. As shown in FIGS. 2 and 3, a plurality of (three in FIG. 2 and FIG. 3) wind turbine blades 4 are provided at equal intervals around the vertical axis X. In addition, the number of the wind turbine blades 4 is not particularly limited. Although the material of the wind turbine blade part 4 is not particularly limited, a lightweight material having a predetermined strength such as aluminum is preferably used.

図2および図3に示されるように、複数の風車翼部4のそれぞれは、回転用ハブ3に支持され、垂直軸Xに対して垂直な水平方向に延びるアーム41と、アーム41の一端に設けられたブレード42とを有している。   As shown in FIGS. 2 and 3, each of the plurality of wind turbine blades 4 is supported by the rotating hub 3 and extends in a horizontal direction perpendicular to the vertical axis X and at one end of the arm 41. And a blade 42 provided.

本実施形態では、風車1は揚力型であり、ブレード42の断面は、図5に示されるように、前縁LEが湾曲し後縁TEが尖った流線形を呈した翼型形状である。図5では翼断面内は中空であってリブが存在していないが、1つあるいは複数のリブを有していても良いし、翼断面内部が中実であっても良い。本実施形態では、風車翼部4は、図2および図4に示されるように、バタフライ型であり、アーム41の先に設けられたブレード42はループを形成している。より具体的には、ブレード42は略三角形状に形成されている。なお、風車翼部4の形状は、揚力型の垂直軸風車に適したものであれば、図2〜図5に示される形状に限定されない。たとえば、風車翼部4は、H型ダリウス風車に用いられるブレードや、非直線形状のブレードや、円形のバタフライ型ブレードを有していてもよい。   In the present embodiment, the windmill 1 is of a lift type, and the cross section of the blade 42 has an airfoil shape in which a front edge LE is curved and a rear edge TE has a sharp streamline as shown in FIG. In FIG. 5, the wing section is hollow and has no ribs. However, one or more ribs may be provided, or the wing section may be solid. In this embodiment, the wind turbine blade part 4 is a butterfly type as shown in FIGS. 2 and 4, and the blade 42 provided at the tip of the arm 41 forms a loop. More specifically, the blade 42 is formed in a substantially triangular shape. In addition, the shape of the wind turbine blade part 4 is not limited to the shapes shown in FIGS. 2 to 5 as long as it is suitable for a vertical axis wind turbine of a lifting type. For example, the windmill blade 4 may have a blade used for an H-type Darius windmill, a non-linear blade, or a circular butterfly blade.

アーム41は、回転用ハブ3に、水平方向に延びる回転軸Y(図4参照)周りに回転可能に支持されている。回転軸Yはアーム41の回転中心となる線である。アーム41は、回転軸Yを中心として回転可能に回転用ハブ3に支持されていればよく、アーム41の支持方法は特に限定されない。本実施形態では、アーム41は、回転用ハブ3に設けられた支持部31にベアリング(図示せず)を介して回転軸Y周りに回転可能に支持されている。具体的には、支持部31は、アーム41を挿通可能な挿通孔を有し、アーム41は支持部31に形成された挿通孔にベアリングを介して支持されている。支持部31はアーム41の軸方向に沿って2カ所以上で支持されていることが好ましい。   The arm 41 is supported by the rotation hub 3 so as to be rotatable around a rotation axis Y (see FIG. 4) extending in the horizontal direction. The rotation axis Y is a line serving as the rotation center of the arm 41. The arm 41 only needs to be supported by the rotation hub 3 so as to be rotatable about the rotation axis Y, and the method of supporting the arm 41 is not particularly limited. In the present embodiment, the arm 41 is rotatably supported around the rotation axis Y via a bearing (not shown) on the support portion 31 provided on the rotation hub 3. Specifically, the support portion 31 has an insertion hole through which the arm 41 can be inserted, and the arm 41 is supported via a bearing in an insertion hole formed in the support portion 31. It is preferable that the support portion 31 is supported at two or more positions along the axial direction of the arm 41.

本実施形態では、アーム41の一端(風車1の垂直軸Xから遠い側の端部)側にブレード42が設けられている。また、アーム41は、アーム41の他端(風車1の垂直軸Xに近い側の端部)側に後述する傘歯車(後述するアーム側歯車)G1を有している。また、本実施形態では、アーム41は、図2および図4に示されるように、アーム41の一端側において、ツイスト角0°の状態において垂直軸Xに平行な方向に扁平に形成されている。この場合、後述する空気力によるブレード42のツイストがさらに容易となる。アーム41を扁平な形状とする場合、アーム41の断面形状は、ブレード42と同様の翼形状(図5参照)であってもよいし、扁平な長方形状であってもよい。なお、本実施形態では、アーム41の一端側、すなわち、アーム41を支持する支持部のベアリングよりも半径方向外側に相当する部分において、扁平に形成され、アーム41の他端側が円柱状に形成されているが、アーム41の形状は特に限定されない。たとえば、アーム41は全体が扁平であってもよいし、アーム41の一部のみが扁平であってもよいし、全体が円柱状であってもよい。   In the present embodiment, a blade 42 is provided at one end (an end farther from the vertical axis X of the wind turbine 1) of the arm 41. Further, the arm 41 has a bevel gear (an arm-side gear described later) G1 described below on the other end side (an end closer to the vertical axis X of the windmill 1) of the arm 41. In this embodiment, as shown in FIGS. 2 and 4, the arm 41 is formed flat at one end of the arm 41 in a direction parallel to the vertical axis X at a twist angle of 0 °. . In this case, twisting of the blade 42 by pneumatic force described later is further facilitated. When the arm 41 has a flat shape, the cross-sectional shape of the arm 41 may be the same wing shape as the blade 42 (see FIG. 5), or may be a flat rectangular shape. In the present embodiment, one end of the arm 41, that is, a portion corresponding to a radially outer side of the bearing of the supporting portion that supports the arm 41 is formed flat, and the other end of the arm 41 is formed in a cylindrical shape. However, the shape of the arm 41 is not particularly limited. For example, the arm 41 may be entirely flat, only a part of the arm 41 may be flat, or the whole may be columnar.

アーム41は、ブレード42の垂直軸X周りの回転時にブレード42および/またはアーム41に加わる空気力によって、ブレード42の受風面積を減少させるようにアーム41の回転軸Y周りにツイストするように設けられている。なお、ブレード42の受風面積は、ブレード42が垂直軸X周りに一回転したときに掃過する部分の投影面積をいう。したがって、図6Aにおいて、ブレード42が実線で示される翼面が水平面に対して略垂直な状態では受風面積が最大で、ブレード42が二点鎖線で示される翼面が水平な状態では受風面積が最小となる。なお、本明細書でいう「空気力によってツイストする」とは、後述する他の実施形態で説明するように、ブレード42および/またはアーム41に加わる空気力に加えて、後述する錘部材に作用する遠心力あるいはブレードの変形に起因する補強部材の張力によってブレード42がツイストする場合も含む。風車1の風車翼部4が垂直軸X周りに回転するとき、風車翼部4に作用する空気力によって、アーム41の回転軸Y周りの回転モーメントが発生する。このアーム41の回転軸Y周りの回転モーメントを、本明細書ではツイストモーメントと呼ぶ。   The arm 41 is twisted around the rotation axis Y of the arm 41 so as to reduce the wind receiving area of the blade 42 by an air force applied to the blade 42 and / or the arm 41 when the blade 42 rotates around the vertical axis X. Is provided. Note that the wind receiving area of the blade 42 refers to a projected area of a portion swept when the blade 42 makes one rotation around the vertical axis X. Accordingly, in FIG. 6A, when the blade surface indicated by the solid line is substantially perpendicular to the horizontal plane, the air receiving area is maximum, and when the blade surface is indicated by the two-dot chain line, the air receiving surface is horizontal. The area is minimized. In addition, “twist by aerodynamic force” in this specification means, as described in another embodiment described later, an action on a weight member described later in addition to an aerodynamic force applied to the blade 42 and / or the arm 41. This also includes the case where the blade 42 is twisted due to the centrifugal force generated or the tension of the reinforcing member caused by the deformation of the blade. When the wind turbine blade 4 of the wind turbine 1 rotates around the vertical axis X, a rotational moment about the rotation axis Y of the arm 41 is generated by the air force acting on the wind turbine blade 4. The rotation moment of the arm 41 about the rotation axis Y is referred to as a twist moment in this specification.

図7は、ブレード42の半径方向外側に位置する直線状の部分における回転軸Yに対して等距離にある空力中心点Aと空力中心点Bに作用する空気力FpAとFpBを示した模式図である。ブレード42が鉛直線VTに対してツイスト角ηだけ傾いている場合、たとえば、空力中心点Aを通る翼断面に平行に入射してくる相対風速VpAは、図8Aに示されるように、自然風Vおよび空力中心点Aの風車1の回転軸(垂直軸X)からの半径距離rAと回転角速度ωの積で与えられる運動に伴う相対風速rAωの合成により決まってくる。図7ではこの合成された相対風速を(V+rω)Aと表示している。空力中心点Aを含む翼断面内において、合成の相対風速VpAの方向と翼の弦長方向の間の角度を迎角αと定義した場合、この迎角αと相対風速VpAの大きさの関数として、翼断面内には、図7に示す方向に揚力Lおよび抗力Dが発生する。ただし、垂直軸風車では、自然風Vの方向が一定であると仮定した場合でも、翼断面の翼弦方向は風車が1回転する間において、自然風Vの方向に対して360°向きが変わるため、迎角αの翼弦方向に対する向きも常に変化をし、図7に示した揚力Lおよび抗力Dの方向が翼弦方向に対して逆向きになる状態も起こることになる。空力中心点Aを含む翼断面内において翼を回転させる空気力成分FpAは揚力Lと抗力Dのそれぞれの翼弦方向の射影の和として与えられるため、風車が1回転する間に、空気力FpAの大きさと向きは翼弦方向内の制限の中で変化する。 FIG. 7 shows the aerodynamic forces F pA and F pB acting on the aerodynamic center point A and the aerodynamic center point B equidistant with respect to the rotation axis Y in the linear portion located radially outward of the blade 42. It is a schematic diagram. When the blade 42 is inclined by the twist angle η with respect to the vertical line VT, for example, the relative wind velocity Vp A incident parallel to the blade section passing through the aerodynamic center point A is, as shown in FIG. The wind V and the aerodynamic center point A are determined by the synthesis of the relative wind speed r A ω accompanying the motion given by the product of the radial distance r A from the rotation axis (vertical axis X) of the wind turbine 1 and the rotation angular velocity ω. In FIG. 7, the combined relative wind speed is indicated as (V + rω) A. When the angle between the direction of the synthetic relative wind speed Vp A and the direction of the chord length of the wing is defined as the angle of attack α in the wing cross section including the aerodynamic center point A, the magnitude of the angle of attack α and the relative wind speed Vp A , A lift L and a drag D occur in the direction shown in FIG. However, in the case of the vertical axis wind turbine, even if it is assumed that the direction of the natural wind V is constant, the direction of the chord of the blade section changes 360 ° with respect to the direction of the natural wind V during one rotation of the wind turbine. Therefore, the direction of the angle of attack α with respect to the chord direction always changes, and a state in which the directions of the lift L and the drag D shown in FIG. 7 are opposite to the chord direction may occur. The aerodynamic component F pA for rotating the wing in the wing cross section including the aerodynamic center point A is given as the sum of the projections of the lift L and the drag D in the chord direction. The magnitude and orientation of F pA varies within constraints within the chord direction.

もし、ブレード42の前縁LEからの翼の取付位置(アーム41の回転軸Yの位置)までの距離xaが、ブレード42の前縁LEから空力中心点Aまでの距離xcと等しく(xa=xc)、回転軸Yの位置から等距離hの位置にある任意の空力中心点Aと空力中心点Bに作用する空気力FpAとFpBの風車1回転における平均値が同じである場合(FpA=FpB)には、ブレード42のツイスト角ηの大きさに依らず、ブレード42および/またはアーム41の回転軸Y周りのツイストモーメントTMは発生しない。しかし、ブレード42の前縁LEからの翼の取付位置までの距離xaが、ブレード42の前縁LEから空力中心点までの距離xcと異なり、たとえば、図7に示すようにブレード42をアーム41の回転軸Y方向に見たときに、アーム41の回転軸Yが、アーム41の回転軸Yに対して等距離に位置する2つの空力中心点A、Bを結んだ線LNに対して、ブレード42の後縁TE側に位置するように、アーム41が設けられている場合には、ブレード42がツイストしている状態において空力中心点Aと点Bに作用する空気力FpAとFpBの平均値は同じとはならず、ツイストモーメントTMが発生することになる。より詳しく説明をするならば、図7に示すように、風車1の垂直軸X方向から見た場合の回転軸Yの位置からの空力中心点Aまでの水平方向の距離をSA、空力中心点Bまでの水平方向の距離をSBとすれば、SA>SBの関係となる。これは、図8Aの垂直軸X方向からみた位置関係の図に明示されるように、空力中心点Aの垂直軸Xからの半径距離rAが、空力中心点Bの垂直軸Xからの半径距離rBよりも長くなることを意味する。したがって、空力中心点Aの回転運動に伴う相対風速rAωは、空力中心点Bの回転運動に伴う相対風速rBωよりも大きくなる。同時に、ブレード42がツイストすることにより、回転軸Y方向を基準として、空力中心点Aは空力中心点Bよりも回転方位角度Ψ(図8A参照)に関して位相が進んでいることになる。風車に流入する自然風の大きさVは風車ロータに近づくと減速し、ロータ中央部に流入する風速はそのまわりよりも速度が減少する速度分布をもつことになる。また、上流側(0°≦Ψ<180°)に比べて下流側(180°≦Ψ<360°)では速度が全体的に減少することも一般に知られている。従って、相対風速(rω)と自然風(V)の合成で決まる迎角αや揚力Lおよび抗力Dの大きさと向きの変化の仕方が、空力中心点Aと空力中心点Bを含む2つの断面の間で異なることになり、その結果として、風車が1回転する間の空気力FpAとFpBの平均値にも違いが生じることになり、図7に示されるツイストモーメントTMが発生する。 If the distance xa from the leading edge LE of the blade 42 to the wing attachment position (the position of the rotation axis Y of the arm 41) is equal to the distance xc from the leading edge LE of the blade 42 to the aerodynamic center point A (xa = xc), when the average values of the aerodynamic forces F pA and F pB acting on the arbitrary aerodynamic center point A and the aerodynamic center point B located at the same distance h from the position of the rotation axis Y in one rotation of the windmill are the same ( At F pA = F pB ), no twist moment TM about the rotation axis Y of the blade 42 and / or the arm 41 is generated irrespective of the magnitude of the twist angle η of the blade 42. However, the distance xa from the leading edge LE of the blade 42 to the wing mounting position is different from the distance xc from the leading edge LE of the blade 42 to the aerodynamic center point. For example, as shown in FIG. When viewed in the direction of the rotation axis Y, the rotation axis Y of the arm 41 is parallel to a line LN connecting two aerodynamic center points A and B located at the same distance from the rotation axis Y of the arm 41. When the arm 41 is provided so as to be located on the trailing edge TE side of the blade 42, the aerodynamic forces F pA and F pB acting on the aerodynamic center points A and B in a state where the blade 42 is twisted. Are not the same, and a twist moment TM is generated. More specifically, as shown in FIG. 7, the horizontal distance from the position of the rotation axis Y to the aerodynamic center point A when viewed from the vertical axis X direction of the wind turbine 1 is S A , and the aerodynamic center is if the horizontal distance to the point B and S B, a relationship of S a> S B. This is because the radial distance r A of the aerodynamic center point A from the vertical axis X is equal to the radius of the aerodynamic center point B from the vertical axis X, as clearly shown in the positional relationship viewed from the vertical axis X direction in FIG. 8A. It means that it is longer than the distance r B. Accordingly, the relative wind speed r A ω associated with the rotational movement of the aerodynamic center point A is greater than the relative wind speed r B ω associated with the rotational movement of the aerodynamic center point B. At the same time, due to the twist of the blade 42, the phase of the aerodynamic center point A is advanced with respect to the aerodynamic center point B with respect to the rotational azimuth angle 参照 (see FIG. 8A) with respect to the rotation axis Y direction. The magnitude V of the natural wind flowing into the wind turbine is reduced when approaching the wind turbine rotor, and the wind velocity flowing into the central portion of the rotor has a velocity distribution in which the velocity is lower than the surrounding area. It is also generally known that the speed decreases as a whole on the downstream side (180 ° ≦ Ψ <360 °) compared to the upstream side (0 ° ≦ Ψ <180 °). Therefore, the angle of attack α, which is determined by the synthesis of the relative wind speed (rω) and the natural wind (V), the magnitude of the lift L and the way of changing the direction of the drag D are determined by two cross sections including the aerodynamic center point A and the aerodynamic center point B. As a result, the average value of the aerodynamic forces F pA and F pB during one rotation of the windmill also differs, and the twist moment TM shown in FIG. 7 is generated.

このように、本実施形態では、ブレード42および/またはアーム41に作用する空気力によって、ブレード42をブレード42の受風面積が小さくなるようにツイストさせることができる。これにより、強風時にブレード42の回転力を弱めて、ブレード42の過回転を抑制することができ、風車1の破損を抑制し、安全性を高めることができる。また、ブレード42を、遠心力によるアーム41の半径方向外側への移動を利用してツイストさせるのではなく、空気力によりツイストさせている。したがって、本実施形態では、アーム41およびブレード42は、アーム41が回転軸Y周りにツイストする際に、アーム41の回転軸Yの軸方向(半径方向外側)へ移動しない。そのため、非直線状の複雑なガイド溝を必要とせず、摩擦の影響を減少することが可能となる。また、過回転抑制機構を半径方向に大きくする必要がない。   As described above, in the present embodiment, the blade 42 can be twisted by the pneumatic force acting on the blade 42 and / or the arm 41 so that the wind receiving area of the blade 42 is reduced. Thereby, the rotational force of the blade 42 can be reduced during a strong wind, and the over rotation of the blade 42 can be suppressed, the breakage of the wind turbine 1 can be suppressed, and the safety can be improved. Further, the blade 42 is twisted by air force, not by using the radial outward movement of the arm 41 due to centrifugal force. Therefore, in the present embodiment, the arm 41 and the blade 42 do not move in the axial direction (radially outward) of the rotation axis Y of the arm 41 when the arm 41 twists around the rotation axis Y. Therefore, it is possible to reduce the influence of friction without requiring a complicated non-linear guide groove. Also, there is no need to increase the over-rotation suppression mechanism in the radial direction.

なお、アーム41の回転軸Yのブレード42に対する位置に関して、上述したように、アーム41の回転軸Yの位置が、アーム41の回転軸Yに対して等距離に位置する2つの空力中心点A、Bを結んだ線LNに対して、ブレード42の後縁TE側に設けられる。アーム41の回転軸Yの位置は、アーム41の回転軸Yの位置がブレード42の後縁TE側にシフトするほどツイストモーメントが大きくなり、ブレード42を傾斜させる効果が大きくなる。具体的には、ブレード42の前縁LEからのアーム41の回転軸Yの位置までの距離xaが、ブレード42の前縁LEから後縁TEまでの距離cに対して40〜85%であることが好ましく、55〜75%であることがさらに好ましい。   With respect to the position of the rotation axis Y of the arm 41 with respect to the blade 42, as described above, the position of the rotation axis Y of the arm 41 is set at two aerodynamic center points A located at the same distance from the rotation axis Y of the arm 41. , B, is provided on the trailing edge TE side of the blade 42. As for the position of the rotation axis Y of the arm 41, the twist moment increases as the position of the rotation axis Y of the arm 41 shifts toward the trailing edge TE of the blade 42, and the effect of inclining the blade 42 increases. Specifically, the distance xa from the leading edge LE of the blade 42 to the position of the rotation axis Y of the arm 41 is 40 to 85% of the distance c from the leading edge LE of the blade 42 to the trailing edge TE. And more preferably 55 to 75%.

この翼取付位置によるツイストモーメントの変化の違いを、3つのツイスト角(η=5°、10°、15°)について比較した図を図8Bに示す。縦軸はツイストモーメントTMを0.5ρV2RH(H/2)で割って無次元化した無次元ツイストモーメントCtmである。横軸は先端周速比λであり、λ=Rω/Vで定義される。ここでρは空気密度、Vは上流風速、Rは風車ロータ半径、Hは風車高さ、ωは風車ロータの回転角速度である。 FIG. 8B is a diagram comparing the difference in the change of the twist moment depending on the blade mounting position with respect to three twist angles (η = 5 °, 10 °, 15 °). The vertical axis is the dimensionless twist moment Ctm obtained by dividing the twist moment TM by 0.5 ρV 2 RH (H / 2) to make the dimensionless. The horizontal axis is the tip peripheral speed ratio λ, which is defined by λ = Rω / V. Here, ρ is the air density, V is the upstream wind speed, R is the radius of the windmill rotor, H is the height of the windmill, and ω is the rotational angular velocity of the windmill rotor.

図8Bでは、風車として、図1〜図5に示されるバタフライ風車であり、ロータ直径(風車1のブレード42の最外部の回転軌跡の直径)が12.5m(半径R=6.25m)、回転用ハブ3の直径が0.9m、ブレードの高さH(図4参照)が7.8m、ブレードの数が3枚のものを想定している。翼断面形状はNACA 0018(対称翼型)であり、翼弦長は412mmとして計算した。翼の取付位置について、ブレード42の前縁LEからのアーム41の回転軸Yの位置までの距離xaはブレード42の前縁LEから後縁TEまでの距離cに対して44.2%の位置のもの(以下、44.2%cと呼ぶ)、55%c、60%c、72%cの4つの場合を比較した。   In FIG. 8B, the wind turbine is the butterfly wind turbine shown in FIGS. 1 to 5, and has a rotor diameter (diameter of the outermost rotation locus of the blade 42 of the wind turbine 1) of 12.5 m (radius R = 6.25 m); It is assumed that the rotating hub 3 has a diameter of 0.9 m, a blade height H (see FIG. 4) of 7.8 m, and three blades. The wing section shape was NACA 0018 (symmetric wing type), and the chord length was calculated as 412 mm. Regarding the wing mounting position, the distance xa from the leading edge LE of the blade 42 to the position of the rotation axis Y of the arm 41 is 44.2% of the distance c from the leading edge LE of the blade 42 to the trailing edge TE. (Hereinafter referred to as 44.2% c), 55% c, 60% c, and 72% c.

図8Bに示されるように、xa=44.2%cでは、λ=0.8〜2.8の範囲で無次元ツイストモーメントがマイナス方向に大きくなっている。xa=55%cのη=5°とη=10°、およびxa=60%cのη=5°の場合においても、λ=1.9〜2.5辺りで多少、無次元ツイストモーメントがマイナス値になっている。しかし、xa=55%cでη=15°、xa=60%cで10°と15°、xa=72%cでは、すべてのηの値において、無次元ツイストモーメントはあらゆるλの値においてプラスの値となっており、ブレード42の前縁LEからのアーム41の回転軸Yの位置までの距離xaの値が大きくなるほど無次元ツイストモーメントが増加する傾向となっている。   As shown in FIG. 8B, at xa = 44.2% c, the dimensionless twist moment increases in the negative direction in the range of λ = 0.8 to 2.8. In the case of η = 5 ° and η = 10 ° at xa = 55% c and η = 5 ° at xa = 60% c, the dimensionless twist moment is slightly increased around λ = 1.9 to 2.5. It has a negative value. However, at xa = 55% c, η = 15 °, at xa = 60% c, 10 ° and 15 °, and at xa = 72% c, for all values of η, the dimensionless twist moment is positive at all values of λ. The dimensionless twist moment tends to increase as the value of the distance xa from the leading edge LE of the blade 42 to the position of the rotation axis Y of the arm 41 increases.

また、本実施形態では、無風状態のときに対応するブレード42の初期位置は、2つの空力中心点A、Bを結んだ線が鉛直線VT(垂直軸Xに平行な線)に対して所定の初期ツイスト角で傾斜した状態となるように設定されている。これにより、風車1の風車翼部4が垂直軸X周りに回転を開始すると、ブレード42にツイストモーメントを生じさせることができる。なお、初期ツイスト角で傾斜した状態のブレード42は、鉛直方向で上側に位置する空力中心点Aが空力中心点Bよりも、回転軸Yからの水平方向の距離が遠くなるように傾斜している。また、初期ツイスト角η0は、0°より大きければ(η0>0°)ブレード42に空気力によるツイストモーメントが生じるので、0°より大きければ特に限定されないが、たとえば、0.1°≦η0≦5°であることが好ましい。 Further, in the present embodiment, the initial position of the blade 42 corresponding to the time of the windless state is such that a line connecting the two aerodynamic center points A and B is predetermined with respect to the vertical line VT (a line parallel to the vertical axis X). Is set to be inclined at the initial twist angle of. Thereby, when the wind turbine blade part 4 of the wind turbine 1 starts rotating around the vertical axis X, a twist moment can be generated in the blade 42. The blade 42 inclined at the initial twist angle is inclined such that the horizontal center distance A from the rotation axis Y is longer in the vertical aerodynamic center point A than the aerodynamic center point B in the vertical direction. I have. If the initial twist angle η 0 is larger than 0 ° (η 0 > 0 °), a twist moment is generated by the aerodynamic force on the blade 42. Therefore, the initial twist angle η 0 is not particularly limited if it is larger than 0 °, for example, 0.1 ° ≦ It is preferable that η 0 ≦ 5 °.

この初期ツイスト角η0について、初期ツイスト角η0が異なる5つのケース(表1参照)について、3つの風速(8m/s、23m/s、40m/s)状態における軸トルクQの比較を図9に示す。 FIG This initial twist angle eta 0, the five cases where the initial twist angle eta 0 is different (see Table 1), three wind speeds (8m / s, 23m / s , 40m / s) the comparison of shaft torque Q in the state It is shown in FIG.

なお、風車としては、図1〜図5に示されるバタフライ風車であり、ロータ直径が7m、回転用ハブ3の直径が0.89m、ブレードの高さが2.7m、ブレードの数が5枚のものを用いた。翼断面形状はNACA 0018(対称翼型)であり、翼弦長は242.3mmとして計算した。距離xaは57%cとしている。風車の最大の許容風車回転数(定格回転数)は120rpmとした。図9に示されるように、初期ツイスト角η0が3°(ケース4)または4°(ケース5)の場合は、他のケースに比べて小さい回転数で動作点を持つが、過回転防止の効果が有効に得られていることがわかる。また、初期ツイスト角η0が1°(ケース2)または2°(ケース3)の場合には、3つの風速(8m/s、23m/s、40m/s)状態において、トルク特性は望ましい特性を持っていると言える。初期ツイスト角η0が0°(ケース1)の場合、風速8m/sにおいて制御トラブルなどで無負荷になった時に、許容回転数(120rpm)を多少超える特性となっている。したがって、初期ツイスト角は、0.1°≦η0≦4°であることが好ましく、0.1°≦η0≦2.5°であることがさらに好ましい。 The wind turbine is a butterfly wind turbine shown in FIGS. 1 to 5, having a rotor diameter of 7 m, a rotating hub 3 having a diameter of 0.89 m, a blade height of 2.7 m, and five blades. Was used. The wing section shape was NACA 0018 (symmetric wing type), and the chord length was calculated as 242.3 mm. The distance xa is 57% c. The maximum allowable windmill rotation speed (rated rotation speed) of the windmill was 120 rpm. As shown in FIG. 9, when the initial twist angle η 0 is 3 ° (Case 4) or 4 ° (Case 5), it has an operating point at a lower rotational speed than the other cases, It can be seen that the effect of is effectively obtained. When the initial twist angle η 0 is 1 ° (Case 2) or 2 ° (Case 3), the torque characteristics are desirable in three wind speeds (8 m / s, 23 m / s, and 40 m / s). It can be said that it has. When the initial twist angle η 0 is 0 ° (Case 1), when the load becomes zero due to a control trouble or the like at a wind speed of 8 m / s, the characteristic slightly exceeds the allowable rotation speed (120 rpm). Therefore, the initial twist angle is preferably 0.1 ° ≦ η 0 ≦ 4 °, and more preferably 0.1 ° ≦ η 0 ≦ 2.5 °.

本実施形態では、風車1は、ブレード42が(後述する付勢部材SPによって付勢された状態で)所定の初期ツイスト角η0で傾斜した状態で保持されるように、図2〜図4および図6Aに示されるように、ブレード42の初期位置を画定する位置決め部材51を有している。位置決め部材51を有していることにより、たとえば無風状態で初期ツイスト角η0を有した状態でブレード42が保持され、風車翼部4が垂直軸X周りに回転したときにブレード42にツイストモーメントを発生させることができる。位置決め部材51は、本実施形態ではアーム41を支持する支持部31に設けられた位置決めピンであり、アーム41から突出する係合部(係合ピン)41aと係合することによってブレード42を初期ツイスト角η0で傾斜した初期位置に保持することができる。なお、位置決め部材51は位置決めピンに限定されず、アーム41またはブレード42の一部と係合して、アーム41およびブレード42を所定の初期ツイスト角η0で傾斜した初期位置で保持することができればよい。 In the present embodiment, the wind turbine 1 is held in a state in which the blade 42 is held in a state of being inclined at a predetermined initial twist angle η 0 ( in a state where the blade 42 is biased by a biasing member SP described later), as shown in FIGS. And as shown in FIG. 6A, it has a positioning member 51 that defines an initial position of the blade 42. By having the positioning member 51, for example, the blade 42 is held in a state where there is no wind and the initial twist angle η 0 , and when the wind turbine blade part 4 rotates around the vertical axis X, the blade 42 has a twist moment. Can be generated. In the present embodiment, the positioning member 51 is a positioning pin provided on the support portion 31 that supports the arm 41. The positioning member 51 initializes the blade 42 by engaging with an engaging portion (engaging pin) 41a protruding from the arm 41. It can be held at the initial position inclined at the twist angle η 0 . The positioning member 51 is not limited to the positioning pin, but may be engaged with a part of the arm 41 or the blade 42 to hold the arm 41 and the blade 42 at an initial position inclined at a predetermined initial twist angle η 0. If possible.

また、本実施形態では、風車1は、図2〜図4および図6Aに示されるように、ブレード42が初期位置からブレード42の受風面積が減少した第2の位置までツイストした際に、ブレード42のさらなるツイストを規制し、ブレード42の最大ツイスト角ηmを画定する第2の位置決め部材52を有している。第2の位置決め部材52を有していることにより、強風時にブレード42の受風面積を減少させた状態で維持したい場合に、第2の位置決め部材52にアーム41に設けられた係合部(係合ピン)41aが係合して、受風面積が減少した第2の位置までブレード42がツイストした状態で保持される。第2の位置決め部材52は、本実施形態では、位置決め部材51と同様に、位置決めピンである。しかし、第2位置決め部材52は位置決めピンに限定されず、アーム41またはブレード42の一部と係合して、アーム41およびブレード42を所定の最大ツイスト角ηmで傾斜した第2の位置で保持することができればよい。なお、第2の位置に対応する最大ツイスト角ηmは特に限定されないが、たとえば、20°≦ηm≦30°とすることが好ましい。なお、位置決め部材51および第2位置決め部材52は、位置調整可能に設けられ、初期ツイスト角および最大ツイスト角を変更可能に構成されていてもよい。本実施形態では、第2位置決め部材52は、図6Bに示されるように、支持部31に設けられた複数の挿入孔等、複数の取付部53に取付可能であり、第2位置決め部材52の取付位置を変更することにより、最大ツイスト角を変更することができる。また、図6Aに示されるように、ブレード42が水平な状態でアーム41の係合部41aと第2位置決め部材52とが係合するように構成してもよい。この場合、たとえば、2つの取付部53に挿入された2つの第2位置決め部材52によりアーム41の係合部41aを挟み込んで(図6B参照)、ブレード42が水平状態で保持されるようにすることにより、後述するように、風車1の組立時の作業性が向上する。   Further, in the present embodiment, when the wind turbine 1 is twisted from the initial position to the second position where the wind receiving area of the blade 42 is reduced, as shown in FIGS. 2 to 4 and 6A, It has a second positioning member 52 that regulates further twist of the blade 42 and defines a maximum twist angle ηm of the blade 42. By having the second positioning member 52, when the wind receiving area of the blade 42 is to be maintained in a reduced state during strong wind, the engagement portion ( The engagement pin 41a is engaged, and the blade 42 is held in a twisted state to the second position where the wind receiving area is reduced. In the present embodiment, the second positioning member 52 is a positioning pin, like the positioning member 51. However, the second positioning member 52 is not limited to the positioning pin, and is engaged with a part of the arm 41 or the blade 42 to hold the arm 41 and the blade 42 at the second position inclined at the predetermined maximum twist angle ηm. I just want to be able. Note that the maximum twist angle ηm corresponding to the second position is not particularly limited, but is preferably, for example, 20 ° ≦ ηm ≦ 30 °. Note that the positioning member 51 and the second positioning member 52 may be provided so as to be position-adjustable, and may be configured to be able to change the initial twist angle and the maximum twist angle. In the present embodiment, as shown in FIG. 6B, the second positioning member 52 can be attached to a plurality of attachment portions 53 such as a plurality of insertion holes provided in the support portion 31. By changing the mounting position, the maximum twist angle can be changed. Further, as shown in FIG. 6A, the engagement portion 41a of the arm 41 and the second positioning member 52 may be configured to be engaged with the blade 42 being horizontal. In this case, for example, the engagement portion 41a of the arm 41 is sandwiched between the two second positioning members 52 inserted into the two attachment portions 53 (see FIG. 6B) so that the blade 42 is held in a horizontal state. Thereby, as described later, workability at the time of assembling the wind turbine 1 is improved.

本実施形態の風車1は、図2〜図4に示されるように、複数の風車翼部4のそれぞれのアーム41およびブレード42のツイスト角が互いに等しくなるように、アーム41の回転軸Y周りの回転を互いに同調させる同調機構6を有している。風車1が同調機構6を有していることにより、複数のブレード42のツイスト動作が連動し、ツイスト角が等しくなる。したがって、風車1の回転方位角に依存するブレード42表面に作用する空気力(面積力)の変動や、風車1に用いられる部材の製造誤差に基づく空気力のアンバランスがあっても、ブレード42の傾斜角(ツイスト角)が同調される。したがって、複数のブレード42がアンバランスな動きをすることが無く、風車1は安定した回転を得ることができる。   As shown in FIGS. 2 to 4, the wind turbine 1 of the present embodiment is configured to rotate around the rotation axis Y of the arm 41 so that the twist angles of the arm 41 and the blade 42 of the plurality of wind turbine blades 4 are equal to each other. And a tuning mechanism 6 for tuning the rotations of the two. Since the wind turbine 1 has the tuning mechanism 6, the twist operations of the plurality of blades 42 are linked, and the twist angles are equal. Therefore, even if there is a variation in aerodynamic force (area force) acting on the surface of the blade 42 depending on the rotation azimuth angle of the wind turbine 1 or an imbalance in aerodynamic force due to a manufacturing error of a member used for the wind turbine 1, Are tuned. Therefore, the plurality of blades 42 do not move unbalanced, and the windmill 1 can obtain stable rotation.

本実施形態では、同調機構6は、図2〜図4に示されるように、複数の風車翼部4のアーム41の他端にそれぞれ設けられた複数のアーム側歯車G1と、回転用ハブ3に設けられ、複数のアーム側歯車G1に噛み合う1つのハブ側歯車G2とを有している。具体的には、本実施形態では、1つの大径の傘歯車であるハブ側歯車G2に、小径の傘歯車である3つのアーム側歯車G1が係合し、3つのアーム側歯車G1が互いに連動して同じ回転角度で回転する。したがって、アーム41が回転軸Y周りに同じ回転角度で回転し、複数の風車翼部4の間でツイスト角度が均等になり、風車1は安定して回転する。また、同調機構6に歯車を用いることによって、同調機構6の耐久性が高まり、風車1の安全性を高め、長寿命化することができる。   In this embodiment, as shown in FIGS. 2 to 4, the tuning mechanism 6 includes a plurality of arm-side gears G <b> 1 provided at the other ends of the arms 41 of the plurality of wind turbine blades 4, and the rotation hub 3. And one hub-side gear G2 that meshes with the plurality of arm-side gears G1. Specifically, in this embodiment, three small arm bevel gears G1 engage with one large diameter bevel gear hub side gear G2, and the three arm gears G1 are mutually connected. It rotates at the same rotation angle in conjunction. Therefore, the arm 41 rotates at the same rotation angle around the rotation axis Y, the twist angle becomes uniform among the plurality of wind turbine blades 4, and the wind turbine 1 rotates stably. Further, by using gears for the tuning mechanism 6, the durability of the tuning mechanism 6 is enhanced, the safety of the wind turbine 1 is increased, and the life of the wind turbine 1 can be extended.

また、本実施形態では、図2〜図4に示されるように、アーム41がツイストした際に、アーム41をブレード42の受風面積が大きくなる方向に向かって付勢する付勢部材SPを有している。付勢部材SPは、強風時など、アーム41およびブレード42がツイストした後、風が弱まった際に、ブレード42の受風面積が大きくなる方向、すなわち、ブレード42が初期ツイスト角の傾斜状態となる方向へと付勢する。これにより、風が弱くなった後に、ブレード42の受風面積を再び大きくして、風車1は高い出力を得ることが可能となる。   Further, in the present embodiment, as shown in FIGS. 2 to 4, when the arm 41 is twisted, the urging member SP that urges the arm 41 toward the direction in which the wind receiving area of the blade 42 increases is used. Have. The urging member SP has a direction in which the wind receiving area of the blade 42 increases when the wind is weakened after the arm 41 and the blade 42 are twisted, such as in a strong wind, that is, the blade 42 is in an inclined state of the initial twist angle. Energize in a certain direction. Thereby, after the wind becomes weak, the wind receiving area of the blade 42 is increased again, and the wind turbine 1 can obtain a high output.

なお、付勢部材SPはアーム41を直接付勢してもよいし、アーム41を間接的に付勢してもよい。本実施形態では、付勢部材SPが同調機構6のハブ側歯車G2を付勢することにより、アーム41を間接的に付勢している。具体的には、付勢部材SPは、ハブ側歯車G2を、回転用ハブ3に対して垂直軸X周りに回転する方向に付勢する捩じりバネ(以下、捩じりバネSPとも呼ぶ)である。捩じりバネSPの一端は、回転用ハブ3に設けられた第1保持部(本実施形態ではピン)Haに保持され、捩じりバネSPの他端は、ハブ側歯車G2に設けられた第2保持部(本実施形態ではピン)Hbに保持されている。これにより、ハブ側歯車G2はアーム41を初期ツイスト角の傾斜状態とする方向へと付勢している。   The urging member SP may directly urge the arm 41 or may indirectly urge the arm 41. In the present embodiment, the arm 41 is indirectly biased by the biasing member SP biasing the hub-side gear G2 of the tuning mechanism 6. Specifically, the biasing member SP biases the hub-side gear G2 in the direction of rotation about the vertical axis X with respect to the rotation hub 3 (hereinafter, also referred to as torsion spring SP). ). One end of the torsion spring SP is held by a first holding portion (a pin in this embodiment) Ha provided on the rotation hub 3, and the other end of the torsion spring SP is provided on the hub side gear G2. The second holding portion (pin in this embodiment) is held by the second holding portion Hb. As a result, the hub-side gear G2 biases the arm 41 in a direction to bring the arm 41 into the inclined state with the initial twist angle.

なお、付勢部材SPの種類は、本実施形態では、捩じりバネであるが、アーム41の付勢が可能であれば、コイルバネなど他のバネであってもよいし、油圧・空圧アクチュエータ、あるいはサーボモータなどの電動アクチュエータであってもよい。なお、付勢部材SPとしてバネ等の弾性体を用いることにより、バネ等の弾性体が破損して付勢力がなくなって、ブレード42に空気力が加わった際に、ブレード42がすぐにツイストする。したがって、付勢部材SPが破損した場合に、風が吹くとブレード42がツイストし易く、ブレード42が初期ツイスト角に近い状態(すなわち、受風面積が大きい状態)で維持されることがない。したがって、付勢部材SPが破損して風車1が過回転を抑制できない状態のままの危険な状態となることを回避することができ、風車1にフェールセーフな特性を持たせることができる。   The type of the urging member SP is a torsion spring in the present embodiment, but may be another spring such as a coil spring as long as the arm 41 can be energized, or may be a hydraulic / pneumatic type. An actuator or an electric actuator such as a servomotor may be used. In addition, by using an elastic body such as a spring as the urging member SP, the elastic body such as the spring is broken and the urging force is lost, so that when the blade 42 is applied with pneumatic force, the blade 42 immediately twists. . Therefore, when the urging member SP is broken, the blade 42 is easily twisted when the wind blows, and the blade 42 is not maintained in a state close to the initial twist angle (that is, a state in which the wind receiving area is large). Therefore, it is possible to avoid a situation where the urging member SP is damaged and the wind turbine 1 is in a dangerous state in which over-rotation cannot be suppressed, and the wind turbine 1 can have fail-safe characteristics.

また、ブレード42の初期位置において、ブレード42は、付勢部材SPから所定の付勢力で予圧が加えられた状態で保持されていてもよい。ブレード42に付勢部材SPによって予圧が加えられている場合、ブレード42に所定の大きさのツイストモーメントが加わるまでは、ブレード42が初期位置側で保持される。そのため、所定の風力となるまでは、ブレード42は回転軸Y周りにツイストせずに受風面積が大きい状態を維持しつつ、風車翼部4が垂直軸X周りに回転する。したがって、所定の風力となるまでは風車1を高い出力に維持することができる。そして、ブレード42に所定以上のツイストモーメントが加わった場合に、ブレード42が初期位置側からブレード42の受風面積を減少させる方向にツイストする。これにより、風が所定以上強くなった場合に、ブレード42は受風面積を小さくする方向にツイストし、強風時にブレード42の回転力を弱めて、ブレード42の過回転を抑制することができる。したがって、風車1の破損を抑制し、安全性を高めることができる。   Further, at the initial position of the blade 42, the blade 42 may be held in a state where a preload is applied by a predetermined urging force from the urging member SP. When a preload is applied to the blade 42 by the urging member SP, the blade 42 is held at the initial position until a predetermined amount of twist moment is applied to the blade 42. Therefore, the wind turbine blade part 4 rotates around the vertical axis X while maintaining the state in which the blade 42 does not twist around the rotation axis Y and has a large wind receiving area until the wind reaches a predetermined level. Therefore, the wind turbine 1 can be maintained at a high output until the wind power reaches a predetermined level. When a predetermined or more twist moment is applied to the blade 42, the blade 42 twists from the initial position side in a direction to reduce the wind receiving area of the blade 42. Accordingly, when the wind becomes stronger than a predetermined value, the blades 42 are twisted in a direction to reduce the wind receiving area, and the rotating force of the blades 42 is reduced in a strong wind, so that excessive rotation of the blades 42 can be suppressed. Therefore, breakage of the wind turbine 1 can be suppressed, and safety can be improved.

また、本実施形態では、付勢部材SPによって、ブレード42に加わる予圧の有無の切り替えまたは予圧の大きさを調整する、付勢力調整機構を有していてもよい。付勢力調整機構は、捩じりバネSPの一端を押さえている第1保持部Ha(バネ押さえ)の位置を変更可能にしたり、複数の第1保持部(バネ押さえ)を回転用ハブ3に設けて、捩じりバネSPの一端が係合する位置を切り替えることにより、予圧の有無や予圧の大きさの調整が可能となる。付勢力調整機構は付勢力を調整することができれば、その構造は特に限定されない。たとえば、アーム側歯車G1とハブ側歯車G2との係合を解除した状態で、ハブ側歯車G2を回転用ハブ3に対して回転させることにより、捩じりバネSPを圧縮し、その後アーム側歯車G1とハブ側歯車G2とを係合することにより、捩じりバネSPにより加わる予圧を調整してもよい。風車1が付勢力調整機構を有している場合、風車1の設置場所や大きさ等の条件に応じて、付勢部材SPによって加わる予圧を調整して、ブレード42がツイストするタイミングなどを最適にすることができる。   Further, in the present embodiment, the urging member SP may include an urging force adjusting mechanism that switches the presence or absence of the preload applied to the blade 42 or adjusts the magnitude of the preload. The biasing force adjusting mechanism enables the position of the first holding portion Ha (spring holding) holding one end of the torsion spring SP to be changed, or the plurality of first holding portions (spring holding) to the rotation hub 3. By providing and switching the position where one end of the torsion spring SP is engaged, the presence or absence of the preload and the magnitude of the preload can be adjusted. The structure of the urging force adjusting mechanism is not particularly limited as long as the urging force can be adjusted. For example, in a state where the engagement between the arm-side gear G1 and the hub-side gear G2 is released, the torsion spring SP is compressed by rotating the hub-side gear G2 with respect to the rotation hub 3, and then the arm-side gear G2 is rotated. The preload applied by the torsion spring SP may be adjusted by engaging the gear G1 with the hub-side gear G2. When the windmill 1 has an urging force adjusting mechanism, the preload applied by the urging member SP is adjusted according to conditions such as the installation location and size of the windmill 1 to optimize the timing at which the blade 42 is twisted. Can be

また、上述した付勢力調整機構を有している場合、図10に示されるように、風車1の組立作業を容易にすることができ、風車設置コストを減少させることができる。基部2の上部の高所において、風車翼部4を取り付ける作業を行うことは困難であるため、地上において風車翼部4を回転用ハブ3に取付ける方法が現実的である。その場合、風車翼部4が大きい場合には、地上から回転用ハブ3までの高さが大きくなると、回転用ハブ3を載せる土台の地上からの高さを高くしたり、足場を組むなど、作業が大変になる可能性がある。しかし、付勢力調整機構によって、付勢部材SPに加わる付勢力を一旦無効として、ブレード42の向きを本来の初期ツイスト角から約90°回転させ(図6Aに二点鎖線で示されるブレード42が水平な状態)、図10(A)に示すように翼面を地面と平行な状態にして回転用ハブ3に取り付けるならば作業性が向上する。全ての風車翼部4を回転用ハブ3に組み付けた後、クレーン等を使用して風車ロータ(回転用ハブ3および風車翼部4を含むユニット)全体を基部2の上部の高さまで持ち上げて、基部2の回転軸に据え付ける(図10(B)参照)。なお、この際には、ブレード42が水平な状態から回転しないように、風車1は、ブレード42の回転軸Y周りの回転を規制してブレード42を水平な状態に保持する、ピン等の回転規制部材(図示せず)を有していてもよい。   In addition, when the above-described biasing force adjusting mechanism is provided, as shown in FIG. 10, the assembling work of the windmill 1 can be facilitated, and the windmill installation cost can be reduced. Since it is difficult to attach the wind turbine blades 4 at a high place above the base 2, it is practical to attach the wind turbine blades 4 to the rotating hub 3 on the ground. In this case, when the windmill blade 4 is large, when the height from the ground to the rotating hub 3 is increased, the height of the base on which the rotating hub 3 is mounted from the ground is increased, and a scaffold is assembled. Work can be difficult. However, the biasing force adjusting mechanism temporarily disables the biasing force applied to the biasing member SP, and rotates the direction of the blade 42 by about 90 ° from the original initial twist angle (the blade 42 indicated by the two-dot chain line in FIG. If the wing surface is attached to the rotating hub 3 with the wing surface parallel to the ground as shown in FIG. 10A, the workability is improved. After assembling all the windmill blades 4 to the rotating hub 3, the entire windmill rotor (a unit including the rotating hub 3 and the windmill blades 4) is lifted up to a height above the base 2 using a crane or the like, It is installed on the rotating shaft of the base 2 (see FIG. 10B). In this case, in order to prevent the blade 42 from rotating from the horizontal state, the wind turbine 1 restricts the rotation of the blade 42 around the rotation axis Y and holds the blade 42 in the horizontal state. A regulating member (not shown) may be provided.

回転用ハブ3と基部2との接続が完了すると、上述した回転規制部材によるブレード42の回転の規制を解除し、ブレード42が水平な状態から初期ツイスト角の傾斜状態になるように向きを変える(図10(C)参照)。この後、付勢力調整機構を操作してブレード42に付勢力を加え、ブレード42を初期ツイスト角の状態で保持する。これにより、風車1の組立が完了する。   When the connection between the rotation hub 3 and the base 2 is completed, the regulation of the rotation of the blade 42 by the above-described rotation regulating member is released, and the direction of the blade 42 is changed from the horizontal state to the inclined state with the initial twist angle. (See FIG. 10C). After that, the urging force is applied to the blade 42 by operating the urging force adjusting mechanism, and the blade 42 is held at the initial twist angle. Thereby, the assembly of the wind turbine 1 is completed.

<実施の形態2>
つぎに、実施の形態2の風車について説明する。実施の形態1の各構成において説明した点については、同様に実施の形態2にも適用することができる。以下の説明では、実施の形態1で説明した点については省略し、相違点を中心に説明する。
<Embodiment 2>
Next, a windmill according to the second embodiment will be described. The points described in each configuration of the first embodiment can be similarly applied to the second embodiment. In the following description, the points described in the first embodiment will be omitted, and differences will be mainly described.

本実施形態では、図11および図12に示されるように、ブレード42を回転軸Y周りにツイストさせるために、ブレード42に加わる空気力に加えて、回転用ハブ3に設けられた錘部材7に加わる遠心力を用いている。なお、図11および図12においてはブレード42の図示は省略している。   In the present embodiment, as shown in FIGS. 11 and 12, in order to twist the blade 42 around the rotation axis Y, in addition to the air force applied to the blade 42, the weight member 7 provided on the rotation hub 3 The centrifugal force applied to is used. The illustration of the blade 42 is omitted in FIGS. 11 and 12.

本実施形態の風車1は、図11および図12に示されるように、回転用ハブ3が、回転用ハブ3が回転し所定の遠心力が加わったときに回転用ハブ3に対して移動可能な錘部材7を有している。錘部材7は、同調機構6に連結部材8を介して連結されている。付勢部材SPは、錘部材7の遠心力による移動を抑制する方向に錘部材7を直接または間接的に付勢するように構成されている。   In the wind turbine 1 of the present embodiment, as shown in FIGS. 11 and 12, the rotation hub 3 is movable with respect to the rotation hub 3 when the rotation hub 3 rotates and a predetermined centrifugal force is applied. Weight member 7. The weight member 7 is connected to the tuning mechanism 6 via a connecting member 8. The urging member SP is configured to directly or indirectly urge the weight member 7 in a direction to suppress the movement of the weight member 7 due to centrifugal force.

本実施形態では、空気力によるツイストモーメントおよび遠心力による錘部材7に加わる力が、付勢部材SPの付勢力に打ち勝って錘部材7が移動したときに、錘部材7の移動に連動する連結部材8の動作によって同調機構6が動作する。これにより、ブレード42がブレード42の受風面積を減少させる方向にツイストするように構成されている。したがって、本実施形態では、所定の遠心力が錘部材7に加わるまでは、錘部材7が回転用ハブ3に対して動かずに、空気力が加わってもブレード42のツイストが抑制される。したがって、本実施形態では、実施の形態1で得られる効果に加えて、ブレード42は大きな受風面積をさらに広い風速の範囲で維持することができ、発電効率を高めることができる。その後、風車翼部4の回転数が高くなり、ブレード42に加わる空気力に加えて、錘部材7に所定の遠心力が加わると、付勢部材SPの付勢力に抗して、錘部材7が移動して、同調機構6を介してブレード42がツイストする。これにより、風車翼部4の回転数が所定の範囲まではブレード42の受風面積が大きい状態で発電が可能であり、風車翼部4の回転数が所定の範囲を超えたときに、ブレード42に加わる空気力と錘部材7に加わる遠心力との両方により、ブレード42をツイストさせて、過回転を抑制することができる。   In this embodiment, when the weight applied to the weight member 7 due to the twist moment due to the aerodynamic force and the centrifugal force overcomes the urging force of the urging member SP and the weight member 7 moves, the connection linked to the movement of the weight member 7 is connected. The operation of the member 8 causes the tuning mechanism 6 to operate. Thus, the blade 42 is configured to be twisted in a direction to reduce the wind receiving area of the blade 42. Therefore, in the present embodiment, until the predetermined centrifugal force is applied to the weight member 7, the weight member 7 does not move with respect to the rotating hub 3, and the twist of the blade 42 is suppressed even if an air force is applied. Therefore, in the present embodiment, in addition to the effects obtained in the first embodiment, the blade 42 can maintain a large wind receiving area in a wider range of wind speed, and can increase power generation efficiency. Thereafter, when a predetermined centrifugal force is applied to the weight member 7 in addition to the air force applied to the blade 42, the rotation speed of the wind turbine blade portion 4 increases, and the weight member 7 resists the urging force of the urging member SP. Moves, and the blade 42 is twisted via the tuning mechanism 6. Thus, power generation can be performed in a state where the wind receiving area of the blade 42 is large until the rotation speed of the wind turbine blade 4 is within a predetermined range, and when the rotation speed of the wind turbine blade 4 exceeds the predetermined range, the blade The blade 42 is twisted by both the aerodynamic force applied to the weight 42 and the centrifugal force applied to the weight member 7, thereby suppressing over-rotation.

錘部材7は所定の重量を有し、風車1の風車翼部4の垂直軸X周りの回転数の増大によって遠心力によって移動して、錘部材7の移動によってブレード42を回転軸Y周りに回転させる。なお、錘部材7は、錘部材7の底部が回転用ハブ3の上面に対して離間するように連結部材8に支持されている。   The weight member 7 has a predetermined weight, and moves by centrifugal force due to an increase in the number of rotations of the wind turbine blade portion 4 around the vertical axis X, and the blade 42 moves around the rotation axis Y by the movement of the weight member 7. Rotate. The weight member 7 is supported by the connecting member 8 such that the bottom of the weight member 7 is separated from the upper surface of the rotation hub 3.

本実施形態では、錘部材7は連結部材8によって同調機構6に接続されている。連結部材8は、錘部材7の移動に伴って動作することによって、ブレード42を回転軸Y周りに回転させる方向に同調機構6を操作することができるように、錘部材7と同調機構6とを接続している。なお、連結部材8は、ブレード42を回転軸Y周りに回転させる方向に同調機構6を操作することができるように、錘部材7と同調機構6とを接続するものであれば、本実施形態の形状および構造に限定されるものではない。   In the present embodiment, the weight member 7 is connected to the tuning mechanism 6 by the connecting member 8. The connecting member 8 operates in accordance with the movement of the weight member 7 so that the tuning mechanism 6 can be operated in the direction of rotating the blade 42 around the rotation axis Y. Are connected. In addition, if the connecting member 8 connects the weight member 7 and the tuning mechanism 6 so that the tuning mechanism 6 can be operated in a direction of rotating the blade 42 around the rotation axis Y, the present embodiment is applicable. It is not limited to the shape and structure.

本実施形態では、連結部材8は、図11および図12に示されるように、回転用ハブ3に対して垂直軸Xに平行な軸Ax周りに揺動可能に取り付けられている。連結部材8は、連結部材8の揺動軸Axから錘部材7に向かって延びる第1延出部81と、連結部材8の揺動軸Axからハブ側歯車G2に向かって延び、ハブ側歯車G2に取り付けられる第2延出部82とを備えている。第2延出部82は、ハブ側歯車G2に取り付けられる端部に長孔82aを有し、ハブ側歯車G2は、長孔82aに挿入される軸部材G21を有している。第1延出部81と第2延出部82とを有する連結部材8は略L字状に形成され、図12に示されるように、錘部材7に遠心力が加わると、錘部材7は付勢部材SPの付勢力に抗して揺動軸Axを中心に矢印AR1の方向に揺動する。これにより、第1延出部81と第2延出部82とは一体的に揺動軸Axを中心に揺動し、第2延出部82の端部は、図12の矢印AR2の方向に揺動する。   In the present embodiment, as shown in FIGS. 11 and 12, the connecting member 8 is attached to the rotating hub 3 so as to be swingable about an axis Ax parallel to the vertical axis X. The connecting member 8 extends from the swing axis Ax of the connecting member 8 toward the weight member 7 and extends from the swing axis Ax of the connecting member 8 toward the hub-side gear G2. And a second extension 82 attached to G2. The second extension 82 has an elongated hole 82a at an end attached to the hub-side gear G2, and the hub-side gear G2 has a shaft member G21 inserted into the elongated hole 82a. The connecting member 8 having the first extension portion 81 and the second extension portion 82 is formed in a substantially L-shape, and when a centrifugal force is applied to the weight member 7 as shown in FIG. It swings around the swing axis Ax in the direction of the arrow AR1 against the biasing force of the biasing member SP. Thereby, the first extension portion 81 and the second extension portion 82 swing integrally about the swing axis Ax, and the end of the second extension portion 82 is moved in the direction of the arrow AR2 in FIG. Rocks.

付勢部材SPは、錘部材7の遠心力による移動を抑制する方向に錘部材7を直接または間接的に付勢することができれば、付勢部材SPを設ける位置は特に限定されない。本実施形態では、付勢部材SPは、回転用ハブ3の垂直軸Xに沿って延びる付勢部材支持体32(回転用ハブ3に対して、バネの一端を取付ける部分が回転する構造になっている)と錘部材7との間に設けられている。具体的には、筒状の錘部材7に設けられた係止部71と、支持ピンとして示された付勢部材支持体32に設けられた係止部32aとに、引っ張りバネとして示された付勢部材SPが係止されている。なお、付勢部材SPは上述したように予圧が加えられていることが好ましい。付勢部材SPはハブ側歯車G2など同調機構6と回転用ハブ3との間に設けられて、錘部材7の遠心力に抗するように構成されていてもよい。   The position at which the urging member SP is provided is not particularly limited as long as the urging member SP can directly or indirectly urge the weight member 7 in a direction that suppresses the movement of the weight member 7 due to centrifugal force. In the present embodiment, the urging member SP has a structure in which the urging member support member 32 extending along the vertical axis X of the rotation hub 3 (a portion where one end of a spring is attached to the rotation hub 3 rotates). ) And the weight member 7. More specifically, the tension spring is shown on the locking portion 71 provided on the cylindrical weight member 7 and the locking portion 32a provided on the biasing member support 32 shown as a support pin. The urging member SP is locked. It is preferable that the biasing member SP be preloaded as described above. The biasing member SP may be provided between the tuning mechanism 6 such as the hub-side gear G2 and the rotating hub 3 so as to resist the centrifugal force of the weight member 7.

本実施形態では、図12に示されるように、錘部材7が遠心力により移動し、第2延出部82の端部が連結部材8の揺動軸Axを中心に矢印AR2方向に揺動したときに、軸部材G21が第2延出部82の長孔82aの縁部から力を受けることによってハブ側歯車G2が矢印AR3方向に回転するように構成されている。これにより、アーム側歯車G1を介して複数の風車翼部4のアーム41が同調して回転軸Y周りに回転する。これにより、ブレード42が回転軸Y周りにツイストし、ブレード42の受風面積が減少し、風車翼部4の過回転が抑制される。   In the present embodiment, as shown in FIG. 12, the weight member 7 moves due to the centrifugal force, and the end of the second extending portion 82 swings around the swing axis Ax of the connecting member 8 in the direction of the arrow AR2. Then, when the shaft member G21 receives a force from the edge of the elongated hole 82a of the second extension 82, the hub-side gear G2 is configured to rotate in the direction of the arrow AR3. Thereby, the arms 41 of the plurality of wind turbine blades 4 are synchronized and rotated around the rotation axis Y via the arm-side gear G1. Thereby, the blade 42 is twisted around the rotation axis Y, the wind receiving area of the blade 42 is reduced, and the overturn of the wind turbine blade 4 is suppressed.

<実施の形態3>
つぎに、実施の形態3の風車について説明する。実施の形態1および2の各構成において説明した点については、同様に実施の形態3にも適用することができる。以下の説明では、実施の形態1および2で説明した点については省略し、相違点を中心に説明する。
<Embodiment 3>
Next, a windmill according to the third embodiment will be described. The points described in the respective configurations of the first and second embodiments can be similarly applied to the third embodiment. In the following description, the points described in the first and second embodiments will be omitted, and differences will be mainly described.

本実施形態の風車1は、錘部材7と同調機構6とを連結する連結部材8が、歯車を有している。具体的には、図13〜図15に示されるように、連結部材8が、連結部材8の揺動軸Axから錘部材7に向かって延びる延出部81と、連結部材8の揺動軸Axと同軸上に設けられた連結部材側歯車83とを備えている。同調機構6は、図15に示されるように、連結部材側歯車83と噛み合い、ハブ側歯車G2と同軸上に設けられた同調機構側歯車G3を備えている。   In the wind turbine 1 of the present embodiment, the connecting member 8 that connects the weight member 7 and the tuning mechanism 6 has a gear. Specifically, as shown in FIGS. 13 to 15, the connecting member 8 includes an extending portion 81 extending from the swing axis Ax of the connecting member 8 toward the weight member 7, and a swing axis of the connecting member 8. Ax and a connecting member-side gear 83 provided coaxially. As shown in FIG. 15, the tuning mechanism 6 is provided with a tuning mechanism side gear G3 which meshes with the coupling member side gear 83 and is provided coaxially with the hub side gear G2.

錘部材7は、実施の形態2と同様の構成であり、風車1の風車翼部4の垂直軸X周りの回転数の増大によって遠心力によって移動する。錘部材7は所定の遠心力が加わった際に、揺動軸Ax周りに延出部81とともに揺動する。図14に示されるように、錘部材7が揺動軸Ax周りに矢印AR4方向に揺動すると、揺動軸Axと共に回転するように揺動軸Axに接続された連結部材側歯車83も揺動軸Ax周りに矢印AR5方向に回転する。   The weight member 7 has the same configuration as that of the second embodiment, and moves by centrifugal force due to an increase in the number of rotations of the wind turbine blade section 4 of the wind turbine 1 around the vertical axis X. When a predetermined centrifugal force is applied, the weight member 7 swings with the extension 81 around the swing axis Ax. As shown in FIG. 14, when the weight member 7 swings around the swing axis Ax in the direction of the arrow AR4, the connecting member side gear 83 connected to the swing axis Ax also swings so as to rotate with the swing axis Ax. It rotates in the direction of the arrow AR5 around the moving axis Ax.

連結部材側歯車83は、図15に示されるように、同調機構側歯車G3と噛み合うように配置され、連結部材側歯車83が回転することにより、同調機構側歯車G3も回転するように構成されている。ハブ側歯車G2は、同調機構側歯車G3の回転に応じて回転するように構成されている。なお、同調機構側歯車G3の構造や配置される位置は、同調機構側歯車G3の回転によってハブ側歯車G2を回転させることができれば特に限定されない。本実施形態では、同調機構側歯車G3は、図15に示されるように、ハブ側歯車G2と同軸上に配置され、ハブ側歯車G2と共に回転するように設けられている。同調機構側歯車G3は、ハブ側歯車G2と一体に形成されていてもよいし、別体としてハブ側歯車G2に嵌合するものであってもよい。また、同調機構側歯車G3とハブ側歯車G2との間に他の歯車が介在していてもよい。   As shown in FIG. 15, the coupling member-side gear 83 is arranged so as to mesh with the tuning mechanism-side gear G3, and is configured so that when the coupling member-side gear 83 rotates, the tuning mechanism-side gear G3 also rotates. ing. The hub-side gear G2 is configured to rotate according to the rotation of the tuning mechanism-side gear G3. The structure and arrangement position of the tuning mechanism side gear G3 are not particularly limited as long as the hub side gear G2 can be rotated by rotation of the tuning mechanism side gear G3. In the present embodiment, as shown in FIG. 15, the tuning mechanism side gear G3 is disposed coaxially with the hub side gear G2, and is provided so as to rotate with the hub side gear G2. The tuning mechanism side gear G3 may be formed integrally with the hub side gear G2, or may be separately fitted to the hub side gear G2. Another gear may be interposed between the tuning mechanism side gear G3 and the hub side gear G2.

本実施形態では、実施の形態2と同様に、空気力によるツイストモーメントおよび遠心力による錘部材7に加わる力が、付勢部材SPの付勢力に打ち勝って錘部材7が移動したときに、錘部材7の移動に連動する連結部材8の動作によって同調機構6が動作する。これにより、ブレード42がブレード42の受風面積を減少させる方向にツイストするように構成されている。したがって、本実施形態では、所定の遠心力が錘部材7に加わるまでは、錘部材7が回転用ハブ3に対して動かずに、空気力が加わってもブレード42のツイストが抑制される。したがって、本実施形態では、実施の形態1で得られる効果に加えて、ブレード42は大きな受風面積をさらに広い風速の範囲で維持することができ、発電効率を高めることができる。その後、風車翼部4の回転数が高くなり、ブレード42に加わる空気力に加えて、錘部材7に所定の遠心力が加わると、付勢部材SPの付勢力に抗して錘部材7が移動して、図14に示されるように、連結部材8が揺動軸Axを中心に矢印AR4方向に揺動する。連結部材8が揺動軸Axを中心に矢印AR4方向に揺動すると、連結部材側歯車83が揺動軸Ax周りに矢印AR5方向に回転する。連結部材側歯車83が矢印AR5方向に回転すると、同調機構側歯車G3が逆方向に回転する。これにより、ハブ側歯車G2が矢印AR6方向に回転する。ハブ側歯車G2が回転することにより、アーム側歯車G1を介して複数の風車翼部4のアーム41が同調して回転軸Y周りに回転する。これにより、ブレード42が回転軸Y周りにツイストし、ブレード42の受風面積が減少し、風車翼部4の過回転が抑制される。また、本実施形態では、錘部材7と同調機構6との間が歯車(連結部材側歯車83および同調機構側歯車G3)によって接続されているため、遠心力が加わった錘部材7の揺動による力を同調機構6に円滑に伝達することができ、連結部材8および同調機構6の破損が抑制される。   In the present embodiment, similarly to the second embodiment, when the weight applied to the weight member 7 due to the twist moment due to the aerodynamic force and the centrifugal force overcomes the urging force of the urging member SP and the weight member 7 moves, The tuning mechanism 6 operates by the operation of the connecting member 8 interlocked with the movement of the member 7. Thus, the blade 42 is configured to be twisted in a direction to reduce the wind receiving area of the blade 42. Therefore, in the present embodiment, until the predetermined centrifugal force is applied to the weight member 7, the weight member 7 does not move with respect to the rotating hub 3, and the twist of the blade 42 is suppressed even if an air force is applied. Therefore, in the present embodiment, in addition to the effects obtained in the first embodiment, the blade 42 can maintain a large wind receiving area in a wider range of wind speed, and can increase power generation efficiency. Thereafter, when the rotation speed of the wind turbine blade portion 4 increases and a predetermined centrifugal force is applied to the weight member 7 in addition to the air force applied to the blade 42, the weight member 7 resists the urging force of the urging member SP. Then, as shown in FIG. 14, the connecting member 8 swings around the swing axis Ax in the direction of the arrow AR4. When the connecting member 8 swings about the swing axis Ax in the direction of the arrow AR4, the connecting member side gear 83 rotates around the swing axis Ax in the direction of the arrow AR5. When the coupling member-side gear 83 rotates in the direction of the arrow AR5, the tuning mechanism-side gear G3 rotates in the opposite direction. As a result, the hub-side gear G2 rotates in the direction of the arrow AR6. When the hub-side gear G2 rotates, the arms 41 of the plurality of wind turbine blades 4 synchronize with each other and rotate around the rotation axis Y via the arm-side gear G1. Thereby, the blade 42 is twisted around the rotation axis Y, the wind receiving area of the blade 42 is reduced, and the overturn of the wind turbine blade 4 is suppressed. Further, in the present embodiment, since the weight member 7 and the tuning mechanism 6 are connected by the gears (the connecting member side gear 83 and the tuning mechanism side gear G3), the swing of the weight member 7 to which the centrifugal force is applied. Can be smoothly transmitted to the tuning mechanism 6, and damage to the connecting member 8 and the tuning mechanism 6 is suppressed.

図2、3、4に示した実施の形態1において、バネの予圧が無い場合(ケース6とする)と予圧がある場合(ケース7とする)、および図13、14、15に示した実施の形態3の場合(ケース8とする)について、予想される最適状態(過回転が防止され、かつ年間発電量が大きくなる状態)の軸トルクの回転数依存性を、図16、17、18にそれぞれ示す。各ケースにおいて風速Vは5m/s、10m/s、18m/sの3状態を仮定した。各ケースの最適状態における各パラメータの値を表2にまとめる。   In the first embodiment shown in FIGS. 2, 3, and 4, the case where there is no preload of the spring (referred to as Case 6) and the case where there is a preload (referred to as Case 7), and the embodiment illustrated in FIGS. In the case of Embodiment 3 (hereinafter referred to as Case 8), the rotational speed dependence of the shaft torque in an expected optimum state (a state in which overspeed is prevented and the annual power generation amount increases) is shown in FIGS. Are shown below. In each case, the wind speed V was assumed to be in three states of 5 m / s, 10 m / s, and 18 m / s. Table 2 summarizes the values of each parameter in the optimal state in each case.

図16、17、18において想定した風車は、図1に示されるバタフライ風車であり、ロータ直径が12.5m(半径R=6.25m)、回転用ハブ3の直径が0.9m、ブレードの高さHが7.8m、ブレードの数が3枚のものを想定している。翼断面形状はNACA 0018(対称翼型)であり、翼弦長は412mmとして計算した。表1および図9に特性を示したケース1〜5の風車はロータ直径が7mの場合であり、回転用ハブ3の直径すなわち過回転抑制機構の大きさは0.89mであったが、風車のロータ直径を12.5mまで大きくしたケース6〜8の場合においても、回転用ハブ3の直径はほとんど同じ大きさ(0.9m)になっており、過回転抑制機構の大型化が抑制できることがわかる。   The wind turbine assumed in FIGS. 16, 17, and 18 is the butterfly wind turbine shown in FIG. 1, having a rotor diameter of 12.5 m (radius R = 6.25 m), a rotating hub 3 having a diameter of 0.9 m, and a blade It is assumed that the height H is 7.8 m and the number of blades is three. The wing section shape was NACA 0018 (symmetric wing type), and the chord length was calculated as 412 mm. The wind turbines of Cases 1 to 5 whose characteristics are shown in Table 1 and FIG. 9 have a rotor diameter of 7 m, and the diameter of the rotation hub 3, that is, the size of the over-rotation suppression mechanism is 0.89 m. In cases 6 to 8 in which the diameter of the rotor is increased to 12.5 m, the diameter of the rotating hub 3 is almost the same (0.9 m), so that the enlargement of the excessive rotation suppressing mechanism can be suppressed. I understand.

図16に示す捩じりバネで予圧が無いケース6では、風速V=5m/sにおいて、ツイストの無い場合のトルク特性に出来るだけ一致するようにパラメータが調整され、風速10m/sや18m/sの強風状態では、定格回転数として想定する約40rpmより低い回転数において、発電制御目標(発電機のトルク特性)と交点(動作点)を持つように最適状態が選ばれていて、強風における過回転が抑制される特性となっている。ただし、ケース6の場合、制御器のトラブルなどが発生したときには、風速5m/sでは、風車回転数が定格回転数を越えた50rpm以上になることも予想される。   In case 6 shown in FIG. 16 with no torsional spring and no preload, the parameters are adjusted so as to match as much as possible the torque characteristics without twist at a wind speed V = 5 m / s, and the wind speed is 10 m / s or 18 m / s. In the strong wind condition of s, the optimum condition is selected so as to have an intersection (operating point) with the power generation control target (torque characteristic of the generator) at a rotation speed lower than about 40 rpm assumed as the rated rotation speed. The over-rotation is suppressed. However, in case 6, when a trouble of the controller or the like occurs, at a wind speed of 5 m / s, it is expected that the windmill rotation speed will be 50 rpm or more, which exceeds the rated rotation speed.

図17に示す捩じりバネで予圧が有るケース7では、風速V=5m/sにおいて、ツイストの無い場合のトルク特性の極大値(回転数30rpm)に出来るだけ近接した上で、定格回転数40rpm以下の回転数において、横軸の0Nmのラインと交点を持つようにパラメータを調整した。風速10m/sや18m/sの強風状態においても、定格回転数40rpmより低い回転数において、発電制御目標(発電機のトルク特性)と交点(動作点)を持っている。   In case 7 shown in FIG. 17 with a torsion spring and a preload, at a wind speed V = 5 m / s, the maximum value (rotational speed 30 rpm) of the torque characteristic without twist is as close as possible to the rated rotational speed. At a rotational speed of 40 rpm or less, the parameters were adjusted so as to have an intersection with the 0Nm line on the horizontal axis. Even in a strong wind state at a wind speed of 10 m / s or 18 m / s, at a rotation speed lower than the rated rotation speed of 40 rpm, there is an intersection (operating point) with the power generation control target (torque characteristic of the generator).

図18に示す引っ張りバネと連結部材側歯車を用いるケース8では、風速V=5m/sにおいて、定格回転数の40rpmまで、ツイストの無い場合のトルク特性とほぼ一致した上で、それよりも高い回転数ではツイスト角が第2位置決め部材で画定される最大角度30°まで急激に変化をし、風車ロータの回転トルク(軸トルク)がマイナスになるように、各パラメータが調整された。風速10m/sや18m/sの強風状態においては、低速回転数から定格回転数の40rpmまでは、発電制御目標(発電機のトルク特性)と交点(動作点)を持たず、ツイスト角度は初期値を維持したまま回転数が増加するが、定格回転数を越えたところで、第2位置決め部材で画定される最大角度30°までツイスト角が急激に変化をし、風車ロータの回転トルク(軸トルク)がマイナスになり、過回転が抑制される特性となっている。   In case 8 using the tension spring and the coupling member side gear shown in FIG. 18, at a wind speed V = 5 m / s, the torque characteristics almost match the torque characteristics in the case where there is no twist up to the rated speed of 40 rpm, and are higher than that. The parameters were adjusted so that the twist angle rapidly changed to a maximum angle of 30 ° defined by the second positioning member and the rotational torque (axial torque) of the wind turbine rotor became negative at the rotational speed. In a strong wind condition of a wind speed of 10 m / s or 18 m / s, from the low speed to the rated speed of 40 rpm, there is no intersection (operating point) with the power generation control target (torque characteristic of the generator), and the twist angle is initially set. Although the rotation speed increases while maintaining the value, when the rotation speed exceeds the rated rotation speed, the twist angle rapidly changes up to the maximum angle 30 ° defined by the second positioning member, and the rotation torque (shaft torque) of the wind turbine rotor is increased. ) Is negative, and the over-speed is suppressed.

図19に、図16〜18に示した風車ロータの回転トルク(軸トルク)から予測したケース6〜8の発電電力の風速依存性を比較する。自然の風は変動するため、風車の発電電力も常に変化することが予想されるが、図19においては、便宜的に、図16〜18に示すような一定風速を仮定した場合の風車のトルクカーブと発電機のトルク特性カーブ(発電制御目標)の交点を求めて、特定の風速の発電電力とした。図19において、風速18m/s以上では、発電電力が高くても風速出現率がほぼ0%と予測されるため、年間発電量への寄与はない。ケース6における風速6〜8m/sの範囲の発電電力の落ち込み、およびケース8における風速7〜9m/sの範囲の発電電力の落ち込みは、図8Bに示したツイスト角ηが5°から10°の場合で先端周速比λが3〜4の範囲においてみられる無次元ツイストモーメントのピークに相当する状況となっている。   FIG. 19 compares the wind speed dependence of the generated power in cases 6 to 8 predicted from the rotational torque (axial torque) of the wind turbine rotor shown in FIGS. Since the natural wind fluctuates, it is expected that the generated power of the windmill always changes, but in FIG. 19, for convenience, the torque of the windmill when assuming a constant wind speed as shown in FIGS. The intersection of the curve and the torque characteristic curve of the generator (power generation control target) was determined, and the power was generated at a specific wind speed. In FIG. 19, when the wind speed is 18 m / s or more, the wind speed appearance rate is predicted to be almost 0% even if the generated power is high, and thus does not contribute to the annual power generation amount. The drop in the generated power in the range of the wind speed of 6 to 8 m / s in Case 6 and the drop in the generated power in the range of the wind speed of 7 to 9 m / s in Case 8 are caused when the twist angle η shown in FIG. In this case, the situation corresponds to the peak of the dimensionless twist moment seen in the range of the tip peripheral speed ratio λ of 3 to 4.

図19の発電電力の風速依存性に基づいて予想されるケース6〜8の年間発電量を表3に示す。風速出現率は平均風速5m/sのレイリー分布を仮定した。6m/s以下の低風速範囲において発電電力が最も高い特性となっているケース8の予想年間発電量がもっとも大きくなっている。   Table 3 shows the annual power generation amounts of cases 6 to 8 that are predicted based on the wind speed dependence of the generated power in FIG. The wind speed appearance rate assumed a Rayleigh distribution with an average wind speed of 5 m / s. In case 8 where the generated power has the highest characteristic in the low wind speed range of 6 m / s or less, the predicted annual power generation is the largest.

<実施の形態4>
つぎに、実施の形態4の風車について説明する。実施の形態1〜3の各構成において説明した点については、同様に実施の形態4にも適用することができる。以下の説明では、実施の形態1〜3で説明した点については省略し、相違点を中心に説明する。
<Embodiment 4>
Next, a windmill according to the fourth embodiment will be described. The points described in each of the first to third embodiments can be similarly applied to the fourth embodiment. In the following description, the points described in the first to third embodiments will be omitted, and differences will be mainly described.

一般に垂直軸風車の翼は、高速回転状態になると、翼に作用する遠心力によって、図20に示すように、翼は半径方向外向きに変形する。図20は有限要素法に基づく構造解析によって、三角状の翼の変形をシミュレーションした結果であり、翼の自重を考慮しているため、鉛直下向きへの変位も結果として表れている。風車としては、図1〜図5に示されるバタフライ風車であり、本実施形態では、ロータ直径が7m、ブレードの高さが2.7mを想定して計算している。翼断面形状はNACA 0018(対称翼型)であり、翼弦長は242.3mm、翼材料はアルミニウムとして計算した。最大半径位置の変形量は回転数にほぼ比例し、図20の例では、定格回転数120rpmにおいて半径方向外側に約80mmの変形が予想される。なお、図20では、変形量を10倍にして表示をしている。   Generally, when the blades of a vertical axis wind turbine are rotated at a high speed, centrifugal force acting on the blades causes the blades to deform radially outward as shown in FIG. FIG. 20 shows the result of simulating the deformation of a triangular wing by a structural analysis based on the finite element method. Since the own weight of the wing is taken into account, a vertical downward displacement is also shown. The wind turbine is a butterfly wind turbine shown in FIGS. 1 to 5, and in the present embodiment, the calculation is performed assuming that the rotor diameter is 7 m and the blade height is 2.7 m. The blade section shape was NACA 0018 (symmetric blade type), the chord length was 242.3 mm, and the blade material was calculated as aluminum. The amount of deformation at the maximum radial position is substantially proportional to the rotation speed, and in the example of FIG. 20, deformation of about 80 mm is expected outward in the radial direction at the rated rotation speed of 120 rpm. In FIG. 20, the amount of deformation is displayed ten times.

翼の変形を抑制し、上限回転数を増加させるために、多少の出力低減を犠牲にして(予想される出力低下は数%)、本実施形態では、図21〜図23に示すように、ブレード42の垂直軸X周りの回転によりブレード42に所定の遠心力が加わったときにブレード42の半径方向外側(図20および図21における右側)に最大変形が生じるブレード42の変形箇所42aと、同調機構6との間に、補強部材9を有している。補強部材9は、変形箇所42aに半径方向内側に向かう張力をかける。   In order to suppress the deformation of the wings and increase the upper limit rotation speed, at the expense of a slight reduction in output (the expected output reduction is several%), in the present embodiment, as shown in FIGS. A deformed portion 42a of the blade 42 in which a maximum deformation occurs radially outside (the right side in FIGS. 20 and 21) of the blade 42 when a predetermined centrifugal force is applied to the blade 42 by rotation of the blade 42 around the vertical axis X; There is a reinforcing member 9 between the tuning mechanism 6. The reinforcing member 9 applies a tension toward the inside in the radial direction to the deformed portion 42a.

図22は、ブレード42のツイストを駆動する力として、補強部材(ブレース)9を介して作用する翼の変形力を利用する実施の形態4の揚力型垂直軸風車の斜視図である。図23は図22に示される揚力型垂直軸風車の上面図である。なお、図22および図23ではブレード42および補強部材9の一部は省略している。   FIG. 22 is a perspective view of a lift-type vertical axis wind turbine according to the fourth embodiment in which the deformation force of the wing acting via the reinforcing member (brace) 9 is used as the force for driving the twist of the blade 42. FIG. 23 is a top view of the lift-type vertical axis wind turbine shown in FIG. In FIGS. 22 and 23, a part of the blade 42 and the reinforcing member 9 is omitted.

補強部材9の一端91はブレード42の変形箇所42aに接続され(図21参照)、補強部材9の他端92は同調機構6に連結部材80を介して接続されている(図22および図23参照)。図22および図23に示されるように、付勢部材SPは、連結部材80を介して、補強部材9がブレード42の変形箇所42aに対して半径方向内側に向かう張力を加えるように、同調機構6を付勢している。図22および図23に示されるように、同調機構6は、複数の風車翼部4のアーム41の他端にそれぞれ設けられた複数のアーム側歯車G1と、回転用ハブ3に設けられ、複数のアーム側歯車G1に噛み合う1つのハブ側歯車G2とを有している。連結部材80の一端80aは、ハブ側歯車G2に、垂直軸Xと平行な軸周りに揺動可能に取り付けられ、連結部材80の他端80bは、補強部材9の他端92に揺動可能に取り付けられている。   One end 91 of the reinforcing member 9 is connected to a deformed portion 42a of the blade 42 (see FIG. 21), and the other end 92 of the reinforcing member 9 is connected to the tuning mechanism 6 via a connecting member 80 (FIGS. 22 and 23). reference). As shown in FIGS. 22 and 23, the urging member SP is provided with a tuning mechanism such that the reinforcing member 9 applies a radially inward tension to the deformed portion 42 a of the blade 42 via the connecting member 80. 6 are energized. As shown in FIGS. 22 and 23, the tuning mechanism 6 is provided on a plurality of arm-side gears G <b> 1 provided at the other ends of the arms 41 of the plurality of wind turbine blade parts 4, and provided on the rotation hub 3, respectively. And one hub-side gear G2 that meshes with the arm-side gear G1. One end 80a of the connecting member 80 is swingably attached to the hub-side gear G2 around an axis parallel to the vertical axis X, and the other end 80b of the connecting member 80 is swingable to the other end 92 of the reinforcing member 9. Attached to.

より具体的に説明すると、本実施形態では、図22および図23に示されるように、補強部材9はロッド状であり、支持部(フレーム)31に設けられた孔を貫通して半径方向に移動可能となるように取付けられており、補強部材9の垂直軸X側の他端80bにおいて、リンク棒(連結部材80)とヒンジでハブ側歯車G2の上面に対して揺動可能となるように結合されている。リンク棒(連結部材80)の一端80aはハブ側歯車G2から鉛直上方に突き出るように取付けられたピン(リーマボルト等)と揺動可能に結合されている。風車が高速回転状態になり、ブレード42に所定の遠心力が加わると、補強部材9に大きな張力が作用する。補強部材9および変形箇所42aが付勢部材SPの付勢力に抗して半径方向外側に変位したときに、補強部材9の変位によって連結部材80を介して同調機構6が操作されて、ブレード42がブレード42の受風面積を減少させる方向にツイストする。より具体的には、ブレード42に所定の遠心力が加わって、補強部材9および変形箇所42aが半径方向外側に変位したときに、連結部材80の移動によりハブ側歯車G2が回転する。ハブ側歯車G2の回転によってアーム側歯車G1が回転し、ブレード42がブレード42の受風面積を減少させる方向にツイストする。   More specifically, in the present embodiment, as shown in FIGS. 22 and 23, the reinforcing member 9 is rod-shaped, and penetrates a hole provided in the support portion (frame) 31 to radially extend. At the other end 80b of the reinforcing member 9 on the vertical axis X side, the link member (the connecting member 80) and the hinge can swing with respect to the upper surface of the hub-side gear G2. Is joined to. One end 80a of the link rod (connection member 80) is swingably connected to a pin (such as a reamer bolt) attached so as to protrude vertically upward from the hub-side gear G2. When the windmill is rotated at a high speed and a predetermined centrifugal force is applied to the blade 42, a large tension acts on the reinforcing member 9. When the reinforcing member 9 and the deformed portion 42a are displaced radially outward against the urging force of the urging member SP, the tuning mechanism 6 is operated via the connecting member 80 by the displacement of the reinforcing member 9, and the blade 42 is displaced. Twists in a direction to reduce the wind receiving area of the blade 42. More specifically, when a predetermined centrifugal force is applied to the blade 42 and the reinforcing member 9 and the deformed portion 42a are displaced outward in the radial direction, the movement of the connecting member 80 causes the hub-side gear G2 to rotate. The rotation of the hub-side gear G2 rotates the arm-side gear G1, and the blade 42 twists in a direction to reduce the wind receiving area of the blade 42.

本実施形態では、回転数が比較的に小さい場合に、ブレード42のツイストが起こらないようにするため、ハブ側歯車G2の側面と支持部(フレーム)31の側面に取付部材(アイボルトなど)を設け、その2つの取付部材(アイボルトなど)の間に引っ張りバネ(付勢部材SP)を設置して予圧をかけている。   In this embodiment, in order to prevent the blade 42 from twisting when the rotation speed is relatively small, an attachment member (such as an eyebolt) is attached to the side surface of the hub-side gear G2 and the side surface of the support portion (frame) 31. A tension spring (biasing member SP) is provided between the two mounting members (eye bolts or the like) to apply a preload.

風速60m/s程度の強風時において過回転を抑制するためには、ブレード42の最大ツイスト角は25°から30°程度であれば十分である。図22および図23の例では、ハブ側歯車G2とアーム側歯車G1の歯数比は3:1であるため、ブレード42の最大ツイスト角を30°とした場合、ハブ側歯車G2の回転角度は10°となる。風車の大きさや上限回転数によって、補強部材(ブレース)9および連結部材80を介してハブ側歯車G2に作用する垂直軸Xまわりの回転モーメントは変化するが、所望する回転数において最大ツイスト角が実現するように、付勢部材SP(引っ張りバネあるいは圧縮バネなど)の比例定数や初期変位などを調節すればよい。   In order to suppress over-rotation in a strong wind at a wind speed of about 60 m / s, it is sufficient that the maximum twist angle of the blade 42 is about 25 ° to 30 °. In the examples of FIGS. 22 and 23, since the ratio of the number of teeth between the hub-side gear G2 and the arm-side gear G1 is 3: 1, when the maximum twist angle of the blade 42 is 30 °, the rotation angle of the hub-side gear G2 Is 10 °. The rotational moment about the vertical axis X acting on the hub-side gear G2 via the reinforcing member (brace) 9 and the connecting member 80 changes depending on the size of the windmill and the upper limit rotational speed, but the maximum twist angle at the desired rotational speed is reduced. What is necessary is just to adjust the proportional constant, initial displacement, etc. of the urging member SP (a tension spring, a compression spring, etc.) so that it may be realized.

図22および図23の例では、ブレードが30°のツイスト角状態となった場合においても、傾斜するブレード42の根元部分およびブレード42とアーム41を接続する部材(図示せず)との干渉が起こらないように、補強部材(ブレース)9の支持部(フレーム)31への設置位置を設定している。なお、アーム41の中心に補強部材(ブレース)9を貫通させる孔をあけることが可能な場合には、補強部材9の設置位置はアーム41の中心軸と一致させることも可能である。   In the examples of FIGS. 22 and 23, even when the blade is in a 30 ° twist angle state, the interference between the root portion of the inclined blade 42 and the member (not shown) connecting the blade 42 and the arm 41 is present. The installation position of the reinforcing member (brace) 9 on the support portion (frame) 31 is set so as not to occur. If it is possible to make a hole through the reinforcing member (brace) 9 at the center of the arm 41, the installation position of the reinforcing member 9 can be matched with the central axis of the arm 41.

なお、図22および図23の例において、図10に示したように組立時にツイスト角を90°の状態にする場合には、分割可能な補強部材を使用し、組立時に90°に傾斜したブレード42の根元部分およびブレード42とアーム41を接続する部材との干渉を一時的に回避し、ブレード42の組立が終了し、ツイスト角を0°にした状態で、補強部材(ブレース)9を接続し所定の張力をかければ良い。   In the example of FIGS. 22 and 23, when the twist angle is set to 90 ° at the time of assembling as shown in FIG. Interference between the root portion of the blade 42 and the member connecting the blade 41 and the arm 41 is temporarily avoided, the assembly of the blade 42 is completed, and the reinforcing member (brace) 9 is connected with the twist angle set to 0 °. Then, a predetermined tension may be applied.

実施の形態4では、ブレード42がツイストした場合に、補強部材9に捩じりが発生する。補強部材9が十分に長い場合は、弾性変形の範囲内において、前記捩じりを吸収可能である。もし、補強部材9の捩じりが弾性変形の範囲内において吸収されない場合には、補強部材9の端部も含めたいずれかの位置に、補強部材9の中心軸回りに回転可能な自在継手(図示せず)を挿入して、前記捩じりを回避することが可能である。   In the fourth embodiment, when the blade 42 is twisted, the reinforcing member 9 is twisted. When the reinforcing member 9 is sufficiently long, the torsion can be absorbed within a range of elastic deformation. If the torsion of the reinforcing member 9 is not absorbed within the range of the elastic deformation, a universal joint rotatable around the central axis of the reinforcing member 9 is provided at any position including the end of the reinforcing member 9. (Not shown) can be inserted to avoid the torsion.

実施の形態4では、ブレード42の自重あるいは補強部材9の自重により、補強部材9の一端91が他端92の位置に対して鉛直下向きに変位する。補強部材9の一端91のブレード42の変形箇所42aへの取付けは、回転軸Yの延長線上に近接している位置が理想的であるが、前記のブレード42の自重あるいは補強部材9の自重による鉛直変位や、図22および図23の例で示すように、補強部材9の設置位置をアーム41の中心軸(回転軸Y)と一致させない場合は水平方向の変位も生じる。したがって、ブレード42がツイストした場合に、補強部材9には撓みが発生する。補強部材9が十分に長い場合は、弾性変形の範囲内において、前記撓みを吸収可能である。もし、補強部材9の撓みが弾性変形の範囲内において吸収されない場合には、補強部材の端部も含めたいずれかの位置に、補強部材9の中心軸に対して偏向可能な自在継手(図示せず)を挿入して、前記撓みを回避することが可能である。   In the fourth embodiment, one end 91 of the reinforcing member 9 is displaced vertically downward with respect to the position of the other end 92 due to the own weight of the blade 42 or the own weight of the reinforcing member 9. It is ideal that the one end 91 of the reinforcing member 9 is attached to the deformed portion 42a of the blade 42 at a position close to the extension of the rotation axis Y. However, the own weight of the blade 42 or the own weight of the reinforcing member 9 is preferable. If the installation position of the reinforcing member 9 is not coincident with the central axis (rotation axis Y) of the arm 41 as shown in the example of FIGS. Therefore, when the blade 42 is twisted, the reinforcing member 9 bends. When the reinforcing member 9 is sufficiently long, the bending can be absorbed within a range of elastic deformation. If the bending of the reinforcing member 9 is not absorbed within the range of the elastic deformation, a universal joint (FIG. 5) that can deflect with respect to the central axis of the reinforcing member 9 is provided at any position including the end of the reinforcing member. (Not shown) can be inserted to avoid said bending.

実施の形態4の揚力型垂直軸風車を用いれば、実施の形態2および3で必要とした錘部材7が不要になり、実施の形態1で必要とした初期ツイスト角の設定が無くても良い。また、本実施形態では、空気力に比べて遠心力の作用が大きいため、実施の形態1〜3で必要とした翼取付位置の後縁方向への移動は必要が無いか、あるいは移動量を減らすことが可能になる。実施の形態4では、補強部材(ブレース)9は極少量(10mm程度)半径方向外側に移動するが複雑な形状のガイド溝は必要とせず、また、アーム41は半径方向に移動しない。したがって、風車の大きさが増しても過回転抑制機構の大きさはコンパクトになる。   When the lift-type vertical axis wind turbine of the fourth embodiment is used, the weight member 7 required in the second and third embodiments becomes unnecessary, and the setting of the initial twist angle required in the first embodiment may be omitted. . Further, in the present embodiment, since the action of the centrifugal force is greater than the aerodynamic force, it is not necessary to move the blade mounting position in the trailing edge direction required in the first to third embodiments, or It becomes possible to reduce. In the fourth embodiment, the reinforcing member (brace) 9 moves outward in the radial direction by a very small amount (about 10 mm), but does not require a guide groove having a complicated shape, and the arm 41 does not move in the radial direction. Therefore, even if the size of the wind turbine increases, the size of the over-rotation suppression mechanism becomes compact.

1 揚力型垂直軸風車(風車)
2 基部
21 発電部
22 脚部
3 回転用ハブ
31 支持部
32 付勢部材支持体
32a 係止部
4 風車翼部
41 アーム
41a 係合部(係合ピン)
42 ブレード
42a ブレードの変形箇所
51 位置決め部材
52 第2の位置決め部材
6 同調機構
7 錘部材
71 係止部
8、80 連結部材
80a 連結部材の一端
80b 連結部材の他端
81 延出部(第1延出部)
82 第2延出部
82a 長孔
83 連結部材側歯車
9 補強部材
91 補強部材の一端
92 補強部材の他端
Ax 揺動軸
G1 アーム側歯車
G2 ハブ側歯車
G21 軸部材
G3 同調機構側歯車
Ha 第1保持部
Hb 第2保持部
LE 前縁
SP 付勢部材(捩じりバネ/引っ張りバネ)
TE 後縁
X 垂直軸
Y 回転軸
1 lift type vertical axis windmill (windmill)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 Base part 21 Power generation part 22 Leg 3 Rotation hub 31 Support part 32 Energizing member support 32a Locking part 4 Windmill blade part 41 Arm 41a Engaging part (engaging pin)
42 Blade 42a Deformation part of blade 51 Positioning member 52 Second positioning member 6 Tuning mechanism 7 Weight member 71 Locking part 8, 80 Connecting member 80a One end of connecting member 80b The other end of connecting member 81 Extension (first extension) Ide)
82 second extension portion 82a elongated hole 83 connecting member side gear 9 reinforcing member 91 one end of reinforcing member 92 other end of reinforcing member Ax swing shaft G1 arm side gear G2 hub side gear G21 shaft member G3 tuning mechanism side gear Ha 1 holding part Hb second holding part LE front edge SP biasing member (torsion spring / tension spring)
TE Trailing edge X Vertical axis Y Rotation axis

Claims (16)

回転用ハブと、垂直軸周りに回転する複数の風車翼部を備えた揚力型垂直軸風車であって、
前記複数の風車翼部のそれぞれは、前記回転用ハブに支持され、前記垂直軸に対して垂直な水平方向に延びるアームと、前記アームの一端に設けられたブレードとを有し、
前記アームは、
前記回転用ハブに前記水平方向に延びる回転軸周りに回転可能に支持され、前記ブレードの受風面積を減少させるように前記アームの前記回転軸周りにツイストするように設けられ、
前記アームおよび前記ブレードは、前記アームが前記回転軸周りにツイストする際に、前記アームの前記回転軸の軸方向へ移動せず、
前記揚力型垂直軸風車がさらに、
前記複数の風車翼部のそれぞれの前記アームおよび前記ブレードのツイスト角が互いに等しくなるように、前記アームの前記回転軸周りの回転を互いに同調させる同調機構と、
前記アームがツイストした際に、前記アームを前記ブレードの受風面積が大きくなる方向に向かって付勢する付勢部材と
を備えている、揚力型垂直軸風車。
A rotating vertical axis wind turbine having a rotating hub and a plurality of wind turbine blades rotating around a vertical axis,
Each of the plurality of wind turbine blades is supported by the rotating hub, and has an arm extending in a horizontal direction perpendicular to the vertical axis, and a blade provided at one end of the arm,
The arm is
The rotation hub is rotatably supported around the rotation axis extending in the horizontal direction, and is provided so as to be twisted around the rotation axis of the arm so as to reduce the wind receiving area of the blade,
The arm and the blade, when the arm twists around the rotation axis, does not move in the axial direction of the rotation axis of the arm,
The lifting vertical axis windmill further comprises:
A tuning mechanism that synchronizes the rotation of the arms around the rotation axis with each other such that the twist angles of the arms and the blades of each of the plurality of wind turbine blades are equal to each other;
A lifting-type vertical axis wind turbine, comprising: a biasing member that biases the arm in a direction in which the wind receiving area of the blade increases when the arm is twisted.
前記アームは、前記ブレードの前記垂直軸周りの回転時に前記ブレードおよび/またはアームに加わる空気力によって、前記回転軸周りにツイストするように構成されている、請求項1に記載の揚力型垂直軸風車。 The lifting vertical axis according to claim 1, wherein the arm is configured to twist about the rotation axis by an air force applied to the blade and / or the arm when the blade rotates about the vertical axis. Windmill. 前記ブレードの断面は、前縁が湾曲し後縁が尖った流線形であり、
前記ブレードを前記アームの軸方向に見たときに、
前記アームの前記回転軸が、前記アームの前記回転軸に対して等距離に位置する2つの空力中心点を結んだ線に対して、前記ブレードの後縁側に位置するように、前記アームが設けられている、請求項2記載の揚力型垂直軸風車。
The cross section of the blade is a streamline with a curved leading edge and a sharpened trailing edge,
When the blade is viewed in the axial direction of the arm,
The arm is provided such that the rotation axis of the arm is located on the trailing edge side of the blade with respect to a line connecting two aerodynamic center points located equidistant from the rotation axis of the arm. The lift-type vertical axis wind turbine according to claim 2, which is provided.
前記アームは、前記ブレードがツイストしていない状態において前記垂直軸に平行な方向に扁平に形成されている、請求項3記載の揚力型垂直軸風車。 The lift type vertical axis wind turbine according to claim 3, wherein the arm is formed to be flat in a direction parallel to the vertical axis when the blade is not twisted. 無風状態のときに対応する前記ブレードの初期位置が、前記2つの空力中心点を結んだ線が鉛直線に対して所定の初期ツイスト角で傾斜した状態となるように設定され、前記ブレードの初期位置において、前記ブレードは、前記付勢部材から所定の付勢力で予圧が加えられた状態で保持されている、請求項3または4記載の揚力型垂直軸風車。 The initial position of the blade corresponding to the windless state is set so that a line connecting the two aerodynamic center points is inclined at a predetermined initial twist angle with respect to the vertical line, and the initial position of the blade is set. The lift type vertical axis wind turbine according to claim 3 or 4, wherein, in the position, the blade is held in a state where a preload is applied by a predetermined urging force from the urging member. 前記ブレードが前記付勢部材によって付勢された状態で、前記所定の初期ツイスト角で傾斜した状態で保持されるように、前記ブレードの初期位置を画定する位置決め部材を有している、請求項5記載の揚力型垂直軸風車。 A positioning member for defining an initial position of the blade so that the blade is held in a state inclined at the predetermined initial twist angle in a state where the blade is urged by the urging member. 5. A lift-type vertical axis wind turbine according to 5. 前記ブレードが、前記初期位置から前記ブレードの受風面積が減少した第2の位置までツイストした際に、前記ブレードのさらなるツイストを規制し、前記ブレードの最大ツイスト角を画定する第2の位置決め部材を有している、請求項6記載の揚力型垂直軸風車。 A second positioning member that regulates further twisting of the blade when the blade is twisted from the initial position to a second position where the wind receiving area of the blade is reduced, and defines a maximum twist angle of the blade; The lift-type vertical axis wind turbine according to claim 6, comprising: 前記同調機構は、
前記複数の風車翼部の前記アームの他端にそれぞれ設けられた複数のアーム側歯車と、
前記回転用ハブに設けられ、前記複数のアーム側歯車に噛み合う1つのハブ側歯車と
を有している、請求項1〜7のいずれか1項に記載の揚力型垂直軸風車。
The tuning mechanism,
A plurality of arm-side gears provided at the other end of the arm of the plurality of wind turbine blades,
The lift-type vertical axis wind turbine according to any one of claims 1 to 7, further comprising one hub-side gear provided on the rotating hub and meshing with the plurality of arm-side gears.
前記付勢部材が前記同調機構の前記ハブ側歯車を付勢することにより、前記アームを間接的に付勢している、請求項8記載の揚力型垂直軸風車。 The lifting vertical axis wind turbine according to claim 8, wherein the urging member indirectly urges the arm by urging the hub-side gear of the tuning mechanism. 前記回転用ハブが、前記回転用ハブが回転し所定の遠心力が加わったときに前記回転用ハブに対して移動可能な錘部材を有し、
前記錘部材は、前記同調機構に連結部材を介して連結され、
前記付勢部材は、前記錘部材の遠心力による移動を抑制する方向に前記錘部材を直接または間接的に付勢するように構成され、
前記空気力によるツイストモーメントおよび前記遠心力による前記錘部材に加わる力が、前記付勢部材の付勢力に打ち勝って前記錘部材が移動したときに、前記錘部材の移動に連動する前記連結部材の動作によって前記同調機構が操作されて、前記ブレードが前記ブレードの受風面積を減少させる方向にツイストするように構成されている、請求項1〜9のいずれか1項に記載の揚力型垂直軸風車。
The rotating hub has a weight member movable relative to the rotating hub when the rotating hub rotates and a predetermined centrifugal force is applied,
The weight member is connected to the tuning mechanism via a connecting member,
The biasing member is configured to directly or indirectly bias the weight member in a direction to suppress movement of the weight member due to centrifugal force,
When the twisting moment due to the aerodynamic force and the force applied to the weight member due to the centrifugal force overcome the urging force of the urging member and the weight member moves, the coupling member interlocks with the movement of the weight member. The lift-type vertical shaft according to any one of claims 1 to 9, wherein the tuning mechanism is operated by an operation, and the blade is configured to twist in a direction to reduce a wind receiving area of the blade. Windmill.
前記同調機構は、
前記複数の風車翼部の前記アームの他端にそれぞれ設けられた複数のアーム側歯車と、
前記回転用ハブに設けられ、前記複数のアーム側歯車に噛み合う1つのハブ側歯車と
を有し、
前記連結部材が前記回転用ハブに対して前記垂直軸に平行な軸周りに揺動可能に取り付けられ、
前記連結部材が、前記連結部材の揺動軸から前記錘部材に向かって延びる第1延出部と、前記連結部材の前記揺動軸から前記ハブ側歯車に向かって延び、前記ハブ側歯車に取り付けられる第2延出部と
を備え、
前記第2延出部は、前記ハブ側歯車に取り付けられる端部に長孔を有し、
前記ハブ側歯車は、前記長孔に挿入される軸部材を有し、
前記錘部材が遠心力により移動し、前記第2延出部の端部が前記連結部材の揺動軸を中心に揺動したときに、前記軸部材が前記第2延出部の長孔の縁部から力を受けることによって前記ハブ側歯車が回転する、請求項10記載の揚力型垂直軸風車。
The tuning mechanism,
A plurality of arm-side gears provided at the other end of the arm of the plurality of wind turbine blades,
One hub-side gear provided on the rotating hub and meshing with the plurality of arm-side gears,
The connecting member is swingably attached to the rotating hub around an axis parallel to the vertical axis,
A first extension extending from the pivot axis of the coupling member toward the weight member, and a first extension extending from the pivot axis of the coupling member toward the hub-side gear; A second extension to be attached,
The second extension has an elongated hole at an end attached to the hub-side gear,
The hub-side gear has a shaft member inserted into the long hole,
When the weight member moves due to centrifugal force and the end of the second extension portion swings about the swing axis of the connection member, the shaft member is formed as a long hole of the second extension portion. The lift-type vertical axis wind turbine according to claim 10, wherein the hub-side gear rotates by receiving a force from an edge.
前記同調機構は、
前記複数の風車翼部の前記アームの他端にそれぞれ設けられた複数のアーム側歯車と、
前記回転用ハブに設けられ、前記複数のアーム側歯車に噛み合う1つのハブ側歯車と
を有し、
前記連結部材が前記回転用ハブに対して前記垂直軸に平行な軸周りに揺動可能に取り付けられ、
前記連結部材が、前記連結部材の揺動軸から前記錘部材に向かって延びる延出部と、前記連結部材の揺動軸と同軸上に設けられた連結部材側歯車と
を備え、
前記同調機構が、
前記連結部材側歯車と噛み合い、前記ハブ側歯車と同軸上に設けられた同調機構側歯車を備え、前記ハブ側歯車は、前記同調機構側歯車の回転に応じて回転するように構成され、
前記錘部材が遠心力により移動し、前記連結部材が前記揺動軸を中心に揺動したときに、前記同調機構側歯車の回転によって、前記ハブ側歯車が回転する、請求項10記載の揚力型垂直軸風車。
The tuning mechanism,
A plurality of arm-side gears provided at the other end of the arm of the plurality of wind turbine blades,
One hub-side gear provided on the rotating hub and meshing with the plurality of arm-side gears,
The connecting member is swingably attached to the rotating hub around an axis parallel to the vertical axis,
The coupling member includes an extending portion extending from the pivot axis of the coupling member toward the weight member, and a coupling member-side gear provided coaxially with the pivot axis of the coupling member,
The tuning mechanism is
It comprises a tuning mechanism side gear that is meshed with the coupling member side gear and is provided coaxially with the hub side gear, and the hub side gear is configured to rotate according to the rotation of the tuning mechanism side gear,
The lift according to claim 10, wherein when the weight member moves by centrifugal force and the connecting member swings around the swing shaft, the hub-side gear rotates by rotation of the tuning mechanism-side gear. Type vertical axis windmill.
前記ブレードの前記垂直軸周りの回転により前記ブレードに所定の遠心力が加わったときに前記ブレードの半径方向外側に最大変形が生じる前記ブレードの変形箇所と、前記同調機構との間に延びる補強部材をさらに有し、
前記補強部材の一端は前記ブレードの前記変形箇所に接続され、前記補強部材の他端は前記同調機構に連結部材を介して接続され、
前記付勢部材は、前記連結部材を介して、前記補強部材が前記ブレードの前記変形箇所に対して半径方向内側に向かう張力を加えるように、前記同調機構を付勢し、
前記ブレードに所定の遠心力が加わり、前記補強部材および前記変形箇所が前記付勢部材の付勢力に抗して半径方向外側に変位したときに、前記補強部材の変位によって前記連結部材を介して前記同調機構が操作されて、前記ブレードが前記ブレードの受風面積を減少させる方向にツイストするように構成されている、請求項1に記載の揚力型垂直軸風車。
When a predetermined centrifugal force is applied to the blade by rotation of the blade around the vertical axis, a reinforcing member extending between a deformed portion of the blade where maximum deformation occurs radially outward of the blade and the tuning mechanism Further having
One end of the reinforcing member is connected to the deformed portion of the blade, and the other end of the reinforcing member is connected to the tuning mechanism via a connecting member,
The urging member urges the tuning mechanism via the connecting member so that the reinforcing member applies a tension inwardly in the radial direction to the deformed portion of the blade.
A predetermined centrifugal force is applied to the blade, and when the reinforcing member and the deformed portion are displaced radially outward against the urging force of the urging member, the displacement of the reinforcing member through the connecting member The lift vertical axis wind turbine of claim 1, wherein the tuning mechanism is operated to cause the blade to twist in a direction that reduces the wind receiving area of the blade.
前記同調機構は、
前記複数の風車翼部の前記アームの他端にそれぞれ設けられた複数のアーム側歯車と、
前記回転用ハブに設けられ、前記複数のアーム側歯車に噛み合う1つのハブ側歯車と
を有し、
前記連結部材の一端は、前記ハブ側歯車に、前記垂直軸と平行な軸周りに揺動可能に取り付けられ、前記連結部材の他端は、前記補強部材の他端に揺動可能に取り付けられ、
前記ブレードに所定の遠心力が加わって、前記補強部材および前記変形箇所が半径方向外側に変位したときに、前記連結部材の移動により前記ハブ側歯車が回転し、
前記ハブ側歯車の回転によって前記アーム側歯車が回転し、前記ブレードが前記ブレードの受風面積を減少させる方向にツイストする、請求項13に記載の揚力型垂直軸風車。
The tuning mechanism,
A plurality of arm-side gears provided at the other end of the arm of the plurality of wind turbine blades,
One hub-side gear provided on the rotating hub and meshing with the plurality of arm-side gears,
One end of the connecting member is swingably attached to the hub-side gear around an axis parallel to the vertical axis, and the other end of the connecting member is swingably attached to the other end of the reinforcing member. ,
A predetermined centrifugal force is applied to the blade, and when the reinforcing member and the deformed portion are displaced radially outward, the hub-side gear rotates due to the movement of the connecting member,
14. The lift-type vertical axis wind turbine according to claim 13, wherein the rotation of the hub-side gear rotates the arm-side gear, and the blade twists in a direction to reduce the wind receiving area of the blade.
前記ブレードが前記付勢部材によって付勢された状態で、前記ブレードの受風面積が最大となる所定の初期ツイスト角で傾斜した状態で保持されるように、前記ブレードの初期位置を画定する位置決め部材を有している、請求項13または14に記載の揚力型垂直軸風車。 In the state where the blade is urged by the urging member, a positioning defining an initial position of the blade is maintained such that the blade is held inclined at a predetermined initial twist angle where the wind receiving area of the blade is maximized. The lift type vertical axis wind turbine according to claim 13 or 14, comprising a member. 前記ブレードが、前記初期位置から前記ブレードの受風面積が減少した第2の位置までツイストした際に、前記ブレードのさらなるツイストを規制し、前記ブレードの最大ツイスト角を画定する第2の位置決め部材を有している、請求項15記載の揚力型垂直軸風車。 A second positioning member that regulates further twisting of the blade when the blade is twisted from the initial position to a second position where the wind receiving area of the blade is reduced, and defines a maximum twist angle of the blade; The lift type vertical axis wind turbine according to claim 15, comprising:
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