JP2020033885A - Axial flow impeller and turbine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、軸流羽根車および、その軸流羽根車を有するタービンに関する。 The present invention relates to an axial impeller and a turbine having the axial impeller.
従来、風力発電などのタービンの羽根車の出力効率を改善するために、翼型の最適化や翼端部の屈曲、ベーンやボルテックスジェネレータの付与などが行われているが(例えば、特許文献1参照)、大幅な出力効率の改善は実現していない。そこで、大幅な出力効率の改善を目指して、風の入口から出口に向かって開口面積が拡がるよう形成された筒状のディフューザ(通称:風レンズ)を、羽根車の外周を囲うよう取り付けることにより、羽根車の出力を2〜3倍に高める技術が開発されている(例えば、特許文献2参照)。 Conventionally, in order to improve the output efficiency of a turbine impeller for wind power generation or the like, optimization of an airfoil, bending of a blade tip, provision of a vane or a vortex generator, and the like have been performed (for example, Patent Document 1). See), no significant improvement in output efficiency has been realized. Therefore, with the aim of greatly improving the output efficiency, a cylindrical diffuser (commonly known as a wind lens) formed so that the opening area expands from the inlet to the outlet of the wind is attached so as to surround the outer periphery of the impeller. A technique for increasing the output of the impeller by a factor of two to three has been developed (for example, see Patent Document 2).
この風レンズを利用した風車では、風レンズ自体は固定されて回転に直接寄与せず、その出口の外径は羽根車の直径の1.4倍となっている。この風レンズは、流出側の開口面積が大きい拡開型の流体用環形デフューザであり、流入側が増速される吸い出し効果を有しているため、羽根車の出力効率を高めることができる。 In a windmill using this wind lens, the wind lens itself is fixed and does not directly contribute to rotation, and the outer diameter of its outlet is 1.4 times the diameter of the impeller. This wind lens is an expansion type annular diffuser for fluid having a large opening area on the outflow side, and has a suction effect of increasing the speed on the inflow side, so that the output efficiency of the impeller can be increased.
しかしながら、引用文献2に記載の風レンズを利用した風車では、出力効率をさらに高めるためには羽根車を大型化する必要があるが、例えば、直径が100mを超える大型風力発電の羽根車の外周に、内径が100mを超える風レンズを設けることは非常に困難である。このように、引用文献2に記載の風車では、風レンズの大きさにより羽根車の大型化に制限を受けてしまうため、出力効率の改善には限度があるという課題があった。 However, in the wind turbine using the wind lens described in Patent Document 2, it is necessary to increase the size of the impeller in order to further increase the output efficiency. For example, the outer periphery of a large wind power generation impeller having a diameter exceeding 100 m is used. In addition, it is very difficult to provide a wind lens having an inner diameter exceeding 100 m. As described above, in the windmill described in Patent Document 2, since the size of the wind lens is limited by the size of the impeller, there is a problem that improvement in output efficiency is limited.
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、大型化することなく、出力効率を改善することができる軸流羽根車およびタービンを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide an axial impeller and a turbine capable of improving output efficiency without increasing the size.
上記目的を達成するために、本発明に係る軸流羽根車は、所定の中心軸周りに互いに等角度間隔をあけて配置され、前記中心軸から半径方向に向かって伸び、前記中心軸方向に沿った流体の流れを受けて前記中心軸周りに回転可能に設けられた複数の回転翼と、各回転翼の上流側の表面および/または下流側の表面に、各回転翼との間に隙間をあけて設けられた複数の補助翼とを、有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the axial impeller according to the present invention is disposed at equal angular intervals around a predetermined central axis, extends radially from the central axis, and extends in the central axis direction. A plurality of rotors rotatably provided around the central axis in response to a fluid flow along the rotor, and a gap between each of the rotors on an upstream surface and / or a downstream surface of each rotor. And a plurality of auxiliary wings provided apart from each other.
本発明に係る軸流羽根車は、各回転翼とそれぞれに対応する補助翼との隙間が、各回転翼の回転方向の前方側より後方側で広くなっていてもよく、狭くなっていてもよい。 In the axial impeller according to the present invention, the gap between each rotor and the corresponding auxiliary blade may be wider or narrower on the rear side than the front side in the rotation direction of each rotor. Good.
本発明に係る軸流羽根車は、各回転翼に中心軸方向に沿って流れる流体が当たると、その流れが各回転翼を押すことにより各回転翼が回転する。このとき、各回転翼と、各回転翼の上流側の表面および/または下流側の表面に設けられた各補助翼との間に隙間があいているため、その隙間に、各回転翼の回転方向の前方側から周囲の流体が流れ込み、後方側に向かって流れる。回転翼と補助翼との隙間が、各回転翼の回転方向の前方側より後方側で広くなっている場合には、後方側で減圧されるため、前方側が増速される吸い出し効果が発生する。また、回転翼と補助翼との隙間が、各回転翼の回転方向の前方側より後方側で狭くなっている場合には、前方側が増圧されるため、後方側が増速される増速効果が発生する。本発明に係る軸流羽根車は、周囲の流体の密度に応じて、この吸い出し効果や増速効果による流体の増速が、各回転翼の回転を早める方向に作用するよう構成することにより、各回転翼の回転数を増加させることができる。 In the axial flow impeller according to the present invention, when a fluid flowing along the central axis direction hits each of the rotors, the flow pushes each of the rotors so that each of the rotors rotates. At this time, since there is a gap between each rotor and each auxiliary wing provided on the upstream surface and / or downstream surface of each rotor, the rotation of each rotor is The surrounding fluid flows in from the front side in the direction and flows toward the rear side. When the gap between the rotor and the auxiliary blade is wider on the rear side than on the front side in the rotation direction of each rotor, the pressure is reduced on the rear side, so that a suction effect in which the front side is accelerated occurs. . In addition, when the gap between the rotor and the auxiliary blade is narrower on the rear side than on the front side in the rotation direction of each rotor, the pressure on the front side is increased, so that the rear side is accelerated. Occurs. The axial impeller according to the present invention is configured such that, in accordance with the density of the surrounding fluid, the speed-up of the fluid due to the suction effect and the speed-up effect acts in a direction to accelerate the rotation of each rotor, The number of rotations of each rotor can be increased.
例えば、周囲の流体が空気の場合には、水と比べて密度が1/830と小さいため、後方側での減圧が小さく、吸い出し効果が小さい。このため、吸い出し効果よりも増速効果を期待して、回転翼と補助翼との隙間を、各回転翼の回転方向の前方側より後方側で狭くすることにより、各回転翼の回転数を増加させることができる。これに対し、周囲の流体が水の場合には、吸い出し効果が大きくなるため、回転翼と補助翼との隙間を、各回転翼の回転方向の前方側より後方側で広くすることにより、各回転翼の回転数を増加させることができる。このように、本発明に係る軸流羽根車は、周囲の流体に応じて回転翼と補助翼との隙間の間隔を調整することにより、回転効率を高めることができ、各回転翼を大型化することなく、出力効率を改善することができる。 For example, when the surrounding fluid is air, since the density is 1/830 of that of water, the pressure reduction on the rear side is small and the suction effect is small. For this reason, the gap between the rotor and the auxiliary wing is made narrower on the rear side than the front side in the rotation direction of each rotor, so that the rotational speed of each rotor is reduced, in expectation of the speed increasing effect rather than the suction effect. Can be increased. On the other hand, when the surrounding fluid is water, the suction effect becomes large, so that the gap between the rotor and the auxiliary blade is made wider on the rear side than on the front side in the rotation direction of each rotor, so that each The number of revolutions of the rotor can be increased. As described above, the axial impeller according to the present invention can increase the rotation efficiency by adjusting the gap between the rotating blade and the auxiliary blade according to the surrounding fluid, thereby increasing the size of each rotating blade. Without this, the output efficiency can be improved.
本発明に係る軸流羽根車で、各回転翼は、前記半径方向に垂直な断面が、前記流体の上流側に膨らんだ翼型形状を成していることが好ましい。また、各補助翼は、前記半径方向に垂直な断面が、前記流体の上流側に膨らんだ翼型形状を成していることが好ましい。これらの場合、翼型形状にすることにより、各回転翼や各補助翼に揚力が発生する。このため、その揚力が各回転翼の回転方向の成分を有するよう、各回転翼や各補助翼の取付角度を調整することにより、各回転翼の回転効率をさらに高めることができる。 In the axial-flow impeller according to the present invention, it is preferable that each rotor has a blade-shaped shape whose cross section perpendicular to the radial direction swells toward the upstream side of the fluid. Further, it is preferable that each of the auxiliary wings has an airfoil shape whose cross section perpendicular to the radial direction swells toward the upstream side of the fluid. In these cases, by making the airfoil shape, lift is generated in each of the rotary wings and each of the auxiliary wings. For this reason, the rotation efficiency of each rotor can be further improved by adjusting the mounting angles of each rotor and each auxiliary blade so that the lift has a component in the rotation direction of each rotor.
本発明に係る軸流羽根車は、前記隙間を保持可能に、各回転翼とそれぞれに対応する補助翼とを連結するよう設けられた補強部を有していてもよい。この場合、補強部により、高い回転効率で安定して各回転翼を回転させることができる。 The axial-flow impeller according to the present invention may have a reinforcing portion provided to connect the respective rotary blades and the corresponding auxiliary blades so as to hold the gap. In this case, the rotating blades can be stably rotated with high rotation efficiency by the reinforcing portion.
本発明に係るタービンは、本発明に係る軸流羽根車を有することを特徴とする。
本発明に係るタービンは、本発明に係る軸流羽根車を有しているため、大型化することなく、出力効率を改善することができる。本発明に係るタービンは、流体の運動エネルギーを回転エネルギーに変換可能であれば、いかなるものであってもよく、例えば、蒸気タービンやガスタービン、発電用水車、風力原動機などである。
A turbine according to the present invention includes the axial impeller according to the present invention.
Since the turbine according to the present invention includes the axial impeller according to the present invention, the output efficiency can be improved without increasing the size. The turbine according to the present invention may be any turbine as long as the kinetic energy of the fluid can be converted into rotational energy, and examples thereof include a steam turbine, a gas turbine, a water turbine for power generation, and a wind turbine.
本発明によれば、大型化することなく、出力効率を改善することができる軸流羽根車およびタービンを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, an axial-flow impeller and a turbine which can improve an output efficiency, without enlarging a size can be provided.
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
図1および図2は、本発明の実施の形態の軸流羽根車を示している。
図1に示すように、軸流羽根車10は、スピナー11とナセル12と複数の回転翼13と複数の補助翼14と複数の補強部15とを有している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 and 2 show an axial impeller according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the
スピナー11およびナセル12は、スピナー11が風上側に、ナセル12が風下側になるよう配置され、一体として紡錘形状を成している。スピナー11は、ナセル12に対して、その中心軸周りに回転可能に設けられている。ナセル12は、内部に増速機や発電機が収納されている。
The
複数の回転翼13は、細長い板状を成し、スピナー11の周囲に、等角度間隔をあけて配置されている。各回転翼13は、スピナー11から半径方向に向かって伸び、一方の表面がスピナー11の前方側に向くよう取り付けられている。各回転翼13は、スピナー11の中心軸方向に沿った流体の流れを受けたとき、スピナー11の中心軸周りに回転可能に、回転面に対して傾斜して設けられている。
The plurality of rotating
複数の補助翼14は、細長い板状を成し、各回転翼13の上流側の表面および/または下流側の表面に、各回転翼13との間に隙間16をあけて、スピナー11の周囲に配置されている。各補助翼14は、スピナー11から半径方向に沿って伸びるよう設けられている。図1に示す具体的な一例では、回転翼13および補助翼14は、それぞれ3枚から成る。また、各補助翼14は各回転翼13の下流側の表面全体を覆うように配置されているが、下流側に配置されていてもよく、また、回転方向の前方側のみ、または、後方側のみを覆うように配置されていてもよい。
The plurality of
各回転翼13および各補助翼14は、それぞれ伸長方向に垂直な断面が、各回転翼13の上流側に膨らんだ翼型形状を成していることが好ましいが、翼型形状でなくてもよい。また、図2に示すように、軸流羽根車10は、各回転翼13とそれぞれに対応する補助翼14との隙間16が、各回転翼13の回転方向の前方側より後方側で広くなっていてもよく、狭くなっていてもよい。例えば、各回転翼13が翼型形状を成し、隙間16が各回転翼13の回転方向の前方側より後方側で広くなるよう、板状の各補助翼14が、各回転翼13の上流側の表面の、回転方向の前方側(図2(a)、(d)参照)、後方側(図2(b)、(e)参照)、または、全体(図2(c)、(f)、(g)参照)を覆うよう設けられていてもよい。また、隙間16が各回転翼13の回転方向の前方側より後方側で狭くなるよう、板状の各補助翼14が、各回転翼13の下流側の表面の、回転方向の前方側(図2(d)参照)、後方側(図2(e)参照)、または、全体(図2(f)、(g)参照)を覆うよう設けられていてもよい。また、各補助翼14が、湾曲した翼型形状を成していてもよく(図2(h)、(i)参照)、湾曲していない翼型形状を成していてもよい(図2(j)、(k)参照)。
It is preferable that each of the
複数の補強部15は、板状を成し、各回転翼13とそれぞれに対応する補助翼14との間の隙間16を保持するよう、各回転翼13と各補助翼14とを連結して設けられている。各補強部15は、各回転翼13の回転方向に伸びるよう取り付けられている。
The plurality of reinforcing
図1に示す具体的な一例では、補強部15は、1枚の回転翼13に対して、等間隔で5つ設けられている。また、軸流羽根車10は、支柱17の上端に、鉛直方向の軸を中心としてナセル12を回転可能に固定して取り付けられている。
In the specific example shown in FIG. 1, five reinforcing
次に、作用について説明する。
軸流羽根車10は、各回転翼13にスピナー11の中心軸方向に沿って流れる流体が当たると、その流れが各回転翼13を押すことに加えて、各回転翼13の翼型断面形状での上流側と下流側との圧力差による揚力により各回転翼13が回転する。このとき、各回転翼13と、各回転翼13の上流側の表面および/または下流側の表面に設けられた各補助翼14との間に隙間16があいているため、その隙間16に、各回転翼13の回転方向の前方側から周囲の流体が流れ込み、後方側に向かって流れる。回転翼13と補助翼14との隙間16が、各回転翼13の回転方向の前方側より後方側で広くなっている場合には、後方側で減圧されるため、前方側が増速される吸い出し効果が発生する。また、回転翼13と補助翼14との隙間16が、各回転翼13の回転方向の前方側より後方側で狭くなっている場合には、前方側が増圧されるため、後方側が増速される増速効果が発生する。軸流羽根車10は、周囲の流体の密度に応じて、この吸い出し効果や増速効果による流体の増速が、各回転翼13の回転を早める方向に作用するよう構成することにより、各回転翼13の回転数を増加させることができる。
Next, the operation will be described.
When the fluid flowing along the central axis direction of the
例えば、周囲の流体が空気の場合には、水と比べて密度が1/830と小さいため、後方側での減圧が小さく、吸い出し効果が小さい。このため、吸い出し効果よりも増速効果を期待して、回転翼13と補助翼14との隙間16を、各回転翼13の回転方向の前方側より後方側で狭くすることにより、各回転翼13の回転数を増加させることができる。これに対し、周囲の流体が水の場合には、吸い出し効果が大きくなるため、回転翼13と補助翼14との隙間16を、各回転翼13の回転方向の前方側より後方側で広くすることにより、各回転翼13の回転数を増加させることができる。このように、軸流羽根車10は、周囲の流体に応じて回転翼13と補助翼14との隙間16の間隔を調整することにより、回転効率を高めることができ、各回転翼13を大型化することなく、出力効率を改善することができる。
For example, when the surrounding fluid is air, since the density is 1/830 of that of water, the pressure reduction on the rear side is small and the suction effect is small. For this reason, in order to expect a speed-up effect rather than a suction effect, the
軸流羽根車10は、各回転翼13や各補助翼14を翼型形状にすることにより、各回転翼13や各補助翼14に揚力が発生する。このため、その揚力が各回転翼13の回転方向の成分を有するよう、各回転翼13や各補助翼14の取付角度を調整することにより、各回転翼13の回転効率をさらに高めることができる。また、軸流羽根車10は、補強部15を設けているため、高い回転効率で安定して各回転翼13を回転させることができる。
The
軸流羽根車10は、蒸気タービンやガスタービン、発電用水車、風力原動機などのタービンの羽根車として使用することができる。これにより、タービンを大型化することなく、出力効率を改善することができる。
The axial-
[回転実験]
3Dプリンタを用いて、軸流羽根車10を作製して、回転実験を行った。軸流羽根車10は、各回転翼13および各補助翼14が図2(c)、(h)、(j)、(k)の4種類の形状のものを作製した。作製した軸流羽根車10は、直径 300 mmで、スピナー11の直径が90 mmであり、回転翼13を3枚有している。各回転翼13は、長さ 105 mm、幅 30 mm、翼型がNACA 4309であり、回転面に対する迎角が 14 度で、根元から先端まで捩りが無いものとした。また、各補助翼14は、長さ 105 mm、幅 15 mm、翼型がNACA 4309である。
[Rotation experiment]
Using the 3D printer, the
図2(c)、(h)の軸流羽根車10は、各回転翼13と各補助翼14との隙間16が、各回転翼13の回転方向の前方側より後方側で広くなっており、図2(j)、(k)の軸流羽根車10は、各回転翼13と各補助翼14との隙間16が、各回転翼13の回転方向の前方側より後方側で狭くなっている。なお、比較用の軸流羽根車10として、各回転翼13のみから成り、各補助翼14を有しないもの(以下、「一般回転翼」と呼ぶ)と、各回転翼13のみから成り、迎角を 18 度にしたもの(以下、「18度回転翼」と呼ぶ)とを作製した。
In the axial-
また、実験では、出力確認用の発電機として、ドローン用三相電動機(内部抵抗測定値 0.2 Ω/相)を転用している。また、各軸流羽根車10の重量差による影響を排除するため、各回転翼13の表面にアルミ薄膜幅広テープを貼付したり、組み立て螺子の長さや本数を調整したりすることにより、各軸流羽根車10の重量を86.5gに統一している。
In the experiment, a three-phase motor for drone (measured value of internal resistance 0.2 Ω / phase) was diverted as a generator for output confirmation. In addition, in order to eliminate the influence of the weight difference between the
実験では、羽根の直径が30 cmの送風機を用い、送風機の吹出口から各軸流羽根車10までの距離を5cmにして、風速5m/sで送風し、無負荷または重負荷(全相短絡)で各軸流羽根車10を回転させ、その回転数および相電圧を計測して、三相出力電力(W)および効率を算出した。また、各回転翼13と各補助翼14との間の隙間16を開放した場合、および、流入口側で塞いだ場合について実験を行った。実験結果を、表1に示す。
In the experiment, a blower with a blade diameter of 30 cm was used, the distance from the blower outlet to each
表1に示すように、図2(c)および(h)の軸流羽根車10は、一般回転翼と比べて、流入口開口で、重負荷時の回転数が若干上昇しており、吸い出し効果による性能向上が認められる。また、図2(j)および(k)の軸流羽根車10は、一般回転翼と比べて、流入口開口で、重負荷出力倍数が2倍以上となっており、増速効果による顕著な性能向上が認められる。また、一般回転翼よりも18度回転翼の方が、重負荷時回転数が大きくなっているが、図2(k)の軸流羽根車10は、その18度回転翼よりも重負荷時回転数が大きく、増速効果による性能向上が特に顕著であることが確認された。このことから、図2(j)および(k)の軸流羽根車10は、低回転数でより多くの出力を得ることができ、必ずしも高速回転する必要がない事業用大型風力発電機等に適していると考えられる。
As shown in Table 1, the
また、図2(c)および(h)の軸流羽根車10と比べ、空気中での図2(j)および(k)の軸流羽根車10の性能向上効果が顕著であることから、より多くの出力を得るために、空気中では増速効果を期待して、回転翼13と補助翼14との隙間16を、各回転翼13の回転方向の前方側より後方側で狭くしたものを使用するのが良いと考えられる。また、水中では吸い出し効果も期待できるため、回転翼13と補助翼14との隙間16を、各回転翼13の回転方向の前方側より後方側で広くしたものも使用できると考えられる。
Further, since the effect of improving the performance of the
また、図2(c)および(h)の軸流羽根車10では、流入口を閉塞した状態での重負荷時回転数が、開口した状態のときと比べて若干上昇しているのに対し、図2(j)および(k)の軸流羽根車10は、逆に低下していることが確認された。このことから、図2(j)および(k)の軸流羽根車10は、開口によるデフューザ効果が発現しているものと考えられる。
Further, in the axial-
10 軸流羽根車
11 スピナー
12 ナセル
13 回転翼
14 補助翼
15 補強部
16 隙間
17 支柱
DESCRIPTION OF
Claims (7)
各回転翼の上流側の表面および/または下流側の表面に、各回転翼との間に隙間をあけて設けられた複数の補助翼とを、
有することを特徴とする軸流羽根車。 Arranged equidistantly from each other around a predetermined central axis, extending radially from the central axis, receiving a flow of fluid along the central axis direction, and rotatably provided around the central axis. Multiple rotors,
On the upstream surface and / or downstream surface of each rotor, a plurality of auxiliary wings provided with a gap between each rotor,
An axial impeller comprising:
A turbine comprising the axial impeller according to any one of claims 1 to 6.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018158591A JP2020033885A (en) | 2018-08-27 | 2018-08-27 | Axial flow impeller and turbine |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2018158591A JP2020033885A (en) | 2018-08-27 | 2018-08-27 | Axial flow impeller and turbine |
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Publication Number | Publication Date |
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP (1) | JP2020033885A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112901426A (en) * | 2021-02-26 | 2021-06-04 | 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 | Wind turbine generator blade clearance monitoring device, method, system, equipment and medium |
-
2018
- 2018-08-27 JP JP2018158591A patent/JP2020033885A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN112901426A (en) * | 2021-02-26 | 2021-06-04 | 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 | Wind turbine generator blade clearance monitoring device, method, system, equipment and medium |
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Legal Events
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