JP4195468B2

JP4195468B2 - 風車翼

Info

Publication number: JP4195468B2
Application number: JP2006031707A
Authority: JP
Inventors: 梧郎田口
Original assignee: 環境エナジー株式会社
Priority date: 2006-02-08
Filing date: 2006-02-08
Publication date: 2008-12-10
Anticipated expiration: 2026-02-08
Also published as: JP2007211668A

Description

本発明は風車発電装置等に使用される風車翼に関し、詳しくは、ハブの周囲に放射状に設けられた円形断面翼をそれぞれ自転させることにより翼回転力を得るようにした風車翼に関する。

プロペラ型風車発電装置の風車翼は、流線形翼型断面形状をしているのが一般的である。

また、単純な円柱や円筒そのものからなる円形断面翼を放射状に設け、その円形断面翼自体を回転（自転）させることにより、円形断面翼が受ける気流を高速流と低速流とに分け、その円形断面翼に低速流側から高速流側に向けて作用する揚力によって翼回転力を発生させる構造の風車翼（特許文献１）や、その円形断面翼の外周面にスパイラル状のフィンを取付け、そのフィンが円形断面翼と一体となって回転することによって揚力を増加させる構造の風車翼（非特許文献１）が知られている。
特開２００５−２５６６０５号公報財団法人経済産業調査会東北支局、"東北経済産業情報東北２１２００４年１０月号−東北の元気な企業（２９）秋田発・世界に羽ばたくマグナス風車"［online］、［平成１８年１月１７日検索］、インターネット、＜URL:http://www.tohoku.meti.go.jp/koho/kohoshi/mokuji/0410/genki.htm＞

従来の流線形翼を有する風車翼の場合は、揚力を受ける方向に薄い形状になっており、軽くて高揚力な翼とするために、材料は軽量にして高強度材料を使用し、かつ翼形状は複雑な３次元形状にする場合が多く、設計製作に長期間かかり高価格となる問題を有している。

また、特許文献１に記載の円形断面翼を有する風車翼の場合は、各円形断面翼が風車翼を回転させるのに十分な揚力を得ることが難しい問題がある。

さらに、非特許文献１に記載のスパイラル状フィンを取付けた円形断面翼を有する風車翼の場合、揚力算定が高度なものとなり、スパイラル状フィンの空気抵抗により円形断面翼自体の回転動力が大きいという問題を有している。

そこで、本発明は、構造単純にして、円形断面翼に十分な揚力を作用させることにより翼回転力を増大させることができて高効率な風車翼を提供することを課題とする。

本発明の他の課題は、以下の記載により明らかとなる。

上記課題は、以下の各発明によって解決される。

（請求項１）
ハブの周囲に各々自転可能な複数本の円形断面翼を放射状に有し、該円形断面翼を自転させることによって該円形断面翼の外面を流れる気流を高速流と低速流とに分け、該円形断面翼に低速流側から高速流側に向けて作用する揚力によって翼回転力を発生させる風車翼において、
前記円形断面翼の外面を流れる気流の低速流側に前記円形断面翼に作用する外面揚力を助長させる外面揚力助長部材を、前記円形断面翼の外周面に近接させて設けたことを特徴とする風車翼。

（請求項２）
ハブの周囲に各々自転可能な複数本の円形断面翼を放射状に有し、該円形断面翼を自転させることによって該円形断面翼の外面を流れる気流を高速流と低速流とに分け、該円形断面翼に低速流側から高速流側に向けて作用する揚力によって翼回転力を発生させる風車翼において、
前記ハブ及び前記円形断面翼をそれぞれ円筒状に形成して前記ハブの一端から取り込まれた気流が前記円形断面翼内を通って該円形断面翼の先端から排出される連通路を形成すると共に、
前記連通路を流れる気流を高速流と低速流とに分け、その高速流側から低速流側に向けて前記円形断面翼に内側から内面揚力を作用させる内面揚力生成部材を、前記円形断面翼の内周面に近接させて設けたことを特徴とする風車翼。

（請求項３）
ハブの周囲に各々自転可能な複数本の円形断面翼を放射状に有し、該円形断面翼を自転させることによって該円形断面翼の外面を流れる気流を高速流と低速流とに分け、該円形断面翼に低速流側から高速流側に向けて作用する揚力によって翼回転力を発生させる風車翼において、
前記ハブ及び前記円形断面翼をそれぞれ円筒状に形成して前記ハブの一端から取り込まれた気流が前記円形断面翼内を通って該円形断面翼の先端から排出される連通路を形成すると共に、
前記連通路を流れる気流を高速流と低速流とに分け、その高速流側から低速流側に向けて前記円形断面翼に内側から内面揚力を作用させる内面揚力生成部材を、前記円形断面翼の内周面に近接させて設け、
前記円形断面翼の外面を流れる気流の低速流側に前記円形断面翼に作用する外面揚力を助長させる外面揚力助長部材を、前記円形断面翼の外周面に近接させて設けたことを特徴とする風車翼。

（請求項４）
前記外面揚力助長部材は、前記円形断面翼の外周方向に沿う配設位置が変更可能に設けられることを特徴とする請求項１又は３記載の風車翼。

（請求項５）
前記外面揚力助長部材は、前記円形断面翼の長さ方向に沿って延びる板状部材が、周方向に沿って複数枚並列されてなり、前記円形断面翼が受ける気流の上流側から順に漸次幅広状に形成されていることを特徴とする請求項１、３又は４記載の風車翼。

（請求項６）
前記内面揚力生成部材は、前記円形断面翼の長さ方向に沿って並列された複数枚の板状部材からなることを特徴とする請求項２又は３記載の風車翼。

（請求項７）
前記内面揚力生成部材は、前記円形断面翼の内周面の周方向に沿う配設位置が変更可能に設けられることを特徴とする請求項２、３又は６記載の風車翼。

本発明によれば、構造単純にして、円形断面翼に十分な揚力を作用させることにより翼回転力を増大させることができて高効率な風車翼を提供することができる。

また、風車翼の製造は３次元翼を作る場合に比較して、短期間で製作できる効果を有している。しかも、円形断面翼自体の表面には、付属物は何も取り付けられていないため、空気抵抗を増大させるおそれはなく、円形断面翼自体の回転動力も最小限で済む。

また、風車翼を金属製にする場合は、機械加工が可能な、大量生産に適した風車翼を製造することが出来る。

風車翼断面の基本形状が円形であることは、揚力の作用する方向に薄形である流線形翼に対し、同一材料量を使用する場合、構造上強い翼を製作することが出来る。

外面揚力助長部材を、風上側から風下側の軸に対して任意の角度に調整することが可能であるため、円形断面翼は風速に見合った最高効率を得ることが出来る。

本発明の風車翼は、円形断面翼をモータで回転させるものであり、そのために内部消費動力を必要としているが、円形断面翼には、直接外面揚力助長部材や内面揚力生成部材が付着していないために、回転抵抗は小さく、内部消費動力の小さい風車翼を提供することが出来る。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１は本発明に係る風車翼の一例を示す正面図、図２は１つの円形断面翼を示す断面図であり、図１のＡ−Ａ線に沿う断面を示している。また、図３は図２のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。

本発明に係る風車翼１は、ハブ２の周囲に、所要長さを有する円形断面翼３が、所要本数放射状に取付けられている。図１では３本の円形断面翼３を示すが、本数は何ら限定されない。

また、図２において、４は円形断面翼３の外側に配設された外面揚力助長部材、５は円形断面翼３の内側に配設された内面揚力生成部材、６は風車翼１の主軸、７は風車のプレナムである。図２、図３中のＸ−Ｘは風車翼１の回転軸を示している。

ハブ２は、風上側となる一端に開口２１を有する中空円筒形状であり、その外周面に向けて円形断面翼３を取付けるための円筒状の翼連結筒２２が放射状に突設されている。

翼連結筒２２の内側には、外面揚力助長部材４を取付けるための取付筒４１が軸受４２を介して同芯状に設けられ、更にその取付筒４１の内側に、軸受４３を介して円形断面翼３の内端側がハブ２の内部にまで貫通するように配置されて支持されている。

円形断面翼３は両端が開口した中空円筒形状であり、ハブ２の内部に位置する内端の外周には歯車３１が設けられ、ピニオン歯車３２を介して、ハブ２内部に固定されている自転用駆動モータ３３の駆動力が伝達されるようになっている。円形断面翼３は、この自転用駆動モータ３３の駆動により、風車翼１に近寄る風速に最適な回転数で、図３に示す時計方向に各々自転するように制御される。

外面揚力助長部材４は、各々自転する円形断面翼３が風を受けた際に発生する揚力を助長させて風車翼１の翼回転力を増大させるためのものであり、板状部材によって形成されている。本実施形態では５枚の板状部材４ａ〜４ｅを示しているが、枚数は何ら限定されない。

板状部材４ａ〜４ｅは、円形断面翼３の翼連結筒２２から突出する部分の長さとほぼ同程度から円形断面翼３の直径程度の長さを有している。各板状部材４ａ〜４ｅは、円形断面翼３の長手方向に沿って所定間隔をおいて並列し、それらの一端が取付筒４１のハブ２から突出している端部にそれぞれ固定され、他端が円形断面翼３の先端に軸受４４を介して設けられた取付環４５にそれぞれ固定されている。

また、各板状部材４ａ〜４ｅは、円形断面翼３の外周面に対して放射状に配置されているが、円形断面翼３の外周面には接しておらず、僅かな隙間を設けて近接するように設けられている。円形断面翼３と各板状部材４ａ〜４ｅとの隙間は狭い程好ましいが、例えば円形断面翼３の直径を１００ｍｍとした場合、隙間は０．５ｍｍ、直径を３００ｍｍとした場合、隙間は１ｍｍとすることができる。

さらに、板状部材４ａ〜４ｅのそれぞれは、ハブ２の開口２１に最も近い（円形断面翼３が受ける気流の上流側の）板状部材４ａから最も遠い板状部材４ｅに行くに従って順に、漸次幅広状となるように形成されている。

これら板状部材４ａ〜４ｅの一端が固定される取付筒４１の内端は、ハブ２の内部に位置しており、その外周には歯車４６が設けられ、ピニオン歯車４７を介して、ハブ２内部に固定されているサーボモータ４８の駆動力が伝達されるようになっている。従って、板状部材４ａ〜４ｅからなる外面揚力助長部材４は、このサーボモータ４８の駆動により円形断面翼３とは独立に、その廻りを板状部材４ａ〜４ｅが一体となって回転可能であり、任意の位置で停止して位置決めされることにより、円形断面翼３の周方向に沿う位置が変更可能とされ、円形断面翼３に対して揚力を増大させるに最適な位置で停止するように制御されるようになっている。

外面揚力助長部材４をこのように複数の板状部材により形成する場合、板状部材４ａから板状部材４ｅまでの角度範囲βは、０°〜１８０°の角度範囲とすることが好ましい。０°は１枚の板状部材によって外面揚力助長部材４を構成した場合である。

内面揚力生成部材５は、各々自転する円形断面翼３に内側から内面揚力を作用させることにより風車翼１の翼回転力を助長させるためのものであり、複数枚の板状部材によって形成されている。本実施形態では８枚の板状部材を示しているが、枚数は何ら限定されない。

各内面揚力生成部材５は、円形断面翼３の内周面に沿うような略円弧形状に形成されており、円形断面翼３の長さ方向に沿って所定間隔をおき、且つ、円形断面翼３の内周面には接しておらず、僅かな隙間を設けて近接するように並設されている。各内面揚力生成部材５の円形断面翼３の内周面に沿う長さは、円形断面翼３の内周長さの１／４〜１／２であることが好ましい。

内面揚力生成部材５の両端は、それぞれ支持板５１に連結されており、その支持板５１の一端部が、ハブ２の内部において円形断面翼３の内側に軸受５２を介して同芯状に設けられた円筒状の取付筒５３に固定されている。

取付筒５３の内端は、ハブ２の内部に位置しており、その外周には歯車５４が設けられ、ピニオン歯車５５を介して、ハブ２内部に固定されているサーボモータ５６の駆動力が伝達されるようになっている。従って、各内面揚力生成部材５は、このサーボモータ５６の駆動により円形断面翼３とは独立して、その内部を一体となって回転可能であり、任意の位置で停止して位置決めされることにより、円形断面翼３の内周に沿う位置が変更可能とされ、円形断面翼３に対して翼回転力を発生させるに最適な位置で停止するように制御されるようになっている。

この取付筒５３は、その内部を介してハブ２の内部空間と円形断面翼３の内部空間とを連通させている。従って、これらハブ２、取付筒５３及び円形断面翼３のそれぞれの内部空間によって、ハブ２の開口２１から取り込まれた気流（風）を、取付筒５３を通って、円形断面翼３の先端から排出させる連通路が形成される。このとき、円形断面翼３の内部を通る気流は、円形断面翼３の内部を高速で一気に通過する内面高速流部分１００と、内面揚力生成部材５に遮られることにより停滞ないしは渦流となって円形断面翼３の内周面に衝突する内面低速流部分２００とに分けられる。そして、このようにして内面揚力生成部材５によって創生された内面高速流部分１００側から内面低速流部分２００側に向けて、円形断面翼３の内周面を押す力（内面揚力）が作用することにより、円形断面翼３の内側から風車翼１を回転させる翼回転力を発生させる。

次に、本発明に係る風車翼の作用について説明する。図４は円形断面翼の作用を説明する図であり、同図において、図２に示すハブ２の開口２１は風車翼回転軸Ｘ−Ｘ線左側を向いているものとする。また、風は左から各円形断面翼３に近寄るものとする。

自転用駆動モータ３３を駆動させることにより、風速に応じた回転数で円形断面翼３を図４における時計方向に回転させると、円形断面翼３の図示上方の気流は、円形断面翼３の自転によって外面高速流部分１０１となってすり抜ける一方、図示下側の気流は外面低速流部分２０１となって流れる。このため、円形断面翼３の周囲を流れる気流は、図４において円形断面翼３に対して右上方向に揚力を作用させる。

このとき、外面揚力助長部材４は、サーボモータ４８が駆動制御されることにより、円形断面翼３の揚力を増大させるのに最適な位置に移動されて停止している。円形断面翼３の外周面に沿う外面低速流部分２０１は、流れが外面揚力助長部材４によって停滞ないしは渦流になって円形断面翼３に衝突しながら流れることにより、円形断面翼３に作用する外面揚力をさらに助長させ、増大させる。外面揚力助長部材４は、図４においては風車翼回転軸Ｘ−Ｘ線の下方に位置制御されている。

また、円形断面翼３の内部では、ハブ２の開口２１から取り込まれた気流が、円形断面翼３内部を通り抜ける。このとき、内面揚力生成部材５は、サーボモータ５６が駆動制御されることにより、円形断面翼３による翼回転力を増大させるのに最適な位置に移動されて停止している。図４では、Ｘ−Ｘ線を回転軸とする最も翼回転方向側に位置して停止している。円形断面翼３内を流れる気流は内面高速流部分１００と、内面揚力生成部材５に遮られて停滞ないしは渦流となる内面低速流部分２００とに分けられ（図２参照）、内面高速流部分１００から内面低速流部分２００の方向に向けて力を作用させる。これにより、円形断面翼３の内側から内面揚力作用させる。

このように、本発明の風車翼１によれば、外面揚力助長部材４と内面揚力生成部材５によって、円形断面翼３の外側と内側とから翼回転力を作用させることにより、円形断面翼３単独で自転させる場合に比べて翼回転力を増大させることができ、結果として高効率に風車翼１を回転させることができるようになる。即ち、図４において、外面力揚力Ｌ５００の風車翼回転軸Ｘ−Ｘ線の直角方向分力Ｓ５０１と内面揚力Ｔ５０２の和が翼回転力Ｕ５０３となり（Ｕ＝Ｓ＋Ｔ）、風車翼回転力を増大させることができるようになっている。

なお、内面揚力生成部材５は、翼回転方向と反対位置に位置調整すれば、風車翼１の回転に対してブレーキを掛けるように作用させることができる。また、風車翼１の回転停止時には、内面揚力生成部材５を風上側位置に位置調整すれば、停止した風車翼１に掛かる抗力を軽減することができる。

また、本発明の風車翼１は、外面揚力助長部材４及び／又は内面揚力生成部材５によって円形断面翼３に作用する揚力が増大化されるので、例えば円形断面翼３を自転させるための自転用駆動モータ３３の不具合等により円形断面翼３を自転させることができない場合や、風車翼１に近寄る風速が十分に大きいような場合には、円形断面翼３を自転させずに固定翼としても、ある程度の翼回転力を創生することができる。

本発明において、円形断面翼３は内端から先端にかけてほぼ同一径に形成されているが、これに限らず、例えば遠心力を軽減するために、先端に行くほど細くしたような頭を切った円錐台状に形成することもできる。

また、円形断面翼３は、それぞれ自転用駆動モータ３３によって駆動させるようにしたが、１台の自転用駆動モータの駆動力を歯車等の動力伝達機構によって各円形断面翼３に伝達するようにしてもよい。

さらに、外面揚力助長部材４及び内面揚力生成部材５をそれぞれ駆動させるサーボモータ４８、５６も、１台のサーボモータの駆動力を歯車リンク等の動力伝達機構によって外面揚力助長部材４及び内面揚力生成部材５の各取付筒４１、５３に伝達するようにしてもよい。

また、本実施形態では、円形断面翼３に外面揚力助長部材４と内面揚力生成部材５の双方を設けるようにした最も好ましい態様を例示したが、本発明に係る風車翼１は、外面揚力助長部材４又は内面揚力生成部材５のいずれか一方のみを設けるだけでも、円形断面翼３単独で自転させる場合に比べて翼回転力を増大させる効果が期待できる。外面揚力助長部材４のみを設ける場合は、ハブ２及び円形断面翼３は必ずしも中空形状でなくてもよい。

さらに、外面揚力助長部材４は、本実施形態では複数枚設置されているが、必ずしも複数枚に限るものではなく、単独１枚でもその効果は期待できる。

また、外面揚力助長部材４は、本実施形態では円形断面翼３の長手方向に沿って直線板状であるが、必ずしも直線であることに限らず、円形断面翼３の先端に行くに従って、円形断面翼３との円周方向位置が変わる、いわゆるねじれ形状であってもよい。

本発明に係る風車翼の一例を示す正面図図１のＡ−Ａ線に沿う断面図図２のＢ−Ｂ線に沿う断面図円形断面翼の作用を説明する図

符号の説明

１：風車翼
２：ハブ
２１：開口
３：円形断面翼
３１：歯車
３２：ピニオン歯車
３３：自転用駆動モータ
４：外面揚力助長部材
４ａ〜４ｅ：板状部材
４１：取付筒
４２、４３、４４：軸受
４５：取付環
４６：歯車
４７：ピニオン歯車
４８：サーボモータ
５：内面揚力生成部材
５１：支持板
５２：軸受
５３：取付筒
５４：歯車
５５：ピニオン歯車
５６：サーボモータ
６：主軸
７：プレナム
１００：内面高速流部分
１０１：外面高速流部分
２００：内面低速流部分
２０１：外面低速流部分
５００：外面揚力Ｌ
５０１：外面揚力Ｌの翼回転軸直角方向分力Ｓ
５０２：内面揚力Ｔ
５０３：翼回転力Ｕ（＝Ｓ＋Ｔ）

Claims

ハブの周囲に各々自転可能な複数本の円形断面翼を放射状に有し、該円形断面翼を自転させることによって該円形断面翼の外面を流れる気流を高速流と低速流とに分け、該円形断面翼に低速流側から高速流側に向けて作用する揚力によって翼回転力を発生させる風車翼において、
前記円形断面翼の外面を流れる気流の低速流側に前記円形断面翼に作用する外面揚力を助長させる外面揚力助長部材を、前記円形断面翼の外周面に近接させて設けたことを特徴とする風車翼。
ハブの周囲に各々自転可能な複数本の円形断面翼を放射状に有し、該円形断面翼を自転させることによって該円形断面翼の外面を流れる気流を高速流と低速流とに分け、該円形断面翼に低速流側から高速流側に向けて作用する揚力によって翼回転力を発生させる風車翼において、
前記ハブ及び前記円形断面翼をそれぞれ円筒状に形成して前記ハブの一端から取り込まれた気流が前記円形断面翼内を通って該円形断面翼の先端から排出される連通路を形成すると共に、
前記連通路を流れる気流を高速流と低速流とに分け、その高速流側から低速流側に向けて前記円形断面翼に内側から内面揚力を作用させる内面揚力生成部材を、前記円形断面翼の内周面に近接させて設けたことを特徴とする風車翼。
ハブの周囲に各々自転可能な複数本の円形断面翼を放射状に有し、該円形断面翼を自転させることによって該円形断面翼の外面を流れる気流を高速流と低速流とに分け、該円形断面翼に低速流側から高速流側に向けて作用する揚力によって翼回転力を発生させる風車翼において、
前記ハブ及び前記円形断面翼をそれぞれ円筒状に形成して前記ハブの一端から取り込まれた気流が前記円形断面翼内を通って該円形断面翼の先端から排出される連通路を形成すると共に、
前記連通路を流れる気流を高速流と低速流とに分け、その高速流側から低速流側に向けて前記円形断面翼に内側から内面揚力を作用させる内面揚力生成部材を、前記円形断面翼の内周面に近接させて設け、
前記円形断面翼の外面を流れる気流の低速流側に前記円形断面翼に作用する外面揚力を助長させる外面揚力助長部材を、前記円形断面翼の外周面に近接させて設けたことを特徴とする風車翼。
前記外面揚力助長部材は、前記円形断面翼の外周方向に沿う配設位置が変更可能に設けられることを特徴とする請求項１又は３記載の風車翼。
前記外面揚力助長部材は、前記円形断面翼の長さ方向に沿って延びる板状部材が、周方向に沿って複数枚並列されてなり、前記円形断面翼が受ける気流の上流側から順に漸次幅広状に形成されていることを特徴とする請求項１、３又は４記載の風車翼。
前記内面揚力生成部材は、前記円形断面翼の長さ方向に沿って並列された複数枚の板状部材からなることを特徴とする請求項２又は３記載の風車翼。
前記内面揚力生成部材は、前記円形断面翼の内周面の周方向に沿う配設位置が変更可能に設けられることを特徴とする請求項２、３又は６記載の風車翼。