JP4482649B2

JP4482649B2 - サボニウスタービン

Info

Publication number: JP4482649B2
Application number: JP2003376644A
Authority: JP
Inventors: 良夫清水
Original assignee: Tokai University Educational Systems
Current assignee: Tokai University Educational Systems
Priority date: 2003-04-18
Filing date: 2003-11-06
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2023-11-06
Also published as: WO2004092578A1; JP2004332716A

Description

この発明は、サボニウスタービンに係わり、特に、風或いは水流などの流体エネルギーを機械的エネルギー（動力）に変換する装置の中で、サボニウス型として知られている風車或いは水車用のサボニウスタービンに関する。

上述した従来のサボニウスタービンとして、図９（ａ）〜（ｃ）に示すものが知られている。同図（ａ）に示すように、サボニウスタービンは、回転可能に支持された回転軸１と、回転軸対称に配置された断面円弧状の２枚の翼２とを備えている。また、同図（ｂ）に示すように、翼２の回転軸１側の端部Ｔ₁に、回転軸１を挟んで互いにギャップ３を持たせるものや、同図（ｃ）に示すように３枚の翼２が配置されているものが知られている。

何れも回転軸１を鉛直方向に配置すれば無指向性となり、構造が単純で製作し易くしかも大きな起動トルクを持つことから広く使用されているが、最大効率（翼２を通過する流体の持つエネルギーに対するタービン出力の比）は最大１０％強と小さいのが欠点とされている。

そこで、効率向上を図るために、図１０に示すように、翼２にスリット２ａを設けたサボニウス風車が特許文献１に記載されている。このサボニウス風車によれば、スリット２ａにより、翼２から剥離する渦列や翼２間に存在する渦等、翼２の揚力を低下させる要因となる渦の形状を小さくして、効率向上を図っている。

しかしながら、上述したサボニウス風車は、図１０（ｂ）に示すように、スリット２ａを挟んで回転軸１側に配置された回転軸側翼２ｂと、回転軸１の反対側に配置された反対側翼２ｃとが同一の円弧状に形成され、これにより、スリット２ａは、翼２が形成する円弧の半径方向に向いて設けられることになる。このため、スリット２ａを通過した流れは、矢印Ｙ１に示すように、円弧の半径方向の外側に向かって加速して流れてしまうため、翼２からの剥離を効率良く防止しているとは言い難い。
特開平６−３２３２３７号公報

そこで、本発明は、上記のような問題点に着目し、起動トルクの向上及び流体エネルギーから機械エネルギーの変換効率向上を図ったサボニウスタービンを提供することを課題とする。

上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、回転可能に支持された回転軸と、前記回転軸を中心として回転対称に配置され、前記回転軸と垂直方向の断面弧状の複数の翼とを備えたサボニウスタービンであって、前記翼は、前記回転軸とは反対側寄りに設けられたスロットを有し、該スロットは、当該スロットから前記回転軸側を構成する回転軸側翼の凸面に沿った方向に向いて設けられていることを特徴とするサボニウスタービンに存する。

請求項１記載の発明によれば、翼には、回転軸とは反対側寄りにスロットが設けられている。また、スロットは、このスロットから回転軸側を構成する回転軸側翼の凸面に沿った方向に向いて設けられている。以上の構成により、スロットによって、回転軸側翼の凸面に沿った方向に加速した流れを作り、回転軸側翼の凸面での流体の剥離を効率的に防ぐことができる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のサボニウスタービンであって、前記回転軸側翼は、流線型状に形成することを特徴とするサボニウスタービンに存する。

請求項２記載の発明によれば、回転軸側翼が流線型状に形成されているので、回転軸側翼表面に沿った気流の流れを円滑にして、回転軸側翼の凸面での流体の剥離をより効果的に防ぐことができる。しかも、流線型状に形成することにより、流線型状に形成しない場合に比べて厚みが増し、回転軸側翼の曲げ剛性を高めることができる。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載のサボニウスタービンであって、前記スロットから前記回転軸とは反対側の反対側翼を、流線型状に形成することを特徴とするサボニウスタービンに存する。

請求項３記載の発明は、反対側翼が流線型状に形成されているので、反対側翼表面の気流の流れを円滑にして、反対側翼の凹面での流体の剥離をより効果的に防ぐことができる。しかも、流線型状に形成することにより、流線型状に形成しない場合に比べて厚みが増し、反対側翼の曲げ剛性を高めることができる。

請求項４記載の発明は、請求項２又は３記載のサボニウスタービンであって、前記翼は、前記凸面側における前記回転軸と反対側の一端から前記回転軸側の他端までの距離が、前記凹面側における前記回転軸と反対側の一端から前記回転軸側の他端までの距離より長くなるような流線型状に形成することを特徴とするサボニウスタービンに存する。

請求項４記載の発明によれば、翼は、凸面側における回転軸と反対側の一端から回転軸側の他端までの距離が、凹面側における回転軸と反対側の一端から回転軸側の他端までの距離より長くなるような流線型状に形成されている。従って、気流により、凹面側から凸面側に発生する力を増すことができる。

請求項５記載の発明は、請求項１〜４何れか１項記載のサボニウスタービンであって、前記スロットは、当該スロットから前記回転軸とは反対側の反対側翼を、前記回転側翼の凸面より外側に配置することにより形成されていることを特徴とするサボニウスタービンに存する。

請求項５記載の発明によれば、スロットから回転軸とは反対側の反対側翼を、回転側翼の凸面より外側に配置することにより、スロットが形成されている。従って、簡単な構成で回転軸側翼の凸面に沿った方向に向いたスロットを設けることができる。

請求項６記載の発明は、請求項５記載のサボニウスタービンであって、前記反対側翼の前記回転軸側の端部は、前記回転軸側翼の前記回転軸と反対側の端部より回転軸側に配置されていることを特徴とするサボニウスタービンに存する。

請求項６記載の発明によれば、反対側翼の回転軸側の端部が、回転軸側翼の回転軸と反対側の端部より回転軸側に配置されている。以上の構成により、スロットによって、回転軸側翼の凸面に沿った方向に、より一層、加速した流れを作ることができる。

請求項７記載の発明は、請求項１〜６何れか１項記載のサボニウスタービンであって、前記翼の回転軸側の端部は、前記回転軸を挟んで互いに離間していることを特徴とするサボニウスタービンに存する。

請求項７記載の発明によれば、翼の回転軸側の端部が回転軸を挟んで互いに離間しているサボニウスタービンにおいても、スロットによって、回転軸側翼の凸面に沿った方向に加速した流れを作り、回転軸側翼の凸面での流体の剥離を効率的に防ぐことができる。

請求項８記載の発明は、請求項１〜６何れか１項記載のサボニウスタービンであって、前記翼の回転軸側の端部は、前記回転軸に結合されていることを特徴とするサボニウスタービンに存する。

請求項８記載の発明によれば、翼の回転軸側の端部が回転軸に結合されているサボニウスタービンにおいても、スロットによって、回転軸側翼の凸面に沿った方向に加速した流れを作り、回転軸側翼の凸面での流体の剥離を効率的に防ぐことができる。

請求項９記載の発明は、請求項１〜８何れか１項記載のサボニウスタービンであって、前記スロットは、一つの翼に複数設けられていることを特徴とするサボニウスタービンに存する。

請求項９記載の発明によれば、スロットが、一つの翼に複数設けられている。以上の構成により、広い範囲で流体の剥離を防ぐことができる。

以上説明したように、請求項１記載の発明によれば、スロットによって、回転軸側翼の凸面に沿った方向に加速した流れを作り、回転軸側翼の凸面での流体の剥離を効率的に防ぐことができるので、起動トルクの向上及び流体エネルギーから機械エネルギーの変換効率向上を図ったサボニウスタービンを得ることができる。

請求項２記載の発明によれば、回転軸側翼表面に沿った気流の流れを円滑にして、回転軸側翼の凸面での流体の剥離をより効果的に防ぐことができるので、より一層の起動トルクの向上及び流体エネルギーから機械エネルギーの変換効率向上を図ることができる。しかも、流線型状に形成することにより、流線型状に形成しない場合に比べて厚みが増し、回転軸側翼の曲げ剛性を高めることができるサボニウスタービンを得ることができる。

請求項３記載の発明によれば、反対側翼表面の気流の流れを円滑にして、反対側翼の凹面での流体の剥離をより効果的に防ぐことができるので、より一層の起動トルクの向上及び流体エネルギーから機械エネルギーの変換効率を図ることができる。しかも、流線型状に形成することにより、流線型状に形成しない場合に比べて厚みが増し、反対側翼の曲げ剛性を高めることができるサボニウスタービンを得ることができる。

請求項４記載の発明によれば、気流により、凹面側から凸面側に発生する力を増すことができるので、より一層の起動トルクの向上及び流体エネルギーから機械エネルギーの変換効率を図ることができるサボニウスタービンを得ることができる。

請求項５記載の発明によれば、簡単な構成で回転軸側翼の凸面に沿った方向に向いたスロットを設けることができるサボニウスタービンを得ることができる。

請求項６記載の発明によれば、スロットによって、回転軸側翼の凸面に沿った方向に、より一層、加速した流れを作ることができるので、より一層、起動トルクの向上及び変換効率の向上を図ったサボニウスタービンを得ることができる。

請求項７記載の発明によれば、翼の回転軸側の端部が回転軸を挟んで互い離間しているサボニウスタービンにおいても、起動トルクの向上及び変換効率の向上を図ったサボニウスタービンを得ることができる。

請求項８記載の発明によれば、翼の回転軸側の端部が回転軸に結合されているサボニウスタービンにおいても、起動トルクの向上及び流体エネルギーから機械エネルギーの変換効率向上を図ったサボニウスタービンを得ることができる。

請求項９記載の発明によれば、スロットによって回転軸翼の凸面に沿った方向により一層加速した流れを作ることができるので、より一層、起動トルクの向上及び変換効率の向上を図ったサボニウスタービンを得ることができる。

第１実施形態
以下、この発明の一実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は、第１実施形態における本発明のサボニウスタービンの斜示図であり、図２は図１のサボニウスタービンの簡略Ｘ−Ｘ線断面図である。これらの図に示すように、サボニウスタービンは、回転可能に支持された回転軸１０と、回転軸１０を中心として、互いに１８０度離れて、回転対称に配置された２枚の板状の翼２０とを備える。

この翼２０は、図２に示すように、回転軸１０と垂直方向の断面が円弧状に形成されている。また、翼２０の回転軸１０側の端部Ｔ₂は、回転軸１０を挟んで互いに離間して配置されている。

さらに、各翼２０には、矢印Ｙ２で示す回転軸１０とは反対側寄りにスロット２０ａが設けられている。今、翼２０において、スロット２０ａから、矢印Ｙ２で示す回転軸１０とは反対側を構成する部分を第１の翼部２０ｂ（＝請求項中の反対側翼に相当する）とし、スロット２０ａから、矢印Ｙ３で示す回転軸１０側を構成する部分を第２の翼部２０ｃ（＝請求項中の回転軸側翼に相当する）とする。上記第１の翼部２０ｂは、図２に示すように、第２の翼部２０ｃの凸面より外側、つまり、矢印Ｙ４側に配置されている。これにより、スロット２０ａは、第２の翼部２０ｃの凸面（図２中の上側にある第２の翼部２０ｃについては上側にある面）に沿った方向に向いて設けられることになる。

上述した構成のサボニウスタービンは、航空機の高揚力装置に用いられている隙間翼（スラット）が、翼上面に加速した気流を作り、翼上面における気流剥離を防ぐことにより高い揚力を実現するものと同様の原理で、起動トルクを大きくしている。

ここで起動時風向きが矢印Ｙ６（図２参照）にあるとすれば、図２中左側の翼２０のスロット２０ａでは、矢印Ｙ５に示すように、負圧状態にある第２の翼部２０ｃの凸面に沿った方向に加速した流れが発生する。この流れにより、第２の翼部２０ｃの凸面における気流の剥離を防止あるいは遅らせることができ、大きな起動トルクが発生する。

一方、図２中右側の翼２０においてはスロット２０ａに生じる矢印Ｙ７方向の気流はその翼２０の凸面の正圧を緩和して右側の翼２０の持つ負のトルクを低減する。この様にしてスロット２０ａは左右両翼２０において起動トルクの増大をもたらす。

なお、スロット２０ａとしては、図３の拡大図に示すように、上述した第１の翼部２０ｂの回転軸１０側の端部Ｔ₄を、第２の翼部２０ｃの回転軸１０とは反対側の端部Ｔ₃より矢印Ｙ３で示す回転軸１０側に配置して、スロット２０ａを通過する気流の流れをより一層加速することも考えられる。

第２実施形態
また、上述した第１実施形態では、翼２０の回転軸１０側の端部Ｔ₂が、回転軸１０を挟んで離間しているサボニウスタービンの翼２０にスロット２０ａを設けていた。また、一つの翼２０に、一つのスロット２０ａを設けていた。しかしながら、例えば、図４に示すように、翼２０の回転軸１０側の端部Ｔ₂が回転軸１０に結合されているサボニウスタービンの翼２０にスロットを設けることも考えられる。また、一つの翼２０に、２つのスロット２０ａ１、２０ａ２を設けることも考えられる。

この場合、翼２０は、同図に示すように、スロット２０ａ１から矢印Ｙ２で示す回転軸１０とは反対側を構成する第１の翼部２０ｂと、スロット２０ａ１から矢印Ｙ３で示す回転軸１０側を構成し、かつ、スロット２０ａ２から回転軸１０とは反対側を構成する第２の翼部２０ｃと、スロット２０ａ２から回転軸１０側を構成する第３の翼部２０ｄとから成る。このことから明らかなように、スロット２０ａ１に対しては、第１の翼部２０ｂが請求項中の反対側翼に相当して、第２の翼部２０ｃが回転軸側翼に相当する。一方、スロット２０ａ２に対しては、第２の翼部２０ｃが反対側翼に相当し、第３の翼部２０ｄが回転軸側翼に相当する。

また、第１の翼部２０ｂは、第２の翼部２０ｃの凸面より外側に配置され、第２の翼部２０ｃは、第３の翼部２０ｄの凸面より外側に配置されている。これにより、スロット２０ａ１は、第２の翼部２０ｃの凸面に沿った方向に向いて設けられ、スロット２０ａ２は、第３の翼部２０ｃの凸面に沿った方向に向いて設けられる。

今、ここで起動時風向きが矢印Ｙ６にあるとすれば、図４中左側の翼２０のスロット２０ａ１では、矢印Ｙ８に示すように、負圧状態にある第２及び第３の翼部２０ｃ、２０ｄの凸面に沿った方向に加速した流れが発生する。さらに、スロット２０ａ２では、矢印Ｙ９に示すように、負圧状態にある第３の翼部２０ｄの凸面に沿った方向に加速した流れが発生する。これらの流れにより、第２及び第３の翼部２０ｃ、２０ｄの凸面における気流の剥離を防止あるいは遅らせることができ、大きな起動トルクが発生する。また、この様に、スロットを２つ又は２つ以上の複数設けることにより広い範囲で剥離を防ぐことができる。

一方、図４中右側の翼２０においてはスロット２０ａ１、２０ａ２に生じる矢印Ｙ１０、Ｙ１１方向の気流はその翼２０の凸面の正圧を緩和して右側の翼２０の持つ負のトルクを低減する。この様にしてスロット２０ａ１、２０ａ２は左右両翼２０において起動トルクの増大をもたらす。

第３実施形態
上述した第１及び第２実施形態においては、２枚の翼を持つサボニウスタービンにスロットを設けていたが、例えば、図５に示すように３枚の翼２０を持つサボニウスタービンにスロットを設けることも考えられる。上記第１及び第２実施形態で示した２枚の翼を持つサボニウスタービンにおいては風向き対する風車トルクの変動は１８０度周期である。これに対して、図５に示すような、３枚の翼２０を持つサボニウスタービンは、風向きに対する起動トルクの変動を１２０度とすることができ起動を円滑に行うことができる。

なお、上述した第１〜第３実施形態においてはサボニウスタービンを風車に適用した場合について説明したが、これを水車に適用することも可能である。この場合水あるいは海水の粘性係数は空気に比べて数百強であるので、スロットの位置及び幅については適切に設定する。

第４実施形態
上述した第１〜第３実施形態においては、厚さがほぼ均一の板状の翼２０について説明していた。しかしながら、例えば、図６及び図７に示すように、第１の翼部２０ｂに、凸面側における回転軸１０と反対側の一端Ｔ₅₁から回転軸１０側の他端Ｔ₅₂までの距離Ｌ₁₁が、凹面側における一端Ｔ₅₁から他端₅₂までの距離Ｌ₁₂より長くなるような流線型状の厚み分布を与えることも考えられる。さらに、第２の翼部２０ｃに、凸面側における回転軸１０と反対側の一端Ｔ₆₁から回転軸１０側の他端Ｔ₆₂までの距離Ｌ₂₁が、凹面側における一端Ｔ₆₁から他端₆₂までの距離Ｌ₂₂より長くなるような流線型状の厚み分布を与えることも考えられる。

以上のように、第１の翼部２０ｂ及び第２の翼部２０ｃに流線型状の厚み分布を与えることにより、第１の翼部２ｂ、第２の翼部２０ｃの表面に沿った気流の流れを円滑にし、第１の翼部２ｂ、第２の翼部２ｃの凸面での流体の剥離をより効果的に防ぐことができる。このため、より一層の起動トルクの向上及び流体エネルギーから機械エネルギーの変換効率向上を図ることができる。

しかも、流線型状に形成することにより、第１〜第３実施形態に示すように流線型状に形成しない場合に比べて第１の翼部２０ｂ、第２の翼部２０ｃの厚みが増し、第１の翼部２０ｂ、第２の翼部２０ｂの曲げ剛性を高めることもできる。

さらに、第１の翼部２０ｂにおいて凸面側の距離Ｌ₁₁が凹面側の距離Ｌ₁₂より長くなるように、また、第２の翼部２０ｃにおいて凸面側の距離Ｌ₂₁が凹面側の距離Ｌ₂₂より長くなるように流線型状に形成している。これにより、距離が長くなる凸面側に沿った流体の流速が増加し、凸面側が凹面側に比べて気圧が低くなり、これに伴って第１の翼部２０ｂ、第２の翼部２０ｃには、凹面から凸面に向かう力が発生する。従って、この力がサボニウスタービンの回転トルクとなるため、一層起動トルクの向上及び流体エネルギーから機械エネルギーへの変換効率向上を図ることができる。

この流線型状の翼は、図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、スロットを複数設けた場合や、翼を３つ以上設けた場合にも適用することができる。

第１実施形態における本発明のサボニウスタービンの斜示図である。図１のサボニウスタービンの簡略Ｘ−Ｘ線断面図である。図１に示すスロット２０ａ付近の拡大図である。第２実施形態におけるサボニウスタービンの簡略断面図である。第３実施形態におけるサボニウスタービンの簡略断面図である。第４実施形態におけるサボニウスタービンの斜示図である。第４実施形態におけるサボニウスタービンの簡略Ｘ−Ｘ線断面図である。他の実施形態におけるサボニウスタービンの簡略断面図である。従来のサボニウスタービンの一例を示す簡略断面図である。従来のスリット２ａが設けられた翼２を有するサボニウスタービンの一例を示す図である。

符号の説明

１０回転軸
２０翼
２０ａスロット
２０ｂ第１の翼部（反対側翼）
２０ｃ第２の翼部（回転軸側翼）
Ｔ₂ 端部
Ｔ₅₁、Ｔ₆₁ 一端
Ｔ₅₂、Ｔ₆₂ 他端

Claims

回転可能に支持された回転軸と、前記回転軸を中心として回転対称に配置され、前記回転軸と垂直方向の断面弧状の複数の翼とを備えたサボニウスタービンであって、
前記翼は、前記回転軸とは反対側寄りに設けられたスロットを有し、
該スロットは、当該スロットから前記回転軸側を構成する回転軸側翼の凸面に沿った方向に向いて設けられていることを特徴とするサボニウスタービン。
請求項１記載のサボニウスタービンであって、
前記回転軸側翼は、流線型状に形成することを特徴とするサボニウスタービン。
請求項１又は２記載のサボニウスタービンであって、
前記スロットから前記回転軸とは反対側の反対側翼を、流線型状に形成することを特徴とするサボニウスタービン。
請求項２又は３記載のサボニウスタービンであって、
前記翼は、前記凸面側における前記回転軸と反対側の一端から前記回転軸側の他端までの距離が、前記凹面側における前記回転軸と反対側の一端から前記回転軸側の他端までの距離より長くなるような流線型状に形成することを特徴とするサボニウスタービン。
請求項１〜４何れか１項記載のサボニウスタービンであって、
前記スロットは、当該スロットから前記回転軸とは反対側の反対側翼を、前記回転側翼の凸面より外側に配置することにより形成されていることを特徴とするサボニウスタービン。
請求項５記載のサボニウスタービンであって、
前記反対側翼の前記回転軸側の端部は、前記回転軸側翼の前記回転軸と反対側の端部より回転軸側に配置されていることを特徴とするサボニウスタービン。
請求項１〜６何れか１項記載のサボニウスタービンであって、
前記翼の回転軸側の端部は、前記回転軸を挟んで互いに離間していることを特徴とするサボニウスタービン。
請求項１〜６何れか１項記載のサボニウスタービンであって、
前記翼の回転軸側の端部は、前記回転軸に結合されていることを特徴とするサボニウスタービン。
請求項１〜８何れか１項記載のサボニウスタービンであって、
前記スロットは、一つの翼に複数設けられていることを特徴とするサボニウスタービン。