JP4736003B2 - 非定常流れを利用した流体機械、風車、及び流体機械の内部流れ増速方法 - Google Patents

Description

本発明は、内外部流れの中で運転する非定常流れを利用した流体機械と、大気中の風による内部流れを増速して高出力の発電を行う風車、及び流体機械の内部流れ増速方法に関する。

近年、地球温暖化を始めとする地球規模の環境問題、あるいは無尽蔵と錯覚されてきた石油等のエネルギー資源が枯渇し始めた、というエネルギー問題が、世界の共通の認識になりつつある。

このような状況下、ＣＯ_２を排出しない風力発電が環境問題、エネルギー問題の双方を解決するエネルギー生産手段として脚光を浴びている。しかし、風力発電装置は大型風車で高効率と言われるものでも、風車の内部を流れる風の運動エネルギーの４０％程度を電力に変換できるだけである。この変換量が向上すれば風力発電は更に環境問題、エネルギー問題において重要な位置を占めることになる。

ところで、風力発電の出力は風速の３乗に比例する。このため、風車が設置されるときは、風の強い地域が立地点として選ばれ、できるだけ風を集めて増速させ、発電量を増大させることに腐心されてきた。従って、風力発電装置の入口側の集風体、羽根車、さらにはディフューザなどの改良に目が向けられ、できるだけエネルギー変換効率を向上させるために対策が講じられてきた。何れも従来のターボ機械の延長線上で考えられ、対策されたものである。当然に限界があった。

そこで、本発明者と他の研究者は、こうした風力発電装置に対する常識に挑戦した（特許文献１参照）。すなわち、高出力発電と言う目的を達成できるなら、従来のように流線形形状、定常流的発想にとらわれる必要はない、と言う観点に到達したのである。従来の流体機械は解析容易な流線形の形状、定常流をベースにしており、非流線形形状（ブラフボディ（Ｂｌｕｆｆ−ｂｏｄｙ））、非定常流を使ったターボ機械は存在しないと言っても過言ではない。しかし、非流線形形状、非定常流とはいっても、安定した流れを実現でき、内部流れの流速を従来の流れよりも増加し、流れの改善が図れるのであれば、本来の目的に適う。なお、ここで流線形形状、非流線形形状を定義しておく。流線形形状は流体機械で使用される範囲のレイノルズ数Ｒｅで物体表面から流れがほぼ剥離しないで流れる形状であり、非流線形形状はこうした形状以外の形状の剥離が発生する形状のことである。

そこで、これを実現するため、本発明者らは特許文献１の風力発電装置を提案した。この風力発電装置は、筒状の風胴体と、風胴体の風の流入口近傍に配置した発電用風車とを設けたもので、風胴体の流出口の口縁の外側に、風胴体の外側を流れる風が衝突して背後で強い渦を形成させる風の流れ方向に対して垂直な平板状の鍔状片を配置し、風胴体の軸に対する側胴部の傾斜角を５〜２５°の範囲とするという構成を採用した。鍔状片は風胴体の最小内径の１０〜１００％幅を有するものである。

このような鍔状片（いわばリング）を設けて流れに逆らって渦を形成させるなど、従来の流体機械の常識にはないものである。そして、この鍔状片の背後に形成される渦というのは、同心円のリング後流側において内外周で交互に発生する、いわゆるカルマン渦とも言うべき渦形成であって、所定のタイミングで交互に（非定常的に）生成され、この渦が風胴体の流出口付近を低圧化し、圧力差で内部流れの流速を向上させる。

この風力発電装置の構成は、風力発電装置あるいは流体機械に新たなジャンル（非流線形形状を備えた流体機械と言う類型）を創造したとも言えるべきもので、流出側で生成される渦により流体機械近くの流れ全体を制御して、装置内部へより強い風を引き込み、流体を内壁面から剥離させることなく、この内壁面に沿って流出口まで滑らかに流して効率良く加速させるものである。そして、この増速された流れで従来よりも高出力の発電を行うことができる。

特許第３６２１９７５号公報

しかし、特許文献１の風力発電装置は、風胴体の流出口の外側に、風胴体の外側を流れる風が衝突して背後で強い渦を形成させる垂直な平板状の鍔状片を設けるという萌芽的な着想を提案したものである。非流線形形状を備えた流体機械、すなわち非流線形形状の流体機械、流れのコントロールと言う観点からは、この技術はまだ原石の状態であると言える。いわば特許文献１の技術は自然の流れに任せたところがある。

今後将来性のある流体機械として更に進歩させていくには、もっと非流線形形状周りの流れの性質を追求し、流れの特性を解明し実用性を向上させていく必要がある。このための第一歩として、非流線形形状周りの渦列流れ（非定常流れ）を十分安定化することが必要である。そして、この技術を開発するのが困難なことは、渦が流体力学において非線形性が最も顕著に現れる現象（予測が難しい）であることからも容易に伺える。

従って、一見、特許文献１の風力発電装置が従来のターボ機械と似た外観を有していても、これら従来のターボ機械と本質的に一線を画するものである。そして、この新たな非流線形形状をもつ風力発電装置、言い換えれば風車、さらに流体機械を今後活かしていくためには、この流れ、渦の安定化制御技術が欠かせない。

しかし、この技術は従来から知られている境界層制御技術や整流板とは似て非なるものである。境界層技術や整流板は境界層が物体表面から剥離するのを未然に防ぐためのものであるが、この風力発電装置、風車、さらに流体機械で行う必要があるのは、剥離を防止するのではなく、流れは十分剥離させ、渦生成に伴う流れ全体を秩序化し、安定化する制御である。渦を防止するのではなく、逆に発生させて発生後の流れをコントロールする技術である。

従って、この技術は従来のような流線形の風胴体（物体）ではなく、非線形形状の物体若しくは渦形成体と組み合わせたときに機能する技術である。確かに全体が受ける流体抵抗は非線形形状の物体の方が大きく、通常はこのデメリットが大きいが、他に利用する出力を増加するような別の目的、例えば風力発電装置のように風力エネルギーを電力に変換するような別の目的がある場合には、その本来の目的を達するために流体機械は目的に応じて使い分けられるべきである。

さて、非流線形物体の表面流れはレイノルズ数Ｒｅが高くなれば、通常、後流側で剥離する。しかし、この剥離は流れと直交する周方向の一線で揃って綺麗に起こることはなく、渦形成のスケールで強弱のゆらぎをもち、強のゆらぎ位置の剥離によって強い渦を生成する。このような渦を伴う流れ全体を安定化しなければ非流線形物体周りの流れは利用できない。このためゆらぎを制御し、渦列の流れを安定化させる技術が必要とされている。

また、現在、風力発電装置は大型化を迫られている。特許文献１の風力発電装置は大型化するとき風胴体（ディフューザ）が長くなり（傾斜角が５〜２５°）、重量が増す。羽根車径が数ｍ以下のマイクロ風車、ミニ風車の場合にはこれでも許容可能な重量であるが、今後開発が予定される発電能力がＭＷ級の大型風力発電装置においては、１０ｍ〜数十ｍの羽根車径が予定され、先に提案したディフューザでは許容できない重量となる。ＭＷ級の大型化に際しては風胴体をコンパクトにすることが避けられない。

そこで、本発明は、渦列を利用した流れを安定した流れにすることができ、流入する流体の流速を増し、流路長さが短く、エネルギー変換率が高い非定常流れを利用した流体機械を提供することを目的とする。

また、本発明は、渦列を利用した流れを安定した流れにすることができ、流入する風の風速を増し、流路長さが短く、大型化が可能で、高出力の発電を行うことが可能な風車を提供することを目的とする。

さらに、本発明は、渦列を利用した流れを安定した流れにすることができ、流体機械の外部流れで内部流れの流速を増加させる流体機械の内部流れ増速方法を提供することを目的とする。

本発明の非定常流れを利用した流体機械は、内外の流れによって安定した渦列を後流側に形成することができ軸対称で長手方向に非流線形をなすディフューザ機能を有する筒状のケーシングと、ケーシング内に設けられた羽根車とを備えた非定常流れを利用した流体機械であって、ケーシングは後流側に渦列を形成するためのリング状の鍔からなる渦生成体を備え、かつ該渦生成体にはケーシングの長手方向に沿う形状を具備してその表面から周囲を流れる流れ内に放射状に突出する複数の位相制御体が形成されており、位相制御体は、渦形成がケーシング後端面内で周方向にゆらぐ間隔でケーシングの周方向に形成されるセル構造の隣接セル間を区画する位置に配設され、位相制御体によって渦形成がこの後端面内で周方向にゆらぐ位相を揃えることによりセル構造を明確化し、各セルの位置を後端面に複数配設された位相制御体による区画領域にそれぞれ固定化して内部流れを増速することを特徴とする。

本発明の風車は、内外の大気の流れによって安定した渦列を後流側に形成することができ軸対称で長手方向に非流線形をなすディフューザ機能を有する筒状の風胴体と、風胴体内に設けられた羽根車とを備えた風車であって、風胴体は後流側に渦列を形成するためのリング状の鍔からなる渦生成体を備え、かつ該渦生成体にはケーシングの長手方向に沿う形状を具備してその表面から周囲を流れる流れ内に放射状に突出する複数の位相制御体が形成されており、位相制御体は、渦形成が風胴体後端面内で周方向にゆらぐ間隔で風胴体の周方向に形成されるセル構造の隣接セル間を区画する位置に配設され、位相制御体によって渦形成がこの後端面内で周方向にゆらぐ位相を揃えることによりセル構造を明確化し、各セルの位置を後端面に複数配設された位相制御体による区画領域にそれぞれ固定化して内部流れを増速することを特徴とする。

本発明の流体機械の内部流れ増速方法は、軸対称で長手方向に非流線形をしたディフューザ機能を有する筒状のケーシングの内外に流体を流したとき、該内外の流れによって安定した渦列を後流側に形成し、渦列の形成による後流側の低圧化でケーシングを通過する内部流れを増速させる流体機械の内部流れ増速方法であって、ケーシングの後流側に渦列を形成するためのリング状の鍔からなる渦生成体を設けると共に、該渦生成体にはケーシングの長手方向に沿う形状を具備してその表面から周囲を流れる流れ内に放射状に突出する複数の位相制御体を形成し、渦形成がケーシング後端面内で周方向にゆらぐ間隔で、位相制御体をケーシングの周方向に形成されるセル構造の隣接セル間を区画する位置に配設し、位相制御体によって渦形成がこの後端面内で周方向にゆらぐ位相を揃えることによりセル構造を明確化し、各セルの位置を後端面に複数配設された位相制御体による区画領域にそれぞれ固定化して内部流れを増速することを特徴とする。

本発明の非定常流れを利用した流体機械によれば、渦列を利用した流れを安定した流れにすることができ、流入する流体の流速を増し、ディフューザの長さが短く、大型化が可能になり、エネルギー変換率を高くすることができる。

また、本発明の風力発電装置によれば、渦列を利用した流れを安定した流れにすることができ、流入する風の風速を増し、流路長さが短く、大型化が可能で、高出力の発電を行うことが可能になる。

そして、本発明の流体機械の内部流れ増速方法によれば、渦列を利用した流れを安定した流れにすることができ、流体機械の外部流れで内部流れの流速を増加させることができる。

本発明の実施の形態１における位相制御板と鍔付きの風胴体を備えた風力発電装置の斜視図 本発明の実施の形態１における鍔付きの風胴体を備えた非定常流れを利用した流体機械の内外部流れ説明図 図１の風力発電装置の縦断面図 様々な形状の風胴体の断面形状を示した説明図 羽根車のみの場合及びこの羽根車を図４の（ｂ）−（ｅ）の風胴体に配設した場合の各形状毎の出力係数Ｃｗと周速比λの関係を示す出力性能曲線の説明図 本発明の実施の形態１における風力発電装置の後流側で風速の速度ベクトルの３成分（Ｕ，ｖ，ｗ）から風の主流速度成分Ｕを差し引いて描かれる流れ場のセル形成（循環）の様子を示した説明図 位相制御板の枚数と最大出力係数Ｃｗ_ｍａｘの関係を示す説明図 位相制御板を装着した場合に、装着しない場合と比較して、風胴体の内壁近傍で風速が増加する現象を定量的に示したグラフ 位相制御板を５％高さの鍔の渦生成体に装着したものとしなかったものの出力性能を比較した説明図 本発明の実施の形態１における位相制御板のサイズの影響を示す説明図 （ａ）本発明の実施の形態１における位相制御板が設けられていない場合の渦生成体の後流側を撮影した流脈線の状態を示す写真、（ｂ）本発明の実施の形態１における位相制御板を設けた場合の渦生成体の後流側を撮影した流脈線の状態を示す写真 （ａ）本発明の実施の形態１における位相制御板が設けられていない場合の渦生成体の側面から撮影した流脈線の状態を示す写真、（ｂ）本発明の実施の形態１における位相制御板を設けた場合の渦生成体の側面から撮影した流脈線の状態を示す写真 （ａ）数値計算によるある瞬間の鍔高さ５％の渦生成体の流入側の壁面における静圧分布、（ｂ）数値計算による同じ瞬間のこの渦生成体の後流側の壁面の静圧分布 本発明の実施の形態１における風車が発電を行う風力発電装置の内部ブロック構成の構成図 本発明の実施の形態２における回転面と鍔から構成された鍔付きケーシングを備えた潮流発電装置の外観図

符号の説明

１ 風力発電装置
２ 風胴体
２ａ スロート部
２ｂ 流入口
２ｃ 渦生成体
３ 羽根車
４ 位相制御板
１０ 発電装置
１１ 発電機
１２ ＡＣ／ＤＣコンバータ
１３ 充電装置
１４ バッテリ
１５ ＤＣ／ＡＣ変換器
１６ 電力系統
１７ 制御装置
１８ アクチュエータ
１８ａ 係止部
１９ 伝達機構
２０ ギャップ検知器
２２ 支持台
２３ ケーシング
３１ 潮流発電装置
ｈ 渦生成体の径方向の高さ
ｄ スロート部の直径
ｄ_ｃ 円柱直径
Ｄ 投影幅
Ｓ，Ｓ’ セル
Ｐ_ｎ 渦形成優越ゾーン

本発明の第１の形態は、内外の流れによって安定した渦列を後流側に形成することができ軸対称で長手方向に非流線形をなすディフューザ機能を有する筒状のケーシングと、ケーシング内に設けられた羽根車とを備えた非定常流れを利用した流体機械であって、ケーシングは後流側に渦列を形成するためのリング状の鍔からなる渦生成体を備え、かつ該渦生成体にはケーシングの長手方向に沿う形状を具備してその表面から周囲を流れる流れ内に放射状に突出する複数の位相制御体が形成されており、位相制御体は、渦形成がケーシング後端面内で周方向にゆらぐ間隔でケーシングの周方向に形成されるセル構造の隣接するセル間に配設され、位相制御体によって渦形成がこの後端面内で周方向にゆらぐ位相を揃えることによりセル構造を明確化し、各セルの位置を後端面に複数配設された位相制御体による区画領域にそれぞれ固定化して内部流れを増速することを特徴とする非定常流れを利用した流体機械である。この構成によって、渦列を利用した流れを安定した流れにすることができ、流入する流体の流速を増し、ディフューザの長さが短く、大型化が可能になり、エネルギー変換率を高くすることができる。

本発明の第２の形態は、第１の形態に従属する形態であって、位相制御体が渦生成体表面から流れ内に突出する板または突起状の形状を備え、該位相制御体によりセルが固定化された区画領域間で行われる渦形成優越区画領域の切換を区画領域単位で行い、内部流れを増速することを特徴とする非定常流れを利用した流体機械である。この構成によって、渦列を利用した流れを安定した流れにすることができ、流入する流体の流速を増し、ディフューザの長さが短く、大型化が可能になり、エネルギー変換率を高くすることができる。

本発明の第３の形態は、第１又は第２の形態に従属する形態であって、位相制御体が、主流の流速がゆらぎスケールでセル構造を形成できる流速の流れに任せたときにケーシングに自然に形成されるセル構造のセル数と同一数又は該同一数の（１／整数）倍となる枚数だけ配設された位相制御板であることを特徴とする非定常流れを利用した流体機械である。この構成によって、渦列を利用した流れを最も安定した流れ、若しくはこれに準じた流れにすることができ、流入する流体の流速を増し、ディフューザの長さが短く、大型化が可能になり、エネルギー変換率を高くすることができる。なお、言うまでもなく、同一数の（１／整数）倍となる枚数は離散した整数の枚数である

本発明の第４の形態は、第１又は第２の形態に従属する形態であって、区画領域が、主流の流速がゆらぎスケールでセル構造を形成できる流速の流れに任せたときにケーシングに自然に形成されるセル構造のセル数と同一個数又は該同一個数の（１／整数）倍となる個数だけ位相制御体によって形成された領域であることを特徴とする非定常流れを利用した流体機械である。この構成によって、渦列を利用した流れを最も安定した流れ、若しくはこれに準じた流れにすることができ、流入する流体の流速を増し、ディフューザの長さが短く、大型化が可能になり、エネルギー変換率を高くすることができる。なお、言うまでもなく、同一個数の（１／整数）倍となる個数は離散した整数の個数である。

本発明の第５の形態は、第１又は第２の形態に従属する形態であって、羽根車には、該羽根車の回転力を電気力に変換する発電装置が連結されていることを特徴とする非定常流れを利用した流体機械である。この構成によって、流入する流体の流速を増し、出力を電気エネルギーに変換することができ、電気エネルギー変換率を高くすることができる。

本発明の第６の形態は、内外の大気の流れによって安定した渦列を後流側に形成することができ軸対称で長手方向に非流線形をなすディフューザ機能を有する筒状の風胴体と、風胴体内に設けられた羽根車とを備えた風車であって、風胴体は後流側に渦列を形成するためのリング状の鍔からなる渦生成体を備え、かつ該渦生成体にはケーシングの長手方向に沿う形状を具備してその表面から周囲を流れる流れ内に放射状に突出する複数の位相制御体が形成されており、位相制御体は、渦形成が風胴体後端面内で周方向にゆらぐ間隔で風胴体の周方向に形成されるセル構造の隣接セル間を区画する位置に配設され、位相制御体によって渦形成がこの後端面内で周方向にゆらぐ位相を揃えることによりセル構造を明確化し、各セルの位置を後端面に複数配設された位相制御体による区画領域にそれぞれ固定化して内部流れを増速することを特徴とする風車である。この構成によって、渦列を利用した流れを安定した流れにすることができ、流入する風の風速を増し、大型化が可能で、高出力の発電を行うことが可能になる。

本発明の第７の形態は、第６の形態に従属する形態であって、位相制御体が渦生成体表面から流れ内に突出する板または突起状の形状を備え、位相制御体によりセルが固定化された区画領域間で行われる渦形成優越区画領域の切換を区画領域単位で行い、内部流れを増速することを特徴とする風車である。この構成によって、渦列を利用した流れを安定した流れにすることができ、流入する風の風速を増し、流路長さが短く、大型化が可能で、高出力の発電を行うことが可能になる。

本発明の第８の形態は、第６又は第７の形態に従属する形態であって、位相制御体が、主流の流速がゆらぎスケールでセル構造を形成できる流速の流れに任せたときに風胴体に自然に形成されるセル構造のセル数と同一数又は同一数の（１／整数）倍の枚数だけ配設された位相制御板であることを特徴とする風車である。この構成によって、渦列を利用した流れを最も安定した流れ、若しくはこれに準じた流れにすることができ、流入する流体の流速を増し、大型化が可能で、高出力の発電を行うことが可能になる。なお、言うまでもなく、同一数の（１／整数）倍となる枚数は離散した整数の枚数である。

本発明の第９の形態は、第６又は第７の形態に従属する形態であって、羽根車には、該羽根車の回転力を電気力に変換する発電装置が連結されていることを特徴とする風車である。この構成によって、実験等をすることなく簡単に渦列を利用した流れを最も安定した流れにすることができ、流入する流体の流速を増し、大型化が可能で、高出力の発電を行うことが可能になる。

本発明の第１０の形態は、軸対称で長手方向に非流線形をしたディフューザ機能を有する筒状のケーシングの内外に流体を流したとき、該内外の流れによって安定した渦列を後流側に形成し、渦列の形成による後流側の低圧化でケーシングを通過する内部流れを増速させる流体機械の内部流れ増速方法であって、ケーシングの後流側に渦列を形成するためのリング状の鍔からなる渦生成体を設けると共に、該渦生成体にはケーシングの長手方向に沿う形状を具備してその表面から周囲を流れる流れ内に放射状に突出する複数の位相制御体を形成し、渦形成がケーシング後端面内で周方向にゆらぐ間隔で、位相制御体をケーシングの周方向に形成されるセル構造の隣接セル間を区画する位置に配設し、位相制御体によって渦形成がこの後端面内で周方向にゆらぐ位相を揃えることによりセル構造を明確化し、各セルの位置を後端面に複数配設された位相制御体による区画領域にそれぞれ固定化して内部流れを増速することを特徴とする流体機械の内部流れ増速方法である。この構成によって、渦列を利用した流れを安定した流れにすることができ、流体機械の外部流れで内部流れの流速を増加させることができる。

本発明の第１１の形態は、第１０の形態に従属する形態であって、渦形成するセルに対応した渦形成優越区画領域の切換を位相制御体により区画領域単位で行って安定化し、この安定化で内部流れを増速することを特徴とする流体機械の内部流れ増速方法である。この構成によって、渦列を利用した流れを安定した流れにすることができ、流体機械の外部流れで内部流れの流速を増加させることができる。

本発明の第１２の形態は、第１０又は第１１の形態に従属する形態であって、すべての区画領域を渦形成優越区画領域にするための均等な区画領域にすることを特徴とする流体機械の内部流れ増速方法である。この構成によって、渦列を利用した流れを最も安定した流れにすることができ、流体機械の外部流れで内部流れの流速を増加させることができる。
ルギー変換率を高くすることができる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における非定常流れを利用した流体機械、とくに風車、中でも発電することのできる風力発電装置について、また流体機械の内部流れ増速方法について説明をする。説明するのは羽根車の周囲を覆うケーシングに渦生成体を設けた流体機械、大気中の流れにおいては風胴体にリング状の鍔の渦生成体を設けた風車、中でもその一例である風力発電装置である。

図１は本発明の実施の形態１における位相制御板と鍔付きの風胴体を備えた風力発電装置の斜視図である。図２は鍔付きの風胴体を備えた非定常流れを利用した流体機械の内外部流れを示し、図３は図１の風力発電装置の縦断面図である。図４は様々な形状の風胴体の断面形状を示すもので、図５は羽根車のみの場合及びこの羽根車を図４の（ｂ）−（ｅ）の風胴体に配設した場合の各形状毎の出力係数Ｃｗと周速比λの関係を示す出力性能曲線を示すものである。（ａ’）に示す＊印の性能曲線は羽根車のみの場合の出力性能曲線である。なお、出力係数Ｃｗと周速比λについては後述する。図６は本発明の実施の形態１における風力発電装置の後流側で風速の速度ベクトルの３成分（Ｕ，ｖ，ｗ）から風の主流速度成分Ｕを差し引いて描かれる流れ場のセル形成（循環）の様子を示した説明図である。

図７は位相制御板の枚数と最大出力係数Ｃｗ_ｍａｘの関係を示す説明図であり、下方の（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）の図は位相制御板とセルの状態を模式的に示すものである。図８は位相制御板を装着した場合に、装着しない場合と比較して、風胴体の内壁近傍で風速が増加する現象を定量的に示したグラフである。図９は位相制御板を５％高さの鍔の渦生成体に装着したものとしなかったものの出力性能を比較した説明図、図１０は本発明の実施の形態１における位相制御板のサイズの影響を示す説明図、図１１（ａ）は本発明の実施の形態１における位相制御板が設けられていない場合の渦生成体の後流側を撮影した流脈線の状態を示す写真、図１１（ｂ）は本発明の実施の形態１における位相制御板を設けた場合の渦生成体の後流側を撮影した流脈線の状態を示す写真である。

さらに、図１２（ａ）は本発明の実施の形態１における位相制御板が設けられていない場合の渦生成体の側面から撮影した流脈線の状態を示す写真、図１２（ｂ）は本発明の実施の形態１における位相制御板を設けた場合の渦生成体の側面から撮影した流脈線の状態を示す写真である。そして、図１３（ａ）は数値計算によるある瞬間の鍔高さ５％の渦生成体２ｃの流入側（前面）の壁面における静圧分布であり、図１３（ｂ）は同じ瞬間のこの渦生成体２ｃの後流側（背面）の壁面の静圧分布である。さらに、図１４は風車が発電を行う風力発電装置の内部ブロック構成の構成図である。

図１、図２、図１４に示すように、本発明の実施の形態１における風車は風力発電装置１であって、発電機１１（図１４参照）が連結されている。風車の羽根車３が回転することにより発電機１１を駆動して運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。風力発電装置１は、風によって回転される羽根車３と、筒状で全体として非流線形の形状を有するディフューザタイプの風胴体２、言い換えれば羽根車３の周囲を囲って内外流を分離するケーシングとを備えている。流れの主流と直交する断面内では羽根車２の先端の回転面と風胴体２は間隙を挟んで配置され、長手方向に伸びる筒状の形状となる。この風胴体２がディフューザタイプにされた理由は羽根車３先端部分の流速がスロート部２ａ（最小断面積の部分）で最大となり（図８の挿入図参照）、ノズルタイプよりコンパクトな構成になるからである。スロート部２ａより流入側には集風体となる流入口２ｂが設けられ、流入端（縁）からスロート部２ａにかけて流路断面が絞られ、加速される。

従来の風力発電装置１においては、図４の（ａ）にみられるように、このスロート部２ａが相対的に流入端（縁）にかなり近寄った間隙で配置され、ここに羽根車３が置かれ、後流側のディフューザ部分が強調された形状をしていた。ディフューザは長手方向にかなり長い形状となる。これは例えば図４の各種の風胴体２のタイプのうち図４（ａ）が示すものである。

この実施の形態１においてもスロート部２ａの後流側は流路断面が拡大され、その端部周囲にリング状の渦生成体２ｃが設けられている。この渦生成体２ｃは風胴体２にその一部として含まれる。各種の風胴体２のタイプを図４の（ａ）〜（ｅ）に示す。風胴体２を特定するパラメータは図８の挿入図に示したようなものになる。風胴体２の長さＬｔ、スロート部２ａから後端面までのディフューザ部分の長さＬ、スロート部２ａの内径ｄ、渦生成体２ｃの高さｈであり、風力発電装置１周りの風速Ｕである。

風胴体２の後端部分として、この鍔（ここではリング形状の板）の渦生成体２ｃを取り付けることが、風胴体２を全体として非流線形形状にする。すなわち、これによって風力発電装置１をブラフボディ化する。この渦生成体２ｃは従来のターボ機械にない概念である。そして、このようなブラフボディは個体ごとに異なった個々の形状を有し様々な流れを形成する。この流れを本発明は渦生成体２ｃという部材で共通して扱えるように試みるものである。すなわち、渦生成体２ｃを設けることによって従来のように流体機械周りの流れを円滑に流して線形性を保つと言うのではなく、後流側に、いわゆるカルマン渦とも言うべき強い渦を形成し、この渦形成を伴う流れの安定化を図り、この安定性の保持を一般化しようとする試みである。

さて、このカルマン渦は、風胴体２の後流側に非定常的（交互）に生成される。すなわち、風胴体２のスロート部２ａの内径に対して渦生成体２ｃの径方向の高さが十分小さいときは（ｈ／ｄ≪１）、あるタイミングで、例えば図６のＰ_１〜Ｐ_１２で示した１２個の渦形成ゆらぎスケールの区画領域（これは風胴体２の表面を占める一定の領域であり、以下ゾーンという）にセルＳ，Ｓ’が形成され、かつこの中で仮にＰ_１の位置の渦形成が強まったとすると、Ｐ_１のセルＳとセルＳ’の断面位置に強いカルマン渦列が形成される。なお、ゾーンは風胴体２の表面上の部位を示す構成であるが、セルは流れの中に形成される流れの構造である。風胴体２の後端面内で流れは複数個にセクション化され、その後流側で渦列形成が行われる。この渦形成が強となるＰ_ｎ（ｎ＝１，２，３・・・，１２）のセルＳ，Ｓ’に対応するゾーンが渦形成優越ゾーン（本発明の実施の形態１における渦形成優越区画領域、以下渦形成優越ゾーンという）である。Ｐ_ｎの何れかが独立して強くなったり、弱くなったりしている。この渦形成優越ゾーンＰ_ｎが１２個のセルの間で入れ替わり、後流の３次元的渦列を形成する。この渦列の形成によって、風胴体２の流出口付近は低圧で安定し、圧力差で内部流れの流速を向上させる。この増速により羽根車３は高速回転し、風車として高トルクの駆動力を出力することができ、風力発電装置１としては高出力の発電を行うことができる。通常の風力発電装置１の風車では、風胴体２のスロート部２ａの内径に対して渦生成体２ｃの径方向の高さが十分小さいという条件（ｈ／ｄ≪１）が満たされることが多く、このような渦形成が起こる。

これに対し、風胴体２のスロート部２ａの内径に対して渦生成体２ｃの径方向の高さがオーダ的に変わらないときは（ｈとｄが同じオーダのとき、ｈ／ｄ〜１）、Ｐ_ｎ（ｎ＝１，２，３・・・，１２）の各ゾーンの中で風胴体２としての一断面を構成するゾーンの関連性が強まり（独立性がなくなり）、対角線上のＰ_ｎとＰ_ｎ＋６（ｎ＝１，２，３・・・，１２）でセルが固定された一対のゾーンで渦形成が同時に起こるようになる。すなわち、両ゾーンで強い渦形成が起こる。この渦列の形成を行った場合も、風胴体２の流出口付近は低圧で安定し、圧力差で内部流れの流速を向上させることができる。

このように各ゾーンにおける渦形成には、（１）各ゾーンの独立性が乏しく（言い換えれば渦列相互の関連性が強い）きわめて安定性が強い渦形成と、（２）独立性があり（バラバラに渦形成する）弱い安定性を示す２レベルの渦形成がある。そして、少なくとも、この弱い安定性の渦形成の場合の渦形成優越ゾーンＰ_ｎが、各ゾーン間において明瞭でなくなると、渦列の作用は低下し安定的な渦列、内部流れとは言えなくなる。すなわち、渦形成優越ゾーンＰ_ｎの入れ替わりがゾーン単位でスムースにいかなくなる。これをコントロールする方法は後述する。

なお、図１、２においては、回転体の曲面とリング形状の鍔が接続された形状、すなわち回転軸に沿った方向に屈曲した断面形状の渦生成体２ｃを備えた風力発電装置１を示しているが、渦形成体２ｃはリングの平板に限られない。渦形成体２ｃは風胴体２を非線形形状にして後流端位置で効果的に渦形成させるものであればよく、後述するように鍔の形状は外周が周方向に四角形、六角形などの規則性、周期性をもつような形状であってもよい。

図３は風胴体２の渦生成体２ｃを含まない部分を曲率半径が比較的小さい２次曲面の回転体として構成した風力発電装置１を示している。図４の（ｄ）で示した断面形状の２次曲面ケーシングである。図４は様々な形状の風胴体２の断面形状を示し、図５はその（ｂ）−（ｅ）形状の出力係数Ｃｗと周速比λの関係と、（ａ’）羽根車のみの場合の出力係数Ｃｗと周速比λの関係を示す。羽根車３が大気中に露出された場合より図４の（ｂ）−（ｅ）で示したような２次曲面の風胴体２とした方が効果的であることが分かる。ここで周速比λは羽根車周速ｒω（ｍ／ｓ）と風速Ｕ（ｍ／ｓ）の比（＝ｒω／Ｕ）である。ここにｒは羽車半径、ωは角周波数（１／ｓ）である。なお、出力係数Ｃｗは無次元量で、Ｃｗ＝Ｗ／｛（１／２）・πρＵ^３ｒ^２｝である。ここで、Ｗは発電出力（Ｗ）、ρは空気密度（ｋｇ／ｍ^３）、ｒは羽根車の半径（ｍ）である。

さて、図１、３に戻って、実施の形態１においては、渦生成体２ｃの表面には位相制御板４（本発明の実施の形態１における位相制御体）が設けられている。この位相制御板４は、風胴体２後端面で渦形成により流れが後端面内で周方向にゆらぐ位相を揃えて風胴体２の周りに形成されるセル構造を明確化して、各セルの位置を風胴体２の表面で周方向に複数配置されたゾーンに固定化する。そして、渦形成が強くなったり、弱くなったりする渦形成ゆらぎスケールの範囲（ゾーン）単位で渦形成優越ゾーンの切換を行い、すなわち渦形成優越ゾーンの切換を明確化により位置が固定化されるゾーン単位にして安定化する。この位相制御板４は上述した（１）（２）の２種類の渦形成についてそれぞれの環境、セル構造に基づいて配置され、各セルを明確化し位置を固定化する。

従って、位相制御板４によりゾーン単位で安定化するというとき、次の２つの場合が存在するのに注意しなければならない。すなわち、１つ目はこのゾーンをゾーン単位毎に切り換える場合であり、言い換えれば、位相制御板４によって各ゾーンをバラバラに安定化する場合である。また、２つ目は一対のゾーンで切り換えを行う場合であり、位相制御板４によって一対のゾーン（単位としてのゾーンが２つ）を同時に安定化する場合である。何れの場合になるかは基本的に風胴体２の形状による。

この位相制御板４は風胴体２の形状が軸対称の場合、渦生成体２ｃの周方向に所定ピッチで配設される。以下、位相制御板４を風胴体２にどのように配設するかについて具体的に説明する。

風胴体２の内外部流は風胴体２の外周、内周の全周で剥離し、下流の周方向の各断面でカルマン渦を形成する。そして、上述したように、その断面、断面での渦形成には円周方向において強い渦形成、弱い渦形成とむら（ゆらぎ）が存在する。この強い渦形成、弱い渦形成が出現する周方向の範囲は、２次元円柱の軸方向の渦形成ゆらぎスケール（３ｄ_ｃ〜４ｄ_ｃ、ｄ_ｃ：円柱直径）よりやや小さい規模で、風胴体２の主流から見たドーナツ状の各断面の投影幅をＤ（鍔高さｈを含む）とすると（図８参照）、その円周方向の渦形成ゆらぎスケールは２Ｄ〜３Ｄとなる。これは２次元円柱が円環状に閉じて３次元形状になっていることに対応し、定量的にも裏付けられる。これについては後述する。最も有効な位相制御板４の枚数である１２枚は（図７参照）風胴体２の各断面投影幅Ｄに対して円周方向に約２Ｄの円弧範囲に対応し、これよりやや劣る６枚の場合は約４Ｄの円弧範囲に対応する。

すなわち、枚数をＮ、風胴体２の内径をｄとすると、２次元の場合のアスペクト比（縦横比）に対応する｛π・（ｄ＋Ｄ）・Ｄ／Ｄ・Ｎ｝＝π・（ｄ＋Ｄ）／Ｎが渦形成ゆらぎスケールである。２Ｄ〜３ＤはＮが１２枚の場合、これはｄ／ｈが大体６〜１２程度の値に相当する。従って、位相制御板４による渦形成ゆらぎスケールは、各ゾーンをバラバラに安定化する場合（ｈ／ｄ≪１）と、一対のゾーンを同時に安定化する場合（ｈとｄが同じオーダ）、の両方に跨っていることが分かる。

図６は風力発電装置１の後流側で渦生成体２ｃ周囲の外部流れの様子を示したものである。図示はしないが、渦生成体２ｃ前面の死水領域に形成される流れ、また、渦生成体２ｃを含んだ風胴体２の内側を通過した内部流れが剥離する流れにも同様の循環するセルが形成される。なお、図６に示すセル構造は、非線形形状物体の周りの円周方向の流れの循環であり、流れ場の速度ベクトル３成分（Ｕ＋ｕ,ｖ，ｗ）から主流速度成分Ｕを差し引いたときに表現されるセル構造を示す。円周方向の各ゾーンＰ_１〜Ｐ_１２に形成される循環Ｓ，Ｓ’がこのセル構造の単位となるセルとなる。

図１３はこのようなセル形成の様子を数値計算によってシミュレーションしたものである。この場合は、複数のゾーンの何れかが独立して強くなったり、弱くなったりする場合であって、安定性が弱い渦形成の場合に相当するシミュレーションである。図１３（ａ）はある瞬間の鍔高さ５％の渦生成体２ｃの流入側（前面）の壁面における静圧分布を示し、図１３（ｂ）は同じ瞬間のこの渦生成体２ｃの後流側（背面）の壁面の静圧分布を示している。図１３（ａ）において最も濃いグレーの色は静圧が低い部分、薄い色は静圧が高い部分である。計算結果によれば圧力の高低を示す領域があるタイミングで周方向にランダムに分布していることがみてとれる。この分布状態が次の瞬間にはゆらぎによって別の分布状態に変化する。図１３（ａ）（ｂ）によれば、流入側から後流側の両方に静圧分布で同じような高低の部分が交互に現れており、等圧線が閉じていることから流れにはセル、セル構造が形成されていることが分かる。後端面の後流側と流入側に形成される前後のセル構造によって主流が風胴体２の周りに曲がって流れることができる。この数値計算では位相制御体が設置されていないため、各セルの幅に長短ができている。このように数値計算によるシミュレーションからも、風胴体２の後端面内で周方向にセル構造が形成されることが分かる。

渦形成の強弱のゆらぎは、風胴体２の円周方向にセル単位で移動する。軸対称の風胴体２、渦生成体２ｃの場合、理論的に考えると周方向に偏りがあるはずがなく、均等な周期で規則性をもって移動する可能性が高い。しかし、現実の物体においては、完全に軸対称で理想の形状に作製することは難しく、加えて現実の流れは理想的な一様流とは微妙に異なるため、１２個円環状に並んだゾーンＰ_１〜Ｐ_１２がそれぞれ独立に、あるいはその一対のセルが独立に強くなったり、弱くなったりしている。但し、ある時間帯（タイミング）で強くなるのは１個のＰ_ｎあるいは一断面内に存在する一対のＰ_ｎとＰ_ｎ＋６である。従って、こうした現実の機械であるという事情を加味すると、一方向に回転する可能性もあれば、ランダムに移動する可能性もある。

なお、例えば３次元の正方板や矩形板の渦生成体２ｃの場合は、正対する二つの辺を１組として、計２組で構成される、直交する２つの渦形成優越ゾーンでスイッチングするが、実際に実験を行ってみると、そのスイッチングの周期はランダムである。そして、ここでこのような図６で図示された流れの状態を形成する条件は、スロート部２ａの内径ｄに対して渦生成体２ｃの径方向の高さｈがｈ／ｄ≪１、あるいはｈとｄが同じオーダの長さ、という関係を満たすことである。

要するに、ある時間帯ｔ_１に、図６のＰ_１〜Ｐ_１２で示した位相制御板４で区画された風胴体２の区画領域、すなわちゾーンの上にセル構造が形成され、仮にＰ_１の位置の渦形成が強まってＰ_１が渦形成優越ゾーンになったとすると、その時間帯ｔ_１の間にセルＳ、Ｓ’の断面のゾーンで強いカルマン渦形成が起こる。次のある時間帯ｔ_２になると別のＰ_ｎのセルＳ、Ｓ’の断面位置のゾーンにカルマン渦が強く形成される。このような渦形成優越ゾーンが１２個のセル構造（ゾーン）の中で、それぞれ各Ｐ_ｎでバラバラに、あるいはＰ_ｎとＰ_ｎ＋６の一対が一緒に入れ替わり、後流の３次元的渦列を形成する。渦形成優越ゾーンがＰ_１〜Ｐ_１２の位相制御板４で区画されたゾーンのセル間で切り替わる順序は、バラバラあるいは一対の場合共に、ある方向に移動、回転（ｎ＝１，２，３・・・，１２の順で順序正しく繰り返し）している可能性もあれば、またはランダム（ｎ＝ｉ，ｋ，ｊ，・・・）に移動している可能性もある。

しかし、本実施の形態１においては、位相制御板４を使って渦生成体２ｃの周囲を外周、内周に跨って図６のＰ_１〜Ｐ_１２の区画領域に分割し、セル構造の各セルをそれぞれの独立にしている。このため円周方向に存在する各セルが位相制御板４を越えて変動し、影響を及ぼすことがなく、位置が固定化され、互いの循環（速度ベクトルの３成分（Ｕ＋ｕ，ｖ，ｗ）から風の主流速度成分Ｕを差し引いて描かれる流れ場のセル）が明確化し、この明確化されたセル単位でカルマン渦の形成位置を移動させることができ、流れ全体を強制的に安定化させる。位相制御板４を設けない場合、セルの位置は変動して大きさも伸縮し、位相制御板４を設けた場合と比較するとゾーンのスイッチングのタイミングや順序も変わったものとなる。後流に形成されるカルマン渦もセルの変動の影響で安定性に欠けたものとなる。渦形成優越ゾーンが明瞭でなくなると、渦列の作用は低下し安定的な渦列、内部流れとは言えなくなる。位相制御板４はセルとゾーンを対応付け、セルの位置を安定化、固定化する。これが位相制御板４を設けた利点である。なお、従来の整流板はこうしたセル構造やカルマン渦とは関係なく流れを単に整流し円滑に流れるようにするだけのものである。

さらに、非線形形状の物体表面の流れにおけるゆらぎについて補足すると、強い渦形成、弱い渦形成というゆらぎは２次元円柱でも発生するが、風胴体２はいわば２次元円柱が円環状に閉じて３次元形状になっているものであるから、この形状に起因して３次元の流れの場では渦形成ゆらぎスケールがやや小規模になる。すなわち、２次元の無限長の物体のゆらぎと違って３次元の場合遠心力などが影響して不安定さが増し、渦形成ゆらぎスケールが小さくなる。従って、ゆらぎスケールに関してはその形状の変化に伴って差があるものの、非線形形状の物体表面の流れは、主流Ｕの方向に関して軸対称な物体であっても周方向に一線で揃って同時に剥離することはなく、周方向にセル単位で強弱が生じ、ゆらぐことになる。そして、実施の形態１のようにセルを分断することのない位相制御板４を設けると、各セルが円周方向に位置が不安定になることがなく、強さも固定化されたものとなり、セル同士を明確化し、この明確化し安定化されたセル単位毎にカルマン渦の形成位置を移動させる。これによって流れの場全体が安定化する。また、全ゾーンを渦形成に関して均等に形成すると、各ゾーンが同等に渦形成優越ゾーンになる機会が高まり、渦列を利用した流れを安定させることができる。

ところで、位相制御板４の数、ゾーンの数を自然の流れに任せて形成されるセルの数より多くすると、本来のセルを強制的に無理やり分割することになってしまい、後流側の渦もそれほど強い渦にはならない。渦形成優越ゾーンも目立たなくなる。位相制御板４の数、ゾーンの数をこのセルの数より少なくした場合も、１個のゾーンの中に複数個のセルが存在することになり、互いのセルが伸縮、移動し影響し合って安定化の作用を弱め、この場合も同一数の場合よりも強い渦にならない。図７（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）はこの様子を模式的に画いたものである。従って、非流線形風胴体の形状に従って自然に形成されるセルに等しい位相制御板４の数とするのが最も効率的となる。なお、風力発電装置１との関係で言えば、位相制御板４は板である以上材料を選ぶことによって風力発電装置１の構造面で間接的に強度を増すことができる。位相制御板４を設けることで風胴体２の構造が補強されれば、今後期待の大きい大型風車実現の一助となり、実現を促進することができる。

風力発電装置１の周りの流れは基本的に自然風などの不規則な流れである。位相制御板４はこの不規則な流れに対して強制的に安定したセル形成を促す。すなわち、位相制御板４は、もとのブラフボディ状態で潜在的に存在するセル構造を明確化し、流れを安定化させ、風速を増す。

ここで実際に風胴体２周りの流れの観察を行うと、位相制御板４によって仕切られた各ゾーンでは２次元物体のように渦形成の位相が揃っているのが分かる（図１１（ｂ）の写真を参照）。このように位相が揃う結果、風胴体２の背後にはより強い渦形成がなされ（図１２（ｂ）で分かるように背後での巻き込みが強い）、付近の静圧はより低圧化する。つまり、ある時間帯に、風胴体２の円周方向で、強い渦形成をしているゾーンとか、弱い渦形成をしているゾーンとかの、ばらつき、偏りがなくなり、常時各ゾーンで渦形成が安定化することができ、位相制御板４がない場合と比較し、より強い渦形成がより多くの時間に行われ、風胴体２背後はより低圧化される。この構成によって、渦列を利用した流れを安定した流れにすることができ、流入する流体の流速を増し、ディフューザの長さが短く、大型化が可能になり、エネルギー変換率を高くすることができる。

また、図２のような位相制御板４を設けない位相制御体の場合も考えられる。すなわち、軸対称の非流線形形状の場合、このブラフボディ固有のｈ／ｄを選択するとともに、各ゾーンを区画することができる誘因部材、例えば渦形成体２ｃの周方向に規則性、周期性を有する形状、すなわち周方向に周期的に出っ張り部分が形成されるような多角形状、あるいは周方向に三角関数で変化する形状、突起の周期的な分布などの構成を付与することで、区画領域が形成され、セルＳ、Ｓ’の位置や大きさ、渦形成優越ゾーンの切り換わりが安定化、規則化し、位相制御板４を設けた場合と同様の作用効果をもたせることもできる。渦形成体２ｃに形成された規則性のある形状が位相制御体を構成し、この誘因部材によって区画された各領域が渦形成のためのゾーンになり、渦形成優越ゾーンが形成され、位相制御板４と同様にセル構造を明確化できる。

以上説明したことは風力発電装置１に限らず、内外部を流れる流れの中で運転する渦列を利用した流体機械でも同様である。最適のセルＳ、Ｓ’の数、最適の位相制御板４の位置を選択することにより、流れは安定化し、風速を増し、大型化が可能で、高出力の発電を行うことが可能になる。

ところで、図８は風胴体２内の風速分布を計測したもので、スロート部２ａの直径ｄの１０％の高さｈをもつ鍔（渦生成体２ｃ）が図４の（ｄ）で示した曲率半径が比較的小さな断面形状をもつ２次曲面の回転体ケーシングの後端に取り付けられた風胴体２で測定を行ったものである。そして、この風胴体２に対して外部の流れとして風速Ｕが４（ｍ／ｓｅｃ）の風と、８（ｍ／ｓｅｃ）の風を送風して風速分布を計測した。風速分布のＺ（ｍｍ）は、図８に示したようにスロート部２ａの内周面から軸中心に向かう高さである。

この図８によれば、外部の流れが４（ｍ／ｓｅｃ）、８（ｍ／ｓｅｃ）の何れにおいても、位相制御板４を設けた方がスロート部２ａにおいて数％増速しており、特に内周面ごく近傍での風速の増加が著しい。これは安定化され、強化された渦による引き込みの作用と考えられる。そして、外部の流れの風速Ｕが大きくなるほど平均流速が増すと共に、羽根車３の先端付近の流速が中央より大きくなっているのが分かる。

次に、位相制御板４の枚数Ｎが及ぼす影響、すなわち位相制御板４の数Ｎを増減したとき、平均流速、羽根車３先端の流速が増減し出力係数Ｃｗが増減するものか否か、について実験結果を説明する。図７は位相制御板４の枚数Ｎと最大出力係数Ｃｗ_ｍａｘの関係を示すものである。上述したように出力係数Ｃｗは無次元量で、Ｃｗ＝Ｗ／｛（１／２）・πρＵ^３ｒ^２｝である。最大出力係数Ｃｗ_ｍａｘはこのＣｗの最大値である（図５のλ＝４付近参照）。実験は、上記１０％の高さｈをもつ鍔が図４の（ｄ）で示した曲率半径が比較的小さな断面形状の回転面ケーシングに取り付けられた風胴体２で行い、風速は何れも５（ｍ／ｓｅｃ）で行った。

この実験結果をみると、位相制御板４の枚数Ｎが１２枚のとき、最大値Ｃｗ_ｍａｘ＝０．７２３を示し、Ｎ＝６枚のときＣｗ_ｍａｘ＝０．７２である。位相制御板４がない場合と、Ｎ＝２４枚のときはＣｗ_ｍａｘ＝０．７であり、Ｎ＝３６枚のときＣｗ_ｍａｘ＝０．７０１であった。この結果は、上記ｈ／ｄ＝０．１７でｈ／ｄ≪１の関係を満たすときのものであるが、自然な流れでセルが形成される１２個に相当する枚数Ｎを１２枚としたとき、最も高効率で高出力となることを示す。これを模式的に表示したものが図７（ｃ）である。このとき、内部の流れは増速され、安定した流れとなる。

枚数Ｎを６枚（１／２）にした場合は、セルを１個のゾーンに対して２個ずつ調整することになり、１個のゾーンの中に複数個のセルが存在するため互いのセルが影響し合ってその分だけ不安定になり、渦形成優越ゾーンは枚数Ｎが１２枚の場合と比較すると、少し強弱が明瞭でなくなる。これを模式的に表示したものが図７（ｂ）である。しかし、位相制御板４を設けない場合と比較するとこの場合も相対的に高出力である。そして、１個のゾーンに収容されるセルの個数が２個より多くなって、１個のゾーンにｍ個（ｍ＝３，４，・・）が収容されるような場合、すなわち位相制御板４の枚数が（１／ｍ）倍の枚数（当然に整数）になるような場合にはさらに出力が低下する。渦形成優越ゾーンは次第に明瞭でなくなる。そして、自然の流れに任せることによってセルの数ｍが最大になり、風胴体２全体でゾーンが１個になるまで（言い換えれば図７（ａ）のように位相制御板４を設けない場合になるまで）出力は減少する。

逆に、枚数Ｎがセルの数よりも増加すると、図７（ｄ）の破線で示したように本来自然に形成されるセルが無理やり複数に分割されることになり、流れは円滑になっても、渦列を制御するための渦形成優越ゾーンの存在、機能を埋没させ、出力は増加しない。これがＮ＝２４枚、３６枚の場合に、Ｎ＝０枚とほぼ近い最大出力係数Ｃｗ_ｍａｘを示した理由である。要するにセルが不自然にならないようにし、渦形成優越ゾーンが位相制御板４による規制で安定して切り替わるようにすればよい。位相制御板４を設けることでセル構造が明瞭化し、固定化することができるが、位相制御板４の枚数Ｎを所定の枚数に限ったり、あるいは形状を変えたりすることなどで、明瞭化した渦形成優越ゾーンの移動をゾーン単位で安定して行うことができる。逆に言えばブラフボディに対して、渦形成優越ゾーンの移動をゾーン単位で安定して行うように位相制御板４を設けることが望まれる。

なお、以上の実験結果はｈ／ｄ≪１の風胴体２で行ったものであるが、正方形、六角形、八角形等の多角形リングの鍔の場合などでも、軸対称であれば基本的に同様である。この場合は位相制御板４を設けない位相制御体となる。ｈ／ｄを選択するとともに、各ゾーンを形成する渦形成体２ｃの周方向に規則性、周期性を与えれば、この場合もセルを明確化し、明瞭化した渦形成優越ゾーンの移動をゾーン単位で安定して行うことができる。

図９は周速比λと出力係数Ｃｗの関係を位相制御板４の有無で比較したものである。渦生成体２ｃはスロート部２ａの直径の５％の高さをもつ鍔（リング）で、後述する通常サイズの位相制御板４を装着したものと、これを装着しなかったものを比較した。風速は８（ｍ／ｓｅｃ）である。これによると、位相制御板４無しの場合λ＝３．６程度で出力係数Ｃｗが大幅に低下するが、位相制御板４を有りの風力発電装置１はこの位置で若干の低下は見られるものの全体的に４％程度の出力係数Ｃｗの増加が見られ、λ＞４でその効果が顕著である。

続いて、位相制御板４のサイズの影響を調べた。図１０はサイズの異なる２種類の位相制御板４を５％高さの鍔（リング）に装着したものと、５％高さの鍔（リング）だけのものを比較したものである。風速は８（ｍ／ｓｅｃ）である。位相制御板４は１２枚等ピッチで装着した。

この位相制御板４の一方（以下、通常サイズ）は、風胴体２の長さＬｔの１．４６倍長さで、後流側に０．３６倍の長さ分延長された長さをもち、リングの高さｈの２．０倍程度の高さに形成された断面イチジク状の形状を有しており（図１，３参照）、風胴体２の後流側で渦生成体２ｃへ挿入可能な切込みが設けられている。実験したもう一方の種類は拡大サイズであり、風胴体２の長さＬｔの１．８倍長さで、後流側に０．５５倍長さ分延長された長さをもち、リングの高さｈの３．０倍程度の高さに形成された断面イチジク状の形状で、同じく渦生成体２ｃへ挿入可能な切込みが設けられている。なお、これらの位相制御板４の概観形状は図１，３に示すとおりである。

さて、図１０は、スロート部２ａの直径ｄの５％の高さｈをもつ鍔（リング）を備えた風胴体２で、通常サイズの位相制御板４、拡大サイズの位相制御板４をそれぞれ１２枚装着した風力発電装置１と、位相制御板４を装着しなかった風力発電装置１を比較した実験結果である。

これによると、位相制御板４無しの場合、図９と同様にλ＝３．６程度で出力係数Ｃｗが大幅に低下するが、通常サイズの位相制御板４を設けた風力発電装置１はこの位置で落ち込みがない。なお、図９で実験した場合と比較してλ＞５以上では出力係数Ｃｗにさほど差はみられなかった。しかし、最大出力係数Ｃｗ_ｍａｘをもつλ＝４付近で出力係数Ｃｗに０．０３に近い差が生じている。これは実用上きわめて重要である。そして、拡大サイズの位相制御板４を設けた風力発電装置１はこのλ＝３．６付近で落ち込みがないだけでなく、通常サイズの位相制御板４より出力係数Ｃｗが０．０２程度向上し、これは通常サイズより２．２％の出力が向上したことを意味する。

以上、位相制御板４の作用について実験結果などに基づいて説明したが、図１１，１２は位相制御板４を設けた非流線形をなす風胴体２の流れを実験的に可視化した写真である。図１１（ａ）は位相制御板４が設けられていない場合の渦生成体２ｃの後流側から撮影した流脈線（ストリークライン）の状態を示す。綺麗に流れてきた流れが渦生成体２ｃの背後に流れ込み、渦を形成しているのが分かる。しかし、渦の状態は明瞭とは言えない。これに対して、図１１（ｂ）の位相制御板４を設けた場合の風胴体２は、綺麗に流脈線が揃い、上下２枚の透明な位相制御板４の間の右端側（後流側）に渦の固まりが形成されているのが分かる。なお、中央の棒は支持のためのもので関係がない。

図１２（ａ）は位相制御板４が設けられていない場合のリングの渦生成体２ｃの側面から撮影した流脈線の状態を示す。位相制御板４の上下で流れが剥離し、後流側に渦列を形成している。そして、図１２（ｂ）は位相制御板４を設けた場合のリングの渦生成体２ｃの側面から撮影した流脈線の状態を示す。図１２（ｂ）の方が風胴体２の背後で強い渦の巻き込みを示し、後流側で強く安定した渦列を形成しているのが分かる。

ところで、以上主として風車、とくに風力発電装置１の流体力学的な側面の構成について説明したが、以下発電装置としての側面について説明する。図１４に示すように、実施の形態１の風力発電装置１は風車の羽根車３の回転力が発電機１１に伝達され、発電機１１を駆動して発電を行い、外部に電気を供給する。なお、風車は発電装置付きのものに限られない。回転力は発電機１１を介すことなく直接出力されてよい。例えば、ここでは図示はしないが、原動機として、回転軸をポンプの駆動軸に連結して揚水に利用したり、ガスを圧縮して畜圧して畜圧器内にエネルギーを蓄えたり、攪拌機を駆動して温水にして提供したりすることができる。これらも風車であり、流体機械である。

さて、風力発電装置１の場合、図１４に示すように羽根車３の回転力は回転軸、伝達機構を介して発電装置１０内の発電機１１に伝達され、発電機１１で発電される。発電機１１には例えば誘導発電機等を用いればよい。発電機１１で発電された電気は交流であるため、これがＡＣ／ＤＣコンバータ１２に供給されて直流電力に変換される。変換された直流電力は充電装置１３においてバッテリ１４に充電される。このバッテリ１４は非常用電源として利用できる。また、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２からの直流電力はＤＣ／ＡＣ変換器１５によって再び所定の電力となるように電力調整されて交流電力に変換され、交流電源として電力系統１６に送られる。なお、発電装置１０の構成は以上説明したものは一例であり、これに限られるものではない。

次に、制御装置１７の動作について説明する。発電機ロータの回転数を検出するセンサで発電機１１の回転数を検出するとともに、ギャップ検知器２０で羽根車３と風胴体２の内周面との間の間隙を検出する。制御装置１７はこの回転数を基に過回転か否かを判定し、過回転と判断すると、出力を低下するためアクチュエータ１８を駆動し、間隙を広げる方向へ風胴体２を動かし、最適位置まで軸方向に移動させる。これでも過回転の場合は、変速／クラッチ機能を有する伝達機構１９で回転数を下げる。逆に、羽根車３の回転数が小さい場合は、その間隙をアクチュエータ１８によって最大出力が得られる最適な隙間に制御する。この間隙は空気力学的に発生する騒音にも影響し、チップボルテックスを砕き、最大出力が得られるときには騒音も小さくすることができる。羽根車３を可変ピッチにして制御装置１７で強風時にはピッチを変更することもできる。

なお、アクチュエータ１８は必須の部材ではない。風胴体２を移動させない場合は制御装置１７による出力の制御に委ねて出力を電気的に処理することもできる。そして風胴体２は支持台２２の支持柱に設けられた係止部１８ａに、羽根車３の軸方向にスライド可能に支持される。アクチュエータ１８を伸縮することで風胴体２を軸方向にスライドさせる。風胴体２を移動させない場合は風胴体２を支持柱に固定すればよい。

ＡＣ／ＤＣコンバータ１２からＤＣ／ＡＣ変換器１５に導かれる電圧／電流は図示しない電圧／電流センサによって電圧／電流が検出され、この信号が制御装置１７に入力される。制御装置１７はこの検出信号を基にＤＣ／ＡＣ変換器１５を制御し、電圧を一定にして変動しないように制御する。この調整後の電力は電力系統１６に供給される。

ところで、実施の形態１の風力発電装置１は、支持台２２を地面に対して回動自在にして設置している。この理由は、風車は流れの作用でできるだけ抵抗を減らす方向へ流体力が作用し、常に風上を向くように回転する。このため、実施の形態１の風車においては、このような単純な構成ながら、その向きを最大出力が得られる方向へ自動的に調整することができる。なお、微小な流れの変動もあるので、これに対して過度に追従しないように、変動による回転の機械的抑制機構を設けたり、制御装置１７によって過度な追従を抑制する抑制機能を実行させたりするのもよい。

このように本発明の実施の形態１における風車は風力発電装置１であるため、羽根車３の回転力が発電機１１に伝達され、発電機１１を駆動して発電し、外部に電気を供給する。風胴体２の内外を流れる流れを使って渦列を形成する流れを形成し、この流れを安定したものにコントロールし、内部流れの風速を増し、高出力の発電を行うことができる。また、ディフューザの長さを短くでき、これにより数ｍ以下のマイクロ風車、ミニ風車だけでなく、発電能力がＭＷ級の大型風力発電装置用の風車にまで大型化が可能になり、高エネルギー変換率を得ることができる。構造上も補強になる。そして、実施の形態１における流体機械の内部流れ増速方法によれば、渦列を形成する流れを安定したものにすることができ、流体機械の外部流れで内部流れの風速を増加させることができる。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２における非定常流れを利用した流体機械、とくに水車等の水力機械、中でも潮流で発電することのできる潮流発電装置について説明をする。図１５は本発明の実施の形態２における回転面と鍔から構成された鍔付きケーシングを備えた潮流発電装置の外観を示す。

図１５に示すように、潮流発電装置３１は海流の流れの激しい場所に支持台２２が回動自在に海底に設置される。複数台を主流に対して直交方向に横一列に並べて設置する。羽根車の高さは海面の影響をあまり受けない高さに設置するのがよい。満潮時と干潮時とで海流の向きが変わる場合、潮流発電装置３１は回転により流れの作用で流れの方向へ向くことができる。小刻みな回転を防ぐため制御装置１７で回転にロックをかけるのもよい。この潮流発電装置３１の構成は図１４の風力発電装置１の構成と基本的に変わりがないので、その構成は図１４を参照することとし、説明の詳細は図１３の説明に譲る。ただ、実施の形態１の風胴体２の説明はケーシング２３の説明に対応する。

また、潮流発電装置３１は海底に設置するのでなく、海面上で支持台２２を吊下げる方式も可能である。潮流発電装置３１においてもアクチュエータ１８を設けてもよいし、ケーシング２３を発電機１１まわりなどに支持するのでもよい。さらに、発電装置１０の要部やアクチュエータ１８などをすべて海面上に設置することもできる。

このように本発明の実施の形態２における流体機械は潮流発電装置３１であるため、潮流による羽根車３の回転力が発電装置１０を駆動して発電し、外部に電気を供給できる。実施の形態２における流体機械も、ケーシング３１の内外を流れる流れを使って２次元的あるいは３次元的に渦列を形成し、この流れを安定した流れにコントロールし、内部流れを増速し、高出力の発電を行うことができる。しかも、ケーシング３１は構造上の補強にもなるものである。

なお、以上説明した風車、水力機械などの流体機械のほかにも、本発明の非定常流れを利用した流体機械の内部流れ増速方法は利用することができる。例えば、大気中でジェットエンジンの性能を試験する性能試験装置において、ナセルの周囲にケーシングを設けて内部のロータを回転させ、ジェットエンジンの吸気口に吸い込まれる風量を増加させることができる。このような場合も、これによって高性能試験装置が得られる。

本発明は、風力発電装置や潮流発電装置などのケーシングの内外を流れる流れの中で運転する流体機械に適用できる。

Claims (12)

1. 内外の流れによって安定した渦列を後流側に形成することができ軸対称で長手方向に非流線形をなすディフューザ機能を有する筒状のケーシングと、前記ケーシング内に設けられた羽根車とを備えた非定常流れを利用した流体機械であって、
   前記ケーシングは後流側に前記渦列を形成するためのリング状の鍔からなる渦生成体を備え、かつ該渦生成体には前記ケーシングの長手方向に沿う形状を具備してその表面から周囲を流れる流れ内に放射状に突出する複数の位相制御体が形成されており、
   前記位相制御体は、渦形成が前記ケーシング後端面内で周方向にゆらぐ間隔で前記ケーシングの周方向に形成されるセル構造の隣接セル間を区画する位置に配設され、
   前記位相制御体によって前記渦形成がこの後端面内で周方向にゆらぐ位相を揃えることにより前記セル構造を明確化し、各セルの位置を前記後端面に複数配設された前記位相制御体による区画領域にそれぞれ固定化して内部流れを増速することを特徴とする非定常流れを利用した流体機械。
2. 前記位相制御体が前記渦生成体表面から流れ内に突出する板または突起状の形状を備え、該位相制御体によりセルが固定化された区画領域間で行われる渦形成優越区画領域の切換を区画領域単位で行い、内部流れを増速することを特徴とする請求項１記載の非定常流れを利用した流体機械。
3. 前記位相制御体が、主流の流速がゆらぎスケールでセル構造を形成できる流速の流れに任せたときに前記ケーシングに自然に形成されるセル構造のセル数と同一数又は該同一数の（１／整数）倍となる枚数だけ配設された位相制御板であることを特徴とする請求項１又は２記載の非定常流れを利用した流体機械。
4. 前記区画領域が、主流の流速がゆらぎスケールでセル構造を形成できる流速の流れに任せたときに前記ケーシングに自然に形成されるセル構造のセル数と同一個数又は該同一個数の（１／整数）倍となる個数だけ前記位相制御体によって形成された領域であることを特徴とする請求項１又は２記載の非定常流れを利用した流体機械。
5. 前記羽根車には、該羽根車の回転力を電気力に変換する発電装置が連結されていることを特徴とする請求項１又は２記載の非定常流れを利用した流体機械。
6. 内外の大気の流れによって安定した渦列を後流側に形成することができ軸対称で長手方向に非流線形をなすディフューザ機能を有する筒状の風胴体と、前記風胴体内に設けられた羽根車とを備えた風車であって、
   前記風胴体は後流側に前記渦列を形成するためのリング状の鍔からなる渦生成体を備え、かつ該渦生成体には前記ケーシングの長手方向に沿う形状を具備してその表面から周囲を流れる流れ内に放射状に突出する複数の位相制御体が形成されており、
   前記位相制御体は、渦形成が前記風胴体後端面内で周方向にゆらぐ間隔で前記風胴体の周方向に形成されるセル構造の隣接セル間を区画する位置に配設され、
   前記位相制御体によって前記渦形成がこの後端面内で周方向にゆらぐ位相を揃えることにより前記セル構造を明確化し、各セルの位置を前記後端面に複数配設された前記位相制御体による区画領域にそれぞれ固定化して内部流れを増速することを特徴とする風車。
7. 前記位相制御体が前記渦生成体表面から流れ内に突出する板または突起状の形状を備え、前記位相制御体によりセルが固定化された区画領域間で行われる渦形成優越区画領域の切換を区画領域単位で行い、内部流れを増速することを特徴とする請求項６記載の風車。
8. 前記位相制御体が、主流の流速がゆらぎスケールでセル構造を形成できる流速の流れに任せたときに前記風胴体に自然に形成されるセル構造のセル数と同一数又は同一数の（１／整数）倍の枚数だけ配設された位相制御板であることを特徴とする請求項６又は７記載の風車。
9. 前記羽根車には、該羽根車の回転力を電気力に変換する発電装置が連結されていることを特徴とする請求項６又は７記載の風車。
10. 軸対称で長手方向に非流線形をしたディフューザ機能を有する筒状のケーシングの内外に流体を流したとき、該内外の流れによって安定した渦列を後流側に形成し、前記渦列の形成による後流側の低圧化で前記ケーシングを通過する内部流れを増速させる流体機械の内部流れ増速方法であって、
    前記ケーシングの後流側に前記渦列を形成するためのリング状の鍔からなる渦生成体を設けると共に、該渦生成体には前記ケーシングの長手方向に沿う形状を具備してその表面から周囲を流れる流れ内に放射状に突出する複数の位相制御体を形成し、
    渦形成が前記ケーシング後端面内で周方向にゆらぐ間隔で、前記位相制御体を前記ケーシングの周方向に形成されるセル構造の隣接セル間を区画する位置に配設し、
    前記位相制御体によって前記渦形成がこの後端面内で周方向にゆらぐ位相を揃えることにより前記セル構造を明確化し、各セルの位置を前記後端面に複数配設された前記位相制御体による区画領域にそれぞれ固定化して前記内部流れを増速することを特徴とする流体機械の内部流れ増速方法。
11. 渦形成するセルに対応した渦形成優越区画領域の切換を前記位相制御体により前記区画領域単位で行って安定化し、この安定化で前記内部流れを増速することを特徴とする請求項１０記載の流体機械の内部流れ増速方法。
12. すべての区画領域を渦形成優越区画領域にするための均等な区画領域にすることを特徴とする請求項１０又は１１記載の流体機械の内部流れ増速方法。

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