JP4740580B2 - 横軸風車のブレード並びに横軸風車 - Google Patents

Description

本発明は、横軸風車のブレード並びに横軸風車に係り、特に、ロータブレードの受風部の先端を、正面である受風方向へ向かって傾斜する傾斜部を形成しているブレードと、このブレードを備えた横軸風車に関する。

従来、風力発電機の風車として、プロペラ式横軸風車が利用されている。プロペラ式横軸風車は、ブレードが１０ｍ〜５０ｍに及ぶ大型のものが使用され、回転効率の点から、翼端部を細くしたものが主流となっている。これは、ブレードの翼根部よりも、翼端部の方が回転速度が早くなるため、翼端部の弦長を長くすると、空気抵抗が大きくなり、回転速度が低下するためである。

風車の回転効率は、ブレードの受風面積により定まるが、例えば同じ三角形の翼の翼根部の弦長を長くしたものと、逆に翼端部の弦長を長くしたものとを比較すると、翼端部の弦長が長い方が軸トルクは大きくなるが、回転速度が遅くなる。
本発明は、軸トルクが大きく、併せて回転速度も早くなるようにした横軸風車のブレードと、このブレードを備えた横軸風車を提供することを目的としている。

本発明は、前記課題を解決し目的を達成するために、ロータブレードの翼端部に、正面受風方向へ傾斜した傾斜部を形成した。
発明の具体的な内容は次の通りである。

（１） 横軸風車におけるロータブレードの受風部の正面において、弦長の小さな翼根部から翼端部へかけて漸次弦長を大とし、最大弦長部分から先端へかけて先細とし、該最大弦長部を傾斜部の基端境界として、基端境界から翼端へかけての部分を正面受風方向へ向かって傾斜させ、かつ受風部の正面を、回転方向の前縁から後縁へかけて背後方向へ傾斜させたことを特徴とする横軸風車のブレード。

（２） 前記傾斜部の基端境界を、その位置におけるロータブレードの回転トラックに沿う円弧としてある前記（１）に記載の横軸風車のブレード。

（３） 前記（１）または（２）に記載のブレードを備える横軸風車。

本発明によると次のような効果が奏せられる。

前記(1)に記載のロータは、各ロータブレードの翼端部を背面から正面受風方向へ向けて屈曲させ、傾斜部が形成してあるので、ロータブレードの正面に風を受けたとき、傾斜部に当った風が、ロータブレードの遠心方向へ移動する気流と混合されて風圧を高め、ロータブレードを回転方向へ強く押す力に変化するため、風速が低くてもロータを回転させやすく、また高速回転時には軸トルクが大きい。
また、ロータブレードの翼根部の弦長よりも、翼端の傾斜部の基端境界の弦長を長くしてあるので、ロータブレードの遠心部で多くの風を受けることになり、回転速度が早まり、かつ梃子の原理により、回転時に強い軸トルクを得ることが出来る。

前記(2)に記載のロータでは、ロータブレードの翼端の傾斜部の基端境界が、その部位の回転トラックに沿う円弧に設定されているので、ロータブレードの回転時に、抵抗になりにくい。

前記(3)に記載の横軸風車は、前記（1）または（2）に記載のブレードを備えているので、低風速時でも高い風車効率をあげることができる。

ロータブレードの受風部の正面を逆テーパ状とし、最大弦長部を傾斜の基端境界として、その先端を正面方向へ傾斜させた傾斜部を設ける。

本発明の実施の形態例を、図面を参照して説明する。
図１は本発明に係る風車のロータの正面図、図２は図１における平面図、図１０は図１における左側面図である。

図１において、風車のロータ(1)は、軸部(2)の周囲に、ロータブレード(3)を３枚、等間隔で放射方向に向けて配設して形成されている。符号(4)はロータ軸である。
軸部(2)は、ハブ若しくはボスとなっており、形状は任意である。

各ロータブレード(3)は三次元形で、図１に示すように、正面視において翼根部(3a)は弦長の短い細杆状であり、翼端部に向かって弦長を長くして、受風部(3b)が形成されている。該受風部(3b)は、先端縁部及び回転後縁部位が大きく設定されている。

図２に示すように、ロータブレード(3)の翼端部の一定長さの部分は正面方向へ傾斜し、傾斜部(3c)が形成されている。傾斜部(3c)の先端部は、図１及び図２に示すように、正面視及び平面視においても、先が尖っている。

図１における傾斜部(3c)の基端境界(3d)部分は、ロータブレード(3)の回転時の回転トラック（T）に沿う円弧形に設定されている。従って、ロータブレード(3)の回転時に、傾斜部(3c)の基端境界(3d)部分の空気抵抗は軽減される。

傾斜部(3c)の先端からその基端境界(3d)までの長さは、例えばロータブレード(3)の翼長の５％〜２０％程度で、傾斜部(3c)の傾斜角度は、ブロータブレード(3)の長手方向に対して、中心部で１５度〜５０度の範囲、好ましくは４０度〜４５度である。前記受風部(3b)の最大弦長は、傾斜部(3c)の基端の境界線(3d)部分にあり、ロータブレード(3)の回転直径の約１４％に設定されているが、１３％〜２５％の範囲に設定される。

図１において、受風部(3b)は、ロータブレード(3)の翼端部から翼根部までの約６５％までの範囲に設定されている。図３は、図１におけるＡーＡ線横断平面図、図４は、図１におけるＢーＢ線横断平面図、図５は、図１におけるＣーＣ線横断平面図、図６は、図１におけるＤーＤ線横断平面図である。

受風部(3b)の正面形は、ロータブレード（3）の翼根部(3a)から翼端部にかけて、軸部(2)の回転方向に対して、次第に緩やかな傾斜縁とされている。そのことは、受風部(3b)の正面において回転方向の後縁部位（図の左方）は、ロータブレード(3)の翼端に近づくに従って、次第に正面方向に捩れている。

図７は、図１における傾斜部(3c)のＥーＥ線横断平面図、図８は、図１におけるＦーＦ線横断平面図、図９は、図１におけるＧーＧ線横断平面図である。
傾斜部(3c)は、先端に至るに従って、次第に正面方向へ捩れ、その正面形は、回転方向の前縁（図１における上方を向くロータブレードの右方）から、回転方向の後縁（図１の左方）へかけて、次第に背後方向へ傾斜している。

図１、図２において、正面方向から風を受けた場合、傾斜部（3c）の傾斜基端部であるＡーＡ部分においては、図３に示すように、風の当る面積が広く、前方から来るＡ矢示風は、ロータブレード(3)の正面に沿って回転方向の後縁方向（図３の左方向）へ流れ、ロータブレード(3)をａ矢示方向に押す力が生じる。

図１におけるＢーＢ部分においては、図４に示すように、風の当る面積は図１におけるＡーＡ部分より小さくなり、Ａ矢示風はロータブレード(3)の正面に沿って図４における左方向へ流れ、正面の後縁部の後方への傾斜角度が大きいので、風は早く通過し、ロータブレード(3)をｂ矢示方向へ押す力が生じる。

図１におけるＣーＣ部分においては、図５に示すように、風の当る面積は図１におけるＢーＢ部分よりも狭くなり、Ａ矢示風はロータブレード(3)の正面に沿って図５における左方向へ流れ、正面の後縁部の背後方向への傾斜角度が大きいので、風は早く通過し、ｃ矢示方向へロータブレード(3)を押す力が生じる。

図１におけるＤーＤ部分においては、図６に示すように、風の当る面積は図１におけるＣーＣ部分よりも狭くなり、Ａ矢示風はロータブレード(3)の正面に沿って図６における左後方へ早く通過し、ｄ矢示方向に反力が生じる。すなわち、翼根部(3a)は風の抵抗を受けるが、面積が小いので、ロータブレード(3)の回転負担になりにくい。

傾斜部(3c)について、図１のＥーＥ部分における横断平面は、図７に示すように図３と同じである。図１のＦーＦ部分における横断平面は、図８に示すように、Ａ矢示風は傾斜部(3c)の正面に沿って図８における左方向へ流れ、ｆ矢示方向へロータブレード(3)を押す力が生じる。

図１のＧーＧ部分における横断平面は、図９に示すように、Ａ矢示の風は、傾斜部(3c)の正面に沿って図９の左方向へ流れ、ロータブレード(3)をｇ矢示方向へ押す力が生じる。この傾斜部(3c)の先端部は、正面受風方向へ向いて傾斜しているために、図１０に示すように、前記ｆ矢示方向及びｇ矢示の方向に作用する風力は、斜後上方向きに作用する。

そのため、傾斜部(3c)の正面で受ける風は、ロータブレード(3)の回転遠心方向、かつ回転方向へ向けて押す力となるため、ロータブレード(3)の回転速度を高める作用をする。

また、図１０において、点ＰーＱ間の斜面に当る気流は、中心方向の点Ｑ方向へ変向する。流体力学上で、距離の短いＯーＱ間を通過する気流の通過時間と、距離の長いＰーＱ間を通過する気流の通過時間は等しくなるので、距離の短いＯーＱ間を通過する気流の速度よりも、距離の長いＰーＱ間の傾斜面を滑って通過する気流の通過速度の方が早くなる。

このため、図１０において、傾斜部(3c)の正面に当る気流Ａは、翼端方向から基端境界(3d)方へ高速で滑流して、図４、図５に示す受風部(3b)の正面を、後縁方向へ流れる気流と合流して、空気密度を高め、気圧を高めて、ロータブレード(3)の背後方向へ通過する。

図１において、傾斜部(3c)における気流の停滞による抵抗損が大きいように見えるが、前記のように、傾斜部(3c)の正面に当る気流は、図１におけるＡ1矢示風のように高速で抜けるため、大きな抵抗になることはなく、図１におけるＢーＢ部分からロータブレード(3)の翼根部(3a)周りにかけての気流を、高速で通過をさせるという効果がある。

傾斜部(3c)において、傾斜面を先端から基端境界(3d)を滑る流速が早まるということは、その部分で負圧が生じる。その結果、他部から常圧の気流が傾斜部(3c)へ余分に集合することになり、同じ風速、同じ時間内において、傾斜部(3c)にのみ、他部よりも多量の気流が当ることになり、集風効果が生じる。

ロータブレード(3)の翼根部(3a)の弦長が長い従来型の風車ロータの場合、ロータブレード(3)が回転すると、気流の通り抜けが翼根部(3a)で制約され、ロータブレード(3)の全体に負担がかかり、また気流はロータブレード(3)の細い翼端方向へ抜ける為に回転効率が悪い。

その点、本発明によるロータブレード(3)は、翼根部(3a)周りでの気流の通過性がよく、かつ遠心部の弦長が長く、傾斜部(3c)の正面で気流を集め、高速で受風部(3b)へ気流の向きを変向させるので、気流の回収性に優れ、ロータブレード(3)の遠心部において大きな風力を得ることとなり、梃子の原理で軸トルクが大きくなる。

その結果、ロータブレード(3)の翼長を長くしなくても、風車効率が高くなり、ロータレード(3)の剛性、或いは風車全体の高さの問題などにおいて、有利な点が多い。ロータブレード(3)の形状は図２で明らかなように、回転方向における対風面積が小さく、かつ横断面が揚力型であるので、ロータ(1)が回転しはじめると、前向きの揚力が生じる。

この場合、前述したように、図１０において、傾斜部(3c)の正面に当り、点ＰーＱを滑る風速が、点ＯーＱ間を移動する風の速度よりも早くなると、点ＰーＱ間の空気密度が薄くなり、負圧になるため、他部からの常圧の気流が、傾斜部(3c)正面に急速に入込む。

これにより、他部位よりも傾斜部(3c)に高速風が当ることと同じ効果が生じ、時間単位での空気密度が高くなるために、ロータブレード(3)を回転方向へ押す総合風圧が高くなる。

すなわち、傾斜部(3c)は気流を停滞させるように見えるが、実際は、傾斜部(3c)の正面先端から、基端境界(3d)部分へかけて風速が高まって、気流は早く通過し、その分、一定時間内に周囲よりも余計に気流が傾斜部(3c)に当ることになるので、受風効率は高い。

図１０において、点ＯーＱ間の距離よりも、点ＰーＱ間の距離の方が長い方が、点ＯーＱ間を通過する気流よりも気流の速度が大となるので、点ＰーＱ間の距離が長い方が好ましいが、傾斜部(3c)の傾斜角度が緩やかで、点ＰーＱ間の距離が長いだけでは、気流は散逸するので、この傾斜角度は４５度以内であるのが好ましい。

また、図１において、傾斜部(3c)の正面に当った気流が、傾斜部(3c)の基端境界(3d)部分の周りを後方へ高速で通過することにより、この気流はロータブレード(3)を回転方向へ回転させる力となる。

すなわち、図４において、点ＳーＲ間を通過する気流の速度よりも、点ＴーＲ間を通過する風速の方が大であり、従って、この傾斜部(3c)の正面に押寄せる気圧が、ロータブレード(3)を回転方向へ押すことになる。

このように、ロータブレード(3)の先端に、傾斜部(3c)が形成された本発明のロータ(1)と、従来型とを、同じ受風面積と風速で比較すると、従来型が210回／分のところ、本発明のロータ(1)は405回／分と大きな差が見られた。

図１１は、ロータブレード(3)の実施例２を示す正面図、図１２は、その平面図である。前例と同じ部位には、同じ符号を付して説明を省略する。この実施例２における受風部(3b)の最大弦長は、ロータ(1)の直径の２０％に設定されているが、２５％まで大きくすることができる。翼根部(3a)の正面視における弦長は、傾斜部の基端境界における最大弦長の３分の１以下に設定される。

図１３は、図１１におけるＡーＡ線横断平面図、図１４は図１１におけるＢーＢ横断平面図、図１５は図１１におけるＣーＣ線横断平面図である。
これらの断面図で判るように、ロータブレード(3)の横断平面は概略揚力翼型で、正面における回転方向の後縁正面は背後方へ傾斜しており、翼根部(3a)の傾斜度は大きく、先端方向へかけて緩やかに設定されている。

図１３〜図１５において、ロータブレード(3)が正面から風を受けるとき、点Ｏから点Ｐに至る風の速度よりも、点Ｑから点Ｐへかけて横滑りする風の速度の方が早くなる。
すなわち、受風部(3b))の正面に当る風は、ロータブレード(3)の回転に伴い、図の左方向へ流れ、その気流の速度は、ロータブレード(3)の回転速度に比例するので、周囲に吹いている風の速度よりも速くなり、図１１において、ロータブレード(3)の翼根部(3a)よりも翼端部の方に当る風の方が、早く後縁方向へ横滑りをする。

更に、傾斜部(3c)の正面にあたる風は、その斜面で速度を上げて基端の境界線（3d)、及び受風部(3b)方向へ高速で移動する。従って、ロータブレード(3)の先端部の弦長が長くても、気圧が高くなって回転効率が低下するということはなく、風は他部位よりも速度が早められてロータブレード(3)の後方へ通過する。

その結果、他部位よりも多くの風を傾斜部(3c)に呼び込むこととなり、ロータブレード(3)は回転方向へ強く押される。また、傾斜部(3c)の斜面に当って高速で滑る風は負圧を作るため、ロータブレード(3)に直接当る風圧は、常圧よりも低い。

なお、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、目的に沿って適宜設計変更をすることができる。ロータブレード(3)の枚数は３枚に限らない。またロータブレード(3)の形状は、正面視で左右対称形で、狭幅のものでも良い。

本発明風車のロータ（1）は、従来型の風車ロータよりも回転効率がよいので、工業用動力として活用することが出来る。また風力発電機に利用するときは、弱風での効率のよい発電が可能になる。

本発明に係る実施例１の風車のロータブレードの正面図である。 図１における平面図である。 図１におけるＡ−Ａ線横断面図である。 図１におけるＢ−Ｂ線横断面図である。 図１におけるＣ−Ｃ線横断面図である。 図１におけるＤ−Ｄ線横断面図である。 図１におけるＥ−Ｅ線横断面図である。 図１におけるＦ−Ｆ線横断面図である。 図１におけるＧ−Ｇ線横断面図である。 図１におけるロータブレードの左側面図である。 本発明に係るロータブレードの実施例２の正面図である。 図１１の平面図である。 図１１におけるＡ−Ａ線横断面図である。 図１１におけるＢ−Ｂ線横断面図である。 図１１におけるＣ−Ｃ線横断面図である。

(1) ロータ
(2) 軸部
(3) ロータブレード
(3a) 翼根部
(3b) 受風部
(3c) 傾斜部
(3d) 基端境界
(4) ロータ軸
(5) 横軸風車
(6) 支柱
(7) 筐体
(7a) 後蓋
(8) 方向舵

Claims (3)

1. 横軸風車におけるロータブレードの受風部の正面において、弦長の小さな翼根部から翼端部へかけて漸次弦長を大とし、最大弦長部分から先端へかけて先細とし、該最大弦長部を傾斜部の基端境界として、基端境界から翼端へかけての部分を正面受風方向へ向かって傾斜させ、かつ受風部の正面を、回転方向の前縁から後縁へかけて背後方向へ傾斜させたことを特徴とする横軸風車のブレード。
2. 前記傾斜部の基端境界を、その位置におけるブレードの回転トラックに沿う円弧としてあることを特徴とする請求項１に記載の横軸風車のブレード。
3. 請求項１または２に記載のブレードを備えることを特徴とする横軸風車。

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