JP5462552B2 - 風車翼 - Google Patents

Description

本発明は、発電等に使用される風車翼に関する。

風車に用いられる翼のピッチ角を変更する機構は機械式が一般ではあるが、この他に、風圧を利用するものや、風車の回転による遠心力を利用するものが公知となっている。風圧を利用するものとしては、例えば特許文献１のように、翼杆を枢軸として風車翼板を回転可能に取付け、各翼板とこれを結合するように張り巡らせた円環との間にバネを設置して、翼板が受ける風圧により翼板が円環に対して回転するのをバネの弾力で支持することによりその角度を調整するものが知られている。また、遠心力を利用して、ピッチ角を変更するものとしては、例えば特許文献２のように、アームに回転自在に取り付けられた翼板が、風車の回転による遠心力でアーム上を外側に移動するように構成し、外側に移動するほど各翼板のピッチ角を大きくするものが知られている。このように、翼の構造によりピッチ角を変更できるものは、構造が簡単であり低コストで導入しやすい利点がある。

しかし、上記した特許文献１又は２に開示されたいずれの技術においても、翼杆或いはアームを回転軸として翼板がピッチ変更可能なように取り付けられており、また風の持つエネルギーは、速度の３乗に比例すると共に自然の風は一定に吹くことは無く数秒、数十秒単位で急激に変動することから、大きな風圧の変動が翼板を介して、翼杆或いはアームに加わることになる。このような風圧の変動は、翼杆或いはアームに撓みを生じさせ且つ、これが繰り返されることによりこれらと翼板との間で異音を発生させたり、最終的には疲労により翼杆やアームを一気に破壊させるようになり、したがって上記したいずれの公知技術の翼も長期の使用には向かない。一方、翼杆或いはアームの剛性を高めてこれを回避しようとすると、翼全体の重量が増加する。

このような欠点に対処するため、本発明者は、翼杆或いはアームなどのような、翼に対する回転軸を持つことなく翼そのもの構造によってピッチ角を変更できるようにした風車翼を先願にて提案（特願２００９−１１８１４３号）している。

この先願に係る風車翼は、回転主軸と、この回転主軸の外周面から半径方向へ放射状に伸長された翼支持棒と、前縁を翼支持棒に係着された翼布と、この翼布の後縁のうち回転主軸寄り部分を除いた箇所から回転主軸回転方向の逆側に存在した翼支持棒までの間に掛け渡された弾性引張線部材とを備えている。

この風車翼においては、前方から翼布に作用する風圧が大になると、弾性引張線部材及び翼布が変形し、その捩れ角が翼布の回転主軸寄り部分を除く範囲で効果的に大となって風圧が減じる傾向となり、逆に風圧が小になると、翼布が逆側へ同様に変形して、翼布の回転主軸寄り箇所を除く範囲でその捩れ角が効果的に小となって風圧が増大される傾向となり、既述の欠点が解消される。なお、先願に係る風車翼では、翼布の回転主軸側の端部である内端縁は、回転主軸半径の回転面に対する交差角（捩れ角）は固定された状態となっている。

実公昭２９−１２４０８号公報 特開昭６０−６０７９号公報

風が一定の強さで吹くような設置環境には限りがあり、時折強い風が吹くが通常は弱い風しか吹かない場所が殆どである。先願に係る風車の場合、翼の捩れ角を強い風の環境に合わせて設定すると、翼の回転主軸寄り部分の捩り角は大きくなり、この部分は弱い風のときには機能せず逆に抵抗となる。一方、回転主軸寄り部分を弱い風にあわせて捩れ角を設定すると、強い風のときに翼の外周側が破損しかねない。

本発明は、風（特に比較的弱い風）を前方から受けるとき、回転数を高め、その風の保有エネルギーを各翼布の回転主軸寄り部分によっても効率的に回転エネルギーに変換して、全体としての、エネルギー変換効率を向上させる。併せて、地上からの高さにより風の強さが異なっても、翼の全長にわたり翼の捩れ角が調節させるため、軸受けに対するねじ曲げ力を抑制し、耐久性を向上させた風車翼を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための、本発明に係る風車翼は、回転主軸と、回転主軸から半径方向へ放射状に伸長された複数の支持桁と、支持桁に係着された翼布と、前記翼布の後縁のうち回転主軸寄り箇所を除いた箇所から、前記翼布に対し前記回転主軸回転方向の逆側に隣接して存在する支持桁までの間に掛け渡された第１弾性引張線部材とを備えた風車翼であって、前記翼布の回転主軸側に、折れ曲がりを自在として前記支持桁に接続され、前記翼布の前記回転主軸側の内端縁に結合されたアーム部材と、前記アーム部材から、前記回転主軸の回転方向の逆側に隣接した他の支持桁との間に掛け渡された第２弾性引張線部材とを有することを特徴とする。

本発明によれば、翼として布のような変形自在な素材が用いているため、回転主軸寄り部分の捩れ角と外周側部分の捩り角は、風の強さに合わせて互いに依存せずにダイナミックに変更可能である。従って、回転主軸寄り箇所を、外周部分とは独立に、弱い風のときに効率的に機能する捩れ角に設定し、風が強くなると各翼布の内端縁寄り部分の捩れ角を大きくして破損を防ぐ一方、外周箇所を効果的に機能するように独立に捩り角を設定して、風の強さに対応して翼全体を使って効率的に風のエネルギーを回転に変換することができる。この際、翼の回転トルクは弾性体の引張力に起因して発生するので、翼の長さ範囲の中で風の強さが異なっていても、夫々に適当な捩れ角に調整されるのである。また、先願のように風下側に送風作用をする事態もなく、軸受けに対するねじ曲げ力が発生することが無い。

風車翼の斜視図である。 図１に示す風車翼の一部を拡大した斜視図である。 袋状部を示す斜視図である。 風車翼の他の実施例を示す図である。 風車翼のさらに他の実施例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図１には実施例に係る風車翼を斜視図で示している。
図１において、図面左側が風上であり、右側を風下側とする。水平な回転主軸１は断面円形の金属管からなり、図示しない軸受を介して、風上側に向って回転自在に支持される。４本の棒状の支持桁２が回転主軸１の外周面からその半径方向へ中心線ａ１回りの等角度間隔で放射状に固定されている。支持棒２のそれぞれには、翼３０がが止着されている。図１中において２本の支持棒２に止着される翼３０は省略されている。３０は細長く形成されていて、翼布３と袋状部ｂ１とを有している。翼布３は、前縁３ａ、後縁３ｂ、内端縁３ｃからなる外形を有している。前縁３ａは直状に形成されており、その全長範囲に内端縁３ｃ側で開口された細長い袋状部ｂ１と接続している。この袋状部ｂ１は内径が支持桁２の径も大きく、支持桁２に外嵌されている。

後縁３ｂは、前縁３ａまで直状に延長された第1箇所ｃ１と、第１箇所ｃ１に連続された第２箇所ｃ２は前縁３ａに平行に延長された直状部とからなっている。第１箇所ｃ１は第２箇所ｃ２に近づくに伴って漸次に回転主軸寄りに近づくように傾斜している。内端縁３ｃは、その両端が前縁３ａ及び後縁３ｂに連続されている。

各袋状部ｂ１は、その後端ｒが翼布３の前縁３ａ全長範囲に接合されている。各袋状部ｂ１は内端縁３ｃ側で開口した袋状となっており、その内径が支持桁２よりも大きく、支持桁２に外嵌された状態で、支持桁２長手方向上の任意点の断面形状が翼布２の展張状態下で流線形を形成する。このように翼布３の前縁が流線形となっていることは、風車が回転したさいの支持桁２付近に発生する乱流を低減させる。

図３に、無風の初期状態における袋状部ｂ１の斜視図を示す。図３Ａにおいて、説明の便宜上、袋状部ｂ１を長さ方向に複数の位置に分割した分割線Ｅ１乃至Ｅ７を示し、支持桁２の中心と袋状部ｂ１の後端ｒとを結ぶ線を夫々中心線Ｆ１乃至Ｆ７として示している。分割線Ｅ１、中心線Ｆ１は風車翼の外周側に位置し、分割線Ｅ７、中心線Ｆ７は回転主軸寄りであるとする。図に示すように、袋状部ｂ１は、分割線Ｅ１から分割線Ｅ７に至る過程で、次第に風下側に捩じられた形状をしている。袋状部ｂ１を初期状態において、捩じられた形状としておくことにより、翼布３に対して初期状態において捩じりを付与することができる。図３Ｂは袋状部ｂ１を作成する一例を示している。袋状部ｂ１は、翼布３と同一素材で形成されており、左右を短冊状に切断されている。切断位置は、図３Ａの分割線Ｅ１乃至Ｅ７の位置に対応する。長辺が湾曲した布に対して、左側の短冊ｇと右側の短冊ｈの分割線Ｅ１乃至Ｅ7の長さが同じくなるように切断し、夫々の短冊の端を縫合する。切断されている分割線Ｅ１乃至Ｅ７の位置においては、必ずしも隣り合う短冊g又はｈの端同士が合わないことがあるため、さらに布を被せて縫合することにより、捩じりのついた袋状部ｂ１を作成する。

翼布３の第1箇所ｃ1と第２箇所ｃ２の間、第２箇所ｃ２の長手方向中央寄り位置、及び、内端縁３ｃ近傍位置にはそれぞれ、支持桁２に向かって細長状の骨部材５ａ、５ｃ、５ｂが固着されている。各骨部材５ａ、５ｂ、５ｃは翼布３の後縁３ｂから前縁３ａまでに及び、支持桁２に対して略直角な位置関係である。そして骨部材５ａ、５ｂの後縁３ｂ側には金属環６ａ、６ｂ止着されている。また、骨部材５ｃの両端にも金属環６ｃ、６ｄが止着されている。袋状部ｂ１がすべり特性の良い素材の場合は、骨部材５ａ、５ｂ、５ｃを各袋状部ｂ１上にも延長して支持桁２の近傍までの長さとすることにより、翼３０全体で捻れ角を変更することができる。

金属環６ａ、６ｂには、それぞれ第１弾性引張線部材７ａ、７ｂの一端が結合されている。この第１引張線部材７ａ、７ｂはこれに付与される引張力が大小に変化することで伸縮変形をする。第１引張線部材７ａ、７ｂとして、例えばゴム紐又はコイルスプリングのほか、コイルスプリングと他の線材との結合品、エアーピストンなどが使用される。

各第１弾性引張線部材７ａ、７ｂの一端は各翼布３の第２箇所ｃ２に設けられており、その他端が回転主軸１の回転方向逆側に隣接した支持桁２の先端に止着されている。各第１弾性引張線部材７ａ、７ｂの前記他端は支持桁２の先端に止着することに代え、支持桁２の長さ途中の位置に止着しても良い。

図２には風車翼の一部を拡大した状態を斜視図で示している。内端縁３ｃよりも回転主軸１側となる支持桁２の基端寄り箇所の後部に、四角平板からなる角度片８が固定されている。この角度片８は、袋状部ｂ１と同じ長さであり、風下方向へ傾斜して延びている。角度片８の後端には細長状四角板からなるアーム部材９がヒンジ１０を介して揺動可能に接続されている。ヒンジ１０の軸線ｄ１は、その対応する支持桁２に平行であり、ヒンジ１０は折れ曲がり自在である。アーム部材９先端の軸線ｄ１回りの揺動半径長は、翼布３の内端縁３ｃの展張長さよりも少し長くその展張長さに対応した大きさである。

金属環６ｃと角度片８とは紐部材、ゴム紐又はスプリングなどの線部材１１で緊張状に結合されている。このため、袋状部ｂ１が支持桁２に固定されるとともに、袋状部ｂ１の回転主軸寄り部分の角度が角度片８の傾斜角度に対応した角度に傾斜される。また金属環６ｄとアーム部材９の先寄り箇所とは紐部材、ゴム紐又はスプリングなどの線部材１２で緊張状に結合されている。アーム部材９の先端は、金属環６ｄよりも回転主軸１側に存在している。アーム部材９の先寄り箇所は、回転主軸１の回転方向の逆側に隣接して存在する支持桁２側及び回転主軸方向に金属環６ｄを支えて翼布を展開させる。ヒンジ１０によりアーム部材９が支持桁２の長さ方向に揺動しないため、翼布の展開はさらに安定化されている。角度片８により、袋状部ｂ１は、回転主軸１の近傍から外周側にかけて、捻りが維持されている。支持桁２と袋状部ｂ１とが互いにすべり特性の良い場合、角度片８の代わりにアーム部材９を直接に支持桁２にヒンジを介して取付けても良い。

アーム部材９の先寄り箇所と、このアーム部材９に対応した支持桁２に対して回転主軸１回転方向逆側で隣接した他の支持桁２との間には、第１弾性引張線部材７ａ、７ｂに準じた部材である第２弾性引張線部材１３が架け渡されている。アーム部材９が、風下側に折れ曲がり自在なのは、風が強いときに、内端縁３ｃが風下側に後退する動作に追随するためであり、第２弾性引張線部材１３は、内端縁３ｃが風下側に後退する際に、弾性力をもって角度を調整し、風車の回転力を回転方向逆側で隣接した他の支持桁２に発生させるためのものである。線部材１１が弾性体である理由は、角度片８による袋状部ｂ１に対する傾斜角度の拘束を緩やかにするものであり、内端縁３ｃの捩れ角を風の強さによらず角度片８と同一に固定する場合や翼布３が弾性を持つ場合であれば、特に弾性体である必要は無い。また、アーム部材９の折れ曲がりと内端縁３ｃの風下側への後退との間で両者の距離関係に偏差が生じるため、線部材１２は初期における内端縁３ｃの姿勢をアーム部材９先端に緩やかに拘束している。両者の距離関係が固定である場合か、或いは翼布３が弾性を持つ場合であれば、線部材１２は特に弾性体である必要は無い。

アーム部材９には、第２弾性引張線部材１３に加えて回転主軸１の風下箇所との間にさらに第３の弾性部材１４を設けても良い（図２参照）。第３の弾性部材１４を設けることにより、弱風時の翼布３の形状を整えることができるという効果がある。

次に上記風車翼の作用について説明する。
回転主軸１は軸受を介して回転自在に支持され、また回転主軸１に適宜な負荷装置が連動連結された状態とする。前方に風を受けない状態では、各翼３０はその対応する支持桁２の支持力や、第１弾性引張線部材７ａ、７ｂの弾性引張力や線部材１１、１２、１３及び１４の引張力で展張状態となっている。このとき、翼３０の回転主軸１寄り及び外側の各箇所の捩れ角α１、β１は小さい状態となっている。ここに、捩れ角とは支持桁２の回転面に対する、翼３０面の傾斜角をいう。捩れ角α１は内端縁３ｃ側、β１は外端側の傾斜角である。

この状態の下で、回転主軸１の前方から弱い風ｗが到来すると、風ｗは各翼３０に当たり、各翼３０は初期設定された捩れ角α１、β１からわずかに捻れ角を増した状態で風を受けて回転を開始する。

風の力がやや強くなると、各翼３０の内端縁３ｃの近傍範囲を含む全範囲に風の力を付与されることにより、第１弾性引張線部材７ａ、７ｂ及び第２弾性引張線部材１３の弾性引張力と釣り合う位置まで支持桁２を支点として揺動変位された後、その位置を維持される。アーム部材９は内端縁３ｃに追随し、内端縁３ｃの捩れ角α１が増大する側の軸線ｄ１回りに風下側へ後退する。一方、第１弾性引張線部材７ａ、７ｂ及び第２弾性引張線部材１３が支持することにより、翼３０の各位置は捻り状態を調整される。

この状態の下で風ｗの強さが大きくなると、第１弾性引張線部材７ａ、７ｂ及び第２弾性引張線部材１３の弾性変形量が大きくなり、これに関連して、各翼布３の骨部材５ａ、５ｂ、５ｃ位置の後縁３ｂはその弾性変形の量に応じた量だけ後側へ変位され、翼３０の内外方向上の捩れ角α１、β１は増大する。風の強さが大きくなると、回転主軸１の近傍のα１が小さい場合には過剰な回転数となり、逆に風を受けることにより破損につながるので、捩れ角α１はβ１に比べて大きなものなる。このように調整するように、第１弾性引張線部材７ａ、７ｂ及び第２弾性引張線部材１３の弾性引張力が決められている。

一方、風ｗの強さが過大になったときは、第１弾性引張線部材７ａ、７ｂの弾性変形量が著しく大きくなる。そして、捩れ角度が９０度に達したときは、風速がいくら大きくなっても、各翼３０は回転主軸１回りの回転力を増大させることができなくなる。しかも、各翼３０が風ｗから受ける前後方向力も最小化される。これにより、回転主軸１が過大な速度で回転されることは阻止され、また支持桁２に過大な外力が作用することも防止される。特に、数秒の急な風速の増加の場合、各弾性引張線部材による捻れ角の変更動作が直ちに行われるため、破損につながる事はない。

図４は上記した風車翼の他の実施例を説明するための図である。上記した風車翼ではアーム部材９がヒンジ１０を介して角度片８に接続されているが、図４に示す例では、アーム部材９の基部９ａを支持桁２の基端寄り箇所に直接にヒンジ１０ａを介して固定している。袋状部ｂ１の回転軸１の近傍のみならず内端縁３ｃの初期時点における捩れ角は、アーム部材９の捩れ角と同じ角度となる。線部材１１及び１２は、風の強さが変化しても内端縁３ｃとアーム部材９は同体状に捻られるため、弾性体である必要はない。内端縁３ｃとアーム部材９とを互いに固定しても良い。この形態は、支持桁2と袋状部ｂ１の相互のすべりが良好な場合に有効である。

上記実施例では、支持桁２に対して第１弾性引張線部材７ａ、７ｂ及び第２弾性引張線部材１３を接続したが、支持桁２の翼を支持する機能と、第１弾性引張線部材７ａ、７ｂ及び第２弾性引張線部材１３を支持する機能を分離し、支持桁２とは別に第１弾性引張線部材７ａ、７ｂ及び第２弾性引張線部材１３の支持桁を設けても良い。或いは、風車翼に回転主軸と同体状に設けられたナセルを有する場合であって、風車よりも風下側においてナセルの半径が大きい場合には、ナセルに対して第２弾性引張線部材１３を接続しても良い。この場合、第２弾性引張線部材１３の接続位置は、回転方向後方の風下側の地点である。

上記実施例においては、ヒンジ１０、１０ａを利用したが、支持桁２に対するアーム部材９の接続は、少なくとも風上風下方向に折れ曲がり自在であればよいので、例えばユニバーサルジョイントにより行っても良い。

また、翼布３の第２箇所ｃ２を直線状としたが、金属環６ａと６ｂの間、及び６ｂと６ｃの間を、前縁３ａ側に底を持つ弓状としても良い。翼布３の第２箇所ｃ２が直線状であると、風をはらんだ翼布３から第１弾性引張線部材７ａ、７ｂ及び第２弾性引張線部材１３への張力は、これら弾性引張線部材の長さ方向への分力として伝達されることになり、これにより、翼布３が変形し空力特性を損なう。

翼布３を弓状とすることにより、翼３０に発生した応力を弓状の第２箇所ｃ２に集め、さらに金属環６ａ、６ｂ、６ｃに集中させることができる。この場合において、第２箇所ｃ２に翼布３よりもヤング率の高い綱を挿入すれば、より効率的に集中させることができ、かつ第２箇所ｃ２のバタツキを抑えることができるという効果がある。

図５は、他の風車翼１００を説明するための図である。先の実施例では支持桁２を回転主軸１に直交させたが、風車翼を発電機よりも風下側に配置し、翼前縁１０５を回転主軸１０１に直交する面に対し風下側へ一定角度（数十度）θ２だけ傾斜したものである。翼後縁１０３は、翼布で構成されている。翼後縁１０３には、骨部材１１０、１１１、１０９が固着されており、これらは翼前縁１０５に対して折れ曲がり自在とされている。骨部材１１０、１１１、１０９の先端からは、弾性体で構成される線部材１０７ａ、１０７ｂ及び１１３が、回転主軸１０１の回転方向の逆側の回転主軸と翼前縁１０５までの間に掛け渡されている。ここにおいて、翼前縁１０５としては、断面形状外周が流線型である棒状の桁でもよく、また先の実施例と同様に断面円形の支持桁に対して、内径が支持桁よりも大きい袋状部を外嵌して、流線形状を得るものでも良い。

図５において、翼布の範囲はグレイに着色した部分であって、翼後縁１０３の部分の他に回転主軸１０１への接続縁１０８を有している。接続縁１０８は、骨部材１０９の範囲、骨部材１０９から翼前縁１０５の付け根までの間の範囲、翼前縁１０５の付け根から風下側に向かった範囲にその３辺が固着されている。

風車翼１００の回転数が上昇すると、翼前縁１０５は遠心力により弾性変形し、図５Ｂ中にΔθ２で示すように風上側に立ち上がる。接続縁１０８の一辺は回転主軸１０１に固着されているので、翼後縁１０３の捻れ角を大きくするように作用する。翼後縁１０３から接続縁１０８に掛けて綱１０６を挿入し、回転主軸１０１の風下側に接続すれば、さらに強度が増加する。

１ 回転主軸
２ 翼支持桁
３ 翼布
３ｃ 内端縁
５ｃ 骨部材
７ａ 第１弾性引張線部材
７ｂ 第１弾性引張線部材
８ 角度片
９ アーム部材
１０ ヒンジ
１１ 線部材
１２ 線部材
１３ 第２弾性引張線部材
３０ 翼
ｂ１ 袋状部
ｄ１ 軸線

Claims (3)

1. 回転主軸と、回転主軸から半径方向へ放射状に伸長された複数の支持桁と、支持桁に係着された翼布と、前記翼布の後縁のうち回転主軸寄り箇所を除いた箇所から、前記翼布に対し前記回転主軸回転方向の逆側に隣接して存在する支持桁までの間に掛け渡された第１弾性引張線部材とを備えた風車翼であって、
   前記翼布の回転主軸側に、折れ曲がりを自在として前記支持桁に接続され、前記翼布の前記回転主軸側の内端縁に結合されたアーム部材と、
   前記アーム部材から、前記回転主軸の回転方向の逆側に隣接した他の支持桁との間に掛け渡された第２弾性引張線部材とを有することを特徴とする風車翼。
   
2. 前記第１弾性引張線部材を、前記翼布の離隔した複数の位置に配し、それぞれが該翼布よりも前記回転主軸回転方向の逆側に存在した前記支持桁までの間に掛け渡されていることを特徴とする請求項１記載の風車翼。
3. 捻りを有して前記内端縁側で開口する袋状部が前記翼布の前縁に固定され、該袋状部が前記翼支持桁の先端側から外嵌されていることを特徴とする請求項１又は２記載の風車翼。