JP5512714B2

JP5512714B2 - 翼部材

Info

Publication number: JP5512714B2
Application number: JP2012029977A
Authority: JP
Inventors: 浄恵高橋
Original assignee: 株式会社ヘレナ・インターナショナル
Priority date: 2012-02-14
Filing date: 2012-02-14
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2027-11-20
Also published as: JP2012092851A

Description

本発明は、流体との相互作用によって揚力を得るための翼部材に関する。

一般的に、揚力を増大させることができる翼部材として、例えば、図４に示すものが知られている。図４は、従来の翼部材の断面図である。図５は、図４に示す翼部材を一様な気流中に設置した状態を示す断面図である。
図４に示す翼部材１００は、翼型中心線αが翼弦線βに対して背側の翼面１１０側に向かって反った翼型を有している。そして、翼部材１００は、気流が流れる方向に対して所定の迎角γで設置される。

一様な気流（以下、一様流という）中に設置された翼部材１００では、図５（ａ）に示すように、背側の翼面１１０を流れる気流ａが、腹側の翼面１２０を流れる気流ｂに対して長い距離を流れる。したがって、腹側の翼面１２０を流れる気流ｂは、背側の翼面１１０を流れる気流ａと比較して早く後縁１３０に到達し、後縁１３０から背側の翼面１１０に向かって回り込む。

そして、背側の翼面１１０に向かって回り込んだ気流ｂは、図５（ｂ）に示すように、後縁１３０での逆圧力勾配により翼部材１００から剥離し、渦ｃとなって後方に向って放出される。この際、翼部材１００の周囲には、翼部材１００の後縁１３０で発生した渦ｃにより、この渦ｃの循環の向きと逆向きの気流の循環ｄが発生する。
そして、翼部材１００の周囲では、翼部材１００の周囲に発生した気流の循環ｄと一様流とが重なることによって、図５（ｃ）に示す定常な流れが形成される。

ここで、気流の循環ｄの向きは、背側の翼面１１０を流れる気流ａに対して同一の向き、腹側の翼面１２０を流れる気流ｂに対して逆の向きとなっている。したがって、図５（ｃ）に示す定常な流れでは、背側の翼面１１０を流れる気流ａ´の速度が一様流の速度と比較して速く、腹側の翼面１２０を流れる気流ｂ´の速度が一様流の速度と比較して遅くなる。

この結果、背側の翼面１１０で圧力が下がるとともに、腹側の翼面１２０で圧力が上がることにより、翼部材１００では背側の翼面１１０側に向く揚力が発生する。ここで、翼部材１００に発生する揚力は、気流の循環ｄの速度に比例して増加する。そこで、従来、翼部材の周りに循環流れを強制的に生成することによって揚力の増加を図る発明として、例えば、図６に示すものが知られている（特許文献１参照）。

図６は、特許文献１に記載された翼部材の断面図である。図６に示す翼部材２００は、前縁２１０及び後縁２２０に、それぞれ駆動軸２３０が設けられている。また、翼部材２００の背側の翼面２４０及び腹側の翼面２５０に、それぞれ複数のローラ２６０が設けられている。また、両駆動軸２３０及び複数のローラ２６０には、ベルト２７０が掛け渡されている。
そして、翼部材２００では、両駆動軸２３０を回転させることにより、ベルト２７０を介して複数のローラ２６０が回転される。これにより、翼部材２００では、両翼面２４０，２５０の周囲に流体の循環を生成し、揚力を増大させている。

特開２００２−２８４０９６号公報

しかしながら、図６に示す翼部材２００では、構造が複雑となるとともに、重量が重くなるという問題がある。
本発明は上記した従来技術の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、簡単な構造で揚力を増大させることが可能な翼部材を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る翼部材は、背側の翼面と腹側の翼面とを有し、前記背側の翼面に渦発生手段が設けられ、前記背側の翼面側に向く揚力を生じさせる翼部材であって、前後方向に沿って延びて前記背側の翼面を有する背側翼板と、前後方向に沿って延びて前記腹側の翼面を有する腹側翼板と、前記背側翼板の前端部及び前記腹側翼板の前端部に連続する円弧状の前縁と、前記背側翼板の後端部に連続する鋭角状の後縁とを有して流線型に形成され、翼型中心線が翼弦線に対して背側翼板側に向って反っており、前記背側翼板と前記腹側翼板との間に空間が設けられ、前記空間の前後方向の中間に、前記背側翼板と前記腹側翼板とを連結する柱状の複数のブレードリブが、それらの間を気流が流れるように配置され、前記腹側翼板の前記後縁側には、前記空間のうちの後側の空間と外部とを連通する切欠き部が設けられたことを特徴とする。

この発明の翼部材によれば、簡単な構造で揚力を増大させることが可能となる。

本発明の実施の形態に係る風力発電機の側面図である。図１に示す風力発電機に備えられるブレードの断面図である。図２に示すブレードを一様な気流中に設置した状態を示す断面図である。従来の翼部材の断面図である。図４に示す翼部材を一様な気流中に設置した状態を示す断面図である。特許文献１に記載された翼部材の断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
本実施の形態では、本発明に係る翼部材を風力発電機用のブレードに適用した場合について説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る風力発電機の側面図である。図２は、図１に示す風力発電機に備えられるブレードの断面図である。図３は、図２に示すブレードを一様な気流中に設置した状態を示す断面図である。

図１に示す風力発電機１は、発電機１０に接続された円筒状の垂直回転軸２０と、垂直回転軸２０を中心にして一定角度ごとに複数配設されたブレード３０とを備えている。本実施の形態では、風力発電機１は、４枚のブレード３０を備えている。なお、図１では、手前側のブレード３０の図示を省略している。垂直回転軸２０の上端部及び下端部には、それぞれハブ（図示せず）が配設されている。

各ブレード３０は、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金、樹脂等により形成されている。各ブレード３０は、図２に示すように、前後方向（図２における左右方向）に沿って延びる背側翼板３３と、前後方向に沿って延びる腹側翼板３４と、背側翼板３３の前端部及び腹側翼板３４の前端部に連続する前縁３１と、背側翼板３３の後端部に連続する後縁３２とを有している。

各ブレード３０の翼型は、円弧状の前縁３１及び鋭角状の後縁３２を有する流線型に形成されている。各ブレード３０の翼型中心線は、翼弦線に対して背側翼板３３側に向かって反っている。各ブレード３０の腹側翼板３４の後縁３２側には、切欠き部３６が設けられている。各ブレード３０の後縁３２には、腹側翼板３４の後端部に向かって延びる切返し部３７が設けられている。

切返し部３７は、後縁３２の背側翼板３３と連続する部分に対して、所定の角度σで設けられている。また、各ブレード３０は、背側翼板３３と腹側翼板３４との間に空間Ａ，Ｂを有する中空状に形成されている。そして、各ブレード３０の内側には、背側翼板３３と腹側翼板３４とを連結する柱状のブレードリブ３５が翼長方向（図２における奥行き方向）に沿って複数配設されている。

上記構成により、一様流中に配置された各ブレード３０では、ブレード３０の周囲を流れる気流の一部が、切欠き部３６を介してブレード３０内の後縁３２側の空間Ｂに流れ込む。そして、各ブレード３０内の空間Ｂに流れ込んだ気流は、複数配設されたブレードリブ３５の間を通って、前縁３１側の空間Ａまで流れ込む。
そして、各ブレード３０は、腹側翼板３４を垂直回転軸２０側に向けて、一対の支持部材５０を介して、垂直回転軸２０の両ハブに接続されている。

上記構成を有する風力発電機１では、一様流中に配置された際に、各ブレード３０に発生した揚力によって、垂直回転軸２０に回転力が発生する。そして、風力発電機１では、垂直回転軸２０に発生した回転力により、発電機１０による発電が可能となる。
ここで、本発明の特徴は、各ブレード３０の背側翼板３３の背側翼面３３ａに、渦発生手段（図示せず）が設けられている点にある。ここで、渦発生手段とは、各ブレード３０が一様流中に設置された際に、背側翼板３３の背側翼面３３ａで、微小な気流の渦ｅ（図３参照）を発生させるものをいう。

本実施の形態では、渦発生手段は、背側翼板３３の背側翼面３３ａに形成された微小な半球状の凹部からなる。そして、渦発生手段は、背側翼面３３ａの全域にわたって複数設けられている。各渦発生手段の形状は、上下方向（図２における上下方向）から見て円形、ダイヤ形、四角形、五角形、六角形等から適宜変更することができる。

渦発生手段を有するブレード３０が一様流中に配置されると、図５に示す翼部材１００の場合と同様に、図３（ａ）に示すように、背側翼面３３ａを流れる気流ａに対して同一の向き、腹側翼面３４ａを流れる気流ｂに対して逆の向きの気流の循環ｄが、ブレード３０の周囲に発生する。ここで、各ブレード３０では、切返し部３７が設けられていることにより、気流の循環ｄが発生し易くなっている。

ここで、一般的に、物体の表面を流れる気流には、物体表面からの摩擦力が作用する。そして、物体表面からの摩擦力は、気流の流れる向きに対して逆向きに作用する。したがって、図５に示す翼部材１００では、気流の循環ｄに対して、背側の翼面１１０からの摩擦力が作用することとなる。

一方、一様流中に設置されたブレード３０では、背側翼板３３の背側翼面３３ａに形成された渦発生手段により、背側翼面３３ａに微小な気流の渦ｅが発生する。これにより、ブレード３０では、ブレード３０の周囲に発生した気流の循環ｄが、渦発生手段により発生した微小な渦ｅ上を流れることとなる。したがって、ブレード３０では、気流の循環ｄに背側翼面３３ａからの摩擦力が作用しないため、気流の循環ｄの速度が遅くなることを防止できる。

これにより、ブレード３０によれば、図３（ｂ）に示す気流の循環ｄと一様流とが重なることによって形成された定常な流れにおいて、背側翼面３３ａを流れる気流ａ´の速度と腹側翼面３４ａを流れる気流ｂ´の速度との差が小さくなることを防止できる。この結果、ブレード３０によれば、図５に示す翼部材１００と比較して大きな揚力を発生させることができる。
このように、ブレード３０によれば、背側翼面３３ａに渦発生手段を設けるという簡単な構造で揚力を増大させることが可能となる。

次に、本発明の実施の形態に係るブレード３０の第一の変形例について説明する。第一の変形例に係るブレードは、ブレード３０において、渦発生手段が、背側翼板３３の背側翼面３３ａに形成された微小な半球状の凸部からなる。そして、渦発生手段は、背側翼面３３ａの全域にわたって複数設けられている。各渦発生手段の形状は、上下方向から見て円形、ダイヤ形、四角形、五角形、六角形等から適宜変更することができる。

次に、本発明の実施の形態に係るブレード３０の第二の変形例について説明する。
この第二の変形例に係るブレードは、ブレード３０において、渦発生手段が、背側翼板３３の背側翼面３３ａに形成された微小な凹溝からなる。そして、渦発生手段は、背側翼面３３ａの全域にわたって複数設けられている。この場合、背側翼面３３ａでは、翼長方向に延びる渦発生手段を、前後方向に複数設ける構成としても構わない。また、背側翼面３３ａでは、渦発生手段を網目状に設ける構成としても構わない。渦発生手段を網目状に設ける場合、蜻蛉目又は鱗翅目の翅脈の文様の網目状とすることにより、さらに大きな揚力を得ることが可能となる。

次に、同じく本発明の実施の形態に係る、前記ブレード３０の第三の変形例について説明する。
第三の変形例に係るブレードは、ブレード３０において、渦発生手段が、背面翼板３３の背側翼面３３ａに形成された微小な凸条からなる。そして、渦発生手段は、背側翼面３３ａの全域にわたって複数設けられている。この場合、背側翼面３３ａでは、翼長方向に延びる渦発生手段を、前後方向に複数設ける構成としても構わない。また、背側翼面３３ａでは、渦発生手段を網目状に設ける構成としても構わない。渦発生手段を網目状に設ける場合、蜻蛉目又は鱗翅目の翅脈の文様の網目状とすることにより、さらに大きな揚力を得ることが可能となる。

また、背側翼面３３ａに渦発生手段を設ける際には、アルミ、アルミ合金、チタン、チタン合金、炭素材、炭素繊維等により形成された線材又は網材を背側翼面３３ａに固着することにより、渦発生手段を容易に設けることが可能となる。

次に、本発明の実施の形態に係る、ブレード３０の第四の変形例について説明する。
第四の変形例に係るブレードは、ブレード３０において、渦発生手段が、背側翼板３３の背側翼面３３ａに形成され、ブレード３０内の空間Ａ，Ｂと外部とを連通する微小な貫通孔からなる。そして、渦発生手段は、背側翼面３３ａの全域にわたって複数設けられている。各渦発生手段の形状は、上下方向から見て円形、ダイヤ形、四角形、五角形、六角形等から適宜選択することができる。

１風力発電機
１０発電機
２０垂直回転軸
３０ブレード
３１前縁
３２後縁
３３背側翼板
３３ａ背側翼面
３４腹側翼板
３４ａ腹側翼面
３５ブレードリブ
３６切欠き部
３７切返し部
５０支持部材
Ａ空間
Ｂ空間

Claims

背側の翼面と腹側の翼面とを有し、前記背側の翼面に渦発生手段が設けられ、前記背側の翼面側に向く揚力を生じさせる翼部材であって、
前後方向に沿って延びて前記背側の翼面を有する背側翼板と、前後方向に沿って延びて前記腹側の翼面を有する腹側翼板と、前記背側翼板の前端部及び前記腹側翼板の前端部に連続する円弧状の前縁と、前記背側翼板の後端部に連続する鋭角状の後縁とを有して流線型に形成され、翼型中心線が翼弦線に対して背側翼板側に向って反っており、前記背側翼板と前記腹側翼板との間に空間が設けられ、前記空間の前後方向の中間に、前記背側翼板と前記腹側翼板とを連結する柱状の複数のブレードリブが、それらの間を気流が流れるように配置され、前記腹側翼板の前記後縁側には、前記空間のうちの後側の空間と外部とを連通して前記前縁から前記後縁に向けて流れる一様な気流中でこの一様な気流と逆向きに発生する気流の循環の一部を前記後側の空間に流れ込ませる切欠き部が設けられ、さらに前記腹側翼板の後端部に向かって延びる切返し部が前記後縁に設けられて、前記切欠き部が前記腹側翼板と前記切返し部との間で形成されたことを特徴とする翼部材。
前記の渦発生手段は、前記背側の翼面に形成された凹溝又は凸条からなり、前記の凹溝又は凸条は、蜻蛉目又は鱗翅目の翅脈の文様をした網目状に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の翼部材。