JP5831877B2 - Fluidic rotating machine testing apparatus and fluid rotating machine testing method - Google Patents
Fluidic rotating machine testing apparatus and fluid rotating machine testing method Download PDFInfo
- Publication number
- JP5831877B2 JP5831877B2 JP2012080732A JP2012080732A JP5831877B2 JP 5831877 B2 JP5831877 B2 JP 5831877B2 JP 2012080732 A JP2012080732 A JP 2012080732A JP 2012080732 A JP2012080732 A JP 2012080732A JP 5831877 B2 JP5831877 B2 JP 5831877B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- torque
- fluid
- rotating
- rotating shaft
- rotating machine
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000012530 fluid Substances 0.000 title claims description 64
- 238000012360 testing method Methods 0.000 title claims description 58
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 34
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 14
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 10
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 6
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 5
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 3
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 3
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 238000013480 data collection Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 1
- 230000001172 regenerating effect Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/70—Wind energy
- Y02E10/74—Wind turbines with rotation axis perpendicular to the wind direction
Landscapes
- Testing Of Devices, Machine Parts, Or Other Structures Thereof (AREA)
- Wind Motors (AREA)
Description
本発明は、流体力によりトルクを発生させて回転する風車などの流体式回転機の特性を試験するための流体式回転機の試験装置に関するものである。 The present invention relates to a test apparatus for a fluid-type rotating machine for testing the characteristics of a fluid-type rotating machine such as a windmill that rotates by generating torque by a fluid force.
従来より、水や空気などが有する流体力を取り出して回転トルクを生じさせて、回転を行わせる流体式回転機が数多く知られている。例えば、その中には発電に用いられる水車や、風車などの装置があり、これらは自然エネルギーを用いたクリーンな発電手段として注目されている。また、蒸気タービンやガスタービンなども流体力より回転トルクを取り出すという点で同様である。 2. Description of the Related Art Conventionally, a large number of fluid-type rotating machines that perform rotation by taking out a fluid force of water or air to generate a rotational torque are known. For example, there are water turbines and wind turbines used for power generation, and these are attracting attention as clean power generation means using natural energy. The same applies to steam turbines and gas turbines in that the rotational torque is extracted from the fluid force.
こうした流体式回転機においては、回転可能に支持される回転軸にトルク発生部としての翼やフィンが複数取り付けられており、これらに流体が作用することで回転トルクが発生するようになっている点で共通する。 In such a fluid rotating machine, a plurality of blades and fins as torque generating portions are attached to a rotating shaft that is rotatably supported, and rotational torque is generated when fluid acts on these blades and fins. In common.
上記の流体式回転機は様々に分類することが可能であるが、まずは流体の流れ方向に対して回転軸を配置する向きによって大きく区分することが可能である。例えば、一般に風力発電装置として用いる風車は、垂直軸型風車と水平軸型風車に大別される。また、流体によるトルクの発生原理による区分も可能であり、例えば風車においても一般に抗力型と揚力型に分けられる。さらに、翼やフィンなどの形状によっても細かく分類がなされている。 The above-mentioned fluid rotating machine can be classified in various ways. First, it can be roughly classified according to the direction in which the rotating shaft is arranged with respect to the fluid flow direction. For example, wind turbines generally used as wind power generators are roughly classified into vertical axis type wind turbines and horizontal axis type wind turbines. Further, it is possible to classify by the principle of generation of torque by the fluid. For example, wind turbines are generally divided into a drag type and a lift type. Furthermore, it is further classified according to the shape of wings and fins.
ここで、複数の直線翼を配置する垂直軸型風車を備えた揚力型の発電装置として、特許文献1のものが開示されている。これは、発電機に連結されたシャフトをその長手方向を鉛直方向にして回転可能に設置し、このシャフトに対して周方向に複数の翼を配置するという構成を基本としつつ、旧来よりも翼の表面形状を変化させることで発電効率を向上することを目的とするものである。このように、流体より効率よくエネルギを取り出すために様々な技術が提案され、改善が進められてきている。 Here, the thing of patent document 1 is disclosed as a lift type electric power generating apparatus provided with the vertical axis type windmill which arrange | positions a some straight blade | wing. This is based on a configuration in which a shaft connected to a generator is rotatably installed with its longitudinal direction set to a vertical direction, and a plurality of blades are arranged in the circumferential direction with respect to this shaft, and the blades are more than conventional. The purpose is to improve the power generation efficiency by changing the surface shape. As described above, various techniques have been proposed and improved in order to extract energy more efficiently than fluid.
しかしながら、市場においてはより高いエネルギ効率を実現することが求められており、ますますの改良が求められてきている。 However, there is a need in the market to achieve higher energy efficiency and there is a need for further improvements.
そのため翼やフィンについて、形状、回転軸に対する位置関係、さらには設置条件や個数などの様々な要素を適正化すべく数値解析をベースに技術開発が進められてきており、理論の高度化や、解析に用いるコンピュータの高性能化に伴って、一定の効果が得られつつある。 For this reason, technological development has been advanced on the basis of numerical analysis to optimize various elements such as the shape, positional relationship with the rotation axis, installation conditions and number of blades and fins, and so on. A certain effect is being obtained along with the improvement in the performance of computers used in the system.
数値解析は一般にモデルを単純化して行うため、複数の翼またはフィンを有する流体式回転機においても、単体の翼またはフィンをモデル化して流体中で生じる力によって得られる回転トルクを解析する手法を採ることが多い。この場合には、個々の翼に生じる回転トルクを足し合わせることで流体式回転機全体に作用する力を予測することが可能となる。 Since numerical analysis is generally performed by simplifying the model, even in a hydraulic rotating machine having a plurality of blades or fins, a method of modeling a single blade or fin and analyzing the rotational torque obtained by the force generated in the fluid is used. Often taken. In this case, it is possible to predict the force acting on the entire hydrodynamic rotating machine by adding the rotational torques generated in the individual blades.
ただし、現状においてはこうした数値解析のみでは流体式回転機において生じる現象を全てシミュレーションできているとは言い難く、未だなお実機による検証実験が不可欠といえる。 However, at present, it is difficult to say that all the phenomena that occur in a fluid-type rotating machine can be simulated by such numerical analysis alone, and it can be said that verification experiments using actual machines are still indispensable.
具体的には、流体式回転機における翼やフィンについて、一定速度で移動する流体の内部で生じる抗力や揚力については解析可能であっても、トルクが生じて回転軸とともに回転することにより刻々と相対速度が変化する状況を考慮した場合には正確に解析を行うことが困難となってくる。また、翼やフィンが、流体より受ける抵抗や遠心力によって変形することで装置条件が常に変化するため、実際の現象はより複雑化して解析が困難となる。さらに、翼やフィンが逆に流体の流れに対して影響を及ぼして不規則な流れを作り出すことも考えられ、一層現象は複雑化して解析が困難となってしまう。 Specifically, for wings and fins in a fluid-type rotating machine, even if it is possible to analyze the drag and lift generated inside a fluid moving at a constant speed, torque is generated and rotated with the rotating shaft every moment. Considering the situation where the relative speed changes, it becomes difficult to perform an accurate analysis. In addition, since the conditions of the apparatus constantly change as the blades and fins are deformed by the resistance and centrifugal force received from the fluid, the actual phenomenon becomes more complicated and difficult to analyze. Furthermore, it is conceivable that the wings and fins adversely affect the flow of the fluid to create an irregular flow, which further complicates the phenomenon and makes the analysis difficult.
また、流体式回転機のタイプによっても、より数値解析が困難となる場合がある。例えば、特許文献1のような垂直軸型風車の場合を考えると、風車全体としての特性は、受風面積、回転半径、翼型、翼枚数、翼弦長、翼取付角等の多数のパラメータに依存するため、最適化を目的とする数値解析は極めて複雑になる。また、翼が風に対して常に向きを変えていることから揚力および抗力の発生方向が変化することになる。すなわち、一回転する中で回転トルクが大きく変動することになる。さらには、翼が複数個ある場合には、回転中に翼間の位置関係が上流側と下流側で入れ替わるため、1つの翼により生じるトルクを考える上で、流体の流れを通じて他の翼による影響を受けることまでを考慮する必要がある。そのため、正確に実現象を再現する数値解析上のシミュレーションは困難といえ、検証実験と併用することが必要といえる。 Also, numerical analysis may be more difficult depending on the type of fluid rotary machine. For example, considering the case of a vertical axis type windmill as in Patent Document 1, the characteristics of the windmill as a whole include a number of parameters such as wind receiving area, rotational radius, blade shape, number of blades, chord length, blade attachment angle, and the like. Numerical analysis for optimization purposes is extremely complicated. In addition, since the wing always changes direction with respect to the wind, the direction in which lift and drag are generated changes. That is, the rotational torque varies greatly during one rotation. Furthermore, when there are a plurality of blades, the positional relationship between the blades is switched between the upstream side and the downstream side during rotation. Therefore, when considering the torque generated by one blade, the influence of the other blades through the fluid flow It is necessary to consider even receiving. Therefore, it can be said that it is difficult to perform numerical simulation to accurately reproduce the actual phenomenon, and it is necessary to use it together with the verification experiment.
検証実験としては、流体式回転機の回転軸にトルク計を取り付けてトルク測定を行うことが簡便であり、こうして得られたデータを基に数値解析結果の妥当性を確認するとともに、解析精度の向上が図られている。 As a verification experiment, it is easy to perform a torque measurement by attaching a torque meter to the rotating shaft of a fluid-type rotating machine. Based on the data obtained in this way, the validity of the numerical analysis results is confirmed and the accuracy of the analysis is verified. Improvements are being made.
しかしながら、こうした手段では複数の翼やフィンより得られる総和としてのトルクが測定できるのみであり、上述のように数値解析上求める単体の翼またはフィンにより生じるトルクの妥当性を詳細に検討することはできない。そのため、トルク発生部としての翼やフィンについての最適形状や最適設置条件を検討するために真に有用なものとまではいえなかった。 However, such means can only measure the total torque obtained from a plurality of blades and fins, and as described above, it is not possible to examine in detail the appropriateness of the torque generated by a single blade or fin determined by numerical analysis. Can not. Therefore, it cannot be said that it is truly useful for examining the optimum shape and optimum installation conditions for the wings and fins as the torque generating part.
そこで、本発明においては上述のような問題点に鑑み、単体のトルク発生部によって生じるトルクを正確に測定できる流体式回転機の試験装置を提供することを目的としている。 In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide a test apparatus for a fluid-type rotating machine that can accurately measure torque generated by a single torque generator.
本発明は、かかる目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。 In order to achieve this object, the present invention takes the following measures.
すなわち、本発明の流体式回転機の試験装置は、回転可能に支持された回転軸と、流体の流れにより前記回転軸に対して伝達すべきトルクを発生するトルク発生部とを備え、少なくとも1つのトルク発生部をトルク測定対象部として前記回転軸に対して相対回転自在に構成するとともに、前記回転軸と前記トルク測定対象部との間にトルク検出器を設けたことを特徴とする。 That is, the fluid rotating machine testing apparatus of the present invention includes a rotating shaft that is rotatably supported, and a torque generating unit that generates torque to be transmitted to the rotating shaft by a fluid flow. One torque generating unit is configured as a torque measurement target unit so as to be rotatable relative to the rotation shaft, and a torque detector is provided between the rotation shaft and the torque measurement target unit.
このように構成すると、トルク発生部単体により生じるトルクを正確に測定可能となるため、流体式回転機により生じるトルクをより詳細に調査することが可能となる。そのため、数値解析の結果について実現象を踏まえつつ厳密に検証を行うことが可能となり、トルク発生部の最適化を行って、より効率の高い流体式回転機を実現するための効果的なツールとして利用することが可能となる。 With this configuration, the torque generated by the torque generating unit alone can be accurately measured, so that the torque generated by the fluid rotary machine can be investigated in more detail. Therefore, it is possible to strictly verify the results of numerical analysis based on actual phenomena, and as an effective tool for realizing a more efficient fluid rotary machine by optimizing the torque generator It can be used.
また、上記効果を得るための構成を、簡便且つ実用的に具体化して構成するとともに、流体式回転機全体としての特性を維持させて、より実際の流体式回転機に近い状態での試験を可能とするためには、前記回転軸と一体となって回転する一体回転部と、前記トルク測定対象部と一体となって前記回転軸に対して相対回転自在な相対回転部とを備え、前記一体回転部と前記相対回転部とを対向させて配置するとともに、前記一体回転部と前記相対回転部とを前記トルク検出器を介して接続するように構成することが好適である。 In addition, the configuration for obtaining the above-described effects is configured in a simple and practical manner, and the characteristics of the fluid-type rotating machine as a whole are maintained, and a test in a state closer to an actual fluid-type rotating machine is performed. In order to make it possible, an integral rotating portion that rotates integrally with the rotating shaft, and a relative rotating portion that is rotatable integrally with the torque measurement target portion and relatively rotatable with respect to the rotating shaft, It is preferable that the integral rotation unit and the relative rotation unit are arranged to face each other and that the integral rotation unit and the relative rotation unit are connected via the torque detector.
また、流体の流れに対してトルク発生部の回転軸が垂直をなす場合で、回転軸に対してトルク発生部が上流側と下流側とで位置関係を変化する形態の流体式回転機において、特徴的なトルク変動を実験的手法により詳細に調査することを可能とするためには、前記回転軸が、前記流体の流れ方向に対して垂直となる向きに配置されるように構成することが好適である。 Further, in the fluid rotating machine in which the torque generating unit changes its positional relationship between the upstream side and the downstream side with respect to the rotating shaft when the rotating shaft of the torque generating unit is perpendicular to the fluid flow. In order to make it possible to investigate characteristic torque fluctuations in detail by an experimental method, the rotating shaft may be arranged in a direction perpendicular to the fluid flow direction. Is preferred.
また、流体の流れに対してトルク発生部の回転平面が垂直をなす場合であっても、これに特徴的なトルク変動を実験的手法により詳細に調査することを可能とするためには、前記回転軸が、前記流体の流れ方向に対して平行となる向きに配置されるように構成することが好適である。 Further, even when the rotation plane of the torque generating unit is perpendicular to the flow of the fluid, in order to make it possible to investigate the torque fluctuation characteristic of this in detail by an experimental method, It is preferable that the rotating shaft is arranged in a direction parallel to the fluid flow direction.
また、風力発電等に広く用いられる風車の効率化を図るためのツールとして効果的に活用するためには、前記流体が空気であって、流体式回転機が風車として構成されていることが好適である、 Further, in order to effectively use as a tool for improving the efficiency of a windmill widely used in wind power generation or the like, it is preferable that the fluid is air and the fluid rotating machine is configured as a windmill. Is,
さらに、本発明の流体式回転機の試験方法は、上記のいずれかの流体式回転機の試験装置を用いて、トルク測定対象部により回転軸に伝達されるトルクを検出し、検出したトルクをトルク発生部単体に生じるトルクとして扱うことで、トルク発生部単体の特性評価を行うことを特徴とするものである。 Furthermore, the fluid rotary machine testing method of the present invention uses any one of the fluid rotary machine testing devices described above to detect the torque transmitted to the rotating shaft by the torque measurement target unit, and to detect the detected torque. By treating the torque generated in the torque generating unit alone, the characteristic evaluation of the torque generating unit is performed.
こうすることで、得られた検出トルクをトルク発生部単体に生じるトルクとして、個々のトルク発生部に着目して別途行う数値解析結果との突き合わせを行うことで、トルク発生部としての最適な形状や設置条件を探索し、より効率の高い流体式回転機を実現することが可能となる。 By doing so, the detected torque obtained is used as a torque generated in the torque generating unit alone, and the result of matching with the numerical analysis results separately performed focusing on the individual torque generating units, the optimal shape as the torque generating unit It is possible to search for installation conditions and realize a more efficient fluid rotary machine.
以上説明した本発明によれば、単体のトルク発生部によって生じるトルクを測定して、流体式回転機により生じるトルクをより詳細に調査することができ、効率の高い流体式回転機を実現するためのツールとして効果的に活用することができる流体式回転機の試験装置を提供することが可能となる。 According to the present invention described above, the torque generated by a single torque generator can be measured, and the torque generated by the fluid rotating machine can be investigated in more detail, and a highly efficient fluid rotating machine can be realized. It is possible to provide a test apparatus for a fluid-type rotating machine that can be effectively used as a tool for the above.
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
<第1実施形態>
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
<First Embodiment>
図1に示すように、この実施形態の流体式回転機の試験装置は垂直軸型風車の試験装置1として構成している。そのため、全体が鉛直方向に起立した形態をしており、流体の流れ方向としての風(空気)の主流方向(図中のW方向)に対して回転軸2が垂直に配置されている。
As shown in FIG. 1, the fluid rotating machine testing apparatus of this embodiment is configured as a vertical axis wind turbine testing apparatus 1. Therefore, the whole is standing upright in the vertical direction, and the
なお、この垂直軸型風車は、一般に発電機に接続して発電を行わせるものであり、風のエネルギを一旦機械的なエネルギに変換した上で、さらに電気エネルギに変換する用途に用いられる。そのため、風のエネルギをより高い効率で機械的なエネルギに変換すること、すなわち回転軸2を通じてより大きなトルクを得ることが必要といえる。また、いかなる風の状態においても安定したトルクが得られるようにすることも重要といえる。本実施形態における垂直軸型風車の試験装置1は、垂直軸型風車単体としての性能試験を目的とするものではあるが、以下のように、垂直軸型風車を備えた一般の発電装置と類似する構成となっている。
The vertical axis wind turbine is generally connected to a generator to generate power, and is used for the purpose of converting wind energy into mechanical energy and then converting it into electrical energy. Therefore, it can be said that it is necessary to convert wind energy into mechanical energy with higher efficiency, that is, to obtain a larger torque through the
回転軸2はフレーム11によって回転可能に支持されるとともに、下方に設けられたモータ57によって回転速度を制御することが可能となっている。また、回転軸2に対して伝達すべきトルクを発生するものとして2個のトルク発生部3A,3Bが設けられている。これらのうち、一方のトルク発生部3Aは回転軸2に対して他の部材を介して固定されることで直接的に回転軸2にトルクを伝達し、他方のトルク発生部3Bは後述するトルク検出器を介して間接的に回転軸2にトルクを伝達するように構成している。すなわち、本実施形態においてトルク発生部3Aはトルク測定非対象部として構成しており、トルク発生部3Bはトルク測定対象部として構成している。
The
トルク発生部3Aは、主として回転軸2と略平行に配置した直線状の翼41と、直線状に形成された一対の支持アーム42,42とから構成されており、主として翼41に作用する揚力によって回転方向のトルクが発生するようになっている。具体的には、風によって翼41に揚力と抗力とが生じ、これら揚力と抗力の合力の回転方向成分に支持アーム42,42の長さ分を乗じたトルクが回転軸2に対して与えられるようにしている。トルク発生部3Bも同様の構成を採り、主として回転軸2と略平行に配置した直線状の翼41と、段差状に形成された一対の支持アーム43,43とから構成されている。翼41,41は、回転軸2を中心に対称位置に配置されており、同一の回転軌跡を共有しつつ回転するようにしている。
The
以下、他の図面を用いて、詳細な構成について説明を行う。図2は本実施形態の垂直軸型風車の試験装置1の側面図であり、一部を鉛直断面図として表したものである。さらに、制御部7との関係を示すシステム構成図としても表している。 Hereinafter, the detailed configuration will be described with reference to other drawings. FIG. 2 is a side view of the test apparatus 1 for a vertical axis wind turbine according to the present embodiment, and a part thereof is represented as a vertical sectional view. Further, the system configuration diagram showing the relationship with the control unit 7 is also shown.
フレーム11は、第1フレーム11aと、その上に固定した第2フレーム11bと、第3フレームとしての支持部12とから構成された3階建構造となっている。第1フレーム11aは、アングル材を直立させて四辺に配し、底板と天板と組み合わせて直方体形状に構成したものであり、第2フレーム11bも第1フレーム上11aで棒状部材を直立させて円形に配置し、その上に天板をおいた構成となっている。
The
さらに、第2フレーム11b上に固定された支持部12は、円筒状部材として形成されており、この内部に設ける軸受によって回転軸2を支持するようにしている。具体的には、支持部12の内部に軸受13と図示しない他の軸受とを鉛直方向に離間させて配置し、これらによって回転軸2を回転自在に支承するようにしている。また、ラジアル軸受に加えてスラスト軸受も使用することで、回転軸2の重量を下方より適切に支持することができるようにもしている。
Furthermore, the
また、支持部12の内部には、回転軸2の回転位相角および回転速度を検出するための回転検出器53が設けられている。回転検出器53は、回転軸2に一体として取り付けられるスリット板53aと、これを挟み込むように配置される投光素子と受光素子とからなる光電センサ53bより構成されており、回転軸2の回転に応じてパルス信号が出力されるようになっている。
In addition, a
また、支持部12の内部には、回転軸2にスリップリング55が設けられており、回転軸2に設けた中空孔2a内を通過するケーブル(図示せず)と外部機器との間で電気信号の授受が可能となっている。
In addition, a
第2フレーム11bの内部においては、回転軸2に対して制動トルクを与えるためのブレーキユニット54が設けられている。このブレーキユニット54に対しては、外部より電気信号を与えることによって、任意のタイミングで回転軸2に制動トルクを与えることが可能となっている。
Inside the
さらに、回転軸2の下端には軸継手を介してトルク変換器52が設けられており、さらにトルク変換器52の下方には、別の軸継手を介してモータ57が設けられている。トルク変換器52は、内部の軸の捻れ量を検出して、これをトルクに換算して出力することが可能となっている。このようにすることで、モータ57に電気信号を与えて回転軸2を任意の速度で回転させるとともに、回転軸2側よりモータ57に対して伝達されるトルクを検出することが可能となっている。
Further, a
このモータ57は回生ブレーキとして使用することも可能であり、トルク発生部3A,3Bにより生じるトルクのみでは回転軸2が目標速度に満たない場合には、モータ57より回転トルクを付加させ、回転軸2が目標速度以上に回転しようとする場合には制動トルクを作用させることで、目標速度に調整することが可能となっている。
The
上述したように、トルク測定非対象部であるトルク発生部3Aは、主として翼41と一対の支持アーム42,42より構成されており、トルク測定対象部であるトルク発生部3Bは、主として翼41と一対の支持アーム43,43より構成されている。支持アーム42〜43は、それぞれ回転軸2の軸方向に対して直交する方向に延在して設けられており、各々の先端は翼41に設けられたステー41sに対してネジ等の締結手段(図示せず)を用いて固定している。
As described above, the
各支持アーム42〜43と回転軸2との間の接続は、図3の拡大断面図のようになされている。
Connections between the
まず、回転軸2の上部には、回転軸2の軸方向に直交するとともに同軸に配された固定円板21が設けられており、キーを用いて回転軸2に取り付けられた支持部材21aとともに回転軸2と一体回転を行うようにしている。また、固定円板21に平行で、かつ所定距離下側に固定円板22が設けられている。これも固定円板21と同様に、回転軸2と同軸に配され、キーを用いて回転軸2に取り付けられた支持部材22aとともに回転軸2と一体回転を行うようにしている。さらに、固定円板21,22に対しては、直線状の支持アーム42,42がネジ等の締結手段を用いて、回転軸2の軸方向に対して直角で、かつ互いに平行となる向きで各々固定されている。
First, a fixed
また、2つの固定円板21,22の間には、2つの非固定円板23,24が設けられている。非固定円板23は、固定円板21の直ぐ下方に設けられており、これと同様、回転軸2の軸方向に直交するとともに同軸に配されている。そして、軸受25を介して回転軸2に対して回転自在に設けられている支持部材23aに固定されることで、非固定円板23は回転軸2に対して軸方向にのみ位置規制されつつ、回転方向には非固定とされて同一軸心のまま相対回転できるようなっている。また、非固定円板24は、固定円板22の直ぐ上方に設けられており、これと同様、回転軸2の軸方向に直交するとともに同軸に配されている。そして、非固定円板23と同様、軸受25を介して回転軸2に対して回転自在に設けられている支持部材24aに固定されることで、非固定円板24は回転軸2に対して軸方向にのみ位置規制されつつ、回転方向には非固定とされて同一軸心のまま相対回転できるようになっている。
In addition, two
さらに、非固定円板23,24に対しては、段差状の支持アーム43,43がネジ等の締結手段を用いて、回転軸2の軸方向に対して直角で、かつ互いに平行となる向きで各々固定されている。支持アーム43,43は、3つのアーム部材43a〜43cを順次回転軸2の軸方向に重ね合わせて接続することで段差形状に構成されている。こうすることで、固定円板22と非固定円板24の軸方向への位置ずれ分を補正して、同一形状で対称配置した翼41,41のステー41s〜41sに対して簡便に接続することが可能となっている。
Further, with respect to the
さらに、固定円板22と非固定円板24との間には、トルク検出器としてロードセル51を設け、非固定円板24側より固定円板22側に与えるトルクを検出可能としている。このトルクはトルク発生部3B単体(図2参照)のトルクとして扱うことが可能である。
Further, a
このロードセル51の取り付け方について、図4を基に詳細に説明する。この図は、図3におけるX−X断面矢視図を拡大し、さらに一部を破断して示したものである。上方にある非固定円板24の裏側に段差状の支持アーム43が固定されており、下方にある固定円板22の上方には直線状の支持アーム42が固定されている。上述したように、支持アーム42はトルク測定非対象部3Aの一部として構成されており、回転軸2と一体として回転するようにしている。そして、支持アーム43はトルク測定対象部3Bの一部として構成されており、回転軸2と同一軸心を保ったまま相対回転可能となっている。すなわち、支持アーム42,43は同一の回転中心2c回りに回転可能であり、その回転中心2cは回転軸2の軸中心とも同一になっている。
A method of attaching the
図中では、非固定円板24の一部を破断して示しているために、固定円板22上に設けているロードセル51が表れた状態となっている。ロードセル51は、回転軸2と一体となって回転する一体回転部として固定円板22の上面に設けられた固定側ブラケット26と、回転軸2に対して相対回転自在な相対回転部として非固定円板24の下面に設けられた非固定側ブラケット27とを用いて設置されている。
In the drawing, since a part of the
具体的には、固定側ブラケット26と非固定側ブラケット27とは、各々断面がL字状に形成されており、L字をなす外側の直交二面のうち一方の面を、固定円板22の上面、または非固定円板24の下面に固定されている。そして、他方の面を互いに対向するように配置されており、これらの対向面がロードセル51の一端と他端とに接続されている。すなわち、固定側ブラケット26と非固定側ブラケット27とはロードセル51を介して接続されていることになる。また、ロードセル51は、固定側ブラケット26と非固定側ブラケット27の対向面に垂直に配されており、両者の間で回転軸2に対する直交方向に発生する力を検出することが可能となっている。このロードセル51からの検出値を用いることにより、後述するようにトルク発生部3B単体より回転軸2に対して与えるトルクを算出することが可能となっている。また、ロードセル51としては、引張り・圧縮の双方向の検出が可能なタイプを用いているため、トルク発生部3Bにより生じるトルクを正負の双方向について検出することが可能となっている。
Specifically, each of the fixed
また、ロードセル51を介して接続されることによって、非固定円板24は回転軸2に対して回転方向に弾性的に支持された状態となる。この弾性的な支持の強さは、ロードセル51の仕様によって変更することができ、ロードセルとしての感度を上げる場合には支持力が弱くなる方向に作用するが、感度を下げた場合には支持力が強くなって、非固定円板24の位置、すなわちトルク発生部3Bの位置が安定することになる。そのため、ロードセル51の感度は、垂直軸型風車全体としての特性を損なうことなく、トルク発生部3Bの位置変動が許容される範囲で決定すべきである。より具体的には、回転動作中にトルク測定対象部であるトルク発生部3Bが、トルク測定非対象部であるトルク発生部3Aより180°回転位相角がずれた位置を基準位置として、これより−3°〜+3°の範囲内に収まるようにすることが適切である。
Further, by being connected via the
ここで、本実施形態においては、ロードセル51を、各支持アーム42,43との干渉を避けるために、図中の右側にずらした位置に設けているために、引張り・圧縮荷重の検知位置51aは、支持アーム43の中心線(支持アーム中心線)43Lよりも時計方向に角度φずれた位置に存在することになる。さらに、ロードセル51による荷重検知方向は、各支持アーム42,43に対して直交する方向、すなわち図中の左右方向になるように設定している。そして、このロードセル51による荷重の検出値を用いて、次のようにトルクを算出することが可能となっている。
In this embodiment, since the
図5は、トルク発生部3Bに発生する力とロードセル51に発生する力とを模式的に示したものである。
FIG. 5 schematically shows the force generated in the torque generator 3 </ b> B and the force generated in the
トルク発生部3Bのうち翼41には風によって揚力と抗力とが発生し、これらのなす合力のうち仮想支持アーム43Mに対して直交する成分の力FがトルクT発生のために寄与することになる。ここで、仮想支持アーム43Mとは、前述の支持アーム中心線43Lに対応する位置に想定する仮想の剛体棒であり、質量および変形は無視して考えるものである。仮想支持アーム43Mより時計方向に角度φずれた位置にあるロードセル51からは、仮想支持アーム43Mに直交する向きの荷重Pを検出しつつ反力として仮想支持アーム43M側に与えるようになっている。ここで、回転中心2cとロードセル51とが剛体の仮想アーム51Mによって接続されているものと仮定すると、荷重Pはこの仮想アーム51Mを圧縮させる方向の分力Sと、仮想アーム51Mに対して直交する方向の分力Qに分けて考えることができる。なお、この仮想アーム51Mとしての機能は、実際には固定円板22が果たすことになる
In the
上記のように考えた時、さらに、翼41の基準取付位置41dが、回転中心2cより回転基準半径Rだけ離れた位置にあり、ロードセル51の荷重検出位置51aが回転中心より距離aだけ離れた位置にあるものとすれば、次のように釣り合いの式が得られる。
T=F・R=Q・a ……………………………………………………数式(1)
When considered as described above, the
T = F ・ R = Q ・ a …………………………………………………… Formula (1)
さらに、荷重Pと分力Qとの間には次の関係がある。
Q=P・cosφ ………………………………………………………数式(2)
Further, the following relationship exists between the load P and the component force Q.
Q = P · cosφ ……………………………………………………… Formula (2)
ここで、ロードセル51の取付位置51aより仮想支持アーム43Mに向けて垂直な直線を引いて形成される交点と、回転中心2cとの間の距離をbとした時、角度φとの間には次の関係がある。
cosφ=b/a ………………………………………………………数式(3)
Here, when the distance between the intersection point formed by drawing a vertical straight line from the mounting
cosφ = b / a ……………………………………………………… Formula (3)
数式(1),数式(2),数式(3)より、以下の関係が得られる。
T=Q・a=P・(b/a)・a=P・b …………………………数式(4)
The following relations are obtained from the formulas (1), (2), and (3).
T = Q · a = P · (b / a) · a = P · b Equation (4)
このようにトルク発生部3Bにより得られるトルクは、ロードセル51による荷重検出値Pと、ロードセル51の支持アーム43の延在する方向に対する回転中心2cからの距離bを用いることで、容易に算出することが可能である。
Thus, the torque obtained by the
上記のようなトルク測定を簡便に行うため、本実施形態における垂直軸型風車の試験装置1は、図2に示すような制御部7を備えている。 In order to easily perform the torque measurement as described above, the vertical axis wind turbine test apparatus 1 according to the present embodiment includes a control unit 7 as shown in FIG.
制御部7は、インターフェースとCPUを含むコンピュータを所定のプログラムによって動作させることで構成してもよいし、個々の機能を独立の装置として構成することも可能である。これらは、いずれの場合でも試験装置全体として、任意に設定する速度条件の下でトルク発生部3B単体に生じるトルクを測定するという目的を実現するためのものとして働くのであり、本実施形態においては双方を区別することなく一個の制御部7として表現する。
The control unit 7 may be configured by causing a computer including an interface and a CPU to operate according to a predetermined program, or each function may be configured as an independent device. In any case, these work as a whole for the purpose of measuring the torque generated in the
制御部7は、まず、モータ57の回転速度を制御するためのモータ制御部74を含む。モータ制御部74は、図示しない入力部より回転速度目標値を与えられ、後述する回転データ取得部73によって得られる回転軸2の速度検出値を入力され、この値を基にフィードバック制御するようにしている。ただし、モータ57に回転速度検出機能が備わっている場合には、これを利用してフィードバック制御するように構成することも可能である。
First, the control unit 7 includes a motor control unit 74 for controlling the rotation speed of the
また、制御部7は、ブレーキユニット54にブレーキの作動命令を与えるブレーキ制御部75を備えている。ブレーキ制御部75は、あらかじ設定された上限回転速度と回転データ取得部73によって得られる回転軸2の速度検出値とを比較し、速度検出値が上限回速度を越えた場合にブレーキ信号を与えるようにしている。こうすることで、想定以上の速度上昇を抑制して、機器の損傷を防ぐことが可能となっている。また、ブレーキ制御部75に対しては、図示しない入力部よりブレーキ作動のための入力信号を与えることができるようになっており、この入力信号に従ってブレーキユニット54にブレーキの作動命令を与えるようにもなっている。こうすることで、オペレータが任意のタイミングでブレーキを働かせることができるようになっている。
Further, the control unit 7 includes a
また、制御部7は、ロードセル51からの信号に基づいてトルク発生部3B単体より回転軸2に伝達されるトルクを得る単体トルク取得部71を備えている。ロードセル51は回転軸2の回転とともに回転を行うようになっているが、上述したスリップリング55を介して信号ケーブルに捻れを生じさせることなく信号を取り出すことが可能となっている。これより得られた荷重検出値を基にして、トルク取得部71では上記数式(4)の考えを用いてトルクTを算出し出力するようになっている。こうすることで、回転軸2が回転している際のトルクTを詳細に測定することが可能となっている。
In addition, the control unit 7 includes a single
また、制御部7は、トルク変換器52から検出値を入力されることで、これを基に回転軸2全体に対して作用しているトルクを得る合計トルク取得部72を備えている。合計トルク取得部72においては、あらかじめ設定されたメカロスデータを内部に備えており、これによりトルク値を補正しつつ出力することも可能となっている。
Moreover, the control part 7 is provided with the total
また、制御部7は、回転検出器53からの出力信号を基にして回転位相角データを得る回転データ取得部73を備えている。回転検出器53は、上述したようにスリット板53aと、光電センサ53bとから構成されており、スリット板53aのスリット数を増やすことで、回転軸2の回転位相角を細かく判別することが可能となっている。そのため、回転位相角データと、上記の単体のトルク発生部3BにおけるトルクTとを比較することで、より細かくトルク発生部3Bの評価を行うことが可能となっている。また、回転データ取得部73では、回転位相角のデータより回転速度を算出することも可能となっており、これを前述したモータ制御部74、ブレーキ制御部75に出力することが可能となっている。
The control unit 7 also includes a rotation
上記のように構成した垂直軸型風車の試験装置1を用いて測定データを採取する場合の例について説明を行う。 An example of collecting measurement data using the vertical axis wind turbine testing apparatus 1 configured as described above will be described.
まず、具体的なデータの採取方法の説明に先駆けて、トルク発生部3Bを構成する翼41の特性を示すパラメータについて図6及び図7を用いて説明する。
First, prior to the description of a specific data collection method, parameters indicating characteristics of the
図6は、翼41と風の主流方向Wとの位置関係について模式的に示すものである。主流方向Wに対する翼41の位置関係を示すものとして、一般的にアジマス角θが定義される。これは、主流方向Wに対して前縁が正対する位置を0°として、回転方向に沿った角度で表したものである。アジマス角が0°〜360°の範囲で回転に応じて変化することにより、翼41は主流方向Wに対する向きを刻々と変化させる。そのために、風速が同一であってもアジマス角θの変化に伴って、揚力及び抗力の発生方向及び大きさが変化する。
FIG. 6 schematically shows the positional relationship between the
個々の翼41の設置基準を示すパラメータとしては図7に示すものがある。翼41の断面形状によって特性が変化することはもちろんであるが、この代表的数値としては翼弦長cが一般によく用いられる。この翼弦長cは翼41の前縁41aと後縁41bとを結ぶ翼弦41cの長さを示すものである。
As parameters indicating the installation standards of the
さらに、翼41を支持アーム42,43(図1参照)に取り付ける際の基準となる基準位置41dを翼弦41cの中で考えたとき、前縁41aから基準位置41dまでの距離sも、翼41に働くモーメントを考える上で重要となる。また、回転中心2cより基準位置41dまでの距離は翼41の回転半径Rと考えられ、翼41の速度を決定する因子となるとともに風力エネルギを取り込むための受風面積を決定付ける因子としても重要となる。さらに、基準位置41dを通る翼41の回転基準円2dの接線方向に対する翼弦41cの傾きは、翼取付角βとして定義され、揚力や抗力に大きな影響を及ぼす。そして、揚力や抗力への影響は、垂直軸型風車としての効率に大きな影響を与えることになる。
Furthermore, when the
また、これらの他にも、翼41の長手方向の長さや、翼枚数等も大きな影響因子となる。さらには、翼41を取り付ける支持アーム42,43(図1参照)についても、風による抵抗を生じることになり影響を及ぼしうる。
In addition to these, the length of the
上記のように、翼41を含むトルク発生部3A,3Bによって発生するトルクは、数多くのパラメータが絡まり合って変化することになる。さらには、翼41や支持アーム42,43によって風の流れに影響を及ぼすことによって、風の向きや大きさも変化することになる。また、こうした複雑さは、トルク発生部3A,3Bの個数が増加することで一層増すことになる。そのため、数値解析を主体としてシミュレーションを行った場合でも、実現象を十分に再現できているかを検証するための実験が必要となる。
As described above, the torque generated by the
本実施形態における垂直軸型風車の試験装置1を用いた実験としては、所定の速度の風を発生させることのできる風洞の内部に設置して行うものが考えられる。 As an experiment using the vertical axis type windmill test apparatus 1 in the present embodiment, it is conceivable that the experiment is performed by installing it in a wind tunnel capable of generating a wind at a predetermined speed.
こうした場合には、一定の風速を与えつつ、図2におけるモータ制御部74を通じて命令を与えることで回転軸2を回転させる。この際、モータ57の速度はフィードバック制御を行っているために、回転速度目標値と一致する速度で一定回転させることが可能となる。この時、回路の故障や速度設定のミスによってなどによって想定外の速度まで上昇した場合には、ブレーキ制御部75がブレーキ信号を発してブレーキ54が動作するようになっているために、機器の損傷を抑制することが可能となっている。この際、同時にモータ制御部74からモータ57に至る駆動用電気信号が遮断されるようにすれば、なお好適である。
In such a case, the
単体トルク取得部71においては、ロードセル51からの出力信号を基に、トルク発生部3B単体より回転軸2に伝達されるトルクTを得ることが可能となっている。ここで得られるトルクTは、空気の流れによってトルク発生部3B単体に生じるトルクとして扱うことが可能である。さらに、回転軸2の回転に伴って、回転データ取得部73では回転軸2の回転位相角データを得ることが可能となっている。これらの2つのデータを同時に得ることで、これらを基にして、例えば、図8に示すような、アジマス角θとトルク発生部3B単体のトルクTとの関係を得ることが可能となる。トルクTは、アジマス角90°近くで最大となるように大きく変化することになる。また、アジマス角θによっては逆に負のトルクを発生させる場合もあるが、ロードセル51として引張り・圧縮の双方向に対応するものを使用しているために、正負の何れであっても正確に測定することが可能となっている。
In the single
さらには、図2に示す合計トルク取得部72によって、トルク発生部3A,3Bを含めて総合的に回転軸2に生じるトルクを測定可能であるために、上記トルク発生部3B単体のトルクTと比較することで、相互の影響について検討することも可能である。
Furthermore, since the total
このように、トルク発生部3B単体のトルクを始め、様々なデータを同時に取得することが可能であるために、本試験装置を用いることでこれまでに得られなかった詳細な試験データを得て、トルク発生部3A,3Bの最適化に向けた条件探索をより容易に行うことが可能となる。また、本試験装置によって詳細な試験データが得られることで、数値解析データとの突き合わせが容易になる。そのため、数値解析を用いたシミュレーション結果の妥当性を容易に確認することができ、図6や図7を用いて説明したような多数の因子が存在する複雑な現象を解明することが可能となる。その結果、風の条件に応じた翼形状等の最適パラメータを、数値解析を用いたシミュレーションでも探索することが可能となり、より高性能な垂直軸型風車の開発が容易となる。
In this way, since various data can be acquired simultaneously including the torque of the
上記のように、本実施形態の垂直軸型風車の試験装置1は、より効率の高い垂直軸型風車を実現するための効果的なツールとして利用可能であるといえる。また、これを用いた試験方法によって、より効率の高い垂直軸型風車を実現することが可能となる。 As described above, it can be said that the vertical axis wind turbine test apparatus 1 of the present embodiment can be used as an effective tool for realizing a more efficient vertical axis wind turbine. Moreover, it becomes possible to implement | achieve a more efficient vertical axis type windmill by the test method using this.
以上のように、本実施形態における垂直軸型風車の試験装置1は、回転可能に支持された回転軸2と、流体の流れにより前記回転軸2に対して伝達すべきトルクを発生するトルク発生部3A,3Bとを備え、少なくとも1つのトルク発生部をトルク測定対象部3Bとして前記回転軸2に対して相対回転自在に構成するとともに、前記回転軸2と前記トルク測定対象部3Bとの間にトルク検出器51を設けるように構成したものである。
As described above, the vertical axis wind turbine testing apparatus 1 according to the present embodiment includes the
このように構成しているため、トルク発生部3B単体により生じるトルクを測定可能となって、垂直軸型風車により生じるトルクをより詳細に調査することが可能となる。そのため、数値解析の結果について実現象を踏まえつつ厳密に検証を行うことが可能となり、トルク発生部3A,3Bの最適化を行って、より効率の高い流体式回転機を実現するための効果的なツールとして利用することが可能となる。
With this configuration, the torque generated by the
さらに、前記回転軸2と一体となって回転する一体回転部26と、前記トルク測定対象部3Bと一体となって前記回転軸2に対して相対回転自在な相対回転部27とを備え、前記一体回転部26と前記相対回転部27とを対向させて配置するとともに、前記一体回転部26と前記相対回転部27とを前記トルク検出器51を介して接続するように構成しているため、上記効果が得られる構成を、簡便且つ実用的に具体化することができるとともに、トルク検出器51を介して接続することで、回転軸2とトルク測定対象部3Bとの相対位置関係をほぼ同一に維持することが可能となるため、垂直軸型風車全体としての特性を損なうことなく、実際の垂直軸型風車に近い装置条件を維持したままでトルク測定を行うことが可能となる。
Furthermore, an integrated
また、前記回転軸2が、前記流体の流れ方向Wに対して垂直となる向きに配置されているため、流体式回転機の中でも垂直軸型回転機の試験装置として有効に構成でき、トルク発生部3A,3Bが流体の流れの中で、回転軸2に対して上流側と下流側で位置関係を変化するという特徴を有するタイプの流体式回転機において、こうした位置関係の変化によるトルクの変動を詳細に測定することが可能となる。また、トルク発生部3A,3Bを複数備えるタイプの流体式回転機においては、トルク測定対象部3Bに与える他のトルク発生部の影響についても、実験的手法により詳細に調査することが可能となる。
Further, since the
また、前記流体が空気であって、流体式回転機が風車として構成されているために、流体式回転機の中でも、風力発電等に広く用いられる風車の効率化を図るためのツールとして効果的に活用することが可能となる。 In addition, since the fluid is air and the fluid rotary machine is configured as a windmill, the fluid rotary machine is effective as a tool for improving the efficiency of a windmill widely used for wind power generation and the like. It becomes possible to utilize it.
また、上述したように本実施形態における垂直軸型風車の試験方法は、上記の垂直軸型風車の試験装置1を用いて、トルク測定対象部3Bにより回転軸2に伝達されるトルクを検出し、検出したトルクをトルク発生部3B単体に生じるトルクとして扱うことで、トルク発生部単体の特性評価を行うことを特徴とするものである。
Further, as described above, the vertical axis wind turbine test method according to the present embodiment uses the vertical axis wind turbine test apparatus 1 described above to detect the torque transmitted to the
こうすることで、得られた検出トルクをトルク発生部3A,3B単体に生じるトルクとして、個々のトルク発生部3A,3Bに着目して別途行う数値解析結果との突き合わせを行って、トルク発生部としての最適な形状や設置条件を探索し、より効率の高い垂直軸型風車を実現することが可能となる。
<第2実施形態>
In this way, the detected torque thus obtained is used as a torque generated in the
Second Embodiment
図9に本発明の第2実施形態に係る流体式回転機の試験装置として、水平軸型風車の試験装置201として構成したものを示す。本試験装置は、概ね図1に示す垂直軸型風車の試験装置1を90°回転させて回転軸2の上部先端を風上に向け、回転軸2が主流方向Wに平行となるようにしたものであり、図9では要部の垂直断面のみを示している。
FIG. 9 shows a configuration of a
この場合にも2つのトルク発生部203A,203Bを備えており、両者によってプロペラを構成している。トルク測定非対象部としてのトルク発生部203Aは、翼241と直線状の支持アーム242とが一体として構成されており、固定円板221を介して回転軸202と接続されて一体回転するようになっている。また、トルク測定対象部としてのトルク発生部203Bは、翼241と段差状の支持アーム243とが一体として構成されており非固定円板223に接続されている。非固定円板223は軸受25を介して、回転軸202に対し軸方向に位置規制されつつ回転自在に支承されているために、トルク発生部203Bは回転軸202に対して回転方向に非固定とされている。
Also in this case, the two
上記のトルク発生部203A,203Bの相互の関係および固定円板221と非固定円板223との関係は、第1実施形態におけるトルク発生部3A,3Bの相互の関係および固定円板21(22)と非固定円板23(24)(図2参照)との関係と同様である。そのため、第1実施形態の場合と同様に、固定円板221と非固定円板223との間にトルク検出器としてのロードセル51(図4参照)を配置することで、簡単にトルク発生部203Bより回転軸202に伝達されるトルクを測定することが可能となる。
The mutual relationship between the
このように、水平軸型風車の試験装置201として構成した場合であっても、トルク発生部203B単体により生じるトルクを測定することが可能となる。水平軸型風車では、翼241の長手方向で回転半径が異なるために空気との相対速度が異なることになる。また、回転速度が上がることで遠心力によっても、翼241や、翼を取り付ける支持アーム242,243に変形が生じる。また、翼241の回転に対して重力が影響するためにこれがトルク変動の要因にもなる。さらには、水平軸型風車は垂直軸型風車に比べて風向きの変化に弱いとの特徴もある。このような、水平軸型に特有の現象が生じる場合についても、本試験装置を用いて、実験的にデータを得ることが可能となり、これによりトルク発生部203A,203Bの最適化を図ることが可能となる。
Thus, even when configured as the horizontal axis wind
以上のように、本実施形態においては、前記回転軸202が、前記流体の流れ方向Wに対して平行となる向きに配置されるように構成しているため、流体式回転機の中でも水平軸型回転機の試験装置201として有効に構成でき、水平軸型に特有の現象の下で生じるトルクを実験的手法によって詳細に調査することが可能となる。
As described above, in the present embodiment, the
また、上述した第1実施形態の場合とほぼ同様の効果も得ることが可能である。 In addition, it is possible to obtain substantially the same effect as in the case of the first embodiment described above.
なお、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではない。 The specific configuration of each unit is not limited to the above-described embodiment.
例えば、上述の実施形態においては、トルク検出器としてロードセル51を用いていたが、一体回転部26と相対回転部27との間のわずかな相対変位を基にトルクの検出が可能なものである限り、他の検出手段をベースに構成してもよい。一体回転部26と相対回転部27との間にひずみゲージを貼った弾性部材を介在させてひずみ出力を得ても良いし、レーザや磁力を用いた測定手段など様々な手段により構成することが可能である。
For example, in the above-described embodiment, the
また、一体回転部26と相対回転部27とは、同一の回転平面内で対向するように配していたが、相対変位を基にトルク測定が可能となる限り、軸方向に離間して対向させるなど使用する検出手段に応じて適宜位置を変えて構成することも可能である。
In addition, the integral rotating
さらに、上述の実施形態では、ロードセル51として引張り・圧縮の双方向への検出が可能なタイプを用いていたが、圧縮または引張りのいずれかのみを検出するタイプのものを複数個組み合わせて使用しても良い。さらには、図4に示す方向にロードセル51を配することも必須とはいえず、荷重の検知方向を回転軸2の回転方向に合致する方向に配しても、位置関係が明確である限り同様にトルクを算出することが可能である。
Furthermore, in the above-described embodiment, the
また、上述の実施形態においては、トルク発生部3A,3B(203A,203B)を2つ備えた2枚翼構成としていたが、3個以上の翼を有するものであっても同様に構成することが可能である。例えば、第1実施形態の垂直軸型風車を基にして、図10のように3枚翼に対応した垂直軸型風車の試験装置301として構成することも可能である。この場合においては翼41(図2参照)をそれぞれ支持する3対の支持アーム342〜344を備え、これらのうち一対の直線状の支持アーム342,342を回転軸2に固定した固定円板321,322によって各々支持させるとともに、一対の段差状の支持アーム343,343は軸受25,25により回転軸2に対して回転可能とされた非固定円板323,324に、他の一対の段差状の支持アーム344,344は軸受25,25により回転軸2に対して回転可能とされた非固定円板325,326によって各々支持させるように構成している。そして、固定円板322と非固定円板324との間および固定円板322と非固定円板326との間にロードセル51を各々設けることで、同時に2箇所でトルク検出を行うことが可能となる。同様にして、さらに翼枚数を増やすことも可能である。
In the above-described embodiment, a two-blade configuration including two
さらには、固定円板21,22側に支持アーム42,42を介して翼41を設けることでトルク測定非対象部となるトルク発生部3Aを設ける構成も必須とはいえず、トルク測定対象部となるトルク発生部3Bのみを単独で備える、いわゆる1枚翼型として構成することも可能である。この場合には、回転アンバランスを生じないように、トルク測定対象部であるトルク発生部3Bの反対側にバランスウエイトを設けることが適切である。なお、トルク発生部3A,3Bの双方をトルク測定対象部として構成することも可能である。
Furthermore, it is not essential to provide the
また、上述の実施形態においては、回転軸2の速度検出値が所定値以上である場合にはブレーキ制御部75よりブレーキユニット54に作動命令を与えることで、自動的にブレーキが作動するように構成していたが、本発明においてブレーキを自動的に作動させることは必須とはいえない。すなわち、試験装置としての性質を考慮すると、オペレータによる手動でのみブレーキが作動する構成とすることで足りる場合もありうる。
In the above-described embodiment, when the speed detection value of the
また、上記第1実施形態においては、垂直軸型風車の中でも主として揚力によってトルクを生じる直線翼を備えるタイプを対象とする試験装置として構成していたが、他のタイプのものであっても同様に構成することが可能である。例えば、パドル型、ダリウス型、サボニウス型等の他のタイプの風車であっても、トルク発生部を固定円板21,22と非固定円板23,24を介して回転軸2に取り付けて、これらの間にロードセル51を設けた構成とすることができる。
In the first embodiment, the vertical axis type wind turbine is configured as a test apparatus for a type including straight wings that generate torque mainly by lift, but the same applies to other types of test apparatuses. It is possible to configure. For example, even in other types of wind turbines such as paddle type, Darius type, Savonius type, etc., the torque generating part is attached to the
さらに、上記第2実施形態においては、プロペラ型の水平軸型風車の試験装置として構成していたが、同様に、多翼型、セルウイング型、オランダ型等の風車の試験装置として構成することも可能である。 Further, in the second embodiment, the propeller type horizontal axis wind turbine test apparatus is configured. However, similarly, it is configured as a multi-blade type, selwing type, Dutch type, etc. wind turbine test apparatus. Is also possible.
また、上記の実施形態においては、風車の特性を得るための試験装置として構成していたが、モータ57を発電機に置き換えるのみで、一般的な発電装置として構成できることは言うまでも無く、トルク発生部単体の特性を測定可能な発電装置として容易に実現することが可能である。こうした場合においては、ロードセル51を通じて得たトルク発生部3B(203B)単体のトルク検出値を基にして翼取付角βを変化させるなど、状況に応じてより効率の高い適正条件に自動的に制御するように構成することも可能となる。
In the above embodiment, the test device is configured to obtain the characteristics of the windmill. However, it is needless to say that the
また、上記の実施形態の場合においては、風車の試験装置として構成していたが、これを水車の試験装置として構成することも容易である。さらには、流体の流れによって回転する蒸気タービンやガスタービンなど他の流体式回転機に本発明を適用することも容易であり、トルク発生部が翼により構成されるものに代わってフィン等の形態を採るものであっても同様にトルクを測定することが可能な試験装置として構成することが可能となる。 Moreover, in the case of said embodiment, although comprised as a testing apparatus of a windmill, it is also easy to comprise this as a testing apparatus of a turbine. Furthermore, it is also easy to apply the present invention to other fluid-type rotating machines such as a steam turbine and a gas turbine that are rotated by the flow of a fluid. It is possible to configure as a test apparatus capable of measuring the torque in the same manner even if the above is adopted.
その他の構成も、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。 Other configurations can be variously modified without departing from the spirit of the present invention.
1…垂直軸型風車の試験装置(流体式回転機の試験装置)
2…回転軸
26…固定側ブラケット(一体回転部)
27…非固定側ブラケット(相対回転部)
3A…トルク発生部(トルク測定非対象部)
3B…トルク発生部(トルク測定対象部)
41…翼
51…ロードセル(トルク検出器)
W…風(空気)の主流方向
1 ... Vertical axis wind turbine testing device (fluid rotating machine testing device)
2 ...
27 ... Non-fixed side bracket (relative rotating part)
3A ... Torque generator (torque measurement non-target part)
3B ... Torque generator (torque measurement target)
41 ...
W ... Mainstream direction of wind (air)
Claims (6)
流体の流れにより前記回転軸に対して伝達すべきトルクを発生するトルク発生部とを備え、
少なくとも1つのトルク発生部をトルク測定対象部として前記回転軸に対して相対回転自在に構成するとともに、
前記回転軸と前記トルク測定対象部との間にトルク検出器を設けた
ことを特徴とする流体式回転機の試験装置。 A rotating shaft rotatably supported;
A torque generator that generates torque to be transmitted to the rotating shaft by a fluid flow;
At least one torque generating unit is configured as a torque measurement target unit so as to be rotatable relative to the rotating shaft, and
A testing apparatus for a fluid-type rotating machine, wherein a torque detector is provided between the rotating shaft and the torque measurement target part.
前記一体回転部と前記相対回転部とを前記トルク検出器を介して接続している
ことを特徴とする請求項1に記載の流体式回転機の試験装置。 An integral rotating part that rotates integrally with the rotating shaft; and a relative rotating part that is integrated with the torque measurement target part and is relatively rotatable with respect to the rotating shaft. While facing the part,
2. The fluid rotating machine testing device according to claim 1, wherein the integral rotating part and the relative rotating part are connected via the torque detector.
ことを特徴とする請求項1または2に記載の流体式回転機の試験装置。 3. The fluid rotary machine testing device according to claim 1, wherein the rotation shaft is disposed in a direction perpendicular to the fluid flow direction.
ことを特徴とする請求項1または2に記載の流体式回転機の試験装置。 3. The fluid rotary machine testing apparatus according to claim 1, wherein the rotation shaft is arranged in a direction parallel to the fluid flow direction.
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の流体式回転機の試験装置。 5. The fluid rotating machine testing apparatus according to claim 1, wherein the fluid is air, and the fluid rotating machine is configured as a windmill.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012080732A JP5831877B2 (en) | 2012-03-30 | 2012-03-30 | Fluidic rotating machine testing apparatus and fluid rotating machine testing method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012080732A JP5831877B2 (en) | 2012-03-30 | 2012-03-30 | Fluidic rotating machine testing apparatus and fluid rotating machine testing method |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2013210286A JP2013210286A (en) | 2013-10-10 |
JP5831877B2 true JP5831877B2 (en) | 2015-12-09 |
Family
ID=49528242
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2012080732A Expired - Fee Related JP5831877B2 (en) | 2012-03-30 | 2012-03-30 | Fluidic rotating machine testing apparatus and fluid rotating machine testing method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5831877B2 (en) |
-
2012
- 2012-03-30 JP JP2012080732A patent/JP5831877B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2013210286A (en) | 2013-10-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Krogstad et al. | An experimental and numerical study of the performance of a model turbine | |
McLaren et al. | Measurement of high solidity vertical axis wind turbine aerodynamic loads under high vibration response conditions | |
Monteiro et al. | Wind tunnel testing of a horizontal axis wind turbine rotor and comparison with simulations from two Blade Element Momentum codes | |
DK1646786T3 (en) | Method and apparatus for wind turbine rotor load control based on radial shaft displacement | |
Peng et al. | High-solidity straight-bladed vertical axis wind turbine: Aerodynamic force measurements | |
US8255173B2 (en) | Load measuring apparatus, method, and program | |
Sant et al. | Measurements and modelling of the power performance of a model floating wind turbine under controlled conditions | |
Troldborg et al. | Danaero mw | |
Llorente et al. | Trailing-edge serrations effect on the performance of a wind turbine | |
Kusnick et al. | Wind turbine rotor imbalance detection using nacelle and blade measurements | |
Persico et al. | Time-resolved experimental characterization of the wakes shed by H-shaped and troposkien vertical axis wind turbines | |
CN110849575A (en) | Wind turbine complete machine aerodynamic force measuring system and method | |
Yang et al. | Extraction of airfoil data using PIV and pressure measurements | |
Ramirez et al. | Assessment of Reynolds-averaged Navier–Stokes method for modeling the startup regime of a Darrieus rotor | |
LeBlanc et al. | Estimation of blade loads for a variable pitch Vertical Axis Wind Turbine with strain gage measurements | |
JP5831877B2 (en) | Fluidic rotating machine testing apparatus and fluid rotating machine testing method | |
Blomhoff | An experimental investigation of wind turbine wakes | |
Corbus et al. | Analysis and comparison of test results from the small wind research turbine test project | |
Al‐Abadi et al. | A torque matched aerodynamic performance analysis method for the horizontal axis wind turbines | |
CN113494429B (en) | Method for monitoring pneumatic imbalance of fan blade | |
Wanke et al. | Differences in damping of edgewise whirl modes operating an upwind turbine in a downwind configuration | |
Reddy et al. | Experimental study on influence of aspect ratio and auxiliary blade profile on the performance of H-Type Darrieus wind rotor | |
Su et al. | Experimental on the fatigue failure areas of wind turbine blades’ rotating fundamental frequency | |
Du et al. | Time‐accurate blade surface static pressure behaviour on a rotating H‐Darrieus wind turbine | |
Bak et al. | DAN-AERO MW: Detailed aerodynamic measurements on a full scale MW wind turbine |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20150324 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20150325 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20150806 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20151006 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20151020 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5831877 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |