JP6034205B2

JP6034205B2 - 風車

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Publication number: JP6034205B2
Application number: JP2013009436A
Authority: JP
Inventors: 島田　邦雄; 邦雄島田
Original assignee: Fukushima University NUC
Current assignee: Fukushima University NUC
Priority date: 2013-01-22
Filing date: 2013-01-22
Publication date: 2016-11-30
Anticipated expiration: 2033-01-22
Also published as: JP2014141901A

Description

本発明は、風車に関する。

特許文献１には従来の風車が開示されている。この特許文献１記載の風車は、回転軸と、この回転軸の周囲に固定された複数のブレードとを備えており、いわゆるプロペラ型の風車を構成する。

プロペラのブレードは、回転軸に対して略直交するように回転軸の径方向に長く形成されている。各ブレードは、回転軸の径方向の内側の端部が回転軸の周囲に固定されており、径方向の外側の端部が自由端となっている。このブレードは、気体の流れに対して迎角を有している。この迎角は、固定端から自由端にかけて、螺旋状に捩じられることで形成されている。

特開２００６−２５７８８６号公報

しかしながら、この特許文献１記載のプロペラ型風車では、ブレードを製造するに当たり、迎角を形成するための捩じりを作る必要がある。このプロペラ型風車のブレードの捩じりは、形状が複雑なだけでなく、最適な揚力を得るために迎角を精度よく形成する必要がある。このため、プロペラ型風車は製造が難しいという問題を有する。

この問題を解消するため、本発明者は、ブレードを流れ方向の下流側に向かって傾倒すると共に、このブレードの下流側の端部を径方向の外側に拡がるように折曲形成し、これにより迎角を形成することを発明した（特願２０１２−００８４３５号参照）。これにより、簡単に迎角を形成できるだけでなく、低風速領域でも効率よく風車を回転させることができるようになった。

しかしながら、このブレードを備えた風車は、低風速領域では効率よく回転できるものの、高風速領域では、回転効率が低下してしまうことが判明した。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、低風速領域だけではなく、高風速領域においても回転効率を高めることができる風車を提供することにある。

本発明の風車は、回転軸と、一端が前記回転軸に固定された固定端部であると共に他端が自由端部である複数のブレードとを備え、前記各ブレードは、前記固定端部から前記回転軸の径方向の外側に向かうほど気体の流れ方向の下流側に位置するように傾斜し、前記自由端部が前記回転軸の径方向の外側に向かって折曲形成され、且つ当該ブレードは迎角を有するものであり、前記回転軸方向に流れる気体を前記ブレードで受けることで前記回転軸が回転する風車であって、前記各ブレードは、弾性変形可能に構成されており、これにより前記回転軸が回転すると、遠心力を受けて起立するように弾性変形するものであることを特徴とする。

本発明の風車によれば、低風速領域だけではなく、高風速領域においても回転効率を高めることができる。

実施形態１の風車の斜視図である。実施形態１の風車であり（ａ）は側面図であり（ｂ）は平面図であり（ｃ）は正面図である。実施形態１の風車のブレードの迎角のつけ方を説明する図である。実施形態１の風車を回転軸に直角な断面で切断した断面図である。実施形態１の風車の回転軸が回転した状態を示す平面図である。ブレード周りの気流を説明するための図であり（ａ）はロータの回転数が小さい場合の図であり（ｂ）はロータの回転数が大きい場合の図である。実施形態２の風車であり（ａ）は要部の平面図であり（ｂ）は要部の側面図である。実施例の実験装置を説明するための図であり（ａ）は全体の概略図であり（ｂ）は整流器の出口の開口の図である。（ａ）は実施例１，２のブレードであり（ｂ）は実施例３，４のブレードである。ブレードの先端の位置を説明するための図である。実施例１と比較例１の風速と回転数との関係を示すグラフである。実施例２と比較例２の風速と回転数との関係を示すグラフである。実施例３と比較例３の風速と回転数との関係を示すグラフである。実施例４と比較例４の風速と回転数との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について添付図面に基づいて説明する。

実施形態１の風車は、水平な回転軸２を有している。回転軸２は、空気（気体）の流れ（風）に対して平行になるように形成されている。言い換えると、本実施形態の風車は、いわゆる水平軸風車である。風車は、小型の風車であり、例えば、家庭用として使用される。

風車は、図１に示すように、ロータ１と、このロータ１を回転自在に軸支するナセル４と、ナセル４を下方から支持する支柱５とを備えている。ナセル４の内部には、図２に示すように、発電機６が収容配置されている。発電機６は、ロータ１の回転軸２に回転自在に接続されている。発電機６は、ロータ１が回転することで発電し、この発電した電力を外部に出力する。

ロータ１は、回転軸２と、ブレード３とを備えている。ロータ１は、回転軸２方向に流れる空気をブレード３で受けることができるように構成されている。ロータ１は、空気を受けることで回転軸２廻りに回転する。言い換えると、風車は、回転軸２方向に流れる気体をブレード３で受けることで、回転軸２が回転するものである。

回転軸２は、図２（ａ）に示すように、水平方向に長さを有している。回転軸２は、気体の流れ方向に沿って配置される。回転軸２は、第１端２１と、第２端２２とを有している。第１端２１は、気体の流れ方向において回転軸２の上流側の端部である。第２端２２は、第１端２１に対し、回転軸２の長さ方向の反対側の端部である。

ここで、第１端２１から第２端２２に向かう方向は、第１の方向２３として定義される。また第１の方向２３とは反対側に向かう方向は、第２の方向２４として定義される。なお、第１の方向２３と気体の流れ方向とは同一方向に向かっている。

回転軸２は、ハブ２５を備えている。ブレード３は、ハブ２５を介して回転軸２に固定される。ハブ２５は、回転軸２に固定されている。ハブ２５は、回転軸２よりも直径が大きな円筒形状に形成されている。ハブ２５の第１端２１側の端面（第２の方向２４の先端面）にはブレード取付部２６が設けられている。

ブレード取付部２６には、ブレード３が取り付けられる。ブレード取付部２６は、ブレード３と同じ数だけ設けられている。ブレード取付部２６は、雄ねじ部２６１と、ナット２６２とを備えている。雄ねじ部２６１は、ハブ２５の第１端２１側の端面から第２の方向２４に向かって突出している。ナット２６２は、雄ねじ部２６１に螺合される。ブレード取付部２６は、例えば、正面視において３等配されている。

なお、本実施形態のハブ２５は円筒形状をしているが、角柱であってもよい。またブレード３の取付枚数は、１２０°毎に配置されているが、１８０°毎や９０°毎に配置されていてもよい。

ブレード３は、帯状の板材により構成されている。ブレード３は、長さと幅とを有している。ブレード３は、長さ方向の全長に亙って同じ厚さで形成されている。ブレード３は、弾性変形可能な板材により構成されている。ブレード３は、例えば、形状記憶樹脂シートや薄板状（例えば、０．５ｍｍ）のアルミニウム等の金属板などにより構成される。

ブレード３は、固定端部３１と、本体部３２と、折曲部３３とを備えている。ブレード３は、一端（第一の端部３４）に固定端部３１を有し、且つ他端（第二の端部３５）に折曲部３３を有する。固定端部３１および本体部３２および折曲部３３は、ブレード３の長さ方向に連続している。固定端部３１および本体部３２および折曲部３３は、弾性変形可能な板材を、曲げ加工により塑性変形させることで形成されている。

固定端部３１は、本体部３２の第一の端部３４側の先端から延出している。固定端部３１は、ブレード３の第一の端部３４に屈曲形成されている。固定端部３１には、雄ねじ部２６１が挿通される挿通孔が穿設されている。固定端部３１は、この挿通孔に雄ねじ部２６１が挿通された状態でナット２６２が螺合されることにより、ハブ２５に固定される。

折曲部３３は、本体部３２の第二の端部３５側の先端から回転軸２の径方向の外側に向かって延出している。折曲部３３は、本体部３２よりも延出した部分を、回転軸２の径方向の外側に拡げるように折曲形成することで形成された部分である。すなわち、折曲部３３は、ブレード３の自由端側の端部（自由端部）に設けられている。つまり、ブレード３の自由端部は、折曲部３３により構成されている。折曲部３３の先端は、気体の流れ方向とは反対側に臨んでおり、すなわち、折曲部３３は本体部３２の先端を折り返すことで形成されている。

なお、折曲部３３の先端は、気体の流れ方向とは反対側に臨んでいなくてもよい。つまり、折曲部３３の先端は、回転軸２の径方向の外側に臨んでいてもよい。また、折曲部３３と本体部３２との間の曲率は特に限定されない。折曲部３３と本体部３２との間の曲げ部分は、例えば、湾曲（つまり、曲率が小）していてもよいし、屈曲（つまり、曲率が大）していてもよい。

ブレード３は、回転方向の前側（つまり、回転方向の下流側）の端縁において、気体の流れ方向の最も下流側の部位３６が、その反対側の端縁（つまり、回転方向の上流側）において、気体の流れ方向の最も下流側の部位３７よりも、気体の流れ方向の上流側に位置している。

ブレード３が回転軸２に取り付けられると、ブレード３は、固定端部３１から回転軸２の径方向の外側に向かうほど、気体の流れ方向の下流側に位置するように傾斜する。ブレード３は、本体部３２の回転軸２に対する勾配として、例えば、第１の方向２３に向かって約６０ｍｍ進むと、径方向の外側に約６０ｍｍ拡がるようになっている。

なお、本体部３２は、直線状であってもよいし、緩やかに湾曲していてもよい。本実施形態において本体部３２は、気体の上流側に面する面が凹となり、且つその反対側の面が凸となるようにやや湾曲している。

ブレード３は、図３に示すように、固定端部３１を中心として自由端部側を回転方向に沿うようにして僅かにずらして塑性変形させることで、角度が付けられている。言い換えると、ブレード３の回転方向への回転軸２に対する角度θは、固定端部３１で付けられている。これにより、ブレード３は、図４に示すように、回転軸２方向に直角な断面において、迎角αを有している。

また、ブレード３は、折曲部３３によっても迎角βが形成される。つまり、ブレード３は、上述のように、回転方向の前側（つまり、回転方向の下流側）の端縁において、気体の流れ方向の最も下流側の部位３６が、その反対側の端縁（つまり、回転方向の上流側）において、気体の流れ方向の最も下流側の部位３７よりも、気体の流れ方向の上流側に位置している。このため、図６に示すように、気体がブレード３に衝突すると、Ｆ_１sinθの回転力が発生する。なお、θは、平面視における回転軸２に対するブレード３の傾きであり、Ｆ_１は気流がブレード３に与える力である。

ブレード３は迎角α，βを有しているため、風車の回転軸２に沿って気体が流れると、その気体はブレード３に抗力を生じさせる。ブレード３に発生した抗力は、ロータ１の回転方向の初動を生じさせる。この結果、ロータ１は回転する。

ロータ１が回転すると、ブレード３は弾性変形可能に形成されたものであるため、図５に示すように、ブレード３に遠心力が発生し、ブレード３は遠心力を受けて起立するように弾性変形する。ブレード３は、回転数が大きくなるのに従って、回転軸２に直角な角度に近づくように変形する。

回転軸２に直角な角度に近づいたブレード３は、気体を受ける面積が増大し、また、後述のようにブレード３が回転移動することにより発生する揚力も増大するため、風車は大きな回転数を得ることができる。

なお、ブレード３周りの気流により発生する揚力・抗力については、次のように考えることができる。

ロータ１が回転すると、回転方向に移動するブレード３には、第１の方向２３に向かう気体の流れ（以下「上流側から吹き込む気流７１」という）により発生する力に加えてブレード３の移動による相対的な空気流れ（以下、「相対的な気流７２」という）が生じる。風速が小さい場合には（図６（ａ）参照）、ロータ１の回転数も小さいため、このときのブレード３周りの気流は、上流側から吹き込む気流７１が支配的となり、このため、ブレード３の上流側の面に沿って流れる気体が層流になると共に、下流側の面では乱流になりやすい。従って、圧力差により、ブレード３には回転を抑制する方向に働く力Ｆ_２（揚力）が生じる。

このとき、ブレード３には回転を抑制する方向に働く力Ｆ_２が作用するが、上流側から吹き込む気流７１が、相対的な気流７２よりも大きいから、Ｆ_１＞Ｆ_２となり、Ｆ_１による力が支配的となる。よって、ロータ１は回転する。

風速が大きい場合には（図６（ｂ）参照）、ロータ１の回転数が大きくなるため、このときのブレード３周りの気流は、相対的な気流７２の影響が大きくなる。これに加え、上流側から吹き込む気流７１も、ブレード３に激しく衝突するため、気流が乱れ易くなる。これにより、ブレード３周りの気流は、ブレード３の上流側の面では乱流になりやすく、下流側の面では層流になりやすい。従って、圧力差により、ブレード３には回転方向に働く力Ｆ_３（揚力）が生じる。

また、ブレード３には、上流側から吹き込む気流７１により、抗力Ｆ_１が生じるため、回転数がより増大する。

さらに、ブレード３は、回転数が大きくなるに従って、回転軸２に直角な方向に近付くため、ブレード３の上流側の面では一層流れが乱れ易い。この結果、力Ｆ_３がより大きくなり、回転数が増大する。

このような構成のロータ１は、図２に示すように、内部に発電機６を有するナセル４に回転自在に支持されている。ロータ１の回転軸２は、発電機６に回転自在に接続されている。発電機６は、回転子６１と、固定子６２とを備えている。

固定子６２は、回転子６１を囲むようにして回転子６１の径方向外側に配置されている。固定子６２には、コイル（図示せず）が巻回されている。これにより固定子６２は、一定の向きの磁界を生じさせる。このコイルは、外部に電機的に接続されている。

回転子６１は、ロータ１の回転軸２に連結されている。回転子６１は、永久磁石を備える。つまり、回転子６１は、Ｎ極とＳ極とを有する。回転子６１の永久磁石は、固定子６２が作る磁界内に配置される。

ロータ１が回転すると、これに追従して回転子６１が回転する。回転子６１が回転すると、固定子６２との間で電磁誘導が生ずる。この電磁誘導により、固定子６２に巻回されたコイルに誘導電流が生ずる。コイルに生じた電流は、外部に出力される。

ナセル４は支柱５の上端に設けられている。支柱５は、上下方向に長く形成されている。支柱５は、載置台５１に取り付けられている。支柱５の下端部は、載置台５１に固定されている。なお、ナセル４は、支柱５に対してヨー軸廻りに回転自在に取り付けられていてもよい。

以上、説明したように、本実施形態の風車は、回転軸２と、複数のブレード３とを備えている。ブレード３は、一端が回転軸２に固定された固定端部３１であると共に、他端が自由端部である。各ブレード３は、固定端から回転軸２の径方向の外側に向かうほど気体の流れ方向の下流側に位置するように傾斜している。また、ブレード３は、自由端部が回転軸２の径方向の外側に向かって（ブレード３の自由端部が拡がるように）折曲形成されている。さらに、ブレード３は迎角を有する。そして、本実施形態の風車は、回転軸２方向に流れる気体をブレード３で受けることで回転軸２が回転する。各ブレード３は、弾性変形可能に構成されており、これにより、回転軸２が回転すると、遠心力を受けて起立するように弾性変形するものである。

このため、本実施形態の風車によれば、低風速領域において、回転効率を高めることができるだけでなく、高風速領域においても、ブレード３を起立させることで回転数を増大することができ、低風速時および高風速時のいずれにおいても、効率よく回転数を得ることができる。

しかも、本実施形態のブレード３は、弾性変形可能となっているため、風速が大き過ぎる場合には、回転により遠心力を受けていたとしても気体の流れ方向の下流側に傾倒する。このため、本実施形態の風車によれば、例えば、暴風時などに支柱に負荷が掛かり過ぎるのを防ぐことができる。

また、ブレード３は、弾性変形可能となっているため、回転数が小さくなって、遠心力が小さくなると、先端に向かうほど後方に位置するように傾斜した基本姿勢（傾倒姿勢）に復元する。このため、本実施形態の風車によれば、風速に応じて、効果的に回転数を得ることができる適度なブレードの姿勢にすることができる。

なお、本実施形態の風車は、アップウインド型の風車であったが、ダウンウインド型の風車としてもよい。また、ブレード３の形状は、枚数は特に限定されない。

次に、実施形態２について図７に基づいて説明する。なお、本実施形態は、実施形態１と大部分において同じであるため、同じ部分においては同符号を付して説明を省略し、主に異なる部分について説明する。

本実施形態の風車は、ブレード３が、回転軸２の第２の方向２４の端面に設けられているのではなく、回転軸２の外周面に固定されている。

ブレード取付部２６は、回転軸２の第１端２１側の端部に設けられている。本実施形態のブレード取付部２６は、ねじ孔とビスとにより構成されている。なお、ブレード取付部２６は、雄ねじ部が、回転軸２の外周面から径方向の外側に向かって突出し、この雄ねじ部にナットが螺合される構造であってもよい。

ブレード３は、実施形態１のブレード３と同じ構造である。ブレード３の固定端部３１の幅は、本体部３２の幅よりも幅狭に形成されている。これにより、ブレード３は、固定端部３１のほうが、本体部３２よりも撓みやすくなっている。

ブレード３は、回転軸２のブレード取付部２６に取り付けられる。ブレード３は、自然状態では、回転軸２の径方向の外側に向かうほど流体の流れ方向の下流側に位置するように傾斜している。また、ブレード３は、固定端部３１がブレード取付部２６に固定された状態で、自由端部側を回転方向にずらすことで迎角βが形成されている。

ブレード３は、気体が回転軸２方向に流れると、気流を受け、これにより回転軸２を回転させる。回転軸２が回転すると、ブレード３は、幅狭の固定端部３１の一部で弾性変形して、回転軸２の径方向の外側に向かって拡がるように弾性変形する。これにより、本実施形態の風車は、回転軸２が回転すると、遠心力を受けて起立するように弾性変形する。このような構造であっても、実施形態１と同様の効果を奏することができる。

（実施例）
実施形態２の風車において、従来の風車（つまり、ブレードが回転により弾性変形しない風車）に対する効果を確認するため、次のような実験を行った。

実験には図８に示すような風洞を用いた。風洞は、ブロワー８０と、整流器８１と、風車とを備えている。整流器８１は、ブロワー８０の下流側に配置された。風車は、整流器８１の下流側に配置された。整流器８１の出口の開口は、ブレードの外径よりも大きくなるよう形成された。整流器８１の出口の開口８１１は、図８（ｂ）に示すように、内側面の対向間の長さが１４ｃｍ×１４ｃｍであった。

風車は、上記実施形態２で説明した風車を使用した。この風車の回転軸のハブに取り付けられたブレードの形状と材質とを、実施例ごとに変えた。

ブレードの大きさは、受風面積に基づいて決定した。受風面積は、風向きに対して直角な面へのブレードの投影面積である。ブレードは、０．５ｍｍのアルミニウムを使用したもの（実施例１，３）と、厚み１ｍｍの形状記憶樹脂シート（青芳製作所（株）製）を使用したもの（実施例２，４）とで実験を行った。

実施例１には、図９（ａ）に示すように、矩形状のブレードを使用した。実施例１に使用したブレードは、幅２０ｍｍ，回転軸方向の長さが６０ｍｍ，回転軸２の径方向の長さが７０ｍｍであった。また、実施例１のブレードには、０．５ｍｍのアルミニウムを使用した。

実施例２には、実施例１と同じ形状のブレードを使用した。実施例２のブレードには、厚み１ｍｍの形状記憶樹脂シート（青芳製作所（株）製）を使用した。

実施例３には、図９（ｂ）に示すように、末広がり状のブレードを使用した。つまり、実施例３のブレードは、先端側に向かうほど、幅広となるよう形成されていた。実施例３に使用したブレードは、固定端部３１の幅２０ｍｍ，延設部３３の幅５０ｍｍ，回転軸方向の長さが５０ｍｍ，回転軸２の径方向の長さが７０ｍｍであった。また、実施例３のブレードには、０．５ｍｍのアルミニウムを使用した。

実施例４には、実施例２と同じ形状のブレードを使用した。実施例４のブレードには、厚み１ｍｍの形状記憶樹脂シート（青芳製作所（株）製）を使用した。

各実施例１〜４においては、回転軸に対するブレードの回転方向の角度θ（図６参照）として、θ＝１０°，２０°，３０°，４０°のときのロータの回転数を測定した。

また、各実施例１〜４に対して、比較実験（比較例）を行った。この比較例としては、ブレードが高風速時に起立しないように、ブレードの先端から固定端部側に向かって３ｍｍで、且つ幅方向の中央の位置に貫通孔を設け、この貫通孔と回転軸との間にφ０．５ｍｍのワイヤーを挿通して、ブレードが起立しないようにして、回転数を測定した。

実験に使用する風速は、２．８［m/s］，３．３［m/s］，３．８［m/s］，４．３［m/s］，４．８［m/s］であった。

ブレードの起立状態の目安として、「広がらない」「少し広がる」「中くらい広がる」「大きく広がる」の４段階で評価した。各段階におけるブレードの固定端部から先端までの寸法関係は、図１０と表１に示す。

実験結果を図１１〜１４に示す。この図１１〜１４のグラフは、風速[ms]と回転数[rps]との関係を示している。

図１１には、実施例１と比較例１との実験結果を示す。図１２には、実施例２と比較例２との実験結果を示す。図１３には、実施例３と比較例３との実験結果を示す。図１４には、実施例４と比較例４との実験結果を示す。

図１１〜１４からも分かるように、比較例ではブレードの立ち上がりが抑制されるので、高風速領域に近づく程、実施例に比べて回転数が小さくなり、つまり、実施例１〜４の風車は、高風速領域に近づく程、比較例に比べて高い効率で回転数が得られることが分かった。この傾向は、アルミニウムのブレードでも、形状記憶樹脂シートのブレードでも同様であった。また、ブレードの形状が変わっても、上記傾向に変化はなかった。また、角度θによって、回転数の大きさに差は生じるが、上記傾向に変化はなかった。

１ロータ
２回転軸
２１第１端
２２第２端
２３第１の方向
２４第２の方向
２５ハブ
２６ブレード取付部
３ブレード
３１固定端部
３２本体部
３３折曲部
３４第一の端部
３５第二の端部
４ナセル
５支柱
５１載置台
６発電機
６１回転子
６２固定子
７１上流側から吹き込む気流
７２相対的な気流

Claims

回転軸と、
一端が前記回転軸に固定された固定端部であると共に他端が自由端部である複数のブレードとを備え、
前記各ブレードは、前記固定端部から前記回転軸の径方向の外側に向かうほど気体の流れ方向の下流側に位置するように傾斜し、前記自由端部が前記回転軸の径方向の外側に向かって折曲形成され、且つ当該ブレードは迎角を有するものであり、
前記回転軸方向に流れる気体を前記ブレードで受けることで前記回転軸が回転する風車であって、
前記各ブレードは、弾性変形可能に構成されており、これにより前記回転軸が回転すると、遠心力を受けて起立するように弾性変形するものである
ことを特徴とする風車。