JP6490421B2 - ロータ - Google Patents
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Description
しかしながら、従来のロータでは、流体の速度や向きの変動に対する発電効率の安定性について、十分に最適化されておらず、改善の余地があった。
主軸に支持されるハブと、該ハブに基端が結合されたブレードとを備える、風水力機械用のロータであって、
ロータの回転中心軸線に対して垂直な投影面において、前記ブレードの前縁が、互いに異なる2つのロータ径方向位置のみで、ロータ回転方向前側へ山状に突出した前縁山部を有することを特徴とする。
本発明のロータによれば、流体の速度や向きの変動に対する発電効率の安定性を向上できる。
前記投影面において、
前記ブレードの前記基端のロータ周方向中心点における前記ハブの接線を、第1仮想線VL1とし、
前記第1仮想線VL1に平行で、前記第1仮想線VL1から前記ハブとは反対側へ前記ブレードの長さBLの0.50倍の長さだけ離れた位置にある仮想線を、第2仮想線VL2としたとき、
前記ブレードの前縁は、前記第2仮想線VL2よりもロータ径方向内側の部分に、一方の前記前縁山部の突出先端を有し、前記第2仮想線VL2よりもロータ径方向外側の部分に、他方の前記前縁山部の突出先端を有していることが好ましい。
この構成によれば、流体の速度や向きの変動に対する発電効率の安定性をさらに向上できる。
前記投影面において、
前記第1仮想線VL1に平行で、前記第1仮想線VL1から前記ハブとは反対側へ前記ブレードの長さBLの0.25倍、0.75倍、1.00倍の長さだけ離れた位置にある仮想線を、それぞれ第3仮想線VL3、第4仮想線VL4、第5仮想線VL5としたとき、
前記第1仮想線VL1に沿う前記ブレードの幅BW1と、前記第2仮想線VL2に沿う前記ブレードの幅BW2と、前記第3仮想線VL3に沿う前記ブレードの幅BW3と、前記第4仮想線VL4に沿う前記ブレードの幅BW4と、前記第5仮想線VL5に沿う前記ブレードの幅BW5とが、不等式
BW1<BW3
BW3>BW2>BW4>BW5
を満たしていることが好ましい。
この構成により、流体の速度や向きの変動に対する発電効率の安定性をさらに向上できる。
前記投影面において、
前記2つの前縁山部のうちの、ロータ径方向内側のほうの前記前縁山部の突出先端が、前記ブレードの前縁のロータ径方向内側端と、ロータ径方向外側のほうの前記前縁山部の突出先端とを結んだ、第1線分L1に対して、ロータ回転方向前側にあることが好ましい。
この構成によれば、周速比が比較的低い時における出力係数をより大きく向上できる。
前記投影面において、
前記2つの前縁山部のうちの、ロータ径方向外側のほうの前記前縁山部の突出先端が、ロータ径方向内側のほうの前記前縁山部の突出先端と、前記ブレードの前縁のロータ径方向外側端とを結んだ、第2線分L2に対して、ロータ回転方向前側にあることが好ましい。
この構成によれば、周速比が比較的高い時における出力係数をより大きく向上できる。
前記投影面において、
前記ブレードの後縁は、前記ブレードの後縁におけるロータ径方向内側端とロータ径方向外側端とを結んだ、第3線分L3と、1点で交差しており、
前記ブレードの後縁のうち、前記第3線分L3との交点よりもロータ径方向内側の部分が、前記第3線分L3よりもロータ回転方向後側にあり、
前記ブレードの後縁のうち、前記第3線分L3との交点よりもロータ径方向外側の部分が、前記第3線分L3よりもロータ回転方向前側にあることが好ましい。
この構成によれば、流体の速度や向きの変動に対する発電効率の安定性をさらに向上できる。
なお、本発明でいう「風水力機械」とは、風力発電機(風車等)又は水力発電機(水車等)等の、風力又は水力により得られる動力を利用する機械を意味するものとする。
本実施形態のロータ1は、風力発電機だけでなく、水力発電機又は他の風水力機械にも用いることができる。
なお、ブレード20の数は、3つに限られず、任意の数とすることができる。
また、ロータ1の各ブレード20は、本例では互いに同一形状を有しているが、一部のブレードが他のブレードとは異なる形状を有していてもよい。
ここで、前縁山部36、37に関し、ロータ回転方向RDの前側へ「山状に突出した」とは、すなわち、上記投影面における前縁山部36、37の形状が、例えばガウス曲線や三角形状等のように、突出先端の両側部分で後退したような形状であって、例えば傾斜線や比例曲線等のように、突出先端の片側部分だけが後退したような形状ではないことを指している。
なお、本例では、上記投影面における前縁山部36、37の突出先端部分が、丸みを帯びた曲線状に形成されており、これは、空気抵抗の低減ひいては発電効率の向上の観点から好ましい。ただし、上記投影面における前縁山部36、37の突出先端部分は、鋭利に尖った形状に形成されてもよい。
ここで、「周速比」は、風速に対するブレード先端速度(ブレードの、ロータ径方向外側端部の回転方向の速度)の比であり、周速比をλ、風速をU (m/s)、ロータの回転速度をN (rpm)、ロータの直径をΦ (mm)とすると、λ=ΦN/(2U)で表すことができる。
また、「出力係数」は、ロータ受風面積を単位時間に通過する自由空気流の運動エネルギーに対する風力発電機の正味出力の比である。
この構成によれば、例えば第1前縁山部36の突出先端36aと第2前縁山部37の突出先端37aとの両方が第2仮想線VL2に対して同じ側にある場合に比べて、第1前縁山部36と第2前縁山部37とのロータ径方向位置が、ブレード20の前縁31内でより好適に分散されるので、より幅広い周速比の範囲に対して、十分良好な風力発電機の出力係数が得られるようになる。これにより、風の速度や向きの変動に対する発電効率の安定性をさらに向上できる。
ここで、前縁山部の「突出先端」とは、前縁山部が有する山形状の頂点を指すものとする。「ブレード20の長さBL」とは、ロータ10の半径(Φ/2)からハブ10の半径rを差し引いた長さ((Φ/2)−r)を指す。また、「ロータ10の半径(Φ/2)」とは、ハブ10の回転中心軸線O(ひいてはロータ1の回転中心軸線O)から、ブレード20のロータ径方向最外端までの、距離を指す。なお、ロータ1の回転中心軸線Oに対して垂直な投影面において、ハブ10が円形状を有していない場合、「ハブ10の半径r」とは、当該投影面における、ハブ10の外接円の半径を指すものとする。
本例では、ブレード20の長さBLが349mmであり、ハブ10の半径rが114mmである。
BW1<BW3 ・・・(1)
BW3>BW2>BW4>BW5 ・・・(2)
上記不等式(1)と(2)を満たすことにより、例えば第1仮想線VL1と平行に測ったブレード20の幅が、第1仮想線VL1から第5仮想線VL5に向かって徐々に減少する場合(すなわち、BW1>BW3>BW2>BW4>BW5を満たす場合)に比べて、風の速度や向きの変動に対する発電効率の安定性をさらに向上できる。
BW1>BW5 ・・・(3)
BW4<BW1<BW2 ・・・(4)
この構成によれば、例えば第1前縁山部36の突出先端36aが第1線分L1に対してロータ回転方向RDの後側にある場合に比べて、周速比が比較的低い時(例えば周速比が0.926の時)における出力係数をより大きく向上できる。
この構成によれば、例えば第2前縁山部37の突出先端37aが第2線分L2に対してロータ回転方向RDの後側にある場合に比べて、周速比が比較的高い時(例えば周速比が5.56の時)における出力係数をより大きく向上できる。
この構成によれば、例えば前記投影面においてブレード20の後縁41がその全体にわたって直線状である場合に比べて、流体の速度や向きの変動に対する発電効率の安定性をさらに向上できる。
この構成によれば、例えば前記投影面においてブレード20の前縁31がその全体にわたって直線状である場合に比べて、流体の速度や向きの変動に対する発電効率の安定性をさらに向上できる。
この構成によれば、例えばブレード20の前縁31がその全体にわたって直線状である場合に比べて、流体の速度や向きの変動に対する発電効率の安定性をさらに向上できる。
本明細書において、「ブレード20の厚さ」は、第1仮想線VL1を含むとともにロータ1の回転中心軸線Oに平行な仮想面に対して平行な、任意の仮想面内において、ブレード20の前縁31と後縁41とを通る仮想線に対して垂直に測ったときのブレード20の厚さのうち、最大のものを指すものとする。
本明細書において、「ピッチ角」とは、第1仮想線VL1を含むとともにロータ1の回転中心軸線Oに平行な仮想面に対して平行な、任意の仮想面内における、ブレード20の前縁31と後縁41とを通る仮想線と、該任意の仮想面とロータ1の回転中心軸線Oに対して垂直な仮想面との交線との、鋭角側のなす角度である。
なお、第1仮想線VL1を含むとともにロータ1の回転中心軸線Oに平行な仮想面内におけるピッチ角は、36.2〜40.0°であることが好ましく、本例では38.1°である。また、第5仮想線VL5を含むとともにロータ1の回転中心軸線Oに平行な仮想面内におけるピッチ角は、7.13〜7.89°であることが好ましく、本例では7.51°である。
本例では、図3の展開図において、ブレード20の前縁31が、互いに異なる2つのロータ径方向位置のみで、ロータ回転方向RDの前側へ山状に突出した前縁山部136、137を有している。
BW11<BW13 ・・・(5)
BW13>BW12>BW14>BW15 ・・・(6)
BW11>BW15 ・・・(7)
BW12<BW11 ・・・(8)
これにより、流体の速度や向きの変動に対する発電効率の安定性をさらに向上できる。
ただし、上記のなす角度θは、その他の値をとってもよく、120〜146°であるのが好ましい。
図3の例では、その展開図において、第1中心点P1と、ブレード20の基端21のロータ周方向中心点21aとが、重なっている。
比較例1のロータは、ブレードの前縁及び後縁が、ブレードの全長にわたって直線状であるものとした。
比較例2〜4のロータは、ブレードの前縁及び後縁が、それぞれ、第3仮想線VL3、第2仮想線VL2、第4仮想線VL4の位置で、ロータ回転方向前側に凸に湾曲するものとした。
実施例1のロータは、上述した図1〜図3の例におけるブレード形状を有するものとした。
各ロータの他の諸元を、表1に示す。
表1において、「ブレード幅中心線」とは、ブレードにおける、第1中心点P1、第3中心点P3、第2中心点P2、第4中心点P4、及び第5中心点P5を、この順番で線分により繋げてなる仮想線を指している。「0.25BLで屈曲」、「0.50BLで屈曲」、「0.75BLで屈曲」とは、それぞれ、上記のブレード幅中心線が、第3中心点P3で屈曲、第2中心点P2で屈曲、第4中心点P4で屈曲していることを指している。
なお、実施例1のロータでは、周速比λ=3.7のときに出力係数が最大(0.398)となった。
10 ハブ
20 ブレード
21 ブレードの基端
21a ブレードの基端のロータ周方向中心点
31 前縁
33 前縁のロータ径方向内側端
35 前縁のロータ径方向外側端
36、136 第1前縁山部(ロータ径方向内側のほうの前縁山部)
36a、136a 第1前縁山部の突出先端
37、137 第2前縁山部(ロータ径方向外側のほうの前縁山部)
37a、137a 第2前縁山部の突出先端
41 後縁
42、142 後縁の、第3線分との交点
43 後縁のロータ径方向内側端
45 後縁のロータ径方向外側端
46、146 後縁のうち、第3線分との交点よりもロータ径方向内側の部分
47、147 後縁のうち、第3線分との交点よりもロータ径方向外側の部分
O ロータの回転中心軸線
RD 回転方向
r ハブの半径
Φ ロータの直径
θ 角度
Claims (4)
- 主軸に支持されるハブと、該ハブに基端が結合されたブレードとを備え、風力又は水力を受けて回転するロータであって、
ロータの回転中心軸線に対して垂直な投影面において、前記ブレードの前縁が、互いに異なる2つのロータ径方向位置のみで、ロータ回転方向前側へ山状に突出した前縁山部を有しており、
前記投影面において、
前記ブレードの前記基端のロータ周方向中心点における前記ハブの接線を、第1仮想線VL1とし、
前記第1仮想線VL1に平行で、前記第1仮想線VL1から前記ハブとは反対側へ前記ブレードの長さBLの0.25倍、0.50倍、0.75倍、1.00倍の長さだけ離れた位置にある仮想線を、それぞれ第3仮想線VL3、第2仮想線VL2、第4仮想線VL4、第5仮想線VL5としたとき、
前記ブレードの前縁は、前記第2仮想線VL2よりもロータ径方向内側の部分に、一方の前記前縁山部の突出先端を有し、前記第2仮想線VL2よりもロータ径方向外側の部分に、他方の前記前縁山部の突出先端を有しており、
前記第1仮想線VL1に沿う前記ブレードの幅BW1と、前記第2仮想線VL2に沿う前記ブレードの幅BW2と、前記第3仮想線VL3に沿う前記ブレードの幅BW3と、前記第4仮想線VL4に沿う前記ブレードの幅BW4と、前記第5仮想線VL5に沿う前記ブレードの幅BW5とが、不等式
BW1<BW3
BW3>BW2>BW4>BW5
を満たしていることを特徴とする、ロータ。 - 前記投影面において、
前記2つの前縁山部のうちの、ロータ径方向内側のほうの前記前縁山部の突出先端が、前記ブレードの前縁のロータ径方向内側端と、ロータ径方向外側のほうの前記前縁山部の突出先端とを結んだ、第1線分L1に対して、ロータ回転方向前側にある、請求項1に記載のロータ。 - 前記投影面において、
前記2つの前縁山部のうちの、ロータ径方向外側のほうの前記前縁山部の突出先端が、ロータ径方向内側のほうの前記前縁山部の突出先端と、前記ブレードの前縁のロータ径方向外側端とを結んだ、第2線分L2に対して、ロータ回転方向前側にある、請求項1又は2に記載のロータ。 - 前記投影面において、
前記ブレードの後縁は、前記ブレードの後縁におけるロータ径方向内側端とロータ径方向外側端とを結んだ、第3線分L3と、1点で交差しており、
前記ブレードの後縁のうち、前記第3線分L3との交点よりもロータ径方向内側の部分が、前記第3線分L3よりもロータ回転方向後側にあり、
前記ブレードの後縁のうち、前記第3線分L3との交点よりもロータ径方向外側の部分が、前記第3線分L3よりもロータ回転方向前側にある、請求項1〜3のいずれか一項に記載のロータ。
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