JPH06101622A - 横風型のウィンド・タ−ビン - Google Patents

横風型のウィンド・タ−ビン

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JPH06101622A
JPH06101622A JP4165323A JP16532392A JPH06101622A JP H06101622 A JPH06101622 A JP H06101622A JP 4165323 A JP4165323 A JP 4165323A JP 16532392 A JP16532392 A JP 16532392A JP H06101622 A JPH06101622 A JP H06101622A
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JP
Japan
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rotor
guide vanes
wind
pair
blades
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JP4165323A
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English (en)
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Varusamideisu Michael
ヴァルサミディス ミカエル
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Original Assignee
Individual
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D3/00—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor 
    • F03D3/04—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor  having stationary wind-guiding means, e.g. with shrouds or channels
    • F03D3/0427—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor  having stationary wind-guiding means, e.g. with shrouds or channels with converging inlets, i.e. the guiding means intercepting an area greater than the effective rotor area
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D3/00—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor 
    • 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
    • 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
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S415/00—Rotary kinetic fluid motors or pumps
    • Y10S415/905—Natural fluid current motor
    • Y10S415/907—Vertical runner axis

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Picture Signal Circuits (AREA)
  • Liquid Crystal Display Device Control (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】ガイド・ベーンは風の吹く方向に関係なく、ロ
ータ・ブレードに当るようにし、ロータの回転方向に積
極的に働くようにし、風を最大限活用する、横風型ウイ
ンド・タービを提供する。 【構成】それぞれのガイド・ベーン１の入射平面は、ロ
ータの回転中心軸III−IIIからそれぞれのガイド・ベー
ンの内側端を通り、全エンジンを２つの半円筒部分に分
割する仮想的な垂直平面に対して、傾斜角度（ｗ）をも
つ。第一の垂直平面III−IIIは、風の入射方向に平行
で、風の吹く方向に向ってみた時に、この面は、エンジ
ンを右側と左側とに分割する面となっている。ガイド・
ベーンの能力を決めるのは、傾斜角度と幅と間隔の特定
の組み合わせであり、風の方向と反対に動くロータの側
で必然的に作られる引き戻し効果を解消する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は一般的にいってウィンド
・タービンの分野の技術に関するもので、特に横風型あ
るいは垂直軸型として分類されるウィンド・タービンの
分野の技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】横風型あるいは垂直軸型ウィンド・ター
ビンは、一般的には製造が簡単なことが知られており、
さらに水平軸型のウィンド・タービンに比べたときに一
定の利点があることが知られている。
【０００３】垂直軸型ウィンド・タービンの第一の主要
な本質的利点は、吹いている風の方向に関係なく、どん
なタイプの方位設定装置の助けもなしに、入ってくる風
の力を直接的に利用できることである。このことは、方
位決定機構をなくせるために簡単な構造とすることが出
来て、製造コストを下げ、高い効率が得られる結果とな
る。
【０００４】垂直軸型ウィンド・タービンのもう一つの
利点は、複雑な且つ効率を落とすような機構を採用しな
いで、地上で機械的な動力を提供できる能力があること
である。水平軸型のウィンド・タービンは、斜めギヤ、
長く伸びたシャフト、ベアリングあるいはそのほかのト
ランスミッション機構を必要とするか、あるいは逆にウ
ィンドミル塔の上に発電機を設置し、したがって地上か
ら高い位置に、余分な附加的な機械が必要となり、設置
したり保守するのが困難となる。垂直軸型ウィンド・タ
ービンではそのような機構を必要としないので、簡単で
安価な構造を可能にし、一定の高さに重量のある機械あ
るいは機構を支持するための強化用構造物を必要とせ
ず、このようにこのシステムの高効率に寄与している。
【０００５】垂直軸型ウィンド・タービンの、水平軸型
ウィンド・タービンに比べたもう一つの利点は、その風
に吹かれる領域が、地表を占有する領域を基準にすると
より広く、従って風力のより多くの利用が可能なことで
ある。
【０００６】水平軸型ウィンド・タービンに比べて、垂
直軸型ウィンド・タービンは一般的な利点を持っている
けれども、従来の技術によるものは、また比較的効率の
低いサボニウス・ロータや、自分自身ではスタートしな
いダリウス・ロータなどにみられる欠点がある。サボニ
ウス・ロータがそのような低い効率しか実現できない理
由は、風がロータのブレードの両側に吹きつける、すな
わち、一方の側は風の方向に、もう一方の側は風と逆方
向になり、したがって利用できる風力の一部分を中和し
てしまうためである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
目的は、垂直軸型ウィンド・タービンの上記の欠点を克
服し、ロータ・ブレードのある部分にかかる風力による
逆転衝撃をなくすことが出来て、一方、どんなタイプの
方向設定機構も必要とせずに、吹いている風の方向と関
係なく風力を最大限に利用できて、さらに自動スタート
機能を持っている、垂直軸型ウィンド・タービンを提供
することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の主な目的は、中
央に位置するロータの周囲に配置されたガイド・ベーン
の配置から構成され、これらのガイド・ベーンは、風の
吹く方向に関係なく、風がローダ・ブレードに当たるよ
うにし、サボニウス・ロータの場合にみられるような風
の方向に逆に回転するロータ・ブレードの部分による引
っ張り効果を及ぼすことなしに、ロータの回転方向に積
極的に働くようにすることにより、風を最大限活用す
る、横風型ウィンド・タービンを提供することによって
達成される。 本発明は、本発明の実施例を図示する添
付された図面を参照することによって、この技術に精通
した人々に、より明らかになろう。
【０００９】
【実施例】提案されているウィンド・タービンは、中心
部の円筒形空房３の円周上に等間隔で対称形に配置され
た複数の好ましくは１２個を超えないブレード２によっ
て形成される、一般的に円筒形をしたロータを含む。図
示されたブレード２はカーブした形状を持ち、その形状
は半円形あるいは楕円形あるいはそのほかの形状とする
ことができて、それぞれのブレードの湾曲側は、ロータ
の円周上で、隣接するブレードと同じ方向になるように
配置されている。ブレードは、その上端及び下端が円筒
形ロータの上端及び下端に配置され、その内側あるいは
後方端がロータの内側円周上に配置され、その外側ある
いは前方端がロータの外側円周上に配置され、またブレ
ードの側面を形成する前方及び後方表面は、ロータ運動
の方向あるいはそれと逆方向に向いて配置されているこ
とを特徴とする。
【００１０】提案されている横風型ウィンド・タービン
は、本発明によるとさらに、中心に向って収束する対称
的に且つ等間隔で配置され、好ましくは１６を超えない
複数の直線形状および平面形状のガイド・ベーンを円周
上に配置したものを含み、それが外側円筒を形成して、
前記のロータ・ブレード２をとり囲んでいる。それらは
ロータ・ブレード２と同じように、上端及び下端、内側
端及び先導端、前方端及び後方端で特徴付けられる。
【００１１】このように、提案されたウィンド・タービ
ンの受風表面領域は、前記の外側シリンダの直径と高さ
の積で定義される。
【００１２】本発明の第一の望ましい実施例によると、
前記の長手方向（縦方向）に伸びるガイド・ベーン１
は、円形のベース・プレート５に固定されており、一
方、その上部は、上部カバー・プレート４により蓋をさ
れている。ベース・プレート５および上部カバー・プレ
ート４の中心９および１１には夫々、ベアリングが入っ
ており、その中でスタブ・シャフト８および１０の形状
のロータ・シャフトが自由に回転する。
【００１３】図示された本発明の実施例では、ロータに
は上部円板状カバー６と、底部の同様に円板状のカバー
７があり、それから小さな円筒状突起あるいはスタブ・
シャフト８および１０の形のロータ・シャフトが伸び、
これによってロータ装置は、上部カバー・プレート４と
ベース・プレート５の双方の中央の穴９および１１に設
けられた上部および底部のベアリングの中で回転できる
ように取りつけられている。このように、ロータ・シャ
フトと、ロータの中央仮想回転軸は、前記の中央開口部
３の中心を通るようになっている。本発明の横風型ウィ
ンド・タービンで作り出される動力は、ベース・プレー
ト５のベアリングの中で回転するロータのスタブ・シャ
フトの底部延長部１０から取り出すのが望ましく、した
がって必要な動力伝達装置の取りつけ及び保守が容易に
できるようにしている。
【００１４】図１に示される本発明の望ましい実施例に
よると、全プレート、すなわち全体の装置の上部プレー
トおよびベース・プレートは、上部および底部ロータ円
板とともに平板で簡潔な構造をしており、そこには開口
部はないが、ただそこにはロータ・シャフトを装置する
のに必要な穴がついているか、あるいは、もしエンジン
の低い内部圧力を周囲の大気圧と同じにすることが必要
な場合には、エンジンの上部あるいは下部の空間から直
接中央ロータ領域に空気が通過できるようにするため
に、円板の中央領域には単に穴があけられている。
【００１５】さらに図１ｂに示されるように、本発明の
ウィンド・タービンは、また、上部プレート１８および
ベース・プレート１９を含み、それぞれのプレートには
適切な直径と深さをもつ円形の受け皿が中央部に設けら
れており、その内側で同じ高さで上部および底部円板を
それぞれ装着している。この配置は、回転によってひき
おこされる障害や附随する引き戻し現象あるいは乱流を
減少させるので、エンジンを通過する空気の流れをさら
にスムーズに自由にする。
【００１６】図１ｃには、エンジン・プレートとロータ
円板のもう一つの実施例での配置が示されており、そこ
では、上部プレート２４および下部プレート２４′は、
その外側が平らで、中央部でロータのスタブ・シャフト
８と１０を支えている。双方のプレート及び円板は、わ
ずかに湾曲した内部表面を持ち、タービンの中心部に向
って垂直方向に対称的に収束する形状で、この曲面は円
板とプレートの間のわづかの間隙を除いては連続的で、
さえぎるもののない弧を描き、その端部は外側のプレー
トの端部につながっている。それぞれ上部プレート及び
ベース・プレートには、その内側の曲った表面に、わづ
かに円錐状となった受け部があり、それはガイド・ベー
ン１の中心部に配置され、ロータ上部２３とロータ底部
２３′の円板を同じ高さに収納している。この配置は、
ベルヌーイ効果の垂直方向の応用となっているので、装
置の空気取り入れを最大にするものとなっている。固定
子とロータのブレード部品上にあるそれぞれの線２５と
２６は、それらの間にあるブレードの一部分をあらわ
し、それらはそれぞれ傾斜角度あるいは入射角度が変え
られるように配置されている。
【００１７】図１ａに示されているのは、ガイド・ベー
ンの傾斜角度（ω）を望ましい値に調節するために使用
される調整装置の実施例の斜視図である。その機構の側
面図が図１に示されている。それぞれのガイド・ベーン
には、ガイド・ベーンのベースプレート５の上に軸回転
できるように装着された中央部歯車１７と噛み合う小さ
なギヤ１３があり、それによってガイド・ベーンが回転
され、空気の流れを制御する動作が行われ、また駆動ギ
ヤ１４が、通常の電気駆動装置及びエレクトロニクス制
御装置１５に連結され、それによってガイド・ベーンの
動きが制御される様子が示されている。
【００１８】図２に示されるように、それぞれのガイド
・ベーンの入射平面は、ロータの回転中心軸III −III
からそれぞれのガイド・ベーンの内側端を通り、全エン
ジンを２つの半円筒部分に分割する仮想的な垂直平面に
対して、傾斜角度（ω）をもつ。第一の垂直平面III −
III は、風の入射方向に平行で、図面で風の吹く方向に
向ってみた時に、この面は、エンジンを右側と左側とに
分割する面となっている。
【００１９】すべてのガイド・ベーン１に対する傾斜角
度（ω）は、同じ方向を向いており、このガイド・ベー
ンの能力を決めるのは、ガイド・ベーンの傾斜角度と幅
と間隔の特定の組み合わせであり、風の方向にかかわり
なく、風の方向と反対に動くロータの側では風を覆い隠
し、逆に、この側からロータの回転方向に風を直接あた
るように向けて案内し、このようにして風の方向と反対
に動くロータの側で必然的に作られる引き戻し効果を解
消するようにしている。
【００２０】このように、エンジンの風に向う面では、
入ってくる風は、ガイド・ベーンによって、ロータ・ブ
レードの後方の窪んだ面に向けられ、ロータを反時計方
向に強制的に回転するようにし、風は中央開口部３を通
って、反対側のロータ・ブレードの後方窪み面にあた
り、同じ回転方向に更に付加的な押しを与え、エンジン
の後方側面にあるガイド・ベーンを通って後方側面から
排出される。したがってすべてのロータ・ブレードがロ
ータに一様な回転運動を与えるように、正の方向に寄与
する。
【００２１】前述のガイド・ベーンは、それぞれ、あら
かじめ決められた幅、内側及び先導部エッジをもち、そ
の望ましい傾き角度は、ここではガイド・ベーンが吹い
てくる風向きに対して相対的な傾斜を与えるもので、そ
れは、ガイド・ベーンが互に完全にオーバーラップし、
したがってロータのその側面を完全にマスクして、ブレ
ードが風と逆に動く状態から始って、このオーバーラッ
プが徐々に減少し、ロータ・ブレードの後方の窪み側が
直接の風力に当るようになり、さらに附加的な空気の流
れをロータ・ブレードの後方の窪み側に集めて、全体と
してのロータの運動量を増加させるようにしている。望
ましい傾斜角度はガイド・ベーンの幅や間隔が変ると、
それにしたがって変わることが明らかであるが、動作上
の理由によって３０°を越えることはない。このよう
に、傾斜角度（ω）が大きいほど前述の風のマスキング
を実現するためには、ガイド・ベーンに要求される幅が
小さく（あるいは逆にいえばガイド・ベーンの間隔が広
く）なる。これはもちろん、入射する風とガイド・ベー
ンの間の空気力学的反作用によって許されるある範囲に
限られ、傾斜角度が増大すると不適切となる。もう一度
述べると、傾斜角度が小さければ、必要なマスキングの
結果を得るためには、より幅の広いガイド・ベーンが必
要であるが、その時には、ガイド・ベーンに対する風の
摩擦が大きくなる。しかし、そのかわりに、空気力学的
反作用が小さくなり、また機械の作動表面領域は、実際
に動力を作る領域、すなわちロータの作動表面領域に比
例して大きくなる。別の言葉でいえば、ガイド・ベーン
が相対的に広いスペースを占め、一方、ロータの直径が
そのかわりに小さくなる（図２ａ）。ロータ・ブレード
の端部に接線方向の入射面とガイド・ベーン面の間の入
射角度（ω1 ）もまた３０°以下であることに留意され
たい。さらに、２つの直径方向の対称位置にあるロータ
・ブレードの後方端に接線方向の線と、回転中心軸を通
る軸平面とが作る入射角度（ω2 ）も、１０°以下に保
たれていることに留意されたい。
【００２２】上記に加えて、ガイド・ベーン１は、円周
部から中心部に向って収束する角度のついた配置をとる
ことにより、固定子部分の中で、入ってくる風を集中
し、出ていく風を分散する通風筒として機能し、同時
に、それは、対応する固定子部分がエンジンの風に向っ
た方向にあるか、あるいは風の後方にあるかによって、
直線的な吹き込み動作あるいは発散動作をひきおこす、
一種の垂直方向のノズルの役割を果たし、この動作が対
応する空気流れのスピードを増大させたり、減少させた
りする。
【００２３】したがって、前述のガイド・ベーンの収束
作用の理由により、各風上にある固定子部分の対による
直線的な吹き込み動作は、２つの隣接するロータ・ブレ
ードの間に形成される１個のセクター部分によって行わ
れ、この空気注入がわん曲した通路を通って行われ、空
気の流れの反転あるいは偏向がおこり、実際にロータを
動かす力を生み、その後に、中央開口部に出て行く。し
たがって、前述の固定子およびロータのセクター・セグ
メントが徐々に収束する側壁を作り、空気吹き込みふい
ごを形成し、この時この収束する度合いは前記の傾斜角
度（ω）と、入射角度（ω1 ）と入射角度（ω2 ）とに
よって決る。次に、空気の流れは、中心部の開口３を通
って、反対側の風下の対応するロータと固定子の同様の
配置へと導かれ、徐々に拡がっている側壁を持つ対応す
る発散路を流れて空気を排出する逆のプロセスを形成す
る。
【００２４】したがって、エンジンは、半径方向に正弦
波の形をした、対称的順次配置された部屋を持ち、エン
ジンには中心に共通の中心開口部があり、これがエンジ
ンを通じての空気の完全な流路を形成している。
【００２５】ロータの中心開口部３は二重の役割を果た
す。即ち、周辺のロータの部屋を流れる空気を同時に連
結し且つ分散させる一つの部屋として機能する。このよ
うに、ある瞬間をみると、これらのロータの部屋の半分
は風上側にあり、中心開口部に新しい空気を送り込み、
その空気は逆にロータの風下側の部屋に送られる。した
がって、ロータ部屋が回転すると、それは機械の風上側
から風下側に移り、この切替境界線は、入ってくる風の
相対的な方向、ガイド・ベーンの傾き角度、その間隔、
およびロータ・ブレードの形状と間隔によって決められ
支配される。
【００２６】本発明の望ましい実施例によると、図２お
よび図５に示されるガイド・ベーンは平板な形状であ
り、風が側壁表面を打ち、方向を変える際の風の引きづ
り効果による風の流れの乱れによってマスキング効果を
生じる。逆に、図６，図６ａ，６ｂ，６ｃ，図７，図７
ａに示されたタイプのガイド・ベーンは、その特殊な形
状のために空気の流れを偏向させ、その相対的な性質
は、ベーンが空気の流れの方向に端部をふり向けること
によって、空気力学的な相互作用が起るようにし、揚力
効果があらわれ、最終的には空気流れの方向が変るよう
になっている。
【００２７】すべてのガイド・ベーンはその傾斜角度が
固定されているか制御可能なものであり、必要な効率お
よび容量が得られるように制御される。このような方法
で、ガイド・ベーンはまたウィンド・タービンの速度調
節機構としても使用することが出来て、要求された時
に、あるいは極端に強い横風から機械を保護するためな
どの必要な時に、最終的には完全に開口を閉じて機械を
停止することも出来る。
【００２８】採用するロータの長手（縦）方向に沿っ
て、風力の一様な分布を得るためには、風速は一般的に
は地表の近傍で最低となり、機械の最上部で最高となる
ので、ガイド・ベーンは、機械の動作における望ましく
ない結果をもたらす自然の不均一性を補償するような形
状にすることができる。この要求を満足するガイド・ベ
ーンの模式的配置図が図３に示されたコーン状の形状で
あり、ガイド・ベーンの形状は、下方に向って放物線状
に拡がる外形をもち、エンジンの残りの部分もまた展開
図により同様に図示されている。構造に対する過剰な機
械的ストレスやロータの周期振動の問題を避けるため
に、この場合には、エンジンの高さと、基底部の外直径
の比は１を超えないようにすべきである。
【００２９】本発明のウィンド・タービンは、第一義的
には垂直の配置で使用するようにデザインされているけ
れども、もし必要な場合には、どんな傾き角度で使用す
ることも可能である。さらに、同じ機械は、空気以外の
駆動媒質で機能させることも可能で、上記と同様の利点
がこの場合にも得られる。
【００３０】同じ概念は、ある特定の有利な特徴を出す
ために、異なるタイプのガイド・ベーンとロータのさま
ざまの配置、或いは組み合わせに適用することが可能で
ある。例えば、図４では、ガイド・ベーンは湾曲した形
状であり、その内側端と先導端を結ぶ翼弦線はエンジン
の直径の５分の１を超えない長さを持っている。またロ
ータ・ブレード２は、数が少く、たった３個だけであ
り、しかしその数は、ロータの直径および駆動流体の速
度およびロータ・ブレードの速度の比によって８個まで
増やすことができる。その形状は、強風および高速のロ
ータ速度に適した空気力学的な三日月状で（月の１／４
あるいは半分に似ている）、その翼弦はロータ周辺に放
射状に、かつ対称的に配置されている。その入射角度は
可変で、最大の効率を得るために電気的方法であるいは
機械的方法で変えることが出来る。しかし、動作するた
めには、翼弦を、そこを通過する空気の流れに平行に保
つために、最初の放射状の位置からどちらの方向にも±
１０°を越えてはいけない。この三日月状の形は、ガイ
ド・ベーンにも適用され、図４の湾曲した形状と同じよ
うに配置され、その時、ベーンの窪んだ側面は、隣接す
るロータ・ブレードの窪んだ側面とは反対側の方向を向
く。それは対称的なタイプあるいは平板な前方表面と凸
形の背面をもつものがあるが、その翼弦の長さはエンジ
ンの直径の１／５を超えず、その横断線の長さは、翼弦
の半分を越えない。図５には、平板タイプの狭い巾のガ
イド・ベーンが示されているが、その巾はエンジンの全
体の直径の１／５を超えず、スムーズな空気の流れを作
るためにその真中に広い内部間隙がとれ、ガイド・ベー
ンは可変の傾き角度がとれ、空気力学的な三日月形状の
ロータ・ブレードと適合するようになっている。これら
のガイド・ベーンは、「釣り針」タイプあるいは「Ｊ」
タイプのガイド・ベーンを形成するように、船の舵に似
た、節のある内側端部（図５ａ）を持ち、ガイド・ベー
ンの直線的導入部に対して小さな傾き角度を持たせて、
入ってくる空気流れを更に制御するようになっている。
【００３１】図６では、円周上に放射状に配置された空
気翼形のガイド・ベーンが図示されている。一方の面が
平らで、もう一方の面が湾曲している空気翼形なので、
たとえベーンがどの角度にも傾斜していなくても、風の
流れをロータ・ブレードの運動の方向に方向転換させる
ことが出来て、この方向転換が最少の擾乱で行えるよう
になっている。その平らな側面は、隣接するロータ・ブ
レードの窪み面に対面する方向に向かい、その弦の長さ
は、機械の外直径の１／５を超えず、その横巾は弦の長
さの１／４から１／７を超えることはない。それは、傾
斜角度が可変で、動作させるためには最初の放射状の位
置から両方向に±１０°以内に振ることができる。ロー
タ・ブレード２は、空気力学的三日月状の翼形である。
【００３２】主要なガイド・ベーンの間に、円周上に補
助の小さなガイド・ベーン１２が配置され、空気の流れ
をガイドし、これをつけることによって、主ベーンの間
隔を広くあけることができる。それらは、主ガイド・ベ
ーンの内側の円周上に放射状に配置できる。これらの補
助ガイド・ベーンは平らであるか、湾曲しているか、三
日月状かあるいは翼形のあるいは一様なエアフォイルで
あり、その巾は、主ベーンの巾の半分を超えない。
【００３３】翼タイプのエアフォイル状ガイド・ベーン
１は、右後方側面が湾曲した凸状であり、左側前方面は
平らであるか、あるいは僅かに窪みをもっている（図６
ａ）。別の形状では、もし必要なら、さらに空気の流れ
をガイドするために、小さな舵タイプの尾ひれが取り付
けられる。
【００３４】同じような結果は別の方法、すなわち図６
ｃに示される修正型の三日月状ガイド・ベーンの方法に
よっても実現されるが、それはブレードの両端部に近い
窪み側の翼弦線に沿って、部分的に平らな前面があるこ
とに特徴がある。ガイド・ベーンは、ロータの周辺上に
対称的に配置され、その翼弦の長さは、外直径の１／５
を越えず、その横巾は翼弦の長さの１／４から１／７の
間にあるのが望ましい。それは、前述の翼形のタイプの
ガイド・ベーンと同様にその傾き角度を可変とすること
ができる。このタイプの形状は、ロータ・ブレードにも
使用できる。その場合には、弦の長さは、外直径の１／
５よりも短く、横巾はその弦の長さの１／４から１／７
の巾である。その個数は２個から８個まで可変で、ロー
タ・ブレードはロータ周辺に放射状に置かれ、すべての
ブレードが円周上で同じ方向を向き、その窪み側面が隣
のガイド・ベーンの窪み側面と反対側にくる。実効的な
流体の流れを常に弦に平行に保つためには、いづれかの
方向に±１０°まで最初の放射状位置のまわりに傾ける
ことができる。
【００３５】図７は、円周上に放射状に配置された空気
翼形のガイド・ベーンを持つウィンド・タービンの例を
示す。この場合、前面および背面の両側面が凸状に対称
的に湾曲しており、ガイド・ベーンは外側がまるくなっ
ており、内側がとがり、ロータのまわりに放射状に且つ
対称的に等間隔で配置されている。その全数は１０から
１５の間で可変である。実例としてガイド・ベーンのひ
とつの空気翼形状の両端部を結ぶ弦線ａ−ａ′が示され
ており、ここで弦はアークの両端の間の直線として定義
されている。横巾の線ｂ−ｂ′は、その最も厚い点での
空気翼形状の側表面の間の弦に直角の線である。
【００３６】一様な空気翼形ガイド・ベーンは、その形
状および配置により、擾乱を最小にして反転し、揚力効
果を及ぼし、従って力の損失を最小にする。しかも空気
の流れの両側に一様に影響が及ぶので、エンジンを通過
する対称的な空気の流れをつくり、機械の両側にバラン
スのとれたマスキング効果を及ぼす。したがってこのタ
イプの機械は、ベンチュリ動作をあらわし、この影響
は、水平面であるいは回転軸に直角の方向にみられ、こ
れはガイド・ベーンが対称的に配置され、それぞれの隣
り合う一対のベーンの間に、入口と出口があり奥行きの
ある分散室が形成されることに起因する。これらのガイ
ド・ベーンの弦線は、機械の外径の１／４から１／７の
間の長さであるのが望ましい。
【００３７】この対称的に配置された空気流れによっ
て、高速回転に適した対称的な空気翼タイプのロータ・
ブレードの使用が可能となり、且つ望ましくなる。対称
的に配置された２個ないし８個のそのようなロータ・ブ
レードは、図７に示されるようにロータ周辺部に接線方
向に配置されている。その特徴は、回転の方向に向って
前方端がまるくなっており、後方端が回転と逆方向にと
がっており、エンジンの中心側及び外側に向って面する
上端及び下端は、上下のロータ円板に固定されるかある
いは回転できるように取りつけられる。それぞれのロー
タ・ブレードの弦の長さはエンジン直径の１／５以下で
あるのが望ましく、この弦の長さは対応する空気翼形状
の横巾の４ないし７倍の長さであるのが望ましい。ま
た、前記の空気の流れのパターンをつくるのにガイド・
ベーンが特定の配置をとるために、相対的に、配置され
ているロータ・ブレードは、その弦が、ブレードの回転
サイクルの間中空、空気の流れを直角に横切るようにな
っており、この配置はその空気翼形状の両側面に効率的
で、このタイプのエンジンでの基本的特徴となってい
る。 もし必要ならば、空気の流れをコントロールする
ために、前記ガイド・ベーンの傾き角度を変えることが
できる。しかし、実際の動作のためには、この傾き角度
の制御は、最初の放射状位置から両方向に±１０°以内
で行われねばならない。同様に、機械を必要な時に停止
するためにロータ・ブレードを制御する、或いはフェザ
ーリングするためには、ロータ・ブレードに対しても入
射角度を変化させることができる。
【００３８】この場合にもまた、ロータ・ブレードとし
て空気力学的三日月形タイプあるいはその修正形が、前
述したような目的で同様に使用される。
【００３９】図７ａは、図７に示されたウィンド・ター
ビンの改良型を示す。それによると、ガイド・ベーンの
内部に一対の空気の流路あるいはダクト（２０及び２
０′）があり、逆の意味であるが対称的な形の流路を形
成し、それぞれのダクト２０と２０′は、入射空気の圧
力が高くなる領域となるブレードの前方外側面を、その
尾部に向った圧力の低い反対領域に連結する。
【００４０】これらの空気通路は二重の動作を実行す
る。すなわち一つは、ガイド・ベーンあるいはロータ・
ブレード部品の外側面に沿ってできる圧力差を一様化し
て、ひきづりの影響を小さくすることであり、もう一つ
は、そこを通って流れる空気の部分をロータ・ブレード
に対する推力となるように有効に利用することであり、
あるいは渦巻を減らせて、ガイド・ベーンに対して、流
線形の推力を生じる流れを形成することである。その動
作は、空気通路の入口のダクト２０および２０′（図７
ｂ）の中心線−ｄ−が実際の空気流れの方向に平行であ
る時に最大となり、例えばガイド・ベーンの弦が空気の
流れに平行である場合のように、空気流れの方向が入口
中心線に垂直の時に最小となる。水平面上で、空気の入
口通路の中心線と弦線のつくる角度は、前方側面から測
って２０°以下ではなく、かつ７０°以上ではなく、こ
の相対角度は、望ましい、あるいは予想される実効的な
空気の流れとブレードとの間の相互作用によって決めら
れる。
【００４１】一対の空気通路は、図７ｂに図示されるよ
うな１つのダクトタイプであってもよいが、その場合に
は、１個のダクトはベーン又はブレードの交差線の前方
の空気流入口から始り、もう一方のダクトは同じ前方部
分の反対対称位置の同様の空気流入口から始って、共通
の結節点（２１）で反対から来たダクトと交わり、それ
ぞれのダクトはさらにアーク状あるいは楕円状の形状の
流路として、結節点の後方の部分の反対側に向って伸
び、後方で空気の流れが、前記ベーンあるいはブレード
の弦に平行な方向に放出される。これらのダクトは、対
応するガイド・ベーンあるいはブレードの高さ方向全体
にわたって伸びており、横側面に配置された、積層の連
結用強化用フレームによってのみ中断されている。その
巾は横巾の１／３を超えない。あるいは、他の場合には
２重の、さらには多重のマニフォールド・ダクト・シス
テムが採用され、第２番目のダクトは図７ｃに示される
ように第一番目のダクトに平行かつそれに隣接して配置
され、あるいは離して配置され、いづれの場合にも、十
字線の前方で始り、その後方で終る。この場合には、相
互に独立した異る水平レベルで、２つの反対側の空気通
路が交わり、ブレードの高さ全体をこれらで分割使用す
るのが望ましい。これは、ダクトの全長にわたって一様
な断面積をもつがその高さと巾がお互に逆比例するよう
なダクトを使用し、交差点で高さが最も低く、巾が最も
広い部分から始り、徐々に通路を垂直方向に向けて、ダ
クトの高さが入口あるいは出口の端部に進むにしたがっ
て増し、その巾が、常に高さと巾の積がほぼ一定となる
ように保ちながら狭くなっていく方法により実現され
る。逆の場合には、全長にわたって一定寸法のダクト
が、互のダクトが交差するのに必要な間隔をあけて配置
され、この場合には空気のとり込み量が減少する。これ
はダクトの巾を広くとることによってある程度は補償さ
れる。
【００４２】結論的には、図２，３，４，５，６に示さ
れた本発明の概念の第一の案は、渦巻き効果適用機械と
して特徴づけられる。何故ならその構造が、直線的に入
ってくる空気の流れを、多かれ少なかれ方向転換して円
状の空気の流れを作る構造であり、エンジンの中で作ら
れる一方方向の空気の流れを使って、風力をロータ・シ
ャフトにかかる機械的モーメンタムに変換する構造とな
っている。逆に、図７及び図７ａにみられる後者の案の
エンジンは、エンジンの中心に向って対称的に収束する
一対の水平方向の空気の流れ路をつくり、空気力学的な
レンズのように動作して、ベンチュリ効果が水平面ある
いはロータ軸に垂直な平面で、ロータ・ブレードを横切
るように表われる構造となっており、これがこのタイプ
のエンジンのきわだった特徴をなしている。ここで、本
記述は、例示された実施例に即して行われていることに
留意されたい。エンジンの製造、組立て過程で選択され
る形式や形状、寸法、材料あるいはアクセサリーは、そ
れらが新しい発明の段階を画さない限りにおいては、上
記における変形や修正と同様に、本特許請求の範囲と目
的の一部であると考えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の横風型ウィンド・タービンの第一の望
ましい実施例の、中心回転軸Ｉ−Ｉに沿った縦断面正面
図である。
【図１ａ】ベース・プレート５の下に装着された、ガイ
ド・ベーンの傾斜角度を変えるために使用されるコント
ロール機構を示す、実施例の部分切断斜視図である。
【図１ｂ】本発明の横風型ウィンド・タービンの別の望
ましい実施例の縦断面正面図である。ロータ上部６およ
び下部７のカバー円板が、機械の上部（１８）および下
部（１９）の支持プレートの対応する窪みにぴったり合
うようにおさまっている様子を示す。
【図１ｃ】本発明の横風型ウィンド・タービンの別の望
ましい実施例の縦断面正面図である。機械の中心に向っ
て対称な形で収束するアーク状の内側上部および下部表
面があり、風の流れの垂直方向の収束が実現できて、ベ
ルヌーイ理論の応用でその速度が増すようになってい
る。
【図２】図１の線II−IIに沿った、ウィンド・タービン
の平面断面図である。
【図２ａ】本発明のウィンド・タービンのもう一つの望
ましい実施例の平面断面図である。ガイド・ベーンとロ
ータ・ブレードが狭い形状巾をもつもの、あるいは短い
弦の長さをもつものを示し、中心に広い開口部をもつよ
うにした例を示し、この図ではまた角度（ω），
（ω1 ）および（ω2 ）を示している。
【図３】本発明のウィンド・タービンのもう一つの望ま
しい実施例を構成するさまざまの部品の正面展開図であ
る。ここではガイド・ベーンが下にいくほど拡ったコー
ン状の形をとってのびているものを示す。
【図４】本発明のウィンド・タービンのもう一つの望ま
しい実施例の平面断面図である。ガイド・ベーンが湾曲
した断面形状をもち、ロータ・ブレードが強風およびロ
ータの高速回転速度に適切な空気力学的な三日月の形状
をしているものを示す。
【図５】本発明のウィンド・タービンのもう一つの望ま
しい実施例の平面断面図である。ガイド・ベーンが平ら
な構造で、直線形の形状をしており、傾斜角度が可変で
あるものを示す。
【図５ａ】図５の上記ガイド・ベーンの一変形を示す。
それには、釣り針あるいはＪ−字型のガイド・ベーンを
形成するために関節でつながった内側端があり、ガイド
・ベーンの直線部に対して小さな傾き角度を持たせるよ
うにし、入ってくる風の望ましいコントロールができる
ようにした例を示す。
【図６】本発明のウィンド・タービンのもう一つの実施
例の平面断面図である。ガイド・ベーンの片側が“翼タ
イプ”の空気翼形状であり、反対側が凸状タイプで、傾
き角が可変である。また、ロータ・ブレードは空気力学
的に有利な三日月形状である。
【図６ａ】前記図６の前記翼タイプのガイド・ベーンの
一変形で、前面が窪んだ表面を持つガイド・ベーンの平
面断面図である。
【図６ｂ】前記図６の前記翼タイプのガイド・ベーンの
一変形で、空気流れをさらに案内するために、尾びれの
形の、関節のある内側端を有するガイド・ベーンの平面
断面図である。
【図６ｃ】本発明のウィンド・タービンのもう一つの実
施例の平面断面図である。ガイド・ベーンは、前方面の
先端に平らな表面のある変更された三日月状で、その傾
斜角度が可変である。また図示されたロータ・ブレード
は、ガイド・ベーンと同じタイプの変更された三日月形
状である。
【図７】本発明のウィンド・タービンのもう一つの実施
例の平面断面図である。ガイド・ベーンとロータ・ブレ
ードの双方が対称的な空気翼タイプであり、傾き角度お
よび入射角度が可変である。空気翼の弦線ａ−ａ′およ
び横巾線ｂ−ｂ′は図示されたガイド・ベーンの一つに
例示的に定義されている。
【図７ａ】図７のウィンド・タービンの改善型の平面断
面図である。空気の通路２０と２０′が、ガイド・ベー
ンおよびロータ・ブレードの前方の外側表面の高圧力領
域と、その後方の外側表面に運動中に発達する低圧力領
域とを連結している。距離−ｃ−は、横巾線と、ブレー
ド又はベーンの前方端の間の弦の長さとして定義さされ
ている。
【図７ｂ】一対の単ダクトの空気通路をもつ図７ａのガ
イド・ベーンあるいはロータ・ブレードの一つの詳細な
平面断面図である。その空気通路は、その長さ方向にあ
る共通の連結点で互いに交差する。
【図７ｃ】図７ａのガイド・ベーンあるいはロータ・ブ
レードの一つの詳細な平面断面図である。一対のツイン
の空気通路が異なる水平位置で互いに交差している例を
示す。
【図７ｄ】異なる水平位置で互いに交差するガイド・ベ
ーンあるいはロータ・ブレードにある空気通路の斜視図
である。垂直方向にじょうご状になった入口のあるもの
を示す。実線矢印は、機械の固定部分に対する動きの方
向を示す。点線矢印は、空気の流れを示す。
【符号の説明】
１ ガイド・ベーン ２ ロータ・ブレード ３ 中央開口部 ４ カバー・プレート ５ ベース・プレート ８，１０ スタブ・シャフト １５ エレクトロニクス制御装置

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ロータに対して相対的に運動する流体の
    流れによって、長い軸のまわりに回転する、一般的には
    円筒状のロータの回転によって動力を発生するタービン
    機械において；該機械は複数の、しかし１６個を超えな
    い、平板な形状の、流体を導くガイド・ベーンを含み、
    該ガイド・ベーンは複数の、しかし８個は超えない、ア
    ーク状の形状の長いロータ・ブレードを取囲み、該ロー
    タ・ブレードの方へ流体を送り、該ロータ・ブレード
    は、ロータの周辺部をかこんで、一般的には等間隔に配
    置され、そして内側および外側の長い端部と、前方およ
    び後方の表面と、上端部および下端部を持ち、該ロータ
    ・ブレードは、その上端部および下端部で、丸い平板な
    形状の上部及び下部円板から成る、向い合って置かれた
    第一の一対の平板に装着され、上部及び下部円板の直径
    は、該ロータの円周部直径に等しく、該ロータには前記
    の上部及び下部円板の間に、中空の中心部領域があり、
    したがって、それぞれのロータ・ブレードは、一般的
    に、前記中心部領域の反対側の位置するもう一つのロー
    タ・ブレードに対して、直径方向に対称の位置にあり、
    前記中心部領域は空で、何ら障害物がなく、前記ロータ
    ・ブレードの中心に円筒状部分を形成し、その直径は、
    タービン・エンジンの外径の１／６以上であり、ロータ
    ・ブレードの前記内側端は、前記中心部領域に向って、
    それを通して流体を流し込む開放流路を形成し、複数の
    ガイド・ベーンが外側円筒部を形成し、その外側円筒部
    の周囲は、一般的に互いに等間隔で配置された複数のガ
    イド・ベーンによって規定され、それぞれのガイド・ベ
    ーンは前方および後方の表面と、内側および外側の長い
    端部と、上端部および下端部を持ち、該ガイド・ベーン
    の前記上端部および下端部は、頭部およびベースの支持
    板を形成し、ガイド・ベーンによって決められた外周と
    同じ直径を持つ、丸い平板状の向い合う第二の一対の平
    板に装着され、前記支持板とガイド・ベーンの双方で、
    タービン・エンジンの固定子を構成し、該タービン機械
    は更に一対の前記ロータ円板を前記頭部支持板とベース
    の支持板の間で回転可能に装着するための手段を含み、
    したがって、ロータは、前記頭部支持板とベース支持板
    に対して回転が可能であり、該ロータ・ブレードは、前
    記の一対のロータ円板に装着され、したがって該ロータ
    ・ブレードの内側端によって形成される前記開放流路
    は、流体を、前記中心開口領域の反対側に開けた、一般
    的には直径方向を向いた流路に導くように並べられ、こ
    れにより流体の流れの方向に向いた長いロータ・ブレー
    ドの後方表面に対して衝突した流体は、直径方向に反対
    方向にあるロータ・ブレードの後方表面に向かうように
    なっており、二つの隣接するブレードの間の前記ガイド
    ・ベーンの前方および後方表面は、固定子のくさび形の
    部屋を形成する中央部に向って収束し、隣接するロータ
    ・ブレードの前方および後方の表面は中央部に向ってア
    ーク形状に収束して、アーク形でくさび形の部屋を形成
    し、一対の前記固定子の部屋は、一個の隣接するロータ
    の部屋に含まれ、前記一対の放射状に配置された固定子
    とロータの部屋が、流体が流入と発散をするトンネルを
    構成し、該トンネルはそれぞれエンジンの風上と風下の
    側面にある前記の一対の部屋を含み、前記の共通の中央
    部領域で連結された、直径方向の対向位置に配置された
    流入・発散トンネルの一対は、エンジンを通る湾曲した
    流路を形成していることを特徴とする、動力を発生する
    ためのタービン機械。
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