TWI697616B - 橫軸轉子 - Google Patents

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Abstract

本發明之目的在於提供一種橫軸轉子，前述橫軸轉子適合於風車或水車，且具備受風效率高、難以破壞、旋轉效率高的葉片。在輪轂的周面朝向放射方向固定有複數個葉片的轉子中，各個葉片是作成為在前視視角中從基端部到翼端逐漸增加弦長的升力型，並且從其徑向的中心部向前形成為前向彎曲部，又，其前向先端的前端面是作成為在前視視角中前緣之厚度較厚的升力型。

Description

橫軸轉子
本發明是有關於一種即使產生較大的升力(lift)且有較強的離心力起作用，風車的葉片破壞的危險依然很低，且就算是低風速也能有效率地旋轉的橫軸轉子。
螺旋槳式橫軸風車已記載於例如專利文獻1。其是一種從可迴轉地被支撐於支柱的機艙(nacelle)突出設置水平的轉子軸，並且將複數個葉片朝向放射方向固定在已被固定於轉子軸先端的轉子之風車。
先行技術文獻 專利文獻 專利文獻1：日本專利特開2013-189970
發明概要 發明欲解決之課題 在專利文獻1記載的發明中，葉片是遍及全體皆為相同厚度，且，其弦長從先端到基端是相同尺寸，且先端部是單純向前方向彎曲。該風車是一種雖然在作為風車方面會良好地旋轉，但是在使其與發電機連接後，由於在發電機中會有磁石的齒槽效應轉距(cogging torque)起作用，因此旋轉力會極度降低，在作為發電裝置用方面的實用性較差之風車。 尤其葉片是平板狀，因此很難使其充分發揮附壁效應(coanda effect)。特別在大型風車中，如果發電效率不優異的話，則只有成本負擔會變大，變得缺乏實用性。 大型風車的葉片容易因旋轉離心力和風壓而被破壞，加大剛性後，會變重而使得旋轉效率惡化，又，在低風速中，起動較為困難，變得缺乏實用性。 本發明有鑑於如此實情，其目的在於提供一種受風性能優異並且難以被破壞，且旋轉效率高的葉片、與具備該葉片且適合於風車及水車的橫軸轉子。
用以解決課題之手段 本發明為了解決前述課題，採取了如下技術手段。
(1)一種橫軸轉子，是在輪轂的周面固定有朝向放射方向的複數個升力型葉片之橫軸轉子，其將各個葉片作成為在前視視角中從基端部到翼端逐漸增加弦長的升力型葉片，並且是從其徑向的中間部向前作成為前向彎曲部，且將其前向端部的前端面作成為在前視視角中前緣之厚度較厚的升力型而成。
(2)如前述(1)記載的橫軸轉子，其是將前述前向彎曲部中之前向端部的前端面作成為在前視視角中前緣之厚度較厚的升力型，且使前緣與後緣位於同一旋轉軌道上而成。
(3)如前述(1)或(2)記載的橫軸轉子，其是在前述橫軸轉子中之葉片的側視視角中，將前向彎曲部之彎曲內表面的曲率半徑作成為大於彎曲外表面的曲率半徑而成。
(4)如前述(1)至(3)中任一項記載的橫軸轉子，其是將前端面的基端中之與軸心線成為平行的部分之厚度作成為葉片中之最大厚度的部分而成，前述前端面是前述前向彎曲部的側視視角中之前向先端中之前端面。
(5)如前述(1)至(4)中任一項記載的橫軸轉子， 其中前述前向彎曲部的前向先端中之前端面是在側視視角中與軸心線正交，並且其後緣比起前緣是在俯視視角中相對於旋轉方向往後面靠近傾斜而成。
(6)如前述(1)至(5)中任一項記載的橫軸轉子， 其是將前述前向彎曲部的前向先端中之前端面的最大厚度作成為基部的基端部中之厚度的幾乎50%的厚度，而作成為前部較厚的升力型而成。
(7)如前述(1)至(6)中任一項記載的橫軸轉子，其是使前述葉片的基部的側視視角中之後面與軸心線正交，且使其前面從基端部到葉片長度的中心部逐漸朝後面方向傾斜而成。
發明效果 根據本發明，可達成如下效果。
在前述(1)記載的發明中，各個葉片是在前視視角中從基端部到翼端逐漸增加弦長的升力型，且從其徑向的中間部向前作成為前向彎曲部，因此當葉片從前方受到氣流時，與弦長較長的前向彎曲部接觸的流體會在前向彎曲部的內彎曲面從翼端方向朝葉片的徑向的中心部方向以高速集合，並從其後緣朝斜後方通過，作為反作用，葉片會朝旋轉方向旋轉。
在前述(2)記載的發明中，前向彎曲部中之前向先端的前端面是作成為在前視視角中前緣較厚的升力型，且其前緣與後緣位於同一旋轉軌道上，因此伴隨葉片的旋轉而沿著葉片的周面通過的流體，會藉由附壁效應而變成高速並朝旋轉軌道上的後方向通過，在其反動下，葉片會朝旋轉軌道上的前方向行進。尤其接近前向先端的前端面的部分為最大厚度，因此高速流會通過，作為反作用，葉片會產生伴隨附壁效應的高速旋轉。
在前述(3)記載的發明中，側視視角中之葉片的前向彎曲部是彎曲內表面的曲率半徑比彎曲外表面的曲率半徑大，因此可將翼端作成為朝上時的橫截面的厚度加厚，伴隨旋轉的其部分中之源自於附壁效應之流速會上升並且發生負壓，周圍大氣壓會瞬間推壓至負壓部分，葉片便會因為朝旋轉方向的氣壓差而朝旋轉方向行進。
在前述(4)記載的發明中，在前向彎曲部的側視視角中，將前向先端中之前端面的基端上的與軸心線成為平行的部分之厚度作成為葉片中之最大厚度，因此通過其表面的氣流會藉由附壁效應而變成高速流，由於高速流的流體壓降低，因此與彎曲內表面接觸的流體將朝翼端方向移動並大量通過，旋轉效率便會提高。
在前述(5)記載的發明中，將前向彎曲部的前向先端中之前端面在側視視角中與軸心線正交，並且使其在俯視視角中從前端面的前緣到後緣往後部靠近傾斜，因此伴隨葉片的旋轉，沿著前向先端的前端面的流體會朝後緣方向通過，在其反作用下，葉片會朝旋轉方向行進。
在前述(6)記載的發明中，將前向彎曲部的前向先端中之前端面的最大厚度作成為基部的基端部中之厚度的幾乎50%的厚度，而形成為前部較厚的升力型，因此在翼端中，也會產生源自於附壁效應之高速流，旋轉效率便會提高。
在前述(7)記載的發明中，葉片的基部在側視視角中，後面是與軸心線正交，同樣地前面是從基端部到葉片的徑向的中間部逐漸朝後面方向傾斜，因此與葉片的基部前面接觸的流體會伴隨葉片的旋轉而朝前向彎曲部的內彎曲面的方向移動，以大量的流體將其朝旋轉方向推動，並且從後緣朝外方通過，而產生源自於附壁效應之高速流，作為其反作用，會使葉片高速旋轉。
用以實施發明之形態 參照圖式來說明本發明之一實施形態。實施形態的橫軸轉子1雖然是作為風車用的來進行說明，但是本發明也可以作為水車用的來適用。
在前視圖的圖1中，本發明的橫軸轉子1是中型轉子，將複數個(在圖中是5片)升力型葉片3以等間隔朝向放射方向固定在輪轂2的周面，其直徑是例如430cm，葉片3的最大翼弦長100cm，基端部4A的弦長作成為約39cm，從前方受到風時，會變成往逆時針方向旋轉。另外，這些尺寸是單純的一個例子。
正如將圖1的II-II線縱截面顯示於圖2，以葉片3的徑向的中間部3A為分界，在與輪轂2接觸的基部4的先端，形成有朝正面方向大幅彎曲的前向彎曲部5。其正面形狀是從基端部4A到翼端逐漸增加弦長，將旋轉時之離心部分的受風面積作成為較大。
前述基端部4A的厚度是作成為例如旋轉半徑的20%±2%，到徑向的中間部3A，後面4C是與輪轂2的軸心線G正交，在正面4B中，從基端部4A到徑向的中間部3A逐漸往後靠近傾斜，徑向的中間部3A的厚度是變得比基端部4A的厚度稍薄。
前述前向彎曲部5是前向先端中之前端面5A在側視視角中與軸心線G正交，且是從前端面5A的基端5B到徑向的中間部3A形成彎曲內表面5D。後面是從前向先端的前端面5A的先端5C到徑向的中間部3A形成彎曲外表面5E。
彎曲內表面5D的曲率半徑是作成為大於彎曲外表面5E的曲率半徑，且從中間部3A到先端5C，厚度會變薄。惟，正如將橫截面顯示於圖5至圖8，前向彎曲部5是從圖2中之徑向的中間部3A朝向翼端方向逐漸變厚。
旋轉時在葉片3的表面產生的附壁效應是當葉片3較厚時，其效應會較大，且會加快流速，因此前向彎曲部5在圖1中之VIII-VIII線橫截面附近的厚度較厚且弦長較長，速度會變最大，在該部分中，葉片3的高速旋轉時的效率便會提高。
如圖2及圖8所示，由於前向彎曲部5較厚，因此附壁效應較大，會使高速流產生，就算風速降低，也會藉由伴隨旋轉的附壁效應的持續，而維持橫軸轉子1的旋轉。
在圖1中，葉片3的弦長在翼端部是例如旋轉半徑的50%±5%，在實驗積累的結果中，這個數值是較佳的，且朝基端部4A方向逐漸變小，從相當於距離軸心線G部分達旋轉半徑的20%部分的後緣3C中之IV-IV線的位置的切入點3D，朝前緣3B方向形成切入部3E且將弦長變小，將切入部3E的弦長作成為旋轉半徑的約20%±2%。圖1的III-III線截面如圖3所示，在基部4中幾乎為圓形且成為圓柱狀。
葉片3的前緣3B是從軸心線G部分到先端方向，從圖1中之相當於旋轉半徑的80%部分的彎曲基點3F到基部4的基端部4A幾乎為直線，從前述彎曲基點3F至翼端3G為凸曲面，且前緣5F是朝前方向突出。
在圖1中，前向彎曲部5的前向先端中之前端面5A的形狀是成為將葉片3的圖5至圖8所示的橫截面的厚度逐漸變薄的升力型，最大厚度是作成為基部4中之基端部4A的幾乎50%，但並不限定於此。如圖2所示，葉片3的前端面5A是與軸心線G正交。
前向彎曲部5中之前向先端的前端面5A的弦長如圖1所示，是朝向向心方向(centripetal direction)從VIII-VIII線橫截面逐漸變小，且，前緣5F是朝前方向突出，彎曲內表面5D是從前緣5F到後緣5G逐漸朝後面方向傾斜。
其結果，比起圖8中之斜線部分的寬度，圖2中之前向先端的前端面5A的基端5B中之厚度較大，藉由該部分中之高速旋轉，葉片3全體的旋轉效率便會提高，前述高速旋轉是藉由伴隨旋轉的附壁效應而產生的。
此時，前向先端的前端面5A是與軸心線G呈正交狀，且如圖8所示，相較於前緣5F，是使後緣5G以6度至12度的範圍朝彎曲外表面5E的方向傾斜者，從前方向受到風時，葉片3會朝前緣5F方向推動，旋轉效率便會提高。 又，前向先端的前端面5A的前緣5F與後緣5A是位於同一旋轉軌道T上，因此旋轉時的抵抗較小。
在圖1中之翼端3G作成為朝上的葉片3的橫截面如圖3~圖8所示，基部4幾乎為圓形，從正面受到的氣流會毫無抵抗的通過切口部3E。
在圖4中，從軸心線G至後緣5G是相對於旋轉方向朝後面4C方向傾斜約37度左右，從前方接觸到氣流後，會朝前緣3B方向被推動而旋轉。在圖5中，從軸心線G至後緣5G是相對於旋轉方向朝後面4C方向傾斜例如約30度左右，與該基部4的正面4B接觸的氣流會朝基部4的後緣3C方向移動，葉片3會朝逆時針方向強力地行進。
在圖6中，從軸心線G至後緣5G是相對於旋轉方向朝後面方向傾斜例如約26度左右，與該前向彎曲部5的彎曲內表面5D接觸的氣流會朝前向彎曲部5的後緣5G方向移動，葉片3會朝旋轉方向行進。
如圖7所示，從軸心線G至5G是相對於旋轉方向朝後面4C方向傾斜例如約23度左右，又，在圖8中，從軸心線G部分至後緣5G是相對於旋轉方向朝後面4C方向傾斜約25度左右。 與該彎曲內表面5G接觸的氣流是從圖1中之VI-VI線部分與VIII-VIII線部分朝VII-VII線部分聚集氣流，並朝前向彎曲部5的後緣5G方向移動，葉片3會由於氣壓差而朝旋轉方向劇烈地旋轉。
亦即，在圖1中之與正面接觸的氣流在葉片3的基部4中，會從徑向的中間部3A朝後緣3C外方通過基部4的基端部4A方向的正面4B，作為其附壁效應的反作用，葉片3朝旋轉方向被拉動的作用便會提高。 如圖3至圖8所示，前向先端的前端面5A中，相較於前緣5F，後緣5G是相對於與軸心線G正交的旋轉方向往後面4C方向傾斜約10度左右。
在前向彎曲部5中，前向先端的前端部5A中之前緣5F與後援5G部分在圖1中是位於旋轉軌道T上，因此通過該周面的氣流會朝後方向通過旋轉軌道T上，藉由其反作用，葉片3會在旋轉軌道上朝逆時針方向被強力地拉動，可提高旋轉效率。
在圖2中，從前向先端中之前端面5A的基端部5B朝葉片3的徑向的中間部3A方向滑過彎曲內表面5D的氣流、與圖1中之從葉片3的徑向的中間部3A方向朝VII-VII線部分移動的氣流的集合氣流，會朝其部分的葉片3的後緣5G的外方向以高速通過，作為其附壁效應的反作用，便會使葉片3被高速旋轉。
在圖2中，X箭頭表示的氣流與彎曲內表面5D接觸時，相較於從氣流起始點P至氣流抵達點Q的氣流速度，在彎曲內表面5D上從點5B滑動至氣流抵達點Q的氣流的速度會變快(氣壓降低)，多量的大氣在氣流抵達點Q部分集合，並朝後緣5G的外方向以高速通過，在其反作用下，葉片3的旋轉效率便會提高。
與正面4B接觸，且要朝翼端脫離的氣流會強力地與前向彎曲部5接觸，使葉片3朝旋轉方向旋轉，並從後緣5朝外方通過，前述正面4B是從葉片3的基部4的基端部4A到葉片3的徑向的中間部3A朝後方傾斜的面。
前向彎曲部5的徑向的長度是例如葉片3的旋轉半徑的約50%，其前向先端的前端面5A是從基部4的後面4C往前方突出相當於長度方向的幾乎72%的長度。 在由該特異形狀所帶來之第1特長方面，具有如下作用：使彎曲內表面5D中受到的氣流在圖2的終點Q部分集合，並朝後緣5G的外方向通過。
又，由於前向彎曲部5中之前緣5F部分較厚，因此源自於附壁效應之高速流便會有效率地產生，且伴隨高速流的通過，藉由其反作用，葉片3便會因為氣壓差而朝旋轉方向被強力地拉動，從而產生高速旋轉力。
該葉片3是從其徑向的中間部3A將先端部分作成為往前向彎曲的前向彎曲部5，且有將其弦長加長，因此在旋轉離心部分中之受風面積有變大，旋轉效率業已提高。 從前面與其內彎曲面5D接觸的氣流會在彎曲內表面5D被高速化且在前向彎曲部5的中心部集合，已被高速化之多量的氣流會從後緣5G朝外方通過，因此作為其反作用，會使葉片3高速旋轉。
且，由於前向彎曲部5的前緣5F部分較厚，因此沿葉片3的表面移動的氣流會藉由附壁效應而以高速通過，其反作用所帶來的葉片3的旋轉效率便會提高。 前向彎曲部5的弦長較長，且相較於基部4，是朝前方大幅地突出，因此可有效率地接受來自傾斜方向的氣流，就算產生氣流方向的變化，也不會使旋轉速度降低，可持續旋轉。
此外，較厚的前向彎曲部5會將通過表面之氣流的流速提高，因此前部的壓力降低，後部的流動則會回到原本狀態，使得壓力上升。因此旋轉力不會急劇地下降，會使其持續旋轉並維持較高的旋轉轉矩。 本發明的橫軸轉子1從直徑5cm左右的小型至直徑10m以上的大型皆可適用，適合於風車及水車。
產業上之可利用性 從葉片的長度中心向前方的前向彎曲部由於不會引起翼端失速，因此旋轉效率較高。又，由於前向彎曲部的厚度較厚，因此會藉由附壁效應而使得旋轉效率提高，且，具備有較高的剛性，可利用在風力發電裝置或水力發電裝置中。
1‧‧‧橫軸轉子 2‧‧‧輪轂 3‧‧‧葉片 3A‧‧‧徑向的中間部 3B‧‧‧前緣 3C‧‧‧後緣 3D‧‧‧切入點 3E‧‧‧切入部 3F‧‧‧彎曲基點 3G‧‧‧翼端 4‧‧‧基部 4A‧‧‧基端部 4B‧‧‧正面 4C‧‧‧後面 5‧‧‧前向彎曲部 5A‧‧‧前端面 5B‧‧‧基端 5C‧‧‧先端 5D‧‧‧彎曲內表面 5E‧‧‧彎曲內表面 5F‧‧‧前緣 5G‧‧‧後緣 E‧‧‧中央線 G‧‧‧軸心線 P‧‧‧氣流起始點 Q‧‧‧氣流抵達點 T‧‧‧旋轉軌道 X‧‧‧箭頭
圖1是本發明之橫軸轉子的前視圖。 圖2是圖1中之II-II線橫截面圖。 圖3是圖1中之III-III線橫截面圖。 圖4是圖1中之IV-IV線橫截面圖。 圖5是圖1中之V-V線橫截面圖。 圖6是圖1中之VI-VI線橫截面圖。 圖7是圖1中之VII-VII線橫截面圖。 圖8是圖1中之VIII-VIII線橫截面圖。
1‧‧‧橫軸轉子
2‧‧‧輪轂
3‧‧‧葉片
3A‧‧‧徑向的中間部
4‧‧‧基部
4A‧‧‧基端部
4B‧‧‧正面
4C‧‧‧後面
5‧‧‧前向彎曲部
5A‧‧‧前端面
5B‧‧‧基端
5C‧‧‧先端
5D‧‧‧彎曲內表面
5E‧‧‧彎曲內表面
5F‧‧‧前緣
G‧‧‧軸心線
P‧‧‧氣流起始點
Q‧‧‧氣流抵達點
X‧‧‧箭頭

Claims (7)

  1. 一種橫軸轉子，是在輪轂的周面固定有朝向放射方向的複數個升力型葉片之橫軸轉子，其特徵在於：將各個葉片作成為在前視視角中從基端部到翼端逐漸增加弦長的升力型葉片，並且是從其徑向的中間部向前作成為前向彎曲部，且將其前向端部的前端面作成為在前視視角中前緣之厚度較厚的升力型而成。
  2. 如請求項1之橫軸轉子，其是將前述前向彎曲部中之前向端部的前端面作成為在前視視角中前緣之厚度較厚的升力型，且使前緣與後緣位於同一旋轉軌道上而成。
  3. 如請求項1或2之橫軸轉子，其是在前述橫軸轉子中之葉片的側視視角中，將前向彎曲部之彎曲內表面的曲率半徑作成為大於彎曲外表面的曲率半徑而成。
  4. 如請求項1或2之橫軸轉子，其是將前端面的基端中之與軸心線成為平行的部分之厚度作成為葉片中之最大厚度的部分而成，前述前端面是前述前向彎曲部的側視視角中之前向先端中之前端面。
  5. 如請求項1或2之橫軸轉子，其中前述前向彎曲部的前向先端中之前端面是在側視視角中與軸心線正交，並且讓其後緣比起前緣是在橫截面形狀呈：相對於旋轉方向往後面靠近傾斜。
  6. 如請求項1或2之橫軸轉子，其是將前述前向彎曲部的前向先端中之前端面的最大厚度作成為基部的 基端部中之厚度的幾乎50%的厚度，而作成為前部較厚的升力型而成。
  7. 如請求項1或2之橫軸轉子，其是使前述葉片的基部的側視視角中之後面與軸心線正交，且讓正面呈：從基端部到葉片長度的中心部逐漸朝後面方向傾斜。
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