WO2010029605A1 - 定方向回転風車 - Google Patents

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wind
wind turbine
shaft
direction rotating
shape
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健栄 大城
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Oshiro Kenei
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    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D3/00—Wind motors with rotation axis substantially perpendicular to the air flow entering the rotor 
    • F03D3/06—Rotors
    • F03D3/062—Rotors characterised by their construction elements
    • F03D3/066—Rotors characterised by their construction elements the wind engaging parts being movable relative to the rotor
    • F03D3/067—Cyclic movements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2250/00—Geometry
    • F05B2250/70—Shape
    • F05B2250/71—Shape curved
    • F05B2250/711—Shape curved convex
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a fixed-direction rotating windmill that rotates in a fixed direction regardless of the direction of the wind, and more particularly to a fixed-direction rotating windmill that can efficiently extract wind power as rotational power by a simple mechanism.
  • FIG. 9 is an explanatory plan view showing a main part of a conventional cup-type anemometer.
  • hemispherical blades called “wind cups” are arranged around a vertical axis (rotating axis) in a point-symmetric manner on a circumference of four equal parts.
  • wind cups hemispherical blades
  • FIG. 9 when one “wind cup” receives wind on a concave surface, another “cup” that is in a point-symmetrical relationship with it always receives wind on a convex surface.
  • the resistance to air (wind) is greater on the concave surface.
  • the “wind cup” rotates in a certain direction in which the concave surface is pushed regardless of the direction of the wind. That is, when a blade having both a concave surface and a convex surface is arranged symmetrically on the circumference around the vertical axis, the blade rotates in a certain direction in which the concave surface is pushed regardless of the wind direction.
  • the “cup” is replaced with a wing, and the rotating body rotates in a certain direction in which the trailing edge of the wing is pushed.
  • a constant-direction rotating windmill that rotates in a constant direction regardless of the wind direction is known (see, for example, Patent Document 1).
  • This windmill has a “wind receiving drum” in which a guide plate for deflecting (rectifying) the wind is arranged around the rotation axis with a hollow space around the rotation axis, and a rotating blade is arranged around the rotation axis.
  • -It has a double cylindrical structure in which "drum-type windmills" arranged radially are arranged concentrically on the outside and inside, respectively.
  • the principle that the windmill rotates in a fixed direction is based on the fact that the wind is not directly applied to the rotating blades, but is once rectified in a certain direction by the guide plate and then applied to the rotating blades.
  • the semi-cylindrical blades receive the air received by the “wind receiving concave surface” relatively more concentrated between the airfoil lift blades and the support shaft, while The air received by the “wind escape convex surface” is configured to flow more concentratedly between the airfoil lift blades than between the support shafts, and the rotational force due to the lift force of the airfoil lift blades is increased.
  • the present invention has been made in view of the problems of the related art, and an object of the present invention is to provide a constant-direction rotating wind turbine that can efficiently extract wind power as rotational power by a simple mechanism. is there.
  • n pieces of circumferentially divided n equal parts (an integer of n ⁇ 2) and radially attached to the rotating shaft around the rotating shaft.
  • the wind turbine blade is a fixed-direction rotating wind turbine having a plurality of wind turbine blades, wherein the wind turbine blade is formed of an “open broken line shape” in which a cross-sectional shape in an axial direction lacks a part of a pentagon.
  • the cross-sectional shape of the wind turbine blade in the axial direction is a part of a pentagon, for example, “open 4-vertex angled linear”.
  • the three-dimensional shape of the wind turbine blade is a three-dimensional shape lacking a part of the “side surface of the pentagonal column” as a whole. That is, with this wind turbine blade, the wind receiving area that receives the wind is reduced. This indicates that when wind is received on the side surface, the wind force acting on the side surface is also reduced. Therefore, when the wind turbine blade has a concave surface and a convex surface, for example, by configuring one surface of the convex surface with a side surface having a small wind receiving area, that is, a side surface without a part, the wind force received on the convex surface is reduced. It becomes possible to do.
  • the “open bent linear shape” is such that the shape related to one end is a concave square with respect to the outside, while the other shape is a convex square with respect to the outside. And both ends are in a relationship facing each other.
  • the wind turbine blades can efficiently extract wind power as rotational power.
  • the shaft is provided on the convex-angle side, and the wind turbine blade is rotatably attached to the shaft.
  • the wind turbine blade is rotatably attached to the shaft.
  • the "open broken line” has a cross-sectional shape in which a virtual line segment obtained by extending the line segment of the convex rectangular shape does not touch or intersect the concave rectangular shape. It was decided.
  • the “open broken line shape” By providing the above-mentioned features in the “open broken line shape”, it is possible to make the shape on the convex surface side “a shape that hardly resists wind”. Thereby, when receiving wind on the convex surface side, it is possible to suitably reduce (release) wind power.
  • each stage is attached to the rotating shaft every phase difference 360 ⁇ (n ⁇ m) [°].
  • wind power can be efficiently extracted as rotational power by attaching each stage to a rotating shaft with the above-described phase difference.
  • the shock absorbing means for relaxing the sudden movement of the wind turbine blade is provided.
  • the wind blades are rotated around the shaft, so that the wind force is released, but the rapid rotation of the wind blades impedes the escape of the wind force.
  • an excessive stress load is applied to the shaft body and the shaft mounting portion, and in the worst case, the shaft may be broken or the shaft mounting portion may be broken. Therefore, this wind turbine blade is provided with shock absorbing means so that the rapid rotation of the wind turbine blade can be suppressed, so that the wind turbine blade operates gently.
  • the constant direction rotating wind turbine according to claim 8 includes a stopper that restricts the rotation of the wind blade around the shaft to a certain range.
  • a stopper that restricts the rotation of the wind blade around the shaft to a certain range.
  • a bearing supporting the shaft is provided in the vicinity of the rotating shaft through which the wind blades do not pass.
  • the wind turbine blade according to the present invention has an axial cross-sectional shape that is, for example, “open four-vertex angled linear shape” lacking a part of a pentagon, and therefore the “wind receiving area that receives wind” of the wind turbine blade is Get smaller. Therefore, when the wind turbine blade has a concave surface and a convex surface, the wind force received by the convex surface is suitably reduced by setting the “side surface that lacks a part” as one surface of the convex surface.
  • the lack of a part of the side surface may cause the wind received on the convex surface side to directly act on the concave surface, and the wind resistance that hinders rotation may increase.
  • the wind received on the convex surface side is preferably escaped by configuring the concave edge to contact the virtual extension surface of the “part lacking” side surface (convex surface).
  • the wind resistance received on the side is suitably reduced. As a result, the drag force against the wind force received on the concave surface side is reduced, and the wind force can be efficiently taken out as rotational power.
  • FIG. 1 It is principal part perspective explanatory drawing which shows the fixed direction rotary windmill 100 which concerns on the basic composition of this invention. It is A arrow directional view (plan view) of FIG. It is a B arrow line view of FIG. It is explanatory drawing which shows the position which lets the shaft of a wind blade pass. It is explanatory drawing which shows the principle which escapes the wind received on the convex surface side of a wind blade. It is explanatory drawing which shows the windmill blade which concerns on this invention. It is explanatory drawing which shows the windmill blade which concerns on Example 1.
  • FIG. It is principal part plane explanatory drawing which shows the fixed direction rotating windmill which concerns on Example 1.
  • FIG. 1 is an explanatory perspective view showing a main part of a fixed-direction rotating wind turbine 100 according to the basic configuration of the present invention.
  • the constant-direction rotating windmill 100 includes a rotating shaft 1 that transmits rotational power, a shaft 2 that rotatably supports wind turbine blades, and a wind turbine blade 10 that converts wind power into rotational force.
  • the details of the wind turbine blade 10 will be described later with reference to FIGS. 2 to 6.
  • the wind turbine blade 10 has both a concave surface and a convex surface, and the concave surface preferably receives wind power, while the convex surface preferably uses wind power. It is configured to escape.
  • this constant direction rotating wind turbine 100 rotates in the direction of “pushing out the concave surface” like the conventional constant direction rotating wind turbine, but “pushing out the convex surface” which acts as a drag of the force “pushing out the concave surface”.
  • the force is preferably weakened by the shape characteristics of the wind blade 10. Therefore, it becomes possible to take out wind power as rotational power more efficiently than the conventional unidirectional rotating wind turbine.
  • FIG. 2 is a view (plan view) taken along arrow A in FIG.
  • FIG. 2 (b) shows a fixed-direction rotating wind turbine in which each stage is constituted by four wind blades 10 and is constituted by three stages for reference.
  • the wind turbine blades 10 are attached to the circumference of the rotating shaft 1 in a point-symmetric manner via the shaft 2 in two equal circumferences and radially.
  • the phase difference at each stage is 60 °.
  • the phase difference of each stage is 360 ⁇ (n ⁇ m) [°].
  • the number (n) of wind turbine blades in each stage varies depending on the specification (output) of the rotational power required for the fixed-direction rotating wind turbine 100.
  • the number of stages (m) is three in the present embodiment, it varies depending on the specification (output) of the rotational power required for the fixed-direction rotating wind turbine 100.
  • the wind turbine blade 10 forms a “open four-vertex corner broken line” column whose cross-sectional shape perpendicular to the axial direction is “open four-vertex corner broken line”. That is, it forms a three-dimensional shape “a part of the side surface is missing”. Further, the wind turbine blade 10 has a concave surface at one end portion, a convex surface at the other end portion, and a positional relationship in which these end portions substantially face each other. Further, the wind turbine blade 10 has a shape feature in which a virtual extended surface obtained by extending the convex surface S5 is in contact with or does not intersect with the concave surface S1.
  • the wind turbine blade 10 has a three-dimensional shape that lacks a part of the side surface having such characteristics, thereby receiving a convex surface on which wind acts. The wind area will decrease. By the way, it is thought that the wind received on the convex surface directly acts on the concave surface S1 due to “the lack of a part of the side surface”, and on the contrary, the resistance of the wind received on the convex surface side increases.
  • the virtual extended surface of the surface S5 is configured so as to contact the surface S1
  • the wind received on the convex surface side is suitably released, and the “pushing the convex surface” force (wind resistance received on the convex surface side) is weakened. .
  • the wind blade 10 is suspended and supported by the shaft 2 via the U-shaped band 11 so as to be rotatable.
  • the wind blades 10 pivotable around the shaft 2
  • the wind blade 10 rotates around the shaft 2 and winds acting on the convex surface side.
  • the wind escape on the convex surface side it is possible to weaken the “pushing the convex surface side” force, which is the drag of the “pushing the concave surface side” force.
  • the rotation exceeds a certain limit, the wind cannot be escaped suitably, and the wind resistance (“force to push the convex side”) increases.
  • the shaft 2 is provided with a stopper 12 that limits the rotation range of the wind blade 10 around the shaft 2 to a certain range.
  • the stopper 12 is made of a member in which a ring-shaped bearing and a V-shaped plate material are combined.
  • the stopper 12 is fixed to the shaft 2 by, for example, screwing.
  • the rotation range of the wind blade 10 is limited to 0 to 30 °.
  • the wind blade 10 is provided with an impact absorbing mechanism (not shown) such as a damper or a spring, and the wind blade 10 is rapidly rotated by the impact absorbing mechanism. Operation will be suppressed.
  • an impact absorbing mechanism such as a damper or a spring
  • the shaft 2 is preferably provided on the convex side.
  • the reason for this is that, as shown in FIG. 4 (a), when the shaft 2 is provided on the convex side, even if the wind acts on the convex side and the wind blade 10 rotates, The projected area “S” does not change much. That is, even when the wind blade 10 rotates, the wind resistance hardly changes.
  • the shaft 2 rotates around the rotating shaft 1 while being supported by the bearing from the up and down direction.
  • the bearing is attached to the rotating shaft 1.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing the principle of escaping the wind received on the convex side of the wind turbine blade 10.
  • the virtual extension surface obtained by extending the surface S5 is in contact with the surface S1. Therefore, the air flow that flows in the vicinity of the surface S5 acts on the air inside the wind turbine blade 10, and a circulating flow is generated inside. Then, the “circulation flow” and the “air flow flowing in the vicinity of the surface S5” interact with each other, so that a stable “shear flow” is formed along the surface S5. This stable “shear flow” acts on the wind flowing above the metal wall surface S4. Accordingly, it is considered that the wind acting on the convex surface flows along the shear flow without directly acting on the surface S1.
  • the above-described “rotational range around the shaft 2 of the wind turbine blade” can be said to be a rotational range in which the stable “shear flow” does not peel from the surface S5. Further, the rotation range is changed by changing the cross-sectional shape of the rotary blade 10.
  • FIG. 6 is an explanatory view showing the wind turbine blade 10 according to the present invention.
  • 6A shows a front view
  • FIG. 6B shows a bottom view
  • FIG. 6C shows a left side view.
  • the wind turbine blade 10 has an “open four-vertex angled linear shape” in which an axial cross-sectional shape lacks a part of a pentagon. Accordingly, as shown in FIG. 6 (b), the shape of the end portion is "folded linear L1-L2-L3-L4-L5" composed of five lines.
  • L1-L2-L3-L4-L5" composed of five lines.
  • the four apex angles ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 3, and ⁇ 4 only ⁇ 1 is a concave angle, and the other apex angles are all convex angles.
  • the virtual extension line of the line L5 is configured to contact the line L6.
  • the “pushing convex surface ( ⁇ 4)” force which is the drag of the “pushing concave surface ( ⁇ 1)” force, is preferably weakened. As a result, it becomes possible to efficiently extract the force of “pushing out the concave surface ( ⁇ 1)” as rotational power.
  • the center line Lc which is the intersection line of the surface S3 and the surface S4, is parallel to the line L6.
  • the shaft 2 is in a parallel relationship with the line L7.
  • the lengths of “width of outer end face” and “width of inner end face” are, for example, 440 mm and 390 mm.
  • the reason why the line L7 (shaft 2) is inclined by ⁇ 5 with respect to the center line Lc is that the virtual extension surface of the surface S5 is configured to contact the surface S1, and the surface S1 is tapered as described later. This is because it is configured in a plane.
  • the surface S1 is a tapered surface.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating the wind turbine blade 20 according to the first embodiment.
  • 7A shows a front view
  • FIG. 7B shows a bottom view
  • FIG. 7C shows a right side view.
  • the wind turbine blade 20 has a cross-sectional shape perpendicular to the axial direction of “open two-vertex angled linear” L′ 1-L′2-L′3 lacking one side of a quadrangle.
  • the two apex angles ⁇ ′1 and ⁇ ′2 are all convex angles.
  • the cross-sectional shape is constant from the end surface to a certain range (L′ 4), but the cross-sectional shape after that is a cross-sectional shape that decreases along the “plane of inclination ⁇ ′3”.
  • L′ 4 the cross-sectional shape after that is a cross-sectional shape that decreases along the “plane of inclination ⁇ ′3”.
  • the mounting position of the shaft 2 is above the center line L′ c.
  • FIG. 8 is an explanatory plan view illustrating a main part of the fixed-direction rotating wind turbine 200 according to the first embodiment.
  • the fixed direction rotating windmill 200 has the same configuration as the fixed direction rotating windmill 100 except that the wind turbine blades are constituted by the wind turbine blades 10 and the wind turbine blades 20. Regarding the arrangement of the wind blades 20, this wind power is used instead of some wind blades 10 in each stage so that the wind blades 10 and the wind blades 20 are alternately arranged on the circumference when viewed from the axial direction. A blade 20 is provided. Thereby, compared with the case where all the wind blades are comprised with the wind blade 10, each wind blade comes to rotate suitably. Therefore, this fixed direction rotating windmill 200 can take out wind power more efficiently as rotational power.
  • the unidirectional rotating wind turbine 100 of the present invention it is possible to efficiently extract wind power as rotational power by a simple mechanism by providing the above-described features in the cross-sectional shape of the wind turbine blade that receives wind. That is, in the wind turbine blade 10 according to the present invention, the cross-sectional shape orthogonal to the axial direction is an “open quadruple bent linear shape” lacking a part of the pentagon, and therefore the “wind receiving wind received by the wind turbine blade 10”. "Area" becomes smaller.
  • the wind force received by the convex surface is suitably reduced by setting the “side surface that lacks a part” as one surface of the convex surface.
  • the lack of a part of the side surface may cause the wind received on the convex surface side to directly act on the concave surface, and the wind resistance that hinders rotation may increase.
  • it is configured such that the edge of the concave surface is in contact with the virtual extension surface of the side surface (convex surface) that lacks a part thereof, so that the wind received on the convex surface side is suitably released, The wind resistance received on the convex surface side is suitably reduced.
  • the drag force against the wind force received on the concave surface side is reduced, and the wind force can be efficiently taken out as rotational power.
  • the wind turbine blades 20 instead of the wind turbine blades 10 at each stage, the wind turbine blades 20 having a “open two-vertex angled linear shape” lacking one side of a square are disposed.
  • each wind turbine blade is suitably rotated as compared with the case where all the wind turbine blades are configured by the wind turbine blade 10. Therefore, this fixed direction rotating windmill 200 can take out wind power more efficiently as rotational power.
  • the unidirectional rotating wind turbine of the present invention can be suitably applied to a rotary power machine that converts a natural or artificial wind power source into rotary power and outputs it.

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Abstract

　簡易な機構によって風力を回転力として効率良く取り出すことが可能な定方向回転風車を提供する。 　軸方向に直交した断面形状が「開いた４頂角折れ線形」である風力羽根１０を円周ｎ等分かつ放射状にシャフト２を介して回転軸１の回りに点対称に配設する。なお、「開いた４頂角折れ線形」は一方の端部が凸面を成し、他方の端部が凹面を成すように構成する。その際、凸面の面S5の仮想延長面が凹面の面S1に接するように構成する。また、シャフト２が凸面側に位置するようにＵ字バンド１１を風力羽根１０の内周面に配設する。

Description

定方向回転風車
　本発明は、風向きに拘わらず一定の方向に回転する定方向回転風車であって、特に、簡易な機構により風力を回転動力として効率良く取り出すことが可能な定方向回転風車に関する。
　図９は、従来の風杯型風速計を示す要部平面説明図である。
　この風速計は、垂直軸（回転軸）の回りに「風杯」と呼ばれる半球状の羽根を円周４等分に点対称に配置したものである。この風速計では、ある「風杯」が凹面で風を受ける時、必ずそれと点対称の関係にある別の「風杯」は凸面で風を受けることになる。凹面と凸面とでは空気（風）に対する抵抗は凹面の方が大きい。従って、凹面と凸面に各々作用する風力が合算されると、「風杯」は風の向きに依らずに凹面が押される一定の方向に回転する。つまり、凹面と凸面を併せ持った羽根を垂直軸の回りに円周上点対称に配設した場合、羽根は、風向きに依らずに凹面が押される一定の方向に回転する。また、上記「風杯」を翼に置き換えた場合も同様で、回転体は翼の後縁が押される一定の方向に回転する。
　また、風向きに拘わらず一定の方向に回転する定方向回転風車が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。この風車は、風を偏向（整流）するガイド板が回転軸の回りに中空部を隔てて円周・放射状に配設された「風受けドラム」と、回転羽根が回転軸の回りに円周・放射状に配設された「ドラム形風車」を、それぞれ外側と内側に同芯状に配設した２重円筒構造を成している。この風車が定方向に回転する原理は、風を直接に回転羽根に作用させるのではなく、一旦ガイド板によって一定方向に整流した後で回転羽根に作用させるようにしたことに基づくものである。
　他方、同じく風向きに拘わらず一定の方向に回転する風車として、翼形揚力羽根と、「風受け凹面」及び「風逃がし凸面」を有する半円筒状羽根とを備えた揚力・抗力複合型垂直軸風車が知られている（例えば、特許文献２を参照。）。この風車が定方向に回転する原理は、上記風杯型風速形が定方向に回転する原理と同じであると考えられる。この複合型垂直軸風車は、半円筒状羽根が「風受け凹面」で受けた空気を、翼形揚力羽根との間よりも支軸との間に相対的に集中して流す一方、同「風逃がし凸面」で受けた空気を、支軸との間よりも翼形揚力羽根との間に集中的に流すように構成し、翼形揚力羽根の揚力による回転力を大きくしている。
特開２００５－５４６９５号公報 特開２００６－２８３７１３号公報
　上記従来技術のうち、第１の定方向回転風車では、風はガイド板（「ドラム型風車」）によって強制的に整流されるため、風力の一部がドラム型風車を通過する際に失われることになる。従って、第１の定方向回転風車は、風力を回転動力として効率良く取り出すことは難しいと考えられる。
　また、上記風杯型風速計の回転原理を応用した上記第２の定方向回転風車では、「風受け凹面」で受ける風力の一部は、それと点対称の位置にある「風逃がし凸面」で受ける風力によって打ち消されることになる。従って、上記第１の定方向回転風車と同様に、風力を回転動力として効率良く取り出すことは難しいと考えられる。
　そこで、本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、簡易な機構により風力を回転動力として効率良く取り出すことが可能な定方向回転風車を提供することにある。
　前記目的を達成するために、請求項１に記載の定方向回転風車では、回転軸の回りに円周ｎ等分（ｎ≧２の整数）かつ放射状にシャフトを介して取り付けられたｎ個の風力羽根が多段に構成された定方向回転風車であって、前記風力羽根は、軸方向の断面形状が五角形の一部を欠く「開いた折れ線形」から成ることを特徴とする。
　上記定方向回転風車では、風力羽根の軸方向の断面形状が五角形の一部を欠いた、例えば「開いた４頂角折れ線形」である。従って、風力羽根の立体形状は、全体として「五角柱の側面」の一部を欠いた立体形状である。つまり、本風力羽根では、風を受ける受風面積は小さくなる。これは、その側面で風を受ける場合、その側面に作用する風力も小さくなることを示している。従って、風力羽根が凹面と凸面を有する場合、例えば、凸面の一面をその「受風面積の小さい」側面、すなわち、「一部を欠いた」側面によって構成することにより、凸面で受ける風力を小さくすることが可能となる。
　ところで、風力羽根が凹面と凸面を有する場合、側面の「一部を欠いた」ことにより、凸面側で受ける風が凹面にも直接に作用し、却って回転を妨げる風の抵抗が大きくなることが考えられる。しかし、後述するように、本風力羽根は、「一部を欠いた」側面（凸面）の仮想延長面に凹面の縁がくるように構成することにより、凸面側の形状が風に対して抵抗となりにくい形状を成している。従って、本風力羽根では、凸面側で風から受ける抵抗が小さくなるので、風力を回転動力として効率良く取り出すことが出来る。なお、上記仮想延長面を凹面と交差しないように構成する場合も、凸面側の形状が風に対して抵抗となりにくい形状とすることが可能となる。
　請求項２に記載の定方向回転風車では、前記「開いた折れ線形」は、一方の端部に係る形状が外側に対し凹角形であるのに対し、その他の形状は外側に対し凸角形であり、且つ両端部は互いに向かい合う関係にあることとした。
　上記定方向回転風車では、風力羽根の断面形状に上記特徴を具備させることにより、風力羽根において風力を回転動力として効率良く取り出すことが出来る。
　請求項３に記載の定方向回転風車では、前記シャフトは前記凸角形の側に設けられ、前記風力羽根は該シャフトに回動可能に取り付けられていることとした。
　上記定方向回転風車では、シャフトを風力羽根の凸角形側に設けることにより、凸面側で受ける風力を好適に逃がすことが可能となる。
　請求項４に記載の定方向回転風車では、前記「開いた折れ線形」は、前記凸角形の線分を延長した仮想線分が前記凹角形に接するか又は交差しない断面形状を成していることとした。
　上記定方向回転風車では、上記「開いた折れ線形」に上記特徴を具備させることにより、凸面側の形状を「風に対して抵抗となりにくい形状」とすることが可能となる。これにより、凸面側で風を受ける場合、風力を好適に軽減する（逃がす）ことが可能となる。
　請求項５に記載の定方向回転風車では、断面形状が前記「開いた折れ線形」である各段のｎ個の風力羽根のうち、その一部を断面形状が四角形の一部を欠く「開いた折れ線形」である風力羽根で置き換えて成ることとした。
　本願発明者は、風力羽根の一部を、断面形状が例えば「開いた２頂角折れ線形」である風力羽根で置き換えて構成する場合、風力を回転動力として更に効率良く取り出すことが出来ることを見出した。
　そこで、上記定方向回転風車では、断面形状が例えば「開いた４頂角折れ線形」である風力羽根の他に、断面形状が上記「開いた２頂角折れ線形」である風力羽根を併用して、風力を回転動力として更に効率良く取り出すことを実現した。
　請求項６に記載の定方向回転風車では、段数がｍの場合、各段は位相差３６０÷（ｎ×ｍ）［°］毎に前記回転軸に取り付けられていることとした。
　上記定方向回転風車では、上記位相差を持たせて各段を回転軸に取り付けることにより、風力を回転動力として効率良く取り出すことが出来る。
　請求項７に記載の定方向回転風車では、前記風力羽根の急な動作を緩和する衝撃吸収手段を備えることとした。
　上記定方向回転風車では、凸面側で風を受ける場合に風力羽根がシャフトの回りに回転することにより風力を逃がすようになるが、急激な風力羽根の回転動作は、風力を逃がすことの妨げになるばかりでなく、シャフト本体およびシャフト取付部に過度の応力負荷をかけ、最悪の場合、シャフトの破断、或いはシャフト取付部の破壊を招くことが起こり得る。従って、本風力羽根には、風力羽根の急激な回転動作を抑制することが出来るように、衝撃吸収手段を配設し、風力羽根が穏やかに動作するようにした。
　請求項８に記載の定方向回転風車では、前記風力羽根の前記シャフト回りの回動を一定範囲に制限するストッパを備えることとした。
　上記定方向回転風車では、凸角形で風を受ける場合に風力羽根がシャフトの回りに回転することにより風を受けない（風を逃がす）ようになるが、風力羽根の過度の回転動作は、風を好適に受ける（風を逃がすことの妨げる）ことになる。従って、シャフトには、風力羽根の過度の回転動作を抑制することが出来るように、ストッパを配設し、風力羽根が過度に回転動作しないようにした。また、ストッパを設けることにより、風力羽根の「風に対する迎え角度」についての調整が容易となる。
　請求項９に記載の定方向回転風車では、前記風力羽根が通過しない前記回転軸の近傍に、前記シャフトを支持する軸受けを備えることとした。
　上記定方向回転風車では、シャフトを支持する軸受けを配設することにより、シャフト及びその取付部にかかる応力負荷を軽減し、風力羽根が安定して回転軸の回りに回転することが出来るようにした。
　本発明の定方向回転風車によれば、風を受ける風力羽根の断面形状に上記特徴を具備させることにより、簡易な機構によって風力を回転動力として効率良く取り出すことが可能となる。すなわち、本発明に係る風力羽根は、軸方向の断面形状が、五角形の一部を欠いた例えば「開いた４頂角折れ線形」であるため、風力羽根の「風を受ける受風面積」は小さくなる。従って、風力羽根が凹面と凸面を有する場合、その「一部を欠いた側面」を凸面の一面とすることにより、凸面で受ける風力は好適に軽減されることになる。また、側面の一部が欠くことにより、凸面側で受ける風が凹面にも直接に作用し、回転を妨げる風の抵抗が却って大きくなることが起こり得る。しかし、本発明に係る風力羽根では、その「一部を欠いた」側面（凸面）の仮想延長面に凹面の縁が接するように構成することにより、凸面側で受ける風を好適に逃がし、凸面側で受ける風の抵抗が好適に軽減されるようになる。その結果、凹面側で受ける風力に対する抗力が減少し、風力を回転動力として効率良く取り出すことが可能となる。
本発明の基本構成に係る定方向回転風車１００を示す要部斜視説明図である。 図１のＡ矢視図（平面図）である。 図１のＢ矢視図である。 風力羽根のシャフトを通す位置を示す説明図である。 風力羽根の凸面側で受ける風を逃がす原理を示す説明図である。 本発明に係る風力羽根を示す説明図である。 実施例１に係る風力羽根を示す説明図である。 実施例１に係る定方向回転風車を示す要部平面説明図である。 従来の風杯型風速計を示す要部平面説明図である。
符号の説明
　１　　　　　　 回転軸
　２　　　　　　 シャフト
　１０,２０ 　　 風力羽根
　１１　　　　　 Ｕ字バンド
　１２　　　　　 ストッパ
　１００,２００　定方向回転風車
　以下、図に示す実施の形態により本発明をさらに詳細に説明する。なお、以下の説明は、発明の一実施形態（実施例）を示すものであり、発明がこれらの実施形態に限定されることを示すものではない。
　図１は、本発明の基本構成に係る定方向回転風車１００を示す要部斜視説明図である。
　この定方向回転風車１００は、回転動力を伝達する回転軸１と、風力羽根を回動可能に支持するシャフト２と、風力を回転力に変える風力羽根１０とを具備して構成されている。なお、風力羽根１０の詳細については、図２から図６を参照しながら後述するが、この風力羽根１０は凹面と凸面の両面を併せ持ち、凹面では風力を好適に受ける一方、凸面では風力を好適に逃がすように構成されている。従って、この定方向回転風車１００は、従来の定方向回転風車のように、「凹面を押し出す」方向へ回転することになるが、その「凹面を押し出す」力の抗力となる「凸面を押し出す」力は、風力羽根１０の形状的特徴によって好適に弱められる。従って、従来の定方向回転風車より効率良く風力を回転動力として取り出すことが可能となる。
　図２は、図１のＡ矢視図（平面図）である。なお、図２(b)は、参考として各段を４個の風力羽根１０によって構成しそれを３段で構成した定方向回転風車を示している。
　図２(a)に示すように、この定方向回転風車１００では、風力羽根１０は、円周２等分かつ放射状にシャフト２を介して回転軸１の回りに点対称に取り付けられている。なお、各段の位相差は、６０°である。一般に、風力羽根１０の個数がｎ個で、段数がｍの場合、各段の位相差は３６０÷（ｎ×ｍ）［°］である。
　また、各段における風力羽根の個数（ｎ）については、定方向回転風車１００に要求される回転動力の仕様（出力）によって色々と変わってくる。同様に、段数（ｍ）についても、本実施例では、３段であるが、定方向回転風車１００に要求される回転動力の仕様（出力）によって色々と変わってくる。
　図３は、図１のＢ矢視図である。
　風力羽根１０は、軸方向に直交した断面形状が「開いた４頂角折れ線形」である「開いた４頂角折れ線」柱を成している。すなわち「側面の一部が欠いた」立体形を成している。また、この風力羽根１０は、一方の端部で凹面を成し、他方の端部で凸面を成し、且つこれらの端部がほぼ対向する位置関係を成している。また、風力羽根１０は、凸面の面S5を延長した仮想延長面が、凹面の面S1に接するか或いは交差しない形状的特徴を備えている。なお、ここでは、面S5の仮想延長面は面S1に接するものとする。
　また、詳細については図５を参照しながら後述するが、風力羽根１０が、このような特徴を備えた「側面の一部が欠いた」立体形を成すことにより、風が作用する凸面の受風面積が減少することになる。ところで、「側面の一部が欠いた」ことにより、凸面で受ける風が凹面の面S1にも直接に作用し、却って凸面側で受ける風の抵抗が大きくなるとも考えられるが、実際のところは、面S5の仮想延長面が面S1に接するように構成されていることにより、凸面側で受ける風を好適に逃がし「凸面を押し出す」力（凸面側で受ける風の抵抗）を弱めることになる。
　また、風力羽根１０は、Ｕ字バンド１１を介してシャフト２に回動可能に懸架支持されている。風力羽根１０をシャフト２の回りに回動可能とすることにより、風が風力羽根１０の凸面側に作用する際に、風力羽根１０がシャフト２の回りに回転し「凸面側に作用する」風を好適に逃がすことが可能となる。このように凸面側で風を逃がすことにより、「凹面側を押し出す」力の抗力となる「凸面側を押し出す」力を弱めることが可能となる。しかし、回転がある限度を超えると、風を好適に逃がすことが出来ずに、風の抵抗（「凸面側を押し出す」力）が大きくなる。そのため、シャフト２には、風力羽根１０のシャフト２の回りの回転範囲を一定範囲に制限するストッパ１２が設けられている。ストッパ１２は、リング状の軸受けとＶ字状板材が組み合わされた部材から成る。また、ストッパ１２のシャフト２への固定は、例えばネジ止めである。なお、本実施例では、風力羽根１０の回転範囲は、０～３０°に制限されている。
　また、本発明の定方向回転風車１００の実際の運用では、風力羽根１０には、ダンパー又はスプリング等の衝撃吸収機構（図示せず）が備わり、その衝撃吸収機構によって風力羽根１０の急激な回転動作が抑制されることになる。
　また、シャフト２は凸面側に設ける方が好ましい。その理由は、図４(a)に示すように、シャフト２が凸面側に設けられている場合、風が凸面側に作用し、風力羽根１０が回転したとしても、風力羽根１０の「風に対する投影面積」Ｓはあまり変化しない。つまり、風力羽根１０が回転する場合でも、風の抵抗はほとんど変わらないことを示している。
　一方、図４(b)に示すように、シャフト２が凹面側に設けられている場合、風が凸面側に作用し、風力羽根１０が回転した後の凸面側の「風に対する投影面積」Ｓは増大するようになる。これは、風の抵抗が大きくなること、「凸面側を押し出す」力が増大することを示している。
　また、本発明の定方向回転風車１００の実際の運用では、シャフト２は、軸受けに上下方向から支持されながら回転軸１の回りを回転することになる。なお、その軸受けは回転軸１に取り付けられることになる。
　図５は、風力羽根１０の凸面側で受ける風を逃がす原理を示す説明図である。
　上述した通り、面S5を延長した仮想延長面は面S1に接する。そのため、面S5の近傍を流れる空気流が、風力羽根１０の内部の空気に作用し、内部に循環流が発生する。そして、この「循環流」と「面S5の近傍を流れる空気流」とが相互に作用し合うことによって面S5に沿って安定した「剪断流」が形成されるようになる。この安定した「剪断流」は、あたかも金属壁面S4のように、その上方を流れる風に作用する。これによって、凸面に作用する風は直接に面S1に作用せずに剪断流に沿って流れるようになると考えられる。
　また、この「剪断流」は間接的ではあるが、「凸面を押し出す」力となるが、元々面S5は面S1に連続していないため、「剪断流」が作用する面積は小さく、閉じた断面形状を有する従来の定方向回転風車に比べると、その力の大きさははるかに小さいものと考えられる。
　ところで、回転羽根１０がシャフト２の回りに過度に回転する場合は、上記「剪断流」が面S5から剥離し渦を発生させ、その結果、風を好適に逃がすことは出来なくなり、風が直接に面S1に作用し、風の抵抗が増大するものと考えられる。従って、上述した「風力羽根のシャフト２の回りの回転範囲」とは、正確には、上記安定した「剪断流」が面S5から剥離しない回転範囲と言える。また、その回転範囲は、回転羽根１０の上記断面形状が変わることにより、変わることになる。
　図６は、本発明に係る風力羽根１０を示す説明図である。図６(a)は正面図を示し、同（ｂ）は下面図を示し、同（ｃ）は左側面図を示している。
　この風力羽根１０は、軸方向の断面形状が五角形の一部を欠いた「開いた４頂角折れ線形」を成している。従って、図６(b)に示すように、端部の形状が、５本の線から成る「折れ線形L1-L2-L3-L4-L5」を成している。また、４頂角θ1,θ2,θ3,θ４の内、θ1だけが凹角であり、その他の頂角は全て凸角である。数値例としては、例えば、１８０°＜θ1≦２２０°、０°＜θ2≦５５°、１５０°≦θ3＜１８０°、０°＜θ4≦４０°である。
　また、線L5の仮想延長線は、線L6に接するように構成されている。これにより、風が作用する受風面積を小さくしながら、空力的に安定な「剪断流」を形成することが可能となる。また、この安定した「剪断流」はあたかも「金属壁面」の如く凸面側（θ4)に作用する風に作用し風を好適に逃がすようになる。その結果、「凹面（θ1）を押し出す」力の抗力となる「凸面（θ4)を押し出す」力は好適に弱まるようになる。その結果、「凹面（θ1）を押し出す」力を回転動力として効率よく取り出すことが可能となる。
　また、その他の形状的特徴として、線L1＜線L2、線L3≒線L4（または、線L3＝線L4)である。
　図６(a)に示すように、面Ｓ3と面Ｓ4の交線である中心線Lcは、線L6と平行な関係にある。また、シャフト２は、線L7と平行な関係にある。中心線Lcとシャフト２との成す角θ5は、例えば、θ5＝１.６°である。また、「外側端面の幅」と「内側端面の幅」の各長さは、例えば440mm、390mmである。なお、線L7（シャフト２）が中心線Lcに対してθ5だけ傾いているのは、面S5の仮想延長面は面S1に接するように構成され、且つ、後述するように、面S1がテーパ面を成して構成されているためである。
　図６(c）に示すように、面S1はテーパ面を成している。そのテーパ角θ6は、例えばθ6＝２.５°である。線L1、線L8、中心線Lcの長さは、例えば各々L1＝70mm、L8＝100mm、Lc＝700mmである。
　図７は、実施例１に係る風力羽根２０を示す説明図である。図７(a)は正面図を示し、同（ｂ）は下面図を示し、同（ｃ）は右側面図を示している。
　この風力羽根２０は、軸方向に直交した断面形状が四角形の一辺を欠いた「開いた２頂角折れ線形」L'1-L'2-L'3を成している。また、上記風力羽根１０の断面形状と異なり、２つの頂角θ'1,θ'2は全て凸角である。また、その断面形状は、端面からある範囲（L'4）までは一定であるが、それ以降の断面形状については、「傾きθ'3の平面」に沿って減少する断面形状となる。なお、数値例を挙げると、１４０°≦θ'1≦１５０°、１４０°≦θ'2≦１４５°、１４０°≦θ'3≦１５０°である。また、線L'2、L'4としては、各々L'2＝150mm、L'4＝520mmである。シャフト２の取り付け位置としては、中心線L'cより上側である。
　図８は、実施例１に係る定方向回転風車２００を示す要部平面説明図である。
　この定方向回転風車２００は、風力羽根が上記風力羽根１０および上記風力羽根２０とによって構成されていること以外は、上記定方向回転風車１００と同一の構成である。
　風力羽根２０の配置については、軸方向から見た場合に、風力羽根１０と風力羽根２０が円周上交互に配設されるように、各段において一部の風力羽根１０に代えてこの風力羽根２０を配設する。これにより、全ての風力羽根を風力羽根１０で構成する場合に比べ、各風力羽根は好適に回転するようになる。従って、本定方向回転風車２００は、風力を回転動力として更に効率よく取り出すことが可能となる。
　以上、本発明の定方向回転風車１００によれば、風を受ける風力羽根の断面形状に上記特徴を具備させることにより、簡易な機構によって風力を回転動力として効率良く取り出すことが可能となる。すなわち、本発明に係る風力羽根１０は、軸方向に直交した断面形状が、五角形の一部を欠いた「開いた４頂角折れ線形」であるため、風力羽根１０の「風を受ける受風面積」は小さくなる。従って、風力羽根１０が凹面と凸面を有する場合、その「一部を欠いた側面」を凸面の一面とすることにより、凸面で受ける風力は好適に軽減されることになる。また、側面の一部が欠くことにより、凸面側で受ける風が凹面にも直接に作用し、回転を妨げる風の抵抗が却って大きくなることが起こり得る。しかし、本発明に係る風力羽根１０では、その「一部を欠いた」側面（凸面）の仮想延長面に凹面の縁が接するように構成することにより、凸面側で受ける風を好適に逃がし、凸面側で受ける風の抵抗が好適に軽減されるようになる。その結果、凹面側で受ける風力に対する抗力が減少し、風力を回転動力として効率良く取り出すことが可能となる。
　また、本発明の定方向回転風車２００によれば、各段において風力羽根１０に代えて、断面形状が四角形の一辺を欠いた「開いた２頂角折れ線形」である風力羽根２０を配設することにより、全ての風力羽根を風力羽根１０で構成する場合に比べ、各風力羽根は好適に回転するようになる。従って、本定方向回転風車２００は、風力を回転動力として更に効率よく取り出すことが可能となる。
　本発明の定方向回転風車は、自然または人工的な風力源を回転動力に変換して出力する回転動力機械に好適に適用することが可能である。

Claims (9)

  1. 　回転軸の回りに円周ｎ等分（ｎ≧２の整数）かつ放射状にシャフトを介して取り付けられたｎ個の風力羽根が多段に構成された定方向回転風車であって、前記風力羽根は、軸方向の断面形状が五角形の一部を欠く「開いた折れ線形」から成ることを特徴とする定方向回転風車。
  2. 　前記「開いた折れ線形」は、一方の端部に係る形状が外側に対し凹角形であるのに対し、その他の形状は外側に対し凸角形であり、且つ両端部は互いに向かい合う関係にある請求項１に記載の定方向回転風車。
  3. 　前記シャフトは前記凸角形の側に設けられ、前記風力羽根は該シャフトに回動可能に取り付けられている請求項２に記載の定方向回転風車。
  4. 　前記「開いた折れ線形」は、前記凸角形の線分を延長した仮想線分が前記凹角形に接するか又は交差しない断面形状を成している請求項２又は３に記載の定方向回転風車。
  5. 　断面形状が前記「開いた折れ線形」である各段のｎ個の風力羽根のうち、その一部を断面形状が四角形の一部を欠く「開いた折れ線形」である風力羽根で置き換えて成る請求項１に記載の定方向回転風車。
  6. 　段数がｍの場合、各段は位相差３６０÷（ｎ×ｍ）［°］毎に前記回転軸に取り付けられている請求項１に記載の定方向回転風車。
  7. 　前記風力羽根の急な動作を緩和する衝撃吸収手段を備える請求項１に記載の定方向回転風車。
  8. 　前記風力羽根の前記シャフト回りの回動を一定範囲に制限するストッパを備える請求項３に記載の定方向回転風車。
  9. 　前記風力羽根が通過しない前記回転軸の近傍に、前記シャフトを支持する軸受けを備える請求項１に記載の定方向回転風車。
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