WO2017006657A1 - 風追い横軸風車 - Google Patents

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鈴木　政彦
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株式会社ベルシオン
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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
    • F03D1/00—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor 
    • F03D1/06—Rotors
    • 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
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/04—Automatic control; Regulation
    • 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
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the present invention relates to a wind-following horizontal axis wind turbine, and more particularly to a wind-following horizontal axis wind turbine in which the front surface of a rotor is instantaneously directed to the windward when the wind direction changes even in a light wind.
  • Patent Document 1 A horizontal axis windmill provided with a rudder at the rear part of the windmill housing is disclosed in Patent Document 1, for example.
  • An object of the present invention is to provide a wind-following horizontal axis wind turbine that is sensitive to changes in the wind direction caused by a breeze and always allows the front surface of a blade to face the windward. .
  • the mounting body In the horizontal axis wind turbine in which the horizontal axis rotor is mounted on the rear part of the rotor shaft that protrudes horizontally from the inside of the wind turbine casing mounted on the support via the mounting body, the mounting body The upper part of the transmission shaft that protrudes upward from the support through the fitting part is integrally formed with the rotating part together with the wind turbine housing on the fixed part fixed to the support with the lower part.
  • the weight applied to the attaching portion to the support column is light, so that it is easy to rotate even in a slight wind.
  • a slip ring is used for the rotating part, but the fixing part fixed to the column supports the rotating part with a bearing disposed in the upper fitting part.
  • the integrally fixed windmill housing can react lightly even if it receives a breeze from the rudder, and can rotate so that the front surface of the rotor faces the windward direction.
  • the rudder is disposed with the outer surface in an inclined range of 35 ° to 45 ° with respect to the rotor shaft. Is maintained stably. If the rudder is disposed at an angle of 45 degrees or more with respect to the rotor shaft, the rudder will be over-resisted and become unstable to changes in the wind direction. When the opening is smaller than 35 degrees, it is difficult to react sensitively to changes in the wind direction.
  • the cross-section of the rudder is such that the outer surface is straight forward and backward, the inner surface is a curved surface protruding inward, and the rear edge protrudes outward.
  • the velocity of the airflow passing along the inner surface is higher than the airflow along the inner surface, and the airflow passes rearward and outward due to the Coanda effect.
  • the airflow passing along the left and right rudder has an action of maintaining the center of the rotor without causing the windmill casing to sway due to the reaction, so that the front surface of the rotor is always directed upward.
  • the rudder is a surface of the foamed synthetic resin main body with the FRP surface layer attached thereto, it is lightweight and strong, and there is little risk of being a burden on the windmill housing. . Moreover, even if the rudder is broken and scattered, it is lightweight, so that the colliding object is not greatly damaged.
  • the outer surface of the rudder is a concave surface, when receiving an air flow on the outside, a small turbulence is generated in the peripheral end surface portion, and the air flow is firmly received without escaping.
  • the direction of the rotor can be surely turned upwind.
  • FIG. 3 It is a side view of one embodiment of a horizontal axis windmill of the present invention. It is a principal part expansion vertical side view of the horizontal axis windmill shown in FIG. It is a principal part enlarged plan view in FIG. It is the front view which looked at FIG. 3 from the right side. It is a left view of Example 2 of the rudder of the horizontal axis windmill of this invention. It is a front view of Example 3 of the rudder of the horizontal-axis windmill of this invention.
  • a wind-following horizontal axis wind turbine 1 (hereinafter simply referred to as a horizontal axis wind turbine) of the present invention has a tubular mounting body 4 at the upper end of a vertical tubular column 2 and a front portion of the wind turbine casing 3. It is configured to be rotatably mounted via The mounting body 4 hangs down from the main part of the wind turbine casing 3 and is fixed to the tubular column 2 by bolting the flange 4A at the lower end to the flange 2A at the upper end of the column 2.
  • the windmill housing 3 has a long and narrow egg shape, and a support frame 6 is disposed inside the front portion thereof.
  • the front portions of the rotor shaft 7 are supported by the front and rear bearings 6 ⁇ / b> A and 6 ⁇ / b> B of the support frame 6.
  • the rear end of the horizontal rotor shaft 7 protrudes outward from the rear portion of the wind turbine housing 3, and the rotor 8 is attached to the front end portion.
  • the tubular mounting body 4 protruding downward from the support frame body 6 is fixed to the flange 2A provided at the upper end of the support column 2 via the flange 4A at the lower end thereof, and is fitted to the upper end portion of the tubular mounting body 4
  • the rotating part 5 is rotatably fitted via a bearing 5A provided in the part 4B.
  • the rotating part 5 is integrally fixed to the lower part of the support frame 6 coupled to the windmill casing 3 so that the windmill casing 3 can rotate on the attachment body 4 together with the rotating part 5. It has become. As a result, when the direction rudder 14 receives wind and changes its direction, the windmill housing 3 can be easily turned in the windward direction.
  • the lower end of the vertical transmission shaft 10 housed in the tubular support 2 is connected to a generator (not shown), and the upper end passes through the center of the mounting body 4 and the rotating part 5 and enters the support frame 6.
  • a plurality of lift-type blades 9 are fixed to the peripheral surface of the hub 8A of the rotor 8, and the tip of each lift-type blade 9 is an inclined portion 9A that faces the windward direction.
  • the airflow moving in the tip direction along the front surface of the blade 9 hits the inclined portion 9 ⁇ / b> A and increases the rotational force.
  • a base portion 13A of a flat support arm 13 is fixed to the outer surface of the windmill housing 3 near the rear portion in a plan view.
  • the base portion 13A extends outward from the windmill housing 3, and the tip portion 13B extends obliquely outward and rearward.
  • a pair is formed vertically, and the rear ends of the respective pairs are separated from each other to increase the interval.
  • the rudder 14 is shown as a vertically long rectangle, but the shape is not limited to this, and may be any shape such as a square or a circle.
  • the cross-section of the rudder 14 is such that the outer side surface 14A is linear in the front-rear direction, the inner side surface 14B is formed in a curved surface with gradually increasing thickness from the front edge to the rear edge, and the rear edge portion 14C is Protrusively arcuate toward
  • the distal end portion of the support arm 13 is fixed to the outer side surface 14A by screwing, and the outer side surface 14A is inclined with respect to the rotor shaft 7 in a range of about 35 to 45 degrees.
  • the horizontal axis wind turbine 1 configured as described above has a large wind area received by the rudder 14 regardless of the wind direction, so that the reaction is fast and the wind turbine casing 3 is lightweight. Immediately turn the front of to the upwind.
  • the inner side surface 14B of the left and right rudder 14 is an arcuate curved surface projecting inwardly, the airflow passing along this is faster than the airflow passing along the outer side surface 14A, and the Coanda effect causes the trailing edge
  • the position of the rotor 8 is maintained in a well-balanced manner by flowing from the portion 14C toward the outside and reacting with each other.
  • the transmission shaft 10 and the rotor shaft 7 are linked by transmission means 11 and 12 using bevel gears, even if the wind turbine housing 3 rotates, the transmission shaft 10 does not interfere with the rotor 8 while changing its direction. This rotational force is transmitted to the transmission shaft 10 and rotates the generator disposed in the lower part thereof.
  • FIG. 5 is an outer side view showing Example 2 of the rudder 14.
  • the same members as those of the previous example are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
  • the outer surface 14A of the rudder 14 is formed into a bucket-like concave surface.
  • FIG. 6 is a front view showing Example 3 of the rudder.
  • the same members as those in the previous example are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • the left and right rudders 14 and 14 are made asymmetrical. In the figure, the area that receives the wind is made larger, and the right rudder 14 in FIG. When the wind hits, turning is suppressed.
  • the left / right asymmetry of the rudder 14 can change various elements such as length, width, weight, and mounting position from the rotor. It is set by.
  • the front of the rotor can be directed to the windward sensitively to changes in the wind direction of light winds, efficient power generation can be performed even in regions and seasons where the wind direction is likely to change. It can be used for wind power generation.

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Abstract

本発明は、微風時の風向きの変化にも、敏感に反応して、ロータの正面を、風上に向けることのできる、風追い横軸風車を提供することを目的としている。　支柱２上に取着部４を介して装着された風車筐体３の内部から、後方に向かって水平に突出させたロータ軸７の後部に、横軸ロータ８を装着した横軸風車において、前記取着体４を、下部を支柱２に固定される固定部の上に、ベアリング５Ａを介して回転部５が風車筐体３とともに回転可能に一体とし、支柱２から回転部５を貫通して上方に突出する伝動軸10の上端と、ロータ軸７の前端とを伝動手段11、12で連結するとともに、風車筐体３の外周後部から後方向へ突設した支持腕13を介して、方向舵14をブレード９の位置と同等以後における左右側方に配設した。

Description

風追い横軸風車
　本発明は、風追い横軸風車に係り、微風でも風向きが変化すると、瞬時にロータの前面を風上に向けるようになっている風追い横軸風車に関する。
　風車筐体の後部に方向舵を備える横軸風車は、例えば特許文献１に開示されている。
特開２０１２－９２６５１号公報
　前記、特許文献１に記載の発明では、風車筐体の中に、重量の重い発電機や変速機などが配設されているので、風車筐体の回転部分の重量は大となり、方向舵に相当な気流が当たっても、風車筐体の向きを風上に直ぐに向けることは困難である。
　本発明は、微風による風向きの変化にも敏感に反応して、常にブレードの前面を風上に対向させることができるようにした、風追い横軸風車を提供することを目的とするものである。
　本発明の具体的な内容は、次の通りである。
（１）　支柱上に取付体を介して装着された風車筐体の内部から、後方に向かって水平に突出させたロータ軸の後部に、横軸ロータを装着した横軸風車において、前記取付体を、下部を支柱に固定される固定部の上に、回転部が風車筐体とともに回転可能に一体とし、支柱から嵌合部を貫通して上方に突出する伝動軸の上端と、ロータ軸の前端とを、伝動手段をもって連結するとともに、風車筐体の外周後部から後方向へ突設した支持腕を介して、方向舵をブレードの位置と同等以後における左右側方に配設した風追い横軸風車。
（２）　前記方向舵を、外側面がロータ軸に対して35度～45度の傾斜範囲で、配設してなる前記（1）に記載の風追い横軸風車。
（３）　前記方向舵を、横断面が、外側面は前後に直線的で、内側面は内側へ突出する曲面とし、その後縁を外側へ突出させてなる前記（1）または（2）に記載の風追い横軸風車。
（４）　前記方向舵は、発泡合成樹脂の本体の表面にＦＲＰの表層を被着したものである前記（1）～（3）のいずれかに記載の風追い横軸風車。
（５）　前記方向舵は、外側面が、凹面としてある前記（1）～（4）のいずれかに記載の風追い横軸風車。
（６）　前記方向舵は、左右非対称に形成されている前記（1）～（5）のいずれかに記載の風追い横軸風車。
本発明によると、次のような効果が奏せられる。
　前記（1）に記載の発明は、風車筐体の中に、重量の重い発電機などが配設されていないので、支柱への取着部分にかかる重量が軽いため、微風でも回転しやすい。　
　一般には、回転部分にスリップリングが使用されているが、支柱に固定する取着固定部は、上部の嵌合部に配設したベアリングで、回転部を支持しているので、この回転部と一体に固定された風車筐体は、方向舵に微風を受けても、軽快に反応して、ロータの前面を風上方向へ向けるように回転することができる。
　前記（2）に記載の発明においては、方向舵は、外側面がロータ軸に対して35度～45度の傾斜範囲で、配設されているので、前面から風を受けている時に、方向性は安定して維持される。
　方向舵の配設角度をロータ軸に対して45度より開いた場合、方向舵に抵抗がかかり過ぎて、風向きの変化に不安定となる。また開度を35度よりも狭い場合には、風向きの変化に敏感に反応しにくい。
　前記（3）に記載の発明においては、方向舵の、横断面が、外側面は前後に直線的で、内側面は内側へ突出する曲面とされ、後縁が外側へ突出しているので、外側面に沿う気流よりも、内側面に沿って通過する気流の速度の方が高速となり、かつコアンダ効果によって、後方外側方向へ通過する。
　これによって、左右の方向舵に沿って通過する気流は、反作用で風車筐体をぐらつかせずに、中央に維持する作用があり、ロータの前面を常に風上に向ける。
　前記（4）に記載の発明において、方向舵は、発泡合成樹脂の本体の表面に、ＦＲＰの表層を被着したものであるので、軽量かつ丈夫であり、風車筐体の負担になる虞は小さい。また仮りに、方向舵が破損して飛散しても、軽量であるので、衝突した対象物が大きな被害を受けることはない。　
　前記（5）に記載の発明においては、方向舵の外側面が、凹面としてあるので、外側に気流を受けると、その周端面部分に小さな乱気流が生じ、気流を逃がさずにしっかりと受け留めるので、確実にロータの向きを、風上に向けさせることができる。
　前記（6）に記載の発明において方向舵は、左右非対称に形成されているので、ロータの回転震動による、ロータの水平方向の旋回を、方向舵に受ける気流の非均等作用で抑止させることができる。
本発明の横軸風車の１実施形態の側面図である。 図１に示す横軸風車の要部拡大縦断側面図である。 図１における要部拡大平面図である。 図３を右方から見た正面図である。 本発明横軸風車の方向舵の実施例２の左側面図である。 本発明横軸風車の方向舵の実施例３の正面図である。
　以下本発明を、図面を参照して説明する。
　図１、図２に示すように、本発明の風追い横軸風車１（以下単に横軸風車という）は垂直の管状支柱２の上端に、風車筐体３の前部を管状の取付体４を介して、回転可能に装着して構成されている。取付体４は、風車筐体３の要部より垂下し、下端のフランジ４Ａを、支柱２の上端のフランジ２Ａにボルト留めすることにより、管状支柱２に固定されている。
　図２に示すように、風車筐体３は細長い卵状をなし、その前部内側に支持枠体６が配設されている。支持枠体６の前後の軸受６Ａ、６Ｂは、ロータ軸７の前部が支持されている。水平のロータ軸７の後端は、風車筐体３の後部から外方へ突出し、その先端部には、ロータ８が装着されている。
　支持枠体６より下方へ突出する管状の取付体４は、その下端部のフランジ４Ａを介して支柱２の上端に設けたフランジ２Ａに固定されており、管状取付体４の上端部における嵌合部４Ｂに設けたベアリング５Ａを介して、回転部５が回転可能に嵌合されている。
　回転部５は、風車筐体３に結合した支持枠体６の下部に、一体的に固定されており、風車筐体３は、回転部５とともに、取付体４の上で回転しうるようになっている。これにより、方向舵14に風を受けて、その方向が変化すると、風車筐体３は容易に風上方向へ向きを変えることができる。
　管状の支柱２に内装されている垂直の伝動軸10の下端は、図示しない発電機に連結され、同じく上端は、取付体４及び回転部５の中心を貫通して、支持枠体６内に突入し、その上端に固定した傘歯車からなる伝動手段11は、ロータ軸７に固定された傘歯車からなる伝動手段12と噛合している。従って、ロータ８の回転は伝動軸10に伝動され、発電機により発電が行われる。
　ロータ８の、ハブ８Ａの周面には、複数の揚力型ブレード９が固定されており、各揚力型ブレード９の先端部は、風上方向を向く傾斜部９Ａとされている。ブレード９の前面に風を受けると、ブレード９の前面に沿って先端方向へ移動する気流は傾斜部９Ａに当り回転力を高める。
　風車筐体３の後部寄りの外面には、平面視く字状で、扁平な支持腕13の基部13Ａが固着されている。基部13Ａは、風車筐体３の外方向へ伸び、その先端部13Ｂは、斜め外側後方向へ伸びている。側面視において、上下に対をなし、それぞれの後端は、離反して間隔を大としている。
　方向舵14は、上下に長い長方形として示してあるが、形状はこれに限定されるものではなく、例えば正方形、円形など任意である。方向舵14の横断面は、外側面14Ａは前後に直線状で、内側面14Ｂは、前縁から後縁へかけて、次第に厚さを大として、曲面に形成され、後縁部14Ｃは、外側へ向かって弧曲状に突出している。
　この外側面14Ａに、支持腕13の先端部が、ネジ止めにより固定されており、外側面14Ａは、ロータ軸７に対して、約35度～45度の範囲に傾斜されている。
　上記のように構成された横軸風車１は、風が吹くと、風向きに関わらず、方向舵14の受ける風面積が大きいので、反応が早く、かつ風車筐体３が軽量であるので、ロータ８の前面を速やかに風上に向ける。
　風が、微風であっても、風車筐体３の中には、発電機など重量の重い物は配設されておらず、かつ、取付体４において、ベアリング５Ａで風車筐体３を支持しているので、容易に軽快に回転し、また方向舵14は常に風下になるため、ロータ８の前面は風上に対向し、揚力型ブレード９は、前面に風を受けて、間断なく回転する。
　左右の方向舵14の内側面14Ｂが、内側方向に突出する弧状曲面であるので、これに沿って通過する気流は、外側面14Ａに沿って通過する気流よりも高速となり、コアンダ効果によって、後縁部14Ｃから外側へ向かって流れ、互いの反作用によって、ロータ８の位置をバランスよく維持することとなる。
　伝動軸10とロータ軸７とは、傘歯車による伝動手段11、12によって連係されているので、風車筐体３が回転しても、伝動軸10に支障は生じず、方向を変えながらロータ８の回転力は伝動軸10に伝動され、その下部に配設されている発電機を回転させる。
　図５は、方向舵14の実施例２を示す外側面図である。前例と同じ部材には、同じ符号を付して説明を省略する。この実施例においては、方向舵14の外側面14Ａが、バケット状に凹面に形成されている。
　これによって、外側面14Ａに気流が当たると、すり抜けることがなく、後縁部14Ｃないし上下周端部で小さな乱気流が生じ、凹面に気流が留まり、気流が高速ですり抜けることがないので、確実に風力が方向舵14に作用して、ロータ８を風上に向けさせることができる。
　図６は、方向舵の実施例３を示す正面図である。前例と同じ部材には、同じ符号を付して、説明を省略する。
　図１に示すような状態で、ロータ８が回転すると、遠心力により、揚力型ブレード９が、上から下へ回る回転方向へかかる力によって、伝動軸10を中心に水平方向へ旋回をする。
　この旋回を抑止するために、左右の方向舵14、14を非対称とするもので、図では風を受ける面積を、旋回する方を大としたもので、図６において右方の方向舵14に多くの風が当たることにより、旋回が抑止される。
　方向舵14の左右非対称は、長さ、幅、重量、ロータからの取付位置などの諸要素を変化させることができ、基本的にはロータにおけるブレードの長さ、重量、機械上の癖、風況などにより設定される。
　本発明は、微風の風向き変化にも、敏感に反応して、ロータの正面を、風上に向けることができるので、風向きの変り易い地域や季節においても、効率のよい発電をすることのできる風力発電に利用することができる。
１．風追い横軸風車
２．管状支柱
２Ａ．フランジ
３．風車筐体
４．取付体
４Ａ．フランジ
４Ｂ．嵌合部
５．回転部
５Ａ．ベアリング
６．支持枠体
６Ａ、６Ｂ．軸受
７．ロータ軸
８．ロータ
８Ａ．ハブ
９．揚力型ブレード
９Ａ．傾斜部
10.伝動軸
11、12．伝動手段
13．支持腕
13Ａ．基部
13Ｂ．先端部
14．方向舵
14Ａ．外側面
14Ｂ．内側面
14Ｃ．後縁部

Claims (6)

  1. 　支柱上に取付体を介して装着された風車筐体の内部から、後方に向かって水平に突出させたロータ軸の後部に、横軸ロータを装着した横軸風車において、前記取付体を、下部を支柱に固定される固定部の上に、回転部が風車筐体とともに回転可能に一体とし、支柱から嵌合部を貫通して上方に突出する伝動軸の上端と、ロータ軸の前端とを、伝動手段をもって連結するとともに、風車筐体の外周後部から後方向へ突設した支持腕を介して、方向舵をブレードの位置と同等以後における左右側方に配設したことを特徴とする風追い横軸風車。
  2. 　前記方向舵を、外側面がロータ軸に対して35度～45度の傾斜範囲で、配設してなることを特徴とする請求項１に記載の風追い横軸風車。
  3. 　前記方向舵を、横断面が、外側面は前後に直線的で、内側面は内側へ突出する曲面とし、その後縁を外側へ突出させてなることを特徴とする請求項１または２に記載の風追い横軸風車。
  4. 　前記方向舵は、発泡合成樹脂の本体の表面にＦＲＰの表層を被着したものであることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の風追い横軸風車。
  5. 　前記方向舵は、外側面が、凹面としてあることを特徴とする請求項１～４のいずれかに記載の風追い横軸風車。
  6. 　前記方向舵は、左右非対称に形成されていることを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の風追い横軸風車。
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