WO2020148865A1 - 垂直軸型水車、水力発電装置、及び翼部材の配置方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a vertical axis turbine, a hydroelectric power generation device, and a method for arranging blade members.
- the vertical axis type hydroelectric power generator includes a rotating shaft, a plurality of blade members having a constant blade cross-sectional shape and extending parallel to the rotating shaft, fixed to the rotating shaft, extending in a direction orthogonal to the rotating shaft, and On the other hand, a frame member that holds a plurality of blade members is provided on the circumference having a constant diameter (see, for example, Patent Document 1).
- the blade member of the vertical shaft type turbine has a straight line (chord) connecting the leading edge and the trailing edge in the longitudinal direction in the blade cross section and passing through the aerodynamic center, and a tangent line of the circumference centered on the rotation axis. Is attached to the frame member so that the angle (mounting angle, angle of attack) is generally 0 degree.
- An object of the present invention is to provide a vertical axis type water turbine, a hydroelectric power generation device, and a method for arranging blade members that can obtain a higher power coefficient.
- a rotary shaft a plurality of blade members having a constant blade cross-sectional shape and extending parallel to the rotary shaft, fixed to the rotary shaft, extending in a direction orthogonal to the rotary shaft, and centered on the rotary shaft.
- a vertical axis water turbine mounted on the frame member at a mounting angle of 5 to 10 degrees with respect to a tangent to the circumference.
- the attachment angle is preferably 7.5 degrees to 10 degrees.
- the mounting angle is 10 degrees.
- the attachment angle is more preferably 7.5 degrees.
- the frame member includes arm portions extending in three directions from the rotation axis, and the wing members are attached to respective ends of the arm portions.
- a hydroelectric power generation device comprising the vertical axis water turbine according to any one of the above, and a generator that generates electric power by the rotational driving force of the rotary shaft.
- a rotating shaft a plurality of blade members having a constant blade cross-sectional shape and extending parallel to the rotating shaft, fixed to the rotating shaft, extending in a direction orthogonal to the rotating shaft, and centering on the rotating shaft.
- On a circumference having a constant diameter a frame member for holding the plurality of blade members, and the blade member, so that the chord at the front edge of the blade member is inclined outward of the circumference,
- the wing member arranging method wherein the wing member is attached to the frame member at an attachment angle of 5 to 10 degrees with respect to a tangent line of the circumference.
- FIG. 1 It is a schematic perspective view of a vertical axis type water turbine of an embodiment. It is the figure which showed the blade cross section of a TWT type blade member. It is the figure which showed the blade cross section of a NACA0018 type blade member. It is a vertical cross-sectional view of a blade member common to TWT type and NACA0018 type. It is a figure which shows a frame member, (a) is a horizontal top view, (b) is a vertical sectional view. It is a figure which shows the other form of a frame member, (a) is a case where four arm parts are mutually space
- FIG. 1 is a schematic perspective view of a vertical axis type water turbine 1 of the embodiment.
- the vertical-axis water turbine 1 is a straight-blade vertical-axis water turbine, and includes a rotating shaft 11 and a plurality of blade members 12 having a constant blade cross-sectional shape in a direction orthogonal to the rotating shaft 11 and extending parallel to the rotating shaft 11.
- the frame member 13 is fixed to the rotary shaft 11, extends in a direction orthogonal to the rotary shaft 11, and holds a plurality of blade members 12 on a circumference having a constant diameter with respect to the rotary shaft 11.
- the direction in which the rotating shaft 11 extends is the vertical direction
- the direction orthogonal to the vertical direction is the horizontal direction.
- the rotating shaft 11 is a cylindrical member having a predetermined diameter, and is arranged substantially orthogonal to a water flow (tidal flow, river flow, etc.).
- wing member 12 As the wing member 12, a wing member 12T of TWT type (TOKAI UNIVERSITY WING SECTION), a wing member 12N of NACA type (National Aviation Advisory for Aeronautics), or the like is used.
- TWT type TOKAI UNIVERSITY WING SECTION
- NACA type National Aviation Advisory for Aeronautics
- FIG. 2 is a view showing a blade cross section of a TWT-type blade member 12T.
- FIG. 3 is a view showing a blade cross section of a blade member 12N of NACA0018 type.
- FIG. 4 is a cross-sectional view of the wing member 12 along L1, which is common to the TWT type and the NACA0018 type. In the description of the wing member 12, the left side and the right side in the figure will be described as the front edge and the rear edge, respectively.
- P is the aerodynamic center
- the aerodynamic center P is on the chord L1 connecting the leading edge and the trailing edge of the wing member 12, and the distance from the leading edge is TWT type and NACA type wing member 12, It is about 25% of the total length of the chord L1.
- the TWT-type wing member 12T is an asymmetric wing having a distance (camber) between the chord and the wing center line, and sandwiches the wing chord L1 from the vicinity of the aerodynamic center to the rear side as compared with the NACA-type wing member 12N.
- One side (upper side in the figure) has a convex shape compared to the other side.
- screw holes 14 and 15 are provided at the aerodynamic center P and one point on the chord L1 on the trailing edge side of the aerodynamic center P.
- FIG. 5 is a view showing the frame member 13, (a) is a horizontal plan view, and (b) is a vertical sectional view.
- the frame member 13 includes a rotary shaft fixing portion 13a through which the rotary shaft 11 is inserted and fixed to the rotary shaft 11, three arm portions 13b radially extending from the rotary shaft fixing portion 13a, and tips of the respective arm portions 13b. And a wing member attachment portion 13c provided on the.
- the frame members 13 shown in the figure are provided with three arms 13b arranged at equal intervals with an interval of 120 degrees.
- the wing member mounting portion 13c is provided with through holes 14b and 15b corresponding to the screw holes 14 and 15 provided in the wing member 12.
- the blade member 12 is attached to the frame member 13 by screwing screws into the screw holes 14 and 15 through the through holes 14b and 15b. That is, three wing members 12 are attached to the frame member 13 of FIG. 5 corresponding to the number of the arm portions 13b and the wing member attachment portions 13c, and the vertical axis type water turbine 1 of FIG. 5 is a three-wing type. ..
- the shape of the frame member 13 is not limited to the shape shown in FIG. 6A and 6B are diagrams showing another form of the frame member 13, where FIG. 6A shows a case of a four-wing type in which four arm portions 13b are provided and the distance between them is 90 degrees, and FIG. 6B is a frame member. This is the case where 13 is a disk-shaped disc type.
- FIG. 6A having four arms 13b four wing members 12 are attached to the frame member 13, and when the frame member 13 is disk-shaped in FIG. In the same manner as in the case of FIG. 5, the three wing members 12 are attached at equal intervals of 120 degrees.
- FIG. 7 is a diagram illustrating an attachment angle of the wing member 12 with respect to the frame member 13.
- a curved line L2 indicated by a one-dot chain line indicates the circumference passing through the aerodynamic center P with the rotation axis 11 as the center.
- a straight line L3 is a straight line extending along a radius extending from the rotating shaft 11 to the aerodynamic center P.
- the attachment angle ⁇ (angle of attack) is the angle formed by the tangent line L4 of the curve L2 and the chord (center line of the blade) L1 of the blade member 12.
- the attachment angle ⁇ of the blade member 12 is, in the embodiment, plus 5 degrees to plus 10 degrees, preferably plus 7.5 degrees to plus 10 degrees.
- the optimum mounting angle is smaller than that of the convex asymmetric blade (for example, TWT type), and it is preferably plus 7.5 degrees.
- plus and minus are positive as shown in FIG. 7 in which the front edge of the blade member 12 is inclined to the outside of the circumference about the rotation axis 11, and the front edge is to the inside of the circumference about the rotation axis 11. The tilted state is negative.
- FIG. 8 shows a hydraulic power generation device 50 using the above-mentioned vertical axis type water turbine 1.
- the hydroelectric power generation device 50 has a generator 20 that is installed in a place or a river having a tidal current in seawater and that generates electric power by rotation of the rotating shaft 11.
- the wing member 12 fixed to the frame member 13 rotates about the rotating shaft 11. Since the blade member 12, the frame member 13 and the rotary shaft 11 are fixed to each other, the rotary shaft 11 also rotates. The rotation of the rotating shaft 11 is converted into electric power by the generator 20. The converted electric power is supplied to a desired place through the electric wiring 21.
- FIG. 9 shows a measuring apparatus 100 for verifying the effect of the vertical axis turbine 1 of the embodiment.
- the measuring apparatus 100 includes a vertical axis type water turbine 1 and a torque meter 101 arranged above the rotary shaft 11 of the vertical axis type water turbine 1. Then, while arranging the vertical axis type water turbine 1 in the water tank 102 and generating a water flow, and measuring the flow velocity with the pitot tube 103 arranged in the water tank 102, the rotation speed of the rotating shaft 11 of the vertical axis type water turbine 1 and The torque that changes depending on the flow velocity was measured by the torque meter 101. In addition, in all cases, the measurement was performed at a sampling frequency of 100 Hz for 60 seconds.
- the shape of the vertical axis type water turbine 1 used is shown below.
- the mounting angle ⁇ was set for Example 1, Example 2, Example 3, and Example 4 shown in Table 2 below in which the shape of the frame member 13 and the number of blade members were changed.
- the TWT-type blade member 12T is arranged such that the convex side with the chord L1 at the leading edge sandwiched therebetween is located radially outward (referred to as (table) in the table below).
- (table) the convex side with the chord L1 at the leading edge sandwiched therebetween
- (back) radially inward
- FIG. 10 shows the torque T′ and the main flow velocity of the circulating water tank measured by changing the mounting angle ⁇ in the cases of Example 1, Example 2, Example 3, Example 4 and Comparative Example using the measuring device 100.
- 6 is a graph showing a power coefficient Cp′ calculated from V with the horizontal axis as the attachment angle ⁇ .
- FIG. 11 is a graph showing the power coefficient Cp of the above equation (4) with the horizontal axis as the attachment angle ⁇ . It should be noted that, when comparing FIG. 10 and FIG. 11, almost the same result is shown, and therefore the result of the power coefficient Cp′ in FIG. 10 will be described below.
- the power coefficient Cp′ is From -5 degrees to about 5 degrees, it increases almost linearly to -0.09, 0.12, 0.25, but from 5 degrees, it increases 0.25, 0.29, 0.30, The rate of increase decreases and becomes approximately constant at about 10 degrees. That is, the power coefficient Cp' seems to have a peak at about 10 degrees.
- the power coefficient Cp′ starts to decrease when the peak value is exceeded, so 10 degrees is considered to be a peak, and it is expected to decrease when it exceeds 10 degrees.
- the attachment angle ⁇ is preferably 5 degrees to 10 degrees, more preferably 7.5 degrees to 10 degrees, and most preferably 10 degrees.
- the mounting angle ⁇ is 5°, 7.5°, 10 as in the case of the TWT type blade member 12T.
- the power coefficients Cp′ in degrees show high values of 0.27, 0.31, 0.29 in the case of the third embodiment and 0.24, 0.30, 0.25 in the case of the fourth embodiment. .. Therefore, the attachment angle ⁇ is preferably 5 degrees to 10 degrees, and more preferably 7.5 degrees to 10 degrees.
- the peak occurs at a value lower than that of the TWT type blade member 12T, and the mounting angle ⁇ is most preferably 7.5 degrees.
- Example 1 and Example 2 are TWT (table), but the frame member 13 of Example 1 is The difference is that it has a three-armed shape and the frame member 13 of the second embodiment is a disk shape.
- the power coefficient Cp′ of the first embodiment is 0.12
- the power coefficient Cp′ of the second embodiment is 0.09. From this result, when the three-arm shape and the disk shape are compared as the frame member 13, a larger power coefficient Cp′ can be obtained in the three-arm shape, and therefore the three-arm shape is preferable as the frame member 13. Conceivable.
- the third embodiment is generally the fourth embodiment. It was possible to obtain a larger power coefficient Cp'. Therefore, the 3-blade type is considered to be preferable.
- Example 1 Since there is no large difference in characteristics between Example 1 and Comparative Example 1, in the blade member 12T, even when the convex side with the chord L1 of the leading edge sandwiched is arranged on the radially inner side, the convex shape is obtained. It can be said that it has the same characteristics as the case where the side marked with is arranged on the outside in the radial direction.
- the mounting angle ⁇ of the blade member 12 is from plus 5 degrees to plus 10 degrees, preferably from plus 7.5 degrees to plus 10 degrees. More preferably, it is plus 10 degrees for the TWT type blade member 12T and plus 7.5 degrees for the NACA type blade member 12N. Therefore, as described above, a large power coefficient Cp' can be obtained.
- turbine installation is not limited to the vertical direction as long as the turbine axis is substantially orthogonal to the flow.
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Abstract
より高いパワー係数を得ることができる垂直軸型水車、水力発電装置、及び翼部材の配置方法を提供する。 本発明の垂直軸型水車1は、回転軸11と、一定の翼断面形状を有するとともに前記回転軸11と平行に延びる複数の翼部材12と、前記回転軸11に固定され、前記回転軸11と直交する方向に延び、前記回転軸11を中心とした一定の径の円周上で、前記複数の翼部材12を保持するフレーム部材13と、を備え、前記翼部材12は、前記翼部材の前縁において翼弦L1が前記円周外側に傾くように、前記円周の接線L4に対して5度~10度の取付角αで、前記フレーム部材13に対して取り付けられている。
Description
本発明は、垂直軸型水車、水力発電装置、及び翼部材の配置方法に関する。
従来から、水流によって水車を回転させ、この回転運動を発電機に伝達することで電力を発生させる水力発電装置が知られている。このような水力発電装置として、近年、揚力特性を利用した垂直軸型水力発電装置が開発されている。
垂直軸型水力発電装置は、回転軸と、一定の翼断面形状を有するとともに回転軸と平行に延びる複数の翼部材と、回転軸に固定され、回転軸と直交する方向に延び、回転軸に対して一定の径の円周上に、複数の翼部材を保持するフレーム部材とを備えている(例えば特許文献1参照)。
垂直軸型水力発電装置は、回転軸と、一定の翼断面形状を有するとともに回転軸と平行に延びる複数の翼部材と、回転軸に固定され、回転軸と直交する方向に延び、回転軸に対して一定の径の円周上に、複数の翼部材を保持するフレーム部材とを備えている(例えば特許文献1参照)。
ここで、垂直軸型水車の翼部材は、翼断面形状において長手方向の前縁と後縁とを結び且つ空力中心を通る直線(翼弦)と、回転軸を中心とした円周の接線との角度(取付角度、迎角)が、一般に0度となるようにフレーム部材に取り付けられている。
本発明は、より高いパワー係数を得ることができる垂直軸型水車、水力発電装置、及び翼部材の配置方法を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するために以下のものを提供する。
(1)回転軸と、一定の翼断面形状を有するとともに前記回転軸と平行に延びる複数の翼部材と、前記回転軸に固定され、前記回転軸と直交する方向に延び、前記回転軸を中心とした一定の径の円周上で、前記複数の翼部材を保持するフレーム部材と、を備え、前記翼部材は、前記翼部材の前縁において翼弦が前記円周外側に傾くように、前記円周の接線に対して5度~10度の取付角で、前記フレーム部材に対して取り付けられている、垂直軸型水車。
(1)回転軸と、一定の翼断面形状を有するとともに前記回転軸と平行に延びる複数の翼部材と、前記回転軸に固定され、前記回転軸と直交する方向に延び、前記回転軸を中心とした一定の径の円周上で、前記複数の翼部材を保持するフレーム部材と、を備え、前記翼部材は、前記翼部材の前縁において翼弦が前記円周外側に傾くように、前記円周の接線に対して5度~10度の取付角で、前記フレーム部材に対して取り付けられている、垂直軸型水車。
(2)前記取付角は7.5度~10度であることが好ましい。
(3)前記翼部材が、前記翼弦と翼中心線の距離がある非対称翼の場合、前記取付角が10度であることがより好ましい。
(4)前記翼部材が対称翼の場合、前記取付角が7.5度であることがより好ましい。
(5)前記フレーム部材は、前記回転軸から3方向に延びる腕部を備え、前記腕部のそれぞれの先に前記翼部材が取り付けられていることが好ましい。
また、本発明は、上記課題を解決するために以下のものを提供する。
(6)上記のいずれか記載の垂直軸型水車と、前記回転軸の回転駆動力により電力を発生する発電機と、を有する水力発電装置。
(6)上記のいずれか記載の垂直軸型水車と、前記回転軸の回転駆動力により電力を発生する発電機と、を有する水力発電装置。
さらに、本発明は、上記課題を解決するために以下のものを提供する。
(7)回転軸と、一定の翼断面形状を有するとともに前記回転軸と平行に延びる複数の翼部材と、前記回転軸に固定され、前記回転軸と直交する方向に延び、前記回転軸を中心とした一定の径の円周上で、前記複数の翼部材を保持するフレーム部材と、を備え、前記翼部材を、前記翼部材の前縁において翼弦が前記円周外側に傾くように、前記円周の接線に対して5度~10度の取付角で、前記フレーム部材に対して取り付ける、前記翼部材の配置方法。
(7)回転軸と、一定の翼断面形状を有するとともに前記回転軸と平行に延びる複数の翼部材と、前記回転軸に固定され、前記回転軸と直交する方向に延び、前記回転軸を中心とした一定の径の円周上で、前記複数の翼部材を保持するフレーム部材と、を備え、前記翼部材を、前記翼部材の前縁において翼弦が前記円周外側に傾くように、前記円周の接線に対して5度~10度の取付角で、前記フレーム部材に対して取り付ける、前記翼部材の配置方法。
本発明によれば、より高いパワー係数を得ることができる垂直軸型水車、水力発電装置、及び翼部材の配置方法を提供することができる。
以下、本発明の実施形態について説明する。
(垂直軸型水車1)
図1は、実施形態の垂直軸型水車1の概略斜視図である。垂直軸型水車1は、直線翼垂直軸型水車であり、回転軸11と、回転軸11と直交する方向に一定の翼断面形状を有するとともに回転軸11と平行に延びる複数の翼部材12と、回転軸11に固定され、回転軸11と直交する方向に延び、回転軸11に対して一定の径の円周上に、複数の翼部材12を保持するフレーム部材13と、を備える。
なお、以下の説明において、回転軸11の延びる方向を垂直方向、垂直方向と直交する方向を水平方向として説明する。
(垂直軸型水車1)
図1は、実施形態の垂直軸型水車1の概略斜視図である。垂直軸型水車1は、直線翼垂直軸型水車であり、回転軸11と、回転軸11と直交する方向に一定の翼断面形状を有するとともに回転軸11と平行に延びる複数の翼部材12と、回転軸11に固定され、回転軸11と直交する方向に延び、回転軸11に対して一定の径の円周上に、複数の翼部材12を保持するフレーム部材13と、を備える。
なお、以下の説明において、回転軸11の延びる方向を垂直方向、垂直方向と直交する方向を水平方向として説明する。
(回転軸11)
回転軸11は、所定径の円柱部材であり、水流(潮流、川の流れ等)に対して略直交して配置される。
回転軸11は、所定径の円柱部材であり、水流(潮流、川の流れ等)に対して略直交して配置される。
(翼部材12)
翼部材12は、TWT型(Tokai University Wing Section)の翼部材12Tや、NACA型(アメリカ航空諮問委員会:National Advisory Committee for Aeronautics)の翼部材12N等を用いる。
翼部材12は、TWT型(Tokai University Wing Section)の翼部材12Tや、NACA型(アメリカ航空諮問委員会:National Advisory Committee for Aeronautics)の翼部材12N等を用いる。
図2はTWT型の翼部材12Tの翼断面を示した図である。図3はNACA0018型の翼部材12Nの翼断面を示した図である。図4は、TWT型及びNACA0018型共通の、翼部材12のL1に沿った断面図である。
翼部材12の説明において、図中左側を前縁、右側を後縁として説明する。図中Pは空力中心であり、空力中心Pは,翼部材12の前縁と後縁とを結ぶ翼弦L1上において、前縁からの距離が、TWT型及びNACA型の翼部材12において、翼弦L1全長に対して約25%の位置にある。
TWT型の翼部材12Tは、翼弦と翼中心線の距離(キャンバー)がある非対称翼であり、NACA型の翼部材12Nと比べて、空力中心付近から後ろ側において、翼弦L1を挟んだ一方の側(図中上側)が他方の側に比べて凸形状となっている。
翼部材12の説明において、図中左側を前縁、右側を後縁として説明する。図中Pは空力中心であり、空力中心Pは,翼部材12の前縁と後縁とを結ぶ翼弦L1上において、前縁からの距離が、TWT型及びNACA型の翼部材12において、翼弦L1全長に対して約25%の位置にある。
TWT型の翼部材12Tは、翼弦と翼中心線の距離(キャンバー)がある非対称翼であり、NACA型の翼部材12Nと比べて、空力中心付近から後ろ側において、翼弦L1を挟んだ一方の側(図中上側)が他方の側に比べて凸形状となっている。
翼部材12において、空力中心Pと、翼弦L1上の空力中心Pよりも後縁側の一点には、ねじ穴14,15がそれぞれ設けられている。
(フレーム部材13)
フレーム部材13は、互いに平行且つ水平方向に2枚設けられ、それぞれ回転軸11に対して固定されている。
図5はフレーム部材13を示す図であり、(a)は水平平面図、(b)は垂直断面図である。フレーム部材13は、回転軸11が挿通されて回転軸11に固定される回転軸固定部13aと、回転軸固定部13aから放射状に延びる3本の腕部13bと、それぞれの腕部13bの先端に設けられた翼部材取付部13cとを有する。図示するフレーム部材13は、互いの間隔が120度で、3本の腕部13bが均等な間隔で設けられている。
フレーム部材13は、互いに平行且つ水平方向に2枚設けられ、それぞれ回転軸11に対して固定されている。
図5はフレーム部材13を示す図であり、(a)は水平平面図、(b)は垂直断面図である。フレーム部材13は、回転軸11が挿通されて回転軸11に固定される回転軸固定部13aと、回転軸固定部13aから放射状に延びる3本の腕部13bと、それぞれの腕部13bの先端に設けられた翼部材取付部13cとを有する。図示するフレーム部材13は、互いの間隔が120度で、3本の腕部13bが均等な間隔で設けられている。
翼部材取付部13cには、翼部材12に設けられたねじ穴14,15に対応する貫通穴14b,15bが設けられている。貫通穴14b,15bを通してねじ穴14,15にねじを螺合することによって、翼部材12は、フレーム部材13に取り付けられる。すなわち、図5のフレーム部材13には、腕部13b及び翼部材取付部13cの数に対応して、3つの翼部材12が取り付けられ、図5の垂直軸型水車1は3翼型である。
なお、フレーム部材13の形状は、図5の形状に限定されない。図6は、フレーム部材13の他の形態を示す図であり、(a)は、腕部13bが4本で互いの間隔が90度の4翼型の場合であり、(b)はフレーム部材13が円板状のディスク型の場合である。
腕部13bが4本の図6(a)の場合、フレーム部材13には、4つの翼部材12が取り付けられ、フレーム部材13が円板状の図6(b)の場合、フレーム部材13には、図5の場合と同様に、互いに均等な120度の間隔で、3つの翼部材12が取り付けられている。
腕部13bが4本の図6(a)の場合、フレーム部材13には、4つの翼部材12が取り付けられ、フレーム部材13が円板状の図6(b)の場合、フレーム部材13には、図5の場合と同様に、互いに均等な120度の間隔で、3つの翼部材12が取り付けられている。
(取付角)
図7は、翼部材12のフレーム部材13に対する取付角を説明する図である。図中、一点鎖線で示す曲線L2は、回転軸11を中心として空力中心Pを通る円周を示す。図中、直線L3は回転軸11から空力中心Pまで延びる半径に沿った直線である。
取付角α(迎角)とは、曲線L2の接線L4と、翼部材12の翼弦(翼の中心線)L1とのなす角である。
翼部材12の取付角αは、実施形態においてプラス5度からプラス10度であり、好ましくはプラス7.5度からプラス10度である。さらに好ましくは、TWT型の翼部材12Tの場合、プラス10度である。NACA0018型等の対象翼である翼部材12Nの場合、凸形状の非対称翼(例えばTWT型)よりも、最適取付角が小さくなり、プラス7.5度が好ましい。
なお、プラスマイナスは、翼部材12の前縁が回転軸11を中心とした円周外側に傾いた図7に示すような状態をプラス、前縁が回転軸11を中心とした円周内側に傾いた状態をマイナスとする。
図7は、翼部材12のフレーム部材13に対する取付角を説明する図である。図中、一点鎖線で示す曲線L2は、回転軸11を中心として空力中心Pを通る円周を示す。図中、直線L3は回転軸11から空力中心Pまで延びる半径に沿った直線である。
取付角α(迎角)とは、曲線L2の接線L4と、翼部材12の翼弦(翼の中心線)L1とのなす角である。
翼部材12の取付角αは、実施形態においてプラス5度からプラス10度であり、好ましくはプラス7.5度からプラス10度である。さらに好ましくは、TWT型の翼部材12Tの場合、プラス10度である。NACA0018型等の対象翼である翼部材12Nの場合、凸形状の非対称翼(例えばTWT型)よりも、最適取付角が小さくなり、プラス7.5度が好ましい。
なお、プラスマイナスは、翼部材12の前縁が回転軸11を中心とした円周外側に傾いた図7に示すような状態をプラス、前縁が回転軸11を中心とした円周内側に傾いた状態をマイナスとする。
(水力発電装置)
図8は上述の垂直軸型水車1を用いた水力発電装置50である。
図示するように水力発電装置50は、海水中の潮流を有する個所や河川に設置され、回転軸11の回転により電力を発生する発電機20を有する。
図8は上述の垂直軸型水車1を用いた水力発電装置50である。
図示するように水力発電装置50は、海水中の潮流を有する個所や河川に設置され、回転軸11の回転により電力を発生する発電機20を有する。
水の流れにより、翼部材12に力が加わると、フレーム部材13に固定された翼部材12は、回転軸11を中心として回転する。翼部材12、フレーム部材13及び回転軸11は互いに固定されているので、回転軸11も回転する。回転軸11の回転は発電機20によって電力に変換される。変換された電力は、電気配線21を介して、所望の場所へと供給される。
(測定装置100)
図9は、実施形態の垂直軸型水車1の効果を検証するための測定装置100である。測定装置100は、垂直軸型水車1と、垂直軸型水車1の回転軸11の上部に配置されたトルク計101とを備える。
そして、水槽102内に垂直軸型水車1を配置するとともに水流を発生させ、水槽102内に配置されたピトー管103で流速を測定しつつ、垂直軸型水車1の回転軸11の回転数と流速とによって変化するトルクをトルク計101で計測した。なお、いずれもサンプリング周波数100Hz、60秒間で計測を行った。
使用した垂直軸型水車1の形状を以下に示す。
図9は、実施形態の垂直軸型水車1の効果を検証するための測定装置100である。測定装置100は、垂直軸型水車1と、垂直軸型水車1の回転軸11の上部に配置されたトルク計101とを備える。
そして、水槽102内に垂直軸型水車1を配置するとともに水流を発生させ、水槽102内に配置されたピトー管103で流速を測定しつつ、垂直軸型水車1の回転軸11の回転数と流速とによって変化するトルクをトルク計101で計測した。なお、いずれもサンプリング周波数100Hz、60秒間で計測を行った。
使用した垂直軸型水車1の形状を以下に示す。
ここで、
D:水車の回転直径(m)
H:翼の高さ
T’:計測したトルク(N・m)
ρ:水槽内の水の密度(kg/m3)
n:水車の回転数(rpm)
V:回流水槽主流速(m/s)
としたときに、周速比λは、以下の式(1)で表される。
λ=πD(n/60)/V・・・(1)
また、パワー係数Cp’は、以下の式(2)で表される。
Cp’=2πT’(n/60)/{(ρV2/2)・DHV}・・・(2)
D:水車の回転直径(m)
H:翼の高さ
T’:計測したトルク(N・m)
ρ:水槽内の水の密度(kg/m3)
n:水車の回転数(rpm)
V:回流水槽主流速(m/s)
としたときに、周速比λは、以下の式(1)で表される。
λ=πD(n/60)/V・・・(1)
また、パワー係数Cp’は、以下の式(2)で表される。
Cp’=2πT’(n/60)/{(ρV2/2)・DHV}・・・(2)
また、測定したトルクT’から、フレーム部材13のみのトルクの計算値T0を引いた値を、翼部材12のみの効果によるトルクT(Nm)(式(3))としたとき、そのトルクTを用いたパワー係数Cpは以下の式(4)で表される。
T=T’-T0・・・(3)
Cp=2πT(n/60)/{(ρV2/2)・DHV}・・・(4)
T=T’-T0・・・(3)
Cp=2πT(n/60)/{(ρV2/2)・DHV}・・・(4)
上記の翼部材12T及び12Nを用いて、フレーム部材13の形状や翼部材の枚数を変えた以下の表2に示す実施例1、実施例2、実施例3、実施例4について、取付角αを変化させて測定装置100により、トルクT’及び回流水槽主流速V等を測定した。
なお、実施例では、TWT型の翼部材12Tは、前縁の翼弦L1を挟んで凸形状になっている側を径方向外側に配置した(以下の表で(表)と記載する)。また、比較例として翼部材12Tにおいて、前縁の翼弦L1を挟んで凸形状になっている側を径方向内側に配置した場合も計測した(以下の表で(裏)と記載する)。
なお、実施例では、TWT型の翼部材12Tは、前縁の翼弦L1を挟んで凸形状になっている側を径方向外側に配置した(以下の表で(表)と記載する)。また、比較例として翼部材12Tにおいて、前縁の翼弦L1を挟んで凸形状になっている側を径方向内側に配置した場合も計測した(以下の表で(裏)と記載する)。
図10は、測定装置100を用いて、実施例1、実施例2、実施例3、実施例4及び比較例の場合において、取付角αを変化させて測定したトルクT’及び回流水槽主流速Vより演算したパワー係数Cp’を、横軸を取付角αとして示したグラフである。図11は上述の式(4)のパワー係数Cpを、横軸を取付角αとして示したグラフである。なお、図10と図11とを比べると、略同様の結果を示すので、以下図10のパワー係数Cp’の結果について説明する。
(1)実施例1のTWT型の3翼の翼部材12Tにおいて、取付角を、-5度,0度,5度,7.5度,10度と変化させると、パワー係数Cp’は、-5度から5度程度まで、-0.09,0.12,0.25と略線形に増加するが、5度からは、0.25,0.29,0.30,増加し続けるが増加率が減少し、10度程度で略一定になる。すなわち、パワー係数Cp’は、10度程度がピークと思われる。
次に述べるNACA型の翼部材12Nにおいてパワー係数Cp’は、ピーク値を超えると下がり始めるので、10度がピークと考えられ、10度を超えると減少することが予想される。
以上より、TWT型の翼部材12Tの場合、取付角αは、5度から10度が好ましく、7.5度から10度がより好ましく、さらに10度が最も好ましい。
次に述べるNACA型の翼部材12Nにおいてパワー係数Cp’は、ピーク値を超えると下がり始めるので、10度がピークと考えられ、10度を超えると減少することが予想される。
以上より、TWT型の翼部材12Tの場合、取付角αは、5度から10度が好ましく、7.5度から10度がより好ましく、さらに10度が最も好ましい。
(2)実施例3の3翼、及び実施例4の4翼のNACA型の翼部材12Nの場合、TWT型の翼部材12Tと同様に、取付角αが5度,7.5度,10度におけるパワー係数Cp’は、実施例3の場合、それぞれ0.27,0.31,0.29、実施例4の場合、それぞれ0.24,0.30,0.25と高い値を示す。したがって、取付角αは、5度から10度が好ましく、7.5度から10度がより好ましい。
しかし、NACA型の翼部材12Nの場合、実施例3及び実施例4ともにTWT型の翼部材12Tよりも低い値でピークとなり、取付角αは7.5度が最も好ましい。
しかし、NACA型の翼部材12Nの場合、実施例3及び実施例4ともにTWT型の翼部材12Tよりも低い値でピークとなり、取付角αは7.5度が最も好ましい。
(3)取付角0度における、実施例1と実施例2と比較例とを比較すると、実施例1と実施例2とは、TWT(表)であるが、実施例1のフレーム部材13が3腕形状で、実施例2のフレーム部材13が円板形状である点が異なる。このとき、実施例1のパワー係数Cp’は0.12、実施例2のパワー係数Cp’は0.09である。
この結果より、フレーム部材13として3腕形状と円板形状とを比べたときに、3腕形状のほうが大きいパワー係数Cp’を得ることができるので、フレーム部材13としては3腕形状が好ましいと考えられる。
この結果より、フレーム部材13として3腕形状と円板形状とを比べたときに、3腕形状のほうが大きいパワー係数Cp’を得ることができるので、フレーム部材13としては3腕形状が好ましいと考えられる。
(4)実施例3の3翼型のNACA型の翼部材12Nと、実施例4の4翼型のNACA型の翼部材12Nとを互いに比べると、全体的に実施例3のほうが実施例4よりも大きいパワー係数Cp’を得ることができた。したがって、3翼型のほうが好ましいと考えられる。
実施例1と比較例1に大きな特性の違いが無いことから、翼部材12Tにおいて、前縁の翼弦L1を挟んで凸形状になっている側を径方向内側に配置した場合も、凸形状になっている側を径方向外側に配置した場合と同様の特性をもつと言える。
以上、本実施形態の垂直軸型水車1によると、翼部材12の取付角αは、プラス5度からプラス10度であり、好ましくはプラス7.5度からプラス10度である。さらに好ましくは、TWT型の翼部材12Tの場合、プラス10度、NACA型の翼部材12Nの場合プラス7.5度である。したがって、上記のように、大きいパワー係数Cp’を得ることができる。
なお、水車の軸が流れに対して略直交であれば,水車の設置は垂直方向に限らない。
1 垂直軸型水車
4 翼型
11 回転軸
12 翼部材
12N TNT型翼部材
12T NACA型翼部材
13 フレーム部材
13a 回転軸固定部
13b 腕部
13c 翼部材取付部
50 水力発電装置
100 測定装置
L1 翼弦
L4 接線
α 取付角
4 翼型
11 回転軸
12 翼部材
12N TNT型翼部材
12T NACA型翼部材
13 フレーム部材
13a 回転軸固定部
13b 腕部
13c 翼部材取付部
50 水力発電装置
100 測定装置
L1 翼弦
L4 接線
α 取付角
Claims (7)
- 回転軸と、
一定の翼断面形状を有するとともに前記回転軸と平行に延びる複数の翼部材と、
前記回転軸に固定され、前記回転軸と直交する方向に延び、前記回転軸を中心とした一定の径の円周上で、前記複数の翼部材を保持するフレーム部材と、を備え、
前記翼部材は、前記翼部材の前縁において翼弦が前記円周外側に傾くように、前記円周の接線に対して5度~10度の取付角で、前記フレーム部材に対して取り付けられている、
垂直軸型水車。 - 前記取付角が7.5度~10度である、
請求項1に記載の垂直軸型水車。 - 前記翼部材は、前記翼弦と翼中心線の距離が非対称翼であり、前記取付角が10度である、
請求項1または2に記載の垂直軸型水車。 - 前記翼部材は、対称翼であり、前記取付角が7.5度である、
請求項1または2に記載の垂直軸型水車。 - 前記フレーム部材は、前記回転軸から3方向に延びる腕部を備え、前記腕部のそれぞれの先に前記翼部材が取り付けられている、
請求項1から4のいずれか1項に記載の垂直軸型水車。 - 請求項1から5のいずれか1項に記載の垂直軸型水車と、
前記回転軸の回転駆動力により電力を発生する発電機と、
を有する水力発電装置。 - 回転軸と、
一定の翼断面形状を有するとともに前記回転軸と平行に延びる複数の翼部材と、
前記回転軸に固定され、前記回転軸と直交する方向に延び、前記回転軸を中心とした一定の径の円周上で、前記複数の翼部材を保持するフレーム部材と、を備え、
前記翼部材を、前記翼部材の前縁において翼弦が前記円周外側に傾くように、前記円周の接線に対して5度~10度の取付角で、前記フレーム部材に対して取り付ける、
前記翼部材の配置方法。
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JP2019526636A JP6628011B1 (ja) | 2019-01-17 | 2019-01-17 | 垂直軸型水車、水力発電装置、及び翼部材の配置方法 |
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Citations (6)
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-
2019
- 2019-01-17 WO PCT/JP2019/001286 patent/WO2020148865A1/ja active Application Filing
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