JP2000310179A - 水平軸風車用ロータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な構成によって推力の均一が得られ、各
部に作用する変動荷重が抑制されて耐久性に優れた水平
軸風車用ロータを提供する。 【解決手段】略水平方向に延在するロータ回転中心軸線
Ｌを中心に回転自在に支持された主軸３にロータ１０が
取付支持された水平軸風車用ロータにおいて、上記ロー
タ１０は、主軸に取付支持されるハブ１１と、該ハブ１
１に基端が結合されたブレード１３を備え、該ブレード
１３は、ロータ１０に基端１４ａが結合され、かつロー
タ回転中心軸線Ｌに対して傾斜すると共に、該ロータ回
転中心軸線Ｌと略直交するブレード捩り中心軸線ａに沿
って延在する内翼部１４と、該内翼部１４先端に連続形
成され、かつ風圧受圧中心Ｇがブレード捩り中心軸線ａ
より反回転方向側に位置する翼端部１５とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、風車に関し、特に
水平軸風車に用いられる水平軸風車用ロータに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、風力発電等に利用される水平軸
風車は、自然風のエネルギを効率的に採取可能なよう
に、例えば図６に示すようにハブ１０２にブレード１０
３が取付支持されたロータ１０１及び、主軸１０４を介
してロータ１０１を回転自在に支持するナセル１０５等
を高いタワー１０６の上端に取り付ける方策が採られて
いる。

【０００３】このロータ１０１としては、例えば２翅ま
たは３翅のブレード１０３をハブ１０２に固設したロー
タが一般に用いられている。

【０００４】しかし、一般に風車建設場所は、図７に示
すように地表からの高さが増すにつれて風速が増大す
る、いわゆる地表の高さ方向の速度傾斜を有し、この速
度傾斜に起因して、図８に示すようにブレード１０３が
比較的高所に位置する際には、ブレード１０３に作用す
る風速Ｖが比較的大きく、ブレード１０３に大きな推力
Ｔが発生する一方、低所においては風速が比較的小さく
ブレード１０３に発生する推力Ｔが比較的小さくなる。
この結果、ロータ１０１の回転に伴ってブレード１０３
に発生する推力Ｔが周期的に変動する。

【０００５】また、偏向風の影響によってもブレード１
０３に発生する推力が周期的に変動する。例えば図９に
図６のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図を示すように該部におい
て、ブレード１０３が受ける風Ｖがロータ回転中心軸線
Ｌと略平行な風Ｖａの状態から、回転方向側に偏向した
風Ｖｂを受けた場合、ブレード１０３の迎角は減少する
が、ブレード１０３の対気速度Ｗｂは増加し、その結果
ブレード１０３の推力が増加する。一方、ブレード１０
３が１８０°回転した位置では風Ｖｂはブレード１０３
の後方から吹くことになり、迎角は増加するが、対気速
度Ｗｂが減少し、その結果ブレード１０３の推力は減少
する。こうしてブレード１０３は周期的に変動する荷重
を受ける。

【０００６】これらブレード１０３に作用する推力が周
期的に変動することに起因して、ブレード１０３とハブ
１０２の接合部、ハブ１０２と主軸１０４との接合部、
主軸１０４を回転自在に支持するナセル１０５に配設さ
れた軸受部等に変動荷重が作用し、上記各部の耐久性の
低下、ひいては風車の耐久性低下を招くことが懸念され
ると共に、各部に高剛性が要求され、風車の重量増大を
招く要因となる。

【０００７】この対策として、図１０（ａ）に要部の概
要を示すように主軸１０４にブレード１０３が固設され
たハブ１０２を揺動可能に連結することにより、変動荷
重を低減させるティータードロータや、図１０（ｂ）に
示すように主軸１０４に固定されたハブ１０２にブレー
ド１０３を揺動可能に結合し、かつスプリングと空気力
と遠心力のバランスによって変動空力荷重の低減を図る
フレキシブルロータがある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】水平軸風車において、
上記ティータードロータやフレキシブルロータを用いる
ことによって地表の高さ方向における風速の速度傾斜や
偏向風の影響によるブレードに作用する推力の変動が抑
制されて、風車各部に作用する変動荷重の減少がもたら
され、風車各部の軽量化と耐久性の向上が得られる。

【０００９】しかし、上記ティータードロータは、ハブ
にダンパやブレーキ機構を配設することから、ロータの
構造が複雑であり、整備が厄介になると共に、該整備に
要するコストの増大が懸念される。

【００１０】一方、上記フレキシブルロータは、スプリ
ングと空気力と遠心力の微妙なバランスにより変動空力
荷重の低減を図ることから、機構の複雑化を招き、上記
同様整備が厄介になると共に、該整備に要するコストの
増大が懸念され、かつ遠心力の寄与が比較的大きい小型
の風車に限定される。

【００１１】従って、かかる点に鑑みなされた本発明の
目的は、簡単な構成によって推力の均一が得られ、各部
に作用する変動荷重が抑制されて耐久性に優れた水平軸
風車用ロータを提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する請求
項１に記載の水平軸風車用ロータの発明は、略水平方向
に延在するロータ回転中心軸線を中心に回転自在に支持
された主軸にロータが取付支持された水平軸風車用ロー
タにおいて、上記ロータは、上記主軸に取付支持される
ハブと、該ハブに基端が結合されたブレードとを備え、
該ブレードは、上記ハブに基端が結合され、上記ロータ
回転中心軸線と略直交するブレード捩り中心軸線に沿っ
て延在する内翼部と、該内翼部の先端に連続形成され、
かつ風圧受圧中心が上記ブレード捩り中心軸線より反回
転方向側に位置する翼端部とを備えたことを特徴とす
る。

【００１３】この請求項１の発明によると、自然風によ
って回転駆動されるロータのブレードに作用する揚力が
増大するように自然風が作用すると、該位置のブレード
の翼端部に作用する揚力が増大し、ブレード捩り中心軸
線を中心にブレードを迎角が抑制される方向に付勢して
推力を抑制する一方、ブレードに作用する揚力が減少す
るように自然風が作用するとブレードの翼端部に作用す
る揚力が減少してブレード捩り中心軸線を中心にブレー
ドを迎角が増大する方向に調整されて推力の増加が図ら
れる。

【００１４】その結果、ロータの回転に伴って発生する
推力の均一化がもたらされて円滑なロータの回転が確保
されると共に、ブレードとハブの接合部、ハブと主軸と
の接合部及び主軸を支持する軸受部に作用する変動荷重
が抑制され、該部の要求剛性が下がり、構造の簡素化が
もたらされ、上記各部の耐久性の向上、ひいては風車の
耐久性向上が得られる。また、内翼部の先端に翼端部を
形成する簡単な構造であることと相俟って、整備の簡素
化及び、整備に要するコストの低減が期待できる。

【００１５】請求項２に記載の発明は、請求項１の水平
軸風車用ロータにおいて、上記ブレードは、各々別個に
製造された内翼部と外翼部とが互いに結合されたことを
特徴とする。

【００１６】請求項２の発明によると、内翼部と外翼部
を各々個別に製造した後、内翼部に外翼部を結合してブ
レードを形成することが可能になり、ブレードの製造の
簡素化がもたらされる。

【００１７】請求項３に記載の発明は、請求項１または
２の水平軸風車用ロータにおいて、上記内翼部と翼端部
の各前縁が連続形成されると共に内翼部と翼端部の各後
縁が連続形成され、連続形成された上記前縁及び後縁が
翼端に移行するに従って順次反回転方向に傾斜すること
を特徴とする。

【００１８】請求項３の発明によると、内翼部と翼端部
の連続する前縁及び後縁を翼端方向に移行するに従って
反転方向に傾斜せしめることから、ブレードに作用する
荷重分布が滑らかに形成される。

【００１９】請求項４に記載の発明は、請求項３の水平
軸風車用ロータにおいて、上記連続形成された内翼部及
び翼端部の前縁及び後縁は、各々翼端に移行するに従っ
て順次反回転方向に傾斜するように滑らかに湾曲形成さ
れたことを特徴とする。

【００２０】請求項４の発明によると、連続形成された
内翼部及び翼端部の前縁及び後縁が滑らかに湾曲形成さ
れるとこから、請求項３の効果がより効果的に達成され
る。

【００２１】請求項５に記載の発明は、請求項１または
２の水平軸風車用ロータにおいて、上記内翼部と翼端部
の各前縁が直線状に連続形成されると共に、内翼部と翼
端部の各後縁が上記前縁と略平行な直線状に連続形成さ
れ、連続形成された前縁及び後縁が翼端に移行するに従
って上記ブレード捩り中心軸線に対して反回転方向に移
行するように傾斜すると共に、風圧受圧中心が上記ブレ
ード捩り中心軸線より反回転方向側に位置することを特
徴とする。

【００２２】請求項５の発明によると、内翼部と翼端部
の各前縁が直線状に連続形成され、かつ内翼部と翼端部
の各後縁が前縁と略平行な直線状に連続形成することか
ら、ブレードの形状の簡素化がもたらされる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明による水平軸風車用
ロータの実施の形態について図１乃至図５によって説明
する。

【００２４】図１は、水平軸風車の側面図、図２は図１
のＡ部の要部破断拡大図であって、タワー１の上端に発
電機、ギヤボックス、コントローラ等のナセル内装備品
を格納するナセル２が取り付けられ、ナセル２に略水平
方向に延在して軸支される主軸３によってロータ１０が
取付支持されている。

【００２５】ロータ１０は、主軸３の一端に取り付けら
れるハブ１１と、該ハブ１１に基端が取り付けられたブ
レード１３を備えたロータ１０であって、ブレード１３
は可撓性を有する複合材によって形成されている。

【００２６】図３は、ロータ１０の概要を示す図１のＢ
矢視図であって、ブレード１３は、基端１４ａがロータ
１２に結合され、該ロータ１０の回転中心０から半径方
向に延在する内翼部１４と、内翼部１４の先端１４ｂか
ら半径方向外方、即ち翼端１５ｃ方向に移行するに従っ
て反回転方向に傾斜して、前縁１５ｆ及び後縁１５ｒが
内翼部１４の前縁１４ｆ及び後縁１４ｒに各々連続して
延在する翼端部１５を有し、かつ図４に図３のＩ−Ｉ線
断面矢視図及びＩＩ−ＩＩ線断面矢視図を重合して示す
ように内翼部１４及び翼端部１５は、各々ロータ回転中
心軸線Ｌの延在方向に対して所定の角度傾斜して設けら
れている。

【００２７】そして、ブレード１３に作用する風Ｖが、
例えばロータ回転中心軸線Ｌと略平行な風Ｖａの状態か
ら、回転方向に偏向した風Ｖｂを受けた場合、ブレード
１３の内翼部１４の迎角は減少するがブレード１３の対
気速度Ｗｂは増加するため揚力は増大し、翼端部１５の
風圧受圧中心Ｇが、ブレード捩り中心軸線ａに対してブ
レード１３の反回転方向、換言すると後縁１３ｒ側に偏
倚して設定されることから、翼端部１５に作用する揚力
が増大され、翼端部１５にブレード捩り中心軸線ａを中
心とする上記迎角を減少せしめる方向の荷重Ｆが増大す
る。

【００２８】この荷重Ｆの増大によって、ブレード１３
が実線で示す状態から一点鎖線１３ａで示すようにブレ
ード捩り中心軸線ａを中心に捩れ、この結果、内翼部１
３の迎角が減少することにより揚力減少してブレード１
３の推力が抑制される。

【００２９】一方、ブレード１３が１８０°回転した位
置では風Ｖｂはブレード１３の後方から吹くことにな
り、ブレード１３の内翼部１４の迎角は増大するがブレ
ード１３の対気速度Ｗｂは減少するため揚力が減少し、
翼端部１５の風圧受圧中心Ｇが、ブレード捩り中心軸線
ａに対してブレード１３の反回転方向に偏倚して設定さ
れることから、翼端部１５に作用する揚力が減少され、
翼端部１５にブレード捩り中心軸線ａを中心とする上記
迎角を増大せしめる。これにより内翼部１３の迎角が増
大してブレード１３の推力の減少が抑制される。

【００３０】この結果、ブレード１３に発生する推力の
変動が抑制されてロータ１０の回転に伴って発生する変
動荷重が小さくなる。

【００３１】従って、ブレード１３とハブ１１の接合
部、ハブ１１と主軸３との接合部、及び主軸３を回転自
在に支持する軸受部に作用する変動荷重が抑制されて該
部の要求剛性が下がり、該部の構造の簡素化が可能にな
ると共に、上記各部の軽量化と耐久性の向上、ひいては
風車１の軽量化と耐久性向上が確保される。また、ブレ
ード１３の先端、即ち内翼部１４の先端１４ｂに一体的
に翼端部１５を形成する簡単な構造であることと相俟っ
て、整備の簡素化が得られると共に、整備に要するコス
トの低減が期待できる。

【００３２】また、図４に二点鎖線Ｖｃで示すように風
が偏向する場合においても、更に高所及び低所において
風速が異なる速度傾斜に起因して発生する周期的な推力
の変動に対処することができる。

【００３３】本発明は、上記実施の形態に限定されるこ
となく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能
である。

【００３４】例えば、ロータ１０のブレード１３は、図
５に図３と対応する部分に同一符号を付することで詳細
な説明は省略するが、図５（ａ）に示すように、内翼部
１４と翼端部１５を各々別個に製造し、内翼部１４の先
端１４ｂに翼端部１５を結合することによって、内翼部
１５及び翼端部１５の製造の簡素化を図り、ブレード１
３の製造の簡素化を図ることも可能であり、また既存の
ブレードに翼端部１５を追加的に取り付けることも可能
である。

【００３５】また図５（ｂ）に示すように内翼部１４及
び翼端部１５の前縁１４ｆ、１５ｆ、後縁１４ｒ、１５
ｒを翼端１５ｃの近傍で、翼端１５ｃ側に移行するに従
って段階的に順次反回転方向に傾斜移行するように折り
曲げ形成することも可能であり、更に、図５（ｃ）に示
すように内翼部１４及び翼端部１５の前縁１４ｆ、１５
ｆ及び後縁１４ｆ、１５ｆを滑らかに連続する湾曲に形
成することも可能であり、これら図４の（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）においては、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の
順に従ってブレード１３に作用する荷重及び、荷重分布
が滑らかに形成される。

【００３６】更に、図５（ｄ）に示すように、直線的な
前縁１４ｆ及び後縁１４ｒを有する内翼部１４と、上記
前縁１４ｆ及び後縁１４ｒに連続する前縁１５ｆ、後縁
１５ｒを有する翼端部１５を一体的に形成して連続する
ブレード１３を形成し、該ブレード１３を翼端１５ｃ方
向に移行するに従って反回転方向側へ移行するようにブ
レード捩り中心軸線ａに対して傾斜するようにハブ１１
に取り付けてロータ１０を形成することによって、ロー
タ１０の形状の簡素化及びロータ１０の製造の簡素化を
図ることも可能である。

【００３７】

【発明の効果】以上説明した本発明による水平軸風車用
ロータによると、ブレードに流入する風速が増大したと
き、ブレードの揚力は増大しようとするが、ブレードの
後退した翼端部の揚力も増大するため、翼端部の揚力に
よりブレードが捩られて迎角が減少してブレードの揚力
が抑制され、ブレードに流入する風速が減少するとブレ
ードの揚力は減少しようとするがブレードの後退した翼
端部の揚力も減少するため、ブレードのねじれモーメン
トが減少して迎角が増大して揚力の減少が抑制され、こ
うしてブレードの推力の変動が抑制される。

【００３８】推力の均一化に伴って、ブレードとハブの
接合部、ハブと主軸との接合部及び主軸を支持する軸受
部に作用する変動荷重が抑制され、構造の簡素化が可能
になり、かつ各部の軽量化と耐久性の向上がもたらされ
る。また、内翼部の先端に翼端部を形成する簡単な構造
であることと相俟って、整備の簡素化及び、整備に要す
るコストの低減が期待できる等水平軸風車の利用分野に
貢献すること大なるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による水平軸風車用ロータの実施の形態
を説明する水平軸風車の概要を示す側面図である。

【図２】図１におけるＡ部の要部破断拡大図である。

【図３】ロータの概要を示す図１のＢ矢視図である。

【図４】図３のＩ−Ｉ線断面矢視図及びＩＩ−ＩＩ線断
面矢視図を重合して示すロータの説明図である。

【図５】本発明によるロータの変形例を示す説明図であ
る。

【図６】従来の水平軸風車の概要を示す側面図である。

【図７】地表の高さ方向の風速速度傾斜を説明するグラ
フである。

【図８】従来の水平軸風車のブレードに発生する推力を
示す説明図である。

【図９】従来の水平軸風車のブレードに発生する推力を
説明する図６のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。

【図１０】従来の水平軸風車に用いられるロータの説明
図であり、（ａ）はティータードロータの要部説明図、
（ｂ）はフレキシブルロータの要部説明図である。

【符号の説明】

３ 主軸 １０ ロータ １１ ハブ １３ ブレード １４ 内翼部 １４ａ 基端 １４ｂ 先端 １４ｆ 前縁 １４ｒ 後縁 １５ 翼端部 １５ｃ 翼端 １５ｆ 前縁 １５ｒ 後縁 Ｌ ロータ回転中心軸線 ａ ブレード捩り中心軸線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 永尾 徹 東京都新宿区西新宿１丁目７番２号 富士 重工業株式会社内 Ｆターム(参考） 3H078 AA02 BB12 BB18 BB19 CC02 CC13 CC22

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 略水平方向に延在するロータ回転中心軸
   線を中心に回転自在に支持された主軸にロータが取付支
   持された水平軸風車用ロータにおいて、 上記ロータは、 上記主軸に取付支持されるハブと、 該ハブに基端が結合されたブレードとを備え、 該ブレードは、 上記ハブに基端が結合され、上記ロータ回転中心軸線と
   略直交するブレード捩り中心軸線に沿って延在する内翼
   部と、 該内翼部の先端に連続形成され、かつ風圧受圧中心が上
   記ブレード捩り中心軸線より反回転方向側に位置する翼
   端部とを備えたことを特徴とする水平軸風車用ロータ。
2. 【請求項２】 上記ブレードは、 各々別個に製造された内翼部と外翼部とが互いに結合さ
   れたことを特徴とする請求項１に記載の水平軸風車用ロ
   ータ。
3. 【請求項３】 上記内翼部と翼端部の各前縁が連続形成
   されると共に内翼部と翼端部の各後縁が連続形成され、
   連続形成された上記前縁及び後縁が翼端に移行するに従
   って順次反回転方向に傾斜することを特徴とする請求項
   １または２に記載の水平軸風車用ロータ。
4. 【請求項４】 上記連続形成された内翼部及び翼端部の
   前縁及び後縁は、各々翼端に移行するに従って順次反回
   転方向に傾斜するように滑らかに湾曲形成されたことを
   特徴とする請求項３に記載の水平軸風車用ロータ。
5. 【請求項５】 上記内翼部と翼端部の各前縁が直線状に
   連続形成されると共に、内翼部と翼端部の各後縁が上記
   前縁と略平行な直線状に連続形成され、連続形成された
   前縁及び後縁が翼端に移行するに従って上記ブレード捩
   り中心軸線に対して反回転方向に移行するように傾斜す
   ると共に、風圧受圧中心が上記ブレード捩り中心軸線よ
   り反回転方向側に位置することを特徴とする請求項１ま
   たは２に記載の水平軸風車用ロータ。