WO2005116446A1

WO2005116446A1 - 垂直軸風車用ブレードおよび垂直軸風車

Info

Publication number: WO2005116446A1
Application number: PCT/JP2005/009538
Authority: WO
Inventors: Tadashi Yokoi
Original assignee: Intellectual Property Bank Corp
Current assignee: Intellectual Property Bank Corp
Priority date: 2004-05-27
Filing date: 2005-05-25
Publication date: 2005-12-08
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Also published as: US20070224029A1; EP1757806A1; JPWO2005116446A1

Abstract

　風車が始動する際の自己始動性を高く保ちつつ、回転開始後には高速回転可能で、出力係数の良好な垂直軸風車を提供する。垂直軸風車１０のブレード翼型下面に切欠き部分１９を設け、該切欠き部分１９の最大切欠き深さ位置からブレード１８の後縁側に向かって外側に凸の形状の境界層再付着部分１９ａを備えた。例えば、切欠き部分１９の最大切欠き深さｈは、翼断面の最大翼厚ｔに対して、０．２ｔ≦ｈ≦０．７ｔに設定するとともに、切欠き部分１９の最大深さ位置からブレード１８の後縁側に向かって外側に凸の形状の境界層再付着部分を有する。また、翼弦長Ｃのブレード１８の前縁から０．４５Ｃ乃至０．７Ｃの位置を切欠き開始点とし、ブレード１８の後縁から０．１５Ｃ乃至０．３５Ｃの位置を切欠き終了点とすることが望ましい。

Description

明細書

垂直軸風車用ブレードおよび垂直軸風車

技術分野

[0001] 本発明は、対称翼型または非対称翼型のブレードを有する揚力形垂直軸風車の始動機構に関する。背景技術

[0002] 従来、ブレードが低、レイノルズ数で高、揚力係数を有する翼型であって、該翼下面の後縁部に切欠部が形成される風力発電用の風車が知られている。

[0003] 該風力発電用の風車では、いかなる風速および風向からの風でも、特に起動時や、風の弱い低風域でも、抗カ型風車の特性と揚力型風車の特性を効果的に組み合わせたことによって、ブレード、即ち風車を効率よく回転させることができるとされている。（例えば、特許文献 1参照）

[0004] 一方、流れの流路が段差によって急拡大する場合 (後方ステップ流れと言う）、段差による境界層の剥離が発生するが、ある一定距離に達すると剥離した境界層が再付着することが知られている (非特許文献 1、非特許文献 2、非特許文献 3、非特許文献 4、非特許文献 5参照)。

特許文献 1 :特開 2004— 108330号公報（第 1—5ページ、第 1—4図）

非特許文献 1 :福島千晴、外 3名、「傾斜した後方ステップ流れに関する実験的研究（再付着領域) J、日本機械学会流体工学部門講演会講演論文集、社団法人日本機械学会、 2003年 9月 19日

非特許文献 2 :東北学院大学ホームページ「適切な視覚的効果による流れの把握」、 [online] , [平成 16年 4月 15日検索]、インターネットく http：〃 www.mech.tohoku- ga kuin.ac.jp/ simiab/ cysim/ study/ flowvis.html >

非特許文献 3 :篠原聡仁、外 2名、岡山大学環境理工学部ホームページ「複雑な物体表面上の流れに関する数値流体解析」、 [online] , [平成 16年 4月 15日検索]、 Ίンタ' ~~ネット http://www.dvil. okayama—u.ac.jp/ analysis/ ga kai/ sinohara.pdr 非特許文献 4:「機械工学便覧」、新版、 1987年 4月 15日、社団法人日本機械学会、 A5— 43頁〜 A5— 44頁

非特許文献 5 :株式会社富士総合研究所 HP、「バックステップ流れシミュレーション結果」、 [online] , [平成 16年 4月 15日検索]、インターネットく http：〃 www.foji- ric.c o.jp/prom/fukuzatsu/lga/result/Dsresult.html>

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] 特許文献 1記載の風力発電用の風車では、いかなる風速および風向からの風でも、特に起動時や、風の弱い低風域でも、抗カ型風車の特性と揚力型風車の特性を効果的に組み合わせたことによって、ブレード、即ち風車を効率よく回転させることができるとされている。

[0006] 図 15は、従来のブレード周りの空気の流れを示す図である。図 15に示すように、従来のブレードの翼型では、翼下面の切欠部が大きく段差が高いため、翼の回転時に切欠き部内に揚抗比を悪化させる渦が発生し易ぐ該渦が発生した場合剥離した境界層が再付着しにくい状態になり、揚力が発生するために必要な流線の流れとならず、風車が回転する際出力性能の低下が発生するという不具合が生ずる可能性が高い。

[0007] また、境界層が再付着したとしても、流れの上流から見て再付着面が緩やかな弓なり状にせり上がっているので、流れは傾斜した斜面に衝突するかたちになる。そのため、再付着点における流れは滑らかな方向転換ができず、衝突による新たな渦や流線の乱れを生じる。その結果、揚力の低下と抗力の増大を招いて風車の出力性能が著しく低下すると、う不具合を生じる可能性が高、。

[0008] また、翼の素材として薄板状のものを用い、該素材を曲げて流線型の翼型に形成されて、るため、強度的に弱、と、う不具合が生ずる。

[0009] また、従来のサボ-ウス型風車の場合には、抗カ型の風車であるため周速比（ブレ一ドの翼端速度 Z風速）が 1以上になると、風車をそれ以上に回すモーメントが発生せず、風速があがってもそれ以上の回転数を得ることができな、と、う不具合が生じていた。

[0010] また、サボ二ウスとダリウスの風車の特徴を合わせたノ、イブリット型風車の場合には、風車の構造が複雑になり風車の製作に手間とコストがかかるとともに、ブレードが周速比 1以上の高速で回転するときには、抗カ型の風車部分に回転と逆向きの抗力が発生し、出力係数力、さくなると、う不具合を生じて、た。

[0011] そこで、本発明は上記従来の状況に鑑み、翼の切欠部を必要最小限に抑えることにより、渦流の発生を小さくして抗力の少ない垂直軸風車用ブレードを提供することを目的としている。また本発明は、境界層の剥離の発生による翼の周りの空気の流れの歪を抑制することにより、風車が回転する際の自己始動性を高く保ちつつ、回転始動後であっても高回転を発生することが可能な、垂直軸風車を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0012] 上記課題を解決するため本発明は、垂直軸風車のブレード翼型腹面又は背面に切欠き部分を設け、該切欠き部分の最大切欠き深さ位置力ブレードの後縁側に向かって外側に凸の形状の境界層再付着部分を備えたことを特徴とする。

[0013] また、上記課題を解決するため本発明は、最大翼厚 tの垂直軸風車のブレード翼型腹面又は背面に切欠き部分を設け、該切欠き部分の最大切欠き深さを 0. 2t乃至 0. 7tに設定するとともに、前記切欠き部分の最大深さ位置力ブレードの後縁側に向かって外側に凸の形状の境界層再付着部分を備えたことを特徴とする。

[0014] また、上記課題を解決するため本発明は、垂直軸風車の翼弦長 Cのブレード翼型腹面又は背面に、ブレード前縁から 0. 45C乃至 0. 7Cの位置を切欠き開始点とする切欠き部分を設け、該切欠き部分の最大切欠き深さ位置力ブレードの後縁側に向かって外側に凸の形状の境界層再付着部分を備えたことを特徴とする。

[0015] また、上記課題を解決するため本発明は、垂直軸風車の翼弦長 Cのブレード翼型腹面又は背面に、ブレード後縁から 0. 15C乃至 0. 35Cの位置を切欠き終了点とする切欠き部分を設け、該切欠き部分の最大切欠き深さ位置からブレードの後縁側に向かって外側に凸の形状の境界層再付着部分を備えたことを特徴とする。

[0016] また、上記課題を解決するため本発明は、垂直軸風車のブレードを、ブレード翼型腹面又は背面に切欠き部分を設けた低速用ブレード部分と、切欠き部分を設けなヽ通常の翼型断面を有する高速用ブレード部分とから構成したことを特徴とする。 [0017] また、上記課題を解決するため本発明は、垂直軸風車のブレードを、ブレード翼型腹面又は背面に切欠き部分を設けるとともに該切欠き部分の最大切欠き深さ位置からブレードの後縁側に向力つて外側に凸の形状の境界層再付着部分を有する低速用ブレード部分と、切欠き部分を設けない通常の翼型断面を有する高速用ブレード部分とから構成したことを特徴とする。

発明の効果

[0018] 本発明によれば、ブレード翼型腹面又は背面に切欠き部分を設け、該切欠き部分の最大切欠き深さ位置力ブレードの後縁側に向力つて外側に凸の形状の境界層再付着部分を備えたので、風車始動時には翼後縁からの追い風が切欠き室深部へ引き込まれて翼を押す抗力が増えて自己始動能力が高まり、昇速後周速比が 1より高くなつて風が前縁から流入した場合には、切欠き部開始点で剥離した境界層が、流れの非常に緩やかな方向転換を伴いながら翼面に再付着する。これによつて切欠きのな、正規の翼型に近、揚力性能を得ることができる。

[0019] また本発明によれば、最大翼厚 tの垂直軸風車のブレード翼型腹面又は背面に切欠き部分を設け、該切欠き部分の最大切欠き深さを 0. 2t乃至 0. 7tに設定するとともに、前記切欠き部分の最大深さ位置力もブレードの後縁側に向力つて外側に凸の形状の境界層再付着部分を備えたので、追い風を受けるときに切欠き部分に抗カを発生しつつ、周速比 1が以上になって揚力型風車として機能する際に切欠き部分の大きさにともなって増加する出力係数の低下を減少させることができる。

[0020] また本発明によれば、翼弦長 Cのブレード翼型腹面又は背面に、ブレード前縁から 0. 45C乃至 0. 7Cの位置を切欠き開始点とする切欠き部分を設け、該切欠き部分の最大切欠き深さ位置力ブレードの後縁側に向力つて外側に凸の形状の境界層再付着部分を備えたので、ブレードの揚抗比を確保しつつ、ブレードと支持アームとを固定する領域を広く取ることができる。

[0021] また本発明によれば、翼弦長 Cのブレード翼型腹面又は背面に、ブレード後縁から 0. 15C乃至 0. 35Cの位置を切欠き終了点とする切欠き部分を設け、該切欠き部分の最大切欠き深さ位置力ブレードの後縁側に向力つて外側に凸の形状の境界層再付着部分を備えたので、正規の翼型面をブレード後縁部分に残すことにより、ブレード後縁付近の腹側翼流れを切欠き部分のないときの正規の流れ状態に近づけ、標準翼型本来の揚力性能に近づけることができる。

[0022] また本発明によれば、垂直軸風車のブレードを、ブレード翼型腹面又は背面に切欠き部分を設けた低速用ブレード部分と、切欠き部分を設けない通常の翼型断面を有する高速用ブレード部分とから構成したので、始動時には低速用ブレードの切欠き部分に発生する抗カにより始動容易にすることができ、周速比が 1以上の場合は、切欠き部分のな、通常の翼型の空気の流れにより発生する揚力により出力係数の高 Vヽ垂直軸風車を提供することができる。

[0023] また本発明によれば、垂直軸風車のブレードを、ブレード翼型腹面又は背面に切欠き部分を設けるとともに該切欠き部分の最大切欠き深さ位置力ブレードの後縁側に向力つて外側に凸の形状の境界層再付着部分を有する低速用ブレード部分と、切欠き部分を設けない通常の翼型断面を有する高速用ブレード部分とから構成したので、始動時には低速用ブレードの切欠き部分に発生する抗力により始動容易にすることができるとともに、周速比 1以上のときに切欠き部分に発生する出力係数の低下を少なくすることができる。また、周速比が 1以上の場合には、切欠き部分のない通常の翼型を有するブレードに発生する揚力により、出力係数の高い垂直軸風車を提供することができる。

図面の簡単な説明

[0024] [図 1]垂直軸風車の外観斜視図である。

[図 2]垂直軸風車の断面図である。

[図 3]低速用ブレードの翼型断面を示す図である。

[図 4]低速用ブレード部分が後縁側から追い風 Wbを受けた場合の様子を示す図である。

[図 5]低速用ブレード部分が前縁側から向かい風 Wfを受けた場合の空気の流れの様子を示す図である。

[図 6]翼型周りの空気の流れを示す図である。

[図 7]向かい風 Wfが低い風速の場合の低速用ブレード周りの空気の流れを示す図である。 [図 8]向かい風 Wfが高い風速の場合の低速用ブレード周りの空気の流れを示す図である。

[図 9]低速用ブレード部分の割合と垂直軸風車の出力係数と始動風速との関係を示す図である。

[図 10]境界層再付着部分に直線部分を含む低速用ブレードの翼型断面を示す図である。

圆 11]境界層再付着部分に直線部分を含まない低速用ブレードの翼型断面を示す図である。

圆 12]対称翼型ブレードの背側に切欠きを設けたブレード断面を示す図である。圆 13]対称翼型ブレードの背側に切欠きを設けた風車の始動トルク発生の様子を示す図である。

[図 14]低速用ブレード部分を含むブレード 18の翼中央スパン方向断面図である。

[図 15]従来のブレード周りの空気の流れを示す図である。

符号の説明

8 ポール

10 垂直軸風車

12 装着部

14 内輪側固定軸

16 発電機

17 外輪側回転体

18 ブレード

18a 低速用ブレード部分

18b 高速用ブレード部分

19 切欠き部分

19a 境界層再付着部分

20 支持アーム

22 外輪スリーブ

24 トルク伝達キャップ 26 増速機

28 カップリング

29 電力線

30a, 30b、 30c 軸受

80、 81、 82 ノ、ブ

A 切欠き開始点

B 切欠き終了点

C 翼弦長

D 翼背面

E 翼腹面

F 境界層再付着点

発明を実施するための最良の形態

[0026] 以下、本発明に係る垂直軸風車用ブレードおよび垂直軸風車の構造について説明する。まず、本発明の第 1の実施の形態の垂直軸風車用ブレードおよび垂直軸風車について説明する。

[0027] 図 1は、垂直軸風車の外観斜視図である。図 1に示すように、垂直軸風車 10には、垂直軸風車 10を電柱その他のポール 8に装着する装着部 12と、装着部 12に対して回転する外輪側回転体 17とを設けてある。

[0028] 外輪側回転体 17には、風速を揚力に変換して回転トルクを発生するブレード 18と、ブレード 18を上、中、下の 3箇所で保持する流線形断面を有し揚力を発生することが可能な支持アーム 20と、外輪側回転体 17の回転軸となる外輪スリーブ 22に結合して各支持アーム 20を固定する上、中、下のハブ 80、 81、 82と、ハブ 80及び 81から回転トルクを発電機 16 (図 2参照）に伝達するトルク伝達キャップ 24とを設けてある。なお同図に示す例では、外輪側回転体 17に 5枚のブレード 18を設けた例で示してあるが、ブレード 18の枚数は 2枚、 3枚、 4枚であってもよい。

[0029] 図 1に示す例ようにブレード 18は、周速比が低い領域で追い風による抗カを発生して高い出力係数を得ることが可能な切欠き部分 19をブレード翼型腹面又は背面に有する低速用ブレード部分 18aと、周速比が高い領域で高い出力係数を得ることが可能な翼型断面 (切欠き部分 19を設けない通常の翼型断面)を備えた高速用ブレード部分 18bとから構成している。

[0030] 本発明では、風速比が 1以下の送り風の場合に抗カ形風車として機能することも可能な低速用ブレード部分 18aを設けたので、垂直軸風車 10の外輪側回転体 17の始動性が向上する。また、低速用ブレード部分 18aに設けた最大切欠き深さ hや、低速用ブレード部分 18aの長さ Laを調節することにより、始動風速の低さに重点を置いた設計にしたり出力係数の大きさに重点を置、た設計にすることが可能となり、ある、は前記二つの特性が許容レベル以上に両立するような最適構造を容易に見つけて設定することができる。

[0031] 図 2は、垂直軸風車の断面図である。図 2に示すように、垂直軸風車 10には、軸受 30a、 30b、 30cを介して外輪スリーブ 22を回動可能に支持する片持式の内輪側固定軸 14を設けてある。片持式の内輪側固定軸 14の開放端側には、発電機 16を設置している。風がブレード 18に当たることによってブレード 18に回転トルクが発生し、その回転トノレクは支持アーム 20、 20、 20を介してノヽブ 80、 81、 82に伝達される。ノヽブ 80、 81、 82に伝えられた回転トルクは、トルク伝達キャップ 24、カップリング 28、増速機 26を介して発電機 16の回転軸に伝達され、電力を発電する。同図に示す例では、カップリング 28に非接触形の磁気式カップリングを用いて、る。

[0032] トルクを伝達するにあたり、特に磁気式カップリングを用いることによって、カップリング用のディスクがカップリング機構本体と直接接触することなく空隙を保ちながら磁力によって回転運動を増速機 26側へ伝達するので、カップリングの入出力両軸間の芯ずれの許容度が大きぐ伝達キャップ 24や増速機又は発電機軸受に対して芯ずれによる反力力生まれる負荷が過大に力かることなぐほぼ完全に回転トルクのみを伝達することが可能となる。

[0033] 図 2に示す例では内輪側固定軸 14は、装着部 12を介してポール 8と固定されており、回転しない構造となっている。したがって、慣性モーメントなどを気にせずに内輪側固定軸 14を、橈みの少ない断面係数の大きな太い寸法に設計することが容易に可能である。これにより内輪側固定軸 14を中空構造とすることが可能となるので、発電機 16に接続する電力線 29や各種の制御線を内輪側固定軸 14の内部に配線することち可會となる。

[0034] 従来の垂直軸風車では、発電機を風車ロータの下方に設置し、歯車伝達機構を介して風車ロータの回転トルクを伝達している例が多い。図 2に示すように、回転体を外輪側にする構造では、片持構造の内輪側固定軸 14を外輪側回転体 17の上部まで貫通させることが可能なので、内輪側固定軸 14の先端に発電機 16とユニット型の増速機 26とを無理なく配置する設計を行なうことが可能となる。また、発電機 16や増速機 26、カップリング 28を風雨力も保護するカバーとしての機能を、回転トルクを伝達するトルク伝達キャップ 24が受け持つことが可能となる。

[0035] 図 3は、反りのある翼型について低速用ブレード部分に切欠きを設けたときの翼型断面を示す図である。

[0036] 図 3に示すように、低速用ブレード部分 18aには、周速比が 1以下の領域で追い風 Wbにより大きな抗カを発生する切欠き部分 19を設けてある。この切欠き部分 19は、翼弦長 Cに対してブレード前縁から 0. 45C乃至 0. 7Cの位置（同図に示す切欠き開始点 A)から開口することが望ましい。またこの切欠き部分 19は、ブレード後縁から 0 . 15C乃至 0. 35Cの位置（同図に示す切欠き終了点 B)まで開口することが望ましい。切欠き終了点 B以降からブレード後縁までは、正規の翼型断面の腹形状を残している。

[0037] また図 3に示すように、低速用ブレード部分 18aの内部は軽量ィ匕のための肉抜きを行なっている。低速用ブレード部分 18aの切欠き部分 19や肉抜き部分の形状は、低速用ブレード部分 18aの長手方向に同一形状でよいので、低速用ブレード部分 18a を押出加工にて成形することが可能である。

[0038] 図 3に示すように切欠き部分 19は、切欠き部分 19内での渦流れの流線を滑らかにするために、切欠き開始点 A力も翼断面の内側前縁方向に向力つて外側に凹の形状になるように切り欠いてある。切欠き部分 19の最大切欠き深さ hは、翼断面の最大翼厚 tに対して、 0. 2t≤h≤0. 7tに設定するとよい。また切欠き部分 19の後半域には、最大切欠き深さ h位置力もブレード 18aの後縁側に向かって (切欠き終了点 B方向に向かって）、外側に凸の形状の境界層再付着部分 19aを設けてある。

[0039] 切欠き部分 19の最大切欠き深さ hの量は、垂直軸風車 10の始動を容易にするために、周速比力 ^以下の領域で追い風 Wbにより発生する抗力の大きさを調節する部分である。最大切欠き深さ hを深く設定すると、追い風 Wbを受ける受風面積が増大するので、周速比力 ^以下の領域で回転トルク（始動トルク）が増大し、垂直軸風車 1 0の外輪側回転体 17の始動が容易になると、う利点がある。

[0040] しかし、あまり最大切欠き深さ hを深く設定すると、周速比が 1以上になって揚力形の風車として機能する際にブレード 18aの抗力が大きくなり、風車としての出力係数が低下すると、う不具合が発生する。ブレード 18に発生する抗カはブレード 18に当たる向かい風 Wfの二乗に比例して増大し、ブレード 18に発生する揚力も向かい風 Wfの二乗に比例して増大するので、ブレード 18の抗カ係数を減少させることが垂直軸風車 10の出力係数を高める上で重要な課題となっている。

[0041] 特許文献 1 (特開 2004— 108330号公報）に記載されているブレードでは、最大翼厚 tのほぼ 100%を切欠き部分として用いている力本発明では、切欠き部分 19の最大切欠き深さ hを、翼断面の最大翼厚 tに対して、 0. 2t乃至 0. 7tに設定している。したがって本発明に係るブレード 18aは、特許文献 1に記載のブレードと比較して、抗力が 30%乃至 80%近く低減する可能性がある。ゆえに、ブレード 18aの揚力べタトルカも抗カベクトルを差し引いた力によって生ずるブレード 18aの回転トルク性能を、従来のブレードよりも著しく改善することが可能となる。

[0042] また、切欠き開始点 Aで剥離した境界層は最大切欠き深さ hにほぼ比例した地点で再付着するので、前記 hを浅くすることによって境界層を確実にブレード 18aの後縁に至る手前で翼表面に再付着することができる。その結果、再付着点以降に正規の翼型面が残っているので、再付着点以降の空気の流れを正規の流れ状態に近づけることが可能となり、正規の揚力性能に近づけることが可能となる。

[0043] 最大切欠き深さ hが深ぐ向かい風 Wfの風速が速い場合には、切欠き開始点 Aで剥離した境界層が翼表面に再付着しないままブレード 18aの後縁に至る可能性がある。この場合には、切欠き部分 19に発生する不連続な渦などによる逆流がブレード後縁以降の流れを乱してしまい、ブレードの揚力性能に著しい悪影響を与える可能性がある。本発明では、より広い流速域で境界層が再付着するように、最大切欠き深さ hや切欠き開始点 A、切欠き終了点 Bの範囲を定めている。 [0044] 切欠き部分 19の切欠き開始点 Aの位置を前縁にあまり近づけると、翼流れの出発点とも言うべき前縁部周辺の流れに微妙な影響を与え、その後の流れに大きな影響を与えるので、低速用ブレード部分 18aが揚力型ブレードとして機能する際にブレードの揚力特性と抗カ特性カゝら決まる風車性能を低下させる。また、切欠き部分 19の切欠き開始点 Aを前縁方向にあまり近づけると、低速用ブレード部分 18aと支持ァーム 20とを固定するための領域が狭くなり、支持アーム 20の取付構造上も不利になる

[0045] 切欠き部分 19の切欠き開始点 Aの位置を前縁から十分遠ざければ、翼流れの出発点とも言うべき前縁部周辺の流れには影響を与えることがなぐ低速用ブレード部分 18aが揚力型ブレードとして機能する際にブレード本来の揚力特性と抗カ特性を維持できる。また、切欠き部分 19の切欠き開始点 Aを前縁から十分遠ざければ、低速用ブレード部分 18aと支持アーム 20とを固定するための領域を広く取ることが可能となり、支持アーム 20の取付構造上有利となる。

[0046] 切欠き部分 19の切欠き終了点 Bの位置を切欠き開始点 Aにあまり近づけ過ぎると、風車始動時において低速用ブレード部分 18aの後縁からの追い風が切欠き内部に十分引き込まれず翼を押す抗力が低下して風車の始動性が悪くなる。

[0047] 切欠き部分 19の切欠き終了点 Bの位置を切欠き開始点 Aから遠ざけてあまり後縁に近づけ過ぎると後縁手前の翼壁面を流れる距離が短くなるので、切欠き部分 19で発生した流れの逆流と渦および境界層再付着点での流れの方向変化などによる流れの乱れが後縁部においても残り、後縁周辺の流れ状態に悪影響を与える。その結果、翼の揚力性能が低下する。切欠き終了点 Bから後縁までの距離が十分あれば、翼面の流れは本来の流れに回復した状態で後縁に至り翼本来の揚力性能が維持される。

[0048] この切欠き終了点 Bの位置は、最大切欠き深さ hの寸法やブレード 18の外側を流れる気流の速度、最大切欠き深さ h部分以降切欠き終了点 Bまでの凸型の形状などに応じて決定するとよい。切欠き終了点 Bをブレード後縁から 0. 15C乃至 0. 35Cの位置に設定して、正規の翼型の面をブレード後縁部分に残すことによって、ブレード後縁付近の腹側翼流れを正規の流れ状態に近づけ、標準翼型本来の揚力性能に近づけることが可能となる。

[0049] 図 4は、本発明に係る低速用ブレード部分が後縁側から追、風 Wbを受けた場合の様子を示す図である。同図に示すように、低速用ブレード部分 18aが後縁側力も追い風 Wbを受けると、その風は切欠き部分 19に流れ込むので、ここで発生する抗カにより低速用ブレード部分 18aを前進させる力 Fbが発生する。この力 Fbが外輪側回転体 17の回転力となり、風速比が低い領域での始動トルクとなる。したがって、風速が低い場合であっても、外輪側回転体 17が回転しやすくなり、垂直軸風車 10の始動性が向上する。

[0050] 図 5は、反りのある翼型について低速用ブレード部分に切欠きを設けたとき前縁側力向かい風 Wfを受けた場合の空気の流れの様子を示す図である。

図 5に示すように、低速用ブレード部分 18aの回転速度が上昇して前縁側から向かい風 Wfを受けると、その風は低速用ブレード部分 18aの前縁でブレード 18aの腹面と背面とに分かれて流れる。ブレードの背面に流れる空気は、通常の翼型背面を流れる空気と同様に流速が増して負圧となり、低速用ブレード部分 18aには揚力 FLが発生する。この揚力 FLが低速用ブレード部分 18aの推進力 Ffを生み、外輪側回転体 17に回転トルクが発生する。

[0051] ブレードの腹面に流れる空気は、切欠き開始点 Aまでは通常の翼型を流れる空気と同様に流れるが、切欠き開始点 Aを過ぎると切欠き部分 19内に渦を発生させ、その後に、外側に凸形状の境界層再付着部分 19aがあり、 A点で剥離した境界層はここで再付着する。外側に凸形状の境界層再付着部分 19aに境界層が再付着した後は、気流はそのまま後縁に向力つて流れ、再びブレードの背面を流れてきた空気と合流する。このようにブレード翼型腹面を流れる空気も安定して流れるので、切欠き部分 19を有していても低速用ブレード部分 18aの抗カ係数は低ぐ垂直軸風車としての出力係数を高く維持することが可能となる。

[0052] 図 6は、反りのある翼型について翼型回りの空気の流れを示す図である。図 6に示すように翼型により発生する揚力は、翼背面 Dの空気の圧力が翼下面 Eの空気の圧力よりも負圧になるため発生するものである。そのためには、翼の背面と腹面を流れる空気の主流が翼型力決まる本来の流線を描かなければならな、。中でも前縁近傍の流れと後縁近傍力も後縁後に至る流れは、翼周りの循環ならびに翼背面，腹面の静圧分布に大きく影響するので、それらを切欠きの無、翼型本来の流れに少しでも近づけることが高速運転における揚力性能の維持のためとくに重要である。

[0053] 本発明の場合、低速用ブレード 18aの翼型の腹面又は背面に切欠き部分 19を設けているために、低速用ブレード 18aの翼型の周りに発生する空気の流れ力低速のときと高速のときとで相違することが考えられる。

以下、向い風 Wfが低速の場合と高速の場合における翼型周りの空気の流れについて考察してみる。

[0054] 図 7は、反りのある翼型にっ、て、向力、風 Wfが低、風速の場合における低速用ブレード周りの空気の流れを示した図である。

[0055] 図 7に示すように、垂直軸風車 10のブレード 18に当る向い風 Wfが低速の場合には、翼腹面の空気は境界層を持ちながら翼腹面を流れていくが、図 7に示す A点において境界層の剥離が発生し、主流は僅かに切欠き部分の 19寄りに方向を変えて進むものと考えられる。その後に境界層は、翼型の後方部（図 7の Fに示す部分）に再付着し、主流は翼下面沿いに流れて後縁に至ると考えられる。

[0056] ステップ流れにおける境界層が再付着することについては、非特許文献 1の「3.実験結果と考察」の結論部分にも実験結果とともに記載されて、る。非特許文献 1によれば、主流速度 12mZsecのとき段差の 5. 5倍で再付着が発生するとされている。本発明に係る低速用ブレード 18aに使用されて、る翼型の切欠き部分 19は単純な段差ではないので、最大切欠き深さ hの 5. 5倍以内の距離で再付着すると考えられる。

[0057] この時の翼型腹面における空気の流れは、切欠き部分がない通常の翼型の周りに発生する空気の流れと相違し、多少流線が曲がった流れとなると考えられる。

[0058] 翼に発生する揚力は、切欠き部分 19がない通常の翼型の場合に最も効果的に発生するため、低速用ブレード 18aに使用される翼型のように、多少流線が曲がった空気の流れが発生する場合には、翼腹面 Eを流れる主流の流線が変化し本来の流線から逸脱するので、翼に発生する揚力は多少減少すると考えられる。また、切欠き部分 19内には主流力も分かれた流れによる渦流が発生し、ブレードの回転対してマイナスとなる抗カを増カロさせると考えられる。

[0059] しかし、本発明に係る低速用ブレード 18aに使用される翼型は、翼腹面に切欠き部分 19を設けてはいるが、切欠き部分 19における再付着箇所を凸面 (境界層再付着部分 19a参照）にしているので、翼腹面 Eに発生する空気の流線の曲がり方を少なく押えることができるようになつている。また、流線の曲がりが少ないため、切欠き部分 1 9内に発生する渦流も減少させることができるようになって!/、る。

[0060] したがって、特許文献 1に示されるような、翼腹面の後縁部まで切欠き部が形成されており、再付着面が凹面になっている翼型の場合には、流線の曲がりが大きぐ切欠き部分内の渦の発生も多くなると考えられる。このような状況下では、翼による揚力の発生が大きく損なわれることになると考えられる。ところが、本発明に係る低速用ブレード 18aに使用される翼型では、該特許文献 1に示される翼型に比べて揚力の損失を極めて少なくすることができると考えられる。

[0061] 図 8は、反りのある翼型にっ、て、向力、風 Wfが高、風速の場合における低速用ブレード周りの空気の流れを示す図である。

[0062] ブレード 18に当る向い風 Wfの流速が高速の場合には、図 8の Cの部分で剥離した境界層が、翼の後方部（図 8の Fに示す部分）に再付着するので、その空気の流れは切欠き部分のない通常の翼の場合に近い流れとなる。よって、切欠き部分 19のない通常の翼型の場合と同様の揚力を発生し、切欠き部分 19の存在による揚力の損失は少ないと考えられる。本発明の場合には、境界層の再付着箇所を凸面 (境界層再付着部分 19a参照）にしており、境界層の剥離が発生して力再付着するまでの距離を短くするようにしている。

[0063] したがって、特許文献 1に示されるような翼下面の後縁部まで切欠き部が形成されている翼型に比べて、流速が高速であっても切欠き部分 19のない通常の翼周りの空気の流れと同様の流れを発生させることが可能となっている。

[0064] 図 9は、ブレード全スパン Sに対する低速用ブレード部分の割合と垂直軸風車の出力係数と始動風速との関係を示す図である。

[0065] 図 9に示すように、低速用ブレード部分 18aの割合を少なく設定した場合 (0%に近い側に設定した場合）には、最適周速比時における出力係数は高い値を示すが、垂直軸風車の始動が高速用ブレード 18bの揚力 WLに大きく依存しているために始動風速が高くなつてしまう。したがって、向かい風 Wfの風速が低い場合には回転しないので、風速が低い領域での発電ができない。そして、弱いながらも風が吹いているのに風車が回転してヽな、と!/、う状態が長く続くので、風車としての存在理由とイメージが低下する。

[0066] 低速用ブレード部分 18aの構成比を大きく設定した場合（100%に近い側に設定した場合）には、始動風速が低下して垂直軸風車としての始動性は向上する力最適周速比時における出力係数が低下してしまう傾向となる。したがって同図に示すように、垂直軸風車を設置する場所の年間の平均風速などに基づいて適合範囲を定め、その適合範囲に入るように低速用ブレード部分 18aの長さや、最大切欠き深さ hの深さを決定するとよい。同図に示す例では、出力係数が 16%以上、且つ始動風速が 1. 6m/s以下になる範囲を適合範囲として定めている。

[0067] なお図 1では、低速用ブレード部分 18aの翼型として、切欠き部分 19の最大切欠き深さ hの位置力もブレードの後縁側に向力つて外側に凸形状の境界層再付着部分を備えた翼型を使用した例を示してある力特許文献 1 (特開 2004— 108330号公報 )に示されるような後縁まで切り欠いた切欠部を翼の腹面または翼の背面に形成した翼型を低速用ブレードとして用いてもよい。

[0068] この特許文献 1に記載の翼型をブレードの一部に用いた場合には、周速比が低い領域で高い始動性が期待できるものの、周速比が高い領域ではブレードの抗カがかなり増大してしまう。ところがこのブレードを用いた場合であっても、低速用ブレード部分が存在する範囲の割合を少なく高速用ブレード部分が存在する範囲の割合を多く設定することによって、垂直軸風車の始動性をある程度維持しつつ、揚力形風車としての出力係数も確保することが可能となる。

[0069] また、ブレード翼型腹面又は背面に切欠き部分を設けた低速用ブレード部分、及び、切欠き部分を設けない通常の翼型断面を有する高速用ブレード部分双方の翼型に、切欠き部分以外は同一形状となる翼型を用いることによって、低速用ブレード部分と高速用ブレード部分との接合部や支持アーム 20との接合部の構造を共通化し易くなり、接合部の形状が風車の美観を邪魔しない統一的意匠デザインを可能ならしめるとともに安価なモジュール接合構造を採用することが可能となる。このモジュール接合構造を採用することによって、始動容易で出力係数の高い垂直軸風車を安価にて提供することが可能となる。

[0070] 図 10及び図 11は、反りのある翼型について低速用ブレード部分 18aの境界層再付着部分 19aの形状の実施例を示す図である。

このうち、図 10は、境界層再付着部分 19aに直線部分 a3を含めた場合の低速用ブレード部分 18aの断面図である。

[0071] 図 10に示す例では境界層再付着部分 19aを、半径 rlの円弧により形成される円弧部分 alと、半径 r2の円弧により形成される円弧部分 a2と、円弧部分 alと円弧部分 a2 と力も定められる直線部分 a3とから構成している。円弧部分 al、円弧部分 a2、直線部分 a3の接合部分は、連続した形状として形成するとよ!/ヽ。

[0072] 円弧の中心位置 X、円弧の中心位置 Y、半径 rl、半径 r2、直線部分 a3の寸法は、ブレード前縁からの切欠き開始点 Aまでの距離と、切欠き終了点 B力ブレード後縁までの距離、最大切欠き深さ h、切欠き部分 19内の切欠き半径 r3の各寸法に基づき、切欠き開始点 A力も剥離した境界層が境界層再付着部分 19aに再付着する際に、翼腹面の流線の流れが滑らになるように適宜定めると良い。なお、本実施例では曲線と直線を組み合わせて、るが、曲線部分は直線どうしを結んだ形状としても良、。

[0073] 図 11は、境界層再付着部分 19aに直線部分を含まず、半径 r4の円弧により境界層再付着部分 19aを形成した場合の低速用ブレード部分 18aの断面図である。

[0074] 円弧の中心位置 Z、半径 r4の寸法は、ブレード前縁からの切欠き開始点 Aまでの距離と、切欠き終了点 Bからブレード後縁までの距離、最大切欠き深さ h、切欠き部分 19内の切欠き半径 r3の各寸法に基づき、切欠き開始点 Aから剥離した境界層が境界層再付着部分 19aに再付着する際に、翼腹面の流線の流れが滑らになるように定めると良い。

[0075] 図 10及び図 11に示す例では、境界層再付着部分 19aの全面が外側に凸の形状、または一部に直線部分を含んだ形状としているが、他の部分に直線部分を設けた形状としても良いし、境界層再付着部分 19a内に凹形状の部分を備えていても本発明の目的を達成することが可能である。 [0076] 境界層再付着部分 19aをこのような形状にすることにより、再付着点以降の空気の流れを正規の流れ状態に近づけることが可能となり、標準翼型本来の正規の揚力性能に近づけることが可能となる。

[0077] 次に、本発明の第 2の実施の形態の垂直軸風車用ブレードおよび垂直軸風車について説明する。

[0078] 図 12は、低速用ブレードの翼型断面を示す図である。この図 12において、背と腹対象形である対称翼型ブレードについて低速用ブレード部分の背側に切欠き部分を設けた翼型断面を示している。図 12に示すように、低速用ブレード部分 18aには、周速比が 1以下の領域で追い風 Wbにより大きな抗カを発生する切欠き部分 19を設けてある。

[0079] この切欠き部分 19は、例えば翼弦長 Cに対してブレード前縁から 0. 45C乃至 0. 7 Cの位置（図 12に示す切欠き開始点 A)から開口することが望ましい。また、この切欠き部分 19は、ブレード後縁から 0. 15C乃至 0. 35Cの位置（図 12に示す切欠き終了点 B)まで開口することが望ましい。切欠き終了点 B以降からブレード後縁までは、正規の翼型断面の形状を残している。なお、切欠き部 19の設置位置はこれに限定されるものではない。

[0080] 切欠き部分 19の最大切欠き深さ hは、翼断面の最大翼厚 tに対して、 0. 2t≤h≤0 . 7tに設定することが望ましい。また切欠き部分 19の後半域には、最大切欠き深さ h 位置力ブレード 18aの後縁側に向力つて (切欠き終了点 B方向に向力つて）、外側に凸の形状の境界層再付着部分 19aを設けてある。

[0081] 図 13は、対称翼ブレードの背側に切欠き部を設けた風車の始動トルク発生の様子を示す図である。図 13に示すように、所定方向の風 Wがある場合、一つのブレード 1 8が追い風を受け、前進させる力 Fbが発生する。この力 Fbが回転力となり、風速比が低い領域での始動トルクとなる。また、他のブレード 18がこの位置になったとき、同様に追い風を受け、前進させる力 Fbが発生する。他の位置では切欠き部分 19は抵抗にならない。

[0082] 図 14は、ブレード 18の翼中央のスパン方向断面図である。図 14に示すように、この例では、長さ Laの切欠き部分 19はブレード 18の上部に、即ち、下端より Lの位置に配置されている。なお、切欠き部 19の長さ方向の配置位置はこれに限定されるものではない。他の位置、例えばブレード 18の下部に配置されてもよい。

[0083] このように本実施の形態においては、垂直軸風車の回転軸から遠い側の背面と回転軸に近い側の腹面が対称である垂直軸風車用ブレード 18において、ブレード 18 の背面に切欠き部分 19を設け、該切欠き部分 19の最大切欠き深さ位置力もブレード 18の後縁側に向カゝつて外側に凸の形状の境界層再付着部分 19aを備えた構成とされる。

[0084] これにより、切欠き部分 19の設置位置は支持アーム 20により制限されることがなぐまたブレードの背面は腹面より回転半径が大きいため、切欠き部により発生した始動トルクが大きぐ垂直軸風車の自己始動性を向上させる効果が十分に発揮することができる。また、風車全体の製造上の選択肢を広げられ、製造コストを低減することができるという利点がある。

産業上の利用可能性

[0085] 本発明によれば、揚力型垂直軸風車としての出力係数をほぼ維持しつつ、弱風下における実用可能な水準の自己始動能力を持たせることが可能となり、運転風速範囲が広ぐ且つトルク係数の良好な発電量の多い垂直軸風車を提供することが可能となる。また、これらの特性を製造上安価な構造で提供することが可能となる。

Claims

請求の範囲

[1] 垂直軸風車のブレード翼型の腹面又は背面に切欠き部分を設け、該切欠き部分の最大切欠き深さ位置力ブレードの後縁側に向かって外側に凸の形状の境界層再付着部分を備えたことを特徴とする垂直軸風車用ブレード。

[2] 最大翼厚 tの垂直軸風車のブレード翼型腹面又は背面に切欠き部分を設け、該切欠き部分の最大切欠き深さを 0. 2t乃至 0. 7tに設定するとともに、前記切欠き部分の最大深さ位置力ブレードの後縁側に向かって外側に凸の形状の境界層再付着部分を備えたことを特徴とする垂直軸風車用ブレード。

[3] 垂直軸風車の翼弦長 Cのブレード翼型腹面又は背面に、ブレード前縁から 0. 45C 乃至 0. 7Cの位置を切欠き開始点とする切欠き部分を設け、該切欠き部分の最大切欠き深さ位置力ブレードの後縁側に向かって外側に凸の形状の境界層再付着部分を備えたことを特徴とする垂直軸風車用ブレード。

[4] 垂直軸風車の翼弦長 Cのブレード翼型腹面又は背面に、ブレード後縁から 0. 15C 乃至 0. 35Cの位置を切欠き終了点とする切欠き部分を設け、該切欠き部分の最大切欠き深さ位置力ブレードの後縁側に向かって外側に凸の形状の境界層再付着部分を備えたことを特徴とする垂直軸風車用ブレード。

[5] 垂直軸風車のブレードを、ブレード翼型腹面又は背面に切欠き部分を設けた低速用ブレード部分と、切欠き部分を設けない通常の翼型断面を有する高速用ブレード部分とから構成したことを特徴とする垂直軸風車用ブレード。

[6] 垂直軸風車のブレードを、ブレード翼型腹面又は背面に切欠き部分を設けるとともに該切欠き部分の最大切欠き深さ位置力ブレードの後縁側に向力つて外側に凸の形状の境界層再付着部分を有する低速用ブレード部分と、切欠き部分を設けな、通常の翼型断面を有する高速用ブレード部分とから構成したことを特徴とする垂直軸風車用ブレード。

[7] 請求項 1乃至 6に記載のブレードを備えたことを特徴とする垂直軸風車。