JP6426869B1 - 横軸ロータ - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、受風効率が高く、破壊しにくく、回転効率の高いブレードを備えた、風車又は水車に適した横軸ロータを提供することを目的としている。
【解決手段】 ハブ２の周面に放射方向へ向けて複数のブレード３が固定されたロータ１において、各ブレード３は、正面視で基端部４Ａから翼端３Ｇへかけて弦長を次第に大とした揚力型とし、その経方向の中心部３Ａから先を前向湾曲部５として形成し、その前向先端の前端面５Ａは、正面視で前縁５Ｆの厚さが厚い揚力型としてある。
【選択図】 図２

Description

本発明は、大きな揚力を発生し強い遠心力が作用しても、風車のブレードが破壊するおそれは小さく、しかも低風速でも効率のよい回転をすることのできる横軸ロータに関する。

プロペラ式横軸風車は、例えば特許文献１に記載されている。これは支柱に旋回可能に支持されているナセルから、水平のロータ軸を突設し、その先端に固定されているロータに、複数のブレードを放射方向に向けて固定したものである。

特開２０１３−１８９９７０

特許文献１に記載の発明においては、ブレードは全体に亘って同じ厚さであり、かつ、その弦長は、先端から基端まで同じ寸法であって、先端部が単純に前方向に屈曲されている。この風車は、カザグルマとしては好ましく回転するが、発電機と接続させると、発電機には、磁石のコギングトルクが作用するため、回転力は極度に低下し、発電装置用としては実用性が劣るものである。
特にブレードは平板状であるので、コアンダ効果を十分に発揮させることが難しい。特に大型風車では、発電効率が優れていなければ、コスト負担だけが大となり、実用性は乏しくなる。
大型風車のブレードは、回転遠心力と風圧により破壊されやすく、剛性を大とすると、重くなって回転効率が悪化し、また低風速では、起動が困難であり、実用性が乏しくなる。
本発明は、このような実情に鑑み、受風性能に優れるとともに破壊されにくく、かつ回転効率の高いブレードと、このブレードを備えた風車及び水車に適する横軸ロータを提供することを目的としている。

本発明は前記課題を解決するために、次のような技術的手段を講じた。

（１）ハブの周面に放射方向を向く複数の揚力型ブレードが固定されている横軸ロータにおいて、各ブレードを、正面視において基端部から翼端へかけて弦長を次第に大とした揚力型のものとするとともに、その径方向の中間部から先を前向湾曲部とし、その前向端部の前端面を、正面視で、前縁の厚さが厚い揚力型としてなる横軸ロータ。

（２）前記前向湾曲部における前向端部の前端面を、正面視で前縁の厚さが厚い揚力型とし、かつ前縁と後縁を同一の回転トラック上に位置させてなる前記（１）に記載の横軸ロータ。

（３）前記横軸ロータにおけるブレードの側面視において、前向湾曲部の湾曲内面の曲率半径を、湾曲外面の曲率半径よりも大としてなる前記（１）または（２）に記載の横軸ロータ。

（４）前記前向湾曲部の側面視における前向先端における前端面の基端における、軸心線と平行となる部分の厚さを、ブレードにおける最大厚さの部分としてなる前記（１）〜（３）のいずれかに記載の横軸ロータ。

（５）前記前向湾曲部の前向先端における前端面が、側面視で軸心線と直交するとともに、その前縁よりも後縁が、平面視で回転方向に対して後面寄りに傾斜してなる前記（１）〜（４）のいずれかに記載の横軸ロータ。

（６）前記前向湾曲部の前向先端における前端面の最大厚さを、基部の基端部における厚さのほぼ50％の厚さとし、前部を厚い揚力型としてなる前記（１）〜（５）のいずれかに記載の横軸ロータ。

（7）前記ブレードの基部の側面視における後面を、軸心線と直交させ、かつその前面を、基端部からブレードの径方向の中心部にかけて、次第に後面方向へ傾斜させてなる前記（１）〜（６）のいずれかに記載の横軸ロータ。

本発明によると、次のような効果が奏せられる。

前記（１）に記載の発明においては、各ブレードは、正面視で基端部から翼端へかけて弦長を次第に大とした揚力型であり、かつその径方向の中間部から先を、前向湾曲部としてあるので、ブレードが前方から気流を受けると、弦長の長い前向湾曲部に当る流体は、前向湾曲部の内湾曲面を翼端方向から、ブレードの径方向の中心部方向へ高速で集合して、その後縁から斜め後方へ通過し、反作用として、ブレードは回転方向へ回転させられる。

前記（２）に記載の発明において、前向湾曲部における前向先端の前端面は、正面視で前縁が厚い揚力型とし、その前縁と後縁は、同一回転トラック上に位置されているので、ブレードの回転に伴ってブレードの周面に沿って通過する流体は、コアンダ効果により高速となって回転トラック上の後方向へ通過し、その反動でブレードは回転トラック上の前方向へ進行する。特に前向先端の前端面に近い部分は、最大の厚さであるため、高速流が通過し、反作用としてブレードはコアンダ効果に伴う高速回転が生じる。

前記（３）に記載の発明においては、側面視におけるブレードの前向湾曲部は、湾曲外面の曲率半径よりも湾曲内面の曲率半径の方が大とされているので、翼端を上向きとした時の横断面の厚さを厚くすることができ、回転に伴うその部分におけるコアンダ効果による流速が上がって負圧が発生し、負圧部分に周囲の大気圧が瞬時に押し寄せ、ブレードは回転方向へ気圧の差により回転方向へ進行する。

前記（４）に記載の発明においては、前向湾曲部の側面視において、前向先端における前端面の基端での、軸心線と平行となる部分の厚さを、ブレードにおける最大厚さとしてあるので、その表面を通過する気流は、コアンダ効果により高速流となり、高速流の流体圧は低下するため、湾曲内面に当る流体は翼端方向へ移動して、大量が通過することとなり回転効率は高められる。

前記（５）に記載の発明においては、前向湾曲部の前向先端における前端面を、側面視において軸心線と直交するとともに、平面視で前端面の前縁から後縁にかけて後部寄りに傾斜させてあるので、ブレードの回転に伴い、前向先端の前端面に沿う流体は、後縁方向へ通過し、その反作用で、ブレードは回転方向へ進行する。

前記（６）に記載の発明においては、前向湾曲部の前向先端における前端面の最大厚さを、基部の基端部における厚さのほぼ50％の厚さとし、前部が厚い揚力型に形成されているので、翼端においても、コアンダ効果による高速流が生じ、回転効率は高められる。

前記（７）に記載の発明においては、ブレードの基部は、側面視において後面は、軸心線と直交し、同じく前面は、基端部からブレードの径方向の中間部にかけて、次第に後面方向へ傾斜しているので、ブレードの基部前面に当る流体は、ブレードの回転に伴い前向湾曲部の内湾曲面の方向へ移動し、これを大量の流体で回転方向へ押すとともに、後縁から外方へ通過して、コアンダ効果による高速流が生じ、その反作用としてブレードを高速回転させる。

本発明の横軸ロータの正面図である。 図１におけるII−II線横断面図である。 図１におけるIII−III線横断面図である。 図１におけるIV−IV線横断面図である。 図１におけるV−V線横断面図である。 図１におけるVI−VI線横断面図である。 図１におけるVII−VII線横断面図である。 図１におけるVIII−VIII線横断面図である。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。実施形態の横軸ロータ１は、風車用として説明するが、本発明は水車用としても適用することができる。

正面図である図１において、本発明の横軸ロータ１は、ハブ２の周面に複数（図では５枚）の揚力型ブレード３を、等間隔で放射方向へ向けて固定されており、その直径は、例えば430ｃｍ、ブレード３の最大翼弦長100ｃｍ、基端部４Ａの弦長は、約39ｃｍとする中型ロータであり、前方から風を受けると、反時計回りに回転するようになっている。なお、これらの寸法は単なる一例である。

図１のII−II線縦断面を図２に示すように、ブレード３の径方向の中間部３Ａを境に、ハブ２と接する基部４の先端に、正面方向へ大きく湾曲する前向湾曲部５が形成されている。その正面形は、基端部４Ａから翼端へかけて次第に弦長を長くし、回転時における遠心部分での受風面積を大としてある。

前記基端部４Ａの厚さは、例えば回転半径の20％±２％とされ、径方向の中間部３Ａへかけて、後面４Ｃはハブ２の軸心線Ｇと直交しており、正面４Ｂでは、基端部４Ａから径方向の中間部３Ａへかけて、次第に後寄りに傾斜し、径方向の中間部３Ａの厚さは、基端部４Ａの厚さよりもやや薄くなっている。

前記前向湾曲部５は、側面視で前向先端における前端面５Ａは、軸心線Ｇと直交しており、前端面５Ａの基端５Ｂから径方向の中間部３Ａへかけて、湾曲内面５Ｄとなっている。前向先端の前端面５Ａの先端５Ｃから後面は、径方向の中間部３Ａへかけて湾曲外面５Ｅとなっている。

湾曲内面５Ｄの曲率半径は、湾曲外面５Ｅの曲率半径より大とされ、中間部３Ａから先端５Ｃへかけて、厚さが薄くなっている。ただし、図５〜図８に横断面を示すように、前向湾曲部５は、図２における径方向の中間部３Ａから、翼端方向へ向かって次第に厚くなっている。

回転時におけるブレード３の表面に生じるコアンダ効果は、ブレード３が厚い方が大であって流速を早めるので、前向湾曲部５の、図１におけるVIII−VIII線横断面付近の厚さが厚くて弦長が長く、最も速度が大となり、この部分において、ブレード３の高速回転時の効率は高められる。

図２及び図８に示すように、前向湾曲部５は厚いので、コアンダ効果が大きくて高速流を発生させ、風速が低下しても、回転に伴うコアンダ効果の継続により横軸ロータ１の回転は維持される。

図１において、ブレード３の弦長は、翼端部で例えば回転半径の50％±５％で、実験の積み重ねの結果はこの数値が好ましく、基端部４Ａ方向へ次第に小とし、軸心線Ｇ部分から回転半径の20％部分にあたる後縁３ＣにおけるIV−IV線の位置の切込点３Ｄから、前縁３Ｂ方向へ切込部３Ｅを形成して弦長を小とし、切込部３Ｅの弦長を、回転半径の約20％±２％としてある。図１のIII−III線断面は、図３に示すように、基部４においてはほぼ円形で、円柱状となっている。

ブレード３の前縁３Ｂは、軸心線Ｇ部分から先端方向へかけて、図１における回転半径の80％部分にあたる湾曲基点３Ｆから、基部４の基端部４Ａにかけてほぼ直線で、前記湾曲基点３Ｆから翼端３Ｇまでは凸曲面であって、前縁５Ｆは前方向へ突出している。

図１において、前向湾曲部５の前向先端における前端面５Ａの形状は、ブレード３の図５〜図８に示す横断面の厚さを、次第に薄くした揚力型となっており、最大厚さは、基部４における基端部４Ａのほぼ50％とされているが、これに限定されるものではない。図２に示すようにブレード３の前端面５Ａは、軸心線Ｇと直交している。

前向湾曲部５における前向先端の前端面５Ａの弦長は、図１に示すように、求心方向へ向かってVIII−VIII線横断面から次第に小となり、かつ、前縁５Ｆが前方向へ突出し、湾曲内面５Ｄは、前縁５Ｆから後縁５Ｇへかけて、次第に後面方向へ傾斜している。

その結果、図８における斜線部分の幅よりも、図２における前向先端の前端面５Ａの基端５Ｂにおける厚さが大で、この部分における回転に伴うコアンダ効果により生じる高速回転により、ブレード３全体の回転効率が高められる。

この場合、前向先端の前端面５Ａは、軸心線Ｇと直交状であり、かつ図８に示すように、前縁５Ｆよりも後縁５Ｇを、湾曲外面５Ｅの方向へ６度〜12度の範囲で傾斜させるもので、前方向から風を受けると、ブレード３は前縁５Ｆ方向へ押され、回転効率が高められる。
また、前向先端の前端面５Ａの前縁５Ｆと後縁５Ｇは、同一の回転トラックＴ上に位置しているので、回転時の抵抗は小さい。

図１における、翼端３Ｇを上向きとしたブレード３の横断面は、図３〜図８に示すように、基部４はほぼ円形で、正面から受ける気流は切込部３Ｅを抵抗なく通過する。

図４において、軸心線Ｇから後縁５Ｇまでは、回転方向に対して約37度ほど後面４Ｃ方向へ傾斜しており、前方から気流が当ると前縁３Ｂ方向へ押されて回転する。図５において、軸心線Ｇから後縁５Ｇまでは、回転方向に対して例えば約30度ほど後面４Ｃ方向へ傾斜しており、この基部４の正面４Ｂに当る気流は、基部４の後縁３Ｃ方向へ移動して、ブレード３は反時計回り方向へ強く進行する。

図６において、軸心線Ｇから後縁５Ｇまでは、回転方向に対して例えば約26度ほど後面方向へ傾斜しており、この前向湾曲部５の湾曲内面５Ｄに当る気流は、前向湾曲部５の後縁５Ｇ方向へ移動して、ブレード３は回転方向へ進行する。

図７に示すように軸心線Ｇから後縁５Ｇまでは、回転方向に対して、例えば約23度ほど後面４Ｃ方向へ傾斜しており、また図８において、軸心線Ｇ部分から後縁５Ｇまでは、回転方向に対して約25度ほど後面４Ｃ方向へ傾斜している。
この湾曲内面５Ｄに当る気流は、図１におけるVI−VI線部分と、VIII−VIII線部分からVII−VII線部分へ気流が集まり、前向湾曲部５の後縁５Ｇ方向へ移動して、ブレード３は回転方向へ気圧差により勢いよく回転する。

すなわち、図１における正面に当る気流は、ブレード３の基部４においては、径方向の中間部３Ａから、基部４の基端部４Ａ方向の正面４Ｂを後縁３Ｃ外方へ通過して、そのコアンダ効果の反作用として、ブレード３は回転方向へ牽引される作用が高まる。
図３〜図８に示すように、前向先端の前端面５Ａは、軸心線Ｇに直交する回転方向に対し約10度ほど後縁５Ｇが前縁５Ｆよりも後面４Ｃ方向に傾斜している。

前向湾曲部５では、図１において、前向先端の前端面５Ａにおける前縁５Ｆと後縁５Ｇ部分は、回転トラックＴ上に位置しているので、この周面を通過する気流は、回転トラックＴ上を後方向へ通過し、その反作用によってブレード３は、回転トラック上を反時計回り方向へ強く引き込まれ、回転効率を高められる。

図２において、前向先端における前端面５Ａの基端部５Ｂから湾曲内面５Ｄを、ブレード３の径方向の中間部３Ａ方向へ滑る気流と、図１におけるブレード３の径方向の中間部３Ａ方向から、VII−VII線部分へ移動する気流の集合気流が、その部分のブレード３の後縁５Ｇの外方向へ高速で通過し、そのコアンダ効果の反作用として、ブレード３は高速回転させられる。

図２において、Ｘ矢示の気流が湾曲内面５Ｄに当る時、気流始点Ｐから気流着点Ｑに至る気流の速度よりも、点５Ｂから気流着点Ｑまで湾曲内面５Ｄを滑る気流の方が速度が早く（気圧が低下）なり、多量の大気が気流着点Ｑ部分に集合し、後縁５Ｇの外方向へ高速で通過し、その反作用でブレード３の回転効率は高められる。

ブレード３の基部４の基端部４Ａから、ブレード３の径方向の中間部３Ａへかけて後方へ傾斜している正面４Ｂに当り、翼端へ抜けようとする気流は、前向湾曲部５に強く当り、ブレード３を回転方向へ回転させて、後縁５Ｇから外方へ通過する。

前向湾曲部５の径方向の長さは、例えばブレード３の回転半径の約50％であり、その前向先端の前端面５Ａは、基部４の後面４Ｃから、長さ方向のほぼ72％に当る長さ、前方に突出している。
この特異な形状による特長の第１としては、湾曲内面５Ｄに受けた気流を、図２の終点Ｑ部分に集合させて、後縁５Ｇの外方向へ通過させる作用がある。

また前向湾曲部５における前縁５Ｆ部分が厚いため、コアンダ効果による高速流が効率よく発生し、高速流の通過に伴い、その反作用によって、ブレード３は気圧差により回転方向へ強く引かれ、高速回転力が生起されることとなる。

このブレード３は、その径方向の中間部３Ａから先端部分を、前向きに湾曲する前向湾曲部５とし、その弦長を長くしてあるので、回転遠心部分における受風面積が大となっており、回転効率が高められている。
その内湾曲面５Ｄに前面から当る気流は、湾曲内面５Ｄで高速化されて前向湾曲部５の中心部に集合し、高速化された多量の気流が、後縁５Ｇから外方へ通過するので、その反作用としてブレード３を高速回転させる。

かつ前向湾曲部５の前縁５Ｆ部分が厚いので、ブレード３の表面に沿って移動する気流は、コアンダ効果により高速で通過し、その反作用によるブレード３の回転効率は高められる。
前向湾曲部５は弦長が長く、かつ基部４よりも前方へ大きく突出しているため、斜め方向からの気流を効率よく受けることができ、気流の方向の変化が生じても、回転速度を低下させることがなく、回転し続けることができる。

更に厚い前向湾曲部５が、表面を通過する気流の流速をあげるので、前部の圧力が低下し、後部の流れが元に戻り、圧力が上がる。そのため回転力が急激に低下することはなく、回転を継続させ、高い回転トルクを維持させる。
本発明の横軸ロータ１は、直径５cm程度の小型から、直径10ｍ以上の大型のものまで適用可能であり、風車及び水車に適している。

ブレードの長さの中心から先方における前向湾曲部が、翼端失速を起こさないため回転効率が高い。また前向湾曲部の厚みが厚いため、コアンダ効果により回転効率が高く、かつ、高い剛性を備えており、風力発電装置や水力発電装置に利用される。

１． 横軸ロータ
２． ハブ
３． ブレード
３Ａ．径方向の中間部
３Ｂ．前縁
３Ｃ．後縁
３Ｄ．切込点
３Ｅ．切込部
３Ｆ．湾曲基点
３Ｇ．翼端
４． 基部
４Ａ．基端部
４Ｂ．正面
４Ｃ．後面
５． 前向湾曲部
５Ａ．前端面
５Ｂ．基端
５Ｃ．先端
５Ｄ．湾曲内面
５Ｅ．湾曲外面
５Ｆ．前縁
５Ｇ．後縁
Ｅ． 中央線
Ｇ． 軸心線
Ｐ． 気流始点
Ｑ． 気流着点

Claims (7)

1. ハブの周面に放射方向を向く複数の揚力型ブレードが固定されている横軸ロータにおいて、各ブレードを、正面視において基端部から翼端へかけて弦長を次第に大とした揚力型のものとするとともに、その径方向の中間部から先を前向湾曲部とし、その前向端部の前端面を、正面視で前縁の厚さが厚い揚力型としてなることを特徴とする横軸ロータ。
2. 前記前向湾曲部における前向端部の前端面を、正面視で前縁の厚さが厚い揚力型とし、かつ前縁と後縁を同一の回転トラック上に位置させてなることを特徴とする請求項１に記載の横軸ロータ。
3. 前記横軸ロータにおけるブレードの側面視において、前向湾曲部の湾曲内面の曲率半径を、湾曲外面の曲率半径よりも大としてなることを特徴とする請求項１または２に記載の横軸ロータ。
4. 前記前向湾曲部の側面視における前向先端における前端面の基端における、軸心線と平行となる部分の厚さを、ブレードにおける最大厚さの部分としてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の横軸ロータ。
5. 前記前向湾曲部の前向先端における前端面が、側面視で軸心線と直交するとともに、その前縁よりも後縁が、平面視で回転方向に対して後面寄りに傾斜してなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の横軸ロータ。
6. 前記前向湾曲部の前向先端における前端面の最大厚さを、基部の基端部における厚さのほぼ50％の厚さとし、前部を厚い揚力型としてなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の横軸ロータ。
7. 前記、ブレードの基部の側面視における後面を、軸心線と直交させ、かつ前面を、基端部からブレードの長さの中心部にかけて、次第に後面方向へ傾斜させてなることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の横軸ロータ。

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