JP7049050B2 - ロータブレード - Google Patents

Description

本発明は、横軸のロータブレードの諸元を変えて、高能率とした風力発電に適するロータブレードに関する。

ロータブレードの先端部の弦長を長くしたものは、例えば特許文献１や特許文献２に開示されている。

特開２００６－１５２９５７号公報 特開２００８－１９６４２５号公報

前記、特許文献１及び２に記載のブレードは、翼端部の弦長を翼根部のそれよりも大としてあるが、いずれも回転半径の４０～５０％にあたるものがなく、かつ側面視で、正面と背面とは平行になっており、低風速時において抵抗が大となりやすい。
本発明は、実験を重ねた結果として、最大弦長を回転半径の４０～５０％まで大として、回転抵抗を低下させることのできるロータブレード（以下単にブレードという）を提供することを目的としている。

本発明の具体的な内容は、次の通りである。

（１） 翼端を上向きとして垂直にした状態の揚力型ブレードにおいて、正面視における翼根部から最大弦長部へかけて弦長を次第に大とし、該最大弦長部から前記翼端へかけて細くし、その側面視において、前記翼根部から最大弦長部へかけて、その厚さを次第に薄くし、該ブレードの正面を、前記翼根部から最大弦長部へかけて次第に背面方向へ傾斜させた状態で、前記最大弦長部を起点として、それより先端部分を正面方向へ向け、その翼端が前記翼根部の正面よりも前方へ突出するように傾斜する傾斜部とするロータブレードであって、
前記最大弦長部の弦長は、前記ロータブレードの回転半径の４０～５０％としてあり、
前記傾斜部は、前記ロータブレードの正面と直交する方向へ傾斜しているロータブレード。

（２） 前記翼端を上向きとして垂直にした状態の前記揚力型ブレードの正面は、側面視において前記翼根部を基点として、前記最大弦長部へかけての正面が背面方向へ約２度傾斜して前記翼根部の厚さよりも前記最大弦長部の厚さが薄く形成されるとともに、平面視において、前記翼根部から前記最大弦長部にかけての前記後縁部が、次第に正面方向へ寄るように形成されてなる前記（1）に記載のロータブレード。

（３） 前記揚力型ブレードの正面視における前記最大弦長部の長さを、その回転半径の４５～５０％とし、かつ前記翼根部の弦長を前記最大弦長部の弦長の３０～３５％として前記正面形を左右対称形とし、側面視において前記最大弦長部から前記翼端部を前記正面方向に向いて傾斜する前記前向傾斜部とし、かつ前記翼根部の側面視における厚さは、前記翼根部の弦長の７５％プラスマイナス２％としてなる前記（１）または（２）に記載のロータブレード。

本発明によると、次のような効果が奏せられる。

前記（１）に記載の発明では、ロータブレードの翼端部における前縁部の最大厚さが翼根部の厚さよりも薄くされ、側面視でブレードの正面は、翼根部よりも背後方向へ傾斜しているので、回転時に、正面に当る気流は、翼根部から翼端部方向へ自然に移動する。
回転時に、前縁部の最大厚さが、翼端部よりも厚い翼根部では、正面に沿って、弦の後縁方向へコアンダ効果によって通過する気流の速度は、前縁部の最大厚さの薄い翼端部の正面を、弦の後縁方向へ通過する気流よりも早くなる。
前縁部の厚さに違いがある場合、厚い方がコアンダ効果による流速が早くなり、流速の遅い方に対して空気密度が粗くなり、気圧が低下する。気圧が低下すると、その位置よりも高圧の気流が周囲から流入する。
すなわち、一般のロータブレードでは、回転周速の早い翼端部に対して、周速の遅い翼根部分では、翼端部分よりも低圧になりにくいが、本発明のロータブレードでは、翼根部の前縁部分の最大厚さが、翼端部のそれよりも著しく大であるために、回転時に翼根部周辺に、周囲から大量の常圧の気流が吸い込まれる。
この大量の常圧の気流が翼根部付近に急速に集合すると、対比の上で翼端部の方が低圧となり、翼根部付近の気流は翼端部方向へ、気圧の差によって常圧の気流の速度よりも高速で移動し、翼端部の後半部分を回転方向へ押して、回転効率を高める。

前記（２）に記載の発明では、前記ブレードの正面は、弦の幅の中央線より前半部分が、翼根部から翼端部へかけて次第に背面方向へ後退しているので、翼根部から移動する気流は移動しやすい。
弦の幅の中央線より後半部分が、翼根部から翼端部へかけて次第に正面方向へ寄っているので、翼根部から移動する気流は、正面が前に寄ってくるのと同じ作用で、ブレードの後半部分に、次第に回転方向への圧力をかけることになり、回転効率を高める。

前記（３）に記載の発明は、翼端部の最大弦長を回転半径の４５～５０％としてあるので、受風面積を最大に得ることができる。正面における翼根部の弦長を最大弦長の３０～３５％としてあるので、回転時において、回転前方からの相対流を十分に受けることができる。
側面視における前記翼根部の厚さは、前記翼根部の弦長の７５％プラスマイナス２％としてあるので、コアンダ効果による弦方向の流速を効果的に高めることができる。

本発明の一実施形態を示す正面図である。 図１の右側面図である。 図１の平面図である。 図１の底面図である。 図１におけるＡ－Ａ線断面図である。 図１におけるＢ－Ｂ線断面図である。 図１におけるＣ－Ｃ線断面図である。 図１におけるＤ－Ｄ線断面図である。 図１におけるＥ－Ｅ線断面図である。 図１におけるＦ－Ｆ線断面図である。 図１におけるＧ－Ｇ線断面図である。 図１におけるＨ－Ｈ線断面図である。 図１におけるＩ－Ｉ線断面図である。 本発明のロータブレードを３枚取付けたロータの正面図である。 気流の変化を示すロータブレードの側面図である。

以下本発明を、図面を参照して説明する。図面は実験を重ねた結果、最良の形を示しており、数値は、変化の許容範囲を示している。
図１において、ロータブレード１は揚力型ブレード（以下単にブレードという）であり、翼端１Ｈを上向きとした状態で正面の形状は左右対称として示されているが、非対称形のものを使用することもある。

ブレード１の正面１Ｄにおいて、翼根部１Ａから最大弦長部１Ｂにかけて、次第に弦長を大としてあり、該最大弦長部１Ｂの弦長は、ブレード１の回転半径の４５～５０％としてある。
これより弦長が短いと受風面積が小となり、翼端部に傾斜部１Ｃを備えた揚力型ブレード１の回転効率が上がりにくい。
また５０％を越えると、ハブ３に固定されて回転方向の前位置のブレード１による乱流の影響が生じるので、回転効率が上りにくい。

ブレード１の正面１Ｄにおける最大弦長部１Ｂに対して、翼根部１Ａの弦長は例えば約３分の１、すなわち３０～３５％に設定されている。
翼根部１Ａの弦長が、これより大では、回転時に気流の通過性が低下し、かつ通過時間が大となり、また、弦長がこれより小では、強度とコアンダ効果による気流の通過速度が低下する。

図２に示すように、ブレード１の右側面形は、翼根部１Ａの厚さが厚く、先端１Ｈへかけて次第に薄くされ、先端１Ｈは、半円形とされている。翼端部の厚さは例えば翼根部１Ａの厚さの約３分の１、すなわち３０～３５％に設定されている。

また、最大弦長部１Ｂより翼端部を、正面１Ｄにおける最大弦長部１Ｂを起点として、正面１Ｄの前方向に傾斜する傾斜部１Ｃが形成されている。
この傾斜部１Ｃは、図３にＡ矢示で示す正面１Ｄと直交する方向へ傾斜しており、キャンバ（反り角）を例えば１７度とすると、このＡ矢示方向も１７度ほど後縁部１Ｇ方向へ向く。

これにより、翼根部１Ａから移動して、傾斜部１Ｃの正面１Ｄを通過する気流は、この傾斜部１Ｃの先端１Ｈ方向（Ａ矢示）と、回転方向における後縁部１Ｇとの中間方向（Ｂ矢示方向）へ通過し、その反作用で、ブレード１の回転効率が高められる。

すなわち、このブレード１は、正面１Ｄに気流を受けて回転する時に、気流がブレード１の回転直径内を、背面１Ｅ方向へ通過することがなく、傾斜部１Ｃの背面１Ｅ方向、すなわち図１及び図２におけるＣ矢示方向の、回転後方向の斜め遠心方向へ流れる。従って、図１におけるＣ矢示方向へ流れる気流の反作用は、その反対方向へ向くので、ブレード１を、風速よりも早く回転方向へ効率良く回転させる。

図５は、図１におけるＡ－Ａ線断面図である。この箇所は最大弦長部１Ｂにあたり、前縁部１Ｆは半円としてあり、直径の長さと厚さを同じくし、後縁部１Ｇにかけて次第に薄くされている。
翼根１Ａの弦長に対して、翼端部の厚さは約３分の１としてあるが、これは、正面１Ｄが背面１Ｅ方向へ約２度ほど傾斜してバランスが取れる数値である。

最大弦長部１Ｂにおける前縁部１Ｆの最大厚さは、弦長の１２％プラスマイナス１％としてある。前縁部１Ｆの断面は半円形であるため、回転時に、どちらの方向から相対流が当っても、円滑に流れる。

このように、弦長が長くても、キャンバをゼロ度に近づけると抵抗を小とすることができるが、トルクも小となるので、図５に示すように、正面１Ｄが回転方向に対して約５度、後縁部１Ｇを背面１Ｅ方向に傾斜させておくと、回転に伴うコアンダ効果による弦方向での通過流による反発と、受風による回転も、円滑にできる

図６は、図１におけるＢ－Ｂ線断面図である。前縁部１Ｆの最大厚さは、弦長の２０％プラスマイナス２％としてある。図８に示す翼根部１Ａとの比較では、約４分の１となっており、回転時の抵抗は小さい。

図７は、図１におけるＣ－Ｃ線断面図である。前縁部１Ｆにおける最大厚さは、弦長の３８％プラスマイナス２％とされている。
これでもキャンバがゼロ度でも、回転に伴うコアンダ効果による、弦方向での通過流による反作用と、受風による回転も円滑にできる。

図８は、図１におけるＤ－Ｄ線断面図である。翼根部１Ａにおける前縁部１Ｆの最大厚さは、図において弦長の７５％プラスマイナス２％とされており、正面１Ｄは上部よりも後縁が背面１Ｅ方向へ傾斜している。

翼根部１Ａの弦長が大となると、翼根部１Ａにおける正面１Ｄの回転方向に対する交差角度が甘くなる。この翼根部１Ａにおける正面１Ｄと、回転方向との交差角度は４５度が好ましいが、これより交差角度が小となると、気流でブレード１を回転方向へ押す力が小となり、回転力が低下する。

図５～図８において、前縁部１Ｆの最大厚さと、弦長との比率が大きいほど、回転時に生じるコアンダ効果による流速は大となる。
従って、翼端１Ｈ部よりも翼根部１Ａの方が、コアンダ効果による正面１Ｄに沿って通過する流速は速い。

図１において、一般的には、翼根部１Ａよりも翼端１Ｈ部の方が周速が速い。従って、最大弦長部１Ｂの周面に沿って、コアンダ効果により高速となって通過する気流は、空気密度が粗くなるために気圧が低下し、周囲から常圧の気流を呼び込む。

図５～図８において、前縁部１Ｆの最大厚さが厚いほど、コアンダ効果によって通過する気流の速度が速くなる。そのため、流速に比例して流量が増加し、反作用としてブレード１の回転力が高まる。

また、高速流は周囲よりも気圧が低下するので、図５～図８において、弦の幅の中央線Ｓより後縁部１Ｇ方向に、正面１Ｄ前方からの常圧の気流を呼び込むこととなり、回転効率が高められる。

同時に、図２に示すように、正面１Ｄは、翼根部１Ａより最大弦長部１Ｂが、背面１Ｅ方向へ傾斜しているため、正面１Ｄを遠心方向へ滑る気流は、翼根部１Ａから先端１Ｈ方向へ移動し、傾斜部１Ｃに当り、図３におけるＢ矢示方向に通過し、反作用としてブレード１を回転方向に押し、回転力を高める。

図１４は、ロータ２のハブ３に、ブレード１を装着した状態を示す正面図である。ブレード１は、ハブ３に、最大弦長部１Ｂのキャンバをゼロ度として装着したものが示されている。
一般的に、翼端１Ｈにかけて迎角が大となるように捩ってあるため、高速回転をすると、ハブ３に接する翼根部１Ａで、キャビテ－ションが生じる。

本発明では、図２に示すように、側面視で、捩れは見られないが、翼端１Ｈ部を翼根部１Ａよりも厚さを薄くしたことにより、正面１Ｄが翼根部１Ａから最大弦長部１Ｂへかけて、図面上で次第に約２度ほど背面１Ｅ方向へ傾斜しており、翼根部１Ａから最大弦長部１Ｂ方向へ移動する気流が移動しやすくなっている。

また、翼根部１Ａが厚く、翼端部では薄いために、図５～図８に示すように、後縁部１Ｇの位置が、翼根部１Ａでは背面１Ｅに近いが、最大弦長部１Ｂに近づくほど、後縁部１Ｇの位置は、正面１Ｄ方向へ近づいている。

すなわち、正面１Ｄにおける弦の幅中央線Ｓの前半部では、翼根部１Ａよりも先端１Ｈが背面１Ｅ方向へ傾斜しているが、弦の幅の中央線Ｓの後半部では、翼根部１Ａから先端１Ｈへかけて、次第に、正面１Ｄの前方向に寄っている。

そのため、回転時に、翼根部１Ａから最大弦長部１Ｂ方向へ移動する気流が、弦の後縁部１Ｇ寄りの位置では、ブレード１の最大弦長部１Ｂへ近づくほど、正面方向へ近づくことになる。

その結果、ブレード１の正面１Ｄに当る気流は、翼根部１Ａから最大弦長部１Ｂへ近づくほど、次第に風圧が高まって当ることになり、傾斜部１Ｃに強い風力がかかり、梃子の原理で効率の良い回転トルクを得ることができる。

図１５は、正面１Ｄ全体の傾斜と、傾斜部１Ｃによる気流変化の作用の説明図である。図１５において、左方から、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３矢示の気流が当って、ａ点、ｂ点、ｅ点に同時に達する。

Ｗ２矢示の気流が、ｂ点からｄ点に達した時、Ｗ１矢示の気流は、ａ点からｄ点に達する時間が同じである。従って、Ｗ２気流が、ｂ点からｄ点に至る速度よりも、Ｗ１気流がａ点からｄ点に至る速度の方が早くなり、それだけ気圧が低下する。

Ｗ２矢示の気流がｂ点からｃ点へ至る時間と、Ｗ３矢示の気流がｅ点からｆ点へ達する時間が同じである。そこでＷ２矢示の気流が、ｃ点からｄ点に至る時間と、Ｗ３矢示の気流が、ｆ点からｄ点に至る時間とが同じであるから、ｆ点－ｄ点間の気流は高速となり、低圧ということになる。

このようにして見ると、ブレード１の正面１Ｄにおいて、最大弦長部１Ｂを背面１Ｅ方向へ傾斜させたことによって、ｆ点－ｄ点間に高速流を生むことになっていることと、最大弦長部１Ｂの部分に低圧気流が集合することが理解される。

低気圧が生じると、周囲から常圧気流が押し寄せて、図２におけるＣ矢示方向、図３におけるＢ矢示方向へ高速で通過して、反動としてブレード１の高速回転を効率良く促進する。

このように、最大弦長が翼根部１Ａの弦長の３００％プラスマイナス１０％であること。側面形は、翼端１Ｈ部の厚さが翼根部１Ａの厚さの約３分の１であること。正面１Ｄは、翼根部１Ａから最大弦長部１Ｂへかけて背面１Ｅ方向に傾斜していること。弦の幅中央線Ｓより後半部で、後縁部１Ｇが、翼根部１Ａから最大弦長部１Ｂへかけて次第に正面１Ｄの前方向へ近寄っていること等の特異な構造を有しており、その特徴の総合効果が効率の良い回転効果を高めている。

ブレード１の最大弦長部１Ｂの弦長が大で、受風面積が大で、かつ厚さが翼根部１Ａよりも薄く、回転効率が高いので、風力発電装置に適用され、効率の高い発電をさせることができる。

１．ロータブレード
１Ａ．翼根部
１Ｂ．最大弦長部
１Ｃ．傾斜部
１Ｄ．正面
１Ｅ．背面
１Ｆ．前縁部
１Ｇ．後縁部
１Ｈ．先端部
２．ロータ
３．ハブ
４．ロータ軸
Ａ．傾斜部の傾斜方向
Ｂ、Ｃ．傾斜部における気流の進路
Ｓ．弦の幅中央線
Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３．風の流れ

Claims (3)

1. 翼端を上向きとして垂直にした状態の揚力型ブレードにおいて、正面視における翼根部から最大弦長部へかけて弦長を次第に大とし、該最大弦長部から前記翼端へかけて細くし、その側面視において、前記翼根部から前記最大弦長部へかけて、その厚さを次第に薄くし、該ブレードの正面を、前記翼根部から前記最大弦長部へかけて次第に背面方向へ傾斜させた状態で、前記最大弦長部を起点として、それより先端部分を正面方向へ向け、その翼端が前記翼根部の正面よりも前方へ突出するように傾斜する傾斜部とするロータブレードであって、
   前記最大弦長部の弦長は、前記ロータブレードの回転半径の４０～５０％としてあり、
   前記傾斜部は、前記ロータブレードの正面と直交する方向へ傾斜しており、
   弦の幅中央線より後半部で、前記翼根部から前記最大弦長部へかけて、後縁部を次第に正面方向へ傾けていることを特徴とするロータブレード。
2. 前記翼端を上向きとして垂直にした状態の前記揚力型ブレードの正面は、側面視において前記翼根部を基点として、前記最大弦長部へかけての正面が背面方向へ約２度傾斜して前記翼根部の厚さよりも前記最大弦長部の厚さが薄く形成されるとともに、平面視において、前記翼根部から前記最大弦長部にかけての前記後縁部が、次第に正面方向へ近づくように形成されてなることを特徴とする請求項１に記載のロータブレード。
3. 前記揚力型ブレードの正面視における前記最大弦長部の長さを、その回転半径の４５～５０％とし、かつ前記翼根部の弦長を前記最大弦長部の弦長の３０～３５％として前記正面形を左右対称形とし、側面視において前記最大弦長部から前記翼端部を前記正面方向に向いて傾斜する前記前向傾斜部とし、かつ前記翼根部の側面視における厚さは、前記翼根部の弦長の７５％プラスマイナス２％としてなることを特徴とする請求項１または２に記載のロータブレード。

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