(57)【要約】【課題】大型化することなく、出力効率を改善することができる軸流羽根車およびタービンを提供する。【解決手段】複数の回転翼１３が、所定の中心軸周りに互いに等角度間隔をあけて配置され、中心軸から半径方向に向かって伸び、中心軸方向に沿った流体の流れを受けて中心軸周りに回転可能に設けられている。複数の補助翼１４が、各回転翼１３の上流側の表面および／または下流側の表面に、各回転翼１３との間に隙間１６をあけて設けられている。各回転翼１３とそれぞれに対応する補助翼１４との隙間１６が、各回転翼１３の回転方向の前方側より後方側で広くなっていてもよく、狭くなっていてもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の中心軸周りに互いに等角度間隔をあけて配置され、前記中心軸から半径方向に向かって伸び、前記中心軸方向に沿った流体の流れを受けて前記中心軸周りに回転可能に設けられた複数の回転翼と、
各回転翼の上流側の表面および／または下流側の表面に、各回転翼との間に隙間をあけて設けられた複数の補助翼とを、
有することを特徴とする軸流羽根車。
【請求項２】
各回転翼とそれぞれに対応する補助翼との隙間が、各回転翼の回転方向の前方側より後方側で広くなっていることを特徴とする請求項１記載の軸流羽根車。
【請求項３】
各回転翼とそれぞれに対応する補助翼との隙間が、各回転翼の回転方向の前方側より後方側で狭くなっていることを特徴とする請求項１記載の軸流羽根車。
【請求項４】
各回転翼は、前記半径方向に垂直な断面が、前記流体の上流側に膨らんだ翼型形状を成していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の軸流羽根車。
【請求項５】
各補助翼は、前記半径方向に垂直な断面が、前記流体の上流側に膨らんだ翼型形状を成していることを特徴とする請求項４記載の軸流羽根車。
【請求項６】
前記隙間を保持可能に、各回転翼とそれぞれに対応する補助翼とを連結するよう設けられた補強部を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の軸流羽根車。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の軸流羽根車を有することを特徴とするタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸流羽根車および、その軸流羽根車を有するタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、風力発電などのタービンの羽根車の出力効率を改善するために、翼型の最適化や翼端部の屈曲、ベーンやボルテックスジェネレータの付与などが行われているが（例えば、特許文献１参照）、大幅な出力効率の改善は実現していない。そこで、大幅な出力効率の改善を目指して、風の入口から出口に向かって開口面積が拡がるよう形成された筒状のディフューザ（通称：風レンズ）を、羽根車の外周を囲うよう取り付けることにより、羽根車の出力を２〜３倍に高める技術が開発されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
この風レンズを利用した風車では、風レンズ自体は固定されて回転に直接寄与せず、その出口の外径は羽根車の直径の１．４倍となっている。この風レンズは、流出側の開口面積が大きい拡開型の流体用環形デフューザであり、流入側が増速される吸い出し効果を有しているため、羽根車の出力効率を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３４９４１８号公報
【特許文献２】国際公開第２０１０／１０９８００号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、引用文献２に記載の風レンズを利用した風車では、出力効率をさらに高めるためには羽根車を大型化する必要があるが、例えば、直径が１００ｍを超える大型風力発電の羽根車の外周に、内径が１００ｍを超える風レンズを設けることは非常に困難である。このように、引用文献２に記載の風車では、風レンズの大きさにより羽根車の大型化に制限を受けてしまうため、出力効率の改善には限度があるという課題があった。
【０００６】
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、大型化することなく、出力効率を改善することができる軸流羽根車およびタービン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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明に係る軸流羽根車は、所定の中心軸周りに互いに等角度間隔をあけて配置され、前記中心軸から半径方向に向かって伸び、前記中心軸方向に沿った流体の流れを受けて前記中心軸周りに回転可能に設けられた複数の回転翼と、各回転翼の上流側の表面および／または下流側の表面に、各回転翼との間に隙間をあけて設けられた複数の補助翼とを、有することを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る軸流羽根車は、各回転翼とそれぞれに対応する補助翼との隙間が、各回転翼の回転方向の前方側より後方側で広くなっていてもよく、狭くなっていてもよい。
【０００９】
本発明に係る軸流羽根車は、各回転翼に中心軸方向に沿って流れる流体が当たると、その流れが各回転翼を押すことにより各回転翼が回転する。このとき、各回転翼と、各回転翼の上流側の表面および／または下流側の表面に設けられた各補助翼との間に隙間があいているため、その隙間に、各回転翼の回転方向の前方側から周囲の流体が流れ込み、後方側に向かって流れる。回転翼と補助翼との隙間が、各回転翼の回転方向の前方側より後方側で広くなっている場合には、後方側で減圧されるため、前方側が増速される吸い出し効果が発生する。また、回転翼と補助翼との隙間が、各回転翼の回転方向の前方側より後方側で狭くなっている場合には、前方側が増圧されるため、後方側が増速される増速効果が発生する。本発明に係る軸流羽根車は、周囲の流体の密度に応じて、この吸い出し効果や増速効果による流体の増速が、各回転翼の回転を早める方向に作用するよう構成することにより、各回転翼の回転数を増加させることができる。
【００１０】
例えば、周囲の流体が空気の場合には、水と比べて密度が１／８３０と小さいため、後方側での減圧が小さく、吸い出し効果が小さい。このため、吸い出し効果よりも増速効果を期待して、回転翼と補助翼との隙間を、各回転翼の回転方向の前方側より後方側で狭くすることにより、各回転翼の回転数を増加させることができる。これに対し、周囲の流体が水の場合には、吸い出し効果が大きくなるため、回転翼と補助翼との隙間を、各回転翼の回転方向の前方側より後方側で広くすることにより、各回転翼の回転数を増加させることができる。このように、本発明に係る軸流羽根車は、周囲の流体に応じて回転翼と補助翼との隙間の間隔を調整することにより、回転効率を高めることができ、各回転翼を大型化することなく、出力効率を改善することができる。
【００１１】
本発明に係る軸流羽根車で、各回転翼は、前記半径方向に垂直な断面が、前記流体の上流側に膨らんだ翼型形状を成していることが好ましい。また、各補助翼は、前記半径方向に垂直な断面が、前記流体の上流側に膨らんだ翼型形状を成していることが好ましい。これらの場合、翼型形状にすることにより、各回転翼や各補助翼に揚力が発生する。このため、その揚力が各回転翼の回転方向の成分を有するよう、各回転翼や各補助翼の取付角度を調整することにより、各回転翼の回転効率をさらに高めることができる。
【００１２】
本発明に係る軸流羽根車は、前記隙間を保持可能に、各回転翼とそれぞれに対応する補助翼とを連結するよう設けられた補強部を有していてもよい。この場合、補強部により、高い回転効率で安定して各回転翼を回転させることができる。
【００１３】
本発明に係るタービンは、本発明に係る軸流羽根車を有することを特徴とする。
本発明に係るタービンは、本発明に係る軸流羽根車を有しているため、大型化することなく、出力効率を改善することができる。本発明に係るタービンは、流体の運動エネルギーを回転エネルギーに変換可能であれば、いかなるものであってもよく、例えば、蒸気タービンやガスタービン、発電用水車、風力原動機などである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、大型化することなく、出力効率を改善することができる軸流羽根車およびタービンを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態の軸流羽根車を示す（ａ）正面図、（ｂ）右側面図である。
【図２】（ａ）〜（ｋ）図１に示す軸流羽根車の、回転翼および補助翼の変形例を示すＡ−Ａ線端面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
図１および図２は、本発明の実施の形態の軸流羽根車を示している。
図１に示すように、軸流羽根車１０は、スピナー１１とナセル１２と複数の回転翼１３と複数の補助翼１４と複数の補強部１５とを有している。
【００１７】
スピナー１１およびナセル１２は、スピナー１１が風上側に、ナセル１２が風下側になるよう配置され、一体として紡錘形状を成している。スピナー１１は、ナセル１２に対して、その中心軸周りに回転可能に設けられている。ナセル１２は、内部に増速機や発電機が収納されている。
【００１８】
複数の回転翼１３は、細長い板状を成し、スピナー１１の周囲に、等角度間隔をあけて配置されている。各回転翼１３は、スピナー１１から半径方向に向かって伸び、一方の表面がスピナー１１の前方側に向くよう取り付けられている。各回転翼１３は、スピナー１１の中心軸方向に沿った流体の流れを受けたとき、スピナー１１の中心軸周りに回転可能に、回転面に対して傾斜して設けられている。
【００１９】
複数の補助翼１４は、細長い板状を成し、各回転翼１３の上流側の表面および／または下流側の表面に、各回転翼１３との間に隙間１６をあけて、スピナー１１の周囲に配置されている。各補助翼１４は、スピナー１１から半径方向に沿って伸びるよう設けられている。図１に示す具体的な一例では、回転翼１３および補助翼１４は、それぞれ３枚から成る。また、各補助翼１４は各回転翼１３の下流側の表面全体を覆うように配置されているが、下流側に配置されていてもよく、また、回転方向の前方側のみ、または、後方側のみを覆うように配置されていてもよい。
【００２０】
各回転翼１３および各補助翼１４は、それぞれ伸長方向に垂直な断面が、各回転翼１３の上流側に膨らんだ翼型形状を成していることが好ましいが、翼型形状でなくてもよい。また、図２に示すように、軸流羽根車１０は、各回転翼１３とそれぞれに対応する補助翼１４との隙間１６が、各回転翼１３の回転方向の前方側より後方側で広くなっていてもよく、狭くなっていてもよい。例えば、各回転翼１３が翼型形状を成し、隙間１６が各回転翼１３の回転方向の前方側より後方側で広くなるよう、板状の各補助翼１４が、各回転翼１３の上流側の表面の、回転方向の前方側（図２（ａ）、（ｄ）参照）、後方側（図２（ｂ）、（ｅ）参照）、または、全体（図２（ｃ）、（ｆ）、（ｇ）参照）を覆うよう設けられていてもよい。また、隙間１６が各回転翼１３の回転方向の前方側より後方側で狭くなるよう、板状の各補助翼１４が、各回転翼１３の下流側の表面の、回転方向の前方側（図２（ｄ）参照）、後方側（図２（ｅ）参照）、または、全体（図２（ｆ）、（ｇ）参照）を覆うよう設けられていてもよい。また、各補助翼１４が、湾曲した翼型形状を成していてもよく（図２（ｈ）、（ｉ）参照）、湾曲していない翼型形状を成していてもよい（図２（ｊ）、（ｋ）参照）。
【００２１】
複数の補強部１５は、板状を成し、各回転翼１３とそれぞれに対応する補助翼１４との間の隙間１６を保持するよう、各回転翼１３と各補助翼１４とを連結して設けられている。各補強部１５は、各回転翼１３の回転方向に伸びるよう取り付けられている。
【００２２】
図１に示す具体的な一例では、補強部１５は、１枚の回転翼１３に対して、等間隔で５つ設けられている。また、軸流羽根車１０は、支柱１７の上端に、鉛直方向の軸を中心としてナセル１２を回転可能に固定して取り付けられている。
【００２３】
次に、作用について説明する。
軸流羽根車１０は、各回転翼１３にスピナー１１の中心軸方向に沿って流れる流体が当たると、その流れが各回転翼１３を押すことに加えて、各回転翼１３の翼型断面形状での上流側と下流側との圧力差による揚力により各回転翼１３が回転する。このとき、各回転翼１３と、各回転翼１３の上流側の表面および／または下流側の表面に設けられた各補助翼１４との間に隙間１６があいているため、その隙間１６に、各回転翼１３の回転方向の前方側から周囲の流体が流れ込み、後方側に向かって流れる。回転翼１３と補助翼１４との隙間１６が、各回転翼１３の回転方向の前方側より後方側で広くなっている場合には、後方側で減圧されるため、前方側が増速される吸い出し効果が発生する。また、回転翼１３と補助翼１４との隙間１６が、各回転翼１３の回転方向の前方側より後方側で狭くなっている場合には、前方側が増圧されるため、後方側が増速される増速効果が発生する。軸流羽根車１０は、周囲の流体の密度に応じて、この吸い出し効果や増速効果による流体の増速が、各回転翼１３の回転を早める方向に作用するよう構成することにより、各回転翼１３の回転数を増加させることができる。
【００２４】
例えば、周囲の流体が空気の場合には、水と比べて密度が１／８３０と小さいため、後方側での減圧が小さく、吸い出し効果が小さい。このため、吸い出し効果よりも増速効果を期待して、回転翼１３と補助翼１４との隙間１６を、各回転翼１３の回転方向の前方側より後方側で狭くすることにより、各回転翼１３の回転数を増加させることができる。これに対し、周囲の流体が水の場合には、吸い出し効果が大きくなるため、回転翼１３と補助翼１４との隙間１６を、各回転翼１３の回転方向の前方側より後方側で広くすることにより、各回転翼１３の回転数を増加させることができる。このように、軸流羽根車１０は、周囲の流体に応じて回転翼１３と補助翼１４との隙間１６の間隔を調整することにより、回転効率を高めることができ、各回転翼１３を大型化することなく、出力効率を改善することができる。
【００２５】
軸流羽根車１０は、各回転翼１３や各補助翼１４を翼型形状にすることにより、各回転翼１３や各補助翼１４に揚力が発生する。このため、その揚力が各回転翼１３の回転方向の成分を有するよう、各回転翼１３や各補助翼１４の取付角度を調整することにより、各回転翼１３の回転効率をさらに高めることができる。また、軸流羽根車１０は、補強部１５を設けているため、高い回転効率で安定して各回転翼１３を回転させることができる。
【００２６】
軸流羽根車１０は、蒸気タービンやガスタービン、発電用水車、風力原動機などのタービンの羽根車として使用することができる。これにより、タービンを大型化することなく、出力効率を改善することができる。
【００２７】
［回転実験］
３Ｄプリンタを用いて、軸流羽根車１０を作製して、回転実験を行った。軸流羽根車１０は、各回転翼１３および各補助翼１４が図２（ｃ）、（ｈ）、（ｊ）、（ｋ）の４種類の形状のものを作製した。作製した軸流羽根車１０は、直径 300 mmで、スピナー１１の直径が90 mmであり、回転翼１３を３枚有している。各回転翼１３は、長さ 105 mm、幅 30 mm、翼型がNACA 4309であり、回転面に対する迎角が 14 度で、根元から先端まで捩りが無いものとした。また、各補助翼１４は、長さ 105 mm、幅 15 mm、翼型がNACA 4309である。
【００２８】
図２（ｃ）、（ｈ）の軸流羽根車１０は、各回転翼１３と各補助翼１４との隙間１６が、各回転翼１３の回転方向の前方側より後方側で広くなっており、図２（ｊ）、（ｋ）の軸流羽根車１０は、各回転翼１３と各補助翼１４との隙間１６が、各回転翼１３の回転方向の前方側より後方側で狭くなっている。なお、比較用の軸流羽根車１０として、各回転翼１３のみから成り、各補助翼１４を有しないもの（以下、「一般回転翼」と呼ぶ）と、各回転翼１３のみから成り、迎角を 18 度にしたもの（以下、「18度回転翼」と呼ぶ）とを作製した。
【００２９】
また、実験では、出力確認用の発電機として、ドローン用三相電動機（内部抵抗測定値 0.2 Ω／相）を転用している。また、各軸流羽根車１０の重量差による影響を排除するため、各回転翼１３の表面にアルミ薄膜幅広テープを貼付したり、組み立て螺子の長さや本数を調整したりすることにより、各軸流羽根車１０の重量を８６．５ｇに統一している。
【００３０】
実験では、羽根の直径が30 cmの送風機を用い、送風機の吹出口から各軸流羽根車１０までの距離を５cmにして、風速５m/sで送風し、無負荷または重負荷（全相短絡）で各軸流羽根車１０を回転させ、その回転数および相電圧を計測して、三相出力電力（Ｗ）および効率を算出した。また、各回転翼１３と各補助翼１４との間の隙間１６を開放した場合、および、流入口側で塞いだ場合について実験を行った。実験結果を、表１に示す。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
表１に示すように、図２（ｃ）および（ｈ）の軸流羽根車１０は、一般回転翼と比べて、流入口開口で、重負荷時の回転数が若干上昇しており、吸い出し効果による性能向上が認められる。また、図２（ｊ）および（ｋ）の軸流羽根車１０は、一般回転翼と比べて、流入口開口で、重負荷出力倍数が２倍以上となっており、増速効果による顕著な性能向上が認められる。また、一般回転翼よりも18度回転翼の方が、重負荷時回転数が大きくなっているが、図２（ｋ）の軸流羽根車１０は、その18度回転翼よりも重負荷時回転数が大きく、増速効果による性能向上が特に顕著であることが確認された。このことから、図２（ｊ）および（ｋ）の軸流羽根車１０は、低回転数でより多くの出力を得ることができ、必ずしも高速回転する必要がない事業用大型風力発電機等に適していると考えられる。
【００３３】
また、図２（ｃ）および（ｈ）の軸流羽根車１０と比べ、空気中での図２（ｊ）および（ｋ）の軸流羽根車１０の性能向上効果が顕著であることから、より多くの出力を得るために、空気中では増速効果を期待して、回転翼１３と補助翼１４との隙間１６を、各回転翼１３の回転方向の前方側より後方側で狭くしたものを使用するのが良いと考えられる。また、水中では吸い出し効果も期待できるため、回転翼１３と補助翼１４との隙間１６を、各回転翼１３の回転方向の前方側より後方側で広くしたものも使用できると考えられる。
【００３４】
また、図２（ｃ）および（ｈ）の軸流羽根車１０では、流入口を閉塞した状態での重負荷時回転数が、開口した状態のときと比べて若干上昇しているのに対し、図２（ｊ）および（ｋ）の軸流羽根車１０は、逆に低下していることが確認された。このことから、図２（ｊ）および（ｋ）の軸流羽根車１０は、開口によるデフューザ効果が発現しているものと考えられる。
【符号の説明】
【００３５】
１０  軸流羽根車
１１  スピナー
１２  ナセル
１３  回転翼
１４  補助翼
１５  補強部
１６  隙間
１７  支柱
【図１】
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【図２】
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