(57)【要約】【課題】  翼の捻り構造の変化によってピッチ角を変更できるようにした風車翼を提供する。【解決手段】  回転主軸１の外周面に等角度間隔に、半径方向へ放射状に伸長する翼支持棒２が取付けられる。この翼支持棒２に対して、翼布３がその前縁３ａの全長範囲が止着されている。また、翼布３の前記半径方向の内端縁３ｃが回転主軸１に対して平行状に定着されている。翼布３の後縁３ｂは、回転主軸１の回転逆方向側に隣接して位置した翼支持棒１との間が、弾性引張線部材７で連結され、翼布３の後縁３ｂを引張状に結合している。【選択図】図１
2010265823.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転主軸と、
前記回転主軸の外周面に、半径方向へ放射状に伸長する複数の翼支持棒と、
前縁の全長範囲を前記翼支持棒に止着され、前記半径方向の内端縁を前記回転主軸に沿って当該回転主軸に定着された翼布と
前記回転主軸の回転逆方向側に隣接して位置した前記翼支持棒と前記翼布の後縁との間に、前記翼布の後縁を引張状に結合した弾性引張線部材とを備えたことを特徴とする風車翼。
【請求項２】
前記翼支持棒が前記回転主軸に対し風下側へ傾斜していることを特徴とする請求項１記載の風車翼。
【請求項３】
前記翼布の前記弾性引張線部材の結合された箇所と内端縁との間の位置に、内端縁から後縁に伸びる骨部材が付設されていることを特徴とする請求項１記載の風車翼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電等に使用される風車翼に関する。
【背景技術】
【０００２】
風車に用いられる翼のピッチ角を変更するために、風車の回転による遠心力や、風圧を利用するものが知られている。例えば、特許文献１には、翼杆を枢軸として風車翼板を回転可能に取付け、各翼板とこれを結合するように張り巡らせた円環との間にバネを設置して、翼板が受ける風圧により翼板が円環に対して回転するのをバネの弾力で支持することによりその角度を調整するものが知られている。また、遠心力を利用して、ピッチ角を変更するものとしては、特許文献２のように、アームに回転自在に取り付けられた翼板が、風車の回転による遠心力でアーム上を外側に移動するように構成し、外側に移動するほど各翼板のピッチ角を大きくするものが知られている。このように、翼の構造によりピッチ角を変更できるものは、構造が簡単であり低コストで導入しやすい利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実公昭２９−１２４０８号公報
【特許文献２】特開昭６０−６０７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
いずれの先行技術も、翼が板状物で構成されかつ翼杆或いはアームを回転軸として翼がピッチ変更可能なように取り付けられている。風の持つエネルギーは、速度の３乗に比例することが知られており、かつ自然の風は一定に吹くことは無く数秒、数十秒単位で考えると急激な変動が翼杆或いはアームに加わることになる。このような風圧は、翼杆或いはアームの撓みとなり、これが繰り返されることにより翼の間で異音を発したり、最終的には拾うにより一気に破壊に至る等、長期の使用には向かない。翼杆或いはアームの剛性を高めてこれを回避しようとすると、重量が増加する。
本発明の目的は、上記した翼杆或いはアーム等の翼に対する回転軸を持たずに、翼の構造によってピッチ角を変更できるようにした風車翼を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る風車翼は、回転主軸と、前記回転主軸の外周面に、半径方向へ放射状に伸長する翼支持棒と、前縁の全長範囲を前記翼支持棒に止着され、前記半径方向の内端縁を前記回転主軸に沿って当該回転主軸に定着された翼布と、前記回転主軸の回転逆方向側に隣接して位置した前記翼支持棒と前記翼布の後縁との間に、前記翼布の後縁を引張状に結合した弾性引張線部材とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、風のエネルギーが大小に変化することに関連して、弾性引張線部材が弾性変形により伸縮され、これに伴って翼布が撓曲変形される。さらに回転数が増加すると遠心力が働き、回転主軸に対して内端縁が位置する角度となるように翼布各部の捻り角が増加する。このように、翼の捻り角度が大小に変更されることから、従来の翼杆或いはアーム等の翼に対する回転軸を持たないでも翼のピッチを変更した効果を発揮でき、したがって翼構造の重量化を招くことなく従来の異音や摩耗を回避でき、長期使用に適した風車翼を簡易且つ低コストに実現し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明に係る風車翼の斜視図である。
【図２】図１に示す風車翼の一部を拡大した斜視図である。
【図３】図２に示す風車翼の一部を拡大した斜視図である。
【図４】翼布３の内端縁の近傍を翼支持棒の先側から見た図である。
【図５】上記風車翼の変形例を説明するための図である。
【図６】本発明に係る風車翼の他の実施例を示す斜視図である。
【図７】実験結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【０００９】
図１は本実施例に係る風車翼の斜視図である。
図１において、水平な回転主軸１は断面円形の金属管であり、図示しない軸受を介して風上側に向けて回転自在に支持される。４本の翼支持棒２が回転主軸１の外周面からその半径方向へ中心線ａ１回りの等角度間隔で放射状に伸長されている。翼支持棒２のそれぞれには、翼布３が止着されている。各翼布３は細長く形成されていて、前縁３ａ及び後縁３ｂのほか内端縁３ｃを具備している。前縁３ａは直状に形成されており、その全長範囲に内端縁３ｃ側で開口された細長い袋状部が形成されている。この袋状部３ａは翼支持棒２に外嵌されている。
【００１０】
図２は図１に示す風車翼の一部を拡大した斜視図である。後縁３ｂは、前縁３ａに連続され直状とされた第１箇所ｂ１と、第１箇所ｂ１に連続され内端縁ａ３側へ延長された第２箇所ｂ２と、第２箇所ｂ２に連続され内端縁３ａ側へ延長された第３箇所ｂ3とからなっている。このさい、第１箇所ｂ１は前縁３ａから傾斜状に形成され内端側３ｃへ近づくに伴って漸次に前縁３ａ側から遠ざかるものとされており、第２箇所ｂ２及び第３箇所ｂ３のそれぞれはほぼ直状に形成され内端縁３ｃに近づくに伴って漸次に前縁３ａ側に近づくものとされている。したがって、第１箇所ｂ１の翼巾は内端縁側に近づくに伴って漸次に増大し、また第２箇所ｂ２及び第３箇所ｂ３の翼巾は内端縁３ｃ側に近づくに伴って漸次に減少する。
【００１１】
内端縁３ｃは、その両端が前縁３ａ及び後縁３ｂに連続されたもので、回転主軸１の中心線ａ１と平行状に配置され、回転主軸１から数ｃｍ程度離れて位置する。
【００１２】
この翼布３は一重からなる厚地の布で形成されている。後縁３ｂ及び内端縁３ｃは布の縁部に沿った比較的狭い幅範囲を折り返されて二重にされ、該二重部分を糸４で縫合されている。後縁３ｂの第１箇所ｂ１と第２箇所ｂ２との連続箇所近傍の前後方向部位、及び、第２箇所ｂ２と第３箇所ｂ３との連続箇所近傍の前後方向部位のぞれぞれには比較的上下幅の狭い袋状の止着部３ｄ、３ｅが形成され、各止着部３ｄ、３ｅには細長状の骨部材５ａ、５ｂが挿入され翼支持棒２に対して垂直な位置関係で翼布３に止着されている。そして後縁３ｂの第１箇所ｂ１と第２箇所ｂ２との連続箇所近傍、及び、後縁３ｂと内端縁３ｃとの連続箇所近傍の翼布３部分のそれぞれには金属環６ａ、６ｂが止着されている。この金属環６ａ、６ｂの内孔ｃ１、ｃ２が翼布３を貫通した透孔となっている。
【００１３】
翼布３は、弾性引張線部材７により位置保持されている。この弾性引張線部材７はこれに付与される引張力が大小に変化することで弾性により伸縮変形する線状のものであり、例えばゴム紐又はコイルスプリングのほか、コイルスプリングと他の線材との結合品、エアーピストンなどが利用できる。
【００１４】
また、翼布3の弾性引張線部材7の結合された箇所ｃ１と内端縁３ｃとの間の位置に、内端縁から後縁に伸びる骨部材５ｂが付設されているため、第２箇所ｂ２から第３箇所ｂ３へ至る範囲の後縁３ｂの形状を維持するができる。
【００１５】
図１に戻り、各弾性引張線部材７は翼布３に対応して設けられており、一端を風車翼の回転逆方向に隣接する翼支持棒２の先端に止着され、他端を翼布３の透孔ｃ１に止着されている。弾性引張線部材７の一端を翼支持棒２の先端に止着することに代え、翼支持棒２の長さ途中の位置に止着しても良い。
【００１６】
図３は図２に示す風車翼の一部を拡大した斜視図である。内端縁３ｃは、対応する翼支持棒２の側では回転中心ａ１上で、翼支持棒２が固着されている位置よりも風下側では回転中心ａ１よりも逆回転方向に位置する翼支持棒２の側で止着されている。内端縁３ｃを止着する風下側位置には、各翼支持棒２に対応する紐繋着片８が回転主軸１に固着されている。各翼布３の透孔ｃ１とこれに対応した１つの繋着片８との間には紐部材９が緊張状に、透孔ｃ３とこれに対応した１つの繋着片１２との間には紐部材１１が緊張状に掛け渡され結び付けられている。
【００１７】
図４は翼布３の内端縁３ｃの近傍を翼支持棒２の先側から見た断面図である。繋着片８は、内端縁３ｃのさらに風下側に配される位置から翼支持棒２から張り出し状に設けられている。内端縁３ｃは繋着片８に係着した紐部材９の引張力により直状に緊張された状態となっており、また内端縁３ｃの存在位置及び方向は内端縁３ｃを翼支持棒２の先側から見たときに概ね回転主軸１の外形から繋着片８の張り出し範囲まで飛び出たものとなっている。繋着片１２は、回転主軸１上の翼支持棒２付け根近くに設けられる。紐部材１１、専ら翼布３が翼支持棒２から離脱しないように回転主軸１側へ翼布３を引き付けている。
【００１８】
紐部材９及び弾性引張線部材７で引張された各翼布３は、他の外力が作用してないとき、翼支持棒２及び骨部材５ａ、５ｂの存在により、一定形態を安定的に保持した状態となっている。即ち、各翼布３は、弾性引張線部材７で引張される透孔ｃ１の周辺における翼布３の捻り角度が殆どゼロとなり、紐部材９で引張される透孔ｃ２の近傍における翼布３の捻り角度θ１が７０度〜９０度の範囲内の大きさとなり、透孔ｃ１近傍位置から透孔ｃ２近傍位置に至る範囲内の翼布３の捻り角度θ１が翼布３の内外方向（翼支持棒２の長手方向）の外側から内側へ向けて移動するに伴って漸増するものとなっている。ここに、捻り角度θ１とは翼布２の回転面と、翼布２の前面の前後方向箇所に沿う直線との交叉角をいう。
【００１９】
又、翼布３の前縁３ａ全長範囲に設けられた細長い袋状部は、その内径は翼支持棒２よりも大きいものであり、翼支持棒２に外嵌された際には、図４に示すように、その断面が流線型状となる。この形状は、翼布３が回転した際の風切り音の低減に寄与するものとなる。
【００２０】
次に上記風車翼の作用について説明する。
いま、回転主軸１は軸受を介して回転自在に支持され、また回転主軸１に適宜な負荷装置が連動連結された状態とする。この状態で、回転主軸１の前方から風ｗを送ると、風ｗは各翼布３に当たり、各翼布３の前面に正圧が、そして背面に負圧が生じる。各翼布３は翼支持棒２の先からその基端側へ向けて捻り角度θ１が漸増するように捩られているため、各翼布３は回転主軸１回りの回転力を発生する。この回転力により回転主軸１は回転され負荷装置の負荷と釣り合った状態で回転する。
【００２１】
各翼布３は風ｗを受けているとき、風ｗによる圧力を受け、後方へ向かう押力を付与される。各弾性引張線部材７はこの押力の大きさに応じた引張力を付与されて弾性変形し伸長される。合わせて、翼布３は回転数が増加することにより、遠心力が働き、その力により内端縁３ｃの回転主軸１に対する角度へ変位する。これにより翼布３は撓曲変形によりその弾性変形の量に応じて透孔ｃ１位置の後縁３ｂを後側へ変位され、透孔ｃ１箇所の捻り角度θ１の大きさを増大される。風ｗの強さが一定であるとき、前記押力は変化しないため、各弾性引張線部材７の弾性変形量及び捻り角度θ１は同じ大きさを維持される。
【００２２】
風ｗの強さが大きくなると、前記押力が増大し、弾性引張線部材７の弾性変形量が大きくなり、これに関連して、翼布３の透孔ｃ１位置の後縁３ｂはその弾性変形の量に応じた量だけ後側へ変位され、翼布３の内外方向上の任意点のピッチ角度θ１は全体的に増大される。この増大の量は翼布３の内端縁３ｃ側へ近づくほど小さくなって内端縁３ｃでゼロになる。捻り角度θ１が増大すると、翼布３の発生する回転主軸１回りの回転力は風により翼布３で発生される力の回転方向分力の低下や、翼布３に作用する流体抵抗の増大により低減される傾向となる。
【００２３】
逆に風ｗの強さが小さくなると、風ｗの強さが大きくなった前述の場合の作用と対称的な作用により、捻り角度θ１が減少すると共に、翼布３の発生する回転主軸１回りの回転力が増大される傾向となる。この結果、風ｗの強さが大小に変化しても、回転主軸１の回転力は安定化され、回転主軸１の回転速度の変化が抑制される傾向となる。
【００２４】
風ｗの強さが過大になったときは、弾性引張線部材７の弾性変形の量が著しく大きくなる。これに関連して、捻り角度θ１は大きく増大される。透孔ｃ２近傍箇所の捻り角度θ１が９０度近傍に達したときは、翼布３の内外方向全範囲の捻り角度θ１がほぼ同様の大きさとなり、風速がいくら大きくなっても、翼布３は回転主軸１回りの回転力を増大させることができなくなる。しかも、翼布３が風ｗから受ける前後方向力も最小化される。これにより、回転主軸１が過大な速度で回転することは阻止されるのであり、また翼支持棒２に過大な外力が作用することも防止される。
【００２５】
この実施例１は次のように変形して差し支えない。
（１）上記した風車翼では、翼支持棒２及び翼布３及びこれに関連する部材を４組設けたが、この組数を３以上の任意な数に変更することは任意である。
（２）図５は上記した風車翼の変形例を説明するための図である。上記した風車翼では翼支持棒２を回転主軸１に直交させたが、翼支持棒２を回転主軸１の半径方向に対し後側へ一定角度（数十度）θ２だけ傾斜された一点鎖線ｆ１上に位置させて回転主軸１に固定させることも差し支えない。このような構成の翼布３が強大な風ｗを受けると、翼支持棒２は翼布３に風ｗによる後方向きの過大な押力を受けた状態で高速回転するようになる。このとき、翼支持棒２にはその押力による第１の曲げ力が作用し、これと同時に、翼支持棒２にはこれが回転主軸１回りへ回転することで生じる遠心力に起因した第２の曲げ力が作用する。これら第１及び第２の曲げ力は互いに向きが反対で打ち消し合うため、翼支持棒２に作用する総和的な曲げ力は低減化される。この結果、強風による高速回転時における翼支持棒２の破損が回避されるのである。
【実施例２】
【００２６】
図６は本実施例に係る風車翼の斜視図である。
２本の翼支持棒２、２が回転主軸１の外周面から直径方向へ放射状に伸長した状態に設けられている。そして、回転主軸１の回転方向で隣接する２本の翼支持棒２、２の中間位置の、回転主軸１の外周面には、２本の中間支持棒１０、１０が回転主軸１の直径方向へ放射状に伸長した状態に設けられている。
【００２７】
各翼布３は、回転主軸１の直径方向の外側寄り位置の後縁３ｂの透孔ｃ１箇所に、回転主軸１の回転方向後側に隣接して位置した中間支持棒１０の先端から延出された弾性引張線部材７を引張状に結合されている。
【００２８】
この実施例の風車翼は、翼支持棒２が２本しか存在しないため、各翼布３を引張するための弾性引張線部材７を実施例１の場合と同様に装着することができないことから、中間支持棒１０を設けることにより弾性引張線部材７を配設している。中間支持棒１０は翼布３を有さない翼支持棒であり、実施例１のものに準じた作用の得られるものである。
【実施例３】
【００２９】
図１に示す風車翼の回転主軸１に負荷装置を設け、回転主軸１の前方から種々の速度の風ｗを送り、風ｗの速度と回転主軸１の回転速度との関係を測定した。
【００３０】
図７はその結果を示すグラフである。
図７中のグラフにおいて、横軸には風の速度ｖ（単位はｍ／ｓ）を表し、縦軸には回転主軸１の回転速度Ｒ（単位はｍｉｎ−１）を表している。
【００３１】
グラフ中の各点ｇは風ｗがその点ｇの対応する速度ｖで送られたときの回転主軸１の回転速度Ｒを表している。このグラフに見られるように、回転主軸１の回転速度Ｒは風ｗの速度ｖが大きくなるほど、その増加率が減少する傾向となっている。そして、風ｗの速度ｖが１５ｍ／ｓを超えると、もはや回転主軸１の回転速度Ｒは３５０ｍｉｎ−１から殆ど増加しない。
【００３２】
この結果は、翼布３の捻り角度θ１の制御が弾性引張線部材７の弾性変形により期待どおりに行われていることを示しており、翼ピッチ角が変更されたの如く機能していることが確認できる。
【００３３】
本実施例による翼は構造が簡単でかつ軽量に製造できる。又、設計時の想定以上の自然の脅威により破壊が想定されるのは、翼の布の部分であって、翼部分に破壊する部分が集中することにより、支柱を含め従来の可変ピッチ風車に比較し支柱を含め他の構造体も大幅に軽量に製作できる。
【００３４】
又、風車設置場所は大型の建設用重機や大きな風車の翼の搬入が困難な場所に建設される場合が多いが、本発明の風車は翼部分が布であり、軽量でかつ折り畳むことが可能である為、建設場所の自由度の拡大と輸送費の軽減がなされ、合わせてのその建設作業が容易にできる。これらの総合的効果により大変安く電力を供給できることとなる。又、災害により翼布が破損した場合の修理も現地で多くの場合特別な機材を必要とせず接着剤や針と糸等により修理が可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１  回転主軸
２  翼支持棒
３  翼布
３ａ  前縁
３ｂ  後縁
３ｃ  内端縁
５ａ  骨部材
７  弾性引張線部材
１０  中間支持棒
ｗ  風
θ１  ピッチ角
【図１】
2010265823.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2010265823.tif 000007
【図６】
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【図７】
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