(57)【要約】  ケーシングの設計、製造が容易で、ケーシングの形状により渦列流れを形成し、出口側に強い負圧の負圧領域を実現して、内部流れを増速する非定常流れを利用した流体機械、風車、内部流れ増速方法を提供することを目的とする。本発明は、ケーシング２の基準の形状が、前縁２ｂと後縁２ｄとの間を連絡しかつこの前後縁間のスロート部２ａと対応した軸方向位置に凸部を有するサイクロイド曲線から構成され、ケーシング２の内周面２０１には、スロート部２ａとこれより後流側に負圧領域を生成するための渦生成面２ｃが形成されると共にさらにこの渦生成面２ｃに隣接するスロート側隣接面の境界に内部流れを剥離させる第２の流出勾配が形成され、かつケーシング２の外周面２０２には、後縁２ｄに第１の流出勾配が形成され、非流線形のケーシングにより渦生成面２ｃの背後に強い渦度の負圧領域を生成して内部流れを増速することを主な特徴とする。
2010109800.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状をなしてその軸方向断面が非流線形の形状を有するケーシングと、前記ケーシング内のスロート部に配設され軸周りに回転する羽根車を備え、周囲を流れる流れを前縁で内外の流れに分割しかつ強制的に流れの剥離を起こし、この剥離によって前記ケーシング後方に渦列を形成し、前記渦列と渦列ゆらぎによって環状方向にセル構造を有する負圧領域を形成して、前記ケーシング内を流れる内部流れの流速を増加する非定常流れを利用した流体機械であって、
前記ケーシングの肉厚形成の基準とされる基準線が、軸方向断面において前記前縁と後縁との間を連絡しかつこの前後縁間の前記スロート部の位置に凸部を有するサイクロイド曲線から構成され、
前記ケーシングの半径方向で内周側の面には、前記スロート部とこのスロート部より後流側に前記負圧領域を生成するための渦生成部が形成され、さらにこの渦生成部に隣接するスロート側隣接面にはその境界位置に内部流れを剥離させる第２の流出勾配が形成され、かつ前記ケーシングの外周側の面には、前記後縁に外部流れをこの後縁位置で剥離させる第1の流出勾配が形成され、
前記第1の流出勾配は前記前縁と前記後縁とを結ぶ円錐の母線の勾配以上の勾配に設定され、かつ前記第２の流出勾配は、前記基準のサイクロイド曲線が前記内周の面とされた場合における渦生成部先端の勾配を基準にこれ以下の勾配に設定され、
前記非流線形のケーシングにより前記渦生成部の背後に強い渦度の負圧領域を生成して内部流れを増速することを特徴とする非定常流れを利用した流体機械。
【請求項２】
前記前縁及び前記後縁が軸方向断面において半径方向に所定幅の肉厚を有する場合に、前記渦生成部を含む前記ケーシングの内周側の形状が内周側の前縁及び後縁を連絡した基準のサイクロイド曲線によって構成されることを特徴とする請求項1記載の非定常流れを利用した流体機械。
【請求項３】
前記ケーシングが所定幅の肉厚を有する板材から構成され、前記基準線が、前記前縁と渦生成部先端の間において前記スロート部の位置に凸部を有するサイクロイド曲線と、前記渦生成部先端から前記後縁の間に渦生成部を形成するための直線または第２の曲線とを備えて前記前縁と後縁との間を連絡し、前記前縁と前記後縁とを結ぶ円錐の母線の勾配が４０°より小さな正の勾配に設定されたことを特徴とする請求項1記載の非定常流れを利用した流体機械。
【請求項４】
前記非流線形の形状が軸方向断面において肉厚が漸増漸減又は漸増急減する形状に形成され、その内周側の一部又は全部の形状が前記基準のサイクロイド曲線から構成されていることを特徴とする請求項１記載の非定常流れを利用した流体機械。
【請求項５】
前記前縁と後縁のうち前記後縁のみが軸方向断面において半径方向に所定幅の肉厚を有する場合に、前記渦生成部がこの所定幅のリング状の平面であることを特徴とする請求項２記載の非定常流れを利用した流体機械。
【請求項６】
前記渦生成部に流れの渦列ゆらぎの位相を揃える位相制御板が複数設けられたことを特徴とする請求項１記載の非定常流れを利用した流体機械。
【請求項７】
前記羽根車には、該羽根車の回転力を電気力に変換する発電装置が連結されていることを特徴とする請求項1〜６の何れか１項に記載された非定常流れを利用した流体機械。
【請求項８】
前記ケーシングに導体製のメッシュが装着されたことを特徴とする請求項1〜７の何れか１項に記載された非定常流れを利用した流体機械。
【請求項９】
環状をなしてその軸方向断面が非流線形の形状を有するケーシングと、前記ケーシング内のスロート部に配設され軸周りに回転する羽根車を備え、周囲を流れる流れを前縁で内外の流れに分割しかつ強制的に流れの剥離を起こし、この剥離によって前記ケーシング後方に渦列を形成し、前記渦列と渦列ゆらぎによって環状方向にセル構造を有する負圧領域を形成して、前記ケーシング内を流れる内部流れの流速を増加する風車であって、
前記ケーシングの肉厚形成の基準とされる基準線が、軸方向断面において前記前縁と後縁との間を連絡しかつこの前後縁間の前記スロート部の位置に凸部を有するサイクロイド曲線から構成され、
前記ケーシングの半径方向で内周側の面には、前記スロート部とこのスロート部より後流側に前記負圧領域を生成するための渦生成部が形成され、さらにこの渦生成部に隣接するスロート側隣接面にはその境界位置に内部流れを剥離させる第２の流出勾配が形成され、かつ前記ケーシングの外周側の面には、前記後縁に外部流れをこの後縁位置で剥離させる第1の流出勾配が形成され、
前記第1の流出勾配は前記前縁と前記後縁とを結ぶ円錐の母線の勾配以上の勾配に設定され、かつ前記第２の流出勾配は、前記基準のサイクロイド曲線が前記内周の面とされた場合における渦生成部先端の勾配を基準にこれ以下の勾配に設定され、
前記非流線形のケーシングにより前記渦生成部の背後に強い渦度の負圧領域を生成して内部流れを増速することを特徴とする風車。
【請求項１０】
前記前縁及び前記後縁が軸方向断面において半径方向に所定幅の肉厚を有する場合に、前記渦生成部を含む前記ケーシングの内周側の形状が内周側の前縁及び後縁を連絡した基準のサイクロイド曲線によって構成されることを特徴とする請求項９記載の風車。
【請求項１１】
前記ケーシングが所定幅の肉厚を有する板材から構成され、前記基準線が、前記前縁と渦生成部先端の間において前記スロート部の位置に凸部を有するサイクロイド曲線と、前記渦生成部先端から前記後縁の間に渦生成部を形成するための直線または第２の曲線とを備えて前記前縁と後縁との間を連絡し、前記前縁と前記後縁とを結ぶ円錐の母線の勾配が４０°より小さな正の勾配に設定されたことを特徴とする請求項９記載の風車。
【請求項１２】
前記非流線形の形状が軸方向断面において肉厚が漸増漸減又は漸増急減する形状に形成され、その内周側の一部又は全部の形状が前記基準のサイクロイド曲線から構成されていることを特徴とする請求項９記載の風車。
【請求項１３】
前記前縁と後縁のうち前記後縁のみが軸方向断面において半径方向に所定幅の肉厚を有する場合に、前記渦生成部がこの所定幅のリング状の平面であることを特徴とする請求項１０記載の風車。
【請求項１４】
前記渦生成部に流れの渦列ゆらぎの位相を揃える位相制御板が複数設けられたことを特徴とする請求項９記載の風車。
【請求項１５】
前記羽根車には、該羽根車の回転力を電気力に変換する発電装置が連結されていることを特徴とする請求項９〜１４の何れか１項に記載された風車。
【請求項１６】
前記ケーシングに導体製のメッシュが装着されたことを特徴とする請求項９〜１５の何れか１項に記載された風車。
【請求項１７】
環状をなしその軸方向断面が非流線形の形状を有するケーシング内に羽根車を設け、周囲を流れる流れを前縁で内外の流れに分割して強制的に流れの剥離を起こし、この剥離によって前記ケーシング後方に渦列を形成し、前記渦列と渦列ゆらぎによって環状方向にセル構造を有する負圧領域を形成して、前記ケーシング内を流れる内部流れの流速を増加する非定常流れを利用した内部流れ増速方法であって、
前記ケーシングの肉厚形成の基準とされる基準線を、軸方向断面において前記前縁と後縁との間を連絡しかつこの前後縁間の前記スロート部の位置に凸部を有するサイクロイド曲線とし、
前記ケーシングの半径方向で内周側の面には、前記スロート部とこのスロート部より後流側に前記負圧領域を生成するための渦生成部を形成し、さらにこの渦生成部に隣接するスロート側隣接面にはその境界位置に内部流れを剥離させる第２の流出勾配を形成し、かつ前記ケーシングの外周側の面には、前記後縁に外部流れをこの位置で剥離させるための第1の流出勾配を形成して、
前記第1の流出勾配を前記前縁と前記後縁とを結ぶ円錐の母線の勾配以上の勾配に設定し、かつ前記第２の流出勾配は、前記基準のサイクロイド曲線が前記内周の面とされた場合における渦生成部先端の勾配を基準にこれ以下の勾配に設定し、
前記非流線形のケーシングにより前記渦生成部の背後に強い渦度の負圧領域を生成して内部流れを増速することを特徴とする非定常流れを利用した内部流れ増速方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内外部流れの中で運転する非定常流れを利用した流体機械と、大気中の風による内部流れを増速して高出力の発電を行う風車、及び流体機械の内部流れ増速方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化を始めとする地球規模の環境問題、あるいは無尽蔵と錯覚されてきた石油等のエネルギー資源が枯渇し始めた、というエネルギー問題が、世界の共通の認識になりつつある。【０００３】
このような状況下、ＣＯ２を排出しない風力発電が環境問題、エネルギー問題の双方を解決するエネルギー生産手段として脚光を浴びている。しかし、風力発電装置は大型風車で高効率と言われるものでも、風車の内部を流れる風の運動エネルギーの４０％程度を電力に変換できるだけである。この変換量が向上すれば風力発電は更に環境問題、エネルギー問題において重要な位置を占めることになる。【０００４】
しかし、従来の風車はその多くが大気中に露出された羽根車を備えており、空港周辺などに設置された風車も多い。こうした空港周辺においては、航空ドップラーレーダーが設置されて航空機の動きを監視しているが、風車の回転を小型飛行機の接近や離陸と誤認するような場合が頻繁に起きている。とくに風車の多い欧米の地方空港ではこれは深刻な問題として受け止められている。しかし、従来の風車では解決の糸口が見つからなかった。【０００５】
これと似た問題として、バードストライクの問題がある。風車への需要が高まり、風車の数が増加すればするほど、飛行中の鳥が羽根車に吸い込まれる頻度は増加する。破損した羽根車を捕集するのは風力発電の稼働率を低下させ、風力発電が電力供給に貢献する量を低下させる原因になる。【０００６】
ところで、風力発電の出力は風速の３乗に比例する。このため、風車が設置されるときは、風の強い地域が立地点として選ばれ、できるだけ風を集めて増速させ、発電量を増大させることに腐心されてきた。従って、風力発電装置の入口側の集風体、羽根車、さらにはディフューザなどの改良に目が向けられ、できるだけエネルギー変換効率を向上させるために対策が講じられてきた。何れも従来のターボ機械の延長線上で考えられ、対策されたものである。当然に限界があった。【０００７】
そこで、本発明者と他の研究者は、こうした風力発電装置に対する常識に挑戦した（特許文献１参照）。すなわち、高出力発電と言う目的を達成できるなら、従来のように流線形形状、定常流的発想にとらわれる必要はない、と言う観点に到達したのである。従来の流体機械は解析容易な流線形の形状、定常流をベースにしており、非流線形形状（Ｂｌｕｆｆ−ｂｏｄｙ）、非定常流を使ったターボ機械は存在しないと言っても過言ではない。しかし、非流線形形状、非定常流とはいっても、安定した流れを実現でき、内部流れの流速を従来の流れよりも増加し、流れの改善が図れるのであれば、機械本来の目的に適う。なお、ここで流線形形状、非流線形形状を定義しておく。流線形形状は流体機械で使用される範囲のレイノルズ数Ｒｅで物体表面から流れがほぼ剥離しないで流れる形状であり、非流線形形状はこうした形状以外の形状の剥離が発生する形状のことである。【０００８】
そこで、これを実現するため、本発明者らは特許文献１の風力発電装置を提案した。この風力発電装置は、筒状の風胴体と、風胴体の風の流入口近傍に配置した発電用風車とを設けたもので、風胴体の流出口の口縁の外側に、風胴体の外側を流れる風が衝突して背後で強い渦を形成させる風の流れ方向に対して垂直な平板状の鍔状片を配置し、風胴体の軸に対する側胴部の傾斜角を５〜２５°の範囲とするという構成を採用した。風胴体は回転羽根の取付け位置から流出口までいわば単純に拡大する拡大管であり、鍔状片は風胴体の最小内径の１０〜１００％幅を有するものである。【０００９】
このような鍔状片（いわばリング）を設けて流れに逆らって渦を形成させるなど、従来の流体機械の常識にはないものであった。そして、この鍔状片の背後に形成される渦というのは、同心円のリング後流側において内外周で交互に発生する、いわゆるカルマン渦とも言うべき渦形成であって、所定のタイミングで交互に（非定常的に）生成され、この渦が風胴体の流出口付近を低圧化し、圧力差で内部流れの流速を向上させる。【００１０】
この風力発電装置の構成は、風力発電装置あるいは流体機械に新たなジャンル（非流線形形状を備えた流体機械と言う類型）を創造したとも言えるべきもので、流出側で生成される渦により流体機械近くの流れ全体を制御して、装置内部へより強い風を引き込み、この内壁面に沿って流出口まで流して効率良く加速させるものである。そして、この増速された流れで従来よりも高出力の発電を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許第３６２１９７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、特許文献１の風力発電装置は、風胴体の流出口の外側に、風胴体の外側を流れる風の衝突により背後に強い渦を形成させる垂直な平板の鍔状片を設けるという萌芽的な着想を提案したものである。非流線形形状を備えた流体機械、すなわち流体機械を覆う非流線形形状のケーシングまわりの流れのコントロールと言う観点からは、この技術はまだ原石の状態であった。なお、ここでいうケーシングとは、羽根車の周囲を覆って基本的には不回転の構造体のことであり、特許文献１の風胴体と鍔状片が止揚された流体機械の部品のことである。【００１３】
今後将来性のある流体機械として更に進歩させていくには、もっと非流線形形状まわりの流れの性質を追求し、流れの特性を解明し、ケーシングによる増速特性を向上させていく必要がある。このためにはケーシングを使って非流線形形状まわりの流れに強い渦列を形成する流れとすると共に、流体機械出口において局所的に強い負圧領域を形成し、内部流れを安定した流れにすることが必要である。そして、どのような形状のケーシングにすればこのような流れが実現できるのかは十分に解明されていない。こうした最適形状のケーシングを得るのが困難なことは、渦が流体力学において非線形性が顕著に現れる現象であることからも容易に伺える。【００１４】
そして、既に本発明者らは非流線形形状のケーシングまわりの渦列流れを安定化する制御技術を提案した（ＰＣＴ／ＪＰ２００８／００３１８７、これは公開されてＷＯ２００９／０６３５９９Ａ１）。この説明をする。非流線形物体の表面を流れる流れはレイノルズ数Ｒｅに伴って、通常後流側で剥離する。しかし、この剥離は流れと直交する周方向の一線で揃って綺麗に起こることはなく、渦生成は渦形成のスケールで強弱のゆらぎ（渦列ゆらぎ）を有しており、強のゆらぎ位置の剥離によって他の位置より強い渦を生成する。この渦を伴う流れ全体を安定化しなければ非流線形物体周りの流れを利用できないことから、この制御技術においては、ケーシングの後流側に渦生成体を設け、さらにこれに位相制御体を設けることを提案し、後端面内で周方向に渦の形成がゆらぐ位相を揃え、流れのセル構造を明確化し、その位置を固定化した。なお、本発明者らの先願の提案では、渦生成体として鍔を回転体ケーシングの後流端に取り付けた実施の形態を使って発明を説明している。この鍔は、回転体ケーシングを非流線形形状にするために、いわば外側流れを単に堰き止める物体として取り付けたものであって、少し正確にいえば、周囲流れに剥離を起こし、後流側に周方向に並んだカルマン渦列を形成するための手段にすぎない。従って、先願の提案は、堰き止めた物体の背後に形成される後流に対し、この前提のもとでケーシングの周方向に関して渦列流れを安定化させる技術を開示したものである。これは、最も強くて安定した渦列流れそのものを形成するための非線形形状の条件、すなわち非線形形状のケーシングが流れの剥離現象、非定常流れを最良にコントロールして最も強くて安定した渦列流れの形成が行える最適なケーシング形状の条件を開示するものではない。【００１５】
ところで、上述した本発明者らの先願技術は従来から知られている境界層制御技術や整流板とは似て非なるものである。すなわち、従来の境界層技術や整流板は境界層が物体表面から剥離するのを未然に防ぐためのものであるが、この制御技術では、剥離を防止するのではなく、流れは十分剥離させ、この結果生成される渦流れ全体を秩序化し、安定化している。渦を防止するのではなく、逆に発生させて、発生後の流れをコントロールするものである。【００１６】
しかし、位相制御体を設けずとも、非線形ケーシング自体の形状によって、ゆらぎの位相を揃えて非定常流れ全体を秩序化し、安定化できるのであれば、上記のような新しい制御技術と共に更に一段と非定常流れのコントロールを可能にすることができる。これは従来の流体機械のケーシングとはまったく別の発想のものである。つまり、上記先願技術のように、形が決められた非流線形ケーシングにおいて非定常流れを安定化する技術だけでなく、非定常流れを最も効率よく利用できる非流線形ケーシングそのものの形状が追及されるべきである。確かに流れを堰き止めれば渦列を発生させることはできるが、非定常流れを最大限に利用できる非流線形ケーシングとは別次元のものである。単純にケーシングを非流線形にしただけでは、無用に圧力損失を招き、渦列の渦の強さは強くならず、強い負圧の負圧領域は明確に現れない。【００１７】
このケーシングは、従来の定常流れの中で低抵抗を目指す流体機械のケーシングとは基本的に異なり、剥離という直接のデメリットに囚われることなく、全体として良好な性能を考え、それを満たすケーシングを目指すものである。確かに非線形形状の方が高抵抗であり、通常はこのデメリットの方が大きいが、優れた他の特性、例えば流体機械の高出力が得られるなどの特性があって、しかもこれがデメリットを補って余りあるものであれば、このケーシングの採用が躊躇されるべきではない。【００１８】
また、現在、風力発電装置は大型化を迫られている。特許文献１の風力発電装置は大型化するときディフューザが長くなり（傾斜角が５〜２５°）、重量が増す。羽根車径が数ｍ以下のマイクロ風車、ミニ風車の場合には、これでも許容可能な重量であるが、今後開発が予定される発電能力がＭＷ級の大型風力発電装置においては、１０ｍ〜数十ｍの羽根車径が予定され、先に提案したディフューザでは許容できない重量となる。ＭＷ級の大型化に際しては風胴体をコンパクトにすることが避けられない。このときケーシングの形状だけで内部流れの増速が可能になれば、風力発電装置を高出力化すると共に、これをコンパクト化、軽量化することができる。【００１９】
そして、従来の風車はその多くが大気中に露出された羽根車を備えており、空港周辺などの障害物の少ない空間に設置されることが多い。こうした空港周辺には航空ドップラーレーダーが設置され、航空機の動きを監視している。従来、航空ドップラーレーダーで風車を小型飛行機の接近や離陸と誤認することが多発している。また、バードストライクの問題も実用上の問題として風車の稼働率を高めるために重要である。【００２０】
これらの問題は風力発電装置の実用化上の課題ではあるが、次世代のインフラストラクチャとして、風力発電装置に電力供給の一翼を担わせて、これをより深く社会に浸透させていくためにはこれらの問題は避けて通れない。【００２１】
そこで、本発明は、ケーシングの設計、製造が容易であって、ケーシングの形状により流れの中に強くて安定した渦列流れを形成し、出口側のケーシング付近に強い負圧領域を実現して、外部流れで内部流れを増速する非定常流れを利用した流体機械を提供することを目的とする。【００２２】
また、本発明は、ケーシングの設計、製造が容易であって、ケーシングの形状により、外部を流れる風に強くて安定した渦列流れを形成し、出口側のケーシング付近に強い負圧領域を実現して、流入する風の風速を増速し、流路長さが短く、大型化が可能で、高出力の発電を行うことが可能な風車を提供することを目的とする。【００２３】
さらに、本発明は、ケーシングの設計、製造が容易であって、ケーシングの形状により流れの中に強くて安定した渦列流れを形成し、出口側のケーシング付近に強い負圧領域を実現して、外部流れで内部流れを増速する流体機械の内部流れ増速方法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】
【００２４】
本発明の非定常流れを利用した流体機械及び風車は、環状をなしてその軸方向断面が非流線形の形状を有するケーシングと、ケーシング内のスロート部に配設され軸周りに回転する羽根車を備え、周囲を流れる流れを前縁で内外の流れに分割し、かつ強制的に流れの剥離を起こし、この剥離によってケーシング後方に渦列を形成し、渦列と渦列ゆらぎによって環状方向にセル構造を有する負圧領域を形成して、ケーシング内を流れる内部流れの流速を増加する非定常流れを利用した流体機械であって、ケーシングの肉厚形成の基準とされる基準線が、軸方向断面において前縁と後縁との間を連絡し、かつこの前後縁間のスロート部の位置に凸部を有するサイクロイド曲線から構成され、ケーシングの半径方向で内周側の面には、スロート部とこのスロート部より後流側に負圧領域を生成するための渦生成部が形成され、さらにこの渦生成部に隣接するスロート側隣接面にはその境界位置に内部流れを剥離させる第２の流出勾配が形成され、かつケーシングの外周側の面には、後縁に外部流れをこの後縁位置で剥離させる第1の流出勾配が形成され、第1の流出勾配は前縁と後縁とを結ぶ円錐の母線の勾配以上の勾配に設定され、かつ第２の流出勾配は、基準のサイクロイド曲線が内周の面とされた場合における渦生成部先端の勾配を基準にこれ以下の勾配に設定され、非流線形のケーシングにより渦生成部の背後に強い渦度の負圧領域を生成して内部流れを増速することを主な特徴とする。【００２５】
本発明の非定常流れを利用した内部流れ増速方法は、環状をなしその軸方向断面が非流線形の形状を有するケーシング内に羽根車を設け、周囲を流れる流れを前縁で内外の流れに分割して強制的に流れの剥離を起こし、この剥離によってケーシング後方に渦列を形成し、渦列と渦列ゆらぎによって環状方向にセル構造を有する負圧領域を形成して、ケーシング内を流れる内部流れの流速を増加する非定常流れを利用した内部流れ増速方法であって、ケーシングの肉厚形成の基準とされる基準線を、軸方向断面において前縁と後縁との間を連絡しかつこの前後縁間のスロート部の位置に凸部を有するサイクロイド曲線とし、ケーシングの半径方向で内周側の面には、スロート部とこのスロート部より後流側に負圧領域を生成するための渦生成部を形成し、さらにこの渦生成部に隣接するスロート側隣接面にはその境界位置に内部流れを剥離させる第２の流出勾配を形成し、かつケーシングの外周側の面には、後縁に外部流れをこの位置で剥離させるための第1の流出勾配を形成して、第1の流出勾配を前縁と後縁とを結ぶ円錐の母線の勾配以上の勾配に設定し、かつ第２の流出勾配は、基準のサイクロイド曲線が内周の面とされた場合における渦生成部先端の勾配を基準にこれ以下の勾配に設定し、非流線形のケーシングにより渦生成部の背後に強い渦度の負圧領域を生成して内部流れを増速することを主な特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の非定常流れを利用した流体機械によれば、ケーシングの設計、製造が容易で、ケーシングの形状により流れの中に強くて安定した渦列流れを形成し、出口側のケーシング付近に強い負圧領域を実現して、内部流れを増速することができ、ディフューザの長さが短く、大型化が可能になり、高出力にすることができる。【００２７】
また、本発明の風車によれば、ケーシングの設計、製造が容易で、ケーシングの形状により流れの中に強くて安定した渦列流れを形成し、出口側のケーシング付近に強い負圧領域を実現して、流入する風の風速を増速することができ、ディフューザの長さが短く、大型化が可能になり、高出力にすることができる。【００２８】
そして、本発明の流体機械の内部流れ増速方法によれば、ケーシングの設計、製造が容易で、ケーシングの形状により流れの中に強くて安定した渦列流れを形成し、出口側のケーシング付近に強い負圧領域を実現して、内部流れを増速させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施例１における流体機械の一部破砕した斜視図
【図２】本発明の実施例１における流体機械のサイクロイド曲線を基調としたケーシングの軸方向断面図
【図３】（ａ）図１の流体機械の流れを説明する説明図、（ｂ）図２のケーシングのサイズの説明図
【図４】鍔高さ１０％・筒長１３．７％鍔付きケーシング（％はスロート部内径に対する割合）を備えた流体機械まわりの周方向平均、時間平均した圧力分布図
【図５】本発明の実施例１におけるサイクロイド曲線を基調としたケーシングを備えた流体機械まわりの周方向平均、時間平均した圧力分布布図
【図６】図４の鍔付きケーシングを備えた流体機械まわりの周方向平均、時間平均した流線図
【図７】図５のサイクロイド曲線を基調としたケーシングを備えた流体機械まわりの周方向平均、時間平均した流線図
【図８】本発明の実施例１のサイクロイド曲線を基調としたケーシングと鍔高さ１０％・筒長１３．７％鍔付きケーシングの形状を比較した説明図
【図９】鍔高さ１０％・筒長１３．７％鍔付きケーシングまわりの流れ場における周方向平均・時間平均渦度の分布を数値計算した分布図
【図１０】本発明の実施例１のサイクロイド曲線を基調としたケーシングまわりの流れ場における周方向平均・時間平均渦度の分布を数値計算した分布図
【図１１】本発明の実施例２における流体機械のサイクロイドケーシングの軸方向断面図
【図１２】（ａ）風洞実験による風車出力係数の実験結果を示す図、（ｂ）数値計算による風車出力係数の結果を示す図
【図１３】本発明の実施例２における流体機械のサイクロイドケーシングのスロート部における流速の半径方向分布図
【図１４】本発明の実施例２における流体機械のサイクロイドケーシングのスロート部における圧力の半径方向分布図
【図１５】（ａ）本発明の実施例２における流体機械に位相制御板を設けた場合と設けない場合と鍔付きケーシングの場合の出力性能を比較した説明図、（ｂ）位相制御板を設けたケーシングの外観図
【図１６】（ａ）鍔高さ１０％・筒長１３．７％鍔付きケーシングの形状を示す図、（ｂ）本発明の実施例３における流体機械の肉厚裁断端ケーシングの形状を示す図
【図１７】本発明の実施例３における流体機械の肉厚裁断端ケーシングの軸方向断面図
【図１８】図１６（ａ）の鍔高さ１０％・筒長１３．７％鍔付きケーシングと図１６（ｂ）の肉厚裁断端ケーシングを備えた流体機械の出力係数の比較図
【図１９】本発明の実施例３における流体機械の肉厚裁断端ケーシングのスロート部における流速の半径方向分布図
【図２０】本発明の実施例３における流体機械の肉厚裁断端ケーシングのスロート部における圧力の半径方向分布図
【図２１】本発明の実施例３における流体機械の肉厚裁断端ケーシングのスロート部から後流でディフューザのほぼ中間に相当する位置における圧力の半径方向分布図
【図２２】図１６（ａ）の鍔高さ１０％・筒長２２％鍔付きケーシングの流体機械まわりの時間平均圧力分布図
【図２３】本発明の実施例３における流体機械まわりの時間平均圧力分布図
【図２４】図１６（ａ）の高さ１０％・筒長２２％鍔付きケーシングまわりの周方向平均・時間平均流線図
【図２５】本発明の実施例３における流体機械の肉厚裁断端ケーシングまわりの周方向平均・時間平均流線図
【図２６】図１６（ａ）の高さ１０％・筒長２２％鍔付きケーシングまわりの周平均・時間平均渦度分布の分布図
【図２７】本発明の実施例３における流体機械の肉厚裁断端ケーシングまわりの流れ場における周方向平均・時間平均渦度の分布を示す分布図
【図２８】図１６（ａ）の１０％・筒長２２％鍔付きケーシングを備えた流体機械まわりの周方向平均・時間平均した半径方向速度成分の分布図
【図２９】本発明の実施例３における流体機械まわりの周方向平均・時間平均した半径方向速度成分の分布図
【図３０】本発明の実施例４における風車の発電装置内部ブロック構成図
【図３１】本発明の実施例５におけるメッシュを取り付けた風力発電装置の説明図
【図３２】本発明の実施例６における潮流発電装置の外観図
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明の第１の発明の形態は、環状をなしてその軸方向断面が非流線形の形状を有するケーシングと、ケーシング内のスロート部に配設され軸周りに回転する羽根車を備え、周囲を流れる流れを前縁で内外の流れに分割しかつ強制的に流れの剥離を起こし、この剥離によってケーシング後方に渦列を形成し、渦列と渦列ゆらぎによって環状方向にセル構造を有する負圧領域を形成して、ケーシング内を流れる内部流れの流速を増加する非定常流れを利用した流体機械であって、ケーシングの肉厚形成の基準とされる基準線が、軸方向断面において前縁と後縁との間を連絡しかつこの前後縁間のスロート部の位置に凸部を有するサイクロイド曲線から構成され、ケーシングの半径方向で内周側の面には、スロート部とこのスロート部より後流側に負圧領域を生成するための渦生成部が形成され、さらにこの渦生成部に隣接するスロート側隣接面にはその境界位置に内部流れを剥離させる第２の流出勾配が形成され、かつケーシングの外周側の面には、後縁に外部流れをこの後縁位置で剥離させる第1の流出勾配が形成され、第1の流出勾配は前縁と後縁とを結ぶ円錐の母線の勾配以上の勾配に設定され、かつ第２の流出勾配は、基準のサイクロイド曲線が内周の面とされた場合における渦生成部先端の勾配を基準にこれ以下の勾配に設定され、非流線形のケーシングにより渦生成部の背後に強い渦度の負圧領域を生成して内部流れを増速することを特徴とする非定常流れを利用した流体機械である。この構成によって、ケーシングの設計、製造が容易であって、ケーシングの形状により流れの中に強くて安定した渦列流れを形成し、出口側のケーシング付近に強い負圧領域を実現して、内部流れを増速することができ、ディフューザの長さが短く、大型化が可能になり、高出力にすることができる。
【００３１】
本発明の第２の発明の形態は、第１の発明の形態に従属する形態であって、前縁及び後縁が軸方向断面において半径方向に所定幅の肉厚を有する場合に、渦生成部を含むケーシングの内周側の形状が内周側の前縁及び後縁を連絡した基準のサイクロイド曲線によって構成されることを特徴とする非定常流れを利用した流体機械である。この構成によって、前縁及び後縁が半径方向に所定幅の肉厚を有する場合に、ケーシング内周側の形状がサイクロイドであるためサイクロイドによる好適な渦列生成特性が付与され、ケーシングの設計、製造が容易になる。
【００３２】
本発明の第３の発明の形態は、第１の発明の形態に従属する形態であって、ケーシングが所定幅の肉厚を有する板材から構成され、基準線が、前縁と渦生成部先端の間においてスロート部の位置に凸部を有するサイクロイド曲線と、渦生成部先端から後縁の間に渦生成部を形成するための直線または第２の曲線とを備えて前縁と後縁との間を連絡し、前縁と後縁とを結ぶ円錐の母線の勾配が４０°より小さな正の勾配に設定されたことを特徴とする非定常流れを利用した流体機械である。この構成によって、サイクロイド形状のほかに、直線または第２の曲線による第２の部分で渦生成部を形成し易く、好適な渦列生成特性を容易に付与でき、ケーシングの設計、製造が容易になり、流体機械の軽量化が行える。
【００３３】
本発明の第４の発明の形態は、第１の発明の形態に従属する形態であって、非流線形の形状が軸方向断面において肉厚が漸増漸減又は漸増急減する形状に形成され、その内周側の一部又は全部の形状が基準のサイクロイド曲線から構成されていることを特徴とする非定常流れを利用した流体機械である。この構成によって、肉厚が漸増漸減又は漸増急減する場合に、ケーシング内周側の一部又は全部の形状がサイクロイド形状の肉厚を有しているためサイクロイドによる好適な渦列生成特性が付与され、ケーシングの設計、製造が容易になる。
【００３４】
本発明の第５の発明の形態は、第２の発明の形態に従属する形態であって、前縁と後縁のうち後縁のみが軸方向断面において半径方向に所定幅の肉厚を有する場合に、渦生成部がこの所定幅のリング状の平面であることを特徴とする非定常流れを利用した流体機械である。この構成によって、サイクロイドによる好適な渦列生成特性と共に、渦生成部がリング状の平面のため負圧領域が内部流れ側に寄り、渦生成部背後に強い負圧領域を実現して、内部流れを増速することができる。
【００３５】
本発明の第６の発明の形態は、第１の発明の形態に従属する形態であって、渦生成部に流れの渦列ゆらぎの位相を揃える位相制御板が複数設けられたことを特徴とする非定常流れを利用した流体機械である。この構成によって、サイクロイドによる好適な渦列生成特性と共に、確実に周方向に渦形成がゆらぐ位相を揃えて流れのセル構造を明確化でき、出口側のケーシング付近に強い負圧の負圧領域を実現して、内部流れを増速することができる。
【００３６】
本発明の第７の発明の形態は、第１〜第６の何れかの発明の形態に従属する形態であって、羽根車には、該羽根車の回転力を電気力に変換する発電装置が連結されていることを特徴とする非定常流れを利用した流体機械である。この構成によって、ケーシングの形状によって高出力の発電が行える。
【００３７】
本発明の第８の発明の形態は、第１〜第７の何れかの発明の形態に従属する形態であって、ケーシングに導体製のメッシュが装着されたことを特徴とする非定常流れを利用した流体機械である。この構成によって、ケーシングの形状によって流れを安定化すると共に、ドップラーレーダーからの流体機械の電磁波遮断効果が期待できる。
【００３８】
本発明の第９の発明の形態は、環状をなしてその軸方向断面が非流線形の形状を有するケーシングと、ケーシング内のスロート部に配設され軸周りに回転する羽根車を備え、周囲を流れる流れを前縁で内外の流れに分割しかつ強制的に流れの剥離を起こし、この剥離によってケーシング後方に渦列を形成し、渦列と渦列ゆらぎによって環状方向にセル構造を有する負圧領域を形成して、ケーシング内を流れる内部流れの流速を増加する風車であって、ケーシングの肉厚形成の基準とされる基準線が、軸方向断面において前縁と後縁との間を連絡しかつこの前後縁間のスロート部の位置に凸部を有するサイクロイド曲線から構成され、ケーシングの半径方向で内周側の面には、スロート部とこのスロート部より後流側に負圧領域を生成するための渦生成部が形成され、さらにこの渦生成部に隣接するスロート側隣接面にはその境界位置に内部流れを剥離させる第２の流出勾配が形成され、かつケーシングの外周側の面には、後縁に外部流れをこの後縁位置で剥離させる第1の流出勾配が形成され、第1の流出勾配は前縁と後縁とを結ぶ円錐の母線の勾配以上の勾配に設定され、かつ第２の流出勾配は、基準のサイクロイド曲線が内周の面とされた場合における渦生成部先端の勾配を基準にこれ以下の勾配に設定され、非流線形のケーシングにより渦生成部の背後に強い渦度の負圧領域を生成して内部流れを増速することを特徴とする風車である。この構成によって、ケーシングの設計、製造が容易で、ケーシングの形状により流れの中に強くて安定した渦列流れを形成し、出口側のケーシング付近に強い負圧領域を実現して、内部流れを増速することができ、ディフューザの長さが短く、大型化が可能になり、高出力にすることができる。
【００３９】
本発明の第１０の発明の形態は、第９の発明の形態に従属する形態であって、前縁及び後縁が軸方向断面において半径方向に所定幅の肉厚を有する場合に、渦生成部を含むケーシングの内周側の形状が内周側の前縁及び後縁を連絡した基準のサイクロイド曲線によって構成されることを特徴とする風車である。この構成によって、前縁及び後縁が半径方向に所定幅の肉厚をする場合に、ケーシング内周側の形状がサイクロイドであるためサイクロイドによる好適な渦列生成特性が付与され、ケーシングの設計、製造が容易になる。
【００４０】
本発明の第１１の発明の形態は、第９の発明の形態に従属する形態であって、ケーシングが所定幅の肉厚を有する板材から構成され、基準線が、前縁と渦生成部先端の間においてスロート部の位置に凸部を有するサイクロイド曲線と、渦生成部先端から後縁の間に渦生成部を形成するための直線または第２の曲線とを備えて前縁と後縁との間を連絡し、前縁と後縁とを結ぶ円錐の母線の勾配が４０°より小さな正の勾配に設定されたことを特徴とする風車である。この構成によって、サイクロイド形状のほかに、直線または第２の曲線による第２の部分で渦生成部を形成し易く、好適な渦列生成特性を容易に付与でき、ケーシングの設計、製造が容易になり、流体機械の軽量化が行える。
【００４１】
本発明の第１２の発明の形態は、第９の発明の形態に従属する形態であって、非流線形の形状が軸方向断面において肉厚が漸増漸減又は漸増急減する形状に形成され、その内周側の一部又は全部の形状が基準のサイクロイド曲線から構成されていることを特徴とする風車である。この構成によって、肉厚が漸増漸減又は漸増急減する場合に、ケーシング内周側の一部又は全部の形状がサイクロイド形状の肉厚を有しているためサイクロイドによる好適な渦列生成特性が付与され、ケーシングの設計、製造が容易になる。
【００４２】
本発明の第１３の発明の形態は、第１０の発明の形態に従属する形態であって、前縁と後縁のうち後縁のみが軸方向断面において半径方向に所定幅の肉厚を有する場合に、渦生成部がこの所定幅のリング状の平面であることを特徴とする風車である。この構成によって、サイクロイドによる好適な渦列生成特性と共に、渦生成部がリング状の平面のため負圧領域が内部流れ側に寄り、渦生成部背後に強い負圧領域を実現して、内部流れを増速することができる。
【００４３】
本発明の第１４の発明の形態は、第９の発明の形態に従属する形態であって、渦生成部に流れの渦列ゆらぎの位相を揃える位相制御板が複数設けられたことを特徴とする風車である。この構成によって、サイクロイドによる好適な渦列生成特性と共に、確実に周方向に渦形成がゆらぐ位相を揃えて流れのセル構造を明確化でき、出口側のケーシング付近に強い負圧の負圧領域を実現して、内部流れを増速することができる。
【００４４】
本発明の第１５の発明の形態は、第９〜第１４の何れかの発明の形態に従属する形態であって、羽根車には、該羽根車の回転力を電気力に変換する発電装置が連結されていることを特徴とする風車である。この構成によって、ケーシングの形状によって高出力の発電が行える。
【００４５】
本発明の第１６の発明の形態は、第９〜第１５の何れかの発明の形態に従属する形態であって、ケーシングに導体製のメッシュが装着されたことを特徴とする風車である。この構成によって、ケーシングの形状によって流れを安定化すると共に、ドップラーレーダーからの風車の電磁波遮断効果が期待できる。
【００４６】
本発明の第１７の発明の形態は、環状をなしその軸方向断面が非流線形の形状を有するケーシング内に羽根車を設け、周囲を流れる流れを前縁で内外の流れに分割して強制的に流れの剥離を起こし、この剥離によってケーシング後方に渦列を形成し、渦列と渦列ゆらぎによって環状方向にセル構造を有する負圧領域を形成して、ケーシング内を流れる内部流れの流速を増加する非定常流れを利用した内部流れ増速方法であって、ケーシングの肉厚形成の基準とされる基準線を、軸方向断面において前縁と後縁との間を連絡しかつこの前後縁間のスロート部の位置に凸部を有するサイクロイド曲線とし、ケーシングの半径方向で内周側の面には、スロート部とこのスロート部より後流側に負圧領域を生成するための渦生成部を形成し、さらにこの渦生成部に隣接するスロート側隣接面にはその境界位置に内部流れを剥離させる第２の流出勾配を形成し、かつケーシングの外周側の面には、後縁に外部流れをこの位置で剥離させるための第1の流出勾配を形成して、第1の流出勾配を前縁と後縁とを結ぶ円錐の母線の勾配以上の勾配に設定し、かつ第２の流出勾配は、基準のサイクロイド曲線が内周の面とされた場合における渦生成部先端の勾配を基準にこれ以下の勾配に設定し、非流線形のケーシングにより渦生成部の背後に強い渦度の負圧領域を生成して内部流れを増速することを特徴とする非定常流れを利用した内部流れ増速方法である。この構成によって、ケーシングの設計、製造が容易で、ケーシングの形状により流れの中に強くて安定した渦列流れを形成し、出口側のケーシング付近に強い負圧の負圧領域を実現して、外部流れで内部流れを増速させることができる。
【実施例１】
【００４７】
以下、本発明の実施例１における非定常流れを利用した流体機械、とくに風車について、また流体機械の内部流れ増速方法について説明をする。しかし、水車など、その他の流体機械でも基本的に同様である。【００４８】
図１は本発明の実施例１における流体機械の一部破砕した斜視図、図２は本発明の実施例１における流体機械の前縁と後縁の間に設けられたサイクロイド曲線を基調とした厚さのあるケーシングの軸方向断面図を示し、図３は図１の流体機械の流れを説明する説明図である。【００４９】
図１、図２、図３０に示すように、本発明の実施例１における流体機械は風車１であって、発電用の発電機が連結されている（図３０参照）。風車１の羽根車３が回転することにより発電機を駆動して運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。詳細は後述する。風車１は、風によって軸まわりに回転される羽根車３と、環状で各軸方向断面が非流線形の形状を有すると共に、全体の形も非流線形で羽根車３のまわりを囲って風を内外流に分割するディフューザタイプのケーシング２を備えている。【００５０】
風車１は、風の方向の断面内では、羽根車３がその先端の回転面とケーシング２との小さな間隙を介してケーシング２内に配置され、風車１の軸方向では環状の形状となる。実施例１のケーシング２はディフューザタイプ（拡開形状）であり、ディフューザタイプにされた理由は羽根車３先端部分の流速がスロート部２ａ（ケーシング２の最小断面積の部分）で最大となり、ノズルタイプ（縮小形状）よりコンパクトな構造になるからである。前縁２ｂからスロート部２ａまで流入部となり、徐々に流路断面積が絞られ、加速される。スロート部２ａから後縁２ｄまで流路断面積が拡大され、減速される。【００５１】
ところで従来の風車１においては、このスロート部２ａが相対的に前縁２ｂにかなり近寄った間隔で配置され、ここに羽根車３が置かれ、後流側のディフューザ部分が強調された形状をしていた。従って、このディフューザは長手方向にかなり長い形状となる。これでは風車１のコンパクト化は図れない。【００５２】
これに対し、実施例１におけるケーシング２は非流線形の形状を備え、周囲を流れる流れをケーシング２で内外の流れに分割して強制的に流れを剥離させ、これによって後方に渦列を形成し、この渦列と渦列ゆらぎによってケーシング２の背後で環状方向にセル構造を有する強い負圧の負圧領域を形成して、この負圧領域の作用でケーシング２内を流れる内部流れの流速を増加するものである。そして、この渦列の渦の強さを強くして負圧領域をより一層低圧化するため、ケーシング２の形状を最良にしようと試みるものである。【００５３】
図１、図２、図３に示すように、このケーシング２の軸方向断面には、スロート部２ａより後流側のケーシング２の内周面２０１に内部流れを表面から剥離させるための渦生成面２ｃ（本発明の実施例１における渦生成部）が設けられている。ケーシング２の入口の開口から流入した内部流れは、スロート部２ａ付近から境界層が発達し、内周面２０１上にある渦生成部先端２ｅで剥離する。剥離した内部流れは、外周面２０２の後縁２ｄで剥離した外部流れと共に、ケーシング２の後方で巻き込みを生じ、後流にカルマン渦状の渦列ｖ（図３（ａ）参照）を形成する。この渦列ｖとその渦列ゆらぎによって渦生成面２ｃの背後で羽根車３側に寄った環状方向に並ぶ強い渦度の負圧領域Ｓ（図３（ａ）参照）を形成し、ケーシング２内を流れる内部流れを増速させる。【００５４】
以下、この渦列とその渦列ゆらぎによって形成されるセル構造の負圧領域Ｓについて説明する。渦列は、図３（ａ）のようにケーシング２の後流側に非定常的（交互）に生成される。すなわち、図３（ｂ）に示すようなケーシングの形状を仮定すると、ケーシング２のスロート部２ａの内径ｄに対して渦生成面２ｃの径方向の高さｈが十分小さい（ｈ／ｄ≪１）ときは、あるタイミングで形成された渦列によって、複数個の渦列ゆらぎスケールのサイズをもつ負圧領域Ｓのセルが渦生成面２ｃの背後に環状に形成される。この領域の渦度が強まると負圧が一層低下する。なお、このときの筒長（ケーシング軸方向長さ）がＬｔである。【００５５】
ケーシング２の内外の流れはケーシング２の外周面、内周面のそれぞれの剥離点で剥離し、下流の周方向の各断面でカルマン渦を形成する。そして、その断面、断面での渦形成には円周方向において強い渦形成、弱い渦形成とゆらぎ（むら）が存在する。この強い渦形成、弱い渦形成が出現する周方向の範囲は、２次元円柱の軸方向の渦列ゆらぎスケール（３ｄｃ〜４ｄｃ、ここでｄｃ：円柱直径）よりやや小さい規模であり、ケーシング２の主流から見たドーナツ状の各断面の投影幅をＤ（渦生成面高さｈを含む）とすると（図３（ｂ）参照）、その円周方向の渦列ゆらぎスケールは２Ｄ〜３Ｄとなる。これは２次元円柱が円環状に閉じて３次元形状になっていることに対応し、定量的にも裏付けられる。【００５６】
セルの数をＮ、ケーシング２の内径をｄとすると、２次元の場合のアスペクト比（縦横比）に対応する｛π・（ｄ＋Ｄ）・Ｄ／Ｄ・Ｎ｝＝π・（ｄ＋Ｄ）／Ｎが渦列ゆらぎスケールとなる。上記した２Ｄ〜３Ｄは、Ｎが１２個の場合、ｄ／ｈが大体６〜１２程度の値に相当する。従って、通常の流体機械においては、各領域がバラバラに安定化する渦列の場合（ｈ／ｄ≪１）と、一対セルを同時に安定化する渦列の場合（ｈとｄが同じオーダ）、の両方が存在する可能性がある。【００５７】
強い渦形成が起きた負圧領域のセルが強い渦度の負圧領域Ｓとなる。流れではゆらぎのためセルの何れかが独立して強くなったり、弱くなったりする。このセルは互いに入れ替わる。強い渦度の負圧領域Ｓの形成によって、この付近の周囲を低圧化して、圧力差で内部流れの流速を向上させる。これにより羽根車３は高速回転し、風車１として高トルクの駆動力を出力することができ、高出力の発電を行うことができる。通常の風車１では、ケーシング２のスロート部２ａの内径ｄに対して渦生成面２ｃの径方向の高さｈが十分小さいという条件（ｈ／ｄ≪１）が満たされることが多い。【００５８】
ケーシング２のスロート部２ａの内径に対して渦生成体２ｃの径方向の高さがオーダ的に変わらないときは（ｈとｄが同じオーダのとき、ｈ／ｄ〜１）、各セルの中でケーシング２としての一断面を構成するセル同士の関連性が強まり、対角線上で一対をなすセルで強い渦度の負圧領域Ｓが形成されるようになる。この場合も、ケーシング２の流出口付近は低圧で安定し、圧力差で内部流れの流速を向上させることができる。【００５９】
しかし、このような強い渦度の負圧領域Ｓを含む流れは容易にはつくれない。というのは、単純にケーシング２を非流線形にしただけでは、徒に圧力損失を招き、渦列の渦の強さは強くならず、強い負圧の負圧領域Ｓは明確に現れないからである。理想とするケーシングは、できるだけ流れに無用な損失を起こさせることがなく、強い渦の渦流れと、強い負圧の負圧領域Ｓをつくれる形状でなければならない。【００６０】
ところで、風車１に抵抗体となる羽根車３がなければ、流れに剥離がないと想定するポテンシャル流で解析でき、この場合、ケーシング２の内周面２０１に沿って流れる流れがスロート部２ａ付近で最大の流速を示す。【００６１】
しかし、実施例１の風車１においては、ケーシング２のスロート部２ａに回転する羽根車３という抵抗体がある。このため、この抵抗に打ち克ってスロート部２ａで最も増速させるための最適形状を見出す必要がある。上記した理想のケーシングにはこのような難しい制約が加わるものである。本発明のケーシングとは、羽根車３という抵抗体を存在させたときに、無用な圧力損失を招かず、渦列形成のためだけに有効な剥離を起こさせる構造であって、結果としてスロート部付近の内部流れを増加する低圧の負圧領域Ｓを形成する形状である。【００６２】
本発明者らは、従来、渦生成面２ｃを鍔にするなど様々な形状を試みた。しかし、これらの形状は改善の余地があるように感じていた。そして、試行錯誤し、比較検討して、最短降下線と知られるサイクロイドが理想のケーシングの条件を十分に満足する形状であるとの知見を得た。以下、サイクロイド曲線を基調とするケーシング（以下、サイクロイド形状のケーシングあるいはサイクロイドケーシングともいう）について一般的に説明し、サイクロイド自体で内周面が構成されたケーシングの渦形成特性については、後記する実施例２、３において詳述する。なお、サイクロイド曲線を基調にするケーシングとは、ケーシングの肉厚が無視できる場合にはその曲線を母線とする回転体のケーシングのことであり、肉厚がある場合は基準線（肉厚が無視できる場合の母線に相当する）に対して肉厚が付与される回転体のケーシングのことを意味する。【００６３】
図４はスロート部の直径ｄに対して筒長（ケーシング軸方向長さ）１３．７％ｄで、１０％ｄの高さｈの鍔（渦生成面）をもつ鍔付きケーシング（Ｌｔ／ｄ＝０．１３７，ｈ／ｄ＝０．１、以下、鍔高さ１０％・筒長１３．７％鍔付きケーシングという）を備えた風車１まわりの周方向平均、時間平均した圧力分布であり、図５はサイクロイドケーシングを備えた風車１まわりの周方向平均、時間平均した圧力分布である。数値計算は、九大応用力学研究所で開発したリアムコンパクト（ＲＩＡＭ−ＣＯＭＰＡＣＴ）数値シミュレータを使用し、乱流モデルの最先端であるラージ・エディ・シミュレーション法（ＬＡＲＧＥ−ＥＤＤＹ−ＳＩＭＵＬＡＴＩＯＮ__、通称ＬＥＳ法）を採用した高レイノルズ数解析ソフト、および一切乱流モデルを使用しない直接数値計算（ＤＩＲＥＣＴ  ＮＵＭＥＲＩＣＡＬ  ＳＩＭＵＬＡＴＩＯＮ、通称_ＤＮＳ法）をともに使って計算した。ここで示す図の計算結果はＤＮＳ法によるものである。ＬＥＳ法は参照用に使用した。なお、鍔付きケーシングとサイクロイドケーシングの形状の詳細は図８のとおりである。図８は数値計算のための鍔高さ１０％・筒長１３．７％鍔付きケーシングとサイクロイドケーシングの形状を比較した図である。【００６４】
図８において、両ケーシングはｘ／ｄ＝−０．０５の位置に前縁を有し、ｘ／ｄ＝０．００の位置にスロート部が形成され、後流側のｘ／ｄ＝０．０９近傍まで一致した形状になっている。しかし、ｘ／ｄ＝０．０９付近で、鍔付きケーシングは高さｈ＝１０％ｄ（ｒ／ｄの幅では０．１０相当）の鍔が軸に垂直に形成される。これに対し、サイクロイドケーシングではこの位置から鍔の高さｈと同じ高さになるまでサイクロイド形状が延長されている。ここでｄはスロート部の直径であり、ｈは渦生成面２ｃの径方向の高さｈである。鍔付きケーシングではＬｔ＝０．１３７ｄであり、ｈ＝０．０１３７ｄとなる。また、サイクロイドケーシングではＬｔ＝０．１７ｄと若干長くなる。このように鍔付きケーシングは、後端に鍔を設けてディフューザ出口の外径を大きくした形状であるが、サイクロイドケーシングはその形状を鍔付きケーシングの鍔外径までサイクロイド形状を延長して、ケーシングそのものにより鍔との一体化を図ったものである。【００６５】
図４によれば、鍔の前面側に高圧の領域が形成され、鍔の先端の後流側にそれほど低圧ではない負圧領域が形成されているのが分かる。これに対し、図５によれば、サイクロイド形状のケーシング２の圧力分布は無用な高圧部分がなく、きわめて円滑でユニークな流れで、ケーシング２の背面の後縁付近からスロート部側に食い込むような負圧領域が形成されている。つまり、ケーシングがサイクロイド曲線で構成されているため、スロート部で流れが絞られ、その後流側では膨張するが、この間の流体粒子は最短降下線で構成された面に沿って、いわば最小時間の経路で流れるため、平均的にこの間のゆらぎの量、変動が小さく、きわめて円滑な流れとなって安定して剥離し、一旦剥離点に到達すると強い循環をもつ安定した二次流れを後流側から引き込むことができ、強い負圧領域を形成する。これによれば、鍔高さ１０％・筒長１３．７％鍔付きケーシングは圧力損失が大きく、負圧領域の作用は小さいが、サイクロイドケーシングの場合、流体抵抗は小さく、負圧領域が強く負圧化しており、内部流れへの作用が強いことが見て取れる。【００６６】
図６は図４の鍔付きケーシングを備えた風車１まわりの周方向平均、時間平均した流線の説明図であり、図７は図５のサイクロイドケーシングを備えた風車１まわりの周方向平均、時間平均した流線の説明図である。これによれば、同じく非流線形状ではあっても、鍔付きケーシングまわりの流れはケーシングの存在で主流が乱されて後方に膨らみ不安定な領域をもつ流れと分かる。流れは鍔のためここで堰き止められている。これに対し、サイクロイドケーシングの流れは主流がケーシングに乱されることなく、ケーシング背後に強い負圧領域の渦を形成している。また、サイクロイド形状では、ケーシング２の後縁での上面で流れの飛び出しが滑らかで速いことが分かる。鍔のようなケーシングによる堰き止めがないためである。【００６７】
従って、形状をサイクロイド曲線にすると、ケーシング２の渦生成面２ｃが過度に切り立った形状となることなく、必要以上に流れを乱さない適度な非線形状となり、かつ流れの後縁からの飛び出し角がより内側向きになる。しかも、渦生成面２ｃの背後の、ケーシング軸方向長さの１倍〜２倍程度の範囲で円滑に内外流れが時間平均的に合流するようになる。これにより、強い負圧領域の渦が渦生成面２ｃの直ぐ近傍に形成され、この作用でスロート部２ａの流速を増加し、風車出力を増加させる。【００６８】
さらに、図９は鍔高さ１０％・筒長１３．７％鍔付きケーシングまわりの流れ場における周方向平均・時間平均渦度の分布を数値計算したものである。図９の鍔高さ１０％・筒長１３．７％鍔付きケーシングの場合、強い渦度の部分が羽根車先端付近の後流側で薄く、長く延びた領域となって形成されているのが分かる。これに対し、図１０はサイクロイドケーシングまわりの流れ場における周方向平均・時間平均渦度の分布を数値計算したものである。図１０によれば、サイクロイドケーシングでは渦生成面の背後に接近して風車出口付近にきわめて強い渦度の領域が形成されている。渦度が強ければ負圧が増し、周囲の流れの流速を増大する。【００６９】
他の形状のケーシングと比較したとき、負圧領域の低圧化、明確化、流れの安定化及び円滑化に関して、サイクロイドケーシングは図５、図７、図９で分かるようにきわめて明瞭に優れた特性を有する。強い渦度の負圧領域がケーシング軸方向長さの１倍〜２倍の範囲で後流側に形成される渦列流れは他の形状のケーシングでは形成できない特有の特性である。これらの結果はサイクロイドケーシングが非定常流れに大きく寄与する可能性を示している。以上のことから、サイクロイド形状が非定常流れを利用した流体機械にとって理想に近い、最適か若しくはそれに近い形状ということができる。【００７０】
以上のことから、風車１のケーシング２の形状を決定する場合に、サイクロイド曲線を基準にしてケーシング形状を構成すればよいことが分かる。すなわち、肉厚を無視できるような場合は、上記したサイクロイド曲線を母線とするサイクロイドケーシングをそのまま使えばよく（詳細は実施例２参照）、薄肉ではあるが無視できない肉厚があるケーシングの場合は、上記した基準となるサイクロイド曲線を基にケーシングの骨格となる形状を決め、サイクロイドケーシングに近い形状に肉付けすればよい。【００７１】
ここで、基準のサイクロイド曲線は、軸方向断面において前縁２ｂと後縁２ｄとの間を連絡しかつこの前後縁間のスロート部２ａに対応して形成される凸部を有するサイクロイド曲線でなければならない。サイクロイド曲線は両端とこの間の最大値または最小値の位置で形が定まるからである。サイクロイドケーシングに肉付けした場合も、サイクロイドケーシングを基準にすれば、サイクロイド形状による渦形成特性と同等の渦列形成特性を示す。【００７２】
以下、このサイクロイド曲線を基調とする非流線形のケーシング形状を決める方法について説明する。図２は前縁と後縁の間に設けられたサイクロイド曲線を基調とした厚さのあるケーシングの軸方向断面である。図２においては、ケーシング２は軸方向断面の肉厚が漸増漸減する三日月状であって、前縁２ｂから後縁２ｄに向けてある勾配で拡開した回転体である。図２の前縁２ｂと後縁２ｄとを結ぶ円錐の母線の勾配ｎが拡開角βである。すなわち円錐状で環状の回転体となっている。このケーシング２の骨格を決める基準となる基準線（肉厚が無視できる場合の母線）が前縁２ｂと後縁２ｄとを連絡するサイクロイド曲線ｍである。実施例１の風車１ではスロート部２ａが形成されるため、サイクロイド曲線ｍは図２に示すような凸部Ａ’（図２の断面においては最小値）をもったものとなる。凸部Ａ’の位置は内周面２０１の最小断面積となる凸部Ａの位置と軸方向位置が同一である。なお、回転体の断面の向きにより、凸部Ａと凸部Ａ’は最小値とも最大値ともなる。【００７３】
図２の軸方向断面においては、ケーシング２の内周面２０１の形状は、サイクロイド曲線ｍ沿って漸増漸減するように肉付けされ、半径でいえば、前縁２ｂからスロート部２ａをまで徐々に半径を減少し、スロート部２ａから半径を増加して後縁２ｄに至る湾曲した形状となっている。内周面２０１の後縁２ｄから所定長さの範囲が渦生成面２ｃを形成する母線となるラインである。肉厚が無視できるサイクロイド形状が最も好適であり、できるだけ内周面２０１はサイクロイド曲線ｍに接近させた薄肉形状がよい。この渦生成面２ｃの内径側の端点が渦生成部先端２ｅとなる。内周面２０１の渦生成面２ｃとの隣接面にはその前縁側の境界位置（内周面２０１の位置とすれば渦生成部先端２ｅ）に内部流れを剥離させる流出勾配が形成さる。内部流れはスロート部２ａ付近から除所に境界層が発達し、渦生成面２ｃの存在により流れは渦生成部先端２ｅで剥離する。内周面２０１は通常渦生成部先端２ｅにおいて勾配が不連続に変わる形状になる。しかし、内周面２０１がサイクロイド曲線を母線とするサイクロイド形状の場合はその形状の後流側の一部分をそのまま渦生成面２ｃとするだけで渦生成面２ｃとなり（すなわち、サイクロイド曲線の剥離点後の一部分を剥離点前と同様にそのまま渦生成面２ｃとする）、渦生成部先端２ｅにおいて剥離する。剥離した内部流れは同じく剥離した外部流れと共に、図３（ａ）のようにケーシング２の後方で巻き込み、後流に渦列を形成し、渦生成面２ｃの直ぐ後ろに強い渦度の負圧領域を形成する。【００７４】
図２の軸方向断面では、渦生成部先端２ｅの直近上流側の内周面（本発明の実施例１における隣接面）に内部流れを剥離させるための流出勾配θ２が設けられる。すなわち、渦生成部先端２ｅの直近上流側に接線ｐ方向の傾斜面を形成して、流れの剥離を促す。この流出勾配θ２は、内周面２０１がサイクロイド曲線ｍのときに剥離が起きる渦生成部先端２ｅの勾配を基準にし、これ以下の勾配に設定すればよい。サイクロイド曲線ｍの場合が基準であり、肉付けするときはこの基準値θｍ未満の勾配となる。すなわち、ケーシングに対して肉付けする場合には、サイクロイド曲線ｍの結果を利用してそれに沿って肉付けすることになる。このためサイクロイド形状の場合の剥離点（渦生成部先端２ｅ、回転体でいえば環状の剥離線）の位置、その勾配と風速Ｕとの関係を予め取得しておき、これを基に設計風速Ｕでの流出勾配θ２を設定する。肉付けされた内周側ではサイクロイド曲線ｍより曲率半径が大きくなり、これに伴って剥離点（渦生成部先端２ｅ）が後縁側へ移動するため、流出勾配θ２は基準値θｍ未満の勾配となる（θ２＜θｍ）。このときの内周面と渦生成部先端２ｅの位置、勾配θ２の正確な関係は実験に基づいて求めるのがよいが、数値計算などで求める場合は、内周面の境界層において流れの壁面せん断応力が０になる点などを求めて剥離点とする。例えば、流れの中に壁面方向に沿ってｘ、この法線方向をｙとする座標系を仮定したとき、その流れの流速をｕとすると、せん断応力はμｄｕ／ｄｙ（μは流体の粘性係数）であるから、法線方向の速度勾配がゼロになるｄｕ／ｄｙ＝０（ｙ＝０において）の点を求めて剥離点とする。数値計算でこの点を容易に計算することができる。なお、流出勾配θ２を小さくすると渦生成部先端２ｅはスロート部側に近づき、大きくすると後縁側に近づく。【００７５】
ところで、剥離点（渦生成部先端２ｅ）の位置は風速Ｕの影響を受ける。実際の流れの中では、流出勾配θ２の多少の違いは自然風の風速の変化の中で吸収される。発電等の風車１の出力が行われるときに、渦生成部先端２ｅにおいて流れを剥離できる流出勾配θ２であればよい。サイクロイド形状の勾配を基準にしてこの基準の勾配以下にすれば、予定した渦生成部先端２ｅあるいはその付近で流れを剥離させ、強い渦の渦列を生成することができる。【００７６】
さらに、サイクロイド曲線ｍの後縁２ｄの勾配αを基に、流出勾配θ２をサイクロイドから定まるα未満の所定の勾配（θ２＜α＜９０°）に設定することで（例えばαの一次関数や冪関数で対応させて設定）、このαとの対応付けにより簡便に内部流れを内周面２０１から剥離させる勾配に設定することができる。垂直近く屈曲している場合は、後述する実施例３の漸増裁断端型（バナナ型断面）の勾配αに近い値を採用すればよい（図７参照）。【００７７】
ここで、サイクロイド曲線ｍを基準線にして肉厚を付与したときの薄肉ケーシング形状の肉厚について説明する。薄肉ケーシングは全体として一方へラッパ状に拡開する形状の回転体となる。このサイクロイド曲線ｍを基準線とする回転体ケーシングの一断面において、図３（ｂ）に示すように薄肉ケーシングの内表面を示す線を内側曲線ｉとし、外表面を示す線を外側曲線ｋとし、サイクロイド曲線ｍと内側曲線ｉのスロート部の内側肉厚をΔｉとする。また、サイクロイド曲線ｍと外側曲線ｋのスロート部の外側肉厚をΔｋとする。従って、薄肉ケーシングの内側曲線ｉのスロート部の直径、すなわちケーシング２の内周径はｄ＝ｄｍ−２Δｉとなる。なお、ｄｍはサイクロイド曲線ｍのスロート部での直径である。【００７８】
ところで、軸方向断面において薄肉形状の内側曲線ｉは次の条件（１）（２）を充たす。すなわち、（１）内側曲線ｉは前縁２ｂにおいてサイクロイド曲線ｍと交差する。（２）内側曲線ｉもサイクロイド曲線ｍのスロート部の軸方向同一位置のスロート部で極小値または極大値をもつ。さらに（３）内側曲線ｉはサイクロイド曲線ｍと後縁２ｄにおいて交差する条件を加えるのが設計を容易にする。そして内側曲線ｉにはその線上の渦生成部先端２ｅから後縁２ｄを直線や曲率の小さな曲線などで結んで渦生成面２ｃを形成する。【００７９】
この内側曲線ｉは、例えば２次関数や、３次以上の高次の冪関数、三角関数などの、前縁２ｂと後縁２ｄの間に極大値または極小値を有し、条件（１）（２）、さらに場合により（３）を満たす凸関数または凹関数を使って表現できる。そして、スロート部では内側肉厚Δｉと外側肉厚Δｋとにより全体で肉厚Δの形状になる。そしてスロート部の内側肉厚Δｉが薄肉ケーシングの内側肉厚が最大となる厚さである。この凸関数または凹関数はスロート部まで単調に滑らかに増加あるいは減少し、スロート部からは逆に単調に滑らかに減少または増加する関数であればよい。【００８０】
さて、肉厚が無視できるサイクロイドケーシング内の流れと、サイクロイド曲線ｍを基準線にした薄肉ケーシング内の流れが流体力学的にほぼ同視できる流れを形成する条件を以下検討する。【００８１】
肉厚が無視できるサイクロイドケーシングと薄肉ケーシングでは、形状の骨格は何れも同じサイクロイド曲線ｍであって共通する。薄肉ケーシングの肉厚が薄肉であることを考慮すると流路はほぼ同じになり、ごく微視的な流れを除きほとんど同じ流れになる。この２つの流路においては、レイノルズ数Ｒｅ＝ＬＵ／νが同じであれば、流れはほぼ一致した流れのパターンを示すと考えられる。ここにＬは代表寸法、Ｕは代表流速、νは動粘性係数である。【００８２】
サイクロイド曲線ｍの回転体として構成された内部流路の流路面積Ａはスロート部においてπｄｍ２／４であり、内側曲線ｉの回転体として構成された流路面積Ａｉはスロート部においてπｄ２／４≒π（ｄｍ２−４Δｉｄｍ）／４となる。従って、流路面積Ａを通過する流量をＱ、流速をＵとするとＱ＝ＡＵとなり、この同一流量Ｑが流速Ｕｉで流路面積Ａｉを流れるとすると、Ｑ＝ＡｉＵｉの関係があるから、Ｕｉ＝Ｕ（ｄｍ２／（ｄｍ２−４Δｉｄｍ））≒Ｕ（１＋４Δｉ／ｄｍ）≒Ｕ（１＋４Δｉ／ｄ）と表される。【００８３】
すなわち、サイクロイド曲線ｍの回転体の流れではレイノルズ数はＲｅ＝ｄＵ／νであり、内側曲線ｉの回転体の流れではＲｅ’＝ｄｉＵｉ／ν≒Ｕｄ（１＋２Δｉ／ｄ）／νとなる。【００８４】
風車のレイノルズ数を考えると、例えば５ｋＷの風車の直径ｄ＝１ｍ、平均的な風速５ｍ、動粘性係数ν（２５℃）は１５×１０−６であるから、ＲｅはＲｅ＝３．３×１０５程度となる。実用化されている風車は直径がこれよりかなり大きいためＲｅ＝１０６以上になるのが一般的である。そして、共通の流路において、Ｒｅ＝１０５程度またはそれ以上の２つのレイノルズ数が１０００異なっていても、通常流れに本質的な変化は起きない。というのは、層流から乱流へ流れの性質が大きく変化するレイノルズ数が３０００程度の値であって、これよりレイノルズ数がかなり大きな流れにおいてレイノルズ数が１％異なっていても大きな影響を与えないからである。【００８５】
すなわち、Ｒｅ＝１０５程度またはそれ以上の流れでは、（Ｒｅ’−Ｒｅ）／Ｒｅ＜１０−２程度であれば、この違いが風車周りの２つの流れのパターンに差を生じさせるおそれはほとんどない。上記した薄肉ケーシングでは、これは（Ｒｅ’−Ｒｅ）／Ｒｅ＝２Δｉ／ｄ＜１０−２に相当し、半径に対する内側肉厚の比が１％以下と言い換えることができる。例えばｄ＝１０００ｍｍに対して、Δｉ＜５ｍｍであれば薄肉ケーシングにしてもサイクロイドケーシングと同等の流れを形成できる。直径ｄ＝１０００ｍｍに対し筒長１０％は筒長Ｌｔ＝１００ｍｍを意味するから、この場合Δｉ／Ｌｔ＝５／１００＝０．０５となる。外側肉厚のΔｋを例えばΔｉと同一厚さとすると、薄肉ケーシングの厚さΔは２Δｉになる。このときΔ／Ｌｔ＝０．１となる。Δｉはより薄い厚さの方がサイクロイドケーシングに近付くため、薄肉ケーシングの全体の厚さΔはＬｔに対して１０％程度、もしくはそれより薄い肉厚が、流れのパターン変化させない薄肉ケーシングということができる。なお、Δｉは０でもよく、このときサイクロイド曲線ｍそのもので内側曲線ｉが構成されることになる。また、無視できる肉厚の場合は、内側曲線ｉ≒サイクロイド曲線ｍ≒外側曲線ｋと言い換えることができる。【００８６】
次に、ケーシング２の外周面２０２の形状を説明する。外周面２０２の形状もサイクロイド曲線ｍに沿って肉付けされ、おおむね前縁２ｂから後縁２ｄに至るまで凹型に湾曲した形状にする。外周面２０２は適度に湾曲し、剥離が後縁２ｄで発生すれば目的の渦列流れを形成できる。様々な断面形状を採用することができる。しかし、風車１あるいはその他の流体機械ではケーシング２の肉厚がその重量を増加させる原因となる。また、風による圧力損失が大きすぎても実用性がなくなる。【００８７】
そこで、後縁２ｄに、外部流れをこの後縁２ｄの位置で剥離させる流出勾配θ１を形成する。θ１は外側曲線ｋの接線ｑ方向と軸線方向の交角である（図２、図３（ｂ）参照）。そして、実施例１においては、ケーシング形状を薄肉にするため、この流出勾配θ１を前縁２ｂと後縁２ｄとを結ぶ円錐面の母線ｎと軸線方向との交角である拡開角β以上に設定する（すなわちβ＜θ１）。図３（ｂ）においてｔａｎβの値はおおむねｔａｎβ＝（ｈ〜Ｄ）／Ｌｔとなる。これにより流体抵抗が低減され、しかも効果的な渦列形成が行える。これに関して、拡開角βが５０°を越えるような、過大な重量と無用な圧力損失を招く、通常の流体機械の枠を越えてしまうような非実用的な形態のケーシング２の場合には、基本となる構造によって外部流れは堰き止め状態となり（図３（ｂ）参照、スロート部２ａの内径ｄに対して主流から見た投影幅Ｄが大）、流体抵抗は大きくなって主流を乱し、図４、図６で示したより以上に後流は外方に広がり、生成される渦列の渦は弱く、負圧領域のセルの圧力もあまり低圧にならず、セル構造も明確でなくなる。従って、通常の流体機械であれば自然と上記枠内に収まって問題にならないが、非定常流れを利用する場合であっても流れを壊さず無意味な圧力損失を避ける必要があり、ケーシング外形には渦列形成のために避けた方が好適な範囲があることが分かる。なお、この拡開角βが５０°を越えるような場合というのは、相対的に筒長が短く、例えば筒長１３．７％の鍔付きケーシングでいうなら、鍔高さｈが１５％をこえるような場合に相当し（すなわち鍔高さ１５％・筒長１３．７％の鍔付きケーシング）、このときの拡開角βはおよそ５１°となる。なお、β＜４０°とするのが好適である（これは後述する）。ただし、実用性を要求されない例外的な流体機械の場合においては、５０°を越える拡開角も有用となる場合がある。【００８８】
流出勾配θ１は流れの剥離を後縁２ｄで安定的にしこれを固定的に起こさせる角度でなければならない。従って、ケーシング２の外周面２０２の形状は、外部流れを後縁２ｄにおいて剥離させ、内周面２０１において剥離した内部流れと共に、ケーシング２の後方で巻き込みを生じ、後流に強い渦の渦列を形成する形状であることが必要である。すなわち、サイクロイドと勾配θ1，θ２を使って、サイクロイド形状の内周側を流れる内部流れを外部流れとの間で連携させ、連携で強い渦列を形成し、この作用により内部流れを加速する。従って、外周面２０２が半径方向外方へ凸に膨出するような形状は剥離点が後縁２ｄより上流側へ移動するおそれがあり、過大な重量と無用な圧力損失を招き、好ましくない。実施例１の場合、流出勾配θ１を拡開角β以上に設定しているのでこのようなおそれがない。【００８９】
また、逆に、このような流出勾配θ１、θ２の条件を満たす形状の薄肉ケーシングが与えられたとき、この前縁２ｂと後縁２ｄを端部としスロート部に凸部が存在するサイクロイド曲線をこのケーシング内に想定し、このサイクロイド曲線全体がこの断面の外表面の領域内に１本の曲線として収まれば（サイクロイド曲線が内表面自体または内外表面を構成するような場合も含む）、この両端（前縁２ｂ、後縁２ｄ）、スロート部が固定された母線のサイクロイド曲線は一義的であり、このサイクロイド曲線はこのケーシング断面形状固有の曲線ということができ、このケーシングはこのサイクロイド曲線を基準線として設定されているということができる。なお、薄肉とは上記流出勾配θ１、θ２の条件を満たした上での肉厚であり、上述したようにＬｔに対しておおむね１０％以内に収まる肉厚が好適である。【００９０】
なお、後縁２ｄに小さなアール（丸み）が形成されている場合は、この丸みの付与が開始された位置での外周面２０２の接線の勾配が後縁２ｄの流出勾配θ１となる。また、後縁が肉厚のある平坦な端面の場合は、この端面の外周縁において上記流出勾配θ１の条件を満たすような形状にすればよい。流れは厚みのない場合と同様になる。そして、前縁については、流れを円滑に分割できる尖端形状あるいは小さな丸みのあるアール形状に形成するのが好ましいが、全体の渦列流れが強まるのであれば、例えば平坦な端面をもつ栽断端形状にするのでもよい。そして、ケーシングが肉厚を有しその内周面自体がサイクロイド曲線を母線としてこの曲線そのもので構成されるユニークな場合については実施例２，３で説明する。【００９１】
以上説明したように、本発明の実施例１における流体機械、風車によれば、ケーシングの基準となる形状として、軸方向断面においてサイクロイド曲線を基準に内周面、外周面の形状を決めるので、内外の流れの剥離で強い渦の渦列を形成し、この渦列により渦生成面の背後に強い渦度の負圧領域を生成して内部流れを増速することができる。軽量でコンパクトな形状の流体機械、風車を提供することができる。また、ディフューザの長さが短く、大型化が可能になり、高出力にすることができる。【００９２】
そして、実施例１の内部流れ増速方法によれば、ケーシングの形状によって流れの中に安定した強い渦の渦列流れを形成し、出口側付近に強い負圧の負圧領域を形成して、非定常流である渦列流れによって内部流れを増速させることができる。
【実施例２】
【００９３】
さて、本発明の実施例２は、以上説明した流体機械、風車のケーシングが半径方向に所定厚さの肉厚を有する板材で構成された場合であり、渦生成面を含む内周側の形状自体がサイクロイド曲線で構成されるものである。従って、実施例１と基本において変わりがない。図１１は本発明の実施例２における流体機械の前縁と後縁の間に設けられたサイクロイド曲線からなる板材のケーシングの軸方向断面図である。実施例２においても風車を中心に説明するが、水車等の他の流体機械でも同様である。【００９４】
図１１で示すように、所定の肉厚Δを有する板材を使ってサイクロイド形状に形成することができる。既にサイクロイド形状のケーシングについて説明したが、実施例２は内周面２０１を板材でサイクロイド形状にする。所定の肉厚Δを有する板材といっても、流体機械の代表寸法のスケールから考えると、通常、肉厚Δは無視できる肉厚として扱えるものである。すなわち通常は、スロート部の半径に対する板厚の比が０．５％以下であり、Δ≒０と考えてケーシングを形成すればよい。従って以下所定の肉厚Δを有する板材というのは、例えばスロート部の半径に対する板厚の比が０．５％を越えてしまうような場合である。図１１において、内周面２０１は前縁内端２ｂ１と後縁内端２ｄ１とを連絡するサイクロイド曲線ｍである。スロート部２ａは内周面２０１内の流路断面を最小にする最小断面積の位置Ｓに存在する。【００９５】
板材の場合、外周面２０２も肉厚Δだけ離れた内周面２０１と平行なサイクロイド曲線である。このとき前縁外端２ｂ２と後縁外端２ｄ２とを結ぶ円錐の母線の勾配が拡開角βに設定される。内周面２０１の後縁２ｄから所定長さの範囲が渦生成面２ｃである。この渦生成面２ｃの内径側の端が渦生成部先端２ｅである。内部流れはスロート部２ａ付近から境界層が発達し渦生成部先端２ｅに至る。【００９６】
サイクロイド形状の場合は、内周面２０１がその一部の範囲をそのまま渦生成面２ｃとするだけで、渦生成部先端２ｅで流れを剥離させ、きわめて効果的な強い渦列を形成することができる。渦生成面２ｃをサイクロイドとは別の形状にする必要はない。サイクロイド形状を採用するだけで、渦生成部先端２ｅを剥離点にすることができる。このとき実施例１のようにθ２＝θｍとなる。剥離した内部流れは、外周面２０２の後縁外端２ｄ２で剥離した外部流れと共に、ケーシング２の後方で巻き込みを生じ、後流にカルマン渦状の渦列を形成し、渦生成面２ｃの直ぐ後ろに随伴する環状方向に並んだ強い渦度の負圧領域を形成する。サイクロイドケーシングは、サイクロイド曲線ｍの渦生成部先端２ｅに接線ｐ方向を向く流出勾配θ２を備えている。【００９７】
次に、外周面２０２の形状は、内周面２０１のサイクロイド曲線ｍに沿って半径方向に肉厚Δだけ離れた形状を備えている。外部流れは前縁外端２ｂ２と後縁外端２ｄ２まわりに流れるため、Δ≒０の場合からも分かるように後縁外端２ｄ２に流出勾配θ１を形成する。図１１のように流出勾配θ１はサイクロイド曲線ｍの流出勾配αと同一の勾配になる。外部流れを後縁外端２ｄ２の位置で剥離させる。また、前縁外端２ｂ２と後縁外端２ｄ２とを結ぶ円錐の母線の拡開角β以下に設定する。【００９８】
また、図１１には示さないが、板状のサイクロイド曲線のケーシングにおいて渦生成面２ｃを垂直に形成して図８のような鍔付ケーシングのような形状とし、図２と同様にβ＜４０°を満たす範囲で鍔（円板）を取り付ける形状としてもよい。重要なことは実施例３で説明するようにβ＜４０°を満たす範囲の形状にすることである。これにより肉厚Δ（Δ≒０を含む）の板状の鍔付サイクロイドケーシングとなる。この場合も安定した強い負圧領域を形成することができ良好な特性を示す。さらに、このときの鍔を羽根車の軸に対して直交（円板）させるのでなく、軸に対して傾斜させ、円錐面をなす鍔にするのもよい。この鍔付サイクロイドケーシングの場合も、サイクロイドケーシングと同様に強い循環をもつ二次流れを後流側から引き込むことができ、安定した強い負圧領域を形成する。【００９９】
本発明の実施例２は、前縁２ｂ及び後縁２ｄが軸方向断面において半径方向に所定幅の肉厚Δを有する場合（すなわち前縁内端２ｂ１と後縁内端２ｄ１、前縁外端２ｂ２と後縁外端２ｄ２を有する場合）に、内周面２０１の形状を前縁内端２ｂ１と後縁内端２ｄ１を連絡したサイクロイド形状にするため、サイクロイドによる好適な渦列生成特性を付与でき、強い渦の渦流れと負圧領域を生成することができる。しかもケーシングの設計、製造が容易に行える。【０１００】
ここで、風洞実験と数値計算によって鍔付きケーシングとサイクロイドケーシングを比較し、サイクロイド形状がきわめて優れた特性もつことを実施例１に引き続いて説明する。風洞実験と数値計算を行った鍔付きケーシングとサイクロイドケーシングは、図８で示したとおりの形状を有している。【０１０１】
この２つのケーシングを備えた風車の風車出力係数Ｃｗは図１２（ａ）（ｂ）のようになる。図１２（ａ）は風洞実験による実験結果であり、図１２（ｂ）は数値計算による結果である。図１２（ａ）の風洞実験の実験結果によれば、図８の鍔付きケーシングの風車出力係数Ｃｗよりサイクロイドケーシングの風車出力係数が大きくなることが分かる。増加の割合は３．２％である。この傾向は図１２（ｂ）の数値計算においても同様であり、その増加の割合は２．９％となった。従って、サイクロイドケーシングにするだけで、風車出力係数Ｃｗが３％程度上昇することが見込める。ここで風車出力係数Ｃｗは無次元量であって、Ｃｗ＝Ｗ／｛（１／２）・πρＵ３ｒ０２｝と表せる。Ｗは発電出力（Ｗ）、ρは空気密度（ｋｇ／ｍ３）、ｒ０は羽根車の半径（ｍ）、風速Ｕ（ｍ／ｓ）である。【０１０２】
続いて、この２つのケーシングを備えた風車のスロート部における半径方向速度分布および圧力分布を数値計算によって求めた。図１３はスロート部における流速の半径方向分布であり、図１４はスロート部における圧力の半径方向分布である。【０１０３】
図１３によれば、ｒ／ｄ＝０．０６５の羽根車のナセル壁面からｒ／ｄ＝０．５のケーシングの内周面に至るまでサイクロイド断面の方が流速ｕ（ｍ／ｓ）の増加が大きく（おおむね半径ｒに比例して顕著な傾向）、羽根車の先端近傍（ｒ／ｄ＝０．５）ではｕ／Ｕが２０％以上も増加している。【０１０４】
また、図１４によれば、羽根車のナセル壁面からｒ／ｄ＝０．５のケーシングの内周面に至るまでサイクロイドケーシングの方が、静圧Ｃｐｓが低く（おおむね半径ｒに比例して顕著な傾向）なることが分かる。これにより、サイクロイドケーシングの方が鍔付きケーシングより流れの風車への引き込み効果が大きくなっていることが確認できる。【０１０５】
また、両風車のまわりの時間平均圧力分布と周方向平均・時間平均渦度の分布は既に図４と図５、及び図９と図１０において示したとおりである。図４〜図７、図９、図１０、図１３、図１４によれば、サイクロイド断面をもつサイクロイドケーシングの方が同じ投影幅Ｄをもつ鍔高さ１０％・筒長１３．７％鍔付きケーシング（図３（ｂ）参照）よりも強い負圧の負圧領域を作り出しており、また、その負圧領域がケーシング内周面の壁面に沿ってスロート部近くまで広がっていることが分かる。また、鍔付ケーシングでは、負圧領域が渦度の比較的高い領域になっており、羽根車先端付近の後流側で薄くて長く延びて形成されているのが分かる。これに対し、サイクロイドケーシングでは渦生成面の背後に、この面に接近して出口付近にきわめて強い渦度の領域が内周から外周にかけて形成されている。従って、サイクロイドケーシングのこの強い渦度の負圧領域がスロート部での流速を増加し、それに伴って風車出力が増加することが分かる。【０１０６】
高さ１０％・筒長１３．７％鍔付きケーシングまわりの流線図は図６を基に既に説明したとおりであり、実施例２における所定厚さの肉厚を有する板材で構成されたサイクロイドケーシングまわりの流線図は基本的に図７において説明したとおりである。鍔付きケーシングまわりの流れはケーシングの存在で主流が大きく乱されて後方に広がり、流れは鍔で堰き止められている。これに対し、サイクロイドケーシングは必要以上に流れを乱さない適度な形状であり、かつ流れの後縁からの飛び出し角がより内側向きになっている。サイクロイドケーシングでは、ケーシングの後縁での上面で流れの飛び出しが滑らかで速い。これにより、渦が渦生成面２ｃの直ぐ近くに形成され、ケーシング軸方向長さの１倍〜２倍程度の範囲の後流で円滑に内外流れが時間平均的に合流するようになる。この作用でスロート部２ａの流速を増加し、風車出力を増加させる。【０１０７】
以上のことから数値計算においても、渦生成面とディフーザを一体化したサイクロイドケーシングにすることで、風車の性能が向上することが分かる。サイクロイドケーシングが負圧領域を作り出す性能を向上させ、渦列形成特性にきわめて優れている。【０１０８】
ところで、図１５（ａ）は、本発明の実施例２における風車に渦列ゆらぎを揃える位相制御板４を設けた場合と、設けない場合と、実施例１における鍔付きケーシングの場合の、出力性能を比較した説明図である。位相制御板４を設けたケーシング２の外観は図１５（ｂ）のようになる。なお、図１５（ａ）（ｂ）のケーシング２は、位相制御板４を１２枚設置したものである。図１５（ｂ）のように、板材のサイクロイド形状のケーシング２の渦生成面２ｃの後流側に所定ピッチで１２枚が軸方向に立設されている。図１５（ａ）の周速比λは羽根車周速ｒ０ω（ｍ／ｓ）と風速Ｕ（ｍ／ｓ）の比（＝ｒ０ω／Ｕ）である。ここにｒ０は羽車半径、ωは角周波数（１／ｓ）である。【０１０９】
鍔高さ１０％・筒長１３．７％鍔付きケーシングの渦生成面２ｃを構成する鍔高さｈは、スロート部２ａの直径ｄの１０％高さである（ｈ／ｄ＝０．１）。また、全体をサイクロイド曲線の滑らかな回転面だけで構成したサイクロイド断面のケーシングも、後縁がサイクロイド上にあり、渦生成面２ｃに相当する部分の高さｈがスロート部２ａの直径ｄの１０％の高さを有している。つまり、渦生成面２ｃを含むケーシング２の最外径（後縁の位置）が互いに等しい高さになっている（図４参照）。風速は８（ｍ／ｓｅｃ）であり、羽根車３の直径は１０００ｍｍである。図１５によれば、平均して２．５％の出力係数Ｃｗの上昇がサイクロイド曲線にすることにより見込まれる。さらに位相制御板を設けることで１．５％程度高くなる。そして、以上の説明は実施例２の鍔付きケーシングに位相制御板４を設けた場合についてであるが、位相制御板４の作用効果は、実施例１や後述する実施例３を含め、その他の流体機械でも同様である。【０１１０】
なお、位相制御板の数を自然の流れに任せて形成される負圧領域のセルの数より多くすると、本来のセルを強制的に分割することになってしまい、後流側の渦もそれほど強い渦にはならない。負圧領域も目立たなくなる。また、位相制御板をこのセルの数より少なくした場合も、複数個のセルが互いに伸縮、移動し影響し合って安定化の作用を弱め、この場合も同一数の場合よりも強い渦にならない。従って、位相制御板の数は自然に形成される負圧領域の数と合致する枚数だけ設けるのが好適である。１２枚の位相制御板４もこの観点から選択されている。【０１１１】
このように実施例２の流体機械は、サイクロイド曲線の回転面とすることでケーシングを設計、製造するのが容易になる上に、渦列を形成する流れを安定したものとすることができ、内部流れの流速を増し、高出力の発電を行うことが可能になる。また、ディフューザの長さを短くでき、これにより数ｍ以下のマイクロ風車、ミニ風車だけでなく、発電能力がＭＷ級の大型風力発電装置用の風車にまで大型化が可能になり、エネルギー変換率を高くすることができる。また、実施例２における流体機械の内部流れ増速方法によれば、全体をサイクロイド曲線とすることで渦列を形成する流れをより安定したものにすることができ、流体機械の外部流れで内部流れの流速を増加させることができる。
【実施例３】
【０１１２】
次に、本発明の実施例３は流体機械のケーシングの肉厚を変えると共に鍔形状の渦生成面を形成するものである。いわば肉厚を漸増急減させる肉厚裁断端断面の形状を有する。図１６（ａ）（ｂ）鍔高さ１０％・筒長２２％鍔付きケーシングと実施例３の肉厚裁断端断面のケーシングの形状を比較した比較図であり、図１７は本発明の実施例３における流体機械の前縁と後縁の間に設けられた肉厚裁断端ケーシングの軸方向断面図である。以下、肉厚を徐々に増加し、後縁で鍔状の渦生成面を形成する肉厚裁断端断面（以下、バナナ型断面ともいう）について説明する。【０１１３】
図１６（ａ）（ｂ）は比較した鍔高さ１０％・筒長２２％鍔付きケーシングと実施例３のバナナ型断面ケーシングの形状を示す。図１６（ａ）は実施例２の板状の鍔高さ１０％・筒長１３．７％鍔付きケーシングと類似しているが、ケーシング軸方向長さがスロート部２ａの内径ｄに対して２２％の位置にある鍔付きケーシングである。スロート部の位置は前縁から０．８９ｄの位置にある。実施例３のバナナ型断面は内周面がサイクロイド形状で、外周面が図１６（ｂ）のように断面楕円状の形状とされ、入口側の前縁において軸と水平な勾配になっている。バナナ型断面の背後に形成される渦生成面２ｃは鍔と同様に垂直である。また、バナナ型断面の前縁には丸み（アール）が形成されている。そして、渦生成部先端２ｅはできればサイクロイド形状の剥離点に、あるいはこれより前に設けるのがよい。【０１１４】
この２つのケーシングを備えた風車の風車出力係数Ｃｗは、数値計算によると図１８のようになる。この数値計算は、九大応用力学研究所で開発したリアムコンパクト（ＲＩＡＭ−ＣＯＭＰＡＣＴ）数値シミュレータを使用し、乱流モデルの最先端であるＬＥＳ法を採用した高レイノルズ数解析ソフト、および一切乱流モデルを使用しない直接数値計算_を行うＤＮＳ法を使って計算した。ここで示す図の計算結果はＤＮＳ法によるものであり、ＬＥＳ法は参照用に使用した。図１８によれば、ケーシングをバナナ断面に変更することにより、風車出力係数Ｃｗが、鍔高さ１０％・筒長２２％鍔付きケーシングよりも５．３％増加しているのが分かる。渦生成面が垂直面から少し傾斜した場合もほぼ同様になる。【０１１５】
続いて、この２つのケーシングを備えた風車のスロート部における半径方向速度分布および圧力分布を数値計算によって求めた。図１９はスロート部における流速の半径方向分布であり、図２０はスロート部における圧力の半径方向分布、図２１はスロート部から後流でディフューザのほぼ中間に相当する位置の、ｘ／ｄ＝０．０６における圧力の半径方向分布である。【０１１６】
図１９によれば、ｒ／ｄ＝０．０６５の羽根車のナセル壁面からｒ／ｄ＝０．５のケーシングの内周面付近までバナナ型断面の方が流速ｕの増加が大きく（おおむね半径ｒに比例して顕著な傾向）、ケーシングに肉厚裁断端断面の形状厚みを持たせることで鍔付きケーシングよりもスロート部の風速が増加することが分かる。【０１１７】
また、図２０、図２１によれば、羽根車のナセル壁面からｒ／ｄ＝０．５のケーシング２の内周面に至るまで、スロート部においてもここから後流のディフューザのほぼ中間の位置においても、厚みを持たせたバナナ型断面ケーシングの方が、ディフューザ壁面近傍の静圧Ｃｐｓが低下しており（おおむね半径ｒに比例して顕著な傾向）、バナナ型断面ケーシングの方が鍔高さ１０％・筒長２２％鍔付きケーシングより流れの引き込み効果が大きくなっていることが分かる。【０１１８】
また、上記鍔高さ１０％・筒長２２％鍔付きケーシングとバナナ型断面ケーシングをそれぞれ備えた２つの風車のまわりの時間平均圧力分布を数値計算した結果が図２２と図２３である。図２２は鍔高さ１０％・筒長２２％鍔付きケーシングの風車のまわりの時間平均圧力分布であり、図２３はバナナ型断面ケーシングの風車のまわりの時間平均圧力分布である。また、図２４は鍔高さ１０％・筒長２２％鍔付きケーシングまわりの流線図であり、図２５はバナナ型断面ケーシングまわりの流線図である。図２２、図２３、図２４、図２５によれば、バナナ型断面の方が鍔高さ１０％・筒長２２％鍔付きケーシングよりも強い負圧の負圧領域を作り出しており、また、その負圧領域がケーシング内周面の壁面に沿ってスロート部近くまで広がっていることが分かる。これは、スロート部での流速ｕが増加し、それに伴って風車出力が増加することを示す。【０１１９】
図２６は鍔高さ１０％・筒長２２％鍔付きケーシングまわりの流れ場における周方向平均・時間平均渦度の分布を示す分布図、図２７はバナナ型断面ケーシングまわりの流れ場における周方向平均・時間平均渦度の分布を示す分布図である。１０％・筒長２２％鍔付きケーシングの場合、強い渦度の部分が羽根車先端付近の後流側で少し弱めの領域となって形成されているのが分かる。これに対し、バナナ型断面ケーシングでは渦生成面の背後に接近して風車出口付近にきわめて強い渦度の領域が内周から外周にかけて形成されているのが分かる。従って、バナナ型断面のこの強い渦度の負圧領域が内部流れに対して流速ｕの増加を誘起する。【０１２０】
図２８は図１６（ａ）の１０％・筒長２２％鍔付きケーシングを備えた風車１まわりの周方向平均・時間平均した半径方向速度成分の分布図であり、図２９は図１６（ｂ）のバナナ型断面ケーシングを備えた風車１まわりの周方向平均・時間平均した半径方向速度成分の分布図である。これによれば、１０％・筒長２２％鍔付きケーシングまわりの流れはケーシングの外側に淀んだ領域を形成している。これに対し、バナナ型断面ケーシングの流れは主流がケーシングに乱されることなく、バナナ型断面ケーシングでは、ケーシング２の後縁での上面で流れの飛び出しが滑らかで速い。【０１２１】
なお、ここで、バナナ型断面ケーシングの内周面形状に似た形状を持つ板状の鍔付ケーシングについて説明する。これは基準線の主要部分としてスロート部の位置に凸部を有するサイクロイド曲線を使用するが、このサイクロイド曲線だけでなく、渦生成部先端から後縁までの間を一部分直線によって渦生成部を形成して、これらの部分で前縁と後縁との間を連絡するものである。このとき渦生成部はリング状の鍔となる。サイクロイド形状を主とし、渦生成部を形成するために鍔を一部設けたものである。なお、曲率半径の大きな第２の曲線によって前縁と後縁との間を連絡して渦生成部を形成してもよい。筒長を短くして強い渦を形成しなければならないときに有効な手段である。実施例３でサイクロイドケーシングとの比較に使った鍔高さ１０％・筒長２２％鍔付きケーシングは、実施例１，２で比較に用いた比較例の鍔高さ１０％・筒長１３．７％鍔付きケーシングよりもサイクロイドケーシングやバナナ型断面ケーシングに近い良好な特性を有している。この理由はいろいろあると思われるが、次のような理由が考えられる。第１の理由は、前縁側でサイクロイドが半径方向外方に湾曲しこれによって拡開角βの大きさを小さくするためと考えられる（言い換えるとβ＜４０°になる）。また第２の理由は、ケーシングの流れに対する全体的な輪郭が、入口の湾曲と拡開角の減少により渦形成のために必要とされる以上に流れを乱すことのない輪郭にできるためと考えられる。拡開角βを所定値より小さくし、また、全体の輪郭を、流れを壊さない、適度な非線形形状とすることで、無意味な圧力損失を避けつつ、非定常流れを利用することができる。この第１と第２の理由は互いに関連する。【０１２２】
上記比較で使用した２つのケーシングについてみると、拡開角βは鍔高さ１０％・筒長１３．７％鍔付きケーシングの場合おおむね４２°（スロート部の位置０．０５ｄ）、鍔高さ１０％・筒長２２％鍔付きケーシングではおおむね３８°（スロート部の位置０．８９ｄ）であり、拡開角βの観点からいえば、４０°がその特性の分かれ目となっている。すなわち、無用な圧力損失を避けつつ非定常流れを利用するためには、拡開角βは４０°より小さい角度に設定するのが好適である。β＝４２°の場合は渦流れが後流側でかなり膨張する傾向を示すが、鍔付きケーシングの拡開角βをβ＜４０°とすることで、サイクロイドケーシングやバナナ型断面ケーシングに近い、渦生成面２ｃの背後に集中して現れる強い渦流れを形成できる。また、サイクロイドのスロート部をケーシングの後流側に後退させることで渦形成特性の向上だけでなく、ケーシングのコンパクト化にもつながる。なお、バナナ型断面ケーシングと鍔付ケーシングにおいて、直線または第２の曲線による渦生成面２ｃを半径方向ではなく、軸に対して傾斜させた形状の場合、実施例１と同様になり（図２参照）、サイクロイドケーシングと同様に強い循環をもつ二次流れを後流側から引き込むことができ、軸と垂直な場合よりも安定した強い負圧領域を形成する。【０１２３】
以上のことからケーシングの形状を漸増急減の肉厚断面に変更することで、板のように厚さが一定のケーシングの形状よりもケーシングの近傍に強い負圧の負圧領域を生成することができる。この負圧領域に流れが引き込まれ、スロート部での流速が増加し、風車出力が増加する。
【実施例４】
【０１２４】
ところで、以上主として風車１の流体力学的な側面の構成について説明したが、以下発電装置としての側面について説明する。実施例４の風車１は、図３０に示すように羽根車３の回転力が発電機１１に伝達され、発電機１１を駆動して発電を行い、外部に電気を供給する。実施例４の風車１は実施例１〜３において説明したケーシングを備えた風車１である。なお、風車１は発電装置付きのものに限られない。回転力は発電機１１を介すことなく直接出力されてよい。例えば、ここでは図示はしないが、原動機として、回転軸をポンプの駆動軸に連結して揚水に利用したり、ガスを圧縮して畜圧して畜圧器内にエネルギーを蓄えたり、攪拌機を駆動して温水にして提供したりすることができる。これらも風車であり、流体機械である。【０１２５】
さて、風車１の場合、図３０に示すように羽根車３の回転力は回転軸、伝達機構を介して発電装置１０内の発電機１１に伝達され、発電機１１で発電される。発電機１１には例えば誘導発電機等を用いればよい。発電機１１で発電された電気は交流であるため、これがＡＣ／ＤＣコンバータ１２に供給されて直流電力に変換される。変換された直流電力は充電装置１３においてバッテリ１４に充電される。このバッテリ１４は非常用電源として利用できる。また、ＡＣ／ＤＣコンバータ１２からの直流電力はＤＣ／ＡＣ変換器１５によって再び所定の電力となるように電力調整されて交流電力に変換され、交流電源として電力系統１６に送られる。なお、発電装置１０の構成は一例であり、これに限られるものではない。【０１２６】
次に、制御装置１７の動作について説明する。発電機ロータの回転数を検出するセンサで発電機１１の回転数を検出するとともに、ギャップ検知器２０で羽根車３とケーシング２の内周面との間の間隙を検出する。制御装置１７はこの回転数を基に過回転か否かを判定し、過回転と判断すると、出力を低下するためアクチュエータ１８を駆動し、間隙を広げる方向へケーシング２を動かし、最適位置まで軸方向に移動させる。これでも過回転の場合は、変速／クラッチ機能を有する伝達機構１９で回転数を下げる。逆に、羽根車３の回転数が小さい場合は、その間隙をアクチュエータ１８によって最大出力が得られる最適な隙間に制御する。この間隙は空気力学的に発生する騒音にも影響し、チップボルテックスを砕き、最大出力が得られるときには騒音も小さくすることができる。羽根車３を可変ピッチにして制御装置１７で強風時にはピッチを変更することもできる。【０１２７】
なお、アクチュエータ１８は必須の部材ではない。ケーシング２を移動させない場合は制御装置１７による出力の制御に委ねて出力を電気的に処理することもできる。そしてケーシング２は支持台２２の支持柱に設けられた係止部１８ａに、羽根車３の軸方向にスライド可能に支持される。アクチュエータ１８を伸縮することでケーシング２を軸方向にスライドさせる。ケーシング２を移動させない場合はケーシング２を支持柱に固定すればよい。【０１２８】
ＡＣ／ＤＣコンバータ１２からＤＣ／ＡＣ変換器１５に導かれる電圧／電流は図示しない電圧／電流センサによって電圧／電流が検出され、この信号が制御装置１７に入力される。制御装置１７はこの検出信号を基にＤＣ／ＡＣ変換器１５を制御し、電圧を一定にして変動しないように制御する。この調整後の電力は電力系統１６に供給される。【０１２９】
ところで、実施例４の風車１は、支持台２２を地面に対して回動自在にして設置している。この理由は、風車は流れの作用で左右の流体力のバランスをとり、常に風上を向くように回転するからである。このため、実施例１の風車においては、このような単純な構成ながら、その向きを最大出力が得られる方向へ自動的に調整することができる。【０１３０】
このように本発明の実施例４における風車は風車１であるため、羽根車３の回転力が発電機１１に伝達され、発電機１１を駆動して発電し、外部に電気を供給する。ケーシング２の内外を流れる流れを使って渦列を形成する流れを形成し、この流れを安定したものにコントロールし、内部流れの風速を増し、高出力の発電を行うことができる。また、ディフューザの長さを短くでき、これにより数ｍ以下のマイクロ風車、ミニ風車だけでなく、発電能力がＭＷ級の大型風力発電装置用の風車にまで大型化が可能になり、高出力を得ることができる。構造上も補強できる。
【実施例５】
【０１３１】
本発明の実施例５における風車１は、流れを安定化して高出力にすると同時に、航空ドップラーレーダーに対する風車１の影響を軽減し、バードストライク等の異物による衝撃の問題を解決するものである。図３１は本発明の実施例１〜３におけるケーシングにメッシュを取り付けた風力発電装置を示す。【０１３２】
図３１（ａ）（ｂ）からも分かるように、所定ピッチで交差する金網等のメッシュ５はケーシング２の外部表面の全部または羽根車先端の動きをレーダーから隠す所定範囲を覆うように配置され、これらがケーシング２に支持される。なお、メッシュ５の装着によって外部表面を流れる流れには擾乱が加えられ、これによりケーシング２の表面に乱流境界層が発達し、流れ全体を安定化させる。つまりメッシュ５の設置により表面が多数のディンプル類似の粗面となり、風車１の周囲に形成される２次の流れを安定化して主流を安定化させ、これにより渦生成面の背後の生成される負圧領域を安定して、ケーシング２に随伴される構成となる。メッシュ５を取り付けるのは境界層制御のためディンプルを形成するよりきわめて容易に行える。【０１３３】
なお、金網などのメッシュのフィルターによってケーシング２の入口を覆い、鳥のような異物を除去すれば、異物が羽根車３に衝突して破損するのを防止できる。金網などを入り口に設けることによって、金網によって生じた小さなスケールの乱れを含む流れがブレードに当たると、低風速（６ｍ／ｓくらい以下）、言い換えれば、低レイノルズ数領域では、むしろブレード表面の流れがより長くブレード翼断面に沿って流れ（乱流境界層になり易く翼表面から流れが剥がれない）、高い揚力を生じ、結果的に風車の発電出力係数Ｃｗを向上させる。なお、出口側には流れの流出があるから、この方向から鳥等が吸い込まれることはない。【０１３４】
ところで、導体製のメッシュには、そのメッシュサイズによって、レーダーから照射される電磁波（マイクロ波）の透過を遮断する作用がある。言い換えると、メッシュサイズの大小に応じて、マイクロ波がメッシュを透過する場合と、透過できない場合とに分けることができる。従って、メッシュ５のメッシュサイズを選択すれば、航空ドップラーレーダー（周波数１．３ＧＨｚ、波長λ=２３ｃｍ程度）に対する風車１の影響を軽減することが可能になる。すなわち流体力学的な作用と共に、電磁波遮断効果が期待できる。【０１３５】
そこで、以下マイクロ波を遮断できるメッシュサイズについて説明する。実験は２通りの方法で行った。第１の実験の方法は、移動物体のスピードを計測するスポーツ用のスピードガンを利用するものである。スポーツガンはマイクロ波を照射することにより移動物体の動きを計測することができる。実験のためのスピードガンとして、市販されたＳｐｏｒｔｓ  Ｒａｄａｒ  Ｔｒａｃｅｒ  Ｍｏｄｅｌ  ＳＲＡ３０００  （スポーツレーダー社製）を使用した。周波数１０．５２５ＧＨｚ、波長２．８５ｃｍ程度のマイクロ波を使用するものである。【０１３６】
第１の実験では、メッシュ５のメッシュサイズに応じた電磁波遮断効果を調べ（テスト１）、羽根車３の回転軸に対するマイクロ波の照射角度と電磁波遮断効果の関係を検討した（テスト２）。実験１に使用したメッシュ５はメッシュサイズ３ｍｍ、１２ｍｍである。ケーシング２にはＦＲＰ製のサイクロイドケーシングを使用した。ケーシングの内径は１０００ｍｍφとした。金網を装着する場合はケーシングの側面周囲に配置して、マイクロ波をこの金網を挟んで羽根車の半径４５０ｍｍの位置に向けて照射した。【０１３７】
テスト１として、金網装着なしの場合と、メッシュサイズ３ｍｍ、１２ｍｍの金網を設けた金網ありの場合とで行った。金網装着なしの場合、回転数３００ｒｐｍのとき、スピードガンは５２．８ｋｍ／ｈを計測した。回転数３００ｒｐｍはこの位置で５０．８ｋｍ／ｈ程度と考えられるから、両者はほぼ一致している。すなわち、金網が無い場合、マイクロ波はケーシングを透過する。【０１３８】
また、スピードガンとケーシングの間にメッシュサイズ１２ｍｍの金網を配設した場合には、金網装着なしの場合と同様に回転速度を計測でき、回転速度はほぼ一致する結果となった。従って、メッシュサイズ１２ｍｍの金網でもマイクロ波はケーシング２を透過する。しかし、メッシュサイズ３ｍｍの金網を配設した場合、スピードガンによって回転速度は計測不能であった。これは、このメッシュにより照射されたマイクロ波が反射され、ドップラー効果を利用して羽根車先端の回転速度が検出できなかったことを意味し、マイクロ波が風車を透過できなかったことを意味する。【０１３９】
続いて、テスト２として、羽根車の回転軸に対するマイクロ波の照射角度と電磁波遮断効果の関係を検討する実験を行った。テスト２は、図３１（ｂ）に示すように、羽根車の回転軸と直交する方向、すなわち回転面と平行な方向を０°として徐々に角度Θを増して回転速度を計測するものである。Θ＝０°は回転軸と直交する方向になり、Θ＝９０°が上流側からみた回転軸方向、Θ＝−９０°が下流側からみた回転軸方向となる。この計測結果によれば、角度Θが１０°より大きくなる角度では、金網の有無に関わらず、羽根車３の回転速度は計測不能になった。つまり、回転軸に対してある程度斜めの方向からでないと（回転軸の方向からは概ね８０°程度を越え９０°に近付かないと）、羽根車３によるドップラー効果は発生しないことになる。メッシュにより羽根車先端の動きがレーダーから隠されたことを意味する。【０１４０】
実験に使用した内径１０００ｍｍφのケーシングにおいては、羽根車の前縁からケーシングの入口端までの距離が９０ｍｍであるため、ケーシングの上流側から角度Θ＝１０．６°以内であれば、指向性をもつマイクロ波に対し羽根車はケーシング２内に隠れ、マイクロ波はケーシングに照射されこれを透過しない。同様に、羽根車の後縁からケーシング２の出口端までの距離が１４５ｍｍであるため、ケーシングの下流側からは角度Θ＝１６．２°以内の角度であれば、マイクロ波はケーシングに照射されこれを透過しない。風車のケーシングと羽根車の配置においてΘ＝±１０°以内の範囲は、羽根車の軸方向幅を十分に覆うことができる。大小風車形状の相似性からこの角度はほとんどの風車で妥当する。そしてこれはケーシングの外部表面全部か、羽根車先端の動きをレーダーから遮蔽できるその一部に相当する範囲である。従って、ケーシングの周囲の角度Θ＝−１０°〜Θ＝＋１０°の範囲に導体製、例えば金属製のメッシュを配置しておけば、全方位からのレーダーのマイクロ波によるドップラー効果を生じさせない効果をもたせることができる。但し、メッシュサイズが所定のサイズより小さいことが条件になる。【０１４１】
次に第２の実験を行った。第１の実験と同じ風車を使用した。第２の実験はケーシングの周囲に金網を装着して、航空ドップラーレーダーからのマイクロ波の透過強度を実際に測定するものである。第２の実験の方法としては、ドップラーレーダーのマイクロ波とほぼ同一波長のマイクロ波（周波数１．３ＧＨｚ程度、波長λ=２３ｃｍ周辺）を使用し、照射側と受信側に広帯域ホーンアンテナを用い、照射側と受信側の間に被計測物を配置して測定した。マイクロ波の強度解析、周波数分析にはベクトルネットワークアナライザーを使用した。マイクロ波の直達値のみを評価できるように散乱の影響を極力排除した。【０１４２】
第２の実験では、金網の有無によるマイクロ波の透過性を調べ（テスト１）、送受信機の間に、羽根車回転面が平行になるように風車をセットして、金網の有無でマイクロ波の透過強度を検討した（テスト２）。テスト１では、送受信機間に１ｍの距離を置いて金網の有無だけで測定を行った。４種類の金網メッシュ（鉄製）を用いた。また、テスト２では、送受信機間に２ｍの距離を置いて送受信器の間に風車をセットして、さらに金網の有無でマイクロ波の透過強度を計測した。同じく４種類の金網メッシュ（鉄製）を用いた。風車（但し羽根車は静止）を設置して、テスト１と同様な実験を行った。【０１４３】
以下の（表１）、（表２）は測定結果の透過強度、すなわち受信機側のマイクロ波の強さを示している。なお、透過強度は−３ｄＢ低下すると半分の強さへ低下し、−６ｄＢの低下で１／４の強さへ低下する。【０１４４】
【表１】
2010109800.tif 000003
【０１４５】
【表２】
2010109800.tif 000004
【０１４６】
以上のことから第１及び第２の２つの実験を通して以下のことが分かる。小型風車のケーシングでは、照射角度がブレード回転面から±１０°以内であれば、指向性の強いレーダー波はケーシングに照射される。【０１４７】
すなわち、金網メッシュを装着していない場合、角度±１０°以内の範囲に照射された１．０〜１０ＧＨｚ（波長３ｃｍ〜２５ｃｍ）のマイクロ波は、樹脂（ＦＲＰ）製の風車のケーシングを減衰することなく透過する。従って、この場合第２の実験装置ではドップラーレーダーにより風車の羽根車の回転を物体の動きとして認識できる。しかし、±１０°の範囲を越えた角度から照射した場合には、近づいたり、遠ざかったりする羽根車の回転を物体の動きとして認識できず、羽根車の回転を物体の動きとして認識できず、ドップラー効果による計測は不能になる。【０１４８】
これに対して、風車のケーシングの外側に±１０°の範囲で金網メッシュを装着した場合、マイクロ波の強さは大きく減衰する。減衰が可能なメッシュサイズは、（表１）（表２）によれば、照射されるマイクロ波波長の２０％程度以下である。使用したマイクロ波の波長λ=２３ｃｍ程度を考慮すると、マイクロ波の波長の２０％程度のサイズ（５ｃｍ）を有する金網メッシュでは、マイクロ波の強さを４０％程度へ減じることができる。ただ、これは風車までのマイクロ波の到達距離にも影響を受ける。また、メッシュサイズが小さくなると、風車が支える重量が増加する。メッシュの重量を抑えるには、メッシュサイズをレーダー波長の１０％までの範囲に抑えるのが好適である。【０１４９】
従って、ブレード回転を包み込むケーシングつきの風車であれば、そのケーシングの外側表面に適切なメッシュサイズ（レーダー波長の１０％〜２０％）の導体メッシュを装着すれば、航空ドップラーレーダーによる誤認問題を防ぐことができる。なお、風車においては、レーダー波長の１０％〜２０％の金網メッシュのサイズは、具体的なサイズとして２．５ｃｍから５ｃｍのサイズとなる。【０１５０】
以上説明したように風力発電装置は今後整備が急がれるものである。このとき、その設置環境が限られるのではその整備を遅らせることになる。本発明の実施例５における風力発電装置によれば、飛行場近くに風力発電装置を設置する場合であっても、航空ドップラーレーダーへの風車の影響をなくすことができる。メッシュを装着するという簡単な方法で、従来難題とされていた航空ドップラーレーダーへの対策がきわめて安価に実現できる。ケーシング周りの流れを安定化させることもできる。さらに実施例５の風力発電装置によれば、バードストライク等による破損の問題をケーシングにフィルターを取り付けることによってきわめて簡単に解決することができる。
【実施例６】
【０１５１】
以下、本発明の実施例６における非定常流れを利用した流体機械、とくに水車等の水力機械、中でも潮流で発電することのできる潮流発電装置について説明をする。図３２は本発明の実施例１〜３におけるケーシングを備えた潮流発電装置の外観を示す。【０１５２】
図３２示すように、潮流発電装置３１は海流の流れの激しい場所に支持台２２が回動自在に海底に設置される。複数台を主流に対して直交方向に横一列に並べて設置する。羽根車の高さは海面の影響をあまり受けない高さに設置するのがよい。満潮時と干潮時とで海流の向きが変わる場合、潮流発電装置３１は回転により流れの作用で流れの方向へ向くことができる。小刻みな回転を防ぐため制御装置１７で回転にロックをかけるのもよい。この潮流発電装置３１の構成は図２８の風車１の構成と同様である。【０１５３】
また、潮流発電装置３１は海底に設置するのでなく、海面上で支持台２２を吊下げる方式も可能である。潮流発電装置３１においてもアクチュエータ１８を設けてもよいし、ケーシング２３を発電機１１まわりなどに支持するのでもよい。さらに、発電装置１０の要部やアクチュエータ１８などをすべて海面上に設置することもできる。また、潮流を利用した水車以外の、ダム、河川等で使用される水車でも同様であり、この場合、ケーシングの支持の方式は用途に応じてさまざま変えればよい。【０１５４】
本発明の実施例６における流体機械は潮流発電装置３１であるため、潮流による羽根車３の回転力が発電装置１０を駆動して発電し、外部に電気を供給できる。しかも、ケーシング３１は構造上の補強にもなるものである。【０１５５】
なお、以上説明した風車、水力機械などの流体機械のほかにも、本発明の非定常流れを利用した流体機械の内部流れ増速方法は利用することができる。例えば、大気中でジェットエンジンの性能を試験する性能試験装置において、ナセルの周囲にケーシングを設けて内部のロータを回転させ、ジェットエンジンの吸気口に吸い込まれる風量を増加させることができる。これによって高性能試験装置が得られる。
【産業上の利用可能性】
【０１５６】
本発明は、風力発電装置、とくに空港近くの風力発電装置や、潮流発電装置などのケーシングの内外を流れる流れの中で運転する流体機械に適用できる。
【符号の説明】
【０１５７】
１    風車
２    ケーシング
２ａ    スロート部
２ｂ    前縁
２ｃ    渦生成面
２ｄ    後縁
２ｅ    渦生成部先端
３    羽根車
４    位相制御板
５    メッシュ
１０    発電装置
１１    発電機
１２    ＡＣ／ＤＣコンバータ
１３    充電装置
１４    バッテリ
１５    ＤＣ／ＡＣ変換器
１６    電力系統
１７    制御装置
１８    アクチュエータ
１８ａ    係止部
１９    伝達機構
２０    ギャップ検知器
２２    支持台
２３    ケーシング
３１    潮流発電装置
２０１    内周面
２０２    外周面
ｈ    渦生成面の径方向の高さ
ｄ    スロート部の直径
ｄｃ  円柱直径
Ｄ    投影幅
Ｌｔ    筒長
Ｓ    負圧領域
ｖ    渦列
α    勾配
β    拡開角
θ１    流出勾配
θ２    流出勾配
θｍ    基準値
Θ    角度
ｍ    サイクロイド曲線
ｉ    内側曲線
ｋ    外側曲線
ｎ    母線
ｐ    接線
ｑ    接線
Ａ    凸部
Ａ’    凸部
Δ    肉厚
Δｉ    内側肉厚
Δｋ    外側肉厚
【図１】
2010109800.tif 000005
【図２】
2010109800.tif 000006
【図３】
2010109800.tif 000007
【図４】
2010109800.tif 000008
【図５】
2010109800.tif 000009
【図６】
2010109800.tif 000010
【図７】
2010109800.tif 000011
【図８】
2010109800.tif 000012
【図９】
2010109800.tif 000013
【図１０】
2010109800.tif 000014
【図１１】
2010109800.tif 000015
【図１２】
2010109800.tif 000016
【図１３】
2010109800.tif 000017
【図１４】
2010109800.tif 000018
【図１５】
2010109800.tif 000019
【図１６】
2010109800.tif 000020
【図１７】
2010109800.tif 000021
【図１８】
2010109800.tif 000022
【図１９】
2010109800.tif 000023
【図２０】
2010109800.tif 000024
【図２１】
2010109800.tif 000025
【図２２】
2010109800.tif 000026
【図２３】
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【図２４】
2010109800.tif 000028
【図２５】
2010109800.tif 000029
【図２６】
2010109800.tif 000030
【図２７】
2010109800.tif 000031
【図２８】
2010109800.tif 000032
【図２９】
2010109800.tif 000033
【図３０】
2010109800.tif 000034
【図３１】
2010109800.tif 000035
【図３２】
2010109800.tif 000036
【手続補正書】
【提出日】平成24年4月10日(2012.4.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状をなしてその軸方向断面が非流線形の形状を有するケーシングと、前記ケーシング内のスロート部に配設され軸周りに回転する羽根車を備え、周囲を流れる流れを前縁で内外の流れに分割しかつ強制的に流れの剥離を起こし、この剥離によって前記ケーシング後方に渦列を形成し、前記渦列と渦列ゆらぎによって環状方向にセル構造を有する負圧領域を形成して、前記ケーシング内を流れる内部流れの流速を増加する非定常流れを利用した流体機械であって、
前記ケーシングの肉厚形成の基準とされる基準線が、軸方向断面において前記前縁と後縁との間を連絡しかつこの前後縁間の前記スロート部の位置に凸部を有するサイクロイド曲線から構成され、
前記ケーシングの半径方向で内周側の面には、前記スロート部とこのスロート部より後流側に前記負圧領域を生成するための渦生成部が形成され、さらにこの渦生成部に隣接するスロート側隣接面にはその境界位置に該位置まで円滑に流れてきた内部流れの剥離を促す第２の流出勾配が形成され、かつ前記ケーシングの外周側の面には、前記後縁に外部流れをこの後縁位置で剥離させる第1の流出勾配が形成され、
前記第1の流出勾配は前記前縁と前記後縁とを結ぶ円錐の母線の勾配以上の勾配に設定され、かつ前記第２の流出勾配は、前記基準のサイクロイド曲線が前記内周の面とされた場合における渦生成部先端の勾配を基準にこれ以下の勾配に設定され、
前記前縁と前記後縁とを結ぶ円錐の母線の勾配が５０°以下の正の勾配に設定され、前記非流線形のケーシングにより前記渦生成部の背後に強い渦度の負圧領域を生成して内部流れを増速することを特徴とする非定常流れを利用した流体機械。
【請求項２】
前記前縁及び前記後縁が軸方向断面において半径方向に所定幅の肉厚を有する場合に、前記渦生成部を含む前記ケーシングの内周側の形状が内周側の前縁及び後縁を連絡した基準のサイクロイド曲線によって構成されることを特徴とする請求項1記載の非定常流れを利用した流体機械。
【請求項３】
前記非流線形の形状が軸方向断面において肉厚が漸増漸減又は漸増急減する形状に形成され、その内周側の一部又は全部の形状が前記基準のサイクロイド曲線から構成されていることを特徴とする請求項１記載の非定常流れを利用した流体機械。
【請求項４】
前記前縁及び前記後縁が軸方向断面において半径方向に所定幅の肉厚を有する場合の請求項２に記載された非定常流れを利用した流体機械において、前記前縁及び前記後縁が軸方向断面において半径方向に所定幅の肉厚を有する場合に代えて、前記前縁と後縁のうち前記後縁のみが軸方向断面において前記内周側の面と前記外周側の面との間で半径方向に所定の肉厚を有する場合に、前記渦生成部が前記後縁における前記所定の肉厚の後流側の面が構成するリング状の平面であることを特徴とする非定常流れを利用した流体機械。
【請求項５】
前記羽根車には、該羽根車の回転力を電気力に変換する発電装置が連結されていることを特徴とする請求項1〜４の何れか１項に記載された非定常流れを利用した流体機械。
【請求項６】
前記ケーシングに導体製のメッシュが装着されたことを特徴とする請求項1〜５の何れか１項に記載された非定常流れを利用した流体機械。
【請求項７】
環状をなしてその軸方向断面が非流線形の形状を有するケーシングと、前記ケーシング内のスロート部に配設され軸周りに回転する羽根車を備え、周囲を流れる流れを前縁で内外の流れに分割しかつ強制的に流れの剥離を起こし、この剥離によって前記ケーシング後方に渦列を形成し、前記渦列と渦列ゆらぎによって環状方向にセル構造を有する負圧領域を形成して、前記ケーシング内を流れる内部流れの流速を増加する風車であって、
前記ケーシングの肉厚形成の基準とされる基準線が、軸方向断面において前記前縁と後縁との間を連絡しかつこの前後縁間の前記スロート部の位置に凸部を有するサイクロイド曲線から構成され、
前記ケーシングの半径方向で内周側の面には、前記スロート部とこのスロート部より後流側に前記負圧領域を生成するための渦生成部が形成され、さらにこの渦生成部に隣接するスロート側隣接面にはその境界位置に該位置まで円滑に流れてきた内部流れの剥離を促す第２の流出勾配が形成され、かつ前記ケーシングの外周側の面には、前記後縁に外部流れをこの後縁位置で剥離させる第1の流出勾配が形成され、
前記第1の流出勾配は前記前縁と前記後縁とを結ぶ円錐の母線の勾配以上の勾配に設定され、かつ前記第２の流出勾配は、前記基準のサイクロイド曲線が前記内周の面とされた場合における渦生成部先端の勾配を基準にこれ以下の勾配に設定され、
前記前縁と前記後縁とを結ぶ円錐の母線の勾配が５０°以下の正の勾配に設定され、前記非流線形のケーシングにより前記渦生成部の背後に強い渦度の負圧領域を生成して内部流れを増速することを特徴とする風車。
【請求項８】
前記前縁及び前記後縁が軸方向断面において半径方向に所定幅の肉厚を有する場合に、前記渦生成部を含む前記ケーシングの内周側の形状が内周側の前縁及び後縁を連絡した基準のサイクロイド曲線によって構成されることを特徴とする請求項７記載の風車。
【請求項９】
前記非流線形の形状が軸方向断面において肉厚が漸増漸減又は漸増急減する形状に形成され、その内周側の一部又は全部の形状が前記基準のサイクロイド曲線から構成されていることを特徴とする請求項７記載の風車。
【請求項１０】
前記前縁及び前記後縁が軸方向断面において半径方向に所定幅の肉厚を有する場合の請求項８に記載された風車において、前記前縁及び前記後縁が軸方向断面において半径方向に所定幅の肉厚を有する場合に代えて、前記前縁と後縁のうち前記後縁のみが軸方向断面において前記内周側の面と前記外周側の面との間で半径方向に所定の肉厚を有する場合に、前記渦生成部が前記後縁における前記所定の肉厚の後流側の面が構成するリング状の平面であることを特徴とする風車。
【請求項１１】
前記羽根車には、該羽根車の回転力を電気力に変換する発電装置が連結されていることを特徴とする請求項７〜１０の何れか１項に記載された風車。
【請求項１２】
前記ケーシングに導体製のメッシュが装着されたことを特徴とする請求項７〜１１の何れか１項に記載された風車。
【請求項１３】
環状をなしその軸方向断面が非流線形の形状を有するケーシング内に羽根車を設け、周囲を流れる流れを前縁で内外の流れに分割して強制的に流れの剥離を起こし、この剥離によって前記ケーシング後方に渦列を形成し、前記渦列と渦列ゆらぎによって環状方向にセル構造を有する負圧領域を形成して、前記ケーシング内を流れる内部流れの流速を増加する非定常流れを利用した内部流れ増速方法であって、
前記ケーシングの肉厚形成の基準とされる基準線を、軸方向断面において前記前縁と後縁との間を連絡しかつこの前後縁間の前記スロート部の位置に凸部を有するサイクロイド曲線とし、
前記ケーシングの半径方向で内周側の面には、前記スロート部とこのスロート部より後流側に前記負圧領域を生成するための渦生成部を形成し、さらにこの渦生成部に隣接するスロート側隣接面にはその境界位置に該位置まで円滑に流れてきた内部流れの剥離を促す第２の流出勾配を形成し、かつ前記ケーシングの外周側の面には、前記後縁に外部流れをこの位置で剥離させるための第1の流出勾配を形成して、
前記第1の流出勾配を前記前縁と前記後縁とを結ぶ円錐の母線の勾配以上の勾配に設定し、かつ前記第２の流出勾配は、前記基準のサイクロイド曲線が前記内周の面とされた場合における渦生成部先端の勾配を基準にこれ以下の勾配に設定し、
前記前縁と前記後縁とを結ぶ円錐の母線の勾配を５０°以下の正の勾配に設定し、前記非流線形のケーシングにより前記渦生成部の背後に強い渦度の負圧領域を生成して内部流れを増速することを特徴とする非定常流れを利用した内部流れ増速方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
本発明の非定常流れを利用した流体機械及び風車は、環状をなしてその軸方向断面が非流線形の形状を有するケーシングと、ケーシング内のスロート部に配設され軸周りに回転する羽根車を備え、周囲を流れる流れを前縁で内外の流れに分割しかつ強制的に流れの剥離を起こし、この剥離によってケーシング後方に渦列を形成し、渦列と渦列ゆらぎによって環状方向にセル構造を有する負圧領域を形成して、ケーシング内を流れる内部流れの流速を増加する非定常流れを利用した流体機械であって、ケーシングの肉厚形成の基準とされる基準線が、軸方向断面において前縁と後縁との間を連絡しかつこの前後縁間のスロート部の位置に凸部を有するサイクロイド曲線から構成され、ケーシングの半径方向で内周側の面には、スロート部とこのスロート部より後流側に負圧領域を生成するための渦生成部が形成され、さらにこの渦生成部に隣接するスロート側隣接面にはその境界位置に該位置まで円滑に流れてきた内部流れの剥離を促す第２の流出勾配が形成され、かつケーシングの外周側の面には、後縁に外部流れをこの後縁位置で剥離させる第1の流出勾配が形成され、第1の流出勾配は前縁と後縁とを結ぶ円錐の母線の勾配以上の勾配に設定され、かつ第２の流出勾配は、基準のサイクロイド曲線が内周の面とされた場合における渦生成部先端の勾配を基準にこれ以下の勾配に設定され、前縁と後縁とを結ぶ円錐の母線の勾配が５０°以下の正の勾配に設定され、非流線形のケーシングにより渦生成部の背後に強い渦度の負圧領域を生成して内部流れを増速することを主な特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
本発明の非定常流れを利用した内部流れ増速方法は、環状をなしその軸方向断面が非流線形の形状を有するケーシング内に羽根車を設け、周囲を流れる流れを前縁で内外の流れに分割して強制的に流れの剥離を起こし、この剥離によってケーシング後方に渦列を形成し、渦列と渦列ゆらぎによって環状方向にセル構造を有する負圧領域を形成して、ケーシング内を流れる内部流れの流速を増加する非定常流れを利用した内部流れ増速方法であって、ケーシングの肉厚形成の基準とされる基準線を、軸方向断面において前縁と後縁との間を連絡しかつこの前後縁間のスロート部の位置に凸部を有するサイクロイド曲線とし、ケーシングの半径方向で内周側の面には、スロート部とこのスロート部より後流側に負圧領域を生成するための渦生成部を形成し、さらにこの渦生成部に隣接するスロート側隣接面にはその境界位置に該位置まで円滑に流れてきた内部流れの剥離を促す第２の流出勾配を形成し、かつケーシングの外周側の面には、後縁に外部流れをこの位置で剥離させるための第1の流出勾配を形成して、第1の流出勾配を前縁と後縁とを結ぶ円錐の母線の勾配以上の勾配に設定し、かつ第２の流出勾配は、基準のサイクロイド曲線が内周の面とされた場合における渦生成部先端の勾配を基準にこれ以下の勾配に設定し、前縁と後縁とを結ぶ円錐の母線の勾配を５０°以下の正の勾配に設定し、非流線形のケーシングにより渦生成部の背後に強い渦度の負圧領域を生成して内部流れを増速することを主な特徴とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
本発明の第１の発明の形態は、環状をなしてその軸方向断面が非流線形の形状を有するケーシングと、ケーシング内のスロート部に配設され軸周りに回転する羽根車を備え、周囲を流れる流れを前縁で内外の流れに分割しかつ強制的に流れの剥離を起こし、この剥離によってケーシング後方に渦列を形成し、渦列と渦列ゆらぎによって環状方向にセル構造を有する負圧領域を形成して、ケーシング内を流れる内部流れの流速を増加する非定常流れを利用した流体機械であって、ケーシングの肉厚形成の基準とされる基準線が、軸方向断面において前縁と後縁との間を連絡しかつこの前後縁間のスロート部の位置に凸部を有するサイクロイド曲線から構成され、ケーシングの半径方向で内周側の面には、スロート部とこのスロート部より後流側に負圧領域を生成するための渦生成部が形成され、さらにこの渦生成部に隣接するスロート側隣接面にはその境界位置に該位置まで円滑に流れてきた内部流れの剥離を促す第２の流出勾配が形成され、かつケーシングの外周側の面には、後縁に外部流れをこの後縁位置で剥離させる第1の流出勾配が形成され、第1の流出勾配は前縁と後縁とを結ぶ円錐の母線の勾配以上の勾配に設定され、かつ第２の流出勾配は、基準のサイクロイド曲線が内周の面とされた場合における渦生成部先端の勾配を基準にこれ以下の勾配に設定され、前縁と後縁とを結ぶ円錐の母線の勾配が５０°以下の正の勾配に設定され、非流線形のケーシングにより渦生成部の背後に強い渦度の負圧領域を生成して内部流れを増速することを特徴とする非定常流れを利用した流体機械である。この構成によって、ケーシングの設計、製造が容易であって、ケーシングの形状により流れの中に強くて安定した渦列流れを形成し、出口側のケーシング付近に強い負圧領域を実現して、内部流れを増速することができ、ディフューザの長さが短く、大型化が可能になり、高出力にすることができる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
本発明の第３の発明の形態は、第１の発明の形態に従属する形態であって、非流線形の形状が軸方向断面において肉厚が漸増漸減又は漸増急減する形状に形成され、その内周側の一部又は全部の形状が基準のサイクロイド曲線から構成されていることを特徴とする非定常流れを利用した流体機械である。この構成によって、肉厚が漸増漸減又は漸増急減する場合に、ケーシング内周側の一部又は全部の形状がサイクロイド形状の肉厚を有しているためサイクロイドによる好適な渦列生成特性が付与され、ケーシングの設計、製造が容易になる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
本発明の第４の発明の形態は、前縁及び後縁が軸方向断面において半径方向に所定幅の肉厚を有する場合の第２の発明の形態において、前縁及び後縁が軸方向断面において半径方向に所定幅の肉厚を有する場合に代えて、前縁と後縁のうち後縁のみが軸方向断面において内周側の面と外周側の面との間で半径方向に所定の肉厚を有する場合に、渦生成部が後縁における所定の肉厚の後流側の面が構成するリング状の平面であることを特徴とする非定常流れを利用した流体機械である。この構成によって、サイクロイドによる好適な渦列生成特性と共に、バナナ型断面や鍔付など、渦生成部がリング状の平面のため負圧領域が内部流れ側に寄り、渦生成部背後に強い負圧領域を実現して、内部流れを増速することができる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
本発明の第５の発明の形態は、第１〜第４の何れかの発明の形態に従属する形態であって、羽根車には、該羽根車の回転力を電気力に変換する発電装置が連結されていることを特徴とする非定常流れを利用した流体機械である。この構成によって、ケーシングの形状によって高出力の発電が行える。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３７】
本発明の第６の発明の形態は、第１〜第５の何れかの発明の形態に従属する形態であって、ケーシングに導体製のメッシュが装着されたことを特徴とする非定常流れを利用した流体機械である。この構成によって、ケーシングの形状によって流れを安定化すると共に、ドップラーレーダーからの流体機械の電磁波遮断効果が期待できる。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３８】
本発明の第７の発明の形態は、環状をなしてその軸方向断面が非流線形の形状を有するケーシングと、ケーシング内のスロート部に配設され軸周りに回転する羽根車を備え、周囲を流れる流れを前縁で内外の流れに分割しかつ強制的に流れの剥離を起こし、この剥離によってケーシング後方に渦列を形成し、渦列と渦列ゆらぎによって環状方向にセル構造を有する負圧領域を形成して、ケーシング内を流れる内部流れの流速を増加する風車であって、ケーシングの肉厚形成の基準とされる基準線が、軸方向断面において前縁と後縁との間を連絡しかつこの前後縁間のスロート部の位置に凸部を有するサイクロイド曲線から構成され、ケーシングの半径方向で内周側の面には、スロート部とこのスロート部より後流側に負圧領域を生成するための渦生成部が形成され、さらにこの渦生成部に隣接するスロート側隣接面にはその境界位置に該位置まで円滑に流れてきた内部流れの剥離を促す第２の流出勾配が形成され、かつケーシングの外周側の面には、後縁に外部流れをこの後縁位置で剥離させる第1の流出勾配が形成され、第1の流出勾配は前縁と後縁とを結ぶ円錐の母線の勾配以上の勾配に設定され、かつ第２の流出勾配は、基準のサイクロイド曲線が内周の面とされた場合における渦生成部先端の勾配を基準にこれ以下の勾配に設定され、前縁と後縁とを結ぶ円錐の母線の勾配が５０°以下の正の勾配に設定され、非流線形のケーシングにより渦生成部の背後に強い渦度の負圧領域を生成して内部流れを増速することを特徴とする風車である。この構成によって、ケーシングの設計、製造が容易で、ケーシングの形状により流れの中に強くて安定した渦列流れを形成し、出口側のケーシング付近に強い負圧領域を実現して、内部流れを増速することができ、ディフューザの長さが短く、大型化が可能になり、高出力にすることができる。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３９】
本発明の第８の発明の形態は、第７の発明の形態に従属する形態であって、前縁及び後縁が軸方向断面において半径方向に所定幅の肉厚を有する場合に、渦生成部を含むケーシングの内周側の形状が内周側の前縁及び後縁を連絡した基準のサイクロイド曲線によって構成されることを特徴とする風車である。この構成によって、前縁及び後縁が半径方向に所定幅の肉厚をする場合に、ケーシング内周側の形状がサイクロイドであるためサイクロイドによる好適な渦列生成特性が付与され、ケーシングの設計、製造が容易になる。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４０
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４１】
本発明の第９の発明の形態は、第７の発明の形態に従属する形態であって、非流線形の形状が軸方向断面において肉厚が漸増漸減又は漸増急減する形状に形成され、その内周側の一部又は全部の形状が基準のサイクロイド曲線から構成されていることを特徴とする風車である。この構成によって、肉厚が漸増漸減又は漸増急減する場合に、ケーシング内周側の一部又は全部の形状がサイクロイド形状の肉厚を有しているためサイクロイドによる好適な渦列生成特性が付与され、ケーシングの設計、製造が容易になる。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４２】
本発明の第１０の発明の形態は、前縁及び後縁が軸方向断面において半径方向に所定幅の肉厚を有する場合の第８の発明の形態において、前縁及び後縁が軸方向断面において半径方向に所定幅の肉厚を有する場合に代えて、前縁と後縁のうち後縁のみが軸方向断面において内周側の面と外周側の面との間で半径方向に所定の肉厚を有する場合に、渦生成部が後縁における所定の肉厚の後流側の面が構成するリング状の平面であることを特徴とする非定常流れを利用した風車である。この構成によって、サイクロイドによる好適な渦列生成特性と共に、バナナ型断面や鍔付など、渦生成部がリング状の平面のため負圧領域が内部流れ側に寄り、渦生成部背後に強い負圧領域を実現して、内部流れを増速することができる。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４４】
本発明の第１１の発明の形態は、第７〜第１０の何れかの発明の形態に従属する形態であって、羽根車には、該羽根車の回転力を電気力に変換する発電装置が連結されていることを特徴とする風車である。この構成によって、ケーシングの形状によって高出力の発電が行える。
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４５】
本発明の第１２の発明の形態は、第７〜第１１の何れかの発明の形態に従属する形態であって、ケーシングに導体製のメッシュが装着されたことを特徴とする風車である。この構成によって、ケーシングの形状によって流れを安定化すると共に、ドップラーレーダーからの風車の電磁波遮断効果が期待できる。
【手続補正１９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４６】
本発明の第１３の発明の形態は、環状をなしその軸方向断面が非流線形の形状を有するケーシング内に羽根車を設け、周囲を流れる流れを前縁で内外の流れに分割して強制的に流れの剥離を起こし、この剥離によってケーシング後方に渦列を形成し、渦列と渦列ゆらぎによって環状方向にセル構造を有する負圧領域を形成して、ケーシング内を流れる内部流れの流速を増加する非定常流れを利用した内部流れ増速方法であって、ケーシングの肉厚形成の基準とされる基準線を、軸方向断面において前縁と後縁との間を連絡しかつこの前後縁間のスロート部の位置に凸部を有するサイクロイド曲線とし、ケーシングの半径方向で内周側の面には、スロート部とこのスロート部より後流側に負圧領域を生成するための渦生成部を形成し、さらにこの渦生成部に隣接するスロート側隣接面にはその境界位置に該位置まで円滑に流れてきた内部流れの剥離を促す第２の流出勾配を形成し、かつケーシングの外周側の面には、後縁に外部流れをこの位置で剥離させるための第1の流出勾配を形成して、第1の流出勾配を前縁と後縁とを結ぶ円錐の母線の勾配以上の勾配に設定し、かつ第２の流出勾配は、基準のサイクロイド曲線が内周の面とされた場合における渦生成部先端の勾配を基準にこれ以下の勾配に設定し、前縁と後縁とを結ぶ円錐の母線の勾配を５０°以下の正の勾配に設定し、非流線形のケーシングにより渦生成部の背後に強い渦度の負圧領域を生成して内部流れを増速することを特徴とする非定常流れを利用した内部流れ増速方法である。この構成によって、ケーシングの設計、製造が容易で、ケーシングの形状により流れの中に強くて安定した渦列流れを形成し、出口側のケーシング付近に強い負圧の負圧領域を実現して、外部流れで内部流れを増速させることができる。
【手続補正２０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７６】
さらに、サイクロイド曲線ｍの後縁２ｄの勾配αを基に、流出勾配θ２をサイクロイドから定まるα未満の所定の勾配（θ２＜α＜９０°）に設定することで（例えばαの一次関数や冪関数で対応させて設定）、このαとの対応付けにより簡便に内部流れを内周面２０１から剥離させる勾配に設定することができる。垂直近く屈曲している場合は、後述する実施例３の漸増裁断端型（バナナ型断面）の勾配αに近い値を採用すればよい（図１７参照）。
【国際調査報告】
2010109800.tif 000037
2010109800.tif 000038
2010109800.tif 000039
2010109800.tif 000040