(57)【要約】【課題】効率を向上できるロータを提供する。【解決手段】本発明の風水力機械用のロータ１は、本体翼部５０と翼端後縁翼部４０とを有し、本体翼部と翼端後縁翼部との間には、翼長方向スリット３１と翼弦方向スリット３２とが区画されており、翼端後縁翼部の前縁４３は、仮想翼端翼部５３の翼型中心線ＣＡＬ５３よりも、ロータの正面側又は背面側に位置している。【選択図】図２
2018115607.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主軸に支持されるハブと、
該ハブに連結された翼と、
を備えた、風水力機械用のロータであって、
前記翼は、
本体翼部と、
前記本体翼部に対して翼端後縁側に位置する翼端後縁翼部と、
を有し、
前記本体翼部と前記翼端後縁翼部との間には、
該翼を翼厚方向に貫通するとともに、該翼の翼端から該翼の翼根側に向かって延在して該翼根に至る手前で終端する、翼長方向スリットと、
該翼を翼厚方向に貫通するとともに、前記翼長方向スリットの前記翼根側の端から該翼の後縁側に向かって延在して該後縁に至る手前で終端し、スリット幅がほぼ０である、翼弦方向スリットと、
が区画されており、
前記翼端後縁翼部の前縁は、前記本体翼部のうち前記翼端後縁翼部に対して前縁側に位置する部分を前記翼の後縁まで滑らかに延長させてなる、仮想翼端翼部の、翼型中心線よりも、ロータの正面側又は背面側に位置している、ロータ。
【請求項２】
前記翼長方向スリットは、ほぼ一定のスリット幅をもって直線状に延在している、請求項１に記載のロータ。
【請求項３】
前記翼端後縁翼部の前縁は、前記仮想翼端翼部の翼型中心線よりも、ロータの正面側に位置しており、
前記仮想翼端翼部の翼型中心線と前記翼端後縁翼部の翼型中心線とは、それぞれロータの背面側で凸となるように湾曲しており、
前記仮想翼端翼部の翼弦線と前記翼端後縁翼部の翼弦線との小さいほうのなす角度θは、０°以上である、請求項１又は２に記載のロータ。
【請求項４】
前記仮想翼端翼部の翼型中心線と前記翼端後縁翼部の翼型中心線とは、それぞれ直線状に延在しており、
前記仮想翼端翼部の翼弦線と前記翼端後縁翼部の翼弦線との小さいほうのなす角度θは、０°よりも大きい、請求項１又は２に記載のロータ。
【請求項５】
前記翼端後縁翼部の前縁は、前記仮想翼端翼部の翼型中心線よりも、ロータの背面側に位置しており、
前記仮想翼端翼部の翼型中心線と前記翼端後縁翼部の翼型中心線とは、それぞれロータの正面側で凸となるように湾曲しており、
前記仮想翼端翼部の翼弦線と前記翼端後縁翼部の翼弦線との小さいほうのなす角度θは、０°以上である、請求項１又は２に記載のロータ。
【請求項６】
前記仮想翼端翼部の翼弦線と前記翼端後縁翼部の翼弦線との小さいほうのなす角度θは、５°未満である、請求項３〜５のいずれか一項に記載のロータ。
【請求項７】
前記翼長方向スリットは、前記仮想翼端翼部の翼弦線の中心点どうしを結んだ翼弦中心線よりも、後縁側に位置している、請求項１〜６のいずれか一項に記載のロータ。
【請求項８】
前記翼は、該翼の翼弦方向において互いに異なる位置に配置された複数の前記翼端後縁翼部を有している、請求項１〜７のいずれか一項に記載のロータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電機や送風機等の風水力機械に用いられるロータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、風力発電機や送風機等の風水力機械の効率を向上させるために、風水力機械用のロータの翼構造に関し、様々な取り組みが行われている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３３６５７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のロータでは、依然として、風水力機械の効率向上の余地があった。
【０００５】
本発明は、上記の課題を解決するためにされたものであり、風水力機械の効率を向上できる、ロータ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】
【０００６】
上記目的を達成するための本発明の要旨構成は、次の通りである。
【０００７】
本発明のロータは、
主軸に支持されるハブと、
該ハブに連結された翼と、
を備えた、風水力機械用のロータであって、
前記翼は、
本体翼部と、
前記本体翼部に対して翼端後縁側に位置する翼端後縁翼部と、
を有し、
前記本体翼部と前記翼端後縁翼部との間には、
該翼を翼厚方向に貫通するとともに、該翼の翼端から該翼の翼根側に向かって延在して該翼根に至る手前で終端する、翼長方向スリットと、
該翼を翼厚方向に貫通するとともに、前記翼長方向スリットの前記翼根側の端から該翼の後縁側に向かって延在して該後縁に至る手前で終端し、スリット幅がほぼ０である、翼弦方向スリットと、
が区画されており、
前記翼端後縁翼部の前縁は、前記本体翼部のうち前記翼端後縁翼部に対して前縁側に位置する部分を前記翼の後縁まで滑らかに延長させてなる、仮想翼端翼部の、翼型中心線よりも、ロータの正面側又は背面側に位置している。
本発明のロータによれば、風水力機械の効率を向上できる。
【０００８】
本発明のロータにおいて、
前記翼長方向スリットは、ほぼ一定のスリット幅をもって直線状に延在していると、好適である。
これにより、効率をさらに向上できる。
【０００９】
本発明のロータにおいて、
前記翼端後縁翼部の前縁は、前記仮想翼端翼部の翼型中心線よりも、ロータの正面側に位置しており、
前記仮想翼端翼部の翼型中心線と前記翼端後縁翼部の翼型中心線とは、それぞれロータの背面側で凸となるように湾曲しており、
前記仮想翼端翼部の翼弦線と前記翼端後縁翼部の翼弦線との小さいほうのなす角度θは、０°以上であると、好適である。
これにより、効率をさらに向上できる。
【００１０】
本発明のロータにおいて、
前記仮想翼端翼部の翼型中心線と前記翼端後縁翼部の翼型中心線とは、それぞれ直線状に延在しており、
前記仮想翼端翼部の翼弦線と前記翼端後縁翼部の翼弦線との小さいほうのなす角度θは、０°よりも大きいと、好適である。
これにより、効率をさらに向上できる。
【００１１】
本発明のロータにおいて、
前記翼端後縁翼部の前縁は、前記仮想翼端翼部の翼型中心線よりも、ロータの背面側に位置しており、
前記仮想翼端翼部の翼型中心線と前記翼端後縁翼部の翼型中心線とは、それぞれロータの正面側で凸となるように湾曲しており、
前記仮想翼端翼部の翼弦線と前記翼端後縁翼部の翼弦線との小さいほうのなす角度θは、０°以上であると、好適である。
これにより、効率をさらに向上できる。
【００１２】
本発明のロータにおいて、
前記仮想翼端翼部の翼弦線と前記翼端後縁翼部の翼弦線との小さいほうのなす角度θは、５°未満であると、好適である。
これにより、効率をさらに向上できる。
【００１３】
本発明のロータにおいて、
前記翼長方向スリットは、前記仮想翼端翼部の翼弦線の中心点どうしを結んだ翼弦中心線よりも、後縁側に位置していると、好適である。
これにより、効率をさらに向上できる。
【００１４】
本発明のロータにおいて、
前記翼は、該翼の翼弦方向において互いに異なる位置に配置された複数の前記翼端後縁翼部を有していると、好適である。
これにより、効率をさらに向上できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、風水力機械の効率を向上できる、ロータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態に係るロータの一例を示す正面図である。
【図２】図１に示すロータを正面側から観た様子を示す斜視図である。
【図３】図１に示すロータを翼端側から観た様子を示す側面図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係るロータの第１変形例を示す正面図である。
【図５】図４に示すロータを翼端側から観た様子を示す側面図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係るロータの第２変形例を翼端側から観た様子を示す側面図である。
【図７】本発明の第１実施形態に係るロータの第３変形例を示す正面図である。
【図８】図８（ａ）は図７に示すロータを翼端側から観た様子を示す側面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）に示す各翼型中心線の関係を説明するための図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係るロータを翼端側から観た様子を示す側面図である。
【図１０】比較例及び実施例に係るロータの解析方法を説明するための図である。
【図１１】比較例及び実施例に係るロータの解析結果を示す図である。
【図１２】比較例及び実施例に係るロータの解析結果を示す図である。
【図１３】比較例及び実施例に係るロータの解析結果を示す図である。
【図１４】実施例に係るロータの解析結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に例示説明する。
本発明のロータは、風水力機械に用いられるものであり、特に水平軸型の風力発電機又は送風機に用いられると好適なものである。本発明でいう「風水力機械」とは、風力発電機（風車等）、送風機、水力発電機（水車等）、ポンプ、ヘリコプター、ドローン等の、風力又は水力により得られる動力を利用する機械を意味するものとする。
本発明のロータの直径は、任意の値でよいが、ロータが水平軸型の風力発電機に用いられる場合は例えば７４１〜１１１１ｍｍであると好適であり、ロータが送風機に用いられる場合は例えば６００〜９００ｍｍであると好適である。
【００１８】
〔第１実施形態〕
本発明の第１実施形態を、図１〜図８を参照して説明する。図１〜図３は、本発明の第１実施形態に係るロータの一例を示している。図４〜図５は、本実施形態に係るロータの第１変形例を示している。図６は、本実施形態に係るロータの第２変形例を示している。
用いることができる。図７〜図８は、本実施形態に係るロータの第３変形例を示している。
本実施形態のロータ１は、水平軸型の風力発電機用のロータとして構成されているが、水力発電機（水車等）用のロータとして構成されても特に好適であり、また、送風機等の他の風水力機械用のロータとして構成されてもよい。
【００１９】
図１〜図３において、本実施形態のロータ１は、主軸（図示せず）に支持されるハブ１０と、ハブ１０に連結された複数（本例では３つ）の翼２０とを、備えている。図示されない主軸は、図１で見たときに、ハブ１０の背面から後方へ向かって、例えばほぼ水平に、延在する。主軸の中心軸線が、ロータ１の回転中心軸線Ｏとなる。
なお、翼２０の数は、３つに限られず、任意の数とすることができる。
また、ロータ１の各翼２０は、本例では互いに同一形状を有しているが、一部の翼が他の翼とは異なる形状を有していてもよい。
【００２０】
図２及び図３に示すように、本例では、翼２０のピッチ角（「ねじり角」とも呼ばれる。）が、翼２０の翼長方向に沿って一定ではなく、翼長方向に沿って翼根２１から翼端２２に向かうにつれて徐々に減少している。
ここで、「ピッチ角」とは、ロータ１の回転中心軸線Ｏに対して垂直な仮想平面と、ブレード２０の翼弦線（ブレード２０の前縁２３と後縁２４とを結ぶ直線）との、なす角度である。
また、「翼長方向」とは、ロータ１の回転中心軸線Ｏに対して垂直な投影面において、翼２０の翼根２１の翼弦線の中心点２１ａ（図１）と翼２０の翼端２２の翼弦線の中心点２２ａ（図１）とを結ぶ直線に平行な方向を指す。
また、「ロータ１の回転中心軸線Ｏに対して垂直な投影面」は、図１のようにロータ１を回転中心軸線Ｏの一方側から観たときの平面に相当する。
翼２０のピッチ角の翼長方向での分布を、本例のようにすることによって、風力発電機の効率を向上できる。ただし、翼２０のピッチ角の翼長方向での分布は、任意でよい。
【００２１】
本例の翼２０は、仮に翼２０のピッチ角を翼２０の全長にわたって０°にしたときに、ロータ１の回転中心軸線Ｏに対して垂直な投影面において略長方形状をなすような、略矩形翼である。本例における翼２０の翼弦長（ブレード２０の前縁２３と後縁２４とを結ぶ直線の長さ）は、翼２０の全長にわたって一定である。
ただし、仮に翼２０のピッチ角を翼２０の全長にわたって０°にしたときに、ロータ１の回転中心軸線Ｏに対して垂直な投影面において翼２０がなす形状は、任意でよい。また、本実施形態の翼２０の翼弦長は、翼２０の翼長方向に沿って、少なくとも一部分で変化してもよい。
【００２２】
図１に示すように、翼２０は、本体翼部５０と、本体翼部５０に対して翼端後縁側（翼端側かつ後縁側）に位置する翼端後縁翼部４０と、を有している。本体翼部５０と翼端後縁翼部４０との間には、翼長方向スリット３１と翼弦方向スリット３２とが区画されている。翼長方向スリット３１は、翼２０を翼厚方向に貫通するとともに、翼２０の翼端２２に開口し、翼端２２から翼根２１側に向かって延在して、翼根２１に至る手前で終端している。翼弦方向スリット３２は、翼２０を翼厚方向に貫通するとともに、翼長方向スリット３１の翼根２１側の端に連結し、そこから翼２０の後縁２４側に向かって延在して、後縁２４に至る手前で終端している。いいかえれば、翼端後縁翼部４０は、翼長方向スリット３１と翼弦方向スリット３２とによって、本体翼部５０から分割（分離）されている。
本例において、翼端後縁翼部４０は、翼弦方向スリット３２よりも後縁２４側で、本体翼部５０と固定されるか又は一体的に構成されることにより、本体翼部５０と連結されている。
ロータ１の回転中心軸線Ｏに対して垂直な投影面において、翼弦方向スリット３２のスリット幅は、ほぼ０である。
【００２３】
本例では、ロータ１の回転中心軸線Ｏに対して垂直な投影面において、翼長方向スリット３１が、翼２０の翼長方向に平行に延在している。この構成により、風力発電機の効率を向上できる。ただし、該投影面において、翼長方向スリット３１は、翼２０の翼長方向に対して交差する方向に延在してもよい。
また、本例では、ロータ１の回転中心軸線Ｏに対して垂直な投影面において、翼弦方向スリット３２が、翼２０の翼弦方向に平行に延在している。ここで、「翼弦方向」とは、翼弦線に平行な方向である。この構成により、風力発電機の効率を向上できる。ただし、該投影面において、翼弦方向スリット３２は、翼２０の翼弦方向に対して交差する方向に延在してもよい。
【００２４】
図２及び図３に示すように、翼端後縁翼部４０は、その前縁４３側の部分が本体翼部５０に対してロータ１の正面側（本例では正圧側）に向かってめくれたような、形状を有している。より具体的に、翼端後縁翼部４０の前縁４３は、仮想翼端翼部５３の翼型中心線ＣＡＬ５３よりも、ロータの正面側（本例では正圧側）に位置している。
ここで、「翼端後縁翼部４０の前縁４３」は、翼端後縁翼部４０における、翼２０の前縁２３側の端縁である。なお、「翼端後縁翼部４０の後縁４４」は、翼端後縁翼部４０における、翼２０の後縁２４側の端縁であり、本例では、翼２０の後縁２４の一部を構成する。
また、「仮想翼端翼部５３」は、本体翼部５０のうち翼端後縁翼部４０に対して翼２０の前縁２３側に位置する部分５１（以下、翼端前縁翼部５１ともいう。）を、翼２０の後縁２４（翼端後縁翼部４０の後縁４４）まで滑らかに延長させてなる部分であり、いいかえれば、翼端前縁翼部５１と、翼端前縁翼部５１の後縁５１ａから翼２０の後縁２４まで滑らかに延在する仮想翼端後縁翼部５２とを、併せた部分である。「翼端前縁翼部５１の後縁５１ａ」は、翼端前縁翼部５１における翼２０の後縁２４側の端縁である。
また、「翼型中心線」（「キャンバーライン」とも呼ばれる。）とは、翼型（翼の翼厚方向の断面）において、ロータ１の正面側（ロータ正面側）の表面とロータ１の背面側（ロータ背面側）の表面とから等距離にある点どうしを結んだ線である。
図３に示すように、本実施形態において、翼２０の翼型中心線は、ロータ背面側で凸となるように湾曲している。また、仮想翼端翼部５３の翼型中心線ＣＡＬ５３と翼端後縁翼部４０の翼型中心線ＣＡＬ４０とは、それぞれロータ背面側で凸となるように湾曲している。
翼弦方向スリット３２があることで、本例のように、翼端後縁翼部４０における翼根２１側の端部を含む、翼端後縁翼部４０の翼長方向の全長にわたって、翼端後縁翼部４０の前縁４３を、仮想翼端翼部５３の翼型中心線ＣＡＬ５３よりもロータの正面側に位置させることができるようにされている。
なお、図の例では、本体翼部５０及び翼端後縁翼部４０の翼型が、それぞれの前縁及び後縁で丸まった形状であり、また、本体翼部５０及び翼端後縁翼部４０の翼厚が、それぞれの翼型中心線に沿って前縁側から後縁側に向かって徐々に薄くなっているが、この構成は必須ではない。例えば、本体翼部５０及び翼端後縁翼部４０の翼型は、それぞれの前縁及び後縁の少なくともいずれか一方で角張っていても構わない。また、本体翼部５０及び翼端後縁翼部４０の翼厚は、それぞれの翼型中心線に沿ってほぼ一定でもよい。
【００２５】
以下、翼端後縁翼部４０の前縁４３が仮想翼端翼部５３の翼型中心線ＣＡＬ５３よりもロータの正面側に位置していることによる効果について、説明する。
仮に、翼２０が、一般的な翼のように翼長方向スリット３１を有していない場合、翼２０の後縁側の部分では、翼長方向のほぼ全長にわたって、ロータ正面側の表面とロータ背面側の表面において、気流の流れが剥離しやすく、正圧及び負圧をそれぞれ十分に生じさせることができない。そのため、十分な揚力が得られず、風力発電機の効率を良好にできない。
これに対し、本実施形態では、翼２０に翼長方向スリット３１が形成されており、翼端後縁翼部４０の前縁４３が仮想翼端翼部５３の翼型中心線ＣＡＬ５３よりもロータ正面側に位置しているので、翼長方向スリット３１に、すなわち翼端後縁翼部４０の前縁４３と本体翼部５０の翼端前縁翼部５１の後縁５１ａとの間に、風が通れるような隙間が区画される。図１４は、本発明の一実施例に係るロータ１のモデルを用いた解析により得られた、翼２０の翼端付近の流線を示している。解析の詳細については後述する。図１４から判るように、翼２０の翼端付近において、翼２０のロータ正面側かつ前縁２３側から入射した風は、翼長方向スリット３１を通って、翼２０のロータ背面側かつ後縁２４側へと流れる。これにより、翼端後縁翼部４０におけるロータ正面側の表面とロータ背面側の表面において、流れの剥離が抑制され、大きな正圧及び負圧をそれぞれ生じさせることができる。すなわち、翼２０の翼端付近における前縁側（翼端前縁翼部５１）と後縁側（翼端後縁翼部４０）との両方で、ロータ正面側の表面とロータ背面側の表面において、大きな正圧及び負圧をそれぞれ生じさせることができる。よって、揚力を向上でき、風力発電機の効率を向上できる。
なお、仮に、翼長方向スリット３１に風が通れるような隙間が区画されていても、翼端後縁翼部４０の前縁４３が仮想翼端翼部５３の翼型中心線ＣＡＬ５３上にあったり、それよりもロータ背面側に位置している場合には、風が翼長方向スリット３１を通過しにくくなり、剥離をさほど効果的に抑制できない。
なお、揚力の発生には、翼２０の翼端近傍に生じる圧力差が最も寄与するため、本実施形態において翼長方向スリット３１が翼端側にあることで、翼端側において剥離を抑制し圧力差を増大できるので、仮に翼長方向スリット３１が翼根側にある場合に比べて、揚力ひいては効率を大きく向上できる。
【００２６】
なお、風力発電機の効率は、風力発電機のパワー係数によって評価することができる。本実施形態のロータ１は、翼が翼長方向スリット３１を有しないようなロータに比べて、主に周速比が比較的低い時と比較的高い時との少なくともいずれか一方で、パワー係数を増大できるものである。
ここで、「周速比」は、風速に対する翼端速度（翼の翼端の回転方向の速度）の比である。風速をＵ（ｍ／ｓ）、ロータの回転速度をω（ｒｐｍ）、ロータの半径をＲ（ｍｍ）とすると、周速比λは、つぎの式（１）で表すことができる。
【数１】
2018115607.tif 000003
また、「パワー係数」は、ロータ受風面積を単位時間に通過する自由空気流の運動エネルギーに対する風力発電機の正味出力の比である。空気の密度をρ（ｋｇ／ｍ３）、回転トルクをＴ（Ｎｍ）とすると、パワー係数Ｃｐは、つぎの式（２）で表すことができる。
【数２】
2018115607.tif 000004
【００２７】
図１に示すように、本実施形態において、翼長方向スリット３１は、ほぼ一定のスリット幅をもって直線状に延在している。より具体的に、ロータ１の回転中心軸線Ｏに対して垂直な投影面において、翼長方向スリット３１のスリット幅ｄは翼長方向スリット３１の全長にわたってほぼ一定であり、また、翼長方向スリット３１は直線状に延在している。この構成により、翼端後縁翼部４０の翼長方向の全長にわたって、翼端後縁翼部４０の表面での剥離を効果的に抑制でき、ひいては効率を向上できる。
ただし、当該投影面において、翼長方向スリット３１のスリット幅ｄは、翼長方向スリット３１の延在方向に沿って、少なくとも一部分で変化してもよい。また、当該投影面において、翼長方向スリット３１は、非直線状に延在してもよい。
【００２８】
効率向上の観点から、ロータ１の回転中心軸線Ｏに対して垂直な投影面における、翼長方向スリット３１のスリット幅ｄは、０ｍｍ以上が好ましく、２ｍｍ以上がより好ましく、５ｍｍ以上がさらに好ましい。また、効率向上の観点から、該投影面における翼長方向スリット３１のスリット幅ｄは、１０ｍｍ以下が好ましい。
同様に、翼２０の翼端２２での翼弦長ＣＨＬ（すなわち、仮想翼端翼部５３の翼端２２での翼弦長）に対する、当該投影面における翼長方向スリット３１のスリット幅ｄの割合、すなわち（ｄ／ＣＨＬ）×１００（％）は、０．０％以上が好ましく、１．９％以上がより好ましく、４．８％以上がさらに好ましい。また、（ｄ／ＣＨＬ）×１００（％）は、９．５％以下が好ましい。
図４及び図５に示す第１変形例は、該投影面における翼長方向スリット３１のスリット幅ｄが０ｍｍである点のみで、図１〜図３に示す例とは異なる。図５に示すように、該投影面における翼長方向スリット３１のスリット幅ｄが０ｍｍの場合でも、翼端後縁翼部４０の前縁４３が仮想翼端翼部５３の翼型中心線ＣＡＬ５３よりもロータ正面側に位置していることで、翼長方向スリット３１に、すなわち翼端後縁翼部４０の前縁４３と本体翼部５０の翼端前縁翼部５１の後縁５１ａとの間に、風が通れるような隙間が区画される。よって、上述した剥離抑制効果が得られる。
【００２９】
翼２０の翼長をＬとしたとき、効率向上の観点から、ロータ１の回転中心軸線Ｏに対して垂直な投影面における、翼長方向スリット３１の翼長方向の長さｌは、（１／８）Ｌ以上が好ましく、（２／８）Ｌ以上がより好ましく、（３／８）Ｌ以上がさらに好ましい。また、効率向上の観点から、当該投影面における翼長方向スリット３１の翼長方向の長さｌは、（５／８）Ｌ以下が好ましく、（４／８）Ｌ以下がさらに好ましい。
ここで、「翼２０の翼長Ｌ」とは、図１に示すように、ロータ１の回転中心軸線Ｏに対して垂直な投影面において、翼２０の翼根２１の翼弦線の中心点２１ａと翼２０の翼端２２の翼弦線の中心点２２ａとを結ぶ直線の長さを指す。なお、ハブ１０の半径ｒと翼２０の翼長Ｌとの和が、ロータ１の半径Ｒである（Ｒ＝ｒ+Ｌ）。
【００３０】
本実施形態のように、仮想翼端翼部５３の翼型中心線ＣＡＬ５３と翼端後縁翼部４０の翼型中心線ＣＡＬ４０とが、それぞれロータ背面側で凸となるように湾曲している場合、効率向上の観点からは、仮想翼端翼部５３の翼弦線（又はその延長線）と翼端後縁翼部４０の翼弦線（又はその延長線）との小さいほうのなす角度θは、０°以上が好ましい。また、効率向上の観点から、仮想翼端翼部５３の翼弦線（又はその延長線）と翼端後縁翼部４０の翼弦線（又はその延長線）との小さいほうのなす角度θは、５°未満が好ましく、３°以下がさらに好ましい。
図１〜３の例では、角度θが０°であり、翼端後縁翼部４０の翼弦線が仮想翼端翼部５３の翼弦線上にある。一方、図６に示す第２変形例は、角度θが０°よりも大きい点のみで、図１〜図３の例とは異なる。図３に示すように、角度θが０°の場合でも、翼端後縁翼部４０の前縁４３が仮想翼端翼部５３の翼型中心線ＣＡＬ５３よりもロータ正面側に位置していることで、翼長方向スリット３１に、すなわち翼端後縁翼部４０の前縁４３と本体翼部５０の翼端前縁翼部５１の後縁５１ａとの間に、風が通れるような隙間が区画される。よって、上述した剥離抑制効果が得られる。
【００３１】
図１〜図３の例では、翼２０が翼端後縁翼部４０を１つのみ有しているが、図７及び図８に示す第３変形例のように、翼２０は、翼端後縁翼部４０を複数有してもよい。この場合、各翼端後縁翼部４０は、それぞれ、翼端後縁翼部４０の前縁４３が仮想翼端翼部５３の翼型中心線ＣＡＬ５３よりもロータ正面側に位置するようにされる。これにより、各翼端後縁翼部４０にそれぞれ対応する各翼長方向スリット３１に風が通ることで、各翼端後縁翼部４０の表面での剥離を効果的に抑制できるので、効率を向上できる。
図７及び図８の第３変形例は、翼２０が、翼２０の翼弦方向において互いに異なる位置に配置された複数（具体的には２つ）の翼端後縁翼部４０を有している点のみで、図１〜図３に示す例とは異なる。第３変形例において、複数の翼端後縁翼部４０のうち、最も前縁２３側の翼端後縁翼部４０は、本体翼部５０との間で、翼長方向スリット３１及び翼弦方向スリット３２を区画している。それ以外の翼端後縁翼部４０は、前縁側に隣接する翼端後縁翼部４０との間で翼長方向スリット３１を区画しているとともに、本体翼部５０との間で翼弦方向スリット３２を区画している。複数の翼端後縁翼部４０のうち、最も後縁２４側の翼端後縁翼部４０は、その後縁４４が、翼２０の後縁２４の一部を構成している。各翼端後縁翼部４０の翼型中心線ＣＡＬ４０は、それぞれロータ背面側で凸となるように湾曲している。
各翼長方向スリット３１の上記スリット幅ｄ、上記翼長方向の長さｌは、それぞれ上述した数値範囲内であると好適である。各翼長方向スリット３１の上記スリット幅ｄどうし、各翼長方向スリット３１の上記翼長方向の長さｌどうしは、図の例のように互いに同じでもよいし、異なっていてもよい。
図８（ｂ）は、便宜のため、図８（ａ）の側面図における仮想翼端翼部５３の翼型中心線ＣＡＬ５３と各翼端後縁翼部４０の翼型中心線ＣＡＬ４０のみを抜き出して示している。各翼端後縁翼部４０の上記角度θは、それぞれ上述した数値範囲内であると好適である。各翼端後縁翼部４０の上記角度θどうしは、図８（ｂ）の例のように互いに異なっていてもよいし、互いに同じでもよい。図８（ｂ）の例では、２つの翼端後縁翼部４０のうち、前縁２３側の翼端後縁翼部４０の角度θのほうが、後縁２４側の翼端後縁翼部４０の角度θよりも、小さい。
【００３２】
上述した各例では、翼長方向スリット３１が、翼２０における比較的後縁側に位置しており、いいかえれば、仮想翼端翼部５３の翼弦線の中心点どうしを結んだ翼弦中心線よりも、後縁側に位置している。これにより、翼長方向スリット３１が、特に剥離が生じやすい後縁側の領域に配置されるので、より効果的に、翼端後縁翼部４０の表面での剥離を抑制できる。
【００３３】
〔第２実施形態〕
本発明の第２実施形態を、図９を参照して説明する。第２実施形態のロータ１は、翼２０の翼型中心線が直線状に延在し、また、仮想翼端翼部５３の翼型中心線ＣＡＬ５３と翼端後縁翼部４０の翼型中心線ＣＡＬ４０とが、それぞれ直線状に延在している点のみで、第１実施形態とは異なる。
本実施形態のロータ１は、水平軸型の風力発電機用のロータとして構成されているが、水力発電機（水車等）用のロータとして構成されても特に好適であり、また、送風機等の他の風水力機械用のロータとして構成されてもよい。
図９に示すように、仮想翼端翼部５３の翼弦線（又はその延長線）と翼端後縁翼部４０の翼弦線（又はその延長線）との小さいほうのなす角度θは、０°よりも大きい。これにより、翼端後縁翼部４０の前縁４３が仮想翼端翼部５３の翼型中心線ＣＡＬ５３よりもロータ正面側（本例では正圧側）に位置するようにされている。第２実施形態によっても、翼長方向スリット３１に風が通ることで、翼端後縁翼部４０の表面での剥離を効果的に抑制でき、ひいては、効率を向上できる。
第２実施形態において、効率向上の観点からは、仮想翼端翼部６４の翼弦線（又はその延長線）と翼端後縁翼部４０の翼弦線（又はその延長線）との小さいほうのなす角度θは、５°未満が好ましく、３°以下がさらに好ましい。
その他の構成については、第１実施形態で述べたことと同様である。
例えば、第２実施形態において、翼長方向スリット３１の上記スリット幅ｄ、上記翼長方向の長さｌは、それぞれ第１実施形態において上述した数値範囲内であると好適である。また、第２実施形態においても、図７及び図８に示す例のように、翼２０は、翼端後縁翼部４０を複数有してもよい。
【００３４】
なお、上述した各例のロータが、送風機用のロータとして構成された場合は、送風機の効率を向上できる。ひいては、騒音の低下も可能となる。
【００３５】
本発明のロータは、上述した各例のものに限られない。
例えば、第１実施形態や第２実施形態において、「ロータ正面側」と「ロータ背面側」とを逆にした構成にしてもよい。この構成は、本発明のロータが、送風機、ポンプ、ヘリコプター、又はドローン用のロータとして構成された場合に、特に好適なものである。
より具体的に、第１実施形態において「ロータ正面側」と「ロータ背面側」とを逆にした場合には、翼端後縁翼部４０は、その前縁４３側の部分が本体翼部５０に対してロータ背面側（本例では正圧側）に向かってめくれたような、形状を有しており、翼端後縁翼部４０の前縁４３は、仮想翼端翼部５３の翼型中心線ＣＡＬ５３よりも、ロータ背面側（本例では正圧側）に位置する。そして、翼２０の翼型中心線はロータ正面側で凸となるように湾曲し、また、仮想翼端翼部５３の翼型中心線ＣＡＬ５３と翼端後縁翼部４０の翼型中心線ＣＡＬ４０とは、それぞれロータ正面側で凸となるように湾曲する。仮想翼端翼部５３の翼弦線（又はその延長線）と翼端後縁翼部４０の翼弦線（又はその延長線）との小さいほうのなす角度θは、０°以上である。その他の構成については、第１実施形態で述べたことと同様である。
また、第２実施形態において「ロータ正面側」と「ロータ背面側」とを逆にした場合には、翼端後縁翼部４０は、その前縁４３側の部分が本体翼部５０に対してロータ背面側（本例では正圧側）に向かってめくれたような、形状を有しており、翼端後縁翼部４０の前縁４３は、仮想翼端翼部５３の翼型中心線ＣＡＬ５３よりも、ロータ背面側（本例では正圧側）に位置する。そして、翼２０の翼型中心線は直線状に延在し、また、仮想翼端翼部５３の翼型中心線ＣＡＬ５３と翼端後縁翼部４０の翼型中心線ＣＡＬ４０とは、それぞれ直線状に延在する。仮想翼端翼部５３の翼弦線（又はその延長線）と翼端後縁翼部４０の翼弦線（又はその延長線）との小さいほうのなす角度θは、０°よりも大きい。その他の構成については、第２実施形態で述べたことと同様である。
これらの場合、翼２０の翼端付近において、翼２０のロータ背面側かつ前縁２３側から入射した風は、翼長方向スリット３１を通って、翼２０のロータ正面側かつ後縁２４側へと流れる。これにより、翼端後縁翼部４０におけるロータ背面側の表面とロータ正面側の表面において、流れの剥離が抑制され、大きな正圧及び負圧をそれぞれ生じさせることができる。すなわち、翼２０の翼端付近における前縁側（翼端前縁翼部５１）と後縁側（翼端後縁翼部４０）との両方で、ロータ背面側の表面とロータ正面側の表面において、大きな正圧及び負圧をそれぞれ生じさせることができる。よって、揚力を向上でき、風水力機械の効率を向上できる。
ただし、これらの構成は、本発明のロータが、風力発電機（風車等）又は水力発電機（水車等）用のロータとして構成された場合に用いられてもよい。
【実施例】
【００３６】
本発明の比較例１及び実施例１〜１０のロータの性能を、解析により評価したので、説明する。この解析では、各比較例及び実施例のロータを、それぞれ風力発電機に用いた場合を想定して、周速比λ＝０．９２６、２．７７８、４．６３０、６．４８２のそれぞれにおけるパワー係数Ｃｐを求めた。周速比λ、パワー係数Ｃｐの算出には、上述の式（１）、（２）をそれぞれ用いた。そして、周速比λの値ごとに、各実施例のパワー係数Ｃｐを、比較例１のパワー係数Ｃｐを１００％としたときのパーセンテージで表した。その結果を、「パワー係数比率（%）」として、表１〜表３、図１１〜図１３に示す。図１１〜図１３は、それぞれ表１〜表３に対応する。
【００３７】
なお、解析には、アンシス社製の数値流体計算ソフトウェアANSYS-CFXを用いた。ロータのモデルには、一定の風速Ｕ = ４ｍ/ｓ及び回転速度ωを与えることによって、定常解析を行った。乱流モデルはSST k -ωを使用した。図１０は、解析に用いたモデル６０を示している。各比較例及び実施例のロータのモデルは、３枚翼のロータを想定したが、計算時間短縮のために計算領域を軸周りに3分割したもので構成し、その1つの分割面に周期境界条件を与えた。なお、図１４は、この解析においてλ＝0.926としたときに得られた、実施例のロータの翼の翼端付近の流線を示すものである。
【００３８】
各比較例及び実施例のロータは、互いに翼の形状のみを異ならせたものとし、いずれも、ロータの半径Ｒを４６３ｍｍ、翼の翼長Ｌを３４９．２５ｍｍ、翼の翼弦長ＣＨＬ（翼の全長にわたって一定）を１０４．８ｍｍとし、また、翼のピッチ角の翼長方向での分布は図１〜図３の例と同じとした。
比較例１のロータの翼は、翼長方向スリット３１のない通常の矩形翼とし、その翼型中心線は、ロータ背面側で凸となるように湾曲するものとした。
実施例１〜１０のロータの翼は、いずれも、図１〜図６を参照して説明した構造、すなわち、翼長方向スリット３１を１つ（ひいては翼端後縁翼部４０を１つ）有し、仮想翼端翼部５３の翼型中心線ＣＡＬ５３と翼端後縁翼部４０の翼型中心線ＣＡＬ４０とがそれぞれロータ背面側で凸となるように湾曲しているものとした。各実施例のロータの翼は、いずれも、翼端後縁翼部４０の前縁４３が、仮想翼端翼部５３の翼型中心線ＣＡＬ５３よりも、ロータの正面側に位置しているものであった。各実施例のロータの翼は、翼長方向スリット３１の前縁側の端（すなわち翼端前縁翼部５１の後縁５１ａ）が、翼の後縁から翼弦方向に翼弦長ＣＨＬの３８％の長さ（４０ｍｍ）だけ離れた位置に配置されていた。各実施例のロータの翼は、ロータ１の回転中心軸線Ｏに対して垂直な投影面における、翼長方向スリット３１のスリット幅ｄ、該投影面における翼長方向スリット３１の翼長方向の長さｌ、仮想翼端翼部５３の翼弦線と翼端後縁翼部４０の翼弦線との小さいほうのなす角度θの、３つのパラメータの値のみで異なるものとした。その詳細を表１〜表３に示す。
【００３９】
表１及び図１１は、比較例１、実施例１〜４の解析結果を示している。実施例１〜４は、いずれもｌ＝（２／８）Ｌ、θ＝０°とし、ｄをそれぞれ０〜８ｍｍの範囲で異ならせた。
表２及び図１２は、比較例１、実施例５、３、６〜８の解析結果を示している。実施例５、３、６〜８は、いずれもｄ＝５ｍｍ、θ＝０°とし、ｌを（１／８）Ｌ〜（５／８）Ｌの範囲で異ならせた。
表３及び図１３は、比較例１、実施例３、９、１０の解析結果を示している。実施例３、９、１０は、いずれもｄ＝５ｍｍ、ｌ＝（２／８）Ｌとし、θを０°〜１０°の範囲で異ならせた。
【００４０】
【表１】
2018115607.tif 000005
【００４１】
【表２】
2018115607.tif 000006
【００４２】
【表３】
2018115607.tif 000007
【００４３】
表１〜表３、図１１〜図１３から判るように、実施例１〜１０のロータは、比較例１のロータに比べて、主に周速比が比較的低い時（λ＝０．９２６）と比較的高い時（λ＝６．４８２）との少なくともいずれか一方で、パワー係数Ｃｐひいては効率を増大できた。よって、本発明のロータは、従来のロータに比べて、性能が全体的に向上することを確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明のロータは、風水力機械に用いられるものであり、特に水平軸型の風力発電機又は送風機に用いられると好適なものである。
【符号の説明】
【００４５】
１  ロータ
１０  ハブ
２０  翼
２１  翼根
２２  翼端
２３  前縁
２４  後縁
３１  翼長方向スリット
３２  翼弦方向スリット
４０  翼端後縁翼部
４３  翼端後縁翼部の前縁
４４  翼端後縁翼部の後縁
５０  本体翼部
５１  本体翼部の翼端前縁翼部
５１ａ  翼端前縁翼部の後縁
５２  本体翼部の仮想翼端後縁翼部
５３  仮想翼端翼部
６０  解析モデル
ＣＡＬ４０、ＣＡＬ５３  翼型中心線
Ｌ  翼長
Ｏ  ロータの回転中心軸線
ｒ  ハブの半径
Ｒ  ロータの半径
ＲＤ  回転方向
【図１】
2018115607.tif 000008
【図２】
2018115607.tif 000009
【図３】
2018115607.tif 000010
【図４】
2018115607.tif 000011
【図５】
2018115607.tif 000012
【図６】
2018115607.tif 000013
【図７】
2018115607.tif 000014
【図８】
2018115607.tif 000015
【図９】
2018115607.tif 000016
【図１０】
2018115607.tif 000017
【図１１】
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【図１２】
2018115607.tif 000019
【図１３】
2018115607.tif 000020
【図１４】
2018115607.tif 000021