(57)【要約】 【課題】  風力による揚力を利用する垂直軸風車は多くの技術が開発されているが、始動性の改善を図る必要がある。また翼やアームに風の変動や遠心力による応力が発生し、翼やアームの剛性すなわち耐久性に課題が残っている。【解決手段】  任意の三次元翼に発生する揚力が回転軸中心Ｏ３に向かうべく翼のキャンバーを回転軸方向に凸とし、翼の後縁３で回転軸から伸びるアームと結合し、始動性と耐久性を高めることができる。さらに三次元翼を採用するので、テーパー翼、上反角、ねじり下げ、ウイングレットなどの航空機の翼技術を利用し、翼の性能向上を図る。【選択図】  図１
2011089456.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
任意の三次元翼を持つ垂直軸風車において、当該翼のキャンバーを回転中心側に凸とし、当該翼が回転軸（Ｏ３）と結ぶ長さＲのアーム（７）と当該翼の後縁（３）近傍で結合され、さらにθを当該翼の前縁が半径Ｒの回転円に交差する角度とし、αを当該翼の迎え角としたとき、当該翼の翼弦線（１４）と当該アーム（７）のなす角が９０°―（α＋θ）である垂直軸風車。
【請求項２】
任意の三次元翼を持つ垂直軸風車において、当該翼がアーム（１３）を介して回転軸（Ｏ４）と結合され、当該アーム（１３）を回転軸（Ｏ４）から漸次幅広薄厚に延長し滑らかに湾曲して当該翼の両翼端と同じ幅で固定結合する構造とする請求項１記載の垂直軸風車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
垂直軸風車の翼とアームの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
垂直軸風車は多くの種類がある。その中で翼に発生する揚力を利用した風車が風力発電に適しており、この種の風車として矩形翼を持つ垂直軸風車が主に利用されている。矩形翼は直線翼またはブレードとも呼ばれ、この形式の風車をジャイロミル型風車またＨ型風車とも呼ばれて、翼の断面形状も含め改良が重ねられている。例えば特許文献１参照。
また、非特許文献１（ｐ１２０  ５．８章  垂直軸に働く遠心力）で述べられているように垂直軸風車では遠心力が翼とアームに大きな応力を生じさせ、この応力の処理が大きな課題となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−５１０７１号広報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】関和一、牛山泉共著  「垂直軸風車」パワー社出版  ２００８年１月発行
【０００５】
【非特許文献２】牧野光雄著  「航空力学の基礎（第２版）」  産業図書出版    １９８９年発行
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
風力による揚力を利用する垂直軸風車は多くの技術が開発されているが、始動性の改善を図る必要がある。また翼やアームに風の変動や遠心力による応力が発生し、翼やアームの剛性すなわち耐久性に課題が残っている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
まず風とアームと回転軸との関係を調べてみよう。風車には二種類の風が吹いている。第一は風車自らが回転することにより受ける風である。グライダーが初速を得て、無風状態の空間を滑空飛行している状態と同じである。抗力や空気の摩擦抵抗を受けて、漸次減速しやがては失速する。この風車自らが回転することにより受ける風を相対風という。
【０００８】
二つ目は自然に吹く風である。自然に吹く風でグライダーは加速され、時には上層気流を得て高度を上げる。うまく自然の風を受ければグライダーは飛行を続けることができる。この自然に吹く風を自然風という。
【０００９】
風は方向と大きさを持った力であり、ベクトルとして扱うことができる。ベクトルは合成したり分解したりすることができる。従って風の力も合成したり分解したりできる。
【００１０】
また回転する風車の翼にこの相対風と自然風が作用する力を分析するとき、回転する翼を止めて、風を動かして分析することは理解しやすい手法である。
停止した翼には一方向からの相対風Ａと３６０°回転する自然風Ｂが作用することと等価である。またＡとＢが加算されたＡ＋Ｂについては直接分析せずに、ＡとＢについてそれぞれの風が風車の翼と回転軸に作用する回転トルクについて分析した後、その結果の回転トルクを加算することとする。
【００１１】
図２に風のベクトル図を示す。Ａは相対風であり、Ｂは自然風であり回転している。Ａ＋Ｂは相対風Ａと自然風Ｂをベクトル加算したものである。
【００１２】
相対風Ａが風車の翼に作用したとき発生する揚力と抗力が風車のアームを介して回転軸に作用する回転トルクを分析し、最大トルクを発生する翼とアームの構成の方法並びに安定な作動の構成を図３により分析する。ここでは分析を容易にするため翼の形状を矩形翼とする。翼形状については非特許文献２に詳しい。
【００１３】
図３の矩形翼１は矩形翼の断面形状を示している。図３（イ）は矩形翼１のキャンバー４を上向きにとり、前縁２で長さＲのアームを介して回転軸Ｏ１に結ばれている。前方から吹く相対風Ａは仰角＝０°で矩形翼１に入るものとする。揚力Ｌと抗力Ｄは前縁よりμ１の点Ｐに作用する。前縁２と後縁３を結ぶ線が翼弦線１４であり、翼弦線の長さすなわち翼弦長さをδとすると、一般にこの形状の翼ではμ１は翼弦長さδの２５％から３５％の位置である。また回転に伴い遠心力Ｆが矩形翼１の重心に発生する。矩形翼１の重心を前縁よりの距離μとしδの４0％の位置であるとする。アームの長さをRとすると、回転軸Ｏ1回りのトルクＴ１は次式で表される。
Ｔ１＝Ｌ・μ１−Ｄ・Ｒ＋μ・Ｆ
ただし０．３５δ＞μ１＞０．２５δ  、μ＝０．４δ
【００１４】
図３（ロ）は矩形翼１のキャンバー４を上向きにとり、翼弦の中央で長さＲのアームを介して回転軸Ｏ2 で結ばれている。非特許文献１の第５章によれば、この方法は一般に多く採用されている構成である。
【００１５】
揚力Ｌと抗力Ｄは翼弦中央よりμ２の点Ｐに作用する。一般にμ2はδの１５％から２５％の値となる。また回転に伴い遠心力Ｆが翼の重心に発生する。翼の重心を前縁よりδの４０％の位置であるとし、翼弦の中央からの距離μとする。回転軸Ｏ2回りのトルクＴ２は次式で表される。
Ｔ２＝−Ｌ・μ２−Ｄ・Ｒ−μ・Ｆ
＝−(Ｌ・μ２＋Ｄ・Ｒ＋μ・Ｆ)
ただし０．２５δ＞μ２＞０．１５δ、μ＝０．１δ
【００１６】
図３（ハ）は翼１のキャンバー５を下向きに取り、後縁３で長さＲのアームを介して回転軸Ｏ3 に結ばれている。翼１に発生する揚力Ｌが回転の中心方向に向かうように翼１のキャンバーを下向きに取り、回転トルクの方向ωが正値を取るようにしたものである。揚力Ｌと抗力Ｄは後縁３よりμ３の点Ｐに作用する。このとき一般に後縁から点Ｐまでの距離μ３は翼弦長さδの７５％から６５％の値となる。また回転に伴い遠心力Ｆが翼の重心に発生する。翼の重心を前縁３よりδの４０％の位置であるとし、翼弦の後縁からの距離μとする。回転軸Ｏ3回りのトルクＴ3  は次式で表される。
Ｔ３＝Ｌ・μ３−Ｄ・Ｒ−μ・Ｆ
ただし０．７５δ＞μ３＞０．６５δ、μ＝０．６δ
【００１７】
Ｔ1、Ｔ2およびＴ3を比較する。Ｔ１とＴ３は正の値となり正回転し、Ｔ２は負の値となり逆回転する。Ｔ１とＴ２には遠心力Ｆの項が加算されている。これは揚力Ｌが回転ωを生成し、回転ωが遠心力Ｆを発生し、遠心力Ｆが回転トルクを生成し、揚力Ｌを発生する。すなわち揚力Ｌ→回転ω→遠心力Ｆ→揚力Ｌと順次めぐり、正のフイードバック系を形成していることを示している。
【００１８】
すなわち、Ｔ１とＴ２は不安定な発振系であり、矩形翼１に変動応力が常に発生する要因となる。この風車系には疲労破壊が生じ易く、大きな外乱、例えば突風などのときバーストを生じる可能性が高いことを示している。
【００１９】
Ｔ３では遠心力Ｆの項が減算されている。これは揚力Ｌが回転ωを生成し、回転ωが遠心力Ｆを発生し、遠心力Ｆが減算されて負のフイードバック系を作っている。そして、Ｔ３が零のとき、定常状態に入ることを示している。この風車系は安定系であるといえる。このことは定常状態で定速度回転時には翼に掛かる応力は零であることを示しており、Ｔ１およびＴ２より翼の剛性面で有利であることが分かる。したがって、翼とアームと回転軸の構成を図３（ハ）のごとく取ることとする。
【００２０】
すなわち、矩形翼１に発生する揚力Ｌが回転の中心に向かうように翼のキャンバー５を下向きに取って翼のキャンバーが回転中心軸側に凸とし、アームと翼の後縁３とを固定し、アームと回転軸Ｏ3とを結ぶ。
【００２１】
次に自然風Ｂが風車の矩形翼１に作用したとき発生する揚力Ｌと抗力Ｄが風車のアームを介して回転軸に作用する回転トルクを図４により分析する。
【００２２】
図４（イ）は翼に自然風Ｂが周囲３６０°から吹く状況を示している。自然風をＢ(φ)と表現しφで風の方向を図４（イ）のごとくとすると、φは０≧φ≧２πの範囲である。Ｂ（０）は上から吹く風であり、Ｂ（π）は下から吹く風である。
【００２３】
図５は矩形翼１に回転する自然風Ｂが向かえ角αを持って作用するとき風力（揚力Ｌと抗力Ｄ）の作用点は迎え角αによって変化する状況を示している。翼１の後縁３から作用点までの距離をζで現すと、風の角度φの関数としてζ（φ）と表せる。ただし、φ＝π／２のときα＝０である。
【００２４】
図４（ロ）図は自然風Ｂによって矩形翼１に発生する抗力Ｄを示している。抗力Ｄは自然風Ｂと同方向に作用する。抗力Ｄも方向φの関数であるのでＤ（φ）と現せる。一般に図の翼断面に対して、翼が下向きのキャンバーを取っているため、Ｄ（０）＞Ｄ（π）である。抗力Ｄ（φ）が回転軸に与える回転トルクは数１式のＴｄで示される。
【００２５】
【数１】
2011089456.tif 000003
【００２６】
図４（ハ）図は自然風Ｂによって翼に発生する揚力Ｌを示している。揚力Ｌは風Ｂと直角方向に作用する。揚力Ｌも方向φの関数であるのでＬ（φ）と現せる。揚力Ｌ（φ）が回転軸に与える回転トルクは数２式のＴιで示される。
【００２７】
【数２】
2011089456.tif 000004
【００２８】
したがって自然風Ｂが回転軸に与える回転トルクＴｂは次式で示される。
Ｔｂ＝Ｔｄ＋Ｔι
【００２９】
矩形翼１とアームの構成を図３（ハ）の如く取れば、自然風Ｂによる抗力Ｄも揚力Ｌも回転に寄与する回転トルクを生ずることが判明する。これは相対風ＡによるＴ3が零の時、すなわち初速度が零近傍のときに発生する回転トルクであり、始動時の回転トルクを与えるものである。これにより始動性の改善を得ることができる。
【００３０】
以上より、相対風Ａと自然風Ｂが回転軸に与えるトルクＴはＴ3とＴｂを加算し次式で示される。
Ｔ＝Ｔ３＋Ｔｂ
=Ｌ・μ３−Ｄ・Ｒ−μ・Ｆ＋Ｔｄ＋Ｔι
【００３１】
以上の結果をまとめると、図３（ハ）において矩形翼１に発生する揚力が回転軸中心Ｏ３に向かうべく翼のキャンバー５を回転軸方向に凸とし、翼の後縁３で回転軸から伸びるアームと結合する構造が最適であることが判る。
【発明の効果】
【００３２】
矩形翼１の揚力Ｌと抗力Ｄが回転トルクＴとして効率よくアームに伝達されるので垂直軸風車の始動性を改善し回転トルクの増大を図ることができる。また、回転に伴う遠心力が揚力と拮抗する状態で安定回転となるので、翼に働く応力を減少させることにつながり、当該風車の耐久性の向上を図ることができる。
【００３３】
さらに矩形翼１にかえて任意の三次元翼を採用することも容易であり、上反角、ねじり下げ、ウイングレットなど航空機の翼技術を利用し、翼の性能をさらに向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】矩形翼とアーム
【図２】風のベクトル図
【図３】相対風と翼とアーム
【図４】自然風と揚力と抗力
【図５】風力と作用点
【図６】回転する矩形翼とアーム
【図７】矩形翼風車
【図８】ウイングレットを持つテーパー翼とアーム
【図９】テーパー翼風車
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００３５】
以上で得た結果を実施した例の一つとして矩形翼垂直軸風車を示す。矩形翼は構造が簡単であり、したがって簡便で安価な特徴がある。
【００３６】
アームの長さＲが翼弦長さδに比べて十分長い場合は翼の迎え角αのみを考慮すればよい。しかし、実情ではＲに比べてδの大きさを考慮しなければならない。
【００３７】
図６において、矩形翼１の後縁３は長さＲのアームに結合されている。後縁３と前縁２の二点を結ぶ翼弦線１４の間隔すなわち翼弦長さはδである。後縁３の回転円６は前縁２が角度θ回転して２ａとなり回転円６と交わる。このとき相対風Ａは矩形翼１に対し迎え角α＝０°となる。必要な迎え角αをとると、更に角度αの傾きをとり、２ａは２ｂまで傾く。したがって前縁２ｂと後縁３を結ぶ翼弦線とアームの傾きは９０°−（θ＋α）となる。迎え角αは翼の形状と翼の使用目的に合わせて、一般には失速角に入らない範囲で採用されている。
【００３８】
角度θは幾何学と三角関数から容易に得られ、次式で示される。
ｓｉｎθ＝δ／２Ｒ
【００３９】
図１に矩形翼１とアーム７を示した。回転中心Ｏ３側に凸の直線翼１は長さＲのアーム７と後縁３で結ばれ、回転軸Ｏ３と結ばれる。翼１の前縁２は角度θ＋α傾いてアーム７に固定される。ωの方向に回転する。
【００４０】
図７に矩形翼１とアーム７と回転軸Ｏ３で構成される矩形翼垂直軸風車を記載する。図７（イ）は矩形翼風車の側面半断面図である。矩形翼１は当該翼の上下端でアーム７と結ばれている。図７（ロ）は図７（イ）のＡ−Ａ断面図である。アーム７に固定された矩形翼１は１２０°の位相をもって３組が回転軸中心線９をもつ回転支柱８と結合している。図７はα＝０°の条件で記載している。
【実施例２】
【００４１】
テーパー翼は低速飛行機や旋回能力を必要とする曲芸飛行機に良く用いられる翼型である。垂直軸風車も翼の相対風速度は低速飛行機に相当し、垂直軸周りを回転することから旋回能力を高くする必要があると言える。任意の形状の三次元翼を利用できるが、上記の理由から実施例２の三次元翼としてテーパー翼を取り上げる。翼形状については非特許文献２の第３章に詳しい。
【００４２】
図８はテーパー翼１１を利用した例である。図８（イ）はテーパー翼１１の前面図、図８（ロ）は下面図であり翼の平面形を示している。翼幅をｂ、翼中央の翼弦長さをａとする。図８（ハ）は側面図である。テーパー翼１１の迎え角をα０、上反角をβ、前縁のテーパー角をγ１ 、後縁のテーパー角をγ２としている。
【００４３】
図８（イ）にはテーパー翼１１の翼中央と翼端近傍の翼断面形を示す。翼中央では迎え角α０＝θ＋αであり、翼端近傍では迎え角α１＜α０としている。翼中央部から翼端に行くに従って漸次迎え角を小さくするとねじり下げとなりさらに動安定性が高くなる。
【００４４】
また図８（ハ）はアーム１３とテーパー翼１１の結合状態を示す図である。テーパー翼１１の最後縁部１２と回転中心Ｏ４が一直線上に当該テーパー翼用アーム１３で結ばれる。当該アーム１３を回転軸Ｏ４から漸次幅広薄厚に延長し滑らかに湾曲して当該翼の両翼端と固定結合する。アーム１３と当該翼端で結合するとき、結合部分のアーム幅を当該翼端と同じ幅に取れば、ウイングレット１０となり、誘導抵抗を減少させることができる。
【００４５】
図９にテーパー翼１１を用いた垂直軸風車を示す。図９（イ）は半断面図であり、テーパー翼１１は当該アーム１３を介して回転軸中心線９を持つ支柱８と結合される。テーパー翼用アーム１３に固定されたテーパー翼１１は１２０°の位相をもって３組が回転軸中心線９をもつ回転支柱８と結合される。図９はα＝０°の条件で記載している。
【００４６】
この状態はテーパー翼１１で構成される全翼機が回転軸中心線９の周りを旋回する姿であり、合理的な垂直軸風車の構造であることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
当該三次元翼垂直軸風車を風力発電装置に利用すれば耐久性を向上し、効率よく風力を電力に変換できる。したがって、クリーンエネルギーの利用が加速する。特に、小電力発電装置や風向が頻繁に変わる地域での利用に適する。また、三次元翼を利用できるので航空工学の最新技術を導入し垂直軸風車の技術が今後さらに発展することが見込まれる。
【符号の説明】
【００４８】
Ａ     相対風
Ｂ     自然風
Ｄ     抗力
Ｌ     揚力
Ｒ     アームの長さ
Ｏ３   回転軸
Ｏ４   回転軸
１     翼
３     翼の後縁
４     キャンバー
５     回転軸側に凸のキャンバー
７     アーム
８     支柱
９     回転軸中心線
１０   ウイングレット
１１   テーパー翼
１３   テーパー翼用アーム
１４   翼弦線
【図１】
2011089456.tif 000005
【図２】
2011089456.tif 000006
【図３】
2011089456.tif 000007
【図４】
2011089456.tif 000008
【図５】
2011089456.tif 000009
【図６】
2011089456.tif 000010
【図７】
2011089456.tif 000011
【図８】
2011089456.tif 000012
【図９】
2011089456.tif 000013