(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転可能に支持された回転軸と、
流体の流れにより前記回転軸に対して伝達すべきトルクを発生するトルク発生部とを備え、
少なくとも１つのトルク発生部をトルク測定対象部として前記回転軸に対して相対回転自在に構成するとともに、
前記回転軸と前記トルク測定対象部との間にトルク検出器を設けた
ことを特徴とする流体式回転機の試験装置。
【請求項２】
前記回転軸と一体となって回転する一体回転部と、前記トルク測定対象部と一体となって前記回転軸に対して相対回転自在な相対回転部とを備え、前記一体回転部と前記相対回転部とを対向させて配置するとともに、
前記一体回転部と前記相対回転部とを前記トルク検出器を介して接続している
ことを特徴とする請求項１に記載の流体式回転機の試験装置。
【請求項３】
前記回転軸が、前記流体の流れ方向に対して垂直となる向きに配置されている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の流体式回転機の試験装置。
【請求項４】
前記回転軸が、前記流体の流れ方向に対して平行となる向きに配置されている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の流体式回転機の試験装置。
【請求項５】
前記流体が空気であって、流体式回転機が風車として構成されている
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の流体式回転機の試験装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の流体式回転機の試験装置を用いて、トルク測定対象部により回転軸に伝達されるトルクを検出し、検出したトルクをトルク発生部単体に生じるトルクとして扱うことで、トルク発生部単体の特性評価を行うことを特徴とする流体式回転機の試験方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体力によりトルクを発生させて回転する風車などの流体式回転機の特性を試験するための流体式回転機の試験装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、水や空気などが有する流体力を取り出して回転トルクを生じさせて、回転を行わせる流体式回転機が数多く知られている。例えば、その中には発電に用いられる水車や、風車などの装置があり、これらは自然エネルギーを用いたクリーンな発電手段として注目されている。また、蒸気タービンやガスタービンなども流体力より回転トルクを取り出すという点で同様である。
【０００３】
こうした流体式回転機においては、回転可能に支持される回転軸にトルク発生部としての翼やフィンが複数取り付けられており、これらに流体が作用することで回転トルクが発生するようになっている点で共通する。
【０００４】
上記の流体式回転機は様々に分類することが可能であるが、まずは流体の流れ方向に対して回転軸を配置する向きによって大きく区分することが可能である。例えば、一般に風力発電装置として用いる風車は、垂直軸型風車と水平軸型風車に大別される。また、流体によるトルクの発生原理による区分も可能であり、例えば風車においても一般に抗力型と揚力型に分けられる。さらに、翼やフィンなどの形状によっても細かく分類がなされている。
【０００５】
ここで、複数の直線翼を配置する垂直軸型風車を備えた揚力型の発電装置として、特許文献１のものが開示されている。これは、発電機に連結されたシャフトをその長手方向を鉛直方向にして回転可能に設置し、このシャフトに対して周方向に複数の翼を配置するという構成を基本としつつ、旧来よりも翼の表面形状を変化させることで発電効率を向上することを目的とするものである。このように、流体より効率よくエネルギを取り出すために様々な技術が提案され、改善が進められてきている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４１５１９４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、市場においてはより高いエネルギ効率を実現することが求められており、ますますの改良が求められてきている。
【０００８】
そのため翼やフィンについて、形状、回転軸に対する位置関係、さらには設置条件や個数などの様々な要素を適正化すべく数値解析をベースに技術開発が進められてきており、理論の高度化や、解析に用いるコンピュータの高性能化に伴って、一定の効果が得られつつある。
【０００９】
数値解析は一般にモデルを単純化して行うため、複数の翼またはフィンを有する流体式回転機においても、単体の翼またはフィンをモデル化して流体中で生じる力によって得られる回転トルクを解析する手法を採ることが多い。この場合には、個々の翼に生じる回転トルクを足し合わせることで流体式回転機全体に作用する力を予測することが可能となる。
【００１０】
ただし、現状においてはこうした数値解析のみでは流体式回転機において生じる現象を全てシミュレーションできているとは言い難く、未だなお実機による検証実験が不可欠といえる。
【００１１】
具体的には、流体式回転機における翼やフィンについて、一定速度で移動する流体の内部で生じる抗力や揚力については解析可能であっても、トルクが生じて回転軸とともに回転することにより刻々と相対速度が変化する状況を考慮した場合には正確に解析を行うことが困難となってくる。また、翼やフィンが、流体より受ける抵抗や遠心力によって変形することで装置条件が常に変化するため、実際の現象はより複雑化して解析が困難となる。さらに、翼やフィンが逆に流体の流れに対して影響を及ぼして不規則な流れを作り出すことも考えられ、一層現象は複雑化して解析が困難となってしまう。
【００１２】
また、流体式回転機のタイプによっても、より数値解析が困難となる場合がある。例えば、特許文献１のような垂直軸型風車の場合を考えると、風車全体としての特性は、受風面積、回転半径、翼型、翼枚数、翼弦長、翼取付角等の多数のパラメータに依存するため、最適化を目的とする数値解析は極めて複雑になる。また、翼が風に対して常に向きを変えていることから揚力および抗力の発生方向が変化することになる。すなわち、一回転する中で回転トルクが大きく変動することになる。さらには、翼が複数個ある場合には、回転中に翼間の位置関係が上流側と下流側で入れ替わるため、１つの翼により生じるトルクを考える上で、流体の流れを通じて他の翼による影響を受けることまでを考慮する必要がある。そのため、正確に実現象を再現する数値解析上のシミュレーションは困難といえ、検証実験と併用することが必要といえる。
【００１３】
検証実験としては、流体式回転機の回転軸にトルク計を取り付けてトルク測定を行うことが簡便であり、こうして得られたデータを基に数値解析結果の妥当性を確認するとともに、解析精度の向上が図られている。
【００１４】
しかしながら、こうした手段では複数の翼やフィンより得られる総和としてのトルクが測定できるのみであり、上述のように数値解析上求める単体の翼またはフィンにより生じるトルクの妥当性を詳細に検討することはできない。そのため、トルク発生部としての翼やフィンについての最適形状や最適設置条件を検討するために真に有用なものとまではいえなかった。
【００１５】
そこで、本発明においては上述のような問題点に鑑み、単体のトルク発生部によって生じるトルクを正確に測定できる流体式回転機の試験装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、かかる目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。
【００１７】
すなわち、本発明の流体式回転機の試験装置は、回転可能に支持された回転軸と、流体の流れにより前記回転軸に対して伝達すべきトルクを発生するトルク発生部とを備え、少なくとも１つのトルク発生部をトルク測定対象部として前記回転軸に対して相対回転自在に構成するとともに、前記回転軸と前記トルク測定対象部との間にトルク検出器を設けたことを特徴とする。
【００１８】
このように構成すると、トルク発生部単体により生じるトルクを正確に測定可能となるため、流体式回転機により生じるトルクをより詳細に調査することが可能となる。そのため、数値解析の結果について実現象を踏まえつつ厳密に検証を行うことが可能となり、トルク発生部の最適化を行って、より効率の高い流体式回転機を実現するための効果的なツールとして利用することが可能となる。
【００１９】
また、上記効果を得るための構成を、簡便且つ実用的に具体化して構成するとともに、流体式回転機全体としての特性を維持させて、より実際の流体式回転機に近い状態での試験を可能とするためには、前記回転軸と一体となって回転する一体回転部と、前記トルク測定対象部と一体となって前記回転軸に対して相対回転自在な相対回転部とを備え、前記一体回転部と前記相対回転部とを対向させて配置するとともに、前記一体回転部と前記相対回転部とを前記トルク検出器を介して接続するように構成することが好適である。
【００２０】
また、流体の流れに対してトルク発生部の回転軸が垂直をなす場合で、回転軸に対してトルク発生部が上流側と下流側とで位置関係を変化する形態の流体式回転機において、特徴的なトルク変動を実験的手法により詳細に調査することを可能とするためには、前記回転軸が、前記流体の流れ方向に対して垂直となる向きに配置されるように構成することが好適である。
【００２１】
また、流体の流れに対してトルク発生部の回転平面が垂直をなす場合であっても、これに特徴的なトルク変動を実験的手法により詳細に調査することを可能とするためには、前記回転軸が、前記流体の流れ方向に対して平行となる向きに配置されるように構成することが好適である。
【００２２】
また、風力発電等に広く用いられる風車の効率化を図るためのツールとして効果的に活用するためには、前記流体が空気であって、流体式回転機が風車として構成されていることが好適である、
【００２３】
さらに、本発明の流体式回転機の試験方法は、上記のいずれかの流体式回転機の試験装置を用いて、トルク測定対象部により回転軸に伝達されるトルクを検出し、検出したトルクをトルク発生部単体に生じるトルクとして扱うことで、トルク発生部単体の特性評価を行うことを特徴とするものである。
【００２４】
こうすることで、得られた検出トルクをトルク発生部単体に生じるトルクとして、個々のトルク発生部に着目して別途行う数値解析結果との突き合わせを行うことで、トルク発生部としての最適な形状や設置条件を探索し、より効率の高い流体式回転機を実現することが可能となる。
【発明の効果】
【００２５】
以上説明した本発明によれば、単体のトルク発生部によって生じるトルクを測定して、流体式回転機により生じるトルクをより詳細に調査することができ、効率の高い流体式回転機を実現するためのツールとして効果的に活用することができる流体式回転機の試験装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る流体式回転機の試験装置の斜視図。
【図２】同流体式回転機の試験装置のシステム構成図。
【図３】同流体式回転機の試験装置の部分断面拡大図。
【図４】図３におけるＸ−Ｘ断面矢視拡大図。
【図５】同流体式回転機の試験装置におけるトルクの算出方法を示す説明図。
【図６】同流体式回転機の試験装置における翼の回転角度と風の主流方向との関係を示す説明図。
【図７】翼の設置基準となる一般的なパラメータを示す説明図。
【図８】同流体式回転機の試験装置を用いて得ることのできるデータの一例を示す説明図。
【図９】本発明の第２実施形態に係る流体式回転機の試験装置の部分断面図。
【図１０】本発明の第１実施形態を変形した例を示す部分断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
＜第１実施形態＞
【００２８】
図１に示すように、この実施形態の流体式回転機の試験装置は垂直軸型風車の試験装置１として構成している。そのため、全体が鉛直方向に起立した形態をしており、流体の流れ方向としての風（空気）の主流方向（図中のＷ方向）に対して回転軸２が垂直に配置されている。
【００２９】
なお、この垂直軸型風車は、一般に発電機に接続して発電を行わせるものであり、風のエネルギを一旦機械的なエネルギに変換した上で、さらに電気エネルギに変換する用途に用いられる。そのため、風のエネルギをより高い効率で機械的なエネルギに変換すること、すなわち回転軸２を通じてより大きなトルクを得ることが必要といえる。また、いかなる風の状態においても安定したトルクが得られるようにすることも重要といえる。本実施形態における垂直軸型風車の試験装置１は、垂直軸型風車単体としての性能試験を目的とするものではあるが、以下のように、垂直軸型風車を備えた一般の発電装置と類似する構成となっている。
【００３０】
回転軸２はフレーム１１によって回転可能に支持されるとともに、下方に設けられたモータ５７によって回転速度を制御することが可能となっている。また、回転軸２に対して伝達すべきトルクを発生するものとして２個のトルク発生部３Ａ，３Ｂが設けられている。これらのうち、一方のトルク発生部３Ａは回転軸２に対して他の部材を介して固定されることで直接的に回転軸２にトルクを伝達し、他方のトルク発生部３Ｂは後述するトルク検出器を介して間接的に回転軸２にトルクを伝達するように構成している。すなわち、本実施形態においてトルク発生部３Ａはトルク測定非対象部として構成しており、トルク発生部３Ｂはトルク測定対象部として構成している。
【００３１】
トルク発生部３Ａは、主として回転軸２と略平行に配置した直線状の翼４１と、直線状に形成された一対の支持アーム４２，４２とから構成されており、主として翼４１に作用する揚力によって回転方向のトルクが発生するようになっている。具体的には、風によって翼４１に揚力と抗力とが生じ、これら揚力と抗力の合力の回転方向成分に支持アーム４２，４２の長さ分を乗じたトルクが回転軸２に対して与えられるようにしている。トルク発生部３Ｂも同様の構成を採り、主として回転軸２と略平行に配置した直線状の翼４１と、段差状に形成された一対の支持アーム４３，４３とから構成されている。翼４１，４１は、回転軸２を中心に対称位置に配置されており、同一の回転軌跡を共有しつつ回転するようにしている。
【００３２】
以下、他の図面を用いて、詳細な構成について説明を行う。図２は本実施形態の垂直軸型風車の試験装置１の側面図であり、一部を鉛直断面図として表したものである。さらに、制御部７との関係を示すシステム構成図としても表している。
【００３３】
フレーム１１は、第１フレーム１１ａと、その上に固定した第２フレーム１１ｂと、第３フレームとしての支持部１２とから構成された３階建構造となっている。第１フレーム１１ａは、アングル材を直立させて四辺に配し、底板と天板と組み合わせて直方体形状に構成したものであり、第２フレーム１１ｂも第１フレーム上１１ａで棒状部材を直立させて円形に配置し、その上に天板をおいた構成となっている。
【００３４】
さらに、第２フレーム１１ｂ上に固定された支持部１２は、円筒状部材として形成されており、この内部に設ける軸受によって回転軸２を支持するようにしている。具体的には、支持部１２の内部に軸受１３と図示しない他の軸受とを鉛直方向に離間させて配置し、これらによって回転軸２を回転自在に支承するようにしている。また、ラジアル軸受に加えてスラスト軸受も使用することで、回転軸２の重量を下方より適切に支持することができるようにもしている。
【００３５】
また、支持部１２の内部には、回転軸２の回転位相角および回転速度を検出するための回転検出器５３が設けられている。回転検出器５３は、回転軸２に一体として取り付けられるスリット板５３ａと、これを挟み込むように配置される投光素子と受光素子とからなる光電センサ５３ｂより構成されており、回転軸２の回転に応じてパルス信号が出力されるようになっている。
【００３６】
また、支持部１２の内部には、回転軸２にスリップリング５５が設けられており、回転軸２に設けた中空孔２ａ内を通過するケーブル（図示せず）と外部機器との間で電気信号の授受が可能となっている。
【００３７】
第２フレーム１１ｂの内部においては、回転軸２に対して制動トルクを与えるためのブレーキユニット５４が設けられている。このブレーキユニット５４に対しては、外部より電気信号を与えることによって、任意のタイミングで回転軸２に制動トルクを与えることが可能となっている。
【００３８】
さらに、回転軸２の下端には軸継手を介してトルク変換器５２が設けられており、さらにトルク変換器５２の下方には、別の軸継手を介してモータ５７が設けられている。トルク変換器５２は、内部の軸の捻れ量を検出して、これをトルクに換算して出力することが可能となっている。このようにすることで、モータ５７に電気信号を与えて回転軸２を任意の速度で回転させるとともに、回転軸２側よりモータ５７に対して伝達されるトルクを検出することが可能となっている。
【００３９】
このモータ５７は回生ブレーキとして使用することも可能であり、トルク発生部３Ａ，３Ｂにより生じるトルクのみでは回転軸２が目標速度に満たない場合には、モータ５７より回転トルクを付加させ、回転軸２が目標速度以上に回転しようとする場合には制動トルクを作用させることで、目標速度に調整することが可能となっている。
【００４０】
上述したように、トルク測定非対象部であるトルク発生部３Ａは、主として翼４１と一対の支持アーム４２，４２より構成されており、トルク測定対象部であるトルク発生部３Ｂは、主として翼４１と一対の支持アーム４３，４３より構成されている。支持アーム４２〜４３は、それぞれ回転軸２の軸方向に対して直交する方向に延在して設けられており、各々の先端は翼４１に設けられたステー４１ｓに対してネジ等の締結手段（図示せず）を用いて固定している。
【００４１】
各支持アーム４２〜４３と回転軸２との間の接続は、図３の拡大断面図のようになされている。
【００４２】
まず、回転軸２の上部には、回転軸２の軸方向に直交するとともに同軸に配された固定円板２１が設けられており、キーを用いて回転軸２に取り付けられた支持部材２１ａとともに回転軸２と一体回転を行うようにしている。また、固定円板２１に平行で、かつ所定距離下側に固定円板２２が設けられている。これも固定円板２１と同様に、回転軸２と同軸に配され、キーを用いて回転軸２に取り付けられた支持部材２２ａとともに回転軸２と一体回転を行うようにしている。さらに、固定円板２１，２２に対しては、直線状の支持アーム４２，４２がネジ等の締結手段を用いて、回転軸２の軸方向に対して直角で、かつ互いに平行となる向きで各々固定されている。
【００４３】
また、２つの固定円板２１，２２の間には、２つの非固定円板２３，２４が設けられている。非固定円板２３は、固定円板２１の直ぐ下方に設けられており、これと同様、回転軸２の軸方向に直交するとともに同軸に配されている。そして、軸受２５を介して回転軸２に対して回転自在に設けられている支持部材２３ａに固定されることで、非固定円板２３は回転軸２に対して軸方向にのみ位置規制されつつ、回転方向には非固定とされて同一軸心のまま相対回転できるようなっている。また、非固定円板２４は、固定円板２２の直ぐ上方に設けられており、これと同様、回転軸２の軸方向に直交するとともに同軸に配されている。そして、非固定円板２３と同様、軸受２５を介して回転軸２に対して回転自在に設けられている支持部材２４ａに固定されることで、非固定円板２４は回転軸２に対して軸方向にのみ位置規制されつつ、回転方向には非固定とされて同一軸心のまま相対回転できるようになっている。
【００４４】
さらに、非固定円板２３，２４に対しては、段差状の支持アーム４３，４３がネジ等の締結手段を用いて、回転軸２の軸方向に対して直角で、かつ互いに平行となる向きで各々固定されている。支持アーム４３，４３は、３つのアーム部材４３ａ〜４３ｃを順次回転軸２の軸方向に重ね合わせて接続することで段差形状に構成されている。こうすることで、固定円板２２と非固定円板２４の軸方向への位置ずれ分を補正して、同一形状で対称配置した翼４１，４１のステー４１ｓ〜４１ｓに対して簡便に接続することが可能となっている。
【００４５】
さらに、固定円板２２と非固定円板２４との間には、トルク検出器としてロードセル５１を設け、非固定円板２４側より固定円板２２側に与えるトルクを検出可能としている。このトルクはトルク発生部３Ｂ単体（図２参照）のトルクとして扱うことが可能である。
【００４６】
このロードセル５１の取り付け方について、図４を基に詳細に説明する。この図は、図３におけるＸ−Ｘ断面矢視図を拡大し、さらに一部を破断して示したものである。上方にある非固定円板２４の裏側に段差状の支持アーム４３が固定されており、下方にある固定円板２２の上方には直線状の支持アーム４２が固定されている。上述したように、支持アーム４２はトルク測定非対象部３Ａの一部として構成されており、回転軸２と一体として回転するようにしている。そして、支持アーム４３はトルク測定対象部３Ｂの一部として構成されており、回転軸２と同一軸心を保ったまま相対回転可能となっている。すなわち、支持アーム４２，４３は同一の回転中心２ｃ回りに回転可能であり、その回転中心２ｃは回転軸２の軸中心とも同一になっている。
【００４７】
図中では、非固定円板２４の一部を破断して示しているために、固定円板２２上に設けているロードセル５１が表れた状態となっている。ロードセル５１は、回転軸２と一体となって回転する一体回転部として固定円板２２の上面に設けられた固定側ブラケット２６と、回転軸２に対して相対回転自在な相対回転部として非固定円板２４の下面に設けられた非固定側ブラケット２７とを用いて設置されている。
【００４８】
具体的には、固定側ブラケット２６と非固定側ブラケット２７とは、各々断面がＬ字状に形成されており、Ｌ字をなす外側の直交二面のうち一方の面を、固定円板２２の上面、または非固定円板２４の下面に固定されている。そして、他方の面を互いに対向するように配置されており、これらの対向面がロードセル５１の一端と他端とに接続されている。すなわち、固定側ブラケット２６と非固定側ブラケット２７とはロードセル５１を介して接続されていることになる。また、ロードセル５１は、固定側ブラケット２６と非固定側ブラケット２７の対向面に垂直に配されており、両者の間で回転軸２に対する直交方向に発生する力を検出することが可能となっている。このロードセル５１からの検出値を用いることにより、後述するようにトルク発生部３Ｂ単体より回転軸２に対して与えるトルクを算出することが可能となっている。また、ロードセル５１としては、引張り・圧縮の双方向の検出が可能なタイプを用いているため、トルク発生部３Ｂにより生じるトルクを正負の双方向について検出することが可能となっている。
【００４９】
また、ロードセル５１を介して接続されることによって、非固定円板２４は回転軸２に対して回転方向に弾性的に支持された状態となる。この弾性的な支持の強さは、ロードセル５１の仕様によって変更することができ、ロードセルとしての感度を上げる場合には支持力が弱くなる方向に作用するが、感度を下げた場合には支持力が強くなって、非固定円板２４の位置、すなわちトルク発生部３Ｂの位置が安定することになる。そのため、ロードセル５１の感度は、垂直軸型風車全体としての特性を損なうことなく、トルク発生部３Ｂの位置変動が許容される範囲で決定すべきである。より具体的には、回転動作中にトルク測定対象部であるトルク発生部３Ｂが、トルク測定非対象部であるトルク発生部３Ａより１８０°回転位相角がずれた位置を基準位置として、これより−３°〜＋３°の範囲内に収まるようにすることが適切である。
【００５０】
ここで、本実施形態においては、ロードセル５１を、各支持アーム４２，４３との干渉を避けるために、図中の右側にずらした位置に設けているために、引張り・圧縮荷重の検知位置５１ａは、支持アーム４３の中心線（支持アーム中心線）４３Ｌよりも時計方向に角度φずれた位置に存在することになる。さらに、ロードセル５１による荷重検知方向は、各支持アーム４２，４３に対して直交する方向、すなわち図中の左右方向になるように設定している。そして、このロードセル５１による荷重の検出値を用いて、次のようにトルクを算出することが可能となっている。
【００５１】
図５は、トルク発生部３Ｂに発生する力とロードセル５１に発生する力とを模式的に示したものである。
【００５２】
トルク発生部３Ｂのうち翼４１には風によって揚力と抗力とが発生し、これらのなす合力のうち仮想支持アーム４３Ｍに対して直交する成分の力ＦがトルクＴ発生のために寄与することになる。ここで、仮想支持アーム４３Ｍとは、前述の支持アーム中心線４３Ｌに対応する位置に想定する仮想の剛体棒であり、質量および変形は無視して考えるものである。仮想支持アーム４３Ｍより時計方向に角度φずれた位置にあるロードセル５１からは、仮想支持アーム４３Ｍに直交する向きの荷重Ｐを検出しつつ反力として仮想支持アーム４３Ｍ側に与えるようになっている。ここで、回転中心２ｃとロードセル５１とが剛体の仮想アーム５１Ｍによって接続されているものと仮定すると、荷重Ｐはこの仮想アーム５１Ｍを圧縮させる方向の分力Ｓと、仮想アーム５１Ｍに対して直交する方向の分力Ｑに分けて考えることができる。なお、この仮想アーム５１Ｍとしての機能は、実際には固定円板２２が果たすことになる
【００５３】
上記のように考えた時、さらに、翼４１の基準取付位置４１ｄが、回転中心２ｃより回転基準半径Ｒだけ離れた位置にあり、ロードセル５１の荷重検出位置５１ａが回転中心より距離ａだけ離れた位置にあるものとすれば、次のように釣り合いの式が得られる。
Ｔ＝Ｆ・Ｒ＝Ｑ・ａ      ……………………………………………………数式（１）
【００５４】
さらに、荷重Ｐと分力Ｑとの間には次の関係がある。
Ｑ＝Ｐ・ｃｏｓφ      ………………………………………………………数式（２）
【００５５】
ここで、ロードセル５１の取付位置５１ａより仮想支持アーム４３Ｍに向けて垂直な直線を引いて形成される交点と、回転中心２ｃとの間の距離をｂとした時、角度φとの間には次の関係がある。
ｃｏｓφ＝ｂ／ａ      ………………………………………………………数式（３）
【００５６】
数式（１），数式（２），数式（３）より、以下の関係が得られる。
Ｔ＝Ｑ・ａ＝Ｐ・（ｂ／ａ）・ａ＝Ｐ・ｂ      …………………………数式（４）
【００５７】
このようにトルク発生部３Ｂにより得られるトルクは、ロードセル５１による荷重検出値Ｐと、ロードセル５１の支持アーム４３の延在する方向に対する回転中心２ｃからの距離ｂを用いることで、容易に算出することが可能である。
【００５８】
上記のようなトルク測定を簡便に行うため、本実施形態における垂直軸型風車の試験装置１は、図２に示すような制御部７を備えている。
【００５９】
制御部７は、インターフェースとＣＰＵを含むコンピュータを所定のプログラムによって動作させることで構成してもよいし、個々の機能を独立の装置として構成することも可能である。これらは、いずれの場合でも試験装置全体として、任意に設定する速度条件の下でトルク発生部３Ｂ単体に生じるトルクを測定するという目的を実現するためのものとして働くのであり、本実施形態においては双方を区別することなく一個の制御部７として表現する。
【００６０】
制御部７は、まず、モータ５７の回転速度を制御するためのモータ制御部７４を含む。モータ制御部７４は、図示しない入力部より回転速度目標値を与えられ、後述する回転データ取得部７３によって得られる回転軸２の速度検出値を入力され、この値を基にフィードバック制御するようにしている。ただし、モータ５７に回転速度検出機能が備わっている場合には、これを利用してフィードバック制御するように構成することも可能である。
【００６１】
また、制御部７は、ブレーキユニット５４にブレーキの作動命令を与えるブレーキ制御部７５を備えている。ブレーキ制御部７５は、あらかじ設定された上限回転速度と回転データ取得部７３によって得られる回転軸２の速度検出値とを比較し、速度検出値が上限回速度を越えた場合にブレーキ信号を与えるようにしている。こうすることで、想定以上の速度上昇を抑制して、機器の損傷を防ぐことが可能となっている。また、ブレーキ制御部７５に対しては、図示しない入力部よりブレーキ作動のための入力信号を与えることができるようになっており、この入力信号に従ってブレーキユニット５４にブレーキの作動命令を与えるようにもなっている。こうすることで、オペレータが任意のタイミングでブレーキを働かせることができるようになっている。
【００６２】
また、制御部７は、ロードセル５１からの信号に基づいてトルク発生部３Ｂ単体より回転軸２に伝達されるトルクを得る単体トルク取得部７１を備えている。ロードセル５１は回転軸２の回転とともに回転を行うようになっているが、上述したスリップリング５５を介して信号ケーブルに捻れを生じさせることなく信号を取り出すことが可能となっている。これより得られた荷重検出値を基にして、トルク取得部７１では上記数式（４）の考えを用いてトルクＴを算出し出力するようになっている。こうすることで、回転軸２が回転している際のトルクＴを詳細に測定することが可能となっている。
【００６３】
また、制御部７は、トルク変換器５２から検出値を入力されることで、これを基に回転軸２全体に対して作用しているトルクを得る合計トルク取得部７２を備えている。合計トルク取得部７２においては、あらかじめ設定されたメカロスデータを内部に備えており、これによりトルク値を補正しつつ出力することも可能となっている。
【００６４】
また、制御部７は、回転検出器５３からの出力信号を基にして回転位相角データを得る回転データ取得部７３を備えている。回転検出器５３は、上述したようにスリット板５３ａと、光電センサ５３ｂとから構成されており、スリット板５３ａのスリット数を増やすことで、回転軸２の回転位相角を細かく判別することが可能となっている。そのため、回転位相角データと、上記の単体のトルク発生部３ＢにおけるトルクＴとを比較することで、より細かくトルク発生部３Ｂの評価を行うことが可能となっている。また、回転データ取得部７３では、回転位相角のデータより回転速度を算出することも可能となっており、これを前述したモータ制御部７４、ブレーキ制御部７５に出力することが可能となっている。
【００６５】
上記のように構成した垂直軸型風車の試験装置１を用いて測定データを採取する場合の例について説明を行う。
【００６６】
まず、具体的なデータの採取方法の説明に先駆けて、トルク発生部３Ｂを構成する翼４１の特性を示すパラメータについて図６及び図７を用いて説明する。
【００６７】
図６は、翼４１と風の主流方向Ｗとの位置関係について模式的に示すものである。主流方向Ｗに対する翼４１の位置関係を示すものとして、一般的にアジマス角θが定義される。これは、主流方向Ｗに対して前縁が正対する位置を０°として、回転方向に沿った角度で表したものである。アジマス角が０°〜３６０°の範囲で回転に応じて変化することにより、翼４１は主流方向Ｗに対する向きを刻々と変化させる。そのために、風速が同一であってもアジマス角θの変化に伴って、揚力及び抗力の発生方向及び大きさが変化する。
【００６８】
個々の翼４１の設置基準を示すパラメータとしては図７に示すものがある。翼４１の断面形状によって特性が変化することはもちろんであるが、この代表的数値としては翼弦長ｃが一般によく用いられる。この翼弦長ｃは翼４１の前縁４１ａと後縁４１ｂとを結ぶ翼弦４１ｃの長さを示すものである。
【００６９】
さらに、翼４１を支持アーム４２，４３（図１参照）に取り付ける際の基準となる基準位置４１ｄを翼弦４１ｃの中で考えたとき、前縁４１ａから基準位置４１ｄまでの距離ｓも、翼４１に働くモーメントを考える上で重要となる。また、回転中心２ｃより基準位置４１ｄまでの距離は翼４１の回転半径Ｒと考えられ、翼４１の速度を決定する因子となるとともに風力エネルギを取り込むための受風面積を決定付ける因子としても重要となる。さらに、基準位置４１ｄを通る翼４１の回転基準円２ｄの接線方向に対する翼弦４１ｃの傾きは、翼取付角βとして定義され、揚力や抗力に大きな影響を及ぼす。そして、揚力や抗力への影響は、垂直軸型風車としての効率に大きな影響を与えることになる。
【００７０】
また、これらの他にも、翼４１の長手方向の長さや、翼枚数等も大きな影響因子となる。さらには、翼４１を取り付ける支持アーム４２，４３（図１参照）についても、風による抵抗を生じることになり影響を及ぼしうる。
【００７１】
上記のように、翼４１を含むトルク発生部３Ａ，３Ｂによって発生するトルクは、数多くのパラメータが絡まり合って変化することになる。さらには、翼４１や支持アーム４２，４３によって風の流れに影響を及ぼすことによって、風の向きや大きさも変化することになる。また、こうした複雑さは、トルク発生部３Ａ，３Ｂの個数が増加することで一層増すことになる。そのため、数値解析を主体としてシミュレーションを行った場合でも、実現象を十分に再現できているかを検証するための実験が必要となる。
【００７２】
本実施形態における垂直軸型風車の試験装置１を用いた実験としては、所定の速度の風を発生させることのできる風洞の内部に設置して行うものが考えられる。
【００７３】
こうした場合には、一定の風速を与えつつ、図２におけるモータ制御部７４を通じて命令を与えることで回転軸２を回転させる。この際、モータ５７の速度はフィードバック制御を行っているために、回転速度目標値と一致する速度で一定回転させることが可能となる。この時、回路の故障や速度設定のミスによってなどによって想定外の速度まで上昇した場合には、ブレーキ制御部７５がブレーキ信号を発してブレーキ５４が動作するようになっているために、機器の損傷を抑制することが可能となっている。この際、同時にモータ制御部７４からモータ５７に至る駆動用電気信号が遮断されるようにすれば、なお好適である。
【００７４】
単体トルク取得部７１においては、ロードセル５１からの出力信号を基に、トルク発生部３Ｂ単体より回転軸２に伝達されるトルクＴを得ることが可能となっている。ここで得られるトルクＴは、空気の流れによってトルク発生部３Ｂ単体に生じるトルクとして扱うことが可能である。さらに、回転軸２の回転に伴って、回転データ取得部７３では回転軸２の回転位相角データを得ることが可能となっている。これらの２つのデータを同時に得ることで、これらを基にして、例えば、図８に示すような、アジマス角θとトルク発生部３Ｂ単体のトルクＴとの関係を得ることが可能となる。トルクＴは、アジマス角９０°近くで最大となるように大きく変化することになる。また、アジマス角θによっては逆に負のトルクを発生させる場合もあるが、ロードセル５１として引張り・圧縮の双方向に対応するものを使用しているために、正負の何れであっても正確に測定することが可能となっている。
【００７５】
さらには、図２に示す合計トルク取得部７２によって、トルク発生部３Ａ，３Ｂを含めて総合的に回転軸２に生じるトルクを測定可能であるために、上記トルク発生部３Ｂ単体のトルクＴと比較することで、相互の影響について検討することも可能である。
【００７６】
このように、トルク発生部３Ｂ単体のトルクを始め、様々なデータを同時に取得することが可能であるために、本試験装置を用いることでこれまでに得られなかった詳細な試験データを得て、トルク発生部３Ａ，３Ｂの最適化に向けた条件探索をより容易に行うことが可能となる。また、本試験装置によって詳細な試験データが得られることで、数値解析データとの突き合わせが容易になる。そのため、数値解析を用いたシミュレーション結果の妥当性を容易に確認することができ、図６や図７を用いて説明したような多数の因子が存在する複雑な現象を解明することが可能となる。その結果、風の条件に応じた翼形状等の最適パラメータを、数値解析を用いたシミュレーションでも探索することが可能となり、より高性能な垂直軸型風車の開発が容易となる。
【００７７】
上記のように、本実施形態の垂直軸型風車の試験装置１は、より効率の高い垂直軸型風車を実現するための効果的なツールとして利用可能であるといえる。また、これを用いた試験方法によって、より効率の高い垂直軸型風車を実現することが可能となる。
【００７８】
以上のように、本実施形態における垂直軸型風車の試験装置１は、回転可能に支持された回転軸２と、流体の流れにより前記回転軸２に対して伝達すべきトルクを発生するトルク発生部３Ａ，３Ｂとを備え、少なくとも１つのトルク発生部をトルク測定対象部３Ｂとして前記回転軸２に対して相対回転自在に構成するとともに、前記回転軸２と前記トルク測定対象部３Ｂとの間にトルク検出器５１を設けるように構成したものである。
【００７９】
このように構成しているため、トルク発生部３Ｂ単体により生じるトルクを測定可能となって、垂直軸型風車により生じるトルクをより詳細に調査することが可能となる。そのため、数値解析の結果について実現象を踏まえつつ厳密に検証を行うことが可能となり、トルク発生部３Ａ，３Ｂの最適化を行って、より効率の高い流体式回転機を実現するための効果的なツールとして利用することが可能となる。
【００８０】
さらに、前記回転軸２と一体となって回転する一体回転部２６と、前記トルク測定対象部３Ｂと一体となって前記回転軸２に対して相対回転自在な相対回転部２７とを備え、前記一体回転部２６と前記相対回転部２７とを対向させて配置するとともに、前記一体回転部２６と前記相対回転部２７とを前記トルク検出器５１を介して接続するように構成しているため、上記効果が得られる構成を、簡便且つ実用的に具体化することができるとともに、トルク検出器５１を介して接続することで、回転軸２とトルク測定対象部３Ｂとの相対位置関係をほぼ同一に維持することが可能となるため、垂直軸型風車全体としての特性を損なうことなく、実際の垂直軸型風車に近い装置条件を維持したままでトルク測定を行うことが可能となる。
【００８１】
また、前記回転軸２が、前記流体の流れ方向Ｗに対して垂直となる向きに配置されているため、流体式回転機の中でも垂直軸型回転機の試験装置として有効に構成でき、トルク発生部３Ａ，３Ｂが流体の流れの中で、回転軸２に対して上流側と下流側で位置関係を変化するという特徴を有するタイプの流体式回転機において、こうした位置関係の変化によるトルクの変動を詳細に測定することが可能となる。また、トルク発生部３Ａ，３Ｂを複数備えるタイプの流体式回転機においては、トルク測定対象部３Ｂに与える他のトルク発生部の影響についても、実験的手法により詳細に調査することが可能となる。
【００８２】
また、前記流体が空気であって、流体式回転機が風車として構成されているために、流体式回転機の中でも、風力発電等に広く用いられる風車の効率化を図るためのツールとして効果的に活用することが可能となる。
【００８３】
また、上述したように本実施形態における垂直軸型風車の試験方法は、上記の垂直軸型風車の試験装置１を用いて、トルク測定対象部３Ｂにより回転軸２に伝達されるトルクを検出し、検出したトルクをトルク発生部３Ｂ単体に生じるトルクとして扱うことで、トルク発生部単体の特性評価を行うことを特徴とするものである。
【００８４】
こうすることで、得られた検出トルクをトルク発生部３Ａ，３Ｂ単体に生じるトルクとして、個々のトルク発生部３Ａ，３Ｂに着目して別途行う数値解析結果との突き合わせを行って、トルク発生部としての最適な形状や設置条件を探索し、より効率の高い垂直軸型風車を実現することが可能となる。
＜第２実施形態＞
【００８５】
図９に本発明の第２実施形態に係る流体式回転機の試験装置として、水平軸型風車の試験装置２０１として構成したものを示す。本試験装置は、概ね図１に示す垂直軸型風車の試験装置１を９０°回転させて回転軸２の上部先端を風上に向け、回転軸２が主流方向Ｗに平行となるようにしたものであり、図９では要部の垂直断面のみを示している。
【００８６】
この場合にも２つのトルク発生部２０３Ａ，２０３Ｂを備えており、両者によってプロペラを構成している。トルク測定非対象部としてのトルク発生部２０３Ａは、翼２４１と直線状の支持アーム２４２とが一体として構成されており、固定円板２２１を介して回転軸２０２と接続されて一体回転するようになっている。また、トルク測定対象部としてのトルク発生部２０３Ｂは、翼２４１と段差状の支持アーム２４３とが一体として構成されており非固定円板２２３に接続されている。非固定円板２２３は軸受２５を介して、回転軸２０２に対し軸方向に位置規制されつつ回転自在に支承されているために、トルク発生部２０３Ｂは回転軸２０２に対して回転方向に非固定とされている。
【００８７】
上記のトルク発生部２０３Ａ，２０３Ｂの相互の関係および固定円板２２１と非固定円板２２３との関係は、第１実施形態におけるトルク発生部３Ａ，３Ｂの相互の関係および固定円板２１（２２）と非固定円板２３（２４）（図２参照）との関係と同様である。そのため、第１実施形態の場合と同様に、固定円板２２１と非固定円板２２３との間にトルク検出器としてのロードセル５１（図４参照）を配置することで、簡単にトルク発生部２０３Ｂより回転軸２０２に伝達されるトルクを測定することが可能となる。
【００８８】
このように、水平軸型風車の試験装置２０１として構成した場合であっても、トルク発生部２０３Ｂ単体により生じるトルクを測定することが可能となる。水平軸型風車では、翼２４１の長手方向で回転半径が異なるために空気との相対速度が異なることになる。また、回転速度が上がることで遠心力によっても、翼２４１や、翼を取り付ける支持アーム２４２，２４３に変形が生じる。また、翼２４１の回転に対して重力が影響するためにこれがトルク変動の要因にもなる。さらには、水平軸型風車は垂直軸型風車に比べて風向きの変化に弱いとの特徴もある。このような、水平軸型に特有の現象が生じる場合についても、本試験装置を用いて、実験的にデータを得ることが可能となり、これによりトルク発生部２０３Ａ，２０３Ｂの最適化を図ることが可能となる。
【００８９】
以上のように、本実施形態においては、前記回転軸２０２が、前記流体の流れ方向Ｗに対して平行となる向きに配置されるように構成しているため、流体式回転機の中でも水平軸型回転機の試験装置２０１として有効に構成でき、水平軸型に特有の現象の下で生じるトルクを実験的手法によって詳細に調査することが可能となる。
【００９０】
また、上述した第１実施形態の場合とほぼ同様の効果も得ることが可能である。
【００９１】
なお、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではない。
【００９２】
例えば、上述の実施形態においては、トルク検出器としてロードセル５１を用いていたが、一体回転部２６と相対回転部２７との間のわずかな相対変位を基にトルクの検出が可能なものである限り、他の検出手段をベースに構成してもよい。一体回転部２６と相対回転部２７との間にひずみゲージを貼った弾性部材を介在させてひずみ出力を得ても良いし、レーザや磁力を用いた測定手段など様々な手段により構成することが可能である。
【００９３】
また、一体回転部２６と相対回転部２７とは、同一の回転平面内で対向するように配していたが、相対変位を基にトルク測定が可能となる限り、軸方向に離間して対向させるなど使用する検出手段に応じて適宜位置を変えて構成することも可能である。
【００９４】
さらに、上述の実施形態では、ロードセル５１として引張り・圧縮の双方向への検出が可能なタイプを用いていたが、圧縮または引張りのいずれかのみを検出するタイプのものを複数個組み合わせて使用しても良い。さらには、図４に示す方向にロードセル５１を配することも必須とはいえず、荷重の検知方向を回転軸２の回転方向に合致する方向に配しても、位置関係が明確である限り同様にトルクを算出することが可能である。
【００９５】
また、上述の実施形態においては、トルク発生部３Ａ，３Ｂ（２０３Ａ，２０３Ｂ）を２つ備えた２枚翼構成としていたが、３個以上の翼を有するものであっても同様に構成することが可能である。例えば、第１実施形態の垂直軸型風車を基にして、図１０のように３枚翼に対応した垂直軸型風車の試験装置３０１として構成することも可能である。この場合においては翼４１（図２参照）をそれぞれ支持する３対の支持アーム３４２〜３４４を備え、これらのうち一対の直線状の支持アーム３４２，３４２を回転軸２に固定した固定円板３２１，３２２によって各々支持させるとともに、一対の段差状の支持アーム３４３，３４３は軸受２５，２５により回転軸２に対して回転可能とされた非固定円板３２３，３２４に、他の一対の段差状の支持アーム３４４，３４４は軸受２５，２５により回転軸２に対して回転可能とされた非固定円板３２５，３２６によって各々支持させるように構成している。そして、固定円板３２２と非固定円板３２４との間および固定円板３２２と非固定円板３２６との間にロードセル５１を各々設けることで、同時に２箇所でトルク検出を行うことが可能となる。同様にして、さらに翼枚数を増やすことも可能である。
【００９６】
さらには、固定円板２１，２２側に支持アーム４２，４２を介して翼４１を設けることでトルク測定非対象部となるトルク発生部３Ａを設ける構成も必須とはいえず、トルク測定対象部となるトルク発生部３Ｂのみを単独で備える、いわゆる１枚翼型として構成することも可能である。この場合には、回転アンバランスを生じないように、トルク測定対象部であるトルク発生部３Ｂの反対側にバランスウエイトを設けることが適切である。なお、トルク発生部３Ａ，３Ｂの双方をトルク測定対象部として構成することも可能である。
【００９７】
また、上述の実施形態においては、回転軸２の速度検出値が所定値以上である場合にはブレーキ制御部７５よりブレーキユニット５４に作動命令を与えることで、自動的にブレーキが作動するように構成していたが、本発明においてブレーキを自動的に作動させることは必須とはいえない。すなわち、試験装置としての性質を考慮すると、オペレータによる手動でのみブレーキが作動する構成とすることで足りる場合もありうる。
【００９８】
また、上記第１実施形態においては、垂直軸型風車の中でも主として揚力によってトルクを生じる直線翼を備えるタイプを対象とする試験装置として構成していたが、他のタイプのものであっても同様に構成することが可能である。例えば、パドル型、ダリウス型、サボニウス型等の他のタイプの風車であっても、トルク発生部を固定円板２１，２２と非固定円板２３，２４を介して回転軸２に取り付けて、これらの間にロードセル５１を設けた構成とすることができる。
【００９９】
さらに、上記第２実施形態においては、プロペラ型の水平軸型風車の試験装置として構成していたが、同様に、多翼型、セルウイング型、オランダ型等の風車の試験装置として構成することも可能である。
【０１００】
また、上記の実施形態においては、風車の特性を得るための試験装置として構成していたが、モータ５７を発電機に置き換えるのみで、一般的な発電装置として構成できることは言うまでも無く、トルク発生部単体の特性を測定可能な発電装置として容易に実現することが可能である。こうした場合においては、ロードセル５１を通じて得たトルク発生部３Ｂ（２０３Ｂ）単体のトルク検出値を基にして翼取付角βを変化させるなど、状況に応じてより効率の高い適正条件に自動的に制御するように構成することも可能となる。
【０１０１】
また、上記の実施形態の場合においては、風車の試験装置として構成していたが、これを水車の試験装置として構成することも容易である。さらには、流体の流れによって回転する蒸気タービンやガスタービンなど他の流体式回転機に本発明を適用することも容易であり、トルク発生部が翼により構成されるものに代わってフィン等の形態を採るものであっても同様にトルクを測定することが可能な試験装置として構成することが可能となる。
【０１０２】
その他の構成も、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【符号の説明】
【０１０３】
１…垂直軸型風車の試験装置（流体式回転機の試験装置）
２…回転軸
２６…固定側ブラケット（一体回転部）
２７…非固定側ブラケット（相対回転部）
３Ａ…トルク発生部（トルク測定非対象部）
３Ｂ…トルク発生部（トルク測定対象部）
４１…翼
５１…ロードセル（トルク検出器）
Ｗ…風（空気）の主流方向
【図１】
0005831877.tif 000002
【図２】
0005831877.tif 000003
【図３】
0005831877.tif 000004
【図４】
0005831877.tif 000005
【図５】
0005831877.tif 000006
【図６】
0005831877.tif 000007
【図７】
0005831877.tif 000008
【図８】
0005831877.tif 000009
【図９】
0005831877.tif 000010
【図１０】
0005831877.tif 000011