(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部輪郭が第一翼型を呈する流線形断面を有する主翼部材を備える低速流体を効率的に利用するブレードであって、
前記ブレードは更に先端翼部材を備え、前記先端翼部材がシート状であり、先端翼部材は片側が凸面で他側が凹面であるアーチ型であり、前記先端翼部材が主翼部材前縁点の斜め上側に設置され、先端翼部材の凹面が主翼部材に向かっており、先端翼部材と主翼部材との間に第一通気空間を有し、  前記先端翼部材の凸面、主翼部材の上輪郭の一部、後縁点及び下輪郭で取り囲んでなる外部輪郭が第二翼型を呈し、前記第二翼型の前縁点が先端翼部材の凸面輪郭に位置し、
前記主翼部材は少なくとも１つの中央翼部材及び１つの末端翼部材を備え、前記中央翼部材が先端翼部材と末端翼部材との間に位置し、隣接する前記中央翼部材の間及びそれと末端翼部材との間にそれぞれ第二翼型上輪郭と下輪郭とを連通する第二通気空間が設置され、前記第二通気空間の第二翼型下輪郭寄り開口部が第二通気空間の吸気口であり、前記第二通気空間の第二翼型上輪郭寄り開口部が第二通気空間の排気口であり、前記第二通気空間の吸気口の幅が排気口の幅より大きいことを特徴とする低速流体を効率的に利用するブレード。
【請求項２】
前記先端翼部材の主翼部材下輪郭寄り一端と主翼部材との間の隙間が前記第一通気空間の吸気口であり、前記先端翼部材の主翼部材上輪郭寄り一端と主翼部材との間の隙間が前記第一通気空間の排気口であり、前記第一通気空間の吸気口の幅が排気口の幅より大きいことを特徴とする請求項１に記載の低速流体を効率的に利用するブレード。
【請求項３】
前記第一通気空間の排気口の排気方向が主翼部材上輪郭に対応する位置の接線方向に沿っていることを特徴とする請求項２に記載の低速流体を効率的に利用するブレード。
【請求項４】
少なくとも１つの前記中央翼部材がシート状部材を有し、少なくとも一部のシート状部材が第二翼型の上輪郭に沿って設置されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の低速流体を効率的に利用するブレード。
【請求項５】
前記中央翼部材は第一シート状部材を備え、前記第一シート状部材は片側が凸面で他側が凹面であるアーチ型であり、前記第一シート状部材のアーチ型凸面が先端翼部材に接近し、第一シート状部材の一端が第二翼型の下輪郭に接近し、他端が第二翼型の上輪郭に位置することを特徴とする請求項４に記載の低速流体を効率的に利用するブレード。
【請求項６】
前記中央翼部材は更に第二シート状部材を備え、前記第二シート状部材の一端が第一シート状部材の第二翼型下輪郭寄り一端に接続され、第二シート状部材は第二翼型の下輪郭に沿って設置される下部を含むことを特徴とする請求項５に記載の低速流体を効率的に利用するブレード。
【請求項７】
前記第二シート状部材の下部が先端翼部材に向かって延在し、前記第一シート状部材が少なくとも２つあり、少なくとも２つの前記第一シート状部材が順に先端翼部材と末端翼部材との間に配列され、前記第二シート状部材が末端翼部材寄り中央翼部材における第一シート状部材に接続されることを特徴とする請求項６に記載の低速流体を効率的に利用するブレード。
【請求項８】
前記第二シート状部材の下部が末端翼部材に向かって延在することを特徴とする請求項６に記載の低速流体を効率的に利用するブレード。
【請求項９】
前記第二シート状部材は更に下部の一端に接続される中央部を含み、前記中央部が該第二シート状部材に接続される第一シート状部材に向かって曲げられることを特徴とする請求項８に記載の低速流体を効率的に利用するブレード。
【請求項１０】
前記第二シート状部材の下部と中央部との間の曲げ角度が鈍角であり、または、
前記第二シート状部材は更に中央部の一端に接続される上部を含み、前記上部の他端が第一シート状部材の凹面に接続又は貼合されることを特徴とする請求項９に記載の低速流体を効率的に利用するブレード。
【請求項１１】
前記第二シート状部材の下部が第二接続部材によって第一シート状部材に接続され、前記第二接続部材及び第二シート状部材と第一シート状部材との接続部が円滑に移行し、または、
前記第一シート状部材と第二シート状部材との下部接続部が円滑に移行し、前記第一シート状部材と第二シート状部材との下部接続部の内側に第一補強材が設置され、または、
前記第一シート状部材及びそれに接続される第二シート状部材が一体成形されることを特徴とする請求項９または１０に記載の低速流体を効率的に利用するブレード。
【請求項１２】
前記第一シート状部材が第二シート状部材に接続されることで密閉されたキャビティを形成し、前記密閉されたキャビティ内に充填体が設置され、または、
前記第一シート状部材、第二シート状部材及び充填体が一体成形されることで中実構造の中央翼部材を形成することを特徴とする請求項１０に記載の低速流体を効率的に利用するブレード。
【請求項１３】
前記末端翼部材が流線形断面を有し、前記断面の外部輪郭が第三翼型を呈し、前記第三翼型の下輪郭の少なくとも一部が第二翼型の下輪郭に沿って設置され、前記第三翼型の上輪郭の少なくとも一部が第二翼型の上輪郭に沿って設置され、前記第三翼型の後縁点が第二翼型の後縁点と重なり、
前記末端翼部材はその上輪郭に沿って設置される第四シート状部材及びその下輪郭に沿って設置される第五シート状部材を備え、前記第四シート状部材の両端がそれぞれ第五シート状部材の両端に接続され、
前記第五シート状部材の先端翼部材寄り一端に延在部が接続され、前記延在部が第二翼型の下輪郭に沿って設置され、
前記第四シート状部材の先端翼部材寄り一端に前記延在部に貼合される貼合部が接続され、または、
前記延在部の先端翼部材寄り一端に第二翼型の上輪郭に向かって曲げられる曲げ部が接続されることを特徴とする請求項１に記載の低速流体を効率的に利用するブレード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
＜関連出願＞
本発明出願は２０１５年１２月１０日に出願された出願番号が２０１５１０９０７６３７．３であり、名称が“低速流体を効率的に利用するブレード及びその製造方法”である中国特許出願の優先権、及び２０１６年９月２２日に出願された出願番号が２０１６１０８４２５２２．５であり、名称が“低速流体を効率的に利用するブレード及びその製造方法”である中国特許出願の優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【０００２】
本発明は流体動力装置におけるブレードに関し、特に低速流体を効率的に利用するブレード及びその応用に関する。
【背景技術】
【０００３】
出願者によれば、ブレードの風力エネルギー利用率（Ｃｐと示され、風力エネルギー利用効率とも称される）はその最も重要な性能パラメータであり、ブレードのＣｐは、空気がブレードを流れる時に生成した揚力／抵抗比率（揚抗比）に関連するが、揚抗比は翼型流線形を構成する形状によって決定され、そのためブレードのＣｐ性能はそれが構成する翼型形状によって決定される。ブレードのＣｐを増加させることは高性能風力発電技術のうち最も根本的な技術である。
【０００４】
現在、市場で見られる揚力型風力発電製品のブレードはいずれも単ブレードで構成され、単翼ブレードの問題は低風速性能が悪いことであり、推力型（抵抗型とも称される）ブレードの問題はＣｐが低いことである。風力タービンの低風速性能を向上させることは風力発電コストを低減させる主な要因の１つである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これに鑑みて、従来の風力発電製品のブレードは低風速で性能が悪いという問題に対して、低風速での風力エネルギー利用効率を向上させることができ、価格性能比が高いブレードを提供すると同時に、更に該ブレードの流体動力装置での応用を提供する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的は下記技術的解決手段によって実現される。
【０００７】
外部輪郭が第一翼型を呈する流線形断面を有する主翼部材を備える低速流体を効率的に利用するブレードであって、前記ブレードは更に先端翼部材を備え、前記先端翼部材がシート状であり、先端翼部材は片側が凸面で他側が凹面であるアーチ型であり、前記先端翼部材が主翼部材前縁点の斜め上側に設置され、先端翼部材の凹面が主翼部材に向かっており、先端翼部材と主翼部材との間に第一通気空間を有する。
【０００８】
一実施例において、前記先端翼部材の凸面、主翼部材の上輪郭の一部、後縁点及び下輪郭で取り囲んでなる外部輪郭が第二翼型を呈し、前記第二翼型の前縁点が先端翼部材の凸面輪郭に位置する。
【０００９】
一実施例において、前記先端翼部材の主翼部材下輪郭寄り一端と主翼部材との間の隙間が前記第一通気空間の吸気口であり、前記先端翼部材の主翼部材上輪郭寄り一端と主翼部材との間の隙間が前記第一通気空間の排気口であり、前記第一通気空間の吸気口の幅が排気口の幅より大きい。
【００１０】
一実施例において、前記第一通気空間の排気口の排気方向が主翼部材上輪郭に対応する位置の接線方向に沿っている。
【００１１】
一実施例において、前記主翼部材は少なくとも１つの中央翼部材及び１つの末端翼部材を備え、前記中央翼部材が先端翼部材と末端翼部材との間に位置し、隣接する前記中央翼部材の間及びそれと末端翼部材との間にそれぞれ第二翼型上輪郭と下輪郭とを連通する第二通気空間が設置され、前記第二通気空間の第二翼型下輪郭寄り開口部が第二通気空間の吸気口であり、前記第二通気空間の第二翼型上輪郭寄り開口部が第二通気空間の排気口であり、前記第二通気空間の吸気口の幅が排気口の幅より大きい。
【００１２】
一実施例において、前記第二通気空間の排気口の排気方向が隣接する中央翼部材又は末端翼部材上輪郭に対応する位置の接線方向に沿っている。
【００１３】
一実施例において、少なくとも１つの前記中央翼部材がシート状部材を有し、少なくとも一部のシート状部材が第二翼型の上輪郭に沿って設置される。
【００１４】
一実施例において、前記中央翼部材は第一シート状部材を備え、前記第一シート状部材は片側が凸面で他側が凹面であるアーチ型であり、前記第一シート状部材のアーチ型凸面が先端翼部材に接近し、第一シート状部材の一端が第二翼型の下輪郭に接近し、他端が第二翼型の上輪郭に位置する。
【００１５】
一実施例において、前記中央翼部材は更に第二シート状部材を備え、前記第二シート状部材の一端が第一シート状部材の第二翼型下輪郭寄り一端に接続され、第二シート状部材は第二翼型の下輪郭に沿って設置される下部を含む。
【００１６】
一実施例において、前記第二シート状部材の下部が先端翼部材に向かって延在し、前記第一シート状部材が少なくとも２つあり、少なくとも２つの前記第一シート状部材が順に先端翼部材と末端翼部材との間に配列され、前記第二シート状部材が末端翼部材寄り中央翼部材における第一シート状部材に接続される。
【００１７】
一実施例において、前記第二シート状部材の下部が末端翼部材に向かって延在する。
【００１８】
一実施例において、前記第一シート状部材及びそれに接続される第二シート状部材が一体成形されて、第一シート状部材と第二シート状部材との交差部が円滑に移行する。
【００１９】
一実施例において、前記第二シート状部材は更に下部の一端に接続される中央部を含み、前記中央部が該第二シート状部材に接続される第一シート状部材に向かって曲げられる。
【００２０】
一実施例において、前記第二シート状部材の下部と中央部との間の曲げ角度が鈍角である。
【００２１】
一実施例において、前記第二シート状部材は更に中央部の一端に接続される上部を含み、前記上部の他端が第一シート状部材の凹面に接続又は貼合される。
【００２２】
一実施例において、第二シート状部材の中央部と第一シート状部材の凹面との間に第一接続部材が設置される。
【００２３】
一実施例において、前記第二シート状部材の中央部及び上部の断面が１つの連続的なアーチ型であり、第二シート状部材の中央部及び上部のアーチ型凸面が第一シート状部材の凹面に向かっている。
【００２４】
一実施例において、前記第二シート状部材の下部が第二接続部材によって第一シート状部材に接続され、前記第二接続部材及び第二シート状部材と第一シート状部材との接続部が円滑に移行する。
【００２５】
一実施例において、前記第一シート状部材と第二シート状部材との下部接続部が円滑に移行し、前記第一シート状部材と第二シート状部材との下部接続部の内側に第一補強材が設置される。
【００２６】
一実施例において、前記第一シート状部材及びそれに接続される第二シート状部材が一体成形される。
【００２７】
一実施例において、前記第一シート状部材が第二シート状部材に接続されることで密閉されたキャビティを形成し、前記密閉されたキャビティ内に充填体が設置される。
【００２８】
一実施例において、前記第一シート状部材、第二シート状部材及び充填体が一体成形されることで中実構造の中央翼部材を形成する。
【００２９】
一実施例において、前記中央翼部材は更に第三シート状部材を備え、前記第三シート状部材が第一シート状部材の凹面と末端翼部材との間に位置し、第三シート状部材は下部及び上部を含み、前記第三シート状部材の下部が第二翼型の下輪郭に沿って設置され、前記第三シート状部材の上部が下部の末端翼部材寄り一端に接続されて、第一シート状部材に向かって曲げられる。
【００３０】
一実施例において、前記第三シート状部材の下部及び上部が一体成形されて、下部と上部との交差部が円滑に移行する。
【００３１】
一実施例において、前記中央翼部材は中実翼部材を備え、前記中実翼部材が先端翼部材に接近する凸面、末端翼部材に接近する凹面及び第二翼型下輪郭に沿って設置される下側面を有し、前記下側面がそれぞれ中実翼部材の凸面及び凹面の下端に接続され、前記中実翼部材の凸面が凹面の上端に接続され、中実翼部材の凸面の少なくとも一部が第二翼型の上輪郭に沿って設置される。
【００３２】
一実施例において、前記中実翼部材の下側面及び凸面と凹面との接続部が円滑に移行する。
【００３３】
一実施例において、前記末端翼部材が流線形断面を有し、前記断面の外部輪郭が第三翼型を呈し、前記第三翼型の下輪郭の少なくとも一部が第二翼型の下輪郭に沿って設置され、前記第三翼型の上輪郭の少なくとも一部が第二翼型の上輪郭に沿って設置され、前記第三翼型の後縁点が第二翼型の後縁点と重なる。
【００３４】
一実施例において、前記末端翼部材が中実構造である。
【００３５】
一実施例において、前記末端翼部材はその上輪郭に沿って設置される第四シート状部材及びその下輪郭に沿って設置される第五シート状部材を備え、前記第四シート状部材の両端がそれぞれ第五シート状部材の両端に接続される。
【００３６】
一実施例において、前記第四シート状部材の両端がそれぞれ第三接続部材及び第四接続部材によって第五シート状部材の両端に接続される。
【００３７】
一実施例において、前記第四シート状部材と第五シート状部材との間に少なくとも１つの第二補強材が設置される。
【００３８】
一実施例において、前記第四シート状部材及び第五シート状部材が一体成形される。
【００３９】
一実施例において、前記第五シート状部材の先端翼部材寄り一端に延在部が接続され、前記延在部が第二翼型の下輪郭に沿って設置される。
【００４０】
一実施例において、前記第四シート状部材の先端翼部材寄り一端に前記延在部に貼合される貼合部が接続される。
【００４１】
一実施例において、前記貼合部及び第四シート状部材が一体成形される。
【００４２】
一実施例において、前記延在部の先端翼部材寄り一端に第二翼型の上輪郭に向かって曲げられる曲げ部が接続される。
【００４３】
一実施例において、前記曲げ部、延在部及び第五シート状部材が一体成形される。
【００４４】
一実施例において、前記第四シート状部材及び第五シート状部材が一体成形される。
【００４５】
流線形断面を有し、前記断面が前縁点、後縁点、並びに前縁点及び後縁点を接続する上輪郭及び下輪郭で取り囲まれてなり、前記ブレード上外縁輪郭面がブレードの吸引面であり、前記上輪郭が吸引面と断面との境界線であり、前記ブレード下外縁輪郭面がブレードの圧力面であり、前記下輪郭が圧力面と断面との境界線であり、該ブレードは一組の翼部材で構成され、隣接する翼部材の間に通気空間を保持する本発明に係る低速流体を効率的に利用するブレードであって、前記翼部材は１つの先端翼部材及び１つの末端翼部材を備え、又は１つの先端翼部材、少なくとも１つの中央翼部材及び１つの末端翼部材を備え、前記先端翼部材が前縁点に接近して、前縁点の斜め上側に位置し、前記末端翼部材が後縁点に接近し、前記中央翼部材が先端翼部材と末端翼部材との間に位置し、前記先端翼部材は片側が凸面で他側が凹面であるアーチ型シート状を呈し、前記先端翼部材の凸面が後縁点から離れ、前記ブレード断面の上輪郭は先端翼部材の凸面、及び末端翼部材の上部又は上部の一部で共同構成され、又は先端翼部材の凸面、並びに中央翼部材及び末端翼部材の上部又は上部の一部で共同構成され、前記ブレード断面の下輪郭は末端翼部材の下部又は下部の一部で構成され、又は中央翼部材及び末端翼部材下部又は下部の一部で共同構成される。
【００４６】
本発明は更に上記いずれか一項に記載の低速流体を効率的に利用するブレードの垂直軸風力タービンブレード、潮汐流を利用して発電する垂直軸水力タービンブレード、水平軸風力タービンブレード、水車ブレード、蒸気タービンブレード又はプロペラブレードとしての応用を提供する。
【発明の効果】
【００４７】
本発明の有益な効果は以下のとおりである。
【００４８】
本発明はブレードの翼部材構造を改良することにより、本発明におけるブレードのＣｐ値を平均風速２−１３ｍ／ｓ条件下で単翼ブレードより大幅に大きくして、同じ外部輪郭の多翼コレクタブレード以上にし、ブレード性能を確保でき、シート状部材で元のブレードを代替し、元のブレード翼型の成形をシート状部材の成形に変換することができ、このようにして製造金型を分散化し、金型の寸法、加工難度及びコストを低減させるだけでなく、更にロール成形、プレス成形、押し出し等の効率的成形製造プロセスを応用することもでき、それによりブレードの製造コストを著しく低減させ、具体的に２０−５０％低減させることができる（単一装置の容量が大きければ大きいほど低減幅が大きくなる）。さらに、本発明におけるブレードを別々に製造することができ、それにより風力タービン配置現場でブレードを組み立てることが可能となり、大中型ブレードの輸送コストを大幅に低減させる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１ａ−１ｃ】本発明における低速流体を効率的に利用するブレードの一組目の実施例の構造模式図である。
【図２】図２は本発明における低速流体を効率的に利用するブレードの二組目の実施例の構造模式図である。
【図３ａ−３ｂ】本発明における低速流体を効率的に利用するブレードの三組目の実施例の構造模式図である。
【図４】図４は本発明における低速流体を効率的に利用するブレードの四組目の実施例の構造模式図である。
【図５】図５は本発明における低速流体を効率的に利用するブレードの五組目の実施例の構造模式図である。
【図６ａ−６ｏ】本発明における低速流体を効率的に利用するブレードの六組目の実施例の構造模式図である。
【図７ａ−７ｃ】本発明における低速流体を効率的に利用するブレードの七組目の実施例の構造模式図である。
【図８ａ−８ｄ】本発明における低速流体を効率的に利用するブレードの八組目の実施例の構造模式図である。
【図９】図９は本発明における低速流体を効率的に利用するブレードの九組目の実施例の構造模式図である。
【図１０ａ−１０ｃ】本発明における低速流体を効率的に利用するブレードの十組目の実施例の構造模式図である。
【図１１】図１１は本発明における低速流体を効率的に利用するブレードの十二組目の実施例の構造模式図である。
【図１２】図１２は本発明における低速流体を効率的に利用するブレード断面における外部輪郭包絡線、吸引面Ｓｕｐ、圧力面Ｓｌｏｗの模式図である。
【図１３】図１３は本発明における低速流体を効率的に利用するブレード断面における第一通気空間及び第二通気空間の模式図である。
【図１４】図１４は本発明における低速流体を効率的に利用するブレードの４種の異なる構造のブレード断面における外部輪郭包絡線、吸引面Ｓｕｐ、圧力面Ｓｌｏｗの模式図である。
【図１５ａ−１５ｂ】図３ａに示す実施例におけるブレード断面においてＸ、Ｙ翼型を基準として設計したブレードの外部輪郭の模式図である。
【図１６ａ−１６ｄ】本発明における低速流体を効率的に利用するブレードの４つの実施例の立体模式図である。
【図１７】図１７は本発明における低速流体を効率的に利用するブレードの４種の応用方式の模式図である。
【図１８】図１８は本発明の３種の実施例におけるブレード、１種の三翼コレクタブレード及び２種の単翼型ブレードの電力試験図である。
【図１９】図１９は図１８に示す６種のブレードの電力比較模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
本発明の目的、技術的解決手段及び利点をより明らかにするために、以下、図面を参照しながら実施例によって本発明を更に詳しく説明する。理解すべきなのは、ここで説明された具体的な実施例は本発明を解釈するためのものであり、本発明を制限するためのものではない。
【００５１】
具体的な実施形態を容易に説明するために、まず本発明におけるブレード番号の意味を説明し、それにより図示及びブレードを説明する複数の関連専門用語及びパラメータが本発明におけるブレードにおいてどのように体現及び計量するかを理解する。本発明におけるブレードは一般式ＦＷ（ｎ＋ｍ）ｎｍで示され、ここで、ｎがシート状を呈する翼部材数（アーチ型シート状を呈する先端翼部材と、アーチ型構造、二重片折角形構造、“Ｓ”形と類似する構造、“Ｃ”形と類似する構造を用いた中央翼部材と、を備える）を示し、ｍが曲面体又は中実ブロック状を呈する翼部材数（“σ”形と類似する構造、翼型と類似する構造を用いた中央翼部材と、翼型構造、“鴨嘴”構造、“浮き上がり鴨嘴”構造を用いた末端翼部材と、中実ブロック状を呈する中央／末端翼部材と、を備える）を示し、（ｎ＋ｍ）がｎとｍ値との合計である。なお、ブレードの外部輪郭に具体的な基準翼型があると示す場合、上記一般式の後に参照翼型を示すアルファベットを追加し、例えばＦＷ（ｎ＋ｍ）ｎｍＬは基準翼型がＬＦ系翼型であると示し、ＦＷ（ｎ＋ｍ）ｎｍＮは基準翼型がＮＡＣＡ系翼型であると示す。
【００５２】
本発明におけるブレードにおいて、いくつかのブレードの翼部材は構造的に論理的再帰関係があり、このようなブレードを３種に分けることができ、各種の特徴に対してその表示式は各種の特徴を示す必要があり、つまり、ＦＷ（ｎ＋ｍ）ｎｍにおいて、一種のブレードのｍ又はｎが定数である時、（ｎ＋ｍ）数からこの定数を引くと構造的に論理再帰がある部材の数を示すことができるが、具体的な値でｎ又はｍを示す必要がない場合、１つのアルファベットでｎ又はｍを原位置で代替して該種の部材は構造的に論理再帰があることを示すことができる。
【００５３】
具体的には、ＦＷ（１＋ｍ）１Ｂで示すブレードは１つのシート状翼部材Ｃ１及びｍ個の曲面体翼部材Ｂで構成されて、中央翼部材が“σ”形と類似する構造の曲面体Ｂを用いて、構造的に論理再帰があり、図６ａ、図６ｂ、図６ｄ、図６ｈ、図６ｌ、図８ａに示すＦＷ３１Ｂ、図５ａ、図６ｅ、図６ｆ、図６ｇ、図６ｉ、図６ｊ、図６ｋ、図６ｍ、図６ｎ、図６ｏ、図８ｂ、図８ｃ、図８ｄに順に示すＦＷ４１Ｂ、ＦＷ５１Ｂ及びＦＷ６１Ｂはこのようなブレードの実施例である。
【００５４】
ＦＷ（ｎ＋１）Ｃ１で示すブレードはｎ個のシート状翼部材Ｃ及び１つの曲面体翼部材Ｂで構成されて、中央翼部材が“Ｃ”形と類似する構造のシート状翼部材Ｃを用いて、構造的に論理再帰があり、図４に示すＦＷ４Ｃ１はこのようなブレードの実施例である。
【００５５】
ＦＷ（ｎ＋１）Ｓ１で示すブレードはｎ個のシート状翼部材Ｃ及び１つの曲面体翼部材Ｂで構成されて、中央翼部材が“Ｓ”形と類似する構造のシート状翼部材Ｃを用いて、構造的に論理再帰があり、図３ａ及び図３ｂで順に示すＦＷ４Ｓ１及びＦＷ５Ｓ１はこのようなブレードの実施例である。
【００５６】
前記ｎ及びｍが対応して示す部材数によってブレードの応用容量を分類する場合、１≦ｎ≦３、１≦ｍ≦３のブレードが超小型、小型風力タービンに適用し、１≦ｎ≦８、１≦ｍ≦８のブレードが小型、中型風力タービンに適用し、１≦ｎ≦１８、１≦ｍ≦１８のブレードが中型、大型風力タービンに適用し、１≦ｎ≦３０、１≦ｍ≦３０のブレードが大型風力タービンに適用する。
【００５７】
図１２に示す点線はブレードの外部輪郭の包絡線であり、それはブレードの前縁点ａ及び後縁点ｂを境界としてこのようなブレードの吸引面（上表面）Ｓｕｐ及び圧力面（下表面）Ｓｌｏｗを形成して、図の上下部分に別々に対応して示し、ａとｂとの間の距離ξがブレードの翼弦の長さ（弦長と略称される）を示す。
【００５８】
図１４には本発明におけるＦＷ２１１、ＦＷ４Ｓ１、ＦＷ３１２、ＦＷ４１Ｂブレードが前縁点ａ及び後縁点ｂを境界として点線で示す吸引面Ｓｕｐ及び圧力面Ｓｌｏｗを形成する。
【００５９】
一組目の実施例
【００６０】
図１ａ−図１ｃに示すように、本発明における低速流体を効率的に利用するブレードは、主翼部材Ａ２、Ｄ２、Ｋ２を備え、主翼部材が流線形断面を有し、断面の外部輪郭が第一翼型を呈し、ブレードは更に先端翼部材Ｃ１を備え、先端翼部材がシート状であり、先端翼部材は片側が凸面で他側が凹面であるアーチ型であり、先端翼部材が主翼部材前縁点の斜め上側に設置され、先端翼部材の凹面が主翼部材に向かっており、先端翼部材と主翼部材との間に第一通気空間Ｔ１を有する。
【００６１】
先端翼部材の凸面、主翼部材の上輪郭の一部、後縁点及び下輪郭で取り囲んでなる外部輪郭が第二翼型を呈し、第二翼型の前縁点が先端翼部材の凸面輪郭に位置する。第二翼型上輪郭で形成された輪郭面がブレードの吸引面であり、下輪郭で形成された輪郭面がブレードの圧力面である。
【００６２】
更に、先端翼部材の主翼部材下輪郭寄り一端と主翼部材との間の隙間が第一通気空間の吸気口であり、先端翼部材の主翼部材上輪郭寄り一端と主翼部材との間の隙間が第一通気空間の排気口であり、第一通気空間の吸気口の幅が排気口の幅より大きい。
【００６３】
二組目の実施例
【００６４】
本発明におけるブレードがより大きな容量の流体動力装置（風力タービン）に応用される時、単翼で形成された主翼部材はニーズを満たすことができず、主翼部材は更に少なくとも１つの中央翼部材及び１つの末端翼部材を備え、中央翼部材が先端翼部材と末端翼部材との間に位置し、隣接する中央翼部材の間及びそれと末端翼部材との間にそれぞれ第二翼型上輪郭と下輪郭とを連通する第二通気空間Ｔ２が設置され、第二通気空間の第二翼型下輪郭寄り開口部が第二通気空間の吸気口であり、第二通気空間の第二翼型上輪郭寄り開口部が第二通気空間の排気口である。
【００６５】
図１３に示すように、ブレードの断面において、第一通気空間及び第二通気空間の吸気口がブレードの第二翼型下輪郭の位置側に位置し、排気口がブレードの第二翼型上輪郭の位置側に位置して、吸気口の幅ｇｅｎが排気口の幅ｇｅｘより大きい。第一通気空間及び第二通気空間の吸引面（第二翼型上輪郭）寄り部分が気流方向に沿って徐々に狭くなる。第一通気空間の排気口の排気方向が主翼部材上輪郭に対応する位置の接線方向に沿っている。第二通気空間の排気口の排気方向が隣接する中央翼部材又は末端翼部材上輪郭に対応する位置の接線方向に沿っている。
【００６６】
好ましくは、少なくとも１つの中央翼部材がシート状部材を有し、少なくとも一部のシート状部材が第二翼型の上輪郭に沿って設置される。
【００６７】
図２に示すように、中央翼部材Ｃ２は１つの第一シート状部材Ｐ１を備え、第一シート状部材は片側が凸面で他側が凹面であるアーチ型であり、第一シート状部材のアーチ型凸面が先端翼部材に接近し、第一シート状部材の一端が第二翼型の下輪郭に接近し、他端が第二翼型の上輪郭に位置する。
【００６８】
三組目の実施例
【００６９】
三組目の実施例は二組目の実施例を基に変形して得られるものであり、図３ａ及び図３ｂに示すように、中央翼部材Ｃ３、Ｃ４は更に少なくとも１つの第二シート状部材を備え、第二シート状部材の一端が第一シート状部材の第二翼型下輪郭寄り一端に接続され、第二シート状部材は第二翼型の下輪郭に沿って設置される下部Ｐ２を含む。
【００７０】
具体的には、第二シート状部材の下部が先端翼部材に向かって延在し、“Ｓ”型と類似する中央翼部材を形成し、中央翼部材は少なくとも２つの第一シート状部材を備え、少なくとも２つの第一シート状部材が順に先端翼部材と末端翼部材との間に配列され、第二シート状部材が末端翼部材寄り第一シート状部材に接続される。
【００７１】
四組目の実施例
【００７２】
四組目の実施例は三組目の実施例と異なり、図４に示すように、第二シート状部材の下部が末端翼部材に向かって延在し、“Ｃ”型と類似する中央翼部材を形成する。
【００７３】
加工しやすくするために、三組目の実施例及び四組目の実施例における第一シート状部材及びそれに接続される第二シート状部材が一体成形されて、第一シート状部材と第二シート状部材との交差部が円滑に移行する。
【００７４】
五組目の実施例
【００７５】
五組目の実施例は四組目の実施例を基に更に変形して得られるものであり、図５に示すように、第二シート状部材は更に下部の一端に接続される中央部Ｐ３を含み、中央部が該第二シート状部材に接続される第一シート状部材に向かって曲げられ、第二シート状部材の下部と中央部との間の曲げ角度が鈍角である。
【００７６】
六組目の実施例
【００７７】
中央翼部材の強度を向上させるために、五組目の実施例を基に変形してから六組目の実施例を得ることができ、図６ａ〜図６ｏに示すように、第二シート状部材は更に中央部Ｐ３の一端に接続される上部Ｐ４を含み、上部の他端が第一シート状部材Ｐ１の凹面に接続又は貼合され、“σ”型と類似する中央翼部材を形成する。
【００７８】
中央翼部材の強度を更に向上させるために、図５及び図６ｈに示すように、更に第二シート状部材の中央部と第一シート状部材の凹面との間に第一接続部材Ｎ９、Ｎ１１及びＮ１３を設置することができる。
【００７９】
好ましくは、図６ｂ及び図６ｃに示すように、第二シート状部材の下部が第二接続部材Ｌ２によって第一シート状部材に接続され、第二接続部材及び第二シート状部材と第一シート状部材との接続部が円滑に移行する。
【００８０】
別の好適な解決手段として、図５及び図６ｄに示すように、第一シート状部材と第二シート状部材との下部接続部が円滑に移行し、第一シート状部材と第二シート状部材との下部接続部の内側に第一補強材Ｎ８、Ｎ６が設置される。
【００８１】
七組目の実施例
【００８２】
七組目の実施例は六組目の実施例と類似し、図７ａ〜図７ｃに示すように、第二シート状部材の中央部及び上部の断面が１つの連続的なアーチ型であり、第二シート状部材の中央部及び上部のアーチ型凸面が第一シート状部材の凹面に向かっており、翼型と類似する構造の中央翼部材を形成する。
【００８３】
容易に加工し、加工コストを低減させるために、第一シート状部材及びそれに接続される第二シート状部材を一体加工成形して、中空の中央翼部材を形成することができ、図６ｈ〜図６ｏ及び図７ｂに示すように、図６ｈ〜図６ｋ及び図７ｂに示す中央翼部材は押し出し成形方法で製造されてなり、図６ｌ〜図６ｏに示す中央翼部材は板金プレス圧力成形方法で単一のシート状部材を加工してなる。
【００８４】
八組目の実施例
【００８５】
八組目の実施例は七組目の実施例と異なり、八組目の実施例における中央翼部材が中実構造を用い、つまり第一シート状部材と第二シート状部材とを接続して形成した密閉されたキャビティ内に充填体が設置される。
【００８６】
図８ａ〜８ｄに示すように、第一シート状部材、第二シート状部材及び充填体が一体成形されることで中実構造の中央翼部材を形成する。
【００８７】
九組目の実施例
【００８８】
九組目の実施例は二組目の実施例を基に変化してなり、図９に示すように、中央翼部材は更に第三シート状部材Ｃ３を備え、第三シート状部材が第一シート状部材Ｃ２の凹面と末端翼部材Ａ４との間に位置し、第三シート状部材は下部Ｑ１及び上部Ｑ２を含み、第三シート状部材の下部が第二翼型の下輪郭に沿って設置され、第三シート状部材の上部が下部の末端翼部材寄り一端に接続されて、第一シート状部材に向かって曲げられ、“二重片折角形”構造の中央翼部材を形成する。
【００８９】
好ましくは、第三シート状部材の下部及び上部が一体成形されて、下部と上部との交差部が円滑に移行する。
【００９０】
十組目の実施例
【００９１】
中央翼部材は上記複数組の実施例に開示されたシート状部材以外に、更に少なくとも１つの中実翼部材を備え、図１０ａ〜図１０ｃに示すように、中実翼部材が先端翼部材に接近する凸面、末端翼部材に接近する凹面及び第二翼型下輪郭に沿って設置される下側面を有し、下側面がそれぞれ中実翼部材の凸面及び凹面の下端に接続され、中実翼部材の凸面が凹面の上端に接続され、中実翼部材の凸面の少なくとも一部が第二翼型の上輪郭に沿って設置される。
【００９２】
好ましくは、中実翼部材の下側面及び凸面と凹面との接続部が円滑に移行する。
【００９３】
第十一組の実施例
【００９４】
主翼部材における末端翼部材も複数の形式を有し、末端翼部材が流線形断面を有し、断面の外部輪郭が第三翼型を呈し、第三翼型の下輪郭の少なくとも一部が第二翼型の下輪郭に沿って設置され、第三翼型の上輪郭の少なくとも一部が第二翼型の上輪郭に沿って設置され、第三翼型の後縁点が第二翼型の後縁点と重なる。
【００９５】
図１ａ、図２、図６ｃ、図８ａ〜図８ｄ、図９、図１０ａ〜図１０ｃに示すように、末端翼部材が中実構造である。
【００９６】
図３ａ、図３ｂ、図４、図６ｅ〜図６ｇに示すように、末端翼部材はその上輪郭に沿って設置される第四シート状部材及びその下輪郭に沿って設置される第五シート状部材を備え、第四シート状部材の両端がそれぞれ第五シート状部材の両端に接続される。
【００９７】
図６ｂに示すように、第四シート状部材Ｅ６の両端がそれぞれ第三接続部材Ｌ５及び第四接続部材Ｌ８によって第五シート状部材Ｅ７の両端に接続される。
【００９８】
図６ａ及び図６ｈに示すように、末端翼部材の強度を向上させるために、第四シート状部材と第五シート状部材との間に少なくとも１つの第二補強材Ｎ４、Ｎ５が設置され、図６ｈに示す末端翼部材における第二補強材Ｎ５が複数あり、末端翼部材の前中後部に配置される。
【００９９】
十二組目の実施例
【０１００】
十二組目の実施例は第十一組の実施例を基に変化してなり、図１１に示すように、その相違点は第五シート状部材Ｅ４の先端翼部材寄り一端に延在部Ｒ１が接続され、延在部が第二翼型の下輪郭に沿って設置され、第四シート状部材Ｅ３の先端翼部材寄り一端に延在部に貼合される貼合部Ｒ２が接続され、“鴨嘴”型と類似する構造を形成することにある。
【０１０１】
好ましくは、貼合部及び第四シート状部材が一体成形される。
【０１０２】
図７ａ及び図７ｃに示すように、延在部の先端翼部材寄り一端に第二翼型の上輪郭に向かって曲げられる曲げ部Ｒ３が接続され、“浮き上がり鴨嘴”型と類似する構造を形成する。
【０１０３】
図７ｂに示すように、曲げ部、延在部及び第五シート状部材が一体成形される。
【０１０４】
図１ｂ、図１ｃ、図５、図６ｄ、図６ｈ〜図６ｏ、図７ｂ、図７ｃに示すように、第四シート状部材及び第五シート状部材が一体成形され、中央翼部材の加工方法と類似し、末端翼部材は押し出し成形又は板金プレス圧力成形方法で製造されてなってもよい。
【０１０５】
図１５ａ及び図１５ｂに示すように、本発明におけるブレードの第二翼型外部輪郭がそれぞれＸ翼型基準及びＹ翼型基準に従って設計してなり、ブレードと翼型との前縁点ａが重なるが、両方の後縁点ｂが重ならず、その理由はブレードの後縁が実際に翼型のように尖っていない（必要がない）。
【０１０６】
図１６ａ〜図１６ｄは順に図３ａにおけるＦＷ４Ｓ１ブレード、図６ｆにおけるＦＷ４１Ｂブレード、図６ｅにおけるＦＷ３１Ｂブレード、図１０ａにおけるＦＷ３１２ブレードの三次元模式図であり、本発明におけるブレードは外部フレーム（図示せず）によって先端翼部材、中央翼部材及び末端翼部材を相対的に固定して形成してもよい。
【０１０７】
図１７に示すように、本実施例は３ブレード風力タービンを例として、４種の形式で風力タービンに本発明におけるブレードを応用してもよく、３種は垂直軸のＨ型、Φ型及び渦巻型であり、ブレードの弦長の延在方向が変えず、１種が水平軸であり、ブレードの弦長が風力タービンの半径に沿って外向きに徐々に小さくなり、Ｏが風力タービンの回転軸線を示す。
【０１０８】
その他に、本発明におけるブレードは更に水車ブレード、蒸気タービンブレード又はプロペラブレード、特に潮汐流を利用して発電する垂直軸水力タービンブレードとして使用されてもよい。
【０１０９】
本発明における低速流体を効率的に利用するブレードの技術的効果を検証するために、それぞれ６種のブレードを垂直軸のＨ型風力タービンに取り付け、電力が風速に従って変化する値を測定して、電力曲線をフィッティングし、各ブレードの曲線図は図１８に示され、図１９は図１８における各曲線図の比較図である。６種のブレードはそれぞれ１種のＬＦ翼型をブレードの外部輪郭基準翼型として設計した３種の本発明におけるＦＷ４１ＢＬ、ＦＷ３１ＢＬ、ＦＷ３１２Ｌブレード、１種の三翼コレクタブレードＧ３ｄ２Ｌ、上記４種のブレードの外部輪郭基準翼型としてのＬＦ翼型ブレード、上記ＬＦ翼型と同じである翼型パラメータｃ、ｘｃ及びｔを有するＮＡＣＡ翼型ブレードである。
【０１１０】
図１８に示す結果から分かるように、本発明におけるＦＷ４１ＢＬブレードのカットイン風速Ｗｉが１．５ｍ／ｓであり、ＦＷ３１ＢＬ、ＦＷ３１２Ｌ及びＧ３ｄ２ＬブレードのＷｉが２ｍ／ｓであるが、ＬＦブレード及びＮＡＣＡブレードのＷｉが順に３．５ｍ／ｓ及び４ｍ／ｓである。
【０１１１】
図１９に示す比較結果から分かるように、降順で電力曲線は順にＦＷ４１ＢＬブレード、Ｇ３ｄ２Ｌブレード、ＦＷ３１２Ｌブレード、ＦＷ３１ＢＬブレード、ＬＦブレード、ＮＡＣＡブレードである。
【０１１２】
表１にはこの６種のブレードを同じ種類の効率的な風力タービンに取り付ける時に測定した風速Ｗｉ−１３ｍ／ｓ範囲における風力エネルギー利用率Ｃｐが風速に従って変化する平均値`Ｃｐ、カットイン風速Ｗｉ及びＷｉ風速時の開始から平衡回転速度になるまでの加速時間Ｔを示す。
【０１１３】
表１、６種のブレードが同じ種類の効率的な風力タービンで測定したＣｐは風速に従って変化する平均値
0006609705.tif 000002
【０１１４】
ＮＡＣＡブレード以外に、他の５種のブレードはいずれも類似する外形又は外部輪郭形状を有し、通気空間を有するブレードの性能がいずれもＬＦブレードより優れ、それにより通気空間の構造は性能を向上させる主な要因であり、それらの性能の相違は主に通気空間の数及び形状の違いに起因すると説明され、ＮＡＣＡブレードの性能が最も低いことは、飛翔体に対して設計した航空翼型が垂直軸風力タービンに適用しないことを説明する。
【０１１５】
要するに、本発明におけるブレードの`ＣｐがＧ３ｄ２Ｌブレード以上であるが、本発明におけるブレードのコストがＧ３ｄ２Ｌのようなコレクタブレードより少なくとも２０％低減し、価格性能比がより高い。
【０１１６】
本発明における低速流体を効率的に利用するブレードの製造方法、一般的なプロセスは以下を含む。
【０１１７】
第一ステップ、加工原料を選択し、加工原料が延性を有する軽量金属シート（アルミニウム板、アルミニウム合金板を含むがそれらに限らない）、軽量合金非シート材料（アルミニウム合金、アルミニウムマグネシウム合金を含むがそれらに限らない）、高分子材料（ポリカーボネート、ポリウレタン、ＡＢＳを含むがそれらに限らない）、又は繊維強化複合材料（ガラス繊維、炭素繊維、カヴニク繊維複合材料を含むがそれらに限らない）である。
【０１１８】
第二ステップ、異なる加工原料に対して、曲面金型又はダイスを用いて成形し、又は曲面ロール成形によって加工原料を所定形状のシート状部材に製造し、曲面金型又はダイス成形はプレス成形、押し出し成形、射出圧力成形、圧力鋳造成形、フォーミングダイ又はインプリント成形を含む。
【０１１９】
具体的には、加工原料が軽量金属シートである時、曲面ロール成形又はプレス成形を用い、加工原料が軽量合金非シート材料又は高分子材料である時、押し出し成形、射出圧力成形又は圧力鋳造成形を用い、加工原料が繊維強化複合材料である時、フォーミングダイ又はインプリント成形、圧力鋳造成形を用いる。
【０１２０】
第三ステップ、製造されたシート状部材で先端翼部材、中央翼部材又は末端翼部材を構成する。
【０１２１】
以上の実施例は本発明のいくつかの実施形態を説明し、その説明はより具体的且つ詳細であるが、本発明の特許範囲を制限するためのものではない。ただし、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱せずに、種々の変形や改良を行うことができ、これらはいずれも本発明の保護範囲に含まれる。このため、本発明特許の保護範囲は請求の範囲に準じるべきである。
【図１ａ】
0006609705.tif 000003
【図１ｂ】
0006609705.tif 000004
【図１ｃ】
0006609705.tif 000005
【図２】
0006609705.tif 000006
【図３ａ】
0006609705.tif 000007
【図３ｂ】
0006609705.tif 000008
【図４】
0006609705.tif 000009
【図５】
0006609705.tif 000010
【図６ａ】
0006609705.tif 000011
【図６ｂ】
0006609705.tif 000012
【図６ｃ】
0006609705.tif 000013
【図６ｄ】
0006609705.tif 000014
【図６ｅ】
0006609705.tif 000015
【図６ｆ】
0006609705.tif 000016
【図６ｇ】
0006609705.tif 000017
【図６ｈ】
0006609705.tif 000018
【図６ｉ】
0006609705.tif 000019
【図６ｊ】
0006609705.tif 000020
【図６ｋ】
0006609705.tif 000021
【図６ｌ】
0006609705.tif 000022
【図６ｍ】
0006609705.tif 000023
【図６ｎ】
0006609705.tif 000024
【図６ｏ】
0006609705.tif 000025
【図７ａ】
0006609705.tif 000026
【図７ｂ】
0006609705.tif 000027
【図７ｃ】
0006609705.tif 000028
【図８ａ】
0006609705.tif 000029
【図８ｂ】
0006609705.tif 000030
【図８ｃ】
0006609705.tif 000031
【図８ｄ】
0006609705.tif 000032
【図９】
0006609705.tif 000033
【図１０ａ】
0006609705.tif 000034
【図１０ｂ】
0006609705.tif 000035
【図１０ｃ】
0006609705.tif 000036
【図１１】
0006609705.tif 000037
【図１２】
0006609705.tif 000038
【図１３】
0006609705.tif 000039
【図１４】
0006609705.tif 000040
【図１５ａ】
0006609705.tif 000041
【図１５ｂ】
0006609705.tif 000042
【図１６ａ】
0006609705.tif 000043
【図１６ｂ】
0006609705.tif 000044
【図１６ｃ】
0006609705.tif 000045
【図１６ｄ】
0006609705.tif 000046
【図１７】
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【図１８】
0006609705.tif 000048
【図１９】
0006609705.tif 000049