(57)【要約】【課題】ブレードに生じる曲げ応力を低減できること。【解決手段】１本のブレード１５１に対して、ブレード支持部材１５２が３本の直線翼ダリウス形風車１００では、当該ブレード支持部材１５２をブレード１５１の中央位置に１本、その他の２本をブレード中央位置からスパン方向に均等に且つブレード１５１の長さＬに対して０．６８Ｌ〜０．７４Ｌの間隔となるようにして当該２本のブレード支持部材１５２によりブレード１５１を支持する。これにより、ブレード全体の曲げモーメントを低減かつ平滑化させるから、ブレードに加わる荷重を低減でき、高回転高効率化を実現できる。【選択図】        図５
2004308643.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
設置面に対して垂直に設けた垂直回転軸から前記垂直回転軸に交差する方向に延出された複数のブレード支持部材によって支持された、垂直軸風車のブレードであって、
前記ブレードのスパン方向の中央となる中央位置と、前記中央位置から前記スパン方向に等間隔となる二つの位置に、前記ブレード支持部材を支持する支持部を備え、
前記二つの位置の間隔は、前記ブレードの長さＬに対して０．６０Ｌ〜０．８０Ｌであることを特徴とする垂直軸風車のブレード。
【請求項２】
設置面に対して垂直に設けた垂直回転軸から前記垂直回転軸に交差する方向に延出された複数のブレード支持部材によって支持された、垂直軸風車のブレードであって、
前記ブレード支持部材同士が前記ブレードのスパン方向の長さＬに対して０．５０Ｌ〜０．６８Ｌの間隔となる二つの位置に、前記ブレード支持部材を支持する支持部を有することを特徴とする垂直軸風車のブレード。
【請求項３】
設置面に対して垂直に設けた垂直回転軸から前記垂直回転軸に交差する方向に延出した複数のブレード支持部材によって支持された、垂直軸風車のブレードにおいて、
前記垂直回転軸の回転中の遠心力に起因した前記ブレードの曲げモーメントに基づくブレードの曲げ応力が設定値以下になるように、前記設定値より大きい曲げ応力が発生する部分に対し、断面係数を大きくする補強部材を設けたことを特徴とする垂直軸風車のブレード。
【請求項４】
設置面に対して垂直に設けた垂直回転軸から前記垂直回転軸に交差する方向に延出した複数のブレード支持部材によって支持された、垂直軸風車のブレードにおいて、
前記複数のブレード支持部材のうち一の支持部材によって支持される支持位置と、前記一の支持部材と隣接する他の支持部材によって支持される支持位置との間における前記ブレードの内部に、それ以外の部分より断面係数を大きくする補強部材を設けたことを特徴とする垂直軸風車のブレード。
【請求項５】
設置面に対して垂直に設けた垂直回転軸から前記垂直回転軸に交差する方向に延出した複数のブレード支持部材によって支持された、垂直軸風車のブレードにおいて、
前記ブレードは、一のブレード支持部材と、前記一のブレード支持部材から上下に配置されている他のブレード支持部材とによって支持されており、
前記一のブレード支持部材によって支持されている支持位置付近における前記ブレードの内部に、それ以外の部分より断面係数を大きくする補強部材を設けたことを特徴とする垂直軸風車のブレード。
【請求項６】
前記ブレードは、
その断面が翼形の外板と、
前記外板の間に翼弦長方向に対して直角に設けられた複数の桁と、
前記ブレードに生じる曲げ応力の中立面の一方側または両側に強度部材として設けたスパー部と、
からなることを特徴とする請求項３〜５のいずれか一つに記載の垂直軸風車のブレード。
【請求項７】
設置面に対して垂直に設けた垂直回転軸から前記垂直回転軸に交差する方向に延出した複数のブレード支持部材によって、前記垂直回転軸と略平行に配置されたブレードを支持する垂直軸風車において、
前記ブレード支持部材によって前記ブレードが支持される支持点を、前記ブレードのスパン方向において、前記ブレードの曲げモーメントを少なくとも仮の隣接位置より小さくできる位置としたことを特徴とする垂直軸風車。
【請求項８】
設置面に対して垂直に設けた垂直回転軸から前記垂直回転軸に交差する方向に延出した複数のブレード支持部材によって、前記垂直回転軸と略平行に配置されたブレードを支持する垂直軸風車において、
前記ブレード支持部材は、前記ブレードの曲げモーメントが所定範囲に収まるようになる位置をシミュレーションまたは実験にて取得してそれに基づいて前記ブレード支持部材によって前記ブレードを支持することを特徴とする垂直軸風車。
【請求項９】
設置面に対して垂直に設けた垂直回転軸から前記垂直回転軸に交差する方向に延出した複数のブレード支持部材によって、前記垂直回転軸と略平行に配置されたブレードを支持する垂直軸風車において、
前記ブレードに生じる曲げモーメントが平滑化される位置において、前記ブレード支持部材によって前記ブレードを支持することを特徴とする垂直軸風車。
【請求項１０】
設置面に対して垂直に設けた垂直回転軸から前記垂直回転軸に交差する方向に延出した複数のブレード支持部材によって、前記垂直回転軸と略平行に配置されたブレードを支持する垂直軸風車において、
前記複数のブレード支持部材は、
前記ブレードのスパン方向の中央となる中央位置を支持する一の支持部材と、
前記中央位置から前記スパン方向に等間隔となる二つの位置をそれぞれ支持する一対のブレード支持部材と、から構成されており、
前記一対のブレード支持部材の間隔は、前記ブレードの長さＬに対して０．６０Ｌ〜０．８０Ｌの間隔であることを特徴とする垂直軸風車。
【請求項１１】
設置面に対して垂直に設けた垂直回転軸から前記垂直回転軸に交差する方向に延出した複数のブレード支持部材によって、前記垂直回転軸と略平行に配置されたブレードを支持する垂直軸風車において、
前記複数のブレード支持部材は、
前記ブレードのスパン方向の中央となる中央位置を支持する一の支持部材と、
前記中央位置から前記スパン方向に等間隔となる二つの位置をそれぞれ支持する一対のブレード支持部材と、から構成されており、
前記一対のブレード支持部材の間隔は、前記ブレードの長さＬに対して０．６８Ｌ〜０．７４Ｌの間隔であることを特徴とする垂直軸風車。
【請求項１２】
設置面に対して垂直に設けた垂直回転軸から前記垂直回転軸に交差する方向に延出した一対のブレード支持部材によって、前記垂直回転軸と略平行に配置されたブレードを支持する垂直軸風車において、
前記一対のブレード支持部材の間隔は、前記ブレードのスパン方向の長さＬに対して０．５０Ｌ〜０．６８Ｌであることを特徴とする垂直軸風車。
【請求項１３】
設置面に対して垂直に設けた垂直回転軸から前記垂直回転軸に交差する方向に延出した一対のブレード支持部材によって、前記垂直回転軸と略平行に配置されたブレードを支持する垂直軸風車において、
前記一対のブレード支持部材の間隔は、前記ブレードのスパン方向の長さＬに対して０．５５Ｌ〜０．６１Ｌであることを特徴とする垂直軸風車。
【請求項１４】
設置面に対して垂直に設けた垂直回転軸と、
前記垂直回転軸に設けられ、前記垂直回転軸から前記垂直回転軸に交差する方向に延出した複数のブレード支持部材と、
前記ブレード支持部材によって支持された上記請求項３〜６のいずれか一つに記載の垂直軸風車のブレードと、
を備えたことを特徴とする垂直軸風車。
【請求項１５】
設置面に対して垂直に設けた垂直回転軸から前記垂直回転軸に交差する方向に延出した複数のブレード支持部材によって支持された、垂直軸風車のブレードに対して、前記垂直回転軸の回転中の遠心力に起因したブレードの曲げモーメントに基づく前記ブレードの曲げ応力発生部分に、断面係数を大きくする補強部材を設ける垂直軸風車のブレードの設計装置であって、
前記ブレードのスパン方向の位置座標ｘをパラメータとして用い、前記補強部材の厚さｔ（ｘ）を仮定する仮定手段と、
前記補強部材の厚さｔ（ｘ）に対して、荷重ｐ（ｘ）と、アームが受け持つ反力Ｒと、曲げモーメントＭ（ｘ）とを算出し、断面係数Ｚ（ｘ）と、前記曲げモーメントＭ（ｘ）に基づいて、曲げ応力σMAX（ｘ）を算出する演算手段と、
前記曲げ応力σMAX（ｘ）が設定応力以下になったか否かを判定する判定手段と、
前記補強部材の厚さの増減によって前記補強部材の厚さｔ（ｘ）を再仮定する増減処理手段と、
を備えることを特徴とする垂直軸風車のブレードの設計装置。
【請求項１６】
ブレードを備えた垂直軸風車の翼車径、翼弦長、翼枚数および風速からなる条件に基づいて前記垂直軸風車の回転速度を求め、前記条件下で前記ブレードの設計をおこなう垂直軸風車のブレードの設計方法において、
前記ブレードに発生する遠心加速度を算出し、前記ブレードのスパン方向の位置座標ｘをパラメータとして用い、補強部材の厚さｔ（ｘ）を仮定する第１ステップと、
前記補強部材の厚さｔ（ｘ）に対して、単位長さ当たりの自重より遠心力によって生じる荷重ｐ（ｘ）を決定する第２ステップと、
前記荷重ｐ（ｘ）により、ブレード各部に変位を生じたブレードにおいて、該生じた変位の量は、ブレード支持部材により支持された位置では０であるという条件の下に各ブレード支持部材が受け持つ反力Ｒを計算する第３ステップと、
前記荷重ｐ（ｘ）と反力Ｒによりブレード各部の曲げモーメントＭ（ｘ）を算出する第４ステップと、
前記補強部材の厚さｔ（ｘ）より算出した断面係数Ｚ（ｘ）と、曲げモーメントＭ（ｘ）により曲げ応力σMAX（ｘ）を算出する第５ステップと、
前記ブレード各部の曲げ応力σMAX（ｘ）が、設定応力以下か否かを判断する第６ステップと、
前記曲げ応力σMAX（ｘ）が設定応力を超える場合に、曲げ応力σMAX（ｘ）が設定応力を超えるブレード部の補強部材の厚さをある一定量増加し、及び／又は、前記曲げ応力σMAX（ｘ）が設定応力未満であるブレード部の補強部材の厚さをある一定量減少させてこれを再仮定する第７ステップと、
を含んだことを特徴とする垂直軸風車のブレードの設計方法。
【請求項１７】
ブレードを備えた垂直軸風車の翼車径、翼弦長、翼枚数および風速からなる条件に基づいて前記垂直軸風車の回転速度を求め、前記条件下で前記ブレードの設計をおこなう垂直軸風車のブレードの設計プログラムにおいて、
コンピュータに、
前記ブレードに発生する遠心加速度を算出し、前記ブレードのスパン方向の位置座標ｘをパラメータとして用い、補強部材の厚さｔ（ｘ）を仮定する第１ステップと、
前記補強部材の厚さｔ（ｘ）に対して、単位長さ当たりの自重より遠心力によって生じる荷重ｐ（ｘ）を決定する第２ステップと、
前記荷重ｐ（ｘ）により、ブレード各部に変位を生じたブレードにおいて、該生じた変位の量は、ブレード支持部材により支持された位置では０であるという条件の下に各ブレード支持部材が受け持つ反力Ｒを計算する第３ステップと、
前記荷重ｐ（ｘ）と反力Ｒによりブレード各部の曲げモーメントＭ（ｘ）を算出する第４ステップと、
前記補強部材の厚さｔ（ｘ）より算出した断面係数Ｚ（ｘ）と、曲げモーメントＭ（ｘ）より曲げ応力σMAX（ｘ）を算出する第５ステップと、
前記ブレード各部の曲げ応力σMAX（ｘ）が、設定応力以下か否かを判断する第６ステップと、
前記曲げ応力σMAX（ｘ）が設定応力を超える場合に、曲げ応力σMAX（ｘ）が設定応力を超えるブレード部の補強部材の厚さをある一定量増加し、及び／又は、前記曲げ応力σMAX（ｘ）が設定応力未満であるブレード部の補強部材の厚さをある一定量減少させてこれを再仮定する第７ステップと、
を実行させることを特徴とする垂直軸風車のブレードの設計プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、風車回転中に発生するブレードの曲げ応力を低減させる垂直軸風車のブレード、垂直軸風車、垂直軸風車のブレードの設計装置および方法、並びに垂直軸風車のブレードの設計プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
垂直軸風車（主にダリウス形風車）は、その構造上、風車からの出力を回転エネルギーとして取り出す回転軸、風を受け回転トルクを発生するブレード、およびブレードで生じた回転トルクを回転軸へ伝える支持機構によって構成されている。
【０００３】
代表的なものであるφダリウス形風車は、ブレードとその支持機構が一体となった形状をしている。これは、風車回転中にブレードに発生する強大な遠心力をブレードのスパン方向（長手方向）に引張り荷重として作用させ、ブレードの強度的な破壊を防止するためである。しかし、このφダリウス形風車はブレードの鉛直部分が、ブレードおよび支持機構全体に対して極端に短いため、プロペラ形と比較して風車効率が悪いという欠点があった。
【０００４】
また、φダリウス形風車に対して、図２６−１および図２６−２のような直線翼を用いたダリウス形風車９００も従来から存在している。図２６−１は、ブレード９０１を２本のブレード支持部材９０２で支持した構造のφダリウス形風車、図２６−２に、ブレード９０１を３本のブレード支持部材９０２で支持した構造のφダリウス形風車を示す。しかし、この従来の直線翼ダリウス形風車９００は、風車回転中にブレード９０１に生じる遠心力によって、ブレード９０１に強大な曲げ応力が生じる欠点があった。
【０００５】
また、ダリウス形風車９００は、垂直軸から放射状に設けたブレード支持部材９０２によりブレード９０１を支持した構造であり、図２７に示すように、ブレード９０１の断面形状は一般的に航空機やプロペラ形風車に使用されているブレードと同等である。
【０００６】
このブレード９０１は外板４、桁３及びスパー部９０３から構成され、桁３とスパー部９０３は強度部材として用いられている。即ち、外板４はブレード９０１の外形を形成している。また、ブレード９０１の内部には、一つの強度部材として翼弦長方向に対して直角に１本または複数本の桁３と、他の強度部材として桁３と外板４との接合部にスパー部９０３が配置されている。そして、これらの強度部材によりブレード９０１に発生する曲げモーメントを支持するようにしている。
【０００７】
また、一般にブレードのような梁構造部材は、引張り応力より曲げ応力に対して弱いため、直線翼ダリウス形風車９００は、構造強度的な問題で高効率化を鑑みた高速回転化が困難であった。なお、垂直軸風車のブレードに関する参考技術としては、例えば下記特許文献１に記載のものが挙げられるが、この技術は航空機の機体構造等に適用される複合材翼構造及びその製造方法に関するものである。
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−９９９９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述した従来技術では、ブレード９０１に生じる曲げ応力に関する問題があったため、高効率化を望む場合、実際の垂直軸風車では、φダリウス形風車か或いは最高回転数を低く制限した直線翼ダリウス形風車が用いられている。一方、直線翼ダリウス形風車の最高回転数を上げ、プロペラ形風車に匹敵する効率を実現するためには、高速回転化が不可欠であり、それには高速化に伴って増加する遠心力を起因とするブレード９０１に生じる強大な曲げ応力の低減が不可欠である。
【００１０】
また、従来、航空機などの翼内部に用いられる構造は、上記特許文献１に開示されているように、スパン方向で一様な場合が多く、これに対して本形式のような、作動時にブレードに生じる曲げモーメント分布がスパン方向で大きく変化する垂直軸風車には、かかる構造のブレードを適用することが非常に困難であった。
【００１１】
ここで、垂直軸風車用のブレード９０１のように、回転軸方向即ちブレード９０１のスパン方向に所要の長さを持つ梁状の構造体に、ブレード９０１のスパン方向即ち長手方向の曲げモーメントＭが発生した場合の梁各部にかかる最大応力（曲げ応力σMAX）は、翼断面の断面係数をＺとすると、下記の式（１）で表される。
σMAX＝Ｍ／Ｚ・・・(１)
【００１２】
なお、翼断面の断面係数Ｚは、翼の内部の桁３やスパー部９０３を簡単のため図２８のように中空の長方形で近似すると、下記の式（２）で表される。
Ｚ＝（ｂh3−ｂ0ｈ03）／（６ｈ）・・・(２)
【００１３】
上記の式（１）および式（２）より、断面係数Ｚを大きくして、ブレード９０１に発生する曲げモーメントＭに対して、ブレード９０１のスパン方向各部断面の最大応力（曲げ応力σMAX）を低下させるためには、ブレード強度部材であるスパー部９０３の厚さt（例えばｔ＝（ｈ−ｈ0）／２）を大きくすることが有効である。
【００１４】
なお、各スパー部９０３の厚さは互いに等しくなくてもよい。また、断面係数とは、部材の曲げ応力度を求めるときに使用される係数であり、単位は、長さの３乗（通常ｃｍ3）で表す。計算方法は、ブレード翼心を通る軸の断面２次モーメントを求め、軸から縁までの距離で除すことでおこなう。
【００１５】
また、図２６に示す風車９００のブレード９０１は、従来アルミニウムの引き抜き等で製作されており、製作の都合上、ブレード９０１の断面形状は一様である。しかしながら、風車回転時においてブレード９０１の自重に起因する遠心力により、ブレード９０１に発生する曲げモーメントは、ブレード支持部材９０２の取付位置および本数等によるブレード９０１の支持条件によって、その大きさがブレード９０１のスパン方向、即ちブレード長手方向でほぼ０から最大値までという大きな違いをもって分布する。
【００１６】
このため、その曲げモーメントをブレード９０１のスパン方向で均一化することは、ブレード９０１の断面形状が一様という条件の下では非常に困難である。したがって、スパン方向に一様な断面形状のブレード９０１では、曲げ応力σMAX分布も、略０から最大値まで大きく変化してしまうという問題があった。
【００１７】
また、一般的に、垂直軸風車は高速回転形になるほど風車効率が高くなる傾向がある。しかしながら、回転速度の上昇による遠心力の増加により、ブレード９０１のスパン方向に発生する曲げモーメントが過大になり、ブレード９０１の破壊原因となるため風車回転速度の上限が制約されるという問題があった。
【００１８】
また、風速と風車回転速度は、比例関係にあるため、より風のエネルギーが大きな高風速時に風車の回転を停止しなければならず、高効率、高出力が得られるべき条件での運転ができないという問題があった。
【００１９】
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、ブレードに生じる曲げ応力を低減できる垂直軸風車およびそのブレードを提供することを目的とする。
【００２０】
また、この発明は、ブレードの自重を抑制でき、かつ、ブレードに発生する曲げモーメントがブレードスパン方向に変化しても、曲げ応力σMAXをある設定値以下に抑える垂直軸風車のブレード、垂直軸風車、垂直軸風車のブレードの設計装置および方法、並びに垂直軸風車のブレードの設計プログラム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】
【００２１】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項１の発明にかかる垂直軸風車のブレードは、設置面に対して垂直に設けた垂直回転軸から前記垂直回転軸に交差する方向に延出された複数のブレード支持部材によって支持された、垂直軸風車のブレードであって、前記ブレードのスパン方向の中央となる中央位置と、前記中央位置から前記スパン方向に等間隔となる二つの位置に、前記ブレード支持部材を支持する支持部を備え、前記二つの位置の間隔は、前記ブレードの長さＬに対して０．６０Ｌ〜０．８０Ｌであることを特徴とする。
【００２２】
また、請求項２の発明にかかる垂直軸風車のブレードは、設置面に対して垂直に設けた垂直回転軸から前記垂直回転軸に交差する方向に延出された複数のブレード支持部材によって支持された、垂直軸風車のブレードであって、前記ブレード支持部材同士が前記ブレードのスパン方向の長さＬに対して０．５０Ｌ〜０．６８Ｌの間隔となる二つの位置に、前記ブレード支持部材を支持する支持部を有することを特徴とする。
【００２３】
また、請求項３の発明にかかる垂直軸風車のブレードは、設置面に対して垂直に設けた垂直回転軸から前記垂直回転軸に交差する方向に延出した複数のブレード支持部材によって支持された、垂直軸風車のブレードにおいて、前記垂直回転軸の回転中の遠心力に起因した前記ブレードの曲げモーメントに基づくブレードの曲げ応力が設定値以下になるように、前記設定値より大きい曲げ応力が発生する部分に対し、断面係数を大きくする補強部材を設けたことを特徴とする。
【００２４】
この請求項３の発明では、大きな曲げモーメントが発生する部分のブレード内部に多くの補強部材を配置することで、曲げ応力σMAXを低減させて設定値以下に抑え、曲げモーメントが大きくない部分には、補強部材を設けず（またはブレード内部の強度部材を少なくしてもよい）ブレードの自重を低減し、遠心力によりブレードに発生する曲げモーメント自体の低減を図るようにした。
【００２５】
ここで、曲げモーメントに基づく曲げ応力の大小は、ブレードのスパン方向各部の比較においてであり、少なくとも梁と梁の支持点が存在するとすれば、一般的に梁に荷重が加わった場合に曲げモーメントが最大になる部分は、前記曲げ応力が大きい部分であると認められる。また、上記曲げ応力の設定値は、ブレードの構造によって異なる。
【００２６】
また、換言すれば、風車の回転時に発生するブレードの自重による遠心力を荷重とし、支持部材の位置および本数等のブレード支持条件によって生じる、ブレードスパン方向、即ちブレードの長手方向の曲げモーメント分布に対して、その大きさに応じてブレード断面の補強部材、例えばスパー部の厚さを増減し、断面係数を好適に変化させる。そして、ブレードの任意断面のスパー部や桁等の強度部材に生じる応力が必ず設定値以下になるように構成する。
【００２７】
即ち、大きい曲げモーメントを生じる部分も、曲げモーメントを殆ど生じない部分も必要最小限のスパー部の厚さとすることで、不要なスパー部の肉厚を排除し、これを以って当該ブレードを軽量化する。そして、風車回転時にブレード自重に起因した遠心力により発生する曲げモーメントを最小化し、ブレード強度部材に発生する応力を低く抑えるようにする。この結果、より高回転速度の風車が実現でき、高効率かつ高出力での運転を可能せしめる。
【００２８】
なお、補強部材は、ブレードのスパン方向に連続して設けてその断面係数（例えば厚さ）を変化させても良いし、複数ピースにして必要箇所に設けるようにしても良い。さらに、前記断面係数を大きくする補強部材は、スパー部のほか、ブレード内部に配置できる部材であれば、どのようなものでも良い。
【００２９】
また、請求項４の発明にかかる垂直軸風車のブレードは、設置面に対して垂直に設けた垂直回転軸から前記垂直回転軸に交差する方向に延出した複数のブレード支持部材によって支持された、垂直軸風車のブレードにおいて、前記複数のブレード支持部材のうち一の支持部材によって支持される支持位置と、前記一の支持部材と隣接する他の支持部材によって支持される支持位置との間における前記ブレードの内部に、それ以外の部分より断面係数を大きくする補強部材を設けたことを特徴とする。
【００３０】
この請求項４の発明では、ブレードのうち、一のブレード支持部材による支持部位と、隣接する他のブレード支持部材による支持部位との間の曲げモーメントが大きくなるので、当該部位に補強部材を設けることで、それ以外の部分よりブレードの断面係数を増加させるようにしている。これにより、必要部分のみに補強部材を設け、ブレードの必要部分の断面係数を大きくできると共にブレードの軽量化が可能になる。
【００３１】
また、請求項５の発明にかかる垂直軸風車のブレードは、設置面に対して垂直に設けた垂直回転軸から前記垂直回転軸に交差する方向に延出した複数のブレード支持部材によって支持された、垂直軸風車のブレードにおいて、前記ブレードは、一のブレード支持部材と、前記一のブレード支持部材から上下に配置されている他のブレード支持部材とによって支持されており、前記一のブレード支持部材によって支持されている支持位置付近における前記ブレードの内部に、それ以外の部分より断面係数を大きくする補強部材を設けたことを特徴とする。
【００３２】
この請求項５の発明では、ブレードのうち、一のブレード支持部材による支持部位付近に大きな曲げモーメントが加わるため、当該部位に補強部材を設けることで、それ以外の部分よりブレードの断面係数を増加させる。これにより、必要部分のみに補強部材を設け、結果的にブレード全体の曲げモーメントに対する強度を大きくできると共にブレードの軽量化が可能になる。
【００３３】
また、請求項６の発明にかかる垂直軸風車のブレードは、請求項３〜５のいずれか一つに記載の発明において、前記ブレードは、その断面が翼形の外板と、前記外板の間に翼弦長方向に対して直角に設けられた複数の桁と、前記ブレードに生じる曲げ応力の中立面の一方側または両側に強度部材として設けたスパー部と、からなることを特徴とする。
【００３４】
この請求項６の発明では、ブレードの曲げ応力中立面はブレードのスパン方向に生じ、その一方または両方側にスパー部を設けることで、断面係数が大きくなる。
【００３５】
また、請求項７の発明にかかる垂直軸風車は、設置面に対して垂直に設けた垂直回転軸から前記垂直回転軸に交差する方向に延出した複数のブレード支持部材によって、前記垂直回転軸と略平行に配置されたブレードを支持する垂直軸風車において、前記ブレード支持部材によって前記ブレードが支持される支持点を、前記ブレードのスパン方向において、前記ブレードの曲げモーメントを少なくとも仮の隣接位置より小さくできる位置としたことを特徴とする。
【００３６】
この請求項７の発明では、ブレード支持部材による支持位置の近傍を仮に支持した場合、ブレードに生じる曲げモーメントが小さくなれば、ブレード全体の曲げモーメントが平滑化される。これにより、直線翼垂直軸風車の高回転化が可能になる。
【００３７】
また、請求項８の発明にかかる垂直軸風車は、設置面に対して垂直に設けた垂直回転軸から前記垂直回転軸に交差する方向に延出した複数のブレード支持部材によって、前記垂直回転軸と略平行に配置されたブレードを支持する垂直軸風車において、前記ブレード支持部材は、前記ブレードの曲げモーメントが所定範囲に収まるようになる位置をシミュレーションまたは実験にて取得してそれに基づいて前記ブレード支持部材によって前記ブレードを支持することを特徴とする。
【００３８】
この請求項８の発明では、ブレード支持部材の支持位置によりブレードに生じる曲げモーメントが変わるため、これをシミュレーションまたは実験的に求めて最適な位置にてブレードを支持するようにすれば、ブレード全体の曲げモーメントは平滑化される。これにより、直線翼垂直軸風車の高回転化が可能になる。
【００３９】
また、請求項９の発明にかかる垂直軸風車は、設置面に対して垂直に設けた垂直回転軸から前記垂直回転軸に交差する方向に延出した複数のブレード支持部材によって、前記垂直回転軸と略平行に配置されたブレードを支持する垂直軸風車において、前記ブレードに生じる曲げモーメントが平滑化される位置において、前記ブレード支持部材によって前記ブレードを支持することを特徴とする。
【００４０】
この請求項９の発明において、前記ブレードには、その形状などの諸条件により曲げモーメントが平滑化される支持位置が存在する。この発明では、係る点に着目して、ブレード支持部材によるブレードの支持位置の工夫により曲げモーメントの平滑化を行う。これにより、直線翼垂直軸風車の高回転化が可能になる。
【００４１】
また、請求項１０の発明にかかる垂直軸風車は、設置面に対して垂直に設けた垂直回転軸から前記垂直回転軸に交差する方向に延出した複数のブレード支持部材によって、前記垂直回転軸と略平行に配置されたブレードを支持する垂直軸風車において、前記複数の支持部材は、前記ブレードのスパン方向の中央となる中央位置を支持する一のブレード支持部材と、前記中央位置から前記スパン方向に等間隔となる二つの位置をそれぞれ支持する一対のブレード支持部材と、から構成されており、前記一対のブレード支持部材の間隔は、前記ブレードの長さＬに対して０．６０Ｌ〜０．８０Ｌの間隔であることを特徴とする。
【００４２】
また、請求項１１の発明にかかる垂直軸風車は、設置面に対して垂直に設けた垂直回転軸から前記垂直回転軸に交差する方向に延出した複数のブレード支持部材によって、前記垂直回転軸と略平行に配置されたブレードを支持する垂直軸風車において、前記複数の支持部材は、前記ブレードのスパン方向の中央となる中央位置を支持する一のブレード支持部材と、前記中央位置から前記スパン方向に等間隔となる二つの位置をそれぞれ支持する一対のブレード支持部材と、から構成されており、前記一対のブレード支持部材の間隔は、前記ブレードの長さＬに対して０．６８Ｌ〜０．７４Ｌの間隔であることを特徴とする。
【００４３】
また、請求項１２の発明にかかる垂直軸風車は、設置面に対して垂直に設けた垂直回転軸から前記垂直回転軸に交差する方向に延出した一対のブレード支持部材によって、前記垂直回転軸と略平行に配置されたブレードを支持する垂直軸風車において、前記一対のブレード支持部材の間隔は、前記ブレードのスパン方向の長さＬに対して０．５０Ｌ〜０．６８Ｌであることを特徴とする。
【００４４】
また、請求項１３の発明にかかる垂直軸風車は、設置面に対して垂直に設けた垂直回転軸から前記垂直回転軸に交差する方向に延出した一対のブレード支持部材によって、前記垂直回転軸と略平行に配置されたブレードを支持する垂直軸風車において、前記一対のブレード支持部材の間隔は、前記ブレードのスパン方向の長さＬに対して０．５５Ｌ〜０．６１Ｌであることを特徴とする。
【００４５】
また、請求項１４の発明にかかる垂直軸風車は、設置面に対して垂直に設けた垂直回転軸と、前記垂直回転軸に設けられ、前記垂直回転軸から前記垂直回転軸に交差する方向に延出した複数のブレード支持部材と、前記ブレード支持部材によって支持された上記請求項３〜６のいずれか一つに記載の垂直軸風車のブレードと、を備えたことを特徴とする。
【００４６】
また、請求項１５の発明にかかる垂直軸風車のブレードの設計装置は、設置面に対して垂直に設けた垂直回転軸から前記垂直回転軸に交差する方向に延出した複数のブレード支持部材によって支持された、垂直軸風車のブレードに対して、前記垂直回転軸の回転中の遠心力に起因したブレードの曲げモーメントに基づく前記ブレードの曲げ応力発生部分に、断面係数を大きくする補強部材を設ける垂直軸風車のブレードの設計装置であって、前記ブレードのスパン方向の位置座標ｘをパラメータとして用い、前記補強部材の厚さｔ（ｘ）を仮定する仮定手段と、前記補強部材の厚さｔ（ｘ）に対して、荷重ｐ（ｘ）と、アームが受け持つ反力Ｒと、曲げモーメントＭ（ｘ）とを算出し、断面係数Ｚ（ｘ）と、前記曲げモーメントＭ（ｘ）に基づいて、曲げ応力σMAX（ｘ）を算出する演算手段と、前記曲げ応力σMAX（ｘ）が設定応力以下になったか否かを判定する判定手段と、前記補強部材の厚さの増減によって前記補強部材の厚さｔ（ｘ）を再仮定する増減処理手段と、を備えることを特徴とする。
【００４７】
また、請求項１６の発明にかかる垂直軸風車のブレードの設計方法は、ブレードを備えた垂直軸風車の翼車径、翼弦長、翼枚数および風速からなる条件に基づいて前記垂直軸風車の回転速度を求め、前記条件下で前記ブレードの設計をおこなう垂直軸風車のブレードの設計方法において、前記ブレードに発生する遠心加速度を算出し、前記ブレードのスパン方向の位置座標ｘをパラメータとして用い、補強部材の厚さｔ（ｘ）を仮定する第１ステップと、前記補強部材の厚さｔ（ｘ）に対して、単位長さ当たりの自重より遠心力によって生じる荷重ｐ（ｘ）を決定する第２ステップと、前記荷重ｐ（ｘ）により、ブレード各部に変位を生じたブレードにおいて、該生じた変位の量は、ブレード支持部材により支持された位置では０であるという条件の下に各ブレード支持部材が受け持つ反力Ｒを計算する第３ステップと、前記荷重ｐ（ｘ）と反力Ｒによりブレード各部の曲げモーメントＭ（ｘ）を算出する第４ステップと、前記補強部材の厚さｔ（ｘ）より算出した断面係数Ｚ（ｘ）と、曲げモーメントＭ（ｘ）により曲げ応力σMAX（ｘ）を算出する第５ステップと、前記ブレード各部の曲げ応力σMAX（ｘ）が、設定応力以下か否かを判断する第６ステップと、前記曲げ応力σMAX（ｘ）が設定応力を超える場合に、曲げ応力σMAX（ｘ）が設定応力を超えるブレード部の補強部材の厚さをある一定量増加し、及び／又は、前記曲げ応力σMAX（ｘ）が設定応力未満であるブレード部の補強部材の厚さをある一定量減少させてこれを再仮定する第７ステップと、を含んだことを特徴とする。
【００４８】
また、請求項１７の発明にかかる垂直軸風車のブレード設計のプログラムは、ブレードを備えた垂直軸風車の翼車径、翼弦長、翼枚数および風速からなる条件に基づいて前記垂直軸風車の回転速度を求め、前記条件下で前記ブレードの設計をおこなう垂直軸風車のブレードの設計プログラムにおいて、コンピュータに、前記ブレードに発生する遠心加速度を算出し、前記ブレードのスパン方向位置の座標ｘをパラメータとして用い、補強部材の厚さｔ（ｘ）を仮定する第１ステップと、前記補強部材の厚さｔ（ｘ）に対して、単位長さ当たりの自重より遠心力によって生じる荷重ｐ（ｘ）を決定する第２ステップと、前記荷重ｐ（ｘ）により、ブレード各部に変位を生じたブレードにおいて、該生じた変位の量は、ブレード支持部材により支持された位置では０であるという条件の下に各ブレード支持部材が受け持つ反力Ｒを計算する第３ステップと、前記荷重ｐ（ｘ）と反力Ｒによりブレード各部の曲げモーメントＭ（ｘ）を算出する第４ステップと、前記補強部材の厚さｔ（ｘ）より算出した断面係数Ｚ（ｘ）と、曲げモーメントＭ（ｘ）より曲げ応力σMAX（ｘ）を算出する第５ステップと、前記ブレード各部の曲げ応力σMAX（ｘ）が、設定応力以下か否かを判断する第６ステップと、前記曲げ応力σMAX（ｘ）が設定応力を超える場合に、曲げ応力σMAX（ｘ）が設定応力を超えるブレード部の補強部材の厚さをある一定量増加し、及び／又は、前記曲げ応力σMAX（ｘ）が設定応力未満であるブレード部の補強部材厚さをある一定量減少させてこれを再仮定する第７ステップと、を実行させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００４９】
この発明の垂直軸風車およびそのブレードによれば、ブレードに生じる曲げ応力を低減して、高回転化を可能にし、風車の高効率化を促進することができるという効果を奏する。
【００５０】
また、ブレードの自重が極限まで軽くなるのでブレードスパン方向に発生する曲げモーメントは小さくなる。また、ブレード強度部材に発生する曲げ応力σMAXを均一化でき、また、その絶対値をある設定値以下にするようにできるので、風車の更なる高速運転が可能となるという効果を奏する。したがって、高効率、高出力の運転が可能となるので実用上の有用性が極めて高い風車を提供できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５１】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる垂直軸風車およびそのブレードの好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００５２】
（実施の形態１）
図１は、この発明を説明するための比較例である直線翼ダリウス形風車を示す斜視図である。まず、直線翼ダリウス形風車１５０の運転中において、ブレード１５１に発生する曲げモーメントを考える。なお、ブレード１５１に発生する曲げモーメントおよびそれに伴う曲げ応力は、ブレード１５１の中心位置に対して上下方向に対象であり、以下では、ブレード１５１の中心位置からスパン方向の半分に相当する部分に関して検討する。
【００５３】
なお、各ブレード１５１は、３本のブレード支持部材１５２により支持されている。任意のブレード１５１を支持する３本のブレード支持部材１５２のうち、中央のブレード支持部材１５２ａは、ブレード１５１のスパン方向の中央位置を支持している。
【００５４】
また、残りの一対のブレード支持部材１５２ｂ、１５２ｃは、ブレード１５１の中央位置からスパン方向に等間隔となる二つの位置をそれぞれ支持する。なお、ブレード支持部材１５２は、回転軸１５３を中心として１２０度毎に配置されている。また、このブレード１５１の材料は、例えばアルミニウム，カーボン繊維強化合成樹脂（Ｃ−ＦＲＰ）等である。
【００５５】
図２は、ブレード中心部からの距離と、発生する曲げモーメントとの関係を示すグラフ図であり、コンピュータシミュレーションによって求めたものである。図２に示すグラフの横軸は、ブレード中心位置からブレードの上（下）端までの距離を示す。また、ブレード１５１の回転中に各部に生じる単位長さ当たりの荷重ｐ［Ｎ／ｍ］は、直線翼ダリウス形風車１５０の回転数およびブレード１５１自身の単位長さ当たりの自重によって変化する。
【００５６】
したがって、図２の縦軸は、縦軸の値にブレード１５１の単位長さ当たりの荷重ｐ［Ｎ／ｍ］を乗じた際、その各部に生じる曲げモーメントＭ［Ｎ・ｍ］となるようにプロットしてある。換言すると、スパン方向（図１中矢印Ｓ）の断面形状が同一である場合、スパン方向の単位長さ当たりの重量および荷重が同一になるため、図２は、ブレード１５１のスパン方向の曲げモーメントＭの分布を示すことになる。なお、ここで曲げモーメントの正負は、曲げの方向の違いを規定している（図２参照）。
【００５７】
更に、ブレード１５１のような梁構造部材に曲げモーメントＭが発生する場合、ブレード１５１の各部に生じる曲げ応力σは、断面係数Ｚを用いて次式（３）で示すことができる。
σ＝Ｍ／Ｚ・・・（３）
【００５８】
図３は、一般的に垂直軸風車のブレードとして用いられるブレード１５１の内部構造を示す断面図である。図３の外板１５４は、ブレード１５１の空力的特性のために設けられ、スパー部１５５や桁１５６は強度部材として設けられているものと仮定する。
【００５９】
よって、ブレード１５１の強度部材（スパー部１５５や桁１５６のみ）を図４のような長方形と仮定すると、ブレード１５１の断面係数Ｚは、次式（４）のように示すことができる。
Ｚ＝（ｂｈ3−ｂ0ｈ03）／６ｈ・・・（４）
【００６０】
つまり、このブレード１５１の断面形状がスパン方向で一様であった場合、図２のグラフ図は、風車回転中にブレード１５１に生じる曲げ応力σの分布を示すことになる。したがって、図２のグラフ図から理解できる通り、ブレード１本に対してブレード支持部材１５２を図１のように配置した場合、ブレード１５１の中心位置の曲げ応力が他の部分より極端に大きくなってしまう。
【００６１】
図５は、この発明に係るブレード１本当たり３本のブレード支持部材を好適に配置した例を示す斜視図である。この直線翼ダリウス形風車１００は、図１に示したブレード１５１とブレード支持部材１５２との関係（本数、および配置）に起因した曲げモーメント（曲げ応力）分布を好適に低減できるようにしたものである。
【００６２】
具体的には、各ブレード１５１は、３本のブレード支持部材１５２により支持されている。任意のブレード１５１を支持する３本のブレード支持部材１５２のうち、中央のブレード支持部材１５２ａは、ブレード１５１のスパン方向の中央位置を支持している。
【００６３】
そして、残りの一対のブレード支持部材１５２ｂ、１５２ｃは、ブレード１５１の中央位置からスパン方向に等間隔となる二つの位置をそれぞれ支持する。この一対のブレード支持部材１５２ｂ、１５２ｃの間隔（２×Ｌａ）は、ブレード１５１の長さＬに対して０．６８Ｌ〜０．７４Ｌとされている。
【００６４】
また、図６は、図５に示した垂直軸風車１００の運転中においてブレード１５１に生じる曲げモーメントＭをブレード単位長さ当たりの荷重ｐで除した値の分布を示すグラフ図であり、コンピュータによって求めたものである。
【００６５】
さらに、図６には、比較例として図２に示した直線軸ダリウス形風車１５０のブレード１５１に加わる曲げモーメントＭの分布を合わせて表示する（グラフ図中点線）。図６から明らかなように、ブレード支持部材１５２の配置を調整することによって、ブレード１５１の中心位置の曲げ応力σが約半分（５２％）に減少し、ブレード破壊の危険性を低減できることが判る。
【００６６】
つぎに、２本のブレード支持部材１５２によりブレード１５１を支持する場合について説明する。図７は、この発明に係る直線翼ダリウス形風車であって、１本あたりのブレード１５１に２本のブレード支持部材１５２を好適に配置した例を示す斜視図である。図８は、図７の比較例となる直線翼ダリウス形風車を示す。
【００６７】
この発明に係る直線翼ダリウス形風車１１０では、図７に示すように、２本のブレード支持部材１５２の間隔Ｌｂは、ブレード１５１のスパン方向の長さＬに対して０．５０Ｌ〜０．６８Ｌとされている。一方、図８に示す直線翼ダリウス形風車１６０では、２本のブレード支持部材１５２の間隔Ｌｃは、ブレード１５１のスパン方向の長さＬに対して０．５０Ｌ未満または０．６８Ｌより大きい長さとされている。
【００６８】
図９は、この発明に係るブレード１５１に生じる曲げモーメントＭをブレード単位長さ当たりの荷重ｐで除した値の分布を示すグラフ図であり、コンピュータによって求めたものである。ここで、図７に示したブレード１５１に係る曲げモーメントの分布を実線で示す。また、図８に示した比較例となる従来型のブレード１５１に生じる曲げモーメントＭをブレード単位長さ当たりの荷重ｐで除した値の分布については、点線で示す。
【００６９】
図９に示すように、この発明に係るブレード１５１では、ブレード中心位置の曲げ応力が、点線で示した比較例に比べて半分以下（約４０％）になっており、ブレード破壊の危険性が大きく低下しているのが判る。
【００７０】
以上からこの実施の形態では、ブレード支持部材１５２によるブレード１５１の支持位置を調整して、ブレード全体として曲げモーメントを低減平滑化するものと観念でき、例えばその支持点は設計にあたりシミュレーションまたは実験により求めておく必要がある。
【００７１】
換言すれば、実際のブレード支持部材１５２によるブレード１５１の支持点は、その支持点の隣接位置（例えば５０ｍｍ離れた位置）にて支持する場合に比べ、ブレードに生じさせる曲げモーメントが小さくなるように設定することで、本発明を実施できる。
【００７２】
このように、図５に示した１本のブレード１５１に対してブレード支持部材１５２が３本の直線翼ダリウス形風車１００では、ブレード支持部材１５２をブレード１５１の中央位置に１本、その他の２本をブレード中央位置からスパン方向に均等に且つブレード１５１の長さＬに対して０．６８Ｌ〜０．７４Ｌの間隔となるように、２本のブレード支持部材１５２によってブレード１５１を支持することにより、曲げ応力σの低減を効果的におこなうことができ、ブレード破壊の危険性が大きく低下することができる。
【００７３】
また、中回転数の直線翼ダリウス形風車の場合は、ブレード支持部材１５２をブレード１５１の中央位置に１本、その他の２本をブレード中央位置からスパン方向に均等に且つブレード１５１の長さＬに対して０．６０Ｌ〜０．８０Ｌの間隔でブレード１５１を支持するようにすればよい。これによって、曲げ応力の相当な低減が可能であるから、従来のダリウス形風車よりも回転数を上げることができる。
【００７４】
また、図７に示した、１本のブレード１５１に対して、ブレード支持部材１５２が２本の直線翼ダリウス形風車１１０では、ブレード支持部材１５２がブレード１５１のスパン方向の長さＬに対して０．５５Ｌ〜０．６１Ｌの間隔となるようにブレード支持部材１５２をもって当該ブレード１５１を支持する。また、２本のブレード支持部材１５２の間隔の中央位置は、ブレード１５１のスパン方向長さの中央位置と一致させる。これにより、曲げ応力σの低減を効果的に行うことができ、ブレード破壊の危険性が大きく低下することができる。
【００７５】
また、中回転数の直線翼ダリウス形風車の場合は、ブレード支持部材１５２がブレード１５１のスパン方向の長さＬに対して０．５０Ｌ〜０．６８Ｌの間隔をもって当該ブレード１５１を支持すればよい。これによって、曲げ応力の相当な低減が可能であるから、従来のダリウス形風車よりも回転数を上げることができる。
【００７６】
（実施の形態２）
つぎに、この発明の実施の形態２を詳細に説明する。この実施の形態２の内容を明確に示すため、まず、従来のブレードの構成と強度部材に発生する応力等について説明し、そのつぎに、この発明によるブレードの構成と強度部材に発生する応力等について説明する。
【００７７】
図１０および図１１は、この発明を説明するために用いる構造図である。図１０は、一般的なブレードの内部構造を示す断面図である。図１０では、図２７で示した従来のブレード９０１の構成との比較による結果を顕著に示すため、補強部材であるスパー部を設けていないブレード１５１を示している。
【００７８】
なお、図中の３は桁、４は外板である。また、図１１は、この発明を説明するためのブレードの断面図であり、ブレード１６１の曲げモーメントが大きくなる部分に対応してスパー部１６２を配置したものである。この実施の形態２では、曲げモーメントの増減に対応した断面係数の増減には、スパー部１６２の厚さｔを可変させて対応する。また、図中１６３は桁、１６４は外板である。また、図１１は、スパー部を外板、および桁に対して取り付ける形態の一例を示す図でもある。
【００７９】
まずは、図１および図１０〜図１３を用いて従来相当のブレード１５１の構成と強度部材に発生する応力等について説明する。なお、以下、「強度部材」には桁３やスパー部（一例を図１１の１６２で示す）その他の「補強部材」が含まれるものとして説明する。
【００８０】
図１に示す風車１５０は上述の通り、１本のブレード１当たりブレード支持部材１５１を３箇所に配置した垂直軸風車である。この垂直軸風車１５０のブレードの断面構造が、図１０で示すブレード１５１のとおりである場合であって、かつブレード１５１の内部断面構造がスパン方向、即ち長手方向に一様であった場合、垂直軸風車１５０が回転している状態において強度部材に発生する曲げ応力σMAXを、ブレードスパン方向の曲げモーメント分布と断面係数とから算出する。そして、その算出値の分布をブレード中心からの距離ｘに対して表わしたものを図１２に示す。なお、この場合外板自体がスパー部として機能する。
【００８１】
また、ブレード１５１は、そのスパン方向の中心から両端にかけて桁３に発生する曲げ応力σMAXがスパン方向に対称であるので、図１２においては、スパン方向半分の部分についてプロットした。さらに、図１２中における曲げ応力σMAXの正負は、ブレード各部の曲げモーメントの向きの違いを示している。
【００８２】
ブレード１５１の内部断面構造はスパン方向で一様であるため、ブレード各部の断面係数Ｚは一定である。よって、図１に示すようにブレード１本あたり３本のブレード支持部材１５２の配置において、ブレード１５１の桁３に発生する曲げ応力σMAXは、ブレード１５１のスパン方向中央部位と、中心のブレード支持部材１５２（１５２ａ）および上下のブレード支持部材１５２（１５２ｂ，１５２ｃ）との中央部位とにおいて大きくなる。
【００８３】
なお、ブレードの強度部材に発生する曲げ応力σMAXを求めるに際してブレードに加わる遠心力による荷重ｐ（ｘ）の分布状況をブレードスパン方向ｘに対して表わす解析モデルの模式図を図１３に示す。ブレードに作用する力学的条件はブレードスパン方向中心に対してブレード両端側に対称であるため、前記解析モデルは、スパン方向中心からブレードの一方の端部までを表示している。
【００８４】
また、図１３では、荷重ｐ（ｘ）の分布と反力Ｒのみを示しているが、補強部材の厚さｔ（ｘ）、曲げモーメントＭ（ｘ）、断面係数Ｚ（ｘ）、曲げ応力σMAX（ｘ）、についてもそれぞれスパン方向ｘに対して分布する。
【００８５】
つぎに、図１１の上記ブレード１６１の構成および強度部材に発生する応力等について説明する。上述のように、曲げ応力σMAXの値を低く抑えるためにはブレード各部において断面係数Ｚを適正な値にまで大きくする必要があり、そのためには前述の通りスパー部１６２を設け、その厚さｔ（図１１参照）を大きくすることが有効である。
【００８６】
図１４−１に、ブレード支持部材１５２およびスパン方向のブレード断面の模式図、図１４−２にブレード１６１のスパー部１６２における断面模式図を示す（図１４−１のＡ−Ａ断面）。なお、この図１４−１および図１４−２に示すブレード１６１は、この発明を説明するために用いる比較例である。
【００８７】
ここで、ブレード１６１の断面係数Ｚを大きくするために、ブレード１６１のスパー部１６２の厚さｔを変化させ（即ち、ブレード１６１のスパン方向に均一厚さのスパー部１６２を設け）、強度部材である桁及び／又は補強部材であるスパー部１６２に発生するブレードスパン方向中心部の曲げ応力σMAXの変化を計算した結果を図１５に示す。
【００８８】
図１５によればスパー部１６２の厚さｔを変えてもブレード１６１のスパン方向中心部の曲げ応力σMAXは、ある値σ１以下には下がらないことが分かる。即ち、ただ単にスパー部１６２の厚さｔを変化させても、ブレード１６１の断面形状がスパン方向に一様である場合にはブレード１６１の強度部材に発生する応力をある値以下に設定することが困難であることが分かる。
【００８９】
実際に、ブレード材料として多用されるアルミニウムでは引張り許容応力の方が、圧縮許容応力よりも小さく、カーボン繊維強化合成樹脂（Ｃ−ＦＲＰ）では、圧縮破壊応力の方が、引張り破壊応力よりも小さいが、前記σ１の値は、それぞれの材料において、小さいほうの許容応力値または破壊応力値に対して、それらを超えないまでも、それらに近い値となってしまうことや、安全係数、幾何形状による応力集中、および製作上のばらつきによる品質管理（特にＣ−ＦＲＰ材料）などを鑑みると、安全性を保証することが困難である。
【００９０】
ブレードに発生する曲げモーメントは、前述のように主にブレードの自重に起因する遠心力により発生する。また、この曲げモーメントは、ブレード支持部材１５２の位置及び本数等のブレード支持条件によって分布状態が支配される。よって、この曲げモーメントが殆ど発生しない位置にあるブレード部分に、強度部材（即ち重量でもある）を配置するのは無駄であるばかりでなく発生する曲げモーメントの値の増加原因になるため望ましくない。
【００９１】
そこで、この実施の形態２によるブレード１５１の構成方法は、スパン方向での曲げモーメント分布に応じて、曲げモーメントが大きい部分には、より多くの強度部材を配置し、曲げモーメントが小さい部分では、強度部材を可能な限り少なくするような構成とするものである。それによりブレード全体の軽量化を図ることができるので、発生する曲げモーメントの値を小さく抑え、ブレード各部の曲げ応力σMAXを低減できるものである。
【００９２】
ここに、この実施の形態２を具体化した一例として、コンピュータを用いてブレード１５１の断面係数（この場合はスパー部の厚さｔ）をブレードスパン方向に対して好適に変化させるような解を得るための解析フローの例を以下に示す。図１６は、その解析手順を示すフローチャートである。
【００９３】
ステップＳ１では、先ず、風車の形式（翼車径、翼弦長、翼枚数）及び風速より風車の回転速度を求め、ブレードに発生する遠心加速度を算出し、ブレードスパン方向位置座標ｘをパラメータとして用い、スパー部の厚さｔ（ｘ）を仮定する。ステップＳ２では、前記仮定したスパー部の厚さｔ（ｘ）に対して、単位長さ当たりの自重より遠心力によって生じる荷重ｐ（ｘ）を決定する。
【００９４】
ステップＳ３では、ブレード支持部材による支持位置でのブレードの変位は０であるという条件から、各ブレード支持部材が受け持つ反力Ｒを計算により決定する。ステップＳ４では、荷重ｐ（ｘ）と反力Ｒによりブレード各部の曲げモーメントＭ（ｘ）を算出する。続いて、ステップＳ５では、スパー部の厚さｔ（ｘ）より算出した断面係数Ｚ（ｘ）と、曲げモーメントＭ（ｘ）より曲げ応力σMAX（ｘ）を算出する。
【００９５】
ステップＳ６では、ブレード各部の曲げ応力σMAX（ｘ）が、設定応力以下になったか否かを判断する。ブレード各部の曲げ応力σMAX（ｘ）が、設定応力以下になれば（ステップＳ６：Ｙｅｓ）、解析完了し、曲げ応力σMAXが設定応力を超える場合は（ステップＳ６：Ｎｏ）、ステップＳ７に進む。
【００９６】
ステップＳ７では、曲げ応力σMAXが設定応力を超えるブレード部においては補強部材（この場合はスパー部の厚さｔ）の量をある一定量増加し、設定応力未満であるブレード部においては補強部材の量をある一定量減少することで、スパー部の厚さｔの再仮定を行う。そして、適当なスパー部の厚さｔが得られるまで、ステップＳ２からステップＳ７を繰り返す。
【００９７】
また、上記解析は、上記ステップを実行するプログラムを備えたコンピュータにより実行される。具体的には、所定のプログラムとコンピュータハードウエアとにより構成される処理部によって行われる。図１７に示すように、コンピュータハードウエア２００は、中央演算装置（ＣＰＵ）２０１およびメモリ２０２と、ハードディスク（ＨＤ）等の記憶装置２０３、キーボードやマウス等の入力装置２０４、液晶ディスプレイ等の表示装置２０５からなる。
【００９８】
上記解析方法を実行する解析装置３００（ブレードの設計装置）は、図１８に示すように、スパー部の厚さｔを仮定する仮定部３０１（ステップＳ１の処理）と、スパー部の厚さｔ（ｘ）に対して、荷重ｐ（ｘ）、アームが受け持つ反力Ｒ、曲げモーメントＭ（ｘ）を算出し、断面係数Ｚ（ｘ）と、曲げモーメントＭ（ｘ）より曲げ応力σMAX（ｘ）を算出する演算部３０２（ステップＳ２〜Ｓ５の処理）と、曲げ応力σMAX（ｘ）が設定応力以下になったか否かを判定する判定部３０３（ステップＳ６の処理）と、スパー厚の増減によりスパー部の厚さを再仮定する増減処理部３０４（ステップＳ７の処理）と、を有する構成である。
【００９９】
このプログラムは、他の装置（データベースサーバ）内にあり、上記解析装置３００は、通信によりこれらの記憶部にアクセスするものであってもよい。また、上記プログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムを別のコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより上記解析処理を行ってもよい。
【０１００】
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭなどの可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスクなどの記録装置のことをいう。さらに、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネットなどのネットワークや電話回線などの通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものを含むものとする。
【０１０１】
また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであって良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。
【０１０２】
続いて、上記の解析方法を用いて、ブレードの補強部材であるスパー部としてカーボン繊維強化合成樹脂の使用を想定し、ブレード各部の曲げ応力σMAXの絶対値がある値σ２以下になるように最適設計を行った結果を図１９に示す。この解析の対象としたモデルは、図５に示す垂直軸風車１００で、ブレードの断面形状は、図１０または図１１に示されるものである。
【０１０３】
図１９に示すように、ブレード１５１のスパン方向中心部位等の曲げモーメントが大きな部分に補強部材を多く配置し（この場合は、後述する図２１に示すようにスパー部２を設けるか又はスパー部を厚くし）、また曲げモーメントが小さい部分の補強部材は必要最小限にまで少なくすることにより（この場合はスパー部厚さｔを必要最小限の値とし、桁のみとする場合をも含む）、各部の曲げ応力σMAXが設定値以下になっているのが分かる。
【０１０４】
また、図２０は、この実施の形態２に係るブレードのスパー部断面を示す説明図であり、スパー部２の厚さｔのスパン方向に対する変化の状況を説明するものである。図２１−１〜図２１−４は、ブレード１５１の厚さ変化を示すための断面図である。このブレード１５１のうち、ブレード１５１のスパン方向（長手方向）の中央付近でかつブレード支持部材１５２ａの取り付け部分近傍と、上下のブレード支持部材１５２ｂ，１５２ｃと中央のブレード支持部材１５２ａとの間部分とには、スパー部２が設けてられている。
【０１０５】
このスパー部２の厚さｔは、ブレードスパン方向中央付近で曲げモーメントが大きくなるため、厚いスパー部２が設けられ（図２１−３参照）、上下のブレード支持部材１５２ｂ，１５２ｃと中央のブレード支持部材１５２ａとの間部分には、ブレードスパン方向中央付近よりも薄いスパー部２が設けられている（図２１−２、図２１−４を参照）。なお、図２１−１は曲げモーメントが十分に小さいので、スパー部を必要としない断面形状を示している。
【０１０６】
また、各スパー部２は、図２１−１〜図２１−４に示すように、断面形状において斜面がなだらかな谷形となり、その厚さｔは緩やかに変化している。なお、図２１−１に示すように、スパー部２のない部分は、桁３のみが強度部材として設けられている。スパー部２の厚さ変化は、上記解析方法により決定すればよい。
【０１０７】
また、図２０の例では、スパー部２をブレード１５１のスパン方向に３ピース設けるようにしたが、スパー部２はブレード１のスパン方向に一定の厚さを以って全体的に設けると共に、所定の断面係数が必要となる上記部位の厚さｔのみを厚くするようにしてもよい。
【０１０８】
なお、上記した最適設計方法は、ブレード１５１の断面係数をブレード１５１のスパン方向に対して変化させるための具体的な値を得るためにコンピュータを用いて行う一つの方法を示したものであるが、コンピュータを用いて他の論理に基づいて上記に相当する値を得てもよいし、実験等の経験その他から得てもよい。
【０１０９】
また、断面係数Ｚのスパン方向での変化は連続的ではなく段階的（断面が階段状に変化する）であってもよい。さらに、上記した最適設計方法では、断面係数Ｚを変化させる手段として、スパー部２の厚さｔを変化させたが、桁３の厚さを変化させることや、断面係数Ｚを変化させることができる他の補強部材を採用するようにしてもよい。
【０１１０】
また、上記ブレード１５１では、スパー部２が外板４に接触した状態のものを例示したが、スパー部２は必ずしも外板４と面接触していなくてもよい。即ち、ブレード１５１の断面係数を上げることができれば、スパー部２と外板４との間に隙間があってもよいし、スパー部２に形成した突起部分が外板４と接触固定しているような状態でもよい。
【０１１１】
図２２−１〜図２２−３は、上記ブレードの別の変形例を示す断面図である。図２２−１に示すブレード４０１では、スパー部４０２の断面形状が三角形であり、実際にブレード４０１が曲がる方向に対してスパー部４０２を形成している。このスパー部４０２は、ブレード４０１内部両側に設けられている。
【０１１２】
また、一方のスパー部４０２ａは一方の桁３ａと外板４とに接触する三角形であり、他方のスパー部４０２ｂは他方の桁３ｂと外板４とに接触する三角形である。このようにすれば、曲げ方向を考慮してスパー部４０２によりブレード４０１全体として断面係数をかせぐことができる。
【０１１３】
同様に、図２２−２に示すブレード４０３では、スパー部４０４の断面形状が図３に示したものと同様であるが、一端に傾斜部分４０５を有するものである。この傾斜部分４０５により効率的に断面係数Ｚを確保し、直線部分４０６は桁３と桁３との間に挿入して、外板４に固定するためのものとなる。
【０１１４】
このような構造では、スパー部４０４を桁３と桁３との間に固定しやすい。なお、図２２−３に示すブレード４０７は、単純にブレード４０７の回転内側にのみスパー部４０８を設けた構成である。スパー部４０８を内側に設けることでブレード４０７に生じる遠心力を小さくすると共に、ブレード４０７の断面係数Ｚを大きくするように作用する。
【０１１５】
図２３−１および図２３−２は、スパー部を外板および桁に対して取り付ける形態の例であり、図１１以外の例を示す断面図である。図２０および及び図２１−１〜図２１−４で示したブレード１５１では、スパー部２の外板４への固定方法は、ボルト等により強固に固定してスパー部２が強度部材として作用するようにする必要がある。
【０１１６】
一方、図２３−１に示すように、このブレード５００では、スパー部５０１の山側に溝５０２を入れて、この溝５０２に支持プレート５０３を差込んで当該支持プレート５０３の両側のスパー部５０１を外板４に押し付け固定するようにしてもよい。なお、この支持プレート５０３は、強度部材である桁３として作用し得る。
【０１１７】
また、図２３−２に示すように、外板４および桁３との間に、スパー部５０５として角パイプ状のものを冷しばめなどによって挿入固定してもよい。この角パイプの内側５０５ａは、所定の山形の形状である。角パイプ状にすることで、ブレード５０６内部に固定しやすく、外板４全体と角パイプ（５０５）全体とで相互に接触し、ブレード５０６の実質的な断面係数Ｚを大きくすることができる。
【０１１８】
図２４−１および図２４−２は、この発明の変形例に係る風車を示す説明図である。図２４−１に示す垂直軸風車６００は、上下２つのブレード支持部材１５２，１０１によりブレード６０１を支持した構造である。この構造の垂直軸風車６００の場合、ブレード６０１に加わる曲げモーメントによる応力は、ブレード６０１の中央付近で最大となる。このため、このブレード中央付近にスパー部６０２を設け、断面係数Ｚを大きくする。
【０１１９】
また、図２４−２に示す垂直軸風車６１０は、ブレード支持部材１５２によりブレード６１１の中央付近を支持した構造である。このブレード６１１では、ブレード支持部材１０１の近傍での応力が高くなるため、当該部分にスパー部６１２を設けて断面係数Ｚを高める。
【０１２０】
図２５−１および図２５−２は、この実施の形態２の別の変形例に係る垂直軸風車のブレードを示す説明図である。このブレード６０１は、桁３と桁３との間の略全部に、ブレード６０１の断面係数Ｚを調整する部材６０３を充填または配置した構造である。図２５−１に示すように、桁３と桁３との空間を埋める部材６０３として、アルミニウムのブロック材、合成樹脂、木材等を用いることができる。また、図２５−２に示すように、空間を埋める部材６０３は、図１９にて示した解析結果に従いブレード６０１のスパン方向の所定位置に配置する。
【０１２１】
このように、空間を埋める部材６０３を桁３と桁３との空間にはめ込むことで、ブレード６０１の断面係数Ｚをスパン方向の各部で調整できる。また、ブレード６０１の外板４や桁３との摩擦力によりブレード６０１内の所定位置に固定されるような寸法を採用することで、空間を埋める部材６０３を前記所定位置に容易に固定できる。
【０１２２】
また、上述した実施の形態１の垂直軸風車（またはブレード）と実施の形態２の垂直軸風車（またはブレード）を組み合わせることにより、より効果的に、耐久性の向上および運転効率の向上を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１２３】
以上のように、本発明にかかる垂直軸風車のブレード、垂直軸風車、垂直軸風車のブレードの設計装置および方法、並びに垂直軸風車のブレードの設計プログラムは、直線翼ダリウス形風車やφダリウス形風車などの垂直軸風車に有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１２４】
【図１】この発明を説明するための比較例である直線翼ダリウス形風車を示す斜視図である。
【図２】ブレード中心部からの距離と発生する曲げモーメントを、ブレード単位長さ当たりの荷重で除した値との関係を示すグラフ図である。
【図３】一般的に垂直軸風車のブレードとして用いられるブレードの内部構造を示す断面図である。
【図４】ブレードの強度部材の模式図である。
【図５】本発明に係るブレード１本あたり３本のブレード支持部材を好適に配置した例を示す斜視図である。
【図６】図５に示した配置の垂直軸風車の運転中にブレードに生じる曲げモーメントを、ブレード単位長さ当たりの荷重で除した値の分布を示すグラフ図である。
【図７】この発明の実施の形態１に係る直線翼ダリウス形風車であって、１本あたりのブレードに２本のブレード支持部材を好適に配置した例を示す斜視図である。
【図８】図７の比較例となる直線翼ダリウス形風車を示す斜視図である。
【図９】この発明の実施の形態１に係るブレードに生じる曲げモーメントを、ブレード単位長さ当たりの荷重で除した値の分布を示すグラフ図である。
【図１０】一般的なブレードの一例を示す断面図である。
【図１１】この発明の実施の形態２を説明するための厚さがｔなるスパー部を配置したブレードの一例を示す断面図である。
【図１２】曲げモーメント分布と断面係数より算出したブレードスパン方向の強度部材である桁に発生する曲げ応力をブレード中心からの距離に対して示すグラフ図である。
【図１３】ブレード各部の曲げ応力を解析するための解析モデルを模式的に示す図である。
【図１４−１】ブレード支持部材およびスパン方向のブレード断面の模式図である。
【図１４−２】ブレードのスパー部の断面を示す模式図である。
【図１５】スパー部の寸法、形状がブレードスパン方向の全ての断面で同一であるブレードにおいて、スパー部の厚さを変化させ、スパー部に発生するブレードスパン方向中心部の曲げ応力の変化を示すグラフ図である。
【図１６】ブレードのスパー厚さの解析手順を示すフローチャートである。
【図１７】解析装置のハードウエア構成を示すブロック図である。
【図１８】解析装置を示す機能ブロック図である。
【図１９】最適設計を行った場合のスパー厚さと曲げ応力との分布の一例をブレードスパン方向中心からの距離に対して示すグラフ図である。
【図２０】この発明の実施の形態２に係るブレードのスパー部断面の変化状態の一例をブレードスパン方向に対して模式的に示す説明図である。
【図２１−１】図２０において切断断面記号Ａ−Ａで表記した断面位置に対応した、ブレードの厚さ変化を示すための断面図である。
【図２１−２】図２０において切断断面記号Ｂ−Ｂで表記した断面位置に対応した、ブレードの厚さ変化を示すための断面図である。
【図２１−３】図２０において切断断面記号Ｃ−Ｃで表記した断面位置に対応した、ブレードの厚さ変化を示すための断面図である。
【図２１−４】図２０において切断断面記号Ｄ−Ｄで表記した断面位置に対応した、ブレードの厚さ変化を示すための断面図である。
【図２２−１】ブレードの変形例を示す断面図である。
【図２２−２】ブレードの他の変形例を示す断面図である。
【図２２−３】ブレードの別の変形例を示す断面図である。
【図２３−１】スパー部を外板および桁に対して取り付ける形態の他の例を示す断面図である。
【図２３−２】スパー部を外板および桁に対して取り付ける形態の別の例を示す断面図である。
【図２４−１】この発明の実施の形態２の変形例に係る風車を示す説明図である。
【図２４−２】この発明の実施の形態２の他の変形例に係る風車を示す説明図である。
【図２５−１】この発明の実施の形態２の別の変形例に係る垂直軸風車のブレードを示す説明図である。
【図２５−２】この発明の実施の形態２の別の変形例に係る垂直軸風車のブレードを示す説明図である。
【図２６−１】従来の直線翼ダリウス形風車の一例を示す斜視図である。
【図２６−２】従来の直線翼ダリウス形風車の一例を示す斜視図である。
【図２７】従来の垂直軸風車を構成するブレードの一例を示す断面図である。
【図２８】ブレードの断面係数を計算する際のモデル図である。
【符号の説明】
【０１２５】
１００  直線翼ダリウス形風車（垂直軸風車）
１５１  ブレード
１５２  ブレード支持部材
１５３  垂直回転軸
【図１】
2004308643.tif 000003
【図２】
2004308643.tif 000004
【図３】
2004308643.tif 000005
【図４】
2004308643.tif 000006
【図５】
2004308643.tif 000007
【図６】
2004308643.tif 000008
【図７】
2004308643.tif 000009
【図８】
2004308643.tif 000010
【図９】
2004308643.tif 000011
【図１０】
2004308643.tif 000012
【図１１】
2004308643.tif 000013
【図１２】
2004308643.tif 000014
【図１３】
2004308643.tif 000015
【図１４−１】
2004308643.tif 000016
【図１４−２】
2004308643.tif 000017
【図１５】
2004308643.tif 000018
【図１６】
2004308643.tif 000019
【図１７】
2004308643.tif 000020
【図１８】
2004308643.tif 000021
【図１９】
2004308643.tif 000022
【図２０】
2004308643.tif 000023
【図２１−１】
2004308643.tif 000024
【図２１−２】
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【図２１−３】
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【図２１−４】
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【図２２−１】
2004308643.tif 000028
【図２２−２】
2004308643.tif 000029
【図２２−３】
2004308643.tif 000030
【図２３−１】
2004308643.tif 000031
【図２３−２】
2004308643.tif 000032
【図２４−１】
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【図２４−２】
2004308643.tif 000034
【図２５−１】
2004308643.tif 000035
【図２５−２】
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【図２６−１】
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【図２６−２】
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【図２７】
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【図２８】
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