(57)【要約】【課題】本発明は、大きさに因らず設計及び製造が容易で、かつ、汎用性に優れた流体駆動回転子を備えた流体駆動式発電装置を提供する。【解決手段】風力発電装置（流体駆動式発電装置）１は、回転軸Ｒが風（流体）の流れを横切る向きに配置される風車（流体駆動回転子）２と、風車２の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機３と、発電機３が出力する電気を一定出力の電力に調整して送電する制御装置４とを備える。風車２は、翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃとシャフト６とアーム７とを備える。翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃは、回転軸Ｒを中心とする軸対称に複数配置され、回転軸Ｒを直角に横切る面に沿う断面形状が三角形である。シャフト６は、回転軸Ｒに沿って設けられる。アーム７は、シャフト６から放射状に延びて翼をそれぞれ支持する。【選択図】    図１
2005036791.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流れを横切って配置される回転軸に沿って設けられるシャフトと、
前記回転軸を中心とする軸対称に複数配置され、前記回転軸を直角に横切る面に沿う断面形状が三角形である翼と、
前記シャフトから放射状に延びて前記翼をそれぞれ支持するアームとを備えることを特徴とする流体駆動回転子。
【請求項２】
前記翼は、前記三角形の最も短い辺となる面が前記回転軸を中心とする回転方向の上流側に向けて配置されていることを特徴とする請求項１に記載の流体駆動回転子。
【請求項３】
前記三角形は、底辺が斜辺より短い二等辺三角形であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の流体駆動回転子。
【請求項４】
流体の流れを横切って配置される回転軸と、
前記回転軸を中心とする軸対称に複数配置され、前記回転軸を直角に横切る面に沿う断面形状に少なくとも３つの頂部を有している翼と、
前記回転軸を中心とする同心円上に複数の前記翼をそれぞれ支持するアームとを備えることを特徴とする流体駆動回転子。
【請求項５】
前記翼は、前記回転軸を中心とする回転方向の上流側に面して配置される前板と、この前板の中央部から回転方向の下流側に向かって延びる尾板とを備えるＴ字形断面形状であることを特徴とする請求項４に記載の流体駆動回転子。
【請求項６】
回転軸が流体の流れを横切る向きに配置される流体駆動回転子と、前記流体駆動回転子の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、前記発電機が出力する電気を一定出力の電力に調整して送電する制御装置とを備え、
前記流体駆動回転子が、
前記回転軸に沿って配置されたシャフトと、
前記回転軸を直角に横切る面に沿う断面形状が三角形で、前記回転軸を中心とする軸対称に配置される複数の翼と、
前記シャフトから放射状に延びて前記翼をそれぞれ支持するアームとを有していることを特徴とする流体駆動式発電装置。
【請求項７】
回転軸が流体の流れを横切る向きに配置される流体駆動回転子と、前記流体駆動回転子の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、前記発電機が出力する電気を一定出力の電力に調整して送電する制御装置とを備え、
前記流体駆動回転子が、
前記回転軸に沿って配置されたシャフトと、
前記回転軸を中心とする軸対称に複数配置され、前記回転軸を直角に横切る面に沿う断面形状に少なくとも３つの頂部を有している翼と、
前記シャフトと連結されて前記回転軸を中心とする同心円上に複数の前記翼をそれぞれ支持するアームとを有していることを特徴とする流体駆動式発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の流れを横切る方向に配置される軸を中心に、流体力を受けて回転する流体駆動回転子及びこの流体駆動回転子の回転エネルギーを基に発電する流体駆動式発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体の流れを回転力に変換する流体作動装置の一形態として、回転軸が流れを横切る向きに配置された回転子がある。この回転子の形状には、ダリウス型、サボニウス型、直線翼型などがある。これらの回転子は、回転軸に対して軸対称に作られている。このため、回転子の回転力は、回転子に向かって流体の流れる方向が変化することに対して影響されることがない。
【０００３】
ダリウス型回転子の翼（ブレード）は、翼に加わる遠心力を翼幅方向に沿って作用する張力で保持するために、全体が円弧上に湾曲している（例えば、特許文献１参照。）。サボニウス型回転子の翼（ベーン）は、半円筒状であって、回転軸から偏心した位置に配置されている（例えば、特許文献２参照。）。直線翼型回転子の翼（ブレード）は、翼幅（スパン）方向が回転軸と平行になるように配置され、それぞれアームで支持されている（例えば、特許文献３参照。）。
【０００４】
直線翼型回転子において、回転軸から得られる出力を最大にするために、（回転）翼のピッチを変えられるように設けた回転子がある（例えば、特許文献４参照。）。また、回転時の流動抵抗を低減してエネルギーの変換効率を良くするために、直線翼型回転子に取付けられる翼の断面形状（プロファイル）は、この翼が回転軸を中心に回転する際の通過幅に沿って湾曲させたものがある（例えば、特許文献５参照。）。
【特許文献１】特開２０００−２６５９３６号公報
【特許文献２】特開平０６−３２３２３７号公報
【特許文献３】特表平１１−５０２５８４号公報
【特許文献４】特開２０００-２３４５８２号公報
【特許文献５】特開２００２-２２１１４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ダリウス型回転子やサボニウス型回転子において、翼の形状は、回転子の大きさ（半径）に比例する。したがって、大きさの異なる回転子を製作する場合、翼の形状を設計し直さなければならないとともに、これに関連する治工具（例えば、形ゲージ）も全て回転子の大きさに合わせて異なるものが必要となる。また、回転軌道に沿って湾曲している断面形状を有した翼（翼弦線（コードライン）に対して骨格線（キャンバーライン）が湾曲した非対称断面翼）は、失速の影響を受けやすい。
【０００６】
そのため、翼形状の設計が難しいだけでなく、翼を製造するために高機能の加工装置が必要となり、製造コストが嵩む。また、翼の取付角を調節するなど定期的なメンテナンスにも費用がかかる。したがって、回転子を製造し、維持し、使用するためにかかるトータルコストの面で、低廉化を妨げる原因となっている。
【０００７】
そこで、本発明は、大きさによらず設計及び製造が容易で、かつ、汎用性に優れた流体駆動回転子、及びこの流体駆動回転子を備えた流体駆動式発電装置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】
【０００８】
本発明の流体駆動回転子は、流体の流れを横切って配置される回転軸に沿って設けられるシャフトと、回転軸を中心とする軸対称に複数配置されて回転軸を直角に横切る面に沿う断面形状が三角形である翼と、シャフトから放射状に延びて翼をそれぞれ支持するアームとを備える。この場合、軸対称とは、回転軸を中心として任意の回転角度（方位角）移動した位置に同じ形状のものが配置される回転対称であることを意味する。つまり、翼の幅方向の軸が、回転軸と平行な状態から少しずれた状態でも良い。
【０００９】
また、起動時の回転抵抗を減らすために、翼は、断面形状のうち最も短い辺となる面を、回転軸を中心とする回転方向の上流側に向けて配置する。翼の形状を簡素化するために、三角形は、底辺が斜辺より短い二等辺三角形とする。
【００１０】
または、流体の流れを横切って配置される回転軸を中心とする軸対称に複数配置され、回転軸を直角に横切る面に沿う断面形状に少なくとも３つの頂部を有している翼と、回転軸を中心とする同心円上に複数の翼をそれぞれ支持するアームとを備える流体駆動回転子とする。この場合、翼の形状を簡素化するために、翼は、回転軸を中心とする回転方向の上流側に面して配置される前板と、この前板の中央部から回転方向の下流側に向かって延びる尾板とを備えるＴ字形断面形状とし、前板の両端と尾板の端部によって３つの頂部を構成する。
【００１１】
または、流体の流れを横切って配置される回転軸に沿って設けられるシャフトと、流体の流れについて下流側に流れの剥離を生じさせる稜を有する多角柱の翼と、回転軸を中心として軸対称に複数の翼を配置するアームとを備える流体駆動回転子とする。
【００１２】
本発明の流体駆動式発電装置は、回転軸が流体の流れを横切る向きに配置される流体駆動回転子と、流体駆動回転子の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、発電機が出力する電気を一定出力の電力に調整して送電する制御装置とを備える。そして、流体駆動回転子が、回転軸に沿って配置されたシャフトと、回転軸を直角に横切る面に沿う断面形状が三角形で、回転軸を中心とする軸対称に配置される複数の翼と、シャフトから放射状に延びて翼をそれぞれ支持するアームとを有している流体駆動式発電装置とする。または、流体駆動回転子が、回転軸に沿って配置されたシャフトと、回転軸を中心とする軸対称に複数配置され、回転軸を直角に横切る面に沿う断面形状に少なくとも３つの頂部を有している翼と、シャフトと連結されて回転軸を中心とする同心円上に複数の翼をそれぞれ支持するアームとを有している流体駆動式発電装置とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の流体駆動回転子によれば、翼の断面形状が三角形、または、Ｔ字形であるので、複雑な計算を要する設計が不要であるとともに、製造するのに高度な技術を要しない。また、大きさが異なる場合にも、翼の形状が単純であるので、設計及び製造が容易である。したがって、本発明の流体駆動回転子は、汎用性に優れている。また、この流体駆動回転子を備える流体駆動式発電装置は、作用流体の流れを横切る方向に回転軸が配置されるので、流れの向きが変化した場合に、流体駆動回転子の向きを変向するための機構が不要である。したがって、設計や製造が容易である。また、流れを横切る方向に流体駆動回転子の回転軸を配置することができる場所であれば、設置することが可能であるので、設置場所の制約を受けることが少なく汎用性に優れている。
【００１４】
さらに、本発明の流体駆動回転子の翼は、断面形状が三角形であって、作用流体の流れについて翼の角部（稜部）から下流側に流れの剥離を生じさせるように構成されているので、定期的なメンテナンス時に翼の変形または反りなどの修正や取り付け角度の微調整に高度な技術を必要としない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の一実施形態に係る流体駆動回転子及びこの流体駆動回転子を備える流体駆動式発電装置について、風力発電装置１を一例に図１から図１１を参照して説明する。図１に示す風力発電装置１は、風車２と発電機３と制御装置４とを備えている。風車２は、流体駆動回転子の一形態であって翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃとシャフト６とアーム７とを備えている。
【００１６】
風車２は、風を横切る向きに回転軸Ｒが配置される。大気の流れである風は、ビル風や上昇気流など特別な場合を除き、地表に沿って生じ、風向きは、任意の地点に対して水平方向に３６０°変化する。したがって、本実施形態において、回転軸Ｒは、鉛直方向に配置している。
【００１７】
翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃは、図６に示すように、回転軸Ｒを中心とする軸対称に複数配置されている。本実施形態では、３つの翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃが等配に、かつ、回転軸Ｒに揃う方向に配置されている。翼の数は、２つでも良いし、４つ以上でも良い。回転中の振動の抑制や、回転始動時のトルクを効果的に発生させることを考慮すると、翼の数は、奇数であることが好ましい。
【００１８】
回転軸Ｒを直角に横切る面に沿う翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃの断面形状８は、三角形である。より詳しく説明すると、三角形の形状は、底辺８ａが斜辺８ｂよりも短い二等辺三角形である。各翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃは、その断面形状８の三角形の最も短い辺となる面５ａが、回転軸Ｒを中心とする回転方向の上流側に向けて配置されている。本実施形態の場合、各翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃは、断面形状８が二等辺三角形であって、二等辺三角形の頂角８ｃとなる稜部５ｃが、回転軸Ｒに向いた状態から回転軸Ｒを中心とする回転方向の下流側へずらした状態で固定されている。つまり、翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃの断面形状８において二等辺三角形の底辺８ａとなる面（前面）５ａは、回転軸Ｒを中心とする回転方向の上流側に向く。
【００１９】
翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃの具体的な数値を示すと、図３に示すように、翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃの断面形状８における二等辺三角形の底辺８ａと高さ８ｄの比率は、３：５である。また、底辺８ａと直交して頂角８ｃを通る中心線８ｅにおいて底辺８ａから高さ８ｄの３０％の位置（固定軸）９を中心に頂角８ｃを回転軸Ｒの回転方向に下流側へ５０°〜６０°振り向けた状態となるように、各翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃを配置する。つまり、回転軸Ｒに対して流体（大気）が流れてくる方向（風上）を方位角０°とした場合、翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃが方位角０°の位置で、風の流れＶに対して、中心線８ｅの取付角（迎え角）αが５０°〜６０°になるように翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃを固定する。
【００２０】
シャフト６は、図２に示すように筒状であり、回転軸Ｒに沿って配置される支持軸１０に転がり軸受１１ａ，１１ｂ，１１ｃを介して外挿されている。これにより、シャフト６は、回転軸Ｒを中心に回転する。
【００２１】
アーム７は、上部アーム７ａと下部アーム７ｂとを備えている。上部アーム７ａ及び下部アーム７ｂは、それぞれシャフト６に固定されることで、互いに連結されている。上部アーム７ａ及び下部アーム７ｂは、回転軸Ｒを中心に放射状に延びている。また、上部アーム７ａ及び下部アーム７ｂは、各翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃが上述の取付角αで、かつ、回転軸Ｒを中心とする軸対称の位置に各翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃの上端５ｄ及び下端５ｅを支持している。この場合、翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃは、回転軸Ｒについて等配に配置されることが望ましい。したがって、この実施形態の場合、上部アーム７ａと下部アーム７ｂとは、各翼の支持中心軸が１２０°ピッチで配置される。なお、上部アーム７ａ及び下部アーム７ｂは、回転軸Ｒを中心とする同心円上に翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃを配置する形状であれば、図１や図６に示すようにシャフト６と翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃをそれぞれ直線的に連結する形以外に、複数の翼を等配に位置決めするリング状の部材とこのリング状の部材をシャフト６に連結するスポークとであっても良いし、回転軸Ｒを中心に回転する円板状の部材の縁部に翼を等配に取付けても良い。この場合、スポークの本数は、翼の数よりも多くても少なくても良い。また、上部アーム７ａおよび下部アーム７ｂは、回転軸Ｒから放射状に直線的に延びる以外に、弧を描いていても良い。
【００２２】
風車２は、回転軸Ｒを中心に翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃとシャフト６と上部アーム７ａと下部アーム７ｂとが一体となって回転する。アルミ合金やグラスファイバなどの合成樹脂などの材料を風車２に使用したり、翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃを中空にしたりすることで、軽量化する。これにより、風車２の回転起動時の慣性モーメントが小さくなるため、流体の運動エネルギー、本実施形態では、風力エネルギーを効率良く回転エネルギーに変えることができる。また、翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃの中空にした部分に、バランサウェイトを配置し、回転中の偏心を小さくすることで、風車２の振動を抑え、回転をスムーズにする。
【００２３】
発電機３は、図２に示すように、風車２を支持する柱１２の先端部１２ａに取り付けられている。発電機３の入力軸３ａ、および下部アーム７ｂより下方に延びるシャフト６の途中には、それぞれスプロケット１３，１４が外嵌して取付けられている。互いのスプロケット１３，１４は、ローラチェーン１５で連結され、風車２の回転エネルギーが発電機３へ伝達される。発電機３は、風車２から伝達された回転エネルギーを電気エネルギーに変換し、柱１２の先端部１２ａから基部１２ｂまで通されたケーブル１６を通して制御装置４へ出力する。発電機３、スプロケット１３，１４、ローラチェーン１５、ケーブル１６は、風雨などの環境から保護するためにフード１７で覆われる。なお、シャフト６と発電機３とを直接ローラチェーン１５で連結せず、ギヤで伝達しても良いし、間に変速器を挟んでも良い。また、発電機３を柱１２の基部１２ｂに配置し、風車２から柱１２の基部１２ｂまで回転エネルギーをドライブシャフトなどで伝達しても良い。また、発電機３及びスプロケット１３，１４、ローラチェーン１５は、シャフト６の片側のみならず両側に配置しても良い。
【００２４】
制御装置４は、整流器、蓄電器、変圧器、インバータなどを備えており、発電機３が発生する電気を安定した一定出力の電力に調整し、送電する。
【００２５】
次に、風車２の回転始動時、及び回転中に作用する力とモーメントを基に、この風車２の作動原理について説明する。図３に示すように、一様な風の流れＶに対して迎え角αをとる翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃの固定点（固定軸）９には、風の流れＶに対して垂直方向に揚力Ｌ、下流方向に抗力Ｄ、翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃの固定軸９回りにモーメントＭが作用する。迎え角αは、風の流れＶ方向と断面中心線８ｅがなす角とし、翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃの前面５ａとなる底辺８ａが風の流れＶに正対する場合を０°として、風車２の回転方向に正の値を取る。したがって、図３および図６においては、時計周りに正の値を取る。抗力Ｄは、風下方向に作用するので、風の流れＶと同じ方向に正の値をとる。揚力Ｌは、風上から風車２の回転方向に９０°の方位に正の値を取り、２７０°（−９０°）の方位に負の値を取る。モーメントＭは、翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃの固定軸９を中心とする風車２の回転方向に正、風車の回転方向と反対の方向に負の値を取る。
【００２６】
翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃの迎え角αは、風車２が風の流れの中で回転することによって周期的に変化する。一様流におかれた翼の、揚力Ｌ、抗力Ｄ、モーメントＭと、迎え角αとの定性的な関係について、図４に揚力Ｌ及び抗力Ｄと迎え角αの関係を示し、図５にモーメントＭと迎え角αとの関係を示す。
【００２７】
抗力Ｄは、翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃが風の流れＶに正対する投影面積に比例するので、図４に示すように、翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃの断面形状８において二等辺三角形の底辺８ａとなる前面５ａが、風の流れＶに対して０°、１８０°を向いた状態で小さく、翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃの断面形状８において二等辺三角形の斜辺８ｂとなる側面５ｂが、風の流れＶに対して横切る状態、つまり、前面５ａが風の流れＶに対して９０°、２７０°を向いた状態において、抗力Ｄは、大きくなっている。
【００２８】
一方、揚力Ｌは、前面５ａ及び側面５ｂが風の流れＶに対して斜めになり、各面に沿う圧力分布が非対称になることによって発生する。ただし、本発明の翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃは、断面形状８が三角形であるため、前面５ａと側面５ｂによって形成される稜部５ｆ，５ｇ、または、側面５ｂどうしによって作られる稜部５ｃから下流側に流れの剥離が発生するため、揚力Ｌの大きさは、抗力Ｄに比して小さい。
【００２９】
本実施形態での揚力−迎え角特性の特色は、迎え角が０°および９０°付近において揚力傾斜が負となり揚力が迎え角の増加とともに減少し、３０°および１５０°付近において反転して揚力が迎え角とともに増大する特異な挙動を示す点にある。これは、剥離した二等辺三角柱周りの流れが再付着することの影響であり、図５に示す支持軸周りのモーメント特性とともに、本風車装置の始動原理が自励的であることの物理的な根拠となっている。
【００３０】
より具体的に説明すると、本実施形態では、翼の揚力Ｌは、図４に示すように迎え角αが０°、１８０°、及びその中間の３０°、１２０°、２４０°、３３０°の６つの迎え角で０となり、それぞれの零点での揚力傾斜が負、正、正、負、負、正となる変化を示す。つまり、揚力Ｌは、翼の周りの流れに剥離と再付着が生じる迎え角近傍で極値をとり、急変する。このような翼周りの流れの剥離と再付着の影響は、図５に示す固定軸９周りのモーメントＭと迎え角αとの関係にも明瞭に示されている。
【００３１】
次に、これらの３分力特性を用いて風車の起動原理を説明する。風車２の回転始動時においてそれぞれの翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃに作用する揚力、抗力を図６に示す。図６において、風車２は、時計回りに回る。図６に示すように回転軸Ｒについて流体が流れてくる方向、つまり風上を方位角０°とし、回転軸Ｒを中心に時計回りに正、反時計回りに負とする。翼５は、時計回りに翼５Ａ、翼５Ｂ、翼５Ｃとすると、翼５Ａが方位角０°の場合に、翼５Ｂおよび翼５Ｃの方位角は、それぞれ１２０°、２４０°である。各翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃは、方位角０°の位置で迎え角αが５０°となるようにアーム７に取付けられているので、翼５Ａを方位角０°に固定すると、翼５Ａの迎え角αは、５０°、翼５Ｂの迎え角αは、１７０°、翼５Ｃの迎え角αは、２９０°となる。つまり、翼５Ａ、翼５Ｂ、翼５Ｃは、それぞれ、図４及び図５に示すＡ，Ｂ，Ｃの位置に相当する状態である。
【００３２】
図６に示す状態で、風車２に風が当ると、翼５Ａ、翼５Ｂ、翼５Ｃの各固定軸９に図６中の矢印で示す揚力ＬＡ，ＬＢ，ＬＣ、抗力ＤＡ，ＤＢ，ＤＣ、及びモーメントＭＡ，ＭＢ，ＭＣが作用する。翼５Ａに作用する揚力ＬＡと抗力ＤＡと固定軸９周りのモーメントＭＡとによって、回転軸Ｒを中心とする時計回りのトルクＱＡが風車２に作用する。翼５Ｂに作用する揚力ＬＢと抗力ＤＢと固定軸９周りのモーメントＭＢとによって、回転軸Ｒを中心とする時計回りのトルクＱＢが風車２に作用する。また、翼５Ｃに作用する揚力ＬＣと抗力ＤＣと固定軸９周りのモーメントＭＣとによって、回転軸Ｒを中心とする反時計回りのトルクＱＣが風車２に作用する。
【００３３】
翼５Ａと翼５Ｂとによって生じるトルクＱＡ，ＱＢは、回転軸Ｒを中心に時計回りに作用し、翼５Ｃによって生じるトルクＱＣは、回転軸Ｒを中心に反時計回りに作用する。この場合、トルクＱＡとトルクＱＢの和は、トルクＱＣよりも大きいため、風車２は、時計周りに回転し始める。また、図７に示すように、翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃが回転軸Ｒを中心に回転した場合のそれぞれの平均トルクＱＡＶＥは、正の値であるので、風車２の回転軸Ｒ周りに発生する回転始動のためのトルクも常に正の値となる。したがって、風車２は、いかなる回転位置で停止している場合でも風を受けることで回転し始める。
【００３４】
風車２が始動すると、翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃには、風の流れＶと同時に回転速度（回転半径ｒ×角速度ω）が加わるので、図８に示すように、風の流れＶに対して翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃが実際に受ける相対流れＵが翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃの方位角位置（回転軸Ｒに対する回転位置）によって変化する。相対流れＵの風向きと大きさが変化することで、翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃの迎え角αの変化に影響を与える。つまり、方位角が０°〜１８０°まで変化する間（後退側）は、迎え角αの変化量が大きく、方位角が１８０°〜３６０°まで変化する間（前進側）は、迎え角αの変化量が小さくなる。また、相対流れＵの大きさの変化は、翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃに作用する揚力Ｌと抗力ＤとモーメントＭの変化に影響を与える。後退側では、相対流れＵの速度は、風の速度より小さくなり、前進側では逆に、相対流れＵの速度は、風の速度より大きくなる。したがって、風速が増すことで、風車２の回転速度が増加すると、後退側での相対流れＵの速度が小さくなることで風車２を加速させる方向に作用するトルクが減少するとともに、前進側での相対流れＵの速度が大きくなることで風車２を減速させる方向に作用するトルクが増加する。そして、風車２は、所定の風速に対して、回転を加速させる方向に作用するトルクと減速させる方向に作用するトルクとが釣り合う定常回転数で回転する。
【００３５】
また、抗力Ｄ、揚力Ｌ、モーメントＭは、それぞれ流速（風速）の２乗に比例する。上述のように、風車２の回転速度が増すと、後退側と前進側の回転トルクのバランスが風車２の回転速度を減速させる方向に作用する。つまり、風速が変化することによる風車２の回転速度の変化は、風速の変化率よりも小さい。
【００３６】
このように、風車２の回転数は、釣り合い状態で安定し易いので、風力発電装置１は、安定した出力を供給する。また、突風などで風速が急激に変化した場合などにおいても、過敏に反応して回転速度が急激に変化することが無い。この風力発電装置１は、このような回転数保持機能があるため、強風時にも特別な暴走対策を必要としない。また、この風車２は、定常運転状態で、翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃの稜部５ｃ，５ｆ，５ｇの下流側に剥離が生じる。従来、翼の表面に剥離が生じないようにするために、翼の断面形状の設計に複雑な計算を要したり、翼の製造に高度な技術を要していたりしたことに対し、本実施形態の風車２の翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃは、断面形状が単純な三角形であるので、翼周りの流れの剥離パターンが類型的であり、翼に作用する揚力Ｌと抗力ＤとモーメントＭを風洞実験データなどから比較的正確に予測できる。したがって、対象となる風速の変動範囲に対して翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃの理想的な取付角度（迎え角α）を容易に求めることができる。また、翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃの製造においても高度な技術を要しないので、風車２及びこの風車２を用いた風力発電装置１を安価で提供することができる。
【００３７】
本実施形態の風車２において、翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃの断面形状８は、二等辺三角形である場合を例に説明したが、各辺の長さが異なる三角形であっても良いし、多角形であっても良い。この場合、断面形状の角に相当する翼の稜部５ｃ，５ｆ、５ｇは、流れに対して下流側に剥離を生じさせる形状であることが好ましい。翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃのそれぞれ３つの稜部５ｃ，５ｆ、５ｇは、回転軸Ｒを直角に横切る断面形状において３つの頂部を成している。この場合の３つの頂部は、各頂部を結ぶ線分で囲われる内側を流体が通過しない条件、すなわち流体が各頂部を結んでできる線分の内の２つを横切らない条件を満たすものとする。
【００３８】
そこで、上述の翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃに変わる他の翼の断面形状として、翼２１の断面形状を図９に示す。この翼２１は、図１に示した翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃの前面５ａとなる図３の断面形状８の底辺８ａに相当する前板２２と、図１の翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃの図３に示す断面形状８における二等辺三角形の底辺８ａから頂角８ｃに向かって延びる高さ８ｄに相当する尾板２３とで構成されている。言い換えれば、図９の翼２１の断面形状は、Ｔ字形である。前板２２の両端部２２ａと尾板２３の端部２３ａとは、回転軸Ｒを直角に横切る面に沿う断面における３つの頂部を成している。
【００３９】
また、翼２１は、図１の翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃと同様に、断面における前板２２と尾板２３との長さの比率は、３:５とし、前板２２から尾板２３に沿って尾板２３の長さの３０％離れた位置に設定される固定軸９を中心として、前板２２を回転軸Ｒの回転方向について一定な角度上流側に向けた状態でアーム７に固定される。
【００４０】
この角度を具体的に説明すると、尾板２３の端部２３ａが回転軸Ｒに向いた状態から時計回りに４０°〜５０°回した状態、つまり、作用流体が回転軸Ｒに向かって流れてくる方位角を０°とした場合にアーム７が０°にある状態で、尾板２３に沿って前板２２から上流側に延びる線が固定軸９を中心に時計回りに４０°〜５０°の方向に向く状態、すなわち迎え角αを４０°〜５０°に設けた状態である。
【００４１】
このように設けられた翼２１において、前板２２の両端部２２ａ及び尾板２３の端部２３ａは、風（流体）の流れＶの下流側に流れの剥離を生じさせる。また、図９の翼２１は、流体の流れＶによって、図６の翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃと類似した抗力Ｄ、揚力Ｌ、モーメントＭを受ける。図９に示す翼２１は、前板２２と尾板２３とで構成される単純な形状であるので、製造が容易であるとともに、互いに直角に接続されているので、流体の流れに対して剛性が高い。
【００４２】
３つの翼２１を等配に配置した流体駆動回転子となる風車２０を図１０に示す。この風車２０は、図１０に示すように、翼２１の迎え角αが反時計回りに設定されており、したがって、反時計回りに回転する。図１０において、風車２０は、前板２２と尾板２３とで構成される角部にリブ２４を備える。なお、図１および図６に示した風車２と同じ構成については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００４３】
上流側の０°位置の翼２１は、図６の翼５Ａに相当し、反時計回りに１２０°回転した位置の翼２１は、図６の翼５Ｂに相当し、０°位置から時計回りに１２０°回転した位置の翼２１は、図６の翼５Ｃに相当するものとして、各翼２１に作用する抗力ＤＡ，ＤＢ，ＤＣ、揚力ＬＡ，ＬＢ，ＬＣ、固定軸９を中心とするモーメントＭＡ，ＭＢ，ＭＣ、回転軸Ｒを中心とするトルクＱＡ，ＱＢ，ＱＣを示す。
【００４４】
さらに、流体駆動回転子の他の形状の翼３１について、回転軸Ｒを直角に横切る面に沿う断面形状を図１１の（ａ）〜（ｎ）に示す。各翼３１は、少なくとも３つの頂部３１ａを有している。また、図１１において、各翼３１は、図３および図９に相当する取付角度αでアーム７に固定された状態で示す。また、これらから類推される他の形状の３つ以上の頂部を有する断面形状の翼であっても良い。
【００４５】
なお、本実施形態において例示した風車２，２０は、作用流体が大気である場合の流体駆動回転子の一例である。したがって、作用流体が水である場合、流体駆動回転子は、水車として機能し、この水車を備える流体駆動式発電装置は、水力発電装置である。流体の流れる方向が一方向、或いは、その反対方向も含めた両方向に限られる場合、例えば、川の水流、トンネル内に生じる風、河口堰の潮流、車両や船舶の外表面など、回転軸の向きは、流れを横切るように配置されれば、鉛直方向に限らず水平でも斜めでも良い。
【００４６】
また、上述した翼５Ａ，５Ｂ，５Ｃまたは翼２１のアーム７に対する取付角度αは、一例であって、上述した角度に限られるものではなく、翼の寸法、形状、およびアームの長さなどに応じて種々の値をとりうるものである。また、風車の据え付け場所や、発電機の定格出力などによっても、最適な条件で風車が回るように、適宜、好ましい角度に設定されうるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の一実施形態に係る風力発電装置を示す斜視図。
【図２】図１中のＦ２−Ｆ２に沿って示す風力発電装置の断面図。
【図３】図１の風車の翼に作用する力とモーメントを示す図。
【図４】図３の翼に作用する抗力と揚力について迎え角を変数とするそれぞれの関数で示す図。
【図５】図３の翼の固定軸回りに作用するモーメントについて迎え角を変数とする関数で示す図。
【図６】図１の風車において、１つの翼が０°の位置に配置された状態の回転始動時に、各翼に作用する力をそれぞれ矢印で示す平面図。
【図７】図１の風車において、回転軸を中心とする翼の回転位置とこの翼によって生じる回転軸周りのトルクとの関係を示す図。
【図８】図１の風車の回転中において、０°、９０°、１８０°、２７０°の位置にある翼の外形と、回転軸を中心に１０°おきの位置における相対流れを示す図。
【図９】図３に示す翼の断面形状に対して、異なる断面形状を有した翼の断面図。
【図１０】図９に示した翼を３つ等配に配置した風車の断面図。
【図１１】本発明に係る流体駆動回転子の翼として適用される他の翼の平面図。
【符号の説明】
【００４８】
１…風力発電装置（流体駆動式発電装置）、２，２０…風車（流体駆動回転子）、３…発電機、４…制御装置、５Ａ，５Ｂ，５Ｃ…翼、５ａ…前面、６…シャフト、７…アーム、８…断面形状、９…固定軸、２１…翼、Ｒ…回転軸。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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