(57)【要約】本発明は、風力工学、つまり、風力発電機すなわち風力エネルギーを電気エネルギーに変換するための設備に使用可能な回転風力モーターに関するものである。本発明の目的は、効率を高め、風力モーターの出力を大きくすることであり、また、ローターの開始加速度を改善することである。風力モーターは、出力要素付きのローター（１）を含んでおり、該出力要素は、対称に配置された、空気力学的カスケードの二つのブロック（２）および（３）という形式で実現されるが、各ブロックは、有利には、四枚のブレード（４）から成り、タービン型の構成のブレードの形式で実現される。空気力学的カスケードのブロック（２）と（３）は、中心垂直軸（５）に取り付けられる。カスケード状ブレードの断面（４）は、亜音速空気力学的外形である。更に、タービン型に構成されたカスケード状ブレードの外形のパラメーターは、以下の値である：ブレードのリードは０．５ｂ；カスケード状ブロックの取り付け角度は０°；カスケード状ブレードの撓みは０．５ｂ；微小変化補正係数の値は０．５以下；但し、ｂはブレードの外形の弦の値である。
2004520524.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直軸に固定されたブレードの形式の出力要素付きのローターを含む回転風力モーターであって、出力要素は、カスケード状ブレードをタービン型に構成するように配置した、空気力学的カスケード・ブロックであることを特徴とする、回転風力モーター。
【請求項２】
モーターのローターが、対称に配置された空気力学的ブレードのブロックを二つ含んでおり、該ブロックには各列四つのブレードが入っていることを特徴とする、請求項１の回転風力モーター。
【請求項３】
カスケード状ブレードの外形は亜音速空気力学的ブレードの形式で実現されているが、タービン型に構成されたブレードのパラメーターの値は以下の範囲であり：
・ブレードのリードは、０．４÷０．６ｂ；
・カスケード状ブロックの取り付け角度は、０÷５°；
・カスケード状ブレードの撓みは、０．４÷０．６ｂ；
・微小変化補正係数の値は、０．３÷０．５；
但し、ｂはブレードの外形の弦の値であることを特徴とする、請求項１または２の回転風力モーター。
【請求項４】
タービン型に構成されたカスケード状ブレードのパラメーターの最適値は以下を有し：
・ブレードのリードは、０．５ｂ；
・カスケード状ブロックの取り付け角度は、０°；
・カスケード状ブレードの撓みは、０．５ｂ；
・微小変化補正係数の値は、０．５以下；
但し、ｂはブレードの外形の弦の値であることを特徴とする、前記請求項のうちのいずれかの回転風力モーター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力工学、つまり、風力発電機すなわち風力エネルギーを電気エネルギーに変換する設備のために使用可能な回転風力モーターに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
風力モーターに関する先行技術のローターは、１９９６年１０月９日出願、１９９９年８月２７日公告のロシア連邦特許出願第２１３５８２４号、ＩＰＣ6  Ｆ０３Ｄ７／０６によって、既に知られている。既に知られた風力モーターのローターは、垂直軸に取り付けられた二枚のＳ字型のブレードを含んでいる。Ｓ字型のブレードは、垂直軸にしっかりと接続された、回転可能な平行な横木に固定されている。更に、ブレードの固定箇所は、ブレードの重心の背後で、Ｓ字型のブレードの頂点から遠ざかる方向に向かって、ブレードの対称軸と直線をなすように揃っている。
【０００３】
上記の既に知られた回転風力モーターの欠点は、回転するように設計するのが複雑であること、低い範囲の出力しか出ないこと、そして、効率が比較的低いことである。
【０００４】
例えば１９９３年１１月１５日出願、１９９７年１１月２０日公告（プロトタイプ）のロシア連邦特許出願第２０９６２５９号、ＩＰＣ6  Ｂ６３Ｈ１３／００により、軸が垂直に設置された回転風力モーターが、もう一つ知られているのであるが、それは、上下の円盤型の座金と、ブレードを回転させるための機構とを備えているものである。座金の軸は回転の垂直軸と揃っている。ブレードの下端面には位置決め器が固定されているが、それは前記座金に開けられた孔と係合できるようになっている。前記のブレードを回転させるための機構を含んでいる要素は、ローターの軸に固定されていて、下の方の座金の上に位置している。
【０００５】
前記の既に知られた回転風力モーターの欠点は、信頼性に欠けること、出力範囲が足りないこと、そして効率の高さが不足していることである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、ローターの回転速度を高めることにより、効率を高め出力を大きくすることであり、また、ローターの開始加速度を改善することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によると、例えば垂直軸に固定されたブレードの形式の出力要素付きローターを含んだ回転風力モーターが備えられているものであって、出力要素は、カスケード状ブレードがタービン型の構成で配置された、空気力学的カスケード・ブロックの形式で、また大抵の場合は、各列に四つのブレードが入れられ、対称に設置された二つの空気力学的ブレードのブロックの形式で、実現されることを特徴としている。
【０００８】
カスケード状ブレードは、亜音速空気力学的ブレードという形式で実現するのが得策である。更に、タービン型に構成したブレードのパラメーターの値は以下の範囲を有することが得策である。
・ブレードのリードは、０．４÷０．６ｂ；
・カスケード状ブロックの取り付け角度は、０÷５°；
・カスケード状ブレードの撓みは、０．４÷０．６ｂ；
・微小変化補正係数の値は、０．３÷０．５；
但し、ｂはブレードの外形の弦の値。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
添付図面を参照しつつ、以下の実施例の詳細な説明を正しく読むことにより、本発明を更によく理解することが可能であるが、その図面において：
図１は、ブレードのカスケード状の構成の概略図を示すものである；
図２は、風力モーターのローターの平面図である；そして
図３は、ブレードの外形である。
【００１０】
風力モーターは、出力要素付きのローター１を含んでおり、該出力要素は、対称に配置された、空気力学的カスケードの二つのブロック２および３という形式で実現されるが、各ブロックは、有利には、四枚のブレード４から成り、タービン型の構成のブレードの形式で実現される。空気力学的カスケードのブロック２と３は、中心垂直軸５に取り付けられる。ブレードの外形は、亜音速空気力学的外形の形状である（図３）。回転カスケード状風力モーターの、提案された設計の効率は、ブレードのリード（γ）、カスケード状ブロックの取り付け角度（φρ）、カスケード状ブレードの撓み（χ）、微小変化補正係数の値（Κз）および、ブレードの外形の弦の値（ｂ）の選択によって決定される。前記のパラメーターの値は以下の範囲であり得ることが確定している：
・ブレードのリード（γ）は、０．４÷０．６ｂ；
・カスケード状ブロックの取り付け角度（φρ）は、０÷５°；
・カスケード状ブレードの撓み（χ）は、０．４÷０．６ｂ；
・微小変化補正係数の値（Κз）は、０．３÷０．５；
但し、ｂはブレードの外形の弦の値。
【００１１】
しかしながら、亜音速空気力学的外形を備えたモデルを実験していく過程で確定したところによると、前記のパラメーターの最適な値は次のようなものである。
・γ＝０．５ｂ；
・φρ＝０°；
・χ＝０．５ｂ；
・Κз≦０．５；
ブレードの外形の弦の値（ｂ）は、ブレードの外形の数（Ｚ）および、微小変化補正係数（Ｋз）と風力モーターのローターの直径（Ｄ）にどのような値を選ぶかによって、決定される。カスケード状ブロックの最適な数は２に等しく、しかし、各ブロックにおけるブレードの外形の数（Ｚ）の最適範囲は４を超えないということが明らかになっている。しかしながら、風力モーターのカスケード状空気力学的ブロックの数は、微小変化補正係数の値Κз≦０．５という条件で決定可能である。強度と出力の効率上の要件にしたがうと、最も都合のよいブロック数は２または３に等しい。
【００１２】
回転カスケード状風力モーターは、以下のような寸法を有する大型出力風車として、最も効率的な方法で使用されることができる：
直径Ｄ≧（６÷１０）ｍ；高さＨ＝（１．０÷１．５）Ｄ。
【００１３】
最適な稼働態様における一列の空気力学的ブレードの外形の、単位一つ当たりの出力（Ｎ~）は、実験により決定されうる：
Ｎ~＝Ｎ／Ｓ＝ａ×ρ×Ｕη3／１０3（ｋｗ／ｍ2）
但し、
Ｎは、一列に並んだ二つのブロックの出力の合計、
Ｓは、一列に並んだ二つのブロックに配置されたブレードの面積の合計、
Ｕηは、一列に並んだ二つのブロックに配置されたブレードの周辺速度（ｍ／秒）、
ρは、空気密度（ｋｇ／ｍ3）、
ａは、カスケード状ブレードの外形の、空気力学的特質の効率係数、
但し、この係数は、特定のブレードの外形を備えた、実物大の風力モーターの実験を通じて、決定される。
【００１４】
風力モーターのローターは、風の力で回転して発電器または（図示されない）他の機器を起動させ、確実に風力エネルギーを電気または機械的エネルギーに変換する。
【００１５】
空気力学的ブレードの外形をタービン型に構成したカスケード状ブロックを備えた風力モーターにより可能となるのは、モデルの実験結果によると、以下のことである：
・タービン型に構成したブレードの外形の空気力学的特質をより効率的に用いることによって、風力モーターの効率を大幅に改善することができる；その効率は実際に０．８を越えるものである（ζmax≧０．８）；
・微小変化補正係数（Ｋз）の値の可変範囲は、先行技術の回転風力モーターに関連するものではＫз≦０．３であったが、それをＫз≦０．５にまで広げるため、ローターの特定の速度を高く維持することにより、風力モーターの出力を改善させることができる；
・タービン型に構成したカスケードを用いることにより、風力モーターの開始加速度を改善することができる。
【００１６】
風力モーターの出力パラメーターの更なる改善を達成するには、ブレードのための機械化装置を用いることにより、例えば、前縁フラップ、後縁フラップ、境界層の放出設備等を用いることにより、風力モーターのタービン型カスケードで用いられる亜音速ブレードの外形の空気力学的特性を改善してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００１７】
本発明による回転風力モーターが産業的に利用可能なのは、前記の風力モーターが風力エネルギーを電気または機械エネルギーに変換するための風車の製造において制作可能であり、広く用いることが可能だからである。
【国際公開パンフレット】
2004520524.tif 000003
2004520524.tif 000004
2004520524.tif 000005
2004520524.tif 000006
2004520524.tif 000007
2004520524.tif 000008
2004520524.tif 000009
2004520524.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成15年8月29日(2003.8.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直軸の周りに等しい角度で取り付けられた複数のアームと、カスケード状ブロックに接続された複数のブレードとを備えたローターを含む垂直軸風力タービンであって、ブレードのブロックの数は次の範囲の数から選択され：二つ、三つ；ブレードのブロックは四つのカスケード状ブレードを備えており、ブロック内の前記カスケード状ブレードは、各ブロックの対称線に関して、ローターの回転方向に移動されることを特徴とする、垂直軸風力タービン。
【請求項２】
前記タービンはブレードのブロックを二つ含み、各ブロックには四つのカスケード状ブレードが付いているものであって、前記カスケード状ブレードが、前記二つのブロックの対称線に関して時計回りの方向に移動されることを特徴とする、請求項１の垂直軸風力タービン。
【請求項３】
前記タービンはブレードのブロックを三つ含み、各ブロックには四つのカスケード状のブレードが付いているものであって、前記ブロックのそれぞれにおける前記カスケード状ブレードが、各ブロックの対称線に関して時計回りの方向に移動されることを特徴とする、請求項１の垂直軸風力タービン。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力工学、つまり、風力発電機すなわち風力エネルギーを電気エネルギーに変換する設備のために使用可能な垂直軸風力タービンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
風力タービンに関する先行技術のローターは、１９９６年１０月９日出願、１９９９年８月２７日公告のロシア連邦特許出願第２１３５８２４号、ＩＰＣ6  Ｆ０３Ｄ７／０６によって、既に知られている。既に知られた風力タービンのローターは、垂直軸に取り付けられた二枚のＳ字型のブレードを含んでいる。Ｓ字型のブレードは、垂直軸にしっかりと接続された、回転可能な平行な横木に固定されている。更に、ブレードの固定箇所は、ブレードの重心の背後で、Ｓ字型のブレードの頂点から遠ざかる方向に向かって、ブレードの対称軸と直線をなすように揃っている。
【０００３】
上記の既に知られた回転風力タービンの欠点は、回転するように設計するのが複雑であること、低い範囲の出力しか出ないこと、そして、効率が比較的低いことである。
【０００４】
例えば１９９３年１１月１５日出願、１９９７年１１月２０日公告（プロトタイプ）のロシア連邦特許出願第２０９６２５９号、ＩＰＣ6  Ｂ６３Ｈ１３／００により、軸が垂直に設置された回転風力タービンが、もう一つ知られているのであるが、それは、上下の円盤型の座金と、ブレードを回転させるための機構とを備えているものである。座金の軸は回転の垂直軸と揃っている。ブレードの下端面には位置決め器が固定されているが、それは前記座金に開けられた孔と係合できるようになっている。前記ブレードを回転させるための機構を含んでいる要素は、ローターの軸に固定されていて、下の方の座金の上に位置している。
【０００５】
前記の既に知られた風力タービンの欠点は、信頼性に欠けること、出力範囲が足りないこと、そして効率の高さが不足していることである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、ローターの回転速度を高めることにより、効率を高め出力を大きくすることであり、また、ローターの開始加速度を改善することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によると、垂直軸の周りに等しい角度で取り付けられた複数のアームと、カスケード状ブロックに接続された複数のブレードとを備えたローターを含む、垂直軸風力タービンが備えられているものであって、ブレードのブロックの数は次の範囲の数から選択され：二つ、三つ；ブレードのブロックは四つのカスケード状ブレードを備えており、ブロック内の前記カスケード状ブレードは、各ブロックの対称線に関して、ローターの回転方向に移動されることを特徴としている。
【０００８】
ブレードの二つのブロックおよび、各ブロック四つのカスケード状ブレードを風力タービンに備え、それにより、ブロック内の前記カスケード状ブレードが前記二つのブロックの対称線に関して時計回りに移動されるようにすることが得策であり；あるいは、他の実施様態においては、ブレードの三つのブロックおよび、各ブロック四つのカスケード状ブレードを風力タービンに備えて、それにより、ブロック内の前記カスケード状ブレードが各ブロックの対称線に関して時計回りに移動されるようにすることが得策である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
添付図面を参照しつつ、以下の実施例の詳細な説明を正しく読むことにより、本発明を更によく理解することが可能であるが、その図面において：
図１は、ブレードのカスケード状の構成の概略図を示すものである；
図２は、風力モーターのローターの平面図である；そして
図３は、ブレードの外形である。
【００１０】
垂直軸風力タービンはローター１を含んでおり、該ローターに備えられた二つの対称的なアームには、空気力学的カスケードのブロック２および３が付いているが、各ブロックは、有利には、四枚のブレード４から成り、タービン型の構成のブレードの形式で実現される。空気力学的カスケードのブロック２と３が付いたアームは、中心垂直軸５の周りに等しい角度で、つまり、一つがもう一つに対して１８０°で、取り付けられる。ブレードの外形は、亜音速空気力学的外形の形状である（図３）。図２に示すように、ブロック２内のカスケード状ブレード４は、またそれゆえに、ブロック３内のカスケード状ブレード４は、前記ブロック２および３の対称線Ｏ−Ｏに関して、前記ローター１の回転方向（矢印で示されている）に移動される。風力タービンの、記述された実施様態におけるローター１は、時計回りの方向に回転するように示されている。回転カスケード状風力タービンの、提案された設計の効率は、ブレードのリード（γ）、カスケード状ブロックの取り付け角度（φρ）、カスケード状ブレードの撓み（χ）、微小変化補正係数の値（Κз）および、ブレードの外形の弦の値（ｂ）の選択によって決定される。前記のパラメーターの値は以下の範囲であり得ることが確定している：
・ブレードのリード（γ）は、０．４ｂ〜０．６ｂ；
・カスケード状ブロックの取り付け角度（φρ）は、０°〜５°；
・カスケード状ブレードの撓み（χ）は、０．４ｂ〜０．６ｂ；
・微小変化補正係数の値（Κз）は、０．３〜０．５；
但し、ｂはブレードの外形の弦の値。
【００１１】
しかしながら、亜音速空気力学的外形を備えたモデルを実験していく過程で確定したところによると、前記のパラメーターの最適な値は次のようなものである。
・γ＝０．５ｂ；
・φρ＝０°；
・χ＝０．５ｂ；
・Κз≦０．５；
ブレードの外形の弦の値（ｂ）は、ブレードの外形の数（Ｚ）および、微小変化補正係数（Ｋз）と風力タービンのローターの直径（Ｄ）にどのような値を選ぶかによって、決定される。カスケード状ブロックの最適な数は２に等しく、しかし、各ブロックにおけるブレードの外形の数（Ｚ）の最適範囲は４を超えないということが明らかになっている。しかしながら、風力タービンのカスケード状空気力学的ブロックの数は、微小変化補正係数の値Κз≦０．５という条件で決定可能である。強度と出力の効率上の要件にしたがうと、最も都合のよいブロック数は２または３に等しい。
【００１２】
回転カスケード状風力タービンは、以下のような寸法を有する大型出力風力タービンとして、最も効率的な方法で使用されることができる：
直径Ｄ≧（６÷１０）ｍ；高さＨ＝（１．０÷１．５）Ｄ。
【００１３】
最適な稼働態様における一列の空気力学的ブレードの外形の、単位一つ当たりの出力（Ｎ~）は、実験により決定されうる：
Ｎ~＝Ｎ／Ｓ＝ａ×ρ×Ｕη3／１０3（ｋｗ／ｍ2）
但し、
Ｎは、一列に並んだ二つのブロックの出力の合計、
Ｓは、一列に並んだ二つのブロックに配置されたブレードの面積の合計、
Ｕηは、一列に並んだ二つのブロックに配置されたブレードの周辺速度（ｍ／秒）、
ρは、空気密度（ｋｇ／ｍ3）、
ａは、カスケード状ブレードの外形の、空気力学的特質の効率係数、
但し、この係数は、特定のブレードの外形を備えた、実物大の風力タービンの実験を通じて、決定される。
【００１４】
風力タービンのローターは、風の力で回転して発電器または（図示されない）他の機器を起動させ、確実に風力エネルギーを電気または機械的エネルギーに変換する。
【００１５】
空気力学的ブレードの外形をタービン型に構成したカスケード状ブロックを備えた風力タービンにより可能となるのは、モデルの実験結果によると、以下のことである：
・タービン型に構成したブレードの外形の空気力学的特質をより効率的に用いることによって、風力タービンの効率を大幅に改善することができる；その効率は実際に０．８を越えるものである（ζmax≧０．８）；
・微小変化補正係数（Ｋз）の値の可変範囲は、先行技術の回転風力モーターに関連するものではＫз≦０．３であったが、それをＫз≦０．５にまで広げるため、ローターの特定の速度を高く維持することにより、風力タービンの出力を改善させることができる；
・タービン型に構成したカスケードを用いることにより、風力タービンの開始加速度を改善することができる。
【００１６】
風力タービンの出力パラメーターの更なる改善を達成するには、ブレードのための機械化装置を用いることにより、例えば、前縁フラップ、後縁フラップ、境界層の放出設備等を用いることにより、風力モーターのタービン型カスケードで用いられる亜音速ブレードの外形の空気力学的特性を改善してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００１７】
本発明による風力タービンが産業的に利用可能なのは、前記の風力タービンが風力エネルギーを電気または機械エネルギーに変換するための垂直軸風力タービンの製造において制作可能であり、広く用いることが可能だからである。国際出願時における明細書の全頁、請求の範囲の請求項１〜３を補正するとともに、国際出願時における請求項４を削除した。




【国際調査報告】
2004520524.tif 000011
2004520524.tif 000012
2004520524.tif 000013