(57)【要約】【課題】  従来の翼型の断面形状を有するブレードに対して、シンプルでありながら極めて安価かつ容易に製造可能な風車のブレード及びそれを備えた風車を提供することを目的とする。【解決手段】  ブレード１０は、断面が円又は楕円形状をなすと共に、その表面に回転中心近傍から先端側に向かって所定長さの溝１１又はラフネス１２が形成されていることを特徴とし、風車１は、そのようなブレードと、ブレードを回転可能に支持する支柱と、そして、ブレードの回転面を風向き方向と正対させる風見安定板とを備えてなることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力によって回転する風車のブレードにおいて、
断面が円又は楕円形状をなすと共に、その表面に回転中心近傍から先端側に向かって所定長さの溝又はラフネスが形成されていることを特徴とする風車のブレード。
【請求項２】
請求項１に記載の風車のブレードにおいて、
前記溝又はラフネスは、前記ブレードの回転軸に対して４５°〜９０°に位置する当該ブレードの表面の少なくとも一方側に設けられていることを特徴とする風車のブレード。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の風車のブレードにおいて、
前記溝又はラフネスは、一直線状又はそれを区分した断続的な線分により形成されていることを特徴とする風車のブレード。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の風車のブレードにおいて、
前記溝又はラフネスは、ブレードの先端側に近づくにつれて回転軸方向に対する角度が次第に大きくなるような曲線又は区分された直線によって前記曲線に近似させた断続的な線分により形成されていることを特徴とする風車のブレード。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の風車のブレードにおいて、
前記ブレードは、円柱又は円筒により形成されていることを特徴とする風車のブレード。
【請求項６】
請求項５に記載の風車のブレードにおいて、
当該ブレードの少なくとも一方側の端面部に当該ブレードが回転する方向に揚力を発生させるような角度を有する補助翼が設けられていることを特徴とする風車のブレード。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の風車のブレードと、
前記ブレードを回転可能に支持する支柱と、そして、
前記ブレードの回転面を風向き方向と正対させる風見安定板と、
を備えてなることを特徴とする風車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風車のブレード及びそれを備えた風車に関し、更に詳しくは、風の力によって回転する水平軸型の風車のブレード及びそれを備えた風車に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のプロペラ型の水平軸風車の典型的な一例を図１２に示す。図示された風車は、３枚のブレード１０１、１０１が取り付けられたロータ１０５が回転可能にナセル１０７に取り付けられ、ナセル１０７は支柱１０３によって支持されて形成されている。このように、従来の風車のブレードは一般に厚みの小さい翼型のブレードが用いられている。そして、これらの風車のほとんどがその性能を高めるために、ブレードの先端にいくにつれてブレードの翼弦長を変化させると共に、ブレードが回転する面（ブレード面）における翼型の断面の設定角もブレードの先端側にいくにつれて変化（要するに「ひねり」を加えている）させて形成されている。
【０００３】
上述したような従来のプロペラ型風車のブレードは、その形状の特徴から、運用時に必要な強度と剛性を確保するために、材料の面からも製作・加工の面からもからとても高価なものとなり、また、製造に要する期間も長くなるという欠点を有している。性能よりもコストを重視して風車を設置したい場合には、こうした風車は適していない。そのため、安価に量産可能な水平軸型の風車の開発が望まれていた。
【０００４】
安価に量産可能な水平軸型の風車の一例としては、ブレードの受風面の基本形状を、基端側をアスペクト比１．５以上の矩形翼部とすると共に、矩形翼部の外側にアスペクト比１．５以下のデルタ翼部を連接して形成し、かつ、矩形翼部の両側部間に１０度〜２０度の捩り角を設定すると共にデルタ翼部を平面形状とした風車が提案されている（特許文献１参照）。この風車は、ブレードを形成する矩形翼部とデルタ翼部とを備え、それらは厚さ約３〜５ｍｍ程度のアルミニウム合金板をプレス加工することにより一体的に形成したり、ＦＲＰ等を含むプラスチック材で一体的に成型することによりブレードを安価に量産可能とし、これによって風車自体の製造コストを大幅に低減することができるというものである。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１３７９１０号公報（請求項１、「００１９」段落、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に示された風車のブレードの形状も独特の形状であり、金型の製造費等の新たなコストも嵩む。しかも、金型によって製造するのであれば決まったサイズのブレードしか製造できないという問題がある。従って、性能よりもコストを重視して風車を設置したい場合には、こうした風車は適していない。
【０００７】
そこで、本発明は、上記課題を解決すべく、従来の翼型の断面形状を有するブレードに対して、シンプルでありながら極めて安価かつ容易に製造可能な風車のブレード及びそれを備えた風車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】
上記課題を解決するために請求項１に記載の本発明は、風力によって回転する風車のブレードにおいて、断面が円又は楕円形状をなすと共に、その表面に回転中心近傍から先端側に向かって所定長さの溝又はラフネスが形成されていることを特徴とする。
【０００９】
風車のブレードを断面が円又は楕円形状の円柱或いは円管等の円筒形状とすると共に、そのブレード表面にブレード回転軸近傍からブレード先端側に向かって「溝」（即ち「くぼみ」）又は「ラフネス」を形成する。ここで、本発明における「ラフネス」とは、微細な粒状物体をいくつも表面に接着することによって部分的に表面粗さを増し、表面近傍の空気流れの層流境界層を強制的にその部分で乱流境界層に遷移させる効果を持つものをいう。尚、「溝」と「ラフネス」は基本的に同じ効果を有するので、以下の説明や図面では「溝」を例にして説明するが、「ラフネス」を使用する場合は「溝」を「ラフネス」に置き換えて考えればよい。
【００１０】
上記課題を解決するために請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の風車のブレードにおいて、溝又はラフネスは、ブレードの回転軸に対して４５°〜９０°に位置するブレードの表面の少なくとも一方側に設けられていることを特徴とする。
【００１１】
静止状態にあるブレードの回転面に向かってくる風の方向に対してブレード断面でのθ≒４５°〜層流剥離発生位置（流れのレイノルズ数や表面粗さなどによって多少異なるが、相対風の方向に対して約７０°〜９０°前後の位置）のブレード表面位置にブレード回転軸近傍からブレード先端側に向かう長手方に「溝」又は「ラフネス」を形成する。ブレードの表面をこのように形成することにより、「溝」又は「ラフネス」を付けない側のブレード表面を沿う空気の流れは層流境界層の状態で剥離（層流剥離）を生じて早く表面から剥がれてしまう。これに対して、層流剥離が発生する位置よりも前に「溝」又は「ラフネス」を形成した側では、「溝」又は「ラフネス」によって層流境界層が相対的に剥離しにくい乱流境界層に強制的に遷移させられるので、剥離（この場合は乱流剥離）の位置は層流剥離の場合よりも後方に移動し（例えば、相対風の方向に対して約１００°〜１３０°前後の位置）、空気がより後方まで表面を沿って流れるようになる。この空気流の剥離位置の違いによって、「溝」又は「ラフネス」を付けた側に相対風の方向に対して直角方向に揚力が発生し、その揚力によるブレード回転軸まわりの回転モーメントによって、ブレードは発生した揚力方向と同じ方向に回転することになる。
【００１２】
上記課題を解決するために請求項３に記載の本発明は、請求項１又は２に記載の風車のブレードにおいて、溝又はラフネスは、一直線状又はそれを区分した断続的な線分により形成されていることを特徴とする。
【００１３】
ブレード表面に形成する「溝」又は「ラフネス」は、元も簡単なものとしてブレードの回転中心近傍から先端側に向かって一直線状に形成することができるが、同一直線状に位置する断続的な線分によって形成することもできる。
【００１４】
上記課題を解決するために請求項４に記載の本発明は、請求項１又は２に記載の風車のブレードにおいて、「溝」又は「ラフネス」は、ブレードの先端側に近づくにつれて回転軸方向に対する角度が次第に大きくなるような曲線又は区分された直線によってそのような曲線に近似させた断続的な線分により形成されていることを特徴とする。
【００１５】
「溝」又は「ラフネス」は、ブレードの先端側へいくほど角度位置θが大きくなる曲線状とすることもできる。この場合、そのような曲線を細かく区分した直線状の溝に近似的に形成しても良い。
【００１６】
上記課題を解決するために請求項５に記載の本発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の風車のブレードにおいて、ブレードは、円柱又は円筒により形成されていることを特徴とする。
【００１７】
断面が円又は楕円形状を有する物体のうちで最もシンプルなのは円柱又は円筒である。これは、製造が極めて容易であるだけでなく鋼管等の様々な既製品が市販されておりそれらを利用することができる。材質も金属製のものに限らず木製のものや合成樹脂製のもの等様々なものを利用することができる。
【００１８】
上記課題を解決するために請求項６に記載の本発明は、請求項５に記載の風車のブレードにおいて、ブレードの少なくとも一方側の端面部にブレードが回転する方向に揚力を発生させるような角度を有する補助翼が設けられていることを特徴とする。
【００１９】
ブレードの端面部に平板あるいは翼型形状の小さな補助翼をブレードが回転する方向に揚力を発生するような角度を設けて取り付けておくと、風が弱いときであっても回転の初動を得られ易くすることができる。
【００２０】
上記課題を解決するために請求項７に記載の本発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の風車のブレードと、ブレードを回転可能に支持する支柱と、そして、ブレードの回転面を風向き方向と正対させる風見安定板とを備えてなることを特徴とする風車を提供する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る風車のブレード及びそれを備えた風車によれば、断面が円又は楕円形状の円柱或いは円管等は既製品を使用することができ、たとえそうでない場合であっても安価に製造が可能で、その表面に溝やラフネスを付ける加工も容易である。従って、従来のブレードに比べて極めて安価で入手容易な風車のブレード及び風車を提供することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明に係る風車のブレード及びそれを備えた風車の好ましい一実施形態について図面を参照しつつ以下詳細に説明する。図１は本発明に係る風車のブレードを備えた風車を説明するための概略斜視図である。
【００２３】
図示された風車１は、一本の中実の円柱により形成されたブレード１０がその長手方向の中心を回転中心として断面直径方向に回転軸５が挿通されている。回転軸５はナセル７を介して図示しない支柱に取り付けられ、用途に応じて、例えば、発電機等を含む周知の風力発電装置に動力を供給するようになっている。これにより、ブレード１０が風を受けて回転すると、ブレード１０から伝えられた回転力によって発電機が回り発電が行われる。本実施形態におけるブレード１０は中実の円柱を用いているが、これに限るものではなく、中空の円筒を用いることもできる。円柱や円筒である管状部材は製造が極めて容易であるばかりでなく様々な既製品が市販されており入手が極めて容易である。材質も強度や耐久性を満足するものであれば鋼管等の金属製のものに限らず木製のものや合成樹脂製のもの等を利用することができる。また、ブレード１０の断面形状は図示されたような円形状のものに限らず楕円形状であっても良い。
【００２４】
ブレード１０の表面には、ブレード１０の回転中心である回転軸５の近傍から先端側に向かって所定長さの溝１１、１１が回転中心を対称の中心として点対称に左右の両側に形成されている。ここで、溝１１は、図２に示すように、静止状態にあるブレード１０の回転面に向かってくる相対風Ｗ１の方向（ブレード１０における回転軸方向）に対してブレード１０の断面におけるθ≒４５°〜層流剥離発生位置Ｓまでの範囲内のいずれかのブレード１０の表面位置に形成されている。一方、溝１１が設けられていない側のブレード表面（図２における相対風Ｗ１に相対するブレード１０の下側の表面）を沿う空気の流れは層流剥離発生位置Ｓにおいて層流境界層の状態で剥離（層流剥離）を生じて早くブレード１０の表面から剥がれてしまう。尚、層流剥離発生位置Ｓは、流れのレイノルズ数や表面粗さなどによって多少異なるが、相対風の方向に対して約７０°〜９０°前後に位置する。
【００２５】
一方、層流剥離発生位置Ｓよりも前に溝１１を配した側（図２における相対風Ｗ１に相対するブレード１０の上側の表面）では、溝１１によって層流境界層が相対的に剥離しにくい乱流境界層に強制的に遷移させられるので、乱流剥離発生位置Ｔは層流剥離の場合よりも後方に移動し、空気がより後方までブレード１０の表面を沿って流れるようになる。乱流剥離発生位置Ｔは、具体的には、相対風Ｗ１の方向（ブレード１０における回転軸の軸方向）に対して約１００°〜１３０°前後に位置する。この空気流の剥離位置の違いによって、溝１１を付けた側に相対風Ｗ１の方向に対して直角方向に揚力が発生し、その揚力によるブレード１０の回転軸５まわりの回転モーメントによって、ブレード１０は発生した揚力方向と同じ方向に回転するようになる。
【００２６】
ブレード１０が回転し始めると、図３に示すように、ブレード１０の回転運動に伴う風成分Ｗ２の発生によって、ブレード１０に向かう実質的な相対風Ｗ３が強くなると共に、ブレード１０に向かう方向も変化していき、その実質的な相対風Ｗ３と溝１１の位置方向とのなす角度αはθよりも小さくなっていく。前者の相対風速の増大は実質的な相対風Ｗ３に直角方向の空気力である揚力と相対風と平行な方向の空気力である抗力を強くする効果を有するが、後者の風向の変化は揚力と抗力との合力のブレード面内の成分である“ブレード回転方向の力”を弱めていく効果を有する。回転運動に伴う風成分Ｗ２が大きくなっていくと、いずれは後者の効果が支配的になってきて、“ブレード回転方向の力”がゼロに近づいていき、さらにはマイナスになる。結局、ブレード１０は、回転軸５に負荷がかかっていなければ、ブレード１０の回転中心からブレード１０の先端部までの各断面の“ブレード回転方向の力”×“ブレード回転軸から断面までの距離”である回転モーメントの積分値がゼロとなる回転速度に達するまで加速して、その回転速度を維持しようとする。以上のように、ブレード１０は相対風Ｗ１によって回転を続けることができるのである。尚、図２における相対風Ｗ１に相対するブレード１０の下側の表面に溝１１を形成し、その溝１１と回転中心を対称の中心として点対称の位置に溝１１を設けることもでき、この場合、ブレード１０の回転方向は図１の場合とは逆になる。
【００２７】
次に、ブレード１０の表面に形成される溝１１の形状について説明する。
最も簡単なものとして、溝１１をブレード１０の表面に直線状に形成したものを図４（ａ）に示す。図示された溝１１は、ブレード１０の回転運動方向の側に、θ≒４５°の位置からブレード１０が回転していないときの層流剥離発生位置Ｓよりも前側にブレード１０の回転中心の近傍からその先端側に向かって所定長さの溝１１が形成されており、ブレード１０の回転中心を対称の中心として点対称の位置にも溝１１が形成されている。溝の長さは、概略として、回転中心近傍からブレード１０の先端部までの長さに亘ってブレードの長さにほぼ等しくするのが好ましい。また、溝１１は、同一直線状に位置する断続的な線分によって形成することもできる。一方、溝１１の幅及び深さはブレード１０の直径に対して約０．２〜４．０％に形成することが好ましい。尚、溝１１の形状は特に限定するものではないが、Ｕ字状やＶ字状の溝とすることができる。ここで、図４（ｂ）はブレード１０のＢ−Ｂ断面図、図（ｃ）はそのＣ−Ｃ断面図である。尚、層流剥離発生位置Ｓは、相対風Ｗ３の方向に対して約７０°〜９０°に位置する。
【００２８】
これに対して、「ラフネス」は、上述したように、微細な粒状物体をいくつも表面に接着することによって部分的に表面粗さを増し、表面近傍の空気流れの層流境界層を強制的にその部分で乱流境界層に遷移させる効果を持つものであり、具体的には図１１に示す。図示されたラフネス１２は、例えばブレード１０の表面の溝１１を形成すべき位置に金属、鉱物、プラスチック等の小さな粒状物を接着剤等により接着して形成されている。
【００２９】
ところで、図３に示すように、ブレード１０が回転すると回転運動に伴う風成分（Ｗ２）の発生によって、ブレード１０に向かう実質的な相対風（Ｗ３）の方向と溝１１の位置方向とのなす角度αは小さくなっていくが、この傾向はブレード１０の先端側に行くほど強く現れる。そこで、図５に示すように、ブレード１０が回転しているときの各断面における実質的な相対風に対する溝１１の角度の違いを抑制するように、ブレード１０の先端部にいくほど溝１１の角度θを次第に大きくするようにした曲線状の溝１１をつけても良い。この場合、曲線状の溝１１を付ける加工が煩わしくて避けたいのであれば、図６に示すように、本来の曲線を細かく区分すると共に、各線分を直線とすることによってそのような曲線を近似的に出現させても良い。さらに、図７に示すように、ブレード１０の表面の両側の層流剥離発生位置Ｓの近傍（例えばθ≒９０°）のそれぞれに溝１１、１１を形成すると、ブレード１０の回転方向は初めのきっかけによって左右どちらの方向でも回転することが可能となる。この場合、どちらか一方の溝１１が層流剥離発生位置Ｓより前になり、他方が層流剥離発生位置よりも後ろになる。そのため、一旦、回転が始まれば一方側の溝１１によって層流境界層が相対的に剥離しにくい乱流境界層に強制的に遷移させられるので回転運動が継続する。尚、この場合も溝１１を直線状にするか、曲線状にするか、さらには断続的な線分の組み合わせにするかは適宜選択可能である。
【００３０】
ところで、図８（ａ）（ｂ）に示すように、ブレード１０の先端面に平板あるいは翼型形状に形成された羽根を補助翼２０として、ブレード１０が回転する方向に揚力を発生するような角度を設けて取り付けることもできる。このような補助翼２０を設けることにより、風が弱いときでも回転の初動を得られ易くすることができる。
【００３１】
これまで、一本の円柱又は円筒を用いることにより、２つのブレード１０が左右に一直線上に配置された実施形態について説明してきたが、本発明は、図９に示すような３枚ブレードの風車等のように、ブレードの枚数に関係なく適用できるものであり、ブレード１０の回転軸５近傍を除く他の部分にのみにブレードを設ける場合にも適用できる。また、図９に示すように、断面が円又は楕円形状であればブレード１０の回転軸５近傍からブレード１０の先端部側に向かってブレード１０の断面形状と大きさは一定でなくてもよい。ここで、図９に示すのは、回転軸５近傍からブレード１０の先端部側に向かってブレード１０の断面形状が異なる３枚のブレード１０を備えた風車の概略斜視図である。図示された風車は、３枚のブレード１０が１２０°間隔でそれぞれ回転軸５に取り付けられ、回転軸５はナセル７に回転可能に支持されて形成されている。ブレード１０は、回転軸５に対して放射状に立設されたシャフト１３と、シャフト１３に連設された円柱状の第一ブレード１０ｂと、さらに、第一ブレードに連設された先端方向に断面直径が次第に大きくなるように拡開したラッパ状の第二ブレードとを備えて形成されている。そして、第一ブレード及び第二ブレードの表面にはこれまで説明したような機能を有する溝１１がそれぞれ設けられている。これにより、相対風により矢印方向に回転するようになっている。
【００３２】
次に、図１０を参照しつつ、本発明に係る風車のブレードを備えた風車の一実施形態について説明する。
中実の円柱により形成されたブレード１０の長手方向の中央部に回転軸５を取り付け、これを風車１のブレード１０とされている。この回転軸５は、ナセル７に回転可能に軸支され、ナセル７は支柱３によって左右いずれの方向にも回転自在に支持されている。回転軸５は、風車１の使用目的に応じて、例えば、図示しない発電機を駆動するための動力を供給する軸となる。また、ナセル７には、風車１への風の向きが変化する場合には、ブレード１０を常に風に対して相対させて位置にさせるための風見安定板９がブレード１０が取り付けられた側とは反対側のナセル７から突出するようにして設けられた取付部材８に配設されている。これにより、ブレード１０の回転面は常に風を正面から受けるようになっている。ブレード１０にはこれまで説明したような溝１１、１１又はラフネス１２が設けられている。
【００３３】
以上のように、本発明によれば、断面が円又は楕円形状の円柱或いは円筒をブレードとし、その表面に線状の溝を付けるだけの簡単な構造によって、極めて安価に製造又は入手が可能な風車を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る風車のブレードを備えた風車を説明するための概略斜視図である。
【図２】図１に示したブレードの断面図である。
【図３】ブレードが回転を始めた状態を示す断面図である。
【図４】（ａ）は直線状の溝が設けられたブレードの斜視図、（ｂ）はＢ−Ｂ断面図、（ｃ）はＣ−Ｃ断面図である。
【図５】曲線状の溝が設けられたブレードの斜視図である。
【図６】曲線を近似的に直線の線分で形成した溝が設けられたブレードの斜視図である。
【図７】両側の層流剥離発生位置の近傍に溝が設けられたブレードの断面図である。
【図８】（ａ）は先端面に補助翼が設けられたブレードの斜視図、（ｂ）はその側面図である。
【図９】断面形状が変化するブレードを３枚備えた風車の斜視図である。
【図１０】本発明に係る風車のブレードを備えた風車の一実施形態の斜視図である。
【図１１】ラフネスが設けられたブレードを示す概略斜視図である。
【図１２】従来のプロペラ型の水平軸風車の典型的な一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３５】
１      風車
３      支柱
５      回転軸
７      ナセル
８      取付部材
９      風見安定板
１０      ブレード
１０ａ      第二ブレード
１０ｂ      第一ブレード
１１      溝
１２      ラフネス
１３      シャフト
【図１】
2007187007.tif 000003
【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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【図１２】
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