(57)【要約】【課題】  風車の効率を改善するための集風シュラウドと、主に風車の機械構造を強化するためのアウターリングとを、個々の要素に必然的に付随するデメリットをお互いに打ち消すように組み合わせてなる高効率の水平軸型の風車を提供する。【解決手段】  内周面４Ｎに環状に連続する段差部４Ｄまたは凹陥部を形成した集風シュラウド４と、その段差部４Ｄまたは凹陥部に相補的な断面形状を有するアウターリング５を取り付けてなる風車６とを、段差部４Ｄ等にアウターリング５をはめ込むような位置関係で組み合わせる。段差部４Ｄ等は、アウターリング５によって解消され、アウターリング５に生じる風圧抗力は、事実上皆無に抑えられる。【選択図】図２
2013002351.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
等角度間隔の放射状に配置された複数枚のブレードを備える水平軸型の風車に、前記複数枚のブレードの先端部を互いに連結する環状のアウターリングを取り付けるとともに、前記風車に、内周面に環状に連続する段差部を形成した集風シュラウドを組み合わせてなり、
前記風車と前記集風シュラウドとは、集風シュラウドの内周面に形成した前記段差部と風車に取り付けられた前記アウターリングとが対応するように組み合わされ、
前記集風シュラウドの内周面における前記段差部は、組み合わされた前記アウターリングによって解消され、前記集風シュラウドの内周面が風上側から風下側に円滑に連続するようにしてなる水平軸型の風車。
【請求項２】
等角度間隔の放射状に配置された複数枚のブレードを備える水平軸型の風車に、前記複数枚のブレードの先端部を互いに連結する環状のアウターリングを取り付けるとともに、前記風車に、内周面に環状に連続する凹陥部を形成した集風シュラウドを組み合わせてなり、
前記風車と前記集風シュラウドとは、集風シュラウドの内周面に形成した前記凹陥部と風車に取り付けられた前記アウターリングとが対応するように組み合わされ、
前記集風シュラウドの内周面における前記凹陥部は、組み合わされた前記アウターリングによって解消され、前記集風シュラウドの内周面が風上側から風下側に円滑に連続するようにしてなる水平軸型の風車。
【請求項３】
前記集風シュラウドは、前記段差部または凹陥部の風下側に前記段差部または凹陥部に沿って分散配置する複数個のスラスト支持ローラを備え、該スラスト支持ローラは、前記複数枚のブレードが風圧抗力によって風下側に撓むことによって生じる前記アウターリングの風下側への変移量が所定の変移量を超えた際に前記アウターリングを風下側から支持することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水平軸型の風車。
【請求項４】
前記集風シュラウドは、前記複数のブレードの撓みを利用して前記アウターリングを風上側に駆動するスラスト駆動部材を備え、該スラスト駆動部材は、前記スラスト支持ローラを介して前記アウターリングを前記段差部または凹陥部の風上面に押し付ける動作によって風車の回転を自動制御または手動制御することを特徴とする請求項３に記載の水平軸型の風車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水平軸型の風車に、風車のブレードの先端部を互いに連結するアウターリングと、風車を取り囲むように設置して使用される集風シュラウドとの双方を同時に組み合わせてなる水平軸型の風車に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電は、そのエネルギー源が将来的にも無尽蔵であることに加え、完全な意味でのノーエミッションでの運用が可能である。電力供給手段としての風力発電におけるこのようなメリットは、他の電力供給手段には見られないきわめて有利な特徴である。しかし、わが国における総発電量に占める風力発電量は、他の先進諸国に比べてきわめて少なく、風力発電は重要視されていない。
【０００３】
安定な電力供給は、一国のエネルギー基盤を左右する重要課題であり、近年、産学官連携による電力系統の理想的な将来像の策定がなされている。これによると、今日における電力供給側から電力消費側への一方的な電力供給体制を見直し、電力需要情報に基づく電力の供給という、いわば、オンデマンド方式の電力供給による排出ＣＯ２の削減、および電力供給源の分散と電力系統への電力の出し入れによる危険分散型の電力系統が策定されているようである。
【０００４】
上記のような電力系統の将来像は、今日における一極集中型の電力供給体制に対する反省を含んでおり、間接的に電力供給手段の多様性および配置の分散を求めている。低迷している風力発電の位置付けを改善するには、上記のような電力系統の将来像に対する配慮のみならず、今日における風力発電を民間事業主体や地域行政主体に受け入れられやすいものに改善していく努力がなされなければならない。
【０００５】
このためには、民間事業主体や地域行政主体の規模や特質等の個々の実情に適合することができる風力発電装置の開発が求められる。また、国土が狭く風況変化が頻繁であるわが国固有の風環境にも十分な配慮がなされなければならない。単に、風車の規模を大規模化するという大陸型発想による従来の効率改善策については、それなりの合理性および存在価値を認めることができる。しかし、さらには、従来の効率改善策から脱皮した風車が求められる。特に風車の様な自然エネルギーに依存する発電システムは、自然エネルギーの変動で出力変動が大きく、これを抑制し可能な限り平準化した電力を得ることが望まれている。特に数秒及び数分単位での変動は、風力発電の発達を大きく阻害している。本発明のアウターリングに適切な回転慣性を与えることで、出力の平準化を図りこの風車の欠点を補う重要な手段である。
【０００６】
上記のように風力発電に対する要求事項が多様であるとしても、これらの要求事項は、終局的には、風車のエネルギー変換効率を高めること、風車の構造および動作の安定性を高めることに対する要求に集約することができる。なぜならば、例えば、風車のエネルギー変換効率を高めることで、要求発電量に対する風車規模を縮小することができるとともに、風車の稼動運転に必要とされる風況の許容範囲も拡大される等、その他の効果の連鎖を形成することができるからである。このような効果の連鎖は、風車の構造や動作の安定性の向上を図る場合についても同様である。
【０００７】
風車のエネルギー変換効率を改善する方策としては、風車自体の効率を改善する直接的な方策の他に、風車にその動作を補助するための構造物を組み合わせる考え方がある。例えば、ブレードの形状の最適化やブレードに対するピッチ駆動は前者に属し、集風シュラウドの採用は後者に属する。また、風況変化に対する風力機械装置としての構造の安定性および動作安定性を高めるために、風車に慣性効果およびブレードの補強効果を有する構造物を取り付ける考え方がある。このような構造物としては、風車における複数のブレードの先端部を連結するように取り付けるアウターリングがある。このアウターリングの回転慣性効果は、風の短時間変動に対する出力変動抑制効果を有しており、風車の特性を大幅に改善する鍵である。これらアウターリングと集風シュラウドの両方の優位性を発揮させる技術の確立が重要である。
【０００８】
事業用風車の主流を占める水平軸型の風車に関し、本願出願人は、既に、集風シュラウドを採用した提案（下記、特許文献１参照）、および、アウターリングを採用した提案を行っている（下記、特許文献２参照）。
【０００９】
本願出願人は、風力発電に関する専門企業として、上記集風シュラウドおよびアウターリングに関する研究成果を踏まえ、水平軸型の風車のさらなる効率改善および風車の構造や動作安定性の実現に寄与したいと考えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特願２０１１−１０７５３５号
【特許文献２】特願２００９−２９２１０２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
既に研究を進めている集風シュラウドについては、風車の効率改善に満足すべき効果が認められる。一方、同様に研究を進めているアウターリングについては、いくつかの問題の解決が迫られている。
【００１２】
水平軸型の風車においては、通常、中心に位置するハブに等角度間隔で３枚のブレードを片持ち支持の状態で取り付けた構造が採用されている。したがって、ハブ最寄りの部分である各ブレードの基部には、ブレードの自重によるモーメント荷重が加わる。ブレードの自重に起因するモーメント荷重は、３枚のブレードがそれぞれ異なる角度姿勢をとっていることから、各ブレード毎に異なる大きさである。また、このモーメント荷重は、風車の回転に伴って各ブレードの角度姿勢が刻々と変化することから、一定の最大値とゼロとの間で周期的に変化する交番性の荷重でもある
【００１３】
水平軸型の風車は、前方からの風エネルギーの一部を揚力に変換することによって回転する揚力型の風車に属する。揚力は、風向きに直交する向きであって、各ブレードの軸に直交する方向に働く力である。したがって、各ブレードの基部には、揚力に起因するモーメント荷重が加わる。この揚力によるモーメント荷重は、３枚のブレードについて同じ大きさであると考えて差し支えない。
【００１４】
ブレードによって揚力に変換されなかった前方からの風エネルギーの一部は、各ブレードに風圧抗力として主軸のスラスト方向に加わる。したがって、各ブレードには、風圧抗力に起因するスラスト性のモーメント荷重が加わる。風圧抗力によるモーメント荷重も３枚のブレードについて事実上同じ大きさである。
【００１５】
アウターリングは、３枚のブレードの先端部を連結するように風車に取り付けられる剛体製の環状部材である。したがって、アウターリングの直径は、３枚のブレードの先端部を通る円の直径相当である。アウターリングは、その機械的剛性によって３枚のブレードの先端部を互いに連結することによって、風車全体を、いわば自転車の車輪のような機械構造体、理想的には、一枚の円板のような構造体にすることを目的として採用される。
【００１６】
アウターリングの採用によって片持ち支持状態であった３枚のブレードの一体性が高められ、機械構造体としての風車の構造安定性が格段に高められる。具体的には、３枚のブレードがスポーク車輪におけるスポークのように機能し、ブレードに加わるモーメント荷重を３枚のブレード間の圧縮力と引張り力に変換して受け止めることによって、各ブレードの基部の負担を大きく軽減することができる。また、アウターリングは、大きな回転慣性力によって、頻繁な風況変化に対する風車の動作安定性を格段に高めるように機能することができる。
【００１７】
また、アウターリングが、上記のような理想的な効果を奏する場合には、片持ち支持を前提として改善の余地が少ないほどに最適化されてきたブレードの形状は、片持ち支持の拘束から解き放たれるということができる。したがって、片持ち支持に拘束されない効率のよい形状へと最適化する余地が生じる。そして、このことは、成熟過程特有の技術進歩の停滞状態に置かれたブレードの設計環境において極めて意義深いことである。
【００１８】
ただし、上記のような有利な効果が認められるのは、アウターリングが十分な機械剛性を有する場合に限られ、剛性の低いアウターリングには、上記のような風車の補強効果を期待することはできない。また、アウターリングの採用によって軽減することができるのは、各ブレードの自重に起因するモーメント荷重と、揚力に起因するモーメント荷重に限られ、風圧抗力によるスラスト性のモーメント荷重については、効果はない。
【００１９】
逆に、風圧抗力によるモーメント荷重は、アウターリングの採用によって大幅に増大するという問題がある。この問題は、アウターリングの剛性をできるだけ高めようとする努力の前に立ちはだかる困難な問題である。
【００２０】
また、ブレードに生じるスラスト性のモーメント荷重は、集風シュラウドの採用によっても増大する。集風シュラウドは、大量の風を効率よく取り込み、取り込んだ風を増速してブレードに作用させ、その後円滑に排出することを使命とする。ブレードに作用する風は、ブレードの機能によって揚力成分と風圧抗力成分とに分解される。この際の風圧抗力成分がブレードに対してスラスト性のモーメント荷重として働く。揚力への変換効率が１００％であるブレードは存在せず、このことが、集風シュラウドの採用によりブレードの負担が増大する原因である。このような問題は、集風シュラウドの欠陥等による問題というべきものではなく、集風シュラウドの正常な働きによる。ただし、放置すべき問題ではなく、集風シュラウドを採用する以上、風車の設計段階で対処すべき問題である。
【００２１】
上記問題に対しては、従来、風圧抗力を増加させないために前面投影面積あるいはＣｄ値をできるだけ抑えたデザインのアウターリングを採用する対応策が採用されている。この結果として、アウターリングの外形は、厚みを抑えた筒状体とならざるを得ない。しかし、このような薄肉筒状の構造体においては、いかに材質的工夫を凝らしても、十分な機械剛性を確保することは困難である。
【００２２】
本発明は、水平軸型の風車に対してアウターリングと、そのアウターリングと特別の関係を有するように工夫した集風シュラウドとを同時に組み合わせることによって、上記風圧抗力の抑制と機械剛性の確保に関する二律背反問題を解決することを課題とする。具体的には、集風シュラウドの機能を全く減殺しないという条件下において、アウターリングの風抵抗をほぼ皆無に抑え込みながら、アウターリングに対する自由な高剛性デザインを可能とするとともに、アウターリングの高剛性化を達成することにより、風車のブレードを片持ち支持のデザイン拘束から開放することを目的とする。
【００２３】
これを換言すれば、最終的には、機械構造体として安定であって、風況変化等に対する動作安定性もあり、しかも、風エネルギーを回転エネルギーの変換する際の変換効率にも優れた水平軸型の風車を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記課題は、次のような手段を採用する本発明によって解決される。本発明の水平軸型の風車は、等角度間隔の放射状に配置された複数枚のブレードを備える水平軸型の風車に、複数枚のブレードの先端部を互いに連結する環状のアウターリングを取り付けるとともに、その風車に、内周面に環状に連続する段差部を形成した集風シュラウドを組み合わせてなり、この際、風車と集風シュラウドとは、集風シュラウドの内周面に形成した段差部と風車に取り付けられたアウターリングとが対応するように組み合わされ、この結果として、集風シュラウドの内周面における段差部は、組み合わされたアウターリングによって解消され、集風シュラウドの内周面が風上側から風下側に円滑に連続することを特徴とする。
【００２５】
上記解決手段に含まれる主要部材は、複数枚のブレードを備える風車と、風車に取り付けられるアウターリングと、風車に組み合わせて用いられる風洞型の集風シュラウドである。
【００２６】
本発明における風車と集風シュラウドとの組み合わせ方は、業界標準的な組合せが前提されている。つまり、風車の主軸方向と集風シュラウドの軸方向を一致させて、集風シュラウド内に風車を収容する態様の組合せである。目的とされる集風シュラウドの作用効果は、風車の効率向上にあり、この点に関しても従来と同様である。
【００２７】
ただし、本発明の集風シュラウドにおいては、集風シュラウドの内周面に段差部が形成されていることが特徴的である。特徴的であるとは、従来の集風シュラウドには、このような段差部が存在しなかったということである。集風シュラウドは、前端開口部から取り込んだ風によって内部に設置された風車に効率よく仕事をさせ、その後、後端開口部から速やかに排出する動作をできるだけ円滑に連続的に実施することを使命とする。したがって、集風シュラウドの内周面は、円滑な局面ないし浅い角度の屈曲面として構成されるのが通常であり、乱流等の発生原因となる段差部等の存在は、そのままでは許容されない。しかし、本発明では許容される。
【００２８】
集風シュラウドにおける段差部は、その内周面の特定の位置に形成される。特定の位置とは、内部に設置された風車のアウターリングに対応する位置である。特定位置における集風シュラウドの内周面は円筒形であり、段差部は、集風シュラウドの内周面を一周して連続する環状を呈する。この段差部は、２種類の態様をとり得る。そのひとつは、集風シュラウドの内径が段差部において後端開口部に向かって拡大する向きの段差部である。他の一つは、集風シュラウド内径が段差部において前端開口部に向かって拡大する向きの段差部である。本発明に言う段差部には、この双方の態様が含まれる。
【００２９】
上記解決手段においては、風車と集風シュラウドとの組合せに対し、満たすべき条件が与えられている。集風シュラウドの内周面に形成した段差部と風車に取り付けられたアウターリングとが対応するように組み合わされるという条件である。
【００３０】
さらに、風車と集風シュラウドとが組み合わされた結果についても満たすべき条件が与えられている。両者が組み合わされた結果、段差部がアウターリングによって解消されるという条件である。したがって、この条件は、段差部の形状やアウターリングの断面形状がそれぞれ個別に特定の形状をとるように決定されるものではなく、相補的に決定されることを示している。相補的とは、一方が凸型である場合において、他方がこれに対応する凹型であるような態様である場合を言う。このような条件が満たされることによって、集風シュラウドの内周面は、段差がなかった状態となり、集風シュラウドとしての機能は、些かも阻害されない。また、アウターリングと組み合わされた状態における集風シュラウドの内周面が円滑である限り、アウターリングに特に指摘するほどの風圧抗力が生じることもない。
【００３１】
一方、風車に取り付けられるアウターリングの断面形状は、段差部の形状と互いに相補的であれば足りるのであるから、その限りにおいて自由である。したがって、従来風圧抗力の増大に懸念して採用することが困難であった曲げ応力に対する応力耐性の大きな断面形状の採用が可能になる。この結果採用された高剛性のアウターリングは、デメリットを表面化させることなく、風車の機械構造の安定化、大きな慣性力による風車の動作の安定化、およびブレードの設計自由度の向上に寄与することができる。
【００３２】
本発明の課題は、次のような手段によって解決することもできる。その手段は、等角度間隔の放射状に配置された複数枚のブレードを備える水平軸型の風車に、複数枚のブレードの先端部を互いに連結する環状のアウターリングを取り付けるとともに、風車に対して、内周面に環状に連続する凹陥部を形成した集風シュラウドを組み合わせてなり、この際の風車と集風シュラウドとは、集風シュラウドの内周面に形成した凹陥部と風車に取り付けられたアウターリングとが対応するように組み合わされ、集風シュラウドの内周面における凹陥部が、組み合わされたアウターリングによって解消され、この結果として、集風シュラウドの内周面が風上側から風下側に円滑に連続することを特徴とする。
【００３３】
本発明において採用されている解決手段は、詳細に上記した解決手段と酷似している。相違点を説明すると、集風シュラウドの内周面に形成される段差部が、凹陥部に変更され、アウターリングの断面形状がこの凹陥部に相補的な形状に限定されている点である。また、このような相違点から両発明における作用効果の相違は生じない。つまり、本発明は、上記発明と同一の作用効果を得るための類似する手段の体系であると位置付けることができる。
アウターリングは相応の剛性を有しているとは言え、ブレードが風によって受けるスラスト力を完全に固定する支持することは限界があり、ある変形量は許容されなければならない。このためにアウターリングは、この集風シュラウドの中の凹のなかに許容される変形にたいして十分なスペースを確保する必要がある。この量は、風によるスラスト力による変形量、ヨー作動時に発生するジャイロ効果によってよって発生する変形量によって決定される。しかし、その量には限界がある。
【００３４】
この限界は、次のような手段によって解決することもできる。本発明は、上記の発明を前提として、その集風シュラウドが、段差部または凹陥部の風下側に、段差部または凹陥部に沿って分散配置する複数個のスラスト支持ガイド（スラスト支持ローラ）を備えることが出来る。このスラスト支持ガイド（スラスト支持ローラ）は、複数枚のブレードが風圧抗力によって風下側に撓むことによって生じるアウターリングの風下側への変移量が所定の変移量を超えた際にアウターリングを風下側から支持することを特徴とする。前記支持ガイドには、ローラを設置することも可能あり、非接触のリニアーガイド等の手段が考えられる。
【００３５】
揚力の増大を企図するブレード形状の採用は、同時に風圧抗力をも増大させる傾向にある。揚力を増大させる一手段としてブレード先端部の面積を増大させる手段を採用する場合には、ことさらである。本発明では、アウターリングに生じる風圧抗力については、略完全に解消することができるのであるが、率直なところブレードに生じる抗力成分については、対応することができない。
【００３６】
ブレードの形状が風圧抗力を受け易い場合、各ブレードが風下側に撓むことによりブレードに取り付けられたアウターリングが風下側に平行移動する態様で変移する。一定限度を超えるアウターリングの変移は、ブレードが危険状態に至っていることの判り易い指標である。本発明におけるスラスト支持ローラは、アウターリングを風下側から支持することによってブレードの撓みを安全領域内に止めることができる。ローラを使用するのは、風車の回転を阻害しないためである。
【００３７】
本発明が課題とする風車の動作の安定性には、風車の動作を自由に制御することが含まれる。明示するか黙示とするかにかかわらず、風力発電機を運用する上でのこのような自明的な課題については、本発明特有の構成を利用する次のような解決手段を提案することができる。
【００３８】
上記課題は、集風シュラウドに段差部または凹陥部を備えるとともに、風車本体にこの段差部または凹陥部と相補的な断面形状を採用する上記発明を前提として、集風シュラウドが、複数のブレードの撓みを利用してアウターリングを風上側に駆動するスラスト駆動部材を備え、スラスト駆動部材は、アウターリングをスラスト支持ローラを介して段差部または凹陥部の風上面に押し付けることによって風車の回転を自動制御または手動制御することを特徴とする。
【００３９】
集風シュラウドに形成する段差部や凹陥部は、風下側にスラスト駆動部材を設置するスペースおよび風上側にアウターリングを押し付けるための風上面を提供する。一方、段差部または凹陥部に相補的な断面形状を有するアウターリングは、段差部または凹陥部の風上面に対面する押付け面を提供する。スラスト駆動部材によってアウターリングが段差部または凹陥部の風上面に押し付けられる。このような動作内容は、機構的にも機能的にもスラスト駆動部材と段差部または凹陥部の風上面とアウターリングとの組合せによる巨大なディスクブレーキと等価であると評価することができる。
【００４０】
スラスト駆動部材を自動制御する場合には、一定の目標値を上限とするように風車の回転数を監視等することができ、手動制御する場合には、メンテナンス作業時等において便宜である。なお、このような制御において自動制御と手動制御とを切り替えることができることは自明である。
【発明の効果】
【００４１】
本発明の水平軸型の風車においては、ブレードの先端部を互いに連結する環状のアウターリングと、内部に風車を収納するように組み合わせる集風シュラウドを備え、集風シュラウドと風車とを、集風シュラウドの内周面に形成した段差または凹陥部が、実質的にこれらと相補的な断面形状を有するアウターリングによって解消されるよう組み合わせることにより、段差部または凹陥部と相補的であれば足りるという、実質的に自由とも言える条件下において、アウターリングによる風圧抗力の増大を全く懸念することなく自由な断面形状のアウターリングを採用することができるので、集風シュラウドとアウターリングとの間において、集風シュラウドの採用により増大するブレードの負担をアウターリングの機械剛性によって解消し、アウターリングによって生じる風圧抗力の増大を集風シュラウドによって解消するという好ましい効果を循環させる画期的システムが実現されている。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の水平軸型の風車の一実施の形態を示す斜視図である。
【図２】上記一実施形態の水平軸型の風車の縦断面図である。
【図３】上記一実施形態の水平軸型の風車の動作説明図である。
【図４】本発明の水平軸型の風車の他の実施の形態を示す要部断面図である。
【図５】上記実施形態のスラスト支持ローラの動作説明図である。
【図６】本発明の水平軸型の風車の他の実施の形態を示す要部の断面図である。
【図７】上記実施形態のスラスト駆動部材の動作説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、本発明の対象である水平軸型の風車について、その実施に際してとり得る好ましい形態を図面を引用しながら順次に説明する（図１ないし図７）。
【００４４】
本発明の水平軸型の風車は、風車６と、アウターリング５と、集風シュラウド４との組合せからなり（図１，図２）、例えば、風の流れに配慮した専用の支持架台３を備えるタワー１によって所定高さの上空位置に、主軸Ｘを水平方向に向けて設置される。タワー１と支持架台３との間には、鉛直方向のヨー軸を有するヨーテーブル２が介装され、支持架台３に搭載された部材は、すべて風車６とともにヨー軸を中心に旋回運動をすることができる。
【００４５】
風車６は、主軸Ｘの中間部に取り付けられたハブ６Ｈに３枚のブレード６Ｂ…を備える両持ち支持用の構成である。集風シュラウド４は、短筒状の外形を有する環状体である。集風シュラウド４には、風上側Ｆ１と風下側Ｆ２との区別による方向性があり、これに対応して、風上側Ｆ１の前端開口部４Ｆと風下側Ｆ２の後端開口部４Ｂとが区別される。
【００４６】
集風シュラウド４の前端開口部４Ｆの最寄位置と後端開口部４Ｂの最寄位置には、それぞれ、十字形に形成されたクロスフレーム７が設置されている。各クロスフレーム７の中心には、風車６の主軸Ｘを受けるための軸受け７Ｒが組み込まれている。風車６は、主軸Ｘの両端部を１組のクロスフレーム７，７の軸受け７Ｒ，７Ｒによって支持され構造的に安定している。主軸Ｘの前端には、風切り用のスピナーが取り付けられ、主軸Ｘの後端部には発電機Ｇが取り付けられている。
【００４７】
アウターリング５は、環状に曲げ加工した断面Ｌ字形の金属環であり、アウターリング５が中実（ソリッド）部材であると仮定した場合の断面形状は３角形である。このような断面形状を有するアウターリング５は、軽量かつ高剛性である。アウターリング５は、３枚のブレード６Ｂ…の先端部を互いに連結する態様で風車６に取り付けられている。また、この際におけるアウターリング５の向きは、風上側Ｆ１から風下側Ｆ２に向かって厚みが減少する向きである（図２，図３）。
【００４８】
集風シュラウド４の内周面４Ｎは、一般的には、風上側Ｆ１から風下側Ｆ２に向かって一定のルールに従って円滑に連続する曲面として形成される。しかし、本発明に使用される集風シュラウド４においては、その内周面４Ｎにアウターリング５の断面形状を受け入れることができる形状の段差部４Ｄが形成されている。別の表現に言い換えると、集風シュラウド４の内周面４Ｎとして本来形成されるべき円滑な内周面４Ｎからアウターリング５の断面形状に相当する部分を切り欠いたような段付き面とされている。
【００４９】
すなわち、本発明の水平軸型の風車は、風車６とアウターリング５と集光シュラウドとの組合せ関係が、集風シュラウド４の内部にアウターリング５を取り付けた状態の風車６を収容する内容の組合せとされ、この際に互いに相補的形状を有する集風シュラウド４の段差部４Ｄにアウターリング５が位置決めされることによって、段差部４Ｄが解消されるように意図されている（図３）。
【００５０】
結果として、集風シュラウド４の内周面４Ｎは、アウターリング５の断面を取り込んで形成されることになるが、このような事情は、風の流れ（図３のラインＦで示す）には、全く影響せず、集風シュラウド４は、本来発揮すべき集風、増速等の機能を発揮することができる。一方、集風シュラウド４の一部として集風シュラウド４に取り込まれているともいえるアウターリン５グは、全く風圧抗力を受けることなく、３枚のブレード６Ｂ…を機械的に連結することにより、風車６の構造を強化および安定化する機能を発揮する。また、風車６の動作との関係においては、そのイナーシャによって風車６の動作を安定化するように機能する。
【００５１】
集風シュラウド４の段差部４Ｄとアウターリング５の断面形状における上記のような相補的関係が維持される限り、アウターリング５の断面形状は、自由に設定することができるといえる。そこで、次に、アウターリング５の断面形状の変形例と、使用される特定の断面形状に特有の応用例を示す（図４ないし図７）。
【００５２】
集風シュラウド４の内周面４Ｎに形成する段差部４Ｄは、上記実施の形態に示すような、その内径が風下側Ｆ２に向かって拡大する方向の段差ばかりではなく、その内径が、風上側Ｆ１に向かって拡大する向きの段差部４Ｄとすることもできる（図４）。この場合に採用されるアウターリング５の断面形状は、上記と同様に、アウターリング５が中実（ソリッド）部材であると仮定した場合において、集風シュラウド４の円滑な内周面４Ｎを基準としてこのような段差部４Ｄと相補的な形状である３角形である。具体的には、風上側Ｆ１に向かって厚みが減少する向きの３角形である。
【００５３】
このような向きの段差部４Ｄとアウターリング５との組合せによっても、集風シュラウド４の内周面４Ｎを円滑に連続させることができる。ただし、本実施の形態においては、前実施の形態と異なり、集風シュラウド４を風上側Ｆ１から観察する場合において、アウターリング５の斜面が観察されることから、アウターリング５に起因する風圧抗力は、前実施の形態との比較においてやや大きくなる。しかしながら、アウターリング５の斜面の傾斜が極めて浅く、しかも、アウターリング５の風下側Ｆ２は段差を伴うことなく集風シュラウド４の内周面４Ｎに連続するので、Ｃｄ値は十分に小さく抑えられ、アウターリング５による風圧抗力の増大は事実上無視し得る範囲に収まる。
【００５４】
本実施の形態に示す集風シュラウド４とアウターリング５との組合せは、アウターリング５による風圧抗力増大の抑え込みという観点の他に、アウターリング５が風下側Ｆ２に直立面５Ｖを有することを利用してアウターリング５のスラスト方向、具体的には、風下側Ｆ２への変移を制御することができることが大きなメリットである。集風シュラウド４は、アウターリング５の変移を制御するための手段を設置するための好都合なスペースを提供することができる。
【００５５】
アウターリング５の挙動を制御する手段としては、スラスト支持ローラ（スラスト支持ガイド）５Ｒが用いられる。スラスト支持ローラ５Ｒは、取付けブラケット５Ｌを介してアウターリング５の風下側Ｆ２に複数個配置される（図４，図５）。複数個のスラスト支持ローラ５Ｒは、それぞれ配置された位置におけるアウターリング５の回転方向Ｒ１に対して直交する向きに回転軸を一致させるように姿勢が調節される。したがって、複数個のスラスト支持ローラ５Ｒの取付け姿勢は、それぞれ異なっている。
【００５６】
また、スラスト支持ローラ５Ｒの取り付けにおいて、各スラスト支持ローラ５Ｒとアウターリング５の直立面５Ｖとの間には、無風状態のアウターリング５の位置を基準として、各スラスト支持ローラ５Ｒについて等しい量の所定量のギャップが設定される。
【００５７】
集風シュラウド４の作用による効果的な風を受けて風車６が回転する場合、ブレード６Ｂ…には、風の強弱に応じて風圧抗力が生じ、３枚のブレード６Ｂ…には、その先端部が風下側Ｆ２に変移する向きの撓みが生じる。この結果、３枚のブレード６Ｂ…の先端部に取り付けられたアウターリング５が風下側Ｆ２に変移する。この際、アウターリング５の変移量がアウターリング５とスラスト支持ローラ５Ｒ…間に予め設定された所定量のギャップ未満である場合には、スラスト支持ローラ５Ｒ…は作動しない。
【００５８】
しかし、風が一定の範囲を超えて強まり、風下側Ｆ２へのアウターリング５の変移量がスラスト支持ローラ５Ｒに設定された所定量のギャップに至ると、アウターリング５とスラスト支持ローラ５Ｒ…とが接触し、スラスト支持ローラ５Ｒ…は、アウターリング５が所定量のギャップの範囲を超えて変移するのをアウターリング５の回転動作を阻害することなく防止することができる。この結果、極めて僅かの投資によって高価なブレードをオーバロードから確実に保護することができる。スラスト支持ローラ５Ｒ…は、多数個を要するものではなく、１２０度間隔で３個を設置するだけで効果を享受することが可能である。
【００５９】
このような動作内容のスラスト支持ローラ５Ｒには、大きな耐荷重性能は要求されない。ブレード６Ｂ…が負担し切れなかった荷重のみをバックアップ的に支持するのみであるからである。スラスト支持ローラ５Ｒに要求される事項は、イナーシャが小さいこと、好ましくはメンテナンスフリーであること等である。これらを考慮すると、スラスト支持ローラ５Ｒとしては、エンジニアリングプラスチック製の既製品で十分であるといえる。
【００６０】
集風シュラウド４の内周面４Ｎに角型断面形状の凹陥部４Ｍを形成し、この凹陥部４Ｍに相補的な断面形状を有するアウターリング５を組み合わせることができる（図６）。この組合せにおいては、上記形態と同様に、スラスト支持ローラ５Ｒを付加することができるとともに、さらには、スラスト支持ローラ５Ｒを積極駆動可能に構成することもできる（図７）。
【００６１】
集風シュラウド４の凹陥部は、集風シュラウド４の厚みを利用して形成される。このような角型の凹陥部においては、その風上側Ｆ１の風上面４Ｓが形成される。これに組み合わされるアウターリング５には、対向する２面の直立面５Ｖ，５Ｖを備える箱型断面形状のものが使用される。このような断面形状を有するアウターリング５は、高度の構造強度を発揮することができるが、風圧抗力が大きいためアウターリング５としては従来使用することができなかった形態である。
【００６２】
集風シュラウド４と風車６とは、凹陥部４Ｍにアウターリング５を嵌め込む態様で組み合わされ、これによって集風シュラウド４の凹陥部４Ｍは、解消される。つまり、集風シュラウド４の内周面４Ｎは、凹陥部４Ｍを有しないものと同様に、風上側Ｆ１から風下側Ｆ２に円滑に連続する形状となる。このことは、集風シュラウド４がその機能を些かも阻害されることなく機能することを意味している。一方、アウターリング５は、集風シュラウド４の厚み内に収まって風上側Ｆ１に向いて風を受けることとなる面を有しない状態とされていることから、風圧抗力の発生を皆無にしながら、もっぱら高度の剛性のみを発揮することができる。
【００６３】
スラスト支持ローラ５Ｒを付加する場合におけるスラスト支持ローラ５Ｒは、アウターリング５の風下側Ｆ２に任意個数配置される。この場合における各スラスト支持ローラ５Ｒは、例えば、ねじ送り式の電動シリンダ５Ｅによってスラスト方向に沿って駆動することができる（図７）。電動シリンダ５Ｅを使用するのは、複数個を同時使用する場合の精密同期駆動が可能であるからである。
【００６４】
スラスト支持ローラ５Ｒを駆動可能とすることにより、スラスト支持ローラ５Ｒとアウターリング５との間に設定すべき所定量のギャップを事後的に簡単に変更することができる他、スラスト支持ローラ５Ｒを活用して風車６の回転動作を制動することができるという大きな利点がある。
【００６５】
長尺部材である風車６のブレード６Ｂ…は、風圧抗力によって風下側Ｆ２に撓るのみならず、外力を加えることによって風上側Ｆ１に撓らせることも可能である。このことは、ブレード６Ｂ…の撓り動作を利用してアウターリング５を風上側Ｆ１に変移させることができることを示している。そこで、スラスト駆動部材５Ｅによってスラスト支持ローラ５Ｒ…を介してアウターリング５を風上側Ｆ１に強制的に変移させることによって、アウターリング５を凹陥部４Ｍの風上面４Ｓに押し付けることができる。
【００６６】
上記動作は、集光シュラウドの風上側Ｆ１に位置する風上面４Ｓと、風下側Ｆ２に位置するスラスト支持ローラ５Ｒとの間にアウターリング５が強制的に挟み込まれる動作である。このような動作は、アウターリング５を巨大なブレーキロータとするディスクブレーキの動作と見ることができる。この場合、スラスト支持ローラ５Ｒ…とアウターリング５との間には、僅かの転がり摩擦が生じるに過ぎないと評価することができるが、アウターリング５と風上面４Ｓ間においては、大きな摩擦抵抗をアウターリング５の全周に及んで得ることができる。有効な摩擦抵抗がアウターリング５の一面側において得られないということがあっても、アウターリング５の巨大さをもってすれば、風車６を瞬時に停止させることができるような大きな制動力を発揮させることも容易である。
【００６７】
アウターリング５を利用しての上記のような制動動作は、メンテナンス時の風車６の手動停止手段として活用することができるばかりでなく、風車６の回転を検出してスラスト駆動部材５Ｅにフィードバックすることにより、風車６の回転を自動制御する手段として活用することができる。
【符号の説明】
【００６８】
４      集風シュラウド、
４Ｄ    段差部、
４Ｍ    凹陥部、
４Ｎ    内周面、
４Ｓ    風上面、
５      アウターリング、
５Ｅ    スラスト駆動部材、
５Ｒ    スラスト支持ローラ、
６      風車、
６Ｂ    ブレード、
Ｆ１    風上側、
Ｆ２    風下側
【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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