(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地面に対して鉛直方向を向くように設置された回転軸を有すると共にそれぞれ回転軸と平行に延び且つ回転軸の回りに渦巻状に等間隔で配列された複数の動翼を有するほぼ円筒状のロータ回転出力部と、
前記ロータ回転出力部の外周に固定配置されると共にそれぞれ前記ロータ回転出力部の回転軸と平行に延び且つ渦巻状に等間隔で配列された複数の集風板を有して前記ロータ回転出力部に入る風を集める集風部と
を備え、前記ロータ回転出力部の複数の動翼がそれぞれ、平面形状の中央部と、周方向に向かって円弧状に湾曲した外縁部と、前記中央部に対し周方向に向かって１５０〜１７０度の角度で屈曲した内縁部とを有し、前記集風部の複数の集風板の外縁部がそれぞれ周方向に向かって円弧状に湾曲していることを特徴とする貫流風車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、貫流風車に係り、特に風力発電等に利用可能な集風板付の貫流式多翼風車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
貫流風車は、それぞれ回転軸方向に延びる複数枚の平板動翼を環状に配列したほぼ円筒形状の羽根車に回転軸と直角方向から風を通過させるもので、構造が比較的簡単でありながら起動トルク特性が著しく大きく、風向きによる指向性がない等の利点を有している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この貫流風車は効率が低く、固定ダクト等を用いて風を増速させて出力を上げようとすると、風向きによる指向性が生じてしまうという問題点があった。
この発明はこのような問題点を解消するためになされたもので、風向きに対する無指向性を保ちつつ効率を向上させることができる貫流風車を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る貫流風車は、地面に対して鉛直方向を向くように設置された回転軸を有すると共にそれぞれ回転軸と平行に延び且つ回転軸の回りに渦巻状に等間隔で配列された複数の動翼を有するほぼ円筒状のロータ回転出力部と、ロータ回転出力部の外周に固定配置されると共にそれぞれロータ回転出力部の回転軸と平行に延び且つ渦巻状に等間隔で配列された複数の集風板を有してロータ回転出力部に入る風を集める集風部とを備え、ロータ回転出力部の複数の動翼がそれぞれ、平面形状の中央部と、周方向に向かって円弧状に湾曲した外縁部と、中央部に対し周方向に向かって１５０〜１７０度の角度で屈曲した内縁部とを有し、集風部の複数の集風板の外縁部がそれぞれ周方向に向かって円弧状に湾曲しているものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
参考例１．
図１に参考例１に係る貫流風車の構造を示す。貫流風車は、回転自在に設けられたほぼ円筒形状のロータ回転出力部１と、ロータ回転出力部１の外周部に固定配置された集風部２とを備えている。ロータ回転出力部１は、それぞれ回転軸３に固着された円板形状の上板４及び下板５を有し、これら上板４と下板５との間に８枚の動翼６が固定されている。各動翼６は回転軸３と平行に延び且つ回転軸３の回りに渦巻状に等間隔で配列されている。
一方、集風部２は、環状の上板７及び下板８を有し、これら上板７と下板８との間に８枚の集風板９が固定されている。各動翼９は回転軸３と平行に延び且つ渦巻状に等間隔で配列されている。
【０００７】
図２に示されるように、ロータ回転出力部１の複数の動翼６は、それぞれ回転軸３から各動翼６の外縁部までの半径ｒの１／３〜１／２の幅Ｗを有すると共に回転軸３に向かう方向から０〜４５度の角度ａで取り付けられている。また、各動翼６の外縁部は周方向に向かって円弧状に湾曲しており、効率よく風を受けることができるように構成されている。
一方、集風部２の複数の集風板９は、それぞれ回転軸３に向かう方向から０〜７５度の角度ｂで取り付けられると共に、各集風板９の外縁部は周方向に向かって円弧状に湾曲しており、効率よく風を集めてロータ回転出力部１に送ることができるように構成されている。
【０００８】
この貫流風車は、例えば図３に示されるように、回転軸３が地面に対して鉛直方向を向くように設置され、回転軸３の下端あるいは上端に発電機１０が連結されて風力発電に利用される。ここで、集風部２の下板８は雨水等が流れやすいように放射方向外側が下方に下がっている。
【０００９】
次に、この参考例１に係る貫流風車の動作について説明する。図２に示されるように、水平方向の任意の方向から風が貫流風車に当たると、風はその主流方向に開いている集風部２の集風板９の間を通る。このとき、集風部２の外周部より内周部の方が互いに隣接する集風板９の間隔が狭いため、集風部２を抜ける風は増速されてロータ回転出力部１へと入る。また、各集風板９の外縁部が円弧状に湾曲しているので、極めて効率よく風が集められ、ロータ回転出力部１に送られる。
ロータ回転出力部１に入った風は各動翼６に当たり、ロータ回転出力部１を回転軸３の回りに回転させつつ反対側の動翼６の間から集風部２へと抜ける。ここで、ロータ回転出力部１の動翼６の外縁部が円弧状に湾曲しているため、ロータ回転出力部１は効率よく風を受けて回転する。ロータ回転出力部１から集風部２に抜けた風は、次第に間隔が拡がる集風板９の間を今度は減速しながら通ることとなる。
このようにして、風とロータ回転出力部１の動翼６との間の運動量変換により回転軸３を介して発電機１０で発電が行われる。
【００１０】
ここで、貫流風車の出力Ｌ［Ｗ］は出力係数Ｃｐ、トルクＱ［Ｎ・ｍ］はトルク係数Ｃｑ、回転数Ｎ［ｒｐｍ］は風速Ｖ［ｍ／ｓ］に対する先端周速度の比λとして以下のように無次元化する。ただし、ρは空気密度［ｋｇ／ｍ3］、Ｄはロータ回転出力部１の直径［ｍ］、Ｗはロータ回転出力部１の動翼６の幅［ｍ］である。
Ｃｐ＝２Ｌ／ρＤＷＶ3
Ｃｑ＝Ｑ／（０．２５・ρＶ2Ｄ2Ｗ）
λ＝πＤＮ／（６０・Ｖ）
【００１１】
ロータ回転出力部１の動翼６の幅Ｗ＝６０ｍｍ、ロータ回転出力部１の直径Ｄ＝３２０ｍｍ、ロータ回転出力部１の動翼６の取付角度ａ＝３０度、集風部２の集風板９の取付角度ｂ＝６０度、風速Ｖ＝４．５ｍ／ｓとして実験を行い、先端周速度比λに対する出力係数Ｃｐ及びトルク係数Ｃｑを求めたところ、図４に示されるような結果が得られた。なお、図４には、比較のために集風部２の集風板として円弧状の湾曲部を有しない直線形の集風板を使用した場合の測定結果も併せて示されている。
図４から分かるように、集風板９の外縁部を円弧状に湾曲させたことにより、先端周速度比λの値に関わらず出力係数Ｃｐ及びトルク係数Ｃｑ共に大きく向上している。
【００１２】
実施の形態．
図５に実施の形態に係る貫流風車に用いられたロータ回転出力部の動翼１１の断面形状を示す。この動翼１１は、参考例１で用いられた動翼６と同様にその外縁部が周方向に向かって円弧状に湾曲しているだけでなく、内縁部が１６０度の角度で屈曲している。このような動翼１１を用いると、さらに効率よく風を受けてロータ回転出力部を回転軸の回りに回転させることができる。
なお、内縁部の屈曲角度は、１５０〜１７０度の範囲内であることが好ましい。
【００１３】
参考例２．
図６に参考例２に係る貫流風車に用いられたロータ回転出力部を示す。このロータ回転出力部には、図７に示されるように、その外縁部及び内縁部の双方がそれぞれ周方向に向かって１６０度の角度で屈曲している動翼１２が使用されている。このような動翼１２を用いても、効率よく風を受けてロータ回転出力部を回転軸の回りに回転させることができる。
なお、外縁部及び内縁部の屈曲角度は、１５０〜１７０度の範囲内であることが好ましい。
【００１４】
参考例３．
図８に参考例３に係る貫流風車に用いられた集風部を示す。この集風部には、図９に示されるように、平面断面が周に向かって湾曲した集風板１３が使用されている。具体的には、ロータ回転出力部に近接する内縁部側で周方向に向かって湾曲するＣＯＳ曲線１３ａと外縁部側で周方向に向かって湾曲する二つの１／４円弧１３ｂとが互いに接続されたような断面形状を有している。このような集風板１３を用いると、風の流速を増しながら滑らかな風を取り入れてロータ回転出力部に送ることができる。また、集風板１３の幅は適宜選択することができるが、ロータ回転出力部の半径に対して２〜３倍、あるいはそれ以上に大きく設定するほど、風を多く取り入れることができる。
【００１５】
なお、上記の実施の形態並びに参考例１及び２においては、ロータ回転出力部の動翼６、１１及び１２は８枚設けたが、これに限るものではない。ただし、６〜３２枚であることが好ましい。また、参考例１では集風部２の集風板９を８枚、参考例３では集風板１３を４枚設けたが、これらに限るものではなく、集風板は４〜１０枚であればよい。
実際には、貫流風車の大きさや設置条件等に応じて、最も良く風が取り入れられるように動翼及び集風板の枚数、取付角度等を選択することが望まれる。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、地面に対して鉛直方向を向くように設置された回転軸を有すると共にそれぞれ回転軸と平行に延び且つ回転軸の回りに渦巻状に等間隔で配列された複数の動翼を有するほぼ円筒状のロータ回転出力部と、ロータ回転出力部の外周に固定配置されると共にそれぞれロータ回転出力部の回転軸と平行に延び且つ渦巻状に等間隔で配列された複数の集風板を有してロータ回転出力部に入る風を集める集風部とを備え、ロータ回転出力部の複数の動翼がそれぞれ、平面形状の中央部と、周方向に向かって円弧状に湾曲した外縁部と、中央部に対し周方向に向かって１５０〜１７０度の角度で屈曲した内縁部とを有し、集風部の複数の集風板の外縁部がそれぞれ周方向に向かって円弧状に湾曲しているので、風向きに対する無指向性を損なうことなく、貫流風車の効率を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  参考例１に係る貫流風車を示す斜視図である。
【図２】  参考例１に係る貫流風車を示す平面断面図である。
【図３】  参考例１に係る貫流風車を示す側面断面図である。
【図４】  参考例１に係る貫流風車のトルク・出力特性を示すグラフである。
【図５】  この発明の実施の形態に係る貫流風車に用いられた動翼を示す平面断面図である。
【図６】  参考例２に係る貫流風車のロータ回転出力部を示す平面断面図である。
【図７】  参考例２に係る貫流風車に用いられた動翼を示す平面断面図である。
【図８】  参考例３に係る貫流風車の集風部を示す平面断面図である。
【図９】  参考例３に係る貫流風車に用いられた集風板を示す平面断面図である。
【符号の説明】
１  ロータ回転出力部、２  集風部、３  回転軸、４  上板、５  下板、６，１１，１２  動翼、７  上板、８  下板、９，１３  集風板、１０  発電機。
【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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