(57)【要約】  風車が始動する際の自己始動性を高く保ちつつ、回転開始後には高速回転可能で、出力係数の良好な垂直軸風車を提供する。垂直軸風車１０のブレード翼型下面に切欠き部分１９を設け、該切欠き部分１９の最大切欠き深さ位置からブレード１８の後縁側に向かって外側に凸の形状の境界層再付着部分１９ａを備えた。例えば、切欠き部分１９の最大切欠き深さｈは、翼断面の最大翼厚ｔに対して、０．２ｔ≦ｈ≦０．７ｔに設定するとともに、切欠き部分１９の最大深さ位置からブレード１８の後縁側に向かって外側に凸の形状の境界層再付着部分を有する。また、翼弦長Ｃのブレード１８の前縁から０．４５Ｃ乃至０．７Ｃの位置を切欠き開始点とし、ブレード１８の後縁から０．１５Ｃ乃至０．３５Ｃの位置を切欠き終了点とすることが望ましい。【特許請求の範囲】
【請求項１】
垂直軸風車のブレード翼型の腹面又は背面に切欠き部分を設け、該切欠き部分の最大切欠き深さ位置からブレードの後縁側に向かって外側に凸の形状の境界層再付着部分を備えたことを特徴とする垂直軸風車用ブレード。
【請求項２】
最大翼厚ｔの垂直軸風車のブレード翼型腹面又は背面に切欠き部分を設け、該切欠き部分の最大切欠き深さを０．２ｔ乃至０．７ｔに設定するとともに、前記切欠き部分の最大深さ位置からブレードの後縁側に向かって外側に凸の形状の境界層再付着部分を備えたことを特徴とする垂直軸風車用ブレード。
【請求項３】
垂直軸風車の翼弦長Ｃのブレード翼型腹面又は背面に、ブレード前縁から０．４５Ｃ乃至０．７Ｃの位置を切欠き開始点とする切欠き部分を設け、該切欠き部分の最大切欠き深さ位置からブレードの後縁側に向かって外側に凸の形状の境界層再付着部分を備えたことを特徴とする垂直軸風車用ブレード。
【請求項４】
垂直軸風車の翼弦長Ｃのブレード翼型腹面又は背面に、ブレード後縁から０．１５Ｃ乃至０．３５Ｃの位置を切欠き終了点とする切欠き部分を設け、該切欠き部分の最大切欠き深さ位置からブレードの後縁側に向かって外側に凸の形状の境界層再付着部分を備えたことを特徴とする垂直軸風車用ブレード。
【請求項５】
垂直軸風車のブレードを、ブレード翼型腹面又は背面に切欠き部分を設けた低速用ブレード部分と、切欠き部分を設けない通常の翼型断面を有する高速用ブレード部分とから構成したことを特徴とする垂直軸風車用ブレード。
【請求項６】
垂直軸風車のブレードを、ブレード翼型腹面又は背面に切欠き部分を設けるとともに該切欠き部分の最大切欠き深さ位置からブレードの後縁側に向かって外側に凸の形状の境界層再付着部分を有する低速用ブレード部分と、切欠き部分を設けない通常の翼型断面を有する高速用ブレード部分とから構成したことを特徴とする垂直軸風車用ブレード。
【請求項７】
請求項１乃至６に記載のブレードを備えたことを特徴とする垂直軸風車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対称翼型または非対称翼型のブレードを有する揚力形垂直軸風車の始動機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ブレードが低いレイノルズ数で高い揚力係数を有する翼型であって、該翼下面の後縁部に切欠部が形成される風力発電用の風車が知られている。【０００３】
該風力発電用の風車では、いかなる風速および風向からの風でも、特に起動時や、風の弱い低風域でも、抗力型風車の特性と揚力型風車の特性を効果的に組み合わせたことによって、ブレード、即ち風車を効率よく回転させることができるとされている。（例えば、特許文献１参照）【０００４】
一方、流れの流路が段差によって急拡大する場合（後方ステップ流れと言う）、段差による境界層の剥離が発生するが、ある一定距離に達すると剥離した境界層が再付着することが知られている（非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３、非特許文献４、非特許文献５参照）。
【特許文献１】特開２００４−１０８３３０号公報  （第１−５ページ、第１−４図）
【非特許文献１】福島千晴、外３名、「傾斜した後方ステップ流れに関する実験的研究（再付着領域）」、日本機械学会流体工学部門講演会講演論文集、社団法人日本機械学会、２００３年９月１９日
【非特許文献２】東北学院大学ホームページ「適切な視覚的効果による流れの把握」、［ｏｎｌｉｎｅ］、［平成１６年４月１５日検索］、インターネット＜http://www.mech.tohoku-gakuin.ac.jp/simlab/cysim/study/flowvis.html＞
【非特許文献３】篠原聡仁、外２名、岡山大学環境理工学部ホームページ「複雑な物体表面上の流れに関する数値流体解析」、［ｏｎｌｉｎｅ］、［平成１６年４月１５日検索］、インターネット＜http://www.civil.okayama-u.ac.jp/~analysis/gakkai/sinohara.pdf＞
【非特許文献４】「機械工学便覧」、新版、１９８７年４月１５日、社団法人日本機械学会、Ａ５−４３頁〜Ａ５−４４頁
【非特許文献５】株式会社富士総合研究所ＨＰ、「バックステップ流れ  シミュレーション結果」、［ｏｎｌｉｎｅ］、［平成１６年４月１５日検索］、インターネット＜http://www.fuji-ric.co.jp/prom/fukuzatsu/lga/result/bsresult.html＞
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１記載の風力発電用の風車では、いかなる風速および風向からの風でも、特に起動時や、風の弱い低風域でも、抗力型風車の特性と揚力型風車の特性を効果的に組み合わせたことによって、ブレード、即ち風車を効率よく回転させることができるとされている。【０００６】
図１５は、従来のブレード周りの空気の流れを示す図である。図１５に示すように、従来のブレードの翼型では、翼下面の切欠部が大きく段差が高いため、翼の回転時に切欠き部内に揚抗比を悪化させる渦が発生し易く、該渦が発生した場合剥離した境界層が再付着しにくい状態になり、揚力が発生するために必要な流線の流れとならず、風車が回転する際出力性能の低下が発生するという不具合が生ずる可能性が高い。  【０００７】
また、境界層が再付着したとしても、流れの上流から見て再付着面が緩やかな弓なり状にせり上がっているので、流れは傾斜した斜面に衝突するかたちになる。そのため、再付着点における流れは滑らかな方向転換ができず、衝突による新たな渦や流線の乱れを生じる。その結果、揚力の低下と抗力の増大を招いて風車の出力性能が著しく低下するという不具合を生じる可能性が高い。【０００８】
また、翼の素材として薄板状のものを用い、該素材を曲げて流線型の翼型に形成されているため、強度的に弱いという不具合が生ずる。【０００９】
また、従来のサボニウス型風車の場合には、抗力型の風車であるため周速比（ブレードの翼端速度／風速）が１以上になると、風車をそれ以上に回すモーメントが発生せず、風速があがってもそれ以上の回転数を得ることができないという不具合が生じていた。【００１０】
また、サボニウスとダリウスの風車の特徴を合わせたハイブリット型風車の場合には、風車の構造が複雑になり風車の製作に手間とコストがかかるとともに、ブレードが周速比１以上の高速で回転するときには、抗力型の風車部分に回転と逆向きの抗力が発生し、出力係数が小さくなるという不具合を生じていた。【００１１】
そこで、本発明は上記従来の状況に鑑み、翼の切欠部を必要最小限に抑えることにより、渦流の発生を小さくして抗力の少ない垂直軸風車用ブレードを提供することを目的としている。また本発明は、境界層の剥離の発生による翼の周りの空気の流れの歪を抑制することにより、風車が回転する際の自己始動性を高く保ちつつ、回転始動後であっても高回転を発生することが可能な、垂直軸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】
【００１２】
上記課題を解決するため本発明は、垂直軸風車のブレード翼型腹面又は背面に切欠き部分を設け、該切欠き部分の最大切欠き深さ位置からブレードの後縁側に向かって外側に凸の形状の境界層再付着部分を備えたことを特徴とする。【００１３】
また、上記課題を解決するため本発明は、最大翼厚ｔの垂直軸風車のブレード翼型腹面又は背面に切欠き部分を設け、該切欠き部分の最大切欠き深さを０．２ｔ乃至０．７ｔに設定するとともに、前記切欠き部分の最大深さ位置からブレードの後縁側に向かって外側に凸の形状の境界層再付着部分を備えたことを特徴とする。【００１４】
また、上記課題を解決するため本発明は、垂直軸風車の翼弦長Ｃのブレード翼型腹面又は背面に、ブレード前縁から０．４５Ｃ乃至０．７Ｃの位置を切欠き開始点とする切欠き部分を設け、該切欠き部分の最大切欠き深さ位置からブレードの後縁側に向かって外側に凸の形状の境界層再付着部分を備えたことを特徴とする。【００１５】
また、上記課題を解決するため本発明は、垂直軸風車の翼弦長Ｃのブレード翼型腹面又は背面に、ブレード後縁から０．１５Ｃ乃至０．３５Ｃの位置を切欠き終了点とする切欠き部分を設け、該切欠き部分の最大切欠き深さ位置からブレードの後縁側に向かって外側に凸の形状の境界層再付着部分を備えたことを特徴とする。【００１６】
また、上記課題を解決するため本発明は、垂直軸風車のブレードを、ブレード翼型腹面又は背面に切欠き部分を設けた低速用ブレード部分と、切欠き部分を設けない通常の翼型断面を有する高速用ブレード部分とから構成したことを特徴とする。【００１７】
また、上記課題を解決するため本発明は、垂直軸風車のブレードを、ブレード翼型腹面又は背面に切欠き部分を設けるとともに該切欠き部分の最大切欠き深さ位置からブレードの後縁側に向かって外側に凸の形状の境界層再付着部分を有する低速用ブレード部分と、切欠き部分を設けない通常の翼型断面を有する高速用ブレード部分とから構成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ブレード翼型腹面又は背面に切欠き部分を設け、該切欠き部分の最大切欠き深さ位置からブレードの後縁側に向かって外側に凸の形状の境界層再付着部分を備えたので、風車始動時には翼後縁からの追い風が切欠き室深部へ引き込まれて翼を押す抗力が増えて自己始動能力が高まり、昇速後周速比が１より高くなって風が前縁から流入した場合には、切欠き部開始点で剥離した境界層が、流れの非常に緩やかな方向転換を伴いながら翼面に再付着する。これによって切欠きのない正規の翼型に近い揚力性能を得ることができる。【００１９】
また本発明によれば、最大翼厚ｔの垂直軸風車のブレード翼型腹面又は背面に切欠き部分を設け、該切欠き部分の最大切欠き深さを０．２ｔ乃至０．７ｔに設定するとともに、前記切欠き部分の最大深さ位置からブレードの後縁側に向かって外側に凸の形状の境界層再付着部分を備えたので、追い風を受けるときに切欠き部分に抗力を発生しつつ、周速比１が以上になって揚力型風車として機能する際に切欠き部分の大きさにともなって増加する出力係数の低下を減少させることができる。【００２０】
また本発明によれば、翼弦長Ｃのブレード翼型腹面又は背面に、ブレード前縁から０．４５Ｃ乃至０．７Ｃの位置を切欠き開始点とする切欠き部分を設け、該切欠き部分の最大切欠き深さ位置からブレードの後縁側に向かって外側に凸の形状の境界層再付着部分を備えたので、ブレードの揚抗比を確保しつつ、ブレードと支持アームとを固定する領域を広く取ることができる。【００２１】
また本発明によれば、翼弦長Ｃのブレード翼型腹面又は背面に、ブレード後縁から０．１５Ｃ乃至０．３５Ｃの位置を切欠き終了点とする切欠き部分を設け、該切欠き部分の最大切欠き深さ位置からブレードの後縁側に向かって外側に凸の形状の境界層再付着部分を備えたので、正規の翼型面をブレード後縁部分に残すことにより、ブレード後縁付近の腹側翼流れを切欠き部分のないときの正規の流れ状態に近づけ、標準翼型本来の揚力性能に近づけることができる。【００２２】
また本発明によれば、垂直軸風車のブレードを、ブレード翼型腹面又は背面に切欠き部分を設けた低速用ブレード部分と、切欠き部分を設けない通常の翼型断面を有する高速用ブレード部分とから構成したので、始動時には低速用ブレードの切欠き部分に発生する抗力により始動容易にすることができ、周速比が１以上の場合は、切欠き部分のない通常の翼型の空気の流れにより発生する揚力により出力係数の高い垂直軸風車を提供することができる。【００２３】
また本発明によれば、垂直軸風車のブレードを、ブレード翼型腹面又は背面に切欠き部分を設けるとともに該切欠き部分の最大切欠き深さ位置からブレードの後縁側に向かって外側に凸の形状の境界層再付着部分を有する低速用ブレード部分と、切欠き部分を設けない通常の翼型断面を有する高速用ブレード部分とから構成したので、始動時には低速用ブレードの切欠き部分に発生する抗力により始動容易にすることができるとともに、周速比１以上のときに切欠き部分に発生する出力係数の低下を少なくすることができる。また、周速比が１以上の場合には、切欠き部分のない通常の翼型を有するブレードに発生する揚力により、出力係数の高い垂直軸風車を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】垂直軸風車の外観斜視図である。
【図２】垂直軸風車の断面図である。
【図３】低速用ブレードの翼型断面を示す図である。
【図４】低速用ブレード部分が後縁側から追い風Ｗｂを受けた場合の様子を示す図である。
【図５】低速用ブレード部分が前縁側から向かい風Ｗｆを受けた場合の空気の流れの様子を示す図である。
【図６】翼型周りの空気の流れを示す図である。
【図７】向かい風Ｗｆが低い風速の場合の低速用ブレード周りの空気の流れを示す図である。
【図８】向かい風Ｗｆが高い風速の場合の低速用ブレード周りの空気の流れを示す図である。
【図９】低速用ブレード部分の割合と垂直軸風車の出力係数と始動風速との関係を示す図である。
【図１０】境界層再付着部分に直線部分を含む低速用ブレードの翼型断面を示す図である。
【図１１】境界層再付着部分に直線部分を含まない低速用ブレードの翼型断面を示す図である。
【図１２】対称翼型ブレードの背側に切欠きを設けたブレード断面を示す図である。
【図１３】対称翼型ブレードの背側に切欠きを設けた風車の始動トルク発生の様子を示す図である。
【図１４】低速用ブレード部分を含むブレード１８の翼中央スパン方向断面図である。
【図１５】従来のブレード周りの空気の流れを示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
８  ポール    
１０  垂直軸風車
１２  装着部    
１４  内輪側固定軸
１６  発電機    
１７  外輪側回転体
１８  ブレード
１８ａ  低速用ブレード部分
１８ｂ  高速用ブレード部分
１９  切欠き部分  
１９ａ  境界層再付着部分
２０  支持アーム
２２  外輪スリーブ
２４  トルク伝達キャップ
２６  増速機
２８  カップリング
２９  電力線
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ  軸受
８０、８１、８２  ハブ
Ａ  切欠き開始点
Ｂ  切欠き終了点
Ｃ  翼弦長
Ｄ  翼背面
Ｅ  翼腹面
Ｆ  境界層再付着点
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明に係る垂直軸風車用ブレードおよび垂直軸風車の構造について説明する。まず、本発明の第１の実施の形態の垂直軸風車用ブレードおよび垂直軸風車について説明する。【００２７】
図１は、垂直軸風車の外観斜視図である。図１に示すように、垂直軸風車１０には、垂直軸風車１０を電柱その他のポール８に装着する装着部１２と、装着部１２に対して回転する外輪側回転体１７とを設けてある。【００２８】
外輪側回転体１７には、風速を揚力に変換して回転トルクを発生するブレード１８と、ブレード１８を上、中、下の３箇所で保持する流線形断面を有し揚力を発生することが可能な支持アーム２０と、外輪側回転体１７の回転軸となる外輪スリーブ２２に結合して各支持アーム２０を固定する上、中、下のハブ８０、８１、８２と、ハブ８０及び８１から回転トルクを発電機１６（図２参照）に伝達するトルク伝達キャップ２４とを設けてある。なお同図に示す例では、外輪側回転体１７に５枚のブレード１８を設けた例で示してあるが、ブレード１８の枚数は２枚、３枚、４枚であってもよい。【００２９】
図１に示す例ようにブレード１８は、周速比が低い領域で追い風による抗力を発生して高い出力係数を得ることが可能な切欠き部分１９をブレード翼型腹面又は背面に有する低速用ブレード部分１８ａと、周速比が高い領域で高い出力係数を得ることが可能な翼型断面（切欠き部分１９を設けない通常の翼型断面）を備えた高速用ブレード部分１８ｂとから構成している。【００３０】
本発明では、風速比が１以下の送り風の場合に抗力形風車として機能することも可能な低速用ブレード部分１８ａを設けたので、垂直軸風車１０の外輪側回転体１７の始動性が向上する。また、低速用ブレード部分１８ａに設けた最大切欠き深さｈや、低速用ブレード部分１８ａの長さＬａを調節することにより、始動風速の低さに重点を置いた設計にしたり出力係数の大きさに重点を置いた設計にすることが可能となり、あるいは前記二つの特性が許容レベル以上に両立するような最適構造を容易に見つけて設定することができる。【００３１】
図２は、垂直軸風車の断面図である。図２に示すように、垂直軸風車１０には、軸受３０ａ、３０ｂ、３０ｃを介して外輪スリーブ２２を回動可能に支持する片持式の内輪側固定軸１４を設けてある。片持式の内輪側固定軸１４の開放端側には、発電機１６を設置している。風がブレード１８に当たることによってブレード１８に回転トルクが発生し、その回転トルクは支持アーム２０、２０、２０を介してハブ８０、８１、８２に伝達される。ハブ８０、８１、８２に伝えられた回転トルクは、トルク伝達キャップ２４、カップリング２８、増速機２６を介して発電機１６の回転軸に伝達され、電力を発電する。同図に示す例では、カップリング２８に非接触形の磁気式カップリングを用いている。【００３２】
トルクを伝達するにあたり、特に磁気式カップリングを用いることによって、カップリング用のディスクがカップリング機構本体と直接接触することなく空隙を保ちながら磁力によって回転運動を増速機２６側へ伝達するので、カップリングの入出力両軸間の芯ずれの許容度が大きく、伝達キャップ２４や増速機又は発電機軸受に対して芯ずれによる反力から生まれる負荷が過大にかかることなく、ほぼ完全に回転トルクのみを伝達することが可能となる。【００３３】
図２に示す例では内輪側固定軸１４は、装着部１２を介してポール８と固定されており、回転しない構造となっている。したがって、慣性モーメントなどを気にせずに内輪側固定軸１４を、撓みの少ない断面係数の大きな太い寸法に設計することが容易に可能である。これにより内輪側固定軸１４を中空構造とすることが可能となるので、発電機１６に接続する電力線２９や各種の制御線を内輪側固定軸１４の内部に配線することも可能となる。【００３４】
従来の垂直軸風車では、発電機を風車ロータの下方に設置し、歯車伝達機構を介して風車ロータの回転トルクを伝達している例が多い。図２に示すように、回転体を外輪側にする構造では、片持構造の内輪側固定軸１４を外輪側回転体１７の上部まで貫通させることが可能なので、内輪側固定軸１４の先端に発電機１６とユニット型の増速機２６とを無理なく配置する設計を行なうことが可能となる。また、発電機１６や増速機２６、カップリング２８を風雨から保護するカバーとしての機能を、回転トルクを伝達するトルク伝達キャップ２４が受け持つことが可能となる。【００３５】
図３は、反りのある翼型について低速用ブレード部分に切欠きを設けたときの翼型断面を示す図である。【００３６】
図３に示すように、低速用ブレード部分１８ａには、周速比が１以下の領域で追い風Ｗｂにより大きな抗力を発生する切欠き部分１９を設けてある。この切欠き部分１９は、翼弦長Ｃに対してブレード前縁から０．４５Ｃ乃至０．７Ｃの位置（同図に示す切欠き開始点Ａ）から開口することが望ましい。またこの切欠き部分１９は、ブレード後縁から０．１５Ｃ乃至０．３５Ｃの位置（同図に示す切欠き終了点Ｂ）まで開口することが望ましい。切欠き終了点Ｂ以降からブレード後縁までは、正規の翼型断面の腹形状を残している。【００３７】
また図３に示すように、低速用ブレード部分１８ａの内部は軽量化のための肉抜きを行なっている。低速用ブレード部分１８ａの切欠き部分１９や肉抜き部分の形状は、低速用ブレード部分１８ａの長手方向に同一形状でよいので、低速用ブレード部分１８ａを押出加工にて成形することが可能である。【００３８】
図３に示すように切欠き部分１９は、切欠き部分１９内での渦流れの流線を滑らかにするために、切欠き開始点Ａから翼断面の内側前縁方向に向かって外側に凹の形状になるように切り欠いてある。切欠き部分１９の最大切欠き深さｈは、翼断面の最大翼厚ｔに対して、０．２ｔ≦ｈ≦０．７ｔに設定するとよい。また切欠き部分１９の後半域には、最大切欠き深さｈ位置からブレード１８ａの後縁側に向かって（切欠き終了点Ｂ方向に向かって）、外側に凸の形状の境界層再付着部分１９ａを設けてある。【００３９】
切欠き部分１９の最大切欠き深さｈの量は、垂直軸風車１０の始動を容易にするために、周速比が１以下の領域で追い風Ｗｂにより発生する抗力の大きさを調節する部分である。最大切欠き深さｈを深く設定すると、追い風Ｗｂを受ける受風面積が増大するので、周速比が１以下の領域で回転トルク（始動トルク）が増大し、垂直軸風車１０の外輪側回転体１７の始動が容易になるという利点がある。【００４０】
しかし、あまり最大切欠き深さｈを深く設定すると、周速比が１以上になって揚力形の風車として機能する際にブレード１８ａの抗力が大きくなり、風車としての出力係数が低下するという不具合が発生する。ブレード１８に発生する抗力はブレード１８に当たる向かい風Ｗｆの二乗に比例して増大し、ブレード１８に発生する揚力も向かい風Ｗｆの二乗に比例して増大するので、ブレード１８の抗力係数を減少させることが垂直軸風車１０の出力係数を高める上で重要な課題となっている。【００４１】
特許文献１（特開２００４−１０８３３０号公報）に記載されているブレードでは、最大翼厚ｔのほぼ１００％を切欠き部分として用いているが、本発明では、切欠き部分１９の最大切欠き深さｈを、翼断面の最大翼厚ｔに対して、０．２ｔ乃至０．７ｔに設定している。したがって本発明に係るブレード１８ａは、特許文献１に記載のブレードと比較して、抗力が３０％乃至８０％近く低減する可能性がある。ゆえに、ブレード１８ａの揚力ベクトルから抗力ベクトルを差し引いた力によって生ずるブレード１８ａの回転トルク性能を、従来のブレードよりも著しく改善することが可能となる。【００４２】
また、切欠き開始点Ａで剥離した境界層は最大切欠き深さｈにほぼ比例した地点で再付着するので、前記ｈを浅くすることによって境界層を確実にブレード１８ａの後縁に至る手前で翼表面に再付着することができる。その結果、再付着点以降に正規の翼型面が残っているので、再付着点以降の空気の流れを正規の流れ状態に近づけることが可能となり、正規の揚力性能に近づけることが可能となる。【００４３】
最大切欠き深さｈが深く、向かい風Ｗｆの風速が速い場合には、切欠き開始点Ａで剥離した境界層が翼表面に再付着しないままブレード１８ａの後縁に至る可能性がある。この場合には、切欠き部分１９に発生する不連続な渦などによる逆流がブレード後縁以降の流れを乱してしまい、ブレードの揚力性能に著しい悪影響を与える可能性がある。本発明では、より広い流速域で境界層が再付着するように、最大切欠き深さｈや切欠き開始点Ａ、切欠き終了点Ｂの範囲を定めている。【００４４】
切欠き部分１９の切欠き開始点Ａの位置を前縁にあまり近づけると、翼流れの出発点とも言うべき前縁部周辺の流れに微妙な影響を与え、その後の流れに大きな影響を与えるので、低速用ブレード部分１８ａが揚力型ブレードとして機能する際にブレードの揚力特性と抗力特性から決まる風車性能を低下させる。また、切欠き部分１９の切欠き開始点Ａを前縁方向にあまり近づけると、低速用ブレード部分１８ａと支持アーム２０とを固定するための領域が狭くなり、支持アーム２０の取付構造上も不利になる。【００４５】
切欠き部分１９の切欠き開始点Ａの位置を前縁から十分遠ざければ、翼流れの出発点とも言うべき前縁部周辺の流れには影響を与えることがなく、低速用ブレード部分１８ａが揚力型ブレードとして機能する際にブレード本来の揚力特性と抗力特性を維持できる。また、切欠き部分１９の切欠き開始点Ａを前縁から十分遠ざければ、低速用ブレード部分１８ａと支持アーム２０とを固定するための領域を広く取ることが可能となり、支持アーム２０の取付構造上有利となる。【００４６】
切欠き部分１９の切欠き終了点Ｂの位置を切欠き開始点Ａにあまり近づけ過ぎると、風車始動時において低速用ブレード部分１８ａの後縁からの追い風が切欠き内部に十分引き込まれず翼を押す抗力が低下して風車の始動性が悪くなる。【００４７】
切欠き部分１９の切欠き終了点Ｂの位置を切欠き開始点Ａから遠ざけてあまり後縁に近づけ過ぎると後縁手前の翼壁面を流れる距離が短くなるので、切欠き部分１９で発生した流れの逆流と渦および境界層再付着点での流れの方向変化などによる流れの乱れが後縁部においても残り、後縁周辺の流れ状態に悪影響を与える。その結果、翼の揚力性能が低下する。切欠き終了点Ｂから後縁までの距離が十分あれば、翼面の流れは本来の流れに回復した状態で後縁に至り翼本来の揚力性能が維持される。【００４８】
この切欠き終了点Ｂの位置は、最大切欠き深さｈの寸法やブレード１８の外側を流れる気流の速度、最大切欠き深さｈ部分以降切欠き終了点Ｂまでの凸型の形状などに応じて決定するとよい。切欠き終了点Ｂをブレード後縁から０．１５Ｃ乃至０．３５Ｃの位置に設定して、正規の翼型の面をブレード後縁部分に残すことによって、ブレード後縁付近の腹側翼流れを正規の流れ状態に近づけ、標準翼型本来の揚力性能に近づけることが可能となる。【００４９】
図４は、本発明に係る低速用ブレード部分が後縁側から追い風Ｗｂを受けた場合の様子を示す図である。同図に示すように、低速用ブレード部分１８ａが後縁側から追い風Ｗｂを受けると、その風は切欠き部分１９に流れ込むので、ここで発生する抗力により低速用ブレード部分１８ａを前進させる力Ｆｂが発生する。この力Ｆｂが外輪側回転体１７の回転力となり、風速比が低い領域での始動トルクとなる。したがって、風速が低い場合であっても、外輪側回転体１７が回転しやすくなり、垂直軸風車１０の始動性が向上する。【００５０】
図５は、反りのある翼型について低速用ブレード部分に切欠きを設けたとき前縁側から向かい風Ｗｆを受けた場合の空気の流れの様子を示す図である。
図５に示すように、低速用ブレード部分１８ａの回転速度が上昇して前縁側から向かい風Ｗｆを受けると、その風は低速用ブレード部分１８ａの前縁でブレード１８ａの腹面と背面とに分かれて流れる。ブレードの背面に流れる空気は、通常の翼型背面を流れる空気と同様に流速が増して負圧となり、低速用ブレード部分１８ａには揚力ＦＬが発生する。この揚力ＦＬが低速用ブレード部分１８ａの推進力Ｆｆを生み、外輪側回転体１７に回転トルクが発生する。【００５１】
ブレードの腹面に流れる空気は、切欠き開始点Ａまでは通常の翼型を流れる空気と同様に流れるが、切欠き開始点Ａを過ぎると切欠き部分１９内に渦を発生させ、その後に、外側に凸形状の境界層再付着部分１９ａがあり、Ａ点で剥離した境界層はここで再付着する。外側に凸形状の境界層再付着部分１９ａに境界層が再付着した後は、気流はそのまま後縁に向かって流れ、再びブレードの背面を流れてきた空気と合流する。このようにブレード翼型腹面を流れる空気も安定して流れるので、切欠き部分１９を有していても低速用ブレード部分１８ａの抗力係数は低く、垂直軸風車としての出力係数を高く維持することが可能となる。【００５２】
図６は、反りのある翼型について翼型回りの空気の流れを示す図である。図６に示すように翼型により発生する揚力は、翼背面Ｄの空気の圧力が翼下面Ｅの空気の圧力よりも負圧になるため発生するものである。そのためには、翼の背面と腹面を流れる空気の主流が翼型から決まる本来の流線を描かなければならない。中でも前縁近傍の流れと後縁近傍から後縁後に至る流れは、翼周りの循環ならびに翼背面・腹面の静圧分布に大きく影響するので、それらを切欠きの無い翼型本来の流れに少しでも近づけることが高速運転における揚力性能の維持のためとくに重要である。【００５３】
本発明の場合、低速用ブレード１８ａの翼型の腹面又は背面に切欠き部分１９を設けているために、低速用ブレード１８ａの翼型の周りに発生する空気の流れが、低速のときと高速のときとで相違することが考えられる。
以下、向い風Ｗｆが低速の場合と高速の場合における翼型周りの空気の流れについて考察してみる。【００５４】
図７は、反りのある翼型について、向かい風Ｗｆが低い風速の場合における低速用ブレード周りの空気の流れを示した図である。【００５５】
図７に示すように、垂直軸風車１０のブレード１８に当る向い風Ｗｆが低速の場合には、翼腹面の空気は境界層を持ちながら翼腹面を流れていくが、図７に示すＡ点において境界層の剥離が発生し、主流は僅かに切欠き部分の１９寄りに方向を変えて進むものと考えられる。その後に境界層は、翼型の後方部（図７のＦに示す部分）に再付着し、主流は翼下面沿いに流れて後縁に至ると考えられる。【００５６】
ステップ流れにおける境界層が再付着することについては、非特許文献１の「３．実験結果と考察」の結論部分にも実験結果とともに記載されている。非特許文献１によれば、主流速度１２ｍ／ｓｅｃのとき段差の５．５倍で再付着が発生するとされている。本発明に係る低速用ブレード１８ａに使用されている翼型の切欠き部分１９は単純な段差ではないので、最大切欠き深さｈの５．５倍以内の距離で再付着すると考えられる。【００５７】
この時の翼型腹面における空気の流れは、切欠き部分がない通常の翼型の周りに発生する空気の流れと相違し、多少流線が曲がった流れとなると考えられる。【００５８】
翼に発生する揚力は、切欠き部分１９がない通常の翼型の場合に最も効果的に発生するため、低速用ブレード１８ａに使用される翼型のように、多少流線が曲がった空気の流れが発生する場合には、翼腹面Ｅを流れる主流の流線が変化し本来の流線から逸脱するので、翼に発生する揚力は多少減少すると考えられる。また、切欠き部分１９内には主流から分かれた流れによる渦流が発生し、ブレードの回転対してマイナスとなる抗力を増加させると考えられる。【００５９】
しかし、本発明に係る低速用ブレード１８ａに使用される翼型は、翼腹面に切欠き部分１９を設けてはいるが、切欠き部分１９における再付着箇所を凸面（境界層再付着部分１９ａ参照）にしているので、翼腹面Ｅに発生する空気の流線の曲がり方を少なく押えることができるようになっている。また、流線の曲がりが少ないため、切欠き部分１９内に発生する渦流も減少させることができるようになっている。【００６０】
したがって、特許文献１に示されるような、翼腹面の後縁部まで切欠き部が形成されており、再付着面が凹面になっている翼型の場合には、流線の曲がりが大きく、切欠き部分内の渦の発生も多くなると考えられる。このような状況下では、翼による揚力の発生が大きく損なわれることになると考えられる。ところが、本発明に係る低速用ブレード１８ａに使用される翼型では、該特許文献１に示される翼型に比べて揚力の損失を極めて少なくすることができると考えられる。【００６１】
図８は、反りのある翼型について、向かい風Ｗｆが高い風速の場合における低速用ブレード周りの空気の流れを示す図である。【００６２】
ブレード１８に当る向い風Ｗｆの流速が高速の場合には、図８のＣの部分で剥離した境界層が、翼の後方部（図８のＦに示す部分）に再付着するので、その空気の流れは切欠き部分のない通常の翼の場合に近い流れとなる。よって、切欠き部分１９のない通常の翼型の場合と同様の揚力を発生し、切欠き部分１９の存在による揚力の損失は少ないと考えられる。本発明の場合には、境界層の再付着箇所を凸面（境界層再付着部分１９ａ参照）にしており、境界層の剥離が発生してから再付着するまでの距離を短くするようにしている。【００６３】
したがって、特許文献１に示されるような翼下面の後縁部まで切欠き部が形成されている翼型に比べて、流速が高速であっても切欠き部分１９のない通常の翼周りの空気の流れと同様の流れを発生させることが可能となっている。【００６４】
図９は、ブレード全スパンＳに対する低速用ブレード部分の割合と垂直軸風車の出力係数と始動風速との関係を示す図である。【００６５】
図９に示すように、低速用ブレード部分１８ａの割合を少なく設定した場合（０％に近い側に設定した場合）には、最適周速比時における出力係数は高い値を示すが、垂直軸風車の始動が高速用ブレード１８ｂの揚力ＷＬに大きく依存しているために始動風速が高くなってしまう。したがって、向かい風Ｗｆの風速が低い場合には回転しないので、風速が低い領域での発電ができない。そして、弱いながらも風が吹いているのに風車が回転していないという状態が長く続くので、風車としての存在理由とイメージが低下する。【００６６】
低速用ブレード部分１８ａの構成比を大きく設定した場合（１００％に近い側に設定した場合）には、始動風速が低下して垂直軸風車としての始動性は向上するが、最適周速比時における出力係数が低下してしまう傾向となる。したがって同図に示すように、垂直軸風車を設置する場所の年間の平均風速などに基づいて適合範囲を定め、その適合範囲に入るように低速用ブレード部分１８ａの長さや、最大切欠き深さｈの深さを決定するとよい。同図に示す例では、出力係数が１６％以上、且つ始動風速が１．６ｍ／ｓ以下になる範囲を適合範囲として定めている。【００６７】
なお図１では、低速用ブレード部分１８ａの翼型として、切欠き部分１９の最大切欠き深さｈの位置からブレードの後縁側に向かって外側に凸形状の境界層再付着部分を備えた翼型を使用した例を示してあるが、特許文献１（特開２００４−１０８３３０号公報）に示されるような後縁まで切り欠いた切欠部を翼の腹面または翼の背面に形成した翼型を低速用ブレードとして用いてもよい。【００６８】
この特許文献１に記載の翼型をブレードの一部に用いた場合には、周速比が低い領域で高い始動性が期待できるものの、周速比が高い領域ではブレードの抗力がかなり増大してしまう。ところがこのブレードを用いた場合であっても、低速用ブレード部分が存在する範囲の割合を少なく高速用ブレード部分が存在する範囲の割合を多く設定することによって、垂直軸風車の始動性をある程度維持しつつ、揚力形風車としての出力係数も確保することが可能となる。【００６９】
また、ブレード翼型腹面又は背面に切欠き部分を設けた低速用ブレード部分、及び、切欠き部分を設けない通常の翼型断面を有する高速用ブレード部分双方の翼型に、切欠き部分以外は同一形状となる翼型を用いることによって、低速用ブレード部分と高速用ブレード部分との接合部や支持アーム２０との接合部の構造を共通化し易くなり、接合部の形状が風車の美観を邪魔しない統一的意匠デザインを可能ならしめるとともに安価なモジュール接合構造を採用することが可能となる。このモジュール接合構造を採用することによって、始動容易で出力係数の高い垂直軸風車を安価にて提供することが可能となる。【００７０】
図１０及び図１１は、反りのある翼型について低速用ブレード部分１８ａの境界層再付着部分１９ａの形状の実施例を示す図である。
このうち、図１０は、境界層再付着部分１９ａに直線部分ａ３を含めた場合の低速用ブレード部分１８ａの断面図である。【００７１】
図１０に示す例では境界層再付着部分１９ａを、半径ｒ１の円弧により形成される円弧部分ａ１と、半径ｒ２の円弧により形成される円弧部分ａ２と、円弧部分ａ１と円弧部分ａ２とから定められる直線部分ａ３とから構成している。円弧部分ａ１、円弧部分ａ２、直線部分ａ３の接合部分は、連続した形状として形成するとよい。【００７２】
円弧の中心位置Ｘ、円弧の中心位置Ｙ、半径ｒ１、半径ｒ２、直線部分ａ３の寸法は、ブレード前縁からの切欠き開始点Ａまでの距離と、切欠き終了点Ｂからブレード後縁までの距離、最大切欠き深さｈ、切欠き部分１９内の切欠き半径ｒ３の各寸法に基づき、切欠き開始点Ａから剥離した境界層が境界層再付着部分１９ａに再付着する際に、翼腹面の流線の流れが滑らになるように適宜定めると良い。なお、本実施例では曲線と直線を組み合わせているが、曲線部分は直線どうしを結んだ形状としても良い。【００７３】
図１１は、境界層再付着部分１９ａに直線部分を含まず、半径ｒ４の円弧により境界層再付着部分１９ａを形成した場合の低速用ブレード部分１８ａの断面図である。【００７４】
円弧の中心位置Ｚ、半径ｒ４の寸法は、ブレード前縁からの切欠き開始点Ａまでの距離と、切欠き終了点Ｂからブレード後縁までの距離、最大切欠き深さｈ、切欠き部分１９内の切欠き半径ｒ３の各寸法に基づき、切欠き開始点Ａから剥離した境界層が境界層再付着部分１９ａに再付着する際に、翼腹面の流線の流れが滑らになるように定めると良い。【００７５】
図１０及び図１１に示す例では、境界層再付着部分１９ａの全面が外側に凸の形状、または一部に直線部分を含んだ形状としているが、他の部分に直線部分を設けた形状としても良いし、境界層再付着部分１９ａ内に凹形状の部分を備えていても本発明の目的を達成することが可能である。【００７６】
境界層再付着部分１９ａをこのような形状にすることにより、再付着点以降の空気の流れを正規の流れ状態に近づけることが可能となり、標準翼型本来の正規の揚力性能に近づけることが可能となる。【００７７】
次に、本発明の第２の実施の形態の垂直軸風車用ブレードおよび垂直軸風車について説明する。【００７８】
図１２は、低速用ブレードの翼型断面を示す図である。この図１２において、背と腹対象形である対称翼型ブレードについて低速用ブレード部分の背側に切欠き部分を設けた翼型断面を示している。図１２に示すように、低速用ブレード部分１８ａには、周速比が１以下の領域で追い風Ｗｂにより大きな抗力を発生する切欠き部分１９を設けてある。【００７９】
この切欠き部分１９は、例えば翼弦長Ｃに対してブレード前縁から０．４５Ｃ乃至０．７Ｃの位置（図１２に示す切欠き開始点Ａ）から開口することが望ましい。また、この切欠き部分１９は、ブレード後縁から０．１５Ｃ乃至０．３５Ｃの位置（図１２に示す切欠き終了点Ｂ）まで開口することが望ましい。切欠き終了点Ｂ以降からブレード後縁までは、正規の翼型断面の形状を残している。なお、切欠き部１９の設置位置はこれに限定されるものではない。【００８０】
切欠き部分１９の最大切欠き深さｈは、翼断面の最大翼厚ｔに対して、０．２ｔ≦ｈ≦０．７ｔに設定することが望ましい。また切欠き部分１９の後半域には、最大切欠き深さｈ位置からブレード１８ａの後縁側に向かって（切欠き終了点Ｂ方向に向かって）、外側に凸の形状の境界層再付着部分１９ａを設けてある。【００８１】
図１３は、対称翼ブレードの背側に切欠き部を設けた風車の始動トルク発生の様子を示す図である。図１３に示すように、所定方向の風Ｗがある場合、一つのブレード１８が追い風を受け、前進させる力Ｆｂが発生する。この力Ｆｂが回転力となり、風速比が低い領域での始動トルクとなる。また、他のブレード１８がこの位置になったとき、同様に追い風を受け、前進させる力Ｆｂが発生する。他の位置では切欠き部分１９は抵抗にならない。【００８２】
図１４は、ブレード１８の翼中央のスパン方向断面図である。図１４に示すように、この例では、長さＬａの切欠き部分１９はブレード１８の上部に、即ち、下端よりＬの位置に配置されている。なお、切欠き部１９の長さ方向の配置位置はこれに限定されるものではない。他の位置、例えばブレード１８の下部に配置されてもよい。【００８３】
このように本実施の形態においては、垂直軸風車の回転軸から遠い側の背面と回転軸に近い側の腹面が対称である垂直軸風車用ブレード１８において、ブレード１８の背面に切欠き部分１９を設け、該切欠き部分１９の最大切欠き深さ位置からブレード１８の後縁側に向かって外側に凸の形状の境界層再付着部分１９ａを備えた構成とされる。【００８４】
これにより、切欠き部分１９の設置位置は支持アーム２０により制限されることがなく、またブレードの背面は腹面より回転半径が大きいため、切欠き部により発生した始動トルクが大きく、垂直軸風車の自己始動性を向上させる効果が十分に発揮することができる。また、風車全体の製造上の選択肢を広げられ、製造コストを低減することができるという利点がある。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明によれば、揚力型垂直軸風車としての出力係数をほぼ維持しつつ、弱風下における実用可能な水準の自己始動能力を持たせることが可能となり、運転風速範囲が広く、且つトルク係数の良好な発電量の多い垂直軸風車を提供することが可能となる。また、これらの特性を製造上安価な構造で提供することが可能となる。
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年11月4日(2005.11.4)
【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】
【書類名】請求の範囲
【請求項１】  垂直軸風車のブレード翼型の腹面又は背面に切欠き部分を設け、該切欠き部分の最大切欠き深さ位置からブレードの後縁側に向かって切欠き部分の終了点までには、空気流がブレード前縁方向からブレード後縁方向に向かって前記切欠き部分を通過する際に前記腹面又は背面から剥離した空気の境界層を再付着させるための、円弧部分を有する凸型形状の境界層再付着部分が形成されることを特徴とする垂直軸風車用ブレード。
【請求項２】  最大翼厚ｔの垂直軸風車のブレード翼型の腹面又は背面に切欠き部分を設け、該切欠き部分の最大切欠き深さを０．２ｔ乃至０．７ｔに設定するとともに、前記切欠き部分の最大深さ位置からブレードの後縁側に向かって切欠き部分の終了点までには、空気流がブレード前縁方向からブレード後縁方向に向かって前記切欠き部分を通過する際に前記腹面又は背面から剥離した空気の境界層を再付着させるための、円弧部分を有する凸型形状の境界層再付着部分が形成されることを特徴とする垂直軸風車用ブレード。
【請求項３】  垂直軸風車の翼弦長Ｃのブレード翼型の腹面又は背面に、ブレード前縁から０．４５Ｃ乃至０．７Ｃの位置を切欠き開始点とする切欠き部分を設け、該切欠き部分の最大切欠き探さ位置からブレードの後縁側に向かって切欠き部分の終了点までには、空気流がブレード前縁方向からブレード後縁方向に向かって前記切欠き部分を通過する際に前記腹面又は背面から剥離した空気の境界層を再付着させるための、円弧部分を有する凸型形状の境界層再付着部分が形成されることを特徴とする垂直軸風車用ブレード。
【請求項４】  垂直軸風車の翼弦長Ｃのブレード翼型の腹面又は背面に、ブレード後縁から０．１５Ｃ乃至０．３５Ｃの位置を切欠き終了点とする切欠き部分を設け、該切欠き部分の最大切欠き深さ位置からブレードの後縁側に向かって切欠き部分の終了点までには、空気流がブレード前縁方向からブレード後縁方向に向かって前記切欠き部分を通過する際に前記腹面又は背面から剥離した空気の境界層を再付着させるための、円弧部分を有する凸型形状の境界層再付着部分が形成されることを特徴とする垂直軸風車用ブレード。
【請求項５】  垂直軸風車のブレードを、ブレード翼型の腹面又は背面に切欠き部分を設けた低速用ブレード部分と、切欠き部分を設けない通常の翼型断面を有する高速用ブレード部分とから構成し、前記切欠き部分は、該切欠き部分の最大切欠き深さ位置からブレードの後縁側に向かって切欠き部分の終了点までには、空気流がブレード前縁方向からブレード後縁方向に向かって前記切欠き部分を通過する際に前記腹面又は背面から剥離した空気の境界層を再付着させるための、円弧部分を有する凸型形状の境界層再付着部分が形成されることを特徴とする垂直軸風車用ブレード。
【請求項６】  垂直軸風車のブレードを、ブレード翼型の腹面又は背面に切欠き部分を設けるとともに該切欠き部分の最大切欠き深さ位置からブレードの後縁側に向かって切欠き部分の終了点までには、空気流がブレード前縁方向からブレード後縁方向に向かって前記切欠き部分を通過する際に前記腹面又は背面から剥離した空気の境界層を再付着させるための、円弧部分を有する凸型形状の境界層再付着部分を有する低速用ブレード部分と、切欠き部分を設けない通常の翼型断面を有する高速用ブレード部分とから構成したことを特徴とする垂直軸風車用ブレード。
【請求項７】請求項１乃至６に記載のブレードを備えたことを特徴とする垂直軸風車。
【国際調査報告】
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