第一工業大学研究報告第26号（2014）pp .7－10

7

第一工業大学研究報告第24号(2012), pp.00-00

垂直風車の空力特性の検討

垂直風車の空力特性の検討
酒酒井 井謙 謙
二 二第一工業大学

航空工学科（〒899-4395

鹿児島県霧島市国分中央1-10-2）

E-mail:k-sakai@daiichi-koudai.ac.jp

The Study about the Aerodynamic Characteristics of the Vertical Wind Mill
Daiichi Institute of TechnologyKenji SAKAIThe aerodynamic characteristics of the vertical wind mill have been studied.
Some design points have been studied to improve the performance of the vertical wind mill
power generation.
Key Words: Vertical wind mill, Improvement of the performance, Aerodynamic characteristics

１．はじめにある風速の中に置かれた垂直風車が、どのような空力メカニズムで一定の回転数で回り続けるのかを検討し、高効率の垂直風車の設計指針を得る。

Ｕsinθ

回転方向に対する翼の有効迎角αは朱色のＵcosθ

合速度のベクトルからＵ求めることができる

θ
VT=VR-Ucosθ

回転方向は左回りを合速度ＶＲ想定。従って、翼型はｰα左向きが頭になるように取り付ける。

U

図１

垂直風車写真２．解析方法
垂直風車が上から見て左回転しているとした時の速度成分を図２．１に示す。この図に示す
ように、ブレードの位置と一様流速度と回転周速度との関係で、ブレード翼にあたる有効迎角が計算できる。その迎角に対応する揚力と抗力が分かれば、その成分として回転方向に働く力が計算できる。

図２．１

解析説明図

計算は周方向に１０°ピッチに分割して、そこでの値の和から回転力を計算した。回転力に垂直風車の半径を掛ければ回転トルクとなる。
今回の検討では、問題を簡単にするために、翼特性として、ＮＡＣＡ００１２翼特性とし、参考文献（１）を参考に、揚力係数と抵抗係数を推算した。揚力係数は最大迎角αｍａｘ＝This document is provided by JAXA.

第一工業大学研究報告

8１６°とし、最大揚力係数１．６まで直線的に増加し、そのあとは風洞試験結果に合うように直線的に減少すると近似した。
風洞試験結果との比較を図２．２に示す。

CL～α2

ＣＬ実験
ＣＬ近似

1.5第26号（2014）

U=7,5 T～ＶＲ

220.0
200.0180.0
Ｔ 160.0
140.0
120.0
100.02025

13035ＶＲCL0.5

図３．１Ｔ～ＶＲ（Ｕ＝７．５ｍ／ｓ）

0-55-0.515

α25

Ｕ＝１０ Ｔ～ＶＲT400.0

図２．２揚力係数の実験と近似との比較

また、抵抗係数ＣＤは、参考文献（1）をベースに揚力係数の関数として近似式で求めた。ただし、失速後の抵抗係数ＣＤについては、失速後も揚力が線形で増えると仮定したＣＬを使って、推算した。
ＣD＝０．００５８ｘ０．００３６ｘCL350.0
Ｔ 300.0
250.0200.03035

図３．２
この抵抗係数の近似式と風洞試験結果との比
較を図２．３に示す。両者は良い一致を示す。

Ｔ～ＶＲ（Ｕ＝１０ｍ／ｓ）

700.0
600.00.01

CD0.008

Ｔ 500.0

近似ＣＤ

CD 0.006

400.00.004

300.00.002

3000
図２.３45

U=12.5 T～ＶＲ

CD～CL0.012

40ＶＲ

20.5CL

11.540ＶＲ5060

図３．３ Ｔ～ＶＲ（Ｕ＝１２．５ｍ／ｓ）

抵抗係数の実験値と近似値との比較
Ｕ＝１５ T～ＶＲ

一様流速度は７．５ｍ／ｓ、１０ｍ／ｓ、１２．５ｍ／ｓ、１５ｍ／ｓの４種類とし、その各々で回転周速度を振って、ブレード単位面積あたりの回転力Ｔ(以後、回転力と表示)を計算した。各速度の計算結果を図３．１～３．４に示す。

850.0Ｔ

３．計算結果900.0

800.0750.050

図３．４55

ＶＲ6065Ｔ～ＶＲＵ＝１５ｍ／ｓ）

This document is provided by JAXA.

酒井：垂直風車の空力特性の検討

傾向に多少の差はあるが、ある一様流速度に対応して、ある周速度ＶＲで回転力Ｔが最大となり、それ以上では回転力は徐々に減少する。
すなわち、一様流が与えられると、最大回転力に達する周速度で回り続けると考えられる。最大回転力を発生する周速度と一様流速度Ｕとの関係結果を図３．５に示す。

Ｕ＝７．５ ＶＲ＝２７．５αＶＲmax（Ｔｍａｘ）
60VRmax

5040301020.015.010.05.00.0-5.0 0-10.0-15.0-20.06810 Ｕ 1214300 360

θ
有効迎角分布（VR=27.5m/ｓ）

251620ＶＲｍａｘ（Ｔｍａｘ）～Ｕ

一様流流速と最大回転力を出す周速度とはほぼ比例すると考えられる。
現在の検討では、垂直風車の半径はパラメー
タとしては入れていないが、一様流速度によって最大回転力を出す周速度が決まるということは、大きな風車ほどゆっくり回り、小さい風車ほど速く回ると考えられる。通常のプロペラ型風車でも、その傾向は観察できる。
次に、一様流速度に対応する最大回転力を
図３．６にプロットする。最大回転力は、一様流速度の２乗におおむね比例すると近似できる。
T ～u1000T
近似

T15Ｔ

図３．５600

120 180 240

Ｕ＝７．５ ＶＲ＝２７．５080060

図４．１ＶＲｍａｘ
内挿2091050-5 060120180240300360

θ

図４．２

回転力分布（VR=27.5m/ｓ）
Ｕ＝７．５ ＶＲ＝２５20.0
15.010.05.0
α 0.0-5.0 0-10.0-15.0-20.0

60120180240300360θ400

図４．３2000

有効迎角分布（VR=25ｍ/s）
Ｕ＝７．５ ＶＲ＝２５57.5

図３．６10UＴ12.51517.5～ ｕ252015４．有効迎角分布と回転力分布の検討
一様流速度７．５ｍ／ｓの場合で、最大回転力を示す周速度ＶＲ＝２７．５ｍ/s とその前の周速度Ｒ＝２５ｍ/s との各回転位置での有効迎角分布と回転力分布の比較４．１～図４．４示す。

Ｔ 1050-50

図４．４100200300

400θ

回転力分布（VR=25m/ｓ）

This document is provided by JAXA.

第一工業大学研究報告10第26号（2014）

６．まとめ
最大回転力を出す周速度ＶＲ＝２７．５ｍ／ｓでは、最大の有効迎角が失速角に近い値であることが分かる。ＶＲ＝２５ｍ／ｓの回転力が減っているのは、部分的にブレード翼が失速しているためと考えられる。
また、最大回転力を出す周速度以上では有効迎角が失速角以下となっていることが確かめられた。
５．翼型空力特性による効果の検討
ブレード翼型による垂直風車の特性への効果を検討するために、以下の２つの翼型に対して検討を行った。
一様流速度としては７．５ｍ／ｓとする。
⑴失速角の大きな対称翼の採用検討例として、失速角が２°大きい対称翼を想定して解析した。
⑵キャンバー翼の採用
キャンバー翼特性として、プラス側の失速角を２°増加（ α max=１８°）させ、反対にマイナス側の失速角を２°減少させたキャンバー翼を想定した。
両者の回転力の比較を図５に示す。

一様流速度と回転速度から有効迎角を出して計算する解析から、垂直風車の空力特性について、次の知見を得ることができた。
（１）一様流速度が与えられると、最大回転力を出す周速度を求めることができる。
すなわち、大きな風車になるほど、ゆっくりとした回転で回ることが説明できる。
（２）最大回転力を出す周速度以下で回転すると仮定すると、翼に当たる有効迎角がある回転位置で失速角以上となっていることが分った。
また、最大回転力を出す周速度以上で回転すると仮定すると、翼に当たる有効迎角が全てのスパン位置で失速角以下となっている。
（３）回転力を大きくするためには、最大揚力係数が大きく、抵抗特性も良好な対称翼型を用いるのが有効と考えられる。
仮に、翼型を改良して失速角を２°大きい１８°とした計算例では回転力は１％弱の改善ではあるが、最大回転を得る回転速度は２．５ｍ／s ほど小さい値を示す。

T～ＶＲ（４）キャンバー翼型は対称翼に比べ悪化すると推定される。市販の垂直風車の多くはキャンバー翼を採用しているが改善の余地はあると考えられる。

250
200
150
Ｔ

T(αmax＝１８°）100

T(αmax=１６°）50

キャンバー翼0152025 ＶＲ 30

図５Ｔ～ＶＲ（翼型効果）

3540（５）垂直風車は回転することで回転力が得られるため、初期速度は必要と考えられる。
そのため、微風速から回転させるためには、低速でも稼動するロビン型風車のようなものを、初期回転を得るために取り付ける必要があると考えられる。
７．参考文献この図から、失速角の大きな対称翼の改善効果が示された。失速角２°増加の効果は回転力に対しては１％程度であるが、回転速度ＶＲは２．
５ｍ／ｓ早く最大回転力に達することが分かる。
また、キャンバー翼（±２°）の採用は回転力で２％の減少、回転速度ＶＲは５ｍ／ｓ遅く最大回転力に達するなどと、悪化することが分かった。

（１）Abbott,I.H., and von Doenhoff, Theory ofWing Sections, Dover,New York,1949（２）プロペラ理論（第３版）
日本航空機技術教会

This document is provided by JAXA.