JP4728008B2 - 横軸風車 - Google Patents

Description

本発明は、横軸風車に係り、特に弱風環境におけるロータの回転始動性と高速回転性が優れ、風車効率の高い横軸風車に関する。

従来、横軸風車は、風力発電機などに利用されている。風力発電機は大型化しており、高速風が間断無く吹かなければ発電採算が良くない。

風力発電機は、風速４ｍ／ｓ以上の風が年間2000時間以上吹かなければ営業採算が合わないとされている。従って、風速４ｍ／ｓ以下の風でも回転し、しかも軸トルクを大きくすることが出来る風車が要望されている。またロータが高速回転すると、回転方向に旋回して向きを変えようとする力が作用する。
この発明は、低風速でも風車効率が高く、高速回転時にも、ロータが支柱を中心に旋回して向きを変えない横軸風車を提供することを目的としている。

本発明の横軸風車では、筐体の両側部にガイド板を垂直に配設してある。このガイド板によって集められた風は、高速で通過しロータを高速回転させる。またガイド板に沿って通過する風によって、筐体が風向方向に維持されるので、ロータの回転に伴う旋回作用が抑止される。発明の具体的な内容は次の通りである。

（１）支柱上に旋回自在に支持された筐体内に設けた前後方向を向く回転軸の後部にロータを設け、かつ筐体の左右両側より突設した支持翼をもって、後部が前記ロータの側方を覆う位置まで延びる、垂直のガイド板を配設した横軸風車。

（２） 前記ガイド板は、正面視で上下端部が、それぞれ先端方向へ次第に薄くされ、かつ上下端部に外方へ傾斜する傾斜部を備えている前記（1）に記載の横軸風車。

（３） 前記ガイド板は、正面視で上下端部が、それぞれ先端方向へ次第に薄くされ、かつ上下端部に内方へ傾斜する傾斜部を備えている前記（1）に記載の横軸風車。

（４） 前記ガイド板の、主部の横断面は、左右非対称形で、前部が厚く、後部は次第に薄く、かつ前後心線に対して、内側面前縁部に大きな膨出部が形成されている前記（1）〜（3）のいずれかに記載の横軸風車。

（５） 前記ガイド板は、前後心線が前部よりも後部が、回転軸の軸心線に対して外開きとされている前記（1）〜（4）のいずれかに記載の横軸風車。

（６） 前記ロータのブレードは、基部から先端にかけて次第に薄く設定され、かつ前向きに傾斜する傾斜部が形成されている前記（1）〜（6）のいずれかに記載の横軸風車。

本発明によると、次のような効果が奏せられる。

前記(1)に記載の横軸風車は、筐体の左右側方に支持翼を介してガイド板が垂直に配設されているので、筐体と支持翼に沿って通過する風は、他域よりも加速されてロータのブレードの正面に当り、ロータの回転効率は高められる。
ガイド板は筐体の後部にあリ、ガイド板の後部が前記ロータの側方を覆う位置まで延びているので、風を横から受けると筐体前部を風向方向に向ける。ロータは、回転すると回転方向へ旋回しようとする力が作用するが、筐体の左右にあるガイド板でガイドされる風の通過速度が他域より早くなるので、ロータの向きは風方向に維持される。

前記(2)に記載の横軸風車では、左右のガイド板が正面視で上下端部が外方へ傾斜する傾斜部を有するので、風向きが変ると、傾斜部の正面で早く風を掴み、斜面を加速させて主部へ滑らせるので、微風でも敏感に多くの風を集めて筐体の向きを変えさせることができる。

前記(3)に記載の横軸風車は、ロータが筐体の後部にあるため、ロータにより生じた乱気流は、支持翼の上下に沿って加速されて後方へ抜けることができる。
垂直のガイド板の上下端部が内方に傾斜されているので、支持翼の上下に沿って通過する風はガイド板の傾斜部で囲まれて、通過速度を落とさずに通過する。

前記(4)に記載の横軸風車は、ガイド板の主部の横断面が、左右非対称で、前部が厚く後部は次第に薄く形成されているので、この側面に沿って通過する風は、他域よりも加速されて通過して、ロータに大きな回転力を与えると共に、通過する高速風の方向性が強いために、ロータの回転に伴い旋回作用が生じても、筐体を風向き方向へ安定して維持させる。

前記 (5)に記載の横軸風車は、左右のガイド板が、後部を外向きに傾斜させて配設されているため、左右ガイド板の間を後方へ抜ける風は、抵抗を受けつつ開放された後方へ一気に抜け、加速されているので、ロータの回転効率を高めることができる。

前記(6)に記載の横軸風車は、ロータのブレードの翼端部に正面方向へ傾斜した傾斜部が形成されているので、集風力に優れて回転効率が高まる。

風車の筐体の左右側面に、支持翼を介して１対のガイド板が配設され、ガイド板は、支持翼の上下に沿って加速される風を、後方へ導く。後方へ加速されて抜ける風は、方向性があるため、ロータの回転に伴って生じる旋回作用が抑止され、また後方へ加速されて抜ける風は、ロータの回転効率を高める。

本発明の実施例を、図面を参照して説明する。図１は、本発明の横軸風車の実施例１の正面図、図２は平面図、図３は側面図である。

支柱(2)の上端に、旋回自在に横軸風車(1)の筐体(3)が配設されている。筐体(3)は、図示するように、左右対称で前部が太く、後部へ次第に細く形成されている。前部寄りの筐体(3)の下部は、下方へ突出して支柱(2)に旋回可能に支持されている。図中の符号(3a)は後蓋である。支柱(2)は、可及的に筐体(3)の前に位置していることが好ましい。

筐体(3)の内部には、図２に示すように、回転軸(4)が回転自在に、長手に沿って横設されている。該回転軸(4)の後部には、ハブ(5)に放射方向へ向けて複数のブレード（6A）を固定したロータ(6)が配設されている。回転軸(4)の先方部には、図示しない変速機、発電器を配設して風力発電機が形成されている。筐体(3)の内部には、風速計、回転速度計、自動制御器、その他風力発電機に必要不可欠な公知の装置機器類が配設されている。

図１に示すように、ロータ(6)のブレード（6A）の受風部(6b)の正面形は、基部よりも翼端縁部の方が、幅広く設定されている。最大弦長は、ロータ(6)の回転半径の20％〜45％まで、広くすることができる。またブレード（6A）の翼端部は、図３に示すように、側面視で先端方向へ次第に薄く設定され、かつ端部に正面方へ傾斜する傾斜部(6a)が形成されている。傾斜部(6a)の径方向の長さは、回転半径の10％以内が好ましい。

傾斜部(6a)の傾斜度は、ブレード(6A)の長手方向に対して30度〜45度であり、40度〜45度が好ましい。またブレード(6A)の受風部(6b)の前面は、図５に示す軸心線（Ｌ）に対して、90度〜100度前傾させられている。これにより、回転時の抵抗は小さく、大きな推力が得られる。

従来のロータと、この傾斜部(6a)が形成されているロータ(6)とを、同じ条件で回転させると、風速４ｍ／ｓで、従来型は回転しないが、本発明のロータ（6）は、風が当ると直ちに高速回転した。また同じ条件で発電させると、従来型では210ｗ／ｔであるのに対して、本発明の羽根車では450ｗ／ｔが記録された。

図４、図５に示すように、ロータ(6)のブレード（6A）の受風部(6b)の中ほどから基端部へかけて、左側面を軸心線（Ｌ）に対して傾斜させて、斜側面(6c)を形成することができる。斜側面(6c)の傾斜度は、図５に示すように軸心線（Ｌ）に対して100度〜150度である。

図１、図２に示すように、筐体(3)の左右側部には、ほぼ水平の支持翼(7)(7)が配設されている。支持翼(7)の縦断面は、上下対称形が好ましく、後部は薄く形成されている。支持翼(7)の平面形は、強度の関係で、基部が幅広に形成され、左右の突出長さは、ロータ(6)の回転半径よりも長く設定されている。

各支持翼(７)の先端部に、縦型のガイド板(8)が、左右対称に配設されている。ガイド板(8)は、正面視で、垂直の主部(8a)は、図１に示すように、支持翼(7)の先端に固定されている。主部(8a)の横断平面は、図２に示すように左右非対称形であり、左右のガイド板(8)の内側面の膨出度は、外側面よりも大きい。

ガイド板(8)の側面形は、図３に示すように、前方へ突出する略５角形であり、後部は垂直とされている。ガイド板(8)の主部(8a)の上下端部は、図１に示すように、正面視で先端にかけて次第に薄くされ、かつ先端に、外向きに傾斜する傾斜部(8b)が形成されている。傾斜部(8b)の傾斜度は、垂直に対して25度〜45度である。

ガイド板(8)の前後心線（Ｓ）は、図２に示すように、筐体(3)の軸心線（Ｌ）に対して、後方が離れる方向へ傾斜している。前後心線（Ｓ）の傾斜角度は、軸心線（Ｌ）に対して、７度から17度とされている。
またガイド板(8)の後部は、図２に示すように、ロータ(6)の側方を覆う位置まで延びている。ガイド板(8)の高さは、ロータ(6)の回転直径より短くて良いが、半径を超える長さであることが好ましい。支持翼(7)とガイド板(8)とは、ＦＲＰで一体成形すると、剛性と精度を高く維持することができる。

以上のように構成された本発明の横軸風車(1)では、ガイド板(8)が風を受けると、筐体(3)の前部は風上を向く。筐体(3)の表面に沿って後方へ抜ける風は、筐体(3)の太い前部で圧縮された後、細径の後方へ抜けるので、他域よりも高速度で通過する。前部が厚く後部が薄い支持翼(7)の上下面に沿って後方へ通過する風も、他域よりも高速で通過する。

ガイド板(8)の内側面は膨出しているので、左右のガイド板(8)の間を通過する風は、ガイド板(8)の内側の膨出面を通過する際に加速される。また、ガイド板(8)の前後心線（Ｓ）の後部は外向きに傾斜しているので、ガイド板(8)に前から当る風は、膨出部で抵抗を受けつつ気流密度を高め、開放された後方へ加速されて一気に抜ける。そのためロータ(6)は、他域よりも高速で通過する風を受けることになり、回転効率が高まる。

ガイド板(8)を仮に円筒形にすると、空気の粘性その他の抵抗により、風はその中を通過し難い。しかし、本発明においては、筐体(3)の左右両側だけに縦型のガイド板(8)を設けてあり、風は上下に抜けることが出来るため、部分的に気圧が低くなっても、高速で後方へ通過することができる。

空気は、気圧の高い方から低い方へ流れ、速度が大となると負圧になる。従って、ガイド板(8)で風を捕捉しようとすると、抵抗を受けて風圧があがるので風速は低下する。一般的には、風圧をあげて、風をロータに当てようとしているが、本発明では、風圧を下げることによってロータのブレード（6A）に当る風速を高め、風流量をあげて回転効率を高めるようになっている。

また、ガイド板(8)の内側面に沿って通過する気流は、加速されるので、方向性を有しており、筐体(3)は風向き方向へ保持される。またロータ(6)の回転に伴ってロータ(6)が回転方向へ旋回しようとする力が吸収され、筐体(3)は風向きに安定よく保持される。

風向きが変化した時、ガイド板(8)は、上下端部に外向きの傾斜部(8b)があるため、風を受けて敏感に変向する。すなわち、傾斜部(8b)に風があたると、傾斜面(8b)を滑る風が、ガイド板(8)の中心部方向へ加速されて移動するため、多くの風を呼び込んで、微風でも容易に筐体(3)を風上に向ける。

図４において、羽根車(6)の受風部(6b)の正面に向かって吹くＡ矢示風は、傾斜部(6a)の正面に当ると、傾斜部(6a)の正面の傾斜面を、高速で受風部(6b)へ向かって滑る。これは、抵抗の小さな方へ気流が流れるためである。図４における点Ｏ−Ｐ間の距離よりも、点Ｑ−Ｐ間の距離が長いため、点Ｏ−Ｐ間を通過する風の風速よりも、点Ｑ−Ｐ間を滑る風の速度の方が早くなる。

風速が早くなると空気密度が薄くなり、周囲より負圧になる。負圧になると、周囲から常圧の風が傾斜部(6a)の正面に部分的に多く集中する。すなわち、この傾斜部(6a)は、他域よりも部分的に、風を多く集合させる作用を有している。

傾斜部(6a)の正面に集まる風は、抵抗の少ない受風部(6b)に沿って流れ、左側面から背面へ抜ける。すなわち、傾斜部(6a)では一定時間内に他域より多く風があたるため、空気密度が高まり、風は空気密度が常態の受風部(6b)へ流れて、図４の受風部(6b)の左側背後へ抜ける。

このように、ブレード(6A)の傾斜部(6a)は、集風性に優れ、受風と同時に羽根車(6)の正面における気圧と気流を、瞬時に変化させる作用があり、またブレード(6A)の受風部(6b)の正面左側において、風を後方へ高速で抜けさせることになる。

そのため、ブレード(6A)の受風部(6b)の正面の左側を、後方へ抜ける風の量が、ロータ(6)の正面の右側を抜ける風よりも、一定時間内で多くなり、ロータ(6)は、空気密度の小さな右方の回転方向へ引かれて、回転力が高まる。斜側面(6c)を通過する風は、ロータ(6)を回転方向へ押すように作用する。

図５に示すロータ(6)のブレード（6A）は、横断面が左右非対称であり、先端方向へ向かって薄くして傾斜させた傾斜部(6a)は、回転時において、内面よりも外面を通過する風の速度が早くなり、傾斜部(6a)の外面域が負圧になり、負圧方向に回転推力が生じる。

回転に伴いロータ(6)の主部の前後を通過する風は、図５において、膨出の大きい背面を通過する風の速度の方が早くなるので、背面右方向を向く揚力（回転推力）が生じる。

図６は、横軸風車の実施例２を示す正面図である。前例と同じ部位には同じ符号を付して、説明を省略する。
この実施例２は、支持翼(7)を、左右それぞれ上下２枚として、筐体(3)の軸心線から放射方向へ突設させ、筐体(3)の左右で、それぞれ上下の支持翼(７)を介して、ガイド板(8)を垂直に保持させたものである。この実施例２では、ガイド板(8)の高さが高い場合にも、ガイド板(8)を安定よく支持させることができる。

図７は、横軸風車の実施例３を示す正面図である。前例と同じ部位には同じ符号を付して、説明を省略する。実施例３は、ガイド板(8)の傾斜部(8b)を内側に傾斜させたものである。この態様では、支持翼(7)の上下面に沿って加速されて通過する気流は、内向きの傾斜部(8b)により上下方向に逃げることはない。

一般に羽根車(6)が回転すると、ロータ(6)の正面域で気流が停滞して、後方に抜けにくくなる。するとロータ(6)の回転効率が低下するので、ロータ(6)の側部から早く後方へ風を通過させることが必要である。

その点、本発明においては、筐体(3)の前にロータ(6)を配設した場合でも、ロータ(6)によって生じる渦流を、支持翼(7)によって加速させて、ガイド板(8)の内向きの傾斜部(8b)で囲うように通過させるので、加速された風は拡散することなく高速で後方へ通過し、風抜けがよくなり、ロータ(6)の回転効率が高まる。

図７に示すようにロータ(6)のブレード（6A）は、縦心線（Ｔ）の左右を７対３に設定されている。先端面は、縦心線（Ｔ）の部分が頂点となって湾曲面に形成されている。これは、右方回りで回転するとき、傾斜部(6a)の外面の膨出がこの部分で強いため、回転時に回転後方への通過風流が加速され、回転効率がよい。

なお、この発明は前記実施例に限定されるものではなく、目的に沿って適宜設計変更をすることができる。例えば、筐体(3)の上部に長手に沿う舵板を配設することができる。また各実施例の一部をそれぞれ組合わせることができる。

低風速で回転始動性に優れ、高い風車効率が得られるので、小型風力発電機として利用するとき、低風速の環境で、風車効率の良い風力発電をすることができる。

本発明の実施例１を示す正面図である。 本発明の実施例１を示す平面図である。 本発明の実施例１を示す側面図である。 本発明の実施例１における横軸風車のロータの左側面図である。 図４における横軸風車のロータの平面図である。 本発明の横軸風車の実施例２を示す正面図である。 本発明の横軸風車の実施例３を示す正面図である。

(1)横軸風車
(2)支柱
(3)筐体
(3a)後蓋
(4)回転軸
(5)ハブ
(6)ロータ
（6A）ブレード
(6a)傾斜部
(6b)受風部
(6c)斜側面
(7)支持翼
(8)ガイド板
(8a)主部
(8b)傾斜部
(8c)斜側面
（Ｌ）軸心線
（Ｓ）前後心線
（Ｔ）縦心線

Claims (6)

1. 支柱上に旋回自在に支持された筐体内に設けた前後方向を向く回転軸の後部にロータを設け、かつ筐体の左右両側より突設した支持翼をもって、後部が前記ロータの側方を覆う位置まで延びる、垂直のガイド板を配設したことを特徴とする横軸風車。
2. 前記ガイド板は、正面視で上下端部が、それぞれ先端方向へ次第に薄くされ、かつ上下端部に外方へ傾斜する傾斜部を備えていることを特徴とする請求項１に記載の横軸風車。
3. 前記ガイド板は、正面視で上下端部が、それぞれ先端方向へ次第に薄くされ、かつ上下端部に内方へ傾斜する傾斜部を備えていることを特徴とする請求項１に記載の横軸風車。
4. 前記ガイド板の、主部の横断面は、左右非対称形で、前部が厚く、後部は次第に薄く、かつ前後心線に対して、内側面前縁部に大きな膨出部が形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の横軸風車。
5. 前記ガイド板は、前後心線が前部よりも後部が、回転軸の軸心線に対して外開きとされていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の横軸風車。
6. 前記ロータのブレードは、基部から先端にかけて次第に薄く設定され、かつ正面方向へ傾斜する傾斜部が形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載された横軸風車。

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