JP6130680B2 - Vertical axis fluid power generator - Google Patents
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Description
本発明は、垂直軸型流体発電装置に関する。 The present invention relates to a vertical axis fluid power generation apparatus.
現在、温室効果ガスの排出量の増加や化石燃料の枯渇などの問題から、自然エネルギーである風力を利用した風力発電装置が注目されている。
風力発電装置は、一般的な構造として、支柱の先端部に取り付けられた風車のローター部が回転することで生じる動力(回転力)によって発電機を駆動する。風力発電装置は、動力の発生に燃料を使用しないので、化石燃料の使用量を削減できる。つまり、二酸化炭素の排出量を低減することが可能である。さらに、風力発電装置の構造が比較的簡単なので、据付が容易であるという特徴を有する。
At present, wind power generators using wind power, which is natural energy, are attracting attention because of problems such as an increase in greenhouse gas emissions and the depletion of fossil fuels.
As a general structure, a wind power generator drives a generator by power (rotational force) generated by rotation of a rotor portion of a windmill attached to a tip portion of a support. Since the wind power generator does not use fuel to generate power, the amount of fossil fuel used can be reduced. That is, it is possible to reduce the discharge amount of carbon dioxide. Furthermore, since the structure of a wind power generator is comparatively simple, it has the characteristic that installation is easy.
例えば、特許文献1に記載された垂直軸型風力発電装置では、複数のブレード(羽根)及びアーム(支持部材)からなるローター部に連結された回転軸が、地面に対して鉛直方向に延設される。回転軸は、複数のベアリング(軸受)を介して支持体(筒)に対して回転可能に支持される。
For example, in the vertical axis type wind power generator described in
垂直軸型風力発電装置等の垂直軸型流体発電装置においては、作動流体の移動やブレード及び回転軸の自重等によって、回転軸には回転軸のラジアル方向やスラスト方向の外力が作用する。ところが、従来の垂直軸型風力発電装置においては、これらの荷重を軸受が十分に支持しきれずに、回転軸が円滑に回転できなくなる場合があった。
そこで、軸受の外径を大きくして十分な耐荷重性と耐久性を確保することが考えられる。しかし、回転軸や支持体の外径も大きくなってしまうため、受風面積に占める支持体の側面投影面積の割合が増加して、ローター部の回転効率や発電効率が低下するという問題があった。また、装置の重量化、高コスト化を招いてしまうという問題もあった。
In a vertical axis hydroelectric generator such as a vertical axis wind power generator, an external force in the radial direction or thrust direction of the rotary shaft acts on the rotary shaft due to the movement of the working fluid, the weight of the blade and the rotary shaft, or the like. However, in the conventional vertical axis type wind power generator, the bearing cannot fully support these loads, and the rotating shaft may not be able to rotate smoothly.
Therefore, it is conceivable to increase the outer diameter of the bearing to ensure sufficient load resistance and durability. However, since the outer diameter of the rotating shaft and the support is also increased, there is a problem that the ratio of the side projection area of the support to the wind receiving area is increased and the rotation efficiency and power generation efficiency of the rotor portion are reduced. It was. In addition, there is a problem that the weight and cost of the apparatus are increased.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、軸受の耐荷重性や耐久性を確保しつつ、ローター部の回転効率の低下を回避し、装置の軽量化・低コスト化を図ることができる垂直軸型流体発電装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, avoiding a decrease in rotational efficiency of the rotor portion while ensuring the load resistance and durability of the bearing, and reducing the weight and cost of the device. An object of the present invention is to provide a vertical axis fluid power generation apparatus capable of achieving the above.
本発明に係る垂直軸型流体発電装置の実施態様は、複数のブレードがそれぞれ軸方向に離間して取り付けられる一対のアームを介して接続される回転軸と、前記回転軸を複数の軸受を介して回転可能に支持する支持体と、を備える垂直軸型流体発電装置であって、前記軸受は、複列のアンギュラ玉軸受を含み、前記一対のアームが水平アームの場合は、前記回転軸の軸方向における前記複列のアンギュラ玉軸受の中心位置から前記一対のアームのうち前記複列のアンギュラ玉軸受側に配置されたアームの中心位置までの第一最短距離は、前記ブレードの全長の3〜17%に設定され、前記軸方向における前記ブレードの前記複列のアンギュラ玉軸受側に配置された端部から前記複列のアンギュラ玉軸受の中心位置までの第二最短距離は、前記ブレードの全長の10〜24%に設定され、前記軸方向における前記ブレードの前記複列のアンギュラ玉軸受側に配置された端部から前記一対のアームのうち前記複列のアンギュラ玉軸受側に配置されたアームの前記ブレードに対する取り付け位置の中心位置までの第三最短距離は、前記ブレードの全長の16〜27%に設定される。
また、本発明に係る垂直軸型流体発電装置の実施態様は、複数のブレードがそれぞれ軸方向に離間して取り付けられる一対のアームを介して接続される回転軸と、前記回転軸を複数の軸受を介して回転可能に支持する支持体と、を備える垂直軸型流体発電装置であって、前記軸受は、複列のアンギュラ玉軸受を含み、前記一対のアームが傾斜アームの場合は、前記回転軸の軸方向における前記複列のアンギュラ玉軸受の中心位置から前記一対のアームのうち前記複列のアンギュラ玉軸受側に配置されたアームの中心位置までの第一最短距離は、前記ブレードの全長の3〜15%に設定され、前記軸方向における前記ブレードの前記複列のアンギュラ玉軸受側に配置された端部から前記複列のアンギュラ玉軸受の中心位置までの第二最短距離は、前記ブレードの全長の35〜47%に設定され、前記軸方向における前記ブレードの前記複列のアンギュラ玉軸受側に配置された端部から前記一対のアームのうち前記複列のアンギュラ玉軸受側に配置されたアームの前記ブレードに対する取り付け位置の中心位置までの第三最短距離は、前記ブレードの全長の16〜27%に設定されると共に、前記第一最短距離及び前記第二最短距離の合計は、前記ブレードの全長の50%以下である。
An embodiment of the vertical shaft type fluid power generation device according to the present invention includes a rotating shaft connected via a pair of arms to which a plurality of blades are respectively attached in the axial direction, and the rotating shaft via a plurality of bearings. And a support that is rotatably supported, wherein the bearing includes a double row angular ball bearing, and when the pair of arms are horizontal arms , the first shortest distance from the center of the angular contact ball bearing of the double row to the center position of the arm arranged in angular contact ball bearing side of the double row of the pair of arms in the axial direction, 3 of the total length of the blade is set to ~ 17%, the second shortest distance from the angular ball bearing arranged on the side end of the double row of the blades in the axial direction to the center position of the angular contact ball bearing of the double row, before It is set to 10 to 24% of the total length of the blade, and is disposed on the double-row angular ball bearing side of the pair of arms from an end portion of the blade disposed on the double-row angular ball bearing side in the axial direction. The third shortest distance to the center position of the attachment position of the arm to the blade is set to 16 to 27% of the total length of the blade .
Further, an embodiment of the vertical shaft type fluid power generation device according to the present invention includes a rotating shaft connected via a pair of arms to which a plurality of blades are respectively attached in the axial direction and a plurality of bearings. And a support that is rotatably supported via the bearing, wherein the bearing includes a double-row angular ball bearing, and when the pair of arms are inclined arms, the rotation The first shortest distance from the center position of the double-row angular ball bearing in the axial direction of the shaft to the center position of the arm arranged on the double-row angular ball bearing side of the pair of arms is the total length of the blade The second shortest distance from the end of the blade in the axial direction arranged on the double row angular ball bearing side to the center position of the double row angular ball bearing is It is set to 35 to 47% of the total length of the blade, and the end in the axial direction of the blade disposed on the double row angular ball bearing side is moved to the double row angular ball bearing side of the pair of arms. The third shortest distance to the center position of the mounting position of the arranged arm with respect to the blade is set to 16 to 27% of the total length of the blade, and the total of the first shortest distance and the second shortest distance is , 50% or less of the total length of the blade.
本発明の垂直軸型流体発電装置は、軸受の耐荷重性や耐久性を確保しつつ、ローター部の回転効率の低下を回避できる。また、装置の軽量化・低コスト化を図ることができる。 The vertical shaft type hydroelectric generator of the present invention can avoid a decrease in the rotational efficiency of the rotor portion while ensuring the load resistance and durability of the bearing. In addition, the weight and cost of the apparatus can be reduced.
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
なお、各図面においては、各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
In addition, in each drawing, in order to make each component easy to see, the scale of dimensions may be different depending on the component.
図1は、本発明の実施形態に係る垂直軸型風力発電装置1(水平アーム形)を示す外観図である。
図2は、垂直軸型風力発電装置1(水平アーム形)を示す側断面図である。
図3は、垂直軸型風力発電装置2(傾斜アーム形)を示す側断面図である。
垂直軸型風力発電装置1,2の立設方向(回転軸20の中心軸Cに沿う方向)をZ方向と呼ぶ。また、Z方向のうち、ローター部10側を+Z側、タワー60側を−Z側と呼ぶ。
FIG. 1 is an external view showing a vertical axis wind power generator 1 (horizontal arm type) according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a side sectional view showing the vertical axis wind power generator 1 (horizontal arm type).
FIG. 3 is a side sectional view showing the vertical axis wind power generator 2 (inclined arm type).
The standing direction of the vertical axis
図1、図2に示すように、水平アーム形の垂直軸型風力発電装置(垂直軸型流体発電装置)1は、風Wを受けて回転する風車5、風車5で得た機械エネルギーを電気エネルギーに変換する発電部7等を備える。
As shown in FIG. 1 and FIG. 2, a horizontal arm type vertical axis wind power generator (vertical axis fluid power generator) 1 is configured to receive wind W to rotate and to receive mechanical energy obtained by the
風車5は、風Wを受けるローター部10と、ローター部10に連結された回転軸20、軸受30を介して回転軸20を中心軸C回りに回転可能に支持するケーシング40等を備える。
風車5のうち、回転軸20、軸受30及びケーシング40から構成される装置は、シャフトユニット(回転軸装置)6と呼ばれる。
The
Among the
発電部7は、回転軸20が周方向(中心軸C回り)に回転することで得られる機械エネルギーを電気エネルギーに変換して電力を発電させる発電機50などを備える。
これら風車5及び発電部7は、地面Fに立設されて鉛直方向に延びるタワー(支柱)6の上部に配設される。
The
The
ローター部10は、例えばジャイロミル型ローターが用いられる。ローター部10は、矩形板状又は帯板状に形成された複数枚のブレード11を備える。
複数のブレード11は、地面Fと鉛直方向に延びるように配置される。複数のブレード11は、回転軸20の中心軸C回りに、周方向均等に間隔をあけて、配設される。複数のブレード11は、これらを支持する複数のアーム12を介して回転軸20に連結される。アーム12は、ブレード11及び回転軸20に対して、それぞれほぼ垂直に接続される。
ブレード11は、風Wを受けると揚力を発生する形状に形成される。この揚力によって、ローター部10が回転軸20の中心軸C回りに回転する。
For the
The plurality of
The
ローター部10は、風向きに対して依存性がない。すなわち、どの方向からの風Wに対しても、ローター部10を回転軸20の中心軸C回りに回転可能な形状に設定される。
風車5は、ローター部10(回転軸20)の回転を停止させるブレーキ部(不図示)も備える。
The
The
図2に示すように、ローター部10が連結される回転軸20は、中心軸Cが地面Fに対して垂直となるように、鉛直方向に延びて配設される。回転軸20は、軸受30を介してケーシング40に対して回転可能に軸支される。
As shown in FIG. 2, the
回転軸(軸体)20の外周面には、矩形板状又は帯板状をなすアーム12の一端が接続される。アーム12は、回転軸20の外周面から、径方向外方へ向けて複数突設される。
アーム12は、回転軸20の周方向均等に間隔をあけて配設される。
アーム12の他端には、ブレード11が連結される。1つのブレード11に対して、一対のアーム12がZ方向において離間して平行に設けられる。
One end of an
The
The
回転軸20の中央部近傍と下端部近傍には、軸受30が配置される。回転軸20は、軸受30を介してケーシング40に対して回転可能に支持される。
軸受30は、Z方向において互いに離間する、ラジアル軸受31とアンギュラ玉軸受35,36とを備える。
ラジアル軸受31は、−Z方向の端部に配設される。具体的には、ラジアル軸受31の内輪32が、回転軸20の下端側に固設される。
A
The
The
アンギュラ玉軸受(軸受)35,36は、+Z方向の端部に配設される。具体的には、アンギュラ玉軸受35,36のそれぞれのボール転走溝21が回転軸20の中央部に並んで形成される。
アンギュラ玉軸受35,36は、外輪37,38のみを有し、内輪は回転軸20に形成されている。つまり、回転軸20には、アンギュラ玉軸受35,36が設けられる箇所の外周面に、複数のボール(転動体)39が転走する2つのボール転走溝21が形成される。
2つのボール転走溝21は、それぞれ、回転軸20の外周面において周方向に沿って延びる環状をなしており、中心軸Cに向かって窪む凹曲線形に形成される。
Angular ball bearings (bearings) 35 and 36 are disposed at the ends in the + Z direction. Specifically, the
The
Each of the two
ケーシング(支持体)40は、+Z側の上側部分41が−Z側の下側部分42よりも縮径された多段筒形に形成される。ケーシング40は、下側部分42がタワー60の上端部に連結される。
ケーシング40の上側部分41の内周面には、上端側に、アンギュラ玉軸受35,36の外輪37,38が固設される。ケーシング40の上側部分41の内周面には、下端側に、ラジアル軸受31の外輪33が固設される。アンギュラ玉軸受35,36は、いわゆる背面組み合わせ(DB)である。
アンギュラ玉軸受35,36は、同一直径の複数のボール39を有する。なお、アンギュラ玉軸受35,36のボール39は、ラジアル軸受31のボール34とは、例えば異なる直径を有することができるが、これに限定されず、同一直径であってもよい。
The casing (support) 40 is formed in a multistage cylindrical shape in which the + Z side
Outer rings 37 and 38 of
The
ケーシング40の下側部分42の内部には、発電機50や制御部(不図示)等が収容される。また、上述したブレーキ部(不図示)が収容される。
Inside the
発電機50は、ローター部10(回転軸20)の回転によって得られる回転力(機械エネルギー)を電気エネルギーに変換して電力を発電する。
発電機50は、回転軸20の下端に連結されて回転軸20とともに回転するマグネットロータ51と、マグネットロータ51の外周側を取り囲むように配設されたコイルステータ52と、を備える。
The
The
このような構成により、ローター部10が風Wを受けて回転軸20を中心軸C回りに回転させると、回転軸20に連結されたマグネットロータ51も中心軸C回りに回転する。つまり、マグネットロータ51がローター部10及び回転軸20と同軸(中心軸C)上で回転する。
そして、マグネットロータ51がコイルステータ52に対して中心軸C回りに回転することにより、マグネットロータ51とコイルステータ52との間で電磁誘導が発生して、電力が発電される。
With such a configuration, when the
Then, when the
図3は、垂直軸型風力発電装置2(傾斜アーム形)を示す側断面図である。
傾斜アーム形の垂直軸型風力発電装置(垂直軸型流体発電装置)2は、垂直軸型風力発電装置1とほぼ同一の構成を有する。垂直軸型風力発電装置は、ブレード11と回転軸20を連結するアーム15の形状が、垂直軸型風力発電装置1のアーム12とは異なっている。
FIG. 3 is a side sectional view showing the vertical axis wind power generator 2 (inclined arm type).
An inclined arm type vertical axis wind power generator (vertical axis fluid power generator) 2 has substantially the same configuration as the vertical axis
アーム15は、ブレード11及び回転軸20に対して、それぞれ傾斜して接続される。ブレード11に対するアーム15の取付位置は、ブレード11に対するアーム12の取付位置と同一である。一方、回転軸20に対するアーム15の取付位置は、回転軸20に対するアーム12の取付位置とは異なっている。回転軸20に対するアーム15の取付位置は一か所であり、ローター部10のZ方向のほぼ中心である。
The
垂直軸型風力発電装置2のその他の構成については、垂直軸型風力発電装置1と同一であるため、その説明を省略する。
About the other structure of the vertical axis | shaft
次に、アンギュラ玉軸受35,36、ブレード11、アーム12,15の位置関係等について説明する。
以下では、垂直軸型風力発電装置1,2の総合効率が20%以上になるように設計する。総合効率とは、風力エネルギーを電気エネルギーに変換する効率であって、ブレード11(アーム12)の翼効率、シャフトユニット6の機械効率、発電部7(発電機50)の発電効率・制御効率を掛け合わせた値となる。
Next, the positional relationship between the
Below, it designs so that the total efficiency of the vertical axis type
垂直軸型風力発電装置1,2の総合効率を20%以上にするための前提として、ローター部10(回転軸20)に作用するラジアル方向やスラスト方向の外力がアンギュラ玉軸受35,36により確実に支持される必要がある。つまり、アンギュラ玉軸受35,36が十分な耐荷重性と耐久性を備えることが要求される。
As a precondition for the overall efficiency of the vertical axis
また、垂直軸型風力発電装置1,2の総合効率を20%以上にするために、ローター部10の受風面積(ブレード11の全長L×ローター部10の直径D)に占めるケーシング40の側面投影面積の割合を小さくすることが要求される。ケーシング40の側面投影面積を小さくするためには、ケーシング40の外径Eを小さくする、つまりアンギュラ玉軸受35,36の外径を小さくすることが必要となる。
Further, in order to increase the overall efficiency of the vertical axis
ケーシング40の側面投影面積とは、ケーシング40の外径Eと、ケーシング40を側面方向(Z方向に直交する方向)から見たときにローター部10と重なる領域のZ方向長さと、を乗算した面積である。
ケーシング40の外径Eは、上側部分41の外径を意味するが、上側部分41と下側部分42の接続部分に設けられる補強リブ43を含んだ外径の場合もある。ブレード11の下端11bは、上側部分41と下側部分42の接続部分とほぼ同一高さ(Z方向の位置)に位置する場合があるからである。つまり、ケーシング40を側面方向(Z方向に直交する方向)から見たときにローター部10と重なる領域の最大外径が外径Eとなる。
The projected area of the side surface of the
The outer diameter E of the
アンギュラ玉軸受35,36の外径を小さくしつつ、アンギュラ玉軸受35,36が十分な耐荷重性と耐久性を維持するためには、アンギュラ玉軸受35,36に作用する外力が小さくなればよい。つまり、アンギュラ玉軸受35,36を可能な限りローター部10(アーム12)に近接させることが重要となる。
このように、アンギュラ玉軸受35,36をローター部10に近接させることにより、アンギュラ玉軸受35,36の外径を小さく設定することが可能になる。
In order for the
Thus, by making the
図4は、アンギュラ玉軸受35,36の周辺の詳細構成図である。
Z方向において、アンギュラ玉軸受35,36とローター部10のアーム12,15との最短距離H1(第一最短距離)は、機構上の制約から、最低でもブレード11の全長Lを基準にして3%(0.03L)以上の距離が必要となる(図7の直線T1参照)。ブレード11を回転軸20に固定するためのアーム固定部材25や、アンギュラ玉軸受35,36の位置を規定するベアリング押え45等の部材が必要となるからである。
FIG. 4 is a detailed configuration diagram around the
In the Z direction, the shortest distance H1 (first shortest distance) between the
また、最短距離H1は、理論上、ブレード11の全長Lを基準にして50%(0.5L)以下となる(図7の直線T2参照)。
なお、アンギュラ玉軸受35,36の配置位置とは、アンギュラ玉軸受35,36の中心位置を意味する。
Further, the shortest distance H1 is theoretically 50% (0.5 L) or less based on the total length L of the blade 11 (see the straight line T2 in FIG. 7).
In addition, the arrangement | positioning position of the
図5は、ケーシング40の外径とブレード11の下端11bからアンギュラ玉軸受35,36まで最短距離H2との関係を示す図である。縦軸は、ローター部10の外径Dに対するケーシング40の外径Eの比率を示す。横軸は、ブレード11の全長Lに対する、ブレード11の下端11bからアンギュラ玉軸受35,36までの最短距離H2の比率を示す。
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the outer diameter of the
Z方向において、アンギュラ玉軸受35,36の位置がローター部10(ブレード11)の中心に近接する程、アンギュラ玉軸受35,36に作用する外力が小さくなる。言い換えれば、Z方向において、ブレード11の下端(端部)11bからアンギュラ玉軸受35,36までの最短距離H2(第二最短距離)が短い程、アンギュラ玉軸受35,36の外径を大きくする必要がある。このため、ローター部10の受風面積に占めるケーシング40の側面投影面積の割合が大きくなって、垂直軸型風力発電装置1,2の総合効率を低下させる。
In the Z direction, the external force acting on the
図5に示すように、垂直軸型風力発電装置1,2では、最短距離H2がブレード11の全長Lを基準にして5%(0.05L)未満となると、ケーシング40の外径Eがローター部10の直径Dを基準にして20%(0.2D)を超える。このため、垂直軸型風力発電装置1,2の総合効率を大幅に低下させる。
そこで、垂直軸型風力発電装置1,2の総合効率を低下させないために、ケーシング40の外径Eがローター部10の直径Dを基準にして20%(0.2D)以下になるように設定する。したがって、最短距離H2は、ブレード11の全長Lを基準にして5%(0.05L)以上となる(図7の直線T3参照)。
As shown in FIG. 5, in the vertical axis
Therefore, in order not to reduce the overall efficiency of the vertical axis
図6は、垂直軸型風力発電装置1,2の総合効率とアンギュラ玉軸受35,36の配置位置との関係を示す図である。縦軸は、垂直軸型風力発電装置1,2の総合効率を示す。横軸は、ブレード11の全長Lに対する、ブレード11の下端11bからアンギュラ玉軸受35,36までの最短距離H2の比率を示す。
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the overall efficiency of the vertical axis
垂直軸型風力発電装置1,2の総合効率は、アンギュラ玉軸受35,36の位置によって定まる回転軸20の直径・重量、アンギュラ玉軸受35,36のサイズ(外径)、シャフトユニット6の機械効率、ブレード11の翼効率等に基づいて算出した。
ローター部10の直径が3m、ブレード11の全長が3mとして計算した。
アーム12の断面形状は、ブレード11と同様に、翼形状に設定した。翼形状には、例えばNACA0012翼型が用いられる。
アーム15の断面形状は、断面形状が矩形又は丸形に設定した。
The overall efficiency of the vertical axis type
The calculation was made assuming that the diameter of the
The cross-sectional shape of the
The cross-sectional shape of the
水平アーム形の垂直軸型風力発電装置1の総合効率が20%以上となるためには、ブレード11の下端11bからアンギュラ玉軸受35,36までの最短距離H2(第二最短距離)がブレード11の全長Lを基準にして10%(0.1L)以上になるように設定することが必要である(図7の直線T4参照)。
In order for the overall efficiency of the horizontal arm type vertical axis
最短距離H2を大きくすると垂直軸型風力発電装置1の総合効率も上昇するが、機構上の制約(後述する最短距離H3の上限値に起因する制約)から、最短距離H2はブレード11の全長Lを基準にして24%(0.24L)を超過できない(図7の直線T5参照)。
Increasing the shortest distance H2 also increases the overall efficiency of the vertical axis
傾斜アーム形の垂直軸型風力発電装置2の総合効率が20%以上となるためには、ブレード11の下端11bからアンギュラ玉軸受35,36までの最短距離H2(第二最短距離)がブレード11の全長Lを基準にして35%(0.35L)以上になるように設定することが必要である。(図7の直線S4参照)。
最短距離H2を大きくすると垂直軸型風力発電装置2の総合効率も上昇するが、機構上の制約(最短距離H1の下限値に起因する制約)から、最短距離H2はブレード11の全長Lを基準にして47%(0.47L)を超過できない(図7の直線S5参照)。
In order for the overall efficiency of the inclined arm type vertical axis
Increasing the shortest distance H2 increases the overall efficiency of the vertical axis
1枚のブレード11は、2つのアーム12,15により二点支持される。ブレード11には均等に荷重が付加される(均等分布荷重)。
ブレード11に加わる曲げモーメントをできるだけ小さくして軽量化・低コスト化を図る必要があるので、必然的にブレード11に対する2つのアーム12,15の取り付け位置が定まる。具体的には、ブレード11の下端11bからアーム12,15の取り付け位置までの最短距離H3は、ブレード11の全長Lを基準にして16〜27%(0.16〜0.27L)の範囲内に設けられる必要がある。
One
Since it is necessary to make the bending moment applied to the
そして、垂直軸型風力発電装置1では、アーム12がブレード11及び回転軸20に対して垂直配置されるので、ブレード11の下端11bからアーム12の取り付け位置までの最短距離H3の範囲が定まると、必然的にブレード11の下端11bからアンギュラ玉軸受35,36までの最短距離H2の範囲も定まる(図7の直線T6、T7参照)。
In the vertical axis
一方、垂直軸型風力発電装置2では、最短距離H3の範囲が定まったとしても、ブレード11及び回転軸20に対するアーム15の傾斜角度を変更すればよいので、最短距離H2の範囲には影響がない。
On the other hand, in the vertical axis type
図7は、アンギュラ玉軸受35,36の配置位置の検討結果を示すグラフである。
縦軸は、ブレード11の全長Lに対する、アーム12,15からアンギュラ玉軸受35,36までの最短距離H1の比率を示す。横軸は、ブレード11の全長Lに対する、ブレード11の下端11bからアンギュラ玉軸受35,36までの最短距離H2の比率を示す。
FIG. 7 is a graph showing the examination results of the arrangement positions of the
The vertical axis represents the ratio of the shortest distance H1 from the
水平アーム形の垂直軸型風力発電装置1では、上述した検討結果をグラフ上に示すと、7本の直線T1〜T7が描かれる。
直線T1は、最短距離H1の最小値であって、3%L(0.03L)である。
直線T2は、最短距離H1の理論上の上限値を示す。
直線T3は、ケーシング40の外径Eを20%D(0.2D)以下にするための、最短距離H2の最小値であって、5%L(0.05L)である。
直線T4は、総合効率を20%以上にするための、最短距離H2の最小値であって、10%L(0.1L)である。
直線T5は、総合効率を20%以上にするための、最短距離H2の最大値であって、24%L(0.24L)である。
直線T6は、ブレード11の下端11bからアーム12の取り付け位置までの最短距離H3の下限値を示す。
直線T7:ブレード11の下端11bからアーム12の取り付け位置までの最短距離H3の上限値を示す。
In the horizontal arm type vertical axis
The straight line T1 is the minimum value of the shortest distance H1, and is 3% L (0.03L).
A straight line T2 indicates a theoretical upper limit value of the shortest distance H1.
The straight line T3 is the minimum value of the shortest distance H2 for reducing the outer diameter E of the
The straight line T4 is the minimum value of the shortest distance H2 for setting the total efficiency to 20% or more, and is 10% L (0.1 L).
The straight line T5 is the maximum value of the shortest distance H2 for making the
A straight line T6 indicates a lower limit value of the shortest distance H3 from the
Straight line T7: An upper limit value of the shortest distance H3 from the
垂直軸型風力発電装置1では、直線T1〜T7に囲まれた領域A1が、アンギュラ玉軸受35,36の最適な配置位置となる。より正確には、直線T1,T4,T6,T7に囲まれた領域A1にアンギュラ玉軸受35,36の中心位置が存在することが、アンギュラ玉軸受35,36の最適な配置位置となる。
より好ましくは、直線T1,T4,T6,T7に囲まれた領域A1の中心付近にアンギュラ玉軸受35,36を配置する。
In the vertical axis type
More preferably, the
このように、垂直軸型風力発電装置1では、最短距離H1が3%L〜17%L、最短距離H2が10%L〜24%L、ケーシング40の外径Eが20%D(0.2D)以下となるように設計することが好ましい。
より好ましくは、垂直軸型風力発電装置1では、最短距離H1が5%L〜10%L、最短距離H2が13%L〜18%L、ケーシング40の外径Eが20%D(0.2D)以下となるように設計することが好ましい。
Thus, in the vertical axis type
More preferably, in the vertical axis
一方、傾斜アーム形の垂直軸型風力発電装置2では、上述した検討結果をグラフ上に示すと、5本の直線T1〜T3,S4,S5が描かれる。
直線T1〜直線T3は、上述の通りである。
直線S4は、総合効率を20%以上にするための、最短距離H2の最小値であって、35%L(0.35L)である。
直線S5は、総合効率を20%以上にするための、最短距離H2の最大値であって、47%L(0.47L)である。
On the other hand, in the inclined arm type vertical axis
The straight lines T1 to T3 are as described above.
The straight line S4 is the minimum value of the shortest distance H2 for setting the total efficiency to 20% or more, and is 35% L (0.35 L).
The straight line S5 is the maximum value of the shortest distance H2 for setting the total efficiency to 20% or more, and is 47% L (0.47 L).
垂直軸型風力発電装置2では、直線T1〜T3,S4,S5に囲まれた領域A2が、アンギュラ玉軸受35,36の最適な配置位置となる。より正確には、直線T1,T2,S4に囲まれた領域A2にアンギュラ玉軸受35,36の中心位置が存在することが、アンギュラ玉軸受35,36の最適な配置位置となる。
より好ましくは、直線T1,T2,S4に囲まれた領域A2の中心付近にアンギュラ玉軸受35,36を配置する。
In the vertical axis type
More preferably, the
このように、垂直軸型風力発電装置2では、最短距離H1が3%L〜15%L、最短距離H2が35%L〜47%L、ケーシング40の外径Eが20%D(0.2D)以下となるように設計することが好ましい。
より好ましくは、垂直軸型風力発電装置2では、最短距離H1が5%L〜10%L、最短距離H2が40%L〜45%L、ケーシング40の外径Eが20%D(0.2D)以下となるように設計することが好ましい。
Thus, in the vertical axis type
More preferably, in the vertical axis
垂直軸型風力発電装置1,2では、回転軸20を支持するアンギュラ玉軸受35,36の配置位置を最適化した。これにより、垂直軸型風力発電装置1,2は、アンギュラ玉軸受35,36の耐荷重性や耐久性を十分に確保しつつ、ローター部10の回転効率の低下を回避できる。すなわち、ケーシング40の外径Eを小さくすることができる。また、垂直軸型風力発電装置1,2の軽量化・低コスト化を図ることができる。
In the vertical axis
上述した実施の形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。 Various shapes, combinations, and the like of the constituent members shown in the above-described embodiments are merely examples, and various modifications can be made based on design requirements and the like without departing from the gist of the present invention.
例えば、前述した実施形態では、垂直軸型流体発電装置として、作動流体に風Wを用いてローター部10とを回転させる垂直軸型風力発電装置1,2について説明したが、これに限定されない。
作動流体に水を用いて水車(羽根車)を回転させる垂直軸型水力発電装置であってもよい。すなわち、ローター部10を用水路の水中に沈めて、発電部7等を水上に設ける水力発電装置として利用しても、同様の効果が得られる。
For example, in the above-described embodiment, the vertical axis
It may be a vertical axis hydroelectric generator that rotates water turbine (impeller) using water as a working fluid. That is, the same effect can be obtained even when the
アンギュラ玉軸受35,36同士は、背面合わせ以外の正面合わせや並列合わせであってもよい。
Angular
ラジアル軸受31,アンギュラ玉軸受35,36の転動体にボール34,39を用いることとしたが、これに限定されるものではなく、例えば、転動体としてローラ等を用いてもよい。
The
ローター部10としては、ジャイロミル型に限定されない。すなわち、それ以外のダリウス型、直線翼型、サボニウス型、パドル型、クロスフロー型、S型ローター型等であってもよい。
The
1,2…垂直軸型風力発電装置(垂直軸型流体発電装置)、 10…ローター部、 11…ブレード、 11b…下端(端部)、 12,15…アーム、 20…回転軸、 35,36…アンギュラ玉軸受(軸受)、 40…ケーシング(支持体)、 L…全長、 D…直径、 E…外径、 H1…最短距離(第一最短距離)、 H2…最短距離(第二最短距離)
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記回転軸を複数の軸受を介して回転可能に支持する支持体と、
を備える垂直軸型流体発電装置であって、
前記軸受は、複列のアンギュラ玉軸受を含み、
前記一対のアームが水平アームの場合は、
前記回転軸の軸方向における前記複列のアンギュラ玉軸受の中心位置から前記一対のアームのうち前記複列のアンギュラ玉軸受側に配置されたアームの中心位置までの第一最短距離は、前記ブレードの全長の3〜17%に設定され、
前記軸方向における前記ブレードの前記複列のアンギュラ玉軸受側に配置された端部から前記複列のアンギュラ玉軸受の中心位置までの第二最短距離は、前記ブレードの全長の10〜24%に設定され、
前記軸方向における前記ブレードの前記複列のアンギュラ玉軸受側に配置された端部から前記一対のアームのうち前記複列のアンギュラ玉軸受側に配置されたアームの前記ブレードに対する取り付け位置の中心位置までの第三最短距離は、前記ブレードの全長の16〜27%に設定されることを特徴とする垂直軸型流体発電装置。 A rotating shaft connected via a pair of arms to which a plurality of blades are attached to each other in the axial direction ; and
A support that rotatably supports the rotating shaft via a plurality of bearings;
A vertical axis hydroelectric generator comprising:
The bearing includes a double row angular ball bearing,
When the pair of arms are horizontal arms,
Said first shortest distance to the center position of the arm arranged in angular contact ball bearing side of the double row of from the center of the angular contact ball bearing of the double row in the axial direction of the rotating shaft the pair of arms, said blade been set to 3-17% of the total length,
The second shortest distance from the end of the blade on the double row angular contact ball bearing side in the axial direction to the center position of the double row angular contact ball bearing is 10 to 24% of the total length of the blade. Set,
A center position of an attachment position of the arm disposed on the double-row angular ball bearing side of the pair of arms from an end portion of the blade disposed on the double-row angular ball bearing side in the axial direction with respect to the blade. The vertical axis type hydroelectric generator is characterized in that the third shortest distance is set to 16 to 27% of the total length of the blade .
前記回転軸を複数の軸受を介して回転可能に支持する支持体と、A support that rotatably supports the rotating shaft via a plurality of bearings;
を備える垂直軸型流体発電装置であって、A vertical axis hydroelectric generator comprising:
前記軸受は、複列のアンギュラ玉軸受を含み、The bearing includes a double row angular ball bearing,
前記一対のアームが傾斜アームの場合は、When the pair of arms are inclined arms,
前記回転軸の軸方向における前記複列のアンギュラ玉軸受の中心位置から前記一対のアームのうち前記複列のアンギュラ玉軸受側に配置されたアームの中心位置までの第一最短距離は、前記ブレードの全長の3〜15%に設定され、The first shortest distance from the center position of the double row angular ball bearing in the axial direction of the rotating shaft to the center position of the arm arranged on the double row angular ball bearing side of the pair of arms is the blade 3-15% of the total length of
前記軸方向における前記ブレードの前記複列のアンギュラ玉軸受側に配置された端部から前記複列のアンギュラ玉軸受の中心位置までの第二最短距離は、前記ブレードの全長の35〜47%に設定され、A second shortest distance from an end portion of the blade disposed on the double row angular ball bearing side in the axial direction to a center position of the double row angular ball bearing is 35 to 47% of the total length of the blade. Set,
前記軸方向における前記ブレードの前記複列のアンギュラ玉軸受側に配置された端部から前記一対のアームのうち前記複列のアンギュラ玉軸受側に配置されたアームの前記ブレードに対する取り付け位置の中心位置までの第三最短距離は、前記ブレードの全長の16〜27%に設定されると共に、A center position of an attachment position of the arm disposed on the double-row angular ball bearing side of the pair of arms from an end portion of the blade disposed on the double-row angular ball bearing side in the axial direction with respect to the blade. The third shortest distance is set to 16 to 27% of the total length of the blade,
前記第一最短距離及び前記第二最短距離の合計は、前記ブレードの全長の50%以下であることを特徴とする垂直軸型流体発電装置。The vertical axis type fluid power generation device according to claim 1, wherein a total of the first shortest distance and the second shortest distance is 50% or less of a total length of the blade.
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