JP7140331B2 - 揚力型垂直軸風車 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電機に用いられる揚力型垂直軸風車に関する。さらに詳しくは、突風などに伴う強風が吹いた場合でも過回転により翼の破損や発電機の故障を生じないように構成された揚力型垂直軸風車に関する。

小型風車は系統電源のない場所における電源や災害時に系統電源が途絶えた場合の非常用電源として役立ち、設置場所の制限が少ないことから、分散型電源として有用である。しかし、強風時には容易に高速回転に至ることから安全面の配慮が重要である。

このような強風時の安全対策として、たとえば特許文献１には、風車の翼部の過回転を防止する機構を有する風車が開示されている。この特許文献１の風車は、ブレード軸（以下、アームという）がブレードの回転に伴う遠心力により半径方向に移動し得ると共に、半径方向を軸として自転することによりブレードの実効的ピッチ角および受風面積を変えるように構成されている。これにより、強風時には、ブレードに加わる遠心力により、ブレードが半径方向外側に移動して受風面積を減らして、ブレードの回転数を減らすことができる。

特開２０１６－１７４６３号公報

しかし、特許文献１の風車は、アームが半径方向外側への平行移動とアームの回転軸周りの回転運動を同時に行う機構であり、非直線状のガイド溝を必要とするため摩擦の影響を受け易い。また構造が複雑であるとともに、アームの軸方向のストロークを確保するスペースがロータ中心部および半径方向外側に必要となり、過回転抑制機構が大きくなってしまう。

そこで、本発明はかかる問題点に鑑みて、揚力型の垂直軸風車において、アームの軸方向の移動を伴わずに、風車の翼部の過回転を抑制し、摩擦の影響を減らすとともに、過回転抑制機構の大型化を抑制することができる、揚力型垂直軸風車の提供を目的とする。

本発明の揚力型垂直軸風車は、回転用ハブと、垂直軸周りに回転する複数の風車翼部を備えた揚力型垂直軸風車であって、前記複数の風車翼部のそれぞれは、前記回転用ハブに支持され、前記垂直軸に対して垂直な水平方向に延びるアームと、前記アームの一端に設けられたブレードとを有し、前記アームは、前記回転用ハブに前記水平方向に延びる回転軸周りに回転可能に支持され、前記ブレードの受風面積を減少させるように前記アームの前記回転軸周りにツイストするように設けられ、記アームおよび前記ブレードは、前記アームが前記回転軸周りにツイストする際に、前記アームの前記回転軸の軸方向へ移動せず、前記揚力型垂直軸風車がさらに、前記複数の風車翼部のそれぞれの前記アームおよび前記ブレードのツイスト角が互いに等しくなるように、前記アームの前記回転軸周りの回転を互いに同調させる同調機構と、前記アームがツイストした際に、前記アームを前記ブレードの受風面積が大きくなる方向に向かって付勢する付勢部材とを備えている。

また、前記アームは、前記ブレードの前記垂直軸周りの回転時に前記ブレードおよび／またはアームに加わる空気力によって、前記回転軸周りにツイストするように構成されていることが好ましい。

また、前記ブレードの断面は、前縁が湾曲し後縁が尖った流線形であり、前記ブレードを前記アームの軸方向に見たときに、前記アームの前記回転軸が、前記アームの前記回転軸に対して等距離に位置する２つの空力中心点を結んだ線に対して、前記ブレードの後縁側に位置するように、前記アームが設けられていることが好ましい。

また、前記アームは、前記ブレードがツイストしていない状態（ツイスト角０°）において前記垂直軸に平行な方向に扁平に形成されていることが好ましい。

また、無風状態のときに対応する前記ブレードの初期位置が、前記２つの空力中心点を結んだ線が鉛直線に対して所定の初期ツイスト角で傾斜した状態となるように設定され、前記ブレードの初期位置において、前記ブレードは、前記付勢部材から所定の付勢力で予圧が加えられた状態で保持されていることが好ましい。

また、前記ブレードが前記付勢部材によって付勢された状態で、前記所定の初期ツイスト角で傾斜した状態で保持されるように、前記ブレードの初期位置を画定する位置決め部材を有していることが好ましい。

また、前記ブレードが、前記初期位置から前記ブレードの受風面積が減少した第２の位置までツイストした際に、前記ブレードのさらなるツイストを規制し、前記ブレードの最大ツイスト角を画定する第２の位置決め部材を有していることが好ましい。

また、前記同調機構は、前記複数の風車翼部の前記アームの他端にそれぞれ設けられた複数のアーム側歯車と、前記回転用ハブに設けられ、前記複数のアーム側歯車に噛み合う１つのハブ側歯車とを有していることが好ましい。

また、前記付勢部材が前記同調機構の前記ハブ側歯車を付勢することにより、前記アームを間接的に付勢していることが好ましい。

また、前記回転用ハブが、前記回転用ハブが回転し所定の遠心力が加わったときに前記回転用ハブに対して移動可能な錘部材を有し、前記錘部材は、前記同調機構に連結部材を介して連結され、前記付勢部材は、前記錘部材の遠心力による移動を抑制する方向に前記錘部材を直接または間接的に付勢するように構成され、前記空気力によるツイストモーメントおよび前記遠心力による前記錘部材に加わる力が、前記付勢部材の付勢力に打ち勝って前記錘部材が移動したときに、前記錘部材の移動に連動する前記連結部材の動作によって前記同調機構が動作されて、前記ブレードが前記ブレードの受風面積を減少させる方向にツイストするように構成されていることが好ましい。

また、前記同調機構は、前記複数の風車翼部の前記アームの他端にそれぞれ設けられた複数のアーム側歯車と、前記回転用ハブに設けられ、前記複数のアーム側歯車に噛み合う１つのハブ側歯車とを有し、前記連結部材が前記回転用ハブに対して前記垂直軸に平行な軸周りに揺動可能に取り付けられ、前記連結部材が、前記連結部材の揺動軸から前記錘部材に向かって延びる第１延出部と、前記連結部材の前記揺動軸から前記ハブ側歯車に向かって延び、前記ハブ側歯車に取り付けられる第２延出部とを備え、前記第２延出部は、前記ハブ側歯車に取り付けられる端部に長孔を有し、前記ハブ側歯車は、前記長孔に挿入される軸部材を有し、前記錘部材が遠心力により移動し、前記第２延出部の端部が前記連結部材の揺動軸を中心に揺動したときに、前記軸部材が前記第２延出部の長孔の縁部から力を受けることによって前記ハブ側歯車が回転することが好ましい。

また、前記同調機構は、前記複数の風車翼部の前記アームの他端にそれぞれ設けられた複数のアーム側歯車と、前記回転用ハブに設けられ、前記複数のアーム側歯車に噛み合う１つのハブ側歯車とを有し、前記連結部材が前記回転用ハブに対して前記垂直軸に平行な軸周りに揺動可能に取り付けられ、前記連結部材が、前記連結部材の揺動軸から前記錘部材に向かって延びる延出部と、前記連結部材の揺動軸と同軸上に設けられた連結部材側歯車とを備え、前記同調機構が、前記連結部材側歯車と噛み合い、前記ハブ側歯車と同軸上に設けられた同調機構側歯車を備え、前記ハブ側歯車は、前記同調機構側歯車の回転に応じて回転するように構成され、前記錘部材が遠心力により移動し、前記連結部材が前記揺動軸を中心に揺動したときに、前記同調機構側歯車の回転によって、前記ハブ側歯車が回転することが好ましい。

また、前記ブレードの前記垂直軸周りの回転により前記ブレードに所定の遠心力が加わったときに前記ブレードの半径方向外側に最大変形が生じる前記ブレードの変形箇所と、前記同調機構との間に延びる補強部材をさらに有し、前記補強部材の一端は前記ブレードの前記変形箇所に接続され、前記補強部材の他端は前記同調機構に連結部材を介して接続され、前記付勢部材は、前記連結部材を介して、前記補強部材が前記ブレードの前記変形箇所に対して半径方向内側に向かう張力を加えるように、前記同調機構を付勢し、前記ブレードに所定の遠心力が加わり、前記補強部材および前記変形箇所が前記付勢部材の付勢力に抗して半径方向外側に変位したときに、前記補強部材の変位によって前記連結部材を介して前記同調機構が操作されて、前記ブレードが前記ブレードの受風面積を減少させる方向にツイストするように構成されていることが好ましい。

また、前記同調機構は、前記複数の風車翼部の前記アームの他端にそれぞれ設けられた複数のアーム側歯車と、前記回転用ハブに設けられ、前記複数のアーム側歯車に噛み合う１つのハブ側歯車とを有し、前記連結部材の一端は、前記ハブ側歯車に、前記垂直軸と平行な軸周りに揺動可能に取り付けられ、前記連結部材の他端は、前記補強部材の他端に揺動可能に取り付けられ、前記ブレードに所定の遠心力が加わって、前記補強部材および前記変形箇所が半径方向外側に変位したときに、前記連結部材の移動により前記ハブ側歯車が回転し、前記ハブ側歯車の回転によって前記アーム側歯車が回転し、前記ブレードが前記ブレードの受風面積を減少させる方向にツイストすることが好ましい。

本発明によれば、揚力型の垂直軸風車において、アームの軸方向の移動を伴わずに、風車の翼部の過回転を抑制し、摩擦の影響を減らすとともに、過回転抑制機構の大型化を抑制することができる。

本発明の一実施形態の揚力型垂直軸風車の側面図である。 図１の風車の一部を示す斜視図である。 図２の風車の上面図である。 風車翼部の一部が取り除かれた状態の風車の側面図である。 図４のＶ－Ｖ線断面図であり、翼断面形状の一例を示す概略図である。 本発明の一実施形態の風車において、ブレードがツイストする前とツイストした後の状態を示す概略図である。 ブレードのツイスト角を変更する位置決め部材が取り付けられる取付部を示す図である。 ブレードの半径方向外側に位置する直線状の部分における回転軸に対して等距離にある空力中心点と空力中心点に作用する空気力を示した模式図である。 アームが空力中心点よりも回転方向後方にシフトしている場合にブレードがツイストした状態のアームを基準として対称な位置にある２つの空力中心点Ａと空力中心点Ｂの垂直軸方向からみた位置関係を示す図である。 無次元ツイストモーメントの翼取付位置およびツイスト角への依存性を示す図である。 初期ツイスト角が変化した場合の、風車回転数と風車の軸トルクとの関係を示すグラフである。 （Ａ）～（Ｃ）は、一実施形態の風車の組立作業の一例を示す概略図である。 本発明の他の実施形態の揚力型垂直軸風車の斜視図である。 図１１の風車の上面図である。 本発明のさらに他の実施形態の揚力型垂直軸風車の斜視図である。 図１３の風車の上面図である。 図１３の風車の連結部材側歯車と同調機構側歯車とを示す概略側面図である。 ケース６の風車の軸トルクと風車回転数の関係を示す図である。 ケース７の風車の軸トルクと風車回転数の関係を示す図である。 ケース８の風車の軸トルクと風車回転数の関係を示す図である。 ケース６、７、８における発電電力の風速依存性の比較を示す図である。 有限要素法に基づく構造解析によって、三角状の翼の変形をシミュレーションした結果である。 ブレードの変形を抑制するための補強部材が取り付けられたブレードを示す概略図である。 ブレードのツイストを駆動する力として、補強部材を介して作用するブレードの変形力を利用する実施の形態４の揚力型垂直軸風車の斜視図である。 図２２に示される揚力型垂直軸風車の上面図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態の揚力型垂直軸風車を説明する。なお、以下に示す実施形態はあくまで一例であり、本発明の揚力型垂直軸風車は、以下の実施形態に限定されるものではない。

＜実施の形態１＞
図１に示されるように、本実施形態の揚力型垂直軸風車１（以下、単に風車１と呼ぶ）は、発電部２１を有する基部２と、基部２に対して垂直軸Ｘまわりに回転する回転用ハブ３と、回転用ハブ３とともに垂直軸Ｘ周りに回転する複数の風車翼部４とを備えている。

基部２は、風車１の土台となる部分である。基部２の構造は特に限定されないが、本実施形態では、図１に示されるように、風車１の風車翼部４を設置面から所定の高さに位置させるために所定の高さに形成される脚部２２を備えている。

回転用ハブ３は、風車翼部４が受風したときに基部２に対して回転する。本実施形態では、回転用ハブ３は、垂直軸Ｘ周りに回転する軸部（図示せず）に接続され、風車翼部４が風を受けて、回転用ハブ３および軸部が垂直軸Ｘ周りに回転することにより発電が行なわれる。

風車翼部４は、風を受けて回転する部位である。本実施形態では、風車翼部４は、ダリウス型の風車翼を改良したバタフライ型の風車翼である。なお、本実施形態では、揚力型垂直軸風車としてダリウス型風車を改良したバタフライ型の風車を例に挙げて説明するが、揚力型の垂直軸風車であればバタフライ型以外の風車であってもよいし、ダリウス型風車以外の風車であってもよい。風車翼部４は、図２および図３に示されるように、垂直軸Ｘ周りに等間隔で複数（図２および図３においては３枚）設けられている。なお、風車翼部４の数は特に限定されない。風車翼部４の材料は特に限定されないが、たとえば、アルミニウムなど、所定の強度を有し軽量な材料が好適に用いられる。

図２および図３に示されるように、複数の風車翼部４のそれぞれは、回転用ハブ３に支持され、垂直軸Ｘに対して垂直な水平方向に延びるアーム４１と、アーム４１の一端に設けられたブレード４２とを有している。

本実施形態では、風車１は揚力型であり、ブレード４２の断面は、図５に示されるように、前縁ＬＥが湾曲し後縁ＴＥが尖った流線形を呈した翼型形状である。図５では翼断面内は中空であってリブが存在していないが、１つあるいは複数のリブを有していても良いし、翼断面内部が中実であっても良い。本実施形態では、風車翼部４は、図２および図４に示されるように、バタフライ型であり、アーム４１の先に設けられたブレード４２はループを形成している。より具体的には、ブレード４２は略三角形状に形成されている。なお、風車翼部４の形状は、揚力型の垂直軸風車に適したものであれば、図２～図５に示される形状に限定されない。たとえば、風車翼部４は、Ｈ型ダリウス風車に用いられるブレードや、非直線形状のブレードや、円形のバタフライ型ブレードを有していてもよい。

アーム４１は、回転用ハブ３に、水平方向に延びる回転軸Ｙ（図４参照）周りに回転可能に支持されている。回転軸Ｙはアーム４１の回転中心となる線である。アーム４１は、回転軸Ｙを中心として回転可能に回転用ハブ３に支持されていればよく、アーム４１の支持方法は特に限定されない。本実施形態では、アーム４１は、回転用ハブ３に設けられた支持部３１にベアリング（図示せず）を介して回転軸Ｙ周りに回転可能に支持されている。具体的には、支持部３１は、アーム４１を挿通可能な挿通孔を有し、アーム４１は支持部３１に形成された挿通孔にベアリングを介して支持されている。支持部３１はアーム４１の軸方向に沿って２カ所以上で支持されていることが好ましい。

本実施形態では、アーム４１の一端（風車１の垂直軸Ｘから遠い側の端部）側にブレード４２が設けられている。また、アーム４１は、アーム４１の他端（風車１の垂直軸Ｘに近い側の端部）側に後述する傘歯車（後述するアーム側歯車）Ｇ１を有している。また、本実施形態では、アーム４１は、図２および図４に示されるように、アーム４１の一端側において、ツイスト角０°の状態において垂直軸Ｘに平行な方向に扁平に形成されている。この場合、後述する空気力によるブレード４２のツイストがさらに容易となる。アーム４１を扁平な形状とする場合、アーム４１の断面形状は、ブレード４２と同様の翼形状（図５参照）であってもよいし、扁平な長方形状であってもよい。なお、本実施形態では、アーム４１の一端側、すなわち、アーム４１を支持する支持部のベアリングよりも半径方向外側に相当する部分において、扁平に形成され、アーム４１の他端側が円柱状に形成されているが、アーム４１の形状は特に限定されない。たとえば、アーム４１は全体が扁平であってもよいし、アーム４１の一部のみが扁平であってもよいし、全体が円柱状であってもよい。

アーム４１は、ブレード４２の垂直軸Ｘ周りの回転時にブレード４２および／またはアーム４１に加わる空気力によって、ブレード４２の受風面積を減少させるようにアーム４１の回転軸Ｙ周りにツイストするように設けられている。なお、ブレード４２の受風面積は、ブレード４２が垂直軸Ｘ周りに一回転したときに掃過する部分の投影面積をいう。したがって、図６Ａにおいて、ブレード４２が実線で示される翼面が水平面に対して略垂直な状態では受風面積が最大で、ブレード４２が二点鎖線で示される翼面が水平な状態では受風面積が最小となる。なお、本明細書でいう「空気力によってツイストする」とは、後述する他の実施形態で説明するように、ブレード４２および／またはアーム４１に加わる空気力に加えて、後述する錘部材に作用する遠心力あるいはブレードの変形に起因する補強部材の張力によってブレード４２がツイストする場合も含む。風車１の風車翼部４が垂直軸Ｘ周りに回転するとき、風車翼部４に作用する空気力によって、アーム４１の回転軸Ｙ周りの回転モーメントが発生する。このアーム４１の回転軸Ｙ周りの回転モーメントを、本明細書ではツイストモーメントと呼ぶ。

図７は、ブレード４２の半径方向外側に位置する直線状の部分における回転軸Ｙに対して等距離にある空力中心点Ａと空力中心点Ｂに作用する空気力Ｆ_pAとＦ_pBを示した模式図である。ブレード４２が鉛直線ＶＴに対してツイスト角ηだけ傾いている場合、たとえば、空力中心点Ａを通る翼断面に平行に入射してくる相対風速Ｖｐ_Aは、図８Ａに示されるように、自然風Ｖおよび空力中心点Ａの風車１の回転軸（垂直軸Ｘ）からの半径距離ｒ_Aと回転角速度ωの積で与えられる運動に伴う相対風速ｒ_Aωの合成により決まってくる。図７ではこの合成された相対風速を（Ｖ＋ｒω）_Aと表示している。空力中心点Ａを含む翼断面内において、合成の相対風速Ｖｐ_Aの方向と翼の弦長方向の間の角度を迎角αと定義した場合、この迎角αと相対風速Ｖｐ_Aの大きさの関数として、翼断面内には、図７に示す方向に揚力Ｌおよび抗力Ｄが発生する。ただし、垂直軸風車では、自然風Ｖの方向が一定であると仮定した場合でも、翼断面の翼弦方向は風車が１回転する間において、自然風Ｖの方向に対して３６０°向きが変わるため、迎角αの翼弦方向に対する向きも常に変化をし、図７に示した揚力Ｌおよび抗力Ｄの方向が翼弦方向に対して逆向きになる状態も起こることになる。空力中心点Ａを含む翼断面内において翼を回転させる空気力成分Ｆ_pAは揚力Ｌと抗力Ｄのそれぞれの翼弦方向の射影の和として与えられるため、風車が１回転する間に、空気力Ｆ_pAの大きさと向きは翼弦方向内の制限の中で変化する。

もし、ブレード４２の前縁ＬＥからの翼の取付位置（アーム４１の回転軸Ｙの位置）までの距離ｘａが、ブレード４２の前縁ＬＥから空力中心点Ａまでの距離ｘｃと等しく（ｘａ＝ｘｃ）、回転軸Ｙの位置から等距離ｈの位置にある任意の空力中心点Ａと空力中心点Ｂに作用する空気力Ｆ_pAとＦ_pBの風車１回転における平均値が同じである場合（Ｆ_pA＝Ｆ_pB）には、ブレード４２のツイスト角ηの大きさに依らず、ブレード４２および／またはアーム４１の回転軸Ｙ周りのツイストモーメントＴＭは発生しない。しかし、ブレード４２の前縁ＬＥからの翼の取付位置までの距離ｘａが、ブレード４２の前縁ＬＥから空力中心点までの距離ｘｃと異なり、たとえば、図７に示すようにブレード４２をアーム４１の回転軸Ｙ方向に見たときに、アーム４１の回転軸Ｙが、アーム４１の回転軸Ｙに対して等距離に位置する２つの空力中心点Ａ、Ｂを結んだ線ＬＮに対して、ブレード４２の後縁ＴＥ側に位置するように、アーム４１が設けられている場合には、ブレード４２がツイストしている状態において空力中心点Ａと点Ｂに作用する空気力Ｆ_pAとＦ_pBの平均値は同じとはならず、ツイストモーメントＴＭが発生することになる。より詳しく説明をするならば、図７に示すように、風車１の垂直軸Ｘ方向から見た場合の回転軸Ｙの位置からの空力中心点Ａまでの水平方向の距離をＳ_A、空力中心点Ｂまでの水平方向の距離をＳ_Bとすれば、Ｓ_A＞Ｓ_Bの関係となる。これは、図８Ａの垂直軸Ｘ方向からみた位置関係の図に明示されるように、空力中心点Ａの垂直軸Ｘからの半径距離ｒ_Aが、空力中心点Ｂの垂直軸Ｘからの半径距離ｒ_Bよりも長くなることを意味する。したがって、空力中心点Ａの回転運動に伴う相対風速ｒ_Aωは、空力中心点Ｂの回転運動に伴う相対風速ｒ_Bωよりも大きくなる。同時に、ブレード４２がツイストすることにより、回転軸Ｙ方向を基準として、空力中心点Ａは空力中心点Ｂよりも回転方位角度Ψ（図８Ａ参照）に関して位相が進んでいることになる。風車に流入する自然風の大きさＶは風車ロータに近づくと減速し、ロータ中央部に流入する風速はそのまわりよりも速度が減少する速度分布をもつことになる。また、上流側（０°≦Ψ＜１８０°）に比べて下流側（１８０°≦Ψ＜３６０°）では速度が全体的に減少することも一般に知られている。従って、相対風速（ｒω）と自然風（Ｖ）の合成で決まる迎角αや揚力Ｌおよび抗力Ｄの大きさと向きの変化の仕方が、空力中心点Ａと空力中心点Ｂを含む２つの断面の間で異なることになり、その結果として、風車が１回転する間の空気力Ｆ_pAとＦ_pBの平均値にも違いが生じることになり、図７に示されるツイストモーメントＴＭが発生する。

このように、本実施形態では、ブレード４２および／またはアーム４１に作用する空気力によって、ブレード４２をブレード４２の受風面積が小さくなるようにツイストさせることができる。これにより、強風時にブレード４２の回転力を弱めて、ブレード４２の過回転を抑制することができ、風車１の破損を抑制し、安全性を高めることができる。また、ブレード４２を、遠心力によるアーム４１の半径方向外側への移動を利用してツイストさせるのではなく、空気力によりツイストさせている。したがって、本実施形態では、アーム４１およびブレード４２は、アーム４１が回転軸Ｙ周りにツイストする際に、アーム４１の回転軸Ｙの軸方向（半径方向外側）へ移動しない。そのため、非直線状の複雑なガイド溝を必要とせず、摩擦の影響を減少することが可能となる。また、過回転抑制機構を半径方向に大きくする必要がない。

なお、アーム４１の回転軸Ｙのブレード４２に対する位置に関して、上述したように、アーム４１の回転軸Ｙの位置が、アーム４１の回転軸Ｙに対して等距離に位置する２つの空力中心点Ａ、Ｂを結んだ線ＬＮに対して、ブレード４２の後縁ＴＥ側に設けられる。アーム４１の回転軸Ｙの位置は、アーム４１の回転軸Ｙの位置がブレード４２の後縁ＴＥ側にシフトするほどツイストモーメントが大きくなり、ブレード４２を傾斜させる効果が大きくなる。具体的には、ブレード４２の前縁ＬＥからのアーム４１の回転軸Ｙの位置までの距離ｘａが、ブレード４２の前縁ＬＥから後縁ＴＥまでの距離ｃに対して４０～８５％であることが好ましく、５５～７５％であることがさらに好ましい。

この翼取付位置によるツイストモーメントの変化の違いを、３つのツイスト角（η＝５°、１０°、１５°）について比較した図を図８Ｂに示す。縦軸はツイストモーメントＴＭを０．５ρＶ²ＲＨ（Ｈ／２）で割って無次元化した無次元ツイストモーメントＣｔｍである。横軸は先端周速比λであり、λ＝Ｒω／Ｖで定義される。ここでρは空気密度、Ｖは上流風速、Ｒは風車ロータ半径、Ｈは風車高さ、ωは風車ロータの回転角速度である。

図８Ｂでは、風車として、図１～図５に示されるバタフライ風車であり、ロータ直径（風車１のブレード４２の最外部の回転軌跡の直径）が１２．５ｍ（半径Ｒ＝６．２５ｍ）、回転用ハブ３の直径が０．９ｍ、ブレードの高さＨ（図４参照）が７．８ｍ、ブレードの数が３枚のものを想定している。翼断面形状はＮＡＣＡ ００１８（対称翼型）であり、翼弦長は４１２ｍｍとして計算した。翼の取付位置について、ブレード４２の前縁ＬＥからのアーム４１の回転軸Ｙの位置までの距離ｘａはブレード４２の前縁ＬＥから後縁ＴＥまでの距離ｃに対して４４．２％の位置のもの（以下、４４．２％ｃと呼ぶ）、５５％ｃ、６０％ｃ、７２％ｃの４つの場合を比較した。

図８Ｂに示されるように、ｘａ＝４４．２％ｃでは、λ＝０．８～２．８の範囲で無次元ツイストモーメントがマイナス方向に大きくなっている。ｘａ＝５５％ｃのη＝５°とη＝１０°、およびｘａ＝６０％ｃのη＝５°の場合においても、λ＝１．９～２．５辺りで多少、無次元ツイストモーメントがマイナス値になっている。しかし、ｘａ＝５５％ｃでη＝１５°、ｘａ＝６０％ｃで１０°と１５°、ｘａ＝７２％ｃでは、すべてのηの値において、無次元ツイストモーメントはあらゆるλの値においてプラスの値となっており、ブレード４２の前縁ＬＥからのアーム４１の回転軸Ｙの位置までの距離ｘａの値が大きくなるほど無次元ツイストモーメントが増加する傾向となっている。

また、本実施形態では、無風状態のときに対応するブレード４２の初期位置は、２つの空力中心点Ａ、Ｂを結んだ線が鉛直線ＶＴ（垂直軸Ｘに平行な線）に対して所定の初期ツイスト角で傾斜した状態となるように設定されている。これにより、風車１の風車翼部４が垂直軸Ｘ周りに回転を開始すると、ブレード４２にツイストモーメントを生じさせることができる。なお、初期ツイスト角で傾斜した状態のブレード４２は、鉛直方向で上側に位置する空力中心点Ａが空力中心点Ｂよりも、回転軸Ｙからの水平方向の距離が遠くなるように傾斜している。また、初期ツイスト角η₀は、０°より大きければ（η₀＞０°）ブレード４２に空気力によるツイストモーメントが生じるので、０°より大きければ特に限定されないが、たとえば、０．１°≦η₀≦５°であることが好ましい。

この初期ツイスト角η₀について、初期ツイスト角η₀が異なる５つのケース（表１参照）について、３つの風速（８ｍ／ｓ、２３ｍ／ｓ、４０ｍ／ｓ）状態における軸トルクＱの比較を図９に示す。

なお、風車としては、図１～図５に示されるバタフライ風車であり、ロータ直径が７ｍ、回転用ハブ３の直径が０．８９ｍ、ブレードの高さが２．７ｍ、ブレードの数が５枚のものを用いた。翼断面形状はＮＡＣＡ ００１８（対称翼型）であり、翼弦長は２４２．３ｍｍとして計算した。距離ｘａは５７％ｃとしている。風車の最大の許容風車回転数（定格回転数）は１２０ｒｐｍとした。図９に示されるように、初期ツイスト角η₀が３°（ケース４）または４°（ケース５）の場合は、他のケースに比べて小さい回転数で動作点を持つが、過回転防止の効果が有効に得られていることがわかる。また、初期ツイスト角η₀が１°（ケース２）または２°（ケース３）の場合には、３つの風速（８ｍ／ｓ、２３ｍ／ｓ、４０ｍ／ｓ）状態において、トルク特性は望ましい特性を持っていると言える。初期ツイスト角η₀が０°（ケース１）の場合、風速８ｍ／ｓにおいて制御トラブルなどで無負荷になった時に、許容回転数（１２０ｒｐｍ）を多少超える特性となっている。したがって、初期ツイスト角は、０．１°≦η₀≦４°であることが好ましく、０．１°≦η₀≦２．５°であることがさらに好ましい。

本実施形態では、風車１は、ブレード４２が（後述する付勢部材ＳＰによって付勢された状態で）所定の初期ツイスト角η₀で傾斜した状態で保持されるように、図２～図４および図６Ａに示されるように、ブレード４２の初期位置を画定する位置決め部材５１を有している。位置決め部材５１を有していることにより、たとえば無風状態で初期ツイスト角η₀を有した状態でブレード４２が保持され、風車翼部４が垂直軸Ｘ周りに回転したときにブレード４２にツイストモーメントを発生させることができる。位置決め部材５１は、本実施形態ではアーム４１を支持する支持部３１に設けられた位置決めピンであり、アーム４１から突出する係合部（係合ピン）４１ａと係合することによってブレード４２を初期ツイスト角η₀で傾斜した初期位置に保持することができる。なお、位置決め部材５１は位置決めピンに限定されず、アーム４１またはブレード４２の一部と係合して、アーム４１およびブレード４２を所定の初期ツイスト角η₀で傾斜した初期位置で保持することができればよい。

また、本実施形態では、風車１は、図２～図４および図６Ａに示されるように、ブレード４２が初期位置からブレード４２の受風面積が減少した第２の位置までツイストした際に、ブレード４２のさらなるツイストを規制し、ブレード４２の最大ツイスト角ηｍを画定する第２の位置決め部材５２を有している。第２の位置決め部材５２を有していることにより、強風時にブレード４２の受風面積を減少させた状態で維持したい場合に、第２の位置決め部材５２にアーム４１に設けられた係合部（係合ピン）４１ａが係合して、受風面積が減少した第２の位置までブレード４２がツイストした状態で保持される。第２の位置決め部材５２は、本実施形態では、位置決め部材５１と同様に、位置決めピンである。しかし、第２位置決め部材５２は位置決めピンに限定されず、アーム４１またはブレード４２の一部と係合して、アーム４１およびブレード４２を所定の最大ツイスト角ηｍで傾斜した第２の位置で保持することができればよい。なお、第２の位置に対応する最大ツイスト角ηｍは特に限定されないが、たとえば、２０°≦ηｍ≦３０°とすることが好ましい。なお、位置決め部材５１および第２位置決め部材５２は、位置調整可能に設けられ、初期ツイスト角および最大ツイスト角を変更可能に構成されていてもよい。本実施形態では、第２位置決め部材５２は、図６Ｂに示されるように、支持部３１に設けられた複数の挿入孔等、複数の取付部５３に取付可能であり、第２位置決め部材５２の取付位置を変更することにより、最大ツイスト角を変更することができる。また、図６Ａに示されるように、ブレード４２が水平な状態でアーム４１の係合部４１ａと第２位置決め部材５２とが係合するように構成してもよい。この場合、たとえば、２つの取付部５３に挿入された２つの第２位置決め部材５２によりアーム４１の係合部４１ａを挟み込んで（図６Ｂ参照）、ブレード４２が水平状態で保持されるようにすることにより、後述するように、風車１の組立時の作業性が向上する。

本実施形態の風車１は、図２～図４に示されるように、複数の風車翼部４のそれぞれのアーム４１およびブレード４２のツイスト角が互いに等しくなるように、アーム４１の回転軸Ｙ周りの回転を互いに同調させる同調機構６を有している。風車１が同調機構６を有していることにより、複数のブレード４２のツイスト動作が連動し、ツイスト角が等しくなる。したがって、風車１の回転方位角に依存するブレード４２表面に作用する空気力（面積力）の変動や、風車１に用いられる部材の製造誤差に基づく空気力のアンバランスがあっても、ブレード４２の傾斜角（ツイスト角）が同調される。したがって、複数のブレード４２がアンバランスな動きをすることが無く、風車１は安定した回転を得ることができる。

本実施形態では、同調機構６は、図２～図４に示されるように、複数の風車翼部４のアーム４１の他端にそれぞれ設けられた複数のアーム側歯車Ｇ１と、回転用ハブ３に設けられ、複数のアーム側歯車Ｇ１に噛み合う１つのハブ側歯車Ｇ２とを有している。具体的には、本実施形態では、１つの大径の傘歯車であるハブ側歯車Ｇ２に、小径の傘歯車である３つのアーム側歯車Ｇ１が係合し、３つのアーム側歯車Ｇ１が互いに連動して同じ回転角度で回転する。したがって、アーム４１が回転軸Ｙ周りに同じ回転角度で回転し、複数の風車翼部４の間でツイスト角度が均等になり、風車１は安定して回転する。また、同調機構６に歯車を用いることによって、同調機構６の耐久性が高まり、風車１の安全性を高め、長寿命化することができる。

また、本実施形態では、図２～図４に示されるように、アーム４１がツイストした際に、アーム４１をブレード４２の受風面積が大きくなる方向に向かって付勢する付勢部材ＳＰを有している。付勢部材ＳＰは、強風時など、アーム４１およびブレード４２がツイストした後、風が弱まった際に、ブレード４２の受風面積が大きくなる方向、すなわち、ブレード４２が初期ツイスト角の傾斜状態となる方向へと付勢する。これにより、風が弱くなった後に、ブレード４２の受風面積を再び大きくして、風車１は高い出力を得ることが可能となる。

なお、付勢部材ＳＰはアーム４１を直接付勢してもよいし、アーム４１を間接的に付勢してもよい。本実施形態では、付勢部材ＳＰが同調機構６のハブ側歯車Ｇ２を付勢することにより、アーム４１を間接的に付勢している。具体的には、付勢部材ＳＰは、ハブ側歯車Ｇ２を、回転用ハブ３に対して垂直軸Ｘ周りに回転する方向に付勢する捩じりバネ（以下、捩じりバネＳＰとも呼ぶ）である。捩じりバネＳＰの一端は、回転用ハブ３に設けられた第１保持部（本実施形態ではピン）Ｈａに保持され、捩じりバネＳＰの他端は、ハブ側歯車Ｇ２に設けられた第２保持部（本実施形態ではピン）Ｈｂに保持されている。これにより、ハブ側歯車Ｇ２はアーム４１を初期ツイスト角の傾斜状態とする方向へと付勢している。

なお、付勢部材ＳＰの種類は、本実施形態では、捩じりバネであるが、アーム４１の付勢が可能であれば、コイルバネなど他のバネであってもよいし、油圧・空圧アクチュエータ、あるいはサーボモータなどの電動アクチュエータであってもよい。なお、付勢部材ＳＰとしてバネ等の弾性体を用いることにより、バネ等の弾性体が破損して付勢力がなくなって、ブレード４２に空気力が加わった際に、ブレード４２がすぐにツイストする。したがって、付勢部材ＳＰが破損した場合に、風が吹くとブレード４２がツイストし易く、ブレード４２が初期ツイスト角に近い状態（すなわち、受風面積が大きい状態）で維持されることがない。したがって、付勢部材ＳＰが破損して風車１が過回転を抑制できない状態のままの危険な状態となることを回避することができ、風車１にフェールセーフな特性を持たせることができる。

また、ブレード４２の初期位置において、ブレード４２は、付勢部材ＳＰから所定の付勢力で予圧が加えられた状態で保持されていてもよい。ブレード４２に付勢部材ＳＰによって予圧が加えられている場合、ブレード４２に所定の大きさのツイストモーメントが加わるまでは、ブレード４２が初期位置側で保持される。そのため、所定の風力となるまでは、ブレード４２は回転軸Ｙ周りにツイストせずに受風面積が大きい状態を維持しつつ、風車翼部４が垂直軸Ｘ周りに回転する。したがって、所定の風力となるまでは風車１を高い出力に維持することができる。そして、ブレード４２に所定以上のツイストモーメントが加わった場合に、ブレード４２が初期位置側からブレード４２の受風面積を減少させる方向にツイストする。これにより、風が所定以上強くなった場合に、ブレード４２は受風面積を小さくする方向にツイストし、強風時にブレード４２の回転力を弱めて、ブレード４２の過回転を抑制することができる。したがって、風車１の破損を抑制し、安全性を高めることができる。

また、本実施形態では、付勢部材ＳＰによって、ブレード４２に加わる予圧の有無の切り替えまたは予圧の大きさを調整する、付勢力調整機構を有していてもよい。付勢力調整機構は、捩じりバネＳＰの一端を押さえている第１保持部Ｈａ（バネ押さえ）の位置を変更可能にしたり、複数の第１保持部（バネ押さえ）を回転用ハブ３に設けて、捩じりバネＳＰの一端が係合する位置を切り替えることにより、予圧の有無や予圧の大きさの調整が可能となる。付勢力調整機構は付勢力を調整することができれば、その構造は特に限定されない。たとえば、アーム側歯車Ｇ１とハブ側歯車Ｇ２との係合を解除した状態で、ハブ側歯車Ｇ２を回転用ハブ３に対して回転させることにより、捩じりバネＳＰを圧縮し、その後アーム側歯車Ｇ１とハブ側歯車Ｇ２とを係合することにより、捩じりバネＳＰにより加わる予圧を調整してもよい。風車１が付勢力調整機構を有している場合、風車１の設置場所や大きさ等の条件に応じて、付勢部材ＳＰによって加わる予圧を調整して、ブレード４２がツイストするタイミングなどを最適にすることができる。

また、上述した付勢力調整機構を有している場合、図１０に示されるように、風車１の組立作業を容易にすることができ、風車設置コストを減少させることができる。基部２の上部の高所において、風車翼部４を取り付ける作業を行うことは困難であるため、地上において風車翼部４を回転用ハブ３に取付ける方法が現実的である。その場合、風車翼部４が大きい場合には、地上から回転用ハブ３までの高さが大きくなると、回転用ハブ３を載せる土台の地上からの高さを高くしたり、足場を組むなど、作業が大変になる可能性がある。しかし、付勢力調整機構によって、付勢部材ＳＰに加わる付勢力を一旦無効として、ブレード４２の向きを本来の初期ツイスト角から約９０°回転させ（図６Ａに二点鎖線で示されるブレード４２が水平な状態）、図１０（Ａ）に示すように翼面を地面と平行な状態にして回転用ハブ３に取り付けるならば作業性が向上する。全ての風車翼部４を回転用ハブ３に組み付けた後、クレーン等を使用して風車ロータ（回転用ハブ３および風車翼部４を含むユニット）全体を基部２の上部の高さまで持ち上げて、基部２の回転軸に据え付ける（図１０（Ｂ）参照）。なお、この際には、ブレード４２が水平な状態から回転しないように、風車１は、ブレード４２の回転軸Ｙ周りの回転を規制してブレード４２を水平な状態に保持する、ピン等の回転規制部材（図示せず）を有していてもよい。

回転用ハブ３と基部２との接続が完了すると、上述した回転規制部材によるブレード４２の回転の規制を解除し、ブレード４２が水平な状態から初期ツイスト角の傾斜状態になるように向きを変える（図１０（Ｃ）参照）。この後、付勢力調整機構を操作してブレード４２に付勢力を加え、ブレード４２を初期ツイスト角の状態で保持する。これにより、風車１の組立が完了する。

＜実施の形態２＞
つぎに、実施の形態２の風車について説明する。実施の形態１の各構成において説明した点については、同様に実施の形態２にも適用することができる。以下の説明では、実施の形態１で説明した点については省略し、相違点を中心に説明する。

本実施形態では、図１１および図１２に示されるように、ブレード４２を回転軸Ｙ周りにツイストさせるために、ブレード４２に加わる空気力に加えて、回転用ハブ３に設けられた錘部材７に加わる遠心力を用いている。なお、図１１および図１２においてはブレード４２の図示は省略している。

本実施形態の風車１は、図１１および図１２に示されるように、回転用ハブ３が、回転用ハブ３が回転し所定の遠心力が加わったときに回転用ハブ３に対して移動可能な錘部材７を有している。錘部材７は、同調機構６に連結部材８を介して連結されている。付勢部材ＳＰは、錘部材７の遠心力による移動を抑制する方向に錘部材７を直接または間接的に付勢するように構成されている。

本実施形態では、空気力によるツイストモーメントおよび遠心力による錘部材７に加わる力が、付勢部材ＳＰの付勢力に打ち勝って錘部材７が移動したときに、錘部材７の移動に連動する連結部材８の動作によって同調機構６が動作する。これにより、ブレード４２がブレード４２の受風面積を減少させる方向にツイストするように構成されている。したがって、本実施形態では、所定の遠心力が錘部材７に加わるまでは、錘部材７が回転用ハブ３に対して動かずに、空気力が加わってもブレード４２のツイストが抑制される。したがって、本実施形態では、実施の形態１で得られる効果に加えて、ブレード４２は大きな受風面積をさらに広い風速の範囲で維持することができ、発電効率を高めることができる。その後、風車翼部４の回転数が高くなり、ブレード４２に加わる空気力に加えて、錘部材７に所定の遠心力が加わると、付勢部材ＳＰの付勢力に抗して、錘部材７が移動して、同調機構６を介してブレード４２がツイストする。これにより、風車翼部４の回転数が所定の範囲まではブレード４２の受風面積が大きい状態で発電が可能であり、風車翼部４の回転数が所定の範囲を超えたときに、ブレード４２に加わる空気力と錘部材７に加わる遠心力との両方により、ブレード４２をツイストさせて、過回転を抑制することができる。

錘部材７は所定の重量を有し、風車１の風車翼部４の垂直軸Ｘ周りの回転数の増大によって遠心力によって移動して、錘部材７の移動によってブレード４２を回転軸Ｙ周りに回転させる。なお、錘部材７は、錘部材７の底部が回転用ハブ３の上面に対して離間するように連結部材８に支持されている。

本実施形態では、錘部材７は連結部材８によって同調機構６に接続されている。連結部材８は、錘部材７の移動に伴って動作することによって、ブレード４２を回転軸Ｙ周りに回転させる方向に同調機構６を操作することができるように、錘部材７と同調機構６とを接続している。なお、連結部材８は、ブレード４２を回転軸Ｙ周りに回転させる方向に同調機構６を操作することができるように、錘部材７と同調機構６とを接続するものであれば、本実施形態の形状および構造に限定されるものではない。

本実施形態では、連結部材８は、図１１および図１２に示されるように、回転用ハブ３に対して垂直軸Ｘに平行な軸Ａｘ周りに揺動可能に取り付けられている。連結部材８は、連結部材８の揺動軸Ａｘから錘部材７に向かって延びる第１延出部８１と、連結部材８の揺動軸Ａｘからハブ側歯車Ｇ２に向かって延び、ハブ側歯車Ｇ２に取り付けられる第２延出部８２とを備えている。第２延出部８２は、ハブ側歯車Ｇ２に取り付けられる端部に長孔８２ａを有し、ハブ側歯車Ｇ２は、長孔８２ａに挿入される軸部材Ｇ２１を有している。第１延出部８１と第２延出部８２とを有する連結部材８は略Ｌ字状に形成され、図１２に示されるように、錘部材７に遠心力が加わると、錘部材７は付勢部材ＳＰの付勢力に抗して揺動軸Ａｘを中心に矢印ＡＲ１の方向に揺動する。これにより、第１延出部８１と第２延出部８２とは一体的に揺動軸Ａｘを中心に揺動し、第２延出部８２の端部は、図１２の矢印ＡＲ２の方向に揺動する。

付勢部材ＳＰは、錘部材７の遠心力による移動を抑制する方向に錘部材７を直接または間接的に付勢することができれば、付勢部材ＳＰを設ける位置は特に限定されない。本実施形態では、付勢部材ＳＰは、回転用ハブ３の垂直軸Ｘに沿って延びる付勢部材支持体３２（回転用ハブ３に対して、バネの一端を取付ける部分が回転する構造になっている）と錘部材７との間に設けられている。具体的には、筒状の錘部材７に設けられた係止部７１と、支持ピンとして示された付勢部材支持体３２に設けられた係止部３２ａとに、引っ張りバネとして示された付勢部材ＳＰが係止されている。なお、付勢部材ＳＰは上述したように予圧が加えられていることが好ましい。付勢部材ＳＰはハブ側歯車Ｇ２など同調機構６と回転用ハブ３との間に設けられて、錘部材７の遠心力に抗するように構成されていてもよい。

本実施形態では、図１２に示されるように、錘部材７が遠心力により移動し、第２延出部８２の端部が連結部材８の揺動軸Ａｘを中心に矢印ＡＲ２方向に揺動したときに、軸部材Ｇ２１が第２延出部８２の長孔８２ａの縁部から力を受けることによってハブ側歯車Ｇ２が矢印ＡＲ３方向に回転するように構成されている。これにより、アーム側歯車Ｇ１を介して複数の風車翼部４のアーム４１が同調して回転軸Ｙ周りに回転する。これにより、ブレード４２が回転軸Ｙ周りにツイストし、ブレード４２の受風面積が減少し、風車翼部４の過回転が抑制される。

＜実施の形態３＞
つぎに、実施の形態３の風車について説明する。実施の形態１および２の各構成において説明した点については、同様に実施の形態３にも適用することができる。以下の説明では、実施の形態１および２で説明した点については省略し、相違点を中心に説明する。

本実施形態の風車１は、錘部材７と同調機構６とを連結する連結部材８が、歯車を有している。具体的には、図１３～図１５に示されるように、連結部材８が、連結部材８の揺動軸Ａｘから錘部材７に向かって延びる延出部８１と、連結部材８の揺動軸Ａｘと同軸上に設けられた連結部材側歯車８３とを備えている。同調機構６は、図１５に示されるように、連結部材側歯車８３と噛み合い、ハブ側歯車Ｇ２と同軸上に設けられた同調機構側歯車Ｇ３を備えている。

錘部材７は、実施の形態２と同様の構成であり、風車１の風車翼部４の垂直軸Ｘ周りの回転数の増大によって遠心力によって移動する。錘部材７は所定の遠心力が加わった際に、揺動軸Ａｘ周りに延出部８１とともに揺動する。図１４に示されるように、錘部材７が揺動軸Ａｘ周りに矢印ＡＲ４方向に揺動すると、揺動軸Ａｘと共に回転するように揺動軸Ａｘに接続された連結部材側歯車８３も揺動軸Ａｘ周りに矢印ＡＲ５方向に回転する。

連結部材側歯車８３は、図１５に示されるように、同調機構側歯車Ｇ３と噛み合うように配置され、連結部材側歯車８３が回転することにより、同調機構側歯車Ｇ３も回転するように構成されている。ハブ側歯車Ｇ２は、同調機構側歯車Ｇ３の回転に応じて回転するように構成されている。なお、同調機構側歯車Ｇ３の構造や配置される位置は、同調機構側歯車Ｇ３の回転によってハブ側歯車Ｇ２を回転させることができれば特に限定されない。本実施形態では、同調機構側歯車Ｇ３は、図１５に示されるように、ハブ側歯車Ｇ２と同軸上に配置され、ハブ側歯車Ｇ２と共に回転するように設けられている。同調機構側歯車Ｇ３は、ハブ側歯車Ｇ２と一体に形成されていてもよいし、別体としてハブ側歯車Ｇ２に嵌合するものであってもよい。また、同調機構側歯車Ｇ３とハブ側歯車Ｇ２との間に他の歯車が介在していてもよい。

本実施形態では、実施の形態２と同様に、空気力によるツイストモーメントおよび遠心力による錘部材７に加わる力が、付勢部材ＳＰの付勢力に打ち勝って錘部材７が移動したときに、錘部材７の移動に連動する連結部材８の動作によって同調機構６が動作する。これにより、ブレード４２がブレード４２の受風面積を減少させる方向にツイストするように構成されている。したがって、本実施形態では、所定の遠心力が錘部材７に加わるまでは、錘部材７が回転用ハブ３に対して動かずに、空気力が加わってもブレード４２のツイストが抑制される。したがって、本実施形態では、実施の形態１で得られる効果に加えて、ブレード４２は大きな受風面積をさらに広い風速の範囲で維持することができ、発電効率を高めることができる。その後、風車翼部４の回転数が高くなり、ブレード４２に加わる空気力に加えて、錘部材７に所定の遠心力が加わると、付勢部材ＳＰの付勢力に抗して錘部材７が移動して、図１４に示されるように、連結部材８が揺動軸Ａｘを中心に矢印ＡＲ４方向に揺動する。連結部材８が揺動軸Ａｘを中心に矢印ＡＲ４方向に揺動すると、連結部材側歯車８３が揺動軸Ａｘ周りに矢印ＡＲ５方向に回転する。連結部材側歯車８３が矢印ＡＲ５方向に回転すると、同調機構側歯車Ｇ３が逆方向に回転する。これにより、ハブ側歯車Ｇ２が矢印ＡＲ６方向に回転する。ハブ側歯車Ｇ２が回転することにより、アーム側歯車Ｇ１を介して複数の風車翼部４のアーム４１が同調して回転軸Ｙ周りに回転する。これにより、ブレード４２が回転軸Ｙ周りにツイストし、ブレード４２の受風面積が減少し、風車翼部４の過回転が抑制される。また、本実施形態では、錘部材７と同調機構６との間が歯車（連結部材側歯車８３および同調機構側歯車Ｇ３）によって接続されているため、遠心力が加わった錘部材７の揺動による力を同調機構６に円滑に伝達することができ、連結部材８および同調機構６の破損が抑制される。

図２、３、４に示した実施の形態１において、バネの予圧が無い場合（ケース６とする）と予圧がある場合（ケース７とする）、および図１３、１４、１５に示した実施の形態３の場合（ケース８とする）について、予想される最適状態（過回転が防止され、かつ年間発電量が大きくなる状態）の軸トルクの回転数依存性を、図１６、１７、１８にそれぞれ示す。各ケースにおいて風速Ｖは５ｍ／ｓ、１０ｍ／ｓ、１８ｍ／ｓの３状態を仮定した。各ケースの最適状態における各パラメータの値を表２にまとめる。

図１６、１７、１８において想定した風車は、図１に示されるバタフライ風車であり、ロータ直径が１２．５ｍ（半径Ｒ＝６．２５ｍ）、回転用ハブ３の直径が０．９ｍ、ブレードの高さＨが７．８ｍ、ブレードの数が３枚のものを想定している。翼断面形状はＮＡＣＡ ００１８（対称翼型）であり、翼弦長は４１２ｍｍとして計算した。表１および図９に特性を示したケース１～５の風車はロータ直径が７ｍの場合であり、回転用ハブ３の直径すなわち過回転抑制機構の大きさは０．８９ｍであったが、風車のロータ直径を１２．５ｍまで大きくしたケース６～８の場合においても、回転用ハブ３の直径はほとんど同じ大きさ（０．９ｍ）になっており、過回転抑制機構の大型化が抑制できることがわかる。

図１６に示す捩じりバネで予圧が無いケース６では、風速Ｖ＝５ｍ／ｓにおいて、ツイストの無い場合のトルク特性に出来るだけ一致するようにパラメータが調整され、風速１０ｍ／ｓや１８ｍ／ｓの強風状態では、定格回転数として想定する約４０ｒｐｍより低い回転数において、発電制御目標（発電機のトルク特性）と交点（動作点）を持つように最適状態が選ばれていて、強風における過回転が抑制される特性となっている。ただし、ケース６の場合、制御器のトラブルなどが発生したときには、風速５ｍ／ｓでは、風車回転数が定格回転数を越えた５０ｒｐｍ以上になることも予想される。

図１７に示す捩じりバネで予圧が有るケース７では、風速Ｖ＝５ｍ／ｓにおいて、ツイストの無い場合のトルク特性の極大値（回転数３０ｒｐｍ）に出来るだけ近接した上で、定格回転数４０ｒｐｍ以下の回転数において、横軸の０Ｎｍのラインと交点を持つようにパラメータを調整した。風速１０ｍ／ｓや１８ｍ／ｓの強風状態においても、定格回転数４０ｒｐｍより低い回転数において、発電制御目標（発電機のトルク特性）と交点（動作点）を持っている。

図１８に示す引っ張りバネと連結部材側歯車を用いるケース８では、風速Ｖ＝５ｍ／ｓにおいて、定格回転数の４０ｒｐｍまで、ツイストの無い場合のトルク特性とほぼ一致した上で、それよりも高い回転数ではツイスト角が第２位置決め部材で画定される最大角度３０°まで急激に変化をし、風車ロータの回転トルク（軸トルク）がマイナスになるように、各パラメータが調整された。風速１０ｍ／ｓや１８ｍ／ｓの強風状態においては、低速回転数から定格回転数の４０ｒｐｍまでは、発電制御目標（発電機のトルク特性）と交点（動作点）を持たず、ツイスト角度は初期値を維持したまま回転数が増加するが、定格回転数を越えたところで、第２位置決め部材で画定される最大角度３０°までツイスト角が急激に変化をし、風車ロータの回転トルク（軸トルク）がマイナスになり、過回転が抑制される特性となっている。

図１９に、図１６～１８に示した風車ロータの回転トルク（軸トルク）から予測したケース６～８の発電電力の風速依存性を比較する。自然の風は変動するため、風車の発電電力も常に変化することが予想されるが、図１９においては、便宜的に、図１６～１８に示すような一定風速を仮定した場合の風車のトルクカーブと発電機のトルク特性カーブ（発電制御目標）の交点を求めて、特定の風速の発電電力とした。図１９において、風速１８ｍ／ｓ以上では、発電電力が高くても風速出現率がほぼ０％と予測されるため、年間発電量への寄与はない。ケース６における風速６～８ｍ／ｓの範囲の発電電力の落ち込み、およびケース８における風速７～９ｍ／ｓの範囲の発電電力の落ち込みは、図８Ｂに示したツイスト角ηが５°から１０°の場合で先端周速比λが３～４の範囲においてみられる無次元ツイストモーメントのピークに相当する状況となっている。

図１９の発電電力の風速依存性に基づいて予想されるケース６～８の年間発電量を表３に示す。風速出現率は平均風速５ｍ／ｓのレイリー分布を仮定した。６ｍ／ｓ以下の低風速範囲において発電電力が最も高い特性となっているケース８の予想年間発電量がもっとも大きくなっている。

＜実施の形態４＞
つぎに、実施の形態４の風車について説明する。実施の形態１～３の各構成において説明した点については、同様に実施の形態４にも適用することができる。以下の説明では、実施の形態１～３で説明した点については省略し、相違点を中心に説明する。

一般に垂直軸風車の翼は、高速回転状態になると、翼に作用する遠心力によって、図２０に示すように、翼は半径方向外向きに変形する。図２０は有限要素法に基づく構造解析によって、三角状の翼の変形をシミュレーションした結果であり、翼の自重を考慮しているため、鉛直下向きへの変位も結果として表れている。風車としては、図１～図５に示されるバタフライ風車であり、本実施形態では、ロータ直径が７ｍ、ブレードの高さが２．７ｍを想定して計算している。翼断面形状はＮＡＣＡ ００１８（対称翼型）であり、翼弦長は２４２．３ｍｍ、翼材料はアルミニウムとして計算した。最大半径位置の変形量は回転数にほぼ比例し、図２０の例では、定格回転数１２０ｒｐｍにおいて半径方向外側に約８０ｍｍの変形が予想される。なお、図２０では、変形量を１０倍にして表示をしている。

翼の変形を抑制し、上限回転数を増加させるために、多少の出力低減を犠牲にして（予想される出力低下は数％）、本実施形態では、図２１～図２３に示すように、ブレード４２の垂直軸Ｘ周りの回転によりブレード４２に所定の遠心力が加わったときにブレード４２の半径方向外側（図２０および図２１における右側）に最大変形が生じるブレード４２の変形箇所４２ａと、同調機構６との間に、補強部材９を有している。補強部材９は、変形箇所４２ａに半径方向内側に向かう張力をかける。

図２２は、ブレード４２のツイストを駆動する力として、補強部材（ブレース）９を介して作用する翼の変形力を利用する実施の形態４の揚力型垂直軸風車の斜視図である。図２３は図２２に示される揚力型垂直軸風車の上面図である。なお、図２２および図２３ではブレード４２および補強部材９の一部は省略している。

補強部材９の一端９１はブレード４２の変形箇所４２ａに接続され（図２１参照）、補強部材９の他端９２は同調機構６に連結部材８０を介して接続されている（図２２および図２３参照）。図２２および図２３に示されるように、付勢部材ＳＰは、連結部材８０を介して、補強部材９がブレード４２の変形箇所４２ａに対して半径方向内側に向かう張力を加えるように、同調機構６を付勢している。図２２および図２３に示されるように、同調機構６は、複数の風車翼部４のアーム４１の他端にそれぞれ設けられた複数のアーム側歯車Ｇ１と、回転用ハブ３に設けられ、複数のアーム側歯車Ｇ１に噛み合う１つのハブ側歯車Ｇ２とを有している。連結部材８０の一端８０ａは、ハブ側歯車Ｇ２に、垂直軸Ｘと平行な軸周りに揺動可能に取り付けられ、連結部材８０の他端８０ｂは、補強部材９の他端９２に揺動可能に取り付けられている。

より具体的に説明すると、本実施形態では、図２２および図２３に示されるように、補強部材９はロッド状であり、支持部（フレーム）３１に設けられた孔を貫通して半径方向に移動可能となるように取付けられており、補強部材９の垂直軸Ｘ側の他端８０ｂにおいて、リンク棒（連結部材８０）とヒンジでハブ側歯車Ｇ２の上面に対して揺動可能となるように結合されている。リンク棒（連結部材８０）の一端８０ａはハブ側歯車Ｇ２から鉛直上方に突き出るように取付けられたピン（リーマボルト等）と揺動可能に結合されている。風車が高速回転状態になり、ブレード４２に所定の遠心力が加わると、補強部材９に大きな張力が作用する。補強部材９および変形箇所４２ａが付勢部材ＳＰの付勢力に抗して半径方向外側に変位したときに、補強部材９の変位によって連結部材８０を介して同調機構６が操作されて、ブレード４２がブレード４２の受風面積を減少させる方向にツイストする。より具体的には、ブレード４２に所定の遠心力が加わって、補強部材９および変形箇所４２ａが半径方向外側に変位したときに、連結部材８０の移動によりハブ側歯車Ｇ２が回転する。ハブ側歯車Ｇ２の回転によってアーム側歯車Ｇ１が回転し、ブレード４２がブレード４２の受風面積を減少させる方向にツイストする。

本実施形態では、回転数が比較的に小さい場合に、ブレード４２のツイストが起こらないようにするため、ハブ側歯車Ｇ２の側面と支持部（フレーム）３１の側面に取付部材（アイボルトなど）を設け、その２つの取付部材（アイボルトなど）の間に引っ張りバネ（付勢部材ＳＰ）を設置して予圧をかけている。

風速６０ｍ／ｓ程度の強風時において過回転を抑制するためには、ブレード４２の最大ツイスト角は２５°から３０°程度であれば十分である。図２２および図２３の例では、ハブ側歯車Ｇ２とアーム側歯車Ｇ１の歯数比は３：１であるため、ブレード４２の最大ツイスト角を３０°とした場合、ハブ側歯車Ｇ２の回転角度は１０°となる。風車の大きさや上限回転数によって、補強部材（ブレース）９および連結部材８０を介してハブ側歯車Ｇ２に作用する垂直軸Ｘまわりの回転モーメントは変化するが、所望する回転数において最大ツイスト角が実現するように、付勢部材ＳＰ（引っ張りバネあるいは圧縮バネなど）の比例定数や初期変位などを調節すればよい。

図２２および図２３の例では、ブレードが３０°のツイスト角状態となった場合においても、傾斜するブレード４２の根元部分およびブレード４２とアーム４１を接続する部材（図示せず）との干渉が起こらないように、補強部材（ブレース）９の支持部（フレーム）３１への設置位置を設定している。なお、アーム４１の中心に補強部材（ブレース）９を貫通させる孔をあけることが可能な場合には、補強部材９の設置位置はアーム４１の中心軸と一致させることも可能である。

なお、図２２および図２３の例において、図１０に示したように組立時にツイスト角を９０°の状態にする場合には、分割可能な補強部材を使用し、組立時に９０°に傾斜したブレード４２の根元部分およびブレード４２とアーム４１を接続する部材との干渉を一時的に回避し、ブレード４２の組立が終了し、ツイスト角を０°にした状態で、補強部材（ブレース）９を接続し所定の張力をかければ良い。

実施の形態４では、ブレード４２がツイストした場合に、補強部材９に捩じりが発生する。補強部材９が十分に長い場合は、弾性変形の範囲内において、前記捩じりを吸収可能である。もし、補強部材９の捩じりが弾性変形の範囲内において吸収されない場合には、補強部材９の端部も含めたいずれかの位置に、補強部材９の中心軸回りに回転可能な自在継手（図示せず）を挿入して、前記捩じりを回避することが可能である。

実施の形態４では、ブレード４２の自重あるいは補強部材９の自重により、補強部材９の一端９１が他端９２の位置に対して鉛直下向きに変位する。補強部材９の一端９１のブレード４２の変形箇所４２ａへの取付けは、回転軸Ｙの延長線上に近接している位置が理想的であるが、前記のブレード４２の自重あるいは補強部材９の自重による鉛直変位や、図２２および図２３の例で示すように、補強部材９の設置位置をアーム４１の中心軸（回転軸Ｙ）と一致させない場合は水平方向の変位も生じる。したがって、ブレード４２がツイストした場合に、補強部材９には撓みが発生する。補強部材９が十分に長い場合は、弾性変形の範囲内において、前記撓みを吸収可能である。もし、補強部材９の撓みが弾性変形の範囲内において吸収されない場合には、補強部材の端部も含めたいずれかの位置に、補強部材９の中心軸に対して偏向可能な自在継手（図示せず）を挿入して、前記撓みを回避することが可能である。

実施の形態４の揚力型垂直軸風車を用いれば、実施の形態２および３で必要とした錘部材７が不要になり、実施の形態１で必要とした初期ツイスト角の設定が無くても良い。また、本実施形態では、空気力に比べて遠心力の作用が大きいため、実施の形態１～３で必要とした翼取付位置の後縁方向への移動は必要が無いか、あるいは移動量を減らすことが可能になる。実施の形態４では、補強部材（ブレース）９は極少量（１０ｍｍ程度）半径方向外側に移動するが複雑な形状のガイド溝は必要とせず、また、アーム４１は半径方向に移動しない。したがって、風車の大きさが増しても過回転抑制機構の大きさはコンパクトになる。

１ 揚力型垂直軸風車（風車）
２ 基部
２１ 発電部
２２ 脚部
３ 回転用ハブ
３１ 支持部
３２ 付勢部材支持体
３２ａ 係止部
４ 風車翼部
４１ アーム
４１ａ 係合部（係合ピン）
４２ ブレード
４２ａ ブレードの変形箇所
５１ 位置決め部材
５２ 第２の位置決め部材
６ 同調機構
７ 錘部材
７１ 係止部
８、８０ 連結部材
８０ａ 連結部材の一端
８０ｂ 連結部材の他端
８１ 延出部（第１延出部）
８２ 第２延出部
８２ａ 長孔
８３ 連結部材側歯車
９ 補強部材
９１ 補強部材の一端
９２ 補強部材の他端
Ａｘ 揺動軸
Ｇ１ アーム側歯車
Ｇ２ ハブ側歯車
Ｇ２１ 軸部材
Ｇ３ 同調機構側歯車
Ｈａ 第１保持部
Ｈｂ 第２保持部
ＬＥ 前縁
ＳＰ 付勢部材（捩じりバネ／引っ張りバネ）
ＴＥ 後縁
Ｘ 垂直軸
Ｙ 回転軸

Claims (14)

1. 回転用ハブと、垂直軸周りに回転する複数の風車翼部を備えた揚力型垂直軸風車であって、
   前記複数の風車翼部のそれぞれは、前記回転用ハブに支持され、前記垂直軸に対して垂直な水平方向に延びるアームと、前記アームの一端に設けられたブレードとを有し、
   前記アームは、
   前記回転用ハブに前記水平方向に延びる回転軸周りに回転可能に支持され、前記ブレードの受風面積を減少させるように前記アームの前記回転軸周りにツイストするように設けられ、
   前記アームおよび前記ブレードは、前記アームが前記回転軸周りにツイストする際に、前記アームの前記回転軸の軸方向へ移動せず、
   前記揚力型垂直軸風車がさらに、
   前記複数の風車翼部のそれぞれの前記アームおよび前記ブレードのツイスト角が互いに等しくなるように、前記アームの前記回転軸周りの回転を互いに同調させる同調機構と、
   前記アームがツイストした際に、前記アームを前記ブレードの受風面積が大きくなる方向に向かって付勢する付勢部材と
   を備え、
   前記アームは、前記ブレードの前記垂直軸周りの回転時に前記ブレードおよび／またはアームに加わる空気力によって、前記回転軸周りにツイストするように構成され、
   前記ブレードの断面は、前縁が湾曲し後縁が尖った流線形であり、
   前記ブレードを前記アームの軸方向に見たときに、
   前記アームの前記回転軸が、前記アームの前記回転軸に対して等距離に位置する２つの空力中心点を結んだ線に対して、前記ブレードの後縁側に位置するように、前記アームが設けられている、揚力型垂直軸風車。
2. 前記アームは、前記ブレードがツイストしていない状態において前記垂直軸に平行な方向に扁平に形成されている、請求項１に記載の揚力型垂直軸風車。
3. 無風状態のときに対応する前記ブレードの初期位置が、前記２つの空力中心点を結んだ線が鉛直線に対して所定の初期ツイスト角で傾斜した状態となるように設定され、前記ブレードの初期位置において、前記ブレードは、前記付勢部材から所定の付勢力で予圧が加えられた状態で保持されている、請求項１または２に記載の揚力型垂直軸風車。
4. 前記ブレードが前記付勢部材によって付勢された状態で、前記所定の初期ツイスト角で傾斜した状態で保持されるように、前記ブレードの初期位置を画定する位置決め部材を有している、請求項３に記載の揚力型垂直軸風車。
5. 前記ブレードが、前記初期位置から前記ブレードの受風面積が減少した第２の位置までツイストした際に、前記ブレードのさらなるツイストを規制し、前記ブレードの最大ツイスト角を画定する第２の位置決め部材を有している、請求項４に記載の揚力型垂直軸風車。
6. 前記同調機構は、
   前記複数の風車翼部の前記アームの他端にそれぞれ設けられた複数のアーム側歯車と、
   前記回転用ハブに設けられ、前記複数のアーム側歯車に噛み合う１つのハブ側歯車と
   を有している、請求項１～５のいずれか１項に記載の揚力型垂直軸風車。
7. 前記付勢部材が前記同調機構の前記ハブ側歯車を付勢することにより、前記アームを間接的に付勢している、請求項６に記載の揚力型垂直軸風車。
8. 前記回転用ハブが、前記回転用ハブが回転し所定の遠心力が加わったときに前記回転用ハブに対して移動可能な錘部材を有し、
   前記錘部材は、前記同調機構に連結部材を介して連結され、
   前記付勢部材は、前記錘部材の遠心力による移動を抑制する方向に前記錘部材を直接または間接的に付勢するように構成され、
   前記ブレードの前記垂直軸周りの回転時に前記ブレードおよび／またはアームに加わる空気力によるツイストモーメントおよび前記遠心力による前記錘部材に加わる力が、前記付勢部材の付勢力に打ち勝って前記錘部材が移動したときに、前記錘部材の移動に連動する前記連結部材の動作によって前記同調機構が操作されて、前記ブレードが前記ブレードの受風面積を減少させる方向にツイストするように構成されている、請求項１～７のいずれか１項に記載の揚力型垂直軸風車。
9. 前記同調機構は、
   前記複数の風車翼部の前記アームの他端にそれぞれ設けられた複数のアーム側歯車と、
   前記回転用ハブに設けられ、前記複数のアーム側歯車に噛み合う１つのハブ側歯車と
   を有し、
   前記連結部材が前記回転用ハブに対して前記垂直軸に平行な軸周りに揺動可能に取り付けられ、
   前記連結部材が、前記連結部材の揺動軸から前記錘部材に向かって延びる第１延出部と、前記連結部材の前記揺動軸から前記ハブ側歯車に向かって延び、前記ハブ側歯車に取り付けられる第２延出部と
   を備え、
   前記第２延出部は、前記ハブ側歯車に取り付けられる端部に長孔を有し、
   前記ハブ側歯車は、前記長孔に挿入される軸部材を有し、
   前記錘部材が遠心力により移動し、前記第２延出部の端部が前記連結部材の揺動軸を中心に揺動したときに、前記軸部材が前記第２延出部の長孔の縁部から力を受けることによって前記ハブ側歯車が回転する、請求項８に記載の揚力型垂直軸風車。
10. 前記同調機構は、
    前記複数の風車翼部の前記アームの他端にそれぞれ設けられた複数のアーム側歯車と、
    前記回転用ハブに設けられ、前記複数のアーム側歯車に噛み合う１つのハブ側歯車と
    を有し、
    前記連結部材が前記回転用ハブに対して前記垂直軸に平行な軸周りに揺動可能に取り付けられ、
    前記連結部材が、前記連結部材の揺動軸から前記錘部材に向かって延びる延出部と、前記連結部材の揺動軸と同軸上に設けられた連結部材側歯車と
    を備え、
    前記同調機構が、
    前記連結部材側歯車と噛み合い、前記ハブ側歯車と同軸上に設けられた同調機構側歯車を備え、前記ハブ側歯車は、前記同調機構側歯車の回転に応じて回転するように構成され、
    前記錘部材が遠心力により移動し、前記連結部材が前記揺動軸を中心に揺動したときに、前記同調機構側歯車の回転によって、前記ハブ側歯車が回転する、請求項８に記載の揚力型垂直軸風車。
11. 回転用ハブと、垂直軸周りに回転する複数の風車翼部を備えた揚力型垂直軸風車であって、
    前記複数の風車翼部のそれぞれは、前記回転用ハブに支持され、前記垂直軸に対して垂直な水平方向に延びるアームと、前記アームの一端に設けられたブレードとを有し、
    前記アームは、
    前記回転用ハブに前記水平方向に延びる回転軸周りに回転可能に支持され、前記ブレードの受風面積を減少させるように前記アームの前記回転軸周りにツイストするように設けられ、
    前記アームおよび前記ブレードは、前記アームが前記回転軸周りにツイストする際に、前記アームの前記回転軸の軸方向へ移動せず、
    前記揚力型垂直軸風車がさらに、
    前記複数の風車翼部のそれぞれの前記アームおよび前記ブレードのツイスト角が互いに等しくなるように、前記アームの前記回転軸周りの回転を互いに同調させる同調機構と、
    前記アームがツイストした際に、前記アームを前記ブレードの受風面積が大きくなる方向に向かって付勢する付勢部材と
    を備え、
    前記ブレードの前記垂直軸周りの回転により前記ブレードに所定の遠心力が加わったときに前記ブレードの半径方向外側に最大変形が生じる前記ブレードの変形箇所と、前記同調機構との間に延びる補強部材をさらに有し、
    前記補強部材の一端は前記ブレードの前記変形箇所に接続され、前記補強部材の他端は前記同調機構に連結部材を介して接続され、
    前記付勢部材は、前記連結部材を介して、前記補強部材が前記ブレードの前記変形箇所に対して半径方向内側に向かう張力を加えるように、前記同調機構を付勢し、
    前記ブレードに所定の遠心力が加わり、前記補強部材および前記変形箇所が前記付勢部材の付勢力に抗して半径方向外側に変位したときに、前記補強部材の変位によって前記連結部材を介して前記同調機構が操作されて、前記ブレードが前記ブレードの受風面積を減少させる方向にツイストするように構成されている、揚力型垂直軸風車。
12. 前記同調機構は、
    前記複数の風車翼部の前記アームの他端にそれぞれ設けられた複数のアーム側歯車と、
    前記回転用ハブに設けられ、前記複数のアーム側歯車に噛み合う１つのハブ側歯車と
    を有し、
    前記連結部材の一端は、前記ハブ側歯車に、前記垂直軸と平行な軸周りに揺動可能に取り付けられ、前記連結部材の他端は、前記補強部材の他端に揺動可能に取り付けられ、
    前記ブレードに所定の遠心力が加わって、前記補強部材および前記変形箇所が半径方向外側に変位したときに、前記連結部材の移動により前記ハブ側歯車が回転し、
    前記ハブ側歯車の回転によって前記アーム側歯車が回転し、前記ブレードが前記ブレードの受風面積を減少させる方向にツイストする、請求項１１に記載の揚力型垂直軸風車。
13. 前記ブレードが前記付勢部材によって付勢された状態で、前記ブレードの受風面積が最大となる所定の初期ツイスト角で傾斜した状態で保持されるように、前記ブレードの初期位置を画定する位置決め部材を有している、請求項１１または１２に記載の揚力型垂直軸風車。
14. 前記ブレードが、前記初期位置から前記ブレードの受風面積が減少した第２の位置までツイストした際に、前記ブレードのさらなるツイストを規制し、前記ブレードの最大ツイスト角を画定する第２の位置決め部材を有している、請求項１３に記載の揚力型垂直軸風車。

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