JP7743049B2 - Blade manufacturing method and blade - Google Patents
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Description
特許法第３０条第２項適用 令和３年９月６日千葉大学（西千葉キャンパス）にて開催された日本機械学会 ２０２１年度 年次大会にて発表Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act is applicable. Presented at the 2021 Annual Meeting of the Japan Society of Mechanical Engineers, held at Chiba University (Nishi-Chiba Campus) on September 6, 2021.
本発明は、ブレードの製造方法及びブレードに関する。 The present invention relates to a blade manufacturing method and a blade.
一般的に、垂直軸風車としては、主にサボニウス形やパドル形等のようにブレードに作用する抗力によって風車を回転させる抗力形と、ダリウス形やジャイロミル形等のようにブレードに作用する揚力によって風車を回転させる揚力形とが知られている。 Vertical axis wind turbines are generally classified into two types: drag types, such as Savonius and paddle types, which rotate the turbine by the drag acting on the blades, and lift types, such as Darrieus and gyromill types, which rotate the turbine by the lift acting on the blades.
ところで、風車の発電量は、回転トルク×回転数で決定されるが、抗力形の垂直軸風車の場合、低風速時に回転することができるものの、風よりも早く回転することはできない。そのため、風速が上がったとしても、それ以上の回転数を得ることができないため、得られる電力は限られてしまうという問題があった。 The amount of electricity generated by a wind turbine is determined by the rotational torque multiplied by the rotational speed. In the case of drag-type vertical axis wind turbines, although they can rotate at low wind speeds, they cannot rotate faster than the wind. As a result, even if the wind speed increases, the rotational speed cannot be increased any further, which creates the problem of limited power generation.
また、揚力形の垂直軸風車の場合、高風速時に風速を超えて高速回転することができるため、大きな発電量を得ることができるものの、中風速～低風速では回転しないため、山間部や洋上などの極めて風況に恵まれた場所でないと使用することが出来ないという問題があった。 In addition, lift-type vertical axis wind turbines can rotate at high speeds exceeding the wind speed during high wind speeds, enabling them to generate large amounts of electricity, but they do not rotate at medium to low wind speeds, meaning they can only be used in places with extremely favorable wind conditions, such as mountainous regions or offshore.
そこで、このような問題を解決すべく、特許文献１に記載のような垂直軸風車が提案されている。この特許文献１に記載の垂直軸風車は、特別な機構等を設けることなく、設置角度を変更させるだけで、抗力形としても揚力形としても作動することができるものである。 To solve these problems, a vertical axis wind turbine such as that described in Patent Document 1 has been proposed. The vertical axis wind turbine described in Patent Document 1 can operate as either a drag type or a lift type simply by changing the installation angle, without the need for any special mechanisms.
しかしながら、上記のような垂直軸風車は、低風速時には抗力形として作動させ、高風速時には揚力形として作動させることにより広い風速範囲で風車を効率良く回転させることができるものの、まだ改善の余地があるという問題があった。 However, although vertical axis wind turbines such as those described above can rotate efficiently over a wide range of wind speeds by operating as a drag type at low wind speeds and as a lift type at high wind speeds, there is still a problem that there is room for improvement.
そこで、本発明は、上記問題に鑑み、風車をより効率的に回転させることができるブレードの製造方法及びブレードを提供することを目的としている。 In view of the above problems, the present invention aims to provide a blade manufacturing method and blades that can rotate wind turbines more efficiently.
上記本発明の目的は、以下の手段によって達成される。なお、括弧内は、後述する実施形態の参照符号を付したものであるが、本発明はこれに限定されるものではない。 The above-mentioned object of the present invention is achieved by the following means. Note that the reference symbols in parentheses are used to refer to embodiments described below, but the present invention is not limited to these.
請求項１に係るブレードの製造方法は、垂直に立設される垂直回転軸（２）を中心とする円周（Ｃ）上を回転するように、該垂直回転軸（２）に取り付けられた支持アーム（４）に取り付けられるブレード（３Ａ，３Ｂ）の製造方法であって、
勾玉状のブレードを基本ブレードとして、該基本ブレード（ブレード３）を前記支持アーム（４）に対して揚力型配置の角度と抗力型配置の角度との間の角度を前記支持アーム（４）に取り付ける取付角度（β）として設定し、
前記取付角度（β）において前記基本ブレード（ブレード３）の０°～３６０°のアジマス角（Ψ）における、前記基本ブレード（ブレード３）に発生させる空気力（Ｆ）の周方向成分（Ｆθ）が極大値となるアジマス角（Ψ）を算出し、
さらに前記空気力の周方向成分（Ｆθ）が極大値となる前記アジマス角（Ψ）において、前記基本ブレード（ブレード３）の断面形状を基本とし前記周方向成分（Ｆθ）が増大する断面形状を探索して得る前記ブレード（３Ａ，３Ｂ）を製造してなることを特徴としている。
請求項２に係るブレードの製造方法は、上記請求項１に記載のブレードの製造法において、前記支持アーム（４）に対して揚力型配置の角度は０°で、且つ、前記支持アームに対して抗力型配置の角度は９０°であることを特徴としている。
The method for manufacturing a blade according to claim 1 is a method for manufacturing blades (3A, 3B) attached to a support arm (4) attached to a vertical rotation shaft (2) that is installed vertically so as to rotate on a circumference (C) centered on the vertical rotation shaft (2), and includes the steps of:
A magatama-shaped blade is used as a basic blade, and an angle between the lift-type arrangement angle and the drag-type arrangement angle of the basic blade (blade 3) relative to the support arm (4) is set as an attachment angle (β) for attaching the basic blade to the support arm (4),
Calculating the azimuth angle (Ψ) at which the circumferential component (F θ ) of the aerodynamic force (F) generated on the basic blade (blade 3) becomes a maximum value in the azimuth angle (Ψ) of 0° to 360° of the basic blade (blade 3 ) at the mounting angle (β);
Furthermore, the blades (3A, 3B) are manufactured by searching for a cross-sectional shape that increases the circumferential component (F θ ) of the aerodynamic force at the azimuth angle (Ψ) where the circumferential component (F θ ) of the aerodynamic force is at its maximum value, based on the cross-sectional shape of the basic blade (blade 3).
The blade manufacturing method according to claim 2 is characterized in that in the blade manufacturing method according to claim 1, the angle of the lift type arrangement relative to the support arm (4) is 0°, and the angle of the drag type arrangement relative to the support arm is 90°.
請求項３に係るブレードの製造方法は、上記請求項１又は２に記載のブレードの製造方法において、前記基本ブレード（ブレード３）を前記支持アーム（４）に取り付ける際の取付角度（β）が、前記支持アーム（４）に対して５０°～７０°になるように設定し、
前記基本ブレード（ブレード３）に発生させる空気力（Ｆ）の周方向成分（Ｆθ）の極大値が、前記取付角度(β)における前記基本ブレード（ブレ―ド３）の０°～７０°の間のアジマス角（Ψ）、又は、前記取付角度（β）における前記基本ブレード（ブレード３）の１８０°～２７０°の間のアジマス角（Ψ）にあって、
前記極大値における前記アジマス角（Ψ）に基づいて、前記基本ブレード（ブレード３）から、前記周方向成分（Ｆθ）が増大する前記ブレード（３Ａ，３Ｂ）の断面形状を探索して得る前記ブレード（３Ａ，３Ｂ）を製造してなることを特徴としている。
A blade manufacturing method according to a third aspect of the present invention is the method of manufacturing a blade according to the first or second aspect, further comprising the step of: setting an attachment angle (β) when attaching the basic blade (blade 3) to the support arm (4) to be 50° to 70° with respect to the support arm (4);
The maximum value of the circumferential component (F θ ) of the aerodynamic force (F) generated on the basic blade (blade 3) is at an azimuth angle (Ψ) between 0° and 70° of the basic blade (blade 3) at the setting angle (β), or at an azimuth angle (Ψ) between 180° and 270° of the basic blade (blade 3) at the setting angle (β),
The blades (3A, 3B) are manufactured by searching for a cross-sectional shape of the blades (3A, 3B) from the basic blade (blade 3) that increases the circumferential component (F θ ) based on the azimuth angle (Ψ) at the maximum value.
請求項４に係るブレードは、垂直に立設される垂直回転軸（２）を中心とする円周（Ｃ）上を回転するように、該垂直回転軸（２）に取り付けられた支持アーム（４）に、設定された取付角度（β）およびアジマス角度（Ψ）により取り付けられるブレード（３Ａ，３Ｂ）であって、
前記取付角度（β）は、勾玉状のブレードを基本ブレードとして、該基本ブレード（３）を前記支持アーム（４）に取り付ける際の角度を揚力型配置の角度と抗力型配置の角度との間の角度に設定し、
アジマス角（Ψ）は、設定された前記取付角度（β）において前記基本ブレード（ブレード３）の０°～３６０°のアジマス角における、前記基本ブレード（ブレード３）に発生させる空気力の周方向成分（Ｆθ）が極大値となる角度であり、
さらに前記ブレード（３Ａ，３Ｂ）は、前記空気力の周方向成分（Ｆθ）が極大値となる前記アジマス角において、前記基本ブレード（ブレード３）の断面形状を基本とし前記周方向成分（Ｆθ）が増大となるように探索して得られた断面形状であることを特徴としている。
請求項５に係るブレードは、上記請求項４に記載のブレードにおいて、
前記ブレード（３Ａ）の断面形状は、
第１外方向（図４（ａ）では、左外方向）に向かって突出する円弧状に形成される前縁部（３０Ａ）と、
前記第１外方向（図４（ａ）では、左外方向）と逆方向の第２外方向（図４（ａ）では、右外方向）に向かって突出する円弧状に形成される後縁部（３１Ａ）と、
前記前縁部（３０Ａ）の一端部（上端部３０Ａａ）と前記後縁部（３１Ａ）の一端部（上端部３１Ａａ）とを繋ぐ第１側部（３２Ａ）と、
前記前縁部（３０Ａ）の他端部（下端部３０Ａｂ）と前記後縁部（３１Ａ）の他端部（下端部３１Ａｂ）とを繋ぐ第２側部（３３Ａ）と、を有し、
前記前縁部（３０Ａ）の円弧は、前記後縁部（３１Ａ）の円弧よりも径大に形成され、
前記後縁部（３１Ａ）の円弧は、鉤型形状に形成され、
前記第１側部（３２Ａ）は、前記前縁部（３０Ａ）の一端部（上端部３０Ａａ）と前記後縁部（３１Ａ）の一端部（上端部３１Ａａ）とを繋ぐ際、円弧状となるように繋がれ、さらに、前記前縁部（３０Ａ）の一端部（上端部３０Ａａ）とは、凹段部（３２Ａａ1）が形成されるように繋がれ、
前記第２側部（３３Ａ）は、前記前縁部（３０Ａ）の他端部（下端部３０Ａｂ）と前記後縁部（３１Ａ）の他端部（下端部３１Ａｂ）とを繋ぐ際、円弧状となるように繋がれ、さらに、前記前縁部（３０Ａ）の他端部（下端部３０Ａｂ）とは、凹段部（３３Ａａ１）が形成されるように繋がれてなることを特徴としている。
The blade according to claim 4 is a blade (3A, 3B) attached to a support arm (4) attached to a vertical rotation shaft (2) that is erected vertically, at a set attachment angle (β) and azimuth angle (Ψ) so as to rotate on a circumference (C) centered on the vertical rotation shaft (2),
The mounting angle (β) is set at an angle between the angle of the lift type arrangement and the angle of the drag type arrangement when the basic blade (3) is mounted on the support arm (4) using a magatama -shaped blade as the basic blade,
The azimuth angle (Ψ) is the angle at which the circumferential component (F θ ) of the aerodynamic force generated on the basic blade (blade 3) becomes maximum at an azimuth angle of 0° to 360° of the basic blade (blade 3) at the set mounting angle ( β ),
Furthermore, the blades (3A, 3B) are characterized by having a cross-sectional shape obtained by searching for a cross-sectional shape of the basic blade (blade 3) that increases the circumferential component (F θ ) of the aerodynamic force at the azimuth angle where the circumferential component (F θ ) is at its maximum value.
A blade according to claim 5 is the blade according to claim 4,
The cross-sectional shape of the blade (3A) is
a front edge portion (30A) formed in an arc shape protruding in a first outward direction (left outward direction in FIG. 4( a));
a rear edge portion (31A) formed in an arc shape protruding in a second outer direction (right outer direction in FIG. 4(a)) opposite to the first outer direction (left outer direction in FIG. 4(a));
a first side portion (32A) connecting one end (upper end portion 30Aa) of the front edge portion (30A) and one end (upper end portion 31Aa) of the rear edge portion (31A);
a second side portion (33A) connecting the other end (lower end portion 30Ab) of the front edge portion (30A) and the other end (lower end portion 31Ab) of the rear edge portion (31A);
The arc of the leading edge portion (30A) is formed to have a larger diameter than the arc of the trailing edge portion (31A),
The arc of the rear edge portion (31A) is formed in a hook shape,
the first side portion (32A) is connected to one end (upper end 30Aa) of the front edge portion (30A) and one end (upper end 31Aa) of the rear edge portion (31A) so as to form an arc shape when connecting the first side portion (32A) and the one end (upper end 30Aa) of the front edge portion (30A) so as to form a recessed step portion (32Aa1);
The second side portion (33A) is characterized in that when connecting the other end (lower end 30Ab) of the leading edge portion (30A) and the other end (lower end 31Ab) of the trailing edge portion (31A), the connection is made in an arc shape, and further, the second side portion (33A) is connected to the other end (lower end 30Ab) of the leading edge portion (30A) so as to form a concave step portion (33Aa1).
請求項６に係るブレードは、上記請求項４に記載のブレードにおいて、
前記ブレード（３Ｂ）の断面形状は、
第１外方向（図４（ｂ）では、左外方向）に向かって突出する円弧状に形成される前縁部（３０Ｂ）と、
前記第１外方向（図４（ｂ）では、左外方向）と逆方向の第２外方向（図４（ｂ）では、右外方向）に向かって突出する円弧状に形成される後縁部（３１Ｂ）と、
前記前縁部（３０Ｂ）の一端部（上端部３０Ｂａ）と前記後縁部（３１Ｂ）の一端部（上端部３１Ｂａ）とを繋ぐ第１側部（３２Ｂ）と、
前記前縁部（３０Ｂ）の他端部（下端部３０Ｂｂ）と前記後縁部（３１Ｂ）の他端部（下端部３１Ｂｂ）とを繋ぐ第２側部（３３Ｂ）と、を有し、
前記前縁部（３０Ｂ）の円弧は、前記後縁部（３１Ｂ）の円弧よりも径大に形成され、
前記第１側部（３２Ｂ）は、前記前縁部（３０Ｂ）の一端部（上端部３０Ｂａ）と前記後縁部（３１Ｂ）の一端部（上端部３１Ｂａ）とを繋ぐ際、円弧状となるように繋がれ、
前記第２側部（３３Ｂ）は、前記前縁部（３０Ｂ）の他端部（下端部３０Ｂｂ）と前記後縁部（３１Ｂ）の他端部（下端部３１Ｂｂ）とを繋ぐ際、円弧状となるように繋がれ、さらに、前記前縁部（３０Ｂ）の他端部（下端部３０Ｂｂ）とは、凹段部（３３Ｂａ１）及び凸段部（３３Ｂａ２）が連続して形成されるように繋がれてなることを特徴としている。
A blade according to a sixth aspect of the present invention is the blade according to the fourth aspect of the present invention,
The cross-sectional shape of the blade (3B) is
a front edge portion (30B) formed in an arc shape protruding in a first outward direction (left outward direction in FIG. 4(b));
a rear edge portion (31B) formed in an arc shape protruding in a second outer direction (right outer direction in FIG. 4(b)) opposite to the first outer direction (left outer direction in FIG. 4(b));
a first side portion (32B) connecting one end (upper end portion 30Ba) of the front edge portion (30B) and one end (upper end portion 31Ba) of the rear edge portion (31B);
a second side portion (33B) connecting the other end (lower end portion 30Bb) of the front edge portion (30B) and the other end (lower end portion 31Bb) of the rear edge portion (31B);
The arc of the leading edge portion (30B) is formed to have a larger diameter than the arc of the trailing edge portion (31B),
The first side portion (32B) is connected to one end (upper end 30Ba) of the front edge portion (30B) and one end (upper end 31Ba) of the rear edge portion (31B) so as to form an arc shape when connecting them,
The second side portion (33B) is characterized in that when connecting the other end (lower end 30Bb) of the leading edge portion (30B) and the other end (lower end 31Bb) of the trailing edge portion (31B), the second side portion (33B) is connected in an arc shape, and further, is connected to the other end (lower end 30Bb) of the leading edge portion (30B) so that a concave step portion (33Ba1) and a convex step portion (33Ba2) are continuously formed.
次に、本発明の効果について、図面の参照符号を付して説明する。なお、括弧内は、後述する実施形態の参照符号を付したものであるが、本発明はこれに限定されるものではない。 Next, the effects of the present invention will be explained using reference numbers in the drawings. Note that the reference numbers in parentheses are those of the embodiments described below, but the present invention is not limited to these.
請求項１，４に係る発明によれば、基本となる基本ブレード（ブレード３）を支持アーム（４）に取り付ける際の取付角度(β)が、支持アーム（４）に対して揚力型配置の角度と抗力型配置の角度との間の角度となるように設定し、取付角度（β）における基本ブレード（ブレード３）の０°～３６０°のアジマス角（Ψ）における、基本ブレード（ブレード３）に発生させる空気力（Ｆ）の周方向成分（Ｆθ）が極大値となるアジマス角（Ψ）を算出し、さらに空気力の周方向成分（Ｆθ）が極大値となるアジマス角（Ψ）において、基本ブレード（ブレード３）の断面形状を基本とし周方向成分（Ｆθ）が増大する断面形状を探索して得るブレード（３Ａ，３Ｂ）を製造するようにしている。これにより、周方向成分（Ｆθ）が増大するブレード（３Ａ，３Ｂ）を製造することができることとなる。 According to the inventions of claims 1 and 4, the attachment angle (β) when attaching the basic blade (blade 3) to the support arm (4) is set to be an angle between the angle for lift-type arrangement and the angle for drag-type arrangement with respect to the support arm (4), the azimuth angle (Ψ) at which the circumferential component (F θ ) of the aerodynamic force (F) generated on the basic blade (blade 3) is maximized for an azimuth angle (Ψ) of 0° to 360° of the basic blade (blade 3 ) at the attachment angle (β) is calculated, and a cross-sectional shape is manufactured by searching for an increase in the circumferential component (F θ ) of the aerodynamic force based on the cross-sectional shape of the basic blade (blade 3) at the azimuth angle (Ψ) at which the circumferential component (F θ ) of the aerodynamic force is maximized. This makes it possible to manufacture blades (3A, 3B) with an increased circumferential component (F θ).
しかして、本発明によれば、高性能な垂直軸風車が実現できることとなり、もって、風車をより効率的に回転させることができる。 As a result, the present invention makes it possible to realize a high-performance vertical axis wind turbine, thereby allowing the wind turbine to rotate more efficiently.
また、このような作用効果を実現するにあたっては、請求項２に係る発明のように、支持アーム（４）に対して揚力型配置の角度は０°で、且つ、支持アームに対して抗力型配置の角度は９０°であることが好ましい。また、請求項３に係る発明のように、基本ブレード（ブレード３）を支持アーム（４）に取り付ける際の取付角度（β）を、支持アーム（４）に対して５０°～７０°になるように設定し、基本ブレード（ブレード３）に発生させる空気力（Ｆ）の周方向成分（Ｆθ）の極大値が、取付角度(β)における基本ブレード（ブレ―ド３）の０°～７０°の間のアジマス角（Ψ）、又は、取付角度（β）における基本ブレード（ブレード３）の１８０°～２７０°の間のアジマス角（Ψ）にあって、極大値におけるアジマス角（Ψ）に基づいて、基本ブレード（ブレード３）から、周方向成分（Ｆθ）が増大するブレード（３Ａ，３Ｂ）の断面形状を探索して得るブレード（３Ａ，３Ｂ）を製造するのが好ましい。このようにすれば、より周方向成分（Ｆθ）が増大するブレード（３Ａ，３Ｂ）を製造することができる。 Furthermore, in order to achieve such an effect, it is preferable that the angle of the lift type arrangement relative to the support arm (4) is 0° and the angle of the drag type arrangement relative to the support arm is 90°, as in the invention of claim 2. Furthermore, as in the invention of claim 3, it is preferable to set the mounting angle (β) when mounting the basic blade (blade 3) to the support arm (4) to be 50° to 70° with respect to the support arm (4), and to manufacture the blades (3A, 3B) obtained by searching for a cross-sectional shape of the blades (3A, 3B) that increases the circumferential component (F θ ) of the aerodynamic force (F) generated on the basic blade (blade 3) based on the azimuth angle (Ψ) at the maximum value, where the azimuth angle (Ψ) is between 0° and 70° of the basic blade (blade 3) at the mounting angle ( β ), or between 180° and 270° of the basic blade (blade 3) at the mounting angle (β). In this way, it is possible to manufacture blades (3A, 3B) that have an even greater increase in the circumferential component (F θ ).
また、風車をより効率的に回転させることができる請求項５に記載のようなブレード（３Ａ）や請求項６に記載のようなブレード（３Ｂ）を製造することができる。 Furthermore, it is possible to manufacture a blade (3A) as recited in claim 5 and a blade (3B) as recited in claim 6 , which can rotate a wind turbine more efficiently.
以下、本発明に係るブレードの製造方法の一実施形態を、図面を参照して具体的に説明する。なお、以下の説明において、上下左右の方向を示す場合は、図示正面から見た場合の上下左右をいうものとする。 One embodiment of the blade manufacturing method according to the present invention will now be described in detail with reference to the drawings. Note that in the following description, when referring to up, down, left, and right directions, these refer to up, down, left, and right when viewed from the front of the illustration.
本実施形態におけるブレードの製造方法において製造されるブレードは、図１に示すような垂直軸風車１に使用される。この垂直軸風車１は、風向に対して垂直に立設される垂直回転軸２に勾玉状のブレード３が、垂直回転軸２から放射状に延設する支持アーム４を介して設けられたものである。この垂直軸風車１は、風を受けると、ブレード３に作用する抗力によって、支持アーム４が垂直回転軸２を中心とする円周Ｃ上を回転することとなる。 The blades manufactured using the blade manufacturing method of this embodiment are used in a vertical axis wind turbine 1 as shown in Figure 1. This vertical axis wind turbine 1 has magatama-shaped blades 3 attached to a vertical rotation shaft 2 that is erected perpendicular to the wind direction, via support arms 4 that extend radially from the vertical rotation shaft 2. When this vertical axis wind turbine 1 receives wind, the resistance acting on the blades 3 causes the support arms 4 to rotate on a circumference C centered on the vertical rotation shaft 2.
ところで、垂直回転軸２は、下端が発電機（図示せず）に連結されており、風力によって得られるブレード３の回転力が、支持アーム４を介して垂直回転軸２へと伝達されるようになっている。この支持アーム４の一端には、ブレード３が取り付けられており、支持アーム４の他端は円盤状の固定具５によって垂直回転軸２に固定されている。 The lower end of the vertical rotation shaft 2 is connected to a generator (not shown), and the rotational force of the blades 3 obtained by wind power is transmitted to the vertical rotation shaft 2 via the support arm 4. The blades 3 are attached to one end of the support arm 4, and the other end of the support arm 4 is fixed to the vertical rotation shaft 2 by a disk-shaped fixture 5.
ところで、垂直軸風車１は、上記説明したように、垂直回転軸２に作用する回転トルクによって回転することとなるが、垂直軸風車１側から見ると、垂直回転軸２の外周部に作用する周方向の力ＦＴがこの回転トルクを構成する力となる。一方、風の側から見ると、ブレード３に発生する空気力Ｆの周方向成分Ｆθが、垂直回転軸２の回転に寄与することとなる。してみると、周方向成分Ｆθが増大するようなブレードは、大きなＦＴを垂直回転軸２にもたらすこととなるため、もって、高性能な垂直軸風車１が実現、すなわち、風車をより効率的に回転させることができることとなる。 As explained above, the vertical axis wind turbine 1 is rotated by the rotational torque acting on the vertical rotation shaft 2, but when viewed from the vertical axis wind turbine 1 side, the circumferential force F T acting on the outer periphery of the vertical rotation shaft 2 constitutes this rotational torque. On the other hand, when viewed from the wind side, the circumferential component F θ of the aerodynamic force F generated on the blades 3 contributes to the rotation of the vertical rotation shaft 2. In this sense, blades with an increased circumferential component F θ bring about a large F T on the vertical rotation shaft 2, thereby realizing a high-performance vertical axis wind turbine 1, that is, the wind turbine can be rotated more efficiently.
そこで、本発明者は、その点に着目し、周方向成分Ｆθが増大するようなブレードを製造する方法を考えるに至った。以下、この点について詳しく説明することとする。 Therefore, the present inventors have focused on this point and have come up with a method for manufacturing a blade that increases the circumferential component F θ . This point will be explained in detail below.
（１）まず、周方向成分Ｆθが増大するブレードを製造するにあたって、図１に示すブレード３を支持アーム４に取り付ける際の取付角度βが、支持アーム４に対して０°～９０°になるように設定した。これは、特許文献１に示すように、ブレード３を支持アーム４に取り付ける際の取付角度βを０°（図２（ａ－１）参照）とすると、揚力形の配置となり、取付角度βを９０°（図２（ａ－２）参照）とすると、抗力形の配置となるため、何れでも作動できるように、取付角度βを、支持アーム４に対して０°～９０°になるように設定した。 (1) First, in manufacturing a blade with an increasing circumferential component F θ , the mounting angle β of the blade 3 shown in FIG. 1 when attached to the support arm 4 was set to be 0° to 90° with respect to the support arm 4. This is because, as shown in Patent Document 1, when the mounting angle β when attaching the blade 3 to the support arm 4 is 0° (see FIG. 2(a-1)), a lift-type arrangement is achieved, and when the mounting angle β is 90° (see FIG. 2(a-2)), a drag-type arrangement is achieved. Therefore, the mounting angle β was set to be 0° to 90° with respect to the support arm 4 so that the blade can operate in either case.
（２）次いで、取付角度βにおけるブレード３の０°～３６０°のアジマス角における、ブレード３に発生させる空気力Ｆの周方向成分Ｆθを無次元化したＣＦθの極大値を算出した。なお、本実施形態においては、図２（ｂ）に示すように、反時計回りする垂直軸風車１の図示左側を風上としている。そのため、アジマス角Ψ、０°≦Ψ≦１８０°の範囲が、風上方向にブレード３が進行する戻り側となり、１８０°≦Ψ≦３６０°の範囲が、逆方向の進み側となる。 (2) Next, the maximum value of C Fθ , which is the dimensionless representation of the circumferential component F θ of the aerodynamic force F generated on the blade 3 at the blade mounting angle β in the azimuth angles of 0° to 360°, was calculated. In this embodiment, as shown in Fig. 2(b), the left side of the vertical axis wind turbine 1 rotating counterclockwise is the upwind side. Therefore, the range of azimuth angle Ψ, 0°≦Ψ≦180°, is the return side where the blade 3 advances in the upwind direction, and the range of 180°≦Ψ≦360° is the advance side in the opposite direction.
（３）次いで、算出した極大値におけるアジマス角Ψに基づいて、周方向成分Ｆθが増大するブレードの断面形状を、遺伝的アルゴリズムを用いて探索した。すなわち、勾玉状のブレード３の断面形状を基本とし、そこから、遺伝的アルゴリズムを用いて、算出した極大値におけるアジマス角Ψに基づいて、周方向成分Ｆθが増大するブレードの断面形状を探索するようにした。なお、本実施形態においては、粘性を考慮した流れの数値解析により周方向成分Ｆθを求めている。 (3) Next, a genetic algorithm was used to search for a blade cross-sectional shape that increases the circumferential component F θ based on the calculated azimuth angle Ψ at the maximum value. That is, starting from the magatama-shaped cross-sectional shape of the blade 3, a genetic algorithm was used to search for a blade cross-sectional shape that increases the circumferential component F θ based on the calculated azimuth angle Ψ at the maximum value. In this embodiment, the circumferential component F θ is determined by numerical analysis of the flow taking viscosity into consideration.
ところで、周方向成分Ｆθが増大するブレードの断面形状は、アジマス角Ψにより異なるものと考えられる。その一方で、ブレードの断面形状は、アジマス角Ψによらず単一に固定する必要がある。そのため、遺伝的アルゴリズムによる検討を実施する図１に示すブレード３のアジマス角Ψの位置を予め選定しておく必要がある。アジマス角Ψの位置の選定基準は、その位置における周方向成分Ｆθを無次元化したＣＦθそのものや、ＣＦθのアジマス角Ψ方向変化率等、様々考えられるが、本実施形態においては、周方向成分Ｆθを無次元化したＣＦθが極大値となるアジマス角Ψを選定した。 The cross-sectional shape of the blade at which the circumferential component F θ increases is thought to vary depending on the azimuth angle Ψ. On the other hand, the cross-sectional shape of the blade needs to be fixed to a single value regardless of the azimuth angle Ψ. Therefore, the position of the azimuth angle Ψ of the blade 3 shown in FIG. 1 where the genetic algorithm is used for the study needs to be selected in advance. There are various possible criteria for selecting the position of the azimuth angle Ψ, such as C Fθ itself, which is the dimensionless version of the circumferential component F θ at that position, or the rate of change of C Fθ in the azimuth angle Ψ direction. In this embodiment, the azimuth angle Ψ was selected at which C Fθ , the dimensionless version of the circumferential component F θ , reaches a maximum value.
かくして、上記（１）～（３）の工程を経て、周方向成分Ｆθが増大するブレードを製造することができることとなる。これにより、高性能な垂直軸風車１が実現できることとなり、もって、垂直軸風車１をより効率的に回転させることができることとなる。また、周方向成分Ｆθを求めるにあたり、粘性を考慮した流れの数値解析を用いることにより、ブレードが発生する空気力Ｆの周方向成分Ｆθの計算精度が向上し、もって、より高性能な垂直軸風車１を実現できることとなる。これにより、垂直軸風車１をさらに効率的に回転させることができる。 Thus, through the above steps (1) to (3), it is possible to manufacture blades with an increased circumferential component F θ . This makes it possible to realize a high-performance vertical axis wind turbine 1, which in turn makes it possible to rotate the vertical axis wind turbine 1 more efficiently. Furthermore, by using a numerical analysis of the flow that takes viscosity into consideration when calculating the circumferential component F θ , the calculation accuracy of the circumferential component F θ of the aerodynamic force F generated by the blades improves, which makes it possible to realize a higher-performance vertical axis wind turbine 1. This makes it possible to rotate the vertical axis wind turbine 1 even more efficiently.
ここで、より理解しやすくするため、具体例を用いて、上記（１）～（３）の工程を説明することとする。 Here, to make it easier to understand, we will explain steps (1) to (3) above using specific examples.
まず、周方向成分Ｆθが増大するブレードを製造するにあたって、図１に示すブレード３を支持アーム４に取り付ける際の取付角度βを、５０°、６０°、７０°に設定した。そして、取付角度β（５０°、６０°、７０°）におけるブレード３の０°～３６０°のアジマス角Ψにおける、ブレード３に発生させる空気力Ｆの周方向成分Ｆθを無次元化したＣＦθを算出した。その結果が、図３に示すものである。図３に示すように、取付角度β（５０°）においては、ＣＦθが負となるのは、図２（ｂ）に示す戻り側の一部である７０°≦Ψ≦１７０°のおよそ１００°の狭い範囲に限られる。それ以外のおよそ２６０°の範囲では、ＣＦθが正となり、垂直回転軸２を反時計回りに回転させる推進力が発生している。中でも、戻り側入り口のΨ＝４１°と進み側入り口のΨ＝２１１°の２箇所にて、ＣＦθが極大値となっている。また、図３に示すように、取付角度β（６０°）においては、ＣＦθが負となるのは、図２（ｂ）に示す戻り側の一部である７０°≦Ψ≦１６０°のおよそ９０°の狭い範囲に限られる。それ以外のおよそ２７０°の範囲では、ＣＦθが正となり、垂直回転軸２を反時計回りに回転させる推進力が発生している。中でも、戻り側入り口のΨ＝２１°と進み側入り口のΨ＝２１１°の２箇所にて、ＣＦθが極大値となっている。さらに、図３に示すように、取付角度β（７０°）においては、ＣＦθが負となるのは、図２（ｂ）に示す戻り側の一部である３０°≦Ψ≦４０°，６０°≦Ψ≦１５０°のおよそ１００°の狭い範囲に限られる。それ以外のおよそ２６０°の範囲では、ＣＦθが正となり、垂直回転軸２を反時計回りに回転させる推進力が発生している。中でも、戻り側入り口のΨ＝５５°と進み側入り口のΨ＝２１１°の２箇所にて、ＣＦθが極大値となっている。 First, in manufacturing a blade with an increasing circumferential component F θ , the mounting angle β of the blade 3 shown in FIG. 1 when attached to the support arm 4 was set to 50°, 60°, and 70°. Then, C Fθ, which is a dimensionless representation of the circumferential component F θ of the aerodynamic force F generated on the blade 3 at an azimuth angle Ψ of 0° to 360° of the blade 3 at the mounting angle β (50°, 60°, 70°), was calculated. The results are shown in FIG. 3. As shown in FIG. 3, at the mounting angle β (50°), C Fθ becomes negative only in a narrow range of approximately 100°, 70°≦Ψ≦170°, which is part of the return side shown in FIG. 2(b). In the remaining range of approximately 260°, C Fθ becomes positive, and a thrust force that rotates the vertical rotation shaft 2 counterclockwise is generated. In particular, C Fθ has maximum values at two locations: Ψ = 41° at the return-side entrance and Ψ = 211° at the advance-side entrance. Furthermore, as shown in FIG. 3 , at the mounting angle β (60°), C Fθ is negative only in a narrow range of approximately 90°, i.e., 70° ≦ Ψ ≦ 160°, which is a portion of the return side shown in FIG. 2( b). In the remaining range of approximately 270°, C Fθ is positive, generating a thrust force that rotates the vertical rotation shaft 2 counterclockwise. In particular, C Fθ has maximum values at two locations: Ψ = 21° at the return-side entrance and Ψ = 211° at the advance-side entrance. Furthermore, as shown in FIG. 3 , at the mounting angle β (70°), C Fθ is negative only in a narrow range of approximately 100°, i.e., 30° ≦ Ψ ≦ 40° and 60° ≦ Ψ ≦ 150°, which is a portion of the return side shown in FIG. 2( b). Within the remaining range of approximately 260°, C Fθ is positive, generating a driving force that rotates the vertical rotation shaft 2 counterclockwise. In particular, C Fθ reaches its maximum value at two points: Ψ = 55° at the return side entrance and Ψ = 211° at the advance side entrance.
かくして、取付角度β（５０°～７０°）に対して、ＣＦθの極大値は、アジマス角Ψ０°～７０°の間、アジマス角Ψ１８０°～２７０°の間にあることとなる。 Thus, for the mounting angle β (50° to 70°), the maximum value of C Fθ is between the azimuth angle Ψ of 0° to 70° and between the azimuth angle Ψ of 180° to 270°.
ところで、図３に示す極大値のうち、取付角度β（５０°）では、ポイントＸとポイントＹにて、取付角度β（６０°）と比較して、極大値が低くなっている。また、取付角度β（７０°）では、取付角度β（６０°）と比較して、ポイントＹにおける極大値は大きいものの、ポイントＸにおける極大値は低くなっている。そのため、結果として、取付角度β（６０°）が最適と考えられる。 Of the maximum values shown in Figure 3, at mounting angle β (50°), the maximum values are lower at points X and Y compared to mounting angle β (60°). Furthermore, at mounting angle β (70°), the maximum value at point Y is larger than at mounting angle β (60°), but the maximum value at point X is lower. Consequently, mounting angle β (60°) is considered optimal.
そこで、本実施形態においては、取付角度β（６０°）における極大値におけるアジマス角Ψ＝２１°と、アジマス角Ψ＝２１１°を選定することとした。 Therefore, in this embodiment, we selected azimuth angles Ψ = 21° and Ψ = 211° at the maximum values for the mounting angle β (60°).
次いで、図１に示すブレード３の断面形状を基本とし、そこから、遺伝的アルゴリズムを用いて、アジマス角Ψ＝２１°に基づいて、周方向成分Ｆθが増大するブレードの断面形状を探索した。この際、本実施形態においては、粘性を考慮した流れの数値解析により周方向成分Ｆθを求めた。 Next, using the cross-sectional shape of the blade 3 shown in Figure 1 as a base, a genetic algorithm was used to search for a cross-sectional shape of the blade that would increase the circumferential component Fθ based on an azimuth angle Ψ = 21°. In this embodiment, the circumferential component Fθ was found by numerical analysis of the flow taking viscosity into consideration.
かくして、上記探索の結果、図４（ａ）に示すブレード３Ａの断面形状を得た。また、図１に示すブレード３の断面形状を基本とし、そこから、遺伝的アルゴリズムを用いて、アジマス角Ψ＝２１１°に基づいて、周方向成分Ｆθが増大するブレードの断面形状を探索した。この際、本実施形態においては、粘性を考慮した流れの数値解析により周方向成分Ｆθを求めた。 As a result of the above search, the cross-sectional shape of blade 3A shown in Figure 4(a) was obtained. Furthermore, using the cross-sectional shape of blade 3 shown in Figure 1 as a base, a genetic algorithm was used to search for a blade cross-sectional shape that increases the circumferential component Fθ based on the azimuth angle Ψ = 211°. In this embodiment, the circumferential component Fθ was determined by numerical analysis of the flow taking viscosity into consideration.
かくして、上記探索の結果、図４（ｂ）に示すブレード３Ｂの断面形状を得た。なお、以下では、ブレード３ＡをＭＴ－Ｃ、ブレード３ＢをＭＴ－Ｄと呼ぶことがある。 As a result of the above search, the cross-sectional shape of blade 3B shown in Figure 4(b) was obtained. Note that hereinafter, blade 3A may be referred to as MT-C, and blade 3B as MT-D.
ブレード３Ａは、図４（ａ）に示すように、前縁部３０Ａと、後縁部３１Ａと、上側部３２Ａと、下側部３３Ａと、で構成されている。前縁部３０Ａは、図４（ａ）に示すように、図示左外方向に向かって突出する円弧状に形成されている。また、後縁部３１Ａは、図４（ａ）に示すように、図示右外方向に向かって突出する円弧状に形成されている。この後縁部３１Ａの円弧状は、図４（ａ）に示すように、前縁部３０Ａの円弧状よりも径小に形成され、鉤型形状に形成されている。 As shown in FIG. 4(a), the blade 3A is composed of a leading edge 30A, a trailing edge 31A, an upper portion 32A, and a lower portion 33A. As shown in FIG. 4(a), the leading edge 30A is formed in an arc shape that protrudes outward to the left in the figure. As shown in FIG. 4(a), the trailing edge 31A is formed in an arc shape that protrudes outward to the right in the figure. As shown in FIG. 4(a), the arc shape of the trailing edge 31A is formed with a smaller diameter than the arc shape of the leading edge 30A, and is formed in a hook shape.
一方、上側部３２Ａは、図４（ａ）に示すように、前縁部３０Ａの上端部３０Ａａと後縁部３１Ａの上端部３１Ａａとを繋ぐ役割を担い、円弧状に形成されている。また、前縁部３０Ａの上端部３０Ａａと上側部３２Ａの左端部３２Ａａを繋ぐにあたって、凹段部３２Ａａ１が形成されるように繋がれている。 On the other hand, as shown in FIG. 4(a), the upper portion 32A is formed in an arc shape and serves to connect the upper end 30Aa of the leading edge 30A and the upper end 31Aa of the trailing edge 31A. Furthermore, when connecting the upper end 30Aa of the leading edge 30A and the left end 32Aa of the upper portion 32A, a recessed step 32Aa1 is formed.
一方、下側部３３Ａは、図４（ａ）に示すように、前縁部３０Ａの下端部３０Ａｂと後縁部３１Ａの下端部３１Ａｂとを繋ぐ役割を担い、上側部３２Ａと平行となるように、円弧状に形成されている。また、前縁部３０Ａの下端部３０Ａｂと下側部３３Ａの左端部３３Ａａを繋ぐにあたって、凹段部３３Ａａ１が形成されるように繋がれている。 4A, the lower portion 33A serves to connect the lower end 30Ab of the leading edge 30A and the lower end 31Ab of the trailing edge 31A, and is formed in an arc shape so as to be parallel to the upper portion 32A. In addition, the lower end 30Ab of the leading edge 30A and the left end 33Aa of the lower portion 33A are connected so as to form a recessed step 33Aa1.
ブレード３Ｂは、図４（ｂ）に示すように、前縁部３０Ｂと、後縁部３１Ｂと、上側部３２Ｂと、下側部３３Ｂと、で構成されている。前縁部３０Ｂは、図４（ｂ）に示すように、図示左外方向に向かって突出する円弧状に形成されている。また、後縁部３１Ｂは、図４（ｂ）に示すように、図示右外方向に向かって突出する円弧状に形成されている。この後縁部３１Ａの円弧状は、図４（ｂ）に示すように、前縁部３０Ａの円弧状よりも径小に形成されている。 As shown in FIG. 4(b), blade 3B is composed of a leading edge portion 30B, a trailing edge portion 31B, an upper portion 32B, and a lower portion 33B. As shown in FIG. 4(b), leading edge portion 30B is formed in an arc shape that protrudes outward to the left in the figure. Also, as shown in FIG. 4(b), trailing edge portion 31B is formed in an arc shape that protrudes outward to the right in the figure. As shown in FIG. 4(b), the arc shape of this trailing edge portion 31A is formed with a smaller diameter than the arc shape of leading edge portion 30A.
一方、上側部３２Ｂは、図４（ｂ）に示すように、前縁部３０Ｂの上端部３０Ｂａと後縁部３１Ｂの上端部３１Ｂａとを繋ぐ役割を担い、円弧状に形成されている。 On the other hand, as shown in Figure 4(b), the upper side portion 32B serves to connect the upper end portion 30Ba of the leading edge portion 30B and the upper end portion 31Ba of the trailing edge portion 31B, and is formed in an arc shape.
また一方、下側部３３Ｂは、図４（ｂ）に示すように、前縁部３０Ｂの下端部３０Ｂｂと後縁部３１Ｂの下端部３１Ｂｂとを繋ぐ役割を担い、上側部３２Ｂと平行となるように、円弧状に形成されている。また、前縁部３０Ｂの下端部３０Ｂｂと下側部３３Ｂの左端部３３Ｂａを繋ぐにあたって、凹段部３３Ｂａ１及び凸段部３３Ｂａ２が連続して形成されるように繋がれている。 4(b), the lower portion 33B serves to connect the lower end 30Bb of the leading edge 30B and the lower end 31Bb of the trailing edge 31B, and is formed in an arc shape so as to be parallel to the upper portion 32B. In addition, the lower end 30Bb of the leading edge 30B and the left end 33Ba of the lower portion 33B are connected so as to form a continuous recessed step 33Ba1 and a protruding step 33Ba2.
ここで、本発明者は、図４（ａ）に示すブレード３Ａ及び図４（ｂ）に示すブレード３Ｂが、周方向成分Ｆθが増大するブレードの断面形状となっているのか否かを、数値解析ソフトウェアＣＯＳＭＯＬ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ（ＣＯＳＭＯＬ社）を用いて、回転する垂直軸風車１を通過する風のシミュレーションを行った。その結果が、図５及び図６に示すものである。 Here, the inventors performed a simulation of wind passing through the rotating vertical axis wind turbine 1 using numerical analysis software COSMOL Multiphysics (COSMOL Corporation) to determine whether the blade 3A shown in Fig. 4(a) and the blade 3B shown in Fig. 4(b) have a blade cross-sectional shape that increases the circumferential component Fθ . The results are shown in Figs. 5 and 6.
図５は、図４（ａ）に示すブレード３Ａを用いた場合のシミュレーション結果を示すもので、図示では、ＭＴ－Ｃと記載している。図５（ａ）及び図５（ｂ）は、風の速度（図示では、赤矢印）と圧力（図示では、青が最も低圧で、赤になるにつれ高圧となることを示している）を示している。図５（ａ）に示すように、図示左側から流入した風の流れは、回転する垂直軸風車１を通過して蛇行しつつ流下する様子が確認できる。また、垂直軸風車１の下流には、回転するブレード３Ａの通過により生じた複数の低圧領域（図示では、Ａ～Ｇで示している）が流下している様子も確認できる。また、この低圧領域に合わせて速度ベクトルが蛇行している。 Figure 5 shows the results of a simulation using the blade 3A shown in Figure 4(a), which is labeled MT-C in the illustration. Figures 5(a) and 5(b) show wind speed (indicated by the red arrow in the illustration) and pressure (in the illustration, blue indicates the lowest pressure, and red indicates increasing pressure). As shown in Figure 5(a), the wind flow entering from the left side of the illustration can be seen meandering as it passes through the rotating vertical axis wind turbine 1 and flows downward. Additionally, downstream of the vertical axis wind turbine 1, multiple low-pressure areas (indicated by A to G in the illustration) created by the passing of the rotating blade 3A can be seen flowing downward. The velocity vector also meanders in line with these low-pressure areas.
一方、図５（ａ）では、図示右上に位置するブレード３Ａが、遺伝的アルゴリズムを用いたアジマス角Ψ＝２１°に位置した瞬間を示しており、図５（ｂ）が図示右上に位置するブレード３Ａの拡大図である。図５（ｂ）を見ると、ブレード３Ａの上側部３２Ａの風速が大きく、圧力が低くなっている。そのため、図５（ｃ）に示すように、このブレード３Ａを図示右上に押し上げる空気力Ｆが発生する。この空気力Ｆは、図５（ｃ）に示すように、回転方向の成分、すなわち、周方向成分Ｆθを持つことから、これによって、ブレード３Ａが取り付けられている支持アーム４が回転し、もって、垂直回転軸２が回転することとなる。 On the other hand, Figure 5(a) shows the moment when blade 3A located at the upper right of the figure is positioned at an azimuth angle Ψ = 21° using the genetic algorithm, and Figure 5(b) is an enlarged view of blade 3A located at the upper right of the figure. As shown in Figure 5(b), the wind speed is high and pressure is low on the upper side 32A of blade 3A. Therefore, as shown in Figure 5(c), an aerodynamic force F is generated that pushes blade 3A upward and to the upper right of the figure. As shown in Figure 5(c), this aerodynamic force F has a rotational component, i.e., a circumferential component Fθ , which rotates the support arm 4 to which blade 3A is attached, thereby rotating the vertical rotation shaft 2.
ところで、周方向成分Ｆθが増大するとは、空気力Ｆと周方向成分Ｆθの方向を近くづけることと同意である。そのため、図５（ｃ）に示すように、空気力Ｆと周方向成分Ｆθの方向は、９０°を下回る程近づいていることから、図４（ａ）に示すブレード３Ａは、周方向成分Ｆθが増大していることとなる。これにより、図４（ａ）に示すブレード３Ａは、周方向成分Ｆθが増大するブレードの断面形状であることが確認できた。 Incidentally, an increase in the circumferential component F θ is equivalent to bringing the directions of the aerodynamic force F and the circumferential component F θ closer together. Therefore, as shown in Figure 5(c), the directions of the aerodynamic force F and the circumferential component F θ are closer to each other to the extent that the angle is less than 90°, and therefore the circumferential component F θ of the blade 3A shown in Figure 4(a) is increased. This confirms that the blade 3A shown in Figure 4(a) has a cross-sectional shape of a blade in which the circumferential component F θ increases.
図６は、図４（ｂ）に示すブレード３Ｂを用いた場合のシミュレーション結果を示すもので、図示では、ＭＴ－Ｄと記載している。図６（ａ）及び図６（ｂ）は、風の速度（図示では、赤矢印）と圧力（図示では、青が最も低圧で、赤になるにつれ高圧となることを示している）を示している。図６（ａ）に示すように、図示左側から流入した風の流れは、回転する垂直軸風車１を通過して蛇行しつつ流下する様子が確認できる。また、垂直軸風車１の下流には、回転するブレード３Ｂの通過により生じた複数の低圧領域（図示では、Ｈ～Ｏで示している）が流下している様子も確認できる。また、この低圧領域に合わせて速度ベクトルが蛇行している。 Figure 6 shows the results of a simulation using blade 3B shown in Figure 4(b), indicated as MT-D in the illustration. Figures 6(a) and 6(b) show wind speed (indicated by red arrows in the illustration) and pressure (in the illustration, blue indicates the lowest pressure, and red indicates increasing pressure). As shown in Figure 6(a), the wind flow entering from the left side of the illustration can be seen meandering as it passes through the rotating vertical axis wind turbine 1 and flows downward. Additionally, downstream of the vertical axis wind turbine 1, multiple low-pressure areas (indicated by H to O in the illustration) created by the passing of rotating blade 3B can be seen flowing downward. The velocity vector also meanders in line with these low-pressure areas.
一方、図６（ａ）では、図示左下に位置するブレード３Ｂが、遺伝的アルゴリズムを用いたアジマス角Ψ＝２１１°に位置した瞬間を示しており、図６（ｂ）が図示左下に位置するブレード３Ｂの拡大図である。図６（ｂ）を見ると、ブレード３Ｂの上側部３２Ｂの風速が大きく、圧力が低くなっている。そのため、図６（ｃ）に示すように、このブレード３Ｂを図示右下に押し上げる空気力Ｆが発生する。この空気力Ｆは、図６（ｃ）に示すように、回転方向の成分、すなわち、周方向成分Ｆθを持つことから、これによって、ブレード３Ｂが取り付けられている支持アーム４が回転し、もって、垂直回転軸２が回転することとなる。 On the other hand, Figure 6(a) shows the moment when blade 3B located at the lower left of the figure is positioned at an azimuth angle Ψ = 211° using the genetic algorithm, and Figure 6(b) is an enlarged view of blade 3B located at the lower left of the figure. As shown in Figure 6(b), the wind speed is high and pressure is low at the upper part 32B of blade 3B. Therefore, as shown in Figure 6(c), an aerodynamic force F is generated that pushes blade 3B upward to the lower right of the figure. As shown in Figure 6(c), this aerodynamic force F has a rotational component, i.e., a circumferential component Fθ , which rotates the support arm 4 to which blade 3B is attached, thereby rotating the vertical rotation shaft 2.
ここで、図６（ｃ）に示すように、空気力Ｆと周方向成分Ｆθの方向は、図５（ｃ）と比べさらに近づいていることから、図４（ｂ）に示すブレード３Ｂは、周方向成分Ｆθが増大していることとなる。これにより、図４（ｂ）に示すブレード３Ｂは、周方向成分Ｆθが増大するブレードの断面形状であることが確認できた。 Here, as shown in Figure 6(c), the directions of the aerodynamic force F and the circumferential component Fθ are closer than those in Figure 5(c), so the circumferential component Fθ of the blade 3B shown in Figure 4(b) is increased. This confirms that the blade 3B shown in Figure 4(b) has a cross-sectional shape of a blade in which the circumferential component Fθ increases.
以上のことから、図４（ａ）に示すブレード３Ａ及び図４（ｂ）に示すブレード３Ｂが、周方向成分Ｆθが増大するブレードの断面形状となっていることが確認できた。 From the above, it was confirmed that the blade 3A shown in FIG. 4(a) and the blade 3B shown in FIG. 4(b) have a cross-sectional shape of the blade in which the circumferential component F θ increases.
さらに、本発明者は、上記のような図４（ａ）に示すブレード３Ａ及び図４（ｂ）に示すブレード３Ｂが、抗力形風車や揚力形風車よりも優れていることを確認するべく、以下のような実験を行った。 Furthermore, the inventor conducted the following experiment to confirm that the blade 3A shown in Figure 4(a) and the blade 3B shown in Figure 4(b) are superior to drag-type wind turbines and lift-type wind turbines.
図７は、図１に示すような垂直軸風車１に図４（ａ）に示すブレード３Ａを取り付け、フィールド実験を行った結果を示している。図７は、横軸が周速比、縦軸が風車出力を示している。この図７によれば、図４（ａ）に示すブレード３Ａを取り付けた場合、周速比が１．０以下で回転するだけでなく、１．０を大きく超えても回転していることが分かる。この点、抗力形風車は、風速を超える周速度で回転することができないことから、周速比１．０を超えて回転することはない。それゆえ、図４（ａ）に示すブレード３Ａを取り付けた垂直軸風車１は、抗力形風車よりも優れていることが分かる。 Figure 7 shows the results of a field experiment in which the blades 3A shown in Figure 4(a) were attached to a vertical axis wind turbine 1 such as that shown in Figure 1. In Figure 7, the horizontal axis represents the tip speed ratio, and the vertical axis represents the wind turbine output. Figure 7 shows that when the blades 3A shown in Figure 4(a) are attached, the turbine not only rotates at tip speed ratios of 1.0 or less, but also rotates at tip speeds well above 1.0. In this regard, drag-type wind turbines cannot rotate at tip speeds that exceed the wind speed, and therefore do not rotate at tip speeds above 1.0. Therefore, it can be seen that the vertical axis wind turbine 1 attached with the blades 3A shown in Figure 4(a) is superior to drag-type wind turbines.
一方、図８は、図７に示す低周速比部分（図７の左下部分）を拡大したもので、この図８では、さらに、揚力形風車（ＮＡＣＡ００１８ブレード）のデータも追記している。図８を見れば明らかなように、揚力形風車（ＮＡＣＡ００１８ブレード）よりも、図４（ａ）に示すブレード３Ａを取り付けた垂直軸風車１の方が、風車出力が大きくなっている。それゆえ、図４（ａ）に示すブレード３Ａを取り付けた垂直軸風車１は、揚力形風車よりも優れていることが分かる。 On the other hand, Figure 8 is an enlarged view of the low tip speed ratio portion shown in Figure 7 (the lower left portion of Figure 7), and Figure 8 also includes data for a lift-type wind turbine (NACA0018 blades). As is clear from Figure 8, the vertical axis wind turbine 1 equipped with the blades 3A shown in Figure 4(a) has a higher wind turbine output than the lift-type wind turbine (NACA0018 blades). Therefore, it can be seen that the vertical axis wind turbine 1 equipped with the blades 3A shown in Figure 4(a) is superior to the lift-type wind turbine.
他方、図９は、風洞実験を行い、図４（ａ）に示すブレード３Ａと図４（ｂ）に示すブレード３Ｂの性能比較を行った結果を示す図である。この図９を見れば明らかなように、図４（ｂ）に示すブレード３Ｂと、図４（ａ）に示すブレード３Ａとは、ほぼ同じ性能を有している。そのため、図４（ｂ）に示すブレード３Ｂも、抗力形風車よりも優れ、揚力形風車よりも優れていることが分かる。 On the other hand, Figure 9 shows the results of a wind tunnel experiment comparing the performance of blade 3A shown in Figure 4(a) and blade 3B shown in Figure 4(b). As is clear from Figure 9, blade 3B shown in Figure 4(b) and blade 3A shown in Figure 4(a) have almost the same performance. Therefore, it can be seen that blade 3B shown in Figure 4(b) is also superior to both drag-type wind turbines and lift-type wind turbines.
以上のことから、図４（ａ）に示すブレード３Ａ及び図４（ｂ）に示すブレード３Ｂが、抗力形風車や揚力形風車よりも優れていることが確認できた。 From the above, it has been confirmed that blade 3A shown in Figure 4(a) and blade 3B shown in Figure 4(b) are superior to drag-type wind turbines and lift-type wind turbines.
しかして、以上説明した本実施形態に示すようなブレードの製造方法によれば、風車をより効率的に回転させることができるブレードを製造することができる。 The blade manufacturing method described above in this embodiment makes it possible to manufacture blades that can rotate a wind turbine more efficiently.
なお、本実施形態において示した形状等はあくまで一例であり、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。例えば、本実施形態においては、図１に示すブレード３の断面形状を基本とし、そこから、遺伝的アルゴリズムを用いるようにしたが、それ以外のものを基本とし、そこから、遺伝的アルゴリズムを用いるようにしても良い。また、本実施形態においては、遺伝的アルゴリズムを用いた例を示したが、それに限らず、機械学習や強化学習等、どのような手法を用いても良い。 The shapes and other features shown in this embodiment are merely examples, and various modifications and variations are possible within the scope of the gist of the present invention as set forth in the claims. For example, in this embodiment, the cross-sectional shape of the blade 3 shown in Figure 1 is used as a base and a genetic algorithm is then used, but it is also possible to use something else as a base and then use a genetic algorithm. Also, while this embodiment shows an example in which a genetic algorithm is used, this is not limiting and any other method, such as machine learning or reinforcement learning, may be used.
１ 垂直軸風車
２ 垂直回転軸
３ ブレード（基本ブレード）
３Ａ，３Ｂ ブレード
４ 支持アーム
３０Ａ 前縁部
３０Ａａ 上端部（一端部）
３０Ａｂ 下端部（他端部）
３１Ａ 後縁部
３１Ａａ 上端部（一端部）
３１Ａｂ 下端部（他端部）
３２Ａ 第１側部
３２Ａａ１ 凹段部
３３Ａ 第２側部
３３Ａａ１ 凹段部
３０Ｂ 前縁部
３０Ｂａ 上端部（一端部）
３０Ｂｂ 下端部（他端部）
３１Ｂ 後縁部
３１Ｂａ 上端部（一端部）
３１Ｂｂ 下端部（他端部）
３２Ｂ 第１側部
３３Ｂ 第２側部
３３Ｂａ１ 凹段部
３３Ｂａ２ 凸段部
Ｆ 空気力
Ｆθ 周方向成分
Ψ アジマス角
1 Vertical axis wind turbine 2 Vertical rotation axis 3 Blade (basic blade)
3A, 3B Blade 4 Support arm 30A Front edge portion 30Aa Upper end portion (one end portion)
30Ab lower end (other end)
31A Rear edge 31Aa Upper end (one end)
31Ab lower end (other end)
32A: First side portion 32Aa1: Recessed step portion 33A: Second side portion 33Aa1: Recessed step portion
30B Front edge portion 30Ba Upper end portion (one end portion)
30Bb Lower end (other end)
31B Rear edge portion 31Ba Upper end portion (one end portion)
31Bb Lower end (other end)
32B First side portion 33B Second side portion 33Ba1 Recessed step portion
33Ba2 convex step part
F Aerodynamic force F θ azimuth component Ψ
Claims (6)
勾玉状のブレードを基本ブレードとして、該基本ブレードを前記支持アームに対して揚力型配置の角度と抗力型配置の角度との間の角度を前記支持アームに取り付ける取付角度として設定し、
前記取付角度において前記基本ブレードの０°～３６０°のアジマス角における、前記基本ブレードに発生させる空気力の周方向成分が極大値となるアジマス角を算出し、
さらに前記空気力の周方向成分が極大値となる前記アジマス角において、前記基本ブレードの断面形状を基本とし前記周方向成分が増大する断面形状を探索して得る前記ブレードを製造してなるブレードの製造方法。 A method for manufacturing a blade attached to a support arm attached to a vertical rotation shaft so as to rotate on a circumference centered on the vertical rotation shaft, the method comprising:
a magatama-shaped blade is used as a basic blade, and an angle between an angle of a lift type arrangement and an angle of a drag type arrangement of the basic blade relative to the support arm is set as an attachment angle for attaching the basic blade to the support arm;
Calculating an azimuth angle at which a circumferential component of an aerodynamic force generated on the basic blade has a maximum value among azimuth angles of 0° to 360° of the basic blade at the mounting angle;
Furthermore, a blade manufacturing method is provided in which the blade is manufactured by searching for a cross-sectional shape that increases the circumferential component of the aerodynamic force at the azimuth angle where the circumferential component of the aerodynamic force is at its maximum value, based on the cross-sectional shape of the basic blade.
前記基本ブレードに発生させる空気力の周方向成分の極大値が、前記取付角度における前記基本ブレードの０°～７０°の間のアジマス角、又は、前記取付角度における前記基本ブレードの１８０°～２７０°の間のアジマス角にあって、
前記極大値における前記アジマス角に基づいて、前記基本ブレードから、前記周方向成分が増大する前記ブレードの断面形状を探索して得る前記ブレードを製造してなる請求項１又は２に記載のブレードの製造方法。 The mounting angle of the basic blade when mounted on the support arm is set to 50° to 70° with respect to the support arm,
The maximum value of the circumferential component of the aerodynamic force generated on the basic blade is at an azimuth angle between 0° and 70° of the basic blade at the setting angle, or at an azimuth angle between 180° and 270° of the basic blade at the setting angle,
3. A method for manufacturing a blade according to claim 1, wherein the blade is manufactured by searching for a cross-sectional shape of the blade in which the circumferential component increases from the basic blade based on the azimuth angle at the maximum value.
前記取付角度は、勾玉状のブレードを基本ブレードとして、該基本ブレードを前記支持アームに取り付ける際の角度を揚力型配置の角度と抗力型配置の角度との間の角度に設定し、
アジマス角は、設定された前記取付角度において前記基本ブレードの０°～３６０°のアジマス角における、前記基本ブレードに発生させる空気力の周方向成分が極大値となる角度であり、
さらに前記ブレードは、前記空気力の周方向成分が極大値となる前記アジマス角において、前記基本ブレードの断面形状を基本とし前記周方向成分が増大となるように探索して得られた断面形状であるブレード。 A blade is attached at a set angle to a support arm attached to a vertical rotation shaft so as to rotate on a circumference centered on the vertical rotation shaft,
the mounting angle is set to an angle between an angle for a lift type arrangement and an angle for a drag type arrangement when a magatama-shaped blade is used as a basic blade and the basic blade is mounted on the support arm;
the azimuth angle is an angle at which the circumferential component of the aerodynamic force generated on the basic blade reaches a maximum value in an azimuth angle of 0° to 360° of the basic blade at the set mounting angle,
Furthermore, the blade has a cross-sectional shape obtained by searching for an increase in the circumferential component of the aerodynamic force at the azimuth angle where the circumferential component of the aerodynamic force is at its maximum value, based on the cross-sectional shape of the basic blade.
第１外方向に向かって突出する円弧状に形成される前縁部と、
前記第１外方向と逆方向の第２外方向に向かって突出する円弧状に形成される後縁部と、
前記前縁部の一端部と前記後縁部の一端部とを繋ぐ第１側部と、
前記前縁部の他端部と前記後縁部の他端部とを繋ぐ第２側部と、を有し、
前記前縁部の円弧は、前記後縁部の円弧よりも径大に形成され、
前記後縁部の円弧は、鉤型形状に形成され、
前記第１側部は、前記前縁部の一端部と前記後縁部の一端部とを繋ぐ際、円弧状となるように繋がれ、さらに、前記前縁部の一端部とは、凹段部が形成されるように繋がれ、
前記第２側部は、前記前縁部の他端部と前記後縁部の他端部とを繋ぐ際、円弧状となるように繋がれ、さらに、前記前縁部の他端部とは、凹段部が形成されるように繋がれてなる請求項４に記載のブレード。 The cross-sectional shape of the blade is
a front edge portion formed in an arc shape protruding in a first outward direction;
a trailing edge portion formed in an arc shape protruding toward a second outward direction opposite to the first outward direction;
a first side portion connecting one end of the leading edge portion and one end of the trailing edge portion;
a second side portion connecting the other end of the leading edge portion and the other end of the trailing edge portion,
The arc of the leading edge portion is formed to have a larger diameter than the arc of the trailing edge portion,
The arc of the trailing edge is formed in a hook shape,
the first side portion is connected to one end of the leading edge portion and one end of the trailing edge portion so as to form an arc shape when connecting the first side portion and the one end of the leading edge portion, and further is connected to the one end of the leading edge portion so as to form a recessed step portion,
5. The blade according to claim 4 , wherein the second side portion is connected to the other end of the leading edge portion so as to form an arc when the other end of the leading edge portion is connected to the other end of the trailing edge portion, and further, the second side portion is connected to the other end of the leading edge portion so as to form a recessed step portion.
第１外方向に向かって突出する円弧状に形成される前縁部と、
前記第１外方向と逆方向の第２外方向に向かって突出する円弧状に形成される後縁部と、
前記前縁部の一端部と前記後縁部の一端部とを繋ぐ第１側部と、
前記前縁部の他端部と前記後縁部の他端部とを繋ぐ第２側部と、を有し、
前記前縁部の円弧は、前記後縁部の円弧よりも径大に形成され、
前記第１側部は、前記前縁部の一端部と前記後縁部の一端部とを繋ぐ際、円弧状となるように繋がれ、
前記第２側部は、前記前縁部の他端部と前記後縁部の他端部とを繋ぐ際、円弧状となるように繋がれ、さらに、前記前縁部の他端部とは、凹段部及び凸段部が連続して形成されるように繋がれてなる請求項４に記載のブレード。 The cross-sectional shape of the blade is
a front edge portion formed in an arc shape protruding in a first outward direction;
a trailing edge portion formed in an arc shape protruding toward a second outward direction opposite to the first outward direction;
a first side portion connecting one end of the leading edge portion and one end of the trailing edge portion;
a second side portion connecting the other end of the leading edge portion and the other end of the trailing edge portion,
The arc of the leading edge portion is formed to have a larger diameter than the arc of the trailing edge portion,
The first side portion is connected to one end of the leading edge portion and one end of the trailing edge portion so as to form an arc shape,
5. The blade according to claim 4 , wherein the second side portion is connected to the other end of the leading edge portion so as to form an arc when the other end of the leading edge portion is connected to the other end of the trailing edge portion, and further, the second side portion is connected to the other end of the leading edge portion so as to form a continuous concave step portion and a convex step portion .
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