JP2008106736A - 回転翼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転翼の逆行領域を順行領域に変換して積極的に回転翼の回転を促進することにより、自己起動性と到達回転数とを著しく高めることができる効率の良い回転翼装置を提供する。
【解決手段】概ね垂直な翼回転軸５の周りに流体２を受けて回転可能な回転翼６ａを有する回転ローター３と、回転翼６ａが流体２の向きに対して逆行する逆行領域４においてカルマン渦２ａを発生させるように、この回転翼６ａの逆行領域４の上流側に設けられた整流板１０とを備え、整流板１０と回転ローター３の翼回転軸５とは、整流板１０が発生させたカルマン渦２ａの流体２の向きに対して逆行する部分２ｂに回転翼６ａの回転軌道６ｅが沿うように配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、翼回転軸の周りに風や水などの流体を受けて回転する回転翼を備えた回転翼装置に関するものである。

従来、翼回転軸の周りに風や水などの流体を受けて回転する回転翼を備えた回転翼装置として、例えば、プロペラ型の回転翼装置と、ダリウス型の回転翼装置とが知られている。

前者のプロペラ型の回転翼装置は、姿勢を変えて回転翼装置を流体の方向に向かわせる方向制御装置が必要になるという短所があるが、回転翼の軌道全体において回転翼が流体の向きに順行する順行領域になるので、比較的自己起動性が良く、僅かな流速でも起動しやすいという長所がある。また、回転翼が風の向きに順行するので、到達回転数も高くなる。その結果、ほとんどの大型の商用風力発電では、３枚翼のプロペラ型風車が採用されている。

図２０と図２１とは、後者のダリウス型の回転翼装置の一例を示す説明図であり、図２０は、１枚翼ストレートダリウス型の回転翼装置１９１の概略の構成を示す斜視図を、図２１は、回転翼装置１９１の概略の構成を示す平面図をそれぞれ示している。また、図２１において、Ｂは、回転翼６が順行領域にある状態を、Ｃは、回転翼６のつりあい静止位置を、Ａ〜Ｂ、Ｂ〜Ｃの範囲は、回転翼６の順行領域を、Ｃ〜Ａの範囲は、回転翼６の逆行領域を、それぞれ示している。

この回転翼装置１９１は、風である流体２を受けて回転する回転ローター１９２と、回転ローター１９２の基台１９３とを備えている。また、回転ローター１９２は、概ね垂直な翼回転軸１９４の周りに流体２を受けて回転可能な１枚の回転翼１９５と、回転翼１９５のカウンターウェイト１９６と、シャフト１９７とを有し、シャフト１９７が回転ローター１９２の基台１９３に設けられた回転軸受け１９８に回転自在に支持され垂直な翼回転軸１９４の周りに流体２を受けて回転するように構成されている。

この回転翼装置１９１は、図２１のＣ〜Ａの範囲に示すように、流体２が回転翼１９５の回転を止めようとする逆行領域１９９が回転翼１９５の軌道１９５ａに存在するために、Ｃ点でつりあい静止しようとするなど、自己起動性や到達回転数の点で劣るという短所がある。反面、この回転翼装置１９１は、風見装置が不要、シンプルで強い構造体、発電機のレイアウトが簡単であるなど、ダリウス型の回転翼装置に固有の魅力を有している。

そこで、近年、ジャイロミル型風車など可変翼の高速回転翼を採用したり、逆行領域を通過する風を風車の前で遮る導風板を採用したりすることにより、ダリウス型の回転翼装置の短所を克服して、自己起動性や到達回転数を改善する技術が種々開発されている。

例えば、特許文献１には、逆行領域を通過しようとする風を遮るとともに、この風を受風領域の側へ流動案内する導風板を逆行領域の上流側に臨んで配置するようにし、逆行領域における風車の抵抗を低減し、同時に受風領域における風力を向上させてローターの回転数を高めるようにした垂直軸型風車の技術が開示されている。
特開２００３−４２０５５号公報

しかしながら、ジャイロミル型風車などピッチコントロールが可能な可変翼の高速回転翼を採用した場合でも、逆行領域が存在する場合は、自己起動性と到達回転数の改善は十分ではなかった。

また、上述の特許文献１に開示された垂直軸型風車の技術でも、導風板は、逆行領域において風車の抵抗を低減するのみであって、逆行領域においても積極的に回転翼の回転を促進するように機能するものではなかった。そのため、自己起動性と到達回転数の改善に限界があった。

本発明は上記不具合に鑑みてなされたものであり、回転翼の逆行領域を順行領域に変換して積極的に回転翼の回転を促進することにより、自己起動性と到達回転数とを著しく高めることができる効率の良い回転翼装置を提供することを課題としている。

上記課題を解決するための本発明は、概ね垂直な翼回転軸の周りに流体を受けて回転可能な回転翼を有する回転ローターと、上記回転翼が流体の向きに対して逆行する逆行領域においてカルマン渦を発生させるように、この回転翼の逆行領域の上流側に設けられた整流板と、を備え、上記整流板と回転ローターの翼回転軸とは、整流板が発生させたカルマン渦の上記流体の向きに対して逆行する部分に回転翼の回転軌道が沿うように配置されていることを特徴とする回転翼装置である。

本発明によれば、整流板が発生させたカルマン渦の流体の向きに対して逆行する部分に回転翼の回転軌道が沿うように整流板と回転ローターの翼回転軸とが配置されるので、逆行領域であってもカルマン渦が回転翼の回転を促進する結果、自己起動性が著しく向上し、僅かな流速でも回転ローターを起動することができるようになる。また、同様に、カルマン渦が回転翼の回転を促進するので、回転ローターの到達回転数を著しく高めることができるようになる。

ここで、上記整流板は、流体に向かって湾曲する弧状に形成されていることが好ましい。

このようにすれば、整流板が、流体に向かって湾曲する弧状に形成されているので、カルマン渦を発生させて回転翼に対して推力を与えることができる結果、より僅かな流速でも回転ローターを起動することができるようになる。また、回転ローターの到達回転数をより高めることができるようになる。

また、上記回転翼は、断面が翼形状に形成されたストレートダリウス型で構成されていることが好ましい。

このようにすれば、回転翼が、ストレートダリウス型で構成されているので、従来のパドル型などと比較して高いＴＳＲ（流体の速度に対する回転翼の周速度の比率）を実現することが可能である結果、回転ローターの到達回転数をさらに大幅に高めることができるようになる。

あるいは、上記回転翼は、断面が弧状に形成されたパドル型で構成されていることが好ましい。

このようにすれば、回転翼が、パドル型で構成されているので、特に起動時のトルクを大きくして起動性を高めることができる。

また、上記回転ローターは、回転ローターにおける回転翼の取付け角度を変更可能な翼角度変更手段と、この翼角度変更手段を制御して変更される回転翼の取付け角度を調節可能な翼角度制御手段と、を備えていることが好ましい。

このようにすれば、翼角度制御手段が、翼角度変更手段を制御して回転ローターにおける回転翼の取付け角度を調節することができるので、回転ローターの回転数に応じて最適な角度に調節することができる結果、起動性と到達回転数の両方をより高めることができるようになる。

また、上記回転ローターは、回転翼を翼回転軸の周りに回転可能に保持する翼保持部を備え、この翼保持部は、翼回転軸側に設けられた軸側ヒンジ部と回転翼側に設けられた翼側ヒンジ部とを折り曲げて回転翼を翼回転軸の近傍に折りたたみ可能に構成されていることが好ましい。

このようにすれば、翼保持部において、翼回転軸側に設けられた軸側ヒンジ部と回転翼側に設けられた翼側ヒンジ部とを折り曲げて回転翼を翼回転軸の近傍に折りたたむことができるので、出荷時の梱包や搬送に有利な回転翼装置を実現することができるようになる。

また、この回転翼装置は、上記整流板と上記回転ローターの翼回転軸とを保持した状態で、概ね翼回転軸に並行に設けられた支持部回転軸の周りに回転可能なローター支持部を備え、このローター支持部の上記支持部回転軸は、支持部回転軸の周りの可動部に働く流体の力がバランスして流体の方向に対するローター支持部の姿勢が概ね一定になるようにローター支持部の整流板寄りの部分に設けられており、上記ローター支持部は、このように流体に対するローター支持部の姿勢が一定になった状態で、上記整流板が回転翼の逆行領域にカルマン渦を発生させるような配置に、上記整流板と回転ローターの翼回転軸とを保持していることが好ましい。

このようにすれば、支持部回転軸の周りの可動部に働く流体の力がバランスして流体の方向に対するローター支持部の姿勢が概ね一定になるように、支持部回転軸がローター支持部の整流板寄りの部分に設けられているので、流体の向きが変化してもそれに応じて、常に回転翼装置を一定の姿勢にすることができるようになる。しかも、このように流体に対するローター支持部の姿勢が一定になった状態で、整流板が回転翼の逆行領域にカルマン渦を発生させるような配置に、ローター支持部が整流板と回転ローターの翼回転軸とを保持しているので、常に安定して高い自己起動性と到達回転数を維持することができるようになる。

また、この回転翼装置は、上記ローター支持部が、１つの上記整流板に対して２つの上記回転ローターの翼回転軸を保持するものであり、上記ローター支持部は、流体の力がバランスして流体に対するローター支持部の姿勢が一定になった状態で、上記整流板が上記２つの回転ローターの逆行領域にカルマン渦を発生させるような配置に、上記整流板とそれぞれの回転ローターの翼回転軸とを保持していることが好ましい。

このようにすれば、２つの回転ローターに対して１つの整流板を設置するだけでよいので、部材とスペースとを省略することができる結果、コンパクトで流体の利用効率が高い安価な回転翼装置を実現することができる。また、１つの整流板に対して２つの回転ローターを対称的に配置することができるので、振動の少ない安定した回転翼装置にすることができる。

ここで、上記２つの回転ローターは、それぞれの回転翼の逆行領域が重なるように配置され、上記ローター支持部は、流体の力がバランスして流体に対するローター支持部の姿勢が一定になった状態で、上記整流板が上記２つの回転ローターの逆行領域にカルマン渦を発生させるような配置に、上記整流板とそれぞれの回転ローターの翼回転軸とを保持しており、上記２つの回転ローターの間には、それぞれの回転翼を上記重なった逆行領域に位相をずらせて交互に侵入させる同期機構がさらに設けられていることが好ましい。

このようにすれば、２つの回転ローターのそれぞれの回転翼の逆行領域が重なるようにすることができるので、装置をよりコンパクトにしてスペースの利用効率をより高めることができる。また、装置をよりコンパクトにすることができるので、大きな流体の負荷に対しても回転翼装置の耐久性をより高めることができるようになる。

また、同期機構によりそれぞれの回転翼を重なった逆行領域に位相をずらせて交互に侵入させるので、振動を打ち消しあうように回転することができる結果、より振動の少ない安定した回転翼装置にすることができる。

また、上記ローター支持部には、流体に対するローター支持部の姿勢を安定させる尾翼がさらに設けられていることが好ましい。

このようにすれば、流体に対するローター支持部の姿勢を安定させる尾翼がローター支持部にさらに設けられているので、流体の向きに対する姿勢変更能力と安定性とをより向上させることができるようになる。

以上説明したように、本発明によれば、回転翼の逆行領域においても、整流板によるカルマン渦が回転翼の回転を促進する結果、自己起動性が著しく向上し、僅かな流速でも回転ローターを起動することができるようになるという顕著な効果を奏する。

また、同様に、整流板によるカルマン渦が回転翼の回転を促進するので、回転ローターの到達回転数を著しく高めることができるという顕著な効果を奏する。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施の一形態について詳述する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る回転翼装置１の概略の構成を示す斜視図であり、図２は、回転翼装置１の概略の構成を示す平面図である。

図１と図２とに示すように、第１の実施形態に係る回転翼装置１は小型の風力発電に採用されるものであり、風である流体２を受けて回転する回転ローター３と、回転ローター３の逆行領域４（図２）の上流側に設けられた整流板１０と、回転ローター３の基台１１と、整流板１０の基台１２とを備えている。

上記回転ローター３は、概ね垂直な翼回転軸５の周りに流体２を受けて回転可能な１枚の回転翼６ａと、回転翼６ａのカウンターウェイト７と、回転翼６ａとカウンターウェイト７とが相対向した状態で回転するように、回転翼６ａとカウンターウェイト７とを接続する３枚のアーム８ａ、８ｂ、８ｃと、アーム８ａ、８ｂ、８ｃを貫くように設けられたシャフト９とを有し、このシャフト９は回転ローター３の基台１１に設けられた回転軸受け１３に回転自在に支持され、回転ローター３の基台１１の中に収納された発電機１４に接続されている。

ここで、回転翼６ａは、断面が翼形の長尺な板状に形成された軽量金属製のストレートダリウス型の翼で構成されている。

また、カウンターウェイト７は、翼回転軸５が回転ローター３の回転中心になるように、バランスをとるための部材であり、球状の金属製部材で構成され、回転翼６ａと比較してより翼回転軸５に近い位置においてアーム８ａ、８ｂ、８ｃに取り付けられている。

そして、全体が一体となっている回転翼６ａと、カウンターウェイト７と、アーム８ａ、８ｂ、８ｃとシャフト９とからなる回転ローター３は、回転軸受け１３を介して基台１１に回転自在に支持され、流体２を受けて翼回転軸５の周りに回転することにより、発電機１４を駆動して発電することができるように構成されている。

上記整流板１０は、回転翼６ａの逆行領域４の上流側に設けられた板状の遮蔽部材であり、回転翼６ａが流体２の向きに対して逆行する逆行領域４（図２）を通過しようとする流体２を遮って逆行領域４における回転翼装置の抵抗を低減する。また、この整流板１０は、特に逆行領域４において効果的にカルマン渦２ａを発生させるように、流体２に向かって突出するように湾曲する弧状に形成されている。

そして、整流板１０と回転ローター３の翼回転軸５とは、整流板１０が発生させたカルマン渦２ａの流体２の向きに対して逆行する部分２ｂに回転翼６ａの回転軌道６ｅが概ね沿うように配置されている。

次に、図２を参照して、本発明の第１の実施形態に係る回転翼装置１の作用を説明する。

図２に示すように、回転ローター３の回転翼６ａが流体２を受けると、回転ローター３が、概ね垂直な翼回転軸５の周りに回転する。

また、整流板１０は、回転翼６ａが流体２の向きに対して逆行する逆行領域４を通過しようとする流体２を遮って逆行領域４における回転翼装置の抵抗を低減するとともに、逆行領域４においてカルマン渦２ａを発生させる。

そして、整流板１０が発生させたカルマン渦２ａの流体２の向きに対して逆行する部分２ｂにおいて、回転翼６ａの回転が促進される。

以上説明したように、本発明の第１の実施形態に係る回転翼装置１によれば、整流板１０が発生させたカルマン渦２ａの流体２の向きに対して逆行する部分２ｂに回転翼６ａの回転軌道６ｅが沿うように、整流板１０と回転ローター３の翼回転軸５とが配置されるので、逆行領域４であってもカルマン渦２ａが回転翼６ａの回転を促進する結果、自己起動性が著しく向上し、僅かな流速でも回転ローター３を起動することができるようになる。また、同様に、カルマン渦２ａが回転翼６ａの回転を促進するので、回転ローター３の到達回転数を著しく高めることができるようになる。

また、整流板１０が、流体２に向かって湾曲する弧状に形成されているので、カルマン渦２ａを発生させて回転翼６ａに対して大きく推力を与えることができる結果、より僅かな流速でも回転ローター３を起動することができるようになる。また、回転ローター３の到達回転数をより高めることができるようになる。

また、回転翼６ａが、ストレートダリウス型で構成されているので、高いＴＳＲ（流体２の速度に対する回転翼６ａの周速度の比率）を実現することが可能である。その結果、回転ローター３の到達回転数をさらに大幅に高めることができるようになる。

次に図３と図４とを参照して、本発明の第２の実施形態に係る回転翼装置２１について説明する。図３は、本発明の第２の実施形態に係る回転翼装置２１の概略の構成を示す斜視図であり、図４は、回転翼装置２１の作用を示す平面図である。なお以下の説明では、本発明の第１の実施形態に係る回転翼装置１と同様の部材には同一の符号を付し、重複する説明を省略するものとする。

図３と図４とに示すように、本発明の実施の形態に係る回転翼装置２１は、整流板１０と回転ローター３の翼回転軸５とを保持するローター支持部２２ａ、２２ｂとを備え、このローター支持部２２ａ、２２ｂは、このように整流板１０と回転ローター３の翼回転軸５とを保持した状態で、基台２３に設けられた回転軸受２４を介して概ね翼回転軸に並行すなわち垂直に設けられた支持部回転軸２５の周りに回転可能に支持されている。

また、この第２の実施形態に係る回転翼装置２１の場合は、整流板１０の下側、ローター支持部２２ｂの上に発電機２６が設けられている。そして、この発電機２６の図略のシャフトと回転ローター３のシャフト９との間に設けられたベルトやチェーンなどの図略の駆動力伝達機構により、回転ローター３の回転力を発電機２６に伝達することが可能になっている。

ここで、ローター支持部２２ａ、２２ｂの支持部回転軸２５は、整流板１０や回転ローター３など、支持部回転軸２５の周りの可動部に働く流体２の力がバランスして流体２の方向に対するローター支持部２２ａ、２２ｂの姿勢が概ね一定になるようにローター支持部２２ａ、２２ｂの整流板１０寄りの部分に設けられている。また、発電機２６が回転ローター３に対するカウンターウェイトの機能も果たしている。

このように、回転翼装置２１は、整流板１０の流体２の抗力と回転している回転ローター３の抗力、および各部の重量とが、支持部回転軸２５を中心にして、釣り合って、回転翼装置全体が流体２の方向の変化に追従するようになっている。

そして、ローター支持部２２ａ、２２ｂは、このように流体２に対するローター支持部２２ａ、２２ｂの姿勢が一定になった状態で、整流板１０が回転翼６ａの逆行領域４にカルマン渦２ａを発生させるような配置に、整流板１０と回転ローター３の翼回転軸５とを保持している。

以上説明したように、本発明の第２の実施形態に係る回転翼装置２１によれば、支持部回転軸２５の周りの可動部に働く流体２の力がバランスして流体２の方向に対するローター支持部２２ａ、２２ｂの姿勢が概ね一定になるように、支持部回転軸２５がローター支持部２２ａ、２２ｂの整流板１０寄りの部分に設けられているので、流体２の向きが変化してもそれに応じて、常に回転翼装置１を一定の姿勢にすることができるようになる。しかも、このように流体２に対するローター支持部２２ａ、２２ｂの姿勢が一定になった状態で、整流板１０が回転翼６ａの逆行領域４にカルマン渦２ａを発生させるような配置に、ローター支持部２２ａ、２２ｂが整流板１０と回転ローター３の翼回転軸５とを保持しているので、常に安定して高い自己起動性と到達回転数を維持することができるようになる。

次に図５を参照して、本発明の第３の実施形態に係る回転翼装置３１について説明する。図５は、本発明の第３の実施形態に係る回転翼装置３１の概略の構成を示す斜視図である。

図５に示すように、本発明の第３の実施形態に係る回転翼装置３１においては、カウンターウェイト７の代わりにローター支持部２２ａ、２２ｂにもう１枚の回転翼６ｂが設けられ、２枚翼ストレートダリウス型の回転翼装置を構成している。第３の実施形態に係る回転翼装置３１は、その他の構成、作用は、第２の実施形態に係る回転翼装置２１と同様である。

このように、第３の実施形態に係る回転翼装置３１によれば、２枚翼ストレートダリウス型とすることで、第２の実施形態に係る回転翼装置２１と比較して、より振動の少ない、安定した回転翼装置を実現することができるようになる。

次に図６〜図８を参照して、本発明の第４の実施形態に係る回転翼装置４１について説明する。図６は、本発明の第４の実施形態に係る回転翼装置４１の概略の構成を示す斜視図であり、図７は、回転翼装置４１の概略の構成を示す平面図である。また、図８は、回転翼装置４１の同期機構４３の概略の構成を示す概念図である。

本発明の第４の実施形態に係る回転翼装置４１は、小型、中型、大型のいずれの風力発電にも適用可能なものであり、図６と図７に示すように、１つの整流板１０に対して設けられたＸ字型に構成されたローター支持部４２ａ、４２ｂが、２つの回転ローター３の翼回転軸５を保持している。

ここで、ローター支持部４２ａ、４２ｂは、図７に示すように、流体２の力がバランスして流体２に対するローター支持部４２ａ、４２ｂの姿勢が一定になった状態で、整流板１０が２つの回転ローター３の逆行領域４にカルマン渦２ａを発生させるような配置に、整流板１０とそれぞれの回転ローター３の翼回転軸５とを保持している。

特に、この回転翼装置４１では、２つの回転ローター３は、それぞれの回転翼６ａの逆行領域４が重なるように配置され、２つの回転ローター３の間には、図８に示すように、それぞれの回転翼６ａ、６ｂを重なった逆行領域４に交互に侵入させる同期機構４３がさらに設けられている。

この同期機構４３は、回転ローター３のシャフト９の適当な位置に設けられたプーリー９ａと発電機２６のシャフト２６ａに設けられたプーリー２６ｂと、これらプーリー９ａ、２６ｂを連絡するタイミングベルト２７ａ、２７ｂとを備えており、一方のタイミングベルト２７ａが交差するように構成されることにより、それぞれの回転翼６ａ、６ｂが約９０度の位相差を保ちながら同期して逆回転し、逆行領域４に交互に侵入することができるように構成されている。

以上説明したように、本発明の第４の実施形態に係る回転翼装置４１によれば、２つの回転ローター３に対して１つの整流板１０を設置するだけでよいので、部材とスペースとを省略することができる結果、コンパクトで流体２の利用効率が高い安価な回転翼装置を実現することができる。また、１つの整流板１０に対して２つの回転ローター３を対称的に配置することができるので、振動の少ない安定した回転翼装置にすることができる。

また、２つの回転ローター３のそれぞれの回転翼６ａ、６ｂの逆行領域４が重なるので、装置をよりコンパクトにしてスペースの利用効率をより高めることができる。また、装置をよりコンパクトにすることができるので、大きな流体２の負荷に対しても回転翼装置の耐久性をより高めることができるようになる。

また、同期機構４３によりそれぞれの回転翼６ａ、６ｂを重なった逆行領域４に位相をずらせて交互に侵入させるので、振動を打ち消しあうように回転することができる結果、より振動の少ない安定した回転翼装置にすることができる。

次に図９を参照して、本発明の第５の実施形態に係る回転翼装置５１について説明する。図９は、本発明の第５の実施形態に係る回転翼装置５１の概略の構成を示す斜視図である。

図９に示すように、本発明の第５の実施形態に係る回転翼装置５１においては、流体２に対するローター支持部２２ａ、２２ｂの姿勢を安定させる尾翼５２が、ローター支持部２２ａ、２２ｂから延長される拡張部５３ａ、５３ｂを介してローター支持部２２ａ、２２ｂに設けられている。

また、回転翼装置３１においては、ローター支持部２２ａ、２２ｂに合計４枚の回転翼６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄが設けられ、４枚翼ストレートダリウス型の回転翼装置を構成している。

このように、本発明の第５の実施形態に係る回転翼装置５１によれば、流体２に対するローター支持部２２ａ、２２ｂの姿勢を安定させる尾翼５２がローター支持部２２ａ、２２ｂにさらに設けられているので、流体２の向きに対する姿勢変更能力と安定性とをより向上させることができるようになる。

また、４枚翼ストレートダリウス型とすることで、２枚翼ストレートダリウス型と比較して、より振動の少ない、安定した回転翼装置を実現することができるようになる。

また、図１０は、本発明の第６の実施形態に係る回転翼装置６１の概略の構成を示す斜視図であり、図１１は、本発明の第６の実施形態に係る回転翼装置６１の概略の構成を示す平面図である。

図１０と図１１とに示すように、本発明の第６の実施形態に係る回転翼装置６１においては、上記回転翼６６ａ、６６ｂ、６６ｃ、６６ｄは、断面が弧状に形成されたパドル型で構成されている。

このように、本発明の第６の実施形態に係る回転翼装置６１によれば、回転翼６６ａ、６６ｂ、６６ｃ、６６ｄが、パドル型で構成されているので、起動時と通常運転時との両方において特に大きなトルクが得られる超高トルクの低回転風車とすることができる。

また、図１２〜図１４は、本発明の第７の実施形態に係る回転翼装置７１の概略の構成を示す平面図であり、図１２は、回転ローター７３の回転数が低い時の状態を、図１３は、回転ローター７３の回転数が高い時の状態を、図１４は、回転ローター７３の回転数が最も高い時の状態を、それぞれ示している。

図１２〜図１４に示すように、本発明の第７の実施形態に係る回転翼装置７１においては、回転ローター７３は、回転ローター７３における回転翼７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、７６ｄの取付け角度を変更可能な翼角度変更手段７２として、回転翼７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、７６ｄに設けられたブラケット７６ｅ、７６ｆ、７６ｇ、７６ｈとアーム７８ａ、７８ｂ、７８ｃ、７８ｄとの間にヒンジ軸７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄを備えている。

また、回転ローター７３は、回転翼７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、７６ｄの取付け角度を調節可能な翼角度制御手段７７として、回転翼７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、７６ｄに設けられたブラケット７６ｅ、７６ｆ、７６ｇ、７６ｈとアーム７８ａ、７８ｂ、７８ｃ、７８ｄとの間に図略の付勢手段と、回転翼７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、７６ｄに設けられた偏重心部７９ａ、７９ｂ、７９ｃ、７９ｄとを備えている。

ここで、付勢手段は、図１２のように回転翼７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、７６ｄがアーム７８ａ、７８ｂ、７８ｃ、７８ｄの長手方向に沿うようにアーム７８ａ、７８ｂ、７８ｃ、７８ｄに対して回転翼７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、７６ｄを付勢するものである。

また、偏重心部７９ａ、７９ｂ、７９ｃ、７９ｄは、回転翼７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、７６ｄの重心部であり、この偏重心部７９ａ、７９ｂ、７９ｃ、７９ｄは、回転翼７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、７６ｄにおいて、ヒンジ軸７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄから偏移した位置に設けられている。

この偏重心部７９ａ、７９ｂ、７９ｃ、７９ｄは、回転数の上昇にともない図１３のように回転翼７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、７６ｄの長手方向が回転円の接線方向に平行になるように回転翼７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、７６ｄを遠心力で付勢する。それ故、回転翼装置７１においては、起動時や回転ローター７３の回転数が低い状態では、パドル型の回転翼のように広い面積に流体を受けて起動し易く、また、起動時や回転ローター７３の回転数が高い状態では、ダリウス型の回転翼のように到達回転数を高くすることができるようになっている。

また、偏重心部７９ａ、７９ｂ、７９ｃ、７９ｄは、回転数が最も高くなる状態では、図１４のように遠心力で最も外側の回転軌道に変位するために、回転翼７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、７６ｄの長手方向が回転円の半径方向に近づくようになる。この状態はパドル型の回転翼を１８０度逆にしたような形状になる結果、回転ローター７３の回転に対して回転翼７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、７６ｄがブレーキをかけるように働く。

このように、本発明の第７の実施形態に係る回転翼装置７１によれば、翼角度制御手段７７が、翼角度変更手段７２を制御して回転ローター７３における回転翼７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、７６ｄの取付け角度を調節することができるので、回転ローター７３の回転数に応じて最適な角度に調節することができる結果、起動性と到達回転数の両方をより高めることができるようになる。

また、回転数がさらに高くなる状態では、回転翼７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、７６ｄが回転にブレーキをかけるので、回転ローター７３の過回転を防止して、回転が異常に高くなった時に発生する可能性のある装置の破損を防ぐことができるようになる。

また、図１５は、本発明の第８の実施形態に係る回転翼装置８１の概略の構成を示す斜視図であり、図１６は、本発明の第８の実施形態に係る回転翼装置８１の概略の構成を示す側面図である。

図１５と図１６とに示すように、本発明の第８の実施形態に係る回転翼装置８１においては、回転ローター８３は、回転翼８６ａ、８６ｂ、８６ｃを翼回転軸５の周りに回転可能に保持する翼保持部８８ａ、８８ｂ、８８ｃを備えているが、この翼保持部８８ａ、８８ｂ、８８ｃは、翼回転軸５側に設けられた軸側ヒンジ部８５ａ、８５ｂ、８５ｃと回転翼８６ａ、８６ｂ、８６ｃ側に設けられた翼側ヒンジ部８４ａ、８４ｂ、８４ｃとを折り曲げて回転翼８６ａ、８６ｂ、８６ｃを翼回転軸の近傍に折りたたみ可能に構成されている。

このように、本発明の第８の実施形態に係る回転翼装置５１によれば、翼保持部８８ａ、８８ｂ、８８ｃにおいて、翼回転軸５側に設けられた軸側ヒンジ部８５ａ、８５ｂ、８５ｃと回転翼８６ａ、８６ｂ、８６ｃ側に設けられた翼側ヒンジ部８４ａ、８４ｂ、８４ｃとを折り曲げて回転翼８６ａ、８６ｂ、８６ｃを翼回転軸５の近傍に折りたたむことができるので、出荷時の梱包や搬送に有利な回転翼装置８１を実現することができるようになる。

上述した実施の形態は本発明の好ましい具体例を例示したものに過ぎず、本発明は上述した実施の形態に限定されない。

例えば、回転ローター３の回転翼６ａの枚数は、１〜４枚に限定されない。回転翼６ａの枚数については、回転翼装置の効率、その他の機械的要件から種々の設計変更が可能である。

また、回転翼６ａは、断面が翼形の長尺な板状に形成された軽量金属製のストレートダリウス型の翼に限定されない。一般のダリウス型、断面つの字型など、回転翼装置の用途に応じて種々の設計変更が可能である。

また、回転ローター３の回転力を発電機２６に伝達する駆動力伝達機構についても、ベルトやチェーンなどの機構に限定されない。ギアその他、種々の駆動力伝達機構が採用可能である。

さらに、同期機構４３についても、回転ローター６のシャフト９に設けられたプーリー９ａと発電機２６のシャフト２６ａに設けられたプーリー２６ｂとを連絡するタイミングベルト２７ａ、２７ｂとを備えたものに限定されない。それぞれの回転翼６ａ、６ｂが約９０度の位相差を保ちながら同期して逆回転し、逆行領域４に交互に侵入することができるように構成されたものであれば、種々の同期機構が採用可能である。

また、本発明の第７の実施形態に係る回転翼装置７１において、翼角度変更手段７２は、図１２および図１３のように１つのヒンジ軸７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄを備えたものに限定されない。回転ローター７３における回転翼７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、７６ｄの取付け角度を変更可能な機構であれば、種々の翼角度変更手段が採用可能である。また、翼角度制御手段７７も、図略の付勢手段と偏重心部７９ａ、７９ｂ、７９ｃ、７９ｄとを備えたものに限定されない。回転翼７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、７６ｄの取付け角度を調節可能な機構であれば、例えば回転数を計測してリンク機構で回転翼７６ａ、７６ｂ、７６ｃ、７６ｄの取付け角度を調節する構成など、種々の翼角度制御手段が採用可能である。

さらに、本実施の形態にかかる回転翼装置１、２１、３１、４１、５１、６１、７１、８１は、概ね垂直な翼回転軸５の周りに回転するものに限定されない。例えば、図１７は、本発明の第９の実施形態に係る回転翼装置９１の概略の構成を示す斜視図であり、図１８は、本発明の第９の実施形態に係る回転翼装置９１の概略の構成を示す側面図である。

本発明の第９の実施形態に係る回転翼装置９１は、図１８に示すように、回転ローター９３は、概ね水平な翼回転軸９５の周りに流体２として風を受けて回転可能な合計４枚の回転翼９６ａ、９６ｂ、９６ｃ、９６ｄが、それぞれ３つのアーム９８ａ、９８ｂ、９８ｃ、９８ｄを介してローター支持部９２ａ、９２ｂに設けられ、４枚翼ストレートダリウス型の回転翼装置を構成している。

また、第５の実施形態に係る回転翼装置５１と同様に、整流板９０の裏側に発電機９４が設けられ、この発電機９４と回転ローター９３のシャフト９９との間に設けられた図略の駆動力伝達機構により、回転ローター９３の回転力を発電機９４に伝達するように構成されている。また、流体２の抗力と各部の重量とが、支持部回転軸９７を中心にして、釣り合って、回転翼装置９１全体が流体２の方向の変化に追従するようになっている。

このように、本発明の第９の実施形態に係る回転翼装置９１によれば、回転翼装置２１、３１と同様に、自己起動性が良好で、回転ローターの到達回転数が高いという発電効率の良い風力発電装置を実現することができるようになる。

さらに、本実施の形態にかかる回転翼装置１、２１、３１、４１、５１、６１、７１、８１、９１は、流体２として風を受けて回転する風車に限定されない。本実施の形態にかかる回転翼装置１、２１、３１、４１、５１、６１、７１、８１、９１は、いずれも、例えば、河川や海洋などの水中に設置される水力発電装置のように、概ね水平もしくは水平な翼回転軸の周りに流体２として河川の水流や潮流を受けて回転可能な回転ローターを有する水力発電装置にも適用可能である。

また、回転ローター３において回転翼６ａは必ずしも１種類だけに限定されず、１つの回転ローター３に種々の回転翼を設けることも可能である。例えば、図１９は、本発明の第１０の実施形態に係る回転翼装置１０１の概略の構成を示す斜視図である。図１９に示すように、本発明の第１０の実施形態に係る回転翼装置１０１においては、回転ローター１０３は、ストレートダリウス型の回転翼１０６ａと、パドル型の回転翼１０６ｂとの異なる型の回転翼を混載したハイブリッド型に構成されている。

このように、本発明の第１０の実施形態に係る回転翼装置１０１によれば、回転ローター１０３が、流体の速度に対する回転翼の周速度の比率であるＴＳＲが比較的高く（ＴＳＲ：３〜４）、到達回転数が高いストレートダリウス型の回転翼１０６ａと、ＴＳＲが比較的低いが（ＴＳＲ：０．７程度）、起動時のトルクが大きいパドル型の回転翼１０６ｂとを混載したハイブリッド型に構成されているので、到達回転数と起動時のトルクの両方のバランスに優れた回転翼装置を実現することが可能である。

その他、本発明の特許請求の範囲内で種々の設計変更が可能であることはいうまでもない。

本発明の第１の実施形態に係る回転翼装置の概略の構成を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る回転翼装置の概略の構成を示す平面図である。 本発明の第２の実施形態に係る回転翼装置の概略の構成を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る回転翼装置の作用を示す平面図である。 本発明の第３の実施形態に係る回転翼装置の概略の構成を示す斜視図である。 本発明の第４の実施形態に係る回転翼装置の概略の構成を示す斜視図である。 本発明の第４の実施形態に係る回転翼装置の概略の構成を示す平面図である。 本発明の第４の実施形態に係る回転翼装置の同期機構の概略の構成を示す概念図である。 本発明の第５の実施形態に係る回転翼装置の概略の構成を示す斜視図である。 本発明の第６の実施形態に係る回転翼装置の概略の構成を示す斜視図である。 本発明の第６の実施形態に係る回転翼装置の概略の構成を示す平面図である。 本発明の第７の実施形態に係る回転翼装置の概略の構成を示す平面図であり、回転ローターの回転数が低い時の状態を示している。 本発明の第７の実施形態に係る回転翼装置の概略の構成を示す平面図であり、回転ローターの回転数が高い時の状態を示している。 本発明の第７の実施形態に係る回転翼装置の概略の構成を示す平面図であり、回転ローターの回転数が最も高い時の状態を示している。 本発明の第８の実施形態に係る回転翼装置の概略の構成を示す斜視図である。 本発明の第８の実施形態に係る回転翼装置の概略の構成を示す側面図である。 本発明の第９の実施形態に係る回転翼装置の概略の構成を示す斜視図である。 本発明の第９の実施形態に係る回転翼装置の概略の構成を示す側面図である。 本発明の第１０の実施形態に係る回転翼装置の概略の構成を示す側面図である。 従来の１枚翼ストレートダリウス型の回転翼装置の概略の構成を示す斜視図である。 従来の１枚翼ストレートダリウス型の回転翼装置の概略の構成を示す平面図であり、Ｂは、回転翼が順行領域にある状態を、Ｃは、回転翼のつりあい静止位置を、Ａ〜Ｂ、Ｂ〜Ｃの範囲は、回転翼の順行領域を、Ｃ〜Ａの範囲は、回転翼の逆行領域を、それぞれ示している。

符号の説明

１ 回転翼装置
２ａ カルマン渦
３ 回転ローター
４ 逆行領域
５ 翼回転軸
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ 回転翼
６ｅ 回転軌道
１０ 整流板
２２ａ、２２ｂ、４２ａ、４２ｂ ローター支持部
２５ 支持部回転軸
４３ 同期機構
５２ 尾翼
７２ 翼角度変更手段
７７ 翼角度制御手段
８４ａ、８４ｂ、８４ｃ 翼側ヒンジ部
８５ａ、８５ｂ、８５ｃ 軸側ヒンジ部
８８ａ、８８ｂ、８８ｃ 翼保持部

Claims (10)

1. 翼回転軸の周りに流体を受けて回転可能な回転翼を有する回転ローターと、
   上記回転翼が流体の向きに対して逆行する逆行領域においてカルマン渦を発生させるように、この回転翼の逆行領域の上流側に設けられた整流板と、
   を備え、
   上記整流板と回転ローターの翼回転軸とは、整流板が発生させたカルマン渦の上記流体の向きに対して逆行する部分に回転翼の回転軌道が沿うように配置されていることを特徴とする回転翼装置。
2. 上記整流板は、流体に向かって湾曲する弧状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転翼装置。
3. 上記回転翼は、断面が翼形状に形成されたストレートダリウス型で構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の回転翼装置。
4. 上記回転翼は、断面が弧状に形成されたパドル型で構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の回転翼装置。
5. 上記回転ローターは、回転ローターにおける回転翼の取付け角度を変更可能な翼角度変更手段と、
   この翼角度変更手段を制御して変更される回転翼の取付け角度を調節可能な翼角度制御手段と、
   を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の回転翼装置。
6. 上記回転ローターは、回転翼を翼回転軸の周りに回転可能に保持する翼保持部を備え、
   この翼保持部は、翼回転軸側に設けられた軸側ヒンジ部と回転翼側に設けられた翼側ヒンジ部とを折り曲げて回転翼を翼回転軸の近傍に折りたたみ可能に構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の回転翼装置。
7. 上記整流板と上記回転ローターの翼回転軸とを保持した状態で、概ね翼回転軸に並行に設けられた支持部回転軸の周りに回転可能なローター支持部を備え、
   このローター支持部の上記支持部回転軸は、支持部回転軸の周りの可動部に働く流体の力がバランスして流体の方向に対するローター支持部の姿勢が概ね一定になるようにローター支持部の整流板寄りの部分に設けられており、
   上記ローター支持部は、このように流体に対するローター支持部の姿勢が一定になった状態で、上記整流板が回転翼の逆行領域にカルマン渦を発生させるような配置に、上記整流板と回転ローターの翼回転軸とを保持していることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の回転翼装置。
8. 上記ローター支持部は、１つの上記整流板に対して２つの上記回転ローターの翼回転軸を保持するものであり、
   上記ローター支持部は、流体の力がバランスして流体に対するローター支持部の姿勢が一定になった状態で、上記整流板が上記２つの回転ローターの逆行領域にカルマン渦を発生させるような配置に、上記整流板とそれぞれの回転ローターの翼回転軸とを保持していることを特徴とする請求項７に記載の回転翼装置。
9. 上記２つの回転ローターは、それぞれの回転翼の逆行領域が重なるように配置され、
   上記ローター支持部は、流体の力がバランスして流体に対するローター支持部の姿勢が一定になった状態で、上記整流板が上記２つの回転ローターの逆行領域にカルマン渦を発生させるような配置に、上記整流板とそれぞれの回転ローターの翼回転軸とを保持しており、
   上記２つの回転ローターの間には、それぞれの回転翼を上記重なった逆行領域に位相をずらせて交互に侵入させる同期機構がさらに設けられていることを特徴とする請求項８に記載の回転翼装置。
10. 上記ローター支持部には、流体に対するローター支持部の姿勢を安定させる尾翼がさらに設けられていることを特徴とする請求項７ないし請求項９のいずれか１項に記載の回転翼装置。

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