JPS6090992A - 螺旋翼式垂直軸風車 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は垂直軸風車に係り％特に小形の風力発′亀装置
や風力ポンプ等に使用するに好適な垂直軸風車に関する
。

〔発明の背景〕

従来の垂直軸風車の代表的なものとして２枚または３枚
のロータ興奮もつサポニウス風車がある。

サポニウス風車は構造が簡単で起動性がよく、かつ風向
変化の影響が少ないなどの利点を有しているが、風車の
回転角θによりロータ真に対する風の作用程度が異なる
。そのため風車の回転角θによシ回転トルクが変動する
とともに、風車全体に作用する風の抗力も変動するので
風車の撮動が大きく、安定な運転が困難であるという欠
点金有していた。この欠点全改善する目的でなされた従
来の方法として、第１図に示すサボニウス風車（日本機
械学会、精機学会共催１日立地方講演会論文集、昭和５
３年９月］がある。この風車は第１図に示すようにサポ
ニウス風車全上下２段重ねとし、上段ロータＲ１と下段
ロータ翼２金回転角θ方向に９０°ずらして配置したも
のである。なお、第１図の３，４及び５は端板、６及び
７は回転軸である。第２図には、第１図の風車の回転角
θに対する靜トルク係数Ｃｍｋ放射方向にとった靜トル
ク分布を示す。同図よう、サボニウス風単金２段重ねと
しても静トルク係数Ｃｓの最大と最小は４個所に生じ、
かつ静トルク係１’ｌ　Ｃｓの最大値Ｃ６ｎと最小値Ｃ
ｓｔ、の比Ｃｇｎ／　Ｃ［ＩＬは２以−ヒと大きく、回
転トルクの変動は十分小さくなっていない。この回転ト
ルクの変動を十分小さくするためには、さらに風車全１
０段以上の多段に重ねることが考えられるが、第１図の
構造では、多段化に際して以下の欠点を有している。（
１）各段を接続するために中間の端板４が必要であシ、
風車重量の増加とともに回転時の抵抗となり、コスト會
増加させるとともに風車効率を低下させる。（２）各段
の接続に際して、各段間の回転中心がくるいやすく、振
動の原因となる。（３）各段接続部の中間の端板４によ
り、各段間の空気の流れが防げられ、風車効率が低下す
る。

〔発明の目的〕 本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をなくシ、垂
直軸風車？多段に構成することなくトルク変動及び抗力
変動が小さく、かつ風車効率の高い垂直軸風車を提供す
ることにある。

〔発明の概要〕

上記の目的全達成するため本発明では、ロータ翼を風車
回転軸まわりに螺旋状に一体成形したロータ野としてい
る。このとき、この螺旋状ロータ翼のひねり角αは、風
車ロータ翼枚数をＮとしたとき。

ただし、ｎは正の整数 としている。このことよシ、風車の回転角θによらず、
Ｎ枚の螺旋状ロータ翼に作用する回転トルク及び風車全
体に作用する抗力は一定となり、振動の少ない安定な運
転が可能となる。また螺旋状ロータ興に入射後の風は、
その一部が螺旋状ロータ諷に沿って流れ、風車の回転を
助ける方向に作用す、るので、風車効率金高めることが
できる。

〔発明の実施例〕

以下本発明全実施例により詳細に説明する。第３図は本
発明の螺旋翼式垂直軸風車の一実施例を示す構造図であ
る。また、第４図は、第３図のＡ−Ａ断面、Ｂ−Ｂ断面
、Ｃ−Ｃ断面、Ｄ−Ｄ断面。

及びＥ−Ｅ断面を示す断面図である。第３図において、
１１．１２は一対の螺旋状ロータ其、１３゜１５はそれ
ぞれ上部及び下部端板、１６．１７は回転軸である。２
枚の螺旋状ロータ翼１１，１２は回転軸１６．ｌ’ｌ結
ぶ風車回転軸まわりにそれぞれ１８０°のひねシ角α金
持ち、かつその風車回転軸に軸対称に配置されている。

この２枚の螺旋状ロータ翼１１，１２は上部及び下部で
それぞれ端板１３，１５に固定されている。回転軸１６
゜１７はそれぞれ端板１３，１５に固定されている。

第１図の風車の軸方向各点の断面は、第４図に示すよう
に、最上部のＡ−Ａ断面形状が１８００回転して最下部
のＥ−Ｅ断面形状となる。

螺旋状ロータ翼の材質は、軽量でかつ強度の高いＥＲＰ
′ｆｒ：使用しているが、アルミ合金等でも可能である
。

以下１本発明の螺旋翼垂直軸風車の動作特性を説明する
。第５図は第３図の風車の回転角θに対する靜トルク係
数Ｃ１１１に放射方向にとった静トルク分布の測定値で
ある。ここで静トルク係数Ｃｓは、次式で表わされる。

ただし、 Ｏｓ　＝静トルク係数 ＴＢ＝静トルク ρ＝空気密度 Ｕ＝風速 Ａｓ　＝風車投影面積（Ａｓが回転角θによって変わる
場合は、その最大値をと る） Ｒ＝風車回転半径 第５図よシ、静トルク係数Ｃ−は回転角θによらず、１
１は一定となる。これは、風を受けて風車を回転させる
方向にトルク受ける動力具２１（第５図）と逆に、制動
する方向にトルクを受ける制動翼２２（第５図）の面積
の割合が、本発明の螺旋翼式垂直軸風車では回転角θに
よらず一定となるｌめでちゃ、トルク変動のほとんどな
い安定な運転が可能である。また、本風車では風車の投
影面積もｊＱ１転角θによらず一定であり、風速がほぼ
一定であれば風車全体に作用する抗力もほとんど変動せ
ず安定な運転が可能である。さらに、靜トルクが回転角
θによらないことから、風車停止時にどららの方向から
風が吹いてもすみやかに起動可能である。

通常、自然風はたえずその風向が変動する。この風向変
動時、従来の第１図に示す風車では風向に対する相対的
な回転角が変動するこ七により、トルク及び抗力が変動
し、風向の変動も振動の原因となる。一方１本発明の第
３図の風車では、風向が変動してもトルク及び抗力ｉｌ
：変動しないので、風向変動に対しても安定に運転でき
る。

第６図は本発明の第３図に示した風車の出力特性を第１
図の従来の風車に比較して示したものである。第６図に
おいて縦軸は風車出力係数ＣＰ。

横軸は周速比φである。ここで、風車出力係数Ｃｐと周
速比φは次式で定義される量である。

ただし、 Ｃｐ”風車出力係数 Ｐ＝風車出力 ρ＝空気密度 Ｕ＝風速 ＡＲ−風車投影面積 φ＝周速比 Ｒ＝風車回転半径 Ｗ＝風車回転角速度 第６図において、黒丸で示した３１は第１図の従来の風
車の出力特性、白丸で示した３２は第３図の本発明の風
車の出力特性の代表例である。第６図よシ２本発明の風
車の出力特性３１は、従来の風車の出力特性３２に比較
して最大出力係数Ｃｐは１０％以上大きくなシ、かつ出
力係数ＣＰの大きい周速比範囲も広くなっている。この
理由は、第１図の従来の風車と第３図の本発明の風車の
ロータ翼形状の差異によるものである。すなわち、第１
図の従来の風車のロータ翼１及び２は長さ方向に直線状
であり、かつ上段ロータ翼１と下段ロータ翼２は端板４
で仕切られている。そのため、動力翼、例えばロータ翼
２の腹部に入射した風は、その一部はロータ興２の後縁
部を通って制御翼（ロータ翼２と対をなすもう１枚のロ
ータ翼）の腹部へ逃げ、他の一部の風は動力翼の前縁部
から逃けるが、上下方向へはロータ翼が垂直であること
や端板４等によシ逃げに＜＜、制動翼に負のトルク全付
加するように作用する。そのため風車の出力係数が低下
する。

一方、本発明の風車では第３図に示すように、ロータ翼
１１，１２がなめらかな螺旋状に構成されている。その
ため、本発明では１枚のロータ翼の中に動力翼として働
く部分と制動翼として働く部分があり、動力興と制動翼
の明確な区別は困難であるが、風車軸方向のおる断面で
見れば、ロータ翼１１が動力翼として働く場合には、も
う一枚のロータ翼１２は制動翼として働くことになる。

したがって本発明の風車の動力翼部分に入射した風は、
従来の風車の場合と同様に、その一部の風は動力翼の後
縁部を通って制動翼の膜部へ逃げ、他の一部の風は動力
翼の前縁部から逃げる。さらに本発明の風車ではロータ
翼がなめらかな螺旋状に構成されていることにより、動
力翼部分に入射した風のかなシの部分が、螺旋状のロー
タ翼に沿って逃げることになり、この逃げる風も風車に
回転トルクを与える方向に作用する。

さらに、制動翼部背部にある風もロータ翼の螺旋に沿っ
て逃げ、動力翼部の腹部に入射して風車に回転トルクを
与える方向に作用する風が従来の直線状のロータ翼をも
つ風車に比較して多くなる。

これらの効果によシ、本発明の風車の出力係数Ｃｓｅ高
くすることができる。

第７図は本発明の他の実施例を示すもので、第３図と異
なるのは、螺旋状ロータ興奮４１のみの１枚としたこと
である。このときは螺旋のひねシ角αは３６０°として
いる。この実施例では、ロータ翼の枚数が少ないことに
よシ回転トルクは小さくなるが、高速回転可能となシ、
発電等の用途に適するという効果がある。

第８図は、本発明の他の実施例を示すもので、第３図と
異なるのはジャイロミル形風車に螺旋状ロータ翼を取９
つけだことである。第８図において、５１及び５２は螺
旋状ロータ翼であシ、それぞれのロータ翼５１及び５２
のひねり角αは１８００である。この１対のロータ翼５
１，５２は回転軸５３に５４．５５，５６，５７，５８
゜５９．６０．６１の各支持棒により固定されている。

第８図のＦ−Ｆ断面を第９図に示す。ロータ翼５１，５
２の断面形状は、第９図に示すように翼形をしておシ、
この翼形としてはＮＡＣＡＯＯ１２形などが適当である
。

ジャイロミル形風車は前に説明したサポニウス風車とは
異なった空力作用によシ回転する。すなわち、サボニウ
ス風車ではロータ翼の動力翼部と制動翼部にそれぞれ作
用する風の抗力の差によシトルクを得て回転する。一方
、ジャイロミル形風車では断面が翼形全したロータ典に
作用する揚力によってトルクを得て回転する。しかし、
ジャイロミル形風車においても風車の回転角θによりロ
ータ翼に作用する揚力の大きさ及び方向が変化し、トル
ク変動を避けることができない。第９図でロータ翼の位
置が回転角θ＝９０°、２７０°のとき最小揚力を受け
、θ＝０°、１８０°のとき最大揚力を受ける。しかし
、第８図に示した本実施例のごとく、ロータＪ！ｌ！！
を螺旋状とすることによ勺ロータ翼に作用するトルク変
動の位置を分散させることにより風車全体に作用するト
ルク変動を小さくすることができ、振動の少ない安定し
た運転が可能となる。

なお１以上説明した実施例では、螺旋状ロータ翼のひね
シ角αは、ロータ翼枚数が１枚のときにはα＝３６０°
、ロータ翼枚数が２枚のときはα＝１８０°としたが、
一般にロータ具枚数ｆｆ：Ｎ、正の整数ｆｎとしたとき
１次式で表わされるひね９角αとすれば、同様の効果が
得られる。

また、螺旋の方向は右ねじ方向でも、左ねじ方向でもよ
い。

〔発明の効果〕

以上説明したごとく、本発明によれば、風車のロータ興
奮回転軸まわりに螺旋状に構成することによシ、トルク
変動及び抗力変動がほとんどなくなシ、振動の少ない安
定した運転が可能となるとともに風車の効率を高めるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の２段式すポニウス風車の構造図、第２図
は第１図の風車の静トルク特性を示す説明図、第３図は
本発明の風車の一実施例を示す構造図、第４図は第３図
の風車の軸方同各位置のロータ翼形状金示す断面図％第
５図は第３図に示した本発明の風車の靜トルク特性を示
す説明図、第６図は第１図の風車と第３図の風車の出力
特性を示す説明図、第７図社本発明の風車の変形例を示
す構造図、第８図は本発明の風車の他の変形例を示す構
造図、第９図は第８図の風車のＦ−１５断面図である。 １・・・上段ロータ翼、２・・・下段ロータ翼、３，４
゜５・・・端板、６，７・・・回転軸、１１．１２・・
・螺旋状ロータ翼、１３．１５・・・端板、１６．１７
・・・回転軸、４１・・・螺旋状ロータ翼％　４２．４
３・・・端板、４４．４５・・・回転軸％５’ｌ、５２
・・・螺旋状ロータＲ１５３・・・回転軸％　５４，５
５，５６，５７゜５８．５９，６０．６１・・・支持棒
、α・・・螺旋状ロータ翼のＯ・ねシ角、θ・・・風車
の回転角４０８・・・靜トルク係数、Ｃｐ・・・風車出
力係数、Ｎ・・・ロータ翼２７０゜ ｐ（、！Ｔｙ−） 茅７霞

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、垂直に配置された回転軸と％該回転軸に、脱絖され
   た１枚以上のロータ翼とより成る垂直軸風車において、
   該ロータＪＫを該回転軸重わりに螺旋状にひねった螺旋
   状ロータ翼としたこと’４１徴とする螺旋具式垂直軸風
   車。 ２、特許請求の範囲第１項において、該ロータ翼枚数を
   Ｎ１正の整数をｎで表わしたとき、該螺旋状ロータ翼の
   ひねシ角αを、 ３６０゜ としたことを特徴とする螺旋具式垂直軸風車。