JP2006152957A - プロペラ並びに横軸風車 - Google Patents

Abstract

【課題】 この発明は、軸トルクが大きく、併わせて回転速度も早くなるプロペラと、そのプロペラを使用した横軸風車を提供することを目的としている。
【解決手段】 プロペラ翼の先端部が、プロペラ翼の正面方向へ傾斜され、傾斜部が形成されているプロペラ。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プロペラ並びに横軸風車に係り、特に、翼の先端部が、翼の正面方向へ傾斜され、傾斜部が形成されているプロペラと、このプロペラを使用した横軸風車に関する。

従来、風力発電機の風車として、横軸プロペラ式風車が利用されている。プロペラ式風車は、プロペラ翼が１０ｍとか５０ｍ等大型のものが使用され、回転効率の点から先端部を細くとがらせたものが主流となっている。これは、翼長の長いプロペラ翼は、基端部よりも先端部の方が回転速度が当然に早くなる。従って、翼先端部の弦長を広くすると、空気抵抗が大きくなり、回転速度が低下するためである。

風車の回転効率は、プロペラ翼の受風面積により定まるが、例えば同じ三角形の翼を基端部の弦長を広くしたものと、逆に翼の先端部の弦長を広くしたものとを比較すると、翼の受風面積は同じなので、風車の回転効率は同等になり、軸トルクは翼先端部の弦長が広い方が大きくなるが、回転速度は遅くなる。
この発明は、軸トルクが大きく、併わせて回転速度も早くなるプロペラと、そのプロペラを使用した横軸風車を提供することを目的としている。

この発明は、前記課題を解決し目的を達成するために、プロペラ翼の先端部に、正面方向へ傾斜された傾斜部を形成した。発明の具体的な内容は次の通りである。

(1) プロペラ翼の先端部が、プロペラ翼の正面方向へ傾斜され、傾斜部が形成されているプロペラ。

(2) 前記傾斜部は、その中心線がプロペラ長手方向に対して、２５度〜５０度の範囲で傾斜している、前記(1)に記載されたプロペラ。

(3) 前記傾斜部の基端境界は、該基端境界の回転トラックに沿う円弧に設定されている、前記(1)(2)のいずれかに記載されたプロペラ。

(4) プロペラ翼の先端縁部に受風部が大きく設定され、該受風部はプロペラ翼の正面において、基部の幅より先端方が幅広に設定されているプロペラ。

(5) 前記受風部の正面における最大幅は、プロペラ回転直径の１３％〜２５％の範囲に設定されている、前記(4)に記載されたプロペラ。

(6) 前記受風部の縦方向中間において、傾斜横溝が形成され、該傾斜横溝の回転後部位が、翼の回転前部位からも、受風部の基端部位及び先端部位からも、深く後方に傾斜している、前記(4)(5)の何れかに記載されたプロペラ。

(7) 横軸風車であって、横軸に固定されたプロペラの翼先端部が、プロペラ正面方向に傾斜され、傾斜部が形成されている横軸風車。

(8) 支柱上に旋回自在に框体が配設され、框体に横主軸が配設された横軸風車であって、框体の後部位に方向舵が垂直に配設され、その後部に位置してプロペラが配設され、プロペラ翼は先端部を正面方向に傾斜されて、傾斜部が形成されている横軸風車。

(9) 前記プロペラ翼は先端縁部に、基部より先端方が幅広い受風部が設定され、該受風部の正面における最大幅は、プロペラ翼の回転直径の１３％〜２５％の範囲である、前記(7)(8)のいずれかに記載された横軸風車。

本発明によると次のような効果がある。

(1) 請求項１に記載された発明のプロペラは、各翼の先端部が翼の正面方向へ屈曲して、傾斜部が形成されているので、プロペラの正面に風を受けたとき、傾斜部に当った風が、受風部へ滑り混合されて風圧を高め、翼を回転方向へ強く押す力に変化するため、風速が弱くてもプロペラを回転させやすく、高速回転時に軸トルクが大きい効果がある。

(2) 請求項２に記載された発明のプロペラは、翼先端部の傾斜部が、その中心線がプロペラ長手に対して、１５度〜４５の範囲で傾斜しているので、傾斜部に正面から当る風は速度を速めて受風部へ滑るため、同じ風速の中で、同じ時間内に傾斜部にのみ多くの風量が集合して、受風部で混合されて風圧を高め、翼後方へと通過して、翼を回転方向へ強く押す効果がある。

(3) 請求項３に記載された発明のプロペラは、翼先端部の傾斜部の基端境界が、該基端境界の回転トラックに沿う、円弧に設定されているので、プロペラの回転時に、抵抗になりにくい。

(4) 請求項４に記載された発明のプロペラは、プロペラ翼の先端縁部に広く設定された受風部は、プロペラ翼の正面において、基部の幅より先端方が幅広に設定されているので、プロペラの遠心部で多くの風を受けることになり、回転速度が早まり、かつ梃子の原理で回転時に強い軸トルクを得ることが出来る。

(5) 請求項５に記載された発明のプロペラは、翼における受風部の正面における最大幅は、プロペラ回転直径の１３％〜２５％の範囲に設定されているので、受風面積が広く、高い風車効率を上げることができる。

(6) 請求項６に記載された発明のプロペラは、翼における受風部の縦方向中間において、傾斜横溝が形成され、該傾斜横溝の回転後部位が、翼の回転前部位からも受風部の基端部位及び先端部位からも、後方に深く傾斜しているので、翼に当る風は速度を早めて傾斜横溝に集合し、風圧を高めて翼後方へと流れて、翼を回転方向へと力強く押す。

(7) 請求項７に記載された発明の横軸風車は、横軸に固定されたプロペラの翼先端部が、プロペラ正面方向に傾斜され、傾斜部が形成されているので、傾斜部に当った風は、速度を早めて受風部へ流れ、合流して風圧を高め、翼を力強く回転させる。従って、効率の良い工業用動力を得ることが出来、框体の中にプロペラ軸と連結して発電器が配設されると、弱風でも効率よく発電をする風力発電機とすることができる。

(8) 請求項８に記載された発明の横軸風車は、プロペラ翼が先端部を正面方向に傾斜されて、傾斜部が形成されているので、翼の傾斜部で受けた風は、速度を早めて受風部に滑り、合流して風圧を高めて、弱風でも翼を効率良く回転させる。また傾斜部は他部より風を多量捕らえるので風に敏感に反応して、風の方向に向き、方向舵により風向き方向に速やかに対向されるので、風向きの変化にもロスを少なくする。
従って、効率の良い工業用動力を得ることが出来、框体の中にプロペラ軸と連結して発電器が配設されると、弱風で風向きが変化しても、効率よく発電をすることができる風力発電機とすることができる。

(9) 請求項９に記載された発明の横軸風車は、翼の先端縁部に、基部より幅広の受風部が設定され、該受風部の正面における最大幅は、プロペラ翼の回転直径の１５％〜２５％の範囲であるので受風面積が広く、かつ、回転遠心部で多くの風を受けるため、翼長が短くても、風車効率がよく、効率の良い工業用動力を得ることが出来、風力発電機に適している。

プロペラ翼の受風部の先端部を正面方向に傾斜させて、傾斜部が形成された。翼の先端縁部が幅広に形成され、受風効率が高まる。

本願発明の実施の形態例を、図面を参照して説明する。図１は本発明に係るプロペラの正面図、図２は図１における平面図、図３は図１における左側面図である。

図１において、プロペラ(1)は、軸部(2)の正面における放射方向に、プロペラ翼(3)（以下単に翼と記す）が３枚、等間隔に配設されている。符号(4)はプロペラ軸である。前記軸部(2)は、ハブ若しくはボスとなるので形状は任意に設定される。
図において翼(3)は、軸部(2)の背面に基部(3a)を、ボルト止めにする形式を示しているが、軸部(2)の周面にネジ止めする形式等、固定手段は任意である。

各翼(3)は三次元形で、図１に示すように、正面において基部(3a)は細杆状で、その先端部が幅広に設定されて受風部(3b)が形成されている。該受風部(3b)は、先端縁部及び回転後部位が大きく設定されている。

図２に示すように、翼(3)は、その先端部が正面方向へ傾斜されて、傾斜部(3c)が形成されている。図１における符号(3d)は、傾斜部(3c)の基端境界線で、該基端境界線(3d)は、翼(3)の回転時の回転トラック（T）に沿う円弧形に設定されている。従って、翼(3)の回転時に、傾斜部(3c)基端部分の空気抵抗が軽減される。

傾斜部(3c)の長さは、例えばプロペラ翼長の５％〜２０％程度で、その傾斜角度は、プロペラ長手に対して、中心部で１５度〜５０度の範囲、好ましくは４０度〜４５度である。
前記受風部(3b)の最大弦長は、翼(3)の回転直径の約１４％に設定されているが、１３％〜２５％の範囲に設定される。

図１において、受風部(3b)は、翼(3)の先端部から約６５％までの範囲に設定されている。図３は、図１におけるＡーＡ線断面図、図４は、図１におけるＢーＢ線断面図、図５は、図１におけるＣーＣ線断面図、図６は、図１におけるＤーＤ線断面図である。

このように、受風部(3b)は、翼(3)の基部(3a)から先端部にいくに従って、受風正面が軸部(2)の回転方向に対して、次第に緩やかに設定されている。そのことは、受風部(3b)の回転後端部位（図の左）は、翼(3)の先端部位に近ずくに従って、次第に正面方向に変位している。

図７は、図１における傾斜部(3c)のＥーＥ線断面図、図８は図１におけるＦーＦ線断面図、図９は図１におけるＧーＧ線断面図である。傾斜部(3c)の上部に至るに従って、次第に前方へ出て、前面は、回転前部（図の右方）から、回転後方（図の左方）へかけて、次第に後方へ傾斜している。

図１，図２において、正面方向から風を受けた場合、ＡーＡ部においては、図３に示すように、風の当る面積が広く、Ａ矢示風は翼(3)前面に沿って左方へ流れ、ａ矢示方向に翼(3)を押す力が生じる。

ＢーＢ部においては、図４に示すように、風の当る面積はＡーＡ部より狭くなり、Ａ矢示風は翼(3)前面に沿って左方へ流れ、前面の後傾角が大きいので、風は早く通過し、ｂ矢示方向へ翼(3)を押す力が生じる。

ＣーＣ部においては、図５に示すように、風の当る面積はＢーＢ部よりも狭くなり、Ａ矢示風は翼(3)前面に沿って左方へ流れ、前面の後傾角が大きいので、風は早く通過し、ｃ矢示方向へ翼(3)を押す力が生じる。

ＤーＤ部においては、図６に示すように、風の当る面積はＣーＣ部よりも狭くなり、Ａ矢示風は翼(3)前面に沿って左後方へ早く通過し、ｄ矢示方向に反力が生じる。すなわち、基部(3a)は風の抵抗を受けるが、面積が狭いので、翼(3)の回転負担になりにくい。

傾斜部(3c)については、図１におけるＥーＥ部は、図７に示すように図３と同じである。図１におけるＦーＦ部においては、図８に示すように、Ａ矢示風は傾斜部(3c)前面に沿って左方に流れ、ｆ矢示方向へ翼(3)を押す力が生じる。

図１におけるＧーＧ部においては、図９に示すように、Ａ矢示風は傾斜部(3c)前面に沿って左方に流れ、ｇ矢示方向へ翼(3)を押す力が生じる。
この傾斜部(3c)は、先端部が前寄りに突出して傾斜しているために、図１０に示すように、
前記ｆ矢示方向及びｇ矢示方向に作用する風力は、斜後上方向きに作用する。

このことは、傾斜部(3c)で受ける風は、翼(3)の回転遠心方向で回転前方へ向けた力となるため、翼(3)の回転速度をあげる作用となる。
また、図１０において、点ＰーＱ間の斜面に当る風は、Ｑ方向へ滑る。ＯーＱを通過する風の通過時間と、ＰーＱを通過する風の通過時間は同じなので、ＯーＱを通過する風の速度よりもＰーＱを通過する風の通過速度の方が早くなる。

このことから、図１０において、傾斜部(3c)の前斜面に当る風は、斜め基端(3d)方へ高速で通過して、図４，図５に示す受風部(3b)前面を、後左方に流れる風と合流して、空気密度を高めて風圧を高めて、翼(3)の後方へ通過する。

すなわち、図１においては、傾斜部(3c)における風停滞による抵抗損が大きいように見えるが、前記したように、傾斜部(3c)に当る風は、図１におけるＡ1矢示風のように高速で抜けるため、風抵抗にならないのみならず、図１におけるＢーＢから翼(3)の基部(3a)周りにおける風の、高速通過を促す効果がある。

傾斜部(3c)で風速が早まるということは、その部分で負圧が生じる。その結果、他部から常圧の風が余分に集合することになり、同じ風速、同じ時間内において、傾斜部(3c)のみ、他部より多量の風が当ることになり、集風効果が生じる。

翼(3)の基部(3a)が幅広い場合、翼(3)が回転すると、風の抜けが制約され、翼(3)に負担がかかり、また風は翼(3)の細い先端方向へ抜ける為に回転効率が悪い。
その点、この発明による翼(3)は、基部(3a)回りで風の通過性がよく、遠心部が幅広く、傾斜部(3c)により風を集め、高速で受風部(3b)へ風を変向させるので、風の回収性に優れ、翼(3)の遠心部で大きな風力を得るので、梃子の原理で軸トルクが大きくなる。

その結果、翼長を長くしなくても風車効率が良くなり、翼(3)の剛性の問題、風車の高さの問題など、有利な点が多い。翼形は図２で明らかなように、回転方向への対面面積が細く、横断面が揚力型なので、プロペラ(1)が回転しはじめると、回転揚力が生じる。

この場合、前述したように、図１０において、傾斜部(3c)前面点ＰーＱを滑る風速がＯーＱ間よりも早くなると、空気密度が薄くなり、負圧になるため、他部からの常圧の風が傾斜部(3c)前面に急速に入り込み、これは他部よりも高速風が当るのと同じ効果が生じ、時間単位の空気密度が高くなるために、翼(3)を回転方向へ押す総合風圧が高くなる。

すなわち、傾斜部(3c)は、風を停滞させるように見えるが、実際は、風速が早まって早く通過し、その分、余計に風が傾斜部に当ることになるので、受風効率が高い。このことは、図１０において、点ＯーＱよりも点ＰーＱの距離が長い方が、点ＯーＱを通過する風より速度が早くなるので、距離は長い方が良いが、傾斜角度が緩やかで長いだけでは、風が散逸するので、傾斜角度は４５度以内が最適である。

また、図１において、傾斜部(3c)前面に当った風が、傾斜部(3c)の基端部位回りを後方へ高速で通過することは、この風が翼(3)を回転方へ回転させる力となる。すなわち、図４において、点ＳーＲを通過する風速よりも、点ＴーＲを通過する風速の方が早くなる。従ってこの傾斜部(3c)前面に押寄せる風圧が、翼(3)を回転方向へ押すことになる。

このように翼(3)の先端部に、傾斜部(3c)が形成された本発明プロペラ(1)と、従来型とを比較すると、同じ受風面積と風速で、従来型が２１０回／分のところ、本発明のプロペラは４０５回／分と大きな差が見られた。

図１１は、翼(3)の実施例２示す正面図、図１２はその平面図である。前例と同じ部位には同じ符号を付して説明を省略する。この実施例２における受風部(3b)の最大幅は、プロペラの直径の２０％に設定されているが、２５％まで大きくすることができる。基部(3a)の正面における幅は、最大幅の３分の１以下に設定される。

図１３は図１１におけるＡーＡ断面図、図１４は図１１におけるＢーＢ断面図、図１５は図１１におけるＣーＣ断面図である。これら断面図で判るように、翼断面は概略揚力翼型で、正面における左側前面は後方へ傾斜しており、傾斜度は基部(3a)はきつく、先端方向においては緩やかに設定されている。

図１３〜図１５において、正面から風を受けるとき、点Ｏから点Ｐにいたる風の速度よりも、点Ｑから点Ｐへかけて横滑りする風の速度の方が早くなる。すなわち受風部(3b))の正面にあたる風は、翼(3)の回転にともない図の左方に流れ、その速度は周囲に吹いている風速より速くなるので、図１１において、翼の基部(3a)よりも先端縁部の方に当る風が、早く左方に横滑りをする。

更に、傾斜部(3c)の前斜面にあたる風は、斜面で速度を上げて基部、受風部(3b)方向へ高速で移動する。このことは、翼(3)の先端部の幅が広いと、風圧が高くなり回転効率が落ちるということはなく、他より風速を早めて翼の後方に通過するため、他より多くの風を呼び込む結果となり、翼(3)を回転方向へ強く押す。また斜面に当って高速で滑る風は負圧を作るため、翼に直接当る風圧は常圧より低い。

図１６は、翼(3)の実施例３を示す正面図、図１７は図１６におけるＡーＡ線断面図、図１８は翼(3)の左側面図である。前例と同じ部位には同じ符号を付して説明を省略する。この実施例３においては、受風部(3b)における前面に、傾斜横溝(3e)を形成したものである。

図１８に翼(3)の左側面を示すように、傾斜横溝(3e)は、正面における受風部(3b)の右側前部から、左側後部方向へ傾斜して形成されている。これによって、翼(3)の前面に当る風は、傾斜横溝(3e)において左後方へ通過する速度が早くなる。また傾斜部(3c)に当って基部(3a)方へ滑る風は、この傾斜横溝(3e)で合流して風圧を高めて翼(3)の左後方へ通過する。

この時の風圧は、図１７においてＡ矢示方向へ作用して、翼(3)に回転力を与える。すなわち、翼(3)前面に当る風は、この傾斜横溝(31)の回転後部に、速度を上げて集合して、翼(3)の左後方に通過することにより、翼(3)に強い回転力を与える。

図１９は、プロペラ(1)を風車に組立てた、横軸風車(5)の右側面図で、図の左方が正面である。図２０は横軸風車の正面図である。前例と同じ部位には、同じ符号を付して説明を省略する。横軸風車(5)は、支柱(6)の上部に框体(7)が旋回自在に配設されている。

框体(7)は、支柱(6)を旋回支点として、前部よりも後部の長さが長く設定されている。また框体(7)の後部上下に、方向舵(8)が垂直に配設されている。
框体(7)の中には、図示しない横軸（プロペラ軸）が、軸受を介して水平に支持されている。該横軸の後端部にプロペラ(1)が固定されている。符号(7a)は後蓋である。

前記框体(7)の中において、図示しない横軸の先端部に発電器を連結し、中間に変速機、ブレーキ、クラッチ、自動制御器、速度センサ、風速計等を配設する事によって、風力発電機にすることができる。

プロペラ(1)に風を受けて回転している時、プロペラ(1)の傾斜部(3c)が、風を多く受けるため、風向きが変化しても敏感に位置が修正されて、プロペラ(1)は常に風下に位置する。また横風があると、方向舵(8)によって速やかに風向きに対向する。

プロペラ(1)を框体(7)の風下にしたことによって、翼(3)が回転時に支柱(6)の陰に一時的に入るが、図２０に示すように、翼(3)の遠心部にある幅の広い傾斜部(3c)は、回転時において遠心部にあるために、基部(3a)よりも回転速度が速いので、支柱(6)の陰に隠れる時間が少ない。

またプロペラ(1)は支柱(6)から離れているため、支柱(6)を周り込んだ風が、幅の広い受風部(3b)、傾斜部(3c)にあたるので、回転効率を損ねることはなく、敏感に風向きに対面出来ることによる回転効率のよさがカバーする。

なお、この発明は、前記実施例に限定されるものではなく、目的に沿って適宜設計変更をすることができる。翼(3)は３枚が例示されたが２枚のものでも良い。また翼(3)は正面で左右対称形で細形でも良い。

この風車のプロペラは、通常のプロペラよりも回転効率がよいので、工業用動力として活用することが出来、風力発電機用の風車に利用するときは、弱風での効率のよい発電が可能になる。

本発明に係る実施例１風車のプロペラの正面図である。 図１におけるプロペラの平面図である。 図１におけるＡ−Ａ線断面図である。 図１におけるＢ−Ｂ線断面図である。 図１におけるＣ−Ｃ線断面図である。 図１におけるＤ−Ｄ線断面図である。 図１におけるＥ−Ｅ線断面図である。 図１におけるＦ−Ｆ線断面図である。 図１におけるＧ−Ｇ線断面図である。 図１における翼の左側面図である。 本発明に係る実施例２風車のプロペラの正面図である。 １１における平面図である。 図１１におけるＡ−Ａ断面図である。 図１１におけるＢ−Ｂ断面図である。 図１１におけるＣ−Ｃ断面図である。 本発明に係る実施例３風車のプロペラの正面図である。 図１６における翼の平面図である。 図１６におけるプロペラの左側面図である。 風車の右側面である。 風車の正面図である。

符号の説明

(1) プロペラ
(2) 軸部
(3) プロペラ翼
(3a) 基部
(3b) 受風部
(3c) 傾斜部
(3d) 基端境界
(3e) 傾斜横溝
(4) プロペラ軸
(5) 風車
(6) 支柱
(7) 框体
(7a) 後蓋
(8) 方向舵

Claims (9)

1. プロペラ翼の先端部が、プロペラ翼の正面方向へ傾斜され、傾斜部が形成されている事を特徴とするプロペラ。
2. 前記傾斜部は、その中心線がプロペラ長手方向に対して２５度〜５０の範囲で傾斜していること、を特徴とする請求項１に記載されたプロペラ。
3. 前記傾斜部の基端境界は、該基端境界の回転トラックに沿う円弧に設定されていることを特徴とする、請求項１．２のいずれかに記載されたプロペラ。
4. プロペラ翼の先端縁部に受風部が大きく設定され、該受風部はプロペラ翼の正面において、基部の幅より先端方が幅広に設定されていることを特徴とするプロペラ。
5. 前記受風部の正面における最大幅は、プロペラ回転直径の１３％〜２５％の範囲に設定されていることを特徴とする、請求項４に記載されたプロペラ。
6. 前記受風部の縦方向中間において、傾斜横溝が形成され、該傾斜横溝の回転後部位が、翼の回転前部位からも、受風部の基端部位及び先端部位からも、深く後方に傾斜していることを特徴とする、請求項４．５の何れかに記載されたプロペラ。
7. 横軸風車であって、横軸に固定されたプロペラの翼先端部が、プロペラ正面方向に傾斜され、傾斜部が形成されていることを特徴とする横軸風車。
8. 支柱上に旋回自在に框体が配設され、框体に横主軸が配設された横軸風車であって、框体の後部位に方向舵が垂直に配設され、その後部に位置してプロペラが配設され、プロペラ翼は先端部を正面方向に傾斜されて傾斜部が形成されていることを特徴とする横軸風車。
9. 前記プロペラ翼は先端縁部に、基部より先端方が幅広い受風部が設定され、該受風部の正面における最大幅は、プロペラ翼の回転直径の１３％〜２５％の範囲であること、を特徴とする請求項７．８のいずれかに記載された横軸風車。

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