JP2010504468A - 垂直軸風車及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、垂直軸風車及び少なくとも２枚のタービンブレードに関し、各タービンブレードを、支持アーム及び完全に引張負荷可能な結合要素を介して、回転可能な垂直軸に結合させる。本発明によれば、完全に引張負荷可能な結合要素と支持アームとの間に、ブレードを設け、該ブレードをタービンブレードで規定する迎角側で凸状とし、他方側で凹状とする。本発明は、風車を製造する方法にも関する。

【選択図】図１

Description

本発明は垂直軸風車に関し、該風車には、回転可能な垂直軸の他に、少なくとも２枚のタービンブレードを備えており、各タービンブレードには、上端部及び下端部を有し、該各タービンブレードの少なくとも１端部を、支持アームを介して回転可能な垂直軸に取着し、支持アームには、近位端部−回転可能な垂直軸に結合させる−と、遠位端部−タービンブレードの端部付近に位置する−とを有し、上記風車には、更に完全に引張負荷可能な結合要素を設け、該結合要素には、近位端部−回転可能な垂直軸に結合させる−と、遠位端部−回転可能な垂直軸と離隔して位置する−とを有しており、
−完全に引張負荷可能な結合要素の近位端部を、回転可能な垂直軸に、タービンブレードの投影が該回転可能な垂直軸上に占める該回転可能な垂直軸部分の外側にある位置で、結合させ；
−完全に引張負荷可能な結合要素の遠位端部を、ｉ）支持アームの遠位端部、及びｉｉ）該支持アームの遠位端部に結合させたタービンブレードの端部の、少なくとも１方と結合させる。

垂直軸風車（ＶＡＷＴ）、またダリウス風車とも呼ばれる風車が、広く知られている。こうした風車には２枚以上のタービンブレード（翼形状を有する）を備えており、該タービンブレードを、垂直軸に対して回転対称に配置している。ダリウス風車は、水平軸風車（ＨＡＷＴ）に勝る長所として、風方向に傾ける必要がない点を有する。別の長所として、垂直軸風車が発生する仕事を単純な方法で、通常、固設した発電機を用いて、使用できる点がある。このように、風車の構造を一層軽量にでき、且つ、ケーブル撚れを回避することから、かかる風車の制御は水平軸風車より容易である。最も旧型の垂直軸風車のタービンブレードは、直線の垂直に配置した翼形状のタービンブレードである。回転中発生する“遠心力”のため、上記ブレードには、大きな力がかかる。そのため、後に開発されたものは、カテナリ線又はトロポスキエン形状の湾曲したタービンブレードとなった。垂直軸を持つ風車には、短所として、風の吹き始めに直ぐに作動しない点が挙げられる。従って、これらの風車にサボニウスロータを付設して、この問題を解決することが、以前から知られている。

他の発電手段と競合する、特に化石燃料と競うためには、風車の製造コストを下げることが常に求められる。しかしながら風車については、多数の他の要因、例えば騒音公害、強風に対する強度、運転中の信頼性やメンテナンスへの配慮等が、そうした競争に貢献する。

本発明の目的は、簡単な方法で製造可能な一方、他方で上述した要件を大体満たせる、垂直軸風車を提供することである。

この目的を達成するために、本発明による風車は、ブレードを、完全に引張負荷可能な結合要素と支持アームとの間に設け、該ブレードを、タービンブレードで規定する迎角側で凸状、他方側を凹状とし、該ブレードには迎角縁部を有しており、
ａ）１）迎角縁部の水平面上に投影して形成した線と、２）支持アームの近位端部と遠位端部との間の線とを、互いに鋭角とし、
ｂ）迎角縁部の水平面上に投影して形成した第１線が第１長さを有し、迎角縁部の垂直面上に投影して形成した第２線であって、回転可能な垂直軸及び支持アームの遠位端部を通過する第２線が、第２長さを有して、第１長さを第２長さより長くすること、を特徴とする。

従って、発生可能なエネルギ量を決定する貫流面を、完全に引張可能な結合要素と支持アームで形成する信頼性に富む構造を使用して、タービンブレードと軸との間の距離を広げることで、大きく取れる。支持アームを、圧力負荷可能な要素とする。結合要素と併せた、用語“完全に引張負荷可能な”は、張力を、該結合要素を屈曲させて吸収するのでなく、結合要素の近位端部と遠位端部との間の方向で吸収することを示す専門用語である。ブレード自体は、タービンブレードと回転可能な垂直軸との結合力に実質的に寄与しないが、該ブレードは、サボニウスブレードとして動作する。その結果、安価な方法で、直ぐに始動する垂直風車を提供する。このブレードを、完全に引張負荷可能な要素及び支持アームの内の多くて１つと統合（即ち、１体に形成）できるが、実際には、回転可能な垂直軸、完全に引張負荷可能な要素、及び支持アームの少なくとも１つと結合する、別個に製造した要素とする。有利には、このブレードを、金属板或はプラスチック板から形成する。より詳しくは、該ブレードを、型を用いて予め形成した別に製造したプラスチック要素とすることができる。本出願では、迎角側と関連して、“タービンブレードにより規定する”と記載したが、これはタービンブレードの形状により、風車の回転方向が決定され、該回転方向により迎角側が規定されることを意味している。ブレードの迎角縁部を、水平面上にブレードを投影した際の回転軸までの各距離に関して、該水平面と回転軸と支持アームの遠位端部に亘り走る垂直面との間の交差線から最遠に位置するブレードの点によって規定する。本出願では、用語、回転可能な垂直軸を、用語、ロータ軸と置換可能である。ａ）で規定した鋭角は、支持アームの遠位端部付近に位置するものとする。

好適には、完全に引張負荷可能な結合要素は、条片形状を有する。

条片は安価であり、特に同じ厚みの支線と比べて幅広のため、大きな力を吸収でき、単純な方法でタービンブレードに結合できる。

有利な実施例では、この条片にはその遠位端部にキンクを有し、該条片をタービンブレードの端部に結合させること、を特徴とする。

このように、単純な方法で、大きな表面積に対して強力に結合できる。これを、例えば、タービンブレードの端部に、圧力負荷可能な充填体を取付け、その箇所で完全に引張負荷可能な結合要素の遠位端部と、該タービンブレードの端部を、通しボルト等によって結合させて、達成する。

重要な実施例では、ブレードにより、ｉ）完全に引張負荷可能な結合要素の遠位端部、ｉｉ）完全に引張負荷可能な結合要素、及びｉｉｉ）支持アーム、の少なくとも１つを遮蔽すること、を特徴とする。

このようにして、騒音公害を抑制し、空気力学的に成形した結合要素及び／又は支持アームの必要性を、回避できる。また、構造を依然として簡単にしたまま、突出したボルトやナットの頭部による騒音公害を回避できる。好適には、少なくともｉ）とｉｉｉ）、及び最優先にｉｉ）とｉｉｉ）を−ｉｉ）にｉ）を備える場合−遮蔽する。

重要な１実施例によれば、迎角側から見て、ブレードの形状を三角形とする。

この三角形は実質的に、ａ）結合要素及び支持アームの結合部、ｂ）支持アームの軸への結合部、及びｃ）結合要素の軸への結合部によって、画定される。如何なる理論によっても拘束されることを意図するものではないが、風力による電力を生み出す良好な条件下で、サボニウスロータが風車による発電量を著しく低下すること無く、比較的低速なサボニウスロータの最適周速比を、高速なダリウスロータの最適周速比と調和して組み合わせることができる、と考えられる。本発明はまた、前請求項の何れかに記載の垂直軸風車を製造する方法にも関する。

本発明は、軸には支持アーム、完全に引張負荷可能な結合要素、及びタービンブレードを設けること、及びブレードを、支持アームと完全に引張負荷可能な結合要素との間に設け、該ブレードを、タービンブレードで規定した迎角側で凸状とし、他方側では凹状とし、該ブレードには、軸に略直交する方向成分を有する迎角縁部を有すること、を特徴とする。

従って、低コストで、直ぐに始動する垂直軸風車を提供できる。ブレードを支持アーム、軸、及び完全に引張負荷可能な結合要素の少なくとも１つに結合させる順番は任意であるが、一般的に、ブレードを最後に取付けるのが好ましい。

単純な1実施例では、ブレードを、別個に製造したブレードとし、これを完全に引張負荷可能な結合要素と支持アームの両方に取着すること、を特徴とする。

これにより、ブレードを比較的薄く設計（従って安価に）した場合でも、ブレードの形状を十分に維持できる。

フィンランド特許出願公開第ＦＩ９３４３５１号とは対照的に、構造の各部分に関する本発明では、出来る限り低コストで、その特定の目的のための最適な特性を有する要素を使用できる。これは、空気力学的特性等の特性にも該当し、そうした特性が支持アーム及び／又は完全に引張負荷可能な結合要素で役割を果たす必要がなくなり、その結果これら要素を、強度、他の要素（軸、タービンブレード）への結合に対する適合性、材料特性によって、選択してもよくなる。ここでは、好適には、完全に引張負荷可能な結合要素、支持アーム及びブレードの少なくとも１つを、鋼鉄から製造する。

タービンブレードを簡単に且つ確実に取着するのに、好適な方法は、キンクを備えた完全な引張負荷可能な結合要素を設け、該結合要素のキンク部をタービンブレードに結合させること、を特徴とする。

最も好適には、ブレードにより、ｉ）完全に引張負荷可能な結合要素の遠位端部、ｉｉ） 完全に引張負荷可能な結合要素、及びｉｉｉ）支持アーム、の少なくとも１つを遮蔽するように、該ブレードを設ける。

本発明による垂直軸風車の側面図を表す。 図１のＩＩ-ＩＩ線に沿った断面図を示す。 図１のＩＩＩ-ＩＩＩ線に沿った断面図を示す。 図１の風車の部分上面図を示す。

本発明について、次に、以下の図面により説明する。

図１では、ダリウスロータ１を示すが、該ロータには垂直軸２及びロータブレードを有し、その内の１枚のロータブレード３を示している。ロータブレード３を、その端部で垂直軸２に、支持アーム４、４’を介して、取着する。支持アーム４、４’は、圧力負荷可能な、ここでは矩形断面を有する外形形状をした支持アームとする（図２）。ロータブレードの端部を、軸２に、完全引張可能な条片５、５’を介して結合する。支持アーム４、４’と完全引張可能な条片５、５’を組合せることで、信頼でき、極めて強い構造にできる。条片５、５’、支持アーム４、４’、及び軸２を、例えば、鋼鉄製とする。

本発明によれば、ブレード６を、完全引張可能な条片５（５’）と支持アーム４（４’）との間に設ける。図１では、ブレード６’を省略しており、これは実用上の見地からは確かに可能であるが、ブレードを上下両方に存在させることが好ましい。言うまでもなく、安定性の観点から、軸と結合させるダリウスロータの部品の重心を、軸２と一致させる必要がある。一例として、奇数のロータブレード３を有するダリウスロータに関しては、つまり、ロータブレード３は、全ての該ブレード３の最上部にブレード６を設ける必要がある、又は；全ての該ブレード３の最下部にブレード６’を設ける必要がある、又は；全ての最下部及び最上部にブレード６、６’両方を設ける必要がある。風流に対して、ブレード６は互いに協働し、それによりサボニウスロータが動作する。ブレード６’に関しても同様である。

ブレード６、６'を、例えば、プラスチック板又は薄鋼板から作製し、好適には完全引張可能な条片５、５’及び支持アーム４、４’の両方に取着する。かかる構造は極めて安価で、且つ極めて効果的である。ブレード６、６’により、条片５、５’及び支持アーム４、４’を遮蔽し（即ち、迎角側から見えないようにする）、そうすることで条片５、５’及び支持アーム４、４’を、非空気力学的に、その結果一層安価に設計できるようになる。このように形成し、回転軸と支持アームの遠位端とに亘り走る垂直面に対して投影したブレード６、６’を、三角形とするが、そうすることで、比較的低速なサボニウスロータの最適周速比が、その結果高速なダリウスロータの最適周速比と調和して組み合わせられると考えられる。

支持アーム４と垂直軸２との角度αを、通常、７０゜〜１１０゜、好適には８５゜〜９５゜とし、条片５と垂直軸２との間の（囲んだ）角度βを、通常、６０゜〜９０゜、好適には７０゜〜８０゜とする。

ブレード６は、風が最初に到達する部分、迎角縁部１３を有し、ここでは破線で示している。垂直軸２、支持アーム４、４’及び条片５、５’で形成した平面に対して投影したこの迎角縁部１３が成す角度γを、好適には（α＋β）／２とする。

図２では、図１のＩＩ-ＩＩ線に沿った断面を表す。ここでは、支持アーム４を、非空気力学的な、特に矩形形状として設計した実施例について、示している。更に、条片５を、該条片５及び支持アームを囲み、風からそれらを遮蔽するブレード６と共に、示す（矢印；迎角側を図面左とする）。ブレード６を、接着剤ジョイント、ブラインドリベット等を用いて、支持アーム４及び条片５に結合させる。ブレード６はベアリング式ではないが、風による力に、大きく変形すること無く耐え得るよう、十分な形状剛性を有するものとする。ブレード６及び接着剤ジョイントを可撓性（非脆性）とし、それにより風車１の回転速度に応じて、支持アーム４及び条片５で発生する僅かな変形や角度歪みを吸収できるようにする。

図３では、図１のＩＩＩ-ＩＩＩ線に沿った断面図を示しており、タービンブレード３の上端部への支持アーム４及び条片５の結合についてより詳細に示している。タービンブレード３は軽量にする必要があるため、実際には中空に設計する（例えば、航空機用並みの押出アルミニウム製）。支持アーム４及び条片５を端部に効果的に結合させるために、圧力負荷可能な充填体７を、タービンブレードの端部に（充填体７を斜線で示す）に挿入する。支持アーム４及び条片５には、夫々の（遠位の、即ち垂直軸２から離隔して位置する）端部に、夫々キンク部材１１及び１２を有し（図１には、対応する１１’及び１２’を示す）、該部材をボルト継手により互いに結合している。ボルト継手には、ボルト８及びナット９を備える。該ボルト継手、また支持アーム４及び条片５の遠位部も騒音公害を引き起こす可能性があるため、翼形状を有するキャップ１０を取付けるのが好ましい。このキャップ１０をプラスチック製とし、通常二等分して、これらを例えばクリック結合で互いに結合させる。好適には、キャップ１０をブレード６に隣接させる、或は、キャップ１０とブレード６との間に若干の重合部分を設ける。

図４では、風車の一部分、特にロータ軸２、ロータブレード３及び迎角縁部１３の上面図を示す。風車を、回転対称とする。

本発明による風車について、垂直軸を有する風車として開示した。原理上は、風車の軸を地表面との直角とは異なる角度に、風向きに対して例えば９０゜超で横断する面に軸を向けて、配置することが可能である。この場合でも、本発明の効果は保持される。かかる仕組みでは、風車が全て風向で等しく良好に機能するというわけではない、或は風車を風に対して、水平軸風車のように、傾ける必要があるといった短所がある。本発明において水平面と記載した箇所は、風車の回転軸を横断する平面を意味する。本発明において垂直面と記載した箇所は、回転軸と支持アームの端部とで画定する平面を意味する。

１ ロータ
２ 垂直軸
３ ロータブレード
４、４’支持アーム
５、５’条片
６、６’ブレード
７ 充填体
８ ボルト
９ ナット
１０ キャップ
１１、１２ キンク部材
１３ 迎角縁部

Claims (10)

1. 垂直軸風車であって、該風車には、回転可能な垂直軸の他に、少なくとも２枚のタービンブレードを備えており、各タービンブレードには、上端部及び下端部を有し、該各タービンブレードの少なくとも１端部を、支持アームを介して前記回転可能な垂直軸に取着し、前記支持アームには、近位端部−前記回転可能な垂直軸に結合させる−と、遠位端部−タービンブレードの端部付近に位置する−とを有し、前記風車には、更に完全に引張負荷可能な結合要素を設け、該結合要素には、近位端部−前記回転可能な垂直軸に結合させる−と、遠位端部−前記回転可能な垂直軸と離隔して位置する−とを有しており、
   −前記完全に引張負荷可能な結合要素の前記近位端部を、前記回転可能な垂直軸に、前記タービンブレードの投影が該回転可能な垂直軸上に占める前記回転可能な垂直軸部分の外側にある位置で、結合させ；
   −前記完全に引張負荷可能な結合要素の前記遠位端部を、ｉ）支持アームの遠位端部、及びｉｉ）該支持アームの遠位端部に結合させたタービンブレードの端部の、少なくとも１方と結合させる、垂直軸風車であって、該風車は、
   ブレードを、前記完全に引張負荷可能な結合要素と前記支持アームとの間に設け、前記ブレードを、前記タービンブレードで規定する迎角側で凸状、他方側を凹状とし、前記ブレードには迎角縁部を有しており、
   ａ）１）前記迎角縁部の水平面上に投影して形成した線と、２）前記支持アームの前記近位端部と前記遠位端部との間の線とを、互いに鋭角とし、
   ｂ）前記迎角縁部の水平面上に投影して形成した第１線が第１長さを有し、前記迎角縁部の垂直面上に投影して形成した第２線であって、前記回転可能な垂直軸及び前記支持アームの遠位端部を通過する第２線が、第２長さを有して、前記第１長さを前記第２長さより長くすること、
   を特徴とする垂直軸風車。
2. 前記完全に引張負荷可能な結合要素が、条片形状を有すること、を特徴とする請求項１に記載の風車。
3. 前記条片は、該条片の遠位端部にキンクを有し、該条片をタービンブレードの端部に結合させること、を特徴とする請求項２に記載の風車。
4. 前記ブレードにより、ｉ）前記完全に引張負荷可能な結合要素の前記遠位端部、ｉｉ）前記完全に引張負荷可能な結合要素、及びｉｉｉ）前記支持アームの少なくとも１つを、遮蔽すること、を特徴とする前請求項の何れかに記載の風車。
5. 前記迎角側から見て、前記ブレードが三角形の形状を有すること、を特徴とする前請求項の何れかに記載の風車。
6. 軸には支持アーム、完全に引張負荷可能な結合要素、及びタービンブレードを設けること、及びブレードを、前記支持アームと前記完全に引張負荷可能な結合要素との間に設け、該ブレードを、前記タービンブレードで規定した迎角側で凸状とし、他方側では凹状とし、前記ブレードには、前記軸に略直交する方向成分を有する迎角縁部を有すること、を特徴とする前請求項の何れかに記載の垂直軸風車を製造する方法。
7. 前記ブレードを、前記完全に引張負荷可能な結合要素と前記支持アームとの両方に取着する別に製造したブレードとすること、を特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記完全に引張負荷可能な結合要素、前記支持アーム及び前記ブレードの少なくとも１つを、鋼鉄から製造すること、を特徴とする請求項６又は７に記載の方法。
9. キンクを備えた完全に引張負荷可能な結合要素を設け、前記結合部材の前記キンク部を前記タービンブレードと結合させること、を特徴とする請求項６乃至８の何れか１項に記載の方法。
10. 前記ブレードにより、ｉ）前記完全に引張負荷可能な結合要素の遠位端部、ｉｉ）前記完全に引張負荷可能な結合要素、及びｉｉｉ）前記支持アーム、の少なくとも１つを遮蔽すること、を特徴とする請求項６乃至９の何れか１項に記載の方法。

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