JP2009299641A - 弾性変形翼流体車 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来、風車や水車を使って仕事量を取り出し、あるいはスクリューやプロペラを使って推力を得るときに翼の形が固定されているので効率が上がらなかった。
【解決手段】
常に周速度を計算してプロペラ型では、伸縮、湾曲変形可能な弾性変形可能な翼面材を使用して翼のねじり角を変え、翼全域で等迎角にして失速を防ぐと同時に最大迎角を取り得るようにし、垂直軸型では回転腕上で翼の角度を変える技術と併用して、伸縮、湾曲変形可能な弾性翼面材や翼端材を用いて翼のキャンバーや翼断面形状を変化させなどの技術でエネルギー取り出し効率を上げた。
【選択図】 図３

Description

この発明は、風車や水車あるいはスクリューやプロペラ（以下、これらを総じて「流体車」という。）によって流体からエネルギーを取り出し、あるいは推進軸にエネルギーを与えて推進力を得る効率を向上させる技術に関する。

従来、風力発電や水力発電（以下、両者を総じて「流体力発電」という。）、粉挽きや揚水などで、あるいはまた船舶や航空機の推進に流体車を使用してきた。
このとき、一定の流速の流体から如何に多くのエネルギーを取り出せるか、あるいは一定のエネルギーから如何に大きな推進力を得られるか、という効率を向上させることに対し多くの努力が払われてきた。

流体の持つエネルギーから翼の揚力や抗力を利用してトルクを取り出すのも、回転軸にトルクを与えて推進力を得るのもこの翼が生じる揚力・抗力によるものである。

翼の揚力・抗力が流体車の効率を左右する大きな要因である。

ここでは、エネルギーを受ける作用について説明する。

プロペラ型流体車では流速の強さによって翼前縁と後縁を結ぶ線（以下、「翼弦線」という。）と翼全体の回転軸（以下、「公転軸」という。）に対する角度（以下、「ピッチ」という。）を条件に応じて変化させる（以下、この機能を「可変ピッチ」という。）といった技術が使われている。

一方垂直軸型流体車でも、ダリウス型、サポニウス型、クロスフロー型、パドル型など、さまざまな回転力を生む機構が開発されてきた。
また、翼の角度を変化させて効率を上げるなどの技術が使われてきた。

プロペラ型流体車では、可変ピッチの翼を設けても、最適の迎角の割り出しが容易でないため、迎角を取りすぎると翼面失速を招き、トルクは低下するが、迎角をとらないとまた有効なトルクは生まれないという問題を明確に回避するに至っていない。

迎角は、使用条件によって翼の先端と翼の根元で常に一致するとは限らず、翼の一部では大きな迎角となり、その部分から翼面失速を生じることがあり、それはすぐに翼全面に波及する失速となり流体車の効率は著しく損なわれる。

また、垂直型流体車の大半の物はいかなる方向から流体が流れてきても回転力を発生することができる反面、追い風(水)側ではトルクを稼げるが、向かい風(水)の部分では回転翼はむしろ回転の妨げとなり、その他の部分ではトルクに関与しないといった特徴を持ち、全体としての効率はさほど望むべくもないという特性を持っていた。

流体の流れが一定の場合翼に対する流体の相対流速の方向は流れの上流側と下流側では大きく異なり、この両方で効率よくトルクを稼ぐにはまだまだ解決しなければならない問題があった。

また、流体車の公転軸の周りを回転しながら翼自身が自転する形式の流体車では、翼の前縁と後縁が入れ替わり、通常の翼の形では揚力を発生するのが困難であり、抗力だけで回転するなどと効率向上が容易ではなかった。

本願第１の発明は、 流体車において、回転翼の表面を伸縮、湾曲することが可能な弾性変形部材で構成することを特徴とする流体車である。

本願第２の発明は、 上記変形は、プロペラ型流体車では、回転翼の表面を伸縮、湾曲することが可能な弾性変形部材で構成してねじり角を変化させることができることを特徴とする請求項１記載の流体車である。

本願第３の発明は、上記変形は、垂直軸型流体車では、回転翼の表面中央部分を伸縮、湾曲することが可能な弾性変形部材で構成して翼断面形状を変形させることができることを特徴とする請求項１記載の流体車。

本願発明の流体車とは、風車や水車のように流体の流れから回転翼を利用してエネルギーを取り出し、あるいはプロペラやスクリューのように回転軸にエネルギーを与えて回転翼を利用して推進力を発生させる装置である。

伸縮、湾曲することが可能な弾性変形部材とは、例えばプラスチック、バネ材、合成ゴムなどで良く、プロペラ型流体車においては、合成ゴムシート、合成ゴムロープなどが適している。

垂直軸型流体車においては、合成ゴムシートと合成ゴムブロックなどが適している。

風車や水車と、プロペラやスクリューは、回転翼に発生する揚力、抗力によってトルクを得るか、推力を得るかの相違だけであるので、以下トルクを得る作用について述べる。

上記の諸問題を解決する方法はないかと研究を重ねた結果、以下の発明に及んだ。

流体車で効率良くトルクを取り出せるか、あるいは失速が起きるかどうかは、翼断面形状及び翼表面の精度によって影響を受ける以外に、翼の周速と流速の比（以下「周速比」という。）によって条件が著しく異なる。

この周速比の値と、必要とする回転力とによって、最適なピッチは決定されるのが最も効率がよい。 したがって、この値を得るために流体車の回転速度及び流速を常に測定し、その周速比を計算して、必要な回転力を得ると同時に失速を起こさせない、最適なピッチを決定する機能を備えた流体車が最も効率の良い流体車となる。

このためには、流体車の公転軸に回転速度計を付加し、流体車の近傍に流体車とは別の流速計及び流れの方向計を付加して、必要な回転力が与えられた時にプロペラ型流体車であれば最適なねじり角及び迎角を導き出す、また垂直軸型流体車であれば後述する可動回転翼の制御係数を計算することが出来るパーソナルコンピューターなどを組み合わせ、この値を決定する必要がある。

プロペラ型流体車では、図１に示すように任意の点での周速は、翼の公転軸からの距離に比例して大きくなるので、任意の点で翼の周速ヴェクトルと流体の流速ヴェクトルの合成ヴェクトル（以下、「相対流速」という。）に対する迎角が０度となるピッチの角度θは次式 数１、数２で決定できる。
迎角が０となる任意の点の、ピッチ角 ； θ、 その点の周速 ； Vｃ、 流速 ； Ｖｗ 、 公転軸の回転角速度 ； ω、 公転軸と任意の点の距離 ； ｒ とすると
（数１） θ ＝ Ａｔａｎ ( Ｖｃ / Ｖｗ )
（数2） Ｖｃ ＝ ω ｒ

これは、公転軸上ではピッチ０、翼端で最大ピッチとなる、ねじれた翼となる。

翼弦長が一定の翼では、このねじれた翼は、翼先端での角度を決定すれば、図１左に示すような角度になり、この翼端断面の前縁と公転軸を結ぶ円筒面上に斜めに張ったゴムひも上及び. 翼端断面の後縁と公転軸を結ぶ円筒面上に斜めに張ったゴムひも上に、各々の場所での翼断面の前縁及び後縁を一致させた図１０に示すような、翼形状となる。

効率がさほど厳密に要求されない条件であるならば、通常最も多く使用する翼先端周速比に合わせた翼のねじりで翼全体の形状を作成しておけば、この周速比の近傍では必要なトルクに応じて加えたピッチが相対流速に対する迎角となり、翼の根元から先端までほぼ等しい迎角となる。

ただし、このままでは周速比が著しく大きい使用条件と、小さい使用条件では、図２に示すとおり周速比によって翼のねじり角が変わってくるので、翼の相対流速に対する迎角は根元と先端では大きく異なってしまう。

もっと厳密に根元から翼先端まで同じ迎角の翼にするためには、実施例１、図３に示すように、翼表面を伸縮、湾曲変形することが可能な弾性部材で構成した、ねじり角を運転中に変化させることが出来る翼」（以下、可変ねじり角翼）という。）（請求項２）を用いて、ねじり角をそのときの翼端周速比に合わせて変化させ、この可変ねじり角翼全体を、必要とする回転力に応じた迎角を加えることにより根元から翼端まで等しい迎角を持つ翼を構成することが出来る。

計測された流速、流れの方向、流体車の回転速度から周速比を割り出し、プロペラ型流速車であれば可変ピッチ装置、及び可変ねじり角翼を用いて、また、垂直型流体車では後述する可動回転翼の制御によって計算された値の通り翼に迎角をとることが出来る。

つぎに、垂直型流体車について説明する。
垂直型流体車では、図４に示すように周速比と、流体の流れに対する回転位置によって翼中心の相対流速の方向が異なる。

この相対流速ヴェクトルの方向どおりに翼が回転腕上で角度を変えながら毎周、公転していれば（以下、「可動回転翼」という。）、相対流速に対する迎角は、０となる。

図５に示すように、さまざまな周速比に対応して回転腕の位置に応じてその翼を回転腕上で角度を変化させておのおのの位置で相対流速に対する迎角を０にすることが出来る翼迎角駆動カム１０A 〜１０N を作成することが出来る。

これらのカムを順次上下に重ね、これらの面をスムーズな面で覆った立体カム１０Ｑを作成することが出来る。

この立体カム１０Ｑを垂直方向に上下して、実際に計測・計算された周速比よりも、常に周速比の値が大きいほうの位置で翼の迎角をプッシュロッドによって翼の迎角を回転腕上で変化させるように制御すると、この翼は周速ヴェクトルと流体の流速ヴェクトルが正反対の向きになる点及び周速ヴェクトルと流体の流速ヴェクトルが同じ方向になる点近傍以外では、常にトルクを発生する迎角を持つことが出来る。

ただし、この流体車は翼面の流れの上流側になる面が回転軸より上流に翼があるときと下流に有るときでは左右入れ替わるために通常であれば左右対称翼にならざるを得ないため揚力を稼ぐこと苦手になってしまう。

これを解決するために、図６で示すとおり、翼１５を構成する材料のうち翼面の中央部付近を構成する材料を、伸縮、湾曲弾性変形することが出来るシ−ト状の素材１６及び翼の端面の中央部分を湾曲弾性変形できるブロック状の素材１７で構成し前縁部１５Ａ、及び後縁部１５Ｂを各々の回転中心の周りを自由に回転できる構造とし、制御すべき翼弦線の方向にこの２つの回転中心を並べ、回転中心の間隔は回転中心から各々前縁、後縁までの距離の和より大きくする。

流れの上流側では、流体から受ける流圧によって１６及び１７は押され、流れの下流側では流速による負圧によって１６及び１７は引っ張られ、翼の前縁に向かって右側の面が流れの上流側にあるときは図６ Ａに示すとおりに変形し、下流側にあるときは図６ Ｂに示すとおり変形して翼の断面の中央を通る線（以下、「翼中心線」という。）が翼弦線に対して流れの下流側を通るように翼の断面形状を変え、相対流速の方向によって、翼弦線と翼中心線との距離１８（以下、「キャンバー」と言う。）を変えること（以下、「可変キャンバー」という。）が出来る。 （請求項３）

次に、もう少し単純な動きで効率の良い垂直軸型流体車はないものかという試行を行った。
例えば、周速比が１未満で運転する垂直軸型流体車である。

このために、周速比１で迎角が０の翼を持つ垂直軸型流体車を考えると、図７に示すとおり、周速が流れと全く逆の点、角位置θａ が０の場所.Ｏで腕と翼がなす角θｗ は π／２であり、流れの上流方向へ回って行くに従って点Pからの回転腕の角位置θａ がπ／２の場所Qでθｗはπ／４、角位置θａ がπの場所Rでθｗ は０、角位置θａ が 3π／２の場所Dでθｗは −π／２といった具合に、この翼は回転腕１０の角位置θａに従って、回転腕の角位置の2分の１だけ腕の回転（公転）と逆回転（自転）することがわかる。

この可動回転翼は、図８に示すとおり位置決め用歯付きプーリー１９のPの位置を常に流体の上流に向けておけば、回転腕上にある翼自転用歯付きプーリー２０（中央歯付きプーリーの２倍の歯数を持つ）とコッグドベルト２１で実現することが出来る。

この可動翼を持つ垂直軸型流体車は、周速が流れと全く逆の点、角位置θａが０の場所. O近傍以外のすべての場所で、周速比の値が1未満の使用条件ではトルクを生み出す迎角を持つことができる。

この流体車も、図５の立体カム１０Qによる可動回転翼の場合に加えて、流れの上流側と下流側の面が左右入れ替わると同時に、前縁と後縁が入れ替わるので、左右上下対照翼となってしまい揚力の発生が困難になる。

そこで、この垂直軸型流体車の翼に揚力を有効に発生させる技術が必要になってくる。

可変キャンバー機能を持たせるとともに、図９に示すように翼の前後に開口部２３を設け、翼内部の空間を隔壁２２Bによって前後に分断する構造を持ち、翼中央部および翼端を弾性変形可能なシート１６で構成された翼をつくることによって、翼の断面を前縁側では流体からの圧力を受けて弾性変形膜が翼の外に向かって広げられて前部の翼開閉ヒンジ２２Aを広げ翼の断面を厚く、後縁側では、流速による負圧で弾性変形膜１６と開閉ヒンジ２２Aは翼の内側に引かれて翼断面を薄くなるように、翼の断面形状を変える（以下、「可変断面」という。）ことができる。（請求項３）

可動回転翼をもつ垂直軸型流体車は、流体の流速の方向によって性能が異なる特性を持つ（以下、「指向性を持つ」という。）ので、図５の制御用立体カム１０Qや、図８でいう位置決め用歯付プーリー１９を常に最良の効率を生み出す方向に向ける機能を付加する必要がある。

プロペラ型流体)車で、可変ねじり角機能を持つことにより、翼の流体に対する迎角が先端から根元までほぼ等しい構造の翼を持つことができるので翼の失速を防止することができ、より大きな迎角をとることが可能になるので取り出す仕事量が増える。（請求項２）

可変キャンバー機能を持つことにより、流れの上流側でも下流側でもより大きな揚力を発生させることができることにより、より大きなトルクを得ることができ、効率が向上する。（請求項３）

可変断面機能を持つことにより、前縁と後縁が入れ替わる翼を持つ流体車で翼がより大きな揚力を発生し、より大きなトルクを得ることができ、効率が向上する。（請求項３）

プロペラ型流体車では、回転翼の表面を伸縮、湾曲することが可能な弾性変形部材で構成してねじり角を変化させることができるように以下のような翼を考えた。

図３で示すように翼を形成するために、翼の揚力中心を通る迎角制御用自転軸３に軸方向にも回転方向にも固定されたリブ４Ａ、軸方向に固定され、自転軸を中心に自由に回転できる、同じ翼断面の複数のリブ４Ｂ 〜 ４Ｄ
を持っている。

これらのリブの前縁部と後縁部は、所定の周速比に翼の各部分にねじりを与えるための弾性伸縮可能な前縁ねじりロープ５及び弾性伸縮可能な後縁ねじりロープ６上に各々のリブの前縁位置を定めるための前縁ねじりロープ上にリブに対して回転可能な前縁ボールジョイント ７Ａ 〜 ７Ｅ 及び各々のリブの後縁位置を定めるための前縁ボールジョイントと同様の機能を持つ後縁ボールジョイント ８Ａ 〜 ８Ｄ でリブ４Ｂ 〜 ４Ｄはその自転軸回りの回転方向に位置を決められる。
翼端のリブ４Ｅは、ねじり角決定軸９の先端に固定されている。

これらの複数のリブに接着された伸縮、湾曲弾性変形することの出来るフィルム状の翼面材２によって翼を構成する。

回転速度と流速から導き出した周速比によって翼先端のリブ４Ｅの角度を 数１ によって決めることにより、中間の他のリブは前縁ねじりロープ５及び後縁ねじりロープ６によって、各々の前縁及び後縁の位置が規制されてしまうので必然的にその場所の周速比で迎角０度の翼を形成することとなる。

この状態のまま全体に意図する迎角分だけ自転軸３に迎角分のピッチを加え、ねじり角決定軸９にはねじり角分に加えて迎角分のピッチを与えると、翼の全域で相体流速に対する迎角がほぼ等しくなる。

プロペラ型流体車の各点における周速、流体の流速、相対流速を示したヴェクトル図、および翼の傾きを示す翼断面の比較図。 周速比によって異なる翼のねじり角を翼端面から公転軸方向を見た平面図の比較図。 可変ねじり角翼の斜視図。 垂直軸型流体車の周速比と回転位置によって異なる、周速、流体の流速、相対流速を示したヴェクトル比較図および、それに対応した迎角０の翼弦線の比較図。 垂直軸型流体車の周速比によって異なる迎角０の翼弦線およびそれらを制御できるカムの形状ならびにそれらを上下に重ねて、スムーズな面でつないだ立体カムの斜視図、平面図の比較図。 可変キャンバー翼の斜視図およびその変形の比較図。 周速比１に対応した周速、流体の流速、相対流速を示したヴェクトル図、および翼の位置によって回転腕と翼弦線がなす角を示す比較図。 垂直軸型流体車で、回転する翼を、流体車全体の回転速度の2分の1の回転速度で流体車の回転と逆方向に自転する機構を示す平面図。 可変断面翼の動作をしめす斜視図。 全ての部分で流体の相対流速に対する迎角が0の翼の形状を示す斜視図。

符号の説明

４Ａ 迎角決定用リブ
４Ｂ〜Ｄ 従動リブ
４Ｅ ねじり角決定用リブ
５ 前縁ねじりロープ
６ 後縁ねじりロープ
７ 前縁ボールジョイント
８ 後縁ボールジョイント
９ ねじり角決定軸
１０Ａ〜Ｎ 各々の周速比で迎角０となるように翼を制御するカム
１０Ｑ 立体カム
１５ 可変キャンバー翼
１５Ａ 翼前縁部
１５Ｂ 翼後縁部
１６ 弾性変形翼面材
１７ 弾性変形ブロック
１８ キャンバー
Ａ 前縁に向かって右方向からの相対流速があったときの変形
Ｂ 前縁に向かって左方向からの相対流速があったときの変形
Ｏ 流体の流速方向に垂直の方向に回転腕がある位置（反時計回りに回転する）
Ｐ 流体の流速上流方向に回転腕がある位置
Ｑ Oの反対位置
Ｒ Pの反対位置
θａ Oの位置からの腕の回転角
θｗ 回転腕と翼弦線のなす角
１９ 位置決め用歯付きプーリー
２０ 自転用歯付きプーリー
２１ コッグドベルト
Ｐ 流速方向の位置
２２ 可変断面翼
２２Ａ 前後縁金具
２２Ｂ 前後隔壁
１６ 弾性変形膜
２３ 前後縁開口部
２４ 翼端面
２４Ａ 翼端相対流速の方向
２５ 公転軸面
２５Ａ 公転軸中心

Claims (3)

1. 流体車において、回転翼の表面を伸縮、湾曲することが可能な弾性変形部材で構成することを特徴とする流体車。
2. 上記変形は、プロペラ型流体車では、回転翼の表面を伸縮、湾曲することが可能な弾性変形部材で構成してねじり角を変化させることができることを特徴とする請求項１記載の流体車。
3. 上記変形は、垂直軸型流体車では、回転翼の表面中央部分を伸縮、湾曲することが可能な弾性変形部材で構成して翼断面形状を変形させることができることを特徴とする請求項１記載の流体車。

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