直線翼型風·水車的製作方法
2023-06-01 09:51:26
專利名稱：直線翼型風·水車的製作方法
技術領域：
本發明涉及例如在垂直軸周圍配置直線翼且用支承翼連接到軸側的直線翼型風·水車，該直線翼型風·水車兼顧了效率、自起動性和噪音等，並謀求堅固性、安裝角和翼厚等的最佳化。
背景技術：
近年來，從節省能源和保護自然環境等觀點出發，風力發電和水利發電被重新看好。
對於風力發電來說，以前，使用螺旋槳的水平軸型的風車是主流。螺旋槳式風車有種種缺點，在自起動性高、不需要特別的啟動裝置的反面，需要相對風向的指向性，需要用於使螺旋槳朝向風的方向的裝置等，並且由於螺旋槳的形狀複雜，難以大量生產加工。
近年來，與螺旋槳式的水平軸風車相反，開始採用使用縱長的葉片的垂直軸型的風車。例如，在垂直的軸部的周圍具有多根圓弧狀的細長的葉片的達裡厄斯型風車是有名的。
垂直軸風車，有種種優點，由於對風向無指向性，所以適用於風向變化的日本的風況，並且由於葉片的形狀簡單，所以容易大量生產。垂直軸風車的效率(輸出係數)不比任何螺旋槳式的水平軸風車差。在此所謂效率是風車做的功(力矩×轉速)相對於風能的比例。在水力發電的情況下，效率即為風車做的功相對於水能的比例。
但是，對於原有的垂直軸風車，由於自起動性非常低，所以需要起動用的馬達和控制馬達的控制裝置等各種設備，雖然使用簡單形狀的葉片，但存在裝置大型化和高成本化的問題。另外，為了得到高的效率(輸出係數)要在翼型上下功夫等，要付出種種辛苦。另外，迴轉時切風音大，需要找出對策。這些問題不限於風車，在水車中也會出現。
鑑於上述問題，本發明是主要作為垂直軸風·水車使用的能發揮出良好效率(輸出係數)的風·水車，其目的在於提供自起動性高，不需要特別的起動裝置，並且迴轉音安靜的風·水車。
發明內容
為了達到上述目的，本發明的第1技術方案的直線翼型風·水車，備有在軸心的周圍與該軸心平行地配置的二維翼型的直線翼，使假想線從該軸心開始垂直於該直線翼的翼弦線，當把該交點作為中心且把旋轉該直線翼的角度作為安裝角時，該安裝角被設定在+3°～-2°的範圍內，而且，使假想線從該軸心開始垂直於該直線翼的翼弦線，當把從該直線翼的前緣到該交點的距離相對於翼弦長的比例作為安裝位置時，該安裝位置被設定在15～40％的範圍內，而且，當把從該軸心到該直線翼的距離作為半徑R，把該直線翼的翼弦長作為C，把該直線翼的個數作為N時，NC/R被設定在0.5～2.2的範圍內，而且，最大翼厚相對於該直線翼的翼弦長的比例被設定在15～25％的範圍內。
根據上述構成，安裝角在5°以上時風·水車的效率(輸出係數)為零，作為風·水車不起作用，把安裝角做在+3°～-2°的範圍內，至少可以發揮最大效率的一半以上的效率(輸出係數)，可以在迴轉時得到良好的效率。另外，把安裝位置做在15～40％的範圍內，雖然效率與安裝位置為25％時相比稍微降低，但是能被良好地維持，由於直線翼的轉頭力矩，自起動性被確保。另外，NC/R(堅固性即迴轉面積比)在0.5以上能夠發揮出良好的自起動性，由于堅固性超過2.2時效率(輸出係數)降低，所以NC/R在0.5～2.2範圍內，始動性和效率能被確保。另外，把直線翼的最大翼厚做成15～25％，風·水車的自起動性提高，效率也提高，強度也被確保。如上所述，風·水車的自起動性和效率雙方能良好地發揮。
本發明的第2技術方案的直線翼型風·水車，其特徵在於，在第1技術方案的直線翼型風·水車中，備有把上述直線翼連結到上述軸心側的對稱翼型的支承翼，最大翼厚相對於該支承翼的翼弦長的比例被設定在15～20％的範圍內。
根據上述構成，可以降低支承翼的迴轉阻力，確保強度，同時可以更加提高風·水車的自起動性。
本發明的第3技術方案的直線翼型風·水車，備有在軸心的周圍與該軸心平行地配置的直線翼，其特徵在於，在該直線翼的軸向端部上形成翼型截面的大致一半厚度的山狀部。
由於上述構成，作為風車使用時，迴轉時在翼端後方不產生空氣渦流，切風音被降低乃至完全消除。作為水車使用時也一樣。迴轉時在翼端後方不產生水渦流，切水音被降低乃至完全消除本發明的第4技術方案的直線翼型風·水車，其特徵在於，在第3技術方案的直線翼型風·水車中，上述山狀部的翼厚是12～17％左右。
由於上述構成，切風音和切水音被完全消除。
本發明的第5技術方案的直線翼型風·水車，其特徵在於，在本發明的第3或第4技術方案的直線翼型風·水車中，該直線翼型風·水車備有第1或第2技術方案所述的各要素。
由於上述構成，通過安裝角為+3°～-2°、安裝位置為15～40％、堅固性NC/R＝0.5～2.2直線翼厚為15～25％、支承翼厚為15～20％、翼端的山狀部的組合、風·水車的效率(輸出係數)和自起動性雙方被滿足，並且切風音和切水音被降低乃至被完全消除。
圖1是表示本發明的直線翼型風·水車的一個實施例的立體圖。
圖2是表示直線翼的截面形狀的圖1的A-A截面圖。
圖3是表示支承翼的截面形狀的圖1的B-B截面圖。
圖4是表示直線翼的安裝位置和安裝角的說明圖，(a)表示安裝角為0，(b)表示+的安裝角，(c)表示-的安裝角。
圖5是表示安裝角和效率(輸出係數)的關係的曲線圖。
圖6是表示安裝角和效率的關係的曲線圖。
圖7是表示對應每個安裝角的強度與效率的關係的曲線圖。
圖8是表示使用另一直線翼時的堅固性與效率的關係的曲線圖。
圖9表示對應於每個堅固性下的線速度比和效率的關係的曲線圖。
圖10是根據圖9表示對應於每個線速度比的堅固性和效率的關係的曲線圖。
圖11的(a)是表示直線翼的翼端的山狀部的俯視圖，(b)是其正視圖，(c)是其側視圖。
具體實施例方式
下面根據附圖詳細地說明本發明的實施例。
圖1表示本發明的垂直軸式的直線翼型風·水車的一個實施例。
該直線翼型風·水車1由垂直的軸部2、在軸部2的周圍與軸部2平行配置的多個(在本例中為三個)作為主翼的直線翼(葉片)3、把各直線翼3連結到軸部2上的水平的支承翼4構成。
如圖2(省略截面線)表示的直線翼3的A-A截面那樣，直線翼3呈非對稱的二維翼型，其翼形中心線9從直線翼3的前緣7向下(在圖2中是向下，在圖1中相當於軸向內側)彎曲，在最大翼厚中心10處與翼弦線11一致，再向上彎曲到後緣8。在圖2中的前方下側設置支承翼4。由於該形狀，不會因風和水流的方向(風向和水向)改變直線翼3的安裝角，可以提高風·水車的效率(輸出係數)。對於直線翼3的形狀，本申請人在日本特公昭56-42751號公報中已提出。
另外，如圖3(a)中表示的支承翼4的B-B截面那樣，支承翼4是對稱翼，從前緣12直到後緣13，翼形中心線19與翼弦線15一致。由於在支承翼4上使用對稱翼，所以在圖1中，使前緣12承受風和水流時的阻抗減低，使後緣13承受風和水流時的阻抗增大且能發揮出旋轉風·水車1的力量。
作為支承翼4的截面形狀，當採用與圖2相同的非對稱的翼型時，把圖1上側的支承翼4做成與圖2同樣的截面形狀，圖1下側的支承翼4使用把圖2的截面形狀做成上下線對稱的截面形狀(上下反轉的形狀)。
由此，在上側的支持翼上產生的升力與作用在下側支持翼上的向下的力抵消，能得到順暢的迴轉，同時能減少加在軸部2的軸承(未圖示)的軸向力，能提高軸承(未圖示)的壽命。
上述直線翼3和支承翼4最好用玻璃纖維和石墨纖維那樣的重量輕且強度高的材料一體地形成。由此，風·水車1不僅可以作為風車使用，也可以作為水車使用。由於翼的剛性高，所以可以耐受強的水流，由於是一體型，在接縫上沒有孔等，不用擔心水侵入翼內部。另外，由於各翼部的輕量化，提高了始動性及效率(輸出係數)。
軸部2最好是金屬制的中空的外齒輪，例如，在外齒輪(2)的端部上固定發電機(未圖示)的迴轉軸。由於使用外齒輪，使軸部2輕量化，提高了始動·起動性。再有，在例如風向和水流的方向一定的地方使用，不需要改變安裝角時，直線翼3也可以使用對稱翼(截面對稱翼型)。另外，在直線翼3的上下也可以配置圓板狀等的盤(未圖示)，通過支承盤中心，可以廢除軸部2。
上述直線翼型風·水車1的效率(輸出係數)根據相對於支承翼4的直線翼3的安裝角、直線翼3相對於軸部2的中心的安裝位置、風·水車1的堅固性(迴轉面積比)等進行變動，另外，風·水車1的自起動性根據堅固性(迴轉面積比)和直線翼3·支承翼4的翼厚等進行變動。
在此，作為安裝位置，如圖4(a)所示，在從軸部2的中心20向與直線翼3的翼弦線11垂直方向引出徑向的假想線22時，是用從直線翼3的前緣7到徑向的假想線22和翼弦線11的交點21的距離X相對於翼弦長C的比例(％)所表示的數值。另外，作為安裝角，如圖4的(b)、(c)所示，當直線翼3的相對於與圖4(a)的翼弦線11的翼弦線11相當的平直線18向迴轉方向外側或內側傾斜時，是指翼弦線11和平直線18所成的角度α(°)。圖4(b)表示+α的安裝角，圖4(c)表示-α的安裝角，圖4(a)表示安裝角為0°另外，堅固性，在風·水車的半徑為R(m)，直線翼的個數為N(個)、直線翼的翼弦長為C(m)時，用NC/R表示。半徑R在圖4(a)中是從軸中心20到翼弦線11與假想線22的交點21的距離。另外，作為翼厚是用％表示最大翼厚相對於翼弦長的比例。效率(輸出係數)是用帶小數點的數字表示風或者水的能量為1時風·水車的做功(轉矩×轉速)的比例。
本發明的目的在於，找出所謂這些安裝角和安裝位置、堅固性、厚翼等要素的最佳值及有效使用範圍，提供一種能發揮出高的自起動性和足夠的效率(輸出係數)的直線翼型風·水車，下面說明對這些要素的調查研究結果。
首先，在圖5的曲線圖中表示安裝角和效率(輸出係數)的調查結果。
在圖5中，縱軸表示效率，橫軸表示安裝角(°)。堅固性從0.18到4.0表示成五個階段(0.18，1.08，2.0，3.0，4.0)。
如圖5所表明的那樣，風·水車的效率隨安裝角進行大的變動，在堅固性從0.18至4.0的極大的範圍內，安裝角只在±4°或者最大±5°以內的範圍內成為有效。當安裝角超出±4°或者最大±5°的範圍時，風·水車的效率幾乎為零，完全不能使用。為了在圖5中得到良好的效率(例如0.1以上的效率)，應該把安裝角抑制在±2°或者至少±3°以內。通過把安裝角抑制在±2°以內，至少可以發揮最大效率(在圖5中為0.25)的一半以上的效率(輸出係數)。安裝角最大必須在±5°以內，最佳值(範圍)可以說是±1°。
如圖5所示，堅固性是0.18時，在安裝角為+1°處效率成為最大。在其他的堅固性為1.08～4.0的範圍內，在安裝角為0和+1°的地方成為幾乎同樣的最大效率。+1°的地方比-1°的地方效率稍高些，+2°的地方比-2°的地方效率高，+3°的地方比-3°的地方高很多。這樣，在全體上+側的安裝角比-側安裝角效率都高。圖5的傾向，無論在風車的情況下還是在水車的情況下都一樣。
接下來，在圖6中表示安裝位置和效率(輸出係數)的調查結果。
在圖6中，縱軸表示效率，橫軸表示安裝位置(％)。堅固性(NC/R)只用0.18為代表表示。作為一個例子，風·水車的半徑R是1.25m，直線翼的翼弦長C是0.3m。
如圖6所表示的那樣，安裝位置在25％的地方效率(輸出係數)最大(0.235)。安裝位置在0～50％的範圍內，效率(輸出係數)顯示出比較穩定的數值，為0.118～0.079。
安裝位置為0％的位置是圖4(a)的從軸部開始延伸的徑向的線(即支持翼)與直線翼的前緣相接那樣交叉的位置，安裝位置為50％的位置是該徑向的線與翼弦線的中央交叉的位置。
從圖6可知，安裝位置的最佳值是25％。即，在圖4(a)中，是從軸部開始延伸的徑向的線與從直線翼的前緣開始的翼弦長的1/4的位置交叉的位置。
另外，在圖6中，安裝位置的範圍相當寬，為0～50％，但是當安裝位置在0和其附近的位置時，沒有風·水車迴轉時的直線翼的轉頭力矩(使直線翼的前緣部向著軸部的內向力)作用，如果考慮到自起動性惡化的問題，安裝位置應該是15％以上，為了得到0.1以上的效率，不是50％而應該是40％以內，從而，有效的安裝位置應該抑制在15～40％的範圍內。圖6的傾向無論在風車的情況下還是在水車的情況下都是相同的。
圖7是把圖5的曲線變成堅固性與效率的關係的圖。
在圖7中，橫軸表示堅固性(NC/R)，縱軸表示效率(輸出係數)。安裝角是0°，+1°，+2 °，+3°，-1°，-2°，-3°七個水準。
如圖7所示的那樣，隨著堅固性變大，效率降低(這點以前是公知的)。安裝角在為0°和+1°時，效率表示為大致相同的值。安裝角為+2°和-1°時，效率近似，安裝角為+3°和-2時，效率比較近似，安裝角為-3°時，效率下降很大(降到0.1以下)。根據圖7，可以說安裝角最好在+3°～-2°的範圍內，如果安裝角在+3～-2°的範圍內，堅固性在0.18～4.0的範圍內，能發揮良好的效率。
但是，堅固性是3或4的情況在現實中幾乎沒有。即，對于堅固性為3的情況，條件為例如在半徑為0.3m的風·水車中，直線翼3的翼弦長是0.3m，直線翼3的個數是3個，可以說實施的可能性非常小。隨著堅固性的增大，風·水車內(直線翼3的內側空間內)難以進入風或水，風·水車內的流速降低，轉速和轉矩降低。從而，圖7中的各線的彎曲比較平緩，可以說堅固性為2左右是實際使用範圍的上限。在包含安裝角為-3°的情況在內的所考慮的情況下，也可以說堅固性的上限值為1至1+α(α為0.2左右)比較妥當。
由于堅固性越高，始動性越高(這一點是公知的)，所以在考慮自起動性的情況下，堅固性的下限值應該比0.18大。下限值被認為應該比0.18大比1小，在0.6左右。對于堅固性的檢測結果將在後面敘述。圖7的傾向無論在風車情況下還是在水車的情況下都一樣。
表1表示上述圖5～圖7的根據(原始數據)的一部分，作為參考。
表1
表1中線速度比是直線翼的前端的轉速相對於風速或者水速的比例，線速度比2.6意味著以風速或者水速的2.6倍的速度進行迴轉。效率隨著線速度比進行大的變動。對於線速度比將在後面進行敘述。
圖8是堅固性在從0.1以下的極小區域到3.5的範圍內表示堅固性和效率(輸出係數)的關係的圖。作為直線翼，假定使用翼厚為12％的比較薄的對稱翼(NACA0012)。
如圖8所表明的那樣，堅固性在0.1時效率為0.1以上，堅固性從0.1到0.35，效率曲線陡峭地上升，堅固性在0.35附近，效率為最大值，堅固性從0.35到0.65，效率急劇下降，堅固性從0.65到2.2，效率平緩下降，堅固性在2.2附近，效率大致恆定，堅固性在2.4以上，效率再次下降。
根據圖8的結果，在重視性能(效率)的情況下，需要把堅固性設置在0.1～0.65的範圍內，在重視始動性的情況下，可以說效率要做出某種程度的犧牲，需要把堅固性設定在0.65～2.2的範圍內。
效率的最大值Cpmax隨著雷諾數Re和翼型(翼截面型)進行變動。Cpmax的變動幅度是0.2～0.48左右。圖8中的雷諾數是1.33×105，另外，效率也隨著直線翼的線速度比進行變動。圖8的傾向無論在風車的情況下還是在水車的情況下都是相同的。
圖9是在把堅固性做成0.36，0.6，1.2，1.4，1.6，1.8，2.2七個水準的情況下表示線速度比和效率(輸出係數)的關係的圖。
如圖9所表明的那樣，隨著線速度比即直線翼的轉速相對於風速或水速的比例的增高效率增高。另外，隨著線速度比β降低堅固性增加。隨著線速度比增高堅固性減少。圖9的傾向無論在風車的情況下還是在水車的情況下都相同。
圖10是從圖9求出堅固性和效率關係的曲線圖。
在圖10中，橫軸表示堅固性，縱軸表示效率。線速度比採用1.9，2.0，2.5，3.0四個水準。
如圖10所表明的那樣，在線速度比β高(2.5，3.0)的情況下，在低的堅固性的範圍內效率最大，在線速度比低(1.9，2.0)的情況下，在高的堅固性的範圍內效率最大。
因此，在迅速迴轉風·水車的情況下，需要小的堅固性，在緩慢迴轉風·水車的情況下，需要大的堅固性。由圖10可知，考慮始動性時，堅固性需要在0.6以上，需要在0.6～1.2或者0.6～2.2範圍內。堅固性大、線速度比小，從風·水車的安全性和耐運動的強度性·耐疲勞的強度性的觀點出發是有效的。圖10的傾向無論在風車的情況下還是在水車的情況下都是相同的。
上述的直線翼型風·水車的性能可以由例如以下的特性式算出。
速度降低率a=1/2{1-(1-Cfx)}]]>VR=(1-a)(1-2sin+2)]]>阻抗係數Cfx=-(n1B/4)02VR2{(CLcos+CDsin)cos]]>+(CDcos-CLsin)sin}d]]>CTB=(n1B/4)02VR2{(CLsin-CDcos-CM1B)d]]>效率CP＝β×CTB在這裡，1B表示用半徑R除翼弦長CB的值，VR表示相對流入風速或者相對流入水速，φ表示風·水車迴轉角，φ表示流入角，CL表示升力係數，CD表示阻力係數，CM表示力矩係數。
表2是根據實驗和計算再參考感覺上捕捉到的結果表示堅固性和自起動性及效率關係的表。
表2
在表2中，最左欄表示堅固性，左數第2欄用○△×(○是使用良好的範圍、×是不能使用的範圍，△是可以使用的範圍)表示自起動性的可否，左數第3欄用大中小表示效率，右欄用數值和大小表示效率最大時的線速度比作為參考。
根據表2，為了使自起動性和效率雙方獲得良好的發揮(即使為了始動性在某種程度上犧牲效率，在發電性能上也不會成為問題)，最好把始動性設定在△以上的範圍內，把效率設定在從中到小的範圍內，從而，從表2中可以說堅固性在0.5～0.8的範圍內是理想的。
另外，從安全性及耐強度性方面看線速度比低是有效的，所以說始動性是△效率是中線速度比低，堅固性0.7左右是最佳值。即使堅固性在0.8以上的範圍內，由於如圖7、圖8所示，效率的低落幅度不是那麼大，所以堅固性直到2.2左右都是可以使用的。表2的傾向無論在風車的情況下還是在水車的情況下都是相同的。
除了堅固性(由風·水車的半徑R、直線翼的個數N和翼弦長C決定的迴轉面積比)以外，始動性和效率也受直線翼的翼厚(在圖4(a)中用T表示測定位置)和支承翼的翼厚的影響。以下對直線翼和支承翼的翼厚的調查結果進行說明。
表3根據實驗和計算直線翼(主翼)的翼厚和自起動性·效率·強度的關係表示感覺上捕捉到的結果。
表3
在表3中，翼厚是用百分比表示最大厚翼相對於翼弦長C的比例的值。
如表3所表示的那樣，翼厚為20～25％時，始動性、效率、強度都是○(良好)，可以說是最佳值。可以使用的範圍是包含△的範圍，即翼厚為15～30％的範圍。翼厚為15％和30％時，始動性都是△，但是翼厚是30％時，始動性差一點就是良好。
隨著翼厚增加到35～40％，直線翼的剛性增加，但是翼的重量的增加會有迴轉中的慣性力增加且機械強度降低的危險(即使把翼厚為30％時的強度表示為△、把翼厚為35～40％時的強度表示為×，也不能一概而論說成是錯誤)。從而，直線翼需要用玻璃纖維和石墨纖維那樣的重量輕且強度高的纖維材料形成。纖維材料的板厚是大約2mm左右。
在風·水車的迴轉中，在直線翼上作用以阻力方向(X方向)的假想軸為中心的橫擺力矩，以橫力方向(Y方向即直線翼的長度方向)的假想軸為中心的縱擺力矩和以升力方向(Z方向)的假想軸為中心的偏擺力矩。從而強度的設定是重要的，表3的傾向無論在風車的情況下還是在水車的情況下都是同樣的。
表4表示根據實驗和計算支承翼(對稱翼)的翼厚和自起動性·迴轉阻力(降低效率的主要因素)·強度的關係在感覺上捕捉到的結果。
表4
表4的支承翼為圖3所示的形態為上下對稱的翼型。迴轉阻力是在與風向或水向同方向上作用的空氣阻力或水阻力即流體阻力，迴轉阻力小時效率高但自起動性低。在支承翼上也同在直線翼上一樣，作用三個方向的力矩。
從表4中可以看出，在考慮風·水車的始動性的情況下，當始動性是△以上時，支承翼厚在15％以上是有效的。在考慮始動性加上迴轉阻力的情況下，可以說迴轉阻力在中等程度的範圍內，翼厚在15～20％的範圍內是最佳的。如果從強度上看，翼厚在15～20％的範圍內強度是△(中等程度)，例如，由於用上下二個支承翼支承直線翼，所以可以沒有任何問題地使用。
為了提高始動性，由於迴轉阻力大，效率多少會有些犧牲，但翼厚直到40％左右都是可以使用的。與直線翼相比，在翼厚的大的範圍內強度都很高，這是因為翼截面形狀不同和形狀適合作用在支承翼上的重力方向的力。翼厚為5～10％時，對始動性及強度是不利的，但迴轉阻力小。翼厚為5～10％的風·水車通過增加翼的個數等來提高強度是可以使用的。表4的傾向無論在風車的情況下還是在水車的情況下都是相同的。
綜上所述，從第5～圖10及表1～表2可知，為了得到自起動性，堅固性即NC/R最好設定在0.5以上，其最佳使用範圍是0.65～1.2，允許使用範圍是0.5～2.2。不用說，在忽視始動性(使用起動裝置的情況下)只重視性能(效率)的情況下，堅固性在0.1～0.5的範圍內也可以使用。
另外，對於直線翼的安裝角，根據圖5，安裝角的最佳範圍是±1°至±2℃以內，可以使用範圍是±5°以內。±5℃以上不能使用。圖5的結果是附加了堅固性的結果，上述最佳範圍及使用範圍適用於每一種堅固性。
另外，關於直線翼的安裝位置，根據圖6，從前緣開始25％的位置是最佳位置，考慮到自起動性(直線翼的轉頭力矩)，可以說可以使用的範圍是15～40％。圖6的結果也同樣適用於每種堅固性。
另外，從表3可知，直線翼的翼厚，考慮到始動性、效率和強度，20～25％是最佳範圍，15～30％是較理想的允許範圍。
另外，從表4可知，支承翼(對稱翼)的翼厚，考慮到始動性、阻力和強度，15～20％是最佳範圍。
這些安裝角、安裝位置、堅固性、翼厚等因素可以單獨設定，但是通過把各因素2個或者3個或者4個或者5個地組合起來，會提高效果。
組合的方法，例如，有安裝角在±5℃以內或者在±2°以內和安裝位置為25％或者為15～40％的組合，安裝角在±5°以內或者在±2°以內和堅固性為0.5～2.2或者為0.65～1.2的組合，安裝角在±5℃以內或者在2°以內和直線翼厚為15～30％的組合、安裝角在±5℃以內或者在±2°以內和支承翼厚為15～20％的組合等，在由5個因素總計10種組合之上，再加上由安裝角、安裝位置和堅固性三因素的組合和由安裝角、安裝位置、堅固性和翼厚四～五個因素的組合。
特別通過安裝角在±2°以內和堅固性為0.65～1.2的組合、安裝角為25°和堅固性為0.65～1.2的組合、堅固性為0.65～1.2和直線翼厚為15～30％的組合，堅固性為0.65～1.2和直線翼厚為15～30％和支承翼厚為15～20％的組合等，可以滿足效率和自起動性兩方面的要求。
再有，如果廢除上述支承翼4而用圓板狀的薄壁盤等代替，如果強度足夠，也可以不用上下2根支承翼而只在中央做一根。另外，也可以用上下的短圓柱狀的凸起部(未圖示)代替上述直線翼型風·水車1的軸部2。另外，如使上述直線翼型風·水車1的軸心為水平，也可將其配置在高層建築的上層部分的側壁。另外，在把上述風·水車用作水車使用的情況下，與用作風車同樣，在把軸心做成垂直的狀態下，使各直線翼3從端部側進入水中。進入水中的直線翼3的進入長度可以根據發電量和水流等適當變更。上述直線翼型風·水車1不僅可用於發電，也可以用做加熱用的熱交換機和揚水用等的能量交換機。另外，本發明作為直線翼型風·水車的製造方法也是有效的。
圖11(a)～(c)所表示的構造，是作為上述直線翼型風·水車1的迴轉聲音的對策，在直線翼(主翼)3的長度方向(軸向)的上下兩端部(在圖11中只圖示了上端部)上形成翼型的山狀部(翼型截面的幾乎一半的厚度的山狀部)41。
圖11(a)表示直線翼3的俯視圖(縮小圖2的圖)，圖11(b)表示其正視圖，(把迴轉方向作為前側)，圖11(c)表示其側視圖。翼型的山狀部41，如圖11(c)所示，翼截面形狀(圖11(a)與翼截面形狀相同)為沿翼弦線11(圖2)切斷成大致1/2的形狀，如圖11(b)所示，從前面看，為左右大致對稱的山型。即，把直線翼(不局限於符號3的直線翼)的翼型截面沿厚度方向切成兩半，把其截面形狀作為山狀部41的縱截面，使該縱截面的頂部42和直線翼3的表裡面(側面)43圓滑地彎曲狀地連接。
山狀部41的峰(頂部)42，從圖11(a)的前端到大致中央，如圖11(b)所示，在板厚方向上比較圓滑地形成彎曲狀，從圖11(a)的中央附近到後端，隨著山狀部41的寬度變窄，稜線部逐漸變細。山狀部41的前端44及後端45圓滑地與直線翼3的前緣7及後緣8連接。翼型的山狀部41最好用上述纖維材料與直線翼3一體地形成。
山狀部41的翼厚即最大高度(最大翼厚)H相對於翼弦長的比例，在某種程度上受直線翼3的翼厚的限制，最好是(24～34％)/2左右即12～17％左右。在此，24～34％是做成山狀部41之前的翼型截面的翼厚，用2除是因為把翼型截面看作大致對稱(如果做成對稱翼面則正好是1/2)。這些最佳範圍是根據實驗等得出的。
由於山狀部41的翼厚設定在12～17％左右，特別在用作風車迴轉時，完全沒有切風音。這是因為翼端後方的空氣因翼型的山狀部41而不產生渦流。在作為水車使用時也一樣，翼端後方的水不產生渦流，沒有切水音。通過形成翼型的山狀部41，即使翼厚是12～17％以外的翼厚，也能使切風音和切水音減小，實用上是非常有效的。
再有，也可以在直線翼3的兩端上設置側板(未圖示)代替翼型的山狀部41。側板最好是代替支承翼4且與多個直線翼3連結的圓板狀的物體，形狀可以適當設定。
對付噪音的翼型的山狀部41和上述板，即可以是單獨的有用物體，也可以是通過組合上述圖5的安裝角和圖6的安裝位置、圖7～圖10和表2的堅固性、表3的直線翼3的翼厚、表4的支承翼4的翼厚各因素而成的有用的物體。
如上所述，根據本發明的第1技術方案，由於把直線翼的安裝角做成+3°～-2°，所以至少能發揮最大效率的一半左右以上的效率(輸出係數)。另外，由於把安裝位置做成15～40％，由於直線翼的轉頭力矩，自己始動被確保，另外，由於NC/R(堅固性)在0.5以上，良好的自起動性被發揮出來，由於當堅固性超過2.2時效率(輸出係數)降低，所以NC/R在0.5～2.2範圍內，始動性和效率雙方都能被確保，另外，由於把直線翼的翼厚做成15～25％，所以風·水車的自起動性提高，而且效率也提高了，由於他們的相乘效果，可以提供兼顧效率和始動性雙方的風·水車。
根據本發明的第2技術方案，由於可以降低支承翼的迴轉阻力且確保強度，同時提高自起動性，所以可以提供進一步兼顧始動性和效率的風·水車。
根據本發明的第3和第4技術方案，迴轉時的切風音和切水音被減低乃至完全消除，由肅靜的風·水車能防止噪音對環境的危害。
根據本發明的第5技術方案，通過安裝角為+3°～-2°、安裝位置為15～40％、堅固性NC/R＝0.5～2.2、直線翼厚為15～25％、支承翼厚為15～20％、翼端的山狀部的組合、可以提供充分滿足效率(輸出係數)、自起動性和解決噪音的風·水車。
權利要求
1.一種直線翼型風·水車，備有在軸心的周圍與該軸心平行地配置的二維翼型的直線翼，其特徵在於，使假想線從該軸心開始垂直於該直線翼的翼弦線，當把該交點作為中心且把旋轉該直線翼的角度作為安裝角時，該安裝角被設定在+3°～-2°的範圍內，而且，使假想線從該軸心開始垂直於該直線翼的翼弦線，當把從該直線翼的前緣到該交點的距離相對於翼弦長的比例作為安裝位置時，該安裝位置被設定在15～40％的範圍內，而且，當把從該軸心到該直線翼的距離作為半徑R，使該直線翼的翼弦長為C，使該直線翼的個數為N時，NC/R被設定在0.5～2.2的範圍內，而且，最大翼厚相對於該直線翼的翼弦長的比例被設定在15～25％的範圍內。
2.如權利要求1所述的直線翼型風·水車，其特徵在於，備有把上述直線翼連結到上述軸心側的對稱翼型的支承翼，最大翼厚相對於該支承翼的翼弦長的比例被設定在15～20％的範圍內。
3.一種直線翼型風·水車，備有在軸心的周圍與該軸心平行地配置的直線翼，其特徵在於，在該直線翼的軸向端部上形成翼型截面的大致一半厚度的山狀部。
4.如權利要求3所述的直線翼型風·水車，其特徵在於，上述山狀部的翼厚是12～17％左右。
5.如權利要求3或4所述的直線翼型風·水車，其特徵在於，該直線翼型風·水車備有權利要求1或2所述的各要素。
全文摘要
本發明考慮了風·水車的效率、自起動性和噪音等，把實現堅固性、安裝角、翼厚等的最佳化作為目的，在備有與軸心平行配置的2維翼型的直線翼3的直線翼型風·水車中，使假想線從軸心開始與直線翼的翼弦線垂直，當把交點21作為中心並把迴轉直線翼的角度作為安裝角α時，安裝角被設定在+3°～－2°的範圍內，而且，當把從該直線翼3的前緣7到該交點的距離×相對於翼弦長C的比例作為安裝位置時，該安裝位置被設定在15～40％的範圍內，而且，當把從該軸心到該直線翼3的距離作為半徑R，把該直線翼的翼弦長作為C，把該直線翼的個數作為N時，NC/R被設定在0.5～2.2的範圍內，而且，最大翼厚T相對於該直線翼的翼弦長的比例被設定在15～25％的範圍內。最大翼厚相對於該支承翼的翼弦長的比例是15～20％。在直線翼的端部上形成翼型截面的山狀部。
文檔編號F03B3/12GK1484734SQ02803506
公開日2004年3月24日 申請日期2002年11月8日 優先權日2001年11月8日
發明者關和市 申請人:學校法人東海大學