知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023065929
(43)【公開日】2023-05-15
(54)【発明の名称】ブレードの製造方法及びブレード
(51)【国際特許分類】
F03D 3/06 20060101AFI20230508BHJP
【ＦＩ】
F03D3/06
【審査請求】未請求
【請求項の数】4
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021176357
(22)【出願日】2021-10-28
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り 千葉大学（西千葉キャンパス）にて開催された日本機械学会 ２０２１年度 年次大会にて、令和３年９月６日に発表した。
(71)【出願人】
【識別番号】593006630
【氏名又は名称】学校法人立命館
(74)【代理人】
【識別番号】100154014
【弁理士】
【氏名又は名称】正木 裕士
(74)【代理人】
【識別番号】100154520
【弁理士】
【氏名又は名称】三上 祐子
(72)【発明者】
【氏名】吉岡 修哉
【テーマコード（参考）】
3H178
【Ｆターム（参考）】
3H178AA12
3H178AA40
3H178BB31
3H178BB75
3H178CC03
(57)【要約】
【課題】風車をより効率的に回転させることができるブレードの製造方法を提供する。
【解決手段】垂直に立設される垂直回転軸を中心とする円周上を回転するように、該垂直回転軸に取り付けられた支持アームに取り付けられるブレードの製造方法であって、
基本となる基本ブレードを支持アームに取り付ける際の取付角度が、支持アームに対して０°～９０°になるように設定し、
取付角度における基本ブレードの０°～３６０°のアジマス角（Ψ）における、基本ブレードに発生させる空気力の周方向成分の極大値を算出し、
算出した極大値におけるアジマス角（Ψ）に基づいて、基本ブレードから、周方向成分が増大するブレードの断面形状を探索する。
【選択図】図３
【解決手段】垂直に立設される垂直回転軸を中心とする円周上を回転するように、該垂直回転軸に取り付けられた支持アームに取り付けられるブレードの製造方法であって、
基本となる基本ブレードを支持アームに取り付ける際の取付角度が、支持アームに対して０°～９０°になるように設定し、
取付角度における基本ブレードの０°～３６０°のアジマス角（Ψ）における、基本ブレードに発生させる空気力の周方向成分の極大値を算出し、
算出した極大値におけるアジマス角（Ψ）に基づいて、基本ブレードから、周方向成分が増大するブレードの断面形状を探索する。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
垂直に立設される垂直回転軸を中心とする円周上を回転するように、該垂直回転軸に取り付けられた支持アームに取り付けられるブレードの製造方法であって、
基本となる基本ブレードを前記支持アームに取り付ける際の取付角度が、前記支持アームに対して０°～９０°になるように設定し、
前記取付角度における前記基本ブレードの０°～３６０°のアジマス角における、前記基本ブレードに発生させる空気力の周方向成分の極大値を算出し、
算出した前記極大値における前記アジマス角に基づいて、前記基本ブレードから、前記周方向成分が増大する前記ブレードの断面形状を探索することで前記ブレードを製造してなるブレードの製造方法。
基本となる基本ブレードを前記支持アームに取り付ける際の取付角度が、前記支持アームに対して０°～９０°になるように設定し、
前記取付角度における前記基本ブレードの０°～３６０°のアジマス角における、前記基本ブレードに発生させる空気力の周方向成分の極大値を算出し、
算出した前記極大値における前記アジマス角に基づいて、前記基本ブレードから、前記周方向成分が増大する前記ブレードの断面形状を探索することで前記ブレードを製造してなるブレードの製造方法。
【請求項2】
前記基本ブレードを前記支持アームに取り付ける際の取付角度が、前記支持アームに対して５０°～７０°になるように設定し、
前記基本ブレードに発生させる空気力の周方向成分の極大値が、前記取付角度における前記基本ブレードの０°～７０°の間のアジマス角、又は、前記取付角度における前記基本ブレードの１８０°～２７０°の間のアジマス角にあって、
前記極大値における前記アジマス角に基づいて、前記基本ブレードから、前記周方向成分が増大する前記ブレードの断面形状を探索することで前記ブレードを製造してなる請求項１に記載のブレードの製造方法。
前記基本ブレードに発生させる空気力の周方向成分の極大値が、前記取付角度における前記基本ブレードの０°～７０°の間のアジマス角、又は、前記取付角度における前記基本ブレードの１８０°～２７０°の間のアジマス角にあって、
前記極大値における前記アジマス角に基づいて、前記基本ブレードから、前記周方向成分が増大する前記ブレードの断面形状を探索することで前記ブレードを製造してなる請求項１に記載のブレードの製造方法。
【請求項3】
前記請求項１又は２に記載のブレードの製造方法を用いて製造したブレードであって、
前記ブレードの断面形状は、
第１外方向に向かって突出する円弧状に形成される前縁部と、
前記第１外方向と逆方向の第２外方向に向かって突出する円弧状に形成される後縁部と、
前記前縁部の一端部と前記後縁部の一端部とを繋ぐ第１側部と、
前記前縁部の他端部と前記後縁部の他端部とを繋ぐ第２側部と、を有し、
前記前縁部の円弧は、前記後縁部の円弧よりも径大に形成され、
前記後縁部の円弧は、鉤型形状に形成され、
前記第１側部は、前記前縁部の一端部と前記後縁部の一端部とを繋ぐ際、円弧状となるように繋がれ、さらに、前記前縁部の一端部とは、凹段部が形成されるように繋がれ、
前記第２側部は、前記第１側部と平行となるように、前記前縁部の他端部と前記後縁部の他端部とを繋ぐ際、円弧状となるように繋がれ、さらに、前記前縁部の他端部とは、凸段部が形成されるように繋がれてなるブレード。
前記ブレードの断面形状は、
第１外方向に向かって突出する円弧状に形成される前縁部と、
前記第１外方向と逆方向の第２外方向に向かって突出する円弧状に形成される後縁部と、
前記前縁部の一端部と前記後縁部の一端部とを繋ぐ第１側部と、
前記前縁部の他端部と前記後縁部の他端部とを繋ぐ第２側部と、を有し、
前記前縁部の円弧は、前記後縁部の円弧よりも径大に形成され、
前記後縁部の円弧は、鉤型形状に形成され、
前記第１側部は、前記前縁部の一端部と前記後縁部の一端部とを繋ぐ際、円弧状となるように繋がれ、さらに、前記前縁部の一端部とは、凹段部が形成されるように繋がれ、
前記第２側部は、前記第１側部と平行となるように、前記前縁部の他端部と前記後縁部の他端部とを繋ぐ際、円弧状となるように繋がれ、さらに、前記前縁部の他端部とは、凸段部が形成されるように繋がれてなるブレード。
【請求項4】
前記請求項１又は２に記載のブレードの製造方法を用いて製造したブレードであって、
前記ブレードの断面形状は、
第１外方向に向かって突出する円弧状に形成される前縁部と、
前記第１外方向と逆方向の第２外方向に向かって突出する円弧状に形成される後縁部と、
前記前縁部の一端部と前記後縁部の一端部とを繋ぐ第１側部と、
前記前縁部の他端部と前記後縁部の他端部とを繋ぐ第２側部と、を有し、
前記前縁部の円弧は、前記後縁部の円弧よりも径大に形成され、
前記第１側部は、前記前縁部の一端部と前記後縁部の一端部とを繋ぐ際、円弧状となるように繋がれ、
前記第２側部は、前記第１側部と平行となるように、前記前縁部の他端部と前記後縁部の他端部とを繋ぐ際、円弧状となるように繋がれ、さらに、前記前縁部の他端部とは、凸段部及び凹段部が連続して形成されるように繋がれてなるブレード。
前記ブレードの断面形状は、
第１外方向に向かって突出する円弧状に形成される前縁部と、
前記第１外方向と逆方向の第２外方向に向かって突出する円弧状に形成される後縁部と、
前記前縁部の一端部と前記後縁部の一端部とを繋ぐ第１側部と、
前記前縁部の他端部と前記後縁部の他端部とを繋ぐ第２側部と、を有し、
前記前縁部の円弧は、前記後縁部の円弧よりも径大に形成され、
前記第１側部は、前記前縁部の一端部と前記後縁部の一端部とを繋ぐ際、円弧状となるように繋がれ、
前記第２側部は、前記第１側部と平行となるように、前記前縁部の他端部と前記後縁部の他端部とを繋ぐ際、円弧状となるように繋がれ、さらに、前記前縁部の他端部とは、凸段部及び凹段部が連続して形成されるように繋がれてなるブレード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ブレードの製造方法及びブレードに関する。
【背景技術】
【0002】
一般的に、垂直軸風車としては、主にサボニウス形やパドル形等のようにブレードに作用する抗力によって風車を回転させる抗力形と、ダリウス形やジャイロミル形等のようにブレードに作用する揚力によって風車を回転させる揚力形とが知られている。
【0003】
ところで、風車の発電量は、回転トルク×回転数で決定されるが、抗力形の垂直軸風車の場合、低風速時に回転することができるものの、風よりも早く回転することはできない。そのため、風速が上がったとしても、それ以上の回転数を得ることができないため、得られる電力は限られてしまうという問題があった。
【0004】
また、揚力形の垂直軸風車の場合、高風速時に風速を超えて高速回転することができるため、大きな発電量を得ることができるものの、中風速～低風速では回転しないため、山間部や洋上などの極めて風況に恵まれた場所でないと使用することが出来ないという問題があった。
【0005】
そこで、このような問題を解決すべく、特許文献１に記載のような垂直軸風車が提案されている。この特許文献１に記載の垂直軸風車は、特別な機構等を設けることなく、設置角度を変更させるだけで、抗力形としても揚力形としても作動することができるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特許第５９２４１２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、上記のような垂直軸風車は、低風速時には抗力形として作動させ、高風速時には揚力形として作動させることにより広い風速範囲で風車を効率良く回転させることができるものの、まだ改善の余地があるという問題があった。
【0008】
そこで、本発明は、上記問題に鑑み、風車をより効率的に回転させることができるブレードの製造方法及びブレードを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記本発明の目的は、以下の手段によって達成される。なお、括弧内は、後述する実施形態の参照符号を付したものであるが、本発明はこれに限定されるものではない。
【0010】
請求項１に係るブレードの製造方法は、垂直に立設される垂直回転軸（２）を中心とする円周（Ｃ）上を回転するように、該垂直回転軸（２）に取り付けられた支持アーム（４）に取り付けられるブレード（３Ａ，３Ｂ）の製造方法であって、
基本となる基本ブレード（ブレード３）を前記支持アーム（４）に取り付ける際の取付角度（β）が、前記支持アーム（４）に対して０°～９０°になるように設定し、
前記取付角度（β）における前記基本ブレード（ブレード３）の０°～３６０°のアジマス角（Ψ）における、前記基本ブレード（ブレード３）に発生させる空気力（Ｆ）の周方向成分（Ｆθ）の極大値を算出し、
算出した前記極大値における前記アジマス角（Ψ）に基づいて、前記基本ブレード（ブレード３）から、前記周方向成分（Ｆθ）が増大する前記ブレード（３Ａ，３Ｂ）の断面形状を探索することで前記ブレード（３Ａ，３Ｂ）を製造してなることを特徴としている。
基本となる基本ブレード（ブレード３）を前記支持アーム（４）に取り付ける際の取付角度（β）が、前記支持アーム（４）に対して０°～９０°になるように設定し、
前記取付角度（β）における前記基本ブレード（ブレード３）の０°～３６０°のアジマス角（Ψ）における、前記基本ブレード（ブレード３）に発生させる空気力（Ｆ）の周方向成分（Ｆθ）の極大値を算出し、
算出した前記極大値における前記アジマス角（Ψ）に基づいて、前記基本ブレード（ブレード３）から、前記周方向成分（Ｆθ）が増大する前記ブレード（３Ａ，３Ｂ）の断面形状を探索することで前記ブレード（３Ａ，３Ｂ）を製造してなることを特徴としている。
【0011】
請求項２に係るブレードの製造方法は、上記請求項１に記載のブレードの製造方法において、前記基本ブレード（ブレード３）を前記支持アーム（４）に取り付ける際の取付角度（β）が、前記支持アーム（４）に対して５０°～７０°になるように設定し、
前記基本ブレード（ブレード３）に発生させる空気力（Ｆ）の周方向成分（Ｆθ）の極大値が、前記取付角度（β）における前記基本ブレード（ブレ―ド３）の０°～７０°の間のアジマス角（Ψ）、又は、前記取付角度（β）における前記基本ブレード（ブレード３）の１８０°～２７０°の間のアジマス角（Ψ）にあって、
前記極大値における前記アジマス角（Ψ）に基づいて、前記基本ブレード（ブレード３）から、前記周方向成分（Ｆθ）が増大する前記ブレード（３Ａ，３Ｂ）の断面形状を探索することで前記ブレード（３Ａ，３Ｂ）を製造してなることを特徴としている。
前記基本ブレード（ブレード３）に発生させる空気力（Ｆ）の周方向成分（Ｆθ）の極大値が、前記取付角度（β）における前記基本ブレード（ブレ―ド３）の０°～７０°の間のアジマス角（Ψ）、又は、前記取付角度（β）における前記基本ブレード（ブレード３）の１８０°～２７０°の間のアジマス角（Ψ）にあって、
前記極大値における前記アジマス角（Ψ）に基づいて、前記基本ブレード（ブレード３）から、前記周方向成分（Ｆθ）が増大する前記ブレード（３Ａ，３Ｂ）の断面形状を探索することで前記ブレード（３Ａ，３Ｂ）を製造してなることを特徴としている。
【0012】
請求項３に係るブレードは、前記請求項１又は２に記載のブレードの製造方法を用いて製造したブレードであって、
前記ブレード（３Ａ）の断面形状は、
第１外方向（図４（ａ）では、左外方向）に向かって突出する円弧状に形成される前縁部（３０Ａ）と、
前記第１外方向（図４（ａ）では、左外方向）と逆方向の第２外方向（図４（ａ）では、右外方向）に向かって突出する円弧状に形成される後縁部（３１Ａ）と、
前記前縁部（３０Ａ）の一端部（上端部３０Ａａ）と前記後縁部（３１Ａ）の一端部（上端部３１Ａａ）とを繋ぐ第１側部（３２Ａ）と、
前記前縁部（３０Ａ）の他端部（下端部３０Ａｂ）と前記後縁部（３１Ａ）の他端部（下端部３１Ａｂ）とを繋ぐ第２側部（３３Ａ）と、を有し、
前記前縁部（３０Ａ）の円弧は、前記後縁部（３１Ａ）の円弧よりも径大に形成され、
前記後縁部（３１Ａ）の円弧は、鉤型形状に形成され、
前記第１側部（３２Ａ）は、前記前縁部（３０Ａ）の一端部（上端部３０Ａａ）と前記後縁部（３１Ａ）の一端部（上端部３１Ａａ）とを繋ぐ際、円弧状となるように繋がれ、さらに、前記前縁部（３０Ａ）の一端部（上端部３０Ａａ）とは、凹段部（３２Ａａ１）が形成されるように繋がれ、
前記第２側部（３３Ａ）は、前記第１側部（３２Ａ）と平行となるように、前記前縁部（３０Ａ）の他端部（下端部３０Ａｂ）と前記後縁部（３１Ａ）の他端部（下端部３１Ａｂ）とを繋ぐ際、円弧状となるように繋がれ、さらに、前記前縁部（３０Ａ）の他端部（下端部３０Ａｂ）とは、凸段部（３３Ａａ１）が形成されるように繋がれてなることを特徴としている。
前記ブレード（３Ａ）の断面形状は、
第１外方向（図４（ａ）では、左外方向）に向かって突出する円弧状に形成される前縁部（３０Ａ）と、
前記第１外方向（図４（ａ）では、左外方向）と逆方向の第２外方向（図４（ａ）では、右外方向）に向かって突出する円弧状に形成される後縁部（３１Ａ）と、
前記前縁部（３０Ａ）の一端部（上端部３０Ａａ）と前記後縁部（３１Ａ）の一端部（上端部３１Ａａ）とを繋ぐ第１側部（３２Ａ）と、
前記前縁部（３０Ａ）の他端部（下端部３０Ａｂ）と前記後縁部（３１Ａ）の他端部（下端部３１Ａｂ）とを繋ぐ第２側部（３３Ａ）と、を有し、
前記前縁部（３０Ａ）の円弧は、前記後縁部（３１Ａ）の円弧よりも径大に形成され、
前記後縁部（３１Ａ）の円弧は、鉤型形状に形成され、
前記第１側部（３２Ａ）は、前記前縁部（３０Ａ）の一端部（上端部３０Ａａ）と前記後縁部（３１Ａ）の一端部（上端部３１Ａａ）とを繋ぐ際、円弧状となるように繋がれ、さらに、前記前縁部（３０Ａ）の一端部（上端部３０Ａａ）とは、凹段部（３２Ａａ１）が形成されるように繋がれ、
前記第２側部（３３Ａ）は、前記第１側部（３２Ａ）と平行となるように、前記前縁部（３０Ａ）の他端部（下端部３０Ａｂ）と前記後縁部（３１Ａ）の他端部（下端部３１Ａｂ）とを繋ぐ際、円弧状となるように繋がれ、さらに、前記前縁部（３０Ａ）の他端部（下端部３０Ａｂ）とは、凸段部（３３Ａａ１）が形成されるように繋がれてなることを特徴としている。
【0013】
請求項４に係るブレードは、前記請求項１又は２に記載のブレードの製造方法を用いて製造したブレードであって、
前記ブレード（３Ｂ）の断面形状は、
第１外方向（図４（ｂ）では、左外方向）に向かって突出する円弧状に形成される前縁部（３０Ｂ）と、
前記第１外方向（図４（ｂ）では、左外方向）と逆方向の第２外方向（図４（ｂ）では、右外方向）に向かって突出する円弧状に形成される後縁部（３１Ｂ）と、
前記前縁部（３０Ｂ）の一端部（上端部３０Ｂａ）と前記後縁部（３１Ｂ）の一端部（上端部３１Ｂａ）とを繋ぐ第１側部（３２Ｂ）と、
前記前縁部（３０Ｂ）の他端部（下端部３０Ｂｂ）と前記後縁部（３１Ｂ）の他端部（下端部３１Ｂｂ）とを繋ぐ第２側部（３３Ｂ）と、を有し、
前記前縁部（３０Ｂ）の円弧は、前記後縁部（３１Ｂ）の円弧よりも径大に形成され、
前記第１側部（３２Ｂ）は、前記前縁部（３０Ｂ）の一端部（上端部３０Ｂａ）と前記後縁部（３１Ｂ）の一端部（上端部３１Ｂａ）とを繋ぐ際、円弧状となるように繋がれ、
前記第２側部（３３Ｂ）は、前記第１側部（３２Ｂ）と平行となるように、前記前縁部（３０Ｂ）の他端部（下端部３０Ｂｂ）と前記後縁部（３１Ｂ）の他端部（下端部３１Ｂｂ）とを繋ぐ際、円弧状となるように繋がれ、さらに、前記前縁部（３０Ｂ）の他端部（下端部３０Ｂｂ）とは、凸段部（３３Ｂａ１）及び凹段部（３３Ｂａ２）が連続して形成されるように繋がれてなることを特徴としている。
前記ブレード（３Ｂ）の断面形状は、
第１外方向（図４（ｂ）では、左外方向）に向かって突出する円弧状に形成される前縁部（３０Ｂ）と、
前記第１外方向（図４（ｂ）では、左外方向）と逆方向の第２外方向（図４（ｂ）では、右外方向）に向かって突出する円弧状に形成される後縁部（３１Ｂ）と、
前記前縁部（３０Ｂ）の一端部（上端部３０Ｂａ）と前記後縁部（３１Ｂ）の一端部（上端部３１Ｂａ）とを繋ぐ第１側部（３２Ｂ）と、
前記前縁部（３０Ｂ）の他端部（下端部３０Ｂｂ）と前記後縁部（３１Ｂ）の他端部（下端部３１Ｂｂ）とを繋ぐ第２側部（３３Ｂ）と、を有し、
前記前縁部（３０Ｂ）の円弧は、前記後縁部（３１Ｂ）の円弧よりも径大に形成され、
前記第１側部（３２Ｂ）は、前記前縁部（３０Ｂ）の一端部（上端部３０Ｂａ）と前記後縁部（３１Ｂ）の一端部（上端部３１Ｂａ）とを繋ぐ際、円弧状となるように繋がれ、
前記第２側部（３３Ｂ）は、前記第１側部（３２Ｂ）と平行となるように、前記前縁部（３０Ｂ）の他端部（下端部３０Ｂｂ）と前記後縁部（３１Ｂ）の他端部（下端部３１Ｂｂ）とを繋ぐ際、円弧状となるように繋がれ、さらに、前記前縁部（３０Ｂ）の他端部（下端部３０Ｂｂ）とは、凸段部（３３Ｂａ１）及び凹段部（３３Ｂａ２）が連続して形成されるように繋がれてなることを特徴としている。
【発明の効果】
【0014】
次に、本発明の効果について、図面の参照符号を付して説明する。なお、括弧内は、後述する実施形態の参照符号を付したものであるが、本発明はこれに限定されるものではない。
【0015】
請求項１に係る発明によれば、基本となる基本ブレード（ブレード３）を支持アーム（４）に取り付ける際の取付角度（β）が、支持アーム（４）に対して０°～９０°になるように設定し、取付角度（β）における基本ブレード（ブレード３）の０°～３６０°のアジマス角（Ψ）における、基本ブレード（ブレード３）に発生させる空気力（Ｆ）の周方向成分（Ｆθ）の極大値を算出し、算出した極大値におけるアジマス角（Ψ）に基づいて、基本ブレード（ブレード３）から、周方向成分（Ｆθ）が増大するブレード（３Ａ，３Ｂ）の断面形状を探索することでブレード（３Ａ，３Ｂ）を製造するようにしている。これにより、周方向成分（Ｆθ）が増大するブレード（３Ａ，３Ｂ）を製造することができることとなる。
【0016】
しかして、本発明によれば、高性能な垂直軸風車が実現できることとなり、もって、風車をより効率的に回転させることができる。
【0017】
また、このような作用効果を実現するにあたっては、請求項２に係る発明のように、基本ブレード（ブレード３）を支持アーム（４）に取り付ける際の取付角度（β）を、支持アーム（４）に対して５０°～７０°になるように設定し、基本ブレード（ブレード３）に発生させる空気力（Ｆ）の周方向成分（Ｆθ）の極大値が、取付角度（β）における基本ブレード（ブレ―ド３）の０°～７０°の間のアジマス角（Ψ）、又は、取付角度（β）における基本ブレード（ブレード３）の１８０°～２７０°の間のアジマス角（Ψ）にあって、極大値におけるアジマス角（Ψ）に基づいて、基本ブレード（ブレード３）から、周方向成分（Ｆθ）が増大するブレード（３Ａ，３Ｂ）の断面形状を探索することでブレード（３Ａ，３Ｂ）を製造するのが好ましい。このようにすれば、より周方向成分（Ｆθ）が増大するブレード（３Ａ，３Ｂ）を製造することができる。
【0018】
また、このような製造方法によれば、風車をより効率的に回転させることができる請求項３に記載のようなブレード（３Ａ）や請求項４に記載のようなブレード（３Ｂ）を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】本発明の一実施形態に係る垂直軸風車の概略平面図である。
【図2】（ａ－１）は、ブレードを支持アームに取り付ける際の取付角度を０°としたことを示す説明図、（ａ－２）は、ブレードを支持アームに取り付ける際の取付角度を９０°としたことを示す説明図、（ｂ）は、反時計回りする垂直軸風車の図示左側を風上とした場合のアジマス角の説明図である。
【図3】取付角度５０°、６０°、７０°におけるブレードの０°～３６０°のアジマス角Ψにおける、ブレードに発生させる空気力の周方向成分を無次元化したものを算出した結果を示すグラフ図である。
【図4】（ａ）は、アジマス角Ψ＝２１°に基づいて、周方向成分が増大するブレードの断面形状を探索して得られたブレードの断面形状を示す図、（ｂ）は、アジマス角Ψ＝２１１°に基づいて、周方向成分が増大するブレードの断面形状を探索して得られたブレードの断面形状を示す図である。
【図5】（ａ）は、図４（ａ）に示すブレードを用いた場合のシミュレーション結果を示す図、（ｂ）は、（ａ）に示す図示右上に位置するブレードの拡大図、（ｃ）は、ブレードに発生する空気力と、その周方向成分の方向を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
以下、本発明に係るブレードの製造方法の一実施形態を、図面を参照して具体的に説明する。なお、以下の説明において、上下左右の方向を示す場合は、図示正面から見た場合の上下左右をいうものとする。
【0021】
本実施形態におけるブレードの製造方法において製造されるブレードは、図１に示すような垂直軸風車１に使用される。この垂直軸風車１は、風向に対して垂直に立設される垂直回転軸２に勾玉状のブレード３が、垂直回転軸２から放射状に延設する支持アーム４を介して設けられたものである。この垂直軸風車１は、風を受けると、ブレード３に作用する抗力によって、支持アーム４が垂直回転軸２を中心とする円周Ｃ上を回転することとなる。
【0022】
ところで、垂直回転軸２は、下端が発電機（図示せず）に連結されており、風力によって得られるブレード３の回転力が、支持アーム４を介して垂直回転軸２へと伝達されるようになっている。この支持アーム４の一端には、ブレード３が取り付けられており、支持アーム４の他端は円盤状の固定具５によって垂直回転軸２に固定されている。
【0023】
ところで、垂直軸風車１は、上記説明したように、垂直回転軸２に作用する回転トルクによって回転することとなるが、垂直軸風車１側から見ると、垂直回転軸２の外周部に作用する周方向の力ＦＴがこの回転トルクを構成する力となる。一方、風の側から見ると、ブレード３に発生する空気力Ｆの周方向成分Ｆθが、垂直回転軸２の回転に寄与することとなる。してみると、周方向成分Ｆθが増大するようなブレードは、大きなＦＴを垂直回転軸２にもたらすこととなるため、もって、高性能な垂直軸風車１が実現、すなわち、風車をより効率的に回転させることができることとなる。
【0024】
そこで、本発明者は、その点に着目し、周方向成分Ｆθが増大するようなブレードを製造する方法を考えるに至った。以下、この点について詳しく説明することとする。
【0025】
（１）まず、周方向成分Ｆθが増大するブレードを製造するにあたって、図１に示すブレード３を支持アーム４に取り付ける際の取付角度βが、支持アーム４に対して０°～９０°になるように設定した。これは、特許文献１に示すように、ブレード３を支持アーム４に取り付ける際の取付角度βを０°（図２（ａ－１）参照）とすると、揚力形の配置となり、取付角度βを９０°（図２（ａ－２）参照）とすると、抗力形の配置となるため、何れでも作動できるように、取付角度βを、支持アーム４に対して０°～９０°になるように設定した。
【0026】
（２）次いで、取付角度βにおけるブレード３の０°～３６０°のアジマス角における、ブレード３に発生させる空気力Ｆの周方向成分Ｆθを無次元化したＣＦθの極大値を算出した。なお、本実施形態においては、図２（ｂ）に示すように、反時計回りする垂直軸風車１の図示左側を風上としている。そのため、アジマス角Ψ、０°≦Ψ≦１８０°の範囲が、風上方向にブレード３が進行する戻り側となり、１８０°≦Ψ≦３６０°の範囲が、逆方向の進み側となる。
【0027】
（３）次いで、算出した極大値におけるアジマス角Ψに基づいて、周方向成分Ｆθが増大するブレードの断面形状を、遺伝的アルゴリズムを用いて探索した。すなわち、勾玉状のブレード３の断面形状を基本とし、そこから、遺伝的アルゴリズムを用いて、算出した極大値におけるアジマス角Ψに基づいて、周方向成分Ｆθが増大するブレードの断面形状を探索するようにした。なお、本実施形態においては、粘性を考慮した流れの数値解析により周方向成分Ｆθを求めている。
【0028】
ところで、周方向成分Ｆθが増大するブレードの断面形状は、アジマス角Ψにより異なるものと考えられる。その一方で、ブレードの断面形状は、アジマス角Ψによらず単一に固定する必要がある。そのため、遺伝的アルゴリズムによる検討を実施する図１に示すブレード３のアジマス角Ψの位置を予め選定しておく必要がある。アジマス角Ψの位置の選定基準は、その位置における周方向成分Ｆθを無次元化したＣＦθそのものや、ＣＦθのアジマス角Ψ方向変化率等、様々考えられるが、本実施形態においては、周方向成分Ｆθを無次元化したＣＦθが極大値となるアジマス角Ψを選定した。
【0029】
かくして、上記（１）～（３）の工程を経て、周方向成分Ｆθが増大するブレードを製造することができることとなる。これにより、高性能な垂直軸風車１が実現できることとなり、もって、垂直軸風車１をより効率的に回転させることができることとなる。また、周方向成分Ｆθを求めるにあたり、粘性を考慮した流れの数値解析を用いることにより、ブレードが発生する空気力Ｆの周方向成分Ｆθの計算精度が向上し、もって、より高性能な垂直軸風車１を実現できることとなる。これにより、垂直軸風車１をさらに効率的に回転させることができる。
【0030】
ここで、より理解しやすくするため、具体例を用いて、上記（１）～（３）の工程を説明することとする。
【0031】
まず、周方向成分Ｆθが増大するブレードを製造するにあたって、図１に示すブレード３を支持アーム４に取り付ける際の取付角度βを、５０°、６０°、７０°に設定した。そして、取付角度β（５０°、６０°、７０°）におけるブレード３の０°～３６０°のアジマス角Ψにおける、ブレード３に発生させる空気力Ｆの周方向成分Ｆθを無次元化したＣＦθを算出した。その結果が、図３に示すものである。図３に示すように、取付角度β（５０°）においては、ＣＦθが負となるのは、図２（ｂ）に示す戻り側の一部である７０°≦Ψ≦１７０°のおよそ１００°の狭い範囲に限られる。それ以外のおよそ２６０°の範囲では、ＣＦθが正となり、垂直回転軸２を反時計回りに回転させる推進力が発生している。中でも、戻り側入り口のΨ＝４１°と進み側入り口のΨ＝２１１°の２箇所にて、ＣＦθが極大値となっている。また、図３に示すように、取付角度β（６０°）においては、ＣＦθが負となるのは、図２（ｂ）に示す戻り側の一部である７０°≦Ψ≦１６０°のおよそ９０°の狭い範囲に限られる。それ以外のおよそ２７０°の範囲では、ＣＦθが正となり、垂直回転軸２を反時計回りに回転させる推進力が発生している。中でも、戻り側入り口のΨ＝２１°と進み側入り口のΨ＝２１１°の２箇所にて、ＣＦθが極大値となっている。さらに、図３に示すように、取付角度β（７０°）においては、ＣＦθが負となるのは、図２（ｂ）に示す戻り側の一部である３０°≦Ψ≦４０°，６０°≦Ψ≦１５０°のおよそ１００°の狭い範囲に限られる。それ以外のおよそ２６０°の範囲では、ＣＦθが正となり、垂直回転軸２を反時計回りに回転させる推進力が発生している。中でも、戻り側入り口のΨ＝５５°と進み側入り口のΨ＝２１１°の２箇所にて、ＣＦθが極大値となっている。
【0032】
かくして、取付角度β（５０°～７０°）に対して、ＣＦθの極大値は、アジマス角Ψ０°～７０°の間、アジマス角Ψ１８０°～２７０°の間にあることとなる。
【0033】
ところで、図３に示す極大値のうち、取付角度β（５０°）では、ポイントＸとポイントＹにて、取付角度β（６０°）と比較して、極大値が低くなっている。また、取付角度β（７０°）では、取付角度β（６０°）と比較して、ポイントＹにおける極大値は大きいものの、ポイントＸにおける極大値は低くなっている。そのため、結果として、取付角度β（６０°）が最適と考えられる。
【0034】
そこで、本実施形態においては、取付角度β（６０°）における極大値におけるアジマス角Ψ＝２１°と、アジマス角Ψ＝２１１°を選定することとした。
【0035】
次いで、図１に示すブレード３の断面形状を基本とし、そこから、遺伝的アルゴリズムを用いて、アジマス角Ψ＝２１°に基づいて、周方向成分Ｆθが増大するブレードの断面形状を探索した。この際、本実施形態においては、粘性を考慮した流れの数値解析により周方向成分Ｆθを求めた。
【0036】
かくして、上記探索の結果、図４（ａ）に示すブレード３Ａの断面形状を得た。また、図１に示すブレード３の断面形状を基本とし、そこから、遺伝的アルゴリズムを用いて、アジマス角Ψ＝２１１°に基づいて、周方向成分Ｆθが増大するブレードの断面形状を探索した。この際、本実施形態においては、粘性を考慮した流れの数値解析により周方向成分Ｆθを求めた。
【0037】
かくして、上記探索の結果、図４（ｂ）に示すブレード３Ｂの断面形状を得た。なお、以下では、ブレード３ＡをＭＴ－Ｃ、ブレード３ＢをＭＴ－Ｄと呼ぶことがある。
【0038】
ブレード３Ａは、図４（ａ）に示すように、前縁部３０Ａと、後縁部３１Ａと、上側部３２Ａと、下側部３３Ａと、で構成されている。前縁部３０Ａは、図４（ａ）に示すように、図示左外方向に向かって突出する円弧状に形成されている。また、後縁部３１Ａは、図４（ａ）に示すように、図示右外方向に向かって突出する円弧状に形成されている。この後縁部３１Ａの円弧状は、図４（ａ）に示すように、前縁部３０Ａの円弧状よりも径小に形成され、鉤型形状に形成されている。
【0039】
一方、上側部３２Ａは、図４（ａ）に示すように、前縁部３０Ａの上端部３０Ａａと後縁部３１Ａの上端部３１Ａａとを繋ぐ役割を担い、円弧状に形成されている。また、前縁部３０Ａの上端部３０Ａａと上側部３２Ａの左端部３２Ａａを繋ぐにあたって、凹段部３２Ａａ１が形成されるように繋がれている。
【0040】
一方、下側部３３Ａは、図４（ａ）に示すように、前縁部３０Ａの下端部３０Ａｂと後縁部３１Ａの下端部３１Ａｂとを繋ぐ役割を担い、上側部３２Ａと平行となるように、円弧状に形成されている。また、前縁部３０Ａの下端部３０Ａｂと下側部３３Ａの左端部３３Ａａを繋ぐにあたって、凸段部３３Ａａ１が形成されるように繋がれている。
【0041】
ブレード３Ｂは、図４（ｂ）に示すように、前縁部３０Ｂと、後縁部３１Ｂと、上側部３２Ｂと、下側部３３Ｂと、で構成されている。前縁部３０Ｂは、図４（ｂ）に示すように、図示左外方向に向かって突出する円弧状に形成されている。また、後縁部３１Ｂは、図４（ｂ）に示すように、図示右外方向に向かって突出する円弧状に形成されている。この後縁部３１Ａの円弧状は、図４（ｂ）に示すように、前縁部３０Ａの円弧状よりも径小に形成されている。
【0042】
一方、上側部３２Ｂは、図４（ｂ）に示すように、前縁部３０Ｂの上端部３０Ｂａと後縁部３１Ｂの上端部３１Ｂａとを繋ぐ役割を担い、円弧状に形成されている。
【0043】
また一方、下側部３３Ｂは、図４（ｂ）に示すように、前縁部３０Ｂの下端部３０Ｂｂと後縁部３１Ｂの下端部３１Ｂｂとを繋ぐ役割を担い、上側部３２Ｂと平行となるように、円弧状に形成されている。また、前縁部３０Ｂの下端部３０Ｂｂと下側部３３Ｂの左端部３３Ｂａを繋ぐにあたって、凸段部３３Ｂａ１及び凹段部３３Ｂａ２が連続して形成されるように繋がれている。
【0044】
ここで、本発明者は、図４（ａ）に示すブレード３Ａ及び図４（ｂ）に示すブレード３Ｂが、周方向成分Ｆθが増大するブレードの断面形状となっているのか否かを、数値解析ソフトウェアＣＯＳＭＯＬ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ（ＣＯＳＭＯＬ社）を用いて、回転する垂直軸風車１を通過する風のシミュレーションを行った。その結果が、図５及び図６に示すものである。
【0045】
図５は、図４（ａ）に示すブレード３Ａを用いた場合のシミュレーション結果を示すもので、図示では、ＭＴ－Ｃと記載している。図５（ａ）及び図５（ｂ）は、風の速度（図示では、赤矢印）と圧力（図示では、青が最も低圧で、赤になるにつれ高圧となることを示している）を示している。図５（ａ）に示すように、図示左側から流入した風の流れは、回転する垂直軸風車１を通過して蛇行しつつ流下する様子が確認できる。また、垂直軸風車１の下流には、回転するブレード３Ａの通過により生じた複数の低圧領域（図示では、Ａ～Ｇで示している）が流下している様子も確認できる。また、この低圧領域に合わせて速度ベクトルが蛇行している。
【0046】
一方、図５（ａ）では、図示右上に位置するブレード３Ａが、遺伝的アルゴリズムを用いたアジマス角Ψ＝２１°に位置した瞬間を示しており、図５（ｂ）が図示右上に位置するブレード３Ａの拡大図である。図５（ｂ）を見ると、ブレード３Ａの上側部３２Ａの風速が大きく、圧力が低くなっている。そのため、図５（ｃ）に示すように、このブレード３Ａを図示右上に押し上げる空気力Ｆが発生する。この空気力Ｆは、図５（ｃ）に示すように、回転方向の成分、すなわち、周方向成分Ｆθを持つことから、これによって、ブレード３Ａが取り付けられている支持アーム４が回転し、もって、垂直回転軸２が回転することとなる。
【0047】
ところで、周方向成分Ｆθが増大するとは、空気力Ｆと周方向成分Ｆθの方向を近くづけることと同意である。そのため、図５（ｃ）に示すように、空気力Ｆと周方向成分Ｆθの方向は、９０°を下回る程近づいていることから、図４（ａ）に示すブレード３Ａは、周方向成分Ｆθが増大していることとなる。これにより、図４（ａ）に示すブレード３Ａは、周方向成分Ｆθが増大するブレードの断面形状であることが確認できた。
【0048】
図６は、図４（ｂ）に示すブレード３Ｂを用いた場合のシミュレーション結果を示すもので、図示では、ＭＴ－Ｄと記載している。図６（ａ）及び図６（ｂ）は、風の速度（図示では、赤矢印）と圧力（図示では、青が最も低圧で、赤になるにつれ高圧となることを示している）を示している。図６（ａ）に示すように、図示左側から流入した風の流れは、回転する垂直軸風車１を通過して蛇行しつつ流下する様子が確認できる。また、垂直軸風車１の下流には、回転するブレード３Ｂの通過により生じた複数の低圧領域（図示では、Ｈ～Ｏで示している）が流下している様子も確認できる。また、この低圧領域に合わせて速度ベクトルが蛇行している。
【0049】
一方、図６（ａ）では、図示左下に位置するブレード３Ｂが、遺伝的アルゴリズムを用いたアジマス角Ψ＝２１１°に位置した瞬間を示しており、図６（ｂ）が図示左下に位置するブレード３Ｂの拡大図である。図６（ｂ）を見ると、ブレード３Ｂの上側部３２Ｂの風速が大きく、圧力が低くなっている。そのため、図６（ｃ）に示すように、このブレード３Ｂを図示右下に押し上げる空気力Ｆが発生する。この空気力Ｆは、図６（ｃ）に示すように、回転方向の成分、すなわち、周方向成分Ｆθを持つことから、これによって、ブレード３Ｂが取り付けられている支持アーム４が回転し、もって、垂直回転軸２が回転することとなる。
【0050】
ここで、図６（ｃ）に示すように、空気力Ｆと周方向成分Ｆθの方向は、図５（ｃ）と比べさらに近づいていることから、図４（ｂ）に示すブレード３Ｂは、周方向成分Ｆθが増大していることとなる。これにより、図４（ｂ）に示すブレード３Ｂは、周方向成分Ｆθが増大するブレードの断面形状であることが確認できた。
【0051】
【0052】
【0053】
図７は、図１に示すような垂直軸風車１に図４（ａ）に示すブレード３Ａを取り付け、フィールド実験を行った結果を示している。図７は、横軸が周速比、縦軸が風車出力を示している。この図７によれば、図４（ａ）に示すブレード３Ａを取り付けた場合、周速比が１．０以下で回転するだけでなく、１．０を大きく超えても回転していることが分かる。この点、抗力形風車は、風速を超える周速度で回転することができないことから、周速比１．０を超えて回転することはない。それゆえ、図４（ａ）に示すブレード３Ａを取り付けた垂直軸風車１は、抗力形風車よりも優れていることが分かる。
【0054】
一方、図８は、図７に示す低周速比部分（図７の左下部分）を拡大したもので、この図８では、さらに、揚力形風車（ＮＡＣＡ００１８ブレード）のデータも追記している。図８を見れば明らかなように、揚力形風車（ＮＡＣＡ００１８ブレード）よりも、図４（ａ）に示すブレード３Ａを取り付けた垂直軸風車１の方が、風車出力が大きくなっている。それゆえ、図４（ａ）に示すブレード３Ａを取り付けた垂直軸風車１は、揚力形風車よりも優れていることが分かる。
【0055】
他方、図９は、風洞実験を行い、図４（ａ）に示すブレード３Ａと図４（ｂ）に示すブレード３Ｂの性能比較を行った結果を示す図である。この図９を見れば明らかなように、図４（ｂ）に示すブレード３Ｂと、図４（ａ）に示すブレード３Ａとは、ほぼ同じ性能を有している。そのため、図４（ｂ）に示すブレード３Ｂも、抗力形風車よりも優れ、揚力形風車よりも優れていることが分かる。
【0056】
【0057】
しかして、以上説明した本実施形態に示すようなブレードの製造方法によれば、風車をより効率的に回転させることができるブレードを製造することができる。
【0058】
なお、本実施形態において示した形状等はあくまで一例であり、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。例えば、本実施形態においては、図１に示すブレード３の断面形状を基本とし、そこから、遺伝的アルゴリズムを用いるようにしたが、それ以外のものを基本とし、そこから、遺伝的アルゴリズムを用いるようにしても良い。また、本実施形態においては、遺伝的アルゴリズムを用いた例を示したが、それに限らず、機械学習や強化学習等、どのような手法を用いても良い。
【符号の説明】
【0059】
１ 垂直軸風車
２ 垂直回転軸
３ ブレード（基本ブレード）
３Ａ，３Ｂ ブレード
４ 支持アーム
３０Ａ 前縁部
３０Ａａ 上端部（一端部）
３０Ａｂ 下端部（他端部）
３１Ａ 後縁部
３１Ａａ 上端部（一端部）
３１Ａｂ 下端部（他端部）
３２Ａ 第１側部
３２Ａａ１ 凹段部
３３Ａ 第２側部
３３Ａａ１ 凸段部
３０Ｂ 前縁部
３０Ｂａ 上端部（一端部）
３０Ｂｂ 下端部（他端部）
３１Ｂ 後縁部
３１Ｂａ 上端部（一端部）
３１Ｂｂ 下端部（他端部）
３２Ｂ 第１側部
３３Ｂ 第２側部
３３Ｂａ１ 凸段部
３３Ｂａ２ 凹段部
Ｆ 空気力
Ｆθ 周方向成分
Ψ アジマス角
２ 垂直回転軸
３ ブレード（基本ブレード）
３Ａ，３Ｂ ブレード
４ 支持アーム
３０Ａ 前縁部
３０Ａａ 上端部（一端部）
３０Ａｂ 下端部（他端部）
３１Ａ 後縁部
３１Ａａ 上端部（一端部）
３１Ａｂ 下端部（他端部）
３２Ａ 第１側部
３２Ａａ１ 凹段部
３３Ａ 第２側部
３３Ａａ１ 凸段部
３０Ｂ 前縁部
３０Ｂａ 上端部（一端部）
３０Ｂｂ 下端部（他端部）
３１Ｂ 後縁部
３１Ｂａ 上端部（一端部）
３１Ｂｂ 下端部（他端部）
３２Ｂ 第１側部
３３Ｂ 第２側部
３３Ｂａ１ 凸段部
３３Ｂａ２ 凹段部
Ｆ 空気力
Ｆθ 周方向成分
Ψ アジマス角
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
