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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2021-12-07
(45)【発行日】2022-01-12
(54)【発明の名称】ロータ
(51)【国際特許分類】
F03D 1/06 20060101AFI20220104BHJP
F03D 7/04 20060101ALI20220104BHJP
F04D 29/36 20060101ALI20220104BHJP
F04D 29/38 20060101ALI20220104BHJP
F04D 29/18 20060101ALI20220104BHJP
F03B 3/14 20060101ALI20220104BHJP
B63B 35/00 20200101ALI20220104BHJP
【ＦＩ】
F03D1/06 A
F03D7/04 G
F04D29/36 A
F04D29/38 B
F04D29/18 101A
F03B3/14
B63B35/00 T
【請求項の数】
8
(21)【出願番号】P 2017238041
(22)【出願日】2017-12-12
(65)【公開番号】P2019105213
(43)【公開日】2019-06-27
【審査請求日】2020-10-27
(73)【特許権者】
【識別番号】304021831
【氏名又は名称】国立大学法人千葉大学
(73)【特許権者】
【識別番号】000133939
【氏名又は名称】テラル株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100147485
【弁理士】
【氏名又は名称】杉村 憲司
(74)【代理人】
【識別番号】230118913
【弁護士】
【氏名又は名称】杉村 光嗣
(74)【代理人】
【識別番号】100097238
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 治
(74)【代理人】
【識別番号】100174023
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 怜愛
(72)【発明者】
【氏名】劉 浩
(72)【発明者】
【氏名】中田 敏是
(72)【発明者】
【氏名】吉永 悠真
(72)【発明者】
【氏名】池田 旭彰
(72)【発明者】
【氏名】藤井 武夫
【審査官】大屋 静男
(56)【参考文献】
【文献】特開２００４－３０８４９８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－２９３９２９（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１５／０１６７６３８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２００７－０３０７０２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－０７２０５６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ０３Ｂ ３／１４
Ｆ０３Ｄ １／０６、７／０４
Ｆ０４Ｄ ２９／１８、２９／３６、２９／３８
Ｂ６３Ｂ ３５／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
主軸に支持されるハブと、該ハブに対して所定の翼軸線の周りで回転可能に連結された翼と、
前記翼を前記ハブに対して回転付勢する付勢部材と、
シャフトと、
連結部材と、
を備え、
前記翼は、
柔軟性を有する翼膜と、
前記翼膜よりも高い剛性を有するとともに、前記翼の前縁を構成する、高剛性前縁部と、
を有しており、
前記ロータは、周速比が高くなるのに応じて、前記翼の全長にわたって、前記翼のねじれ角が減少するように構成されており、
前記翼は、前記シャフト及び前記連結部材を介して、前記ハブに対して回転可能に連結されており、
前記シャフトの一方の端部が前記ハブに固定されているとともに前記シャフトの他方の端部が前記連結部材の一端部を回転可能に軸支しているか、又は、前記シャフトの一方の端部が前記ハブに回転可能に軸支されているとともに前記シャフトの他方の端部が前記連結部材の一端部に固定されており、
前記連結部材の他端部は、前記翼の翼根のうち前縁側の端部に固定されており、
前記シャフトの中心軸線が、前記翼軸線であり、
前記翼の前縁は、前記翼軸線から、前記翼軸線に垂直な方向に離間されている、風水力機械用のロータ。
【請求項2】
主軸に支持されるハブと、
該ハブに対して所定の翼軸線の周りで回転可能に連結された翼と、
前記翼を前記ハブに対して回転付勢する付勢部材と、
を備え、
前記翼は、
柔軟性を有する翼膜と、
前記翼膜よりも高い剛性を有するとともに、前記翼の前縁を構成する、高剛性前縁部と、
を有しており、
前記ロータは、周速比が高くなるのに応じて、前記翼の全長にわたって、前記翼のねじれ角が減少するように構成されており、
前記翼の前縁は、前記翼軸線から、前記翼軸線に垂直な方向に離間されており、
前記翼の平面展開視において、前記翼軸線に垂直な方向に沿って測ったときの前記翼の翼根の長さＢＲＬに対する、前記翼軸線に垂直な方向に沿って測ったときの前記翼根における前縁側の端部から前記翼軸線までの距離Ｄ１の割合（Ｄ１×１００／ＢＲＬ）（％）は、４５～１００％である、風水力機械用のロータ。
【請求項3】
主軸に支持されるハブと、
該ハブに対して所定の翼軸線の周りで回転可能に連結された翼と、
前記翼を前記ハブに対して回転付勢する付勢部材と、
を備え、
前記翼は、
柔軟性を有する翼膜と、
前記翼膜よりも高い剛性を有するとともに、前記翼の前縁を構成する、高剛性前縁部と、
を有しており、
前記ロータは、周速比が高くなるのに応じて、前記翼の全長にわたって、前記翼のねじれ角が減少するように構成されており、
前記翼は、前記翼膜よりも高く前記高剛性前縁部よりも低い剛性を有するとともに、前記翼の翼根を構成する、高剛性翼根部を、さらに有しており、
前記翼膜は、前記翼膜のうち最も後縁側かつ最も翼端側に位置するとともに、前記翼膜の全体の中で最も剛性が低い、第１翼膜部を有しており、
前記第１翼膜部は、前記翼の後縁の一部及び翼端の一部を構成している、風水力機械用のロータ。
【請求項4】
前記翼の前縁は、前記翼軸線から、前記翼軸線に垂直な方向に離間されている、請求項３に記載のロータ。
【請求項5】
前記翼は、前記翼膜よりも高く前記高剛性前縁部よりも低い剛性を有するとともに、前記翼の翼根を構成する、高剛性翼根部を、さらに有している、請求項１又は２に記載のロータ。
【請求項6】
前記翼は、前記翼膜よりも高く前記高剛性前縁部よりも低い剛性を有するとともに、前記翼の平面展開視において前記翼軸線に交差する方向に延在する、骨部を、さらに有している、請求項１～５のいずれか一項に記載のロータ。
【請求項7】
前記翼は、前記翼膜として、正圧面を構成する第１翼膜と、負圧面を構成する第２翼膜と、を有しており、前記第１翼膜と前記第２翼膜とは、少なくとも一部分で、互いに固定されていない、請求項１～６のいずれか一項に記載のロータ。
【請求項8】
前記翼膜は、
前記第１翼膜部に対して翼根側および前縁側に隣接するとともに、前記第１翼膜部よりも高い剛性を有する、第２翼膜部と、
前記第２翼膜部に対して翼根側に隣接するとともに、前記翼膜部よりも高い剛性を有する、第３翼膜部と、
をさらに有する、請求項３に記載のロータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、風力発電機や送風機等の風水力機械に用いられるロータに関する。
【背景技術】
【0002】
一般的に、風力発電機や送風機等の風水力機械に用いられるロータにおいては、周速比に依って、良好な効率を得るのに最適な、翼の平面形状（翼を平面に展開したときの形状）や翼のねじれ角の翼長方向の分布が異なる。そのため、例えば流体の速度や向きが絶えず大きく変動するような場所にロータが設置される場合、周速比に応じて翼の平面形状やねじれ角を適切に変化させられれば、安定的に良好な発電効率を得られることが期待できる。しかし、翼の平面形状を変化させることは難しい。
一方、従来より、翼のねじれ角を電気的に制御する技術が知られている（例えば、特許文献１）。
一方、従来より、翼のねじれ角を電気的に制御する技術が知られている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２００６－２３３９１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、上述した、ねじれ角を電気的に制御する技術を用いる場合、構造が複雑となり、コストも高くなる。
本発明の発明者は、鳥や昆虫の翼を規範とし、試行錯誤を重ねた結果、電気的な制御を用いずに、受動的に、ねじれ角を良好に変化させることができる技術を、新たに見出した。
本発明の発明者は、鳥や昆虫の翼を規範とし、試行錯誤を重ねた結果、電気的な制御を用いずに、受動的に、ねじれ角を良好に変化させることができる技術を、新たに見出した。
【0005】
本発明は、受動的に、ねじれ角を良好に変化させることができる、ロータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明のロータは、風水力機械用のロータであり、
主軸に支持されるハブと、
該ハブに対して所定の翼軸線の周りで回転可能に連結された翼と、
前記翼を前記ハブに対して回転付勢する付勢部材と、
を備え、
前記翼は、
柔軟性を有する翼膜と、
前記翼膜よりも高い剛性を有するとともに、前記翼の前縁を構成する、高剛性前縁部と、
を有している。
主軸に支持されるハブと、
該ハブに対して所定の翼軸線の周りで回転可能に連結された翼と、
前記翼を前記ハブに対して回転付勢する付勢部材と、
を備え、
前記翼は、
柔軟性を有する翼膜と、
前記翼膜よりも高い剛性を有するとともに、前記翼の前縁を構成する、高剛性前縁部と、
を有している。
【0007】
本発明のロータにおいては、
前記翼の前縁は、前記翼軸線から、前記翼軸線に垂直な方向に離間されていると、好適である。
前記翼の前縁は、前記翼軸線から、前記翼軸線に垂直な方向に離間されていると、好適である。
【0008】
本発明のロータにおいては、
前記ロータは、周速比が高くなるのに応じて、前記翼の全長にわたって、前記翼のねじれ角が減少するように構成されていると、好適である。
前記ロータは、周速比が高くなるのに応じて、前記翼の全長にわたって、前記翼のねじれ角が減少するように構成されていると、好適である。
【0009】
本発明のロータにおいては、
前記翼は、前記翼膜よりも高く前記高剛性前縁部よりも低い剛性を有するとともに、前記翼の翼根を構成する、高剛性翼根部を、さらに有していると、好適である。
前記翼は、前記翼膜よりも高く前記高剛性前縁部よりも低い剛性を有するとともに、前記翼の翼根を構成する、高剛性翼根部を、さらに有していると、好適である。
【0010】
本発明のロータにおいては、
前記翼は、前記翼膜よりも高く前記高剛性前縁部よりも低い剛性を有するとともに、前記翼の平面展開視において前記翼軸線に交差する方向に延在する、骨部を、さらに有していると、好適である。
前記翼は、前記翼膜よりも高く前記高剛性前縁部よりも低い剛性を有するとともに、前記翼の平面展開視において前記翼軸線に交差する方向に延在する、骨部を、さらに有していると、好適である。
【0011】
本発明のロータにおいては、
前記翼は、前記翼膜として、正圧面を構成する第１翼膜と、負圧面を構成する第２翼膜と、を有しており、
前記第１翼膜と前記第２翼膜とは、少なくとも一部分で、互いに固定されていないと、好適である。
前記翼は、前記翼膜として、正圧面を構成する第１翼膜と、負圧面を構成する第２翼膜と、を有しており、
前記第１翼膜と前記第２翼膜とは、少なくとも一部分で、互いに固定されていないと、好適である。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、受動的に、ねじれ角を良好に変化させることができる、ロータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本発明の一実施形態に係るロータを備えた風水力機械を示す斜視図である。
【図7】本発明のロータの第１変形例を説明するための図である。
【図8】本発明のロータの第２変形例を説明するための図である。
【図9】本発明のロータの第３変形例を説明するための図である。
【図10】本発明のロータの第４変形例を説明するための図である。
【図11】本発明のロータの比較例１～４、実施例１における、ロータの回転時での翼のねじれ角分布の解析結果を示す図である。
【図12】本発明のロータの比較例１～４、実施例１における、周速比とパワー係数との関係についての解析結果を示す図である。
【図13】本発明のロータの比較例１～４の翼を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に例示説明する。
本発明のロータは、風水力機械に用いられるものであり、特に水平軸型の風力発電機又は送風機に用いられると好適なものである。本発明でいう「風水力機械」とは、風力発電機（風車等）、送風機、水力発電機（水車等）、ポンプ、ヘリコプター、ドローン等の、風力又は水力により得られる動力を利用する機械を意味するものとする。
本発明のロータの直径は、任意の値でよいが、ロータが水平軸型の風力発電機に用いられる場合は例えば７４１～１１１１ｍｍであると好適であり、ロータが送風機に用いられる場合は例えば７００～１１００ｍｍであると好適である。
本発明のロータは、風水力機械に用いられるものであり、特に水平軸型の風力発電機又は送風機に用いられると好適なものである。本発明でいう「風水力機械」とは、風力発電機（風車等）、送風機、水力発電機（水車等）、ポンプ、ヘリコプター、ドローン等の、風力又は水力により得られる動力を利用する機械を意味するものとする。
本発明のロータの直径は、任意の値でよいが、ロータが水平軸型の風力発電機に用いられる場合は例えば７４１～１１１１ｍｍであると好適であり、ロータが送風機に用いられる場合は例えば７００～１１００ｍｍであると好適である。
【0015】
本発明の一実施形態を、図１～図６を参照して説明する。図１は、本実施形態に係るロータ１を備えた風水力機械を示す斜視図である。図２は、図１のロータ１の一部を拡大して示す拡大斜視図である。図３は、図２に示すロータ１の部分を、別の角度から観たときの様子を示す、拡大斜視図である。図４は、図１のロータ１の翼２０の剛性分布の一例を示す、剛性分布図である。図５は、図１のロータ１の動作を説明するための図である。図６は、図５のロータ１を、翼軸線ＢＡの一方側から観たときの様子を示すとともに、図１のロータ１の動作を説明するための図である。
本実施形態において、ロータ１を備えた風水力機械は、水平軸型の風力発電機として構成されている。ただし、ロータ１を備えた風水力機械は、水力発電機（水車等）として構成されてもよく、また、送風機として構成されてもよい。
本実施形態において、ロータ１を備えた風水力機械は、水平軸型の風力発電機として構成されている。ただし、ロータ１を備えた風水力機械は、水力発電機（水車等）として構成されてもよく、また、送風機として構成されてもよい。
【0016】
図１において、本実施形態のロータ１は、主軸（図示せず）に支持されるハブ１０と、ハブ１０に対してそれぞれ所定の翼軸線ＢＡの周りで回転可能に連結された複数（本例では３つ）の翼２０と、各翼２０をそれぞれハブ１０に対して回転付勢する付勢部材３０と、を備えている。図示されない主軸は、図１で見たときに、ハブ１０の背面から後方へ向かって、例えばほぼ水平に、延在する。主軸の中心軸線が、ロータ１の回転中心軸線Ｏとなる。
なお、翼２０の数は、３つに限られず、任意の数とすることができる。
また、ロータ１の各翼２０は、本例では互いに同一の構成を有しているが、一部の翼が他の翼とは異なる構成を有していてもよい。
なお、翼２０の数は、３つに限られず、任意の数とすることができる。
また、ロータ１の各翼２０は、本例では互いに同一の構成を有しているが、一部の翼が他の翼とは異なる構成を有していてもよい。
【0017】
図１に示すように、本例では、翼２０のねじれ角θ（図６参照。「ピッチ角」とも呼ばれる。）が、翼２０の翼長方向に沿って一定ではなく、翼長方向に沿って翼根２１（翼２０におけるハブ１０側（内周側）の端部。）から翼端２２（翼２０におけるハブ１０とは反対側（外周側）の端部。）に向かうにつれて徐々に減少している。
翼２０のねじれ角θの翼長方向での分布を、本例のようにすることによって、風力発電機の効率を向上できる。ただし、翼２０のねじれ角の翼長方向での分布は、任意でよい。
ここで、「ねじれ角θ」とは、翼２０上のあるロータ１の半径方向位置における、ロータ１の回転中心軸線Ｏに対して垂直な仮想平面Ｐ（図６参照）と、翼２０の翼弦線（翼２０の前縁２３と後縁２４とを結ぶ直線）との、鋭角側のなす角度である。
図６では、便宜のため、翼２０の翼根２１でのねじれ角θのみを示しており、翼２０の他の半径方向位置でのねじれ角θの図示を省略している。
本明細書において、「ねじれ角θ」というときは、特に断りがない限り、翼２０の各半径方向位置でのねじれ角（ひいては、ねじれ角の翼長方向での分布）を指すものとする。
翼２０のねじれ角θの翼長方向での分布を、本例のようにすることによって、風力発電機の効率を向上できる。ただし、翼２０のねじれ角の翼長方向での分布は、任意でよい。
ここで、「ねじれ角θ」とは、翼２０上のあるロータ１の半径方向位置における、ロータ１の回転中心軸線Ｏに対して垂直な仮想平面Ｐ（図６参照）と、翼２０の翼弦線（翼２０の前縁２３と後縁２４とを結ぶ直線）との、鋭角側のなす角度である。
図６では、便宜のため、翼２０の翼根２１でのねじれ角θのみを示しており、翼２０の他の半径方向位置でのねじれ角θの図示を省略している。
本明細書において、「ねじれ角θ」というときは、特に断りがない限り、翼２０の各半径方向位置でのねじれ角（ひいては、ねじれ角の翼長方向での分布）を指すものとする。
【0018】
図２及び図３に示すように、翼２０は、シャフト５０によって、ハブ１０に対して回転可能に連結されている。シャフト５０は、例えば、ヒンジピンから構成される。より具体的に、翼２０の翼根２１には、剛体からなる連結部材４０が固定されている。そして、シャフト５０の一方の端部が、ハブ１０に固定されており、シャフト５０の他方の端部が、翼２０の連結部材４０を回転可能に軸支している。
ただし、本例に限らず、シャフト５０の一方の端部が、ハブ１０に回転可能に軸支されて、シャフト５０の他方の端部が、翼２０の連結部材４０に固定されていてもよい。
シャフト５０の中心軸線（ひいては付勢部材３０の中心軸線）が、翼２０の翼軸線ＢＡである。
ただし、本例に限らず、シャフト５０の一方の端部が、ハブ１０に回転可能に軸支されて、シャフト５０の他方の端部が、翼２０の連結部材４０に固定されていてもよい。
シャフト５０の中心軸線（ひいては付勢部材３０の中心軸線）が、翼２０の翼軸線ＢＡである。
【0019】
図２及び図３に示すように、本例において、付勢部材３０は、ねじりばねから構成されている。ただし、付勢部材３０は、各翼２０をそれぞれハブ１０に対して回転付勢できるように構成されている限り、任意の構成を有していてよい。本例において、付勢部材３０は、シャフト５０の周りに設けられている。そして、付勢部材３０は、ハブ１０に固定されているとともに直線状に延在する第１端部３１と、翼２０の連結部材４０に固定されているとともに直線状に延在する第２端部３２と、第１端部３１と第２端部３２とを連結するとともに、シャフト５０の周りに螺旋状に延在する、中間部３３と、からなる。
ハブ１０には、溝１１が形成されており、この溝１１には、付勢部材３０の中間部３３のうちの第１端部３１側の一部分と、第１端部３１とが、収容されている。これにより、第１端部３１の位置がハブ１０に対して固定されている。また、翼２０の連結部材４０には、溝４１が形成されており、この溝４１には、付勢部材３０の中間部３３のうちの第２端部３２側の一部分と、第２端部３２とが、収容されている。これにより、第２端部３２の位置が連結部材４０に対して固定されている。
ハブ１０には、溝１１が形成されており、この溝１１には、付勢部材３０の中間部３３のうちの第１端部３１側の一部分と、第１端部３１とが、収容されている。これにより、第１端部３１の位置がハブ１０に対して固定されている。また、翼２０の連結部材４０には、溝４１が形成されており、この溝４１には、付勢部材３０の中間部３３のうちの第２端部３２側の一部分と、第２端部３２とが、収容されている。これにより、第２端部３２の位置が連結部材４０に対して固定されている。
【0020】
図４は、本実施形態のロータ１の翼２０の好ましい剛性分布の一例を示している。図４では、翼２０を、平面に展開した状態で示している。ここで、翼２０を「平面に展開した状態」とは、すなわち、翼２０のねじれ角θを翼２０の全長にわたって一様（同一）にした状態を指す。
図４に例示するように、翼２０は、その全部が剛体からなるものではなく、その大部分が柔軟性を有するような、柔軟翼である。より具体的に、翼２０は、柔軟性を有する翼膜２１０と、翼膜２１０よりも高い剛性を有するとともに、翼２０の前縁２３を構成する、高剛性前縁部２２０と、翼膜２１０よりも高く高剛性前縁部２２０よりも低い剛性を有するとともに、翼２０の翼根２１を構成する、高剛性翼根部２３０と、を有している。
翼２０の「前縁２３」は、翼２０の翼型（翼２０の翼厚方向の断面）におけるロータ１の回転方向ＲＤの前側の端であり、「後縁２４」は、翼２０の翼型におけるロータ１の回転方向ＲＤの後側の端である。
図４では、便宜のため、翼２０の各部分の剛性を、５種類のハッチによって５段階で示しているが、各種類のハッチは、剛性がそれぞれ所定の数値範囲内にあることを示しているにすぎず、剛性がそれぞれある１点の数値であることを示しているのではない。したがって、各種類のハッチによって示される部分の中で、剛性は、均一でもよいし非均一でもよい。
図４に例示するように、翼２０は、その全部が剛体からなるものではなく、その大部分が柔軟性を有するような、柔軟翼である。より具体的に、翼２０は、柔軟性を有する翼膜２１０と、翼膜２１０よりも高い剛性を有するとともに、翼２０の前縁２３を構成する、高剛性前縁部２２０と、翼膜２１０よりも高く高剛性前縁部２２０よりも低い剛性を有するとともに、翼２０の翼根２１を構成する、高剛性翼根部２３０と、を有している。
翼２０の「前縁２３」は、翼２０の翼型（翼２０の翼厚方向の断面）におけるロータ１の回転方向ＲＤの前側の端であり、「後縁２４」は、翼２０の翼型におけるロータ１の回転方向ＲＤの後側の端である。
図４では、便宜のため、翼２０の各部分の剛性を、５種類のハッチによって５段階で示しているが、各種類のハッチは、剛性がそれぞれ所定の数値範囲内にあることを示しているにすぎず、剛性がそれぞれある１点の数値であることを示しているのではない。したがって、各種類のハッチによって示される部分の中で、剛性は、均一でもよいし非均一でもよい。
【0021】
本明細書において、翼２０の「剛性」とは、曲げ剛性を指している。曲げ剛性は、つぎの式（１）で表される。
式（１）において、Ｄは曲げ剛性（ｍＮｍ）、Ｅはヤング率（ＧＰａ）、ｔは翼厚方向の厚み（ｍｍ）である。式（１）からわかるように、曲げ剛性Ｄは、ヤング率Ｅと厚みｔとから決まるものである。すなわち、本明細書において説明する翼２０の剛性（曲げ剛性Ｄ）は、例えば、図１の例のように翼２０の厚みｔを均一にするとともに、翼２０の部分ごとに材料（ひいてはヤング率Ｅ）を調整することによって達成されてもよいし、あるいは、翼２０の全体を同じ材料で構成するとともに、翼２０の部分ごとに厚みｔを調整することによって達成されてもよいし、あるいは、翼２０の部分ごとに厚みｔと材料（ひいてはヤング率Ｅ）との両方を調整することによって達成されてもよい。
翼膜２０の各部分の曲げ剛性Ｄは、それぞれ、翼長方向と翼弦方向とで大きさが同じでもよいが、翼長方向と翼弦方向とで大きさが異なっていてもよい。本明細書において、「剛性」あるいは「曲げ剛性」というときは、特に断りがない限り、翼長方向の曲げ剛性と翼弦方向の曲げ剛性との両方を指すものとする。
なお、翼２０の「翼長方向」とは、翼２０の翼弦方向に垂直な方向であり、翼２０の翼軸線ＢＡに平行な方向でもある。
【数1】
翼膜２０の各部分の曲げ剛性Ｄは、それぞれ、翼長方向と翼弦方向とで大きさが同じでもよいが、翼長方向と翼弦方向とで大きさが異なっていてもよい。本明細書において、「剛性」あるいは「曲げ剛性」というときは、特に断りがない限り、翼長方向の曲げ剛性と翼弦方向の曲げ剛性との両方を指すものとする。
なお、翼２０の「翼長方向」とは、翼２０の翼弦方向に垂直な方向であり、翼２０の翼軸線ＢＡに平行な方向でもある。
【0022】
翼２０は、図４の例のように高剛性翼根部２３０を有する場合、ロータ１が回転する間に翼２０の翼根２１が大きく動くことによる流体抵抗の増大を抑制でき、ひいては、効率を向上できるので、好ましい。
ただし、翼２０は、高剛性翼根部２３０を有しなくてもよく、すなわち、翼２０のうち、高剛性前縁部２２０を除く部分の全てが、翼膜２１０から構成されてもよい。
ただし、翼２０は、高剛性翼根部２３０を有しなくてもよく、すなわち、翼２０のうち、高剛性前縁部２２０を除く部分の全てが、翼膜２１０から構成されてもよい。
【0023】
連結部材４０は、例えば、金属（アルミニウム等）、合成樹脂などから構成される。
図４に示す例では、連結部材４０が、翼２０の翼根２１のうちの前縁２３側の端部に、固定されている。図４では図示を省略しているが、図１に示すように、連結部材４０は、翼２０の翼根２１のうちの前縁２３側の端部に固定された固定部４３を一体に有している。このように、連結部材４０を、翼２０のうちの最も剛性の高い部分に固定することにより、連結部材４０の翼軸線ＢＡ周りでの回転をダイレクトに翼２０に伝えることができる。ただし、図４の例のように翼２０が高剛性翼根部２３０を有する場合、連結部材４０は、翼根２１のうちの任意の部分に固定されていてよく、例えば、翼根２１のうちの翼軸線ＢＡ（の延長線）上に位置する部分、あるいは、翼根２１のうちの後縁２４側の端部に、固定されていてもよい。
図４に示す例では、連結部材４０が、翼２０の翼根２１のうちの前縁２３側の端部に、固定されている。図４では図示を省略しているが、図１に示すように、連結部材４０は、翼２０の翼根２１のうちの前縁２３側の端部に固定された固定部４３を一体に有している。このように、連結部材４０を、翼２０のうちの最も剛性の高い部分に固定することにより、連結部材４０の翼軸線ＢＡ周りでの回転をダイレクトに翼２０に伝えることができる。ただし、図４の例のように翼２０が高剛性翼根部２３０を有する場合、連結部材４０は、翼根２１のうちの任意の部分に固定されていてよく、例えば、翼根２１のうちの翼軸線ＢＡ（の延長線）上に位置する部分、あるいは、翼根２１のうちの後縁２４側の端部に、固定されていてもよい。
【0024】
つぎに、図５及び図６を参照しつつ、本実施形態のロータ１の動作を説明する。図５及び図６において、実線は、ロータ１が静止しているとき（すなわち、ロータ１に対して風が吹いていないとき）の状態を示しており、点線は、ロータ１が回転しているときの状態を示している。
ロータ１が静止しているとき、翼２０の翼根２１のねじれ角θは、所定の初期値をとる。ねじれ角θの初期値は、例えば、付勢部材３０の構成や、付勢部材３０の第１端部３１及び第２端部３２を収容するハブ１０及び連結部材４０側の溝１１、４１の構成などが予め調整されることによって、所定の値に設定されている。また、図６の例においては、ロータ１が静止しているとき、翼２０は、ロータ１の各半径位置において、前縁２３が後縁２４よりもロータ１の正面側（図６の左側）に位置している。そして、翼２０の正圧面が、ロータ１の正面側を向いている。また、ロータ１が静止しているとき、付勢部材３０の第２端部３２が、翼軸線ＢＡよりもロータ１の正面側に位置し、付勢部材３０の第１端部３１が、翼軸線ＢＡよりもロータ１の背面側に位置している。
風がロータ１の正面側から吹くと、ロータ１は、ロータ１の回転中心軸線Ｏの周りで所定の回転方向ＲＤに回転されるとともに、図５及び図６に破線で示すように、翼２０に当たる風の作用によって、連結部材４０が、付勢部材３０の付勢力に対抗しながら、翼軸線ＢＡの周りで、付勢部材３０の第２端部３２が第１端部３１に近づく方向に、回転される。これに連動して、連結部材４０と固定された翼２０の翼根２１のねじれ角θが、減少するとともに、翼２０の残りの部分もそれに追従するように、ねじれ角θが減少する方向に回転される。このとき、さらに、翼２０の翼膜２１０のもつ柔軟性によって、翼膜２１０が変形する。
このように、ロータ１に当たる風の速度が増して、周速比が増大すると、翼２０の全長にわたって、ねじれ角θが減少する方向に、翼２０が回転および変形する。これにより、翼２０が、ロータ１の回転中心軸線Ｏに垂直な仮想平面Ｐ（図６）、すなわち、ロータ１の回転面に、より沿うようになるので、翼２０が受ける流体抵抗を低減できる。
一方、ロータ１に当たる風の速度が低下し、周速比が低下すると、翼２０に当たる風の作用が弱まるのに応じて、連結部材４０が、付勢部材３０の復元力（付勢力）によって、翼軸線ＢＡの周りで、付勢部材３０の第２端部３２が第１端部３１から離れる方向に、回転される。これ連動して、連結部材４０と固定された翼２０の翼根２１のねじれ角θが、増大するとともに、翼２０の残りの部分もそれに追従するように、ねじれ角θが増大する方向に回転される。このとき、さらに、翼２０の翼膜２１０のもつ柔軟性によって、翼膜２１０が変形する。
そして、風が止むと、再びもとの状態（図５及び図６に実線で示す状態）に戻り、ねじれ角θが所定の初期値に戻る。
ロータ１が静止しているとき、翼２０の翼根２１のねじれ角θは、所定の初期値をとる。ねじれ角θの初期値は、例えば、付勢部材３０の構成や、付勢部材３０の第１端部３１及び第２端部３２を収容するハブ１０及び連結部材４０側の溝１１、４１の構成などが予め調整されることによって、所定の値に設定されている。また、図６の例においては、ロータ１が静止しているとき、翼２０は、ロータ１の各半径位置において、前縁２３が後縁２４よりもロータ１の正面側（図６の左側）に位置している。そして、翼２０の正圧面が、ロータ１の正面側を向いている。また、ロータ１が静止しているとき、付勢部材３０の第２端部３２が、翼軸線ＢＡよりもロータ１の正面側に位置し、付勢部材３０の第１端部３１が、翼軸線ＢＡよりもロータ１の背面側に位置している。
風がロータ１の正面側から吹くと、ロータ１は、ロータ１の回転中心軸線Ｏの周りで所定の回転方向ＲＤに回転されるとともに、図５及び図６に破線で示すように、翼２０に当たる風の作用によって、連結部材４０が、付勢部材３０の付勢力に対抗しながら、翼軸線ＢＡの周りで、付勢部材３０の第２端部３２が第１端部３１に近づく方向に、回転される。これに連動して、連結部材４０と固定された翼２０の翼根２１のねじれ角θが、減少するとともに、翼２０の残りの部分もそれに追従するように、ねじれ角θが減少する方向に回転される。このとき、さらに、翼２０の翼膜２１０のもつ柔軟性によって、翼膜２１０が変形する。
このように、ロータ１に当たる風の速度が増して、周速比が増大すると、翼２０の全長にわたって、ねじれ角θが減少する方向に、翼２０が回転および変形する。これにより、翼２０が、ロータ１の回転中心軸線Ｏに垂直な仮想平面Ｐ（図６）、すなわち、ロータ１の回転面に、より沿うようになるので、翼２０が受ける流体抵抗を低減できる。
一方、ロータ１に当たる風の速度が低下し、周速比が低下すると、翼２０に当たる風の作用が弱まるのに応じて、連結部材４０が、付勢部材３０の復元力（付勢力）によって、翼軸線ＢＡの周りで、付勢部材３０の第２端部３２が第１端部３１から離れる方向に、回転される。これ連動して、連結部材４０と固定された翼２０の翼根２１のねじれ角θが、増大するとともに、翼２０の残りの部分もそれに追従するように、ねじれ角θが増大する方向に回転される。このとき、さらに、翼２０の翼膜２１０のもつ柔軟性によって、翼膜２１０が変形する。
そして、風が止むと、再びもとの状態（図５及び図６に実線で示す状態）に戻り、ねじれ角θが所定の初期値に戻る。
【0025】
なお、「周速比λ」は、風速に対する翼端速度（翼の翼端の回転方向の速度）の比である。風速をＵ（ｍ／ｓ）、ロータの回転速度をω（ｒａｄ／ｓ）、ロータの半径をＲ（ｍ）とすると、周速比λは、つぎの式（２）で表すことができる。
【数2】
【0026】
つぎに、本実施形態のロータ１の作用効果を説明する。
一般的に、周速比に依って、良好な効率を得るのに最適な翼のねじれ角分布（以下、単に「ねじれ角」ともいう。）が異なる。より具体的に、周速比が低いときは、翼のねじれ角が大きいほうが、高い効率が得られる。一方、周速比が高いときは、翼のねじれ角が小さいほうが、流体抵抗を効果的に抑制でき、高い効率が得られる。したがって、仮にロータ１の翼２０が回転や変形ができないように構成されている場合、良好な効率が得られる周速比の範囲が狭くなる。
一方、本実施形態のロータ１は、周速比に応じて、ロータ１に当たる風のみに応じて、受動的に、翼２０のねじれ角（ねじれ角分布）を良好に変化させることができる。より具体的に、ロータ１は、周速比が高くなるのに応じて、翼２０の全長にわたって、翼２０のねじれ角θが減少し、一方、周速比が低くなるのに応じて、翼２０の全長にわたって、翼２０のねじれ角θが増大するように、構成されている。したがって、周速比が低いときも高いときも、高い効率を得ることができ、ひいては、広い周速比範囲において、安定して良好な効率を得ることが可能となる。このことは、ロータ１が、例えば、流体の速度や向きが絶えず大きく変動するような場所に設置されることの多い、小型の水平軸型の風力発電機などの風水力機械に用いられる場合、安定的に良好な効率を得ることができるので、特に好適である。
そして、本実施形態のロータ１は、翼２０のねじれ角の変化が、受動的に生じるように構成されているので、例えば特許文献１のように翼のねじれ角を電気的に制御する技術を用いる場合に比べ、構造の簡単化、低コスト化が可能となる。このことは、ロータ１が、例えば小型の水平軸型の風力発電機などの風水力機械に用いられる場合、低コストが求められるので、特に有利である。
また、本実施形態のロータ１は、翼２０が、柔軟性を有する翼膜２１０と、翼膜２１０よりも高い剛性を有するとともに、翼２０の前縁２３を構成する、高剛性前縁部２２０と、を有している。これにより、仮に翼２０の全体が剛体からなる場合に比べて、より良好に、翼２０のねじれ角分布を周速比に応じて変化させることができ、ひいては、効率を向上できる。仮に、特許文献１のように翼２０の全体が剛体からなる場合、翼の回転に伴い、翼の全長にわたって、ねじれ角が一様に変化してしまう。しかし、周速比に応じて良好な効率を得るのに最適なねじれ角分布は異なるものである。本実施形態では、柔軟性を有する翼膜２１０が、高剛性前縁部２２０よりも後縁側に位置し、そこで変形可能にされているので、周速比に応じて翼の全長にわたってねじれ角が一様に変化するのを抑制でき、より良好に、翼２０のねじれ角分布を周速比に応じて変化させることが可能になるのである。
また、本実施形態のロータ１は、付勢部材３０によって翼２０をハブ１０に対して回転付勢しており、付勢部材３０の付勢力と翼２０に当たる風の作用とのバランスによって、周速比に応じて翼根２１が翼軸線ＢＡの周りで回転し、翼根２１のねじれ角θが変化するようにされている。これにより、周速比に応じて、より良好に、翼根２１のねじれ角θを変化させることが可能になる。仮に、付勢部材３０によって翼２０がハブ１０に対して回転付勢されておらず、翼２０の翼根２１がハブ１０に対して固定されている場合、翼２０が柔軟な翼膜２１０を有するとはいえ、翼根２１のねじれ角θを良好に変化させることは出来ないため、ねじれ角分布を十分良好に変化させることができない。すなわち、付勢部材３０は、翼２０の翼根２１側で比較的大きな回転に主に寄与するものであり、柔軟性を有する翼膜２１０は、翼端２２側での比較的な小さなねじれ変形に主に寄与するものである。
一般的に、周速比に依って、良好な効率を得るのに最適な翼のねじれ角分布（以下、単に「ねじれ角」ともいう。）が異なる。より具体的に、周速比が低いときは、翼のねじれ角が大きいほうが、高い効率が得られる。一方、周速比が高いときは、翼のねじれ角が小さいほうが、流体抵抗を効果的に抑制でき、高い効率が得られる。したがって、仮にロータ１の翼２０が回転や変形ができないように構成されている場合、良好な効率が得られる周速比の範囲が狭くなる。
一方、本実施形態のロータ１は、周速比に応じて、ロータ１に当たる風のみに応じて、受動的に、翼２０のねじれ角（ねじれ角分布）を良好に変化させることができる。より具体的に、ロータ１は、周速比が高くなるのに応じて、翼２０の全長にわたって、翼２０のねじれ角θが減少し、一方、周速比が低くなるのに応じて、翼２０の全長にわたって、翼２０のねじれ角θが増大するように、構成されている。したがって、周速比が低いときも高いときも、高い効率を得ることができ、ひいては、広い周速比範囲において、安定して良好な効率を得ることが可能となる。このことは、ロータ１が、例えば、流体の速度や向きが絶えず大きく変動するような場所に設置されることの多い、小型の水平軸型の風力発電機などの風水力機械に用いられる場合、安定的に良好な効率を得ることができるので、特に好適である。
そして、本実施形態のロータ１は、翼２０のねじれ角の変化が、受動的に生じるように構成されているので、例えば特許文献１のように翼のねじれ角を電気的に制御する技術を用いる場合に比べ、構造の簡単化、低コスト化が可能となる。このことは、ロータ１が、例えば小型の水平軸型の風力発電機などの風水力機械に用いられる場合、低コストが求められるので、特に有利である。
また、本実施形態のロータ１は、翼２０が、柔軟性を有する翼膜２１０と、翼膜２１０よりも高い剛性を有するとともに、翼２０の前縁２３を構成する、高剛性前縁部２２０と、を有している。これにより、仮に翼２０の全体が剛体からなる場合に比べて、より良好に、翼２０のねじれ角分布を周速比に応じて変化させることができ、ひいては、効率を向上できる。仮に、特許文献１のように翼２０の全体が剛体からなる場合、翼の回転に伴い、翼の全長にわたって、ねじれ角が一様に変化してしまう。しかし、周速比に応じて良好な効率を得るのに最適なねじれ角分布は異なるものである。本実施形態では、柔軟性を有する翼膜２１０が、高剛性前縁部２２０よりも後縁側に位置し、そこで変形可能にされているので、周速比に応じて翼の全長にわたってねじれ角が一様に変化するのを抑制でき、より良好に、翼２０のねじれ角分布を周速比に応じて変化させることが可能になるのである。
また、本実施形態のロータ１は、付勢部材３０によって翼２０をハブ１０に対して回転付勢しており、付勢部材３０の付勢力と翼２０に当たる風の作用とのバランスによって、周速比に応じて翼根２１が翼軸線ＢＡの周りで回転し、翼根２１のねじれ角θが変化するようにされている。これにより、周速比に応じて、より良好に、翼根２１のねじれ角θを変化させることが可能になる。仮に、付勢部材３０によって翼２０がハブ１０に対して回転付勢されておらず、翼２０の翼根２１がハブ１０に対して固定されている場合、翼２０が柔軟な翼膜２１０を有するとはいえ、翼根２１のねじれ角θを良好に変化させることは出来ないため、ねじれ角分布を十分良好に変化させることができない。すなわち、付勢部材３０は、翼２０の翼根２１側で比較的大きな回転に主に寄与するものであり、柔軟性を有する翼膜２１０は、翼端２２側での比較的な小さなねじれ変形に主に寄与するものである。
【0027】
図４に戻り、翼２０の好ましい構成について、さらに詳しく説明する。
翼２０の高剛性前縁部２２０は、図４の例のように、翼２０の全体の中で、最も剛性が高いことが好ましい。また、高剛性前縁部２２０は、高剛性前縁部２２０上の各点において、翼長方向の曲げ剛性が翼弦方向の曲げ剛性よりも高いと、好適である。また、高剛性前縁部２２０は、翼長方向の曲げ剛性が、翼根２１側の端部で最も高いと、好適であり、特には、翼根２１側から翼端２２側に向かって徐々に減少すると、より好適である。
効率向上の観点からは、高剛性前縁部２２０は、翼長方向の曲げ剛性が、高いほど好適であり、例えば、１．０×１０３ｍＮｍ以上、１．０×１０４ｍＮｍ以上、５．０×１０４ｍＮｍ以上、１．０×１０５ｍＮｍ以上、５．０×１０５ｍＮｍ以上、１．０×１０６ｍＮｍ以上、５．０×１０６ｍＮｍ以上、１．０×１０７ｍＮｍ以上、５．０×１０７ｍＮｍ以上、１．０×１０８ｍＮｍ以上、５．０×１０８ｍＮｍ以上であると、好適である。一方、製造しやすさの観点からは、高剛性前縁部２２０は、翼長方向の曲げ剛性が、１．０×１０１１ｍＮｍ以下、特には８．０×１０１０ｍＮｍ以下、さらに特には６．０×１０１０ｍＮｍ以下が、好適である。
効率向上の観点からは、高剛性前縁部２２０は、翼弦方向の曲げ剛性が、高いほど好適であり、例えば、１．０×１０３ｍＮｍ以上、１．０×１０４ｍＮｍ以上、３．０×１０４ｍＮｍ以上であると、好適である。一方、製造しやすさの観点からは、高剛性前縁部２２０は、翼弦方向の曲げ剛性が、１．０×１０７ｍＮｍ以下、特には５．０×１０６ｍＮｍ以下、さらに特には３．０×１０６ｍＮｍ以下が、好適である。
高剛性前縁部２２０は、例えば、カーボンロッド、バネ剛棒、合成樹脂、軽金属、複合材、木材等から構成されると好適である。
翼２０の高剛性前縁部２２０は、図４の例のように、翼２０の全体の中で、最も剛性が高いことが好ましい。また、高剛性前縁部２２０は、高剛性前縁部２２０上の各点において、翼長方向の曲げ剛性が翼弦方向の曲げ剛性よりも高いと、好適である。また、高剛性前縁部２２０は、翼長方向の曲げ剛性が、翼根２１側の端部で最も高いと、好適であり、特には、翼根２１側から翼端２２側に向かって徐々に減少すると、より好適である。
効率向上の観点からは、高剛性前縁部２２０は、翼長方向の曲げ剛性が、高いほど好適であり、例えば、１．０×１０３ｍＮｍ以上、１．０×１０４ｍＮｍ以上、５．０×１０４ｍＮｍ以上、１．０×１０５ｍＮｍ以上、５．０×１０５ｍＮｍ以上、１．０×１０６ｍＮｍ以上、５．０×１０６ｍＮｍ以上、１．０×１０７ｍＮｍ以上、５．０×１０７ｍＮｍ以上、１．０×１０８ｍＮｍ以上、５．０×１０８ｍＮｍ以上であると、好適である。一方、製造しやすさの観点からは、高剛性前縁部２２０は、翼長方向の曲げ剛性が、１．０×１０１１ｍＮｍ以下、特には８．０×１０１０ｍＮｍ以下、さらに特には６．０×１０１０ｍＮｍ以下が、好適である。
効率向上の観点からは、高剛性前縁部２２０は、翼弦方向の曲げ剛性が、高いほど好適であり、例えば、１．０×１０３ｍＮｍ以上、１．０×１０４ｍＮｍ以上、３．０×１０４ｍＮｍ以上であると、好適である。一方、製造しやすさの観点からは、高剛性前縁部２２０は、翼弦方向の曲げ剛性が、１．０×１０７ｍＮｍ以下、特には５．０×１０６ｍＮｍ以下、さらに特には３．０×１０６ｍＮｍ以下が、好適である。
高剛性前縁部２２０は、例えば、カーボンロッド、バネ剛棒、合成樹脂、軽金属、複合材、木材等から構成されると好適である。
【0028】
翼２０の翼膜２１０は、図４の例のように、翼２０の全体の中で、最も剛性が低いことが好ましい。また、翼膜２１０のうち、最も後縁２４側かつ翼端２２側の部分は、翼膜２１０の全体の中で最も剛性が低いことが好ましい。図４の例では、翼２０の最も後縁２４側かつ翼端２２側の部分が、翼２０の全体の中で最も剛性が低い第１翼膜部２１０ａによって構成されている。第１翼膜部２１０ａは、翼２０の後縁２４の一部及び翼端２２の一部を構成している。また、翼膜２１０は、翼膜２１０上の各点において、翼弦方向の曲げ剛性が翼長方向の曲げ剛性よりも高いと、好適である。
また、図４の例では、翼膜２１０は、第１翼膜部２１０ａに対して翼根２１側及び前縁２３側に位置する部分が、第１翼膜部２１０ａよりも剛性が高い。具体的に、翼膜２１０は、第１翼膜部２１０ａに加えて、第１翼膜部２１０ａに対して翼根２１側および前縁２３側に隣接するとともに、第１翼膜部２１０ａよりも高い剛性を有する、第２翼膜部２１０ｂと、第２翼膜部２１０ｂに対して翼根２１側に隣接するとともに、第２翼膜部２１０ｂよりも高い剛性を有する、第３翼膜部２１０ｃと、をさらに有している。
ただし、翼膜２１０の剛性分布は、図４の例とは異なるものでもよい。例えば、翼膜２１０の全体にわたって剛性が均一でもよい。
効率向上の観点からは、翼膜２１０は、翼長方向の曲げ剛性が、低いほど好適であり、例えば、１．０×１０５ｍＮｍ以下、５．０×１０４ｍＮｍ以下、１．０×１０４ｍＮｍ以下、５．０×１０３ｍＮｍ以下、１．０×１０３ｍＮｍ以下、５．０×１０２ｍＮｍ以下、１．０×１０２ｍＮｍ以下、５．０×１０１ｍＮｍ以下、１．０×１０１ｍＮｍ以下、５．０ｍＮｍ以下、１．０ｍＮｍ以下、５．０×１０－１ｍＮｍ以下、１．０×１０－１ｍＮｍ以下、５．０×１０－２ｍＮｍ以下であると、好適である。一方、製造しやすさの観点からは、翼膜２１０は、翼長方向の曲げ剛性が、１．０×１０－３ｍＮｍ以上、特には５．０×１０－３ｍＮｍ以上、さらに特には１．０×１０－２ｍＮｍ以上が、好適である。
効率向上の観点からは、翼膜２１０は、翼弦方向の曲げ剛性が、低いほど好適であり、例えば、１．０×１０５ｍＮｍ以下、５．０×１０４ｍＮｍ以下、１．０×１０４ｍＮｍ以下、５．０×１０３ｍＮｍ以下、１．０×１０３ｍＮｍ以下、５．０×１０２ｍＮｍ以下、１．０×１０２ｍＮｍ以下、５．０×１０１ｍＮｍ以下、１．０×１０１ｍＮｍ以下、５．０ｍＮｍ以下、１．０ｍＮｍ以下、５．０×１０－１ｍＮｍ以下、１．０×１０－１ｍＮｍ以下であると、好適である。一方、製造しやすさの観点からは、翼膜２１０は、翼弦方向の曲げ剛性が、１．０×１０－３ｍＮｍ以上、特には５．０×１０－３ｍＮｍ以上、さらに特には１．０×１０－２ｍＮｍ以上、またさらに特には５．０×１０－２ｍＮｍ以上が、好適である。
翼膜２１０は、図４に示す例のように、翼２０の後縁２４の一部分を構成していることが好ましく、例えば、後縁２４のうち、後縁２４の翼長方向の全長の６０％以上、特には８０％以上、さらに特には９０％の長さを有する、翼端２２側の部分を、構成していると、好ましい。
また、翼膜２１０は、図４に示す例のように、翼２０の翼端２２の一部分を構成していることが好ましく、例えば、翼端２２のうち、翼端２２の翼弦方向の全長の６０％以上、特には８０％以上、さらに特には９０％の長さを有する、後縁２４側の部分を、構成していると、好ましい。
翼膜２１０は、例えば、布、紙、ゴム、複合材、合成樹脂、軽金属等から構成されると好適である。翼膜２１０が布又は紙から構成される場合、翼膜２１０が自由に変形できるようになるので、良好にねじれ角を変化させることが可能になる。また、効率および耐久性の観点から、翼膜２１０は、紙よりも布から構成されると、好適である。布の材料としては、例えば、ポリエステル、ナイロン等が挙げられる。紙としては、例えば、カードボード紙等が挙げられる。
また、図４の例では、翼膜２１０は、第１翼膜部２１０ａに対して翼根２１側及び前縁２３側に位置する部分が、第１翼膜部２１０ａよりも剛性が高い。具体的に、翼膜２１０は、第１翼膜部２１０ａに加えて、第１翼膜部２１０ａに対して翼根２１側および前縁２３側に隣接するとともに、第１翼膜部２１０ａよりも高い剛性を有する、第２翼膜部２１０ｂと、第２翼膜部２１０ｂに対して翼根２１側に隣接するとともに、第２翼膜部２１０ｂよりも高い剛性を有する、第３翼膜部２１０ｃと、をさらに有している。
ただし、翼膜２１０の剛性分布は、図４の例とは異なるものでもよい。例えば、翼膜２１０の全体にわたって剛性が均一でもよい。
効率向上の観点からは、翼膜２１０は、翼長方向の曲げ剛性が、低いほど好適であり、例えば、１．０×１０５ｍＮｍ以下、５．０×１０４ｍＮｍ以下、１．０×１０４ｍＮｍ以下、５．０×１０３ｍＮｍ以下、１．０×１０３ｍＮｍ以下、５．０×１０２ｍＮｍ以下、１．０×１０２ｍＮｍ以下、５．０×１０１ｍＮｍ以下、１．０×１０１ｍＮｍ以下、５．０ｍＮｍ以下、１．０ｍＮｍ以下、５．０×１０－１ｍＮｍ以下、１．０×１０－１ｍＮｍ以下、５．０×１０－２ｍＮｍ以下であると、好適である。一方、製造しやすさの観点からは、翼膜２１０は、翼長方向の曲げ剛性が、１．０×１０－３ｍＮｍ以上、特には５．０×１０－３ｍＮｍ以上、さらに特には１．０×１０－２ｍＮｍ以上が、好適である。
効率向上の観点からは、翼膜２１０は、翼弦方向の曲げ剛性が、低いほど好適であり、例えば、１．０×１０５ｍＮｍ以下、５．０×１０４ｍＮｍ以下、１．０×１０４ｍＮｍ以下、５．０×１０３ｍＮｍ以下、１．０×１０３ｍＮｍ以下、５．０×１０２ｍＮｍ以下、１．０×１０２ｍＮｍ以下、５．０×１０１ｍＮｍ以下、１．０×１０１ｍＮｍ以下、５．０ｍＮｍ以下、１．０ｍＮｍ以下、５．０×１０－１ｍＮｍ以下、１．０×１０－１ｍＮｍ以下であると、好適である。一方、製造しやすさの観点からは、翼膜２１０は、翼弦方向の曲げ剛性が、１．０×１０－３ｍＮｍ以上、特には５．０×１０－３ｍＮｍ以上、さらに特には１．０×１０－２ｍＮｍ以上、またさらに特には５．０×１０－２ｍＮｍ以上が、好適である。
翼膜２１０は、図４に示す例のように、翼２０の後縁２４の一部分を構成していることが好ましく、例えば、後縁２４のうち、後縁２４の翼長方向の全長の６０％以上、特には８０％以上、さらに特には９０％の長さを有する、翼端２２側の部分を、構成していると、好ましい。
また、翼膜２１０は、図４に示す例のように、翼２０の翼端２２の一部分を構成していることが好ましく、例えば、翼端２２のうち、翼端２２の翼弦方向の全長の６０％以上、特には８０％以上、さらに特には９０％の長さを有する、後縁２４側の部分を、構成していると、好ましい。
翼膜２１０は、例えば、布、紙、ゴム、複合材、合成樹脂、軽金属等から構成されると好適である。翼膜２１０が布又は紙から構成される場合、翼膜２１０が自由に変形できるようになるので、良好にねじれ角を変化させることが可能になる。また、効率および耐久性の観点から、翼膜２１０は、紙よりも布から構成されると、好適である。布の材料としては、例えば、ポリエステル、ナイロン等が挙げられる。紙としては、例えば、カードボード紙等が挙げられる。
【0029】
翼２０の高剛性翼根部２３０は、図４の例のように、翼２０の高剛性前縁部２２０と翼膜２１０との間の剛性を有することが好ましい。高剛性翼根部２３０は、翼膜２１０よりも高い剛性を有するのが好ましいものの、柔軟性を有していることが好ましい。
また、高剛性翼根部２３０は、高剛性翼根部２３０上の各点において、翼弦方向の曲げ剛性が翼長方向の曲げ剛性よりも高いと、好適である。また、高剛性翼根部２３０は、曲げ剛性が、後縁２４側の端部で最も低いと、好適であり、特には、前縁２３側から後縁２４側に向かって徐々に減少すると、より好適である。
過度の変形を抑える観点からは、高剛性翼根部２３０は、翼長方向の曲げ剛性が、高いほうがよく、例えば、１．０×１０－２ｍＮｍ以上、５．０×１０－２ｍＮｍ以上、１．０×１０－１ｍＮｍ以上、５．０×１０－１ｍＮｍ以上が、好適である。一方、十分な変形し易さの確保の観点からは、高剛性翼根部２３０は、翼長方向の曲げ剛性が、低いほうがよく、例えば、１．０×１０５ｍＮｍ以下、５．０×１０４ｍＮｍ以下、１×１０４ｍＮｍ以下、５．０×１０３ｍＮｍ以下、１．０×１０３ｍＮｍ以下、５．０×１０２ｍＮｍ以下、１．０×１０２ｍＮｍ以下、５．０×１０ｍＮｍ以下、１．０×１０ｍＮｍ以下、５．０ｍＮｍ以下であると、好適である。
過度の変形を抑える観点からは、高剛性翼根部２３０は、翼弦方向の曲げ剛性が、高いほうがよく、例えば、１．０×１０－２ｍＮｍ以上、５．０×１０－２ｍＮｍ以上、１．０×１０－１ｍＮｍ以上、５．０×１０－１ｍＮｍ以上、１．０ｍＮｍ以上が、好適である。一方、十分な変形し易さの確保の観点からは、高剛性翼根部２３０は、翼弦方向の曲げ剛性が、低いほうがよく、例えば、１．０×１０５ｍＮｍ以下、５．０×１０４ｍＮｍ以下、１×１０４ｍＮｍ以下、５．０×１０３ｍＮｍ以下、１．０×１０３ｍＮｍ以下、５．０×１０２ｍＮｍ以下、１．０×１０２ｍＮｍ以下、５．０×１０ｍＮｍ以下、１．０×１０ｍＮｍ以下であると、好適である。
高剛性翼根部２３０は、例えば、カーボンロッド、バネ剛棒、合成樹脂、軽金属、複合材、木材等から構成されると好適である。
また、高剛性翼根部２３０は、高剛性翼根部２３０上の各点において、翼弦方向の曲げ剛性が翼長方向の曲げ剛性よりも高いと、好適である。また、高剛性翼根部２３０は、曲げ剛性が、後縁２４側の端部で最も低いと、好適であり、特には、前縁２３側から後縁２４側に向かって徐々に減少すると、より好適である。
過度の変形を抑える観点からは、高剛性翼根部２３０は、翼長方向の曲げ剛性が、高いほうがよく、例えば、１．０×１０－２ｍＮｍ以上、５．０×１０－２ｍＮｍ以上、１．０×１０－１ｍＮｍ以上、５．０×１０－１ｍＮｍ以上が、好適である。一方、十分な変形し易さの確保の観点からは、高剛性翼根部２３０は、翼長方向の曲げ剛性が、低いほうがよく、例えば、１．０×１０５ｍＮｍ以下、５．０×１０４ｍＮｍ以下、１×１０４ｍＮｍ以下、５．０×１０３ｍＮｍ以下、１．０×１０３ｍＮｍ以下、５．０×１０２ｍＮｍ以下、１．０×１０２ｍＮｍ以下、５．０×１０ｍＮｍ以下、１．０×１０ｍＮｍ以下、５．０ｍＮｍ以下であると、好適である。
過度の変形を抑える観点からは、高剛性翼根部２３０は、翼弦方向の曲げ剛性が、高いほうがよく、例えば、１．０×１０－２ｍＮｍ以上、５．０×１０－２ｍＮｍ以上、１．０×１０－１ｍＮｍ以上、５．０×１０－１ｍＮｍ以上、１．０ｍＮｍ以上が、好適である。一方、十分な変形し易さの確保の観点からは、高剛性翼根部２３０は、翼弦方向の曲げ剛性が、低いほうがよく、例えば、１．０×１０５ｍＮｍ以下、５．０×１０４ｍＮｍ以下、１×１０４ｍＮｍ以下、５．０×１０３ｍＮｍ以下、１．０×１０３ｍＮｍ以下、５．０×１０２ｍＮｍ以下、１．０×１０２ｍＮｍ以下、５．０×１０ｍＮｍ以下、１．０×１０ｍＮｍ以下であると、好適である。
高剛性翼根部２３０は、例えば、カーボンロッド、バネ剛棒、合成樹脂、軽金属、複合材、木材等から構成されると好適である。
【0030】
図４及び図６に示すように、翼２０の前縁２３は、翼軸線ＢＡから、翼軸線ＢＡに垂直な方向に離間されていると、好適である。これにより、例えば前縁２３が翼軸線ＢＡ（の延長線）上に位置している場合に比べて、同じ風の作用によって、翼２０が翼軸線ＢＡの周りでより大きく回転でき、ひいては、ねじれ角θをより大きく変化させることができる。
より具体的に、翼２０の平面展開視（図４）において、翼軸線ＢＡに垂直な方向に沿って測ったときの翼２０の翼根２１の長さＢＲＬに対する、翼軸線ＢＡに垂直な方向に沿って測ったときの翼根２１における前縁２３側の端部から翼軸線ＢＡまでの距離Ｄ１の割合（すなわち、（Ｄ１×１００／ＢＲＬ）（％））は、４５～１００％が好適であり、５５～９５％がより好適であり、６５～８５％がさらに好適であり、７０～８０％がよりさらに好適である。図４の例では、当該割合（Ｄ１×１００／ＢＲＬ）（％）が、７５％である。
また、同様の観点から、翼２０の高剛性翼根部２３０は、翼軸線ＢＡから、翼軸線に垂直な方向に離間されていると、好適である。
より具体的に、翼２０の平面展開視（図４）において、翼軸線ＢＡに垂直な方向に沿って測ったときの翼２０の翼根２１の長さＢＲＬに対する、翼軸線ＢＡに垂直な方向に沿って測ったときの翼根２１における前縁２３側の端部から翼軸線ＢＡまでの距離Ｄ１の割合（すなわち、（Ｄ１×１００／ＢＲＬ）（％））は、４５～１００％が好適であり、５５～９５％がより好適であり、６５～８５％がさらに好適であり、７０～８０％がよりさらに好適である。図４の例では、当該割合（Ｄ１×１００／ＢＲＬ）（％）が、７５％である。
また、同様の観点から、翼２０の高剛性翼根部２３０は、翼軸線ＢＡから、翼軸線に垂直な方向に離間されていると、好適である。
【0031】
以下、図７～図１０を参照しながら、本発明のロータ１の翼２０の変形例を説明する。なお、図７～図１０の各例においても、図４を参照して上述したような剛性分布や上記割合（Ｄ１×１００／ＢＲＬ）（％）を満たすと、好適である。また、図７～図１０の各例において、翼２０以外の部分のロータ１の構成は、図１～図６の例について上述したものと同様でよい。
【0032】
図７は、ロータ１の第１変形例における翼２０を平面展開視により示す図である。
図７の例では、翼膜２１０の剛性が、翼膜２１０の全体にわたってほぼ均一である。翼膜２１０は、柔軟性のある材料から構成されている。より具体的に、図７の例では、翼膜２１０は、紙から構成されている。ただし、翼膜２１０は、例えば、図４の例において述べた翼膜２１０の好適な材料のうち任意のものから構成されてもよい。
また、図７の例では、高剛性前縁部２２０と高剛性翼根部２３０とが、それぞれ、翼膜２１０よりも剛性の高い、棒状体により構成されている。より具体的に、図７の例では、高剛性前縁部２２０と高剛性翼根部２３０とが、いずれもカーボンロッドから構成されている。ただし、高剛性前縁部２２０と高剛性翼根部２３０とは、例えば、図４の例において述べた高剛性前縁部２２０および高剛性翼根部２３０のそれぞれの好適な材料のうち任意のものから構成されてもよい。
図７の例では、高剛性前縁部２２０は、高剛性翼根部２３０よりも、径（ひいては厚み）が大きい。これにより、高剛性前縁部２２０の剛性が、高剛性翼根部２３０の剛性よりも高くされている。ただし、高剛性前縁部２２０と高剛性翼根部２３０とをそれぞれ同径にしつつ、高剛性前縁部２２０を構成する材料のヤング率を、高剛性翼根部２３０を構成する材料のヤング率よりも高くすることにより、高剛性前縁部２２０の剛性を、高剛性翼根部２３０の剛性よりも高くしてもよい。
図７の例において、高剛性前縁部２２０と高剛性翼根部２３０とは、それぞれ、翼膜２１０の正圧面側に、接着等により固定されている。ただし、高剛性前縁部２２０と高剛性翼根部２３０とは、翼膜２１０の負圧面側に固定されてもよい。これらを翼膜２１０の負圧面側に配置する場合、翼２０の正圧面形状を滑らかにできるので、ロータ１の回転時における流体抵抗を低減でき、ひいては、効率を向上できる。
図７に示す例では、翼２０の平面展開視において、翼２０の前縁２３が非直線状である。ただし、翼２０の平面展開視において、例えば後述の図８の例のように、前縁２３を、直線状にしてもよい。その場合、翼２０の製造時において、高剛性前縁部２２０を、翼膜２１０の前縁２３側の端部に沿って固定しやすくなる。
このような構成によっても、図４の例と同様に、周速比に応じて、ロータ１に当たる風のみに応じて、受動的に、翼２０のねじれ角（ねじれ角分布）を良好に変化させることができる。ひいては、広い周速比範囲において、安定して良好な効率を得ることが可能となる。
図７の例では、翼膜２１０の剛性が、翼膜２１０の全体にわたってほぼ均一である。翼膜２１０は、柔軟性のある材料から構成されている。より具体的に、図７の例では、翼膜２１０は、紙から構成されている。ただし、翼膜２１０は、例えば、図４の例において述べた翼膜２１０の好適な材料のうち任意のものから構成されてもよい。
また、図７の例では、高剛性前縁部２２０と高剛性翼根部２３０とが、それぞれ、翼膜２１０よりも剛性の高い、棒状体により構成されている。より具体的に、図７の例では、高剛性前縁部２２０と高剛性翼根部２３０とが、いずれもカーボンロッドから構成されている。ただし、高剛性前縁部２２０と高剛性翼根部２３０とは、例えば、図４の例において述べた高剛性前縁部２２０および高剛性翼根部２３０のそれぞれの好適な材料のうち任意のものから構成されてもよい。
図７の例では、高剛性前縁部２２０は、高剛性翼根部２３０よりも、径（ひいては厚み）が大きい。これにより、高剛性前縁部２２０の剛性が、高剛性翼根部２３０の剛性よりも高くされている。ただし、高剛性前縁部２２０と高剛性翼根部２３０とをそれぞれ同径にしつつ、高剛性前縁部２２０を構成する材料のヤング率を、高剛性翼根部２３０を構成する材料のヤング率よりも高くすることにより、高剛性前縁部２２０の剛性を、高剛性翼根部２３０の剛性よりも高くしてもよい。
図７の例において、高剛性前縁部２２０と高剛性翼根部２３０とは、それぞれ、翼膜２１０の正圧面側に、接着等により固定されている。ただし、高剛性前縁部２２０と高剛性翼根部２３０とは、翼膜２１０の負圧面側に固定されてもよい。これらを翼膜２１０の負圧面側に配置する場合、翼２０の正圧面形状を滑らかにできるので、ロータ１の回転時における流体抵抗を低減でき、ひいては、効率を向上できる。
図７に示す例では、翼２０の平面展開視において、翼２０の前縁２３が非直線状である。ただし、翼２０の平面展開視において、例えば後述の図８の例のように、前縁２３を、直線状にしてもよい。その場合、翼２０の製造時において、高剛性前縁部２２０を、翼膜２１０の前縁２３側の端部に沿って固定しやすくなる。
このような構成によっても、図４の例と同様に、周速比に応じて、ロータ１に当たる風のみに応じて、受動的に、翼２０のねじれ角（ねじれ角分布）を良好に変化させることができる。ひいては、広い周速比範囲において、安定して良好な効率を得ることが可能となる。
【0033】
図８は、ロータ１の第２変形例における翼２０を示しており、図８（ａ）は翼２０の正圧面側を平面に展開したときの状態で示す図であり、図８（ｂ）は翼２０の負圧面側を平面に展開したときの状態で示す図であり、図８（ｃ）は翼２０の図８（ｂ）のＡ－Ａ線に沿う断面図である。図８（ｂ）のＡ－Ａ線は、翼２０の翼弦方向に沿っている。
図８の例は、翼膜２１０の正圧面側ではなく負圧面側に、高剛性前縁部２２０および高剛性翼根部２３０が、接着等により固定されているとともに、さらに、負圧面側に、複数の骨部２４０も、接着等により固定されている点で、図７の例とは主に異なる。図７と同様の構成については、説明を省略する。
骨部２４０は、翼膜２１０よりも高く高剛性前縁部２２０よりも低い剛性を有するとともに、翼２０の平面展開視において翼軸線ＢＡに交差する方向に延在している。各骨部２４０は、それぞれ、ロータ１の径方向において互いに異なる位置に配置されているとともに、骨部２４０は、翼２０の平面展開視において翼軸線ＢＡに垂直な方向、また、翼２０の翼弦方向に平行な方向に、延在している。また、骨部２４０は、それぞれ、高剛性前縁部２２０の後縁２４側の端部から、後縁２４まで、延在している。
骨部２４０は、柔軟性を有することが好ましく、特には、高剛性翼根部２３０と等しい又はそれよりも低い剛性を有することが好ましく、より特には、高剛性翼根部２３０よりも低い剛性を有することが好ましい。図８の例において、骨部２４０は、カーボンロッドから構成されている。ただし、骨部２４０は、バネ剛棒、合成樹脂、軽金属、複合材、木材等から構成されてもよい。
また、図８の例において、翼膜２１０は、布から構成されている。ただし、翼膜２１０は、例えば、図４の例において述べた翼膜２１０の好適な材料のうち任意のものから構成されてもよい。
また、図８の例において、高剛性前縁部２２０は、硬質の合成樹脂からなる棒状体から構成されており、高剛性翼根部２３０は、柔軟性のあるカーボンロッドから構成されている。高剛性前縁部２２０の翼厚方向の断面積は、高剛性翼根部２３０の翼厚方向の断面積よりも大きくされている。これにより、高剛性前縁部２２０の剛性が、高剛性翼根部２３０の剛性よりも高くされている。
また、図８の例において、高剛性翼根部２３０の翼厚方向の断面積は、骨部２４０の翼厚方向の断面積よりも大きくされている。これにより、高剛性翼根部２３０の剛性が、骨部２４０の剛性よりも高くされている。
本変形例では、翼膜２１０に、翼膜２１０よりも高い剛性を有する骨部２４０を、翼２０の平面展開視において翼軸線ＢＡに交差する方向に延在させているので、例えば図７の例のように翼膜２１０に骨部２４０が設けられていない場合に比べて、翼根２１が翼軸線ＢＡの周りで回転される際に、翼２０の残りの部分が、それに良好に追従できるようになる。ひいては、効率を向上できる。なお、仮に、骨部２４０が、翼２０の平面展開視において翼軸線ＢＡに平行な方向に延在している場合は、翼根２１が翼軸線ＢＡの周りで回転される際に、翼２０の残りの部分を良好に追従させることができない。
また、本例では、高剛性前縁部２２０、高剛性翼根部２３０、骨部２４０を、翼膜２１０の負圧面側に配置しているので、仮にこれらを翼膜２１０の正圧面側に配置した場合に比べて、翼２０の正圧面形状を滑らかにできるので、ロータ１の回転時における流体抵抗を低減でき、ひいては、効率を向上できる。
図８の例は、翼膜２１０の正圧面側ではなく負圧面側に、高剛性前縁部２２０および高剛性翼根部２３０が、接着等により固定されているとともに、さらに、負圧面側に、複数の骨部２４０も、接着等により固定されている点で、図７の例とは主に異なる。図７と同様の構成については、説明を省略する。
骨部２４０は、翼膜２１０よりも高く高剛性前縁部２２０よりも低い剛性を有するとともに、翼２０の平面展開視において翼軸線ＢＡに交差する方向に延在している。各骨部２４０は、それぞれ、ロータ１の径方向において互いに異なる位置に配置されているとともに、骨部２４０は、翼２０の平面展開視において翼軸線ＢＡに垂直な方向、また、翼２０の翼弦方向に平行な方向に、延在している。また、骨部２４０は、それぞれ、高剛性前縁部２２０の後縁２４側の端部から、後縁２４まで、延在している。
骨部２４０は、柔軟性を有することが好ましく、特には、高剛性翼根部２３０と等しい又はそれよりも低い剛性を有することが好ましく、より特には、高剛性翼根部２３０よりも低い剛性を有することが好ましい。図８の例において、骨部２４０は、カーボンロッドから構成されている。ただし、骨部２４０は、バネ剛棒、合成樹脂、軽金属、複合材、木材等から構成されてもよい。
また、図８の例において、翼膜２１０は、布から構成されている。ただし、翼膜２１０は、例えば、図４の例において述べた翼膜２１０の好適な材料のうち任意のものから構成されてもよい。
また、図８の例において、高剛性前縁部２２０は、硬質の合成樹脂からなる棒状体から構成されており、高剛性翼根部２３０は、柔軟性のあるカーボンロッドから構成されている。高剛性前縁部２２０の翼厚方向の断面積は、高剛性翼根部２３０の翼厚方向の断面積よりも大きくされている。これにより、高剛性前縁部２２０の剛性が、高剛性翼根部２３０の剛性よりも高くされている。
また、図８の例において、高剛性翼根部２３０の翼厚方向の断面積は、骨部２４０の翼厚方向の断面積よりも大きくされている。これにより、高剛性翼根部２３０の剛性が、骨部２４０の剛性よりも高くされている。
本変形例では、翼膜２１０に、翼膜２１０よりも高い剛性を有する骨部２４０を、翼２０の平面展開視において翼軸線ＢＡに交差する方向に延在させているので、例えば図７の例のように翼膜２１０に骨部２４０が設けられていない場合に比べて、翼根２１が翼軸線ＢＡの周りで回転される際に、翼２０の残りの部分が、それに良好に追従できるようになる。ひいては、効率を向上できる。なお、仮に、骨部２４０が、翼２０の平面展開視において翼軸線ＢＡに平行な方向に延在している場合は、翼根２１が翼軸線ＢＡの周りで回転される際に、翼２０の残りの部分を良好に追従させることができない。
また、本例では、高剛性前縁部２２０、高剛性翼根部２３０、骨部２４０を、翼膜２１０の負圧面側に配置しているので、仮にこれらを翼膜２１０の正圧面側に配置した場合に比べて、翼２０の正圧面形状を滑らかにできるので、ロータ１の回転時における流体抵抗を低減でき、ひいては、効率を向上できる。
【0034】
図９は、ロータ１の第３変形例における翼２０を示しており、図９（ａ）は翼２０の正圧面側を平面に展開したときの状態で示す図であり、図９（ｂ）は翼２０の負圧面側を平面に展開したときの状態で示す図であり、図９（ｃ）は図９（ｂ）のＢ－Ｂ線に沿う翼２０の断面図である。図９（ｂ）のＢ－Ｂ線は、翼２０の翼弦方向に沿っている。
図９の例は、高剛性前縁部２２０の形状が流線型をなしている点と、翼２０が翼膜２１０を２つ有している点で、図８の例とは主に異なる。
前述した図８の例では、図８（ｃ）に示すように、高剛性前縁部２２０が、翼厚方向の断面において矩形状に構成されている。一方、図９に示す第３変形例では、高剛性前縁部２２０が、図９（ｃ）に示すように、翼厚方向の断面において、前縁２３に向かうにつれて徐々に翼厚方向の厚みが小さくなるような先細り形状を有するとともに、その前縁２３側の端部において、後縁２４とは反対側に向かって（回転方向ＲＤの前側に向かって）凸に突出した湾曲した形状（例えば、ＮＡＣＡ００１２翼型、楕円の半分に相当する形状、半円形状など）をなしている。これにより高剛性前縁部２２０が、流線型をなすため、図８の例に比べて、ロータ１の回転時の流体抵抗を低減でき、ひいては、効率を向上できる。
また、図９の例では、翼２０が翼膜２１０を２つ有している。具体的に、翼２０は、翼膜２１０として、正圧面を構成する第１翼膜２１１と、負圧面を構成する第２翼膜２１２と、を有している。第１翼膜２１１と第２翼膜２１２とは、翼２０の翼厚方向に互いに対向している。第１翼膜２１１には、図８の例の翼膜２１０と同様に、第１翼膜２１１の負圧面側に、高剛性前縁部２２０、高剛性翼根部２３０、及び複数の骨部２４０が、接着等により固定されている。第２翼膜２１２は、第１翼膜２１１の負圧面側を覆うように設けられる。このとき、第２翼膜２１２は、翼２０の外縁部（前縁２３、翼根２１、後縁２４、翼端２２、及びこれらの近傍部分）のうち少なくとも一部分（好ましくは全部）では、他の部材（高剛性前縁部２２０、高剛性翼根部２３０、翼膜２１０、骨部２４０）に対して、接着等により固定されるものの、翼２０の外縁部より内側に位置する第１翼膜２１１や骨部２４０には、固定されていない。このように、第１翼膜２１１と第２翼膜２１２とは、少なくとも一部分で、互いに固定されておらず、翼２０の外縁部よりも内側においては、第１翼膜２１１と第２翼膜２１２との間に、空間が区画される。これにより、本例の翼２０は、負圧面側を第２翼膜２１２によって覆っていない図８の例に比べて、第２翼膜２１２によって、翼２０の負圧面側で高剛性前縁部２２０や骨部２４０によって形成されている段差を覆って、翼２０の負圧面形状を滑らかにすることができる。これにより、図８の例に比べて、ロータ１の回転時の流体抵抗を低減でき、ひいては、効率を向上できる。
なお、第１翼膜２１１と第２翼膜２１２とは、それぞれ、図１～図８を参照しながら上述した翼膜２１０の構成を満たすのがよく、すなわち、柔軟性を有し、高剛性前縁部２２０、高剛性翼根部２３０、及び骨部２４０よりも剛性が低いのがよい。また、第１翼膜２１１と第２翼膜２１２とは、互いに剛性や材料が異なるものでもよい。図９の例では、第１翼膜２１１が布により構成され、第２翼膜２１２が紙により構成されている。第２翼膜２１２を紙により構成することで、仮に第２翼膜２１２を布により構成する場合に比べて、第２翼膜２１２の滑らかな形状をより効果的に維持できる。
図９の例は、高剛性前縁部２２０の形状が流線型をなしている点と、翼２０が翼膜２１０を２つ有している点で、図８の例とは主に異なる。
前述した図８の例では、図８（ｃ）に示すように、高剛性前縁部２２０が、翼厚方向の断面において矩形状に構成されている。一方、図９に示す第３変形例では、高剛性前縁部２２０が、図９（ｃ）に示すように、翼厚方向の断面において、前縁２３に向かうにつれて徐々に翼厚方向の厚みが小さくなるような先細り形状を有するとともに、その前縁２３側の端部において、後縁２４とは反対側に向かって（回転方向ＲＤの前側に向かって）凸に突出した湾曲した形状（例えば、ＮＡＣＡ００１２翼型、楕円の半分に相当する形状、半円形状など）をなしている。これにより高剛性前縁部２２０が、流線型をなすため、図８の例に比べて、ロータ１の回転時の流体抵抗を低減でき、ひいては、効率を向上できる。
また、図９の例では、翼２０が翼膜２１０を２つ有している。具体的に、翼２０は、翼膜２１０として、正圧面を構成する第１翼膜２１１と、負圧面を構成する第２翼膜２１２と、を有している。第１翼膜２１１と第２翼膜２１２とは、翼２０の翼厚方向に互いに対向している。第１翼膜２１１には、図８の例の翼膜２１０と同様に、第１翼膜２１１の負圧面側に、高剛性前縁部２２０、高剛性翼根部２３０、及び複数の骨部２４０が、接着等により固定されている。第２翼膜２１２は、第１翼膜２１１の負圧面側を覆うように設けられる。このとき、第２翼膜２１２は、翼２０の外縁部（前縁２３、翼根２１、後縁２４、翼端２２、及びこれらの近傍部分）のうち少なくとも一部分（好ましくは全部）では、他の部材（高剛性前縁部２２０、高剛性翼根部２３０、翼膜２１０、骨部２４０）に対して、接着等により固定されるものの、翼２０の外縁部より内側に位置する第１翼膜２１１や骨部２４０には、固定されていない。このように、第１翼膜２１１と第２翼膜２１２とは、少なくとも一部分で、互いに固定されておらず、翼２０の外縁部よりも内側においては、第１翼膜２１１と第２翼膜２１２との間に、空間が区画される。これにより、本例の翼２０は、負圧面側を第２翼膜２１２によって覆っていない図８の例に比べて、第２翼膜２１２によって、翼２０の負圧面側で高剛性前縁部２２０や骨部２４０によって形成されている段差を覆って、翼２０の負圧面形状を滑らかにすることができる。これにより、図８の例に比べて、ロータ１の回転時の流体抵抗を低減でき、ひいては、効率を向上できる。
なお、第１翼膜２１１と第２翼膜２１２とは、それぞれ、図１～図８を参照しながら上述した翼膜２１０の構成を満たすのがよく、すなわち、柔軟性を有し、高剛性前縁部２２０、高剛性翼根部２３０、及び骨部２４０よりも剛性が低いのがよい。また、第１翼膜２１１と第２翼膜２１２とは、互いに剛性や材料が異なるものでもよい。図９の例では、第１翼膜２１１が布により構成され、第２翼膜２１２が紙により構成されている。第２翼膜２１２を紙により構成することで、仮に第２翼膜２１２を布により構成する場合に比べて、第２翼膜２１２の滑らかな形状をより効果的に維持できる。
【0035】
図１０は、ロータ１の第４変形例における翼２０を示しており、図１０（ａ）は翼２０の正圧面側を平面に展開したときの状態で示す図であり、図１０（ｂ）は翼２０の負圧面側を平面に展開したときの状態で示す図である。図１０の例は、骨部２４０の延在方向のみが、図８の例とは異なる。具体的に、図１０の例では、骨部２４０が、それぞれ、翼軸線ＢＡに平行な方向及びこれに垂直な方向の両方に交差する方向に延在しており、より具体的には、翼２０の前縁２３側かつ翼根２１側から、後縁２４側かつ翼端２２側に向かって、徐々に互いから離間されながら、放射状に延在している。
このような構成においても、仮に、翼２０の平面展開視において骨部２４０が翼軸線ＢＡに平行な方向に延在している場合に比べて、翼根２１が翼軸線ＢＡの周りで回転される際に、翼２０のねじれ角を、より良好に変化させることができる。
このような構成においても、仮に、翼２０の平面展開視において骨部２４０が翼軸線ＢＡに平行な方向に延在している場合に比べて、翼根２１が翼軸線ＢＡの周りで回転される際に、翼２０のねじれ角を、より良好に変化させることができる。
【0036】
以上、本実施形態のロータ１について、ロータ１が水平軸型の風力発電機に用いられる場合の説明をした。
ただし、ロータ１は、水力発電機（水車等）に用いられてもよく、また、送風機、ポンプ、ヘリコプター、ドローン等に用いられてもよい。ただし、この場合、上述した各例における翼２０の正圧面が、ロータ１の背面側を向き、翼２０の負圧面が、ロータ１の正面側を向くようにされるとよい。ロータ１が図示しないモータによって回転されると、風は、ロータ１の背面側から正面側へ向かって流れる。このような場合においても、周速比に応じて、受動的に、ねじれ角を良好に変化させることができ、ひいては、広い周速比範囲において、安定して良好な効率を得ることが可能となる。
ただし、ロータ１は、水力発電機（水車等）に用いられてもよく、また、送風機、ポンプ、ヘリコプター、ドローン等に用いられてもよい。ただし、この場合、上述した各例における翼２０の正圧面が、ロータ１の背面側を向き、翼２０の負圧面が、ロータ１の正面側を向くようにされるとよい。ロータ１が図示しないモータによって回転されると、風は、ロータ１の背面側から正面側へ向かって流れる。このような場合においても、周速比に応じて、受動的に、ねじれ角を良好に変化させることができ、ひいては、広い周速比範囲において、安定して良好な効率を得ることが可能となる。
【実施例】
【0037】
本発明の比較例１～４及び実施例１のロータの性能を、解析により評価したので、図１１～図１３を参照しながら説明する。
図１３は、比較例１～４のロータの翼２０’をそれぞれ示している。比較例１～４の翼２０’は、いずれも、その全体が剛体からなる剛体翼であり、また、ハブ１０に対して回転可能ではなく、ハブ１０に対して位置が固定されていた。図１３に示すように、比較例１～４は、翼２０’の平面形状とねじれ角分布が互いに異なるものであった。より具体的には、比較例１から比較例４に向かう順番で、翼弦長が短くなり、また、ねじれ角θが小さくなるものだった。なお、比較例１～４の翼２０’は、翼素運動量理論（ＢＥＭ）により、それぞれ周速比λ＝２、３、４、５に対して最適な効率を得るための平面形状及びねじれ角分布を計算により求めることにより得たものである。
実施例１は図１～図６に示す例のロータの構成を有しており、すなわち、翼２０が、図２及び図３に示すように、ねじりばねからなる付勢部材３０によってハブ１０に対して回転付勢されているとともに、図４の例の剛性分布を有するものであった。また、実施例１の翼２０は、ロータ１の静止時における平面形状及びねじれ角分布を、比較例２と同じものとした。
比較例１～４及び実施例１のロータの直径は、いずれも９４６ｍｍとし、翼の翼長は、互いに同じとした。
そして、比較例１～４及び実施例１のロータを用いて、流体－構造連成解析を行うことにより、風速を５ｍ／ｓにて一定とし、周速比λをλ＝２、３、４、５のそれぞれにしたときの、翼のねじれ角分布とパワー係数ＣＰを求めた。その結果をそれぞれ図１１及び図１２に示す。
図１１は、比較例１～４及び実施例１における、ロータが回転しているときの翼のねじれ角分布の解析結果を示している。図１１において、横軸はロータの半径方向位置であり、右側に向かうにつれて外周側（翼端側）に向かう。縦軸はねじれ角（°）である。図１１から判るように、比較例１～４は、翼がハブに固定されているとともに、翼が剛体からなるため、ロータが回転しても、ねじれ角分布は変化しなかった。一方、実施例１は、周速比λが高くなるにつれて、翼の全長にわたってねじれ角が減少する方向に、ねじれ角分布が変化した。
図１２は、比較例１～４及び実施例１における、周速比λとパワー係数ＣＰとの関係についての解析結果を示している。図１２において、横軸は周速比λであり、縦軸はパワー係数ＣＰである。パワー係数ＣＰの値が大きいほど、効率が高いことを意味する。
なお、周速比λは、上述の式（２）により定義されるものである。
また、「パワー係数ＣＰ」は、ロータ受風面積を単位時間に通過する自由空気流の運動エネルギーに対する風力発電機の正味出力の比である。空気の密度をρ（ｋｇ／ｍ３）、回転トルクをＴ（Ｎｍ）とすると、パワー係数Ｃｐは、つぎの式（３）で表すことができる。
図１２から判るように、実施例１のロータは、比較例１～４のロータに比べて、より広い周速比の範囲で安定して良好なパワー係数Ｃｐひいては効率が得られた。
図１３は、比較例１～４のロータの翼２０’をそれぞれ示している。比較例１～４の翼２０’は、いずれも、その全体が剛体からなる剛体翼であり、また、ハブ１０に対して回転可能ではなく、ハブ１０に対して位置が固定されていた。図１３に示すように、比較例１～４は、翼２０’の平面形状とねじれ角分布が互いに異なるものであった。より具体的には、比較例１から比較例４に向かう順番で、翼弦長が短くなり、また、ねじれ角θが小さくなるものだった。なお、比較例１～４の翼２０’は、翼素運動量理論（ＢＥＭ）により、それぞれ周速比λ＝２、３、４、５に対して最適な効率を得るための平面形状及びねじれ角分布を計算により求めることにより得たものである。
実施例１は図１～図６に示す例のロータの構成を有しており、すなわち、翼２０が、図２及び図３に示すように、ねじりばねからなる付勢部材３０によってハブ１０に対して回転付勢されているとともに、図４の例の剛性分布を有するものであった。また、実施例１の翼２０は、ロータ１の静止時における平面形状及びねじれ角分布を、比較例２と同じものとした。
比較例１～４及び実施例１のロータの直径は、いずれも９４６ｍｍとし、翼の翼長は、互いに同じとした。
そして、比較例１～４及び実施例１のロータを用いて、流体－構造連成解析を行うことにより、風速を５ｍ／ｓにて一定とし、周速比λをλ＝２、３、４、５のそれぞれにしたときの、翼のねじれ角分布とパワー係数ＣＰを求めた。その結果をそれぞれ図１１及び図１２に示す。
図１１は、比較例１～４及び実施例１における、ロータが回転しているときの翼のねじれ角分布の解析結果を示している。図１１において、横軸はロータの半径方向位置であり、右側に向かうにつれて外周側（翼端側）に向かう。縦軸はねじれ角（°）である。図１１から判るように、比較例１～４は、翼がハブに固定されているとともに、翼が剛体からなるため、ロータが回転しても、ねじれ角分布は変化しなかった。一方、実施例１は、周速比λが高くなるにつれて、翼の全長にわたってねじれ角が減少する方向に、ねじれ角分布が変化した。
図１２は、比較例１～４及び実施例１における、周速比λとパワー係数ＣＰとの関係についての解析結果を示している。図１２において、横軸は周速比λであり、縦軸はパワー係数ＣＰである。パワー係数ＣＰの値が大きいほど、効率が高いことを意味する。
なお、周速比λは、上述の式（２）により定義されるものである。
また、「パワー係数ＣＰ」は、ロータ受風面積を単位時間に通過する自由空気流の運動エネルギーに対する風力発電機の正味出力の比である。空気の密度をρ（ｋｇ／ｍ３）、回転トルクをＴ（Ｎｍ）とすると、パワー係数Ｃｐは、つぎの式（３）で表すことができる。
【数3】
【産業上の利用可能性】
【0038】
本発明のロータは、風水力機械に用いられるものであり、特に水平軸型の風力発電機又は送風機に用いられると好適なものである。
【符号の説明】
【0039】
１ ロータ
１０ ハブ
１１ 溝
２０、２０’ 翼
２１、２１’ 翼根
２２、２２’ 翼端
２３、２３’ 前縁
２４、２４’ 後縁
２１０ 翼膜
２１１ 第１翼膜
２１２ 第２翼膜
２１０ａ 第１翼膜部
２１０ｂ 第２翼膜部
２１０ｃ 第３翼膜部
２２０ 高剛性前縁部
２３０ 高剛性翼根部
２４０ 骨部
３０ 付勢部材
３１ 付勢部材の第１端部
３２ 付勢部材の第２端部
３３ 付勢部材の中間部
４０ 連結部材
４１ 溝
４３ 固定部
５０ 翼軸
ＢＡ 翼軸線
ＢＲＬ 翼根長
Ｄ１ 翼根における前縁側の端部から翼軸線までの距離
Ｏ ロータの回転中心軸線
Ｐ ロータの回転中心軸線に対して垂直な仮想平面
ＲＤ 回転方向
θ ねじれ角
１０ ハブ
１１ 溝
２０、２０’ 翼
２１、２１’ 翼根
２２、２２’ 翼端
２３、２３’ 前縁
２４、２４’ 後縁
２１０ 翼膜
２１１ 第１翼膜
２１２ 第２翼膜
２１０ａ 第１翼膜部
２１０ｂ 第２翼膜部
２１０ｃ 第３翼膜部
２２０ 高剛性前縁部
２３０ 高剛性翼根部
２４０ 骨部
３０ 付勢部材
３１ 付勢部材の第１端部
３２ 付勢部材の第２端部
３３ 付勢部材の中間部
４０ 連結部材
４１ 溝
４３ 固定部
５０ 翼軸
ＢＡ 翼軸線
ＢＲＬ 翼根長
Ｄ１ 翼根における前縁側の端部から翼軸線までの距離
Ｏ ロータの回転中心軸線
Ｐ ロータの回転中心軸線に対して垂直な仮想平面
ＲＤ 回転方向
θ ねじれ角
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】