JP6677783B1

JP6677783B1 - プロペラ装置

Info

Publication number: JP6677783B1
Application number: JP2018199066A
Authority: JP
Inventors: 雅博井上
Original assignee: Mitsubishi Electric Engineering Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Electric Engineering Co Ltd
Priority date: 2018-10-23
Filing date: 2018-10-23
Publication date: 2020-04-08
Anticipated expiration: 2038-10-23
Also published as: JP2020067010A

Abstract

【課題】従来と比較して低風速からのカットイン風速を実現できる高効率なプロペラ装置を得る。【解決手段】プロペラ装置は、回転中心部に固定された複数の主ブレードを有する主プロペラと、主プロペラと第１距離を隔てた異なる位置で回転中心部に固定された複数の副ブレードを有する副プロペラとを備え、複数の主ブレードのそれぞれは、回転中心部から外周側になるに従って翼弦長が短くなる形状を有し、複数の副ブレードのそれぞれは、回転中心部から外周側になるに従って翼弦長が長くなる形状を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、主プロペラおよび副プロペラを備えたプロペラ装置に関する。

従来の発電機用のプロペラ装置に関連する技術として、ハブと、スピナーと、少なくとも２枚の主ブレードとを備える風車ロータがある（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に係る風車ロータでは、隣り合う２枚の主ブレードの翼根部間の領域の少なくとも一部を覆うように、少なくとも一枚の副ブレードが設けられている。

このような副ブレードは、ハブまたはスピナーから風車ロータの径方向外方に延出し、主ブレードよりも翼長が短い構成を備えている。また、副ブレードのコード長は、羽根側からはね先端側へ向けて単調減少している。

さらに、特許文献１に係る副ブレードは、下式（１）の関係を有している。
Ｃｏｐｔ−Ｃｍａｉｎ≦Ｃｓ≦０．５Ｃｏｐｔ（１）

ここで、上式（１）におけるＣｏｐｔ、Ｃｍａｉｎ、Ｃｓのそれぞれは、以下の内容を意味している。
Ｃｏｐｔ：翼長方向位置ｘに対応する風車ロータの半径位置ｒにおける主ブレードの最適コード長
Ｃｍａｉｎ：半径位置ｒにおける主ブレードのコード長
Ｃｓ：コード長

そして、主ブレードの最適コード長Ｃｏｐｔは、下式（２）で表される。

その結果、特許文献１に係る風車ロータは、風車ロータ全体としての内側セクションにおける空力性能を向上させることができ、風車ロータにおける翼効率の効果的な改善を図ることができる。

特開２０１５−８６８２２号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。特許文献１に係る風車ロータの羽根形状は、主ブレード、副ブレードともに、比較的周速比が高く、ある程度の高回転で性能を発揮するタイプのものである。従って、特許文献１に係る風車ロータのブレードは、低風速、低回転時に大きなトルクを発生し、カットイン風速を大きく改善できるようなブレードではなかった。

その一方で、設置環境によっては、低風速、低回転時において、所望のトルクを発生し、適切な発電量を得ることが要求される。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、従来と比較して低風速からのカットイン風速を実現できる高効率な発電機用のプロペラ装置を得ることを目的とする。

本発明に係るプロペラ装置は、回転中心部に固定された複数の主ブレードを有する主プロペラと、主プロペラと第１距離を隔てた異なる位置で回転中心部に固定された複数の副ブレードを有する副プロペラとを備え、複数の主ブレードのそれぞれは、回転中心部から外周側になるに従って翼弦長が短くなる形状を有し、複数の副ブレードのそれぞれは、回転中心部から外周側になるに従って翼弦長が長くなる形状を有するものである。

本発明によれば、低回転時において副ブレードのトルクで主ブレードのトルクをアシストできる構成を備えている。この結果、従来と比較して低風速からのカットイン風速を実現できる高効率な発電機用のプロペラ装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係るプロペラ装置を示す正面図である。本発明の実施の形態１に係る図１のプロペラ装置を示す側面図である。本発明の実施の形態２に係るプロペラ装置の発生トルクおよびカットイン風速の特性を示す図である。本発明の実施の形態３に係るプロペラ装置の発生トルクの特性を示す図である。本発明の実施の形態４に係る主プロペラの発生トルクに関する説明図である。本発明の実施の形態５に係るプロペラ装置が、ダウンウインド型として設置された際の、副プロペラと支柱５との位置関係を示した説明図である。本発明の実施の形態５に係るプロペラ装置の発生トルクの特性を示す図である。

以下、本発明のプロペラ装置の好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るプロペラ装置を示す正面図である。また、図２は、本発明の実施の形態１に係る図１のプロペラ装置を示す側面図である。

発電機用のプロペラ装置は、流体の流れのエネルギーを回転エネルギーに変換する。流体としては、空気、水などが挙げられる。発電機用のプロペラ装置は、回転可能に設けられた主プロペラ１と、主プロペラ１に対して上流側に設置された副プロペラ２を備えている。主プロペラ１と副プロペラ２とは、図示しない発電機の回転軸に接続されている。

主プロペラ１は、円柱形状の回転中心部３と、回転中心部３に設けられた複数の主ブレード１ａとを有している。なお、以下の説明において、径方向とは、回転中心部３についての径方向とする。また、周方向とは、回転中心部３についての周方向とする。さらに、軸方向とは、回転中心部３についての軸方向とする。

主ブレード１ａは、回転中心部３から径方向外側に向かって延びるように、回転中心部３に固定されている。図１においては、３枚の主ブレード１ａが、周方向に等間隔に並べて配置されている。さらに、３枚の主ブレード１ａは、径方向に延びるほど主ブレード１ａの周方向の幅が狭くなっている。すなわち、主ブレード１ａは、周方向において、翼型の前縁と後縁とを結ぶ直線の長さである翼弦長が、外周側になるに従って短くなっている。

このような形状を有する主プロペラ１は、周方向に回転する。主プロペラ１が回転することによって、発電機の回転軸が回転する。発電機の回転軸は、水平方向に延びて配置されている。言い換えれば、プロペラ装置に用いられる発電機は、水平軸発電機として構成されている。

一方、副プロペラ２は、主プロペラ１と同様に、円柱形状の回転中心部３と、回転中心部３に設けられた複数の副ブレード２ａとを有している。副プロペラ２は、回転中心部３から径方向外側に向かって延びるように、回転中心部３に固定されている。図１においては、３枚の副ブレード２ａが、周方向に等間隔に並べて配置されている。さらに、３枚の副ブレード２ａは、径方向に延びるほど副ブレード２ａの周方向の幅が広くなっている。すなわち、副ブレード２ａは、周方向において、翼型の前縁と後縁とを結ぶ直線の長さである翼弦長が、外周側になるに従って長くなっている。

そして、図１に示すように、副プロペラ２の径方向の中心線は、主プロペラ１の径方向の中心線に対して角度θを有している。また、図１および図２に示すように、半径Ｒ１を有する主プロペラ１と、半径Ｒ２を有する副プロペラ２とは、軸方向において距離Ｌを有して配置されている。このような形状および配置を有する主プロペラ１および副プロペラ２は、互いに同期して周方向に回転する。

ここで、主プロペラ１は、揚力型で高回転タイプのプロペラである。一方、主プロペラ１と比較して周速比の低い副プロペラ２は、低回転タイプのプロペラである。従って、本実施の形態１に係るプロペラ装置によれば、このような２つのプロペラを同軸上に取り付けることによって、低回転時のプロペラ効率を向上させることができる。この結果、低回転からのカットイン風速を実現する発電機用のプロペラ装置を提供できる。

なお、カットイン風速とは、プロペラ装置の主プロペラ１および副プロペラ２が回転を始めて、発電を開始できる状態となる風速のことである。

実施の形態２．
本実施の形態２では、図１に示した角度θによるプロペラ装置の特性の違いについて、詳細に説明する。
図３は、本発明の実施の形態２に係るプロペラ装置の発生トルクおよびカットイン風速の特性を示す図である。より具体的には、図３は、主プロペラ１の径方向の中心線と副プロペラ２の径方向の中心線との角度θを０°〜１００°の範囲で変化させたときの、発電機用のプロペラ装置の発生トルクおよびカットイン風速のそれぞれの特性を示したものである。

トルクは、風速８ｍ／ｓ、１０００ｒｐｍ時（高風速高回転時）の発生トルクを、最大トルク１００として数値化しており、図３の左側の縦軸に目盛りが付されている。また、カットイン風速は、発電開始時のトルクを４０ｃＮ・ｍとしたときの風速を、最低風速を１として数値化しており、図３の右側の縦軸に目盛りが付されている。図３の特性から、高風速、高回転時においては、θ＝６０°の時が最も発生トルクが大きいことがわかる。また、カットイン風速に関しては、θ＝５０°の時が、最もカットイン風速が低いことがわかる。

一般的に、発電機用のプロペラ装置の設置場所および設置条件によって、カットイン風速重視か、最大トルク重視かが変わってくる。例えば、発電機用のプロペラ装置が、あまり風の吹かない街中に設置される場合には、カットイン風速重視となる。一方、発電機用のプロペラ装置が、元々、風の強い海岸地帯、あるいは山岳地帯に設置される場合には、最大トルク重視となる。図３に示した結果から、最大トルクと最低カットイン風速のそれぞれについて、５％程度までの悪化を許容した場合、θは、４５°〜６５°の範囲が適切な値となる。

以上説明したように、本実施の形態２に係るプロペラ装置によれば、角度θを変更することによって、プロペラ装置の設置場所および設置条件に応じて、カットイン風速重視、また最大トルク重視による適切な特性を実現できる。

さらに、主プロペラと副プロペラの角度調整を行うことができる機構を準備しておくことによって、同一部品を使用した上で、プロペラ装置の設置場所および設置条件に応じて、カットイン風速重視、また最大トルク重視による適切な特性に対応することができる。

実施の形態３．
本実施の形態３では、図１に示した半径Ｒ２、および図２に示した距離Ｌによるトルク特性の違いについて、詳細に説明する。
副プロペラ２は、主プロペラ１よりも風上側に配置されている。ここで、主プロペラ１および副プロペラ２のそれぞれのプロペラ重心の距離Ｌと副プロペラ２の半径Ｒ２との比であるＬ／Ｒ２と、プロペラ装置の発生トルクとの関係について説明する。

図４は、本発明の実施の形態３に係るプロペラ装置の発生トルクの特性を示す図である。より具体的には、図３は、Ｌ／Ｒ２を変化させたときの、プロペラ装置の発生トルクの特性を示したものである。なお、図４の縦軸は、副プロペラ２の影響のないＬ／Ｒ２の寸法時の発生トルクを１として、トルクを数値化している。図４に示すように、Ｌ／Ｒ２が０．２の場合、約５％のトルク低下が測定された。

副プロペラ２は、低風速、低回転時に大きなトルクを発生することで低いカットイン風速を実現し、かつ、高風速、高回転時の主プロペラ１の性能を劣化させないことが重要である。主プロペラ１の性能劣化への影響をなくすためには、図４に示すように、Ｌ／Ｒ２が０．３以上となるように、距離Ｌと半径Ｒ２との比を設定すれば良い。

ただし、プロペラ装置の小型化を考慮した場合には、Ｌ／Ｒ２を０．２以上に設定することで、トルク低下を５％以内に抑えることができる。この結果、小型でかつ発電効率の良いプロペラ装置を実現できる。

また、本実施の形態３に係るプロペラ装置の構成では、副プロペラ２を風上側に、主プロペラ１を風下側に設置している。ダウンウインド方式の風力発電機の場合には、主プロペラ１および副プロペラ２を支えるための支柱が、これらのプロペラより風上側に配置されるため、支柱によるプロペラ性能の劣化が発生する。

特に、ブレード先端の周速が速い主プロペラ１は、支柱による影響を大きく受ける傾向がある。そこで、本実施の形態３に係るプロペラ装置の構成では、主プロペラ１を支柱から遠ざけて設置している。これにより、支柱の影響を少なくし、プロペラ性能の劣化の改善効果を得ることができ、高効率の発電を可能とするプロペラ装置を実現できる。

実施の形態４．
本実施の形態４では、主プロペラ１による、径方向の距離に応じて発生するトルクについて、詳細に説明する。
図５は、本発明の実施の形態４に係る主プロペラ１の発生トルクに関する説明図である。具体的には、図５は、回転中心部３からの径方向の距離Ｒと、主プロペラ１の径Ｒ１との比（Ｒ／Ｒ１）に対する、各径での断面のトルク割合を表したものである。Ｒ／Ｒ１＝１がプロペラの先端になり、Ｒ／Ｒ１＝０がプロペラの中心になる。

図５の結果から、主プロペラ１は、先端の約３０％で、発生トルク全体の約７０％が占められていることがわかる。このことから、風上側に位置する副プロペラ２の半径Ｒ２を、主プロペラ１の半径Ｒ１の７０％以下にすることで、高風速、高回転時に、副プロペラ２による主プロペラ１の性能の妨害を極力減らし、かつ、低カットイン風速を実現する発電機用のプロペラ装置を得ることができる。

なお、副プロペラ２の半径Ｒ２は、主プロペラ１の７０％の範囲内において、極力大きいほど、より小さな低カットイン風速を実現できる。一方、副プロペラ２の半径Ｒ２が小さいほど、主プロペラ１への妨害が少ないため、高風速、高回転時の性能を向上させることができる。

従って、プロペラ装置の設置場所および設置条件によって、半径Ｒ１と半径Ｒ２との比が適切な値となるように、主プロペラ１および副プロペラ２を設計することで、設置場所および設置条件に応じて最適のプロペラ装置を実現できる。

実施の形態５．
本実施の形態５では、支柱と副プロペラ２との距離の適正化について、詳細に説明する。
図６は、本発明の実施の形態５に係るプロペラ装置が、ダウンウインド型として設置された際の、副プロペラ２と支柱５との位置関係を示した説明図である。図６に示すように、支柱５は、直径ｄを有し、軸方向において風上側に位置する副プロペラ２との距離が、距離Ｘとなるように配置されている。なお、支柱５の上部に設けられたナセル４の中には、発電機等が収納されており、発電機の回転軸に、主プロペラ１および副プロペラ２が接続されている。

また、図７は、本発明の実施の形態５に係るプロペラ装置の発生トルクの特性を示す図である。より具体的には、図７は、ｄ／Ｘを変化させたときの、プロペラ装置の発生トルクの測定結果を示したものである。

図７の測定結果によれば、支柱５の直径ｄに対する、支柱５と副プロペラ２との距離Ｘの比率（ｄ／Ｘ）が、０．８５以下の場合には、支柱５の影響をほぼなくすことができる。実際には、支柱５の直径ｄは、使用する環境において十分な強度を有する必要があり、強度面から支柱５の直径ｄが決定される。このため、下式（３）のように、支柱５の直径ｄから、支柱５と副プロペラ２との距離Ｘを規定することができる。
Ｘ ≧ ｄ／０．８５（３）

上式（３）に従って距離Ｘを規定することで、設置環境に応じて決定された支柱５の直径ｄに対して、適切な距離Ｘを求めることができる。この結果、小型で高効率の発電機用のプロペラ装置を実現できる。また、小型化を実現することで、各部の部品も強度的に有利になり、軽量化の実現も可能となる。

なお、上述した実施の形態１〜５では、複数の主ブレード１ａおよび複数の副ブレード２ａが、図１に例示したように、それぞれ３枚として構成される場合について説明した。しかしながら、複数の主ブレード１ａおよび複数の副ブレード２ａの枚数は、３枚に限定されるものではない。複数の主ブレード１ａおよび複数の副ブレード２ａの枚数は、２枚、あるいは４枚以上であっても、複数の主ブレードのそれぞれが回転中心部から外周側になるに従って翼弦長が短くなる形状を有し、複数の副ブレードのそれぞれが回転中心部から外周側になるに従って翼弦長が長くなる形状を有することで、３枚の場合と同様の効果を得ることができる。

１主プロペラ、１ａ主ブレード、２副プロペラ、２ａ副ブレード、３回転中心部、４ナセル、５支柱。

Claims

回転中心部に固定された複数の主ブレードを有する主プロペラと、
前記主プロペラと距離Ｌを隔てた位置で前記回転中心部に固定された複数の副ブレードを有する副プロペラと
を備え、
前記複数の主ブレードのそれぞれは、前記回転中心部から外周側になるに従って翼弦長が短くなる形状を有し、
前記複数の副ブレードのそれぞれは、前記回転中心部から外周側になるに従って翼弦長が長くなる形状を有する
プロペラ装置。
前記複数の主ブレードは、１２０°間隔で配置された３枚の主ブレードで構成され、
前記複数の副ブレードは、１２０°間隔で配置された３枚の副ブレードで構成され、
前記主プロペラの径方向の中心線と副プロペラの径方向の中心線との角度θは、４５°〜６５°の範囲である
請求項１に記載のプロペラ装置。
前記副プロペラは、前記主プロペラに対して前記距離Ｌを隔てて風上側に配置されており、
前記複数の副ブレードのそれぞれの半径を半径Ｒ２としたとき、前記距離Ｌと前記半径Ｒ２との比であるＬ／Ｒ２が、０．２以上である
請求項１または２に記載のプロペラ装置。
前記副ブレードの半径は、前記主ブレードの半径の７０％以下である
請求項１から３のいずれか１項に記載のプロペラ装置。
前記主プロペラに対して風上側に配置された前記副プロペラから、距離Ｘを隔ててさらに風上側に配置され、前記主プロペラおよび前記副プロペラを支える支柱をさらに備え、
前記支柱の直径を直径ｄとしたとき、比率ｄ／Ｘが、０．８５以下である
請求項１から４のいずれか１項に記載のプロペラ装置。