本発明の第1の形態は、内外の流れによって 安定した渦列を後流側に形成することができ る非流線形をなすケーシングと、ケーシング 内に設けられた羽根車とを備えた非定常流れ を利用した流体機械であって、
 ケーシングは後流側に渦列を形成するため� ��渦生成体を備え、かつ該渦生成体にはケー� ��ング後端面において渦形成がこの後端面内� ��周方向にゆらぐ位相を揃え、ケーシングの� ��方向に形成されるセル構造を明確化して各� ��ルの位置をケーシングの表面で後端面内に� ��数配置された区画領域にそれぞれ固定化す� ��位相制御体が設けられ、位相制御体によっ� ��内部流れを増速することを特徴とする非定� ��流れを利用した流体機械である。この構成� ��よって、渦列を利用した流れを安定した流� ��にすることができ、流入する流体の流速を� ��し、ディフューザの長さが短く、大型化が� ��能になり、エネルギー変換率を高くするこ� ��ができる。

 本発明の第2の形態は、第1の形態に従属� �る形態であって、位相制御体が、ケーシン� �後端面において渦形成がこの後端面内で周� �向にゆらぐ位相を揃え、ケーシングの周方� �に形成されるセル構造を明確化して各セル� �位置をケーシングの表面で後端面内に複数� �置された区画領域にそれぞれ固定化すると� �に、セルが固定化された区画領域間での渦� �成優越区画領域の移動を区画領域単位で行� �、内部流れを増速することを特徴とする非� �常流れを利用した流体機械である。この構� �によって、渦列を利用した流れを安定した� �れにすることができ、流入する流体の流速� �増し、ディフューザの長さが短く、大型化� �可能になり、エネルギー変換率を高くする� �とができる。

 本発明の第3の形態は、第1又は第2の形態� ��従属する形態であって、位相制御体が、流� ��に任せてケーシングに自然に形成されるセ� ��構造のセル数と同一数又は該同一数の(1/整� ��)倍となる枚数だけ配設された位相制御板で あることを特徴とする非定常流れを利用した 流体機械である。この構成によって、渦列を 利用した流れを最も安定した流れ、若しくは これに準じた流れにすることができ、流入す る流体の流速を増し、ディフューザの長さが 短く、大型化が可能になり、エネルギー変換 率を高くすることができる。なお、言うまで もなく、同一数の(1/整数)倍となる枚数は離� �した整数の枚数である。

 本発明の第4の形態は、第1又は第2の形態� ��従属する形態であって、 区画領域が、流� �に任せてケーシングに自然に形成されるセ� �構造のセル数と同一個数又は該同一個数の(1 /整数)倍となる個数だけ位相制御体によって� ��成されることを特徴とする非定常流れを利� ��した流体機械である。この構成によって、� ��列を利用した流れを最も安定した流れ、若� ��くはこれに準じた流れにすることができ、� ��入する流体の流速を増し、ディフューザの� ��さが短く、大型化が可能になり、エネルギ� ��変換率を高くすることができる。なお、言� ��までもなく、同一個数の(1/整数)倍となる個 数は離散した整数の個数である。

 本発明の第5の形態は、第1又は第2の形態� ��従属する形態であって、羽根車には、該羽� ��車の回転力を電気力に変換する発電装置が� ��結されていることを特徴とする非定常流れ� ��利用した流体機械である。この構成によっ� ��、流入する流体の流速を増し、出力を電気� ��ネルギーに変換することができ、電気エネ� ��ギー変換率を高くすることができる。

 本発明の第6の形態は、内外の大気の流れ によって安定した渦列を後流側に形成するこ とができる非流線形をなす風胴体と、風胴体 内に設けられた羽根車とを備えた風車であっ て、風胴体は後流側に渦列を形成するための 渦生成体を備え、かつ該渦生成体には風胴体 後端面において渦形成がこの後端面内で周方 向にゆらぐ位相を揃え、風胴体の周方向に形 成されるセル構造を明確化して各セルの位置 を風胴体の表面で周方向に複数配置された区 画領域にそれぞれ固定化する位相制御体が設 けられ、位相制御体によって内部流れを増速 することを特徴とする風車である。この構成 によって、渦列を利用した流れを安定した流 れにすることができ、流入する風の風速を増 し、大型化が可能で、高出力の発電を行うこ とが可能になる。

 本発明の第7の形態は、第6の形態に従属� �る形態であって、位相制御体が、風胴体後� �面において渦形成がこの後端面内で周方向� �ゆらぐ位相を揃え、風胴体の周方向に形成� �れるセル構造を明確化して各セルの位置を� �胴体の表面で周方向に複数配置された区画� �域にそれぞれ固定化すると共に、セルが固� �化された区画領域間での渦形成優越区画領� �の移動を区画領域単位で行い、内部流れを� �速することを特徴とする風車である。この� �成によって、渦列を利用した流れを安定し� �流れにすることができ、流入する風の風速� �増し、流路長さが短く、大型化が可能で、� �出力の発電を行うことが可能になる。

 本発明の第8の形態は、第6又は第7の形態� ��従属する形態であって、位相制御体が、流� ��に任せて風胴体に自然に形成されるセル構� ��のセル数と同一数又は該同一数の(1/整数)倍 となる枚数だけ配設された位相制御板である ことを特徴とする風車である。この構成によ って、渦列を利用した流れを最も安定した流 れ、若しくはこれに準じた流れにすることが でき、流入する流体の流速を増し、大型化が 可能で、高出力の発電を行うことが可能にな る。なお、言うまでもなく、同一数の(1/整数 )倍となる枚数は離散した整数の枚数である� �

 本発明の第9の形態は、第6又は第7形態に� ��属する形態であって、渦列を形成するため� ��渦生成体が風胴体の後流側端部に設けられ� ��リング状の鍔であることを特徴とする風車� ��ある。この構成によって、リング状の鍔を� ��けるだけで渦列を利用した流れを安定した� ��れにすることができる。

 本発明の第10の形態は、第6又は第7の形態 に従属する形態であって、羽根車には、該羽 根車の回転力を電気力に変換する発電装置が 連結されていることを特徴とする風車である 。この構成によって、実験等をすることなく 簡単に渦列を利用した流れを最も安定した流 れにすることができ、流入する流体の流速を 増し、大型化が可能で、高出力の発電を行う ことが可能になる。

 本発明の第11の形態は、非流線形をした� �ーシングの内外に流体を流したとき、該内� �の流れによって安定した渦列を後流側に形� �し、渦列の形成による後流側の低圧化でケ� �シングを通過する内部流れを増速させる流� �機械の内部流れ増速方法であって、非流線� �をしたケーシング後端面において渦形成が� �の後端面内で周方向にゆらぐ位相を揃え、� �ーシングの周方向に形成されるセル構造を� �確化して各セルの位置をケーシングの表面� �後端面内に複数配置された区画領域にそれ� �れ固定化し、流れを安定化して、この安定� �で内部流れを増速することを特徴とする流� �機械の内部流れ増速方法である。この構成� �よって、渦列を利用した流れを安定した流� �にすることができ、流体機械の外部流れで� �部流れの流速を増加させることができる。

 本発明の第12の形態は、第11の形態に従属 する形態であって、渦形成するセルに対応し た渦形成優越区画領域の移動を区画領域単位 で行って安定化し、この安定化で内部流れを 増速することを特徴とする流体機械の内部流 れ増速方法である。この構成によって、渦列 を利用した流れを安定した流れにすることが でき、流体機械の外部流れで内部流れの流速 を増加させることができる。

 本発明の第13の形態は、第11又は第12の形態� ��従属する形態であって、すべての区画領域� ��渦形成優越区画領域にするための均等な区� ��領域にすることを特徴とする流体機械の内� ��流れ増速方法である。この構成によって、� ��列を利用した流れを最も安定した流れにす� ��ことができ、流体機械の外部流れで内部流� ��の流速を増加させることができる。
ルギー変換率を高くすることができる。

 (実施の形態1)
 以下、本発明の実施の形態1における非定常 流れを利用した流体機械、とくに風車、中で も発電することのできる風力発電装置につい て、また流体機械の内部流れ増速方法につい て説明をする。説明するのは羽根車の周囲を 覆うケーシングに渦生成体を設けた流体機械 、大気中の流れにおいては風胴体にリング状 の鍔の渦生成体を設けた風車、中でもその一 例である風力発電装置である。

 図1は本発明の実施の形態1における位相� �御板と鍔付きの風胴体を備えた風力発電装� �の斜視図である。図2は鍔付きの風胴体を備� ��た非定常流れを利用した流体機械の内外部� ��れを示し、図3は図1の風力発電装置の縦断� �図である。図4は様々な形状の風胴体の断面� ��状を示すもので、図5は羽根車のみの場合及 びこの羽根車を図4の(b)-(e)の風胴体に配設し� ��場合の各形状毎の出力係数Cwと周速比λの関 係を示す出力性能曲線を示すものである。(a� ��)に示す*印の性能曲線は羽根車のみの場合� �出力性能曲線である。なお、出力係数Cwと周 速比λについては後述する。図6は本発明の実 施の形態1における風力発電装置の後流側で� �速の速度ベクトルの3成分(U,v,w)から風の主流 速度成分Uを差し引いて描かれる流れ場のセ� �形成(循環)の様子を示した説明図である。

 図7は位相制御板の枚数と最大出力係数Cw _max の関係を示す説明図であり、下方の(a)(b)(c)(d) の図は位相制御板とセルの状態を模式的に示 すものである。図8は位相制御板を装着した� �合に、装着しない場合と比較して、風胴体� �内壁近傍で風速が増加する現象を定量的に� �したグラフである。図9は位相制御板を5%高� �の鍔の渦生成体に装着したものとしなかっ� �ものの出力性能を比較した説明図、図10は本 発明の実施の形態1における位相制御板のサ� �ズの影響を示す説明図、図11(a)は本発明の実 施の形態1における位相制御板が設けられて� �ない場合の渦生成体の後流側を撮影した流� �線の状態を示す写真、図11(b)は本発明の実施 の形態1における位相制御板を設けた場合の� �生成体の後流側を撮影した流脈線の状態を� �す写真である。

 さらに、図12(a)は本発明の実施の形態1に� ��ける位相制御板が設けられていない場合の� ��生成体の側面から撮影した流脈線の状態を� ��す写真、図12(b)は本発明の実施の形態1にお� ��る位相制御板を設けた場合の渦生成体の側� ��から撮影した流脈線の状態を示す写真であ� ��。そして、図13(a)は数値計算によるある瞬� �の鍔高さ5%の渦生成体2cの流入側(前面)の壁� �における静圧分布であり、図13(b)は同じ瞬間 のこの渦生成体2cの後流側(背面)の壁面の静� �分布である。さらに、図14は風車が発電を行 う風力発電装置の内部ブロック構成の構成図 である。

 図1、図2、図14に示すように、本発明の実 施の形態1における風車は風力発電装置1であ� ��て、発電機11(図14参照)が連結されている。� ��車の羽根車3が回転することにより発電機11� ��駆動して運動エネルギーを電気エネルギー� ��変換する。風力発電装置1は、風によって回 転される羽根車3と、筒状で全体として非流� �形の形状を有するディフューザタイプの風� �体2、言い換えれば羽根車3の周囲を囲って内 外流を分離するケーシングとを備えている。 流れの主流と直交する断面内では羽根車2の� �端の回転面と風胴体2は間隙を挟んで配置さ� ��、長手方向に伸びる筒状の形状となる。こ� ��風胴体2がディフューザタイプにされた理由 は羽根車3先端部分の流速がスロート部2a(最� �断面積の部分)で最大となり(図8の挿入図参� �)、ノズルタイプよりコンパクトな構成にな� ��からである。スロート部2aより流入側には� �風体となる流入口2bが設けられ、流入端(縁)� ��らスロート部2aにかけて流路断面が絞られ� �加速される。

 従来の風力発電装置1においては、図4の(a )にみられるように、このスロート部2aが相対 的に流入端(縁)にかなり近寄った間隙で配置� ��れ、ここに羽根車3が置かれ、後流側のディ フューザ部分が強調された形状をしていた。 ディフューザは長手方向にかなり長い形状と なる。これは例えば図4の各種の風胴体2のタ� ��プのうち図4(a)が示すものである。

 この実施の形態1においてもスロート部2a� ��後流側は流路断面が拡大され、その端部周� ��にリング状の渦生成体2cが設けられている� �この渦生成体2cは風胴体2にその一部として� �まれる。各種の風胴体2のタイプを図4の(a)~(e )に示す。風胴体2を特定するパラメータは図8 の挿入図に示したようなものになる。風胴体 2の長さLt、スロート部2aから後端面までのデ� ��フューザ部分の長さL、スロート部2aの内径d 、渦生成体2cの高さhであり、風力発電装置1� �りの風速Uである。

 風胴体2の後端部分として、この鍔(ここ� �はリング形状の板)の渦生成体2cを取り付け� �ことが、風胴体2を全体として非流線形形状� ��する。すなわち、これによって風力発電装� ��1をブラフボディ化する。この渦生成体2cは� ��来のターボ機械にない概念である。そして� ��このようなブラフボディは個体ごとに異な� ��た個々の形状を有し様々な流れを形成する� ��この流れを本発明は渦生成体2cという部材� �共通して扱えるように試みるものである。� �なわち、渦生成体2cを設けることによって従 来のように流体機械周りの流れを円滑に流し て線形性を保つと言うのではなく、後流側に 、いわゆるカルマン渦とも言うべき強い渦を 形成し、この渦形成を伴う流れの安定化を図 り、この安定性の保持を一般化しようとする 試みである。

 さて、このカルマン渦は、風胴体2の後流側 に非定常的(交互)に生成される。すなわち、� ��胴体2のスロート部2aの内径に対して渦生成� ��2cの径方向の高さが十分小さいときは(h/d≪1 )、あるタイミングで、例えば図6のP ₁ ~P ₁₂ で示した12個の渦形成ゆらぎスケールの区画� ��域(これは風胴体2の表面を占める一定の領� �であり、以下ゾーンという)にセルS,S’が形� ��され、かつこの中で仮にP ₁ の位置の渦形成が強まったとすると、P ₁ のセルSとセルS’の断面位置に強いカルマン� ��列が形成される。なお、ゾーンは風胴体2の 表面上の部位を示す構成であるが、セルは流 れの中に形成される流れの構造である。風胴 体2の後端面内で流れは複数個にセクション� �され、その後流側で渦列形成が行われる。� �の渦形成が強となるP _n (n=1,2,3・・・,12)のセルS,S’に対応するゾーン が渦形成優越ゾーン(本発明の実施の形態1に� ��ける渦形成優越区画領域、以下渦形成優越� ��ーンという)である。P _n の何れかが独立して強くなったり、弱くなっ たりしている。この渦形成優越ゾーンP _n が12個のセルの間で入れ替わり、後流の3次元 的渦列を形成する。この渦列の形成によって 、風胴体2の流出口付近は低圧で安定し、圧� �差で内部流れの流速を向上させる。この増� �により羽根車3は高速回転し、風車として高� ��ルクの駆動力を出力することができ、風力� ��電装置1としては高出力の発電を行うことが できる。通常の風力発電装置1の風車では、� �胴体2のスロート部2aの内径に対して渦生成� �2cの径方向の高さが十分小さいという条件(h/ d≪1)が満たされることが多く、このような渦 形成が起こる。

 これに対し、風胴体2のスロート部2aの内径� ��対して渦生成体2cの径方向の高さがオーダ� �に変わらないときは(hとdが同じオーダのと� �、h/d~1)、P _n (n=1,2,3・・・,12)の各ゾーンの中で風胴体2と� �ての一断面を構成するゾーンの関連性が強� �り(独立性がなくなり)、対角線上のP _n とP _n+6 (n=1,2,3・・・,12)でセルが固定された一対のゾ ーンで渦形成が同時に起こるようになる。す なわち、両ゾーンで強い渦形成が起こる。こ の渦列の形成を行った場合も、風胴体2の流� �口付近は低圧で安定し、圧力差で内部流れ� �流速を向上させることができる。

 このように各ゾーンにおける渦形成には、( 1)各ゾーンの独立性が乏しく(言い換えれば渦 列相互の関連性が強い)きわめて安定性が強� �渦形成と、(2)独立性があり(バラバラに渦形� ��する)弱い安定性を示す2レベルの渦形成が� �る。そして、少なくとも、この弱い安定性� �渦形成の場合の渦形成優越ゾーンP _n が、各ゾーン間において明瞭でなくなると、 渦列の作用は低下し安定的な渦列、内部流れ とは言えなくなる。すなわち、渦形成優越ゾ ーンP _n の入れ替わりがゾーン単位でスムースにいか なくなる。これをコントロールする方法は後 述する。

 なお、図1、2においては、回転体の曲面� �リング形状の鍔が接続された形状、すなわ� �回転軸に沿った方向に屈曲した断面形状の� �生成体2cを備えた風力発電装置1を示してい� �が、渦形成体2cはリングの平板に限られない 。渦形成体2cは風胴体2を非線形形状にして後 流端位置で効果的に渦形成させるものであれ ばよく、後述するように鍔の形状は外周が周 方向に四角形、六角形などの規則性、周期性 をもつような形状であってもよい。

 図3は風胴体2の渦生成体2cを含まない部分を 曲率半径が比較的小さい2次曲面の回転体と� �て構成した風力発電装置1を示している。図4 の(d)で示した断面形状の2次曲面ケーシング� �ある。図4は様々な形状の風胴体2の断面形状 を示し、図5はその(b)-(e)形状の出力係数Cwと� �速比λの関係と、(a’)羽根車のみの場合の出 力係数Cwと周速比λの関係を示す。羽根車3が� ��気中に露出された場合より図4の(b)-(e)で示� �たような2次曲面の風胴体2とした方が効果的 であることが分かる。ここで周速比λは羽根� ��周速rω(m/s)と風速U(m/s)の比(=rω/U)である。こ こにrは羽車半径、ωは角周波数(1/s)である。� ��お、出力係数Cwは無次元量で、Cw=W/{(1/2)・π� �U ³ r ² }である。ここで、Wは発電出力(W)、ρは空気� �度(kg/m ³ )、rは羽根車の半径(m)である。

 さて、図1、3に戻って、実施の形態1にお� ��ては、渦生成体2cの表面には位相制御板4(本 発明の実施の形態1における位相制御体)が設� ��られている。この位相制御板4は、風胴体2� �端面で渦形成により流れが後端面内で周方� �にゆらぐ位相を揃えて風胴体2の周りに形成� ��れるセル構造を明確化して、各セルの位置� ��風胴体2の表面で周方向に複数配置されたゾ ーンに固定化する。そして、渦形成が強くな ったり、弱くなったりする渦形成ゆらぎスケ ールの範囲(ゾーン)単位で渦形成優越ゾーン� ��切換を行い、すなわち渦形成優越ゾーンの� ��換を明確化により位置が固定化されるゾー� ��単位にして安定化する。この位相制御板4は 上述した(1)(2)の2種類の渦形成についてそれ� �れの環境、セル構造に基づいて配置され、� �セルを明確化し位置を固定化する。

 従って、位相制御板4によりゾーン単位で 安定化するというとき、次の2つの場合が存� �するのに注意しなければならない。すなわ� �、1つ目はこのゾーンをゾーン単位毎に切り� ��える場合であり、言い換えれば、位相制御� ��4によって各ゾーンをバラバラに安定化する 場合である。また、2つ目は一対のゾーンで� �り換えを行う場合であり、位相制御板4によ� ��て一対のゾーン(単位としてのゾーンが2つ)� ��同時に安定化する場合である。何れの場合� ��なるかは基本的に風胴体2の形状による。

 この位相制御板4は風胴体2の形状が軸対� �の場合、渦生成体2cの周方向に所定ピッチで 配設される。以下、位相制御板4を風胴体2に� ��のように配設するかについて具体的に説明� ��る。

 風胴体2の内外部流は風胴体2の外周、内周� �全周で剥離し、下流の周方向の各断面でカ� �マン渦を形成する。そして、上述したよう� �、その断面、断面での渦形成には円周方向� �おいて強い渦形成、弱い渦形成とむら(ゆら� ��)が存在する。この強い渦形成、弱い渦形成 が出現する周方向の範囲は、2次元円柱の軸� �向の渦形成ゆらぎスケール(3d _c ~4d _c 、d _c :円柱直径)よりやや小さい規模で、風胴体2の 主流から見たドーナツ状の各断面の投影幅を D(鍔高さhを含む)とすると(図8参照)、その円� �方向の渦形成ゆらぎスケールは2D~3Dとなる。 これは2次元円柱が円環状に閉じて3次元形状� ��なっていることに対応し、定量的にも裏付� ��られる。これについては後述する。最も有� ��な位相制御板4の枚数である12枚は(図7参照)� ��胴体2の各断面投影幅Dに対して円周方向に� �2Dの円弧範囲に対応し、これよりやや劣る6� �の場合は約4Dの円弧範囲に対応する。

 すなわち、枚数をN、風胴体2の内径をdと� ��ると、2次元の場合のアスペクト比(縦横比)� ��対応する{π・(d+D)・D/D・N}=π・(d+D)/Nが渦形� �ゆらぎスケールである。2D~3DはNが12枚の場合 、これはd/hが大体6~12程度の値に相当する。� �って、位相制御板4による渦形成ゆらぎスケ� ��ルは、各ゾーンをバラバラに安定化する場� ��(h/d≪1)と、一対のゾーンを同時に安定化す� ��場合(hとdが同じオーダ)、の両方に跨ってい ることが分かる。

 図6は風力発電装置1の後流側で渦生成体2c周 囲の外部流れの様子を示したものである。図 示はしないが、渦生成体2c前面の死水領域に� ��成される流れ、また、渦生成体2cを含んだ� �胴体2の内側を通過した内部流れが剥離する� ��れにも同様の循環するセルが形成される。� ��お、図6に示すセル構造は、非線形形状物体 の周りの円周方向の流れの循環であり、流れ 場の速度ベクトル3成分(U+u,v,w)から主流速度� �分Uを差し引いたときに表現されるセル構造� ��示す。円周方向の各ゾーンP ₁ ~P ₁₂ に形成される循環S,S’がこのセル構造の単位 となるセルとなる。

 図13はこのようなセル形成の様子を数値� �算によってシミュレーションしたものであ� �。この場合は、複数のゾーンの何れかが独� �して強くなったり、弱くなったりする場合� �あって、安定性が弱い渦形成の場合に相当� �るシミュレーションである。図13(a)はある瞬 間の鍔高さ5%の渦生成体2cの流入側(前面)の壁 面における静圧分布を示し、図13(b)は同じ瞬� ��のこの渦生成体2cの後流側(背面)の壁面の静 圧分布を示している。図13(a)において最も濃� ��グレーの色は静圧が低い部分、薄い色は静� ��が高い部分である。計算結果によれば圧力� ��高低を示す領域があるタイミングで周方向� ��ランダムに分布していることがみてとれる� ��この分布状態が次の瞬間にはゆらぎによっ� ��別の分布状態に変化する。図13(a)(b)によれ� �、流入側から後流側の両方に静圧分布で同� �ような高低の部分が交互に現れており、等� �線が閉じていることから流れにはセル、セ� �構造が形成されていることが分かる。後端� �の後流側と流入側に形成される前後のセル� �造によって主流が風胴体2の周りに曲がって� ��れることができる。この数値計算では位相� ��御体が設置されていないため、各セルの幅� ��長短ができている。このように数値計算に� ��るシミュレーションからも、風胴体2の後端 面内で周方向にセル構造が形成されることが 分かる。

 渦形成の強弱のゆらぎは、風胴体2の円周方 向にセル単位で移動する。軸対称の風胴体2� �渦生成体2cの場合、理論的に考えると周方向 に偏りがあるはずがなく、均等な周期で規則 性をもって移動する可能性が高い。しかし、 現実の物体においては、完全に軸対称で理想 の形状に作製することは難しく、加えて現実 の流れは理想的な一様流とは微妙に異なるた め、12個円環状に並んだゾーンP ₁ ~P ₁₂ がそれぞれ独立に、あるいはその一対のセル が独立に強くなったり、弱くなったりしてい る。但し、ある時間帯(タイミング)で強くな� ��のは1個のP _n あるいは一断面内に存在する一対のP _n とP _n+6 である。従って、こうした現実の機械である という事情を加味すると、一方向に回転する 可能性もあれば、ランダムに移動する可能性 もある。

 なお、例えば3次元の正方板や矩形板の渦 生成体2cの場合は、正対する二つの辺を1組と して、計2組で構成される、直交する2つの渦� ��成優越ゾーンでスイッチングするが、実際� ��実験を行ってみると、そのスイッチングの� ��期はランダムである。そして、ここでこの� ��うな図6で図示された流れの状態を形成する 条件は、スロート部2aの内径dに対して渦生成 体2cの径方向の高さhがh/d≪1、あるいはhとdが 同じオーダの長さ、という関係を満たすこと である。

 要するに、ある時間帯t ₁ に、図6のP ₁ ~P ₁₂ で示した位相制御板4で区画された風胴体2の� ��画領域、すなわちゾーンの上にセル構造が� ��成され、仮にP ₁ の位置の渦形成が強まってP ₁ が渦形成優越ゾーンになったとすると、その 時間帯t ₁ の間にセルS、S’の断面のゾーンで強いカル� ��ン渦形成が起こる。次のある時間帯t ₂ になると別のP _n のセルS、S’の断面位置のゾーンにカルマン� ��が強く形成される。このような渦形成優越� ��ーンが12個のセル構造(ゾーン)の中で、それ ぞれ各P _n でバラバラに、あるいはP _n とP _n+6 の一対が一緒に入れ替わり、後流の3次元的� �列を形成する。渦形成優越ゾーンがP ₁ ~P ₁₂ の位相制御板4で区画されたゾーンのセル間� �切り替わる順序は、バラバラあるいは一対� �場合共に、ある方向に移動、回転(n=1,2,3・・ ・,12の順で順序正しく繰り返し)している可� �性もあれば、またはランダム(n=i,k,j,・・・)� ��移動している可能性もある。

 しかし、本実施の形態1においては、位相制 御板4を使って渦生成体2cの周囲を外周、内周 に跨って図6のP ₁ ~P ₁₂ の区画領域に分割し、セル構造の各セルをそ れぞれの独立にしている。このため円周方向 に存在する各セルが位相制御板4を越えて変� �し、影響を及ぼすことがなく、位置が固定� �され、互いの循環(速度ベクトルの3成分(U+u,v ,w)から風の主流速度成分Uを差し引いて描か� �る流れ場のセル)が明確化し、この明確化さ� ��たセル単位でカルマン渦の形成位置を移動� ��せることができ、流れ全体を強制的に安定� ��させる。位相制御板4を設けない場合、セル の位置は変動して大きさも伸縮し、位相制御 板4を設けた場合と比較するとゾーンのスイ� �チングのタイミングや順序も変わったもの� �なる。後流に形成されるカルマン渦もセル� �変動の影響で安定性に欠けたものとなる。� �形成優越ゾーンが明瞭でなくなると、渦列� �作用は低下し安定的な渦列、内部流れとは� �えなくなる。位相制御板4はセルとゾーンを� ��応付け、セルの位置を安定化、固定化する� ��これが位相制御板4を設けた利点である。な お、従来の整流板はこうしたセル構造やカル マン渦とは関係なく流れを単に整流し円滑に 流れるようにするだけのものである。

 さらに、非線形形状の物体表面の流れに� ��けるゆらぎについて補足すると、強い渦形� ��、弱い渦形成というゆらぎは2次元円柱でも 発生するが、風胴体2はいわば2次元円柱が円� ��状に閉じて3次元形状になっているものであ るから、この形状に起因して3次元の流れの� �では渦形成ゆらぎスケールがやや小規模に� �る。すなわち、2次元の無限長の物体のゆら� ��と違って3次元の場合遠心力などが影響して 不安定さが増し、渦形成ゆらぎスケールが小 さくなる。従って、ゆらぎスケールに関して はその形状の変化に伴って差があるものの、 非線形形状の物体表面の流れは、主流Uの方� �に関して軸対称な物体であっても周方向に� �線で揃って同時に剥離することはなく、周� �向にセル単位で強弱が生じ、ゆらぐことに� �る。そして、実施の形態1のようにセルを分� ��することのない位相制御板4を設けると、各 セルが円周方向に位置が不安定になることが なく、強さも固定化されたものとなり、セル 同士を明確化し、この明確化し安定化された セル単位毎にカルマン渦の形成位置を移動さ せる。これによって流れの場全体が安定化す る。また、全ゾーンを渦形成に関して均等に 形成すると、各ゾーンが同等に渦形成優越ゾ ーンになる機会が高まり、渦列を利用した流 れを安定させることができる。

 ところで、位相制御板4の数、ゾーンの数 を自然の流れに任せて形成されるセルの数よ り多くすると、本来のセルを強制的に無理や り分割することになってしまい、後流側の渦 もそれほど強い渦にはならない。渦形成優越 ゾーンも目立たなくなる。位相制御板4の数� �ゾーンの数をこのセルの数より少なくした� �合も、1個のゾーンの中に複数個のセルが存� ��することになり、互いのセルが伸縮、移動� ��影響し合って安定化の作用を弱め、この場� ��も同一数の場合よりも強い渦にならない。� ��7(a)(b)(c)(d)はこの様子を模式的に画いたもの である。従って、非流線形風胴体の形状に従 って自然に形成されるセルに等しい位相制御 板4の数とするのが最も効率的となる。なお� �風力発電装置1との関係で言えば、位相制御� ��4は板である以上材料を選ぶことによって風 力発電装置1の構造面で間接的に強度を増す� �とができる。位相制御板4を設けることで風� ��体2の構造が補強されれば、今後期待の大き い大型風車実現の一助となり、実現を促進す ることができる。

 風力発電装置1の周りの流れは基本的に自 然風などの不規則な流れである。位相制御板 4はこの不規則な流れに対して強制的に安定� �たセル形成を促す。すなわち、位相制御板4� ��、もとのブラフボディ状態で潜在的に存在� ��るセル構造を明確化し、流れを安定化させ� ��風速を増す。

 ここで実際に風胴体2周りの流れの観察を 行うと、位相制御板4によって仕切られた各� �ーンでは2次元物体のように渦形成の位相が� ��っているのが分かる(図11(b)の写真を参照)。 このように位相が揃う結果、風胴体2の背後� �はより強い渦形成がなされ(図12(b)で分かる� �うに背後での巻き込みが強い)、付近の静圧� ��より低圧化する。つまり、ある時間帯に、� ��胴体2の円周方向で、強い渦形成をしている ゾーンとか、弱い渦形成をしているゾーンと かの、ばらつき、偏りがなくなり、常時各ゾ ーンで渦形成が安定化することができ、位相 制御板4がない場合と比較し、より強い渦形� �がより多くの時間に行われ、風胴体2背後は� ��り低圧化される。この構成によって、渦列� ��利用した流れを安定した流れにすることが� ��き、流入する流体の流速を増し、ディフュ� ��ザの長さが短く、大型化が可能になり、エ� ��ルギー変換率を高くすることができる。

 また、図2のような位相制御板4を設けな� �位相制御体の場合も考えられる。すなわち� �軸対称の非流線形形状の場合、このブラフ� �ディ固有のh/dを選択するとともに、各ゾー� �を区画することができる誘因部材、例えば� �形成体2cの周方向に規則性、周期性を有する 形状、すなわち周方向に周期的に出っ張り部 分が形成されるような多角形状、あるいは周 方向に三角関数で変化する形状、突起の周期 的な分布などの構成を付与することで、区画 領域が形成され、セルS、S’の位置や大きさ� ��渦形成優越ゾーンの切り換わりが安定化、� ��則化し、位相制御板4を設けた場合と同様の 作用効果をもたせることもできる。渦形成体 2cに形成された規則性のある形状が位相制御� ��を構成し、この誘因部材によって区画され� ��各領域が渦形成のためのゾーンになり、渦� ��成優越ゾーンが形成され、位相制御板4と同 様にセル構造を明確化できる。

 以上説明したことは風力発電装置1に限ら ず、内外部を流れる流れの中で運転する渦列 を利用した流体機械でも同様である。最適の セルS、S’の数、最適の位相制御板4の位置を 選択することにより、流れは安定化し、風速 を増し、大型化が可能で、高出力の発電を行 うことが可能になる。

 ところで、図8は風胴体2内の風速分布を� �測したもので、スロート部2aの直径dの10%の� �さhをもつ鍔(渦生成体2c)が図4の(d)で示した� �率半径が比較的小さな断面形状をもつ2次曲� ��の回転体ケーシングの後端に取り付けられ� ��風胴体2で測定を行ったものである。そして 、この風胴体2に対して外部の流れとして風� �Uが4(m/sec)の風と、8(m/sec)の風を送風して風速 分布を計測した。風速分布のZ(mm)は、図8に示 したようにスロート部2aの内周面から軸中心� ��向かう高さである。

 この図8によれば、外部の流れが4(m/sec)、8 (m/sec)の何れにおいても、位相制御板4を設け� ��方がスロート部2aにおいて数%増速しており� ��特に内周面ごく近傍での風速の増加が著し� ��。これは安定化され、強化された渦による� ��き込みの作用と考えられる。そして、外部� ��流れの風速Uが大きくなるほど平均流速が増 すと共に、羽根車3の先端付近の流速が中央� �り大きくなっているのが分かる。

 次に、位相制御板4の枚数Nが及ぼす影響、� �なわち位相制御板4の数Nを増減したとき、平 均流速、羽根車3先端の流速が増減し出力係� �Cwが増減するものか否か、について実験結果 を説明する。図7は位相制御板4の枚数Nと最大 出力係数Cw _max の関係を示すものである。上述したように出 力係数Cwは無次元量で、Cw=W/{(1/2)・πρU ³ r ² }である。最大出力係数Cw _max はこのCwの最大値である(図5のλ=4付近参照)。 実験は、上記10%の高さhをもつ鍔が図4の(d)で� ��した曲率半径が比較的小さな断面形状の回� ��面ケーシングに取り付けられた風胴体2で行 い、風速は何れも5(m/sec)で行った。

 この実験結果をみると、位相制御板4の枚数 Nが12枚のとき、最大値Cw _max =0.723を示し、N=6枚のときCw _max =0.72である。位相制御板4がない場合と、N=24� �のときはCw _max =0.7であり、N=36枚のときCw _max =0.701であった。この結果は、上記h/d=0.17でh/d� ��1の関係を満たすときのものであるが、自然 な流れでセルが形成される12個に相当する枚� ��Nを12枚としたとき、最も高効率で高出力と� ��ることを示す。これを模式的に表示したも� ��が図7(c)である。このとき、内部の流れは増 速され、安定した流れとなる。

 枚数Nを6枚(1/2)にした場合は、セルを1個� �ゾーンに対して2個ずつ調整することになり� ��1個のゾーンの中に複数個のセルが存在する ため互いのセルが影響し合ってその分だけ不 安定になり、渦形成優越ゾーンは枚数Nが12枚 の場合と比較すると、少し強弱が明瞭でなく なる。これを模式的に表示したものが図7(b)� �ある。しかし、位相制御板4を設けない場合� ��比較するとこの場合も相対的に高出力であ� ��。そして、1個のゾーンに収容されるセルの 個数が2個より多くなって、1個のゾーンにm個 (m=3,4,・・)が収容されるような場合、すなわ� ��位相制御板4の枚数が(1/m)倍の枚数(当然に整 数)になるような場合にはさらに出力が低下� �る。渦形成優越ゾーンは次第に明瞭でなく� �る。そして、自然の流れに任せることによ� �てセルの数mが最大になり、風胴体2全体でゾ ーンが1個になるまで(言い換えれば図7(a)のよ うに位相制御板4を設けない場合になるまで)� ��力は減少する。

 逆に、枚数Nがセルの数よりも増加すると、 図7(d)の破線で示したように本来自然に形成� �れるセルが無理やり複数に分割されること� �なり、流れは円滑になっても、渦列を制御� �るための渦形成優越ゾーンの存在、機能を� �没させ、出力は増加しない。これがN=24枚、3 6枚の場合に、N=0枚とほぼ近い最大出力係数Cw _max を示した理由である。要するにセルが不自然 にならないようにし、渦形成優越ゾーンが位 相制御板4による規制で安定して切り替わる� �うにすればよい。位相制御板4を設けること� ��セル構造が明瞭化し、固定化することがで� ��るが、位相制御板4の枚数Nを所定の枚数に� �ったり、あるいは形状を変えたりすること� �どで、明瞭化した渦形成優越ゾーンの移動� �ゾーン単位で安定して行うことができる。� �に言えばブラフボディに対して、渦形成優� �ゾーンの移動をゾーン単位で安定して行う� �うに位相制御板4を設けることが望まれる。

 なお、以上の実験結果はh/d≪1の風胴体2� �行ったものであるが、正方形、六角形、八� �形等の多角形リングの鍔の場合などでも、� �対称であれば基本的に同様である。この場� �は位相制御板4を設けない位相制御体となる� ��h/dを選択するとともに、各ゾーンを形成す� ��渦形成体2cの周方向に規則性、周期性を与� �れば、この場合もセルを明確化し、明瞭化� �た渦形成優越ゾーンの移動をゾーン単位で� �定して行うことができる。

 図9は周速比λと出力係数Cwの関係を位相� �御板4の有無で比較したものである。渦生成� ��2cはスロート部2aの直径の5%の高さをもつ鍔( リング)で、後述する通常サイズの位相制御� �4を装着したものと、これを装着しなかった� ��のを比較した。風速は8(m/sec)である。これ� �よると、位相制御板4無しの場合λ=3.6程度で� ��力係数Cwが大幅に低下するが、位相制御板4� ��有りの風力発電装置1はこの位置で若干の低 下は見られるものの全体的に4%程度の出力係� ��Cwの増加が見られ、λ>4でその効果が顕著� ��ある。

 続いて、位相制御板4のサイズの影響を調 べた。図10はサイズの異なる2種類の位相制御 板4を5%高さの鍔(リング)に装着したものと、5 %高さの鍔(リング)だけのものを比較したもの である。風速は8(m/sec)である。位相制御板4は 12枚等ピッチで装着した。

 この位相制御板4の一方(以下、通常サイ� �)は、風胴体2の長さLtの1.46倍長さで、後流側 に0.36倍の長さ分延長された長さをもち、リ� �グの高さhの2.0倍程度の高さに形成された断� ��イチジク状の形状を有しており(図1,3参照)� �風胴体2の後流側で渦生成体2cへ挿入可能な� �込みが設けられている。実験したもう一方� �種類は拡大サイズであり、風胴体2の長さLt� �1.8倍長さで、後流側に0.55倍長さ分延長され� ��長さをもち、リングの高さhの3.0倍程度の高 さに形成された断面イチジク状の形状で、同 じく渦生成体2cへ挿入可能な切込みが設けら� ��ている。なお、これらの位相制御板4の概観 形状は図1,3に示すとおりである。

 さて、図10は、スロート部2aの直径dの5%の 高さhをもつ鍔(リング)を備えた風胴体2で、� �常サイズの位相制御板4、拡大サイズの位相� ��御板4をそれぞれ12枚装着した風力発電装置1 と、位相制御板4を装着しなかった風力発電� �置1を比較した実験結果である。

 これによると、位相制御板4無しの場合、図 9と同様にλ=3.6程度で出力係数Cwが大幅に低下 するが、通常サイズの位相制御板4を設けた� �力発電装置1はこの位置で落ち込みがない。� ��お、図9で実験した場合と比較してλ>5以� �では出力係数Cwにさほど差はみられなかった 。しかし、最大出力係数Cw _max をもつλ=4付近で出力係数Cwに0.03に近い差が� �じている。これは実用上きわめて重要であ� �。そして、拡大サイズの位相制御板4を設け� ��風力発電装置1はこのλ=3.6付近で落ち込みが ないだけでなく、通常サイズの位相制御板4� �り出力係数Cwが0.02程度向上し、これは通常� �イズより2.2%の出力が向上したことを意味す� ��。

 以上、位相制御板4の作用について実験結 果などに基づいて説明したが、図11,12は位相� ��御板4を設けた非流線形をなす風胴体2の流� �を実験的に可視化した写真である。図11(a)は 位相制御板4が設けられていない場合の渦生� �体2cの後流側から撮影した流脈線(ストリー� �ライン)の状態を示す。綺麗に流れてきた流� ��が渦生成体2cの背後に流れ込み、渦を形成� �ているのが分かる。しかし、渦の状態は明� �とは言えない。これに対して、図11(b)の位相 制御板4を設けた場合の風胴体2は、綺麗に流� ��線が揃い、上下2枚の透明な位相制御板4の� �の右端側(後流側)に渦の固まりが形成されて いるのが分かる。なお、中央の棒は支持のた めのもので関係がない。

 図12(a)は位相制御板4が設けられていない� ��合のリングの渦生成体2cの側面から撮影し� �流脈線の状態を示す。位相制御板4の上下で� ��れが剥離し、後流側に渦列を形成している� ��そして、図12(b)は位相制御板4を設けた場合� ��リングの渦生成体2cの側面から撮影した流� �線の状態を示す。図12(b)の方が風胴体2の背� �で強い渦の巻き込みを示し、後流側で強く� �定した渦列を形成しているのが分かる。

 ところで、以上主として風車、とくに風� ��発電装置1の流体力学的な側面の構成につい て説明したが、以下発電装置としての側面に ついて説明する。図14に示すように、実施の� ��態1の風力発電装置1は風車の羽根車3の回転� ��が発電機11に伝達され、発電機11を駆動して 発電を行い、外部に電気を供給する。なお、 風車は発電装置付きのものに限られない。回 転力は発電機11を介すことなく直接出力され� ��よい。例えば、ここでは図示はしないが、� ��動機として、回転軸をポンプの駆動軸に連� ��して揚水に利用したり、ガスを圧縮して畜� ��して畜圧器内にエネルギーを蓄えたり、攪� ��機を駆動して温水にして提供したりするこ� ��ができる。これらも風車であり、流体機械� ��ある。

 さて、風力発電装置1の場合、図14に示す� ��うに羽根車3の回転力は回転軸、伝達機構を 介して発電装置10内の発電機11に伝達され、� �電機11で発電される。発電機11には例えば誘� ��発電機等を用いればよい。発電機11で発電� �れた電気は交流であるため、これがAC/DCコン バータ12に供給されて直流電力に変換される� ��変換された直流電力は充電装置13において� �ッテリ14に充電される。このバッテリ14は非� ��用電源として利用できる。また、AC/DCコン� �ータ12からの直流電力はDC/AC変換器15によっ� �再び所定の電力となるように電力調整され� �交流電力に変換され、交流電源として電力� �統16に送られる。なお、発電装置10の構成は� ��上説明したものは一例であり、これに限ら� ��るものではない。

 次に、制御装置17の動作について説明す� �。発電機ロータの回転数を検出するセンサ� �発電機11の回転数を検出するとともに、ギャ ップ検知器20で羽根車3と風胴体2の内周面と� �間の間隙を検出する。制御装置17はこの回転 数を基に過回転か否かを判定し、過回転と判 断すると、出力を低下するためアクチュエー タ18を駆動し、間隙を広げる方向へ風胴体2を 動かし、最適位置まで軸方向に移動させる。 これでも過回転の場合は、変速/クラッチ機� �を有する伝達機構19で回転数を下げる。逆に 、羽根車3の回転数が小さい場合は、その間� �をアクチュエータ18によって最大出力が得ら れる最適な隙間に制御する。この間隙は空気 力学的に発生する騒音にも影響し、チップボ ルテックスを砕き、最大出力が得られるとき には騒音も小さくすることができる。羽根車 3を可変ピッチにして制御装置17で強風時には ピッチを変更することもできる。

なお、アクチュエータ18は必須の部材では� ��い。風胴体2を移動させない場合は制御装置 17による出力の制御に委ねて出力を電気的に� ��理することもできる。そして風胴体2は支持 台22の支持柱に設けられた係止部18aに、羽根� ��3の軸方向にスライド可能に支持される。ア クチュエータ18を伸縮することで風胴体2を軸 方向にスライドさせる。風胴体2を移動させ� �い場合は風胴体2を支持柱に固定すればよい� ��

 AC/DCコンバータ12からDC/AC変換器15に導か� �る電圧/電流は図示しない電圧/電流センサに よって電圧/電流が検出され、この信号が制� �装置17に入力される。制御装置17はこの検出� ��号を基にDC/AC変換器15を制御し、電圧を一定 にして変動しないように制御する。この調整 後の電力は電力系統16に供給される。

 ところで、実施の形態1の風力発電装置1� �、支持台22を地面に対して回動自在にして設 置している。この理由は、風車は流れの作用 でできるだけ抵抗を減らす方向へ流体力が作 用し、常に風上を向くように回転する。この ため、実施の形態1の風車においては、この� �うな単純な構成ながら、その向きを最大出� �が得られる方向へ自動的に調整することが� �きる。なお、微小な流れの変動もあるので� �これに対して過度に追従しないように、変� �による回転の機械的抑制機構を設けたり、� �御装置17によって過度な追従を抑制する抑制 機能を実行させたりするのもよい。

 このように本発明の実施の形態1における 風車は風力発電装置1であるため、羽根車3の� ��転力が発電機11に伝達され、発電機11を駆動 して発電し、外部に電気を供給する。風胴体 2の内外を流れる流れを使って渦列を形成す� �流れを形成し、この流れを安定したものに� �ントロールし、内部流れの風速を増し、高� �力の発電を行うことができる。また、ディ� �ューザの長さを短くでき、これにより数m以� ��のマイクロ風車、ミニ風車だけでなく、発� ��能力がMW級の大型風力発電装置用の風車に� �で大型化が可能になり、高エネルギー変換� �を得ることができる。構造上も補強になる� �そして、実施の形態1における流体機械の内� ��流れ増速方法によれば、渦列を形成する流� ��を安定したものにすることができ、流体機� ��の外部流れで内部流れの風速を増加させる� ��とができる。

 (実施の形態2)
 以下、本発明の実施の形態2における非定常 流れを利用した流体機械、とくに水車等の水 力機械、中でも潮流で発電することのできる 潮流発電装置について説明をする。図15は本� ��明の実施の形態2における回転面と鍔から構 成された鍔付きケーシングを備えた潮流発電 装置の外観を示す。

 図15に示すように、潮流発電装置31は海流 の流れの激しい場所に支持台22が回動自在に� ��底に設置される。複数台を主流に対して直� ��方向に横一列に並べて設置する。羽根車の� ��さは海面の影響をあまり受けない高さに設� ��するのがよい。満潮時と干潮時とで海流の� ��きが変わる場合、潮流発電装置31は回転に� �り流れの作用で流れの方向へ向くことがで� �る。小刻みな回転を防ぐため制御装置17で回 転にロックをかけるのもよい。この潮流発電 装置31の構成は図14の風力発電装置1の構成と� ��本的に変わりがないので、その構成は図14� �参照することとし、説明の詳細は図13の説明 に譲る。ただ、実施の形態1の風胴体2の説明� ��ケーシング23の説明に対応する。

 また、潮流発電装置31は海底に設置する� �でなく、海面上で支持台22を吊下げる方式も 可能である。潮流発電装置31においてもアク� ��ュエータ18を設けてもよいし、ケーシング23 を発電機11まわりなどに支持するのでもよい� ��さらに、発電装置10の要部やアクチュエー� �18などをすべて海面上に設置することもでき る。

 このように本発明の実施の形態2における 流体機械は潮流発電装置31であるため、潮流� ��よる羽根車3の回転力が発電装置10を駆動し� ��発電し、外部に電気を供給できる。実施の� ��態2における流体機械も、ケーシング31の内� ��を流れる流れを使って2次元的あるいは3次� �的に渦列を形成し、この流れを安定した流� �にコントロールし、内部流れを増速し、高� �力の発電を行うことができる。しかも、ケ� �シング31は構造上の補強にもなるものである 。

 なお、以上説明した風車、水力機械など� ��流体機械のほかにも、本発明の非定常流れ� ��利用した流体機械の内部流れ増速方法は利� ��することができる。例えば、大気中でジェ� ��トエンジンの性能を試験する性能試験装置� ��おいて、ナセルの周囲にケーシングを設け� ��内部のロータを回転させ、ジェットエンジ� ��の吸気口に吸い込まれる風量を増加させる� ��とができる。このような場合も、これによ� ��て高性能試験装置が得られる。