利用了非恒定流的流体机械、风车以及流体机械的内部流体增速方法

摘要

本发明的目的在于提供一种流体机械、风车和内部流体增速方法，其中，壳体的设计和制造简单，利用壳体的形状形成旋涡组流体，在出口侧实现强负压的负压区域，利用了使内部流体增速的非恒定流。本发明的主要特征在于，壳体(2)的基准形状由摆线构成，该摆线连接前缘(2b)和后缘(2d)之间并且在与该前后缘之间的喉管部(2a)对应的轴向位置具有凸部，喉管部(2a)和用于在比该喉管部(2a)更靠近尾流侧的位置、生成负压区域的旋涡生成面(2c)被形成在壳体(2)的内周面(201)上，并且，在与该旋涡生成面(2c)相邻的喉管侧相邻面的边界上，形成使内部流体剥离的第二流出梯度，并且在壳体(2)的外周面(202)上，在后缘(2d)形成第一流出梯度，通过非流线形壳体，在旋涡生成面(2c)的背后生成涡度强的负压区域，使内部流体增速。

说明书

技术领域

本发明涉及一种在内外部流体中运转的利用了非恒定流的流体机 械、对基于大气中的风的内部流体进行增速而进行高输出功率的发电 的风车以及流体机械的内部流体增速方法。

背景技术

近年来，以地球温暖化为首的全球规模的环境问题，或者被错认 为取之不尽的石油等能源资源开始枯竭这样的能源问题正日益成为世 界共同的认识。

在这样的状况下，不排出CO₂的风力发电作为同时解决环境问题、 能源问题的能源生产手段而受到关注。然而，即使风力发电装置是大 型风车且具有高效率，也仅能将40％左右的在风车内部流动的风的动 能转换为电力。如果提高该转换量，则风力发电更能在环境问题、能 源问题上占据重要的位置。

然而，现有的风车大多具有露出在空气中的叶轮，被设置在机场 周边等的风车也很多。在这样的机场周边，虽然设置有多普勒雷达来 监视飞机的动向，但是也频繁发生将风车的旋转误认为小型飞机接近 或起飞的情况。尤其是，在风车较多的欧美的地方机场，这作为深刻 的问题被防止。但是，在传统的风车中，没有发现解决的线索。

与此相似，有鸟击的问题。对风车的需求越高，风车的数量增加 的越多，飞行中的鸟被吸入叶轮中的频率就越高。修复破损的叶轮， 则会导致风力发电的运转率降低，风力发电对电力供给的贡献量降低。

然而，风力发电的输出与风速的三次方成比例。因此，在设置风 车的时候考虑：选择风力强的地域作为设置点，尽量使风集中并增速， 使发电量增大。所以，关注风力发电装置的入口侧的集风体、叶轮甚 至是扩散器等的改良，为了尽量提高能量转换效率而谋求对策。这些 都是从传统的涡轮机械的相关方面来考虑并采取的应对策略。当然是 有限的。

于是，本发明人和其他研究人员挑战关于这样的风力发电装置的 常识(参照专利文献1)。即，得出了这样的观点：只要能够实现高输 出功率发电这一目的，就没必要像现有的设备那样局限于流线体、恒 定流的构思。现有的流体机械以易解析的流线形的形状、恒定流为基 础，可以说没有使用非流线体(Bluff-body)、非恒定流的涡轮机械。然 而，虽说是非流线体、非恒定流，但只要能实现稳定的流动，使内部 流体的速度大于现有的流体，实现流体的改善，就能达到机械本来的 目的。另外，在这里，预先定义流线体、非流线体。流线体是因流体 机械中所使用的范围的雷诺数Re而使得流体的流动几乎不从物体表面 剥离的形状，非流线体是指发生这样的形状之外的剥离的形状。

于是，为了实现上述观点，本发明者们提出了专利文献1的风力 发电装置。该风力发电装置采用这样的结构：设置有筒状的风洞体和 配置于风洞体的风流入口附近的发电用风车，在风洞体的流出口的口 缘的外侧配置平板状的凸缘片，该凸缘片垂直于在风洞体的外侧流动 的风发生冲撞而在背后形成强旋涡的风的流动方向，将相对于风洞体 轴的侧壳体部的倾斜角设为5～25°的范围。关于风洞体，从旋转叶片 的安装位置到流出口可以说是单纯地进行扩大的扩大管，凸缘片具有 风洞体的最小内径的10～100％的宽度。

设置这样的凸缘片(可以说是圆环)，逆流而形成旋涡等，这些 是现有的流体机械的常识所没有的。而且，在该凸缘片的背后所形成 的旋涡也应说是在同心圆的圆环尾流侧的内外周交替地发生的所谓的 卡曼涡，在预定的时机交替地(非恒定地)生成，该旋涡将风洞体的 流出口附近低压化，通过压力差来提高内部流体的流速。

该风力发电装置的结构可以说在风力发电装置或流体机械中创造 了新的类型(称为具有非流线形状的流体机械的类型)，利用在流出 侧生成的旋涡，控制流体机械附近的整体流动，向装置内部吸入更强 的风，使其沿着该内壁面流到流出口，高效率地进行加速。而且，利 用该增速后的流体，能够使得发电的输出功率比现有的设备更高。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第3621975号公报

发明内容

发明所要解决的问题

然而，关于专利文献1的风力发电装置，提出了这样的初期构思： 在风洞体的流出口的外侧设置垂直的平板的凸缘片，该凸缘片利用在 风洞体的外侧流动的风的冲击而在背后形成强旋涡。从具有非流线形 状的流体机械、即覆盖流体机械的非流线形状的壳体周围的流体控制 的观点出发，该技术还处于未发展状态。再者，在这里所说的壳体是 指覆盖叶轮的周围而基本上不旋转的结构，是放弃了专利文献1的风 洞体和凸缘片的流体机械的部件。

今后，作为具有发展前景的流体机械，为了进一步的发展，需要 深入研究非流线体周围的流体的性质，弄清流体的特性，提高由壳体 实现的增速特性。因此，需要使用壳体来使得在非流线体周围的流体 形成为强的旋涡组流体，并且在流体机械出口形成局部的强负压区域， 将内部流体设置成稳定的流体。而且，没有充分地弄清设置什么样的 形状的壳体才能够实现这样的流体。获得这样的最佳形状的壳体的困 难之处，也可以从旋涡在流体力学中显著地表现出非线性的现象得出。

而且，本发明者们已经提出了将非流线形状的壳体周围的旋涡组 流体稳定化的控制技术(PCT/JP2008/003187，其国际公布号为 WO2009/063599A1)。对此进行说明。在非流线形物体的表面流动的 流体通常随着雷诺数Re而在尾流侧剥离。然而，该剥离并不是在与流 体正交的周方向的一条线上一致且整齐地发生，旋涡的生成在旋涡形 成的标度上具有强弱的起伏(旋涡组波动)，通过强的波动位置的剥 离，生成比其它位置强的旋涡。如果不将伴随该旋涡的流体整体稳定 化，则不能利用非流线形物体周围的流体，因此，在该控制技术中提 出了在壳体的尾流侧设置旋涡生成体，进而在其上设置相位控制体， 在后端面内，使旋涡的形成波动的相位在周方向上一致，将流体的小 区构造明确化，将其位置固定化。另外，在本发明者们优先申请的方 案中，采用在旋转体壳体的尾流端安装凸缘作为旋涡生成体的实施方 式对发明进行了说明。该凸缘可以说是为了将旋转体壳体设置成非流 线体而仅作为阻挡外侧流体的物体来安装的，稍微确切地说，只是用 于使周围流体发生剥离、在尾流侧形成排列在周方向上的卡曼涡组的 机构。因此，在先申请的方案公开了这样的技术：对于形成在进行阻 挡的物体的背后的尾流，在该前提的基础上，使旋涡组流体在壳体的 周方向上稳定。这并没有公开用于形成最强且稳定的旋涡组流体本身 的非线性形状的条件，即没有公开非线性形状的壳体将流体的剥离现 象、非恒定流控制在最佳状态，形成最强且稳定的旋涡组流体的最佳 壳体形状的条件。

然而，上述本发明者们的优先申请的技术与现在已知的边界层控 制技术和整流板相似但不同。即，现有的边界层控制技术和整流板用 于防范从物体表面的剥离，但在本控制技术中，并不是防止剥离，而 是使流体充分地剥离，其结果是使所生成的旋涡流整体秩序化、稳定 化。并不是防止旋涡，而是相反，使产生旋涡并控制产生旋涡后的流 体。

但是，只要不设置相位控制体，并且能根据非线性壳体本身的形 状，让波动的相位一致，使非恒定流整体秩序化、稳定化，就可与如 上所述的新控制技术一起更好地进行非恒定流的控制。这是与现有的 流体机械的壳体完全不同的构思。也就是说，并不是如上述现有技术 那样，仅仅是在确定了形状的非流线形壳体中使非恒定流稳定化的技 术，而是应该追求能最有效地利用非恒定流的非流线形壳体本身的形 状。确实，如果阻挡流体则能产生旋涡组，但是与能最大限度地利用 非恒定流的非流线形壳体是不同维度的。仅仅单纯地将壳体设置为非 流线形，会导致压力的不必要的损失，旋涡组的旋涡强度不强，不会 明确地出现强负压的负压区域。

该壳体基本上与现有的、在恒定流中着眼于低阻力的流体机械的 壳体不同，不拘束于剥离这一直接的缺点，考虑了作为整体的良好性 能，着眼于满足此的壳体。确实，非线性形状产生高阻力，通常该缺 点较大，但是具有其它优越的特性，例如可获得流体机械的高输出功 率等特性，而且只要优越的特性充分地弥补了缺点，就不应顾虑该壳 体的采用。

另外，现在，风力发电装置迫切要求大型化。专利文献1的风力 发电装置在大型化的情况下，扩散器变长(倾斜角为5～25°)，重量 增加。在叶轮为直径数m以下的微型风车、小型风车的情况下，即使 如此，也是能容许的重量，但是在今后预定开发的发电能力为MW级 别的大型风力发电装置中，预定10m～数十m的叶轮直径，在之前提 出的扩散器中为不能容许的重量。当进行MW级别的大型化时，不能 避免使风洞体小型化。这时候，只要仅利用壳体的形状就能使内部流 体增速，则能够使风力发电装置实现高输出功率化，并且能够实现小 型化和轻量化。

而且，很多现有的风车都具有露出在大气中的叶轮，大多设置在 机场周边等障碍物少的空间中。在这样的机场周边设置有航空多普勒 雷达，监视着飞机的动向。过去，经常发生航空多普勒雷达将风车误 认为是小型飞机的接近或起飞的情况。另外，为了提高风车的运转率， 与鸟碰撞的问题作为实用上的问题，也很重要。

这些问题虽然是风力发电装置的实用化方面的课题，但是作为下 一代的基础设施，为了让风力发电装置担负供电的一部分任务，使其 更深地浸透到社会中，就不能回避这些问题。

因此，本发明的目的在于提供一种流体机械，其中，壳体的设计 和制造简单，利用壳体的形状在流体中形成较强且稳定的旋涡组流体， 在出口侧的壳体附近实现较强的负压区域，并在外部流体中利用了使 内部流体增速的非恒定流。

另外，本发明的目的还在于提供一种风车，其中，壳体的设计和 制造简单，利用壳体的形状，使外部流动的风中形成较强且稳定的旋 涡组流体，在出口侧的壳体附近实现较强的负压区域，使流入的风的 风速增速，流路长度短，可进行大型化，能够进行高输出功率的发电。

再者，本发明的目的还在于提供一种流体机械的内部流体增速方 法，其中，壳体的设计和制造简单，利用壳体的形状在流体中形成较 强且稳定的旋涡组流体，在出口侧的壳体附近实现较强的负压区域， 通过外部流体使内部流体增速。

用于解决问题的方法

本发明利用了非恒定流的流体机械和风车具有：壳体，其形成环 状且其轴向剖面具有非流线形状；以及叶轮，其被配置在所述壳体内 的喉管部且绕轴旋转，所述流体机械和风车将周围流动的流体在前缘 分割成内外的流体，并且强制性地使流体剥离，通过该剥离，在壳体 后方形成旋涡组，通过旋涡组和旋涡组波动，在环状方向上形成具有 小区构造(cell structure)的负压区域，使在壳体内流动的内部流体的 流速增加，所述流体机械和风车的主要特征在于，作为形成壳体的壁 厚的基准的基准线由在轴向剖面连接前缘和后缘之间并且在该前后缘 之间的喉管部的位置具有凸部的摆线构成，在壳体的半径方向上，喉 管部和旋涡生成部被形成在内周侧的面上，所述旋涡生成部用于在比 该喉管部更靠近尾流侧的位置生成负压区域，而且，在与该旋涡生成 部相邻的喉管侧相邻面上形成有在其边界位置上使内部流体剥离的第 二流出梯度，并且在所述壳体的外周侧的面上，在后缘形成使外部流 体在该后缘位置剥离的第一流出梯度，第一流出梯度被设定为连接前 缘和后缘的圆锥母线的梯度以上，并且第二流出梯度以基准摆线构成 内周的面时的旋涡生成部前端的梯度为基准，被设定为该基准梯度以 下，通过非流线形的壳体，在旋涡生成部的背后生成涡度强的负压区 域，使内部流体增速。

本发明的利用了非恒定流的内部流体增速方法，在形成环状且其 轴向剖面具有非流线形的形状的壳体内设置叶轮，将周围流动的流体 在前缘分割成内外的流体，并且强制性地使流体剥离，通过该剥离， 在壳体后方形成旋涡组，通过旋涡组和旋涡组波动，在环状方向上形 成具有小区构造的负压区域，该内部流体增速方法利用了使在壳体内 流动的内部流体的流速增加的非恒定流，该内部流体增速方法的主要 特征在于，将作为形成壳体的壁厚的基准的基准线作为在轴向剖面连 接前缘和后缘之间并且在该前后缘之间的喉管部的位置处具有凸部的 摆线，在壳体的半径方向上，将喉管部和旋涡生成部形成在内周侧的 面上，所述旋涡生成部用于在比该喉管部更靠近尾流侧的位置生成负 压区域，而且，在与该旋涡生成部相邻的喉管侧相邻面上形成有在其 边界位置上使内部流体剥离的第二流出梯度，并且在壳体的外周侧的 面上，在后缘形成用于使外部流体在该位置剥离的第一流出梯度，第 一流出梯度被设定为连接前缘和后缘的圆锥母线的梯度以上，并且第 二流出梯度以基准的摆线构成内周的面时的旋涡生成部前端的梯度为 基准，被设定为该基准梯度以下，通过非流线形的壳体，在旋涡生成 部的背后生成涡度强的负压区域，使内部流体增速。

发明的效果

根据本发明的利用了非恒定流的流体机械，壳体的设计和制造简 单，利用壳体的形状在流体中形成较强且稳定的旋涡组流体，在出口 侧的壳体附近实现较强的负压区域，能够使内部流体增速，扩散器的 长度较短，能够大型化，可实现高输出功率。

另外，根据本发明的风车，壳体的设计和制造简单，利用壳体的 形状在流体中形成较强且稳定的旋涡组流体，在出口侧的壳体附近实 现较强的负压区域，能够使流入的风的速度增加，扩散器的长度较短， 能够大型化，可实现高输出功率。

再者，根据本发明的流体机械的内部流体增速方法，壳体的设计 和制造简单，利用壳体的形状在流体中形成较强且稳定的旋涡组流体， 在出口侧的壳体附近实现较强的负压区域，能够使内部流体增速。

附图说明

图1是本发明实施例1的流体机械的一部分被去除后的立体图。

图2是本发明实施例1的流体机械的、以摆线为基调的壳体的轴 向剖面图。

图3(a)是用于说明图1的流体机械的流体的说明图，(b)是图 2的壳体的尺寸的说明图。

图4是具有凸缘高度为10％、筒长为13.7％的带凸缘的壳体(％ 是相对于喉管部内径的比例)的流体机械周围的进行了周向平均、时 间平均的压力分布图。

图5是具有本发明实施例1的以摆线为基调的壳体的流体机械周 围的取周向平均、时间平均的压力分布图。

图6是具有图4的带凸缘的壳体的流体机械周围的进行了周向平 均、时间平均的流线图。

图7是具有图5的以摆线为基调的壳体的流体机械周围的进行了 周向平均、时间平均的流线图。

图8是比较本发明实施例1的以摆线为基调的壳体和凸缘高度为 10％、筒长为13.7％的带凸缘的壳体的形状的说明图。

图9是凸缘高度为10％、筒长为13.7％的带凸缘的壳体周围的流 体场中的对周向平均/时间平均的涡度的分布进行了数值计算的分布 图。

图10是本发明实施例1的以摆线为基调的壳体周围的流体场中的 对周向平均/时间平均的涡度的分布进行了数值计算的分布图。

图11是本发明实施例2中的流体机械的摆线壳体的轴向剖面图。

图12(a)是示出通过风洞实验得到的风车功率系数的实验结果的 图，(b)是示出通过数值计算得到的风车功率系数的结果的图。

图13是本发明实施例2的流体机械的摆线壳体的喉管部中流速的 半径方向分布图。

图14是本发明实施例2的流体机械的摆线壳体的喉管部中压力的 半径方向分布图。

图15(a)是比较在本发明实施例2的流体机械中设置了相位控制 板时和没有设置相位控制板时以及采用带凸缘的壳体时的输出功率性 能的说明图，(b)是设置有相位控制板的壳体的外观图。

图16(a)是示出凸缘高度为10％、筒长为13.7％的带凸缘的壳体 的形状的图，(b)是示出本发明实施例3的流体机械的壁厚截断端壳 体的形状的图。

图17是本发明实施例3的流体机械的壁厚截断端壳体的轴向剖面 图。

图18是具有图16(a)的凸缘高度为10％、筒长为13.7％的带凸 缘的壳体和图16(b)的壁厚截断端壳体的流体机械的功率系数的比较 图。

图19是本发明实施例3的流体机械的壁厚截断端壳体的喉管部中 流速的半径方向分布图。

图20是本发明实施例3的流体机械的壁厚截断端壳体的喉管部中 压力的半径方向分布图。

图21是本发明实施例3的流体机械的、从壁厚截断端壳体的喉管 部开始到尾流的相当于扩散器的大致中间位置处的压力的半径方向分 布图。

图22是图16(a)的凸缘高度为10％、筒长为22％的带凸缘的壳 体的流体机械周围的时间平均压力分布图。

图23是本发明实施例3的流体机械周围的时间平均压力分布图。

图24是图16(a)的高度为10％、筒长为22％的带凸缘的壳体周 围的周向平均/时间平均流线图。

图25是本发明实施例3的流体机械的壁厚截断端壳体周围的周向 平均/时间平均流线图。

图26是图16(a)的高度为10％、筒长为22％的带凸缘的壳体周 围的周向平均/时间平均涡度分布的分布图。

图27是示出本发明实施例3的流体机械的壁厚截断端壳体周围的 流体场中的周向平均/时间平均涡度分布的分布图。

图28是具有图16(a)的凸缘高度为10％、筒长为22％的带凸缘 的壳体的流体机械周围的进行了周向平均/时间平均的半径方向速度成 分的分布图。

图29是本发明实施例3的流体机械周围的进行了周向平均/时间 平均的半径方向速度成分的分布图。

图30是本发明实施例4的风车的发电装置内部结构的框图。

图31是本发明实施例5的安装有网状物的风力发电装置的说明 图。

图32是本发明实施例6的潮流发电装置的外观图。

符号说明

1风车；2壳体；2a喉管部；2b前缘；2c旋涡生成面；2d后 缘；2e旋涡生成部前端；3叶轮；4相位控制板；5网状物；10发 电装置；11发电机；12AC/DC转换器；13充电装置；14蓄电池； 15DC/AC转换器；16电力系统；17控制装置；18致动器；18a卡 止部；19传动机构；20间隙检测器；22支撑台；23壳体；31潮流 发电装置；201内周面；202外周面；h旋涡生成面的径向高度；d喉 管部的直径；d_c圆柱直径；D投影宽度；Lt筒长；S负压区域；v旋 涡组；α梯度；β扩展角；θ1流出梯度；θ2流出梯度；θm基 准值；θ角度；m摆线；i内侧曲线；k外侧曲线；n母线；p切线； q切线；A凸部；A’凸部；△壁厚；△_i内侧壁厚；△_k外侧壁厚

具体实施方式

本发明的第一技术方案提供一种利用了非恒定流的流体机械，其 具有壳体和配置在壳体内的喉管部且绕轴旋转的叶轮，所述壳体形成 环状且其轴向剖面具有非流线形状，该流体机械将在周围流动的流体 在前缘分割成内外的流体，并且强制性地使流体剥离，通过该剥离， 在壳体后方形成旋涡组，通过旋涡组和旋涡组波动，在环状方向上形 成具有小区构造的负压区域，该流体机械利用了使壳体内流动的内部 流体增速的非恒定流，该流体机械的特征在于，作为形成壳体壁厚的 基准的基准线由在轴向剖面连接前缘和后缘之间并且在该前后缘之间 的喉管部的位置处具有凸部的摆线构成，在壳体的半径方向上，喉管 部和旋涡生成部形成在内周侧的面上，所述旋涡生成部用于在比该喉 管部更靠近尾流侧的位置生成负压区域，而且，在与该旋涡生成部相 邻的喉管部侧相邻面上形成有在其边界位置上使内部流体剥离的第二 流出梯度，并且在壳体的外周侧的面上，在后缘形成有使外部流体在 该后缘位置剥离的第一流出梯度，第一流出梯度设定为连接前缘和后 缘的圆锥母线的梯度以上，并且第二流出梯度以基准的摆线构成内周 的面时的旋涡生成部前端的梯度为基准，设定为该基准梯度以下，通 过非流线形的壳体，在旋涡生成部的背后生成涡度强的负压区域，使 内部流体增速。根据该结构，壳体的设计和制造简单，利用壳体的形 状，在流体中形成较强且稳定的旋涡组流体，在出口侧的壳体附近实 现较强的负压区域，能够使内部流体增速，扩散器的长度短，可大型 化，能够实现高输出功率。

本发明的第二技术方案从属于第一技术方案，提供一种利用了非 恒定流的流体机械，其特征在于，前缘和后缘在轴向剖面的半径方向 上具有预定宽度的壁厚的情况下，包括旋涡生成部在内的壳体的内周 侧的形状由连接内周侧的前缘和后缘的基准的摆线构成。根据该结构， 前缘和后缘在半径方向上具有预定宽度的壁厚时，由于壳体内周侧的 形状是摆线，因此赋予了基于摆线的合适的旋涡组生成特性，壳体的 设计、制造变得容易。

本发明的第三技术方案从属于第一技术方案，提供一种利用了非 恒定流的流体机械，其特征在于，壳体由具有预定宽度的壁厚的板材 构成，基准线具有摆线和用于在旋涡生成部前端与后缘之间形成旋涡 生成部的直线或第二曲线并且连接前缘和后缘之间，所述摆线在前缘 和旋涡生成部前端之间，在喉管部的位置具有凸部，连接前缘和后缘 的圆锥母线的梯度被设定为小于40°的、正的梯度。根据该结构，除 了摆线形状外，在基于直线或第二曲线的第二部分容易形成旋涡生成 部，能够容易赋予适合的旋涡组生成特性，壳体的设计和制造变得容 易，可实现流体机械的轻量化。

本发明的第四技术方案从属于第一技术方案，提供一种利用了非 恒定流的流体机械，其特征在于，非流线体在轴向剖面上被形成为壁 厚逐渐增大再逐渐减小或者逐渐增大再急剧减小的形状，其内周侧的 一部分或整体的形状由基准的摆线构成。根据该结构，在壁厚逐渐增 大再逐渐减小或者逐渐增大再急剧减小的情况下，由于壳体内周侧的 一部分或整体的形状具有摆线形状的壁厚，因此赋予了基于摆线的合 适的旋涡组生成特性，壳体的设计和制造变得容易。

本发明的第五技术方案从属于第二技术方案，提供一种利用了非 恒定流的流体机械，其特征在于，前缘和后缘中只有后缘在轴向剖面 的半径方向上具有预定宽度的壁厚时，旋涡生成部为该预定宽度的圆 环状的平面。根据该结构，可实现基于摆线的合适的旋涡组生成特性， 并且由于旋涡生成部为圆环状的平面，因此负压区域靠近内部流体侧， 在旋涡生成部背后实现了较强的负压区域，能够使内部流体增速。

本发明的第六技术方案从属于第一技术方案，提供一种利用了非 恒定流的流体机械，其特征在于，在旋涡生成部上设置有多个使流体 的旋涡组波动的相位一致的相位控制板。根据该结构，可实现基于摆 线的合适的旋涡组生成特性，并且确实在周向上使旋涡形成的波动的 相位一致，能够使流体的小区构造明确化，在出口侧的壳体附近实现 了较强的负压区域，能够使内部流体增速。

本发明的第七技术方案从属于第一～第六技术方案中的任一项， 提供一种利用了非恒定流的流体机械，其特征在于，将该叶轮的旋转 力转换为电力的发电装置与叶轮连接。根据该结构，可利用壳体的形 状来进行高输出功率的发电。

本发明的第八技术方案从属于第一～第七技术方案的任一项，提 供一种利用了非恒定流的流体机械，其特征在于，在壳体上安装有导 体制的网状物。根据该结构，利用壳体的形状使流体稳定化，并且能 够期待流体机械对来自多普勒雷达的电磁波屏蔽的效果。

本发明的第九技术方案提供一种风车，其具有：壳体，其形成环 状且其轴向剖面具有非流线形状；以及叶轮，其被配置在壳体内的喉 管部，并绕轴旋转；该风车在前缘将周围流动的流体分割成内外的流 体，并且强制性地使流体剥离，通过该剥离，在壳体后方形成旋涡组， 通过旋涡组和旋涡组波动，在环状方向上形成具有小区构造的负压区 域，使在壳体内流动的内部流体的流速增加，其特征在于，作为形成 壳体的壁厚的基准的基准线由在轴向剖面连接前缘和后缘之间并且在 该前后缘之间的所述喉管部的位置处具有凸部的摆线构成，在壳体的 半径方向上，喉管部和旋涡生成部被形成在内周侧的面上，旋涡生成 部用于在比该喉管部更靠近尾流侧的位置生成负压区域，而且，在与 该旋涡生成部相邻的喉管侧相邻面上形成在其边界位置上使内部流体 剥离的第二流出梯度，并且在壳体的外周侧的面上，在后缘形成使外 部流体在该后缘位置剥离的第一流出梯度，第一流出梯度被设定为连 接前缘和后缘的圆锥母线的梯度以上，并且第二流出梯度以基准的摆 线构成内周的面时的旋涡生成部前端的梯度为基准，被设定为该基准 梯度以下，通过非流线形的壳体，在旋涡生成部的背后生成涡度强的 负压区域，使内部流体增速。根据该结构，壳体的设计和制造简单， 利用壳体的形状，在流体中形成较强且稳定的旋涡组流体，在出口侧 的壳体附近实现较强的负压区域，能够使内部流体增速，扩散器的长 度短，可大型化，能够实现高输出功率。

本发明的第十技术方案从属于第九技术方案，提供一种风车，其 特征在于，前缘和后缘在轴向剖面的半径方向上具有预定宽度的壁厚 时，包括旋涡生成部在内的壳体的内周侧的形状由连接内周侧的前缘 和后缘的基准的摆线构成。根据该结构，当前缘和后缘在半径方向上 具有预定宽度的壁厚时，由于壳体内周侧的形状是摆线，因此赋予了 基于摆线的合适的旋涡组生成特性，壳体的设计和制造变得容易。

本发明的第十一技术方案从属于第九技术方案，提供一种风车， 其特征在于，壳体由具有预定宽度的壁厚的板材构成，基准线具有摆 线和用于在旋涡生成部前端与后缘之间形成旋涡生成部的直线或第二 曲线并连接前缘和后缘之间，所述摆线在前缘和旋涡生成部前端之间， 在喉管部的位置具有凸部，连接前缘和后缘的圆锥母线的梯度被设定 为小于40°的、正的梯度。根据该结构，除了摆线形状外，在基于直 线或第二曲线的第二部分，容易形成旋涡生成部，能够赋予适合的旋 涡组生成特性，壳体的设计和制造变得容易，可实现流体机械的轻量 化。

本发明的第十二技术方案从属于第九技术方案，提供一种风车， 其特征在于，非流线体在轴向剖面上被形成为壁厚逐渐增大再逐渐减 小或者逐渐增大再急剧减小的形状，其内周侧的一部分或整体的形状 由基准的摆线构成。根据该结构，在壁厚逐渐增大再逐渐减小或者逐 渐增大再急剧减小时，由于壳体内周侧的一部分或整体的形状具有摆 线形状的壁厚，因此赋予了基于摆线的合适的旋涡组生成特性，壳体 的设计和制造变得容易。

本发明的第十三技术方案从属于第十技术方案，提供一种风车， 其特征在于，前缘和后缘中只有后缘在轴向剖面的半径方向上具有预 定宽度的壁厚时，旋涡生成部为该预定宽度的圆环状的平面。根据该 结构，可实现基于摆线的合适的旋涡组生成特性，并且由于旋涡生成 部为圆环状的平面，因此负压区域靠近内部流体侧，在旋涡生成部背 后实现了较强的负压区域，能够使内部流体增速。

本发明的第十四技术方案从属于第九技术方案，提供一种风车， 其特征在于，在旋涡生成部上设置有多个使流体的旋涡组波动的相位 一致的相位控制板。根据该结构，可实现基于摆线的合适的旋涡组生 成特性，并且确实在周向上使旋涡形成的波动相位一致，能够使流体 的小区构造明确化，在出口侧的壳体附近实现了较强的负压区域，能 够使内部流体增速。

本发明的第十五技术方案从属于第九～第十四技术方案的任一 项，提供一种风车，其特征在于，将该叶轮的旋转力转换为电力的发 电装置与所述叶轮连接。根据该结构，可利用壳体的形状来进行高输 出功率的发电。

本发明的第十六技术方案从属于第九～第十五技术方案的任一 项，提供一种风车，其特征在于，在壳体上安装有导体制的网状物。 根据该结构，利用壳体的形状使流体稳定化，并且能够期待流体机械 对来自多普勒雷达的电磁波屏蔽效果。

本发明的第十七技术方案提供一种利用了非恒定流的内部流体增 速方法，在形成环状且其轴向剖面具有非流线形状的壳体内设置叶轮， 将周围流动的流体在前缘分割成内外的流体，并且强制性地使流体剥 离，通过该剥离，在壳体后方形成旋涡组，通过旋涡组和旋涡组波动， 在环状方向上形成具有小区构造的负压区域，使在壳体内流动的内部 流体的流速增加，该内部流体增速方法的特征在于，将作为形成壳体 的壁厚的基准的基准线设置为在轴向剖面连接前缘和所述后缘之间并 且在该前后缘之间的喉管部的位置处具有凸部的摆线，在壳体的半径 方向上，将喉管部和旋涡生成部形成在内周侧的面上，旋涡生成部用 于在比该喉管部更靠近尾流侧的位置生成负压区域，而且，在与该旋 涡生成部相邻的喉管侧相邻面上形成有在其边界位置上使内部流体剥 离的第二流出梯度，并且在壳体的外周侧的面上，在后缘形成用于使 外部流体在该位置剥离的第一流出梯度，第一流出梯度被设定为连接 前缘和后缘的圆锥母线的梯度以上，并且第二流出梯度以基准的摆线 构成内周的面时的旋涡生成部前端的梯度为基准，被设定为该基准梯 度以下，通过非流线形的壳体，在旋涡生成部的背后生成涡度强的负 压区域，使内部流体增速。根据该结构，壳体的设计和制造简单，利 用壳体的形状，在流体中形成较强且稳定的旋涡组流体，在出口侧的 壳体附近实现较强的负压区域，通过外部流体，能够使内部流体增速。

实施例1

下面，对本发明实施例1的利用了非恒定流的流体机械，尤其是 风车以及流体机械的内部流体增速方法进行说明。但是，在水车等其 它的流体机械中也基本相同。

图1是本发明实施例1的去除了流体机械的一部分的立体图。图 2示出本发明实施例1的流体机械的、以设于前缘和后缘之间的摆线为 基调的厚度较大的壳体的轴向剖面图。图3是用于说明图1的流体机 械的流体的说明图。

如图1、图2、图30所示，本发明实施例1的流体机械是风车1， 与发电用的发电机相连接(参照图30)。通过风车1的叶轮3旋转， 驱动发电机，将动能转换为电能。详细情况将在后面叙述。风车1具 有：叶轮3，其利用风绕轴旋转；扩散器型的壳体2，其为环状，各轴 向剖面具有非流线形状，并且整体的形状也是非流线形的，其包围叶 轮3的周围，将风分割成内外流体。

关于风车1，在风的方向的剖面内，叶轮3以隔着其前端的旋转 面与壳体2之间的较小的间隙的方式配置在壳体2内，在风车1的轴 向上为环状的形状。实施例1的壳体2是扩散器型(扩展开的形状)， 制作成扩散器型的理由是因为叶轮3前端部分的流速在喉管部2a(壳 体2的、截面面积最小的部分)处为最大，与喷嘴型(缩小的形状) 相比形成为更加紧凑的构造。从前缘2b到喉管部2a为流入部，流路剖 面面积逐渐缩小，速度增加。从喉管部2a到后缘2d，流路剖面面积扩 大，速度减小。

然而，在现有的风车1中，以相对来说很靠近前缘2b的间隔来配 置该喉管部2a，在这里放置有叶轮3，尾流侧的扩散器部分设置成所强 调的形状。因此，该扩散器形成在长度方向上很长的形状。从而无法 实现风车1的小型化。

相对于此，实施例1的壳体2具有非流线形状，通过壳体2将在 周围流动的流体分割成内外的流体，强制性地使流体剥离，从而在后 方形成旋涡组，通过该旋涡组和旋涡组波动，在壳体2的背后形成在 环状方向具有小区构造的、负压较强的负压区域，在该负压区域的作 用下，使在壳体2内流动的内部流体的流速增加。而且，为了增强该 旋涡组的旋涡的强度，进一步将负压区域低压化，尝试将壳体2的形 状设为最佳。

如图1、图2、图3所示，在该壳体2的轴向剖面上设置有旋涡生 成面2c(本发明实施例1的旋涡生成部)，该旋涡生成面2c用于从喉 管部2a向尾流侧的壳体2的内周面201使内部流体从表面剥离。从壳 体2的入口的开口流入的内部流体中，边界层从喉管部2a附近扩大， 在位于内周面201上的旋涡生成部前端2e处剥离。已剥离的内部流体 与在外周面202的后缘2d处剥离的外部流体一起，在壳体2的后方产 生卷合，在尾流形成卡曼涡状的旋涡组v(参照图3(a))。通过该旋 涡组v和其旋涡组波动，在旋涡生成面2c的背后，形成靠近叶轮3侧 的沿环状方向排列的涡度强的负压区域S(参照图3(a))，使在壳 体2内流动的内部流体增速。

下面，对由该旋涡组和其旋涡组波动形成的小区构造的负压区域 S进行说明。如图3(a)所示，在壳体2的尾流侧非恒定(交替)地 生成旋涡组。也就是说，若假定为图3(b)所示的壳体的形状，则相 对于壳体2的喉管部2a的内径d，旋涡生成面2c的径向的高度h足够 小(h/d＜＜1)时，通过在某时机形成的旋涡组，在旋涡生成面2c的背后 形成多个具有旋涡组波动标度尺寸的负压区域S的环状小区。如果该 区域的涡度增加，则负压进一步降低。另外，此时的筒长(壳体轴向 长度)为Lt。

壳体2的内外流体分别在壳体2的外周面、内周面的剥离点剥离， 在下游的周向的各剖面形成卡曼涡。而且，其剖面、在剖面的旋涡形 成中，沿圆周方向存在着强旋涡形成、弱旋涡形成和波动(起伏)。 这个出现强旋涡形成、弱旋涡形成的周向的范围是比二维圆柱的轴向 的旋涡组波动标度(3d_c～4d_c，在这里是d_c：圆柱直径)稍微小的规模， 如果将从壳体2的主流观察的炸面包圈状的各剖面的投影宽度设为D (包括旋涡生成面高度h在内)，则其圆周方向的旋涡组波动标度为 2D～3D。这对应于二维圆柱闭合成圆环状而变为三维形状的情况，也 定量地给出了证明。

若将小区的数量设为N、将壳体2的内径设为d，则与二维时的高 宽比(纵横比)对应的{π·(d+D)·D/D·N}＝π·(d+D)/N成为 旋涡组波动标度。上述2D～3D在N为12个的情况下，d/h大体相当 于6～12左右的值。因此，在通常的流体机械中，可能存在着各区域 分散地稳定化的旋涡组的情况(h/d＜＜1)和同时稳定一对小区的旋涡组 的情况(h和d是相同的程度)。

引起强旋涡形成的负压区域的小区成为涡度强的负压区域S。在 流体中，由于波动，小区的任一个都独立地变强或变弱。该小区相互 地变换。通过形成涡度强的负压区域S，使这一带的周围低压化，利用 压力差提高内部流体的流速。由此，叶轮3高速旋转，作为风车1，能 够输出高转矩的驱动力，能够进行高输出功率的发电。在通常的风车1 中，大多满足下述条件(h/d＜＜1)：相对于壳体2的喉管部2a的内径d， 旋涡生成面2c的径向的高度h足够小。

相对于壳体2的喉管部2a的内径，旋涡生成体2c的径向的高度 没有有序变化时(h和d为相同等级时，h/d～1)，在各小区中，构成 作为壳体2的一剖面的小区彼此的关联性加强，在对角线上形成一对 的小区上形成涡度强的负压区域S。在该情况下，壳体2的流出口附近 为低压且稳定，能够利用压差来提高内部流体的流速。

但是，包含这种涡度强的负压区域S的流体不容易制作。这是因 为：只是单纯地将壳体2设成非流线形，会导致压力的不必要的损失， 旋涡组的旋涡的强度不会变强，不会明确地出现强负压的负压区域S。 理想的壳体必须是如下所述的形状：尽可能不在流体中造成无用的损 失，可形成强旋涡的旋涡流和强负压的负压区域S。

然而，如果在风车1中没有作为电阻的叶轮3，则可以利用假定 为在流体中没有剥离的势流进行分析，在该情况下，沿壳体2的内周 面201流动的流体在喉管部2a附近示出最大的流速。

但是，在实施例1的风车1中，在壳体2的喉管部2a具有旋转的 叶轮3这一电阻。因此，需要找出用于克服该电阻且在喉管部能最大 增速的最佳形状。对上述理想的壳体增加了这样的较难的制约。本发 明的壳体是这样的构造：在具有叶轮3这一电阻的时候，不会导致无 用的压力损失，仅为了形成涡流组而引起有效的剥离。该壳体是这样 的形状：作为结果，形成了增加喉管部附近的内部流体的低压的负压 区域S。

本发明者们过去尝试了将旋涡生成面2c设为凸缘等各种形状。但 是，感觉这些形状具有改善的余地。于是，通过试行错误、比较探讨， 获得这样的见解：作为最短下降线的摆线，其形状充分满足理想壳体 的条件。下面，对以摆线为基调的壳体(下面也称为摆线形状的壳体 或者摆线壳体)进行一般性的说明，在后述的实施例2、3中，将对以 摆线自身构成内周面的壳体的旋涡形成特性进行详细叙述。另外，以 摆线为基调的壳体在可忽略壳体的厚度的情况下，是指以其曲线为母 线的旋转体的壳体，在厚度较厚的情况下，是指相对于基准线(相当 于可忽略厚度时的母线)具有厚度的旋转体的壳体。

图4是具备相对于喉管部的直径d，筒长(壳体的轴向长度)为 13.7％d、具有10％d的高度h的凸缘(旋涡生成面)的带凸缘的壳体 (Lt/d＝0.137，h/d＝0.1，以下称作凸缘高度为10％、筒长为13.7％的带 凸缘的壳体)的风车1周围的进行了周向平均、时间平均的压力分布 图，图5是具有摆线壳体的风车1周围的进行了周向平均、时间平均 的压力分布图。数值计算使用九大应用力学研究所开发的リアムコン パクト(RIAM-COMPACT)数值模拟器，利用高雷诺数分析软件和不 使用一切紊流模型的直接数值计算(DIRECT NUMERCICAL  SIMULATION，通称为DNS法)来进行计算，所述高雷诺数分析软件 采用作为紊流模型的最尖端的大旋涡模拟法 (LARGE-EDDY-SIMULATION，通称LES法)。在这里所示的图的 计算结果是根据DNS法获得的。LES法用于参照。另外，带凸缘的壳 体和摆线壳体的形状的详细情况如图8所示。图8是比较用于数值计 算的、凸缘高度为10％、筒长为13.7％的带凸缘的壳体和摆线壳体的形 状的图。

在图8中，两壳体形成这样的形状：在x/d＝-0.05的位置具有前缘， 在x/d＝0.00的位置形成喉管部，到尾流侧的x/d＝0.09附近为止一致。 然而，在x/d＝0.09附近，带凸缘的壳体的高度h＝10％d(按r/d的宽度 则相当于0.10)的凸缘垂直地形成在轴上。与此相对，在摆线壳体中， 摆线形状从该位置起延长，直到成为与凸缘的高度h相同的高度为止。 在此，d是喉管部的直径，h是旋涡生成面2c的径向的高度h。在带凸 缘的壳体中，Lt＝0.137d，h＝0.0137d。另外，在摆线壳体中，如果Lt＝0.17d， 则变长一些。这样，带凸缘的壳体是在尾端设置有凸缘且增大了扩散 器出口的外径的形状，但是关于摆线壳体，将其形状设成延长摆线形 状直到带凸缘的壳体的凸缘外径为止，并通过壳体本身实现与凸缘的 一体化。

根据图4可知：在凸缘的前面侧形成高压的区域，在凸缘的前端 的尾流侧形成并非足够低压的负压区域。与此相对，根据图5，摆线形 状的壳体2的压力分布并没有形成无用的高压部分，而是通过很流畅 且独特的流体形成从壳体2的背面的后缘附近陷入喉管部侧那样的负 压区域。也就是说，由于壳体通过摆线来构成，因此在喉管部流体被 节流，在其尾流侧进行膨胀，但是其间的流体粒子沿着由最短下降线 构成的面、可以说是在最短时间的路径流动，因此平均来说，其间的 波动的量、变动较小，成为很流畅的流体，稳定地剥离，一旦到达剥 离点，则能够从尾流侧引入具有强循环的稳定的二次流体，形成较强 负压区域。由此，在凸缘高度为10％、筒长为13.7％的带凸缘的壳体中， 压力损失较大，负压区域的作用较小，而在摆线壳体的情况下，可实 现：流体阻力较小，负压区域被强力地负压化，对内部流体的作用较 强。

图6是具有图4的带凸缘的壳体的风车1周围的进行了周向平均、 时间平均的流线的说明图，图7是具有图5的摆线壳体的风车1周围 的进行了周向平均、时间平均的流线的说明图。据此可知：即使同样 是非流线形状，带凸缘的壳体周围的流体也因壳体的存在而成为主流 杂乱、在后方膨胀、具有不稳定区域的流体。流体因凸缘而在此被阻 挡。与此相对，摆线壳体的流体的主流在壳体处并不杂乱，在壳体背 后形成了较强的负压区域的旋涡。另外可知：利用摆线形状，在壳体2 的后缘处的上表面，流体顺畅且快速地飞出。这是因为没有像凸缘那 样的壳体的阻挡。

因此，如果将形状设为摆线，则壳体2的旋涡生成面2c就不会成 为过度陡峭的形状，而是成为不会使流体过度杂乱的适当的非线形状， 并且流体从后缘飞出时的飞出角变得更朝向内侧。而且，在旋涡生成 面2c的背后的、壳体轴向长度的1倍～2倍左右的范围内，内外流体 流畅且时间均等地合流在一起。由此，在紧挨着旋涡生成面2c的位置 处形成强负压区域的旋涡，通过该作用，增加喉管部2a的流速，使风 车的输出功率增加。

另外，图9是凸缘高度为10％、筒长为13.7％的带凸缘的壳体周 围的流体场中的对周向平均/时间平均涡度的分布进行了数值计算的分 布图。可知：在图9的凸缘高度为10％、筒长为13.7％的带凸缘的壳体 的情况下，涡度强的部分在叶轮前端附近的尾流侧变薄，被形成为延 伸得较长的区域。与此相对，图10是摆线壳体周围的流体场中的对周 向平均/时间平均涡度的分布进行了数值计算的分布图。根据图10，在 摆线壳体中，涡度很强的区域接近旋涡生成面的背后且形成在风车出 口附近。如果涡度强，则负压增加，周围流体的流速就增大。

在与其它形状的壳体进行比较的时候，关于负压区域的低压化、 明确化、流体的稳定化以及流畅化，通过图5、图7、图9可知，摆线 壳体具有很清楚且优越的特性。在壳体轴向长度的1倍～2倍的范围内， 在尾流侧形成涡度强的负压区域的旋涡组流体是不能通过其它形状的 壳体来形成的特有的特性。这些结果示出摆线壳体有可能对非恒定流 有较大的贡献。根据上面所述，摆线形状对于利用了非恒定流的流体 机械来说，已接近理想，可以说是最佳或接近最佳的形状。

在根据上面所述可知：在确定风车1的壳体2的形状时，可以以 摆线为基准，构成壳体形状。也就是说，在能够忽略厚度的情况下， 可以直接使用以上述摆线为母线的摆线壳体(详细情况参照实施例2)， 在厚度薄却具有不能忽略的厚度的壳体的情况下，可以根据作为上述 基准的摆线，确定作为壳体构架的形状，增加厚度使之成为接近摆线 壳体的形状。

在这里，基准的摆线必须是在轴向剖面连接前缘2b和后缘2d之 间，并且具有对应于该前后缘间的喉管部2a而形成的凸部的摆线。这 是因为摆线是通过两端和其间的最大值或最小值的位置来确定形状 的。在对摆线壳体增厚时，如果以摆线壳体为基准，则示出与基于摆 线形状的旋涡形成特性同等的旋涡组形成特性。

下面，对确定以该摆线为基调的非流线形的壳体形状的方法进行 说明。图2是设置于前缘和后缘之间的、以摆线为基调的有厚度的壳 体的轴向剖面。在图2中，壳体2是轴向剖面的厚度逐渐增加和逐渐 减小的月牙状，是以从前缘2b朝向后缘2d的梯度进行扩展的旋转体。 图2的连接前缘2b和后缘2d的圆锥母线的梯度n的扩展角为β。即 以圆锥状形成环状的旋转体。成为确定该壳体2的构架的基准的基准 线(可以忽略厚度时的母线)是连接前缘2b和后缘2d的摆线m。由 于在实施例1的风车1中形成有喉管部2a，因此摆线m具有图2所示 的凸部A’(在图2的剖面中为最小值)。凸部A’的位置与成为内周面 201的最小剖面面积的凸部A的位置在轴向位置上相同。另外，根据 旋转体的剖面的朝向，凸部A和凸部A’既是最小值又是最大值。

在图2的轴向剖面中，壳体2的内周面201的形状形成为厚度沿 着摆线m逐渐增加和逐渐减小，如果以半径来说，则形成为这样的弯 曲的形状：从前缘2b到喉管部2a为止，逐渐减小半径，从喉管部2a 起增加半径，直到后缘2d为止。从内周面201的后缘2d开始的规定 长度的范围是作为形成旋涡生成面2c的母线的线。可以忽略厚度的摆 线形状是最佳的，内周面201尽量为接近摆线m的厚度薄的形状。该 旋涡生成面2c的内径侧的端点成为旋涡生成部前端2e。在与内周面201 的旋涡生成面2c相邻的相邻面上，形成使内部流体在内周面201的前 缘侧的边界位置(如果设为内周面201的位置，则为旋涡生成部前端 2e)剥离的流出梯度。内部流体中，边界层从喉管部2a附近逐渐扩展， 因存在有旋涡生成面2c，所以流体在旋涡生成部前端2e处剥离。内周 面201通常在旋涡生成部前端2e形成为梯度不连续变化的形状。但是， 在内周面201为以摆线为母线的摆线形状的情况下，仅通过将该形状 的尾流侧的一部分直接设置为旋涡生成面2c来形成旋涡生成面2c(即， 与剥离点前同样将摆线的剥离点后的一部分直接设置为旋涡生成面 2c)，在旋涡生成部前端2e处剥离。已剥离的内部流体与同样剥离了 的外部流体一起，如图3(a)所示，在壳体2的后方卷合，在尾流处 形成旋涡组，在紧接着旋涡生成面2c的后方，形成涡度强的负压区域。

在图2的轴向剖面上，在最接近旋涡生成部前端2e的上游侧的内 周面(本发明实施例1的相邻面)设置有用于使内部流体剥离的流出 梯度θ2。即，在最接近旋涡生成部前端2e的上游侧形成有切线p方向 的倾斜面，促进流体的剥离。关于该流出梯度θ2，只要内周面201以 摆线m构成时以引起剥离的旋涡生成部前端2e的梯度为基准，设定为 该梯度以下即可。摆线m的情况是基准，增厚时，形成小于该基准值 θm的梯度。也就是说，在对壳体增厚时，利用摆线m的结果，沿着 它来增厚。因此，预先取得摆线形状时的剥离点(旋涡生成部前端2e、 以旋转体来说，为环状的剥离线)的位置、其梯度和风速U之间的关 系，根据这些来设定在设计风速U时的流出梯度θ2。在增厚的内周侧， 曲率半径变得比摆线m大，伴随此，剥离点(旋涡生成部前端2e)向 后缘侧移动，因此流出梯度θ2成为小于基准值θm的梯度(θ2＜θ m＝。虽然此时的内周面和旋涡生成部前端2e的位置、梯度θ2的正 确的关系可以根据实验来求出，但是在以数值计算等来求解的情况下， 求出在内周面的边界层，流体的壁面剪切应力为0的点等作为剥离点。 例如，假定在流体中，沿着壁面方向设为x，将其法线方向设为y的坐 标系的时候，如果将该流体的流速设为u，则剪切应力为μdu/dy(μ 是流体的粘性系数)，因此，求出法线方向的速度梯度为0的du/dy＝0 (在y＝0时)的点作为剥离点。利用数值计算能容易地计算出该点。 另外，如果将流出梯度θ2设置得小，则旋涡生成部前端2e靠近喉管 部侧，如果设置得大，则靠近后缘侧。

另外，剥离点(旋涡生成部前端2e)的位置受到风速U的影响。 在实际的流体中，流出梯度θ2的稍微的差异在自然风的风速的变化中 被吸收。只要是在进行发电等的风车1的输出时，能在旋涡生成部前 端2e使流体剥离的流出梯度θ2即可。以摆线形状的梯度为基准，如 果设为该基准梯度以下，则能在预定的旋涡生成部前端2e或者其附近 使流体剥离，生成较强的旋涡的旋涡组。

而且，通过根据摆线m的后缘2d的梯度α将流出梯度θ2设定为 根据摆线确定的小于α的预定的梯度(θ2＜α＜90°＝(例如设定为 通过α的一次函数或幂函数来对应)，通过与该α进行对应，能够简 便地设定为使内部流体从内周面201剥离的梯度。在接近垂直地弯曲 的情况下，可以采用接近后面叙述的实施例3的渐增截断端型(香蕉 型)剖面的梯度α(参照图7)。

在此，对以摆线m为基准线来赋予厚度时的薄壁壳体形状的厚度 进行说明。薄壁壳体作为整体形成为喇叭状地向一方扩展的形状的旋 转体。在以该摆线m为基准线的旋转体壳体的一剖面上，如图3(b) 所示，将表示薄壁壳体的内表面的线设为内侧曲线i，将表示外表面的 线设为外侧曲线k，将摆线m和内侧曲线i的喉管部的内侧壁厚设为△ _i。另外，将摆线m和外侧曲线k的喉管部的外侧壁厚设为△_K。因此， 薄壁壳体的内侧曲线i的喉管部的直径、即壳体2的内周径为d＝d_m-2 △_i。此外，d_m是摆线m的喉管部处的直径。

另外，在轴向剖面，薄壁形状的内侧曲线i满足下面的条件(1) 和(2)。即，(1)内侧曲线i在前缘2b与摆线m交叉。(2)内侧 曲线i在摆线m的喉管部的轴向同一位置的喉管部处也具有极小值或 极大值。而且，(3)内侧曲线i在摆线m与后缘2d增加交叉的条件 则设计变得容易。并且，在内侧曲线i上，从该线上的旋涡生成部前端 2e起，通过直线或曲率较小的曲线等连接后缘2d，形成旋涡生成面2c。

该内侧曲线i在前缘2b和后缘2d之间例如具有二次函数或三次 以上的高次幂函数、三角函数等的极大值或极小值，能够使用满足条 件(1)、(2)，甚至根据情况满足(3)的凸函数或凹函数来表达。 而且，在喉管部，根据内侧壁厚△_i和外侧壁厚△_K，在整体上形成厚度 为△的形状。再者，喉管部的内侧壁厚△_i是薄壁壳体的内侧壁厚为最 大的厚度。该凸函数或凹函数只要是单调且平滑地增加或减少到喉管 部，再反过来从喉管部单调且平滑地减少或增加的函数即可。

下面，对可忽略厚度的摆线壳体内的流体与将以摆线m为基准线 的薄壁壳体内的流体，在流体力学上形成几乎能够等同视之的流体的 条件进行探讨。

在可忽略厚度的摆线壳体和薄壁壳体中，形状的构架都是相同的 摆线m，这是共同的。如果考虑薄壁壳体的厚度较薄，则流路几乎相 同，除了极微观的流体，几乎是相同的流体。在这两个流路中，如果 雷诺数Re＝LU/v相同，则可认为表示流体几乎一致的流体图案。在此， L是代表尺寸，U是代表流速，v是动粘度系数。

作为摆线m的旋转体而被构成的内部流路的流路面积A在喉管部 为πd_m²/4，作为内侧曲线i的旋转体而被构成的流路面积A_i在喉管部 为πd²/4≒π(d_m²-4△_id_m)/4。因此，如果将通过流路面积A的流量设为Q， 将流速设为U，则Q＝AU，如果该相同流量Q以流速U_i流过流路面积 A_i，则具有Q＝A_iU_i的关系，所以表示为U_i＝U(d_m²/(d_m²-4△_id_m))≒ U(1+4△_i/d_m)≒U(1+4△_i/d)。

也就是说，在摆线m的旋转体的流体中，雷诺数为Re＝dU/v，在 内侧曲线i的旋转体的流体中为Re’＝d_iU_i/v≒Ud(1+2△_i/d)/v。

如果考虑风车的雷诺数，则例如因为5kW的风车的直径d＝1m， 平均风速为5m、动粘度系数v(25℃)为15×10^-6，因此Re为Re＝3.3 ×10⁵左右。实用化的风车由于直径比此大很多，所以通常为Re＝10⁶以上。而且，在共同的流路中，Re＝10⁵左右或这以上的两个雷诺数即 使相差1000，通常在流体中也不会引起本质性的变化。这是因为：从 层流到乱流的流体性质变化较大的雷诺数为3000左右的值，在雷诺数 远远大于该数值的流体中，雷诺数即使相差1％，也不会对其产生较大 的影响。

即，在Re＝10⁵左右或Re＝10⁵以上的流体中，若(Re’-Re)/Re＜ 10^-2左右，则几乎不必担心该差异会在风车周围的两个流体的图案中产 生差别。在上述的薄壁壳体中，这相当于(Re’-Re)/Re＝2△_i/d＜10^-2，换言 之，内侧壁厚对半径的比为1％以下。例如，如果相对于d＝1000mm， △_i＜5mm，则即使设置为薄壁壳体，也能够形成与摆线壳体等同的流 体。相对于直径d＝1000mm，筒长10％意味着筒长Lt＝100mm，因此在该 情况下，△_i/Lt＝5/100＝0.05。如果例如将外侧壁厚△_k设为与△_i相同的 厚度，则薄壁壳体的厚度△变为2△_i。这时候，△/Lt＝0.1。由于△_i为 更薄厚度时，接近于摆线壳体，因此薄壁壳体的整体的厚度△相对于 Lt为10％左右，或者比此更薄的厚度可以称作是不会使流体的图案发 生变化的薄壁壳体。另外，△_i可以是0，这时，内侧曲线i由摆线m 本身构成。再者，厚度可忽略的情况下，可换句话来说，是内侧曲线i ≒摆线m≒外侧曲线k。

接着，对壳体2的外周面202的形状进行说明。外周面202的形 状也沿摆线m来完善，从前缘2b到后缘2d，大致设置成弯曲为凹型 的形状。如果外周面202适当地弯曲，在后缘2d发生剥离，则能够形 成目标旋涡组流体。剖面能够采用各种各样的形状。但是，在风车1 或其它的流体机械中，壳体2的厚度成为使重量增加的原因。此外， 风所造成的压力损失过大的话，也会失去实用性。

于是，在后缘2d处，形成使外部流体在该后缘2d的位置处剥离 的流出梯度θ1。θ1是外侧曲线k的切线q方向与轴线方向的交叉角 (参照图2、图3(b))。而且，在实施例1中，由于将壳体形状设 置为薄壁，因此，将该流出梯度θ1设定为大于等于作为连接前缘2b 和后缘2d的圆锥面的母线n和轴线方向的交叉角的扩展角β(即β＜ θ1＝。在图3(b)中，tanβ的值大致为tanβ＝(h～D)/Lt。由此， 流体阻力降低，而且能够形成有效的旋涡组。就此，在扩展角β超过 50°且导致过大的重量和无用的压力损失的、超过了通常的流体机械 范围的非实用方式的壳体2的情况下，通过作为基础的构造，外部流 体变为被阻挡的状态(参照图3(b)，相对于喉管部2a的内径d，从 主流观察到的投影宽度D较大)，流体阻力变大，扰乱主流，尾流比 图4、图6所示的那样更向外侧扩展，生成的旋涡组的旋涡变弱，负压 区域的小区的压力也不是太低，小区构造也变得不明确。因此可知： 如果是通常的流体机械，则自然落入上述范围内，不会成为问题，但 是即使是利用非恒定流的情况，也有必要不破坏流体且避免无意义的 压力损失，在壳体外形上具有为了形成旋涡组而最好避开的范围。再 者，该扩展角β超过50°的情况相当于如下所述的情况：如果筒长相 对较短，例如是筒长为13.7％的带凸缘的壳体，则凸缘高度h超过15％ (即，凸缘高度为15％、筒长为13.7％的带凸缘的壳体)。此时的扩展 角β大约为51°。另外，β＜40°较佳(这将在后面进行叙述)。其 中，在不要求实用性的异常流体机械的情况下，有时也有用超过50° 的扩展角。

流出梯度θ1必须是使流体在后缘2d处稳定地剥离且固定地引起 流体剥离的角度。因此，壳体2的外周面202的形状需要是这样的形 状：在后缘2d处使外部流体剥离，与在内周面201剥离的内部流体一 起，在壳体2的后方产生卷合，在尾流形成旋涡较强的旋涡组。也就 是说，使用摆线和梯度θ1、θ2，使在摆线形状的内周侧流动的内部 流体在与外部流体之间协动，通过协动形成较强的旋涡组，通过该作 用使内部流体加速。因此，外周面202向半径方向外侧膨出的形状有 可能使得剥离点向比后缘2d更靠近上游侧的位置移动，导致过大的重 量和不必要的压力损失，不优选。在实施例1的情况下，因为将流出 梯度θ1设定为扩展角β以上，因此没有这样的担忧。

此外，相反地，当提供了满足这种流出梯度θ1、θ2的条件的形 状的薄壁壳体时，假设以该前缘2b和后缘2d为端部、在喉管部存在 凸部的摆线位于该壳体内，如果该摆线的整体在该剖面的外表面的区 域内收敛为一根曲线(也包括摆线构成内表面本身或内外表面的情 况)，则该两端(前缘2b和后缘2d)、喉管部被固定的母线的摆线是 最重要的，该摆线可以说是该壳体剖面形状固有的曲线，在该壳体中， 将该摆线设定为基准线。再者，薄壁是在满足上述流出梯度θ1、θ2 的条件的基础上的厚度，如上面所述，相对于Lt大致收敛于10％以内 的厚度较佳。

另外，在后缘2d形成较小的R形(圆角)的情况下，在开始形成 圆角的位置处的外周面202的切线的梯度为后缘2d的流出梯度θ1。 另外，在后缘为有厚度的平坦的端面时，只要设为在该端面的外周缘 满足上述流出梯度θ1的条件的形状即可。流体与没有厚度时相同。而 且，关于前缘，虽然优选形成为能顺畅地分割流体的尖端形状或具有较 小圆角的R形状，但如果使整体的旋涡组流体变强，则也可以形成为 例如具有平坦的端面的截断端形状。再者，通过实施例2、3来说明下 述独特的情况：壳体具有厚度，其内周面本身以摆线为母线且由这样 的曲线来构成。

如上面所说明的那样，根据本发明实施例1的流体机械、风车， 作为壳体基准的形状，在轴向剖面，以摆线为基准，确定内周面、外 周面的形状，因此能够通过内外流体的剥离形成强旋涡的旋涡组，利 用该旋涡组在旋涡生成面的背后生成涡度强的负压区域，使内部流体 增速。能够提供质量轻、小型化形状的流体机械、风车。此外，扩散 器的长度较短，可大型化，能够实现高输出功率。

另外，根据实施例1的内部流体增速方法，利用壳体的形状，在 流体中形成稳定的强旋涡的旋涡组流体，在出口侧附近形成强负压的 负压区域，通过作为非恒定流的旋涡组流体，能够使内部流体增速。

实施例2

在本发明的实施例2中，以上所说明的流体机械、风车的壳体由 在半径方向上具有预定厚度的壁厚的板材构成，包括旋涡生成面在内 的内周侧的形状本身由摆线构成。因此基本上与实施例1没有变化。 图11是本发明实施例2中的、设置在流体机械的前缘和后缘之间且由 摆线构成的板材壳体的轴向剖面图。在实施例2中，虽然也以风车为 中心进行说明，但是在水车等其它流体机械中也是同样的。

如图11所示，可以使用具有预定厚度△的板材来形成摆线形状。 虽然已经对摆线形状的壳体进行了说明，但是在实施例2中，采用板 材将内周面201设置成摆线形状。虽说是具有预定厚度△的板材，但 如果从流体机械的代表尺寸的标度来考虑，则厚度△通常是可处理为 能忽略的厚度。也就是说，通常，板厚相对于喉管部半径的比为0.5％ 以下，只要考虑△≒0来形成壳体即可。因此，在下面，具有预定厚度 △的板材是指例如板厚相对于喉管部半径的比超过0.5％的情况。在图 11中，内周面201是连接前缘内端2b₁和后缘内端2d₁的摆线m。喉管 部2a位于使内周面201内的流路剖面变为最小的最小剖面面积的位置 S处。

在板材的情况下，外周面202也是与仅相隔厚度△的内周面201 平行的摆线。这时候，连接前缘外端2b₂和后缘外端2d₂的圆锥母线的 梯度被设定为扩展角β。从内周面201的后缘2d开始的、预定长度的 范围是旋涡生成面2c。该旋涡生成面2c的内径侧的端是旋涡生成部前 端2e。在内部流体中，边界层从喉管部2a附近扩展至旋涡生成部前端 2e。

在摆线形状的情况下，仅通过将内周面201的一部分的范围直接 设置为旋涡生成面2c，在旋涡生成部前端2e处使流体剥离，能够形成 极有效的强旋涡组。不需要将旋涡生成面2c设置为不同于摆线的形状。 能仅通过采用摆线形状来将旋涡生成部前端2e设置为剥离点。这时， 如实施例1那样，为θ2＝θm。已剥离的内部流体与在外周面202的后 缘外端2d₂处剥离的外部流体一起，在壳体2的后方产生卷合，在尾流 形成卡曼涡状的旋涡组，在紧挨着旋涡生成面2c的后方，形成相伴的、 在环状方向排列且涡度强的负压区域。摆线壳体在摆线m的旋涡生成 部前端2e处具有朝向切线p方向的流出梯度θ2。

其次，外周面202的形状具有沿着内周面201的摆线m、在半径 方向上间隔开厚度△的形状。外部流体由于在前缘外端2b₂和后缘外端 2d₂周围流动，因此如根据△≒0的情况那样可知，在后缘外端2d₂处 形成流出梯度θ1。如图11所示，流出梯度θ1是与摆线m的流出梯 度α相同的梯度。使外部流体在后缘外端2d₂处剥离。另外，设定为连 接前缘外端2b₂和后缘外端2d₂的圆锥母线的扩展角β以下。

另外，在图11中没有示出，但在板状的摆线的壳体中，垂直地形 成旋涡生成面2c，设置为如图8那样的带凸缘壳体的形状，也可以与 图2同样，设置为在满足β＜40°的范围内安装有凸缘(圆板)的形 状。重要的是，如在实施例3中说明的那样，设置为满足β＜40°的 范围的形状。由此，成为厚度△(包含△≒0)的板状的带凸缘的摆线 壳体。此时也能形成稳定的强负压区域，显示出良好的特性。而且， 也可以使此时的凸缘相对于轴倾斜，而不是与叶轮的轴正交(圆板)， 也可以设置为形成圆锥面的凸缘。该带凸缘的摆线壳体的情况，也与 摆线壳体同样，可以从尾流侧引入具有强循环的二次流体，形成稳定 的强负压区域。

在本发明的实施例2中，前缘2b和后缘2d在轴向剖面的半径方 向上具有预定宽度的厚度△的情况(即，具有前缘内端2b₁和后缘内端 2d₁、前缘外端2b₂和后缘外端2d₂的情况)下，由于将内周面201的形 状设置为连接前缘内端2b₁和后缘内端2d₁的摆线形状，因此能够赋予 基于摆线的适合的旋涡组生成特性，能够生成强旋涡的旋涡流体和负 压区域。而且，可容易地进行壳体的设计、制造。

在这里，接着实施例1来说明下述情况：通过风洞实验和数值计 算比较带凸缘的壳体和摆线壳体，摆线形状具有极优良的特性。进行 了风洞实验和数值计算的带凸缘的壳体和摆线壳体具有图8所示的形 状。

具有这两个壳体的风车的风车输出系数Cw如图12(a)、(b) 所示。图12(a)是风洞实验的实验结果，图12(b)是数值计算的结 果。根据图12(a)的风洞实验的实验结果可知：摆线壳体的风车输出 系数比图8的带凸缘的壳体的风车输出系数Cw大。增加的比例为 3.2％。该倾向在图12(b)的数值计算中也相同，其增加的比例为2.9％。 因此，可以预见：仅通过设置为摆线壳体，就使风车输出系数Cw上升 了3％左右。在此，风车输出系数Cw是无因次量，表示为Cw＝W/{(1/2)· πρU³r₀²}。W是发电输出功率(W)，ρ是空气密度(kg/m³)，r₀是 叶轮的半径(m)，风速为U(m/s)。

接着，通过数值计算来求出具有这两个壳体的风车的喉管部处的 半径方向速度分布和压力分布。图13是喉管部处的流速的半径方向分 布，图14是喉管部处的压力的半径方向分布。

根据图13，从r/d＝0.065的叶轮的导流罩壁面到r/d＝0.5的壳体的 内周面为止，摆线剖面这一方的流速u(m/s)的增加较大(大致与半 径r成比例，具有显著的倾向)，在叶轮的前端附近(r/d＝0.5)，u/U 增加了20％以上。

另外，根据图14可知：从叶轮的导流罩壁面到r/d＝0.5的壳体的 内周面为止，摆线壳体的静压Cps较低(大致与半径r成比例，具有显 著的倾向)。由此，能够确认：摆线壳体将流体引入风车的效果比带 凸缘的壳体的大。

此外，两风车周围的时间平均压力分布和周向平均/时间平均涡度 的分布已经在图4和图5以及图9和图10中示出。根据图4～图7、 图9、图10、图13、图14可知：具有摆线剖面的摆线壳体比具有相同 投影宽度D的、凸缘高度为10％、筒长为13.7％的带凸缘的壳体(参 照图3(b))更能形成强负压的负压区域，此外，该负压区域沿着壳 体内周面的壁面扩展到喉管部附近。另外，还可知：在带凸缘的壳体 中，负压区域为涡度较高的区域，在叶轮前端附近的尾流侧延伸而形 成得薄且长。与此相对，在摆线壳体中，在旋涡生成面的背后，接近 该面且在出口附近，从内周到外周形成涡度极强的区域。因此，可知： 摆线壳体的该强涡度的负压区域使喉管部处的流速增加，伴随这一情 况，风车输出功率增加。

凸缘高度为10％、筒长为13.7％的带凸缘的壳体周围的流线图如 已根据图6所说明的那样，实施例2中的、由具有预定厚度的壁厚的 板材构成的摆线壳体周围的流线图基本上如图7中所说明的那样。关 于带凸缘的壳体周围的流体，主流因壳体的存在而被较剧烈地扰乱， 从而在后方扩展，流体在凸缘处被阻挡。与此相对，摆线壳体具有不 过度扰乱流体的适当的形状，并且从流体的后缘开始的飞出角更朝向 内侧。在摆线壳体中，在壳体的后缘处的上表面，流体顺畅且快速地 飞出。由此，在紧邻旋涡生成面2c的位置形成旋涡，在壳体轴向长度 的约1倍～2倍的范围的尾流处，内外流体顺畅且时间均等地合流在一 起。通过该作用，增加了喉管部2a的流速，使风车输出功率增加。

根据上述情况可知：即使在数值计算中，通过设置成将旋涡生成 面和扩散器一体化的摆线壳体，提高了风车的性能。摆线壳体提高了 形成负压区域的性能，在旋涡形成特性方面极其优越。

另外，图15(a)是比较在本发明实施例2的风车中设置了使旋涡 组波动一致的相位控制板4时和没有设置该相位控制板4时以及采用 实施例1中的带凸缘的壳体时的输出功率性能的说明图。设置有相位 控制板4的壳体2的外观如图15(b)所示。此外，图15(a)、(b) 的壳体2设置有12块相位控制板4。如图15(b)所示，在板材的摆 线形状的壳体2的旋涡生成面2c的尾流侧，以预定的间距沿轴向竖立 地设置了12块。图15(a)的圆周速度比λ为叶轮圆周速度r₀ω(m/s) 与风速U(m/s)的比(＝r₀ω/U)。在这里，r₀是叶轮半径，ω是角频 率(l/s)。

构成凸缘高度为10％、筒长为13.7％的带凸缘的壳体的旋涡生成 面2c的凸缘高度h是喉管部2a的直径d的10％的高度(h/d＝0.1)。 另外，关于仅由摆线的平滑的旋转面构成整体的摆线剖面的壳体，后 缘在摆线上，相当于旋涡生成面2c的部分的高度h具有喉管部2a的直 径d的10％的高度。也就是说，包括旋涡生成面2c在内的壳体2的最 外径(后缘的位置)为彼此相等的高度(参照图4)。风速为8(m/sec)， 叶轮3的直径为1000mm。根据图15，通过设置为摆线可看出平均2.5％ 的输出系数Cw上升。而且，通过设置相位控制板，升高1.5％左右。 再者，虽然以上的说明针对实施例2的、在带凸缘的壳体上设置有相 位控制板4的情况，但相位控制板4的作用效果在包含实施例1和后 面叙述的实施例3的其他流体机械中也是相同的。

另外，如果将相位控制板的数量设置得比随着自然的流体所形成 的负压区域的小区的数量多，则会强制性地分割原本的小区，尾流侧 的旋涡也几乎不会变为强旋涡。负压区域也变得不醒目。此外，在将 相位控制板设置得比该小区的数量少的情况下，多个小区相互伸缩、 移动、相互影响，减弱了稳定化的作用，在该情况下，也比相同数量 的情况更难形成强旋涡。因此，相位控制板的数量设置为仅与自然形 成的负压区域的数量一致的数量为较佳。12块相位控制板4也是根据 该观点来选择的。

这样，关于实施例2的流体机械，通过设置摆线的旋转面，壳体 的设计和制造变得容易，而且能够使形成旋涡组的流体稳定，增加了 内部流体的流速，可进行高输出功率的发电。此外，能够缩短扩散器 的长度，由此，不仅能够实现数m以下的微型风车、小型风车，还能 大型化到发电能力为MW级的大型风力发电设备用的风车，能够提高 能量转换率。再者，根据实施例2中的流体机械的内部流体增速方法， 通过将整体设为摆线，能使形成旋涡组的流体更稳定，利用流体机械 的外部流体，可以增加内部流体的流速。

实施例3

接着，在本发明的实施例3中，改变流体机械的壳体的厚度，并 且形成凸缘形状的旋涡生成面。可以说具有使厚度逐渐增大再急剧减 小的壁厚截断端剖面的形状。图16(a)、(b)是比较凸缘高度为10％、 筒长为22％的带凸缘的壳体和实施例3的壁厚截断端剖面的壳体的形 状的比较图，图17是本发明的实施例3的、设置在流体机械的前缘和 后缘之间的壁厚截断端壳体的轴向剖面图。下面，对逐渐增加厚度、 在后缘形成凸缘状的旋涡生成面的壁厚截断端剖面(在下面也称为香 蕉型剖面)进行说明。

图16(a)、(b)表示所比较的凸缘高度为10％、筒长为22％的 带凸缘的壳体和实施例3的香蕉型剖面壳体的形状。图16(a)虽然与 实施例2的板状的凸缘高度为10％、筒长为13.7％的带凸缘的壳体类似， 但却是壳体轴向长度相对于喉管部2a的内径d处于22％的位置的带凸 缘的壳体。关于实施例3的香蕉型剖面，内周面为摆线形状，外周面 如图16(b)所示，被设置成剖面为椭圆状的形状，在入口侧的前缘， 该香蕉型剖面形成与轴平行的梯度。形成于香蕉型剖面的背后的旋涡 生成面2c与凸缘同样，是垂直的。另外，在香蕉型剖面的前缘形成有 圆角(R形)。而且，旋涡生成部前端2e尽可能设置在摆线形状的剥 离点或比该剥离点更靠前的位置。

如果采用数值计算，则具有这两个壳体的风车的风车输出系数Cw 如图18所示。该数值计算使用九大应用力学研究所开发的リアムコン パクト(RIAM-COMPACT)数值模拟器，利用高雷诺数分析软件和进 行不使用一切紊流模型的直接数值计算的DNS法来进行计算，所述高 雷诺数分析软件采用作为紊流模型的最尖端的LES法。在这里所示的 图的计算结果是根据DNS法获得的，LES法用于参照。根据图18可 知：通过将壳体变更为香蕉剖面，风车输出系数Cw比凸缘高度为10％、 筒长为22％的带凸缘的壳体增加5.3％。旋涡生成面从垂直面稍微倾斜 的情况也几乎相同。

接着，通过数值计算来求出具有这两个壳体的风车的喉管部处的 半径方向的速度分布和压力分布。图19是喉管部处的流速的半径方向 分布图，图20是喉管部处的压力的半径方向分布图，图21是相当于 从喉管部开始到尾流的扩散器的大致中间的位置的、x/d＝0.06处的压力 的半径方向的分布。

根据图19可知：从r/d＝0.065的叶轮的导流罩壁面到r/d＝0.5的壳 体的内周面附近，香蕉型剖面的流速u的增加较大(大致与半径r成比 例，具有显著的倾向)，通过使壳体具有壁厚截断端剖面的形状厚度， 比带凸缘的壳体更增加了喉管部的风速。

此外，根据图20、图21可知：从叶轮的导流罩壁面到r/d＝0.5的 壳体2的内周面，不论在喉管部，还是在从这里到尾流的扩散器的大 致中间的位置，具有厚度的香蕉型剖面壳体的扩散器壁面附近的静压 Cps降低(大致与半径r成比例，具有显著的倾向)，香蕉型剖面壳体 的引入流体的效果比凸缘高度为10％、筒长为22％的带凸缘的壳体大。

另外，图22和图23示出对分别具有上述凸缘高度为10％、筒长 为22％的带凸缘的壳体和香蕉型剖面壳体的两个风车周围的时间平均 压力分布进行数值计算的结果。图22是凸缘高度为10％、筒长为22％ 的带凸缘的壳体的风车周围的时间平均压力分布，图23是香蕉型剖面 壳体的风车周围的时间平均压力分布。此外，图24是凸缘高度为10％、 筒长为22％的带凸缘的壳体周围的流线图，图25是香蕉型剖面壳体周 围的流线图。根据图22、图23、图24、图25可知：香蕉型剖面比凸 缘高度为10％、筒长为22％的带凸缘的壳体更易形成强负压的负压区 域，另外，该负压区域沿着壳体内周面的壁面扩展到喉管部附近。这 表明：喉管部处的流速u增加，风车输出功率也随着增加。

图26是示出凸缘高度为10％、筒长为22％的带凸缘的壳体周围的 流体场的周向平均/时间平均涡度分布的分布图，图27是示出香蕉型剖 面壳体周围的流体场中的周向平均/时间平均涡度分布的分布图。在凸 缘高度为10％、筒长为22％的带凸缘的壳体的情况下，可知涡度强的 部分在叶轮前端附近的尾流侧形成为稍微变弱的区域。与此相对，在 香蕉型剖面壳体中，可知：接近旋涡生成面的背后，在风车出口附近， 从内周到外周形成涡度极强的区域。因此，香蕉型剖面的该强涡度的 负压区域对内部流体引起流速u的增加。

图28是具有图16(a)的凸缘高度为10％、筒长为22％的带凸缘 的壳体的风车1周围的进行了周向平均/时间平均的半径方向速度成分 的分布图，图29是具有图16(b)的香蕉型剖面壳体的风车1周围的 进行了周向平均/时间平均的半径方向速度成分的分布图。据此，凸缘 高度为10％、筒长为22％的带凸缘的壳体周围的流体在壳体外侧形成 不流畅的区域。与此相对，香蕉型剖面壳体的流体的主流没有被壳体 扰乱，在香蕉型剖面壳体中，在壳体2的后缘处的上表面，流体流畅 且快速地飞出。

另外，在这里，对具有与香蕉型剖面壳体的内周面形状相似的形 状的板状带凸缘的壳体进行说明。这虽然使用在喉管部位置具有凸部 的摆线作为基准线的主要部分，但是并不仅仅是该摆线，在旋涡生成 部前端和后缘之间也采用一部分直线，形成旋涡生成部，通过这些部 分，连接前缘和后缘之间。此时，旋涡生成部为圆环状的凸缘。为了 以摆线形状为主形成旋涡生成部，仅设置一部分凸缘。另外，也可以 采用曲率半径大的第二曲线连接前缘和后缘之间，形成旋涡生成部。 是必须形成筒长短的强旋涡时的有效手段。在实施例3与摆线壳体的 比较中所使用的、凸缘高度为10％、筒长为22％的带凸缘的壳体比在 实施例1、2用于比较的比较例的、凸缘高度为10％、筒长为13.7％的 带凸缘的壳体，更具有接近摆线壳体和香蕉型剖面壳体的良好的特性。 虽然其原因有很多，但考虑到了如下所述的原因。第一原因是：摆线 在前缘侧向半径方向外侧弯曲，由此减小了扩展角β的大小(即，变 为β＜40°＝。另外，第二原因是壳体的针对流体的整体轮廓可形成 为如下所述的轮廓：通过入口的弯曲和扩展角的减小，不会为了形成 旋涡而过度地扰乱流体。通过将扩展角β设置得比预定值小，并且将 整体轮廓设置成不破坏流体的适当的非线性形状，既可避免无意义的 压力损失又能利用非恒定流。该第一和第二原因相互关联。

如果对上述比较中所使用的两个壳体进行观察，则凸缘高度为 10％、筒长为13.7％的带凸缘的壳体的情况扩展角β大致为42°(喉管 部的位置0.05d)，在凸缘高度为10％、筒长为22％的带凸缘的壳体中 大致为38°(喉管部的位置0.89d)，从扩展角β的观点来说，40°是 该特性的界限。也就是说，为了既避免无意义的压力损失又利用非恒 定流，将扩展角β设定为比40°小的角度为较佳。在β＝42°的情况下， 旋涡流体在尾流侧示出非常膨胀的倾向，但是通过将带凸缘的壳体的 扩展角β设置为β＜40°，能够形成接近摆线壳体或香蕉型剖面壳体 且在旋涡生成面2c的背后集中出现的强旋涡流体。此外，通过使摆线 的喉管部后退到壳体的尾流侧，不仅仅是旋涡形成特性的提高，也与 壳体的小型化相关。另外，在香蕉型剖面壳体和带凸缘的壳体中，在 使基于直线或第二曲线的旋涡生成面2c不是相对于半径方向，而是相 对于轴倾斜的形状的情况下，与实施例1同样(参照图2)，能够与摆 线壳体同样地从尾流侧引入具有较强循环的二次流体，形成比垂直于 轴的情况更稳定的强负压区域。

根据以上所述，通过将壳体的形状变更为逐渐增大再急剧减小的 壁厚剖面，比如板那样的厚度固定的壳体的形状更能在壳体的附近生 成强负压的负压区域。流体被引入该负压区域，喉管部处的流速增加， 风车的输出功率增加。

实施例4

另外，在上面主要说明了风车1的流体力学方面的结构，以下， 对作为发电装置的方面进行说明。如图30所示，在实施例4的风车1 中，叶轮3的旋转力被传递到发电机11，驱动发电机11进行发电，向 外部供电。实施例4的风车1是具有在实施例1～3中说明的壳体的风 车1。另外，风车1不限于带有发电装置的设备。旋转力可以不经由发 电机11而直接输出。例如，虽然在这里没有图示出来，但是作为原动 机，能够将旋转轴连接到泵的驱动轴，应用于抽水，或者压缩气体进 行蓄压，在蓄压器内储蓄能量，或者驱动搅拌器，形成温水来提供。 这些也是风车，是流体机械。

在风车1的情况下，如图30所示，叶轮3的旋转力经由旋转轴、 传递机构传递到发电装置10内的发电机11，由发电机11进行发电。 在发电机11中例如可使用感应发电机等。由于由发电机11发出的电 是交流的，因此其被提供给AC/DC转换器12，转换为直流电。转换后 的直流电在充电装置13处被充到蓄电池14中。该蓄电池14能够作为 紧急用电源来使用。另外，来自AC/DC转换器12的直流电被DC/AC 转换器15以再次变为预定的电力的方式进行电力调整，转换为交流电， 作为交流电而被输送到电力系统16。此外，发电装置10的结构只是一 个例子，不受限于此。

接着，对控制装置17的动作进行说明。利用检测发电机转子的转 速的感应器检测发电机11的转速，并且通过间隙检测器20检测叶轮3 和壳体2的内周面之间的间隙。控制装置17根据该转速判定是否过度 旋转，当判断为过度旋转时，为了降低输出功率，驱动致动器18，将 壳体2向扩大间隙的方向移动，使其在轴向上移动到最佳位置。在即 使这样做仍然过度旋转的情况下，通过具有变速/离合功能的传动机构 19来降低转速。相反地，在叶轮3的转速小的情况下，通过致动器18 将该间隙控制为能获得最大输出功率的最佳间隙。该间隙也会影响空 气力学上产生的噪音，在破坏芯涡流、获得最大输出功率时也能够减 小噪音。将叶轮3设成可变间距，通过控制装置17，在强风时也能够 改变间距。

此外，致动器18并不是必需的部件。在没有使壳体2移动的情况 下，可以委托控制装置17的输出控制，对输出功率进行电处理。而且， 壳体2以可沿叶轮3的轴方向滑动的方式支撑在设置于支撑台22的支 撑柱上的卡止部18a处。通过使致动器18伸缩，来使壳体2沿轴向滑 动。在不让壳体2移动的情况下，只要将壳体2固定在支撑柱上即可。

关于被从AC/DC转换器12引导到DC/AC转换器15的电压/电流， 通过未图示的电压/电流传感器检测电压/电流，该信号被输入到控制装 置17中。控制装置17根据该检测信号控制DC/AC转换器15，进行控 制使得电压恒定不动。该调整后的电力被提供给电力系统16。

另外，在实施例4的风车1中，以可相对于地面自由转动的方式 设置支撑台22。这是因为：风车通过流体的作用而获得左右流体力的 平衡，始终以顶着风的方式进行旋转。因此，在实施例1的风车中， 虽然是这样简单的结构，但是能够将其朝向自动地调整为可获得最大 输出功率的方向。

这样，由于本发明实施例4的风车是风车1，因此叶轮3的旋转 力被传递到发电机11，驱动发电机11进行发电，向外部供电。使用在 壳体2的内外流动的流体，形成可产生旋涡组的流体，将该流体控制 为稳定的流体，增加内部流体的风速，能够进行高输出功率的发电。 另外，可缩短扩散器的长度，由此，不仅能够实现数m以下的微型风 车、小型风车，还能大型化到发电能力为MW级的大型风力发电设备 用的风车，能够获得高输出功率。在结构上也能够加固。

实施例5

关于本发明实施例5的风车1，在使流体稳定，实现高输出功率 的同时，能减轻风车1对航空多普勒雷达的影响，解决鸟击等由异物 造成的撞击的问题。图31示出了在本发明实施例1～3的壳体中安装 有网状物的风力发电装置。

根据图31(a)、(b)可知，以预定间距交叉的金属丝网等网状物5 被配置成覆盖壳体2的整个外部表面或使叶轮前端的运动能躲避雷达 的预定范围，这些由壳体2支撑。另外，通过安装网状物5，扰乱了流 过外部表面的流体，由此，乱流边界层发展到壳体2的表面，使流体 整体稳定化。也就是说，因网状物5的设置，表面变为类似于很多波 纹的粗糙面，将形成于风车1的周围的二次流体稳定化，使主流稳定， 由此，使在旋涡生成面的背后生成的负压区域稳定，成为壳体2的附 属结构。安装网状物5比为了控制边界层而形成波纹更容易进行。

另外，如果采用金属丝网等网状物的过滤装置覆盖壳体2的入口， 排除鸟类异物，则能够防止异物与叶轮3撞击而造成破损。通过在入 口设置金属丝网，当包含由金属丝网产生的小规模的紊乱的流体碰到 叶片时，在低风速(约6m/s以下)、换言之，在低雷诺数区域中，叶 片表面的流体更久地沿着叶片剖面流动(容易变为乱流边界层，流体 不从叶片表面剥离)，产生较大的升力，结果是，提高了风车的发电 输出系数Cw。另外，因为在出口侧有流体流出，所以鸟等不会从该方 向被吸入。

此外，在导体制的网状物中，根据其网眼的尺寸具有截断由雷达 照射的电磁波(微波)的穿透的作用。换句话说，可根据网眼尺寸的 大小，分为微波穿透网状物的情况和不能穿透的情况。因此，如果选 择网状物5的网眼尺寸，则能够减轻风车1对航空多普勒雷达(频率 为1.3GHz、波长λ＝23cm左右)的影响。即，能够期待流体力学性的 作用和电磁波截断效果。

因此，以下，对能够截断微波的网眼尺寸进行说明。实验按两种 方法来进行。第一实验方法利用了测量移动物体的速度的运动用测速 枪。测速枪能够通过照射微波来测量移动物体的运动。作为用于实验 的测速枪，使用了在市场销售的Sports Radar Tracer Model  SRA3000(Sports Radar公司制造)。其使用频率为10.525GHz、波长为 2.85cm左右的微波。

在第一实验中，调查与网状物5的网眼尺寸相应的电磁波截断效 果(测试1)，探讨微波相对于叶轮3的旋转轴的照射角度与电磁波截 断效果之间的关系(测试2)。实验1所使用的网状物5的网眼尺寸为 3mm、12mm。对壳体2使用了FRP制的摆线壳体。壳体的内径设置为 1000mmΦ。在安装金属丝网时，配置于壳体的侧面周围，隔着该金属 丝网向叶轮的半径450mm的位置照射微波。

作为测试1，在没有安装金属丝网的情况下和设置有网眼尺寸为 3mm、12mm的金属丝网的情况下进行。在没有安装金属丝网的情况下， 当转速为300rpm时，测速枪测量到52.8km/h。因为认为转速为300rpm 时在该位置为50.8km/h左右，所以两者几乎一致。即，在没有金属丝 网的情况下，微波穿透壳体。

另外，在将网眼尺寸为12mm的金属丝网配置于测速枪和壳体之 间的情况下，与没有安装金属丝网的情况相同，能够测量转速，结果 为转速几乎一致。因此，即使是网眼尺寸为12mm的金属丝网，微波 也穿透壳体2。但是，在配置有网眼尺寸为3mm的金属丝网的情况下， 通过测速枪，不能测量到转速。这意味着所照射的微波被该网眼反射， 不能利用多普勒效果来检测叶轮前端的转速，意味着微波不能穿透风 车。

然后，作为测试2，进行了探讨微波相对于叶轮的旋转轴的照射 角度与电磁波截断效果之间的关系的实验。如图31(b)所示，在测试 2中，以与叶轮的旋转轴正交的方向、即与旋转面平行的方向为0°， 逐渐增加角度θ，测量转速。θ＝0°为与旋转轴正交的方向，θ＝90°为 从上游侧观察到的旋转轴方向，θ＝-90°为从下游侧观察到的旋转轴方 向。根据该测量结果，在角度θ为大于0°的角度时，不管有没有金属 丝网，都不能测量叶轮3的转速。也就是说，如果不是从相对于旋转 轴倾斜某程度的方向(如果从旋转轴的方向，不是大致超过80°并接 近90°)，则不会产生由叶轮3引起的多普勒效果。意味着：利用网 眼，可使叶轮前端的运动躲过雷达。

在用于实验的、内径为1000mmΦ的壳体中，由于从叶轮的前缘 到壳体的入口端为止的距离为90mm，因此，如果从壳体的上游侧，为 角度θ＝10.6°以内，则对于具有方向性的微波，叶轮隐藏于壳体2内， 微波照射到壳体而不会穿透壳体。同样地，由于从叶轮的后缘到壳体2 的出口端为止的距离为145mm，因此，如果从壳体的下游侧，为角度 θ＝16.2°以内的角度，则微波照射到壳体而不会穿透壳体。在风车的壳 体和叶轮的配置中，θ＝±10°以内的范围能够充分地覆盖叶轮的轴向 宽度。根据大小风车形状的相似性，在几乎所有的风车中，该角度都 是合适的。而且，这是壳体的整个外部表面或相当于能使叶轮前端的 运动躲避雷达的那一部分的范围。因此，如果在壳体周围的角度θ＝-10 °～θ＝+10°的范围内预先配置导体制、例如金属制的网状物，则能够 具有这样的效果：不产生由来自全方位的雷达的微波引起的多普勒效 果。但条件是网眼尺寸比预定的尺寸小。

接着进行第二实验。使用了与第一实验相同的风车。在第二实验 中，将金属丝网安装于壳体的周围，实际地测量来自航空多普勒雷达 的微波的穿透强度。作为第二实验的方法，使用波长与多普勒雷达的 微波几乎相同的微波(频率为1.3GHz左右，波长λ＝23cm前后)，在 照射侧和接收侧使用宽带喇叭形天线，在照射侧和接收侧之间配置被 测量物，进行测量。将矢量网络分析仪使用于微波的强度解析、频率 分析。极力地排除散射的影响，使得仅评价微波的直达值。

在第二实验中，调查基于金属丝网的有无的微波穿透性(测试1)， 在发送、接收器之间，以使叶轮旋转面平行的方式设置风车，针对金 属丝网的有无来探讨微波的穿透强度(测试2)。在测试1中，在发送、 接收器之间设置1m的距离，仅以金属丝网的有无来进行测量。使用了 4种的金属丝网网眼(铁制)。另外，在测试2中，在发送、接收器之 间设置2m的距离，将风车设置于发送、接收器之间，再针对金属丝网 的有无来测量微波的穿透强度。同样地，使用了4种的金属丝网网眼 (铁制)。设置风车(其中，叶轮静止)，进行了与测试1相同的实 验。

下面的(表1)、(表2)示出了测量结果的穿透强度、即接收器 侧的微波的强度。此外，如果穿透强度下降-3dB，则微波的强度下降 到一半，下降-6dB，则微波的强度下降到1/4。

[表1]

  网眼尺寸(cm)   测量值   下降幅度   微波强度的下降   无   -18.8dB   15   -20.4dB   -1.6dB   下降到约2/3的程度   10   -20.6dB   -1.8dB   下降到约2/3的程度   5   -22.5dB   -3.7dB   下降到约40％的程度   1   -44.3dB   -25.5dB   下降到1/300的程度

[表2]

  网眼尺寸(cm)   测量值   下降幅度   微波强度的下降   无   -25.6dB   只有风车   -25.3dB   +0.3dB   几乎全都穿透   风车+5cm网眼   -29.1dB   -3.5dB   下降到40％的程度   风车+1cm网眼   -34.4dB   -8.8dB   下降到约1/8的程度

根据以上情况，通过第一和第二这两个实验明白了以下所述的情 况。在小型风车的壳体中，如果照射角度从叶片旋转面开始为±10° 以内，则方向性强的雷达波照射到壳体上。

即，在没有安装金属丝网的情况下，照射到角度±10°以内的范 围的1.0～10GHz(波长为3cm～25cm)的微波穿透树脂(FRP)制的 风车的壳体而没有衰减。因此，在该情况下，在第二实验装置中，通 过多普勒雷达，能够将风车的叶轮的旋转识别为物体的运动。但是在 从超过±10°的范围的角度进行照射时，不能够将时而接近时而远离 的叶轮的旋转识别为物体的运动，不能将叶轮的旋转识别为物体的运 动，不能实现基于多普勒效果的测量。

相对于此，在风车壳体的外侧±10°的范围内安装有金属丝网时， 微波的强度大幅地衰减。根据(表1)、(表2)，可导致衰减的网眼 尺寸为所照射的微波波长的约20％以下。如果考虑所使用的微波的波 长λ＝23cm左右，则在具有微波波长的20％左右的尺寸(5cm)的金属 丝网中，可以将微波的强度减小到40％左右。但是这也受到到达风车 的微波的距离的影响。另外，如果减小网眼尺寸，则风车所承受的重 量就增加。为了抑制网状物的重量，将网眼尺寸抑制在雷达波长的10％ 以内的范围内较佳。

因此，如果是具有旋转叶片的带壳体的风车，那么若在该壳体的 外侧表面安装具有适当的网眼尺寸(雷达波长的10％～20％)的导体网 状物，则能够防止航空多普勒雷达的误识别的问题。另外，在风车中， 关于雷达波长的10％～20％的、金属丝网网眼的尺寸，具体的为2.5cm 到5cm。

如上面所说明的那样，风力发电装置的今后的维护相当紧迫。这 时候，在其设置环境受限制的情况下，就会延迟它的维护。根据本发 明实施例5的风力发电装置，即使是在飞机场附近设置风力发电装置 的情况下，也能够消除风车对航空多普勒雷达的影响。通过安装网状 物这一简单的方法，能够极廉价地实现作为现存难题的针对航空多普 勒雷达的对策。能够使壳体周围的流体稳定。而且，根据实施例5的 风力发电装置，通过在壳体安装过滤装置，能极简单地解决因鸟击等 而造成破损的问题。

实施例6

下面，对本发明实施例6中的利用了非恒定流的流体机械，特别 是水车等水力机械、其中能通过潮流进行发电的潮流发电装置进行说 明。图32表示具有本发明实施例1～3的壳体的潮流发电装置的外观。

如图32所示，在海流的流动很急的场所，将潮流发电装置31的 支撑台22以可自由转动的方式设置在海底。将多台沿与主流正交的方 向排列为一行，进行设置。叶轮的高度可以设置为不太受到海面影响 的高度。在涨潮和退潮时，在海流的朝向改变的情况下，潮流发电装 置31通过旋转，能够利用流体的作用朝向流动的方向。为了防止一点 点地旋转，可以通过控制装置17来锁止旋转。该潮流发电装置31的 结构与图28的风车1的结构相同。

另外，潮流发电装置31也可以不设置在海底，而是使支撑台22 悬吊在海面上的方式。在潮流发电装置31中，既可以设置致动器18， 也可以将壳体23支撑在发电机11周围等。而且，也可以将发电装置 10的重要部分或致动器18等全部设置在海面上。另外，利用潮流的水 车之外、在大坝、河流等场所使用的水车也是同样的，在该情况下， 壳体的支撑的方式只要根据用途来进行各种改变即可。

由于本发明实施例6的流体机械是潮流发电装置31，因此由潮流 引起的叶轮3的旋转力驱动发电装置10进行发电，能够向外部供电。 而且壳体31也能在构造上进行加固。

再者，本发明的利用了非恒定流的流体机械的内部流体增速方法 也可以利用于以上所说明的风车、水力机械等流体机械之外的其他流 体机械中。例如，在大气中试验喷气发动机性能的性能试验装置中， 将壳体设置于导流罩的周围，使内部的转子旋转，能够增加被吸进喷 气发动机的进气口的风量。由此，可获得高性能的试验装置。

工业上的可利用性

本发明能够应用于在风力发电装置、尤其是机场附近的风力发电 装置和潮流发电装置等的壳体的内外流动的流体中运转的流体机械 中。