風車が回転する理由

以前、
風力発電の風車において、ブレードが一定の時間に塔の前を通過する回数に対応する周波数の超低周波音出てくるときの仕組みを理解すること。音圧の計算もしたい。
です。
と質問していたものです。
これに関しては、

風車の振動解析、と言う論文を見て、
上空ほど風速が大きいので、ブレードが真上に来た時に揚力が大きくなり、
風車全体を風下に向かって押すことになる。
と理解しました。

揚力に関しては
流体力学（前編）　今井　巧　著
に書いてありました。

この力の結果、
風車ナセル・タワーの振動解析、と言う論文から
実際に、風車の上部にあるナセルと塔の高さ40ｍの部分は、
ブレードが真上に来る周期と同じ周期で大きく揺れている。
事が確認できました。

周波数の異なる音叉を
垂直に立てた共鳴箱に付けると、音叉の周波数の音が大きく聞こえることが分かりました。


さて、質問です。

飛行機のプロベラはエンジンで回り、前進する力を生み出し、翼が空気に向かって進み、
翼の周りの気流によって上に向かう揚力が得られます。
が、
風車の場合の、エンジンに相当する力、
回転そのものを生み出す力に関しては、どの様に考えれば良いのでしょうか？

また、
風車のブレードの形が、平面になった場合は、
揚力に関しては、どの様に考えればよいのでしょうか？

よろしくお願いします。

質問者からの補足コメント

• 

  風車全体を風下に向かって押すことになる。
  と書いたのですが
  
  https://www.jstage.jst.go.jp/article/jweasympo/4 …
  では、２１０度の方向では、羽枚数*回転数　1.6Hzの振動が顕著に表れている。
  とあり、
  https://www.jstage.jst.go.jp/article/jwea/34/4/3 …
  にある揚力ベクトルの方向とほぼ一致しています。
  
  ですから、
  
  風下は風下でも、
  揚力ベクトルの方向に近い、210度の方向に
  ブレードが真上に来る時の周期で押され、
  210度方向に関する1.6Hzの周期な振動がおきる。
  
  と修正したほうが良いと思いました。

    補足日時：2023/05/08 10:07

• ２番目のご意見に関して考えてみました。
  風車の回転速度と風速ですが次の様になっています。

  
    補足日時：2023/05/09 23:40

• 風車が停止状態から回転速度を上げている状態では
  揚力が回転方向を向くように、ブレードの向きを次の図のようにする。

  
    補足日時：2023/05/09 23:42

• 回転数が上がって定格出力運転になった後は、回転数を一定にして、
  出力を安定させるために、風が強くなったときはブレードの向きを変えて、
  揚力ベクトルの回転方向の成分を相対的に減らす。
  結果として揚力ベクトルの塔の方向の成分が大きくなる。
  これなら、揚力が回転の原動力となり、
  安定した発電をしているときに、塔が210度の方向に揺れることも
  説明がつくと思っています。
  間違いもあるかとは思っています。
  何かありましたら、指摘して下さい。また考えてみます。

  
    補足日時：2023/05/09 23:50

• 教えていただいた内容と、
  ２つの論文を比べながら、考えてみました。
  問題点に関して指摘していただければ有難いです。
  よろしくお願いします。

  No.2の回答に寄せられた補足コメントです。 補足日時：2023/05/09 23:54

No.5 ベストアンサー 回答者： tknakamuri 回答日時： 2023/05/12 11:34

>風車の場合の、エンジンに相当する力、

>回転そのものを生み出す力に関しては、
>どの様に考えれば良いのでしょうか？

飛行機
エンジンによりプロペラを回す(大気とプロペラとの間に速度差を作る)
→ プロペラと大気の速度差により揚力が生じる

風車
空気が風によって流れる(大気とプロペラとの間に速度差を作る)
→ プロペラと大気の速度差により揚力が生じる

よってエンジンに相当するのは風。
より正確には、風を引き起こす太陽エネルギー

この回答へのお礼

ありがとうございます。

色々調べたら、風で回る場合に、
2種類あるようです。
抗力で回る場合
揚力で回る場合。
今の風車は揚力で回るものが主流のようです。

揚力の場合は、羽根の上と下で速度差が出ないといけないようです。
羽根を薄い板にしてしまったときは、
抗力で回る風車と見れば良いと考えました。

https://www.neomag.jp/mailmagazines/topics/lette …

お礼日時：2023/05/12 11:51

No.4 回答者： 潮来のメロディー 回答日時： 2023/05/11 09:13

＞観光地では、回っていない風車（ただの飾り）も見かけるとがあります。

何と・・・。
弥七の赤い風車は、風が吹けばちゃんと回ります。

この回答へのお礼

ありがとうございます。

お礼日時：2023/05/12 11:52

No.3 回答者： 潮来のメロディー 回答日時： 2023/05/11 00:37

粉を引くのが目的ですから、回転しないとだだの飾りになってしまいます。

だから回るように設計されているのです。
昔佐世保のHuis Ten Boschで見たことがありますが、あれは電動で回しています。
?t=3116

この回答へのお礼

ありがとうございます。

観光地では、回っていない風車（ただの飾り）も見かけるとがあります。

お礼日時：2023/05/11 06:51

No.2 回答者： stomachman 回答日時： 2023/05/08 09:26

プロペラと形が似ているんで、ごっちゃにしていらっしゃるんではないか。

> 風車全体を風下に向かって押すこと

いいえそうじゃなくて、揚力こそが風車を回す力。揚力の方向は、翼が回転する方向です。

この回答へのお礼

ありがとうございます。

次の論文
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jwea/34/4/3 …
の中では、
揚力を分解すれば、進行方向の成分もあるのですが、
進行方向に対して垂直となる成分の方が大きいと思っています。
揚力ベクトルLの方向は、ブレードの進行方向ではありません。
もちろん、
論文が間違っていて、揚力ベクトルはブレードの進行方向を向くのかもしれません。
揚力ベクトルが翼の回転方向を向いているとの記述がある
文献を教えて下さい。

お礼日時：2023/05/08 09:43

No.1 回答者： ミラ-_- 回答日時： 2023/05/08 08:07

飛行機のプロペラと風車のブレードは、基本的に同じ原理で動作しますが、力の発生方法に違いがあります。

飛行機のプロペラでは、エンジンによって駆動されることで回転力が生み出されます。この回転力により、プロペラの翼が空気に対して進行方向に対して垂直な角度で取り付けられており、翼の形状と空気の流れによって揚力が生まれます。エンジンによって供給されるエネルギーが回転力となり、それが翼によって空気に対して揚力となるのです。

一方、風車の場合は、風の力そのものが回転力を生み出します。風車のブレードは、風の力を受けて回転し、その回転運動を風車の軸に伝えます。風がブレードに当たることで生じる揚力が、回転力となります。風車のブレードの形状は、風の力を最大限に受けることで回転力を得るために最適化されています。

風車のブレードが平面になった場合、揚力の発生には影響を及ぼすでしょう。平面のブレードでは、風の流れを適切に利用することができず、揚力が発生しづらくなります。ブレードの形状は、風の力を最大限に捉えるようにデザインされているため、平面にすることは効率的な発電には不利です。

以上のように、飛行機のプロペラと風車のブレードは、それぞれの動作原理と力の発生方法が異なります。風車では風の力そのものが回転力を生み出し、適切なブレードの形状によって揚力が発生します。

この回答へのお礼

ありがとうございます。

お勧めの本がありましたら教えて下さい。

お礼日時：2023/05/08 09:45