JP2012092657A - 風車翼およびこれを備えた風力発電装置ならびに風車翼の設計方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】翼先端1b側から翼根1a側にかけてコード長が増大する翼本体部3を備えている。翼本体部3は、その先端側にて、略一定の第1設計揚力係数とされた状態で、翼根1a側に向けてコード長が漸次増大する翼先端領域1cと、翼根1a側の最大コード長となる位置にて、第1設計揚力係数よりも大きい第2設計揚力係数を有する最大コード長位置1dと、翼先端領域1cと最大コード長位置1dとの間に位置する遷移領域1eとを有する。遷移領域1eの設計揚力係数は、翼先端1b側から翼根1a側に向かって、第1設計揚力係数から第2設計揚力係へと漸次増大させられている。
【選択図】図4
Description
風力発電装置の発電出力は、軸端出力(翼が発生する出力)と、変換効率(軸受や発電機などの効率)との積で表される。また、軸端出力は次式で表され、翼効率が高く、翼直径が大きい翼であれば、発電量が向上する。
軸端出力=1/2×空気密度×風速3×翼効率×π×(翼直径/2)2
一方、翼直径はその自乗で出力に影響を持つため、発電量向上のためには翼直径の拡大が効果的である。しかし、翼直径の拡大は空力荷重(流入方向に作用するスラスト力および翼根に伝わるモーメント)の増大に繋がるため、ロータヘッド、ナセル、タワーなどの機器の大型化や重量増大、ひいてはコスト増に繋がる懸念・傾向がある。したがって、翼の空力荷重の増大を抑えながら長翼化する技術が必須とされる。荷重増大の問題を避けるため、空力的(翼形状的)に考えられる方法としては、コード長(翼弦長)をより短くして(即ち、アスペクト比をより大きくして、又はソリディティをより小さくして)、翼投影面積を減少させて空力荷重を低減させる手法が考えられる。
ここで、アスペクト比およびソリディティは、下式で表される。
アスペクト比=翼長2/翼投影面積・・・(1)
ソリディティ=全翼投影面積/翼掃過面積
=(翼枚数×平均コード長)/(π×(翼直径/2)2)・・・(2)
Copt/R×λ2×CLdesign×r/R≒16/9×π/n・・・(3)
ここで、Coptは最適コード長,R(翼半径)は翼直径の2分の1,λは設計周速比,CLdesignは設計揚力係数,rは翼断面の半径位置,nは翼枚数である。
設計周速比は、翼端周速/無限上流風速である。設計揚力係数は、翼型(翼断面)の揚抗比(揚力/抗力)が最大となる迎角における揚力係数であり、翼型(翼断面)の(空力)形状と流入条件(レイノルズ数)によって決まる。
図10には、本明細書にて用いるレイノルズ数の定義が示されている。同図に示されているように、風車におけるレイノルズ数は、所定の回転数で回転する翼の所定断面A−Aにおける相対風速度を考慮したものであり、下式にて表される。
レイノルズ数=空気密度×翼断面への相対風速度×翼断面のコード長/空気の粘性係数
1.設計揚力係数が高い
2.設計揚力係数の「組合せ」が最適化されている
ここで、設計揚力係数の「組合せ」とは、一つの風車翼に適用される異なる翼厚比(翼厚の最大値をコード長で除した値の百分率)からなる一連の翼型群(Airfoil series/family/set)がそれぞれ持つ設計揚力係数の組合せを言う。例えば、風車に適用される翼型の翼厚比としては、12,15,18,21,24,30,36,42%の組合せが挙げられる。
これに対して、上記特許文献1には、風車出力の観点から適切な設計揚力係数の組み合わせについて開示されているが、翼厚比が30%を超える翼根側についても設計揚力係数が1.10〜1.25の範囲とされており、これではコード長が過大となり風車翼の輸送が困難となる。
すなわち、本発明にかかる風車翼は、翼先端側から翼根側にかけてコード長が増大する翼本体部を備え、該翼本体部は、その先端側にて、略一定の第1設計揚力係数とされた状態で、翼根側に向けてコード長が漸次増大する翼先端領域と、翼根側の最大コード長となる位置にて、前記第1設計揚力係数よりも大きい第2設計揚力係数を有する最大コード長位置と、前記翼先端領域と前記最大コード長位置との間に位置する遷移領域と、を有し、該遷移領域の設計揚力係数は、翼先端側から翼根側に向かって、前記第1設計揚力係数から前記第2設計揚力係へと漸次増大させられていることを特徴とする。
風力を大きく受けて出力が期待できる翼先端領域では、略一定の第1設計揚力係数として、翼先端領域全体で所望の空力特性を発揮させることとした。第1設計揚力係数は、実現可能な実質的な上限値(例えば翼厚比18%程度の場合に1.15程度)として定められる。
一方、最大コード長位置では、第1設計揚力係数よりも大きい第2設計揚力係数として、最大コード長の大きさを制限することとした(上式(3)参照)。この第2設計揚力係数を適宜定めることによって、輸送上の理由等によって制限される最大コード長位置のコード長の上限値が決定される。
そして、遷移領域では、翼先端側から翼根側に向かって、第1設計揚力係数から第2設計揚力係数へと漸次増大する設計揚力係数をもたせることとした。これにより、翼先端領域から最大コード長位置までコード長を増大させる場合であっても、設計揚力係数の変化幅を小さく止めることができるので、空力性能を大きく損なうことがない。特に、従来では考慮されていなかった厚翼部(翼先端領域に比べて厚翼となる部位;遷移領域から最大コード長位置にかけての領域)においても所望の空力特性を維持することができる。
このように、本発明の風車翼は、翼先端領域、遷移領域および最大コード長位置のそれぞれに対して所望の設計揚力係数を与え、翼本体部の全体にわたって設計揚力係数の組み合わせを適切に規定することとしたので、翼根側にコード長の上限値が制限された条件下であっても、所望の空力特性を発揮させることができる。特に、翼先端領域よりも翼根側に位置する厚翼部の空力性能を向上させることができる。
なお、好ましくは、設計周速比(翼端周速/流入風速)は6以上(より好ましくは8.0以上9.0以下)、レイノルズ数は300万以上1000万以下とされる。
風力を大きく受けて出力が期待できる翼先端領域では、略一定の第1設計揚力係数として、翼先端領域全体で所望の空力特性を発揮させることとした。第1設計揚力係数は、実現可能な実質的な上限値(例えば翼厚比18%程度の場合に1.15程度)として定められる。
一方、最大コード長位置では、第1設計揚力係数よりも大きい第2設計揚力係数として、最大コード長の大きさを制限することとした(上式(3)参照)。この第2設計揚力係数を適宜定めることによって、輸送上の理由等によって制限される最大コード長位置のコード長の上限値が決定される。
そして、遷移領域では、翼先端側から翼根側に向かって、第1設計揚力係数から第2設計揚力係数へと漸次増大する設計揚力係数をもたせることとした。これにより、翼先端領域から最大コード長位置までコード長を増大させる場合であっても、設計揚力係数の変化幅を小さく止めることができるので、空力性能を大きく損なうことがない。特に、従来では考慮されていなかった厚翼部(翼先端領域に比べて厚翼となる部位;遷移領域から最大コード長位置にかけての領域)においても所望の空力特性を維持することができる。
このように、本発明の風車翼の設計方法によれば、翼先端領域、遷移領域および最大コード長位置のそれぞれに対して所望の設計揚力係数を与え、翼本体部の全体にわたって設計揚力係数の組み合わせを適切に規定することとしたので、翼根側にコード長の上限値が制限された条件下であっても、所望の空力特性を発揮させることができる。特に、翼先端領域よりも翼根側に位置する厚翼部の空力性能を向上させることができる。
なお、好ましくは、設計周速比(翼端周速/流入風速)は6以上(より好ましくは8.0以上9.0以下)、レイノルズ数は300万以上1000万以下とされる。
本実施形態にかかる風車翼は、風力発電装置の翼として好適に用いられる。風車翼は、例えば3枚設けられ、それぞれが約120°の間隔を有してロータに接続されている。好ましくは、風車翼の回転直径(翼直径)は60m以上とされ、ソリディティが0.2以上0.6以下の細長翼とされる。風車翼は、可変ピッチとされていても良いし、固定ピッチとされていても良い。
翼形状を定義する場合、同図に示されているように、各翼厚比(翼厚の最大値をコード長で除した値の百分率)の半径位置(翼の回転中心からの距離に相当する位置)においてZ(翼の長手軸方向)=一定の断面で切断した翼素断面を用いて表される。図1では、翼厚比が18%,21%,24%,30%,36%,42%の各半径位置にて切断した翼素断面が風車翼の形状の定義として用いられることが示されている。なお、風車翼1の半径位置を示す場合に、翼厚比に代えて、翼の回転中心からの距離に相当する半径位置r(あるいは半径位置を翼半径で除した無次元半径位置r/R)が用いられることもある。
図3は、風車翼1の各翼厚比における翼素断面に対して、その前縁をX=0,Y=0、後縁をX=1,Y=0で正規化したものである。同図のように表された形状を翼型という。
同図において、横軸は無次元半径、縦軸は無次元コード長を示す。無次元半径は、上述のように、回転中心からの翼断面の半径位置rを風車翼1の翼半径Rで除した値(r/R)である。ここで、翼半径とは、風車翼1が回転してその翼先端が描く軌跡円の直径(翼直径)の2分の1である。無次元コード長は、翼断面のコード長cを翼半径Rで除した値(c/R)である。
なお、図4では、設計周速比が8.0以上8.5以下、レイノルズ数が300万以上1000万以下とされている。
翼本体部3は、翼先端1b側に位置するとともに、コード長が漸次増大する翼先端領域1cと、翼根1a側に位置するとともに最大コード長となる最大コード位置1dと、翼先端領域1cと最大コード長位置1dとの間に位置する遷移領域1eとを有している。
<ステップ0>
所定の設計周速比(本実施形態では8.0以上8.5以下)の下で、所定の無次元半径では、上式(3)から、所望の設計揚力係数を満たす性能最適となる無次元コード長が与えられる。例えば、図5に示すように、無次元半径位置0.6について、所望の設計揚力係数1.15を与える無次元コード長は0.04となる。
<ステップ1>
最大コード長位置(無次元半径位置が0.2〜0.3程度;本実施形態では0.24)1dのコード長は、輸送上の理由等によって所定の最大値(無次元コード長が0.065〜0.085程度;本実施形態では0.08)で規定する。これにより、最大コード長位置1dにおける設計揚力係数(第2設計揚力係数)が定められる(本実施形態では1.45)となる。
<ステップ2>
翼先端付近(無次元半径位置が0.85〜0.95程度)のコード長は、設計揚力係数の実質的な上限値(本実施形態では、翼厚比18%程度の薄翼とされた場合、1.15程度;第1設計揚力係数)で規定する。
<ステップ3>
ステップ1及びステップ2で定められた点を滑らかにつないだ線を設計コード長とする。より具体的には、無次元半径位置が0.5〜0.95とされた翼先端領域1cでは、ステップ2で規定した設計揚力係数を維持するように、CLdesign=1.15の曲線に沿うように無次元コード長を定める。そして、無次元半径位置が0.2〜0.5とされた遷移領域1eは、第1設計揚力係数(1.15)と第2設計揚力係数(1.45)との間で、翼先端側から翼根側に向かって設計揚力係数が漸次増大するように無次元コード長を定める。これにより、風車翼1の翼本体部3において、無次元半径位置と設計揚力係数の組合せが規定される。
なお、図6に示した太線は、設計コード長の中央値を示しているが、実際には所定範囲内で各無次元半径における無次元コード長が定められており、その領域は図6中の枠5内で規定される。
図7(a)では、無次元半径位置が0.5以上0.95以下とされた翼先端領域1cは、第1設計揚力係数の中央値をXとした場合に、X±0.10の範囲とされている。
無次元半径位置が(0.25±0.05)とされた最大コード長位置1dの第2設計揚力係数は、X+0.3±0.2とされている。
無次元半径位置が0.2以上(0.2を含まず)0.5未満とされた遷移領域1eは、翼先端領域1cの翼根側端部(無次元半径が0.5の位置)と最大コード長位置1dとの間の中央位置(同図では無次元半径が0.35の位置)における設計揚力係数が、X+0.15±0.15とされている。
無次元半径位置が(0.25±0.05)とされた最大コード長位置1dの第2設計揚力係数は、X+0.3±0.1とされている。
無次元半径位置が0.2以上(0.2を含まず)0.5未満とされた遷移領域1eは、翼先端領域1cの翼根側端部(無次元半径が0.5の位置)と最大コード長位置1dとの間の中央位置(同図では無次元半径が0.35の位置)における設計揚力係数が、X+0.15±0.075とされている。
無次元半径位置が(0.25±0.05)とされた最大コード長位置1dの第2設計揚力係数は、1.45±0.1とされている。
無次元半径位置が0.2以上(0.2を含まず)0.5未満とされた遷移領域1eは、翼先端領域1cの翼根側端部(無次元半径が0.5の位置)と最大コード長位置1dとの間の中央位置(同図では無次元半径が0.35の位置)における設計揚力係数が、1.30±0.075とされている。
図8(a)では、翼厚比が12%以上30以下とされた翼先端領域1cは、第1設計揚力係数の中央値をXとした場合に、X±0.10の範囲とされている。
翼厚比が42%とされた最大コード長位置1dの第2設計揚力係数は、X+0.3±0.2とされている。
翼厚比が30%以上(30%を含まず)42%未満とされた遷移領域1eは、翼先端領域1cの翼根側端部(翼厚比が30%の位置)と最大コード長位置1dとの間の中央位置(同図では翼厚比が36%の位置)における設計揚力係数が、X+0.15±0.15とされている。
翼厚比が42%とされた最大コード長位置1dの第2設計揚力係数は、X+0.3±0.1とされている。
翼厚比が30%以上(30%を含まず)42%未満とされた遷移領域1eは、翼先端領域1cの翼根側端部(翼厚比が30%の位置)と最大コード長位置1dとの間の中央位置(同図では翼厚比が36%の位置)における設計揚力係数が、X+0.15±0.075とされている。
翼厚比が42%とされた最大コード長位置1dの第2設計揚力係数は、1.45±0.1とされている。
翼厚比が30%以上(30%を含まず)42%未満とされた遷移領域1eは、翼先端領域1cの翼根側端部(翼厚比が30%の位置)と最大コード長位置1dとの間の中央位置(同図では翼厚比が36%の位置)における設計揚力係数が、1.30±0.075とされている。
翼先端領域1c、遷移領域1eおよび最大コード長位置1dのそれぞれに対して所望の設計揚力係数を与え、翼本体部3の全体にわたって設計揚力係数の組み合わせを適切に規定することとしたので、翼根側にコード長の上限値が制限された条件下であっても、所望の空力特性を発揮させることができる。特に、翼先端領域1cよりも翼根側に位置する厚翼部(遷移領域1e及び最大コード長位置1d)の空力性能を向上させることができる。
図9(a)に示すように、A翼は比較対象となる基準翼であり、翼先端における設計揚力係数を0.8程度とし、翼長(半径)方向に設計揚力係数を最適化していないものであり、B翼は、A翼に対して設計揚力係数を40%高めたものであり、C翼は、本実施形態に相当し、B翼に対してさらに設計揚力係数を翼長(半径)方向に最適化したものである。
B翼のように設計揚力係数を高めると、図9(b)のように最適コード長を30%低減することができ、これにより、図9(c)のように翼直径を7%延伸することができ(回転数一定を仮定)、結果として図9(d)のように発電量が6.5%増大される。そして、C翼は、設計揚力係数を翼長方向に最適化しているので、B翼よりもさら翼効率が2%改善し、図9(d)のように発電量がB翼よりもさらに1%(A翼に対して7.5%)増大される。
また、翼先端領域1c、遷移領域1eおよび最大コード長位置は、本実施形態に示された無次元半径位置や翼厚比の範囲に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲において適宜変更することができる。
1a 翼根
1b 翼先端
1c 翼先端領域
1d 最大コード長位置
1e 遷移領域
3 翼本体部
Claims (7)
- 翼先端側から翼根側にかけてコード長が増大する翼本体部を備え、
該翼本体部は、その先端側にて、略一定の第1設計揚力係数とされた状態で、翼根側に向けてコード長が漸次増大する翼先端領域と、
翼根側の最大コード長となる位置にて、前記第1設計揚力係数よりも大きい第2設計揚力係数を有する最大コード長位置と、
前記翼先端領域と前記最大コード長位置との間に位置する遷移領域と、を有し、
該遷移領域の設計揚力係数は、翼先端側から翼根側に向かって、前記第1設計揚力係数から前記第2設計揚力係へと漸次増大させられていることを特徴とする風車翼。 - 前記翼先端領域は、半径位置を翼半径(翼直径の1/2)で除した無次元半径位置が0.5以上0.95以下とされた範囲に設けられ、
前記第1設計揚力係数は、その中央値をXとした場合に、X±0.10、好ましくはX±0.05の範囲とされ、
前記最大コード長位置に与えられる前記第2設計揚力係数は、X+0.3±0.2、好ましくはX+0.3±0.1とされ、
前記遷移領域は、前記翼先端領域の翼根側端部と前記最大コード長位置との間の中央位置における設計揚力係数が、X+0.15±0.15、好ましくはX+0.15±0.075とされていることを特徴とする請求項1に記載の風車翼。 - 前記翼先端領域は、半径位置を翼半径(翼直径の1/2)で除した無次元半径位置が0.5以上0.95以下とされた範囲に設けられ、
前記第1設計揚力係数は、1.15±0.05の範囲とされ、
前記最大コード長位置に与えられる前記第2設計揚力係数は、1.45±0.1とされ、
前記遷移領域は、前記翼先端領域の翼根側端部と前記最大コード長位置との間の中央位置における設計揚力係数が、1.30±0.075とされていることを特徴とする請求項1に記載の風車翼。 - 前記翼先端領域は、翼厚の最大値をコード長で除した値の百分率である翼厚比が12%以上30%以下とされた範囲に設けられ、
前記第1揚力係数は、その中央値をXとした場合に、X±0.10、好ましくはX±0.05の範囲とされ、
前記最大コード長位置に与えられる前記第2設計揚力係数は、X+0.3±0.2、好ましくはX+0.3±0.1とされ、
前記遷移領域は、前記翼先端領域の翼根側端部と前記最大コード長位置との間の中央位置における設計揚力係数が、X+0.15±0.15、好ましくはX+0.15±0.075とされていることを特徴とする請求項1に記載の風車翼。 - 前記翼先端領域は、翼厚の最大値をコード長で除した値の百分率である翼厚比が12%以上30%以下とされた範囲に設けられ、
前記第1設計揚力係数は、1.15±0.05の範囲とされ、
前記最大コード長位置に与えられる前記第2設計揚力係数は、1.45±0.1とされ、
前記遷移領域は、前記翼先端領域の翼根側端部と前記最大コード長位置との間の中央位置における設計揚力係数が、1.30±0.075とされていることを特徴とする請求項1に記載の風車翼。 - 請求項1から5のいずれかに記載された風車翼と、
該風車翼の翼根側に接続され、該風車翼によって回転させられるロータと、
該ロータによって得られた回転力を電気出力に変換する発電機と、
を備えていることを特徴とする風力発電装置。 - 翼先端側から翼根側にかけてコード長が増大する翼本体部を備えた風車翼の設計方法において、
前記翼本体部の先端側で翼根側に向けてコード長が漸次増大する翼先端領域を、略一定の第1設計揚力係数とし、
前記翼本体部の翼根側の最大コード長となる最大コード長位置を、前記第1設計揚力係数よりも大きい第2設計揚力係数とし、
前記翼先端領域と前記最大コード長位置との間に位置する遷移領域を、翼先端側から翼根側に向かって、前記第1設計揚力係数から前記第2設計揚力係へと漸次増大させた設計揚力係数とすることを特徴とする風車翼の設計方法。
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JP5574914B2 (ja) | 2014-08-20 |
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