JP2012092658A - 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】風車翼は、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と、翼前縁のコード長位置を0%および翼後縁のコード長位置を100%とした場合の1.25%位置における翼背側のコードからの距離をコード長で除した値の百分率であるY125と、で表した場合、翼厚比21%位置で、Y125が2.575±0.13%、翼厚比24%位置で、Y125が2.6±0.15%、翼厚比30%位置で、Y125が2.75±0.25%、好ましくは2.75±0.20%、より好ましくは2.75±0.15%とされている。
【選択図】図8
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11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。
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、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と、翼前縁のコード長位置を0%および翼後縁のコード長位置を100%とした場合の1.25%位置における翼背側のコードからの距離をコード長で除した値の百分率であるY125と、で表した場合、翼厚比21%位置で、Y125が2.575±0.13%、翼厚比24%位置で、Y125が2.6±0.15%、翼厚比30%位置で、Y125が2.75±0.25%、好ましくは2.75±0.20%、より好ましくは2.75±0.15%とされていることを特徴とする。
特に、本発明では、翼厚比とY125との組み合わせを上記のように規定することにより、翼厚比が21%から30%までの間の翼断面の設計揚力係数の変化を小さくでき、所望の空力特性を得ることができる。
また、Y125を規定することにより高い設計揚力係数を実現した細翼を提供することができ、風車翼が受ける荷重を低減することができる。これにより、風車翼を長翼化することができ、結果的に発電量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。
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設計揚力係数が1.15±0.05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、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。
翼厚比が12%以上30以下とされた翼先端領域1cは、第1設計揚力係数が1.15±0.05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、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。
具体的には、翼先端の背側のコード(翼弦)からの距離を示すY125を決定する(Y125決定ステップ)ことによって、各翼厚位置における翼型を定義する。Y125は、図7に示されているように、翼前縁のコード長位置を0%および翼後縁のコード長位置を100%とした場合の1.25%位置における翼背側のコードからの距離をコード長で除した値の百分率である。
図8(a),(b),(c)におけるY125は、下表のように規定される。
図8に示すように、風車翼1は、各翼断面にて、上表に示した各翼厚比におけるY125を通過する補間曲線によって得られるY125を有する。
このように、各翼厚比におけるY125が定まると、風車における翼型として翼前縁から最大翼厚位置まではほぼ一義的に決定される。
図9の(a)乃至(e)は、それぞれ、翼厚比が21%、24%、30%、36%及び42%とされた際の結果である。これらの図は、数値シミュレーションによりY125を変化させた結果得られたものである。
各図に示されているように、設計揚力係数とY125との間には強い相関関係があることが分かる。
設計揚力係数と相関があるY125を規定するようにしたので、所望の設計揚力係数を充足する翼形状を得ることができる。したがって、高い設計揚力係数を実現した細翼を提供することができ、風車翼が受ける荷重を低減することができる。これにより、風車翼を長翼化することができ、結果的に発電量を向上させることができる。
図10(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10(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10(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10(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10(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、本実施形態では、設計周速比を8.0以上8.5以下としたが、本発明はこれに限定されず、例えば設計周速比が6.0以上9.0以下であっても適用することができる。
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 (6)
- 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、
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と、
翼前縁のコード長位置を0%および翼後縁のコード長位置を100%とした場合の1.25%位置における翼背側のコードからの距離をコード長で除した値の百分率であるY125と、で表した場合、
翼厚比21%位置で、Y125が2.575±0.13%、
翼厚比24%位置で、Y125が2.6±0.15%、
翼厚比30%位置で、Y125が2.75±0.25%、好ましくは2.75±0.20%、より好ましくは2.75±0.15%、
とされていることを特徴とする風車翼。 - 前記翼本体部は、
翼厚比が21%以上35%以下の範囲で、
前記翼厚比21%位置における前記Y125の値、
前記翼厚比24%位置における前記Y125の値、及び、
前記翼厚比30%位置における前記Y125の値、
を通過する補間曲線によって得られるY125を有することを特徴とする請求項1に記載の風車翼。 - 前記翼本体部は、
翼厚比18%位置で、Y125が2.55±0.1%、
翼厚比36%位置で、Y125が3.0±0.4%、好ましくは3.0±0.25%、より好ましくは3.0±0.20%、
翼厚比42%位置で、Y125が3.4±0.6%、好ましくは3.4±0.4%、より好ましくは3.4±0.2%、
とされていることを特徴とする請求項1又は2に記載の風車翼。 - 前記翼本体部は、
翼厚比が18%以上42%以下の範囲で、
前記翼厚比18%位置における前記Y125の値、
前記翼厚比21%位置における前記Y125の値、
前記翼厚比24%位置における前記Y125の値、
前記翼厚比30%位置における前記Y125の値、
前記翼厚比36%位置における前記Y125の値、及び、
前記翼厚比42%位置における前記Y125の値、
を通過する補間曲線によって得られるY125を有することを特徴とする請求項3に記載の風車翼。 - 請求項1から4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、
前記翼本体部の各翼断面における所定の設計揚力係数を決定する設計揚力係数決定ステップと、
該設計揚力係数決定ステップにて決定された設計揚力係数を満たすように、翼前縁のコード長位置を0%および翼後縁のコード長位置を100%とした場合の1.25%位置における翼背側のコードからの距離をコード長で除した値の百分率であるY125を決定するY125決定ステップと、
を有することを特徴とする風車翼の設計方法。
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