JP2013213500A - 風車用のフラットバックスラット - Google Patents

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Abstract

【課題】風車ブレードの空力性能を高める。
【解決手段】半径方向のインボード部分を有する主ブレードエレメントと、インボード部分の半径方向スパンに沿って前記主ブレードエレメントの近くで間隔を置かれた、フラットバック後縁を有するフラットバックスラットと、を備える。
【選択図】図5

Description

本願は、引用したことにより全体が本明細書に記載されたものとする2012年4月3日に出願された米国特許出願第13/438040号明細書の一部継続出願(代理人事件番号2011P18073US)である。
本発明は、概して風車、特に風車ブレード用のインボードスラットに関する。
風車ブレードのインボード部分は、アウトボードブレード領域によってブレード根元部に加えられる遠心荷重及び揚力荷重を支持するために厚く形成されている。ここで"インボード"とは、ハブに結合されたブレードの部分であるブレード根元部に向かう半径方向内方を意味する。"アウトボード"とは、半径方向外方、若しくはブレード先端に向かう方向を意味する。各ブレードのインボード部分は、強度を得るためにハブに向かって翼弦に対して垂直に次第に厚くなり、一般に、取付けを容易にしかつブレードピッチ調節機構と係合するために、ハブに隣接したところで円筒状になる。到来する風に対するブレード速度が高まることにより、相対空気流入角は、回転中心からの距離とともに変化する。製造上の理由から、ブレードの翼弦角度若しくはねじれ角度は、相対空気流入方向へのブレード翼部分の最適な向き付けを提供するように十分に迅速に変化することができず、根元部の近くで次第に過剰な迎え角を生じる。これらのインボード部分は、コーニング角、風速変化及びブレードの低速により、迎え角の大きな変動を生じる。ブレード厚さ、翼形状における構造的制限、及び大きな迎え角により、ブレードのインボード部分は空力的に非効率的であり、永久的に失速させられることもあり、風力エネルギ変換効率を低下させる。ここで、"迎え角"とは、ブレード回転を考慮した、翼弦と相対風ベクトルとの間の角度を意味する。迎え角が大きすぎ、翼の負圧面を通過する空気がブレードの表面から分離して、はく離した流れ領域を生じると、失速条件が生じる。これにより、ブレードのインボード領域は、低揚力、その結果として低トルクを生じ、したがって、これは、風車のパワーにほとんど貢献しない。局所的及び全体的な空力性能を高めるために、スラット及びフラップを含む流れ変化装置が、風車ブレードに付加されている。
図面を参照して以下の説明において発明が説明される。
したがって、本発明の課題は、風車ブレードの空力性能を高めることである。
前記課題は、半径方向のインボード部分を有する主ブレードエレメントと、インボード部分の半径方向スパンに沿って前記主ブレードエレメントの近くで間隔を置かれた、フラットバック後縁を有するフラットバックスラットと、を備えることを特徴とする、風車ブレードによって解決される。
本発明の実施の形態による風車ロータの風下側を示す図である。 本発明の実施の形態による風車ブレードのインボード部分の斜視図である。 従来の風車ブレードの翼型を横断面図で示す図である。 フラットバックスラットの翼型をスラットの横断面図で示す図である。 図1の線5−5に沿って見た風車ブレードの内方部分の輪郭を示す図である。 従来のスラット及びブレード輪郭を示す図である。 スパーキャップへの本発明のスラットの1つの実施の形態の取付けを示す図である。 渦放出を発生するフラットバックスラットを示す図である。 フラットバック後縁の厚さの中間から後方へ延びるスプリッタプレートを示す図である。 スラットの負圧面と同一平面にフラットバック後縁から後方へ延びるスプリッタプレートを示す図である。 フラットバック後縁から下方へ角度づけられたスプリッタプレートを示す図である。 フラットバックスラットが風車ロータのスピナに取り付けられた1つの実施の形態を示す図である。 スプリッタプレートが後縁厚さの中間点から上側部分へ移行している、フラットバック後縁の1つの実施の形態の背面図である。 スラットの半径方向スパンに沿ってテーパした厚さを有するフラットバック後縁の1つの実施の形態の背面図である。 スラットの前方負圧面に沿った渦発生器を備えるフラットバックスラットの1つの実施の形態の負圧面の図である。 渦発生器を備えたフラットバックスラットの輪郭を示す図である。 相対風の流入角が8°だけ変化した、タービンブレードの周囲の流れ角の変化を示す典型的な分布図である。 従来のマルチエレメント翼の中間反り曲線を示す図である。 本発明の1つの実施の形態におけるマルチエレメント翼の中間反り曲線を示す図である。
図1は、半径方向に向けられたブレード22を備える風車ロータ20の風下側を示している。前記ブレード22は、時には翼又はメインエレメントと称され、概して回転の平面23又はディスクにおいて回転する。この図には、回転する要素のみが示されており、風車の典型的なナセル及びタワーは示されていない。それぞれの主ブレード22は、半径方向インボード端部若しくは根元部24を有する。根元部24は共通のハブ26に取り付けられている。ハブ26は、スピナ28と称されるカバーを有してよい。各ブレードは、本明細書において説明される空力的なフラットバックスラット30Fを有してよい。フラットバックスラット30Fは、空力的なストラット32又はロッド又は失速フェンスのような構造体を取り付けることによって、各ブレード22のインボード部分の上に取り付けられている。
図2は、ブレード22のインボード部分36の斜視図である。このインボード部分36は、前縁42と後縁44との間に圧力面38及び負圧面40を有する。横断面輪郭は、根元部24における円筒状Pcから、ブレード22において翼弦が最も長い位置である肩部47における、又は肩部47よりも先の、翼形状Paに変化していてよい。フラットバックスラット30Fは、後述するように示されている。
図3は、圧力面38及び負圧面40を有する従来の風車ブレードの翼型Paを示す。直線的な翼弦Chが、前縁42と後縁44との間に延びている。翼弦Chの長さは翼弦長である。平均反り線Caは、圧力面38と負圧面40との間の中間点の集合である。平均反り線Caは、翼Paが翼弦Chに関して対称である場合には翼弦Chと一致する。翼の翼弦長に関する最大厚さTmは、翼型の厚さ又は薄さの程度を規定するために用いられてよい。
ベクトルVwは、ロータの影響外の風速を表す。軸方向自由流れベクトルVaは、軸方向誘導係数αによる風速Vwの減少後の、ブレード22における空気流入の軸方向成分を表す。以下の公知の式では、U1は、ロータの影響外の風速であり、U2は、ロータにおける風速である。
Figure 2013213500
Vaを接線方向速度成分Vtと組み合わせると、回転平面23に対する角度Φにおける相対流入ベクトルVrが与えられる。迎え角AoAは、相対流入ベクトルVrと翼弦Chとの間の角度である。ねじれ角θは、翼弦Chと回転平面23との間の角度である。揚力ベクトルLは相対流入ベクトルVrに対して垂直である。抗力ベクトルDは流入ベクトルVrに対して平行に後方へ向けられている。
風車翼のための設計目標は、約1/3の軸方向誘導係数αであってよく、軸方向自由流れベクトルVa≒Vw・2/3を与える。しかしながら、軸方向誘導係数αは、空力的失速又ははく離により、ブレードのインボード部分36においては1/3よりも著しく小さくなり得、これは、作動条件下での比較的大きな厚さTm、非効率な翼形状、及び翼の大きな迎え角の広い作動範囲に寄与することができる。スラットは、発明の態様にしたがって主ブレードのこの領域に沿った揚力のために最適化されてよい。
図4は、本発明の実施の形態とともに用いられてよいフラットバックスラット30Fの輪郭を示す。この輪郭は、前縁42Fからフラットバック後縁44Fの中間点までの翼弦ChFと、平均反り線CaFとを有する。ここでのフラットバックスラットは、フラットバック後縁44Fを備えたスラットである。これは、後縁が、横断面輪郭において、スラット30Fの平均反り線CaF又は翼弦ChFに対して垂直±40°又は±30°である平坦又はほぼ平坦な面を有することを意味する。フラットバック後縁44Fは、スラットの横断面輪郭において、圧力面38Fと負圧面40Fとの間で計った厚さTfを有する。厚さTfは、様々な実施の形態においてスラット30Fの翼弦長ChFの少なくとも5%又はスラットの翼弦長の5〜30%又は5〜12.5%であってよい。図14に示したように、フラットバック後縁44Fの厚さは、主ブレードエレメントの根元部24からの距離が増大するにつれて減少してよい。
図5は、主ブレード22の内方部分の典型的な輪郭を示している。主ブレード22は、図3の場合よりも大きな迎え角AoAで流入Vrを受け取る。失速若しくははく離した空気流領域46が示されている。主ブレードエレメント22の前方の負圧面40の上方のゾーン48がある。このゾーン48では、空気流は、主ブレードエレメントに対する流入角Φにおける少なくとも8°の変化にわたって、例えば−10度〜30度の間の流入迎え角の場合、負圧面40に対してほぼ平行、例えば平行±6°又は±4°である。これは、ゾーン48における流れ線に対する接線が、負圧面40の輪郭に対するそれぞれの接線に対してほぼ平行±6°又は±4°であることを意味する。ここでは符号48によっても表された同様のゾーンの中で、主ブレードエレメント22に対する迎え角AoAにおけるN度の変化は、主ブレードエレメントに対する流入角Φの少なくとも8°の変化にわたって、わずかN/2度までの、スラットに対する空気流入角の変化のみを生じる。本発明の発明者たちは、スラット30Fがこのゾーン48に配置されていると、又は少なくともスラット30Fの前縁42Fがこのゾーン48に配置されていると、スラットが、メインエレメント22の迎え角AoAの範囲にわたってより一定の空気流入角を受けるということに気づいた。これは、スラットをゾーン48の前方に位置決めする従来の装置よりも、より広い作動条件の範囲(AoAにおける大きな変化)において有効なスラット性能を可能にする。
1つの実施の形態において、スラット30Fは、主ブレードエレメント22の前縁42において主ブレードエレメント22の平均反り線Caに対して垂直に描かれた線50よりも後方に配置されてよい。スラットは、例示した横断面図における最小距離の箇所において測って、スラットの半径方向スパンにわたって主ブレードエレメント22のインボード部分の負圧面40から距離43だけ間隔を置かれてよい。主ブレードエレメント22の負圧面40からのスラット30Fの距離43は、主ブレードエレメント22の選択された翼弦長Chの例えば5%〜10%であってよい。選択された翼弦長Chは、肩部47における最大翼弦長であってよいか(図2)、又はスラットのスパンに沿った主ブレードエレメント22の平均翼弦長であってよい。これに代えて、離間距離43は、スラットの半径方向スパンに沿ったそれぞれの横断面について決定されてよく、距離43を、スラットのスパンに沿って変化させてもよい。スラット30Fの翼弦長ChFは、例えば、様々な実施の形態における主ブレードエレメントの選択された又は局所的な翼弦Chの10%〜40%又は12.5%〜40%又は15%〜40%であってよい。
スラットの翼弦ChFは、スラット30Fの横断面において、前縁42Fとフラットバック後縁44Fの中間点との間に規定されてよい。スラット30Fの翼弦ChFとメインエレメント22のそれぞれの翼弦Chとの間の拡開角度51は、例えば10°〜30°であってよい。図6に示した従来のスラット30Pは、一般に前縁42の前方に配置されており、ChPとChとの間の翼弦拡開角度51は70°〜90°である。従来のスラットは、スラット揚力のためではなく、メインエレメントにおける失速を遅らせるために配置されている。従来のスラットは、僅かな揚力を、大きな迎え角においてのみ発生することができる。本発明のスラット30Fは、スラットの半径方向スパンにわたってゾーン48に配置されてよいか、又は少なくとも前縁42Fがそのように配置されてよい。これは、スラット30Fを、より広い作動条件の範囲にわたって揚力を提供することができるところに配置する。この位置は、図7に示したように、スラットが主ブレードエレメント22のスパーキャップ56に取り付けられることも可能にする。スパーキャップ56においては、図6の従来のスラット位置よりも堅く取り付けることが容易であり、改装取付けキットを実用化する。このようなキットは、スラット30Fと、既存の風車ロータにスラットを結合するためのロッド58又はストラット32(図2)のような支持構造体と、選択的に、固定装置、例えばねじ、ブラインドボルト及び/又は接着剤とを含んでよい。翼弦の拡開角度51は、スラットのスパンにわたって、主ブレードエレメント22の根元部24からの距離とともに減少してよい。なぜならば、半径方向スパンに関するねじれが、メインエレメント22とスラット30Fとで異なるからである。すなわち、スラットにおけるねじれ率は、スラットの半径方向スパンに沿って、メインエレメント22の対応するねじれ率よりも大きくてよい。
図8は、ある条件下で生じ得る、カルマン渦放出を発生するフラットバックスラット30Fを示している。これを回避するために、図9は、フラットバック後縁44Fから後方へ延びるスプリッタプレート52を示している。スプリッタプレート52は、2つの定置の渦54を後縁44Fに隣接して保持することによって、さもなくば生じるであろう渦放出を防止する。これは、スラットの有効翼弦長ChFを延長させ、スラットの負圧面上の流れのためのオフサーフェス圧力回復を促進する。放出渦は、平坦な後縁44Fを横切って、振動する/変動する圧力場を生ぜしめ、これにより、大きな圧力抵抗を生じる。スプリッタプレート52を付加し、定置の渦54を形成することにより、変動する流れは、準定常流と置き換えられ、抗力が減じられる。付加的な利点は、スラットの空力的影響がさらに下流へ延長され、これは、さらに、スラットとメインエレメントとの間の流れを加速させ、メインエレメント22における流れはく離の開始を遅らせる。スプリッタプレート52は、フラットバック後縁44Fから後方へ、フラットバック後縁からのカルマン渦放出を防止するのに有効な距離だけ、例えば、スラットの翼弦長の少なくとも5%の距離だけ延びていてよい。1つの実施の形態において、スプリッタプレート52は、フラットバック後縁44Fから後方へ、フラットバック後縁の厚さTfの中間点から延びていてよい。1つの実施の形態において、スプリッタプレート52は、フラットバック後縁44Fに対して垂直±20°に向けられていてよい。図10において、スプリッタプレート52は、フラットバック後縁から後方へ、スラット30Fの負圧面40Fと同一平面を成して延びており、これにより、スラットの負圧面の後方延長部を形成し、スラットにおける揚力を増大させる。図11において、スプリッタプレート52は、フラットバックスラット後縁Tfにおいて、下方へ又は主ブレードエレメントに向かって、反り線CaFに対して30°まで角度づけられている。これは、スラットと主ブレードエレメント22との間のノズル効果を高める。スプリッタプレート52は、フラットバック後縁44Fの厚さTfの20%未満の厚さを有してよく、平坦なプレートであってよい。スプリッタプレート52は、フラットバック後縁44Fの近くに少なくとも1つの定置の渦のためのスペースを残してよい。すなわち、スプリッタプレート52は、圧力面38F及び負圧面40Fの両方の同一平面の延長部を形成しない。後で図13に示すように、スプリッタプレート52は、スラット30Fのインボード端部30Aにおけるフラットバック後縁44Fの厚さTfにおける中間点から、スラットのアウトボード端部30Bにおけるフラットバック後縁の上側部分へ移行していてよい。
図12は、本発明の1つの実施の形態を示している。この実施の形態において、フラットバックスラット30Fは、ブレード22のインボード部分に沿って延びかつブレード22のインボード部分の近くにおいて間隔を置かれるように、風車ロータ20のハブ26に取り付けられている。この実施の形態は、既存の風車ロータにスラット30Fを取り付けるための改装キットにおいて提供されてよい。例えば、キットの支持構造は、ハブ若しくはスピナにボルト留めすることができるリング、プレート又はブラケットを含んでよい。これに代えて、支持構造は、スラットマウントを備えて製造された交換用スピナを含んでよい。
図13は、スラットのインボード端部30Aにおけるフラットバック後縁44Fの厚さTfの中間点からスラットのアウトボード端部30Bにおけるフラットバック後縁44Fの上側部分へ移行したスプリッタプレート52を備えたフラットバック後縁44Fの1つの実施の形態の背面図を示している。
図14は、フラットバック後縁の厚さTfが、主ブレードエレメントの根元部からの距離が増大するにつれて減少している、フラットバック後縁44Fの1つの実施の形態の背面図を示している。スラットのインボード端部30Aは、スラットのアウトボード端部30Bよりも、主ブレードエレメントの根元部24に近い。
図15は、負圧面40Fと、前縁42Fと、後縁44Fと、スラット30Fの前方負圧面40Fに沿った複数の渦発生器60とを備えたフラットバックスラット30Fの1つの実施の形態の負圧面の図を示している。図16は、圧力面38Fと、負圧面40Fと、前縁42Fと、後縁44Fと、翼弦ChFと、平均反り線CaFと、渦発生器とを備えたフラットバックスラット30Fの輪郭を示している。渦発生器60の高さHvは、例えば、スラットにおける境界層厚さの少なくとも80%であってよい。渦発生器60は、フラットバックスラットの後方負圧面における流れはく離を減じる。渦発生器60は、フラットバック後縁44Fの背後の渦放出も減じる。渦発生器は、前述のスプリッタプレート52と相乗作用的に使用されるか、又はスプリッタプレートなしで使用されてよい。スラットにおける渦発生器の効果に加え、渦発生器は、主ブレードエレメント22の負圧面40における流れはく離をも減じる。スラットを装着するための前述の改装オプションは、スラット30Fにおける渦発生器60を介して主ブレード22における流れはく離を減じるための方法を提供する。
図17は、相対風Vrの流入角の8°の変化における、タービンブレードの周囲の流れ角度の変化の典型的な分布図を示している。このような分布図から、前述のような平行な流れ又は流入角の減じられた変化のゾーン48は、そこにスラット30Fを位置決めするために選択されてよい。
図18は、メイン翼エレメント22の前方に配置されており、これにより、組み合わされたマルチエレメント翼22Cの有効長さを延長させている従来のスラット30Pを示している。マルチエレメント翼22Cの平均反り線CaCは、前方へ延長させられているが、曲率は変化させられていない。その結果、従来のスラット30Pは、全ての迎え角において揚力を増大しない。図19に示したように、ゾーン48(図5に示されている)に配置された本発明のスラット30Fは、マルチエレメント翼22Cの有効平均反り線CaCの曲率を増大しており、したがって、全ての迎え角において、マルチエレメント翼22Cが発生する揚力を増大する。
本発明の様々な実施の形態がここに示されかつ説明されているが、このような実施の形態は例としてのみ提供されていることが明らかになるであろう。ここで発明から逸脱することなく、多くの改良、変更及び代用が行われてよい。したがって、発明は、添付の請求の範囲の思想及び範囲によってのみ限定されることが意図されている。
20 風車ロータ、 22 ブレード、 24 根元部、 26 ハブ、 28 スピナ、 30F スラット、 30A インボード端部、 30B アウトボード端部、 30F フラットバックスラット、 32 ストラット、 36 インボード部分、 38 圧力面、 40,40F 負圧面、 42,42F 前縁、 44,44F 後縁、 46 失速した若しくは剥離した空気流領域、 47 肩部、 48 ゾーン、 52 スプリッタプレート、 54 定置の渦、 60 渦発生器

Claims (20)

  1. 風車ブレードであって、
    半径方向インボード部分を有する主ブレードエレメントと、
    前記インボード部分の半径方向スパンに沿って前記主ブレードエレメントの近くで間隔を置かれた、フラットバック後縁を有するフラットバックスラットと、を備えることを特徴とする、風車ブレード。
  2. 前記フラットバック後縁は、前記スラットの平均反り線又はスラットの翼弦に対して垂直±30°のほぼ平坦な面を有し、かつスラットの翼弦長の5%〜30%の厚さを有する、請求項1記載の風車ブレード。
  3. 前記フラットバック後縁の厚さは、前記主ブレードエレメントの根元部からの距離が増大するにつれて、前記スラットの半径方向範囲に沿って減少している、請求項1記載の風車ブレード。
  4. 前記主ブレードエレメントの前縁において前記主ブレードエレメントの平均反り線に対して垂直な線が規定され、前記スラットは、前記線より後方に配置されており、かつ前記スラットの半径方向のスパンにわたって前記主ブレードエレメントの前記インボード部分の負圧面から間隔を置かれている、請求項1記載の風車ブレード。
  5. 前記スラットの前縁の少なくとも一部分は、平行な流れのゾーン内に配置されており、該ゾーンにおいて、作動空気流は、一次ブレードエレメントに対する流入角における少なくとも8°の変動において、前記主ブレードエレメントの負圧面に対して平行±6°で流れる、請求項1記載の風車ブレード。
  6. 前記スラットは、該スラットの半径方向のスパンにわたって、前記平行な流れのゾーン内に配置されている、請求項5記載の風車ブレード。
  7. 前記スラットの少なくとも前縁は、流入角の変化が低減されたゾーン内に配置されており、前記主ブレードエレメントに対する作動空気の流入角が前記主ブレードエレメントの翼弦に対してN度変化すると、前記スラットに対して結果として得られた空気流入の角度が、主ブレードエレメントへの流入角における少なくとも8°の変化にわたって前記スラットの翼弦に対してN/2度までのみ変化する、請求項1記載の風車ブレード。
  8. 前記スラットは、該スラットの半径方向のスパンに沿って前記主ブレードエレメントの選択された翼弦長の5%〜10%の距離だけ前記主ブレードエレメントの負圧面から間隔を置かれており、前記スラットは、該スラットの半径方向のスパンにわたって、前記流入角の変化が低減されたゾーン内に配置されている、請求項7記載の風車ブレード。
  9. 前記スラットは、前記主ブレードエレメントのハブのスピナに取り付けられている、請求項1記載の風車ブレード。
  10. 前記スラット及び前記主ブレードエレメントのそれぞれの横断面において、前記スラットの翼弦は、前記主ブレードエレメントのそれぞれの翼弦に対して10〜30度の角度を形成している、請求項1記載の風車ブレード。
  11. 前記角度は、前記スラットの半径方向のスパンに沿って、前記主ブレードエレメントにおける対応するねじれよりも大きな前記スラットにおけるねじれにより、前記主ブレードエレメントの根元部からの距離が増大するにつれて、減少している、請求項10記載の風車ブレード。
  12. 前記フラットバック後縁からの渦放出を防止するために有効な、前記フラットバック後縁から後方へ延びたスプリッタプレートを備える、請求項1記載の風車ブレード。
  13. 前記スプリッタプレートは、前記フラットバック後縁から後方へ、前記フラットバック後縁の厚さの中間点から、前記スラットの翼弦長の少なくとも5%の距離だけ延びている、請求項12記載の風車ブレード。
  14. 前記スプリッタプレートは、前記フラットバック後縁に対して垂直±20°に向けられている、請求項12記載の風車ブレード。
  15. 前記スプリッタプレートは、前記フラットバックスラットの翼弦に対して30度までの角度で前記主ブレードエレメントに向かって角度づけられている、請求項12記載の風車ブレード。
  16. 前記スプリッタプレートは、前記フラットバック後縁から後方へ、前記スラットの負圧面と同一平面を成して延びており、かつ前記スラットの前記負圧面の後方延長部を形成している、請求項12記載の風車ブレード。
  17. 前記スプリッタプレートは、前記スラットのインボード端部における前記フラットバック後縁の厚さにおける中間点から、前記スラットのアウトボード端部における前記フラットバック後縁の上側部分へ移行している、請求項12記載の風車ブレード。
  18. さらに、前記スラットの前方負圧面に沿って複数の渦発生器を備える、請求項1記載の風車ブレード。
  19. さらに、前記主ブレードエレメントの負圧面のスパーキャップに前記スラットを取り付ける支持構造を備える、請求項1記載の風車ブレード。
  20. フラットバック後縁を有するスラットと、
    風車ブレードのインボード部分に沿って、該風車ブレードの該インボード部分の近くに間隔を置いて該スラットを取り付けるための支持構造及び関連する固定機構とを含むことを特徴とする、キット。
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