JP2014513773A - 騒音低減装置を有する風力タービンブレード及び関連する方法 - Google Patents

Abstract

本開示は、風力タービンブレード、特に、使用中に風力タービンブレードにより生じる騒音を低減するための装置又は構造を有する風力タービンブレード、及び、関連する方法に関する。風力タービンブレードは、長手方向に対して垂直な断面を有する少なくとも第１の長手方向部分を備え、断面は、騒音スペクトルを調節するための第１の一次流れ調節装置及び二次流れ調節装置を含む複数の流れ調節装置を有し、第１の一次流れ調節装置及び第１の二次流れ調節装置が長手方向に対して垂直に離間される。また、風力タービンブレードを改造する方法も開示される。

Description

本発明は、風力タービンブレード、詳細には、使用中に風力タービンブレードにより生じる騒音を低減するための装置又は構造を有する風力タービンブレードに関する。

風力タービンの数がますます増加していることは、適した風力タービン設置場所に対する需要が高まっていることを意味する。風力タービンの風力タービンブレードは、作動中にかなりの量の騒音をもたらす。一般に、風力タービンからの騒音は、可能な風力タービン設置場所を考慮するときの制限因子である。

例えば米国特許第７，９０９，５７６号のように、風力タービンブレードの動作騒音を低減する目的で、風力タービンブレードの後縁に鋸歯状のパネルを設けることが知られている。しかしながら、そのようなシステムは、後縁騒音を完全に排除しないばかりか、寸法が大きい及び／又は尖っていない後縁形状を有する風力タービンブレードにより生じる騒音を考慮しない。

米国特許第７，９０９，５７６号

したがって、本発明の目的は、騒音特性が改善された風力タービンブレードを提供することである。即ち、風力タービンからの騒音を最小限に抑え、それにより、風力タービンの付近に住む人々の騒音の不快さを低減するために、低騒音風力タービンブレードを提供することが望ましい。また、低騒音風力タービンブレード又は騒音特性が調整された風力タービンブレードは、人口集中地域又はその付近における風力タービンの設置を可能にし得る。更に、性能の低下を最小限に抑え或いは更には空気力学的特性が向上した低騒音風力タービンブレードを提供することが目的となり得る。

したがって、略水平なロータシャフトを有する風力タービンのロータのための風力タービンブレードであって、ロータがハブを備え、風力タービンブレードがハブに装着されるときにハブから略半径方向に延び、風力タービンブレードが、長手方向軸と平行な長手方向に延びるとともに、先端部と根元端部とを有し、
風力タービンブレードが、正圧側と負圧側とを含む形状輪郭を更に備えるとともに、前縁及び後縁を備え、前縁及び後縁がこれらの間で延びる翼弦長を有する翼弦を伴い、形状輪郭が入射気流の衝突時に揚力を発生させ、
風力タービンブレードが、前記正圧側の後縁に設けられる第１の複数の突出要素と前記負圧側の後縁に設けられる第２の複数の突出要素とを伴う断面を有する少なくとも第１の長手方向部分を更に備え、前記第１の複数の突出要素が前記第２の複数の突出要素からフラップ方向で離間され、
前記第１の複数の突出要素が、ブレードの正圧側の境界層流の第１の調節作用を果たすように配置されており、前記第２の複数の突出要素が、ブレードの負圧側の境界層流の第２の調節作用を果たすように配置されており、前記第１及び第２の調節作用が風力タービンブレードの動作騒音を低減するように動作可能であり、
前記第１の複数の突出要素及び前記第２の複数の突出要素が、前記第１の調節作用が前記第２の調節作用と異なるように配置される、風力タービンブレードが提供される。

ブレードは、負圧側流及び正圧側流に対して異なる調節作用を果たすように形成される突出要素の２つの異なる配置を備えるため、ブレードは、正圧側で行なわれる調節を調整して正圧側流により生じる騒音を低減するとともに、負圧側で行なわれる調節を調整して負圧側流により生じる騒音を低減することによって、ブレード動作騒音の改善された更に効果的な低減を行なうように構成されてもよい。異なる流れにより生じる特定の騒音のそのような効率的で直接的な低減は、風力タービンブレードの作動により生じる騒音全体の低減の向上をもたらす。

フラップ方向は、ブレードの長手方向とブレードの翼弦とに対して直交する方向として理解される。

好ましくは、前記第１の複数の突出要素の形状は、前記第２の複数の突出要素の形状と異なっており、前記第１の調節作用が前記第２の調節作用と異なるようになっている。

好ましくは、前記第１の複数の突出要素及び前記第２の複数の突出要素のうちの少なくとも一方は、ベースと少なくとも１つの突出要素とを備えるとともに、第１の長手方向部分に沿って延びるパネル、ストリップ、又は、テープとして配置される。

突出要素をパネル、ストリップ、又は、テープの一部として設けると、既存のブレードに対する要素の容易な改造が可能になる。

好ましくは、前記第１の複数の突出要素が、第１の空間周波数を有する第１の鋸歯状縁部を形成し、前記第２の複数の突出要素が、第２の空間周波数を有する第２の鋸歯状縁部を形成し、前記第１の空間周波数が前記第２の空間周波数と異なる。

突出要素が複数の突出する歯要素を有する鋸歯状パネルを備えてもよいため、後縁の境界層流に対して行なわれることが望ましい調節に応じて、隣接する要素間の距離が変えられてもよい。また、ブレードの根元端部からの突出要素の長手方向距離の関数として突出要素の空間周波数が変えられてもよいことが理解されよう。

好ましくは、前記第１の複数の突出要素が、第１の鋸歯間頂角を有する第１の鋸歯状縁部を形成し、また、前記第２の複数の突出要素が、第２の鋸歯間頂角を有する第２の鋸歯状縁部を形成し、前記第１の鋸歯間頂角が前記第２の鋸歯間頂角と異なる。

鋸歯が異なる角度を有するため、ブレード後縁の異なる側で異なる調節効果を果たすことができる。

好ましくは、前記第１の複数の突出要素が、第１の鋸歯長さを有する第１の鋸歯状縁部を形成し、また、前記第２の複数の突出要素が、第２の鋸歯長さを有する第２の鋸歯状縁部を形成し、前記第１の鋸歯長さが前記第２の鋸歯長さと異なる。

長い鋸歯は短い鋸歯と比べて異なる流れ調節をもたらし、そのため、ブレード後縁で生じた騒音に対して異なる効果がもたらされる。鋸歯の長さは、正圧側及び負圧側の境界層流の結果としての後縁騒音の最大の低減をもたらすように選択されてもよい。

好ましくは、前記第１の複数の突出要素が第１の鋸歯状縁部を形成し、前記第２の複数の突出要素が第２の鋸歯状縁部を形成し、前記第１の鋸歯状縁部が前記第２の鋸歯状縁部から長手方向にオフセットされる。

鋸歯状縁部をオフセットさせると、第１の複数の突出要素が第２の複数の突出要素の鋸歯間隙間と重なり合うことができるため、後縁における騒音全体を更に大きく低減することができる。

好ましくは、前記第１の複数の突出要素が第１の鋸歯状縁部を形成し、前記第２の複数の突出要素が第２の鋸歯状縁部を形成し、前記第１の鋸歯状縁部が前記第２の鋸歯状縁部からエッジ方向にオフセットされる。

それぞれの境界層流に対して異なる調節効果を与えるために、第１及び第２の複数の突出要素のうちの一方が第１及び第２の複数の突出要素のうちの他方に対して後退されてもよい。

好ましくは、前記形状輪郭が尖っていない後縁を備え、前記第１の複数の突出要素が前記尖っていない後縁の正圧側に設けられ、前記第２の複数の突出要素が前記尖っていない後縁の負圧側に設けられる。

好ましくは、前記第１の複数の突出要素及び前記第２の複数の突出要素のうちの少なくとも一方は、ブレードの前縁からエッジ方向で翼弦長の７０〜１００％の間隔内に配置される。

好ましくは、前記第１の複数の突出要素及び前記第２の複数の突出要素のうちの少なくとも一方が比較的柔軟な材料から形成され、前記少なくとも一方の第１又は第２の複数の突出要素は、前記少なくとも一方の第１又は第２の複数の突出要素にわたる風の通過に伴って曲がるように動作可能である。

柔軟な材料は、任意の適したプラスチック材料、合成又は天然ゴム材料、或いは、柔軟な複合材料を備えてもよい。

これに加えて或いはこれに代えて、前記第１の複数の突出要素及び前記第２の複数の突出要素のうちの少なくとも一方が比較的硬質の材料から形成され、前記少なくとも一方の第１又は第２の複数の突出要素は、前記少なくとも一方の第１又は第２の複数の突出要素にわたる風の通過に伴う曲がりに抵抗するように動作可能である。

硬質材料は、任意の適した金属材料、硬化プラスチック材料、強化複合材料を備えてもよい。

１つの実施例において、前記第１の複数の突出要素及び前記第２の複数の突出要素のうちの第１の複数の突出要素が比較的硬質の材料から形成され、前記第１の複数の突出要素及び前記第２の複数の突出要素のうちの第２の複数の突出要素が比較的柔軟な材料から形成される。

突出要素の相対的な柔軟性にそのような差を与えることは、突出要素にわたるそれぞれの境界層流に対して異なる調節効果を与えるように作用する。

好ましくは、前記第１の長手方向部分は、根元端部から０．３Ｌ〜Ｌの範囲内の距離を隔てて長手方向に少なくとも部分的に延び、Ｌが風力タービンブレードの長さである。

また、前述した少なくとも１つの風力タービンブレードを有する風力タービンが提供される。

また、長手方向に延びるとともに先端部と根元端部とを有する風力タービンブレードを改造する方法であって、風力タービンブレードが、正圧側と負圧側とを含む形状輪郭を更に備えるとともに、前縁及び後縁を備え、前縁及び後縁がこれらの間で延びる翼弦長を有する翼弦を伴い、形状輪郭が入射気流の衝突時に揚力を発生させる、方法において、
−風力タービンブレードが、断面と複数の流れ調節装置とを有する少なくとも１つの長手方向部分を備えるように、流れ調節システムを風力タービンブレードに装着するステップを備え、少なくとも１つの長手方向部分が、前記正圧側の後縁に設けられる第１の複数の突出要素と前記負圧側の後縁に設けられる第２の複数の突出要素とを伴う断面を有する第１の長手方向部分を備え、前記第１の複数の突出要素が前記第２の複数の突出要素からフラップ方向で離間され、
−前記第１の複数の突出要素は、ブレードの正圧側の境界層流の第１の調節作用を果たすように配置されており、前記第２の複数の突出要素は、ブレードの負圧側の境界層流の第２の調節作用を果たすよう配置されており、
−前記第１の複数の突出要素の形状は、前記第２の複数の突出要素の形状と異なっており、前記第１の調節作用が前記第２の調節作用と異なるようになっている、方法も提供される。

そのような改造方法の使用により、ブレードにわたる境界層流に特別に合わせられる流れ調節要素を既存のブレードに取り付けることができ、それにより、ブレードの動作騒音の改善された効果的な低減がもたらされる。

好ましくは、流れ調節システムは、ベースと少なくとも１つの突出要素とを有する少なくとも１つの流れ調節装置を備え、風力タービンブレードに少なくとも１つの流れ調節装置を装着することは、風力タービンブレードの後縁にベースを取り付けることを含む。

また、略水平なロータシャフトを有する風力タービンのロータのための風力タービンブレードであって、ロータがハブを備え、風力タービンブレードがハブに装着されるときにハブから略半径方向に延び、風力タービンブレードが、長手方向軸と平行な長手方向に延びるとともに、先端部と根元端部とを有する風力タービンブレードも提供されることが説明される。風力タービンブレードは、正圧側と負圧側とを含む形状輪郭を備えるとともに、前縁及び後縁を備え、前縁及び後縁はこれらの間で延びる翼弦長を有する翼弦を伴い、形状輪郭が入射気流の衝突時に揚力を発生させ、風力タービンブレードは、複数の流れ調節装置を伴う断面を有する少なくとも第１の長手方向部分を備える。複数の流れ調節装置は、騒音スペクトルを調節するための第１の一次流れ調節装置及び二次流れ調節装置を含み、第１の一次流れ調節装置及び第１の二次流れ調節装置は長手方向に対して垂直に離間される。

また、風力タービンブレードを改造する方法であって、風力タービンブレードが長手方向に延びるとともに先端部と根元端部とを有し、風力タービンブレードが、正圧側と負圧側とを含む形状輪郭を更に備えるとともに、前縁及び後縁を備え、前縁及び後縁がこれらの間で延びる翼弦長を有する翼弦を伴い、形状輪郭が入射気流の衝突時に揚力を発生させる、方法も開示される。方法は、風力タービンブレードが、断面と複数の流れ調節装置とを有する少なくとも１つの長手方向部分を備えるように、流れ調節システムを風力タービンブレードに装着するステップを備え、少なくとも１つの長手方向部分は、境界層騒音を調節するための第１の一次流れ調節装置及び第１の二次流れ調節装置を伴う断面を有する第１の長手方向部分を備え、第１の一次流れ調節装置及び第１の二次流れ調節装置が長手方向に対して垂直に離間される。

本発明による風力タービンブレードは、改善された及び／又は調整された騒音特性を示し、それにより、風力タービンのオペレータは、低騒音が望まれる又は要求される場所で風力タービンを操作できる。

本発明の前述した及び他の特徴及び利点は、添付図面を参照して本発明の典型的な実施例の以下の詳細な説明によって当業者に容易に明らかになる。

風力タービンを概略的に示す図である。 本発明による風力タービンブレードを概略的に示す図である。 風力タービンブレードの断面図である。 風力タービンブレードを示す図である。 典型的な風力タービンブレードの一部を示す図である。 図５の風力タービンブレードの断面の一部を示す図である。 典型的な長手方向部分の断面の一部を示す図である。 典型的な風力タービンブレードの一部を示す図である。 図８の風力タービンブレードの断面の一部を示す図である。 典型的な風力タービンブレードの断面の一部を示す図である。

図は、明確にするために概略的で簡略化されており、また、それらの図は、本発明の理解に不可欠な詳細を示しているにすぎず、一方、他の詳細は省略される。全体にわたって、同じ参照符号が同一の部分又は対応する部分に関して使用される。

風力タービンブレードは、第１及び第２の流れ調節装置を伴う断面を有する第１の長手方向部分を含む１つ又は複数の長手方向部分を備える。第１の流れ調節装置及び第２の流れ調節装置は、風力タービンブレードの長手方向に対して垂直に離間される。第１及び第２の流れ調節装置を設けると、少なくとも２つの別個の流れ又は境界層騒音の少なくとも２つの異なる周波数スペクトルを調節することができる。それにより、騒音特性が向上された風力タービンブレードを提供できる。

第１の流れ調節装置は、ブレードの正圧側の境界層流を調節するように配置されていてもよい。第２の流れ調節装置は、ブレードの負圧側の境界層流を調節するように配置されていてもよい。

例えば風力タービンブレードの後縁付近の負圧側及び正圧側のそれぞれの境界層流の調節は、風力タービンを作動させることにより生じる騒音のより効率的な軽減、周波数シフト、又は、排除を可能にする。複数の流れ調節装置を使用すると、調節された正圧側流と調節された負圧側流とが混合される混合領域又は混合空間を形成できる。複数の流れ調節装置を設けると、正圧側及び負圧側の境界流の制御された又は調節された混合が風力タービンの騒音特性の向上をもたらす風力タービンブレードの設計が容易になる。

流れ調節装置、例えば、第１の一次流れ調節装置及び／又は第１の二次流れ調節装置は、ベースと、ベースから延びる少なくとも１つの突出要素とを備えてもよい。２つ、３つ、又は、それ以上の数の流れ調節装置が共通のベースを共有してもよい。流れ調節装置は、第１の長手方向部分に沿って延びるパネル、ストリップ、又は、テープとして配置されてもよい。流れ調節装置は、適切な長さを有してもよく、即ち、長手方向に延在部を有してもよい。流れ調節装置は、約０．２ｍ〜約５０ｍの範囲の長さ、例えば約１ｍ〜約１０ｍの範囲の長さを有してもよい。約２ｍの長さは、例えば風力タービンブレード上にパネルとして配置される流れ調節装置を改造するときに有利な場合がある。流れ調節装置のベースは、シェル体に対する流れ調節装置の機械的な締結を可能にする締結要素を備えてもよい。これに加えて或いはこれに代えて、ベース又はその一部には、風力タービンブレードのシェル体に対する流れ調節装置の接着を可能にする接着層が設けられてもよい。流れ調節装置をパネル上、ストリップ上、又は、テープ上に配置すると、製造を容易にすることができ有益であるとともに、既存のブレードに流れ調節装置を改造することが可能になる。

流れ調節装置のベースから延びる突出要素は、境界層流の望ましい調節を得るために任意の適した形状及びサイズを有してもよい。突出要素は、鋸歯として、例えば、第１の表面及び第２の表面を伴うとともに、１つ又は複数の縁部、例えば第１の縁部と第２の縁部とを有する平面鋸歯として形成されてもよい。縁部が直線状又は湾曲状であってもよい。第１の表面及び／又は第２の表面が平面又は湾曲面であってもよい。突出要素は、０．５ｍｍ〜約２０ｍｍ、例えば約１ｍｍ〜約１０ｍｍの範囲の厚さを有してもよい。１つ又は複数の実施例では、流れ調節装置の１つ又は複数の突出要素の厚さが約２ｍｍである。縁部が丸みを帯びていてもよい。突出要素は、約３ｃｍ〜約２０ｃｍの範囲、例えば５ｃｍ〜約１５ｃｍの範囲の長さを有してもよい。１つ又は複数の実施例では、１つ又は複数の突出要素が６ｃｍよりも大きい長さを有してもよい。

第１の一次流れ調節装置は、風力タービンブレードの第１の鋸歯状縁部、例えば第１の鋸歯状の後縁を形成してもよく、また、第１の空間周波数を有してもよい。したがって、第１の一次流れ調節装置は、風力タービンブレードの後縁又はその近傍に装着され又は配置されてもよい。

第１の二次流れ調節装置は、風力タービンブレードの第２の鋸歯状縁部、例えば第２の鋸歯状の後縁を形成してもよく、また、第２の空間周波数を有してもよい。したがって、第１の二次流れ調節装置は、風力タービンブレードの後縁又はその近傍に装着され又は配置されてもよい。

一般に、第１の一次流れ調節装置及び／又は第１の二次流れ調節装置などの流れ調節装置は、ブレードの前縁からエッジ方向で、即ち、翼弦と平行な第１の軸に沿って、翼弦長の７０〜１００％の間隔内に配置されてもよい。それにより、騒音が主に風力タービンブレードの後縁で生じるため、ブレード効果の乱れを最小にしつつ最も大きい騒音低減効果を与えることができる。

第１の一次流れ調節装置及び第１の二次流れ調節装置は、風力タービンブレードのエッジ方向で離間されてもよい。

第１の一次流れ調節装置及び第１の二次流れ調節装置は、風力タービンブレードのエッジ方向に対して垂直なフラップ方向で離間されてもよい。

第１の一次流れ調節装置及び第１の二次流れ調節装置は、風力タービンブレードの異なる側に配置されてもよい。即ち、第１の一次流れ調節装置が風力タービンブレードの正圧側に配置されてもよく、また、第１の二次流れ調節装置が風力タービンブレードの負圧側に配置されてもよい。流れ調節装置を風力タービンブレードの異なる側に配置すると、正圧側流及び負圧側流の別個の調節が容易になる。

１つ又は複数の実施例では、第１の一次流れ調節装置及び第１の二次流れ調節装置が風力タービンブレードの同じ側に配置される。

第１の一次流れ調節装置などの１つ又は複数の流れ調節装置は、柔軟であってもよく、したがって、風力タービンブレードにおける負荷変動／圧力差変動を軽減するように構成される。

第１の二次流れ調節装置が硬質であってもよい。負圧側流における負荷変動が正圧側流における負荷変動より小さくてもよい。したがって、硬質の第１の二次流れ調節装置は、流れ調節装置のコスト及び寿命を考慮して選択されてもよい。

長手方向部分の流れ調節装置は、翼弦と流れ調節装置との間の角度によって特徴付けられてもよい。流れ調節装置又はその突出要素は、翼弦と略平行であってもよく或いは翼弦と角度を成してもよい。一次流れ調節装置が翼弦と一次角度αを成してもよく、また、二次流れ調節装置が翼弦と二次角度βを成してもよい。１つ又は複数の実施例において、一次角度αは、０°〜約６０°の範囲内、例えば０°〜約４５°の範囲内である。１つ又は複数の実施例では、一次角度αが０°〜約３０°の範囲内である。１つ又は複数の実施例において、二次角度βは、０°〜約６０°の範囲内、例えば０°〜約４５°の範囲内であってもよい。１つ又は複数の実施例では、二次角度βが０°〜約３０°の範囲内である。

一次流れ調節装置又はその一次突出要素は、二次流れ調節装置又はその二次突出要素と角度θを成してもよい。一次流れ調節装置と二次流れ調節装置との間の角度θが０°〜約４５°の範囲内であってもよい。比較的小さい角度、例えば角度θが０°〜約２０°の範囲内にあることが好ましい場合がある。

一次流れ調節装置の一次角度が長手方向で変化してもよい。例えば、一次流れ調節装置の異なる突出要素が異なる一次角度を成してもよい。二次流れ調節装置の二次角度が長手方向で変化してもよい。例えば、二次流れ調節装置の異なる突出要素が異なる二次角度を成してもよい。

二次流れ調節装置の二次突出要素と対向する一次流れ調節装置の一次突出要素が断面において二次突出要素と略平行、即ち、θ＝０であってもよい。距離は、約０．５ｍｍ〜約５ｃｍの範囲内、例えば１ｍｍ〜約１ｃｍの範囲内、例えば約２．５ｍｍであってもよい。

一次突出要素と二次突出要素との間に距離を有することにより、調節された境界流が混合される空間又は混合領域が形成され、それにより、騒音特性の調整又は向上が容易になる。

風力タービンブレードの第１の長手方向部分は、根元端部から０．３Ｌ〜Ｌの範囲内の距離を隔てて長手方向に少なくとも部分的に延びてもよい。ここで、Ｌは風力タービンブレードの長さである。１つ又は複数の実施例において、風力タービンブレードの第１の長手方向部分は、根元端部から０．６Ｌ〜Ｌの範囲内の距離を隔てて長手方向に延びる。流れ調節装置を風力タービンブレードの先端部へ向けた状態で１つ又は複数の長手方向部分を配置することが有益な場合がある。これは、騒音が主に流速が高い領域に生成されるからである。

風力タービンブレードは、ハブに最も近い略円形又は楕円形の形状を有する根元領域と、ハブから最も離れた揚力発生形状を有する翼領域と、場合によっては、根元領域と翼領域との間の移行領域とに分けられてもよい形状輪郭を備える。移行領域は、存在する場合には、根元領域の円形状又は楕円形状から翼領域の揚力発生形状へと半径方向又は長手方向で徐々に変化する形状を有する。１つ又は複数の長手方向部分、例えば、第１の長手方向部分、及び場合によっては第２の長手方向部分が翼領域で延びてもよい。１つ又は複数の長手方向部分が移行領域で延びてもよい。

風力タービンブレードが５５ｍよりも大きい長さを有してもよい。

流れ調節装置は、騒音調節装置及び／又は騒音低減装置を構成し又は備えてもよい。

風力タービンブレードを改造する方法は、風力タービンオペレータ及び／又は製造メーカが、既存の風力タービンをアップグレードして、風力タービンの作動中に風力タービンブレードにより生成される騒音を改善できる、即ち、低減できる又は調整できるようにする、或いは更には、風力タービンブレードの空気力学的特性を向上させることができるようにする。

方法は、ベースと少なくとも１つの突出要素とを備える少なくとも１つの流れ調節装置を、風力タービンブレードの後縁にベースを取り付けることによって装着するステップを備えてもよい。

図１は、タワー４と、ナセル６と、略水平なロータシャフトを伴うロータとを有する、いわゆる“デンマーク概念”にしたがった従来の最新のアップウインド型風力タービン２を示す。ロータは、ハブ８と、ハブ８から半径方向に延びる３つのブレード１０とを備え、各ブレード１０は、ハブに最も近いブレード根元部１６と、ハブ８から最も離れたブレード先端部１４とを有する。ロータは、Ｒで示される半径を有する。

図２は、本発明による風力タービンブレード１０の典型的な実施例の概略図を示す。風力タービンブレード１０は、長手方向軸又はピッチ軸と平行な矢印ｒによって示されるように、根元端部から先端部へと長手方向に延びる。風力タービンブレード１０は、ハブに最も近い根元領域３０と、ハブから最も離れたプロファイル領域又は翼領域３４と、根元領域３０と翼領域３４との間の移行領域３２とを備える。ブレード１０は、ブレードがハブに装着されるときにブレード１０の回転方向に面する前縁１８と、前縁１８の反対方向に面する後縁２０とを備える。

翼領域３４（プロファイル領域とも呼ばれる）は、揚力発生に関して理想的な又はほぼ理想的な形状を有し、一方、根元領域３０は、構造的な考慮事項に起因して、略円形又は楕円形の断面を有し、これにより、例えば、ブレード１０をハブに装着することが更に容易に且つ安全になる。根元領域３０の直径（又は翼弦）は、根元領域３０全体に沿って一定であってもよい。移行領域３２は、根元領域３０の円形状又は楕円形状から翼領域３４の翼形状へと徐々に変化する過渡的な形状を有する。移行領域３２の翼弦長は、一般に、ハブからの距離ｒの増大に伴って増大する。翼領域３４は、ブレード１０の前縁１８と後縁２０との間で延びる翼弦を伴う翼形状を有する。翼領域における翼弦の幅は、ハブからの距離ｒの増大に伴って減少する。ブレード１０の肩部４０は、ブレード１０がその最大翼弦長を有する位置として規定される。肩部４０は、一般に、移行領域３２と翼領域３４との間の境界に設けられる。

風力タービンブレードは、騒音スペクトルを調節するための第１の一次流れ調節装置６４と第１の二次流れ調節装置（図示せず）とを伴う断面を有する第１の長手方向部分３６を備える。第１の一次流れ調節装置及び第１の二次流れ調節装置は、矢印ｒによって示される長手方向に対して垂直に離間され、即ち、長手方向に対して垂直な方向で離間される。場合によっては、風力タービンブレードは、図２に示されるように、騒音スペクトルを調節するための第２の一次流れ調節装置６４’と第２の二次流れ調節装置（図示せず）とを伴う断面を有する第２の長手方向部分３８を備えてもよい。第２の一次流れ調節装置及び第２の二次流れ調節装置は、存在する場合には、矢印ｒによって示される長手方向に対して垂直に離間される。流れ調節装置は、風力タービンブレードの後縁又はその近傍に装着されて、後縁の一部を形成してもよい。

図３及び図４は、本発明による風力タービンブレードの形状を説明するために使用される可能性があるパラメータを表している。

図３は、一般に翼の幾何学的な形状を規定するために使用される様々なパラメータを伴って描かれた風力タービンの典型的なブレードの翼プロファイル５０の断面の概略図を示す。翼プロファイル５０は正圧側５２及び負圧側５４を有し、これらの正圧側５２及び負圧側５４は、使用中（即ち、ロータの回転中）、通常は、風上（又はアップウインド）側及び風下（ダウンウインド）側のそれぞれに面する。翼５０は、ブレードの前縁５６と後縁５８との間で延びる翼弦長ｃを伴う翼弦６０を有する。翼５０は、正圧側５２と負圧側５４との間の距離として規定される厚さｔを有する。翼の厚さｔは、翼弦６０に沿って変化する。対称形状からのずれは、翼プロファイル５０を貫く中線であるキャンバーライン６２によって与えられる。キャンバーラインは、前縁５６から後縁５８へと内接円を描くことによって見出され得る。中線はこれらの内接円の中心を辿り、また、翼弦６０からのずれ又は距離がキャンバーｆと呼ばれる。非対称性は、翼弦６０から負圧側５４及び正圧側５２のそれぞれへの距離として規定される上側キャンバー（又は負圧側キャンバー）及び下側キャンバー（又は正圧側キャンバー）と呼ばれるパラメータの使用によっても規定され得る。翼プロファイルは、しばしば、以下のパラメータ、即ち、翼弦長ｃ、最大キャンバーｆ、最大キャンバーｆの位置ｄ_ｆ、正中キャンバーライン６２に沿う内接円の最大直径である最大翼厚さｔ、最大厚さｔの位置ｄ_ｔ、及び、ノーズ半径（図示せず）によって特徴付けられる。これらのパラメータは、一般に、翼弦長ｃに対する比率として規定される。したがって、局所相対ブレード厚さｔ／ｃが、局所最大厚さｔと局所翼弦長ｃとの間の比率として与えられる。さらに、最大正圧側キャンバーの位置ｄ_ｐが設計パラメータとして使用されてもよく、また、勿論、最大負圧側キャンバーの位置も設計パラメータとして使用されてもよい。

図４は、ブレードの他の幾何学的パラメータを示す。ブレードは、全ブレード長Ｌを有する。図３に示されるように、根元端部が位置ｒ＝０に位置付けられ、先端部がｒ＝Ｌに位置付けられる。ブレードの肩部４０は、位置ｒ＝ｄ_ｓに位置付けられるとともに、肩部４０の翼弦長に等しい肩幅Ｗを有する。

図５は、本発明による典型的な風力タービンブレードの一部を示す。風力タービンブレード１０は、第１の一次流れ調節装置（図示せず）及び第１の二次流れ調節装置６６を備える第１の長手方向部分３６を備える。第１の一次流れ調節装置は、ブレードシェル７２に取り付けられるベース（図示せず）と、風力タービンブレードの後縁に長手方向軸に沿って分布される複数の一次突出要素（図示せず）とを備える。さらに、第１の二次流れ調節装置６６は、ブレードシェル７２に取り付けられるベース６８”と、風力タービンブレードの後縁に長手方向軸に沿って分布される複数の二次突出要素７０”とを備える。一次突出要素（図示せず）は風力タービンブレードの第１の鋸歯状後縁を形成する（図６及び図７参照）。二次突出要素７０”の第１の縁部７４及び第２の縁部７６は、風力タービンブレードの第２の鋸歯状後縁を形成する。第１の縁部７４は、長手方向軸とそれぞれの第１の角度φ_１を成し、また、第２の縁部７６は、長手方向軸とそれぞれの第２の角度φ_２を成す。二次突出要素の長さＬ_２は変化してもよく、例えば、Ｌ_２が３ｃｍ〜約２０ｃｍの範囲内であってもよい。第１の角度φ_１は、０〜約９０°の範囲内、例えば約４５°であってもよい。１つ又は複数の実施例において、第１の角度φ_１は、４０°よりも大きく、例えば約６０°〜７５°の範囲内である。第２の角度φ_２は、０〜約９０°の範囲内、例えば約４５°であってもよい。１つ又は複数の実施例において、第２の角度φ_２は、４０°よりも大きく、例えば約６０°〜７５°の範囲内である。

それぞれの流れ調節装置においては、突出要素のそれぞれの第１の縁部の第１の角度φ_１が変化してもよく、及び／又は、突出要素のそれぞれの第２の縁部の第２の角度φ_２が変化してもよい。縁部が直線状であってもよい。１つ又は複数の実施例では、１つ又は複数の突出要素の１つ又は複数の縁部が湾曲される。

図６は、図５に示される風力タービンブレードの典型的な断面の一部を部分的に示しており、断面はＡ−Ａ線に沿ってとられる。風力タービンブレード１０の第１の長手方向部分３６は、ベース６８’及び一次突出要素７０’を有する第１の一次流れ調節装置６４と、ベース６８”及び二次突出要素７０”を有する二次流れ調節装置６６とを備える。ベース６８’は風力タービンブレードの正圧側５２に取り付けられ、また、ベース６８”は風力タービンブレードの負圧側５４に取り付けられる。第１の一次流れ調節装置６４は、風力タービンの作動中に形成される正圧側境界流を調節するように配置されている。第１の二次流れ調節装置６６は、風力タービンの作動中に形成される負圧側境界流を調節するように配置されている。流れ調節装置６４，６６は長手方向に対して垂直に離間される。一次突出要素７０’及び二次突出要素７０”は、約２．５ｍｍの距離ｄ_１を伴って略平行、即ち、θ_１＝０であり、したがって、第１の一次流れ調節装置６４及び第１の二次流れ調節装置６６はフラップ方向で離間される。一般に、異なる流れ調節装置の突出要素間の距離は約１ｍｍ〜約５ｃｍの範囲であってもよい。流れ調節装置の突出要素は、１つ又は複数の断面内で、異なる流れ調節装置の突出要素と接触してもよい。流れ調節装置６４，６６又はその突出要素７０’，７０”は、翼弦６０と略平行であってもよく、或いは、翼弦と角度α_１，β_１のそれぞれを成してもよい。

図７は、図５に示される風力タービンブレードの典型的な断面の一部を部分的に示しており、断面はＡ−Ａ線に沿ってとられる。長手方向部分３６は、風力タービンブレードのブレードシェルの後縁に取り付けられる共通のベース６８を伴う第１の一次流れ調節装置６４及び二次流れ調節装置６６を備える。第１の一次流れ調節装置６４が一次突出要素７０’を備え、また、二次流れ調節装置６６が二次突出要素７０”を備える。一次突出要素７０’及び二次突出要素７０”は約５°の角度θ_１を伴う平面要素である。最小距離ｄ_{１， ｍｉｎ}は約２ｍｍである。

図８は、本発明による典型的な風力タービンブレードの一部を示す。風力タービンブレード１０は、第１の一次流れ調節装置及び第１の二次流れ調節装置６６を備える第１の長手方向部分３６を備える。第１の一次流れ調節装置は、風力タービンブレードの正圧側に取り付けられるベース（図示せず）と、風力タービンブレードの後縁に長手方向軸に沿って分布される複数の一次突出要素７０’とを備える。さらに、第１の二次流れ調節装置６６は、風力タービンブレードの負圧側に取り付けられるベース６８”と、風力タービンブレードの後縁に長手方向軸に沿って分布される複数の二次突出要素７０”とを備える。一次突出要素７０’は、風力タービンブレードの第１の鋸歯状後縁を形成する（図９参照）。二次突出要素７０” は、風力タービンブレードの第２の鋸歯状後縁を形成する。一次突出要素７０’及び二次突出要素７０”は、長手方向軸に沿って変位させられる。

図９は、図８に示される風力タービンブレードの典型的な断面の一部を部分的に示しており、断面はＡ−Ａ線に沿ってとられる。

図１０は、風力タービンブレードの典型的な断面の一部を部分的に示している。第１の一次流れ調節装置６４及び第１の二次流れ調節装置６６は、風力タービンブレードの負圧側に配置されて、エッジ方向で離間される。１つ又は複数の実施例において、第１の一次流れ調節装置６４及び第１の二次流れ調節装置６６は、風力タービンブレードの正圧側に配置されて、エッジ方向で離間される。一次突出要素７０’の縁部が第１の鋸歯状縁部を形成し、また、二次突出要素７０”の縁部が風力タービンブレードの後縁に第２の鋸歯状縁部を形成する。

添付図面に示される本発明の典型的な実施例に加えて、本発明は、異なる形態で具現化されてもよく、本明細書中に記載される実施例に限定されるように解釈されるべきではないことに留意されたい。むしろ、これらの実施例は、この開示が十分且つ完全であって発明の概念を当業者に十分に伝えるように提供される。

２ 風力タービン
４ タワー
６ ナセル
８ ハブ
１０ 風力タービンブレード
１４ ブレード先端部
１６ ブレード根元部
１８ 前縁
２０ 後縁
２２ ピッチ軸
３０ 根元領域
３２ 移行領域
３４ 翼領域
３６ 第１の長手方向部分
３８ 第２の長手方向部分
４０ 肩部、肩部翼形状
５２ 正圧側
５４ 負圧側
５６ 前縁
５８ 後縁
６０ 翼弦
６２ キャンバーライン／中線
６４ 第１の一次流れ調節装置
６６ 第１の二次流れ調節装置
６８，６８’，６８” ベース
７０’ 一次突出要素
７０” 二次突出要素
７２ ブレードシェル
７４ 第１の縁部
７６ 第２の縁部
ｃ 翼弦長
ｄ_ｔ 最大厚さの位置
ｄ_ｆ 最大キャンバーの位置
ｄ_ｐ 最大正圧側キャバーの位置
ｄ_ｓ 肩部距離
ｆ キャンバー
Ｌ ブレード長
Ｐ 出力
Ｗ 肩部翼弦長
Ｘ 第１の軸
Ｙ 第２の軸
ｒ 長手方向、ブレード根元部からの半径方向距離
ｔ 厚さ
ｖ_ｗ 風速
α 一次流れ調節装置と翼弦との間の一次角度
β 二次流れ調節装置と翼弦との間の二次角度
θ 一次流れ調節装置と二次流れ調節装置との間の角度
φ_１ 第１の縁部と長手方向軸との間の第１の角度
φ_２ 第２の縁部と長手方向軸との間の第２の角度
Δｙ 事前曲げ

Claims (16)

1. 略水平なロータシャフトを有する風力タービンのロータのための風力タービンブレードであって、前記ロータがハブを備え、前記風力タービンブレードが前記ハブに装着されるときに前記ハブから略半径方向に延び、前記風力タービンブレードが、長手方向軸と平行な長手方向に延びるとともに、先端部と根元端部とを有し、
   前記風力タービンブレードは、正圧側と負圧側とを含む形状輪郭を更に備えるとともに、前縁及び後縁を備え、前記前縁及び前記後縁がこれらの間で延びる翼弦長を有する翼弦を伴い、前記形状輪郭が入射気流の衝突時に揚力を発生させ、
   前記風力タービンブレードは、前記正圧側の前記後縁に設けられる第１の複数の突出要素と前記負圧側の前記後縁に設けられる第２の複数の突出要素とを伴う断面を有する少なくとも第１の長手方向部分を更に備え、前記第１の複数の突出要素が前記第２の複数の突出要素からフラップ方向で離間され、
   前記第１の複数の突出要素は、前記ブレードの正圧側の境界層流の第１の調節作用を果たすように配置されており、前記第２の複数の突出要素は、前記ブレードの負圧側の境界層流の第２の調節作用を果たすよう配置されており、前記第１及び第２の調節作用が前記風力タービンブレードの動作騒音を低減するように動作可能であり、
   前記第１の複数の突出要素及び前記第２の複数の突出要素は、前記第１の調節作用が前記第２の調節作用と異なるように配置される、風力タービンブレード。
2. 前記第１の複数の突出要素の形状は、前記第２の複数の突出要素の形状と異なっており、前記第１の調節作用が前記第２の調節作用と異なるようになっている、請求項１に記載の風力タービンブレード。
3. 前記第１の複数の突出要素及び前記第２の複数の突出要素のうちの少なくとも一方は、ベースと、少なくとも１つの突出要素とを備えるとともに、前記第１の長手方向部分に沿って延びるパネル、ストリップ、又は、テープとして配置される、請求項１又は請求項２に記載の風力タービンブレード。
4. 前記第１の複数の突出要素が、第１の空間周波数を有する第１の鋸歯状縁部を形成し、前記第２の複数の突出要素が、第２の空間周波数を有する第２の鋸歯状縁部を形成し、前記第１の空間周波数が前記第２の空間周波数と異なる、請求項１から３までのいずれか一項に記載の風力タービンブレード。
5. 前記第１の複数の突出要素が、第１の鋸歯間頂角を有する第１の鋸歯状縁部を形成し、前記第２の複数の突出要素が、第２の鋸歯間頂角を有する第２の鋸歯状縁部を形成し、前記第１の鋸歯間頂角が前記第２の鋸歯間頂角と異なる、請求項１から４までのいずれか一項に記載の風力タービンブレード。
6. 前記第１の複数の突出要素が、第１の鋸歯長さを有する第１の鋸歯状縁部を形成し、前記第２の複数の突出要素が、第２の鋸歯長さを有する第２の鋸歯状縁部を形成し、前記第１の鋸歯長さが前記第２の鋸歯長さと異なる、請求項１から５までのいずれか一項に記載の風力タービンブレード。
7. 前記第１の複数の突出要素が第１の鋸歯状縁部を形成し、前記第２の複数の突出要素が第２の鋸歯状縁部を形成し、前記第１の鋸歯状縁部が前記第２の鋸歯状縁部から長手方向にオフセットされる、請求項１から６までのいずれか一項に記載の風力タービンブレード。
8. 前記第１の複数の突出要素が第１の鋸歯状縁部を形成し、前記第２の複数の突出要素が第２の鋸歯状縁部を形成し、前記第１の鋸歯状縁部が前記第２の鋸歯状縁部からエッジ方向にオフセットされる、請求項１から７までのいずれか一項に記載の風力タービンブレード。
9. 前記形状輪郭が尖っていない後縁を備え、前記第１の複数の突出要素が前記尖っていない後縁の正圧側に設けられ、前記第２の複数の突出要素が前記尖っていない後縁の負圧側に設けられる、請求項１から８までのいずれか一項に記載の風力タービンブレード。
10. 前記第１の複数の突出要素及び前記第２の複数の突出要素のうちの少なくとも一方は、前記ブレードの前記前縁からエッジ方向で翼弦長の７０〜１００％の間隔内に配置される、請求項１から９までのいずれか一項に記載の風力タービンブレード。
11. 前記第１の複数の突出要素及び前記第２の複数の突出要素のうちの少なくとも一方が比較的柔軟な材料から形成され、前記少なくとも一方の第１又は第２の複数の突出要素は、前記少なくとも一方の第１又は第２の複数の突出要素にわたる風の通過に伴って曲がるように動作可能である、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の風力タービンブレード。
12. 前記第１の複数の突出要素及び前記第２の複数の突出要素のうちの少なくとも一方が比較的硬質の材料から形成され、前記少なくとも一方の第１又は第２の複数の突出要素は、前記少なくとも一方の第１又は第２の複数の突出要素にわたる風の通過に伴う曲がりに抵抗するように動作可能である、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の風力タービンブレード。
13. 前記第１の複数の突出要素及び前記第２の複数の突出要素のうちの第１の複数の突出要素が比較的硬質の材料から形成され、前記第１の複数の突出要素及び前記第２の複数の突出要素のうちの第２の複数の突出要素が比較的柔軟な材料から形成される、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の風力タービンブレード。
14. 前記第１の長手方向部分は、前記根元端部から０．３Ｌ〜Ｌの範囲内の距離を隔てて長手方向に少なくとも部分的に延び、Ｌが風力タービンブレードの長さである、請求項１から１３までのいずれか一項に記載の風力タービンブレード。
15. 請求項１から１４までのいずれか一項に記載の少なくとも１つの風力タービンブレードを備える風力タービン。
16. 長手方向に延びるとともに先端部と根元端部とを有する風力タービンブレードを改造する方法であって、前記風力タービンブレードは、正圧側と負圧側とを含む形状輪郭を更に備えるとともに、前縁及び後縁を備え、前記前縁及び前記後縁がこれらの間で延びる翼弦長を有する翼弦を伴い、前記形状輪郭が入射気流の衝突時に揚力を発生させ、方法において、
    − 前記風力タービンブレードが、断面と複数の流れ調節装置とを有する少なくとも１つの長手方向部分を備えるように、流れ調節システムを前記風力タービンブレードに装着するステップを備え、前記少なくとも１つの長手方向部分は、前記正圧側の前記後縁に設けられる第１の複数の突出要素と前記負圧側の前記後縁に設けられる第２の複数の突出要素とを伴う断面を有する第１の長手方向部分を備え、前記第１の複数の突出要素が前記第２の複数の突出要素からフラップ方向で離間され、
    − 前記第１の複数の突出要素は、前記ブレードの正圧側の境界層流の第１の調節作用を果たすように配置されており、前記第２の複数の突出要素は、前記ブレードの負圧側の境界層流の第２の調節作用を果たすように配置されており、
    − 前記第１の複数の突出要素の形状は、前記第２の複数の突出要素の形状と異なっており、前記第１の調節作用が前記第２の調節作用と異なるようになっている、方法。

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