JP2015155670A - 風車翼、風車ロータ及び風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】最大コード長位置付近の翼長方向領域において高い設計揚力係数を実現可能な風車翼を提供する。
【解決手段】風車翼は、風車ロータの半径Ｒに対する前記風車ロータの半径方向位置ｒの比が０．１以上０．４以下となる前記風車翼の翼長方向領域内において、最大翼厚ｔｍａｘに対する、コードから背面までの距離の最大値である背面最大厚みｙｍａｘの比によって表される第１無次元値ｙｍａｘ／ｔｍａｘが０．３６以上０．４６以下であり、且つ、背面最大厚みｙｍａｘに対する背面前方膨らみ量ｙｆの比によって表される第２無次元値ｙｆ／ｙｍａｘが０．６２以上０．７６以下である（但し、背面前方膨らみ量ｙｆ、背面最大厚みｙｍａｘを有する前記背面のコード方向位置を前縁から該コード方向位置までの距離ｘｍａｘで定義したとき、前記前縁からの距離が０．３ｘｍａｘのコード方向位置における前記コードから前記背面までの距離である）翼型を有する。
【選択図】図６

Description

本開示は、風車翼、風車ロータ及び風力発電装置に関する。

近年、地球環境の保全の観点から、風力を利用した風力発電装置の普及が進んでいる。風力発電装置は、風の運動エネルギーを風車翼とハブを含む風車ロータの回転エネルギーに変換し、さらにこの回転エネルギーを発電機にて電力に変換するようになっている。

このような風力発電装置において、風車ロータは風の運動エネルギーを回転エネルギーに変換する役割を担っており、複数のブレードがハブに放射状に取り付けられた構成の風車ロータが多く普及している。風車ロータ全体としての効率（翼効率）の向上のために、従来から、様々な翼型が提案されている。

例えば、特許文献１には、コード長に沿った前縁からの距離が２０％〜３０％の範囲内で翼厚が最大となる翼型が開示されている。また、特許文献２には、翼根領域における代表的な翼厚比が２４％、翼端側領域における代表的な翼厚比が２１％、先端領域における代表的な翼厚比が１６％に設定された構成が記載されている。また、特許文献３には、翼厚比が１４％から４５％の範囲で設計揚力係数が１．１０〜１．２５の範囲に設定された翼型が記載されている。

欧州特許出願公開第１７６０３１０号明細書 欧州特許出願公開第０６７５２８５号明細書 欧州特許出願公開第１１５２１４８号明細書

ところで、近年、風力発電装置は、低風速地域市場への適用性の向上や、経済性改善のための大容量化を実現するために大型化の傾向にあり、より大きなロータ直径に対応して風車翼の長翼化が進んでいる。風車翼の空力性能を維持したまま長翼化を実現するためには、風車翼の相似形状を維持しながら、風車翼を大型化することも考えられる。
ところが、単に風車翼を大型化するだけでは、風車翼の重量の著しい増大、風車翼の製造性の低下（例えば、成形用モールドへの樹脂含浸性の低下）、風車翼の輸送性の低下（風車翼の最大幅、即ち最大コード長による輸送性の制限）、及び、風力発電装置の運用性の低下（ブレードのピッチ制御時におけるタワー・ナセルとブレードとの干渉防止の必要性）といった問題が生じかねない。これらの問題は、風車翼の最大コード長が大きいほど、その影響が大きくなる。
そのため、風車翼の長翼化を実現するに際し、最大コード長に制約を課すことが必要である。

しかしながら、最適な空力性能を実現するためには、半径位置及び設計揚力係数の積に反比例する最適な大きさにコード長を近づける必要がある。そのため、上述のように最大コード長に制約を課すと、コード長が最適値に対して不足し、空力性能が低下するおそれがある。

よって、近年の風車翼の長翼化傾向に鑑みれば、例えば特許文献１〜３に記載の従来の風車翼では最大コード長位置付近の翼長方向領域の設計揚力係数は十分と言えなくなっており、該領域における設計揚力係数のさらなる増大が望まれる。

本発明の少なくとも幾つかの実施形態は、上述の事情に鑑み、最大コード長位置付近の翼長方向領域において高い設計揚力係数を実現可能な風車翼、風車ロータ及び風力発電装置を提供することを目的とする。

本発明の幾つかの実施形態にかかる風車翼は、
互いに対向する背面及び腹面を備える風車ロータ用の風車翼であって、
前記風車翼は、前記風車ロータの半径Ｒに対する前記風車ロータの半径方向位置ｒの比が０．１以上０．４以下となる前記風車翼の翼長方向領域内において、
前記背面と前記腹面との距離の最大値である最大翼厚ｔ_ｍａｘに対する、コードから前記背面までの距離の最大値である背面最大厚みｙ_ｍａｘの比によって表される第１無次元値ｙ_ｍａｘ／ｔ_ｍａｘが０．３６以上０．４６以下であり、且つ、前記背面最大厚みｙ_ｍａｘに対する背面前方膨らみ量ｙ_ｆの比によって表される第２無次元値ｙ_ｆ／ｙ_ｍａｘが０．６２以上０．７６以下である（但し、前記背面前方膨らみ量ｙ_ｆは、前記背面最大厚みｙ_ｍａｘを有する前記背面のコード方向位置を前縁から該コード方向位置までの距離ｘ_ｍａｘで定義したとき、前記前縁からの距離が０．３ｘ_ｍａｘのコード方向位置における前記コードから前記背面までの距離である）
翼型を有する
ことを特徴とする。

本発明者らの鋭意検討の結果、上述した第１無次元値及び第２無次元値に関する条件を満たす前記翼型は高い設計揚力係数を有するという知見を得た。上記風車翼は、本発明者らのかかる知見に基づくものであり、翼型の工夫により、風車翼の空力性能の向上を図るものである。
すなわち、上記風車翼の前記翼型は、最大翼厚に対する背面最大厚みｙ_ｍａｘの比（第１無次元値）を０．４６以下に設定して翼型の背側への全体的な膨らみを抑えるとともに、背面最大厚みｙ_ｍａｘに対する背面前方膨らみ量ｙ_ｆの比（第２無次元値）を０．７６以下に設定して翼型の前縁側の局所的な（前縁〜ｘ_ｍａｘまでの範囲の）形状の背側への膨らみを抑えている。このように、背面の全体的な膨らみ及び前縁側の局所的な背面形状の膨らみが抑えられることで、背面に沿った境界層（翼面近傍の流速が遅い領域の翼面法線方向の厚み）の発達が遅延し、後縁側における背面からの剥離（後縁剥離）が抑制され、揚力の向上が図れる。よって、上記翼型は、高い設計揚力係数を実現することができる。
さらに、上記風車翼の前記翼型は、最大翼厚に対する背面最大厚みｙ_ｍａｘの比（第１無次元値）を０．３６以上に設定して翼型の背側への全体的な膨らみをある程度確保するとともに、背面最大厚みｙ_ｍａｘに対する背面前方膨らみ量ｙ_ｆの比（第２無次元値）を０．６２以上に設定して翼型の前縁側の局所的な（前縁〜ｘ_ｍａｘまでの範囲の）形状の背側への膨らみをある程度確保している。このように、背面の全体的な膨らみ及び前縁側の局所的な背面形状の膨らみをある程度確保することで、淀み点の直ぐ下流における剥離（前縁剥離）の影響による揚力低下を抑制できる。
したがって、上記風車翼の前記翼型は、第１無次元値及び第２無次元値に関する上述の条件を満たすから、高い設計揚力係数を有する。
ここで、風車ロータの半径Ｒに対する風車ロータの半径方向位置ｒの比が０．１以上０．４以下となる翼長方向領域では、上述した各種の理由からコード長に制約が課される傾向にあり、設計揚力係数を大きくしない限り、空力性能が低下してしまうのが通常である。すなわち、最適コード長に対するコード長の不足を設計揚力係数の向上により補わなければ、各半径位置について存在するコード長及び揚力係数の積の最適値からの乖離が大きくなり、高い翼効率（出力係数）を実現することは難しい。図１４は、コード長及び揚力係数の積をその最適値で無次元化した値と出力係数Ｃ_ｐとの関係を示すグラフである。なお、図１４において、λは周速比、Ｒは無次元化した半径位置、Ｌ／Ｄは揚抗比、Ｃ（ｒ）は任意の半径位置におけるコード長、ＣＬ_{ｄｅｓｉｇｎ}は設計揚力係数、ＣＬは揚力係数、［Ｃ（ｒ）×ＣＬ］_{ｏｐｔｉｍｕｍ}はコード長及び揚力係数の積の最適値、Ｃ_ｐは出力係数である。同図に示すように、コード長及び揚力係数の積の最適値からの乖離が大きい場合、揚抗比（Ｌ／Ｄ）の大きさによらず、出力係数Ｃ_ｐは小さい。揚抗比（Ｌ／Ｄ）は、コード長及び揚力係数の積が最適値に十分に近づいてはじめて、出力係数Ｃｐに実質的な影響を与える。このように、最適コード長に対するコード長の不足がある場合、揚抗比（Ｌ／Ｄ）ではなく、コード長の不足を設計揚力係数で補うことで、コード長及び揚力係数の積の最適値からの乖離を小さくすることが重要である。
この点、上記翼長方向領域内において設計揚力係数に優れた前記翼型を有する風車翼は、当該翼型が採用されるコード方向位置の近傍の領域において設計揚力係数を増大させることができ、風車翼の空力性能を改善することができる。

幾つかの実施形態では、前記第１無次元値ｙ_ｍａｘ／ｔ_ｍａｘが０．４以上０．４６以下であり、前記第２無次元値ｙ_ｆ／ｙ_ｍａｘが０．６３以上０．７１以下である。また、一実施形態では、前記第２無次元値ｙ_ｆ／ｙ_ｍａｘが０．６５以上０．６９以下である。
このような数値範囲に第１無次元値及び第２無次元値を設定すれば、背面の全体的な膨らみ及び前縁側の局所的な背面形状の膨らみがより一層適度になり、後縁剥離及び前縁剥離が効果的に抑制され、翼型の設計揚力係数を増大することができる。

幾つかの実施形態において、前記翼型は、後縁が厚みを持つフラットバック翼型である。
このように、翼根部側に比較的近い領域において、後縁に厚みを持たせてフラットバック翼型とすることで、高い迎角まで失速を回避し、最大揚力係数を向上させることができる。すなわち、半径方向位置ｒの比が０．１以上０．４以下の翼長方向領域内における翼型をフラットバック翼型としたので、後縁の後流側のウェークに起因して発生する負圧により、背面における境界層の剥離を効果的に遅らせることができる。

幾つかの実施形態において、前記風車翼の前記翼型は、前記コードの長さＣに対する前記最大翼厚ｔ_ｍａｘの割合を示す翼厚比が０．３５以上０．８以下である。

本発明の幾つかの実施形態にかかる風車ロータは、
上記風車翼と、
前記風車翼が取り付けられるハブと、を備えることを特徴とする。

上記風車ロータは、上記翼長方向領域内において設計揚力係数に優れた前記翼型を有する風車翼を備えるので、当該翼型が採用されるコード方向位置の近傍の領域において設計揚力係数を増大させることができ、風車翼の空力性能の改善、ひいては風車ロータの空力性能の改善に寄与する。

前記風車ロータの直径が１００ｍ以上である。
上述したように、上記風車ロータによれば、前記翼型を備えるので、風車ロータの直径が１００ｍ以上である大型の風車翼においても、風車翼の空力性能の大幅な低下を招くことなく最大コード長の短縮化が可能となる。すなわち、風車翼のコード長の短縮化による空力性能の低下を、風車翼が有する翼型の設計揚力係数の増大で補うことができる。

本発明の幾つかの実施形態にかかる風力発電装置は、
上記風車ロータと、
前記風車ロータの回転エネルギーを電気エネルギーに変換するための発電機と、を備えることを特徴とする。

上記風力発電装置は風車ロータを備えており、該風車ロータは、上記翼長方向領域内において設計揚力係数に優れた前記翼型を有するので、当該翼型が採用されるコード方向位置の近傍の領域において設計揚力係数を増大させることができ、風車翼の空力性能の改善、ひいては風車ロータの空力性能の改善に寄与する。

本発明の幾つかの実施形態によれば、風車翼の翼型が、上述した第１無次元値及び第２無次元値に関する条件を満たすことによって、高い設計揚力係数を実現することができる。そして、上記翼長方向領域内において設計揚力係数に優れた前記翼型を有する風車翼は、当該翼型が採用されるコード方向位置の近傍の領域において設計揚力係数を増大させることができ、風車翼の空力性能を改善することができる。

幾つかの実施形態に係る風力発電装置を示す概略構成図である。 幾つかの実施形態に係る風車翼の概略斜視図である。 図２に示す風車翼の翼長方向領域における断面図（断面Ｓ）である。 他の実施形態におけるフラットバック翼型の断面図である。 第２無次元値の物理的意味を説明するための図である。 幾つかの実施形態における翼型の第１無次元値及び第２無次元値に対する範囲を示す図である。 迎え角に対する揚力係数の関係を示す図である。 迎え角に対する揚抗比の関係を示す図である。 無次元半径位置ｒ／Ｒに対するコード長分布を示す図である。 第２無次元値の大きさをｘ軸とし、第１無次元値の大きさをｙ軸とするグラフである。 第１無次元値を変化が設計揚力係数に与える影響を示す図である。 第２無次元値を変化させる様子を示す図である。 第２無次元値の変化が設計揚力係数に与える影響を示す図である。 第２無次元値の大きさをｘ軸とし、第１無次元値の大きさをｙ軸とするグラフである。 第２無次元値を変化させた場合における設計揚力係数に与える影響を示す図である。 第１無次元値を変化させる様子を示す図である。 第１無次元値の変化が設計揚力係数に与える影響を示す図である。 コード長及び揚力係数の積をその最適値で無次元化した値と出力係数Ｃ_ｐとの関係を示すグラフである。

以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

図１は、幾つかの実施形態に係る風力発電装置１００を示す構成図である。
図１に示す風力発電装置１００は、少なくとも１本の風車翼２及び風車翼２が取り付けられるハブ４を含む風車ロータ６と、風車ロータ６の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機８と、風車ロータ６及び発電機８を支持するナセル１０と、ナセル１０を旋回自在に支持するタワー１２とを備えている。図１に示す例示的な風車ロータ６は、３本の風車翼２を有している。風車ロータ６の直径は、幾つかの実施形態では１００ｍ以上であり、一実施形態では１５０ｍ以上である。なお、本実施形態では、図１に示す風車ロータ６の回転中心Ｏから風車翼２の翼先端部１４までの距離を風車ロータ６の半径Ｒとし、風車ロータ６の任意の点Ｐにおける半径方向位置ｒ（風車ロータ６の回転中心Ｏから点Ｐまでの半径方向距離）とする。

図２は、幾つかの実施形態に係る風車翼２の概略斜視図であり。図３は、図２に示す風車翼２の翼長方向領域Ａにおける断面図（断面Ｓ）である。
図２及び図３に示すように、風車翼２は、翼先端部１４と、ハブ４（図１参照）に連結される翼根部１６とを含む。また、風車翼２は、翼根部１６から翼先端部１４にかけて、前縁（ｌｅａｄｉｎｇ ｅｄｇｅ）１８と後縁（ｔｒａｉｌｉｎｇ ｅｄｇｅ）２０とを有する。また、風車翼２の外形は、腹面（圧力側：ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｉｄｅ）２２と、腹面２２に対向する背面（吸引側：ｓｕｃｔｉｏｎ ｓｉｄｅ）２４とによって形成される。
なお、実施形態では、後縁２０とは、翼型３０がフラットバック型でない場合は鋭角の内角を形成する背面２４と腹面２２との交点をいい、翼型３０’がフラットバック翼型（図４参照）である場合は背面２４の後端と腹面２２の後端との中点をいう。また、前縁１８とは、前述のように定義される後縁２０からの距離が最も遠い点をいう。

幾つかの実施形態では、風車翼２は、風車ロータ６の半径Ｒに対する風車ロータ６の半径方向位置ｒの比（ｒ／Ｒ）が０．１以上０．４以下となる翼長方向領域Ａにおいて、後述の条件を満たす翼型３０を有する。また、一実施形態において、翼型３０は、コード長Ｃに対する最大翼厚ｔ_ｍａｘの割合を示す翼厚比が０．３５以上０．８以下である。

ここで、図３を参照して、本実施形態で用いる用語について説明する。なお、図３では、翼型３０のコード２６に沿った方向をｘ座標で表し、翼型３０の厚さ方向をｙ座標で表している。さらに同図では、前縁１８のｘ座標を０としている。
図３に示す翼型３０において、前縁１８と後縁２０とを結ぶ線をコード２６とする。コード２６のコード長Ｃは、前縁１８から後縁２０までのコード２６に沿った長さである。また、背面２４と腹面２２とのコード直交方向における距離の最大値を最大翼厚ｔ_ｍａｘとし、コード２６から背面２４までのコード直交方向における距離の最大値を背面最大厚みｙ_ｍａｘとする。そして、背面２４と腹面２２との距離の最大値である最大翼厚ｔ_ｍａｘに対する、前縁１８と後縁２０とを結ぶコードＣから背面２４までの距離の最大値である背面最大厚みｙ_ｍａｘの比ｙ_ｍａｘ／ｔ_ｍａｘを第１無次元値と称する。この第１無次元値は、翼型３０の背側への全体的な膨らみを示す指標である。
さらに、背面最大厚みｙ_ｍａｘを有するコード方向位置を、前縁１８から該コード方向位置までの距離ｘ_ｍａｘで定義する。すなわち、背面最大厚みｙ_ｍａｘを有する背面２４のコード方向位置のｘ座標がｘ_ｍａｘである。さらにまた、前縁１８からの距離が０．３ｘ_ｍａｘのコード方向位置におけるコード２６から背面２４までのコード直交方向における距離を、背面前方膨らみ量ｙ_ｆとする。そして、背面最大厚みｙ_ｍａｘに対する背面前方膨らみ量ｙ_ｆの比ｙ_ｆ／ｙ_ｍａｘを第２無次元値と称する。この第２無次元値は、翼型３０の前縁側の局所的な（前縁１８〜ｘ_ｍａｘまでの範囲の）形状の背側への膨らみを示す指標である。

図４は、他の実施形態におけるフラットバック翼型３０’の断面図である。なお、同図において、図３に示した翼型３０は破線で示している。
他の実施形態において、翼型３０’は、後縁２０が厚みを持つフラットバック翼型となっている。この翼型３０’の後縁２０は、後縁厚ｔ_ＴＥを有している。また、前縁１８と後縁２０（正確には、後縁面の翼厚方向における中点）とを結ぶコード２６は、コード長Ｃを有している。
なお、翼型３０’は、後縁２０が厚みを持つ構成である他は、図３に示した翼型３０と同一の構成を有するため、詳細な説明は省略する。

図５は、第２無次元値の物理的意味を説明するための図である。同図に示すように、半径がｘ_ｍａｘの正円の場合、第２象限における円弧とｙ軸に対して４５度傾斜した直線との交点Ｍは、ｙ座標が約０．７ｙ_ｍａｘ（正確にはｓｉｎ４５°×ｙ_ｍａｘ≒０．７０７ｙ_ｍａｘ）であり、且つ、当該円弧がｘ軸と交わる点Ｎからｘ方向に約０．３ｘ_ｍａｘ（正確にはｃｏｓ４５°×ｘ_ｍａｘ≒０．２９２ｘ_ｍａｘ）だけ離れた位置にある。よって、図５の左側に示す半長径ａ（＝ｘ_ｍａｘ）及び半短径ｂ（＝ｙ_ｍａｘ）を有する部分的な楕円の場合においても、当該部分的な楕円とｘ軸との交点Ｎ’からｘ方向に０．３ｘ_ｍａｘだけ離れた位置におけるｙ座標ｙ_ｆは約０．７ｙ_ｍａｘになるはずである。よって、楕円を基準として膨らみが過大である場合には、第２無次元値ｙ_ｆ／ｙ_ｍａｘは０．７よりも大きくなる傾向にある。逆に、楕円を基準として膨らみが過小である場合には、第２無次元値ｙ_ｆ／ｙ_ｍａｘは０．７よりも小さくなる傾向にある。このように、翼型３０，３０’の前縁側における背面２４の形状を評価する指標として第２無次元値ｙ_ｆ／ｙ_ｍａｘを採用すれば、翼型３０，３０’の前縁側の局所的な（前縁１８〜ｘ_ｍａｘまでの範囲の）形状の背側への膨らみを表すことができる。

図６は、幾つかの実施形態における翼型３０，３０’の第１無次元値及び第２無次元値に対する範囲を示す図である。
幾つかの実施形態に係る風車翼２は、図２に示す風車翼２の翼長方向領域Ａ内において、第１無次元値及び第２無次元値に関する以下の条件を全て満たす翼型３０，３０’を有する。

幾つかの実施形態において、翼型３０，３０’は、第１無次元値ｙ_ｍａｘ／ｔ_ｍａｘが０．３６以上０．４６以下であり、且つ、第２無次元値ｙ_ｆ／ｙ_ｍａｘが０．６２以上０．７６以下である。すなわち、翼型３０，３０’の第１無次元値及び第２無次元値によって表される座標が図６に示す第１範囲内に含まれる。
このような第１無次元値及び第２無次元値に関する条件を満たす翼型３０，３０’は、本発明者らの知見によれば、高い設計揚力係数ＣＬ_{ｄｅｓｉｇｎ}を有する。

ここで、設計揚力係数ＣＬ_{ｄｅｓｉｇｎ}とは、最大揚抗比が実現される最適迎え角に対応した揚力係数である。このことについて、図７及び図８を用いて説明する。
図７及び８は、設計揚力係数ＣＬ_{ｄｅｓｉｇｎ}を説明するための図であり、図７は迎え角に対する揚力係数の関係を示しており、図８は迎え角に対する揚抗比の関係を示している。
設計揚力係数ＣＬ_{ｄｅｓｉｇｎ}とは、図７に示す迎え角と揚力係数との関係において、揚抗比Ｌ／Ｄが最大となる迎え角（図８に示す最適迎え角）に対応する揚力係数ＣＬである。典型的な可変速風車の場合、可変速運転時には最適迎え角が実現されるように運転を行うようになっているから、設計揚力係数ＣＬ_{ｄｅｓｉｇｎ}は風力発電装置１００の可変速運転時における性能を左右する。
なお、典型的な可変速風車において、最適迎え角よりも迎え角が大きくなってしまう定格風速以上の風速域では、高い迎え角まで失速せずに、揚力を維持できることが望まれる。このような高風速域における風力発電装置の性能を左右するのが、図７に示す最大揚力係数ＣＬ_ｍａｘである。

翼型３０，３０’では、最大翼厚ｔ_ｍａｘに対する背面最大厚みｙ_ｍａｘの比（第１無次元値）を０．４６以下に設定して翼型３０，３０’の背側への全体的な膨らみを抑えるとともに、背面最大厚みｙ_ｍａｘに対する背面前方膨らみ量ｙ_ｆの比（第２無次元値）を０．７６以下に設定して翼型３０，３０’の前縁１８側の局所的な（前縁〜ｘ_ｍａｘまでの範囲の）形状の背側への膨らみを抑えている。このように、背面２４の全体的な膨らみ及び前縁１８側の局所的な背面形状の膨らみが抑えられ、背面２４に沿った境界層（翼面近傍の流速が遅い領域の翼面法線方向の厚み）の発達が遅延し、後縁２０側における背面２４からの剥離（後縁剥離）が抑制され、揚力の向上が図れる。よって翼型３０，３０’は、高い設計揚力係数ＣＬ_{ｄｅｓｉｇｎ}及び最大揚力係数ＣＬ_ｍａｘを実現することができる。
さらに、翼型３０，３０’は、最大翼厚ｔ_ｍａｘに対する背面最大厚みｙ_ｍａｘの比（第１無次元値）を０．３６以上に設定して翼型３０，３０’の背側への全体的な膨らみをある程度確保するとともに、背面最大厚みｙ_ｍａｘに対する背面前方膨らみ量ｙ_ｆの比（第２無次元値）を０．６２以上に設定して翼型３０，３０’の前縁１８側の局所的な（前縁〜ｘ_ｍａｘまでの範囲の）形状の背側への膨らみをある程度確保している。このように、背面２４の全体的な膨らみ及び前縁１８側の局所的な背面形状の膨らみをある程度確保することで、淀み点の直ぐ下流における剥離（前縁剥離）の影響による揚力低下を抑制できる。
このように、風車翼２の翼型３０，３０’は、第１無次元値及び第２無次元値に関する上述の条件を満たすから、高い設計揚力係数ＣＬ_{ｄｅｓｉｇｎ}及び最大揚力係数ＣＬ_ｍａｘを有する。

ところで、風車ロータ６の半径Ｒに対する風車ロータ６の半径方向位置ｒの比が０．１以上０．４以下となる翼長方向領域Ａではコード長に制約が課される傾向にある。このことについて図９を用いて説明する。
図９は、無次元半径位置Ａ（＝ｒ／Ｒ）に対するコード長分布を示す図である。同図に示すように、典型的な風車翼では、０．１≦ｒ／Ｒ≦０．４の翼長方向領域Ａの内側又はその近傍に最大コード長Ｃを有する。仮に設計揚力係数ＣＬ_{ｄｅｓｉｇｎ}が一定であるとした場合、最適な空力性能を実現するためには、図９の破線で示すように、無次元半径位置ｒ／Ｒとコード長Ｃとが反比例の相関を有する必要がある。典型的な風車翼では、最大コード長位置付近の領域において、図９の破線で示す最適コード長分布に対してコード長Ｃが不足している。これは、風車翼の長翼化に伴う諸問題（風車翼の重量増大、風車翼の製造性や輸送性の低下、風力発電装置の運用性の低下等）を解決するために、最大コード長に制約が課されるためである。
このように、風車ロータ６の半径Ｒに対する風車ロータ６の半径方向位置ｒの比が０．１以上０．４以下となる翼長方向領域では、コード長Ｃに制約が課される傾向にある結果、最適コード長分布に対してコード長Ｃが不足しがちである。

この点、本実施形態に係る風車翼２は、上述のように設計揚力係数ＣＬ_{ｄｅｓｉｇｎ}に優れた翼型３０，３０’を０．１≦ｒ／Ｒ≦０．４の翼長方向領域内において有するから、最適コード長分布に対するコード長Ｃの不足に起因した空力性能の低下を抑制することができる。

幾つかの実施形態では、翼型３０，３０’が、第１無次元値ｙ_ｍａｘ／ｔ_ｍａｘが０．４以上０．４６以下であり、第２無次元値ｙ_ｆ／ｙ_ｍａｘが０．６３以上０．７１以下である。すなわち、翼型３０，３０’の第１無次元値及び第２無次元値によって表される座標が図６に示す第２範囲内に含まれる。
また、一実施形態では、翼型３０，３０’が、第２無次元値ｙ_ｆ／ｙ_ｍａｘが０．６５以上０．６９以下である。すなわち、翼型３０，３０’の第２無次元値によって表される座標が図６に示す第３範囲内に含まれる。
これらの数値範囲に第１無次元値及び第２無次元値を設定すれば、背面２４の全体的な膨らみ及び前縁１８側の局所的な背面形状の膨らみがより一層適度になり、後縁剥離及び前縁剥離が効果的に抑制され、翼型３０，３０’の設計揚力係数ＣＬ_{ｄｅｓｉｇｎ}を増大することができる。

ここで、第１無次元値及び第２無次元値の上記条件が翼型３０，３０’の設計揚力係数の向上に寄与することを本発明者らが見出すに至るまでの考察の経過について、図１０〜１３を用いて説明する。

図１０Ａは、第２無次元値の大きさをｘ軸とし、第１無次元値の大きさをｙ軸とするグラフである。同図において、点４０は、典型的な風車翼における翼厚比４０％の翼型（以下、基準翼型と称する。）を示している。図１０Ａに示すように、基準翼型４０よりも小さくする方向に第１無次元値を変化させた場合における設計揚力係数に与える影響を示したのが図１０Ｂである。図１０Ｂに示すように、基準翼型４０に比べて設計揚力係数ＣＬ_{ｄｅｓｉｇｎ}が高くなる第１無次元値の範囲が見出された。とりわけ、第１無次元値が０．３８≦ｙ_ｍａｘ／ｔ_ｍａｘ≦０．４７である範囲は、設計揚力係数ＣＬ_{ｄｅｓｉｇｎ}が基準翼型４０に比べて著しく向上することが明らかになった。さらに、この計算条件においては、第１無次元値が０．４０≦ｙ_ｍａｘ／ｔ_ｍａｘ≦０．４６である範囲内で設計揚力係数ＣＬ_{ｄｅｓｉｇｎ}が最大値を迎えることが明らかになった。
続いて、かかる第１無次元値の範囲（０．４０≦ｙ_ｆ／ｙ_ｍａｘ≦０．４６）において、基準翼型４０よりも小さくする方向に第２無次元値を変化させる様子を示したのが図１１Ａである。図１１Ｂは、第２無次元値の変化が設計揚力係数に与える影響を示す図である。同図に示すように、設計揚力係数ＣＬ_{ｄｅｓｉｇｎ}が高くなる第２無次元値の範囲が見出された。とりわけ、第２無次元値が０．６３≦ｙ_ｆ／ｙ_ｍａｘ≦０．７１である範囲は、設計揚力係数ＣＬ_{ｄｅｓｉｇｎ}が基準翼型４０に比べて著しく向上した。さらに、この計算条件においては、第２無次元値が０．６５≦ｙ_ｆ／ｙ_ｍａｘ≦０．６９である範囲内で設計揚力係数ＣＬ_{ｄｅｓｉｇｎ}が最大値を迎えることが明らかになった。

一方、図１２Ａは、第２無次元値の大きさをｘ軸とし、第１無次元値の大きさをｙ軸とするグラフである。同図において、点４０は、上述の基準翼型を表している。図１２Ａに示すように、基準翼型４０よりも小さくする方向に第２無次元値を変化させた場合における設計揚力係数に与える影響を示したのが図１２Ｂである。図１２Ｂに示すように、本計算条件下では、設計揚力係数ＣＬ_{ｄｅｓｉｇｎ}が改善される第２無次元値の明確な範囲を見出すことはできなかった。
そこで、第２無次元値の広い範囲（０．６２≦ｙ_ｆ／ｙ_ｍａｘ≦０．７５）について、基準翼型４０よりも小さくする方向に第１無次元値を変化させる様子を示したのが図１３Ａである。図１３Ｂは、第１無次元値の変化が設計揚力係数に与える影響を示す図である。同図に示すように、設計揚力係数ＣＬ_{ｄｅｓｉｇｎ}が高くなる第１無次元値の範囲が見出された。とりわけ、第１無次元値が０．３８≦ｙ_ｍａｘ／ｔ_ｍａｘ≦０．４６である範囲で、設計揚力係数ＣＬ_{ｄｅｓｉｇｎ}が基準翼型４０に比べて著しく向上した。

本発明者らによる以上の考察過程から、本実施形態における第１無次元値及び第２無次元値の上述の条件が設計揚力係数増大に寄与し得ることが明らかになった。

以上説明したように、上述の実施形態によれば、風車翼２の翼型３０，３０’が、上述した第１無次元値及び第２無次元値に関する条件を満たすことによって、高い設計揚力係数ＣＬ_{ｄｅｓｉｇｎ}及び最大揚力係数ＣＬ_ｍａｘを実現することができる。そして、上記翼長方向領域Ａ内において設計揚力係数ＣＬ_{ｄｅｓｉｇｎ}及び最大揚力係数ＣＬ_ｍａｘに優れた前記翼型３０，３０’を有する風車翼２は、当該翼型３０，３０’が採用されるコード方向位置の近傍の領域において設計揚力係数ＣＬ_{ｄｅｓｉｇｎ}及び最大揚力係数ＣＬ_ｍａｘを増大させることができ、風車翼２の空力性能を改善することができる。
また、翼根部１６側に比較的近い領域において、後縁２０に厚みを持たせてフラットバック翼型（図４参照）とすれば、高い迎角まで失速を回避し、最大揚力係数ＣＬ_ｍａｘを向上させることができる。すなわち、半径方向位置ｒの比が０．１以上０．４以下の翼長方向領域内における翼型３０’をフラットバック翼型としたので、後縁２０の後流側のウェークに起因して発生する負圧により、背面２４における境界層の剥離を効果的に遅らせることができる。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。

２ 風車翼
４ ハブ
６ 風車ロータ
８ 発電機
１０ ナセル
１２ タワー
１４ 翼先端部
１６ 翼根部
１８ 前縁
２０ 後縁
２２ 腹面
２４ 背面
３０，３０’ 翼型
４０ 基準翼型
１００ 風力発電装置
Ａ 翼長方向領域
Ｃ コード長
ＣＬ_{ｄｅｓｉｇｎ} 設計揚力係数
ＣＬ_ｍａｘ 最大揚力係数
ｔ_ｍａｘ 最大翼厚
ｙ_ｆ 背面前方膨らみ量
ｙ_ｍａｘ 面最大厚み
ｙ_ｍａｘ／ｔ_ｍａｘ 第１無次元値
ｙ_ｆ／ｙ_ｍａｘ 第２無次元値

Claims (8)

1. 互いに対向する背面及び腹面を備える風車ロータ用の風車翼であって、
   前記風車翼は、前記風車ロータの半径Ｒに対する前記風車ロータの半径方向位置ｒの比が０．１以上０．４以下となる前記風車翼の翼長方向領域内において、
   前記背面と前記腹面との距離の最大値である最大翼厚ｔ_ｍａｘに対する、コードから前記背面までの距離の最大値である背面最大厚みｙ_ｍａｘの比によって表される第１無次元値ｙ_ｍａｘ／ｔ_ｍａｘが０．３６以上０．４６以下であり、且つ、前記背面最大厚みｙ_ｍａｘに対する背面前方膨らみ量ｙ_ｆの比によって表される第２無次元値ｙ_ｆ／ｙ_ｍａｘが０．６２以上０．７６以下である（但し、前記背面前方膨らみ量ｙ_ｆは、前記背面最大厚みｙ_ｍａｘを有する前記背面のコード方向位置を前縁から該コード方向位置までの距離ｘ_ｍａｘで定義したとき、前記前縁からの距離が０．３ｘ_ｍａｘのコード方向位置における前記コードから前記背面までの距離である）
   翼型を有する
   ことを特徴とする風車ロータ用の風車翼。
2. 前記第１無次元値ｙ_ｍａｘ／ｔ_ｍａｘが０．４以上０．４６以下であり、
   前記第２無次元値ｙ_ｆ／ｙ_ｍａｘが０．６３以上０．７１以下であることを特徴とする請求項１に記載の風車ロータ用の風車翼。
3. 前記第２無次元値ｙ_ｆ／ｙ_ｍａｘが０．６５以上０．６９以下であることを特徴とする請求項２に記載の風車ロータ用の風車翼。
4. 前記翼型は、後縁が厚みを持つフラットバック翼型であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の風車ロータ用の風車翼。
5. 前記風車翼の前記翼型は、前記コードの長さＣに対する前記最大翼厚ｔ_ｍａｘの割合を示す翼厚比が０．３５以上０．８以下であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の風車ロータ用の風車翼。
6. 請求項１乃至５の何れか一項に記載の風車翼と、
   前記風車翼が取り付けられるハブと、を備えることを特徴とする風車ロータ。
7. 前記風車ロータの直径が１００ｍ以上であることを特徴とする請求項６に記載の風車ロータ。
8. 請求項６又は７に記載の風車ロータと、
   前記風車ロータの回転エネルギーを電気エネルギーに変換するための発電機と、を備えることを特徴とする風力発電装置。

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