JP2016205429A - 低騒音翼、及び低騒音翼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】翼の空力性能を劣化させることなく、離散周波数騒音を抑制するための低騒音翼及びそれを用いた低騒音翼装置を提供する。【解決手段】本発明に係る低騒音翼は、翼弦線Ｌの中点よりも後縁Ｒ寄りの翼弦方向位置において、翼弦線Ｌに垂直な後端面ＲＳが形成された低騒音翼であって、当該低騒音翼の負圧面ＳＮと前記後端面ＲＳとの稜線がＲ面取りされていることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、主に発電用小型風車装置、送風機、圧縮機等の流体機械に用いられる低騒音翼、及びそれを用いた低騒音翼装置に関するものである。

発電用の小型風車（出力２０ｋＷ以下）では、低レイノルズ数領域で風車翼を使用するため、離散周波数騒音が発生することが知られている。しかし、これまでは離散周波数騒音が発生しない大型風車の設計技術を小型風車へ適用していたため、騒音発生に対する対策を施すことなく翼の空力性能のみに着目した設計がなされてきた。しかし、この離散周波数騒音は、可聴音域内の特定周波数の騒音として発生するため耳障りであることが多い。そのため、小型風車装置のみならず、同程度のレイノルズ数で用いられる送風機、圧縮機等の流体機械全般において、環境上そのような騒音の抑制が求められている。

このような問題に対し、例えば、非特許文献１では、液晶による可視化及びＰＩＶ(Particle Image Velocimetry:粒子画像流速測定法)を用いて、低レイノルズ数領域で翼を使用した場合の離散周波数騒音の発生メカニズムを解析する手法が提案されている。また、非特許文献２では、トリッピングワイヤを設置することにより離散周波数騒音を低減する手法が提案されている。

T. Nakano, N. Fujisawa, Y. Oguma, Y. Takagi and S. Lee, Experimental Study on Flow and Noise Characteristics of NACA0018 Airfoil, J. Wind Eng. Ind. Aerody., 95(2007), pp 511-531. 小野寺、佐藤、小型風車の騒音低減に関する研究（小型低騒音風洞の試作と風車翼騒音の特性解析）、風力エネルギー、30 ( 4 ) , pp.79 - 89 , 2006.

しかし、非特許文献２の手法によれば、離散周波数騒音の低減について一定の効果があるものの、空力性能の劣化を伴う他、長期間にわたる連続運転に向かない等の問題があった。

したがって、かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、翼の空力性能を劣化させることなく、離散周波数騒音を抑制するための低騒音翼及びそれを用いた低騒音翼装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る低騒音翼は、
翼弦線の中点よりも後縁寄りの翼弦方向位置において、翼弦線に垂直な後端面が形成された低騒音翼であって、
当該低騒音翼の負圧面と前記後端面との稜線がＲ面取りされていることを特徴とする。

また、前記後端面が形成されない場合の翼弦長に対する、当該低騒音翼の翼弦長の割合は、０．８以上０．９５以下であることが好ましい。

また、当該低騒音翼の翼弦長に対する、前記Ｒ面取りの半径の割合は、０．０２以上０．０５以下であることが好ましい。

また、前記低騒音翼は、レイノルズ数２．０×１０^６以下で用いられることが好ましい。

また、前記低騒音翼は、対称翼に対して前記後端面を形成することが好ましい。

また、上記課題を解決するため、本発明に係る低騒音翼装置は、前記低騒音翼を備えることを特徴とする。

本発明によれば、翼の空力性能を劣化させることなく、離散周波数騒音を抑制するための低騒音翼及びそれを用いた低騒音翼装置を提供することができる。

一実施形態に係る低騒音翼の断面形状を示す図である。 一実施形態に係る低騒音翼の空力騒音を測定するための測定装置の構成を示す図である。 一実施形態に係る低騒音翼を用いた場合の、空力騒音の音圧レベルの迎角依存性を示す図である。 一実施形態に係る低騒音翼を用いた場合の、空力騒音（迎角６度）の周波数分布を示す図である。

以下において、本発明の一実施形態に係る低騒音翼について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。

ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法などは以下の説明を参酌して判断すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

図１は、本発明の一実施形態に係る低騒音翼１を示す図である。本実施形態に係る低騒音翼１は、ＮＡＣＡ（National Advisory Committee for Aeronautics、アメリカ航空諮問委員会）で規定されている翼型：ＮＡＣＡ００１８（図１（ａ））をベースに作製されている。低騒音翼１は、翼弦線Ｌに関して線対称な対称翼であるＮＡＣＡ００１８の後縁Ｒ近傍において、翼弦線Ｌに垂直な切断線ＣＬにより切断して形成された後端面ＲＳを有し、当該低騒音翼１に対して流体が流れることにより負圧が発生する負圧面Ｓ_Ｎと後端面ＲＳとの境界を形成する稜線にＲ面取りＲ_Ｎが施された翼形状（図１（ｂ））を有する。なお、後端面ＲＳが形成されていない翼の翼弦長Ｌ_Ａ（図１（ａ）参照）に対する本実施形態の低騒音翼１の翼弦長Ｌ_Ｓ（図１（ｂ）参照）の割合は、例えば０．８７５とすることができる。また、低騒音翼１の翼弦長Ｌ_Ｓに対するＲ面取りＲ_Ｎの半径の割合は、例えば０．０３５とすることができる。このとき、翼弦長Ｌ_Ｓに対する、Ｒ面取りＲ_Ｎの部分を除いた後端面ＲＳの高さｔ_Ｓの割合は、例えば０．０２９とすることができる。

なお、図１（ａ），（ｂ）は、翼の断面形状を表しており、ＮＡＣＡ００１８、及び低騒音翼１は、紙面に垂直方向に奥行きを有している。

図１において、迎角αは、翼弦線Ｌが流体の流れる方向に対してなす角度であり、例えば風車装置の場合、風向き及び風車の回転数等により変化するものである。従って、風車用翼には、なるべく広範囲の迎角αに対して空力騒音を抑えることが求められている。なお、本実施形態の低騒音翼１は、迎角αが概ね３〜６度の範囲で用いられる。

本実施形態の低騒音翼１は、例えば、翼弦長Ｌ_Ａが８０［ｍｍ］のＮＡＣＡ００１８に対して、前縁Ｆ及び後縁Ｒの中点よりも後縁Ｒ寄りの翼弦方向位置において、翼弦線Ｌに垂直な後端面ＲＳを形成し、当該低騒音翼１の負圧面Ｓ_Ｎと後端面ＲＳとの稜線にＲ面取りＲ_Ｎを設けることにより作製することができる。低騒音翼１は、例えば後端面ＲＳ及びＲ面取りＲ_Ｎを形成するために、ＮＡＣＡ００１８の後縁Ｒ近傍を切断及び研磨加工することにより作製することができる。また、低騒音翼１は、切断加工の他、例えば上記後端面ＲＳ及びＲ面取りＲ_Ｎを有する翼形状となるように、樹脂を射出成型することにより作製することができる。

本実施形態において、図１（ｂ）に示すように後縁Ｒに対して前縁Ｆが上方に位置するように迎角αを設定した場合、低騒音翼１の上側の面は、下側の面よりも流速が大きくなるためベルヌーイの定理により負圧面Ｓ_Ｎとなる。後端面ＲＳは、例えば後縁Ｒから翼弦線Ｌに沿って１０［ｍｍ］だけ前縁Ｆ寄りの位置において、翼弦線Ｌに垂直な面となるように形成することができる。この場合、低騒音翼１の翼弦長Ｌ_Ｓは７０［ｍｍ］となる。低騒音翼１は、例えばアルミニウムにより作製することができる。また、低騒音翼１はアクリル樹脂を射出成型することにより作製しても良い。

次に、本発明の一実施形態に係る低騒音翼１の空力騒音を定量化するための実験装置の構成について説明する。

図２は、本発明の一実施形態に係る低騒音翼１の空力騒音を定量化するための風洞１００の構成を示す図である。風洞１００は、吸音性を有する材料で構成された上板３及び下板４と、流れを視認可能とするために透明のアクリル樹脂で形成された側板５，６と、上板３に取り付けられ、空力騒音を収音するためのマイクロフォン７とを備える。

風洞１００は、図２に示すように、流体の流れの方向（ｘ方向）に５００［ｍｍ］、高さ方向（ｙ方向）に１９０［ｍｍ］、奥行き方向(ｚ方向)に１９０［ｍｍ］の大きさを有する風洞である。座標系の原点は、ｘ、ｙ方向については低騒音翼１の迎角αを変化させる際の回転中心を原点としている。ｚ方向については、低騒音翼１の一方の端面を原点としている。なお、本実施形態において迎角αを変化させる際の低騒音翼１の回転中心は前縁Ｆから２４［ｍｍ］としているが、本発明はこれには限定されない。

上板３及び下板４は、後述するマイクロフォン７により空力騒音を収音するため、音響共振を吸収させる必要がある。そのため、上板３及び下板４は吸音性の高い材質で作製されている。また、側板５及び６は、先述のように流れを視認可能とするために透明のアクリル樹脂で形成されている。

マイクロフォン７は、低騒音翼１の空力騒音を収音するためのマイクロフォンであり、空力騒音の周波数分布を定量化するために、２０〜８０００Ｈｚの範囲においてフラットな周波数応答を有するものを用いている。マイクロフォン７は、風洞１００を構成する、吸音性の高い上板３又は下板４上のｘ＝０［ｍｍ］となる位置に設置されている。マイクロフォン７の出力電圧は、Ａ／Ｄコンバータによりデジタル信号に変換され、ＰＣ(Personal Computer)によりＦＦＴ(Fast Fourier Transform)演算され、空力騒音の周波数スペクトラムが算出される。

次に、本発明の一実施形態に係る低騒音翼１の空力騒音を、上記風洞１００により定量化した実施例について説明する。

なお、この実施例では、流体の流速：Ｕ_０＝３０［ｍ／ｓ］、動粘度：１．５×１０^−５［ｍ／ｓ^２］、レイノルズ数Ｒｅ：１．４×１０^５、翼弦長Ｌ_Ｓ：７０［ｍｍ］（後端面ＲＳ形成時）、翼弦長比（後端面ＲＳの有無での翼弦長の比率）：０．８７５、最大翼厚：１４．４［ｍｍ］の条件で実験を行っている。

図３は、図２に示す風洞１００を用いて、翼周りに発生する空力騒音の音圧レベルを計測した結果である。図３の横軸は迎角α、縦軸は空力騒音の音圧レベルを示す。後端面ＲＳを設けていない通常翼では、迎角αが３度〜９度の範囲において、空力騒音の音圧レベルの上昇が発生している。一方、後端面ＲＳ及び負圧面Ｓ_Ｎ側Ｒ面取りＲ_Ｎを設けた低騒音翼１では、迎角αが３度〜９度の範囲において空力騒音の音圧レベルが十分に抑圧され、特に迎角６度では１６ｄＢの騒音低減効果が得られている。これは、離散周波数騒音の発生原因である、翼の後縁Ｒから生じた渦から放出される音波が次の渦の放出を励起する音響フィードバック効果による特定周波数の騒音の増幅が、後縁Ｒを切断して後端面ＲＳを設けることにより遮断されるからである。また、本願発明では、図１（ｂ）に示すように後端面ＲＳと負圧面Ｓ_Ｎとの稜線にＲ面取りＲ_Ｎを設けることにより非対称な渦が発生するため、音響フィードバックが更に生じにくくなるものと考えられる。

図４は、図３の迎角６度における空力騒音の音圧レベルデータのＦＦＴ演算を行い、音圧レベルの周波数分布を算出した結果を示す。後端面ＲＳの無い通常翼において、周波数１７００〜２０００Ｈｚにおいて空力騒音のピークが存在することが分かる。これは、離散周波数騒音に特徴的な特定周波数の騒音である。

一方、後端面ＲＳ及び負圧面側Ｒ面取りＲ_Ｎを設けた低騒音翼１では、この特定周波数の空力騒音、及びその高調波成分が理想的に低減されていることが分かる。これらの結果から、通常翼に発生している離散周波数騒音が、本実施例の後端面ＲＳ及び負圧面側Ｒ面取りＲ_Ｎにより効果的に低減されることが分かる。

なお、本実施例では、レイノルズ数Ｒｅ：１．４×１０^５の条件において実験を行ったが、先行文献によれば、離散周波数騒音が発生するのは、概ねレイノルズ数Ｒｅが２．０×１０^６以下の条件である。従って、本実施形態の低騒音翼１についても、その範囲で離散周波数騒音の低減効果が特に高いと考えられるが、本発明はその範囲に限定されるものではない。

また、本実施例では、後端面ＲＳ形成後の翼弦長Ｌ_Ｓに対するＲ面取りＲ_Ｎの半径の割合が約０．０３５となるように条件を定めて実験を行ったが、実験ごとの翼の加工ばらつきが±０．０１５程度存在しても、離散周波数騒音の十分な低減効果を確認できている。従って、少なくとも上記割合が０．０３５±０．０１５の範囲において本願発明は十分な効果を奏するものと考えられる。

また、本実施例では、翼弦長比（後端面ＲＳの有無での翼弦長の比率）：０．８７５の条件を定めて実験を行ったが、実験ごとの翼弦長比のばらつきが±０．０７５程度存在しても、離散周波数騒音の十分な低減効果を確認できている。従って、少なくとも上記範囲において本願発明は十分な効果を奏するものと考えられる。

以上のように、本実施形態によれば、後縁Ｒの近傍において翼弦線Ｌに垂直な後端面ＲＳを形成し、低騒音翼１に流体が流れることにより負圧が発生する負圧面Ｓ_Ｎと後端面ＲＳとの稜線にＲ面取りＲ_Ｎを設けるように構成した。これにより、後縁Ｒに発生する渦に起因する特定周波数の騒音を効果的に低減することができる。

また、本実施形態によれば、翼弦長比（後端面ＲＳの有無での翼弦長の比率）が０．８７５±０．０７５となるように構成したので、特定周波数の騒音をより効果的に低減することができる。

また、本実施形態によれば、後端面ＲＳ形成後の翼弦長Ｌ_Ｓに対するＲ面取りＲ_Ｎの半径の割合が０．０３５±０．０１５となるように構成したので、特定周波数の騒音をより効果的に低減することができる。

また、本実施形態によれば、離散周波数騒音が発生すると考えられているレイノルズ数Ｒｅが２．０×１０^６以下となる条件において低騒音翼１を用いるため、空力騒音を特に効果的に低減することができる。

また、本実施形態の低騒音翼１は、一般的な翼型：ＮＡＣＡ００１８の後縁Ｒに変更を施した翼であり、小型風車装置、送風機、圧縮機等の翼を有する流体機械にそのまま適用することができる。そして、低騒音翼１を備えることにより、空力騒音を効果的に低減した低騒音翼装置を実現することができる。

本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各構成部に含まれる機能は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成部を１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能であり、本発明の範囲にはこれらも包含されるものと理解されたい。

１ 低騒音翼
３ 上板
４ 下板
５，６ 側板
７ マイクロフォン
１００ 風洞
ＣＬ 切断線
Ｆ 前縁
Ｌ 翼弦線
Ｌ_Ａ，Ｌ_Ｓ 翼弦長
Ｒ 後縁
ＲＳ 後端面
Ｓ_Ｐ 正圧面
Ｓ_Ｎ 負圧面
Ｒ_Ｎ Ｒ面取り

Claims (6)

1. 翼弦線の中点よりも後縁寄りの翼弦方向位置において、翼弦線に垂直な後端面が形成された低騒音翼であって、
   当該低騒音翼の負圧面と前記後端面との稜線がＲ面取りされていることを特徴とする低騒音翼。
2. 前記後端面が形成されない場合の翼弦長に対する、当該低騒音翼の翼弦長の割合は、０．８以上０．９５以下である、請求項１に記載の低騒音翼。
3. 当該低騒音翼の翼弦長に対する、前記Ｒ面取りの半径の割合は、０．０２以上０．０５以下である、請求項１又は２に記載の低騒音翼。
4. レイノルズ数２．０×１０^６以下で用いられる、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の低騒音翼。
5. 対称翼に対して前記後端面を形成した、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の低騒音翼。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の低騒音翼を備える低騒音翼装置。
   

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