JP2019015201A - 風車翼へのボルテックスジェネレータの配置位置決定方法、風車翼アセンブリの製造方法及び風車翼アセンブリ - Google Patents

風車翼へのボルテックスジェネレータの配置位置決定方法、風車翼アセンブリの製造方法及び風車翼アセンブリ Download PDF

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Abstract

【課題】風車翼の表面に沿った流れの剥離を抑制しながら、ボルテックスジェネレータの設置に起因したドラッグペナルティを低減可能な風車翼へのボルテックスジェネレータの配置位置決定方法、及び風車翼アセンブリを提供する。【解決手段】風車翼へのボルテックスジェネレータの配置決定方法は、翼長方向における前記ボルテックスジェネレータの取付範囲のうち第１領域について、前記風車翼への風の流入角を基準として、該風車翼の後縁に向かって規定角度ずらした角度位置に前記ボルテックスジェネレータの配置位置を決定するステップと、前記取付範囲のうち前記第１領域よりも翼先端側の第２領域について、定格風速条件での前記風車翼の表面における流れの剥離位置と、前記風車翼を備える風車の可変速運転条件での前記風車翼の表面における流れの遷移位置との間の位置に前記ボルテックスジェネレータの配置位置を決定するステップと、を備える。【選択図】図８

Description

本開示は、風車翼へのボルテックスジェネレータの配置位置決定方法、風車翼アセンブリの製造方法及び風車翼アセンブリに関する。
従来から、風車の運転効率を向上させる観点から、風車翼の空力的性能を改善する試みがなされている。その試みの一つは、風車翼の表面にボルテックスジェネレータを設け、風車翼の表面に沿った流れの剥離を抑制することである。
特許文献１〜特許文献１０には、風車翼の表面に取り付けられる基部と該基部上に立設されたフィンとを有するボルテックスジェネレータが開示されている。
国際公開第２０１５／０３０５７３号 欧州特許出願公開第１９４４５０５号明細書 国際公開第２００７／１１４６９８号 欧州特許出願公開第２７９９７１０号明細書 国際公開第２００７／１４７０７７１号 国際公開第２００６／１２２５４７号 欧州特許出願公開第２０２７３９０号明細書 国際公開第２０１３／０１４０８２号 欧州特許出願公開第２４８４８９５号明細書 欧州特許出願公開第２２０１２４３号明細書
ところで、ボルテックスジェネレータの配置位置が適切な位置からずれていると、剥離抑制効果による影響よりもボルテックスジェネレータ自体の空気抵抗による影響の方が大きくなり、ドラッグペナルティが生じてしまう場合がある。
しかしながら、特許文献１〜１０には、風車翼の表面上の適切な位置にボルテックスジェネレータを配置するための具体的な方法は開示されていない。
本発明の少なくとも幾つかの実施形態は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、風車翼の表面に沿った流れの剥離を抑制しながら、ボルテックスジェネレータの設置に起因したドラッグペナルティを低減可能な風車翼へのボルテックスジェネレータの配置位置決定方法、風車翼アセンブリの製造方法及び風車翼アセンブリを提供することを目的とする。
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る風車翼へのボルテックスジェネレータの配置位置決定方法は、
翼長方向における前記ボルテックスジェネレータの取付範囲のうち第１領域について、前記風車翼への風の流入角を基準として、該風車翼の後縁に向かって規定角度ずらした角度位置に前記ボルテックスジェネレータの配置位置を決定するステップと、
前記取付範囲のうち前記第１領域よりも翼先端側の第２領域について、定格風速条件での前記風車翼の表面における流れの剥離位置と、前記風車翼を備える風車の可変速運転条件での前記風車翼の表面における流れの遷移位置との間の位置に前記ボルテックスジェネレータの配置位置を決定するステップと、を備える。
なお、第１領域におけるボルテックスジェネレータの配置位置の決定基準である「角度位置」は、風車翼のピッチ軸を中心とした回転座標系における角度によって規定される。
風車翼では、翼長方向位置に応じて適切な翼型が採用されるのが一般的であり、典型的な風車翼では、翼根に近づくほどコード長に対する翼厚の比（翼厚比）が増加する。このような翼型形状の違いがあるため、ボルテックスジェネレータの取付範囲のうち翼根側の第１領域と翼先端側の第２領域とで、ボルテックスジェネレータの取付位置の適切な決定基準は同一ではない。
この点、上記（１）の方法では、翼根側の第１領域において、ボルテックスジェネレータの配置位置を決定する際に風車翼への風の流入角を基準とした角度を用いる。このため、翼先端側の第２領域に比べて翼厚比が相対的に大きく、遷移位置や剥離位置を高精度に予測しづらい翼型を有する第１領域において、風車翼の表面上でのボルテックスジェネレータの配置位置を的確に決定することができる。
また、上記（１）の方法では、第１領域よりも翼先端側の第２領域において、ボルテックスジェネレータの配置位置を定格風速条件での風車翼の表面における流れの剥離位置と、風車翼を備える風車の可変速運転条件での風車翼の表面における流れの遷移位置との間の位置に決定する。このため、定格風速条件と可変速運転条件との迎角の違いを考慮した適切な位置にボルテックスジェネレータの配置位置を決定することができるので、第２領域における風車翼の表面に沿った流れの剥離を抑制しながら、ボルテックスジェネレータの設置に起因したドラッグペナルティを低減することができる。
このように、上記（１）の方法によれば、ボルテックスジェネレータの配置位置を第１領域と第２領域とで異なる観点から決定するため、第１領域の翼型形状と第２領域の翼型形状との違いを考慮して、揚抗比を高く維持するようにボルテックスジェネレータの配置位置を決定できる。
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の方法は、
前記風車翼の表面における流れの遷移位置を前記風車翼の前縁に固定した条件下での流体力学に基づく計算により、前記定格風速条件での前記剥離位置を求めるステップと、
前記可変速運転条件において、前記風車翼の表面における流れの前記遷移位置を流体力学に基づく計算により求めるステップと、をさらに備える。
風車翼の表面は、経年劣化により平滑性が失われ、翼表面の凹凸は徐々に大きくなっていく傾向がある。このため、翼表面が平滑である翼健全状態に比べて、翼表面の凹凸が比較的大きい翼劣化状態では、翼表面に沿った流れの遷移位置及び剥離位置が前縁側にずれる。
この点、上記（２）の方法では、翼劣化状態を想定して定格風速条件下での遷移位置を前縁に固定した場合の剥離位置と、翼健全状態を想定して可変速運転条件下での遷移位置と、を計算により求める。こうして求めた剥離位置と遷移位置との間にボルテックスジェネレータの配置位置を決定することで、風車翼の劣化状態によらず、ボルテックスジェネレータによる揚抗比の改善効果を享受できる。
（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の方法において、
前記第２領域について前記ボルテックスジェネレータの配置位置を決定するステップでは、前記第２領域における前記ボルテックスジェネレータの配置位置を前記剥離位置よりも前縁側かつ前記遷移位置よりも後縁側に決定する。
上記（３）の方法によれば、定格風速条件下での剥離位置より前縁側をボルテックスジェネレータの配置位置とすることで、定格回転数到達後、風速の上昇と共に迎角が大きくなった場合（例えば、定格風速条件の場合）にも、風車翼の表面に沿った流れの剥離を抑制することができる。また、上記（３）の方法によれば、可変速運転条件下での遷移位置より後縁側をボルテックスジェネレータの配置位置とすることで、ドラッグペナルティによる抗力増加が懸念される可変速運転条件下において、風車翼の表面に沿った流れの剥離を抑制しながら、ボルテックスジェネレータの設置に起因したドラッグペナルティを低減することができる。
（４）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（３）の何れか一つの方法において、
前記第１領域について決定された前記ボルテックスジェネレータの前記角度位置と前記流入角との間の角度は６０度以上９０度以下である。
本発明者らの知見によれば、翼先端側の第２領域に比べて翼厚比が相対的に大きい第１領域では、風の流入角を基準として６０度〜９０度程度の角度を後縁側に向かってずらした位置にボルテックスジェネレータを配置したとき、ボルテックスジェネレータによる高い揚抗比改善効果を享受できる。
上記（４）の方法は、本発明者らの上記知見を利用したものであり、第１領域の翼型形状が遷移位置や剥離位置を高精度に予測しづらい翼厚比が大きいものであっても、第１領域においてボルテックスジェネレータによる高い揚抗比改善効果を享受できる。
（５）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（４）の何れか一つの方法において、
前記第１領域は、コード長Ｃに対する最大翼厚ｔｍａｘの比である最大翼厚比ｔｍａｘ／Ｃが６０％以上を満たす領域である。
上記（５）の方法によれば、第１領域の最大翼厚比ｔｍａｘ／Ｃが６０％以上であって当該領域において遷移位置や剥離位置を高精度に予測しづらい場合であっても、上記（１）で述べたように風の流入角を基準として第１領域におけるボルテックスジェネレータの角度位置を決定することで、第１領域においてボルテックスジェネレータによる高い揚抗比改善効果を享受できる。
（６）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（５）の何れか一つの方法において、
前記取付範囲内における任意の翼長方向位置において、コード長Ｃに対する前縁からのコード方向位置ｘの比ｘ／Ｃが６０％以下を満たすように前記ボルテックスジェネレータの配置位置を決定する。
翼劣化状態における境界層の厚さと、翼健全状態における境界層の厚さとの差は、後縁に近づくほど大きくなる。このように境界層の厚さが翼劣化状態と翼健全状態とで大きく異なる後縁側の領域では、翼劣化状態と翼健全状態とで望ましいボルテックスジェネレータの寸法が大きく異なるから、何れの条件でも高い揚抗比を実現可能なボルテックスジェネレータの設計を行うことは困難である。
そこで、上記（６）の方法では、コード方向に沿ったボルテックスジェネレータの配置位置の後縁側の限界を、前縁から６０％とする。この結果、翼劣化状態と翼健全状態との両方において、風車翼の表面に沿った流れの剥離を抑制しながら、ボルテックスジェネレータの設置に起因したドラッグペナルティを低減することができる。
（７）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（６）の何れか一つの方法において、
前記取付範囲内における任意の翼長方向位置において、コード長Ｃに対するコード方向位置ｘの比ｘ／Ｃが５％以上を満たすように前記ボルテックスジェネレータの配置位置を決定する。
上記（７）の方法によれば、ｘ／Ｃが５％以上を満たすようにボルテックスジェネレータの配置位置を決定するようにしたので、ボルテックスジェネレータの設置に起因したドラッグペナルティを低減することができる。
（８）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（７）の何れか一つの方法において、
前記取付範囲の翼根側の端部は、前記翼長方向における翼根から前記風車翼の翼長Ｌの５％の位置よりも翼先端側に位置する。
上記（８）の方法によれば、風車出力への寄与を見込める翼根から翼長Ｌの５％位置よりも翼先端側の領域にボルテックスジェネレータを設置することで、ボルテックスジェネレータの設置コストを削減しながら、ボルテックスジェネレータ設置による技術的利得を効果的に享受できる。
（９）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（８）の何れか一つの方法において、
前記取付範囲内における任意の翼長方向位置において、前縁を基準として後縁に向かって２０度ずらした前記風車翼の負圧面上の第１位置と、前記前縁を基準として前記後縁に向かって１６０度ずらした前記負圧面上における第２位置との間の角度範囲にて、前記ボルテックスジェネレータの前記前縁を基準とした取付角度が翼先端側に向かうにつれて増加するように前記ボルテックスジェネレータの配置位置を決定する。
上記（９）の方法によれば、前縁を基準としたボルテックスジェネレータの取付角度が翼先端側に向かうにつれて増加するようにしたので、翼長方向位置に対する迎角の変化傾向（即ち、翼先端側に向かうにつれて迎角が小さくなる傾向）を踏まえた適切なボルテックスジェネレータの配置を実現できる。また、前縁を基準としたボルテックスジェネレータの取付角度を上記数値範囲（前縁を基準として２０度以上１６０度以下）内に設定することで、高い揚抗比を得ることができる。
（１０）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（９）の何れか一つの方法において、
前記ボルテックスジェネレータは、圧力面及び負圧面をそれぞれ有し、前記負圧面が互いに対向するように配置された一対のフィンにより形成されるフィンセットを複数含み、
前記取付範囲内において、前記一対のフィンの後縁の間隔Ｓに対する、隣り合う２つの前記フィンセットの配列ピッチＺの比Ｚ／Ｓが、１．５以上３．０以下となるように前記ボルテックスジェネレータが配置される。
剥離抑制効果を高める観点からは、ボルテックスジェネレータを高密度で配置することが望ましい。一方、抵抗低減のためには、低密度でボルテックスジェネレータを配置することが望ましい。そこで、上記（１０）の方法のように、Ｚ／Ｓが１．５以上３．０以下を満たす密度でボルテックスジェネレータを配置すれば、剥離抑制効果と抵抗低減効果を同時に享受することができる。
（１１）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（１０）の何れか一つの方法において、
前記ボルテックスジェネレータは、前記風車翼のコード方向に沿った線分に対して線対称に配置された一対のフィンを含む。
上記（１１）の方法によれば、ボルテックスジェネレータを風流入方向に対して適切な方向で配置することができ、ボルテックスジェネレータによる渦の生成を安定させることができる。
（１２）本発明の少なくとも一実施形態に係る風車アセンブリの製造方法は、
風車翼及び該風車翼に取り付けられたボルテックスジェネレータを備える風車翼アセンブリの製造方法であって、
上記（１）乃至（１１）の何れかの方法により前記風車翼への前記ボルテックスジェネレータの配置位置を決定するステップと、
前記ボルテックスジェネレータを前記配置位置にて前記風車翼に取り付けるステップと、
を備える。
上記（１２）の製造方法によれば、ボルテックスジェネレータを適切な位置に配置することができるため、風車翼の表面に沿った流れの剥離を抑制しながら、ボルテックスジェネレータの設置に起因したドラッグペナルティを低減することができる。
（１３）幾つかの実施形態では、上記（１２）の製造方法において、
前記ボルテックスジェネレータは、
複数のフィンと、
前記風車翼の表面に取り付けられるとともに、前記複数のフィンが立設される表面および該表面に対向する平坦な底面を有する基部と
を含み、
前記ボルテックスジェネレータを取り付けるステップでは、前記翼長方向に沿った前記基部の断面形状が湾曲凸形状となるように前記ボルテックスジェネレータを配向させた状態で、前記ボルテックスジェネレータを前記風車翼に取り付ける。
上記（１３）の方法により得られた風車翼アセンブリでは、ボルテックスジェネレータの基部の翼長方向に沿った断面形状が湾曲凸形状を有するため、風車翼の曲げ変形に追従して基部が変形可能であり、基部に発生する応力を分散させることができる。これにより、風車翼の表面からのボルテックスジェネレータの脱落のリスクを低減できる。
（１４）幾つかの実施形態では、上記（１２）又は（１３）の製造方法において、
前記ボルテックスジェネレータは、
湾曲凸形状の負圧面をそれぞれ有し、前記負圧面が互いに対向するように配置される一対のフィンを含み、
前記ボルテックスジェネレータを取り付けるステップでは、前記風車翼のコード方向に対して各々の前記フィンのフィンコードが斜めになるように前記ボルテックスジェネレータを配向させた状態で、前記ボルテックスジェネレータを前記風車翼に取り付ける。
上記（１４）の製造方法によれば、ボルテックスジェネレータを風流入方向に対して適切な方向で配置することができ、ボルテックスジェネレータによる渦の生成を安定させることができる。
（１５）本発明の少なくとも一実施形態に係る風車アセンブリは、
風車翼と、
前記風車翼の表面に取り付けられるボルテックスジェネレータと、を備える風車翼アセンブリであって、
翼長方向における前記ボルテックスジェネレータの取付範囲のうち第１領域では、前記風車翼への風の流入角を基準として、該風車翼の後縁に向かって規定角度ずらした角度位置に前記ボルテックスジェネレータが配置され、
前記取付範囲のうち前記第１領域よりも翼先端側の第２領域では、定格風速条件での前記風車翼の表面における流れの剥離位置と、前記風車翼を備える風車の可変速運転条件での前記風車翼の表面における流れの遷移位置との間の位置に前記ボルテックスジェネレータが配置される。
上述のとおり、翼長方向位置によって風車翼の翼型形状が異なるため、ボルテックスジェネレータの取付範囲のうち翼根側の第１領域と翼先端側の第２領域とで、ボルテックスジェネレータの取付位置はの適切な決定基準は同一ではない。
この点、上記（１５）の構成によれば、翼根側の第１領域におけるボルテックスジェネレータは、風車翼への風の流入角を基準とした角度位置に配置されている。このため、翼先端側の第２領域に比べて翼厚比が相対的に大きく、遷移位置や剥離位置を高精度に予測しづらい翼型を有する第１領域において、ボルテックスジェネレータを的確な位置に配置可能となる。
また、上記（１５）の構成によれば、第１領域よりも翼先端側の第２領域において、定格風速条件での風車翼の表面における流れの剥離位置と、風車翼を備える風車の可変速運転条件での風車翼の表面における流れの遷移位置との間の位置にボルテックスジェネレータが配置される。このため、定格風速条件と可変速運転条件との迎角の違いを考慮した適切な位置にボルテックスジェネレータが配置されることになり、第２領域における風車翼の表面に沿った流れの剥離を抑制しながら、ボルテックスジェネレータの設置に起因したドラッグペナルティを低減することができる。
このように、上記（１５）の構成によれば、第１領域の翼型形状と第２領域の翼型形状との違いを考慮して、揚抗比を高く維持するようにボルテックスジェネレータを配置することができる。
本発明の少なくとも一実施形態によれば、風車翼の表面に沿った流れの剥離を抑制しながら、ボルテックスジェネレータの設置に起因したドラッグペナルティを低減可能な風車翼へのボルテックスジェネレータの配置位置決定方法、風車翼アセンブリの製造方法及び風車翼アセンブリが提供される。
一実施形態に係る風力発電装置の概略構成図である。 （ａ）は一実施形態に係るボルテックスジェネレータを備えた風車翼アセンブリの斜視図であり、（ｂ）は図２（ａ）に示す風車翼アセンブリの断面図である。 一実施形態に係るボルテックスジェネレータのフィン周囲における流れを説明するための斜視図である。 一実施形態に係るボルテックスジェネレータの斜視図である。 一実施形態に係るボルテックスジェネレータの平面図である。 一実施形態に係るボルテックスジェネレータの翼長方向に沿った断面図である。 一実施形態に係るボルテックスジェネレータの斜視図である。 一実施形態に係る第１領域及び第２領域でのボルテックスジェネレータの配置位置を示すグラフである。 （ａ）は第１領域における風車翼の断面図であり、（ｂ）は一実施形態に係る第１領域でのボルテックスジェネレータの配置角度を示す図である。 一般的な風車の運転条件を示す図であり、（ａ）は上流風速と風車の回転数との関係を示すグラフであり、（ｂ）は上流風速と周速比との関係を示すグラフであり、（ｃ）は上流風速と風車出力との関係を示すグラフであり、（ｄ）は上流風速と迎え角との関係を示すグラフである。 一実施形態に係る風車翼アセンブリの断面図である。（ａ）は可変速運転条件下における遷移位置及び剥離位置を表す図であり、（ｂ）は定格風速条件下における遷移位置及び剥離位置を表す図である。 一実施形態に係る風車翼の平面図と断面図である。 コード方向位置と境界層厚さとの関係を示すグラフである。 一実施形態に係る風車翼の断面図である。（ａ）は翼根側の断面図であり、（ｂ）は翼先端側の断面図である。 一実施形態に係る翼根からの半径方向位置と取付角度との関係を示すグラフである。
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示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。
まず、図１及び図２（ａ）を参照して、幾つかの実施形態に係るボルテックスジェネレータが適用される風車翼及び風力発電装置の全体構成について説明する。図１は、一実施形態に係る風力発電装置の概略構成図であり、図２（ａ）は一実施形態に係るボルテックスジェネレータの配置位置決定方法が適用される風車翼の斜視図である。
図１に示すように、風力発電装置９０は、少なくとも一本（例えば３本）の風車翼アセンブリ１を備える。風車翼アセンブリ１は、後述するように、風車翼２及びボルテックスジェネレータ１０を含む。風車翼アセンブリ１は放射状にハブ９４に取り付けられ、風車翼アセンブリ１及びハブ９４により風力発電装置９０のロータ９３が構成される。そして、風車翼アセンブリ１で風を受けると、ロータ９３が回転し、ロータ９３に連結された発電機（不図示）で電力が生成されるようになっている。
なお、図１に示す実施形態において、ロータ９３は、タワー９６の上方に設けられたナセル９５によって支持されている。また、タワー９６は、水上又は陸上に設けられた土台構造９７（基礎構造又は浮体構造等）に立設されている。
以下に説明するように、上記構成の風力発電装置９０において、風車翼アセンブリ１の風車翼２には、一実施形態に係るボルテックスジェネレータの配置位置決定方法により、ボルテックスジェネレータ１０が配置される。
図２（ａ）に示すように、風車翼アセンブリ１は、風車翼２を備える。風車翼２の表面（翼面）には、一実施形態に係る配置位置決定方法により、ボルテックスジェネレータ１０が配置される。なお、図２（ａ）には、ボルテックスジェネレータ１０がすでに取り付けられた状態の風車翼アセンブリ１が図示されている。
風車翼２は、風力発電装置９０のハブ９４に取り付けられる翼根３と、ハブ９４から最も遠くに位置する翼先端４と、翼根３と翼先端４の間に延在する翼型部５と、を含む。また、風車翼２は、翼根３から翼先端４にかけて、前縁６と後縁７とを有する。また、風車翼２の外形は、圧力面（腹面）８と、圧力面８に対向する負圧面（背面）９とによって形成される。
図２（ａ）に示すように、風車翼アセンブリ１において、複数のボルテックスジェネレータ１０が風車翼２の負圧面９に取り付けられる。また、複数のボルテックスジェネレータ１０は、風車翼２の負圧面９において翼長方向に複数配列されている。
なお、本明細書において、「翼長方向」とは、翼根３と翼先端４とを結ぶ方向であり、「翼コード方向」とは、風車翼２の前縁６と後縁７とを結ぶ線（コード）に沿った方向である。
ここで、ボルテックスジェネレータ１０の空気力学的作用について簡単に説明する。図３は、ボルテックスジェネレータ１０の作用を説明するための斜視図である。なお、図３には、後述の図４〜５に示すボルテックスジェネレータ１０を風車翼２の翼長方向に複数設置することで形成されるフィン列（複数対のフィン１２Ａ，１２Ｂ）のうち、隣り合う一対のフィン１２Ａ，１２Ｂのみを示している。
風車翼２の負圧面９における流れの剥離は、前縁６近傍の層流域からその下流側の乱流域に向かって境界層が徐々に厚くなり、後縁７に到達する前に流れが剥がれてしまうことで生じる。
図３に示すように、風車翼２に取り付けられたボルテックスジェネレータ１０は、フィン１２が生み出す揚力Ｌによって、フィン１２の背面１６側に縦渦２４を形成する。これらの縦渦２４によって、フィン１２の交流側において境界層３１内外の運動量交換が促進される。これにより、隣接するフィン１２の負圧面１６間の領域では、フィン１２の後流の境界層３１の厚さＤは薄くなる。よって、複数のフィン１２を翼長方向に配列することで、風車翼２の表面における境界層３１が全体として薄くなり、風車翼２の後縁剥離が抑制されるようになっている。
なお、縦渦２４とは、フィン１２の高さ方向に形成される渦である。
次に、図４〜図７を参照して、ボルテックスジェネレータ１０の構成について具体的に説明する。図４は、一実施形態に係るボルテックスジェネレータの斜視図である。図５は、一実施形態に係るボルテックスジェネレータの平面図である。図６は、一実施形態に係るボルテックスジェネレータの翼長方向に沿った断面図である。図７は、一実施形態に係るボルテックスジェネレータの斜視図である。
図４に示すように、幾つかの実施形態に係るボルテックスジェネレータ１０は、風車翼２の表面（より具体的には翼本体２の表面）に固定される基部１１と、基部１１上に立設される少なくとも一本のフィン１２と、を備えている。図４〜図６に示す実施形態では、ボルテックスジェネレータ１０は、基部１１上において隣り合うように設けられた一対（合計２本）のフィン１２（１２Ａ，１２Ｂ）を有している。
図４及び図５に示す実施形態では、基部１１は平面視において円形形状を有している。
幾つかの実施形態では、基部１１は、円形以外の形状を有していてもよい。基部１１は、例えば、楕円形状や、長方形等の多角形の形状を有していてもよい。
また、図７に例示するように、幾つかの実施形態では、ボルテックスジェネレータ１０は基部１１を有さずに、フィン１２が直接風車翼２に取り付けられていてもよい。
幾つかの実施形態において、図５に例示するように、フィン１２は、風車翼２のコード方向に沿った直線ＬＨに対して、フィンコードの延長線ＬＣＡ及びＬＣＢが所定の角度をなすように風車翼２上に配置される。
図５では、風流入方向の上流側から下流側に向けて（すなわち、風車翼２（図２参照）に取り付けた状態で、風車翼２の前縁６側から後縁７側に向けて）、一対のフィン１２Ａ，１２Ｂの間の隙間が広がるように各々のフィン１２Ａ，１２Ｂが設けられている。
幾つかの実施形態では、風流入方向の下流側から上流側に向けて（すなわち、風車翼２（図２参照）に取り付けられた状態で、風車翼２の後縁７側から前縁６側に向けて）、一対のフィン１２Ａ，１２Ｂの間の隙間が広がるように各々のフィン１２Ａ，１２Ｂが設けられていてもよい。
また、一実施形態では、風車翼２のコード方向に沿った直線ＬＨが、一対のフィンコードの延長線ＬＣＡ，ＬＣＢのなす角度の二等分線となるようにボルテックスジェネレータ１０を配向させた状態で風車翼２上に配置されてもよい。
このように、風流入方向に沿った風車翼２のコードを基準として、フィンコードに角度を持たせてボルテックスジェネレータ１０を配置することで、風流入方向に対して剥離抑制効果を高めるのに適切な取付方向でボルテックスジェネレータ１０を風車翼２に取り付けることができる。
図６は、翼長方向に沿ったボルテックスジェネレータ１０の基部１１の断面１９を示している。図６に示すように、幾つかの実施形態に係るボルテックスジェネレータ１０において、基部１１は、外部に露出した表面１７と、風車翼２の表面に対向した裏面１８と、を有する。図６に示すように、幾つかの実施形態では、翼長方向に沿った基部１１の断面形状が湾曲凸形状となるようにボルテックスジェネレータ１０を配向させた状態で風車翼２上に配置される。
ここで、「湾曲凸形状」とは、風車翼２から離れる方向に隆起するとともに、隆起した部分の輪郭（基部１１の表面１７の形状）の少なくとも一部が湾曲しているような形状を指す。
隆起した部分の輪郭は、図６に示す実施形態のように単一の曲率半径の円弧によって形成されていてもよいし、図示は省略するが他の実施形態として複数の曲率半径の円弧の組合せ、または、１以上の曲率半径の円弧と１以上の直線との組合せによって形成されていてもよい。
風力発電装置９０の運転中、空力荷重に起因した曲げ変形によって風車翼２は撓む。このため、風車翼２の表面に取り付けられたボルテックスジェネレータ１０の基部１１には大きな応力が生じてしまう。この点、上記実施形態によれば、ボルテックスジェネレータ１０の基部１１が風車翼２の翼長方向に沿った湾曲凸形状の断面を有するように配置されるため、風車翼２の曲げ変形に追従して基部が変形可能であり、基部１１に生じる応力を分散させることができる。
図７は、風車翼２に配置されたボルテックスジェネレータ１０の斜視図である。幾つかの実施形態に係るボルテックスジェネレータ１０は、図７に示すように、圧力面１５及び負圧面１６をそれぞれ有し、負圧面１６が互いに対向するように配置された一対のフィン（１２Ａ，１２Ｂ）により形成されるフィンセット２５を複数含んでいる。幾つかの実施形態では、一対のフィン（１２Ａ，１２Ｂ）の後縁１４の間隔Ｓに対する、隣り合う２つの前記フィンセット（２５Ａ，２５Ｂ）の配列ピッチＺの比Ｚ／Ｓが、１．５以上３．０以下となるようにボルテックスジェネレータ１０が配置される。
剥離抑制効果を高める観点からは、ボルテックスジェネレータ１０を高密度で配置することが望ましい。一方、抵抗低減のためには、低密度でボルテックスジェネレータ１０を配置することが望ましい。そこで、上記のように、Ｚ／Ｓが１．５以上３．０以下を満たす密度でボルテックスジェネレータ１０を配置すれば、剥離抑制効果と抵抗低減効果を同時に享受することができる。
次に、幾つかの実施形態に係る風車翼２へのボルテックスジェネレータ１０の配置位置決定方法について、図２及び図８を参照して具体的に説明する。図８は一実施形態における第１領域及び第２領域でのボルテックスジェネレータ１０の配置位置を示すグラフである。
幾つかの実施形態では、図２（ａ）に示すように、ボルテックスジェネレータ１０の取付け範囲１００のうち、翼長方向に沿って第１領域Ｍと、第１領域Ｍよりも翼先端側に第２領域Ｎを定め、各々の領域（Ｍ，Ｎ）に適した方法によってボルテックスジェネレータ１０の配置位置を決定する。
第１領域Ｍ及び第２領域Ｎの各々におけるボルテックスジェネレータ１０の配置位置の決定方法については後で詳述するが、ここでは、まず、第１領域Ｍ及び第２領域Ｎを含むボルテックスジェネレータ１０の取付け範囲１００に関して具体的に説明する。
一実施形態では、図２（ａ）に例示するように、取付け範囲１００の翼根側の端部は、翼根３からＬ１の距離に位置している。Ｌ１の値は、風車翼２の翼長Ｌを用いると、０．０５Ｌ以上である。
この場合、風力発電装置９０の出力への寄与を見込める翼根３から翼長Ｌの５％位置よりも翼先端側の領域を取付け範囲１００として、ボルテックスジェネレータ１０を設置することで、ボルテックスジェネレータ１０の設置コストを削減しながら、ボルテックスジェネレータ１０の技術的利得を効果的に享受できる。
図２（ｂ）は、ある翼長方向における翼の断面図である。一実施形態では、コード長Ｃに対する最大翼厚ｔｍａｘの比である最大翼厚比ｔｍａｘ／Ｃが６０％以上を満たす領域を第１領域Ｍとして設定する。
後述するように、第１領域Ｍでは、風車翼２への風の流入角を基準としてボルテックスジェネレータ１０の角度位置が決定される。よって、上述のように、最大翼厚比ｔｍａｘ／Ｃが６０％以上の領域を第１領域Ｍとして設定すれば、最大翼厚比が大きいために遷移位置や剥離位置を高精度に予測しづらい第１領域Ｍにおいてボルテックスジェネレータ１０による高い揚抗比改善効果を享受できる。
ボルテックスジェネレータ１０の取付け範囲１００は、上述のようにして定められた第１領域Ｍ及び第２領域Ｎ以外の領域を含んでいてもよい。例えば、第１領域Ｍ及び第２領域Ｎは、図２（ａ）及び図７に例示するように隣り合っている必要はなく、第１領域Ｍと第２領域Ｎとの間に別の第３領域が存在してもよい。一実施形態においては、第３領域におけるボルテックスジェネレータ１０の配置位置を、第１領域の翼先端側の端部における配置位置と、第２領域の翼根側の端部における配置位置とをつないだ線上に決定してもよい。さらに、ボルテックスジェネレータ１０の取付け範囲１００は、第１領域Ｍよりも翼根側、または、第２領域Ｎよりも翼先端側に、他の領域を含んでいてもよい。
（第１領域ＭにおけるＶＧ配置位置）
幾つかの実施形態に係る第１領域におけるボルテックスジェネレータ１０の配置位置決定方法について図９（ａ）、図９（ｂ）を参照しながら説明する。図９（ａ）、図９（ｂ）は、第１領域Ｍにおける風車翼２の断面図であり、第１領域Ｍにおける風車翼２は、前縁６及び後縁７と、コード２１とを有する。
図９（ａ）において、相対風速ベクトルＷは、翼回転方向Ｒに回転している風車翼２に対する風の相対的な速度ベクトルであり、風車翼２の回転方向に対して直角方向から吹き付ける風の速度ベクトルＡと、風車翼２の周速ベクトルｒΩとを合成したベクトルである。そして、この相対風速ベクトルＷと風車翼２のコード２１の延長線ｌとの間の角度αが、風車翼２の迎角である。
図９（ｂ）に示すように、第１領域Ｍにおいては、相対風速ベクトルＷの方向を風の流入角とし、この流入角を基準（０度）としている。そして、流入角から後縁７に向かって規定角度θずれた翼表面上の角度位置を、ボルテックスジェネレータ１０の配置位置に決定する。
なお、図９（ａ）、図９（ｂ）において、ベクトルや角度の基準である原点Ｏは、風車翼２の翼根３の中心軸（即ち、ピッチ軸）の位置である。風車翼２の翼根３は円筒形状を有しており、この円筒形状の中心軸の位置（原点Ｏ）は、風車翼２の各翼長方向位置における断面上において一義的に定まる。
この場合、翼先端側の第２領域Ｎに比べて翼厚比が相対的に大きく、遷移位置や剥離位置を高精度に予測しづらい翼型を有する第１領域Ｍにおいて、風車翼２の表面上でのボルテックスジェネレータ１０の配置位置を的確に決定することができる。
一実施形態では、ボルテックスジェネレータ１０の配置角度θを６０度以上９０度以下とする。
本発明者らの知見によれば、翼先端側の第２領域に比べて翼厚比が相対的に大きい第１領域Ｍでは、ボルテックスジェネレータ１０の配置角度θを６０度〜９０度程度に設定したとき、ボルテックスジェネレータ１０による高い揚抗比改善効果を享受できる。
一実施形態では、ボルテックスジェネレータ１０の配置位置を、数値計算に基づく翼表面に沿った流れの剥離位置としてもよい。この際、数値計算は、ＣＦＤや後述の粘性−非粘性干渉法（ｖｉｓｃｏｕｓ−ｉｎｖｉｓｃｉｄ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ）を用いて行ってもよい。
この場合、数値計算により剥離位置を求める際に、翼劣化状態を境界層の乱流遷移位置によってモデル化してもよい。即ち、翼健全状態の場合、乱流繊維する位置の解析（遷移点解析）と流れの解析を同時に実施するのに対し、翼劣化状態では、翼の前縁で乱流遷移すると仮定して解析を行ってもよい。さらに、風車の運転状態を風速、回転数、迎角等を指定することで、風車の運転条件（可変速運転条件又は定格風速条件）を再現してもよい。
（第２領域ＮにおけるＶＧ配置位置）
幾つかの実施形態に係る第２領域Ｎにおけるボルテックスジェネレータ１０の配置位置決定方法について、図８、図１０及び図１１を参照しながら説明する。図１０は一般的な風車の運転条件を示すグラフである。図１１（ａ）は、幾つかの実施形態に係る第２領域Ｎでの可変速運転条件下における翼の断面と翼表面に沿った流れを示している。図１１（ｂ）は、幾つかの実施形態に係る第２領域Ｎでの定格風速条件下における翼の断面と翼表面に沿った流れを示している。
まず、図１０を参照しながら一般的な風車の運転条件を説明する。図１０（ａ）は上流風速と風車の回転数との関係を示すグラフであり、図１０（ｂ）は上流風速と周速比との関係を示すグラフであり、図１０（ｃ）は上流風速と風車出力との関係を示すグラフであり、図１０（ｄ）は上流風速と迎え角との関係を示すグラフである。
一般的な風車では、風速がカットイン風速Ｖ１以上に達した後、定格回転数に到達する風速Ｖ２になるまでの間、性能（効率）が最適（最大）となるほぼ一定の周速比（最適周速比または設計周速比という）で運転される（図１０（ｂ）参照）。ここで、周速比は、風車翼の存在の影響を受けない無限上流側の風速（上流風速）を用いて、翼端周速［ｒｐｍ］／上流風速［ｍ／ｓ］で表される。風速がカットイン風速Ｖ１〜定格回転数に到達する風速Ｖ２の可変速域では、周速比が最適周速比（設計周速比）に維持されるように風の速度ベクトルＡの変化に応じて周速ベクトルｒΩが変化し、迎角αは風車翼に適したほぼ一定値（＝最適迎角αｏｐｔ）に維持される（図１０（ｂ）及び（ｄ）参照）。
これに対し、風速が定格回転数に到達する風速Ｖ２に達した後、回転数は一定値（定格回転数）に維持されるから、周速ベクトルｒΩはほぼ一定の大きさに保たれる。そのため、定格回転数に到達する風速Ｖ２〜定格出力に到達する風速Ｖ３の高風速域では、風速が上昇すると、周速ベクトルｒΩが一定に維持されたまま、風の速度ベクトルＡのみが大きくなって、結果的に風車翼の迎角αは大きくなる（図１０（ｄ）参照）。この迎角αの増加傾向は、風車出力が定格出力に到達する風速（定格風速）Ｖ３まで継続する。そして、定格風速Ｖ３に達した後、風車翼のピッチ制御により迎角αが低減されて風車出力が一定に維持される。なお、Ｖ２〜Ｖ３の間でもピッチ制御が働き図１０に示す各状況と若干異なる場合もある。
よって、風車の可変速運転条件下（風速Ｖ１〜Ｖ２）における迎角αｏｐｔよりも、定格風速条件（風速Ｖ３）における迎角αの方が大きい。即ち、定格風速条件下における状態を示した図１１（ｂ）における迎角αは、可変速運転条件下における状態を示した図１１（ａ）における迎角α（最適迎角αｏｐｔ）よりも大きい。
そして、迎角αが比較的大きい場合（図１１（ｂ））、迎角αが小さい場合（図１１（ａ））に比べて、翼表面に沿った流れの遷移位置と剥離位置は風車翼２の前縁６側に移る。
図１１（ａ）及び図１１（ｂ）を比較すれば明らかなように、定格風速条件下（図１１（ｂ））では、迎角αが比較的大きいため、図１１（ａ）よりも圧力面側から風が流入する。このため、定格風速条件下における遷移位置２２Ｂ及び剥離位置２３Ｂが、可変速運転条件下における遷移位置２２Ａ及び剥離位置２３Ａよりも前縁側にずれる。
そこで、幾つかの実施形態では、図１１（ａ）に例示されるように、第２領域Ｎにおけるボルテックスジェネレータ１０の配置位置は、可変速運転条件下での遷移位置２２Ａよりも後縁側の位置に決定される。また、第２領域Ｎにおけるボルテックスジェネレータ１０の配置位置は、定格風速条件下での剥離位置２３Ｂよりも前縁側の位置に決定される。
上述した実施形態によれば、可変速運転条件と定格風速条件との迎角の違いを考慮した適切な位置にボルテックスジェネレータの配置位置を決定することができるため、定格回転数到達後、風速の上昇と共に迎角が大きくなった場合にも、風車翼の表面に沿った流れの剥離を抑制することができる。また、翼健全状態における可変速運転条件下での遷移位置２２Ａより後縁側をボルテックスジェネレータ１０の配置位置とすることで、ドラッグペナルティによる抗力増加が懸念される可変速運転条件下において、風車翼２の表面に沿った流れの剥離を抑制しながら、ボルテックスジェネレータ１０の設置に起因したドラッグペナルティを低減することができる。
また、風車翼の表面は、典型的には、経年劣化により平滑性が失われ、翼表面の凹凸は徐々に大きくなっていく。このため、翼表面が平滑である翼健全状態に比べて、翼表面の凹凸が比較的大きい翼劣化状態では、翼表面に沿った流れの遷移位置及び剥離位置が前縁側にずれる。このため、第２領域Ｎのボルテックスジェネレータ１０の配置位置は、風車翼２の表面の経時的変化を考慮して、翼健全状態だけでなく、翼劣化状態においても、ボルテックスジェネレータ１０による空力的作用を享受できるような位置に決定されることが望ましい場合がある。
そこで、一実施形態では、図８に例示されるように、第２領域Ｎにおけるボルテックスジェネレータ１０の配置位置は、翼健全状態における可変速運転条件下での遷移位置よりも後縁側の位置に決定される。また、第２領域Ｎにおけるボルテックスジェネレータ１０の配置位置は、翼劣化状態における定格風速条件下での剥離位置よりも前縁側の位置に決定される。
上述した実施形態によれば、翼劣化状態における定格風速条件下での剥離位置２３Ｂより前縁側をボルテックスジェネレータ１０の配置位置とすることで、風車翼の劣化状態によらず、ボルテックスジェネレータ１０による揚抗比の改善効果を享受できる。
なお、可変速運転条件下における遷移位置２２Ａ、および、定格風速条件下における剥離位置２３Ｂは、数値計算により求めてもよく、この際に用いる数値計算手法は、例えばＣＦＤや粘性−非粘性干渉法（ｖｉｓｃｏｕｓ−ｉｎｖｉｓｃｉｄ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ）であってもよい。
ここで、粘性−非粘性干渉法は２次元翼型の性能を簡易的に解析するための手法であり、ＣＦＤよりも解析時間が非常に短いことに特徴がある。例えば、ＣＦＤでは１条件の解析に数時間を要するのに対し、粘性−非粘性干渉法は数秒で解析が完了する。
粘性−非粘性干渉法の数値計算方法について説明する。粘性−非粘性干渉法では、粘性が卓越する領域（翼の近傍や翼後流の領域）と粘性を無視することができる領域（翼から離れた領域）とで別々の計算を実施し、各々の領域における速度や圧力の分布を求める。具体的には、粘性が卓越する領域では境界層方程式を解き、粘性を無視することができる領域では粘性を無視したポテンシャル方程式を解いている。こうして求められた２つの領域の解析を合わせることで、現実の物理現象をシミュレーションできる。
粘性−非粘性干渉法によって得られる代表的な解析結果は、翼表面上における圧力係数分布、翼表面上における摩擦係数分布、翼表面上における境界層厚さ分布、翼の揚力係数、翼の抗力係数等である。これらの解析結果から、ある翼断面における遷移位置や剥離位置、失速迎角等の空力的な特性を評価することができる。
また、定格風速条件下における剥離位置２３Ｂを数値計算により求める場合、風車翼２の表面における流れの遷移位置２２Ｂを風車翼２の前縁６に固定した条件下で数値計算を行ってもよい。
本発明者等の知見によれば、迎角αが比較的大きい定格風速条件下における遷移位置２２Ｂは前縁６の近傍である。よって、遷移位置２２Ｂを前縁６に固定した条件下で数値計算を行うことで、ボルテックスジェネレータ１０の配置位置の決定を効率的に行うことができる。
以下では、幾つかの実施形態における、ボルテックスジェネレータ１０の取付け範囲や配置位置について図１２〜図１５を参照しながら説明する。
幾つかの実施形態では、取付範囲内における任意の翼長方向位置において、コード長Ｃに対する前縁からのコード方向位置ｘの比ｘ／Ｃが５０％以下を満たすようにボルテックスジェネレータ１０の配置位置を決定する。図１２におけるコード方向位置ｘは、前縁６を原点とした翼表面上の任意の点のコード方向の位置座標である。
ボルテックスジェネレータ１０の寸法は、通常、境界層厚さに合わせて設計する。すなわち、ボルテックスジェネレータ１０のフィンの高さが、境界層厚さをカバーしつつ、ドラッグペナルティが生じないような高さであることが望ましい。図１３は、コード方向位置における境界層厚さについて、翼劣化状態の場合と翼健全状態の場合とを示している。図１３によれば、後縁７に近づくにつれて、境界層厚さが翼劣化状態と翼健全状態とで大きく異なっている。このため、後縁側で翼劣化状態に適したボルテックスジェネレータ１０の寸法を用いたとしても、翼健全状態での境界層厚さを大きく超えているため、ボルテックスジェネレータ１０自体の抵抗が大きくなり、ドラッグペナルティが生じてしまう。逆に、後縁側で翼健全状態に適したボルテックスジェネレータ１０の寸法を採用しても、翼劣化状態では境界層厚さよりも小さいため、翼劣化状態において剥離抑制効果が低減してしまう。
本発明者の知見によれば、本実施形態のようにコード方向に沿ったボルテックスジェネレータ１０の配置位置の後縁側の限界を前縁から５０％とすることで、翼劣化状態と翼健全状態との両方において、風車翼の表面に沿った流れの剥離を抑制しながら、ボルテックスジェネレータ１０の設置に起因したドラッグペナルティを低減することができる。
図１４（ａ）は翼根側における翼断面図を、図１４（ｂ）は翼先端側における翼断面図を示している。幾つかの実施形態では、図１４（ａ）、図１３（ｂ）に例示するように、取付範囲内における任意の翼長方向位置において、前縁を基準として後縁に向かって２０度ずらした風車翼の負圧面上の第１位置と、前縁を基準として前記後縁に向かって１６０度ずらした負圧面上における第２位置との間の角度範囲にて、ボルテックスジェネレータの取付角度範囲を定める。そして、前縁を基準とした取付角度βが翼先端側に向かうにつれて増加するように前記ボルテックスジェネレータの配置位置を決定する。
上記によれば、前縁を基準としたボルテックスジェネレータ１０の取付角度が翼先端側に向かうにつれて増加するようにしたため、翼長方向位置に対する迎角の変化傾向（即ち、翼先端側に向かうにつれて迎角が小さくなる傾向）を踏まえた適切なボルテックスジェネレータ１０の配置を実現できる。また、前縁を基準としたボルテックスジェネレータ１０の取付角度を上記数値範囲（前縁を基準として２０度以上１６０度以下）内に設定することで、高い揚抗比を得ることができる。なお、図１５のグラフでは、例示的な実施形態における翼根３からの半径方向位置と取付角度の関係を示している。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
本明細書において、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
また、本明細書において、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
また、本明細書において、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない
１ 風車翼アセンブリ
２ 風車翼
３ 翼根
４ 翼先端
５ 翼型部
６ 前縁
７ 後縁
８ 圧力面
９ 負圧面
１０ ボルテックスジェネレータ
１１ 基部
１２ フィン
１３ 前縁
１４ 後縁
１５ 圧力面
１６ 負圧面
１７ 表面
１８ 裏面
１９ 断面
２１ コード
２２ 遷移位置
２３ 剥離位置
２４ 縦渦
２５ フィンセット
３１，３２ 境界層
９０ 風力発電装置
９３ 風車ロータ
９４ ハブ
９５ ナセル
９６ タワー
９７ 土台構造
１００ 取付範囲
Ｍ 第１領域
Ｎ 第２領域

Claims (15)

  1. 風車翼へのボルテックスジェネレータの配置決定方法であって、
    翼長方向における前記ボルテックスジェネレータの取付範囲のうち第１領域について、前記風車翼への風の流入角を基準として、該風車翼の後縁に向かって規定角度ずらした角度位置に前記ボルテックスジェネレータの配置位置を決定するステップと、
    前記取付範囲のうち前記第１領域よりも翼先端側の第２領域について、定格風速条件での前記風車翼の表面における流れの剥離位置と、前記風車翼を備える風車の可変速運転条件での前記風車翼の表面における流れの遷移位置との間の位置に前記ボルテックスジェネレータの配置位置を決定するステップと、
    を備える風車翼へのボルテックスジェネレータの配置決定方法。
  2. 前記風車翼の表面における流れの遷移位置を前記風車翼の前縁に固定した条件下での流体力学に基づく計算により、前記定格風速条件での前記剥離位置を求めるステップと、
    前記可変速運転条件において、前記風車翼の表面における流れの前記遷移位置を流体力学に基づく計算により求めるステップと、をさらに備える請求項１に記載の風車翼へのボルテックスジェネレータの配置決定方法。
  3. 前記第２領域について前記ボルテックスジェネレータの配置位置を決定するステップでは、前記第２領域における前記ボルテックスジェネレータの配置位置を前記剥離位置よりも前縁側かつ前記遷移位置よりも後縁側に決定する請求項１又は２に記載の風車翼へのボルテックスジェネレータの配置決定方法。
  4. 前記第１領域について決定された前記ボルテックスジェネレータの前記角度位置と前記流入角との間の角度は６０度以上９０度以下である請求項１乃至３の何れか一項に記載の風車翼へのボルテックスジェネレータの配置決定方法。
  5. 前記第１領域を、コード長Ｃに対する最大翼厚ｔｍａｘの比である最大翼厚比ｔｍａｘ／Ｃが、６０％以上を満たす領域である請求項１乃至４の何れか一項に記載の風車翼へのボルテックスジェネレータの配置決定方法。
  6. 前記取付範囲内における任意の翼長方向位置において、コード長Ｃに対する前縁からのコード方向位置ｘの比ｘ／Ｃが６０％以下を満たすように前記ボルテックスジェネレータの配置位置を決定する請求項１乃至５の何れか一項に記載の風車翼へのボルテックスジェネレータの配置決定方法。
  7. 前記取付範囲内における任意の翼長方向位置において、コード長Ｃに対するコード方向位置ｘの比ｘ／Ｃが５％以上を満たすように前記ボルテックスジェネレータの配置位置を決定する請求項１乃至６の何れか一項に記載の風車翼へのボルテックスジェネレータの配置決定方法。
  8. 前記取付範囲の翼根側の端部は、前記翼長方向における翼根から前記風車翼の翼長Ｌの５％の位置よりも翼先端側に位置することを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の風車翼へのボルテックスジェネレータの配置決定方法。
  9. 前記取付範囲内における任意の翼長方向位置において、前縁を基準として後縁に向かって２０度ずらした前記風車翼の負圧面上の第１位置と、前記前縁を基準として前記後縁に向かって１６０度ずらした前記負圧面上における第２位置との間の角度範囲にて、前記ボルテックスジェネレータの前記前縁を基準とした取付角度が翼先端側に向かうにつれて増加するように前記ボルテックスジェネレータの配置位置を決定する請求項１乃至８の何れか一項に記載の風車翼へのボルテックスジェネレータの配置決定方法。
  10. 前記ボルテックスジェネレータは、圧力面及び負圧面をそれぞれ有し、前記負圧面が互いに対向するように配置された一対のフィンにより形成されるフィンセットを複数含み、
    前記取付範囲内において、前記一対のフィンの後縁の間隔Ｓに対する、隣り合う２つの前記フィンセットの配列ピッチＺの比Ｚ／Ｓが、１．５以上３．０以下となるように前記ボルテックスジェネレータが配置されることを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載の風車翼へのボルテックスジェネレータの配置決定方法。
  11. 前記ボルテックスジェネレータは、前記風車翼のコード方向に沿った線分に対して線対称に配置された一対のフィンを含むことを特徴とする請求項１乃至１０の何れか一項に記載の風車翼へのボルテックスジェネレータの配置決定方法。
  12. 風車翼及び該風車翼に取り付けられたボルテックスジェネレータを備える風車翼アセンブリの製造方法であって、
    請求項１乃至１１の何れか一項に記載の方法により前記風車翼への前記ボルテックスジェネレータの配置位置を決定するステップと、
    前記ボルテックスジェネレータを前記配置位置にて前記風車翼に取り付けるステップと、
    を備える風車翼アセンブリの製造方法。
  13. 前記ボルテックスジェネレータは、
    複数のフィンと、
    前記風車翼の表面に取り付けられるとともに、前記複数のフィンが立設される表面および該表面に対向する平坦な底面を有する基部と
    を含み、
    前記ボルテックスジェネレータを取り付けるステップでは、前記翼長方向に沿った前記基部の断面形状が湾曲凸形状となるように前記ボルテックスジェネレータを配向させた状態で、前記ボルテックスジェネレータを前記風車翼に取り付ける
    請求項１２に記載の風車翼アセンブリの製造方法。
  14. 前記ボルテックスジェネレータは、
    湾曲凸形状の負圧面をそれぞれ有し、前記負圧面が互いに対向するように配置される一対のフィンを含み、
    前記ボルテックスジェネレータを取り付けるステップでは、前記風車翼のコード方向に対して各々の前記フィンのフィンコードが斜めになるように前記ボルテックスジェネレータを配向させた状態で、前記ボルテックスジェネレータを前記風車翼に取り付ける
    請求項１２又は１３に記載の風車翼アセンブリの製造方法。
  15. 風車翼と、
    前記風車翼の表面に取り付けられるボルテックスジェネレータと、を備える風車翼アセンブリであって、
    翼長方向における前記ボルテックスジェネレータの取付範囲のうち第１領域では、前記風車翼への風の流入角を基準として、該風車翼の後縁に向かって規定角度ずらした角度位置に前記ボルテックスジェネレータが配置され、
    前記取付範囲のうち前記第１領域よりも翼先端側の第２領域では、定格風速条件での前記風車翼の表面における流れの剥離位置と、前記風車翼を備える風車の可変速運転条件での前記風車翼の表面における流れの遷移位置との間の位置に前記ボルテックスジェネレータが配置された
    風車翼アセンブリ。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6783212B2 (ja) * 2017-10-20 2020-11-11 三菱重工業株式会社 風車翼へのボルテックスジェネレータの配置位置決定方法、風車翼アセンブリの製造方法及び風車翼アセンブリ
DE102018117398A1 (de) * 2018-07-18 2020-01-23 Wobben Properties Gmbh Rotorblatt für eine Windenergieanlage und Windenergieanlage
DE102018121190A1 (de) * 2018-08-30 2020-03-05 Wobben Properties Gmbh Rotorblatt, Windenergieanlage und Verfahren zum Optimieren einer Windenergieanlage
CN113836839B (zh) * 2021-09-30 2023-12-08 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 一种基于流场可视化的涡流发生器弦向定位方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ES2627790T3 (es) 2005-05-17 2017-07-31 Vestas Wind Systems A/S Pala de turbina eólica controlada por cabeceo que tiene medios de generación de turbulencia, turbina eólica y uso de la misma
EP3617496A1 (en) 2006-04-02 2020-03-04 Wobben Properties GmbH Wind turbine with slender blade
ATE537356T1 (de) 2006-06-09 2011-12-15 Vestas Wind Sys As Windturbinenrotorblatt und pitchgeregelte windturbine
ES2396702T3 (es) 2007-01-12 2013-02-25 Siemens Aktiengesellschaft Pala de rotor de turbina eólica con generadores de vórtice
EP2031241A1 (en) 2007-08-29 2009-03-04 Lm Glasfiber A/S Blade for a rotor of a wind turbine provided with barrier generating means
EP2484895A1 (en) 2011-02-04 2012-08-08 LM Wind Power A/S Vortex generator vane pair with trapezium-shaped base
EP2739528B1 (en) * 2011-07-22 2019-08-28 LM WP Patent Holding A/S A vortex generator arrangement for an airfoil
EP2736805B1 (en) * 2011-07-22 2017-06-14 LM WP Patent Holding A/S Wind turbine blade comprising vortex generators
DE102013202666A1 (de) * 2013-02-19 2014-08-21 Senvion Se Rotorblatt einer Windenergieanlage
US20140328688A1 (en) 2013-05-03 2014-11-06 General Electric Company Rotor blade assembly having vortex generators for wind turbine
CN105556114B (zh) * 2013-09-02 2020-06-05 沃本实业有限责任公司 用于风力涡轮机的涡流发生器
JP6154050B1 (ja) 2016-08-08 2017-06-28 三菱重工業株式会社 風車翼、風車ロータ及び風力発電装置並びにボルテックスジェネレータの取付方法

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