JP2019078192A - 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
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Abstract
Description
複数のフィンを含むボルテックスジェネレータを備えた風車翼であって、
前記複数のフィンのうち最も翼先端側に位置する第1フィンは、コード長Cに対する翼厚tの比t/Cが0.4である翼長方向位置、または、前記風車翼を含むロータの半径Rに対して0.2Rの半径方向位置のうち前記翼先端側に近い方の位置よりも翼根側に設けられる。
前記ボルテックスジェネレータは、0〜0.1Rの範囲に設けられ、前記コード長Cに対するコード方向位置xの比x/Cが0≦x/C≦0.2を満たす1以上のフィンを含んでもよい。
前記ボルテックスジェネレータは、0.15〜0.2Rの範囲に設けられ、前記コード長Cに対するコード方向位置xの比x/Cが0.2≦x/C≦0.8を満たす1以上のフィンを含んでもよい。
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≦Z/S≦3.0を満たしてもよい。
前記ボルテックスジェネレータは、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、前記フィンの高さHに対する前記一対のフィンの後縁の間隔Sの比S/Hが、2.5≦S/H≦5.0を満たしてもよい。
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んでもよい。
前記ボルテックスジェネレータは、前記風車翼のフラットバックの開始点よりも前記翼根側に配置された一対のフィンを含んでもよい。
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、
前記フィンの高さH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/Hが、6.0以上8.0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てもよい。
前記風車翼の翼長LがL≧55mを満たしてもよい。
前記ボルテックスジェネレータは、該ボルテックスジェネレータの翼長方向位置rと前記ロータの半径Rとの比r/Rが0.8における(t/c)refに対して、2×(t/c)refよりも大きな翼厚比の範囲内に設けられてもよい。
前記ボルテックスジェネレータは、該ボルテックスジェネレータの翼長方向位置rと前記ロータの半径Rとの比r/Rが0.8における(t/c)refに対して、3×(t/c)ref以下の翼厚比の範囲内に設けられる。
複数のフィンを含むボルテックスジェネレータの風車翼への配置決定方法であって、
前記複数のフィンのうち最も翼先端側に位置する第1フィンは、コード長Cに対する翼厚tの比t/Cが0.4である翼長方向位置、または、前記風車翼を含むロータの半径Rに対して0.2Rの半径方向位置のうち翼先端側に近い方の位置よりも翼根側に配置されるように、前記複数のフィンの配置を決定する。
風車翼へのボルテックスジェネレータの取付範囲のうち翼長方向における第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を決定する第1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第2ステップと、
前記第1ステップ及び前記第2ステップによる配置の間を結んで前記ボルテックスジェネレータの配置位置を決定する第3ステップと、
を備える。
上記(1)乃至(11)の何れか一つに記載の通りに前記風車翼に配置するステップを備える。
例えば、「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。
例えば、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。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「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。
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。
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。
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(以下、単にコード方向とも称する)。
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の後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。
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が風車翼2に直接取り付けられていてもよい。
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。幾つかの実施形態において、ボルテックスジェネレータ10は、風車翼2のコード方向C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12を含んでもよい。
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。
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。
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。
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。
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13(a)、図13(b)を参照しながら説明する。図13(a)、図13(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13(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13(a)、図13(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、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、乱流遷移する位置の解析(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。
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12、図14及び図15を参照しながら説明する。図14は一般的な風車の運転条件を示すグラフである。図15(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15(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。
一般的な風車では、風速がカットイン風速(<V1)に到達すると回転数一定で運転が行われ、回転数一定のまま風速が上がると周速比が低下していく。そして、周速比が最適値に一致する風速V1(周速比が最適周速比となる風速)以上に風速が達した後、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14(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14(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14(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14に示す各状況と若干異なる場合もある。
図15(a)及び図15(b)を比較すれば明らかなように、定格風速条件下(図15(b))では、迎角αが比較的大きいため、図15(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。
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。
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。
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。
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
12A 第1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 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 (14)
- 複数のフィンを含むボルテックスジェネレータを備えた風車翼であって、
前記複数のフィンのうち最も翼先端側に位置する第1フィンは、コード長Cに対する翼厚tの比t/Cが0.4である翼長方向位置、または、前記風車翼を含むロータの半径Rに対して0.2Rの半径方向位置のうち前記翼先端側に近い方の位置よりも翼根側に設けられていることを特徴とする風車翼。 - 前記ボルテックスジェネレータは、0〜0.1Rの範囲に設けられ、前記コード長Cに対するコード方向位置xの比x/Cが0≦x/C≦0.2を満たす1以上のフィンを含む
ことを特徴とする請求項1に記載の風車翼。 - 前記ボルテックスジェネレータは、0.15〜0.2Rの範囲に設けられ、前記コード長Cに対するコード方向位置xの比x/Cが0.2≦x/C≦0.8を満たす1以上のフィンを含む
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の風車翼。 - 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≦Z/S≦3.0を満たす
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翼。 - 前記ボルテックスジェネレータは、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、前記フィンの高さhに対する前記一対のフィンの後縁の間隔sの比s/hが、2.5≦s/h≦5.0を満たす
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翼。 - 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5の何れか一項に記載の風車翼。 - 前記ボルテックスジェネレータは、前記風車翼のフラットバックの開始点よりも前記翼根側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6の何れか一項に記載の風車翼。 - 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、
前記フィンの高さh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/hが、6.0以上8.0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7の何れか一項に記載の風車翼。 - 前記風車翼の翼長LがL≧55mを満たす
ことを特徴とする請求項1乃至8の何れか一項に記載の風車翼。 - 前記ボルテックスジェネレータは、該ボルテックスジェネレータの翼長方向位置rと前記ロータの半径Rとの比r/Rが0.8における(t/c)refに対して、2×(t/c)refよりも大きな翼厚比の範囲内に設けられる
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。 - 前記ボルテックスジェネレータは、該ボルテックスジェネレータの翼長方向位置rと前記ロータの半径Rとの比r/Rが0.8における(t/c)refに対して、3×(t/c)ref以下の翼厚比の範囲内に設けられる
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。 - 複数のフィンを含むボルテックスジェネレータの風車翼への配置決定方法であって、
前記複数のフィンのうち最も翼先端側に位置する第1フィンは、コード長Cに対する翼厚tの比t/Cが0.4である翼長方向位置、または、前記風車翼を含むロータの半径Rに対して0.2Rの半径方向位置のうち翼先端側に近い方の位置よりも翼根側に配置されるように、前記複数のフィンの配置を決定する
ことを特徴とす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。 - 風車翼へのボルテックスジェネレータの取付範囲のうち翼長方向における第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を決定する第1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第2ステップと、
前記第1ステップ及び前記第2ステップによる配置の間を結んで前記ボルテックスジェネレータの配置位置を決定する第3ステップと、
を備える請求項12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。 - 前記ボルテックスジェネレータを請求項1乃至11の何れか一項に記載の通りに前記風車翼に配置するステップを備えたことを特徴とする風車翼アセンブリの製造方法。
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