JP3935804B2 - 翼及びこれを備える風力発電装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、揚力を発生させる翼及びこれを備える風力発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
環境問題に対する意識の高まりのとともに、廃棄物を出さないクリーンなエネルギーとして、風力発電装置が注目を集めている。風力発電装置は、風の力によってブレード（翼）を備えたロータを回転させ、得られた回転力によって発電機を駆動するようになっている。
【０００３】
風力発電装置は、タワーの上端に設けられたナセルと呼ばれる筐体内に、回動自在に支持された主軸と、該主軸の先端に固定されたロータヘッドと、ロータヘッドに取り付られたブレードと、主軸の回転速度を増幅させる増幅器と、増幅された主軸の回転を取り出す出力軸と、出力軸によって駆動される発電機と、その他周辺機器とが備えられている。
【０００４】
ブレードはロータヘッドの回りに等間隔に離間して取り付けられており、ブレードの付け根の部分にはピッチ角の調節機構が内蔵されている。そして、ロータヘッド、数枚のブレード、及び上記の調整機構を主に備えてロータが構成され、タワー上のナセルに対して回転自在に取り付けられている。
【０００５】
このように構成された風力発電装置では、言うまでもなくブレードが風を受けると、これを支持するロータが回転することになり、それに伴って発電機内の回転子が回転してナセル側に固定された固定子との間で発電がなされる。
したがって、ブレードが風力を効率的にロータの回転力に変換すれば、発電される電力量が増すことは言うまでもなく、ブレードの形状が風力発電装置の性能に大きく左右する。
【０００６】
次に、上述した風力発電装置に備わるブレードに作用する力の関係について図９の速度三角形を用いて説明する。なお、風力発電装置に用いられるブレードを以下、一般的に用いられる「翼」と称して説明するものとする。
図に示される符号１は翼を示しており、図では翼幅方向（紙面において鉛直方向）に対して直角に交わる平面で見た場合における断面、すなわち翼形を示している。
【０００７】
翼１は、ロータの回転に合わせて矢印Ｒの方向に回転するものとされ、ロータの回転方向に対して自らの翼弦線１ａが所定の角度θを有するように配置されている。この角度θは、図に示すように翼弦線１ａの延長線Ｌ１と翼１の回転方向に平行な直線Ｌ２とのなす角であり、ロータに対する翼１の取り付け角を意味するピッチ角θである。
【０００８】
また、符号Ｗで示されるベクトルは、翼１に対する空気の相対速度レベルと方向を示しており、翼１の回転方向に対して直角方向から吹き付ける空気の速度ベクトルＡと、回転による翼の周速と方向を示す周速ベクトルｒΩとの関係によって得られている。
そして、この翼１に対する空気の相対速度ベクトルＷと翼弦線１ａの延長線Ｌ１とのなす角が、翼１における迎え角αであり、翼１の周速や翼１に吹き付ける風速によって若干変化する。
【０００９】
そして、このような上記関係が翼１に作用すると、翼１に対する空気の相対速度ベクトルＷに対して垂直な揚力Ｌが生じ、また、翼１に対する空気の相対速度ベクトルＷの延長方向には抗力Ｄが生じる。これら揚力Ｌと抗力Ｄとの合力は、破線で示されるベクトルＦとして表され、このベクトルＦの翼１の回転方向における分力がロータを回転させるための回転力の成分として、回転力ベクトルＦｒに表されることとなる。
【００１０】
したがって、回転力ベクトルＦｒの大きさである回転力を増すために、揚力Ｌを増大させ、抗力Ｄを減少させることができれば、この翼が取り付けられるロータにはより高い回転力が作用して回転速度が増大し、発電される電力量が増大することになる。
【００１１】
さて、揚力Ｌを増大させるためには、図１０（ａ）に示す一般的な翼形に対して、図１０（ｂ）に示すように翼形の中心線をなすキャンバーライン１ｂの反りを大きくすることで得られる。
この場合、反りが大きすぎると、翼形の背側面１ｃの曲率が大きくなるため、図１０（ｂ）に示すように空気の流れに対して翼面上で剥離Ｖが生じて失速することがある。
【００１２】
上述のような失速状態では、揚力Ｌは急激に低下するとともに抗力Ｄは急激に増加することになってしまい、これを回避すべく揚抗比を高く得るためには、背側面１ｃの曲率が過大とならないように適切に保ちつつ、腹側面１ｄをへこませてキャンバーライン１ｂの反りを大きくすることが有効である。
【００１３】
このような観点から、米国のＮＡＣＡや、ＮＡＳＡでは航空機用の薄肉の翼形（厚み比が数十パーセントまで）について多くの翼形が研究開発されており、詳細な形状データに加えて揚力及び抗力のデータが既に公開されて自由にこれらデータが使用できる状況となっている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
さて、風力発電装置等に用いられる翼（ブレード）には、吹き付ける空気によって多大な曲げ荷重がロータの付け根付近に作用する。このため、翼の根元にはこの曲げ荷重に耐えうる肉厚が必要とされている。なお、ここに言う翼の根元、言い換えれば翼根とは、ロータの付け根から翼端までの翼長に対して約４０％までの部分を言う。
【００１５】
この場合、ロータに固定される側の翼の根元付近での翼形において、最大翼厚を翼弦長（各位置については、図１０（ａ）参照のこと。）で除した厚み比が２１％を超えてしまい、先に説明したＮＡＣＡや、ＮＡＳＡが公開している航空機用の薄肉の翼形データを、本発明に係る風力発電装置等に用いられる厚肉の翼形に使用することができない状況となっている。
このことは、これら機関が厚み比２１％を超えるような翼形のデータをほとんど公開していないからである。
【００１６】
また、厚み比が２１％を超えるような厚肉の翼形を有する翼では、背側における空気の流れの剥離を抑制しつつ、反りを大きくして高い揚力を得る形状が非常に困難である。
【００１７】
すなわち、翼弦長に対して大きな厚み比を確保するために、最大翼厚の部分を位置させると、最大翼厚の位置が比較的中心付近の前縁から４０〜５０％離れた位置に存在することとなり、最大翼厚の位置から後縁までの間の腹側にへこみを形成することが形状の制約により困難となるためである。
【００１８】
また、最大翼厚の位置を前縁から４０〜５０％離れた位置に存在させることは、前縁における剥離をあらゆる迎え角に対応して可能な限り回避するためでもある。特に、前縁側での剥離は、急激な揚力の低下を招きやすい。
したがって、広範囲に渡る迎え角に対応して高い揚力を得る前縁側の翼形を得るためには、前縁側を比較的厚く形成して緩やかな曲線で形成することが要求される。
しかし、このことは多様に使用される翼について言えることであり、迎え角の範囲が特定されやすい場合には、このような要件を満たして翼形を考慮する必要はない。
【００１９】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、厚み比が大きい翼形を有する翼の揚抗比の増大を図り、例えば、該翼を風力発電装置に用いることで発電効率の向上を図ることが可能な風力発電装置等に用いられる翼及びこれを備える風力発電装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
【００２８】
請求項１に記載の発明は、風力を受けて揚力を発生させる翼において、
翼弦長に対する最大翼厚の厚み比が２１％以上とされた最大翼厚の位置が、前縁から翼弦長の３０〜４０％離れた位置に存在し、後縁と最大翼厚位置との間におけるキャンバーの最大値が翼弦長の２％以上とされた翼形を有し、翼面の背側が下記の座標系によって実質的に定義され、該座標系を、翼弦線に沿う前縁からの距離Ｘ、翼弦線から背側までの距離Ｙｕｐ、翼弦長Ｃを用いて表すと、Ｘ／Ｃ、及びＹｕｐ／Ｃが、
０．０００００ ０．０００００，
０．００５４１ ０．０１８３８，
０．０１０８１ ０．０２７０３，
０．０２１６２ ０．０４３２４，
０．０３２４３ ０．０５５１４，
０．０４３２４ ０．０６５９５，
０．０６４８６ ０．０８３２４，
０．０８６４９ ０．０９８３８，
０．１０８１１ ０．１１０２７，
０．１３５１４ ０．１２３２４，
０．１６２１６ ０．１３４０５，
０．１８９１９ ０．１４３７８，
０．２１６２２ ０．１５１３５，
０．２４３２４ ０．１５６７６，
０．２７０２７ ０．１６１０８，
０．２９７３０ ０．１６４３２，
０．３２４３２ ０．１６５４１，
０．３５１３５ ０．１６６４９，
０．３７８３８ ０．１６５４１，
０．４０５４１ ０．１６４３２，
０．４３２４３ ０．１６２１６，
０．４５９４６ ０．１５７８４，
０．４８６４９ ０．１５３５１，
０．５１３５１ ０．１４８１１，
０．５４０５４ ０．１４２７０，
０．５６７５７ ０．１３７３０，
０．５９４５９ ０．１３０８１，
０．６２１６２ ０．１２５４１，
０．６４８６５ ０．１１８９２，
０．６７５６８ ０．１１２４３，
０．７０２７０ ０．１０５９５，
０．７２９７３ ０．０９８３８，
０．７５６７６ ０．０９１８９，
０．７８３７８ ０．０８４３２，
０．８１０８１ ０．０７６７６，
０．８３７８４ ０．０６８１１，
０．８６４８６ ０．０５８３８，
０．８９１８９ ０．０４８６５，
０．９１８９２ ０．０３８９２，
０．９４５９５ ０．０２８１１，
０．９７２９７ ０．０１７３０，
０．９８３７８ ０．０１２９７，
０．９９４５９ ０．００８６５，
１．０００００ ０．００７５７，
に定義された厚み比１０％以上の翼形を基準として、背側座標Ｙｕｐの各数値に関して±３％の誤差範囲内にある翼形を有することを特徴としている。
【００２９】
つまり、厚み比が２１％以上とされた従来の翼形（翼の断面形状）では、最大翼厚の位置が比較的中心付近の前縁から４０〜５０％離れた位置に存在するのに対し、本発明の翼形においては、前縁から翼弦長の３０〜４０％離れた位置に最大翼厚が存在するため、これより後縁側の形状が翼厚を確保するための制約を受けにくくなる。
このことによって、最大翼厚から後縁側の腹側における腹側面を削り込んでへこませることができ、このへこませた形状を特定すると、後縁と最大翼厚位置との間におけるキャンバーの最大値が翼弦長の２％以上とされている。すなわち、従来に比べて腹側面が後縁に向かうにしたがって大きくそった形状となる。
したがって、翼形の中心線であるキャンバーラインの反りが大きくなり、翼に生じる揚力が増大することになる。
なお、本発明に言う翼形は、翼のいずれかの断面において上記翼形を有して翼が形成されているものを言うものである。
このように、翼の背側の翼面における座標系が定義されることで、背側面における空気の剥離は回避されることとなり、翼に対する抗力は低減する。また、翼の反り、すなわち、翼弦線に対するキャンバーが翼の腹側に応じて大きく得られやすくなり、翼に生じる揚力が増大しやすくなる。
なお、腹側の形状については、必要とされる厚み比に応じて適宜得ることとする。
【００３０】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の翼において、翼面の背側及び腹側が下記の座標系によって実質的に定義され、該座標系を、翼弦線に沿う前縁からの距離Ｘ、翼弦線から背側までの距離Ｙｕｐ、翼弦線から腹側までの距離Ｙｌｏｗ、翼弦長Ｃを用いて表すと、Ｘ／Ｃ、及びＹｕｐ／Ｃ、及びＹｌｏｗ／Ｃが、
０．０００００ ０．０００００ ０．０００００，
０．００５４１ ０．０１８３８ −０．０１２９７，
０．０１０８１ ０．０２７０３ −０．０２０５４，
０．０２１６２ ０．０４３２４ −０．０３２４３，
０．０３２４３ ０．０５５１４ −０．０４２１６，
０．０４３２４ ０．０６５９５ −０．０４９７３，
０．０６４８６ ０．０８３２４ −０．０６４８６，
０．０８６４９ ０．０９８３８ −０．０７７８４，
０．１０８１１ ０．１１０２７ −０．０８７５７，
０．１３５１４ ０．１２３２４ −０．０９８３８，
０．１６２１６ ０．１３４０５ −０．１０７０３，
０．１８９１９ ０．１４３７８ −０．１１４５９，
０．２１６２２ ０．１５１３５ −０．１２１０８，
０．２４３２４ ０．１５６７６ −０．１２６４９，
０．２７０２７ ０．１６１０８ −０．１２９７３，
０．２９７３０ ０．１６４３２ −０．１３２９７，
０．３２４３２ ０．１６５４１ −０．１３５１４，
０．３５１３５ ０．１６６４９ −０．１３５１４，
０．３７８３８ ０．１６５４１ −０．１３４０５，
０．４０５４１ ０．１６４３２ −０．１３２９７，
０．４３２４３ ０．１６２１６ −０．１２９７３，
０．４５９４６ ０．１５７８４ −０．１２６４９，
０．４８６４９ ０．１５３５１ −０．１２２１６，
０．５１３５１ ０．１４８１１ −０．１１７８４，
０．５４０５４ ０．１４２７０ −０．１１１３５，
０．５６７５７ ０．１３７３０ −０．１０３７８，
０．５９４５９ ０．１３０８１ −０．０９６２２，
０．６２１６２ ０．１２５４１ −０．０８７５７，
０．６４８６５ ０．１１８９２ −０．０７８９２，
０．６７５６８ ０．１１２４３ −０．０６９１９，
０．７０２７０ ０．１０５９５ −０．０５８３８，
０．７２９７３ ０．０９８３８ −０．０４８６５，
０．７５６７６ ０．０９１８９ −０．０３７８４，
０．７８３７８ ０．０８４３２ −０．０２９１９，
０．８１０８１ ０．０７６７６ −０．０１９４６，
０．８３７８４ ０．０６８１１ −０．０１１８９，
０．８６４８６ ０．０５８３８ −０．００６４９，
０．８９１８９ ０．０４８６５ −０．００２１６，
０．９１８９２ ０．０３８９２ −０．００１０８，
０．９４５９５ ０．０２８１１ −０．００１０８，
０．９７２９７ ０．０１７３０ −０．００２１６，
０．９８３７８ ０．０１２９７ −０．００３２４，
０．９９４５９ ０．００８６５ −０．００４３２，
１．０００００ ０．００７５７ −０．００５４１，
に定義された厚み比約３０％の翼形を基準として、背側座標Ｙｕｐ及び腹側座標Ｙｌｏｗの各数値に関して±３％の誤差範囲内にある翼形を有することを特徴としている。
【００３１】
上記座標系における翼形を簡単に説明すると、厚み比３０％を有する最大翼厚は、前縁から翼弦長の３２〜３８％の間の離れた位置に存在し、前縁半径は比較的小さく、前縁から最大翼厚部分までは従来より緩やかな曲率半径を有する円弧に沿ってこの部分の翼厚が薄くなるように結ばれている。そして、腹側において最大翼厚部分から後縁までの翼面は従来より大きく反ってへこんだ形状とされており、これによってキャンバーは前縁から翼弦長の６０〜９０％の間で最大となっている。
【００３２】
このように、翼幅方向のいずれかにおける翼形が上記座標系によって実質的に定義されることで、前縁側で比較的窄まった薄型の形状でありつつ、背側及び腹側における空気の剥離が回避された形状であるために翼に生じる抗力が低減されることになり、また、厚み比約３０％を有する比較的厚い翼でありながら、翼弦線に対するキャンバーが従来の同様な翼に比較して特に後縁側で大きく得られることで、翼に生じる揚力の増大を得た翼形として定義されることになる。
【００３３】
請求項３に記載の発明は、請求項２記載の翼において、前記座標系に示されるＹｕｐ／Ｃ及びＹｌｏｗ／Ｃの座標値に、２８／３０を乗じた座標値から３２／３０を乗じた座標値の間に翼面の座標系が定義されることを特徴としている。
【００３４】
このような厚み比が２８〜３２％となる翼形においても、請求項５に記載の翼形を有する翼と同様な作用が得られたことにより本発明において規定するものである。
【００３５】
請求項４に記載の発明は、風力によって駆動される翼を備えたロータで発電機を回し電力を得る風力発電装置において、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の翼が備えられていることを特徴としている。
【００３６】
抗力が低く抑えられてなお且つ揚力が高く得られた上記請求項に記載した翼が風力発電装置に用いられる。この際、厚み比を大きく確保することができるのでロータとの固定側に作用する曲げ荷重に対抗しうる剛性を的確に確保しつつ、翼に生じる揚力と抗力との合力におけるロータ回転方向における分力、つまり回転力が増大する。したがって、翼を有するロータに吹き付ける空気の風力は効率的に回転力に変換され、風力に対するロータの回転数は増大することになる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の一実施形態における翼について、風力発電装置に用いられるブレードを本発明に係る翼の一例に挙げて図面を参照しながら説明する。
なお、本発明に係る風力発電装置は、従来技術で説明した風力発電装置の構成と比較してブレードをなす翼の翼形が異なるので、この点について詳しく説明するものとし、その他の構成等については同様であるので、その説明を省略するものとする。
【００３８】
図１には、本発明に係る厚み比約３０％の翼形が、後述する表１に示される座標系に基づいてプロットされている。横軸は翼弦線と平行であり、翼弦長を１．０とした場合での前縁からの距離の比率を示している。なお、横軸における座標値１．０は後縁を指すものである。
また、縦軸は１．０とされた翼弦長に対する翼厚方向における翼弦線からの距離の比率を示している。
なお、風力発電装置に用いられるブレードをなす翼の翼弦長は、一般に１ｍ〜３ｍ程度が主として使用されており、この翼弦長の寸法が、例えば、座標値１．０に相当するものである。また、翼端に向かうにしたがって翼弦長を縮小させる場合もあり、この翼弦長に対して座標値１．０が相当するものである。
【００３９】
ここで、座標系を、翼弦線に沿う前縁からの距離Ｘ、翼弦線から背側までの距離Ｙｕｐ、翼弦線から腹側までの距離Ｙｌｏｗ、実際の翼弦長Ｃを用いて表すと、
Ｘ／Ｃ、及びＹｕｐ／Ｃ、及びＹｌｏｗ／Ｃが、
【表１】
として表される。
【００４０】
この表１に示される翼形は、翼の根元側、すなわちロータとの付け根付近に位置しており、大きな厚み比を有することで翼全体が風力を受けた際に翼の付け根付近に生じる曲げ荷重に耐えうる剛性を確保している。
【００４１】
この翼形の特徴について図２〜図４を参照しながら説明する。図２は、図１に示した翼形を示したグラフ線図である。また、図３は、翼弦長に対する翼厚の分布を示したグラフ線図である。
図３に示すように、厚み比３０％を有する最大翼厚は、前縁（横軸の０位置）から翼弦長の３２〜３８％（表１を参照。）の間の離れた位置に存在している。このことは、破線で示される従来の代表的な翼（以降、「従来翼」と称する。）の翼厚分布における最大翼厚が、前縁から翼弦長の４０〜５０％離れた位置に存在していることに比較して大きく異なる。
【００４２】
また、本発明に係る前縁半径は従来翼の前縁半径に比較して小さく、前縁側の翼厚が破線で示される従来翼の翼厚よりも薄く窄まった形状とされている。このような形状は、一般に前縁側での剥離が引き起こされる可能性が高くなるが、風力発電装置用として用いられる翼を考慮した場合、通常使用における迎え角が６°〜１１°と比較的低い範囲で特定できるので、この範囲における前縁側での剥離はほぼ零に抑えられている。つまり、揚力を高く確保しつつ迎え角６°〜１１°の範囲では前縁側の翼面における剥離が生じにくい最適化された翼形として規定されている。
【００４３】
そして、腹側における最大翼厚部分から後縁までの腹側面１ｄｒは、破線で示される従来翼の翼形よりも大きくへこんだ形状となっており、これによって翼弦線に対するキャンバーラインのキャンバーは、図４に示すように前縁から翼弦長の６０〜９０％離れた間で最大、つまり最大キャンバーが存在している。なお、この場合における翼形を特定すると、後縁と最大翼厚位置との間におけるキャンバーの最大値が翼弦長の２％強とされた翼形とされている。すなわち、破線で示される従来翼の翼形に比べて腹側面１ｄｒが後縁に向かうにしたがって大きく反ってへこんだ形状となる。
【００４４】
このように、翼幅方向のいずれかにおける翼形が上記示した表１の座標系によって実質的に定義されることで、前縁側で比較的窄まった薄型の形状でありつつ、背側における空気の剥離が回避された大きな反りを有する最適化された形状として翼形が定義されることとなる。
【００４５】
そして、図５の迎え角と抗力係数との関係を示したグラフ線図に示すように、本実施形態における翼の翼形では、従来翼の翼形と比較して迎え角４°〜１２°の範囲で抗力を低下させることが可能となる結果が得られた。なお、本実施形態における前縁側の翼厚を薄くした翼形であると、図５の迎え角が１２°を超えると抗力が従来に比較して増大する結果となるが、風力発電装置に用いられる場合、迎え角は一般に６°〜１１°であることを考慮すると、この範囲にて抗力の減少を得た最適化が図られている。
【００４６】
また、厚み比約３０％を有する比較的厚い翼形を有しながら、図４で示したように翼弦線に対するキャンバーが従来翼に比較して特に後縁側で大きく得られることで、図６の迎え角と揚力係数との関係を示したグラフ線図に示すように、本実施形態における翼の翼形では、従来翼と比較して迎え角０°〜１６°の範囲で揚力の増大を可能とする結果が得られた。
【００４７】
そして、これら抗力と揚力との結果から、図７に示すように揚力／抗力の値、すなわち、翼の揚抗比は、従来翼のデータに比較して迎え角０°〜１６°の範囲で本実施形態の翼のデータが大きく上回る結果が得られた。
特に、風力発電装置では迎え角が６°〜１１°の間にて使用されることが常であり、この範囲を含んで抗力の低下と揚力の増大とが従来翼に比較して的確に得られている。
【００４８】
そして、揚抗比が増大することによれば、従来技術にて説明した翼を回転させようとする回転力ベクトルＦｒ（図９参照。）の大きさが増大することになり、該翼が取り付けられたロータ、さらに言うなれば、該ロータと軸を介して接続された発電機は、同じ風力であっても従来より効率的に風力を電力に変換することが可能となる。
【００４９】
また、表１の座標系の数値に対して２８／３０を乗じた座標系で翼形を得ることとしてもよい。すなわち、厚み比が２８％の翼形であり、翼形全体として図１の翼形に比較して翼厚が若干薄くなった形状である。このような翼形においても、先に説明した図５〜図７とほぼ同等な結果が得られ、２８％の厚み比を有する翼形を翼の翼幅方向のいずれかの位置に用いること等も可能である。
【００５０】
また、反対に表１の座標系の数値に対して３２／３０を乗じた座標系で翼形を得ることとしてもよい。すなわち、厚み比が３２％の翼形であり、翼形全体として図１の翼形に比較して翼厚が若干厚くなった形状である。このような翼形においても、先に説明した図５〜図７とほぼ同等な結果が得られ、３２％の厚み比を有する翼形を翼の翼幅方向のいずれかの位置に用いること等も可能である。
【００５１】
さて、上述した厚み比３０％を含む２８％〜３２％の翼形は、大きな厚み有することで剛性を高く確保しているため、ロータへの取り付け側である翼の根元付近に位置させることが望ましい。しかし、翼の先端側は自由端であり曲げ荷重が作用しないので、厚み比を過大に確保する必要がない。このため、本実施形態の翼では、根元側で上述した約３０％の厚み比を有する翼形を用いることとし、先端側に向かうにつれて最大翼厚を含む翼厚を小さくした翼形で翼を形成することとしている。
【００５２】
具体的に説明すると、翼の剛性に必要とされる翼厚を翼幅方向の断面にて適宜確保するものとし、表１に示した背側面の座標系（Ｙｕｐ）の数値のみを用いて背側面を形成するとともに、翼端に向かうに従い腹側面を徐々に翼弦線側に削り込んで薄くへこませた腹側面を形成するものとする。一例としてある位置での翼形を挙げるならば、図８に示すように腹側の翼面が表１の座標値に比較して８０％翼弦線側に位置して形成されている。このように座標値に対して同じ比率で腹側の翼厚を薄く形成することとしてもよいし、これとは別に他の翼形に導くべく薄く形成することとしてもよい。
【００５３】
これにより、翼端に向かうにつれて厚み比が小さくなり、反りも大きくなることから揚力を高く得ることができるようになる。また、厚み比２１％以下となれば、背側及び腹側の翼面をＮＡＣＡや、ＮＡＳＡの航空機用の薄肉の翼形データを用いて形成することも可能となる。また、軽量化となることで風力が小さい場合であっても、効率的に回転力に変換することとなる。
【００５４】
このように、本実施形態に説明した翼及びこの翼を備える風力発電装置においては、以下の効果を奏する。
風力発電装置に用いられる迎え角の範囲にて、翼は、反りの増大、及び、翼面の剥離による失速を抑えて高い揚力と小さな抗力を得る最適化された翼形を有して形成されることになり、揚抗比の増大に伴ってより効率的に風力を電力に変換する性能の向上がなされた風力発電装置を実現することができる。
また、多少前後する厚み比を有する翼形においても同様な効果を得ることができる。
また、翼の先端側に向かうにつれて背側をそのままの座標系で形成し、腹側面のへこみを拡大して形成することが可能であり、翼全体として見た場合により揚力の増大と、抗力の低減を図ることが可能となる。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明した本発明の風力発電装置においては以下の効果を奏する。
【００５８】
請求項１記載の発明によれば、翼弦長に対する最大翼厚の厚み比が２１％以上とされた最大翼厚の位置が、前縁から翼弦長の３０〜４０％離れた位置に存在し、後縁と最大翼厚位置との間におけるキャンバーの最大値が翼弦長の２％以上とされた翼形を有する翼であるので、比較的厚肉とされた厚み比２１％以上の翼形を有する翼のキャンバーラインの反りを大きくとることができ、揚力を増大させることができる。
厚み比１０％以上の翼形を有する翼面の背側が先に示した座標系によって実質的に定義されているので、厚み比が１０％以上で変化する翼形において背側における最適な形状、すなわち、背側の翼面における剥離を抑えて、翼に生じる抗力が低減された翼を得ることができる。また、翼の腹側を考慮した場合においても、背側は最適化された大きな反りが用いられることになるので、翼のキャンバーラインを翼弦線に対して大きくそらせることが容易に可能となり、翼に生じる揚力の増大を図ることができる。
【００５９】
請求項２記載の発明によれば、厚み比約３０％の翼形を有する翼面が先に示した座標系によって実質的に定義されているので、この翼形を翼幅方向のいずれかに有する翼は、翼面における剥離が抑えられ、また、これに生じる抗力が低減され、また、これに生じる揚力が増大した最適な翼として得ることができる。
【００６０】
請求項３記載の発明によれば、請求項２記載の座標系に示されるＹｕｐ／Ｃ及びＹｌｏｗ／Ｃの座標値に、２８／３０を乗じた座標値から３２／３０を乗じた座標値の間に翼面の座標系が定義されるので、この範囲内で規定される厚み比２８〜３２％の翼においても抗力を低く抑えて揚力を高く得る最適な翼を得ることができる。
【００６１】
請求項４記載の発明によれば、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の翼が風力発電装置に備えられているので、風力発電装置が受ける風力に応じてより効率的にロータを回転させることができ、発電する出力量を増大させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態における風力発電装置に用いられる翼の翼形を座標値に基づいてプロットしたグラフ線図である。
【図２】 図１に係る翼形を説明するグラフ線図である。
【図３】 翼弦長に対する翼厚の分布を示したグラフ線図である。
【図４】 翼弦長に対する反り量を示したグラフ線図である。
【図５】 本実施形態の翼形と従来翼の翼形とにおける迎え角と抗力係数の関係を示したグラフ線図である。
【図６】 本実施形態の翼形と従来翼の翼形とにおける迎え角と揚力係数の関係を示したグラフ線図である。
【図７】 本実施形態の翼形と従来翼の翼形とにおける迎え角と揚抗比の関係を示したグラフ線図である。
【図８】 本発明の一実施形態における風力発電装置に用いられる翼の翼形を座標値に基づいてプロットしたグラフ線図であって、図１の翼形に対して腹側を薄くした場合の翼形を示したグラフ線図である。
【図９】 翼に作用する力の関係を示した速度三角形を説明する図である。
【図１０】 翼面を流れる空気の流れを示した図であって、（ａ）はキャンバーラインの反り量が小さい翼形における空気の流れを示した説明図、（ｂ）はキャンバーライン反り量が大きい翼形における空気の流れを示した説明図である。
【符号の説明】
１ 翼
１ａ 翼弦線
１ｂ キャンバーライン
１ｃ 背側面
１ｃｆ 前縁側における背側面
１ｃｒ 後縁側における背側面
１ｄ 腹側の翼面
１ｄｆ 前縁側における腹側面
１ｄｒ 後縁側における腹側面
【発明の属する技術分野】
本発明は、揚力を発生させる翼及びこれを備える風力発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
環境問題に対する意識の高まりのとともに、廃棄物を出さないクリーンなエネルギーとして、風力発電装置が注目を集めている。風力発電装置は、風の力によってブレード（翼）を備えたロータを回転させ、得られた回転力によって発電機を駆動するようになっている。
【０００３】
風力発電装置は、タワーの上端に設けられたナセルと呼ばれる筐体内に、回動自在に支持された主軸と、該主軸の先端に固定されたロータヘッドと、ロータヘッドに取り付られたブレードと、主軸の回転速度を増幅させる増幅器と、増幅された主軸の回転を取り出す出力軸と、出力軸によって駆動される発電機と、その他周辺機器とが備えられている。
【０００４】
ブレードはロータヘッドの回りに等間隔に離間して取り付けられており、ブレードの付け根の部分にはピッチ角の調節機構が内蔵されている。そして、ロータヘッド、数枚のブレード、及び上記の調整機構を主に備えてロータが構成され、タワー上のナセルに対して回転自在に取り付けられている。
【０００５】
このように構成された風力発電装置では、言うまでもなくブレードが風を受けると、これを支持するロータが回転することになり、それに伴って発電機内の回転子が回転してナセル側に固定された固定子との間で発電がなされる。
したがって、ブレードが風力を効率的にロータの回転力に変換すれば、発電される電力量が増すことは言うまでもなく、ブレードの形状が風力発電装置の性能に大きく左右する。
【０００６】
次に、上述した風力発電装置に備わるブレードに作用する力の関係について図９の速度三角形を用いて説明する。なお、風力発電装置に用いられるブレードを以下、一般的に用いられる「翼」と称して説明するものとする。
図に示される符号１は翼を示しており、図では翼幅方向（紙面において鉛直方向）に対して直角に交わる平面で見た場合における断面、すなわち翼形を示している。
【０００７】
翼１は、ロータの回転に合わせて矢印Ｒの方向に回転するものとされ、ロータの回転方向に対して自らの翼弦線１ａが所定の角度θを有するように配置されている。この角度θは、図に示すように翼弦線１ａの延長線Ｌ１と翼１の回転方向に平行な直線Ｌ２とのなす角であり、ロータに対する翼１の取り付け角を意味するピッチ角θである。
【０００８】
また、符号Ｗで示されるベクトルは、翼１に対する空気の相対速度レベルと方向を示しており、翼１の回転方向に対して直角方向から吹き付ける空気の速度ベクトルＡと、回転による翼の周速と方向を示す周速ベクトルｒΩとの関係によって得られている。
そして、この翼１に対する空気の相対速度ベクトルＷと翼弦線１ａの延長線Ｌ１とのなす角が、翼１における迎え角αであり、翼１の周速や翼１に吹き付ける風速によって若干変化する。
【０００９】
そして、このような上記関係が翼１に作用すると、翼１に対する空気の相対速度ベクトルＷに対して垂直な揚力Ｌが生じ、また、翼１に対する空気の相対速度ベクトルＷの延長方向には抗力Ｄが生じる。これら揚力Ｌと抗力Ｄとの合力は、破線で示されるベクトルＦとして表され、このベクトルＦの翼１の回転方向における分力がロータを回転させるための回転力の成分として、回転力ベクトルＦｒに表されることとなる。
【００１０】
したがって、回転力ベクトルＦｒの大きさである回転力を増すために、揚力Ｌを増大させ、抗力Ｄを減少させることができれば、この翼が取り付けられるロータにはより高い回転力が作用して回転速度が増大し、発電される電力量が増大することになる。
【００１１】
さて、揚力Ｌを増大させるためには、図１０（ａ）に示す一般的な翼形に対して、図１０（ｂ）に示すように翼形の中心線をなすキャンバーライン１ｂの反りを大きくすることで得られる。
この場合、反りが大きすぎると、翼形の背側面１ｃの曲率が大きくなるため、図１０（ｂ）に示すように空気の流れに対して翼面上で剥離Ｖが生じて失速することがある。
【００１２】
上述のような失速状態では、揚力Ｌは急激に低下するとともに抗力Ｄは急激に増加することになってしまい、これを回避すべく揚抗比を高く得るためには、背側面１ｃの曲率が過大とならないように適切に保ちつつ、腹側面１ｄをへこませてキャンバーライン１ｂの反りを大きくすることが有効である。
【００１３】
このような観点から、米国のＮＡＣＡや、ＮＡＳＡでは航空機用の薄肉の翼形（厚み比が数十パーセントまで）について多くの翼形が研究開発されており、詳細な形状データに加えて揚力及び抗力のデータが既に公開されて自由にこれらデータが使用できる状況となっている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
さて、風力発電装置等に用いられる翼（ブレード）には、吹き付ける空気によって多大な曲げ荷重がロータの付け根付近に作用する。このため、翼の根元にはこの曲げ荷重に耐えうる肉厚が必要とされている。なお、ここに言う翼の根元、言い換えれば翼根とは、ロータの付け根から翼端までの翼長に対して約４０％までの部分を言う。
【００１５】
この場合、ロータに固定される側の翼の根元付近での翼形において、最大翼厚を翼弦長（各位置については、図１０（ａ）参照のこと。）で除した厚み比が２１％を超えてしまい、先に説明したＮＡＣＡや、ＮＡＳＡが公開している航空機用の薄肉の翼形データを、本発明に係る風力発電装置等に用いられる厚肉の翼形に使用することができない状況となっている。
このことは、これら機関が厚み比２１％を超えるような翼形のデータをほとんど公開していないからである。
【００１６】
また、厚み比が２１％を超えるような厚肉の翼形を有する翼では、背側における空気の流れの剥離を抑制しつつ、反りを大きくして高い揚力を得る形状が非常に困難である。
【００１７】
すなわち、翼弦長に対して大きな厚み比を確保するために、最大翼厚の部分を位置させると、最大翼厚の位置が比較的中心付近の前縁から４０〜５０％離れた位置に存在することとなり、最大翼厚の位置から後縁までの間の腹側にへこみを形成することが形状の制約により困難となるためである。
【００１８】
また、最大翼厚の位置を前縁から４０〜５０％離れた位置に存在させることは、前縁における剥離をあらゆる迎え角に対応して可能な限り回避するためでもある。特に、前縁側での剥離は、急激な揚力の低下を招きやすい。
したがって、広範囲に渡る迎え角に対応して高い揚力を得る前縁側の翼形を得るためには、前縁側を比較的厚く形成して緩やかな曲線で形成することが要求される。
しかし、このことは多様に使用される翼について言えることであり、迎え角の範囲が特定されやすい場合には、このような要件を満たして翼形を考慮する必要はない。
【００１９】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、厚み比が大きい翼形を有する翼の揚抗比の増大を図り、例えば、該翼を風力発電装置に用いることで発電効率の向上を図ることが可能な風力発電装置等に用いられる翼及びこれを備える風力発電装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
【００２８】
請求項１に記載の発明は、風力を受けて揚力を発生させる翼において、
翼弦長に対する最大翼厚の厚み比が２１％以上とされた最大翼厚の位置が、前縁から翼弦長の３０〜４０％離れた位置に存在し、後縁と最大翼厚位置との間におけるキャンバーの最大値が翼弦長の２％以上とされた翼形を有し、翼面の背側が下記の座標系によって実質的に定義され、該座標系を、翼弦線に沿う前縁からの距離Ｘ、翼弦線から背側までの距離Ｙｕｐ、翼弦長Ｃを用いて表すと、Ｘ／Ｃ、及びＹｕｐ／Ｃが、
０．０００００ ０．０００００，
０．００５４１ ０．０１８３８，
０．０１０８１ ０．０２７０３，
０．０２１６２ ０．０４３２４，
０．０３２４３ ０．０５５１４，
０．０４３２４ ０．０６５９５，
０．０６４８６ ０．０８３２４，
０．０８６４９ ０．０９８３８，
０．１０８１１ ０．１１０２７，
０．１３５１４ ０．１２３２４，
０．１６２１６ ０．１３４０５，
０．１８９１９ ０．１４３７８，
０．２１６２２ ０．１５１３５，
０．２４３２４ ０．１５６７６，
０．２７０２７ ０．１６１０８，
０．２９７３０ ０．１６４３２，
０．３２４３２ ０．１６５４１，
０．３５１３５ ０．１６６４９，
０．３７８３８ ０．１６５４１，
０．４０５４１ ０．１６４３２，
０．４３２４３ ０．１６２１６，
０．４５９４６ ０．１５７８４，
０．４８６４９ ０．１５３５１，
０．５１３５１ ０．１４８１１，
０．５４０５４ ０．１４２７０，
０．５６７５７ ０．１３７３０，
０．５９４５９ ０．１３０８１，
０．６２１６２ ０．１２５４１，
０．６４８６５ ０．１１８９２，
０．６７５６８ ０．１１２４３，
０．７０２７０ ０．１０５９５，
０．７２９７３ ０．０９８３８，
０．７５６７６ ０．０９１８９，
０．７８３７８ ０．０８４３２，
０．８１０８１ ０．０７６７６，
０．８３７８４ ０．０６８１１，
０．８６４８６ ０．０５８３８，
０．８９１８９ ０．０４８６５，
０．９１８９２ ０．０３８９２，
０．９４５９５ ０．０２８１１，
０．９７２９７ ０．０１７３０，
０．９８３７８ ０．０１２９７，
０．９９４５９ ０．００８６５，
１．０００００ ０．００７５７，
に定義された厚み比１０％以上の翼形を基準として、背側座標Ｙｕｐの各数値に関して±３％の誤差範囲内にある翼形を有することを特徴としている。
【００２９】
つまり、厚み比が２１％以上とされた従来の翼形（翼の断面形状）では、最大翼厚の位置が比較的中心付近の前縁から４０〜５０％離れた位置に存在するのに対し、本発明の翼形においては、前縁から翼弦長の３０〜４０％離れた位置に最大翼厚が存在するため、これより後縁側の形状が翼厚を確保するための制約を受けにくくなる。
このことによって、最大翼厚から後縁側の腹側における腹側面を削り込んでへこませることができ、このへこませた形状を特定すると、後縁と最大翼厚位置との間におけるキャンバーの最大値が翼弦長の２％以上とされている。すなわち、従来に比べて腹側面が後縁に向かうにしたがって大きくそった形状となる。
したがって、翼形の中心線であるキャンバーラインの反りが大きくなり、翼に生じる揚力が増大することになる。
なお、本発明に言う翼形は、翼のいずれかの断面において上記翼形を有して翼が形成されているものを言うものである。
このように、翼の背側の翼面における座標系が定義されることで、背側面における空気の剥離は回避されることとなり、翼に対する抗力は低減する。また、翼の反り、すなわち、翼弦線に対するキャンバーが翼の腹側に応じて大きく得られやすくなり、翼に生じる揚力が増大しやすくなる。
なお、腹側の形状については、必要とされる厚み比に応じて適宜得ることとする。
【００３０】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の翼において、翼面の背側及び腹側が下記の座標系によって実質的に定義され、該座標系を、翼弦線に沿う前縁からの距離Ｘ、翼弦線から背側までの距離Ｙｕｐ、翼弦線から腹側までの距離Ｙｌｏｗ、翼弦長Ｃを用いて表すと、Ｘ／Ｃ、及びＹｕｐ／Ｃ、及びＹｌｏｗ／Ｃが、
０．０００００ ０．０００００ ０．０００００，
０．００５４１ ０．０１８３８ −０．０１２９７，
０．０１０８１ ０．０２７０３ −０．０２０５４，
０．０２１６２ ０．０４３２４ −０．０３２４３，
０．０３２４３ ０．０５５１４ −０．０４２１６，
０．０４３２４ ０．０６５９５ −０．０４９７３，
０．０６４８６ ０．０８３２４ −０．０６４８６，
０．０８６４９ ０．０９８３８ −０．０７７８４，
０．１０８１１ ０．１１０２７ −０．０８７５７，
０．１３５１４ ０．１２３２４ −０．０９８３８，
０．１６２１６ ０．１３４０５ −０．１０７０３，
０．１８９１９ ０．１４３７８ −０．１１４５９，
０．２１６２２ ０．１５１３５ −０．１２１０８，
０．２４３２４ ０．１５６７６ −０．１２６４９，
０．２７０２７ ０．１６１０８ −０．１２９７３，
０．２９７３０ ０．１６４３２ −０．１３２９７，
０．３２４３２ ０．１６５４１ −０．１３５１４，
０．３５１３５ ０．１６６４９ −０．１３５１４，
０．３７８３８ ０．１６５４１ −０．１３４０５，
０．４０５４１ ０．１６４３２ −０．１３２９７，
０．４３２４３ ０．１６２１６ −０．１２９７３，
０．４５９４６ ０．１５７８４ −０．１２６４９，
０．４８６４９ ０．１５３５１ −０．１２２１６，
０．５１３５１ ０．１４８１１ −０．１１７８４，
０．５４０５４ ０．１４２７０ −０．１１１３５，
０．５６７５７ ０．１３７３０ −０．１０３７８，
０．５９４５９ ０．１３０８１ −０．０９６２２，
０．６２１６２ ０．１２５４１ −０．０８７５７，
０．６４８６５ ０．１１８９２ −０．０７８９２，
０．６７５６８ ０．１１２４３ −０．０６９１９，
０．７０２７０ ０．１０５９５ −０．０５８３８，
０．７２９７３ ０．０９８３８ −０．０４８６５，
０．７５６７６ ０．０９１８９ −０．０３７８４，
０．７８３７８ ０．０８４３２ −０．０２９１９，
０．８１０８１ ０．０７６７６ −０．０１９４６，
０．８３７８４ ０．０６８１１ −０．０１１８９，
０．８６４８６ ０．０５８３８ −０．００６４９，
０．８９１８９ ０．０４８６５ −０．００２１６，
０．９１８９２ ０．０３８９２ −０．００１０８，
０．９４５９５ ０．０２８１１ −０．００１０８，
０．９７２９７ ０．０１７３０ −０．００２１６，
０．９８３７８ ０．０１２９７ −０．００３２４，
０．９９４５９ ０．００８６５ −０．００４３２，
１．０００００ ０．００７５７ −０．００５４１，
に定義された厚み比約３０％の翼形を基準として、背側座標Ｙｕｐ及び腹側座標Ｙｌｏｗの各数値に関して±３％の誤差範囲内にある翼形を有することを特徴としている。
【００３１】
上記座標系における翼形を簡単に説明すると、厚み比３０％を有する最大翼厚は、前縁から翼弦長の３２〜３８％の間の離れた位置に存在し、前縁半径は比較的小さく、前縁から最大翼厚部分までは従来より緩やかな曲率半径を有する円弧に沿ってこの部分の翼厚が薄くなるように結ばれている。そして、腹側において最大翼厚部分から後縁までの翼面は従来より大きく反ってへこんだ形状とされており、これによってキャンバーは前縁から翼弦長の６０〜９０％の間で最大となっている。
【００３２】
このように、翼幅方向のいずれかにおける翼形が上記座標系によって実質的に定義されることで、前縁側で比較的窄まった薄型の形状でありつつ、背側及び腹側における空気の剥離が回避された形状であるために翼に生じる抗力が低減されることになり、また、厚み比約３０％を有する比較的厚い翼でありながら、翼弦線に対するキャンバーが従来の同様な翼に比較して特に後縁側で大きく得られることで、翼に生じる揚力の増大を得た翼形として定義されることになる。
【００３３】
請求項３に記載の発明は、請求項２記載の翼において、前記座標系に示されるＹｕｐ／Ｃ及びＹｌｏｗ／Ｃの座標値に、２８／３０を乗じた座標値から３２／３０を乗じた座標値の間に翼面の座標系が定義されることを特徴としている。
【００３４】
このような厚み比が２８〜３２％となる翼形においても、請求項５に記載の翼形を有する翼と同様な作用が得られたことにより本発明において規定するものである。
【００３５】
請求項４に記載の発明は、風力によって駆動される翼を備えたロータで発電機を回し電力を得る風力発電装置において、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の翼が備えられていることを特徴としている。
【００３６】
抗力が低く抑えられてなお且つ揚力が高く得られた上記請求項に記載した翼が風力発電装置に用いられる。この際、厚み比を大きく確保することができるのでロータとの固定側に作用する曲げ荷重に対抗しうる剛性を的確に確保しつつ、翼に生じる揚力と抗力との合力におけるロータ回転方向における分力、つまり回転力が増大する。したがって、翼を有するロータに吹き付ける空気の風力は効率的に回転力に変換され、風力に対するロータの回転数は増大することになる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の一実施形態における翼について、風力発電装置に用いられるブレードを本発明に係る翼の一例に挙げて図面を参照しながら説明する。
なお、本発明に係る風力発電装置は、従来技術で説明した風力発電装置の構成と比較してブレードをなす翼の翼形が異なるので、この点について詳しく説明するものとし、その他の構成等については同様であるので、その説明を省略するものとする。
【００３８】
図１には、本発明に係る厚み比約３０％の翼形が、後述する表１に示される座標系に基づいてプロットされている。横軸は翼弦線と平行であり、翼弦長を１．０とした場合での前縁からの距離の比率を示している。なお、横軸における座標値１．０は後縁を指すものである。
また、縦軸は１．０とされた翼弦長に対する翼厚方向における翼弦線からの距離の比率を示している。
なお、風力発電装置に用いられるブレードをなす翼の翼弦長は、一般に１ｍ〜３ｍ程度が主として使用されており、この翼弦長の寸法が、例えば、座標値１．０に相当するものである。また、翼端に向かうにしたがって翼弦長を縮小させる場合もあり、この翼弦長に対して座標値１．０が相当するものである。
【００３９】
ここで、座標系を、翼弦線に沿う前縁からの距離Ｘ、翼弦線から背側までの距離Ｙｕｐ、翼弦線から腹側までの距離Ｙｌｏｗ、実際の翼弦長Ｃを用いて表すと、
Ｘ／Ｃ、及びＹｕｐ／Ｃ、及びＹｌｏｗ／Ｃが、
【表１】
【００４０】
この表１に示される翼形は、翼の根元側、すなわちロータとの付け根付近に位置しており、大きな厚み比を有することで翼全体が風力を受けた際に翼の付け根付近に生じる曲げ荷重に耐えうる剛性を確保している。
【００４１】
この翼形の特徴について図２〜図４を参照しながら説明する。図２は、図１に示した翼形を示したグラフ線図である。また、図３は、翼弦長に対する翼厚の分布を示したグラフ線図である。
図３に示すように、厚み比３０％を有する最大翼厚は、前縁（横軸の０位置）から翼弦長の３２〜３８％（表１を参照。）の間の離れた位置に存在している。このことは、破線で示される従来の代表的な翼（以降、「従来翼」と称する。）の翼厚分布における最大翼厚が、前縁から翼弦長の４０〜５０％離れた位置に存在していることに比較して大きく異なる。
【００４２】
また、本発明に係る前縁半径は従来翼の前縁半径に比較して小さく、前縁側の翼厚が破線で示される従来翼の翼厚よりも薄く窄まった形状とされている。このような形状は、一般に前縁側での剥離が引き起こされる可能性が高くなるが、風力発電装置用として用いられる翼を考慮した場合、通常使用における迎え角が６°〜１１°と比較的低い範囲で特定できるので、この範囲における前縁側での剥離はほぼ零に抑えられている。つまり、揚力を高く確保しつつ迎え角６°〜１１°の範囲では前縁側の翼面における剥離が生じにくい最適化された翼形として規定されている。
【００４３】
そして、腹側における最大翼厚部分から後縁までの腹側面１ｄｒは、破線で示される従来翼の翼形よりも大きくへこんだ形状となっており、これによって翼弦線に対するキャンバーラインのキャンバーは、図４に示すように前縁から翼弦長の６０〜９０％離れた間で最大、つまり最大キャンバーが存在している。なお、この場合における翼形を特定すると、後縁と最大翼厚位置との間におけるキャンバーの最大値が翼弦長の２％強とされた翼形とされている。すなわち、破線で示される従来翼の翼形に比べて腹側面１ｄｒが後縁に向かうにしたがって大きく反ってへこんだ形状となる。
【００４４】
このように、翼幅方向のいずれかにおける翼形が上記示した表１の座標系によって実質的に定義されることで、前縁側で比較的窄まった薄型の形状でありつつ、背側における空気の剥離が回避された大きな反りを有する最適化された形状として翼形が定義されることとなる。
【００４５】
そして、図５の迎え角と抗力係数との関係を示したグラフ線図に示すように、本実施形態における翼の翼形では、従来翼の翼形と比較して迎え角４°〜１２°の範囲で抗力を低下させることが可能となる結果が得られた。なお、本実施形態における前縁側の翼厚を薄くした翼形であると、図５の迎え角が１２°を超えると抗力が従来に比較して増大する結果となるが、風力発電装置に用いられる場合、迎え角は一般に６°〜１１°であることを考慮すると、この範囲にて抗力の減少を得た最適化が図られている。
【００４６】
また、厚み比約３０％を有する比較的厚い翼形を有しながら、図４で示したように翼弦線に対するキャンバーが従来翼に比較して特に後縁側で大きく得られることで、図６の迎え角と揚力係数との関係を示したグラフ線図に示すように、本実施形態における翼の翼形では、従来翼と比較して迎え角０°〜１６°の範囲で揚力の増大を可能とする結果が得られた。
【００４７】
そして、これら抗力と揚力との結果から、図７に示すように揚力／抗力の値、すなわち、翼の揚抗比は、従来翼のデータに比較して迎え角０°〜１６°の範囲で本実施形態の翼のデータが大きく上回る結果が得られた。
特に、風力発電装置では迎え角が６°〜１１°の間にて使用されることが常であり、この範囲を含んで抗力の低下と揚力の増大とが従来翼に比較して的確に得られている。
【００４８】
そして、揚抗比が増大することによれば、従来技術にて説明した翼を回転させようとする回転力ベクトルＦｒ（図９参照。）の大きさが増大することになり、該翼が取り付けられたロータ、さらに言うなれば、該ロータと軸を介して接続された発電機は、同じ風力であっても従来より効率的に風力を電力に変換することが可能となる。
【００４９】
また、表１の座標系の数値に対して２８／３０を乗じた座標系で翼形を得ることとしてもよい。すなわち、厚み比が２８％の翼形であり、翼形全体として図１の翼形に比較して翼厚が若干薄くなった形状である。このような翼形においても、先に説明した図５〜図７とほぼ同等な結果が得られ、２８％の厚み比を有する翼形を翼の翼幅方向のいずれかの位置に用いること等も可能である。
【００５０】
また、反対に表１の座標系の数値に対して３２／３０を乗じた座標系で翼形を得ることとしてもよい。すなわち、厚み比が３２％の翼形であり、翼形全体として図１の翼形に比較して翼厚が若干厚くなった形状である。このような翼形においても、先に説明した図５〜図７とほぼ同等な結果が得られ、３２％の厚み比を有する翼形を翼の翼幅方向のいずれかの位置に用いること等も可能である。
【００５１】
さて、上述した厚み比３０％を含む２８％〜３２％の翼形は、大きな厚み有することで剛性を高く確保しているため、ロータへの取り付け側である翼の根元付近に位置させることが望ましい。しかし、翼の先端側は自由端であり曲げ荷重が作用しないので、厚み比を過大に確保する必要がない。このため、本実施形態の翼では、根元側で上述した約３０％の厚み比を有する翼形を用いることとし、先端側に向かうにつれて最大翼厚を含む翼厚を小さくした翼形で翼を形成することとしている。
【００５２】
具体的に説明すると、翼の剛性に必要とされる翼厚を翼幅方向の断面にて適宜確保するものとし、表１に示した背側面の座標系（Ｙｕｐ）の数値のみを用いて背側面を形成するとともに、翼端に向かうに従い腹側面を徐々に翼弦線側に削り込んで薄くへこませた腹側面を形成するものとする。一例としてある位置での翼形を挙げるならば、図８に示すように腹側の翼面が表１の座標値に比較して８０％翼弦線側に位置して形成されている。このように座標値に対して同じ比率で腹側の翼厚を薄く形成することとしてもよいし、これとは別に他の翼形に導くべく薄く形成することとしてもよい。
【００５３】
これにより、翼端に向かうにつれて厚み比が小さくなり、反りも大きくなることから揚力を高く得ることができるようになる。また、厚み比２１％以下となれば、背側及び腹側の翼面をＮＡＣＡや、ＮＡＳＡの航空機用の薄肉の翼形データを用いて形成することも可能となる。また、軽量化となることで風力が小さい場合であっても、効率的に回転力に変換することとなる。
【００５４】
このように、本実施形態に説明した翼及びこの翼を備える風力発電装置においては、以下の効果を奏する。
風力発電装置に用いられる迎え角の範囲にて、翼は、反りの増大、及び、翼面の剥離による失速を抑えて高い揚力と小さな抗力を得る最適化された翼形を有して形成されることになり、揚抗比の増大に伴ってより効率的に風力を電力に変換する性能の向上がなされた風力発電装置を実現することができる。
また、多少前後する厚み比を有する翼形においても同様な効果を得ることができる。
また、翼の先端側に向かうにつれて背側をそのままの座標系で形成し、腹側面のへこみを拡大して形成することが可能であり、翼全体として見た場合により揚力の増大と、抗力の低減を図ることが可能となる。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明した本発明の風力発電装置においては以下の効果を奏する。
【００５８】
請求項１記載の発明によれば、翼弦長に対する最大翼厚の厚み比が２１％以上とされた最大翼厚の位置が、前縁から翼弦長の３０〜４０％離れた位置に存在し、後縁と最大翼厚位置との間におけるキャンバーの最大値が翼弦長の２％以上とされた翼形を有する翼であるので、比較的厚肉とされた厚み比２１％以上の翼形を有する翼のキャンバーラインの反りを大きくとることができ、揚力を増大させることができる。
厚み比１０％以上の翼形を有する翼面の背側が先に示した座標系によって実質的に定義されているので、厚み比が１０％以上で変化する翼形において背側における最適な形状、すなわち、背側の翼面における剥離を抑えて、翼に生じる抗力が低減された翼を得ることができる。また、翼の腹側を考慮した場合においても、背側は最適化された大きな反りが用いられることになるので、翼のキャンバーラインを翼弦線に対して大きくそらせることが容易に可能となり、翼に生じる揚力の増大を図ることができる。
【００５９】
請求項２記載の発明によれば、厚み比約３０％の翼形を有する翼面が先に示した座標系によって実質的に定義されているので、この翼形を翼幅方向のいずれかに有する翼は、翼面における剥離が抑えられ、また、これに生じる抗力が低減され、また、これに生じる揚力が増大した最適な翼として得ることができる。
【００６０】
請求項３記載の発明によれば、請求項２記載の座標系に示されるＹｕｐ／Ｃ及びＹｌｏｗ／Ｃの座標値に、２８／３０を乗じた座標値から３２／３０を乗じた座標値の間に翼面の座標系が定義されるので、この範囲内で規定される厚み比２８〜３２％の翼においても抗力を低く抑えて揚力を高く得る最適な翼を得ることができる。
【００６１】
請求項４記載の発明によれば、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の翼が風力発電装置に備えられているので、風力発電装置が受ける風力に応じてより効率的にロータを回転させることができ、発電する出力量を増大させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態における風力発電装置に用いられる翼の翼形を座標値に基づいてプロットしたグラフ線図である。
【図２】 図１に係る翼形を説明するグラフ線図である。
【図３】 翼弦長に対する翼厚の分布を示したグラフ線図である。
【図４】 翼弦長に対する反り量を示したグラフ線図である。
【図５】 本実施形態の翼形と従来翼の翼形とにおける迎え角と抗力係数の関係を示したグラフ線図である。
【図６】 本実施形態の翼形と従来翼の翼形とにおける迎え角と揚力係数の関係を示したグラフ線図である。
【図７】 本実施形態の翼形と従来翼の翼形とにおける迎え角と揚抗比の関係を示したグラフ線図である。
【図８】 本発明の一実施形態における風力発電装置に用いられる翼の翼形を座標値に基づいてプロットしたグラフ線図であって、図１の翼形に対して腹側を薄くした場合の翼形を示したグラフ線図である。
【図９】 翼に作用する力の関係を示した速度三角形を説明する図である。
【図１０】 翼面を流れる空気の流れを示した図であって、（ａ）はキャンバーラインの反り量が小さい翼形における空気の流れを示した説明図、（ｂ）はキャンバーライン反り量が大きい翼形における空気の流れを示した説明図である。
【符号の説明】
１ 翼
１ａ 翼弦線
１ｂ キャンバーライン
１ｃ 背側面
１ｃｆ 前縁側における背側面
１ｃｒ 後縁側における背側面
１ｄ 腹側の翼面
１ｄｆ 前縁側における腹側面
１ｄｒ 後縁側における腹側面
Claims (4)
- 風力を受けて揚力を発生させる翼において、
翼弦長に対する最大翼厚の厚み比が２１％以上とされた最大翼厚の位置が、前縁から翼弦長の３０〜４０％離れた位置に存在し、
後縁と最大翼厚位置との間におけるキャンバーの最大値が翼弦長の２％以上とされた翼形を有し、
翼面の背側が下記の座標系によって実質的に定義され、
該座標系を、翼弦線に沿う前縁からの距離Ｘ、翼弦線から背側までの距離Ｙｕｐ、翼弦長Ｃを用いて表すと、
Ｘ／Ｃ、及びＹｕｐ／Ｃが、
０．０００００ ０．０００００，
０．００５４１ ０．０１８３８，
０．０１０８１ ０．０２７０３,
０．０２１６２ ０．０４３２４，
０．０３２４３ ０．０５５１４，
０．０４３２４ ０．０６５９５，
０．０６４８６ ０．０８３２４，
０．０８６４９ ０．０９８３８，
０．１０８１１ ０．１１０２７，
０．１３５１４ ０．１２３２４，
０．１６２１６ ０．１３４０５，
０．１８９１９ ０．１４３７８，
０．２１６２２ ０．１５１３５，
０．２４３２４ ０．１５６７６，
０．２７０２７ ０．１６１０８，
０．２９７３０ ０．１６４３２，
０．３２４３２ ０．１６５４１，
０．３５１１４ ０．１６６４９，
０．３７８３８ ０．１６５４１，
０．４０５４１ ０．１６４３２，
０．４３２４３ ０．１６２１６，
０．４５９４６ ０．１５７８４，
０．４８６４９ ０．１５３５１，
０．５１３５１ ０．１４８１１，
０．５４０５４ ０．１４２７０，
０．５６７５７ ０．１３７３０，
０．５９４５９ ０．１３０８１，
０．６２１６２ ０．１２５４１，
０．６４８６５ ０．１１８９２，
０．６７５６８ ０．１１２４３，
０．７０２７０ ０．１０５９５，
０．７２９７３ ０．０９８３８，
０．７５６７６ ０．０９１８９，
０．７８３７８ ０．０８４３２，
０．８１０８１ ０．０７６７６，
０．８３７８４ ０．０６８１１，
０．８６４８６ ０．０５８３８，
０．８９１８９ ０．０４８６５，
０．９１８９２ ０．０３８９２，
０．９４５９５ ０．０２８１１，
０．９７２９７ ０．０１７３０，
０．９８３７８ ０．０１２９７，
０．９９４５９ ０．００８６５，
１．０００００ ０．００７５７，
に定義された厚み比１０％以上の翼形を基準として、背側座標Ｙｕｐの各数値に関して±３％の誤差範囲内にある翼形を有することを特徴とする翼。 - 翼面の背側及び腹側が下記の座標系によって実質的に定義され、
該座標系を、翼弦線に沿う前縁からの距離Ｘ、翼弦線から背側までの距離Ｙｕｐ、翼弦線から腹側までの距離Ｙｌｏｗ、翼弦長Ｃを用いて表すと、
Ｘ／Ｃ、及びＹｕｐ／Ｃ、及びＹｌｏｗ／Ｃが、
０．０００００ ０．０００００ ０．０００００，
０．００５４１ ０．０１８３８ −０．０１２９７，
０．０１０８１ ０．０２７０３ −０．０２０５４，
０．０２１６２ ０．０４３２４ −０．０３２４３，
０．０３２４３ ０．０５５１４ −０．０４２１６，
０．０４３２４ ０．０６５９５ −０．０４９７３，
０．０６４８６ ０．０８３２４ −０．０６４８６，
０．０８６４９ ０．０９８３８ −０．０７７８４，
０．１０８１１ ０．１１０２７ −０．０８７５７，
０．１３５１４ ０．１２３２４ −０．０９８３８，
０．１６２１６ ０．１３４０５ −０．１０７０３，
０．１８９１９ ０．１４３７８ −０．１１４５９，
０．２１６２２ ０．１５１３５ −０．１２１０８，
０．２４３２４ ０．１５６７６ −０．１２６４９，
０．２７０２７ ０．１６１０８ −０．１２９７３，
０．２９７３０ ０．１６４３２ −０．１３２９７，
０．３２４３２ ０．１６５４１ −０．１３５１４，
０．３５１１４ ０．１６６４９ −０．１３５１４，
０．３７８３８ ０．１６５４１ −０．１３４０５，
０．４０５４１ ０．１６４３２ −０．１３２９７，
０．４３２４３ ０．１６２１６ −０．１２９７３，
０．４５９４６ ０．１５７８４ −０．１２６４９，
０．４８６４９ ０．１５３５１ −０．１２２１６，
０．５１３５１ ０．１４８１１ −０．１１７８４，
０．５４０５４ ０．１４２７０ −０．１１１３５，
０．５６７５７ ０．１３７３０ −０．１０３７８，
０．５９４５９ ０．１３０８１ −０．０９６２２，
０．６２１６２ ０．１２５４１ −０．０８７５７，
０．６４８６５ ０．１１８９２ −０．０７８９２，
０．６７５６８ ０．１１２４３ −０．０６９１９，
０．７０２７０ ０．１０５９５ −０．０５８３８，
０．７２９７３ ０．０９８３８ −０．０４８６５，
０．７５６７６ ０．０９１８９ −０．０３７８４，
０．７８３７８ ０．０８４３２ −０．０２９１９，
０．８１０８１ ０．０７６７６ −０．０１９４６，
０．８３７８４ ０．０６８１１ −０．０１１８９，
０．８６４８６ ０．０５８３８ −０．００６４９，
０．８９１８９ ０．０４８６５ −０．００２１６，
０．９１８９２ ０．０３８９２ −０．００１０８，
０．９４５９５ ０．０２８１１ −０．００１０８，
０．９７２９７ ０．０１７３０ −０．００２１６，
０．９８３７８ ０．０１２９７ −０．００３２４，
０．９９４５９ ０．００８６５ −０．００４３２，
１．０００００ ０．００７５７ −０．００５４１，
に定義された厚み比約３０％の翼形を基準として、背側座標Ｙｕｐ及び腹側座標Ｙｌｏｗの各数値に関して±３％の誤差範囲内にある翼形を有することを特徴とする請求項１記載の翼。 - 前記座標系に示されるＹｕｐ／Ｃ及びＹｌｏｗ／Ｃの座標値に、２８／３０を乗じた座標値から３２／３０を乗じた座標値の間に翼面の座標系が定義されることを特徴とする請求項２記載の翼。
- 風力によって駆動される翼を備えたロータで発電機を回し電力を得る風力発電装置において、
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の翼が備えられていることを特徴とする風力発電装置。
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