JP5946812B2 - 風車ロータ及び風力発電装置 - Google Patents

Description

本開示は、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、風車ロータによって風の運動エネルギーを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。風車ロータの設計においては、通常、高い空力性能が得られる翼型を採用することによって風車ロータ全体としての効率（翼効率）の向上を図ることができる。なお、ここでいう効率とは、風の運動エネルギーを翼（正確には翼を含むロータ全体）の回転エネルギーに変換する際の効率である。

また、特許文献１及び２には、翼型の改善とは異なる方法によって風車ロータの空力性能を向上させる構成が開示されている。例えば特許文献１には、主ブレードの近傍にフラップ又はスラットの機能を有する補助ブレード（auxiliary blade section）を設けた構成が記載されている。すなわち、この補助ブレードによって主ブレードの揚力を増大させるようになっている。同様に特許文献２にも、主ブレードの揚力を増大させるための補助ブレード（auxiliary airfoil）の構造が記載されている。
また、特許文献３には、主ブレードとは別に空力フィン（aerodynamic fin）を設けた構成が記載されており、この空力フィンによって風車ロータにトルクを与えるようになっている。

国際公開第２０１０／１３３６４９号 国際公開第２００９／１２１９２７号 米国特許第８３０８４３７号明細書

ところで、風車ロータにおいて、翼効率の観点からは高い空力性能を有する翼型が要求されるが、その一方でブレードの軽量化やハブへの取り付け構造の改善等の他の制約条件も満たす翼型が望まれている。そのため、実際に設計される風車ロータが必ずしも最適な空力性能を有するとは限らない。
具体的には、翼先端側では、高い揚抗比が得られるようにブレードの翼厚比は小さい方が好ましい。これに対し、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や、ブレードの製造時におけるブレードのハンドリング性の向上や、ブレードの輸送性の向上等の観点から、ブレードの最大コード長は小さいことが望ましく、翼根側においても高い揚抗比が得られるように翼厚比が小さな翼型を採用することは難しい。さらに、ブレードがピッチ制御可能に構成される風車ロータの場合、ブレードのハブへの取り付け部、即ちブレードの翼根の外形は、翼旋回輪軸受に合わせて円柱状とする必要がある。このように、一般的な翼型は、翼先端側から最大コード長部分を経て翼根側へ向けて徐々にブレードの断面形状が翼型形状から真円状に近づくように変化し、ブレード断面形状が影響を与えるブレードの空力性能は翼根側で低くなる。その結果、典型的な風車ロータでは、風のエネルギーを風車ロータの回転エネルギーに変換する際の効率が内側セクション（ｉｎｂｏａｒｄ ｓｅｃｔｉｏｎ）において低下することとなる。

この点、特許文献１及び２の補助ブレードは、主ブレードの近傍に設けられて主ブレード自体の空力性能を変化させるものであり、これらの補助ブレード自体が揚力を積極的に生み出すものではない。そのため、特許文献１及び２の補助ブレードを設けても、風車ロータの内側セクション（ｉｎｂｏａｒｄ ｓｅｃｔｉｏｎ）における空力性能を十分に改善することは難しい。特許文献３の空力フィンは抗力が大きく性能が低いため、やはり内側セクションにおける風車ロータの空力性能の改善は困難であり、また内側セクションにおける効率を改善するための空力フィンの具体的構成も開示されていない。

本発明の少なくとも一実施形態は、上述の事情に鑑み、風車ロータの内側セクションにおける効率を向上し得る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。

本発明の少なくとも一実施形態に係る風車ロータは、
ハブと、
前記ハブを覆うスピナーと、
前記ハブに取り付けられる少なくとも２枚の主ブレードとを備える風車ロータであって、
前記風車ロータの回転方向において隣り合う２枚の前記主ブレードの翼根部間の領域の少なくとも一部を覆うように設けられ、前記ハブ又は前記スピナーから前記風車ロータの径方向外方に延出し、前記主ブレードよりも翼長が短い少なくとも一枚の副ブレードを備え、
各々の前記副ブレードは、該副ブレードの翼長方向位置ｘに対応する前記風車ロータの半径位置ｒにおける前記主ブレードの最適コード長をＣ_ｏｐｔとし、前記半径位置ｒにおける前記主ブレードのコード長をＣ_ｍａｉｎとしたときに、該主ブレードのコード長Ｃ_ｍａｉｎが０．５Ｃ_ｏｐｔ以上となる範囲（Ｃ_ｍａｉｎ≧０．５Ｃ_ｏｐｔ）における前記副ブレードの前記翼長方向位置ｘにおいて、Ｃ_ｏｐｔ−Ｃ_ｍａｉｎ≦Ｃ_ｓ≦０．５Ｃ_ｏｐｔで表わされるコード長Ｃ_ｓを有し、
前記主ブレードの最適コード長Ｃ_ｏｐｔは以下の式（１）

（但し、Ｃ_ｌ：揚力係数、Ｎ：主ブレードの翼枚数、λ；翼先端周速比、Ｒ：主ブレード半径、μ；ｒ／Ｒである。）
で表わされることを特徴とする。

一般的な風車翼の場合と同様に上記風車ロータの主ブレードに上述の制約条件（例えば翼旋回輪軸受への取付け構造上の制約）が適用されると、主ブレードの翼根部におけるコード長は、最適な空力性能を実現し得るコード長よりも短くなる。この場合、風車ロータの内側セクションでは風のエネルギーを風車ロータの回転エネルギーに効率的に変換することが難しくなる。そこで、上記風車ロータでは、隣り合う２枚の主ブレードの翼根部間の領域の少なくとも一部を覆うように副ブレードを設けている。また、副ブレードは、翼長方向位置ｘにおけるコード長Ｃ_ｓがＣ_ｏｐｔ−Ｃ_ｍａｉｎ≦Ｃ_ｓ≦０．５Ｃ_ｏｐｔとなるように構成している。これにより、風車ロータの半径位置ｒにおける最適コード長Ｃ_ｏｐｔに対する主ブレードのコード長Ｃ_ｍａｉｎの不足分を補うことができ、主ブレード及び副ブレードの組み合わせによって、風車ロータ全体としての内側セクションにおける空力性能を向上させることができる。よって、風車ロータにおける翼効率の効果的な改善が図れる。

幾つかの実施形態において、各々の前記副ブレードのコード長は、翼根側から翼先端側へ向けて単調減少するように構成される。
これにより、全ブレード（主ブレード及び副ブレード）のコード長の総和を風車ロータの半径位置毎に性能最適となる値により一層近づけることができ、風車ロータの空力性能の更なる向上が可能となる。また、上記実施形態によれば副ブレードの翼根側のコード長が大きくなる。すなわち、ハブ又はスピナへ取り付けられる副ブレードの翼根側の構造強度を高くすることができる。

幾つかの実施形態において、各々の前記副ブレードの翼長は、前記主ブレードの翼根部から該主ブレードの最大コード長の半径位置までの距離よりも短い。
このように、空力性能が他の部位よりも低い主ブレードの翼根部側領域に副ブレードが設置され、空力性能が比較的良好に確保される主ブレードの翼先端部側領域まで副ブレードが延在しないように風車ロータを構成することによって、風車ロータの大幅な重量増大を防ぎながらも空力性能の改善が可能となる。

幾つかの実施形態において、各々の前記副ブレードのツイスト角βは以下の式（２）

（但し、λ_{ｄｅｓｉｇｎ}：主ブレードの設計翼先端周速比、μ；ｒ／Ｒ、ｒ：風車ロータの半径位置、Ｒ：主ブレード半径、α_{ｄｅｓｉｇｎ}：副ブレードの設計迎角である。）
で表され、上記式（２）において、λ_{ｄｅｓｉｇｎ}は７以上１２以下であり、α_{ｄｅｓｉｇｎ}は５°以上１０°以下である。
一般に、ブレードの局所周速比（local tip speed ratio, λｒ=λ×μ）は半径位置によって異なるので、最適な空力性能が得られる条件はブレードの半径位置によって異なる。そのため、各半径位置における副ブレードのツイスト角を規定する上記式（２）において、主設計翼先端周速比及び副ブレードの迎角を上記範囲内に設定することにより、副ブレードの任意の翼長方向位置において高い効率を実現することができる。

幾つかの実施形態において、各々の前記副ブレードは、前記主ブレードより風上側に設けられている。
これにより、副ブレードが主ブレードの後流の影響を受けることなく風車ロータの内側セクションにおける所期の空力性能改善効果を享受できる。

幾つかの実施形態において、各々の前記副ブレードは、前記隣り合う２枚の主ブレードの翼長方向の二等分線に沿って設けられている。
これにより、主ブレードと副ブレードとの距離を十分に確保することができ、副ブレードが主ブレード周囲の風の流れの影響を受け難くなるため風車ロータの内側セクションにおける所期の空力性能改善効果を享受できる。

一実施形態において、各々の前記副ブレードは、前記ハブの風上側の面に取り付けられている。
一般的に、主ブレードはハブの回転軸を中心とした外周に沿って取り付けられる。そのため、ハブの風上側の面に副ブレードを取り付けると主ブレードは副ブレードより風下側に位置することとなる。これにより、副ブレードが主ブレードの後流の影響を受けることなく、風車ロータの内側セクションの所期の空力性能改善効果を享受できる。また、ハブの風上側の面には主ブレードが取り付けられることが少ないため、副ブレードを取り付けるための設計自由度が高くなる。

一実施形態において、各々の前記副ブレードは、前記ハブの風上側の面から前記風車ロータの半径方向に延出するように前記ハブに一体的に設けられる。
このように、副ブレードはハブの風上側の面から延出した構成であるため、副ブレードが主ブレードの後流の影響を受けることなく、風車ロータの内側セクションの所期の空力性能改善効果を享受できる。また、副ブレードがハブに一体的に設けられているので、副ブレードの構造強度を高くできるとともに副ブレードの回転エネルギーをハブへ効率よく伝達可能となる。

幾つかの実施形態において、各々の前記副ブレードには耐雷レセプタが取り付けられている。
これにより、副ブレードの耐雷性能の向上が図れる。

幾つかの実施形態において、各々の前記副ブレードは、該副ブレードの翼先端部から翼根部にわたる全領域において断面翼型形状を有する。
このように、副ブレードが、翼先端部から翼根部にわたる全領域において断面翼型形状を有するように構成することで、副ブレードの空力性能を高く維持し、風車ブレードの内側セクションにおける効率をより一層向上させることができる。

本発明の少なくとも一実施形態に係る風力発電装置は、
風車ロータと、
前記風車ロータの回転エネルギーを電力に変換するための発電機とを備え、
前記風車ロータは、
ハブと、
前記ハブを覆うスピナーと、
前記ハブに取り付けられる少なくとも２枚の主ブレードと、
前記風車ロータの回転方向において隣り合う２枚の前記主ブレードの翼根部間の領域の少なくとも一部を覆うように設けられ、前記ハブ又は前記スピナーから前記風車ロータの径方向外方に延出し、前記主ブレードよりも翼長が短い少なくとも一枚の副ブレードを備え、
各々の前記副ブレードは、該副ブレードの翼長方向位置ｘに対応する前記風車ロータの半径位置ｒにおける前記主ブレードの最適コード長をＣ_ｏｐｔとし、前記半径位置ｒにおける前記主ブレードのコード長をＣ_ｍａｉｎとしたときに、該主ブレードのコード長Ｃ_ｍａｉｎが０．５Ｃ_ｏｐｔ以上となる範囲（Ｃ_ｍａｉｎ≧０．５Ｃ_ｏｐｔ）における前記副ブレードの前記翼長方向位置ｘにおいて、Ｃ_ｏｐｔ−Ｃ_ｍａｉｎ≦Ｃ_ｓ≦０．５Ｃ_ｏｐｔで表わされるコード長Ｃ_ｓを有し、
前記主ブレードの最適コード長Ｃ_ｏｐｔは以下の式（１）

（但し、Ｃ_ｌ：揚力係数、Ｎ：主ブレードの翼枚数、λ；翼先端周速比、Ｒ：主ブレード半径、μ；ｒ／Ｒである。）
で表わされることを特徴とする。

上記風力発電装置によれば、隣り合う２枚の主ブレードの翼根部間の領域の少なくとも一部を覆うように設けられた副ブレードを備えているので、風車ロータの半径位置ｒにおける最適コード長Ｃ_ｏｐｔに対する主ブレードのコード長Ｃ_ｍａｉｎの不足分を補うことができ、主ブレード及び副ブレードの組み合わせによって、風車ロータの内側セクションにおける空力性能を向上させることができる。よって、風車ロータにおける翼効率の効果的な改善が図れる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、隣り合う２枚の主ブレードの翼根部間の領域の少なくとも一部を覆うように設けられた副ブレードを備えているので、風車ブレードの内側セクションにおける効率を向上できる。

一実施形態に係る風力発電装置の構成例を示す側面図である。 一実施形態に係る風車ロータの構成例を示す正面図である。 主ブレードのコード長を説明するための図である。 風車ロータの半径位置に応じた最適コード長を示すグラフである。 副ブレードのツイスト角を説明するための図である。 一実施形態に係る補助ブレードの取付例を示す側面図である。 他の実施形態に係る補助ブレードの取付例を示す側面図である。 他の実施形態に係る風車ロータの構成例を示す正面図である。 他の実施形態における耐雷レセプタが取り付けられた風車ロータの構成例を示す正面図である。

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、実施形態として以下に記載され、あるいは、実施形態として図面で示された構成部品の寸法、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、風力発電装置の構成例を示す図である。図２は一実施形態に係る風車ロータの構成例を示す正面図である。
幾つかの実施形態において、図１に示す風力発電装置１は、風力エネルギーを回転エネルギーに変換するための風車ロータ２と、風車ロータ２で変換された回転エネルギーを用いて発電するための発電機８とを有する。

一実施形態における風車ロータ２は、少なくとも２枚（図２では３枚）の主ブレード１０と、少なくとも１枚（図２では３枚）の副ブレード２０と、主ブレード１０及び副ブレード２０が取り付けられるハブ３０と、ハブ３０を覆うスピナー４０とを含んでいる。主ブレード１０のハブ３０への取付けは、例えば、主ブレード１０の翼根部をハブ３０に任意の締結部材を用いて固定することで行われる。なお、主ブレード１０及び副ブレード２０の具体的な構成については後述する。

一実施形態において、ハブ３０はメインシャフト６に取り付けられ、ハブ３０及びメインシャフト６はナセル３に回転自在に支持されて、これらは共に回転するように構成されている。ナセル３はタワー４の上端にヨー回転可能に取り付けられている。ナセル３内の空間には発電機８が設置され、メインシャフト６の回転が発電機８に入力されるようになっている。メインシャフト６と発電機８の間にはメインシャフト６の回転エネルギーを発電機８に伝えるドライブトレイン７が設けられている。なお、ドライブトレイン７としては、油圧トランスミッションやギヤ式増速機等を用いることができる。また、ドライブトレイン７を設けずに、ハブ３０又はメインシャフト６と発電機８とを直結させた構成であってもよい。さらに、同図では一例としてドライブトレイン７及び発電機８がナセル３内に配置される場合を示しているが、これらの少なくとも何れかがタワー４側に配置されてもよい。

図２及び図３に示すように、風車ロータ２の主ブレード１０は、翼先端部１２と、ハブ３０に連結される翼根部１３と、翼先端部１２と翼根部１３との間に位置する翼型部１１とを備えている。翼型部１１は、前縁（リーディングエッジ）１４と後縁（トレイリングエッジ）１５とを有する。また、主ブレード１０の翼型部１１の外形は、腹側面（圧力側：ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｉｄｅ）１７と、背側面（吸引側：ｓｕｃｔｉｏｎ ｓｉｄｅ）１８とによって形成される。なお、主ブレード１０では、翼型部１１の断面翼型形状から翼根部１３の断面円形状まで連続的に断面形状が変化している。なお、風車ロータ２の内側の領域、すなわち主ブレード１０の翼根部１３を含む領域を、風車ロータ２の内側セクション（ｉｎｂｏａｒｄ ｓｅｃｔｉｏｎ）６０という。また、風車ロータ２の内側セクション６０より外側の領域、すなわち、主ブレード１０の翼先端部１２を含む領域を外側セクション（ｏｕｔｂｏａｒｄ ｓｅｃｔｉｏｎ）６２という。

上記主ブレード１０と同様に、風車ロータ２の副ブレード２０は、翼先端部２２と、ハブ３０に連結される翼根部２３と、翼先端部２２と翼根部２３との間に位置する翼型部２１とを備えている。翼型部２１は、前縁２４と後縁２５とを有する。また、副ブレード２０の翼型部２１の外形は、腹側面２７と、背側面２８とによって形成される。副ブレード２０は、例えば、鋼製材料、繊維強化プラスチック等で形成されてもよい。また、副ブレード２０は揚力型のブレード形状を有していてもよい。すなわち、副ブレード２０は、単独で揚力を発生可能な形状を有していてもよい。例えば副ブレード２０は、翼先端周速比λに対して半径位置ｘ毎に空力性能が最適となるコード長Ｃ_ｓを有しており、翼根２３に近い半径位置ｘでは翼先端２２に比べてコード長Ｃ_ｓが大きい。また、副ブレード２０の翼厚比（＝翼厚Ｔ_ＭＡＸ／コード長Ｃ_ｓ）が小さく、薄い形状であってもよい。さらに、幾つかの実施形態では、副ブレード２０は、主ブレード１０とは異なり、翼根部２３の断面形状は円形ではなく翼型形状である。換言すれば、幾つかの実施形態では、副ブレード２０は、翼先端部２２から翼根部２３に至る全領域において断面翼型形状を有する。

ここで、図２及び図３を参照して、本明細書で用いる用語について説明する。
本明細書において、風車ロータ２の回転中心Ｏから主ブレード１０の翼先端部１２までの距離を回転半径Ｒ、回転中心Ｏからの距離がｒとなる点Ｐの位置を半径位置ｒと称する。さらに、副ブレード２０の翼長方向に沿った位置を翼長方向位置ｘと称する。
また、主ブレード１０の翼型部１１において、前縁１４と後縁１５とを結ぶコード（翼弦線）１６の長さをコード長と称し、半径位置ｒにおける主ブレード１０のコード長をＣ_ｍａｉｎと称する。
さらに、風車ロータ２の半径位置ｒにおける主ブレード１０の最適コード長をＣ_ｏｐｔと称する。この最適コード長Ｃ_ｏｐｔは空力性能の観点から後述の式（１）により求められる。
さらにまた、副ブレード２０の翼型部２１において、前縁２４と後縁２５とを結ぶコード２６の長さを副ブレード２０のコード長Ｃ_ｓと称する。

本実施形態に係る風車ロータ２において、図１及び図２に示す副ブレード２０は以下のように構成される。
すなわち、副ブレード２０は、風車ロータ２の回転方向において隣り合う２枚の主ブレード１０，１０の翼根部１３，１３間の領域の少なくとも一部を覆うように設けられる。図示の例では、風車ロータ２の回転面内において、１２０°の間隔を有して３枚の主ブレード１０がハブ３０に取り付けられるとともに、隣り合う２枚の主ブレード１０，１０の間に１枚ずつ、すなわち合計３枚の副ブレード２０がハブ３０に取り付けられる。また、副ブレード２０は、主ブレード１０よりも翼長が短く、ハブ３０から風車ロータ２の径方向外方に延出するように構成される。

また、図４に示すように副ブレード２０は、主ブレード１０のコード長Ｃ_ｍａｉｎが０．５Ｃ_ｏｐｔ以上となる範囲（Ｃ_ｍａｉｎ≧０．５Ｃ_ｏｐｔ）、すなわち、Ｃ_ｍａｉｎ＝０．５Ｃ_ｏｐｔとなる半径位置ｒ_１及びその翼先端側の副ブレード２０の翼長方向位置ｘ（≧ｒ_１）において、Ｃ_ｏｐｔ−Ｃ_ｍａｉｎ≦Ｃ_ｓ≦０．５Ｃ_ｏｐｔで表わされるコード長Ｃ_ｓを有する。なお、図４は風車ロータの半径位置に応じた最適コード長を示すグラフである。
ここで、主ブレード１０の最適コード長Ｃ_ｏｐｔは以下の式（１）で表わされる。

但し、Ｃ_ｌ：揚力係数、Ｎ：主ブレードの翼枚数、λ；翼先端周速比、Ｒ：主ブレード半径、μ；ｒ／Ｒである。

図４に示すように、主ブレード１０の最適コード長Ｃ_ｏｐｔは、翼根において最大となり、翼先端に向けて、ｒに関して反比例的に減少する。主ブレード１０の翼型設計においては、最適コード長に沿った形状とすれば空力性能を高くすることできることが知られている。ところが、通常は、主ブレード１０の翼先端１２側では最適コード長Ｃ_ｏｐｔに対応した形状に容易にできるものの、翼根部１３側では主ブレード１０のハブ３０への取り付け構造等の各種の制約条件から最適コード長Ｃ_ｏｐｔよりも短くなっている。そこで、本実施形態に係る風車ロータ２は、主ブレード１０の翼根部領域を含む風車ロータ２の内側セクション（ｉｎｂｏａｒｄ ｓｅｃｔｉｏｎ）６０における空力性能を向上させる目的で、上記範囲内のコード長Ｃ_ｓを有する副ブレード２０を設けた構成としている。

これにより、風車ロータ２の半径位置ｒにおける最適コード長Ｃ_ｏｐｔに対する主ブレード１０のコード長Ｃ_ｍａｉｎの不足分を補うことができ、主ブレード１０及び副ブレード２０の組み合わせによって、風車ロータ２全体としての内側セクション６０における空力性能を向上させることができる。よって、風車ロータ２における翼効率の効果的な改善が図れる。

一実施形態において、各々の副ブレード２０のコード長Ｃ_ｓは、翼根２３側から翼先端２２側へ向けて単調減少するように構成されてもよい。全ブレード（主ブレード１０及び副ブレード２０）のコード長の総和を風車ロータ２の半径位置ｒ毎に性能最適となる値により一層近づけることができ、風車ロータ２の空力性能の更なる向上が可能となる。また、上記実施形態によれば副ブレード２０の翼根２３側のコード長Ｃ_ｓが大きくなる。すなわち、ハブ３０又はスピナ４０へ取り付けられる副ブレード２０の翼根２３側の構造強度を高くすることができる。

また、一実施形態において、各々の副ブレード２０の翼長は、主ブレード１０の翼根部１３から該主ブレード１０の最大コード長の半径位置ｒまでの距離よりも短い。
このように、空力性能が他の部位よりも低い主ブレード１０の翼根部１３側領域に副ブレード２０が設置され、空力性能が比較的良好に確保される主ブレード１０の翼先端部１２側領域まで副ブレード２０が延在しないように風車ロータ２を構成することによって、風車ロータ２の大幅な重量増大を防ぎながらも空力性能の改善が可能となる。

一実施形態において、副ブレード２０は以下の構成を備えていてもよい。ここで、図５は副ブレードのツイスト角を説明するための図である。図５において、副ブレード２０は図中矢印で示される翼回転方向に回転する。副ブレード２０は、コード２６が翼回転方向に対してツイスト角βをなすように配置されている。このツイスト角βは、コード２６の延長線Ｃと翼回転方向に平行な直線Ｅとの間の角度であり、副ブレード２０の取り付け角を意味している。また、相対風速ベクトルＷは、翼回転方向に回転している副ブレード２０に対する風の相対的な速度ベクトルであり、副ブレード２０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、副ブレード２０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とコード２６の延長線Ｃとの間の角度αが、副ブレード２０の迎角である。

各々の前記副ブレードのツイスト角βは以下の式（２）で表される。

但し、λ_{ｄｅｓｉｇｎ}：主ブレードの設計翼先端周速比、μ；ｒ／Ｒ、ｒ：風車ロータの半径位置、Ｒ：主ブレード半径、α_{ｄｅｓｉｇｎ}：副ブレードの設計迎角である。
さらに、上記式（２）において、λ’_{ｄｅｓｉｇｎ}は７以上１２以下であり、α_{ｄｅｓｉｇｎ}は５°以上１０°以下である。

このように、副ブレード２０のツイスト角βを規定する上記式（２）において、設計翼先端周速比及び副ブレードの迎角を上記範囲内に設定すれば、副ブレード２０の任意の翼長方向位置ｘにおいて、副ブレード２０の迎角αを適切な範囲内に収めることができる。よって、副ブレード２０の任意の翼長方向位置ｘにおいて、副ブレード２０の高い効率を実現することができる。

また、図１に示すように、各々の副ブレード２０は、主ブレード１０より風上側に設けられていてもよい。すなわち、図１のように風車ロータ２を側面から視たときに、各々の副ブレード２０が主ブレード１０よりも風上側にずれていてもよい。これにより、副ブレード２０が主ブレード１０の後流の影響を受けることなく風車ロータ２の内側セクション６０における所期の空力性能改善効果を享受できる。

さらに、図２に示すように、各々の副ブレード２０は、隣り合う２枚の主ブレード１０の翼長方向の二等分線Ｌに沿って設けられてもよい。これにより、主ブレード１０と副ブレード２０との距離を十分に確保することができ、副ブレード２０が主ブレード１０周囲の風の流れの影響を受け難くなるため風車ロータ２の内側セクション６０における所期の空力性能改善効果を享受できる。

以下、本実施形態に係る風車ロータ２における副ブレード２０のハブ３０への取り付け構造の具体例について説明する。図６Ａ及び図６Ｂは、それぞれ、一実施形態に係る補助ブレードの取付例を示す側面図である。
図６Ａ及び図６Ｂに示すハブ３０は、風車ロータ２の回転中心Ｏの外周側に、主ブレード取付部３２が設けられている。主ブレード取付部３２は、主ブレード１０のピッチ方向への回転を可能とするためにベアリング（翼旋回輪軸受）を有している。また、ハブ３０は風上側に平坦面３４を有している。

図６Ａに示す風車ロータ２は、副ブレード２０をハブ３０の平坦面３４にボルト３６によって取り付けた構成となっている。これにより、副ブレード２０が主ブレード１０の後流の影響を受けることなく、風車ロータ２の内側セクション６０の所期の空力性能改善効果を享受できる。また、ハブ３０の風上側の面には主ブレード１０が取り付けられることが少ないため、副ブレード２０を取り付けるための設計自由度が高くなる。なお、副ブレード２０は、ハブ３０に一体的に形成されてもよい。

図６Ｂに示す風車ロータ２は、副ブレード２０をスピナー４０に取り付けた構成となっている。なお、副ブレード２０は、スピナー４０と一体的に形成されてもよい。スピナー４０は、副ブレード２０から入力される回転エネルギーをハブ３０に伝達可能な形状、強度及び接続構造を有するものとする。上記構成によれば、スピナー４０はハブ３０よりも表面積が大きいため、副ブレード２０を取り付けるための設計自由度がより一層高くなる。
なお、図６Ａ及び図６Ｂに示した風車ロータ２は、副ブレード２０がハブ３０又はスピナー４０に固定された構成となっているが、副ブレード２０はハブ３０又はスピナー４０に対してピッチ回転可能に取り付けられてもよい。

図７は他の実施形態に係る風車ロータの構成例を示す正面図である。
図７に示す風車ロータ２’は、２枚の主ブレード１０’及び２枚の副ブレード２０’がハブ３０に取り付けられた構成を有する。主ブレード１０’は、風車ロータ２’の回転面内において、１８０°の間隔を有して２枚設けられている。すなわち、２枚の主ブレード１０’の翼軸線がハブ３０を間に挟んで直線状となるように、各主ブレード１０’が配置されている。さらに、副ブレード２０’は、風車ロータ２’の回転方向において隣り合う２枚の主ブレード１０’，１０’の翼根部１３’，１３’間の領域の少なくとも一部を覆うように設けられる。また、副ブレード２０’は、隣り合う２枚の主ブレード１０’，１０’の間に１枚ずつ、すなわち合計２枚の副ブレード２０’がハブ３０に取り付けられている。この副ブレード２０’は、主ブレード１０’よりも翼長が短く、ハブ３０から風車ロータ２’の径方向外方に延出するように構成される。２枚の副ブレード２０’も、風車ロータ２’の回転面内において、１８０°の間隔を有して２枚設けられていてもよい。すなわち、２枚の副ブレード２０’の翼軸線がハブ３０を間に挟んで直線状となるように、各副ブレード２０’が配置されていてもよい。なお、風車ロータ２‘の内側の領域を風車ロータ２’の内側セクション６０’といい、内側セクション６０より外側の領域を外側セクション６２’という。

一実施形態において、各々の副ブレード２０’は、該副ブレード２０’の任意の翼長方向位置ｘにおいて、翼長方向位置ｘに対応する風車ロータ２’の半径位置ｒにおける主ブレード１０’の空力的な最適コード長をＣ_ｏｐｔとし、半径位置ｒにおける主ブレード１０’のコード長をＣ_ｍａｉｎとしたときにＣ_ｏｐｔ−Ｃ_ｍａｉｎ≦Ｃ_ｓ≦０．５Ｃ_ｏｐｔで表わされるコード長Ｃ_ｓを有する。
なお、主ブレード１０の最適コード長Ｃ_ｏｐｔは上述した式（１）で表される。

このように、２枚翼の風車ロータ２’に補助ブレード２０’を設けた構成とすることによって、ハブ３０に作用するモーメントを緩和して、変動荷重を低減することができる。また、副ブレード２０’のツイスト角βは上述した式（２）で表され、式（２）において、λ’_{ｄｅｓｉｇｎ}は７以上１２以下であり、α_{ｄｅｓｉｇｎ}は５°以上１０°以下であってもよい。

また、図８に示すように、風車ロータ２’は耐雷機能を有していてもよい。なお、図８は一実施形態における耐雷レセプタが取り付けられた風車ロータの構成例を示す正面図である。
一実施形態では、図８に示す風力発電装置１’において、副ブレード２０’の先端部２２’側に、導電性金属で構成された耐雷レセプタ５０が取り付けられている。耐雷レセプタ５０にはダウンコンダクタ５２が電気的に接続されている。ダウンコンダクタ５２は、副ブレード２０’の翼長方向に沿って耐雷レセプタ５０からハブ３０まで延在している。耐雷レセプタ５０及びダウンコンダクタ５２は、風車ロータ７が有する全ての副ブレード２０（図８では２枚）に設けられてもよい。勿論、一実施形態において主ブレード１０’にも耐雷機能を付加してもよい。その場合、副ブレード２０’と同様に、主ブレード１０’の先端部１２’側に、導電性金属で構成された耐雷レセプタ５４が取り付けられている。耐雷レセプタ５４にはダウンコンダクタ５６が電気的に接続されており、該ダウンコンダクタ５６は耐雷レセプタ５４からハブ３０まで延在している。耐雷レセプタ５４及びダウンコンダクタ５６は、風車ロータ２’が有する全ての主ブレード１０（図８では２枚）に設けられてもよい。

このような構成により、落雷時、副ブレード２０’の耐雷レセプタ５０及びダウンコンダクタ５２、又は、主ブレード１０’の耐雷レセプタ５４及びダウンコンダクタ５６を介して雷電流を逃がすことができる。
特に、図８に示す２枚翼（２枚の主ブレード１０’，１０’を含む）の風車ロータ２’においては、副ブレード２０’に耐雷レセプタ５０を設けることにより風力発電装置１’の耐雷機能を大幅に向上させることができる。例えば暴風時等において風力発電装置１’を停止する場合、２枚の主ブレード１０’，１０’をフェザー状態にするとともに２枚の主ブレード１０’，１０’が水平となるような位置で停止させることがある。このとき、副ブレード２０’を有していない一般的な２枚翼の風力発電装置の場合、主ブレード１０’の先端１２’から翼根１３’まで略同一の高さとなる。そのため、主ブレード１０’の先端１２’側に設けた耐雷レセプタ５４には落雷せずに、主ブレード１０’の中央部や翼根部１３’、あるいはナセル３等の意図しない部位に被雷する可能性がある。
そこで、本実施形態では、２枚の主ブレード１０’，１０’の翼長方向の二等分線に沿って設けられた２枚の副ブレード２０’，２０’を有する風力発電装置１’において、副ブレード２０’に耐雷レセプタ５０を設けている。このような構成とした場合、主ブレード１０’，１０’を水平位置で停止させた時、何れかの副ブレード２０’が鉛直方向上方に延びるように配置される。これにより、副ブレード１０’の耐雷レセプタ５０が被雷しやすくなり、意図しない部位への落雷を抑制できる。

なお、図８では、２枚の主ブレード１０’，１０’及び２枚の副ブレード２０’，２０’を有する風車ロータ２’に対して耐雷レセプタ５０を設けた構成を例示したが、耐雷機能を有する風車ロータの構成はこれに限定されるものではない。例えば図２に示す３枚の主ブレード及び３枚の副ブレードを有する風車ロータ２に対して耐雷レセプタを設けた構成としてもよい。

以上説明したように、上述の実施形態によれば、隣り合う２枚の主ブレード１０，１０’の翼根部間の領域の少なくとも一部を覆うように設けられた副ブレード２０，２０’を備えているので、風車ブレード２，２’の内側セクション６０‘における効率を向上できる。

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。

例えば、上述の実施形態では、主ブレード１０及び副ブレード２０を３枚ずつ有する風車ロータ２（図２参照）、並びに、主ブレード１０’及び副ブレード２０’を２枚ずつ有する風車ロータ２’（図７参照）について詳細に説明したが、主ブレード又は副ブレードの枚数は特に限定されるものではない。
また、上述の実施形態では、風車ロータ２，２’の回転方向に対して主ブレード１０，１０’と副ブレード２０，２０’が交互に配置された構成（図２，図７参照）を例示したが、主ブレードと副ブレードの相対的な配置構成はこれに限定されるものではない。例えば、隣り合う２枚の主ブレードの翼根部間の一領域に、２枚以上の副ブレードが配置された構成であってもよいし、隣り合う２枚の主ブレードの翼根部間の領域の全てに副ブレードを配置するのではなく、選択された領域にのみ副ブレードが配置された構成であってもよい。

１，１’ 風力発電装置
２，２’ 風車ロータ
３ ナセル
４ タワー
６ メインシャフト
７ ドライブトレイン
８ 発電機
１０，１０’ 主ブレード
１１，１１’ 翼型部
１２，１２’ 翼先端部
１３，１３’ 翼根部
１４ 前縁
１５ 後縁
２０，２０’ 補助ブレード
２１，２１’ 翼型部
２２，２２’ 翼先端部
２３，２３’ 翼根部
３０ ハブ
３２ 主ブレード取付部
３４ 平坦面
４０ スピナー
５０，５４ 耐雷レセプタ
５２，５６ ダウンコンダクタ

Claims (11)

1. ハブと、
   前記ハブを覆うスピナーと、
   前記ハブに取り付けられる少なくとも２枚の主ブレードとを備える風車ロータであって、
   前記風車ロータの回転方向において隣り合う２枚の前記主ブレードの翼根部間の領域の少なくとも一部を覆うように設けられ、前記ハブ又は前記スピナーから前記風車ロータの径方向外方に延出し、前記主ブレードよりも翼長が短い少なくとも一枚の副ブレードを備え、
   各々の前記副ブレードは、該副ブレードの翼長方向位置ｘに対応する前記風車ロータの半径位置ｒにおける前記主ブレードの最適コード長をＣ_ｏｐｔとし、前記半径位置ｒにおける前記主ブレードのコード長をＣ_ｍａｉｎとしたときに、該主ブレードのコード長Ｃ_ｍａｉｎが０．５Ｃ_ｏｐｔ以上となる範囲（Ｃ_ｍａｉｎ≧０．５Ｃ_ｏｐｔ）における前記副ブレードの前記翼長方向位置ｘにおいて、Ｃ_ｏｐｔ−Ｃ_ｍａｉｎ≦Ｃ_ｓ≦０．５Ｃ_ｏｐｔで表わされるコード長Ｃ_ｓを有し、
   前記主ブレードの最適コード長Ｃ_ｏｐｔは以下の式（１）
   

   

   （但し、Ｃ_ｌ：主ブレードの揚力係数、Ｎ：主ブレードの翼枚数、λ；主ブレードの翼先端周速比、Ｒ：主ブレード半径、μ；ｒ／Ｒである。）
   で表わされることを特徴とする風車ロータ。
2. 各々の前記副ブレードのコード長は、翼根側から翼先端側へ向けて単調減少するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の風車ロータ。
3. 各々の前記副ブレードの翼長は、前記主ブレードの翼根部から該主ブレードの最大コード長の半径位置までの距離よりも短いことを特徴とする請求項１又は２に記載の風車ロータ。
4. 各々の前記副ブレードのツイスト角βは以下の式（２）
   

   

   （但し、λ_{ｄｅｓｉｇｎ}：主ブレードの設計翼先端周速比、μ；ｒ／Ｒ、ｒ：風車ロータの半径位置、Ｒ：主ブレード半径、α_{ｄｅｓｉｇｎ}：副ブレードの設計迎角である。）
   で表され、
   上記式（２）において、λ’_{ｄｅｓｉｇｎ}は７以上１２以下であり、α_{ｄｅｓｉｇｎ}は５°以上１０°以下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。
5. 各々の前記副ブレードは、前記主ブレードより風上側に設けられてい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。
6. 各々の前記副ブレードは、前記隣り合う２枚の主ブレードの翼長方向の二等分線に沿って設けられている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ロータ。
7. 各々の前記副ブレードは、前記ハブの風上側の面に取り付けられている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ロータ。
8. 各々の前記副ブレードは、前記ハブの風上側の面から前記風車ロータの半径方向に延出するように前記ハブに一体的に設けられた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ロータ。
9. 各々の前記副ブレードに耐雷レセプタが取り付けられている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ロータ。
10. 各々の前記副ブレードは、該副ブレードの翼先端部から翼根部にわたる全領域において断面翼型形状を有す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ロータ。
11. ハブと、
    前記ハブを覆うスピナーと、
    前記ハブに取り付けられる少なくとも２枚の主ブレードとを備える風車ロータであって、
    前記風車ロータの回転方向において隣り合う２枚の前記主ブレードの翼根部間の領域の少なくとも一部を覆うように設けられ、前記ハブ又は前記スピナーから前記風車ロータの径方向外方に延出し、前記主ブレードよりも翼長が短い少なくとも一枚の副ブレードを備え、
    各々の前記副ブレードは、該副ブレードの翼長方向位置ｘに対応する前記風車ロータの半径位置ｒにおける前記主ブレードの最適コード長をＣ_ｏｐｔとし、前記半径位置ｒにおける前記主ブレードのコード長をＣ_ｍａｉｎとしたときに、該主ブレードのコード長Ｃ_ｍａｉｎが０．５Ｃ_ｏｐｔ以上となる範囲（Ｃ_ｍａｉｎ≧０．５Ｃ_ｏｐｔ）における前記副ブレードの前記翼長方向位置ｘにおいて、Ｃ_ｏｐｔ−Ｃ_ｍａｉｎ≦Ｃ_ｓ≦０．５Ｃ_ｏｐｔで表わされるコード長Ｃ_ｓを有し、
    前記主ブレードの最適コード長Ｃ_ｏｐｔは以下の式（１）
    

    

    （但し、Ｃ_ｌ：揚力係数、Ｎ：主ブレードの翼枚数、λ；翼先端周速比、Ｒ：主ブレード半径、μ；ｒ／Ｒである。）
    で表わされることを特徴とする風力発電装置。
    

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