JP5995816B2 - 風車翼及び風力発電装置 - Google Patents

Description

本開示は、風車翼及びこれを備えた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、風の運動エネルギーを風車翼とハブを含む風車ロータの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エネルギーに変換する。

特許文献１には、安価かつ効率的に風の運動エネルギーを風車ロータの回転エネルギーに変換することを主目的とした風車翼が開示されている。この風車翼の翼型においては、翼根領域（回転中心から半径方向へ２０〜５０％の領域）における代表的な翼厚比（コード長に対する最大翼厚の割合）が２４％、翼端側領域（回転中心から半径方向へ５０〜８０％の領域）における代表的な翼厚比が２１％、先端領域（回転中心から半径方向へ８０〜１００％の領域）における代表的な翼厚比が１６％に設定されている。

欧州特許出願公開第０６７５２８５号明細書

ところで、風車翼の翼型設計においては、上述の翼厚比を大きくするほど、コード長を短くして風車翼が風から受ける空力荷重を低減しやすくなる。また、翼厚比を大きくするほど、風車翼の主補強材としての背側スパーキャップと腹側スパーキャップの間の距離を確保することで断面係数を大きくして、風車翼の高強度を実現しやすくなるため、これらのスパーキャップ（一般に、風車翼に用いられる部材の中で比重が相対的に大きい部材である）の使用量を低減して、風車翼の重量荷重を低減できる）

一方で、上述の翼厚比が大きくなるほど、翼型の揚抗比が低下するため、何も工夫しなければ空力性能（風の運動エネルギーを風車ロータの回転エネルギーに変換する効率に寄与する性能）が低下してしまう。

最適な空力性能を実現するためには、コード長と設計揚力係数の比を一定にする必要があるので、コード長が短い翼型において空力性能を最大限発揮するためには、設計揚力係数を大きくする必要がある。従って、上述のように翼厚比を大きくする場合には、空力性能が低下しないように、コード長に対する前縁から最大翼厚位置までのコード方向距離の比を比較的小さな値にする（最大翼厚位置をコード方向において前縁に近づける）ことが望ましい。これにより、空力荷重や重量荷重を低減しつつ、空力性能の低下を抑制することができる。

ところで、風車ロータの半径に対する風車ロータの半径方向位置の比が１に近い値（典型的には０．７以上）である翼先端部は、翼根部と比較して翼断面積が小さいため、風車翼全体に占める重量の割合が小さい。そのため、従来、翼先端部の翼型設計の工夫によって享受できる翼の重量荷重の低減効果は限定的であると考えられており、従来の典型的な翼型設計手法では、翼の重量荷重を低減することよりも翼の空力性能の低下を抑制することが重視されていた。

しかしながら、近年、風車の大型化により翼先端部にかかる遠心力が増大しているため、翼先端部に適用する翼型に関し、従来の翼厚比の調節に加えて別の手法により、更に重量荷重を低減する必要があることが本発明者らの検討により明らかとなった。

この点に関し、特許文献１は、翼厚比の範囲が１６〜２４％である旨を開示しているものの、翼先端部の重量荷重を低減するために翼厚比の調節以外にどのような手法を用いればよいかについて開示していない。

本発明の幾つかの実施形態は、風車を大型化しても、風車翼が風から受ける空力荷重の増大を抑制するとともに、空力性能の低下を抑制し、更に、所望の断面係数を得るために必要なスパーキャップの使用量を低減することで風車翼の重量荷重の増大を抑制することが可能な風車翼を提供することを目的とする。

本発明の幾つかの実施形態にかかる風車翼は、
（１）風車ロータに用いられる風車翼であって、
当該風車翼の背側において翼長方向に延設される少なくとも１つの背側スパーキャップと、
当該風車翼の腹側において前記翼長方向に延設される少なくとも１つの腹側スパーキャップと、
前記少なくとも１つの背側スパーキャップと前記少なくとも１つの腹側スパーキャップとの間において前記翼長方向に延設される少なくとも１つのシアウェブと、
を有し、
前記風車ロータの半径Ｒに対する前記風車ロータの半径方向位置ｒの比ｒ／Ｒが０．７〜１．０である翼先端部のうち、翼断面に前記少なくとも１つの背側スパーキャップと前記少なくとも１つの腹側スパーキャップと前記少なくとも１つのシアウェブとが存在する領域の少なくとも一部は、以下の（ａ）〜（ｃ）の条件をすべて満たす翼型を有する。（ａ）コード長Ｃに対する最大翼厚ｔ_ｍａｘの割合を示す翼厚比が１９％以上２３％以下であり、（ｂ）前記コード長Ｃに対する前縁から最大翼厚位置までのコード方向距離Ｘ_ｔｍａｘの比Ｘ_ｔｍａｘ／Ｃが０．２８以上０．３２以下であり、（ｃ）コード上における前記最大翼厚位置と後縁との中点位置での翼厚をｔ_ａｆｔとすると、前記最大翼厚ｔ_ｍａｘに対する翼厚ｔ_ａｆｔの比ｔ_ａｆｔ／ｔ_ｍａｘが０．５１以上０．５６以下である。

上記（１）に記載の風車翼によれば、上記（ａ）に記載のようにコード長Ｃに対する最大翼厚ｔ_ｍａｘの割合を示す翼厚比を１９％以上２３％以下にすることにより、翼厚比が１９％より小さい風車翼と比較して、コード長を短くして風車翼が風から受ける空力荷重を低減しやすくなる。また、翼厚比が１９％より小さい風車翼と比較して、スパーキャップ間距離を確保することで断面係数を大きくして、風車翼の高強度を実現しやすくなる。これにより強度部材として機能するスパーキャップ（一般に、風車翼に用いられる部材の中で比重が相対的に大きい部材である）の使用量を低減できるので、風車翼の重量荷重を低減できる。一方で、上記（ａ）に記載の構成の採用により、翼厚比が１９％より小さい風車翼と比較して翼型の揚抗比が低下するため、何も工夫しなければ空力性能（風の運動エネルギーを風車ロータの回転エネルギーに変換する効率に寄与する性能）が低下してしまう。

そこで、上記（１）の風車翼では、上記（ａ）に記載の構成を採用したうえで、空力性能が低下しないように、上記（ｂ）に記載のようにコード長Ｃに対する前縁から最大翼厚位置までのコード方向距離Ｘ_ｔｍａｘの比Ｘ_ｔｍａｘ／Ｃを０．２８以上０．３２以下にしている。このように、比Ｘ_ｔｍａｘ／Ｃが０．３２より大きい翼と比較して翼型における最大翼厚位置を前縁に近づけることで、設計揚力係数を大きくして空力性能の低下を抑制することができる。

ところで、風車ロータの半径Ｒに対する風車ロータの半径方向位置ｒの比ｒ／Ｒが０．７〜１．０である翼先端部は、翼根部と比較して翼断面積が小さいため、風車翼全体に占める重量の割合が小さい。そのため、従来、翼先端部の翼型設計の工夫によって享受できる翼の重量荷重の低減効果は限定的であると考えられており、従来の典型的な翼型設計手法では、翼の重量荷重を低減することよりも翼の空力性能の低下を抑制することが重視されていた。このような典型的な翼型設計手法を上記（ａ）及び上記（ｂ）の構成を備えた翼先端部の翼型に適用すれば、翼厚ｔ_ａｆｔが小さくなってしまう。

これに対し、近年、風車の大型化により翼先端部にかかる遠心力が増大しているため、上記（１）の風車翼では、翼先端部に適用する翼型に関し、従来の典型的な翼設計手法とは異なり、空力性能だけでなく、重量荷重をも考慮した翼型を採用している。すなわち、上記（ａ）及び上記（ｂ）に記載の構成を備えるとともに、更に上記（ｃ）に記載のように、最大翼厚ｔ_ｍａｘに対する翼厚ｔ_ａｆｔの比ｔ_ａｆｔ／ｔ_ｍａｘは０．５１以上０．５６以下である。このように、比ｔ_ａｆｔ／ｔ_ｍａｘを０．５１以上０．５６以下とすることにより、空力性能を考慮しつつ、少なくとも１つのシアウェブ（２つ以上のシアウェブを有する場合は特に後縁側のシアウェブ）を挟むスパーキャップの使用量を低減して風車翼の重量荷重を低減することが可能となる。

以上のように、上記（１）に記載の風車翼によれば、風車翼を大型化しても、風車翼が風から受ける空力荷重の増大を抑制するとともに空力性能の低下を抑制し、更に、所望の断面係数を得るために必要なスパーキャップの使用量を低減することで風車翼の重量荷重の増大を抑制することが可能となる。

幾つかの実施形態では、上記（１）に記載の風車翼において、
（２）前記翼型の腹側面のプロファイルについて、前記コード長Ｃに対する前記前縁からのコード方向距離Ｘの比Ｘ／Ｃをｘ、前記前縁からのコード方向距離がＸの位置において前記コード長Ｃに対する前記コードを基準とした翼厚方向の腹側面の位置座標Ｙの比Ｙ／Ｃをｙとすると、
ｘによるｙの２階微分ｄ ^２ ｙ／ｄｘ ^２ は、ｘ＝０．８５において−２．２以上−１．４以下である。
なお、ここでの位置座標Ｙは、前記コードよりも背側において正の値をとり、前記コードよりも腹側において負の値をとる。

上記（１）に記載の風車翼では、風車翼の重量荷重を低減するために、上記（ｃ）に記載のように、最大翼厚ｔ_ｍａｘに対する翼厚ｔ_ａｆｔの比ｔ_ａｆｔ／ｔ_ｍａｘは０．５１以上０．５６以下とし、前記中点位置周辺の領域（最大翼圧位置よりも後縁側の領域）における翼厚を大きくしている。本発明者らの知見によれば、このような翼型では、転向角に寄与する腹側面の凹面領域を後縁に寄せることが、転向角を大きくして空力性能を向上させるために有効である。一方、風車翼の構造上、翼型の後縁角度（はさみ角）はあまり小さくすることはできないから、腹側面の凹面領域を後縁に寄せることには限界がある。本発明者らによる鋭意検討の結果、ｘ＝０．８５の周辺に腹側面の凹面領域が存在する場合に風車翼の構造上の制約（後縁角度の制約）を満たしながら、転向角の増大による空力性能の向上を実現できることが明らかになった。
この点、上記（２）に記載の風車翼によれば、２階微分ｄ ^２ ｙ／ｄｘ ^２ をｘ＝０．８５において−２．２以上−１．４以下として転向角を確保することにより、上記（１）にて比ｔ_ａｆｔ／ｔ_ｍａｘを０．５１以上０．５６以下という比較的厚い値（空力的には不利になりやすい値）に設定した場合であっても、良好な空力性能を実現することができる。
したがって、風車翼を大型化しても、風車翼が風から受ける空力荷重の増大を抑制するとともに空力性能の低下を十分に抑制し、更に、所望の断面係数を得るために必要なスパーキャップの使用量を低減することで風車翼の重量荷重の増大を抑制することが可能となる。

幾つかの実施形態では、上記（２）に記載の風車翼において、
（３）前記２階微分ｄ ^２ ｙ／ｄｘ ^２ は、ｘ＝０．８５において−２．０以上−１．６以下である。

上記（２）に記載の風車翼によれば、２階微分ｄ ^２ ｙ／ｄｘ ^２ をｘ＝０．８５において−２．０以上−１．６以下として転向角を確保することにより、上記（１）にて比ｔ_ａｆｔ／ｔ_ｍａｘを０．５１以上０．５６以下という比較的厚い値（空力的には不利になりやすい値）に設定した場合であっても、更に良好な空力性能を実現することができる。
したがって、風車翼を大型化しても、風車翼が風から受ける空力荷重の増大を抑制するとともに空力性能の低下を十分に抑制し、更に、所望の断面係数を得るために必要なスパーキャップの使用量を低減することで風車翼の重量荷重の増大を抑制することが可能となる。

幾つかの実施形態では、上記（２）又は（３）に記載の風車翼において、
（４）前記翼型の腹側面のプロファイルは、ｘ＝０．６０〜０．７０の範囲内において、前記２階微分ｄ ^２ ｙ／ｄｘ ^２ が０となる変曲点を有する。

上記（４）に記載の風車翼によれば、２階微分ｄ ^２ ｙ／ｄｘ ^２ が０となる変曲点の位置ｘの下限値を０．６０とすることで、上記（ｃ）に記載のようにｔ_ａｆｔ／ｔ_ｍａｘを０．５１以上０．５６以下にすることが容易となる。また、２階微分ｄ ^２ ｙ／ｄｘ ^２ が０となる変曲点の位置ｘの上限値を０．７０とすることで、ｘ＝０．８５における２階微分ｄ ^２ ｙ／ｄｘ ^２ を上記（２）又は上記（３）に記載したような範囲に設定することが容易になる。

幾つかの実施形態では、上記（４）に記載の風車翼において、
（５）前記翼型の腹側面のプロファイルは、ｘ＝０．６５〜０．７０の範囲内において、前記２階微分ｄ ^２ ｙ／ｄｘ ^２ が０となる変曲点を有する。

上記（４）に記載の風車翼によれば、２階微分ｄ ^２ ｙ／ｄｘ ^２ が０となる変曲点の位置ｘの下限値を０．６５とすることで、上記（ｃ）に記載のようにｔ_ａｆｔ／ｔ_ｍａｘを０．５１以上０．５６以下にすることが容易となる。また、２階微分ｄ ^２ ｙ／ｄｘ ^２ が０となる変曲点の位置ｘの上限値を０．７０とすることで、ｘ＝０．８５における２階微分ｄ ^２ ｙ／ｄｘ ^２ を上記（２）又は上記（３）に記載したような範囲に設定することが容易になる。

幾つかの実施形態では、上記（１）〜（５）に記載の風車翼において、
（６）前記翼型における前記最大翼厚ｔ_ｍａｘに対する前記翼厚ｔ_ａｆｔの比ｔ_ａｆｔ／ｔ_ｍａｘは、０．５２以上０．５４以下である。

上記（６）に記載の風車翼では、翼先端部に適用する翼型に関し、従来の典型的な翼設計手法とは異なり、空力性能だけでなく、重量荷重をも考慮して比ｔ_ａｆｔ／ｔ_ｍａｘを０．５２以上０．５４以下としている。これにより、空力性能を考慮しつつ、少なくとも１つのシアウェブ（２つ以上のシアウェブを有する場合は特に後縁側のシアウェブ）を挟むスパーキャップの使用量を低減して風車翼の重量荷重を低減することが可能となる。

幾つかの実施形態では、上記（１）〜（６）のいずれか１項に記載の風車翼において、
（７）前記最大翼厚ｔ_ｍａｘに対するｘ＝０．６０での翼厚ｔ_６０の比ｔ_６０／ｔ_ｍａｘが０．６以上である。

上記（７）に記載の風車翼によれば、比ｔ_６０／ｔ_ｍａｘが０．６よりも小さい場合と比較して、スパーキャップ間距離を確保することで断面係数を大きくして、風車翼の高強度を実現しやすくなる。これにより強度部材として機能するスパーキャップの使用量を低減できるので、風車翼の重量荷重を低減できる。

幾つかの実施形態では、上記（７）に記載の風車翼において、
（８）前記最大翼厚ｔ_ｍａｘに対するｘ＝０．６０での翼厚ｔ_６０の比ｔ_６０／ｔ_ｍａｘが０．６５以下である。

上記（８）に記載の風車翼によれば、比ｔ_６０／ｔ_ｍａｘが０．６５よりも小さい場合と比較して、スパーキャップ間距離を確保することで断面係数を大きくして、風車翼の高強度を実現しやすくなる。これにより強度部材として機能するスパーキャップの使用量を低減できるので、風車翼の重量荷重を低減できる。

幾つかの実施形態では、上記（１）〜（８）のいずれか１項に記載の風車翼において、
（９）前記最大翼厚ｔ_ｍａｘに対するｘ＝０．５５での翼厚ｔ_５５の比ｔ_５５／ｔ_ｍａｘが０．７以上である。

上記（９）に記載の風車翼によれば、比ｔ_５５／ｔ_ｍａｘが０．７よりも小さい場合と比較して、スパーキャップ間距離を確保することで断面係数を大きくして、風車翼の高強度を実現しやすくなる。これにより強度部材として機能するスパーキャップの使用量を低減できるので、風車翼の重量荷重を低減できる。

幾つかの実施形態では、上記（１）〜（９）のいずれか１項に記載の風車翼において、
（１０）前記翼型は、前記翼先端部のうち前記比ｒ／Ｒが０．８０〜０．９５である領域の少なくとも一部に適用されている。

上記（１０）に記載の風車翼によれば、翼先端部のうち比ｒ／Ｒが０．８０〜０．９５である領域の少なくとも一部に適用する翼型に関し、従来の典型的な翼設計手法とは異なり、空力性能だけでなく、重量荷重をも考慮した翼型を採用している。これにより、風車翼を大型化しても、風車翼が風から受ける空力荷重の増大を抑制するとともに空力性能の低下を抑制し、更に、所望の断面係数を得るために必要なスパーキャップの使用量を低減することで風車翼の重量荷重の増大を抑制することが可能となる。

幾つかの実施形態では、上記（１）〜（１０）のいずれか１項に記載の風車翼において、
（１１）前記背側スパーキャップは少なくとも２つ設けられ、
前記腹側スパーキャップは少なくとも２つ設けられ
前記シアウェブは、少なくとも２つ設けられ、
前記翼型は、前記翼先端部のうち、翼断面に前記少なくとも２つの背側スパーキャップと前記少なくとも２つの腹側スパーキャップと前記少なくとも２つのシアウェブとが存在する領域の少なくとも一部に適用されている。
上記（１１）に記載の風車翼によれば、空力性能を考慮しつつ、これらの背側スパーキャップ及び腹側スパーキャップのうち後縁側のシアウェブを挟む背側スパーキャップと腹側スパーキャップの使用量を低減することができる。

幾つかの実施形態では、上記（１）〜（１１）のいずれか１項に記載の風車翼において、
（１２）前記風車ロータの直径が１００ｍ以上である。

上記（１２）に記載の風車翼によれば、風車ロータの直径が１００ｍ以上に大型化しても、風車翼が風から受ける空力荷重の増大を抑制するとともに、空力性能の低下を抑制し、更に、所望の断面係数を得るために必要なスパーキャップの使用量を低減することで風車翼の重量荷重の増大を抑制することが可能となる。

幾つかの実施形態では、上記（１）〜（１２）のいずれか１項に記載の風車翼において、
（１３）レイノルズ数６．０×１０^６における最大揚力係数が１．４０以上１．７０以下である。

上記（１３）に記載の風車翼によれば、高揚力による風車ロータの効率的な回転を実現することができる。

幾つかの実施形態では、上記（１）〜（１３）のいずれか１項に記載の風車翼において、
（１４）レイノルズ数６．０×１０^６における最大揚抗比が１６０以上である。

上記（１４）に記載の風車翼によれば、高揚力による風車ロータの効率的な回転を実現することができる。

幾つかの実施形態に掛かる風力発電装置は、
（１５）上記（１）〜（１２）のいずれか１項に記載の風車翼を備える風車ロータと、
前記風車ロータの回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、
を有する。

上記（１５）に記載の風力発電装置によれば、風車翼を大型化しても、風車翼が風から受ける空力荷重の増大を抑制するとともに空力性能の低下を抑制し、更に、所望の断面係数を得るために必要なスパーキャップの使用量を低減することで風車翼の重量荷重の増大を抑制することが可能となる。したがって、風車翼の大型化により発電出力を増大させるとともに、風力エネルギーを電気エネルギーに効率的に変換でき、更に空力荷重や重量荷重を受ける構成（軸受等）の構成を簡素化することができる。

本発明の幾つかの実施形態によれば、風車翼を大型化しても、風車翼が風から受ける空力荷重の増大を抑制するとともに空力性能の低下を抑制し、更に、所望の断面係数を得るために必要なスパーキャップの使用量を低減することで風車翼の重量荷重の増大を抑制することが可能となる。

幾つかの実施形態に係る風力発電装置を示す概略図である。 幾つかの実施形態に係る風車翼の概略斜視図である。 幾つかの実施形態に係る風車翼の概略平面図である。 幾つかの実施形態に係る翼先端部の代表的な断面を示す概略図である。 幾つかの実施形態に係る翼先端部の代表的な断面を示す概略図である。 幾つかの実施形態に係る翼先端部の代表的な断面のプロファイルを規定する翼型である。 比ｔ_ａｆｔ／ｔ_ｍａｘを変化させたときにとり得る最大揚抗比をプロットした図である。 幾つかの実施形態に係る翼型の腹側面のプロファイルについて、コード長Ｃに対する前縁からのコード方向距離Ｘの比Ｘ／Ｃをｘ、前縁からのコード方向距離がＸの位置においてコード長Ｃに対するコードを基準とした翼厚方向の腹側面の位置座標Ｙの比Ｙ／Ｃをｙとした場合の、ｘに対するｙの２階微分ｄ ^２ ｙ／ｄｘ ^２ を示す図である。 幾つかの実施形態に係る翼型と幾つかの比較例としての翼型との関係を示す図である。

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、この実施形態に記載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、特定的な記載がない限り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、幾つかの実施形態に係る風力発電装置１００を示す概略図である。
図１に示す風力発電装置１００は、少なくとも１本の風車翼２及び風車翼２が取り付けられるハブ４を含む風車ロータ６と、風車ロータ６の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機８と、風車ロータ６及び発電機８を支持するナセル１０と、ナセル１０を旋回自在に支持するタワー１２とを備えている。図１に示す例示的な風車ロータ６は、３本の風車翼２を有している。風車ロータ６の直径は、幾つかの実施形態では１００ｍ以上であり、他の実施形態では、１５０ｍ以上である。

図２は、風車翼２の概略斜視図であり、図３は、風車翼２の概略平面図である。
図２及び図３に示すように、風車翼２は、翼先端部１４と、ハブ４（図１参照）に連結される翼根部１６とを含む。また、風車翼２は、翼根部１６から翼先端部１４にかけて、前縁（リーディングエッジ）１８と後縁（トレイリングエッジ）２０とを有し、内部には桁材として少なくとも１つのシアウェブ（図３に示す例では前縁側シアウェブ２２及び後縁側シアウェブ２４）が設けられている。なお、ここでの「翼先端部１４」とは、風車翼２の全領域のうち、風車ロータ６（図１参照）の半径Ｒに対する風車ロータ６の半径方向位置ｒ（風車ロータ６の回転中心からの半径方向への距離）の比ｒ／Ｒが０．７〜１．０である領域のことを表している。

図４は、図２における翼先端部１４の代表的な断面Ｓ（図３におけるＡＡ断面）を示す概略図である。風車翼２は、図４に示すように、風車翼２の背側面２５及び腹側面２６を形成する外皮２８と、主補強材としての背側スパーキャップ３０と、主補強材としての腹側スパーキャップ３２と、桁材としての前縁側シアウェブ２２と、桁材としての後縁側シアウェブ２４とを有する。なお、他の実施形態に係る風車翼２は、図５に示すように、複数の背側スパーキャップ３０ａ、３０ｂと、複数の腹側スパーキャップ３２ａ、３２ｂと有していてもよい。

図４に示す前縁側シアウェブ２２と後縁側シアウェブ２４は、背側スパーキャップ３０と腹側スパーキャップ３２との間にそれぞれ位置し、背側スパーキャップ３０と腹側スパーキャップ３２とをそれぞれ支持している。前縁側シアウェブ２２と後縁側シアウェブ２４は、図３に示すように翼長方向に延設されている。背側スパーキャップ３０は、風車翼２の背側において前縁側シアウェブ２２及び後縁側シアウェブ２４に沿って翼長方向に延設されている。腹側スパーキャップ３２は、風車翼２の腹側において前縁側シアウェブ２２及び後縁側シアウェブ２４に沿って翼長方向に延設されている。なお、主補強材としての背側スパーキャップ３０及び腹側スパーキャップ３２は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）で構成されている。風車翼２は、図４又は図５に示すように、断面Ｓにおいて、前縁１８から後縁２０までのコード長Ｃ、最大翼厚ｔ_ｍａｘを有する。

図６は、図４及び図５に示した翼先端部１４の代表的な断面Ｓ（図３におけるＡＡ断面）のプロファイルを規定する翼型５０である。風車翼２は、翼先端部１４（比ｒ／Ｒが０．７〜１．０、好ましくは０．８０〜０．９５）のうち、翼断面に少なくとも１つの背側スパーキャップ３０と少なくとも１つの腹側スパーキャップ３２と少なくとも１つのシアウェブ２４とが存在する領域Ｐ（図３参照）の少なくとも一部において、以下に規定するような翼型５０を有する。

図６に示す翼型５０は、コード方向をｘ方向とし、翼厚方向をｙ方向としたｘｙ座標において、翼型５０の前縁１８を原点（０，０）、後縁２０を点（１，０）としてプロファイルを正規化したものである。すなわち、図６では、コード長Ｃに対する前縁１８からのコード方向距離Ｘの比Ｘ／Ｃをｘ、前縁１８からのコード方向距離がＸの位置においてコード長Ｃに対するコード３４を基準とした翼厚方向の位置座標Ｙの比Ｙ／Ｃをｙとしている。なお、ここでのＹ／Ｃすなわちｙは、コード３４よりも背側において正の値をとり、コード３４よりも腹側において負の値をとる。

図６に示す翼型５０は、以下の３つの条件（ａ）〜（ｃ）を全て満たしている。
（ａ）コード長Ｃ（図６に示すｘｙ座標では１）に対する最大翼厚ｔ_ｍａｘ（図６に示すｘｙ座標ではｔ_ｍａｘ／Ｃ）の割合を示す翼厚比が１９％以上２３％以下である。
（ｂ）コード長Ｃ（図６に示すｘｙ座標では１）に対する前縁から最大翼厚位置までのコード方向距離Ｘ_ｔｍａｘ（図６に示すｘｙ座標ではＸ_ｔｍａｘ／Ｃ）の比Ｘ_ｔｍａｘ／Ｃが０．２８以上０．３２以下である。
（ｃ）コード（翼弦線）３４上における最大翼厚位置（図６に示すｘｙ座標ではＸ_ｔｍａｘ／Ｃ）と後縁との中点位置Ｘ_ｔａｆｔ（図６に示すｘｙ座標ではＸ_ｔａｆｔ／Ｃ）での翼厚をｔ_ａｆｔ（図６に示すｘｙ座標ではｔ_ａｆｔ／Ｃ）とすると、最大翼厚ｔ_ｍａｘに対する翼厚ｔ_ａｆｔの比ｔ_ａｆｔ／ｔ_ｍａｘが０．５１以上０．５６以下である。

このような風車翼２によれば、翼先端部１４において、上記（ａ）に記載のようにコード長Ｃに対する最大翼厚ｔ_ｍａｘの割合を示す翼厚比を１９％以上２３％以下にすることにより、翼厚比が１９％より小さい風車翼と比較して、コード長Ｃを短くして風車翼２が風から受ける空力荷重を低減しやすくなる。また、翼厚比が１９％より小さい風車翼と比較して、スパーキャップ間距離（背側スパーキャップ３０と腹側スパーキャップ３２との距離）を確保することで断面係数を大きくして、風車翼２の高強度を実現しやすくなる。これにより補強部材として機能するスパーキャップ３０，３２（一般に、風車翼に用いられる部材の中で比重が相対的に大きい部材である）の使用量を低減できるので、風車翼２の重量荷重を低減できる。一方で、上記（ａ）に記載の構成の採用により、翼厚比が１９％より小さい風車翼と比較して翼型の揚抗比が小さくなるため、何も工夫しなければ空力性能（風の運動エネルギーを風車ロータの回転エネルギーに変換する効率に寄与する性能）が低下してしまう。

そこで、翼先端部１４の翼型５０では、上記（ａ）に記載の構成を採用したうえで、空力性能が低下しないように、上記（ｂ）に記載のようにコード長Ｃに対する前縁から最大翼厚位置までのコード方向距離Ｘ_ｔｍａｘの比Ｘ_ｔｍａｘ／Ｃを０．２８以上０．３２以下にしている。このように、比Ｘ_ｔｍａｘ／Ｃが０．３２より大きい翼と比較して翼型における最大翼厚位置を前縁に近づけることで、設計揚力係数を大きくして空力性能の低下を抑制することができる。

ところで、翼先端部１４は、翼根部１６と比較して翼断面積が小さいため風車翼２全体に占める重量の割合が小さい。そのため、従来、翼先端部１４の翼型設計の工夫によって享受できる翼の重量荷重の低減効果は限定的であると考えられており、従来の典型的な翼型設計手法では、翼の重量荷重を低減することよりも翼の空力性能の低下を抑制することが重視されていた。このような典型的な翼型設計手法を上記（ａ）及び上記（ｂ）の構成を備えた翼先端部１４の翼型に適用すれば、翼厚ｔ_ａｆｔが小さくなってしまう。

これに対し、近年、風車の大型化により翼先端部１４にかかる遠心力が増大しているため、図１〜図６に係る風車翼２では、翼先端部１４に適用する翼型に関し、従来の典型的な翼設計手法とは異なり、空力性能だけでなく、重量荷重をも考慮した翼型を採用している。すなわち、上記（ａ）及び上記（ｂ）に記載の構成を備えるとともに、更に上記（ｃ）に記載のように、最大翼厚ｔ_ｍａｘに対する翼厚ｔ_ａｆｔの比ｔ_ａｆｔ／ｔ_ｍａｘは０．５１以上０．５６以下である。このように、比ｔ_ａｆｔ／ｔ_ｍａｘを０．５１以上０．５６以下とすることにより、空力性能を考慮しつつ、後縁側シアウェブ２４を挟むスパーキャップ３０，３２の使用量を低減して風車翼２の重量荷重を低減することが可能となる。

図７は、上記（ａ）と上記（ｂ）の両方を満たす翼型において、上述の比ｔ_ａｆｔ／ｔ_ｍａｘを変化させたときにとり得る最大揚抗比をプロットした図である。図７のプロット全体の傾向としては、矢印２００に示すように、比ｔ_ａｆｔ／ｔ_ｍａｘが増加するほど（後縁側の翼厚を厚くして構造強度を高めようとするほど）最大揚抗比が減少する傾向がある。すなわち、図７のプロット全体の傾向としては、構造強度と空力性能とはトレードオフの関係にある。翼先端部に適用する翼型については、前述したように、従来の典型的な翼型設計手法では重量荷重よりも空力性能を重視していたため、仮にこの従来の手法を採用した場合には、最大揚抗比を増加させるために翼厚ｔ_ａｆｔの比較的小さい（比ｔ_ａｆｔ／ｔ_ｍａｘが０．５１よりも小さい）翼型が採用されることになる。

これに対し、本発明者らの鋭意検討の結果、上記（ａ）と上記（ｂ）の両方を満たす翼型において、新たな知見を得ることができた。すなわち、図７に示すように、比ｔ_ａｆｔ／ｔ_ｍａｘが互いに等しい複数のプロットに関し、当該複数のプロットに対応する複数の最大揚抗比のうち最も大きい値（図７の近似曲線Ｍ）は、上述した矢印２００の傾向とは異なることが明らかとなった。具体的には、近似曲線Ｍに示すように、比ｔ_ａｆｔ／ｔ_ｍａｘが大きくなるにつれて上記最も大きい値が増加する領域（近似曲線Ｍの傾きが正となる領域）が存在し、上記近似曲線Ｍは、比ｔ_ａｆｔ／ｔ_ｍａｘが０．５１〜０．５６の範囲Ｄ_１内において最大値をとることが分かった。また、上述したように、比ｔ_ａｆｔ／ｔ_ｍａｘを大きくするほど断面係数が大きくなって構造強度が高くなるため、比ｔ_ａｆｔ／ｔ_ｍａｘが範囲Ｄ_１の範囲内であれば、高い構造強度を実現しつつ（すなわち背側及び腹側スパーキャップの使用量を削減しつつ）空力性能の低下を抑制することができる。また、比ｔ_ａｆｔ／ｔ_ｍａｘが０．５２〜０．５４の範囲Ｄ_２内であれば、高い構造強度を実現しつつ、上記空力性能の低下を一層抑制することができる。

なお、上述の翼型５０では、最大翼厚ｔ_ｍａｘに対するｘ＝０．６０での翼厚ｔ_６０の比ｔ_６０／ｔ_ｍａｘを０．６以上としている。これにより、比ｔ_６０／ｔ_ｍａｘが０．６よりも小さい場合と比較して、スパーキャップ間距離を確保することで断面係数を大きくして、風車翼２の高強度を実現しやすくなる。これにより主補強材として機能するスパーキャップの使用量を低減できるので、風車翼の重量荷重を低減できる。また、同様の理由から、ｘ＝０．５５での翼厚ｔ_５５の比ｔ_５５／ｔ_ｍａｘを０．７以上としている。ただし、空力性能の低下を抑制する観点から、ｔ_６０／ｔ_ｍａｘは０．６５以下とすることが望ましい。

翼先端部に翼型５０を採用した風車翼２においては、レイノルズ数３．０×１０^６における最大揚力係数が、１．３０以上１．６０以下であり、レイノルズ数６．０×１０^６における最大揚力係数が１．４０以上１．７０以下である。また、この風車翼２においては、レイノルズ数３．０×１０^６における最大揚抗比が、１４０以上であり、レイノルズ数６．０×１０^６における最大揚抗比が１６０以上である（定格出力におけるレイノルズ数は７．０×１０^６〜８．０×１０^６）。このように、良好な空力性能を発揮することができる。

以上のように、図１〜図７を用いて説明した風車翼２によれば、風車翼を大型化しても、風車翼２が風から受ける空力荷重の増大を抑制するとともに、空力性能の低下を抑制し、更に、所望の断面係数を得るために必要なスパーキャップ３０，３２の使用量を低減することで風車翼２の重量荷重の増大を抑制することが可能となる。したがって、風車翼の大型化により発電出力を増大させるとともに、風力エネルギーを電気エネルギーに効率的に変換でき、更に空力荷重や重量荷重を受ける構成（軸受等）の構成を簡素化することができる。

図８は、翼型５０の腹側面２６のプロファイルについて、コード長Ｃに対する前縁１８からのコード方向距離Ｘの比Ｘ／Ｃをｘ、前縁１８からのコード方向距離がＸの位置においてコード長Ｃに対するコード３４を基準とした翼厚方向の腹側面２６の位置座標Ｙの比Ｙ／Ｃをｙとした場合の、ｘに対するｙの２階微分ｄ ^２ ｙ／ｄｘ ^２ を示す図である。

翼型５０においては、風車翼２の重量荷重を低減するために、上記（ｃ）に記載のように、最大翼厚ｔ_ｍａｘに対する翼厚ｔ_ａｆｔの比ｔ_ａｆｔ／ｔ_ｍａｘは０．５１以上０．５６以下とし、中点位置Ｘ_ｔａｆｔ周辺の領域（最大翼圧位置よりも後縁側の領域）における翼厚を大きくしている。本発明者らの知見によれば、このような翼型５０では、転向角に寄与する腹側面２６の凹面領域２９（２階微分ｄ ^２ ｙ／ｄｘ ^２ が負の方向に最大となる位置の近傍領域）を後縁２０に寄せることが、転向角を大きくして空力性能を向上させるために有効である。一方、風車翼２の構造上、翼型の後縁角度（後縁２０の位置における、背側面２５の接線と腹側面２６の接線とによってなされる挟み角）はあまり小さくすることはできないから、腹側面２６の凹面領域２９を後縁に寄せることには限界がある。本発明者らによる鋭意検討の結果、ｘ＝０．８５の周辺に腹側面２６の凹面領域２９が存在する場合に風車翼２の構造上の制約（後縁角度の制約）を満たしながら、転向角の増大による空力性能の向上を実現できることが明らかになった。

この点、風車翼２によれば、翼型５０に関して、２階微分ｄ ^２ ｙ／ｄｘ ^２ をｘ＝０．８５において−２．２以上−１．４以下の値として転向角を確保することにより、上記（ｃ）にて比ｔ_ａｆｔ／ｔ_ｍａｘを０．５１以上０．５６以下という比較的厚い値（空力的には不利になりやすい値）に設定した場合であっても、良好な空力性能を実現することができる。また、更に望ましくは、２階微分ｄ ^２ ｙ／ｄｘ ^２ をｘ＝０．８５において−２．０以上−１．６以下の値とすることにより、より良好な空力性能を実現することができる。

また、翼型５０の腹側面２６のプロファイルは、図８に示すように、ｘ＝０．６０〜０．７０（更に望ましくは０．６５〜０．７０）の範囲内において、２階微分ｄ ^２ ｙ／ｄｘ ^２ が０となる変曲点を有する。このように、２階微分ｄ ^２ ｙ／ｄｘ ^２ が０となる変曲点の位置ｘの下限値を０．６０（更に望ましくは０．６５）とすることで、上記（ｃ）に記載のようにｔ_ａｆｔ／ｔ_ｍａｘを０．５１以上０．５６以下にすることが容易となる。また、２階微分ｄ ^２ ｙ／ｄｘ ^２ が０となる変曲点の位置ｘの上限値を０．７０とすることで、ｘ＝０．８５における２階微分ｄ ^２ ｙ／ｄｘ ^２ を、−２．２以上−１．４以下の値又は−２．０以上−１．６以下の値に設定することが容易になる。

図９は、上述の翼型５０と幾つかの比較例としての翼型との関係を示す図であり、横軸を前述の比ｔ_ａｆｔ／ｔ_ｍａｘ、縦軸を前述のｘ＝０．８５における２階微分ｄ ^２ ｙ／ｄｘ ^２ の値として各翼型をプロットしている。なお、図９において、黒塗り丸が翼型５０の代表的な点を示しており、黒塗り四角のプロットは、上記比Ｘ_ｔｍａｘ／Ｃが０．３２以下の翼型（最大翼厚位置が比較的前方に寄っていて空力性能を高めやすい翼型）であり、白抜き四角のプロットは、上記比Ｘ_ｔｍａｘ／Ｃが０．３３以上の翼型（最大翼厚位置があまり前方に寄っておらず空力性能を高めにくい翼型）である。

図９に示すように、比ｔ_ａｆｔ／ｔ_ｍａｘが大きくなるほど、断面係数を大きくして構造強度を高めることができる（重量荷重を低減することができる）。また、ｘ＝０．８５における２階微分ｄ ^２ ｙ／ｄｘ ^２ が負の方向に大きくなるほど、最大揚抗比を高めることができる。従って、図９において、ｔ_ａｆｔ／ｔ_ｍａｘを０．５１以上０．５６以下（好ましくは０．５２以上０．５４以下）とすることで構造強度を高めつつ、ｘ＝０．８５における２階微分ｄ ^２ ｙ／ｄｘ ^２ を−２．２以上−１．４以下（好ましくは−２．０以上−１．６以下）とすることにより最大揚抗比を向上させれば、構造強度と空力性能の両方を最大限高めることができる。

なお、翼先端部に適用する翼型については、前述したように、従来の典型的な翼型設計手法では重量荷重よりも空力性能を重視していたため、この従来の手法を採用した場合には、最大揚抗比を増加させるために翼厚ｔ_ａｆｔの比較的小さい（比ｔ_ａｆｔ／ｔ_ｍａｘが０．５１よりも小さい）翼型が採用されることになる。すなわち、従来の翼型設計手法の延長では、上記（ａ）及び（ｂ）を満たす翼型においてこのように比ｔ_ａｆｔ／ｔ_ｍａｘの好適な範囲及びｘ＝０．８５における２階微分ｄ ^２ ｙ／ｄｘ ^２ の好適な範囲を見出すことができなかった。

これに対し、上述した翼先端部１４の翼型５０によれば、図７にて示した本発明者らの新たな知見に基づいて、比ｔ_ａｆｔ／ｔ_ｍａｘの好適な範囲及びｘ＝０．８５における２階微分ｄ ^２ ｙ／ｄｘ ^２ の好適な範囲を見出したことにより、従来は困難であった構造強度の増加（重量荷重の低減）と空力性能の向上との両立を実現することができた。

２ 風車翼
４ ハブ
６ 風車ロータ
８ 発電機
１０ ナセル
１２ タワー
１４ 翼先端部
１６ 翼根部
１８ 前縁（リーディングエッジ）
２０ 後縁（トレイリングエッジ）
２２ 前縁側シアウェブ
２４ 後縁側シアウェブ
２５ 背側面
２６ 腹側面
２８ 外皮
２９ 凹面領域
３０ 背側スパーキャップ
３２ 腹側スパーキャップ
３４ コード（翼弦線）
５０ 翼型
１００ 風力発電装置

Claims (15)

1. 直径１００ｍ以上の風車ロータに用いられる風車翼であって、
   当該風車翼の背側において翼長方向に延設される少なくとも１つの背側スパーキャップと、
   当該風車翼の腹側において前記翼長方向に延設される少なくとも１つの腹側スパーキャップと、
   前記少なくとも１つの背側スパーキャップと前記少なくとも１つの腹側スパーキャップとの間において前記翼長方向に延設される少なくとも１つのシアウェブと、
   を有し、
   前記風車ロータの半径Ｒに対する前記風車ロータの半径方向位置ｒの比ｒ／Ｒが０．７０〜０．９５である翼先端部のうち、翼断面に前記少なくとも１つの背側スパーキャップと前記少なくとも１つの腹側スパーキャップと前記少なくとも１つのシアウェブとが存在する領域の少なくとも一部は、以下の（ａ）〜（ｃ）の条件をすべて満たす翼型を有する風車翼。
   （ａ）コード長Ｃに対する最大翼厚ｔ_ｍａｘの割合を示す翼厚比が１９％以上２３％以下である。
   （ｂ）前記コード長Ｃに対する前縁から最大翼厚位置までのコード方向距離Ｘ_ｔｍａｘの比Ｘ_ｔｍａｘ／Ｃが０．２８以上０．３２以下である。
   （ｃ）コード上における前記最大翼厚位置と後縁との中点位置での翼厚をｔ_ａｆｔとすると、前記最大翼厚ｔ_ｍａｘに対する翼厚ｔ_ａｆｔの比ｔ_ａｆｔ／ｔ_ｍａｘが０．５１以上０．５６以下である。
2. 前記翼型の腹側面のプロファイルについて、前記コード長Ｃに対する前記前縁からのコード方向距離Ｘの比Ｘ／Ｃをｘ、前記前縁からのコード方向距離がＸの位置において前記コード長Ｃに対する前記コードを基準とした翼厚方向の腹側面の位置座標Ｙの比Ｙ／Ｃをｙとすると、
   ｘによるｙの２階微分ｄ^２ｙ／ｄｘ^２は、ｘ＝０．８５において−２．２以上−１．４以下である請求項１に記載の風車翼。
3. 前記２階微分ｄ^２ｙ／ｄｘ^２は、ｘ＝０．８５において−２．０以上−１．６以下である請求項２に記載の風車翼。
4. 前記翼型の腹側面のプロファイルは、ｘ＝０．６０〜０．７０の範囲内において、前記２階微分ｄ^２ｙ／ｄｘ^２が０となる変曲点を有する請求項２又は３に記載の風車翼。
5. 前記翼型の腹側面のプロファイルは、ｘ＝０．６５〜０．７０の範囲内において、前記２階微分ｄ^２ｙ／ｄｘ^２が０となる変曲点を有する請求項４に記載の風車翼。
6. 前記翼型における前記最大翼厚ｔ_ｍａｘに対する前記翼厚ｔ_ａｆｔの比ｔ_ａｆｔ／ｔ_ｍａｘは、０．５２以上０．５４以下である請求項１〜５のいずれか１項に記載の風車翼。
7. 前記最大翼厚ｔ_ｍａｘに対するｘ＝０．６０での翼厚ｔ_６０の比ｔ_６０／ｔ_ｍａｘが０．６以上である請求項２〜６のいずれか１項に記載の風車翼。
8. 前記最大翼厚ｔ_ｍａｘに対するｘ＝０．６０での翼厚ｔ_６０の比ｔ_６０／ｔ_ｍａｘが０．６５以下である請求項７に記載の風車翼。
9. 前記最大翼厚ｔ_ｍａｘに対するｘ＝０．５５での翼厚ｔ_５５の比ｔ_５５／ｔ_ｍａｘが０．７以上である請求項１〜８のいずれか１項に記載の風車翼。
10. 前記翼型は、前記翼先端部のうち前記比ｒ／Ｒが０．８０〜０．９５である領域の少なくとも一部に適用されている請求項１〜９のいずれか１項に記載の風車翼。
11. 前記背側スパーキャップは少なくとも２つ設けられ、
    前記腹側スパーキャップは少なくとも２つ設けられ、
    前記シアウェブは、少なくとも２つ設けられ、
    前記翼型は、前記翼先端部のうち、翼断面に前記少なくとも２つの背側スパーキャップと前記少なくとも２つの腹側スパーキャップと前記少なくとも２つのシアウェブとが存在する領域の少なくとも一部に適用されている請求項１〜１０のいずれか１項に記載の風車翼。
12. 前記翼型は、前記翼先端部のうち前記比ｒ／Ｒが０．７０〜０．８０である領域の少なくとも一部に適用されている請求項１〜１１のいずれか１項に記載の風車翼。
13. レイノルズ数６．０×１０^６における最大揚力係数が１．４０以上１．７０以下である請求項１〜１２のいずれか１項に記載の風車翼。
14. レイノルズ数６．０×１０^６における最大揚抗比が１６０以上である請求項１〜１３のいずれか１項に記載の風車翼。
15. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載の風車翼を備える風車ロータと、
    前記風車ロータの回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、
    を有する風力発電装置。
    

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