JP6009058B2 - 風車翼及びこれを備えた風力発電装置 - Google Patents

Description

本開示は、風車翼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。

風力発電装置は、発電出力の向上の観点から大型化する傾向にあり、これに伴って翼端周速は増加の一途をたどっている。そのため、風車翼の先端において雨滴や砂塵等が衝突し、エロージョンが生じやすくなっている。エロージョンによる風車翼の損傷が顕在化すると、翼表面の平滑性が失われる結果、例えば騒音の増大に代表される望ましくない現象が発生する。

特許文献１には、エロージョンの発生を抑制するための保護コーティングが表面に施された風車翼が開示されている。

また、エロージョン発生の抑制を目的としたものではないが、特許文献２〜４には、風車翼として、ロータ回転方向の下流側に後退した後退翼（swept back blade）が開示されている。

米国特許出願公開第２０１１／０１４２６７８号明細書 米国特許第７３４４３６０号明細書 米国特許出願公開第２００９／０３２４４１６号明細書 特開２００６−１５２８６４号公報

しかしながら、風車翼のエロージョン進行速度は、雨滴や砂塵等に対する風車翼の衝突速度に大きく依存するため、僅かな翼長増大に伴う周速増加でエロージョンは大幅に加速されてしまう。そのため、特許文献１に記載のように保護コーティングによって風車翼の耐エロージョン性を高めるという固定概念にとらわれていては、今後のさらなる長翼化の傾向に対応することが難しい。
また、特許文献２〜４には、風車翼の耐エロージョン性の向上を目的とした工夫は何ら記載されていない。

本発明の少なくとも一実施形態の目的は、耐エロージョン性に優れた風車翼及びこれを備えた風力発電装置を提供することである。

本発明の少なくとも一実施形態に係る風車翼は、風車のハブに取り付けられる風車翼であって、
翼先端部と、前記ハブに接続可能に構成された翼根部との間に位置する翼型部を備える風車翼であって、
前記翼型部は、少なくとも前記翼先端部側に設けられた後退領域において翼軸線方向に対して前縁が後退しており、
前記ハブの回転中心から前記翼先端部までの前記翼軸線方向の距離をＲとし、前記ハブの回転中心から前記前縁上の任意の点までの前記翼軸線方向の距離をｒとしたとき、前記前縁の接線と前記翼軸線方向との間の角度Ａ［度］は、０．９≦ｒ／Ｒ≦１の前記翼軸線方向の範囲内において、

の関係を満たす。

上記風車翼によれば、後退領域における前縁は翼軸線方向に対して傾斜しているので、雨滴や砂塵等に対する前縁の衝突角度が浅くなって、雨滴や砂塵等に対する前縁の衝突速度Ｖｎが低減され、耐エロージョン性が向上する。とりわけ、０．９≦ｒ／Ｒ≦１の翼軸線方向の範囲内において、前縁の接線と翼軸線方向とのなす角度（後退角）Ａが

の関係を満たすため、この領域において大きなエロージョン抑制効果を享受できる。本発明者の知見によれば０．９≦ｒ／Ｒ≦１の翼軸線方向範囲は騒音原因になりやすい領域であるから、前縁の後退角Ａの設定という簡素な手法によって上記領域における耐エロージョン性を向上させることができることは、少なくとも騒音発生の抑制の観点から有益である。

幾つかの実施形態では、前記前縁の接線と前記翼軸線方向との間の角度Ａは、０．８≦ｒ／Ｒ≦１の前記翼軸線方向の範囲内において、

の関係を満たす。
これにより、騒音への寄与度が比較的大きい０．８≦ｒ／Ｒ≦１の翼軸線方向範囲において、エロージョン抑制効果を享受できる。

一実施形態では、前記前縁の接線と前記翼軸線方向との間の角度Ａは、０．７≦ｒ／Ｒ≦１の前記翼軸線方向の範囲内において、

の関係を満たす。
本発明者の知見によれば、０．８≦ｒ／Ｒ≦０．９の翼軸線方向範囲は発電効率への寄与度が高い。よって、

の関係を満たすような後退角Ａの設定により、０．８≦ｒ／Ｒ≦０．９の翼軸線方向範囲における耐エロージョン性を抑制できることは、騒音発生の抑制だけでなく、発電効率維持の観点からも有益である。

一実施形態では、前記前縁の接線と前記翼軸線方向との間の角度Ａは、０．６≦ｒ／Ｒ≦１の前記翼軸線方向の範囲内において、

の関係を満たす。
これにより、エロージョンに起因した発電効率低下をより効果的に抑制できる。

一実施形態では、前記前縁の接線と前記翼軸線方向との間の角度Ａは、０．５≦ｒ／Ｒ≦１の前記翼軸線方向の範囲内において、

の関係を満たす。
これにより、エロージョンに起因した発電効率低下をより一層効果的に抑制できる。

本発明の少なくとも一実施形態に係る風力発電装置は、
少なくとも一枚の風車翼と、
各々の前記風車翼が取り付けられるハブと、
前記ハブ及び前記少なくとも一本の風車翼を含む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る風力発電装置であって、
各々の前記風車翼は、翼先端部と、前記ハブに接続可能に構成された翼根部との間に位置する翼型部を含み、
前記翼型部は、少なくとも前記翼先端部側に設けられた後退領域において翼軸線方向に対して前縁が後退しており、
前記ハブの回転中心から前記翼先端部までの前記翼軸線方向の距離をＲとし、前記ハブの回転中心から前記前縁上の任意の点までの前記翼軸線方向の距離をｒとしたとき、前記前縁の接線と前記翼軸線方向との間の角度Ａ［度］は、０．９≦ｒ／Ｒ≦１の前記翼軸線方向の範囲内において、

の関係を満たす。

上記風力発電装置によれば、後退領域における前縁は翼軸線方向に対して傾斜しているので、雨滴や砂塵等に対する前縁の衝突角度が浅くなって、雨滴や砂塵等に対する前縁の衝突速度Ｖｎが低減され、耐エロージョン性が向上する。とりわけ、０．９≦ｒ／Ｒ≦１の翼軸線方向の範囲内において、前縁の接線と翼軸線方向とのなす角度（後退角）Ａが

の関係を満たすため、この領域において大きなエロージョン抑制効果を享受できる。このように、後退角Ａの設定という簡素な手法によって翼軸線方向範囲は騒音原因になりやすい領域（０．９≦ｒ／Ｒ≦１の）における耐エロージョン性を向上させることができることは、少なくとも騒音発生の抑制の観点から有益である。

幾つかの実施形態では、前記前縁の接線と前記翼軸線方向との間の角度Ａは、０．８≦ｒ／Ｒ≦１の前記翼軸線方向の範囲内において、

の関係を満たす。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、後退領域における前縁は翼軸線方向に対して傾斜しているので、雨滴や砂塵等に対する前縁の衝突角度が浅くなって、雨滴や砂塵等に対する前縁の衝突速度Ｖｎが低減され、耐エロージョン性が向上する。とりわけ、０．９≦ｒ／Ｒ≦１の翼軸線方向の範囲内において、前縁の接線と翼軸線方向とのなす角度（後退角）Ａが

の関係を満たすため、この領域において大きなエロージョン抑制効果を享受できる。このように、後退角Ａの設定という簡素な手法によって翼軸線方向範囲は騒音原因になりやすい領域（０．９≦ｒ／Ｒ≦１の）における耐エロージョン性を向上させることができることは、少なくとも騒音発生の抑制の観点から有益である。

風力発電装置の構成例を示す図である。 典型的な前縁直線型の風車翼の概略構成を示す平面図である。 本発明の実施形態に係る風車翼の概略構成を示す平面図である。 半径位置ｒ／Ｒにおける前縁の後退量を示すグラフである。 半径位置ｒ／Ｒにおける前縁の角度を示すグラフである。 ｋ＝２，ｒ／Ｒ＝０．５におけるエロージョン潜伏期間、前縁の後退角及び後退量をそれぞれ示すグラフである。 ｋ＝２，ｒ／Ｒ＝０．６におけるエロージョン潜伏期間、前縁の後退角及び後退量をそれぞれ示すグラフである。 ｋ＝２，ｒ／Ｒ＝０．７におけるエロージョン潜伏期間、前縁の後退角及び後退量をそれぞれ示すグラフである。 ｋ＝２，ｒ／Ｒ＝０．８におけるエロージョン潜伏期間、前縁の後退角及び後退量をそれぞれ示すグラフである。 ｋ＝２，ｒ／Ｒ＝０．８８におけるエロージョン潜伏期間、前縁の後退角及び後退量をそれぞれ示すグラフである。 ｋ＝２．５，ｒ／Ｒ＝０．５におけるエロージョン潜伏期間、前縁の後退角及び後退量をそれぞれ示すグラフである。 ｋ＝２．５，ｒ／Ｒ＝０．６におけるエロージョン潜伏期間、前縁の後退角及び後退量をそれぞれ示すグラフである。 ｋ＝２．５，ｒ／Ｒ＝０．７におけるエロージョン潜伏期間、前縁の後退角及び後退量をそれぞれ示すグラフである。 ｋ＝２．５，ｒ／Ｒ＝０．８におけるエロージョン潜伏期間、前縁の後退角及び後退量をそれぞれ示すグラフである。 ｋ＝２．５，ｒ／Ｒ＝０．８６におけるエロージョン潜伏期間、前縁の後退角及び後退量をそれぞれ示すグラフである。 ｋ＝３，ｒ／Ｒ＝０．５におけるエロージョン潜伏期間、前縁の後退角及び後退量をそれぞれ示すグラフである。 ｋ＝３，ｒ／Ｒ＝０．６におけるエロージョン潜伏期間、前縁の後退角及び後退量をそれぞれ示すグラフである。 ｋ＝３，ｒ／Ｒ＝０．７におけるエロージョン潜伏期間、前縁の後退角及び後退量をそれぞれ示すグラフである。 ｋ＝３，ｒ／Ｒ＝０．８におけるエロージョン潜伏期間、前縁の後退角及び後退量をそれぞれ示すグラフである。 ｋ＝３，ｒ／Ｒ＝０．８４におけるエロージョン潜伏期間、前縁の後退角及び後退量をそれぞれ示すグラフである。

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１に示す風力発電装置１は、１本以上（この例では３本）の風車翼１０と、風車翼１０が取り付けられるハブ２と、風車翼１０及びハブ２を含むロータを支持するナセル４と、ナセル４を旋回自在に支持するタワー６とを備える。ここで、幾つかの実施形態では、風車翼１０は、後述する図２に示す構成を備える風車翼である。なお、ロータの回転は不図示の発電機に入力されて、該発電機において電力が生成されるようになっている。風車翼１０のハブ２への取付けは、風車翼１０の翼根部１４をハブ２に任意の締結部材を用いて固定することで行われる。

図２Ａは典型的な前縁直線型の風車翼（後退角を有しない又は後退角が非常に小さい風車翼）の概略構成を示す平面図である。
図２Ａに示す風車翼５０は、翼先端部５２と、ハブ２に接続可能に構成された翼根部５４と、翼先端部５２と翼根部５４との間に位置する翼型部５６とを備える。翼型部５６は、前縁（ｌｅａｄｉｎｇ
ｅｄｇｅ）６２と後縁（ｔｒａｉｌｉｎｇ ｅｄｇｅ）６４とを有する。この風車翼５０では、翼根部５４から翼先端部５２まで前縁６２が翼軸線方向ＢＬにほぼ平行な直線となっている。
なお、本明細書において、翼軸線とは、円筒状の翼根部５４の中心軸を通る直線である。よって、翼軸線方向は、翼軸線に平行な方向をいう。また、ハブ２の回転中心Ｏから翼先端部５２までの翼軸線方向の距離をＲ、ハブ２の回転中心Ｏから前縁６２上の任意の点までの翼軸線方向の距離をｒと称する。

ところで、風車翼のエロージョンによって損傷が顕在化するまでの時間（エロージョン潜伏期間）Ｌは、雨滴や砂塵等に対する風車翼の衝突速度Ｖｎとの間に、Ｌ∝Ｖｎ^−６．７の関係が成立することが経験的に分かっている。ここで、雨滴や砂塵等の移動速度は風車翼の周速Ｖｒに比べてはるかに小さいため、衝突速度Ｖｎは風車翼の周速Ｖｒで近似できる。風車翼の周速Ｖｒは半径位置ｒに比例する。そのため、前縁６２が翼軸線方向ＢＬに平行な直線である風車翼５０の場合、基準半径位置ｒ^＊におけるエロージョン潜伏期間をＬ^＊とすれば、基準半径位置ｒ^＊よりも翼先端５２側の任意の半径位置ｒ（＞ｒ^＊）におけるエロージョン潜伏期間Ｌは下記式（１）によって表される。
Ｌ＝（ｒ^＊／ｒ）^６．７×Ｌ^＊ （１）
したがって、風車翼５０においては、翼先端５２に近づけば近づくほど、エロージョンの進行速度は大きくなり、エロージョンによる損傷が表れやすい。特に、翼先端５２では、周速Ｖｔｉｐが翼全体の中で最も大きくなるので、最もエロージョンによって損傷しやすくなる。

そこで、幾つかの実施形態では、少なくとも翼先端部におけるエロージョンを抑制するために風車翼を以下のように構成する。

図２Ｂは本発明の実施形態に係る風車翼の概略構成を示す平面図である。
図２Ｂに示す風車翼１０は、翼先端部１２と、ハブ２に接続可能に構成された翼根部１４と、翼先端部１２と翼根部１４との間に位置する翼型部１６とを備える。翼型部１６は、前縁２２と後縁２４とを有する。

風車翼１０の場合、半径位置ｒにおける前縁２２のエロージョン潜伏期間を決定付ける衝突速度Ｖｎは、半径位置ｒにおける周速Ｖｒそのものではなく、大きさがＶｒの周速ベクトルのうち前縁２２の法線方向に沿った成分Ｖｒ’である。すなわち、半径位置ｒにおける前縁２２の接線ＴＬと翼軸線方向ＢＬがなす角度（後退角）をＡとすれば、衝突速度Ｖｎ＝Ｖｒ×ｃｏｓＡで表される。
そのため、翼先端近傍におけるエロージョンの進行を抑制するために、風車翼１０の翼先端１２側に位置する後退領域において、翼軸線方向ＢＬに対して前縁２２を後退させて、前縁の接線ＴＬと翼軸線方向ＢＬとの間の角度（後退角）Ａをゼロよりも大きく設定する。なお、後退領域とは、前縁２２の後退開始点２０より翼先端１２側の領域をいう。

ここで、本発明者の知見によれば、翼先端部１２側の領域（０．９≦ｒ／Ｒ≦１）において騒音への影響が大きく、翼先端部１２近傍において騒音への影響が最大になる。したがって、０．９≦ｒ／Ｒ≦１の範囲における耐エロージョン性を向上させることは、少なくとも騒音発生の抑制の観点から有益である。
また、エロージョンによる損傷が最も大きい翼先端部１２におけるエロージョン潜伏期間を、前縁直線型の風車翼５０に比べて２倍程度向上させることができれば、風車翼１０の翼先端近傍において風力発電装置１の標準耐用年数（例えば２０年〜２５年）までエロージョンの顕在化を遅らせることが可能になり、十分なメリットを享受できる。

そこで、幾つかの実施形態では、風車翼１０において、前縁２２の接線ＴＬと翼軸線方向ＢＬとの間の角度Ａ［度］（以下、後退角Ａと称する）は、０．９≦ｒ／Ｒ≦１の翼軸線方向の範囲内において、

の関係を満たすように設定される。

上記後退角Ａの範囲について、図３Ａ及び図３Ｂを参照して具体的に説明する。図３Ａは半径位置ｒ／Ｒとエロージョン潜伏期間との関係を示すグラフで、図３Ｂは半径位置ｒ／Ｒと前縁の後退角との関係を示すグラフである。なお、図３Ａに示すエロージョン潜伏期間は、前縁直線型の風車翼５０（図２Ａ参照）の潜伏期間Ｌｓｔｒａｉｇｈｔに対する、後退角を有する風車翼１０（図２Ｂ参照）の潜伏期間Ｌｓｗｅｐｔの比として表している。図３Ｂに示す後退角Ａは、半径位置ｒにおける前縁２２の接線ＴＬと翼軸線方向ＢＬがなす角度である。

上記関係式（２）は、後退角Ａが、図３Ｂに示す直線１１１及び直線１１１よりも上側の範囲内に収まることを意味する。また、直線１１１で表される後退角Ａを有する前縁２２のエロージョン潜伏期間Ｌｓｗｅｐｔのエロージョン潜伏期間Ｌｓｔｒａｉｇｈｔに対する比は、図３Ａに示す曲線１０１で表される。よって、０．９≦ｒ／Ｒ≦１の翼軸線方向の範囲内において後退角Ａが上記関係式（２）を満たす場合、エロージョン潜伏期間Ｌｓｔｒａｉｇｈｔに対するエロージョン潜伏期間Ｌｓｗｅｐｔの比は、曲線１０１及び曲線１０１よりも上側の範囲内に収まる。

図３Ｂに示す直線１１１に従った後退角Ａの分布を有する風車翼１０の場合、後退開始点２０の半径位置ｒ／Ｒが０．９であるため、騒音発生の抑制の観点から有益な０．９≦ｒ／Ｒ≦１の翼軸線方向範囲において十分な後退角Ａが得られる。また、直線１１１に従った後退角Ａの分布を有する風車翼１０の場合、翼先端部１２におけるエロージョン潜伏期間Ｌｓｗｅｐｔは、図３Ａの曲線１０１に示すように前縁直線型の風車翼５０に比べて２倍となる。

こうして、上記関係式（２）を満たすように前縁２２の後退角Ａを設定することで、騒音原因になりやすい領域（０．９≦ｒ／Ｒ≦１）において、雨滴や砂塵等に対する前縁の衝突角度が浅くなって、雨滴や砂塵等に対する前縁２２の衝突速度Ｖｎが低減され、耐エロージョン性が向上する。
また、エロージョンによる損傷が最も大きい翼先端部１２におけるエロージョン潜伏期間Ｌｓｗｅｐｔを前縁直線型の風車翼５０のエロージョン潜伏期間Ｌｓｔｒａｉｇｈｔに比べて少なくとも２倍程度向上させることができる。したがって、風車翼１０の翼先端近傍において風力発電装置１の標準耐用年数（例えば２０年〜２５年）までエロージョンの顕在化を遅らせることが可能になり、十分なメリットを享受できる。

一実施形態では、風車翼１０において、前縁１２の接線ＴＬと翼軸線方向ＢＬとの間の角度Ａが、０．８≦ｒ／Ｒ≦１の翼軸線方向ＢＬの範囲内において、

の関係を満たすようにしてもよい。

上記関係式（３）は、後退角Ａが、図３Ｂに示す直線１１２上及び直線１１２よりも上側の範囲内に収まることを意味している。また、直線１１２で表される後退角Ａを有する前縁２２のエロージョン潜伏期間Ｌｓｗｅｐｔのエロージョン潜伏期間Ｌｓｔｒａｉｇｈｔに対する比は、図３Ａに示す曲線１０２で表される。よって、０．８≦ｒ／Ｒ≦１の翼軸線方向の範囲内において後退角Ａが上記関係式（３）を満たす場合、エロージョン潜伏期間Ｌｓｔｒａｉｇｈｔに対するエロージョン潜伏期間Ｌｓｗｅｐｔの比は、曲線１０２及び曲線１０２よりも上側の範囲内に収まる。

図３Ｂに示す直線１１２に従った後退角Ａの分布を有する風車翼１０の場合、後退開始点２０の半径位置ｒ／Ｒが０．８であるため、騒音への寄与度が比較的大きい０．８≦ｒ／Ｒ≦１の翼軸線方向範囲において十分な後退角Ａが得られる。また、直線１１２に従った後退角Ａの分布を有する風車翼１０の場合、翼先端部１２におけるエロージョン潜伏期間Ｌｓｗｅｐｔは、図３Ａの曲線１０２に示すように前縁直線型の風車翼５０に比べて２倍となる。
こうして、上記関係式（３）を満たすように前縁２２の後退角Ａを設定することで、騒音への寄与度が比較的大きい０．８≦ｒ／Ｒ≦１の翼軸線方向範囲において、エロージョン抑制効果を享受できる。特に、エロージョンによる損傷が最も起こりやすく、騒音への影響も最も大きい翼先端部１２におけるエロージョン潜伏期間Ｌｓｗｅｐｔを前縁直線型の風車翼５０のエロージョン潜伏期間Ｌｓｔｒａｉｇｈｔに比べて少なくとも２倍程度向上させることができ、風車翼１０の翼先端近傍において風力発電装置１の標準耐用年数までエロージョンの顕在化を遅らせることができる。

また、一実施形態では、風車翼１０において、前縁２２の接線ＴＬと翼軸線方向ＢＬとの間の角度Ａが、０．７≦ｒ／Ｒ≦１の翼軸線方向ＢＬの範囲内において、

の関係を満たすようにしてもよい。

上記関係式（４）は、後退角Ａが、図３Ｂに示す直線１１３上及び直線１１３よりも上側の範囲内に収まることを意味している。また、直線１１３で表される後退角Ａを有する前縁２２のエロージョン潜伏期間Ｌｓｗｅｐｔのエロージョン潜伏期間Ｌｓｔｒａｉｇｈｔに対する比は、図３Ａに示す曲線１０３で表される。よって、０．７≦ｒ／Ｒ≦１の翼軸線方向の範囲内において後退角Ａが上記関係式（４）を満たす場合、エロージョン潜伏期間Ｌｓｔｒａｉｇｈｔに対するエロージョン潜伏期間Ｌｓｗｅｐｔの比は、曲線１０３及び曲線１０３よりも上側の範囲内に収まる。

図３Ｂに示す直線１１３に従った後退角Ａの分布を有する風車翼１０の場合、風車翼１０の後退開始点２０の半径位置ｒ／Ｒが０．８であるため、騒音への寄与度が比較的大きい０．８≦ｒ／Ｒ≦１の翼軸線方向範囲において後退角Ａが得られる。また、直線１１２に従った後退角Ａの分布を有する風車翼１０の場合、翼先端部１２におけるエロージョン潜伏期間Ｌｓｗｅｐｔは、図３Ａの曲線１０２に示すように前縁直線型の風車翼５０に比べて２倍となる。
こうして、上記関係式（４）を満たすように前縁２２の後退角Ａを設定することで、騒音への寄与度が比較的大きい翼先端側の広範な領域において、エロージョン抑制効果を享受できる。特に、エロージョンによる損傷が最も起こりやすく、騒音への影響も最も大きい翼先端部１２におけるエロージョン潜伏期間Ｌｓｗｅｐｔを前縁直線型の風車翼５０のエロージョン潜伏期間Ｌｓｔｒａｉｇｈｔに比べて少なくとも２倍程度向上させることができ、風車翼１０の翼先端近傍において風力発電装置１の標準耐用年数までエロージョンの顕在化を遅らせることができる。

さらに、上記関係式（４）を満たすように前縁２２の後退角Ａを設定することで、発電効率への寄与度が高い０．８≦ｒ／Ｒ≦０．９の翼軸線方向範囲におけるエロージョンの進行を遅らせることができる。このことは、図３Ａにおける曲線１０３から明らかである。
したがって、上記関係式（４）を満たすように前縁２２の後退角Ａを設定すれば、騒音発生の抑制だけでなく、発電効率維持の観点からも有益である。

また、一実施形態では、風車翼１０において、前縁２２の接線ＴＬと翼軸線方向ＢＬとの間の角度Ａが、０．６≦ｒ／Ｒ≦１の翼軸線方向ＢＬの範囲内において、

の関係を満たすようにしてもよい。

上記関係式（５）は、後退角Ａが、図３Ｂに示す直線１１４上及び直線１１４よりも上側の範囲内に収まることを意味する。また、直線１１４で表される後退角Ａを有する前縁２２のエロージョン潜伏期間Ｌｓｗｅｐｔのエロージョン潜伏期間Ｌｓｔｒａｉｇｈｔに対する比は、図３Ａに示す曲線１０４で表される。よって、０．６≦ｒ／Ｒ≦１の翼軸線方向の範囲内において後退角Ａが上記関係式（５）を満たす場合、エロージョン潜伏期間Ｌｓｔｒａｉｇｈｔに対するエロージョン潜伏期間Ｌｓｗｅｐｔの比は、曲線１０４及び曲線１０４よりも上側の範囲内に収まる。

図３Ｂに示す直線１１４に従った後退角Ａの分布を有する風車翼１０の場合、後退開始点２０の半径位置ｒ／Ｒが０．６であるため、発電効率維持への寄与度が比較的大きい０．６≦ｒ／Ｒ≦１の翼軸線方向範囲において十分な後退角Ａが得られる。これにより、騒音発生の抑制効果に加えて、エロージョンに起因した発電効率低下をより効果的に抑制できる。

さらに、一実施形態では、風車翼１０において、前縁２２の接線ＴＬと翼軸線方向ＢＬとの間の後退角Ａが、０．５≦ｒ／Ｒ≦１の翼軸線方向ＢＬの範囲内において、

の関係を満たすようにしてもよい。

上記関係式（６）は、後退角Ａが、図３Ｂに示す直線１１５上及び直線１１５よりも上側の範囲内に含まれることを意味する。また、直線１１５で表される後退角Ａを有する前縁２２のエロージョン潜伏期間Ｌｓｗｅｐｔのエロージョン潜伏期間Ｌｓｔｒａｉｇｈｔに対する比は、図３Ａに示す曲線１０５で表される。よって、０．５≦ｒ／Ｒ≦１の翼軸線方向の範囲内において後退角Ａが上記関係式（６）を満たす場合、エロージョン潜伏期間Ｌｓｔｒａｉｇｈｔに対するエロージョン潜伏期間Ｌｓｗｅｐｔの比は、曲線１０５及び曲線１０５よりも上側の範囲内に収まる。

図３Ｂに示す直線１１５に従った後退角Ａの分布を有する風車翼１０の場合、後退開始点２０の半径位置ｒ／Ｒが０．５であるため、発電効率維持への寄与度が比較的大きい０．５≦ｒ／Ｒ≦１の翼軸線方向範囲において十分な後退角Ａが得られる。これにより、騒音発生の抑制効果に加えて、エロージョンに起因した発電効率低下をより一層効果的に抑制できる。

以上説明したように、上述の実施形態によれば、後退領域における前縁は翼軸線方向に対して傾斜しているので、雨滴や砂塵等に対する前縁の衝突角度が浅くなって、雨滴や砂塵等に対する前縁の衝突速度Ｖｎが低減され、耐エロージョン性が向上する。後退角Ａの設定という簡素な手法によって翼軸線方向範囲は騒音原因になりやすい領域（０．９≦ｒ／Ｒ≦１の）における耐エロージョン性を向上させることができることは、少なくとも騒音発生の抑制の観点から有益である。

図４〜図６に、一実施形態に係る風車翼の構成とエロージョン潜伏期間との関係について示す。
図４Ａ〜図４Ｅは、ｋ＝２の場合の各半径位置におけるエロージョン潜伏期間、前縁の後退角及び後退量をそれぞれ示すグラフである。図５Ａ〜図５Ｅは、ｋ＝２．５の場合の各半径位置におけるエロージョン潜伏期間、前縁の後退角及び後退量をそれぞれ示すグラフである。図６Ａ〜図６Ｅは、ｋ＝３の場合の各半径位置におけるエロージョン潜伏期間、前縁の後退角及び後退量をそれぞれ示すグラフである。
なお、ｋは、前縁直線型の風車翼（図２Ａ参照）に対する、後退翼を有する風車翼（図２Ｂ参照）のエロージョン潜伏期間の比の翼先端における値である。すなわち、ｋ＝２の場合、前縁直線型の風車翼のエロージョン潜伏期間Ｌｓｔｒａｉｇｈｔに比べて後退翼を有する風車翼のエロージョン潜伏期間Ｌｓｗｅｐｔが翼先端において２倍である。同様に、ｋ＝２．５の場合、前縁直線型の風車翼のエロージョン潜伏期間Ｌｓｔｒａｉｇｈｔに比べて後退翼を有する風車翼のエロージョン潜伏期間Ｌｓｗｅｐｔが翼先端において２．５倍である。また、ｋ＝３．０の場合、前縁直線型の風車翼のエロージョン潜伏期間Ｌｓｔｒａｉｇｈｔに比べて後退翼を有する風車翼のエロージョン潜伏期間Ｌｓｗｅｐｔが翼先端において３倍である。

各図には、上から順に、後退開始点ｒ０におけるエロージョン潜伏期間Ｌ（ｒ＝ｒ０）に対する半径位置ｒにおけるエロージョン潜伏期間Ｌ（ｒ＝ｒ）の比（Ｌ（ｒ＝ｒ）／Ｌ（ｒ＝ｒ０）を表すグラフと、前縁直線型の風車翼に対する、後退角を有する風車翼のエロージョン潜伏期間の比（Ｌ（ｓｗｅｐｔ）／Ｌ（ｓｔｒａｉｇｈｔ）を表すグラフと、後退角Ａを表すグラフと、後退量Ｙ_ＬＥを回転半径Ｒで除して無次元化した値を表すグラフとを示している。
各図において、点線は比較例である前縁直線型の風車翼の値を示す。実線は実施例Ｘａ（ただし、Ｘは１以上１５以下の整数）であり、エロージョン潜伏期間が翼根から翼先端まで均一となるように設定された後退角を有する風車翼における各値を示す。一点鎖線は実施例Ｘｂ（ただし、Ｘは１以上１５以下の整数）であり、エロージョン潜伏期間が翼根から翼先端までの間で異なるように設定された後退角を有する風車翼における各値を示す。二点鎖線は実施例Ｘｃ（ただし、Ｘは１以上１５以下の整数）であり、エロージョン潜伏期間が、翼根から翼先端までの間で異なり、且つ、実施例Ｘｂより小さくなるように設定された後退角を有する風車翼における各値を示す。

図４Ａ〜図４Ｅに示すように、ｋ＝２においては、ｒ／Ｒの位置に関わらず、実施例Ｘａ〜Ｘｃ（ただし、Ｘは１以上５以下の整数）ではエロージョン潜伏期間が比較例よりも大きくなる。また、比較例では翼根部と翼先端部との間でエロージョン潜伏期の差が大きかったものの、実施例１〜３では翼根部と翼先端部との間でエロージョン潜伏期の差が小さくなる。
図５Ａ〜図５Ｅ及び図６Ａ〜図６Ｅにおいても、図４Ａ〜図４Ｅと同様のことが言える。したがって、本発明の実施形態によれば、耐エロージョン性の高い風車翼を提供できることは明瞭である。

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。

１ 風力発電装置
２ ハブ
４ ロータ
６ タワー
１０，５０ 風車翼
１２，５２ 翼先端部
１４，５４ 翼根部
１６，５６ 翼型部
２２，６２ 前縁
２４，６４ 後縁

Claims (10)

1. 風車のハブに取り付けられる風車翼であって、
   翼先端部と、前記ハブに接続可能に構成された翼根部との間に位置する翼型部を備える風車翼であって、
   前記翼型部は、少なくとも前記翼先端部側に設けられた後退領域において翼軸線方向に対して前縁が後退しており、
   前記ハブの回転中心から前記翼先端部までの前記翼軸線方向の距離をＲとし、前記ハブの回転中心から前記前縁上の任意の点までの前記翼軸線方向の距離をｒとしたとき、前記前縁の接線と前記翼軸線方向との間の角度Ａ［度］は、０．９≦ｒ／Ｒ≦１の前記翼軸線方向の範囲の全体にわたって、
   
   

   

   の関係を満たすことを特徴とする風車翼。
2. 前記前縁の接線と前記翼軸線方向との間の角度Ａは、０．８≦ｒ／Ｒ≦１の前記翼軸線方向の範囲の全体にわたって、
   
   

   

   の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の風車翼。
3. 前記前縁の接線と前記翼軸線方向との間の角度Ａは、０．７≦ｒ／Ｒ≦１の前記翼軸線方向の範囲の全体にわたって、
   
   

   

   
   の関係を満たすことを特徴とする請求項２に記載の風車翼。
4. 前記前縁の接線と前記翼軸線方向との間の角度Ａは、０．６≦ｒ／Ｒ≦１の前記翼軸線方向の範囲の全体にわたって、
   

   

   の関係を満たすことを特徴とする請求項３に記載の風車翼。
5. 前記前縁の接線と前記翼軸線方向との間の角度Ａは、０．５≦ｒ／Ｒ≦１の前記翼軸線方向の範囲の全体にわたって、
   
   

   

   の関係を満たすことを特徴とする請求項４に記載の風車翼。
6. 少なくとも一枚の風車翼と、
   各々の前記風車翼が取り付けられるハブと、
   前記ハブ及び前記少なくとも一本の風車翼を含む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る風力発電装置であって、
   各々の前記風車翼は、翼先端部と、前記ハブに接続可能に構成された翼根部との間に位置する翼型部を含み、
   前記翼型部は、少なくとも前記翼先端部側に設けられた後退領域において翼軸線方向に対して前縁が後退しており、
   前記ハブの回転中心から前記翼先端部までの前記翼軸線方向の距離をＲとし、前記ハブの回転中心から前記前縁上の任意の点までの前記翼軸線方向の距離をｒとしたとき、前記前縁の接線と前記翼軸線方向との間の角度Ａ［度］は、０．９≦ｒ／Ｒ≦１の前記翼軸線方向の範囲の全体にわたって、
   
   

   

   の関係を満たすことを特徴とする風力発電装置。
7. 前記前縁の接線と前記翼軸線方向との間の角度Ａは、０．８≦ｒ／Ｒ≦１の前記翼軸線方向の範囲の全体にわたって、
   

   

   の関係を満たすことを特徴とする請求項６に記載の風力発電装置。
8. 前記前縁の接線と前記翼軸線方向との間の角度Ａは、０．７≦ｒ／Ｒ≦１の前記翼軸線方向の範囲の全体にわたって、
   

   

   の関係を満たすことを特徴とする請求項７に記載の風力発電装置。
9. 前記前縁の接線と前記翼軸線方向との間の角度Ａは、０．６≦ｒ／Ｒ≦１の前記翼軸線方向の範囲の全体にわたって、
   

   

   の関係を満たすことを特徴とする請求項８に記載の風力発電装置。
   
10. 前記前縁の接線と前記翼軸線方向との間の角度Ａは、０．５≦ｒ／Ｒ≦１の前記翼軸線方向の範囲の全体にわたって、
    の関係を満たすことを特徴とする請求項９に記載の風力発電装置。
    

    

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