JP6154050B1 - 風車翼、風車ロータ及び風力発電装置並びにボルテックスジェネレータの取付方法 - Google Patents

Abstract

【課題】風車の運転効率を向上可能な風車翼を提供する。【解決手段】風車翼は、翼本体と、前記翼本体の表面に取付けられたボルテックスジェネレータと、を備え、前記ボルテックスジェネレータは、互いに異なる翼長方向位置において、前記翼本体の表面から突出してそれぞれ設けられた複数のフィンをそれぞれ含む複数のフィンセットを含み、前記複数のフィンセットは、前記翼本体の翼長方向における前記翼本体の翼根の位置と前記翼本体の最大コード長位置との間の少なくとも一部の領域において、前記翼長方向において隣り合う２つの前記フィンセットを結ぶ直線と前記翼根の中心軸とが前記翼本体の表面の平面展開図上にてなす角度θが前記翼根に近づくにつれて大きくなるように配置される。【選択図】 図２

Description

本開示は、風車翼、風車ロータ及び風力発電装置並びにボルテックスジェネレータの取付方法に関する。

風車翼の空力的性能を改善して風車の運転効率を向上させる観点から、風車翼の表面に沿った流れの剥離を抑制するために、風車翼の表面にボルテックスジェネレータが設けられることがある。そして、風車翼の空力的性能を向上させるため、風車翼の表面におけるボルテックスジェネレータの配置に関して、様々な試みがなされている。

例えば、特許文献１には、風車翼面に沿った流れの剥離を抑制する渦を生成するためのフィンが、風車翼の翼長方向に沿って直線状に配列されたボルテックスジェネレータが開示されている。
また、特許文献２及び３には、上述のフィンが、ピッチ軸に対して所定の角度で傾斜する直線に沿って配列されたボルテックスジェネレータが開示されている。

欧州特許出願公開第２７９９７１０号明細書 米国特許出願公開第２０１４／０１４０８５６号明細書 欧州特許出願公開第２５４８８００号明細書

風車翼面におけるボルテックスジェネレータのフィンの配列を適切に選択することによって、風車の運転効率が向上することが期待される。
しかしながら、特許文献１〜３では、風車翼面におけるフィンの配置と風車の運転効率との関係について、具体的な検討がなされていない。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、風車の運転効率を向上可能な風車翼、風車ロータ及び風力発電装置並びにボルテックスジェネレータの取付方法を提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る風車翼は、
翼本体と、
前記翼本体の表面に取付けられたボルテックスジェネレータと、を備え、
前記ボルテックスジェネレータは、互いに異なる翼長方向位置において、前記翼本体の表面から突出してそれぞれ設けられた複数のフィンをそれぞれ含む複数のフィンセットを含み、
前記複数のフィンセットは、前記翼本体の翼長方向における前記翼本体の翼根の位置と前記翼本体の最大コード長位置との間の少なくとも一部の領域において、前記翼長方向において隣り合う２つの前記フィンセットを結ぶ直線と前記翼根の中心軸とが前記翼本体の表面の平面展開図上にてなす角度θが前記翼根に近づくにつれて大きくなるように配置される。

なお、本明細書において、「翼長方向」とは、翼本体の翼根と翼先端とを結ぶ方向のことである。また、本明細書において、風車翼の「コード長」とは、ある翼長方向位置における翼本体の前縁と後縁とを結ぶ線（コード）の長さのことである。

本発明者の鋭意検討の結果、風車翼の翼根側の領域において、風車翼の翼長方向に沿って風車翼の翼根に近づくほど、風車翼の表面で風の流れが剥離する位置が前縁側にずれ、かつ、翼長方向位置の変化に対する剥離位置の変化の度合いが大きくなることが明らかとなった。
このことは、以下の理由によると考えられる。すなわち、風車翼の翼長方向における翼根の位置と最大コード長位置との間の少なくとも一部の領域では、風車翼の前縁側の形状は円柱で近似することができる。そして、この領域では、風車翼の翼長方向に沿って風車翼の翼根に近づくほど、周速が小さくなる結果、風の相対流入角度（周速ベクトルと相対流入速度ベクトルとがなす角）が大きくなる。このため、風車翼の翼根に近づくほど、風の相対入流角度の増大に応じて、風車翼の表面で風の流れが剥離する位置が前縁側にずれる。また、翼根に近づくほど翼長方向位置の変化に対する風の相対流入角度の変化量は大きいため、翼根に近づくにつれて、翼長方向位置の変化に対する剥離位置の変化の度合いが大きくなる。
この点、上記（１）の構成では、ボルテックスジェネレータを構成する複数のフィンセットは、翼本体の翼長方向における翼根の位置と最大コード長位置との間の少なくとも一部の領域において、翼長方向において隣り合う２つのフィンセットを結ぶ直線と翼根の中心軸とが翼本体の表面の平面展開図上にてなす角度θが翼根に近づくにつれて大きくなるように配置される。よって、上記（１）の構成によれば、翼長方向位置の変化に応じて変化する流れの剥離位置に対応してフィンが設けられるので、風車翼面上において流れの剥離を効果的に遅延させることができる。これにより、風車の運転効率を向上させることができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記複数のフィンセットは、前記翼根位置における前記翼本体の外径をｄとし、前記風車翼が取り付けられる風車の設計周速比をλとし、前記風車翼を含む風車ロータの回転中心と前記翼本体の先端との間の距離をＲとし、前記隣り合う２つの前記フィンセットのうち前記翼根に近いフィンセットの前記回転中心からの距離をｒとし、前記ｒと前記Ｒとの比（ｒ／Ｒ）である無次元半径位置をμとしたとき、前記翼根の前記位置と前記最大コード長位置との間の少なくとも一部の領域において、前記角度θが下記式（Ａ）を満たすように配置される。

本発明者の鋭意検討の結果、風車翼の翼長方向における翼根付近の領域では、翼面上で流れが剥離する位置は、後で詳述するように、翼本体の表面の平面展開図上にて下記式（Ｂ）で表される角度ψに対応する位置であり、下記式（Ｂ）より、翼面上における剥離の位置は、無次元半径位置μに応じて変化することが明らかとなった。

この点、上記（２）の構成では、角度θが上記式（Ｂ）で表されるψ以下であるため、翼面上で流れが剥離する位置よりも前縁側にフィンが配置されるので、風車翼面上において流れの剥離をより効果的に遅延させることができる。また、上記（２）の構成では、角度θが３°以上であるので、比較的先端側においても、風車翼面上において流れの剥離を遅延させる効果を十分に得ることができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（２）の構成において、前記複数のフィンセットは、前記角度θが、θ≦（０．００３４／μ^２）×（１８０／π）［°］を満たすように配置される。
（４）幾つかの実施形態では、上記（２）又は（３））の構成において、前記複数のフィンセットは、前記角度θが、θ≧（０．００２１／μ^２）×（１８０／π）［°］を満たすように配置される。

典型的な風車翼では、角度θがθ≦（０．００３４／μ^２）×（１８０／π）［°］を満たせば、翼長方向位置の変化に対する剥離位置の変化量に照らして角度θが過大になることが防止され、翼根における広い翼長方向範囲において、剥離遅延効果を享受できる。また、典型的な風車翼では、角度θがθ≧（０．００２１／μ^２）×（１８０／π）［°］を満たせば、翼長方向位置の変化に対する剥離位置の変化量に照らして角度θが過小になることが防止され、翼根における広い翼長方向範囲において、剥離遅延効果を享受できる。
よって、上記（３）又は（４）の構成によれば、風車翼面上において流れの剥離を効果的に遅延させることができる。これにより、風車の運転効率を向上させることができる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れかの構成において、前記複数のフィンセットは、前記風車翼を含む風車ロータの回転中心と前記翼本体の先端との間の距離をＲとし、前記隣り合う２つの前記フィンセットのうち前記翼根に近いフィンセットの前記回転中心からの距離をｒとし、前記ｒと前記Ｒとの比（ｒ／Ｒ）である無次元半径位置をμとしたとき、少なくとも前記無次元半径位置μが０．１０≦μ≦０．１５の範囲において、角度θが前記翼根に近づくにつれて大きくなるように配置される。

典型的な風車翼では、μが０．１０≦μを満たす領域は、風車翼のハブへの取付け位置からある程度離れた位置であるため、風車翼にボルテックスジェネレータを取り付けることによる風車の性能改善効果をある程度見込める。また、典型的な風車翼では、μがμ≦０．１５を満たす領域では、風車翼の前縁側の形状が円柱で精度よく近似できるため、上記（１）で説明した効果が得られる。
よって、上記（５）の構成によれば、風車翼面上において、流れの剥離を効果的に遅延させるために適した領域にフィンが設けられる。これにより、風車の運転効率を効果的に向上させることができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（５）の何れかの構成において、前記複数のフィンは、少なくとも、前記翼本体の翼厚ｔと、前記翼本体のコード長ｃとの比である翼厚比（ｔ／ｃ）が７０％≦（ｔ／ｃ）≦８５％を満たす前記翼長方向の領域において、角度θが前記翼根に近づくにつれて大きくなるように配置される。

典型的な風車翼では、翼厚比（ｔ／ｃ）が（ｔ／ｃ）≦８５％を満たす領域は、風車翼のハブへの取付け位置からある程度離れた位置であるため、風車翼にボルテックスジェネレータを取り付けることによる風車の性能改善効果をある程度見込める。また、典型的な風車翼では、翼厚比（ｔ／ｃ）が７０％≦（ｔ／ｃ）を満たす領域では、風車翼の前縁側の形状が円柱で精度よく近似できるため、上記（１）で説明した効果が得られる。
よって、上記（６）の構成によれば、風車翼面上において、流れの剥離を効果的に遅延させるために適した領域にフィンが設けられる。これにより、風車の運転効率を効果的に向上させることができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（６）の構成において、前記フィンセットは、前記翼本体の表面に固定される基部と、前記基部上に立設される１本又は２本の前記フィンと、を有するＶＧユニットを含む。

上記（７）の構成によれば、翼本体の表面に固定される基部と、基部上に立設される１本又は２本のフィンと、を有するＶＧユニットによりフィンセットが構成される。したがって、風車翼面上にＶＧユニットの単位でフィンを柔軟に配置して、上記（１）に記載したように複数のフィンを配列させることができ、これにより、風車翼面上において流れの剥離を効果的に遅延させることができ、風車の運転効率を向上させることができる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（７）の構成において、前記ボルテックスジェネレータは、前記翼本体の負圧面において、該負圧面に沿った風の流れの乱流域内に設置される。

風車翼の負圧面における流れの剥離は、前縁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、後縁に到達する前に流れが剥がれてしまうことで生じる。
この点、上記（８）の構成によれば、負圧面に沿った風の流れの乱流域内にボルテックスジェネレータを設置することで、負圧面からの流れの剥離を抑制することができる。

（９）本発明の少なくとも一実施形態に係る風車ロータは、
上記（１）乃至（８）の何れかに記載の風車翼と、
前記風車翼が取り付けられるハブと、
を備える。

上記（９）の構成では、ボルテックスジェネレータを構成する複数のフィンセットは、翼本体の翼長方向における翼根の位置と最大コード長位置との間の少なくとも一部の領域において、翼長方向において隣り合う２つのフィンセットを結ぶ直線と翼根の中心軸とが翼本体の表面の平面展開図上にてなす角度θが翼根に近づくにつれて大きくなるように配置される。よって、上記（９）の構成によれば、翼長方向位置の変化に応じて変化する流れの剥離位置に対応してフィンが設けられるので、風車翼面上において流れの剥離を効果的に遅延させることができる。これにより、風車の運転効率を向上させることができる。

（１０）本発明の少なくとも一実施形態に係る風力発電装置は、上記（９）に記載の風車ロータを備える。

上記（１０）の構成では、ボルテックスジェネレータを構成する複数のフィンセットは、翼本体の翼長方向における翼根の位置と最大コード長位置との間の少なくとも一部の領域において、翼長方向において隣り合う２つのフィンセットを結ぶ直線と翼根の中心軸とが翼本体の表面の平面展開図上にてなす角度θが翼根に近づくにつれて大きくなるように配置される。よって、上記（１０）の構成によれば、翼長方向位置の変化に応じて変化する流れの剥離位置に対応してフィンが設けられるので、風車翼面上において流れの剥離を効果的に遅延させることができる。これにより、風車の運転効率を向上させることができる。

（１１）本発明の少なくとも一実施形態に係るボルテックスジェネレータの取付方法は、
風車翼の表面へのボルテックスジェネレータの取付方法であって、
前記ボルテックスジェネレータは複数のフィンをそれぞれ含む複数のフィンセットを含み、
前記複数のフィンが互いに異なる翼長方向位置において前記風車翼の表面から突出するように、かつ、前記複数のフィンセットが、前記風車翼の翼長方向における前記風車翼の翼根の位置と前記風車翼の最大コード長位置との間の少なくとも一部の領域において、前記翼長方向において隣り合う２つの前記フィンセットを結ぶ直線と前記翼根の中心軸とが前記風車翼の表面の平面展開図上にてなす角度θが前記翼根に近づくにつれて大きくなるように、前記複数のフィンセットを前記風車翼に取付ける取付ステップを備える。

上記（１１）の方法では、ボルテックスジェネレータを構成する複数のフィンセットは、風車翼の翼長方向における翼根の位置と最大コード長位置との間の少なくとも一部の領域において、翼長方向において隣り合う２つのフィンセットを結ぶ直線と翼根の中心軸とが風車翼の表面の平面展開図上にてなす角度θが翼根に近づくにつれて大きくなるように配置される。よって、上記（１１）の方法によれば、翼長方向位置の変化に応じて変化する流れの剥離位置に対応してフィンが設けられるので、風車翼面上において流れの剥離を効果的に遅延させることができる。これにより、風車の運転効率を向上させることができる。

（１２）幾つかの実施形態では、上記（１１）の方法において、
前記取付ステップでは、前記翼根位置における前記風車翼の外径をｄとし、前記風車翼が取り付けられる風車の設計周速比をλとし、前記風車翼を含む風車ロータの回転中心と前記風車翼の先端との間の距離をＲとし、前記隣り合う２つの前記フィンセットのうち前記翼根に近いフィンセットの前記回転中心からの距離をｒとし、前記ｒと前記Ｒとの比（ｒ／Ｒ）である無次元半径位置をμとしたとき、前記翼根の前記位置と前記最大コード長位置との間の少なくとも一部の領域において、前記角度θが下記式（Ａ）を満たすように、前記複数のフィンを配置して前記風車翼に取付ける。

上記（１２）の方法では、角度θが上記式（Ｂ）で表されるψ以下であるため、翼面上で流れが剥離する位置よりも前縁側にフィンが配置されるので、風車翼面上において流れの剥離をより効果的に遅延させることができる。また、上記（１２）の方法では、角度θが３°以上であるので、比較的先端側においても、風車翼面上において流れの剥離を遅延させる効果を十分に得ることができる。

（１３）幾つかの実施形態では、上記（１２）の方法において、
前記取付ステップでは、前記角度θが、θ≦（０．００３４／μ^２）×（１８０／π）［°］を満たすように前記複数のフィンセットを配置して前記風車翼に取付ける。

（１４）幾つかの実施形態では、上記（１２）又は（１３）の方法において、
前記取付ステップでは、前記角度θが、θ≧（０．００２１／μ^２）×（１８０／π）［°］を満たすように前記複数のフィンセットを配置して前記風車翼に取付ける。

典型的な風車翼では、角度θがθ≦（０．００３４／μ^２）×（１８０／π）［°］を満たせば、翼長方向位置の変化に対する剥離位置の変化量に照らして角度θが過大になることが防止され、翼根における広い翼長方向範囲において、剥離遅延効果を享受できる。また、典型的な風車翼では、角度θがθ≧（０．００２１／μ^２）×（１８０／π）［°］を満たせば、翼長方向位置の変化に対する剥離位置の変化量に照らして角度θが過小になることが防止され、翼根における広い翼長方向範囲において、剥離遅延効果を享受できる。
よって、上記（１３）又は（１４）の方法によれば、風車翼面上において流れの剥離を効果的に遅延させることができる。これにより、風車の運転効率を向上させることができる。

（１５）幾つかの実施形態では、上記（１１）乃至（１４）の何れかの方法において、
前記取付ステップでは、前記風車翼を含む風車ロータの回転中心と前記風車翼の先端との間の距離をＲとし、前記隣り合う２つの前記フィンセットのうち前記翼根に近いフィンセットの前記回転中心からの距離をｒとし、前記ｒと前記Ｒとの比（ｒ／Ｒ）である無次元半径位置をμとしたとき、少なくとも前記無次元半径位置μが０．１０≦μ≦０．１５の範囲において、角度θが前記翼根に近づくにつれて大きくなるように前記複数のフィンセットを配置して前記風車翼に取付ける。

典型的な風車翼では、μが０．１０≦μを満たす領域は、風車翼のハブへの取付け位置からある程度離れた位置であるため、風車翼にボルテックスジェネレータを取り付けることによる風車の性能改善効果をある程度見込める。また、典型的な風車翼では、μがμ≦０．１５を満たす領域では、風車翼の前縁側の形状が円柱で精度よく近似できるため、上記（１１）で説明した効果が得られる。
よって、上記（１５）の方法によれば、風車翼面上において、流れの剥離を効果的に遅延させるために適した領域にフィンが設けられる。これにより、風車の運転効率を効果的に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よれば、風車の運転効率を向上可能な風車翼、風車ロータ及び風力発電装置並びにボルテックスジェネレータの取付方法が提供される。

一実施形態に係る風力発電装置の概略構成図である。 一実施形態に係る風車翼の斜視図である。 図２に示す翼面上の領域Ｓの平面展開図である。 一実施形態に係る風車翼の模式図である。 図４に示す風車翼のＡ−Ａに沿った模式的な断面図である。 一実施形態に係る風車翼の一部を示す模式図である。 一実施形態に係るＶＧユニットの概略構成図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示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、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車翼が適用される風力発電装置の概略構成図である。図１に示すように、風力発電装置１は、少なくとも一本（例えば３本）の風車翼２及びハブ４で構成されるロータ（風車ロータ）５を備える。風車翼２は放射状にハブ４に取り付けられており、風車翼２で風を受けることによってロータ５が回転し、ロータ５に連結された発電機（不図示）で発電を行うように構成されている。
なお、図１に示す実施形態において、ロータ５は、タワー６の上方に設けられたナセル１４によって支持されている。タワー６は、水上又は陸上に設けられた基礎構造又は浮体構造などの土台構造に立設されていてもよい。

図２は、一実施形態に係る風車翼２の斜視図である。図２に示すように、風車翼２は、翼本体３と、翼本体３の表面（翼面）に取付けられたボルテックスジェネレータ２０と、を備える。

翼本体３は、風力発電装置１のハブ４に取り付けられる翼根７と、ハブ４から最も遠くに位置する翼先端８と、翼根７と翼先端８の間に延在する翼型部と、を含む。また、翼本体３は、翼根７から翼先端８にかけて、前縁１１と後縁１２とを有する。また、翼本体３の外形は、圧力面（腹面）９と、圧力面９に対向する負圧面（背面）１０とによって形成される。
なお、図２において、幾つかの翼長方向位置における翼本体３のコード方向に沿った断面の形状が破線で示されている。また、図２において、符号１３は翼本体３の最大コード長位置を示し、符号Ｏは、円柱状の形状を有する翼根７の中心軸を示す。中心軸Ｏは、翼長方向と略平行に延びている。

図２に示すボルテックスジェネレータ２０は、一対の（すなわち２枚の）フィン２３をそれぞれ含む複数のフィンセット２２を含む。ボルテックスジェネレータ２０を構成する複数のフィンセット２２のフィン２３は、それぞれ、互いに異なる翼長方向位置において翼本体３の表面から突出するように設けられている。
１つのフィンセット２２を構成する一対のフィン２３は、コード方向の直線に関して対称に配置されていてもよい。

なお、本明細書において、「翼長方向」とは、翼根７と翼先端８とを結ぶ方向であり、「翼コード方向」とは、翼本体３の前縁１１と後縁１２とを結ぶ線（コード）に沿った方向である。また、本明細書において、風車翼の「コード長」とは、ある翼長方向位置における翼本体の前縁と後縁とを結ぶ線（コード）の長さのことである。

また、図２に示す例示的な実施形態では、ボルテックスジェネレータ２０を構成する各々のフィンセット２２は、負圧面１０側に設けられている。
２枚のフィン２３を含むフィンセット２２は、後述するＶＧユニットであってもよい。
他の実施形態では、フィンセット２２は、３枚以上のフィン２３を含んでいてもよい。一実施形態では、フィンセット２２は、２対のフィン、すなわち合計４枚のフィンを含んでいてもよい。

ここで、図３は、図２に示す翼面上の領域Ｓの平面展開図である。図２に示すように、領域Ｓは、翼本体３の翼長方向における翼根７の位置と最大コード長位置１３との間に位置する。
幾つかの実施形態では、フィンセット２２を構成する一対のフィン２３は、翼型を有している。フィン２３は、風の流入方向の上流側に位置する前縁２６と、風の流入方向の下流側に位置する後縁２７と、風の流入方向における上流側を向くフィン２３の腹面（圧力面）２８と、風の流入方向における下流側を向くフィン２３の背面（負圧面）２９と、を有する（図３参照）。フィン２３において、前縁２６と後縁２７とを結ぶ直線の方向が、フィン２３のコード方向である。

幾つかの実施形態において、フィン２３は、風流入方向に対して所定の角度をなすように傾斜して設けられている。
例えば、図２又は図３に示すボルテックスジェネレータ２０においては、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）の前縁１１側から後縁１２側に向けて）、一対のフィン２３，２３の間の隙間が広がるように各々のフィン２３，２３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）の後縁１２側から前縁１１側に向けて）、一対のフィン２３，２３の間の隙間が広がるように各々のフィン２３，２３が設けられていてもよい。

ここで、ボルテックスジェネレータ２０の作用について簡単に説明する。
風車翼２の負圧面１０における流れの剥離は、前縁１１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１２に到達する前に流れが剥がれてしまうことで生じる。
風車翼２に取り付けられたボルテックスジェネレータ２０のフィンセット２２は、フィン２３が生み出す揚力によって、フィン２３の背面２９側に縦渦を形成する。また、フィン２３に流入した流れによって、フィン２３の前縁２６の最上流側位置から、それよりも後縁２７側の頂部に向かうエッジに沿った縦渦が形成される。このようにフィン２３により生成される縦渦によって、フィンセット２２の後流側において、風車翼２面上の境界層内外でのフィン２３の高さ方向における運動量交換が促進される。これにより、風車翼２の表面における境界相が薄くなり、風車翼２の後縁剥離が抑制されるようになっている。

幾つかの実施形態では、複数のフィンセット２２は、翼本体３の翼長方向における翼根７の位置と最大コード長位置１３との間の少なくとも一部の領域において、翼長方向において隣り合う２つのフィンセット２２を結ぶ直線と翼根の中心軸Ｏとが翼本体３の表面の平面展開図上にてなす角度θが翼根７に近づくにつれて大きくなるように配置される。なお、最大コード長位置とは、翼本体３の翼長方向においてコード長が最大となる位置のことである。

このことついて、図３を参照して説明する。領域Ｓには、ボルテックスジェネレータ２０を構成するフィンセット２２のうち、隣り合う３つのフィンセット２２Ａ,２２Ｂ及び２２Ｃがそれぞれ異なる翼長方向位置に配置されている。フィンセット２２Ａ，２２Ｂ及び２２Ｃは、それぞれ、一対のフィン２３Ａ，２３Ａ及び２３Ｂ，２３Ｂ及び２３Ｃ，２３Ｃをそれぞれ含む。
図３において、直線Ｏ’及び直線Ｏ’’は、翼根７の中心軸Ｏと平行な直線であり、直線Ｌ_１及びＬ_２は、それぞれ、フィンセット２２Ａの中心Ｃ_Ａ及びフィンセット２２Ｂの中心Ｃ_Ｂ、及び、フィンセット２２Ｂの中心Ｃ_Ｂ及びフィンセット２２Ｃの中心Ｃ_Ｃを通る直線である。

ここで、隣り合う２つのフィンセット２２を結ぶ直線は、これらフィンセット２２の対応する点を結ぶ直線である。例えば、該直線は、隣り合う２つのフィンセットのそれぞれの中心を結ぶ直線であってもよい。
図３に示す例では、翼本体３の表面の平面展開図上において、翼長方向において隣り合う２つのフィンセット２２Ａ，２２Ｂを結ぶ直線Ｌ_１と、翼根７の中心軸Ｏに平行な直線Ｏ’とがなす角度θ_１、及び、翼長方向において隣り合う２つのフィンセット２２Ｂ，２２Ｃを結ぶ直線Ｌ_２と、翼根７の中心軸Ｏに平行な直線Ｏ’’とがなす角度θ_２は、それぞれ上述の角度θである。

そして、図３に示す例では、領域Ｓに存在するフィンセット２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃは、角度θが翼根７に近づくにつれて大きくなるように配置されている。すなわち、翼根７に近い側の隣り合うフィンセット２２Ａ，２２Ｂにより定まる角度θ_１は、翼根７から遠い側の隣り合うフィンセット２２Ｂ，２２Ｃにより定まる角度θ_２よりも大きい。

なお、角度θが翼根７に近づくにつれて大きくなるように配置された隣り合うフィンセット２２は、これらのうち翼根７に近いほうのフィンセット２２（例えばフィンセット２２Ａと２２Ｂのうちフィンセット２２Ａ）が、前縁１１からの距離が小さくなるように配置されている。言い換えれば、隣り合う２つのフィンセット２２を結ぶ直線（例えば直線Ｌ_１及び直線Ｌ_２）は、翼根７の中心軸Ｏ（又は直線Ｏ’又は直線Ｏ’’）に対して、翼先端８側に近づくにつれて、後縁１２側に近づくように傾いている。

本発明者の鋭意検討の結果、風車翼２の翼根７側の領域において、風車翼２の翼長方向に沿って風車翼２の翼根７に近づくほど、風車翼２の表面で風の流れが剥離する位置が前縁側にずれ、かつ、翼長方向位置の変化に対する剥離位置の変化の度合いが大きくなることが明らかとなった。

この点、上述の実施形態に係る風車翼２では、ボルテックスジェネレータ２０を構成する複数のフィンセット２２は、翼本体３の翼長方向における翼根７の位置と最大コード長位置１３との間の少なくとも一部の領域において、翼長方向において隣り合う２つのフィンセット２２を結ぶ直線Ｌと翼根７の中心軸Ｏとが翼本体３の表面の平面展開図上にてなす角度θが翼根７に近づくにつれて大きくなるように配置される。よって、翼長方向位置の変化に応じて変化する流れの剥離位置に対応してフィン２３が設けられるので、風車翼面上において流れの剥離を効果的に遅延させることができる。これにより、風車翼２が取り付けられる風車（例えば、風力発電装置１）の運転効率を向上させることができる。

図４は、一実施形態に係る風車翼の模式図である。なお、図４において、風車翼２は、該風車翼２が取り付けられるハブ４とともに図示されている。
図４において、ｒ_０は翼長方向における翼根７の位置であり、ｒ_１は翼長方向における最大コード長位置（図２において符号１３で示す位置）であり、ｄは翼根位置ｒ_０における翼本体３の外径であり、Ｄはハブ４の直径であり、Ｑは風車翼２及びハブ４を含む風車ロータ５の回転中心であり、Ｒは風車ロータ５の回転中心Ｑと翼本体３の先端８との間の距離である。

一実施形態では、複数のフィンセット２２は、風車翼２が取り付けられる風車の設計周速比をλとし、隣り合う２つのフィンセット２２のうち翼根７に近いフィンセット２２のロータ５の回転中心Ｑからの距離をｒとし、ｒとＲとの比（ｒ／Ｒ）である無次元半径位置をμとしたとき、翼根位置ｒ_０と最大コード長位置ｒ_１との間の少なくとも一部の領域において、角度θが下記式（Ａ）を満たすように配置される。

本発明者の鋭意検討の結果、風車翼の翼長方向における翼根付近の領域では、翼面上で流れが剥離する位置は、翼本体の表面の平面展開図上にて下記式（Ｂ）で表される角度ψに対応する位置でることがわかった。

以下に、上記式（Ｂ）の導出について説明する。
ここで、図５は、図４に示す風車翼２のＡ−Ａに沿った模式的な断面図である。図４に示す翼本体３の翼長方向において、Ａ−Ａで示される領域では、翼本体３の前縁１１側の形状を円柱で近似できる。そこで、上記式（Ｂ）の導出について説明するため、図５には、翼本体３の前縁１１側を円柱で近似した断面図を示している。なお、図５において、符号３’は、翼本体３の前縁１１側を近似した円柱の断面を示す。
図５はロータ５の回転中心Ｑからの距離ｒの位置（便宜的に半径方向位置ｒとする）における風車翼２の断面図であるとすると、図５において、ｃは半径方向位置ｒにおける翼本体３のコード長であり、ｔは半径方向位置ｒにおける翼本体３の翼厚であり、ｒωは半径方向位置ｒにおけるロータ５の周速ベクトルを示し、Ｖは風速ベクトルを示し、Ｕは相対流入風速ベクトルを示し、φは風車翼２に対する風の流入角を示し、Ｐ_ＩＮは風の流入位置を示し、Ｐ_ＶＧはボルテックスジェネレータ２０を構成するフィンセット２２の取付位置を示す。
なお、図５は、翼本体３の前縁１１側を円柱で近似した断面図であるので、図５におけるコード長ｃと翼厚ｔとの比は、実際の翼本体３におけるコード長ｃと翼厚ｔとの比とは異なる場合がある。

まず、風車翼２に対する風の流入角φは、φ≒Ｖ／ｒωで近似できる。ここで、無次元半径位置μ＝ｒ／Ｒ、周速比λ＝Ｒω／Ｖとそれぞれ定義すると、流入角φは、以下のように表せる。

また、半径方向位置ｒが微小量Δｒだけ変化したときの無次元半径位置μの変化量をΔμ、流入角φの変化量をΔφとすると、上記式（Ｃ）より、Δφは、以下のように表せる。

ここで、翼面上の位置Ｐ_ＩＮから流入した風は、半径方向位置ｒによらず、前縁１１を通って翼面に沿ってある一定距離進行した負圧面１０上の位置Ｐ_Ｓにおいて流れの剥離が生じると仮定する。このとき、翼本体３の平面展開上において、翼根７の中心軸Ｏと、半径方向位置ｒにおける流れの剥離位置及び半径方向位置（ｒ＋Δｒ）における流れの剥離位置を通る直線とがなす角度ψ’は、Δｒ及びΔφを用いて以下のように表される。

上述の式（Ｄ）及び式（Ｅ）より、角度ψ’は、以下のように表される。

上記式（Ｆ）で表されるψ’の絶対値をψであると定義すれば（ψ＝｜ψ’｜）、上述の式（Ｂ）が得られる。
上記式（Ｂ）によれば、角度ψに応じた翼面上における剥離の位置は、無次元半径位置μに応じて変化する。

この点、上述の実施形態のように、翼根位置ｒ_０と最大コード長位置ｒ_１との間の少なくとも一部の領域において、角度θが上記式（Ａ）を満たす場合、該領域では、角度θが上記式（Ｂ）で表されるψ以下であるため、翼面上で流れが剥離する位置Ｐ_Ｓよりも前縁１１側にフィン２３及びフィンセット２２が配置されるので（図５参照）、風車翼面上において流れの剥離をより効果的に遅延させることができる。また、上述の実施形態のように、角度θが上記式（Ａ）を満たす場合、角度θが３°以上であるため、比較的先端８側においても、風車翼面上において流れの剥離を遅延させる効果を十分に得ることができる。

なお、風車ロータ５の回転中心Ｑから翼根７までの距離をＤ／２とし（図４参照）、翼本体３の翼長（翼根７から翼先端８までの距離）をＬ_Ｂとし（図４参照）、翼長方向における翼根７からの距離をｒ_Ｂとしたとき、μ＝ｒ／Ｒ、Ｒ＝Ｌ_Ｂ＋Ｄ／２、及び、ｒ＝ｒ_Ｂ＋Ｄ／２より、上述の式（Ａ）を書き換えると、下記式（Ｇ）となる。

よって、一実施形態では、複数のフィンセット２２は、翼根位置ｒ_０と最大コード長位置ｒ_１との間の少なくとも一部の領域において、角度θが上記式（Ｇ）を満たすように配置されてもよい。

ここで、典型的な風車では、風車ロータ５の回転中心Ｑから翼根７までの距離（Ｄ／２）は、１．０〜３．０ｍ程度である。そこで、一実施形態では、複数のフィンセット２２は、翼根位置ｒ_０と最大コード長位置ｒ_１との間の少なくとも一部の領域において、角度θが下記式（Ｈ）を満たすように配置されてもよい。

なお、上記式（Ｈ）は、上記式（Ｇ）に（Ｄ／２）＝１．０を代入したものである。この場合、風車ロータ５の回転中心Ｑから翼根７までの距離（Ｄ／２）や、ロータ５の中心からの距離Ｒ，ｒ等によらず、翼本体３の翼長Ｌ_Ｂ及び翼根７からの距離をｒ_Ｂによって、角度θの範囲を規定することができる。

また、典型的な風車では、設計周速比λは８〜１１程度であり、翼根位置における翼本体３の外径ｄと、風車ロータ５の回転中心Ｑと翼本体３の先端８との間の距離Ｒとの比（ｄ／Ｒ）は、０．０４７〜０．０５３程度である。
そこで、幾つかの実施形態では、上述したように翼根位置ｒ_０と最大コード長位置ｒ_１との間の少なくとも一部の領域にて、角度θが上記式（Ａ）を満たす場合において、複数のフィンセット２２は、角度θが、θ≦（０．００３４／μ^２）×（１８０／π）［°］を満たすように配置されていてもよい。
あるいは、幾つかの実施形態では、上述したように翼根位置ｒ_０と最大コード長位置ｒ_１との間の少なくとも一部の領域にて、角度θが上記式（Ａ）を満たす場合において、複数のフィンセット２２は、角度θが、θ≧（０．００２１／μ^２）×（１８０／π）［°］を満たすように配置されていてもよい。

典型的な風車翼２では、角度θがθ≦（０．００３４／μ^２）×（１８０／π）［°］を満たせば、翼長方向位置の変化に対する剥離位置の変化量に照らして角度θが過大になることが防止され、翼根７における広い翼長方向範囲において、剥離遅延効果を享受できる。また、典型的な風車翼２では、角度θがθ≧（０．００２１／μ^２）×（１８０／π）［°］を満たせば、翼長方向位置の変化に対する剥離位置の変化量に照らして角度θが過小になることが防止され、翼根７における広い翼長方向範囲において、剥離遅延効果を享受できる。
これにより、風車翼面上において流れの剥離を効果的に遅延させることができる。これにより、風車（例えば風力発電装置１）の運転効率を向上させることができる。

図６は、一実施形態に係る風車翼の一部を示す模式図である。なお、図６において、フィンセット２２は、後述するＶＧユニット２１（図７参照）により構成されている。
上述したように、幾つかの実施形態では、複数のフィンセット２２は、翼長方向における翼根７の位置（ｒ_０）と最大コード長位置１３（ｒ_１）間の少なくとも一部の領域（図６に示す領域Ａ）において、上述の角度θが翼根７に近づくにつれて大きくなるように配置される。

幾つかの実施形態では、上述の領域Ａは、無次元半径位置μ（μ＝ｒ／Ｒ）が０．１０≦μ≦０．１５の範囲である。

典型的な風車翼２では、μが０．１０≦μを満たす領域は、風車翼２のハブ４への取付け位置からある程度離れた位置であるため、風車翼２にボルテックスジェネレータ２０を取り付けることによる風車の性能改善効果をある程度見込める。また、典型的な風車翼２では、μがμ≦０．１５を満たす領域では、例えば図５に示されるように、風車翼２の前縁１１側の形状が円柱で精度よく近似できるため、風車翼面上において流れの剥離を効果的に遅延させることができる。

あるいは、幾つかの実施形態では、上述の領域Ａは、翼本体３の翼厚ｔ（図５参照）と、翼本体３のコード長ｃ（図５参照）との比である翼厚比（ｔ／ｃ）が７０％≦（ｔ／ｃ）≦８５％を満たす翼長方向の領域である。

典型的な風車翼２では、翼厚比（ｔ／ｃ）が（ｔ／ｃ）≦８５％を満たす領域は、風車翼２のハブ４への取付け位置からある程度離れた位置であるため、風車翼２にボルテックスジェネレータ２０を取り付けることによる風車の性能改善効果をある程度見込める。また、典型的な風車翼２では、翼厚比（ｔ／ｃ）が７０％≦（ｔ／ｃ）を満たす領域では、風車翼２の前縁１１側の形状が円柱で精度よく近似できるため、風車翼面上において流れの剥離を効果的に遅延させることができる。

なお、幾つかの実施形態では、図６に示すように、領域Ａよりも翼先端８側に位置する少なくとも一部の領域Ｂにも、ボルテックスジェネレータ２０として複数のフィンセット２２又はフィン２３を配置してもよい。領域Ｂでは、複数のフィンセット２２又はフィン２３は、翼面上に規定される直線に沿って配置されていてもよい。

図７は、一実施形態に係るＶＧユニットの概略構成図である。
図７に示すＶＧユニット２１は、翼本体３の表面に固定される基部２４と、基部２４条に立設される２本のフィン２３と、を含む。基部２４は、例えば両面テープ等の接着剤を介して翼本体３の表面に固定されていてもよい。

幾つかの実施形態では、２本のフィン２３は、それぞれ、翼型を有している。フィン２３は、風の流入方向の上流側に位置する前縁２６と、風の流入方向の下流側に位置する後縁２７と、風の流入方向における上流側を向くフィン２３の腹面（圧力面）２８と、風の流入方向における下流側を向くフィン２３の背面（負圧面）２９と、を有する。そして、これらのフィン２３によって、上述したように渦が形成されて、風車翼２における流れの剥離が抑制される。

幾つかの実施形態では、フィンセット２２は、上述のように一対（すなわち２本）のフィン２３，２３を有するＶＧユニット２１により構成されていてもよい。
あるいは、幾つかの実施形態では、フィンセット２２は、１本のフィンを有するＶＧユニットにより構成されていてもよい。

翼本体３の表面に固定される基部２４と、基部２４上に立設される１本又は２本のフィン２３と、を有するＶＧユニット２１によりフィンセット２２が構成される場合、風車翼面上にＶＧユニット２１の単位でフィン２３を柔軟に配置することができる。これにより、複数のフィン２３を適切に配列させることができ、これにより、風車翼面上において流れの剥離を効果的に遅延させることができ、風車（例えば風力発電装置１）の運転効率を向上させることができる。

幾つかの実施形態では、ボルテックスジェネレータ２０は、翼本体３の負圧面１０において、負圧面１０に沿った風の流れの乱流域内に設置される。このように、負圧面１０に沿った風の流れの乱流域内にフィンセット２２含むボルテックスジェネレータ２０を設置することで、負圧面１０からの流れの剥離を効果的に抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

本明細書において、「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。
また、本明細書において、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。
また、本明細書において、一の構成要素を「備える」、「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。

１ 風力発電装置
２ 風車翼
３ 翼本体
４ ハブ
５ 風車ロータ
６ タワー
７ 翼根
８ 翼先端
９ 圧力面
１０ 負圧面
１１ 前縁
１２ 後縁
１３ 最大コード長位置
１４ ナセル
２０ ボルテックスジェネレータ
２１ ＶＧユニット
２２，２２Ａ〜２２Ｃ フィンセット
２３，２３Ａ〜２３Ｃ フィン
２４ 基部
２６ 前縁
２７ 後縁
２９ 背面
Ｏ 中心軸
Ｑ 回転中心

Claims (15)

1. 翼本体と、
   前記翼本体の表面に取付けられたボルテックスジェネレータと、を備え、
   前記ボルテックスジェネレータは、互いに異なる翼長方向位置において、前記翼本体の表面から突出してそれぞれ設けられた複数のフィンをそれぞれ含む複数のフィンセットを含み、
   前記複数のフィンセットは、前記複数のフィンセットのうち第１フィンセットの前縁からの距離に比べて、前記フィンセットのうち前記第１フィンセットよりも翼根に近い第２フィンセットの前記前縁からの距離が小さくなるように配置され、
   前記複数のフィンセットは、前記翼本体の翼長方向における前記翼本体の翼根の位置と前記翼本体の最大コード長位置との間の少なくとも一部の領域において、前記翼長方向において隣り合う２つの前記フィンセットを結ぶ直線と前記翼根の中心軸とが前記翼本体の表面の平面展開図上にてなす角度θが前記翼根に近づくにつれて大きくなるように配置されることを特徴とする風車翼。
2. 前記複数のフィンセットは、前記翼根位置における前記翼本体の外径をｄとし、前記風車翼が取り付けられる風車の設計周速比をλとし、前記風車翼を含む風車ロータの回転中心と前記翼本体の先端との間の距離をＲとし、前記隣り合う２つの前記フィンセットのうち前記翼根に近いフィンセットの前記回転中心からの距離をｒとし、前記ｒと前記Ｒとの比（ｒ／Ｒ）である無次元半径位置をμとしたとき、前記翼根の前記位置と前記最大コード長位置との間の少なくとも一部の領域において、前記角度θが下記式
   

   

   
   を満たすように配置されたことを特徴とする請求項１に記載の風車翼。
3. 前記複数のフィンセットは、前記角度θが、θ≦（０．００３４／μ^２）×（１８０／π）［°］を満たすように配置されたことを特徴とする請求項２に記載の風車翼。
4. 前記複数のフィンセットは、前記角度θが、θ≧（０．００２１／μ^２）×（１８０／π）［°］を満たすように配置されたことを特徴とする請求項２又は３に記載の風車翼。
5. 前記複数のフィンセットは、前記風車翼を含む風車ロータの回転中心と前記翼本体の先端との間の距離をＲとし、前記隣り合う２つの前記フィンセットのうち前記翼根に近いフィンセットの前記回転中心からの距離をｒとし、前記ｒと前記Ｒとの比（ｒ／Ｒ）である無次元半径位置をμとしたとき、少なくとも前記無次元半径位置μが０．１０≦μ≦０．１５の範囲において、角度θが前記翼根に近づくにつれて大きくなるように配置された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。
6. 前記複数のフィンは、少なくとも、前記翼本体の翼厚ｔと、前記翼本体のコード長ｃとの比である翼厚比（ｔ／ｃ）が７０％≦（ｔ／ｃ）≦８５％を満たす前記翼長方向の領域において、角度θが前記翼根に近づくにつれて大きくなるように配置された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。
7. 前記フィンセットは、前記翼本体の表面に固定される基部と、前記基部上に立設される１本又は２本の前記フィンと、を有するＶＧユニット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。
8. 前記ボルテックスジェネレータは、前記翼本体の負圧面において、該負圧面に沿った風の流れの乱流域内に設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。
9. 請求項１乃至８の何れか一項に記載の風車翼と、
   前記風車翼が取り付けられるハブと、
   を備えることを特徴とする風車ロータ。
10. 請求項９に記載の風車ロータを備えることを特徴とする風力発電装置。
11. 風車翼の表面へのボルテックスジェネレータの取付方法であって、
    前記ボルテックスジェネレータは複数のフィンをそれぞれ含む複数のフィンセットを含み、
    前記複数のフィンが互いに異なる翼長方向位置において前記風車翼の表面から突出するように、かつ、前記複数のフィンセットが、前記風車翼の翼長方向における前記風車翼の翼根の位置と前記風車翼の最大コード長位置との間の少なくとも一部の領域において、前記翼長方向において隣り合う２つの前記フィンセットを結ぶ直線と前記翼根の中心軸とが前記風車翼の表面の平面展開図上にてなす角度θが前記翼根に近づくにつれて大きくなるように、前記複数のフィンセットを前記風車翼に取付ける取付ステップを備え、
    前記複数のフィンセットは、前記複数のフィンセットのうち第１フィンセットの前縁からの距離に比べて、前記フィンセットのうち前記第１フィンセットよりも翼根に近い第２フィンセットの前記前縁からの距離が小さくなるように配置される
    ことを特徴とするボルテックスジェネレータの取付方法。
12. 前記取付ステップでは、前記翼根位置における前記風車翼の外径をｄとし、前記風車翼が取り付けられる風車の設計周速比をλとし、前記風車翼を含む風車ロータの回転中心と前記風車翼の先端との間の距離をＲとし、前記隣り合う２つの前記フィンセットのうち前記翼根に近いフィンセットの前記回転中心からの距離をｒとし、前記ｒと前記Ｒとの比（ｒ／Ｒ）である無次元半径位置をμとしたとき、前記翼根の前記位置と前記最大コード長位置との間の少なくとも一部の領域において、前記角度θが下記式
    

    

    
    を満たすように、前記複数のフィンセットを配置して前記風車翼に取付ける
    ことを特徴とする請求項１１に記載のボルテックスジェネレータの取付方法。
13. 前記取付ステップでは、前記角度θが、θ≦（０．００３４／μ^２）×（１８０／π）［°］を満たすように前記複数のフィンセットを配置して前記風車翼に取付けることを特徴とする請求項１２に記載のボルテックスジェネレータの取付方法。
14. 前記取付ステップでは、前記角度θが、θ≧（０．００２１／μ^２）×（１８０／π）［°］を満たすように前記複数のフィンセットを配置して前記風車翼に取付けることを特徴とする請求項１２又は１３に記載のボルテックスジェネレータの取付方法。
15. 前記取付ステップでは、前記風車翼を含む風車ロータの回転中心と前記風車翼の先端との間の距離をＲとし、前記隣り合う２つの前記フィンセットのうち前記翼根に近いフィンセットの前記回転中心からの距離をｒとし、前記ｒと前記Ｒとの比（ｒ／Ｒ）である無次元半径位置をμとしたとき、少なくとも前記無次元半径位置μが０．１０≦μ≦０．１５の範囲において、角度θが前記翼根に近づくにつれて大きくなるように前記複数のフィンセットを配置して前記風車翼に取付けることを特徴とする請求項１１乃至１４の何れか一項に記載のボルテックスジェネレータの取付方法。
    

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