JP6783211B2 - 風車翼及び風車翼へのボルテックスジェネレータの配置決定方法 - Google Patents

Description

本開示は風車翼及び風車翼へのボルテックスジェネレータの配置決定方法に関する。

従来、風車の運転効率を向上させる観点から、風車翼の空力的性能を改善する試みがなされている。その試みの一つは、風車翼の表面にボルテックスジェネレータ（以下、ＶＧとも称する）を設け、風車翼の表面に沿った流れの剥離を抑制することである。

例えば、特許文献１には、風車翼の表面に取り付けられるＶＧに関し、翼長方向の異なる位置に、高さの異なるＶＧを用いてレトロフィットを行うことが開示されている。

欧州特許出願公開第２４８４８９８号明細書

しかし、上記特許文献１の開示においては、あるサイズ（≒ロータ直径）の風車翼に対して適用すべきＶＧの大きさについて何ら言及されておらず、風車翼のサイズとＶＧのサイズとの適切な関係が不明である。このため、将来的に開発され得る風車の大きさに対して適切なサイズのＶＧを設計することが困難であるという問題があった。

上記問題に鑑み、本発明の少なくとも一実施形態は、風車翼のサイズに対して適切なサイズのボルテックスジェネレータ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、
複数のフィンを含むボルテックスジェネレータを備えた風車翼であって、
各々の前記フィンの高さＨ（ｍ）と前記風車翼の最大コード長Ｃ（ｍ）とが、Ｈ／Ｃ＝０．３〜０．９×１０^−２を満たす。

風車翼の翼根部にボルテックスジェネレータを適用する際、異なるサイズの風車翼に対して風車に関する何らかのパラメータを指標として適切なサイズのボルテックスジェネレータを適用することは重要である。本発明者らは、風車翼の最大コード長とボルテックスジェネレータのフィンの高さＨとの適切な関係を導くことで、ある風車翼のサイズに対して適切なサイズのボルテックスジェネレータを適用することができるという知見を得た。そして、上記（１）の構成によれば、風車翼のサイズに対して適切なサイズのボルテックスジェネレータを提供することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）に記載の構成において、
前記フィンの高さＨは、翼劣化状態における定格周速比での境界層厚さδ_１に対して、Ｈ≧０．１δ_１を満たしてもよい。

翼劣化状態では境界層が発達して厚くなり易く、剥離を抑えるためのフィンの高さが問題となる。しかし、フィンの高さが大きければフィンによる剥離抑制効果よりもフィン自体の抗力の影響によるデメリットが大きくなる。そこで本発明者らは、鋭意検討の結果、翼劣化状態における境界層厚さδ_１に対して、Ｈ≧０．１δ_１を満たす高さＨを有するフィンとすることで、剥離抑制効果と抗力とのバランスを適切に保つことができるという知見を得た。よって、上記（２）の構成によれば、翼劣化状態において剥離抑制効果と抗力とのバランスに優れたボルテックスジェネレータを備えた風車翼を得ることができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）に記載の構成において、
前記フィンの高さＨは、翼健全状態における最適周速比での境界層厚さδ_２に対して、Ｈ≦δ_２を満たしてもよい。

翼健全状態では風車翼の表面が滑らかであるから境界層厚さδ_２が比較的薄い。このため、剥離を抑制するために必要な高さ以上のフィンとすれば抗力によるデメリットが大きくなる。そこで、本発明者らは鋭意検討の結果、翼健全状態における最適周速比での境界層厚さδ_２に対して、Ｈ≦δ_２とすることで、剥離抑制効果と抗力とのバランスを適切に保つことができるという知見を得た。よって、上記（３）の構成によれば、翼健全状態において剥離抑制効果と抗力とのバランスに優れたボルテックスジェネレータを備えた風車翼を得ることができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れか一つに記載の構成において、
前記フィンは、風の流入方向を基準としたフィンコードの角度が、１２度以上１８度以下を満たしてもよい。

風の流入方向を基準としたフィンコードの角度は、フィンの迎角にあたる。この迎角が大きすぎると、フィン周囲の流れがフィンの前縁側で剥離しやすくなり、失速の原因となり得る。逆に、フィンの迎角が小さすぎると、縦渦の発生に好ましい揚力を得ることができない可能性がある。そこで、本発明者らの検討の結果、上記（４）のように、フィンコードの角度を風流入方向に対して１２度以上１８度以下とすることによって、ボルテックスジェネレータによる縦渦の生成を安定させることができ、剥離抑制効果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）の何れか一つに記載の構成において、
前記フィンは、前記フィンの高さＨとフィン根本のコード長Ｌの比Ｌ／Ｈが、２．０≦Ｌ／Ｈ≦４．０を満たしてもよい。

一般に、揚力傾斜は翼（フィン）の平面形状の影響を受け、アスペクト比Ｌ／Ｈの大きさによって、同じ迎角において得られる揚力係数の大きさが変化する。このため、縦渦の生成を促し剥離抑制効果を高める観点からは、フィンのアスペクト比に閾値を設けることが望ましい。そこで、本発明者らの知見によれば、上記（５）の構成のように、Ｌ／Ｈが、２．０≦Ｌ／Ｈ≦４．０を満たすフィンの大きさとすることによって、縦渦の生成に効果的な揚力を実現することができ、ボルテックスジェネレータの剥離抑制効果を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）の何れか一つに記載の構成において、
前記ボルテックスジェネレータは、
前記風車翼の表面に取り付けられるとともに、前記フィンが立設される表面及び該表面に対向する平坦な底面を有する基部をさらに備え、
少なくとも、前記風車翼の翼長方向に沿った前記基部の断面が湾曲凸形状を有していてもよい。

上記（６）の構成によれば、ボルテックスジェネレータの基部の翼長方向に沿った断面形状が湾曲凸形状を有するため、風車翼の曲げ変形に追従して基部が変形可能であり、基部に発生する応力を分散させることができる。これにより、風車翼の表面からのボルテックスジェネレータの脱落のリスクを低減できる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（６）の何れか一つに記載の構成において、
前記ボルテックスジェネレータは、負圧面が互いに対向するように配置された一対のフィンにより形成されるフィンセットを複数含み、前記フィンの高さＨに対する前記一対のフィンの後縁の間隔Ｓの比Ｓ／Ｈが、２．５≦Ｓ／Ｈ≦５．０を満たしてもよい。

Ｓ／Ｈが小さいほど、生成された縦渦どうしの間隔が狭くなり、縦渦どうしが干渉することによって剥離抑制効果が低減する原因となり得る。加えて、フィンの数が増えることによって、ボルテックスジェネレータ自体の抵抗が増加してしまう。他方、Ｓ／Ｈが大きいほど、生成された縦渦どうしの間隔は広くなり、風車翼上におけるボルテックスジェネレータの取付範囲にて縦渦が存在しない箇所が多くなるため、剥離抑制効果が低減する原因となり得る。そこで、上記（７）のように、Ｓ／Ｈが、２．５≦Ｓ／Ｈ≦５．０を満たす構成とすることで、ボルテックスジェネレータ設置による技術的利得を効果的に享受できる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（７）の何れか一つに記載の構成において、
各々の前記フィンの高さＨ（ｍ）と前記風車翼を含むロータの半径Ｒ（ｍ）とが、
Ｈ／Ｒ＝０．２〜０．７×１０^−３を満たしてもよい。

上記（１）で述べたように、風車翼の翼根部にボルテックスジェネレータを適用する際、異なるサイズの風車翼に対して風車に関する何らかのパラメータを指標として適切なサイズのボルテックスジェネレータを適用することは重要である。そこで、本発明者らは、風車翼を含むロータの半径Ｒとフィンの高さＨとの適切な関係を導くことで、ある風車翼のサイズに対して適切なサイズのボルテックスジェネレータを適用することができるという知見を得た。そして、上記（８）の構成によれば、風車翼のサイズに対して適切なサイズのボルテックスジェネレータを提供することができる。

（９）本発明の少なくとも一実施形態に係る風車翼へのボルテックスジェネレータの配置決定方法は、上記（１）乃至（８）の何れか一つに記載の風車翼へのボルテックスジェネレータの配置決定方法であって、
前記ボルテックスジェネレータは、前記風車翼のコード方向に沿った線分に対して線対称に配置された一対の前記フィンを含む。

上記（９）の構成によれば、ボルテックスジェネレータを風流入方向に対して適切な方向で配置することができ、ボルテックスジェネレータによる渦の生成を安定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車翼へのボルテックスジェネレータの配置決定方法は、上記（１）乃至（８）の何れか一つに記載の風車翼へのボルテックスジェネレータの配置決定方法であって、
前記ボルテックスジェネレータは、前記負圧面が互いに対向するように配置された一対の前記フィンにより形成されるフィンセットを複数含み、
前記一対のフィンの後縁の間隔Ｓに対する、隣り合う２つの前記フィンセットの配列ピッチＺの比Ｚ／Ｓが１．５以上３．０以下となるように前記ボルテックスジェネレータが配置される。

剥離抑制効果を高める観点からは、ボルテックスジェネレータを高密度で配置することが望ましい。一方、抵抗低減のためには、低密度でボルテックスジェネレータを配置することが望ましい。そこで、上記（１０）の方法のように、Ｚ／Ｓが１．５以上３．０以下を満たす密度でボルテックスジェネレータを配置すれば、剥離抑制効果と抵抗低減効果を同時に享受することができる。

（１１）本発明の少なくとも一実施形態に係る風車翼へのボルテックスジェネレータの配置決定方法は、上記（１）乃至（８）の何れか一つに記載の風車翼へのボルテックスジェネレータの配置決定方法であって、
前記ボルテックスジェネレータは、前記負圧面が互いに対向するように配置された一対の前記フィンにより形成されるフィンセットを複数含み、
前記一対のフィンの高さＨに対する、隣り合う２つの前記フィンセットの配列ピッチＺの比Ｚ／Ｈが６．０以上８．０以下となるように前記ボルテックスジェネレータが配置される。

上記（１０）で述べたように、剥離抑制効果を高める観点からは、ボルテックスジェネレータを高密度で配置することが望ましい。一方、隣り合うフィンセット同士の間隔が近い程、生成された縦渦同士の干渉により剥離抑制効果が低減する原因となり得る。そこで、上記（１１）の構成のように、Ｚ／Ｈが６．０以上８．０以下を満たすボルテックスジェネレータを配置すれば、剥離抑制効果と抵抗低減効果を同時に享受することができる。

本発明の幾つかの実施形態によれば、風車翼のサイズに対して適切なサイズのボルテックスジェネレータを提供することができる。

一実施形態に係る風力発電装置の概略構成図である。 一実施形態に係るボルテックスジェネレータを備えた風車翼アセンブリの斜視図である。 一実施形態に係るボルテックスジェネレータの斜視図である。 一実施形態に係るボルテックスジェネレータの平面図である。 一実施形態に係るボルテックスジェネレータの翼長方向に沿った断面図である。 一実施形態に係るボルテックスジェネレータのフィン周囲における流れを説明するための図である。 一実施形態に係るボルテックスジェネレータの斜視図である。 コード方向位置と境界層厚さとの関係を示すグラフである。 ロータ半径、最大コード長及び最大コード長部の無次元半径方向位置を示す概略図である。 風車翼への風の流入速度と周速比とを説明するための図である。 乱流境界層の速度分布を説明するための図である。 最大コード断面における境界層の代表的な厚さを最大コード長で無次元化した値とロータ半径の関係を示す図である。 最大コード断面における境界層の代表的な厚さとロータ半径の関係を示す図である。

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。
例えば、「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。
例えば、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。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「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。

まず、図１及び図２を参照して、幾つかの実施形態に係るボルテックスジェネレータが適用される風車翼アセンブリ及び風力発電装置の全体構成について説明する。図１は、一実施形態に係る風力発電装置の概略構成図であり、図２は一実施形態に係るボルテックスジェネレータが適用される風車翼アセンブリの斜視図である。

図１に示すように、風力発電装置９０は、少なくとも一本（例えば３本）の風車翼アセンブリ１を備える。風車翼アセンブリ１は、後述するように、風車翼２及びボルテックスジェネレータ１０を含む。風車翼アセンブリ１は放射状にハブ９４に取り付けられ、風車翼アセンブリ１及びハブ９４により風力発電装置９０のロータ９３が構成される。風車翼アセンブリ１で風を受けると、ロータ９３が回転し、ロータ９３に連結された発電機（不図示）で電力が生成されるようになっている。
なお、図１に示す実施形態において、ロータ９３は、タワー９６の上方に設けられたナセル９５によって支持されている。また、タワー９６は、水上又は陸上に設けられた土台構造９７（基礎構造又は浮体構造等）に立設されている。
以下に説明するように、上記構成の風力発電装置９０において、風車翼アセンブリ１の風車翼２には、一実施形態に係るボルテックスジェネレータ１０が取り付けられる。

図２に示すように、風車翼アセンブリ１は、風車翼２を備える。風車翼２の表面（翼面）には、一実施形態に係るボルテックスジェネレータ１０が取り付けられる。なお、図２には、ボルテックスジェネレータ１０がすでに風車翼２に取り付けられた状態の風車翼アセンブリ１が図示されている。
風車翼２は、風力発電装置９０のハブ９４に取り付けられる翼根３と、ハブ９４から最も遠くに位置する翼先端４と、翼根３と翼先端４の間に延在する翼型部５と、を含む。また、風車翼２は、翼根３から翼先端４にかけて、前縁６と後縁７とを有する。また、風車翼２の外形は、圧力面（腹面）８と、圧力面８に対向する負圧面（背面）９とによって形成される。

図２に示すように、風車翼アセンブリ１において、複数のボルテックスジェネレータ１０が風車翼２の負圧面９に取り付けられる。また、複数のボルテックスジェネレータ１０は、風車翼２の負圧面９において翼長方向に複数配列されている。
なお、本明細書において、「翼長方向」とは、翼根３と翼先端４とを結ぶ方向であり、「翼コード方向」とは、風車翼２の前縁６と後縁７とを結ぶ線（コード）に沿った方向である。

次に図３及び図４を参照して、ボルテックスジェネレータ１０の構成について具体的に説明する。図３は、一実施形態に係るボルテックスジェネレータの斜視図である。図４は、一実施形態に係るボルテックスジェネレータの平面図である。

図３に示すように、幾つかの実施形態に係るボルテックスジェネレータ１０は、風車翼アセンブリ１の表面（より具体的には風車翼２の表面）に固定される基部１１と、基部１１上に立設される少なくとも一本のフィン１２と、を備えている。図３及び図４に示す実施形態では、ボルテックスジェネレータ１０は、基部１１上において隣り合うように設けられた一対（合計２本）のフィン１２（１２Ａ，１２Ｂ）を有している。

図３及び図４に示す実施形態では、基部１１は平面視において円形形状を有している。
幾つかの実施形態では、基部１１は、円形以外の形状を有していてもよい。基部１１は、例えば、楕円形状や、長方形等の多角形の形状を有していてもよい。
また、幾つかの実施形態では、ボルテックスジェネレータ１０は基部１１を有さずに、フィン１２が風車翼２に直接取り付けられていてもよい。

幾つかの実施形態において、フィン１２はフィン１２の高さＨに対するフィン根本のコード長Ｌの比であるＬ／Ｈが、２．０≦Ｌ／Ｈ≦４．０を満たす（図３参照）。

一般に、揚力傾斜（迎角に対する揚力係数の増加の仕方）は翼の平面形状の影響を受け、アスペクト比Ｌ／Ｈの大きさによって、同じ迎角において得られる揚力係数の大きさが変化する。縦渦２９（後述）の生成に好ましい揚力Ｆを得るためには、アスペクト比Ｌ／Ｈが大きいことが望ましいが、逆に、アスペクト比Ｌ／Ｈが大きすぎると揚力傾斜が小さくなるため、縦渦２９の形成に十分な揚力Ｆを得られない可能性がある。したがって、風の流入方向とフィンコード２４なす角度（迎角）に対して、縦渦２９の生成に好ましい揚力Ｆを得るためには、フィン１２のアスペクト比Ｌ／Ｈに閾値を設けることが望まれる。

そこで、本実施形態によれば、Ｌ／Ｈが、２．０≦Ｌ／Ｈ≦４．０を満たすようなフィン１２の形状を構成することによって、縦渦２９の生成に効果的な揚力Ｆを実現することができ、ボルテックスジェネレータ１０の剥離抑制効果を高めることができる。

幾つかの実施形態によれば、フィン１２の高さＨに対する一対のフィン１２の後縁の間隔Ｓの比Ｓ／Ｈが、２．５≦Ｓ／Ｈ≦５．０を満たすことを特徴とする（図３参照）。

Ｓ／Ｈは一対のフィン１２の後縁間の距離に関する値であり、Ｓ／Ｈが小さいほど、フィン１２の後縁１４側で生成される縦渦２９どうしの間隔が狭くなる。このため、縦渦２９どうしが干渉することによって剥離抑制効果が低減してしまう原因となり得る。加えて、Ｓ／Ｈが小さいほど、風車翼２上でのボルテックスジェネレータ１０の取付け領域におけるフィン１２の数が増えることになるため、ボルテックスジェネレータ１０自体の抵抗が増加し、ドラッグペナルティ発生の原因にもなり得る。他方、Ｓ／Ｈが大きいほど、生成された縦渦２９どうしの間隔は広くなる。この場合、風車翼２上におけるボルテックスジェネレータ１０の取付範囲にて縦渦２９が存在しない箇所が多くなるため、剥離抑制効果が低減する原因となり得る。そこで、本実施形態のように、Ｓ／Ｈが、２．５≦Ｓ／Ｈ≦５．０を満たす構成とすることで、ボルテックスジェネレータ１０の設置による技術的利得を効果的に享受できる。

図４は、図３におけるボルテックスジェネレータ１０を真上から見た平面図を示している。幾つかの実施形態では、風の流入方向に沿った線分ｌ_ｗ（ｌ_ｗＡ，ｌ_ｗＢ）とフィンコード２４の延長線ｌ_Ｃ（ｌ_ＣＡ，ｌ_ＣＢ）とのなす角θ（θ_Ａ，θ_Ｂ）は、１２度以上１８度以下を満たす。

風の流入方向を基準としたフィンコード２４の角度θは、フィン１２の迎角にあたる。この迎角が大きすぎると、フィン１２周囲の流れがフィン１２の前縁１７側で剥離しやすくなり、失速の原因となり得る。逆に、フィン１２の迎角が小さすぎると、縦渦２９の発生に望ましい揚力Ｆを得ることができない可能性がある。そこで、本発明者らの検討の結果、本実施形態のように、風の流入方向に対するフィンコード２４の角度θを１２度以上１８度以下とすることによって、ボルテックスジェネレータ１０による縦渦２９の生成を安定させることができ、剥離抑制効果を向上させることができる。

幾つかの実施形態において、図４に例示するように、フィン１２は、風車翼２のコード方向に沿った直線Ｌ_Ｈに対して、フィンコードの延長線ｌ_ＣＡ及びｌ_ＣＢが所定の角度をなすように風車翼２上に配置される。
図４では、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）に取り付けた状態で、風車翼２の前縁６側から後縁７側に向けて）、一対のフィン１２Ａ，１２Ｂの間の隙間が広がるように各々のフィン１２Ａ，１２Ｂ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）に取り付けられた状態で、風車翼２の後縁７側から前縁６側に向けて）、一対のフィン１２Ａ，１２Ｂの間の隙間が広がるように各々のフィン１２Ａ，１２Ｂが設けられていてもよい。

また、一実施形態では、風車翼２のコード方向に沿った直線Ｌ_Ｈが、一対のフィンコードの延長線ｌ_ＣＡ，ｌ_ＣＢのなす角度の二等分線となるようにボルテックスジェネレータ１０を配向させた状態で風車翼２上に配置されてもよい。つまり、ボルテックスジェネレータ１０は、風車翼２のコード方向に沿った線分に対して線対称に配置された一対のフィン１２Ａ，１２Ｂを含んでいてもよい。
このように、風流入方向に沿った風車翼２のコードを基準として、フィンコードに角度を持たせてボルテックスジェネレータ１０を配置することで、風流入方向に対して剥離抑制効果を高めるのに適切な取付方向でボルテックスジェネレータ１０を風車翼２に取り付けることができる。

図５は、翼長方向に沿ったボルテックスジェネレータ１０の基部１１の断面２８を示している。図５に示すように、幾つかの実施形態に係るボルテックスジェネレータ１０において、基部１１は、外部に露出した表面２５と、風車翼２の表面２５に対向した裏面２７と、を含む。図５に示すように、幾つかの実施形態では、翼長方向に沿った基部１１の断面２８の形状が湾曲凸形状を有する。

ここで、「湾曲凸形状」とは、風車翼２から離れる方向に隆起するとともに、隆起した部分の輪郭（基部１１の表面２５の形状）の少なくとも一部が湾曲しているような形状を指す。
隆起した部分の輪郭は、図５に示す実施形態のように単一の曲率半径の円弧によって形成されていてもよいし、図示は省略するが他の実施形態として複数の曲率半径の円弧の組合せ、または、１以上の曲率半径の円弧と１以上の直線との組合せによって形成されていてもよい。

風力発電装置９０の運転中、空力荷重に起因した曲げ変形によって風車翼２は撓む。このため、風車翼２の表面に取り付けられたボルテックスジェネレータ１０の基部１１には大きな応力が生じてしまう。この点、上記実施形態によれば、ボルテックスジェネレータ１０の基部１１が風車翼２の翼長方向に沿った湾曲凸形状の断面を有するように配置されるため、風車翼２の曲げ変形に追従して基部が変形可能であり、基部１１に生じる応力を分散させることができる。

ここで、ボルテックスジェネレータ１０の空力的作用について簡単に説明する。図６は、ボルテックスジェネレータ１０の作用を説明するための斜視図である。なお、図６には、図３〜４に示すボルテックスジェネレータ１０を風車翼２の翼長方向に複数設置することで形成されるフィン列（複数対のフィン１２Ａ，１２Ｂ）のうち、隣り合う一対のフィン１２Ａ，１２Ｂのみを示している。
風車翼２の負圧面９における流れの剥離は、前縁６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７に到達する前に流れが剥がれてしまうことで生じる。
図６に示すように、風車翼２に取り付けられたボルテックスジェネレータ１０は、フィン１２が生み出す揚力Ｆによって、フィン１２の負圧面（背面）２３側に縦渦２９を形成する。これらの縦渦２９によって、フィン１２の後流側において境界層３１内外の運動量交換が促進される。これにより、隣接するフィン１２の負圧面２３間の領域では、フィン１２の後流の境界層３１の厚さＤは薄くなる（Ｄ１＜Ｄ２）。よって、複数のフィン１２を翼長方向に配列することで、風車翼２の表面における境界層３１が全体として薄くなり、風車翼２の後縁剥離が抑制されるようになっている。

図７は、風車翼２に配置されたボルテックスジェネレータ１０の斜視図である。幾つかの実施形態に係るボルテックスジェネレータ１０は、図７に示すように、圧力面１５及び負圧面１６をそれぞれ有し、負圧面１６が互いに対向するように配置された一対のフィン（１２Ａ，１２Ｂ）により形成されるフィンセット２５を複数含んでいる。幾つかの実施形態では、一対のフィン（１２Ａ，１２Ｂ）の後縁１４の間隔Ｓに対する、隣り合う２つの前記フィンセット（２５Ａ，２５Ｂ）の配列ピッチＺの比Ｚ／Ｓが、１．５以上３．０以下となるようにボルテックスジェネレータ１０が配置される。

剥離抑制効果を高める観点からは、ボルテックスジェネレータ１０を高密度で配置することが望ましい。一方、抵抗低減のためには、低密度でボルテックスジェネレータ１０を配置することが望ましい。そこで、上記のように、Ｚ／Ｓが１．５以上３．０以下を満たす密度でボルテックスジェネレータ１０を配置すれば、剥離抑制効果と抵抗低減効果を同時に享受することができる。

次に、ボルテックスジェネレータ１０の寸法は、通常、境界層厚さδに合わせて設計する。すなわち、ボルテックスジェネレータ１０のフィンの高さが、境界層厚さδをカバーしつつ、ドラッグペナルティが生じないような高さであることが望ましい。
図８は、コード方向位置における境界層厚さδ（δ_１及びδ_２）について、翼劣化状態の場合と翼健全状態の場合とを示している。図８によれば、後縁７に近づくにつれて、境界層厚さδが翼劣化状態におけるδ_１と翼健全状態におけるδ_２とで大きく異なっている。このため、後縁側で翼劣化状態での境界層厚さδ_１に適したボルテックスジェネレータ１０の寸法を用いたとしても、翼健全状態での境界層厚さδ_２を大きく超えているため、ボルテックスジェネレータ１０自体の抵抗が大きくなり、ドラッグペナルティが生じてしまう。逆に、後縁側で翼健全状態に適したボルテックスジェネレータ１０の寸法を採用しても、翼劣化状態では境界層厚さδ_１よりも小さいため、翼劣化状態において剥離抑制効果が低減してしまう。

そこで、本開示の幾つかの実施形態では、上記の構成において、フィン１２の高さＨは、翼劣化状態における定格周速比での境界層厚さδ_１に対して、Ｈ≧０．１δ_１を満たす。
翼劣化状態では境界層が発達して厚くなり易く、剥離を抑えるためのフィン１２の高さが問題となる。しかし、フィン１２の高さＨが大きければフィン１２による剥離抑制効果よりもフィン１２自体の抗力の影響によるデメリットが大きくなる。そこで本発明者らは、鋭意検討の結果、翼劣化状態における境界層厚さδ_１に対して、Ｈ≧０．１δ_１を満たす高さＨを有するフィン１２とすることで、剥離抑制効果と抗力とのバランスを適切に保つことができるという知見を得た。よって、上記（２）の構成によれば、翼劣化状態において剥離抑制効果と抗力とのバランスに優れたボルテックスジェネレータ１０を備えた風車翼２を得ることができる。

さらに、幾つかの実施形態では、上記の構成において、フィン１２の高さＨは、翼健全状態における最適周速比での境界層厚さδ_２に対して、Ｈ≦δ_２を満たす。
翼健全状態では風車翼２の表面が滑らかであるから境界層厚さδ_２が比較的薄い。このため、剥離を抑制するために必要な高さ以上のフィン１２とすれば抗力によるデメリットが大きくなる。そこで、本発明者らは鋭意検討の結果、翼健全状態における最適周速比での境界層厚さδ_２に対して、Ｈ≦δ_２とすることで、剥離抑制効果と抗力とのバランスを適切に保つことができるという知見を得た。よって、上記の構成によれば、翼健全状態において剥離抑制効果と抗力とのバランスに優れたボルテックスジェネレータ１０を備えた風車翼２を得ることができる。

ここで、図９〜１３を参照して一実施形態に係る風車翼２のサイズと、この風車翼２に取り付けるために適切なフィン１２のサイズとについて説明する。
図９は、ロータ半径、最大コード長及び最大コード長部の無次元半径方向位置を示す概略図である。図１０は、風車翼への風の流入速度と周速比とを説明するための図である。図１１は、乱流境界層の速度分布を説明するための図である。図１２は、最大コード断面における境界層の代表的な厚さを最大コード長で無次元化した値とロータ半径との関係を示す図である。図１３は、最大コード断面における境界層の代表的な厚さとロータ半径との関係を示す図である。
一実施形態に係る風車翼２は、複数のフィン１２を含むボルテックスジェネレータ１０を備えた風車翼２であって、各々のフィン１２の高さＨ（ｍ）と前記風車翼の最大コード長Ｃ（ｍ）とが、Ｈ／Ｃ＝０．３〜０．９×１０^−２を満たす（図１２参照）。

風車翼２の翼根部（翼根３）にボルテックスジェネレータ１０を適用する際、異なるサイズの風車翼２に対して風力発電装置９０（以下、単に風車とも称する）に関する何らかのパラメータを指標として適切なサイズのボルテックスジェネレータを適用することは重要である。これに関し、本発明者らは、風車翼２の最大コード長Ｃ_ｍａｘとボルテックスジェネレータ１０のフィン１２の高さＨとの適切な関係を導くことで、ある風車翼２のサイズに対して適切なサイズのボルテックスジェネレータ１０を適用することができるという知見を得た。以下にその内容を例示的かつ非限定的に説明する。

一般に、ボルテックスジェネレータ（以下、ＶＧとも称する）の最適サイズは、ＶＧを適用する位置における境界層厚さδから決定される。境界層厚さδは風車の運転点や機種によって異なるため、空気力学の観点からすれば、各機種ごとに適切なサイズのＶＧを適用することが理想的である。一方、コストの観点では数種類程度（或いは単一）のＶＧで複数の機種に対応できることが望ましい。

ここで、風車翼２の翼根部にＶＧを適用する際には、最大コード長部４０を代表断面と考えることができる（図９参照）。最大コード長Ｃ_ｍａｘや最大コード長部４０の無次元半径方向位置μ_ｃ（＝ｒ_ｃ／Ｒ）は、空力性能や翼重量及び輸送性などから決定される。これらは、経験的には、
Ｃ_ｍａｘ＝０．０６Ｒ〜０．０８Ｒ
μ_ｃ＝０．２〜０．３Ｒ
となる。ここで、Ｒはロータ９３の半径である。上記に基づき、ここでは、
Ｃ_ｍａｘ＝０．０７Ｒ
μ_ｃ＝０．２５Ｒ
と考える。
一般に、近年の風車は、周速比（Ｔｉｐ ｓｐｅｅｄ ｒａｔｉｏ：ＴＳＲ）８〜１０程度に設定される。これは、翼先端部のエロ―ジョンを防止するためには周速を１００ｍ／ｓ以下にする必要があるためである。これに基づけば、風車翼２の代表的な運転点は、
風速Ｖ＝８ｍ／ｓ、周速比λ＝９
と考えることができ、最大コード長部４０における風の流入速度Ｗは、
Ｗ＝√（Ｖ・λ・μ_ｃ（１＋ａ_２））２＋（Ｖ（１−ａ_１））２≒１９ ［ｍ／ｓ］
となる（図１０参照）。ここで、軸方向誘導係数ａ_１は最適値の１／３、接線方向誘導係数ａ_２は０とした。
以上の仮定に基づけば、最大コード長Ｃ_ｍａｘ断面におけるレイノルズ数は、
Ｒｅ_ｃ＝Ｃ_ｍａｘ・Ｗ／ν
＝０．０７Ｒ・１９／１．５×１０^−５
＝８．９×１０^４×Ｒ
となる。ただし、νは動粘性係数であり、常温における値とした。

次に、平板上の乱流境界層の厚さ（境界層厚さ）δは、
δ＝０．３７ｘ／Ｒｅ_ｘ ^０．２
と表される。ここで、ｘは平板前縁からの距離であり、Ｒｅ_ｘはｘに基づいたレイノルズ数である。
ここで、最大コード長Ｃ_ｍａｘ断面におけるＶＧのコード方向位置を仮定する。最も翼先端側のＶＧのコード方向位置は２５〜７５％が適するとされていることから、
（ｘ／Ｃ）_ｒｅｆ＝０．５
とする。
以上の仮定から、ＶＧ取付位置における境界層厚さδは以下を代表値と考えることができる（図１１参照）。
δ＝０．３７ｘ／Ｒｅ_ｘ ^０．２
＝０．３７・（Ｒｅ_ｃ・ｘ／Ｃ）^−０．２・０．５Ｃ
＝０．３７×（８．９×１０^４×Ｒ×０．５）^−０．２×０．５×０．０７Ｒ
＝１．５×１０^−３Ｒ^０．８ ［ｍ］
また、δ／Ｃは、
δ／Ｃ＝１．５×１０^−３×Ｒ^０．８／０．０７Ｒ
＝２．２×１０^−２Ｒ^０．８ ［−］
となる。

ＶＧの頂部は、十分な流速がある領域に位置する必要があり、そのためには、ＶＧの高さＨをδの２０％〜１００％程度とするのがよいと考えられる。よって、ここではδの２０％〜８０％（Ｈ＝０．２〜０．８δ）を適切なサイズであるとすることができる。
以上から、風車翼２に対するＶＧの適切なサイズは、図１２及び図１３に示す塗りつぶし箇所であるといえる。ここで、図１２及び図１３中、ｙは風車翼２の表面からの距離を示す。例えば、ロータ半径が１００ｍ以下の場合は、図１２より、ＶＧ高さＨとコード長Ｃとの比Ｈ／Ｃは０．３〜０．９％が適切であると考えられる。

以上述べた構成により、風車翼２のサイズに対して適切なサイズのボルテックスジェネレータ１０を提供することができるものである。

また、幾つかの実施形態では、各々のフィン１２の高さＨ（ｍ）とロータの半径Ｒ（ｍ）とが、Ｈ／Ｒ＝０．２〜０．７×１０^−３を満たしてもよい。
すなわち、Ｃ_ｍａｘ＝０．０７Ｒと仮定すれば、
Ｈ／Ｒ＝０．０７Ｈ／Ｃ_ｍａｘ＝０．２１〜０．６３×１０^−３
となるから、Ｈ／Ｒ＝０．２〜０．７×１０^−３とすることで適切なＶＧ高さ（サイズ）をロータ半径Ｒとの関係で考えることができる。よって、風車翼２のサイズに対して適切なサイズのボルテックスジェネレータ１０を提供することができる。

さらに、本発明の少なくとも一実施形態に係る風車翼へのボルテックスジェネレータの配置決定方法は、上記何れか一つに記載の風車翼へのボルテックスジェネレータの配置決定方法であって、ボルテックスジェネレータ１０は、負圧面９が互いに対向するように配置された一対の前記フィン１２により形成されるフィンセットを複数含み、一対のフィン１２の高さＨに対する、隣り合う２つのフィンセットの配列ピッチＺの比Ｚ／Ｈが６．０以上８．０以下となるようにボルテックスジェネレータ１０が配置されてもよい。

上述したように、剥離抑制効果を高める観点からは、ボルテックスジェネレータ１０を高密度で配置することが望ましい。一方、隣り合うフィンセット同士の間隔が近い程、生成された縦渦同士の干渉により剥離抑制効果が低減する原因となり得る。そこで、上記構成のように、Ｚ／Ｈが６．０以上８．０以下を満たすボルテックスジェネレータ１０を配置すれば、剥離抑制効果と抵抗低減効果を同時に享受することができる。

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更を加えた形態や、これらの形態を組み合わせた形態も含む。

１ 風車翼アセンブリ
２ 風車翼
３ 翼根
４ 翼先端
５ 翼型部
６ 前縁
７ 後縁
８ 圧力面（腹面）
９ 負圧面（背面）
１０ ボルテックスジェネレータ
１２，１２Ａ，１２Ｂ フィン
１３ 頂部
１４ 根本
１７ 前縁
１９ 後縁
２１ 圧力面（腹面）
２３ 負圧面（背面）
２４ フィンコード
２８ 断面
２９ 縦渦
３１ 境界層
３７ 縦渦
４０ 最大コード長部
９０ 風力発電装置
９３ ロータ
９４ ハブ
９６ タワー

Claims (9)

1. 同一サイズの複数のフィンを含むボルテックスジェネレータを備えた風車翼であって、
   各々の前記フィンの高さＨ（ｍ）と前記風車翼の最大コード長Ｃ（ｍ）とが、Ｈ／Ｃ＝０．３〜０．９×１０^−２を満たすとともに、
   前記フィンの高さをＨとし、翼劣化状態における定格周速比での境界層厚さをδ_１ とし、前記翼劣化状態よりも前記風車翼の表面が滑らかである翼健全状態における最適周速比での境界層厚さをδ_２ としたとき、前記風車翼のコード方向において前記風車翼の前縁から後縁に向かって増加するδ_１ およびδ_２ の分布に基づき、前記コード方向に沿った風流入方向において単一の前記フィンが、０．１δ _１ ≦Ｈ≦δ _２ の関係を満たすような前記コード方向における位置に設置された
   ことを特徴とする風車翼。
2. 前記フィンは、風の流入方向を基準としたフィンコードの角度が、１２度以上１８度以下を満たす
   ことを特徴とする請求項１に記載の風車翼。
3. 前記フィンは、前記フィンの高さＨとフィン根本のコード長Ｌの比Ｌ／Ｈが、２．０≦Ｌ／Ｈ≦４．０を満たす
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の風車翼。
4. 前記ボルテックスジェネレータは、
   前記風車翼の表面に取り付けられるとともに、前記フィンが立設される表面及び該表面に対向する平坦な底面を有する基部をさらに備え、
   少なくとも、前記風車翼の翼長方向に沿った前記基部の断面が湾曲凸形状を有する
   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翼。
5. 前記ボルテックスジェネレータは、負圧面が互いに対向するように配置された一対のフィンにより形成されるフィンセットを複数含み、前記フィンの高さＨに対する前記一対のフィンの後縁の間隔Ｓの比Ｓ／Ｈが、２．５≦Ｓ／Ｈ≦５．０を満たす
   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. 各々の前記フィンの高さＨ（ｍ）と前記風車翼を含むロータの半径Ｒ（ｍ）とが、
   Ｈ／Ｒ＝０．２〜０．７×１０^−３を満たす
   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. 同一サイズの複数のフィンを含むボルテックスジェネレータの風車翼への配置を決定するステップを備え、
   前記ボルテックスジェネレータのフィンの各々の高さＨ（ｍ）と前記風車翼の最大コード長Ｃ（ｍ）とが、Ｈ／Ｃ＝０．３〜０．９×１０^−２を満たすとともに、
   前記フィンの高さをＨとし、翼劣化状態における定格周速比での境界層厚さをδ _１ とし、前記翼劣化状態よりも前記風車翼の表面が滑らかである翼健全状態における最適周速比での境界層厚さをδ _２ としたとき、前記風車翼のコード方向において前記風車翼の前縁から後縁に向かって増加するδ_１ およびδ_２ の分布に基づき、前記コード方向に沿った風流入方向において単一の前記フィンが、０．１δ _１ ≦Ｈ≦δ _２ の関係を満たすような前記コード方向における位置に配置され、かつ、負圧面が互いに対向するように配置された一対の前記フィンが、前記風車翼のコード方向に沿った線分に対して線対称に配置されるように前記ボルテックスジェネレータの配置を決定する
   ことを特徴とする風車翼へのボルテックスジェネレータの配置決定方法。
8. 前記ボルテックスジェネレータは、負圧面が互いに対向するように配置された一対の前記フィンにより形成されるフィンセットを複数含み、
   一対の前記フィンの後縁の間隔Ｓに対する、隣り合う２つの前記フィンセットの配列ピッチＺの比Ｚ／Ｓが１．５以上３．０以下となるように前記ボルテックスジェネレータが配置されることを特徴とする請求項７に記載の風車翼へのボルテックスジェネレータの配置決定方法。
9. 前記ボルテックスジェネレータは、負圧面が互いに対向するように配置された一対の前記フィンにより形成されるフィンセットを複数含み、
   一対の前記フィンの高さＨに対する、隣り合う２つの前記フィンセットの配列ピッチＺの比Ｚ／Ｈが６．０以上８．０以下となるように前記ボルテックスジェネレータが配置されることを特徴とする請求項７に記載の風車翼へのボルテックスジェネレータの配置決定方法。