(57)【要約】フラットバック翼型を備え、空力特性や剛性に優れた風車翼及びこれを備えた風力発電装置ならびに風車翼の設計方法を提供することを目的とする。風車翼１は、翼先端部２と、ハブ１１２に連結される翼根部４と、前記翼先端部２と前記翼根部４との間に位置する翼型部６とを備える。翼型部６は、少なくとも、コード長ＬＣに対する最大厚ｔＭＡＸの割合を示す翼厚比Ｘが４０％以上５０％以下になる翼長方向の領域において、後縁８が厚みを持つフラットバック翼型１０を有する。フラットバック翼型１０は、前記翼厚比Ｘが４０％以上５０％以下の前記領域において、前記最大厚ｔＭＡＸに対する後縁８の厚さｔＴＥの割合を示す後縁厚比Ｙが５％以上ＹＨ％以下であり、ＹＨは、前記翼厚比Ｘを用いて、ＹＨ＝１．５Ｘ−３０で表される。
2013054404.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
翼先端部と、
風車のハブに連結される翼根部と、
前記翼先端部と前記翼根部との間に位置し、少なくとも、コード長ＬＣに対する最大厚ｔＭＡＸの割合を示す翼厚比Ｘが４０％以上５０％以下になる翼長方向の領域において、後縁が厚みを持つフラットバック翼型を有する翼型部とを備える風車翼であって、
前記フラットバック翼型は、前記翼厚比Ｘが４０％以上５０％以下の前記領域において、前記最大厚ｔＭＡＸに対する後縁の厚さｔＴＥの割合を示す後縁厚比Ｙが５％以上ＹＨ％以下であり、
ＹＨは、前記翼厚比Ｘを用いて、ＹＨ＝１．５Ｘ−３０で表されることを特徴とする風車翼。
【請求項２】
前記風車翼の回転半径Ｒに対する最大コード長ＬＣＭＡＸの割合を示すパラメータＳと、前記翼先端部の周速および翼端代表コード長の積を前記回転半径Ｒで除したパラメータＴとがＴ≦−５Ｓ＋５の関係を満たす場合、前記フラットバック翼型は、前記翼厚比Ｘが４０％以上５０％以下の前記領域において、前記後縁厚比ＹがＸ−２０≦Ｙ≦１．５Ｘ−３０であり、
前記パラメータＳと前記パラメータＴとがＴ≧−５Ｓ＋６の関係を満たす場合、前記フラットバック翼型は、前記翼厚比Ｘが４０％以上５０％以下の前記領域において、前記後縁厚比Ｙが５≦Ｙ≦０．５Ｘ−５であり、
前記パラメータＳと前記パラメータＴとが−５Ｓ＋５＜Ｔ＜−５Ｓ＋６の関係を満たす場合、前記フラットバック翼型は、前記翼厚比Ｘが４０％以上５０％以下の前記領域において、前記後縁厚比Ｙが０．５Ｘ−５＜Ｙ＜Ｘ−２０であり、
前記翼端代表コード長は、前記回転半径Ｒに対する比が０．８である翼半径位置ｒにおけるコード長であることを特徴とする請求項１に記載の風車翼。
【請求項３】
前記フラットバック翼型は、前記翼厚比Ｘが３５％以上４０％以下になる翼長方向の領域において、前記翼厚比Ｘと前記後縁厚比ＹとがＸ−３５≦Ｙ≦４Ｘ−１３０を満たすことを特徴とする請求項１に記載の風車翼。
【請求項４】
前記フラットバック翼型は、後縁がシャープな基準翼型の腹側面と背側面との間隔を広げて該基準翼型の前記シャープな後縁を厚くした断面形状として規定され、
前記翼型部には、前記フラットバック翼型の腹側面から、前記フラットバック翼型の前記後縁よりも後方に連続的に延ばした凹状湾曲面又は平面からなる腹側延設面が設けられており、
前記腹側延設面は、後流側に向かうにつれて前記フラットバック翼型のコードから離れるように該コードに対して傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の風車翼。
【請求項５】
前記翼型部には、前記フラットバック翼型の背側面から、前記フラットバック翼型の前記後縁よりも後方に延びる背側延設面が設けられており、
前記腹側延設面及び前記背側延設面は、それぞれ、前記フラットバック翼型の前記後縁から後方に延在するように設けられた延設部の腹側の外表面と背側の外表面であり、
前記延設部の後端面と前記背側延設面とがなす角度は、前記フラットバック翼型の前記背側面と前記後縁の端面とがなす角度に比べて小さいことを特徴とする請求項４に記載の風車翼。
【請求項６】
前記腹側延設面は、前記フラットバック翼型の前記後縁から後方に延びるように設けられた延設部の腹側の外表面であり、
前記延設部の背側の外表面は、前記フラットバック翼型の前記背側面と前記後縁との交点よりも腹側の位置において、前記フラットバック翼型の前記後縁の端面と交わっており、
前記フラットバック翼型の前記背側面と前記後縁との前記交点は、前記延設部に覆われていないことを特徴とする請求項４に記載の風車翼。
【請求項７】
前記フラットバック翼型は、後縁がシャープな基準翼型の腹側面と背側面との間隔を広げて該基準翼型の前記シャープな後縁を厚くした断面形状として規定され、
前記翼型部には、前記フラットバック翼型の前記後縁と、前記フラットバック翼型の腹側面及び背側面の前記後縁側の部分を覆う被覆部が設けられており、
前記被覆部の腹側の外表面は、前記フラットバック翼型の腹側面から連続的に延びている凹状湾曲面又は平面であり、かつ、後流側に向かうにつれて前記フラットバック翼型のコードから離れるように該コードに対して傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の風車翼。
【請求項８】
前記翼型部は、翼長方向に関してツイストされており、
前記フラットバック翼型の前記後縁の端面がツイストされていない平面又は曲面になるように、該端面が前記フラットバック翼型のコードの直交面に対してなす角度θを翼長方向に関して異ならせたことを特徴とする請求項１に記載の風車翼。
【請求項９】
前記フラットバック翼型は、前記翼根部に近づくにつれて前記角度θが大きくなることを特徴とする請求項８に記載の風車翼。
【請求項１０】
前記フラットバック翼型は、該フラットバック翼型の腹側面を形成する腹側外皮と、該フラットバック翼型の背側面を形成する背側外皮とが、前記後縁において閉じておらず、
前記腹側外皮と前記背側外皮とは、前記後縁寄りの位置において、前記腹側外皮と前記背側外皮との間に設けられて翼長方向に延在する後縁桁を介して接合されていることを特徴とする請求項１に記載の風車翼。
【請求項１１】
請求項１に記載の風車翼を備えることを特徴とする風力発電装置。
【請求項１２】
翼先端部と、風車のハブに連結される翼根部と、前記翼先端部と前記翼根部との間に位置する翼型部とを備える風車翼の設計方法であって、
前記翼型部は、少なくとも、コード長ＬＣに対する最大厚ｔＭＡＸの割合を示す翼厚比Ｘが４０％以上５０％以下になる翼長方向の領域において、後縁が厚みを持つフラットバック翼型とし、
前記フラットバック翼型は、前記翼厚比Ｘが４０％以上５０％以下の前記領域において、前記最大厚ｔＭＡＸに対する後縁の厚さｔＴＥの割合を示す後縁厚比Ｙが５％以上ＹＨ％以下であり、ＹＨは、前記翼厚比Ｘを用いて、ＹＨ＝１．５Ｘ−３０で表されるような形状とすることを特徴とする風車翼の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風車翼及びこれを備えた風力発電装置ならびに風車翼の設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
風力発電装置による発電出力（風車出力）は、次式で表され、翼効率が高く、翼直径が大きいほど向上する。
（数１）
風車出力＝１／２×空気密度×（風速）３×翼効率×変換効率×π×（翼直径／２）２
ここで、翼効率は、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、変換効率は、ロータの回転エネルギーを発電機に伝達し、発電機で電力を生成する際の効率である。【０００４】
ところで、翼効率には、理論上の上限値（ベッツ限界＝０．５９３）が存在することが知られている。つまり、理論上の最大効率ですら、風の運動エネルギーのうち５９．３％しか、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ことができない。実際の風車翼では、風車後流のスワールの影響や、空気抵抗の存在のために、実現しうる翼効率は最大でも０．５程度になってしまう。
現在、実用化されている風車翼の翼効率は、典型値として０．４９程度であるから、翼設計の改良によって翼効率を改善できる余地は、高々０．０１（現状の翼効率全体に対して２％）程度に過ぎない。しかも、翼設計の改良は、騒音増大や非設計点における効率低下を招くおそれがあり、望ましくないこともある。
したがって、翼効率の改善によって、風力発電装置の発電出力を大幅に高めることは難しい。【０００５】
一方、翼直径はその二乗で発電出力に影響するから、発電出力の向上のためには翼直径の拡大が効果的である。しかし、翼直径の拡大は、風車翼が風から受ける荷重（空力荷重）の増大および風車翼の重量増加に伴う荷重（重量荷重）の増大を招くから、ロータを支持するナセルの大型化、ひいてはコスト増の要因になる。
よって、翼型（風車翼の断面形状）を工夫して、風車翼のコード長を短くして風車翼が風から受ける荷重（空力荷重）を低減するとともに、風車翼の重量増加に伴う荷重（重量荷重）の増大を抑制することが考えられる。【０００６】
そこで、風車翼のハブ側に近い部分の後縁（トレイリングエッジ）を厚くしたフラットバック翼型（ｆｌａｔｂａｃｋ  ａｉｒｆｏｉｌ）が提案されている（例えば、特許文献１〜５及び非特許文献１参照）。
具体的には、特許文献１には、座標により規定された複数のフラットバック翼型を有する風車翼が記載されている。特許文献２には、後縁周辺における翼厚が後縁に近づくほど大きくなるダイバージェント形状のフラットバック翼型が記載されている。また特許文献３には、フラットバック翼型インサートを用いてフラットバック翼型を有する風車翼を製造する技術が開示されている。また特許文献４には、騒音を低減するためのスプリッタプレートを後縁に取り付けたフラットバック翼型の風車翼が開示されている。また特許文献５には、シャープな後縁を有する初期翼型に対してブレードエレメントを追設して、後縁に厚みを持たせてフラットバック翼型とすることが開示されている。さらに、非特許文献１には、複数の計算手法を用いて、フラットバック翼型の空力特性を評価した結果が記載されている。【０００７】
図１５は、フラットバック翼型を備えた風車翼を示す図である。風車翼１００は、後縁８が厚みを持つため、後縁８の後流側の領域１０２にウェークが生じて領域１０２が負圧になる性質を有する。後縁８の後流側の領域１０２の負圧は、背側面１４に沿って流れる空気流を吸引し、背側面１４における境界層の剥離を遅らせる。すなわち、後縁８の後流側の領域１０２に生じる負圧によって空気流を背側面１４に引き寄せることで、境界層の剥離が抑制され、背側面１４における境界層の剥離点が後縁８近傍まで後流側にずれる（境界層の剥離点が後縁８近傍に固定される）。そのため、シャープな後縁を有する従来の翼型に比べて、高い迎え角まで揚力を発生させることができる。よって、コード１６の長さ（コード長）を短くしても十分な揚力が得られるため、コード長を低減して、風車翼が風から受ける荷重（空力荷重）を小さくできる。
またフラットバック翼型では、後縁が厚みを有するため、シャープな後縁を有する従来の翼型に比べて断面係数に優れているから、強度を確保しながら重量を低減することができる。【０００８】
なお、フラットバック翼型に関するものではないが、特許文献６には、翼型部と翼根部との間の遷移部において、後縁周辺の腹側面に付加領域を設けて揚力を増大させるようにした風車翼が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第７８８３３２４号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００９／０２６３２５２号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１０／０１４３１４６号明細書
【特許文献４】欧州特許出願公開第２０６３１０６号明細書
【特許文献５】欧州特許出願公開第２０３１２４２号明細書
【特許文献６】欧州特許出願公開第１８４５２５８号明細書
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｋ．Ｊ．Ｓｔａｎｄｉｓｈ、他１名、「Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  Ｂｌｕｎｔ  Ｔｒａｉｌｉｎｇ  Ｅｄｇｅ  Ａｉｒｆｏｉｌｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｓｏｌａｒ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、２００３年１１月、ｖｏｌ．１２５、ｐ．４７９−４８７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、一般的な風車翼は、定格回転数に到達する風速よりも高い高風速域では、翼根部に近い翼長方向位置であるほど、風速上昇に伴う迎え角の増加量が大きく、迎え角が大きくなりやすいという傾向がある。このことについて、図１５に示す速度三角形を用いて説明する。
図１５において、風車翼１００は矢印Ｒの方向に回転する。風車翼１００は、コード１６が翼回転方向Ｒに対して角度θをなすように配置されている。この角度θは、コード１６の延長線Ｌ１と翼回転方向Ｒに平行な直線Ｌ２との間の角度であり、風車翼１００の取付け角（ピッチ角）を意味している。また、相対風速ベクトルＷは、翼回転方向Ｒに回転している風車翼１００に対する風の相対的な速度ベクトルであり、風車翼１００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、風車翼１００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１６の延長線Ｌ１との間の角度αが、風車翼１００の迎え角である。
ここで、定格回転数に到達する風速よりも高い高風速域では、風車翼１００の回転数は定格回転数に維持されるから、周速ベクトルｒΩは一定である。そのため、風速が上昇して、風の速度ベクトルＡが大きくなると、その分だけ風車翼１００の迎え角αは大きくなる。その迎え角αの増加量は、周速ベクトルｒΩが小さい翼根部側の翼長方向位置ほど大きい。すなわち、周速ベクトルｒΩが小さい翼根部側の翼長方向位置であるほど、風速上昇に伴う迎え角αの増加量が大きく、迎え角αが大きくなりやすいという傾向がある。【００１２】
よって、翼根部側に近い領域では、後縁に厚みを持たせて（フラットバック翼型を採用して）、高い迎え角まで揚力を維持することが望まれる。後縁に厚みを持たせると、揚力だけでなく抗力も増大してしまうが、翼根部に近い領域では、揚力増大というメリットのほうが抗力増大というデメリットよりも大きいため、後縁を厚くすることの技術的利得が大きい（すなわち、高い揚抗比を実現できる）。逆に、翼先端部側に近づくほど、フラットバック翼型を採用することによる抗力増大というデメリットが、揚力増大というメリットに比べて勝るようになり、後縁を厚くすることによって揚抗比がむしろ小さくなる場合もある。【００１３】
本発明者は、検討の結果、コード長に対する最大厚の割合を示す翼厚比Ｘが４０％以上５０％以下になるような比較的翼根部に近い領域において、後縁に厚みを持たせることの技術的利得が大きい（すなわち、高い揚抗比を実現しうる）という知見を得た。そのため、この領域におけるフラットバック翼型の後縁厚を適切な範囲内に設定して、空力特性や剛性の改善を図ることが重要であると考えられる。【００１４】
ところが、フラットバック翼型に関する知見はまだそれほど蓄積されておらず、上述した領域におけるフラットバック翼型の後縁厚をどのような範囲に設定するのかについて十分な知見は存在しない。
特許文献１〜６及び非特許文献１においても、上述した翼厚比Ｘが４０％以上５０％以下の領域において、フラットバック翼型の後縁の厚みをどのような範囲とするかについて、具体的な開示はなされていない。【００１５】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、フラットバック翼型を備え、空力特性や剛性に優れた風車翼及びこれを備えた風力発電装置ならびに風車翼の設計方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係る風車翼は、翼先端部と、風車のハブに連結される翼根部と、前記翼先端部と前記翼根部との間に位置し、少なくとも、コード長ＬＣに対する最大厚ｔＭＡＸの割合を示す翼厚比Ｘが４０％以上５０％以下になる翼長方向の領域において、後縁が厚みを持つフラットバック翼型を有する翼型部とを備える風車翼であって、前記フラットバック翼型は、前記翼厚比Ｘが４０％以上５０％以下の前記領域において、前記最大厚ｔＭＡＸに対する後縁の厚さｔＴＥの割合を示す後縁厚比Ｙが５％以上ＹＨ％以下であり、ＹＨは、前記翼厚比Ｘを用いて、ＹＨ＝１．５Ｘ−３０で表されることを特徴とする。【００１７】
本発明者の知見によれば、翼厚比Ｘが４０％以上５０％以下になる翼根部側に比較的近い領域において、後縁に厚みを持たせてフラットバック翼型とすることで、揚抗比特性を効果的に改善できる。そこで、上記風車翼では、少なくとも、翼厚比Ｘが４０〜５０％の翼長方向の領域では、後縁に厚みを持たせたフラットバック翼型としている。
また、上記風車翼では、翼厚比Ｘが４０〜５０％の前記領域において後縁厚比Ｙを５％以上にしたので、後縁の後流側のウェークに起因して発生する負圧により、背側面における境界層の剥離を効果的に遅らせることができる。すなわち、後縁の後流側に生じる負圧によって空気流を背側面に引き寄せて、背側面からの境界層の剥離を効果的に抑制できる。したがって、高い迎え角まで揚力を発生させることができる（高い迎え角まで失速しない高揚力特性を実現できる）。また、後縁厚比Ｙを５％以上にすることで、風車翼の断面係数が向上するので、強度を維持しながら風車翼の軽量化を図ることができる。
ところで、後縁厚比Ｙを大きくして後端を厚くすると、揚力だけでなく抗力も増大するため、後端を厚くすればするほど揚抗比（＝揚力／抗力）が大きくなり空力特性が改善されるというわけではない。本発明者の検討結果によれば、後縁厚比Ｙを上限値ＹＨ（＝１．５Ｘ−３０）よりも大きくすると、揚力の増加分よりも抗力の増加分のほうが勝るようになり、ほぼ全ての迎え角範囲において揚抗比の十分な改善効果がみられなくなる。この点、上記風車翼では、翼厚比Ｘが４０〜５０％の前記領域において後縁厚比Ｙを上限値ＹＨ（＝１．５Ｘ−３０）以下にしたので、少なくとも一部の迎え角範囲において揚抗比の十分な改善効果を享受できる。【００１８】
上記風車翼において、前記風車翼の回転半径Ｒに対する最大コード長ＬＣＭＡＸの割合を示すパラメータＳと、前記翼先端部の周速および翼端代表コード長の積を前記回転半径Ｒで除したパラメータＴとがＴ≦−５Ｓ＋５の関係を満たす場合、前記フラットバック翼型は、前記翼厚比Ｘが４０％以上５０％以下の前記領域において、前記後縁厚比ＹがＸ−２０≦Ｙ≦１．５Ｘ−３０であり、前記パラメータＳと前記パラメータＴとがＴ≧−５Ｓ＋６の関係を満たす場合、前記フラットバック翼型は、前記翼厚比Ｘが４０％以上５０％以下の前記領域において、前記後縁厚比Ｙが５≦Ｙ≦０．５Ｘ−５であり、前記パラメータＳと前記パラメータＴとが−５Ｓ＋５＜Ｔ＜−５Ｓ＋６の関係を満たす場合、前記フラットバック翼型は、前記翼厚比Ｘが４０％以上５０％以下の前記領域において、前記後縁厚比Ｙが０．５Ｘ−５＜Ｙ＜Ｘ−２０であってもよい。
なお、前記翼端代表コード長は、前記回転半径Ｒに対する比が０．８である翼半径位置ｒにおけるコード長である。【００１９】
ここで、パラメータＳ及びＴの技術的意味について、図１６（ａ）〜（ｄ）を用いて説明する。【００２０】
一般的な風車では、風速がカットイン風速Ｖ１以上に達した後、定格回転数に到達する風速Ｖ２になるまでの間、性能（効率）が最適（最大）となるほぼ一定の周速比（最適周速比または設計周速比という）で運転される（図１６（ｂ）参照）。ここで、周速比は、風車翼の存在の影響を受けない無限上流側の風速（上流風速）を用いて、翼端周速［ｒｐｍ］／上流風速［ｍ／ｓ］で表される。風速がカットイン風速Ｖ１〜定格回転数に到達する風速Ｖ２の可変速域では、周速比が最適周速比（設計周速比）に維持されるように風の速度ベクトルＡの変化に応じて周速ベクトルＷが変化し、迎え角αは風車翼に適したほぼ一定値（＝最適迎え角αopt）に維持される（図１６（ｂ）及び（ｄ）参照）。
これに対し、風速が定格回転数に到達する風速Ｖ２に達した後、回転数は一定値（定格回転数）に維持されるから、周速ベクトルｒΩはほぼ一定の大きさに保たれる。そのため、定格回転数に到達する風速Ｖ２〜定格出力に到達する風速Ｖ３の高風速域では、風速が上昇すると、周速ベクトルｒΩが一定に維持されたまま、風の速度ベクトルＡのみが大きくなって、結果的に風車翼の迎え角αは大きくなる（図１６（ｄ）参照）。この迎え角αの増加傾向は、風車出力が定格出力に到達する風速（定格風速）Ｖ３まで継続する。そして、定格風速Ｖ３に達した後、風車翼のピッチ制御により迎え角αが低減されて風車出力が一定に維持される。なお、V2〜V3の間でもピッチ制御が働き図１６に示す各状況と若干異なる場合もある。【００２１】
ところで、定格回転数に到達する風速Ｖ２〜定格出力に到達する風速Ｖ３の高風速域における、上流風速の上昇分に対する迎え角αの増大量（図１６（ｄ）のグラフの傾き）は、コード長の影響を受ける。仮にコード長がゼロの風車翼であれば、無限上流側の風速の上昇分だけ風の速度ベクトルＡの大きさが増加して、この速度ベクトルＡの大きさの増加量に応じて風車翼の迎え角αが大きくなる。しかし、現実の風車翼のコード長はゼロではないため、風車翼に向かって実際に流れてくる風の速度ベクトルＡの大きさは、風車翼の存在の影響を少なからず受けることになり、無限上流側の風速（上流風速）の上昇分よりも小さい量しか増加しない。そして、風車翼のコード長が大きくなるほど、風車翼の存在の影響が無視できなくなるため、無限上流側の風速（上流風速）が上昇したときの風の速度ベクトルＡの大きさの増加量は小さくなる。したがって、無限上流側の風速の上昇分に対する迎え角αの増大量（すなわち、風速に対する迎え角の変化感度、より具体的には図１６（ｄ）におけるグラフの傾き）は、コード長が大きくなるほど小さくなる。そうすると、風車翼の回転半径Ｒに対する最大コード長ＬＣＭＡＸの割合を示すパラメータＳは、風車翼のコード長の大きさの程度を示す無次元数であるから、このパラメータＳが大きくなるほど風速に対する迎え角の変化感度は小さくなる。すなわち、パラメータＳは、風速に対する迎え角の変化感度（無限上流側の風速の上昇分に対する迎え角αの増大量）の指標である。【００２２】
また、図１６（ｄ）から明らかなように、定格回転数に到達する風速Ｖ２と定格出力に到達する風速（定格風速）Ｖ３との風速差（＝Ｖ３−Ｖ２）が大きいほど、風車の運転範囲内においてとりうる迎え角の最大値αＭＡＸが大きくなる。そのため、（特に翼根側の翼長方向位置において）迎え角が失速角を超える可能性が高まり、高い迎え角まで失速しないように風車翼を設計することが重要になる。
ここで、定格風速Ｖ３は多くの風車でおよそ１０ｍ／ｓ付近の値（典型的には１１〜１２ｍ／ｓ）であるから、風車の運転範囲内においてとりうる迎え角の最大値αＭＡＸは主に定格回転数に到達する風速Ｖ２により支配される。すなわち、定格回転数に到達する風速Ｖ２が小さいほど、上記風速差Ｖ３−Ｖ２が大きくなり、その分だけ最適迎え角αoptからの迎え角の上昇量が大きくなって、迎え角の最大値αＭＡＸが増大する。
そして、この風速Ｖ２は翼端周速／設計周速比で与えられる。さらに、設計周速比は、風車翼のコード長分布と強い相関を有し、空気力学の事実として、設計周速比と、コード長／回転半径Ｒとがおよそ反比例の関係にある。なお、コード長は風車翼の翼長方向に異なる値で分布するが、風車翼の性能に最も影響度が強い翼端代表コード長（＝回転半径Ｒに対する比が０．８である翼半径位置ｒにおけるコード長）によって良く代表される。つまり、１／設計周速比∝翼端代表コード長／回転半径Ｒの関係が成立するから、翼先端部の周速および翼端代表コード長の積を回転半径Ｒで除したパラメータＴは、定格回転数に到達する風速Ｖ２の大きさを表す（Ｔ＝翼端周速×翼端代表コード長／回転半径Ｒ∝翼端周速／設計周速比、すなわちＴ∝風速Ｖ２の関係が概ね成立する）。
そうすると、定格風速Ｖ３は多くの風車で同様な値を採るため、定格回転数に到達する風速Ｖ２の大きさを表すパラメータＴは、上記風速差Ｖ３−Ｖ２の大きさを意味することになり、結果的には風車翼の運転範囲内における迎え角の最大値αＭＡＸの大きさの程度を示す。具体的には、パラメータＴが大きく風速Ｖ２が大きい場合には、風速差Ｖ３−Ｖ２が小さくなり、その分だけ最適迎え角αoptからの迎え角の上昇量は小さいため、迎え角の最大値αＭＡＸも比較的小さい。逆に、パラメータＴが小さく風速Ｖ２が小さい場合、風速差Ｖ３−Ｖ２が大きくなり、その分だけ最適迎え角αoptからの迎え角の上昇量は大きいため、迎え角の最大値αＭＡＸも比較的大きい。【００２３】
したがって、パラメータＳ及びＴがＴ≦−５Ｓ＋５の関係を満たす場合は、Ｔ≧−５Ｓ＋６の場合に比べて、同じパラメータＴ（定格回転数に到達する風速と定格風速との差）についてみれば、パラメータＳは小さい（すなわち、風速に対する迎え角αの変化感度は大きい）。そのため、定格回転数に到達する風速から定格風速まで風速が上昇するまでの間に、風車翼の迎え角αが増大する量は大きい。また、同じパラメータＳについてみても、パラメータＳ及びＴがＴ≦−５Ｓ＋５の関係を満たす場合は、Ｔ≧−５Ｓ＋６の場合に比べてパラメータＴが小さい（すなわち、風速差Ｖ３−Ｖ２が大きい）から、定格回転数に到達する風速から定格風速まで風速が上昇するまでの間に風車翼の迎え角αが増大する量は大きい。つまり、パラメータＳ及びＴがＴ≦−５Ｓ＋５の関係を満たす場合、定格回転数に達してから定格出力に至るまでの風車の運転範囲において、風車翼の迎え角αは比較的高い値まで増加することになる。そこで、この場合には、翼厚比Ｘが４０％以上５０％以下の領域において後縁厚比ＹをＸ−２０≦Ｙ≦１．５Ｘ−３０に設定して、高い迎え角αまで背側面における境界層の剥離を抑制することが有効である。
逆に、パラメータＳ及びＴがＴ≧−５Ｓ＋６を満たす場合は、Ｔ≦−５Ｓ＋５の場合に比べて、同じパラメータＴ（定格回転数に到達する風速と定格風速との差）についてみれば、パラメータＳが大きい（すなわち、風速に対する迎え角αの変化感度が小さい）。そのため、定格回転数に到達する風速から定格風速まで風速が上昇するまでの間に、風車翼の迎え角αが増大する量は小さい。また、同じパラメータＳについてみても、パラメータＳ及びＴがＴ≦−５Ｓ＋５の関係を満たす場合は、Ｔ≧−５Ｓ＋６の場合に比べてパラメータＴが大きい（すなわち、風速差Ｖ３−Ｖ２が小さい）から、定格回転数に到達する風速から定格風速まで風速が上昇するまでの間に風車翼の迎え角αが増大する量は小さい。つまり、パラメータＳ及びＴがＴ≧−５Ｓ＋６の関係を満たす場合、定格回転数に達してから定格出力に至るまでの風車の運転範囲において、風車翼の迎え角αはそれほど増加しない。そこで、この場合には、翼厚比Ｘが４０％以上５０％以下の領域において後縁厚比Ｙを５≦Ｙ≦０．５Ｘ−５に設定して、後端厚を必要最小限にとどめて、抗力の増加を抑制しながら、揚力を増加させることができる。
なお、パラメータＳ及びＴが−５Ｓ＋５＜Ｔ＜−５Ｓ＋６の関係を満たす場合は、翼厚比Ｘが４０％以上５０％以下の領域において後縁厚比Ｙを０．５Ｘ−５＜Ｙ＜Ｘ−２０に設定して、後端厚を適切な範囲内に維持して、ある程度の迎え角αまで境界層の剥離を抑制するとともに、抗力の増加をある程度抑制できる。【００２４】
上記風車翼において、前記フラットバック翼型は、前記翼厚比Ｘが３５％以上４０％以下になる翼長方向の領域において、前記翼厚比Ｘと前記後縁厚比ＹとがＸ−３５≦Ｙ≦４Ｘ−１３０を満たすように規定されていてもよい。
このように後縁厚比ＹをＸ−３５以上にすることで、後縁の後流側のウェークに起因して発生する負圧により、背側面における境界層の剥離を効果的に遅らせて、高い迎え角まで揚力を発生させることができる。また、後縁厚比ＹをＸ−３５以上にすることで、風車翼の断面係数の改善によって、強度を維持しながら風車翼の軽量化を図ることができる。
一方、後縁厚比Ｙを４Ｘ−１３０以下にすることで、少なくともいずれかの迎え角範囲において揚抗比の改善効果を享受できる。【００２５】
上記風車翼において、前記フラットバック翼型は、後縁がシャープな基準翼型の腹側面と背側面との間隔を広げて該基準翼型の前記シャープな後縁を厚くした断面形状として規定され、前記翼型部には、前記フラットバック翼型の腹側面から、前記フラットバック翼型の前記後縁よりも後方に連続的に延ばした凹状湾曲面又は平面からなる腹側延設面が設けられており、前記腹側延設面は、後流側に向かうにつれて前記フラットバック翼型のコードから離れるように該コードに対して傾斜していてもよい。
このように、フラットバック翼型の腹側面から後方に延ばした凹状湾曲面又は平面からなる腹側延設面を設けることで、フラットバック翼型の腹側における空気（風）の流れを下向き（腹側面から離れる方向）に変向し、風車翼に作用する揚力を増大させることができる。【００２６】
前記腹側延設面を設ける場合、前記翼型部には、前記フラットバック翼型の背側面から、前記フラットバック翼型の前記後縁よりも後方に延びる背側延設面が設けられており、前記腹側延設面及び前記背側延設面は、それぞれ、前記フラットバック翼型の前記後縁から後方に延在するように設けられた延設部の腹側の外表面と背側の外表面であり、前記延設部の後端面と前記背側延設面とがなす角度は、前記フラットバック翼型の前記背側面と前記後縁の端面とがなす角度に比べて小さくしてもよい。
これにより、フラットバック翼型の前記後縁から後方に延在するように設けられた延設部の後端面と前記背側延設面とがなす角度を鋭角に近づけることができる。したがって、延設部の後流における負圧によって、背側面に沿って流れる空気流をより強く吸引し、背側面における境界層の剥離をより一層遅らせることができる。
また、フラットバック翼型とは別体として延設部を形成し、この延設部をフラットバック翼型に付加するようにすれば、フラットバック翼型の後縁の剛性と、風車翼の座屈強度と、風車翼を構成する腹側外皮及び背側外皮の接着強度とを向上させることができる。【００２７】
あるいは、前記腹側延設面を設ける場合、前記腹側延設面は、前記フラットバック翼型の前記後縁から後方に延びるように設けられた延設部の腹側の外表面であり、前記延設部の背側の外表面は、前記フラットバック翼型の前記背側面と前記後縁との交点よりも腹側の位置において、前記フラットバック翼型の前記後縁の端面と交わっており、前記フラットバック翼型の前記背側面と前記後縁との前記交点は、前記延設部に覆われていなくてもよい。
このように、フラットバック翼型の背側面と後縁との交点を延設部によって覆わずに露出させることで、フラットバック翼型の境界層剥離の抑制効果に影響を及ぼすことなく、腹側延設面による揚力増大効果を得ることができる。【００２８】
上記風車翼において、前記フラットバック翼型は、後縁がシャープな基準翼型の腹側面と背側面との間隔を広げて該基準翼型の前記シャープな後縁を厚くした断面形状として規定され、前記翼型部には、前記フラットバック翼型の前記後縁と、前記フラットバック翼型の腹側面及び背側面の前記後縁側の部分を覆う被覆部が設けられており、前記被覆部の腹側の外表面は、前記フラットバック翼型の腹側面から連続的に延びている凹状湾曲面又は平面であり、かつ、後流側に向かうにつれて前記フラットバック翼型のコードから離れるように該コードに対して傾斜していてもよい。
このように、フラットバック翼型の後縁側を覆う被覆部の腹側の外表面を、フラットバック翼型の腹側面から後方に延ばした凹状湾曲面又は平面とすることで、フラットバック翼型の腹側における空気（風）の流れを下向き（腹側面から離れる方向）に変向し、風車翼に作用する揚力を増大させることができる。
また、フラットバック翼型の後縁側を被覆部で覆うことで、後縁の剛性や、風車翼の座屈強度を向上させることができる。【００２９】
上記風車翼において、前記翼型部は、翼長方向に関してツイストされており、前記フラットバック翼型の前記後縁の端面がツイストされていない平面又は曲面になるように、該端面が前記フラットバック翼型のコードの直交面に対してなす角度θを翼長方向に関して異ならせてもよい。
これにより、フラットバック翼型の後縁の端面（後縁面）がツイストされていない（ひねられていない）平面又は曲面になるので、風車翼の製造を容易に行うことができる。【００３０】
なお、角度θは、翼根部に近づくにつれて大きくなるようにしてもよい。
風車翼は、一般に、翼根部に近い翼根部に近い翼長方向位置であるほど、風速上昇に伴う迎え角の増加量が大きく、迎え角が大きくなりやすいという傾向がある。そこで、翼根部に近づくほど上記角度θを大きくすることで、フラットバック翼型の背側面と後縁面との間の角度を鋭角に近づけて、翼根部に近づくほど、より高い迎え角まで揚力を発生させることができる（より高い迎え角まで失速しない高揚力特性を実現できる）。【００３１】
上記風車翼において、前記フラットバック翼型は、該フラットバック翼型の腹側面を形成する腹側外皮と、該フラットバック翼型の背側面を形成する背側外皮とが、前記後縁において閉じておらず、前記腹側外皮と前記背側外皮とは、前記後縁寄りの位置において、前記腹側外皮と前記背側外皮との間に設けられて翼長方向に延在する後縁桁を介して接合されていてもよい。
後縁桁を介して腹側外皮と背側外皮を接合することで、腹側外皮と背側外皮とが後縁において閉じていなくても、十分な強度を確保できる。また、後縁が開放されていても、このことが腹側及び背側における風の流れに影響を及ぼすことは殆どない。また、後縁を閉じないことで、後縁桁が外部に露出し、後縁桁の取付け状態を確認することができて有利である。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、翼厚比Ｘが４０％以上５０％以下になる翼根部側に比較的近い領域において、後縁に厚みを持たせてフラットバック翼型とすることで、揚抗比特性を効果的に改善できる。
また、翼厚比Ｘが４０〜５０％の前記領域において後縁厚比Ｙを５％以上にしたので、後縁の後流側のウェークに起因して発生する負圧により、背側面における境界層の剥離を効果的に遅らせることができる。すなわち、後縁の後流側に生じる負圧によって空気流を背側面に引き寄せて、背側面からの境界層の剥離を効果的に抑制できる。したがって、高い迎え角まで揚力を発生させることができる。また、後縁厚比Ｙを５％以上にすることで、風車翼の断面係数が向上するので、強度を維持しながら風車翼の軽量化を図ることができる。
また、翼厚比Ｘが４０〜５０％の前記領域において後縁厚比Ｙを上限値ＹＨ（＝１．５Ｘ−３０）以下にしたので、少なくとも一部の迎え角範囲において揚抗比の十分な改善効果を享受できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】風力発電装置の構成例を示す図である。
【図２】第１実施形態に係る風車翼の構成例を示す斜視図である。
【図３】フラットバック翼型の一例を示す図である。
【図４】（ａ）は図２におけるＡ−Ａ断面図、（ｂ）は図２におけるＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は図２におけるＣ−Ｃ断面図である。
【図５】フラットバック翼型の形状決定時に用いる設定エリアを示すグラフである。
【図６】図５に示す設定エリアのうち第１〜第３エリアのいずれかを選択するためのマップを示す図である。
【図７】風車翼の内部構造の例を示す図である。
【図８】風車翼の内部構造の他の例を示す図である。
【図９】第２実施形態の風車翼の例を示す図である。
【図１０】第２実施形態の風車翼の他の例を示す図である。
【図１１】第３実施形態の風車翼の例を示す図である。
【図１２】第３実施形態の風車翼の他の例を示す図である。
【図１３】第４実施形態の風車翼の例を示す図である。
【図１４】第４実施形態の風車翼の他の例を示す図である。
【図１５】フラットバック翼型を備えた風車翼を示す図である。
【図１６】一般的な風車の運転条件を示す図であり、（ａ）は上流風速と風車の回転数との関係を示すグラフであり、（ｂ）は上流風速と周速比との関係を示すグラフであり、（ｃ）は上流風速と風車出力との関係を示すグラフであり、（ｄ）は上流風速と迎え角との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
［第１実施形態］
最初に、第１実施形態に係る風車翼について説明する。
図１は、風力発電装置の構成例を示す図である。図２は、第１実施形態に係る風車翼を示す斜視図である。
【００３７】
図１に示すように、風力発電装置１１０は、１本以上（この例では３本）の風車翼１と、風車翼１が取り付けられるハブ１１２と、風車翼１及びハブ１１２を含むロータを支持するナセル１１４と、ナセル１１４を旋回自在に支持するタワー１１６とを備える。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１のハブ１１２への取付けは、風車翼１の翼根部４をハブ１１２に任意の締結部材を用いて固定することで行われる。
【００３８】
図２に示すように、風車翼１は、翼先端部２と、風車のハブ１１２（図１参照）に連結される翼根部４と、翼先端部２と翼根部４との間に位置する翼型部６とを備えている。翼型部６は、前縁（リーディングエッジ）７と後縁（トレイリングエッジ）８とを有する。翼型部６の後縁８は、少なくとも一部が厚みを持つように形成されている。言い換えると、翼型部６は、後縁８が厚いフラットバック翼型１０を少なくとも一部に有している。
【００３９】
ここで、翼型部６のフラットバック翼型１０について説明する。図３（ａ）及び（ｂ）は、フラットバック翼型１０の例を示す図である。
図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、フラットバック翼型１０の外形は、腹側面（圧力側：ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｓｉｄｅ）１２と、背側面（吸引側：ｓｕｃｔｉｏｎ  ｓｉｄｅ）１４とによって形成される。フラットバック翼型１０の後縁８は、後縁厚ｔＴＥを有している。また、前縁７と後縁８（正確には、後縁面９の翼厚方向における中点）とを結ぶコード（翼弦線）１６は、コード長ＬＣを有している。
なお、図３（ｂ）に示すように、コード１６に対して後縁面９が傾斜している場合、腹側面１２及び背側面１４の両方に交わる最も後流側のコード１６の直交面Ｎにおける厚さを後端厚ｔＴＥとする。
【００４０】
図３（ａ）及び（ｂ）に示す例では、フラットバック翼型１０の厚さ（すなわち腹側面１２と背側面１４との距離）は、前縁７から後縁８に向かうにつれてゼロから徐々に増加して最大厚ｔＭＡＸを迎えた後、徐々に小さくなり、最終的には後縁厚ｔＴＥとなる。
【００４１】
フラットバック翼型１０は、後縁がシャープな基準翼型２０の腹側面２２と背側面２４との間隔を広げて、該基準翼型２０のシャープな後端を厚くした断面形状として規定されることが好ましい。すなわち、基準翼型２０のシャープな後縁を切断するカットバック法ではなく、基準翼型２０のシャープな後縁を開くオープンアップ法によって、フラットバック翼型１０を規定することが好ましい。
例えば、図３（ａ）に示すように、キャンバーライン２６を中心線として、基準翼型２０の腹側面２２及び背側面２４の位置を外方に同じ量ずらすことで、それぞれ、フラットバック翼型１０の腹側面１２と背側面１４を得るようにしてもよい。なお、キャンバーライン２６は、基準翼型２０の腹側面２２と背側面２４との中点を結んだ線であり、翼型の空力的性質に影響する重要な因子の一つである。このように、キャンバーライン２６を中心線として、基準翼型２０の腹側面２２及び背側面２４の位置を外方に同じ量ずらすことで、空力的性質に影響するキャンバーライン２６を維持したまま、後縁に厚みを持たせたフラットバック翼型１０が得られる。
なお、基準翼型２０として、航空機用の翼型（例えばＮＡＣＡ翼型）を転用してもよいし、風車専用の翼型（例えばＤＵ翼型やＭＥＬ翼型）を用いてもよい。
【００４２】
また、風車翼１が、図２に示すように翼長方向に関してツイストされている場合、フラットバック翼型１０の後縁８の端面（後縁面）９がひねりのない平面又は曲面になるように、後縁８の端面９のコード１６の直交面に対してなす角度θを翼長方向に関して異ならせてもよい。
【００４３】
図４（ａ）〜（ｃ）は、順に、図２におけるＡ−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図、Ｃ−Ｃ断面図である。図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、フラットバック翼型１０の後端面９がコード１６の直交面１７に対してなす角度θは、翼根部４側に近づくにつれて大きくなる（θ１＞θ２＞θ３）。このように後縁８の端面９と直交面１７との間の角度θを翼長方向に関して異ならせることで、フラットバック翼型１０の後縁８の端面９をひねりのない平面又は曲面として形成することができる。よって、風車翼１の製造を容易に行うことができる。なお、図２には後縁８の端面（後縁面）９が翼長方向に関して湾曲した曲面である例を示した。
また、翼根部４側に近づくにつれて角度θを大きくすることで、背側面１４と後縁面９との間の角度を鋭角に近づけて、翼根部４に近づくほど、より高い迎え角まで揚力を発生させることができる（より高い迎え角まで失速しない高揚力特性を実現できる）。
【００４４】
また、後縁８の端面９と直交面１７との間の角度θは、フラットバック翼型１０が適用され始める点（図２に示すフラットバック開始点１１）においてゼロであり、フラットバック開始点１１から翼根部４に近づくにつれて前記角度θが徐々に大きくなるようにして、後縁８の端面９をひねりのない平面又は曲面としてもよい。なお、通常翼根部では円柱状の形状となる。
【００４５】
本実施形態では、フラットバック翼型１０の形状は、コード長ＬＣに対する最大厚ｔＭＡＸの割合を示す翼厚比Ｘ（＝ｔＭＡＸ／ＬＣ）と、最大厚ｔＭＡＸに対する後縁厚ｔＴＥの割合を示す後縁厚比Ｙ（＝ｔＴＥ／ｔＭＡＸ）との関係によって規定される。
【００４６】
図５は、フラットバック翼型１０の形状決定時に用いる設定エリアを示すグラフである。本実施形態では、フラットバック翼型１０の形状は、任意の翼厚比Ｘにおける後縁厚比Ｙが下限値ＹＬと上限値ＹＨとで囲まれる許容エリア３０内に収まるように決定される。
なお、一般的な風車翼では、翼根部４から翼先端２側に近づくにつれて翼厚比Ｘが小さくなることが知られている。図５には、図面左側から図面右側に向かうにしたがって翼厚比Ｘが小さくなるから、図面左側が翼根部４側であり、図面右側が翼先端部２側である。
【００４７】
翼厚比Ｘが４０％以上５０％以下の翼根部４側に比較的近い領域では、許容エリア３０の下限値ＹＬは５％であり、許容エリア３０の上限値ＹＨはＹＨ＝１．５Ｘ−３０である。すなわち、翼厚比Ｘが４０％以上５０％以下の場合、フラットバック翼型１０の形状は、翼厚比Ｘと後縁厚比Ｙとが、５％≦Ｙ≦１．５Ｘ−３０の関係を満たすように決定される。
翼厚比Ｘが４０〜５０％の前記領域において後縁厚比Ｙを５％以上にすることで、後縁８の後流側のウェークに起因して発生する負圧により、背側面１４における境界層の剥離を効果的に遅らせることができる。すなわち、後縁８の後流側に生じる負圧によって空気流を背側面１４に引き寄せて、背側面１４からの境界層の剥離を効果的に抑制できる。したがって、高い迎え角まで揚力を発生させることができる（高い迎え角まで失速しない高揚力特性を実現できる）。また、後縁厚比Ｙを５％以上にすることで、風車翼１の断面係数が向上するので、強度を維持しながら風車翼１の軽量化を図ることができる。
一方、翼厚比Ｘが４０〜５０％の前記領域において後縁厚比Ｙを上限値ＹＨ（＝１．５Ｘ−３０）以下にすることで、少なくとも一部の迎え角範囲において揚抗比の十分な改善効果を享受できる。
【００４８】
また、翼厚比Ｘが３５％以上４０％未満の領域では、許容エリア３０の下限値ＹＬはＹＬ＝Ｘ−３５であり、許容エリア３０の上限値ＹＨはＹＨ＝４Ｘ−１３０である。すなわち、翼厚比Ｘが３５％以上４０％未満の場合、フラットバック翼型１０の形状は、翼厚比Ｘと後縁厚比Ｙとが、Ｘ−３５≦Ｙ≦４Ｘ−１３０の関係を満たすように決定される。
このように後縁厚比ＹをＸ−３５以上にすることで、後縁８の後流側のウェークに起因して発生する負圧により、背側面１４における境界層の剥離を効果的に遅らせて、高い迎え角まで揚力を発生させることができる。また、後縁厚比ＹをＸ−３５以上にすることで、風車翼１の断面係数の改善によって、強度を維持しながら風車翼１の軽量化を図ることができる。
一方、後縁厚比Ｙを４Ｘ−１３０以下にすることで、少なくともいずれかの迎え角範囲において揚抗比の改善効果を享受できる。
【００４９】
また、翼厚比Ｘが３５％未満の翼先端２側に近い領域では、フラットバック開始点１１（図２参照）に向かって翼厚比Ｘが減少するにつれて、後縁厚比Ｙを徐々に小さくしていく。このとき、図５に示すように、後縁厚比Ｙが上限値ＹＨ（＝Ｘ−２５）以下になるように、後縁厚比Ｙを徐々に小さくしてもよい。
なお、製造面での都合上、後縁８の厚さをゼロにすることはできないから、フラットバック開始点１１よりも翼先端２側における後縁厚比Ｙは完全にゼロである必要はない。
【００５０】
さらに、本実施形態では、翼厚比Ｘが３５〜５０％の範囲における許容エリア３０を、第１エリア３２、第２エリア３４、第３エリア３６に三分割しており、風車翼１の仕様に応じていずれかのエリアを選択して、フラットバック翼型１０の形状を決定する。
翼厚比Ｘが４０％以上５０％以下の範囲では、第１エリア３２はＸ−２０≦Ｙ≦１．５Ｘ−３０の関係を満たす領域であり、第２エリア３４は０．５Ｘ−５＜Ｙ＜Ｘ−２０の関係を満たす領域であり、第３エリア３６は５％≦Ｙ≦０．５Ｘ−５の関係を満たす領域である。
また翼厚比Ｘが３５％以上４０％未満の範囲では、第１エリア３２は３Ｘ−１００≦Ｙ≦４Ｘ−１３０を満たす領域であり、第２エリア３４は２Ｘ−６５＜Ｙ＜３Ｘ−１００の関係を満たす領域であり、第３エリアはＸ−３５≦Ｙ≦２Ｘ−６５の関係を満たす領域である。
【００５１】
ここで、風車翼１の仕様に応じていずれかのエリア（３２，３４，３６）を選択する手法について説明する。
図６は、第１エリア３２、第２エリア３４及び第３エリア３６を選択するためのマップを示す図である。同図に示すマップでは、横軸としてパラメータＳを用い、縦軸としてパラメータＴを用いている。
パラメータＳは、風車翼１の回転半径Ｒ（図１参照）に対する最大コード長ＬＣＭＡＸ（図１参照）の割合を示すパラメータである（すなわち、Ｓ＝ＬＣＭＡＸ／Ｒ）。このパラメータＳは、風速に対する迎え角αの変化感度（無限上流側の風速の上昇分に対する迎え角αの増大量）を示す指標である。
一方、パラメータＴは、翼先端部２の周速ＲΩ（図１参照）および翼端代表コード長Ｌｒの積を回転半径Ｒで除したパラメータである（すなわち、Ｔ＝ＲΩ×Ｌｒ／Ｒ）。このパラメータＴは、定格回転数に到達する風速Ｖ２と定格風速（定格出力に対応する風速）Ｖ３との差を示す指標である。
【００５２】
図６に示すマップでは、Ｔ＝−５Ｓ＋５で表される直線と、Ｔ＝−５Ｓ＋６で表される直線とを境にして、３つの領域Ａ〜Ｃに区分けされている。すなわち、Ｔ≦−５Ｓ＋５を満たす場合を領域Ａといい、−５Ｓ＋５＜Ｔ＜−５Ｓ＋６を満たす場合を領域Ｂといい、Ｔ≧−５Ｓ＋６を満たす場合を領域Ｃという。
【００５３】
パラメータＳ及びＴがＴ≦−５Ｓ＋５の関係を満たす場合（領域Ａ）は、Ｔ≧−５Ｓ＋６の場合（領域Ｃ）に比べて、同じパラメータＴ（定格回転数に到達する風速と定格風速との差）についてみれば、パラメータＳが小さい（すなわち、風速に対する迎え角αの変化感度が大きい）。また、同じパラメータＳについてみれば、領域Ａは領域Ｃに比べてパラメータＴ（定格回転数に到達する風速Ｖ２）が小さい（すなわち、風速差Ｖ３−Ｖ２が大きい）。そこで、パラメータＳ及びＴが領域Ａに属するような風車翼１の仕様の場合、図５の許容エリア３０のうち第１エリア３２を選択して、フラットバック翼型１０の形状を決定する。すなわち、翼厚比Ｘが４０％以上５０％以下の範囲ではＸ−２０≦Ｙ≦１．５Ｘ−３０の関係を満たし、翼厚比Ｘが３５％以上４０％未満の範囲では３Ｘ−１００≦Ｙ≦４Ｘ−１３０の関係を満たすように、フラットババック翼型１０の形状を決定する。これにより、許容エリア３０の範囲内で後縁厚比Ｙを比較的大きく設定し、高い迎え角αまで背側面１４における境界層の剥離を抑制することができる。
【００５４】
逆に、パラメータＳ及びＴがＴ≧−５Ｓ＋６を満たす場合（領域Ｃ）は、Ｔ≦−５Ｓ＋５の場合（領域Ａ）に比べて、同じパラメータＴ（定格回転数に到達する風速と定格風速との差）についてみれば、パラメータＳは大きい（すなわち、風速に対する迎え角αの変化感度が小さい）。また、同じパラメータＳについてみれば、領域Ａは領域Ｃに比べてパラメータＴ（定格回転数に到達する風速Ｖ２）が大きい（すなわち、風速差Ｖ３−Ｖ２が小さい）。そこで、パラメータＳ及びＴが領域Ｃに属するような風車翼１の仕様の場合、図５の許容エリア３０のうち第３エリア３６を選択して、フラットバック翼型１０の形状を決定する。すなわち、翼厚比Ｘが４０％以上５０％以下の範囲では５％≦Ｙ≦０．５Ｘ−５の関係を満たし、翼厚比Ｘが３５％以上４０％未満の範囲ではＸ−３５≦Ｙ≦２Ｘ−６５を満たすように、フラットバック翼型１０の形状を決定する。これにより、許容エリア３０の範囲内で後縁厚比Ｙを比較的小さく設定し、後端厚ｔＴＥを必要最小限にとどめて、抗力の増加を抑制しながら、揚力を増加させることができる。
【００５５】
なお、パラメータＳ及びＴが−５Ｓ＋６＜Ｔ＜−５Ｓ＋５の関係を満たす場合（領域Ｂ）は、図５の許容エリア３０のうち第２エリア３４を選択する。すなわち、翼厚比Ｘが４０％以上５０％以下の範囲では０．５Ｘ−５＜Ｙ＜Ｘ−２０の関係を満たし、翼厚比Ｘが３５％以上４０％未満の範囲では２Ｘ−６５＜Ｙ＜３Ｘ−１００を満たすように、フラットバック翼型１０の形状を決定する。これにより、許容エリア３０の範囲内で後端厚比Ｙを適度な値に設定し、ある程度の迎え角αまで境界層の剥離を抑制するとともに、抗力の増加をある程度抑制できる。
【００５６】
次に、上記形状のフラットバック翼型１０を有する風車翼１の内部構造について説明する。図７は、風車翼１の内部構造の例を示す図である。図８（ａ）及び（ｂ）は、風車翼１の内部構造の他の例を示す図である。
【００５７】
図７及び８に示す風車翼１は、上述のフラットバック翼型１０で規定される断面形状を有する。風車翼１は、フラットバック翼型１０の腹側面１２を形成する腹側外皮４２と、フラットバック翼型１０の背側面１４を形成する背側外皮４４と、腹側外皮４２及び背側外皮４４の間に設けられる主桁４６及び後縁桁４８とを有する。
【００５８】
主桁４６は、腹側外皮４２と背側外皮４４との間の風車翼１の内部空間において、風車翼１の翼長方向に延在している。また、主桁４６は、腹側外皮４２と背側外皮４４の内面に接着固定されるスパーキャップ４６Ａと、スパーキャップ４６Ａ間に設けられるシアウェブ（ｓｈｅａｒ  ｗｅｂ）４６Ｂとで構成される。
【００５９】
主桁４６よりも後縁８寄りの位置には、後縁桁４８が設けられている。後縁桁４８は、主桁４６と同様に、腹側外皮４２と背側外皮４４との間の風車翼１の内部空間において、風車翼１の翼長方向に延在している。また、後縁桁４８は、腹側外皮４２と背側外皮４４の内面に接着固定されるスパーキャップ４８Ａと、スパーキャップ４８Ａ間に設けられるシアウェブ４８Ｂとで構成される。
【００６０】
腹側外皮４２及び背側外皮４４は、図７に示すように後縁８において閉じていてもよいが、図８（ａ）及び（ｂ）に示すように後縁８において閉じていなくてもよい。
腹側外皮４２と背側外皮４４とは、後縁桁４８を介して接合されているから、後縁８において閉じていなくても、十分な強度を確保できる。また、後縁８が開放されていても、このことが腹側及び背側における風の流れに影響を及ぼすことは殆どないから、空力的な性能を維持できる。さらに、後縁８が開放されており後縁桁４８が外部に露出しているため、後縁桁４８の取付け状態（スパーキャップ４８Ａと外皮内面との接着状態）を確認することができて有利である。
【００６１】
なお、腹側外皮４２及び背側外皮４４の少なくとも一方は、後縁桁４８よりも後流側には延在していない構成も採りうる。例えば、図８（ｂ）に示すように、背側外皮４４を後縁桁４８の位置まで延ばし、それよりも後流側には背側外皮４４を延ばさないことも可能である。
【００６２】
［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係る風車翼について説明する。本実施形態の風車翼は、翼型部６のフラットバック翼型１０に延設部を付加したことを除けば、第１実施形態の風車翼１と同様である。したがって、ここでは、第１実施形態の風車翼１と異なる点、すなわちフラットバック翼型１０に付加される延設部を中心に説明する。
【００６３】
図９は、フラットバック翼型１０に付加された延設部の一例を示す図である。同図に示すように、延設部５０は、フラットバック翼型１０の後縁８から後方に延在するように設けられている。延設部５０は、フラットバック翼型１０の腹側面１２から後縁８よりも後方に延ばした腹側延設面５２と、フラットバック翼型１０の背側面１４から後縁８よりも後方に延ばした背側延設面５４とを有する。
なお、フラットバック翼型１０自体の形状は、第１実施形態と同様な手法によって決定されている。
【００６４】
腹側延設面５２は、フラットバック翼型１０の腹側面１２から連続的に延びた凹状湾曲面又は平面である。この腹側延設面５２は、延設部５０の後端面５６に近づくにつれてコード１６から離れる（腹側に向かう）ように、コード１６に対して傾斜している。そのため、フラットバック翼型１０の腹側における空気（風）の流れが腹側延設面５２によってより一層下向き（腹側面１２から離れる方向）に変向され、風車翼１に作用する揚力が増大する。
なお、延設部５０の後端面５６は、フラットバック翼型１０の後縁８の端面（後縁面）９に略平行に設けられている。
【００６５】
延設部５０は、風車翼の翼型の設計時に、フラットバック翼型１０の空力特性を変化させるために付加してもよい。すなわち、空力特性の改善を目的として延設部５０をフラットバック翼型１０に付加して風車翼の翼型を設計し、該設計された翼型が得られるように腹側外皮４２及び背側外皮４４（図７及び８参照）を成形してもよい。これにより、延設部５０の腹側延設面５２によって空力特性が改善された風車翼を簡素な手法によって低コストで製造できる。
【００６６】
あるいは、延設部５０は、風車翼の製造時又は改造時に、フラットバック翼型１０とは別体として形成され、フラットバック翼型１０に付加されてもよい。この場合、延設部５０を繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）で形成し、フラットバック翼型１０に接着固定してもよい。このように、延設部５０をフラットバック翼型１０とは別体として形成する場合、次のような利点がある。
【００６７】
まず、腹側延設面５２の形状によっては、延設部５０及びフラットバック翼型１０を一体的に形成することが難しいことがあり、腹側延設面５２の形状の自由度が制限されることがある。そこで、延設部５０をフラットバック翼型１０とは別体として形成することで、腹側延設面５２の任意の形状を採用することができ、フラットバック翼型１０の空力特性をより一層改善することができる。
また、風車が設置される地域によって風車翼の適切なコード長ＬＣが異なるから、各地域に応じたコード長ＬＣを実現する必要が生じる場合がある。例えば、風車の騒音を小さくする必要がある住宅地や市街地周辺の地域では、騒音低減の観点から、風車の定格回転数を下げるとともに、定格回転数の減少に応じてコード長ＬＣを大きくする必要がある。一方、騒音が問題にならない山間部などの地域では、風車翼の輸送を容易にする観点から、逆にコード長ＬＣをできるだけ小さくする必要がある。そこで、延設部５０をフラットバック翼型１０とは別体として形成することで、地域によって仕様の異なる風車翼のモールド（成形型）を共通化しながら、各地域に応じたコード長ＬＣを実現することができる。
また、フラットバック翼型は近年盛んに研究されているが、フラットバック翼型に関する風洞試験データはまだそれほど蓄積されておらず、フラットバック翼型１０が所期の空力特性（特に揚抗比）を有しないことも考えられる。このような場合、フラットバック翼型１０の空力特性を補完する目的で、フラットバック翼型１０に延設部５０を追設して、所期の空力特性を実現することができる。
さらに、フラットバック翼型１０とは別体として形成された延設部５０を付加することで、フラットバック翼型１０の後縁８の剛性や、風車翼の座屈強度や、腹側外皮４２及び背側外皮４４の接着強度を向上させることができる。
【００６８】
また、延設部５０は、図９に示した例に限られず、種々の形状を採りうる。図１０は、延設部５０の他の形状例を示す図である。
【００６９】
図１０（ａ）に示す例では、延設部５０の後端面５６は、フラットバック翼型１０の後縁面９に対して傾斜しており、腹側延設面５２を背側延設面５４よりも長く延在させている。これにより、長い腹側延設面５２によって揚力をより一層増大させることができる。
【００７０】
図１０（ｂ）に示す例では、延設部５０の後端面５６は凹んでおり、後端面５６と背側延設面５４とがなす角度は、フラットバック翼型１０の背側面１４と後縁面９とがなす角度に比べて小さくなっている。これにより、後端面５６と背側延設面５４との交点が鋭角に近づいて、延設部５０の後流における負圧によって、背側面１４（及び背側延設面５４）に沿って流れる空気流をより強く吸引し、背側における境界層の剥離をより一層遅らせることができる。
【００７１】
図１０（ｃ）に示す例では、延設部５０には背側延設面５４が設けられておらず、延設部５０の後端面５６は、フラットバック翼型１０の背側面１４と後縁面９との交点に接続されている。これにより、腹側延設面５２によって揚力を増大させることができる。また、腹側延設面５２は、フラットバック翼型１０の腹側面１２から連続的に延びた凹状湾曲面である。
【００７２】
図１０（ｄ）に示す例は、延設部５０の腹側延設面５２を平面で形成した点を除けば、図１０（ｃ）に示す例と同様である。
【００７３】
図１０（ｅ）に示す例は、延設部５０の後端面５６を凹ませて、後端面５６と背側延設面５４とがなす角度を、フラットバック翼型１０の背側面１４と後縁面９とがなす角度に比べて小さくした点を除けば、図１０（ｄ）に示す例と同様である。
【００７４】
図１０（ｆ）に示す例では、延設部５０の後端面５６がフラットバック翼型１０の後縁面９の途中（後縁面９と背側面１４との交点よりも腹側の位置）に接続されており、フラットバック翼型１０の後縁面９と背側面１４との交点が露出している。そのため、後縁面９と背側面１４との交点におけるフラットバック翼型１０の境界層の剥離抑制効果に影響を及ぼすことなく、延設部５０の腹側延設面５２による揚力増大効果を得ることができる。
【００７５】
図１０（ｇ）に示す例は、延設部５０の腹側延設面５２を平面ではなく凹状湾曲面にしたことを除けば、図１０（ｆ）に示す例と同様である。
【００７６】
図１０（ｈ）に示す例では、延設部５０は、板状部材によって構成されており、フラットバック翼型１０の後縁面９と腹側面１２との交点に接続されている。そして、板状部材からなる延設部５０の腹側の面によって腹側延設面５２が構成されている。
このように板状部材からなる延設部５０を用いることで、フラットバック翼型１０の後縁面９と背側面１４との交点が露出し、該交点におけるフラットバック翼型１０の境界層の剥離抑制効果に影響を及ぼすことなく、延設部５０の腹側延設面５２による揚力増大効果を得ることができる。
【００７７】
図１０（ｉ）に示す例は、延設部５０の腹側延設面５２を平面ではなく凹状湾曲面にしたことを除けば、図１０（ｆ）に示す例と同様である。
【００７８】
［第３実施形態］
次に第３実施形態に係る風車翼について説明する。本実施形態の風車翼は、翼型部６のフラットバック翼型１０の後縁８周辺を被覆部によって覆ったことを除けば、第１実施形態の風車翼１と同様である。したがって、ここでは、第１実施形態の風車翼１と異なる点、すなわちフラットバック翼型１０の後縁８周辺を覆う被覆部を中心に説明する。
【００７９】
図１１は、フラットバック翼型１０の後縁８周辺を覆う被覆部の一例を示す図である。図１２は、フラットバック翼型１０の後縁８周辺を覆う被覆部の他の例を示す図である。
【００８０】
図１１に示すように、被覆部６０は、フラットバック翼型１０の後縁面９と、腹側面１２及び背側面１４の後縁８側の部分とを覆っている。被覆部６０の腹側の外表面６２は、フラットバック翼型１０の腹側面１２から連続的に延びている。同様に、被覆部６０の背側の外表面６４は、フラットバック翼型１０の背側面１４から連続的に延びている。
なお、フラットバック翼型１０の形状は、第１実施形態と同様な手法によって決定されている。
【００８１】
被覆部６０の腹側の外表面６２は、フラットバック翼型１０の腹側面１２から連続的に延びた凹状湾曲面又は平面である。被覆部６０の腹側の外表面６２は、被覆部６０の後端面６６に近づくにつれてコード１６から離れる（腹側に向かう）ように、コード１６に対して傾斜している。そのため、フラットバック翼型１０の腹側における空気（風）の流れが被覆部６０の外表面６２によってより一層下向き（腹側面１２から離れる方向）に変向され、風車翼に作用する揚力が増大する。
【００８２】
また、フラットバック翼型１０の後縁８周辺を被覆部６０によって覆うことで、フラットバック翼型１０の後縁８の剛性や、風車翼の座屈強度を向上させることができる。
【００８３】
また、図１１には被覆部６０の後端面６６が平面である例を示したが、被覆部６０の後端面６６は図１２に示すように凹んでいてもよい。このように、被覆部６０の後端面６６を凹ませることで、後端面６６と背側の外表面６４とがなす角度を、フラットバック翼型１０の背側面１４と後縁面９とがなす角度に比べて小さくすることもできる。これにより、後端面６６と背側の外表面６４との交点が鋭角に近づいて、被覆部６０の後流における負圧によって、背側面１４（及び背側の外表面６４）に沿って流れる空気流をより強く吸引し、背側における境界層の剥離をより一層遅らせることができる。
【００８４】
［第４実施形態］
次に、第４実施形態に係る風車翼について説明する。本実施形態の風車翼は、第１実施形態において図４（ａ）〜（ｃ）を用いて説明したフラットバック翼型１０（後端面９のコード１６の直交面に対してなす角度θを翼長方向に関して異ならせたフラットバック翼型）に延設部を付加したものである。それ以外の本実施形態の風車翼の構成は、第１実施形態の風車翼１と同様であるから、ここでは第１実施形態の風車翼１とは異なる点を中心に説明する。
【００８５】
図１３は、第４実施形態の風車翼の例を示す図である。図１４は、第４実施形態の風車翼の他の例を示す図である。
【００８６】
本実施形態の風車翼では、フラットバック翼型１０は、図４（ａ）〜（ｃ）を用いて第１実施形態で説明したように、フラットバック翼型１０の後端面９がコード１６の直交面１７に対してなす角度θは、翼根部４側に近づくにつれて大きくなるように翼長方向に関して異ならせている。これにより、フラットバック翼型１０の後端面９をひねりのない平面又は曲面にして、風車翼１の製造を容易に行うことができるようにしている。
【００８７】
ところが、このように、後端面９をツイストされていない平面又は曲面とする目的で角度θを翼長方向に関して異ならせると、フラットバック翼型１０の後縁８の形状の自由度が制限されてしまう。
【００８８】
そこで、本実施形態では、後縁８から後方に延在するように延設部７０を設け、延設部７０によって後縁８の形状を任意に調整できるようにする。
延設部７０は、フラットバック翼型１０の後縁８よりも後方に延ばした腹側延在面７２を有する。腹側延在面７２は、フラットバック翼型１０の腹側面１２から連続的に延びた凹状湾曲面又は平面である。この腹側延設面７２は、延設部７０の後端面７６に近づくにつれてコード１６から離れる（腹側に向かう）ように、コード１６に対して傾斜している。そのため、フラットバック翼型１０の腹側における空気（風）の流れが腹側延設面７２によってより一層下向き（腹側面１２から離れる方向）に変向され、風車翼に作用する揚力が増大する。
【００８９】
また、延設部７０の形状は図１３に示す例に限定されず、種々の形状を採りうる。
例えば、図１４（ａ）に示すように、延設部７０の腹側延設面７２を凹状湾曲面にしてもよい。また図１４（ｂ）及び（ｃ）に示す例では、延設部７０の後端面７６がフラットバック翼型１０の後縁面９の途中（後縁面９と背側面１４との交点よりも腹側の位置）に接続されており、フラットバック翼型１０の後縁面９と背側面１４との交点が露出している。そのため、後縁面９と背側面１４との交点におけるフラットバック翼型１０の境界層の剥離抑制効果に影響を及ぼすことなく、延設部５０の腹側延設面５２による揚力増大効果を得ることができる。
【００９０】
以上説明したように、上述の第１〜第４実施形態では、少なくとも、コード長ＬＣに対する最大厚ｔＭＡＸの割合を示す翼厚比Ｘが４０％以上５０％以下になる翼長方向の領域では翼型部６をフラットバック翼型１０とし、さらに、翼厚比Ｘが４０％以上５０％以下の前記領域において、最大厚ｔＭＡＸに対する後縁の厚さｔＴＥの割合を示す後縁厚比Ｙが５％以上ＹＨ（＝１．５Ｘ−３０）％以下になるようにフラットバック翼型１０の形状を決定するようにした。
上述の第１〜第４実施形態によれば、翼厚比Ｘが４０％以上５０％以下になる翼根部側に比較的近い領域において、後縁に厚みを持たせてフラットバック翼型とすることで、揚抗比特性を効果的に改善できる。
また、翼厚比Ｘが４０〜５０％の前記領域において後縁厚比Ｙを５％以上にしたので、高い迎え角まで揚力を発生させることができるとともに、風車翼の断面係数が向上するので、強度を維持しながら風車翼の軽量化を図ることができる。
さらに、翼厚比Ｘが４０〜５０％の前記領域において後縁厚比Ｙを上限値ＹＨ（＝１．５Ｘ−３０）以下にしたので、少なくとも一部の迎え角範囲において揚抗比の十分な改善効果を享受できる。
【００９１】
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、上述の第１実施形態〜第４実施形態を任意に組み合わせて実施してもよい。
【符号の説明】
【００９２】
１  風車翼
２  翼先端部
４  翼根部
６  翼型部
７  前縁（リーディングエッジ）
８  後縁（トレイリングエッジ）
９  端面（後縁面）
１０  フラットバック翼型
１２  腹側面
１４  背側面
１６  コード（翼弦線）
１７  直交面
２０  基準翼型
２２  腹側面
２４  背側面
２６  キャンバーライン
３０  許容エリア
３２  第１エリア
３４  第２エリア
３６  第３エリア
４２  腹側外皮
４４  背側外皮
４６  主桁
４６Ａ  スパーキャップ
４６Ｂ  シアウェブ
４８  後縁桁
４８Ａ  スパーキャップ
４８Ｂ  シアウェブ
５０  延設部
５２  腹側延設面
５４  背側延設面
５６  後端面
６０  被覆部
６２  腹側の外表面
６４  背側の外表面
６６  後端面
７０  延設部
７２  腹側延設面
７６  後端面
１００  風車翼
１０２  後流側の領域
１１０  風力発電装置
１１２  ハブ
１１４  ナセル
１１６  タワー

【図１】
2013054404.tif 000003
【図２】
2013054404.tif 000004
【図３】
2013054404.tif 000005
【図４】
2013054404.tif 000006
【図５】
2013054404.tif 000007
【図６】
2013054404.tif 000008
【図７】
2013054404.tif 000009
【図８】
2013054404.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2013054404.tif 000012
【図１１】
2013054404.tif 000013
【図１２】
2013054404.tif 000014
【図１３】
2013054404.tif 000015
【図１４】
2013054404.tif 000016
【図１５】
2013054404.tif 000017
【図１６】
2013054404.tif 000018
【国際調査報告】
2013054404.tif 000019
2013054404.tif 000020
2013054404.tif 000021
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