(57)【要約】【課題】風車翼の表面に沿った流れの剥離を抑制しながら、ボルテックスジェネレータの設置に起因したドラッグペナルティを低減可能なボルテックスジェネレータおよびこれを備えた風車翼並びに風力発電装置を提供する。【解決手段】風車翼のためのボルテックスジェネレータは、前記風車翼の表面から突出して設けられたフィンを備える。前記フィンは、該フィンのフィンコードが前記風車翼への風の流入方向に対して斜めになるように配向されており、前記風の前記流入方向における下流側を向く前記フィンの背面は、湾曲凸形状を有し、前記フィンは、前記フィンの少なくとも一部の高さ範囲において、フィンコード長Ｃに対するフィン最大翼厚ｔｍａｘの比であるフィン最大翼厚比ｔｍａｘ／Ｃが、０．１０≦ｔｍａｘ／Ｃ≦０．１２を満たす。【選択図】図４Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車翼のためのボルテックスジェネレータであって、
前記風車翼の表面から突出して設けられたフィンを備え、
前記フィンは、該フィンのフィンコードが前記風車翼への風の流入方向に対して斜めになるように配向されており、
前記風の前記流入方向における下流側を向く前記フィンの背面は、湾曲凸形状を有し、
前記フィンは、前記フィンの少なくとも一部の高さ範囲において、フィンコード長Ｃに対するフィン最大翼厚ｔｍａｘの比であるフィン最大翼厚比ｔｍａｘ／Ｃが、０．１０≦ｔｍａｘ／Ｃ≦０．１２を満たすことを特徴とするボルテックスジェネレータ。
【請求項２】
前記フィン最大翼厚比ｔｍａｘ／Ｃが、前記フィンの少なくとも一部の高さ範囲において、０．１０≦ｔｍａｘ／Ｃ≦０．１１を満たすことを特徴とする請求項１に記載のボルテックスジェネレータ。
【請求項３】
前記フィンは、前記フィンの根本から頂部までのフィン全長をＬとしたとき、０．５Ｌ≦ｈ≦０．８５Ｌの高さ範囲において、前記フィン最大翼厚比ｔｍａｘ／Ｃが、０．１０≦ｔｍａｘ／Ｃ≦０．１２を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載のボルテックスジェネレータ。
【請求項４】
前記フィンは、該フィンの翼厚が前記フィン最大翼厚ｔｍａｘとなるコード方向位置は、前記フィンコードの中点よりも前縁側であ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ボルテックスジェネレータ。
【請求項５】
前記フィンは、該フィンの翼厚が前記フィン最大翼厚ｔｍａｘとなるコード方向位置ｘが、０．３Ｃ≦ｘ≦０．４Ｃであることを特徴とする請求項４に記載のボルテックスジェネレータ。
【請求項６】
前記フィンは、該フィンの翼厚が前記フィン最大翼厚ｔｍａｘとなるコード方向位置ｘが、０．３１Ｃ≦ｘ≦０．３５Ｃであることを特徴とする請求項５に記載のボルテックスジェネレータ。
【請求項７】
前記フィンは、側面視において、前記風車翼の表面への前記フィンの接続部を形成する第１エッジと、前記第１エッジに交差するとともに前記風の前記流入方向上流側に位置して前記フィンの上流側端部を形成する第２エッジと、前記第１エッジに交差するとともに前記風の前記流入方向下流側に位置して前記フィンの下流側端部を形成する第３エッジと、を有する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ボルテックスジェネレータ。
【請求項８】
前記フィンにおいて、前記第２エッジは、前記フィンの頂部に近づくにつれて後流側に向かうようにフィン高さ方向に対して斜めになっていることを特徴とする請求項７に記載のボルテックスジェネレータ。
【請求項９】
前記フィンは、側面視において、前記フィンの高さ方向における先端を形成する直線状又は曲線状の第４エッジをさらに有することを特徴とする請求項７又は８に記載のボルテックスジェネレータ。
【請求項１０】
前記第１エッジと前記第３エッジとがなす角度は、９０度以下であることを特徴とする請求項７乃至９の何れか一項に記載のボルテックスジェネレータ。
【請求項１１】
前記フィンは、該フィンの根本から頂部に近づくにつれて、前記フィンコードの長さが減少することを特徴とする請求項１乃至１０の何れか一項に記載のボルテックスジェネレータ。
【請求項１２】
前記フィンは、前記フィンの少なくとも一部の高さ範囲において、前記フィンの翼厚が前記フィン最大翼厚ｔｍａｘとなる位置を結んだ線が、前記フィンコード長の中点を結んだ基準線と同じ側に向かうように、前記フィンの高さ方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか一項に記載のボルテックスジェネレータ。
【請求項１３】
前記ボルテックスジェネレータは、前記風車翼の負圧面において、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１２の何れか一項に記載の風車翼のボルテックスジェネレータ。
【請求項１４】
翼本体と、
前記翼本体の表面に取り付けられた請求項１乃至１３の何れか一項に記載のボルテックスジェネレータと、
を備えることを特徴とする風車翼。
【請求項１５】
請求項１４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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ボルテックスジェネレータ、風車翼および風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、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。
【０００３】
特許文献１〜特許文献１０には、風車翼の表面に取り付けられる基部と該基部上に立設されたフィンとを有するボルテックスジェネレータが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１４／０１４０８５６号明細書
【特許文献２】欧州特許出願公開第２５４８８００号明細書
【特許文献３】欧州特許出願公開第２７９９７０９号明細書
【特許文献４】国際公開第２００７／１４０７７１号
【特許文献５】欧州特許出願公開第２４８４８９５号明細書
【特許文献６】欧州特許出願公開第２４８４８９６号明細書
【特許文献７】欧州特許出願公開第２４８４８９７号明細書
【特許文献８】欧州特許出願公開第２４８４８９８号明細書
【特許文献９】国際公開第２０１５／０３０５７３号
【特許文献１０】欧州特許出願公開第２５９７３００号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１〜１０に記載のボルテックスジェネレータは、風車翼の表面に沿った流れの剥離を抑制するというボルテックスジェネレータ本来の目的を達成できるかもしれないが、その反面、ボルテックスジェネレータの設置に起因したドラッグペナルティが生じてしまうことがある。
【０００６】
本発明の少なくとも幾つかの実施形態の目的は、風車翼の表面に沿った流れの剥離を抑制しながら、ボルテックスジェネレータの設置に起因したドラッグペナルティを低減可能なボルテックスジェネレータおよびこれを備えた風車翼並びに風力発電装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）本発明の幾つかの実施形態に係るボルテックスジェネレータは、
風車翼のためのボルテックスジェネレータであって、
前記風車翼の表面から突出して設けられたフィンを備え、
前記フィンは、該フィンのフィンコードが前記風車翼への風の流入方向に対して斜めになるように配向されており、
前記風の前記流入方向における下流側を向く前記フィンの背面は、湾曲凸形状を有し、
前記フィンは、前記フィンの少なくとも一部の高さ範囲において、フィンコード長Ｃに対するフィン最大翼厚ｔｍａｘの比であるフィン最大翼厚比ｔｍａｘ／Ｃが、０．１０≦ｔｍａｘ／Ｃ≦０．１２を満たす。
なお、本明細書において、「風の流入方向」とは、ボルテックスジェネレータの取付位置における、風車翼の表面に沿った流れの方向をいう。この「風の流入方向」として、ボルテックスジェネレータの取付位置における風車翼のコード方向を近似的に用いてもよい。
【０００８】
ボルテックスジェネレータは、フィンが生み出す揚力によって縦渦を形成して、ボルテックスジェネレータの後流側における境界層内外の運動量交換を促進し、境界層を薄くすることで、風車翼の後縁剥離を抑制するものである。しかし、ボルテックスジェネレータのフィンの形状によっては、フィンの背面側での剥離に起因して横渦が生じてしまうことがあり、かかる横渦が抗力増大の原因となり得る。このように、ボルテックスジェネレータのフィン形状は、風車翼の後縁剥離の抑制効果だけでなく、ボルテックスジェネレータを設置することによる抗力増加のデメリット（ドラッグペナルティ）も考慮して設計する必要がある。
この点、上記（１）の構成は、ボルテックスジェネレータのフィン形状がフィンの揚力係数及び揚抗比に与える影響について検討するために本発明者らが行った数値計算の結果に基づくものであり、ボルテックスジェネレータのフィンが、少なくとも一部の高さ範囲において、フィン最大翼厚比ｔｍａｘ／Ｃが０．１０≦ｔｍａｘ／Ｃ≦０．１２を満たす翼型を有する。
典型的な風車用ボルテックスジェネレータの使用環境が粘性支配的（Ｒｅ＝１０３〜１０４程度）であるところ、フィン最大翼厚比ｔｍａｘ／Ｃを０．１２以下且つ０．１０以上に設定することで、フィン背面側における剥離に起因した横渦の発生を抑制し、フィンの揚力係数及び揚抗比を向上させることができる。
より具体的には、フィン最大翼厚比ｔｍａｘ／Ｃが０．１２よりも大きい場合、フィンの揚力は維持されるが抗力が上昇し始めるため、フィンの揚抗比が低下してしまう。一方、フィン最大翼厚比ｔｍａｘ／Ｃが０．１０よりも小さい場合、フィンの前縁付近から剥離が発生するようになり、揚力が維持されなくなる。そのため、フィンの揚抗比が低下してしまう。よって、フィン最大翼厚比ｔｍａｘ／Ｃを０．１２以下且つ０．１０以上に設定することで、フィンの揚力係数及び揚抗比を向上させることができる。
【０００９】
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記フィン最大翼厚比ｔｍａｘ／Ｃが、前記フィンの少なくとも一部の高さ範囲において、０．１０≦ｔｍａｘ／Ｃ≦０．１１を満たす。
【００１０】
上記（２）の構成によれば、フィンの優れた揚力係数及び揚抗比を実現することができ、風車翼の後縁剥離の抑制とドラッグペナルティの低減とを効果的に両立することができる。
【００１１】
（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、
前記フィンは、前記フィンの根本から頂部までのフィン全長をＬとしたとき、０．５Ｌ≦ｈ≦０．８５Ｌの高さ範囲において、前記フィン最大翼厚比ｔｍａｘ／Ｃが、０．１０≦ｔｍａｘ／Ｃ≦０．１２を満たす。
なお、一実施形態では、０．２Ｌ≦ｈ≦０．８５Ｌの高さ範囲において、前記フィン最大翼厚比ｔｍａｘ／Ｃが、０．１０≦ｔｍａｘ／Ｃ≦０．１２を満たす。
【００１２】
ボルテックスジェネレータのフィンでは、フィンの根本をフィン高さゼロとしたとき、０．５Ｌのフィン高さにおける流速は主流の流速の約９０％に相当し、０．５Ｌ及び０．５Ｌよりもフィン頂部側の範囲（０．５Ｌ≦ｈの範囲）におけるフィン形状がフィン全体の空力性能に大きく影響する。但し、フィン頂部近傍の領域（ｈ＞０．８５Ｌの領域）については、フィン頂部において発生する渦の影響により、空力特性の重要性が相対的に小さい。また、構造的な観点からは、フィン頂部近傍の上記領域において、フィン最大翼厚ｔｍａｘをある程度確保するために、この領域におけるフィン最大翼厚比を大きくしたいという要請がある。よって、上記（３）のように、０．５Ｌ以上０．８５Ｌ以下の高さ範囲においてフィン最大翼厚比ｔｍａｘ／Ｃを上記数値範囲内に設定することで、フィンの強度を確保しながら、フィンの空力性能を効果的に向上させることができる。
【００１３】
（４）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れかの構成において、
前記フィンは、該フィンの翼厚が前記フィン最大翼厚ｔｍａｘとなるコード方向位置は、前記フィンコードの中点よりも前縁側である。
【００１４】
（５）幾つかの実施形態では、上記（４）の構成において、
前記フィンは、該フィンの翼厚が前記フィン最大翼厚ｔｍａｘとなるコード方向位置ｘが、０．３Ｃ≦ｘ≦０．４Ｃである。
【００１５】
（６）幾つかの実施形態では、上記（５）の構成において、
前記フィンは、該フィンの翼厚が前記フィン最大翼厚ｔｍａｘとなるコード方向位置ｘが、０．３１Ｃ≦ｘ≦０．３５Ｃである。
【００１６】
上記（４）〜（６）の構成によれば、フィンの優れた揚力係数及び揚抗比を実現することができ、風車翼の後縁剥離の抑制とドラッグペナルティの低減とを効果的に両立することができる。
【００１７】
（７）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（６）の何れかの構成において、
前記フィンは、側面視において、前記風車翼の表面への前記フィンの接続部を形成する第１エッジと、前記第１エッジに交差するとともに前記風の前記流入方向上流側に位置して前記フィンの上流側端部を形成する第２エッジと、前記第１エッジに交差するとともに前記風の前記流入方向下流側に位置して前記フィンの下流側端部を形成する第３エッジと、を有する。
なお、フィンの側面視形状は、直線状の第１エッジ〜第３エッジによって形成される三角形や、直線状の第１エッジ〜第３エッジに加えて第２エッジ及び第３エッジ間を接続する直線状の第４エッジを有する四角形を含む任意の多角形であってもよい。あるいは、フィンの側面視形状を構成するエッジ（第１エッジ〜第３エッジを含む３本以上のエッジ）の一部が直線状ではなく、曲線状であってもよい。
【００１８】
（８）幾つかの実施形態では、上記（７）の構成において、
前記フィンにおいて、前記第２エッジは、前記フィンの頂部に近づくにつれて後流側に向かうようにフィン高さ方向に対して斜めになっている。
なお、この場合において、第２エッジは、第３エッジよりも長くてもよい。
【００１９】
上記（８）の構成によれば、フィン頂部に近づくにつれて後流側に向かうようにフィン高さ方向に対して斜めに配置された第２エッジ（フィン前縁を形成するエッジ）により、フィン後流側における境界層内外での運動量交換を促進するための縦渦を形成できる。
【００２０】
（９）幾つかの実施形態では、上記（７）又は（８）の構成において、
前記フィンは、側面視において、前記フィンの高さ方向における先端を形成する直線状又は曲線状の第４エッジをさらに有する。
【００２１】
上述したようにフィン頂部近傍の領域は、フィン頂部において発生する渦の影響により空力特性の重要性が相対的に小さいため、上記（９）の構成においては、フィン全体の空力性能にあまり影響しないフィン頂部を切り落として第４エッジを形成することで、ボルテックスジェネレータの取扱い時における作業者の安全性を高めるとともに、フィンにおいて発生する誘導抗力を低減することができる。
【００２２】
（１０）幾つかの実施形態では、上記（７）乃至（９）の何れかの構成において、
前記第１エッジと前記第３エッジとがなす角度は、９０度以下である。
【００２３】
上記（１０）の構成によれば、翼型を有するフィンの成形後、フィンの頂部から根本に向かう方向にフィンを金型に対して相対的に動かすことで、成形後のフィンを金型から容易に引き抜くことができる。
【００２４】
（１１）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（１０）の何れかの構成において、
前記フィンは、該フィンの根本から頂部に近づくにつれて、前記フィンコードの長さが減少する。
【００２５】
上記（１１）の構成によれば、フィンの側面視における面積を減少させて、フィンで生じる抗力を低減できる。
【００２６】
（１２）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（１１）の何れかの構成において、
前記フィンは、前記フィンの少なくとも一部の高さ範囲において、前記フィンの翼厚が前記フィン最大翼厚ｔｍａｘとなる位置を結んだ線が、前記フィンコード長の中点を結んだ基準線と同じ側に向かうように、前記フィンの高さ方向に対して傾斜している。
【００２７】
上記（１２）の構成によれば、第２エッジ又は第３エッジがフィン高さ方向に対して斜めである場合であっても、フィン高さ方向における広範囲において、フィンの揚力係数及び揚抗比を向上させる翼型を実現することができる。このため、風車翼の表面に沿った流れの剥離を抑制しながら、ボルテックスジェネレータの設置に起因したドラッグペナルティを低減することができる。
【００２８】
（１３）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（１２）の何れかの構成において、
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。
【００２９】
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（１３）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。
【００３０】
（１４）本発明の少なくとも幾つかの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り付けられた上記（１）乃至（１３）の何れかの構成のボルテックスジェネレータと、
を備える。
【００３１】
上記（１４）の構成によれば、上記（１）で述べたように、ボルテックスジェネレータのフィンが、少なくとも一部の高さ範囲において、フィン最大翼厚比ｔｍａｘ／Ｃが０．１０≦ｔｍａｘ／Ｃ≦０．１２を満たす翼型を有するため、風車翼の表面に沿った流れの剥離を抑制しながら、ボルテックスジェネレータの設置に起因したドラッグペナルティを低減することができる。
【００３２】
（１５）本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る風力発電装置は、
上記（１４）の構成の風車翼を備える。
【００３３】
上記（１５）の構成によれば、上記（１４）の構成の風車翼を備えるので、風車翼の表面に沿った流れの剥離を抑制しながら、ボルテックスジェネレータの設置に起因したドラッグペナルティを低減することができる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、風車翼の表面に沿った流れの剥離を抑制しながら、ボルテックスジェネレータの設置に起因したドラッグペナルティを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】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の斜視図である。
【図２】一実施形態に係るボルテックスジェネレータのフィンの配置を説明するための翼型を示す図である。
【図３】一実施形態に係るボルテックスジェネレータのフィンの形状を説明するための翼型を示す図である。
【図４Ａ】一実施形態に係るボルテックスジェネレータ周囲における流れを説明するための斜視図である。
【図４Ｂ】一実施形態に係るボルテックスジェネレータ周囲の流体解析結果を示す速度分布図である。
【図４Ｃ】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の流れを説明するための斜視図である。
【図４Ｄ】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の流れを説明するための断面図である。
【図５】フィン最大翼厚比ごとの揚抗比の一例を示すグラフである。
【図６】一実施形態に係るボルテックスジェネレータのフィンの側面図である。
【図７】他の実施形態に係るボルテックスジェネレータのフィンの側面図である。
【図８】さらに他の実施形態に係るボルテックスジェネレータのフィンの側面図である。
【図９】一実施形態に係るボルテックスジェネレータのフィンの側面図であり、図中に各高さ方向位置における翼型も示している。
【図１０】一実施形態に係るボルテックスジェネレータのフィンの高さ方向の速度分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
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。
【００３７】
最初に、図１を例示して、幾つかの実施形態に係る風車翼１の全体構成について説明する。なお、図１は、一実施形態に係るボルテックスジェネレータ１０を備えた風車翼１の斜視図である。
幾つかの実施形態に係る風車翼１は、翼本体２と、翼本体２の表面（翼面）に取付けられるボルテックスジェネレータ１０と、を備える。
【００３８】
翼本体２は、風力発電装置のハブに取付けられる翼根３と、ハブ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１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１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。
なお、以下の説明において、「翼長方向」とは、翼根３から翼先端４に向かう方向であり、「翼コード方向」とは、翼本体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。
【００３９】
上記風車翼１を備える風力発電装置は、一実施形態では、複数の風車翼１が放射状にハブに取付けられており、これら複数の風車翼１で風を受けることによってロータ（風車翼１及びハブを含む）が回転し、ロータに連結された発電機で発電を行うように構成されている。
【００４０】
次に、図２〜図４Ｄ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１０について具体的に説明する。
図２は、一実施形態に係るボルテックスジェネレータ１０のフィン１２の配置を説明するための翼型を示す図である。図３は、一実施形態に係るボルテックスジェネレータ１０のフィン１２の形状を説明するための翼型を示す図である。図４Ａ〜図４Ｄは、一実施形態に係るボルテックスジェネレータ１０の周囲における流れを説明するための図である。なお、図２及び図３は、フィン１２の任意の高さ方向位置における翼型を示している。
【００４１】
図２及び図３に例示するように、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１（翼本体２）の表面から突出して設けられたフィン１２を備える。
フィン１２は、該フィン１２のフィンコード１８が風車翼１への風の流入方向に対して斜めになるように配向されている（図２参照）。例えば、フィンコード１８が、風の流入方向に対してスキュー角（迎え角）θを有するように傾斜している。なお、スキュー角θは、０°より大きく且つ９０°未満である。
風の流入方向における下流側を向くフィンの背面１６は、湾曲凸形状を有している。
フィン１２は、該フィン１２の少なくとも一部の高さ範囲において、フィンコード長Ｃに対するフィン最大翼厚ｔｍａｘの比であるフィン最大翼厚比ｔｍａｘ／Ｃが、０．１０≦ｔｍａｘ／Ｃ≦０．１２を満たす（図３参照）。
【００４２】
なお、本明細書において、「風の流入方向」とは、ボルテックスジェネレータ１０の取付位置における、風車翼１（図４Ａ参照）の表面に沿った流れの方向をいう。「風の流入方向」として、ボルテックスジェネレータ１０の取付位置における風車翼１の翼コード方向（図１参照）を近似的に用いてもよい。
【００４３】
図２及び図３に示す実施形態では、フィン１２は翼型を有している。このフィン１２は、風の流入方向の上流側に位置する前縁１３と、風の流入方向の下流側に位置する後縁１４と、風の流入方向における上流側を向くフィン１２の腹面（圧力面）１５と、風の流入方向における下流側を向くフィン１２の背面（負圧面）１６と、を有する。このフィン１２において、前縁１３と後縁１４とを結ぶ直線がフィンコード１８である。図３に示すようにフィンコード１８のフィンコード長Ｃは、前縁１３から後縁１４までのコード１８に沿った長さである。また、腹面１５と背面１６とのコード直交方向における距離の最大値をフィン最大翼厚ｔｍａｘとする。
【００４４】
ここで、図４Ａ〜図４Ｄを参照して、ボルテックスジェネレータ１０の作用を説明する。
図４Ａは、一実施形態に係るボルテックスジェネレータ１０の周囲における流れを説明するための斜視図である。図４Ｂは、一実施形態に係るボルテックスジェネレータ１０の周囲の流体解析結果を示す速度分布図である。図４Ｃは、一実施形態に係るボルテックスジェネレータ１０のフィン１２の周囲の流れを説明するための斜視図である。図４Ｄは、一実施形態に係るボルテックスジェネレータ１０のフィン１２の周囲の流れを説明するための断面図である。
なお、図４Ｂでは、フィン１２の後縁１４の位置Ｐ１における断面（風の流入方向に直交する断面）の速度分布２８と、フィン１２の後流側の位置Ｐ２における断面（風の流入方向に直交する断面）の速度分布２９と、を示している。これらの速度分布２８，２９において、流体速度の大きい領域を濃い色で示しており、流体速度が小さい領域ほどより薄い色で示している。図４Ｄは、フィン１２の高さ方向に直交する方向における断面を示している。
【００４５】
図４Ａ〜図４Ｄに示すように、通常、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Ｌによって、フィン１２の背面１６側に縦渦２１を形成する。また、フィン１２に流入した流れによって、フィン１２の前縁１３の最上流側位置から頂部１２ａに向かうエッジ（図６の第２エッジ１２２）に沿った縦渦２２も形成される。これらの縦渦２１，２２によって、ボルテックスジェネレータ１０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。すなわち、フィン１２から離れた位置における境界層３２は、ボルテックスジェネレータ１０の影響が小さいため、境界層３２の厚さＤ１は比較的大きい。これに対して、フィン１２に近い位置においては、ボルテックスジェネレータ１０により形成される縦渦２１，２２によってフィン１２の高さ方向における運動量交換が促進されるため、境界層３２の厚さＤ２は境界層３１の厚さＤ１よりも薄くなる。こうしてボルテックスジェネレータ１０は、風車翼１の表面における境界層３１を薄くすることで、風車翼１の後縁剥離を抑制するようになっている。
【００４６】
しかし、ボルテックスジェネレータ１０のフィン１２の形状によっては、フィン１２の背面１６側での剥離に起因して横渦２３（図４Ｃ及び図４Ｄ参照）が生じてしまうことがある。この横渦２３は、フィン１２の抗力Ｄ（図４Ｃ参照）の増大の原因となり得る。このように、ボルテックスジェネレータ１０のフィン形状は、風車翼１の後縁剥離の抑制効果だけでなく、ボルテックスジェネレータ１０を設置することによる抗力増加のデメリット（ドラッグペナルティ）も考慮して設計する必要がある。
なお、縦渦２１，２２とは、フィン１２の高さ方向に形成される渦である。一方、横渦２３とは、フィン１２の高さ方向に直交する面内に形成される渦である。
【００４７】
この点、上述した図２及び図３に示す実施形態は、ボルテックスジェネレータ１０のフィン形状がフィン１２の揚力係数及び揚抗比に与える影響について検討するために本発明者らが行った数値計算の結果に基づくものであり、ボルテックスジェネレータ１０のフィン１２が、少なくとも一部の高さ範囲において、フィン最大翼厚比ｔｍａｘ／Ｃが０．１０≦ｔｍａｘ／Ｃ≦０．１２を満たす翼型を有する。
典型的な風車用ボルテックスジェネレータ１０の使用環境が粘性支配的（Ｒｅ＝１０３〜１０４程度）であるところ、フィン最大翼厚比ｔｍａｘ／Ｃを０．１２以下且つ０．１０以上に設定することで、フィン１２の背面１６側における剥離に起因した横渦２３（図４Ｃ及び図４Ｄ参照）の発生を抑制し、フィン１２の揚力係数及び揚抗比を向上させることができる。
より具体的には、フィン最大翼厚比ｔｍａｘ／Ｃが０．１２よりも大きい場合、フィン１２の揚力は維持されるが抗力が上昇し始めるため、フィン１２の揚抗比が低下してしまう。一方、フィン最大翼厚比ｔｍａｘ／Ｃが０．１０よりも小さい場合、フィン１２の前縁１３付近から剥離が発生するようになり、揚力が維持されなくなる。そのため、フィン１２の揚抗比が低下してしまう。よって、フィン最大翼厚比ｔｍａｘ／Ｃを０．１２以下且つ０．１０以上に設定することで、フィン１２の揚力係数及び揚抗比を向上させることができる。
【００４８】
図５は、フィン最大翼厚比ごとの揚抗比を示すグラフである。このグラフは、形状の異なる複数のフィンＡ〜Ｆにおけるスキュー角と揚抗比との関係をそれぞれ示している。
フィンＡ〜フィンＥは翼型を有している。フィンＡのｔｍａｘ／Ｃ（フィン最大翼厚比）は０．１２であり、フィンＢのｔｍａｘ／Ｃは０．１１であり、フィンＣのｔｍａｘ／Ｃは０．１０であり、フィンＤのｔｍａｘ／Ｃは０．０９であり、フィンＥのｔｍａｘ／Ｃは０．０６である。また、フィンＦは翼型ではなく平板型をなしている。なお、このグラフでは、Ｒｅ＝５×１０４のときの揚抗比を示している。
【００４９】
このグラフによれば、ｔｍａｘ／Ｃ（フィン最大翼厚比）が０．１２のフィンＡ、ｔｍａｘ／Ｃが０．１１のフィンＢ、及びｔｍａｘ／Ｃが０．１０のフィンＣにおいて、広いスキュー角の範囲で良好な揚抗比を示している。これに対して、ｔｍａｘ／Ｃが０．０９のフィンＤやｔｍａｘ／Ｃが０．０６のフィンＥは、あるスキュー角より大きくなると揚抗比が急激に低下していることがわかる。本発明者らは流体解析等の分析を行った結果、フィンＤやフィンＥのようにフィン最大翼厚比が０．１０未満になると、フィン１２の前縁１３に近い領域で剥離が発生するようになり、揚抗比が小さくなることを見出した。すなわち、図４Ｄを参照して、フィン最大翼厚比が０．１０未満の場合、フィン１２の前縁１３に近い領域から剥離が発生し、これに伴って横渦２３の発生位置がより前縁１３側となるため、抗力Ｄが大きくなってフィン１２の揚抗比が低下してしまう。したがって、上述したように、フィン最大翼厚比ｔｍａｘ／Ｃを０．１０以上に設定することで、フィン１２の揚抗比を向上させることができる。
【００５０】
このように、上記実施形態によれば、ボルテックスジェネレータ１０のフィン１２のフィン最大翼厚比を上記範囲内に設定することによって、風車翼１の表面に沿った流れの剥離を抑制しながら、ボルテックスジェネレータ１０の設置に起因したドラッグペナルティを低減することができる。
【００５１】
なお、フィン１２のレイノルズ数Ｒｅｖｇは以下の式（１）によって定義される。
2017089561.tif 000003
ρは流体の密度であり、Ｕｖｇは流体速度（主流の速度）であり、Ｃｖｇはフィンコード長であり、μは流体の粘性係数である。
一方、風車翼１（図１参照）のレイノルズ数も上記式（１）と同様に定義されるが、フィン１２のフィンコード長Ｃｖｇは風車翼１の翼コード長に比べて極めて小さいため、風車翼１のレイノルズ数と、フィン１２のレイノルズ数Ｒｅｖｇと、は全く相違するものとなる。そのため、例えば風車翼１で最適とされる翼型を適用しても、フィン１２の機能を最大限に引き出すことは難しい。したがって、ボルテックスジェネレータ１０のフィン１２において、上述したようなフィン１２に特有の翼型を採用することにより、フィン１２の優れた揚力係数及び揚抗比を実現することができる。
【００５２】
図３を参照して、幾つかの実施形態では、フィン最大翼厚比ｔｍａｘ／Ｃが、フィン１２の少なくとも一部の高さ範囲において、０．１０≦ｔｍａｘ／Ｃ≦０．１１を満たす。
この実施形態によれば、フィン１２の優れた揚力係数及び揚抗比を実現することができ、風車翼１（図１参照）の後縁剥離の抑制とドラッグペナルティの低減とを効果的に両立することができる。
【００５３】
図６は、一実施形態に係るボルテックスジェネレータ１０のフィン１２の側面図である。
図６に例示するように、幾つかの実施形態においてフィン１２は、フィン１２の根本１２ｂから頂部１２ａまでのフィン全長をＬとしたとき、０．５Ｌ≦ｈ≦０．８５Ｌの高さ範囲において、フィン最大翼厚比ｔｍａｘ／Ｃが、０．１０≦ｔｍａｘ／Ｃ≦０．１２を満たす。
なお、一実施形態では、０．２Ｌ≦ｈ≦０．８５Ｌの高さ範囲において、フィン最大翼厚比ｔｍａｘ／Ｃが、０．１０≦ｔｍａｘ／Ｃ≦０．１２を満たす。
【００５４】
図１０は、一実施形態に係るボルテックスジェネレータ１０のフィン１２の高さ方向の速度分布を示す図である。
図１０に示すように、ボルテックスジェネレータ１０のフィン１２では、フィン１２の根本１２ｂにおけるフィン高さｈをゼロとしたとき、０．５Ｌのフィン高さｈにおける流速は主流（例えば図４Ａに示すようにフィン１２よりも上流側の風の流れ）の流速Ｕｖｇの約９０％に相当し、０．５Ｌ及び０．５Ｌよりもフィン１２の頂部１２ａ側の範囲（０．５Ｌ≦ｈの範囲）におけるフィン形状がフィン全体の空力性能に大きく影響する。但し、フィン１２の頂部１２ａ近傍の領域（ｈ＞０．８５Ｌの領域）については、フィン１２の頂部１２ａにおいて発生する渦（図４Ａ及び図４Ｃの縦渦２１）の影響により、空力特性の重要性が相対的に小さい。また、構造的な観点からは、フィン１２の頂部１２ａ近傍の上記領域において、フィン最大翼厚ｔｍａｘをある程度確保するために、この領域におけるフィン最大翼厚比ｔｍａｘ／Ｃを大きくしたいという要請がある。よって、上記したように、０．５Ｌ以上０．８５Ｌ以下の高さ範囲においてフィン最大翼厚比ｔｍａｘ／Ｃを上記数値範囲（ｔｍａｘ／Ｃが０．１０≦ｔｍａｘ／Ｃ≦０．１２又は０．１０≦ｔｍａｘ／Ｃ≦０．１１）内に設定することで、フィン１２の強度を確保しながら、フィン１２の空力性能を効果的に向上させることができる。
【００５５】
図３を参照して、幾つかの実施形態におけるフィン１２は、該フィン１２の翼厚がフィン最大翼厚ｔｍａｘとなるコード方向位置は、フィンコード１８の中点Ｍよりも前縁１３側である。
【００５６】
この場合、フィン１２は、該フィン１２の翼厚がフィン最大翼厚ｔｍａｘとなるコード方向位置ｘが、０．３Ｃ≦ｘ≦０．４Ｃであってもよい。
あるいは、フィン１２は、該フィン１２の翼厚がフィン最大翼厚ｔｍａｘとなるコード方向位置ｘが、０．３１Ｃ≦ｘ≦０．３５Ｃであってもよい。
【００５７】
上記実施形態によれば、フィン１２の優れた揚力係数及び揚抗比を実現することができ、風車翼１（図１参照）の後縁剥離の抑制とドラッグペナルティの低減とを効果的に両立することができる。
【００５８】
次に、図６〜図８を参照して、ボルテックスジェネレータ１０のフィン１２の側面視形状について具体的に説明する。
図６は、一実施形態に係るボルテックスジェネレータ１０のフィン１２の側面図である。図７は、他の実施形態に係るボルテックスジェネレータ１０のフィン１２の側面図である。図８は、さらに他の実施形態に係るボルテックスジェネレータ１０のフィン１２の側面図である。
【００５９】
図６〜図８に例示する幾つかの実施形態において、フィン１２は、側面視において、風車翼１の表面へのフィン１２の接続部を形成する第１エッジ１２１と、第１エッジ１２１に交差するとともに風の流入方向上流側に位置してフィン１２の上流側端部を形成する第２エッジ１２２と、第１エッジ１２１に交差するとともに風の流入方向下流側に位置してフィン１２の下流側端部を形成する第３エッジ１２３と、を有する。
なお、フィン１２の側面視形状は、直線状の第１エッジ１２１、第２エッジ１２２及び第３エッジ１２３によって形成される三角形（図６参照）や、直線状の第２エッジ１２２及び第３エッジ１２３に加えて第２エッジ１２２及び第３エッジ１２３間を接続する直線状の第４エッジ１２４を有する四角形（図７又は図８参照）を含む任意の多角形であってもよい。あるいは、図示は省略するが、フィン１２の側面視形状を構成するエッジ（第１エッジ１２１、第２エッジ１２２及び第３エッジ１２３を含む３本以上のエッジ）の一部が直線状ではなく、曲線状であってもよい。
【００６０】
図６及び図８に例示する幾つかの実施形態では、第２エッジ１２２は、フィン１２の頂部１２ａに近づくにつれて後流側に向かうようにフィン高さ方向に対して斜めになっている。
なお、この場合において、第２エッジ１２２は、第３エッジ１２３よりも長くてもよい。
【００６１】
上記実施形態によれば、フィン１２の頂部１２ａに近づくにつれて後流側に向かうようにフィン高さ方向に対して斜めに配置された第２エッジ（フィン１２の前縁１３を形成するエッジ）１２２により、フィン後流側における境界層３１（図４Ａ参照）内外での運動量交換を促進するための縦渦２１を形成できる。
【００６２】
図７及び図８に例示する幾つかの実施形態では、フィン１２は、側面視において、フィン１２の高さ方向における先端を形成する直線状又は曲線状の第４エッジ１２４をさらに有する。
図７に示す実施形態においてフィン１２は、第２エッジ１２２が、フィン１２の頂部１２ａに近づくにつれて後流側に向かうようにフィン高さ方向に対して斜めになっており、且つ、側面視において、フィン１２の高さ方向における先端を形成する直線状の第４エッジ１２４をさらに有している。
図８に示す実施形態においてフィン１２は、第２エッジ１２２及び第３エッジが互いに略平行に設けられ、第１エッジ１２１及び第４エッジ１２４が互いに略平行に設けられており、側面視において略方形状を有している。この場合、フィン１２の製造が容易になる。
【００６３】
上述したようにフィン１２の頂部１２ａ近傍の領域は、フィン１２の頂部１２ａにおいて発生する渦（図４Ａ及び図４Ｃの縦渦２１）の影響により空力特性の重要性が相対的に小さいため、上記実施形態によれば、フィン全体の空力性能にあまり影響しないフィン１２の頂部１２ａを切り落として第４エッジ１２４を形成することで、ボルテックスジェネレータの取扱い時における作業者の安全性を高めるとともに、フィンにおいて発生する誘導抗力を低減することができる。
【００６４】
図６〜図８を参照して、幾つかの実施形態では、第１エッジ１２１と第３エッジ１２３とがなす角度αは、９０度以下である。
【００６５】
上記実施形態によれば、翼型を有するフィン１２の成形後、フィン１２の頂部１２ａから根本１２ｂに向かう方向にフィン１２を金型に対して相対的に動かすことで、成形後のフィン１２を金型から容易に引き抜くことができる。
【００６６】
図６及び図７に例示するように幾つかの実施形態では、フィン１２は、該フィン１２の根本１２ｂから頂部１２ａに近づくにつれて、フィンコード１８の長さが減少する。
この実施形態によれば、フィン１２の側面視における面積を減少させて、フィン１２で生じる抗力を低減できる。
【００６７】
図９は、一実施形態に係るボルテックスジェネレータ１０のフィン１２の側面図であり、図中に各高さ方向位置における翼型も示している。
図９に例示するように幾つかの実施形態において、フィン１２は、フィン１２の少なくとも一部の高さ範囲において、フィン１２の翼厚がフィン最大翼厚ｔｍａｘとなる位置ｘ１，ｘ２，ｘ３，…を結んだ線４２が、フィンコード長Ｃの中点Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，…を結んだ基準線４０と同じ側に向かうように、フィン１２の高さ方向に対して傾斜している。すなわち、フィン１２の翼厚がフィン最大翼厚ｔｍａｘとなる位置ｘ１，ｘ２，ｘ３，…を結んだ線４２は、フィン１２の高さが大きくなるにつれて後流側に向かうように傾斜している。
【００６８】
上記実施形態によれば、第２エッジ１２２又は第３エッジ１２３がフィン高さ方向に対して斜めである場合であっても、フィン高さ方向における広範囲において、フィン１２の揚力係数及び揚抗比を向上させる翼型を実現することができる。このため、風車翼１の表面に沿った流れの剥離を抑制しながら、ボルテックスジェネレータ１０の設置に起因したドラッグペナルティを低減することができる。
【００６９】
なお、図９に示す実施形態では、フィン最大翼厚ｔｍａｘとなる位置ｘ１，ｘ２，ｘ３，…を結んだ線４２が、フィン１２の高さ方向に対して傾斜しているため、フィン１２の成形後に金型からの引き抜き難い場合がある。その場合、上述したように、第１エッジ１２１と第３エッジ１２３とがなす角度αを９０度以下としてもよい。これにより、フィン１２の揚力係数及び揚抗比を向上させる翼型を実現しながら、成形後のフィン１２を金型から容易に引き抜くことが可能となる。
【００７０】
図１に戻り、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１の負圧面９において、該負圧面９に沿った風の流れの乱流域内に設置される。
【００７１】
風車翼１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。
この点、上記実施形態によれば、負圧面９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１０を設置することで、負圧面９からの流れの剥離を抑制することができる。
【００７２】
一実施形態において、ボルテックスジェネレータ１０は、複数のフィン１２が風車翼１の翼長方向に直線状に配列された構成を備える。例えば、図４Ａに示すように、風の流入方向を通る平面に対して面対象に配置された一対のフィン１２Ａ，１２Ｂが、風車翼１の翼長方向に複数配列された構成であってもよい。
また、ボルテックスジェネレータ１０は、風車翼１（翼本体２）の表面に、基部を介して取り付けられてもよい。例えば、基部（不図示）には複数のフィン１２が固定されており、フィン１２が固定された状態の基部をボルテックスジェネレータ１０は、風車翼１（翼本体２）の表面に取付けるようになっている。
【００７３】
複数のフィン１２は、風車翼１の翼根３側に設けられてもよい（図１参照）。風車翼１の翼根３側では、最適翼コード長に対する実際の翼コード長の不足を補うために、最大揚力係数を向上させることが望ましい。このためには、最大翼コード長位置付近の領域にボルテックスジェネレータ１０を取り付けることで、風車翼１の表面に沿った流れの剥離を抑制することが有効である。
また、上述の実施形態のように、ボルテックスジェネレータ１０は、フィン１２の少なくとも一部の高さ範囲において高い揚抗比を実現可能な新規なフィン翼型を採用しているため、ボルテックスジェネレータ１０の空力的なメリットを特に享受できるのは、周速が高い風車翼１の翼先端４側の領域である。このため、ボルテックスジェネレータ１０は、周速が高い風車翼１の翼先端４側の領域に設置されてもよい（図１参照）。なお、ここでいう翼先端４側の領域とは、例えば、風車ロータの回転中心を原点としたときの風車ロータの半径方向に沿った位置（単に半径方向位置と称する）をｒとし、翼先端４における半径方向位置をＲとしたとき、０．６≦ｒ／Ｒ≦０．９５である。
図１に示す例示的な実施形態では、風車翼１の翼根３側から翼先端４側に至る大部分の翼長方向範囲においてボルテックスジェネレータ１０が設けられている。
【００７４】
図１を参照して、幾つかの実施形態に係る風車翼１は、翼本体２と、翼本体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と、を備える。このボルテックスジェネレータ１０は、上述の何れかの実施形態に示した構成を備える。
この実施形態によれば、上述したように、ボルテックスジェネレータ１０のフィン１２が、少なくとも一部の高さ範囲において、フィン最大翼厚比ｔｍａｘ／Ｃが０．１０≦ｔｍａｘ／Ｃ≦０．１２を満たす翼型を有するため、風車翼１の表面に沿った流れの剥離を抑制しながら、ボルテックスジェネレータ１０の設置に起因したドラッグペナルティを低減することができる。
【００７５】
幾つかの実施形態に係る風力発電装置（図示略）は、上記風車翼１（図１参照））を備える。
この実施形態によれば、上記風車翼１を備えるので、風車翼１の表面に沿った流れの剥離を抑制しながら、ボルテックスジェネレータ１０の設置に起因したドラッグペナルティを低減することができる。
【００７６】
上述したように、本発明の少なくとも幾つかの実施形態によれば、風車翼１の表面に沿った流れの剥離を抑制しながら、ボルテックスジェネレータ１０の設置に起因したドラッグペナルティを低減することができる。
【００７７】
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。
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」、「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。
【符号の説明】
【００７８】
１        風車翼
２        翼本体
３        翼根
４        翼先端
８        圧力面
９        負圧面
１０      ボルテックスジェネレータ
１２，１２Ａ，１２Ｂ      フィン
１２ａ    頂部
１２ｂ    根本
１３      前縁
１４      後縁
１５      腹面
１６      背面
１８      フィンコード
２１      縦渦
２３      横渦
３１，３２      境界層
１２１    第１エッジ
１２２    第２エッジ
１２３    第３エッジ
１２４    第４エッジ
【図１】
2017089561.tif 000004
【図２】
2017089561.tif 000005
【図３】
2017089561.tif 000006
【図４Ａ】
2017089561.tif 000007
【図４Ｂ】
2017089561.tif 000008
【図４Ｃ】
2017089561.tif 000009
【図４Ｄ】
2017089561.tif 000010
【図５】
2017089561.tif 000011
【図６】
2017089561.tif 000012
【図７】
2017089561.tif 000013
【図８】
2017089561.tif 000014
【図９】
2017089561.tif 000015
【図１０】
2017089561.tif 000016