JP6779180B2 - ボルテックスジェネレータ及び風車翼アセンブリ - Google Patents

Description

本開示はボルテックスジェネレータ及び風車翼アセンブリに関する。

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。

特許文献１〜特許文献９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。

欧州特許出願公開第２４８４８９８号明細書 国際公開第２０１５／０３０５７３号 独国特許出願公開第１０２０１３２０１８７１号明細書 国際公開第２０１４／１９８３５３号 欧州特許出願公開第２８２４３２０号明細書 国際公開第２００６／１２２５４７号 米国特許出願公開第２０１４／０２１９８１０号明細書 欧州特許出願公開第２５４８８０１号明細書 国際公開第２０１３／０１４０１５号

しかしながら、近年、風車翼の空力性能のさらなる改善要求が高まりつつあり、特許文献１〜９に記載のボルテックスジェネレータの剥離抑制効果をさらに高めることが望まれている。

本発明の少なくとも幾つかの実施形態の目的は、優れた剥離抑制効果を享受できるボルテックスジェネレータ及びこれを備えた風車翼アセンブリを提供することである。

（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、
負圧面及び圧力面を有する少なくとも一つのフィンを備え、
各々の前記フィンは、前記フィンの少なくとも一部の高さ範囲において、前記フィンの根本側から前記フィンの頂部側に向かうにつれて、フィンコード長Ｃに対する最大キャンバーｃｍａｘの比である最大キャンバー比ｃｍａｘ／Ｃが減少するように構成されている。

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、風車翼後縁側での剥離を抑制するものである。このため、ボルテックスジェネレータによる剥離抑制効果を高めるためには、キャンバーを有するフィン翼型を採用することで、フィンが生み出す揚力を増大させて、縦渦を効果的に形成することが望ましい。しかしながら、本発明者らは、キャンバーを有するフィン翼型を採用したボルテックスジェネレータの研究開発を進める中で、フィンの頂部近傍におけるキャンバーが比較的大きいと、予想に反してボルテックスジェネレータによる剥離抑制効果を十分に得られない場合があることを見出した。このことは、フィンの頂部側において最大キャンバーが大きい場合、フィンの頂部側での負圧面の圧力が低下する結果、負圧面側でフィン高さ方向に圧力勾配が生じ、相対的に圧力の高いフィンの根本側から相対的に圧力の低いフィンの頂部側に向かう流れ（横流れ）が発生することに起因する。この横流れは上述した縦渦と逆方向の流れであり、横流れによって縦渦の生成が阻害されることで、上述したとおりボルテックスジェネレータによる剥離抑制効果を十分に得られない場合が起こり得るのである。
この点、上記（１）の構成によれば、フィンの少なくとも一部の高さ範囲において、フィンの根本側からフィンの頂部側に向かうにつれて、フィンコード長Ｃに対する最大キャンバーｃｍａｘの比である最大キャンバー比ｃｍａｘ／Ｃが減少するように構成されているため、フィンの頂部側において負圧面側の圧力低下を抑制し、縦渦形成の阻害要因である横流れの発生を抑制することができる。この結果、ボルテックスジェネレータによる剥離抑制効果を高めることができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
各々の前記フィンは、前記フィンの高さをＨとしたとき、０．５Ｈ以上の高さ範囲の少なくとも一部において、前記根本側から前記頂部側に向うにつれて前記最大キャンバー比ｃｍａｘ／Ｃが単調減少する。

フィンの根本〜中央付近においては、縦渦の発生に必要な揚力を十分に得るために、レイノルズ数に対して適切な最大キャンバー比を用いることが望ましい。一方で、フィンの頂部付近に向けては、上述のとおり、フィンの頂部付近における負圧面側の圧力低下を抑制するために、最大キャンバー比を小さくすることが望ましい。この点、上記（２）の構成によれば、フィンの中央である０．５Ｈ以上の高さ範囲の少なくとも一部において、根本側から頂部側に向うにつれて最大キャンバー比ｃｍａｘ／Ｃが単調減少するため、フィンの空力性能を効果的に向上させることができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、
前記フィンの高さをＨとし、前記フィンの高さ方向の位置座標をｈとしたとき、ｈに対する前記最大キャンバー比ｃｍａｘ／Ｃの変化率が最大となる高さ位置が、０．７Ｈ以上０．９Ｈ以下の高さ範囲に含まれる。

０．９Ｈよりも頂部側の高さ範囲では、フィンの頂部における空力特性の重要性が相対的に小さい。このため、当該高さ範囲では、縦渦の形成を阻害する横流れの要因である横流れの発生を抑制する観点から、最大キャンバー比を比較的小さな値に維持することが望ましい。一方、０．７Ｈ未満の高さ範囲では、フィンの揚力を確保するために最大キャンバー比をある程度大きな値に維持することが望ましい。
この点、上記（３）のように、０．７Ｈ以上０．９Ｈ以下の高さ範囲に、最大キャンバー比ｃｍａｘ／Ｃの変化率が最大となる高さ位置を含むようにフィンを構成することによって、０．７Ｈ未満のフィン高さ範囲において最大キャンバー比を比較的大きな値に設定して揚力を確保しながら、フィンの揚力への影響が小さい０．９Ｈよりも大きい高さ範囲において最大キャンバー比を比較的小さな値に設定して横流れを効果的に抑制できる。この結果、ボルテックスジェネレータによる剥離抑制効果を向上させることができる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（３）の何れか一つの構成において、
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度以下を満たす。

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）〜（４）の何れか一つの構成において、
前記フィンは、前記フィンの高さ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。

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）〜（５）の何れか一つの構成において、
前記フィンの前記圧力面は、フィンコード長Ｃによって正規化されたフィンコード方向における無次元位置ｘ／Ｃが０．３以上の領域の少なくとも一部において平坦面により形成される。

縦渦が生成される際、フィン周囲の流れの圧力は腹側（圧力面側）で高く、背側（負圧面側）で低くなっている。つまり、圧力の高い腹側から圧力の低い背側への流れが生じることで、縦渦が生じている。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、フィンの腹側で圧力を高く保つことが望ましい。そこで、上記（６）の構成によれば、フィンコード方向における無次元位置ｘ／Ｃが０．３以上の領域の少なくとも一部において平坦面により形成されているため、腹側の平坦面にて流れが加速するのを抑制し、腹側の圧力を高く保つことができる。この結果、腹側と背側において、縦渦の生成に好ましい圧力差を維持することができ、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。

（７）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（６）の何れか一つの構成において、
前記フィンは、０．５Ｈ以上０．８５Ｈ以下の高さ範囲において、前記フィンコード長Ｃに対するフィン最大翼厚ｔｍａｘの比である最大翼厚比ｔｍａｘ／Ｃが、０．１０≦ｔｍａｘ／Ｃ≦０．１２を満たす。

本発明者らの知見によれば、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＝１０^３〜１０^４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。
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、０．５Ｈ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、０．５Ｈ及び０．５Ｈよりもフィン頂部側の範囲（０．５Ｈ≦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。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。
したがって、上記（７）のように、０．５Ｈ以上０．８５Ｈ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。

（８）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（７）の何れか一つの構成において、
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風の流入方向の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の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、を備える。

（９）幾つかの実施形態では、上記（８）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。

上記（９）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。

（１０）幾つかの実施形態では、上記（８）又は（９）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度である。

（１１）幾つかの実施形態では、上記（８）〜（１０）の何れか一つの構成において、
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エッジをさらに備える。

フィンの頂部近傍の領域では、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（１１）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。

（１２）幾つかの実施形態では、上記（１１）の構成において、
前記第４エッジにおけるコード長は、前記根本における前記コード長の２〜１０％である。

前記（１２）の構成によれば、第４エッジのコード長を根本におけるコード長の２〜１０％とすることで、ボルテックスジェネレータの空力性能を維持しながら、ボルテックスジェネレータ取り扱い時における作業者の安全性を確保することができる。

（１３）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（１２）の何れか一つの構成において、
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およ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。

上記（１３）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。

（１４）幾つかの実施形態では、上記（１）〜（１３）の何れか一つの構成において、
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≦４．０を満たす。

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（１４）のように、Ｓ／Ｈが、３．０≦Ｓ／Ｈ≦４．０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。

（１５）本発明の少なくとも一実施形態に係る風車翼アセンブリは、
風車翼と、
前記風車翼の表面に取り付けられた上記（１）乃至（１４）の何れか一つの構成のボルテックスジェネレータと、
を備える。

上記（１５）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の少なくとも一部の高さ範囲において、フィンの根本側からフィンの頂部側に向かうにつれて、フィンコード長Ｃに対する最大キャンバーｃｍａｘの比である最大キャンバー比ｃｍａｘ／Ｃが減少するように構成されているため、フィンの頂部側における負圧面側の圧力低下を抑制し、縦渦形成の阻害要因である横流れの発生を抑制することができる。この結果、ボルテックスジェネレータによる優れた剥離抑制効果を享受できる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、縦渦形成の阻害要因である横流れの発生を抑制し、ボルテックスジェネレータによる優れた剥離抑制効果を享受できる。

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フィンのある高さ方向における断面図である。 一実施形態に係るボルテックスジェネレータのフィンの高さ方向における断面形状の変化を表す図である。 一実施形態に係るボルテックスジェネレータのフィン高さと最大キャンバー比との関係を示すグラフである。 一実施形態に係るボルテックスジェネレータのフィンの側面図である。 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。

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。

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〜図５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５は、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。

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〜図５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が直接風車翼２に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≦４．０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１９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≦４．０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。

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***するとともに、***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。
***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。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。

しかしながら、フィン頂部１３付近における最大キャンバー比ｃｍａｘ／Ｃが比較的大きい場合、フィン１２の根本１４側からフィンの頂部１３側に向かう流れ（図６における横流れ３５）が発生し得ることが、発明者らによる研究の結果判明した。
この横流れ３５が発生する仕組みについて図７を参照しながら説明する。図７は、フィン１２のある高さ方向における断面図を示している。ここで、図７におけるミーンライン３９は、コード方向位置ｘにおいて圧力面２１と負圧面２３から等しい距離にある点をコード方向に沿って結んだ線であり、キャンバーｃは、フィンコード２４とミーンライン３９の間隔である。最大キャンバーｃｍａｘは、断面上で最も大きなキャンバーｃの値を表す。
コード長Ｃに対する最大キャンバーｃｍａｘの比である最大キャンバー比ｃｍａｘ／Ｃが大きいと、最大キャンバー比ｃｍａｘ／Ｃが小さい場合に比べて負圧面２３側への凸形状が大きくなる。このため、最大キャンバー比ｃｍａｘ／Ｃが小さい場合に比べて、負圧面２３側の流路が長くなることにより、負圧面２３側における流れが速くなる。この結果、最大キャンバー比ｃｍａｘ／Ｃが大きい場合、負圧面２３側の圧力が相対的に低くなる。
フィン頂部１３側において、大きな最大キャンバー比ｃｍａｘ／Ｃを採用することにより上述のように負圧面２３の圧力が低下した結果、フィン１２の負圧面２３側においてフィン高さ方向に圧力勾配が生じ、相対的に圧力の高いフィン１２の根本１４側から相対的に圧力の低いフィンの頂部１３側に向かう横流れ３５が生じてしまう（図６参照）。図６に示すとおり、横流れ３５は縦渦２９に対して逆方向の流れであるため、これにより縦渦２９の生成が阻害され、ボルテックスジェネレータ１０による剥離抑制効果を十分に得られないおそれがある。
以下では、上述した問題点に対する幾つかの実施形態について、図８及び図９を参照しながら説明する。図８は、幾つかの実施形態におけるフィン１２の高さ方向における翼の形状の変化を表す図である。図９は、例示的な実施形態におけるフィン高さｈと最大キャンバー比ｃｍａｘ／Ｃの関係を示すグラフである。

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、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の根本１４側からフィン１２の頂部１３側に向かうにつれて、最大キャンバー比ｃｍａｘ／Ｃが減少するように構成されている。図８に示す実施形態によれば、高さ位置Ｈ_Ｂから頂部１３側の高さ位置Ｈ_Ａへ向かうにつれて、負圧面（背面）２３側の凸形状が小さくなり、フィン１２の断面が翼型からフィンコード２４に対して線対称な形状（滴形）へと漸近している。高さ位置Ｈ_Ａにおける断面Ａと高さ位置Ｈ_Ｂにおける断面Ｂとを比較してみると、フィン１２の頂部１３側である断面Ａの方が、断面Ｂに比べて最大キャンバーｃｍａｘが小さくなっている。

このような本実施形態によれば、フィン１２の頂部１３側において最大キャンバー比ｃｍａｘ／Ｃを小さくして負圧面２３側の流れの速さを抑えることにより、フィン１２の頂部１３側における負圧面２３の圧力低下を抑制することができる。この結果、縦渦２９の生成を阻害する要因となり得る横流れ３５の発生を抑制し、ボルテックスジェネレータ１０による剥離抑制効果を十分に享受することができる。

一実施形態においては、０．５Ｈ以上の高さ範囲の少なくとも一部において、根本１４側から頂部１３側に向うにつれて最大キャンバー比ｃｍａｘ／Ｃが単調減少するように構成してもよい。

一般に、あるレイノルズ数に対して、必要な揚力Ｆを得るための最適な最大キャンバー比ｃｍａｘ／Ｃが存在する。これは、キャンバーｃが大きいほど迎角０度における揚力Ｆは大きくなるが、逆にキャンバーｃが大きすぎると剥離の原因となってしまうからである。このため、幾つかの実施形態に係るボルテックスジェネレータ１０においては、フィン１２の根本１４〜中央付近では、縦渦２９の発生に必要な揚力Ｆを十分に得るために、レイノルズ数に対する適切な最大キャンバー比ｃｍａｘ／Ｃを採用することが望ましい。一方で、フィン１２の頂部１３付近に向けては、上述のとおり、フィン１２の頂部１３付近における負圧面２３側の圧力低下を抑制するために、最大キャンバー比ｃｍａｘ／Ｃを小さくしていくことが望ましい。

そこで、本実施形態の構成によれば、フィン１２の中央である０．５Ｈ以上の高さ範囲の少なくとも一部において、根本１４側から頂部１３側に向うにつれて最大キャンバー比ｃｍａｘ／Ｃが単調減少するため、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。

図９は、例示的な実施形態におけるフィン高さｈと最大キャンバー比ｃｍａｘ／Ｃの関係を示したグラフである。図９に示す例では、フィン高さｈと最大キャンバー比ｃｍａｘ／Ｃとの関係が関数ｆ（ｈ）で表現されている。
幾つかの実施形態においては、フィン高さｈに対する最大キャンバー比ｃｍａｘ／Ｃの変化率が最大となる高さ位置が、０．７Ｈ以上０．９Ｈ以下の高さ範囲に含まれる。ここで、フィン高さｈに対する最大キャンバー比ｃｍａｘ／Ｃの変化率とは、関数ｆ（ｈ）のｈによる微分値ｄｆ（ｈ）／ｄｈの絶対値のことである。

上述したように、縦渦２９の形成を阻害する横流れ３５を抑制する観点からは、フィン１２の頂部１３付近における最大キャンバー比ｃｍａｘ／Ｃを比較的小さい値に設定することが重要である。特に、０．９Ｈよりも頂部側の高さ範囲では、フィンの頂部における空力特性の重要性が相対的に小さいため、揚力増大よりも横流れ抑制を優先し、最大キャンバー比を比較的小さな値に維持することが望ましい。一方、０．７Ｈ未満の高さ範囲では、フィンの揚力を確保するために最大キャンバー比をある程度大きな値に維持することが望ましい。

そこで、本実施形態によれば、０．７Ｈ以上０．９Ｈ以下の高さ範囲に、最大キャンバー比ｃｍａｘ／Ｃの変化率が最大となる高さ位置を含むようにフィン１２を構成している。これにより、０．７Ｈ未満のフィン高さ範囲において最大キャンバー比ｃｍａｘ／Ｃを比較的大きな値に設定して揚力を確保しながら、フィンの揚力への影響が小さい０．９Ｈよりも大きい高さ範囲において最大キャンバー比を比較的小さな値に設定して横流れを効果的に抑制できる。

なお、図９に示す例においては、関数ｆ（ｈ）は、フィン高さｈの増加に伴って関数ｆ（ｈ）が常に減少する単調減少の関数であるが、本実施形態はこの例示に限るものではない。一実施形態では、フィン１２の根本１４側の少なくとも一部の高さ範囲において、最大キャンバー比ｃｍａｘ／Ｃが同じ値を維持するか或いは増加するように構成してもよい。
また、フィン１２の空力性能の側面から、フィン１２の根本１４側の少なくとも一部の高さ範囲において、レイノルズ数に対する適切なキャンバー値を維持するように構成してもよい。これにより、横流れ３５を抑制しながら縦渦２９を形成するための揚力Ｆを効果的に得ることができる。

以下では、フィン１２の翼型に関する幾つかの実施形態について、図６及び図７に戻り、これを参照しながら説明する。

幾つかの実施形態では、ｘ／Ｃが０．３以上の領域において圧力面２１の少なくとも一部が平坦面により形成される。図７におけるフィンコード方向位置ｘ_１は、ｘ／Ｃが０．３となる位置を示している。

ボルテックスジェネレータ１０による縦渦２９は、圧力面２１側から負圧面２３側へ流れが生じることにより形成される。これは、圧力面２１側における圧力が、負圧面２３側における圧力よりも相対的に大きく、圧力の大きい方から小さい方へと流れが生じるからである。したがって、縦渦２９を安定して形成させるためには、圧力面２１側の圧力を負圧面２３側の圧力よりも高く保ち、圧力面２１側と負圧面２３側における圧力差を維持することが望まれる。

この点、本実施形態によれば、圧力面２１に形成された平坦面において、流れの加速による圧力面２１側での圧力低下を抑制することができる。この結果、圧力面２１側と負圧面２３側において、縦渦２９の形成に好ましい圧力差を維持することが可能となり、ボルテックスジェネレータ１０の剥離抑制効果を向上させることができる。

上述した作用効果を実現するための一実施形態には、Ｃｌａｒｋ Ｙ翼型がある。Ｃｌａｒｋ Ｙ翼型は、ｘ／Ｃが０．３以上の領域における圧力面が平坦面によって形成されている点に特徴がある。本実施形態に係るＣｌａｒｋ Ｙ翼型を採用すれば、上述した作用効果を得られることに加え、圧力面２１の大部分が平坦面によって形成されているため、作りやすく、ボルテックスジェネレータ１０の製造性を向上させることもできる。また、Ｃｌａｒｋ Ｙ翼型では、負圧面２３は凸状湾曲面により形成される。
なお、上記したようなｘ／Ｃが０．３以上の領域において圧力面２１の少なくとも一部が平坦面により形成された翼型は、フィン１２の少なくとも一部の高さ範囲において採用されていてもよい。

幾つかの実施形態では、０．５Ｈ以上０．８５Ｈ以下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の比である最大翼厚比ｔｍａｘ／Ｃが、０．１０≦ｔｍａｘ／Ｃ≦０．１２を満たす。

本実施形態は、ボルテックスジェネレータ１０のフィン最大翼厚比ｔｍａｘ／Ｃ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、本発明者らが行った数値計算の結果に基づくものである。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Ｆ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１７付近から剥離が発生するようになり、揚力Ｆが維持されなくなる。このため、フィン１２の揚抗比が低下してしまう。したがって、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。
また、０．５Ｈ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、０．５Ｈ及び０．５Ｈよりもフィン頂部１３側の範囲（０．５Ｈ≦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１３近傍の領域（ｈ＞０．８５Ｈの領域）については、フィン頂部１３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１３近傍の領域において、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。

そこで、本実施形態のように、０．５Ｈ以上０．８５Ｈ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。

以下では、フィン１２の側面形状に関する幾つかの実施形態について、図１０及び図１１を参照しながら説明する。

図１０及び図１１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２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１０参照）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１１参照）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。

図１０及び図１１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１３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。

上記実施形態によれば、フィン１２の頂部１３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１７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６参照）内外での運動量交換を促進するための縦渦３７（図１０参照）を形成できる。なお、この縦渦３７は、フィン１２の揚力Ｆに起因して形成される縦渦２９（図６参照）とは別のものであり、フィン１２に流入した流れによって、フィン１２の前縁１７の最上流側位置から頂部１３に向かう第２エッジ１２２に沿って形成されるものである。

図１１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においてフィン１２は、第２エッジ１２２が、フィン１２の頂部１３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。
他の実施形態において、図示は省略するが、第２エッジ１２２及び第３エッジは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てもよい。この場合、フィン１２の製造が容易になる。

上述したようにフィン１２の頂部１３近傍の領域は、フィン１２の頂部１３において発生する縦渦２９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１３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。

一実施形態では、第１エッジ１２１と第３エッジ１２３とがなす角度αは、９０度である。

一実施形態では、前記第４エッジ１２４におけるコード長は、フィンの根本におけるコード長の２〜１０％である。

上記実施形態よれば、第４エッジ１２４のコード長を根本におけるコード長の２〜１０％とすることで、ボルテックスジェネレータ１０の空力性能を維持しながら、ボルテックスジェネレータ１０の取り扱い時における作業者の安全性を確保することができる。

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
３１，３２ 境界層
３５ 横流れ
３７ 縦渦
３９ ミーンライン
９０ 風力発電装置
９３ ロータ
９４ ハブ
９６ タワー
１２１ 第１エッジ
１２２ 第２エッジ
１２３ 第３エッジ
１２４ 第４エッジ

Claims (15)

1. 風車翼のためのボルテックスジェネレータであって、
   負圧面及び圧力面を有する少なくとも一つのフィンを備え、
   各々の前記フィンは、前記フィンの少なくとも一部の高さ範囲において、前記フィンの根本側から前記フィンの頂部側に向かうにつれて、フィンコード長Ｃに対する最大キャンバーｃｍａｘの比である最大キャンバー比ｃｍａｘ／Ｃが減少するように構成されていることを特徴とするボルテックスジェネレータ。
2. 各々の前記フィンは、前記フィンの高さをＨとしたとき、０．５Ｈ以上の高さ範囲の少なくとも一部において、前記根本側から前記頂部側に向うにつれて前記最大キャンバー比ｃｍａｘ／Ｃが単調減少する
   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。
3. 前記フィンの高さをＨとし、前記フィンの高さ方向の位置座標をｈとしたとき、ｈに対する前記最大キャンバー比ｃｍａｘ／Ｃの変化率が最大となる高さ位置が、０．７Ｈ以上０．９Ｈ以下の高さ範囲に含まれる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。
4. 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。
5. 前記フィンは、前記フィンの高さ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ボルテックスジェネレータ。
6. 前記フィンの前記圧力面は、フィンコード長Ｃに対するフィンコード方向における位置ｘの比であるｘ／Ｃが０．３以上の領域の少なくとも一部において平坦面により形成される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ボルテックスジェネレータ。
7. 前記フィンは、０．５Ｈ以上０．８５Ｈ以下の高さ範囲において、前記フィンコード長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。
8. 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風の流入方向の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の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、を備え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ボルテックスジェネレータ。
9. 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８に記載のボルテックスジェネレータ。
10. 前記第１エッジと前記第３エッジとがなす角度は、９０度であることを特徴とする請求項８又は９に記載のボルテックスジェネレータ。
11. 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エッジをさらに備えることを特徴とする請求項８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。
12. 前記第４エッジにおけるコード長は、前記根本における前記コード長の２〜１０％であ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。
13. 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および該およ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１２の何れか一項に記載のボルテックスジェネレータ。
14. 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≦４．０を満たすことを特徴とする請求項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。
15. 風車翼と、
    前記風車翼の表面に取り付けられた請求項１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と、を備えることを特徴とする風車翼アセンブリ。
    

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