本发明专利技术提供风车翼及具备该风车翼的风力发电装置以及风车翼的设计方法，在翼根侧的弦长的上限值受限制的条件下，能够得到所希望的空气动力特性。具备从翼前端(1b)侧到翼根(1a)侧弦长增大的翼主体部(3)。翼主体部(3)具有：翼前端区域(1c)，在翼主体部(3)的前端侧，为大致一定的第一设计升力系数的状态下，朝向翼根(1a)侧弦长逐渐增大；最大弦长位置(1d)，在翼根(1a)侧的成为最大弦长的位置，具有比第一设计升力系数大的第二设计升力系数；过渡区域(1e)，位于翼前端区域(1c)与最大弦长位置(1d)之间。过渡区域(1e)的设计升力系数从翼前端(1b)侧朝向翼根(1a)侧从第一设计升力系数向第二设计升力系数逐渐增大。
【技术实现步骤摘要】
风车翼及具备该风车翼的风力发电装置以及风车翼的设计方法本申请是申请日为2011年10月20日、申请号为201180042131.0、专利技术名称为风车翼及具备该风车翼的风力发电装置以及风车翼的设计方法这一申请的分案申请。
本专利技术涉及风车翼及具备该风车翼的风力发电装置以及风车翼的设计方法。
技术介绍
近年来，作为在发电时不排出温室效应气体的清洁能源，风力发电装置引起注目。风力发电装置借助风力而使风车翼绕轴旋转，将其旋转力转换成电力而得到发电输出。风力发电装置的发电输出由轴端输出(翼产生的输出)与转换效率(轴承或发电机等的效率)之积来表示。而且，轴端输出由下式表示，若是翼效率高、翼直径大的翼，则发电量提高。轴端输出＝1/2×空气密度×风速3×翼效率×π×(翼直径/2)2翼效率存在理论上的上限值(贝茨极限＝0.593)，实际上由于风车后流的影响和翼的空气阻力的存在而上限值成为0.5左右。因此，难以实现翼效率的更进一步的大幅的改善。另一方面，翼直径以其平方对输出具有影响，因此为了提高发电量而扩大翼直径是有效的。然而，翼直径的扩大会导致空气动力载荷(作用于流入方向的推力及传递到翼根的力矩)的增大，因此存在导致旋翼头、机舱、塔架等设备的大型化或重量增大、甚至成本增加的担心·倾向。因此，必需一种抑制翼的空气动力载荷的增大并实现长翼化的技术。为了避免载荷增大的问题，作为空气动力学上(翼形状上)考虑的方法，可以考虑进一步缩短弦长(翼弦长)(即，进一步增大展弦比或进一步减小弦节比)而减小翼投影面积来降低空气动力载荷的方法。在此，展弦比及弦节比由下式表示。展弦比＝翼长2/翼投影面积(1)弦节比＝全翼投影面积/翼扫过面积＝(翼张数×平均弦长)/(π×(翼直径/2)2)(2)通常，风车翼相对于规定的周速比而具有规定的最佳弦长，存在下式的关系(WindEnergyHandbook、JohnWiley&Sons、p378)。Copt/R×λ2×CLdesign×r/R≒16/9×π/n(3)在此，Copt为最佳弦长、R(翼半径)为翼直径的二分之一、λ为设计周速比、CLdesign为设计升力系数、r为翼截面的半径位置、n为翼张数。设计周速比为翼端周速/无限上游风速。设计升力系数是翼型(翼截面)的升阻比(升力/阻力)成为最大的迎角下的升力系数，由翼型(翼截面)的(空气动力)形状和流入条件(雷诺数)来决定。在图26中表示在本说明书中使用的雷诺数的定义。如该图所示，风车中的雷诺数是考虑了以规定的转速旋转的翼的规定截面A-A处的相对风速度而得到的值，由下式表示。雷诺数＝空气密度×向翼截面的相对风速度×翼截面的弦长/空气的粘性系数为了维持翼的空气动力效率，翼型(翼截面)优选具有以下的特性。1.设计升力系数高2.设计升力系数的“组合”最佳化在此，设计升力系数的“组合”是指由适用于一个风车翼的不同的翼厚比(翼厚的最大值除以弦长所得值的百分率)构成的一连串的翼型组(Airfoilseries/family/set)分别具有的设计升力系数的组合。例如，作为适用于风车的翼型的翼厚比，列举出12、15、18、21、24、30、36、42％的组合。在下述专利文献1中公开了一种风车输出提高用的翼型。具体而言，公开了一种翼厚比为14％至45％的范围而设计升力系数为1.10～1.25的范围的翼型(参照权利要求1)。另外，在下述专利文献2中，为了抑制翼前缘的粗糙(向翼前缘的废料附着或伤痕、制造误差等)引起的性能下降，而对翼前缘的形状进行规定。具体而言，将翼前缘的弦长位置设为0％及翼后缘的弦长位置设为100％时的2％位置处的距翼背侧的弦的距离除以弦长所得到的值的百分率规定为7％以上且9％以下。【在先技术文献】【专利文献】【专利文献1】欧洲专利申请公开第1152148号说明书【专利文献2】国际公开第2007/010329号
技术实现思路
【专利技术要解决的课题】然而，即便如专利文献1那样确定所希望的设计升力系数，关于如何规定将其实现的翼型，到目前为止还未统一地整理。另一方面，在决定翼型时，使用背侧膨胀YS或腹侧膨胀YP。在此，背侧膨胀YS是最大翼厚位置处的距翼背侧的弦的距离除以弦长所得到的值的百分率。而且，腹侧膨胀YP是最大翼厚位置处的距翼腹侧的弦的距离除以弦长所得到的值的百分率。然而，关于背侧膨胀YS或腹侧膨胀YP与设计升力系数的关系，并未进行任何研究。另外，从上式(3)可知，在维持所希望的设计升力系数的状态下确定翼根侧(即半径位置小的一侧)的形状时，翼根侧的最佳弦长与半径位置成反比而不得不增大。然而，实际上，从风车翼的运输上的问题出发，作为翼根侧而能够容许的弦长存在最大值。相对于此，在上述专利文献1中，从风车输出的观点出发，公开了适当的设计升力系数的组合，但关于翼厚比超过30％的翼根侧，也将设计升力系数设为1.10～1.25的范围，这样的话，弦长变得过大，风车翼的运输变得困难。另外，即使将运输上容许的弦长赋予于翼根侧，也需要决定考虑了风车翼的空气动力性能所得的翼型(例如设计升力系数的组合)。然而，以往，在翼前端侧的区域赋予所希望的设计升力系数的情况下，在由于运输上的理由等而不得不赋予不同的设计升力系数的与最大弦长位置之间的过渡区域，并没有以应赋予何种翼型这样的观点进行研究。即，即使如专利文献1那样得到各翼厚比下的所希望的设计升力系数，在设计风车翼时，并未进行在风车翼的长度方向上如何赋予各翼厚比下的翼型形状(翼截面形状)这样具体的研究。而且，需要也考虑实际的制作来考虑各翼厚比下的翼型形状(翼截面形状)。需要说明的时，在此，翼型形状(翼截面形状)是指对将三维翼在某半径位置切断时的翼截面(图2)以前缘为原点(0，0)，以后缘为点(1，0)进行正规化所得的翼型形状(图3)。因此，位于比翼前端区域更靠翼根侧的厚翼部(与前端区域相比翼厚的部位：从过渡区域到最大弦长位置的区域)处的空气动力性能存在提高的余地。需要说明的是，在专利文献1的FIG.3中公开了一种从翼前端侧(Station4)朝向翼根侧(Station1)而使设计升力系数从1.25变化为1.45的翼型(baseline、2b、3a、3b)。即，公开了与翼前端相比，增大翼根侧的升力系数而减小弦长的情况。然而，在薄翼部分即翼厚比21％至30％间，使设计升力系数增大。翼厚比21％～30％的位置相当于接受大风力的半径位置，因此在这种半径位置上使设计升力系数变化在空气动力特性上并不适当。另一方面，如专利文献2那样已知有通过规定翼前缘的距翼背侧的弦的距离来定义翼型的情况。然而，在专利文献2中，考虑了翼前缘的粗糙而规定翼背侧的距离，关于与设计升力系数的关系并未进行任何表示。另外，即使如专利文献1那样确定所希望的设计升力系数而实现风车输出的提高，进而，如专利文献2那样能够抑制粗糙引起的性能下降，也存在以下的问题。通常，作为翼的性能评价，存在最大升阻比及最大升力系数。尤其是从风车翼的观点出发，最大升阻比是对风车以可变速度运转的状态(设计点)下的翼空气动力性能造成影响的参数。而且，最大升力系数是从风车达到最高转速至达到额定输出为止的过渡状态下对翼空气动力性能造成影响的参数。因此，提高所述最大升阻比及最大升力系数这两者对于风车翼本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种风车翼，其特征在于，具备从翼根侧到翼前端侧弦长沿半径方向减小的翼主体部，该翼主体部的各半径位置处的翼型形状为其背侧形状沿与翼弦方向正交的Y方向伸缩所得到的形状。
【技术特征摘要】
2010.10.22 JP 2010-238043;2010.10.22 JP 2010-238041.一种风车翼，其特征在于，具备从翼根侧到翼前端侧弦长沿半径方向减小的翼主体部，在所述翼主体部的多个半径位置具有多个翼型形状，在将所述多个翼型形状中的一个背侧形状设为基准背侧形状的情况下，所述多个翼型形状中的剩余的所述背侧形状成为使所述基准背侧形状沿与翼弦方向正交的Y方向伸缩所得到的形状。2.根据权利要求1所述的风车翼，其特征在于，所述翼主体部的各半径位置处的所述翼型形状为其翼弦方向的翼厚分布沿所述Y方向伸缩所得到的形状。3.根据权利要求1所述的风车翼，其特征在于，所述翼主体部的各半径位置处的所述翼型形状的从翼前缘到翼厚最大位置为止的前缘部为其翼弦方向的翼厚分布沿所述Y方向伸缩所得到的形状，并根据所述翼厚分布及所述背侧形状来确定腹侧形状。4.一种风力发电装置，其特征在于，具备：权利要求1～3中任一项所述的风车翼；与该风车翼的翼根侧连接且通过该风车翼而旋转的转子；将通过该转子而得到的旋转力转换成电力输出的发电机。5.一种风车翼的设计方法，所述风车翼具备从翼...
【专利技术属性】
技术研发人员：深见浩司，
申请(专利权)人：三菱重工业株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP
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