WO2013054404A1 - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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wind turbine
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浩司 深見
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三菱重工業株式会社
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    • Y10T29/49316—Impeller making
    • Y10T29/49336—Blade making

Definitions

  • the present invention relates to a wind turbine blade, a wind turbine generator including the wind turbine blade, and a wind turbine blade design method.
  • wind power generators using wind power have been spreading from the viewpoint of conservation of the global environment.
  • the wind turbine generator converts wind kinetic energy into rotational energy of blades (more precisely, the entire rotor including the blades), and further converts this rotational energy into electric power by a generator.
  • Wind turbine output The power generation output (wind turbine output) by the wind power generator is expressed by the following equation, and the blade efficiency increases and the blade diameter increases.
  • Wind turbine output 1/2 x air density x (wind speed) 3 x blade efficiency x conversion efficiency x ⁇ x (blade diameter / 2) 2
  • the blade efficiency is the efficiency at the time of converting wind kinetic energy into rotational energy of the blade (more precisely, the entire rotor including the blade).
  • the conversion efficiency is the efficiency when the rotational energy of the rotor is transmitted to the generator and electric power is generated by the generator.
  • the blade efficiency that can be realized is about 0.5 at the maximum due to the influence of swirl in the wake of the wind turbine and the presence of air resistance.
  • the blade efficiency of wind turbine blades in practical use is about 0.49 as a typical value, so there is at most 0.01 room for improving blade efficiency by improving blade design (relative to the overall current blade efficiency). 2%).
  • improvements in blade design may lead to increased noise and reduced efficiency at non-design points, which may be undesirable. Therefore, it is difficult to significantly increase the power generation output of the wind turbine generator by improving the blade efficiency.
  • the blade diameter has a square effect on the power generation output, it is effective to increase the blade diameter to improve the power generation output.
  • the increase in blade diameter increases the load that the wind turbine blade receives from the wind (aerodynamic load) and the load accompanying the increase in the weight of the wind turbine blade (heavy load). Therefore, the size of the nacelle that supports the rotor increases. This will increase costs. Therefore, the airfoil (cross-sectional shape of the wind turbine blade) is devised to shorten the code length of the wind turbine blade to reduce the load (aerodynamic load) received by the wind turbine blade from the wind, and the load accompanying the weight increase of the wind turbine blade ( It is conceivable to suppress an increase in weight load).
  • Patent Document 1 describes a wind turbine blade having a plurality of flatback airfoils defined by coordinates.
  • Patent Document 2 describes a divergent-shaped flatback airfoil in which the blade thickness in the vicinity of the trailing edge increases as it approaches the trailing edge.
  • Patent Document 3 discloses a technique for manufacturing a wind turbine blade having a flat back airfoil using a flat back airfoil insert.
  • Patent Document 4 discloses a flat-back blade type wind turbine blade in which a splitter plate for reducing noise is attached to the trailing edge.
  • Patent Document 5 discloses that a flat element is provided by adding a blade element to an initial airfoil having a sharp trailing edge so that the trailing edge has a thickness. Furthermore, Non-Patent Document 1 describes a result of evaluating the aerodynamic characteristics of a flat-back airfoil using a plurality of calculation methods.
  • FIG. 15 is a view showing a wind turbine blade provided with a flat-back airfoil. Since the trailing edge 8 has a thickness, the wind turbine blade 100 has a property that a wake is generated in a region 102 on the downstream side of the trailing edge 8 and the region 102 becomes negative pressure. The negative pressure in the region 102 on the wake side of the trailing edge 8 sucks the air flow flowing along the back side surface 14 and delays separation of the boundary layer on the back side surface 14. That is, the separation of the boundary layer is suppressed by attracting the air flow to the back side surface 14 by the negative pressure generated in the region 102 on the downstream side of the trailing edge 8, and the separation point of the boundary layer on the back side surface 14 is near the trailing edge 8.
  • the separation point of the boundary layer is fixed in the vicinity of the trailing edge 8). Therefore, it is possible to generate lift up to a higher angle of attack compared to a conventional airfoil having a sharp trailing edge. Therefore, sufficient lift can be obtained even if the length of the cord 16 (cord length) is shortened, so that the cord length can be reduced and the load (aerodynamic load) received by the wind turbine blade from the wind can be reduced. Further, since the flat back airfoil has a thick trailing edge, it has a higher section modulus than a conventional airfoil having a sharp trailing edge, so that the weight can be reduced while ensuring strength.
  • Patent Document 6 discloses that an additional region is provided on the abdominal side surface around the trailing edge to increase lift at the transition between the airfoil portion and the blade root portion.
  • a wind turbine blade is disclosed.
  • the wind turbine blade 100 rotates in the direction of the arrow R.
  • the wind turbine blade 100 is disposed such that the cord 16 forms an angle ⁇ with respect to the blade rotation direction R.
  • This angle ⁇ is an angle between the extension line L1 of the cord 16 and the straight line L2 parallel to the blade rotation direction R, and means the mounting angle (pitch angle) of the wind turbine blade 100.
  • the relative wind velocity vector W is a relative velocity vector of wind with respect to the windmill blade 100 rotating in the blade rotation direction R, and is a wind velocity vector A blown from a direction perpendicular to the rotation direction of the windmill blade 100.
  • the angle ⁇ between the relative wind speed vector W and the extension line L1 of the cord 16 is the angle of attack of the wind turbine blade 100.
  • the rotational speed of the wind turbine blade 100 is maintained at the rated rotational speed, and thus the peripheral speed vector r ⁇ is constant.
  • the angle of attack ⁇ of the wind turbine blade 100 increases accordingly.
  • the amount of increase in the angle of attack ⁇ increases as the blade length direction position on the blade root side with a smaller peripheral velocity vector r ⁇ . That is, the smaller the circumferential velocity vector r ⁇ is, the more the blade length direction position on the blade root side is, the larger the amount of increase in the angle of attack ⁇ associated with the increase in wind speed, and the angle of attack ⁇ tends to increase.
  • the inventor gives the trailing edge a thickness in a region relatively close to the blade root portion where the blade thickness ratio X indicating the ratio of the maximum thickness to the cord length is 40% or more and 50% or less. Obtained a large technical gain (that is, a high lift-drag ratio can be realized). Therefore, it is considered important to improve the aerodynamic characteristics and rigidity by setting the trailing edge thickness of the flat-back airfoil in this region within an appropriate range.
  • Patent Documents 1 to 6 and Non-Patent Document 1 the range of the thickness of the trailing edge of the flat-back blade type in the region where the blade thickness ratio X is 40% to 50% is described in detail. Disclosure is not made.
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and provides a wind turbine blade having a flat-back airfoil shape and excellent in aerodynamic characteristics and rigidity, a wind turbine generator including the wind turbine blade, and a wind turbine blade design method. With the goal.
  • Wind turbine blade according to the present invention a wing tip, a blade root portion which is connected to the hub of the wind turbine, positioned between the wing tip and the blade root portion, at least, the maximum thickness for the code length L C t MAX
  • the wind turbine blade is a flat-back blade type having a thickness at the trailing edge at least in the blade length direction region where the blade thickness ratio X is 40 to 50%.
  • the trailing edge thickness ratio Y is set to 5% or more in the region where the blade thickness ratio X is 40 to 50%. Therefore, due to the negative pressure generated due to the wake on the trailing edge of the trailing edge. The peeling of the boundary layer on the back surface can be effectively delayed.
  • the flat-back airfoil has the trailing edge thickness ratio Y of X ⁇ 20 ⁇ Y ⁇ in the region where the blade thickness ratio X is 40% or more and 50% or less.
  • the flat back airfoil has the blade thickness ratio X in the region where the blade thickness ratio X is 40% or more and 50% or less.
  • the flatback airfoil is Blade thickness ratio
  • the trailing edge thickness ratio Y may be 0.5X-5 ⁇ Y ⁇ X-20.
  • the blade tip representative cord length is a cord length at a blade radius position r where the ratio to the rotation radius R is 0.8.
  • a substantially constant peripheral speed performance is optimal (maximum)
  • the motor is operated at a ratio (referred to as an optimal peripheral speed ratio or a designed peripheral speed ratio) (see FIG. 16B).
  • the circumferential speed ratio is expressed as blade tip circumferential speed [rpm] / upstream wind speed [m / s] using an infinite upstream wind speed (upstream wind speed) that is not affected by the presence of the wind turbine blade.
  • the peripheral speed vector r ⁇ is maintained substantially constant magnitude .
  • the increase amount of the angle of attack ⁇ with respect to the increase in the upstream wind speed (the slope of the graph of FIG. 16 (d)) is Affected by the code length. If the wind turbine blade has a code length of zero, the speed vector A of the wind increases by the increase in the wind speed on the infinite upstream side, and the wind turbine blade has a corresponding amount of increase in the speed vector A. The angle of attack ⁇ increases. However, since the code length of the actual wind turbine blade is not zero, the magnitude of the velocity vector A of the wind actually flowing toward the wind turbine blade is influenced by the presence of the wind turbine blade.
  • the parameter S indicating the ratio of the maximum code length L CMAX to the rotation radius R of the wind turbine blade is a dimensionless number indicating the degree of the code length of the wind turbine blade.
  • the angle change sensitivity is small. That is, the parameter S is an index of the angle-of-attack change sensitivity with respect to the wind speed (the amount of increase in the angle of attack ⁇ with respect to the increase in wind speed on the infinite upstream side).
  • the maximum value ⁇ MAX of the angle of attack that can be taken within the driving range of the windmill is increased. Therefore, there is a high possibility that the angle of attack exceeds the stall angle (especially at the blade length direction position on the blade root side), and it is important to design the wind turbine blade so as not to stall to a high angle of attack.
  • the maximum value ⁇ MAX of the angle of attack that can be taken within the operating range of the wind turbine is mainly governed by wind V 2 to reach the rated speed. That is, as the wind speed V 2 reaching the rated rotational speed is smaller, the wind speed difference V 3 ⁇ V 2 is increased, and the amount of increase in the angle of attack from the optimum angle of attack ⁇ opt is increased accordingly, and the angle of attack is increased.
  • the maximum value ⁇ MAX increases. Then, the wind speed V 2 is given by the tip speed / design tip speed ratio.
  • the design peripheral speed ratio has a strong correlation with the code length distribution of the wind turbine blade, and as a fact of aerodynamics, the design peripheral speed ratio and the code length / rotation radius R are approximately inversely related.
  • the magnitude of the maximum value ⁇ MAX of the angle of attack within the operating range of the wind turbine blade is shown.
  • the wind speed difference V 3 -V 2 is small, and the amount of increase in the angle of attack from the optimal angle of attack ⁇ opt is small accordingly, so the angle of attack
  • the maximum value ⁇ MAX of is relatively small.
  • the wind speed difference V 3 ⁇ V 2 is large, and the amount of increase in the angle of attack from the optimal angle of attack ⁇ opt is large by that amount.
  • MAX is also relatively large.
  • the amount of increase in the angle of attack ⁇ of the wind turbine blade is large. That is, when the parameters S and T satisfy the relationship of T ⁇ ⁇ 5S + 5, the angle of attack ⁇ of the wind turbine blades increases to a relatively high value in the wind turbine operating range from reaching the rated rotational speed to the rated output. It will be. Therefore, in this case, in the region where the blade thickness ratio X is 40% or more and 50% or less, the trailing edge thickness ratio Y is set to X ⁇ 20 ⁇ Y ⁇ 1.5X ⁇ 30, and the back side surface is increased to a high angle of attack ⁇ . It is effective to suppress the peeling of the boundary layer.
  • the amount by which the angle of attack ⁇ of the wind turbine blade increases is small. That is, when the parameters S and T satisfy the relationship of T ⁇ ⁇ 5S + 6, the angle of attack ⁇ of the wind turbine blade does not increase so much in the wind turbine operating range from reaching the rated rotational speed to the rated output. Therefore, in this case, in the region where the blade thickness ratio X is 40% or more and 50% or less, the trailing edge thickness ratio Y is set to 5 ⁇ Y ⁇ 0.5X-5, and the trailing edge thickness is kept to the minimum necessary. Thus, lift can be increased while suppressing an increase in drag.
  • the trailing edge thickness ratio Y is set to 0.5X-5 ⁇ Y ⁇ X in the region where the blade thickness ratio X is 40% to 50%.
  • the flat-back airfoil is configured such that the blade thickness ratio X and the trailing edge thickness ratio Y are X-35 in a blade length direction region where the blade thickness ratio X is 35% to 40%. It may be defined to satisfy ⁇ Y ⁇ 4X ⁇ 130.
  • the trailing edge thickness ratio Y By setting the trailing edge thickness ratio Y to X-35 or more in this way, the peeling of the boundary layer on the back side surface is effectively delayed by the negative pressure generated due to the wake on the trailing edge of the trailing edge, Lift can be generated up to a high angle of attack.
  • the trailing edge thickness ratio Y to X-35 or more the wind turbine blades can be reduced in weight while maintaining the strength by improving the section modulus of the wind turbine blades.
  • the trailing edge thickness ratio Y is set to 4X-130 or less, it is possible to enjoy the effect of improving the lift-drag ratio in at least one of the attack angle ranges.
  • the flat-back airfoil is defined as a cross-sectional shape in which the sharp trailing edge of the reference airfoil is thickened by widening the space between the ventral side and the back side of the reference airfoil with a sharp trailing edge.
  • the airfoil portion is provided with a ventral side extending surface comprising a concave curved surface or a flat surface continuously extending rearward from the rear edge of the flatback airfoil from the abdominal side of the flatback airfoil.
  • the ventral side extending surface may be inclined with respect to the cord so as to be separated from the cord of the flat-back airfoil type toward the wake side.
  • the airfoil portion When providing the abdomen-side extending surface, the airfoil portion is provided with a back-side extending surface extending rearward from the rear side of the flat-back airfoil from the back side surface of the flat-back airfoil.
  • the abdominal-side extending surface and the back-side extending surface are respectively connected to the abdominal-side outer surface and the back of the extending portion provided so as to extend rearward from the rear edge of the flat-back airfoil type.
  • the angle formed by the rear end surface of the extended portion and the back side extended surface is smaller than the angle formed by the back side surface of the flat back airfoil and the end surface of the rear edge. May be.
  • mold and the said back side extension surface can be closely approached at an acute angle. Therefore, the negative pressure in the wake of the extending portion can suck the air flow flowing along the back side more strongly and further delay the separation of the boundary layer on the back side.
  • an extension is formed separately from the flat-back airfoil, and this extension is added to the flat-back airfoil, the rigidity of the trailing edge of the flat-back airfoil and the seat of the wind turbine blade It is possible to improve the bending strength and the adhesive strength between the abdominal skin and the back skin constituting the wind turbine blade.
  • the abdomen-side extending surface is the outer surface of the abdomen side of the extending portion provided to extend rearward from the rear edge of the flat back wing type,
  • the outer surface on the back side of the extended portion intersects the end surface of the rear edge of the flatback airfoil at a position on the ventral side of the intersection of the back side surface of the flatback airfoil and the rear edge.
  • the intersection of the back side surface and the rear edge of the flat back airfoil may not be covered with the extending portion.
  • the ventral side is affected without affecting the effect of suppressing the separation of the boundary layer of the flatback airfoil.
  • the effect of increasing lift by the extended surface can be obtained.
  • the flat-back airfoil is defined as a cross-sectional shape in which the sharp trailing edge of the reference airfoil is thickened by widening the space between the ventral side and the back side of the reference airfoil with a sharp trailing edge.
  • the airfoil portion is provided with a covering portion that covers the trailing edge of the flat back airfoil and the rear edge side portions of the abdominal side surface and the back side surface of the flat back airfoil shape.
  • the outer surface on the ventral side is a concave curved surface or a flat surface continuously extending from the ventral side surface of the flatback airfoil, and further away from the cord of the flatback airfoil as it goes to the wake side.
  • the outer surface on the ventral side of the covering portion that covers the trailing edge side of the flatback airfoil is a concave curved surface or plane extending rearward from the abdominal side of the flatback airfoil, so that the flatback airfoil
  • the flow of air (wind) on the ventral side can be turned downward (in the direction away from the ventral side surface), and the lift acting on the wind turbine blade can be increased.
  • the rigidity of a trailing edge and the buckling strength of a windmill blade can be improved by covering the trailing edge side of a flat back blade type
  • the airfoil portion is twisted in the blade length direction, and the end surface of the flat back airfoil is flat or curved so that the end surface of the trailing edge is not twisted.
  • the angle ⁇ formed with respect to the orthogonal plane of the airfoil cord may be varied with respect to the blade length direction.
  • the end surface (rear edge surface) of the trailing edge of the flat back blade type becomes a flat or curved surface that is not twisted (not twisted), so that the wind turbine blade can be easily manufactured.
  • the angle ⁇ may be increased as it approaches the blade root.
  • the wind turbine blade has a tendency that the angle of attack increases as the wind speed increases and the angle of attack tends to increase as the position in the blade length direction closer to the blade root portion is closer to the blade root portion. Therefore, by increasing the angle ⁇ closer to the blade root, the angle between the back side surface and the rear edge surface of the flat-back airfoil is brought closer to an acute angle, and the closer to the blade root, the higher the lift angle. (High lift characteristics that do not stall until a higher angle of attack can be realized).
  • the flat back airfoil includes a ventral outer skin that forms a ventral side surface of the flat back airfoil and a back skin that forms a back side surface of the flat back airfoil closed at the trailing edge.
  • the ventral outer skin and the dorsal outer skin are provided between the ventral outer skin and the dorsal outer skin at positions close to the rear edge, and extend in the wing length direction. It may be joined via. By joining the abdominal skin and the dorsal skin through the trailing edge girder, sufficient strength can be ensured even if the ventral skin and the dorsal skin are not closed at the trailing edge.
  • the trailing edge in the region relatively close to the blade root portion side where the blade thickness ratio X is 40% or more and 50% or less, the trailing edge is thickened to form a flat-back airfoil shape. Can be improved effectively.
  • the trailing edge thickness ratio Y is set to 5% or more in the region where the blade thickness ratio X is 40 to 50%, the boundary on the back side surface is caused by the negative pressure generated due to the wake on the trailing side of the trailing edge. Layer peeling can be effectively delayed. That is, it is possible to effectively suppress separation of the boundary layer from the back side surface by drawing the air flow toward the back side surface by the negative pressure generated on the back side of the trailing edge. Therefore, lift can be generated up to a high angle of attack.
  • FIG. 6 is a diagram showing a map for selecting any one of first to third areas among the setting areas shown in FIG.
  • FIG. 1 It is a figure which shows the windmill blade provided with the flat back airfoil. It is a figure which shows the driving conditions of a general windmill, (a) is a graph which shows the relationship between an upstream wind speed and the rotation speed of a windmill, (b) is a graph which shows the relationship between an upstream wind speed and a circumferential speed ratio. Yes, (c) is a graph showing the relationship between upstream wind speed and wind turbine output, and (d) is a graph showing the relationship between upstream wind speed and angle of attack.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a wind turbine generator.
  • FIG. 2 is a perspective view showing the wind turbine blade according to the first embodiment.
  • the wind turbine generator 110 supports one or more (three in this example) wind turbine blades 1, a hub 112 to which the wind turbine blades 1 are attached, and a rotor including the wind turbine blades 1 and the hub 112.
  • the rotation of the rotor is input to a generator (not shown), and electric power is generated in the generator.
  • the wind turbine blade 1 is attached to the hub 112 by fixing the blade root portion 4 of the wind turbine blade 1 to the hub 112 using an arbitrary fastening member.
  • the wind turbine blade 1 is positioned between the blade tip 2, the blade root 4 connected to the hub 112 (see FIG. 1) of the windmill, and the blade tip 2 and the blade root 4.
  • the airfoil portion 6 has a leading edge (leading edge) 7 and a trailing edge (trailing edge) 8.
  • the trailing edge 8 of the airfoil portion 6 is formed so that at least a part thereof has a thickness. In other words, the airfoil portion 6 has at least a part of the flat back airfoil 10 having a thick trailing edge 8.
  • FIGS. 3A and 3B are diagrams showing an example of the flat back airfoil 10.
  • the outer shape of the flat back airfoil 10 is formed by an abdominal side surface (pressure side) 12 and a back side surface (suction side: suction side) 14.
  • Edge 8 of the flat back airfoil 10 has a KoenAtsu t TE.
  • the midpoint in the blade thickness direction of the trailing edge surface 9) trailing edge 8 and the front edge 7 code connecting the (chord line) 16 has a code length L C.
  • the thickness at is the rear end thickness tTE .
  • the thickness of the flat back airfoil 10 gradually increases from zero toward the rear edge 8. After reaching the maximum thickness t MAX , the thickness gradually decreases and finally becomes the trailing edge thickness t TE .
  • the flat back airfoil 10 is defined as a cross-sectional shape in which the distance between the abdominal side surface 22 and the back side surface 24 of the reference airfoil 20 having a sharp trailing edge is widened and the sharp rear end of the reference airfoil 20 is thickened. It is preferable. That is, it is preferable to define the flatback airfoil 10 by an open-up method that opens the sharp trailing edge of the reference airfoil 20 instead of the cutback method of cutting the sharp trailing edge of the reference airfoil 20. For example, as shown in FIG. 3A, the positions of the abdominal side surface 22 and the back side surface 24 of the reference airfoil 20 are shifted outward by the same amount with the camber line 26 as the center line.
  • the camber line 26 is a line connecting the midpoints of the ventral side surface 22 and the back side surface 24 of the reference airfoil 20, and is one of the important factors affecting the aerodynamic properties of the airfoil. In this way, with the camber line 26 as the center line, the positions of the ventral side surface 22 and the back side surface 24 of the reference airfoil 20 are shifted outward by the same amount, while maintaining the camber line 26 that affects the aerodynamic properties, A flat back airfoil 10 having a thick trailing edge is obtained.
  • an aircraft airfoil for example, NACA airfoil
  • a windmill-specific airfoil for example, DU airfoil or MEL airfoil
  • the end surface (rear edge surface) 9 of the trailing edge 8 of the flat back airfoil 10 is a flat surface or curved surface without twist.
  • the angle ⁇ formed between the end face 9 of the trailing edge 8 and the orthogonal plane of the cord 16 may be varied with respect to the blade length direction.
  • FIGS. 4A to 4C are an AA sectional view, a BB sectional view, and a CC sectional view, respectively, in FIG.
  • the angle ⁇ formed by the rear end surface 9 of the flat-back airfoil 10 with respect to the orthogonal surface 17 of the cord 16 increases as it approaches the blade root 4 side ( ⁇ 1 > ⁇ 2 > ⁇ 3 ).
  • the end surface 9 of the trailing edge 8 of the flatback airfoil 10 is formed as a flat or curved surface without twist. can do. Therefore, the wind turbine blade 1 can be easily manufactured.
  • the end surface (rear edge surface) 9 of the trailing edge 8 is a curved surface curved in the blade length direction. Further, by increasing the angle ⁇ as approaching the blade root 4 side, the angle between the back side surface 14 and the rear edge surface 9 is made closer to an acute angle, and the closer to the blade root portion 4, the higher the lift angle is. (A high lift characteristic that does not stall until a higher angle of attack can be achieved).
  • the angle ⁇ between the end surface 9 of the trailing edge 8 and the orthogonal surface 17 is zero at the point where the flatback airfoil 10 starts to be applied (flatback start point 11 shown in FIG. 2), and the flatback start point.
  • the end face 9 of the trailing edge 8 may be a flat or curved surface without a twist so that the angle ⁇ gradually increases from 11 to the blade root 4.
  • the blade root usually has a cylindrical shape.
  • FIG. 5 is a graph showing a setting area used when determining the shape of the flatback airfoil 10.
  • the shape of a flat back airfoil 10 is determined to fit in the allowable area 30 to the trailing edge thickness ratio Y is surrounded by the lower limit value Y L and the upper limit value Y H at any blade thickness ratio X
  • the blade thickness ratio X decreases as the blade root portion 4 approaches the blade tip 2 side.
  • the left side of the drawing is the blade root portion 4 side
  • the right side of the drawing is the blade tip portion 2 side.
  • the lower limit value Y L of the allowable area 30 is 5%
  • the trailing edge thickness ratio Y By setting the trailing edge thickness ratio Y to 5% or more in the region where the blade thickness ratio X is 40 to 50%, the negative pressure generated due to the wake on the wake side of the trailing edge 8 causes Separation of the boundary layer can be effectively delayed. That is, it is possible to effectively suppress separation of the boundary layer from the back side surface 14 by drawing the air flow toward the back side surface 14 by the negative pressure generated on the back side of the rear edge 8. Therefore, lift can be generated up to a high angle of attack (high lift characteristics that do not stall until a high angle of attack can be realized). Moreover, since the section modulus of the wind turbine blade 1 is improved by setting the trailing edge thickness ratio Y to 5% or more, the weight of the wind turbine blade 1 can be reduced while maintaining the strength.
  • the lift-drag ratio is at least partially in the attack angle range. You can enjoy a sufficient improvement effect.
  • the trailing edge thickness ratio Y is set to X ⁇ 35 or more, the peeling of the boundary layer on the back side surface 14 is effectively delayed by the negative pressure generated due to the wake on the downstream side of the trailing edge 8.
  • the lift can be generated up to a high angle of attack.
  • the trailing edge thickness ratio Y is set to X ⁇ 35 or more, the wind turbine blade 1 can be reduced in weight while maintaining the strength by improving the section modulus of the wind turbine blade 1.
  • the trailing edge thickness ratio Y is set to 4X-130 or less, it is possible to enjoy the effect of improving the lift-drag ratio in at least one of the attack angle ranges.
  • the trailing edge thickness ratio Y is gradually increased as the blade thickness ratio X decreases toward the flatback starting point 11 (see FIG. 2). Make it smaller.
  • the allowable area 30 in the range where the blade thickness ratio X is 35 to 50% is divided into a first area 32, a second area 34, and a third area 36.
  • the area of the flat back airfoil 10 is determined by selecting any area according to the above.
  • the first area 32 is a region that satisfies the relationship X-20 ⁇ Y ⁇ 1.5X-30
  • the second area 34 is 0.5X ⁇ 5 ⁇
  • the third area 36 is a region satisfying the relationship of 5% ⁇ Y ⁇ 0.5X-5.
  • the first area 32 is a region satisfying 3X-100 ⁇ Y ⁇ 4X-130, and the second area 34 is 2X ⁇ 65 ⁇ Y ⁇ 3X ⁇ 100.
  • the third area is a region that satisfies the relationship of X ⁇ 35 ⁇ Y ⁇ 2X ⁇ 65.
  • FIG. 6 is a diagram showing a map for selecting the first area 32, the second area 34, and the third area 36.
  • the parameter S is used as the horizontal axis and the parameter T is used as the vertical axis.
  • This parameter S is an index indicating the change sensitivity of the angle of attack ⁇ with respect to the wind speed (the amount of increase in the angle of attack ⁇ with respect to the increase in wind speed on the infinite upstream side).
  • the parameter T is an index indicating the difference between the wind speed V 2 and V 3 (wind speed corresponding to the rated output) rated wind speed reaches the rated speed.
  • the shape of the flatback airfoil 10 determines the shape of the flatback airfoil 10. That is, when the blade thickness ratio X is in the range of 40% or more and 50% or less, the relationship X-20 ⁇ Y ⁇ 1.5X-30 is satisfied, and in the range where the blade thickness ratio X is 35% or more and less than 40%, 3X-100 ⁇
  • the shape of the flat back airfoil 10 is determined so as to satisfy the relationship of Y ⁇ 4X ⁇ 130.
  • the trailing edge thickness ratio Y can be set to be relatively large within the range of the allowable area 30, and separation of the boundary layer on the back side surface 14 can be suppressed up to a high angle of attack ⁇ .
  • the same parameter T the wind speed reaching the rated speed and the rated wind speed are compared with the case where T ⁇ ⁇ 5S + 5 (region A)). Is large (that is, the change sensitivity of the angle of attack ⁇ with respect to the wind speed is small). Further, regarding the same parameter S, the region A has a larger parameter T (wind speed V 2 reaching the rated rotational speed) than the region C (that is, the wind speed difference V 3 ⁇ V 2 is small). Therefore, in the case of the specification of the wind turbine blade 1 in which the parameters S and T belong to the region C, the third area 36 is selected from the allowable areas 30 in FIG.
  • the shape of the flat back airfoil 10 determines the shape of the flat back airfoil 10. That is, when the blade thickness ratio X is in the range of 40% or more and 50% or less, the relationship of 5% ⁇ Y ⁇ 0.5X-5 is satisfied, and in the range where the blade thickness ratio X is 35% or more and less than 40%, X ⁇ 35 ⁇ Y.
  • the shape of the flat back airfoil 10 is determined so as to satisfy ⁇ 2X ⁇ 65. Accordingly, to set a relatively small trailing edge thickness ratio Y in the range of permissible area 30, it is absolutely necessary to rear thickness t TE, while suppressing an increase in drag, thereby increasing the lift .
  • the second area 34 is selected from the allowable areas 30 in FIG. That is, when the blade thickness ratio X is in the range of 40% or more and 50% or less, the relationship of 0.5X-5 ⁇ Y ⁇ X-20 is satisfied, and in the range where the blade thickness ratio X is 35% or more and less than 40%, 2X ⁇ 65 ⁇
  • the shape of the flat back airfoil 10 is determined so as to satisfy Y ⁇ 3X-100. Thereby, the rear end thickness ratio Y is set to an appropriate value within the range of the allowable area 30, and the separation of the boundary layer can be suppressed to a certain angle of attack ⁇ and the increase in the drag can be suppressed to some extent.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the internal structure of the wind turbine blade 1.
  • FIGS. 8A and 8B are diagrams illustrating another example of the internal structure of the wind turbine blade 1.
  • the wind turbine blade 1 includes a ventral side skin 42 that forms the ventral side surface 12 of the flat back airfoil 10, a back side skin 44 that forms the back side surface 14 of the flat back airfoil 10, a ventral side skin 42, and a back side skin 44.
  • the main girder 46 extends in the blade length direction of the wind turbine blade 1 in the internal space of the wind turbine blade 1 between the ventral skin 42 and the back skin 44.
  • the main girder 46 includes a spar cap 46A that is bonded and fixed to the inner surfaces of the ventral skin 42 and the back skin 44, and a shear web 46B provided between the spar caps 46A.
  • a rear edge beam 48 is provided at a position closer to the rear edge 8 than the main beam 46.
  • the trailing edge girder 48 extends in the blade length direction of the wind turbine blade 1 in the internal space of the wind turbine blade 1 between the ventral outer skin 42 and the back outer skin 44, similarly to the main girder 46.
  • the trailing edge girder 48 includes a spar cap 48A that is bonded and fixed to the inner surfaces of the ventral outer skin 42 and the back outer skin 44, and a sheer web 48B provided between the spar caps 48A.
  • the ventral outer skin 42 and the dorsal outer skin 44 may be closed at the rear edge 8 as shown in FIG. 7, but may not be closed at the rear edge 8 as shown in FIGS. 8 (a) and (b). Good. Since the abdominal skin 42 and the back skin 44 are joined via the rear edge girder 48, sufficient strength can be secured even if the rear edge 8 is not closed. Even if the rear edge 8 is opened, this hardly affects the flow of air on the ventral side and the back side, so that aerodynamic performance can be maintained. Further, since the trailing edge 8 is opened and the trailing edge beam 48 is exposed to the outside, it is possible to confirm the attachment state of the trailing edge beam 48 (adhesion state between the spar cap 48A and the inner surface of the outer skin). It is.
  • ventral outer skin 42 and the back outer skin 44 does not extend further to the rear stream side than the rear edge girder 48.
  • FIG. 8 (b) it is possible to extend the dorsal skin 44 to the position of the trailing edge girder 48 and not extend the dorsal skin 44 to the downstream side.
  • the wind turbine blade of the present embodiment is the same as the wind turbine blade 1 of the first embodiment except that an extended portion is added to the flat back airfoil 10 of the airfoil portion 6. Therefore, here, the description will focus on the points that are different from the wind turbine blade 1 of the first embodiment, that is, the extending portion added to the flatback airfoil 10.
  • FIG. 9 is a view showing an example of an extending portion added to the flatback airfoil 10.
  • the extending portion 50 is provided so as to extend rearward from the rear edge 8 of the flatback airfoil 10.
  • the extending portion 50 includes a ventral side extending surface 52 extending rearward from the rear side edge 8 from the ventral side surface 12 of the flat back airfoil 10 and a rear side from the rear side surface 14 of the flat back airfoil 10 to the rear edge 8.
  • an extended dorsal surface 54 is provided.
  • the shape of the flat back airfoil 10 itself is determined by the same method as in the first embodiment.
  • the ventral side extending surface 52 is a concave curved surface or a flat surface continuously extending from the ventral side surface 12 of the flat back airfoil 10.
  • the abdomen extending surface 52 is inclined with respect to the cord 16 so as to move away from the cord 16 (toward the abdomen) as it approaches the rear end surface 56 of the extending portion 50. Therefore, the flow of air (wind) on the ventral side of the flat-back airfoil 10 is turned further downward (in the direction away from the ventral side surface 12) by the ventral-side extending surface 52, and the lift acting on the wind turbine blade 1 is increased.
  • the rear end surface 56 of the extended portion 50 is provided substantially in parallel with the end surface (rear edge surface) 9 of the rear edge 8 of the flat back airfoil 10.
  • the extending portion 50 may be added in order to change the aerodynamic characteristics of the flat back airfoil 10 when designing the airfoil blade airfoil. That is, for the purpose of improving aerodynamic characteristics, the extending portion 50 is added to the flatback airfoil 10 to design the airfoil blade airfoil, and the ventral outer skin 42 and the back side are obtained so that the designed airfoil can be obtained.
  • the outer skin 44 (see FIGS. 7 and 8) may be molded. Thereby, the windmill blade in which the aerodynamic characteristic was improved by the ventral-side extending surface 52 of the extending portion 50 can be manufactured at a low cost by a simple method.
  • the extended portion 50 may be formed separately from the flatback airfoil 10 and added to the flatback airfoil 10 when the wind turbine blade is manufactured or modified.
  • the extended portion 50 may be formed of fiber reinforced plastic (FRP) and adhered and fixed to the flat back airfoil 10.
  • FRP fiber reinforced plastic
  • the ventral side extending surface 52 depending on the shape of the ventral side extending surface 52, it may be difficult to integrally form the extending part 50 and the flat back airfoil 10, and the degree of freedom of the shape of the ventral side extending surface 52 is limited. Sometimes. Therefore, by forming the extended portion 50 separately from the flat back airfoil 10, any shape of the ventral side extended surface 52 can be adopted, and the aerodynamic characteristics of the flat back airfoil 10 are further improved. Can be improved. Further, in some cases wind turbine because the appropriate code length L C of the wind turbine blade is different depending on the region that is installed, it becomes necessary to implement the code length L C corresponding to each region.
  • the extension portion 50 can be added to the flat-back airfoil 10 to achieve the desired aerodynamic characteristics.
  • the rigidity of the trailing edge 8 of the flat back airfoil 10 the buckling strength of the wind turbine blade, and the ventral skin 42.
  • the adhesive strength of the dorsal outer skin 44 can be improved.
  • the extending portion 50 is not limited to the example shown in FIG. 9 and can take various shapes.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating another shape example of the extending portion 50.
  • the rear end surface 56 of the extending portion 50 is inclined with respect to the rear edge surface 9 of the flat back airfoil 10, and the ventral side extending surface 52 is replaced with the back side extending surface. It extends longer than 54. Thereby, the lift can be further increased by the long ventral side extending surface 52.
  • the rear end surface 56 of the extending portion 50 is recessed, and the angle formed between the rear end surface 56 and the back-side extended surface 54 is the back side surface 14 of the flat back airfoil 10 and the rear side.
  • the angle is smaller than the angle formed by the edge surface 9.
  • the extended portion 50 is not provided with the back-side extended surface 54, and the rear end surface 56 of the extended portion 50 is connected to the rear side surface 14 of the flat-back airfoil 10 and the rear surface. It is connected to the intersection with the edge surface 9. Thereby, lift can be increased by the ventral side extending surface 52. Further, the ventral side extending surface 52 is a concave curved surface continuously extending from the ventral side surface 12 of the flat back airfoil 10.
  • FIG. 10 (d) is the same as the example shown in FIG. 10 (c) except that the ventral side extension surface 52 of the extension part 50 is formed as a flat surface.
  • the rear end surface 56 of the extending portion 50 is recessed, and the angle formed by the rear end surface 56 and the back-side extending surface 54 is set so that the back side surface 14 of the flat-back airfoil 10 and the rear surface are rear. Except for the point made smaller than the angle formed by the edge surface 9, it is the same as the example shown in FIG.
  • the rear end surface 56 of the extended portion 50 is in the middle of the rear edge surface 9 of the flat back airfoil 10 (position on the abdomen side from the intersection of the rear edge surface 9 and the back side surface 14).
  • the intersection of the rear edge surface 9 and the back side surface 14 of the flat back airfoil 10 is exposed. Therefore, the effect of increasing the lift by the ventral-side extending surface 52 of the extending portion 50 is obtained without affecting the effect of suppressing the separation of the boundary layer of the flat-back airfoil 10 at the intersection of the rear edge surface 9 and the back side surface 14. be able to.
  • FIG. 10 (g) is the same as the example shown in FIG. 10 (f) except that the ventral-side extending surface 52 of the extending portion 50 is not a flat surface but a concave curved surface.
  • the extending portion 50 is configured by a plate-like member, and is connected to the intersection of the rear edge surface 9 and the ventral side surface 12 of the flat back airfoil 10.
  • the abdominal side extended surface 52 is comprised by the surface of the abdominal side of the extended part 50 which consists of a plate-shaped member.
  • FIG. 10 (i) is the same as the example shown in FIG. 10 (f) except that the abdomen extending surface 52 of the extending part 50 is not a flat surface but a concave curved surface.
  • the wind turbine blade of this embodiment is the same as the wind turbine blade 1 of the first embodiment except that the periphery of the trailing edge 8 of the flat back airfoil 10 of the airfoil portion 6 is covered with a covering portion. Therefore, here, a description will be given focusing on a different point from the wind turbine blade 1 of the first embodiment, that is, a covering portion covering the periphery of the rear edge 8 of the flatback airfoil 10.
  • FIG. 11 is a view showing an example of a covering portion covering the periphery of the rear edge 8 of the flat back airfoil 10.
  • FIG. 12 is a view showing another example of the covering portion covering the periphery of the trailing edge 8 of the flat back airfoil 10.
  • the covering portion 60 covers the rear edge surface 9 of the flat back airfoil 10 and the portions on the rear edge 8 side of the abdominal side surface 12 and the back side surface 14.
  • An outer surface 62 on the ventral side of the covering portion 60 continuously extends from the ventral side surface 12 of the flat back airfoil 10.
  • the outer surface 64 on the back side of the covering portion 60 continuously extends from the back side surface 14 of the flat back airfoil 10.
  • the shape of the flat back airfoil 10 is determined by the same method as in the first embodiment.
  • the outer surface 62 on the ventral side of the covering portion 60 is a concave curved surface or a flat surface continuously extending from the ventral side surface 12 of the flat back airfoil 10.
  • the outer surface 62 on the ventral side of the covering portion 60 is inclined with respect to the cord 16 so as to move away from the cord 16 (toward the ventral side) as it approaches the rear end surface 66 of the covering portion 60. Therefore, the flow of air (wind) on the ventral side of the flat-back airfoil 10 is turned further downward (in the direction away from the ventral side surface 12) by the outer surface 62 of the covering portion 60, and the lift acting on the windmill blade is increased. To do.
  • the rigidity of the trailing edge 8 of the flatback airfoil 10 and the buckling strength of the wind turbine blade can be improved.
  • FIG. 11 shows an example in which the rear end surface 66 of the covering portion 60 is a flat surface, but the rear end surface 66 of the covering portion 60 may be recessed as shown in FIG.
  • the back end surface 66 of the flat back airfoil 10 and the rear edge surface 9 form an angle formed by the rear end surface 66 of the covering portion 60 being recessed so that the rear end surface 66 and the outer surface 64 on the back side are formed. It can also be made smaller than the angle.
  • the intersection of the rear end surface 66 and the outer surface 64 on the back side approaches an acute angle, and the air flowing along the back side surface 14 (and the outer surface 64 on the back side) due to the negative pressure in the wake of the covering portion 60.
  • the flow can be sucked more strongly and the separation of the boundary layer on the dorsal side can be further delayed.
  • the wind turbine blade according to the present embodiment has an angle ⁇ formed with respect to the plane of the flat back airfoil 10 (rear end face 9 orthogonal to the cord 16) described with reference to FIGS. 4A to 4C in the first embodiment.
  • An extension portion is added to a flat-back airfoil made different in the longitudinal direction. Since the other configuration of the wind turbine blade of the present embodiment is the same as that of the wind turbine blade 1 of the first embodiment, the following description will focus on differences from the wind turbine blade 1 of the first embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating an example of a wind turbine blade according to the fourth embodiment.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating another example of the wind turbine blade of the fourth embodiment.
  • the flat back airfoil 10 has the cord 16 with the rear end surface 9 of the flat back airfoil 10 as described in the first embodiment with reference to FIGS.
  • the angle ⁇ formed with respect to the orthogonal plane 17 is varied with respect to the blade length direction so as to increase as it approaches the blade root 4 side.
  • the rear end surface 9 of the flat back airfoil 10 is made flat or curved without a twist so that the wind turbine blade 1 can be easily manufactured.
  • the extending portion 70 is provided so as to extend rearward from the rear edge 8 so that the shape of the rear edge 8 can be arbitrarily adjusted by the extending portion 70.
  • the extending portion 70 has a ventral-side extending surface 72 extending rearward from the rear edge 8 of the flat back airfoil 10.
  • the ventral side extending surface 72 is a concave curved surface or a flat surface continuously extending from the ventral side surface 12 of the flat back airfoil 10.
  • the abdomen extending surface 72 is inclined with respect to the cord 16 so as to move away from the cord 16 (toward the abdomen) as it approaches the rear end surface 76 of the extending portion 70.
  • the shape of the extending part 70 is not limited to the example shown in FIG. 13, and various shapes can be taken.
  • the rear end surface 76 of the extending portion 70 is in the middle of the rear edge surface 9 of the flat-back airfoil 10 (more than the intersection of the rear edge surface 9 and the back side surface 14). The position of the back edge surface 9 and the back side surface 14 of the flat back airfoil 10 is exposed.
  • the effect of increasing the lift by the ventral-side extending surface 52 of the extending portion 50 is obtained without affecting the effect of suppressing the separation of the boundary layer of the flat-back airfoil 10 at the intersection of the rear edge surface 9 and the back side surface 14. be able to.
  • At least, spanwise region wing thickness ratio X indicating a ratio of a maximum thickness t MAX for the code length L C of 50% or less than 40% in the airfoil section 6 and the flat back airfoil 10
  • the region of TsubasaAtsuhi X is less than 50% to 40%
  • KoenAtsu indicating a ratio of a thickness t TE of the trailing edge to the maximum thickness t MAX
  • the trailing edge in the region relatively close to the blade root portion side where the blade thickness ratio X is 40% or more and 50% or less, the trailing edge is thickened to form a flat back blade type.
  • the lift-drag ratio characteristic can be effectively improved.
  • the trailing edge thickness ratio Y is set to 5% or more in the region where the blade thickness ratio X is 40 to 50%, it is possible to generate lift up to a high angle of attack and to improve the section coefficient of the wind turbine blade. Thus, it is possible to reduce the weight of the wind turbine blade while maintaining the strength.

Abstract

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。

Description

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
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
米国特許第７８８３３２４号明細書 米国特許出願公開第２００９／０２６３２５２号明細書 米国特許出願公開第２０１０／０１４３１４６号明細書 欧州特許出願公開第２０６３１０６号明細書 欧州特許出願公開第２０３１２４２号明細書 欧州特許出願公開第１８４５２５８号明細書
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
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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）。
　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。
　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。
風力発電装置の構成例を示す図である。 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。 フラットバック翼型の一例を示す図である。 （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。 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。 風車翼の内部構造の例を示す図である。 風車翼の内部構造の他の例を示す図である。 第２実施形態の風車翼の例を示す図である。 第２実施形態の風車翼の他の例を示す図である。 第３実施形態の風車翼の例を示す図である。 第３実施形態の風車翼の他の例を示す図である。 第４実施形態の風車翼の例を示す図である。 第４実施形態の風車翼の他の例を示す図である。 フラットバック翼型を備えた風車翼を示す図である。 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。
　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。
　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。
［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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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）。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
［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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
［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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
［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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
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
 

Claims (12)

  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
     
     
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