JP5433554B2 - Wind turbine blade, wind power generator equipped with the wind turbine blade, and wind turbine blade design method - Google Patents
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Description
本発明は、風車翼およ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ものである。 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.
近年、クリーンエネルギーとして、風車による発電が進められている。風車は、風力によって翼を軸周りに回転させ、この回転力を電力に変換して発電出力を得る。
風車の発電出力は、軸端出力(翼が発生する出力)と、変換効率(軸受や発電機などの効率)との積で表される。また、軸端出力は次式で表され、翼効率が高く、翼直径が大きい翼であれば、発電量が向上する。
軸端出力=1/2 ×空気密度×風速3×翼効率×π×(翼直径/2)2
In recent years, power generation by windmills has been promoted as clean energy. A windmill rotates a blade | wing around an axis | shaft with a wind force, converts this rotational force into electric power, and obtains an electric power generation output.
The power generation output of the windmill is represented by the product of the shaft end output (output generated by the blades) and the conversion efficiency (efficiency of bearings, generators, etc.). Further, the shaft end output is expressed by the following formula, and if the blade has high blade efficiency and a large blade diameter, the power generation amount is improved.
Shaft end output = 1/2 × air density × wind speed 3 × blade efficiency × π × (blade diameter / 2) 2
翼効率は、理論上の上限値(ベッツ限界=0.593)が存在し、実際上は風車後流の影響と翼の空気抵抗の存在で上限値は0.5程度となる。したがって、翼効率のこれ以上の大幅な改善は難しい。
一方、翼直径はその自乗で出力に影響を持つため、発電量向上のためには翼直径の拡大が効果的である。しかし、翼直径の拡大は空力荷重(流入方向に作用するスラスト力および翼根に伝わるモーメント)の増大に繋がるため、ロータヘッド、ナセル、タワーなどの機器の大型化や重量増大、ひいてはコスト増に繋がる懸念・傾向がある。したがって、翼の空力荷重の増大を抑えながら長翼化する技術が必須とされる。荷重増大の問題を避けるため、空力的(翼形状的)に考えられる方法としては、コード長(翼弦長)をより短くして(即ち、アスペクト比をより大きくして、又はソリディティをより小さくして)、翼投影面積を減少させて空力荷重を低減させる手法が考えられる。
ここで、アスペクト比およびソリディティは、下式で表される。
アスペクト比=翼長2/翼投影面積・・・(1)
ソリディティ=全翼投影面積/翼掃過面積
=(翼枚数×平均コード長)/(π×(翼直径/2)2)・・・(2)
The blade efficiency has a theoretical upper limit (Betz limit = 0.593). In practice, the upper limit is about 0.5 due to the influence of the wind turbine wake and the air resistance of the blade. Therefore, further significant improvement in blade efficiency is difficult.
On the other hand, since the blade diameter has an influence on the output by its square, it is effective to increase the blade diameter to improve the power generation amount. However, the expansion of the blade diameter leads to an increase in aerodynamic load (thrust force acting in the inflow direction and moment transmitted to the blade root), which increases the size and weight of equipment such as the rotor head, nacelle, and tower, which in turn increases costs. There are concerns / trends to connect. Therefore, a technique for increasing the length of the blade while suppressing an increase in the aerodynamic load of the blade is essential. In order to avoid the problem of increased load, aerodynamic (blade shape) methods can be considered: shorter chord length (ie chord length) (ie greater aspect ratio or less solidity). Thus, a method of reducing the aerodynamic load by reducing the wing projection area is conceivable.
Here, the aspect ratio and the solidity are expressed by the following equations.
Aspect ratio = Wing length 2 / Wing projected area (1)
Solidity = total wing projection area / wing sweep area
= (Number of blades x average cord length) / (π x (blade diameter / 2) 2 ) (2)
一般に、風車翼は、所定の周速比に対して所定の最適コード長を持ち、次式の関係がある(Wind Energy Handbook, John Wiley & Sons, p378)。
Copt/R×λ2×CLdesign×r/R≒16/9×π/n・・・(3)
ここで、Coptは最適コード長,R(翼半径)は翼直径の2分の1,λは設計周速比,CLdesignは設計揚力係数,rは翼断面の半径位置,nは翼枚数である。
設計周速比は、翼端周速/無限上流風速である。設計揚力係数は、翼型(翼断面)の揚抗比(揚力/抗力)が最大となる迎角における揚力係数であり、翼型(翼断面)の(空力)形状と流入条件(レイノルズ数)によって決まる。
図11には、本明細書にて用いるレイノルズ数の定義が示されている。同図に示されているように、風車におけるレイノルズ数は、所定の回転数で回転する翼の所定断面A−Aにおける相対風速度を考慮したものであり、下式にて表される。
レイノルズ数=空気密度×翼断面への相対風速度×翼断面のコード長/空気の粘性係数
In general, a wind turbine blade has a predetermined optimum cord length for a predetermined peripheral speed ratio, and has a relationship expressed by the following equation (Wind Energy Handbook, John Wiley & Sons, p378).
Copt / R × λ 2 × CLdesign × r / R≈16 / 9 × π / n (3)
Where Copt is the optimum code length, R (blade radius) is half the blade diameter, λ is the design peripheral speed ratio, CLdesign is the design lift coefficient, r is the radial position of the blade cross section, and n is the number of blades. .
The design peripheral speed ratio is the tip peripheral speed / infinite upstream wind speed. The design lift coefficient is the lift coefficient at the angle of attack at which the lift / drag ratio (lift / drag) of the airfoil (blade cross section) is maximum, and the (aerodynamic) shape and inflow conditions (Reynolds number) It depends on.
FIG. 11 shows the definition of the Reynolds number used in this specification. As shown in the figure, the Reynolds number in the windmill is obtained by considering the relative wind speed in the predetermined section AA of the blade rotating at the predetermined rotational speed, and is expressed by the following equation.
Reynolds number = Air density x Relative wind speed on blade cross section x Cord length of blade cross section / Air viscosity coefficient
翼の空力効率を維持するには、翼型(翼断面)は以下の特性を持つことが望ましい。
1.設計揚力係数が高い
2.設計揚力係数の「組合せ」が最適化されている
ここで、設計揚力係数の「組合せ」とは、一つの風車翼に適用される異なる翼厚比(翼厚の最大値をコード長で除した値の百分率)からなる一連の翼型群(Airfoil series/family/set)がそれぞれ持つ設計揚力係数の組合せを言う。例えば、風車に適用される翼型の翼厚比としては、12,15,18,21,24,30,36,42%の組合せが挙げられる。
In order to maintain the aerodynamic efficiency of the wing, it is desirable that the wing shape (wing cross section) has the following characteristics.
1. 1. High design lift coefficient The design lift coefficient “combination” is optimized. Here, the design lift coefficient “combination” means different blade thickness ratios (maximum blade thickness divided by code length) applied to one wind turbine blade. This is a combination of the design lift coefficients of a series of airfoil series / family / set. For example, as a blade thickness ratio of an airfoil applied to a wind turbine, a combination of 12, 15, 18, 21, 24, 30, 36, and 42% can be given.
下記特許文献1には、風車出力向上のための翼型が開示されている。具体的には、翼厚比が14%から45%の範囲で設計揚力係数が1.10〜1.25の範囲とされた翼型が開示されている(請求項1参照)。
また、下記特許文献2には、翼前縁のラフネス(翼前縁へのゴミ付着や傷、製造誤差等)による性能低下を抑制するために、翼前縁の形状を規定している。具体的には、翼前縁のコード長位置を0%および翼後縁のコード長位置を100%とした場合の2%位置における翼背側のコードからの距離をコード長で除した値の百分率を7%以上9%以下と規定している。
しかし、特許文献1のように所望の設計揚力係数を定めて風車出力の向上が図れ、また、特許文献2のようにラフネスによる性能低下を抑制できたとしても、以下のような問題がある。
However, even if a desired design lift coefficient is determined as in
一般に、翼の性能評価として、最大揚抗比および最大揚力係数がある。特に風車翼の観点からは、最大揚抗比は、風車が可変速で運転している状態(設計点)での翼空力性能に影響を与えるパラメータである。また、最大揚力係数は、風車が最高回転数に達してから定格出力に達するまでの遷移状態で翼空力性能に影響を与えるパラメータである。したがって、これら最大揚抗比および最大揚力係数の両者を向上させることが風車翼にとって重要となる。
一方、風車翼が所望の空力性能を発揮したとしても、これと同時に風車翼の空力騒音についても考慮されなければ、風車を設置した周囲環境に悪影響を及ぼすことになる。
In general, there are a maximum lift-drag ratio and a maximum lift coefficient as performance evaluation of a blade. In particular, from the viewpoint of the wind turbine blade, the maximum lift-drag ratio is a parameter that affects the aerodynamic performance of the blade when the wind turbine is operating at a variable speed (design point). The maximum lift coefficient is a parameter that affects the blade aerodynamic performance in a transition state from when the wind turbine reaches the maximum rotational speed until it reaches the rated output. Therefore, it is important for the wind turbine blade to improve both the maximum lift-drag ratio and the maximum lift coefficient.
On the other hand, even if the wind turbine blade exhibits desired aerodynamic performance, if the aerodynamic noise of the wind turbine blade is not taken into consideration at the same time, the surrounding environment where the wind turbine is installed is adversely affected.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、最大揚抗比および最大揚力係数が向上する適切な設計揚力係数により高性能を実現し、かつ低騒音とされた風車翼およ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。 The present invention has been made in view of such circumstances, and achieves high performance with an appropriate design lift coefficient that improves the maximum lift-drag ratio and the maximum lift coefficient, and is a low-noise wind turbine blade. An object of the present invention is to provide a wind turbine generator equipped with the same and a method for designing a wind turbine blade.
上記課題を解決するために、本発明の風車翼およ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は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる風車翼は、翼先端側から翼根側にかけて翼厚比が増大する風車翼において、翼弦線に沿う前縁からの距離Xをコード長Cで除した翼弦方向位置X/Cが0.28以上0.32以下の範囲内に、翼厚が最大となる最大翼厚位置が設けられ、前記翼弦方向位置X/Cが0.45以上0.55以下の範囲内に、キャンバが最大となる最大キャンバ位置が設けられている翼断面を有することを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, the wind turbine blade of the present invention, the wind turbine generator equipped with the wind turbine blade, and the wind turbine blade design method employ the following means.
That is, the wind turbine blade according to the present invention is a wind turbine blade in which the blade thickness ratio increases from the blade tip side to the blade root side, and the chord length position obtained by dividing the distance X from the leading edge along the chord line by the cord length C. The maximum blade thickness position where the blade thickness is maximum is provided in the range of X / C of 0.28 or more and 0.32 or less, and the chord direction position X / C is in the range of 0.45 or more and 0.55 or less. A blade section having a maximum camber position where the camber is maximum is provided.
本発明者は、風車翼の翼断面について種々の数値計算や風洞試験を検討した結果、以下の組み合わせによって高性能(すなわち最適範囲の設計揚力係数)および低い空力騒音(すなわち翼後縁における境界層厚さの低減)を実現できることを見出した。
翼弦方向位置X/Cが0.28以上0.32以下(より好ましくは0.29以上0.31以下)の範囲内に最大翼厚位置を設け、最大翼厚位置を前方配置(前縁側配置)とすることにより、後方配置に比べて、設計揚力係数の向上、最大揚抗比の向上、及び、翼後縁における境界層厚さの低減の傾向となる。
また、最大キャンバ位置が翼弦中央よりも前縁側に位置する前方キャンバの場合、後方キャンバに比べて、最大揚抗比の向上、及び、翼後縁における境界層厚さの低減の傾向となるが、最大揚力係数の低下の傾向となる。一方、後方キャンバの場合、最大揚力係数の向上の傾向の傾向となるが、最大揚抗比の低下の傾向となる。このように、前方キャンバと後方キャンバではトレードオフの関係になるので、前方キャンバと後方キャンバの中間となるように最大キャンバ位置を翼弦方向位置X/Cが0.45以上0.55以下となるように定めた。
以上の組み合わせにより、高性能かつ低騒音の風車翼を実現することができる。
なお、好ましくは、設計周速比(翼端周速/流入風速)は6以上(より好ましくは8.0以上9.0以下)、レイノルズ数は300万以上1000万以下とされる。
As a result of studying various numerical calculations and wind tunnel tests on the blade section of the wind turbine blade, the present inventor has achieved high performance (that is, a design lift coefficient in the optimum range) and low aerodynamic noise (that is, a boundary layer at the blade trailing edge) by the following combination. It was found that (thickness reduction) can be realized.
The chord direction position X / C is set within the range of 0.28 or more and 0.32 or less (more preferably 0.29 or more and 0.31 or less), and the maximum blade thickness position is arranged forward (front edge side) The arrangement) tends to improve the design lift coefficient, improve the maximum lift-drag ratio, and reduce the boundary layer thickness at the blade trailing edge as compared to the rear arrangement.
Also, in the case of the front camber where the maximum camber position is located on the leading edge side of the chord center, the maximum lift-drag ratio is improved and the boundary layer thickness at the blade trailing edge is reduced compared to the rear camber. However, the maximum lift coefficient tends to decrease. On the other hand, in the case of the rear camber, the maximum lift coefficient tends to be improved, but the maximum lift / drag ratio tends to decrease. Thus, since there is a trade-off relationship between the front camber and the rear camber, the chord direction position X / C is 0.45 or more and 0.55 or less so that the maximum camber position is intermediate between the front camber and the rear camber. It was determined to be.
With the above combination, a high-performance and low-noise wind turbine blade can be realized.
Preferably, the design peripheral speed ratio (blade tip peripheral speed / inflow wind speed) is 6 or more (more preferably 8.0 or more and 9.0 or less), and the Reynolds number is 3 to 10 million.
さらに、前記キャンバの分布が、前記最大キャンバ位置を中心として前記翼弦方向に略対称とされていることを特徴とする。 Furthermore, the distribution of the camber is characterized by being substantially symmetric in the chord direction about the maximum camber position.
キャンバの翼弦方向の分布を、最大キャンバ位置を中心として対称とすることにより、前方キャンバおよび後方キャンバの長所を取り込むことができ、最大揚抗比および最大揚力係数の向上が可能となる。 By making the distribution in the chord direction of the camber symmetrical about the maximum camber position, the advantages of the front camber and the rear camber can be taken in, and the maximum lift-drag ratio and the maximum lift coefficient can be improved.
さらに、前記最大翼厚を前記コード長で除した翼厚比が12%以上21%以下の範囲とされた風車翼端に、前記翼断面が設けられていることを特徴とする。 Furthermore, the blade cross section is provided at a wind turbine blade tip in which a blade thickness ratio obtained by dividing the maximum blade thickness by the cord length is in a range of 12% to 21%.
風力を風車翼の回転に変換する主要部分として機能する翼厚比12%以上21%以下の範囲に上記の翼断面を設けることにより、高性能かつ低騒音の風車翼を実現することができる。 A high-performance and low-noise wind turbine blade can be realized by providing the blade cross section within a blade thickness ratio of 12% or more and 21% or less that functions as a main part that converts wind power into rotation of the wind turbine blade.
また、本発明の風力発電装置は、上記の風車翼と、該風車翼の翼根側に接続され、該風車翼によって回転させられるロータと、該ロータによって得られた回転力を電気出力に変換する発電機とを備えていることを特徴とする。 Further, the wind power generator of the present invention is the wind turbine blade described above, a rotor connected to the blade root side of the wind turbine blade and rotated by the wind turbine blade, and a rotational force obtained by the rotor is converted into an electric output. It is characterized by having a generator.
また、本発明の風車翼の設計方法は、翼先端側から翼根側にかけて翼厚比が増大する風車翼の設計方法において、翼弦線に沿う前縁からの距離Xをコード長Cで除した翼弦方向位置X/Cが0.28以上0.32以下の範囲内に、翼厚が最大となる最大翼厚位置を設け、前記翼弦方向位置X/Cが0.45以上0.55以下の範囲内に、キャンバが最大となる最大キャンバ位置を設けることを特徴とする。 The wind turbine blade design method of the present invention is a wind turbine blade design method in which the blade thickness ratio increases from the blade tip side to the blade root side, and the distance X from the leading edge along the chord line is divided by the cord length C. In the range where the chord direction position X / C is 0.28 or more and 0.32 or less, a maximum blade thickness position where the blade thickness is maximum is provided, and the chord direction position X / C is 0.45 or more and 0.00. A maximum camber position where the camber is maximized is provided within a range of 55 or less.
本発明者は、風車翼の翼断面について種々の数値計算や風洞試験を検討した結果、以下の組み合わせによって高性能(すなわち最適範囲の設計揚力係数)および低い空力騒音(すなわち翼後縁における境界層厚さの低減)を実現できることを見出した。
翼弦方向位置X/Cが0.28以上0.32以下(より好ましくは0.29以上0.31以下)の範囲内に最大翼厚位置を設け、最大翼厚位置を前方配置(前縁側配置)とすることにより、後方配置に比べて、設計揚力係数の向上、最大揚抗比の向上、及び、翼後縁における境界層厚さの低減の傾向となる。
また、最大キャンバ位置が翼弦中央よりも前縁側に位置する前方キャンバの場合、後方キャンバに比べて、最大揚抗比の向上、及び、翼後縁における境界層厚さの低減の傾向となるが、最大揚力係数の低下の傾向となる。一方、後方キャンバの場合、最大揚力係数の向上の傾向の傾向となるが、最大揚抗比の低下の傾向となる。このように、前方キャンバと後方キャンバではトレードオフの関係になるので、前方キャンバと後方キャンバの中間となるように最大キャンバ位置を翼弦方向位置X/Cが0.45以上0.55以下となるように定めた。
以上の組み合わせにより、高性能かつ低騒音の風車翼を実現することができる。
なお、好ましくは、設計周速比(翼端周速/流入風速)は6以上(より好ましくは8.0以上9.0以下)、レイノルズ数は300万以上1000万以下とされる。
As a result of studying various numerical calculations and wind tunnel tests on the blade section of the wind turbine blade, the present inventor has achieved high performance (that is, a design lift coefficient in the optimum range) and low aerodynamic noise (that is, a boundary layer at the blade trailing edge) by the following combination. It was found that (thickness reduction) can be realized.
The chord direction position X / C is set within the range of 0.28 or more and 0.32 or less (more preferably 0.29 or more and 0.31 or less), and the maximum blade thickness position is arranged forward (front edge side) The arrangement) tends to improve the design lift coefficient, improve the maximum lift-drag ratio, and reduce the boundary layer thickness at the blade trailing edge as compared to the rear arrangement.
Also, in the case of the front camber where the maximum camber position is located on the leading edge side of the chord center, the maximum lift-drag ratio is improved and the boundary layer thickness at the blade trailing edge is reduced compared to the rear camber. However, the maximum lift coefficient tends to decrease. On the other hand, in the case of the rear camber, the maximum lift coefficient tends to be improved, but the maximum lift / drag ratio tends to decrease. Thus, since there is a trade-off relationship between the front camber and the rear camber, the chord direction position X / C is 0.45 or more and 0.55 or less so that the maximum camber position is intermediate between the front camber and the rear camber. It was determined to be.
With the above combination, a high-performance and low-noise wind turbine blade can be realized.
Preferably, the design peripheral speed ratio (blade tip peripheral speed / inflow wind speed) is 6 or more (more preferably 8.0 or more and 9.0 or less), and the Reynolds number is 3 to 10 million.
本発明によれば、最大翼厚位置および最大キャンバ位置を適切に定めることによって、高性能かつ低騒音とされた風車翼を提供することができる。 According to the present invention, a wind turbine blade having high performance and low noise can be provided by appropriately determining the maximum blade thickness position and the maximum camber position.
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
本実施形態にかかる風車翼は、発電用の風車に対して好適に用いられる。風車翼は、例えば3枚設けられ、それぞれが約120°の間隔を有してロータに接続されている。好ましくは、風車翼の回転直径(翼直径)は60m以上とされ、ソリディティが0.2以上0.6以下の細長翼とされる。また、設計周速比(翼端周速/流入風速)は6以上(より好ましくは8.0以上9.0以下)、レイノルズ数は300万以上1000万以下とされる。風車翼は、可変ピッチとされていても良いし、固定ピッチとされていても良い。
Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
The wind turbine blade according to the present embodiment is suitably used for a wind turbine for power generation. For example, three wind turbine blades are provided, and each is connected to the rotor with an interval of about 120 °. Preferably, the rotational diameter (blade diameter) of the wind turbine blade is 60 m or more, and the blade has a solidity of 0.2 to 0.6. The design peripheral speed ratio (blade tip peripheral speed / inflow wind speed) is 6 or more (more preferably 8.0 or more and 9.0 or less), and the Reynolds number is 3 to 10 million. The wind turbine blades may have a variable pitch or a fixed pitch.
図1に示すように、風車翼1は三次元翼とされており、回転中心側である翼根1a側から翼先端1b側に向かって延在している。
翼形状を定義する場合、同図に示されているように、各翼厚比(翼厚の最大値をコード長で除した値の百分率)の半径位置においてZ(翼の長手軸方向)=一定の断面で切断した翼素断面を用いて表される。図1では、翼厚比が18%,21%,24%,30%,36%,42%の各半径位置にて切断した翼素断面が風車翼の形状の定義として用いられることが示されている。なお、風車翼1の半径位置を示す場合に、翼厚比に代えて、翼の回転中心からの距離に相当する半径位置r(あるいは半径位置を翼半径で除した無次元半径位置r/R)が用いられることもある。
As shown in FIG. 1, the
When defining the blade shape, as shown in the figure, at the radial position of each blade thickness ratio (percentage obtained by dividing the maximum value of the blade thickness by the cord length), Z (in the longitudinal axis direction of the blade) = It is expressed using a blade section cut by a constant section. FIG. 1 shows that blade element cross sections cut at radial positions with blade thickness ratios of 18%, 21%, 24%, 30%, 36%, and 42% are used as the definition of the shape of the wind turbine blade. ing. When the radial position of the
図2には、図1の翼素断面をXY平面(Z軸に直交する平面)へ投影したものである。同図のように風車翼1の長手方向先端から見た場合、右側が翼前縁となる。
図3は、風車翼1の各翼厚比における翼素断面に対して、その前縁をX=0,Y=0、後縁をX=1,Y=0とし、コード長で正規化したものである。同図のように表された形状を翼型という。
In FIG. 2, the blade element cross section of FIG. 1 is projected onto the XY plane (a plane perpendicular to the Z axis). When viewed from the longitudinal tip of the
FIG. 3 shows the blade element cross section at each blade thickness ratio of the
図4には、本実施形態にかかる風車翼1を設計する際の説明図が示されている。
同図において、横軸は無次元半径、縦軸は無次元コード長を示す。無次元半径は、上述のように、回転中心からの翼断面の半径位置rを風車翼1の翼半径Rで除した値(r/R)である。ここで、翼半径とは、風車翼1が回転してその翼先端が描く軌跡円の直径(翼直径)の2分の1である。無次元コード長は、翼断面のコード長cを翼半径Rで除した値(c/R)である。
FIG. 4 shows an explanatory diagram when designing the
In the figure, the horizontal axis represents the dimensionless radius and the vertical axis represents the dimensionless code length. The dimensionless radius is a value (r / R) obtained by dividing the radial position r of the blade cross section from the rotation center by the blade radius R of the
図4には、上式(3)から得られる設計揚力係数CLdesignが一定とされた曲線(細線)が複数示されている。設計揚力係数CLdesignが一定の曲線は、上式(3)を満たすので、空力特性の観点から、その設計周速比における最適コード長(縦軸)を与える。
なお、図4では、設計周速比が8.0以上8.5以下、レイノルズ数が300万以上1000万以下とされている。
FIG. 4 shows a plurality of curves (thin lines) in which the design lift coefficient CLdesign obtained from the above equation (3) is constant. Since the curve with the constant design lift coefficient CLdesign satisfies the above equation (3), the optimum code length (vertical axis) at the design peripheral speed ratio is given from the viewpoint of aerodynamic characteristics.
In FIG. 4, the design peripheral speed ratio is 8.0 or more and 8.5 or less, and the Reynolds number is 3 million or more and 10 million or less.
本実施形態の風車翼1は、同図にて太線で示すように、翼先端1b側から翼根1a側にかけてコード長が増大する翼本体部3を備えている。本実施形態では、翼本体部3の無次元半径は、0.2以上0.95以下とされている。
翼本体部3は、翼先端1b側に位置するとともに、コード長が漸次増大する翼先端領域1cと、翼根1a側に位置するとともに最大コード長となる最大コード位置1dと、翼先端領域1cと最大コード長位置1dとの間に位置する遷移領域1eとを有している。
The
The blade body 3 is located on the
本実施形態では、翼先端領域1cの無次元半径は0.5以上0.95以下とされ、最大コード長位置1dの無次元半径は(0.25±0.05)とされ、遷移領域1eの無次元半径は0.2以上(0.2を含まず)0.5未満とされている。
In the present embodiment, the dimensionless radius of the
図4に示されているように、翼先端領域1cは、略一定の第1設計揚力係数(本実施形態では1.15)とされている。翼先端領域1cの第1設計揚力係数は、薄翼となる翼先端領域1cの翼厚比(例えば18%程度)から実現可能な実質的な上限値とされる。この設計揚力係数の上限値は、空力特性を考慮すれば設計揚力係数が大きければ良いので薄翼の場合であれば反りを大きくすることになるが、反りの増大の排反事象として流れの剥離が生じて損失が大きくなることから、所定の値に決定される。このように、翼先端領域1cにて略一定の第1設計揚力係数を持たせることとしたので、風力を大きく受けて出力が期待できる翼先端領域1cで所望の空力特性を発揮させることができる。
As shown in FIG. 4, the
また、最大コード長位置1dは、第1設計揚力係数よりも大きな値を有する第2設計揚力係数(本実施形態では1.45)となっている。この第2設計揚力係数は、輸送上の理由等によって制限される最大コード長から決定される。例えば、図4に示されているように、風車翼1を輸送する道路の幅等から無次元最大コード長が0.08と制限されると、この無次元最大コード長をとる設計揚力係数は、最大コード長位置1dとして与えられる無次元半径(0.25±0.05)から、1.45と定められる。
The maximum
遷移領域1eでは、第1設計揚力係数(1.15)から第2設計揚力係数(1.45)へと漸次増大する設計揚力係数をもたせることとした。すなわち、第1設計揚力係数を有する翼先端領域1cの翼根側と、第2設計揚力係数を有する最大コード長位置1dとを滑らかに接続した。これにより、翼先端領域1cから最大コード長位置1dまでコード長を増大させる場合であっても、設計揚力係数の変化幅を小さく止めることができるので、空力性能を大きく損なうことがない。特に、従来では考慮されていなかった厚翼部(翼先端領域1cに比べて厚翼となる部位;遷移領域1eから最大コード長位置1dにかけての領域)においても所望の空力特性を維持することができる。
The
図5には、上述のように形状が定められた風車翼1について、各無次元半径位置に対する設計揚力係数の分布が示されている。
無次元半径位置が0.5以上0.95以下とされた翼先端領域1cは、第1設計揚力係数が1.15±0.05の範囲とされている。
無次元半径位置が(0.25±0.05)とされた最大コード長位置1dの第2設計揚力係数は、1.45±0.1とされている。
無次元半径位置が0.2以上(0.2を含まず)0.5未満とされた遷移領域1eは、翼先端領域1cの翼根側端部(無次元半径が0.5の位置)と最大コード長位置1dとの間の中央位置(同図では無次元半径が0.35の位置)における設計揚力係数が、1.30±0.075とされている。
FIG. 5 shows the distribution of the design lift coefficient with respect to each dimensionless radial position for the
The
The second design lift coefficient at the maximum
The
図6には、上述のように形状が定められた風車翼1について、各翼厚比に対する設計揚力係数の分布が示されている。すなわち、図5では横軸を無次元半径として示したが、図6では横軸を翼厚比で示している。
翼厚比が12%以上30以下とされた翼先端領域1cは、第1設計揚力係数が1.15±0.05の範囲とされている。
翼厚比が42%とされた最大コード長位置1dの第2設計揚力係数は、1.45±0.1とされている。
翼厚比が30%以上(30%を含まず)42%未満とされた遷移領域1eは、翼先端領域1cの翼根側端部(翼厚比が30%の位置)と最大コード長位置1dとの間の中央位置(同図では翼厚比が36%の位置)における設計揚力係数が、1.30±0.075とされている。
FIG. 6 shows the distribution of the design lift coefficient with respect to each blade thickness ratio for the
The
The second design lift coefficient at the maximum
The
次に、以上のように最適に決定された設計揚力係数を実現するとともに、最大揚力係数の向上、最大揚抗比の向上、及び、翼後縁における乱流境界層厚さの低減を実現する翼断面について検討する。 Next, the design lift coefficient optimally determined as described above is realized, the maximum lift coefficient is improved, the maximum lift-drag ratio is improved, and the turbulent boundary layer thickness at the blade trailing edge is reduced. Consider the blade cross section.
図7には、本実施形態にかかる翼型が示されている。翼型は、風車翼1の各翼厚比における翼素断面に対して、前縁6から後縁4を通る翼弦線7上の長さであるコード長Cを用いて正規化されている。具体的には、前縁をX/C=0,Y/C=0、後縁をX/C=1,Y/C=0として正規化している。
同図には、風流入角をθ、抗力係数をCD、揚力係数をCLとして示している。
また、同図に示すように、背側の最大翼厚位置2から後縁4にかけて乱流境界層5が発達する。この乱流境界層5から吐出される境界層中の渦によって空力騒音が引き起こされる。したがって、後縁4における乱流境界層厚さDSTARを薄くすることによって空力騒音を低減することができる。
FIG. 7 shows an airfoil according to the present embodiment. The airfoil is normalized with respect to the blade cross-section at each blade thickness ratio of the
In the figure, the wind inflow angle is represented by θ, the drag coefficient is represented by CD, and the lift coefficient is represented by CL.
Further, as shown in the figure, a
本実施形態では、同図に示された翼型が、翼厚比が12%以上21%以下とされた範囲に設けられている。この翼厚比の範囲は、風力を風車翼の回転に変換する主要部分として機能する範囲として定められている。
そして、翼弦方向位置X/Cが0.28以上0.32以下(より好ましくは0.29以上0.31以下)の範囲内に、最大翼厚位置2が設けられている。
また、翼弦方向位置X/Cが0.45以上0.55以下の範囲内に、キャンバが最大となる最大キャンバ位置が設けられている。
さらに、キャンバの分布が、最大キャンバ位置を中心として翼弦方向に略対称とされている。
In the present embodiment, the airfoil shown in the figure is provided in a range where the blade thickness ratio is 12% or more and 21% or less. The range of the blade thickness ratio is defined as a range that functions as a main part that converts wind power into rotation of a wind turbine blade.
Further, the maximum
Further, the maximum camber position where the camber is maximum is provided in the range where the chord direction position X / C is 0.45 or more and 0.55 or less.
Further, the camber distribution is substantially symmetrical in the chord direction about the maximum camber position.
図8には、風車翼の性能を特徴付ける各パラメータが、風流入角θに対して示されている。
図8(a)は、風流入角θに対する揚力係数CLの変化が示されている。同図に示されているように、揚力係数CLは、風流入角θが増大するに従って増大し、最大値である最大揚力係数CLmaxを示した後に、低下する。この最大揚力係数CLmaxは、高風速域での性能向上と流入風の変動や乱れ等によって発生する失速防止に関連し、大きいほど望ましい。また、最大揚力係数CLmaxは、風車が最高回転数に達してから定格出力に達するまでの遷移状態で翼空力性能に影響を与えるパラメータである。また、同図に示されているように、設計揚力係数CLdesignは、大型風車の風車翼のような細長翼で高い性能を発揮させるために、大きな値を有することが望まれる。
In FIG. 8, each parameter characterizing the performance of the wind turbine blade is shown with respect to the wind inflow angle θ.
FIG. 8A shows a change in the lift coefficient CL with respect to the wind inflow angle θ. As shown in the figure, the lift coefficient CL increases as the wind inflow angle θ increases, and decreases after showing the maximum lift coefficient CLmax, which is the maximum value. The maximum lift coefficient CLmax is preferably as large as possible in relation to performance improvement in a high wind speed region and prevention of stall caused by fluctuation or turbulence of inflow air. The maximum lift coefficient CLmax is a parameter that affects the blade aerodynamic performance in the transition state from when the wind turbine reaches the maximum rotational speed until it reaches the rated output. Further, as shown in the figure, the design lift coefficient CLdesign is desired to have a large value in order to exhibit high performance with an elongated blade such as a wind turbine blade of a large wind turbine.
図8(b)は、風流入角θに対する揚抗比の変化が示されている。同図に示されているように、揚抗比L/Dは、風流入角θが増大するに従って増大し、最大揚抗比L/Cmaxを示した後に、低下する。この最大揚抗比L/Dmaxは、風車が可変速で運転している状態(設計点)での翼空力性能に影響を与えるパラメータであり、大きな値を有することが望まれる。 FIG. 8B shows a change in the lift / drag ratio with respect to the wind inflow angle θ. As shown in the figure, the lift / drag ratio L / D increases as the wind inflow angle θ increases, and decreases after the maximum lift / drag ratio L / Cmax is shown. The maximum lift / drag ratio L / Dmax is a parameter that affects the aerodynamic performance of the blade when the wind turbine is operating at a variable speed (design point), and it is desired to have a large value.
図8(c)は、風流入角θに対する遷移位置XTRの位置変化を示している。同図に示されているように、風流入角θが小さいときは翼弦における略中央に遷移位置XTRが位置し、風流入角θが所定値を超えると、翼前縁(L.E.)側へと移動する。すなわち、遷移位置XTRを前方(前縁側)に位置させれば、ラフネス特性および失速特性が向上することを意味する。 FIG. 8C shows a change in position of the transition position XTR with respect to the wind inflow angle θ. As shown in the figure, when the wind inflow angle θ is small, the transition position XTR is located approximately at the center of the chord, and when the wind inflow angle θ exceeds a predetermined value, it moves toward the blade leading edge (LE) side. And move. That is, if the transition position XTR is positioned forward (front edge side), it means that roughness characteristics and stall characteristics are improved.
図8(d)は、風流入角θに対する翼後縁における境界層厚さ(排除厚さ)DSTARの変化を示している。境界層厚さDSTARは、風流入角θが増大にしたがい増大する。この境界層厚さDSTARは、空力騒音発生の主要因とされているので、小さくすることが望まれる。 FIG. 8D shows a change in boundary layer thickness (exclusion thickness) DSTAR at the trailing edge of the blade with respect to the wind inflow angle θ. The boundary layer thickness DSTAR increases as the wind inflow angle θ increases. Since this boundary layer thickness DSTAR is considered to be the main cause of the generation of aerodynamic noise, it is desired to make it smaller.
本発明者は、風車翼の翼断面について種々の数値計算や風洞試験を検討した結果、下表に示す傾向があることを見出した。なお、同表において、ハイキャンバとは、相対的にキャンバ量が大きいことを意味する。
上表に示したように、最大翼厚位置は、前方配置(翼弦の中央位置よりも前縁側)に配置することにより、後方配置に比べて、設計揚力係数CLdesignの向上、最大揚抗比L/Dmaxの向上、及び、境界層厚さDSTARの低減の傾向となる。したがって、翼弦方向位置X/Cが0.28以上0.32以下(より好ましくは0.29以上0.31以下)の範囲内に最大翼厚位置を設けることが好ましい。 As shown in the above table, the maximum blade thickness position is improved in the design lift coefficient CLdesign and the maximum lift-drag ratio compared to the rear position by placing it at the front position (the leading edge side of the center position of the chord). This tends to improve L / Dmax and reduce the boundary layer thickness DSTAR. Therefore, it is preferable to provide the maximum blade thickness position within the range where the chord direction position X / C is 0.28 or more and 0.32 or less (more preferably 0.29 or more and 0.31 or less).
また、最大キャンバ位置は、前方(翼弦の中央位置よりも前縁側)キャンバの場合、後方キャンバに比べて、最大揚抗比L/Dmaxの向上、及び、境界層厚さDSTARの低減の傾向となるが、最大揚力係数CLmaxの低下の傾向となる。一方、後方キャンバの場合、最大揚力係数CLmaxの向上の傾向の傾向となるが、最大揚抗比L/Dmaxの低下の傾向となる。このように、前方キャンバと後方キャンバではトレードオフの関係になるので、前方キャンバと後方キャンバの中間となるように最大キャンバ位置を翼弦方向位置X/Cが0.45以上0.55以下となるように定めることが好ましい。さらに、キャンバの分布が、最大キャンバ位置を中心として翼弦方向に略対称とされていることが好ましい。
キャンバ量については、ハイキャンバとした場合、設計揚力係数CLdesign、最大揚力係数CLmax及び最大揚抗比L/Dmaxが向上する傾向が見られた。
In addition, in the case of the camber at the front (front edge side of the center position of the chord), the maximum camber position tends to improve the maximum lift / drag ratio L / Dmax and reduce the boundary layer thickness DSTAR compared to the rear camber. However, the maximum lift coefficient CLmax tends to decrease. On the other hand, the rear camber tends to increase the maximum lift coefficient CLmax, but tends to decrease the maximum lift / drag ratio L / Dmax. Thus, since there is a trade-off relationship between the front camber and the rear camber, the chord direction position X / C is 0.45 or more and 0.55 or less so that the maximum camber position is intermediate between the front camber and the rear camber. It is preferable to determine so that Further, it is preferable that the camber distribution is substantially symmetric in the chord direction about the maximum camber position.
Regarding the camber amount, when the high camber was used, the design lift coefficient CLdesign, the maximum lift coefficient CLmax, and the maximum lift / drag ratio L / Dmax tended to improve.
図9には、最大翼厚位置の翼弦方向位置X/Cを、0.28以上0.32以下(より好ましくは0.29以上0.31以下)とした根拠が示されている。同図には、複数の条件の数値シミュレーションによって得られた結果がプロットされている。図4に示したように、高い設計揚力係数CLdesignの範囲である1.15±0.05を満たすには、翼弦方向位置x/cが少なくとも32%(0.32)以下であることが必要となる。そして、境界層厚さDSTARは、最大翼厚位置が前方に存在する方が薄くなる(騒音低減)傾向があるため、なるべく前方配置が好ましい。一方、最大翼厚位置が過剰に前方に配置されると、設計揚力係数CLdesignが高くなりすぎて最適範囲から外れるおそれがあり、また失速特性が悪化するおそれがあり、さらにはエッジモーメントに対する後縁座屈強度が低下するおそれがあるので、翼弦方向位置X/Cの下限は0.28であることが好ましい。 FIG. 9 shows the grounds for setting the chord direction position X / C of the maximum blade thickness position to 0.28 or more and 0.32 or less (more preferably 0.29 or more and 0.31 or less). In the figure, the results obtained by numerical simulation under a plurality of conditions are plotted. As shown in FIG. 4, in order to satisfy 1.15 ± 0.05, which is the range of the high design lift coefficient CLdesign, the chord direction position x / c needs to be at least 32% (0.32) or less. Since the boundary layer thickness DSTAR tends to be thinner (noise reduction) when the maximum blade thickness position is in front, it is preferable to dispose the boundary layer as much as possible. On the other hand, if the maximum blade thickness position is placed too far forward, the design lift coefficient CLdesign may become too high and may deviate from the optimum range, the stall characteristics may deteriorate, and the trailing edge against the edge moment Since the buckling strength may decrease, the lower limit of the chord direction position X / C is preferably 0.28.
図10には、最大キャンバ位置の翼弦方向位置X/Cを0.45以上0.55以下とし、かつ、キャンバの分布が、最大キャンバ位置を中心として翼弦方向に略対称とされていることが好ましい根拠が示されている。同図には、図9と同様に、複数の条件の数値シミュレーションによって得られた結果がプロットされている。図10(a)に示すように、最大キャンバ位置が後縁側から前縁側へと変化するに従い、最大揚力係数CLmaxが増大することが示されている。すなわち、最大揚力係数CLmaxの観点からは、前方キャンバが好ましい。一方、図10(b)に示すように、最大キャンバ位置が前縁側から後縁側へと変化するに従い、最大揚抗比L/Dmaxが増大することが示されている。すなわち、最大揚抗比L/Dmaxの観点からは、後方キャンバが好ましい。したがって、高い最大揚力係数CLmax及び最大揚抗比L/Dmaxの両者を満足するためには、最大キャンバ位置の翼弦方向位置X/Cを、中間である0.45以上0.55以下(好ましくは0.5)とするのが好ましい。 In FIG. 10, the chord direction position X / C of the maximum camber position is set to 0.45 or more and 0.55 or less, and the camber distribution is substantially symmetrical in the chord direction about the maximum camber position. The reason for this is shown. Similar to FIG. 9, the results obtained by numerical simulation under a plurality of conditions are plotted in the same figure. As shown in FIG. 10A, it is shown that the maximum lift coefficient CLmax increases as the maximum camber position changes from the trailing edge side to the leading edge side. That is, the front camber is preferable from the viewpoint of the maximum lift coefficient CLmax. On the other hand, as shown in FIG. 10B, it is shown that the maximum lift / drag ratio L / Dmax increases as the maximum camber position changes from the front edge side to the rear edge side. That is, from the viewpoint of the maximum lift / drag ratio L / Dmax, the rear camber is preferable. Therefore, in order to satisfy both the high maximum lift coefficient CLmax and the maximum lift / drag ratio L / Dmax, the chord direction position X / C of the maximum camber position is not less than 0.45 and not more than 0.55 (preferably Is preferably 0.5).
以上の通り、本実施形態によれば、最大翼厚位置を前方配置とするとともに、最大キャンバ位置を翼弦方向中央に配置し、最大キャンバ位置を中央として翼弦方向に対称としたキャンバ分布としたので、高性能かつ低騒音の風車翼を実現することができる。 As described above, according to the present embodiment, the maximum blade thickness position is the forward arrangement, the maximum camber position is arranged in the center of the chord direction, and the camber distribution is symmetrical in the chord direction with the maximum camber position being the center. Therefore, a high-performance and low-noise wind turbine blade can be realized.
1 風車翼
1a 翼根
1b 翼先端
2 最大翼厚位置
3 翼本体部
4 後縁
6 前縁
DESCRIPTION OF
Claims (5)
翼弦線に沿う前縁からの距離Xをコード長Cで除した翼弦方向位置X/Cが0.28以上0.32以下の範囲内に、翼厚が最大となる最大翼厚位置が設けられ、
前記翼弦方向位置X/Cが0.45以上0.55以下の範囲内に、キャンバが最大となる最大キャンバ位置が設けられ、
前記キャンバの分布が、前記最大キャンバ位置を中心として前記翼弦方向に略対称とされていることを特徴とする風車翼。 In wind turbine blades where the blade thickness ratio increases from the blade tip side to the blade root side,
The maximum blade thickness position where the blade thickness is the maximum is within the range of the chord direction position X / C obtained by dividing the distance X from the leading edge along the chord line by the chord length C within the range of 0.28 to 0.32. Provided,
In the range where the chord direction position X / C is 0.45 or more and 0.55 or less, a maximum camber position where the camber is maximum is provided ,
The wind turbine blade according to claim 1, wherein the camber distribution is substantially symmetrical with respect to the chord direction about the maximum camber position .
翼弦線に沿う前縁からの距離Xをコード長Cで除した翼弦方向位置X/Cが0.28以上0.32以下の範囲内に、翼厚が最大となる最大翼厚位置が設けられ、
前記翼弦方向位置X/Cが0.45以上0.55以下の範囲内に、キャンバが最大となる最大キャンバ位置が設けられ、
前記最大翼厚を前記コード長で除した翼厚比が12%以上21%以下の範囲とされた風車翼端に、前記翼断面が設けられていることを特徴とする風車翼。 In wind turbine blades where the blade thickness ratio increases from the blade tip side to the blade root side,
The maximum blade thickness position where the blade thickness is the maximum is within the range of the chord direction position X / C obtained by dividing the distance X from the leading edge along the chord line by the chord length C within the range of 0.28 to 0.32. Provided,
In the range where the chord direction position X / C is 0.45 or more and 0.55 or less, a maximum camber position where the camber is maximum is provided ,
The wind turbine blade, wherein the blade cross section is provided at a wind turbine blade end in which a blade thickness ratio obtained by dividing the maximum blade thickness by the cord length is in a range of 12% to 21% .
該風車翼の翼根側に接続され、該風車翼によって回転させられるロータと、
該ロータによって得られた回転力を電気出力に変換する発電機と、
を備えていることを特徴とする風力発電装置。 A wind turbine blade according to claim 1 or 2 ,
A rotor connected to the blade root side of the wind turbine blade and rotated by the wind turbine blade;
A generator that converts the rotational force obtained by the rotor into an electrical output;
A wind turbine generator comprising:
翼弦線に沿う前縁からの距離Xをコード長Cで除した翼弦方向位置X/Cが0.28以上0.32以下の範囲内に、翼厚が最大となる最大翼厚位置を設け、
前記翼弦方向位置X/Cが0.45以上0.55以下の範囲内に、キャンバが最大となる最大キャンバ位置を設け、
前記キャンバの分布を、前記最大キャンバ位置を中心として前記翼弦方向に略対称とすることを特徴とする風車翼の設計方法。 In a wind turbine blade design method in which the blade thickness ratio increases from the blade tip side to the blade root side,
The maximum blade thickness position where the blade thickness is maximum is within the range where the chord length position X / C, which is obtained by dividing the distance X from the leading edge along the chord line by the cord length C, is 0.28 or more and 0.32 or less. Provided,
In the range where the chord direction position X / C is 0.45 or more and 0.55 or less, a maximum camber position where the camber is maximum is provided ,
A wind turbine blade design method characterized in that the camber distribution is substantially symmetrical in the chord direction about the maximum camber position .
翼弦線に沿う前縁からの距離Xをコード長Cで除した翼弦方向位置X/Cが0.28以上0.32以下の範囲内に、翼厚が最大となる最大翼厚位置を設け、
前記翼弦方向位置X/Cが0.45以上0.55以下の範囲内に、キャンバが最大となる最大キャンバ位置を設け、
前記最大翼厚を前記コード長で除した翼厚比が12%以上21%以下の範囲とされた風車翼端に、前記翼断面が設けることを特徴とする風車翼の設計方法。 In a wind turbine blade design method in which the blade thickness ratio increases from the blade tip side to the blade root side,
The maximum blade thickness position where the blade thickness is maximum is within the range where the chord length position X / C, which is obtained by dividing the distance X from the leading edge along the chord line by the cord length C, is 0.28 to 0.32. Provided,
In the range where the chord direction position X / C is 0.45 or more and 0.55 or less, a maximum camber position where the camber is maximum is provided ,
A design method of a wind turbine blade , wherein the blade cross section is provided at a wind turbine blade tip in which a blade thickness ratio obtained by dividing the maximum blade thickness by the cord length is in a range of 12% to 21% .
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