JP2017193965A - 気流発生装置を備えた翼、風力発電装置、および回転翼機 - Google Patents

Abstract

【課題】十分にかつ長期に気流制御効果が得られる気流発生装置を備えた翼を提供する。【解決手段】気流発生装置を備えた翼１０は、翼本体２０および気流発生部３０を有する。気流発生部は、翼本体の前縁側に設けられ、翼の前縁部を形成する。また、気流発生部は、基材部３１、第１の電極３２、および第２の電極３３を有する。第１の電極は、基材部の前縁から翼弦方向Ｃに延びるように、基材部の内部に設けられる。第２の電極は、第１の電極よりも後縁側となるように、基材部の内部に設けられる。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、気流発生装置を備えた翼、風力発電装置、および回転翼機に関する。

従来、流体機械の剥離抑制のために気流発生装置を使用することが検討されている。気流発生装置は、例えば放電プラズマの作用により気流を制御する。具体的には、風車、飛行機、タービン、送風機等に気流発生装置を使用することが検討されている。

図１３、図１４に、従来の翼および気流発生装置を示す。ここで、図１３は、翼および気流発生装置の上面図である。また、図１４は、図１３に示す翼および気流発生装置のＢ−Ｂ線断面図である。

気流発生装置１１０は、翼１００の前縁に設けられる。気流発生装置１１０は、基材部１１１、第１の電極１１２、および第２の電極１１３から構成される。基材部１１１は、誘電材料からなり、気流発生装置１１０を主として形成する。第１の電極１１２は、一部が基材部１１１から露出するように設けられる。第２の電極１１３は、第１の電極１１２よりも後縁側となるように基材部１１１の内部に設けられる。

気流発生装置１１０によれば、例えば、翼１００の迎角が増加したときの失速を抑制することができる。すなわち、気流発生装置１１０が設けられていない場合、翼１００の迎角が一定の角度に達すると、気流の剥離により揚力が増加しなくなる。気流発生装置１１０を設けることにより、上記角度を超えて揚力を得ることができる。これにより、例えば、風力発電装置に適用した場合、風速が急変したときの失速を抑制して、回転数を増加させることができる。

翼１００、気流発生装置１１０は、通常、別々に製造された後、翼１００の前縁に気流発生装置１１０が取り付けられる。このように気流発生装置１１０は、翼１００の外側に取り付けられることから、翼１００の本来の気流を乱さないように非常に薄く形成される。

特開２００７−３１７６５６号公報 特開２００８−１３５４号公報

しかし、翼１００の前縁の形状は鋭利であることから、所定の位置に気流発生装置１１０を取り付けることは容易でない。気流発生装置１１０が所定の位置から外れると、気流制御効果を十分に得ることができない。

また、気流発生装置１１０は、翼１００の前縁に設けられることから、高速の流体が接触して、また予期しない飛来物が衝突して磨耗しやすい。特に、第１の電極１１２は、前縁に露出することから磨耗しやすく、また非常に薄いことから磨耗により消失しやすい。第１の電極１１２が消失すると、気流発生装置１１０が機能しなくなる。このように、従来の気流発生装置１１０は、第１の電極１１２が磨耗して消失することにより、気流制御効果を長期に得ることができない。

本発明が解決しようとする課題は、十分にかつ長期に気流制御効果を得ることができる気流発生装置を備えた翼を提供することである。

実施形態の気流発生装置を備えた翼は、翼本体および気流発生部を有する。気流発生部は、翼本体の前縁側に設けられ、翼の前縁部を形成する。また、気流発生部は、基材部、第１の電極、および第２の電極を有する。第１の電極は、基材部の前縁から翼弦方向に延びるように、基材部の内部に設けられる。第２の電極は、第１の電極よりも後縁側となるように、基材部の内部に設けられる。

第１の実施形態に係る気流発生装置を備えた翼を示す平面図である。 図１に示される気流発生装置を備えた翼のＡ−Ａ線断面図である。 第１の実施形態に係る気流発生装置を備えた翼が磨耗した状態を示す図である。 第１の実施形態に係る気流発生装置を備えた翼の変形例を示す平面図である。 第２の実施形態に係る気流発生装置を備えた翼の断面図である。 第２の実施形態に係る気流発生装置を備えた翼が磨耗した状態を示す図である。 第３の実施形態に係る気流発生装置を備えた翼を示す平面図である。 第４の実施形態に係る気流発生装置を備えた翼を示す平面図である。 第５の実施形態に係る気流発生装置を備えた翼を示す平面図である。 第６の実施形態に係る気流発生装置を備えた翼を示す断面図である。 第７の実施形態に係る風力発電装置を示す図である。 第８の実施形態に係る回転翼機を示す図である。 従来の翼および気流発生装置を示す平面図である。 図１３に示される翼および気流発生装置のＢ−Ｂ線断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る気流発生装置を備えた翼を示す平面図である。また、図２は、図１に示す気流発生装置を備えた翼のＡ−Ａ線断面図である。なお、図中、Ｃは翼弦方向、Ｌは翼長方向、Ｅは翼弦線をそれぞれ表す。

気流発生装置を備えた翼１０は、前縁１１および後縁１２を有する。また、気流発生装置を備えた翼１０は、翼本体２０および気流発生部３０を有する。翼本体２０は、翼を主として形成する。気流発生部３０は、翼本体２０の前縁側に設けられ、翼の前縁部を形成する。気流発生部３０は、例えば、翼本体２０に分離可能に設けられる。

気流発生部３０は、基材部３１、第１の電極３２、および第２の電極３３を有する。基材部３１は、気流発生部３０を主として形成する。具体的には、気流発生部３０の外側の形状を規定する。また、第１の電極３２および第２の電極３３を支持する。

第１の電極３２は、基材部３１の前縁１１から翼弦方向Ｃに延びるように、基材部３１の内部に設けられる。第１の電極３２は、少なくとも一部が前縁に露出するように設けられる。

ここで、翼弦方向Ｃに延びるとは、従来の外付けの気流発生装置における同種の電極よりも翼弦方向Ｃに延びること、すなわち、翼弦方向Ｃに長いことを意味する。従来の電極は、例えば、翼弦方向の長さが数百μｍ程度である。

また、翼弦方向Ｃに延びるものには、翼弦方向Ｃと完全に同一の方向に延びるものに加えて、翼弦方向Ｃに対して若干傾斜した方向に延びるものが含まれる。第１の電極３２は、例えば、図２に示されるように、翼弦線Ｅに重なるように翼弦方向Ｃと完全に同一の方向に延びる。

第２の電極３３は、第１の電極３２よりも後縁側となるように、基材部３１の内部に設けられる。なお、第２の電極３３は、前縁側の端部が第１の電極３２の前縁側の端部よりも後縁側にあればよい。

第２の電極３３は、通常、翼弦方向Ｃに延びるように設けられる。ここで、翼弦方向Ｃに延びるものには、翼弦方向Ｃと完全に同一の方向に延びるものに加えて、翼弦方向Ｃに対して若干傾斜した方向に延びるものが含まれる。なお、第２の電極３３については、翼弦方向Ｃの長さは必ずしも制限されない。

第１の電極３２、第２の電極３３は、例えば、図１に示されるように、翼長方向Ｌに延びるように設けられる。すなわち、第１の電極３２、第２の電極３３は、それぞれ、翼弦方向Ｃおよび翼長方向Ｌに延びるような板状を有する。

気流発生部３０には、接続部４１を介して電圧印加部４２が電気的に接続される。気流発生部３０に電圧が印加されることにより、気流発生部３０の表面にバリア放電によるプラズマ気流が発生して翼周りの流れの剥離を抑制する。

本実施形態の気流発生装置を備えた翼１０では、前縁部を気流発生部３０とすることにより、気流発生部３０を所定の位置に容易に取り付けることができる。すなわち、翼本体２０の前縁形状を、気流発生部３０の外形を含んだ状態において適当な形状としておくことにより、気流発生部３０を取り付けやすい形状とすることができ、気流発生部３０を所定の位置に容易に取り付けることができる。これにより、気流制御効果を十分に得ることができる。

また、前縁部を気流発生部３０とすることにより、翼弦方向Ｃの長さの制限が少なくなり、第１の電極３２を翼弦方向Ｃに延ばすことができる。第１の電極３２を翼弦方向Ｃに延ばすことにより、磨耗による消失を抑制して、気流制御効果を長期に得ることができる。すなわち、図３に示すように、第１の電極３２の前縁側が若干磨耗したとしても、後縁側の部分が残ることとなる。これにより、気流制御効果を長期に得ることができる。

さらに、気流発生部３０が翼本体２０に対して分離可能に取り付けられることにより、気流発生部３０が摩耗または損傷したとき、気流発生部３０のみを交換することができる。これにより、気流発生装置を備えた翼１０の保守管理が容易になる。

第１の電極３２の翼弦方向Ｃの長さＷ_１は、１ｍｍ以上が好ましい。長さＷ_１が１ｍｍ以上になると、気流制御効果が維持される期間が顕著に延びる。長さＷ_１は、５ｍｍ以上がより好ましく、１０ｍｍ以上が特に好ましい。長さＷ_１は、例えば、図４に示すように、第１の電極３２の後縁側が第２の電極３３の前縁側に重なるものでもよい。

第２の電極３３は、基材部３１が磨耗したとしても露出しないように設けられることが好ましい。第２の電極３３が露出すると、バリア放電によるプラズマ気流の発生に影響する。前縁１１と第２の電極３３との距離Ｗ_２は、１ｍｍ以上であることが好ましい。距離Ｗ_２が１ｍｍ以上になると、基材部３１が磨耗したとしても第２の電極３３が露出しにくくなる。距離Ｗ_２は、５ｍｍ以上がより好ましく、１０ｍｍ以上が特に好ましい。

基材部３１は、誘電材料からなる。誘電材料としては、例えば、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フッ素樹脂等の樹脂材料や、ガラス、セラミックス等の無機材料が挙げられる。基材部３１に樹脂材料を使用することにより、気流発生部３０に柔軟性を付与することができる。基材部３１には、樹脂材料以外を使用してもよい。第１の電極３２、第２の電極３３は、導電材料からなる。導電材料としては、通常、金属材料が好適に使用される。

本実施形態の気流発生装置を備えた翼１０は、前縁部が気流発生部３０であるとともに、第１の電極３２が翼弦方向Ｃに延びることを特徴とする。これにより、気流発生部３０を所定の位置に容易に取り付けることができ、気流制御効果を十分に得ることができる。また、第１の電極３２の磨耗による消失を抑制することができ、気流制御効果を長期に得ることができる。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に係る気流発生装置を備えた翼１０を示す断面図である。
第１の電極３２は、翼弦方向Ｃに対して傾斜してもよい。このようなものとしては、例えば、図示するように、後縁側にいくほど、第２の電極３３との間の距離および翼弦線Ｅとの間の距離のそれぞれが広がるものが挙げられる。なお、本実施形態の気流発生装置を備えた翼１０は、第１の電極３２が翼弦方向Ｃに対して傾斜することを除いて、第１の実施形態の気流発生装置を備えた翼１０と同様の構成を有する。

第１の電極３２が翼弦方向Ｃに対して傾斜する場合、例えば、図６に示すように、第１の電極３２が磨耗しても、第１の電極３２（特に、露出部分）と第２の電極３３（特に、上記露出部分に近い部分）との距離が近づかずにほぼ一定となる。このため、バリア放電に関する電界の強さがほぼ一定となり、第１の電極３２と第２の電極３３とに印加する電圧の調整頻度が少なくなる。

一方、第１の電極３２が翼弦方向Ｃに対して傾斜しない場合、第１の電極３２が磨耗したとき、例えば、図３に示すように、第１の電極３２（特に、露出部分）と第２の電極３３（特に、上記露出部分に近い部分）との距離が近づく。これによりバリア放電に関する電界の強さが変化することから、これを一定にするために第１の電極３２と第２の電極３３とに印加する電圧の調整頻度が多くなる。

翼弦方向Ｃに対する第１の電極３２の傾斜角度は、第２の電極３３との位置関係等に応じて適宜設定することができる。具体的には、第１の電極３２の磨耗状態によらず、常に電界の強さが一定となるような傾斜角度が好ましい。

本実施形態の気流発生装置を備えた翼１０は、特に、第１の電極３２が翼弦方向Ｃに対して傾斜する。これにより、バリア放電に関する電界の強さがほぼ一定となり、第１の電極３２と第２の電極３３とに印加する電圧の調整頻度が少なくなる。

（第３の実施形態）
図７は、第３の実施形態に係る翼を示す平面図である。
第１の電極３２は、翼長方向Ｌに不連続に形成されてもよい。この場合、図示しないが、個々の連続部分に電圧印加部が接続される。なお、本実施形態の気流発生装置を備えた翼１０は、第１の電極３２が不連続に形成されること、個々の連続部分に電圧印加部が接続されることを除いて、第１の実施形態の気流発生装置を備えた翼１０と同様の構成を有する。

第１の電極３２が不連続であるとしても、連続である場合とほぼ同等の効果を得ることができる。すなわち、連続部分にプラズマ気流が発生すると、粘性の影響により、これに隣接する不連続部分の気体も流動する。結果として、第１の電極３２が連続して形成された場合とほぼ同等の効果を得ることができる。

また、個々の連続部分に電圧印加部が接続されることから、予期しない飛来物が衝突して一部の連続部分が損傷したとしても、他の連続部分は機能させることができる。これにより、信頼性を向上させることができる。

連続部分、不連続部分の長さは、気体の流動性、信頼性等を考量して適宜設定することができる。例えば、気体の流動性を重視する場合、個々の連続部分を長くするとともに、これらの間の不連続部分を短くすることが好ましい。また、信頼性を重視する場合、個々の連続部分を短くするとともに、これらの間の不連続部分を長くすることが好ましい。

本実施形態の気流発生装置を備えた翼１０は、特に、第１の電極３２が不連続に形成される。これにより、気流制御効果を得ながら、信頼性を向上させることができる。

（第４の実施形態）
図８は、第４の実施形態に係る翼を示す平面図である。
第２の電極３３は、翼弦方向Ｃの位置（前縁との距離Ｗ_２）が変化してもよい。なお、本実施形態の気流発生装置を備えた翼１０は、第２の電極３３の翼弦方向Ｃの位置が変化することを除いて、第３の実施形態の気流発生装置を備えた翼１０と同様の構成を有する。

第２の電極３３は、必ずしも翼幅方向Ｌにおいて翼弦方向Ｃの位置が一定である必要はない。第１の電極３２の有無等により、第２の電極３３の翼弦方向Ｃの位置は適宜変更することができる。例えば、第１の電極３２が設けられていない部分に比べて、第１の電極３２が設けられている部分を後縁側にすることができる。

第１の電極３２と第２の電極３３との距離によっては、予期しない導電性の飛来物の付着により、不要なバリア放電が発生するおそれがある。不要なバリア放電が発生した場合、想定以上の電流が流れて電圧印加部が損傷するおそれがある。

第２の電極３３の翼弦方向Ｃの位置を変更することにより、第１の電極３２と第２の電極３３との距離を調整することができる。これにより、不要なバリア放電の発生を抑制して、電圧印加部の損傷を抑制することができる。

本実施形態の気流発生装置を備えた翼１０は、特に、第２の電極３３の翼弦方向Ｃの位置が変化する。これにより、不要なバリア放電の発生を抑制して、電圧印加部の損傷を抑制することができる。

（第５の実施形態）
図９は、第５の実施形態に係る翼を示す平面図である。
気流発生部３０は、複数の単位３４から構成することができる。各単位３４は、第１の電極３２および第２の電極３３を有する。また、各単位３４には、図示しない電圧印加部が接続される。

磨耗および損傷の程度は、必ずしも翼幅方向Ｌにおいて一定ではない。例えば、風力発電のロータブレードの場合、翼幅方向における固定端側とその反対側の非固定端側とでは速度が異なる。具体的には、固定端側に比べて非固定端側の速度が速くなる。このため、固定端側に比べて非固定端側が磨耗および損傷しやすい。気流発生部３０を複数の単位３４から構成することにより、磨耗または損傷が進行した部分のみを交換することができる。これにより、不要な部分の交換を減らすことができる。

第１の電極３２は、例えば、平面視で円形状とすることができる。円形状とすることにより、前縁側から見た面積を抑えることができる。結果として、流体との接触、予期しない飛来物との衝突を抑制して、磨耗、損傷を抑制することができる。

第１の電極３２が円形状である場合、第２の電極３３は第１の電極３２の後縁側を囲むような円弧状が好ましい。第１の電極３２および第２の電極３３を上記形状にすることにより、第１の電極３２と第２の電極３３との距離を各部において一定にすることができる。これにより、各部において、バリア放電に関する電界の強さを一定にすることができる。

なお、第１の電極３２の外径、第２の電極３３の内径、外径等は、磨耗、損傷、バリア放電に関する電界の強さ等に応じて適宜設定することができる。また、本実施形態の気流発生装置を備えた翼１０は、気流発生部３０が複数の単位３４から構成されること、第１の電極３２および第２の電極３３が特定の形状を有することを除いて、第１の実施形態の気流発生装置を備えた翼１０と同様の構成を有する。

本実施形態の気流発生装置を備えた翼１０は、気流発生部３０が複数の単位３４から構成される。これにより、不要な部分の交換を減らすことができる。また、本実施形態の気流発生装置を備えた翼１０は、第１の電極３２および第２の電極３３が特定の形状を有する。これにより、第１の電極３２の磨耗および損傷が抑制され、かつバリア放電に関する電界の強さも一定になる。

（第６の実施形態）
図１０は、第６の実施形態に係る翼を示す断面図である。
翼本体２０は、前縁側に凸部２１を有してもよく、気流発生部３０は、このような凸部２１を覆うものでもよい。なお、本実施形態の気流発生装置を備えた翼１０は、翼本体２０が凸部２１を有すること、気流発生部３０がこのような凸部２１を覆うことを除いて、第１の実施形態の気流発生装置を備えた翼１０と同様の構成を有する。

凸部２１は、例えば、略半円状とすることができる。また、気流発生部３０は、凸部２１を覆うような弧状とすることができる。具体的には、基材部３１が凸部２１を覆うような弧状であり、この基材部３１に第１の電極３２および第２の電極３３が設けられる。

本実施形態の気流発生装置を備えた翼１０によれば、凸部２１の分だけ気流発生部３０の体積が少なくなる。これにより、気流発生部３０の製造に必要な材料が少なくなり、また交換により廃棄される廃棄物量も少なくなる。また、気流発生部３０が軽量化することから、その交換が容易になる。

（第７の実施形態）
図１１は、第７の実施形態に係る風力発電装置を示す図である。
風力発電装置５０は、タワー５１を有する。タワー５１は、地中に埋設された図示しない基台に下端部が固定され、上方に延びるように設けられる。

タワー５１の頂部には、発電機等を収容するナセル５２が設けられる。ナセル５２は、ヨー角を調整するためにタワー５１を中心に回転する。ナセル５２の上部には、風向および風速を計測するための風向風速計５３が設けられる。風向風速計５３が計測した風速および風向は、図示しない制御部に出力される。制御部は、風速および風向に応じてヨー角およびピッチ角の調整を行う。

ナセル５２の風上側には、ロータ５４が設けられる。ロータ５４は、３枚のロータブレード５５を有する。ロータブレード５５は、ナセル５２から突出する図示しない回転軸に支持される。ロータブレード５５は、第１〜第６の実施形態の気流発生装置を備えた翼１０からなる。気流発生部３０は、計測された風速および風向に基づいて、その動作が制御部により制御される。

本実施形態の風力発電装置５０によれば、ロータブレード５５が第１〜第６の実施形態の気流発生装置を備えた翼１０からなることから、十分にかつ長期に気流制御効果を得ることができる。

（第８の実施形態）
図１２は、第８の実施形態に係る回転翼機を示す図である。
回転翼機６０は、胴体６１を有する。胴体６１は、前部６２およびその後方に設けられる後部６３（例えば、尾部）を有する。前部６２の上方には、ロータハブシステム６４が設けられる。ロータハブシステム６４には、複数のロータブレード６５が設けられる。回転翼機として、例えば、ヘリコプター、ティルトロータ機、サイクロコプター、ジャイロダインが挙げられる。

複数のロータブレード６５は、ロータハブシステム６４を中心として回転する。これらのロータブレード６５は、第１〜第６の実施形態の気流発生装置を備えた翼１０からなる。

本実施形態の回転翼機６０によれば、ロータブレード６５が第１〜第６の実施形態の気流発生装置を備えた翼１０からなることから、十分にかつ長期に気流制御効果を得ることができる。

特に、回転翼機６０のロータブレード６５は、複雑かつ過酷な環境下で使用されることから、第１〜第６の実施形態の気流発生装置を備えた翼１０からなることにより、気流制御効果が顕著に向上し、また気流制御効果が維持される期間が顕著に延びる。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、十分にかつ長期に気流制御効果を得ることができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…気流発生装置を備えた翼、１１…前縁、１２…後縁、２０…翼本体、２１…凸部、３０…気流発生部、３１…基材部、３２…第１の電極、３３…第２の電極、３４…単位、４１…接続部、４２…電圧印加部、５０…風力発電装置、５１…タワー、５２…ナセル、５３…風向風速計、５４…ロータ、５５…ロータブレード、６０…回転翼機、６１…胴体、６２…前部、６３…後部、６４…ロータハブシステム、６５…ロータブレード

Claims (7)

1. 翼本体と、前記翼本体の前縁側に設けられ、翼の前縁部を形成する気流発生部と、を有し、
   前記気流発生部は、基材部と、前記基材部の前縁から翼弦方向に延びるように前記基材部の内部に設けられる第１の電極と、前記第１の電極よりも後縁側となるように前記基材部の内部に設けられる第２の電極と、を有する気流発生装置を備えた翼。
2. 前記第１の電極は、翼弦方向に対して前記第２の電極との距離が近づかないように傾斜している請求項１記載の気流発生装置を備えた翼。
3. 前記第１の電極は、翼長方向に不連続に形成されている請求項１または２記載の気流発生装置を備えた翼。
4. 前記第２の電極は、前記第１の電極が形成されていない部分より前記第１の電極が形成されている部分では翼弦方向の位置が後縁側である請求項３記載の気流発生装置を備えた翼。
5. 前記気流発生部は、前記翼本体に分離可能に設けられている請求項１乃至４のいずれか１項記載の気流発生装置を備えた翼。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項記載の気流発生装置を備えた翼を有する風力発電装置。
7. 請求項１乃至５のいずれか１項記載の気流発生装置を備えた翼を有する回転翼機。

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