風力タービン設計

これが特殊な用途の風力タービン発電機の完成状態3次元図です

高速風(風速30m毎秒ぐらいまで)を有効に使って風力発電を行うために設計した風力タービン発電機の全体完成図が次の3次元図となります。

風力タービン発電機の2次元組図

この特殊な風力タービン発電機の特徴としては次のようになります。
1)発電出力300KWであるのに、羽根直径は2.5mしかない非常に小型大出力の風力発電機である。
2)高速風を羽根部に滑らかに取り入れる為のディフューザー状ケーシングを持ち、しかもケーシング出口では出口風速を減速して吸出し効果を持たせている。
3)風力タービン入口に入りきれない風は、円錐状ディフューザーケーシングの廻りに沿って広がりながら最終的にはタービン後方流れ部に巻き込むように流れ込むことでタービン出口流を連れ出し、入口出口の圧力差を増加させる効果を持つ。
4)タービンの羽根は8枚という風力タービンでは多翼羽根となっているが、これは高速流から回転力を得る場合には適したタービン翼形状となっている。
5)タービン翼の回転数は毎分数百回転と一般の風力タービンに比較して非常に速い為、この事例では増速ベルトで更に回転数を上げることで、一般的な6極発電機を利用出来るようにしており、発電機の金額を廉価としている。

以上が、図の特殊用途風力タービンの特徴説明となります。

特殊な風力タービンも設計しています

高風速に適応可能な、高速回転で小型となる特殊な風力タービンの設計は得意な分野となります。その事例が次のような集風型風力発電装置となります。

最近は小水力の設計ばかりやっているわけではなく、このような特殊な風力タービン設計も得意として行っています。

風力タービン発電機の2次元組図

この事例では風速毎秒30m以上の高風速なので、直径2.5mのタービンで100KW以上も発電可能な風力発電機となります。

ただそのような高風速は自然にはなかなか存在していませんので、人工的な風、つまりビル風のようなもの、工場などでの空気だけではなく高速の排気ガス流などが利用可能な対象となります。

よってこの風力タービン発電機はどちらかと言えばエネルギー回収発電機と言って良いでしょう。

無駄に捨てられているガス風速エネルギーは探せば広く存在していると推測可能です。

羽根設計時の設計係数値の扱い方 一例

ターボ機械の羽根を設計する場合に自作の設計ソフトを使うことも多いのですが、それでの設計係数値の扱い方の例として、次のような軸流ポンプ設計時のシュラウド側周速係数値グラフを示してみます。

ウインドファーム解析1

この羽根を設計する場合の羽根外周部の周速度を決めるパラメーター値であるKuD2系値は次のような値のグラフ化により設計プログラムの中のデータベースに格納されています。

ウインドファーム解析2

設計比速度を横軸のパラメーターとして、縦軸に設計係数値があり、それらが近似曲線により表わされるようにしているため、設計比速度範囲であればすべての設計計算を可能としています。

風力タービンの3次元翼断面設計例

風力発電用風力タービンのスパン方向の多数翼断面を3次元で設計した例を載せてみます。

ウインドファーム解析1

次の図が翼根元から先端までの20断面の翼型を計算して3次元空間上に生成したものとなっています。

ウインドファーム解析2

次は外周方向から中心方向を見た翼断面の重なり具合です。

翼の根元は可変ピッチの為に円断面となっていますので、根元から翼スパンの25%ぐらいまではゆるやかに円断面から主要な翼型断面に変化していく翼3次元形状となっています。

風力タービン翼としてのもっとも有効に働く位置は翼スパンの先端から3割ぐらいのところ、根元から言えば7割ぐらいのところとなるので、そこら辺には良い翼型を適応するべきでしょう。

そして翼先端のあたりでは、翼圧力面から翼負圧面に対する流れの回り込みが発生しますから通常の翼型を配置しても効果的ではないこととなります。よって翼先端は尖っているブレードが通常は用いられます。