風力タービン設計

風力タービンの基本設計例


定格出力1000KW程度の風力タービン基本設計例を次のように載せてみます。

風力タービン発電機の2次元組図

基本設計例なのであまり詳細な部分の設計は行っていませんが、全体の構成を決める内容となっています。
このぐらいの基本設計があれば性能解析用の風力タービン3次元データを作ることができますので、詳細な性能解析が可能です。
よってこの基本設計の段階で徹底的に性能を改善し、実機での運転も性能不足がないようにすることも可能です。
それには相当な手間はかかりますが、実機を作る前にやっておけば大きな安心となります。

巨大風洞内での風力タービン性能流れ解析


3次元仮想空間中の一辺数十~100mメートル以上という巨大な風洞の中に
実物大の風量タービンを置いて、その性能をシミュレーションしてみたのが、次の解析結果図です。

風車ターワー中心を切断面として見た風速分布の等値線表示が左図です。

更に全体の風上から風下に向けての流れの流跡線が左図ですが、風の風力タービンによる旋回流の発生場所が 風車後方に割と行った所になっているのが興味深い結果ですが、果たしてそれで良いのか検証が必要です。

最後の図は、後流方向から流れの流跡線を見たものですが、これを見ると風車ブレードの回転方向への後流渦が発生しているようです。
しかし少し風洞後部の長さが短いようで、より正確な後ろ流れをみるために次はもう少し巨大風洞を長く設定します。
風速分布以外に渦度分布など見たかったのですが、もう一度色々と設定を再度行い、それらが見れるように再計算を行ってみましょう。
斜面自体も後方風車に進入する風に相当な影響を与えることが分かりました。

工場からの排気風により発電するならばこれだ!


工場などの施設から高速の排気風が外部にただ捨てられているとすれば、それから発電を行う特殊な風力タービ ン発電装置は次の図のようにするのが最適です。

ウインドファーム解析1

これは、排気風出口から少し話した位置にディフューザーケーシングを持つ風力タービンを設置して発電を行う方式です。
少し違う方向からタービン発電装置を見ると次の図となります。

ウインドファーム解析2

すでに流体解析による性能解析も行っており、この方式であれば確実に排気風発電が省エネ施設となります。
ただ、数十KW以上の発電出力を得るならば相当に排気風速が速くなければなりません。
そのような候補地点がどのくらいあるのかが良く分からないところではありますが。
良く掴むことが出来ると思われる。
風車の羽根の逆が大風量を送る軸流型ファンとなり、それらにもこれら解析結果が応用出来ることでしょう。
とにかく上の図を見ると、風車はなるべく風速の変化のない平地に置くのが有利と分かって頂けれるでしょう。

自作の風車ブレード設計プログラムにより風車を設計した事例


自作の風車ブレード設計プログラムにより風車を設計した事例です。
次図は、風車ブレード設計プログラムの設計完成時画面です。
ブレードスパン方向に翼長の10%ごとに翼断面を設計計算して全体翼形状を計算していますので、ち密な計算になっています。

次図は、風車本体ナセル部に設計したブレードを付けた3次元CAD図です。

以上のような風車ブレード3次元設計を短時間で行うことが可能です。

長翼タービンブレードの分割翼断面設計


長翼タービンブレードの分割翼断面設計を3次元CAD上で行っている図です。
断面がボス部からチップ部まで多数断面で長翼が構成されていきます。

次は、ボス部から羽根先端方向を見た図です。

これらの断面翼型は、3次元CADの空間に自動的に配置されるよう設計計算プログラミングを造っているので、
長翼の翼型やスパン方向弦長分布なども自由に設定して自動設計出来ます。
これはタービン長翼ですが、翼断面角度分布を反対にすれば送風するほうのプロペラになります。