水平軸風力タービンロータに及ぼす流入風乱流特性の影響に関する研究

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13650177
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 長谷川 豊 名古屋大学, 高効率エネルギー変換研究センター, 助教授 (20198732)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 今村 博 名古屋大学, 工学研究科, 講師 (30303077) ; 朝倉 榮次 名古屋大学, 工学研究科, 助手 (90135327) ; 菊山 功嗣 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (90023192)
• Keywords: 数値解析 / 水平軸風車 / 流入風条件 / 加速度ポテンシャル法 / 乱流 / 非定常流れ / 空力特性 / 疲労荷重

Research Abstract

我が国では,風力タービン設置可能な場所が海岸線を除くと丘陵・山岳地域に限られ,したがって流入風の乱れ度が平均的に大きいために,流入風の乱流特性を風力タービンの設計・運転パラメタに組込むことは不可欠である.
本研究は,大気乱流の流入が水平軸風力タービンのロータに及ぼす空力的変動荷重を推定する数値解析的手法の確立を目的としている.
大気乱流のシミュレーションにより,ロータ面上における複数点での時系列風速データを作成するが,各々のデータ間の時空間相関を考慮する必要がある.計算に用いるVeers' Modelでは,入力データとして大気乱流のパワースペクトルとコヒーレンス関数を与え,これにランダムな位相を加えて逆フーリエ変換を行うことにより時系列風速データを生成する.ロータ翼に働く空力学的荷重の計算には,非粘性解析手法の一つである加速度ポテンシャル法を用いる.この計算法はロータ後流渦構造のマクロ的な非定常性に伴う影響を容易に評価することが可能であり,翼近傍流れに関してはONERA法により非定常揚力を考慮している.
大気乱流のシミュレーション結果をフィールド実験で得られた風速変動データと比較検討するとともに,この乱流風がタービンロータに及ぼす影響を調べた.その結果,従来の数値解析で行われていたロータ面内でのコヒーレントな風速変動に比べ,回転サンプリングの影響に伴う回転数の高調波成分と乱流変動に伴う高次モードを含む複雑な空力変動荷重がロータ翼に働くことが分かった.また,乱流強度の影響ならびに乱流スケールと風車スケールの関係についても明らかにした.今後この解析手法が構造系を含む風車翼の設計に有効なツールと成り得るものと考える.

Research Products

• [Publications] Y.HASEGAWA: "Numerical Analysis of Turbulent Inflow on Aerodynamic Loads of HAWT Rotor"Proc. of 5th JSME-KSME Fluid Engineering Conference. 02-207. 1-6 (2002)
• [Publications] K.KIKUYAMA: "Effects of Non-Uniform Inflow on Aerodynamic Behavior of Horizontal Axis Wind Turbine"Proc. of 2nd National Congress on Fluids Engineering. 02-01. 17-22 (2002)
• [Publications] 長谷川 豊: "水平軸風車ロータに及ぼすウィンドシアの影響に関する数値解析"日本機械学会論文集. 68-674B. 2795-2802 (2002)
• [Publications] 長谷川 豊: "非定常運転下における水平軸風車ロータ周りの流れ場に関する数値解析"日本機械学会講演論文集. 033-1. 47-48 (2002)
• [Publications] 長谷川 豊: "乱れを伴う流入風による水平軸風車ロータの空力負荷変動"日本機械学会論文集. 69-681B(掲載予定). (2003)