JP2005147085A

JP2005147085A - 水平軸風車のブレード

Info

Publication number: JP2005147085A
Application number: JP2003389348A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Yoshida; 茂雄吉田
Original assignee: Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2003-11-19
Filing date: 2003-11-19
Publication date: 2005-06-09

Abstract

【課題】水平軸風車のブレードにおいて、輸送性を大幅に向上させると同時に、ブレードに作用する変動荷重を大幅に軽減する。
【解決手段】長さ方向中央部において翼根側の内翼部１２と翼端側の外翼部１３とに分割される分割構造を有する水平軸風車のブレード１０である。ヒンジ１４を介して外翼部１３が内翼部１２に対してフラッピング方向Ｆ₁、Ｆ₂に回動自在に連結され、かつ、内翼部１２と外翼部１３との間に着脱自在なバネ１５が設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、水平軸風車のブレードに関する。

従来より、水平軸風車を用いた風力発電システムが実用化されている。かかる風力発電システムの発電量（定格出力）は、水平軸風車のロータ半径（ブレード長）に比例する。例えば、図４に示すように、長さ「２０ｍ」のブレードを有する水平軸風車は「５００ｋＷ」級の定格出力を有するのに対し、長さ「４０ｍ」のブレードを有する水平軸風車は「２０００ｋＷ」級の定格出力を有することとなり、大きな電力需要に応え得る。このため、現在においては水平軸風車の大型化が進められている。

ところで、従来の水平軸風車のブレードは、翼根側から翼端側まで一体的に成形された長尺の外皮と、この外皮の内部に配置される主桁と、から構成されるのが一般的である。このブレードは、工場で製作された後に所望の設置場所に輸送され、その設置場所でタワーに取り付けられることとなる。

しかし、大型の水平軸風車を製造するために長大なブレードを製作すると、所望の設置場所にブレードを輸送することが困難ないし不可能となる。このような問題を解決するために、近年においては、長大なブレードを長さ方向に分割して輸送し、ボルトや積層板等を用いて、分割されたブレードを設置場所で連結する技術が種々提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。

また、水平軸風車が大型となると、風向・風速の時間的な変動のほか、風の乱れやタワーの影響等による風向・風速の空間的な変動に起因して、ブレードに大きな変動荷重が作用する。かかる変動荷重は、ブレード自体や風車全体に大きな負荷を与えるとともに振動発生の要因となるため、近年においては、このような変動荷重を軽減するために、ブレードの翼根部近傍の回転軸を中心としたフラッピング運動を可能にする技術が採用されている（例えば、非特許文献２参照。）。
Dutton etal.、"Design Concepts For Sectional Wind Turbine Blades"、1999 European Wind Energy Conference、フランス国、１９９９年３月、p.２８５−２８８ Boersma、"Lagerwey Windturbine B.V."、第２０回記念国際風力エネルギー利用シンポジウム、平成１０年、p.２９−４１

しかし、長大なブレードの輸送性を向上させる目的で非特許文献１に記載の技術を採用しても、ブレードに作用する変動荷重を軽減することはできなかった。また、非特許文献１に記載の技術を採用すると、分割されたブレードを連結するために種々の専用工具を準備する必要があるとともに、連結作業に時間と労力を要するという問題がある。

また、大型の水平軸風車のブレードに作用する変動荷重を軽減する目的で非特許文献２等に記載の技術を採用しても、ブレードが長大となった場合における輸送性の問題は解決されていなかった。

本発明の課題は、水平軸風車のブレードにおいて、輸送性を大幅に向上させると同時に、ブレードに作用する変動荷重を大幅に軽減することである。

以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、水平軸風車のブレードであって、長さ方向中央部において翼根側の内翼部と翼端側の外翼部とに分割される分割構造を有するとともに、ヒンジを介して前記外翼部が前記内翼部に対してフラッピング方向に回動自在に連結され、かつ、前記内翼部と前記外翼部との間に着脱自在な弾性体が設けられることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、ブレードは、長さ方向中央部において翼根側の内翼部と翼端側の外翼部とに分割される分割構造を有するとともに、ヒンジを介して外翼部が内翼部に対してフラッピング方向に回動自在に連結されている。

従って、輸送時においては、ヒンジを中心に外翼部を内翼部に対して略１８０°回動させて折り畳んでブレードの長さを約半分にすることができる。従って、輸送性を大幅に向上させることができる。また、ブレードはヒンジを介して予め連結されているため、風車建設時においては、折り畳まれたブレードを展開して内翼部と外翼部との間に弾性体を配置するだけでよいので、連結作業に要する時間や労力を大幅に低減させることができる。

また、ブレードの外翼部は内翼部に対してフラッピング方向に回動自在とされるとともに、ブレードの内翼部と外翼部との間に弾性体が設けられる。従って、ブレードに作用する変動荷重の一部を、外翼部の回動（弾性体の伸縮）によって吸収することができるので、ブレードの翼根部に伝達される変動荷重を軽減することができる。この結果、ブレードの設計荷重を軽減することができ、ブレード及び風車全体の軽量化や低コスト化を実現させることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の水平軸風車のブレードにおいて、前記内翼部と前記外翼部との間に着脱自在なダンパが設けられることを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、内翼部と外翼部との間にダンパが設けられるため、このダンパの機能により、ブレードに作用する変動荷重の一部をさらに効果的に吸収することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の水平軸風車のブレードにおいて、前記内翼部と前記外翼部との連結部を外側から被覆する被覆部材が設けられることを特徴とする。

請求項３に記載の発明によれば、ブレードの内翼部と外翼部との連結部を外側から被覆する被覆部材が設けられるので、この連結部における空力特性を向上させることができる。従って、風車運転時においてブレードに作用する抗力の増加を抑制するとともに、ブレードによって発生する揚力の低下を抑制することができる。この結果、風車の出力の低下を抑制することができる。

本発明によれば、ブレードは、長さ方向中央部において翼根側の内翼部と翼端側の外翼部とに分割される分割構造を有しており、ヒンジを介して外翼部が内翼部に対してフラッピング方向に回動自在に連結されているため、輸送時にはブレードを折り畳んで長さを約半分にすることができる。この結果、輸送性を大幅に向上させることができる。また、ブレードはヒンジを介して予め連結されているため、連結作業に要する時間や労力を大幅に低減させることができる。また、ブレードの外翼部は内翼部に対してフラッピング方向に回動自在とされ、これら内翼部と外翼部との間に着脱自在な弾性体が設けられるため、ブレードに作用する変動荷重を大幅に軽減することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図を用いて詳細に説明する。本実施の形態に係るブレードは、大型の水平軸風車１に搭載される長さ約４０ｍの長大ブレードである。

まず、図１を用いて、本実施の形態に係るブレードが搭載される水平軸風車１の構成について説明する。

水平軸風車１は、図１（風上側から見た図）に示すように、所定の地点に設置されるタワー２、タワー２の頂部に略水平面内で回動自在に取り付けられたナセル３、ナセル３に略水平方向に延在して軸支された（図示されていない）主軸、この主軸に回転自在に取り付けられるロータ４、等を備えて構成されており、ロータ４は、本実施の形態に係るブレード１０を３枚備えている。

まず、図１〜図３を用いて、本実施の形態に係るブレード１０の構成について説明する。

ブレード１０は、図２（ａ）に示すように、複合材製の外皮１１と、この外皮１１の内側に配置される複合材製の（図示されていない）主桁と、から構成されている。外皮１１は、背側外皮１１ａと腹側外皮１１ｂとからなり、組み合わせられて翼形状を構成するものである。外皮１１は、ハンドレイアップ法（湿式積層法）、ＲＴＭ（Resin Transfer Molding）法、ＶＡＲＴＭ（Vacuum Assist ＲＴＭ）法等を採用して成形することができる。また、主桁は、ＦＷ（Filament Winding）法等を採用して成形することができる。

また、ブレード１０は、図１及び図２（ｂ）に示すように、長さ方向中央部において翼根側の内翼部１２と翼端側の外翼部１３とに分割される分割構造を有している。そして、腹側に設けられた２個のヒンジ１４を介して、外翼部１３が内翼部１２に対してフラッピング方向（図２（ｂ）の矢印Ｆ₁及び矢印Ｆ₂の方向）に回動自在に連結されている。このため、ブレード１０の輸送時においては、図３に示すように、ヒンジ１４を中心に外翼部１３を内翼部１２に対して略１８０°回動させて折り畳むことができる。

また、図２及び図３に示すように、ブレード１０の内翼部１２と外翼部１３との間のヒンジ１４と反対側（背側）の空間には、バネ１５が設けられている。バネ１５は、本発明における弾性体であり、内翼部１２及び外翼部１３に対して着脱自在とされている。

また、図２に示すように、ブレード１０の内翼部１２と外翼部１３との連結部の背側（バネ１５側）には、バネ１５を外側から被覆するフェアリング１６が設けられている。また、図１及び図２に示すように、ブレード１０の内翼部１２と外翼部１３との連結部の腹側（ヒンジ１４側）には、ヒンジ１４を被覆するヒンジカバー１７が設けられている。これらフェアリング１６及びヒンジカバー１７は、本発明における被覆部材であり、伸縮自在なゴム材料等で構成されている。

以上説明した実施の形態に係るブレード１０は、長さ方向中央部において翼根側の内翼部１２と翼端側の外翼部１３とに分割される分割構造を有するとともに、ヒンジ１４を介して外翼部１３が内翼部１２に対してフラッピング方向に回動自在に連結されている。従って、ブレード１０の輸送時においては、図３に示すように、ヒンジ１４を介して外翼部１３を内翼部１２に対して略１８０°回動させて折り畳んで長さを約半分（約２０ｍ）にすることができる。このため、例えば「長さ２０ｍ」の輸送制限が設けられている経路を使用して、「長さ約４０ｍ」のブレード１０を輸送することができる。

この結果、従来の非分割型ブレードを用いた場合に最大５００ｋＷ級（ブレード長約２０ｍ）の定格出力を有する水平軸風車が建設されるような条件下においても、本実施の形態に係るブレード１０を用いることにより、最大２０００ｋＷ級（ブレード長約４０ｍ）の定格出力を有する水平軸風車１を建設することができる（図４参照）。

また、ブレード１０の内翼部１２及び外翼部１３はヒンジ１４を介して予め連結されているため、水平軸風車１を建設する際には、折り畳まれたブレード１０を展開して内翼部１２と外翼部１３との間にバネ１５を配置するだけでよいので、連結作業に要する時間や労力を大幅に低減させることができる。

また、ブレード１０の外翼部１３は内翼部１２に対してフラッピング方向（矢印Ｆ₁及び矢印Ｆ₂の方向）に回動自在とされるとともに、内翼部１２と外翼部１３との間にバネ１５が設けられるため、ブレード１０に作用する変動荷重の一部を、外翼部１３の回動及びバネ１５の伸縮によって吸収することができる。

例えば、図１に示すようなアップウィンド型の風車を採用した場合において、外翼部１３に強風が吹き付けて風上側から風下側へ荷重が作用した場合には、外翼部１３が内翼部１２に対して背側（図２（ｂ）の矢印Ｆ₁方向）に回動するとともにバネ１５が収縮して、外翼部１３に作用した荷重が内翼部１２にそのまま直接的に伝達されるのを阻止することができる。

逆に、外翼部１３に吹き付ける風が弱まって一時的に風下側から風上側へ荷重が作用した場合には、外翼部１３が内翼部１２に対して腹側（図２（ｂ）の矢印Ｆ₂方向）に回動するとともにバネ１５が伸長することにより、外翼部１３に作用した荷重が内翼部１２にそのまま直接的に伝達されるのを阻止することができる。

従って、本実施の形態に係るブレード１０を用いると、図５のグラフに示すように、従来の非分割型ブレードを用いた場合と比較して、ブレード１０の翼根部に作用する曲げ荷重（変動荷重）の標準偏差を約３０％程度軽減することができる。この結果、ブレード１０の設計荷重を軽減することができるので、より軽量で低コストのブレード１０及び水平軸風車１を得ることができる。

また、以上説明した実施の形態に係るブレード１０には、内翼部１２と外翼部１３との連結部を外側から被覆するフェアリング１６及びヒンジカバー１７が設けられるので、この連結部における空力特性を向上させることができる。従って、風車運転時においてブレード１０に作用する抗力の増加を抑制するとともに、ブレード１０によって発生する揚力の低下を抑制することができる。この結果、水平軸風車１の出力の低下を抑制することができる。

なお、以上の実施の形態においては、本発明における弾性体としてバネを採用した例を示したが、ゴム等の他の弾性体を採用してブレード１０に作用する変動荷重を軽減させることもできる。

また、以上の実施の形態においては、内翼部１２と外翼部１３との間のヒンジ１４と反対側（背側）の空間にバネ１５のみを設けた例を示したが、この空間に、着脱自在な「ダンパ」を併設することもできる。このように「ダンパ」を併設することにより、ブレード１０に作用する変動荷重をさらに効果的に吸収することができる。

また、以上の実施の形態においては、ブレード１０の腹側にヒンジ１４を設け、ブレード１０の背側にバネ１５を設けた例を示したが、ブレード１０の背側にヒンジ１４を設け、ブレード１０の腹側にバネ１５を設ける（ブレード１０の腹側に配置したバネ１５の両端を各々内翼部１２と外翼部１３に取り付ける）こともできる。

本発明の実施の形態に係るブレードを搭載した水平軸風車の正面図である。本発明の実施の形態に係るブレードを示すものであり、（ａ）は側面図（図１のＡ方向から見た図）、（ｂ）は断面図（図２（ａ）のＢ−Ｂ部分の断面図）である。図２に示したブレードを折り畳んだ状態を示す側面図である。水平軸風車のロータ半径（ブレード長）と定格出力との相関関係を示すグラフである。従来の非分割型ブレードに作用する変動荷重と、本発明の実施の形態に係るブレードに作用する変動荷重と、を比較するためのグラフである。

符号の説明

１水平軸風車
１０ブレード
１２内翼部
１３外翼部
１４ヒンジ
１５バネ（弾性体）
１６フェアリング（被覆部材）
１７ヒンジカバー（被覆部材）

Claims

長さ方向中央部において翼根側の内翼部と翼端側の外翼部とに分割される分割構造を有するとともに、ヒンジを介して前記外翼部が前記内翼部に対してフラッピング方向に回動自在に連結され、かつ、前記内翼部と前記外翼部との間に着脱自在な弾性体が設けられることを特徴とする水平軸風車のブレード。
前記内翼部と前記外翼部との間に着脱自在なダンパが設けられることを特徴とする請求項１に記載の水平軸風車のブレード。
前記内翼部と前記外翼部との連結部を外側から被覆する被覆部材が設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載の水平軸風車のブレード。