JP2015075062A - 軸流タイプブレードとそれを用いた風力発電用装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、繊維強化樹脂複合材（以下、ＦＲＰと記す）を用い、ブレード表面、ブレード裏面の形状に沿って複合材で成形された部材を接着剤により貼り合わせ製造された風力発電装置用のブレードにおいて、ブレード回転により生じる騒音を低減しつつ、ブレードにかかる荷重により生じるブレード変形による、接着面の剥離等の破壊現象を回避する方法を提供することを目的とする。【解決手段】 ＦＲＰにより成形された少なくとも１つ以上のブレード表面、ブレード裏面部材を接着剤により貼り合わせ形状を作成するブレードにおいて、ブレード回転方向後ろ側（以下、後縁と記す）の接着部分において、表面、裏面部材が少なくとも２つ以上の凸部と、相手側の凸部に対応する凹部を持つ形状であるブレード。【選択図】 図１

Description

本発明は、軸流タイプのブレードとそれを用いた風力発電装置に関する。

風力発電装置用の翼（以下、ブレードと記す）は、風を受けることによって回転し、その回転エネルギを発電機により電気エネルギに変換するものである。商用発電に用いられる風力発電装置のブレードは全長が６０ｍを超えるものもあり、回転による遠心力や、風から受ける力（空力的荷重）に構造として耐えうることが必要である。

このような風力発電装置は、一度設置されると継続的に使用され続け、１年から２年毎に定期的に点検される程度である。風力発電装置は、強い風が長時間吹き続ける場所に設置されるのが一般的であり、山間部の開けた土地や海岸線に設置されることが多く、さらに発電効率を上げるため、海岸から離れた洋上での大型風力発電装置の建設数が増加している。

山間部や海岸線では、周囲に民家や施設等が存在する場合もあり、ブレードの回転により生じる空気力学的騒音の低減が風力発電装置の設置を行うために必要である。

本技術分野の背景技術として、特開平７−７７２１１号公報（特許文献１）がある。この公報では、ブレードから生じる騒音がブレード後縁から発生する渦によるものとし、その渦構造を微細化するために、「板状物体後端部を、両面から交互に抉られた上面側凹部と、下面側凹部が後方に行くに従って広く、かつ深くなるように連続したＷ型断面に形成することで両面の流れが平面方向に交互に交叉して干渉し合うため、カルマン渦の生成を阻止し、かつ後流の成長を抑制できる。」と記載されている。

特開平７−７７２１１号公報

風力発電装置のブレードを構成する部材としては、小型風力発電装置ではアルミニウム合金などの軽量な金属材料が用いられてきたが、大型風力発電装置の場合、装置全体にかかる荷重を低減するために、ブレード自体の軽量化、高強度化、高剛性化が必要であり、繊維強化樹脂複合材（以下、ＦＲＰと記す）を用いることが主流となっている。その構造は強度部材をブレード中心長手方向に配置し、強度部材を挟み込むようにブレード表面、ブレード裏面の形状に沿って複合材で成形された部材を接着剤により貼り合わせるものが多い。繊維強化樹脂では繊維により強度を確保しているために機械加工などを行うと、繊維を破断することとなる、また、機械加工では無く、型で成形する場合においても、繊維を使用しているため、微細かつ鋭角な形状を再現することは困難であり、このような形状を風力発電装置のブレードに採用することは容易ではない。

本発明は上記課題を考慮したものであり、その目的は、部材の信頼性と騒音低減を両立させたブレードを提供することにある。

上記課題を解決するために、表面部材と裏面部材を有するブレードにおいて、前記表面部材が後流側にブレード長さ方向に滑らかな凸部と凹部を複数組有し、前記裏面部材が後流側にブレード長さ方向に滑らかな凸部と凹部を複数組有することを特徴とする。

本発明によれば、部材の信頼性と騒音低減を両立させたブレードを提供できる。

本発明の一実施例に関わるブレード 図１におけるブレードＡ−Ａ‘断面図 図１におけるブレードＡ−Ｂ区間のブレード表面、裏面図 本発明の一実施例に関わるブレードＡ−Ａ‘断面図 騒音低減の原理図 本発明の一実施例に関わるブレード断面形状 騒音低減の原理図

以下、実施例を複数の図を用いて説明する。

図１は本発明の実施例を示すブレード１の斜視図で、図２はＡ−Ａ’位置でのブレード断面である。この図を用い、表面部材が後流側にブレード長さ方向に滑らかな凸部と凹部を複数組有し、裏面部材も後流側にブレード長さ方向に滑らかな凸部と凹部を複数組有する例を紹介する。以下の説明では、ブレード長さ方向とは、図１の左下から右上に向かう方向を意味し、翼弦長とは、図２で示した前縁４から後縁５に向かう方向を意味するものとする。また後縁とは、前縁４から見た後縁５の方向とする。

ブレード１は図２に示すようにブレード表面部材２、裏面部材３が、それぞれブレード回転方向位置（以下、前縁と記す）４と後縁５において接着する構造となっている。図３は図１におけるＡ−Ｂ区間のブレード表面６、裏面７図であり、それぞれの凸部８に対応した凹部９が形成されている。図３からわかるように、ブレード後縁が直線の場合の仮想後縁１０に対し、凹凸面で接着することで、接着面の長さが増えており、接着面積の増加によりブレード表面、裏面の接着強度は増大する。この効果により接着面が直線の場合に対してよりはがれにくくすることが可能となる。この効果は、表面部材２の凸部が裏面部材３の凹部に密着する形状であり、表面部材２の凹部が裏面部材３の凸部に密着する形状であり、表面部材２と裏面部材３が、後流側で直接接着されている部分を有することにより発揮される。一方で、前縁は、前記凸部と凹部の複数組が存在する位置に対応するブレード長さ方向位置では直線である。直線であることで、接着時の位置合わせ性向上効果や乱流発生抑制効果が得られる。

図４は本発明による別の実施例であり、ブレード表面１１、裏面１２の間に、それぞれの凹凸部に対応した凹凸を持つ後縁を形成する部材１３が挟み込まれている。このように、表面部材２と裏面部材３が、別部材を介して接着されていても同種の効果が得られる。

図５は、図１から４に示した凹凸を持つブレード形状による騒音低減の原理図である。ブレードから発生する騒音は、ブレード表面で成長する乱流境界層に起因するものと、ブレード後縁から放出される渦によるもの２つが考えられる。ブレード後縁から放出される渦は、ブレード長手方向に無秩序に放出される場合、お互いに関連性が無いために、騒音としては大きくならない。一方で、秩序を持つ、例えば同じタイミングで渦が放出されるような場合非常に大きな騒音を発生する。ブレード表面１４において凸部１５、凹部１７を存在させることで、ブレード表面１４の流れの状態が層流から乱流状態に変化する位置をブレード長手方向１８に変化１９させることが出来る。

これにより、乱流遷移後の境界層が発達する距離が、凸部１５、凹部１７、凹部と凸部の中間１６で異なることとなり、後縁での渦放出のタイミング、渦の大きさをブレード長手方向１８に対して変化させることが出来、ブレード後縁の渦放出による騒音を低減することが出来る。

図６は図５の効果を得るためのブレード断面形状の一例である。ブレード表面の凸部１５、凹部１７、中間１６に対してそれぞれ後縁付近の形状を変化させたものである。なお、図６では、ブレード断面厚み、ブレード前縁から後縁までの長さを、ブレード前縁から後縁までの長さ（以下コード長と記す）で無次元化して表示してある。

図７(a)は図６に示す各形状における、ブレードに対する風の流入角度と、揚力係数（ブレードにかかる風の流入角度に対して垂直に働く力を風の流入速度の持つ動圧とブレードコード長で無次元化したもの）を流体解析により予測した結果である。例えばブレードが流入角度６度程度の状態で使用される場合、その角度における揚力係数は、凹部１７、凸部１５、中間１６でほぼ一定の値２１をとることから、このような断面形状では、形状が異なった場合でも各断面で同様な仕事をブレードは行うことが出来る。つまり、通常運転時は前記ブレードに対する風の流入角度を６度以下とするよう風力発電用装置を運用すれば、効率低下を抑制した運用が可能となる。

図７(b)は図６に示す各形状における、ブレードに対する風の流入角度と境界層の層流から乱流への遷移位置（ブレード断面の前縁からの距離をブレードコード長で無次元化したもの）を流体解析により予測した結果である。図７(a)と同じ流入角度２０で使用した場合でも、乱流境界層に遷移する位置は、凹部１５では０.５に近く２２、中間位置では０.４５程度２３、凸部１７では０.３５程度２４と、ブレードコード長に対して１５%近く変化させることが出来る。このようなブレード断面は１つの例である。この効果は、後縁側には凸部と凹部の組を有する一方で、前縁側には凸部と凹部の複数組が存在しないようにすることで得られるものである。すなわち、凸部と凹部により、境界層の層流から乱流への遷移位置をブレード長さ方向で異ならしめている。

本発明に係るブレード形状は、風を受けて回転するブレードと、ブレードの回転力で発電する発電機と、ブレードを支持するナセルと、ナセルを支持するタワーを有する風力発電用装置において、FRPで製造される風力発電装置用の軸流タイプブレードを用いる場合に好適であるが、風力発電装置以外のFRPを用いた、表面、裏面を接着構造とするブレードに適用することも可能であり、適用先は風力発電装置に限定されるものではない。また、効果が顕著に現れる例としてFRP製のブレードを例に説明したが、素材はこれに限られるものではなく、表面、裏面を接着する構造であれば同種の効果を得ることができる。

最後に特許文献１との相違点を説明する。翼後縁からの流れにより生じる騒音は有限板厚を持つことによる翼上面、下面の圧力差からくる流れの混合（渦等）がスパン方向に同位相で起きると大きな音となる。上記実施例は、公知例のように後縁で渦を分断するのではなく，境界層の遷移位置をコントロールすることで，翼面上での流れをスパン方向に変化させ，後縁での位相をずらすものである。

FRPによりブレードが構成される場合、ブレードスパン方向やスパン方向に対し角度を持ち配向されたガラス、カーボン等の繊維が強度部材として使用される。このような構成の場合、特許文献１にあるような急激な形状変化は繊維の配向を困難とする。よって上記実施例のように連続関数（例えば三角関数、或いは微分値を連続として組み合わせた高次関数）で翼面上の凹凸を構成するのが望ましい。
また、その後縁方向に向かう凹凸の深さは規定した関数の振幅（三角関数の場合は振幅、高次関数の場合は微分係数が０となる位置の最大最小値の幅）で調整し、なおかつ微分係数が０となる位置の間隔を一定に保つように（すなわち、後縁方向に振幅だけが変化し、その形状は相似）構成するために、凹凸の幅（間隔）は一定となる。（特許文献１では、後縁に向かい幅が広くなる）
なお上記実施例では、後縁に滑らかな凸部と凹部を有する例を説明した。ここでいう滑らかとは、対象部分のどこをとっても曲線または直線であり、傾きが不連続となるような尖った部分がないことを意味する。

風車ブレードはFRPで製作することがある。その場合、一般的にはブレード上面と下面を別個に製作し接着剤を用い接合する手法が取られる。このとき、凹凸となっている分だけ接着面積を（後縁を直線で製造する場合と比べて）多く確保できるために、圧縮、引張荷重がかかり接着面が口びらきする状況において、単位面積当たりの剥離方向に向かう力を小さくでき、強度上も信頼性の向上が図れる。また、FRP材料は繊維圧縮方向荷重による座屈に弱いが、滑らかな凹凸があることにより、圧縮荷重は繊維方向から凹凸形状により角度ずれてかかるため、凹凸面外変形で逃げる尤度が生じ，座屈に対する尤度も向上する。

上記実施例のブレードは、ブレード表面、ブレード裏面の形状に沿って複合材で成形された部材を接着剤により貼り合わせる構造においても容易に実現可能であり、ブレード回転により生じる騒音低減、その形状特徴から特にブレード後縁における接着力の向上に寄与することが出来、空気力学的力による破壊現象に対する安全率向上をも達成することで、環境に配慮した、信頼性の高いブレードおよび風力発電装置を提供することが出来る。

１ 本発明の実施例を示すブレード
２ ブレード表面部材
３ ブレード裏面部材
４ ブレード前縁
５ ブレード後縁
６ ブレード表面
７ ブレード裏面
８ ブレード凸部
９ ブレード凹部
１０ ブレード後縁が直線の場合の仮想後縁
１１ ブレード表面
１２ ブレード裏面
１３ ブレード表面、裏面の凹凸部に対応した凹凸を持つ後縁を形成する部材
１４ ブレード表面
１５ ブレード表面凸部
１６ ブレード表面凹部と凸部の中間
１７ ブレード表面凹部
１８ ブレード長手方向矢印
１９ ブレード表面上境界層遷移位置の例
２０ ブレードに対する風の流入角の例
２１ 各形状のブレードにおける揚力係数
２２ ブレード表面凹部における境界層乱流遷移位置
２３ ブレード表面凹凸部中間における境界層乱流遷移位置
２４ ブレード表面凸部における境界層乱流遷移位置

Claims (9)

1. 表面部材と裏面部材を有するブレードにおいて、
   前記表面部材が後流側にブレード長さ方向に滑らかな凸部と凹部を複数組有し、
   前記裏面部材が後流側にブレード長さ方向に滑らかな凸部と凹部を複数組有することを特徴とするブレード。
   
2. 請求項１のブレードにおいて、
   前記表面部材の凸部が前記裏面部材の凹部に密着する形状であり、
   前記表面部材の凹部が前記裏面部材の凸部に密着する形状であり、
   前記表面部材と前記裏面部材が、後流側で直接接着されていることを特徴とするブレード。
   
3. 請求項１のブレードにおいて、
   前記表面部材と前記裏面部材が、別部材を介して接着されていることを特徴とするブレード。
   
4. 請求項１のブレードにおいて、
   前記表面部材と前記裏面部材が、繊維強化樹脂製であることを特徴とするブレード。
   
5. 請求項１のブレードにおいて、
   前記表面部材と前記後縁部材の前記凸部と凹部の前縁側には、凸部と凹部の複数組が存在しないことを特徴とするブレード。
   
6. 請求項５のブレードにおいて、前記凸部と凹部により、境界層の層流から乱流への遷移位置をブレード長さ方向で異ならしめていることを特徴とするブレード。
   
7. 請求項１のブレードにおいて、
   前記表面部材と前記裏面部材の前縁は、前記凸部と凹部の複数組が存在するブレード長さ方向位置では直線であることを特徴とするブレード。
   
8. 風を受けて回転するブレードと、前記ブレードの回転力で発電する発電機と、前記ブレードを支持するナセルと、前記ナセルを支持するタワーを有する風力発電用装置において、
   前記ブレードは、表面部材と裏面部材を備え、
   前記表面部材が後流側にブレード長さ方向に滑らかな凸部と凹部を複数組有し、
   前記裏面部材が後流側にブレード長さ方向に滑らかな凸部と凹部を複数組有することを特徴とする風力発電用装置。
   
9. 風を受けて回転するブレードと、前記ブレードの回転力で発電する発電機と、前記ブレードを支持するナセルと、前記ナセルを支持するタワーを有する風力発電用装置の運用方法において、
   前記ブレードは、表面部材と裏面部材を備え、
   前記表面部材が後流側にブレード長さ方向に滑らかな凸部と凹部を複数組有し、
   前記裏面部材が後流側にブレード長さ方向に滑らかな凸部と凹部を複数組有し、
   通常運転時は前記ブレードに対する風の流入角度を６度以下とすることを特徴とする風力発電用装置の運用方法。