JP2005147086A

JP2005147086A - 水平軸風車のブレード

Info

Publication number: JP2005147086A
Application number: JP2003389374A
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ともに、結合作業に要する時間や労力を大幅に低減する。
【解決手段】長さ方向中央部で翼根側の内翼部１３と翼端側の外翼部１４とに分割される水平軸風車のブレード１０において、内翼部１３の翼端側端部１３ａから外方に突出してブレード長さ方向に所定長延在するように設けられた内翼桁１５と、この内翼桁１５を嵌合させるように外翼部１４に設けられた外翼桁１６と、を備える。内翼桁１５と外翼桁１６との間に接着剤を介在させて内翼桁１５と外翼桁１６とを嵌合させ、両者を接合することにより、内翼部１３と外翼部１４とが結合される。
【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使用して、分割されたブレードを設置場所で結合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。）。
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

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すると、分割されたブレードを結合するための結合作業に時間と労力を要するという問題がある。

例えば、分割されたブレードの間に複数枚の薄板材（積層板）を配置し積層して接着することによりブレードを繋ぎ合わせる方法（Laminated Joint方式）を採用すると、接着に適した作業環境（気温や湿度等）を長期間維持する必要がある上に、接着完了までブレードを長期間固定して保持する必要がある。

また、ボルトを使用した結合方法（T-Bolt方式やEmbedded Bushing with Stud Bolt方式）を採用すると、多くの部品を使用するためにブレード重量が増加する上に、多くの工程数を経るために作業時間が長くなってしまう。また、結合後においても、ボルトの緩み等を定期的に点検する必要もある。

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ともに、結合作業に要する時間や労力を大幅に低減することである。

以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、長さ方向中央部で翼根側の内翼部と翼端側の外翼部とに分割される水平軸風車のブレードにおいて、前記内翼部の翼端側端部から外方に突出してブレード長さ方向に所定長延在するように設けられた内翼桁と、前記外翼部に設けられ、前記内翼桁の前記内翼部から突出して延在した部分を嵌合させる外翼桁と、を備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、長さ方向中央部で翼根側の内翼部と翼端側の外翼部とに分割される水平軸風車のブレードにおいて、前記外翼部の翼根側端部から外方に突出してブレード長さ方向に所定長延在するように設けられた外翼桁と、前記内翼部に設けられ、前記外翼桁の前記外翼部から突出して延在した部分を嵌合させる内翼桁と、を備えることを特徴とする。

請求項１又は２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ので、輸送時において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、請求項１又は２に記載の発明によれば、内翼部（外翼部）の翼端（翼根）側端部から外方に突出してブレード長さ方向に所定長延在するように設けられた内翼（外翼）桁と、外翼部（内翼部）に設けられ内翼（外翼）桁を嵌合させる外翼（内翼）桁と、を備えている。そして、風車建設時においては、内翼桁と外翼桁との間に接着剤を介在させて内翼桁と外翼桁とを嵌合させ、両者を接合することにより、内翼部と外翼部とを結合することができる。

従って、実質的に一つの工程で内翼部と外翼部とを結合することができるので、従来の「Laminated Joint方式」のように接着に適した作業環境を長期間維持する必要がなく、ブレードを長期間固定して保持する必要もない。また、従来の「T-Bolt方式やEmbedded Bushing with Stud Bolt方式」のように多くの部品や工程数を要しないので、ブレード重量の増加を抑制することができる上に作業時間を短縮することができる。また、連結後における定期的な点検が不要となる。

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ているので、輸送時においてはブレードの長さを約半分にすることができ、輸送性を大幅に向上させることができる。また、風車建設時においては、内翼部（外翼部）に設けられた内翼（外翼）桁と、外翼部（内翼部）に設けられた外翼（内翼）桁と、の間に接着剤を介在させて内翼桁と外翼桁とを嵌合させ、両者を接合することにより、内翼部と外翼部とを結合することができる。従って、結合作業に要する時間や労力を大幅に低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。

次に、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に示すように、繊維強化複合材製の外皮１１と、この外皮１１の内側に配置される繊維強化複合材製の主桁１２と、を備えて構成されている。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１２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に示すように、長さ方向略中央部において翼根側の内翼部１３と翼端側の外翼部１４とに分割される分割構造を有している。そして、内翼部１３の翼端側端部１３ａから外方に突出してブレード長さ方向に所定長延在するように設けられた繊維強化複合材製の内翼桁１５と、この内翼桁１５を嵌合させるように外翼部１４に設けられた繊維強化複合材製の外翼桁１６と、を備えている。これら内翼桁１５及び外翼桁１６は、主桁１２と同様にＦＷ法等を採用して成形することができる。

内翼桁１５は、図２に示すように、先端になるにつれて漸次断面積が小さくなる先細円筒形状を有しており、主桁１２から内翼部１３の翼端側端部１３ａまで延在する非突出部分１５ａと、内翼部１３の翼端側端部１３ａから外方に突出して所定長延在する突出部分１５ａと、から構成されている。非突出部分１５ａの長さ及び突出部分１５ｂの長さは各々充分に取られており、かつ、略同一寸法に設定されている。また、突出部分１５ｂは、図３（ａ）に示すように、最小外径Ｄ_MIN及び最大外径Ｄ_MAXを有している。

外翼桁１６は、図２に示すように、翼端側になるにつれて漸次断面積が小さくなる先細円筒形状を有している。また、外翼桁１６は、図３（ｂ）に示すように、内翼桁１５の突出部分１５ｂの外形に対応するような内形を有している（最小内径Ｄ_MIN及び最大内径Ｄ_MAX）。このため、外翼桁１６の内部に接着剤を充填した状態（又は内翼桁１５の突出部分１５ｂの外周に接着剤を塗布した状態）で、外翼桁１６に内翼桁１５を挿入して嵌合させ、両者を接合することにより、内翼部１３と外翼部１４とを結合することができる。

また、本実施の形態においては、図１に示すように、ブレード１０の内翼部１３と外翼部１４との連結部を外側から被覆するフェアリング１７が設けられている。

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１３と翼端側の外翼部１４とに分割されているので、輸送時においてブレード１０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。このため、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、以上説明した実施の形態に係るブレード１０においては、内翼部１３の翼端側端部１３ａから外方に突出してブレード長さ方向に所定長延在するように設けられた内翼桁１５と、この内翼桁１５の突出部分１５ｂを嵌合させるように外翼部１４に設けられた外翼桁１６と、を備えている。そして、風車建設時においては、内翼桁１５と外翼桁１６との間に接着剤を介在させて内翼桁１５と外翼桁１６とを嵌合させ、両者を接合することにより、内翼部１３と外翼部１４とを結合することができる。

従って、実質的に一つの工程で内翼部１３と外翼部１４とを結合することができるので、従来の「Laminated Joint方式」のように接着に適した作業環境を長期間維持する必要がなく、ブレード１０を長期間固定して保持する必要もない。また、従来の「T-Bolt方式やEmbedded Bushing with Stud Bolt方式」のように多くの部品や工程数を要しないので、ブレード重量の増加を抑制することができる上に作業時間を短縮することができる。また、結合後における定期的な点検が不要となる。

また、以上説明した実施の形態に係るブレード１０においては、内翼部１３に設けられた内翼桁１５は先細円筒形状を有しているので、外翼桁１６への嵌合が容易となり、結合作業を効率良く行うことができる。

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１３と外翼部１４との結合部を外側から被覆するフェアリング１７が設けられるので、結合部に間隙が形成された場合においてもその間隙を被覆することができ、結合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、ブレード１０の内翼部１３の内翼桁１５を突出させ、これを嵌合させる外翼桁１６を外翼部１４に設けた例を示したが、桁のテーパ形状によっては、ブレード１０の外翼部１４の翼根側端部１４ａ（図２（ｂ）参照）から外方に突出してブレード長さ方向に所定長延在するように外翼桁を設けるとともに、この外翼桁を嵌合させる内翼桁を内翼部１３に設けることもできる。

また、以上の実施の形態においては、先細円筒形状を有する内翼桁１５及び外翼桁１６を採用したが、これら内翼桁１５及び外翼桁１６の形状はこれに限定されるものではなく、嵌合を妨げないような形状を適宜採用することができる。

また、以上の実施の形態においては、内翼桁１５及び外翼桁１６を一個ずつ設けた例を示したが、これら内翼桁１５及び外翼桁１６を各々２個以上設けることもできる。

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。（ａ）は、本発明の実施の形態に係るブレードの内翼部及び外翼部を翼弦に平行な面で切断した場合の断面図であり、（ｂ）は、本発明の実施の形態に係るブレードの内翼部及び外翼部を翼弦に垂直な面で切断した場合の断面図（図１のIIＢ−IIＢ部分の断面図）である。（ａ）は、図２に示したブレードの内翼部を矢印IIIＡ方向から見た図であり、（ｂ）は、図２に示したブレードの外翼部を矢印IIIＢ方向から見た図である。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。

符号の説明

１水平軸風車
１０ブレード
１３内翼部
１３ａ翼端側端部
１４外翼部
１４ａ翼根側端部
１５内翼桁
１６外翼桁

Claims

長さ方向中央部で翼根側の内翼部と翼端側の外翼部とに分割される水平軸風車のブレードにおいて、
前記内翼部の翼端側端部から外方に突出してブレード長さ方向に所定長延在するように設けられた内翼桁と、
前記外翼部に設けられ、前記内翼桁の前記内翼部から突出して延在した部分を嵌合させる外翼桁と、
を備えることを特徴とする水平軸風車のブレード。
長さ方向中央部で翼根側の内翼部と翼端側の外翼部とに分割される水平軸風車のブレードにおいて、
前記外翼部の翼根側端部から外方に突出してブレード長さ方向に所定長延在するように設けられた外翼桁と、
前記内翼部に設けられ、前記外翼桁の前記外翼部から突出して延在した部分を嵌合させる内翼桁と、
を備えることを特徴とする水平軸風車のブレード。