JP2005240783A

JP2005240783A - 風車翼

Info

Publication number: JP2005240783A
Application number: JP2004055346A
Authority: JP
Inventors: Takao Kuroiwa; 隆夫黒岩; Toshiyuki Hirano; 敏行平野; Eiji Kato; 英司加藤
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2004-02-27
Publication date: 2005-09-08

Abstract

【課題】十分、実用に耐え得る強度を有し、重量増をもたらさない分割構造の風車翼を提案することを目的とする。
【解決手段】風車翼（１）の背側と腹側との外表面を形成する２枚のブレード板（２、３）と、同ブレード板（２、３）で囲まれる区画内の風車翼長手方向に縦通する桁材（４）とで構成され、先端部（１ｂ）と基端部（１ａ）に分割されたＦＲＰ製の風車翼であって、前記ブレード板（２、３）の分割部に金属製の接合部材（５）が、風車翼の長手方向に沿ってコード長方向に延在してそれぞれ固定されていることを特徴とする風車翼。
【選択図】図３

Description

本発明は、風力発電等に用いる風車の風車翼に関する。

風力により回転する風車の回転エネルギを電気エネルギに変換する風力発電装置は、燃料をまったく必要としないクリーンな発電装置として脚光を浴びている。

図１２に示す風力発電装置に用いる風車Ａは、近年、その発電効率の向上および発電量の増大を図るために大型化しているが、風車翼１の翼長Ｌを４０メートル以上の大型翼とした場合、それを一体で搬送することは困難であった。また、搬送上の困難さを避けるためには、風車翼１を分割構造とすればよいが、風車翼は、多くの場合、軽量化を図るためＦＲＰ（ＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓ）製であり、分割構造を採用した場合、その接合構造部の強度、剛性不足をきたす不具合等から、分割構造のＦＲＰ製の風車翼の提案は、これまでされていなかった。

分割構造の風車翼を一体的に接続する場合には、繊維樹脂層を多数回、積層して接続する方法と、接着剤により接続する方法とがあるが、前者は手間がかかると共に板厚が増すことによる重量増をもたらす不具合があり、後者は、十分な強度確保が困難である不具合がある。

従来、ＦＲＰと金具との異種材の締結方法として、ＦＲＰと金具を接着樹脂で締結し、ねじ締めする締結方法が提案（例えば、特許文献１参照）されているが、この締結方法では分割構造の風車翼相互を、ぐらつきなく確実に固定接合することは不十分である。
特開平９−１５８９１８号公報（図１）

本発明は上記に鑑み、十分、実用に耐え得る強度を有し、重量増をもたらさない分割構造の風車翼を提案することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するために、以下の（１）〜（５）手段を採用する。

（１）第１の手段にかかる風車翼は、風車翼の背側と腹側との外表面を形成する２枚のブレード板と、同ブレード板で囲まれる区画内の風車翼長手方向に縦通する桁材とで構成され、先端部と基端部に分割されたＦＲＰ製の風車翼であって、前記ブレード板の分割部に金属製の接合部材が、風車翼の長手方向に沿ってコード長方向に延在してそれぞれ固定されていることを特徴とするものである。

ＦＲＰ製の風車翼の分割部に金属製の接合部材を採用しているので、接合部材相互の連結固定には、汎用の固定手段を採用できる。また、ブレード板に固定されている接合部材は、風車翼の長手方向に沿って設けられているので、風車翼の先端部と基端部とを一体にした場合、風車翼に加わる応力は、風車翼の先基端部の全体に伝えられることになり耐強度が増す。

（２）第２の手段にかかる風車翼は、風車翼の背側と腹側との外表面を形成する２枚のブレード板と、同ブレード板で囲まれる区画内の風車翼長手方向に縦通する桁材とで構成され、先端部と基端部に分割されたＦＲＰ製の風車翼であって、前記ブレード板および前記桁材の分割部に金属製の接合部材が、風車翼の長手方向に沿ってコード長方向に延在してそれぞれ固定されていることを特徴とするものである。

ＦＲＰ製の風車翼の分割部に金属製の接合部材を採用しているので、接合部材相互の連結固定には、汎用の固定手段を採用できる。また、ブレード板および桁材に固定されている接合部材は、風車翼の長手方向に沿って設けられているので、風車翼の先端部と基端部とを一体にした場合、風車翼に加わる応力は、風車翼の先基端部の全体に伝えられることになり耐強度が増す。

（３）第３の手段にかかる風車翼は、第２の手段に係る風車翼において、前記桁材の分割部に位置する何れか一方の前記ブレード板側に、前記桁材の分割部を覆う長さ幅の覆いブレード板を有し、同覆いブレード板の両端およびそれに接続する前記ブレード板の分割部に金属製の接合部材が、風車翼の長手方向に沿ってコード長方向に延在してそれぞれ固定されていることを特徴とするものである。

一方のブレード板側に桁材の分割部を覆う長さ幅の覆いブレード板を有しているので、狭隘である桁材の分割部の連結固定作業が、風車翼の外側となる一方のブレード板側から容易に行い得る。

（４）第４の手段にかかる風車翼は、第１の手段ないし第３の手段の何れかに係る風車翼において、前記接合部材の先端部相互を溶接またはボルト止めにより固定することで、分割構造の風車翼を一体化することを特徴とするものである。
金属製の接合部材であるので、溶接やボルト構造を採用でき確実な固定が行い得る。

（５）第５の手段にかかる風車翼は、第１の手段ないし第４の手段の何れかに係る風車翼において、前記接合部材の基端部に設けられている開口に、前記分割部よりの繊維を通して巻きかけて、同繊維および前記接合部材の基端部を樹脂成型することで、前記分割部に前記接合部材が固定されていることを特徴とするものである。

接合部材は風車翼の分割部からの繊維と共に樹脂成型されているので、接合部材と風車翼とは、十分な強度を有して固定される。
なお、上記繊維としては、ガラス繊維、カーボン繊維、ケプラ繊維（ポリエステル樹脂繊維）等があり、繊維を織った織物をも含む概念のものである。

第１の手段よりなる請求項１に記載の風車翼は、風車翼の背側と腹側との外表面を形成する２枚のブレード板と、同ブレード板で囲まれる区画内の風車翼長手方向に縦通する桁材とで構成され、先端部と基端部に分割されたＦＲＰ製の風車翼であって、前記ブレード板の分割部に金属製の接合部材が、風車翼の長手方向に沿ってコード長方向に延在してそれぞれ固定されているので、風車翼の設置現地までの搬送時には分割状態の短い翼長で容易に搬送できる。また、先端部と基端部とを接合した一体の風車翼に加わる回転稼動時の応力荷重は、金属製の接合部材を介してブレード板の風車翼の長手方向に伝えられることになり、十分な耐強度が得られる。

第２の手段よりなる請求項２に記載の風車翼は、風車翼の背側と腹側との外表面を形成する２枚のブレード板と、同ブレード板で囲まれる区画内の風車翼長手方向に縦通する桁材とで構成され、先端部と基端部に分割されたＦＲＰ製の風車風車翼であって、前記ブレード板および前記桁材の分割部に金属製の接合部材が、風車翼の長手方向に沿ってコード長方向に延在してそれぞれ固定されているので、風車翼の設置現地までの搬送時には分割状態の短い翼長で容易に搬送できる。また、先端部と基端部とを接合した一体の風車翼に加わる回転稼動時の応力荷重は、金属製の接合部材を介してブレード板および桁材の風車翼長手方向に沿い伝えられることになり、十分な耐強度が得られる。

第３の手段よりなる請求項３に記載の風車翼は、第２の手段に係る風車翼において、前記桁材の分割部に位置する何れか一方の前記ブレード板側に、前記桁材の分割部を覆う長さ幅の覆いブレード板を有し、同覆いブレード板の両端およびそれに接続する前記ブレード板の分割部に金属製の接合部材が、風車翼の長手方向に沿ってコード長方向に延在してそれぞれ固定されているので、風車翼の先端部と基端部とを接合するのに際して、覆いブレード板を最後に接続することで、狭隘な区画内にある桁材の分割部の接合が、作業環境が良い外部より容易に施工することができる。

第４の手段よりなる請求項４に記載の風車翼は、第１の手段ないし第３の手段の何れかに係る風車翼において、前記接合部材の先端部相互を溶接またはボルト止めにより固定することで、分割構造の風車翼を一体化するものであり、風車翼の先端部と基端部とを強固に接合できる。

第５の手段よりなる請求項５に記載の風車翼は、第１の手段ないし第４の手段の何れかに係る風車翼において、前記接合部材の基端部に設けられている開口に、前記分割部よりの繊維を通して巻きかけて、同繊維および前記接合部材の基端部を樹脂成型することで、前記分割部に前記接合部材が固定されているので、異種材接合である風車翼の各分割部と接合部材との接合が強固に行い得、実用に耐えうる強度の風車翼が得られる。

本発明を実施するための最良の形態を、図１ないし図１１に示す実施例に基づき説明する。

図１は風車翼の平面図、図２は図１のＸ−Ｘ矢視に沿う拡大断面図、図３は図１の一点鎖線丸部分で示す分割部のＹ矢視方向からの（および図２のＹ−Ｙ矢視に沿う）拡大断面図である。

図１ないし図３に示す風車翼１はその背側のブレード板２と、風車翼１の腹側のブレード板３とで、その外表面を形成されており、同２枚のブレード板２、３で囲まれる区画内には、風車翼１の長手方向に縦通する１本または複数本の桁材４が設けられている。また、ブレード板２、３および桁材４は何れもＦＲＰ製である。風車翼１は、その長手方向を横断する面１ｄで、先端部１ｂと基端部１ａとに２分割されていて、先端部１ｂと基端部１ａとの分割部の、対向するブレード板２、３板厚内および桁材４の板厚内には、金属製（アルミまたは鋼製）の接合部材５が、風車翼の長手方向Ａに沿ってコード長方向Ｃに延在してそれぞれ固定されている。また、図１中、１ｃは風車のロータとの固定部である。

ＦＲＰ製のブレード板２、３内部の繊維６は、主として風車翼１の長手方向に向けて埋設されており、また、ＦＲＰ製の桁材４内部の繊維６は主として図３に示す通り交差して埋設されている。ブレード板２、３および桁材４の分割端部に設けている接合部材５は、後述する図７と同様の接合手順により樹脂で固めて固定されていて、接合部材５の基端部に設けられている開口５ａに、繊維６を通して巻きかけて、繊維６および接合部材５の基端部を樹脂成型することで、上記分割部に、接合部材５が、風車翼１の長手方向Ａに沿ってコード長方向Ｃに延在してそれぞれ固定されている。本実施例の繊維６は、カーボン繊維であるが、その材質はガラスやケプラ等のＦＲＰ汎用材でよく、また、織物でもよい。

桁材４には長矩形状の複数の開口５ａが、その長辺が桁材４内にて交差して延設する繊維６の個々と直交する方向に、交互に向きを変えて配設してあり、できるだけ多くの繊維６端を、開口５ａに巻きかけられるように配設している。開口５ａをこのように配設すれば、開口５ａに繊維６を通して巻きかけた時に、繊維６が、開口５ａの一辺に対し真直ぐ巻きつけることができ、引っ張り応力に対し最も耐強度が増す。

風車の設置場所である現地までは、風車翼１の先端部１ｂと基端部１ａとに分割した短い状態で搬送し、現地にて先端部１ｂと基端部１ａとを結合する。結合は先端部１ｂと基端部１ａとを正規位置に対向設置し、ブレード板２およびブレード板３の対向する接合部材５相互を溶接Ｗすると共に、桁材４の対向する接合部材５相互を溶接Ｗする。溶接完了後、ブレード板２間の隙間Ｂおよびブレード板３間の隙間に合成樹脂を塗りこんで、ブレード板２およびブレード板３の風車翼１の外表面を平らにすれば風車翼の一体化が完了する。

上記実施例によれば、風車の設置現地までの搬送時には、風車翼１の先端部１ｂと基端部１ａとの２分割状態の短い翼長で容易に搬送できる。また、先端部１ｂと基端部１ａとを接合した一体の風車翼１に加わる回転稼動時の応力荷重は、金属製の接合部材５を介してブレード板２、３および桁材４の、風車翼１の長手方向に沿い伝えられることになり、十分な耐強度が得られる。また、当然ながら対向する接合部材５相互は同種の金属であり、溶接が容易であり、十分な強度確保が得られる。なお、同左溶接はアーク熱溶接のほか、摩擦撹拌接合溶接などで行ってもよい。

図４に示す実施例のものは、図３に示す第１実施例に比べ、風車翼１の背側のブレード板２の構成が相違するものであり、先端部１ｂと基端部１ａとに分割した風車翼１の結合作業を容易にするための構造の提案に係るものである。この分割構造翼は、桁材４の分割部に位置する背側の対向するブレード板２間に、桁材４の分割部（溶接Ｗ部）を覆う長さ幅の覆いブレード板２Ａを設けたものである。この覆いブレード板２Ａの両端およびそれに接続するブレード板２の分割部には金属製の接合部材５が、風車翼の長手方向Ａに沿ってコード長方向Ｃに延在してそれぞれ固定されている。

本実施例の風車翼の先端部１ｂと基端部１ａとを接合する場合には、まず、腹側のブレード板３および桁材４の接合部材５相互を溶接Ｗし、その周辺区画内部の塗装等の養生作業を完了した後、背側のブレード板２間に覆いブレード板２Ａを配置し、ブレード板２および覆いブレード板２Ａとの２箇所の溶接Ｗ接合を行えばよい。このように、覆いブレード板２Ａを最後に接続することで、背側および腹側のブレード板２、３に囲まれた狭隘な区画内にある桁材４の分割部の溶接Ｗ接合が、作業環境が良い外部より容易に施工することができると共に、腹側のブレード板３の溶接Ｗが下向き姿勢で行い得る効果がある。大型の風車翼に分割部を設けた場合であっても、その区画内部は狭隘であり、多くの場合、作業者が入れるだけの空間はなく、桁材４の対向する接合部材５相互の溶接Ｗ結合が容易に行い得る本実施例効果は大きい。

図５に示す実施例のものは、桁材４に加わる負担応力を背側と腹側のブレード板２、３に伝える構造としたことで、桁材４の連結部を無くしたものである。ブレード板２、３の、対向する接合部材５相互の連結はボルトナット８により行っている。また、背側のブレード板２への接合部材５の固定は上記実施例と同様に、繊維６を巻きかけて樹脂で固めて固定しているが、腹側のブレード板３への接合部材５の固定はボルトねじ７止めにより行っている。

図６に示す実施例のものは、ＦＲＰ製のブレード板２の分割端部を厚肉にして強度を高め、ブレード板２に接合部材５をボルトねじ７にて固定したものを示し、また、ブレード板２上面に段部を設け、接合部材５との接合面が平らになるように構成したものである。

図７（ａ）（ｂ）により、上記ブレード板２等のＦＲＰ製部材に、異種材である金属製部材を固定する、繊維複合材（繊維強化プラスチック・ＦＲＰ）と異種材との接合方法を説明する。なお、図示の付番は、便宜上、上記実施例で用いたものと同付番を用いて説明する。まず、図７（ａ）に示すように、繊維（織物）６（ガラスファイバー、カーボンファイバー、ポリエステル樹脂ファイバーなど）を、金属等の異種材５Ａ（図５での接合部材５に相当する）に予め設けておいた開口５ａに通して巻きかけた状態で、型枠Ｋ内に置き、粘性状の樹脂を流し込んで、異種材５Ａの開口５ａおよびその基端部ならびに繊維６を覆い固める。この接続方法によれば、繊維複合材２Ｂ（図５でのブレード板２に相当する）と異種材５Ａとの接合が強固に固定できる。このように、最初から繊維６と異種材５Ａとを並置しておいて、その部分に樹脂を流し込めば、両者の一体成形が行い得る。上述の風車翼の各実施例１〜４のものも同様の手順で、ＦＲＰ製の風車翼の先基端部１ｂ、１ａの個々の製造時に、接合部材５と一体成形している。

なお、風車翼１の分割は上記実施例の２分割またはそれ以上の分割であっても同様の分割構造でよい。また、図１に示す風車翼１の分割面１ｄは、斜めに傾斜する分割面１ｅまたは階段状の分割面１ｆとして、接合面積を大きくして更に強度確保を図ってもよい。要するに、風車翼を先端部と基端部とに分割する分割面は風車翼１の長手方向を横断する方向の分割面であればよい。

図８ないし図１１に示すものは、繊維複合材と異種材との種々の接合構造事例を示すものであり、図８（ａ）、図９（ａ）（ｂ）、図１０はそれぞれ側断面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）の平面図、図１１は平面図である。

図８ないし図１１において、６はカーボンファイバー、ガラスファイバー、ケプラファイバー等の繊維（または織物）であり、図中、樹脂により、繊維複合材２Ｂと一体化されている。５はアルミや鋼等の金属、要するに繊維複合材とは異種の材料である異種材を示す。異種材５には矩形状の開口５ａが設けられている。この開口５ａの形状は要するに繊維６を通すことができる開口であればよく、円、楕円、矩形の角を円弧状にしたものなど、どのような形状でもよい。

図８ないし図１１に示すものは何れも、異種材５Ａの基端部に設けられている開口５ａに、繊維６を通して巻きかけて、同繊維６および異種材５Ａの基端部を樹脂により固化成型することで、異種材５と繊維複合材（ＦＲＰ材）２Ｂとを接合したものである。

図９（ａ）に示すものは、図８での開口５ａ部における応力集中を軽減するために、開口５ａ部の角を、斜めにした傾斜部５ｂを設けたものであり、繊維６に発生する応力が軽減され強度が増加する。なお、傾斜部５ｂは円弧あるいは曲線状としてもよい。図９（ｂ）に示すものは、異種材５Ａの端部における応力集中を軽減するために端部５ｃを斜めに形成している。なお、端部５ｃの形状は円弧あるいは曲線状としてもよい。また、図９に示すものは、異種材５Ａの端部における応力集中を軽減するために、異種材５Ａの端部に、おおよそ三角状の詰め物５ｄを挿入している。

図１０に示すものは、異種材５Ａと、繊維６と樹脂とで構成される繊維複合材との厚みをなるべく等しくするために、繊維６が接する異種材５Ａの部分の板厚を薄くし、複数枚の異種材５Ａを用いた事例を示し、複数枚の異種材５Ａ相互は結合材９により結合されている。

図１１に示すものは、異種材５Ａに設ける開口として、繊維６を容易に通すため、異種材５Ａに切り込み５ｆを設けたものを示し、繊維６を押さえるための押さえ部材１０を取り付けている。

上述した図８ないし図１１に示すものによれば、繊維複合材と異種材料との接合が、従来の接着やボルトを用いずに、かつ、接着やボルトによる接合よりも接合強度がはるかに高い接合が行い得るものである。

また、本発明は上記実施例１ないし４に限定されるものではなく必要に応じ、適宜設計変更し得るものである。また、上記実施例における各構成要素には、当業者が容易に想定できるものや、実質的に同一のものが含まれる。

本発明に係る風車翼の平面図である。図１のＸ−Ｘ矢視に沿う拡大断面図である。図１および図２のＹ矢視からの実施例１の拡大断面図である。本発明の実施例２の断面図である。本発明の実施例３の断面図である。本発明の実施例４の斜視図である。（ａ）（ｂ）は本発明に係る接合手順を説明する断面説明図である。（ａ）は本発明に係る接合構造の断面図である。（ｂ）は（ａ）の平面図である。（ａ）（ｂ）はそれぞれ本発明に係る接合構造の断面図である。本発明に係る接合構造の断面図である。本発明に係る接合構造の平面図である。風車の全体図である。

符号の説明

１風車翼
２、３ブレード板
４桁材
５接合部材
５ａ開口
Ｗ溶接

Claims

風車翼の背側と腹側との外表面を形成する２枚のブレード板と、同ブレード板で囲まれる区画内の風車翼長手方向に縦通する桁材とで構成され、先端部と基端部に分割されたＦＲＰ製の風車翼であって、前記ブレード板の分割部に金属製の接合部材が、風車翼の長手方向に沿ってコード長方向に延在してそれぞれ固定されていることを特徴とする風車翼。
風車翼の背側と腹側との外表面を形成する２枚のブレード板と、同ブレード板で囲まれる区画内の風車翼長手方向に縦通する桁材とで構成され、先端部と基端部に分割されたＦＲＰ製の風車翼であって、前記ブレード板および前記桁材の分割部に金属製の接合部材が、風車翼の長手方向に沿ってコード長方向に延在してそれぞれ固定されていることを特徴とする風車翼。
前記桁材の分割部に位置する何れか一方の前記ブレード板側に、前記桁材の分割部を覆う長さ幅の覆いブレード板を有し、同覆いブレード板の両端およびそれに接続する前記ブレード板の分割部に金属製の接合部材が、風車翼の長手方向に沿ってコード長方向に延在してそれぞれ固定されていることを特徴とする請求項２に記載の風車翼。
前記接合部材の先端部相互を溶接またはボルト止めにより固定することで、分割構造の風車翼を一体化することを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れかに記載の風車翼。
前記接合部材の基端部に設けられている開口に、前記分割部よりの繊維を通して巻きかけて、同繊維および前記接合部材の基端部を樹脂成型することで、前記分割部に前記接合部材が固定されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れかに記載の風車翼。