JP2005248931A

JP2005248931A - 垂直軸風車用ブレード及び垂直軸風車

Info

Publication number: JP2005248931A
Application number: JP2004064574A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Hirata; 和也平田; Hitoshi Iijima; 仁飯島
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2004-03-08
Filing date: 2004-03-08
Publication date: 2005-09-15

Abstract

【課題】長大なブレード製作時におけるブレード長手方向の分割成形を可能とし、これによりブレード製作用設備を含む製作費を低減し、更にブレードを分割することで運搬を容易にし、風車建設費の削減および風車建設に係る立地条件の緩和を図ることができる垂直軸風車用ブレード及び垂直軸風車を提供すること。
【解決手段】垂直回転軸にブレード支持部材でブレードを支持した構成の垂直軸風車に用いる垂直軸風車用ブレードであって、ブレード１２は、該ブレード１２に生じる曲げモーメントが０になる付近で分割可能な構造である。ブレード１２の曲げモーメントが０の部分では理論上曲げ荷重が生じないため、曲げ荷重に対する構造的な強度が不要であるため、ブレードの分割及び接合が可能となる。
【選択図】図６

Description

本発明は、風の持つ風力エネルギーを、機械的回転エネルギーに変換する垂直軸風車に用いる垂直軸風車用ブレード及び垂直軸風車用ブレードを用いた垂直軸風車に関するものである。

風の持つ風力エネルギーを、機械的回転エネルギーに変換する風車として、図１に示す水平軸プロペラ形風車がある。このようなプロペラ形風車において、プロペラ１００の回転中にブレード１０１に生じる荷重は、遠心力により半径方向の引張荷重、及び空気力による風下方向への曲げ荷重である。特に曲げ荷重は、ブレード１０１の先端より付け根方向に向って単調増加であり、曲げモーメント（及びそれに伴う曲げ荷重）は、ブレード１０１の付け根部分で最大となる。よって水平軸プロペラ形風車のブレード１０１は、途中で分割することが極めて困難であり、例え分割できても構造強度上、ブレード先端部の僅かな部分であった。

例えば既存の海外メーカーの大形水平軸プロペラ形風車において風車ブレードは、定格出力が１.５ＭＷのものであれば１本のブレードの全長が約３０ｍにもなる。そのうち分割できる部分は先端部の約４.５ｍの部分のみであり、残りの約２５.５ｍ部分は分割できずそのまま設置する場所まで運搬する必要があった。

上記ブレードを風車建設予定地まで運搬する際には、２０ｔトラック１台に２本のブレードしか積載できなかった。また元来、風力発電に適した場所（即ち、風況が良い場所）は僻地であることが多いため、風車運搬及び建設時の重機進入のためには、道路整備が必要であった。参考までに２０ｔトラックが風車用ブレードを２本積載し、直角に曲がるためには道幅が最低でも１１.５ｍ必要である。よって仮に風況が良い場所においても道路整備の必要性により、建設費高騰のため風車建設が不可能となる事態が散見される。

また近年、Ｃ−ＦＲＰに代表される複合材料が風車用ブレードに使用され始めている。複合材料を用いて、長大な構造物を成形・製作する際には、特別な技術及び設備が必要となるため、ブレード製作費の高騰へと繋がっている。

上述の理由から風車部材（特にブレード）を小形分割化する技術は、風車建設費の削減、風車建設予定地の確保、及びブレード製作費用の低コスト化の面より強く求められる。しかし風車回転中にブレードに生じる曲げ荷重の影響により、水平軸プロペラ形風車の運搬時のブレード分割、及び建設地での接合は、ほぼ不可能な状態であった。

また特許文献１に示すように、製作性の向上と重量削減のため、幅方向に分割できるブレードの技術は、従来から公知である。しかしながら幅方向への分割ではブレードの長さ寸法が殆ど変化しないため、運搬時の運用性向上は少なく、複合材料による成形の際の低コスト化に関しても効果が少ない。また特許文献１以外でも、風車用ブレードの長手方向（スパン方向）への分割を行う技術は見当たらない。
特開２００２−３５７１７６号公報

上記のように水平軸プロペラ形風車は建設可能な場所が限られている。そこで本願発明は水平軸プロペラ形風車に匹敵する出力規模や効率を有する風車として、垂直軸ダリウス形風車に着目し、垂直軸ダリウス形風車を使用することにより前記ブレードの分割が不可能という問題を解決した。即ち、垂直軸ダリウス形風車回転時にブレードに生じる曲げモーメント（曲げ荷重）を考慮することによって、長大なブレード製作時におけるブレード長手方向の分割成形を可能とし、これによりブレード製作用設備を含む製作費を低減し、更にブレードを分割した状態での運搬を実現して、風車建設費の削減および風車建設地の拡大を図ることができる垂直軸風車用ブレード及び垂直軸風車を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、垂直回転軸にブレード支持部材でブレードを支持した構成の垂直軸風車に用いる垂直軸風車用ブレードであって、ブレードは、該ブレードに生じる曲げモーメントが０になる付近で分割可能な構造であることを特徴とする。ブレードの曲げモーメントが０の部分では理論上曲げ荷重が生じないため、曲げ荷重に対する構造的な強度が不要であるため、ブレードの分割及び接合が可能となる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の垂直軸風車用ブレードにおいて、１本のブレードに対してブレード支持部材が２本であり、該２本のブレード支持部材が該ブレード１本の長さＬの中心振分けで０.５５Ｌ〜０.６１Ｌの間隔で該ブレードと接合している場合に、該ブレード中心振分けで０.３８Ｌ〜０.４６Ｌの部分となる一方の部分、及び／又は中心を挟んだ他方の部分で分割できることを特徴とする。仮にブレードがスパン方向に対して一様な構造であると仮定した際、風車回転中のブレードに生じる曲げモーメント分布を考慮すると、２本の支持部材を上述の範囲内の位置に配置してブレードを支持した場合には、ブレードに生じる最大曲げモーメントの絶対値が最も小さい値となり得る。その結果、前記絶対値は、ブレードの中心振分で０．３８Ｌ〜０．４６Ｌとなる範囲において０を含む比較的小さい値となるので、その範囲において、ブレード分割及び接合が可能となる。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の垂直軸風車用ブレードにおいて、１本のブレードに対してブレード支持部材が３本であり、該３本のブレード支持部のうちの１本が該ブレード中央部で、その他の２本が該ブレード中央から均等に振分けてブレード１本の長さＬに対して０.６８Ｌ〜０.７４Ｌの間隔で該ブレードと接合している場合に、ブレード中心より振分けで０.１２Ｌ〜０.１８Ｌとなる部分、及び０.５３Ｌ〜０.５９Ｌとなる部分であって、該ブレード全長Ｌに対して合計４ヶ所の該部分のうち少なくとも一つ以上の部分で分割できることを特徴とする。仮にブレードがスパン方向に対して一様な構造であると仮定した際、風車回転中のブレードに生じる曲げモーメント分布を考慮すると、３本の支持部材を上述の範囲内の位置に配置した場合、ブレードに生じる最大曲げモーメントの絶対値が最も小さい値となり得る。その結果、前記絶対値はブレードの中心振分で０．１２Ｌ〜０．１８Ｌとなる範囲及び０．５３Ｌ〜０．５９Ｌとなる範囲において、０を含む比較的小さい値となるのでその範囲においてブレード分割及び接合が可能となる。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３いずれか１項に記載の垂直軸風車用ブレードにおいて、該ブレードの分割部は滑節（ピン・ジョイント）構造であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、垂直回転軸にブレード支持部材でブレードを支持した構成の垂直軸風車において、ブレードは請求項１乃至４いずれか１項に記載のブレードであることを特徴とする。

各請求項に記載の発明によれば、下記のような優れた効果が得られる。

請求項１乃至３に記載の発明によれば、長大なブレードが製作時に長手方向の分割成形が可能であるから、ブレード製作用設備を含む製作費を低減し、ブレードを分割した状態での運搬が実現でき、風車建設費の削減および風車建設地の拡大を図ることができる。

請求項４に記載の発明によれば、ブレードの分割（接合）部に滑節構造を採用することにより、滑節構造は曲げ荷重の影響を受けないから、風車回転中に各種の予期できない擾乱を原因とする荷重がブレードに作用しても、接合（分割）部の破壊を回避することができる。

請求項５に記載の発明によれば、垂直軸風車のブレードとして、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の垂直軸風車用ブレードを用いるので、該風車の建設現場の立地条件を緩和でき、風車部品の運搬が容易となり、風車の建設費用を低減できるなど多くの利点があるので、今後のエネルギー問題解決に果たす役割が大きい。

以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。図２は垂直軸風車の一例である直線翼ダリウス形風車の模式図である。ダリウス形風車１０は、風車からの出力を回転エネルギーとして取出す回転軸１１、風を受け回転トルクを発生するブレード１２、及びブレード１２で生じた回転トルクを回転軸１１に伝えるブレード支持部材１３によって構成されている。

上記構成の直線翼ダリウス形風車が、回転中にブレード１２に発生する曲げモーメントを考える。なお、ブレード１２に発生する曲げモーメント及びそれに伴う曲げ荷重は、ブレード１２のスパン方向中心に対して上下方向に対称であるとして、今後はブレード１２のスパン方向中心からブレード１２の一方の端まで、即ちブレード１２の全長の半分に関して考慮する。また、ブレード１２はスパン方向に対して一様な外形及び内部構造であると仮定している。

直線翼ダリウス形風車の風車回転中にブレード１２に生じる曲げモーメント分布を図３に示す。図３において、横軸はブレード中心からブレードの上（下）端までの距離を示し、、縦軸は曲げモーメント／ブレード単位長さ当りの荷重Ｐ［Ｎ・ｍ／（Ｎ／ｍ）］を示す。ここで図３の曲げモーメント分布を算出する際のブレード支持部材１３の位置は、ブレード１２の最大曲げモーメントの絶対値が最も小さくなるように配置した。つまり１本のブレードに対して３本のブレード支持部材１３を、ブレード１２の中心部Ａに１本と、ブレード１２の全長Ｌに対して中心振分けで残りの２本を０．７１Ｌの間隔、即ち中心部Ａから０．３５５ＬのＢで示す部分に配置した（図３において、ブレード支持部材１３の位置をＡとＢとで示した。模式図上の配置位置は図６参照）。

また、本ブレード１２の回転中に各部に生じる単位長さ当りの荷重Ｐ［Ｎ／ｍ］は、風車の回転数及びブレード１２自身の単位長さ当りの自重により変化する。従って、図３の縦軸は、縦軸の値にブレード１２の単位長さ当りの荷重Ｐ［Ｎ／ｍ］を乗じた際に、その各部に生じる曲げモーメントＭ［Ｎ・ｍ］となるようにプロットした。換言すれば、ブレード１２のスパン方向の断面形状が同一であれば、スパン方向の単位長さ当りの重量及び荷重が同一であるため、図３はブレード１２のスパン方向の曲げモーメントＭの分布を示していると言える。ここで曲げモーメントＭの正（＋）負（−）は、図４に示すように曲げの方向の違いを規定しているだけである。図４において、ブレード１２の中心部Ａから０．０７５Ｌの位置と、ブレード１２の中心部Ａから０．２８Ｌの位置との間では正（＋）の曲げモーメントがブレード１２に作用し、それ以外の部分では負（−）の曲げモーメントがブレード１２に作用する。また、ブレード１２には支持部材１３により引張荷重Ｆが作用する。

ブレード１２のような梁構造部材に曲げモーメントＭが発生する場合に、ブレード１２の各部に生じる曲げ荷重σは、断面係数Ｚを用いて次式（１）で示すことができる。
σ＝Ｍ／Ｚ（１）
前述のようにここでは、ブレード１２のスパン方向に一様なブレード（スパン方向に対して同一の断面係数）を仮定しているため上記式（１）より、図３はブレード１２の回転中の曲げ荷重分布を示しているとも言える。

また、図２に示す構成の垂直軸ダリウス形風車１０が回転している際に、ブレード１２に生じる荷重を模式的に図５に示す。図５（ａ）に示すようにブレード１２が回転しブレード支持部材１３にブレード単位長さ当りの荷重Ｐの反力として引っ張り荷重Ｆが作用すると、ブレード１２に生じる単位長さ当りの荷重Ｐはブレード１２に前記荷重Ｆと共に曲げ荷重として作用することによって、ブレード１２には引っ張り荷重Ｗｔと、圧縮荷重Ｗｐが対になって生じる。ここで曲げ荷重の向きが変曲する（曲げ荷重が０）位置では、ブレード１２は引っ張り荷重も、圧縮荷重も作用していないことがわかる。つまり曲げ荷重が０の位置では強度部材は殆ど不要となり、ブレード１２の回転中において該曲げ荷重０の位置における破壊の危険性が極めて小さいことが予想される。よって、曲げモーメントが０になる位置、又はその近傍の位置でブレード１２に分割構造を施し、ブレード１２の分割・接合を行っても風車回転時における破壊の危険性は小さくなる。

図３から理解されるように、１本のブレード１２を３本のブレード支持部材１３で支持した場合、曲げモーメントが０になる近傍でブレード１２を５分割することが可能である。図６は１本のブレード１２を３本のブレード支持部材１３で支持する場合のブレード支持部材１３の配置、及びブレード１２の分割位置を模式的に示す図である。図６に示すように、１本のブレード１２を３本のブレード支持部材１３で支持する場合、ブレード支持部材１３の１本はブレード１２の中央部に、他の２本が該ブレード１２の中央から均等に振分けてブレード１２の長さＬに対して０.７１の間隔で該ブレード１２と接合している場合に、ブレード中心より振分けで０.１５Ｌとなる部分、及び０.５６Ｌとなる部分で、該ブレード１２を分割する。即ち、全長Ｌに対して合計４ヶ所の分割・接合部１４で分割している。

また、垂直軸ダリウス形風車１０を図７に示すように、１本のブレード１２を２本のブレード支持部材１３で支持するように構成した場合の回転中にブレード１２に生じる曲げモーメント分布を図８に示す。図７に示す垂直軸ダリウス形風車１０も図２に示す垂直軸ダリウス形風車１０と同様に、ブレード１２のスパン方向の外形及び断面形状は同一と仮定した。ここで図８の曲げモーメント分布を算出する際のブレード支持部材１３の位置Ｃは、ブレード１２の最大曲げモーメントの絶対値が最も小さくなるように、１本のブレード１２に対して２本のブレード支持部材１３をブレード１２の全長Ｌに対して中心振分けで０．５８６Ｌの間隔、即ち中心部０から０．２９３Ｌ離れた部分で配置した（配置図は図９参照）。図８の縦軸と横軸の様式は、図３と同様である。図８より１本のブレード１２を２本のブレード支持部材１２で支持した場合には、曲げモーメントが０になる点（０．２０８Ｌ）近傍でブレード１２を分割することが可能である。

また、垂直軸ダリウス形風車１０が回転中に各種の予測できない擾乱を原因とした荷重がブレードに発生する場合を想定して、ブレードに施す分割構造は、曲げ荷重の影響を受けない図１０に示すような滑節（ピン・ジョイント）構造が望ましい。即ち、ブレード１２の分割・接合部１４は図１０に示すように、分割した一方のブレード１２の端部に１個の接合部材１５を取付け、他方のブレード１２の端部に２個の接合部材１７、１７を接合部材１５の厚さ分の間隔を設けて取付け、接合部材１７と接合部材１７の間に接合部材１５を挿入し、接合部材１７、１５、１７に設けたピン挿入孔１７ａ、１５ａ、１７ａにピン１６を挿入して両ブレード端部を接合（連結）する。

図１１は水平軸プロペラ形風車が回転中にブレードに生じる曲げモーメント分布を示す。図１１の縦軸は図３及び図８と同様に、縦軸の値にブレード単位長さ当りの荷重Ｐ〔Ｎ／ｍ〕を乗じた際に、その各部に生じる曲げモーメントＭ〔Ｎ・ｍ〕となるようにプロットした。また、横軸はブレード付け根から先端までの距離を示す。図１１から分るように、水平軸プロペラ形風車の回転中に生じる曲げモーメントは、ブレード先端から付け根方向に向かって単調に増加する。従って、曲げモーメントの変曲点（曲げモーメントが０点）が、ブレードの先端以外に存在しない。つまり水平軸プロペラ形風車のブレードを分割するのは、曲げ荷重に対する強度的な問題により、ブレード先端部近傍に限られる。よってブレードの分割成形や、風車運搬時のブレードの分割が困難であるため、ブレード製作コスト、運送コストが風車の建設コストの高騰の原因となっている。

以上本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。

水平軸プロペラ水車形風車の外観図である。垂直軸ダリウス形風車模式図である。垂直軸ダリウス形風車のブレードの曲げモーメント分布を示す図である（ブレード支持部材が３本）。垂直軸ダリウス形風車のブレードの曲げモーメントの向きを示す図である。風車回転中にブレードに生じる荷重を示す図である。ブレード支持部材の位置とブレードの分割位置を示す図である（ブレード支持部材が３本）。垂直軸ダリウス形風車模式図である。垂直軸ダリウス形風車のブレードの曲げモーメント分布を示す図である（ブレード支持部材が２本）。ブレード支持部材の位置とブレードの分割位置を示す図である（ブレード支持部材が２本）。ブレードの分割・接合部の構造（滑節、即ちピンジョイント構造）を示す図である。水平軸プロペラ形風車のブレードの曲げモーメント分布を示す図である。

符号の説明

１０ダリウス風車
１１回転軸
１２ブレード
１３ブレード支持部材
１４分割・接合部
１５接合部材
１６ピン
１７接合部材

Claims

垂直回転軸にブレード支持部材でブレードを支持した構成の垂直軸風車に用いる垂直軸風車用ブレードであって、
前記ブレードは、該ブレードに生じる曲げモーメントが０になる付近で分割可能な構造であることを特徴とする垂直軸風車用ブレード。
請求項１に記載の垂直軸風車用ブレードにおいて、
１本の前記ブレードに対して前記ブレード支持部材が２本であり、該２本のブレード支持部材が該ブレード１本の長さＬの中心振分けで０.５５Ｌ〜０.６１Ｌの間隔で該ブレードと接合している場合に、該ブレード中心振分けで０.３８Ｌ〜０.４６Ｌの部分となる一方の部分、及び／又は中心を挟んだ他方の部分で分割できることを特徴とする垂直軸風車用ブレード。
請求項１に記載の垂直軸風車用ブレードにおいて、
１本の前記ブレードに対して前記ブレード支持部材が３本であり、該３本のブレード支持部材のうちの１本が該ブレード中央部で、その他の２本が該ブレード中央から均等に振分けてブレード１本の長さＬに対して０.６８Ｌ〜０.７４Ｌの間隔で該ブレードと接合している場合に、ブレード中心より振分けで０.１２Ｌ〜０.１８Ｌとなる部分、及び０.５３Ｌ〜０.５９Ｌとなる部分であって、該ブレード全長Ｌに対して合計４ヶ所の該部分のうち少なくとも一つ以上の部分で分割できることを特徴とする垂直軸風車用ブレード。
請求項１乃至３いずれか１項に記載の垂直軸風車用ブレードにおいて、
該ブレードの分割部は滑節（ピン・ジョイント）構造であることを特徴とする垂直軸風車用ブレード。
垂直回転軸にブレード支持部材でブレードを支持した構成の垂直軸風車において、
前記ブレードは請求項１乃至４いずれか１項に記載のブレードであることを特徴とする垂直軸風車。