JP2011137386A5

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Publication number: JP2011137386A5
Application number: JP2009296146A
Authority: JP
Filing date: 2009-12-25
Publication date: 2013-03-28

Description

風車回転翼

本発明は、風力発電用風車を構成する風車回転翼に関するものである。

風車回転翼としては、例えば、特許文献１に開示されたものが知られている。

国際公開第２００８／０８６８０５号

また、図７に示すように、近年では、軽量性と強度の両方の要求を満たすスパーキャップ構造を有する風車回転翼１００が提案されている。風車回転翼１００は、外皮材１１と、前縁サンドイッチ材１２と、主強度材（スパーキャップ材）１０１と、後縁サンドイッチ材１４と、シアウェブ（桁材）１５と、内皮材１７とを備えている。前縁サンドイッチ材１２と後縁サンドイッチ材１４は、外皮材１１と内皮材１７をスキン材とし、ＰＶＣ等の樹脂の発泡体や、バルサ等の木材をコア材とするサンドイッチ構造を有している。
なお、図７中の符号１６は、主強度材１０１とシアウェブ１５とを接続（連結）する接着剤である。

しかしながら、このような風車回転翼１００では、風車回転翼１００の平面視形状（外形状と各部材の寸法）が翼長手方向に変化することにあわせて、繊維メーカーから納入された一定幅の強化繊維シート（例えば、ガラス繊維織物、ガラス繊維プリプレグ、炭素繊維織物、炭素繊維プリプレグ）から長手方向に幅が変化するシートを複数枚切出して、この切出された複数枚のシートを積み重ねることで主強度材１０１を作製している。そのため、切り落とされた素材が無駄に廃棄されることになり、製造コストが高騰してしまうといった問題点があった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、主強度材（スパーキャップ材）を作製する際の素材の無駄をなくすことができ、製造コストを低減させることができる風車回転翼を提供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、以下の手段を採用した。
本発明に係る風車回転翼は、繊維強化プラスチックで形成された外皮材と、該外皮材の背側および腹側の内面に配置された主強度材と、該主強度材間に配置された桁材とを有する風車回転翼であって、前記主強度材は、長手方向に一定幅の強化繊維シートが積み重なって形成されており、前記主強度材を構成する前記強化繊維シートの積層枚数は、当該風車回転翼の長手方向の位置において必要とされる強度に応じて選択されている。

本発明に係る風車回転翼によれば、繊維メーカーから納入された一定幅の強化繊維シートを単に積み重ねることにより主強度材が形成（構成）されるので、主強度材を作製する際の素材の無駄をなくすことができ、製造コストを低減させることができる。
また、本発明に係る風車回転翼によれば、主強度材として必要な強度が確保されることとなるので、フラップ方向（背腹方向）の荷重に対する主強度材の脆性破壊、疲労破壊および座屈を防止することができる。

上記風車回転翼において、前記桁材を構成する前縁側に配置された桁材と後縁側に配置された桁材との間隔が、翼の根元側から先端側にかけて徐々に、かつ、線形的に狭くなるようにして前記桁材が配置されているとさらに好適である。
ここで、「翼の根元側」とは、ローターヘッドに取り付けられる翼の一端側のことであり、「翼の先端側」とは、ローターヘッドに取り付けられた際に自由端となる翼の他端側のことである。

このような風車回転翼によれば、従来、（翼長手方向に変化する）風車回転翼の幅を考慮して翼の根元側から先端側にかけて非線形に変化させていた、前縁側に配置された桁材と後縁側に配置された桁材との間隔を、線形変化とすることができ、桁材を主強度材に取り付ける（接着する）ための、桁材をガントリーと呼ばれる専用の治具に固定する際の位置決め作業が、容易、かつ、速やかに行われることとなるので、製造作業に要する時間を短縮することができ、生産性を向上させることができる。

上記風車回転翼において、前記桁材が、翼の根元側から先端側にかけてねじられることなく配置されているとさらに好適である。

このような風車回転翼によれば、従来、風車回転翼の性能向上や騒音低減のために実施されている翼長手方向軸周りの翼断面のねじりを考慮して桁材も翼の根元側から先端側にかけてねじられた形状としていたが、この桁材のねじりが不要となるので、桁材を作製するときに使用する型の製作コストを低減することができ、また、桁材を従来よりも容易、かつ、速やかに作製することができる。
ここで、「ねじり」とは、風車回転翼における迎え角を翼の先端（翼端）に行くに従い次第に増加させる「捩り上げ」または風車回転翼における迎え角を翼の先端（翼端）に行くに従い次第に減少させる「捩り下げ」のことである。
また、桁材を主強度材に取り付ける（接着する）ための、桁材をガントリーと呼ばれる専用の治具に固定する際の位置決め作業が、より容易、かつ、速やかに行われることとなるので、製造作業に要する時間をさらに短縮することができ、生産性をさらに向上させることができる。

本発明に係る風力発電用風車は、主強度材を作製する際の素材の無駄をなくすことができ、製造コストを低減させることができる風車回転翼を具備している。

本発明に係る風力発電用風車によれば、地球環境問題に貢献することができて、製造コストを低減させることができる。

本発明に係る風車回転翼によれば、主強度材を作製する際の素材の無駄をなくすことができ、製造コストを低減させることができるという効果を奏する。

本発明の第１実施形態に係る風車回転翼を具備した風力発電用風車を示す側面図である。本発明の第１実施形態に係る風車回転翼の平面図である。図２のＡ−Ａ矢視断面図である。図２のＢ−Ｂ矢視断面図である。本発明の第１参考実施形態に係る風車回転翼の平面図である。本発明の第２実施形態に係る風車回転翼の平面図である。従来の風車回転翼を示す断面図であって、図３と同様の図である。

以下、本発明に係る風車回転翼の第１実施形態について、図１から図４を参照しながら説明する。
図１は本実施形態に係る風車回転翼を具備した風力発電用風車を示す側面図、図２は本実施形態に係る風車回転翼の平面図、図３は図２のＡ−Ａ矢視断面図、図４は図２のＢ−Ｂ矢視断面図である。
なお、図面の簡略化を図るため、図２および図４において、風車回転翼の翼根（根元）から翼端（先端）にかけてのねじり上げ（迎え角が翼根から翼端にかけて徐々に大きくなる翼のねじれ）については考慮（図示）していない。また、図４には、背側に位置するスパーキャップ材のみを示している。

図１に示すように、風力発電用風車１は、基礎Ｂ上に立設される支柱（「タワー」ともいう。）２と、支柱２の上端に設置されるナセル３と、略水平な軸線周りに回転可能にしてナセル３に設けられるローターヘッド４とを有している。
ローターヘッド４には、その回転軸線周りに放射状にして複数枚（例えば、３枚）の風車回転翼５が取り付けられている。これにより、ローターヘッド４の回転軸線方向から風車回転翼５に当たった風の力が、ローターヘッド４を回転軸線周りに回転させる動力に変換されるようになっている。

支柱２は、複数個（例えば、３個）のユニット（図示せず）を上下に連結した構成とされている。
また、ナセル３は、支柱２を構成するユニットのうち、最上部に設けられるユニット上に設置されており、支柱２の上端に取り付けられるナセル台板（図示せず）と、このナセル台板を上方から覆うカバー６とを有している。

図３に示すように、風車回転翼５は、軽量性と強度の両方の要求を満たすスパーキャップ構造とされており、外皮材１１と、前縁サンドイッチ材１２と、スパーキャップ材（主強度材）１３と、後縁サンドイッチ材１４と、シアウェブ（桁材）１５と、内皮材１７とを備えている。

外皮材１１、スパーキャップ材１３および内皮材１７はそれぞれ、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）で形成（構成）されている。スパーキャップ材１３は、強化繊維シートを多層に積層した部材であり、風車回転翼５の背側（図３において上側）と腹側（図３において下側）とにそれぞれ一つずつ設けられている。また、スパーキャップ材１３とシアウェブ１５とは、常温で硬化する接着剤１６を介して接続（連結）されている。

前縁サンドイッチ材１２および後縁サンドイッチ材１４はそれぞれ、外皮材１１と内皮材１７をスキン材とし、ＰＶＣ等の樹脂の発泡体や、バルサ等の木材をコア材とするサンドイッチ構造を有している。
そして、このようなスパーキャップ構造では、主として、強化繊維シートを多層に積層した部材であるスパーキャップ材１３によって風車回転翼５のフラップ方向の曲げ強度が保たれ、前縁サンドイッチ材１２および後縁サンドイッチ材１４は、風車回転翼５の座屈強度を保つために補助的に使用されている。

さて、本実施形態に係る風車回転翼５は、例えば、図２および図４に示すようなスパーキャップ材１３を備えている。
スパーキャップ材１３は、図２に示すように、翼の根元側から先端側にかけて一定の幅（コード方向（図２において上下方向）長さ）を有するとともに、図４に示すように、翼長手方向（図２において左右方向）において長さの異なる強化繊維シート２１，２２，２３，２４が、図２および図４に示すように積層された部材である。すなわち、スパーキャップ材１３は、風車回転翼５の長手方向のある位置（一般的に40〜60％回転半径位置）ですべての強化繊維シート２１，２２，２３，２４が積層された状態となり、積層枚数が最大となる位置から翼の根元側および先端側にいくにしたがって強化繊維シート２１，２２，２３，２４の積層枚数が徐々に少なくなるように形成されている。言い換えれば、強化繊維シート２１，２２，２３，２４の積層枚数は、当該風車回転翼の回転径方向の位置において必要とされる強度に応じて選択されている。

なお、本実施形態において、強化繊維シート２１，２２，２３，２４は、いずれも同じ幅で、かつ、同じ板厚を有するように形成されている。
また、シアウェブ１５は、前縁側に配置されたシアウェブ１５と後縁側に配置されたシアウェブ１５との間隔が、風車回転翼５の幅を考慮して、すなわち、翼の根元側から先端側にかけて変化するコード方向の長さに比例させられているとともに、翼根から翼端にかけて設定されている所定のねじり上げにあわせてねじられている。

本実施形態に係る風車回転翼５によれば、繊維メーカーから納入された一定幅の強化繊維シートを、風車回転翼５の平面視形状にあわせて切断することなく、単に積み重ねることによりスパーキャップ材１３が形成（構成）されることとなるので、スパーキャップ材１３を作製する際の素材の無駄をなくすことができ、製造コストを低減させることができる。

また、スパーキャップ材１３を構成する強化繊維シート２１，２２，２３，２４の積層枚数は、当該風車回転翼の回転径方向の位置において必要とされる強度に応じて選択されている。
これにより、スパーキャップ材１３として必要な強度が確保されることとなるので、フラップ方向（背腹方向）の荷重に対するスパーキャップ材１３の脆性破壊、疲労破壊および座屈を防止することができる。

一方、本実施形態に係る風車回転翼５の製造方法によれば、長手方向に一定幅の強化繊維シート２１，２２，２３，２４を積み重ねてスパーキャップ材１３を作製する工程と、背側の半割れ翼を成形する第１の型枠（図示せず）の上に、背側の表面を形成する外皮材１１を載置し、この外皮材１１の上に、シアウェブ１５の背側に配置されるスパーキャップ材１３を載置する工程と、腹側の半割れ翼を成形する第２の型枠（図示せず）の上に、腹側の表面を形成する外皮材１１を載置し、この外皮材１１の上に、シアウェブ１５の腹側に配置されるスパーキャップ材１３を載置する工程とを備えている。
これにより、繊維メーカーから納入された一定幅の強化繊維シートを、風車回転翼５の幅（コード方向の長さ）にあわせて切断することなく、所望の長さのところで切断し、これらを単に積み重ねることによりスパーキャップ材１３が形成（構成）されることとなるので、スパーキャップ材１３を作製する際の素材の無駄をなくすことができ、製造コストを低減させることができる。

本発明に係る風車回転翼の第１参考実施形態について、図５を参照しながら説明する。
図５は本実施形態に係る風車回転翼の平面図である。
なお、図面の簡略化を図るため、図５において、風車回転翼の翼根（根元）から翼端（先端）にかけてのねじり上げ（迎え角が翼根から翼端にかけて徐々に大きくなる翼のねじれ）については考慮（図示）していない。

本実施形態に係る風車回転翼３０は、シアウェブ１５の代わりにシアウェブ３１を備えているという点で上述した第１実施形態のものと異なる。その他の構成要素については上述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、上述した実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。

図５に示すように、本実施形態では、シアウェブ３１の間隔（前縁側に位置するシアウェブ３１と、後縁側に位置するシアウェブ３１との間の距離）が、翼の根元側から先端側にかけて一定に保たれるようにしてシアウェブ３１が配置されている。
また、シアウェブ３１は、風車回転翼３０の翼の根元側から先端側にかけて設定されている所定のねじり上げにあわせてねじられている。

本実施形態に係る風車回転翼３０および風車回転翼３０の製造方法によれば、従来、（翼長手方向に変化する）風車回転翼の幅を考慮して翼の根元側から先端側にかけて非線形に変化させていた、前縁側に配置されたシアウェブ３１と後縁側に配置されたシアウェブ３１との間隔を、一定とすることができるので、シアウェブ３１をスパーキャップ材１３に取り付ける（接着する）ための、シアウェブ３１をガントリーと呼ばれる専用の治具（図示せず）に固定する際の位置決め作業が、容易、かつ、速やかに行われることとなるので、製造作業に要する時間を短縮することができ、生産性を向上させることができる。
その他の作用効果は、上述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではその説明を省略する。

本発明に係る風車回転翼の第２実施形態について、図６を参照しながら説明する。
図６は本実施形態に係る風車回転翼の平面図である。
なお、図面の簡略化を図るため、図６において、風車回転翼の翼根（根元）から翼端（先端）にかけてのねじり上げ（迎え角が翼根から翼端にかけて徐々に大きくなる翼のねじれ）については考慮（図示）していない。

本実施形態に係る風車回転翼４０は、シアウェブ１５の代わりにシアウェブ４１を備えているという点で上述した第１実施形態のものと異なる。その他の構成要素については上述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではそれら構成要素についての説明は省略する。
なお、上述した実施形態と同一の部材には同一の符号を付している。

図６に示すように、本実施形態では、シアウェブ４１の間隔（前縁側に位置するシアウェブ４１と、後縁側に位置するシアウェブ４１との間の距離）が、翼の根元側から先端側にかけて徐々に、かつ、線形的に狭くなるように、すなわち、シアウェブ４１を平面視したときの形状が、翼の根元側から先端側にかけて先細りになるようにしてシアウェブ４１が配置されている。
また、シアウェブ４１は、風車回転翼４０の翼の根元側から先端側にかけて設定されている所定のねじり上げにあわせてねじられている。

本実施形態に係る風車回転翼４０および風車回転翼４０の製造方法によれば、従来、（翼長手方向に変化する）風車回転翼の幅を考慮して翼の根元側から先端側にかけて非線形に変化させていた、前縁側に配置されたシアウェブ４１と後縁側に配置されたシアウェブ４１との間隔を、線形変化とすることができるので、シアウェブ４１をスパーキャップ材１３に取り付ける（接着する）ための、シアウェブ４１をガントリーと呼ばれる専用の治具（図示せず）に固定する際の位置決め作業が、容易、かつ、速やかに行われることとなるので、製造作業に要する時間を短縮することができ、生産性を向上させることができる。
その他の作用効果は、上述した第１実施形態のものと同じであるので、ここではその説明を省略する。

なお、上述した第１参考実施形態および第２実施形態において、シアウェブ３１，４１が、風車回転翼３０，４０の翼の根元側から先端側にかけてねじられることなく、その外形が平面形状を保ったまま外皮材１１の内部に配置（収容）されているとさらに好適である。
シアウェブ３１，４１の外形が平面形状を保ったまま外皮材１１の内部に配置されることにより、シアウェブ３１，４１を作製する際、シアウェブ３１，４１を、風車回転翼３０，４０のねじり下げを考慮して翼の根元側から先端側にかけてねじる必要がなくなるので、桁材を作製するときに使用する型の製作コストを低減することができ、また、シアウェブ３１，４１をより容易、かつ、速やかに作製することができる。
また、シアウェブ３１，４１をスパーキャップ材１３に取り付ける（接着する）ための、シアウェブをガントリーと呼ばれる専用の治具に固定する際の位置決め作業が、より容易、かつ、速やかに行われることとなるので、製造作業に要する時間をさらに短縮することができ、生産性をさらに向上させることができる。

また、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で適宜必要に応じて変形実施および変更実施することができる。

１風力発電用風車
２支柱（タワー）
３ナセル
４ローターヘッド
５風車回転翼
６ナセルカバー
１１外皮材
１２前縁サンドイッチ材
１３スパーキャップ材（主強度材）
１４後縁サンドイッチ材
１５シアウェブ（桁材）
１６接着剤
１７内皮材
２１強化繊維シート
２２強化繊維シート
２３強化繊維シート
２４強化繊維シート
３０風車回転翼
３１シアウェブ
４０風車回転翼
４１シアウェブ
Ｂ基礎

Claims

繊維強化プラスチックで形成された外皮材と、該外皮材の背側および腹側の内面に配置された主強度材と、該主強度材間に配置された桁材とを有する風車回転翼であって、
前記主強度材は、長手方向に一定幅の強化繊維シートが積み重なって形成されており、
前記主強度材を構成する前記強化繊維シートの積層枚数は、当該風車回転翼の長手方向の位置において必要とされる強度に応じて選択されていることを特徴とする風車回転翼。
前記桁材を構成する前縁側に配置された桁材と後縁側に配置された桁材との間隔が、翼根から翼端にかけて徐々に、かつ、線形的に狭くなるようにして前記桁材が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の風車回転翼。
前記桁材が、翼根から翼端にかけてねじられることなく配置されていることを特徴とする請求項２に記載の風車回転翼。
請求項１から３のいずれか一項に記載の風車回転翼を備えてなることを特徴とする風力発電用風車。