JP2019184433A - 風車ブレードのボルト締結部における締付健全性の計測手法 - Google Patents

Abstract

【課題】ブレードのボルト締結部における締付健全性を低コストで計測すること。【解決手段】複数のボルトによりピッチ旋回軸受に締結される風車ブレードの、締結によって軸方向圧縮場となる領域に光ファイバセンサを設置し、前記光ファイバセンサの計測結果に基づき、前記複数のボルトの締付状態を確認する。【選択図】 図５

Description

本発明は、ブレードのボルト締結部における締付健全性の計測手法に関する。

近年、地球温暖化問題などの環境保全の観点から、再生可能エネルギーとして風力発電設備の需要が拡大されている。風車のロータは風荷重を回転力に変換する役割をなし、ロータを構成するブレードとピッチ旋回軸受、およびハブは複数のボルト締結により接続される。ところが、風車稼働時の繰返し風荷重やロータ回転に起因した振動、または施工時のボルト締付不備などによって、ブレードを固定するボルトが緩む場合がある。ブレードを固定するボルトが緩むと、ブレードが異常振動し、発電効率の低下ならびにブレードの損傷、およびブレードがハブから脱落することがある。そのため、ブレードのボルト締付状態を計測し、ボルトが緩んだ場合には再締付けを行うなどの保守点検が必要となる。

先行技術文献１や２によると、ボルト締結体におけるボルトの緩みを検出する技術として、ファイバブラッグ回折格子（Fiber Bragg Grating: FBG）センサを被締結体の間に挟み、ボルト締めする手法が提案されている。この手法では、FBGセンサでボルト締めによって被締結体に生じる圧縮ひずみを検出する。ひずみの検出値を基準となる値と比較し、検出値が基準値を下回った場合に、そのボルトは緩んだと判断する。

特開２００８−２４１４２１号公報 特開２０１４−５１７９５８号公報

先行技術文献による方法だと、FBGセンサを被締結体へ設置するためにボルトを抜き取り、締結部を展開する必要がある。

風車は大型の構造物であり、ブレードの締結には数十本以上のボルトを用いる。また、既設風車において、一度締付けたボルトの抜き取りには大きなコストを要する。したがって、ボルトの緩みを検出する検出系を、締結済みのボルトを抜き取ることなく設置できることが望ましい。

本発明は、ブレードのボルト締結部における締付状態の健全性の計測手法であって、新設の風車だけでなく、既設の風車に対しても容易に適用できる手法を提供するものである。

複数のボルトによりピッチ旋回軸受に締結される風車ブレードの、締結によって軸方向圧縮場となる領域に光ファイバセンサを設置し、前記光ファイバセンサの計測結果に基づき、前記複数のボルトの締付状態を確認する。

ブレードのボルト締結部における締付状態の健全性を低コストで計測できる。

一実施形態に係る風力発電設備の全体構成を示す概略図である。 一実施形態に係る風車ブレードとハブの接続部を示す概略図である。 一実施形態に係る風車ブレードとハブのボルト締結部を示す模式図である。 一実施形態に係る風車ブレードとピッチ旋回軸受のボルト締結部を示す模式図である。 一実施形態に係る風車ブレードのボルト締結部のひずみ検出系の構成を示す模式図である。 一実施形態に係る風車ブレードのボルト締結部のひずみ検出系の構成を示す模式図である。 一実施形態に係る風車ブレードのボルト締結部の解析モデルを示す模式図である。 一実施形態に係る風車ブレードのボルト締結部の解析結果を示す模式図である。 一実施形態に係る光ファイバセンサの接続例を示す模式図である。 一実施形態に係る冗長性を備えた光ファイバセンサの接続例を示す模式図である。 一実施形態に係る光ファイバセンサの接続例を示す模式図である。 一実施形態に係る光ファイバセンサの設置例を示す模式図である。

以下、本発明を実施する上で好適な実施例について図面を用いて説明する。なお、下記はあくまでも実施の例であって、本発明の適用対象を下記具体的態様に限定しない。

図１に示すように、風車1は、タワー2と、水平面内で回転駆動できるようにタワー2の上部に設置されたナセル3と、ナセル3に接続し、3枚のブレード4およびハブ5で構成されるロータ6と、により構成される。

図２に示すように、ブレード4とハブ5の間には、ブレード4のピッチ角度を制御するピッチ旋回軸受7が挿入される。ブレード4とピッチ旋回軸受7、およびピッチ旋回軸受7とハブ5は、それぞれ複数のボルトによって締結される。ブレード4とピッチ旋回軸受7の締結方式として、一般に円筒状で側面に雌ねじ加工が施された貫通孔を有するクロスボルトと両端に雄ねじを有するスタッドボルトを用いたT-ボルト形式の締結と、ブレード4内部に雌ねじ加工を施し、スタッドボルトで締結するブッシング形式の締結が用いられる。クロスボルトは、ブレードに半径方向に加工された孔に挿入される。以下、T-ボルト形式の締結に基づいて、実施例を説明する。ただし、下記はブレード4とピッチ旋回軸受7のボルト締結方式に限定されるものではない。

図３は、ブレード4とピッチ旋回軸受7、およびハブ5の接続部の断面の模式図を示す。ブレード4の根元部とピッチ旋回軸受7は、スタッドボルト8とクロスボルト9とナット10によって接続される。ピッチ旋回軸受7とハブ5は、ボルト11とナット12で締結される。クロスボルト9とナット10の本数はそれぞれスタッドボルト8と同数であり、ナット12はボルト11と同数である。

図４は、ブレード4とピッチ旋回軸受7のボルト締結部を示す。ブレード4の根元部とピッチ旋回軸受7は、それぞれ円形形状を有する。一般に、ブレード4はガラス繊維強化樹脂複合材（Glass Fiber Reinforced Plastics: GFRP）で、ピッチ旋回軸受7とスタッドボルト8、クロスボルト9、およびナット10はSM系またはSCM系の鉄鋼材でそれぞれ構成されることが多い。本実施例は、ブレード8の構成材料としてGFRPを、ピッチ旋回軸受7とスタッドボルト8、クロスボルト9、およびナット10の構成材料として鉄鋼材を想定する。また、スタッドボルト8とクロスボルト9、およびナット10は、ブレード4の周方向に沿って等間隔に配置され、その本数は発電量が2000kW以上の風車ではそれぞれ50本以上となる場合がある。本実施例では、スタッドボルト8の本数を50本と想定するが、下記はスタッドボルト8の本数に限定されない。

図５は、ブレード4とピッチ旋回軸受7のボルト締結部における締付状態の健全性の検出系21を示す。ブレード4とピッチ旋回軸受7は、図４におけるAA断面に対応する。検出系21は、広帯域の波長を照射する光源と反射光の波長や強度の検出器および波長の変化量をひずみに変換する演算装置を備えたインテロゲータ22と、複数の光ファイバセンサ23と、光ファイバセンサ23とインテロゲータ22および光ファイバセンサ23同士を接続する光ファイバケーブル24で構成される。本実施例では、複数の光ファイバセンサ23としてFBGセンサを想定している。光ファイバセンサ23は、ブレード4のうち少なくとも1本のブレードとピッチ旋回軸受7のボルト締結部において、スタッドボルト8の締付方向と略直交する方向に配置される。望ましくは、光ファイバセンサ23はスタッドボルト8と同数設けられ、締結部におけるブレード4の内表面に接着剤を用いて設置される。望ましくは、光ファイバをブレード周方向内表面に沿って配置し、スタッドボルト８の長手方向の長さに収まる位置であって、GFRPの部分に光ファイバセンサを配置する。ただし、ボルト軸方向に圧縮場となる領域であれば計測可能である。また、光ファイバセンサはスタッドボルト８の直上に設置するのが望ましいが、ずらして設置することでも計測はできる。さらに、ボルト締付方向と直交させるように配置すると圧縮された状態を観測しやすくなるが、締付方向と直交する方向のひずみが検出出来ればよい。

また、光ファイバセンサ２３をスタッドボルト８の本数より少ない数設置するようにして、例えば一本置きに設置することで、締付方向に直交する方向のひずみを計測することもできる。その場合、計測値から各スタッドボルト８の締付け状態を推定してもよいし、必ずしも一本ずつの締め付け状態を特定せず、ゆるみが生じている可能性のあるボルトがあるかないかを判定することにしてもよい。それにより、少ないセンサで実現することにより監視システムとしての耐久性・信頼性を向上させ、センサ設置のコストを低減することができる。

インテロゲータ22から照射された光は、光ファイバケーブル24を介して光ファイバセンサ23に伝達される。複数の光ファイバセンサ23は、ブレード4のボルト締結部に生じるひずみの大きさに対応した波長を有する光を、光ファイバケーブル24を介してインテロゲータ22に反射する。インテロゲータ22は、伝達された反射光の波長や強度を検出し、対応するひずみ量に変換する。

図６は、図５において光ファイバセンサ23が設けられたボルト締結部の拡大図を示す。スタッドボルト8を締め付けると、スタッドボルト8には軸方向に引張りの締付軸力が生じる。この締付軸力とつり合うように、被締結体のブレード4とピッチ旋回軸受7には、締付方向に圧縮力が作用し、圧縮ひずみが生じる。その結果、ブレード4とピッチ旋回軸受7には、締付方向と直交する周方向に引張ひずみが発生する。ブレード4とピッチ旋回軸受7に生じる周方向ひずみは、スタッドボルト8の締付軸力が高い場合には大きく、締付軸力が低い場合には小さくなる。よって、ブレード4またはピッチ旋回軸受7に生じる周方向ひずみを複数のスタッドボルト8に対して検出し、その大きさを比較することで、スタッドボルト8の締付軸力の相対的な大きさを見積もることができる。したがって、光ファイバセンサ23で検出した周方向ひずみのうち、値が相対的に小さい箇所のスタッドボルト8は、締付軸力が低下して緩んだ状態になったと判定できる。

スタッドボルト8の軸力低下とブレード4に生じる周方向ひずみの定性的な傾向を評価するため、ブレード4のボルト締結部を模擬した有限要素法解析（Finite Element Method: FEM）を実施した。図７は、ブレード4とピッチ旋回軸受7のボルト締結部の解析モデル31を示す（締結部の半周分のみ表示）。解析モデル31は、発電量1500〜3000kW風車を模擬して、ブレード4の軸心とスタッドボルト8の軸心の距離を1000mmとした。計50本のスタッドボルト8のうち1本の締付軸力を零とし、残りのボルトの締付軸力を200kNとして締め付けた場合のFEM解析を行った。

図８は、解析結果を示し、締付軸力が零のスタッドボルト33と、その両隣各2本の軸力200kNで締付けたスタッドボルト32を表示している。解析結果のコンターは、周方向ひずみ分布を表す。ブレード4に生じる周方向ひずみは、スタッドボルト32に対応する箇所では最大3000μεであり、スタッドボルト33に対応する箇所では約100μεとなった。よって、ブレード4に生じる周方向ひずみを検出し、比較することで、スタッドボルト8の締付状態を定性的に判断できる。

本実施例1では、光ファイバセンサ23をブレード4の内表面に設置するため、センサ設置時にスタッドボルト8を抜き取る必要がない。また、既設の風車においても、ブレード4の根元の内側にはナセル3からハブ5を介して人がアクセスできる。したがって、本実施例によって、既設と新設問わず風車のブレード4におけるボルトの締付健全性を低コストで計測できる。また、光ファイバセンサ23や光ファイバケーブル24が断線などにより故障した場合には、それらの補修をブレード4の内側において実施できる。光ファイバセンサ23と光ファイバケーブル24がブレード4の内表面に現れているため、それらの故障箇所を新品と容易に取り替えることができる。取り替えた後の光ファイバセンサまたは光ファイバケーブルは、敷設済みの光ファイバケーブル24と光コネクタなどで接続することで補修できる。

図９は、本実施例１において、ブレード4を根元から先端方向に向かって見た際の模式図を示す。光ファイバセンサ23は、ブレード4に設けられたスタッドボルト孔との距離が最小となるようにブレード4の内表面にそれぞれ配置される。複数の光ファイバセンサ23は、光ファイバケーブル24で直列に繋がれる。この場合、インテロゲータ22の入出力は1本の光ファイバケーブル24のみを通して行われるため、光ファイバケーブル24の敷設コストを低減できる。なお、光ファイバケーブル24は、インテロゲータ22とループを形成するように接続してもよい。この場合、図１０に示すように、インテロゲータ22の入出力は光ファイバケーブル24の始端24Aと終端24Bを通じて行われる。そのため、光ファイバケーブル24のいずれか1箇所が断線した場合であっても、光ファイバセンサ23は2本の光ファイバケーブル24Aと24Bで直列接続されるため、全ての光ファイバセンサ23を用いてひずみの検出を継続できる。すなわち、この場合には検出系21の冗長性を増すことができる。

本実施例1では、全ての光ファイバセンサ23を光ファイバケーブル24で直列接続した。1本の光ファイバケーブル24によって直列的に接続できる光ファイバセンサの個数は、検出するひずみの大きさや入射光の波長域などに依存するが、一般に最大で100個程度である。発電量が5000kW以上の大型の風車では、ブレード4の締結に用いるスタッドボルト8の本数が100本を超えるものもある。この場合には、図１１に示すように、光ファイバセンサ23を2つ以上の光ファイバケーブル24A、24B、24Cに分けて接続することで、全てのスタッドボルト8に対応した周方向ひずみを計測できる。

なお、本実施例1は複数の光ファイバセンサ23をブレード4の内表面に配置したが、光ファイバセンサ23をピッチ旋回軸受7の内表面に設けてもよい。この場合にも、ボルト8の締付によってピッチ旋回軸受7に生じる周方向ひずみを検出し、値を相対的に比較することで、締付状態の健全性を計測できる。また、本実施例１は、ブレード4とピッチ旋回軸受7の一般的な構成材料を想定して、GFRPと鉄鋼材による締結体について述べたが、締結体の材料に限定されるものではない。例えば、炭素繊維強化樹脂複合材（Carbon fiber Reinforced Plastics: CFRP）製のブレードに適用してもよい。

実施例１では、検出したひずみの相対比較に基づいて締付状態を評価するため、全てのボルトが緩んだ場合に限り、締付健全性を適切に判断できないという問題を有する。より好ましくは、本実施例２であって、光ファイバセンサ23の設置と同時に1本以上のスタッドボルト8の締付軸力を計測し、締付軸力と周方向ひずみの関係を取得することである。

実施例２では、1本以上のスタッドボルト8に対して、締付状態が健全なときの締付軸力を計測する。スタッドボルト8の締付軸力は、例えばボルトゲージや超音波軸力計によって計測できる。また、ボルト締付施工時または保守点検で初期締付けや増し締めをする際に、締付軸力を計測することで、締付状態が健全なときの軸力を取得できる。次に、光ファイバセンサ23を用いて、軸力を計測したスタッドボルト8に対応する周方向ひずみを計測し、ひずみの初期値として記録する。これにより、締付軸力と周方向ひずみの定量的な関係を取得できる。続いて、ひずみの初期値から、ひずみの基準値を算出する。ひずみの基準値は、その値をひずみの検出値が下回った場合に、ボルトが緩んだと判断する際の参照値として定義する。ひずみの基準値としては、初期値を用いてもよいし、締付後の締結部材のへたりなどを考慮して1以下の係数を初期値に乗じて定義してもよい。ボルト締めから任意の時間経過後に、光ファイバセンサ23を用いて複数のスタッドボルト8に対して周方向ひずみを検出し、ひずみの検出値を相対比較するとともに基準値と比較することで、スタッドボルト8の締付状態を定量的に計測できる。よって、本実施例２によって、全てのボルトの軸力が低下した場合であっても、締付健全性を判断できる。

実施例１と実施例２では、複数の光ファイバセンサ23をスタッドボルト8の締付方向と略直交する方向にブレード4に設置したが、光ファイバセンサ23を締付方向と略平行の方向に設けることもできる。

図１２に示すように、光ファイバセンサ23をスタッドボルト8の締付方向に沿って設置し、複数の光ファイバセンサ23がブレード4の内表面に周方向に整列するように配置してもよい。この場合、締付によってブレード4またはピッチ旋回軸受7に生じる締付方向の圧縮ひずみを直接計測できるため、締付軸力の差に起因するひずみ差を高感度で取得でき、締付健全性の計測精度をあげることができる。

1 風車
2 タワー
3 ナセル
4 ブレード
5 ハブ
6 ロータ
7 ピッチ旋回軸受
8 スタッドボルト
9 クロスボルト
10 ナット
11 ボルト
12 ナット
13 ナット
21 検出系
22 インテロゲータ
23 光ファイバセンサ
24、24A〜24C 光ファイバケーブル
31 ブレードのボルト締結部のFEM解析モデル
32 軸力200kNで締まったボルト
33 軸力が零まで緩んだボルト

Claims (14)

1. 複数のボルトによりピッチ旋回軸受に締結される風車ブレードの、締結によって軸方向圧縮場となる領域に光ファイバセンサを設置し、
   前記光ファイバセンサの計測結果に基づき、前記複数のボルトの締付状態を確認することを特徴とするブレードのボルト締付健全性の計測方法。
2. 前記光ファイバセンサは複数設置され、前記複数の光ファイバセンサで検出したひずみの相対比較に基づき、前記複数のボルトの締付状態を確認することを特徴とする請求項１に記載のボルト締付健全性の計測方法。
3. 前記光ファイバセンサが前記ボルトと同数設けられることを特徴とする請求項１乃至２のいずれか一項に記載のボルト締付健全性の計測方法。
4. 前記光ファイバセンサが前記ボルト締付方向と略直交する方向に前記ブレードに設置されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のボルト締付健全性の計測方法。
5. 前記光ファイバセンサが前記ボルト締付方向と略平行な方向に前記ブレードに設置されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のボルト締付健全性の計測方法。
6. 前記光ファイバセンサを、前記ブレードの内表面に接着することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のボルト締付健全性の計測方法。
7. 前記光ファイバセンサにFBGセンサを用いることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のボルト締付健全性の計測方法。
8. 前記光ファイバセンサの全数を光ファイバケーブルで直列接続することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のボルト締付健全性の計測方法。
9. 前記光ファイバセンサの一部を光ファイバケーブルで直列接続することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のボルト締付健全性の計測方法。
10. 前記光ファイバケーブルとインテロゲータがループを形成するように、前記光ファイバセンサを直列接続する前記光ファイバケーブルの始端と終端をそれぞれ前記インテロゲータに接続することを特徴とする請求項８乃至９のいずれか一項に記載のボルト締付健全性の計測方法。
11. 前記光ファイバセンサは前記ブレードの周方向に並ぶように設置されることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか一項に記載のボルト締付健全性の計測方法。
12. 予め、締付状態が健全なときの前記ボルト軸力と、前記光ファイバセンサを用いた周方向ひずみとを計測し、締付軸力と周方向ひずみの関係を取得し、
    その値をひずみが下回った場合に、前記ボルトが緩んだと判断するひずみの基準値を設定し、
    前記光ファイバセンサを用いて複数のボルトに対して周方向ひずみを検出し、前記基準値と比較することで、前記複数のボルトの締付状態を確認することを特徴とする請求項１に記載のボルト締付健全性の計測方法。
13. 複数のボルトによりピッチ旋回軸受に締結される風車ブレードの、ブレード内側であって、前記ボルトの長手方向の長さに収まる位置に光ファイバセンサを設置し、
    前記光ファイバセンサの計測結果に基づき、前記複数のボルトの締付状態を確認することを特徴とするブレードのボルト締付健全性の計測方法。
14. 前記光ファイバセンサが、前記ボルトより少ない数設けられることを特徴とする請求項１乃至２のいずれか一項に記載のボルト締付健全性の計測方法。

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