JP5427597B2

JP5427597B2 - 風車回転翼

Info

Publication number: JP5427597B2
Application number: JP2009296152A
Authority: JP
Inventors: 浩司江崎; 進一堀
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2009-12-25
Filing date: 2009-12-25
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2029-12-25
Also published as: EP2518314A4; US8651822B2; AU2010336191A1; JP2011137388A; EP2518314B1; WO2011078337A1; EP2518314A1; US20110171035A1

Description

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５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、後述する外皮材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５中の符号１６は、スパーキャップ材１３とシアウェブ１５とを接続（連結）する接着剤である。

ところで、風車回転翼１００を構成する各部材（より詳しくは、外皮材１１、前縁サンドイッチ材１２、スパーキャップ材１３、後縁サンドイッチ材１４、シアウェブ１５）の材料強度（引っ張りおよび圧縮に対する強度）の安全率と、座屈強度の安全率とを同程度（例えば、２）に設定することができれば、風車回転翼の軽量化をさらに図ることができる。

しかしながら、図５に示す風車回転翼１００では、材料強度を１００％発揮させる前に、フラップ方向（背腹方向：図５において上下方向）の荷重に対してスパーキャップ材１３で座屈が生じ、エッジ方向（前縁後縁方向：フラップ方向と直交する方向）の荷重に対して後縁サンドイッチ材１４および／または後縁サンドイッチ材１４の後縁端よりも後縁１８側に位置する背側および／または腹側の外皮材１１で座屈が生じるおそれがある。

ここで、フラップ方向の荷重に対してスパーキャップ材１３の座屈強度を上げるには、スパーキャップ材１３の断面積を同等に維持しながら、スパーキャップ材１３の幅（コード方向（図５において左右方向）の長さ）を狭くしつつスパーキャップ材１３を厚くし、、かつシアウェブ１５の間隔（前縁側に位置するシアウェブ１５と、後縁側に位置するシアウェブ１５との間の距離）を狭くすればよい。
しかしその反面、後縁サンドイッチ材１４の幅（コード方向（図５において左右方向）の長さ）が広くなり、エッジ方向の荷重に対する後縁サンドイッチ材１４の座屈強度がますます低下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、エッジ方向の荷重に対する座屈強度を向上させることができ、座屈強度の安全率を材料強度の安全率に近づけることができて、さらなる軽量化を図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、桁材と、この桁材の後縁端よりも後縁側に配置された後縁サンドイッチ材と、後縁部とを有する風車回転翼であって、前記後縁サンドイッチ材の後縁端よりも後縁側に位置する前記後縁部の腹側の外皮材の内表面のみに、前記後縁サンドイッチ材とは別個に設けられた補強材が設けられている。

本発明に係る風車回転翼によれば、後縁サンドイッチ材の後縁端よりも後縁側に位置する腹側の外皮材の板厚が、その内表面に配置された補強材によって増大することになるので、後縁部におけるエッジ方向の曲げ剛性を向上させることができ、後縁部におけるエッジ方向の荷重に対する座屈強度を向上させることができて、座屈強度の安全率を材料強度の安全率に近づけることができ、さらなる軽量化を図ることができる。
また、本発明に係る風車回転翼によれば、後縁サンドイッチ材の後縁端よりも後縁側に位置する腹側の外皮材の内表面に補強材が取り付けられているので、背側の外皮材の内表面に補強材が取り付けられている場合よりも、補強材を薄くすることが可能であり、補強材上面と外皮材の内表面の干渉を回避しやすい。
従来の風車回転翼では、エッジ方向の荷重に対する最低次の座屈モードは、後縁サンドイッチ材または後縁サンドイッチ材の後縁端よりも後縁側に位置する外皮材である。一方、後縁サンドイッチ材の後縁端よりも後縁側に位置する外皮材の内表面に補強材が取り付けられている場合、補強材のオイラー座屈が最低次の座屈モードになる可能性がある。補強材の断面積を維持しながら、補強材のオイラー座屈強度を後縁サンドイッチ材または後縁サンドイッチ材の後縁端よりも後縁側に位置する外皮材の座屈強度より大きくするためには、補強材の幅を狭くしつつ厚さを大きくすればよい。しかし、補強材を厚くしすぎると、外皮材の内表面との干渉が生じるので、極力薄くすることが望ましい。風車翼のような外表面形状（後縁近傍で腹側より背側のほうが平面に近い）を有しているとき、同一断面形状の補強材を背側のみに設置する場合と腹側のみに設置する場合とを比較すると、曲率の影響で腹側より背側に設置したほうが座屈強度が低くなる。したがって、腹側に補強材を設置するほうが背側に設置する場合よりも、補強材を薄くすることが可能であり、補強材上面と外皮材の内表面の干渉を回避しやすい。

上記風車回転翼において、前記補強材が、軽量コア材と、この軽量コア材の上面側に配置される上面側スキン材と、前記軽量コア材の下面側に配置される下面側スキン材とを備え、前記上面側スキン材および／または前記下面側スキン材は、翼長手方向に強化繊維が配向された繊維強化プラスチックで形成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、上面側スキン材および／または下面側スキン材を構成する強化繊維が、翼長手方向に沿って配列されているので、後縁部におけるエッジ方向の曲げ剛性をさらに向上させることができ、後縁部におけるエッジ方向の荷重に対する座屈強度をさらに向上させることができて、座屈強度の安全率を材料強度の安全率にさらに近づけることができ、さらなる軽量化を図ることができる。

上記風車回転翼において、前記後縁サンドイッチ材は、前縁端が前記桁材の後縁端と連続するようにして配置されており、前記補強材は、前縁端が前記後縁サンドイッチ材の後縁端と離間するようにして配置されているとさらに好適である。

本発明に係る風力発電用風車は、後縁部におけるエッジ方向の曲げ剛性を向上させることができ、後縁部におけるエッジ方向の荷重に対する座屈強度を向上させることができて、座屈強度の安全率を材料強度の安全率に近づけることができ、さらなる軽量化を図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、ローターヘッドと風車回転翼の根元部とを連結する回転軸受けやローターヘッド内に設置されて風車翼に回転運動を与える連結軸の軽量化を図ることができ、これら風車回転翼およびローターヘッドを支持するタワーに加わる荷重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、エッジ方向の荷重に対する座屈強度を向上させることができ、座屈強度の安全率を材料強度の安全率に近づけることができて、さらなる軽量化を図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断面図である。図２の要部を拡大した断面図である。本発明の第２実施形態に係る風車回転翼の要部を拡大した断面図であって、図３と同様の図である。従来の風車回転翼を示す断面図であって、図２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３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断面図、図３は図２の要部を拡大した断面図である。

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２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、繊維強化プラスチックを多層に積層した部材であり、シアウェブ１５の背側（図２において上側）の端面および腹側（図２において下側）の端面に接するようにして、風車回転翼５の背側および腹側に、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。また、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との間に挟み込まれている。
そして、このようなスパーキャップ構造では、主として、繊維強化プラスチックで形成されてい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では、後縁サンドイッチ材１４の後縁端よりも後縁１８側に位置する、腹側の外皮材１１の内表面１９に、補強材２０が設けられている（配置されている）。
図２または図３に示すように、補強材２０は、風車回転翼５の翼長手方向（図２および図３において紙面に垂直な方向）に強化繊維（図示せず）が配向された繊維強化プラスチックを多層（例えば、２０層）に積層して、その厚みが２０ｍｍ程度とされた部材であり、常温で硬化する接着剤２１を介して腹側の外皮材１１の内表面１９に接続（連結）されている。

本実施形態に係る風車回転翼５によれば、後縁サンドイッチ材１４の後縁端よりも後縁１８側に位置する腹側の外皮材１１の板厚が、その内表面１９に配置された補強材２０によって増大することになるので、後縁部におけるエッジ方向の曲げ剛性を向上させることができ、後縁部におけるエッジ方向の荷重に対する座屈強度を向上させることができて、座屈強度の安全率を材料強度の安全率に近づけることができ、さらなる軽量化を図ることができる。
そして、その結果、後縁サンドイッチ材１４の幅（コード方向（図２において左右方向）の長さ）が広くなっても、エッジ方向の荷重に対する後縁サンドイッチ材１４の座屈強度の低下を防げるので、シアウェブ１５のコード方向の間隔、すなわち、前縁側に位置するシアウェブ１５と、後縁側に位置するシアウェブ１５との間の距離を狭くすることができ、スパーキャップ材１３の幅を狭くする（このとき、スパーキャップ材１３の断面積は同等に維持しながら、スパーキャップ材１３を厚くする）ことができて、フラップ方向の荷重に対するスパーキャップ材１３の座屈強度を向上させることができる。

さらに、本実施形態に係る風車回転翼５によれば、後縁サンドイッチ材１４の後縁端よりも後縁１８側に位置する腹側の外皮材１１の内表面１９のみに補強材２０が取り付けられることになるので、背側の外皮材の内表面のみに補強材が取り付けられている場合よりも、補強材を薄くすることが可能であり、補強材上面と外皮材の内表面の干渉を回避しやすい。
従来の風車回転翼では、エッジ方向の荷重に対する最低次の座屈モードは、後縁サンドイッチ材または後縁サンドイッチ材の後縁端よりも後縁側に位置する外皮材である。一方、後縁サンドイッチ材の後縁端よりも後縁側に位置する外皮材の内表面に補強材が取り付けられている場合、補強材のオイラー座屈が最低次の座屈モードになる可能性がある。補強材の断面積を維持しながら、補強材のオイラー座屈強度を後縁サンドイッチ材または後縁サンドイッチ材の後縁端よりも後縁側に位置する外皮材の座屈強度より大きくするためには、補強材の幅を狭くしつつ厚さを大きくすればよい。しかし、補強材を厚くしすぎると、外皮材の内表面との干渉が生じるので、極力薄くすることが望ましい。風車翼のような外表面形状（後縁近傍で腹側より背側のほうが平面に近い）を有しているとき、同一断面形状の補強材を背側のみに設置する場合と腹側のみに設置する場合とを比較すると、曲率の影響で腹側より背側に設置したほうが座屈強度が低くなる。したがって、腹側に補強材を設置するほうが背側に設置する場合よりも、補強材を薄くすることが可能であり、補強材上面と外皮材の内表面の干渉を回避しやすい。

さらにまた、本実施形態に係る風車回転翼５によれば、補強材２０を構成する強化繊維が、翼長手方向に沿って配列されているので、後縁部におけるエッジ方向の曲げ剛性をさらに向上させることができ、後縁部におけるエッジ方向の荷重に対する座屈強度をさらに向上させることができて、座屈強度の安全率を材料強度の安全率にさらに近づけることができ、さらなる軽量化を図ることができる。

さらにまた、本実施形態に係る風車回転翼５を具備した風力発電用風車１によれば、ローターヘッドと風車回転翼の根元部とを連結する回転軸受けやローターヘッド内に設置されて風車翼に回転運動を与える連結軸（図示せず）の軽量化を図ることができ、これら風車回転翼５およびローターヘッド４を支持するタワー２に加わる荷重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２実施形態について、図４を参照しながら説明する。
図４は本実施形態に係る風車回転翼の要部を拡大した断面図であって、図３と同様の図である。
本実施形態に係る風車回転翼３０は、補強材２０の代わりに補強材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４に示すように、本実施形態に係る補強材３１は、軽量コア材３２と、軽量コア材３２の上面側に配置される（上面側）スキン材３３と、軽量コア材３２の下面側に配置される（下面側）スキン材３４とを備えている。

軽量コア材３２は、ＰＶＣ等の樹脂の発泡体や、バルサ等の木材で形成（構成）されており、スキン材３３とスキン材３４との間に挟み込まれている。
スキン材３３，３４はそれぞれ、軽量コア材３２の対応（対向）する端面のコード方向（図４において左右方向）の長さと同じ長さを有している。また、スキン材３３，３４はそれぞれ、風車回転翼３０の翼長手方向（図４において紙面に垂直な方向）に強化繊維（図示せず）が配向された繊維強化プラスチックで形成（構成）されている。

スキン材３３は、軽量コア材３２の上面側の端面と接着し、スキン材３４は、軽量コア材３２の下面側の端面と接着しており、軽量コア材３２およびスキン材３３，３４は、一体に形成（構成）されている。また、腹側の外皮材１１の内表面１９とスキン材３４とは、常温で硬化する接着剤２３を介して接続（連結）されている。

本実施形態に係る風車回転翼３０によれば、補強材３１が、スキン材３３とスキン材３４との間に軽量コア材３２が挟み込まれるサンドイッチ構造とされるため、補強材３１の軽量化および風車回転翼３０全体の軽量化を図ることができるとともに、後縁部におけるエッジ方向の曲げ剛性を向上させることができ、後縁部におけるエッジ方向の荷重に対する座屈強度を向上させることができて、座屈強度の安全率を材料強度の安全率に近づけることができ、さらなる軽量化を図ることができる。
その他の作用効果は、上述した第１実施形態と同じであるので、ここではその説明を省略する。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各種変更・変形が可能である。
例えば、補強材２０，３１はいずれも、図５に示す構造を有する風車回転翼のみに適用され得るものではなく、ボックス構造のシアウェブを備えた風車回転翼等にも適用することができる。

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
１８後縁
１９内表面
２０補強材
３０風車回転翼
３１補強材
３２軽量コア材
３３スキン材（上面側スキン材）
３４スキン材（下面側スキン材）
１００風車回転翼
Ｂ基礎

Claims

繊維強化プラスチックで形成された外皮材と、桁材と、この桁材の後縁端よりも後縁側に配置された後縁サンドイッチ材と、後縁部とを有する風車回転翼であって、
前記後縁サンドイッチ材の後縁端よりも後縁側に位置する前記後縁部の腹側の外皮材の内表面のみに、前記後縁サンドイッチ材とは別個に設けられた補強材が設けられていることを特徴とする風車回転翼。
前記補強材が、軽量コア材と、この軽量コア材の上面側に配置される上面側スキン材と、前記軽量コア材の下面側に配置される下面側スキン材とを備え、
前記上面側スキン材および／または前記下面側スキン材は、翼長手方向に強化繊維が配向された繊維強化プラスチックで形成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。
前記後縁サンドイッチ材は、前縁端が前記桁材の後縁端と連続するようにして配置されており、前記補強材は、前縁端が前記後縁サンドイッチ材の後縁端と離間するようにして配置されていることを特徴とする請求項１または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。