(57)【要約】  風車を運用する上で必要とされる耐久強度を適切に評価し、より現実に即した適切な評価指標を設定することを目的とする。所定の運転条件下で運転を行った場合に、風車の評価対象部位に作用する荷重時系列データを求め、この荷重時系列データから応力時系列データを求める第１工程と、前記応力時系列データに基づく応力を前記評価対象部位に補償運用期間にわたって与えた場合に、該評価対象部位が所定の強度を維持するために最低限必要とされる破壊靭性値を求め、これに基づいて指標となる要求破壊靭性値を決定する第２工程とを含む評価指標設定方法を提供する。
2010038305.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の運転条件下で運転を行った場合に、風車の評価対象部位に作用する荷重時系列データを求め、この荷重時系列データから応力時系列データを求める第１工程と、
前記応力時系列データに基づく応力を前記評価対象部位に補償運用期間にわたって与えた場合に、該評価対象部位が所定の強度を維持するために最低限必要とされる破壊靭性値を求め、これに基づいて指標となる要求破壊靭性値を決定する第２工程と
を含む評価指標設定方法。
【請求項２】
前記第２工程は、
前記評価対象部位に発生している初期欠陥のサイズを設定する工程と、
該評価対象部位に前記応力時系列データに基づく応力を作用させた場合の前記補償運用期間経過後における該初期欠陥のサイズを推定する工程と、
前記補償期間経過後の欠陥に対して、前記応力時系列データ中の最大応力を作用させた場合でも破壊が生じないような最低限の破壊靭性値を求め、これに基づいて前記要求破壊靭性値を決定する工程と
を含む請求項１に記載の評価指標設定方法。
【請求項３】
前記要求破壊靭性値を要求シャルピー値に変換する第３工程を含む請求項１または請求項２に記載の評価指標設定方法。
【請求項４】
前記第３工程は、
前記評価対象部位に用いられる部材の温度−シャルピー値特性を取得する工程と、
前記温度−シャルピー値特性において、最大シャルピー値に対して所定割合のシャルピー値を示す温度を指定温度として特定する工程と、
前記温度−シャルピー値特性において、前記温度を、前記温度から前記指定温度を減算した相対温度とした相対温度−シャルピー値特性を作成する工程と、
前記部材の温度−破壊靭性値特性を取得する工程と、
前記温度−破壊靭性値特性において、最大破壊靭性値に対して前記所定割合の破壊靭性値を示す温度を指定温度として特定する工程と、
前記温度−破壊靭性値特性において、前記温度を、前記温度から前記指定温度を減算した相対温度とした相対温度−破壊靭性値特性を作成する工程と、
前記相対温度−破壊靭性値特性から前記要求破壊靭性値に対応する相対温度値を求め、この相対温度値に対応するシャルピー値を前記相対温度−シャルピー値特性から取得する工程と
を含む評価指標設定方法。
【請求項５】
所定の運転条件下で運転を行った場合に、風車の評価対象部位に作用する荷重時系列データを求め、この荷重時系列データから応力時系列データを求める第１処理と、
前記応力時系列データに基づく応力を前記評価対象部位に補償運用期間にわたって与えた場合に、該評価対象部位が所定の強度を維持するために最低限必要とされる破壊靭性値を求め、これに基づいて指標となる要求破壊靭性値を決定する第２処理と
をコンピュータに実行させるための評価指標設定プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力に使用される部材の耐久性を適切に評価する評価指標を設定するための評価指標設定方法及びそのプログラムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
風車を製造する場合、風車に用いる鉄鋼材料が強度、耐久性の面から所定の評価基準を満たしているか否かを評価する必要がある。前記評価基準として、シャルピー値を用いたものがある。この評価基準は、ある温度環境化において、風車に使用される鉄鋼材料のシャルピー値が、規定されている評価指標を満たすか否かによって評価するものである。
【特許文献１】特開２００６−８８１８４号公報
【発明の開示】
【０００３】
しかしながら、上記シャルピー値を用いた評価基準は、風車が実際におかれる力学的な運転環境や温度等を考慮して決定されたものではないため、結果として、実際に必要とされる耐久性よりも過度な耐久性を要求するものとなっていた。従って、このようなシャルピー値を満足する鉄鋼材料を得ることは難しく、ほとんどのものが不適切と判断されてしまうことから、製造の遅延やコスト増大を引き起こす可能性が懸念されていた。このため、より現実に即した適切な評価規定の設立が要請されていた。
【０００４】
本発明は、風車を運用する上で必要とされる耐久強度を適切に評価し、より現実に即した適切な評価指標を設定することのできる評価指標設定方法及びそのプログラムを提供することを目的とする。
【０００５】
本発明の第１の態様は、所定の運転条件下で運転を行った場合に、風車の評価対象部位に作用する荷重時系列データを求め、この荷重時系列データから応力時系列データを求める第１工程と、前記応力時系列データに基づく応力を前記評価対象部位に補償運用期間にわたって与えた場合に、該評価対象部位が脆性破壊を発生させないために最低限必要とされる破壊靭性値を求め、これに基づいて指標となる要求破壊靭性値を決定する第２工程とを含む評価指標設定方法を提供する。
【０００６】
本発明によれば、風車の運転条件を考慮し、この運転条件下で補償運用期間を耐え抜くのに必要とされる最小の破壊靭性値を求め、この破壊靭性値に基づいて指標となる要求破壊靭性値を決定するので、風車の運用状況が反映された適切な評価指標を設定することが可能となる。
【０００７】
上記評価指標設定方法において、前記第２工程は、前記評価対象部位に発生している初期欠陥のサイズを設定する工程と、該評価対象部位に前記応力時系列データに基づく応力を作用させた場合の前記補償運用期間経過後における該初期欠陥のサイズを推定する工程と、前記補償期間経過後の欠陥に対して、前記応力時系列データ中の最大応力を作用させた場合でも破壊が生じないような最低限の破壊靭性値を求め、これに基づいて前記要求破壊靭性値を決定する工程とを含むこととしてもよい。
【０００８】
風車を運用していく上で最も厳しい周辺環境を想定し、この周辺環境下で補償運用期間を耐え抜くのに必要とされる最低限の破壊靭性値を求め、この破壊靭性値に基づいて指標となる要求破壊靭性値を決定するので、耐久強度の観点から十分であり、かつ、過度でない適切な評価指標を設定することが可能となる。
【０００９】
上記評価指標設定方法において、前記要求破壊靭性値を要求シャルピー値に変換する第３工程を含むこととしてもよい。
【００１０】
上記靭性破壊検査は、その試験の煩雑さから検査を容易に行えないという不都合がある。一方、シャルピー値の評価検査については比較的容易に行うことが可能である。従って、要求破壊靭性値に相当する要求シャルピー値を評価検査の指標として規定しておくことにより、評価検査を容易に行うことが可能となる。
【００１１】
上記評価指標設定方法において、前記第３工程は、前記評価対象部位に用いられる部材の温度−シャルピー値特性を取得する工程と、前記温度−シャルピー値特性において、最大シャルピー値に対して所定割合のシャルピー値を示す温度を指定温度として特定する工程と、前記温度−シャルピー値特性において、前記温度を、前記温度から前記指定温度を減算した相対温度とした相対温度−シャルピー値特性を作成する工程と、前記部材の温度−破壊靭性値特性を取得する工程と、前記温度−破壊靭性値特性において、最大破壊靭性値に対して前記所定割合の破壊靭性値を示す温度を指定温度として特定する工程と、前記温度−破壊靭性値特性において、前記温度を、前記温度から前記指定温度を減算した相対温度とした相対温度−破壊靭性値特性を作成する工程と、前記相対温度−破壊靭性値特性から前記要求破壊靭性値に対応する相対温度値を求め、この相対温度値に対応するシャルピー値を前記相対温度−シャルピー値特性から取得する工程とを含むこととしてもよい。
【００１２】
このように、温度のパラメータを相対温度とした相対温度−シャルピー値特性、並びに相対温度−破壊靭性値特性を求めることにより、ばらつきをもつ複数の部材の特性を略同じ傾向を示す特性として表すことが可能となる。これにより、破壊靭性値とシャルピー値とを容易に関連付けることが可能となる。
【００１３】
本発明の第２の態様は、所定の運転条件下で運転を行った場合に、風車の評価対象部位に作用する荷重時系列データを求め、この荷重時系列データから応力時系列データを求める第１処理と、前記応力時系列データに基づく応力を前記評価対象部位に補償運用期間にわたって与えた場合に、該評価対象部位が所定の強度を維持するために最低限必要とされる破壊靭性値を求め、これに基づいて指標となる要求破壊靭性値を決定する第２処理とをコンピュータに実行させるための評価指標設定プログラムを提供する。
【００１４】
本発明によれば、風車を運用する上で必要とされる耐久性を適切に決定し、より現実に即した適切な評価規定を設定することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】一般的な風車の概略構成を示した図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る評価指標設定方法の手順を示したフローチャートである。
【図３】破壊靭性値をシャルピー値に変換する手順を示したフローチャートである。
【図４】温度−シャルピー値特性の一例を示した図である。
【図５】相対温度−シャルピー値特性の一例を示した図である。
【図６】温度−破壊靭性値特性の一例を示した図である。
【図７】相対温度−破壊靭性値特性の一例を示した図である。
【図８】図５に示した相対温度−シャルピー値特性の平均特性を示した図である。
【符号の説明】
【００１６】
１  風車
１１  ブレード
１２  ナセル
１３  ロータヘッド
１４  支柱
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、本発明に係る評価指標設定方法及びそのプログラムの一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、一般的な風車の概略構成を示したブロック図である。
図１に示されるように風車１は、３枚のブレード１１と、ナセル１２と、ナセル１２に３枚のブレード１１を取り付けるロータヘッド１３と、ナセル１２を支持する支柱１４とを備えている。なお、本実施形態においては、３枚のブレード１１を有する場合を例示するが、ブレードの枚数については特に制限されない。【００１８】
次に、風車１を製造する場合において、耐久強度の観点から適切な鉄鋼材料を選定するための評価指標設定方法について図２を参照して説明する。図２は、本実施形態に係る評価指標設定方法の手順を示したフローチャートである。なお、以下説明の便宜上、ナセル１２に使用される鉄鋼材料の評価指標を設定する場合を例示して説明する。【００１９】
まず、所定の運転条件下で運転を行った場合に、風車１の評価対象部位（本実施形態では、ナセル）に作用する荷重時系列データを求め、この荷重時系列データから応力時系列データを求める。
具体的には、まず、風車１が運転されるときの運転条件を設定する（図２のステップＳＡ１）。運転条件は風車１が設置される地域等に応じて異なるものであり、例えば、温度、空気密度等のパラメータによって設定される。例えば、パラメータを温度とする場合の運転条件としては、−４０℃から−３０℃の間では暖機運転を行い、−３０℃以上で通常の運転に移行する等が一例として挙げられる。【００２０】
続いて、ステップＳＡ１において設定した運転条件で風車１を運転した場合に、評価対象部位に作用する荷重を推定して荷重時系列データを作成し、更に、この荷重時系列データから応力時系列データを作成する（ステップＳＡ２）。
応力時系列データは、上記評価対象部位において単位荷重当たりに作用する応力を予め求め、この応力を荷重時系列データに乗ずることで求める影響係数法と呼ばれる手法を用いて推定してもよい。【００２１】
次に、ステップＳＡ２において作成された応力時系列データに基づく応力を、評価対象部位に補償運用期間（例えば、２０年）にわたって与えた場合に、該評価対象部位が所定の強度を維持するために最低限必要とされる要求破壊靭性値を求める。
具体的には、まず、評価対象部位に生じている初期欠陥サイズを規定する（ステップＳＡ３）。例えば、風車１を建設するにあたって、鉄鋼材料を購入する必要があるが、この鉄鋼材料には小さな傷や、き裂が発生している可能性がある。通常、各鉄鋼材料の仕様書には、当該鉄鋼材料に許容される欠陥のサイズが明記されているので、この許容サイズを初期欠陥のサイズとして採用する。【００２２】
次に、該評価対象部位にステップＳＡ２において作成した応力時系列データに基づく応力を作用させた場合の補償運用期間経過後における該初期欠陥のサイズを推定する（ステップＳＡ４）。つまり、応力時系列データに基づく応力を評価対象部位に与え続けた場合に、初期欠陥として規定した欠陥がどの程度まで成長するのかを疲労き裂伝播解析によって推定する。【００２３】
次に、ステップＳＡ２において推定した応力時系列データの中から最大応力を選択し、この最大応力と成長した欠陥の寸法から応力拡大係数などの力学的パラメータを推定する（ステップＳＡ５）、この力学的なパラメータに所定の裕度(マージン)を加えることで要求破壊靭性値を設定する（ステップＳＡ６）。【００２４】
このように、耐久性の観点から最も厳しい力学環境を想定し、この環境下において、破壊が発生しないために必要とされる最小の破壊靭性値を求め、この破壊靭性値に基づいて要求破壊靭性値を決定するので、予想可能な範疇において、確実に補償運用年数を耐え抜くことのできる十分、かつ、過度でない適切な評価指標を設定することが可能となる。【００２５】
このようにして要求破壊靭性値が決定されると、続いて、この要求破壊靭性値をシャルピー値に変換する（ステップＳＡ７）。【００２６】
耐久性の面から鉄鋼材料を選択する場合に、その指標となる値を破壊靭性値として定めてしまうと、選択候補として挙げられた鉄鋼材料の全てについて破壊靭性試験を行い、上記要求破壊靭性値を満足するか否かを評価する必要が生ずる。破壊靭性試験は、その試験の煩雑さから容易に行えないという欠点がある。従って、このような破壊靭性値を指標として掲げるのは好ましくない。一方、シャルピー値の評価検査については比較的容易に行うことが可能である。従って、要求破壊靭性値に相当するシャルピー値を求め、評価指標をシャルピー値として決めておくことで、鉄鋼材料の評価を容易に行うことが可能となる。【００２７】
ところで、破壊靭性値をシャルピー値に変換する場合、破壊靭性試験とシャルピー値を得るための評価試験とは、試験片の大きさや試験時の環境温度が全く異なる。例えば、ある鉄鋼材料を例に挙げると、破壊靭性試験は−９６℃から１６０℃の温度範囲で行われるのに対し、シャルピー試験は０℃から４０℃の温度範囲で行われる。このように、温度範囲が大幅に異なることから、破壊靭性値とシャルピー値とを直接的に関連付けることは難しい。また、同じ鉄鋼材料であっても、製造された時期（ロット）、成分、製造メーカ、製造時の周辺条件等の様々な要因によってシャルピー値や破壊靭性値のばらつきが大きいという問題もある。そこで、本実施形態では、このような温度範囲の相違、固体のばらつき等を克服し、容易に変換可能な手法を考案した。【００２８】
以下、破壊靭性値をシャルピー値に変換する手順について図３を参照して説明する。
まず、評価対象となる複数の評価部材の温度−シャルピー値特性を取得する（図３のステップＳＢ１）。図４に、評価部材Ａ，Ｂの温度−シャルピー値特性の一例を示す。図４において、横軸は温度Ｔ、縦軸はシャルピー値Ｅｖである。シャルピー値Ｅｖとは、その部材が破壊に至るまでに部材が吸収するエネルギーである。また、評価部材Ａ，Ｂは、いずれも評価対象部位に用いられる同一の鉄鋼（例えば、合金）であるが、製造メーカ、ロット等が異なるものである。【００２９】
次に、評価部材Ａ，Ｂの温度−シャルピー値特性において、最大シャルピー値に対して所定割合（例えば、５０％）のシャルピー値を示す温度を指定温度ｖＴｒＥとしてそれぞれ特定する（ステップＳＢ２）。
次に、温度−シャルピー値特性の横軸を温度Ｔから指定温度ｖＴｒＥを減算した相対温度（Ｔ−ｖＴｒＥ）とした相対温度−シャルピー値特性を作成する（ステップＳＢ３）。
図５に相対温度−シャルピー値特性を示す。図５において、横軸は相対温度（Ｔ−ｖＴｒＥ）、縦軸はシャルピー値Ｅｖである。図５に示されるように、横軸を相対温度（Ｔ−ｖＴｒＥ）にすることで、図４ではバラツキをもって示されていた各評価対象Ａ，Ｂの特性を同様の傾向を示す特性として表すことが可能となる。また、評価部材Ａ，Ｂの平均特性を求めることで、当該合金の相対温度−シャルピー値特性を１つの曲線として得ることができる。【００３０】
次に、同一の評価部材Ａ，Ｂの温度−破壊靱性値特性を取得する（ステップＳＢ４）。図６に評価部材Ａ，Ｂの温度−破壊靭性値特性の一例を示す。図６において、横軸は温度の逆数（１／Ｔ）、縦軸は破壊靭性値ＫICである。
次に、評価部材Ａ，Ｂの温度−破壊靭性値特性において、最大破壊靭性値に対して所定割合（例えば、５０％）の破壊靭性値を示す温度を指定温度ｖＴｒＥとしてそれぞれ特定する（ステップＳＢ５）。【００３１】
次に、温度−破壊靭性値特性の横軸を温度Ｔから指定温度ｖＴｒＥを減算した相対温度（Ｔ−ｖＴｒＥ）として相対温度−破壊靭性値特性を作成する（ステップＳＢ６）。図７に相対温度−破壊靭性値特性を示す。図７において、横軸は相対温度の逆数（１／（Ｔ−ｖＴｒＥ））、縦軸は破壊靭性値ＫICである。図７に示されるように、横軸を相対温度の逆数（１／（Ｔ−ｖＴｒＥ））にすることで、図６ではバラツキをもって示されていた各評価部材Ａ，Ｂの特性を同様の傾向を示す特性として表すことが可能となる。ここで、図７には、評価部材Ａ，Ｂのそれぞれの相対温度−破壊靭性値特性の平均をとった平均特性が示されている。【００３２】
次に、図７に示した評価部材Ａ，Ｂの平均特性において、要求破壊靭性値ＫICmaxに対応する相対温度の逆数αを特定し、この相対温度の逆数αから相対温度α´を求め、更に、この相対温度α´に対応するシャルピー値Ｅｖｍａｘを図８に示した相対温度−シャルピー値特性の平均特性から取得する。これにより、要求破壊靭性値に相当する要求シャルピー値を得ることができる。【００３３】
そして、実際に部材の評価検査を行う場合には、検査対象となる部材のシャルピー値が要求シャルピー値Ｅｖｍａｘを満足するか否かを判断することで、検査対象である部材の耐久性評価を容易に行うことが可能となる。【００３４】
なお、上記評価指標設定方法は、コンピュータが記録媒体に記録されたプログラムを実行することにより実現されてもよい。この場合、例えば、上述した評価指標設定に関する一連の処理過程は、評価指標設定プログラムとしてコンピュータ読取可能な記録媒体に記録されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上述の処理が行われる。ここで、コンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。【００３５】
以上、説明してきたように、本実施形態に係る評価指標設定方法及びそのプログラムによれば、風車の運転条件を考慮し、この運転条件下で補償運用期間を耐え抜くのに必要とされる最小の破壊靭性値を求め、この破壊靭性値に基づいて指標となる要求破壊靭性値を決定するので、風車の運用状況が反映された適切な評価指標を設定することが可能となる。【００３６】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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2010038305.tif 000012
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