(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機と、
前記発電機を駆動するロータと、
前記発電機を収容するナセルと、
ほぼ上下方向に伸びて形成され上端部に前記ナセルが取り付けられるタワーと、
実質的に円筒状に形成された筒状体と、前記筒状体の端部から内径側に張り出して形成され、締結部材が挿入される複数の開口が形成された内フランジと、前記筒状体の前記端部から外径側に張り出して形成され、締結部材が挿入される複数の開口が形成された外フランジとを備え、前記タワーの端部又は中間部に配置されるフランジ構造とを備え、
前記内フランジは、前記筒状体の実質的に全周にわたって形成され、
前記外フランジは、前記筒状体からの張出量を他の部分よりも小さくされかつ前記筒状体の周上における複数個所に分散して形成された小径部を有することを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
前記外フランジの前記小径部は、前記筒状体の中心軸回りにおける位相が９０度ずつ離間した４点をそれぞれ含むように少なくとも４箇所配置されることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
【請求項３】
前記外フランジは、中心軸方向から見て相互に直交する方向に配置された前記筒状体の
外周面の第１の接線及び第２の接線の内側に配置されることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、輸送時における寸法を拡大することなく強度並びに固定対象となる構造体の剛性を向上したフランジ構造、及び、このようなフランジ構造を有する風力発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
陸上に設置される風力発電装置の風車タワーは、地上から立設されたタワーの上端部に、ロータによって駆動される発電機を収容したナセルを回動可能に取り付けて構成されている。
このような風車タワーの設計においては、例えばタワーを構成する各部材や、タワーと基礎、もしくはナセルを結合するフランジ構造の強度確保が重要となる。
また、風車タワーにおいては、風車プロペラとの共振によるダメージを防止するため、タワー自体の剛性確保が求められ、タワー自体の径も大きくすることが好ましい。
【０００３】
このような風車タワーのフランジに関する従来技術として、例えば特許文献１（図２等）には、円筒体の内径側及び外径側に、内フランジ及び外フランジをそれぞれ張り出させたいわゆるＴ型フランジをタワーマウント部に採用したものが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−３１８６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載されたＴ型フランジは、フランジ部の強度、剛性を向上することは可能であるが、外フランジはタワー本体などの筒状体の外径側に全周にわたって張り出すため、輸送時における寸法が大きくなり、輸送に困難をきたすことが懸念される。
ここで、タワーシェルの外径を小さくすることによって、外フランジの外径が輸送限界以下となるようにすることも考えられるが、この場合、タワーシェルの剛性確保が困難となる。
【０００６】
上述した問題に鑑み、本発明の課題は、輸送時における寸法を拡大することなく強度並びに固定対象となる構造体の剛性を向上したフランジ構造、及び、このようなフランジ構造を有する風力発電装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１に係る発明は、発電機と、前記発電機を駆動するロータと、前記発電機を収容するナセルと、ほぼ上下方向に伸びて形成され上端部に前記ナセルが取り付けられるタワーと、実質的に円筒状に形成された筒状体と、前記筒状体の端部から内径側に張り出して形成され、締結部材が挿入される複数の開口が形成された内フランジと、前記筒状体の前記端部から外径側に張り出して形成され、締結部材が挿入される複数の開口が形成された外フランジとを備え、前記タワーの端部又は中間部に配置されるフランジ構造とを備え、前記内フランジは、前記筒状体の実質的に全周にわたって形成され、前記外フランジは、前記筒状体からの張出量を他の部分よりも小さくされかつ前記筒状体の周上における複数個所に分散して形成された小径部を有することを特徴とする風力発電装置である。
これによれば、内フランジのみの場合に対して、曲げを受ける際に最外端で荷重を受け
る締結部材の数が増加し、締結部材及びその周囲のフランジの負担を軽減し、強度を向上
することができる。
また、部分的に両フランジとなることによって、フランジ変形が防止されて、締結部材
に作用するてこ反力が減少し、張力が軽減される。
【０００８】
また、前記フランジ構造は、前記内フランジ及び前記外フランジの厚さをＡ、前記筒状体の表面から前記外フランジの前記開口の縁までの距離をＢ、前記筒状体の板厚をＣとしたときに、Ａ≧１．２×（Ｂ×Ｃ）1/2とすることができる。
これによれば、上式を満たすことでフランジ全体の剛性が一定以上確保され、フランジ部に置いて高応力が発生して強度が低下することを防止し、確実に上述した効果を得ることができる。
【０００９】
請求項２に係る発明は、前記外フランジの前記小径部は、前記筒状体の中心軸回りにおける位相が９０度ずつ離間した４点をそれぞれ含むように少なくとも４箇所配置されることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置である。
これによれば、筒状体を横倒しにして輸送する際の全高方向及び全幅方向への外フラン
ジの張り出しを低減し、輸送の制約などによって定まる許容寸法の範囲内で筒状体の径を
大きくし、剛性確保を容易にすることができる。
【００１０】
請求項３に係る発明は、前記外フランジは、中心軸方向から見て相互に直交する方向に配置された前記筒状体の外周面の第１の接線及び第２の接線の内側に配置されることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の風力発電装置である。
これによれば、筒状体の径を許容寸法の範囲内で最大化することができる。
【００１１】
また本発明は、発電機と、前記発電機を駆動するロータと、前記発電機を収容するナセルと、ほぼ上下方向に伸びて形成され上端部に前記ナセルが取り付けられるタワーとを備え、前記タワーの端部又は中間部に、フランジ構造を有することを特徴とする風力発電装置とすることができる。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、本発明によれば、輸送時における寸法を拡大することなく強度並びに固定対象となる構造体の剛性を向上したフランジ構造、及び、このようなフランジ構造を有する風力発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明を適用したフランジ構造を有する風力発電装置の実施例である風車タワーの模式的斜視図である。
【図２】本発明の実施例におけるフランジ部を上方から見た平面図である。
【図３】実施例のフランジ構造各部の寸法を示す模式的断面図である。
【図４】本発明の比較例であるフランジ構造の平面図である。
【図５】実施例及び比較例のフランジ構造をボルトで締結した状態における曲げモーメント負荷時の応力分布を示す図である。
【図６】実施例及び比較例のフランジ構造における曲げモーメント負荷時のボルトの応力分布を示す図である。
【図７】実施例及び比較例のフランジ構造における曲げモーメント負荷時のフランジの応力分布を示す図である。
【図８】実施例及び比較例のフランジ構造における曲げモーメント負荷時のフランジの接触状態を示す図である。
【図９】実施例のフランジ構造における強度向上メカニズムを示す図である。
【図１０】外フランジの効果を示す模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は、輸送時における寸法を拡大することなく強度並びに固定対象となる構造体の剛性を向上したフランジ構造、及び、このようなフランジ構造を有する風力発電装置を提供する課題を、筒状体の全周にわたって内フランジを形成するとともに、周上の複数箇所に分散した外フランジを設けることによって解決した。
【実施例】
【００１５】
以下、本発明を適用したフランジ構造、及び、風力発電装置の実施例１乃至３について説明する。
実施例１乃至３のフランジ構造は、地上に設置される風力発電装置の風車タワーにおいて、タワーを構成する部材の連結や、タワーと基礎、もしくはナセルの連結に用いられるものである。
図１は、風力発電装置の風車タワーの模式的斜視図である。
図１に示すように、風車タワー１は、ロータ１０、ナセル２０、タワー３０等を有し、フランジ構造４０は、例えばタワー３０の中間部に設けられている。
また、風車タワー１は、タワー３０とナセル２０との連結部に設けられたフランジ構造４０ａ、タワー３０と基礎との連結部に設けられたフランジ構造４０ｂを有する。
【００１６】
ロータ１０は、風力によって回転駆動されるとともに、図示しない回転軸を介して発電機を駆動する風車である。
ロータ１０は、回転軸の端部に設けられたハブ１１と、ハブ１１から放射状に突き出して配置された４枚のブレード１２とを備えている。ブレード１２は、回転軸回りの位相が９０°間隔となるようにハブ１１に取り付けられている。
ロータ１０の回転中心軸は、装置の通常運転時にほぼ水平となるように配置されている。
【００１７】
ナセル２０は、ロータ１０によって駆動される図示しない発電機が収容される部分である。
また、ナセル２０内には、潤滑装置、冷却装置、制御盤のほか、必要に応じてロータ１０の回転を減速して発電機に伝達する減速機構が設けられている。
ナセル２０は、例えば、枠状のナセル架台の上に上述した各機器等を搭載し、外側をナセルカバーで覆って構成されている。
【００１８】
タワー３０は、上下方向に延びて形成され、ナセル２０を支持する支柱である。タワー３０の上端部はナセル２０の下部に接続され、下端部は図示しない地盤に設けられた基部に固定されている。
タワー３０は、上方において外径及び内径が窄まったテーパ状の筒状体として形成され、軸方向と直交する平面で切って見た断面形状は、実質的に円形となっている。タワー３０は、高さ方向における中間部を境として上部３１、下部３２に二分割されている。
【００１９】
フランジ構造４０は、タワー３０の上部３１と下部３２との連結に用いられるものである。
フランジ構造４０は、上内フランジ４１、下内フランジ４２、上外フランジ４３、下外フランジ４４を有して構成されている。
【００２０】
図２は、上内フランジ４１及び上外フランジ４３を上方から見た平面図（図１のII−II部矢視断面図）である。
なお、下内フランジ４２及び下外フランジ４４は、実質的に上内フランジ４１及び上外フランジ４３と同様の形状及び寸法を有している。
また、図１に示すフランジ構造４０ａのIIａ−IIａ部矢視断面、フランジ構造４０ｂのIIｂ−IIｂ矢視断面も、実質的にフランジ構造４０のII−II部矢視断面と同様の構成を備えている。
【００２１】
上内フランジ４１は、上部３１の下端部から内径側に張り出して形成されている。
上内フランジ４１は、タワー３０の中心軸方向と直交する平面に沿って延びた平板状に形成されている。
上内フランジ４１は、上部３１の全周にわたって設けられ、全周にわたって一様の内径を有する。また、上内フランジ４１には、締結用のボルトＢが挿入される開口であるボルト孔４１ａが周方向にほぼ等間隔に分散して１列設けられている。
ボルト孔４１ａは、周上例えば１２０個が設けられている。
【００２２】
下内フランジ４２（図５、図７を参照）は、下部３２の上端部から内径側に張り出して形成されている。
下内フランジ４２は、タワー３０の中心軸方向と直交する平面に沿って延びた平板状に形成され、上内フランジ４１と実質的に同様の厚みを有する。
下内フランジ４２は、下部３２の全周にわたって設けられ、全周にわたって一様の内径を有する。
下内フランジ４２は、ボルト４１ａに挿入されたボルトが挿入されるボルト孔４２ａ（図７を参照）が形成されている。
【００２３】
上外フランジ４３は、上部３１の下端部から外径側に張り出して形成されている。
上外フランジ４３は、タワー３０の中心軸と直交する平面に沿って延びた平板状に形成され、製造時には上内フランジ４１と一体に形成され、実質的に同じ厚みを有する。
【００２４】
図２に示すように、上外フランジ４３には、周上における等間隔な四箇所に、上部３１の外周面からの張り出し量（突出量）を他の部分よりも小さくした小径部５０が形成されている。
この小径部５０においては、上外フランジ４３の外端縁部は、上部３１の下端部における外周面の接線方向にほぼ沿って直線状にカットされたような形状となっている。
なお、本実施例においては、例えば、上部３１を中心軸方向がほぼ水平となるように横倒しして輸送する状態において、水平方向となる接線、及び、鉛直方向となる接線に沿って、上外フランジ４３がカットされたような形状とすることによって、小径部５０が形成されている。
その結果、上外フランジ４３の突出量が実質的にゼロとなる領域が、水平方向及び鉛直方向における両端部にそれぞれ形成され、その結果、上部３１の輸送時における全高及び全幅は、仮にこのような上外フランジ４３を設けない場合と実質的に同じとなっている。
輸送時に許容される最大高さ、最大幅が例えば４３００ｍｍである場合に、実施例においては、上部３１の外径を許容寸法と同じ４３００ｍｍとすることができ、タワー３０の剛性を確保することができる。また、この場合であっても、上外フランジ４３の外径を例えば４７００ｍｍに設定することが可能である。
【００２５】
上外フランジ４３の小径部５０以外の部分は、実質的に一様の外径を有し、締結用のボルトＢが挿入される開口であるボルト孔４３ａが周方向にほぼ等間隔に分散して１列設けられている。
ボルト孔４３ａは、１群（隣接する２つの小径部５０の間）あたり１５個（全周で６０個）が設けられている。
【００２６】
下外フランジ４４（図５、図７を参照）は、下部３２の上端部から外径側に張り出して形成されている。
下外フランジ４４は、タワー３０の中心軸と直交する平面に沿って延びた平板状に形成され、製造時には下内フランジ４２と一体に形成され、実質的に同じ厚みを有する。
下外フランジ４４は、図２に示す上外フランジ４３と実質的に同様の平面形状に形成されている。
【００２７】
タワー３０の組立時には、上内フランジ４１の下面と下内フランジ４２の上面、上外フランジ４３の下面と下外フランジ４４の上面がそれぞれ当接するように上部３１と下部３２とを突き合わせ、各ボルト孔にボルトＢを挿入し、ナットで締結することによって固定される。
【００２８】
図３は、実施例のフランジ構造各部の寸法を示す模式的断面図であって、図２のIII−III部矢視断面を示している。
図３に示すように、フランジ厚をＡ、ボルト孔４１ａ、４３ａの穴縁距離（タワー３０の外周面又は内周面から穴縁までの最短距離）をＢ、タワー３０の上部３１、下部３２の外周面部（シェル）厚をＣとして以下説明する。
なお、実施例において、フランジ厚Ａは、１００ｍｍのものを実施例１、７５ｍｍのものを実施例２、５０ｍｍのものを実施例３とした。
また、√ＢＣ＝５０．９である。
【００２９】
以下、上述した実施例１乃至３の効果を、以下説明する本発明の比較例と対比して説明する。なお、比較例の説明において、上述した実施例と実質的に共通する部分は、同じ符号を付して説明を省略し、主に相違点について説明する。
図４は、比較例のフランジ構造の平面図であって、実施例における図２に相当する箇所を示すものである。
比較例のフランジ構造１４０は、実施例１のフランジ構造４０における上外フランジ４３及び下外フランジ４４を省略したものである。
上内フランジ４１及び下内フランジ４２の厚みＡは、実施例１と同様に１００ｍｍとなっている。
【００３０】
以下、実施例１乃至３、及び、比較例のフランジ構造において、ＦＥＭによる曲げモーメントを負荷した際の強度解析結果を示す。
図５は、実施例１乃至３及び比較例のフランジ構造をボルトで締結した状態における曲げモーメント負荷時の応力分布を示す図である。
図中、応力が６００Ｎ／ｍｍ２以上の箇所を破線で囲って示し、８００Ｎ／ｍｍ２以上の箇所に網掛けを付して示す。
図６は、実施例１乃至３及び比較例のフランジ構造における曲げモーメント負荷時のボルトの応力分布を示す図である。
図中、応力が６００Ｎ／ｍｍ２以上の箇所を破線で囲って示し、８００Ｎ／ｍｍ２以上の箇所に網掛けを付して示す。
【００３１】
図７は、実施例１乃至３及び比較例のフランジ構造における曲げモーメント負荷時のフランジの応力分布を示す図である。
図中、応力が２４０Ｎ／ｍｍ２以上の箇所を破線で囲って示し、３２０Ｎ／ｍｍ２以上の箇所に網掛けを付して示す。
図８は、実施例１乃至３及び比較例のフランジ構造における曲げモーメント負荷時のフランジの接触状態を示す図である。
図中、スライディング領域を破線で囲って示し、スティッキング領域に網掛けを付して示す。
なお、図８におけるこれ以外の部分は、ニアコンタクト領域となっている。
【００３２】
また、図５乃至８のＦＥＭ解析結果概要を、以下の表１乃至表３に示す。
【表１】
0005756358.tif 000002
【表２】
0005756358.tif 000003
【表３】
0005756358.tif 000004
【００３３】
上述した図５乃至８、表１乃至表３に示すように、外フランジを有する高強度フランジである実施例１乃至３においては、概して比較例以上の強度となったが、フランジ厚Ａ＝５０ｍｍである実施例３においては、フランジで高応力が発生し、強度が低下する場合がある。
このことから、フランジ厚Ａの設定は、以下の式１を満たすように設定することが好ましい。
【数１】
0005756358.tif 000005
【００３４】
以上説明した実施例１乃至３によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）内フランジのみの場合に対して、図９に示すように、曲げを受ける際に最外端で荷重を受けるボルト数（例えば、図９に破線で囲って示すボルト数）が増加し、ボルト及びその周囲のフランジの負担を軽減し、強度を向上することができる。
例えば、実施例１においては、輸送時の寸法を変えることなく、比較例に対してフランジ部の強度を約４０％向上することができる。
また、図１０（ｂ）に示すように、部分的に両フランジとなることによって、フランジ変形が防止されて、図１０（ａ）に示す片フランジに対してボルトに作用するてこ反力が減少し、ボルト張力が軽減される。
（２）実施例１、２のように、Ａ≧１．２×（Ｂ×Ｃ）1/2とすることによって、フランジ部において高応力が発生して強度が低下することを防止し、確実に上述した効果を得ることができる。
（３）小径部５０をタワー３０の中心軸回りにおける位相を９０度ずつ離間させて配置したことによって、タワー３０を横倒しにして輸送する際の全高方向及び全幅方向への外フランジ４３，４４の張り出しを低減し、輸送の制約などによって定まる許容寸法の範囲内でタワー３０の径を大きくし、剛性確保を容易にすることができる。
（４）外フランジ４３，４４の小径部５０をタワー３０の外周面の接線に沿ってカットした形状とすることによって、タワー３０の外径を許容寸法の範囲内で最大化することができる。
【００３５】
（変形例）
本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
（１）本発明のフランジ構造の適用箇所は上述した各実施例に限定されず、本発明は筒状体の結合に用いられるあらゆるフランジ継手に適用することが可能である。
（２）内フランジ及び外フランジの形状や寸法等は適宜変更することが可能であるが、フランジ部の強度確保が重要である場合は、フランジ厚Ａは上述したようにＡ≧１．２√ＢＣを満たすことが好ましい。
【符号の説明】
【００３６】
１    風車タワー                    １０    ロータ
１１    ハブ                          １２    ブレード
２０    ナセル                        ３０    タワー
３１    上部                          ３２    下部
４０    フランジ構造                  ４１    上内フランジ
４１ａ  ボルト孔                      ４２    下内フランジ
４２ａ  ボルト孔                      ４３    上外フランジ
４３ａ  ボルト孔                      ４４    下外フランジ
１４０    フランジ構造（比較例）          Ｂ    ボルト
【図１】
0005756358.tif 000006
【図２】
0005756358.tif 000007
【図３】
0005756358.tif 000008
【図４】
0005756358.tif 000009
【図５】
0005756358.tif 000010
【図６】
0005756358.tif 000011
【図７】
0005756358.tif 000012
【図８】
0005756358.tif 000013
【図９】
0005756358.tif 000014
【図１０】
0005756358.tif 000015