(57)【要約】  【課題】風力発電用風車が大型化するに伴い、風車翼の座屈による変形、破壊が問題となっているが、大きな重量の付加なく座屈を抑制する構造を持った風車翼を提供する。  【解決手段】翼厚方向の曲げ剛性を、翼の根元から先端に向かって分布をとったときに、単調減少となるようにすることにより、局所的な座屈を防いだ構造の風車翼を得ることが出来る。【選択図】  図５
2012202359.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力発電用の風車翼において、翼厚方向の曲げ剛性が、前記風車翼の根元から先端に向かって単調減少となることを特徴とする風車翼。
【請求項２】
前記風車翼は、根元側に位置しハブに取り付けるための取付部と、先端側に位置する翼形断面部と、取付部と翼形断面部とを繋ぐ遷移部とからなり、前記遷移部が、前記風車翼の根元から翼長さの５０%までの領域にあることを特徴とする請求項１に記載の風車翼。
【請求項３】
前記遷移部の翼厚方向の板厚が、曲げ強度で規定される構造の板厚に比して大きな板厚をとる構造を含むことを特徴とする請求項２に記載の風車翼。
【請求項４】
前記遷移部が防撓材を含む構造からなることを特徴とする請求項２または３に記載の風車翼。
【請求項５】
前記風車翼が、繊維強化プラスチックを含む構造からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の風車翼。
【請求項６】
前記風車翼が、炭素繊維を含む繊維強化プラスチックであることを特徴とする請求項５に記載の風車翼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電用大型風車の翼に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電では、地上付近の地面や障害物との摩擦で減速した風よりも、高所で風速の速い風を捕らえた方が発電効率が良いことから、風車を高所に設置するとともに、ローター径を大きくして発電効率を高める方向へと進化している。これにあわせて風車翼も長大化しており、従来のように曲げ強度を元に設計した場合、従来の小型風車翼に比べ、翼長さに対して相対的に板厚が薄くなり、座屈が生じやすくなっている。
【０００３】
現在主流の大型風車翼の構造は、例えば特許文献１にあるように、ガラス繊維強化プラスチックからなり、風荷重のほとんどを負担する構造部材である主桁と、翼形状を保持し風荷重を主桁に伝達する部材である外皮からなっている。この主桁が運転中に座屈すると風車翼が破壊し、破片を飛散させたり、主塔を倒壊させたりする被害が生じるため、座屈を防ぐ構造が必要とされている。
【０００４】
この問題に対して、例えば特許文献２では、風車翼の内部全体に発泡体を充填することにより座屈を防ぐことが提案されている。しかし、大型化した風車翼では内部の空間の体積は大きく、重量が増大しすぎるという問題が生じる。ギヤボックスや発電機、主塔への負荷の面から風車翼は出来るだけ軽量であることが好ましい。
【０００５】
また、特許文献３では、風車翼全体をサンドイッチパネルのモノコック構造とすることが提案されている。しかし、この方法も大型化した風車翼では相当厚いコアを必要とするため重量が増大する上に、断面のつぶれに対して弱いという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−２７９８１８号公報
【特許文献２】特開昭５９−１５５５７７号公報
【特許文献３】特開２００３−３１４４３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、大きな重量の付加なく座屈を抑制する構造を持った風車翼を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題に対し各種検討した結果、曲げ強度を満たすように風車翼の主桁部分の板厚分布を決めた場合、翼厚方向の剛性が局所的に低い箇所が発生することを見出した。風車翼の形状は、根元側はハブへの取付部となるため円形断面となっており、先端側に行くにしたがって翼形断面となる。その間に、風車翼の根元から３０％の長さ付近まで断面形状が遷移する遷移部が存在する。この遷移部では、翼厚が先端側の翼形断面よりも大きいため、曲げ強度を満たすように設計すると板厚が小さくなり、曲げ剛性が局所的に低くなる。そして、座屈強度の低い箇所はこの遷移部と一致する。
【０００９】
そこで、翼厚方向の曲げ剛性を、翼の根元から先端に向かって分布をとったときに、単調減少となるようにすることにより、局所的に座屈強度の低い箇所をなくすことが出来ることを見出した。以上の知見を元に本発明者は本発明に想到した。すなわち、
風力発電用の風車翼において、翼厚方向の曲げ剛性が、前記風車翼の根元から先端に向かって単調減少となることを特徴とする風車翼であることが必要である。
【００１０】
また、前記風車翼は、根元側に位置しハブに取り付けるための取付部と、先端側に位置する翼形断面部と、取付部と翼形断面部とを繋ぐ遷移部とからなり、前記遷移部が、前記風車翼の根元から翼長さの５０%までの領域にあることが好ましい。
【００１１】
また、前記遷移部の翼厚方向の板厚が、曲げ強度で規定される構造の板厚に比して大きな板厚をとる構造を含むことも好ましい態様である。
【００１２】
さらに、前記遷移部が防撓材を含む構造からなることも好ましい。
【００１３】
ここで、前記風車翼が、繊維強化プラスチックを含む構造からなることが好ましい。なかでも、前記風車翼が、炭素繊維を含む繊維強化プラスチックであることが特に好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、大きな重量の付加なく、局所的な座屈を防いだ構造の風車翼を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明における風車翼の外形状を模式的に示した斜視図である。
【図２】本発明における風車翼のうち、（ａ）根元部、（ｂ）遷移部、（ｃ）翼形部、各部分の断面図である。
【図３】本発明における風車翼の断面構造を示す模式図である。
【図４】従来の風車翼による翼厚方向曲げ剛性の分布図である。
【図５】本発明の風車翼による翼厚方向曲げ剛性の分布図である。
【図６】本発明が適用される風車全体の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明について図面を用いて説明する。
【００１７】
本発明の風車翼は、図１に示すような風車翼１０の外形状を有し、図２の断面図に示すような断面形状を各部分に有するものである。根元部２０は、図６に示すような風車のハブ７０に取り付けるために略円形断面となっており、根元部２０から先端に向かって、断面形状が略円形から翼形へと遷移する遷移部３０を有している。この遷移部３０は、最大で根元から風車翼長さの５０％までの領域である。遷移部３０より先は、断面が翼形状である翼形部４０を有する。
【００１８】
ここで、翼形状断面において、翼弦方向に直交する方向を翼厚方向と呼ぶ。一般に、風車翼１０は、風から効率よく力を受けるために、長さ方向にわたって翼の迎え角を変化させるようねじり角を設けてあることが多いが、本発明における翼厚方向は、その場所での翼弦方向に直交する方向を翼厚方向と呼ぶこととする。
【００１９】
風車翼１０の遷移部３０および翼形部４０における、さらに詳細な断面構造を図３に示す。翼形部４０は、主に荷重を負担する主桁４３と、翼形状を保持する外皮４２、ウェブ４１から構成された中空構造からなる。
【００２０】
風車翼１０は、風車翼１０に駆動される発電機、ギヤボックス、ベアリングなどへの負荷を減らすために、軽量、高剛性であることが好ましい。そのため、風車翼１０の主桁４３の材料としては、軽量かつ高剛性が容易に実現できる繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）を含む構造であることが好ましい。
【００２１】
ＦＲＰは、エポキシ樹脂やポリエステル樹脂などのプラスチックを、強化繊維である炭素繊維などで強化したものである。プラスチックには、上記した、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂の他にも、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化樹脂の他、ポリプロピレン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエーテルイミド樹脂など熱可塑樹脂が使用される。強化繊維は、炭素繊維やガラス繊維などの無機繊維や、アラミド繊維、高強度ポリエチレン繊維、ＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンズオキサゾール）繊維などの有機繊維などが使用される。中でも、ＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）系炭素繊維と樹脂を重量比で４：６〜７：３の割合で組み合わせた炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）は、重量当たりの剛性、強度が高く、本発明で最も好ましい材料である。また、連続繊維を含む繊維強化プラスチックならば、風車翼にかかる曲げ荷重、ねじり荷重のそれぞれに合わせた繊維配向を選択でき、より好ましい。
【００２２】
また、外皮４２は軽量かつ風荷重による面圧に耐えられるように、ＦＲＰのサンドイッチパネルを含む構造とすることが好ましい。サンドイッチパネルとは、発泡性樹脂等といった低密度芯材の片面または両面に表皮材としてＦＲＰを張り合わせたものであり、全ＦＲＰ製の外皮と比較して、同等の曲げ強度や剛性を維持しつつ、更なる軽量化が達成できるものである。
【００２３】
風車翼１０の各位置に掛かる風荷重による曲げモーメントは一様ではないため、その曲げモーメントの大きさに応じて必要な強度を確保しつつ軽量化させるべく、風車翼１０は翼の長さ方向に渡って主桁の板厚を変化させている。主桁４３の板厚分布は、従来は曲げ強度を満たすように設計することが一般的であった。この場合、風車翼１０の根元側では主桁４３の板厚はほぼ一様に厚くなるのに対し、遷移部の領域内では、外形上の翼厚方向寸法が大きく形状による断面係数が大きく取れるために主桁４３の板厚はやや薄くなり、翼形状となったところで再び厚く、さらに先端に向かって薄くなる傾向を有していた。このとき、風車翼１０の根元側から翼先端方向へ正規化した長さに対する、風車翼の翼厚方向曲げ剛性分布の一例を図４に示す。図４内の矢印部分で図示するように、遷移部の領域内で局所的に曲げ剛性が低い箇所が発生する。
【００２４】
曲げ強度を基に設計された風車翼が座屈する部分と、図４における曲げ剛性の低い箇所とが一致することから、本発明では、翼厚方向曲げ剛性分布を、単に曲げ強度を満たすだけではなく、図５のように、根元部から先端に向かって単調減少となるように設計することを見出した。このような風車翼の形状とすることにより、遷移部で発生する局所的な座屈を防ぐことが出来る。
【００２５】
翼厚方向曲げ剛性分布を単調減少とする手法としては、局所的に曲げ剛性の低い箇所の主桁４３の板厚を大きくすることができる。とくに主桁４３の長手方向繊維配向層を増厚すると効果が高く好ましい。また、別の手法として、遷移部の内側に防撓材を含む構造（図示せず）を用いることができる。防撓材として、縦通材（ストリンガー）、小骨（リブ）、ウェブなどを使うことができる。ストリンガーやリブは、風車翼１０と同じＣＦＲＰ製であることが好ましく、接着剤で固着させたり、風車翼の成形にあわせて一体成形することも可能である。
【実施例】
【００２６】
［風車翼］
アメリカ国立再生可能エネルギー研究所の提案している風車翼形状ＷｉｎｄＰＡＣＴをもとに、５ＭＷ級風車翼の検討を行った。翼の長さ６４ｍ、定格風速１５ｍ/ｓの風車翼とした。風荷重として、大型風車の国際規格ＩＥＣ６１４００-１で規定されるＥＯＧ(運転中の極値突風)を用い、この荷重負荷時に主桁の長手方向ひずみが０．２％を超えないよう設計した。主桁はＣＦＲＰ（東レ株式会社製ＰＡＮ系炭素繊維Ｔ−６００をエポキシ樹脂で硬化させたもの）とし、外皮、ウェブはＧＦＲＰをスキンとし、バルサ（Ａｌｃａｎ Ｂａｌｔｅｋ製ＡＬ−１００）をコアとするサンドイッチパネルとした。
【００２７】
（実施例）
上記の外形を有する風車翼について、遷移部の主桁板厚を２３%増加させた。このときの翼厚方向曲げ剛性分布を図５に、重量相対値と座屈係数を表１に示した。ここで、座屈係数は想定荷重と座屈荷重の比であり、座屈係数が１より小さい場合は想定荷重より小さな荷重で座屈することを示すものである。本実施例では、座屈係数は十分１より大きく、想定荷重では座屈を生じさせるものではなかった。
【００２８】
（比較例）
上記の外形を有する風車翼について、遷移部の主桁板厚を変更せずそのまま用いた。このときの翼厚方向曲げ剛性分布を図４に、重量相対値と座屈係数を表１に示した。本比較例では、座屈係数が１より小さく、想定荷重より小さな荷重で座屈してしまうおそれが生じ、構造としての用を成さない結果となった。
【００２９】
以上のとおり、本発明において少ない重量増分で座屈を防ぐ構造を得られる結果となった。
【００３０】
【表１】
2012202359.tif 000003
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、風車に限定されることなく、タービン翼やヘリコプターのプロペラ等といった翼構造にも適用可能であり、その応用範囲はこれらに限られるものではない。
【符号の説明】
【００３２】
１０  風車翼
２０  取付部
３０  遷移部
４０  翼形部
４１  ウェブ
４２  外皮
４３  主桁
５０  主塔
６０  ナセル
７０  ハブ
【図１】
2012202359.tif 000004
【図２】
2012202359.tif 000005
【図３】
2012202359.tif 000006
【図４】
2012202359.tif 000007
【図５】
2012202359.tif 000008
【図６】
2012202359.tif 000009