技術紹介

風力発電用風車ブレードの強度試験
三上 隆男＊
M i k a m i Ta k a o

川 井 弘 志 ＊＊＊出口啓 ＊＊

Deguchi Akira

Kawai Hiroshi
近年、風力エネルギーは再生可能エネルギーとして大いに注目を浴びており、その供給源である風車の普及が世界各地で進んでいる。風車は自然の風力を動力源としている。日本は台風が多いので、定格運転時だけでなく強風時の風車の強度を適切な試験により確認する必要がある。IIC は株式会社きんでん殿からの委託により、風車の最も重要な構成部品である複合材料製ブレードについて各種の強度試験および解析を実施した。本稿ではその概要について報告する。
キーワード：風車、ブレード、複合材料、GFRP、曲げ強度試験、材料試験、たわみ
ブレードは外皮（シェル）と桁を接着した構造で1. はじめにあり、構造強度的にはバラツキが大きいと考えられる。したがって、ブレードの構造健全性を適切風力エネルギーは再生可能エネルギーのひとつ（1）~（5）な試験により確認することが必要である。

であり、地球環境の保全（低炭素社会の構築）、エネルギーセキュリティの確保、経済成長の維持

このような背景の下、IIC は株式会社きんでんを同時に実現可能なエネルギー源として注目さ殿からの委託により、1,500KW 級 GFRP 製ブレーれ、その供給源である風車の普及が世界各地で進んでいる。
日本では安定した風力（平均風速 6m/s 以上）が得られる北海道、青森、秋田などの海岸部や沖縄の島々などで多くの風車が稼働している。（写真 1 参照）
しかし、日本には毎年、台風が来襲する。風車の最も重要な構成部品である複合材料製ブレードは定格運転時のみならず、台風などの強風時にも写真１十分な強度を有していることが必須である。また、

風車＊
技師長 博士（工学）、技術士（機械部門）、環境計量士（騒音・振動関係）、一般計量士＊＊ 株式会社 きんでん 技術本部 新エネルギーシステム部 技術支援チーム 技術士（電気電子部門）＊＊＊ 株式会社 きんでん 技術本部 新エネルギーシステム部 プロジェクト支援チーム 技術士（電気電子部門）—DJ618_08_風車ブレードの強度_05[038-042].indd 38

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ド（長さ : 約 37m）を対象として、空中たわみ試験、負荷によるこれらの位置変化をトータルステー

地上たわみ試験、地上曲げ破壊試験、材料強度試

ション（写真 2 参照）により 3 次元的に計測し、験、AE 計測ならびに FEM 構造解析を実施した。

この計測結果から、たわみ量や捩れを解析した。

本稿ではこれらの試験や解析の概要について報告

写真 3 に空中たわみ試験の様子を示す。

する。

本試験結果と FEM によるたわみ量解析結果か

なお、AE 計測については、別報で詳細に報告

ら、ブレードが所定の曲げおよび捩り剛性を有しする。ていることを確認した。
また、ブレードに設置した加速度センサで微振2. 試験動を検知し、これを FFT 解析することにより 1

2.1 空中たわみ試験

次曲げ固有振動数を計測した。測定された固有振この試験はブレードをハブから取り外すことな動数と設計値を比較し、ブレードが所定の全体剛く、空中にセットされた状態でブレードに適度な性を有していることを確認した。

曲げ荷重を与えてたわみ量を計測するものであり、この試験によりブレードの曲げおよび捩り剛性を評価する。
ブレード先端近傍の 1 箇所に引張治具を取付け、ワイヤ、滑車を介してウインチにより水平方向荷重を段階的に負荷した。荷重値は引張治具の荷重負荷ワイヤに設置したロードセルで計測した。
図 1 に示すようにブレード表面の前縁部と後縁部に多数のプリズムターゲットを設置し、荷重

図1

写真２

計測状況

写真３—

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トータルステーションなど

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空中たわみ試験
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2.2 地上たわみ試験

プレッシャー側からサクション側に向かう方向とこの試験はブレードをハブから取り外し、地上し、縦方向負荷試験ではリーディングエッジ側かに置かれた反力壁にブレードを設置し、設計曲げらトレーリングエッジ側に向かう方向とした。荷荷重を数箇所に分布させて与え、たわみ量などを重値は引張治具の荷重負荷ワイヤに設置したロー計測するものである。この方法によれば、実際のドセルで計測した。

風圧分布による荷重を模擬した試験ができるとと各荷重 段階でトータルステーションだけでなもに、空中試験のように高所で作業をする必要がく、レーザー変位計によりたわみ量を計測した。

なく、また、100% 設計荷重まで試験が可能である。

また、たわみ試験に先立って、加速度センサとただし、長さ 37m のブレードのたわみ試験を実光ファイバ変位センサ（SOFO）をブレード表面施できる反力壁が日本国内にないため、専用の反に設置し、ブレードをロープで励振することによ力壁を設計製作して試験を行った。

り、自由減衰振動を発生させ、固有振動数を計測

試験の様子を写真 4 に示す。荷重は図 2 に示した。この方法により多数の振動モード（4 次のすようにブレードのスパン方向 4 箇所に引張治具Flapwise モードまで）を計測することができた。

を取付け、ワイヤ、滑車を介してウインチによりこれらの試験により、ブレードが所定の曲げ剛荷重を負荷した。荷重方向は横方向負荷試験では性と全体剛性を有することを確認した。
2.3 地上曲げ破壊試験
この試験は曲げによりブレードを破壊に至らしめ、その終局強度を確認することが主目的である。
地上たわみ試験と同様に反力壁が必要であるが、設計荷重をはるかに越える荷重を負荷することになるため、剛性の高い反力壁を設計製作した。破
壊時にはブレードや計測センサの飛散、引張治具の脱落、床の損傷などが予想されるため、試験場

写真４

地上たわみ試験所は安全面で特別な配慮が必要である。そこで、

図２—

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荷重負荷方法40—

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岸壁に係留した 3,000ton 台船上で試験を実施しを用いて試験中に AE 波をモニタリングした。曲

た。

げ破壊試験後のブレードの損傷状況を写真 6 に試験の様子を写真 5 に示す。荷重は地上たわ示す。

み試験と同様に、ブレードのスパン方向 4 箇所にまた、曲げ破壊試験に先立って、地上たわみ試引張治具を取付け、ワイヤ、滑車を介してウイン

験と同様に加速度センサと光ファイバ変位センサ

チ に よ り 荷 重 を 負 荷 し た。 荷 重 方 向 は プ レ ッをブレード表面に設置し、ブレードをロープで励シャー側からサクション側に向かう方向とした。

振することにより、自由減衰振動を発生させ、固荷重値は引張治具の荷重負荷ワイヤに設置した有振動数を計測した。

ロードセルで計測した。

これらの試験により、ブレードの終局強度を把

本試験ではブレード各部に発生するひずみ量の握するとともに、所定の曲げ剛性と全体剛性を有把握が重要な課題であり、シェルと桁の表面に合することを確認した。

計約 100 枚の 3 方向ひずみゲージを接着し、曲げ2.4 材料強度試験

破壊試験中のひずみ量を計測した。
試験中、各荷重段階で地上たわみ試験と同様にブレードに発生する応力や変位を FEM で解析

トータルステーションとレーザー変位計によりたする場合、材料データ（E、ν、ρなど）が必要わみ量を計測した。また、30CH の AE システム不可欠である。また、ブレードの強度を評価する際には、引張強度やせん断強度が必要である。ブ
レードは GFRP、バルサ、接着剤で構成される複雑構造体で、異方性もあるので、実体から試験片を切り出して試験を実施しなければならない。そのため、ブレードを代表する部位から多数の試験片を切り出し、これらについて引張試験を行い、各部位の引張強度と E、νを測定した。また、せん断試験用にもいくつかの試験片を切り出し、せん断強度を測定した。写真 7 にせん断試験の様

写真５

写真６

地上曲げ破壊試験子を示す。

破壊後の状況

写真７—

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—

せん断試験

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強度の確認が重要になってきている。IIC は風車

3.FEM 構造解析の健全性を実証するために必要なこれらの試験および解析技術をお客様に提供して行く所存であ

空中たわみ試験、地上たわみ試験、地上曲げ破る。

壊試験時の変位（たわみ量）、ひずみ量、固有振動数などを FEM 解析でシミュレーションした。

参考文献

FEM によるひずみ解析結果の一例を図 3 に示す。
ブレードは構造が複雑なため、モデル化（形状、1）IEC TS 61400-23 TECHNICAL SPECIFICATION

物性値、要素など）は容易ではない。FEM 解析

Wind turbine generator systems- Part 23: Full-scale

結果と実測値との比較により、モデルを改良した。

structural testing of rotor blades2）IEC TS 61400-13 TECHNICAL SPECIFICATION
Wi n d t u r b i n e g e n e r a t o r s y s t e m s - P a r t 1 3 :Measurement of mechanical loads3）Mark A. Rumsey, Joshua A. Paquette, et al,“Experimental Results of Structural Health
Monitoring of Wind Turbine Blades”, American
Institute of Aeronautics and Astronautics4）Mark A. Rumsey, Joshua A. Paquette,“Structural図３

Health Monitoring of Wind Turbine Blades＂, Sandia

ブレードのひずみ解析結果例

National Laboratories, Albuquerque, NM 871855）新藤 健太郎、川節 望、黒岩 隆夫、田北 勝

4. おわりに彦：“風力発電装置用大型 FRP ブレードの製造技術”、KANRIN

風車ブレードの強度試験方法などについて概要

日本船舶海洋工学会誌

第26 号（平成 21 年 9 月）、pp.33~37を報告した。風車ブレードは大型化が進んでおり、
ますます、強度試験や FEM 構造解析による構造技師長

株式会社

博士（工学） 技術士（機械部門）

きんでん

技術本部

環境計量士（騒音・振動関係） 一般計量士

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