JP2006274990A - 風車翼 - Google Patents

Abstract

【課題】異種材料からなる補強材による補強に頼ることなく、翼の軽量化を達成しつつ、翼の振動による騒音を抑制し、かつ、カルマン渦発生に伴う騒音も抑制可能な風車翼を提供する。
【解決手段】少なくとも炭素繊維を含む繊維強化プラスチックからなる表皮材と、該表皮材で囲まれる該表皮材よりもかさ密度の小さい気体および／または固体で構成され、翼先端から回転中心方向に翼全長の３〜３０％の長さに亘り、〔Ａ〕翼長手方向の曲げ弾性率Ｅ₀（Ｎ／ｍｍ²）と厚みＤ（ｍｍ）との積Ｅ₀×Ｄが２５，０００〜６００，０００Ｎ／ｍｍである表皮材の構成、〔Ｂ〕厚みＴ（ｍｍ）と幅Ｗ（ｍｍ）との比Ｔ／Ｗが０．０５〜０．１５の範囲内にある翼の条件、を同時に満足することを特徴とする風車翼。
【選択図】図２

Description

本発明は、風力発電用等に用いられる風車の翼に関し、とくに炭素繊維を含む繊維強化プラスチック（以下、単にＣＦＲＰと呼ぶこともある。）からなる表皮材を用いて構成された風車翼に関する。

風力により回転される風車の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する風力発電技術は、クリーンな発電方法として、近年脚光を浴びている。また、風車翼を軽量化するために、翼の一部または全体を、繊維強化プラスチック（以下、単にＦＲＰと呼ぶこともある。）で構成することも行われつつある。

しかしながら、このような風車においては、ローター径の大型化や高速化に伴い、風車翼の騒音、例えば、フラッタリング、カルマン渦による気流騒音や、翼振動騒音などが問題となっている。

例えば、翼先端部がねじれやすく、曲げ剛性が小さいと、翼がフラッタ現象を引き起こし易く、騒音を発生する原因となる。このような問題に対し、特許文献１には、翼先端部を、高弾性率、高比重の金属材料でコの字形に補強し、軽量高強度のテンションロッドでハブ側の翼取付部材に連結した風車翼が開示されているが、翼先端部に高比重の補強材を設けることにより、翼全体の重量増加を招き、それによって発電効率が低下するという問題がある。また、補強材の接合の信頼性等の問題が残り、接合強度不足が生じると、翼が破損するおそれがある。

また、翼の強度や剛性を確保するために、翼あるいはその構成部材の厚みを大きくすることが考えられるが、とくに翼の縁部の厚みが大きいと、翼後縁の後方にカルマン渦を生じ易く、騒音問題につながる。このような問題に対し、特許文献２には、翼後縁部に、その長手方向に沿って、翼本体部とは異種の材料からなる別体の補強材を設けた風車翼が開示されているが、このような補強材を設けると、やはり翼の重量増加の問題を生じるとともに、補強材の接合の信頼性等の問題が残り、接合強度不足が生じると、翼が破損するおそれがある。
特開２００１−２８９１５１号公報 特開２０００−１２０５２４号公報

そこで本発明の課題は、上記のような問題点に着目し、異種材料からなる補強材による補強に頼ることなく、翼の軽量化を達成しつつ、翼の振動による騒音を抑制し、かつ、カルマン渦発生に伴う騒音も抑制可能な風車翼を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る風車翼は、少なくとも炭素繊維を含む繊維強化プラスチックからなる表皮材と、該表皮材で囲まれる該表皮材よりもかさ密度の小さい気体および／または固体で構成され、翼先端から回転中心方向に翼全長の３〜３０％の長さに亘り、次の構成要素〔Ａ〕と条件〔Ｂ〕を同時に満足することを特徴とするものからなる。
〔Ａ〕翼長手方向の曲げ弾性率Ｅ₀（Ｎ／ｍｍ²）と厚みＤ（ｍｍ）との積Ｅ₀×Ｄが２５，０００〜６００，０００Ｎ／ｍｍである表皮材
〔Ｂ〕厚みＴ（ｍｍ）と幅Ｗ（ｍｍ）との比Ｔ／Ｗが０．０５〜０．１５の範囲内にあること

ここで、少なくとも炭素繊維を含む繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）とは、強化繊維の全部が炭素繊維からなる場合と、炭素繊維と他の強化繊維とからなる場合の両方を含む概念である。他の強化繊維としては、例えば、ガラス繊維等の無機繊維や、ケブラー繊維、ポリエチレン繊維、ポリアミド繊維などの有機繊維からなる強化繊維が挙げられる。翼の強度や剛性の制御の容易性の面からは、とくに炭素繊維が好ましい。また、ＦＲＰのマトリックス樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられ、さらには、ポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂、ジシクロペンタジエン樹脂、ポリウレタン樹脂等の熱可塑性樹脂も使用可能である。

また、表皮材で囲まれる部分が、該表皮材よりもかさ密度の小さい気体および／または固体で構成されるとは、表皮材で囲まれる内部部分が、中空構造に構成されてもよく、低密度のコア材を内包した構造に構成されてもよいと言う概念である。コア材としては、弾性体や発泡材、ハニカム材の使用が可能であり、軽量化のためにはとくに発泡材が好ましい。発泡材の材質としては特に限定されず、たとえば、ポリウレタンやアクリル、ポリスチレン、ポリイミド、塩化ビニル、フェノールなどの高分子材料の低密度フォーム材などを使用できる。ハニカム材としては特に限定されず、たとえばアルミニウム合金、紙、アラミドペーパー等を使用することができる。

上記〔Ａ〕のように、翼長手方向の曲げ弾性率Ｅ₀（Ｎ／ｍｍ²）と厚みＤ（ｍｍ）との積Ｅ₀×Ｄを２５，０００〜６００，０００Ｎ／ｍｍとすることにより、軽量性を維持しつつ、翼長手方向に十分に高い曲げ剛性を達成でき、翼の振動を抑えてそれに起因する騒音を抑制することができる。また、上記〔Ｂ〕のように、厚みＴ（ｍｍ）と幅Ｗ（ｍｍ）との比Ｔ／Ｗを０．０５〜０．１５の範囲内とすることにより、軽量性、曲げ剛性を高く保ちつつ、薄い翼とすることでカルマン渦の発生を効果的に抑制することができ、とくにカルマン渦に起因する騒音を抑制することができる。Ｔ／Ｗが０．０５よりも小さいと長手方向の曲げ剛性が小さくなりすぎ、０．１５よりも大きいとカルマン渦の抑制効果が小さくなる。そして、このような〔Ａ〕、〔Ｂ〕の構成、条件を満足させる領域は、翼先端から回転中心方向に翼全長の３〜３０％の長さに亘る領域で十分であり、それによって目標とする騒音抑制効果が得られる。このような構成、条件を他の領域に亘ってまで満足するように構成すると、翼全体の軽量性が損なわれるおそれがある。

このような本発明に係る風車翼においては、上記表皮材〔Ａ〕が表皮材全体の平均厚みの１．１〜３．０倍の厚みをもつ箇所を備えている構成とすることができる。つまり、翼先端から回転中心方向に翼全長の３〜３０％の長さに亘る領域の少なくとも一部において、表皮材の厚みを厚くする構成である。

また、上記表皮材〔Ａ〕が、該表皮材〔Ａ〕以外の部分の表皮材の１．１〜３．０倍の弾性率をもつ箇所を備えている構成とすることもできる。つまり、翼先端から回転中心方向に翼全長の３〜３０％の長さに亘る領域の少なくとも一部において、表皮材の弾性率を大きくする構成である。

また、上記表皮材〔Ａ〕において、翼長手方向に対し翼回転面上で±４５°の方向の曲げ弾性率Ｅ₄₅（Ｎ／ｍｍ²）と厚みＤ（ｍｍ）との積Ｅ₄₅×Ｄが２５，０００〜６００，０００Ｎ／ｍｍである構成とすることもできる。このような構成では、この領域でのねじれ方向剛性を上げることができ、それによって翼のフラッタリングを効果的に抑制でき、フラッタリングに起因する騒音を抑制することができる。

また、上記表皮材〔Ａ〕において、翼長手方向の曲げ弾性率Ｅ₀（Ｎ／ｍｍ²）と翼長手方向に対し翼回転面上で±４５°の方向の曲げ弾性率Ｅ₄₅（Ｎ／ｍｍ²）との比Ｅ₀／Ｅ₄₅が０．２〜５．０の範囲内にある構成とすることが好ましい。すなわち、長手方向の曲げ弾性率と±４５°の方向の曲げ弾性率（ねじり方向の弾性率）とを適度にバランスさせ、翼長手方向の曲げによる振動と、ねじり方向の振動とを、ともに効率よく低減できるようにした構成であり、これら振動に起因する騒音を全体として低く抑制しようとする構成である。

また、翼全体の平均密度ρとしては、０．１５〜１．５（ｇ／ｃｍ³）の範囲内にあることが好ましい。平均密度ρが０．１５ｇ／ｃｍ³よりも低いと、翼全体の強度を確保することが難しくなり、１．５ｇ／ｃｍ³よりも高いと、翼全体の軽量性が損なわれるおそれがある。

本発明に係る風車翼が適用される風車のタイプはとくに限定しないが、本発明は、風車軸が水平方向に延びる水平軸型風車にとくに好適なものである。

このように、本発明によれば、異種材料からなる補強材による補強に頼ることなく、軽量かつ高強度、高剛性で、振動やカルマン渦に起因する騒音を効率よく抑制できる風車翼を提供できる。

以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１〜図３は、本発明の一実施態様に係る風車翼を示しており、水平軸型の風車の翼に本発明を適用した場合を示している。図１において、１は１枚の風車翼全体を示しており、風車翼１は、実質的にその表裏全面に亘って表皮材２で覆われている。本実施態様では、表皮材２は、炭素繊維強化プラスチック（強化繊維が炭素繊維、マトリックス樹脂がエポキシ樹脂）からなり、その内部には前述したような低密度発泡体からなるコア材（本実施態様ではウレタン発泡体からなるコア材）が内包されている。

図１の風車翼１におけるＣ−Ｃ断面は図２に示すように構成されており、Ｄ−Ｄ断面は図３に示すように構成されている。図２に示すように、表皮材２で囲まれた内部には、低密度発泡体からなるコア材３が内包されている。この風車翼１の翼先端４から回転中心方向に（つまり、翼根元部に向かう方向に）、翼全長の３〜３０％の長さに亘る領域部分５では、表皮材２が、翼長手方向の曲げ弾性率Ｅ₀（Ｎ／ｍｍ²）と厚みＤ（ｍｍ）との積Ｅ₀×Ｄが２５，０００〜６００，０００Ｎ／ｍｍの範囲内にある構成と、翼１の厚みＴ（ｍｍ）と幅Ｗ（ｍｍ）との比Ｔ／Ｗが０．０５〜０．１５の範囲内にある条件とが、ともに満足されるように構成されている。とくに本実施態様では、上記翼全長の３〜３０％の長さに亘る領域部分５で、表皮材２の厚みが増加されており、表皮材２全体の平均厚みの１．１〜３．０倍の範囲内の厚みに設定されている。

このような構成、条件を満足しつつ、図１の風車翼１におけるＤ−Ｄ断面（翼横断面）は図３に示すように構成されている。図３に示すように、風車翼１はその横断面全体が表皮材２で覆われており、表皮材２で囲まれた内部には、低密度発泡体からなるコア材３が内包されている。６は翼１の回転方向における前縁部、７は後縁部を、それぞれ示している。

上記のように構成された本発明に係る風車翼について、実施例に基づいて、比較例と比較しながら説明する。

実施例１
表皮材に炭素繊維強化エポキシ樹脂を用い、コア材にウレタン発泡体を使用した。翼の全長は１，０００ｍｍ、全幅は２５０ｍｍ、表皮材全体の平均厚みは０．７５ｍｍとした。翼先端から回転中心方向に翼全長の３〜３０％の部分における、翼厚みは２〜６ｍｍの範囲で変化し、表皮材の厚みＤは０．９５ｍｍで実質的に一定厚みとし、弾性率Ｅ₀ を７５，０００Ｎ／ｍｍ² 、弾性率Ｅ₄₅を５０，０００Ｎ／ｍｍ² と高く設定し、Ｅ₀ ×Ｄを７１，２５０Ｎ／ｍｍとした。また、翼の厚みＴ（ｍｍ）と幅Ｗ（ｍｍ）との比Ｔ／Ｗは０．１〜０．１３とし、Ｅ₄₅×Ｄを４７，５００Ｎ／ｍｍ、Ｅ₀ ／Ｅ₄₅を１．５とした。翼先端から回転中心方向に翼全長の３０％以上の部分においては、Ｅ₀ に相当する弾性率は５５，０００〜６０，０００Ｎ／ｍｍ² の範囲にあった。翼全体の平均密度ρは０．３ｇ／ｃｍ³ であった。

この風車翼を水平軸型風車に３枚取り付けて騒音を測定したところ、２０〜４０ｄＢの音圧レベルであり、十分に低く抑えられていた。また、フラッタリングもほとんど無く、それに起因する騒音は発生せず、フラッタリングによる強度上の不安も十分に除去されたと考えられる。結果をまとめて表１に示した。

比較例１、２
比較例１では表皮材としてガラス繊維強化エポキシ樹脂を用い、コア材には実施例１と同じウレタン発泡体を使用した。比較例２では、コア材を使用することなく、翼全体を炭素繊維強化ナイロン樹脂で構成した。翼の各特性、および、実施例１と同様の試験を行った場合の音圧レベルの測定結果、フラッタリングの観測結果を表１に併せて示した。

表１に示した結果から明らかなように、実施例１に係る風車翼では、比較例１、２の風車翼に比べ、騒音、フラッタリングともに大幅に改善された。

本発明は、炭素繊維を含む繊維強化プラスチックからなる表皮材で形成されるあらゆる風車翼に適用可能であり、とくに、水平軸型の風車の翼に好適なものである。

本発明の一実施態様に係る風車の翼部翼の平面図である。 図１のＣ−Ｃ線に沿う風車翼の部分断面図である。 図１のＤ−Ｄ線に沿う風車翼の横断面図である。

符号の説明

１ 風車翼
２ 表皮材
３ コア材
４ 翼先端
５ 翼先端から回転中心方向に翼全長の３〜３０％の長さに亘る領域部分
６ 前縁部
７ 後縁部

Claims (7)

1. 少なくとも炭素繊維を含む繊維強化プラスチックからなる表皮材と、該表皮材で囲まれる該表皮材よりもかさ密度の小さい気体および／または固体で構成され、翼先端から回転中心方向に翼全長の３〜３０％の長さに亘り、次の構成要素〔Ａ〕と条件〔Ｂ〕を同時に満足することを特徴とする風車翼。
   〔Ａ〕翼長手方向の曲げ弾性率Ｅ₀（Ｎ／ｍｍ²）と厚みＤ（ｍｍ）との積Ｅ₀×Ｄが２５，０００〜６００，０００Ｎ／ｍｍである表皮材
   〔Ｂ〕厚みＴ（ｍｍ）と幅Ｗ（ｍｍ）との比Ｔ／Ｗが０．０５〜０．１５の範囲内にあること
2. 前記表皮材〔Ａ〕が表皮材全体の平均厚みの１．１〜３．０倍の厚みをもつ箇所を備えている、請求項１に記載の風車翼。
3. 前記表皮材〔Ａ〕が、該表皮材〔Ａ〕以外の部分の表皮材の１．１〜３．０倍の弾性率をもつ箇所を備えている、請求項１または２に記載の風車翼。
4. 前記表皮材〔Ａ〕において、翼長手方向に対し翼回転面上で±４５°の方向の曲げ弾性率Ｅ₄₅（Ｎ／ｍｍ²）と厚みＤ（ｍｍ）との積Ｅ₄₅×Ｄが２５，０００〜６００，０００Ｎ／ｍｍであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の風車翼。
5. 前記表皮材〔Ａ〕において、翼長手方向の曲げ弾性率Ｅ₀（Ｎ／ｍｍ²）と翼長手方向に対し翼回転面上で±４５°の方向の曲げ弾性率Ｅ₄₅（Ｎ／ｍｍ²）との比Ｅ₀／Ｅ₄₅が０．２〜５．０の範囲内にある、請求項１〜４のいずれかに記載の風車翼。
6. 翼全体の平均密度ρが０．１５〜１．５（ｇ／ｃｍ³）の範囲内にあることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の風車翼。
7. 水平軸型風車に用いられる翼である、請求項１〜６のいずれかに記載の風車翼。

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