JP2008180102A - 風車用分割翼 - Google Patents

Abstract

【課題】避雷機能を兼ね備え、軽量性、経済性が良好な風車用分割翼を提供する。
【解決手段】非導電性の部分翼１Ｔ，１Ｒが長さ方向に連接されて翼１全体が組立てられなる風車用分割翼であって、互いに連接される２つの部分翼を締結する金属製の締結具４，５，６，７と、避雷導線８，９とを翼内部に備える。締結具４は部分翼１Ｔの翼表面に露出する一方、他の締結具５，６，７や避雷導線８を介して避雷導線９に接続される。避雷導線９は翼根へ延設される。
【選択図】図３

Description

本発明は、風車用分割翼の締結及び耐雷構造に関する。

周知のように、いわゆる水平軸風車が風力発電装置に広く用いられている。一般的な水平軸風車は、少なくとも２枚以上の翼がハブから放射状に取り付けられてなるロータと、ハブに接続されるとともに略水平方向に延在された主軸を介してこのロータを軸支するナセルと、略鉛直方向に設置されるとともにナセルをヨー回転自在に支持するタワーとを有して構成される。

近時、発電能力向上のため、水平軸風車の大型化が進められている。翼の素材としては、軽量で丈夫なＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）が好適に用いられている。
また、翼の輸送性の改善を目的として、長手方向に分割される部分翼を連接して全体を成す分割翼が提案されている。例えば特許文献３に記載のように連接される部分翼同士の連接部付近に接合部材を設け、部分翼と接合部材をボルトで締結する技術が挙げられる。この場合は部分翼同士を締結する際に接合部材が必要となり、その加工精度が要求されると共にコスト・重量の増加につながるため、好ましくない。
また、特許文献２に記載のようにボルトとストラップを用いて部分翼同士を締結する技術も見られる。このように締結すると、翼の表面上に複数の突起部が形成されるため、空力性能上、騒音上問題となる。また特許文献３に記載の技術と同様に重量増、コスト増につながる。
また特許文献４に記載のように部分翼同士の連接部を金属製のフレームで固めた場合にも重量増・コスト増につながると共に、固有振動数や剛性の急変(応力集中)等の問題が懸念される。

一方、風力発電において水平軸風車は野外の開けた土地に設置され、その翼は受雷しやすい環境下に置かれる。
ところが、ＦＲＰ等の非導電性材料からなる翼は金属製の翼と異なり、受雷すると雷電流をアースに逃がすことができず破壊する危険がある。近時のＦＲＰを用いた風車の大型化は、雷による被害の増加を招いている。そのため、ＦＲＰ製の翼を用いた従来の風力発電装置にあっては、ＦＲＰ製の翼本体に導電性材料を付設し接地して落雷対策を行っている。

以上の諸問題に鑑み、特許文献１記載の技術では連接される２つの部分翼である翼根側の内翼部と翼端側の外翼部とを金属板を挟んで合わせ連結部材(バレルナット、テンションボルト)により締結している。かかる金属板の周縁は翼表面に露出しており落雷を受けると、落雷により金属板に導電した雷電流は翼内避雷導線を介して分割翼の外部へ誘導されアースに逃がされる。この金属板は受雷部として機能するが、金属板の設置によりコスト増・重量増につながるという問題があった。
特開2005-220805号公報 特表2003-518586号公報 特開2004-11616号公報 特開2003-214322号公報

本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、避雷機能を兼ね備え、軽量性、経済性が良好な風車用分割翼を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、非導電性の部分翼が長さ方向に連接されて翼全体が組立てられてなる風車用分割翼であって、
翼内部に配され、互いに連接される２つの部分翼を締結する締結具と、
該翼内部に配され翼根へ延設される避雷導線とを備え、
前記締結具の一部が前記２つの部分翼のうち少なくともいずれか一方の翼表面に露出し、
少なくとも前記締結具の翼表面に露出する一部が導電性の材料で構成されるとともに、前記避雷導線に電気的に接続されてなる風車用分割翼である。

請求項２記載の発明は、非導電性の第１部分翼と、
前記第１部分翼の翼根側端面に、翼先端側端面が連接される非導電性の第２部分翼と、
前記第１部分翼と前記第２部分翼とを締結する締結具と、
翼内部に配され翼根へ延設される避雷導線とを備え、
前記第１部分翼の翼根側端部には、翼表面に開口する第１孔部と、該第１孔部に連通し前記第１部分翼の翼根側端面に開口する第２孔部とが形成されており、
前記第２部分翼の翼先端側端部には、翼表面に開口する第３孔部と、該第３孔部に連通し前記第２部分翼の翼先端側端面に開口するとともに前記第２孔部に連接される第４孔部とが形成されており、
前記締結具は、
前記第１孔部内に配されて前記第１孔部に係止される第１締結具と、
前記第３孔部内に配されて前記第３孔部に係止される第２締結具と、
互いに連接された前記第２孔部及び前記第４孔部内に通されて、前記第１締結具と前記第２締結具とを連結し第１部分翼と第２部分翼とを緊張締結する第３締結具とを備え、
前記第１締結具及び前記第２締結具のうち少なくともいずれか一方が、導電性の材料からなるとともに、その一端面が前記孔部（第１締結具であれば第１孔部、第２締結具であれば第３孔部）から翼表面に露出し、前記避雷導線に電気的に接続されてなる風車用分割翼である。

請求項３記載の発明は、前記第１孔部及び前記第３孔部のうちいずれか一方の孔部の翼表面に開口する開口を被うカバー部材が付設され、他方の孔部から前記締結具（第１孔部であれば第１締結具、第３孔部であれば第２締結具）が翼表面に露出してなることを特徴とする請求項２に記載の風車用分割翼である。

請求項４記載の発明は、前記第３締結具が端部に雄螺子部を有した棒材とされ、前記締結具は、前記第１孔部及び前記第３孔部のうちいずれか一方の孔部に収められ前記雄螺子部に螺合するナットと、該ナットの周部に螺合して該ナットをジャッキアップするジャッキボルトとを含み、前記避雷導線が前記ジャッキボルトに接続されてなることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の風車用分割翼である。

請求項５記載の発明は、前記第１孔部及び前記第３孔部のうち前記ナットが納められる孔部の翼表面に開口する開口を被うカバー部材が付設されてなることを特徴とする請求項４に記載の風車用分割翼である。

請求項６記載の発明は、翼先端部に受雷部を有することを特徴とする請求項１から請求項５のうちいずれか一に記載の風車用分割翼である。

請求項７記載の発明は、前記避雷導線は、複数組備えられる前記締結具を連結することを特徴とする請求項１から請求項６のうちいずれか一に記載の風車用分割翼である。

本発明によれば、締結具の一部が受雷部として翼表面に露出し、翼内部で避雷導線に接続される。そのため、受雷のための特別の部材を設けることなく避雷機能を兼ね備え、軽量性、経済性が良好な風車用分割翼を構成することができるという効果がある。

以下に本発明の一実施の形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。

図１(a)は本発明の一実施形態に係る分割翼の全体図である。図１(b)はＡ部詳細図、図１(c)はＢ部詳細図、図１(d)は第１締結具の露出表面の拡大図である。図２は、図１(b)に示したＣ−Ｃ線についての断面図である。図３は連結部の平面模式図で、図４はＤ−Ｄ線についての断面模式図である。

図１、図２に示すように本実施形態の分割翼１は、翼先端側の第１部分翼１Ｔと翼根側の第２部分翼１Ｒとから構成される。部分翼１Ｔ、１Ｒは、ＦＲＰ等の非導電性材料からなり、図２に示すように前桁２、後桁３で上下の外板を保持した構造を有する。翼根側の第２部分翼１Ｒにおける連結構造の詳細を図５に、翼先端側の第１部分翼１Ｔにおける連結構造の詳細を図６に示した。

部分翼１Ｒ、１Ｔの外板部分には、板厚方向に貫通する孔と、この孔に連通し、連接端面に開口する孔とが形成されている。詳しくは、図６に示すように、第１部分翼１Ｔの翼根側端部には、翼表面に開口する第１孔部２１と、第１孔部２１に連通し第１部分翼１Ｔの翼根側端面２５に開口する第２孔部２２とが形成されている。
また、図５に示すように、第２部分翼１Ｒの翼先端側端部には、翼表面に開口する第３孔部２３と、第３孔部２３に連通し第２部分翼１Ｒの翼先端側端面２６に開口するとともに第２孔部２２に連接される第４孔部２４とが形成されている。

組立て時には、まず、第１締結具４を第１孔部２１に挿入する。第１締結具４は円柱状の金属部品で、周部中央に雌螺子が切られた横孔４ａが空けられている。第１孔部２１は第１締結具４をほぼ隙間無く収める程度の直径を有した孔である。第１孔部２１は翼先端側において第１締結具４との間に隙間が生じるような孔であっても良いが、後に埋める必要が生じるので、できるだけ隙間が生じないように設計することが好ましい。

次に、第３締結具５の雄螺子部５ｂを有した一端を第２孔部２２から挿入し、横孔４ａに螺入して第１締結具４と第３締結具５とを螺合連結する。第１締結具４は第１孔部２１に係止されるから、第３締結具５は第１締結具４との螺合を解かなければ引き出せなくなる。第３締結具５は、両端に雄螺子部５ａ，５ｂを有した金属製のボルトである。

すべての組の第１締結具４及び第３締結具５について以上の作業を行った後、第１部分翼１Ｔの翼根側端面２５から突出する第３締結具５の雄螺子部５ａを有した端部を第４孔部２４に挿入するようにして、第１部分翼１Ｔの翼根側端面２５と第２部分翼１Ｒの翼先端側端面２６とを合わせていく。その際、先端受雷部１０から延設された避雷導線９を第２部分翼１Ｒ内に通しておく。また、第２締結具６を第３孔部２３内に配置し、第３締結具５の雄螺子部５ａを有した端部を第２締結具６の横穴６ａに挿入する。第１部分翼１Ｔの翼根側端面２５と第２部分翼１Ｒの翼先端側端面２６とをある程度近づけると、図５に示すように雄螺子部５ａが横穴６ａから翼根側に突出する。第３締結具５は、第２孔部２２と第４孔部２４とに通される。
第３孔部２３は、翼先端側の端部に円筒内面を有した長孔である。第２締結具６は、円柱状の金属部品で、周部中央に横孔６ａが空けられている。但し、第２締結具６の周部の一部は締結具７の座を確保するために平面で形成されている。

次に、締結具７のナット７ａを雄螺子部５ａに螺合連結する。締結具７は各金属製のナット７ａとジャッキボルト７ｂと平座金７ｃとからなり、市販のものが利用可能である。ジャッキボルト７ｂは、ナット７ａの周部に螺合してナット７ａを、平座金７ｃに対してジャッキアップする。平座金７ｃは、第２締結具６の周部の一部に形成された平面に合わされる。
ここで、次の工程に移行する前に、図３に示すように、各締結具７のジャッキボルト７ｂに避雷導線８を取り付け、各締結具７を避雷導線８で繋ぐ。同様に図４に示すように上下の締結具７，７も少なくとも各１つのジャッキボルト７ｂに避雷導線１３を取り付けることにより避雷導線１３で繋ぐ。また、先端受雷部１０から延設された避雷導線９を少なくとも１つのジャッキボルト７ｂに接続する。避雷導線９の端部は翼根方向に延設され、翼根の開口から延出する。

次に、ジャッキボルト７ｂを螺入することによりナット７ａを平座金７ｃに対してジャッキアップする。すなわち、レンチを第３孔部２３に挿し入れてジャッキボルト７ｂのヘッドに嵌め、ジャッキボルト７ｂを螺入方向に回転させる。これにより、第１締結具４と第２締結具６とは互いに近づく方向に締め付けられる。第１締結具４は第１孔部２１に係止されており、第２締結具６は第３孔部２３に係止されている。従って、第３締結具５に引張応力が生じ、第３締結具５は第１部分翼１Ｔと第２部分翼１Ｔとを緊張締結する。ジャッキボルト７ｂに取り付けられた避雷導線８，９，１３は、ジャッキボルト７ｂのヘッドとナット７ａと間に挟圧されて確実に接続される。

すべての組の締結具について以上の作業を行った後、図１(b)及び図２に示すように、第３孔部２３の翼表面に開口する開口を被うカバー部材１１を第２部分翼１Ｒの翼表面に付設する。カバー部材１１は、タッピング螺子１２により第２部分翼１Ｒの外板に固定される。

図１(b)(c)(d)に示すように、カバー部材１１の周縁、第１部分翼１Ｔと第２部分翼１Ｒの分割部、第１締結具４の露出部周縁をエポキシやシリコン製のシール剤Ｓでコーキングする。カバー部材１１の材質としては、樹脂又はＦＲＰ等の非導電性材料を適用し、導電性材料は適用しない。

本実施形態の分割翼１は以上のように構成され、水平軸風車のハブに取り付けられる。避雷導線９は、ハブ、ナセル、タワーを通して接地される。避雷導線９をアースまで延長しても良いし、ハブ、ナセル、タワーの金属部を利用しても接地しても良い。

本実施形態の分割翼１によれば、先端受雷部１０のほか、翼１の分割部付近では、第１締結具４の露出部が受雷部となる。先端受雷部１０に受雷した雷電流は避雷導電９を介してアースに逃がされる。第１締結具４に受雷した雷電流は締結具５，６，７や避雷導電８，９，１３を介してアースに逃がされる。
また本実施形態の分割翼１によれば、分割部に受雷のための特別の部材を設けることなく、軽量性、経済性に富み、受雷のための特別の部材を組み込む作業もないので、組立て作業が容易となり短時間での組立てが可能である。翼内部に配される締結具を十分な太さに設計でき、十分な締結強度を確保できるとともに、翼外形への影響も少なく空力特性も良好に保持できる。

第１締結具４の第１部分翼１Ｔの翼表面に露出する端部（露出部）は、第１部分翼１Ｔの翼表面からやや突出させても良いし、第１部分翼１Ｔの翼表面と同一高さにしても良い。第１締結具４を翼表面から突出させれば、受雷率が高まる反面、空力特性に影響を与える。この点考慮して第１締結具４の翼表面からの突出高さを設計する。

なお、本実施形態においては、締結具のうち第１締結具４のみを翼表面から露出させて受雷部としたが、第２締結具６を翼表面から露出させて受雷部としてもよい。その場合は、第２締結具６のカバー部材１１から突出する高さ（突出高さゼロを含む）を適当に設計した上で、第２締結具６を露出させる孔又は切欠をカバー部材１１に形成することで容易に実現できる。第１締結具４及び第２締結具６の双方を露出させて受雷部としてもよし、一方のみを露出させて受雷部としても良い。

また、上記実施形態とは逆に、第１孔部２１、第２孔部２２及び第１締結具４を第２部分翼１Ｒに設け、第３孔部２３、第４孔部２４、第２締結具６及び締結具７を第１部分翼１Ｔに設けても良い。

また、上記実施形態は、２つの部分翼１Ｔ，１Ｒが長さ方向に連接されて翼全体が組立てられなる分割翼であるが、３以上の部分翼が長さ方向に連接されて翼全体が組立てられなる分割翼を構成しても良い。３以上の部分翼がある結果として２以上の分割部がある場合に、すべての分割部に本発明に係る受雷部付連結構造を適用しても良いし、一部の分割部に本発明に係る受雷部付連結構造を適用しても良い。

また、上記実施形態においては、すべての締結具４，５，６，７を導電性材料としたが、少なくとも、締結具の翼表面に露出する部品、さらにはその部品の翼表面に露出する部分を導電性の材料とし、これと避雷導線とを翼内部において接続すれば良い。非導電性で強度十分なボルト、ナット等の締結具があれば、避雷経路外でそれらを適用することは任意である。

上記実施形態にあっては避雷導線を締結具７のジャッキボルト７ｂに接続したが、締結具の翼表面に露出する部分との導通が取れる部分であれば、避雷導線をどの締結具のどの部分に接続しても良い。ジャッキボルト７ｂを使用しない場合その他の場合において、次の実施形態が有効である。

避雷導線と締結具との接続構造に関する他の実施形態は、図７〜図９に示すように、避雷導線８，９，１３を、受雷部を兼ねる第１締結具４に接続した構造である。接続方法は、ボルト接続、溶接等を適用する。ボルト接続で行う場合、例えば図９に示すように、避雷導線８，９，１３に付設された圧着端子１４に通したボルト１５を第１締結具４の内端に設けられた螺子穴４ｂに螺入締結して、圧着端子１４を第１締結具４に圧着させることにより行う。上下の各第１締結具４,４,４・・・に螺子穴４ｂを設けておき、それぞれ避雷導線８,９,１３の接続をボルト１５によって行うことができるようにしておく。
第１締結具４とともに又は第１締結具４に代え第２締結具６を翼表面に露出させて受雷部とする場合には、第２締結具６に避雷導線を接続することが好ましい。その場合、第２締結具６に同様の螺子穴を設けて避雷導線を第２締結具６にボルトで接続するか、溶接その他の方法で接続する。

避雷導線と分割翼の締結具との接続は、ボルト接続、溶接の他どのような方法で接続しても良いが、分割翼を締結する強度をできるだけ低下させない方法が好ましく、いずれの方法でも強度上問題が生じないように設計すべきである。

(a)は本発明の一実施形態に係る分割翼の全体図、(b)はＡ部詳細図、(c)はＢ部詳細図、(d)は第１締結具の露出表面の拡大図である。 図１(b)に示したＣ−Ｃ線についての断面図である。 分割翼の連結部の平面模式図である。 図３示したＤ−Ｄ線についての断面模式図である。 翼根側の第２部分翼における連結構造の詳細を示す一部断面図である。 翼先端側の第１部分翼における連結構造の詳細示す一部断面図である。 他の実施形態に係る分割翼の連結部の平面模式図である。 図７示したＤ−Ｄ線についての断面模式図である。 他の実施形態に係る第１締結具及びその周囲部の垂直断面図である。

符号の説明

１ 分割翼
１Ｔ 第１部分翼
１Ｒ 第２部分翼
４ 第１締結具
５ 第３締結具
６ 第２締結具
７ｂ ジャッキボルト
７ａ ナット
７ｃ 座金
８ 避雷導線
９ 避雷導線
１０ 先端受雷部
１１ カバー部材
１２ タッピング螺子
１３ 避雷導線
２１ 第１孔部
２２ 第２孔部
２３ 第３孔部
２４ 第４孔部
２５ 翼根側端面
２６ 翼先端側端面
Ｓ シール剤

Claims (7)

1. 非導電性の部分翼が長さ方向に連接されて翼全体が組立てられてなる風車用分割翼であって、
   翼内部に配され、互いに連接される２つの部分翼を締結する締結具と、
   該翼内部に配され翼根へ延設される避雷導線とを備え、
   前記締結具の一部が前記２つの部分翼のうち少なくともいずれか一方の翼表面に露出し、
   少なくとも前記締結具の翼表面に露出する一部が導電性の材料で構成されるとともに、 前記避雷導線に電気的に接続されてなる風車用分割翼。
2. 非導電性の第１部分翼と、
   前記第１部分翼の翼根側端面に、翼先端側端面が連接される非導電性の第２部分翼と、
   前記第１部分翼と前記第２部分翼とを締結する締結具と、
   翼内部に配され翼根へ延設される避雷導線とを備え、
   前記第１部分翼の翼根側端部には、翼表面に開口する第１孔部と、該第１孔部に連通し 前記第１部分翼の翼根側端面に開口する第２孔部とが形成されており、
   前記第２部分翼の翼先端側端部には、翼表面に開口する第３孔部と、該第３孔部に連通し前記第２部分翼の翼先端側端面に開口するとともに前記第２孔部に連接される第４孔部とが形成されており、
   前記締結具は、
   前記第１孔部内に配されて前記第１孔部に係止される第１締結具と、
   前記第３孔部内に配されて前記第３孔部に係止される第２締結具と、
   互いに連接された前記第２孔部及び前記第４孔部内に通されて、前記第１締結具と前記第２締結具とを連結し前記第１部分翼と前記第２部分翼とを緊張締結する第３締結具とを備え、
   前記第１締結具及び前記第２締結具のうち少なくともいずれか一方が、導電性の材料からなるとともに、その一端面が前記孔部から翼表面に露出し、前記避雷導線に電気的に接続されてなる風車用分割翼。
3. 前記第１孔部及び前記第３孔部のうちいずれか一方の孔部の翼表面に開口する開口を被うカバー部材が付設され、他方の孔部から前記締結具が翼表面に露出してなることを特徴とする請求項２に記載の風車用分割翼。
4. 前記第３締結具が端部に雄螺子部を有した棒材とされ、前記締結具は、前記第１孔部及び前記第３孔部のうちいずれか一方の孔部に収められ前記雄螺子部に螺合するナットと、 該ナットの周部に螺合して該ナットをジャッキアップするジャッキボルトとを含み、前記避雷導線が前記ジャッキボルトに接続されてなることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の風車用分割翼。
5. 前記第１孔部及び前記第３孔部のうち前記ナットが納められる孔部の翼表面に開口する開口を被うカバー部材が付設されてなることを特徴とする請求項４に記載の風車用分割翼。
6. 翼先端部に受雷部を有することを特徴とする請求項１から請求項５のうちいずれか一に記載の風車用分割翼。
7. 前記避雷導線は、複数組備えられる前記締結具を連結することを特徴とする請求項１から請求項６のうちいずれか一に記載の風車用分割翼。

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