特許 6500346 ブレード及び風力発電用風車

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6500346

(24)【登録日】2019年3月29日

(45)【発行日】2019年4月17日

(54)【発明の名称】ブレード及び風力発電用風車

(51)【国際特許分類】

   F03D 80/00 20160101AFI20190408BHJP

   F03D 1/06 20060101ALI20190408BHJP

【ＦＩ】

   F03D80/00

   F03D1/06 A

【請求項の数】3

【全頁数】7

(21)【出願番号】特願2014-106259(P2014-106259)

(22)【出願日】2014年5月22日

(65)【公開番号】特開2015-222021(P2015-222021A)

(43)【公開日】2015年12月10日

【審査請求日】2017年2月9日

(73)【特許権者】

【識別番号】591104815

【氏名又は名称】株式会社アイ・エヌ・シー・エンジニアリング

(74)【代理人】

【識別番号】100161207

【弁理士】

【氏名又は名称】西澤 和純

(74)【代理人】

【識別番号】100175802

【弁理士】

【氏名又は名称】寺本 光生

(74)【代理人】

【識別番号】100169764

【弁理士】

【氏名又は名称】清水 雄一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100167553

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 久典

(74)【代理人】

【識別番号】100064908

【弁理士】

【氏名又は名称】志賀 正武

(74)【代理人】

【識別番号】100108578

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 詔男

(74)【代理人】

【識別番号】100089037

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邊 隆

(74)【代理人】

【識別番号】100094400

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 三義

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(72)【発明者】

【氏名】宮崎 哲也

(72)【発明者】

【氏名】斎藤 崇洋

【審査官】 所村 陽一

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０２２３０３０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１３−２１７３７２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０３Ｄ ８０／００

Ｆ０３Ｄ １／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

断面翼形状の本体部と、前記本体部の翼高さ方向に交互に複数配列される突出部と切欠部とを有すると共に前記本体部の後縁部に設けられるデバイスとを有するブレードであって、
前記切欠部の全域を覆って設けられるメッシュ材を備え、
前記メッシュ材の縁部は、隣接する前記突出部の先端同士を直線状に接続している
ことを特徴とするブレード。

【請求項2】

前記メッシュ材は、ガラスクロスであることを特徴とする請求項１記載のブレード。

【請求項3】

回転軸に対して放射状に複数設けられるブレードを有する風力発電用風車であって、 前記ブレードとして請求項１または２記載のブレードを備えることを特徴とする風力発電用風車。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ブレード及び風力発電用風車に関するものである。

【背景技術】

【0002】

風力発電用の風車等では、ブレードの回転によって騒音が発生することが知られている。このような騒音は、ブレードの周速の５乗または６乗に比例して発生するため、特にブレードのチップ側において大きくなる。騒音の原因としては複数考えられるが、ブレード周りに形成される乱流境界層とブレードの後縁とが干渉して発生するトレーリングエッジノイズが主たる原因と考えられる。

【0003】

このようなトレーリングエッジノイズの低減を図るために、例えば特許文献１〜３に示すように、ブレードの後縁側に鋸刃状の形状を有するデバイスを取り付ける構造が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】米国特許第８２６７６５７号明細書

【特許文献2】米国特許出願公開第２０１２／０１４１２７７号明細書

【特許文献3】米国特許出願公開第２０１２／０１３４８３７号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ブレードの後縁側に鋸刃状の形状を有するデバイスを取り付けることにより一定の騒音低減効果が得られるものの、風力発電用の風車等の騒音は小さいほど好ましく、さらなる騒音の低減が求められている。

【0006】

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、風力発電用風車等のブレードにおいて、より騒音を低減させることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

【0008】

第１の発明は、断面翼形状の本体部と、上記本体部の翼高さ方向に交互に複数配列される突出部と切欠部とを有すると共に上記本体部の後縁部に設けられるデバイスとを有するブレードであって、上記切欠部を覆って設けられるメッシュ材を備えるという構成を採用する。

【0009】

第２の発明は、上記第１の発明において、上記メッシュ材が、ガラスクロスであるという構成を採用する。

【0010】

第３の発明は、回転軸に対して放射状に複数設けられるブレードを有する風力発電用風車であって、上記ブレードとして上記第１または２の発明であるブレードを備えるという構成を採用する。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、メッシュ材によって、ブレードの腹側から背側に抜ける空気の量を減少させることで、ブレードの高さ方向における圧力変動パターンの振幅を小さくし、これによって騒音を低減させることが可能となる。したがって、本発明によれば、風力発電用風車等のブレードにおいて、より騒音を低減させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の一実施形態のブレードを備える風力発電用風車の模式図である。

【図2】本発明の一実施形態のブレードのチップ側かつ下流側の部位を拡大した模式図であり、（ａ）が平面図であり、（ｂ）が断面図である。

【図3】（ａ）は風洞実験において仰角が０°の場合の実験結果であり、（ｂ）は第３風洞実験において仰角が６°の場合の実験結果である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、図面を参照して、本発明に係るブレード及び風力発電用風車の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

【0014】

図１は、本実施形態のブレード４を備える風力発電用風車１の模式図である。風力発電用風車１は、地面に対して立設される支柱２と、支柱の先端に取り付けられる回転軸３と、回転軸３に対して放射状に複数設けられるブレード４と、ガラスクロス５（メッシュ材）を備えている。また、風力発電用風車１は、回転軸３と接続される不図示の発電機を備えており、ブレード４が風を受けることで生じる動力を発電機に回転軸３を介して伝達することにより発電を行う。

【0015】

なお、以下の説明では、回転軸３を中央とする半径方向を翼高さ方向とし、翼高さ方向におけるブレード４の先端をチップ、ブレード４の根元をハブと称する。また、ブレード４は、図１に示すように、時計回りに回転され、回転方向の前方を上流、回転方向の後方を下流と称する。

【0016】

図２は、ブレード４のチップ側かつ下流側の部位を拡大した模式図であり、（ａ）が平面図であり、（ｂ）が断面図である。これらの図に示すように、本実施形態のブレード４は、断面翼形状の本体部４ａと、本体部４ａの後縁部４ａ１に取り付けられるデバイス４ｂとによって構成されている。

【0017】

デバイス４ｂは、図２（ａ）に示すように、本体部４ａの高さ方向に等間隔で交互に複数配列される突出部４ｂ１と切欠部４ｂ２とを有している。このようなデバイス４ｂは、例えば、本体部４ａの翼弦長をＣ、突出部４ｂ１の翼弦長方向の長さをＬとしたときに、Ｌ／Ｃが２．３％であり、突出部４ｂ１の先端厚さが１．２ｍｍとされている。また、突出部４ｂ１同士の離間距離をλとしたときに、Ｌ／λが１．５とされている。さらに、突出部４ｂ１の先端が曲率半径２ｍｍの円弧形状とされている。なお、これらの値はあくまでも一例であり、他の値のデバイスを用いることも当然に可能である。

【0018】

なお、図２（ｂ）に示すように、デバイス４ｂは、本体部４ａに対して位置決めしやすいように、本体部４ａの腹側に突起状の部位を有している。この突起状の部位については、空力性能の向上のため、切削等の加工によって除去することが望ましい。

【0019】

ガラスクロス５は、デバイス４ｂの腹側に貼付されている。このガラスクロス５は、切欠部４ｂ２を覆うように設けられている。このようなガラスクロス５は、例えば、「ＪＩＳ Ｒ ３４１４」の規格に基づくものであり、番手がたて、よこ共に６７．５ｔｅｘであり、織り密度が、たて３２本／２５ｍｍ、よこ２５本／２５ｍｍであり、厚さが０．１６ｍｍであり、質量が１３９ｇ／ｍ^２以上であり、引張強さがたて６５７以上、よこ５１０以上、織り組織が平織のものである。

【0020】

次に、種類の異なるブレードを用いて風洞実験を行った結果について説明する。本実験では、ブレードとして、本発明ブレードと、第１ブレード〜第５ブレードを用いて実験を行った。第１ブレードは、Ｌ／Ｃが２．３％であり、突出部４ｂ１の先端厚さが１．２ｍｍであり、Ｌ／λが１．５であり、突出部４ｂ１の先端が曲率半径２ｍｍの円弧形状とされたデバイスを備えるブレードである。第２ブレードは、第１ブレードに対してＬ／Ｃを４．３％、Ｌ／λを２．８３に変更したデバイスを有するブレードである。第３ブレードは、第２ブレードに対して、ガラスクロス５よりも極めて織り密度が低いメッシュ材をガラスクロス５に換えて貼付したブレードである。第４ブレードは、第２ブレードにガラスクロス５を貼付したブレードである。第５ブレードは、第１ブレードにガラスクロス５を貼付したブレードである。

【0021】

図３（ａ）は、風速が５０ｍ／ｓであり、仰角が６°の場合の実験結果である。図３（ｂ）は、風速が５０ｍ／ｓであり、仰角が１０°の場合の実験結果である。図３のグラフにおいて、横軸は周波数を示し、縦軸は後縁側が薄型化されていないデバイス（方形デバイス）を用いた場合の騒音の音圧レベルとの差を示している。なお、図３において、黒丸で示すグラフは第１ブレードを用いた実験結果を示し、黒三角で示すグラフは第２ブレードを用いた実験結果を示し、黒四角で示すグラフは第３ブレードを用いた実験結果を示し、白丸で示すグラフは第４ブレードを用いた実験結果を示し、白三角で示すグラフは第５ブレードを用いた実験結果を示している。

【0022】

これらの図に示すように、第４ブレードを用いた場合には、第２ブレードを用いた場合と比較して、高周波側の騒音の音圧レベルがより低下していることが分かる。また、第５ブレードを用いた場合には、第１ブレードを用いた場合と比較して、高周波側の騒音の音圧レベルがより低下していることが分かる。したがって、ガラスクロス５を貼付することによって、高周波側の騒音の音圧レベルがより低下していることが分かる。これは、ガラスクロス５によって、切欠部４ｂ２を通じてブレードの腹側から背側に抜ける空気の量が減少することで、切欠部４ｂ２の位置に応じた周期を有するブレードの高さ方向における圧力変動パターンの振幅が小さくなり、これによって騒音が低減したものと考えられる。なお、第３ブレードを用いた場合には、第２ブレードを用いた場合と比較して僅かに低周波側の騒音が低減されたのみであったことから、高周波側の騒音の音圧レベルをより低減させるためには、織り密度が高いことが望ましい。

【0023】

以上のような本実施形態のブレード４及び風力発電用風車によれば、ガラスクロス５によって、ブレード４の腹側から背側に抜ける空気の量を減少させることで、ブレードの高さ方向における圧力変動パターンの振幅が小さくなり、これによって騒音を低減させることが可能となる。

【0024】

また、本実施形態のブレード４は、本発明のメッシュ材としてガラスクロス５を用いている。このような本実施形態のブレード４によれば、織り密度の高いメッシュ材とすることができ、騒音をより低減させることが可能となる。

【0025】

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

【0026】

例えば、上記実施形態においては、本発明のブレードを風力発電用風車に適用する例について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、回転動力を得るための風車全般に適用したり、またガスタービンエンジンに適用したりすることも可能である。

【0027】

また、上記実施形態においては、メッシュ材として、ガラスクロス５を用いる構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、メッシュ材として他の材料を用いることも可能である。このような場合であっても、効果の大小はあるものの、騒音をより低減することが可能となる。

【0028】

また、上記実施形態においては、ブレード４の腹側のみにガラスクロス５を貼付する構成を採用した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、ブレード４の背側のみにガラスクロス５を貼付したり、背側と腹側の両方にガラスクロス５を貼付しても良い。

【0029】

また、デバイス４ｂにガラスクロス５の一部を埋設することでデバイス４ｂにガラスクロス５を固定し、切欠部４ｂ２のみにガラスクロス５を設けるようにしても良い。

【符号の説明】

【0030】

１ 風力発電用風車、２ 支柱、３ 回転軸、４ ブレード、４ａ 本体部、４ａ１ 後縁部、４ｂ デバイス、４ｂ１ 突出部、４ｂ２ 切欠部、５ ガラスクロス（メッシュ材）

【図1】

【図2】

【図3】