特許 6838181 風車翼

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6838181

(24)【登録日】2021年2月15日

(45)【発行日】2021年3月3日

(54)【発明の名称】風車翼

(51)【国際特許分類】

   F03D 80/30 20160101AFI20210222BHJP

   F03D 1/06 20060101ALI20210222BHJP

   C23C 4/04 20060101ALI20210222BHJP

   C23C 4/06 20160101ALI20210222BHJP

   H05F 3/02 20060101ALI20210222BHJP

【ＦＩ】

   F03D80/30

   F03D1/06 A

   C23C4/04

   C23C4/06

   H05F3/02 A

【請求項の数】14

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2020-30070(P2020-30070)

(22)【出願日】2020年2月26日

【審査請求日】2020年3月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006208

【氏名又は名称】三菱重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000785

【氏名又は名称】誠真ＩＰ特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】岡野 靖

(72)【発明者】

【氏名】柴田 昌明

【審査官】 所村 陽一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−１４８９８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／００９３３７８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０３Ｄ １／００−８０／８０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

翼根から翼先端に向かって翼長方向に沿って延在する翼本体と、
前記翼本体のうち少なくとも前記翼先端側における前縁を覆うように設けられ、前記翼本体の前記前縁のエロージョンを抑制するための第１溶射層と、
前記翼本体と前記第１溶射層との間に形成され、前記第１溶射層より電気抵抗率が小さい第２溶射層と、
前記第２溶射層をグランドに電気的に接続する第１導電部と、
を備え、
前記第１導電部は、前記翼本体の表面に形成された金属層を含み、前記金属層は前記第２溶射層に接続されている風車翼。

【請求項2】

前記第２溶射層は、前記第１溶射層より硬度及びヤング率が小さい請求項１に記載の風車翼。

【請求項3】

前記第１溶射層及び前記第２溶射層は、前記翼本体の長さ方向において前記翼先端から前記翼本体の長さの１／２までの領域の少なくとも一部に設けられている請求項１又は２に記載の風車翼。

【請求項4】

前記金属層は、前記翼本体のコード長方向における前記第２溶射層の長さの少なくとも部分的な領域で前記第２溶射層の下面と面接触している請求項１に記載の風車翼。

【請求項5】

前記金属層は、銅、銅合金、アルミ又はアルミ合金で構成され、且つ／又は帯状の金属メッシュ又は金属箔で構成されている請求項１乃至４の何れか一項に記載の風車翼。

【請求項6】

前記翼本体と前記第２溶射層との間に形成された下地層を備え、
前記下地層は、前記第２溶射層と前記翼本体とを結合する請求項１乃至５の何れか一項に記載の風車翼。

【請求項7】

前記第１溶射層は、
アルミナ、タングステンカーバイド、窒化珪素、炭化珪素、ジルコニア又はクロムカーバイトの少なくとも一つを含むサーメット、
又は、
Ｃｏ合金により構成されている請求項１乃至６の何れか一項に記載の風車翼。

【請求項8】

前記第２溶射層は、銅、銅合金、アルミ又はアルミ合金で構成されている請求項１乃至７の何れか一項に記載の風車翼。

【請求項9】

前記第１溶射層及び前記第２溶射層の合計厚さが２００μｍ以上２０００μｍ以下である請求項１乃至８の何れか一項に記載の風車翼。

【請求項10】

前記第１溶射層の厚さは、１００μｍ以上１０００μｍ以下であり、
前記第２溶射層の厚さは、１００μｍ以上１０００μｍ以下である請求項１乃至９の何れか一項に記載の風車翼。

【請求項11】

前記翼本体は、前記第１導電部に接続されるレセプタを備え、
前記レセプタは前記第２溶射層に接続されている請求項１乃至１０の何れか一項に記載の風車翼。

【請求項12】

前記レセプタは、前記翼本体の前記翼先端に設けられたチップレセプタを含むと共に、前記チップレセプタは前記第２溶射層に接続され、
前記チップレセプタと前記グランドとを電気的に接続する第２導電部を備える請求項１１に記載の風車翼。

【請求項13】

前記第２導電部の電気抵抗率は前記第２溶射層の電気抵抗率より小さくなるように構成されている請求項１２に記載の風車翼。

【請求項14】

前記レセプタは、前記第１溶射層に互いに離散して設けられた複数のディスクレセプタを含む請求項１１乃至１３の何れか一項に記載の風車翼。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、風車翼に関する。

【背景技術】

【0002】

風力を利用した風力発電装置は、風車翼などへ落雷した場合に、風車翼の損傷を防止するため、風車翼にレセプタを設けてレセプタに落雷させるようにすると共に、落雷電流がグランド部へ流れるようにしている（特許文献１参照）。一方、風車翼は、空気中の異物（例えば、雨滴、塵埃等）が衝突して浸食され、前縁側に所謂エロージョンが発生することが知られている。そのため、風車翼に耐エロージョン用の保護膜を形成する等の対応が取られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第６４２１０７８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

風車翼に金属製の耐エロージョン膜を被覆した場合、金属製の被膜が風車翼の表面に露出するため、誘雷部であるレセプタに落雷せずに、耐エロージョン膜に落雷する確率が高くなるおそれがある。そのため、耐エロージョン膜が落雷による衝撃や帯電による温度上昇等によって損傷（溶損、剥離、割れ等）するおそれがある。

【0005】

本開示は、上述する課題に鑑みてなされたもので、風車翼の表面に被覆した耐エロージョン膜に落雷した場合に、耐エロージョン膜から落雷電流を速やかに逃して、耐エロージョン膜の損傷を抑制することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を達成するため、本開示に係る風車翼は、翼根から翼先端に向かって翼長方向に沿って延在する翼本体と、前記翼本体のうち少なくとも前記翼先端側における前縁を覆うように設けられ、前記翼本体の前記前縁のエロージョンを抑制するための第１溶射層と、前記翼本体と前記第１溶射層との間に形成され、前記第１溶射層より電気抵抗率が小さい第２溶射層と、前記第２溶射層をグランドに電気的に接続する第１導電部と、を備え、
前記第１導電部は、前記翼本体の表面に形成された金属層を含み、前記金属層は前記第２溶射層に接続されている。
ここで、「グランド」とは、陸上又は洋上に設けられる風車翼において、風車翼に発生した落雷電流などの電流が最終的に放電される場所を言う。

【発明の効果】

【0007】

本開示の風車翼によれば、耐エロージョン膜である第１溶射層と翼本体との間に電気抵抗率が小さい第２溶射層を形成したため、第１溶射層に帯電した落雷電流を第２溶射層を介してグランド側へ速やかに流すことができ、これによって、第１溶射層、第２溶射層及び翼本体の損傷を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】一実施形態に係る風力発電装置の全体構成を示す図である。

【図2】一実施形態に係る風車翼の平面図である。

【図3】一実施形態に係る風車翼の先端側部位を示す斜視図である。

【図4】図２中のＡ部を拡大して示す斜視図である。

【図5】溶射皮膜のヤング率・硬度と耐摩耗性や接合相手に対する攻撃性との相関関係を示す図である。

【図6】第１溶射層候補材及び第２溶射層候補材の性質を比較した図表である。

【図7】一実施形態に係る風車翼の前縁側壁を展開した断面図である。

【図8A】一実施形態に係る風車翼の前縁側壁を展開した断面図である。

【図8B】一実施形態に係る風車翼の前縁側壁を展開した断面図である。

【図9】一実施形態に係る風車翼の前縁側壁を展開した断面図である。

【図10】一実施形態に係る風車翼の一部を断裁して示す斜視図である。

【図11】一実施形態に係る風車翼の先端側部位を示す斜視図である。

【図12】一実施形態に係るディスクレセプタの断面図である。

【図13】一実施形態に係るディスクレセプタの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、添付図面を参照して、本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、これらの実施形態に記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状及びその相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一つの構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

【0010】

図１は、風力発電装置１０の全体構成を示す図である。
図１に示すように、一実施形態に係る風力発電装置１０は、少なくとも１本の風車翼２０と、風車翼２０が取り付けられるハブ１２と、ハブ１２の回転によって駆動される発電機（不図示）と、風車翼２０及びハブ１２を含むロータ１４を支持するナセル１６と、ナセル１６を支持するタワー１８と、グランドＧ上に設けられタワー１８を支持するベース１９と、を備える。例えば、複数（例えば３本）の風車翼２０が、放射状に配列されるようにハブ１２に対して取り付けられる。各々の風車翼２０は、ハブ１２を中心として翼先端２２が外径側に位置し、翼根２４がハブ１２に固定されている。タワー１８及びベース１９は、陸上又は洋上に立設される。なお、図１は、一実施形態として風車翼２０が陸上に設置された場合を図示している。

【0011】

この風力発電装置１０においては、風を受けて風車翼２０を含むロータ１４が回転し、ロータ１４の回転は不図示の発電機に入力されて、この発電機において電力が生成されるようになっている。

【0012】

次に、図１〜図４を参照して、一実施形態に係る風車翼２０について説明する。図２は、一実施形態に係る風車翼２０の平面図である。図３は、図２に示す翼本体２６の翼先端側部位を示す斜視図である。図４は、図２に示す翼本体２６の先端部を示す斜視図である。
図２に示すように、風車翼２０は、翼根２４から翼先端２２に向かって翼長方向に沿って延在する翼本体２６を備えている。翼本体２６は、前縁２８、後縁３０、回転方向上流側に面する圧力面３２、及び回転方向下流側に面する負圧面３４を有しており、横断面が翼型をなしている。翼本体２６は、例えばバルサ等の木材やポリメタクリルイミド（ＰＭＩ）等の樹脂発泡体からなる軽量コア材、又は、炭素繊維強化プラスチック、ガラス繊維強化プラスチック等の繊維強化プラスチック材を含んで構成される。

【0013】

図３に示すように、風車翼２０の翼本体２６には、溶射膜３６（第１溶射層）が、翼本体２６のうち少なくとも翼先端２２側における前縁２８を覆うように設けられ、前縁側部位のエロージョンを抑制する。また、翼本体２６と溶射膜３６との間には、溶射膜３６より電気抵抗率が小さい溶射膜３８（第２溶射層）が設けられている。溶射膜３８には他端がグランド側に延在する導電部４０（第１導電部）が接続され、溶射膜３８は導電部４０を介してグランドＧ側に電気的に接続されている。

【0014】

溶射膜３６に落雷した場合、溶射膜３６の直下に溶射膜３６より電気抵抗率が小さい溶射膜３８が存在するため、溶射膜３６に帯電した落雷電流を速やかに導電部４０を介してグランドＧ側に流すことができる。これによって、溶射膜３８の損傷を抑制できる。

【0015】

一実施形態では、溶射膜３８は溶射膜３６より硬度が低く、かつヤング率も低い材料で構成されている。図５は、溶射被膜の硬度及びヤング率と、耐摩耗性及び接合相手材に対する攻撃性との相関関係を示す図であり、ある文献での試験結果を示している。図５は、溶射被膜の硬度及びヤング率が小さいほど、接合相手に対する攻撃性が低く、かつ溶射被膜の耐摩耗性が大きいほど接合相手に対する攻撃性が高いことを示している。上記文献は、溶射材としてＣｏをバインダとしたタングステンカーバイトとＣｒ系の耐酸化材とを選び比較試験を実施した結果、接合相手材の摩耗重量が小さいほど相手材への攻撃性は低く、溶射皮膜のヤング率及び硬度と、耐摩耗性や相手に対する攻撃性との間には相関関係があるとし、溶射被膜の高度及びヤング率が小さいほど、相手材への攻撃性が低いという結論を述べている。

【0016】

さらに、密着性に関しては多くの文献があり、密着性へ影響するパラメータは多数あるものの、相手材への攻撃性が低いことは密着性向上のポイントの一つとなっている。この結果から、溶射膜３８は溶射膜３６より硬度が小さくかつヤング率も小さいので、翼本体２６への攻撃性が低く、翼本体２６への密着性が高い。これによって、溶射膜３８を介することで、溶射膜３６が翼本体２６から剥離しあるいは脱落するのを抑制できる。

【0017】

一実施形態では、図３に示すように、導電部４０はダウンコンダクタ４０（４０ａ）で構成される。溶射膜３６に帯電した落雷電流を溶射膜３８及びダウンコンダクタ４０（４０ａ）を介して速やかにグランドＧ側に流すことができる。
なお、溶射膜３８は必ずしも溶射膜３６の全域に設ける必要はないが、溶射膜３６の全域に設けることで、溶射膜３６に帯電した落雷電流を溶射膜３８を介して速やかにグランドＧ側へ流すことができる。
溶射膜３６及び３８の溶射方法として、例えば、プラズマ溶射法や高速フレーム溶射法（ｈｉｇｈ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｘｙ−ｆｕｅｌ：ＨＶＯＦ）等のガス式溶射法を用いることができる。

【0018】

図６は、溶射膜３６及び溶射膜３８の候補材の物性の一例を示している。この例では、溶射膜３８の電気抵抗率が溶射膜３６の１／２以下となるように、溶射膜３６及び３８を構成する材料を選択する。これによって、落雷電流を溶射膜３６から速やかに流すための導電性を付与することが可能になる。溶射膜３８の溶射前の材料は溶射後より低い電気抵抗率を示す。溶射後、電気抵抗率の高い溶射膜３６と密着しかつ溶射による気孔率増加の影響などにより電気抵抗率は上昇する傾向があるものの、溶射膜３８の１／２となる電気抵抗率は確保可能である。図６に示す例では、溶射膜３８の候補材のヤング率は溶射膜３６の候補材の２／３以下であり、これによって、翼本体２６への密着性を向上させることができる。

【0019】

エロージョンは翼本体２６の周速に依存する為、周速が早い翼本体２６の先端側が最もエロージョンの影響を受けやすく、先端側から翼根側に向かって、エロージョンの影響を受けにくくなる。従って、溶射の施工範囲は翼本体２６の寿命を考慮して適切な周速範囲を選定して施工することで、エロージョンに対する寿命を延ばすことが出来る。例えば、一実施形態として、溶射膜３６及び３８は、翼本体２６の長さ方向において翼先端２２から翼本体２６の長さの１／２までの領域の少なくとも一部に設けられる。

【0020】

例えば、翼本体２６の周速が５０ｍ／秒程度以上の範囲に溶射膜３６及び３８を施工すれば、エロ―ジョンに対する翼本体２６の寿命を実用上十分に長くすることが出来る。あるいは、それ以上の周速範囲に限定したとしても、耐エロージョンの寿命を延ばすことが出来、実用上十分な耐エロージョン性寿命を得られるか、もしくはエロージョンに対するメンテナンス費用を削減することが出来る。さらに、周速が低い部分に従来の耐エロージョン被膜を併用することで、コストを抑えて必要な寿命を得ることもできる。

【0021】

図７〜図９は、夫々内部に中空部をもつ翼本体２６の前縁側壁を直線状に展開して示すコード長方向に沿って断裁した断面図である。一実施形態では、図７に示すように、導電部４０は、翼本体２６の表面に形成された金属層４０（４０ｂ）を含み、金属層４０（４０ｂ）は溶射膜３８に接続されている。金属層４０（４０ｂ）は電気抵抗率が小さい金属材料で構成される。翼本体２６の表面に電気抵抗率が小さい金属層４０（４０ｂ）を形成することで、溶射膜３８と導電部４０との間の導電路の導電性を高めることができる。これによって、溶射膜３６に帯電した落雷電流を溶射膜３８及び金属層４０（４０ｂ）を介して速やかにグランドＧ側へ流すことができる。

【0022】

さらに、一実施形態では、図７に示すように、金属層４０（４０ｂ）にダウンコンダクタ４０（４０ａ）が接続され、導電部４０はダウンコンダクタ４０（４０ａ）と金属層４０（４０ｂ）とで構成される。溶射膜３６に帯電した落雷電流を溶射膜３８、金属層４０（４０ｂ）及びダウンコンダクタ４０（４０ａ）を介して速やかにグランドＧ側へ流すことができる。

【0023】

金属層４０（４０ｂ）は少なくとも溶射膜３８と接触しておればよいが、図７に示す実施形態では、金属層４０（４０ｂ）は、翼本体２６のコード長方向における溶射膜３８の長さの少なくとも部分的な領域で溶射膜３８の下面と面接触している。これによって、溶射膜３８と金属層４０（４０ｂ）との間の導電性を向上できるため、溶射膜３６に帯電した落雷電流を速やかにグランドＧ側へ流すことができる。
溶射膜３８と金属層４０（４０ｂ）との接触面積はなるべく大きいほうが好ましい。例えば、図７において、金属層４０（４０ｂ）が溶射膜３８の下面に面接触した領域の翼長方向長さＬ_２は、溶射膜３８のコード長方向の全長Ｌ_１に対して、Ｌ_１／３≦２Ｌ_２となるのが好ましく、このように溶射膜３８と金属層４０（４０ｂ）とをオーバラップさせることで、溶射膜３８と金属層４０（４０ｂ）間の導電性を高く維持できる。

【0024】

一実施形態では、金属層４０（４０ｂ）は、銅、銅合金、アルミ又はアルミ合金で構成されている。アルミ合金として、例えばジュラルミンを適用できる。金属層４０（４０ｂ）をこのような電気抵抗率が小さい材料で構成することで、溶射膜３６に帯電した落雷電流をグランドＧ側へ容易に流すことができ、溶射膜３６に帯電した落雷電流の逃し効果を向上できる。

【0025】

一実施形態では、図８Ａ、図８Ｂ及び図９に示すように、金属層４０（４０ｂ）は、帯状の金属メッシュ又は金属箔で構成されている。これらの図に示す金属層４０（４０ｂ）は、一例として金属メッシュ４０（４０ｂ−１）で構成されている。これらの実施形態によれば、金属層４０（４０ｂ）として、金属箔又は金属メッシュ４０（４０ｂ−１）を用いることで、翼本体２６と金属層４０（４０ｂ）との接合強度をさらに向上できる。
図８Ａに示す実施形態は、溶射膜３８が翼本体２６と金属層４０（４０ｂ）の間に入り込んでいる例を示し、図８Ｂに示す実施形態は、一対の金属層４０（４０ｂ）端部間に、金属層４０（４０ｂ）の厚さと同等の厚さで溶射膜３８が充填されている例を示している。これらの実施形態では、翼本体２６と金属層４０（４０ｂ）との接合強度をさらに向上できる。

【0026】

一実施形態では、図９に示すように、翼本体２６と溶射膜３８との間に下地層４２を形成させ、下地層４２を介して翼本体２６と溶射膜３８とが結合される。翼本体２６と溶射膜３８との間に下地層４２を介在させることで、翼本体２６と溶射膜３８との接合強度を向上できる。さらに、翼本体２６と溶射膜３８との間に下地層４２を設けることで、接着性を向上できるだけでなく、溶射膜３６や溶射膜３８を翼本体２６の表面に溶射するときに下地層４２によって翼本体２６を保護できる利点がある。下地層４２として、例えば、樹脂などの非金属系の溶射材又はその複合材を用いることができる。

【0027】

一実施形態では、図１０に示すように、翼本体２６の表面に凹部４６を形成し、凹部４６に金属層４０（４０ｂ）を形成している。金属層４０（４０ｂ）が形成されない翼本体２６の表面と金属層４０（４０ｂ）の表面とは段差がない連続面を形成するようにする。これによって、翼本体２６の表面で無用な乱流の発生を抑制でき、風車翼２０の空力性能の低下を抑制できる。なお、別な実施形態として、翼本体２６の表面に金属層４０（４０ｂ）だけでなく溶射膜３６及び３８をも収容可能な凹部を形成し、溶射膜３６の表面と翼本体２６の表面とで段差のない連続面を形成するようにしてもよい。図１０中の二点鎖線２６ａはこの実施形態における翼本体２６の表面を示している。

【0028】

一実施形態では、溶射膜３６は、アルミナ、タングステンカーバイド、窒化珪素、炭化珪素、ジルコニア又はクロムカーバイトの少なくとも一つを含むサーメット、又はＣｏ合金により構成される。溶射膜３６がこのような耐熱性や耐摩耗性に優れた材料で構成されることで、高い耐エロージョン性能を発揮できる。

【0029】

一実施形態では、溶射膜３８は、銅、銅合金、アルミ又はアルミ合金（例えば、ジュラルミン）で構成される。溶射膜３８が、このような電気抵抗率が小さい材料で構成されているため、溶射膜３６に帯電した落雷電流を速やかにグランドＧ側へ流すことができる。さらに、溶射膜３８を上記材料で構成するとき、溶射膜３６より硬度及びヤング率が小さいので、翼本体２６への攻撃性が低く、このため、翼本体２６との密着性が高い。従って、溶射膜３６が翼本体２６から剥離したり又は脱落するのを抑制できる。

【0030】

一実施形態では、溶射膜３６及び３８の合計厚さが２００〜２０００μｍとなるようにする。これによって、溶射膜３６による耐エロージョン性能を保持しつつ、かつ翼本体２６の表面で溶射膜３６及び３８をコンパクトに形成できる。なお、翼本体表面との間で段差が生じない様に厚さを高精度で調整することも可能であるため、施工後においても風車翼の空力性能を高く維持できる。

【0031】

溶射膜３６の厚さは主として風車翼の先端周速によって決定され、第２溶射層の厚さは、主として電気抵抗率の必要性や翼本体表面の凹凸の吸収などで決定される。一実施形態では、溶射膜３６の厚さは１００〜１０００μｍの範囲とし、溶射膜３８の厚さは１００〜１０００μｍの範囲とする。これによって、溶射膜３６は風車翼先端周速に対抗し得る耐エロージョン性能と被膜強度を確保できる。溶射膜３８は、電気抵抗率を低下させて必要な電気伝導性を確保する断面積を確保することができる。さらに、翼本体２６の表面の凹凸により溶射膜３８も凹凸となる影響で、溶射膜３６の厚さにむらができて耐エロージョン性と被膜強度を確保できなくなるリスクを無くすため、十分な厚さを持たせて凹凸を吸収することができる。この場合、溶射膜３８の厚さは場所により変化することとなる。

【0032】

一実施形態では、図１〜図４及び図１１に示すように、翼本体２６は、耐雷構造としてレセプタ５０（５０ａ、５０ｂ）を備える。レセプタ５０は導電部４０及び溶射膜３８に接続されている。これによって、溶射膜３６又はレセプタ５０に落雷したとき、溶射膜３６又はレセプタ５０に帯電した落雷電流を溶射膜３８及び導電部４０を介して速やかにグランドＧへ流すことができる。

【0033】

一実施形態では、図３に示すように、レセプタ５０は、翼本体２６の翼先端２２に設けられたチップレセプタ５０（５０ａ）で構成される。チップレセプタ５０（５０ａ）は溶射膜３８に接続されている。さらに、導電部４０とは別に、グランドＧまで延在する導電部５２（第２導電部）が設けられ、チップレセプタ５０（５０ａ）は導電部５２に接続されている。これによって、溶射膜３６から溶射膜３８及び導電部４０を介してグランドＧに達する導電路と、溶射膜３６から溶射膜３８、チップレセプタ５０（５０ａ）及び導電部５２を介してグランドＧに達する導電路と、が形成される。溶射膜３６に落雷したとき、溶射膜３６に帯電した落雷電流を上記２つの導電路を介して速やかにグランドＧへ流すことができる。これによって、溶射膜３６の損傷を効果的に抑制できる。

【0034】

一実施形態では、図３に示すように、導電部５２はダウンコンダクタで構成され、このダウンコンダクタの一端がチップレセプタ５０（５０ａ）に接続されると共に、他端がグランドＧまで延在している。

【0035】

図３及び図４に示す実施形態では、溶射膜３８の一端で溶射膜３８の下面とチップレセプタ５０（５０ａ）の上面とが面接触している。面接触することで溶射膜３８とチップレセプタ５０（５０ａ）との導電性を良くすることができるが、このように面接触しなくても両者は接続されていれば、両者間の導電性を保持できる。別な実施形態として、導電性をさらに高めたいときは、図３中の二点鎖線４８で示すように、溶射膜３６及び３８を翼先端２２まで延在し、溶射膜３８とチップレセプタ５０（５０ａ）とが面接触する面積を拡大してもよい。

【0036】

一実施形態では、導電部５２の電気抵抗率は溶射膜３８の電気抵抗率より小さくなるように構成されている。これによって、チップレセプタ５０（５０ａ）に落ちた落雷により発生した落雷電流の多くを導電部５２を経由してグランドＧ側へ流すことができ、溶射膜３８及び導電部４０（４０ａ、４０ｂ）を経由してグランドＧ側へ流れる落雷電流を抑制できるため、溶射膜３６及び３８の損傷を抑制できる。

【0037】

一実施形態では、図１１に示すように、レセプタ５０は、溶射膜３６に互いに離散して設けられた複数のディスクレセプタ５０（５０ｂ）を含む。この実施形態では、落雷によって溶射膜３６に帯電した落雷電流を複数のディスクレセプタ５０（５０ｂ）から速やかにグランドＧ側へ流すことができる。

【0038】

図１１に示す実施形態では、複数のディスクレセプタ５０（５０ｂ）は、翼長方向に沿って溶射膜３６に点在しているので、落雷の大部分をディスクレセプタ５０（５０ｂ）で受けることができる。これによって、溶射膜３６に落雷する確率を減らすことができ、溶射膜３６の損傷を抑制できる。また、溶射膜３６に落雷した場合、落雷電流をすぐに直近のディスクレセプタ５０（５０ｂ）に誘導できる。

【0039】

一実施形態では、図１１に示すように、複数のディスクレセプタ５０（５０ｂ）は、夫々翼本体２６に埋設されたダウンコンダクタ４０（４０ａ）に接続される。このダウンコンダクタ４０（４０ａ）の他端はグランドＧまで延在する。

【0040】

図１２は、ディスクレセプタ５０（５０ｂ）の一実施形態を示す。図１２に示すディスクレセプタ５０（５０ｂ）は、中空の翼本体２６の裏面に取り付けられた導電性の中継円板５４を介してダウンコンダクタ４０（４０ａ）に接続されている。図１２に示す実施形態では、ディスクレセプタ５０（５０ｂ）は、翼本体２６及び溶射膜３６及び３８に形成された貫通孔５６に挿入され、ディスクレセプタ５０（５０ｂ）の端面は外側に露出し、溶射膜３６の表面と連続面を形成している。この実施形態では、ディスクレセプタ５０（５０ｂ）が外側に露出しているので、ディスクレセプタ５０（５０ｂ）に落雷させることで、溶射膜３６の損傷を抑制できる。

【0041】

一実施形態では、ディスクレセプタ５０（５０ｂ）の製作方法として、例えばＦＲＰ製の翼本体２６を製作後、貫通孔５６を形成する。その後、貫通孔５６にディスクレセプタ５０（５０ｂ）のダミーを挿入するか、又はディスクレセプタ５０（５０ｂ）を挿入した後、これらの挿入箇所にマスキングをして溶射膜３６及び３８を溶射する。別な製作方法として、翼本体２６を製作した後、溶射膜３６及び３８を溶射し、その後、貫通孔５６を形成する。貫通孔５６を形成するとき、溶射膜３６及び３８が割れる可能性があるので、注意を要する。

【0042】

図１３に示す実施形態では、翼本体２６のみに貫通孔５８が形成され、導電性の高い材料で構成された埋込治具６０が貫通孔５８に挿入されている。埋込治具６０の端面は溶射膜３８の裏面に接続されている。溶射膜３６に落雷して溶射膜３６に帯電した落雷電流を埋込治具６０、中継円板５４及びダウンコンダクタ４０（４０ａ）を介して速やかにグランドＧ側へ流すことができる。

【0043】

図１２及び図１３に示す実施形態において、ディスクレセプタ５０（５０ｂ）及び埋込治具６０は金属製のボルト６２を有し、ダウンコンダクタ４０（４０ａ）の接続端は金属製のボルト６４を有する。ディスクレセプタ５０（５０ｂ）、埋込治具６０及びダウンコンダクタ４０（４０ａ）の接続端は、金属製のボルト６２及び６４を介して中継円板５４に接続されている。このように金属製ボルト６２及び６４を介して接続することで、電気的な接続を確実に形成できる。

【0044】

上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。

【0045】

１）一の実施形態に係る風車翼は、翼根から翼先端に向かって翼長方向に沿って延在する翼本体（２６）と、前記翼本体のうち少なくとも前記翼先端側における前縁を覆うように設けられ、前記翼本体の前記前縁のエロージョンを抑制するための第１溶射層（３６）と、前記翼本体と前記第１溶射層との間に形成され、前記第１溶射層より電気抵抗率が小さい第２溶射層（３８）と、前記第２溶射層をグランド（Ｇ）に電気的に接続する第１導電部（４０）と、を備える。

【0046】

本開示に係る風車翼によれば、耐エロージョン膜である第１溶射層と翼本体との間に電気抵抗率が小さい第２溶射層を形成したため、第１溶射層に帯電した落雷電流を第２溶射層を介してグランド側へ速やかに流すことができ、これによって、第１溶射層の損傷を抑制できる。

【0047】

２）別な態様に係る風車翼は、１）に記載の風車翼であって、第２溶射層は、第１溶射層より硬度及びヤング率が小さい。

【0048】

これによって、翼本体に対する第２溶射層の攻撃性を弱め、第２溶射層の翼本体に対する密着性を高めることができるため、第１溶射層が翼本体から剥離しあるいは脱落するのを抑制できる。

【0049】

３）別の態様に係る風車翼は、１）又は２）に記載の風車翼であって、前記第１溶射層及び前記第２溶射層は、前記翼本体の長さ方向において前記翼先端から前記翼本体の長さの１／２までの領域の少なくとも一部に設けられている。

【0050】

エロージョンは周速に依存する為、風車翼の先端側が最もエロージョンの影響を受けやすく、先端側から翼根側に向かって、エロージョンの影響を受けにくくなる。このような構成によれば、５０ｍ／秒程度以上の周速範囲に溶射膜を施工でき、エロ―ジョンの影響を受けやすい領域のほぼ全域をカバーできる。

【0051】

４）さらに別な態様に係る風車翼は、１）〜３）のいずれかに記載の風車翼であって、前記第１導電部は、前記翼本体の表面に形成された金属層（４０（４０ｂ））を含み、前記金属層は前記第２溶射層に接続されている。

【0052】

このような構成によれば、翼本体の表面に電気抵抗率が小さい金属層を形成することで、第２溶射層と第１導電部との間の導電路の導電性を高めることができるため、第１溶射層に帯電した落雷電流を速やかにグランド側へ流すことができる。

【0053】

５）さらに別な態様に係る風車翼は、４）に記載の風車翼であって、前記金属層は、前記翼本体のコード長方向における前記第２溶射層の長さの少なくとも部分的な領域で前記第２溶射層の下面と面接触している。

【0054】

このような構成によれば、金属層が第２溶射層の下面と面接触しているため、金属層と第２溶射層間との間の導電性を高く維持でき、これによって、第１溶射層に帯電した落雷電流を速やかにグランド側へ流すことができる。

【0055】

６）さらに別な態様に係る風車翼は、４）又は５）に記載の風車翼であって、前記金属層は、銅、銅合金、アルミ又はアルミ合金で構成され、且つ／又は、帯状の金属メッシュ（４０（４０ｂ−１））又は金属箔で構成されている。

【0056】

このような構成によれば、金属層が上記のような導電性が良い材料で構成されているため、第１溶射層に帯電した落雷電流の逃し効果を向上できる。また、金属層が金属メッシュ又は金属箔で構成されているため、金属層と翼本体との接合強度を向上できる。

【0057】

７）さらに別な態様に係る風車翼は、１）〜６）の何れかに記載の風車翼であって、前記翼本体と前記第２溶射層との間に形成された下地層（４２）を備える。

【0058】

このような構成によれば、翼本体と第２溶射層との間に下地層が形成されることで、翼本体と第２溶射層との接合強度を向上できる。また、翼本体に金属製などの第２溶射層を直接溶射する場合は、溶射時の熱や衝撃等によって翼本体を傷付けるおそれがあるため、予め翼本体に樹脂製などの下地層を形成しておくことで、翼本体を保護できる。

【0059】

８）さらに別な態様に係る風車翼は、１）〜７）の何れかに記載の風車翼であって、前記第１溶射層は、アルミナ、タングステンカーバイド、窒化珪素、炭化珪素、ジルコニア又はクロムカーバイトの少なくとも一つを含むサーメット、又は、Ｃｏ合金により構成されている。

【0060】

このような構成によれば、第１溶射層は上記のような耐熱性や耐摩耗性に優れた材料で構成されているため、高い耐エロージョン性能を発揮できる。

【0061】

９）さらに別な態様に係る風車翼は、１）〜８）の何れかに記載の風車翼であって、前記第２溶射層は、銅、銅合金、アルミ又はアルミ合金で構成されている。

【0062】

このような構成によれば、第２溶射層は上記のような電気抵抗率が小さい材料で構成されているため、第１溶射層に帯電した落雷電流を速やかに翼本体側へ流すことができる。また、第２溶射層は第１溶射層より上記のような硬度及びヤング率が小さい材料で構成されているので、翼本体への攻撃性が低く、このため翼本体との密着性も高くなるため、第１溶射層が翼本体から剥離したり又は脱落するのを抑制できる。

【0063】

１０）さらに別な態様に係る風車翼は、１）〜９）の何れかに記載の風車翼であって、前記第１溶射層及び前記第２溶射層の合計厚さが２００μｍ以上２０００μｍ以下である。

【0064】

このような構成によれば、第１溶射層及び第２溶射層は上記範囲の合計厚さを有するため、第１溶射層による耐エロージョン性を保持しつつ、かつ翼本体の表面で第１溶射層及び第２溶射層をコンパクトに形成できる。なお、翼本体表面との間で段差が生じないように厚さを高精度で調整することも可能であるため、施工後においても風車翼の空力性能を高く維持できる。

【0065】

１１）さらに別な態様に係る風車翼は、１）〜１０）の何れかに記載の風車翼であって、前記第１溶射層の厚さは、１００μｍ以上１０００μｍ以下であり、前記第２溶射層の厚さは、１００μｍ以上１０００μｍ以下である。

【0066】

第１溶射層の厚さは、主として風車翼の先端周速によって決定され、第２溶射層の厚さは、電気抵抗率の必要性や翼本体表面の凹凸の吸収などで決定される。上記構成によれば、第１溶射層が上記厚さを有するために、風車翼先端周速に対抗し得る耐エロージョン性と被膜強度を確保できる。また、第２溶射層が上記厚さを有するため、電気抵抗率を低下させて必要な電気伝導性を確保する断面積を確保することができる。さらに、翼本体表面の凹凸により第２溶射層も凹凸となる影響で、第１溶射層の厚さにむらができて耐エロージョン性と被膜強度を確保できなくなるリスクを無くすため、十分な厚さを持たせて凹凸を吸収することができる。

【0067】

１２）さらに別な態様に係る風車翼は、１）〜１１）の何れかに記載の風車翼であって、前記翼本体は、前記第１導電部に接続されるレセプタ（チップレセプタ５０（５０ａ）及びディスクレセプタ５０（５０ｂ））を備え、前記レセプタは前記第２溶射層に接続されている。

【0068】

このような構成によれば、レセプタが第２溶射層及び第１導電部に接続されているため、第１溶射層やレセプタに落雷したとき、第１溶射層又はレセプタに帯電した落雷電流を、第２溶射層及び第１導電部を介して速やかにグランド側へ流すことができる。

【0069】

１３）さらに別な態様に係る風車翼は、１２）に記載の風車翼であって、前記レセプタは、前記翼本体の前記翼先端に設けられたチップレセプタ（５０（５０ａ））を含むと共に、前記チップレセプタは前記第２溶射層に接続され、前記チップレセプタと前記グランドとを電気的に接続する第２導電部（５２）を備える。

【0070】

このような構成によれば、第１溶射層に落雷した落雷電流は、第２溶射層及び第１導電部を介してグランド側へ流れる導電路と、チップレセプタから第２導電部を介してグランド側へ流れる導電路と、２つの導電路を形成できる。そのため、第１溶射層に帯電した落雷電流を速やかにグランド側へ流すことができる。これによって、第１溶射層の損傷を効果的に抑制できる。

【0071】

１４）さらに別な態様に係る風車翼は、１３）に記載の風車翼であって、前記第２導電部の電気抵抗率は前記第２溶射層の電気抵抗率より小さくなるように構成されている。

【0072】

このような構成によれば、チップレセプタに落ちた落雷により発生した落雷電流を第２導電部を経由してグランド側へ流すことができる。従って、第２溶射層を経由してグランド側へ流す落雷電流を抑制できるため、第１溶射層及び第２溶射層の損傷を抑制できる。

【0073】

１５）さらに別な態様に係る風車翼は、１２）〜１４）の何れかに記載の風車翼であって、前記レセプタは、前記第１溶射層に互いに離散して設けられた複数のディスクレセプタ（５０（５０ｂ））を含む。

【0074】

このような構成によれば、複数のディスクレセプタが第１溶射層に離散して設けられているため、落雷を複数のディスクレセプタに誘導できる。従って、第１溶射層への落雷を減らすことができるため、第１溶射層の損傷を抑制できる。また、第１溶射層に落雷した場合、落雷電流をすぐに直近のディスクレセプタに誘導できる。

【符号の説明】

【0075】

１０ 風力発電装置
１２ ハブ
１４ ロータ
１６ ナセル
１８ タワー
１９ ベース
２０ 風車翼
２２ 翼先端
２４ 翼根
２６ 翼本体
２８ 前縁
３０ 後縁
３２ 圧力面
３４ 負圧面
３６ 溶射膜（第１溶射層）
３８ 溶射膜（第２溶射層）
４０ 導電部（第１導電部）
４０（４０ａ） ダウンコンダクタ
４０（４０ｂ） 金属層
４０（４０ｂ−１） 金属メッシュ
４２ 下地層
４４、４６ 凹部
５０ レセプタ
５０（５０ａ） チップレセプタ
５０（５０ｂ） ディスクレセプタ
５２ 導電部（第２導電部）
５４ 中継円板
５６、５８ 貫通孔
６０ 埋込治具
６２、６４ 金属製ボルト
Ｇ グランド

【要約】

【課題】落雷電流を風車翼の表面に被覆した耐エロージョン膜から速やかに除去して、耐エロージョン膜の損傷を抑制する。
【解決手段】翼根から翼先端に向かって翼長方向に沿って延在する翼本体と、翼本体のうち少なくとも翼先端側における前縁を覆うように設けられ、翼本体の前縁のエロージョンを抑制するための第１溶射層と、翼本体と第１溶射層との間に形成され、第１溶射層より電気抵抗率が小さい第２溶射層と、第２溶射層をグランドに電気的に接続する第１導電部と、を備える風車翼を提供する。
【選択図】図３

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】