特許 7616126 風車ブレード

(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】

(24)【登録日】2025-01-08

(45)【発行日】2025-01-17

(54)【発明の名称】風車ブレード

(51)【国際特許分類】

   F03D 1/06 20060101AFI20250109BHJP

   F03D 13/10 20160101ALI20250109BHJP

【ＦＩ】

F03D1/06 A

F03D13/10

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2022032215

(22)【出願日】2022-03-03

(65)【公開番号】P2023128104

(43)【公開日】2023-09-14

【審査請求日】2024-04-11

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】金馬 誠郎

【審査官】菊地 牧子

(56)【参考文献】

【文献】特開昭６２－２８２１７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／１６０８５７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特表２０２２－５２００５６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０３Ｄ １／００

Ｆ０３Ｄ １３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ブレード本体と、
前記ブレード本体の根本部分及びハブに連結されるコネクタと、
を備える、風車ブレードであって、
前記コネクタは、風車のロータ中心軸の径方向に延設され外周面に接着剤層が塗布される支持軸部を備え、
前記ブレード本体は、前記支持軸部を覆う支持筒部を備え、
前記支持軸部及び前記支持筒部には、互いに軸合わせされる締結孔が径方向に穿孔され、
前記支持軸部及び前記支持筒部の前記締結孔に締結軸部材が挿入され、
前記支持軸部及び前記支持筒部の前記締結孔は、前記ロータ中心軸方向前方側である正圧側に設けられ、
前記ブレード本体は、前記正圧側に配置される前板部と、前記正圧側と対向する負圧側に配置される後板部とを備え、
前記前板部は、前記支持筒部の一部として、前記支持軸部を周方向に部分的に覆う断面Ｃ字形状の前板Ｃ字筒部を備え、
前記後板部は、前記支持筒部の一部として、前記前板Ｃ字筒部とともに前記支持軸部の全周を覆う後板Ｃ字筒部を備え、
前記前板Ｃ字筒部と前記後板Ｃ字筒部は、両者が重ねられる重複部を備え、
前記後板Ｃ字筒部の前記重複部に前記締結孔が穿孔され、前記前板Ｃ字筒部の前記重複部は前記締結孔を含めて前記後板Ｃ字筒部の前記重複部を覆う、
風車ブレード。

【請求項2】

請求項１に記載の風車ブレードであって、
前記支持軸部の前記外周面には、前記支持軸部の径方向に張り出すリングが軸方向に沿って間隔を空けて複数設けられ、
前記リング間に前記接着剤層が塗布される、
風車ブレード。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書では、風力発電に用いられる風車のブレードが開示される。

【背景技術】

【0002】

風力発電に用いられる風車は、ブレード、ハブ、ナセル、及びタワーを備える。風を受けるブレードは風車一台につき複数枚（例えば３枚）設けられる。ハブは、複数枚のブレードの根本を支持するとともにロータシャフトに連結される。ナセルには、ロータシャフトに連結する増速器や発電機が収容される。タワーは、ブレード、ハブ、ナセルを支持する。

【0003】

ブレードは、ブレード本体と、ブレード本体の根本部分とハブとに連結されるコネクタを備える。コネクタとハブとはボルト等により締結される。コネクタとブレード本体との連結手段については種々の手法が提案されている。特にコネクタとブレード本体との連結について、ブレード本体に掛かる遠心力によってコネクタからブレード本体が破断離脱されることを抑制するための連結手段が提案されている。

【0004】

例えば特許文献１では、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）からブレード本体が成形される。またコネクタは円筒形状であってその外周面から爪が突設される。これらブレード本体とコネクタが一体成形される。具体的にはブレード本体はコネクタの爪を含む部分を埋没させるように成形される。この成形の際に、ＦＲＰの強化繊維がコネクタの爪に引っ掛かるようにして巻回される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００１－９９０４７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、風車ブレードは特に長尺物であることから、工場で一体成形された完成品を風車設置現場（山の尾根等）に運ぶよりも、複数の部品に分かれた状態で設置現場まで運び現地で組み立てる方が、運搬過程における風車ブレードの破損リスクが低減される。

【0007】

そこで本明細書では、コネクタとブレード本体とが分割された分割型のブレードにおいて、ブレード本体に掛かる遠心力に抗してブレード本体をコネクタに保持可能な、風車ブレードが開示される。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本明細書では、風車ブレードが開示される。この風車ブレードは、ブレード本体及びコネクタを備える。コネクタは、ブレード本体の根本部分及びハブに連結される。コネクタは、風車のロータ中心軸の径方向に延設され外周面に接着剤層が塗布される支持軸部を備える。ブレード本体は、支持軸部を覆う支持筒部を備える。支持軸部及び支持筒部には、互いに軸合わせされる締結孔が径方向に穿孔される。支持軸部及び支持筒部の締結孔には、締結軸部材が挿入される。

【0009】

上記構成によれば、接着剤層による化学的結合と締結軸部材による機械的結合により、ブレード本体にコネクタが結合される。特に締結軸部材が支持軸部及び支持筒部に径方向に挿入されることで、ブレード本体に遠心力が生じても、締結軸部材のせん断応力により、コネクタからのブレード本体の離脱が抑制される。

【0010】

また上記構成において、支持軸部の外周面には、支持軸部の径方向に張り出すリングが軸方向に沿って間隔を空けて複数設けられてよい。この場合、リング間に接着剤層が塗布される。

【0011】

上記構成によれば、接着剤層の厚さをリングの張出径に設定可能となり、接着剤層の厚さ管理が可能となる。

【0012】

また上記構成において、支持軸部及び支持筒部の締結孔は、ロータ中心軸方向前方側である正圧側に設けられてよい。

【0013】

ブレード本体が風を受けると、ロータ中心軸方向後方にブレード本体が付勢される。このとき、ブレード本体の根元部分である支持筒部の正圧側は、コネクタの支持軸部から離隔（剥離）されるような力を受ける。支持軸部及び支持筒部の締結孔が正圧側に設けられ、当該締結孔に締結軸部材が挿入されることで、締結軸部材の軸力を用いて、支持軸部からの支持筒部の剥離を抑制可能となる。

【0014】

また上記構成において、ブレード本体は、正圧側に配置される前板部と、正圧側と対向する負圧側に配置される後板部とを備えてよい。この場合、前板部は、支持筒部の一部として、支持軸部を周方向に部分的に覆う断面Ｃ字形状の前板Ｃ字筒部を備える。また、後板部は、支持筒部の一部として、前板Ｃ字筒部とともに支持軸部の全周を覆う後板Ｃ字筒部を備える。前板Ｃ字筒部と後板Ｃ字筒部は、両者が重ねられる重複部を備える。さらに、後板Ｃ字筒部の重複部に締結孔が穿孔され、前板Ｃ字筒部の重複部は締結孔を含めて後板Ｃ字筒部の重複部を覆う。

【0015】

上記構成によれば、締結孔及び締結軸部材を前板Ｃ字筒部の重複部で覆うことが可能となる。これにより、締結軸部材の露出が避けられ、当該露出による空力特性の低下が防止される。

【発明の効果】

【0016】

本明細書で開示される風車ブレードによれば、コネクタとブレード本体とが分割された分割型のブレードにおいて、ブレード本体に掛かる遠心力に抗してブレード本体をコネクタに保持可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本実施形態に係る風車ブレードの全体図を例示する斜視図である。

【図2】コネクタを例示する斜視図である。

【図3】ブレード本体の後板部を例示する斜視図である。

【図4】ブレード本体の前板部を例示する斜視図である。

【図5】本実施形態に係る風車ブレードの組立工程（１／５）を例示する斜視図である。

【図6】本実施形態に係る風車ブレードの組立工程（２／５）を例示する斜視図である。

【図7】本実施形態に係る風車ブレードの組立工程（３／５）を例示する斜視図である。

【図8】本実施形態に係る風車ブレードの組立工程（４／５）を例示する斜視図である。

【図9】本実施形態に係る風車ブレードの組立工程（５／５）を例示する斜視図である。

【図10】図９のＡ－Ａ断面を例示する図である。

【図11】本実施形態の別例に係る風車ブレードの、Ａ－Ａ断面を例示する図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

図１－図１１を参照して、本実施形態に係る風車ブレード１０が説明される。なお図１－図１１において、軸Ｃ１、軸Ｃ２、軸Ｃ３による直交座標系が示される。軸Ｃ１は風車のロータ中心軸を示す。軸Ｃ２はロータ中心軸に対する径方向軸であって、コネクタ６０（図２参照）の支持中心軸を示す。軸Ｃ３はロータ中心軸Ｃ１及び支持中心軸Ｃ２に直交する軸である。

【0019】

また、図１－図１１では、本実施形態に係る風車ブレード１０の各構成が、ハブ１００に取り付けられたときの向きや位置を基準に説明される。

【0020】

図１には、本実施形態に係る風車ブレード１０及び風車ブレード１０が取り付けられたハブ１００が例示される。ハブ１００は複数枚の風車ブレード１０を取り付け可能であって、風車ブレード１０の取付用の台座１０２がロータ中心軸Ｃ１の周廻りに沿って等間隔に設けられる。

【0021】

風車ブレード１０はブレード本体５２及びコネクタ６０を備える。図２にはコネクタ６０の単体斜視図が例示される。コネクタ６０はブレード本体５２の根元部分（つまりロータ中心軸Ｃ１側部分）及びハブ１００に連結される連結部材である。コネクタ６０は例えば防錆コーティングが施された鉄等の金属材料から構成される。

【0022】

コネクタ６０はフランジ６２及び支持軸部６４を備える。図１、図２を参照して、フランジ６２はハブ１００との締結部となっており、ハブ１００の台座１０２に着座される。フランジ６２は例えば円盤形状であって、その直径がハブ１００の台座１０２に収まるように寸法が定められる。

【0023】

フランジ６２にはその厚さ方向に貫通する締結孔６３が複数穿孔される。例えばフランジ６２の盤面に、周方向に等間隔に複数の締結孔６３が設けられる。これらの締結孔６３はハブ１００の台座１０２に設けられた締結孔（図示せず）と軸合わせされ、さらにボルト等の締結軸部材が螺入され、これによりコネクタ６０がハブ１００に締結される。

【0024】

また支持軸部６４は、フランジ６２の中心から、ロータ中心軸Ｃ１の径方向（支持中心軸Ｃ２方向）に延設される。支持軸部６４は例えば円筒形状または円柱形状であってよい。図２には、両者形状のうち、より軽量な円筒形状の支持軸部６４が例示される。

【0025】

支持軸部６４はその外周面６６に複数のリング６７を備える。リング６７は外周面６６から支持軸部６４の径方向に張り出す。リング６７は支持軸部６４の中心軸Ｃ２方向に沿って間隔を空けて（例えば等間隔に）複数設けられる。

【0026】

リング６７は後述される接着剤層６９（図５参照）の充填量を管理するためのシムまたはスペーサの役割を備える。後述される図５のように、リング６７，６７間に接着剤層６９が形成される。さらにコネクタ６０の支持軸部６４（図２参照）がブレード本体５２（図１参照）の支持筒部５０に囲まれる。このとき、リング６７が支持筒部５０の内面と当接する。この当接により、接着剤の押し出しが抑制され、適正量の接着剤を支持軸部６４及び支持筒部５０間に保持可能となる。

【0027】

支持軸部６４の外周面６６には、締結孔６８が穿孔される。締結孔６８は複数のリング６７間に設けられる。締結孔６８は支持軸部６４の径方向に穿孔される。締結孔６８の直径は例えば後述される図６のリベット８０（締結軸部材）の軸部８２の直径以上かつ頭部８４の直径未満となるように定められる。

【0028】

風車ブレード１０がハブ１００に取り付けられるときに、締結孔６８は、ロータ中心軸Ｃ１に沿った前方側である、正圧側に設けられる。正圧側とは、ブレード本体５２が主に風を受ける側を指す。例えば締結孔６８の孔軸は、ロータ中心軸Ｃ１と平行になるように、コネクタ６０がハブ１００に締結される。

【0029】

後述されるように、締結孔６８及びブレード本体５２の締結孔４６（図６参照）には締結軸部材であるリベット８０が挿入される。後述される図１０にて例示されるように、ブレード本体５２の正圧側が風を受けるとブレード本体５２は付勢力Ｆ１で例示されるように、ロータ中心軸Ｃ１に沿って後方に付勢される。このとき、ブレード本体５２の根元部分には、支持軸部６４から支持筒部５０を剥離させるような付勢力Ｆ２が掛かる。

【0030】

ここで、締結孔４６，６８が正圧側に穿孔されしたがってリベット８０が正圧面に交差するように挿入されていることから、リベット８０からは付勢力Ｆ２に抗する軸力が得られる。この軸力により、支持軸部６４からの支持筒部５０の剥離が抑制される。

【0031】

図２を参照して、締結孔６８（及びブレード本体５２の締結孔４６）は支持中心軸Ｃ２に沿って複数設けられる。例えば締結孔６８（及び締結孔４６）は２個設けられる。

【0032】

図１に戻り、ブレード本体５２は、主要部である翼部１１と、ロータ中心軸Ｃ１側の根本部分である支持筒部５０を備える。翼部１１の形状は所望の空力特性等をもとに定められる。この形状の詳細については既知であるため詳細は省略される。また翼部１１の幅方向（Ｃ３軸方向）両端部分及び径方向（Ｃ２軸方向）外端部分は例えば平板形状となる。支持筒部５０はコネクタ６０の支持軸部６４を覆う。

【0033】

ブレード本体５２はロータ中心軸Ｃ１方向に沿って前方側（言い換えると正圧側）の前板部２０と、後方側（負圧側）の後板部４０を備える。前板部２０及び後板部４０は例えばともにＦＲＰ（繊維強化プラスチック）から構成される。

【0034】

図３には後板部４０の単体斜視図が例示される。後板部４０は主要部である翼片４１に加えて、後板Ｃ字筒部４２及び後板フランジ４８を備える。後板Ｃ字筒部４２は支持筒部５０の一部であって、後述される図６のようにコネクタ６０の支持軸部６４を周方向に部分的に覆う。

【0035】

例えば後板Ｃ字筒部４２の孤の中心角（α１＋α２）は２７０°を超過するように定められる。図３の軸Ｃ３を基準（０°）に取り時計方向に後板Ｃ字筒部４２が展開される場合、後板Ｃ字筒部４２の末端角度範囲α２には重複部４４が形成される。例えば重複部４４は後板Ｃ字筒部４２の他の部分と比較して肉薄に形成される。この減肉厚Ｌ１は、例えば前板部２０（図４参照）の板厚Ｌ２と等しくなるように構成される。

【0036】

重複部４４は、前板部２０の重複部２４と重ね合わせられる。重複部２４，４４は例えばブレード本体５２の径方向全長に亘って設けられる。重複部４４にはその厚さ方向に締結孔４６が穿孔される。

【0037】

締結孔４６は、コネクタ６０の締結孔６８と同数及び同ピッチに設けられる。後述されるように、風車ブレード１０の組立工程で、コネクタ６０の締結孔６８と後板部４０の締結孔４６とが軸合わせされる。上述のように、コネクタ６０は締結孔６８が正圧側に面するようにハブ１００上に配置されるから、締結孔６８と軸合わせされる後板部４０の締結孔４６も正圧側に面する。

【0038】

図３には、締結孔４６の拡大図が例示される。締結孔４６は図３の露出面側から順に同軸の大径部４６Ａ及び小径部４６Ｂを備える。大径部４６Ａと小径部４６Ｂの切り替わり部分に着座部４６Ｃが設けられる。

【0039】

小径部４６Ｂの直径は、締結軸部材であるリベット８０（図６参照）の軸部８２の直径以上且つ頭部８４の直径未満となるように定められる。一方、大径部４６Ａの直径は、リベット８０の頭部８４の直径を超過するように定められる。また大径部４６Ａの深さは頭部８４の厚さ（軸方向寸法）を超過するように定められる。つまりリベット８０を締結孔４６に挿入すると、リベット８０の頭部８４が大径部４６Ａに収容される。

【0040】

後板Ｃ字筒部４２の、重複部４４とは逆側の端部には、後板フランジ４８が設けられる。後板フランジ４８は例えば軸Ｃ３と平行となるように、言い換えるとロータ中心軸Ｃ１と垂直となるように延設される。例えば後板フランジ４８は後板部４０の径方向全長に亘って延設される。

【0041】

図４には前板部２０が例示される。前板部２０は主要部である翼片２１に加えて、前板Ｃ字筒部２２及び前板フランジ２８を備える。

【0042】

前板Ｃ字筒部２２は支持筒部５０の一部であって、コネクタ６０の支持軸部６４を周方向に部分的に覆う。前板Ｃ字筒部２２は、後板Ｃ字筒部４２とともにコネクタ６０の支持軸部６４の全周を覆う。

【0043】

例えば前板Ｃ字筒部２２の孤の中心角（α３＋α４）は９０°を超過するように定められる。図４の軸Ｃ３を基準（０°）に取り反時計方向に前板Ｃ字筒部２２が展開される場合、前板Ｃ字筒部２２の末端角度範囲α４には重複部２４が形成される。重複部２４は、締結孔４６を含めて、後板Ｃ字筒部４２の重複部４４を覆う。

【0044】

前板Ｃ字筒部２２の、重複部２４とは逆側の端部には、前板フランジ２８が設けられる。前板フランジ２８は例えば軸Ｃ３と平行となるように、言い換えるとロータ中心軸Ｃ１と垂直となるように延設される。例えば前板フランジ２８は前板部２０の径方向全長に亘って延設される。

【0045】

＜風車ブレードの組立工程＞
図５－図１０には、本実施形態に係る風車ブレード１０の組立工程が例示される。なお以下では、コネクタ６０の締結孔６８の軸がロータ中心軸Ｃ１と平行に位置決めされた状態での組立工程が例示される。

【0046】

図５を参照して、コネクタ６０の外周面６６であって、リング６７間の領域に接着剤層６９が塗布される。例えば接着剤層６９の厚さは、リング６７の厚さと等しくなるように定められる。

【0047】

図６を参照して、コネクタ６０の支持軸部６４が後板部４０の後板Ｃ字筒部４２に一部覆われる（咥え込まれる）。この時、後板Ｃ字筒部４２の締結孔４６とコネクタ６０の締結孔６８が軸合わせされる。

【0048】

さらに締結孔４６，６８に締結軸部材であるリベット８０が挿入される。図７に例示されるように、後板部４０の締結孔４６（図３参照）の大径部４６Ａ内にリベット８０の頭部８４が収容される。

【0049】

リベット８０の軸部８２の先端部が潰されることで、図１０に例示されるように後板部４０と支持軸部６４とが機械的結合される。また、接着剤層６９により、後板部４０と支持軸部６４とが化学的結合される。

【0050】

ここで、リベット８０のカシメ力（締結力）が強い場合であっても、支持軸部６４の外周面６６に設けられたリング６７が後板部４０の内周面と当接し、それ以上の後板部４０の進入（径方向内側への進入）が規制される。その結果、接着剤層６９が外部に押し出されることが抑制される。

【0051】

次に図８を参照して、後板フランジ４８及び重複部４４に接着剤層４９が塗布される。上述のように、後板フランジ４８及び重複部４４は後板部４０の径方向（長手方向、Ｃ２軸方向）全長に亘って延設されることから、後板部４０の径方向全長に亘って接着剤層４９が塗布される。

【0052】

さらに図８、図９を参照して、後板部４０の重複部４４と前板部２０の重複部２４とが重ね合わせられ、また後板フランジ４８及び前板フランジ２８とが重ね合わせられる。

【0053】

図１０には、図９に例示されるブレード本体５２の完成品の、Ａ－Ａ断面図（Ｃ１ー－Ｃ２断面図）が例示される。上述のように、締結軸部材であるリベット８０により、後板部４０と支持軸部６４とが機械的結合される。また、接着剤層６９により、後板部４０と支持軸部６４とが化学的結合される。ブレード本体５２の回転に伴い、ブレード本体５２には遠心力が加わる。このとき、締結軸部材であるリベット８０にせん断応力が働き、コネクタ６０からの後板部４０の破断離脱が抑制される。

【0054】

また、前板部２０は後板部４０と径方向全長に亘って接着剤層４９によって化学的結合されていることから、後板部４０から前板部２０の剥離が抑制される。

【0055】

さらに、ブレード本体５２の正圧側（紙面右側）が風を受ける際に、付勢力Ｆ１で示されるように、ブレード本体５２の翼部１１（図１参照）はロータ中心軸Ｃ１方向後方に付勢される。このとき、ブレード本体５２の根元部分である支持筒部５０の正圧側には、支持軸部６４から剥離されるような付勢力Ｆ２が掛かる。このような付勢力Ｆ２に対して、締結軸部材であるリベット８０の軸力が働き、上記剥離が抑制される。

【0056】

また、リベット８０の頭部８４が前板部２０に覆われるため、リベット８０の正圧側への露出が避けられる。その結果、リベット８０によるブレード本体５２の空力特性の低下が避けられる。

【0057】

＜本実施形態の別例＞
上述した実施形態では、締結軸部材としてリベット８０が用いられたが、本実施形態に係る風車ブレード１０は、この形態に限定されない。要するに締結軸部材は、後板部４０に遠心力が掛かったときにせん断応力で後板部４０の移動（抜け）を押し留め、また軸力により支持軸部６４からの後板部４０の剥離が避けられるような部材であればよい。

【0058】

例えば図１１に例示されるように、締結軸部材として、リベット８０の代わりにボルト１８０が用いられてもよい。またボルト１８０とともにナット１８６が用いられてよい。この場合、例えばナット１８６は支持軸部６４の内面に溶接されたウェルドナットであってよい。また、後板部４０の締結孔４６の大径部４６Ａの直径は、ボルト１８０の頭部１８４の直径を超過し、なおかつ締結工具が挿入可能な寸法に定められる。

【符号の説明】

【0059】

１０ 風車ブレード、１１ 翼部、２０ 前板部、２２ 前板Ｃ字筒部、２４ 前板部の重複部、２８ 前板フランジ、４０ 後板部、４２ 後板Ｃ字筒部、４４ 後板部の重複部、４６ 後板部の締結孔、４６Ａ 大径部、４６Ｂ 小径部、４６Ｃ 着座部、４８ 後板フランジ、４９，６９ 接着剤層、５０ 支持筒部、５２ ブレード本体、６０ コネクタ、６２ フランジ、６４ 支持軸部、６６ 支持軸部の外周面、６７ リング、６８ 支持軸部の締結孔、８０ リベット（締結軸部材）、１００ ハブ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】