2018 Fiscal Year Research-status Report
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17K06229
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
池田 隆 広島大学, 工学研究科, 名誉教授 (50115523)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
原田 祐志 愛知工業大学, 工学部, 准教授 (00456691)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 機械力学・制御 / 浮体式洋上発電風車 / 浮体式プラットフォーム / 風車ブレード / 制振 / 回転体の振動 / 係数励振振動 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度には，3枚の風車ブレードを有する水平回転軸が水平2方向に自由度をもつタワー先端部に取り付けられた系において，ブレードに生じる振動を理論的に調べた結果，以下の成果を得た．
1. ブレードの回転と重力作用により時間的に変化するモーメントがブレードに作用するため，ブレードの回転速度をω，系の固有角振動数をpとすると，ブレードにはm(ω/2)=p (m=2, 3, 4, …)が満たされるωの付近で振動数m(ω/2)の振幅が卓越して発生する．また，3つのブレードの形状が同一の場合でも，ブレードに作用する非線形モーメントに起因して，3つのブレードの内，1つまたは2つのブレードが大きく振動する現象，すなわち局在化現象が発生することがある．
次に，浮体式洋上風車のブレード単体を対象とし，波浪により風車土台が鉛直方向に励振される場合，ブレードに生じる振動を理論的，実験的に調べた．この系の運動方程式には係数励振項と非線形項が含まれるが，線形化モデル（モデルＡ）および非線形モデル（モデルＢ）の各モデルについて考察し，以下の成果を得た．
2. モデルＡに対する理論解析により，(Ω+nω)/2=p (n=±1,±2,±3, …)の関係が満たされるωとΩの付近において，係数励振作用によりブレードの振幅が時間的に増大する不安定振動，すなわち係数励振振動が発生する．ここに，ωはブレードの回転速度，Ωは波の励振振動数，およびpは系の固有角振動数を表す．
3. 実機に相当するモデルＢの運動方程式にスウィープ試験を適用して直接数値積分することより，ブレードの振幅に対する共振曲線を求めた結果，線形系に対する理論解析で予測された(ω,Ω)の付近に共振ピークが現れる．
4. 実験では，上記2の関係を満たすωとΩの付近において5種類の共振ピークを観察し，理論解析結果とほぼ一致する実験結果が得られた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
浮体式洋上風力発電風車の3枚翼に生じる局在化現象，および鉛直励振を受けるブレードの振動について調べるため，各場合の数学的モデル（運動方程式）を構築し，それぞれのモデルに対して理論解析や数値シミュレーションを行うことにより，浮体式プラットフォームやブレードに生じる振動現象を明らかにした．また，浮体式プラットフォームやブレードの振動を抑制するため，前者では液体容器，後者では振子型動吸振器を用いたモデルを構築し，数値シミュレーションにより各制振装置の有効性を示した．これらの理論解析結果を検証するため，実験装置を製作して，実験によっても，予測されたブレードの振動を観測し，制振装置の有効性を確認することができた．特に，ブレードの局在化現象は当初予期していなかった現象であり，この成果を学術雑誌に発表した．以上の通り，当初の研究計画はおおむね順調に進展していると判断できる．
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究課題の1つに掲げたように，風車プラットフォームに傾きが生じる場合に，ブレードのジャイロ作用によりプラットフォームにヨーイングが生じることが推測される．理論解析によりそのヨーイングの発生条件を求め，さらにヨーイングを抑制するための方法としてダブル翼型風車を提案し，その理論モデルを構築し，数値シミュレーション結果をもとに，ダブル翼型風車の有効性を検討する計画である．引き続き，数値計算と実験により，浮体式洋上発電風車の振動と制振について継続して調べるため，当初の研究計画の変更はない．
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| Causes of Carryover |
当初予定していたダブル翼型風車の実験装置を未だ製作していないため，次年度使用額が生じた．次年度使用額は，風車用電動機の購入，および実験装置の製作に充てる計画である．
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