JP2010031878A - 風力発電設備のローターブレード及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造時の発熱反応が抑制されかつ内部のロービングウエブのうねりの危険性が低減される風力発電設備のローターブレード及びその製造方法。
【解決手段】風力発電設備のローターブレード（１０）は、前記ローターブレードは、外殻と、該外殻に接合された支持構造（１４，１６）を有し、該支持構造（１４，１６）は、該支持構造（１４，１６）のロービングウエブの変形を妨げる支え構造を形成するよう、該支持構造（１４，１６）に挿入されかつ接合された複数の構成部分（２４）を含み、前記構成部分（２４）及び該構成部分（２４）のロービングウエブは、前記支持構造（１４，１６）へ挿入されるときに既に完成した硬化状態であり、曲げに対し非変形性である。
【選択図】図４

Description

本発明は、請求項１の項目別部分の特徴を有する風力発電設備のローターブレードに関する。さらに本発明は、繊維複合構造の成形体の、風力発電設備のローターブレードの製造方法に関し、その方法は、
成形体の外形形状を形成する外殻を製造し、
硬化複合材料を含浸し規定長さの繊維の素線（strands）の支持構造を製造し、及び
上記支持構造を上記外殻へ移す、という工程を備える。
さらに本発明は、上記方法に従い製造されたローターブレード、及び該ローターブレードを有する風力発電設備に関する。

そのような方法は、特に風力発電の分野で長く知られており、各場合において同じ材料が使用されるとき、支持構造とローターブレードの外形形状を形成する外殻との間に信頼できる接合箇所を有するローターブレードの製造を可能にする。

これに関して、ガラス繊維及びエポキシ樹脂のような、例えば繊維複合材料にてなる半分の外殻部分が製造され、それらはローターブレードの外形形状を決定する。そのようなローターブレードは、完全に５０ｍを超える長さになるので、吸収され放散されねばならない負荷が発生する。それは、ローターブレード内に設けられる支持構造によって果たされる。

そのような既知の支持構造は、いわゆるロービングウエブ（roving webs）を備える。それらは、炭素繊維、好ましくは低コストの理由からガラス繊維のような繊維材料の素線を含む。それらの素線は、支持構造若しくはローターブレードの全長にわたりある程度連続して延在する。又、より大きいブレード厚及びブレード深さによる、より高い負荷を吸収し放散するために、ウエブの数は、ローターブレードの根本に近接するほど増加する。

十分な支持力を得るため、適宜、多数のロービングウエブが使用される。それらは、組立式ローターブレードの外殻に嵌め込まれる前に、例えばエポキシ樹脂のようなポリマーが含浸される。その含浸操作は、外部からポリマーを供給することにより、及び、注入方法によっても同様に成し遂げることができるということが理解されるであろう。そして、含浸されたロービングウエブは、ローターブレードの外殻の意図する位置へ嵌め込まれる。ローターブレードは、同じ材料にて作製されるので、上記外殻とロービングウエブとの間は、優れた接合となる。

しかしながら、それらのロービングウエブが外殻内で「湿った（wet）」状態であるとき、それらの湿ったウエブは曲げに硬くないので、工程において容易に変形が可能である。そのような変形は、また、「うねり」と呼ばれ、硬化後、その場所でバネ効果を生じる。それは、支持構造又はローターブレードの剛性に不利に作用する。

さらに、ポリマーの硬化は、熱が呼応して外部へ放出される発熱を伴う処理である。多数のロービングウエブを有する支持構造の場合、相応する多量のエポキシ樹脂が、十分な接合を生じるために必要である。上記発熱反応は、相応して強烈であり、放出される熱量も相応して高い。

この技術の一般的事情として、ＤＥ ４４ ２３１１５ Ａ１、及びＤＥ−ＡＳ Ｎｏ １ ２６４ ２６６に関心が向けられている。

ＤＥ ４４ ２３１１５ Ａ１ ＤＥ−ＡＳ Ｎｏ １ ２６４ ２６６

したがって本発明の目的は、発熱反応を制限しうねりの危険性を低減するように、この明細書の冒頭部分で述べた方法を発展させることである。

本発明によれば、その目的は、請求項１の特徴を有する風力発電設備のローターブレード、及び請求項８の特徴を有する風力発電設備のローターブレードの製造方法により達成される。有利な展開は、従属項に記載されている。
即ち、上記の課題を解決するために、本発明の第１の視点により、風力発電設備のローターブレードが提供される。該ローターブレードは、繊維複合構造での成形体であり、該成形体の外形形状を形成する外殻と、該外殻に接合された支持構造を有し、
前記支持構造は、ポリマーと該ポリマーに埋設された複数のロービングウエブを備え、
前記支持構造のロービングウエブは、硬化複合材料が含浸された繊維素線からなる繊維束であり、前記支持構造の全長にわたり連続して一部に延在しかつ硬化されており、
前記支持構造は、前記支持構造のロービングウエブの変形を妨げる支え構造を形成するよう、該支持構造に挿入されかつ接合された複数の構成部分をさらに含み、
前記構成部分は、ポリマーと該ポリマーに埋設された複数のロービングウエブを備え、該構成部分のロービングウエブは、硬化複合材料が含浸された繊維素線からなる繊維束であり、
前記構成部分及び該構成部分のロービングウエブは、前記支持構造へ挿入されるときに既に完成した硬化状態であり、曲げに対し非変形性であることを特徴とする（形態１・第１基本構成）。
更に、上記のローターブレードにおいて、前記構成部分は、前記支持構造の長さに実質的に対応する長さを有し、
前記支持構造は、該支持構造の幅方向に配列された複数の前記構成部分からなる層を少なくとも１つ有することが好ましい（形態２）。
更に、上記のローターブレードにおいて、前記層を少なくとも２つ備え、隣接する層の構成部分は、層に平行な方向に互いに対しずらされていることが好ましい（形態３）。
更に、上記のローターブレードにおいて、前記支持構造は、前記ローターブレードの長さに実質的に対応する長さを有することが好ましい（形態４）。
更に、上記のローターブレードにおいて、前記外殻は、その外周面に、ローターブレードの長手方向に延在し、前記支持構造が配される少なくとも１つの凹部を有することが好ましい（形態５）。
更に、上記のローターブレードにおいて、前記支持構造のポリマー及び前記構成部分のポリマーは、エポキシ樹脂であることが好ましい（形態６）。
更に、形態１〜６の何れかのローターブレードを有すると風力発電設備は有利である（形態７）。
更に、上記の課題を解決するために、更に、本発明の第２の視点により、風力発電設備のローターブレードの製造方法が提供される。この製造方法において、該ローターブレードは繊維複合構造の成形体であり、
前記製造方法は、
前記成形体の外形形状を形成する外殻を製造し、
ポリマーと該ポリマーに埋設される複数のロービングウエブを備える支持構造を製造し、該支持構造のロービングウエブは硬化複合材料が含浸された繊維素線からなる繊維束であり、及び
前記支持構造が、前記外殻に移されかつ接合される、ステップを備え、
前記支持構造の製造において、複数の構成部分が、該支持構造のロービングウエブの変形を妨げる支え構造を形成するよう、該支持構造に挿入されかつ接合され、
前記構成部分は、ポリマーと該ポリマーに埋設された複数のロービングウエブを備え、該構成部分のロービングウエブは、硬化複合材料が含浸された繊維素線からなる繊維束であり、
前記構成部分及び該構成部分のロービングウエブは、前記支持構造に挿入されるときに既に完成した硬化状態であり、曲げに対し非変形性であることを特徴とする（形態８・第２基本構成）。
更に、上記の製造方法において、前記構成部分は、前記支持構造の長さに実質的に対応する長さを有し、
前記支持構造は、該支持構造の幅方向に配列された複数の前記構成部分からなる層を少なくとも１つ有することが好ましい（形態９）。
更に、上記の製造方法において、前記層を少なくとも２つ備え、隣接する層の構成部分は、層に平行な方向に互いに対しずらされていることが好ましい（形態１０）。
更に、上記の製造方法において、前記支持構造は、前記ローターブレードの長さに実質的に対応する長さを有することが好ましい（形態１１）。
更に、上記の製造方法において、前記外殻は、その外周面に、ローターブレードの長手方向に延在し、前記支持構造が配される少なくとも１つの凹部を有することが好ましい（形態１２）。
更に、上記の製造方法において、前記支持構造のポリマー及び前記構成部分のポリマーは、エポキシ樹脂であることが好ましい（形態１３）。
更に、形態８〜１３の何れかの方法により製造されたローターブレードを有すると風力発電設備は有利である（形態１４）。

本発明に従い、組み立てられ［前もって作り上げられた（以下「既製の」という）］、曲げに硬い構成部分（component）が支持構造内に一体化されることが提案される。この点において、本発明は、たとえそれらが炭素繊維又はガラス繊維のウエブとポリマーとのような繊維複合組織で再度作製されたとしても、組立式［既製の］構成部分は既に硬化され、したがって湿って処理されるべき材料において対応する変形を許容し［減少を可能にし］、したがって低減された発熱反応となるという現実に基づく。さらに、それらの組立式［既製の］構成部分は、湿った構成要素を硬化し、うねり、つまり繊維の素線の望まない変形の低減に貢献する。

それらの組立式構成部分は、また、他の適切な材料を備えることができるということが理解されよう。この点で、組立式の［既製の］構成部分を使用するさらに有利な点は、それらは別々に製造可能であり、品質の制御がし易いということである。

その方法にて保証される、それらの構成部分の品質及び低レベルの発熱は、また、支持構造の品質における全体にわたる改良を提供する。

特に好ましくは、それらの組立式の［既製の］構成部分は、構成される支持構造の長さに実質的に対応する長さにてなる。それは、力の連続的な流れを許容する連続的な構造を実現する。

本発明の有利な実施形態は、添付の請求範囲に示されている。なお、特許請求の範囲に付した図面参照符号は専ら発明の理解を助けるためのものであり、本発明を図示の態様に限定することを意図していない。

図１は、ローターブレードの簡略な断面図である。 図２は、ローターブレードの外殻の簡略化した内部図である。 図３は、既知の支持構造の簡略化した図である。 図４は、本発明による支持構造の簡略化した図である。 図５は、本発明による組立式の［既製の］構成部分の断面の拡大図である。 図６は、本発明による支持構造の別の実施形態を示す図である。

本発明は、図を参照して以下により詳しく説明される。
図１を参照して、簡略化した形式で断面を示すものは、風力発電設備用のローターブレード１０である。このローターブレードは、上部外殻１１と下部外殻１２とを含む。それらの外殻１１、１２にて提供されるものは、ローターブレード１０に作用する負荷を吸収し放散する支持構造１４，１６である。

図２は、そのような外殻１１，１２の簡略化された内側の図である。外殻１１，１２の既定位置に設けられるものは、外殻１１，１２の全長にわたり延在し、したがって、それから生産されるローターブレードの全長にわたり延在する支持構造１４，１６である。

図３は、既知の支持構造１４，１６の構造を簡略化した形態にて再度示している。その支持構造は、いわゆるロービングウエブと呼ばれエポキシ樹脂２２にて封じ込められた繊維束２０から形成されている。その繊維材料は、炭素繊維、ガラス繊維、又は他の適切な繊維が可能であることが理解されよう。又、この図にて示されるロービングウエブ２０の円形の束は、図示の目的のためにのみ提供されることに注意されたい。実際には、上記束は、所望の形状とすることができる。

ウエブ２０及びエポキシ樹脂２２のそのような（湿った）配列は、かなりの長さを含んだ状態で正確に、常に変形、いわゆるうねりの危険にさらされるということが、この図にて、既に明らかに示すことができる。

図４は、支持構造１４，１６の本発明による実施形態を示す。この支持構造１４，１６もまた、エポキシ樹脂２２内に埋設されるロービングウエブ２０を有する。しかしながら、本発明による支持構造１４，１６に挿入される組立式の［既製の］構成部分２４をここに明確に見ることができる点に注意する。それらは、全長にわたり延在可能であり、かつロービングウエブ２０を載せて及び支持可能な層を形成可能である。

組立式［既製の］構成部分２４は、既にそれらの最終的な曲げの硬さを示しているので、それらは、ロービングウエブ２０の変形を妨げる支持構造を形成する。したがって、それらと共に構成された支持構造１４，１６は、高い品質を有する。

図５は、組立式の［既製の］構成部分２４の実施形態の拡大された断面図を示す。この図からわかるように、この組立式の［既製の］構成部分２４は、ロービングウエブ２０及びエポキシ樹脂２２から再び構成されることが可能である。しかしながら、それは、支持構造１４，１６へ取り付けられるときに既に完成した硬化状態であるが、含まれる材料の選択により、それは本発明による支持構造１４，１６と親密な接合となり、よって力の十分な流れを確実にするということに注目されるであろう。

図６は、本発明による支持構造１４，１６の第２実施形態を示している。この場合、組立式の［既製の］構成部分２４間のロービングウエブ２０の配列は、簡略化のため、この図には図示されていない。組立式の［既製の］構成部分２４は、ここではそれぞれの縦列において一方の下に他方が配列されていないが、互いに横方向に動かされた関係において配置されることをこの図から判断することができる。

この配列は、本発明による支持構造１４，１６に関してさらに良い強度となる。

本発明によるローターブレードは、組立式の［既製の］構成部分の使用によって、かなり良いレベルの安定性により特徴づけられる。この場合、引張力は吸収されることができ、従来のローターブレードの場合よりも著しく高い。

ここまで、本発明の構成は、成形体に関する選択可能なものとして、ローターブレードの手段により記述してきた。ローターブレードの代わりに、本発明は、飛行機の翼、船及び他の成形体、並びに、高レベルの強度及び高い動的支持力がそれでもなお要求されるものに関して、大変有利に使用することができる。

Claims (14)

1. 風力発電設備のローターブレード（１０）であって、
   前記ローターブレードは、繊維複合構造での成形体であり、該成形体の外形形状を形成する外殻と、該外殻に接合された支持構造（１４，１６）を有し、
   前記支持構造（１４，１６）は、ポリマー（２２）と該ポリマー（２２）に埋設された複数のロービングウエブ（２０）を備え、
   前記支持構造（１４，１６）のロービングウエブ（２０）は、硬化複合材料が含浸された繊維素線からなる繊維束であり、前記支持構造の全長にわたり連続して一部に延在しかつ硬化されており、
   前記支持構造（１４，１６）は、前記支持構造（１４，１６）のロービングウエブの変形を妨げる支え構造を形成するよう、該支持構造（１４，１６）に挿入されかつ接合された複数の構成部分（２４）をさらに含み、
   前記構成部分（２４）は、ポリマーと該ポリマーに埋設された複数のロービングウエブを備え、該構成部分（２４）のロービングウエブは、硬化複合材料が含浸された繊維素線からなる繊維束であり、
   前記構成部分（２４）及び該構成部分（２４）のロービングウエブは、前記支持構造（１４，１６）へ挿入されるときに既に完成した硬化状態であり、曲げに対し非変形性であること
   を特徴とするローターブレード。
2. 前記構成部分（２４）は、前記支持構造（１４，１６）の長さに実質的に対応する長さを有し、
   前記支持構造（１４，１６）は、該支持構造（１４，１６）の幅方向に配列された複数の前記構成部分（２４）からなる層を少なくとも１つ有すること
   を特徴とする請求項１に記載のローターブレード。
3. 前記層を少なくとも２つ備え、隣接する層の構成部分（２４）は、層に平行な方向に互いに対しずらされていること
   を特徴とする請求項２に記載のローターブレード。
4. 前記支持構造（１４，１６）は、前記ローターブレード（１０）の長さに実質的に対応する長さを有すること
   を特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のローターブレード。
5. 前記外殻は、その外周面に、ローターブレード（１０）の長手方向に延在し、前記支持構造（１４，１６）が配される少なくとも１つの凹部を有すること
   を特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のローターブレード。
6. 前記支持構造（１４，１６）のポリマー（２２）及び前記構成部分（２４）のポリマーは、エポキシ樹脂であること
   を特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のローターブレード。
7. 請求項１〜６の何れか一項に記載のローターブレードを有する風力発電設備。
8. 風力発電設備のローターブレードの製造方法であって、該ローターブレードは繊維複合構造の成形体であり、
   前記方法は、
   前記成形体の外形形状を形成する外殻を製造し、
   ポリマー（２２）と該ポリマー（２２）に埋設される複数のロービングウエブ（２０）を備える支持構造（１４，１６）を製造し、該支持構造（１４，１６）のロービングウエブ（２０）は硬化複合材料が含浸された繊維素線からなる繊維束であり、及び
   前記支持構造（１４，１６）が、前記外殻に移されかつ接合される、ステップを備え、
   前記支持構造（１４，１６）の製造において、複数の構成部分（２４）が、該支持構造（１４，１６）のロービングウエブ（２０）の変形を妨げる支え構造を形成するよう、該支持構造（１４，１６）に挿入されかつ接合され、
   前記構成部分（２４）は、ポリマーと該ポリマーに埋設された複数のロービングウエブを備え、該構成部分（２４）のロービングウエブは、硬化複合材料が含浸された繊維素線からなる繊維束であり、
   前記構成部分（２４）及び該構成部分（２４）のロービングウエブは、前記支持構造（１４，１６）に挿入されるときに既に完成した硬化状態であり、曲げに対し非変形性であること、
   を特徴とする製造方法。
9. 前記構成部分（２４）は、前記支持構造（１４，１６）の長さに実質的に対応する長さを有し、
   前記支持構造（１４，１６）は、該支持構造（１４，１６）の幅方向に配列された複数の前記構成部分（２４）からなる層を少なくとも１つ有すること
   を特徴とする請求項８に記載の製造方法。
10. 前記層を少なくとも２つ備え、隣接する層の構成部分（２４）は、層に平行な方向に互いに対しずらされていること
    を特徴とする請求項９に記載の製造方法。
11. 前記支持構造（１４，１６）は、前記ローターブレード（１０）の長さに実質的に対応する長さを有すること
    を特徴とする請求項８〜１０の何れか１項に記載の製造方法。
12. 前記外殻は、その外周面に、ローターブレード（１０）の長手方向に延在し、前記支持構造（１４，１６）が配される少なくとも１つの凹部を有すること
    を特徴とする請求項８〜１１の何れか１項に記載の製造方法。
13. 前記支持構造（１４，１６）のポリマー（２２）及び前記構成部分（２４）のポリマーは、エポキシ樹脂であること
    を特徴とする請求項８〜１２の何れか１項に記載の製造方法。
14. 請求項８〜１３の何れか１項に記載の方法により製造されたローターブレードを有する風力発電設備。

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