JP2002137307A - Blade structure of windmill made of fiber-reinforced resin - Google Patents

Blade structure of windmill made of fiber-reinforced resin

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JP2002137307A
JP2002137307A JP2000335657A JP2000335657A JP2002137307A JP 2002137307 A JP2002137307 A JP 2002137307A JP 2000335657 A JP2000335657 A JP 2000335657A JP 2000335657 A JP2000335657 A JP 2000335657A JP 2002137307 A JP2002137307 A JP 2002137307A
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Japan
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blade
layer
reinforced resin
thickness
fiber
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JP2000335657A
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Japanese (ja)
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Hiroshi Onishi
博 大西
Toshihiro Ito
俊弘 伊藤
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Toray Industries Inc
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Toray Industries Inc
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a further lighter blade structure of a state having a higher bending fatigue strength than that of prior art. SOLUTION: The blade structure 1 of a windmill made of an FRP containing reinforcing fibers and the resin having a width W, a flange 10 of a girder having a width Wf of a range of 0.2 to 0.5 W at sectional central positions 3 and 4 of gravity of the blade 1, carbon fiber-reinforced resin layers 14 and high elongation fiber-reinforced resin layers 15 alternately laminated thereon. In this case, a total thickness 2Tf occupying the upper and lower flanges 10 of a composite layer 17 is in a range of 10 to 30% of the thickness T of the blade. The layer 17 is a laminate containing a carbon fiber-reinforced resin layer having a thickness of at least one layer oriented in a longitudinal direction of the blade of at least 70% or more of its volume is 16 mm, and the glass fiber-reinforced resin layer having a thickness of 0.2 to 1.5 mm.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、風力発電に用いら
れる風車ブレード構造体の改良に関するものであり、詳
しくは高い曲げ疲労疲労強度を有しながらも軽量なブレ
ード構造体に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an improvement of a wind turbine blade structure used for wind power generation, and more particularly, to a lightweight blade structure having high bending fatigue strength.

【0002】[0002]

【従来の技術】周知の通り、風力発電用の風車ブレード
は、流線型の翼断面構造を有し、要求される性能として
は回転体のために軽量性が重要であり、適用材質として
は金属よりも比強度・比弾性率の高い繊維強化樹脂(以
下、FRPという)製のブレードが実用化されている。
2. Description of the Related Art As is well known, wind turbine blades for wind power generation have a streamlined blade cross-sectional structure, and the required performance is that lightness is important for a rotating body. Also, blades made of fiber reinforced resin (hereinafter referred to as FRP) having high specific strength and specific elastic modulus have been put to practical use.

【0003】ところで、FRP製の風車ブレードは、通
常、FRP製のシート状物を複数層積み重ねて形成され
るため、ブレードの断面は層構造を有し、層中の補強繊
維は主にブレードの長手方向に配列されている。そして
風力によりブレードの長手方向に曲げモーメントが発生
するため、ブレードの長手方向に多くの繊維を配列させ
(例えば、特開平6−66244号公報)、ブレードの
曲げ疲労による寿命の低下を防止する設計がとられてい
る。さらにブレードには遠心力、自重による一回転毎の
変動荷重、振動等により、圧縮やねじり、剪断等が複雑
に作用しており、それらの影響を定量化するにはかなり
の労力が必要であるため、従来はブレードの長手方向に
配列する繊維に加え、長手方向と±45度乃至90度の
方向に繊維を配列させた、等方性に近い疑似等方性の積
層構成をとって対応していた。例えば、特開平3−27
1566号公報では繊維の配向角が10度乃至50度の
構成のブレードが、特開平6−66244号公報には長
手方向の一方向ロービング上にガラスクロスとガラスマ
ットとが包帯状に積層された構成のブレードが開示され
ている。さらに、特開平11−311101号公報には
曲げ疲労寿命を向上させるために、ブレードの長手方向
に配列する繊維に加え、長手方向と±50度乃至70度
の方向に繊維を配列した構成のものが開示されている。
[0003] Incidentally, since a wind turbine blade made of FRP is usually formed by stacking a plurality of layers of FRP sheets, the cross section of the blade has a layered structure, and the reinforcing fibers in the layer mainly consist of the blade. They are arranged in the longitudinal direction. In addition, since a bending moment is generated in the longitudinal direction of the blade due to wind force, a large number of fibers are arranged in the longitudinal direction of the blade (for example, JP-A-6-66244) to prevent the life of the blade from being shortened by bending fatigue. Has been taken. Furthermore, compression, torsion, shearing, etc. are acting on the blade in a complicated manner due to centrifugal force, fluctuating load per rotation due to its own weight, vibration, etc., and considerable effort is required to quantify those effects. Therefore, conventionally, in addition to the fibers arranged in the longitudinal direction of the blade, the fibers are arranged in a direction of ± 45 ° to 90 ° with respect to the longitudinal direction, and a quasi-isotropic near-isotropic laminating structure is adopted. I was For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-27
In Japanese Patent No. 1566, a blade having a fiber orientation angle of 10 to 50 degrees is provided, and in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-66244, a glass cloth and a glass mat are laminated in a bandage shape on one-way roving in the longitudinal direction. An arrangement of blades is disclosed. Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-311101 discloses a structure in which fibers are arranged in the longitudinal direction of the blade in addition to the fibers arranged in the longitudinal direction in order to improve the bending fatigue life. Is disclosed.

【0004】しかしながら、これら積層構造の従来ブレ
ードは、いずれも補強繊維の積層数の増大に伴い、風車
全体が大型化して風車の発電効率は向上するが、重量や
耐久性の点から見れば、いづれも軽量化、疲労寿命の向
上に限界があるという問題があった。特にブレード長さ
が増大するとブレードの重量も長さの2.5〜3乗に比
例して増大し、回転機構に与える負荷が大きくなり重量
限界が存在する。また、ブレード重量が重いと面内の発
生応力増の問題がある他、生産、輸送、マウント時のハ
ンドリング性が悪くなる。従って、より軽量で曲げ疲労
強度および曲げ剛性の高いブレードが必要である。
However, in the conventional blades having such a laminated structure, the entire wind turbine is increased in size and the power generation efficiency of the wind turbine is improved with an increase in the number of reinforcing fibers laminated, but from the viewpoint of weight and durability, In any case, there is a problem that there is a limit in reducing the weight and improving the fatigue life. In particular, as the blade length increases, the weight of the blade also increases in proportion to the power of 2.5 to 3 times the length, so that the load on the rotating mechanism increases and there is a weight limit. Further, when the weight of the blade is heavy, there is a problem that the stress generated in the plane is increased, and the handleability during production, transportation, and mounting is deteriorated. Therefore, there is a need for a blade that is lighter and has higher flexural fatigue strength and flexural rigidity.

【0005】よって、従来のブレード構造体は、FRP
の最大の利点である軽量効果を必ずしも生かしきった補
強繊維の積層構成になっておらず、産業界はブレード構
造体に、より適する積層構成を必要としていた。
Therefore, the conventional blade structure is made of FRP
However, the laminated structure of the reinforcing fibers does not always make full use of the light weight effect, which is the greatest advantage of the above, and the industry has required a more suitable laminated structure for the blade structure.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来技
術の問題点に鑑みてなされたもので、FRP製風車用ブ
レードにおいて、補強繊維の積層構成を最適化すること
により、従来以上の高い曲げ疲労疲労強度を有し、かつ
軽量なブレード構造体を提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and has a higher level of performance than the conventional one by optimizing the laminated structure of reinforcing fibers in a wind turbine blade made of FRP. An object of the present invention is to provide a lightweight blade structure having bending fatigue strength.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記課題を達成するた
め、本発明は、水平方向の幅(W)と垂直方向の厚み
(T)を有する繊維強化樹脂製の中空翼形状断面のブレ
ードの内部に、桁材であるフランジ部が設けられた風車
用ブレード構造体において、前記フランジ部は、(A)
前記ブレードの断面の重心位置を中心に、水平方向に
0.2〜0.5(W)の範囲内の幅(Wf)を有すると
ともに、(B)前炭素繊維強化樹脂層と、伸度が2〜6
%の範囲内の高伸度繊維強化樹脂層とが交互に積層され
てなる複合層で構成されており、かつ(C)該複合層の
総厚み(2Tf)が、前記ブレードの厚み(T)の10
〜30%の範囲内であることを特徴とする繊維強化樹脂
製風車ブレード構造体を要旨とする。
SUMMARY OF THE INVENTION In order to achieve the above object, the present invention relates to a hollow wing shaped cross section made of fiber reinforced resin having a horizontal width (W) and a vertical thickness (T). In the wind turbine blade structure provided with a flange portion which is a girder member,
It has a width (Wf) in the range of 0.2 to 0.5 (W) in the horizontal direction around the center of gravity of the cross section of the blade, and (B) the carbon fiber reinforced resin layer before and 2-6
% Of a high elongation fiber reinforced resin layer in a range of (C) a total thickness (2Tf) of the composite layer and a thickness (T) of the blade. Of 10
The present invention provides a wind turbine blade structure made of fiber reinforced resin, wherein the wind turbine blade structure is in the range of up to 30%.

【0008】[0008]

【発明の実施の形態】本発明の風車ブレード構造体を図
1〜3に示す一実施例の図面に基づいて説明する。図1
は、本発明にかかるブレード構造体の軸、および補強繊
維の配列角の定義を示すものである。本発明におけるブ
レード1の長手軸2は、ブレードの付け根部分の断面重
心3とブレード長さの1/2の位置における断面重心4
を結ぶ直線で定義する。なお、ブレードの長さは10〜
50m程度である。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A wind turbine blade structure according to the present invention will be described with reference to the drawings of one embodiment shown in FIGS. FIG.
2 shows the definition of the axis of the blade structure according to the present invention and the arrangement angle of the reinforcing fibers. The longitudinal axis 2 of the blade 1 in the present invention is defined by a sectional center of gravity 3 at the root of the blade and a sectional center of gravity 4 at a position の of the blade length.
Is defined by a straight line connecting. In addition, the length of the blade is 10
It is about 50 m.

【0009】図2は、図1のブレード1の中央部4位置
における長手軸2に直角な面の横断面図で厚みがT(最
大翼厚の垂直距離)の流線形をしている。ブレード1の
断面は、前縁部5と後縁部6を結ぶ上スキン7と下スキ
ン8と呼ばれる外板からなり、上スキン7と下スキン8
の間には、ブレードの長手方向に亘り、層構造を有する
スパー9と呼ばれる水平幅がWfで垂直方向の厚みがTf
のボックス状の桁材が入っている。さらにスパー9は、
スキン7、8の内周面と接触しているフランジ部10
と、ブレードの上と下のフランジ部をつなぐウエブ部1
1とで構成されている。なお、上記スパー9は、ボック
ス状の他、Cの字状、Iの字状、または板状のものであ
ってもよい。なお、上下スキンは軽量化および耐食性の
理由により繊維強化樹脂製であることが好ましい。
FIG. 2 is a cross-sectional view of a plane perpendicular to the longitudinal axis 2 at the center 4 of the blade 1 in FIG. 1 and has a streamlined thickness T (vertical distance of the maximum blade thickness). The cross section of the blade 1 is composed of an outer plate called an upper skin 7 and a lower skin 8 connecting a front edge portion 5 and a rear edge portion 6, and an upper skin 7 and a lower skin 8
In the meantime, over the longitudinal direction of the blade, a horizontal width Wf called a spar 9 having a layered structure and a vertical thickness Tf
Box-shaped girders. Furthermore, spar 9
Flange portion 10 in contact with inner peripheral surfaces of skins 7 and 8
And a web part 1 connecting the upper and lower flanges of the blade
1 and 1. The spar 9 may have a C shape, an I shape, or a plate shape in addition to the box shape. The upper and lower skins are preferably made of fiber reinforced resin for reasons of weight reduction and corrosion resistance.

【0010】図3は、図2のフランジ部10の断面図で
ある。フランジ部10は、図に示すように、炭素繊維層
14、ガラス繊維層15、接着層16とで複合層17を
構成し、これらが一体に積層されて垂直方向の厚みがT
fとなっている。炭素繊維層14は、後述する補強繊維
12にマトリクス樹脂13が含浸されたもの、ガラス繊
維層15は、ガラス繊維にマトリクス樹脂が含浸された
もの、炭素繊維層16は、炭素繊維にマトリックス樹脂
が含浸されたものである。
FIG. 3 is a sectional view of the flange portion 10 of FIG. As shown in the figure, the flange portion 10 forms a composite layer 17 including a carbon fiber layer 14, a glass fiber layer 15, and an adhesive layer 16, which are integrally laminated and have a vertical thickness of T.
f. The carbon fiber layer 14 is formed by impregnating a matrix resin 13 into a reinforcing fiber 12 described later, the glass fiber layer 15 is formed by impregnating glass fiber with a matrix resin, and the carbon fiber layer 16 is formed by mixing carbon fiber with a matrix resin. It is impregnated.

【0011】ところでブレード1の曲げ剛性に最も影響
するのは図3に示す、フランジ部10の強度、弾性率、
繊維体積含有率などの特性であり、フランジ部10の上
記幅Wfは、断面重心位置3、4を中心に、ブレード幅
Wに対して水平方向に0.2〜0.5Wの範囲内の幅を
有していることが必要である。フランジ部10の幅がこ
れより広くなっても狭くなっても平均の断面高さが低く
なり、ブレード全体の曲げ剛性が低下するからである。
さらに、ブレード重量あたりの曲げ剛性は、フランジ部
10の複合層17の厚みTfを増加させると低下する。
従って、フランジ部の幅Wfはブレード幅Wに対して
0.2〜0.5Wの幅を有し、フランジ部10の複合層
17の厚みTfは、ブレードの厚みTの10〜30%の
範囲内であることが好ましい。
The most influence on the bending stiffness of the blade 1 is shown in FIG.
The width Wf of the flange portion 10 is a width in the range of 0.2 to 0.5 W in the horizontal direction with respect to the blade width W around the center of gravity 3 and 4 of the cross section. It is necessary to have This is because whether the width of the flange portion 10 becomes wider or narrower, the average cross-sectional height becomes lower, and the bending rigidity of the entire blade decreases.
Further, the bending rigidity per blade weight decreases as the thickness Tf of the composite layer 17 of the flange portion 10 increases.
Therefore, the width Wf of the flange portion has a width of 0.2 to 0.5 W with respect to the blade width W, and the thickness Tf of the composite layer 17 of the flange portion 10 is in the range of 10 to 30% of the thickness T of the blade. Is preferably within the range.

【0012】ブレードの厚みTを一定にした場合に、フ
ランジ部の幅Wfを横軸にとって、フランジ部の複合層
17の厚みを変化させた時の、ブレードの重量を縦軸に
とったグラフを図4に示す。この図4は、図から分かる
ように、フランジ部10の幅Tfが0.3〜0.4Wの
幅を有し、フランジ部10の複合層17の厚みTfが、
ブレードの厚みTの15〜25%の範囲内であると、ブ
レード1の全重量が最適化されて低下しており、曲げ剛
性と曲げ疲労強度とを確保した状態でより軽量化されこ
とを示している。
When the thickness T of the blade is kept constant, the width of the flange portion Wf is plotted on the horizontal axis, and the weight of the blade when the thickness of the composite layer 17 of the flange portion is changed is plotted on the vertical axis. As shown in FIG. 4 that the width Tf of the flange 10 has a width of 0.3 to 0.4 W, and the thickness Tf of the composite layer 17 of the flange 10 is
When the thickness T is within the range of 15 to 25% of the thickness T of the blade, the total weight of the blade 1 is optimized and reduced, indicating that the weight is further reduced while securing the bending rigidity and the bending fatigue strength. ing.

【0013】ブレード1の曲げ疲労寿命に最も影響する
のは、図3に示すフランジ部10の複合層17の曲げ疲
労特性である。優れた曲げ疲労特性を得るには、複合層
17は少なくともブレード1の長手軸2方向に対し、±
9度以内の角度で配列する炭素繊維を有する層14と、
高伸度のマトリックス樹脂をガラス繊維層15とが交互
に連続した構造を有していることが好ましい。また、必
要によりブレードの捻り剛性を向上させるために、例え
ば炭素繊維からなる配向角度±45゜の炭素繊維層16
を積層しても良い。
The most influential on the bending fatigue life of the blade 1 is the bending fatigue characteristics of the composite layer 17 of the flange portion 10 shown in FIG. In order to obtain excellent bending fatigue properties, the composite layer 17 should be at least ±± with respect to the longitudinal direction 2 of the blade 1.
A layer 14 having carbon fibers arranged at an angle within 9 degrees,
It is preferable that the matrix resin having a high elongation has a structure in which the glass fiber layers 15 are alternately continuous. In order to improve the torsional rigidity of the blade, if necessary, for example, a carbon fiber layer 16 made of carbon fibers having an orientation angle of ± 45 ° is used.
May be laminated.

【0014】層14は、主としてブレード1の長手軸2
方向の剛性および強度を担うものであり、好ましい補強
繊維の配列角度は、+9度〜−9度の範囲内であること
が好ましい。ブレードの長さが大きいほどブレードの変
形量が大きくなるので、配列角度は上記範囲より0度方
向に近い方がブレードの剛性が高くなりたわみが小さく
なるのでより好ましい。
The layer 14 is mainly composed of the longitudinal axis 2 of the blade 1.
It is responsible for the directional rigidity and strength, and the preferable arrangement angle of the reinforcing fibers is preferably in the range of +9 degrees to -9 degrees. The larger the length of the blade, the greater the amount of deformation of the blade. Therefore, it is more preferable that the arrangement angle is closer to the 0 degree direction than the above range because the rigidity of the blade is increased and the deflection is reduced.

【0015】層15は、層14と連続することで層14
の曲げ疲労寿命を向上させる役割を果たすものであり、
その結果、ブレードの曲げ寿命は著しく向上する。すな
わち、層15は3〜10%の伸びを持つ高伸度のマトリ
ックス樹脂を用いているので破壊伸度が大きくなり、層
間剪断強度が大きくなって、層14に生じる歪みを局部
的に緩和し、層14の破壊を抑制する効果を有し、さら
に、層14と連続するため、曲げ疲労時に層14が破壊
することを妨げ、層14の圧縮荷重の負担能力を増加さ
せる作用、効果を有する。層15での補強繊維の配列角
θは、層14と同じ範囲内にあると上記の効果の他に、
それ自身の圧縮強度が高いため、全体の圧縮強度を増加
させる効果がありより好ましい。なお、層15の補強繊
維の配列角θは、特開平11−311101号公報に記
載されているように曲げ疲労寿命を向上させるために、
長手方向と±50度乃至70度の範囲内の方向に繊維を
配列せても良いし、±45度あるいは0/90度の範囲
内であっても良い。なお、本発明において、「層が連続
している」とは、例えば、層の間に他の繊維強化樹脂等
が挟まれずに隣接した状態にあることを指す。層15の
厚みは、層14と、層15の厚み比率が1:0.05〜
1:0.3の範囲内にあることが好ましい。本範囲より
小さいと、曲げ疲労寿命の向上効果が十分ではなく、大
きいと長手方向の剛性が十分ではなくなり易い。より好
ましくは1:0.05〜1:0.2の範囲内である。す
なわち、フランジ部10の複合層17の体積の少なくと
も70%以上が、炭素繊維強化樹脂層からなっているこ
とが好ましい。より好ましくは80%以上であるとより
ブレードは軽量化され、曲げ剛性、曲げ疲労寿命も向上
する。
The layer 15 is formed by being continuous with the layer 14.
Plays a role in improving the bending fatigue life of
As a result, the bending life of the blade is significantly improved. That is, since the layer 15 uses a high elongation matrix resin having an elongation of 3 to 10%, the elongation at break increases, the shear strength between layers increases, and the strain generated in the layer 14 is locally reduced. Has the effect of suppressing the destruction of the layer 14, and has the effect of preventing the layer 14 from being broken at the time of bending fatigue and increasing the compressive load bearing capacity of the layer 14 because it is continuous with the layer 14. . When the arrangement angle θ of the reinforcing fibers in the layer 15 is within the same range as that of the layer 14, in addition to the above effects,
Since its own compressive strength is high, it has the effect of increasing the overall compressive strength, which is more preferable. The arrangement angle θ of the reinforcing fibers of the layer 15 is, as described in JP-A-11-311101, to improve the bending fatigue life.
The fibers may be arranged in a direction within ± 50 ° to 70 ° with respect to the longitudinal direction, or may be within ± 45 ° or 0/90 °. In the present invention, “the layers are continuous” means, for example, that the layers are adjacent to each other without being sandwiched by another fiber-reinforced resin or the like. The thickness of the layer 15 is such that the thickness ratio of the layer 14 to the layer 15 is 1: 0.05 to
It is preferably in the range of 1: 0.3. If it is smaller than this range, the effect of improving the bending fatigue life is not sufficient, and if it is larger, the rigidity in the longitudinal direction tends to be insufficient. More preferably, it is in the range of 1: 0.05 to 1: 0.2. That is, it is preferable that at least 70% or more of the volume of the composite layer 17 of the flange portion 10 is made of the carbon fiber reinforced resin layer. More preferably, when it is 80% or more, the blade becomes lighter, and the bending rigidity and the bending fatigue life are improved.

【0016】ブレード1の曲げ剛性を維持して、曲げ疲
労寿命を向上させようとする場合には、層14は層15
で挟み込むことが好ましい。この場合、効果がより高く
なり、ブレードの曲げ疲労寿命は飛躍的に向上する。層
15を複数層配することで効果をさらに高めることがで
きる。この際、ブレードの長手方向の剛性を極端に低下
させないためには、層15の1層の厚みを薄くして、全
体厚みは増加させずに、層の数を増加させることが極め
て効果的である。中でも、層14に対し、層15からな
る層が鏡面対称に設けられていると、層14の面外変形
が少なくなり好ましい。面外変形は、ブレード構造体の
厚みが薄いほど、また、ブレード構造体が大きいほど顕
著となるので、ブレードの長さが20m〜50m程度の
ものであれば、層14の厚みは1mm〜6mm程度の範
囲内であることが好ましい。
In order to maintain the bending stiffness of the blade 1 and improve the bending fatigue life, the layer 14 is
It is preferable to sandwich it. In this case, the effect is higher and the bending fatigue life of the blade is significantly improved. By arranging a plurality of layers 15, the effect can be further enhanced. At this time, in order to prevent the rigidity in the longitudinal direction of the blade from being extremely reduced, it is extremely effective to reduce the thickness of one layer of the layer 15 and increase the number of layers without increasing the overall thickness. is there. Above all, it is preferable that the layer composed of the layer 15 is provided in mirror symmetry with respect to the layer 14 because out-of-plane deformation of the layer 14 is reduced. The out-of-plane deformation becomes more remarkable as the thickness of the blade structure is smaller and as the size of the blade structure is larger. Therefore, if the length of the blade is about 20 m to 50 m, the thickness of the layer 14 is 1 mm to 6 mm. It is preferably within the range.

【0017】本発明の層14、15の補強繊維としては
それぞれ炭素繊維、ガラス繊維を使用するのが好まし
い。
As the reinforcing fibers for the layers 14 and 15 of the present invention, it is preferable to use carbon fibers and glass fibers, respectively.

【0018】ここで、炭素繊維とは、ポリアクリルニト
リル繊維やピッチを原料として、耐炎化、炭化/黒鉛化
工程等を経て製造されるいわゆる炭素繊維のことで、単
繊維の直径は5〜10μmで、高強度タイプのものと、
高弾性率タイプのものが市販されている。本発明におい
ては、PAN(ポリアクリルニトリル)系、ピッチ系の
いずれでもかまわないが、中でもPAN系の炭素繊維は
上記弾性率、伸度以外に径方向の強度も高いので、ブレ
ードの厚み方向の強度を向上させ、しいては曲げ疲労を
向上させるので特に好ましい。また、軽量化には炭素繊
維を使用することが好ましい。一般に、炭素繊維は、単
繊維(モノフィラメント)を数千〜数十万本単位に束ね
たストランド形態で使用するが、本発明においては、繰
り返し曲げ荷重を受けた際の炭素繊維強化樹脂内部のス
トランド間のスプリッティングを低減する意味で、スト
ランド間隔の大きい、24000本以上の単繊維からな
る炭素繊維束が好ましい。中でも、プロセス(生産)性
向上を考慮すると、48000本〜200000本の間
のトウ(太束)炭素繊維がより好ましい。ブレード1の
剛性が小さいと、ブレードの変形が大きくなり、本発明
が問題としている曲げモードでの変形歪み量が大きくな
り、曲げ疲労し易くなるので、ブレードは高剛性である
ことが好ましいので、層14に使用する炭素繊維は、弾
性率が230〜600GPaの範囲内であることが好ま
しい。また、この範囲の炭素繊維を使用することで、ブ
レードのねじり剛性が向上してブレードの空力学的特性
を維持できるというメリットも有する。繰り返し曲げ特
性を向上させるためには、ブレードの曲げ強度も高い方
が好ましく、炭素繊維の強度は3GPa〜10GPaの
ものが好ましい。尚、炭素繊維の弾性率と強度は、JI
S R7601により測定することができる。ガラス繊
維は、圧縮/引張の強度バランスが良く(圧縮強度と引
張強度がほぼ等しい)、また伸度が大きいので曲げ特性
に優れ、本発明において好ましい補強繊維の一つであ
る。ガラス繊維とは、二酸化珪素(SiO2)を主成分
とするいわゆるEガラス、Cガラス、Sガラスなどの繊
維状ガラスのことで、繊維径は5〜20μm程度のもの
である。また、炭素繊維と比較して安価にできるという
特長を有する。ブレードは高強度であることが好ましい
ので、層Bに使用するガラス繊維は、伸度が2〜6%の
ものが好ましい。
Here, the carbon fiber is a so-called carbon fiber produced from a polyacrylonitrile fiber or a pitch through a flame-proofing, carbonization / graphitization step, etc., and the diameter of the single fiber is 5 to 10 μm. And a high-strength type,
High elastic modulus type is commercially available. In the present invention, any of a PAN (polyacrylonitrile) type and a pitch type may be used. Among them, the PAN type carbon fiber has a high radial strength in addition to the above elastic modulus and elongation. It is particularly preferable because it improves the strength and thus the bending fatigue. Further, it is preferable to use carbon fiber for weight reduction. In general, carbon fibers are used in the form of strands in which thousands or hundreds of thousands of single fibers (monofilaments) are bundled. In the present invention, the strands inside the carbon fiber reinforced resin when repeatedly subjected to a bending load are used. From the viewpoint of reducing splitting between carbon fibers, a carbon fiber bundle composed of 24000 or more single fibers having a large strand interval is preferable. Above all, in consideration of the improvement in process (productivity), between 48,000 and 200,000 tow (thick bundle) carbon fibers are more preferable. When the rigidity of the blade 1 is low, the deformation of the blade increases, the deformation distortion amount in the bending mode, which is a problem of the present invention, increases, and bending fatigue easily occurs. Therefore, it is preferable that the blade has high rigidity. The carbon fibers used for the layer 14 preferably have an elastic modulus in the range of 230 to 600 GPa. The use of carbon fibers in this range also has the advantage of improving the torsional rigidity of the blade and maintaining the aerodynamic characteristics of the blade. In order to improve the repetitive bending characteristics, the bending strength of the blade is preferably high, and the strength of the carbon fiber is preferably 3 GPa to 10 GPa. The elastic modulus and strength of carbon fiber are determined by JI
It can be measured by SR7601. Glass fibers have a good balance of compression / tensile strength (compressive strength and tensile strength are almost equal), and have excellent bending properties due to high elongation, and are one of the preferable reinforcing fibers in the present invention. The glass fiber is a so-called E-glass, C-glass, S-glass or the like containing silicon dioxide (SiO 2 ) as a main component, and has a fiber diameter of about 5 to 20 μm. Also, it has the feature that it can be inexpensive compared to carbon fiber. Since the blade preferably has high strength, the glass fiber used for the layer B preferably has an elongation of 2 to 6%.

【0019】補強繊維の形態としては、連続繊維あるい
は長繊維状であることが好ましく、あらかじめ連続繊維
に樹脂を含浸させてシート状にしたプリプレグ、連続繊
維織物に樹脂を含浸させた織物プリプレグを積層した
り、ストランド、ロービング、織物、マット状の補強繊
維に樹脂を含浸させながら層構造を形成しても差し支え
ない。強度および剛性上の観点から好ましいのは、ヤー
ン、ストランドあるいは、ロービング形態である。
The reinforcing fiber is preferably in the form of continuous fiber or long fiber, and is formed by laminating a prepreg in which a continuous fiber is impregnated with a resin to form a sheet, or a woven prepreg in which a continuous fiber fabric is impregnated with a resin. Alternatively, the layer structure may be formed while the resin is impregnated in the strand, roving, woven or mat-like reinforcing fiber. Preferred in terms of strength and rigidity are yarns, strands or rovings.

【0020】次に、層14、15を構成する樹脂は、エ
ポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル
樹脂などの熱硬化性樹脂が挙げられる。中でもエポキシ
樹脂は、伸度が大きく、繊維強度の利用率が高いので耐
疲労特性上最好ましい。また、エポキシ樹脂は、ブレー
ドの振動減衰(ダンピング)性能上も好ましい樹脂であ
る。エポキシ樹脂以外に好ましい樹脂としては、ポリエ
ステル樹脂が耐候性、耐環境性に優れていて耐久性上好
ましい。また、ビニルエステル樹脂も耐衝撃性に優れて
いて好ましい。また、体積固有抵抗が1×1012〜1×
1016Ω・cmの範囲にある樹脂は、落雷などによる通電
による損傷を低減するので安全上好ましい。
Next, the resin constituting the layers 14 and 15 includes a thermosetting resin such as an epoxy resin, a vinyl ester resin and an unsaturated polyester resin. Among them, epoxy resin is most preferable in terms of fatigue resistance since it has a high elongation and a high utilization of fiber strength. Epoxy resin is also a preferable resin in terms of blade vibration damping performance. As a preferable resin other than the epoxy resin, a polyester resin is excellent in weather resistance and environmental resistance and is preferable in terms of durability. Vinyl ester resins are also preferable because of their excellent impact resistance. Also, the volume resistivity is 1 × 10 12 to 1 ×
A resin in the range of 10 16 Ω · cm is preferable in terms of safety because it reduces damage due to energization due to lightning and the like.

【0021】曲げ疲労においては、樹脂の伸度が影響す
るので、好ましくは、樹脂の伸度は2〜10%の範囲内
であることが好ましい。2%以下であると繊維より先に
樹脂自体が疲労する可能性があり、10%以上であると
クリープする可能性があるからである。尚、樹脂の伸度
はJIS−K7113により求める。
Since the elongation of the resin affects the bending fatigue, the elongation of the resin is preferably in the range of 2 to 10%. If the content is 2% or less, the resin itself may fatigue before the fiber, and if it is 10% or more, the resin may creep. The elongation of the resin is determined according to JIS-K7113.

【0022】伸度を上記範囲にする手段として、エポキ
シ樹脂系の熱硬化樹脂において、硬化剤を柔軟な構造の
ものにしたり硬化温度を低下させるなどして、架橋点間
距離を大きくしたり架橋密度を小さくしたりすることが
有効である。また、FRP中のボイド量を5%以下に抑
えることでも繊維強化樹脂層の伸度が増大して、曲げ疲
労寿命が向上するので好ましい。ボイド量が3%以下に
なるとさらに伸度が向上して、より好ましい。尚、ボイ
ド量はJIS−K7053またはJIS−K7075に
より求められる。尚、熱応力を低減する必要がある場合
には、室温(10℃〜40℃)硬化タイプの樹脂が好ま
しい。層A、層Bの樹脂に対する補強繊維の体積含有率
は、40%以上80%未満であることが好ましい。体積
含有率はJIS−K7052またはJIS−K7075
により測定できる。
As a means for keeping the elongation within the above range, in the case of an epoxy resin-based thermosetting resin, the curing agent is made to have a flexible structure or the curing temperature is lowered to increase the distance between crosslinking points or to increase the crosslinking. It is effective to reduce the density. Also, it is preferable to suppress the amount of voids in the FRP to 5% or less, since the elongation of the fiber reinforced resin layer increases and the bending fatigue life is improved. When the void amount is 3% or less, the elongation is further improved, which is more preferable. The void amount is determined according to JIS-K7053 or JIS-K7075. When it is necessary to reduce thermal stress, a resin of a curing type at room temperature (10 ° C. to 40 ° C.) is preferable. The volume content of the reinforcing fibers with respect to the resin of the layers A and B is preferably 40% or more and less than 80%. The volume content is JIS-K7052 or JIS-K7075.
Can be measured by

【0023】次に、本発明のFRP製ブレード構造体の
製造方法としては、プリプレグ法、レジントランスファ
ーモールディング(RTM)法、引抜き法、フィラメン
トワインド法、ハンドレイアップ法等の公知のあらゆる
成形技術を用いることができる。中でも、補強繊維の強
度を発現させ、曲げ疲労特性を向上させるためには、プ
リプレグ法、RTM法および引抜き法が好ましい。プリ
プレグ法というのは、補強繊維に樹脂を含浸させたシー
ト状のプリプレグ(中間基材)を積層(層状に積み重ね
る)して、加熱または非加熱で樹脂を硬化させる成形法
である。通常、硬化あるいは積層時に圧力を負荷する。
RTM法とは、プリフォームと呼ばれる織物やマット状
物などの補強繊維からなる基材を所定の型内にセット
し、未硬化の樹脂を流し込んで、加熱又は非加熱で賦形
/硬化させる成形法である。引抜き法とは、補強繊維を
引揃え、樹脂を含侵させた後、型に引込み賦形/硬化さ
せ連続的に成形する方法である。本発明の炭素繊維強化
樹脂層を引抜き法で成形した板、ロッド状の成形体を埋
込、RTM法、ハンドレイアップ法等の成形法と組み合
わせて、形成しても良い。その際、板厚は2mm〜6m
m、幅は10mm〜100mmが成形上好ましい。
Next, as a method of manufacturing the FRP blade structure of the present invention, any known molding techniques such as a prepreg method, a resin transfer molding (RTM) method, a drawing method, a filament winding method, and a hand lay-up method are used. Can be used. Among them, a prepreg method, an RTM method, and a drawing method are preferable for expressing the strength of the reinforcing fiber and improving the bending fatigue property. The prepreg method is a molding method in which a sheet-like prepreg (intermediate base material) in which a reinforcing fiber is impregnated with a resin is laminated (stacked in layers), and the resin is cured with or without heating. Usually, pressure is applied during curing or lamination.
The RTM method is a molding method in which a base material made of a reinforcing fiber such as a woven fabric or a mat-like material called a preform is set in a predetermined mold, an uncured resin is poured, and the resin is shaped or cured by heating or non-heating. Is the law. The drawing method is a method in which reinforcing fibers are aligned, impregnated with a resin, drawn into a mold, shaped, cured, and continuously formed. The carbon fiber reinforced resin layer of the present invention may be formed by embedding a plate or rod-shaped molded body formed by a drawing method in combination with a molding method such as an RTM method or a hand lay-up method. At that time, the plate thickness is 2mm-6m
m and a width of 10 mm to 100 mm are preferable for molding.

【0024】[0024]

【実施例】図1〜3のブレード1において、ブレード全
長(W)を263mm、ブレード厚み(T)を56mm
とし、スパー9として、PAN系の炭素繊維(強度49
0MPa、弾性率235GPa、ねじり弾性率25GP
a、伸度2%、比重1.8)とエポキシ樹脂(樹脂伸度
4%、体積固有抵抗5.7×1015Ω・cm)からなるプ
リプレグ(炭素繊維の体積含有率60%)、およびガラ
ス繊維(強度160MPa、弾性率75GPa、伸度
2.1%、比重2.5)プリプレグ(繊維体積含有率5
5%)を積層して、長さ3mのボックス断面形状のもの
を得た。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In the blade 1 shown in FIGS. 1-3, the total length (W) of the blade is 263 mm and the thickness (T) of the blade is 56 mm.
And SPAN-based carbon fiber (strength 49)
0 MPa, elastic modulus 235 GPa, torsional elastic modulus 25 GP
a, a prepreg (volume content of carbon fiber 60%) composed of epoxy resin (resin elongation 4%, volume resistivity 5.7 × 10 15 Ω · cm) and elongation 2%, specific gravity 1.8), and Glass fiber (strength 160 MPa, elastic modulus 75 GPa, elongation 2.1%, specific gravity 2.5) prepreg (fiber volume content 5
5%) to obtain a box having a 3 m long cross section.

【0025】本スパー9の上下フランジ部10は、とも
に厚み(Tf)が5mm、幅(Wf)が100mm、ウ
エブ部11の厚みが5mm、全高さを50mmとした
(よって、Wf/Wは0.38、2Tf/Tは0.18
である。)。
The upper and lower flange portions 10 of the spar 9 each have a thickness (Tf) of 5 mm, a width (Wf) of 100 mm, a thickness of the web portion 11 of 5 mm, and a total height of 50 mm (thus, Wf / W is 0). .38, 2Tf / T is 0.18
It is. ).

【0026】フランジ部10の積層構成は、下スキン8
側より、厚み0.5mm、ガラス繊維の配列角度0度の
層15と、連続して厚み3mm、炭素繊維の配列角度0
度の層14に相当)、連続して厚み0.5mm、ガラス
繊維の配列角度0度の層15と、さらに連続して厚み1
mm、炭素繊維の配列角度±45度の層16とした。
The laminated structure of the flange portion 10 is the same as that of the lower skin 8
From the side, a layer 15 having a thickness of 0.5 mm and a glass fiber arrangement angle of 0 degree, and a continuous thickness of 3 mm and a carbon fiber arrangement angle of 0 degree.
Layer 14), a layer 15 having a continuous thickness of 0.5 mm and a glass fiber arrangement angle of 0 degree, and a layer 1 having a further continuous thickness of 1 mm.
mm and a layer 16 having an arrangement angle of carbon fibers of ± 45 degrees.

【0027】本スパー9を静的強度の70%のたわみ量
で3点曲げ疲労試験(測定法:JIS K7118、K
7082に準拠、測定スパン:2.5m)をしたとこ
ろ、サイクル数106回後も曲げ剛性の低下はみられな
かった。また、上下フランジ10とも14層と15層の
間に剥離などの異常は認められなかった。
The spar 9 was subjected to a three-point bending fatigue test at a deflection of 70% of the static strength (measurement method: JIS K7118, K
Compliance with the 7082, measurement span: was the 2.5m), lowering of the bending after a few 10 6 cycles stiffness was not observed. No abnormality such as peeling was observed between the 14th and 15th layers in both the upper and lower flanges 10.

【0028】ガラス繊維強化樹脂で、3mmの厚みとな
るように、別途積層成形した外皮(前縁部5、およびス
キン7、8)に、上記の構成で成形したスパー9を接着
剤により一体化し23m長さのブレードを製作したとこ
ろ全ガラス繊維製ブレードより34%の軽量化が達成で
きた。
The spar 9 molded in the above-described configuration is integrated with a separately laminated outer skin (leading edge portion 5 and skins 7 and 8) with an adhesive so as to have a thickness of 3 mm with glass fiber reinforced resin. When a blade having a length of 23 m was manufactured, the weight was reduced by 34% compared to the all glass fiber blade.

【0029】比較例 実施例1において、層15のガラス繊維の配列角度を9
0度として、実施例と全く同様にして曲げ疲労試験した
ところ、サイクル数105回で下部フランジ(引張側)
の層15中にクラックが認められ、106回後には曲げ
剛性が90%に低下した。その原因は高伸度繊維強化樹
脂層による応力緩和の効果が発現しないためであると考
えられる。
COMPARATIVE EXAMPLE In Example 1, the arrangement angle of the glass fibers of the layer 15 was 9
0 degrees, was exactly the same way bending fatigue test as in Example, the lower flange by the number 10 5 cycles (tension side)
Cracking was observed in the layer 15 of the bending stiffness in 10 6 times is decreased to 90%. It is considered that the reason is that the effect of stress relaxation by the high elongation fiber reinforced resin layer is not exhibited.

【0030】[0030]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の繊維強化
樹脂製風車ブレード構造体は、ブレード全体の長さと厚
みに対して、フランジ部の幅およびフランジ部の炭素繊
維強化樹脂層の厚みを適正な範囲内に規定したので、ブ
レード重量の最適化を達成でき、その結果、曲げ剛性と
曲げ疲労強度を確保した状態でより一層の軽量なブレー
ド構造体が得られる。さらに、フランジ部の炭素繊維強
化樹脂層とガラス繊維強化樹脂層を交互に積層して一体
化することにより、ブレード構造体の曲げ強度および曲
げ疲労寿命が大幅に向上し、長寿命の風車ブレード構造
体が得られる。
As described above, the wind turbine blade structure made of fiber reinforced resin according to the present invention has a structure in which the width of the flange portion and the thickness of the carbon fiber reinforced resin layer of the flange portion are set to the entire length and thickness of the blade. Since the value is defined within the appropriate range, optimization of the blade weight can be achieved, and as a result, a lighter blade structure can be obtained while securing bending rigidity and bending fatigue strength. Furthermore, by alternately laminating and integrating the carbon fiber reinforced resin layer and the glass fiber reinforced resin layer of the flange part, the bending strength and bending fatigue life of the blade structure are greatly improved, and a long-life wind turbine blade structure The body is obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の繊維強化樹脂製風車ブレード構造体の
一例を示す斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view showing an example of a wind turbine blade structure made of fiber-reinforced resin of the present invention.

【図2】本発明の繊維強化樹脂製風車ブレード構造体の
ブレード長方軸に直角な方向における横断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the fiber-reinforced resin wind turbine blade structure of the present invention in a direction perpendicular to a blade longitudinal axis.

【図3】図2の上フランジ部の部分断面図である。FIG. 3 is a partial sectional view of an upper flange portion of FIG. 2;

【図4】本発明において、ブレードの厚みを一定にした
場合に、フランジ部の幅を横軸にとり、フランジ部の複
合層の厚みを変化させたときのブレードの重量を縦軸に
とったグラフである。
FIG. 4 is a graph in which the width of the flange portion is plotted on the horizontal axis and the weight of the blade when the thickness of the composite layer of the flange portion is changed is plotted on the vertical axis when the thickness of the blade is constant in the present invention. It is.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1:ブレード 2:ブレードの長手軸 3:ブレードの付け根部の断面重心 4:ブレード長さの1/2における断面重心 5:前縁部 6:後縁部 7:上スキン 8:下スキン 9:スパー 10:フランジ部 11:ウェブ部 12:補強繊維 13:樹脂 14:炭素繊維層層 15:ガラス繊維層 16:炭素繊維層 1: Blade 2: Longitudinal axis of blade 3: Cross-sectional center of gravity at root of blade 4: Cross-sectional center of gravity at half blade length 5: Front edge 6: Rear edge 7: Upper skin 8: Lower skin 9: Spar 10: Flange part 11: Web part 12: Reinforcement fiber 13: Resin 14: Carbon fiber layer layer 15: Glass fiber layer 16: Carbon fiber layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) B29C 67/14 U Fターム(参考) 3H078 BB12 CC02 4F072 AA07 AB09 AB10 AD08 AD23 AD38 AG03 AH02 AL09 4F205 AA39 AA41 AA43 AG09 AG26 AG27 AH04 HA19 HA33 HA35 HA45 HB01 HC16 HC17 HL13 HL14 HT02 HT26 HW02 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) B29C 67/14 U F term (Reference) 3H078 BB12 CC02 4F072 AA07 AB09 AB10 AD08 AD23 AD38 AG03 AH02 AL09 4F205 AA39 AA41 AA43 AG09 AG26 AG27 AH04 HA19 HA33 HA35 HA45 HB01 HC16 HC17 HL13 HL14 HT02 HT26 HW02

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 水平方向の幅(W)と垂直方向の厚み
(T)を有する繊維強化樹脂製の中空翼形状断面のブレ
ードの内部に、桁材であるフランジ部が設けられた風車
用ブレード構造体において、 前記フランジ部は、 (A)前記ブレードの断面の重心位置を中心に、水平方
向に0.2〜0.5(W)の範囲内の幅(Wf)を有す
るとともに、 (B)前炭素繊維強化樹脂層と、伸度が2〜6%の範囲
内の高伸度繊維強化樹脂層とが交互に積層されてなる複
合層で構成されており、かつ (C)該複合層の総厚み(2Tf)が、前記ブレードの
厚み(T)の10〜30%の範囲内であることを特徴と
する繊維強化樹脂製風車ブレード構造体。
1. A blade for a windmill having a hollow blade-shaped cross section made of fiber-reinforced resin having a horizontal width (W) and a vertical thickness (T) and having a flange portion as a girder member. In the structure, the flange portion has: (A) a width (Wf) within a range of 0.2 to 0.5 (W) in a horizontal direction around a center of gravity of a cross section of the blade; And (C) the composite layer is formed by alternately laminating a pre-carbon fiber reinforced resin layer and a high elongation fiber reinforced resin layer having an elongation in the range of 2 to 6%. Wherein the total thickness (2Tf) is within a range of 10 to 30% of the thickness (T) of the blade.
【請求項2】 前記複合層は、その体積の少なくとも7
0%以上がブレードの長手方向に配向された炭素繊維強
化樹脂層であって、該炭素繊維強化樹脂層の1層の厚み
が1〜6mmの範囲内にあり、かつ高伸度繊維強化樹脂
層の1層の厚みが0.2〜1.5mmの範囲内にあるこ
とを特徴とする請求項1に記載の繊維強化樹脂製風車ブ
レード構造体。
2. The composite layer has a volume of at least 7
0% or more is a carbon fiber reinforced resin layer oriented in the longitudinal direction of the blade, wherein the thickness of one of the carbon fiber reinforced resin layers is in the range of 1 to 6 mm, and the high elongation fiber reinforced resin layer The wind turbine blade structure made of fiber reinforced resin according to claim 1, wherein the thickness of one layer is in the range of 0.2 to 1.5 mm.
【請求項3】 前記複合層のマトリックス樹脂の伸度
は、3%以上、10%未満であることを特徴とする請求
項1または2に記載の繊維強化樹脂製ブレード構造体。
3. The fiber reinforced resin blade structure according to claim 1, wherein the elongation of the matrix resin of the composite layer is 3% or more and less than 10%.
【請求項4】 前記フランジ部は、前記ブレードの縦断
面の形状がボックス状、Cの字状、Iの字状、または板
状の繊維強化樹脂よりなる桁材であり、前記ブレードの
長手軸方向に設けられていることを特徴とする請求項1
〜3のいずれかに記載の繊維強化樹脂製風車ブレード構
造体。
4. The flange portion is a girder member made of a fiber-reinforced resin having a longitudinal section of the blade in a box shape, a C shape, an I shape, or a plate shape, and a longitudinal axis of the blade. 2. The device according to claim 1, wherein the first direction is provided.
The wind turbine blade structure made of a fiber reinforced resin according to any one of claims 1 to 3.
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