JP2007009926A - 風力発電機用のプロペラブレード用の主桁とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ブレードが非常に大型化した場合の軽量化を図ることができ、長年使用しても破損や亀裂が生じないようにすることができて、耐久性に優れた風力発電機用のプロペラブレードを構成するための主桁を簡単な構成によって提供すること。
【解決手段】風力発電機用のプロペラブレードの略風圧中心部に近い場所に位置して当該プロペラブレードを構成するための主桁であって、ガラス繊維等の強化繊維からなる補強テープ１３ａを、断面形状が閉曲線状となるように巻回して構成した補強テープ層と、この補強テープ層の上にガラス繊維等の強化繊維からなる補強布１３ｃを巻回して構成した補強布層と、これらの補強布層及び前記補強テープ層に含浸した合成樹脂を熱硬化させた樹脂層とにより構成したこと。
【選択図】図１６

Description

本発明は、風力発電機用プロペラブレードの主桁に関し、特に全体を合成樹脂を主体材料として形成したブレードを構成するための主桁とその製造方法に関するものである。

近年において、風の力によって大きなプロペラを回し、これによって電気エネルギーを得るようにした、所謂風力発電方法あるいは風力発電機が脚光を浴びるようになってきている。風力発電は、クリーンなエネルギーを得ることができるものであるため、非常に期待されている技術であることは言うまでもない。

このような風力発電機を構成している重要部品であるプロペラのブレードは、自然界で風を受けるために大きくてしかも十分な剛性及び強度を有したものであることが必要で、この点に着目したものとしては、例えば特公平８−１１６７号公報にて提案されている「風車のロータブレード」がある。このロータブレードの概略構成は、図２０に示すように、風を受ける前面側とその背面側との２枚のシェル状部材を接着材によって一体化することにより形成されているもので、その前縁側（当該ブレードが回転する場合に、空気を切っていく側の部分で、図２では図示右側部分である）や後縁側に合わせ目部分が存在するものである。

このような合わせ目が存在すると、この部分で風を切ったとき、空気中に含まれている砂や場合によっては小石（この種の風力発電機は海岸やそれに近い丘等の風の強く吹く場所に設置されるものであるから、その風の中には吹き飛ばされてきた砂や小石等が含まれていることは十分考えられる）によって、この合わせ目の部分に損傷が与えられ、図２１に示したような剥がれまたは亀裂がブレードの前縁に生じ易いのである。このような亀裂が生じると、大型のブレードが飛散して大事故にならないとも限らない。

このため、例えば、実開平５−０１７１７４号公報にて提案されているような「風車翼」が開発された。この風車翼では、図２２にも示すように、外皮内面の主要４箇所に赤い顔料を長さ方向に付着させたもので、外皮に亀裂が生ずるとその亀裂から顔料がにじみ出て、亀裂が生じたことを外から容易に検知できることになるものである。しかしながら、赤い色によって亀裂が検知できたとしても、それが亀裂によって破損したブレードの飛散前であるとは限らず、大事故防止の決め手にはなりにくいと考えられる。

これに対して、「主桁の長手方向の強度を向上させる」ことを目的として、特開平６−６６２４４号公報において、別の「風車翼」が提案されている。この風車翼では、当該公報の要約からすると、「外皮の長手方向に挿入された主桁により強度が保持される風車翼における主桁の長手方向に一方向ロービングクロスが積層されるとともに一方向ロービングクロスの積層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て構成される」ものであるが、図２３に示すように、図示上下２枚の外皮を、図示両端の接合部にてやはり接合したものであって、その前縁側（当該ブレードが図１の矢印方向に回転する場合に、空気を切っていく側の部分で、図２では図示右側部分である）や後縁側に合わせ目部分が存在するものである。

仮に、この合わせ目部分において十分な接着や塗装がなされていても、この塗装は空気中に含まれている砂や小石が当たることによって直ぐ剥がれたり、これによってピンホールが形成されることがある。このように、従来のブレードの前縁に形成された塗装の剥がれは、それ自体が図２１〜図２３に示したシェル（外皮）間の剥がれまたは亀裂を生じさせる原因となる。それだけでなく、塗料の剥がれやピンホールは、その中に水が浸透して凍結することによっても、シェル間の剥がれまたは亀裂を生じさせる原因となるのである。

勿論、この種の風力発電機は、紫外線が多く当たることになる屋外に設置されるものであって、そのブレードは、塗装や接着材も含めて急激な経年変化をするものであり、合わせ目にある接着材も劣化することが、図２１に示したような剥がれまたは亀裂を生じさせ易くしているのである。

特に、このような風力発電機を構成している重要部品であるプロペラのブレードは、自然界で風を受けるために大きくてしかも十分な剛性及び強度を有したものであることが必要であったが、そのようにするには、ブレードを構成している主桁を改良する必要があることは当然である。

そこで、本発明者は、長期間使用しても、前縁に亀裂や剥がれが生じないようなブレードとするにはどうしたらよいか、について検討を重ねてきた結果、本発明を完成したのである。

本発明は、この種の風力発電機を構成しているプロペラのブレードについての上記実状に鑑みてなされたもので、その解決しようとする課題は、風力発電機を構成している重要部品であるプロペラのブレードを、自然界で風を受けるために大きくてしかも十分な剛性及び強度を有したものとすることができる主桁を提供することにある。

すなわち、まず請求項１〜請求項３に係る発明の目的とするところは、この種のブレードが非常に大型化した場合の軽量化を図ることができ、長年使用しても破損や亀裂が生じないようにすることができて、耐久性に優れた風力発電機用のプロペラブレードを構成するための主桁を簡単な構成によって提供することにある。

また、請求項４〜請求項９に係る各発明の目的とするところは、上記請求項１〜請求項３のブレードを簡単かつ確実に製造することのできる製造方法を提供することにある。

以上の課題を解決するために、まず請求項１に係る発明の採った手段は、後述する実施の形態の説明中において使用する符号を付して説明すると、
「風力発電機用のプロペラブレード１０の略風圧中心部に近い場所に位置して当該プロペラブレード１０を構成するための主桁１３であって、
ガラス繊維等の強化繊維からなる補強テープ１３ａを、断面形状が閉曲線状となるように巻回して構成した補強テープ層と、この補強テープ層の上にガラス繊維等の強化繊維からなる補強布１３ｃを巻回して構成した補強布層と、これらの補強布層及び前記補強テープ層に含浸した合成樹脂を熱硬化させた樹脂層とにより構成したことを特徴とするプロペラブレード１０用の主桁１３」
である。

すなわち、この請求項１の主桁１３は、補強テープ１３ａと、その上に巻回した補強布１３ｃと、これらの補強布１３ｃ及び補強テープ１３ａに含浸して硬化した樹脂層とからならなるものであるが、この主桁１３は、風力発電機用のプロペラを構成するためのブレード１０を構成するものである。

ここで、この主桁１３によって構成されるプロペラブレード（以下単にブレードと略称することがある）１０について先に説明すると、このブレード１０は、図１に示すように、風力発電機用のプロペラを構成するものであり、図２に示すように、飛行機の翼形断面形状を有したものである。

そして、このブレード１０は、図２及び図４に示すように、断面形状が閉曲線状で略風圧中心部に近い場所に位置することになる主桁１３と、この主桁１３の両側に配置されて、例えば発泡ウレタンフォーム等の軽量で、ある程度の剛性が期待できる材料によって、図２及び図１２に示したような形状のものに形成した前後の補強材１４・１５と、これらの補強材１４・１５及び主桁１３の周囲全体を包み込む強化樹脂性のスキン層１２とによって構成したものである。

また、このブレード１０は、そのスキン層１２を、カーボン繊維クロス等の強化繊維である補強布１２ａに含浸させた樹脂を硬化させることにより形成したものであるが、図５に示すように、このスキン層１２を構成している補強布１２ａの当該ブレード１０の風を切る側である前縁１１ａ側部分を連続させて、特にこの前縁１１ａ側部分を、小石等が当たったとしても亀裂が入らないように補強したものである。

ここで、「風圧中心部」とは、当該ブレード１０が風を受けたときに受ける力の中心を言い、具体的には、ブレード１０の翼弦長の２０％内外〜６０％内外の位置を言うものである。翼弦長は、ブレード１０を長さ方向に直交する面で切断した場合に現れる断面長さを言い、その２０％の位置とは、風を受ける側から断面長さの２０％内側部分と言うことである。

勿論、この補強布１２ａは、ブレード１０のスキン層１２を構成するものであるから、何枚も重ねて使用されるものであり、ブレード１０に必要な強度を加味してその層数が決定される。つまり、この補強布１２ａの重ねる枚数は、ブレード１０の大きさあるいは全長によって決定されるものである。

図５に示すように、当該ブレード１０の風を切る側である前縁１１ａ側部分に位置するスキン層１２について、その中の補強布１２ａを連続させたものとすることによって、この補強布１２ａ自体の強度、及びこの部分の硬化樹脂の強度が十分確保されているのであり、当該前縁１１ａ部分の強度は、従来のシェルタイプのものに比較して極めて高くなっているのである。つまり、このブレード１０の前縁１１ａに砂や小石が当たったとしても、当該前縁１１ａは、補強布１２ａ及びその中の硬化樹脂によって非常に剛性の高いものとなっていて、この前縁１１ａにピンホールや亀裂は全く生じなくなり、当該ブレード１０は、非常に耐久性が高く損傷しにくいものとなっているのである。

さらに、当該ブレード１０内に入れられている主桁１３は、図２に示したものの場合には、上記風圧中心部に一本だけ存在しているものであるが、この主桁１３を複数本として、これらが全体としてブレード１０の風圧中心部になるようにして実施してもよいものである。

以上のことから、このブレード１０は、補強材１４・１５によって全体の剛性を十分確保しながら、大型化した場合の軽量化を図ることができるだけでなく、長年使用しても破損や亀裂が生じないようにすることができて、耐久性に優れたものとなっているのである。

従って、この請求項１の主桁１３によれば、補強テープ１３ａと、その上に巻回した補強布１３ｃと、これらの補強布１３ｃ及び補強テープ１３ａに含浸して硬化した樹脂層とから構成したから、風力発電機用のプロペラブレード１０内に組み込まれたとき、当該ブレード１０の剛性を非常に高いものとすることができて、耐久性に優れたブレード１０とすることができるのである。

また、上記課題を解決するために、請求項２に係る発明の採った手段は、
「風力発電機用のプロペラブレード１０の略風圧中心部に近い場所に位置して当該プロペラブレード１０を構成するための主桁１３であって、
ガラス繊維等の強化繊維からなる補強布１３ｃを、断面形状が閉曲線状となるように巻回して構成した補強布層と、この補強布層の上にガラス繊維等の強化繊維からなる補強テープ１３ａを巻回して構成した補強テープ層と、これらの補強テープ層及び前記補強布層に含浸した合成樹脂を熱硬化させた樹脂層とにより構成したことを特徴とするプロペラブレード１０用の主桁１３」
である。

すなわち、この請求項２の主桁１３は、補強布１３ｃと、その上に巻回した補強テープ１３ａと、これらの補強布１３ｃ及び補強テープ１３ａに含浸して硬化した樹脂層とからならなるものである。

従って、この請求項２の主桁１３によれば、風力発電機用のプロペラブレード１０内に組み込まれたとき、当該ブレード１０の剛性を非常に高いものとすることができて、耐久性に優れたブレード１０とすることができるのである。

さらに、請求項３に係る発明の採った手段は、
「風力発電機用のプロペラブレード１０の略風圧中心部に近い場所に位置して当該プロペラブレード１０を構成するための主桁１３であって、
ガラス繊維等の強化繊維からなる補強テープ１３ａを、断面形状が閉曲線状となるように巻回して構成した第１補強テープ層と、この第１補強テープ層の上にガラス繊維等の強化繊維からなる補強布１３ｃを巻回して構成した補強布層と、この補強布層のさらに上に前記補強テープ１３ａを巻回して構成した第２補強テープ層と、これらの第２及び第１補強テープ層及び前記補強布層に含浸した合成樹脂を熱硬化させた樹脂層とにより構成したことを特徴とするプロペラブレード１０用の主桁１３」
である。

すなわち、この請求項３の主桁１３は、補強テープ１３ａと、その上に巻回した補強布１３ｃと、さらにその上に巻回した補強テープ１３ａと、これらの補強布１３ｃ及び上下の補強テープ１３ａに含浸して硬化した樹脂層とからならなるものである。

従って、この請求項３の主桁１３によれば、風力発電機用のプロペラブレード１０内に組み込まれたとき、当該ブレード１０の剛性を非常に高いものとすることができて、耐久性に優れたブレード１０とすることができるのである。

以上の主桁１３は、次のような手段によって製造されるものであるが、まず請求項４に係る製造方法は、請求項１の主桁１３を製造するのに適したものであり、その採った手段は、
「風力発電機用のプロペラブレード１０の略風圧中心部に近い場所に位置して当該プロペラブレード１０を構成するための主桁１３の製造方法であって、
ガラス繊維等の強化繊維からなる補強テープ１３ａを、断面形状が閉曲線状となるように巻回して補強テープ層を構成し、この補強テープ層の上にガラス繊維等の強化繊維からなる補強布１３ｃを巻回して補強布層を構成し、これらの補強布層及び前記補強テープ層に、合成樹脂を含浸して熱硬化させることにより、全体を強化する樹脂層を構成するようにしたことを特徴とするプロペラブレード１０用の主桁１３の製造方法」
である。

同様に、請求項５に係る製造方法は、上記請求項２の主桁１３を製造する方法であり、その採った手段は、
「風力発電機用のプロペラブレード１０の略風圧中心部に近い場所に位置して当該プロペラブレード１０を構成するための主桁１３の製造方法であって、
ガラス繊維等の強化繊維からなる補強布１３ｃを、断面形状が閉曲線状となるように巻回して補強布層を構成し、この補強布層の上にガラス繊維等の強化繊維からなる補強テープ１３ａを巻回して補強テープ層を構成し、これらの補強テープ層及び前記補強布層に、合成樹脂を含浸して熱硬化させることにより、全体を強化する樹脂層を構成するようにしたことを特徴とするプロペラブレード１０用の主桁１３の製造方法」
である。

さらに、請求項６に係る発明は、請求項３の主桁１３を製造する方法に関するものであり、その採った手段は、
「風力発電機用のプロペラブレード１０の略風圧中心部に近い場所に位置して当該プロペラブレード１０を構成するための主桁１３の製造方法であって、
ガラス繊維等の強化繊維からなる補強テープ１３ａを、断面形状が閉曲線状となるように巻回して第１補強テープ層を構成し、この第１補強テープ層の上にガラス繊維等の強化繊維からなる補強布１３ｃを巻回して補強布層構成し、この補強布層のさらに上に前記補強テープ１３ａを巻回して第２補強テープ層を構成して、これらの第２及び第１補強テープ層及び前記補強布層に合成樹脂を含浸して熱硬化させることにより、全体を強化する樹脂層を構成するようにしたことを特徴とするプロペラブレード１０用の主桁１３の製造方法」
である。

そして、これらの請求項４〜請求項６に係る製造方法については、請求項７〜請求項９にて示すようにしても製造されるものである。すなわち、まず請求項７では、
「前記合成樹脂の含浸は、巻回される前の前記補強テープ１３ａ及び補強布１３ｃに予め行いこれをプリプレグ化したこと」
であり、請求項８では、
「前記合成樹脂の含浸は、巻回された各前記補強テープ１３ａ及び補強布１３ｃを、常圧、加圧あるいは減圧された樹脂槽内に浸漬することにより行うようにしたこと」
であり、さらに、請求項９では、
「前記合成樹脂の含浸は、巻回された各前記補強テープ１３ａ及び補強布１３ｃに合成樹脂を噴霧することにより行うようにしたこと」
である。

以上の請求項４〜請求項９に記載のプロペラブレード１０用の主桁１３の製造方法によれば、剛性に優れた主桁１３を確実かつ簡単に製造することができるのである。

なお、本発明に係る主桁１３が内蔵されるブレード１０については、主桁１３の両側に配置される前後の補強材１４・１５に形成しておいた連結穴１７内に、スキン層１２を構成するための強化樹脂を供給して硬化させることにより連結樹脂１８を構成し、この連結樹脂１８によって、主桁１３の両側に位置するスキン層１２を連結することもなされるものである。

すなわち、このブレード１０では、主桁１３の両側に配置される前後の補強材１４・１５に多数の連結穴１７を予め形成しておいて、これらの連結穴１７内に、スキン層１２を構成するための強化樹脂が成形時に充填されるようにしておき、この連結穴１７内の充填樹脂を硬化させて連結樹脂１８としたものである。

従って、このブレード１０では、図２に示すように、図示上下に位置するスキン層１２が各連結樹脂１８でしっかりと連結されたものとなっているのであり、全体の剛性及び強度が十分なものとなっているのである。

さらに、このブレード１０については、少なくとも前端１１ａに位置する補強材１４・１５とスキン層１２との間にさらに補助補強材１４ａ・１５ａを介在させることもなされるものである。

すなわち、このブレード１０は、図６、図７、図９、図１０、あるいは図１５に示すように、補強材１４・１５とスキン層１２との間にさらに補助補強材１４ａ・１５ａを介在させたものであり、これらの補助補強材１４ａ・１５ａによって、当該ブレード１０の少なくとも前端１１ａ部分を補強するようにしたものである。

これらの補助補強材１４ａ・１５ａは、例えば合成樹脂等を材料として一体成形したものであり、スキン層１２の強度とも共同して補強を行うものであるが、各補強材１４・１５の先端部分との一体化を十分なものとするために、図６や図７（補助補強材１４ａの場合）、あるいは図９や図１０（補助補強材１５ａの場合）に示すような種々な形状が考えられるものである。

従って、このブレード１０によれば、上記と同様な効果を発揮することができるだけでなく、当該ブレード１０の少なくとも前端１１ａ部分の補強をより一層十分に行うことができる。

このブレード１０については、主桁１３と直交する方向に分割することにより、ピッチ変更可能ととすることもなされるものである。

すなわち、このようにしたブレード１０は、図１１の（イ）にも示すように、主桁１３と直交する方向に分割して、その基端部１１ｃ側の部分１０ａに対して、先端側の部分１０ｂが回動自在としたものである。このようにすることにより、例えば非常に強い風が吹いてきた場合に、図１１の（ロ）に示すように、ブレード１０の部分１０ａと１０ｂとのピッチを変更して、風から受ける力を少なくすることができるようにしたものである。

従って、このブレード１０によれば、上記と同様な効果を発揮することができるだけでなく、当該ブレード１０のピッチ変更を可能とすることができ、その安全化を促進することができるものとなっているのである。

前述した各ブレード１０は、次の製造方法（イ）あるいは製造方法（ロ）の製造方法によって製造されるのであるが、まず、製造方法（イ）は、
製造方法（イ）；
「次の各工程を含むことを特徴とする風力発電機のプロペラを構成するブレード１０の製造方法。
（１）ブレード１０のスキン層１２となるべき補強布１２ａを、その中央線が下型２１の端に位置するようにして、その略半分を当該下型２１上に敷き、残りを適宜型２０外に保持する工程；
（２）当該ブレード１０の風圧中心部に位置することになる主桁１３を、断面形状が閉曲線状となるように形成する工程；
（３）この主桁１３を、下型２１上に敷いた補強布１２ａ上の所定位置に配置するとともに、この主桁１３の両側に前後の補強材１４・１５を分けて配置する工程；
（４）補強布１２ａの型２０外に出しておいた残り半分を、上記（３）の工程で配置した主桁１３及び前後の補強材１４・１５の上に被せた後、上型２２による型締めを行う工程；
（５）これらの上型２２及び下型２１内に合成樹脂を供給して補強布１２ａに含浸させてからこれを硬化させることにより、両補強材１４・１５及び主桁１３の全体を包み込む強化樹脂製のスキン層１２を形成する工程；
（６）スキン層１２の研磨や塗装あるいはトリミング等の仕上げを行う工程」である。

また、製造方法（ロ）は、
製造方法（ロ）；
「次の各工程を含むことを特徴とする風力発電機のプロペラを構成するブレード１０の製造方法。
（１）ブレード１０のスキン層１２となるべき補強布１２ａを、その中央線が下型２１の端に位置するようにして、その略半分を当該下型２１上に敷き、残りを適宜型２０外に保持する工程；
（２）当該ブレード１０の風圧中心部に位置することになる主桁１３を、断面形状が閉曲線状となるように形成する工程；
（３）この主桁１３を、下型２１上に敷いた補強布１２ａ上の所定位置に配置するとともに、この主桁１３の両側に表裏に貫通する連結穴１７を複数形成した前後の補強材１４・１５を分けて配置する工程；
（４）補強布１２ａの型２０外に出しておいた残り半分を、上記（３）の工程で配置した主桁１３及び前後の補強材１４・１５の上に被せた後、上型２２による型締めを行う工程；
（５）これらの上型２２及び下型２１内に合成樹脂を供給して、補強布１２ａに含浸させるとともに、各補強材１４・１５の連結穴１７内にも充填してからこれを硬化させることにより、両補強材１４・１５及び主桁１３の全体を包み込む強化樹脂製のスキン層１２と、このスキン層１２を内部で連結することになる連結樹脂１８を形成する工程；
（６）スキン層１２の研磨や塗装あるいはトリミング等の仕上げを行う工程」である。

すなわち、これらの製造方法（イ）及び（ロ）で重要なことは、まずコア枠１３及びその両側に分けて配置した前後の補強材１４・１５の周囲を補強布１２ａによって包み込むようにすることである。このようにするのは、主桁１３及びその両側に分けて配置した前後の補強材１４・１５によって全体の軽量化を図り、かつブレード１０の前縁１１ａに位置するスキン層１２を構成している補強布１２ａを、この前縁１１ａにおいて連続したものとするためである。

そして、製造方法（ロ）において重要なことは、主桁１３の両側に配置される補強材１４・１５として、表裏に貫通する連結穴１７を複数形成したものを使用することであり、これらの連結穴１７内にも合成樹脂を供給してこれを硬化することによって、スキン層１２を内部で連結することになる連結樹脂１８を形成することである。

従って、これらの製造方法（イ）または（ロ）によれば、上記のブレード１０を、簡単かつ確実に製造することができるのである。

以上の製造方法（イ）または（ロ）では、その主桁１３を予め完全なものとして形成しておくことを前提としているが、この主桁１３が含浸した合成樹脂を熱硬化して形成するのであれば、製造方法（ハ）または製造方法（ニ）のようにすればよいものである。

製造方法（ハ）；
「次の各工程を含むことを特徴とする風力発電機のプロペラを構成するブレード１０の製造方法。
（１）ブレード１０のスキン層１２となるべき補強布１２ａを、その中央線が下型２１の端に位置するようにして、その略半分を当該下型２１上に敷き、残りを適宜型２０外に保持する工程；
（２）後に樹脂が含浸されることになる補強テープ１３ａや補強布１３ｃを巻回あるいは巻き付けたままで、ブレード１０の風圧中心部に位置することになる主桁１３を構成する主桁材１３Ａとし、
（３）この主桁材１３Ａを、下型２１上に敷いた補強布１２ａ上の所定位置に配置するとともに、この主桁材１３Ａの両側に前後の補強材１４・１５を分けて配置する工程；
（４）補強布１２ａの型２０外に出しておいた残り半分を、上記（３）の工程で配置した主桁材１３Ａ及び前後の補強材１４・１５の上に被せた後、上型２２による型締めを行う工程；
（５）これらの上型２２及び下型２１内に合成樹脂を供給して補強布１２ａに含浸させてからこれを硬化させることにより、主桁材１３Ａを主桁１３とするとともに、両補強材１４・１５及び主桁１３の全体を包み込む強化樹脂製のスキン層１２を形成する工程；
（６）スキン層１２の研磨や塗装あるいはトリミング等の仕上げを行う工程」である。

すなわち、この製造方法（ハ）では、ブレード１０の風圧中心部に位置することになる主桁１３を、型２０内に入れる前に、後に樹脂が含浸されることになる補強テープ１３ａや補強布１３ｃを巻回あるいは巻き付けたままにしておいて主桁材１３Ａとし、これを型２０内に入れてから合成樹脂を供給することにより当該主桁材１３Ａにも合成樹脂を含浸させるのである。そして、樹脂を熱硬化させることにより、主桁材１３Ａを主桁１３とするものである。

また、同様な目的で、製造方法（ニ）は、
製造方法（ニ）；
「次の各工程を含むことを特徴とする風力発電機のプロペラを構成するブレード１０の製造方法。
（１）ブレード１０のスキン層１２となるべき補強布１２ａを、その中央線が下型２１の端に位置するようにして、その略半分を当該下型２１上に敷き、残りを適宜型２０外に保持する工程；
（２）後に樹脂が含浸されることになる補強テープ１３ａや補強布１３ｃを巻回あるいは巻き付けたままで、ブレード１０の風圧中心部に位置することになる主桁１３を構成する主桁材１３Ａとし、
（３）この主桁材１３Ａを、下型２１上に敷いた補強布１２ａ上の所定位置に配置するとともに、この主桁材１３Ａの両側に、表裏に貫通する連結穴１７を複数形成した前後の補強材１４・１５を分けて配置する工程；
（４）補強布１２ａの型２０外に出しておいた残り半分を、上記（３）の工程で配置した主桁材１３Ａ及び前後の補強材１２ａの上に被せた後、上型２２による型締めを行う工程；
（５）これらの上型２２及び下型２１内に合成樹脂を供給して、主桁材１３Ａ及び補強布１２ａに含浸させるとともに、各補強材１４・１５の連結穴１７内にも充填してからこれを硬化させることにより、主桁材１３Ａを主桁１３とするとともに、両補強材１４・１５及び主桁１３の全体を包み込む強化樹脂製のスキン層１２と、このスキン層１２を内部で連結することになる連結樹脂１８を形成する工程；
（６）スキン層１２の研磨や塗装あるいはトリミング等の仕上げを行う工程」からなるものとしたものであり、スキン層１２を内部で連結する連結樹脂１８を有したブレード１０を製造する場合についても、主桁材１３Ａを主桁１３とするようにしたものである。

従って、これらの製造方法（ハ）または（ニ）によれば、主桁１３を予め完成しておかなくても、スキン層１２等を形成する際に主桁１３を完成することができて、その工程を簡略化することができるのである。

以上のプロペラブレード１０は、その全体の剛性を確保するために、内部に主桁１３を有したものであったが、この主桁１３は、上述した各請求項に係る発明のように構成される。

次に、上記のように構成した各請求項の発明を、図面に示した実施の形態である、ブレード１０を構成する主桁１３について説明すると、この主桁１３は、その製造方法を含めて、上記各請求項の発明の全てを実質的に含むものであるため、以下では、この実施形態に係るブレード１０を中心にして説明していくこととする。

まず、図１には、本発明に係る主桁１３が内蔵されるブレード１０を使用した風力発電機の概略全体が示してあり、この風力発電機は、複数のプロペラブレード１０をその基端部１１ｃで回転軸側に連結して構成したプロペラを備えているものである。このプロペラは、その前面側に風を受けたときに回転するものであり、図１１に示したように、これを構成している各ブレード１０の前進側を前縁１１ａとし、各ブレード１０の前縁１１ａとは反対側を後縁１１ｂとするものである。

本実施形態の各ブレード１０は、図２〜図１３に示したように、少なくとも、断面形状が閉曲線状で略風圧中心部に近い場所に位置することになる主桁１３と、この主桁１３の両側に配置される前後の補強材１４・１５と、これらの補強材１４・１５及び主桁１３の周囲全体を包み込む強化樹脂性のスキン層１２とによって構成したものである。

このブレード１０を構成しているスキン層１２は、図４〜図８に示したようにその中の補強布１２ａに樹脂を含浸させ、この樹脂を硬化させることにより、図２等に示したような断面形状となるものであり、後述する型２０内で成形されるものである。この場合、補強布１２ａは、所定の厚さを有するもののときには単層で十分であるが、薄いものを複数層重ねて形成されることもある。

スキン層１２内に入れた補強布１２ａは、ガラス繊維や炭素繊維等の強度が高くて軽量な材料からなるものであり、文字通りたて糸及びよこ糸を織成して布状のものとしたものを採用してもよいし、ガラス繊維等を、丁度和紙のように漉いて布状にしたもの（チョップマット）を採用して実施してもよいものである。これらのガラス繊維等は、厚い一枚のものが使用されることもあるが、何枚も重ねて使用されるのが一般的である。さらに、この補強布１２ａは、予め合成樹脂を含浸して、所謂「プリプレグ化」したものとして実施してもよい。

また、この補強布１２ａは、図５に示したように、当該ブレード１０の風を切る側である前縁１１ａ側において連続させることが重要である。つまり、ブレード１０の前縁１１ａにおいて、この補強布１２ａに切れ目や境目がないようにしてあるのである。なお、ブレード１０の後縁１１ｂ側では、図８に示したように補強布１２ａの端部を互いに重ねるようにして実施される。このブレード１０の後縁１１ｂ側は、風を切る側ではなく、砂や小石があたる部分ではないからである。

なお、ブレード１０の前縁１１ａや後縁１１ｂ側において、図１４または図１５に示したように、この補強布１２ａの上に、後述する樹脂を含浸する前に切れ目のない補助補強布１２ｂを添着するようにすれば、この補助補強布１２ｂによって、当該前縁１１ａや後縁１１ｂ側部分において、亀裂やピンホールの発生をより一層防止することができるものである。

また、ブレード１０の前縁１１ａや後縁１１ｂ側においては、図６、図７、図９、図１０、あるいは図１５に示したように、補強材１４・１５とスキン層１２との間にさらに補助補強材１４ａ・１５ａを介在させることがなされることもある。これらの補助補強材１４ａ・１５ａは、これによって当該ブレード１０の少なくとも前端１１ａ部分、あるいはこれとさらに後端部分１１ｂをさらに補強するものである。

これらの補助補強材１４ａ・１５ａは、例えば合成樹脂等を材料として一体成形したものであり、スキン層１２の強度とも共同して補強を行うものであるが、各補強材１４・１５の先端部分との一体化を十分なものとすべく、図６や図７の（イ）〜（ニ）（補助補強材１４ａの場合）、あるいは図９や図１０の（イ）〜（ニ）（補助補強材１５ａの場合）に示すような種々な形状が考えられるものである。

そして、このブレード１０を構成する、本発明に係る主桁１３は、当該ブレード１０の風圧中心部でかつブレード１０の長軸方向の略全体に位置するもので、断面形状が閉曲線状となるように形成したものである。すなわち、この主桁１３は、例えば、発泡ウレタンフォーム等によって形成した芯材の外周に、炭素繊維やガラス繊維からなる糸、布あるいはチョップマットを巻回し、これに樹脂を含浸させて硬化することにより完成されるものである。

本発明に係る主桁１３の、本実施形態では、芯材を抜き取って中空のものとしてあるが、もし芯材の剛性を利用したいのであれば、この芯材を抜き取らない主桁１３としてもよい。また、この主桁１３は、芯材を抜き取った空所内にウレタンフォームを詰めて実施してもよいし、このウレタンフォームを残したままの芯材内に充填したものとして実施してもよいものである。

この主桁１３が内蔵されるべきブレード１０は、図１１の（イ）にも示すように、主桁１３と直交する方向に分割して、その基端部１１ｃ側の部分１０ａに対して、先端側の部分１０ｂが回動自在とされることもある。このようにすることにより、例えば非常に強い風が吹いてきた場合に、図１１の（ロ）に示すようにブレード１０の部分１０ａと１０ｂとのピッチを変更して、風から受ける力を少なくすることができるのである。従って、このようにすれば、当該ブレード１０のピッチ変更を可能とすることができ、その安全化を促進できるのである。

この主桁１３のより具体的な製造方法としては、図１６及び図１７に示したような、所謂「浸漬含浸法」が採用される。ＦＲＰと呼ばれる繊維強化性プラスチックの一般的な製造方法は、樹脂を含浸させたガラス繊維などからなる糸または布を所定形状にワインディングするか張り付けて、これらの糸または布中の樹脂を硬化させるものであるが、ワインディングまたは張り付け途中の糸または布から樹脂が滴り落ちて非常に作業が困難である。ところが、図１７に示したような樹脂が満たされている樹脂槽内に、樹脂の未だ含浸されていない主桁材１３Ａを「浸漬含浸法」するようにすれば、ワインディングまたは張り付け作業時に樹脂が滴り落ちることがないため、作業がし易くなるからである。

図１６では、芯材１３ｂの周囲にガラス繊維等からなる補強テープ１３ａを巻き付け、その上を補強布１３ｃによって覆い、さらにこの補強布１３ｃの周囲に補強テープ１３ａを巻き付けて、主桁材１３Ａとするのである。この場合、一番外側の補強テープ１３ａを省略することもある。

また、この主桁１３は、図１８に示したように、ブレード１０の内部に組み込むのに適した形状の筒状芯材１３ｂを中心にして、その周囲にガラス繊維等からなる補強テープ１３ａや補強布１３ｃ、あるいは糸やチョップマットを巻回してから形成するように実施してもよい。

以上のように形成した主桁材１３Ａを、例えば、図１７に示した樹脂槽内に浸漬するのである。この場合、補強テープ１３ａや補強布１３ｃ内に樹脂が十分含浸されるようにするために、樹脂槽全体を負圧雰囲気下におくか、あるいは高圧室内に配置することがなされる。この浸漬含浸法によって、補強テープ１３ａや補強布１３ｃ内に樹脂が十分浸透すれば、この樹脂を例えば熱硬化させるのである。なお、芯材１３ｂは樹脂硬化後に引き抜かれるものであり、これによって上述したことにより主桁１３が完成されるのである。

さらに、この主桁１３は、
「ガラス繊維等の強化繊維からなる補強テープ１３ａを、断面形状が閉曲線状となるように巻回して構成した補強テープ層と、この補強テープ層の上にガラス繊維等の強化繊維からなる補強布１３ｃを巻回して構成した補強布層と、これらの補強布層及び前記補強テープ層に含浸した合成樹脂を熱硬化させた樹脂層とにより構成」
したり、
「ガラス繊維等の強化繊維からなる補強布１３ｃを、断面形状が閉曲線状となるように巻回して構成した補強布層と、この補強布層の上にガラス繊維等の強化繊維からなる補強テープ１３ａを巻回して構成した補強テープ層と、これらの補強テープ層及び前記補強布層に含浸した合成樹脂を熱硬化させた樹脂層とにより構成」
したり、あるいは、
「ガラス繊維等の強化繊維からなる補強テープ１３ａを、断面形状が閉曲線状となるように巻回して構成した第１補強テープ層と、この第１補強テープ層の上にガラス繊維等の強化繊維からなる補強布１３ｃを巻回して構成した補強布層とこの補強布層のさらに上に前記補強テープ１３ａを巻回して構成した第２補強テープ層と、これらの第２及び第１補強テープ層及び前記補強布層に含浸した合成樹脂を熱硬化させた樹脂層とにより構成」
したりすることができるものである。

以上の主桁１３は、補強テープ１３ａ及び補強布１３ｃを上記のように巻回して製造されるが、その際には、後に引き抜かれる芯材１３ｂを採用したり、あるいは図１８に示したような芯材１３ｂを採用してこの芯材１３ｂ自体を主桁１３の構成部材としてしまうこともある。

この芯材１３ｂを製造するにあたって、その合成樹脂の含浸を、巻回される前の補強テープ１３ａ及び補強布１３ｃに予め行いこれをプリプレグ化することもあるし、巻回された各前記補強テープ１３ａ及び補強布１３ｃを、常圧、加圧あるいは減圧された樹脂槽内に浸漬することにより行うこともあり、さらに、巻回された各前記補強テープ１３ａ及び補強布１３ｃに合成樹脂を噴霧することにより行うこともある。

一方、この主桁１３を、その断面形状が閉曲線状となるように形成するということは、図４等に示した「小判型」だけでなく、四角形状や菱形形状、あるいは丸や楕円のような形状のものにしてもよいことを意味している。また、この主桁１３の断面形状を閉曲線状に形成するということは、所謂パイプが軽量で剛性の高いものとすることができると同じ理由である。

このような主桁１３を中心にして、その周囲全体に上記スキン層１２を形成する場合、図２〜図１３に示した実施形態の場合では、後述する前補強材１４及び後補強材１５を使用して所定空間を確保するようにしているが、当該ブレード１０が数メートル以内の長さ（図１の長軸方向の長さ）となる場合には、これらの前補強材１４及び後補強材１５は必ずしも必要ではない。その代わり、これらの前補強材１４及び後補強材１５に代わるものとして、空気が充填されて、図１２及び図１３に示した型２０内で、所定の空隙を構成する袋を配置するようにしてもよい。

この空気が充填されて型２０内で所定形状に膨張する袋は、小型のブレード１０を形成する場合に、全体の軽量化を図る上で有利である。何故なら、このような袋を合成樹脂を材料として形成することにより、型２０内でのスキン層１２の形状を維持するのに十分であるだけでなく、全体として重量が小さいものであるから、ブレード１０内に入れたままにしても、ブレード１０全体の重量を軽減することができるからである。

また、このブレード１０は、ある程度の長さのものであれば、上述したように型２０内で同時成形することができるが、非常に長大なものとなった場合には、図１９に示したように、各部分を分割した状態で形成するようにしてもよいものである。勿論、各部は、一体的になるように連結される。

さて、本発明に係るブレード１０では、上述した主桁１３の両側に前後の補強材１４及び１５を配置するようにしている。これらの補強材１４・１５は、主桁１３とともに、その全体が上述したスキン層１２によって包み込まれるものである。

これらの補強材１４・１５は、発泡ウレタンフォーム等によって、軽量で図２及び図１２に示したような所定形状のものに形成したものであり、ブレード１０の長軸方向の略全体に位置するものである。換言すれば、これらの補強材１４・１５は、スキン層１２を形成するときの一種の「型」の役割を果たすものであるとともに、ブレード１０全体の剛性の確保も行うものである。また、これらの補強材１４・１５は、発泡性のものを採用することにより、ブレード１０が２０メートル近くの長さを有したものとなる場合の軽量化を、ある程度の剛性を確保しながら行うものである。

そして、これらの補強材１４・１５は、図１２に示したように、その適宜位置に表裏に貫通する連結穴１７が形成されるものである。これら各連結穴１７には、図３に示したように、スキン層１２を形成するときの補強布１２ａ内に含浸される樹脂が注入されることになるものであり、これが硬化されることによって連結樹脂１８となるのである。

以上のようなブレード１０を製造する場合について説明すると、次の通りである。すなわち、まず、ブレード１０のスキン層１２となるべき補強布１２ａを、図１２に示したように、その中央線が下型２１の端に位置するようにして、その略半分を当該下型２１上に敷いて、残りを適宜型外２０に保持するのである。勿論、この補強布１２ａは、単層であってもよいし、必要に応じて何層にも重ねて敷くようにしてもよい。

次いで、この補強布１２ａ上の所定位置に主桁１３を配置するとともに、この主桁１３の両側に前後の補強材１４・１５を分けて配置する。この主桁１３を配置するときには、必要であれば、ガラスあるいはカーボン繊維からなるスペーサ１６を、スキン層１２の上下となる所定位置に配置しておく。

そして、補強布１２ａの型２０外に出しておいた残り半分を、図１２に示したように、上記のように配置した主桁１３及び前後の補強材１４・１５の上に被せることにより、図１３に示したように、補強布１２ａの、当該ブレード１０の風を切る側である前縁１１ａ側になる部分が連続したものとなるようにするのである。そして、下型２１に対する上型２２による型締めを行って、これらの上型２２及び下型２１内に、図１２及び図１３に示した矢印のように、合成樹脂を充填するのである。このとき、型２０内の不要空気は、図示しない排気ポンプによって排気されおり、また型２０内は、図１２に示した型シール２３によって気密状態が保持されていることは言うまでもない。

そして、補強布１２ａ等に含浸させた樹脂を硬化させることにより、両補強材１４・１５及び主桁１３の全体を包み込む強化樹脂製のスキン層１２を形成するのである。また、各前補強材１４及び後補強材１５に連結穴１７が形成してある場合には、含浸樹脂はこれらの連結穴１７内にも浸透するものであり、これが硬化されることによって、図２に示した連結樹脂１８となるのである。勿論、硬化完成されたスキン層１２に対しては、研磨や塗装、あるいはトリミング等の仕上げを行うことは言うまでもない。

各連結樹脂１８は、その存在によってスキン層１２の表裏の支持を行うものであり、スキン層１２全体の形状維持を行うものでもある。つまり、これらの連結樹脂１８は、当該ブレード１０内での剛性確保や形状維持を、少ない材料によって行えるようにしているものである。

なお、図１２及び図１３に示した型２０は、下型２１及び上型２２からなるものであるが、これを９０度立てた状態にして使用することもある。その場合には補強布１２ａの下型２１上への敷設を人が立った状態で行えるため、作業性が向上する。また、上型２２を下型２１に対して横方向から型締めする体勢になるため、向上内の空間を有効に利用することができることになる。

以上詳述したとおり、本発明においては、上記実施形態にて例示した如く、
「風力発電機用のプロペラブレード１０の略風圧中心部に近い場所に位置して当該プロペラブレード１０を構成するための主桁１３であって、
ガラス繊維等の強化繊維からなる補強テープ１３ａを、断面形状が閉曲線状となるように巻回して構成した補強テープ層と、この補強テープ層の上にガラス繊維等の強化繊維からなる補強布１３ｃを巻回して構成した補強布層と、これらの補強布層及び前記補強テープ層に含浸した合成樹脂を熱硬化させた樹脂層とにより構成したこと」
にその構成上の主たる特徴があり、これにより、この種の風力発電機用のプロペラブレードが非常に大型化した場合の軽量化を図ることができ、長年使用しても破損や亀裂が生じないようにすることができて、耐久性に優れた風力発電機用のプロペラブレードを構成するための主桁を簡単な構成によって提供することができるのである。

特に、請求項１〜請求項３に係る発明によれば、以上のプロペラブレード１０を剛性の高いものとするための主桁１３を簡単な構成によって提供することができるのであり、請求項４〜請求項９に係る発明によれば、以上の請求項１〜請求項３に係る主桁１３を確実かつ簡単に製造することができるのである。

本発明に係る主桁が内蔵されるブレードを採用して構成したプロペラの正面図である。 図１の１−１線に沿って見たブレードの拡大断面図である。 図２中の２−２線に沿って見た部分拡大断面図である。 同ブレードの本発明に係る主桁を中心にしてみた部分拡大断面図である。 同ブレードの前縁を中心にしてみた部分拡大断面図である。 同ブレードの前縁に補助補強材を入れた場合の前縁を中心にしてみた部分拡大断面図である。 （イ）〜（ニ）の４種類の補助補強材を示すもので、これらを入れた場合のブレードの前縁を中心にしてみた部分拡大断面図である。 同ブレードの後縁を中心にしてみた部分拡大断面図である。 同ブレードの後縁に補助補強材を入れた場合の前縁を中心にしてみた部分拡大断面図である。 （イ）〜（ニ）の４種類の補助補強材を示すもので、これらを入れた場合のブレードの後縁を中心にしてみた部分拡大断面図である。 ブレードを分割した場合を示すもので、（イ）は、その正面図で、（ロ）はピッチ変更後の右側面図である。 同ブレードを製造するために、下型上に補強布や、本発明に係る主桁を配置している状態を示す断面図である。 同ブレードを製造するために、図１２に示した下型上に上型を配置している状態を示す断面図である。 同ブレード端縁にさらに補助補強布を配置した例を示し、（イ）はその前縁を中心に、また（ロ）は後縁を中心にしてみた部分拡大断面図である。 同ブレード端縁とスキン層との間に補助補強材を配置した場合の例を示し、（イ）はその前縁を中心に、また（ロ）は後縁を中心にしてみた部分拡大断面図である。 本発明に係る主桁の材料を形成している状態を示す斜視図である。 本発明に係る主桁を形成するための主桁材を含浸法によって浸漬している状態を示す斜視図である。 同主桁材の他の形成例を示す斜視図である。 ブレード自体を分割して製造する例を示す正面図である。 従来のブレードの製造方法の概略を示す断面図である。 図２０に示したブレードにおける前縁の状態を示す部分拡大断面図である。 従来の別のブレードを示す断面図である。 従来のさらに別のブレードを示す断面図である。

符号の説明

１０ ブレード
１１ａ 前縁
１１ｂ 後縁
１２ スキン層
１２ａ 補強布
１２ｂ 補助補強布
１３ 主桁
１３Ａ 主桁材
１３ａ 補強テープ
１３ｂ 芯材
１３ｃ 補強布
１４ 前補強材
１４ａ 補助補強材
１５ 後補強材
１５ａ 補助補強材
１６ スペーサ
１７ 連結穴
１８ 連結樹脂
２０ 型
２１ 下型
２２ 上型
２３ 型シール

Claims (9)

1. 風力発電機用のプロペラブレードの略風圧中心部に近い場所に位置して当該プロペラブレードを構成するための主桁であって、
   ガラス繊維等の強化繊維からなる補強テープを、断面形状が閉曲線状となるように巻回して構成した補強テープ層と、この補強テープ層の上にガラス繊維等の強化繊維からなる補強布を巻回して構成した補強布層と、これらの補強布層及び前記補強テープ層に含浸した合成樹脂を熱硬化させた樹脂層とにより構成したことを特徴とするプロペラブレード用の主桁。
2. 風力発電機用のプロペラブレードの略風圧中心部に近い場所に位置して当該プロペラブレードを構成するための主桁であって、
   ガラス繊維等の強化繊維からなる補強布を、断面形状が閉曲線状となるように巻回して構成した補強布層と、この補強布層の上にガラス繊維等の強化繊維からなる補強テープを巻回して構成した補強テープ層と、これらの補強テープ層及び前記補強布層に含浸した合成樹脂を熱硬化させた樹脂層とにより構成したことを特徴とするプロペラブレード用の主桁。
3. 風力発電機用のプロペラブレードの略風圧中心部に近い場所に位置して当該プロペラブレードを構成するための主桁であって、
   ガラス繊維等の強化繊維からなる補強テープを、断面形状が閉曲線状となるように巻回して構成した第１補強テープ層と、この第１補強テープ層の上にガラス繊維等の強化繊維からなる補強布を巻回して構成した補強布層と、この補強布層のさらに上に前記補強テープを巻回して構成した第２補強テープ層と、これらの第２及び第１補強テープ層及び前記補強布層に含浸した合成樹脂を熱硬化させた樹脂層とにより構成したことを特徴とするプロペラブレード用の主桁。
4. 風力発電機用のプロペラブレードの略風圧中心部に近い場所に位置して当該プロペラブレードを構成するための主桁の製造方法であって、
   ガラス繊維等の強化繊維からなる補強テープを、断面形状が閉曲線状となるように巻回して補強テープ層を構成し、この補強テープ層の上にガラス繊維等の強化繊維からなる補強布を巻回して補強布層を構成し、これらの補強布層及び前記補強テープ層に、合成樹脂を含浸して熱硬化させることにより、全体を強化する樹脂層を構成するようにしたことを特徴とするプロペラブレード用の主桁の製造方法。
5. 風力発電機用のプロペラブレードの略風圧中心部に近い場所に位置して当該プロペラブレードを構成するための主桁の製造方法であって、
   ガラス繊維等の強化繊維からなる補強布を、断面形状が閉曲線状となるように巻回して補強布層を構成し、この補強布層の上にガラス繊維等の強化繊維からなる補強テープを巻回して補強テープ層を構成し、これらの補強テープ層及び前記補強布層に、合成樹脂を含浸して熱硬化させることにより、全体を強化する樹脂層を構成するようにしたことを特徴とする、プロペラブレード用の主桁の製造方法。
6. 風力発電機用のプロペラブレードの略風圧中心部に近い場所に位置して当該プロペラブレードを構成するための主桁の製造方法であって、
   ガラス繊維等の強化繊維からなる補強テープを、断面形状が閉曲線状となるように巻回して第１補強テープ層を構成し、この第１補強テープ層の上にガラス繊維等の強化繊維からなる補強布を巻回して補強布層構成し、この補強布層のさらに上に前記補強テープを巻回して第２補強テープ層を構成して、これらの第２及び第１補強テープ層及び前記補強布層に合成樹脂を含浸して熱硬化させることにより、全体を強化する樹脂層を構成するようにしたことを特徴とするプロペラブレード用の主桁の製造方法。
7. 前記合成樹脂の含浸は、巻回される前の前記補強テープ及び補強布に予め行いこれをプリプレグ化したことを特徴とする請求項４〜請求項６のいずれかに記載のプロペラブレード用の主桁の製造方法。
8. 前記合成樹脂の含浸は、巻回された各前記補強テープ及び補強布を、常圧、加圧あるいは減圧された樹脂槽内に浸漬することにより行うようにしたことを特徴とする請求項４〜請求項６のいずれかに記載のプロペラブレード用の主桁の製造方法。
9. 前記合成樹脂の含浸は、巻回された各前記補強テープ及び補強布に合成樹脂を噴霧することにより行うようにしたことを特徴とする請求項４〜請求項６のいずれかに記載のプロペラブレード用の主桁の製造方法。

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