JP2014238393A - 複合材風力タービンブレード用のサーモグラフィー検査システム - Google Patents

Abstract

【課題】タービンブレードの接着継手を検査する方法を提供する。【解決手段】発熱反応型接着剤をタービンブレード１００の第１の外皮材１５０及び／又は第２の外皮材１９０に塗工し、発熱反応型接着剤を介して第１の外皮材１５０を第２の外皮材１９０に取り付けて接着継手を作り、発熱反応型接着剤を硬化させ、接着継手に沿って発熱反応型接着剤から放出された熱をイメージングする工程を含み得る。【選択図】図２

Description

本願は、広義には風力タービンブレード及びその検査システムに関し、特に発熱反応型接着剤を用いた複合材風力タービンブレード接着継手のためのサーモグラフィー検査システムに関する。

最新型風力タービンブレードは一般に、典型的なライフサイクルで遭遇する様々な力及び極限条件に耐えるように、軽量及び低い回転慣性と高い剛性及び耐疲労・耐摩耗性とを兼ね備えている。一般に、タービンブレードは２つの半外皮材から形成できる。タービンブレードの製造における重要な工程は、ブレードの２つの半外皮材を、前縁、後縁及びシアウェブを有するスパーキャップユニオンにおいて、接着剤により接着継手を形成することによって閉鎖することである。この接着剤結合の幅及び全体の健全性を確認することは、タービンブレードが性能及び寿命要件に合うことを保証するために必要である。接着継手に沿ったタービンブレードの機能不全は重大な損傷に至る可能性があろう。

この接着剤による接着継手の検査のための現行の方法には、目視検査及び超音波試験のような様々な種類の非破壊イメージング検査技術がある。しかし、かかる超音波試験は時間がかかり比較的に高価であり得る。また、ブレード材料によっては超音波による浸透が困難なものがある。特に、ブレードの幾つかの領域は、典型的な超音波周波数が貫通できない発泡材料、バルサその他の種類のコア材料を使用するために、超音波試験では不明瞭になりかねない。ある種のマイクロ波検査技術も知られている。しかし、かかるマイクロ波検査は放射線への曝露により制限され得る。

このように、風力タービンブレードの半分ずつを接合する接着剤結合部を検査するための改良システム及び方法に対するニーズが存在する。好ましくは、かかるシステム及び方法は高価で時間のかかる超音波試験などを必要としないで接着剤による接着継手全体を正確かつ確実に検査し得る。

米国特許第３４８０４９２号

そこで、本願は接着継手を検査する方法を提供する。この方法は、発熱反応型接着剤を第１の外皮材及び／又は第２の外皮材に塗工し、発熱反応型接着剤を介して第１の外皮材を第２の外皮材に取り付けて接着継手を作り出し、発熱反応型接着剤を硬化させ、接着継手に沿って発熱反応型接着剤から放出された熱をイメージングする工程を含み得る。接着継手はタービンブレードの接着継手であり得る。

本願はさらにタービンブレードの検査システムを提供する。このタービンブレード検査システムは、発熱反応型接着剤の接着継手を有する多数のタービンブレードとサーモグラフィー装置とを含み得る。サーモグラフィー装置は発熱反応型接着剤から放出された熱をイメージングして接着継手の健全性（integrity）を決定することができる。

本願はさらにタービンブレードの検査システムを提供する。このタービンブレード検査システムは、第１の外皮材及び第２の外皮材の辺りに発熱反応型接着剤の接着継手を有する多数のタービンブレードと、赤外線カメラとを含み得る。赤外線カメラは発熱反応型接着剤から放出された熱をイメージングして接着継手の健全性を決定することができる。

本願の上記並びにその他の特徴及び改良は、幾つかの図面及び後続の特許請求の範囲と併せて以下の詳細な説明を検討することで当業者には明らかとなろう。

図１は、風力タービンブレードの模式図である。 図２は、図１の風力タービンブレードの一部分の側断面図である。 図３は、本願で開示する発熱反応型接着剤による接着継手を有する風力タービンブレードで使用されるサーモグラフィー検査システムの模式図である。 図４は、発熱反応型接着剤による接着継手を有する図３の風力タービンブレードの拡大図である。 図５は、発熱反応型接着剤による接着継手を有する図３の風力タービンブレードのさらなる拡大図である。

同様の構成要素に同様の符号を付した図面を参照すると、図１及び図２は本願で開示する風力タービンブレード１００を示す。一般に、風力タービンブレード１００は主桁（primary spar）で支持される外皮材の層から構築できる。具体的には、風力タービンブレード１００は先端１１０から反対側の根元１２０まで延在する。先端１１０と根元１２０の間にはスパーキャップ１３０及びシアウェブ１４０が延在する。シアウェブ１４０は風力タービンブレード１００における主要構造支持体として作用する。スパーキャップ１３０は、風力タービンブレード１００での引張荷重に適応すべくシアウェブ１４０と共に風力タービンブレード１００の長さ全体に延在するガラス部であってもよい。風力タービンブレード１００及びその部品は、任意の大きさ、形状又は構成のものでよい。他の部品及び他の構成も使用できる。

上述の通り、風力タービンブレード１００は外皮材として形成できる。例えば、第１の外皮材１５０は第１の前縁外皮材１６０から第１の後縁外皮材１７０まで延在し、負圧面１８０を画成する。第１の外皮材１５０は第２の外皮材１９０に接着できる。第２の外皮材１９０は第２の前縁外皮材２００から第２の後縁外皮材２１０まで延在し、正圧面２２０を画成する。外皮材１５０、１９０はコア材料と同様に繊維強化材料から作製できる。具体的には、外皮材１５０、１９０の層は繊維−樹脂マトリックスを含む。コア材料としては、発泡材料、バルサ木材、特注コア材料などが挙げられる。他の種類の材料も使用できる。

本例では、外皮材１５０、１９０を発熱反応型接着剤２３０を介して接着して接着継手２４０を形成する。適切な発熱反応型接着剤２３０の例としては、メチルメタクリレートモノマー（ＭＭＡ）、様々な種類のシアノアクリレートなどの材料を挙げることができる。概説すると、発熱反応型接着剤２３０は、触媒などの添加によって硬化時に発熱性の化学反応によって熱を発生する。多くの二液型エポキシは少なくとも部分的に発熱性である。接着継手２４０の外皮材１５０、１９０の複数の層及び発熱反応型接着剤２３０は従来法で硬化すればよい。

発熱反応型接着剤２３０によって形成された接着継手２４０における欠陥２４５は風力タービンブレード１００の全体的作動及び寿命に影響をもつ。かかる欠陥が問題となる領域には、前縁１６０、２００、後縁７０、２１０及びスパーキャップ１３０周辺が挙げられる。これらの各領域はブレード１００に加わる引張荷重の少なくとも一部を担っているので、これらの領域における繊維の屈曲は繊維の強度を低下させるおそれがある。

そこで、風力タービンブレード１００は、本願で開示する風力タービンブレードのサーモグラフィー検査システム２５０によって検査することができる。風力タービンブレードサーモグラフィー検査システム２５０は、サーモグラフィーを利用した１種の非破壊試験である。具体的には、風力タービンブレードサーモグラフィー検査システム２５０は図３及び図４に示すような赤外線カメラ２６０などを備える。本発明で熱画像を与えることができる赤外線カメラ２６０の一例はＦＬＩＲ Ｓｙｓｔｅｍｓ社、Ｆｌｕｋｅ社、Ｏｍｅｇａ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ社その他の企業から市販されている。任意の種類の熱イメージング及び／又は感知デバイスを使用できる。熱画像の目視検査に加えて、赤外線カメラ２６０で生成した熱画像を各種のソフトウェア及び／又はアルゴリズムで処理して、所定のパラメーターなどとの全体的な適合性を確保し得る。その他の部品及びその他の構成も使用できる。

使用に当たっては、風力タービンブレード１００は、上述の通り外皮材１５０、１９０間に接着継手２４０を形成する発熱反応型接着剤を用いて組み立てる。発熱反応型接着剤２３０の硬化に伴って、公知のように熱が放出される。この熱を、風力タービンブレードサーモグラフィー検査システム２５０の赤外線カメラ２６０その他の種類の熱イメージングデバイスによって視覚化すればよい。こうして、風力タービンブレードサーモグラフィー検査システム２５０は接着継手２４０の健全性を担保することができる。また、風力タービンブレードサーモグラフィー検査システム２５０は、図５に示すように、前縁１６０、２００、後縁１７０、２１０その他の位置での接着継手２４０の幅を確認できる。これらの領域は、通例超音波周波数を通さない発泡材料、バルサその他の種類のコア材料のため不鮮明となることが多い。

さらに、発熱反応型接着剤２３０の使用は、オペレータには左右されず、関心領域に熱源を正確に配置されるという利点がある。熱の発生量は、関与する材料に損傷を生じないように制御しなければならない。こうして、発熱反応型接着剤２３０による発熱反応は、オペレーターが関心領域を過熱してしまう危険性を下げる。特に、風力タービンブレード１００及び風力タービンブレードサーモグラフィー検査システム２５０の使用は、全体的な信頼性と再現性が増大した迅速で低コストの検査システムを提供する。さらに、この検査は、他の種類の試験を実施することができない「現場」補修の場面で実施できる。

タービンブレードの接着継手２４０に関連して発熱反応型接着剤２３０及び風力タービンブレードサーモグラフィー検査システム２５０の使用について説明してきたが、他の多くの種類の接着継手も本発明で検査することができる。２つの部品の接続又は接合を本発明により評価することができる。

以上の説明は本願の幾つかの実施形態のみに関することは明らかであろう。当業者は、以下の特許請求の範囲に規定される本発明の一般的思想及び範囲並びにその均等範囲から逸脱することなく、数多くの変更及び修正をなすことができる。

１００ 風力タービンブレード
１１０ 先端
１２０ 根元
１３０ スパーキャップ
１４０ シアウェブ
１５０ 第１の外皮材
１６０ 第１の前縁外皮材
１７０ 第１の後縁外皮材
１８０ 負圧面
１９０ 第２の外皮材
２００ 第２の前縁外皮材
２１０ 第２の後縁外皮材
２２０ 正圧面
２３０ 発熱反応型接着剤
２４０ 接着継手
２４５ 欠陥
２５０ 風力タービンサーモグラフィー検査システム
２６０ 赤外線カメラ
２７０ 幅

Claims (20)

1. 接着継手の検査方法であって、
   発熱反応型接着剤を第１の外皮材及び／又は第２の外皮材に塗工する工程と、
   発熱反応型接着剤を介して第１の外皮材を第２の外皮材に取り付けて接着継手を形成する工程と、
   発熱反応型接着剤を硬化させる工程と、
   接着継手に沿って発熱反応型接着剤から放出された熱をイメージングする工程と
   を含む方法。
2. 接着継手がタービンブレードの接着継手を含んでいて、発熱反応型接着剤を第１の外皮材及び／又は第２の外皮材に塗工する工程が発熱反応型接着剤を第１のタービンブレード外皮材及び／又は第２のタービンブレード外皮材に塗工することを含む、請求項１記載の方法。
3. 第１の外皮材を第２の外皮材に取り付ける工程が第１のタービンブレード外皮材を第２のタービンブレード外皮材に取り付けることを含む、請求項２記載の方法。
4. 第１のタービンブレード外皮材を第２のタービンブレード外皮材に取り付ける工程が、第１の前縁外皮材を第２の前縁外皮材に取り付け、第１の後縁外皮材を第２の後縁外皮材に取り付けることを含む、請求項３記載の方法。
5. 第１のタービンブレード外皮材を第２のタービンブレード外皮材に取り付ける工程がスパーキャップ及びシアウェブを取り付けることを含む、請求項３記載の方法。
6. 発熱反応型接着剤から放出された熱をイメージングする工程が発熱反応型接着剤から放出された熱を赤外線カメラで撮像することを含む、請求項１記載の方法。
7. 発熱反応型接着剤から放出された熱をイメージングする工程が接着継手に沿って赤外線カメラを移動させることを含む、請求項６記載の方法。
8. 発熱反応型接着剤から放出された熱をイメージングする工程が接着継手における欠陥をイメージングすることを含む、請求項１記載の方法。
9. 発熱反応型接着剤から放出された熱をイメージングする工程が接着継手の幅をイメージングすることを含む、請求項１記載の方法。
10. 接着継手を含む複数のタービンブレードであって、接着継手が発熱反応型接着剤を含んでいる複数のタービンブレードと、
    サーモグラフィー装置と
    を含むタービンブレード検査システムであって、発熱反応型接着剤から放出された熱をサーモグラフィー装置でイメージングして接着継手の健全性を決定する、タービンブレード検査システム。
11. 複数のタービンブレードが、接着継手で接合した第１の外皮材と第２の外皮材とを含む、請求項１０記載のタービンブレード検査システム。
12. 複数のタービンブレードが、接着継手で接合したスパーキャップとシアウェブとを含む、請求項１０記載のタービンブレード検査システム。
13. 発熱反応型接着剤がメチルメタクリレートモノマー、シアノアクリレート、又は二液型エポキシを含む、請求項１０記載のタービンブレード検査システム。
14. サーモグラフィー装置が赤外線カメラを含む、請求項１０記載のタービンブレード検査システム。
15. 複数のタービンブレードが複合材料、繊維−樹脂マトリックス、及びコア材料からなる群から選択される、請求項１０記載のタービンブレード検査システム。
16. 複数のタービンブレード、及び
    赤外線カメラ
    を含み、
    複数のタービンブレードが第１の外皮材及び第２の外皮材の辺りに接着継手を含み、接着継手が発熱反応型接着剤を含み、
    赤外線カメラが発熱反応型接着剤から放出された熱をイメージングして接着継手の健全性を決定する、
    タービンブレード検査システム。
17. 複数のタービンブレードが接着継手で接合したスパーキャップ及びシアウェブを含む、請求項１６記載のタービンブレード検査システム。
18. 発熱反応型接着剤がメチルメタクリレートモノマー、シアノアクリレート、又は二液型エポキシを含む、請求項１６記載のタービンブレード検査システム。
19. 複数のタービンブレードが複合材料を含む、請求項１６記載のタービンブレード検査システム。
20. 複数のタービンブレードが繊維−樹脂マトリックスとコア材料とを含む、請求項１６記載のタービンブレード検査システム。