JP2015116672A - 繊維強化複合部材の接合方法及び接合体、並びに風車翼の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】樹脂及び繊維束を含む第1繊維強化ロッド部材11の集合である第1繊維強化複合部材10の端部と、樹脂及び繊維束を含む第2繊維強化ロッド部材21の集合である第2繊維強化複合部材20の端部とを突き合わせる突合せステップと、前記第1繊維強化複合部材10の前記端部と前記第2繊維強化複合部材20の前記端部とを接合する接合ステップと、を備える。前記第1繊維強化複合部材10の前記端部には前記少なくとも一本の前記第1繊維強化ロッド部材11によって第1凹部16が形成されており、前記第2繊維強化複合部材20の前記端部には前記少なくとも一本の前記第2繊維強化ロッド部材21によって第2凸部が形成している。
【選択図】図2
Description
従来の接合方法のうちラップ接合は、繊維強化複合部材同士を単に突き合わせて接合する場合よりも接合強度は向上するものの、やはり十分な接合強度を得ることは難しく、特に構造体やその強度部材として用いる際には強度が不足する場合がある。また、繊維強化複合部材の突き合わせ領域をテーパ状に形成する接合は、突き合わせ領域の加工に手間がかかるという問題があった。さらに、特許文献1乃至3に記載される接合方法では、繊維強化複合部材同士を突き合わせた接合部を挟むように補強材を配置しているため、圧縮応力が加えられた際に生じる面外変形をある程度抑制できるかもしれないが、必要とする圧縮強度を得るためには繊維強化複合部材同士の接合部に十分な厚さ及び面積の補強材を設けなければならない。そのため、繊維強化複合部材の用途によっては、補強材の重量やサイズが問題となり、採用が難しい場合がある。
樹脂及び繊維束を含む第1繊維強化ロッド部材の集合である第1繊維強化複合部材の端部と、樹脂及び繊維束を含む第2繊維強化ロッド部材の集合である第2繊維強化複合部材の端部とを突き合わせる突合せステップと、
前記第1繊維強化複合部材の前記端部と前記第2繊維強化複合部材の前記端部とを接合する接合ステップと、を備え、
少なくとも一本の前記第1繊維強化ロッド部材の端面が周囲の前記第1繊維強化ロッド部材の端面に対して窪み、前記第1繊維強化複合部材の前記端部には前記少なくとも一本の前記第1繊維強化ロッド部材によって第1凹部が形成されており、
少なくとも一本の前記第2繊維強化ロッド部材の端面が周囲の前記第2繊維強化ロッド部材の端面に対して突出し、前記第2繊維強化複合部材の前記端部には前記少なくとも一本の前記第2繊維強化ロッド部材によって第2凸部が形成されており、
前記突合せステップでは、前記第1繊維強化複合部材の前記第1凹部に前記第2繊維強化複合部材の前記第2凸部を嵌め合わせ、
前記接合ステップでは、前記第1繊維強化複合部材と前記第2繊維強化複合部材の端部同士を突き合わせた状態で、前記前記第1繊維強化複合部材の前記端部と前記第2繊維強化複合部材の前記端部との間の隙間に樹脂を注入し、該樹脂を硬化させることを特徴とする。
このように、第1繊維強化複合部材に複数の第1凹部を設けることにより、第1繊維強化複合部材と第2繊維強化複合部材とが嵌合する箇所が増え、より一層圧縮強度を高くできる。すなわち、第1繊維強化部材の第1凹部と第2繊維強化部材の第2凸部との嵌合箇所の増加に伴って、第1凹部の壁面と第2凸部の上下面との接触部(樹脂を介した接触部も含む。)の面積が増大するので、接合体の面外方向への変形がより一層抑制される。
このように、第1繊維強化ロッド部材にも第2繊維強化複合部材側に突出した第1凸部が設けられ、これに対応して第2繊維強化複合部材に第2凹部が設けられていることで、第1繊維強化複合部材と第2繊維強化複合部材とが嵌合する箇所が更に増加し、圧縮強度の更なる向上が図れる。すなわち、第1繊維強化部材の第1凸部と第2繊維強化部材の第2凹部とを追加的に嵌合させることで、第1凹部の壁面と第2凸部の上下面との接触部だけでなく、第2凹部の壁面と第1凸部の上下面との接触部が接合体の面外方向への変形抑制に寄与するようになる。
これにより、接合体の厚さ方向に関して、第1凹部の壁面と第2凸部の上下面との接触部と、第2凹部の壁面と第1凸部の上下面との接触部とを多層に形成することができる。よって、接合体の厚さ方向における各接触部の数を増やすことで、第1繊維強化複合部材と第2繊維強化複合部材の接合部の幅方向サイズにかかわらず、接合体の面外方向への変形抑制に寄与しうる前記接触部の面積を任意に増大させることができる。
これにより、互いに嵌合する第1繊維強化複合部材及び第2繊維強化複合部材の端部に可撓性を持たせることができるので、各凸部とこれに対応する凹部との位置とが多少ずれていても、端部同士を容易に嵌合させることが可能となる。
樹脂及び繊維束を含む第1繊維強化ロッド部材の集合である第1繊維強化複合部材と、
樹脂及び繊維束を含む第2繊維強化ロッド部材の集合であり、前記第1繊維強化複合部材に接合される第2繊維強化複合部材と、を備え、
少なくとも一本の前記第1繊維強化ロッド部材の端面が周囲の前記第1繊維強化ロッド部材の端面に対して窪み、前記第1繊維強化複合部材の前記端部には前記少なくとも一本の前記第1繊維強化ロッド部材によって第1凹部が形成されており、
少なくとも一本の前記第2繊維強化ロッド部材の端面が周囲の前記第2繊維強化ロッド部材の端面に対して突出し、前記第2繊維強化複合部材の前記端部には前記少なくとも一本の前記第2繊維強化ロッド部材によって第2凸部が形成されており、
前記第1繊維強化複合部材の前記第1凹部に前記第2繊維強化複合部材の前記第2凸部が嵌合するように、前記第1繊維強化複合部材と前記第2繊維強化複合部材の端部同士が突き合わされて接合されている。
外皮材と、翼長方向に延在して設けられるスパーキャップとを含む風車翼の製造方法であって、
前記スパーキャップが、樹脂及び繊維束を含む第1繊維強化ロッド部材の集合である第1繊維強化複合部材と、樹脂及び繊維束を含む第2繊維強化ロッド部材の集合である第2繊維強化複合部材と含み、
前記第1繊維強化複合部材の端部と、前記第2繊維強化複合部材の端部とを突き合わせる突合せステップと、
前記第1繊維強化複合部材の前記端部と前記第2繊維強化複合部材の前記端部とを接合する接合ステップと、を備え、
少なくとも一本の前記第1繊維強化ロッド部材の端面が周囲の前記第1繊維強化ロッド部材の端面に対して窪み、前記第1繊維強化複合部材の前記端部には前記少なくとも一本の前記第1繊維強化ロッド部材によって第1凹部が形成されており、
少なくとも一本の前記第2繊維強化ロッド部材の端面が周囲の前記第2繊維強化ロッド部材の端面に対して突出し、前記第2繊維強化複合部材の前記端部には前記少なくとも一本の前記第2繊維強化ロッド部材によって第2凸部が形成されており、
前記突合せステップでは、前記第1繊維強化複合部材の前記第1凹部に前記第2繊維強化複合部材の前記第2凸部を嵌め合わせ、
前記接合ステップでは、前記第1繊維強化複合部材と前記第2繊維強化複合部材の端部同士を突き合わせた状態で、前記前記第1繊維強化複合部材の前記端部と前記第2繊維強化複合部材の前記端部との間の隙間に樹脂を注入し、該樹脂を硬化させることを特徴とする。
上記風車翼の製造方法は、スパーキャップの構成部材である第1繊維強化複合部材と第2繊維強化複合部材の端部同士を突き合わせる突合せステップと、突き合わせた端部を接合する接合ステップとを含む。そして、突合わせステップでは、第1繊維強化複合部材の第1凹部に第2繊維強化複合部材の第2凸部を嵌め合わせ、接合ステップにおいて、第1繊維強化複合部材の端部と第2繊維強化複合部材の端部との間の隙間に樹脂を注入し、樹脂を硬化させることによって、第1繊維強化複合部材と第2繊維強化複合部材とを接合するようにしている。これにより、圧縮応力が加わっても面外方向へ座屈しにくい構造とすることができ、接合部における圧縮強度を高く維持できる。よって、補強材の有無にかかわらず、繊維強化複合部材の接合構造自体が高い圧縮強度の実現に寄与し、結果的に繊維強化複合部材の接合による強度信頼性の低下を抑制できる。また、第1繊維強化複合部材又は第2繊維強化複合部材は、それぞれ、樹脂及び繊維束を含む第1繊維強化ロッド部材又は第2繊維強化ロッド部材の集合によって構成されるため、第1凹部又は第2凸部を容易に形成できる。さらに、第1繊維強化ロッド部材又は第2繊維強化ロッド部材の端部長さをそれぞれ調整することで、所望の位置に所望の形状・サイズの第1凹部又は第2凸部を得ることができる。
図1及び図2に示すように、幾つかの実施形態における繊維強化複合部材の接合体1は、第1繊維強化複合部材10と、第2繊維強化複合部材20とを含み、これらの繊維強化複合部材10,20の端面が互いに接合された構成を有している。
第1繊維強化ロッド部材11又は第2繊維強化ロッド部材21は、一方向に引き揃えられた複数の強化繊維が樹脂によって一体化された繊維束を含む。また、第1繊維強化ロッド部材11又は第2繊維強化ロッド部材21の断面は、円形又は楕円形であってもよいし、方形(角が直線状に又は曲率を有するように切り欠かれた方形を含む)であってもよい。
第1繊維強化複合部材10において、少なくとも一本の第1繊維強化ロッド部材11の端面16aが周囲の第1繊維強化ロッド部材11の端面15aに対して窪んでいる。これにより、第1繊維強化複合部材10の端部には、少なくとも一本の第1繊維強化ロッド部材11によって、端面16aを有する第1凹部16が形成されている。
同様に、第2繊維強化複合部材20において、少なくとも一本の第2繊維強化ロッド部材21の端面25aが周囲の第2繊維強化ロッド部材21の端面26aに対して突出している。これにより、第2繊維強化複合部材20の端部には、少なくとも一本の第2繊維強化ロッド部材21によって、端面25aを有する第2凸部25が形成されている。
そして、繊維強化複合部材の接合体1は、第1繊維強化複合部材11の第1凹部16に第2繊維強化複合部材21の第2凸部25が嵌合するように、第1繊維強化複合部材10と第2繊維強化複合部材20の端部同士が突き合わされて接合された構成となっている。この接合体1では、第1凹部16の端面16aと第2凸部25の端面25aとは対向して位置している。端面16aと端面25aとは互いに接触するように位置してもよいし、端面16aと端面25aとの間に間隙が存在するようにそれぞれが位置してもよい。後者の場合、端面16aと端面25aとの間の間隙には樹脂が充填される。なお、第1凹部16又は第2凸部25は、第1繊維強化ロッド部材11又は第2繊維強化ロッド部材21の一本分以上の径を有していてもよい。
このように、第1繊維強化複合部材10に複数の第1凹部16を設けることにより、第1繊維強化複合部材10と第2繊維強化複合部材20とが嵌合する箇所が増え、より一層圧縮強度を高くできる。すなわち、第1繊維強化部材10の第1凹部16と第2繊維強化部材20の第2凸部25との嵌合箇所の増加に伴って、第1凹部16の壁面と第2凸部25の上下面との接触部(樹脂を介した接触部も含む。)の面積が増大するので、接合体1の面外方向への変形がより一層抑制される。
すなわち、第1繊維強化複合部材10の端部には、第1凹部16の周囲の少なくとも一本の第1繊維強化ロッド部材11によって、少なくとも一つの第1凸部15が形成されている。
同様に、第2繊維強化複合部材20の端部には、第2凸部25の周囲の少なくとも一本の第2繊維強化ロッド部材21によって、少なくとも一つの第2凹部26が形成されている。
そして、繊維強化複合部材の接合体1は、第1繊維強化複合部材11の第1凹部16に第2繊維強化複合部材21の第2凸部25が嵌合するとともに、第1繊維強化複合部材11の第1凸部15に第2繊維強化複合部材21の第2凹部26が嵌合した状態で、樹脂によって結合された構成となっている。この接合体1では、第1凹部16の端面16aと第2凸部25の端面25a、及び、第1凸部15の端面15aと第2凹部26の端面26aが、それぞれ対向して位置している。端面16aと端面25a又は端面15aと端面26aは互いに接触するように位置してもよいし、端面16aと端面25aの間又は端面15aと端面26aの間に間隙が存在するようにそれぞれが位置してもよい。後者の場合、端面16aと端面25aの間又は端面15aと端面26aの間の間隙には樹脂が充填される。
図3に示すように、一実施形態において、第1繊維強化部材10を形成する複数の第1繊維強化ロッド部材11は、第1繊維強化複合部材10の基部10b側において互いに結合されており、第1繊維強化複合部材10の端部10a側において互いに拘束されていない。具体的には、第1凹部16の端面16aから基部10b側へ距離dだけ離れた位置に、互いに拘束された部位と互いに拘束されていない部位との境界17が設けられてもよい。この距離dは0を含む(すなわち境界17が端面16aと一致する)。例えば、第1繊維強化複合部材10の製造時に、複数の第1繊維強化ロッド部材11を並べて配置した後、第1繊維強化複合部材10の端部10a側に樹脂が侵入しないようにして基部10b側にのみ樹脂を注入し、硬化又は半硬化させる。これにより、第1繊維強化複合部材10の端部10aは第1繊維強化ロッド部材11が露出した状態となり、端部10aの可撓性は維持される。
図4A〜図4Cは、第1〜第3変形例に係る繊維強化複合部材の接合体を説明するための図である。
図4Aに示す繊維強化複合部材の接合体1Aは、第1繊維強化複合部材10の第1凹部16及び第1凸部15が厚さ方向に関して交互に位置し、これに対応して、第2繊維強化複合部材20の第2凸部25及び第2凹部26が厚さ方向に関して交互に位置した構成となっている。この構成では、幅方向には凹凸が存在しない。そして、第1凹部16と第2凸部25、及び、第1凸部15と第2凹部26が、それぞれ嵌合した状態で、第1繊維強化複合部材10と第2繊維強化複合部材20の端部同士が突き合わされて接合されている。これにより、第1繊維強化複合部材10と第2繊維強化複合部材20の幅方向における接触面が存在しないため、接合時に第1繊維強化複合部材10と第2繊維強化複合部材20の幅方向の位置調整が容易に行える。
一実施形態に係る繊維強化複合部材の接合方法は、第1繊維強化複合部材10の端部と第2繊維強化複合部材20の端部とを突き合わせる突合せステップと、第1繊維強化複合部材10の端部と第2繊維強化複合部材20の端部とを接合する接合ステップと、を備える。なお、各繊維強化複合部材10,20の構成については、上述した接合体1と同様であるため、その詳細な説明を省略する。
合部材10の第1凹部16に第2繊維強化複合部材20の第2凸部25を嵌め合わせる。このとき、第1凹部16及び第2凸部25がそれぞれ複数存在する場合には、複数の第1凹部16にそれぞれ第2凸部25を嵌め合わせる。また、第1繊維強化複合部材10が第1凹部16及び第2凸部25を有し、第2繊維強化複合部材20が第2凸部25及び第2凹部26を有する場合には、第1凹部16に第2凸部25を嵌め合わせるとともに、第1凸部15を第2凹部26に嵌め合わせる。
接合ステップでは、図2(c)に示すように、第1繊維強化複合部材10と第2繊維強化複合部材20の端部同士を突き合わせた状態で、第1繊維強化複合部材10の端部と第2繊維強化複合部材20の端部との間の隙間に樹脂を注入し、樹脂を硬化させる。接合ステップにおける具体的な接合手法として、例えばVaRTM(減圧注入工法)を用いることができる。すなわち、第1繊維強化複合部材10と第2繊維強化複合部材20とを突き合わせた接合部をバキュームバッグフィルムで覆い、このフィルム内部空間を減圧状態とした後、低粘度の熱硬化性樹脂(例えば不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂等)を注入して硬化させる。なお、加熱硬化が必要な樹脂については、温風機やシリコンラバーヒーターで加熱し、樹脂を硬化させてもよい。また、別の手法として、第1繊維強化複合部材10又は第2繊維強化複合部材20の端部の少なくとも一方に上記樹脂又は接着剤を予め塗布しておき、第1繊維強化複合部材10及び第2繊維強化複合部材20の端部同士を互いに差し込んだ後に、樹脂又は接着剤を硬化させるようにしてもよい。
図5は一実施形態に係る風車の全体構成を示す概略図である。図6は一実施形態に係る風車翼を示す断面図である。
図5に示すように、風車30は、少なくとも一本の風車翼31及びハブ32で構成されるロータ33と、ロータ33を回転自在に支持するナセル34と、地上又は水上に立設されてナセル34が取り付けられるタワー35と、を含む。風車30が風力発電装置である場合、ロータ33の回転が不図示の発電機に入力されて、発電を行うようになっている。
風車翼31の背側のスパーキャップ42と腹側のスパーキャップ42との間には、シアウェブ44が設けられても良い。このシアウェブ44は、外皮材41の内部空間に、翼長方向に延在している。
突合せステップでは、第1繊維強化複合部材10の第1凹部16に第2繊維強化複合部材20の第2凸部25を嵌め合わせる。
接合ステップでは、第1繊維強化複合部材10と第2繊維強化複合部材20の端部同士を突き合わせた状態で、第1繊維強化複合部材10の端部と第2繊維強化複合部材20の端部との間の隙間に樹脂を注入し、該樹脂を硬化させる。
なお、他の構成については、図1〜図4で説明した実施形態と同様であるため、詳細な説明を省略する。
10 第1繊維強化複合部材
10a 端部
10b 基部
11 第1繊維強化ロッド部材
15,25 凸部
15a,25a 端面(凸部端面)
16,26 凹部
16b,26b 端面(凹部端面)
17 境界
20 第2繊維強化複合部材
21 第2繊維強化ロッド部材
30 風車
31 風車翼
31a 翼根部
31b 先端部
32 ハブ
33 ロータ
34 ナセル
35 タワー
41 外皮
42 スパーキャップ
43 分割線
44 シアウェブ
Claims (7)
- 樹脂及び繊維束を含む第1繊維強化ロッド部材の集合である第1繊維強化複合部材の端部と、樹脂及び繊維束を含む第2繊維強化ロッド部材の集合である第2繊維強化複合部材の端部とを突き合わせる突合せステップと、
前記第1繊維強化複合部材の前記端部と前記第2繊維強化複合部材の前記端部とを接合する接合ステップと、を備え、
少なくとも一本の前記第1繊維強化ロッド部材の端面が周囲の前記第1繊維強化ロッド部材の端面に対して窪み、前記第1繊維強化複合部材の前記端部には前記少なくとも一本の前記第1繊維強化ロッド部材によって第1凹部が形成されており、
少なくとも一本の前記第2繊維強化ロッド部材の端面が周囲の前記第2繊維強化ロッド部材の端面に対して突出し、前記第2繊維強化複合部材の前記端部には前記少なくとも一本の前記第2繊維強化ロッド部材によって第2凸部が形成されており、
前記突合せステップでは、前記第1繊維強化複合部材の前記第1凹部に前記第2繊維強化複合部材の前記第2凸部を嵌め合わせ、
前記接合ステップでは、前記第1繊維強化複合部材と前記第2繊維強化複合部材の端部同士を突き合わせた状態で、前記前記第1繊維強化複合部材の前記端部と前記第2繊維強化複合部材の前記端部との間の隙間に樹脂を注入し、該樹脂を硬化させることを特徴とする繊維強化複合部材の接合方法。 - 前記第1繊維強化部材の端部には、前記周囲の前記第1繊維強化ロッド部材の端面に対して窪んだ前記少なくとも一本の前記第1繊維強化ロッド部材によって複数の前記第1凹部が形成され、
前記第2繊維強化部材の端部には、前記周囲の前記第2繊維強化ロッド部材の端面に対して突出した前記少なくとも一本の前記第2繊維強化ロッド部材によって複数の前記第2凸部が形成され、
前記突合せステップでは、複数の前記第1凹部にそれぞれ前記第2凸部を嵌め合わせることを特徴とする請求項1に記載の繊維強化複合部材の接合方法。 - 前記周囲の前記第1繊維強化ロッド部材によって少なくとも一つの第1凸部が形成されており、
前記周囲の前記第2繊維強化ロッド部材によって少なくとも一つの第2凹部が形成されており、
前記突合せステップでは、前記第1繊維強化複合部材の前記第1凸部を前記第2繊維強化複合部材の前記第2凹部を嵌め合わせることを特徴とする請求項2に記載の繊維強化複合部材の接合方法。 - 前記第1繊維強化部材の端部には、前記第1繊維強化部材の厚さ方向に関して前記第1凹部と前記第1凸部とが交互に設けられ、
前記第2繊維強化部材の端部には、前記第2繊維強化部材の厚さ方向に関して前記第2凹部と前記第2凸部とが交互に設けられることを特徴とする請求項3に記載の繊維強化複合部材の接合方法。 - 前記第1繊維強化部材を形成する複数の前記第1繊維強化ロッド部材は、前記第1繊維強化複合部材の基部側において互いに結合されており、前記第1繊維強化複合部材の前記端部側において互いに拘束されておらず、
前記第2繊維強化部材を形成する複数の前記第2繊維強化ロッド部材は、前記第2繊維強化複合部材の基部側において互いに結合されており、前記第2繊維強化複合部材の前記端部側において互いに拘束されていないことを特徴とする請求項1乃至4の何れか一項に記載の繊維強化複合部材の接合方法。 - 樹脂及び繊維束を含む第1繊維強化ロッド部材の集合である第1繊維強化複合部材と、
樹脂及び繊維束を含む第2繊維強化ロッド部材の集合であり、前記第1繊維強化複合部材に接合される第2繊維強化複合部材と、を備え、
少なくとも一本の前記第1繊維強化ロッド部材の端面が周囲の前記第1繊維強化ロッド部材の端面に対して窪み、前記第1繊維強化複合部材の前記端部には前記少なくとも一本の前記第1繊維強化ロッド部材によって第1凹部が形成されており、
少なくとも一本の前記第2繊維強化ロッド部材の端面が周囲の前記第2繊維強化ロッド部材の端面に対して突出し、前記第2繊維強化複合部材の前記端部には前記少なくとも一本の前記第2繊維強化ロッド部材によって第2凸部が形成されており、
前記第1繊維強化複合部材の前記第1凹部に前記第2繊維強化複合部材の前記第2凸部が嵌合するように、前記第1繊維強化複合部材と前記第2繊維強化複合部材の端部同士が突き合わされて接合されていることを特徴とする繊維強化複合部材接合体。 - 外皮材と、翼長方向に延在して設けられるスパーキャップとを含む風車翼の製造方法であって、
前記スパーキャップが、樹脂及び繊維束を含む第1繊維強化ロッド部材の集合である第1繊維強化複合部材と、樹脂及び繊維束を含む第2繊維強化ロッド部材の集合である第2繊維強化複合部材と含み、
前記第1繊維強化複合部材の端部と、前記第2繊維強化複合部材の端部とを突き合わせる突合せステップと、
前記第1繊維強化複合部材の前記端部と前記第2繊維強化複合部材の前記端部とを接合する接合ステップと、を備え、
少なくとも一本の前記第1繊維強化ロッド部材の端面が周囲の前記第1繊維強化ロッド部材の端面に対して窪み、前記第1繊維強化複合部材の前記端部には前記少なくとも一本の前記第1繊維強化ロッド部材によって第1凹部が形成されており、
少なくとも一本の前記第2繊維強化ロッド部材の端面が周囲の前記第2繊維強化ロッド部材の端面に対して突出し、前記第2繊維強化複合部材の前記端部には前記少なくとも一本の前記第2繊維強化ロッド部材によって第2凸部が形成されており、
前記突合せステップでは、前記第1繊維強化複合部材の前記第1凹部に前記第2繊維強化複合部材の前記第2凸部を嵌め合わせ、
前記接合ステップでは、前記第1繊維強化複合部材と前記第2繊維強化複合部材の端部同士を突き合わせた状態で、前記前記第1繊維強化複合部材の前記端部と前記第2繊維強化複合部材の前記端部との間の隙間に樹脂を注入し、該樹脂を硬化させることを特徴とする風車翼の製造方法。
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