JP2022175830A - 翼構造体および翼構造体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐エロージョン性能を向上可能な翼構造体および翼構造体の製造方法を提供する。【解決手段】翼構造体は、ＦＲＰにより形成された翼本体と、前記翼本体の前縁の少なくとも一部を覆うように設けられるエロ―ジョン抑制層と、を備え、前記エロ―ジョン抑制層は、所定の表面粗さを有することで、前記エロ―ジョン抑制層上に形成される液膜を維持するように構成された溶射層を含む。【選択図】 図２

Description

本開示は、翼構造体および翼構造体の製造方法に関する。

風車翼などの高速流体中を移動する翼構造体は、空気中の異物（例えば、雨滴、塵埃など）が衝突して浸食され、前縁側に所謂エロージョンが発生することが知られている。このエロージョンから翼構造体を保護するために、翼構造体の前縁側に耐エロージョン用の保護膜を形成するなどの対応が取られている（例えば、特許文献１）。

特許文献１には、風力タービンのローターブレードの前縁の少なくとも一部を覆う樹脂製の複数のシールドが、予め前縁に対応する形状に成形されており、これらの複数のシールドが、ローターブレードの長さ方向に互いに並んで配置され、ローターブレードに取り付けられることが開示されております。

国際公開第２０１８／２１９５２４号

翼構造体の前縁側に形成された耐エロージョン用の保護膜の表面に液滴が衝突し、液滴の衝突による衝撃圧により、上記保護膜にエロ―ジョンが発生するため、上記保護膜の耐エロージョン性能の向上が望まれている。なお、一般的に、翼構造体の空力性能の低下を避けるために、上記保護膜の表面は、凹凸のない平滑な状態に形成されている。

上述した事情に鑑みて、本開示の少なくとも一実施形態の目的は、耐エロージョン性能を向上可能な翼構造体および翼構造体の製造方法を提供することにある。

本開示の一実施形態にかかる翼構造体は、
ＦＲＰにより形成された翼本体と、
前記翼本体の前縁の少なくとも一部を覆うように設けられるエロ―ジョン抑制層と、を備え、
前記エロ―ジョン抑制層は、所定の表面粗さを有することで、前記エロ―ジョン抑制層上に形成される液膜を維持するように構成された溶射層を含む。

本開示の一実施形態にかかる翼構造体の製造方法は、
ＦＲＰにより形成された翼本体を準備するステップと、
前記翼本体の前縁の少なくとも一部を覆うように溶射層を溶射により設ける溶射層形成ステップと、
前記溶射層形成ステップの後に、前記溶射層の表面が二乗平均平方根高さＲｑ＝５～４０μｍの条件を満たすように、前記溶射層の表面処理を行う表面処理ステップと、備える。

本開示の少なくとも一実施形態によれば、耐エロージョン性能を向上可能な翼構造体および翼構造体の製造方法が提供される。

本開示の一実施形態にかかる翼構造体の平面図である。 図１に示される翼構造体の前縁近傍の概略断面図である。 エロ―ジョン過程を説明するための説明図である。 図３に示される潜伏期における材料の表面を説明するための説明図である。 図３に示される定常エロ―ジョン速度期における材料の表面を説明するための説明図である。 図３に示される最終エロ―ジョン期における材料の表面を説明するための説明図である。 濡れ性を説明するための説明図である。 面積比ｒと二乗平均平方根高さＲｑとの関係を説明するための説明図である。 本開示の一実施形態にかかる翼構造体の製造方法の一例を示すフロー図である。 本開示の一実施形態にかかる翼構造体を備える風力発電装置の概略構成図である。 本開示の一実施形態にかかる翼構造体の平面図である。 図１１に示される翼構造体の前縁近傍の概略断面図である。

以下、添付図面を参照して本開示の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本開示の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
なお、同様の構成については同じ符号を付し説明を省略することがある。

（翼構造体）
図１は、本開示の一実施形態にかかる翼構造体の平面図である。図２は、図１に示される翼構造体の前縁近傍の概略断面図である。図２では、翼本体の長さ方向（翼長方向）に直交する断面が概略的に示されている。
幾つかの実施形態にかかる翼構造体１は、図１に示されるように、翼本体２と、翼本体２の前縁２１の少なくとも一部を覆うように設けられるエロ―ジョン抑制層３と、を備える。

（翼本体）
図１に示されるように、翼本体２は、翼根２２から翼先端２３に向かう翼長方向に沿って延在する。翼本体２は、前縁２１と、後縁２４と、前縁２１と後縁２４との間に延在する一面である圧力面２５と、前縁２１と後縁２４との間に延在する他面である負圧面２６と、を有する。前縁２１および後縁２４の夫々は、翼根２２から翼先端２３までに亘り延在する。

翼本体２は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）やガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）などの繊維強化プラスチック材（ＦＲＰ）により形成されている。図２に示されるように、翼本体２は、翼本体２の表面（前縁２１の外表面）２７の一部に、エロ―ジョン抑制層３により被覆される被溶射面２７Ａを有する。被溶射面２７Ａは、表面２７のうちの、前縁２１の少なくとも一部を含む面からなる。

（エロ―ジョン抑制層）
図２に示されるように、エロ―ジョン抑制層３は、溶射により翼本体２の（被溶射面２７Ａ）上に形成された溶射層３Ａを含む。溶射層３Ａは、基材である翼本体２の表面２７に加熱された溶射材を吹き付けることで、翼本体２の表面２７上に形成された皮膜からなる。該被膜は、溶射材が凝固し密着することにより形成される。エロ―ジョン抑制層３は、雨滴や塵などの液滴エロ―ジョンから翼本体２を保護するための保護層（最外層）として機能する。

（エロ―ジョン過程）
図３は、エロ―ジョン過程を説明するための説明図である。図３では、延性金属についての、液滴エロ―ジョンによる損傷量と時間との関係を模式的に示している。図３の縦軸は、液滴エロ―ジョンによる損傷量であり、該損傷量は、材料である延性金属の質量減少により示される。図３の横軸は、上記材料が液滴に曝された期間を示すばく露時間である。なお、液滴エロ―ジョンによる損傷度合いを示す上記材料の体積減少や損傷深さなどを図３の縦軸にしてもよい。また、単位面積当たりに衝突する液体の量や、単位面積当たりの液滴の衝突回数を図３の横軸にしてもよい。

図３に示されるように、エロージョンの過程は、大きく３つの領域（潜伏期Ｔ１、定常エロ―ジョン速度期Ｔ２、最終エロ―ジョン期Ｔ３）に分けられる。図４は、図３に示される潜伏期における材料の表面を説明するための説明図である。図５は、図３に示される定常エロ―ジョン速度期における材料の表面を説明するための説明図である。図６は、図３に示される最終エロ―ジョン期における材料の表面を説明するための説明図である。図４～図６では、液滴をＤとし、液滴Ｄに曝される材料を４としている。

第１の領域である潜伏期Ｔ１では、図４に示されるように、液滴Ｄに曝される材料４の質量は大きく減少することはないが、材料４に弾性変形や塑性変形は生じている。塑性変形により平滑であった表面４１には、小さな凹凸やくぼみが生じ、その結果として、表面４１の不規則性が増し、応力集中の効果が働いて材料４の損傷は徐々に増大する。

第２の領域である定常エロ―ジョン速度期Ｔ２では、図３、図５に示されるように、潜伏期Ｔ１や最終エロ―ジョン期Ｔ３よりもエロージョン速度が速く、液滴エロ―ジョンにより材料４の表面４１が急激に除去されてピット４２が形成される。時間の経過に伴い、表面４１には、多数のピット４２が形成されるため、表面４１が荒れてくる。

第３の領域である最終エロ―ジョン期Ｔ３では、定常エロ―ジョン速度期Ｔ２よりもエロージョン速度が減少する。エロージョン速度の減少の理由の一つとして、材料４の表面４１が荒れてくるにつれ、深くなったピット４２内に水Ｗが溜まり、ピット４２内に溜まった水Ｗに液滴Ｄが衝突することで、液滴Ｄの衝撃を和らげる効果が作用することが考えられる。

本発明者らは、翼構造体１に液滴Ｄが打ち付けた場合に、エロ―ジョン抑制層３上に液滴Ｄにより形成された液膜Ｗ１を維持することで、液滴Ｄの衝突による衝撃圧を緩和できることを見出した。上述したエロ―ジョン抑制層３は、所定の表面粗さを有することで、エロ―ジョン抑制層３上に形成される液膜Ｗ１を維持するように構成された溶射層３Ａからなる。

溶射層３Ａの表面３１は、所定の表面粗さを有する凹凸形状に設けられており、溶射層３Ａに液滴Ｄが打ち付けた場合に、上記凹凸形状により液膜Ｗ１を維持できるようになっている。図示される実施形態では、溶射層３Ａは、サーメットやＣｏ（コバルト）基合金などのＣｏ合金のような耐摩耗性に優れた材料で構成されているため、液滴Ｄにより上記凹凸形状が変形し難く、長期間に亘り液膜Ｗ１を維持可能な形状を保つことができる。

幾つかの実施形態にかかる翼構造体１は、図２に示されるように、上述した翼本体２と、上述したエロ―ジョン抑制層３とを備える。エロ―ジョン抑制層３は、所定の表面粗さを有することで、エロ―ジョン抑制層３上に形成される液膜Ｗ１を維持するように構成された溶射層３Ａを含む。

上記の構成によれば、所定の表面粗さを有する溶射層３Ａは、翼構造体１に液滴Ｄが打ち付けられたときに、該液滴Ｄによりエロ―ジョン抑制層３上に形成される液膜Ｗ１を維持できる。この場合には、エロ―ジョン抑制層３上に形成された液膜Ｗ１に液滴Ｄが衝突するので、液膜Ｗ１が形成されていないエロ―ジョン抑制層３に直に液滴Ｄが衝突する場合に比べて、液滴Ｄの衝突による衝撃圧を緩和できる。液滴Ｄの衝突による衝撃圧を緩和することで、エロ―ジョン抑制層３のエロ―ジョンの進展を抑制でき、ひいてはエロ―ジョン抑制層３に覆われた翼本体２の前縁２１のエロ―ジョンの進展を抑制できる。つまり、翼構造体１は、エロ―ジョン抑制層３上に形成される液膜Ｗ１を維持し、該液膜Ｗ１により液滴Ｄの衝撃を減ずることで、耐エロージョン性能を向上可能である。

なお、ＦＲＰにより形成された翼本体２に溶射する場合には、金属材料により形成された翼本体２に溶射する場合に比べて、溶射層３Ａの表面粗さが大きくなる傾向がある。このため、ＦＲＰにより形成された翼本体２は、金属材料により形成された翼本体２に比べて、溶射層３Ａの表面３１を、所定の表面粗さを有する凹凸形状に形成することが容易である。

幾つかの実施形態では、上述した溶射層３Ａは、サーメット又はＣｏ基合金などのＣｏ合金により構成されている。なお、上記サーメットは、アルミナ、タングステンカーバイド、窒化珪素、炭化珪素、ジルコニア又はクロムカーバイトの少なくとも一つを含む。溶射層３Ａは、耐食性、耐摩耗性及び高温強度に優れるＣｏ基合金などにより構成されることが好ましい。或る実施形態では、溶射層３Ａを構成するＣｏ基合金は、Ｃｒ（クロム）、Ｃ（炭素）を少なくとも含み、残部がＣｏからなる。この溶射層３Ａを構成するＣｏ基合金は、Ｍｏ（モリブデン）、Ｓｉ（ケイ素）、Ｗ（タングステン）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｆｅ（鉄）の少なくとも１つをさらに含んでいてもよい。上記の構成によれば、溶射層３Ａは、サーメットやＣｏ基合金などのＣｏ合金のような耐熱性や耐摩耗性に優れた材料で構成されているため、高い耐エロージョン性能を発揮できる。なお、他の幾つかの実施形態では、上述した溶射層３Ａは、サーメットやＣｏ合金以外の材料により構成されていてもよい。

幾つかの実施形態では、上述した溶射層３Ａの表面３１の表面粗さは、二乗平均平方根高さＲｑ＝５～４０μｍの条件を満たす。上記の構成によれば、溶射層３Ａの表面３１を二乗平均平方根高さＲｑ＝５～４０μｍの条件を満たす粗さにすることで、溶射層３Ａの表面３１上に形成される液膜Ｗ１を効果的に維持できる。このため、該液膜Ｗ１により液滴Ｄの衝突による衝撃圧を緩和できる。

なお、溶射層３Ａの表面３１の表面粗さが小さすぎる（例えば、Ｒｑ＜５μｍ）と、液膜Ｗ１の維持が困難になる虞がある。溶射層３Ａの表面３１の表面粗さが大きすぎる（例えば、Ｒｑ＞４０μｍ）と、溶射層３Ａが受ける摩擦抵抗が増大するため、翼構造体１の空力性能の低下を招く虞がある。上述した溶射層３Ａの表面３１の表面粗さは、二乗平均平方根高さＲｑ＝１０～３０μｍの条件を満たすことが好ましい。

（溶射層表面の濡れ性）
溶射層３Ａの表面３１上に液膜Ｗ１を維持できるかは、表面３１の濡れ性に関係する。図７は、濡れ性を説明するための説明図である。図７に示されるように、固体４３の表面４４上に液滴Ｄが形成されると、固体４３と液滴Ｄとの間の表面張力により、液滴Ｄの外縁部（接触線）の接線と表面４４とが接触角を持つ平衡状態になる。上記接触角が小さいほど、濡れ性が良く、液体の親和性（付着しやすさ）が高い。図７中θｗは、粗い面に対する接触角を表し、図７中θは、上記粗い面と同じ材質の平坦面に対する接触角を表している。図７に示されるように、接触角θ＜９０°の条件を満たす親水面では、その表面粗さが増加するにつれ、接触角θｗが小さくなる傾向がある。これに対して、接触角θ＞９０°の条件を満たす疎水面では、その表面粗さが増加するにつれ、接触角θｗが大きくなる傾向がある。

溶射層３Ａの表面３１の濡れ性は、溶射層３Ａの上記所定の表面粗さを有する粗面に対する接触角をθｗと定義し、溶射層３Ａと同じ材質の平坦面に対する接触角をθと定義したときに、以下のＷｅｎｚｅｌの式（１）で表すことができる。
ｃｏｓθｗ＝ｒ・ｃｏｓθ ・・・（１）
なお、上記式（１）におけるｒは、平面に対する粗面の面積比を表しており、表面が荒い程、面積比ｒが大きくなる。面積比ｒ＝１．７以下が、上記式（１）の適用範囲になっている。

幾つかの実施形態では、上述した溶射層３Ａの表面３１の表面粗さは、上記式（１）において、面積比ｒ＝１．１～１．７を満たす。図８は、面積比ｒと二乗平均平方根高さＲｑとの関係を説明するための説明図である。図８では、面積比ｒを縦軸とし、二乗平均平方根高さＲｑを横軸としている。図８には、面積比ｒと二乗平均平方根高さＲｑとの関係を示す曲線Ｃが示されている。上記曲線Ｃは、数値シミュレーションにより、二乗平均平方根高さＲｑをパラメータとした表面粗さを構築し、該表面粗さの表面積を算出し、算出した表面積から面積比ｒを算出することで求められたものである。図８に示されるように、上記曲線Ｃは、Ｒｑ＝１０μｍ（ｒ＝１．１）を越えてから立ち上がり、単調増加している。また、図８では、ｒ＝１．７の条件を満たすときに、Ｒｑが２９μｍになっている。このため、面積比ｒ＝１．１～１．７を満たすとは、二乗平均平方根高さＲｑ＝１０～２９μｍを満たすと言い換えることができる。変曲点となるｒ＝１．１からｒ＝１．７の範囲で溶射層３Ａの表面３１の表面粗さを規定することで、適切な濡れ性を有し、表面３１上に液膜Ｗ１を効果的に維持できる。

上記の構成によれば、溶射層３Ａの表面３１を上記式（１）において、ｒ＝１．１～１．７を満たす粗さにすることで、溶射層３Ａの表面３１上に形成される液膜Ｗ１を効果的に維持できる。このため、該液膜Ｗ１により液滴の衝突による衝撃圧を緩和できる。

図９は、本開示の一実施形態にかかる翼構造体の製造方法の一例を示すフロー図である。図９に示されるように、翼構造体１の製造方法１００は、上述した翼本体２を準備する準備ステップＳ１と、翼本体２の前縁２１の少なくとも一部を覆うように溶射層３Ａを溶射により設ける溶射層形成ステップＳ２と、を備える。

（下地処理）
図９に示されるように、翼構造体１の製造方法１００は、溶射層形成ステップＳ２の前に、翼本体２の被溶射面２７Ａが所定の表面粗さを有するように、被溶射面２７Ａの表面処理を行う下地処理ステップＳ３をさらに備えていてもよい。下地処理ステップＳ３では、ブラストやショットピーニングなどの機械的処理、レーザー加工などの熱的処理、エッチングなどのケミカル処理、又は研削などの機械加工のうちの、少なくとも１つを行うことで、被溶射面２７Ａに凹凸が形成される。或る実施形態では、下地処理ステップＳ３において、被溶射面２７Ａの表面粗さが、算術平均粗さＲａ＝３．２～６．３μｍの条件を満たすように、被溶射面２７Ａの表面処理が行われる。

幾つかの実施形態では、上述した翼構造体１の翼本体２は、エロ―ジョン抑制層３（溶射層３Ａ）により被覆される被溶射面２７Ａを有する。この被溶射面２７Ａの表面粗さは、算術平均粗さＲａ＝３．２～６．３μｍの条件を満たす。上記の構成によれば、被溶射面２７Ａを算術平均粗さＲａ＝３．２～６．３μｍの条件を満たす粗さにすることで、被溶射面２７Ａに溶射により設けられた溶射層３Ａは、被溶射面２７Ａの表面粗さが反映された好適な粗さ、すなわち、溶射層３Ａ上に液膜Ｗ１を維持可能な粗さを有する表面３１が形成される。

（溶射層の表面処理）
図９に示されるように、翼構造体１の製造方法１００は、溶射層形成ステップＳ２の後に、溶射層３Ａの表面３１が所定の表面粗さを有するように、溶射層３Ａの表面処理を行う表面処理ステップＳ４をさらに備えていてもよい。表面処理ステップＳ４では、ブラストやショットピーニングなどの機械的処理、レーザー加工などの熱的処理、エッチングなどのケミカル処理、又は研削などの機械加工のうちの、少なくとも１つを行うことで、溶射層３Ａの表面３１に凹凸が形成される。或る実施形態では、表面処理ステップＳ４において、溶射層３Ａの表面３１の表面粗さが、Ｒｑ＝５～４０μｍの条件を満たすように、表面３１の表面処理が行われる。なお、表面処理ステップＳ４では、溶射層３Ａの表面３１の表面粗さが、Ｒｑ＝１０～３０μｍ、又はＲｑ＝１０～２９μｍの何れかの条件を満たすように、表面３１の表面処理が行われてもよい。

上記の方法によれば、溶射層３Ａの表面処理を行い、溶射層３Ａの表面３１を液膜Ｗ１を維持可能な粗さ（例えば、Ｒｑ＝５～４０μｍ）にすることで、翼構造体１に打ち付けられた液滴により、溶射層３Ａの表面３１上に形成される液膜Ｗ１を効果的に維持できる。このため、液膜Ｗ１により液滴Ｄの衝突による衝撃圧を緩和できる。また、上記の方法によれば、溶射層３Ａの形成後であっても、溶射層３Ａの表面３１を所定の粗さ（例えば、Ｒｑ＝５～４０μｍ）にできるため、溶射層３Ａの形成後であっても耐エロージョン性能を向上可能である。

（風力発電装置）
図１０は、本開示の一実施形態にかかる翼構造体を備える風力発電装置の概略構成図である。幾つかの実施形態では、図１０に示されるように、上述した翼構造体１は、風車翼１Ａからなる。風力発電装置１０は、少なくとも１つの風車翼１Ａと、風車翼１Ａが取り付けられるハブ１１と、ハブ１１の回転によって駆動される発電機（不図示）と、風車翼１Ａ及びハブ１１を含むロータ１２（風車ロータ）を回転自在に支持するナセル１３と、ナセル１３を支持するタワー１４と、グランドＧ上に設けられタワー１４を支持するベース１５と、を備える。

風力発電装置１０は、放射状に配列されるようにハブ１１に対して取り付けられる複数の風車翼１Ａを備えていてもよい。換言すると、上述した少なくとも１つの風車翼１Ａは、放射状に配列されるようにハブ１１に対して取り付けられる複数の風車翼１Ａを含んでいてもよい。複数の風車翼１Ａの夫々は、翼根２２がハブ１１に固定され、翼先端２３がハブ１１を中心として翼根２２よりも径方向における外側に位置している。タワー１４およびベース１５は、陸上又は洋上に立設される。なお、図１０では、タワー１４およびベース１５が陸上に設置された場合を図示している。

風力発電装置１０では、風を受けて風車翼１Ａを含むロータ１２が回転し、このロータ１２の回転力が不図示の発電機に伝達されて、この発電機において電力が生成されるようになっている。

なお、本開示のかかる翼構造体１は、風車翼１Ａ以外に適用可能である。例えば、或る実施形態では、翼構造体１は、航空機の翼からなる。翼構造体１が風車翼１Ａや航空機の翼として用いられる場合には、翼構造体１の落雷対策が必要となる。

（翼構造体の落雷保護構造）
図１１は、本開示の一実施形態にかかる翼構造体の平面図である。図１２は、図１１に示される翼構造体の前縁近傍の概略断面図である。図１２では、翼本体の長さ方向（翼長方向）に直交する断面が概略的に示されている。
幾つかの実施形態では、図１２に示されるように、上述した翼構造体１は、上述した翼本体２と、上述したエロ―ジョン抑制層３と、導電部５と、を備える。エロ―ジョン抑制層３は、上述した溶射層３Ａと、翼本体２と溶射層３Ａとの間に形成された中間層３Ｂと、を含む。中間層３Ｂは、溶射層３Ａより電気抵抗率が小さい。導電部５は、図１０に示されるように、中間層３ＢをグランドＧに接続している。換言すると、中間層３Ｂは、導電部５を介してグランドＧに電気的に接続されている。ここで、「グランド」とは、翼構造体１に発生した落雷電流などの電流が最終的に放電される場所を云う。

溶射層３Ａに落雷した場合、溶射層３Ａの直下に溶射層３Ａよりも電気抵抗率が小さい中間層３Ｂが存在するため、溶射層３Ａに帯電した落雷電流を速やかに中間層３Ｂおよび導電部５を介してグランドＧ側に流すことができる。これにより、落雷電流による溶射層３Ａ、中間層３Ｂおよび翼本体２の損傷を抑制できる。なお、中間層３Ｂは、必ずしも溶射層３Ａの全域に亘り設ける必要はないが、中間層３Ｂを溶射層３Ａの全域に設けることで、溶射層３Ａに帯電した落雷電流を中間層３Ｂを介して速やかにグランドＧ側へ流すことができる。

中間層３Ｂは、翼本体２の被溶射面２７Ａ上に設けられる。中間層３Ｂは、溶射層３Ａの形成前に翼本体２の被溶射面２７Ａ上に形成される。中間層３Ｂも溶射層３Ａと同様に、雨滴や塵などの液滴エロ―ジョンから翼本体２を保護するための保護層として機能する。中間層３Ｂは、様々な方法により形成可能である。例えば、溶射により中間層３Ｂを形成してもよいし、シート状に形成された中間層３Ｂを翼本体２の表面２７に貼り付けてもよい。溶射層３Ａは、中間層３Ｂ上に設けられる。中間層３Ｂの表面３２に加熱された溶射材を吹き付けることで、中間層３Ｂの表面３２上に形成された皮膜からなる。

上述した翼構造体１の製造方法１００は、溶射層形成ステップＳ２よりも前に、翼本体２の前縁２１の少なくとも一部を覆うように中間層３Ｂを設ける中間層形成ステップをさらに備えていてもよい。また、翼構造体１の製造方法１００は、溶射層形成ステップＳ２よりも前に、中間層３Ｂが所定の表面粗さ（例えば、Ｒａ＝３．２～６．３μｍ）を有するように、中間層３Ｂの表面処理（下地処理）を行う表面処理ステップをさらに備えていてもよい。

幾つかの実施形態では、中間層３Ｂは、銅、銅合金、アルミ又はアルミ合金で構成されている。アルミ合金として、例えばジュラルミンを適用できる。中間層３Ｂをこのような電気抵抗率が小さい材料で構成することで、溶射層３Ａに帯電した落雷電流をグランドＧ側へ容易に流すことができ、溶射層３Ａに帯電した落雷電流の逃し効果を向上できる。また、中間層３Ｂを上記材料で構成することで、中間層３Ｂが溶射層３Ａよりも硬度やヤング率が小さなものになるため、翼本体２への攻撃性が低く、翼本体２との密着性が高い。このような中間層３Ｂにより、溶射層３Ａが翼本体２から剥離したり又は脱落するのを抑制できる。

幾つかの実施形態では、図１１に示されるように、上述した溶射層３Ａおよび上述した中間層３Ｂの夫々は、翼本体２の長さ方向（翼長方向）における翼本体２の翼先端２３から翼本体２の長さの１／２までの領域の少なくとも一部に設けられている。エロージョンは周速に依存するため、例えば、風車翼１Ａなどにおいて、翼本体２の翼先端２３側は、翼本体２の翼根２２側に比べて、エロージョンの影響を受け易い。上記の構成によれば、溶射層３Ａおよび中間層３Ｂの夫々を、翼本体２の長さ方向における翼本体２の翼先端２３から翼本体２の長さの１／２までの領域の少なくとも一部に設けることで、エロ―ジョンの影響を受けやすい領域の耐エロージョン性能を向上可能である。

なお、翼構造体１が中間層３Ｂを含まない構成の場合に、溶射層３Ａを翼本体２の長さ方向（翼長方向）における翼本体２の翼先端２３から翼本体２の長さの１／２までの領域の少なくとも一部に設けてもよい。

幾つかの実施形態では、上述した溶射層３Ａおよび上述した中間層３Ｂの合計厚さが、２００μｍ以上２０００μｍ以下の条件を満たす。この場合には、溶射層３Ａによる耐エロージョン性を確保しつつ、翼本体２の被溶射面２７Ａを覆う溶射層３Ａおよび中間層３Ｂが厚くなり過ぎるのを抑制できる。なお、エロ―ジョン抑制層３の表面３１と翼本体２の表面２７との間で段差が生じないように厚さを高精度で調整することも可能であるため、エロ―ジョン抑制層３形成後においても翼構造体１の空力性能を高く維持できる。

溶射層３Ａの厚さは、主として翼構造体１（風車翼１Ａ）の先端周速によって決定され、中間層３Ｂの厚さは、主として電気抵抗率の必要性などで決定される。或る実施形態では、溶射層３Ａの厚さは１００～１０００μｍの範囲とし、中間層３Ｂの厚さは１００～１０００μｍの範囲とする。これにより、溶射層３Ａは、翼構造体１（風車翼１Ａ）の先端周速周速に対抗し得る耐エロージョン性能と被膜強度を確保できる。中間層３Ｂは、電気抵抗率を低下させて必要な電気伝導性を確保する断面積を確保できる。

なお、翼構造体１が中間層３Ｂを含まない構成の場合に、溶射層３Ａの厚さは１００～１０００μｍの範囲としてもよい。

本開示は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

上述した幾つかの実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握されるものである。

１）本開示の少なくとも一実施形態にかかる翼構造体（１）は、
ＦＲＰにより形成された翼本体（２）と、
前記翼本体（２）の前縁（２１）の少なくとも一部を覆うように設けられるエロ―ジョン抑制層（３）と、を備え、
前記エロ―ジョン抑制層（３）は、所定の表面粗さを有することで、前記エロ―ジョン抑制層（３）上に形成される液膜を維持するように構成された溶射層（３Ａ）を含む。

上記１）の構成によれば、所定の表面粗さを有する溶射層（３Ａ）は、翼構造体（１）に液滴が打ち付けられたときに、該液滴によりエロ―ジョン抑制層（３）上に形成される液膜を維持できる。この場合には、エロ―ジョン抑制層（３）上に形成された液膜に液滴を衝突させることで、液膜が形成されていないエロ―ジョン抑制層（３）に直接液滴が衝突する場合に比べて、液滴の衝突による衝撃圧を緩和できる。液滴の衝突による衝撃圧を緩和することで、エロ―ジョン抑制層（３）のエロ―ジョンの進展を抑制でき、ひいてはエロ―ジョン抑制層（３）に覆われた翼本体（２）の前縁（２１）のエロ―ジョンの進展を抑制できる。つまり、翼構造体（１）は、エロ―ジョン抑制層（３）上に形成される液膜を維持し、該液膜により液滴の衝撃を減ずることで、耐エロージョン性能を向上可能である。

２）幾つかの実施形態では、上記１）に記載の翼構造体（１）であって、
前記溶射層（３Ａ）の前記所定の表面粗さは、二乗平均平方根高さＲｑ＝５～４０μｍの条件を満たす。

上記２）の構成によれば、溶射層（３Ａ）の表面（３１）を二乗平均平方根高さＲｑ＝５～４０μｍの条件を満たす粗さにすることで、溶射層（３Ａ）の表面（３１）上に形成される液膜を効果的に維持できる。このため、該液膜により液滴の衝突による衝撃圧を緩和できる。

３）幾つかの実施形態では、上記１）又は２）に記載の翼構造体（１）であって、
前記溶射層（３Ａ）の前記所定の表面粗さを有する粗面に対する接触角をθｗと定義し、前記溶射層（３Ａ）と同じ材質の平坦面に対する接触角をθと定義したときに、前記溶射層（３Ａ）の前記所定の表面粗さは、下記式（１）：
ｃｏｓθｗ＝ｒ・ｃｏｓθ
において、ｒ＝１．１～１．７を満たす。

上記３）の構成によれば、溶射層（３Ａ）の表面（３１）を上記式（１）において、ｒ＝１．１～１．７を満たす粗さにすることで、溶射層（３Ａ）の表面（３１）上に形成される液膜を効果的に維持できる。このため、該液膜により液滴の衝突による衝撃圧を緩和できる。

４）幾つかの実施形態では、上記１）から３）までの何れかに記載の翼構造体（１）であって、
前記翼本体（２）は、前記エロ―ジョン抑制層（３）により被覆される被溶射面（２７Ａ）を有し、
前記被溶射面（２７Ａ）の表面粗さは、算術平均粗さＲａ＝３．２～６．３μｍの条件を満たす。

上記４）の構成によれば、被溶射面（２７Ａ）を算術平均粗さＲａ＝３．２～６．３μｍの条件を満たす粗さにすることで、被溶射面（２７Ａ）に溶射により設けられた溶射層（３Ａ）は、被溶射面（２７Ａ）の表面粗さが反映された好適な粗さ、すなわち、溶射層（３Ａ）上に液膜を維持可能な粗さを有する表面（３１）が形成される。

５）幾つかの実施形態では、上記１）から４）までの何れかに記載の翼構造体（１）であって、
前記溶射層（３Ａ）は、
アルミナ、タングステンカーバイド、窒化珪素、炭化珪素、ジルコニア又はクロムカー
バイトの少なくとも一つを含むサーメット、
又は、
Ｃｏ合金により構成された。

上記５）の構成によれば、溶射層（３Ａ）は、サーメットやＣｏ合金のような耐熱性や耐摩耗性に優れた材料で構成されているため、高い耐エロージョン性能を発揮できる。

６）幾つかの実施形態では、上記１）から５）までの何れかに記載の翼構造体（１）であって、
前記エロ―ジョン抑制層（３）は、
前記翼本体（２）と前記溶射層（３Ａ）との間に形成され、前記溶射層（３Ａ）より電気抵抗率が小さい中間層（３Ｂ）をさらに含み、
前記翼構造体（１）は、前記中間層（３Ｂ）をグランドに電気的に接続する導電部（５）をさらに備える。

上記６）の構成によれば、耐エロージョン膜である溶射層（３Ａ）と翼本体（２）との間に電気抵抗率が小さい中間層（３Ｂ）を設けることで、溶射層（３Ａ）に帯電した落雷電流を、中間層（３Ｂ）を介してグランド側へ速やかに流すことができ、これにより、落雷電流による溶射層（３Ａ）、中間層（３Ｂ）および翼本体（２）の損傷を抑制できる。

７）幾つかの実施形態では、上記６）に記載の翼構造体（１）であって、
前記溶射層（３Ａ）および前記中間層（３Ｂ）の夫々は、前記翼本体（２）の長さ方向における前記翼本体（２）の翼先端（２３）から前記翼本体（２）の長さの１／２までの領域の少なくとも一部に設けられた。

エロージョンは周速に依存するため、翼本体（２）の翼先端（２３）側は、翼本体（２）の翼根（２２）側に比べて、エロージョンの影響を受け易い。上記７）の構成によれば、溶射層（３Ａ）および中間層（３Ｂ）の夫々を、翼本体（２）の長さ方向における翼本体（２）の翼先端（２３）から翼本体（２）の長さの１／２までの領域の少なくとも一部に設けることで、エロ―ジョンの影響を受けやすい領域の耐エロージョン性能を向上可能である。

８）幾つかの実施形態では、上記６）又は７）に記載の翼構造体（１）であって、
前記溶射層（３Ａ）および前記中間層（３Ｂ）の合計厚さが、２００μｍ以上２０００μｍ以下の条件を満たす。

上記８）の構成によれば、溶射層（３Ａ）および中間層（３Ｂ）の合計厚さが、２００μｍ以上２０００μｍ以下の条件を満たす。この場合には、溶射層（３Ａ）による耐エロージョン性を確保しつつ、翼本体（２）の被溶射面（２７Ａ）を覆う溶射層（３Ａ）および中間層（３Ｂ）が厚くなり過ぎるのを抑制できる。なお、エロ―ジョン抑制層（３）の表面（３１）と翼本体（２）の表面（２７）との間で段差が生じないように厚さを高精度で調整することも可能であるため、エロ―ジョン抑制層（３）形成後においても翼構造体（１）の空力性能を高く維持できる。

９）本開示の少なくとも一実施形態にかかる翼構造体（１）の製造方法は、
ＦＲＰにより形成された翼本体（２）を準備するステップと、
前記翼本体（２）の前縁（２１）の少なくとも一部を覆うように溶射層（３Ａ）を溶射により設ける溶射層形成ステップと、
前記溶射層形成ステップの後に、前記溶射層（３Ａ）の表面（３１）が二乗平均平方根高さＲｑ＝５～４０μｍの条件を満たすように、前記溶射層（３Ａ）の表面処理を行う表面処理ステップと、備える。

上記９）の方法によれば、溶射層（３Ａ）の表面処理を行い、溶射層（３Ａ）の表面（３１）を二乗平均平方根高さＲｑ＝５～４０μｍの条件を満たす粗さにすることで、翼構造体（１）に打ち付けられた液滴により、溶射層（３Ａ）の表面（３１）上に形成される液膜を効果的に維持できる。このため、該液膜により液滴の衝突による衝撃圧を緩和できる。また、上記９）の方法によれば、溶射層（３Ａ）の形成後であっても、溶射層（３Ａ）の表面（３１）を所定の粗さ（二乗平均平方根高さＲｑ＝５～４０μｍの条件を満たす粗さ）にできるため、溶射層（３Ａ）の形成後であっても耐エロージョン性能を向上可能である。

１ 翼構造体
１Ａ 風車翼
２ 翼本体
３ エロ―ジョン抑制層
３Ａ 溶射層
３Ｂ 中間層
４ 材料
５ 導電部
１０ 風力発電装置
１１ ハブ
１２ ロータ
１３ ナセル
１４ タワー
１５ ベース
２１ 前縁
２２ 翼根
２３ 翼先端
２４ 後縁
２５ 圧力面
２６ 負圧面
２７ （翼本体の）表面
２７Ａ 被溶射面
３１ （溶射層の）表面
３２ （中間層の）表面
４１，４４ 表面
４２ ピット
４３ 固体
１００ 翼構造体の製造方法
Ｃ 曲線
Ｄ 液滴
Ｇ グランド
Ｒａ 算術平均粗さ
Ｒｑ 二乗平均平方根高さ
Ｓ１ 準備ステップ
Ｓ２ 溶射層形成ステップ
Ｓ３ 下地処理ステップ
Ｓ４ 表面処理ステップ
Ｔ１ 潜伏期
Ｔ２ 定常エロ―ジョン速度期
Ｔ３ 最終エロ―ジョン期
Ｗ 水
Ｗ１ 液膜
ｒ 面積比
θ 平坦面に対する接触角
θｗ 粗面に対する接触角

Claims (9)

1. ＦＲＰにより形成された翼本体と、
   前記翼本体の前縁の少なくとも一部を覆うように設けられるエロ―ジョン抑制層と、を備え、
   前記エロ―ジョン抑制層は、所定の表面粗さを有することで、前記エロ―ジョン抑制層上に形成される液膜を維持するように構成された溶射層を含む、
   翼構造体。
2. 前記溶射層の前記所定の表面粗さは、二乗平均平方根高さＲｑ＝５～４０μｍの条件を満たす、
   請求項１に記載の翼構造体。
3. 前記溶射層の前記所定の表面粗さを有する粗面に対する接触角をθｗと定義し、前記溶射層と同じ材質の平坦面に対する接触角をθと定義したときに、前記溶射層の前記所定の表面粗さは、下記式（１）：
   ｃｏｓθｗ＝ｒ・ｃｏｓθ
   において、ｒ＝１．１～１．７を満たす、
   請求項１又は２に記載の翼構造体。
4. 前記翼本体は、前記エロ―ジョン抑制層により被覆される被溶射面を有し、
   前記被溶射面の表面粗さは、算術平均粗さＲａ＝３．２～６．３μｍの条件を満たす、
   請求項１乃至３の何れか１項に記載の翼構造体。
5. 前記溶射層は、
   アルミナ、タングステンカーバイド、窒化珪素、炭化珪素、ジルコニア又はクロムカー
   バイトの少なくとも一つを含むサーメット、
   又は、
   Ｃｏ合金により構成された、
   請求項１乃至４の何れか１項に記載の翼構造体。
6. 前記エロ―ジョン抑制層は、
   前記翼本体と前記溶射層との間に形成され、前記溶射層より電気抵抗率が小さい中間層をさらに含み、
   前記翼構造体は、前記中間層をグランドに電気的に接続する導電部をさらに備える、
   請求項１乃至５の何れか１項に記載の翼構造体。
7. 前記溶射層および前記中間層の夫々は、前記翼本体の長さ方向における前記翼本体の翼先端から前記翼本体の長さの１／２までの領域の少なくとも一部に設けられた、
   請求項６に記載の翼構造体。
8. 前記溶射層および前記中間層の合計厚さが、２００μｍ以上２０００μｍ以下の条件を満たす、
   請求項６又は７に記載の翼構造体。
9. ＦＲＰにより形成された翼本体を準備するステップと、
   前記翼本体の前縁の少なくとも一部を覆うように溶射層を溶射により設ける溶射層形成ステップと、
   前記溶射層形成ステップの後に、前記溶射層の表面が二乗平均平方根高さＲｑ＝５～４０μｍの条件を満たすように、前記溶射層の表面処理を行う表面処理ステップと、備える、
   翼構造体の製造方法。

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