JP5228518B2

JP5228518B2 - 風車翼ならびにその成形金型および製造方法

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Publication number: JP5228518B2
Application number: JP2008035665A
Authority: JP
Inventors: 毅吉田; 英樹 ▲ぬで▼島
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2007-02-22
Filing date: 2008-02-18
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2028-02-18
Also published as: JP2008232141A

Description

本発明は、風車翼ならびにその成形金型および製造方法に関し、具体的には風力発電用として好適な風車翼とその成形金型およびその金型を用いた風車翼の製造方法に関する。

一般に、翼はその断面が流線型を有し、これにより流体の流れを効果的に制御する機能を発現することにより、航空機や自動車用のリアスポイラに代表される水平翼および垂直翼、航空機、ヘリコプターおよび船舶等のプロペラ翼、送風機のタービン翼や、攪拌機の翼、風力発電用の風車翼などに用いられる。これらの例のように、翼は移動体に固定されて使用されたり、またはそれ自身が回転したりすることで、流体の流れを制御する機能を利用されることが多い。

そのため、翼は軽量であることが求められる。すなわち、翼を含めた装置全体の軽量化や翼の慣性力低減により装置の構造や動力の軽装化に寄与するためである。また、翼は流体から圧力を受けるため、破壊や変形に耐え得る十分な強度と剛性を有することが必要不可欠である。これは、翼本体またはその一部の破損、飛散を防止するうえで重要な要件である。

従来、翼にはアルミ、チタン等の金属材料が用いられてきたが、軽量化かつ高剛性の要求から金属と比較して軽量で、かつ高強度、高剛性である繊維強化樹脂（以降、ＦＲＰと略す）が使用されるようになった。さらに近年では、高強度、高剛性を確保しつつ、さらなる軽量化を達成するため、ＦＲＰの表皮材と該表皮材に囲まれたコア材として密度の小さい樹脂やハニカム構造材料を充填するサンドイッチ構造が提案されている。

例えば、特許文献１には、長手方向に引き揃えられた連続炭素繊維層を含むＦＲＰが一体構造の樹脂多孔質体からなるコア材を完全に包含した翼部材が提案されている。特許文献1で提案される技術により、長手方向の強度および剛性の向上は図られている。しかし、回転する風車翼が進行する方向にある翼前縁は、流体から大きな圧力を受ける、あるいは、流体中の固体により衝撃を受けるため、より高い強度が必要であるが、特許文献１ではその耐久性対策が施されていない。

かかる問題を解決せんとして、特許文献２には、強化樹脂製のスキン層で囲まれた翼内部に主桁を配置し、スキン層内に配した補強布の前縁側において繊維を連続させた風力発電機用プロペラ翼が提案されている。強度が必要な翼前縁に連続した繊維を配置したことにより強度、耐久性向上を図っているが、ＦＲＰ製の翼は、通常、図４に示すように、前縁および後縁にパーティングラインを設けた２つ割構造の上下開閉金型を用いて製造されるため、型を閉じた際にスキン材が噛み込み、バリとして形成されやすく、また、そのバリを除去処理した際には、繊維を切ってしまい、破壊の起点となる危険性を大いに孕むものとなっていた。さらに、特許文献２で提案される技術では、補強部材および密度が高い主桁材料を使用しているため十分な軽量性を達成しておらず、複数の構造体を配置するため工数を余分に要することなどからコストアップも無視できない。

さらに、特許文献３には、軽量化に優れ、耐候性、耐食性及び耐衝撃性に優れた風車翼が提案されているが、図５（特許文献３の図９（ｄ）に相当）に示すように、翼前縁および翼後縁が樹脂を用いた張り合わせ構造となっているため、飛来物等が衝突した際、翼前縁にクラックが入り、翼が破損、飛散する危険性を孕むものである。また、スキン材相互の接着強度が高くないと、十分な強度や剛性が得られないため、高難度の接合技術を要し、コストアップの要因になりかねない。
特開２００６−１６１６６９号公報特開２００１−１６５０３３号公報特開２００６−１１８４３４号公報

そこで本発明の課題は、上記のような現状に鑑み、軽量かつ高剛性であり、特に翼前縁部において飛来物等の衝撃による亀裂が発生しにくい安全性に優れた風車翼とその成形金型およびその風車翼の製造方法を提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明の風車翼部材は次の構成を有する。すなわち、後述するような方法により成形されたものからなり、炭素繊維強化樹脂を表皮材とし、該表皮材よりもかさ密度の小さい樹脂多孔質体をコア材とするサンドイッチ構造を有する繊維強化樹脂製風車翼であって、前記表皮材が前記コア材を完全に包囲しており、翼前縁部には、その長手方向全長の９５％以上にわたって炭素繊維端部を含まないことを特徴とする風車翼である。

また、前記課題を解決するために、本発明の第１態様の成形金型は次の構成を有する。すなわち、複数の金型部品でキャビティが形成される、繊維強化樹脂製風車翼を成形するための成形金型であって、前記キャビティは翼前縁部を成形する位置にパーティングラインを有しないことを特徴とする風車翼の成形金型である。

また、前記課題を解決するために、本発明の第２態様の成形金型は次の構成を有する。すなわち、複数の金型部品でキャビティが形成される、繊維強化樹脂製風車翼を成形するための成形金型であって、前記キャビティは、翼受風面を成形する位置にパーティングラインを有さないとともに、少なくとも３つのパーティングラインを有し、反受風面と翼前縁部とを成形する金型部品が独立して開閉可能であることを特徴とする風車翼の成形金型である。ここで、前記反受風面と翼前縁部とを成形する金型部品が翼の長手方向に少なくとも二つ以上に分割されていることを特徴とする風車翼の成形金型であり、さらには、前記分割された金型部品がそれぞれ独立して開閉可能であることを特徴とする風車翼の成形金型である。

さらに、前記課題を解決するために、本発明の風車翼部材の製造方法は次の構成を有する。すなわち、樹脂多孔質体の周囲に強化繊維シートを配置してプリフォームを形成し、該プリフォームを前記いずれかの成形金型のキャビティに配置して成形することを特徴とする風車翼の製造方法である。

本発明によれば、軽量かつ高剛性であり、特に翼前縁部において飛来物等の衝撃による亀裂が発生しにくい安全性に優れた風車翼を提供できる。また、本発明の成形金型または製造方法によれば、かかる風車翼を簡便に低コストで製造することができる。このような風車翼は、風力発電用風車翼として特に好適に用いることができる

以下、本発明を図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の一実施態様に係る風車翼を示す斜視図である。図２は図１に示す風車翼のＡ−Ａ断面図であり、本発明の一実施態様に係る風車翼の長手軸に平行な断面図である。図３は図１に示す風車翼のＢ−Ｂ断面図であり、本発明の一実施態様に係る翼部材の長手軸に垂直な断面図である。

本発明では、効率的に翼の剛性を向上させ、軽量化を達成するため、図２、図３のように風車翼１は、繊維強化樹脂製であり、炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）を表皮材２とし、表皮材２よりもかさ密度の小さい樹脂多孔質体をコア材３とするサンドイッチ構造を有している。また、表皮材２がコア材３を完全に包囲しており、それにより、風車翼内部への水分や異物の混入を防止できるとともに、応力集中を低減できるために風車翼１の耐久性を向上させることができる。

ＣＦＲＰとしては、炭素繊維が強化繊維として用いられているが、強化繊維としては、炭素繊維に加え、ガラス繊維、有機高弾性率繊維（例えば、米国デュポン（株）社製のポリアラミド繊維“ケブラー（登録商標）”）、アルミナ繊維、シリコンカーバイド繊維、ボロン繊維、炭化ケイ素繊維等の高強度、高弾性率繊維を含んでも良い。また、ポリアミド繊維、ポリエステル繊維、アクリル繊維、ポリオレフィン繊維、ビニロン繊維等の合成繊維、さらには、有機天然繊維も併用でき、それぞれの強化繊維を単独または複数組み合わせを併用してもよい。炭素繊維としては、例えばポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系、ピッチ系、セルロース系、炭化水素による気相成長系炭素繊維、黒鉛繊維等を用いることができ、これらを２種類以上併用してもよい。中でも、強度と剛性とのバランスに優れるＰＡＮ系炭素繊維を用いることが好ましい。また強化繊維形態は連続繊維や不連続繊維のものを使用でき、両者を組み合わせてもよいが、中でも、強化繊維が一方向に引き揃えられたシート状のものや、強化繊維で製織した織物が剛性と軽量性を両立する上でより好ましい。

本発明において、風車翼は、翼前縁部の長手方向全長の９５％以上にわたって炭素繊維端部を含まないことが必要である。ここで、翼前縁部４とは、図３に示すように、翼回転方向１４の翼前縁（図の左端）における最も曲率の大きい点である翼前縁端部６を中心とする幅２０ｍｍの領域をいう。翼前縁部４は回転時に風を切る面であり、流体から大きな圧力を受ける、あるいは、飛来物等流体中の固体（小石、鳥や氷）により強い衝撃を受ける可能性が最も高いため、炭素繊維端部が翼前縁部４に、その長手方向全長の５％以上にわたって含まれると、衝撃による亀裂発生や破損の原因となり翼の破壊や飛散の危険性を高めることになる。また、翼前縁部４に炭素繊維端部が少ないほど、翼回転時のねじり方向の荷重に対する剛性および発電効率が向上し、フラッタリングによる振動音を抑制できる。

表皮材２であるＣＦＲＰに用いられるマトリックス樹脂としては、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を使用することができる。具体的には、熱硬化性樹脂として、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、シアネート樹脂、ベンゾオキサジン樹脂、マレイミド樹脂、ポリイミド樹脂などを、熱可塑性樹脂としては、ＡＢＳ樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ナイロン樹脂などを挙げることができる。熱硬化性樹脂は熱により硬化して、少なくとも部分的に三次元硬化物を形成する樹脂であり、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、本発明では最も好ましく用いられる。また、不飽和ポリエステル樹脂は耐候性、耐環境性に優れていて耐久性上好ましく、ビニルエステル樹脂は耐衝撃性に優れていて好ましい。

コア材３としては、剛性を保持したまま軽量化を達成するために表皮材２よりもかさ密度の小さい樹脂多孔質体を使用する必要がある。樹脂多孔質体は、その主成分が樹脂からなり、構造内部に空隙を多数供えた構造を有する。空隙は発泡剤が発泡したものでも良いし、中空ガラスビーズ等を多数含んだシンタクティックコアでも良い。樹脂としては熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等を使用することができる。例えば、熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂等があり、熱可塑性樹脂としては、ポリアミド樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリシクロヘキサンジメチルテレフタレート等のポリエステル樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン樹脂、ＨＩＰＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂、ＡＥＳ樹脂、ＡＡＳ樹脂等のスチレン系樹脂、ポリメチルメタクリレート樹脂等のアクリル樹脂、塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエーテルイミドやポリメタクリルイミド等のイミド樹脂、さらには各種エラストマー類等がある。これらは、単独で使用しても良いし、複数を混合して使用しても良い。より具体的には、コア材３は一体構造の樹脂多孔質体を用いることが好ましい。ここで、一体構造とは、樹脂多孔質体が分割されておらず、コア材３全体に渡って樹脂部分が物理的（形態）にも化学的（組成）にも連続している状態をいう。また、コア材のかさ密度は軽量性を確保するため、通常０．０５〜１ｇ／ｃｍ^３とする。ここで、コア材のかさ密度とは、外見上の体積当たりの質量、すなわち、空隙を含んだ場合の密度のことであり、構造内部の空隙の総体積に大きく依存する。コア材のかさ密度が０．０５ｇ／ｃｍ^３未満の場合には、十分な圧縮剛性を達成することができず、風車翼が曲げ荷重に対して座屈破壊を生じやすい。一方、コア材のかさ密度が１ｇ／ｃｍ^３より大きい場合には、圧縮剛性は十分確保できるものの、重量が増大する場合がある。また、樹脂多孔体が一体構造をなしていないと、成形体である風車翼の強度が十分に得られないことが多い。さらに、風車翼１は、軽量、強度および剛性のバランスを満たすため、そのかさ密度が０．２〜１ｇ／ｃｍ^３であることがより好ましい。風車翼のかさ密度が０．２ｇ／ｃｍ^３未満の場合には、軽量であるものの、風車翼として十分な剛性および強度を達成することができないため、破壊の危険性を高めるだけでなく、ねじり方向の荷重に対する剛性が低下するため、フラッタリングによる振動音が大きくなりやすいという問題がある。また、風車翼のかさ密度が１ｇ／ｃｍ^３より大きい場合には、風車翼としてその長手方向の曲げ強度や剛性には余裕ができるが、十分な発電効率を発揮できない。

上述したような繊維強化樹脂製風車翼は、次のような成形金型、製造方法を用いることにより簡便に低コストで得ることができる。

成形金型は、複数の金型部品で構成されており、それを閉じることによりキャビティが形成されている。キャビティとは、風車翼などの成形物の外表面と接する部分であり、成形物形状と実質的に同一の形状を有する金型表面のことである。

金型部品は、金属製、セラミック製、樹脂製、コンクリート製のものが使用できるが、金属製のものが、耐久性、耐摩耗性の面で好ましく使用できる。金属としては、鉄、鋼、アルミニウム、ニッケル、銅、亜鉛合金、モリブデン等用いることができる。耐久性があり、熱による変形の少ない鉄がより好ましい。さらに、金型部品に傷が入りにくいように、ショットピーニングやメッキなどの処理をその表面に施しても差し支えない。

図６、７、８および９は、本発明の風車翼を成形するに好適な成形金型の長手軸に垂直な断面図である。図１０および図１１は、図９の断面を含む成形金型の長手軸方向に対する斜視図である。また、図６、７および８は、本発明における第１態様の成形金型の一例を、図９、１０および１１は、本発明における第２態様の成形金型の一例を示している。図６、７では、成形金型は、キャビティに成形物である風車翼１を配置した状態で金型部品が閉じており、図８、９、１０および１１では、成形金型は、成形物がない状態で金型部品が開いている。

図６や図７に示すように、第１態様の成形金型は、キャビティが翼前縁部４を成形する位置にパーティングライン９を有していない。パーティングライン９とは、金型部品と金型部品との合わせ目にできる段差、つまり、金型の分割ラインのことである。図４に示すように、２分割型の成形金型で、キャビティが翼前縁部を成形する位置にパーティングラインを有していると、上下型を閉じて加圧成形した際に、ＦＲＰ製風車翼の表皮材がマトリックス樹脂とともに、型部品同士の合わせ目に挟まれ（噛み込み）、成形後、風車翼の表面にバリとして形成される。バリは、表皮材の強化繊維を含むため、バリを除去する際には、強化繊維を切断する可能性が非常に高い。特に、表皮材とコア材からなるサンドイッチ構造を有する成形品の場合、コアに圧縮の力を加え成形することが多く、より表皮材が挟まれやすい。

図６や図７に示すように、本発明における第１態様の成形金型では、キャビティは、特に翼前縁部４を成形する位置にパーティングライン９を有しないため、翼前縁部４において表皮材２の繊維が切断されにくく、前記した本発明の風車翼を好適に得ることができるのである。

図７に示す成形金型では、キャビティが、反受風面１１を成形する位置と、翼後縁部５を成形する位置にパーティングライン９を有し、風車翼１の受風面１０を成形する位置にパーティングライン９を有していないように、金型部品８ａおよび金型部品８ｂでキャビティを形成している。受風面１０においても、翼前縁部４と同様に飛来物等により衝撃を受ける可能性があるため、亀裂発生の原因になり破壊や飛散の危険性を孕む。図７に示す成形金型のように、翼前縁部４を成形する位置にパーティングライン９を有しないだけでなく、風車翼１の受風面１０を成形する位置にもパーティングライン９を有しないようにすることにより、翼前縁部４だけでなく、受風面１０においても強化繊維の切断を防止することができる。なお、図３に示すように、風車翼１は風車として使用した際に風向１５で示すような風を受けるが、受風面１０とは翼前縁部４と翼後縁部５との間で風を受ける側の面をいい、反受風面１１とは翼前縁部４と翼後縁部５との間で風を受ける反対側の面をいう。また、図３に示すように、翼後縁部５とは、翼後縁（図の右端）における最も曲率の大きい点である翼後縁端部７を中心とする幅２０ｍｍの領域をいう。しかし、図７に示すような成形金型では、翼前縁部４と受風面１０のいずれでも繊維切断を回避できるが、反受風面１１を成形する位置にのみキャビティがパーティングライン９を有しているため、脱型時に成形物を取り出しにくく、風車翼１を傷つける可能性がある。それを回避し、脱型時に成形物を取り出しやすくするためには、図６に示すように、キャビティが少なくとも３つのパーティングライン９によって分割された金型部品で構成し、翼前縁部４を成形する金型部品が独立して開閉可能である成形金型を用いると良い。図６に示す成形金型では、キャビティが、受風面１０を成形する位置、反受風面１１を成形する位置および翼後縁部を成形する位置にパーティングライン９を有するよう、金型部品８ａ、金型部品８ｂおよび金型部品１２ａでキャビティを形成している。このような成形金型を用いれば、図８に示すように、翼前縁部４を成形する金型部品１２ａを独立にたとえば開閉方向１３の方へ開閉することにより、翼前縁部４の強化繊維を切断することなく風車翼１を成形することができ、成形品を傷つけることなく容易に成形品を脱型できるばかりか、作業工数を低減できるため、成形サイクル向上によるコストダウンに繋がる。

しかし、図６や図８に示す成形金型では、翼前縁部４の強化繊維を切断することなく風車翼１を成形することができるとともに、脱型時に成形物を取り出しやすくはなるが、風車翼１の受風面１０を成形する位置にパーティングライン９を設けているため、受風面１０における強化繊維の切断を防止できないことが多い。そこで、キャビティが、翼受風面１０を成形する位置にパーティングライン９を有さないとともに、少なくとも３つのパーティングライン９を有し、反受風面１１と翼前縁部４とを成形する金型部品が独立して開閉可能である、本発明の第２態様の成形金型を用いれば、翼前縁部４および受風面１０での強化繊維の切断を防止できるとともに、脱型時に成形物を取り出しやすいものとすることができる。

図９、１０および１１に示す成形金型では、キャビティが、反受風面１１を成形する位置、翼後縁部５を成形する位置、および翼前縁部４を成形する位置に、３つのパーティングライン９を有するよう、金型部品８ａ、金型部品８ｂおよび金型部品１２ｂでキャビティを形成しているが、受風面１０を成形する位置にはパーティングライン９を有していないため、飛来物等の衝撃を受けやすい受風面１０の亀裂発生を回避できるとともに、反受風面１１と翼前縁部４とを成形する１つの金型部品１２ｂが独立して例えば開閉方向１３の方へ開閉可能であることにより、成形品を傷つけることなく容易に成形品を脱型できる。

また、図１１に示すように、金型部品１２ｂが長手方向に分割され、分割された金型部品がそれぞれ独立して例えば開閉方向１３の方へ開閉可能である方がより安全かつ容易に脱型できるため好ましい。さらに、成形時には金型内でマトリックス樹脂が流動しパーティングライン９に入り込み堆積することがあり、摺動部分に硬化した樹脂が堆積すると金型の噛み合わせが悪くなるため、成形品の外観に大きな影響を及ぼす可能性がある。したがって、適宜金型の清掃が必要となるが、金型部品１２ｂが長手方向に分割されていると、金型を解体し清掃する作業が容易になり、作業コストの削減に繋がるためより好ましい。

金型部品１２ｂを分割する個数は特に制限されず、成形金型の長さや材質によって適宜選択することができ、少なくとも２つ以上に分割されていればよい。ただし、金型部品１２ｂを細分化しすぎると、逆に分割した金型部品１２ｂ同士の間にマトリックス樹脂が入り込み、翼前縁部４と反受風面１１とに分割した金型部品１２ｂのパーティングライン（図示せず）が生じる恐れがあることから、４個程度までに分割することが好ましい。

また、金型部品８ｂも、前述の金型部品１２ｂと同様、長手方向に少なくとも２つ以上に分割されていると、より清掃作業が容易になるため好ましい。

本発明における第２態様の成形金型では、キャビティは翼前縁部４を成形する位置にパーティングライン９を有していても良く、その場合、金型部品１２ｂはプリフォームを型に配置する前に完全に閉じておく。プリフォームを配置後に金型部品１２ｂを閉めると、パーティングラインで９の金型部品１２ｂと金型部品８ａとの間での表皮材２の噛み込み、翼前縁部で繊維が切断される危険性があるが、金型部品１２ｂがプリフォームを型に配置する前に完全に閉じられていると、プリフォームが、翼前縁部４を成形する位置にあるパーティングライン９で噛み込まれることなく、翼前縁部４で繊維が切断される危険性が回避される。

本発明の風車翼は、それを製造できる限り、プリプレグ法（ホットプレス法、オートクレーブ法等）、樹脂注入法（レジントランスファーモールディング、ＲＴＭ）、フィラメントワインド法、プルトルージョン法、ハンドレイアップ法等いずれを用いて製造されても良いが、前記した成形金型を用いて風車翼１を製造する方法を次に説明する。

まず、樹脂多孔質体の周囲に強化繊維シートを配置して、風車翼の形状を持ったプリフォームを形成する。このプリフォームを前記した成形金型のキャビティに配置して成形する。具体的には、予めプレス機に備え付けた成形金型において、少なくとも一部の金型部品を開いて、プリフォームをセットし、金型部品を閉じることにより、キャビティにプリフォームを配置する。前記したとおり、第２態様の成形金型を用いる場合、反受風面と翼前縁部とを成形する金型部品は、プリフォームをセットする前に、予め閉じておくことが重要である。成形としては、強化繊維の強度を最大限に発現させ、高強度、高剛性の風車翼を得るために、ホットプレス成形、オートクレーブ成形またはＲＴＭといった加熱加圧成形法を用いることが好ましい。また、これら成形法を用いた場合、機械加工等では形成が困難な薄肉形状や３次元曲面も、所望の形状のキャビティを備えた成形金型を用いることで、比較的容易に低コストで製造できる。さらに、これら成形法では、均一に圧力を付加できるため、良外観の風車翼を成形しやすいだけでなく、成形後の風車翼の重量のバラツキを低減するためにも効果的であり、特に薄肉の風車翼の成形に効果的である。ホットプレス成形法やオートクレーブ成形法を用いる場合、強化繊維シートとしては、通常、強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させたシート状のプリプレグ（中間基材）が用いられる。ホットプレス成形法を用いる場合は、キャビティにプリフォームを配置した後、加熱または非加熱下でプレスすることで風車翼を製造する。また、オートクレーブ成形法を用いる場合は、キャビティにプリフォームを配置した後、オートクレーブを用いて圧力を負荷することにより風車翼を製造する。なお、マトリックス樹脂として熱硬化性樹脂を用いた場合には成形に際して熱硬化性樹脂の硬化が進行する。また、ＲＴＭ成形法を用いる場合、強化繊維シートとしては、通常、強化繊維の織物やマット状物などのシート状基材を用い、キャビティにプリフォームを配置した後、未硬化の熱硬化性樹脂を圧入して加熱または非加熱で硬化することで風車翼を製造する。

本発明は翼全長が２ｍ以下である風車翼において特に効果を発揮する。一般的に、翼全長が２ｍ以下の高速回転型の風車は翼が高速回転であるため、衝突によるクラックが発生する危険性が大きいため、翼前縁部の補強対策効果が大きい。また、ＦＲＰの表皮材とコア材からなる一体型の風車翼を成形する場合、現実的には成形金型と成形機の大きさに限界があり、上記範囲の翼全長とすることで、過大な設備費用を必要とせず生産性の面から適当である。なお、一般産業用途として活用しうる風車翼は、その翼全長が通常２０ｃｍ以上である。

本発明の風車翼は、風力発電用風車に好適に用いられるが、特に水平軸型プロペラ風車に用いられることが好ましい。この方式の風車では、回転による翼の長手軸方向への遠心力、曲げ荷重、さらにねじり荷重や振動など、複数の外力が同時に付加されるために、軽量性と剛性のバランスに優れる翼が要求される。したがって、均質な材料を用いた翼構造ではそれぞれの荷重に対してバランスの良い構造設計が困難である。それに対して、本発明の風車翼は構造設計の自由度が高い。さらに本発明の風車翼を水平軸型プロペラ風車に用いる場合には、定格運転時の周速比が１０〜２０の範囲内の高速回転型の風車に用いることが好ましい。高速回転時には当然ながら大きな荷重が付加されるために、軽量性に優れ、高い強度と剛性が必要となり、本発明の風車翼を適用するに好適である。特に小型風車のように、市街地などで使用される風車に本発明の風車翼を適用した場合には、飛来物等の衝突や鳥、人が翼に接触した際に翼表面（特に翼前縁部）が破損、飛散する可能性を低減することができるため特に好ましい。

本発明の風車翼は、風力発電用風車、特に小型風車に好適に用いられる。

本発明の一実施態様に係る風車翼を示す斜視図である。図１におけるＡ−Ａ断面を示す風車翼の長手方向に平行な断面図である。図１におけるＢ−Ｂ断面を示す風車翼の長手軸に垂直な断面図である。従来の風車翼と金型の長手軸に垂直な断面図である。従来の別の風車翼の長手軸に垂直な断面図である。本発明の一実施態様に係る、風車翼と成形金型の長手軸に垂直な断面図である。本発明の一実施態様に係る、風車翼と成形金型の長手軸に垂直な断面図である。本発明の一実施態様に係る成形金型の長手軸に垂直な断面図である。本発明の一実施態様に係る成形金型の長手軸に垂直な断面図である。本発明の一実施態様に係る成形金型であって、長手軸に垂直な断面を含む成形金型の長手軸方向に対する斜視図である。本発明の一実施態様に係る成形金型であって、長手軸に垂直な断面を含む成形金型の長手軸方向に対する斜視図である。

符号の説明

１：風車翼
２：表皮材
３：コア材
４：翼前縁部
５：翼後縁部
６：翼前縁端部
７：翼後縁端部
８ａ：金型部品
８ｂ：金型部品
９：パーティングライン
１０：受風面
１１：反受風面
１２ａ：金型部品
１２ｂ：金型部品
１３：開閉方向
１４：翼回転方向
１５：風向

Claims

複数の金型部品でキャビティが形成される、繊維強化樹脂製風車翼を成形するための成形金型であって、前記キャビティは翼前縁部を成形する位置にパーティングラインを有しないことを特徴とする風車翼の成形金型。
前記キャビティは、翼受風面を成形する位置にもパーティングラインを有しない請求項１に記載の風車翼の成形金型。
前記キャビティは、少なくとも３つのパーティングラインを有し、翼前縁部を成形する金型部品が独立して開閉可能である請求項１に記載の風車翼の成形金型。
複数の金型部品でキャビティが形成される、繊維強化樹脂製風車翼を成形するための成形金型であって、前記キャビティは、翼受風面を成形する位置にパーティングラインを有さないとともに、少なくとも３つのパーティングラインを有し、反受風面と翼前縁部とを成形する１つの金型部品が独立して開閉可能であることを特徴とする風車翼の成形金型。
前記反受風面と翼前縁部とを成形する金型部品が翼の長手方向に少なくとも二つ以上に分割されていることを特徴とする請求項４に記載の風車翼の成形金型。
前記分割された金型部品がそれぞれ独立して開閉可能であることを特徴とする請求項５に記載の風車翼の成形金型。
樹脂多孔質体の周囲に強化繊維シートを配置してプリフォームを形成し、該プリフォームを請求項１〜６のいずれかに記載の成形金型のキャビティに配置して成形することを特徴とする風車翼の製造方法。
前記成形が、ホットプレス成形、オートクレーブ成形および樹脂注入成形からなる群より選ばれる少なくとも１種である請求項７に記載の風車翼の製造方法。
請求項７または８に記載の方法により成形されたものからなり、炭素繊維強化樹脂を表皮材とし、該表皮材よりもかさ密度の小さい樹脂多孔質体をコア材とするサンドイッチ構造を有する繊維強化樹脂製風車翼であって、前記表皮材が前記コア材を完全に包囲しており、翼前縁部には、その長手方向全長の９５％以上にわたって炭素繊維端部を含まないことを特徴とする風車翼。