JP5329649B2 - タービン翼半体の製造方法、タービン翼半体、タービン翼の製造方法およびタービン翼 - Google Patents

Description

本発明は、樹脂注入成形によるタービン翼半体の製造方法に関する。

近年、大量生産される風力タービンの開発は、出力および寸法の両方においてそれらを益々大きくする方向に動いている。この生産過程は、より良くかつよりコストの効率的な部品及び製造方法を求めており、このことは特に風力タービン翼（この製造は時間がかかる）について真実である。公知技術の風力タービン翼は、典型的には、金属、木または炭素繊維によって強化されたガラス繊維で作られる。この翼は、典型的には、２つの独立した型内での２つの翼半体の成形および硬化によって製造される。引き続き、接続されるべき翼半体の表面積は、接着剤（エポキシ樹脂）を与えられ、そして２つの半体は互いに重ね合せて置かれ、例えば欧州特許第ＥＰ１６９５８１３号明細書の方法を使用して互いに接続される。典型的には、風力タービン翼は強化用部材、例えば桁（スパー）を備えている。そのような強化用部材は、風力タービン翼の強度を増加させる、および風力タービン翼の適切な空気力学的形状を維持することを助ける。

タービン翼の製造に関する問題点は、時間およびコストがかかることである。例えば、５５ｍ長の風力タービン翼半体の１対のための２つの型は、１００万ユーロのコストがかかりうる。このことは、もしタービン翼の生産が遅いと、コストに著しく影響を与える。

したがって、本発明は、より少ない時間でタービン翼半体を生産する方法を提供することを目的とする。

この目的のために、本発明は、タービン翼半体を樹脂注入成形によって製造する方法であって、
タービン翼シェル用の型に繊維マットを備えること、
強化用部材を該型の中の該繊維マット上に置くこと、
空気不透過性封止膜を該繊維マット上にかつ該強化用部材にもたれかけて置くこと、
減圧下において該強化用部材の下側の領域を含め該繊維マットの中に硬化性樹脂を導入すること、
該樹脂を硬化させてタービン翼半体を形成すること、ここで、前記タービン翼半体は該強化用部材に付着されたタービン翼シェルを具備する、
の工程を包含する、前記方法を提供する。

このように、本発明は、タービン翼シェルを硬化させるステップと強化用部材をタービン翼シェルに接着するステップとを単一のステップに統合している。本出願においては、用語「タービン翼」または省略して「翼」は、タービン翼の部分、例えば失速制御されたタービン翼の部分を含んでいる。この方法のために使用される樹脂は、簡便には、樹脂注入成形（ＲＩＭ：Resin Injection Moulding）を使った風力タービン翼の製造のために慣用される樹脂である。樹脂射出成形（ＲＩＭ）用の典型的な樹脂は、熱、例えば７５℃を使って硬化されるエポキシ樹脂である。同様に、繊維マットは、好ましくはガラス繊維マットである。もし強化用部材をタービン翼シェルに接続する硬化された樹脂の回りをロープで包まねばならないときは、一般に、ロープによって囲まれた表面積の少なくとも４０％、好ましくは少なくとも６０％、そしてより好ましくは少なくとも８０％が、泡を含まない硬化された樹脂である。一般に、減圧下において、繊維マットに最も近い強化用部材の部分は、繊維マットから３ｍｍ以下の距離、例えば約２ｍｍの距離にある。好ましくは、用語「わたって」は「の上に」を意味する。

好ましい実施形態に従うと、強化用部材は硬化された樹脂を備える繊維強化された部材である。

このことは、軽く、かつ、ほぼ似たように熱的挙動（温度に起因する膨張／収縮）をする複数の部品で組立てられるタービン翼半体を生み出す。好ましくは、樹脂は同じタイプである、すなわち樹脂は、硬化反応に関与する同じタイプの化学基を含む。このことは、強化用部材へのシェルの接着を強める。好都合には、硬化樹脂はタービン翼半体用に使われるのと同じものである。

好ましい実施形態に従うと、繊維強化された部材はベースを備え、一方、表面積を増加させるライナーが該ベースに対して存在し、該繊維強化された部材は硬化樹脂であり、また該方法は型内の繊維マット上に強化用部材を置く前にライナーを除去する工程を含む。

好ましい実施形態に従うと、強化用部材は、細長いベース、上記ベースから延在する長手方向の壁、および該壁が該ベースから延在する場所と反対の上記壁の縁で上記壁から延在するフランジ、を備える。

そのようなフランジは、タービン翼を形成するために、このフランジを第２のタービン翼半体の対応するフランジに接続するのに使われうるし、使われるだろう。このことは、両半体の強化用部材が接続される表面積を増加させ、それによって強度を増加させる。ベースに対して実質的に平行であるフランジは、硬化性樹脂の施与を容易にする。

さらに好ましくは、強化用部材は、
細長いベース、
上記細長いベースの反対側の縁に上記細長いベースから延在する２つの長手方向の壁、
を有して使用され、
各長手方向の壁はそれぞれの壁から延在する１つのフランジを有し、該フランジは互いに離れて延在する。

これにより、非常に簡単であるが強く硬いタービン翼半体が提供されうる。

好ましい実施形態に従うと、タービン翼シェルは前縁および後縁を有し、そして、フランジはベースから見て外側を向くフランジ領域を有し、上記フランジ領域は該前縁と該後縁とによって規定される平面内にある。

フランジは、もう１つのタービン翼半体の向かい合うフランジに接続されるであろう。このことは、増大された強さを有するタービン翼の製造を可能にする。なぜなら、風の影響下での使用において、接続部でのせん断荷重が最小だからである。

好ましい実施形態に従うと、強化用部材は両面シーラント層で封止膜に付着される。

これは、減圧下での樹脂の導入を行うために満足できる封止を達成するための非常に都合の良いやり方であり、この圧力は典型的には大気圧の２％程度である。最も実際的なやり方で役立つのは、両面シーラント層を備える強化用部材であり、従ってタービン翼半体を製造する人は、封止膜を扱う必要があるだけである。シーラント層は、孔がなく従って真空を保ちうる特別なタイプの両面粘着テープである。

本発明は、本発明に従う方法を使用して製造されうるタービン翼半体に関する。

また本発明は、風力タービン翼の製造方法であって、前縁および後縁を有するタービン翼半体は、
タービン翼シェル用の型に繊維マットを備えること、
ベース、上記ベースから延在する壁、および該壁が該繊維マットを越えて前記ベースから延在する場所と反対の上記壁の縁で上記壁から延在するフランジを備える強化用部材を該型内に置くこと、
空気不透過封止膜を該繊維マット上にかつ該強化用部材にもたれかけて置くこと、
減圧下において該強化用部材の下側の領域を含め該繊維マットの中に硬化性樹脂を導入すること、
該樹脂を硬化してタービン翼半体を形成すること、ここで、上記タービン翼半体は該硬化樹脂によって該強化用部材に接着されたタービン翼シェルを備える、
によって得られ、該タービン翼半体は、第２のタービン翼半体に、両半体の該２つの前縁および前記半体の該２つの後縁が接続されかつ該第１のタービン翼半体の該強化用部材の該フランジが該第２のタービン翼半体に接続されるように、接続される、上記方法に関する。

第２のタービン翼半体の周縁は、少なくとも前縁と後縁に関する限り、第１のタービン翼半体の鏡像である、すなわち、（サイズおよび形状の点で）一致している。好ましくは、第２のタービン翼半体は、本発明に従うタービン翼半体の生産方法を使って製造される。

重要な実施態様に従うと、各タービン翼半体はフランジを有する強化用部材を備え、さらに向かい合うタービン翼半体の２つのフランジが接続される。

このことは非常に強い風力タービン翼を生み出す。

一般的に、これらの半体は硬化性樹脂を使用して接続される。

好ましくは、この硬化性樹脂は、その粘性を増加させるための充填剤を含みうる点を除いて、タービン翼半体を製造するために使用されるものと同じである。追加的にまたは代替的に、この硬化性樹脂は比較的高い分子量を有しうる。

タービン翼半体を製造する方法について検討された全ての好ましい実施態様は、タービン翼を製造する方法に同様に適用され、簡潔のためにのみさらには繰り返されないが本願の範囲内にある。

最後に、本発明は、本発明に従う方法を使用して製造されうるタービン翼に関する。

１ａ〜１ｄは、タービン翼半体の製造におけるステップを断面図で示す。 図１の翼の平面図を示す。 タービン翼の製造における一工程を示す。

以下、本発明は、図面を参照しつつ説明されるであろう。

ガラス繊維強化エポキシの風力タービン翼半体（１）を製造する方法を詳細に述べるために、以下、図１ａ〜１ｄへ参照がなされる。ガラス繊維強化エポキシの風力タービン翼半体（１、２）を生産する技術は、周知の技術であり、そのため本記載は、本発明に従う方法が周知の方法と異なっている点に焦点をあてるであろう。

図１ａは、風力タービン翼シェル（１）用の型（３）を示す。型（３）はガラス繊維マット（４）を備えている。また、それ以外のタイプのマット、例えばスーパー繊維で作られたマットも使用されうる。ガラス繊維マットの上に、ガラス繊維マット（４）よりもよりオープンな構造を有する注入（infusion）メッシュとしても知られている別のマット（５）がある(図１ｂ)。この別のマット（５）は強化用材料、例えばガラス繊維、炭素繊維、ダイニーマ（Dyneema）（商標）などから作られてもよく、また他から作られてもよい。

細長いベース（７）、ベース（７）の長さにわたって延在する２つの側壁（８、８’）およびフランジ（９、９’）を有するＵ字形ビーム（６）が別のマット（５）の上に置かれる（図２）。たとえガラス繊維マット（４）がＵ字形ビーム（６）の下にあろうとも、エポキシ樹脂がガラス繊維マット（４）の各部分に到達することを確実にするのを、別のマット（５）は助ける。Ｕ字形ビーム（６）は強化用部材であり、仕上げられたタービン翼（１２３）に高められた構造的強度を備え、その空気力学的形状を保つのに役立つ。従来技術で知られているように、Ｕ字形のビーム（６）はガラス繊維マット（４）およびエポキシ樹脂で作られる。エポキシ樹脂は、織られた剥離層、例えば２つの側壁に向き合うベース側に置かれたモノフィラメントナイロン剥離層と接触して硬化させられうる。Ｕ字形ビーム（６）が別のマット（５）の上に置かれる前に、この剥離層（図示されない）は取り除かれて、後の工程でのＵ字形ビーム（６）とエポキシ樹脂との間の結合強度を増大させるために、表面積を増加させる肌理の荒い表面を提供する。Ｕ字形ビーム（６）が別のマット（５）の上に置かれる直前に剥離層を取り除くことによって、肌理の荒い表面領域は、汚染物質（例えば、ほこり、グリースなど）をまた含まない。

Ｕ字形ビーム（６）は、別のマット（５）の上に置かれる前に、両面シーラント層（１０、１０’）を備えている。シーラント層（１０、１０’）は、適切には、加硫処理されていないブチルゴムである。それは、２枚の剥離ライナーの間の１層の加硫処理されていないブチルゴムとして販売されている。

一般に、タービン翼半体（１）のシェル（１１）は複合材料であり、通常は繊維マット強化された硬化樹脂（１２）の層、発泡層（１３）およびもう1つの繊維マット強化された硬化樹脂（１４）の層を重ね合わせたもの（サンドイッチ）である。しかし、最強の風力タービン翼（１２３）のためには、強化用部材（６）が、樹脂の大きな実効的な断面領域（シェル（１１）に平行な断面領域）にわたって、型（３）に最も近い繊維マット（４）の中に注入された樹脂と直接かつ十分な接続をしていることが不可欠である。一般に、強化要素の下側に延在する発泡層（１３）を有することは望ましくない。もしベース（７）の下側の十分な表面領域が硬化された樹脂であれば、このことは受容されうるが、やはり推奨はできない。

排気およびエポキシ樹脂の導入を容易にするために、Ω型異形材（１５）が、その開放側をガラス繊維マットの上にして置かれ（図１ｃ）、上記Ω型異形材（１５）は、硬化性樹脂の運搬および分配用の通路として働く。もし発泡層（１３）が使用される場合は、発泡層（１３）は貫通孔（図示されていない）を含んでいて、硬化性樹脂が型（３）に最も近い繊維マット（４）にまで通るのを可能にする。しかし、発泡体（１３）それ自体は、最適な強度を達成するためには通気性のない（non-porous）発泡体であろう。

続いて、ガラス繊維マット（４）（またはガラス繊維マット（４）と発泡層（１３）ともう1つのガラス繊維マット（１６）との重ね合わせ（サンドイッチ））およびΩ型異形材は、使い捨てプラスチック膜（１７）で被覆される。プラスチック膜（１７）は、両面シーラント層（１０、１０’）を使ってＵ字形ビーム（６）に対して封止される。真空ポンプ（図示されていない）を使って、空気がプラスチック膜（１７）の下側から排気され（矢印）、そして真空が維持されている間に、硬化性エポキシ樹脂が導入される。該エポキシ樹脂は、プラスチック膜（１７）の下側で全ての空所に浸透し、ガラス繊維マット（４）および別のマット（５）に入る。続いて、エポキシ樹脂は、上げられた温度（例えば７５℃）で硬化される。このことは、タービン翼シェル（１１）が硬化されることのみならず、同時にタービン翼シェル（１１）がＵ字形ビーム（６）に接着されることをももたらす。これは貴重な時間を節約する。なぜなら、もはやシェルを冷やすこと、エポキシ樹脂とＵ字形ビームとを施与すること、そしてエポキシ樹脂を硬化させるためにアッセンブリを加熱することが要求されないからである。

型（３）を加熱することによって硬化性樹脂を硬化させた後で、プラスチック膜（１７）およびΩ型異形材（１５）は除去される。

図２は、タービン翼半体（１）の平面図を示しており、該半体（１）は該タービン翼半体（１）の長手方向の大部分に延在するＵ字形ビーム（６）を有している。

タービン翼（１２３）の生産は、上に記載された本発明に従う方法を使って２つのタービン翼半体（１、２）を製造することと、接触するであろう２つのタービン翼半体（１）の表面、特にＵ字形ビーム（６）のフランジ（９、９’）、２つのタービン翼半体（１、２）の少なくとも１つの前縁（１８）および後縁（１９）とに、充填材含有エポキシ樹脂を施与すること、その後、タービン翼半体（１、２）をお互いに向かい合わせて置くこと、そしてエポキシ樹脂を硬化させることによって、容易に成し遂げられうる。型（３、３’）の加熱によって、エポキシ樹脂は硬化される。

図３で分かるように、フランジ（９、９’）は、前縁および後縁（１８、１９）によって規定される面内に表面を有する。フランジ（９、９’）それ自体は、より大きな表面積（接着領域（２０、２０’））を与えて、２つのタービン翼半体（１、２）を互いに接着する。接着それ自体は、Ｕ字形ビーム（６）の他の場所よりも平均的に力が小さいようなタービン翼（１２３）中の位置にあるので、より強い風力タービン翼（１２３）を生み出す。

Claims (12)

1. タービン翼半体（１、２）を樹脂注入成形によって製造する方法であって、
   タービン翼シェル（１１）用の型（３）に繊維マット（４）を備えること、
   強化用部材（６）を該型（３）の中の該繊維マット（４）上に置くこと、
   空気不透過性封止膜（１７）を該繊維マット（４）上にかつ該強化用部材（６）にもたれかけて置くこと、
   減圧下において該強化用部材（６）の下側の領域を含め該繊維マット（４）の中に硬化性樹脂を導入すること、
   該樹脂を硬化させてタービン翼半体（１、２）を形成すること、ここで、前記タービン翼半体（１、２）は該硬化された樹脂によって該強化用部材（６）に付着されたタービン翼シェル（１１）を具備する、
   の工程を包含する、前記方法。
2. 該強化用部材は硬化された樹脂を備える繊維強化された部材である、請求項１に記載の方法。
3. 該繊維強化された部材は、ベース（７）を備え、一方、表面積を増加させるライナーが該ベースに対して存在し、該繊維強化された部材は硬化された樹脂であり、また該方法は該型（３）内の該繊維マット（４）上に該強化用部材を置く前に該ライナーを除去する工程を含む、請求項１に記載の方法。
4. 該強化用部材（６）は、細長いベース（７）、前記ベース（７）から延在する長手方向の壁（８、８’）、および該壁（８、８’）が該ベース（７）から延在する場所と反対の前記壁（８、８’）の縁で前記壁（８、８’）から延在するフランジ（９、９’）を備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 強化用部材（６）は、
   細長いベース（７）、
   前記細長いベース（７）の反対側の縁に前記細長いベース（７）から延在する２つの長手方向の壁（８、８’）、
   を有して使用され、
   各長手方向の壁（８、８’）は、それぞれの壁（８、８’）から延在する１つのフランジ（９、９’）を有し、該フランジ（９、９’）は互いに離れて延在する、請求項４に記載の方法。
6. 該タービン翼シェル（１１）は前縁（１８）および後縁（１９）を有し、そして、該フランジ（９、９’）は該ベース（７）から見て外側を向くフランジ領域（２０、２０’）を有し、前記フランジ領域（２０、２０’）は該前縁（１８）と該後縁（１９）とによって規定される平面内にある、請求項４に記載の方法。
7. 該強化用部材（６）は、両面シーラント層（１０、１０’）で封止膜（１７）に付着される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法を使用して製作されうるタービン翼半体。
9. 前縁および後縁を有する風力タービン翼（１２３）の製造方法であって、タービン翼半体（１）は、
   タービン翼シェル用の型に繊維マットを備えること、
   ベース、前記ベースから延在する壁、および該壁が該繊維マット上を越えて前記ベースから延在する場所と反対の前記壁の縁で前記壁から延在するフランジを備える強化用部材を該型内に置くこと、
   空気不透過性封止膜を該繊維マット上にかつ該強化用部材にもたれかけて置くこと、
   減圧下において該強化用部材の下側の領域を含め該繊維マットの中に硬化性樹脂を導入すること、
   該樹脂を硬化してタービン翼半体を形成すること、ここで、前記タービン翼半体は該硬化された樹脂によって該強化用部材に接着されたタービン翼シェルを備える、
   によって得られ、該タービン翼半体（１）は、第２のタービン翼半体（２）に、両半体の該２つの前縁および前記半体の該２つの後縁が接続されかつ該第１のタービン翼半体の該強化用部材の該フランジが該第２のタービン翼半体（２）に接続されるように、接続される、前記方法。
10. 各タービン翼半体は、フランジを有する強化用部材を備え、さらに向かい合うタービン翼半体の２つの該フランジが接続される、請求項９に記載の方法。
11. 該２つの半体は硬化性樹脂を使用して接続される、請求項９または１０に記載の方法。
12. 請求項９〜１１のいずれか１項に記載の方法を使用して製造されうるタービン翼。

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