JP5649865B2 - 少なくとも風車の羽根の構成部材を製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも風車の羽根又は風車の羽根のための構成部材を製造する方法に関する。

風車の羽根のための羽根全体又は構成部材を構成するために、複合構造が広く用いられている。このために、繊維ガラスマットのマトリックスが使用される。マトリックスの構成は、著しい量の手作業によるレイアップ（積層）作業を特徴とし、この作業では、羽根の強度及び剛性を高めるためにそれぞれ異なる向きの繊維を備える繊維マットが互いに上下に配置される。手作業によるレイアップ作業は困難でかつ時間がかかる。

繊維マットは標準的な構成部材であり、手作業によるレイアップ作業において容易に取り扱うことができる。繊維マット又は繊維のシートは、織布又は不織布から形成されている。不織布は、化学的なバインダ又は同様のものによって結合保持された一方向の繊維から形成されている。織布は織機において形成され、織機において繊維は双方向に互いに上下に通過し、これにより繊維を互いに結合する。

風車の羽根のビームは、一方向の繊維を有する布の多数の層を有する。繊維は、羽根のフラップ方向での正確な強度及び剛性を提供するために、羽根の長手方向で整合させられている。

いわゆる"多軸マット"（例えば二軸マット）は、羽根構造にねじれ柔軟性及び強度を保証するために、一番上に配置されている。層の数及び繊維の方向は、羽根の様々な位置における様々な機械的特性を得るために、変更することができる。

繊維強化ラミネートの構造的特徴は、通常、強化繊維の量、タイプ及び向きによって決定される。通常、繊維の剛性及び強度は、負荷が繊維長手方向で生じる程度までのみ考慮することができる。

したがって、従来設計されたラミネートは、完成したラミネートの繊維が、風車羽根のための金型等の成形ツールに配置された時の繊維の方向と同じ方向に向けられることを想定している。

しかしながら、多くの場合、製造方法及び使用される繊維マット及び布の特性の結果として、繊維層におけるしわが生じる。しわは、織りの特性又は不織布における繊維の相互結合により、手作業によるレイアップ作業において生じやすい。十分に熟練して経験を積んだレイアップ作業者は、困難なレイアップ作業中に羽根構造体にしわが生じないようにする必要がある。

しかしながら、レイアップ作業者の経験にもかかわらず、しわが生じることがある。しわが生じると、繊維はもはや所望の向きに向けられておらず、ラミネートの深刻な過剰負荷が生じることがある。

しわが生じると、ラミネートの修復又は排除が通常は必要とされる。なぜならば、しわにおける剛性及び／又は強度の損失がしばしば構造体のあらゆる現実的な安全基準を超えてしまうからである。修復作業は手作業で行われるので、時間及びコストがかかる。構造体全体の排除はより一層コストがかかるので回避する必要がある。

ラミネートの厚さは、正確な構造特性及び羽根構造体の所望の空力的形状を得るために変化する必要がある。風車羽根の剛性はもちろん、シェル厚さ、断面形状及び材料に依存する。

風車羽根の断面寸法及び厚さは、羽根の長手方向で変化する。厚さの変化は、構造体におけるラミネートのプライ（重ね）数を増減することにより制御される。

いわゆる"プライドロップ（積層厚の変化）"が、厚さが変化する領域において形成される。これらの位置において、１つ又は２つ以上の層が終わらされ、これにより、構造体の材料及び形状に不連続性が生ぜしめられる。不連続性は、プライドロップ領域に応力集中を生じる。多くの場合、これらの領域は、構造体全体の寿命及び強度を決定する。

プライドロップ領域の幾何学的な不連続性は、硬化プロセスの間にいわゆるポケットにおける樹脂の蓄積につながる。樹脂が豊富なポケットは、構造体にき裂を生じるおそれがある。

多くの研究作業が、プライドロップ領域に関する最適な設計を得るために費やされなければならない。しかしながら、手作業のレイアップ作業が行われる場合、最適化されたプライドロップ領域を得ることは極めて困難である。

使用される繊維マットは、通常、大きく、重く、また成形ツールに配置された時には取扱いにくい。繊維マットの正確なレイアップ及び整合は極めて困難である。

したがって、本発明の目的は、製造中にしわの形成を低減又は回避しかつ製造のための所要時間を短縮するための、風車の羽根又は風車の羽根の構成部材を製造する改良された方法を提供することである。

前記課題は、請求項１の特徴によって解決された。発明の改良された実施態様は従属請求項の主体である。

本発明によれば、風車羽根の少なくとも構成部材が製造され、その際、構成部材は複合構造の少なくとも１つの層を有している。層は、共通の方向を示す一方向に整合させられた多数の結合されていない単一の粗糸束によって構成されている。粗糸束は自動的に成形ツール内に配置される。

結合されていない単一粗糸束の使用により、織られた特性及び繊維の間の相互結合は存在しないので、製造時のしわの形成が新規の方法により回避される。

高価なプレファブリックの代わりに安価な粗糸束を使用することも可能である。

成形ツールを使用することにより、構成部材の所要の構造をより迅速にかつ改良された品質を備えるように構成することができる。

粗糸は、クラスの最も単純な形態であり、繊維マット等を複合製造するための二次的な繊維形態を形成するために使用されるが、今や風車羽根を形成するために粗糸束を直接に取扱いかつ使用することができる。

本発明の方法は、最も困難でかつ決定的な層が自動的に配置され、よりトラブルのない層がレイアップ作業者によって手作業で配置されるように、従来のレイアップ作業と組み合わせることができる。

本発明の方法は、大きく重いマットがレイアップされて成形ツールに配置される、過酷なレイアップ作業の量を減じる。これにより、本発明は、レイアップ作業者のための作業条件を改善する。

成形ツールは金型であるか、最も簡単な形態ではレイアップテーブル又はベンチであることができる。

好適な実施形態において、それぞれの単一粗糸束は個々に及び自動的に所定の長さに切断される。粗糸束の長さを制御することにより、繊維の層をより正確にかつ進歩した形式で設計及び構成することが可能になる。

自動化されたレイアッププロセスを用いることにより、より正確な構造的特徴を備えたより精巧な羽根構造を設計及び提供することができる。

さらに、不十分な精度を有しかつレイアップ精度が変動する手作業によるレイアップ作業によって得られた構造と比較して、より強くかつより一貫した羽根構造が得られる。

最適なプライドロップ領域を得ることができ、このプライドロップ領域において、それぞれの粗糸束の終端は、構造体の別の層の終端に対して正確に平衡させられている。

これにより、様々なプライドロップ構成をより制御された形式で得ることができる。当業者によって知られている階段状の構成及び重なり合った構成を今や得ることができ、それぞれの新たな羽根において再現することができる。プライドロップ領域の寸法を減じることも可能である。

別の実施形態においては、粗糸束は成形ツール内に配置され、この成形ツールは、風車羽根の一部のための金型として配置されている。繊維の少なくとも１つの層は、金型部分の長手方向に配置される。金型は、風車羽根の吸込み面又は圧力面のための金型部分であることができる。

これにより、羽根構造体における繊維の大部分は、自動化された製造プロセスを用いてレイアップすることができる。羽根構造体の重要な耐荷重部分におけるしわはこれにより回避され、時間がかかり複雑な修復作業が排除される。

別の実施形態において、成形ツールは風車羽根の一部を形成するために配置されており、キャリヤが成形ツールの底部に配置されている。

繊維材料の結合されていない一方向の粗糸束の少なくとも１つの層は、キャリヤの上側に配置され、粗糸束は、長手方向、軸方向又は別の所定の方向に配置される。

それぞれの粗糸束は、層の所定の形状を得るために個々に切断される。これにより、今や成形ツールに多数の層を形成及びレイアップすることが可能である。

したがって、各粗糸束の終端は、積層された粗糸束の結果として生じる終端が円錐形になるように切断される。これにより、積層された粗糸束から、積層された粗糸束に隣接した別の羽根構成部材への滑らかな交差を提供することができる。

別の好適な実施形態において、粗糸束は、個々に、ただしランダムに切断される。その結果、不規則な形状の粗糸束の終端が生じる。これにより、別の隣接する羽根構成部材への不規則な、ひいては極めて確実な交差が生じる。したがって、羽根構成部材の２つの部分の間の移行は拡散され、部分の滑らかな移行が得られる。

粗糸束を支持するために、好適には紙から形成されたキャリヤが使用される。キャリヤは、成形ツール内に配置されるか、成形ツールの部分であってよい。

キャリヤは、例えば、積層された粗糸束とキャリヤとを、成形ツールから及び金型内へ搬送及び移動させることができる。金型は、羽根の構造体をサンドイッチ状のアセンブリとして構成するために使用される。

樹脂（羽根を仕上げるための"真空樹脂含浸（vacuum assisted resin transfer, VART"成形法の間に使用される）は、紙に完全にしみ込むので、キャリヤを除去する必要はない。したがって、紙キャリヤは不都合を生じることなく羽根内に残留する。

成形ツールとして予備成形された固定具を使用することも可能である。この予備成形された固定具は金型の近傍に配置される。

固定具は、上述のように粗糸束の層を収容するための表面の複製として成形される。

成形ツールとして羽根の予備成形された構成部材を使用することも可能である。この場合、予備成形された部分及び積層された粗糸束は、羽根の金型内に一緒に配置される。

粗糸束を搬送するために紙の代わりに膜を使用することもできる。キャリヤが羽根の内部に残留するようになっている場合、膜は、VARTプロセスの間、樹脂の注入を可能にするように設計されている。

好適な実施形態において、積層された粗糸束及びキャリヤを金型内に搬送するために真空が使用される。

真空は積層された粗糸束を通じて機械によって提供され、キャリヤとして使用される紙又は膜に作用する。

したがって、キャリヤは、構成部材全体の極めて容易な搬送を可能にするために、粗糸束と一緒に機械に向かって吸引される。これにより、単一の結合されていない粗糸束の層から構成された構成部材を持上げかつ取り扱うことができる。

粗糸束は、好適な実施形態においていわゆる"ボビン"において供給される。これらのボビンは定置の固定具に配置されているか又は機械に取り付けられており、この機械は、積層された粗糸束を層に形成するために長手方向軸線に沿って往復移動させられる。

機械は、例えば、上述のようにそれぞれの粗糸束を個々に切断するために使用される多数の切断装置を有している。切断は、上述のように積層された粗糸束の特定の終端を得るように所定の形式で行われる。

第１の実施形態において、専用の切断装置がそれぞれの単一の粗糸束に割り当てられるか又は切断装置が多数の粗糸束に割り当てられる。

例えば、それぞれの粗糸束が機械の孔を通って搬送され、この時裁断装置は孔の近傍に配置されている。

第２の実施形態において、使用される裁断装置は機械の内部に可動に配置されている。これにより、様々な粗糸束のために１つの切断装置のみを使用することができ、この切断装置は、機械の様々な位置において粗糸束を切断する。

本発明は、結合されていない粗糸束が長手方向でレイアップされていて、羽根又は構成部材の層を形成しているので、しわを回避することができる。本発明は、キャリヤ内への粗糸束の単純なレイアップ及び粗糸束を備えたキャリヤの羽根金型への搬送を、極めて容易にかつ迅速に行うことができるので、構成部材及び羽根の製造の質を高めることができる。

レイアップ機械は好適な実施形態においてコンピュータによって制御される。これにより、精巧な構造を得るために粗糸束のレイアップ及び終端を制御することができる。

レイアップ機械は好適な実施形態において多軸機械であり、成形ツールを横切って往復運動することができるキャリッジを有している。粗糸束の少なくとも１つの層は、０〜１８０度の所定の方向で成形ツール内に供給される。これにより、機械を、羽根に関して様々な方向を備えた、一方向粗糸束の多数の異なる層を構成するために使用することができる。これにより、長手方向、軸方向及び対角方向での繊維の全体的なレイアッププロセスを自動化することができる。

本発明は、ガラス繊維の粗糸の使用に限定されず、炭素繊維を代用することもできる。

本発明を以下に図面を参照してより詳細に説明する。

本発明の方法を示す図である。 粗糸束の積層された層の終端を設計するための様々な可能性を示す図である。

図１は、本発明の方法を示している。機械Ｍは、繊維材料の多数の単一粗糸束ＲＢをキャリヤＣ上にレイアップするために使用される。

キャリヤＣは、積層された粗糸束に所定の形状を与えるための成形ツールとして使用及び設計されている。

乾燥した粗糸束ＲＢがいわゆるボビンＢによって供給される。それぞれの粗糸束ＲＢは割り当てられた孔ＥにボビンＢによって供給される。

機械Ｍは、キャリヤＣの長手方向軸線ＬＡに沿って往復移動する。したがって、粗糸束ＲＢの異なる層をキャリヤＣの内部に提供することができ、機械Ｍのそれぞれの移動ごとに１つの層が提供される。

図２は、粗糸束の積層された層の終端を設計するための様々な可能性を示している。

粗糸束は、これらの終端を形成するために個々に切断される。

粗糸束は、専用の終端に関してランダムに切断することも可能であるが、ここでは図示していない。

粗糸束は、終端が円錐状になるように粗糸束を切断することも可能であるが、ここでは図示していない。

Ｍ 機械、 Ｃ キャリヤ、 ＲＢ 単一粗糸束、 Ｂ ボビン、 ＬＡ 長手方向軸線、 Ｅ 孔

Claims (16)

1. 少なくとも１つの風車の羽根の構成部材を製造する方法において、
   該構成部材が、複合構造の少なくとも１つの層を有しており、
   該層が、多数の結合されていない単一粗糸束によって構成されており、該単一粗糸束が、一方向に整合させられていて、共通の方向を有しており、
   粗糸束が、成形ツール内に配置された又は該成形ツールの一部であるキャリヤ内に自動的に積層され、
   積層された前記粗糸束を前記キャリヤとともに前記成形ツールから真空樹脂含浸成形法のために使用される金型へ搬送し、
   前記積層された粗糸束と前記キャリヤとに樹脂を含浸させることを特徴とする、少なくとも１つの風車の羽根の構成部材を製造する方法。
2. 前記成形ツールが、予め含浸されているか又は部分的に含浸されている、請求項１記載の方法。
3. 粗糸束の少なくとも１つの層が、成形ツールの長手方向に配置される、請求項１又は２記載の方法。
4. 前記粗糸束が、所定の方向でキャリヤ上に配置され、
   前記金型が、羽根の構造体を形成するために使用される、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 紙又は膜がキャリヤとして使用され、前記紙又は膜が、樹脂の注入を可能にしている、請求項４記載の方法。
6. 前記成形ツールが、金型の近傍に配置されており、
   キャリヤ及び粗糸束が、持ち上げられ、真空の助けにより金型内に配置される、請求項４又は５記載の方法。
7. 前記真空が、機械によって、粗糸束の積層された層を通じてキャリヤに提供され、これにより、キャリヤが、粗糸束と共に前記機械に向かって吸引される、請求項６記載の方法。
8. それぞれの単一粗糸束が成形ツール内に配置される時に、所定の長さを得るためにそれぞれの単一粗糸束が個々に切断される、請求項１記載の方法。
9. 乾燥した粗糸束を成形ツール上にレイアップして切断するために、レイアップ機械が使用され、該レイアップ機械が、多数の積層された粗糸束を層に構成するために、成形ツールの長手方向軸線に沿って往復移動させられる、請求項８記載の方法。
10. 粗糸束が、定置の固定具に配置されているか又は前記機械に取り付けられたボビンによって供給される、請求項９記載の方法。
11. 前記機械が、個々の粗糸束の所定の長さを得るために、それぞれの粗糸束を個々に所定の形式で切断するための切断装置を使用する、請求項９又は１０記載の方法。
12. 切断装置が、それぞれの単一粗糸束に割り当てられているか、又は切断装置が、多数の粗糸束に割り当てられている、請求項１１記載の方法。
13. 様々な粗糸束のための１つの切断装置として使用されるために、切断装置が前記機械内に可動に配置されている、請求項１１又は１２記載の方法。
14. 前記レイアップ機械が、成形ツールを横切って往復運動するように設計されたキャリッジを有する多軸機械であり、
    粗糸束の少なくとも１つの層が、０〜１８０度の所定の方向で成形ツール内に供給される、請求項９記載の方法。
15. 請求項１から１４までのいずれか１項記載の方法のステップに従って製造されることを特徴とする、風車の羽根。
16. 請求項１から１４までのいずれか１項記載の方法のステップを行うために配置されていることを特徴とする、風車の羽根の構成部材を製造するための機械。

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