JP5778758B2 - モジュール式構造用複合梁 - Google Patents

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Description

本発明は、モジュール式構造用複合梁に関する。詳細には、本発明は、風力タービン翼に使用されるモジュール式構造用複合梁に関する。
巨大な風力タービン翼(35ｍよりも長い)は、典型的には、空力フェアリングの内部に強化及び補剛片持ち梁又は箱けたを形成することによって建造される。風力タービン翼を製造する現行の方法では、別個の梁を備えた2つの半シェルとして、又は一体の梁を備えた2つの半シェルとして各翼を製造する。いずれの場合も、2つの半シェルは、完全な翼を形成するために、その縁に沿って互いに結合される。
構造用梁は、1つ、より一般的には2つのせん断ウェブに連結されたフランジを両端部に備えている。フランジは、主に一方向繊維強化プラスチックから形成され、せん断ウェブは、主に多軸(+/-45°)繊維強化プラスチックからなる。
空力フェアリングの半シェル内にフランジを成形し、次いで該空力フェアリングを互いに接合するときにせん断ウェブと共にフランジを結合することによって構造用梁を形成することは当分野で公知である。別法では、構造用梁は、別個の成形型に別個の梁を成形し、次いで空力フェアリングを互いに接合するときに該空力フェアリングの中に梁を結合することによって形成される。
これらの各方法は、多数の問題点を有する。第一に、一方向フランジの梁が、フェアリング内に成形される場合は、フランジ材料の質を正確に制御することが困難である。このため、典型的には、フランジ材料によって機械的性質が低下し、工学的安全性に必要な質量が増加することになり、従ってコストが増大する。
構造用梁が、別個の成形型に成形されて別個に形成される場合は、上記の問題点の一部を解消することができる。しかしながら、別個の成形型のコストが、構成要素の全コストに追加されることになる。
いずれの場合も、新たな設計又は設計の僅かな変更が必要な場合は、全く新しい成形型を形成する必要があるため、プロトタイプ製造の時間及びコストが増大し、かつ新モデルの導入コストも増大する。同様に、自動化の採用を考えてみると、自動化は、多数の異なる梁の設計及び形状に対応できなければならないため、自動化のコストは相当なものになる。
モジュール式風力タービン翼の設計は、本出願者の国際公開第2009/034291号パンフレットに記載されている。この出願は、従来の製造技術よりも全体として優れた翼の設計柔軟性を可能にする複数の規格構成部品を備えた風力タービン翼を開示している。しかしながら、この風力タービン翼では、構造用梁の設計の変更についての選択肢が限られている。本発明の目的は、改善された設計の柔軟性及び質を可能にし、かつ従来の風力タービン翼の一部として、モジュール式風力タービン翼の一部として、又は橋などの他の構造用途に使用できる構造用複合梁を提供することにある。
従って、本発明の第1の態様では、構造用複合梁用のモジュール式繊維強化プラスチックフランジを提供し、該モジュール式フランジは：複数の細長い要素の長手方向軸が互いに実質的に平行となるように所定の配列に配置された該複数の細長い要素から形成された本体であって、該本体の寸法が、該配列の該細長い要素の数及び配置によって実質的に決定される、本体；及び該配列の該複数の細長い要素を少なくとも部分的に取り囲むスキン部材を備えている。
複数の細長い要素及び外側スキンからフランジの本体を形成することにより、該フランジの設計を、該細長い要素の配列及びスキン部材のサイズ及び構成を変更することにより容易に変更することができる。また、スキン部材を使用することにより、耐せん断荷重性が改善される。
好ましい実施態様では、スキン部材は、細長い要素の配列を完全に取り囲んで、さらなる支持及び構造的完全性を付与する。
スキン部材は、好ましくは、第1のスキン要素及び第2のスキン要素を備え、該第1のスキン要素は、凹形であり、該第2のスキン要素は、該第1のスキン要素内に嵌め込まれて配置される。この構成により、第2のスキン要素が嵌め込まれてスキン部材が完成する前に、本体を第1のスキン要素内に配置することができる。このようにして、スキン部材の寸法を殆ど又は全く変更することなく、本体の厚さを変更することができる。
好ましくは、スキン部材は、使用時にせん断ウェブを受容するソケットを備える。これにより、フランジをせん断ウェブに取り付ける便利な方法、及びフランジとせん断ウェブとの間での荷重の伝達が実現される。
好ましい実施態様では、少なくとも2つの細長い要素は、異なる材料を含む。これにより、フランジの機械的性質を容易に変更することができる。
耐せん断荷重性をさらに改善するために、少なくとも1つの補強層が、好ましくは、細長い要素の配列内に少なくとも部分的に配置される。
第2の態様では、本発明は、構造用複合梁を提供し、この構造用複合梁は：本発明の第1の態様によるモジュール式フランジ；及び該モジュール式フランジのスキン部材に結合されたせん断ウェブを備えている。このようにして、改善された、より用途の広い構造用複合梁が提供される。
せん断ウェブは、好ましくは、さらなる構造的完全性を付与するために2つの複合材料層の間に配置された構造コアを備える。複合材料層は、好ましくは、多軸複合材料である。せん断ウェブは、パネルがスキン部材のソケットで終端しているため、「開口」サンドイッチパネルとしてフランジに組み付けることができ、有利である。つまり、せん断ウエブ(複数可)を、個別の成形プロセスではなく連続生産プロセスで生産することができ(そうでない場合はサンドイッチパネルの端部を「閉じる」必要がある)、これにより生産コストが削減され、柔軟性が増大する。
第3の態様では、本発明は、構造用複合梁用のモジュール式繊維強化プラスチックフランジを形成する方法を提供し、この方法は：複数の細長い要素の長手方向軸が互いに実質的に平行となるように所定の配列に配置された該複数の細長い要素から本体を形成する工程であって、該本体の寸法が、該配列の該細長い要素の数及び配置によって実質的に決定される、工程；及びスキン部材が、該配列の複数の細長い要素を少なくとも部分的に取り囲むように、該スキン部材を該本体に結合する工程を含む。
この方法は、好ましくは、本体の寸法を確定するために細長い要素の数及び配置を選択する工程；及び該本体の寸法に実質的に適合する大きさのスキン部材を選択する工程をさらに含む。このようにして、様々な寸法及び機械的性質のフランジを、設備を一新することなく規格構成要素から容易に形成することができる。
好ましくは、スキン部材は、第1のスキン要素及び第2のスキン要素を備え、該第1のスキン要素は、凹形を有し、該第2のスキン要素は、該第1のスキン要素内に嵌め込まれて配置され；この方法は：本体を該第1のスキン要素内に配置する工程；及び該第2のスキン要素を該第1のスキン要素内に配置して、該本体を完全に取り囲むスキン部材を形成する工程をさらに含む。
第4の態様では、本発明は、構造用複合梁を形成する方法を提供し、この方法は：本発明の第3の態様の方法を使用する工程；及び少なくとも1つのせん断ウェブをモジュール式フランジのスキン部材に結合する工程を含む。
好ましくは、本発明の第3の態様の方法又は本発明の第4の態様の方法では、モジュール式フランジ又は構造用複合梁の各構成部品が、連続製造プロセスで形成される。この連続生産プロセスは、所要時間が少なく、労働集約型であり、かつ再現性が高くて廃棄物が少ないため、生産コストを削減し、品質を向上させる。
本発明の第3の態様又は第4の態様の方法を行う前に、モジュール式フランジの細長い要素及びスキン部材、並びに構造用複合梁の少なくとも1つのせん断ウェブは、好ましくは、硬化状態又は半硬化状態であり、その最終形状を有する。従って、細長い要素、スキン部材、及びせん断ウェブの形状及び寸法は、モジュール式フランジ又は構造用複合梁が組み立てられる前に実質的に確定する。加えて、細長い要素、スキン部材、及びせん断ウェブの主な機械的性質も、モジュール式フランジ又は構造用複合梁が組み立てられる前に実質的に確定する。
第5の態様では、本発明は、モジュール式繊維強化プラスチックフランジを形成するための部品のキットを提供し、このキットは：所定の配列に配置された複数の細長い要素を備えた本体を形成するのに適した複数の細長い要素であって、該細長い要素の長手方向軸が、互いに実質的に平行である、複数の細長い要素；及び複数の細長い要素の所定の倍数に一致する大きさである複数のスキン部材を含む。従って、このキットは、様々なサイズ及び機械的性質のフランジを生産するための手段を提供する。
この部品のキットの細長い要素及びスキン部材は、好ましくは、硬化状態又は半硬化状態であり、その最終形状を有する。
ここで、本発明の例を、添付の図面を参照して説明する。
図1は、モジュール式構造用複合梁の一部の略組立分解図を示している。 図2は、モジュール式繊維強化プラスチックフランジ及び別個のウェブの略断面図を示している。 図3は、組み立てられたモジュール式構造用複合梁の一部の略断面図を示している。 図4は、代替の組み立てられたモジュール式構造用複合梁の一部の略断面図を示している。 図5は、さらなる代替の組み立てられたモジュール式構造用複合梁の一部の略断面図を示している。
図1は、モジュール式構造用複合梁10の一部の略組立分解図を示している。梁10は、第1のスキン要素20及び第2のスキン要素30、並びに複数の細長い要素40を備えている。加えて、梁10は、2つのせん断ウェブ50も備え、それぞれのせん断ウェブは、構造コア52及び外側スキン層54を備えている。
構造コア52は、PVC、PET、バルサ材、又はSTYROFOAM、又は当分野で広く知られて使用されている他の構造コア材料を含む任意の適切な材料から形成することができる。外側スキン層54は、主に多軸(±45°)繊維強化プラスチックを含む。外側スキン層54は、接着剤、例えば構造用接着剤(例えば、エポキシ、ポリウレタン、アクリル、シリコーン)によって、又は樹脂、例えばポリエステル、ビニルエステル、エポキシ、又は他の構造用熱硬化性もしくは熱可塑性樹脂によって構造コア52に接着される。
細長い要素40は、主に一軸繊維強化プラスチックを含む。細長い要素は、フランジ5(図2を参照)が形成される前に最終形状又は形態を有するように、典型的には「予め成形された」一方向複合材料、例えば引抜成形もしくは半硬化プリプレグ、又は中間型の材料である。図1に示されているように、細長い要素40は、配列、この場合は3×3の配列に配置されて、フランジ5の主耐力構成要素を構成する本体42を形成している。細長い要素40は、構造用接着剤によって、或いはプロセス、例えば手動積層、真空注入、真空圧密、又は当分野で使用される同様の積層プロセスを使用して構造用樹脂と共に積層することによって互いに接着されて本体42を形成する。
第1のスキン要素20及び第2のスキン要素30はそれぞれ、主に多軸繊維強化プラスチックを含む。第1のスキン要素20は、U型の凹形であり、第2のスキン要素30は、その各外端部にソケット34を画定する突出部32を備えている。ソケット34は、せん断ウェブ50の端部56を受容する大きさである。
図2に示されているように、組み立てられたフランジ5では、第2のスキン要素30が、第1のスキン要素20内に嵌め込まれている。2つのスキン要素20と30が1つになって、本体42を完全に取り囲むスキン部材60を形成している。この例では、「完全に取り囲む」とは、スキン部材60が、本体42を包囲しているが、該本体42の端部を覆っていないことをいう。
また、図2に示されているように、第1のスキン要素20及び第2のスキン要素30は、本体42に適合する大きさである。本体42の寸法は、配列中の細長い要素の数及び配置によって決まる。図2に示されている例では、本体42は、3×3の配列を有するため、該本体42の厚さは、細長い要素40の厚さの3倍と実質的に等しく、該本体42の幅は、細長い要素40の幅の3倍と実質的に等しい。
図3は、せん断ウェブ50と共に組み立てられたフランジ5を示している。せん断ウェブは、ソケット34内に嵌め込まれ、接着剤、例えば構造用エポキシ接着剤によって取り付けられている。図示されているように、ソケット34内のせん断ウェブ50の位置は、該せん断ウェブ50の端部を「閉じている」。図3では、箱形梁10の上部のみが示されている。別のフランジ5を、せん断ウェブ50の下側に取り付けて完全な箱形梁10を形成できることを理解されたい。加えて、せん断ウェブ50を様々な厚さにして箱形梁10の厚さを変更することができる。この厚さは、例えば風力タービン翼のテーパを得るために梁の長さに沿って変更することができる。
図4は、モジュール式構造用複合梁100の上部の代替の構造を示している。この場合、梁100は、第2のスキン部材130の中心ソケット134に配置された1つのせん断ウェブ50のみを備えたI形梁である。フランジ105の本体142を形成する細長い要素40、140は、異なる繊維強化プラスチック材料を含み、細長い要素40は、例えばガラス繊維強化プラスチック材料を含むことができ、細長い要素140は、例えば炭素繊維強化プラスチックを含むことができる。図4に示されている異なる材料の細長い要素40、140の配置は、ほんの一例であり、望まれる機械的性質によって任意の他の配置を選択することもできる。
梁100は、本体42の細長い要素40、140の層間に配設された補強層144をさらに備えている。これらの補強層は、主に多軸(±45°)繊維強化プラスチックを含み、フランジ105に追加のせん断強さを付与する。補強層144は、本明細書に開示されるどのモジュール式構造用複合梁にも設けることができる。
図5は、モジュール式構造用複合梁200の上部のさらなる代替の構造を示している。細長い要素40及びスキン部材260は、配列の細長い要素40a、40b、及び40cを部分的に取り囲む1つのスキン要素220のみを備えている。
任意の数の細長い要素40、140を本体42、142、242を形成する配列に含めることができ、任意の望ましい配置において、任意の数の異なる繊維強化プラスチック材料を、該細長い要素に対して選択することができることを理解されたい。このようにして、フランジ5、105、205の機械的性質を、要望通りに変更することができる。
図2を再び参照すると、本体42の幅(3つの細長い要素の幅)は同じであるが、その厚さ(例えば、2つの細長い要素の厚さ)が変わる場合でも、第2のスキン要素30が本体42に達するまで第1のスキン要素20内に嵌め込まれるという事実から異なる厚さに対応できるため、同じスキン要素20、30を使用することができる。必要に応じて、第2のスキン要素30の突出部32との重複部を除去するために、第1のスキン要素20の側部22を切除することができる。別法では、より厚さのある本体42(例えば、4つ以上の細長い要素の厚さ)を、第1のスキン要素20と第2のスキン要素30との相互作用によって得られる可変厚さ機能によって収容することができる。この場合、第2のスキン要素30の突出部32は、第1のスキン要素20の側部22との重複部を除去するために、任意に切除することができる。
本体42の幅を変更する場合(例えば、2つの細長い要素の幅)は、該本体42の幅に適合する適切な大きさのスキン要素20、30を用意することが望ましい。細長い要素40は、好ましくは、該細長い要素の様々な配列に適合するべく、一連の規格サイズのスキン要素20、30を提供できるように規格寸法を有する。
上述の繊維強化プラスチック構成要素は、典型的には、当分野で公知のガラス繊維強化プラスチック又は炭素繊維強化プラスチックである。しかしながら、任意の他の適切な繊維強化プラスチック材料も使用することができる。

Claims (14)

  1. 構造用複合梁用のモジュール式繊維強化プラスチックフランジであって：
    複数の予め硬化された細長い要素の長手方向軸が、互いに平行となり、かつ該梁の長手方向に延在するように、所定の配列に配置された該複数の予め硬化された細長い要素から形成されたモジュール式の本体であって、該複数の予め硬化された細長い要素の各々が、複合材料から形成されており、かつ、該モジュール式の本体の寸法が、該配列の該細長い要素の数及び配置によって決定される、モジュール式の本体；及び
    該配列の該細長い要素を取り囲み、かつ、第1のスキン要素及び第2のスキン要素を備える、モジュール式のスキン部材であって、該第1のスキン要素が、凹形を有し、該第2のスキン要素が、該第1のスキン要素内に嵌め込まれて配置され、可変の該細長い要素の数及び／又は配置に対応するように構成可能な、モジュール式のスキン部材を備えている、前記フランジ。
  2. 前記スキン部材が、使用時にせん断ウェブを受容するソケットを備えている、請求項1記載のモジュール式フランジ。
  3. 前記細長い要素の少なくとも2つが、異なる材料を含む、請求項1又は2記載のモジュール式フランジ。
  4. 前記細長い要素の配列内に少なくとも部分的に設けられた少なくとも1つの補強層をさらに備えている、請求項1〜3のいずれか1項記載のモジュール式フランジ。
  5. 構造用複合梁であって：
    請求項1〜4のいずれか1項記載のモジュール式フランジ；及び
    該モジュール式フランジのスキン部材に結合されたせん断ウェブを備えている、前記構造用複合梁。
  6. 該せん断ウェブが、2つの複合材料層の間に配置された構造コアを備えている、請求項5記載の構造用複合梁。
  7. 構造用複合梁用のモジュール式繊維強化プラスチックフランジを形成する方法であって：
    複数の予め硬化された細長い要素の長手方向軸が、互いに平行となり、かつ該梁の長手方向に延在するように所定の配列に配置された該複数の予め硬化された細長い要素からモジュール式の本体を形成する工程であって、該複数の予め硬化された細長い要素の各々が、複合材料から形成されており、かつ、該モジュール式の本体の寸法が、該配列の該細長い要素の数及び配置によって決定される、工程；及び
    モジュール式のスキン部材が、該配列の細長い要素を取り囲むように、該モジュール式のスキン部材を該モジュール式の本体に結合する工程を含み、
    該モジュール式のスキン部材が、第1のスキン要素及び第2のスキン要素を備え、該第1のスキン要素が、凹形を有し、該第2のスキン要素が、該第1のスキン要素内に嵌め込まれて配置され、該モジュール式のスキン部材が、可変の該細長い要素の数及び／又は配置に対応するように構成可能である、
    前記フランジを形成する方法。
  8. 前記本体の寸法を確定するために前記細長い要素の数及び配置を選択する工程；及び
    前記本体の寸法に適合する大きさのスキン部材を選択する工程をさらに含む、請求項7記載のモジュール式フランジを形成する方法。
  9. 前記本体を該第1のスキン要素内に配置する工程；及び
    該第2のスキン要素を該第1のスキン要素内に配置して、該本体を完全に取り囲むスキン部材を形成する工程をさらに含む、請求項8記載のモジュール式フランジを形成する方法。
  10. 構造用複合梁を形成する方法であって：
    請求項7〜9のいずれか1項記載の方法を使用してモジュール式フランジを形成する工程；及び
    少なくとも1つのせん断ウェブを該モジュール式フランジの前記スキン部材に結合する工程を含む、前記構造用複合梁を形成する方法。
  11. 前記モジュール式フランジ又は前記構造用複合梁の各構成部品が、連続製造プロセスで形成される、請求項7〜9のいずれか1項記載のモジュール式フランジを形成する方法又は請求項10記載の構造用複合梁を形成する方法。
  12. 請求項7〜11のいずれか1項記載の方法を行う前に、前記モジュール式フランジの前記細長い要素及び前記スキン部材、並びに前記構造用複合梁の少なくとも1つのせん断ウェブが、硬化状態又は半硬化状態であり、その最終形状を有する、請求項7〜11のいずれか1項記載の方法。
  13. モジュール式繊維強化プラスチックフランジを形成するための部品のキットであって：
    所定の配列に配置された複数の細長い要素を備えたモジュール式の本体を形成するのに適した複数の予め硬化された細長い要素であって、該複数の予め硬化された細長い要素の各々が、複合材料から形成されており、該細長い要素の長手方向軸が、互いに平行である、複数の予め硬化された細長い要素；及び
    複数の細長い要素の所定の倍数に一致する大きさである複数のモジュール式のスキン部材であって、各スキン部材が、第1のスキン要素及び第2のスキン要素を備え、該第1のスキン要素が、凹形を有し、該第2のスキン要素が、該第1のスキン要素内に嵌め込まれて配置され、可変の該細長い要素の数及び／又は配置に対応するように構成可能な、複数のモジュール式のスキン部材を含む、前記部品のキット。
  14. 前記細長い要素及び前記スキン部材が、硬化状態又は半硬化状態であり、その最終形状を有する、請求項13記載の部品のキット。
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