JP6928813B2 - 風力タービンブレードの前縁部保護 - Google Patents

Description

本発明は、前縁部保護物（leading edge protection）を備える風力タービンブレードを作製する方法に関する。更に本発明は、前縁部保護物を備える風力タービンブレードに関する。

現代の風力タービンは、電力生産量を増大させるために大型化を続けており、ますます長い風力タービンブレードを備えるようになっている。ブレードが長くなるほど、ブレード表面に衝突する粒子の速度が相応に増大する。雨、雹、塩水飛沫及び他のデブリ粒子は、ブレード表面に４００ｋｍ／ｈ以上にものぼる速度で衝突し、重大な浸食損傷を引き起こす可能性がある。特に、風力タービンの前縁部、とりわけ、風力タービンブレードの先端に最も近い最外部が腐食を受ける。風力タービンブレードが十分に保護されていない場合、又は、保護物が摩耗している場合、ブレードは、時間とともに孔食、えぐれ及び層間剥離が発生することが観察されるが、これは空力効率に大きく影響を与え、更にはブレード全体の構造的完全性に影響が及ぶ可能性がある。ブレードの性能不良により、年間のエネルギー生産量が低減する可能性があるが、修理のダウンタイムにはコストがかかる。

前縁部保護は、例えば、特許文献１、特許文献２又は特許文献３に記載されているように、事前作製された保護カバー又は保護シールドを、完成した風力タービンの外面に取り付けることによって達成することができる。しかしながら、事前作製カバーは、例えば、前縁部の長さに沿って３次元のブレード形状に厳密に適合するように作製することが困難であるが、ブレードへの強力な結合を達成するため並びにその結果として十分に制御された形状及びカバーからブレードシェルへの滑らかな移行部を有する前縁部を達成するためには、そのように作製することが必要である。更に、風力タービンハブに依然として取り付けられている損傷した風力タービンブレードを修理する間に、事前に作製された前縁部カバーを操作及び処理することは、不可能ではないにしても困難である。

また、腐食保護を向上させるために、前縁部領域に表面フィルム又は表面テープを施すことが知られている。表面フィルム又は表面テープも同様に、取付け済みの風力タービンブレードの保護を向上させる又は修理のために現場で施すことは困難である。更に、腐食テープが破れて、いくらか剥がれたテープの部分が風に自由になびくことが観察されている。このことは、ブレードの空力性能を低下させるとともに、著しい騒音源となる可能性がある。

また、改善された耐腐食性を提供するために、３Ｍ社のＷｉｎｄ Ｂｌａｄｅ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｃｏａｔｉｎｇ Ｗ４６００及びＷ４６０１、Ｈｏｎｔｅｋ社のＲｅＮＥＷ Ｗ−Ｓｅｒｉｅｓ、ＨＣ０５ＸＰ１又はＢＡＳＦ社のＲＥＬＥＳＴ Ｗｉｎｄ ｃｏａｔ等の様々なコーティングが特別に設計され販売されている。一般的に、コーティング層が厚いほど、ブレードはより長く腐食に耐えることができる。しかしながら、コーティングは、垂れを防止するために薄いコートとしてしか施すことができない。更に、野外での塗装の場合等では、空気混入、湿気混入に関する問題がある。この場合、複数のより薄い層を施すことによって、望ましいコーティング層厚を堆積させることができるが、これは労働集約的であり、時間がかかる。コーティングの層間の接合面が、同じ厚さの単層コートに比較してコート全体の強度及び耐腐食性を弱化させることが更に観察されている。

欧州特許第２４１６９５０号明細書 国際公開第２００８／１５７０１３号 国際公開第２０１３／０９２２１１号

本発明の実施形態の目的は、腐食及び摩耗に対する改善された前縁部保護をもたらす風力タービンブレードを作製する方法を提供することにより、上述した欠点のうちのいくつか又は全てを克服する又は少なくとも軽減することである。

本発明の実施形態の目的は、風力タービンブレードの製造プロセスと、修理又は保守、特に現場作業との双方に適用可能な、風力タービンブレードを作製する方法を提供することである。

本発明の実施形態の更なる目的は、限られた数のプロセス工程で、特別な設備及びツールに関する単純かつ限定的な要求のみを伴って実行することができる、耐腐食性を向上させる単純だが効果的な方法を提供することである。

したがって、第１の態様において、本発明は、前縁部保護物を備える風力タービンブレードを作製する方法に関する。風力タービンブレードは、ブレードの根元端部と先端部との間の長さに延びるとともに、後縁部と前縁部との間の幅に延び、風力タービンブレードは、前縁部の少なくとも一部を含む外表面部を有する。本発明の第１の態様に係る方法は、
ブレードの表面部上に第１の塗料層を施すことと、
第１の塗料層上に繊維材料層を施すことと、
繊維材料層上に第２の塗料層を施すことと、
施された前縁部保護物を硬化させることと、
を含む。

これにより、概して雨、雹又は塵等の衝突する粒子又は投射物による最も大きい負荷に曝されるブレードの部分である、風力タービンブレードの前縁部の改善された保護が達成される。第１の塗料層上に繊維材料層を第２の塗料層とともに施すことにより、他の状況でコーティング又は塗料のみを施すことによって得られる厚み（塗料が垂れ始めない又は落滴し始めないまでの限られた厚みしか得ることができない）よりも、かなり大きな厚みの前縁部保護物が得られる。ここで、より厚い塗料層によって、相応に改善された耐腐食性並びに摩耗及び衝突する粒子に対する保護がもたらされる点で有利である。このとき、繊維材料層は、結合剤として作用することが観察され、より厚い湿潤塗料層が、垂れ又は落滴を生じることなく安定に存在することを可能にする。繊維材料層は、このようにして、作製されると単層コートとしてみなすことができる厚い前縁部保護コートの堆積を支援する。

繊維層のこの結合作用により、こうして得られた前縁部保護物は、強度がより高く、いかなる繊維性結合剤も用いずに複数の塗料層のみを施すことによって堆積された同じ全体厚さを有する保護層よりも、かなり高い耐腐食性をもたらすことが更に観察される。更に、本発明に係る方法は、材料層を半連続方式で施すことができ、各塗料層を別々に硬化させる時間を必要としないので、はるかに時間がかからず、労働集約的でない点で有利である。

実験で観察された腐食性能の増大は、より均一な厚さを塗布することができ、かつ層接合面の数が減少し、浸食損傷が発生し得る脆弱点が無くなることによってもたらされたと考えられる。

更に、塗料層に埋め込まれた繊維層は、前縁部保護コートが、元の基材に存在している又は外部からの衝突（すなわち、大きな雹粒）によって生じた表面の亀裂上に広がる場合に有利とすることができ、この場合、繊維材料は、「プレーン（純粋）な」コーティングに優るコート亀裂抑止能を提供することができる。

更に、繊維層中の繊維は、風力タービンブレードの保護される部分の衝突強度を増大させ、破損せずに衝撃及び衝突エネルギーを吸収する能力を高める。これにより、前縁部保護物は、衝突する雨、雹、塵粒子等によるブレードの損傷のリスクを低減させる。

本発明に係る提案される方法は、塗料の垂れという他の状況では固有の問題を伴わずに所望の増大した塗料の厚さが得られる方法であるという上述した利点に加えて、単純な手作業によって実行することができ、基本的なツールしか必要としない点で有利である。これにより、既存の風力タービンブレード上で、場合によっては取り付けられたまま、例えば、プラットフォームから又はロープアクセスを用いて、本方法を実行することが可能である。更に、本方法は、例えば、特別な真空発生機器、位置決め治具、堆積装置等を必要とすることなく、野外で実行することができる。

この保護方法は、繊維層が、簡単に覆い被せることができる材料で構成されており、複曲面にさえも設置することができる点で更に有利である。これにより、前縁部保護物は、風力タービンブレードプロファイルの全体的な外形に最小限の変更を加えるだけで、ブレードの空気力学的特性に測定可能なほどの影響を与えることなく、施すことができる。

更に、前縁部保護物は、比較的迅速に確立することができ、これは、現場での修理又は保守作業、特に、作業条件が短時間しか許容可能なものとならない可能性がある洋上タービンのブレードの修理又は保守作業に適用される場合に、特に有利である。

塗料層のうちの１つ以上は、コーティング、ラッカー、又は、風力タービンブレードの表面に施される任意のタイプの被覆材とすることができる。

外表面部は、通例、例えば、ブレードの吸込側表面及び圧力側表面の双方の一部を含むように、前縁部を横切って延びる。外表面部は、前縁部の両側まで同様の距離に延びるか、又は、吸込側よりも圧力側に長い距離を延びることも、その逆に長い距離を延びることもできる。外表面部は、ブレードの長さに沿って等しい又は同様の断面幅を有してもよいし、例えば、ブレードの先端部のより近くで風力タービンブレードプロファイルのより大きな部分を覆うように変化する幅を有してもよい。これにより、前縁部保護物は、衝突する粒子及び投射物の速度がより大きい先端部側では、ブレードプロファイルのより大きな部分を覆う。

ブレード先端及び風力タービンブレードの最も外側の部分は、より高速の粒子に曝され、それにより浸食損傷のリスクがより高いので、前縁部保護物は、ブレード先端に隣接する又はブレード先端を含むブレード前縁部の最も外側の部分、例えば、前縁部の長さの最も外側の５％〜４０％、例えば、最も外側の１０％〜２０％を保護するように施されることが好ましい。

本発明の一実施形態において、第２の塗料層は、繊維材料層に少なくとも部分的に浸透するように施される。一実施形態において、繊維材料層には、第１の層の塗料若しくは第２の層の塗料が、又はそれらの組合せが、部分的又は完全に浸透する。部分的又は完全な浸透は、繊維層を第１の塗料層に（例えば、グローブをはめた手で単純に）押し込むことによって、及び／又は、例えば、ローラー塗装又は刷毛塗装又はスプレー塗装により第２の塗料層を施すことによって実現することができる。繊維層の部分的又は完全な浸透により、２つの塗料層は、繊維材料が埋め込まれた単層の前縁部保護物を効果的に形成する。この層の強度は、繊維材料が結合剤として作用することと併せて、層間接合面が排除されているので、同じ厚さの積重層の強度よりも高いものとすることができる。

本発明の一実施形態によれば、繊維材料層は、乾燥繊維材料を含む。乾燥層とは、場合によっては結合剤又は糊付け（sizing）が適用されている非浸透層又は本質的に非浸透層として理解される。これにより、隣接する層の塗料を繊維層により良好に浸透させることができ、ひいては、繊維層が塗料層を結合するようにより良好に作用する。

一実施形態において、繊維材料層は、織物又はランダム繊維マットを含む。これは、例えば、単純な手作業によって、特別なツール又は機械類を必要とせずに容易に施す又は堆積させることができる、相当な構造的完全性を有する層をもたらすのに有利である。更に、織物又はランダム繊維マットは、良好なドレープ特性を示すように構成することができ、特定の要求に従って適切なサイズに非常に簡単に切断することができる。また、織物又はランダムマットは、一般的に、塗料の施工による浸透に十分かつ良好に適合する。

また更なる実施形態において、繊維材料は、ガラス繊維、カーボン繊維、ポリエステル、アラミド及びナイロンの群に属する少なくとも１つの材料の繊維を含む。これらの材料は全て異なる強度、剛性及び表面特性を有し、設計者は、コーティング及び／又は手元にある基材の材料並びに主要な故障判定基準に応じて、前縁部保護物の特性を調整することができる。

一実施形態において、第１の塗料層と第２の塗料層とは、同じ材料製である。これにより、第１の塗料層と第２の塗料層との間の完全な適合性が確実にされ、層間脆弱性の問題が起こるリスクがない。得られる前縁部保護物は、このようにして、繊維材料によって補強されたかなりの厚さを有する単一の塗料層として認識されるか又はそのような塗料層として見えるように維持することができ、それにより、他の状況で従来のように得ることができる層よりも厚い層と、併せて繊維材料による補強効果との双方が得られる。一実施形態において、塗料は、３Ｍ社のＷｉｎｄ Ｂｌａｄｅ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｃｏａｔｉｎｇ Ｗ４６００及びＷ４６０１又はＨｏｎｔｅｋ社のＲｅＮＥＷ Ｗ−Ｓｅｒｉｅｓ、ＨＣ０５ＸＰ１等の、２成分ポリウレタンコーティングを含むコーティングであり、これらの材料は、優れた耐腐食特性を有することが報告されている。加えて又は代替的に、塗料は、３成分ポリウレタンコーティング、エポキシ樹脂若しくはポリエステル樹脂、又は、粒、短繊維若しくはナノ粒子等の追加の粒子とともに使用される場合もそうでない場合もある他の塗料を含むコーティングである。

一実施形態において、本方法は、更なる繊維材料層と更なる塗料層とを交互に施すことであって、それにより、塗料層を間に挟んだ複数の繊維材料層を堆積させることを更に含む。これにより、更に一層増大した厚さの、したがって更に改善された耐腐食特性及び衝突強度を有する、前縁部保護物が得られる。この方法を用いて、望ましい所定の最小厚さを有する前縁部保護物を構築することができる。更に、本方法は、複数の連続するステップにおいて層の施工を繰り返すだけなので、異なる作業条件下でも比較的簡単に実行することができる。実施形態は、２つ、３つ、４つ、又は、最大６つ、７つ若しくは８つまでの任意の数の繊維材料層を施すことを含む。繊維材料層は、同じ材料、一部同じ材料又は異なる材料製とすることができる。

一実施形態において、塗料層は、ローラー塗装、刷毛塗装又はスプレー塗装によって施される。したがって、塗料層は、単純な手作業で施すことができる一方で、繊維層の効果的な浸透をもたらす。

一実施形態において、本方法は、硬化前に最外層として剥離層を施すことと、硬化後に剥離層を剥離することと、最外層として塗料層を施すこととを更に含む。剥離層は、縁部を覆うように又は最も外側に施された繊維材料層の全範囲を覆うように施すことができ、未硬化の塗料に押し込まれる。これにより、前縁部保護物を含む表面部とブレードの近接する表面領域との間のなだらかな移行部が達成され、前縁部保護物を施すことによる空気力学的影響が最小限に抑えられる。

上記の方法ステップは、風力タービンブレードの製造過程の一部をなすこともできるし、代替的に又は加えて、風力タービンブレードの修理若しくは保守時の後処理として実行することもできる。すなわち、前縁部保護物は、最初の製造時に風力タービンブレードに施すことができるが、既存の風力タービンブレードに後の時点で施すことにも非常によく適している。上記の作製方法は、例えば、特殊雰囲気（天候条件から隔離され、使用される塗料の機能窓に合致する）又は特別な製造設備若しくは機械類等に対するいかなる要求も伴わずに、単純な手作業及び単純なツールによって実行することができるので、本方法を野外の現場においてブレード上で、又は更には風力タービンに取り付けられているブレード上で実行することができることが特別な利点である。

更なる一態様において、本発明は、風力タービンブレードであって、該風力タービンブレードは、ブレードの根元端部と先端部との間の長さに延びるとともに、後縁部と前縁部との間の幅に延び、該風力タービンブレードは、前縁部の少なくとも一部を含む外表面部を有し、風力タービンは、上記されているように作製された前縁部保護物を更に備える、風力タービンブレードに関する。

風力タービンブレードの利点は、上記において作製方法に関して記載されているとおりである。

以下、図面を参照しながら、本発明の様々な実施形態を記載する。

風力タービンを示す図である。 前縁部保護物を備える風力タービンブレードを示す図である。 本発明の実施形態に係る前縁部保護物を備える風力タービンブレードの一部を断面図で示す図である。 本発明の実施形態に係る前縁部保護物を備えるブレードを作製する方法を示す図である。 本発明の実施形態に係る前縁部保護物を備えるブレードを作製する方法を示す図である。 本発明の実施形態に係る前縁部保護物を備えるブレードを作製する方法を示す図である。

図１は、タワー１０１と、ギアボックス、発電機等の機械コンポーネント（図示せず）を収容する、タワーの頂部のナセル１０２とを備える風力タービン１００を示している。ナセルの一端部において、ハブセクション１０３が複数の風力タービンブレード１１０を支持している。

図２は、ブレードの根元端部２０２と先端部２０３との間の長さ２０１に延びるとともに、後縁部２０５と前縁部２０６との間の矢印２０４で示されている幅に延びる風力タービンブレード１１０を示している。風力タービンブレードの外表面部２１０は、前縁部２０６の一部を覆い、本発明に係る前縁部保護物が設けられている。

図３は、図２で示されているプロファイル３００に対応する風力タービンブレード１０１の一部を断面図で示している。ブレードの外表面部又は外側表面部２１０は、ブレードの前縁部２０６を覆うとともにブレードの前縁部２０６を横切って延びる。前縁部保護物は、表面部２１０に施される第１の塗料層３０１と、繊維材料層３０２と、繊維材料上に施されるとともに繊維材料に浸透して湿潤させる更なる塗料層３０３とを含む。

本願の方法における一連のステップが、図４Ａ〜図４Ｃに示されている。図４Ａに示されている第１のステップにおいて、表面部２１０に、例えば前縁部を覆うように、第１の塗料層３０１を施す。塗料は、例えば、刷毛、ローラー又はスプレー４０１によって施すことができる。次に（図４Ｂ）、塗料３０１上に繊維材料層３０２を施す。繊維層は、例えば、織物又はマットとしてもよいし、例えば、ガラス繊維、ナイロン、Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）若しくはポリエステルの繊維又はこれらの組合せを含んでもよい。所望であれば、繊維層３０２を例えば、より容易に扱えるサイズであるか又はブレードの湾曲した外面上により良好に覆い被せられる、複数のパッチとして施してもよい。繊維層は、塗料に僅かに押し込むことができる。

その後、次のステップにおいて（図４Ｃ）、繊維層３０２に浸透する第２の塗料層３０３を施す。ここでも、塗料は、例えば、刷毛、ローラー又はスプレー４０１によって便宜的に施すことができる。この後、前縁部保護物を硬化させることができる。

更に一層増大した厚さを有する前縁部保護物は、塗料層を間に挟んだより多数の繊維材料層を施すことによって、すなわち、例えば、２つ、３つ、４つ、５つ又は６つの繊維材料層を施すように図４Ｂ及び図４Ｃのステップを複数回繰り返すことによって、実現することができる。異なる層における繊維材料は、同じ材料、一部同じ材料又は全て異なる材料とすることができる。

本発明の好ましい実施形態を記載したが、本発明はそのように限定されず、本発明から逸脱することなく変更を加えることができることが理解されるべきである。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって規定され、文言上又は均等論により特許請求の範囲の趣旨内に入る全ての装置が本発明に包含されることが意図される。

Claims (13)

1. 前縁部保護物を備える風力タービンブレードを作製する方法であって、前記風力タービンブレードは、前記風力タービンブレードの根元端部と先端部との間の長さに延びるとともに、後縁部と前縁部との間の幅に延び、前記風力タービンブレードは、前記前縁部の少なくとも一部を含む外表面部を有し、該方法は、
   前記風力タービンブレードの前記外表面部上に第１の塗料層を施すことと、
   前記第１の塗料層上に繊維材料層を施すことと、
   前記繊維材料層上に第２の塗料層を施すことと、
   施された前記前縁部保護物を硬化させる前に最外層として剥離層を施すことと、
   施された前記前縁部保護物を硬化させた後に前記剥離層を剥離することと、
   最外層として塗料層を施すことと、
   を含む、方法。
2. 前記第２の塗料層は、前記繊維材料層に少なくとも部分的に浸透するように施される、請求項１に記載の風力タービンブレードを作製する方法。
3. 前記繊維材料層は、乾燥繊維材料を含む、請求項１又は２に記載の風力タービンブレードを作製する方法。
4. 前記繊維材料層は、織物又はランダム繊維マットを含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の風力タービンブレードを作製する方法。
5. 前記繊維材料層は、ガラス繊維、ポリエステル、Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）及びナイロンの群に属する少なくとも１つの材料の繊維を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の風力タービンブレードを作製する方法。
6. 前記第１の塗料層と前記第２の塗料層とは、同じ材料製である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の風力タービンブレードを作製する方法。
7. 前記第１の塗料層と前記第２の塗料層の塗料は、２成分ポリウレタンコーティング、３成分ポリウレタンコーティング、エポキシ樹脂又はポリエステル樹脂を含むコーティングである、請求項１〜６のいずれか１項に記載の風力タービンブレードを作製する方法。
8. 更なる繊維材料層と更なる塗料層とを交互に施すことにより、塗料層を間に挟んだ複数の繊維材料層を堆積することを更に含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の風力タービンブレードを作製する方法。
9. 前記塗料層は、ローラー塗装、刷毛塗装又はスプレー塗装によって施される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の風力タービンブレードを作製する方法。
10. 前記剥離層は、最も外側に施された前記繊維材料層の縁部を覆うように施されて、未硬化の塗料に押し込まれる、請求項１〜９のいずれか１項に記載の風力タービンブレードを作製する方法。
11. 前記方法は、前記風力タービンブレードの製造過程の一部をなす、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の風力タービンブレードを作製する方法。
12. 前記方法は、前記風力タービンブレードの修理又は保守時の後処理として実行される、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の風力タービンブレードを作製する方法。
13. 風力タービンブレードであって、該風力タービンブレードは、該風力タービンブレードの根元端部と先端部との間の長さに延びるとともに、後縁部と前縁部との間の幅に延び、該風力タービンブレードは、前記前縁部の少なくとも一部を含む外表面部を有し、該風力タービンブレードは、請求項１〜１２のいずれか１項に記載のように作製される前縁部保護物を更に備える、風力タービンブレード。

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