KR102048508B1 - 3축 섬유 강화된 복합 라미네이트 - Google Patents

3축 섬유 강화된 복합 라미네이트 Download PDF

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Abstract

본원의 회전자는 회전자 블레이드의 장축에 대해 약 10도 내지 30도의 제1각도로 배향된 복수의 제1섬유를 갖는 제1층, 복수의 제1섬유에 대해 약 60도 내지 75도의 제2각도로 배향된 복수의 제2섬유를 갖는 제2층, 및 복수의 제2섬유에 대해 약 -60도 내지 약 -75도의 제3각도로 배향된 복수의 제3섬유를 갖는 제3층을 포함할 수 있는 것이다.

Description

3축 섬유 강화된 복합 라미네이트{TRIAXIAL FIBER-REINFORCED COMPOSITE LAMINATE}
본원은 2013년 1월 10일자로 미국 특허청에 출원된 US특허 가출원번호 61/751,088호를 우선권으로 주장하며, 그 전체 내용은 본 명세서에 참조로 포함되었다.
본원은 3축 섬유 강화된 복합 라미네이트에 관한 것이다. 특히, 예시적인 실시예는 3축 섬유 강화된 복합 재료를 포함하는 풍력 터빈의 회전자 블레이드에 관한 것이다.
풍력 터빈은 풍력 에너지를 전력으로 변환하는 기계적 장치이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 풍력 터빈(10)은 발전기(30)와 에어 포일(air foil)로도 지칭되는 복수의 블레이드(40)를 지지하는 타워(20)를 포함한다. 바람은 블레이드(40)가 회전축(Z)을 중심으로 회전하게 하는 힘을 발휘한다. 발전기(30)는 블레이드의 동작을 전력으로 변환한다. 따라서, 풍력 터빈(10)은 풍력 에너지를 전기로 전환시킬 수 있다.
종래 기술에서, 과도한 바람은, 예를 들면 강풍은 과대한 응력이 블레이드(40), 발전기(30), 타워(20)에 발생하게 할 수 있다. 이들의 응력을 완화하기 위해서, 종래의 일부 풍력 터빈은 블레이드의 방향을 변경하는 작동기를 포함했다. 다른 종래의 시스템은 그 안에 포함된 트위스트 밴드 연결 섹션(twist bend coupled section)을 가진 블레이드를 사용했다. 이런 시스템(40)은 블레이드(40)가 비교적 높은 부하를 받으면 비틀려지게 하여, 바람이 블레이드에 발휘할 수 있는 힘의 양을 감소시켜서 응력을 감소시키는 것이다.
예시적인 실시예는 3축 섬유 강화된 복합 라미네이트(triaxial fiber-reinforced composite laminate)에 관한 것이다. 특히, 예시적인 실시예는 3축 섬유 강화된 복합 재료를 포함하는 풍력 터빈의 회전자 블레이드에 관한 것이다.
예시적인 실시예에 따라, 회전자 블레이드는 제1각도로 맞추어진 복수의 제1섬유를 가진 제1층, 제2각도로 맞추어진 복수의 제2섬유를 가진 제2층, 제3각도로 맞추어진 복수의 제3섬유를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제1각도는 회전자 블레이드의 종축에 대해 약 10도 내지 30도일 수 있으며, 제2각도는 복수의 제1섬유에 대해 약 60도 내지 75도일 수 있으며, 제3각도는 복수의 제1섬유에 대해 약 60도 내지 약 -75도일 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 구조체는 제1각도로 맞추어진 복수의 제1섬유를 갖는 제1층, 제2각도로 맞추어진 복수의 제2섬유를 갖는 제2층, 제3각도로 맞추어진 복수의 제3섬유를 갖는 제3층을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제1각도는 제1축에 대해 약 10도 내지 30도일 수 있으며, 제2각도는 복수의 제1섬유에 대해 약 60도 내지 75도일 수 있으며, 제3각도는 복수의 제1섬유에 대해 약 60도 내지 약 -75도일 수 있다.
예시적인 실시예에 따라, 3축 섬유 강화된 복합 라미네이트는 제1각도로 맞추어진 복수의 제1섬유를 갖는 제1층, 제2각도로 맞추어진 복수의 제2섬유를 갖는 제2층, 제3각도로 맞추어진 복수의 제3섬유를 갖는 제3층을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제1각도는 제1축에 대해 약 10도 내지 30도일 수 있으며, 제2각도는 복수의 제1섬유에 대해 약 60도 내지 75도일 수 있으며, 제3각도는 복수의 제1섬유에 대해 약 60도 내지 약 -75도일 수 있다.
예시적인 실시예에서, 3축 섬유 강화된 복합 라미네이트는 스티치트 하이브리드 패브릭(stitched hybrid fabric) 파트일 수 있고, 제1축은 한정적이지 않은 기재로 롤 와프 방향(roll warp direction)일 수 있다.
도 1은 종래의 풍력 터빈의 도면이다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 블레이드의 사시도이다;
도 3은 예시적인 실시예에 따른 블레이드의 단면도이다.
도 4는 예시적인 실시예에 따른 블레이드의 일부분을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5a-5c는 예시적인 실시예에 따른 블레이드의 길이를 따라 위치하는 Z축에 대해 섬유 방향이 맞추어진 제1층, 제2층, 제3층의 일부 단면을 나타낸 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 예시적인 실시예에 따른 블레이드의 단면도이다.
도 7은 예시적인 실시예에 따른 블레이드의 일부분을 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 예시적인 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 그러나, 예시적인 실시예는 본 발명이 다른 형태로 구현될 수 있는 것이기 때문에 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 도면에 예시된 예시적인 실시예는 본원의 설명이 전체적으로 완전하게 설명되도록 제공된 것이다. 도면에서, 구성 요소의 크기는 명확한 도시를 위해 과장되어 나타날 수 있다.
본원에서, 요소가 "다른 요소 위에", "다른 요소에 부착된", 또는 "다른 요소에 연결된", 또는 "다른 요소에 결합된"으로 언급되는 경우, 그것은 제공될 수 있는 다른 요소 또는 중간 요소 바로 위에, 요소에 부착된, 요소에 연결된, 또는 요소에 결합된 것일 수 있다. 다른 한편, 요소가 "다른 요소 바로 위에(directly on)", "다른 요소에 바로 부착된", "다른 요소에 바로 연결된", 또는 "다른 요소에 바로 결합된" 것으로 언급되는 경우, 중간 요소는 없다. 본원에서 사용된 "및/또는"의 기재는 관련된 열거 항목 중 하나 이상의 임의의 모든 조합을 포함하는 표현이다.
본원에서, 제1, 제2 등의 표현은 여러 요소들, 부품들, 영역들, 층들 및/또는 섹션들을 설명하는데 사용된다. 그러나, 이들 구성 요소, 부품, 영역, 층 및/또는 섹션은 상기 표현들이 단지 제공될 수 있는 다른 요소, 부품, 영역, 층 및/또는 섹션으로부터 하나의 구성 요소, 부품, 영역, 층 및/또는 섹션과 구별하기 위해 사용되기 때문에, 이러한 표현에 의해 제한되어서는 안된다. 예를 들면, 후술하는 제1요소, 부품, 영역, 층 또는 섹션은 제2요소, 부품, 영역, 층 또는 섹션을 표현할 수도 있다.
본원에서, "밑", "아래", "하부", "위에", "위" 및 "상부" (등)과 같은 공간과 관련된 표현은 다른 요소(들) 또는 기능(들)에 대한 하나의 요소 또는 기능의 상호 관계를 기술하는데 설명의 편의를 위해 사용된 것이다. 그러나, 본 발명은 이러한 공간적 표현에 의해서 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 만일 도면에 도시된 본 발명의 일례가 반전(turned over)된 경우, 예를 들어, 다른 요소 또는 기능 "위에" 또는 "위"로 기술되는 요소는 다른 요소 또는 기능 "밑" 또는 "아래"에 맞추어질 수 있는 것이다. 따라서, "위에"의 공간적 표현은 위와 아래의 방향을 모두 포괄할 수 있는 표현이다. 장치는 다르게 맞추어질 수 있으며(예를 들어, 45도, 90도, 180도 또는 다른 방향으로 회전될 수 있으며), 본원에 사용된 공간적 관계에 대한 설명은 그에 따라서 해석한다.
본원에서, 예시적인 실시예는 개략적으로 이상적일 수 있게 도시한 평면도 및/또는 단면도를 참조하여 설명될 수 있다. 그러나, 도면은 제조 기술 및/또는 허용 오차에 따라 변경될 수 있는 것이다. 따라서, 본 발명은 도면에 도시된 예에 의해 한정되지 않으며, 제조공정에 기초하여 형성된 구조의 변형을 포함할 수 있는 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적으로 예를 들어 나타낸 것이며, 본 발명을 제한하지 않는다.
본원에 개시된 예시적인 실시예들의 주제는 특허의 요건을 충족하기 위해 특정성을 설명한다. 그러나, 설명 자체가 특허청구의 범위를 제한하는 것이 아니다. 오히려, 발명자들은 청구된 주제가 또한, 다른 방식으로도 구현될 수 있는 것을 고려하여, 다른 기술과 함께, 본 명세서에 설명된 것과 유사한 다른 기능 또는 기능들의 조합을 포함하는 것으로 기재했다. 일반적으로, 예시적인 실시예는 3축 섬유 강화된 복합 라미네이트에 관한 것이다. 예시적인 실시예에서, 3축 섬유 강화된 복합 라미네이트는 한정적이지 않은 기재로, 풍력 터빈의 회전자 블레이드와 같은 블레이드 등의 다양한 구조물에 포함될 수 있는 것이다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 블레이드(100)의 사시도이다. 도 3은 Ⅲ-Ⅲ선을 통해 취해진 블레이드(100)의 단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 예를 든 블레이드(100)는 블레이드(100)의 길이(L)를 따라 연장되는 피치 축(Z'-Z')을 포함한다.
예시적인 실시예에서, 블레이드(100)는 쉘(110)을 포함할 수 있다. 쉘(110)은, 예를 들어, 제1층(112), 제2층(114), 및 제3층(116)으로 구성된 적층된 섬유 강화 복합 재료 일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제1층(112), 제2층(114), 및 제3층(116)의 각각은 복수의 섬유를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1층(112)은 제1탄성율을 갖는 복수의 제1섬유를 포함할 수 있고, 제2층(114)은 제2탄성율을 갖는 복수의 제2섬유를 포함할 수 있고, 제3층(116)은 제3탄성율을 갖는 복수의 제3탄성율을 갖는 복수의 제3섬유를 포함할 수 있다. 예를 들면, 복수의 제1섬유는 수지 매트릭스(resin matrix)를 보강한 탄소 섬유를 포함할 수 있고, 복수의 제2 및 제3섬유는 수지 매트릭스를 보강한 E-유리 섬유일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제1탄성율은 제2 및 제3탄성율 보다 더 클 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제2탄성율 및 제3탄성율은 같을 수 있지만, 그러나 예시적인 실시예는 제2탄성율이 제3탄성율과 다를 수 있는 것으로 한정되지는 않는다. 그리고, 상술한 재료는 예시적인 실시예로 한정되지 않는다. 예를 들어, 탄소 섬유 대신, 복수의 제1섬유는 S-유리, 고 탄성율 방향족 폴리아미드(즉, 아라미드), 또는 현무암 섬유(basalt fibers)를 포함할 수 있다. 다른 예로서, 복수의 제2 및 제3섬유에서 E-유리 섬유를 사용하는 대신, 복수의 제2 및 제3섬유는 A-유리, C-유리, 또는 H-유리 같은 다른 비교적 낮은 탄성율 유리 섬유, 또는 낮은 탄성율 아라미드, 또는 압출된 열가소성 섬유를 포함할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 쉘(shell)(110)은 코어재료(core material)(105) 상에 형성될 수 있다. 코어재료(105)는 비교적 가벼운 재료로 구성될 수 있다. 코어재료의 비제한적인 예로는 엔드 그레인 발사(end grain balsa), 스티렌 아크릴로니트릴(SAN) 발포체, 폴리비닐 클로라이드(PVC) 발포체, 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 발포체를 포함한다. 예시적인 실시예에서, 예를 들어 유리 또는 탄소 섬유의 섬유 층(150)은 코어재료에 포함될 수 있다. 섬유 층(150)은 블레이드(100)의 길이를 따라 배향된 섬유를 가질 수 있다. 예시적인 실시예에서, 섬유 층(150)은 도 3에 도시된 바와 같이 블레이드(100)의 코드 길이(CL)보다 짧을 수 있고, 또는 블레이드(100)의 코드 길이(CL)와 대체로 동일한 길이를 가질 수 있다. 예시적인 실시예에서, 섬유 층(150)은 블레이드의 전체 길이(L)를 따라 이어지거나, 또는 길이(L)의 일부분만을 점유할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 섬유 층(150)은 생략될 수 있어서, 섬유 층(150)은 예시적인 실시예의 제한된 기능으로 한정되지 않는다.
예시적인 실시예에서, (실질적으로 평행한 섬유일 수 있는) 복수의 제1섬유는 블레이드(100)의 (피치 축(Z'-Z')으로도 지칭되는)장축에 대해 각도 θ1도로 배향될 수 있다. 예시적인 실시예에서, (실질적으로 평행한 섬유일 수 있는) 복수의 제2섬유는 복수의 제1섬유에 대해 각도 약 θ2도로 배향될 수 있고, (실질적으로 평행한 섬유일 수 있는) 복수의 제3섬유는 복수의 제1섬유에 대해 각도 약 -θ2도로 배향될 수 있다. 따라서, 복수의 제1, 제2 및 제3섬유가 일례의 3축 섬유 강화된 복합 라미네이트를 형성할 수 있다. 예시적인 실시예에서, θ1은 약 10°내지 약 10°일 수 있고, θ2는 약 60°내지 약 75°일 수 있다. 도 4는 쉘(110)의 제1층(112), 제2층(114), 제3층(116)과 연관된 복수의 섬유를 나타내기 위해 제거된 다양한 부분을 갖는 블레이드를 도시한다. 도 5a 내지 도 5c는 블레이드(100)의 장축(Z'-Z')에 대한 제1층(112)에 복수의 제1섬유, 제2층(114)에 복수의 제2섬유, 제3층에 복수의 제3섬유와 상관된 섬유의 각도를 상세하게 나타낸 도면이다.
예시적인 실시예에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 제2층(114)은 제1층(112) 상에 있을 수 있고, 제3층(116)은 제2층(114) 상에 있을 수 있다. 그러나, 층의 순서는 예시적인 실시예로 제한하는 것은 아니다. 따라서, 예시적인 실시예는 도 3에 도시된 배열로 한정되지 않는다. 예를 들어, 예시적인 실시예에서, 제1층(112)은 장축(Z'-Z')에 대해 각도 θ1도로 배향된 제1탄성율 섬유를 갖고, 제2층(114) 및 제3층(116) 사이에 위치할 수 있으며, 제2층(114) 및 제3층(116)은 각각 제2 및 제3탄성율 섬유를 갖고, 복수의 제1섬유에 대해 +θ2도 및 복수의 제1섬유에 대해 -θ2도로 배향될 수 있다. 따라서, 예시적인 실시예에 있어서, 제1층(112)은 도 6a에 도시된 바와 같이 제2층(114)과 제3층(116) 사이에 개재될 수 있다. 다르게는, 제1층(112)은 제1탄성율 섬유를 갖고 제3층(116) 상에 위치할 수 있어서, 도 6b에 도시된 바와 같이 제3층(114)이 제2층(114) 및 제1층(112) 사이에 개재된다. 예시적인 실시예에서, 층의 각각은 서로 바로 위에(directly on one another) 있을 수 있지만, 예시적인 실시예가 제1, 제2 및 제3층(112, 114, 116)의 각각의 사이에 층을 개재하는 것으로 한정하지는 않는다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 제2층(114)은 제1층(112) 바로 위에 있을 수 있고, 제3층(116)은 제2층(114) 바로 위에 있을 수 있다. 다르게는, 도 6b에 도시된 바와 같이, 제3층(116)이 제1층(112) 바로 위에 있고, 제2층(114)이 제3층(116) 바로 위에 있을 수 있다.
예시적인 실시예는 다양한 순서로 된 제1층(112), 제2층(114), 제3층(116)을 포함하며, 도면에 도시 및 상술된 특정 실시예는 본 발명을 제한하지 않는다. 예를 들어, 블레이드(100)의 외부 층이 (도 3에 도시된 바와 같은) 제3층(116)이면, 블레이드(100)의 3축 섬유 강화된 복합 라미네이트의 중간 층은 제1층(112) 및 제2층(114) 중 어느 하나일 수 있고, 내부 층은 제1층(112)과 제2층(114) 중 나머지 하나일 수 있다. 다른 예로서, 블레이드(100)의 외부 층이 제2층(114)이면, 중간 층은 제1층(112) 및 제3층(116) 중 어느 하나일 수 있고, 내부 층은 제1층(112)과 제3층(116) 중 나머지 하나일 수 있다. 또 다른 예로서, 블레이드(100)의 외부 층이 제1층(112)이면, 중간 층은 제2층(114) 및 제3층(116) 중 어느 하나일 수 있고, 내부 층은 제2층(114)과 제3층(116) 중 나머지 하나일 수 있다.
상기 예시한 바와 같이, 3축 섬유 강화된 복합 라미네이트는 블레이드의 쉘(외피:skin)에 사용될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 라미네이트는 외피의 전체 범위에 걸쳐 사용되거나, 스팬 방향 및/또는 코드 방향으로 다른 영역에 형성된다. 3축 섬유 강화된 복합 라미네이트는 또한 블레이드가 구성될 수 있는 하나 이상의 스파(spar)의 플랜지(또는 "캡"으로도 지칭됨)에 사용될 수도 있다. 라미네이트는 스파 캡(spar caps) 또는 특정 스팬방향 부분 만의 길이에 사용될 수 있다. 또한, 라미네이트는 스파 캡에서 탄소, 유리 또는 다른 재료의 통상적인 단일방향(0°)의 섬유와 결합될 수 있다. 예시적인 실시예는 제1, 제2, 제3층(112, 114, 116)으로 구성된 3축 라미네이트의 위치 및 기능을 제한하지 않는다. 즉, 예시적인 실시예는 3축 라미네이트가 회전자 블레이드의 다른 위치에 배치될 수 있거나 또는 회전자 블레이드와는 상이한 구조에 사용될 수 있는 것으로, 회전자 블레이드의 외피(110)에만 3축 라미네이트를 사용할 수 있는 것으로 의미하지는 않는다.
예시적인 실시예에서, 3축 섬유 보강은 많은 방법으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 3축 섬유 보강은 비축(off-axis) 각도(θ1)로 탄소 섬유 층에 배치하며, 탄소 섬유에 대한 적절한 각도(θ2)로 유리 섬유 층에 배치하며, 탄소 섬유에 대한 제3의 각도(-θ2)로 유리 섬유 층에 배치하여 형성될 수 있다. 3축 섬유 보강을 형성하는 다른 예의 방법은 비축(off-axis) 각도(θ1)로 탄소 섬유 층에 배치하며, 탄소 섬유에 대해 평행한 패브릭(fabric)의 거의 제로인 방향(nominally zero orientation)으로 적절한 각도로 유리 섬유를 가진 패브릭(θ2 및 -θ2)(일반적으로 ±θ2 패브릭으로 언급)에 배치하여 이루어질 수 있다. 또 다른 예에서, 3축 섬유 보강은 블레이드의 장축에 대해 평행한 3축 패브릭의 거의 제로인 방향으로, 비축 각도(θ1)로 탄소 섬유를 갖고 그리고 탄소 섬유에 대한 적절한 각도(θ2 및 -θ2)로 유리 섬유를 갖는 3축 패브릭에 배치하여 제조될 수 있다. 또 다른 예로서, 3축 섬유 보강은 블레이드의 장축에 대해 각도(θ1)로 평행하게 정렬된 3축 패브릭의 거의 제로인 방향으로, 영(0)도로 탄소 섬유를 갖고 그리고 탄소 섬유에 대한 적절한 각도(θ2 및 -θ2)로 유리 섬유를 갖는 3축 패브릭에 배치하여 제조될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 매우 경량이며, 명목상의 비구조적 크로스 스티칭(nominally nonstructural cross stitching)이 사용되어 2축 또는 3축 패브릭 구조를 함께 보유할 수 있다.
예시적인 실시예에서, 3축 섬유 보강재를 포함하는 블레이드 쉘 또는 스파 캡 구조는 하나의 대형 부품으로, 순차적으로 조립되는 복수의 부품으로, 미리 성형되어 부차적인 구성(subsequent structures)에 포함되는 부속 부품으로, 또는 그 밖의 다른 구조로 제조될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 풍력 터빈 블레이드의 코어(및 심지어 거더(girder), 예를 들면, 탄소 또는 유리 섬유 거더)는 3축 섬유 강화된 복합 재료의 층들 사이에 개재될 수 있다. 그러나, 예시적인 실시예는 3축 섬유 강화된 복합 재료가 단순히 풍력 터빈 블레이드의 외측에만 또는 풍력 터빈 블레이드의 내측에만 적용될 수 있는 것으로 한정되어서는 않된다.
예시적인 실시예에서, 3축 섬유 강화재를 포함하는 구조, 하부 구조, 또는 부품은 기계적으로 또는 수동적으로 액체 수지로 선세척된(prewetted) 주형 내에 또는 주형 위에 놓이게 할 수 있다. 3축 섬유 보강재는 액체 수지로 순차적으로 주입 또는 분사되어 중실 구조로 경화되는 건조 섬유로서 블레이드 주형 내에 또는 위에 배치될 수 있다. 3축 섬유 강화재는 수지에 미리 함침된 섬유 또는 패브릭("프리프레그(prepreg)"로 칭함)로 블레이드 주형 내에 또는 위에 배치되어, 순차적으로 열 및/또는 압력을 적용하여 경화될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 섬유는 블레이드가 평면 형태의 방향에서 보았을 때, 반대편 쉘의 비축 섬유가 동일한 방향으로 더 많거나 더 적게 형성되어 나타나게 배치될 수 있다(도 7 참조). 그렇게 구성된 블레이드는 블레이드가 유체의 동적하중(fluid dynamic loads)에 반응하여 Z'축으로 정상적으로 구부러질 때 Z'축을 중심으로 하는 비틀림적인 변형을 할 것이다.
따라서, 예시적인 실시예는, 지금까지, 풍력 터빈 블레이드에 관한 것이었다. 예시적인 실시예는, 그러나, 이들에만 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 유체의 동적하중을 받는 외팔보 구조(예를 들어, 조수 터빈, 회전익 항공기 블레이드 및 선박 마스트)는 3축 섬유 강화된 복합재료를 포함할 수 있다.
표 1은 예시적인 실시예에 따른 3축 섬유 강화된 복합 라미네이트의 측정된 특성 및 이론적 특성을 제공한다. 이론적 특성은 전통적인 라미네이션 이론(classical lamination theory: CLT)과 유한요소법(finite element method: FEM)을 모두 사용하여 계산하였다. 특별 시험편은 900g/m2의 밀도를 가졌고, 0°방향으로 탄소 섬유의 400g/m2 및 탄소 섬유에 대하여 ±70°에서 400g/m2 E-유리 강화재로 구성되었다. 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 측정된 특성들은, 어떤 면에서는 이론적 결과에 따랐다. 예를 들어, 면상 전단율(in-plane shear modulus)뿐만 아니라 계산된 인장율(탄소 섬유에 대해 평행 및 탄소 섬유에 수직)은 실질적으로 동일했다. 그러나, 실제 인장 강도 및 전단 강도와 같은 다른 특성은, 예상했던 것보다 상당히 높았다. 아마도 가장 놀랍고 예기치 않은 결과는 풍력 터빈 블레이드와 같은 구조에 대해서는 뜻밖으로 내피로성이 3.5 이상 증가했다.
기계적 성질 예상된 값 측정된 값
인장 탄성율, 탄소 섬유에 평행 77 GPa 75 GPa
인장 탄성율, 탄소 섬유에 수직 17 GPa 16.9 GPa
면상 전단율 5.1 GPa 5.1 GPa
인장 강도, 탄소 섬유에 평행 675 MPa 1100 MPa
압축 강도, 탄소 섬유에 평행 540 MPa 750 MPa
인장 강도, 탄소 섬유에 수직 200 MPa 263 MPa
면상 전단 강도 110 MPa 133 MPa
면상 전단율에 대한 강도의 비율 2.16 % 2.61 %
100만 사이클에서 내피로성 225 MPa 820 MPa
본 발명의 예시적인 실시예를 예시적인 방식으로 설명되었다. 사용된 기술용어의 표현은 설명을 제한하기보다는 용어의 특성에 있는 것으로 이해한다. 예시적인 실시예의 많은 변형 및 개조가 상술된 교시의 관점에서 가능한 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위의 내에서 본 발명은 특정적으로 설명된 것과 다르게 실시될 수 있는 것이다.

Claims (24)

  1. 풍력 터빈 블레이드는:
    상기 블레이드의 적어도 일부분을 덮는 외피를 포함하며,
    상기 외피는 제1층, 제2층 및 제3층을 포함하고,
    상기 제1층은 상기 풍력 터빈 블레이드의 장축에 대해 10도 내지 30도 경사진 복수의 제1 탄소 섬유로 구성되고,
    상기 제2층은 상기 풍력 터빈 블레이드의 장축에 대해 70도 내지 105도 경사진 복수의 제1 유리 섬유로 구성되고,
    상기 제3층은 상기 풍력 터빈 블레이드의 장축에 대해 -30도 내지 -65도 경사진 복수의 제2 유리 섬유로 구성되고,
    상기 층들의 배열은 상기 제1층이 상기 제2층과 제3층 사이에 있는것, 상기 제2층이 상기 제1층과 제3층 사이에 있는것, 및 상기 제3층이 상기 제1층과 제2층 사이에 있는것 중 하나이어서 상기 풍력 터빈 블레이드가 유체의 동적하중에 반응할 때 풍력 터빈 블레이드의 장축에 대해 비틀림적으로 변형하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 블레이드.
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  8. 3축 패브릭에 있어서, 상기 패브릭은:
    3축 패브릭의 제로인 방향에서 10도 내지 30도 정도의 비축 각도로 경사져있는 복수의 제1섬유로 구성된 제1층;
    복수의 제1섬유에 대해 60도 내지 75도의 제1각도로 배향된 복수의 제2섬유로 구성된 제2층;
    복수의 제1섬유에 대해 -60도 내지 -75도의 제2각도로 배향된 복수의 제3섬유로 구성된 제3층을 포함하며;
    복수의 제1섬유의 섬유의 탄성율은 복수의 제2섬유의 섬유의 탄성율보다 크고, 복수의 제1섬유의 섬유의 탄성율은 복수의 제3섬유의 섬유의 탄성율보다 크고,
    복수의 제2 및 제3섬유의 밀도는 동일하며,
    복수의 제2 및 제3섬유의 밀도는 복수의 제1섬유의 밀도의 절반 미만이며,
    복수의 제2섬유의 탄성율은 복수의 제3섬유의 탄성율과 동일한 것을 특징으로 하는 3축 패브릭.
  9. 3축 패브릭에 있어서, 상기 패브릭은:
    3축 패브릭의 제로인 방향에서 10도 내지 30도 정도의 비축 각도로 경사져있는 복수의 제1섬유로 구성된 제1층;
    복수의 제1섬유에 대해 60도 내지 75도의 제1각도로 배향된 복수의 제2섬유로 구성된 제2층;
    복수의 제1섬유에 대해 -60도 내지 -75도의 제2각도로 배향된 복수의 제3섬유로 구성된 제3층을 포함하며;
    복수의 제1섬유의 섬유의 탄성율은 복수의 제2섬유의 섬유의 탄성율보다 크고, 복수의 제1섬유의 섬유의 탄성율은 복수의 제3섬유의 섬유의 탄성율보다 크고,
    복수의 제1섬유는 탄소 섬유를 포함하며, 500g/m2의 밀도를 갖고,
    복수의 제2섬유는 E-유리를 포함하며, 200g/m2의 밀도를 갖고,
    복수의 제3섬유는 E-유리를 포함하며, 200g/m2의 밀도를 갖고,
    제1각도는 70도이며,
    제2각도는 -70도인 것을 특징으로 하는 3축 패브릭.
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  13. 풍력 터빈 블레이드는:
    상기 블레이드의 적어도 일부분을 덮는 외피를 포함하며,
    상기 외피는 3축 패브릭을 포함하고,
    상기 3축 패브릭은 3축 패브릭의 제로인 방향에서 10도 내지 30도 정도의 비축 각도로 경사져있는 복수의 제1섬유로 구성된 제1층, 복수의 제1섬유에 대해 60도 내지 75도의 제1각도로 배향된 복수의 제2섬유로 구성된 제2층, 복수의 제1섬유에 대해 -60도 내지 -75도의 제2각도로 배향된 복수의 제3섬유로 구성된 제3층을 포함하며, 복수의 제1섬유의 섬유의 탄성율은 복수의 제2섬유의 섬유의 탄성율보다 크고, 복수의 제1섬유의 섬유의 탄성율은 복수의 제3섬유의 섬유의 탄성율보다 크고,
    복수의 제1섬유가 풍력 터빈 블레이드의 장축에 대해 10도 내지 30도로 경사지고, 복수의 제2섬유는 풍력 터빈 블레이드의 장축에 대해 70도 내지 105도로 경사지고, 복수의 제3섬유는 풍력 터빈 블레이드의 장축에 대해 -30도 내지 -65도로 경사지도록 패브릭의 축은 풍력 터빈 블레이드의 장축과 일치하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 블레이드.
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  15. 제13항에 있어서,
    복수의 제1섬유는 탄소 섬유, S 유리, 고 탄성율 방향족 폴리아미드, 및 현무암 섬유 중 적어도 하나를 포함하며,
    복수의 제2섬유는 E-유리, A-유리, C-유리, H-유리, 저 탄성율 아라미드, 및 압출된 열가소성 섬유 중 적어도 하나를 포함하며,
    복수의 제3섬유는 E-유리, A-유리, C-유리, H-유리, 저 탄성율 아라미드, 및 압출된 열가소성 섬유 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 블레이드.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 제1층은 제2층 및 제3층 사이에 있는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 블레이드.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1층은 직접적으로 제2층 표면과 제3층 표면에 접촉하여 있는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 블레이드.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 제2층은 제1층과 제3층 사이에 있는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 블레이드.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제2층은 직접적으로 제1층 표면과 제3층 표면에 접촉하여 있는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 블레이드.
  20. 제13항에 있어서,
    상기 제1각도 및 상기 제2각도의 크기는 동일한 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 블레이드.
  21. 제13항에 있어서,
    풍력 터빈 블레이드가 제1쉘과 제2쉘을 포함하며, 상기 외피가 제1쉘의 적어도 일부분을 덮고, 제2쉘은 제4층, 제5층 및 제6층으로 구성된 3층 라미네이트를 포함하는 외피를 포함하며,
    상기 제4층은 풍력 터빈 블레이드의 장축에 대해 10 내지 30도로 기울어져 있는 복수의 제4섬유를 포함하고;
    상기 제5층은 풍력 터빈 블레이드의 장축에 대해 70 내지 105도로 기울어져 있는 복수의 제5섬유를 포함하고;
    상기 제6층은 풍력 터빈 블레이드의 장축에 대해 -30 내지 -65도로 기울어져 있는 복수의 제6섬유를 포함하고,
    복수의 제4섬유의 탄성율이 복수의 제5섬유의 탄성율보다 높고, 복수의 제4섬유의 탄성율이 복수의 제6섬유의 탄성율보다 높고,
    풍력 터빈 블레이드가 평면 형태의 방향에서 보았을 때, 복수의 제1섬유 및 제4섬유는 동일한 방향으로 형성되어 블레이드가 유체의 동적하중에 반응할 때 풍력 터빈 블레이드의 장축에 대해 비틀림적인 변형하도록 복수의 제1섬유 및 제4섬유가 배치되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 블레이드.
  22. 풍력 터빈 블레이드는:
    상기 블레이드의 적어도 일부분을 덮는 외피를 포함하고, 상기 외피는 제1층, 제2층 및 제3층을 포함하고,
    상기 제1층은 풍력 터빈 블레이드의 장축에 대해 10도 내지 30도로 경사져 있는 복수의 제1섬유로 구성되고;
    상기 제2층은 풍력 터빈 블레이드의 장축에 대해 70도 내지 105도로 경사져 있는 복수의 제2섬유로 구성되고;
    상기 제3층은 풍력 터빈 블레이드의 장축에 대해 -30도 내지 -65도로 경사져 있는 복수의 제3섬유로 구성되고,
    복수의 제1섬유의 탄성율이 복수의 제2섬유의 탄성율보다 높고, 복수의 제1섬유의 탄성율이 복수의 제3섬유의 탄성율보다 높고, 층별 배치는 제1층이 제2층 및 제3층에 바로 연결되고, 제2층은 제1층 및 제3층에 바로 연결되고, 제3층은 제1층 및 제2층에 바로 연결되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 블레이드.
  23. 3축 패브릭에 있어서,
    상기 3축 패브릭의 제로인 방향에서 10도 내지 30도 정도의 비축 각도로 경사져있는 복수의 제1섬유로 구성된 제1층;
    상기 복수의 제1섬유에 대해 60도 내지 75도의 제1각도로 배향된 복수의 제2섬유로 구성된 제2층; 및
    상기 복수의 제1섬유에 대해 -60도 내지 -75도의 제2각도로 배향된 복수의 제3섬유로 구성된 제3층을 포함하며,
    복수의 제1섬유의 섬유의 탄성율은 복수의 제2섬유의 섬유의 탄성율보다 크고, 복수의 제1섬유의 섬유의 탄성율은 복수의 제3섬유의 섬유의 탄성율보다 크고, 복수의 제1섬유로 구성된 제1층은 롤 랩 방향으로부터 20도 내지 30도로 경사져 있는 것을 특징으로 하는 3축 패브릭.
  24. 제13항에 있어서,
    복수의 제1섬유는 풍력 터빈 블레이드의 장축에 대해 20도 내지 30도로 경사져 있고, 복수의 제2섬유는 풍력 터빈 블레이드의 장축에 대해 85도 내지 105도로 경사져 있고, 복수의 제3섬유는 풍력 터빈 블레이드의 장축에 대해 -35도 내지 -55도로 경사져 있는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈 블레이드.
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