KR20130006436A - 윈드 터빈 로터 블레이드 컴포넌트 및 그것을 만드는 방법 - Google Patents

윈드 터빈 로터 블레이드 컴포넌트 및 그것을 만드는 방법 Download PDF

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Abstract

다중 강성의 단일 방향성 강도 요소 또는 로드(202, 402)의 구조적 예비 형성층(300a, 300b, 400)은 윈드 터빈 블레이드의 부하 지지 서포트 구조 및 보강부를 제조하는 데 사용하기 위해 구성되고 배치된다. 개별적인 예비 형성층은 예비 형성층의 종방향 축을 따라 단일층으로 배치된 다중의 긴 단일 방향성 강도 요소 또는 로드를 포함한다. 각각의 예비 형성층은 다중 강도 요소 또는 로드가 단일층으로 결합되고 그리고 배치되는 하나 이상의 파이버 캐리어층(312)을 포함한다. 각각의 강도 요소 또는 로드는 다른 요소 또는 로드에 종방향으로 배향되고 그리고 그에 인접하게 배향된다. 개별적인 강도 요소 또는 로드는 요소 또는 로드가 파이버의 실질적으로 균일한 분배 및 고도의 파이버 콜리메이션을 갖도록 매트릭스 수지 내부에 삽입된 다량의 실질적으로 직선 단일 방향 구조적 파이버를 포함한다. 파이버의 상대적 직선성 및 파이버 콜리메이션은 고강성 및 현저한 압축 강도를 갖는 강도 요소 또는 로드 및 예비 형성층을 제공한다.

Description

윈드 터빈 로터 블레이드 컴포넌트 및 그것을 만드는 방법{WIND TURBINE ROTOR BLADE COMPONENTS AND METHODS OF MAKING SAME}
본 비가출원 특허 출원은 2010년 1월 14일에 제출된 미국 가출원 특허 출원 시리즈 제61/295,006호에 우선권을 주장하고, 그 개시는 참조로써 전체적으로 여기에서 통합된다.
본 발명은 일반적으로 윈드 터빈 로터 블레이드에 관한 것이다. 또한 본 발명은 윈드 블레이드 컴포넌트를 제조하는 데 사용하기 위한 다중 강성 강도 요소 또는 로드 구조적 예비 형성층에 관한 것이다.
윈드 터빈의 기술적 이점은 윈드 동력으로부터의 에너지가 상업적으로 실행 가능한 대안적인 에너지 소스를 제공하는 것을 계속해서 증명한다는 점이다. 디자인에서의 개선은 에너지 출력의 증가가 실현되도록 윈드 터빈 및 로터 블레이드의 크기의 증가를 가능하게 한다. 그러나, 현재 제작 비용이 경쟁력있는 대안적인 에너지 소스로서 윈드 에너지 기술의 개발에 도전이 되고 있다. 구체적으로, 윈드 터빈의 제작 비용 및 에너지 효율에 기여하는 요인은 로터 블레이드의 디자인 및 구조를 포함한다.
로터 블레이드 크기의 증가는 에너지 생산의 증가로 증명된다. 큰 상업적 윈드 터빈은 40 내지 45 미터 또는 그 이상의 스팬을 갖는 로터 블레이드를 종종 포함한다. 윈드 터빈으로부터 추출된 에너지는 블레이드 팁으로부터 블레이드 팁까지의 로터 블레이드 스위프(sweep) 또는 로터 직경의 원형의 영역에 종속된다. 구체적으로, 블레이드 길이의 증가는 블레이드 스위프의 원형의 영역을 증가시켜 보다 많은 윈드 동력을 캡춰하고 에너지 출력을 증가시킬 수 있게 된다. 예를 들면, 블레이드 스위프의 원형의 영역은 블레이드 길이의 제곱에 비례하므로, 로터 블레이드 길이의 10% 증가는 윈드 터빈의 에너지 출력을 20% 증가시킬 수 있게 된다.
그러나, 로터 블레이드 크기, 그리고 구체적으로 블레이드의 길이를 정률 증가시키는 것은 블레이드의 강도 요구 조건의 증가 뿐만 아니라 블레이드 중량 및 두께의 대응하는 증가를 야기한다. 블레이드 중량은 블레이드 디자인의 중요한 제한 요인이고 따라서 블레이드 크기의 증가는 블레이드 중량을 터빈 에너지 출력에서 대응하는 증가보다 빠르게 증가하게 한다. 구체적으로, 블레이드 길이의 증가는 블레이드 질량 및 영역에서의 증가로 인해 2.5 내지 3 배만큼 블레이드 중량의 기하급수적 증가를 야기시킬 수 있다. 그 결과 제작 비용은 보다 큰 블레이드의 제조시 소비되는 재료의 증가된 양에 비례하고 따라서, 에너지 출력에서 실현된 증가에 비해서 심각한 불균형을 가져올 수 있어, 보다 큰 블레이드 크기로의 투자에서 수익을 감소시킨다. 기술적 개선은 블레이드 크기의 증가로부터 기인한 블레이드 중량의 증가를 완화하는 데 도움을 주어 왔다. 그러나, 블레이드 중량은 터빈 에너지 출력 및 효율의 개선에 대해 제한 요인으로 남아 있다. 따라서, 블레이드 크기를 통해 그리고 구체적으로 블레이드 길이를 통해 터빈 에너지 생산을 증가시키는 것은 에너지 출력을 비용 효율적으로 에너지 출력을 증가시키는 블레이드를 생산하도록 블레이드 길이, 중량, 강도 및 제작 비용의 밸런스를 맞춰야 하는 도전에 처해있다.
로터 블레이드의 공기 역학적 성능 및 효율도 효율적이고 비용 효율적인 윈드 에너지 생산에 결정적이다. 로터 블레이드의 최적의 성능은 블레이드 쉐이프와 블레이드 강도 사이에서 블레이드 디자인의 절충이 가장 중요하다. 이상적인 블레이드는 공기 역학적 부하에 견디도록 충분한 강도를 블레이드에 제공하는 블레이드 루트 근처에 또는 블레이드 루트에서 상대적으로 두꺼운 한편, 효과적인 공기 역학적 성능을 가능하게 하도록 상대적으로 좁고 트위스팅된 쉐이프의 그 스팬을 따라 규정된다. 블레이드 디자인은 블레이드의 상대적으로 좁고 경량의 스팬에 대해 보완하는 두께 및 강도를 제공하도록 블레이드 루트 근처에서 일반적으로 보다 구근 모양(bulbous)이다.
종래 기술의 로터 블레이드는 윈드 터빈의 작동중 패시브하게(passively) 공기 역학적 부하에 영향을 주는 구조를 갖는 트위스트 벤드 커플링된 또는 트위스트 커플링된 블레이드를 포함한다. 블레이드 디자인 및 구성은 공기 역학적 성능 그리고, 구체적으로, 공기 역학적 부하 및 압력을 받을 때 블레이드가 나타내는 탄성 또는 벤딩 특성에 영향을 끼친다. 구체적으로, 그러한 바람직한 기계적 특성은 블레이드 쉐이프 또는 곡률 및 블레이드 제조 재료를 통해 블레이드 구조 내부에 빌딩될 수 있다. 일반적으로 말하면, 트위스트 커플링된 블레이드는 그 길이를 따라 그 피치각을 패시브하게 조정하도록 공기 역학적 부하에 응하여 벤딩되고 트위스팅된다. 피치각은 블레이드 상에 작용하는 윈드 부하를 조정한다. 예를 들면 페더링된 포지션을 향해 약간 또는 몇도 정도의 조금의 패시브 피칭은 블레이드가 작동 중 윈드 로드를 패시브하게 분배하고 발산할 수 있게 한다. 블레이드 디자인 및 제조 재료 및 구성 기술은 그 트위스트 회전과 블레이드의 벤딩 모멘트를 커플링하는 정도를 촉진함으로써 블레이드의 패시브 피치 제어 레벨이 달성될 수 있다. 고레벨의 블레이드 벤딩 모멘트 및 트위스트의 커플링은 로터 또는 윈드 터빈 전체에 걸쳐 피로 부하의 감소 뿐만 아니라 구체적으로 극도의 윈드 조건하에서 공기 역학적 부하의 감소를 증명한다. 또한, 트위스트 벤딩 커플링은 블레이드를 윈드 돌풍 및 회전 효과에 대해 일정하고 빠르게 조정하는 것을 가능하게 한다. 그 결과, 에너지 출력의 증가 및 로터 및 윈드 터빈의 피로 데미지의 감소가 가능하다.
패시브 피칭은 블레이드를 구성하는, 구체적으로 블레이드의 부하 지지 구조를 구성하는 구조적 적층부, 컴포지트 또는 다른 재료 내에 약간의 소성 변형 및 트위스트 벤딩 커플링으로부터 기인하다. 그러한 재료는 블레이드의 동역학적 반응 및 블레이드 상에 작용하는 공기 역학적 부하에 영향을 주는 패시브 구조적 컴포넌트로서 역할을 한다. 블레이드 디자인 연구에서는 전체 부하 감소가 다른 요인 중에서, 구조적 재료 및 그 디자인의 커플링 양과 제작법에 종속될 수 있다고 제안한다. 또한, 구조적 재료 및 그 디자인은 블레이드 피로 및 사용 수명 뿐만 아니라, 블레이드 비용, 강성, 중량 및 강도에 영향을 준다.
종래 기술의 컴포지트 제조 공정은 이상적이고 또는 최대의 레벨 이하로 I-빔, 스파 캡, 및 쉐어 웹과 같은 구조적 블레이드 컴포넌트의 강성, 강도 및 피로 수명을 종종 제한한다. 사용 가능한 형태의 보강 파이버는 이러한 공정에서의 개선을 제한한다. 예를 들면, 글래스 파이버는 드라이 또는 언필디드(unfilled) 패브릭, 로우빙(roving), 또는 프리-임프레그네이티드(pre-impregnated) 패브릭로서 일반적으로 공급된다. 각각의 경우에 공급된 재료는 핸들링과 운반을 용이하게 하기 위해 스풀 또는 롤 상에 감겨진다. 그러나, 롤 상에 규정된 두께의 파이버 재료의 층을 감는 것은 마지막 부분에서 파이버 웨이브 또는 전체 파이버 콜리메이션(collimation)의 결여를 초래하고, 그것은 제거할 수 없고 그리고 압축 강도를 감소를 나타낸다. 그 후 압축 강도의 감소는 추가의 재료로 보완되야만 하고, 이는 바람직하지 못한 보다 크고 무겁고, 보다 비용이 드는 컴포넌트를 제조한다.
또한 보다 무거운 컴포넌트는 보다 많은 노동력을 요구할 수 있다. 그러한 구조적 컴포넌트, 예를 들면 글래스, 컴포지트, 메쉬, 패브릭, 층, 및 다른 재료와 같은, 예를 들면, 파이버 또는 파이버를 갖는 스파 캡을 제조하는 것은 구조적 컴포넌트를 빌딩하기 위해서 상대적으로 많은 양의 그러한 재료가 종종 요구된다. 그러한 파이버 및 파이버 컴포지트, 메쉬, 패브릭, 층 및 재료의 특징 및 디자인으로 인해, 스파 캡 제작은 노동 집약적일 수 있다. 예를 들면, 몰드 내에서와 같이 스파 캡을 제조하는 것은 대략 30 내지 50 미터 이상의 길이일 수 있고 그 길이를 따라 몇몇 지점에서 약 40 mm 이상의 두께를 가질 수도 있는 스파 캡을 생산하도록 50개 이상의 글래스 패브릭층을 종종 요구한다. 명백히, 대량의 패브릭이 보다 두꺼운 스파 캡을 만들도록 사용되야 하는 보다 낮은 재료 효율이 불가피하고, 보다 많은 노동력이 스파 캡 몰드를 충전하도록 요구된다.
또한, 그러한 파이버-보강된 패브릭층 및 컴포지트 재료를 사용하는 것은 패브릭층 및 컴포지트 재료를 접착하도록 적당한 수지의 인가를 일반적으로 요구함으로써 완성된 스파 캡 기하학적 형상을 규정한다. 접착 수지를 인가하는 현재의 방법 및 기술은 수지 주입 및 수지 인젝션을 포함한다. 그러한 방법 및 기술은 다량의 접착 수지를 예를 들면, 보강 파이버 패브릭층의 스택 내부에서, 진공 하에서 인퓨징하고 또는 압력 하에서 인젝팅하고 그리고 이어서 층을 접착하도록 수지를 경화하는 것을 포함한다. 파이버 패브릭 내에 고유한 구조적 쉐이프의 결여 때문에, 그러한 종래 기술의 재료는 최종 스파 캡 내의 패브릭층 및 컴포지트의 바람직하지 못한 링글링, 버클링, 오배치 및 오배향을 야기시키는 수지 주입 또는 인젝션 중 파이버 와쉬(wash)에 영향을 받기 쉽다.
또한, 종래 기술의 파이버-보강된 패브릭층 및 컴포지트 재료는 접착 수지의 경화중 수축되기 쉽다. 수지 경화 중, 접착 수지는 실질적으로 수축될 수 있어서 구조적 컴포넌트의 제조 중 수지 수축이 패브릭층 및 컴포지트 재료의 바람직하지 않은 링클링, 꼬임(kinking) 및 버클링을 일으킬 수 있다.
또한, 종래 기술 재료의 형성은 빈틈없이 제어된 제조 또는 몰딩 공정으로 지원하지 않고, 차례로 부가적인 재료 사용법을 요구한다. 결국, 파이버-보강된 또는 파이버 재료를 사용하는 제조 기술 및 공정이 터빈 블레이드 생산의 전체 제작 시간 및 비용에 영향을 줄 수 있다.
따라서, 블레이드 중량을 감소시키고 블레이드 강도를 증가시키는 한편, 로터 블레이드 크기의 증가를 조절하는 개선된 제조 재료 및 기술을 사용하여 터빈 로터 블레이드의 부하 지지 및 구조적 컴포넌트를 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 로터 블레이드의 공기 역학을 개선하도록, 스웹트-쉐이프트(swept shaped) 로터 블레이드의 경우, 그리고 블레이드 곡률 또는 스위프에 따라 그러한 구조의 윤곽을 만들도록 스파 캡과 같은 그러한 부하 지지 구조를 생성하기 위한 제조 재료 및 기술을 채용하는 것이 바람직하다. 스파 캡과 같은 그러한 구조적 컴포넌트에 충분한 강도를 보장하도록 파이버 체적 분율을 증가시키는 한편, 파이버 와쉬 및 링클링을 회피하거나 또는 최소화하도록 도움을 주는 제작 재료 및 기술을 사용하는 것도 바람직하다. 블레이드 제작의 전체 효율을 증가시키는 제조 재료 및 기술을 사용하는 것도 바람직하다.
또한, 재료 및 노동 비용을 감소시키고 수지 주입/인젝션 비율을 증가시키고 수지 경화 시간을 줄이기 위해 블레이드 컴포넌트를 생산하는 데 관련된 제작 비용 및 시간을 감소시키는 제조 재료 및 기술을 사용하는 것이 바람직하다.
일반적으로, 하나의 태양에서, 본 발명은 윈드 블레이드 에어 포일의 쉘의 구조적 서포트 컴포넌트로서 구성되는 컴포지트 빔을 포함하는 윈드 터빈 블레이드에 스파 캡을 제공한다. 컴포지트 빔은 블레이드의 스팬의 적어도 일부를 따라 연장되도록 치수를 규정한다. 컴포지트 빔은 하나 이상의 예비 형성층을 포함할 수 있고, 각각의 예비 형성층은 서로 인접하게 그리고 예비 형성층의 종방향축을 따라 단일층으로 그 길이에 대해 종방향으로 배치된 다중 강성 단일 방향성의 강도 요소 또는 로드를 포함한다. 강도 요소 또는 로드는 단일층으로 유지될 수 있고, 유지 구조는 요소 또는 로드와 인터페이싱한다. 유지 구조의 하나의 구성은 강도 요소 또는 로드가 결합하는 하나 이상의 파이버 캐리어층을 포함할 수 있다. 강도 요소 또는 로드의 단일층 배치는 사전 제조된 구조적 요소 또는 컴포넌트로서 예비 형성층을 규정할 수 있다. 각각의 강도 요소 또는 로드는 매트릭스 수지에 의해 침윤된 긴 실질적으로 직선의 구조적 파이버의 컴포지트 재료를 포함할 수 있다. 매트릭스 수지는 다량의 파이버로 분배될 수 있고, 그것은 종방향으로 배향되고 실질적으로 직선으로 정렬된다. 경화되는 또는 경화되는 경우, 컴포지트 재료는 파이버의 실질적으로 균일한 분포 및 고도의 파이버 콜리메이션을 갖는 강성의 사전 제조된 요소 또는 로드를 형성할 수 있다. 파이버의 직선성 및 현저한 파이버 콜리메이션은 고강성 및 현저한 압축 강도를 갖는 강도 요소 또는 로드를 생산할 수 있다. 그러한 특성은 아주 큰 이점을 갖고 예비 형성층이 스파 캡의 컴포지트 빔과 같은 부하 지지 구조 내에 그리고 블레이드 보강부 및 다른 블레이드 컴포넌트 내에 사용되는 경우 요구된다. 본 발명에 의한 예비 형성층의 강성 및 압축 강도는 스파 캡 및 다른 블레이드 컴포넌트 및 궁극적으로 터빈 블레이드에 제공될 수 있고, 상기 기계적 특성은 블레이드 중량 및 재료 및 제작 비용의 현저한 증가없이 보다 큰 그리고 보다 긴 블레이드에 대해 요구된다. .
각각의 예비 형성층은 블레이드 구조 및 컴포넌트를 형성하도록 하나 이상의 다른 예비 형성층과 레이어링되거나 또는 스택킹될 수 있다. 하나의 구성에서, 다중 레이어링된 또는 스택킹된 예비 형성층은 스파 캡의 컴포지트 빔의 길이 및 두께를 완전히 또는 부분적으로 규정할 수 있다. 컴포지트 빔의 몇몇 구성은 실질적으로 균일한 횡방향 폭 및 두께를 갖는 스파 캡을 규정하도록 다중 예비 형성층으로 구성되고 그리고 그와 배치될 수 있다. 컴포지트 빔의 다른 구성은 예를 들면, 블레이드의 팁을 향해 테이퍼링된 횡방향 폭을 갖는 스파 캡을 규정하도록 다중 예비 형성층으로 구성되고 그리고 그와 정렬될 수 있다. 컴포지트 빔의 추가의 구성은 블레이드의 팁을 향해, 선택적으로, 블레이드의 루트를 향해 스파 캡의 스팬을 따라 테이퍼지는 테이퍼링된 두께를 갖는 스파 캡을 규정하도록 다중 예비 형성층으로 구성되고 그리고 그와 정렬될 수 있다. 또한 컴포지트 빔의 다른 구성은 스위프 윤곽을 갖는 스파 캡을 규정하도록 다중 예비 형성층으로 구성되고 그와 배치될 수 있다. 스위프 윤곽은 스파 캡이 일체형으로 된 스웹트(swept) 블레이드 디자인의 윤곽에 대응할 수 있다.
스파 캡의 실시는 하나 이상의 다음의 특징을 포함할 수 있다. 다중 예비 형성층으로 구성되고 그와 정렬하는 스파 캡 컴포지트 빔의 구성은 요구되는 또는 소망되는 횡방향 폭 및 두께를 갖는 컴포지트 빔을 규정하도록 다른 예비 형성층 및/또는 다중 파이버층에 결합되거나 또는 접착되거나 또는 그와 인터리빙되는 하나 이상의 예비 형성층을 포함할 수 있다. 컴포지트 빔은 컴포지트 빔의 유닛 영역당 전체 중량의 임의의 퍼센티지를 규정하는 다중 예비 형성층을 포함할 수 있어서, 예비 형성층은 컴포지트 빔의 소정 영역의 전체 중량의 임의의 퍼센티지를 포함할 수 있다. 이러한 퍼센티지는 블레이드 디자인 및 쉐이프, 블레이드의 필수적인 기계적 특성 및/또는 성능 요구 조건에 종속될 수 있다. 다중 레이어링된 또는 스택킹된 예비 형성층으로 주로 구성된 컴포지트 빔의 그러한 구성을 위해, 예비 형성층은 컴포지트 빔의 전체 중량의 약 100%까지 포함할 수 있다. 다중 파이버층에 결합되거나 또는 접착되거나 또는 이와 인터리빙되는 다중 예비 형성층으로 구성되고 그리고 그와 정렬되는 컴포지트 빔의 다른 구성에서, 예비 형성층은 컴포지트 빔의 유닛 영역당 전체 중량의 상대적으로 낮은 퍼센티지를 포함할 수 있다. 본 발명에 의한 예비 형성층의 구조 및 배치는 이와 관련하여 탄력성을 제공할 수 있어서, 예비 형성층은 컴포지트 빔의 전체 중량이 임의의 요구되는 또는 소망되는 퍼센티지를 만족하도록 단독으로 또는 다중 파이버층과 조합하여 임의의 수의 예비 형성층을 갖는 컴포지트 빔의 형성을 촉진할 수 있다.
본 발명에 의한 예비 형성층의 추가의 구조 및 배치는 예비 형성층의, 및 따라서 컴포지트 빔 내의 강도 요소 및 로드의 충전 밀도를 증가시키거나 또는 최대화시키는 기회를 제공할 수 있어서, 예비 형성층이 컴포지트 빔의 파이버 체적 분율을 증가시키거나 최대화시킬 수 있다. 강도 요소 또는 로드의 구조적 파이버는 예비 형성층의 전체 파이버 네트 체적 분율을 증가시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 본 발명에 의한 예비 형성층은 중량 및 전체 치수를 위해 스파 캡을 절충하지 않고 예비 형성층 및 스파 캡의 컴포지트 빔의 전체 파이버 네트 체적 분율 조작하도록 사용될 수 있다.
하나 이상의 예비 형성층이 결합되거나 또는 인터리빙된 다중 파이버층은 글래스 파이버, 카본 파이버, 그래파이트 파이버, 버솔트(basalt) 파이버 또는 세라믹 파이버 및 그 조합으로 구성된 파이버, 메쉬 또는 패브릭의 층을 포함할 수 있다. 컴포지트 빔이 다중 예비 형성층으로 주로 구성되는 곳에서, 예비 형성층은 가변 길이를 규정할 수 있어서, 예비 형성층이 컴포지트 빔을 제조하도록 서로와 스택킹된 또는 레이어링되는 경우, 예비 형성층의 가변 길이는 컴포지트 빔의 테이퍼링된 두께를 규정할 수 있다. 컴포지트 빔이 다중 파이버층로 주로 구성되는 곳에서, 각각의 예비 형성층은 임의의 전체 치수를 규정할 수 있어서, 예비 형성층이 컴포지트 빔을 형성하도록 서로와 그리고/또는 다중 파이버층과 스택킹되거나 또는 레이어링되는 경우, 예비 형성층은 스파 캡 및 블레이드의 다른 부분의 구조적 보강부 또는 강도 부재로서 역할을 할 수 있다 .
다중 파이버층에 결합되거나 또는 그와 인터리빙되거나 또는 그렇지 않은 다중 스택킹된 또는 레이어링된 예비 형성층은 접착 수지가 컴포지트 빔을 궁극적으로 형성하도록 인가될 수 있는 스택킹된 형성부를 규정할 수 있다. 접착 수지는 수지 주입 공정, 수지 트랜스퍼 몰딩, 다른 진공 기술, 및 핸드 레이업(hand lay-up) 기술을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 기술에 의해 스택킹된 형성부에 인가될 수 있다. 접착 수지가 경화 또는 경화한 후, 컴포지트 빔은 스파 캡을 규정할 수 있고 완성된 구조는 최소한의 불규칙성을 갖는 명확한 전체 치수를 갖는다.
다른 태양에서, 본 발명은 상기 설명된 바와 같은 예비 형성층을 제공한다. 예비 형성층은 서로 인접하게 그리고 단일층으로 그 길이에 대해 종방향으로 배치된 다중 단일 방향성의 강도 요소 또는 로드를 포함할 수 있다. 본 발명에 의한 예비 형성층의 몇몇 구성에서, 강도 요소 또는 로드도 서로에 대해 실질적으로 평행하다. 예비 형성층은 단일층으로 다중 강도 요소 또는 로드를 홀딩하도록 유지 구조를 추가로 포함할 수 있다. 예비 형성층의 몇몇 구성에서 유지 구조는 다중 강도 요소 또는 로드가 결합되는 하나 이상의 파이버 캐리어층을 포함할 수 있다. 파이버 캐리어층은 다중 파이버, 얀, 및/또는 로우빙으로 구성된 부직포 패브릭을 포함할 수 있다. 파이버 캐리어층은 예비 형성층과 동일한 길이 및 횡방향 폭을 가질 수 있다. 다른 구성에서, 파이버 캐리어층은 예비 형성층의 적어도 하나의 에지로부터 외부로 연장되는 적어도 하나의 주변 경계부 또는 식서(selvedge)를 규정하도록 예비 형성층보다 넓은 횡방향 폭을 가질 수 있다. 경계부 또는 식서는 다른 예비 형성 캐리어층의 하나 이상의 다른 예비 형성층, 다중 파이버층, 및/또는 경계부 또는 식서와 스택킹되거나, 레이어링되거나 또는 인터리빙될 수 있는 부착 지점으로서 역할을 하도록 충분한 횡방향 폭을 규정할 수 있다. 이러한 방식으로, 경계부 및 식서를 갖는 하나 이상의 캐리어층은 예비 형성층(들)이 스파 캡의 컴포지트 빔의 하나 이상의 다른 컴포넌트에 연결하거나 또는 결합하도록 허용할 수 있다. 또한, 경계부 또는 식서를 갖는 하나 이상의 캐리어층은 예비 형성층(들)이 블레이드 에어 포일의 웹 쉐어 또는 쉘부와 같은, 블레이드의 인접한 컴포넌트에 스파 캡의 컴포지트 빔을 연결하거나 결합하도록 허용할 수 있다. 경계부 및 식서를 갖는 하나 이상의 캐리어층도 예비 형성층(들)이 블레이드 에어 포일의 쉘부의 층 또는 컴포넌트에 연결하거나 또는 결합하도록 허용할 수 있다
하나의 구성에서, 부직포 파이버 캐리어층은, 하나 이상의 예비 형성층과 조립될 경우, 예비 형성층의 단일 방향성의 강도 요소 또는 로드에 대해 횡단 배향으로 또는 약 90°로 배치된 횡단 파이버, 얀 및/또는 로우빙을 포함할 수 있다. 파이버 캐리어층은 예비 형성층에 강도를 부여할 수 있고 예비 형성층의 파이버 체적 분율을 증가시킬 수 있다. 파이버 캐리어층도 2축성 또는 3축성 패브릭을 포함하는 스티칭된(stitched) 부직포 패브릭을 포함할 수 있다. 다중 강도 요소 또는 로드는 파이버 캐리어층의 하나 또는 모든 표면에 접착되거나 접착될 수 있다. 본 발명에 의한 예비 형성층의 다른 구성에서, 파이버 캐리어층은 직포 패브릭을 포함할 수 있다.
다른 태양에서, 본 발명은 다중 파이버층에 결합되거나 또는 그와 인터리빙된 적어도 하나의 예비 형성층을 포함하는 다중-레이어링된 구조적 또는 보강 컴퍼넌트를 제공한다. 다중-레이어링된 컴포넌트는 컴포넌트의 층을 규정하도록 다중 파이버층에 스택킹되거나, 결합되거나 또는 그와 인터리빙된 하나 이상의 예비 형성층을 포함할 수 있다. 파이버층은 글래스, 카본, 그래파이트, 버솔트, 또는 세라믹 파이버, 얀, 및/또는 로우빙, 및 그 조합으로 구성된 파이버층, 메쉬 또는 패브릭을 포함할 수 있다. 다중-레이어링된 컴포넌트를 형성하는 예비 형성층 및 파이버층의 구성 및 배치는 윈드 터빈 블레이드 내의 컴포넌트의 목적 및 위치에 관련해서 결정될 수 있다. 예를 들면, 다중-레이어링된 컴포넌트의 하나의 구성은 두개의 예비 형성층 사이에 배치된 다중 파이버층을 포함할 수 있고, 예비 형성층의 강도 요소 또는 로드는 다중-레이어링된 컴포넌트의 외부 표면 또는 외골격을 규정한다.
추가의 태양에서, 본 발명은 연속적인 웹으로 구성된 다중 예비 형성층을 제공한다. 연속적인 웹은 그 횡방향 폭을 따라 서로 인접하게 부착된 다중 예비 형성층을 포함할 수 있다. 웹은 임의의 길이를 갖는 예비 형성층을 각각 규정하도록 그 폭을 따라 횡단으로 연장되는 테이퍼링된 끝 존을 포함할 수 있다. 테이퍼링된 끝 존은 서로로부터 개별적인 예비 형성층을 분리하도록 웹 내에 배치되고 구성된다. 또한, 테이퍼링된 끝 존은 예비 형성층을 서로로부터 그리고 웹으로부터 컷팅 등에 의해 분리되게 허용하도록 추가로 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 하나 이상의 컴포지트 빔, 또는 터빈 블레이드의 하나 이상의 컴포넌트를 제조하는 데 요구되는 다중 예비 형성층은 컴포지트 빔 또는 다른 블레이드 컴포넌트의 제조 중, 저장하고 운반하기 위해 그리고 다중 예비 형성층에 분배하기 위해 연속적인 웹 내에 제공될 수 있다
본 발명 자체와 함께, 본 발명의 태양의 특징 및 이점은, 다음의 도면, 상세한 설면 및 청구항을 살펴본 후에 보다 확실히 이해될 것이다.
도 1는 윈드 터빈의 사시도이다;
도 2는 터빈 블레이드의 사시도이다;
도 3은 블레이드의 코드부를 예시한 A-A선에서 취한 도 2에 도시된 블레이드의 단면도이다;
도 4a는 본 발명의 하나의 태양에 의한 스파 캡을 포함하는 도 2 및 도 3에 도시된 블레이드의 리딩 에지의 도면이다;
도 4b는 본 발명에 의한 두개의 스파 캡을 예시한 B-B선에서 취한 도 2에 도시된 블레이드의 단면도이다;
도 4c는 본 발명에 의한 스파 캡의 하나의 구성을 포함하는 블레이드 쉘의 부분의 횡단면도이다;
도 4d는 본 발명에 의한 스파 캡의 컴포지트 빔을 형성하도록 스택킹된 형성부 내에 배치된 다중 예비 형성층의 측면도이다;
도 4e는 도 4d에 도시된 다중 예비 형성층의 스택킹된 형성부의 평면도이다;
도 4f는 컴포지트 빔을 형성하도록 다중 파이버층과 정렬된 다중 예비 형성층을 포함하는 컴포지트 빔을 제공하는 본 발명의 다른 태양의 측면도이다;
도 4g는 도 4d 또는 도 4f에 도시된 스택킹된 형성부의 다른 구성의 측면도이다;
도 4h는 스위프을 규정하는 본 발명에 의한 스파 캡을 포함하는 블레이드의 리딩 에지의 도면이다;
도 4i는 그 길이를 따라 상대적으로 직선 구조를 규정하는 본 발명에 의한 스파 캡을 포함하는 블레이드의 리딩 에지의 도면이다;
도 4j은 테이퍼링 횡방향 폭을 규정하는 본 발명에 의한 스파 캡을 포함하는 블레이드의 리딩 에지의 도면이다;
도 5a은 본 발명의 다른 태양에 의한 예비 형성층의 하나의 구성의 평면도이다;
도 5b는 파이버 텍스타일 위브를 포함하는 예비 형성층의 단면도이다;
도 5c 및 도 5d는 예비 형성층의 다른 구성의 평면도이다;
도 6은 C-C선에서 취한 도 5a에 도시된 예비 형성층의 단면도이다;
도 7은 C-C선에서 취한 도 5a에 도시된 예비 형성층의 단면도이다;
도 8a 및 도 8b는 본 발명에 의한 강도 요소 또는 로드의 사시도이다;
도 9a-도 9d는 본 발명에 의한 파이버 캐리어층과 결합되는 예비 형성층의 사시도이다;
도 9e는 본 발명에 의한 파이버 캐리어층 및 다중 파이버층과 결합되는 예비 형성층의 사시도이다;
도 10a 및 도 10b는 적어도 하나의 예비 형성층을 포함하는 본 발명의 다른 태양에 의한 다중-레이어링된 구조적 컴포넌트의 단면도이다.
도 IOc는 다중-레이어링된 구조적 컴포넌트의 사시도이다;
도 10d-도 10h은 다중-레이어링된 구조적 컴포넌트의 구성의 개략적인 단면도이다;
도 10i는 다중 구조적 컴포넌트를 포함하는 스파 캡의 컴포지트 빔의 단면도이다;
도 11a-도 11g는 본 발명에 의한 다중 예비 형성층의 스택킹 패턴의 사시도이다;
도 12a 및 도 12b는 본 발명에 의한 주변 경계부 또는 식서를 포함하는 다중 예비 형성층의 사시도이다;
도 12c는 스텝핑된 에지를 규정하는 다중 예비 형성층의 단면도이다;
도 12d 및 도 12e는 블레이드 에어 포일의 쉘부에 결합되는 스텝핑된 에지를 규정하는 예비 형성층의 단면도이다;
도 13은 본 발명에 의한 직포 파이버 캐리어층을 따라 배치된 예비 형성층의 단면 사시도이다;
도 14a는 다중 예비 형성층의 연속적인 웹을 포함하는 본 발명의 다른 태양의 사시도이다;
도 14b는 도 12a에 도시된 웹 내에 규정된 테이퍼링된 존의 측정면도이다;
도 14c는 도 12b에 도시된 테이퍼링된 존의 일부의 측면도이다; 및
도 15는 블레이드 쉘부 내에 배치된 하나 이상의 예비 형성층을 포함하는 도 3에 도시된 블레이드의 단면도이다.
도 1 및 도2를 참조하면 일 실시예에서, 본 발명은 타워(14) 및 로터(16)에 장착된 너셀(nacelle, 12)과 회전 허브(18) 및 터빈 블레이드(20)를 포함하는 윈드 터빈(10)을 제공한다. 로터(16)는 너셀(12) 내에 수용된 전기 발전기(도시 생략)에 기능적으로 연결된다. 타워(14)는 윈드에 블레이드(20)를 노출시킨다. 블레이드(16)는 윈드 에너지를 캡쳐하고 회전 모션으로 윈드 에너지를 변환하고, 전기 발전기는 이를 전기 발전기에 의해 전기 에너지로 전환한다. 도 1에 예시된 윈드 터빈(10)은 세 개의 터빈 블레이드(20)를 포함하지만, 본 발명은 특히 세 개의 블레이드(20)에 제한되지 않고 로터(16)가 보다 많거나 보다 적은 터빈 블레이드를 포함할 수 있는 것을 구현할 수 있다
도2에 도시한 바와 같이, 터빈 블레이드(20)는 블레이드의 팁(116)과 루트(118) 사이로 연장되는 에어 포일부(100)를 포함하다. 에어 포일부(100)는 블레이드(20)의 리딩 에지(112) 및 트레일링 에지(114)을 규정한다. 루트(118)는 윈드 터빈(10)의 회전 허브(18)에 연결되기 위해 구성되고 배치된다. 블레이드의 루트(118)와 팁(116) 사이의 종방향 또는 길이 방향 거리는 블레이드(20)의 스팬 또는 길이(L1)로 칭해진다.
도3을 참조하면, A-A 선을 따라 취해진 도2에 도시된 블레이드(20)의 단면도가 예시된다. 에어 포일부(100)는 리딩 에지(112) 및 트레일링 에지(114)를 갖는 에어 포일부(100)를 규정하도록 쉐이핑된 하나 이상의 층(101 및 103)을 포함한다. 리딩 에지(112)와 트레일링 에지(114) 사이의 거리는 블레이드(20)의 코드(chord) 또는 폭(Wi)으로 칭해진다. 코드(Wi)는 블레이드(20)의 길이를 따라 변화한다. 에어 포일부(100)는 도3에 도시된 바와 같이 제 1 또는 상부 쉘부(120) 및 제 2 또는 하부 쉘부(122)을 포함한다. 제 1 쉘부(120) 및 제 2 쉘부(122)는 쉘부(120 및 122)의 주변부를 따라 함께 그리고 리딩 에지(112) 및 트레일링 에지(114)에 인접한 접착성 조인트(도시 생략)에 접착된다.
도 3을 추가로 참조하면, 제 1 및 제 2 쉘부(120 및 122)는 예를 들면 파이버 보강된 컴포지트 및/또는 패브릭을 포함하는 파이버 보강된 재료로 구성된 하나 이상의 보강층(101 및 103)을 포함할 수 있다. 또한, 쉘부(120 및 122)는 하나 이상의 보강층(101 및 103) 사이에 배치되고 예를 들면 발사 우드(balsa wood) 또는 발포제로 구성된 강성 코어(105 및 107)를 포함할 수 있다.
블레이드(20)는 쉘부(120 및 122)의 층 중 하나 이상과 일체형으로 되고 블레이드(20)의 스팬 또는 길이(L1)의 적어도 일부를 따라 연장되는 종방향 부하 지지 구조 또는 스파 캡(126)도 포함한다. 스파 캡(126) 및 쉐어 웹(125)은 보강 구조이고 블레이드(20)에 강성, 강도 및 안정성을 제공하도록 구성되고 정렬된다. 이러한 블레이드(20)의 특성은 블레이드(20)의 터빈 타워(14)와의 접촉의 위험을 감소시키거나 또는 제거시킬 뿐만 아니라, 블레이드 중량을 지지하는 데 도움을 주고 블레이드 휨 및 블레이드(20) 상에 작용하는 공기 역학적 부하로부터의 블레이드(20)에 대한 데미지를 실질적으로 감소시키거나 또는 제거시킨다.
스파 캡 형성 및 구성
도 4a-도 4b를 참조하고 추가로 도 3을 참조하면, 다른 태양에서, 본 발명은 컴포지트 빔(127)으로 구성되고 정렬된 블레이드 스파 캡(126)을 제공한다. 도 3에 예시된 바와 같이, 스파 캡(126)은 제 1 또는 상부 쉘부(120)를 형성하는 하나 이상의 층에 결합되거나 또는 접착될 수 있고, 제 2 스파 캡(126)은 제 2 또는 하부 쉘부(122)를 형성하는 하나 이상의 층에 결합되거나 접착될 수 있다. 본 발명에 의한 스파 캡(126)의 하나의 구성에서, 스파 캡(126)은 쉘부(120 및 122)의 적어도 중간 층(105 및 107)과 결합하거나 또는 일체화하기 위해 구성되고 배치된다. 본 발명은 이러한 관점에 제한받지 않고, 스파 캡(126)이 다양한 구성으로 구성되고 배치될 수 있고 쉘부(120 및 122)의 부하 지지 구조를 형성하는 임의의 방식으로 블레이드 쉘부(120 및 122)와 결합되고 또는 일체화될 수 있는 것을 구현한다.
도 4a는 본 발명에 의한 스파 캡(126)을 포함하는 블레이드(20)의 리딩 에지(112)의 도면이다. 도 4b는 도2의 라인 B-B 선에서 취한 블레이드 스팬(Li)의 단면도를 예시하고, 스파 캡(126)은 제 1 및 제 2 쉘부(120 및 122) 내에 포함된다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 스파 캡(126)은 블레이드 루트(118)와 블레이드 팁(116) 사이의 터빈 블레이드(20) 내에 포지션되고 터빈 블레이드(20)의 스팬(L1)의 적어도 일부를 따라 연장되는 길이(L2)를 규정한다. 스파 캡(126)의 길이(L2)는 그 횡방향 폭(W2)보다 일반적으로 크다.
도 4c에 도시된 바와 같이, 스파 캡(126)은 블레이드(20)의 코드(Wi)보다 작은 횡방향 폭(W2)을 규정한다. 횡방향 폭(W2)은 본 발명에 의한 스파 캡(126)의 하나의 구성에서 스파 캡의 길이(L2)를 따라 실질적으로 균일할 수 있다. 아래에 설명되는 바와 같이, 본 발명에 의한 스파 캡(126)의 다른 구성에서 스파 캡(126)의 횡방향 폭은 블레이드 팁(116)을 향해 스파 캡의 길이(L2)를 따라 테이퍼링하거나 좁게 만드는 테이퍼링 횡방향 폭을 포함할 수 있다.
도3 및 도 4a에 예시된 것과 같은 스파 캡은 바닥 패널로부터 상향으로 연장되고 몰드의 상부 개구를 규정하는 바닥 패널과 두개의 측면벽에 의해 규정된 인테리어를 갖는 수평 팬(pan)으로 구성된 몰드(도시 생략)로 종종 제조되거나 제작된다. 바닥 및 측면벽은 요구된 또는 바람직한 길이(L2) 및 요구된 또는 바람직한 횡방향 폭(W2)을 갖는 스파 캡(126)을 제조하는 데 도움을 주는 치수를 갖는다. 몰드의 측면벽의 높이는 스파 캡(126)의 요구된 또는 바람직한 두께에 종종 대응한다. 수평 포지션으로 배치되고 개구가 상향인 경우 몰드의 인테리어는 제조 재료를 수용할 수 있다. 본 발명에 의한 스파 캡(126)의 하나의 구성에서, 아래에서 설명된 바와 같이 다중 예비 형성층(300A 및 300B)은 서로 레이어링되거나 스택킹될 수 있고 또는 몰드 인테리어 내부에 수직으로 레이어링되거나 스택킹되어, 스파 캡(126)을 빌딩할 수 있다.
또한 스파 캡은 블레이드(20)의 스파 캡(126) 및 쉘부(120 및 122)의 적어도 일부를 형성하도록 구성된 일체형 몰드(도시 생략)로 제조되거나 제작될 수 있다. 그러한 몰드는 요구된 또는 바람직한 길이(L2), 횡방향 폭(W2) 및 두께를 갖는 스파 캡(126)을 제조하는 데 도움을 주는 구성 및 치수를 유사하게 갖는다. 또한 그러한 몰드는 아래에 설명되는 예비 형성층(300A 및 300B)과 같은, 제조 재료가 몰드 인테리어 내부에서 서로 레이어링되거나 또는 스택킹되거나 또는 수직으로 레이어링되거나 또는 스택킹되도록 허용할 수 있다.
도 4d는 그 종방향 치수 또는 길이(L2)를 따라 취해진 본 발명에 의한 스파 캡(126)의 측면도를 예시하고, 도 4e는 도 4d에 도시된 스파 캡(126)의 평면도를 예시한다. 예시된 구성에서, 본 발명에 의한 스파 캡(126)은 높은 휨 강도 요소 또는 로드의 다중 예비 형성층(300A 및 300B)을 포함하는 컴포지트 빔(127)을 포함하고, 그것은 아래에 상세하게 설명된다. 다중 예비 형성층(300A 및 300B)은 컴포지트 빔(127)을 형성하도록 접착 수지으로써 스택킹된 형성부(128) 내에 배치되고 그리고 스택킹된 형성부(128) 내에 고정된다. 컴포지트 빔(127)은 블레이드 스팬(Li)의 적어도 일부를 따라 연장되고 두께(Ti1 - in)를 규정한다. 도 4d에 도시된 바와 같이, 컴포지트 빔(127)의 두께(Ti1 - in)는 스파 캡(126)이 블레이드 스팬(Li)을 따라 테이퍼링 두께를 규정하도록 그 길이(L2)에 따라 변화된다. 컴포지트 빔(127)의 두께(Ti1 - in)는 블레이드(20) 디자인의 구조적 양상을 조절하고 블레이드(20)에 부하 지지 특성을 제공하도록 변화된다. 본 발명에 의한 스파 캡(126)의 하나의 구성에서, 컴포지트 빔(127)은 최대의 두께(Tmax)의 영역(129)으로부터 블레이드 팁(116)을 향해 그리고 블레이드 루트(118)를 향해 그 길이(L2)를 따라 테이퍼지는 가변 두께(Ti1 - in)를 규정한다. 스파 캡(126)을 따라 다양한 스테이션은 도 4d에 예시된 바와 같이 임의의 두께(Ti1, Ti2, Ti3 및 Ti4)를 규정하고, 그러한 두께는 스파 캡(126)을 구성하는 데 도움을 주도록 변화할 수 있고, 본 발명에 의한 스파 캡(126)의 적어도 하나의 구성에서는, 테이퍼링 두께를 갖는 스파 캡(126)을 구성하는 데 도움을 주도록 변화할 수 있다. 본 발명은 이러한 관점에 제한받지 않고 스파 캡(126)의 컴포지트 빔(127)이 그 길이(L2)를 따라 가변 두께 또는 실질적으로 균일한 두께를 규정하도록 구성되는 것을 구현할 수 있다.
도 4d 및 도 4e에 도시된 바와 같이, 가변 길이를 갖는 다중 예비 형성층(300A 및 300B)은 층으로서 서로 스택킹되거나 또는 스파 캡 몰드 내부에 층으로서 수직으로 스택킹된다. 각각의 개별적인 예비 형성층(300A 및 300B)은 다른 예비 형성층(300A 및 300B)의 위에 또는 아래에 배치되어 컴포지트 빔(127)의 두께를 빌딩할 수 있다. 도 4e에 도시된 바와 같이, 각각의 예비 형성층(300A 및 300B)은 다른 인접한 예비 형성층(300A 및 300B)을 따라 소정 포지션에 스택킹되어 태이퍼링 두께(Ti1, Ti2, Ti3 및 Ti4)를 형성하는 데 도움을 준다. 스파 캡 몰드 내부에, 예비 형성층(300A 및 300B)은 하나 이상의 다른 예비 형성층(300A 및 300B)에 인접하여 수직으로 스택킹되어 스파 캡(126)을 빌딩한다. 하나 이상의 예비 형성층(300A)은 컴포지트 빔(127)의 하나의 표면(127B)을 규정하도록 스택킹된 형성부(128)를 형성하는 복수의 예비 형성층(300A 및 300B) 중 상대적으로 가장 긴 예비 형성층인 길이(L3)를 가질 수 있다. 도 4e에 도시된 바와 같이, 다른 예비 형성층(300B)은 보다 짧고 가변하는 길이(L4a, L4b, L4c, L4d 등)를 가질 수 있다. 조립될 경우, 예비 형성층(300A 및 300B)의 가변 길이(L3 및 L4a, L4b, L4c, L4d 등)는 도 4d에 도시된 바와 같이, 그 길이(L2)를 따라 컴포지트 빔(127)의 두께를 테이퍼링한다. 따라서 본 발명에 의한 스파 캡(126)의 구성은 임의의 블레이드 길이, 폭 및/또는 두께 윤곽에 용이하게 적용되거나 또는 맞춰질 수 있다.
다중 예비 형성층(300A 및 300B)의 스택킹된 형성부(128)는 각각 개별적인 예비 형성층(300A 및 300B)의 측면 에지(301)가 도 4e에 도시된 바와 같이 종방향으로 정렬되도록 스택킹된 예비 형성층(300A 및 300B)을 포함할 수 있다. 대안적으로, 스택킹된 형성부(128)의 모든 예비 형성층(300A 및 300B) 중 일부 또는 모두는 서로에 대해 배치되어, 예비 형성층(300A 및 300B)의 측면 에지는 스택킹된 형성부(128)의 횡방향 폭(W2)을 따라 오프셋(도시 생략)된다. 그러한 예비 형성층(300A 및 300B)의 비정렬된 또는 오프셋된 측면 에지는 스파 캡(126)의 증가된 표면 영역을 생성하는데 도움을 주고, 그것은 스파 캡(126)의 측면 에지를 따라 결합 강도를 증가시키는 데 도움을 줄 수 있고 그리고/또는 스택킹된 형성부(128)를 따라 시임의 형성을 방지하는 데 도움을 줄 수 있다.
조립될 경우, 스택킹된 예비 형성층(300A 및 300B)은 테이퍼링된 또는 스텝핑된 표면(127A)으로서 본 발명에 의한 컴포지트 빔(127)의 표면을 구성하는데 추가로 도움을 줄 수 있고, 그것은 예비 형성층(300A 및 300B)의 가변 길이(L3 및 L4a, L4b, L4c L4d 등)에 기인한다. 비테이퍼링된 또는 비스텝핑된 표면(127B)도 스파 캡(126)의 다중 예비 형성층의 보다 긴 길이 또는 가장 긴 길이(L3)를 갖는 하나 이상의 예비 형성층(300A)에 기인한다. 본 발명에 의한 스파 캡(126)의 하나의 구성에서, 비테이퍼링된 또는 비스텝핑된 표면(127B)이 에어 포일(100)의 내부 구성에 의해 규정된 블레이드 에어 포일(100)의 중공 인테리어를 향해 내부로 배향되는 한편, 테이퍼링된 또는 스텝핑된 표면(127A)은 블레이드 에어 포일(100)의 외부 표면을 향해 외부로 배향된다. 대안적으로, 본 발명에 의한 스파 캡(126)의 다른 구성에서, 테이퍼링된 또는 스텝핑된 표면(127A)은 블레이드 에어 포일(100)의 외부 표면으로부터 떨어져 내부로 그리고 블레이드 에어 포일(100)의 중공 인테리어를 향해 배향된다.
설명된 바와 같이, 스파 캡은 스파 캡의 최고 또는 최대 두께(Tmax)의 지점으로부터 블레이드 팁(116)을 향해 테이퍼링하고 그리고 블레이드 루트(118)를 향해 테이퍼링하는 그 길이(L2)를 따라 테이퍼링 두께(Ti1, Ti2, Ti3, Ti4 및 Tin)를 규정할 수 있다. 도 4d에 도시된 바와 같이, 테이퍼링된 또는 스텝핑된 빔 표면(127A)은 컴포지트 빔(127)의 요구된 또는 소망된 두께에 대응하는 테이퍼(S1 및 S2)의 임의 비율을 갖는다. 테이퍼(S1 및 S2)의 비율은 빔(127)의 두께의 변경과 빔 길이(L2)의 유닛 당 빔 두께의 변경의 소정 비에 대응한다. 테이퍼(S2)의 큰 비율은 빔 두께(예를 들면, Ti4)의 급격한 또는 가파른 테이퍼링을 나타내는 한편, 테이퍼(S1)의 작은 비율은 빔 두께(예를 들면, Ti1, Ti2 및 Ti3)의 점진적인 테이퍼링을 나타낸다. 도 4d에 도시된 바와 같이, 빔 표면(127A) 및 두께(Ti1, Ti2 및 Ti3)는 최고의 두께(Tmax)의 영역으로부터 블레이드 팁(116)을 향해 점진적인 비율(S1)로 테이퍼링한다. 점진적으로 감소하는 두께(Ti1, Ti2 및 Ti3)는 스파 캡(126)에 블레이드(20)의 스팬(Li)을 따라 중량을 감소시킬 뿐만 아니라 충분한 강도 및 탄력성을 제공하는 데 도움을 준다. 반대로, 블레이드 루트(118)로부터 연장되는 빔(127)의 표면(127A) 및 두께(Ti4)는 가파른 테이퍼 비율(S2)로 증가한다. 가파른 테이퍼 비율(S2)은 빔 두께를 제공함으로써 강도를 제공하고 블레이드 루트(118)와 결합하거나 또는 블레이트 루트(118)에 연결하는 스파 캡(126)의 부분을 서포트하는 데 도움을 준다 .
일 실시형태에서, 단지 예시적인 목적으로, 블레이드(20)가 40(40)미터의 길이(Li)를 규정할 경우, 스파 캡(126)은 약 39(39)미터의 길이(L2)를 규정한다[약 40 mm의 최고 두께(Tmax)점이 블레이드 루트(118)로부터 약 3미터의 스테이션에 배치됨]. 스파 캡(126)은 약 500 mm의 실질적으로 균일한 횡방향 폭(W2)을 갖고, 빔의 표면(127A)의 테이퍼(S1)의 점진적인 비율은 약 1:900의 비를 가질 수 있다. 이러한 구성에서, 테이퍼(S2)의 가파른 비율은 약 1:50의 비를 가질 수 있다. 빔의 이러한 특징이 반드시 일정하고 제한될 필요가 없기 때문에, 본 발명은 테이퍼(S1 및 S2)의 임의의 특정 비율(들) 또는 컴포지트 빔(127)의 임의의 특정 두께에 제한되지 않는다. 따라서 본 발명에 의한 스파 캡(126)은 특정 스파 캡 디자인의 강도 및 탄력성 요구치를 충족시는 데 도움을 주는 테이퍼의 임의의 두께 및 비율로 구성될 수 있다.
도 4d 및 도 4e에 도시된 바와 같이 그리고 상기 설명된 바와 같이, 컴포지트 빔(127)의 테이퍼링된 형성부(128)는 몰드 내에서 다중 예비 형성층(300A 및 300B)을 스택킹하거나 그렇지 않으면 레이어링함으로써 기인되므로, 테이퍼링 컴포지트 빔(127)의 두께 및 횡방향 폭(W2)을 규정할 수 있다. 도 5a-도 5d 및 도 6을 참조하여 아래에 설명된 바와 같이, 각각의 예비 형성층(300A 및 300B)은 강도 요소 또는 로드(202)의 복수의 단일 층을 포함한다. 각각의 강도 요소 또는 로드(202)는 그 종방향 치수 또는 길이를 따라 적어도 하나의 다른 강도 요소 또는 로드(202)에 인접한 개별적인 예비 형성층(300A 및 300B) 내부에 배치된다. 예비 형성층(300A 및 300B)의 종방향으로 배향된 강도 요소 또는 로드(202)의 복수의 구성 및 배치는 강성, 탄력성 및 강도를 컴포지트 빔(127)과 스파 캡(126)에 제공하는 데 도움을 준다.
도 4f를 참조하고 도 4a-도 4e를 추가로 참조하면, 다른 태양에서, 본 발명은 다중 파이버층, 메쉬 또는 패브릭(602)로 레이어링된 위에서 설명되고 아래에서 더욱 자세하게 설명된 바와 같은, 다중 예비 형성층(300 A 및 300B)을 포함하는 스택킹된 형성부(128) 또는 컴포지트 빔(127)을 제공한다. 파이버층, 메쉬 또는 패브릭(602)은 드라이 또는 언필디드(unfilled) 패브릭 또는 메쉬, 프리-임프레그네이티드 파이버 패브릭 또는 메쉬, 파이버 얀, 파이버 로우빙(로우빙) 및 그 조합을 포함하지만 이에 제한되지 않고, 본 발명을 명확히 하기 위해 "파이버층"으로 전체적으로 칭한다. 파이버층(602)을 포함하는 파이버는 글래스 파이버, 얀, 및/또는 로우빙; 카본 파이버, 얀, 그리고/또는 로우빙; 그래파이트 파이버, 얀, 및/또는 로우빙; 버솔트 파이버, 얀, 및/또는 로우빙; 세라믹 파이버, 얀, 및/또는 로우빙; 및 그 조합을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명에 의한 스택킹된 형성부(128) 또는 컴포지트 빔(127)은 하나 이상의 파이버층(602)과 스택킹된, 레이어링된 또는 인터리빙된 하나 이상의 예비 형성층(300A 및 300B)을 포함한다. 도 4f의 스택킹된 형성부(128) 또는 컴포지트 빔(127)의 측면도에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 예비 형성층(300A 및 300B)은 하나 이상의 파이버층(602)과 스택킹되거나 또는 레이어링되거나 또는 그 위에 그리고/또는 그 아래에 배치될 수 있다. 스택킹된 형성부(128) 및 컴포지트 빔(127)에서 요구되는 또는 소망되는 테이퍼링 두께(Ti1 - in), 테이퍼(S1 및 S2)의 비율, 길이(L2) 및 횡방향 폭(W2)은 스택킹, 레이어링 또는 인터리빙 예비 형성층(300A 및 300B) 및 다중 파이버층(602)을 갖는 본 발명에 의한 이러한 구성으로 달성된다. 스파 캡(126)이 스파 캡 몰드 또는 블레이드(20)의 스파 캡 및 쉘부(120 및 122)의 적어도 일부를 형성하는 몰드를 사용하여 형성될 경우, 예비 형성층(300A 및 300B)은 하나 이상의 파이버층(602) 및/또는 하나 이상의 예비 형성층(300A 및 300B)의 위에 그리고/또는 아래에 수직으로 스택킹될 수 있다.
도 4f에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 스택킹된 형성부(128) 또는 컴포지트 빔(127)의 하나의 구성에서, 가변 길이를 갖는 다중 예비 형성층(300A 및 300B)은 다중 파이버층(602)과 스택킹되거나, 레이어링되거나 또는 인터리빙되고, 또한 다중 파이버층(602)은 스택킹된 형성부(128) 또는 컴포지트 빔(127)의 테이퍼링 두께(Ti1 - in)를 달성하는데 도움을 주는 가변 두께를 갖는다. 각각의 개별적인 예비 형성층(300A 및 300B)은 다른 예비 형성층(300A 및 300B) 또는 하나 이상의 파이버층(602)의 위에 그리고/또는 아래에 배치되어 스택킹된 형성부(128) 및 컴포지트 빔(127)을 빌딩할 수 있다. 도 4e는 소정 스택킹된 형성부(128) 및 컴포지트 빔(127)의 예비 형성층(300A 및 300B)의 가변 길이(L4a, L4b, L4c 및 L4d 등)를 예시한다. 그러나, 도 4e는 다중 파이버층(602)이 다중 예비 형성층(300A 및 300B)을 따라 스택킹 형성부(128) 및 컴포지트 빔(127)의 테이퍼링 두께를 달성하는 데 도움을 주도록 규정될 수 있는 가변 가능한 길이(L4a, L4b, L4c 및 L4d 등)를 예시하는 역할도 할 수 있다. 도 4f에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 예비 형성층(300A 및 300B)은 다중 파이버층(602)과 또는 그에 인접하여 스택킹되어, 하나 이상의 예비 형성층(300A 및 300B)이 스택킹된 형성부(128) 또는 컴포지트 빔(127)의 두께를 규정하는 데 도움을 주도록 스택킹된 형성부(128) 또는 컴포지트 빔(127) 내부에 소정 포지션(들)에 배치된다. 그러한 포지션에서, 하나 이상의 예비 형성층(300A 및 300B)은 다른 예비 형성층(300A 및 300B)을 따라 또는 하나 이상의 파이버층(602)을 따라 스택킹된다. 따라서 다중 파이버층(602)을 갖는 예비 형성층(300A 및 300B)을 레이어링하는 것은 스택킹된 형성부(128) 또는 컴포지트 빔(127)의 테이퍼링 두께(Ti1, Ti2, Ti3 및 Ti4) 및 테이퍼(S1 및 S2)의 비율을 규정하도록 도움을 줄 수 있다.
도 4f에 도시된 바와 같이 그리고 도 4e를 추가로 참조하면, 하나 이상의 예비 형성층(300A 및 300B) 및/또는 하나 이상의 파이버층(602)은 다른 예비 형성층 및 파이버층(602)과 비교해서 상대적으로 긴 길이(L3)를 가지므로, 스택킹된 형성부(128) 및 컴포지트 빔(127)의 스텝핑된 또는 테이퍼링된 표면(127B)을 규정하는 데 도움을 줄 수 있다. 다른 예비 형성층(300B) 및 파이버층(602)은 비교적 상대적으로 짧고 가변하는 길이(L4a, L4b, L4c 및 L4d 등)를 가질 수 있다. 도 4f에 도시된 바와 같이, 예비 형성층(300A 및 300B) 및 파이버층(602)의 가변 길이(L3 및 L4a, L4b, L4c, L4d 등)는 그 길이(L2)를 따라 스택킹된 형성부(128) 및 컴포지트 빔의 테이퍼링 두께를 규정하는 데 도움을 준다. 도 4e 및 도 4f에도 도시된 바와 같이, 임의의 규정된 길이(예를 들면, L4c -4d)를 갖는 하나 이상의 파이버층(602)은 규정된 길이(예를 들면 L4a -4b 및 L4e -4f)를 갖는 하나 이상의 예비 형성층(300A 및 300B)과 레어어링되어, 스택킹된 형성부(128) 또는 컴포지트 빔(127)의 필수적인 테이퍼링 두께(Ti1 - in) 및 테이퍼(S1 및 S2)의 비율(들)을 달성하는 데 도움을 줄 수 있다. 따라서 본 발명에 의한 스택킹된 형성부(128) 및 컴포지트 빔(127)의 구성은 임의의 블레이드 길이 폭 및/또는 두께 윤곽에 용이하게 적용되고 맞춰질 수 있다.
스택킹된 형성부(128) 및 컴포지트 빔(127)은 스택킹된 형성부(128) 또는 컴포지트 빔(127)의 유닛 영역 당 전체 중량의 임의의 퍼센티지를 규정하는 다중 예비 형성층(300A 및 300B)을 포함할 수 있다. 본 발명은 이러한 관점에 제한되지 않고 예비 형성층(300A 및 300B)이 스택킹된 형성부(128) 및 컴포지트 빔(127)의 소정 영역의 전체 중량의 임의의 퍼센티지를 포함할 수 있는 것을 구현할 수 있다. 이러한 퍼센티지는 블레이드 디자인 및 쉐이프, 필수적인 기계적 특성 및/또는 블레이드의 요구치 성능에 종속적일 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 도 4d-도 4g에 도시된 스택킹된 형성부(128) 및 컴포지트 빔(127)의 임의의 구성은 스택킹된 형성부(128) 또는 컴포지트 빔(127)를 따라 하나 이상의 선택 영역을 보강하도록 구성된 하나 이상의 예비 형성층(300A 및 300B)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 하나 이상의 예비 형성층(300A 및 300B)은 예를 들면 상기 설명된 바와 같이 스택킹된 형성부(128) 및 컴포지트 빔(127)을 구성하도록 다중 파이버층(602)과 레어링된 예비 형성층(300A 및 300B) 뿐만 아니라, 도 4f에 도시된 스택킹된 형성부(128) 및 컴포지트 빔(127)의 하나 이상의 선택 영역을 부분적으로 보강하도록 구성될 수 있다. 스택킹된 형성부(128) 및 컴포지트 빔(127)의 내부에 예비 형성층(300A 및 300B)의 선택적인 배치는 강한 윈드 조건 중 블레이드(20)를 따라 공기 역학적 부하를 감소시키는 데 도움을 줄 수 있다. 예를 들면, 하나 이상의 예비 형성층(300A 및 300B)은 스택킹된 형성부(128)의 내부에 배치되어, 블레이드 쉘(120 및 122)의 리딩 에지를 향해 배향된 스파 캡(126)의 하나 이상의 부분과 같은, 스파 캡(126)의 하나의 부분을 따라 보다 높은 밀도의 예비 형성층(300A 및 300B)을 규정할 수 있다. 보다 많은 양의 예비 형성층(300A 및 300B)은 터빈 작동 중 블레이드(20)를 따라 공기 역학적 부하에 응하여 발생하는 스파 캡 및 블레이드의 트위스팅과 스파 캡 및 블레이드의 벤딩을 커플링시키는 데 도움을 준다. 따라서, 보다 많은 양의 예비 형성층(300A 및 300B)은 그러한 공기 역학적 부하를 감소시키도록 블레이드(20)를 피칭하는 데 도움을 줄 수 있다.
추가의 예에서, 하나 이상의 예비 형성층(300A 및 300B)은 주로 다중 파이버층(602)으로 주로 구성된 스택킹된 형성부(128) 및 컴포지트 빔(127)의 하나 이상의 선택 영역을 부분적으로 보강하도록 구성될 수 있어서, 예비 형성층(들)(300A 및 300B)은 임의의 선택 영역의 전체 중량 중 낮은 퍼센티지를 포함할 수 있다. 이러한 구성에서, 하나 이상의 예비 형성층(300A 및 300B)은 스택킹된 형성부(128) 및 컴포지트 빔(127)의 선택 영역의 전체 중량 중 임의의 퍼센티지, 그리고 1%의 작은 정도의 또는 그 이하의 퍼센티지를 구성할 수 있다.
도 10a-도10i을 참조하여 아래에 상세하게 설명된 바와 같이, 하나 이상의 예비 형성층(300A 및 300B)은 하나 이상의 파이버층(602)에 결합되거나 또는 접착되거나 또는 그와 인터리빙되어 스파 캡(126)의 다중-레이어링된 구조적 컴포넌트(702) 또는 블레이드(20)의 쉘부(120 및 122)를 형성할 수 있다. 또한 하나 이상의 컴포넌트(702)는 스파 캡(126)의 컴포지트 빔(127)을 따라 하나 이상의 선택 영역을 위한 보강부로서 구성될 수도 있다. 또한, 하나 이상의 컴포넌트(702)는 도 4f에 도시된 스택킹된 형성부(128) 및 컴포지트 빔(127)을 구성하는 예비 형성층(300A 및 300B) 및 다중 파이버층(602)과 레이어링 또는 스택킹하도록 구성될 수 있다.
도 4g를 참조하면, 본 발명에 의한 스택킹된 형성부(128) 및 컴포지트 빔(127)의 다른 구성이 예시된다. 블레이드 루트(118)를 향해 배향되거나 또는 인접하게 또는 근처에 위치된 스파 캡(126)의 부분이 실질적으로 균일한 두께를 규정하는 한편, 단독으로 또는 다중 파이버층(602)과 조합되는 예비 형성층(300A 및 300B)은 블레이드 팁(116)을 향해 테이퍼(S1)의 임의의 비율로 테이퍼지는 두께를 갖는 스파 캡(126)을 규정한다. 이러한 구성에서, 스택킹된 형성부(128) 또는 컴포지트 빔(127)은 블레이드 팁(116)을 향해서만 그 스팬(L1)을 따라 테이퍼지고 블레이드 루트(118)에 또는 블레이드 루트(118)에 인접한 블레이드 에어 포일의 영역에 스파 캡(126)을 결합시키거나 또는 연결시키도록 하나의 끝를 따라 충분한 두께를 제공한다.
도 4h 및 도 4i를 참조하면, 본 발명에 의한 스파 캡(126)은 예비 형성층(300A 및 300B)으로 또는 다중 파이버층(602)과 스택킹된, 레이어링된 또는 인터리빙된 예비 형성층(300A 및 300B)으로 디자인되거나 제조되어, 스웹트(swept) 블레이드 디자인 및 직선 블레이드 디자인을 위한 구조적 서포트로서 역할을 할 수 있다. 도 4h에 도시된 바와 같이, 블레이드(20)는 공기 역학적 부하를 처리하고 그리고/또는 벤드-트위스트 커플링(bend-twist coupling)에 영향을 주도록 스위프(sweep)로써 구성될 수 있다. 그러한 블레이드 디자인에서, 예비 형성층(300A 및 300B) 및 파이버층(602)은 스위프 또는 스웹트 스팬을 갖는 스파 캡(126)을 구성하는 데 도움을 줄 수 있어서, 스웹트 블레이드(20)가 공기 역학적 부하에 반응함에 따라 스파 캡(126)은 유사한 벤드-트위스트 커플링을 나타낼 수 있다. 스웹트 구조에 있어서, 스파 캡(126)의 예비 형성층(300A 및 300B)은 그것이 공기 역학적 부하에 응하여 벤딩하고 트위스팅하면서 벤드의 내부 에지 또는 스파 캡(126)의 곡률을 따라 파이버층(602)을 구속하는데 도움을 준다. 파이버층(602)의 구속은 파이버층(602)의 링클링 및 버클링을 방지하거나 최소화한다. 이에 비해, 도 4i는 상대적으로 직선 스팬을 갖는 본 발명에 의한 스파 캡(126)을 예시한다.
도 4j를 참조하면, 본 발명에 의한 스파 캡(126)의 대안적인 구성에서, 스파 캡(126)은 블레이드(20)의 코드(Wi)보다 작고 블레이드 팁(116)을 향해 스파 캡 길이(L2)를 따라 테이퍼지고 좁아지는 횡방향 폭(W2)을 규정한다. 스파 캡(126)의 다른 구성에서와 같이, 스파 캡(126)의 길이(L2)는 그 횡방향 폭(W2)보다 일반적으로 길다. 도 4j에 도시된 바와 같이, 스파 캡(126)은 예를 들면 블레이드 루트(118)에 스파 캡(126)을 결합시키거나 또는 연결시키도록 구성된 한 끝로부터 예를 들면 블레이드 팁(116)을 향해 배향된 대향 끝로 테이퍼링하거나 또는 좁아지는 횡방향 폭(W2)을 갖는다. 환언하면, 스파 캡(126)의 횡방향 폭(W2)은 예를 들면 블레이드 루트(118)에 가장 근접한 소정 횡방향 폭(W2)으로부터 예를 들면 블레이드 팁(116)에 가장 근접한 스파 캡(126)의 대향 끝의 제 2 횡방향 폭(W2)으로 테이퍼지거나 또는 좁아진다.
상기 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 스파 캡(126)은 예를 들면 스파 캡 몰드를 사용한 프리 캐스트(pre-cast) 또는 프리 몰딩된(pre-molded) 컴포지트 빔(127)으로서 구성될 수 있다. 이러한 경우, 컴포지트 빔(127)은 블레이드 에어 포일(100) 및 쉘부(120 및 122)와 별도의 컴포넌트로서 구성되고 그 후 쉘부(120 및 122)의 형성 또는 몰딩 중 각각의 쉘부(120 및 122)와 조립된다. 대안적으로, 스파 캡(126)은 쉘부(120 및 122)를 구성하는 형성 또는 몰딩 프로세스 중에 그리고 쉘부(120 및 122)를 구성하는 형성 또는 몰딩 프로세스의 일환으로서 구성될 수 있다. 각각의 구성에서, 예비 형성층(300A 및 300B) 또는 컴포지트 빔(127)을 구성하는 예비 형성층(300A 및 300B) 및 파이버층(602)은 여기에 설명한 바와 같이 예를 들면 스파 캡 몰드 내부에서 조립될 수 있는 스택킹된 형성부(128)를 처음에 규정한다.
도 11a 및 도 11b를 참조하여 아래에 상세하게 설명된 바와 같이, 접착 수지(502)은 필수적인 수의 예비 형성층(300A 및 300B) 또는 필수적인 수의 예비 형성층(300A 및 300B) 및 파이버층(602)이 스택킹된 형성부(128)를 빌딩하도록 스택킹되거나, 레이어링되거나 또는 인터리빙되면 스택킹된 형성부(128)에 인가된다. 접착 수지(502)은 스택킹된 형성부(128)의 내부로 수지의 침투를 촉진하는 방법 및 기술에 의해 인가된다. 수지(502)은 개별적인 강도 요소 또는 로드(202)를 둘러싸고 스택킹된 예비 형성층(300A 및 300B) 및 파이버층(602)을 통해 침투하고 그에 인접하여 둘러싸서, 존재한다면, 수지(502)이 개별적인 요소 또는 로드(202) 사이의, 예비 형성층(300A 및 300B) 사이의, 파이버층(602) 사이의 그리고/또는 예비 형성층(300A 및 300B) 및 파이버층(602) 사이의 임의의 공간 또는 빈 공간(500)을 채운다. 수지 큐어 중, 수지(502)은 스택킹되거나 또는 인접한 예비 형성층(300A 및 300B) 및/또는 다른 파이버층(602)과 개별적인 강도 요소 또는 로드, 개별적인 예비 형성층(300A 및 300B), 및/또는 개별적인 파이버층(602)과 결합하여 컴포지트 빔(127)을 형성한다.
스택킹된 형성부(128)에 접착 수지(502)을 인가하는 임의의 다양한 방법 및 기술은 스택킹된 형성부(128) 내부로 결합 수지를 주입하거나 또는 인젝팅하기 위해 압력, 열 또는 진공을 사용하는 방법 및 기술을 포함하는 것이 사용될 수 있다. 수지 주입 기술은 예비 형성층(300A 및 300B) 및 파이버층(602) 내부로 그리고 그를 통해 접착 수지(502)을 드로잉하기 위해 스택킹된 형성부(128)에 진공을 인가하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들면, 스택킹된 형성부(128)가 몰드 내부에 구성될 경우, 진공은 몰드의 둘레를 따라 인가될 수 있다. 진공은 몰드의 횡방향 폭을 따라 몰드 내부로 수지 공급을 드로잉하고 그 횡방향 폭(W2)을 따라 스택킹된 형성부(128)를 통해 수지 공급을 추가로 드로잉한다. 그러한 수지 주입 방법은 시맨 컴포지트 수지 주입 몰딩 프로세스(Seeman Composite resin Infusion Molding Process)(SCRIMP), 베큠-어시스티드 수지 트랜스퍼 몰딩(vaccum-assisted resin transfer molding)(VARTM), 다른 진공 기술 및 핸드 레이-업(hand lay-up) 기술을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
다른 기술은 접착 수지(502)의 공급이 압력 하에서 폐쇄된 몰드로 행해지고, 몰드 내부로 그리고 따라서 스택킹된 형성부(128) 내부로 그리고 그를 통해 주입되어, 스택킹된 형성부(128) 내의 임의의 공간 또는 빈 공간을 채우는 수지 인젝션을 포함한다.
접착 수지(502)의 필수적인 양을 인가한 후에, 수지-충전된 스택킹된 형성부(128)는 예를 들면 접착 수지(502)을 알맞게 경화하고 예비 형성층(300A 및 300B), 개별적인 강도 요소 또는 로드 및 파이버층(602)을 함께 결합하기에 충분한 임의의 적당한 시간 동안 임의의 적당한 온도에서 열을 사용하는 프로세스와 같은 큐어 프로세스를 받게 된다. 대안적으로, 수지 주입 기술이 사용되는 경우, 주입 및 경화 스테이지는, 예를 들면 스택킹된 형성부(128)가 존재하는 몰드에 열을 인가함으로써 주입이 시작된 후 그리고 수지의 전체 필요한 양이 스택킹된 형성부(128)에 인가되기 전 접착 수지(502)의 경화가 시작되도록 오버랩할 수 있다. 본 기술 분야에서의 당업자는 알 수 있는 바와 같이, 수지-충전된 스택킹된 형성부(128)를 경화하는 다른 기술은 엠비언트 템프러츄어 경화(ambient temperature curing), 케미컬 경화(chemical curing), 울트라 바이올렛 경화(ultraviolet curing), 일렉트론 빔 경화(electron beam curing) 및 열과 압력의 조합에 의한 경화를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다.
다중 강도 요소 또는 로드의 예비 형성층
도 5a-도 5d 및 도 6-도 7을 참조하면, 다른 태양에서, 본 발명은 상기 설명된 바와 같은 예비 형성층(300A 및 300B) 및 도 7을 참조하여 설명된 바와 같은 예비 형성층(400)을 제공한다. 도 5a는 본 발명에 의한 예비 형성층(300A 및 300B)의 일 실시형태의 평면도이고, 도 6은 도 5a에 도시된 예비 형성층(300A 및 300B)의 단면도를 예시한다. 도 7은 본 발명에 의한 도 5a에 도시된 예비 형성층(400)의 다른 실시형태의 단면도를 예시한다. 예비 형성층(300A, 300B 및 400)은 복수의 긴 단일 방향성의 강도 요소 또는 로드(202 및 402)가 단일층으로 배치되고 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 종축(304)을 따라 실질적으로 연장되도록 구성되고 그리고 배치된다.
강도 요소 또는 로드(202 및 402)는 바람직한 또는 필수적인 강성 및 강도를 나타낸다. 그러나, 강도 요소 또는 로드(202 및 402)도 고도의 탄력성을 증명하므로 개별적인 강도 요소 또는 로드(202 및 402) 및 예비 형성층(300A, 300B 및 400)이 최소한의 링클링 및 버클링을 갖는 또는 링클링 및 버클링을 갖지 않는 스파 캡으로서 그러한 구조적 블레이드 컴포넌트의 벤드 및 곡률을 조정하고 따르게 할 수 있다. 요소 또는 로드(202 및 402)도 스파 캡과 같은 구조적 컴포넌트의 제조 중 그러한 벤딩 특성을 나타낼 수 있다. 트위스트 커플링된 블레이드(20)와 같이, 블레이드(20) 내에서 일체형으로 될 경우, 스파 캡(126)은 블레이드(20)를 따라 작용하는 윈드 및 피로 부하에 응하여 그 스팬을 따라 블레이드(20)가 벤딩하고 트위스팅하도록 허용하는 데 도움을 줄 수 있다.
예비 형성층(300A, 300B 및 400)은 규정된 수의 강도 요소 또는 로드(202 및 402)를 포함하는 사전 제조된 컴포지트로서 제공될 수 있다. 강도 요소 또는 로드(202 및 402)는 단일층 내의 예비 형성층(300A, 300B 및 400) 내에 배치된다. 강도 요소 또는 로드(202 및 402)는 단일 방향성이고, 개별적인 요소 또는 로드(202 및 402)는 층 내의 다른 요소 또는 로드(202 및 402)의 길이(L5)에 대해 종방향으로 정렬된다. 도 5a와 도 6 및 도 7에 예시된 바와 같이, 개별적인 요소 또는 로드(202 및 402)는 그 종방향 치수 또는 길이(L5)를 따라 다른 요소 또는 로드(202 및 402)에 인접한 단일층으로 배치된다. 본 발명에 의한 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 하나의 구성에서, 강도 요소 또는 로드(202 및 402)는 예비 형성층 내에서 서로 실질적으로 평행하다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 예비 형성층(300A, 300B 및 400)은 단일층으로 개별적인 요소 또는 로드(202 및 402)를 유지하기에 적합한 배향 및 패턴으로 층(300A, 300B 및 400)의 폭(W3, W4)을 횡단하는 파이버 텍스타일 구조(302)를 선택적으로 포함할 수 있다. 파이버 텍스타일 구조(302)는 도 5b를 참조하여 아래에 자세하게 설명된다. 단일층으로 요소 또는 로드(202 및 402)를 유지하도록 역할을 하는 본 발명에 의한 다른 구조도 아래에 자세하게 설명된다.
도 6은 단일층으로 요소 또는 로드(202)의 배치를 예시하는 그 횡방향 폭(W3)을 따라 도 5a에 도시된 예비 형성층(300A 및 300B)의 단면도를 포함한다. 도 6에 도시된 요소 또는 로드(202)는 원형의 단면을 규정한다. 그러나 본 발명은 이에 제한되지 않고 도 7에 도시된 바와 같은 실질적으로 직사각형 단면을 갖는 요소 또는 로드(402)를 포함하는 다른 단면 프로필을 규정할 수 있지만 이에 제한되지 않는 것을 구현할 수 있다.
도 6 및 도 7이 예시하는 바와 같이, 요소 또는 로드(202 및 402)는 예비 형성층(300A, 300B 및 400)이 실질적으로 균일한 두께(T2, T3)를 갖도록 실질적으로 동일한 단면 직경을 규정한다. 원형 요소 또는 로드(202 및 402)는 약 0.25 mm로부터 약 20 mm까지의 범위로 단면 직경을 규정할 수 있다 .
도 8a 및 도 8b를 참조하고 도 6 및 도 7를 추가로 참조하면, 각각의 강도 요소 또는 로드(202 및 402)는 경화 요소 또는 로드이거나 또는, 몇몇 예에서는, 예비 형성된 요소 또는 로드이다. 요소 또는 로드(202 및 402)는 구조적 부재로서 역할을 하고 요소 또는 로드(202 및 402)가 스파 캡(126)의 컴포지트 빔(127)과 같이 일체형으로 된 컴포지트 재료 및 구조적 컴포넌트에 강성, 압축 강도 및 탄력성을 제공하도록 구성되고 배치된다. 요소 또는 로드(202 및 402)의 고도의 탄력성은 요소 또는 로드(202)를 예를 들면 스웹트 블레이드 디자인과 같은, 특정 블레이드 디자인에 대해 요구되는 스파 캡(126)의 벤드, 곡률 및/또는 윤곽을 따라 벤딩하고 트위스팅하도록 허용한다.
각각의 강도 요소 또는 로드(202 및 402)는 매트릭스 수지(308), 예를 들면 열가소성 또는 경화 수지에 의해 침윤된 긴 실질적으로 직선 구조적 파이버(306)을 포함하는 컴포지트 재료로 구성된다. 파이버(306)은 종방향으로 배향되고 실질적으로 선형으로 정렬된다. 매트릭스 수지(308)은 경화되거나 응결될 경우 강성의 사전 제조된 요소 또는 로드(202 및 402)를 형성하도록 다량의 파이버(306) 내부에 분배된다. 최종 요소 또는 로드(202 및 402)는 매트릭스 수지(308) 내부에 파이버(306)의 실질적으로 일정한 분배를 갖는다. 또한 파이버(306)은 고도의 콜리메이션(collimation)을 갖고, 파이버(306)은 단일 방향성이고 요소 또는 로드(202 및 402) 내의 다른 파이버(306)에 대해 실질적으로 선형이다. 파이버(202 및 402)의 상대적인 직선성 및 현저한 파이버 콜리메이션은 고강성 및 현저한 압축 강도를 나타내는 강도 요소 또는 로드(202 및 402)을 생산하고, 그것은 스파 캡(126)과 블레이드 컴포넌트의 구조적 요소 및 보강부과 같은, 부하 지지 구조를 제조하는 데 사용되는 경우 요구되고 매우 큰 이점을 갖는다. 따라서 최종 예비 형성층(300A, 300B 및 400)은 컴포지트 빔(127) 또는 다른 블레이드 컴포넌트를 형성하는 각각의 다중 예비 형성층(300)에 대해 요구되는 그리고 바람직한 강성 및 압축 강도를 부여하는 사전 제조된 요소 또는 로드(202 및 402)를 포함한다.
긴 구조적 파이버(306)의 타입은 스파 캡(126) 및 다른 블레이드 컴포넌트에 대해 요구되는 특성에 따라 파이버 타입, 파이버 직경 및/또는 파이버 필라멘티제이션(filamentization)에 대해 선택된다. 긴 구조적 파이버(306)은 약 1 마이크로미터로부터 약 100 마이크로미터까지의 범위의 직경을 일반적으로 규정하고, 글래스 파이버, 카본 파이버, 버솔트 파이버 및 그 조합을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
파이버(306)을 둘러싸는 매트릭스 수지(308)은 파이버(306)에 접착하고 파이버를 고정하고, 예비 형성층(300A, 300B 및 400) 뿐만 아니라 최종 요소 또는 로드(202 및 402)에 강성 및 강도를 제공하기에 적합한 수지 매트릭스를 포함한다. 매트릭스 수지(308)은 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 포함하는 넌큐어러블(non-curable) 수지 또는 열/방사선 경화 수지를 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 매트릭스 수지(308)은 기계적 보강 특성에 기초하여 선택될 수 있고, 매트릭스 수지(308)은 최종 개별적인 강도 요소 또는 로드(202 및 402) 및 예비 형성층(300A, 300B 및 400)에 제공된다.
사전 제조된 강도 요소 또는 로드(202 및 402)의 예비 형성층(300A, 300B 및 400)은 도 11a 및 도 11b를 참조하여 아래에 설명되는 바와 같이 스택킹된 형성부(128)에 인가되는 접착 수지(502)의 경화 중 수축하지 않는다. 최종 예비 형성층(300A, 300B 및 400)은 스파 캡(126)의 제조 중 링클링, 꼬임(kinking) 및 버클링에 대해 저항성을 나타낸다. 스파 캡을 구성하는 데 사용된 종래 기술 분야의 파이버 패브릭 및 컴포지트와 달리, 사전 제조된 강도 요소 또는 로드(202 및 402)[예비-경화 매트릭스 수지(308) 내에 삽입된 파이버(306)을 포함함]는 접착 수지(502)의 경화 중의 수축에 실질적으로 저항성을 갖는다. 따라서 강도 요소 또는 로드(202 및 402)는 스파 캡(126)의 제작 중 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 링클링, 꼬임, 또는 버클링의 발생을 제거하거나 또는 실질적으로 감소시키는 데 도움을 준다. 또한, 예비-경화 매트릭스 수지(308) 및/또는 구조적 파이버(306)은 스택킹된 형성부(128)로의 접착 수지(502)의 인가 중 파이버 와쉬(wash)에 대한 저항성을 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 개별적인 요소 또는 로드(202 및 402)에 제공한다.
본 발명에 의한 예비 형성층(300A, 300B 및 400)이 나타내는 수축 및 파이버 와쉬에 대한 저항성은 링클링, 꼬임 및 버클링을 회피하고 적어도 최소화하는 데 도움을 줌으로써 최종 스파 캡(126) 내의 임의의 구조적 약점을 제거하거나 또는 적어도 최소화하는 데 도움을 준다.
강도 요소 또는 로드(202 및 400)는 접착 수지(502)에 요소 또는 로드(202 및 402)의 접착을 증진하는 데 도움을 주는 표면 특성 및/또는 표면 화학적 성질을 추가로 규정할 수 있다. 요소 또는 로드(202 및 402)의 표면 특성은 예를 들면 요소 또는 로드(202 및 402)의 조면화된 표면을 생성하도록 예를 들면 표면 코팅을 인가하는 다양한 기술로써 달성된 텍스츄어링된 표면, 조면화된 표면 또는 화학적 처리된 표면을 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
또한, 강도 요소 또는 로드(202 및 402)의 텍스츄어링된 또는 조면화된 표면은 특히, 예비 형성층(300A, 300B 및 400)이 스택킹된 로드(202 및 402) 상의 강도 요소 사이에 접착 수지(502)의 침투를 촉진하는데 도움을 준다. 강도 요소 또는 로드(202 및 402)의 텍스츄어링된 또는 조면화된 표면은 개별적인 요소 또는 로드(202 및 402) 사이 그리고 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 사이에 접착을 증가시켜 스택킹된 또는 레이어링된 예비 형성층(300A, 300B 및 400) 및 스파 캡(126)의 컴포지트 빔의 내부 적층 전단 강도가 증가된다. 또한, 요소 또는 로드(202 및 402)의 텍스츄어링된 또는 조면화된 표면은 접착 수지(502)과 강도 요소 또는 로드(202 및 402) 사이의 박리 크랙을 억제하는 데 도움을 줌으로써 예비 형성층(300A, 300B 및 400) 및 예비 형성층(300A, 300B 및 400)이 포함된 최종 스파 캡(126) 또는 다른 블레이드 컴포넌트의 피로 수명을 증가시킨다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 선택적 파이버 텍스타일 구조(302)는 단일층으로 요소 또는 로드(202 및 402)를 유지하도록 강도 요소 또는 로드(202 및 402)와 인터페이싱하고, 개별적인 요소(202 및 402)는 그 종방향 치수 또는 길이(L5)를 따라 서로 인접하게, 그리고 예를 들면 서로에 대해 실질적으로 평행하게 배향된다. 도 6 및 도 7에 도시된 예비 형성층(300A, 300B 및 400)은 서로에 결합된 강도 요소 또는 로드(202 및 402)를 포함하지 않을 수 있다. 이러한 구성에서, 파이버 텍스타일 구조(302)는 인접한 요소 또는 로드(202 및 402) 사이의 미세한 공간(500)을 규정하는 강도 요소 또는 로드(202 및 402)의 상대적으로 느슨한 위브를 결과적으로 생성한다.
강도 요소 또는 로드(202 및 402) 사이의 미세한 공간(500)은, 특히 요소 또는 로드(202 및 402)가 예비 형성층(300A, 300B 및 400) 내에 형성되거나 또는 스파 캡(126) 또는 다른 블레이드 컴포넌트의 컴포지트 빔(127) 내에서 일체형으로 되는 경우, 개별적인 요소 또는 로드(202 및 402)의 탄력성을 강화하고, 요소 또는 로드의 벤딩 능력을 촉진시킨다. 형성 중, 예를 들면 컴포지트 빔(127)의 몰딩 중, 요소 또는 로드(202 및 402)의 벤딩 능력은 이점을 갖는다. 그러한 벤딩 능력은 요소 또는 로드(202 및 402)가 스파 캡(126)의 쉐이프 또는 윤곽을 실질적으로 따르도록 요소 또는 로드(202 및 402)를 스파 캡(126) 디자인의 벤드 및 곡률에 대해 가볍게 조정하도록 허용한다. 본 발명에 의한 각각의 스파 캡(126) 및 예비 형성층(300A, 300B 및 400)은 그 필수적인 구조적 서포트 및 부하 지지 특성을 블레이드(20)에 제공하는 한편, 블레이드(20)의 쉐이프에 따르는 또는 대응하는 구조를 갖는 스파 캡(126)의 제조를 허용한다.
따라서 본 발명에 의한 예비 형성층(300A, 300B 및 400)은 트위스트 커플링된 블레이드(20) 내에 부하 지지 구조로서 사용하기에 적합한 구성으로써 스파 캡(126)을 제조하도록 사용될 수 있다. 스파 캡(126)은 트위스트 벤드 커플링 능력을 갖는 블레이드(20)를 구성하는데 도움을 주도록 트위스트 커플링된 블레이드(20) 내에 포함될 수 있고, 여기서 블레이드는 그 스팬(Li) 또는 수평축을 따라 벤딩하면서 트위스트한다. 본 발명에 의한 스파 캡(126) 구성은 트위스트 커플링된 블레이드(20)의 공기 역학적 부하의 완화 능력을 촉진하는데 도움을 줄 수 있다. 터빈의 작동 중, 블레이드(20)는 블레이드(20)에 작용하는 공기 역학적 부하에 응하여 벤딩되고 또한 그 공기 역학적 성능을 변경시키도록 트위스팅한다. 구체적으로, 블레이드(20)가 그러한 부하를 패시브하게(passively) 그리고 빠르게 발산하기 위해 블레이드(20)는 윈드 부하에 응하여 페더(feather)하도록 패시브하게 피치(pitch)한다. 본 발명에 의한 스파 캡(126)을 벤딩/트위스트 커플링된 블레이드(20) 내부에 일체형으로 하는 것은 윈드 속도 조건의 범위 상에서 블레이드(20)에 대한 피로 데미지를 감소하는 데 도움을 줄 수 있을 뿐만 아니라, 블레이드(20)가 윈드 거스트(돌풍)에 그리고 회전 속도에 신속하게 반응하는 데 도움을 줄 수 있다.
또한, 개별적인 강도 요소 또는 로드(202) 사이의 미세한 공간(500)은 다중 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 스택킹된 형성부(128) 또는 다중 파이버층(602)과 스택킹된, 레이어링된 또는 인터리빙된 다중 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 스택킹된 형성부(128) 내부로 접착 수지(502)의 침투를 촉진하는 데 도움을 준다. 공간(500)은 개별적인 요소 또는 로드(202 및 402) 사이로 및 예비 형성층(300A, 300B 및 400)과 다중 파이버층(602) 사이로 접착 수지(502)의 유동과 침투를 촉진한다. 아래에 설명되는 바와 같이, 본 발명에 의한 예비 형성층(300A, 300B 및 400)을 포함하는 스택킹된 형성부(128) 내에 달성되는 접착 수지(502) 주입 또는 인젝션의 비율은 스파 캡을 구성하도록 사용되는 종래 기술의 파이버 및 컴포지트 재료 및 적층부에 접착 수지(502)을 인가함으로써 얻어지는 수지 주입 또는 인젝션 비율에 비해서 상대적으로 빠르다.
도 5b는 파이버 텍스타일 구조(302)를 포함하는 본 발명에 의한 예비 형성층(300A 및 300B)의 하나의 구성을 예시한다. 파이버 텍스타일 구조(302)는 인터로킹(interlocking) 텍스타일 파이버 위브, 예를 들면 스티칭을 통해 만들어진 플레인(plain) 또는 스퀘어 위브(square weave) 및 패브릭을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 파이버 텍스타일 구조(302)는 파이버 위브(302)가 단일 예비 형성층(300A 및 300B) 내에 요소 또는 로드(202)를 유지하도록 예비 형성층(300A 및 300B)의 폭(W3)을 가로질러 연장되고 개별적인 강도 요소 또는 로드(202)와 인터페이싱한다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 텍스타일 위브(302)는 지그재그 패턴으로 예비 형성층(300A 및 300B)의 폭(W3)을 가로질러 연장되는 위브를 규정할 수 있다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 텍스타일 위브(302)는 강도 로드 또는 요소(202) 사이에 인터로킹하는 스티칭을 추가로 포함할 수 있다. 그러나 본 발명은 이러한 관점에 특히 제한되지 않고 임의의 다양한 텍스타일 위브 타입 및 패턴이 단일 예비 형성층(300A 및 300B)의 강도 요소 또는 로드(202)를 유지하는 것을 구현할 수 있다. 유지 구조로서, 파이버 텍스타일 구조(302)도 개별적인 강도 요소 또는 로드(202)와 이격된다. 따라서 파이버 텍스타일 구조(302)는 상기 설명된 바와 같이, 강도 요소 또는 로드(202)의 상대적으로 느슨한 위브를 형성하는 데 도움을 준다. 느슨한 위브는 요소 및 로드(202)의 벤드 및 트위스트/스위프 능력을 강화하는 데 도움을 주고 개별적인 요소 또는 로드(202) 사이에 및 스택킹된 또는 레이어링된 예비 형성층(300A 및 300B) 사이에 접착 수지(502)의 침윤을 촉진하는 데 도움을 주는 요소와 로드(202) 사이의 미세한 공간(500)을 규정한다. 유사하게, 파이버 텍스타일 구조(302)는 파이버 위브(302)가 단일 예비 형성층(400) 내에 요소 또는 로드(402)를 유지하기 위해 개별적인 강도 요소 또는 로드(402)와 인터페이싱하도록 도 7에 도시된 예비 형성층(400)과 일체형으로 될 수 있다.
도 5c 및 5d를 참조하면, 본 발명에 의한 예비 형성층(300A, 300B 및 400)은 파이버 텍스타일 구조(302)의 대안적인 유지 구조로서 역할을 하도록 구성된 결합 재료(310)의 하나 이상의 밴드 또는 스트립을 포함할 수 있다. 재료(310)의 밴드 또는 스트립은 밴드 또는 스트립(310)이 단일층으로 개별적인 요소 또는 로드(202 및 402)를 고정하는 데 도움을 주도록 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 길이(L5)를 따라 임의의 위치에서 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 폭(W3 또는 W4)을 횡단한다. 결합 재료(310)는 요소 또는 로드(202 및 402)를 유지하는 데 도움을 주도록 그 인가 지점에서 개별적인 요소 또는 로드(202 및 402) 사이로 관통하고 이를 둘러싼다. 결합 재료(310)는 개별적인 요소 또는 로드(202 및 402)를 유지하기에 적절한 임의의 결합제 또는 접착제를 포함하고, 핫-멜트(hot-melt)제 또는 접착제, UV-경화 접착제 또는 접착제, 엘라스토머 접착제 또는 결합 또는 접착 테입을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 본 발명에 의한 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 하나의 구성에서, 결합 재료(310)는 임의의 위치에서 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 폭(W3 또는 W4)을 따라 인가되는 다량의 접착제 쓰레드(thread)를 포함한다. 본 발명에 의한 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 다른 구성에서, 결합 재료(310)는 스택킹된 형성부(128)에 인가되는 에폭시 수지과 같은 접착 수지(502)과 융화되는 엘라스토머 접착제를 포함한다.
도 9a 및 도 9b를 참조하면, 본 발명에 의한 예비 형성층(300A, 300B 및 400)은 파이버 텍스타일 구조(302) 및 결합 재료(310)의 하나 이상의 밴드 또는 스트립에 대해 대안적인 유지 구조로서 캐리어층(312)을 포함할 수 있다. 캐리어층은 부직포 패브릭로 구성된 파이버 캐리어층(312)을 포함하지만 이에 제한되지 않고, 부직포 패브릭은 개별적인 강도 요소 또는 로드(202 및 402)가 단일층으로 요소 또는 로드(202 및 402)를 유지하도록 결합되거나 또는 접착되는 기판으로서 역할을 한다. 하나 이상의 부직포 접착제 코팅층은 요소 또는 로드(202 및 402)가 배치된 캐리어층(312)의 표면을 따라 배치될 수 있다. 그 이후, 캐리어층(312) 및 요소 또는 로드(202 및 402)는 예비 형성층(300A, 300B 및 400)을 형성하도록 적층될 수 있다. 캐리어층(312)은 개별적인 강도 요소 또는 로드(202)와 스택킹된 또는 인접한 개별적인 예비 형성층(300A, 300B 및 400) 사이의 접착 수지(502)의 삼투를 촉진함으로써 그 사이로 침투를 촉진하기에 적절한 하나 이상의 패브릭 재료로 구성된다.
소정 수의 강도 요소 또는 로드(202 및 402)는 단일층으로 캐리어층(312)을 따라 배치되고, 개별적인 요소 또는 로드(202 및 402)가 요소 또는 로드(202 및 402)의 길이(L5)를 따라 서로 인접하고 예를 들면 실질적으로 평행하다. 설명된 바와 같이, 요소 또는 로드(202 및 402)는 접착제로써 캐리어층(312)를 붙이거나 또는 접착하고 인접한 요소 또는 로드(202 및 402)와 미세한 공간(500) 사이를 규정할 수 있다. 파이버 캐리어층(312)은 폴리에스터 파이버, 얀 및/또는 로우빙; 폴리아미드 파이버, 얀 및/또는 로우빙; 폴리올레핀 파이버, 얀 및/또는 로우빙; 글래스 파이버, 얀 및/또는 로우빙; 카본 파이버, 얀 및/또는 로우빙; 아라미드 파이버, 얀 및/또는 로우빙; 그래파이트 파이버, 얀 및/또는 로우빙; 또는 버솔트 파이버, 얀 및/또는 로우빙; 및 그 조합을 포함하지만 이에 제한되지 않는 파이버, 얀, 및/또는 로우빙으로 구성되는 부직포 패브릭을 포함할 수 있다. 본 발명에 의한 캐리어층(312)의 바람직한 구성에서, 캐리어층은 글래스 또는 폴리에스테르 파이버, 얀 및/또는 로우빙을 포함한다.
캐리어층(312)의 파이버, 얀 및/또는 로우빙은 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 파이버 체적을 증가시키는데 도움을 주고, 구체적으로, 인가된 접착제가 존재할 수 있는 요소 또는 로드(202 및 402) 사이의 공간(500)을 따라 예비 형성층(300A, 300B 및 400)을 강화하는 데 도움을 준다. 따라서 캐리어층(312)은 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 횡단 및 종방향 강도를 증가시키는 데 도움을 주어, 최종 스파 캡(126), 또는 예비 형성층(300A, 300B 및 400)이 일체형으로 된 다른 블레이드 컴포넌트는 전단력을 삼차원으로 완화시키는 데 도움을 준다.
본 발명에 의한 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 하나의 실시형태에서, 부직포 파이버 캐리어층(312)은 예비 형성층(300A, 300B 및 400)이 조립될 경우 강도 요소 또는 로드(202 및 402)에 대해 실질적으로 횡단 배향 또는 약 90°로 배치된 다중 횡단 파이버, 얀 및/또는 로우빙을 포함하는 패브릭을 포함한다. 본 발명에 의한 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 다른 실시형태에서, 부직포 파이버 캐리어층(312)은 스티칭된 패브릭, 예를 들면 2축 또는 3축 패브릭을 포함한다.
캐리어층(312)은 강도 요소 또는 로드(202 및 402)가 단일층으로 요소 또는 로드(202 및 402)를 유지하도록 결합하거나 또는 접착되는 기판으로서 역할을 하도록 구성되고 배치된다. 캐리어층(312)은 치수, 예를 들면 예비 형성층(300A, 300B 및 400)을 형성하도록 요소 또는 로드(202 및 402)의 단일층의 치수와 유사한 길이 및 폭을 규정할 수 있다. 층(312)은 접착 수지(502)이 조립된 스택킹된 형성부(128)에 인가되는 경우, 개별적인 강도 요소와 로드(202 및 402) 사이로 그리고 개별적인 예비 형성층(300A, 300B 및 400) 사이로 접착 수지(502)의 삼투 및 침투를 촉진하기에 적합한 상기에서 확인된 것과 같은 하나 이상의 재료로 구성된 하나 이상의 파이버, 얀 및/또는 로우빙을 포함할 수 있다. 스티칭, 접착 및/또는 파이버 캐리어층(313)을 구성하는 다른 방법(들)은 파이버, 얀, 및/또는 로우빙을 서로 연결할 수 있다. 도 13을 참조하여 아래에 설명된 바와 같이, 본 발명에 의한 캐리어층(312)도 구체적인 위브 타입 또는 패턴으로 직포 파이버, 얀 및/또는 로우빙을 포함하는 직포 패브릭을 포함할 수 있다.
하나 이상의 접착제층은 파이버 캐리어층(312)의 적어도 하나의 표면을 따라 배치될 수 있다; 그 후, 하나 이상의 강도 요소 또는 로드(202 및 402)가 예비 형성층(300A, 300B 및 400)을 형성하도록 층(312)의 코팅된 표면을 따라 배치된다.
예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 구성은 소정 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 강도 요소 또는 로드(202 및 402)의 단일 방향성의 파이버(306)의 전체 중량의 약 3%로부터 약 15%까지 갖는 파이버, 얀 및/또는 로우빙을 포함하는 파이버 캐리어층(312)을 포함할 수 있다.
도 9c 및 도 9d를 참조하면, 본 발명에 의한 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 추가의 구성에서, 파이버 캐리어층(312)은 치수, 예를 들면 예비 형성층(300A, 300B 및 400)을 형성하는 요소 또는 로드(202 및 402)의 단일층의 치수와 다른 길이 및 폭을 규정할 수 있다. 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 하나의 구성에서, 층(312)은 요소 또는 로드(202 및 402)의 단일층의 횡방향 폭(W3 및 W4)보다 큰 횡방향 폭(W5)을 규정한다. 이러한 구성에서, 층(312)은 요소 또는 로드(202 및 402) 및 층(312)이 커플링될 경우 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 적어도 하나의 에지를 따라 외부 주변 경계부 또는 식서(selvedge, 314)를 규정한다. 주변 경계부 또는 식서(314)는 예비 형성층의 적어도 하나의 에지를 따라 최외곽의 요소 또는 로드(202 및 402)로부터 외부로 연장된다.
주변 경계부 또는 식서(314)는 스파 캡(126)의 하나 이상의 컴포넌트 및/또는 블레이드 에어 포일(100)의 하나 이상의 컴포넌트 또는 보다 구체적으로, 블레이드(20)의 쉘부(120 및 122)와 예비 형성층(300A, 300B 및 400)을 결합시키거나 접착하도록 치수 결정되고 구성되는 부착 지점 또는 부착부로서 경계부 또는 식서(314)가 역할하는 데 도움을 주기에 충분한 폭(W6)을 갖는다. 예를 들면, 각각의 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 주변 경계부 또는 식서(314)는 스파 캡(126)의 하나 이상의 다른 컴포넌트에 예비 형성층(300A, 300B 및 400)을 고정하는 데 도움을 주도록 하나 이상의 파이버층(602)과 인터리빙되거나 또는 오버레이어될 수 있다. 다른 예에서, 주변 경계부 또는 식서(314)는 쉘부(120 및 122)를 형성하는 임의의 층(101, 103, 105 또는 107)과 같은, 블레이드(20)의 쉘부(120 및 122)의 하나 이상의 구조적 컴포넌트 및/또는 층과 간접적으로 또는 직접적으로 결합되거나, 접착되거나 또는 인터리빙될 수 있다. 따라서, 경계부 또는 식서(314)는 스파 캡(126), 블레이드(20) 및/또는 스파 캡(126) 또는 블레이드(20)의 임의의 컴포넌트에 예비 형성층(300A, 300B 및 400)을 고정하는 데 도움을 준다.
도 9e를 참조하면, 본 발명에 의한 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 하나의 구성의 개략적인 사시도가 예시되고 예비 형성층(300A, 300B 및 400)은 단일층으로 배치되고 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 종축(304)을 따라 실질적으로 연장되는 긴 다중 단일 방향성의 강도 요소 또는 로드(202 및 402)를 포함한다. 다중 강도 요소 또는 로드(202 및 402)는 파이버 캐리어층(312)을 따라, 그 종방향 치수 또는 L5를 따라 예를 들면, 그리고 실질적으로 평행한 배향으로 서로 인접하게 배치된다. 각각의 강도 요소 또는 로드(202 및 402)는 캐리어층(312)의 표면에 인가된 접착제(316)의 하나 이상의 층을 거쳐 캐리어층(312)을 따라 결합되거나 또는 접착된다. 캐리어층(312)과 조합된 하나 이상의 접착제층(316)은 단일층으로 다중 요소 또는 로드(202 및 402)를 유지한다.
도 9e에 예시된 예비 형성층(300A, 300B 및 400)은 상기 설명된 캐리어층(312)의 주변 경계부 또는 식서(314)를 포함하고, 그것은 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 하나의 에지를 따라 외부로 연장된다. 도 9e가 캐리어층(312)의 경계부 또는 식서(314)를 예시하지만, 본 발명은 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 대향하는 또는 부가적인 에지를 따라 외향으로 연장되는 부가적인 주변 경계부 또는 식서(314)를 포함할 수 있는 것을 구현하지만 이에 제한되지 않는다. 또한 본 발명은 예비 형성층(300A, 300A)의 캐리어층(312)이 임의의 경계부 또는 식서(314)를 포함하지 않을 수 있는 것도 구현한다.
예비 형성층(300A, 300B 및 400)은 다른 예비 형성층(300A, 300A 및 400)에 대해, 그리고 만약 존재한다면 하나 이상의 파이버층(602)에 대해 스파 캡(126)의 스택킹된 형성부(128) 및 컴포지트 빔(127) 내에 예비 형성층의 길이에 관련된 그리고/또는 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 스테이션 또는 포지션에 관련된 인포메이션 및/또는 표시부(indica)를 제공하는 라벨 또는 프린트된 레전드(340)를 추가로 포함할 수 있다. 그러한 인포메이션 및/또는 표시부는 스택킹된 형성부(128) 및 컴포지트 빔(127) 내부에 다중 파이버층(602)을 갖거나 또는 갖지 않는 다중 예비 형성층(300A, 300B 및 400)을 조립하는 동안 방향을 제공하는 데 도움을 준다. 그러한 인포메이션 및 표시부는 스택킹된 형성부(128) 및 컴포지트 빔(127) 및/또는 다른 제작 세부 또는 명세부 내에서 층의 위치를 확인하는 예비 형성층 플라이(preform layer ply) 또는 일련 넘버를 추가로 포함할 수 있다
부가적으로, 하나 이상의 예비 형성층(300A, 300B 및 400)이 도 14a-도 14c를 참조하여 아래에 상세하게 설명된 바와 같이, 연속적인 웹(510) 내에 제공되는 경우, 예비 형성층(300A, 300B 및 400)은 예를 들면 다른 인접한 예비 형성층(300A, 300B 및 400)으로부터 분리된 스테이션(들) 또는 포지션(들)을 나타내는 지시부(342)를 포함할 수 있다. 그러한 지시부도 스택킹된 형성부(128)의 조립 중 스택킹된 형성부(128) 내에 예비 형성층(300A, 300B 및 400)을 포지션시키는 것을 용이하게 한다.
다중-레이어링된 구조적 컴포넌트
도 10a 및 10b를 참조하면, 다른 태양에서, 본 발명은 하나 이상의 파이버층(602)에 결합되거나 또는 접착되거나 또는 그와 인터리빙될 수 있는 상기 설명된 적어도 하나의 임의의 예비 형성층(300A, 300B 및 400)을 포함하는 다중-레이어링된 구조적 컴포넌트(702)를 제공한다. 구조적 컴포넌트(702)는 스파 캡(12)의 컴포지트 빔(127)의 구조적 요소로서 및/또는 블레이드(20)의 쉘부(120 및 122)와 같은, 블레이드 포일(100)의 구조적 요소 또는 보강부로서 역할하도록 디자인되고 구성된다.
도 10a 및 도 10b는 다중 파이버층(602)에 결합되거나 또는 접착되거나 또는 그와 인터리빙된 적어도 하나의 예비 형성층(400)을 포함하는 본 발명에 의한 다중-레이어링된 구조적 컴포넌트(702)의 단면도를 예시한다. 도 10a 및 도 10b에 예시된 구성이 실질적으로 직사각형 단면을 갖는 다중 강도 요소 또는 로드(402)를 갖는 예비 형성층(400)을 포함하는 한편, 본 발명은 구조적 컴포넌트(702)가 상기 설명한 바와 같은 원형 단면을 갖는 요소 또는 로드(202)를 포함하는 하나 이상의 예비 형성층(300A 및 300B), 또는 다른 단면 구성을 갖는 강도 요소 또는 로드를 갖는 예비 형성층을 포함할 수 있는 것을 구현한다. 또한, 도 10a 및 도 10b에 도시된 구조적 컴포넌트(702)의 구성이 캐리어층(312)을 포함하는 한편, 본 발명은 본 발명에 의한 구조적 컴포넌트(702)의 다른 구성이 캐리어층(312)을 생략할 수 있는 것을 구현한다.
도 10a에 도시된 바와 같이, 구조적 컴포넌트(702)의 하나의 구성은 다중-층 컴포넌트(702)를 형성하도록 캐리어층(312)에 대향하는 예비 형성층(400)의 표면을 따라 예비 형성층(400)에 결합되거나 또는 그와 인터리빙된 다중 파이버층(602)을 포함한다. 도 10b에 도시된 구조적 컴포넌트(702)의 다른 구성은 예비 형성층(400)의 각각의 표면을 따라 다중 파이버층(602)에 결합되거나 또는 그와 인터리빙된 예비 형성층(400)을 포함하여, 다중-레이어링된 컴포넌트(702)가 다중 파이버층(602) 사이에 샌드위치된 예비 형성층(400)을 포함한다.
도 IOc를 참조하면, 도 10a에 도시된 다중-레이어링된 구조적 컴포넌트(702)의 개략적인 사시도가 예시된다. 이러한 구성에서, 구조적 컴포넌트(702)는 파이버 캐리어층(312)에 결합되거나 또는 접착된 그 표면에 대향하는 예비 형성층(400)의 표면과 결합되거나 또는 이에 인터리빙된 5개의 파이버층(602)을 포함한다. 대안적으로, 파이버층(602)은 캐리어층(312)의 표면에 결합되거나 접착될 수 있다.
도 10c에 도시된 구조적 컴포넌트(702)의 하나의 구성은 다중 횡단 파이버, 얀 및/또는 로우빙을 갖는 부직포 패브릭층으로 구성된 캐리어층(312)을 포함한다. 캐리어층(312)이 단일층으로 배치된 다중 단일 방향성의 강도 요소 또는 로드(402)에 결합되는 경우, 캐리어층(312)의 파이버 얀 및/또는 로우빙은 단일 방향성의 강도 요소 또는 로드(402)에 대해 실질적으로 횡단 배향 또는 약 90°로 배치된다. 이러한 구성에서, 다중 파이버층(602)은 2축성 패브릭로 구성된다. 예비 형성층(400)과 조립될 경우, 각각의 2축성 파이버층(602)은 강도 요소 또는 로드(402)에 대해 실질적으로 횡단 배향 또는 약 90°로 배치된 그 파이버, 얀 및/또는 로우빙의 약 10%를, 그리고 예비 형성층(400)의 종방향축(305)에 대해 실질적으로 종방향 배향으로 배치된 그 파이버, 얀 및/또는 로우빙의 약 90%를 가질 수 있다. 캐리어층(312) 및 파이버층(602)의 파이버, 얀 및/또는 로우빙의 파이버 용적 또는 제곱미터 당 그램(gsm)은 바람직한 파이버 체적 분율을 갖는 구조적 컴포넌트(702)의 제조를 가능하게 하도록 조작될 수 있다. 예를 들면, 캐리어층(312)이 패브릭 파이버의 약 800 gsm을 포함하고 최종 다중층 컴포넌트(702)가 상대적으로 높은 파이버 체적 분율을 갖는 패브릭 파이버의 약 100 gsm를 포함하는 한편, 도 10c에 도시된 구조적 컴포넌트(702)는 5개의 파이버층(602)을 포함할 수 있다.
도 10a-도 10c에 도시된 구조적 컴포넌트(702)의 몇몇 구성에서, 캐리어층(312)은 2축성 패브릭과 같은 파이버층(602)과 동일한 재료로 구성될 수 있다. 이러한 경우에, 상기 설명된 바와 같은 캐리어층(312)은 재료 비용의 절감을 실현하도록 생략될 수 있다.
본 발명에 의한 다중-레이어링된 구조적 컴포넌트(702)의 다른 구성이 도 10d-도 10h에 예시된다. 그러한 컴포넌트(702)는 예를 들면 스택킹된 형성부(128)를 빌딩하고 궁극적으로 스파 캡(126)의 컴포지트 빔(127)을 구성하도록 구조적 요소로서 사용될 수 있고, 그리고/또는 예를 들면 블레이드(20)의 쉘부의 또는 다른 블레이드의 컴포넌트의 강도 요소 또는 보강부로서 사용될 수 있다. 구조적 컴포넌트(702)의 다양한 층/컴포넌트의 개략적인 단면이 도 10d-도 10h에 도시되고, 여기서 E는 상기 설명한 바와 같은 단일층으로 배치된 다중 단일 방향성의 강도 요소 또는 로드(202 및 402)을 포함하는 본 발명에 의한 적어도 하나의 임의의 예비 형성층(300A, 300B 및 400)을 나타낸다; U는 캐리어층(312)을 나타낸다; 그리고 F는 다중 파이버층(602)을 나타낸다. 본 발명에 의한 예비 형성층(E)은 컴포넌트(702)의 특정 디자인을 위해 또는 블레이드 스파 캡(126) 내에 또는 블레이드 쉘부(120 및 122) 또는 다른 블레이드 컴포넌트 내에 컴포넌트(702)의 특정 목적 또는 위치를 위해 다중-레이어링된 컴포넌트(702)를 제조하는 데 도움을 줄 수 있다
도 10d는 두개의 스택킹된 또는 인터리빙된 예비 형성층(E)의 단면을 예시하고 캐리어층(U)은 E, U, E, U 구성으로써 다중-레이어링된 컴포넌트(702)를 규정하도록 두개의 예비 형성층(E) 사이에 결합되거나 또는 인터리빙된다. 도 10e는 두개의 스택킹된 또는 인터리빙된 예비 형성층(E)의 대안적인 배치의 단면을 도시하고, 하나의 예비 형성층(E)의 캐리어층(U)은 E, U, U, E 구성을 규정하도록 인접한 예비 형성층(E)의 캐리어층(U)에 결합되거나 그와 인터리빙된다. 이러한 구성은 예비 형성층(E)의 강도 요소 또는 로드(202 및 402)에 의해 규정된 "외골격(exoskeleton)"을 갖는 다중-레이어링된 컴포넌트(702)의 예시적인 예이다.
도 10f는 구조적 컴포넌트(702)의 "외골격"을 따라 예비 형성층(E)과 결합되거나 또는 인터리빙된 다중 파이버층(F)을 포함하는 도 10e에 도시된 구성의 변형예의 단면을 예시한다. 구조적 컴포넌트(702)는 동일한 구성의 층을 갖는 컴포넌트(702)와 같은 다른 구조적 컴포넌트(702)에 이어서 결합되거나 또는 그와 인터리빙될 수 있고, 여기서 외부 파이버층(F)은 스택킹된 또는 인접한 구조적 컴포넌트(702)의 외부 파이버층(E)에 결합되거나 또는 그와 인터리빙된다. 스택킹된 형성부(128)는 도 10f에 도시된 구조적 컴포넌트(702) 중 하나 이상을 포함할 수도 있어, 강도 요소 또는 로드(202 및 402)보다 압축성을 갖고 보다 낮은 강성인 파이버층(F)이 임의의 스테이션 또는 포지션에 위치되거나 또는 예를 들면 압축성 또는 낮은 강성을 요구하는 스택킹된 형성부(128)를 따라 인터페이싱한다.
도 10g는 예비 형성층(E)에 결합되거나 또는 그와 인터리빙된 다중 파이버층(F)을 포함하는 도 10e에 도시된 구성의 다른 변형예의 단면을 예시하고 따라서 파이버층(F)은 두개의 예비 형성층(E)의 내부로 그리고 사이에 배향된다. 이러한 구성에서, 파이버층(F)은 스택킹된 또는 인접한 예비 형성층(E)의 각각의 캐리어층(U)에 결합되거나 또는 그와 인터리빙된다.
도 10f 및 10g에 도시된 층배치는 컴포넌트(702) 내부의 층(U, E 및 F)의 대칭성을 도시한다. 그러한 배치는 바람직하게 보다 평평한 컴포넌트(702)를 생산할 수 있는 컴포넌트(702)의 제조 중 컴포넌트(702)의 중간 평면 주위의 층의 대칭성이 파이버 수축에 저항하거나 이를 최소화하는 데 도움을 줄 수 있다는 점에서 이점을 가질 수 있다
도 10h는 도 10g에 도시된 파이버층(F) 및 캐리어층(U)의 대안적인 배치의 단면을 예시하고 여기서 캐리어층(U)은 구조적 컴포넌트(702)의 외부 표면을 따라 배향된다.
본 발명은 도 10d-도10h에 도시된 다중-레이어링된 구조적 컴포넌트(702)의 구성에 제한되지 않고 다중-레이어링된 구조적 컴포넌트(702)가 예비 형성층(E), 캐리어층(U) 및/또는 다중 파이버층(F)의 다른 스택킹된 또는 레이어링된 배치를 포함할 수 있는 것을 구현한다.
하나 이상의 구조적 컴포넌트(702)가 상기 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 스파 캡(126)의 스택킹된 형성부(128) 및 컴포지트 빔(127)의 임의의 구성 내부에 구성되고 조립될 수 있다. 도 10i를 참조하면, 도 4f에 도시된 컴포지트 빔(127)의 최고 두께(Tmax)를 따라 취해진 단면[그것은 하나 이상의 예비 형성층(300A, 300B 및 400) 및 다중 파이버층(602)의 스택킹된 형성부(128)로부터 기인함]이 예시되고 다중 구조적 컴포넌트(702)는 스택킹된 형성부(128) 내부의 임의의 스테이션 및 포지션에서 포함될 수 있고 이는 스파 캡(126)에 필수적인 압축 강도 및 다른 기계적 특성을 제공하도록 요구되거나 또는 소망된다.
부가적으로 또는 대안적으로, 구조적 컴포넌트(702)는 스택킹된 형성부(128) 및 컴포지트 빔(127)을 따라 하나 이상의 선택 영역을 보강하는 데 도움을 주도록 그러한 방식으로 스택킹된 형성부(128) 및 컴포지트 빔(127)과 구성되고 조립될 수 있다. 예를 들면, 다중 파이버층(602)으로 주로 구성되는 스택킹된 형성부(128) 및 컴포지트 빔(127) 내부에, 하나 이상의 컴포넌트(702)는 예를 들면 추가의 강도를 제공하도록 그리고/또는 파이버층(602)의 링클링 및 버클링을 제거하거나 최소화하도록 스택킹된 형성부(128) 및 컴포지트 빔(127)을 따라 적어도 부분적인 보강 선택 영역에 대해 사용될 수 있다. 그러한 구성에서, 구조적 컴포넌트(702)의 하나 이상의 예비 형성층(300A, 300B 및 400)은 낮은 퍼센티지로 그리고 스택킹된 형성부(128) 및 컴포지트층(127)의 선택 보강된 영역의 전체 중량의 약 1% 정도로 작게 또는 그 이하로 규정할 수 있다.
예비 형성층 스택킹 패턴
도 11a 및 도 11b는 두개의 층으로 스택킹된 형성부(128) 내의 예비 형성층(300A, 300B 및 400)을 예시한다. 도 11a에 도시된 바와 같이, 요소 또는 로드(202)는 원형 단면을 갖는 두개의 예비 형성층(300A, 300B)이 스택킹되고 그리고 제 1 층(301)의 요소 또는 로드(202)가 "칼럼 패턴"을 규정하도록 제 2 층(303)의 요소 또는 로드(202)와 정렬되어 있다. 유사하게, 도 11b에 도시된 바와 같이, 요소 또는 로드(402)는 실질적으로 직사각형 단면을 갖는 두개의 예비 형성층(400)이 스택킹되고 그리고 제 1 층(401)의 요소 또는 로드(402)는 칼럼 패턴을 규정하도록 제 2층(403)의 로드(402)의 요소와 정렬하고 있다. 두개의 스택킹된 예비 형성층(300A, 300B 및 400)은 도 11a 및 도 11B에 예시되는 한편, 본 발명은 이에 제한되지 않고 임의의 수의 예비 형성층(300 및 400)이 아래에 설명될 다른 패턴 뿐만 아니라 칼럼 패턴을 규정할 수 있는 것을 구현한다.
또한, 칼럼 패턴 내에 스택킹된 예비 형성층(300A, 300B 및 400)을 규정하도록 서로 인접한 또는 수직으로 정렬된 개별적인 강도 요소 또는 로드(202 및 402)가 도 11a 및 도 11b에 도시되지만, 본 발명은 이러한 관점에 제한되지 않는다. 도 11c 및 도 11를 참조하면, 예비 형성층(300A, 300B 및 400)이 스택킹되는 경우 개별적인 요소 또는 로드(202 및 402)는 교호 정렬로 배치될 수 있다. 그러한 교호 정렬은 인접하게 또는 수직 정렬로 배치된 제 1층(300A, 300B 및 400)의 요소 또는 로드(202 및 402)의 적어도 일부를 포함할 수 있고 공간(500)의 적어도 일부가 제 2 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 인접한 요소 또는 로드(202 및 402) 사이에 규정된다. 공간(500)을 갖는 요소 또는 로드(202 및 402)의 그러한 교호 스택킹 또는 정렬은 "브릭 패턴(brick pattern)"으로 스택킹된 예비 형성층(300A, 300B 및 400)을 규정한다
도 11e를 참조하면, 강도 요소 또는 로드(202 및 402)의 패턴은 다중 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 스택킹된 또는 레이어링된 형성부 내부에 랜덤일 수 있고, 여기서 스택킹된 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 강도 요소 또는 로드(202 및 302)는 칼럼 또는 브릭 패턴으로 반드시 정렬될 필요는 없다. 오히려, 다중 예비 형성층(300A, 300B 및 400)은 스택킹되어, 다른 예비 형성층에 대해 하나의 예비 형성층의 강도 요소 또는 로드(202 및 402)가 랜덤 패턴을 규정할 수 있고, 그것은 칼럼 또는 브릭 패턴을 포함할 수 있고 포함하지 않을 수 있다.
상기 설명된 개별적인 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 스택킹 또는 레이어링 패턴은 소정 예비 형성층의 개별적인 강도 요소 또는 로드(202 및 402) 사이에 규정되는 그리고 인접한 또는 스택킹된 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 요소 또는 로드(202 및 402) 사이에 규정되는 공간 또는 빈 공간(500)의 기하학적 형상 또는 크기에 이점을 갖도록 영향을 미칠 수 있다. 또한, 개별적인 강도 요소 또는 로드(202 및 402)의 전체 치수 및 기하학적 형상은 공간 또는 빈 공간(500)의 기하학적 형상 및 크기를 규정한다. 본 발명에 의한 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 바람직한 구성에서 개별적인 강도 요소 또는 로드(202 및 402)는 도 8b에 도시된 바와 같이, 라운딩된 에지 또는 특정 곡률 반경을 규정하는 에지를 갖는 근소한 직사각형 프로파일을 가질 수 있다. 라운딩된 에지는 접착 수지(502)을 스택킹된 형성부(128)에 인가 중 액상 접착 수지(502)을 위한 도관으로서 역할하는 공간 또는 빈 공간(500)을 발생시킨다. 그러나, 큰 반경을 갖는 에지는 강도 요소 또는 로드 에지가 접촉한 지점에서 스트레스 최대를 생성할 수 있다. 스택킹된 또는 레이어링된 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 하나의 구성에서, 바람직한 에지 반경은 요소 또는 로드(202 및 402)의 두께의 ¼ 쿼터의 상한보다 작고 개별적인 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 공간의 ¼보다 클 수 있다.
예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 실질적으로 균일한 두께(T2 및 T3) 및 실질적으로 균일한 횡방향 폭(W3 및 W4)은 명확한 전체 치수 그리고 구체적으로, 최소한의 불규칙을 갖는 명확한 두께를 갖는 완성된 구조로서 스파 캡(126)의 컴포지트 빔(127)을 형성한다. 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 실질적으로 균일한 두께(T2 및 T3) 및 횡방향 폭(W3 및 W4)도 두개 이상의 예비 형성층(300 및 400)이 다른 예비 형성층(300A, 300B 및 400)과 적절히 피팅되고 반복 가능한 정밀한 허용 오차를 갖는 스택킹된 형성부(128)를 규정하는 것을 가능하게 한다.
두개 이상의 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 실질적으로 균일한 두께(T2 및 T3) 및 횡방향 폭(W3 및 W4)도 요소 및 로드(300 및 400)의 충전 밀도를 증가시키거나 또는 최대화하고 그리고 스택킹된 형성부(128)의 파이버 체적 분율을 증가시키거나 또는 최대화시킬 기회를 제공하여, 컴포지트 빔(127)이 감소된 양의 재료 또는 감소된 수의 예비 형성층(300A, 300B 또는 400)으로써 구성될 수 있다. 구체적으로, 매트릭스 수지(308)에 삽입된 실질적으로 직선의 구조적 파이버(306)을 포함하는 강도 요소 또는 로드(202 및 402)의 구조는 부재 또는 로드(202 및 402)의 파이버 체적 분율을 증가시키고 그리고 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 전체 파이버 네트 체적 분율을 증가시키는 데 도움을 준다. 예를 들면, 강도 부재 또는 로드(202 및 402)의 파이버 체적 분율은 약 50%로부터 약 85%까지의 범위에 있고 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 전체 로드 체적은 약 80%로부터 100% 이하에 있을 경우, 예비 형성층의 전체 파이버 네트 체적 분율은 약 85%에까지 증가될 수 있다. 그 결과, 보다 적은 재료 또는 보다 적은 수의 예비 형성층(300A, 300B 및 400)이 파이버 체적 분율과의 절충없이 스파 캡의 컴포지트 빔(127)을 구성하는 데 이용될 수 있다. 또한, 컴포지트 빔(127)을 형성하도록 보다 적은 재료 또는 보다 적은 수의 예비 형성층(300A, 300B 및 400)을 사용하는 것은 스파 캡(126)을 보다 가볍고 얇게 생성할 수 있다. 강도 요소 또는 로드(202 및 402) 사이의 미세한 공간(500)의 결과로서, 개별적인 요소 또는 로드(202 및 402)는 보다 큰 벤딩 및 트위스트 강도를 제공하고 스파 캡(126) 또는 블레이드(20) 디자인의 변경 없이 보다 강하고 보다 얇은 예비 형성층(300A, 300B 및 400)을 생성한다.
도 11f 및 11g를 참조하면, 스파 캡(126)의 컴포지트 빔(127)을 형성하는 다중 예비 형성층(300A, 300B 및 400)은 동일한 직경 또는 전체 치수를 규정하는 개별적인 강도 요소 또는 로드(202A, 202B 및 402A, 402B)를 반드시 포함할 필요는 없다. 오히려, 단일 컴포지트 빔(127) 내부의 다중 예비 형성층(300A, 300B 및 400)은 다른 직경 또는 전체 치수의 강도 요소 또는 로드(202A, 202B 및 402A, 402B)를 갖는 하나 이상의 층(300A, 300B 및 400)을 포함할 수 있다. 도 11f에 도시된 바와 같이, 예비 형성층(300A, 300B)의 실질적으로 원형 강도 요소 또는 로드(202A 및 202B)는 하나의 직경을 규정하는 요소 또는 로드(202A)의 하나 이상의 층(300A, 300B) 및 다른, 예를 들면 보다 큰 또는 보다 작은 직경을 규정하는 요소 또는 로드(202B)의 하나 이상의 층(300A, 300B)을 포함한다. 유사하게, 도 11g에 도시된 바와 같이, 예비 형성층(400)의 직사각형 요소 또는 로드(402A 및 402B)는 전체 치수의 한 세트를 규정하는 요소 또는 로드(402A)의 하나 이상의 층(400) 및 다른, 보다 큰 또는 보다 작은 전체 치수의 한 세트를 규정하는 요소 또는 로드(402B)의 하나 이상의 층(400)을 포함한다. 그러한 예비 형성층(300A, 300B 및 400)은 웹 쉐어(125) 및 쉘부(120 및 122)와 같은 블레이드(20)의 인접한 요소에 스파 캡(126)의 부착을 용이하게 하는 임의의 직경, 프로파일 또는 전체 치수를 규정하는 요소 또는 로드를 포함할 수 있다. 예를 들면, 강도 요소 또는 로드(202 및 402)의 보다 큰 또는 보다 작은 치수는 하나 이상의 예비 형성층(300A)을 결합시키는 데 유리할 수 있거나 또는 블레이드(20)의 스파 캡과 인접한 요소 사이의 인터페이스에 스파 캡(126)의 하나 이상의 예비 형성층(300A, 300B 및 400)을 결합시키는 데 유리할 수 있다.
도 12a-도 12c를 참조하고 도 9a-도 9e를 추가로 참조하면, 스택킹된 형성부(128) 또는 컴포지트 빔(127)의 예비 형성층(300A, 300B 및 400)은 상기 설명된 바와 같이 파이버 캐리어층(312) 및/또는 다중 파이버층(602)에 결합되거나 또는 접착되거나 또는 그와 인터리빙된 개별적인 예비 형성층(300A, 300B 및 400)을 포함할 수 있다. 도 12a 및 12b는 스택킹된 예비 형성층(300A, 300B 및 400)을 예시하고 각각의 예비 형성층(300A, 300B 및 400)이 캐리어층(312)에 결합되거나 또는 접착되거나 그리고/또는 다중 파이버층(602)에 결합되거나 또는 접착되거나 또는 그와 인터리빙된다. 각각의 캐리어층(312) 및/또는 하나 이상의 다중 파이버층(602)은 상기 설명된 바와 같이 주변 경계부 또는 식서(314)를 포함할 수 있다. 경계부 또는 식서(314)는 각각의 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 적어도 하나의 에지를 따라 외부로 연장되고 소정 폭(W6)을 규정한다. 도 12a 및 도 12b는 각각의 층(300A, 300B 및 400)의 하나의 에지를 따라 각각의 예비 형성층(300A, 300B 및 400) 및 경계부 또는 식서(314)의 일부만을 예시하는 한편, 본 발명은 이에 규정되지 않고 캐리어층(312) 및/또는 하나 이상의 파이버층(602)이 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 대향 또는 다른 에지를 따라 부가적인 주변 경계부 또는 식서 에지(312)를 포함할 수 있는 것을 구현한다. 상기 설면된 바와 같이, 경계부 또는 식서(314)는 스파 캡(126)의 하나 이상의 컴포넌트와 그리고/또는 쉘부(120 및 122)와 같은, 로터 블레이드(20)의 부분의 하나 이상의 다른 컴포넌트 또는 층과 예비 형성층(300A, 300B 및 400)을 결합, 접착 또는 인터리빙하는 데 도움을 주도록 크기 결정되고 구성된 부착 지점 또는 부착부로서 경계부 또는 식서(314)가 역할을 하기에 충분한 폭(W6)을 갖는다. 따라서 경계부 또는 식서(314)는 로터 블레이드(20)와, 스파 캡(126)의 스택킹된 형성부(128) 및 컴포지트 빔(127) 뿐만 아니라 개별적인 또는 스택킹된 예비 형성층(300A, 300B 및 400)을 고정하는 데 도움을 준다.
도 12c를 참조하면, 다른 구성으로, 두개 이상의 예비 형성층(300A, 300B 및 400)은 예비 형성층 스택의 하나 이상의 에지를 따라 스텝핑된 측면 엘리베이션(410)을 규정하도록 서로와 스택킹되거나, 레이어링되거나 또는 인터리빙될 수 있다. 스텝핑된 측면 엘리베이션(410)은 각각의 예비 형성층(400)에 인접하거나 또는 바로 위 및/또는 아래에 포지션된 다른 예비 형성층(400)에 대해 각각의 예비 형성층(400)의 포지션을 오프셋함으로써 규정된다. 도 12c에 도시된 바와 같이, 예비 형성층(400)은 브릭 패턴으로 스택킹되고, 이에 의해 하나의 예비 형성층(400)의 각각의 강도 요소 또는 로드(402)는 다른 예비 형성층(400)의 두개의 인접한 강도 요소 또는 로드(202 및 402) 사이에 규정된 공간 또는 빈 공간(500)의 적어도 일부와 실질적으로 정렬된다. 그러나, 예비 형성층(400)은 인접한 예비 형성층(400)에 대해 브릭 패턴으로 그리고 그 포지션에 스택킹될 필요는 없고, 스택킹될 경우, 스텝핑된 측면 엘리베이션(410)을 규정한다. 스텝핑된 측면 엘리베이션(410)은 스택킹된 예비 형성층(400)이 그러한 컴포넌트에 결합되거나 또는 접착되거나 또는 그와 인터리빙된 영역으로서 역할을 함으로써, 스파 캡(126)의 다른 컴포넌트 및/또는 블레이드(20)의 다른 컴포넌트에 예비 형성층(400) 스택 부착을 용이하게 한다. 선택적으로, 예비 형성층(400)은 주변 경계부 또는 식서(314)를 갖는 캐리어층(312) 및/또는 하나 이상의 파이버층(602)에 결합되거나 접착될 수 있고, 그것은 스파 캡(126) 또는 블레이드(20)의 컴포넌트에 스택킹된 예비 형성층(400)을 결합하는, 접착하는 또는 인터리빙하는 지점으로서 역할을 한다.
도 12d 및 12e를 참조하면, 스텝핑된 측면 엘리베이션(410)을 갖는 스택킹된 예비 형성층(400)이 블레이드(20)의 쉘부(120 및 122)의 일부와 결합되거나 또는 접착되거나 또는 그와 인터리빙되는 것이 도시된다. 도 12d에 도시된 바와 같이, 주변 경계부 또는 식서(314)를 갖거나 또는 갖지 않는 스텝핑된 측면 엘리베이션(410)은 스택킹된 예비 형성층(400)이 블레이드 쉘부(120 및 122)를 구성하는 하나 이상의 층에 결합 또는 접착 또는 그와 인터리빙하는 장소 및 포지션을 제공한다. 예를 들면, 도 12d에 도시된 바와 같이, 스텝핑된 측면 엘리베이션(410)은 매개부의 부분, 예를 들면 쉘부(120 및 122)의 발포제층(105 및 107)에 결합 또는 접착 또는 그와 인터리빙한다. 또한, 도 12e에 도시된 바와 같이, 스택킹된 예비 형성층(400)은 스텝핑된 측면 엘리베이션(410) 없이 실질적으로 균일한 종방향 에지를 가질 수 있다. 이러한 경우, 예비 형성층(400)의 캐리어층(312) 및/또는 하나 이상의 파이버층(602)으로부터 형성된 주변 경계부 또는 식서(314)는 스택킹된 예비 형성층(400)이 도시된 바와 같이, 매개부, 예를 들면 발포제층(105 및 107)과 같은 쉘부(120 및 122)의 하나 이상의 층에 결합 또는 접착 또는 그와 인터리빙하는 장소 및 포지션으로서 역할을 할 수 있다.
도 13을 참조하면, 본 발명에 의한 파이버 캐리어층(312)의 하나의 구성으로, 캐리어층은 패턴으로 인터위빙된(interwoven) 다중 워프 얀(multiple warp yarn) 또는 로우빙(315) 및 하나 이상의 웨프트(weft) 또는 필 얀(fill yarn, 317)을 포함하는 직포 패브릭 캐리어층(313)을 포함한다. 워프 얀 또는 로우빙(315)은 예를 들면 하나 이상의 웨프트 얀(317) 보다 큰 충분한 데니어 중량을 가지므로, 접착 수지(502)이 스택킹된 형성부(128)에 인가되는 경우, 접착 수지(502)이 인접한 강도 요소 또는 로드(402) 사이에 규정된 공간 또는 빈 공간(500) 내부로 삼투한다. 따라서 접착 수지(502)과 조합된 패브릭층(313)의 워프 얀 또는 로우빙(315)은 소정 예비 형성층(400)의 인접한 강도 요소 또는 로드(402) 사이에 조인트(319)를 형성할 수 있다. 조인트(319)는 공간 또는 빈 공간(500)을 최소화하는 데 도움을 주고 스트레스 부하에 응해 탄성과 스파 캡(126)을 따라 신축성을 제공하는 데 도움을 준다. 따라서 조인트(319)는 접착 수지(502)의 크랙킹과 개별적인 요소 또는 로드(402)의 파손을 최소화하는 데 도움을 준다.
직포 패브릭 캐리어층(313)의 다른 구성에서, 워프 얀 또는 로우빙(315)은 충분한 데니어로 구성되고 그리고/또는 충분한 데니어를 가질 수 있으므로, 워프 얀 또는 로우빙(315)이 캐리어층(313)의 하나의 표면을 따라 상승한다. 그러한 상승된 워프 얀 또는 로우빙(315)은 단일 방향성의 강도 요소 또는 로드(402)의 종축(304)에 대해 캐리어층(313)의 표면을 따라 종방향으로 연장되고 정렬 특성으로서 역할을 하는데 도움을 준다. 상승된 워프 얀 또는 로우빙(315)은 캐리어층(313)의 표면을 따라 소정 포지션에서 각각의 강도 요소 및 로드(202 및 402)의 위치 결정을 돕는다.
직포 패브릭 캐리어층(313)의 추가의 구성에서, 다중 종방향 워프 얀 또는 로우빙(315)은 충분한 데니어로 구성되고 그리고/또는 충분한 데니어를 가질 수 있으므로, 워프 얀 또는 로우빙(313)은 캐리어층(313)의 모든 표면을 따라 상승한다. 상승된 워프 얀 또는 로우빙(315)은 다른 인접한 예비 형성층(300A, 300B 및 400)과 하나의 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 위치 결정을 돕도록 정렬 특성으로서 역할을 할 뿐만 아니라 캐리어층(313)의 제 1 표면을 따라 각각의 강도 요소 또는 로드(202 및 402)의 종방향 위치 결정을 지원하도록 정렬 특성으로서 역할을 한다. 캐리어층(313)의 제 1 표면에 대향한 직포 캐리어층(313)의 제 2 표면을 따라 상승된 워프 얀 또는 로우빙(315)은 두개의 예비 형성층(300A, 300B 및 400)을 스택킹 또는 레이어링하는 것을 촉진한다. 캐리어층(313)은 칼럼, 브릭 또는 랜덤 패턴으로 예비 형성층(300A, 300B 및 400)을 스택킹 또는 레이어링하는 것을 촉진하도록 추가로 구성될 수 있다.
설명된 바와 같은, 본 발명에 의한 최종 예비 형성층(300A, 300B 및 400) 구조도 충전 밀도를 증가시키는 데 도움을 줌으로써 다중 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 스택킹된 형성부(128)로부터 스파 캡(126)의 컴포지트 빔(127)을 형성하도록 요구되는 접착 수지(502)의 체적을 감소시키는 데 도움을 준다.
따라서, 본 발명에 의한 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 구조 및 예비 형성층의 스택킹 또는 레이어링 패턴 및 배치는 각각의 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 치수의 제어를 가능하게 함으로써 스파 캡(126)을 형성하는 컴포지트 빔(127)의 전체 치수 및 완성된 구조의 제어를 가능하게 한다. 또한, 강도 요소 또는 로드(202 및 402)의 사용은 컴포지트 빔(127)을 구성하는 데 사용되는 재료의 양을 감소시키거나 또는 최소화시키는 한편, 전체 파이버 네트 체적 분율을 증가시키거나 또는 최대화시키는 데 도움을 주고, 그것은 스파 캡(126)의 파이버 체적 분율을 부스팅하거나 최대화시키는 데 도움을 준다. 특별히 언급한 바와 같이, 컴포지트 빔(127)을 형성하도록 스택킹된 형성부(128)에 인가된 접착 수지(502)의 체적의 감소도 가능하다. 그 결과, 재료 및 제작 비용에서의 감소가 블레이드 스파 캡(126)의 구조적 컴포넌트로서 본 발명에 의한 예비 형성층(300A, 300B 및 400)을 사용함으로써 실현될 수 있다.
상기 설명한 바와 같이, 개별적인 강도 요소 또는 로드(202 및 402) 사이에 또는 레이어링된 또는 인접한 예비 형성층(300A, 300B 및 400) 사이에 미세한 공간(500)은, 스택킹된 형성부(128) 내부에 형성될 경우, 컴포지트 빔(127)의 형성 중 접착 수지(502)의 침투를 촉진하는데 도움을 준다. 예를 들면 개별적인 요소 또는 로드(202 및 402) 사이로 그리고 개별적인 예비 형성층(300A, 300B 및 400) 사이로 거의 몇 분만의 상대적으로 빠른 수지(502) 침투 비율이 가능하다. 도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같이, 접착 수지(502)은 공간(500) 및 임의의 빈 공간 내부로 침투하고 유동한다.
또한, 설명한 바와 같이, 예비 형성된 강도 요소 또는 로드(202 및 402)의 기계적 특성은 접착 수지(502)의 인가 및 경화 중 요소 또는 로드(202 및 402)가 링클링 및 수축에 저항할 수 있게 하는데 도움을 준다. 이는 파이버 및 파이버 패브릭, 컴포지트 및 재료의 링클링을 방지하기 위해 많은 종래 기술의 스파 캡 제조 기술에서 널리 사용되는 느린 경화 시간 및 상대적으로 낮은 경화 온도에 대한 요구 조건을 제거한다. 또한, 본 발명에 의한 강도 요소 또는 로드(202 및 402) 및 최종 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 구조 및 기계적 특성은 접착 수지(502)의 인젝션 또는 주입 중 개별적인 요소 또는 로드(202 및 402)가 파이버 와쉬에 저항하는 데 도움을 준다. 구체적으로, 강도 요소 또는 로드(202 및 402)는 접착 수지(502)이 인가된 다중 예비 형성층(300A, 300B 및 400)의 스택킹된 형성부(128)의 횡방향 폭(W2)을 따라 파이버 와쉬에 저항한다. 파이버 와쉬에 대한 저항성은 예비 형성층(300A, 300B 및 400)에서 그 제조 중 컴포지트 빔(127)을 따라 그리고 궁극적으로 스파 캡(126)을 따라 바람직하지 않은 링클링, 꼬임 또는 버클링의 형성의 기회를 최소화하거나 또는 제거하는 데 도움을 준다. 접착 수지 침투의 증가된 비율 및 파이버 와쉬에 대한 강도 요소 또는 로드(202 및 402)의 증가된 저항성은 스파 캡(126)의 제작 중 수지 침투 및 경화를 위해 요구되는 시간을 효과적으로 감소시킨다.
예비 형성층의 연속적인 웹
도 14a-14c를 참조하면, 다른 태양에서, 본 발명은 연속적인 웹(510) 내에 구성되고 배치된 본 발명에 의한 복수의 예비 형성층(300A, 300B 및 400)을 제공한다. 웹(510)은 상기 설명된 임의의 구성 내에 다중 예비 형성층(300A, 300B 및 400)을 포함한다. 도 14a는 여덟개(8)의 예비 형성층(300A-H 및 400A-H)을 포함하는 본 발명에 의한 하나의 예시적인 실시형태를 제공하고, 각각의 예비 형성층은 그 횡방향 폭(W3 및 W4)을 따라 적어도 하나의 다른 예비 형성층에 인접한다. 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같은 예비 형성층(300A-H 및 400A-H)의 횡방향 폭(W3 및 W4)은 실질적으로 균일한 횡방향 폭(W5)을 갖는 웹(510)을 규정한다. 또한, 인접한 예비 형성층(300A, 300B 및 400)은 웹(510)의 길이(L6)를 규정한다. 도 14a가 여덟개(8)의 예비 형성층(300 A-H 및 400 A-H)을 포함하는 웹(510)을 예시하는 한편, 본 발명에 의한 웹(510)은 이러한 관점에 제한되지 않고 임의의 수의 예비 형성층(300A, 300B 및 400)을 포함할 수 있는 것을 구현한다. 웹(510)은 하나 이상의 스파 캡 컴포지트 빔(127) 또는 다른 블레이드 컴포넌트를 부분적으로 또는 완전히 구성하기에 충분한 다수의 예비 형성층(300A, 300B 및 400)을 공급하도록 구성되고 배치될 수 있다.
웹(510)은 웹 길이(L5)의 다중 서브-길이로서 복수의 개별적인 예비 형성층(300A-H 및 400A-H)을 규정한다. 웹(510)의 이러한 구성에서, 서브-길이는 도 4e에 도시된 예비 형성층(300 A-H 및 400A-H)의 요구되는 가변 길이(L4a, L4b, L4c, L4d 등)에 대응하고, 그것은 도 4d 및 도 4f에 도시된 바와 같은 스택킹된 형성부(128) 및 궁극적으로 가변 두께를 갖는 스파 캡(126)의 컴포지트 빔(127)을 구성하도록 사용된다. 본 발명은 이러한 관점에 제한되지 않고 웹(510)의 다른 구성을 실현한다. 예를 들면, 웹(510)의 몇몇 구성은 실질적으로 균일한 횡방향 폭 및 두께를 갖는 스파 캡(126)의 컴포지트 빔(127)을 구성하는 예비 형성층(300A, 300B 및 400)을 제공하도록 실질적으로 균일한 길이 및 횡방향 폭을 갖는 다중 예비 형성층(300A, 300A 및 400)을 포함할 수 있다. 웹(510)의 다른 구성은 그 스팬을 따라 테이퍼링 횡방향 폭을 갖는 컴포지트 빔(127)을 구성하도록 가변 횡방향 폭을 갖는 다중 예비 형성층(300A, 300B 및 400)을 포함할 수 있다.
웹(510)은 그 폭(W5)을 가로질러 테이퍼링된 끝 존(512)을 추가로 규정한다. 테이퍼링된 끝 존(512)은 예비 형성층(300A-H 및 400A-H)의 가변 길이(L4a, L4b, L4c, L4d 등)를 갖는 개별적인 서브-길이 내부에서 웹(510)을 규정한다.
도 14b에 도시된 바와 같이, 각각의 테이퍼링된 끝 존(512)은 각각의 예비 형성층(300A-H 및 400A-H)의 적어도 하나의 끝에 인접한 얇은 부분(320A, 320B 및 322A, 318B)을 포함한다. 본 발명에 의한 웹(510)의 하나의 구성에서, 테이퍼링된 끝 존(512)은 예비 형성층(300A-H 및 400A-H)의 부분 또는 얇은 끝를 제거함으로써 웹(510) 내에 형성될 수 있다. 이러한 경우, 예비 형성층(300A-H 및 400A-H)은 테이퍼링된 끝 존(512) 없이 연속적인 웹 스톡(web stock)으로서 웹(510)을 처음에 형성할 수 있다. 얇게 만드는 또는 그라인딩 처리 또는 기술은 예비 형성층(300A-H, 400A-H)의 끝를 제거하거나 얇게 만들도록 사용됨으로써 웹(510) 내에 테이퍼링된 끝 존(512)을 생성할 수 있다. 각각의 테이퍼링된 끝 존(512)은 예를 들면 서로로부터 지점을 따라 컷팅함으로써 분리될 수 있는 지점을 나타내도록 하나 이상의 표시부(513)를 포함할 수 있다. 테이퍼링된 끝 존(512)은 요구되는 또는 소망되는 길이(L4a, L4b, L4c, L4d 등)를 갖는 각각의 예비 형성층(300A-H 및 400A-H)을 규정하도록 웹(510)을 따라 소정 위치에 생성된다.
또한 도 14b를 참조하면, 인접한 예비 형성층(300A-H 및 400A-H)의 얇은 부분(320A, 320B)은 임의의 비율의 테이퍼(S3 및 S4)를 갖는 각각의 테이퍼링된 끝 존(512)을 규정한다. 테이퍼(S3 및 S4)의 비율은 웹(510)의 길이(L5)에 관련될 수 있거나 또는 임의의 특정 예비 형성층의 길이(L4a, L4b, L4c, L4d 등)에 관련될 수 있다. 테이퍼링된 끝 존(512)은 예를 들면 서로로부터 그리고 웹(510)으로부터 예비 형성층(300A-H 및 400A-H)을 컷팅하거나 또는 그라인딩함으로써 분리 가능하도록 충분히 얇은 지점을 규정할 수 있다. 웹(510)으로부터 분리된 경우, 각각의 개별적인 예비 형성층(300A-H, 400A-H)은 스택킹된 형성부(128)의 내부의 특정 스테이션 또는 포지션에 포함될 수 있다.
각각의 예비 형성층(300A-H 및 400A-H)은 그 끝 중 적어도 하나를 따라 얇은 부분(320A, 320B 및 322A, 318B)을 갖는다. 얇은 부분(320A, 320B 및 322A, 318B)의 테이퍼(S3 및 S4)의 비율은 구체적으로 스파 캡(126)이 예비 형성층으로 주로 구성되는 경우, 스파 캡(126)의 테이퍼의 두께를 구성하도록 대응할 수 있고 그리고 스파 캡(126)의 두께의 테이퍼를 구성하도록 도움을 줄 수 있다. 테이퍼(S3 및 S4)의 비율도 스파 캡(126)의 상대적인 평탄성 또는 연속적인 테이퍼링에 대응할 수 있다. 그러한 연속적인 테이퍼는 그렇지 않다면 예비 형성층 사이에서 무딘 컷 또는 그라운드 분리로 인한 스트레스 상승 효과를 감소시키거나 또는 최소화시킬 수 있다. 일반적으로, 얇은 부분의 최소 두께는 수용 가능한 레벨의 스트레스 상승 효과를 감소시키기에 충분히 얇고, 웹(510)의 종방향 인장 강도를 유지하기에 충분한 두께이다. 예를 들면, 그러한 최소 두께는 비테이퍼링된 공칭 두께의 약 5%와 약 50% 사이일 수 있다. 바람직한 실시형태에서, 최소 두께는 바테이퍼링된 두께의 약 20%일 수 있다.
도 14c는 테이퍼링된 존(512)의 일부를 형성하는 제 1 예비 형성층(300A-H, 400A-H)의 하나의 끝의 얇은 부분(320B)의 측면도를 예시한다. 얇은 부분(320B)은 제 2 예비 형성층의 얇은 부분의 테이퍼(Sx)의 비율에 대응할 수 있는 테이퍼(S4)의 비율을 규정한다. 제 1 및 제 2 예비 형성층이 스택킹된 형성부(128)의 제조 중 스택킹되거나 또는 레이어링되는 경우, 얇은 부분은 스택킹된 형성부(128)의 테이퍼 두께를 규정하는 데 도움을 주도록 서로에 대해 스택킹된 형성부(128) 내부에 포지션될 수 있다. 이러한 방식으로, 임의의 비율의 테이퍼(Sx)를 갖는 얇은 부분(320A, 320B 및 322A, 318B)은 스택킹된 형성부(128)의 테이퍼링 두께를 연속적으로 조정할 수 있다
예비 형성층(300A-C 및 400A-C)의 가변 길이, 및 예비 형성층의 얇은 부분의 테이퍼(Sx) 비율도 스택킹된 형성부(128) 내에 각각의 예비 형성층(300A-H, 400A-H)의 스테이션 또는 포지션을 결정할 수 있다. 이는 도 14a에 도시된 웹(510)의 구성의 경우이고, 그것은 도 4d 및 도 4f에 도시된 스택킹된 형성부(128) 내의 특정 스테이션 또는 포지션에서 위치 결정부를 각각의 예비 형성층(300A-C 및 400A-C)에 제공한다. 그 각각의 스테이션 또는 포지션 내에 예비 형성층(300A-C 및 400A-C)을 스택킹 또는 레이어링 하는 것은 스택킹된 형성부의 테이퍼링 두께 및 궁극적으로 스파 캡(126)의 컴포지트 빔(127)을 규정한다.
웹(510)은 하나 이상의 컴포지트 빔(127)을 부분적으로 또는 완전히 구성하도록 예비 형성층(300A-H 및 400A-H)을 공급하기에 충분한 임의의 수의 예비 형성층(300A-H 및 400A-H)으로써 구성될 수 있다. 웹(510)은 스파 캡(126) 및/또는 블레이드(20)의 다른 컴포넌트의 제조 중 웹(510)을 저장하고 운반하기 위해 그리고 예비 형성층(300A-H, 400A-H)에 분배하기 위해 코일로 구성되거나 또는 릴 또는 스풀을 따라 랩핑될 수 있다.
구조적 및 보강 예비 형성층
도 15를 참조하면, 다른 태양에서, 본 발명은 블레이드(20) 구조의 구조적, 강도 및/또는 보강 컴퍼넌트 또는 부재로서 역할을 하도록 상기에 설명된 임의의 구성의 예비 형성층(300A, 300B 및 400)을 제공한다. 도 15는 A-A선을 따라 취해진 도 2에 도시된 블레이드(20)의 단면도이고 블레이드(20)의 상부 및 하부 쉘부(120 및 122)를 예시한다. 하나 이상의 예비 형성층(300A, 300B 및 400)이 강도 및/또는 보강 컴퍼넌트 또는 부재로서 상부 및/또는 하부 쉘부(120 및 122) 내부에 포함되도록 디자인되고 구성될 수 있다. 몇몇 구성에서, 예비 형성층(300A, 300B 및 400)은 상부 및 하부 쉘부(120 및 122)의 층에 의해 규정된 블레이드(20)의 리딩 에지(112)의 적어도 일부와 통합될 수 있다. 도 15에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 예비 형성층(300A, 300B 및 400)은 매개부, 예를 들면 블레이드(20)의 리딩 에지(112)의 부분을 따라 상부 및 하부 쉘부(120 및 122)의 발포제층(105 및 107) 내에 포함될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 하나 이상의 예비 형성층(300A, 300B 및 400)은 매개부, 예를 들면 블레이드(20)의 트레일링 에지(118)의 부분을 따라 상부 및 하부 쉘부(120 및 122)의 발포제층(105 및 107) 내에 포함될 수 있다. 각각의 적용예에서, 본 발명에 의한 예비 형성층(300A, 300B 및 400)은 일체형으로 된 리딩 에지(112) 및/또는 트레일링 에지(118)의 부분을 따라 강도 및/또는 보강부를 제공하도록 구성되고 배치된다. 또한, 예비 형성층(300A, 300B 및 400)은 블레이드(20)에 부가적인 기하학적 형상 제어를 가하는 데 도움을 줄 수 있어, 블레이드(20)가 워핑(warping), 아이스 쉐딩(ice shedding) 및 새로 인해 블레이드(20)에 동반하는 충격을 잘 처리할 뿐만 아니라 공기 역학적 와동을 잘 처리하고 공기 부하를 발산한다. 본 발명은 이러한 관점에 제한되지 않고 예비 형성층(300A, 300B 및 400)이 상기 설명된 바와 같이 실질적으로 디자인되고 구성되고 그리고/또는 블레이드(20)의 다른 컴포넌트의 보강 및/또는 강도 부재로서 역할을 하도록 추가로 구성될 수 있는 것을 구현한다.
따라서 본 발명의 적어도 하나의 예시적인 태양을 설명했지만, 다양한 변경, 변형 및 개선이 본 기술 분야에 숙련된 자라면 용이하게 할 수 있을 것이다. 그러한 변경, 변형 및 개선은 본 발명의 범위와 사상의 범위 내에서 의도된다. 따라서, 앞선 설명은 제한하기 위해서가 아니라 단지 예로써 개시된다. 본 발명의 제한은 다음의 청구항 및 그와 대응하는 것에 의해서만 규정된다.

Claims (1)

  1. 윈드 터빈 블레이드용 스파 캡으로서:
    상기 블레이드의 스팬의 적어도 일부를 따라 연장되는 구조적 서포트 컴포넌트로서 구성된 컴포지트 빔을 포함하고,
    상기 컴포지트 빔은 예비 형성층의 종방향 축을 따라 단일층으로 배치된 다중의 긴 강성의 단일 방향성의 강도 요소 또는 로드의 하나 이상의 예비 형성층을 포함하고,
    상기 예비 형성층은 상기 강도 요소 또는 로드가 상기 단일층으로 상기 강도 요소 또는 로드를 유지하도록 결합되는 적어도 하나의 파이버 캐리어층을 포함하고,
    각각의 예비 형성층은 하나 이상의 다른 예비 형성층 및 다중 파이버층 중 적어도 하나와 스택킹되거나 레이어링되고,
    다중 스택킹되거나 레이어링된 예비 형성층은 상기 컴포지트 빔의 두께를 완전히 또는 부분적으로 규정하는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈 블레이트용 스파 캡.
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