JP3825346B2

JP3825346B2 - Composite blade for wind turbine generator

Info

Publication number: JP3825346B2
Application number: JP2002081567A
Authority: JP
Inventors: 川節　　望; 勝彦田北; 英司加藤; 達也山村; 和夫相馬
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-03-27
Filing date: 2002-03-22
Publication date: 2006-09-27
Anticipated expiration: 2022-03-22
Also published as: JP2002357176A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風力発電装置用のブレードに関し、特に、外皮及び主桁から構成される複合材ブレードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
風力発電装置用ブレードとしては、軽量、高強度、製作容易性を求められており、複合構造でこれらのニーズに対応している。従来の複合材ブレードの一例を図を参照して説明する。図１５は全体構造を示し、図１６は翼断面構造を示し、図１７が翼根部構造を示している。各図から判るように、従来の複合材ブレード１は、概念的に言えば、外皮３と主桁５との２つの部材から構成され、両者を接着組立して所定の全体構造が得られる。前述の外皮３は、腹側と背側とからなる二分割構造として形成され、一方、主桁５は、翼根まで円筒の一体構造となっており、外皮３と主桁５とを接着後に、中間材として発泡ウレタン７を充填して組み立てている。又、主桁５の翼根部には、ブレード取り付け用の金属ボルト９が埋め込まれている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような複合材ブレード１の構造は、翼長さが２０ｍ未満の比較的小型のブレードにおいては、製造が容易で製造コストが安価にでき、かつ量産にも優れたものである。
【０００４】
しかしながら、翼長さが２０ｍを超える大型長大ブレードとして構成する場合には、前述の構造では、特に、主桁５の部材の一体製造が非常に困難であるため、量産性が悪く、製造コスト（工数）が大幅に上昇するという問題がある。以下に、従来のブレード構造で、翼長さが２０ｍを超える大型長大ブレードを製作する場合の問題点を具体的に説明する。
【０００５】
従来の主桁５の製造方法は、所定幅のガラス繊維の織物に樹脂を含浸させながら、回転する円筒金型に巻きつける所謂ワインディング工法である。この工法は、安価で比較的品質が安定し、量産性に優れることから非常に有望な工法である。しかしながら、翼長さが２０ｍを超える大型長大ブレード用の主桁製造では、長尺の円筒成形型の撓みを支える手段が必要となり、製造そのものが非常に困難である。その対策として、主桁をその長さ方向に対して複数個に分割して製作し、その後に接合する手段が考えられるが、製造コスト及び量産性に問題が残る。又、ブレード取り付け用の金属ボルトを埋め込む翼根部は、肉厚が１００ｍｍを超える超厚肉ＦＲＰ部材となる。このため、その製造はより困難で、ましてや長さが２０ｍを超える長尺の主桁全体を回転させながらこの部分を製作し、品質（寸法精度）、製造コスト及び量産性を確保することは、非常に困難で不可能に近い。
【０００６】
従来のブレード構造１では、外皮３と主桁５とを接着後に、中間材として発泡ウレタン７を充填して組み立てているが、発泡ウレタン充填は、外皮３の座掘防止が最大の目的である。而して、翼長さが２０ｍを超える大型翼では、発泡ウレタンを充填する容積が非常に大きくなるため、未充填部の発生や、充填されたとしても部分的な材質の不均一（充填密度のバラツキ）が発生し易く、品質の確保が困難である。
【０００７】
従って、本発明の課題は、翼長さが２０ｍを越える大形翼として構成しても、製作性が良く、良品質が得られる風力発電装置用複合材ブレードを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するため、本発明によれば、風力発電装置用の複合材ブレードは、ガラス繊維強化プラスチック製であって翼形状を画成する外皮と、該外皮の内側に配設されるガラス繊維強化プラスチック製の主桁と、前記外皮と前記主桁とを接合する接着層と、該複合材ブレードを取付けるためのガラス繊維強化プラスチック製の翼根部とを備えており、前記主桁が、該複合材ブレードの幅方向に二分割された分割構造を有し、分割されたそれぞれの部分は翼の長手方向に延在する長板形状部を有し、該長板形状部の両縁部は接着層と外皮との間に形成される高強度のガラス繊維強化プラスチック製、又はカーボン繊維強化プラスチック製の補強層を介して前記外皮の背側内面と腹側内面とにそれぞれ接合することを特徴とする。
【０００９】
本発明の好適な実施形態においては、前記補強層は、前記主桁長板形状部の縁部よりも幅広であることが好ましい。また、前記補強層を、前記二分割された主桁の縁部を跨ぐ形状にすることも可能である。さらに、前記主桁と前記翼根部とは、一体成形することも、あるいは、別体にすることもできる。また、前記外皮あるいは前記主桁を、ガラス繊維強化ラスチック単体板部分とガラス繊維強化プラスチックに固形発泡体を挟み込んだサンドイッチ構造体部分で構成することも望ましい。さらに、前記外皮にガラス繊維強化プラスチックまたはカーボン繊維強化プラスチック製の補強リブを配設することもできる。
【００１０】
また、前記翼根部には、この複合材ブレードを取付けるための金属ボルトを埋め込むことが好ましい。さらに、この翼根部と前記外皮との接合は、接着接合のみ、接着接合とテーパーとの組合わせ、あるいは接着接合と凹凸の嵌め合いとの組合わせによって行われる。なお、分割構造を有する前記主桁は、前記翼根部において接着剤あるいはガラス繊維又はカーボン繊維の積層接着により、一体化させることが好適である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、添付の図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。なお、全図に亘り同一の部分には同一の符号を付すこととする。
先ず、図１乃至図３には、本発明に係る外皮及び主桁から構成される複合材ブレードの一実施形態が示されており、図１はその平面図、図２はその断面図、そして図３はその部分図である。本発明による複合材ブレード１０の外皮は、組合わせると翼形状を画成する腹側外皮１１ａと背側外皮１１ｂとの２つの半割体からなる。一方、主桁１３は、この主桁全体を翼の幅方向に縦割り、すなわち二分割した分割構造をしており、この実施形態では、二分割された各半割体は、所定の間隔をおいて対峙したコ形断面のメンバー１３ａ、１３ｂの形状をしている。そしてメンバー１３ａ、１３ｂの両屈曲端部と外皮１１ａ、１１ｂとは、接着層１５により互いに強固に接合されて、ブレード１０として一体化されている。
【００１２】
また、図３に示すように、各メンバー１３ａ、１３ｂの翼根部側には、半環状形のフランジ部１３ｃ、１３ｄが各々形成されており、これらが組み合わさると環状のブレード取付用フランジを構成するようになっている。すなわち、主桁とブレード取付用フランジを含む翼根部とが一体成形されている。また、腹側外皮１１ａと背側外皮１１ｂとの翼根部側は、各々半環状形状をしており、これらが組み合わされると、主桁１３の環状のブレード取付用フランジと同心円状の環状部を構成するようになっている。そして、同心円状の外皮側の環状部の内周面と主桁１３側のフランジの外周面とを接着層１５により互いに強固に接合する。このように両部材の接合部を同心円状に長めに形成してあるので、図１７に示した従来例に比して、翼根部における外皮と主桁との結合がより強固になる。なお、主桁１３の翼根部、すなわち、各メンバー１３ａ、１３ｂのフランジ部１３ｃ、１３ｄには、翼固定用の金属ボルト１９が埋め込まれている。
【００１３】
前述のような構造の複合材ブレード１０の製作の手順を具体的に説明すれば、ブレード１０においては、主桁１３のメンバー１３ａ、１３ｂ、外皮１１ａ、１１ｂを別々に製作した後で、接着によりこれらを所定位置で互いに組み立てる構造である。このように、主桁が翼の幅方向に二分割されているので、２０ｍを超えるような大型長大複合材ブレードの主桁を一体製造する場合でも、ブレードの製造が非常に容易になる。
【００１４】
また、複合材ブレード１０の外皮１１ａ、１１ｂだけでなく、長尺の主桁１３も二分割することで、従来のワインディング工法にとらわれることなく、いずれもガラス繊維強化プラスチック製で、湿式積層（ハンドレイアップ工法）、真空樹脂含浸工法あるいは加圧樹脂含浸工法などの適当な製造法により製作することができ、主桁の形状や寸法に応じた容易で安価な製造法の選択が可能となる。これにより、翼長さが２０ｍを超える大型長大ブレードの品質、コスト、量産性が同時に飛躍的に向上できる。
【００１５】
次に、本発明の別の実施形態に係る複合材ブレードを説明する。図４を参照するに、主桁２３のウェブ高さが前述の主桁１３より幾分小さく形成されており、接着層１５と外皮１１ａ、１１ｂとの間に補強層２７ａ、２７ｂが形成されている。補強層２７ａ、２７ｂは、高強度のガラス繊維強化プラスチックから形成されているが、カーボン繊維強化プラスチックから形成しても良い。この部分に、高強度の補強層２７ａ、２７ｂを配することで、特に風圧による曲げ力に対するブレード２０の抵抗力を効率よく増すことができる。主桁２３と補強層２７ａ、２７ｂとを除く外皮１１ａ、１１ｂの内部は中空であり、プラスチックを充填するものに比し、ブレード２０が軽量になっている。又、この部分には、主としてブレード長手方向引張又は圧縮荷重が作用するため、強化材の構成としては、ブレード長手方向に繊維を集中的に引き揃えた一方向材の採用が最も有効である。
【００１６】
出力が５００ｋＷを超える大型風力発電装置用の複合材ブレードになると、風圧による曲げ力はもちろん、自重や回転の遠心力による発生応力も急激に大きくなる。従って、従来の構造及び材料のままでは、ブレードの重量が非常に大きくなり、ブレードを支えるロータ軸、ベアリング等に過大な力が作用することになるが、本発明によれば、ブレード２０の重量は、中空構造により最小となっていて、装置全体の軽量・コンパクト化やコスト低減に大きく寄与する。
【００１７】
更に本発明の別の実施形態に係る複合材ブレードを図５の断面図を参照して説明する。図において、複合材ブレード３０の外皮３１、３２は、ガラス繊維強化プラスチック製の単板部分３１ａ、３２ａとガラス繊維強化プラスチックに固形発泡体を挟み込んだサンドイッチ構造体部分３１ｂ、３２ｂとからなる。このように、外皮に固形発泡体を挟み込みサンドイッチ構造体とすると、板厚が薄いにも拘わらず、外皮の座掘強度が向上されて、これによりブレードを大幅に軽量化することができる。
【００１８】
また、主桁３３、３４は、ガラス繊維強化プラスチック製の単板部分３３ａ、３４ａとガラス繊維強化プラスチックに固形発泡体を挟み込んだサンドイッチ構造体部分３３ｂ、３４ｂとからなる。このように、主桁に固形発泡体を挟み込みサンドイッチ構造体とすると、板厚が薄いにも拘わらず主桁の剛性が向上されて、これによりブレードを大幅に軽量化することができる。なお、この実施形態においては、サンドイッチ構造部分を外皮と主桁との両方に設けたが、要求される強度に応じて、適宜、いずれか一方だけに採用することもできる。
【００１９】
又、本発明の更に別の実施形態に係る複合材ブレードを、図６の断面図を参照して説明する。図において、複合材ブレード４０の外皮１１ａ、１１ｂは、主桁１３のメンバー１３ａ、１３ｂに接着層１５を介して接合されているが、その後縁側の内面にガラス繊維強化プラスチック製の補強リブ４１、４３、４５、４７が接着層により接合されて設けられている。補強リブ４１〜４７の材質は、カーボン繊維強化プラスチックでも良い。補強リブの形状としては、図６に示すほか、図７に示すように、低高Ｉ形（ａ）、逆チャンネル形（ｂ）、Ｔ形（ｃ）、横向きチャンネル形（ｄ）、高高Ｉ形（ｅ）、拡がりチャンネル形（ｆ）、及び合わせチャンネル形（ｇ）等、適当なものが採用できる。補強リブは、板厚が薄い外皮１１ａ、１１ｂの座掘強度を向上するものであるから、図６及び図７に示される形状に限定されるものでは無い。又、図６からも判るように、数種の形状の補強リブが一つのブレードに同時に用いられても良い。更に又、図７（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）のごとく、外皮１１ａ、１１ｂを機械構造的に連続するものであっても良い。
【００２０】
以上、図４乃至図７を参照して、複合材ブレードにおける外皮及び主桁の改変実施形態について専ら説明したが、複合材ブレードの翼根部構造の改変例を図８を参照して説明する。複合材ブレード２０、３０、４０では、翼根部において外皮１１ａ、１１ｂ（３１、３２）、主桁１３（２３、３３、３４）が接着層１５により互いに強固に接合されているが、主桁１３（２３、３３、３４）の翼根部には、その外面側、すなわちブレード取付用フランジに向かって窄むテーパ部１１ｃが形成されている。このようにすると、外皮１１ａ、１１ｂ（３１、３２）と主桁１３（２３、３３、３４）をより緊密に一体化し、結合部の信頼性を向上できる。テーパ部１１ｃのテーパ角度θ_１、θ_２は、大きいほど望ましいが、接着部の長さ、ブレードの大きさ、負荷される荷重の大きさ等により異なるため、そのブレード固有の値が与えられる。
【００２１】
また、前述と同様の緊結作用効果をえるために、図９に示すように、主桁１３（２３、３３、３４）の翼根部の外周面に複数の凹み１４を設け、外皮１１ａ、１１ｂに配設された突起１２とを嵌め合わしても良い。凹凸の形状は、接着部の長さ、ブレードの大きさ、負荷される荷重の大きさ等により異なり、そのブレード固有の形状、寸法となる。
【００２２】
以上の実施形態においては、複合材ブレードは、外皮及び主桁（主桁と翼根部とが一体成形されているもの）から構成されていたが、図１０乃至図１２では、主桁と翼根部とが別体に成形されている、外皮、主桁及び翼根部から構成される複合材ブレードの一実施形態が示されている。以下に、その内容を詳述する。
【００２３】
図１０を参照するに、複合材ブレード５０は、主として外皮５１、主桁５３、及び翼根部として機能する翼根ピース５５を備えている。外皮５１は、図１１からよく分かるように、組合わせると翼形状を画成する腹側外皮５１ａと背側外皮５１ｂとの２つの半割体からなると共に、その翼根側には、後述する翼根ピース５５を収納する環状部５１ｃ（図１２参照）が形成されていて、図１に示した実施形態と同様な全体形状をしている。
【００２４】
これに対し、主桁５３の形状は、図１に示した実施形態と異なり、その翼根部側には、別体の翼根ピース５５が設けられている。主桁５３は、この主桁全体を翼の幅方向に縦割り、すなわち二分割した分割構造をしており、この実施形態では、二分割された各半割体は、所定の間隔をおいて対峙したコ形断面のメンバー５３ａ、５３ｂの形状をしている。そして、図１１に示すように、メンバー５３ａ、５３ｂの両屈曲端部と外皮５１ａ、５１ｂとは、接着層５７により互いに強固に接合されて、ブレード５０として一体化されている。
【００２５】
また、主桁５３を構成するメンバー５３ａ、５３ｂの翼根部側は、コ形断面形状のまま終端をなしている。一方、上述したように、外皮５１の翼根部側に形成された環状部５１ｃの内側には、円筒状の翼根ピース５５が接着等の周知の技術により強固に接合されている。翼根ピース５５のさらに内側には、主桁５３のメンバー５３ａ、５３ｂが位置しており、各々接着層５７を介して、翼根ピース５５の内周面に強固に接合されている。翼根ピース５５の開放先端側には、環状のブレード取付用フランジ５５ａが形成されている。また、翼根ピース５５には、ブレード固定用の金属ボルト５９が埋め込まれている。以上のように、翼根ピース５５は、ブレード取付用フランジを備える翼根部として機能する。
【００２６】
以上のように、複合材ブレード５０は、外皮５１、主桁５３及び翼根ピース５５に分割されていると共に、外皮５１及び主桁５３とが各々さらに二分割された半割体からなっているため、従来のワインディング工法にとらわれることなく、いずれもガラス繊維強化プラスチック製で、湿式積層（ハンドレイアップ工法）、真空樹脂含浸工法あるいは加圧樹脂含浸工法などの適当な製造法により製作することができ、外皮及び主桁からなる複合材ブレードと同様の効果を得ることができる。
【００２７】
また、複合材ブレード５０は、別体の各部材を接着により所定位置で互いに組み立てる構造である。この場合、厚肉の翼根部は、肉厚が１００ｍｍを越えることとなるが、翼根ピース５５が別体で製作されるため、製造条件を決め品質を確保しながら量産することができる。また、長尺の主桁５３は、翼根部以外の比較的肉厚が均一で薄い構造となるため、製造が非常に容易となり品質も安定している。
【００２８】
複合材ブレード５０の腹側外皮５１ａ及び背側外皮５１ｂと翼根ピース５５との結合をより強固にするために、図１３に示すように、外皮の環状部５１ｃを先端に向かって窄むテーパ形状にする。このようにすると、外皮５１、翼根ピース５５及び主桁５３の３つの構造部材をより緊密に一体化し、風圧による曲げ力、自重及び回転遠心力による荷重を翼根ピース５５に確実に伝え、かつ結合部の信頼性を向上できる。テーパー角度θ_１、θ_２は、大きいほど望ましいが、接着部の長さ、ブレードの大きさ、負荷される荷重の大きさ等により異なるため、そのブレード固有の値が与えられる。
【００２９】
また、前述と同様の緊結作用効果をえるために、図１４に示すように、翼根ピース５５の外周面に複数の凹み５６を設け、外皮５１ａ、５１ｂに配設された突起５２とを嵌め合わしても良い。凹凸の形状は、接着部の長さ、ブレードの大きさ、負荷される荷重の大きさ等により異なり、そのブレード固有の形状、寸法となる。
【００３０】
【発明の効果】
以上、実施形態について詳述したが、本発明の主桁は、前述したように主桁の全体を翼の幅方向に二分（縦割り）する分割構造としている。分割された主桁は、外皮と接着接合される。このように、長尺の主桁を二分割とすることで、製造法としては従来のワインディング工法にとらわれることなく、湿式積層（ハンドレイアップ工法）、真空樹脂含浸工法あるいは加圧樹脂含浸工法など複数の製造方法が適用でき、主桁の形状や寸法に応じた容易で安価な製造法の選択が可能となる。これにより、翼長さが２０ｍを超える大型長大ブレード製造が容易になり、かつ品質、コスト、量産性が同時に飛躍的に向上できる。
【００３１】
又、従来の風力発電装置用複合材ブレードの翼根部は、主桁と一体で成形されている。この場合、主桁先端の薄肉部（肉厚１０ｍｍ以下）から翼根部の厚肉部（肉厚１００ｍｍ以上）まで同時に成形するため、樹脂の硬化条件が複雑となり、製造工数の低減が困難であった。これに対し、本発明の複合材ブレードは、金属ボルトが埋め込まれる厚肉の翼根部を主桁と切り離して単独で製造するため、製造条件が簡素化され、コスト、量産性及び品質が飛躍的に向上できる。
【００３２】
以上説明したように、本発明の風力発電装置用複合材ブレードの構造は、特に翼長さが２０ｍを超える大型長大のブレードにおいて、製造が容易で量産性に優れ、且つ安価で品質の優れた大型風力発電装置用の複合材ブレードを提供できるものである。
【００３３】
尚、本発明の風力発電装置用複合材ブレード構造は、翼長さが２０ｍ未満の比較的小型のブレードの場合でも、従来のブレード構造と比較すると製造が容易で製造コストが安価にできる効果が期待できるから、本発明は、あらゆる大きさの風力発電装置用複合材ブレードに適用されて、所定の効果が得られるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る外皮及び主桁から構成される複合材ブレードの全体構造を示す平面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
【図３】図１の複合材ブレードの細部を示す部分断面図と側面図である。
【図４】本発明の別の実施形態を示す、図２に対応する断面図である。
【図５】本発明の更に別の実施形態を示す、図２に対応する断面図である。
【図６】本発明の更に別の実施形態を示す、図２に対応する断面図である。
【図７】図６の実施形態に係る複合材ブレードに採用可能な補強リブの形態を示す説明図である。
【図８】図４乃至図６の改変実施形態に採用可能な別の部分の構造を示す部分断面図である。
【図９】図４乃至図６の改変実施形態に採用可能な別の部分の別の構造を部分断面図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る外皮、主桁及び翼根ピースから構成される複合材ブレードの全体構造を示す平面図である。
【図１１】図１０のＸＩ−ＸＩ線に沿う断面図である。
【図１２】図１０の副棒材ブレードの翼根部構造を示す部分断面図と側面図である。
【図１３】本発明の別の翼根部構造を示す部分断面図である。
【図１４】本発明のさらに別な翼根部構造を示す部分断面図である。
【図１５】従来の風力発電装置用複合材ブレードの全体構造を示す平面図である。
【図１６】図１５のＸＶＩ−ＸＶＩ線に沿う断面図である。
【図１７】従来の風力発電装置用複合材ブレードの翼根部構造を示す部分断面図と部分側面図である。
【符号の説明】
１０…複合材ブレード、１１ａ，１１ｂ…外皮、１１ｃ…テーパ部、１２…突起、１３…主桁、１３ａ，１３ｂ…メンバー、１３ｃ，１３ｄ…フランジ部、１４…凹み、１５…接着層、２０…複合材ブレード、２３…主桁、２３ａ，２３ｂ…メンバー、２７ａ，２７ｂ…補強層、３０…複合材ブレード、３１，３２…外皮、３１ａ，３２ａ…外皮単板部分、３１ｂ，３２ｂ…外皮サンドイッチ構造体部分、３３，３４…主桁、３３ａ，３４ａ…主桁単板部分、３３ｂ，３４ｂ…主桁サンドイッチ構造体部分、４０…複合材ブレード、４１，４３，４５，４７…補強リブ、５０…複合材ブレード、５１…外皮、５１ａ…腹側外皮、５１ｂ…背側外皮、５１ｃ…環状部、５２…突起、５３…主桁、５３ａ，５３ｂ…メンバー、５５…翼根ピース、５５ａ…ブレード取付用フランジ、５６…凹み、５７…接着層、５９…金属ボルト。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a blade for a wind turbine generator, and more particularly to a composite blade composed of a skin and a main girder.
[0002]
[Prior art]
The blades for wind power generators are required to be lightweight, high-strength, and easy to manufacture. The composite structure meets these needs. An example of a conventional composite blade will be described with reference to the drawings. FIG. 15 shows the entire structure, FIG. 16 shows the blade cross-sectional structure, and FIG. 17 shows the blade root structure. As can be seen from the drawings, the conventional composite blade 1 is conceptually composed of two members, an outer skin 3 and a main girder 5, which are bonded and assembled to obtain a predetermined overall structure. The aforementioned outer skin 3 is formed as a two-part structure composed of an abdominal side and a back side. On the other hand, the main girder 5 has a cylindrical integrated structure up to the blade root, and after the outer skin 3 and the main girder 5 are bonded together. The urethane foam 7 is filled and assembled as an intermediate material. In addition, a metal bolt 9 for attaching the blade is embedded in the blade root portion of the main girder 5.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The structure of the composite blade 1 as described above is easy to manufacture, can be manufactured at low cost, and is excellent in mass production in a relatively small blade having a blade length of less than 20 m.
[0004]
However, when the blade is configured as a large and large blade having a blade length exceeding 20 m, in the above-described structure, it is particularly difficult to integrally manufacture the member of the main girder 5, so that the mass productivity is poor and the manufacturing cost ( There is a problem that man-hours) increase significantly. Below, the problem in the case of manufacturing a large and long blade having a blade length exceeding 20 m with a conventional blade structure will be specifically described.
[0005]
The conventional manufacturing method of the main girder 5 is a so-called winding method in which a glass fiber fabric having a predetermined width is impregnated with a resin and wound around a rotating cylindrical mold. This method is very promising because it is inexpensive, relatively stable in quality, and excellent in mass productivity. However, in manufacturing a main girder for a large and long blade having a blade length exceeding 20 m, means for supporting the bending of a long cylindrical mold is necessary, and the manufacturing itself is very difficult. As a countermeasure, there can be considered a method in which the main girder is divided into a plurality of parts in the length direction and then joined, but there remains a problem in manufacturing cost and mass productivity. Further, the blade root portion in which the metal bolt for attaching the blade is embedded becomes an ultra-thick FRP member having a thickness exceeding 100 mm. For this reason, it is more difficult to manufacture, and this part is manufactured while rotating the entire main girder whose length is more than 20 m, ensuring quality (dimensional accuracy), manufacturing cost and mass productivity. Very difficult and near impossible.
[0006]
In the conventional blade structure 1, after the outer skin 3 and the main girder 5 are bonded, the urethane foam 7 is filled and assembled as an intermediate material. . Thus, large blades with a blade length of more than 20 m have a very large volume filled with foamed urethane, so that unfilled parts are generated and even if filled, the material is uneven (filling density). Variation), and it is difficult to ensure quality.
[0007]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a composite blade for a wind power generator that is good in manufacturability and good quality even when configured as a large wing having a blade length exceeding 20 m.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, according to the present invention, a composite blade for a wind turbine generator is made of a glass fiber reinforced plastic and has an outer skin defining a wing shape, and is disposed inside the outer skin. A main fiber girder made of glass fiber reinforced plastic, an adhesive layer for joining the outer skin and the main girder, and a blade root part made of glass fiber reinforced plastic for attaching the composite blade. The composite blade has a divided structure divided into two in the width direction, and each divided part has a long plate-shaped portion extending in the longitudinal direction of the wing, and both edges of the long plate-shaped portion The portion is bonded to the back inner surface and the vent inner surface of the outer skin through a reinforcing layer made of high-strength glass fiber reinforced plastic or carbon fiber reinforced plastic formed between the adhesive layer and the outer skin. Features.
[0009]
In a preferred embodiment of the present invention, the reinforcing layer is preferably wider than an edge of the main girder long plate shape portion. Moreover, it is also possible to make the said reinforcement layer the shape which straddles the edge part of the said 2 divided main beam. Furthermore, the main girder and the blade root portion can be integrally formed or separated. It is also desirable that the outer skin or the main girder is composed of a glass fiber reinforced plastic single plate portion and a sandwich structure portion in which a solid foam is sandwiched between glass fiber reinforced plastics. Furthermore, reinforcing ribs made of glass fiber reinforced plastic or carbon fiber reinforced plastic can be disposed on the outer skin.
[0010]
Moreover, it is preferable to embed a metal bolt for attaching the composite blade in the blade root portion. Further, the blade root portion and the outer skin are joined by adhesive bonding only, a combination of adhesive bonding and a taper, or a combination of adhesive bonding and fitting of irregularities. The main girder having a divided structure is preferably integrated at the blade root portion by an adhesive or a laminated adhesion of glass fibers or carbon fibers.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In addition, the same code | symbol shall be attached | subjected to the same part over all the figures.
First, FIG. 1 to FIG. 3 show an embodiment of a composite blade composed of an outer skin and a main girder according to the present invention, FIG. 1 is a plan view thereof, FIG. 2 is a sectional view thereof, and FIG. FIG. 3 is a partial view thereof. The outer skin of the composite blade 10 according to the present invention consists of two halves, a ventral outer skin 11a and a back outer skin 11b, which, when combined, define a wing shape. On the other hand, the main girder 13 has a split structure in which the main girder is vertically divided in the wing width direction, that is, divided into two parts. In this embodiment, each half divided into two parts has a predetermined interval. The members 13a and 13b have a U-shaped cross section facing each other. The bent ends of the members 13 a and 13 b and the outer skins 11 a and 11 b are firmly joined to each other by the adhesive layer 15 and integrated as a blade 10.
[0012]
Further, as shown in FIG. 3, semi-annular flange portions 13c and 13d are formed on the blade root side of the members 13a and 13b, respectively, and when these are combined, an annular blade mounting flange is formed. It is supposed to be. That is, the main girder and the blade root portion including the blade mounting flange are integrally formed. Further, the blade root side of the ventral outer skin 11a and the back outer skin 11b has a semi-annular shape, and when these are combined, the annular blade mounting flange of the main girder 13 and the concentric annular portion are formed. It is configured. Then, the inner peripheral surface of the concentric outer ring-side annular portion and the outer peripheral surface of the flange on the main girder 13 side are firmly joined to each other by the adhesive layer 15. Thus, since the joint part of both members is formed concentrically long, compared with the prior art example shown in FIG. 17, the connection between the outer skin and the main girder at the blade root part becomes stronger. A blade fixing metal bolt 19 is embedded in the blade root portion of the main beam 13, that is, the flange portions 13c and 13d of the members 13a and 13b.
[0013]
The manufacturing procedure of the composite blade 10 having the above-described structure will be described in detail. In the blade 10, the members 13a and 13b and the outer skins 11a and 11b of the main girder 13 are separately manufactured and then bonded. It is a structure in which these are assembled with each other at a predetermined position. Thus, since the main girder is divided into two in the wing width direction, even when the main girder of a large and long composite blade exceeding 20 m is manufactured integrally, the manufacture of the blade becomes very easy.
[0014]
Further, not only the outer skin 11a, 11b of the composite blade 10 but also the long main girder 13 is divided into two parts, both of which are made of glass fiber reinforced plastic without being constrained by the conventional winding method, and are wet laminated (hand Lay-up method), vacuum resin impregnation method or pressure resin impregnation method, and the like, and an easy and inexpensive production method can be selected according to the shape and dimensions of the main beam. As a result, the quality, cost, and mass productivity of large and large blades with blade lengths exceeding 20 m can be dramatically improved at the same time.
[0015]
Next, a composite blade according to another embodiment of the present invention will be described. Referring to FIG. 4, the web height of the main girder 23 is slightly smaller than that of the main girder 13, and reinforcing layers 27a and 27b are formed between the adhesive layer 15 and the outer skins 11a and 11b. Yes. The reinforcing layers 27a and 27b are formed from high-strength glass fiber reinforced plastic, but may be formed from carbon fiber reinforced plastic. By disposing the high-strength reinforcing layers 27a and 27b in this portion, it is possible to efficiently increase the resistance of the blade 20 to the bending force caused by wind pressure. The inside of the outer skins 11a and 11b excluding the main girder 23 and the reinforcing layers 27a and 27b is hollow, and the blade 20 is lighter than that filled with plastic. In addition, since a tensile or compressive load in the blade longitudinal direction acts mainly on this portion, it is most effective to use a unidirectional material in which fibers are concentrated and aligned in the blade longitudinal direction.
[0016]
When a composite blade for a large-scale wind power generator with an output exceeding 500 kW is used, not only the bending force due to wind pressure but also the generated stress due to its own weight or the centrifugal force of rotation rapidly increases. Therefore, with the conventional structure and material, the weight of the blade becomes very large, and an excessive force acts on the rotor shaft and the bearing that support the blade. According to the present invention, the weight of the blade 20 is increased. Is minimized by the hollow structure, and greatly contributes to the weight reduction and cost reduction of the entire apparatus.
[0017]
Further, a composite blade according to another embodiment of the present invention will be described with reference to a sectional view of FIG. In the figure, the outer skins 31 and 32 of the composite blade 30 are composed of single plate portions 31a and 32a made of glass fiber reinforced plastic and sandwich structure portions 31b and 32b in which a solid foam is sandwiched between glass fiber reinforced plastics. As described above, when the sandwich structure is formed by sandwiching the solid foam in the outer skin, the digging strength of the outer skin is improved even though the plate thickness is thin, and the blade can be significantly reduced in weight.
[0018]
The main girders 33 and 34 include glass plate reinforced plastic single plate portions 33a and 34a and sandwich structure portions 33b and 34b in which a solid foam is sandwiched between glass fiber reinforced plastics. As described above, when the sandwich structure is formed by sandwiching the solid foam in the main girder, the rigidity of the main girder is improved despite the thin plate thickness, and the blade can be significantly reduced in weight. In this embodiment, the sandwich structure portion is provided on both the outer skin and the main girder. However, depending on the required strength, only one of them can be used as appropriate.
[0019]
A composite blade according to still another embodiment of the present invention will be described with reference to a cross-sectional view of FIG. In the figure, the outer skins 11a, 11b of the composite blade 40 are joined to the members 13a, 13b of the main beam 13 via the adhesive layer 15, but the reinforcing ribs 41 made of glass fiber reinforced plastic, 43, 45, and 47 are joined by an adhesive layer. The material of the reinforcing ribs 41 to 47 may be carbon fiber reinforced plastic. As shown in FIG. 6, the shape of the reinforcing rib is as shown in FIG. 7, as shown in FIG. 7. Appropriate ones such as I type (e), widening channel type (f), and matching channel type (g) can be employed. The reinforcing ribs are not limited to the shapes shown in FIGS. 6 and 7 because the reinforcing ribs improve the drilling strength of the outer skins 11a and 11b having a small plate thickness. Also, as can be seen from FIG. 6, several types of reinforcing ribs may be used simultaneously on one blade. Furthermore, as shown in FIGS. 7E, 7F, and 7G, the outer skins 11a and 11b may be mechanically continuous.
[0020]
As described above, the modified embodiment of the outer skin and the main girder in the composite blade has been described with reference to FIGS. 4 to 7. However, a modified example of the blade root structure of the composite blade will be described with reference to FIG. In the composite blades 20, 30, 40, the outer skins 11 a, 11 b (31, 32) and the main beam 13 (23, 33, 34) are firmly joined to each other by the adhesive layer 15 at the blade root part. A tapered portion 11c is formed on the blade root portion of (23, 33, 34) so as to narrow toward the outer surface side, that is, toward the blade mounting flange. If it does in this way, outer skin 11a, 11b (31, 32) and the main girder 13 (23, 33, 34) will be integrated more closely, and the reliability of a joint part can be improved. The taper angles θ ₁ and θ ₂ of the taper portion 11c are preferably as large as possible, but are different depending on the length of the adhesive portion, the size of the blade, the size of the load to be applied, and the like, and thus a specific value of the blade is given.
[0021]
Further, in order to obtain the same effect as described above, as shown in FIG. 9, a plurality of recesses 14 are provided on the outer peripheral surface of the blade root portion of the main girder 13 (23, 33, 34), and the outer skins 11a, 11b are provided. The protrusions 12 arranged may be fitted together. The shape of the unevenness varies depending on the length of the bonded portion, the size of the blade, the size of the load applied, and the like, and has a shape and dimensions unique to the blade.
[0022]
In the above embodiment, the composite blade is composed of the outer skin and the main girder (the main girder and the blade root part are integrally formed). However, in FIGS. 10 to 12, the main girder and the blade root part are formed. One embodiment of a composite blade composed of an outer skin, a main girder and a blade root is shown. The details will be described below.
[0023]
Referring to FIG. 10, the composite blade 50 includes a skin 51, a main girder 53, and a blade root piece 55 that functions as a blade root portion. As can be seen from FIG. 11, the outer skin 51 is composed of two halves, a ventral outer skin 51a and a back outer skin 51b, which, when combined, define a wing shape. An annular portion 51c (see FIG. 12) for accommodating the blade root piece 55 is formed, and has the same overall shape as the embodiment shown in FIG.
[0024]
On the other hand, the shape of the main girder 53 is different from the embodiment shown in FIG. 1, and a separate blade root piece 55 is provided on the blade root side. The main girder 53 has a split structure in which the main girder is vertically divided in the width direction of the wing, that is, divided into two parts. In this embodiment, each of the divided half parts is separated by a predetermined interval. The members 53a and 53b have opposed U-shaped cross sections. As shown in FIG. 11, both bent ends of the members 53 a and 53 b and the outer skins 51 a and 51 b are firmly joined to each other by the adhesive layer 57 and integrated as a blade 50.
[0025]
Further, the blade root side of the members 53a and 53b constituting the main girder 53 is terminated with a U-shaped cross section. On the other hand, as described above, the cylindrical blade root piece 55 is firmly joined to the inner side of the annular portion 51c formed on the blade root side of the outer skin 51 by a known technique such as adhesion. The members 53a and 53b of the main girder 53 are located further inside the blade root piece 55, and are firmly joined to the inner peripheral surface of the blade root piece 55 through the adhesive layer 57, respectively. An annular blade mounting flange 55 a is formed on the open tip side of the blade root piece 55. A blade fixing piece 55 is embedded with a metal bolt 59 for fixing the blade. As described above, the blade root piece 55 functions as a blade root portion including a blade mounting flange.
[0026]
As described above, the composite blade 50 is divided into the outer skin 51, the main girder 53, and the blade root piece 55, and the outer blade 51 and the main girder 53 are each further divided into two halves. Therefore, all are made of glass fiber reinforced plastic without being bound by the conventional winding method, and can be manufactured by an appropriate manufacturing method such as wet lamination (hand lay-up method), vacuum resin impregnation method or pressure resin impregnation method. It is possible to obtain the same effect as that of the composite blade composed of the outer skin and the main beam.
[0027]
The composite blade 50 has a structure in which separate members are assembled together at predetermined positions by bonding. In this case, the thick blade root portion has a thickness exceeding 100 mm, but since the blade root piece 55 is manufactured separately, it can be mass-produced while determining manufacturing conditions and ensuring quality. Further, since the long main girder 53 has a relatively uniform and thin structure other than the blade root portion, it is very easy to manufacture and the quality is stable.
[0028]
In order to further strengthen the connection between the ventral skin 51a and back skin 51b of the composite blade 50 and the blade root piece 55, as shown in FIG. Shape. In this way, the three structural members of the outer skin 51, the blade root piece 55 and the main girder 53 are more closely integrated, and the bending force due to wind pressure, the load due to its own weight and the rotational centrifugal force are reliably transmitted to the blade root piece 55, And the reliability of a joint part can be improved. The taper angles θ ₁ and θ ₂ are preferably as large as possible. However, the taper angles θ ₁ and θ ₂ are different depending on the length of the bonded portion, the size of the blade, the size of the load to be applied, etc.
[0029]
Further, in order to obtain the same binding effect as described above, as shown in FIG. 14, a plurality of recesses 56 are provided on the outer peripheral surface of the blade root piece 55, and the protrusions 52 disposed on the outer skins 51a and 51b are fitted. May be combined. The shape of the unevenness varies depending on the length of the bonded portion, the size of the blade, the size of the load applied, and the like, and has a shape and dimensions unique to the blade.
[0030]
【The invention's effect】
Although the embodiment has been described in detail above, the main girder of the present invention has a divided structure in which the entire main girder is divided into two (vertically divided) in the width direction of the wing as described above. The divided main girder is adhesively bonded to the outer skin. In this way, by dividing the long main girder into two parts, the production method is not limited to the conventional winding method, but wet lamination (hand lay-up method), vacuum resin impregnation method or pressure resin impregnation method, etc. A plurality of manufacturing methods can be applied, and an easy and inexpensive manufacturing method can be selected according to the shape and dimensions of the main beam. This facilitates the manufacture of large and large blades with blade lengths exceeding 20 m, and can dramatically improve the quality, cost, and mass productivity at the same time.
[0031]
Further, the blade root portion of the conventional composite blade for wind power generator is formed integrally with the main beam. In this case, since the thin part at the tip of the main girder (thickness of 10 mm or less) to the thick part of the blade root (thickness of 100 mm or more) is simultaneously molded, the resin curing conditions become complicated and it is difficult to reduce the number of manufacturing steps. It was. In contrast, the composite blade of the present invention is manufactured independently by separating the thick blade root portion in which the metal bolt is embedded from the main girder, so that the manufacturing conditions are simplified, and the cost, mass productivity and quality are dramatically improved. Can be improved.
[0032]
As described above, the structure of the composite blade for wind power generator according to the present invention is easy to manufacture, excellent in mass productivity, inexpensive and excellent in quality, particularly in a large and long blade having a blade length exceeding 20 m. It is possible to provide a composite blade for a large wind power generator.
[0033]
It should be noted that the composite blade structure for wind power generators of the present invention is advantageous in that it is easy to manufacture and can be manufactured at a lower cost than conventional blade structures even in the case of a relatively small blade having a blade length of less than 20 m. Since the present invention can be expected, the present invention can be applied to the composite blades for wind power generators of all sizes to obtain a predetermined effect.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view showing an overall structure of a composite blade composed of an outer skin and a main girder according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view taken along the line II-II in FIG.
3 is a partial cross-sectional view and a side view showing details of the composite blade of FIG. 1. FIG.
FIG. 4 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2, showing another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2, showing still another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2, showing still another embodiment of the present invention.
7 is an explanatory diagram showing a form of a reinforcing rib that can be employed in the composite blade according to the embodiment of FIG. 6;
8 is a partial cross-sectional view showing the structure of another portion that can be employed in the modified embodiment of FIGS. 4 to 6. FIG.
FIG. 9 is a partial cross-sectional view of another structure of another portion that can be employed in the modified embodiment of FIGS.
FIG. 10 is a plan view showing the overall structure of a composite blade composed of an outer skin, a main beam, and a blade root piece according to an embodiment of the present invention.
11 is a cross-sectional view taken along line XI-XI in FIG.
FIGS. 12A and 12B are a partial cross-sectional view and a side view showing the blade root structure of the auxiliary bar blade of FIG.
FIG. 13 is a partial sectional view showing another blade root structure of the present invention.
FIG. 14 is a partial sectional view showing still another blade root structure of the present invention.
FIG. 15 is a plan view showing an overall structure of a conventional composite blade for a wind turbine generator.
16 is a cross-sectional view taken along line XVI-XVI in FIG.
FIG. 17 is a partial cross-sectional view and a partial side view showing a blade root structure of a composite blade for a conventional wind power generator.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Composite blade, 11a, 11b ... Outer skin, 11c ... Tapered part, 12 ... Protrusion, 13 ... Main girder, 13a, 13b ... Member, 13c, 13d ... Flange part, 14 ... Recess, 15 ... Adhesive layer, 20 ... Composite blade, 23 ... Main girder, 23a, 23b ... Member, 27a, 27b ... Reinforcement layer, 30 ... Composite blade, 31, 32 ... Skin, 31a, 32a ... Shell single plate part, 31b, 32b ... Shell sandwich structure Body part, 33, 34 ... main girder, 33a, 34a ... main girder single plate part, 33b, 34b ... main girder sandwich structure part, 40 ... composite blade, 41, 43, 45, 47 ... reinforcing rib, 50 ... Composite blade, 51 ... outer skin, 51a ... ventral skin, 51b ... back skin, 51c ... annular part, 52 ... projection, 53 ... main girder, 53a, 53b ... member, 55 ... blade root piece, 5a ... blade mounting flange, 56 ... recess, 57 ... adhesive layer, 59 ... metal bolt.

Claims

A skin made of glass fiber reinforced plastic and defining a wing shape ;
A main girder made of glass fiber reinforced plastic disposed inside the outer skin;
An adhesive layer for joining the outer skin and the main beam;
In a composite blade for a wind power generator comprising a blade root made of glass fiber reinforced plastic for mounting the composite blade,
The main beam has a divided structure that is divided into two in the width direction of the composite blade,
Each divided part has a long plate-shaped portion extending in the longitudinal direction of the wing,
Both edges of the long plate-shaped portion are formed on the back inner surface and the belly of the outer skin through a reinforcing layer made of high-strength glass fiber reinforced plastic or carbon fiber reinforced plastic formed between the adhesive layer and the outer skin. A composite blade for a wind power generator, wherein the composite blade is joined to each side inner surface.

The composite blade for a wind turbine generator according to claim 1, wherein the reinforcing layer is wider than an edge of the main girder long plate shape portion.

The composite blade for wind power generator according to claim 1, wherein the reinforcing layer has a shape straddling an edge of the two divided main beams.

It said main The order of magnitude as the blade root portion, claims 1 to 3 composite blades for wind power generation apparatus according to any one of the characterized in that it is integrally molded.

The composite blade for wind power generator according to any one of claims 1 to 3, wherein the main girder and the blade root part are separate bodies.

The composite for wind power generator according to any one of claims 1 to 5 , wherein the outer shell comprises a glass fiber reinforced plastic single plate portion and a sandwich structure portion in which a solid foam is sandwiched between glass fiber reinforced plastics. Wood blade.

The wind turbine generator according to any one of claims 1 to 5 , wherein the main girder includes a glass fiber reinforced plastic single plate portion and a sandwich structure portion in which a solid foam is sandwiched between glass fiber reinforced plastics. Composite blade.

The composite blade for wind power generator according to any one of claims 1 to 5 , wherein reinforcing ribs made of glass fiber reinforced plastic or carbon fiber reinforced plastic are arranged on the outer skin.

The junction between the outer skin and the blade root part, claims 1 to 5 or 1 composite blade for wind power generator according to paragraph among, characterized in that it is constituted by adhesive bonding and tapered.

The composite material for a wind turbine generator according to any one of claims 1 to 5 , wherein a joint portion between the outer skin and the blade root portion is formed by adhesive bonding and uneven fitting. blade.

5. The composite for wind power generator according to claim 4 , wherein the main girder having a divided structure is integrated at the blade root portion by an adhesive or a fiber-reinforced plastic laminated adhesive of glass fiber or carbon fiber. Wood blade.