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JP6420857B2 - 風力発電設備、風車翼および風車翼の補強方法 - Google Patents

風力発電設備、風車翼および風車翼の補強方法 Download PDF

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Description

本発明は、風力発電設備、風車翼および風車翼の補強方法に関する。
従来、風力発電設備（以下、風車とする）に用いられる風車翼には様々な方向から荷重が作用することが知られており、特に、強風時には風車翼の翼根部にフラップ方向への大きな荷重が作用する。一方で、風車には使用寿命の長期化が一般に要求される。このため、長年の使用による風車翼の劣化や疲労損傷への対応措置として、必要に応じて風車翼を追加的に補強するニーズが高まっている。
風車翼の補強に関し、特許文献１には、風車翼の翼根部の内周又は外周に、該翼根部の周方向に沿って補強用のリブを追加する技術が開示されている。具体的に、特許文献１に開示された技術は、翼根部の内周又は外周の一部又は全周に亘って円弧状の補強用リブを追加的に設けるものであり、上記リブにおける円弧の両端は、翼根部の周方向に沿ってテーパ状に形成される。
米国特許出願公開第２０１５／０９３２５０号明細書
しかし、上記特許文献１は、風車翼の長手方向に沿う軸方向から見た断面視にて略円筒状の翼根部が、荷重により撓んで楕円状に変形することを防止するための補強技術を開示するが、翼根部においてフラップ方向に作用する荷重への対策について何ら開示していない。このため、特許文献１では、翼根部のうちリブを追加した部分と追加しない部分との翼長方向の境界で上記リブを含めた翼根部の肉厚が急激に異なることとなり、荷重が作用した際に応力集中が起きやすいという問題があった。
本発明の少なくとも幾つかの実施形態は、風車翼の翼根部におけるフラップ方向の荷重に対して応力集中を抑制しつつ風車翼を補強することを目的とする。
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る風車翼は、
翼根部から翼先端部に向かって延在する翼本体と、
前記翼本体の前記翼根部の外表面の少なくとも一部を覆うように形成されたＦＲＰ補強層と、を備え、
前記ＦＲＰ補強層は、
積層された複数の繊維層と、
前記複数の繊維層に含浸された樹脂と、
を含み、
前記ＦＲＰ補強層は、前記翼本体の長手方向に沿った断面において、積層された前記複数の繊維層の前記長手方向における両端部がテーパ形状をなす。
上記（１）の構成によれば、樹脂が含侵した複数の繊維層を含むＦＲＰ補強層により、翼本体の翼根部の外表面の少なくとも一部を覆って補強することができる。上記ＦＲＰ補強層は、翼本体の長手方向に沿った断面において、積層された複数の繊維層の長手方向における両端部がテーパ形状をなすから、該ＦＲＰ補強層を含めた風車翼の翼根部の肉厚が該風車翼の長手方向において急激に変化することがない。したがって、風車翼の翼根部におけるフラップ方向の荷重に対して応力集中を適切に抑制しつつ風車翼を補強することができる。
（２）いくつかの実施形態では、上記（１）に記載の構成において、
積層された前記複数の繊維層の前記両端部のうち翼先端側端部の第１テーパ形状が、積層された前記複数の繊維層の前記両端部のうち翼根側端部の第２テーパ形状よりも緩やかである。
上記（２）の構成によれば、積層された複数の繊維層の両端部のうち、設置面積に余裕のある翼先端側端部の第１テーパ形状については、上記両端部のうち翼根側端部の第２テーパ形状よりも傾斜を十分に緩やかに形成することができる。したがって、長手方向における翼根部の肉厚の変化を十分に緩やかなものとできるため、フラップ方向の荷重に対する応力集中を好適に抑制しながら風車翼を補強することができる。
（３）いくつかの実施形態では、上記（１）又は（２）に記載の構成において、
積層された前記複数の繊維層の前記両端部のうち前記翼先端側端部の前記第１テーパ形状は、前記長手方向に対して５％以下の勾配の傾斜面を有する。
上記（３）の構成によれば、繊維層における翼先端側端部の傾斜面の勾配を風車翼の長手方向に対して５％以下の十分に緩やかなものとすることができる。これにより、長手方向における翼根部の肉厚の変化を十分に緩やかなものとできるため、フラップ方向の荷重に対する応力集中を適切に抑制しながら風車翼を補強することができる。
（４）いくつかの実施形態では、上記（１）乃至（３）の何れか１つに記載の構成において、
前記ＦＲＰ補強層は、前記翼根部の断面において、積層された前記複数の繊維層の前記翼根部の周方向における両端部がテーパ形状をなす。
上記（４）の構成によれば、ＦＲＰ補強層は、翼根部の周方向における両端部が断面視にてテーパ形状をなすから、周方向における翼根部の肉厚の変化を十分に緩やかなものとして応力集中を抑制しつつ風車翼を補強することができる。
（５）いくつかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れか１つに記載の構成において、
前記ＦＲＰ補強層は、前記翼根部の前記外表面と前記複数の繊維層との間に位置し、多方向繊維層により形成される中間層を含む。
上記（５）の構成によれば、翼根部の外表面と複数の繊維層との間に多方向繊維層により形成される中間層を配置することにより、風車翼の外表面に対する繊維層の接着性を向上させることができる。ここで、多方向繊維層とは、単一方向に繊維が並ぶ一方向繊維層とは異なり、繊維が複数方向に並んでいる層をいう。
（６）いくつかの実施形態では、上記（５）に記載の構成において、
前記中間層は、ＤＢＭ又はチョップドストランドマットである。
上記（６）の構成によれば、ＤＢＭ又はチョップドストランドマットにより風車翼の外表面に対する繊維層の接着性を容易に向上させることができる。
（７）いくつかの実施形態では、上記（１）乃至（６）の何れか１つに記載の構成において、
前記繊維層の積層数は、１０層以上１００層以下である。
上記（７）の構成によれば、風車翼の翼根部近傍における応力の分布に応じて、必要な厚さに繊維層を形成して風車翼を補強することができる。
（８）いくつかの実施形態では、上記（１）乃至（７）の何れか１つに記載の構成において、
前記樹脂は、ポリエステル樹脂又はエポキシ樹脂である。
上記（８）の構成によれば、ポリエステル樹脂又はエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を繊維層に含侵して硬化させることにより、ＦＲＰ補強層を形成することができる。
例えば、ポリエステル樹脂を繊維層に含侵させて硬化させた場合は自己発熱で硬化するので外部からの加熱作業が不要であり、容易且つ安価にＦＲＰ補強層を形成することができる。また、エポキシ樹脂を繊維層に含侵させて硬化させた場合は翼根部の外表面との接着性に優れたＦＲＰ補強層を形成することができる。
（９）いくつかの実施形態では、上記（１）乃至（８）の何れか１つに記載の構成において、
前記翼本体は、
背側の半割れセクションと、
前記背側の半割れセクションに接合される腹側の半割れセクションと、
を含み、
前記ＦＲＰ補強層は、前記翼根部の周方向において、前記背側または前記腹側の少なくとも一方の前記半割れセクションが前記翼根部の断面にてなす円弧の中央の角度位置をθ０としたとき、θ０−５０度≦θ≦θ０＋５０度の角度範囲内に形成される。
上記（９）の構成によれば、翼根部において曲げ応力によるフラップ方向への負荷が大きな部分を適切に補強することができる。
（１０）いくつかの実施形態では、上記（１）乃至（９）の何れか１つに記載の構成において、
前記翼本体は、前記風車翼をハブに取り付けるためのボルト穴を前記翼根部に有し、
前記ＦＲＰ補強層は、前記長手方向において、前記ボルト穴の延在範囲よりも翼先端側に設けられる。
上記（１０）の構成によれば、風車翼をハブに取り付けるためのボルト穴の延在範囲よりも翼先端側にＦＲＰ補強層が設けられる。つまり、ＦＲＰ補強層は、風車翼をハブに取り付けるためのボルト穴を塞ぐことがない。したがって、ボルト穴を介した風車翼のハブへの取り付け機能及び取り付け作業を阻害せずに風車翼を補強することができる。
（１１）本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る風力発電設備は、
上記（１）乃至（１０）の何れか一つに記載の風車翼を備える。
上記（１１）の構成によれば、翼本体の長手方向に沿った断面において、積層された複数の繊維層の長手方向における両端部がテーパ形状をなすＦＲＰ補強層を備えることにより、風車翼の翼根部におけるフラップ方向の荷重に対して応力集中を抑制しつつ適切に補強された風車翼を備えた風力発電設備を得ることができる。
（１２）本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る風車翼の補強方法は、
風車翼の翼根部の外表面の少なくとも一部を覆うように前記外表面上に繊維層を積層するステップと、
積層された前記繊維層に樹脂を含浸させて硬化し、前記翼根部の前記外表面上にＦＲＰ補強層を形成するステップと、
を備え、
前記風車翼の長手方向に沿った断面において、積層された前記繊維層の前記長手方向における両端部がテーパ形状をなすように前記繊維層を積層する。
上記（１２）の方法によれば、上記（１）で述べたように、ＦＲＰ補強層は、翼本体の長手方向に沿った断面において、積層された複数の繊維層の長手方向における両端部がテーパ形状をなすから、該ＦＲＰ補強層を含めた風車翼の翼根部の肉厚が該風車翼の長手方向において急激に変化することがない。したがって、風車翼の翼根部におけるフラップ方向の荷重に対して応力集中を適切に抑制しつつ風車翼を補強することができる。
（１３）いくつかの実施形態では、上記（１２）に記載の方法において、
積層された前記繊維層の前記両端部のうち翼先端側端部の第１テーパ形状が、積層された前記繊維層の前記両端部のうち翼根側端部の第２テーパ形状よりも緩やかとなるように、前記繊維層を積層する。
上記（１３）の方法によれば、上記（２）で述べたように、積層された複数の繊維層の両端部のうち、設置面積に余裕のある翼先端側端部の第１テーパ形状については、上記両端部のうち翼根側端部の第２テーパ形状よりも傾斜を十分に緩やかに形成することができる。したがって、長手方向における翼根部の肉厚の変化を十分に緩やかなものとできるため、フラップ方向の荷重に対する応力集中を好適に抑制しながら風車翼を補強することができる。
（１４）幾つかの実施形態では、上記（１２）又は（１３）に記載の方法において、
前記翼根部の前記外表面のうち、少なくとも前記ＦＲＰ補強層の施工エリアを粗化するステップと、
前記翼根部の前記外表面のうち、粗化された前記施工エリアに中間層を形成するステップと、を備え、
前記繊維層は、前記中間層の上に積層される。
上記（１４）の方法によれば、翼根部の外表面に繊維層を直接的に積層するのではなく、翼根部の外表面のうち、少なくともＦＲＰ補強層の施工エリアを粗化するとともに、粗化された施工エリアに中間層を形成し、該中間層上に繊維層を積層することができる。したがって、中間層として、例えば、風車翼の外表面や繊維層に対する接着性の高い材料を用いることにより、風車翼の外表面に対する繊維層の接着性を向上させることができる。これにより、風車翼に対してＦＲＰ補強層をより一体的に形成することができるため、風車翼をより強固に補強することができる。
（１５）幾つかの実施形態では、上記（１２）乃至（１４）の何れか一つに記載の方法において、
前記ＦＲＰ補強層を形成するステップでは、
積層された前記繊維層をバッグで覆い、
前記翼根部の前記外表面と前記バッグとにより囲まれる空間を減圧し、
前記空間内に樹脂を注入して、前記繊維層に前記樹脂を含浸させる。
上記（１５）の方法によれば、翼根部の外表面に積層された繊維層がバッグで覆われ、翼根部の外表面とバッグとで囲まれた空間が減圧され、減圧された空間内に樹脂が注入される。したがって、繊維層の隅々まで樹脂を含侵させることができるため、ボイドが少なく、強度に優れたＦＲＰ補強層を得ることができる。
本発明の少なくとも一実施形態によれば、風車翼の翼根部におけるフラップ方向の荷重に対して応力集中を抑制しつつ風車翼を補強することができる。
一実施形態に係る風力発電設備を示す概略図である。 一実施形態に係る風車翼の全体を示す斜視図である。 一実施形態に係る風車翼の補強部分（ＦＲＰ補強層）を示す斜視図である。 一実施形態に風車翼の補強部分を示す図であり、翼根部の周方向におけるＦＲＰ補強層の両端部の形状及び施工エリアを示す模式図である。 風車翼の形状を説明する図であり、図２のＶ−Ｖ矢視を示す概略図である。 一実施形態に係る風車翼の補強部分であり、風車翼の長手方向における補強部分の両端部の形状を説明する図である。 一実施形態におけるＦＲＰ補強層の構成を示す図である。 一実施形態に係る風車翼の補強方法を示すフローチャートである。 一実施形態に係る風車翼の補強方法を示すフローチャートである。 一実施形態に係る風車翼の補強方法を示すフローチャートである。 一実施形態に係る風車翼の補強方法を示す図であり、翼表面の施工エリアを粗化する工程を示す模式図である。 一実施形態に係る風車翼の補強方法を示す図であり、粗化された施工エリアに中間層を形成する工程を示す模式図である。 一実施形態に係る風車翼の補強方法を示す図であり、中間層の上に繊維層を形成する工程を示す模式図である。 一実施形態に係る風車翼の補強方法を示す図であり、積層された繊維層をバッグで覆う工程を示す模式図である。 一実施形態に係る風車翼の補強方法を示す図であり、翼根部の外表面とバッグとで囲まれる空間を減圧する工程を示す模式図である。 一実施形態に係る風車翼の補強方法を示す図であり、繊維層に樹脂を含侵する工程を示す模式図である。 一実施形態に係る風車翼の補強方法を示す図であり、樹脂を硬化させて翼根部の外表面にＦＲＰ補強層が形成された状態を示す模式図である。
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
図１は、一実施形態に係る風力発電設備を示す概略図であり、図２は、一実施形態に係る風車翼の全体を示す斜視図であり、図３は、一実施形態に係る風車翼の補強部分（ＦＲＰ補強層）を示す斜視図である。
図１に示すように、本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る風力発電設備（以下、風車１００とする）は、複数（図１に示す例では３枚）の風車翼１及び該風車翼１が取り付けられるハブ１０２で構成されるロータ１０１と、ロータ１０１を図示しない主軸及び主軸受を介して回転自在に支持するナセル１０３と、ナセル１０３を水平旋回可能に支持するタワー１０４と、タワー１０４が設置されるベース１０５と、備える。なお、風車翼１は、３枚より多くてもよいし少なくても良い。
図２に示すように、幾つかの実施形態において、風車翼１は、翼根部３から翼先端部４に向かって延在する翼本体２と、翼本体２における翼根部３の外表面３Ａの少なくとも一部を覆うように形成されたＦＲＰ補強層２０と、を備える。以下、翼本体２について説明した後、ＦＲＰ補強層２０について詳述する。
翼本体２は、風車１００のハブ１０２に取り付けられる翼根部３と、ハブ１０２から最も遠くに位置する翼先端部４と、翼根部３及び翼先端部４の間で翼長方向に延在する翼型部５と、を含む。また、翼本体２は、翼根部３から翼先端部４にかけて、前縁６と後縁７とを有する。また、翼本体２の外形は、背面１１（負圧面）と、背面１１に対向する腹面１３（正圧面）とによって形成される。
なお、本明細書において、「翼長方向」とは、翼根部３と翼先端部４とを結ぶ方向であり、「コード方向（翼コード方向）」とは、翼本体２の前縁６と後縁７とを結ぶ線（コード）に沿った方向である。また、「翼根部」とは、風車翼１において断面が概ね円形となる円筒状の部分であり、風車翼１の翼本体２における翼根側の端面を基準として例えば５ｍの翼長方向範囲（典型的には、前記端面から１〜３ｍの範囲）である。
幾つかの実施形態において、翼本体２は、例えば、図２及び図３に示すように、前縁６と後縁７とを結ぶ線を境にして、上記の背面１１側（背側）を構成する半割れの第１セクション１０（背側の半割れセクション）と、腹面１３側（腹側）を構成する半割れの第２セクション１２（腹側の半割れセクション）とを含む。すなわち、幾つかの実施形態において、翼本体２は、背側の半割れセクション（第１セクション１０）と、この背側の半割れセクションに接合される腹側の半割れセクション（第２セクション１２）と、を含んでもよい。第１セクション１０及び第２セクション１２は、それぞれ前縁６及び後縁７をなす端部において互いが一体に接合されて翼本体２の外形を構成してもよい。幾つかの実施形態において、第１セクション１０及び第２セクション１２は、各々が向き合う内側の面が翼長方向に亘って少なくとも１本の不図示のシアウェブにより連結されてもよい。
いくつかの実施形態において、翼本体２は、風車翼１をハブ１０２に取り付けるためのボルト穴１５を翼根部３に有していてもよい。すなわち、図３に示すように、翼根部３には、風車翼１をハブ１０２に取り付けるためのボルト（Ｔボルト）締結用の複数のボルト穴１５が、該翼根部３の周方向に亘って等間隔に設けられる。ボルト穴１５は、図示しないボルトの長さに応じて翼根部３のハブ側端面から所定距離離れた位置に穿設される。
幾つかの実施形態では、風車翼１の長手方向（翼長方向）において、ボルト穴１５の延在範囲よりも翼先端側にＦＲＰ補強層２０が設けられてもよい。このようにすれば、風車翼１をハブ１０２に取り付けるためのボルト穴１５をＦＲＰ補強層２０が塞ぐことがない。したがって、ボルト穴１５を介した風車翼１のハブ１０２への取り付け機能及び取り付け作業を阻害せずに風車翼１を補強することが可能となる。
続いて、ＦＲＰ補強層２０について説明する。
幾つかの実施形態において、ＦＲＰ補強層２０は、積層された複数の繊維層２４と、複数の繊維層２４に含浸された樹脂２６（図１１Ｆ及び図１１Ｇ参照）と、を含んで構成される。
各々の繊維層２４は、例えば、炭素繊維又はガラス繊維等を含む複合材料（ＣＦＲＰ又はＧＦＲＰ等のＦＲＰ）の繊維が単一方向に向けて揃って配置された、所謂ＵＤ（ｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）層により構成されてもよい。この場合、ＦＲＰ補強層２０は、ＵＤ層の繊維方向が翼長方向に沿うように繊維層２４が配向されていてもよい。
繊維層２４の積層数は特に限定されないが、例えば、いくつかの実施形態では、繊維層２４の積層数を１０層以上１００層以下としてもよい。また、幾つかの実施形態では、風車翼１の翼根部３近傍における応力の分布に応じて、必要な強度に補強可能な厚さとなるように繊維層２４を積層してもよい。このようにすれば、風車翼１の翼根部３近傍における応力の分布に応じて風車翼１を適切に補強することができる。
図４は、一実施形態に係る風車翼の補強部分を示す図であり、翼根部の周方向におけるＦＲＰ補強層の両端部の形状及び施工エリアを示す模式図である。
図３及び図４に示すように、いくつかの実施形態において、ＦＲＰ補強層２０は、例えば、翼根部３の断面において、積層された複数の繊維層２４の翼根部３の周方向における両端部がテーパ形状をなしていてもよい。このようにすれば、翼根部３の周方向における該翼根部３の肉厚の変化を十分に緩やかなものとして応力集中を抑制しつつ風車翼１を補強することが可能となる。幾つかの実施形態において、翼根部３の周方向におけるＦＲＰ補強層２０の両端部のテーパ形状は、同じ勾配を有していてもよい。他の実施形態において、翼根部３の周方向におけるＦＲＰ補強層２０の両端部のテーパ形状は、それぞれ異なる勾配を有していてもよい。
幾つかの実施形態において、ＦＲＰ補強層２０は、例えば、図４に示すように、翼根部３の周方向において、上記第１セクション１０（背側の半割れセクション）又は第２セクション１２（腹側の半割れセクション）の少なくとも一方が翼根部３の断面にてなす円弧の中央の角度位置をθ０としたとき、θ０−５０度≦θ≦θ０＋５０度の角度範囲内に形成されてもよい。このようにすれば、翼根部３において曲げ応力によるフラップ方向への負荷が大きな部分を適切に補強することができる。
ここで、図５を参照し、風車翼１に作用するフラップ方向の荷重について説明する。図５は、風車翼の形状を説明する図であって図２のＶ−Ｖ矢視を示す概略図である。
図５に示すように、風車翼１は、翼根部３が断面形状略円形の円筒形状を有し、この翼根部３から翼先端部４にかけて、断面形状が翼型の翼型部５（図５中の破線参照）となっている。また、図５において、前縁６と後縁７とを結ぶコード方向にほぼ直交する、翼本体２の背側と腹側とを結ぶ方向がフラップ方向である。そして、強風時には、翼根部３のうち、該翼根部３のフラップ方向の両端となる背側の端部３２Ａと、腹側の端部３２Ｂとに大きな荷重が作用する。このため、風車翼１の翼根部３の背側又は腹側を補強することで風車翼１に対する大きな補強効果が得られ、特に、風車翼１の長手方向となる翼長方向に対して、疲労強度を増すための補強を追加的に行う意義が大きい。
図６は、一実施形態に係る風車翼の補強部分であって風車翼の長手方向における補強部分の両端部の形状を説明する図であり、図７は、一実施形態におけるＦＲＰ補強層の構成を示す図である。
幾つかの実施形態において、ＦＲＰ補強層２０は、例えば、図３、図６及び図７に示すように、翼本体２の長手方向に沿った断面において、積層された複数の繊維層２４の長手方向における両端部がテーパ形状をなしていてもよい。このようにすれば、樹脂２６が含侵した複数の繊維層２４を含むＦＲＰ補強層２０により、翼本体２の翼根部３の外表面３Ａの少なくとも一部を覆って補強することができる。上記ＦＲＰ補強層２０は、翼本体２の長手方向に沿った断面において、積層された複数の繊維層２４の長手方向における両端部がテーパ形状をなすので、該ＦＲＰ補強層２０を含めた風車翼１の翼根部３の肉厚が該風車翼１の長手方向において急激に変化することがない。したがって、風車翼１の翼根部３におけるフラップ方向の荷重に対して応力集中を適切に抑制しつつ風車翼を補強することができる。
また、図３及び図６に示すように、翼本体２の翼根部３は中空のシェル構造を有し、必要な強度に応じて翼本体２の肉厚自体が変化する部分が存在する。このため、例えば、図６に示すように、翼本体２の厚さが変化する部分の外表面３ＡにＦＲＰ補強層２０を設けることで、翼根部３を適切に補強することができるのである。
いくつかの実施形態では、例えば、図３、図６及び図７に示すように、積層された複数の繊維層２４の両端部のうち翼先端側端部の第１テーパ形状（第１傾斜部２８の傾斜角）が、積層された複数の繊維層２４の両端部のうち翼根側端部の第２テーパ形状（第２傾斜部２９の傾斜角）より緩やかであってもよい。
具体的に、ＦＲＰ補強層２０は、例えば、図６に示すように、翼長方向におけるＦＲＰ補強層２０の翼根部３側の端部、すなわち、ＦＲＰ補強層２０の最下層の翼根部３側の端部から、ＦＲＰ補強層２０の最上層をなす繊維層２４の最上層における翼根部３側の端部までの翼長方向に沿う距離をＤ１とし、ＦＲＰ補強層２０の最下層の翼先端部４側の端部から、ＦＲＰ補強層２０の最上層をなす繊維層２４の最上層における翼先端部４側の端部までの翼長方向に沿う距離をＤ２とし、翼本体２の外表面３ＡからＦＲＰ補強層２０の最上層の上面までの高さをＨとしたとき、次式（１）の関係を満たすように構成してもよい。
［数１］
Ｈ／Ｄ２＜Ｈ／Ｄ１ ・・・（１）
上記のように構成すれば、積層された複数の繊維層２４の両端部のうち、設置面積に余裕のある翼先端側端部の第１傾斜部２８については、上記両端部のうち翼根側端部の第２傾斜部２９よりも傾斜を十分に緩やかに形成することができる。したがって、長手方向における翼根部３の肉厚の変化を十分に緩やかなものとすることができる。これにより、フラップ方向の荷重に対する応力集中を好適に抑制しながら風車翼１を補強することができる。
いくつかの実施形態では、積層された複数の繊維層２４の両端部のうち翼先端側端部の第１傾斜部２８が、長手方向に対して５％以下の勾配の傾斜面を有していてもよい。つまり、第１傾斜部２８は、上述した距離Ｄ２及び高さＨを用いて、次式（２）の関係を満たすように形成されてもよい。
［数２］
Ｈ／Ｄ２≦０．０５ ・・・（２）
上記のように構成すれば、繊維層２４における翼先端側端部の傾斜面の勾配を風車翼１の長手方向に対して５％以下の十分に緩やかなものとすることができる。これにより、翼長方向における翼根部３の肉厚の変化を十分に緩やかなものとできるため、フラップ方向の荷重に対する応力集中を適切に抑制しながら風車翼１を補強することができる。
いくつかの実施形態では、積層された複数の繊維層２４の両端部のうち翼根部３側端部の第２傾斜部２９が、長手方向に対して１０％以下の勾配の傾斜面を有していてもよい。つまり、第２傾斜部２９は、上述した距離Ｄ１及び高さＨを用いて、次式（３）の関係を満たすように形成されてもよい。
［数３］
Ｈ／Ｄ１≦０．１ ・・・（３）
上記のように構成すれば、翼根部３側端部の第２傾斜部２９についても、翼長方向における翼根部３の肉厚の変化を十分に緩やかなものとできるため、フラップ方向の荷重に対する応力集中を適切に抑制しながら風車翼１を補強することができる。
いくつかの実施形態において、ＦＲＰ補強層２０は、翼根部３の外表面３Ａと複数の繊維層２４との間に、多方向繊維層により形成される中間層２２を含んでもよい（例えば、図１１Ｃ及び図１１Ｇ参照）。ここで、多方向繊維層とは、繊維が異なる方向に絡み合わされてなる層をいう。このように構成すれば、風車翼１の外表面３Ａに対する繊維層２４の接着性を向上させることができる。
いくつかの実施形態では、中間層２２として、例えば、ダブルバイアスマット（ｄｏｕｂｌｅ ｂｉａｓ ｍａｔ：ＤＢＭ）材を用いてもよい。ダブルバイアスマット材は、異なる２方向（例えば、±４５°）に向けてそれぞれ配列された繊維を組み合わせてなるマット材である。また、いくつかの実施形態では、中間層２２としては、例えば、チョップドストランドマットを用いてもよい。チョップドストランドマットは、より糸（ストランド）が切断して得られる繊維片（例えば、５ｍｍ〜２００ｍｍの長さの繊維片）を無方向に均一に分散させ、結合剤（例えば、ポリエステルバインダー等）を用いてシート状（不織布）に成形したものである。このチョップドストランドマットは、基材強度に方向性がなく、含浸、脱泡、型なじみに優れるため、中間層２２として好適に使用できる。このように構成すれば、繊維が多方向に入り組むように構成されたダブルバイアスマット又はチョップドストランドマットにより、風車翼１の外表面３Ａに対する繊維層２４の接着性を容易に向上させることができる。
幾つかの実施形態では、樹脂２６としてポリエステル樹脂又はエポキシ樹脂を用いてもよい。このようにすれば、ポリエステル樹脂又はエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を繊維層２４に含侵して硬化させることにより、ＦＲＰ補強層２０を形成することができる。例えば、ポリエステル樹脂を繊維層２４に含侵させて硬化させた場合は自己発熱で硬化するので外部からの加熱作業が不要であり、容易且つ安価にＦＲＰ補強層２０を形成することができる。また、エポキシ樹脂を繊維層２４に含侵させて硬化させた場合は翼根部３の外表面３Ａとの接着性に優れたＦＲＰ補強層２０を形成することができる。
なお、風車翼１の翼根部３の外周側を補強することとした場合は、風車翼１をハブ１０２から一端取り外して陸上に下ろし、翼表面の広い範囲に対して複数の作業者で補強作業を行うことができるため、スペースの制約により少人数しか作業できない翼根部３の内周側を補強する場合に比べて、補強作業の作業性を向上させることができる。
続いて、図８〜図１０、および、図１１Ａ〜図１１Ｇを参照し、幾つかの実施形態に係る風車翼１の補強方法について説明する。図８〜図１０は、それぞれ一実施形態に係る風車翼の補強方法を示すフローチャートである。図１１Ａ〜図１１Ｇは、それぞれ一実施形態に係る風車翼の補強方法を示す模式図である。
図８に示すように、幾つかの実施形態において、風車翼１を補強する際、風車翼１の翼根部３の外表面３Ａの少なくとも一部を覆うように外表面３Ａ上に繊維層２４を積層し（ステップＳ１）、積層された繊維層２４に樹脂２６を含浸させて硬化し（ステップＳ２）、翼根部３の外表面３Ａ上にＦＲＰ補強層２０を形成してもよい（ステップＳ３）。上記積層するステップでは、繊維層２４として、上述したＵＤ層を積層させてもよい（図１１Ｃ参照）。また、上記樹脂２６を含侵させて硬化するステップでは、積層された繊維層２４の繊維間に十分に滲み込むように樹脂２６を含侵（図１１Ｆ参照）させた後に硬化させることが好ましい。また、上記ＦＲＰ補強層２０を形成するステップでは、翼根部３の外表面３Ａに形成されたＦＲＰ補強層２０（図１１Ｇ参照）の表面に、さらに表面仕上げの加工処理を施してもよい。
繊維層２４を積層するステップでは、風車翼１の長手方向に沿った断面において、積層された繊維層２４の長手方向における両端部がテーパ形状（第１テーパ形状及び第２テーパ形状）をなすように繊維層２４を積層してもよい。この方法によれば、ＦＲＰ補強層２０は、翼本体２の長手方向に沿った断面において、積層された複数の繊維層２４の長手方向における両端部がテーパ形状をなすため、該ＦＲＰ補強層２０を含めた風車翼１の翼根部３の肉厚が該風車翼１の長手方向において急激に変化することがない。したがって、風車翼１の翼根部３におけるフラップ方向の荷重に対して応力集中を適切に抑制しつつ風車翼１を補強することができる。
いくつかの実施形態では、積層された繊維層２４の両端部のうち翼先端側端部の第１傾斜部２８の傾斜角が、積層された繊維層２４の両端部のうち翼根側端部の第２傾斜部２９の傾斜角よりも緩やかとなるように、繊維層２４を積層してもよい。この方法によれば、積層された複数の繊維層２４の両端部のうち、設置面積に余裕のある翼先端側端部の第１傾斜部２８については、上記両端部のうち翼根側端部の第２傾斜部２９よりも傾斜を十分に緩やかに形成することができる。したがって、長手方向における翼根部３の肉厚の変化を十分に緩やかなものとできるため、フラップ方向の荷重に対する応力集中を好適に抑制しながら風車翼１を補強することができる。
図９に示すように、幾つかの実施形態では、翼根部３の外表面３Ａのうち、少なくともＦＲＰ補強層２０の施工エリア８を粗化し（ステップＳ１１）、翼根部３の外表面３Ａのうち、粗化された施工エリア８に中間層２２を形成し（ステップＳ１２）、中間層２２の上に繊維層２４を積層してもよい（ステップＳ１３）。上記粗化するステップでは、例えば、図１１Ａに示すように、翼根部３の外表面３Ａにサンディングを施すなどして該外表面３Ａのゲルコート層を除去し、翼根部３のＦＲＰ層（図７参照）を露出させてもよい。また、上記中間層２２を形成するステップでは、粗化された施工エリア８に上述した多方向繊維層を含むＤＢＭやチョップドストランドマットを張り付けてもよい（図１１Ｂ参照）。
この方法によれば、翼根部３の外表面３Ａに繊維層２４を直接的に積層するのではなく、翼根部３の外表面３Ａのうち、少なくともＦＲＰ補強層２０の施工エリア８を粗化するとともに、粗化された施工エリア８に中間層２２を形成し、該中間層２２上に繊維層２４を積層することができる。したがって、中間層２２として、例えば、風車翼１の外表面３Ａや繊維層２４に対する接着性の高い材料を用いることにより、風車翼１の外表面３Ａに対する繊維層２４の接着性を向上させることができる。これにより、風車翼１に対してＦＲＰ補強層２０をより一体的に形成することができるため、風車翼１をより強固に補強することができる。
図１０に示すように、幾つかの実施形態において、ＦＲＰ補強層２０を形成するステップでは、積層された繊維層２４をバッグ４０で覆い（ステップＳ３１）、翼根部３の外表面３Ａとバッグ４０とにより囲まれる空間を減圧し（ステップＳ３２）、減厚された空間内に樹脂２６を注入することで、繊維層２４に樹脂２６を含浸させてもよい（ステップＳ３３）。すなわち、上記方法として、例えば、真空含侵工法（ｖａｃｕｕｍ ａｓｓｉｓｔｅｄ ｒｅｓｉｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｍｏｌｄｉｎｇ：ＶａＲＴＭ）を用いてもよい。この真空含侵工法によれば、風車翼１の補強に際して、例えば、オートクレーブ（圧力釜）などの大掛かりな設備が不要であり、翼本体２と補強部（ＦＲＰ補強層２０）との一体成型が容易であり、さらには、有機溶剤の揮発が少ないため作業環境がよい。上記のバッグ４０で覆うステップでは、例えば、図１１Ｄに示すように、積層された繊維層２４を取り囲むようにして該繊維層２４をバッグ４０で覆い、バッグ４０の端と翼根部３の外表面３Ａとの間をシール４６で気密に封止する。また、上記の減圧するステップでは、例えば、図１１Ｅに示すように、バッグ４０と外表面３Ａとで囲まれた空間の一部に設けた吸引口４４を介してこの内部空間の空気をバッグ４０の外部に吸引（排気）する。そして、上記含侵させるステップでは、例えば、図１１Ｆに示すように、減圧されたバッグ４０内に、上記吸引口４４とは異なる位置に設けた注入口４２から樹脂２６を注入する。
上記の方法によれば、翼根部３の外表面３Ａに積層された繊維層２４がバッグ４０で覆われ、翼根部３の外表面３Ａとバッグ４０とで囲まれた空間が減圧され、減圧された空間内に樹脂２６が注入される。したがって、繊維層２４の隅々まで樹脂２６を含侵させることができるため、ボイドが少なく、強度に優れたＦＲＰ補強層２０を得ることができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
１ 風車翼
２ 翼本体
３ 翼根部
３Ａ 外表面
４ 翼先端
５ 翼型部
６ 前縁
７ 後縁
８ 施工エリア
１０ 第１セクション（背側の半割れセクション）
１１ 背面（負圧面）
１２ 第２セクション（腹側の半割れセクション）
１３ 腹面（正圧面）
１５ ボルト穴
２０ ＦＲＰ補強層
２２ 中間層
２４ 繊維層
２６ 樹脂
２８ 第１傾斜部（第１テーパ形状）
２９ 第２傾斜部（第２テーパ形状）
３２Ａ，３２Ｂ 端部
４０ バッグ
４２ 注入口
４４ 吸引口
４６ シール
１００ 風車（風力発電設備）
１０１ ロータ
１０２ ハブ
１０３ ナセル
１０４ タワー
１０５ ベース

Claims (14)

  1. 翼根部から翼先端部に向かって延在する翼本体と、
    前記翼本体の前記翼根部の外表面の少なくとも一部を覆うように形成されたＦＲＰ補強層と、を備える風車翼であって、
    前記翼本体は、前記風車翼をハブに取り付けるためのボルト穴を前記翼根部に有し、
    前記ＦＲＰ補強層は、前記翼本体の長手方向において、前記ボルト穴の延在範囲よりも翼先端側にのみ設けられ、
    前記ＦＲＰ補強層は、
    積層された複数の繊維層と、
    前記複数の繊維層に含浸された樹脂と、
    を含み、
    前記ＦＲＰ補強層は、前記長手方向に沿った断面において、積層された前記複数の繊維層の前記長手方向における両端部がテーパ形状をなす
    ことを特徴とする風車翼。
  2. 積層された前記複数の繊維層の前記両端部のうち翼先端側端部の第１テーパ形状が、積層された前記複数の繊維層の前記両端部のうち翼根側端部の第２テーパ形状よりも緩やかである
    ことを特徴とする請求項１に記載の風車翼。
  3. 積層された前記複数の繊維層の前記両端部のうち前記翼先端側端部の前記第１テーパ形状は、前記長手方向に対して５％以下の勾配の傾斜面を有する
    ことを特徴とする請求項２に記載の風車翼。
  4. 前記ＦＲＰ補強層は、前記翼根部の断面において、積層された前記複数の繊維層の前記翼根部の周方向における両端部がテーパ形状をなす
    ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の風車翼。
  5. 前記ＦＲＰ補強層は、前記翼根部の前記外表面と前記複数の繊維層との間に位置し、多方向繊維層により形成される中間層を含む
    ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の風車翼。
  6. 前記中間層は、ＤＢＭ又はチョップドストランドマットである
    ことを特徴とする請求項５に記載の風車翼。
  7. 前記繊維層の積層数は、１０層以上１００層以下である
    ことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の風車翼。
  8. 前記樹脂は、ポリエステル樹脂又はエポキシ樹脂である
    ことを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の風車翼。
  9. 前記翼本体は、
    背側の半割れセクションと、
    前記背側の半割れセクションに接合される腹側の半割れセクションと、
    を含み、
    前記ＦＲＰ補強層は、前記翼根部の周方向において、前記背側または前記腹側の少なくとも一方の前記半割れセクションが前記翼根部の断面にてなす円弧の中央の角度位置をθ０としたとき、θ０−５０度≦θ≦θ０＋５０度の角度範囲内に形成される
    ことを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の風車翼。
  10. 請求項１乃至９の何れか一項に記載の風車翼を備えた風力発電設備。
  11. 風車翼の翼根部の外表面の少なくとも一部を覆うように前記外表面上に繊維層を積層するステップと、
    積層された前記繊維層に樹脂を含浸させて硬化し、前記翼根部の前記外表面上にＦＲＰ補強層を形成するステップと、
    を備え、
    前記風車翼は、前記風車翼をハブに取り付けるためのボルト穴を前記翼根部に有し、
    前記風車翼の長手方向に沿った断面において、積層された前記繊維層の前記長手方向における両端部がテーパ形状をなすように前記繊維層を積層するとともに、
    前記ＦＲＰ補強層は、前記長手方向において、前記ボルト穴の延在範囲よりも翼先端側にのみ形成する
    ことを特徴とする風車翼の補強方法。
  12. 積層された前記繊維層の前記両端部のうち翼先端側端部の第１テーパ形状が、積層された前記繊維層の前記両端部のうち翼根側端部の第２テーパ形状よりも緩やかとなるように、前記繊維層を積層する
    ことを特徴とする請求項１１に記載の風車翼の補強方法。
  13. 前記翼根部の前記外表面のうち、少なくとも前記ＦＲＰ補強層の施工エリアを粗化するステップと、
    前記翼根部の前記外表面のうち、粗化された前記施工エリアに中間層を形成するステップと、を備え、
    前記繊維層は、前記中間層の上に積層される
    ことを特徴とする請求項１１又は１２に記載の風車翼の補強方法。
  14. 前記ＦＲＰ補強層を形成するステップでは、
    積層された前記繊維層をバッグで覆い、
    前記翼根部の前記外表面と前記バッグとにより囲まれる空間を減圧し、
    前記空間内に樹脂を注入して、前記繊維層に前記樹脂を含浸させる
    ことを特徴とする請求項１１乃至１３の何れか一項に記載の風車翼の補強方法。
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