JPS6353016B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は風力タービンブレードに係り、更に詳
細には風力タービンブレードのスパー（円材）の
為のマンドレル（心棒）であつて、単純で剛固で
軽量なフイラメントにて強化された不均一な壁厚
を有するマンドレルの製造に係る。

新たなエネルギ源の必要性が急迫している現状
にあつて一つの魅力的なエネルギ源は風力タービ
ンである。一般に風力タービンはロータブレード
と、ハブと、ピツチ変更機構と、ギヤボツクス
と、塔と、発電機と、電気的インタフエースとを
含んでおり、これらは全て大気中の風よりエネル
ギを抽出し且つそれを電気的エネルギ或いは他の
有用な形のエネルギに変換するよう構成されてい
る。

大型の風力タービン（100kw或いはそれ以上）
は非常に長い（通常少なくとも50フイート（15
ｍ）程度であるが、100フイート（30ｍ）或いは
それ以上であつてもよい）ロータブレードを含ん
でいることを特徴としており、従つてこれらのロ
ータブレードは設計負荷条件の下に於いては苛酷
な曲げ応力やねじり応力に曝される。ロータブレ
ードはスパー／シエル構造にて構成されスパーは
本願出願人と同一の譲受人に譲渡された米国特許
第4081220号に開示されている如く、マンドレル
上にフイラメントを巻付けることにより形成され
る。前述の米国特許に於いてはスパーマンドレル
の特徴が詳細には開示されていないが、通常スパ
ーマンドレルは溝形鋼である中央荷重担持構造体
よりなつており、この構造体上に、キー、ピンな
どにより所定の位置に保持される成形要素、縦
桁、シート金属表皮よりなりばらばらにして取外
し可能な一連のセクシヨンが担持される。マンド
レルの除去を容易にする為にスパーの根元端部か
ら先端部までテーパがついており又成形要素／縦
桁／表皮組立体は中央溝形鋼構造体の外面上に担
持されるので、マンドレルの先端部に於ける荷重
担持能力は非常に小さい。マンドレルの先端部の
厚さには限度があるので、重量の非常に僅かな部
分のみ（最大限その重量の約３％まで）が先端部
に於いて安定した状態にて担持されるよう、マン
ドレルはほぼ片持梁として支持される必要があ
る。かかる形式のマンドレル構造は非常に重く
（100フイート（30ｍ）のブレードスパーについて
は20t程度）、従つて巻付け中にマンドレルを支持
し且つ回転する機械の主軸台には実質的なオーバ
ハングモーメントが課せられ、これにより大きな
構造の軸受や基礎が必要となる。

かかる重量の問題の他に、上述の如く幾つかの
セクシヨンにて構成されたマンドレルは、そのマ
ンドレルが回転する際その構造体内に撓みを生ず
ることによりそれを構成するセクシヨン間の接合
部に於いて相対運動を生じる。かかる運動により
マンドレルのセクシヨンがひどく摩損し、又複合
材料が付着され且つ硬化される際にその複合材料
を損ねてしまう。

本発明の一つの目的は、従来技術の上述した如
き不具合を克服することであり、又風力タービン
ブレードスパーを製造する際に使用するのに適し
たマンドレル（製造が非常に簡単な剛固な片持梁
構造である）であつて、一体型であり重量に対す
る強度の比が大きくフイラメントにて強化された
複合材料よりなる中空のマンドレルを提供するこ
とである。

本発明は、ベース部より先端部まで徐々に直径
が減少し且つ互いに接合されたフイラメントにて
強化されたインナ層とアウタ層とよりなる中空の
片持梁構造を有し且つブレード製造機構内に回転
可能に装着し得るようその構造体の両端に取付け
手段が設けられた一体型の風力タービンロータブ
レードスパー製造用マンドレルを製造することに
関するものであり、本発明によるマンドレルはそ
の自重とその上で形成されるブレードの重量との
合計の10％までをその先端部に於いて担持可能で
あり、又ブレード製造中１％以下だけ撓むに充分
な程の可撓性を有している。一つの実施例に於い
ては、マンドレルの壁部には、加圧空気を通すこ
とによりその上で製造されるブレードスパーの取
外しが容易に行なわれるよう複数個の孔が設けら
れている。

本発明は更に、マンドレルを製造する方法にも
係り、本発明による方法は細長い半体を製造する
ことと、前記半体を接合してマンドレルのインナ
シエルを形成することと、前記インナシエルの外
面上にフイラメントにて強化されたエポキシ樹脂
を付着することによりマンドレルのアウタシエル
を形成することと、ブレードを製造する為のフイ
ラメント巻付け機械上に回転可能に装着し得るよ
うにすべく前記インナシエルと前記アウタシエル
の両端に取付け手段を固定することとを含んでい
る。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明をその好
ましい実施例について詳細に説明する。

第１図は夫々細長いテーパのついた半円筒形の
溝を構成する長手方向に二つに分割された半体で
ある一対のモールド１０，１２を示している。勿
論モールド１０，１２の内面は、そのモールド内
にて形成されるインナマンドレルシエル半体の所
要の外部寸法及び形状をなしている。第２図に図
示された一対のインナマンドレルシエル半体１
４，１６は、モールド１０，１２にフイラメント
にて強化されたマトリツクス材料のシートを重ね
合せることにより形成される。フイラメントにて
強化されたマトリツクス材料は種々の入手可能な
フイラメント材料とマトリツクスとの組合せより
選択されてよいが、スパーマンドレルの長手方向
軸線及びそれに垂直な方向に沿つてマンドレルが
強化されるよう、高弾性係数及び高強度を有する
Ｓガラス或いはＥガラスの如き織られた或いは裁
断されたガラス繊維がエポキシ樹脂内に分散され
たものであるのが好ましい。又Kevlar、ホウ素
或いは黒鉛の如き他のフイラメント材料も適して
いる。シエル半体１４，１６を構造的に支持する
為に、例えばスチロール樹脂の発泡材にて形成さ
れた複数個の軽量のリブ１８が図示の如く接合さ
れ、次いでこのシエル半体は第３図に図示されて
いる如きインナシエル２０を構成するよう互いに
組付けられ且つ接合される。アダプタ２２，２４
がシエル２０の根元端部と先端部とに夫々取付け
られ、これによりその後このシエルにフイラメン
トの巻付けを行う巻付け機械にシエル２０を装着
し得るよう構成される。

シエル２０は第４図に図示されている如く、主
軸台２６及び心押台２８の如き床に装着された機
構上にその長手方向軸線の周りに回転し得るよう
装着される。シエル２０に近接してそのシエルの
長手方向軸線に平行な方向に移動可能なフイラメ
ントアプリケータ３０が配置される。このアプリ
ケータ３０は図には示されていないが複数個のフ
イラメント供給源と、張力付与手段と、樹脂アプ
リケータと、巻付けヘツド手段とを含んでいるの
が好ましい。シエル２０が回転されると、アプリ
ケータ３０はブレードのベース部より先端部へ向
けて移動しこれにより螺線状の巻回を重ねること
により得られるフイラメント／樹脂層を与える。

かかる工程に於いて好ましいフイラメントはイ
ンナシエル２０に使用されるものと同一のフイラ
メント、即ちＳガラス或いはＥガラスの如き実質
的な弾性係数を有するガラス繊維フイラメント、
或いはホウ素、黒鉛、Kevlar等にて形成された
フイラメントである。夫々のフイラメントは樹脂
にて被覆され、インナマンドレルシエル２０を囲
繞する固体の外層が形成される。この場合巻付け
られるフイラメントはアプリケータ３０内にて予
め被覆され、被覆樹脂にて互いに結合された幾つ
かのフイラメントのロービングとして与えられる
のが好ましい。マンドレルにフイラメントを巻付
ける場合、フイラメントのその後の層は曲げ強度
及びねじり強度を最大限にすべくマンドレルの軸
線及び互いに他に対し或る選定された角度にて配
置される。例えばマンドレルの軸線に対し30゜の
角度に配向された後続の層は多くの場合最も良好
な層となる。フイラメントはインナシエルが必要
な強度を有するフイラメントの所要の数の層にて
完全に覆われるまで螺線状にインナシエル上に巻
付けられる。通常マンドレルは不均一な壁厚を有
しており、壁厚はベース部より先端部まで徐々に
薄くなつている。当業者には理解され得る如く、
このことはベース近傍に於いてフイラメントの層
を増大することにより或いは布或いは他の充填材
の層を挿入することにより、或いはテーパのつい
たロービングを使用することにより達成されて良
い。

第５図及び第６図に図示されている如く、シエ
ル２０に対するフイラメントの巻付けが完了する
と、鋼製のハブ／根元軸３４とインナ及びアウタ
リング３６，３８とよりなる端部取付け用組立体
３２が根元端部に固定され、これと同様或いは類
似の端部取付用組立体４０が先端部に取付けられ
る。組立体３２，４０の機能は巻付け機械との耐
久性のある接触界面を与えることである。

又第５図より解る如く、その後に巻付けられる
スパーよりマンドレルを分離する為に中空マンド
レル内に加圧空気を導入してその空気を孔より噴
出させるべく、マンドレルには複数個の孔４２が
設けられていてよい。

本発明による複合材料のスパーマンドレルは以
下の如き利点を有していることが理解されよう。

(a) 所要の構造に於いて使用し得る体積をより良
好に使用することができる。

(b) ラミネートを摩損したり弱化させたりする接
合部や硬点が存在しない。

(c) マンドレルの外面に構造材料を配置すること
により重量が低減され且つ剛性が増大されてお
り、その結果ブレードスパー及びシエルの巻付
け中に於けるマンドレルの撓みが最小限に抑え
られる。

(d) 巻付け機械に作用するオーバーハングモーメ
ントが最小限であることにより巻付け機械の大
きさやコストを低減することができる。

(e) 基礎的なマンドレルのコストが低い。

(f) 複製が容易である。

(g) マンドレルの分解や再組立が必要でなく処理
時間を低減することができる。

(h) マンドレルの寿命が長い。

以上の説明は当業者が本発明を実施し得るよう
主に例示の目的でなされたものであり、従つて特
許請求の範囲の記載範囲内にて本発明は特に上述
した態様とは別の態様にて実施されて良いもので
あることが理解されよう。例えば本発明は、製造
中に殆ど撓まず従つて先端部を支持する必要性の
小さい船舶のマスト、街燈用支柱等の如く風力タ
ービンスパー或いはブレードと同様の細長いテー
パの着いた構造体を製造するのに適しているもの
と考えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図はマンドレルのモールド半体を示す解図
的斜視図である。第２図はマンドレルのインナシ
エル半体を示す解図的斜視図である。第３図はイ
ンナシエル半体を組立てた状態を示す解図的斜視
図である。第４図はインナシエル上にアウタ層を
巻付ける状態を示す解図的斜視図である。第５図
は完成したマンドレル組立体の解図的斜視図であ
る。第６図は巻付け機械上に装着された場合に於
けるマンドレル組立体の根本端部を示す解図的拡
大部分断面図である。 １０，１２〜モールド、１４，１６〜インナシ
エル半体、１８〜リブ、２０〜インナシエル、２
２，２４〜アダプタ、２６〜主軸台、２８〜心押
台、３０〜フイラメントアプリケータ、３２〜端
部取付け用組立体、３４〜ハブ／根元軸、３６〜
インナリング、３８〜アウタリング、４０〜端部
取付け用組立体、４２〜孔。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 巻付け機械上にて大型の風力タービンブレー
   ドのスパーを製造するのに使用される中空片持梁
   型マンドレルに於いて、ベース端部と先端部とを
   有し且つ前記ベース端部より前記先端部まで直径
   が減少しているフイラメントにて強化された樹脂
   マトリツクスのインナ管状シエルと、該インナシ
   エルの外面に接合され且つ前記インナシエルと共
   に不均一な厚さのマンドレル壁を構成するフイラ
   メントにて強化された樹脂マトリツクスのアウタ
   シエルと、前記マンドレルを前記巻付け機械上に
   回転可能に装着し得るよう構成され前記ベース端
   部及び前記先端部に取付けられた取付け用手段と
   を含んでいることを特徴とする中空片持梁型マン
   ドレル。 ２ 巻付け機械上にて大型の風力タービンブレー
   ドのスパーを製造するのに使用される中空片持梁
   型マンドレルを製造する方法に於いて、 フイラメントにて強化された樹脂マトリツクス
   材料を重合せることにより、長さ方向に沿つて直
   径が徐々に減少する補形の中空円筒体の半体を形
   成することと、 中空のテーパのついた円筒形インナシエルを形
   成すべく前記円筒形半体を接合することと、 前記インナシエルに一体的に接合された円筒形
   のアウタシエルを形成し、これにより前記インナ
   シエルとアウタシエルとが前記マンドレルの壁部
   を構成し、前記壁部が不均一な厚さを有するよう
   前記インナシエルの外面にフイラメントにて強化
   された樹脂マトリツクス材料を付着することと、 前記巻付け機械上に回転可能に装着されるよう
   前記マンドレルの両端に取付け手段を固定するこ
   とと、 を含んでいることを特徴とする方法。