(57)【要約】  少なくともその軸方向の長さに沿って桁（12）によって支持された空力フェアリングを具備する風力タービン翼。該桁は、端同士が接触面（9）で接合された少なくとも2つの桁セグメント（12）を具備し、各桁セグメントは、両側に桁キャップ（4）を備えた剪断ウエブ（3）を含む。各桁キャップの外側面（6）が、該接触面へ向かって内側に薄くなっているため、該桁キャップの厚さが、該接触面へ向かって減少し、隣り合う桁キャップのテーパ面によって形成された該接触面の両側に凹部が形成されている。各接続ピース（8）は、各凹部に嵌まる大きさである。各接続ピース（8）は、各凹部に嵌まる大きさである。各接続ピース（8）は、隣り合う桁キャップのテーパ面に固定されて二重スカーフジョイントを形成する。【選択図】図４
2013533941.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともその軸方向の長さに沿って桁によって支持された空力フェアリングであって、該桁が、接触面で端同士が接合された少なくとも2つの桁セグメントを含み、前記各桁セグメントが、両側に桁キャップを有する剪断ウエブを含み；各桁キャップの外側面が、該接触面へ向かって薄くなっているため、該桁キャップの厚さが、該接触面へ向かって減少し、隣り合う桁キャップのテーパ面によって形成された該接触面の両側に凹部が形成されている、前記空力フェアリングと；各凹部に適合する大きさの各接続ピースであって、前記隣り合う桁キャップの前記テーパ面に固定されて二重スカーフジョイントを形成する、該接続ピースとを具備する、風力タービン翼。
【請求項２】
各剪断ウエブの端が、互いに支持するように軸方向に対し実質的に垂直である、請求項1記載の翼。
【請求項３】
前記剪断ウエブ間に二重スカーフジョイントが存在しない、請求項1又は2記載の翼。
【請求項４】
前記接続ピースが、前記隣り合う桁キャップの前記テーパ面に接着されている、請求項1〜3の何れか一項記載の翼。
【請求項５】
前記接続ピースが、事前に硬化された構成要素である、請求項4記載の翼。
【請求項６】
前記接続ピースが、複数の積層体から現場で形成される、請求項1〜4の何れか一項記載の翼。
【請求項７】
前記隣り合う桁セグメントの前記剪断ウエブが、互いに接続されている、請求項1〜6の何れか一項記載の翼。
【請求項８】
前記隣り合う桁セグメントの前記剪断ウエブが、接着剤で互いに接着されている、請求項7記載の翼。
【請求項９】
前記剪断ウエブを受容して、前記せん断ウエブを互いに相対的に位置合わせする支持部材を更に具備する、請求項1〜8何れか一項記載の翼。
【請求項１０】
隣り合う桁セグメントが、前記支持部材に塗布された接着剤で接着されている、請求項6又は7記載の翼。
【請求項１１】
請求項1〜8何れか一項記載の翼の製造方法であって、
前記隣り合うセグメントの桁キャップを、それらのテーパ面を一番上にして、Ｕ字形溝形要素に挿入するステップと；前記接続ピースを、前記隣り合う桁キャップの前記テーパ面に嵌めるステップと、を含む、前記方法。
【請求項１２】
続いて、追加の接続ピースを用いて、請求項9記載の方法により形成されたサブアセンブリに追加の桁キャップを接合するステップを更に含む、請求項11記載の方法。
【請求項１３】
請求項10記載のステップを繰り返して第2桁キャップを形成し、該2つの桁キャップを少なくとも1つの剪断ウエブと接合して第1桁ビームを形成するステップを更に含む、請求項12記載の方法。
【請求項１４】
請求項11記載のステップを繰り返して第2桁ビームを形成し、前記第1及び第2ビームを側面同士で接合して桁を形成するステップを更に含む、請求項13記載の方法。
【請求項１５】
前記Ｕ字形溝形要素が、前記桁キャップを形成するために使用される溝形要素である、請求項11〜14記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力タービン翼に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力タービン翼は、より長翼化する事例が多くなっている。この結果、最近の開発では、各翼が多くのセクションの形で製作され、これらのセクションは端同士が接続され、完成品の翼が形成される。隣り合うセクション間のジョイントは、翼の動作にとって重要である。
【０００３】
そのような風力タービン翼は、一般に、長手方向に延在する桁により支持された空力フェアリングを具備する。先に参照したような多くのセグメントからなる翼においては、隣り合う桁セクション間のジョイントが重要である。このジョイントを介して大部分の負荷が伝えられるからである。
【０００４】
米国特許出願公開第2008/0069699号は、2つのセクションで製作した風力タービン翼を開示しており、それらのセクションは後から接合されている。ジョイントに隣接する領域では、該桁に、多くの歯状突起を備えた張出し部が設けてあり、該歯状突起は、隣接する桁セクション上の対応する歯状突起と噛合する。また、表面シェル構造体には、補強用板材も設けることが可能であり、該補強用板材には、相互噛合歯状突起と、様々な構成の中間接続手段とが同様に設けてある。
【０００５】
国際公開第2009/034291号は、隣り合う桁キャップ間のジョイントを開示しており、該桁キャップの幅は次第に細くなり、該ジョイントに接する。次に、該テーパ面が相互に結合され、かつ剪断ウエブの間に追加の支持体を設けて、該ジョイントを補強している。
【０００６】
隣り合う桁セクションを結合する別の例は、米国特許出願公開第2009/0162208に開示されている。この文書で開示されている桁セグメント間のジョイントを図1に示す。
【０００７】
この例は、第1桁セグメント1と、第2桁セグメント2とを具備する。各桁セグメントは、両側に桁キャップ4を備えた剪断ウエブ3からなる。該第1桁セグメント1では、該桁キャップの端の手前で、該剪断ウエブ3が止まっている。各桁キャップは、傾斜し内方へ向いた先で細くなった下側面を備えた、先で細くなった端部を有する。
【０００８】
該第2桁セグメント2については、該剪断ウエブ及び該桁キャップは、端部が同じである。この場合、該桁キャップの外側面は、内向きに細くなっており、該第1桁キャップ1の各テーパ面5に対し相補関係になるテーパ面6を与える。次に、該2つの桁キャップは、該隣り合うテーパ面5、6間で貼り合わされ、完成した桁となる。国際公開2009/034291と同様の幅ではなく、該桁キャップの深さを次第に減少させることにより、該結合領域が大幅に増大し、これによってジョイントの強度が増大する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、このデザインには欠点が幾つかある。第1に、図1から明らかになるだろうが、第1桁セグメント1では、該桁キャップが、剪断ウエブの縁部を越えて突出しており、かつ長尺で、この点で、該剪断ウエブ3によって支持されていない薄い構成要素になっており、桁キャップのこれらの部分は、数メートルにわたり延び得る。そのため、これらの構成要素は、輸送及び組立の際の損傷にかなり弱い。
【００１０】
第二に、前記2つの桁セクションがそれ自体、最大50メートル（しかし、より一般的には20〜30メートル）にわたって延びる長尺構成要素である。実際、傾斜面に接着剤を付けてから一方の面を他方に対し動かして正確に位置合わせを行い、ラミネートプロセスが完了して樹脂が硬化するまで所定の位置に保持するため、これら2つのセグメントを安定して支持することは困難である。
【００１１】
最後に、該傾斜面5、6が延びる方向は、該テーパの奥行きの無さを考慮すると、該2つの構成要素を合わせる方向に近いので、このことが、組立の際の該接着剤に関わる複数の問題を引き起こす可能性がある。特に、組立時、位置合わせに何らかの狂いがあると、とりわけ接着線における空洞部に達している第2桁セグメントの桁キャップ4の前縁で、該表面5、6から該接着剤が擦り取られる可能性があり、これによって、ジョイントの信頼性に関わる問題、及び最終的に該ジョイントの不良が引き起こされる。その後、空力フェアリングＦで該桁を囲み翼が完成する。
【００１２】
本発明は、そのようなジョイントの改良を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の第1態様によれば、風力タービン翼が提供され、該風力タービン翼は、少なくともその軸方向の長さに沿って桁によって支持された空力フェアリングであって、該桁が、接触面で端同士が接合した少なくとも2つの桁セグメントを含み、各桁セグメントが、両側に桁キャップを有する剪断ウエブを含み；各桁キャップの外側面は、該接触面へ向かって細くなっているため、該桁キャップの厚さが、該接触面へ向かって減少し、隣り合う桁キャップのテーパ面によって形成された該接触面の両側に凹部が形成されている、前記空力フェアリングと；各凹部に適合する大きさの接続ピースであって、該隣り合う桁キャップの該テーパ面に固定されて二重スカーフジョイント（ｄｏｕｂｌｅ  ｓｃａｒｆ  ｊｏｉｎｔ）を形成する、前記接続ピースと、を具備する。
【発明の効果】
【００１４】
従って、本発明は、従来技術によるジョイントを上回る幾つかの利点を提供する。
【００１５】
特に、どちらの桁セグメントも、輸送中に損傷を受け易い突出した桁キャップを有する。第二に、2つの桁セグメント又は2つの桁キャップは、接続ピースを嵌める前に、最終的な位置に互いに正確に位置合わせすることができる。これによって、組立プロセスが簡単になり、ジョイントの信頼性も得られる。該接続ピースは、取り扱い易い小さな構成要素である。該接続ピースは、テーパ面が延在する方向にほぼ垂直な方向における適切な位置に配置される。従って、これらの構成要素の僅かな位置のずれにより生じる隣り合うテーパ面間のあらゆる擦り取りが、ずっと起こり難くなる。たとえ、このような擦り取りが起きても、該表面の向きにより、起こり得る接触は、著しく小さい影響しか及ぼさない。これにより、接着の信頼性が大幅に増す。
【００１６】
類似のジョイント構造が、木製の固体ブロックの接合に関する国際公開第2009/077192号、及び造船に適用されている仏国特許公開第2710871号に開示されている。
【００１７】
欧州特許公開2186622号は、航空機翼用のジョイントを開示している。この欧州特許公開2186622号では、ビームセクションの全ての部品、即ちウエブ及びフランジにスプライスジョイントを使用している。この特許に説明されている技術は、航空機構造物のような高コストの用途のみに適する技術である。組立プロセスには、高度な真空バッグ装置及び関連の加熱冷却システムを必要とする複雑な組立プラントが必要である。そのようなプラントは、風力タービンを立てる地域に近い場所で翼セグメントを組み立てねばならない場合が多い風力タービン翼の製造には全く不向きである。たとえ、これらを工場環境内で組み立てるとしても、欧州特許公開第2186622号に示された組立プラントのコストは、風力タービン産業では簡単に正当化できるものではない。
【００１８】
好ましくは、各剪断ウエブの端部は、互いに支持し合うように、軸方向に対してほぼ垂直（桁キャップに対して平行に延びる軸面における断面で見て）である。また、好ましくは、該剪断ウエブ間に二重スカーフジョイントは存在しない。これによって、該接続ピースが桁キャップに対してのみ拘束され、ウエブが相互に支持し合う単純であるが強固な構造が得られる。
【００１９】
該接続ピースは、接着により所定の位置に固定することができる。この場合、該接続ピースは、単一ピースとして提供される。これは、好ましくは事前に硬化された部品である。上述の理由から、該接続ピースの取り扱い易さ及び移動方向により、該ジョイントにおいて接着剤が過度に支障をきたすことはない。
【００２０】
或いは、該接続ピースは、多くの積層体として現場で形成してもよい。この場合、積層された接続ピースは、良く管理された利用し易い場所で形成することができる。これによって、該表面を十分に準備することができ、かつ積層体の品質を向上させることができるため、接続の信頼性が大幅に高まる。
【００２１】
本発明によって提供される別の利点は、現地で組み立てる必要があるかどうかによって、異なる方法で組み立てることができるというその融通性である。というのも、たとえ桁を工場で組み立てられたとしても、完全な長さの桁を風力タービンの現場まで輸送することができないという輸送上の問題があるからである。現地で組み立てる場合は、それぞれの桁キャップ及び少なくとも1つの剪断ウエブを具備する別個の桁セグメントを組み立て、現地で組み立てるために現場に輸送する。次に、各セグメントは、端同士が接合される。
【００２２】
好ましくは、支持部材は、剪断ウエブを受容して、該剪断ウエブを互いに対して位置合わせする。この支持部材は、独立した構成要素でもよいが、片方又は両方の剪断ウエブの一部である一又は複数の突起の形態をとってもよい。支持部材が、独立した構成要素である場合、剪断ウエブは、間接的に該支持部材を介するが、互いを支持し続ける。
【００２３】
しかし、好ましくは、桁セグメントは、それらの剪断ウエブを介して互いに接続される。剪断ウエブ間のそのようなジョイントは、機械用ファスナ及び／又は接着剤（支持体を介して付着させることができる）の形態をとってもよいし、一時的及び／又は永続的でもよい。尚、桁キャップと接続ピースとの間が接着されるが、ジョイントは、先ず、互いに隣接する該2つのセグメントを保持するのに十分なものであることが求められることに留意されたい。このジョイントは、2つの桁セグメントにわたる剪断接続部も形成する。これにより、「現地」組立用のセグメントの位置合わせ及び接合の簡単な方法が得られる。
【００２４】
工場組立の場合には、異なる方法を取ることができる。この場合は、完全な長さの桁キャップを、1つまたは各剪断ウエブを取り付ける前に最初に組み立てる。この場合、本発明の第2態様によれば、好ましくは、本発明の第1態様による翼を製作する方法が提供され、この方法は、隣り合うセグメントの桁キャップを、それらのテーパ面を一番上にしてＵ字形溝形要素に挿入するステップと、接続ピースを、該隣り合う桁キャップの該テーパ面に嵌めるステップと、を含む。
【００２５】
必要に応じて追加の桁キャップを追加接続ピースと共に追加し、完全な長さの桁キャップを完成させることができる。
【００２６】
次に、同様に第2桁キャップを形成し、2つの桁キャップを少なくとも1つの剪断ウエブに接合して第1桁ビームを形成する。
【００２７】
次に、この第1桁ビームを、同じ方法で形成した第2桁ビームと側面同士で接合することができる。同様に三つ以上のビームを接合してもよい。
【００２８】
これは、極端に融通が利くが、なお比較的少数の構成部品及び組立ジグしか必要としない方法を提供する。桁キャップは、同じＵ字形溝形要素内で組み立てるために同じ外形及び大きさを有する。これは（必要に応じて）、桁キャップを最初に形成した溝形要素でよいため、必要な器具が更に削減される。しかし、該プロセスは、異なる高さのビームを形成するため、更には長さに沿って高さが変化するビームを形成するためにウエブの深さを変更することができるという点で融通性を維持している。また、に第1及び第2桁ビームを側面同士で接合するときに、これらのビームをずらすことによって、実際の「ねじれ」を該ビームに組み込むことができる。従って、構成部品の非常に少ないセット及び極めて簡単な器具から、複雑なビーム形状を作り出すことができる。
【００２９】
桁セグメントは、Iビーム、Cビーム、又は箱形ビームのような、両側に桁キャップを備えた剪断ウエブを有する任意のビームセクションとすることができる。本発明は、側面同士で接続される2つ又はそれ以上のビームセクションからなる桁セグメントにも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
ここで、風力タービン翼用の桁の例を添付の図面を参照して説明する。
【図１】図1は、従来技術による2つの桁キャップを通る断面図である。
【図２】図2は、組立前の本発明の2つの桁キャップセグメント及び接続ピースの上側部分を通る断面図である。
【図３】図3は、組立前の図2のジョイントの斜視図である。
【図４】図4は、構成要素が組み立てられたジョイント全体の断面図である。
【図５】図5は、組立前の第2ジョイントの斜視図である。
【図６】図6は、組立前の第3ジョイントの斜視図である。
【図７Ａ−７Ｂ】図7A及び7Bは、第4ジョイントを示す図2と同様の図であり、図7Aは、部分的に組み立てられた状態の該ジョイントを示す。
【図８Ａ−８Ｄ】図8A-図8Dは、桁用の第2組立プロセスの説明図である。
【図９】図9は、図8A-図8Dに示した完成した桁キャップの組立に使用されるジグを示す線図である。
【図９Ａ−９Ｃ】図9A-図9Cはそれぞれ、図9の線AA、BB、及びCCを通る断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
桁は、図1に示した第2桁セグメント2と基本的に同じ構造の2つの桁セグメント7を含む。各桁セグメントは、多軸材料で形成された剪断ウエブ3を有し、主に単軸材料で形成された桁キャップ4が両側に設けてあり、該桁キャップは、好ましくは、プルトルージョン成形物（ｐｕｌｌｔｒｕｓｉｏｎ）として形成されるが、プリプレグ材、積層体、又は当分野で周知のその他の予備成形物から構成することもでき、機械的性質が良好で費用効果のある桁キャップが得られる。
【００３２】
桁セクションの構成及び材料の更なる詳細は、自己の先願の国際公開第2009/034291号に開示されている。
【００３３】
図1に関連して上記説明したように、各桁キャップ4は、ジョイントに隣接する端部にテーパ面6を有する。
【００３４】
一対の接続ピース8は、隣り合う桁キャップ4の幅及び深さに対応する幅及び深さを有し、かつ桁キャップ6の傾斜面6に対応する傾斜面9を有しており、そのため、該接続ピース8は、使用中、図3に示すように隣接桁キャップ4と面一となる。
【００３５】
現場での該ジョイントの組立プロセスは以下の通りである。
【００３６】
最初のステップとして、桁セグメント7は、開口部10に通したジグによって支持し、剪断ウエブ3が接触面9で接触するように端同士を接合する。桁セグメント7は、支持体11によりこの位置で支持することができ、該支持体は、好ましくは多軸材料（図3）から形成され、2つの剪断ウエブ3を受容してこれらの剪断ウエブの位置を合わせる。この支持体11は、桁キャップ4間に正確に嵌合して、2つのセグメント7を垂直方向に位置合わせする。次に、これら2つのセグメントを接着するか、又は機械用ファスナを用いて固締し、該ジョイントが、一時的又は永続的なものとなる。これは、2つの大型構成要素の取り扱いを伴うが、この作業は、図1に関連して上述した接着工程とは対照的なはずである。今説明したこの接着工程は、単に該2つの部品を互いに位置合わせし、次いで主接着工程を行う。図1に関連して行われる工程は、該2つの構成要素間の主接着工程であった。図1の場合では、上述した理由から、これら2つの大型構成要素の取り扱いにおけるいかなる問題も、ジョイントの品質に直接影響を及ぼす。
【００３７】
該2つのセグメントが互いに対して位置合わせされたら、接続ピースを、桁の長手方向の寸法に対して垂直な方向に移動させて所定の位置に配置するときに、傾斜面6、9に接着剤を塗布することができる。
【００３８】
2つの大型構成要素を接着するのではなく、この工程では、単に、2つの小型接続ピース8を、下にある大きい方の構造体に結合すればよい。従って、該接続ピース8の取り扱いは、2つの桁セグメントを互いに接着しようとするよりも、はるかに簡単である。その結果、接続ピース7を、より安定して取り扱うことができる。更に良いことに、一方の表面の接着剤に支障をきたす可能性のある接続ピースの位置合わせのいかなるずれも、移動距離が長くてより大きな面積から接着剤が擦り取られる可能性がはるかに大きい2つの桁セグメントを互いに接着する場合に比べて、該接続ピース7自体がその接着位置まで極短い距離しか移動しないため、該接着剤を長い距離移動させることは無い。
【００３９】
第2ジョイントを図5に示している。第2ジョイントは、第1ジョイントとほとんどの点で同じであり、同じ参照番号を使用して同じ構成要素を示している。違いは、第2ジョイントが、第1ジョイントのＩビームではなく、箱形ビームに適用されている点である。従って、各桁セグメント7’は、各桁キャップの各側に1つずつ、一対の剪断ウエブ3'を具備する。このジョイントは、2つの支持体10が各剪断ウエブ3'ごとに1つ使用されている点を除いて、同じである。
【００４０】
第3ジョイントを図6に示す。該第3ジョイントは、単に、図5のジョイントを二重にしたものである。この図から、該ジョイントは、隣り合う剪断ウエブ間に支持体11を受容するための小さな間隙を有する、側面同士が接続されたビームに適用できることが分かるであろう。図6に示した2つのビームは、僅かに偏倚させてある。このように幾つかのビームを組み立てることによって、より複雑な形状の桁を形成することができる。
【００４１】
第4ジョイントを図7A及び7Bに示す。この場合、接続ピースは、「現場で」貼り合わせる。これは、例えば、湿式湿式ラミネート、樹脂注入、及びプリプレグのような、当分野で公知の何れかの複合材ラミネート技術（或いはそれらの技術の組合せ）を利用することで行うことができる。「ラミネートスタック」は、主方向が桁の軸に沿っている大部分が一方向性の繊維と、構造を安定化させ、且つ該ラミネートに役立つ僅かな割合（通常、約10〜20％）の多軸繊維とから構成される。該繊維は、ガラス、カーボン、アラミド、又は他の構造繊維でよく、該樹脂は、例えば、エポキシ、ビニルエステル、ポリエステル、又はポリウレタンでよい。当分野で公知であるように、該スタックは、2つの桁端部によって形成された凹部の中に各層12を配置慰することにより形成され、第1層上の短尺ラミネート（図7A）から始まり、該凹部寸法が大きくなるにつれて、後続の層の長さが長くなっていく。ラミネートスタック（樹脂を含む）が形成されたら、「現場で」該ラミネートを加熱して硬化させるが、これはまた、通常、低真空下で実行される。この方法は、従来の例では、あらゆるビーム型に適用することができる。
【００４２】
工場における桁の組立例を、図8及び9に示している。
【００４３】
ビームセクションを形成してから端同士を接合する従来の例とは異なり、ジョイントを工場で製作する場合、完全な長さの構成要素を最初から製作することができる。最初に、（図8Aに示すような）2つの桁キャップ4を図9に示すようにジグの中へ挿入する。図示したように、該ジグは、2つの端セクション21を具備する本体ジグ20であり、該端セクションでは、例えばＧクランプを使用して該桁キャップがクランプされる。この目的で、極めて簡単な真空バッグを使用してもよい。ジグ及び端セクション20、21は全て、図9A〜図９Cに見られるようにＵ字形断面を有する。該ジグ及び端セクション20、21の代わりに、当初は桁キャップを形成するのに使用されていた器具を使用して同じプロセスを実行してもよい。桁が1つ以上のセクションから形成される場合、これらのセクションを、図示したジグの隣に配置された追加のジグの中に同時に形成することができる。或いは、1つのセクションを図9に示すように形成してから、次のセクションを接合できるように、接合されたサブアセンブリを交差させることもできる。図8Bに示すように、所定の場所に配置されたら、上述の方法の1つを使用して接続ピース8を追加する。次に、ジョイントを50〜120℃の硬化温度で硬化させる（この温度範囲は、先に開示した全ての例の硬化に適している）。完全な長さの桁キャップが形成されるまで、追加の接続を行うことができる。このプロセスを繰り返して、第2桁キャップを形成する。次に、これらの2つの桁キャップを、図8Cに示すように、一対のウエブ3によって接合する。より複雑な形状の桁を形成にするためには、図8Ｄに示すように、2つのビームを側面同士で接合する。既に述べたように、該2つのビームは、ずらしてもよく、複雑なビームセクションを形成できるように異なる厚さにしてもよい。
【図１】
2013533941.tif 000003
【図２】
2013533941.tif 000004
【図３】
2013533941.tif 000005
【図４】
2013533941.tif 000006
【図５】
2013533941.tif 000007
【図６】
2013533941.tif 000008
【図７Ａ】
2013533941.tif 000009
【図７Ｂ】
2013533941.tif 000010
【図８Ａ】
2013533941.tif 000011
【図８Ｂ】
2013533941.tif 000012
【図８Ｃ】
2013533941.tif 000013
【図８Ｄ】
2013533941.tif 000014
【図９】
2013533941.tif 000015
【図９Ａ】
2013533941.tif 000016
【図９Ｂ】
2013533941.tif 000017
【図９Ｃ】
2013533941.tif 000018
【国際調査報告】
2013533941.tif 000019
2013533941.tif 000020
2013533941.tif 000021