(57)【要約】【課題】外殻を繊維強化樹脂製材料によって積層して繊維強化樹脂層を形成させてなる風車翼の繊維強化樹脂層の肉厚をより薄くすることで、軽量化と同時に高強度の特性を満たすことが可能な風車翼を提供する。【解決手段】風車翼は、外殻を繊維強化樹脂製材料によって積層して繊維強化樹脂層２０が形成され且つ、外殻内部に中空部が形成された構成となっている。前記繊維強化繊維層２０の少なくとも１層は、強化繊維を一方向に引き揃えた複数の繊維シート３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄを互いに異方向に積み重ねた積層体とし、前記積層体を厚さ方向に貫通して積層体の表面と裏面の間を往復する縫合糸２４で編んだ積層シート１０からなる積層シート層１０Ａによって構成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外殻を繊維強化樹脂製材料によって積層して繊維強化樹脂層を形成させてなる風車翼において、前記繊維強化樹脂層の少なくとも１層は、強化繊維を一方向に引き揃えた複数の繊維シートを互いに異方向に積み重ねた積層体とし、前記積層体を厚さ方向に縫合糸で編んだ積層シートからなる積層シート層によって構成されてことを特徴とする風車翼。
【請求項２】
前記繊維シートは、強化繊維を開繊処理した開繊糸を一方向に引き揃えた繊維シートであることを特徴とする請求項１に記載の風車翼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電装置等に用いられる風車翼に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、省エネルギーや自然環境保護等の観点から風のエネルギーを回転のエネルギーに変換する風力発電が燃料を全く必要としない発電方法として脚光を浴びている。
また、風力発電用の風車翼は、流線型の翼断面構造を有し、要求される性能としては回転体のために軽量性が重要であり、適用材質としては金属よりも比強度、比弾性率の高い繊維強化樹脂製の翼が実用化されている。
【０００３】
例えば、特許文献１に開示されているように、繊維強化プラスチックス製の外皮内にガラス繊維により強化された発泡ウレタンフォームの中間充填材を充填して構成させた風車翼が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、サンドイッチ構造の外皮を用いた風車翼が開示されている。同公報によれば、外皮の構造をプラスチック発泡体に強化繊維プラスチックで挟んだサンドイッチ構造とすることにより風車翼の強度を向上させ、翼内を満たす中間充填材が不要となり、主桁の厚肉化を押えることにより軽量化を計ることができると記載されている。
【特許文献１】特開平６−３２３２３８号公報
【特許文献２】特開平７−２７９８１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記特許文献１に開示されている風車翼の場合、アルミ等の軽金属製の風車翼と比較した場合、軽量化はされているが、芯材の外側に、複数の繊維強化樹脂層が積層されて形成されているため、芯材が存在するということは、その分だけの質量が増加してしまう。
【０００６】
これら、特許文献１および２に開示されている風車翼は、通常、一方向プリプレグ（ＵＤプリプレグ）を主体として成形されており、補強繊維を多方向へ配向させるために複数枚のプリプレグが必要で、プリプレグの積層数（プライ数）が多くなるため繊維強化樹脂層の肉厚が厚くなり、その分質量が増し、風車翼全体の軽量化を図ることが難しいことや、また、衝撃的な力が作用したときに前記風車翼の繊維強化樹脂層が層間剥離を起こしやすくなるといった問題があった。また、複数数のプリプレグを、風車翼の外殻の曲面に沿わせながら、積層するのは困難であり、工数が増えて製造コストが高くなるという問題もある。いずれも繊維強化樹脂層の積層数の増大に伴い、風車全体が大型化して風車の発電効率は向上するが、質量や耐久性の点から見れば、軽量化、耐久性の向上に限界があるという問題があった。
【０００７】
また、２軸織物を１層用いて、その軸が縦方向と横方向に配向するよう配設した繊維強化樹脂製からなる風車翼では、その風車翼の捩り強度及び、捩り剛性が保持できないと言う問題があり、前記２軸織物に別途一方向プリプレグなどでバイアス補強層を加える必要があった。又、前記３軸織物を用いた場合では、風車翼の横方向曲げ強度及び、横方向曲げ剛性が保持できないため、前記３軸織物に別途横方向補強層を加える必要があり、その分、繊維強化樹脂層の肉厚や質量が増加するという不具合がある
従って、発電効率を上げるため風力発電装置の大型化が強く望まれるが、風車翼の大型化に伴って風車翼の質量が増加し、ひいては風力発電装置全体の質量が増加するので、その製造コストが上昇する。このため、従来の材料、構造をそのまま用いたのでは風車翼を大型化することはできず、一層の軽量化、強度の向上が求められている。
【０００８】
また、繊維強化樹脂材料を積層したときに強化繊維の偏在によって樹脂過多部分やボイド部分が発生し易くなるといった欠陥が発生し易くなる傾向がある。
更に、繊維強化樹脂材料を積層したときに、厚み寸法だけ空隙部が形成される場合もある。そのような繊維強化樹脂材料のマトリックス樹脂を含浸させる際に、前記空隙部に樹脂が含浸されずボイドが発生するといった問題がある。このようにボイドが生じたプリプレグを使用して形成された風車翼も、ボイドが存在することとなる。かかる繊維強化樹脂材料に引張り応力が作用した場合には、同応力がボイドの部分に集中し、繊維強化樹脂材料の引張り強度が十分に発揮されず、更にはそのときの剪断力により繊維強化樹脂材料が破壊される場合もある。
【０００９】
そこで、本発明は、上記問題を解決することで、外殻を繊維強化樹脂製材料によって積層して繊維強化樹脂層を形成させてなる風車翼の繊維強化樹脂層の肉厚をより薄くすることで、軽量化と同時に高強度の特性を満たすことが可能な風車翼を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る風車翼は、外殻を繊維強化樹脂製材料によって積層して繊維強化樹脂層を形成させてなる風車翼において、前記繊維強化樹脂層の少なくとも１層は、強化繊維を一方向に引き揃えた複数の繊維シートを互いに異方向に積み重ねた積層体とし、前記積層体を厚さ方向に縫合糸で編んだ積層シートからなる積層シート層によって構成されてことを特徴とする風車翼である。
【００１１】
本発明の請求項２に係る風車翼は、請求項１記載の風車翼であって、前記繊維シートは、強化繊維を開繊処理した開繊糸を一方向に引き揃えた繊維シートであることを特徴とする風車翼である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の風車翼によれば、風車翼の繊維強化繊維層の少なくとも１層は、強化繊維を一方向に引き揃えた複数の繊維シートを互いに異方向に積み重ねた積層体とし、前記積層体を厚さ方向に縫合糸で編んだ積層シートからなる積層シート層によって構成されているため、一方向プリプレグを用いるときのように複数枚の積層をあえて必要としないので、同じ強度、剛性であれば繊維強化樹脂層の肉厚をより薄くすることが可能となり、風車翼の質量を大幅に低減することができる。また、変形したときの強化繊維のズレが防止され、これにより、層間の剥離、破損等が生じ難くい。
【００１３】
また、前記繊維シートは、強化繊維を開繊処理した開繊糸を一方向に引き揃えた繊維シートで構成されているため、繊維シートの表面平滑性も向上させることができ、積層して積層シートにしたときの樹脂過多部分やボイド部分が発生することがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施例を図面を参照して具体的に説明する。
図１は本発明の一実施例に係る風車翼の説明図で、図２は、風車翼の断面形状を示す断面図、図３は繊維強化樹脂層を示す断面説明図、図４は、繊維強化樹脂層を示す説明図である。
【００１５】
図１〜図４に示すよう本発明の風車翼１は、外殻を繊維強化樹脂製材料によって積層して繊維強化樹脂層２０が形成され且つ、外殻内部に中空部２が形成された流線型の翼断面構造を有した構成となっている。本実施例に係る風車翼は風力発電用などの風車に使用されるものである。また、その質量は１１００ｇで、風車翼の全長は、約１１００ｍｍとしている。このような風車翼１は、例えば、強化繊維を、合成樹脂としてエポキシ樹脂を用いた繊維強化樹脂材料を風車翼成形用の芯材３に卷回積層して形成した繊維強化樹脂層２０としている。
【００１６】
そして、図３に示すように前記繊維強化繊維層２０の少なくとも１層は、強化繊維を一方向に引き揃えた複数の繊維シート３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄを互いに異方向に積み重ねた積層体とし、前記積層体を厚さ方向に貫通して積層体の表面と裏面の間を往復する縫合糸２１で編んだ積層シート１０からなる積層シート層１０Ａによって構成されている。
【００１７】
本実施例の前記繊維シートは、強化繊維を開繊処理した開繊糸を一方向に引き揃えた繊維シートで構成されている。前記開繊処理は、強化繊維束の繊維（開繊糸）を一平面上に均一に且つ平行に拡げて並べられた状態を示す。従って、前記繊維シートは、強化繊維を開繊処理した開繊糸を一方向に引き揃えた繊維シートで構成されているため、繊維シートの表面平滑性も向上させることができ、積層して積層シートにしたときの樹脂過多部分やボイド部分が発生することがない。
【００１８】
前記風車翼を構成する前記繊維強化樹脂層２０は、例えば、図４に示すように、芯材３にその内側から、風車翼の中心軸に対して繊維強化樹脂材料の繊維が略平行となるように配置したストレートプリプレグ１１を風車翼の全長にわたり卷回配置したストレート層１１Ａと積層シート１０を風車翼の全長にわたり卷回配置した積層シート層１０Ａと、最外層として、風車翼の中心軸に対して繊維強化樹脂材料の繊維が略平行となるように配置したストレートプリプレグ１１を風車翼の全長にわたり卷回配置したストレート層１１Ｂとを含む構成としている。
【００１９】
前記積層シート１０は、繊維シートの強化繊維の引き揃え方向を互いに異方向に積み重ねた積層体で、図５に示すように、例えば、４層に積み重ねた積層体で、前記４層の繊維シートは、繊維を０°に引き揃えた繊維シート３０Ａと、前記繊維シートＡに対して９０°に引き揃えた繊維シート３０Ｂと、前記繊維シートＡに対して＋４５°に引き揃えた繊維シート３０Ｃと、前記繊維シートＡに対して−４５°に引き揃えた繊維シート３０Ｄを、縫合糸２１で編んだものである。
【００２０】
この図５に示す積層シートの例では、強化繊維の方向、即ち繊維の引き揃えた方向が積層シートの長さ方向に対して順に０°、９０°、−４５°、＋４５°になっている。なお、一方向に引き揃えた繊維強化材を積層する角度は０°、±４５°、９０°に限定されず、任意の角度とすることができる。
【００２１】
前記積層シートの１枚の厚さは、配置させる部位により適宜選択するものであるが、通常０．０５〜０．８ｍｍが好ましい。
【００２２】
また、前記積層シートに使用される強化繊維の目付けは特に制限はないが、本実施形態では、５０ｇ／ｍ２〜５００ｇ／ｍ２のものが用いられる。
この強化繊維の目付けが５００ｇ／ｍ２以上であると、風車翼の質量が増加する。一方、強化繊維の目付けが５０ｇ／ｍ２以下であると目隙が大きくなり積層シートの機能が十分に発揮できない可能性がある。
【００２３】
前記積層シートは、繊維シートが積層状態のまま縫合糸によって一体的に縫合される。縫合糸は、例えば積層シートの長さ方向に並行に、互いに一定の間隔をあけて設けられる。縫合糸は、樹脂が硬化するまでの間、下層部及び上層部の積層状態を保ち、繊維糸条の所定の配向を乱さないために用いられるものである。
従って、このような機能を発揮する限り、縫合糸としてはどのようなものを用いてもよいが、表面の平滑さを出すために、なるべく細いものを用いることが好ましい。縫合糸としては、例えば、縫合糸の材質としては、例えばポリエステル糸、ナイロン糸、ポリエチレン糸、ポリプロピレン糸、ガラス繊維糸、炭素繊維糸等を挙げることができる。また、縫合糸による縫合方法は、特に限定されないが、本実施例ではチェーン編みを採用している。
【００２４】
上記のように、風車翼を構成する繊維強化繊維層の少なくとも１層は、強化繊維を一方向に引き揃えた複数の繊維シートを互いに異方向に積み重ねた積層体とし、前記積層体を厚さ方向に縫合糸で編んだ積層シートからなる積層シート層によって構成されているため、一方向プリプレグを用いるときのように複数枚の積層をあえて必要としないので、同じ強度、剛性であれば繊維強化樹脂層の肉厚をより薄くすることが可能となり、風車翼の質量を大幅に低減することができる。また、変形したときの強化繊維のズレが防止され、これにより、層間の剥離、破損等が生じ難くい。更に、積層シートは、糸が交差せず直線走行するので、織物に比べ薄く平滑なクロスとなり、樹脂含浸性など物性面での優位性が見られる。
すなわち、本発明の風車翼は、繊維強化樹脂材料を積層する回数を従来よりも少なくしても強度を十分に確保することができるので、強度を落とさずにより一層の軽量化を図ることができる。
【００２５】
また、前記積層シートは、繊維をバイアス方向ならびに０度、９０度と多軸、多層での積層が可能であるため、一方向シートによる積層の手間とバイアス方向でのカットロスの減少でコスト軽減ができる。
【００２６】
本発明の風車翼を構成する積層シート層において使用される強化繊維としては、ガラス繊維、アラミド繊維、炭素繊維、ボロン繊維などを例示でき、好ましくは、ガラス繊維、炭素繊維がより好ましい。強化繊維は、単独または２種類以上を併用して使用することもできる。また、前記積層シート層を構成する積層シートに用いられる合成樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリイミド樹脂などの熱硬化性樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエチレン樹脂などの熱可塑性樹脂が用いられるが、強度や剛性設計の点から熱硬化性樹脂、中でもエポキシ樹脂が好ましい。
【００２７】
なお、本発明の風車翼は、風車翼形状の芯材の外周に繊維強化樹脂材料を配設したのち、該芯材を抜き取って中空部を得る工程と、該中空部の内部に弾力性を有するチューブを挿入し、予備成形体を得る工程と、該予備成形体を所望の風車翼形状を有する金型内に配置して型締め後、前記チューブ内に内圧を加えて膨張させることにより、前記予備成形体を成形型の型内面に沿わせて加圧加熱して樹脂を硬化させて風車翼を成形している。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の風車翼を説明する全体図。
【図２】風車翼の断面形状を説明する断面図。
【図３】繊維強化樹脂層の構成を示す説明図。
【図４】繊維強化樹脂層の構成を示す説明図。
【図５】積層シートを示す説明図。
【符号の説明】
【００２９】
１    風車翼
２    中空部
３    芯材
１０    積層シート
１０Ａ    積層シート層
１１    ストレートプリプレグ
１１Ａ    ストレート層
１１Ｂ    ストレート層
２０    繊維強化繊維層
２１    縫合糸
３０Ａ    繊維シート
３０Ｂ    繊維シート
３０Ｃ    繊維シート
３０Ｄ    繊維シート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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