(57)【要約】【課題】ＦＲＰを使用した軸流型風車用翼部材では、根元部の形状が複雑となり、ＦＲＰの積層に時間がかかる。積層方法の変更で積層時間を大幅に短縮できるだけでなく、オーバーラップ構造による強度維持が可能な軸流型風車用翼部材を提供する。【解決手段】内部に発泡体からなるコア材と、コア材の周囲に少なくとも２層以上積層された繊維強化プラスチックからなる軸流形風車用翼部材であって、ＦＲＰを積層してなる軸流形風車用翼部材の根元部は、その垂直面をなすＦＲＰの繊維が、水平面をなすＦＲＰの繊維とは連続せず、予め２層以上に積層し、オーバーラップ部分で相互に接着する構造とする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に発泡体からなるコア材と、コア材の周囲に少なくとも２層以上積層された繊維強化プラスチックからなり、かつ、少なくとも次の要素を同時に満足する、軸流型風車用翼部材。
（１）積層された繊維強化プラスチックが、軸流型風車用翼部材の根元部の表面をほぼ完全に包囲している。
（２）軸流型風車用翼部材の根元部の垂直面を構成する繊維強化プラスチックの繊維部分が、軸流型風車用翼部材の根元部の水平面を構成する繊維強化プラスチックの繊維部分と不連続である。
（３）軸流型風車用翼部材の根元部の垂直面を構成する繊維強化プラスチックがオーバーラップを有し、軸流型風車用翼部材の根元部の水平面を構成する繊維強化プラスチックとオーバーラップ部で接合されている、もしくは、軸流型風車用翼部材の根元部の水平面を構成する繊維強化プラスチックがオーバーラップを有し、軸流型風車用翼部材の根元部の垂直面を構成する繊維強化プラスチックとオーバーラップ部で接合されている。
【請求項２】
繊維強化プラスチックを構成する繊維が、炭素繊維、ガラス繊維、ポリイミド繊維、ポリアミド繊維、およびボロン繊維からなる群から選ばれる少なくとも１種である、請求項１に記載の軸流型風車用翼部材。
【請求項３】
繊維強化プラスチックのマトリックス樹脂が、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂である、請求項１または２に記載の軸流型風車用翼部材。
【請求項４】
軸流型風車用翼部材の根元部の垂直面と水平面との交線に曲線からなる部分を有する、請求項１〜３に記載の軸流型風車用翼部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電用ブレード等に好適な、繊維強化プラスチック（以降、ＦＲＰと略することがある。）製の軸流型風車用翼部材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
翼は、その断面が厚み分布を有する形状であり、これにより流体の流れを制御する機能を発現する。一般に航空機や自動車用のリアスポイラーに代表される水平翼および垂直翼は、航空機、ヘリコプターおよび船舶等のプロペラ翼、送風機のタービン翼や、攪拌機のブレード、風力発電用のブレードなどに用いられる。これらの例のように、翼部材は移動体に固定されて使用されたり、またはそれ自体が回転したりすることで、流体の流れを制御する機能を利用されることが多い。そのため、翼部材を含めた装置全体の軽量化や、風車可動部の慣性力低減が求められており、これらを同時に達成できる翼部材への軽量化要求は強い。
【０００３】
従来、翼部材としてアルミ、チタン等の金属材料が用いられてきたが、軽量化かつ高剛性の要求から金属と比較して軽量で、かつ高強度、高剛性であるＦＲＰが使用されるようになった。さらに近年では、高強度、高剛性を確保しつつ、さらなる軽量化を達成するため、ＦＲＰの表皮材と該表皮材に囲まれたコア材として密度の小さい樹脂やハニカム構造を充填するサンドイッチ構造が提案されている。また、翼部材は流体から圧力を受けるため、破壊や変形に耐え得る十分な強度と剛性を有することが必要不可欠である。
【０００４】
その中でも、特に、軸流方式の風車では、翼先端にいくほど回転時の周速が速くなるため、翼の自重による慣性力や、翼が受ける流体からの圧力の影響を低減させる目的から、翼根元部に対し、翼先端部ほど軽量化への要求が高い。
【０００５】
従って、軸流方式の風車の翼形状は、根元部が幅広く、先端が細いのが一般的であり、また厚さも、根元部が先端よりも厚い構造であることが一般的である。
【０００６】
この要求を満足すべく、軸流方式の風車翼に対し、数々の提案や発明がなされているが、そのほとんどが翼部材の先端や、断面構造に関する物であり、翼根元部に関する提案がほとんどなされていないのが実状である。
【０００７】
これら翼根元部に関する数少ない提案の中では、例えば、特許文献１に、中空成形体ながら、各面を構成する部材を接着する製造方法が提案されている。この製造方法は、翼根元部への転用も可能であるが、中空成形体であるため、強度的に課題が残る。
【０００８】
また、特許文献１と同じく、翼根元部へも転用可能な特許文献２が提案されている。この成形体は、角部を有する心材と強化繊維織物とから構成され、該強化繊維織物が前記心材の角部へ張り合わせる際、少なくとも３分割された形態をとる。しかしながら３分割された形態で翼根元部を構成する場合、３分割それぞれの部材を作成する手間がかかり、実際には作業時間の短縮も限定的である。加えて、直角部分を構成する２面の交線が直線でなく、複雑な曲線の場合、各部材の接合部分の形状が複雑になり、作製が難しい。さらには作業者の熟練や、余計な作業時間が必要となり、翼根元部への転用は極めて困難である。
【特許文献１】特開２００６−４４２６２号公報
【特許文献２】特開２００５−１７８３３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、かかる従来技術の欠点を鑑み、複雑な形状を有する、軸流方式の風車に用いられる翼を形成する部材（「軸流型風車用翼部材」と称する。）において、軽量かつ高強度、高剛性を維持しつつ、大幅に生産効率を向上することが達成できる軸流型風車用翼部材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するため、本発明は次の手段を採用するものである。すなわち、
（１）内部に発泡体からなるコア材と、コア材の周囲に少なくとも２層以上積層された繊維強化プラスチックからなり、かつ、少なくとも次の要素を同時に満足する、軸流型風車用翼部材。
Ａ．積層された繊維強化プラスチックが、軸流型風車用翼部材の根元部の表面をほぼ完全に包囲している。
Ｂ．軸流型風車用翼部材の根元部の垂直面を構成する繊維強化プラスチックの繊維部分が、軸流型風車用翼部材の根元部の水平面を構成する繊維強化プラスチックの繊維部分と不連続である。
Ｃ．軸流型風車用翼部材の根元部の垂直面を構成する繊維強化プラスチックがオーバーラップを有し、軸流型風車用翼部材の根元部の水平面を構成する繊維強化プラスチックとオーバーラップ部で接合されている、もしくは、軸流型風車用翼部材の根元部の水平面を構成する繊維強化プラスチックがオーバーラップを有し、軸流型風車用翼部材の根元部の垂直面を構成する繊維強化プラスチックとオーバーラップ部で接合されている。
【００１１】
（２）繊維強化プラスチックを構成する繊維が、炭素繊維、ガラス繊維、ポリイミド繊維、ポリアミド繊維、およびボロン繊維からなる群から選ばれる少なくとも１種である、前記（１）に記載の軸流型風車用翼部材。
【００１２】
（３）繊維強化プラスチックのマトリックス樹脂が、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂である、前記（１）および（２）に記載の軸流型風車用翼部材。
【００１３】
（４）軸流型風車用翼部材の根元部の垂直面と水平面との交線に曲線からなる部分を有する、前記（１）から（３）に記載の軸流型風車用翼部材。
【発明の効果】
【００１４】
本発明により、複雑な形状を有する、軸流型風車用翼部材において、軸流型風車用翼部材の根元部の垂直面を構成する繊維強化プラスチックの繊維部分を、該軸流型風車用翼部材の根元部の水平面を構成する繊維強化プラスチックの繊維部分と不連続にし、それらをオーバーラップ部で接合させることにより、軽量かつ強度、剛性を維持しつつ、大幅に生産効率を向上できる軸流型風車用翼部材が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明は、軸流型風車に用いられる翼部材（軸流型風車用翼部材）に関するものであり、内部にコア材を有し、外部をＦＲＰで覆った構造としている。かかる軸流型風車翼部材は、軸流型風車の回転軸に対し、ハブを介して取り付けて用いられる。
【００１６】
本発明に係る軸流型風車用翼部材は、ハブとの接触部分に近い側に位置する根元部、遠い側に位置する先端部を有し、直接ハブと接触する部分に取付部を有し、その中でも特に、本発明の構成を特徴付ける根元部は、コア材の周囲をＦＲＰがほぼ完全に包囲していることが重要である。これは、ＦＲＰ部分に覆われず、コア材が剥き出している部分があると、ＦＲＰ部分への応力集中や、水分の浸入によるコア材の加水分解などが懸念されるからである。なお、ここでいう「ほぼ完全に包囲している」とは、コア材の露出が肉眼で見えない、もしくは成形後の加工でＦＲＰに孔を開けた場合、軸流型風車用翼部材の内部へ浸水しない様、防水性を維持する加工をした事を意味する。
【００１７】
コア材の周囲を包囲するＦＲＰに使用する繊維としては、少なくとも炭素繊維、ガラス繊維、ポリイミド繊維、ポリアミド繊維、ボロン繊維のいずれかを含むことが好ましい。これらの繊維は、強度が高く、軸流型風車翼に使用した場合、十分な強度を発揮できる。このうち、汎用が高いＦＲＰ用繊維として使用される繊維素材では、最も強度が高い炭素繊維が好ましい。
【００１８】
また、ＦＲＰに使用する繊維は必ずしも単一繊維素材である必要はなく、２種以上の繊維を混合使用しても構わない。この場合、綿や絹等の天然繊維、ポリエステル、ポリアミド等の熱可塑性繊維を含む有機繊維、金属等の無機繊維を問わず特に限定されない。さらに繊維形態は、引張強度に優れる長繊維が好ましいが、紡績糸等の短繊維糸条を使用しても構わないし、長繊維との交織や交編などでの混用も構わない。ＦＲＰ内の繊維形態は、薄く経緯のバランスに優れ、かつ繊維間の拘束で繊維が解けにくい織物が最も好ましいが、繊維を長手方向に引き揃えて熱硬化性樹脂を含浸させたプリプレグ（以降ＵＤプリプレグと略す）を、繊維の方向を変えて積層しても構わないし、編物でも構わない。また織物の織組織は、特に限定されないが、表裏・経緯バランスをとりやすい平織が好ましい。糸使いも同様に、経糸・緯糸で同じ糸を使用し、経緯のバランスをとるのが好ましいが、特に限定はされない。
【００１９】
本発明に用いられるＦＲＰのマトリックス樹脂としては、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂のいずれであっても良いが、一般的に長繊維との組み合わせで広く使用される熱硬化性樹脂が好ましい。具体的には、エポキシ、不飽和ポリエステル、ビニルエステル、フェノール、ポリイミド等の熱硬化性樹脂で熱または光や電子線などの外部からのエネルギーによって硬化し、少なくとも部分的に硬化物を形成する樹脂であれば良い。
【００２０】
コア材は、剛性を保持したまま軽量化を達成するために表皮材よりも嵩密度が小さい材料を使用する必要がある。好ましくは、その主成分が樹脂からなり、構造内部に空隙を多数有する構造である、樹脂多孔材料が良い。空隙は、発泡材が発泡したものでも良いし、中空ガラスビーズ等を多数含んだシンタクティック発泡プラスチックからなるコアでも良い。コア材樹脂の材質は、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂を使用することができる。例えば、熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂等があり、熱可塑性樹脂としては、ポリアミド樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリシクロヘキサンジメチルテレフタレート等のポリエステル樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン樹脂、ＨＩＰＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂、ＡＥＳ樹脂、ＡＡＳ樹脂等のスチレン系樹脂、ポリメチルメタクリレート樹脂等のアクリル樹脂、塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリエーテルイミドやポリメタクリルイミド等のイミド樹脂、さらには各種エラストマー類等がある。これらは、単独で使用しても良いし、複数を混用しても良い。
【００２１】
本発明に係る軸流型風車用翼部材を構成するＦＲＰを得る方法の一例として、プリプレグを積層し、金型で成型する方法が挙げられる。その際に、軸流型風車用翼部材の先端部は水平面の上面および下面からプリプレグを接着するか、もしくは一連のプリプレグによってコア材の周囲を包囲して成型すれば良い。
【００２２】
軸流型風車用翼部材の根元部では、翼の厚みが増し、加えて形状が先端部と比べて複雑となるため、根元部の水平面を覆うプリプレグは、根元部の垂直面との接着性と強度保持を目的として、オーバーラップが設けられていることを必須とする。この場合、軸流型風車用翼部材の根元部の垂直面は、軸流型風車用翼部材の根元部の水平面に折り返さないようにすることが望ましい。なお、当該根元部の水平面のプリプレグに設けられたオーバーラップは、水平面に積層される全層に存在していても良い。また、本発明に係る軸流型風車用翼部材の根元部の水平面を覆うプリプレグにオーバーラップを設けるかわりに、根元部の水平面との接着性と強度保持を目的として、軸流型風車用翼部材の根元部の垂直面を覆うプリプレグにオーバーラップを設けても良い。この場合、軸流型風車用翼部材の根元部の水平面は、軸流型風車用翼部材の根元部の垂直面に折り返さないようにすることが望ましい。なお、当該根元部の垂直面のプリプレグに設けられたオーバーラップは、垂直面に積層される全層に存在していても良い。
【００２３】
かかるオーバーラップは、水平面、ないしは垂直面に若干量折り返す程度の領域からなるものであっても良い。また、ＦＲＰ内の繊維の方向は、織物であれば何れの方向でも構わないが、ＵＤプリプレグを使用する場合、少なくとも１層は風車翼の長手方向に沿う状態と、必ず角度を付けたもう１層を積層するか、織物のプリプレグ（以降、クロスプリプレグ）を積層することが、積層体としての強度バランスを維持できるため好ましい。
【００２４】
さらに、本発明に係る軸流型風車用翼部材は、根元部の垂直面と水平面との交線に曲線からなる部分を有することが好ましい。すなわち、軸流型風車用の翼は、風車翼の長手方向に対し垂直に風を受け回転するが、回転速度が大きい場合、風車翼の空気抵抗を低減する目的で、飛行機の水平翼に似た形状となるが、この形状は、軸流型風車翼の長手方向に対して垂直な断面を見ると、水平面でも微少に彎曲している。このため、本発明では、図３の水平面（上面）２、および水平面（下面）３の通り、彎曲の程度が小さい水平面を水平面（下面）とし、彎曲の程度が大きい水平面を水平面（上面）としている。なお、断面が長方形の場合は、水平面（上面）と水平面（下面）に区別はない。また、軸流型風車用翼部材の縁部は、回転方向側を前縁部６、回転方向と反対側を、後縁部７としている。
【００２５】
軸流型風車用翼の根元部の垂直面では、予め垂直面の全面を覆うようにプリプレグを切断し、２層以上積層することが好ましい。この場合、前述のとおり、水平面とのオーバーラップを有するように構成すれば良い。すなわち、垂直面を構成するＦＲＰがオーバーラップを有し、水平面を構成するＦＲＰとオーバーラップ部で接合するか、もしくは、水平面を構成するＦＲＰがオーバーラップを有し、垂直面を構成する繊維強化プラスチックとオーバーラップ部で接合するように構成すれば良い。
【００２６】
また、積層するＦＲＰの繊維は、織物であれば何れの方向でも構わないが、引き揃えた単一方向繊維を使用する場合、少なくとも１層は風車翼の幅方向に沿う状態とし、必ず角度を付けたもう１層を積層するか、織物のＦＲＰを積層する。
【００２７】
本発明では、軸流型風車用翼の根元部で翼の水平と垂直面とが予め不連続となるようにプリプレグを切断し、積層すれば良い。プリプレグを不連続とするのは、垂直面を積層する作業では、折り返し部分で皺が生じ、皺を取り除くため垂直面に切れ込みを入れる作業が繁雑であり、作業時間が長くなってしまうのを防ぐためである。加えて、予め水平面部と垂直面部とをそれぞれ積層する方がさらに作業時間の短縮を図れる。
【００２８】
さらに、積層方法は、水平面、垂直面を問わず、全ての面で最外層のプリプレグに織物を使用するのが好ましい。これは、最外層ではＦＲＰ内繊維の方向性に偏りが出ない様にし、かつ屋外で使用されることが前提となる風車では、ＦＲＰの耐久性やＦＲＰの繊維形状を維持するため、繊維同士が拘束される織物が繊維の形態維持性が高く最適である。
【００２９】
積層されるプリプレグの層数は、水平面、垂直面の何れにおいても２層以上であれば特に限定されないが、強度とコスト、そして重量面から、５層以下が好ましく、さらには２〜４層が好ましい。
【００３０】
本発明に係る軸流型風車用翼を成型する方法としては、射出成形では難しため、金型を使用したプレス成形を用いることが好ましい。特に、プリプレグを使用し、成型前に積層し、金型に入れてプレス成形するのが一般的である。特にコア材を有するため、予めコア材にプリプレグを積層すれば、１回のプレス成形で生産が可能である。
【実施例】
【００３１】
以下に実施例を示し、本発明をさらに具体的に説明するが、下記実施例は本発明を何ら制限するものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で変更することは、本発明の技術範囲である。なお、本実施例で用いる特性は次のようにして測定される。
【００３２】
［軸流型風車用翼部材の取付部の引張強度］
次に示す手順にしたがって測定した。
（１）軸流形風車翼を長手方向に対し、根元部を含む約３００ｍｍの長さに切断する。
（２）根元部をハブに取り付け、ハブおよび切断した風車翼側それぞれに治具を取り付ける。
（３）温度２３±２℃の環境下にある試験室内に一昼夜試料を放置する。
（４）所定のロードセルを試験機に取り付ける。
（５）取り付けた治具を介して試料を定速圧縮試験機に固定する。
（６）試料を１ｍｍ／分の速度で試料を引っ張り、圧縮治具の変位と荷重を記録する。
（７）最大荷重を引張強度とする。
【００３３】
（実施例１）
コア材にウレタン発泡体を使用して、図１に示す全長約９００ｍｍの軸流形風車翼形状に切削した。
【００３４】
コア材に積層するＦＲＰとして、炭素繊維強化エポキシ樹脂を使用した。また、炭素繊維の形態は、いずれも長繊維フィラメントであり、平織および単一方向に引き揃えられたシートの２種類を使用した。これらの炭素繊維にエポキシ樹脂を含浸させ、それぞれクロスプリプレグおよびＵＤプリプレグとした。
【００３５】
本発明では、まず、図２のコア材４の水平面（上面）２および水平面（下面）３を風車翼の長手方向に炭素繊維が揃う様、ＵＤプリプレグで覆った。続いて垂直面１として予めクロスプリプレグを用いて３層に積層したシートを張り付けた。なお、オーバーラップ５は垂直面１の最外層にのみ設けた。
【００３６】
次に、風車翼の水平面を成す部分のみクロスプリプレグを上面および下面用に切断した後、ＵＤプリプレグを積層したコア材の水平面（上面）３および水平面（下面）４それぞれの外層に載せ、コア材を金型に置いた後、プレス機にて１００℃以上の温度でプレス成形した。脱型後、トリミングや補修作業を経て、軸流形風車翼を作製した。
【００３７】
図４に、本発明で得られた軸流型風車用翼部材の根元部断面は、垂直面１がオーバーラップ５を有し、水平面（上面）２および水平面（下面）３とオーバーラップ５で接合されている。この時、水平面（上面）２は、最内層にＵＤプリプレグ８を使用し、最外層にはクロスプリプレグ９を使用している。
【００３８】
その結果、軸流型風車用翼部材の取付部の引張強度は４ｋＮであり、従来品と遜色ない強度を維持しつつ、作業時間は１本当たり約４３パーセント短縮できた。
【００３９】
（比較例１）
実施例同様、コア材４にウレタン発泡体を使用し、図１に示す全長約９００ｍｍの軸流形風車翼形状に切削した。また、使用したＦＲＰも実施例と同一であった。
【００４０】
本比較例では、まず、実施例１と同じく、コア材の水平面（上面）２および水平面（下面）３をＵＤプリプレグで覆った。続いて垂直面にクロスプリプレグを１層を張り付けた。なお、オーバーラップは設けていない。
【００４１】
次に、ＵＤプリプレグを載せたコア材の水平面（上面）２および水平面（下面）３の外層に積層すべく、クロスプリプレグを切断した。まず水平面（上面）２は垂直面１に於いて、ほとんどオーバーラップを構成しないよう、端部を水平面（上面）と垂直面１との交線に揃うよう切断した。水平面（下面）３はコア材に載せたＵＤプリプレグのさらに外層に載せた後、垂直面１へ折り返し、前記交線に揃う様切断した。水平面（下面）３の垂直面への折り返しでは、垂直面の形状が複雑であり、皺が生じた。従って切り込みを入れ、皺を取り除く作業を要した。水平面（下面）３の積層後、水平面（上面）２を積層した。
【００４２】
前記作業後、実施例と同じ条件で軸流形風車翼を作製した。
【００４３】
その結果、軸流型風車用翼部材の取付部の引張強度は４ｋＮ以上であった。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明の軸流形風車翼は、小型の軸流形風車を中心に好適に使用される。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明での軸流型風車翼の全体図である。
【図２】本発明での軸流型風車翼の断面図（図１のＡ−Ａ断面）である。
【図３】本発明での軸流型風車翼の断面図（図１のＢ−Ｂ断面）である。
【図４】本発明での軸流型風車翼の根元部断面図（図１のＡ−Ａ断面）である。
【符号の説明】
【００４６】
１：垂直面
２：水平面（上面）
３：水平面（下面）
４：コア材
５：オーバーラップ
６：前縁部
７：後縁部
８：ＵＤプリプレグ
９：クロスプリプレグ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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