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WO2024190111A1 - 風車ブレード - Google Patents

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WO2024190111A1
WO2024190111A1 PCT/JP2024/002355 JP2024002355W WO2024190111A1 WO 2024190111 A1 WO2024190111 A1 WO 2024190111A1 JP 2024002355 W JP2024002355 W JP 2024002355W WO 2024190111 A1 WO2024190111 A1 WO 2024190111A1
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WO
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wind turbine
turbine blade
spar cap
gpa
elastic modulus
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PCT/JP2024/002355
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English (en)
French (fr)
Inventor
琢也 唐木
和弘 中村
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Toray Industries Inc
Original Assignee
Toray Industries Inc
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/06—Fibrous reinforcements only
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/28—Shaping operations therefor
    • B29C70/40—Shaping or impregnating by compression not applied
    • B29C70/42—Shaping or impregnating by compression not applied for producing articles of definite length, i.e. discrete articles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D1/00—Wind motors with rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor 
    • F03D1/06—Rotors

Definitions

  • the present invention relates to wind turbine blades used in wind turbines for wind power generation, etc.
  • Non-Patent Document 1 considers increasing the rigidity of wind turbine blades by using carbon fiber reinforced resin, which has better mechanical properties, for 117 m blades.
  • the thickness of the spar cap disclosed in Non-Patent Document 1 is considered to be at the very limit of the molding limit. Therefore, if an attempt is made to design an even longer blade while keeping this design concept, the spar cap would need to be made even thicker, making molding difficult. Furthermore, if a carbon fiber reinforced resin with an even higher elastic modulus is used, the rigidity of the spar cap would then become too high, causing deformation in the blade height direction, i.e., greater buckling. As a result, new problems arise in which the share web is crushed, causing damage such as cracks, or buckling failure. One method would be to increase the thickness of the share web to suppress buckling failure of the share web, but then the rigidity of the share web in the bending direction would become too high, making it difficult to correct when assembling it to the blade body.
  • the objective of the present invention is to suppress buckling of the share web when a spar cap made of high-elasticity carbon fiber reinforced resin is used in a wind turbine blade.
  • a wind turbine blade having a pressure-side spar cap arranged in contact with the interior surface of a pressure-side skin of a wind turbine blade, a contraction-side spar cap arranged in contact with the interior surface of a suction-side skin, and a long, plate-shaped share web arranged so that both ends are in contact with the pressure-side spar cap and the contraction-side spar cap, wherein the spar cap is made of a plurality of unidirectional composite sheets containing carbon fiber and having a longitudinal tensile modulus E of 130 GPa or more and 210 GPa or less, and the maximum thickness is 80 mm or less, and the thickness of the share web is 50 mm or less.
  • wind turbine blade length refers to the length of the line connecting the center of gravity in a cross section near the part fixed to the hub and the part furthest from the part fixed to the hub (the tip of the blade), as shown by L in Figures 2 and 3.
  • the wind turbine blade width direction is the direction connecting the leading edge and trailing edge in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the wind turbine blade, and refers to the y-axis direction in Figures 2 and 3.
  • the present invention provides a wind turbine blade that can prevent buckling of the share web even when using a spar cap made of carbon fiber reinforced resin with a high elastic modulus.
  • FIG. 1 is an overall view of a wind turbine for wind power generation.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a wind turbine blade 1 including a cross section taken along a plane perpendicular to the longitudinal direction of the wind turbine blade.
  • FIG. 1 is a schematic diagram for evaluating the amount of displacement when a pressure simulating wind is applied to a wind turbine blade.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a method for evaluating buckling of a share web during bending deformation.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a method for evaluating buckling of a share web during torsional deformation.
  • a typical wind turbine for wind power generation is composed of a wind turbine blade 1, a tower 2, a nacelle 3, and a hub 4.
  • the wind turbine blade 1 is attached to the hub 4, and the wind turbine blade 1 rotates due to wind force.
  • the rotation is transmitted to the power transmission shaft in the nacelle 3 via the hub 4, and drives the generator in the nacelle 3.
  • the wind turbine blade 1 may be configured so that the tip side is bent in advance (pre-bend) in a direction away from the tower 2 to make it less likely to collide with the tower 2.
  • pre-bend the longitudinal direction of the wind turbine blade refers to the direction connecting the center of gravity of the cross section of the base of the blade in Figure 2 and the center of gravity of the cross section of the part furthest from the part fixed to the hub within the range from the start position of the pre-bend.
  • FIG. 2 is a perspective view of a wind turbine blade 1 according to one embodiment of the present invention, including a cross section taken along a plane perpendicular to the longitudinal direction of the wind turbine blade, with the wind turbine blade length indicated as L.
  • the share web 11 is joined to the inner wall of the wind turbine blade 1 via a spar cap 12 that extends in the longitudinal direction of the wind turbine blade along the inner wall of the wind turbine blade 1.
  • the resin infusion method in which a skin 13 is placed on a mold that will become the outer shape of the wind turbine blade, a spar cap 12 is placed on top of that, and covered with a film that will become the upper mold. After maintaining the airtightness of the space with the lower mold, the resin is filled and impregnated by vacuum pressure. Then, a separately molded share web 11 is assembled in a predetermined position and fixed with an adhesive or the like to manufacture the wind turbine blade.
  • the thickness of the share web 11 is set to 50 mm or less. If it exceeds 50 mm, the bending rigidity of the share web becomes too strong, making it difficult to correct when joining in the longitudinal direction. On the other hand, in order to ensure the rigidity required for the share web, it is preferable that the thickness of the share web 11 is 20 mm or more.
  • the preferred shear web has a sandwich structure consisting of a core material and a skin material.
  • the core material can be wood such as balsa or a foamed resin material, with foamed resin material being particularly preferred as it has an excellent balance between specific gravity and elastic modulus.
  • the skin material can be a biaxial woven fabric or the like. There are no particular limitations on the thickness of the skin material as long as it can obtain the required shear stiffness, but a thickness of 5 mm or less is preferred as it can obtain the required stiffness with the minimum amount of material required.
  • the spar cap is composed of multiple unidirectional composites in which reinforcing fibers are aligned and impregnated with resin.
  • the unidirectional composites constituting the spar cap contain at least carbon fibers in order to achieve the longitudinal elastic modulus E described below.
  • other reinforcing fibers such as glass fibers may be used in addition to carbon fibers, but the effects of the present invention are more pronounced in the case of unidirectional composites containing only carbon fibers.
  • the effects of the present invention are more pronounced when fibers with an elastic modulus of 250 GPa or more are used as carbon fibers.
  • the elastic modulus of the reinforcing fibers in this specification is a value measured in accordance with JIS K7161 (2014).
  • the resins contained in the unidirectional composite are not particularly limited, and include thermosetting resins such as epoxy resins, unsaturated polyester resins, and vinyl ester resins, as well as thermoplastic resins such as polyamide resins, polyolefin resins, polyester resins, polyphenylene sulfide resins, ABS resins, polycarbonate resins, polyacetal resins, and polybutylene terephthalate resins.
  • thermosetting resins such as epoxy resins, unsaturated polyester resins, and vinyl ester resins
  • thermoplastic resins such as polyamide resins, polyolefin resins, polyester resins, polyphenylene sulfide resins, ABS resins, polycarbonate resins, polyacetal resins, and polybutylene terephthalate resins.
  • Vinyl ester resins are particularly preferred as they offer an excellent balance between moldability and mechanical properties
  • epoxy resins are preferred as they offer excellent mechanical properties and adhesion to carbon fiber.
  • the spar cap 12 has the function of suppressing the longitudinal deformation of the wind turbine blade, and is composed of a unidirectional composite with a longitudinal tensile modulus E of 130 GPa or more and 210 GPa or less from the viewpoint of suppressing buckling of the share web.
  • the tensile modulus E of the unidirectional composite is a value measured in accordance with JIS K7161 (2014). If the tensile modulus E of the unidirectional composite is less than 130 GPa, the thickness of the spar cap must be increased to obtain the required wind turbine blade bending rigidity.
  • the longitudinal tensile modulus E of the unidirectional composite is more preferably 150 GPa or more and 190 or less.
  • the maximum thickness of the spar cap 12 80 mm or less it is possible to strike a balance between the bending rigidity and buckling of the blade, and the impregnation during blade manufacturing. If the thickness exceeds 80 mm, problems such as the occurrence of unimpregnated areas during resin impregnation may occur. If the thickness is 75 mm or less, the possibility of problems such as unimpregnation during manufacturing is further reduced, which is preferable.
  • the size of the wind turbine blades is not particularly limited, but the effects of the present invention are most pronounced when the blade length is 130 m or more.
  • the present invention also has the effect of suppressing buckling of the web not only when the blade undergoes bending deformation but also when it undergoes twisting deformation.
  • FIG. 3A is a schematic diagram showing a distributed load of 5778 Pa, simulating wind (indicated by the arrow in the figure), being applied to the surface of the wind turbine blade, and the displacement in the X direction of the tip 14 of the wind turbine blade is evaluated when the root end of the wind turbine blade is completely restrained all around.
  • the surface refers to the surface that is assumed to receive the wind load when the wind turbine is viewed on the xy plane as shown in Figure 3B, and refers to the surface projected on the yz plane as shown in Figure 3C.
  • Example 1-1 The physical properties shown in Table 1 were entered and a simulation was performed.
  • Example 1-2 Assuming a configuration in which the carbon fiber of the unidirectional composite of Example 1-1 was changed to one with a slightly higher elastic modulus, a simulation was performed by inputting the physical property values shown in Table 1. As a result of the analysis, the change in the distance between the share webs was 0.067 m, and buckling hardly occurred.
  • Example 1-3 A simulation was performed under the same conditions as in Example 1-2, except that the thickness of the share web was set to 70 mm. As a result of the analysis, the change in the distance between the share webs was 0.041, and buckling hardly occurred, but the rigidity of the share web in the bending direction became too high, making it difficult to correct when assembling it to the blade body.
  • Examples 1 to 3 Assuming a configuration in which the maximum thickness tmax of the spar cap in Example 1-2 was changed to a slightly thinner one, a simulation was performed by inputting the physical property values as shown in Table 1. As a result of the analysis, the change in the distance between the share webs was 0.073 m, and buckling hardly occurred.
  • Example 2-1 A model similar to that of Example 1-1 was created except that the blade length was set to 117 m, and a simulation was performed by inputting the physical properties shown in Table 2. As a result of the analysis, the change in the distance between the share webs was 0.013 m, and almost no buckling occurred.
  • Example 2-2 Assuming a configuration in which the carbon fiber of the unidirectional composite of Example 2-1 was changed to one with a slightly higher elastic modulus, a simulation was performed by inputting the physical property values shown in Table 1. As a result of the analysis, the change in the distance between the share webs was 0.023 m, and almost no buckling occurred.
  • Example 3-1 The physical properties shown in Table 3 were entered and a simulation was performed.
  • Wind turbine blade 11 Share web 12 Spar cap 13 Skin 14 Wind turbine blade tip 2 Tower 3 Nacelle 4 Hub L Wind turbine blade longitudinal length

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Abstract

本発明は、高弾性率の炭素繊維強化樹脂製のスパーキャップを用いた場合でもシェアウェブの座屈を抑制し、かつシェアウェブの組付けも阻害されない風車ブレードを提供することを課題とする。　本発明は、風車ブレードの、加圧側（pressure-side）スキンの内側（interior-surface）に接して配置された加圧側スパーキャップと、収縮側（suction-side）スキンの内側に接して配置された収縮側スパーキャップと、前記加圧側スパーキャップおよび前記収縮側スパーキャップとに両端を接するよう配置された長尺板状のシェアウェブとを有する風車ブレードであって、前記スパーキャップは、炭素繊維を含む、長手方向の引張弾性率Ｅが１３０Ｇｐａ以上２１０Ｇｐａ以下の一方向コンポジットを複数枚並べて構成されるとともに、最大厚さが８０ｍｍ以下であり、前記シェアウェブの厚さが５０ｍｍ以下である風車ブレードである。

Description

風車ブレード
　本発明は、風力発電用風車などに使用される風車ブレードに関する。
　近年、風力発電用の風車ブレードは、より大きな発電量を得るために長大化してきている。長大化することで、風を受ける面積を大きくすることができる反面、回転に伴う遠心力や風力に負けない剛性を確保する必要がある。
　風車ブレードの材料としては、これまではコストが比較的安いガラス繊維強化樹脂が使われることが多かった。しかし、風車ブレードの長大化に伴い、１００ｍを超えるような長尺ブレードでは、ガラス繊維強化樹脂では力学特性が足りなくなり、風車ブレードの曲げ変形が大きくなる。その結果、風車ブレードを支えるタワーと風車ブレードが接触し、風車ブレードが破損するという課題が顕在化している。この課題に対して、非特許文献１では、１１７ｍのブレードに対して、より力学特性に優れる炭素繊維強化樹脂を用いることで風車ブレードの剛性を高める検討がなされている。
Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＩＥＡ　Ｗｉｎｄ　１５ＭＷ　Ｏｆｆｓｈｏｒｅ　Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　Ｗｉｎｄ　Ｔｕｒｂｉｎｅ（２０２０）
　しかしながら、非特許文献１で開示されているスパーキャップの厚さは成形限界のぎりぎりと考えられる。そのため、この設計思想のままさらに長尺のブレードを設計しようとすると、スパーキャップをさらに厚くする必要があり、成形が難しくなる。また、さらに高弾性率の炭素繊維強化樹脂を用いると、今度はスパーキャップの剛性が高くなりすぎて、ブレード高さ方向につぶれる変形、すなわち座屈が大きくなる。その結果、シェアウェブがつぶれてクラックなどの損傷が発生したり、座屈破壊したりする問題が新たに発生してしまう。シェアウェブの厚さを厚くしてシェアウェブの座屈破壊を抑制する方法もあるが、今度はシェアウェブの曲げ方向の剛性が高くなりすぎて、ブレード本体への組付けの際の補正が困難になってしまう。
　本発明は、風車ブレードにおいて高弾性率の炭素繊維強化樹脂製のスパーキャップを用いた場合に、シェアウェブの座屈を抑制することを課題とする。
　上記課題を解決するための本発明は、以下のものである。
１）風車ブレードの、加圧側（pressure-side）スキンの内側（interior-surface）に接して配置された加圧側スパーキャップと、収縮側（suction-side）スキンの内側に接して配置された収縮側スパーキャップと、前記加圧側スパーキャップおよび前記収縮側スパーキャップとに両端を接するよう配置された長尺板状のシェアウェブとを有する風車ブレードであって、前記スパーキャップは、炭素繊維を含む、長手方向の引張弾性率Ｅが１３０Ｇｐａ以上２１０Ｇｐａ以下の一方向コンポジットを複数枚並べて構成されるとともに、最大厚さが８０ｍｍ以下であり、前記シェアウェブの厚さが５０ｍｍ以下である風車ブレード。
２）前記一方向コンポジットに含まれる炭素繊維の弾性率が２５０ＧＰａ以上である、１に記載の風車ブレード。
３）風車ブレード長さが１３０ｍ以上である、１または２に記載の風車ブレード。
４）前記一方向コンポジットの弾性率が１５０ＧＰａ以上１９０ＧＰａ以下である、１～３のいずれかに記載の風車ブレード。
５）スパーキャップの最大厚さｔｍａｘが７５ｍｍ以下である、１～４のいずれかに記載の風車ブレード。
　なお、本明細書において、風車ブレード長さとは、図２、および図３中Ｌで示される、ハブへの固定部分近傍の断面における重心と、ハブへの固定部分から最も離れている部分（ブレード先端）を繋ぐ直線の方向の長さを指すものとする。風車ブレード幅方向とは、風車ブレード長手方向に垂直な断面において、リーディングエッジとトレーリングエッジとをつなぐ方向であり、図２および図３におけるｙ軸の方向を指す。
　本発明によれば、高弾性率の炭素繊維強化樹脂製のスパーキャップを用いた場合でも、シェアウェブの座屈を防止できる風車ブレードを提供することができる。
風力発電用風車の全体図である。 風車ブレード１を、風車ブレード長手方向に垂直な面で切った場合の断面を含めて示す斜視図である。 風車ブレードに風を想定した圧力を与えた際に変位量を評価する模式図である。 曲げ変形時のシェアウェブの座屈を評価する方法を説明する模式図である。 ねじれ変形時のシェアウェブの座屈を評価する方法を説明する模式図である。
　以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、図面に示される特定の実施形態についての説明は、上位概念としての本発明の説明としても理解し得るものである。
　図１ＡおよびＢに示されるように、典型的な風力発電用の風車は、風車ブレード１、タワー２、ナセル３、ハブ４から構成される。風車ブレード１はハブ４に取り付けられており、風力によって風車ブレード１が回転し、その回転がハブ４を介してナセル３内の動力伝達軸に伝わり、ナセル３内の発電機が駆動される。
　風車ブレード１は、タワー２に衝突しにくいように、タワー２から離れる向きに先端側をあらかじめ曲げた構成（プリベンド）となっていても良い。プリベンドの場合の風車ブレード長手方向とは、図２ブレード根元の断面の重心とプリベンドの開始位置までの範囲でハブへの固定部分から最も離れている部分の断面の重心を繋ぐ方向のことを指す。
　図２は本発明の一実施形態である風車ブレード１を、風車ブレード長手方向に垂直な面で切った場合の断面を含めて示す斜視図であり、風車ブレード長さをＬで示している。シェアウェブ１１は、風車ブレード１内壁に沿って風車ブレード長手方向に延在するスパーキャップ１２を介して風車ブレード１の内壁に接合されている。風車ブレードを製造する方法は特に限定されないが、一例として、風車ブレードの外形となる型にスキン１３を配置し、その上にスパーキャップ１２を配置して、上型となるフィルムで被覆し、下型との空間の気密性を保った上で、真空圧によって樹脂充填・含浸させるレジンインフュージョン法が挙げられる。その後、別成形しておいたシェアウェブ１１を所定の位置に組付け、接着剤などで固着して風車ブレードを製造する。
　後述するスパーキャップを用いる本発明においては、シェアウェブ１１の厚さを５０ｍｍ以下とする。５０ｍｍを超えるとシェアウェブの曲げ剛性が強くなりすぎてしまい、長手方向に接合の際に補正が困難になる。一方、シェアウェブとして必要な剛性を確保するためには、シェアウェブ１１の厚さは２０ｍｍ以上であることが好ましい。
　シェアウェブとしては、コア材とスキン材からなるサンドイッチ構造を有するものが好適に用いられる。コア材としては、バルサなどの木材や発泡樹脂材が使用され、特に発泡樹脂材は比重と弾性率とのバランスに優れており好適に使用される。スキン材としては２軸織物などが好適に使用される。スキン材の厚さは必要なせん断剛性が得られれば特に限定されないが、５ｍｍ以下であれば必要最小限の材料で必要な剛性が得られて好ましい。
　本発明において、スパーキャップは、強化繊維を引きそろえて樹脂を含浸させた一方向コンポジットを複数枚並べて構成されるものである。本発明においては、後述する長手方向弾性率Ｅを達成するため、スパーキャップを構成する一方向コンポジットは少なくとも炭素繊維を含んでいる。コストを抑える観点からは、炭素繊維に加えガラス繊維等の他の強化繊維を併用してもよいが、炭素繊維のみを含む一方向コンポジットの場合には本発明の効果が顕著に発現する。中でも、炭素繊維として弾性率２５０ＧＰａ以上の繊維を用いた場合に特に本発明の効果が特に顕著に発現する。なお、本明細書における強化繊維の弾性率は、ＪＩＳ　Ｋ７１６１（２０１４）に従って測定した値である。
　一方向コンポジットに含まれる樹脂は、特に限定されず、エポキシ系樹脂、不飽和ポリエステル系樹脂、ビニルエステル系樹脂等の熱硬化性樹脂に加えて、ポリアミド系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリフェニレンスルフィド系樹脂、ＡＢＳ系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリアセタール系樹脂、ポリブチレンテレフタレート系樹脂等の熱可塑性樹脂が挙げられる。特にビニルエステル樹脂は成形性と力学特性とのバランスに優れていて好ましく、また、エポキシ系樹脂は力学特性と炭素繊維との接着性に優れるので好ましい。
　スパーキャップ１２は、風車ブレードの長手方向の変形を抑制する機能を有し、かつ、シェアウェブの座屈を抑制する観点から、長手方向の引張弾性率Ｅが１３０ＧＰａ以上２１０ＧＰａ以下の一方向コンポジットから構成される。ここで一方向コンポジットの引張弾性率ＥはＪＩＳ　Ｋ７１６１（２０１４）に従って測定した値である。一方向コンポジットの引張弾性率Ｅが１３０ＧＰａ未満であると、必要な風車ブレード曲げ剛性を得るのにスパーキャップの厚さを厚くしなければならい。一方、Ｅが２１０ＧＰａを超えると、スパーキャップの剛性が高すぎることにより座屈が大きくなり、シェアウェブの座屈を誘発する可能性が生じてくる。一方向コンポジットの長手方向の引張弾性率Ｅは、より好ましくは１５０ＧＰａ以上１９０以下である。
　また、スパーキャップ１２の最大厚さを８０ｍｍ以下とすることにより、ブレードの曲げ剛性と座屈、ブレード製造時の含浸性などのバランスをとることができる。８０ｍｍを超える厚さだと、樹脂含浸時に未含浸の部分が生じるなどの不具合が生じてしまう。７５ｍｍ以下であると、製造時に未含侵などの不具合が生じる可能性がさらに小さくなり好ましい。
　本発明において、風車ブレードの大きさは特に限定されるものではないが、ブレード長さが１３０ｍ以上の場合に本発明の効果が顕著に発揮される。
　また、本発明はブレードが曲げ変形するときのみならずねじれ変形するときにも同様にウェブの座屈を抑制する効果を有している。
　（評価方法１：曲げ変形に対する評価）
　シェアウェブの変位量を図３に示すように評価した。図３Ａは風車ブレードの表面に風（図中矢印で示す）を想定した分布荷重５７７８Ｐａを与える模式図であり、風車ブレード根元端部を一周完全に拘束した時に、風車ブレード先端部１４のＸ方向変位量を評価するものである。ここで表面とは図３Ｂに示す通り風車をｘｙ平面で見たときに風荷重を受けると想定される表面であり、図３Ｃに示す通りｙｚ平面で投影される面を指す。
　シミュレーションには、ＳＩＥＭＥＮＳ社製の構造解析ソフトウェア「ＮＸ　Ｎａｓｔｒａｎ」を使用した。また、風車のモデルはＮａｔｉｏｎａｌ　Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ（ＮＲＥＬ）が公開している風車モデル「Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＩＥＡ　Ｗｉｎｄ　１５ＭＷ　Ｏｆｆｓｈｏｒｅ　Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　Ｗｉｎｄ　Ｔｕｒｂｉｎｅ」を使用した。
　１．風車ブレード長手方向長さＬを１４０ｍとした解析
　一方向コンポジットの風車ブレード長手方向の弾性率Ｅ、シェアウェブの厚さ、スパーキャップの最大厚さ、を表１の通り入力して解析を行った。根元から３３ｍの場所の断面で、図４に示す過重負荷前のシェアウェブ間の距離Ｗ１と、図４Ｂに示す荷重負荷後の距離Ｗ２との変化量ΔＷ（＝Ｗ２－Ｗ１）を計算した。
　（実施例１－１）
　表１の通り物性値を入力し、シミュレーションを行った。
　解析の結果、シェアウェブ間の距離の変化量は０．０３６ｍで、座屈はほとんど生じなかった。
　（比較例１－１）
　実施例１－１の一方向コンポジットの炭素繊維を弾性率の低いものに変更した構成を想定して、表１の通り物性値を入力し、シミュレーションを行った。解析の結果、シェアウェブ間の距離の変化量は１．２１０ｍであり、これは、座屈が発生してシェアウェブが破損する可能性のある変形量であった。
　（比較例１－２）
　実施例１－１の一方向コンポジットの炭素繊維を、弾性率の大幅に高いものに変更した構成を想定して、表１の通り物性値を入力し、シミュレーションを行った。解析の結果、シェアウェブ間の距離の変化量は０．５９０ｍであり、これは、座屈が発生してシェアウェブが破損する可能性のある変形量であった。
　（実施例１－２）
　実施例１－１の一方向コンポジットの炭素繊維を、弾性率のやや高いものに変更した構成を想定して、表１の通り物性値を入力し、シミュレーションを行った。解析の結果、シェアウェブ間の距離の変化量は０．０６７ｍで、座屈はほとんど生じなかった。
　（比較例１－３）
　シェアウェブの厚さを７０ｍｍとした以外は実施例１－２と同様の条件で、シミュレーションを行った。解析の結果、シェアウェブ間の距離の変化量は０．０４１で座屈はほとんど生じなかったが、シェアウェブの曲げ方向の剛性が高くなりすぎて、ブレード本体への組付けの際の補正が困難になる。
　（比較例１－４）
　実施例１－１の一方向コンポジットの炭素繊維を、弾性率の低いものに変更し、実施例１－１のウェブ間変化量に近づけるためスパーキャップを成形限界に近い１３０ｍｍまで厚くした構成を想定して、表１の通り物性値を入力し、シミュレーションを行ったが、解析の結果、シェアウェブ間の距離の変化量は０．５２０ｍであり、これは、座屈が発生してシェアウェブが破損する可能性のある変形量であった。
　（実施例１－３）
　実施例１－２でスパーキャップの最大厚さｔｍａｘをやや薄いものに変更した構成を想定して、表１の通り物性値を入力し、シミュレーションを行った。解析の結果、シェアウェブ間の距離の変化量は０．０７３ｍで、座屈はほとんど生じなかった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　２．風車ブレード長手方向長さＬを１１７ｍとした解析
　一方向コンポジットの風車ブレード長手方向の弾性率Ｅ、シェアウェブの厚さ、スパーキャップの最大厚さ、を表２の通り入力して解析を行った。図４に示すように、根元から２４ｍの場所の断面で、過重負荷前のシェアウェブ間の距離Ｗ１を、と荷重負荷後Ｗ２とでの変化量ΔＷ（＝Ｗ２－Ｗ１）を評価した。
　（実施例２－１）
　ブレード長さを１１７ｍとした以外は実施例１－１と同じモデルを作成し、表２の通り物性値を入力し、シミュレーションを行った。解析の結果、シェアウェブ間の距離変化量は０．０１３ｍで座屈はほとんど生じなかった。
　（比較例２－１）
　実施例２－１の一方向コンポジットの炭素繊維を、弾性率の低いものに変更した構成を想定して、表１の通り物性値を入力し、シミュレーションを行った。解析の結果、シェアウェブ間の距離の変化量は０．４３１ｍ、繰り返し変形が生じた際にはシェアウェブが破壊、あるいは、修理が必要な変形量であった。
　（比較例２－２）
　実施例２－１の一方向コンポジットの炭素繊維を、弾性率の大幅に高いものに変更した構成を想定して、表１の通り物性値を入力し、シミュレーションを行った。解析の結果、シェアウェブ間の距離の変化量は０．２３３ｍ、繰り返し変形が生じた際にはシェアウェブが破壊、あるいは、修理が必要な変形量であった。
　（実施例２－２）
　実施例２－１の一方向コンポジットの炭素繊維を、弾性率のやや高いものに変更した構成を想定して、表１の通り物性値を入力し、シミュレーションを行った。解析の結果、シェアウェブ間の距離の変化量は０．０２３ｍで座屈はほとんど生じなかった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
（評価方法２：ねじれ変形に対する評価）
　評価方法１と同じモデルに、ブレードに最もねじり荷重がかかる条件として、図５（Ａ）に示す通り、ブレードが３時の位置（ブレードの長手方向が水平になる位置）に来た際にブレードにかかる自重を図５（Ｂ）に示す通りに負荷して、その他は評価方法１と同じ条件の解析モデルを作成した。ウェブの変形は図５（Ｃ）に示す通り片側に座屈する変形を示したため、評価方法１とは異なり、変形前と変形後のシェアウェブ間の距離をＷ３とし、左右の大きい方を座屈変化量とした。
　（実施例３－１）
　表３の通り物性値を入力し、シミュレーションを行った。
　解析の結果、シェアウェブ間の距離の変化量は０．０３０ｍで、座屈はほとんど生じなかった。
　（比較例３－２）
　実施例３－１の一方向コンポジットの炭素繊維を、弾性率の大幅に低いものに変更した構成を想定して、表３の通り物性値を入力し、シミュレーションを行った。解析の結果、シェアウェブ間の距離の変化量は０．５９０ｍであり、これは、座屈が発生してシェアウェブが破損する可能性のある変形量であった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
１　　　　　風車ブレード
１１　　　　シェアウェブ
１２　　　　スパーキャップ
１３　　　　スキン
１４　　　　風車ブレード先端部
２　　　　　タワー
３　　　　　ナセル
４　　　　　ハブ
Ｌ　　　　　風車ブレード長手方向長さ
 

Claims (5)

  1. 　風車ブレードの、加圧側（pressure-side）スキンの内側（interior-surface）に接して配置された加圧側スパーキャップと、収縮側（suction-side）スキンの内側に接して配置された収縮側スパーキャップと、前記加圧側スパーキャップおよび前記収縮側スパーキャップとに両端を接するよう配置された長尺板状のシェアウェブとを有する風車ブレードであって、前記スパーキャップは、炭素繊維を含む、長手方向の引張弾性率Ｅが１３０Ｇｐａ以上２１０Ｇｐａ以下の一方向コンポジットを複数枚並べて構成されるとともに、最大厚さが８０ｍｍ以下であり、前記シェアウェブの厚さが５０ｍｍ以下である風車ブレード。
  2. 　前記一方向コンポジットに含まれる炭素繊維の弾性率が２５０ＧＰａ以上である、請求項１に記載の風車ブレード。
  3. 　風車ブレード長さが１３０ｍ以上である、請求項１または２に記載の風車ブレード。
  4. 　前記一方向コンポジットの弾性率が１５０ＧＰａ以上１９０ＧＰａ以下である、請求項１または２に記載の風車ブレード。
  5. 　スパーキャップの最大厚さｔｍａｘが７５ｍｍ以下である、請求項４に記載の風車ブレード。
     
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