風力タービンブレードのコア材料の選び方

風力タービンのブレードは、効率的に回転するのに十分な軽量であると同時に、耐用期間中に数百万回の負荷サイクルに耐えられるほど十分な剛性と耐久性を備えていなければなりません。ブレードが長くなるにつれて、適切な構造コア材料を選択することがますます重要になります。

コア材料は複合スキンの間に配置され、サンドイッチ構造を形成します。この構造により、固体ラミネートの重量を追加することなくパネルの剛性が向上します。風力タービンブレードでは、構造コアは通常、座屈やせん断荷重に対する耐性が必要なブレードシェル、せん断ウェブ、その他のサンドイッチセクションに使用されます。

ただし、すべてのブレードに適した単一のコア材料、密度、または表面処理はありません。正しい選択は、ブレードの設計、コアの位置、機械的要件、注入プロセス、樹脂の消費量、動作温度、および製造コストによって異なります。

このガイドでは、次のいずれかを選択する方法について説明します。 PVC フォーム と PET フォーム、および密度、厚さ、表面処理、キッティングがブレードの性能と製造効率にどのように影響するか。

風力タービンブレードにコア材料が必要な理由

風力タービンのブレードは、その動作寿命を通じて、曲げ、せん断、圧縮、疲労、局所的な圧力の複雑な組み合わせにさらされます。ブレード全体を厚いガラス繊維の積層板で作ると、重量と材料費が過剰に増加します。

サンドイッチ構造は、より効率的なソリューションを提供します。通常、次の内容で構成されます。

· 外側の複合スキン。

· 軽量構造コア。

· 内側の複合スキン。

外皮は引張荷重と圧縮荷重の多くを負担し、コアは外皮を分離し、外皮間にせん断を伝達します。外板間の距離を増やすと、それに比例して重量を増加させることなく、曲げ剛性を大幅に向上させることができます。

コア材料は次の場合にも役立ちます。

· 局所的なパネルの剛性を高めます。

· 座屈耐性を向上させます。

· ブレードの空気力学的形状を維持します。

· 大きなシェルセクションを安定させます。

· ラミネートスキン間でせん断を伝達します。

· 必要な固体ラミネートの量を削減します。

· 大型複合構造の効率的な生産をサポートします。

したがって、コアは独立した材料としてではなく、完全なサンドイッチ構造の一部として評価する必要があります。

風力タービンブレードのどこにコア材料が使用されていますか?

荷重、形状、積層構造が均一ではないため、コア材料の要件はブレードごとに異なります。

ブレードシェル

空力シェルはブレードの外面を形成します。大きなシェル領域には、その形状を維持し、空気力学的負荷や動作負荷による局所的な座屈に耐えるために十分な剛性が必要です。

構造フォームコアは通常、シェルのサンドイッチセクションに使用されます。密度、厚さ、機械的性能は、局所的な構造設計に従って選択されます。

コアはまた、湾曲した金型表面に適合し、樹脂の注入および硬化中に安定した状態を維持する必要があります。

シアーウェブ

せん断ウェブはブレードの両側を接続し、荷重を支えるスパーキャップの分離を維持しながらせん断荷重の伝達を助けます。

せん断ウェブで使用されるサンドイッチ パネルには、信頼できるせん断特性、寸法安定性、およびラミネートスキンとの良好な接着が必要です。また、ギャップ、フィッティング不良、過剰な樹脂の蓄積が重量と構造の一貫性に影響を与える可能性があるため、コア キットは正確にフィットする必要があります。

リーディングエッジ領域とトレーリングエッジ領域

コア材料は、シェルを安定させ、局所的な剛性を向上させるために、選択された前縁領域および後縁領域に使用される場合があります。

これらの領域には、きつい曲率、狭いセクション、複雑な遷移が含まれる場合があります。したがって、コアの柔軟性、熱成形性、切り込みパターン、および寸法精度は、公称の機械的特性と同じくらい重要になる可能性があります。

ルート遷移と高負荷遷移

ブレードの根元には、厚いラミネート、インサート、接着ジョイント、および荷重伝達機能が含まれています。単一の軽量フォーム グレードがこの領域全体に自動的に適しているわけではありません。

局所的な荷重、接続、移行部の周囲では、より高密度のコア材料または代替の構造ソリューションが必要になる場合があります。最終仕様はブレード設計者の構造計算に基づいていなければなりません。

PVCフォームまたはPETフォーム?

PVC と PET はどちらも構造用フォームコアとして使用されますが、性能と加工特性が異なります。選択は、価格だけではなく、各ブレードセクションの要件に基づいて行う必要があります。

PVCフォームコア

架橋 PVC は、軽量、機械的性能、加工信頼性のバランスが優れた独立気泡構造フォームです。

一般的な利点は次のとおりです。

· 密度に対する優れたせん断強度と剛性。

· 優れた耐疲労性。

・ 吸水性が低い。

· 寸法安定性が良好。

· 一般的な複合加工方法との互換性。

· さまざまな密度と表面処理が利用可能。

· 要求の厳しいサ​​ンドイッチ構造でも信頼できるパフォーマンスを発揮します。

PVC フォームを検討できます。 機械効率、疲労性能、軽量性が重要な場合は、 選択されたグレードが必要なせん断特性と圧縮特性を提供する場合、構造的に要求の厳しい領域でも好まれる場合があります。

ただし、PVC は通常、標準の PET フォームよりも高価です。したがって、材料の選択では、特定のブレードの位置でその性能上の利点が必要かどうかを考慮する必要があります。

PETフォームコア

PET は、風力タービンブレードのサンドイッチ構造に広く使用されている熱可塑性構造フォームです。機械的性能、処理能力、コスト、持続可能性の実用的なバランスを提供します。

一般的な利点は次のとおりです。

· 競争力のある材料コスト。

· 優れた圧縮性能とせん断性能。

· 寸法安定性が良好。

· 熱成形性。

· 幅広い密度で利用可能。

· 真空注入プロセスとの互換性。

· 熱可塑性材料としてリサイクル可能。

・ 再生PET含有グレードも用意。

PET は、コスト効率、安定した供給、持続可能性が重要な大量ブレード生産にとって特に魅力的です。

ただし、PET グレードはセル構造、機械的特性、耐熱性、樹脂の取り込みが大きく異なります。 「PET」という単語だけでは十分な仕様ではありません。選択したグレードは、ブレードの構造および加工要件に照らして検証する必要があります。

PVC フォームと PET フォーム: 実際の比較

この表は一般的なガイドのみです。最終的な比較では、選択した密度とテスト条件での実際の技術データを使用する必要があります。

タービン定格だけでコア材料を選択しないでください

ある材料は特定のタービン容量以下では適しており、別の材料はそれ以上で使用する必要があると言いたくなるかもしれません。これでは単純すぎます。

タービンの定格出力は、ブレードの構造要件を完全に説明するものではありません。選択は次の影響も受けます。

・ 刃の長さ。

· 陸上または海上での設置。

· ローター速度。

· 空力設計。

· シアーウェブの数と位置。

· スパーキャップ設計。

· シェルの形状。

· 目標ブレード重量。

· デザインライフ。

· 安全係数。

· 注入および硬化プロセス。

したがって、同様の出力定格を持つ 2 つのブレードは、異なるコア材料または異なる密度の組み合わせを使用する可能性があります。

ブレードの図面、積層スケジュール、および技術仕様は、メガワット定格に基づく一般的なルールよりも常に優先される必要があります。

正しい泡密度を選択する方法

フォーム密度は、重量、せん断強度、圧縮性能、コストに影響します。通常、密度が高くなると機械的特性が向上しますが、ブレードの重量と材料コストも増加します。

目的は、最高の密度を選択することではありません。各場所の構造要件と加工要件を安全に満たす最低密度を使用する必要があります。

次の要因を考慮してください。

せん断荷重

コアはラミネートスキン間でせん断を伝達します。より高いせん断荷重にさらされる領域には、十分なせん断強度と弾性率が必要です。

静的特性と長期疲労挙動の両方が関連している可能性があります。

圧縮と局所圧力

コアは製造中および保守中の圧縮に耐える必要があります。局所的な圧力は、ツーリング機能、真空消耗品、ジョイント、荷重がかかる領域の周囲で発生する可能性があります。

圧縮性能が不十分なコアは、注入、硬化、または操作中に変形する可能性があります。

座屈耐性

コアの厚さとせん断剛性は、サンドイッチ パネルの耐座屈性に貢献します。したがって、密度は厚さとスキンの設計とともに考慮する必要があります。

目標体重

広いブレード面積にわたって不必要に高い密度を使用すると、かなりの重量が増加する可能性があります。通常、ブレード全体に 1 つのグレードを適用するよりも、局所的な最適化の方が優れています。

加工条件

フォームは、許容できない歪みや特性損失を生じることなく、真空圧力、樹脂の発熱、硬化温度に耐える必要があります。

その結果、1 つのブレードで複数の密度が使用される場合があります。低密度のフォームは要求の少ない領域に使用でき、負荷が集中する領域には高密度のインサートまたはトランジションピースが使用されます。

コアの厚さは密度と同じくらい重要です

コアの厚さを増やすとサンドイッチ パネルの剛性が大幅に向上しますが、材料が厚いほど自動的に優れるわけではありません。

適切な厚さは次の要素によって決まります。

· 必要なパネル剛性。

· 局所的な座屈耐性。

· ブレードの形状。

· スキンラミネートの厚さ。

· コア内のせん断応力。

· 重量制限。

· 利用可能な金型スペース。

· 製造公差。

厚さの変化は徐々に正確に加工する必要があります。不適切に設計されたステップにより、樹脂が豊富な領域が生じたり、レイアップ中に応力が集中したり、困難が生じたりする可能性があります。

ブレードの設計者は、最終的な厚さの分布を指定する必要があります。コアサプライヤーは、必要なテーパー、ベベル、トランジションを備えたシートまたはキットを製造できます。

真空注入用の表面処理

風力タービンのブレードは通常、真空を利用した樹脂注入によって製造されます。コアの表面処理は、樹脂の流れ、空気除去、適合性、樹脂消費量に直接影響します。

穴あきフォーム

穿孔により、空気と樹脂がコアの厚みを通って移動できます。穴の直径と間隔は、実際の注入戦略に合わせて選択する必要があります。

穴が少なすぎると、空気の除去が制限される可能性があります。穴が多すぎる、または大きすぎると、樹脂の消費量が増加し、ブレードの重量が増加する可能性があります。

溝付きフォーム

表面の溝が樹脂の流路を形成します。溝の方向、間隔、深さは注入の速度と均一性に影響します。

より積極的な溝パターンは流れを改善できますが、より多くの樹脂を保持できる可能性もあります。したがって、最速の注入パターンが常に最低コストまたは最低重量のソリューションであるとは限りません。

刻み目入りおよびスクリム入りフォーム

硬質フォームシートは、サポートスクリムに取り付けられたブロックに切断できます。これにより、コアが湾曲したブレード金型に簡単に追従できるようになります。

ブロックの寸法、カットの幅、スクリムの種類は適合性と樹脂の取り込みに影響します。ブロック間の広い隙間は、注入後に樹脂が多くなる場合があります。

熱成形コア

PET フォームは 、湾曲したブレード表面に合わせて熱成形できます。予備成形されたコアはギャップを減らし、再現性を向上させる可能性がありますが、厚さや局所的な特性の許容できない変化を避けるために成形プロセスを制御する必要があります。

樹脂の摂取が重要

コア材料のコストは、完成ブレードのコストの一部にすぎません。穴、溝、切り込み、連続気泡、隙間に樹脂が吸収されると、重量と費用が増加します。

大型の風力タービンブレードの場合、1平方メートルあたりの樹脂の取り込み量がわずかに増加しただけでも、コア面積全体にわたって大幅に増加する可能性があります。

樹脂の取り込みは次の影響を受けます。

· 発泡セル構造。

· コア密度。

· 表面の多孔性。

· 穴の直径と間隔。

· 溝の幅と深さ。

· 得点パターン。

· キット部品間の隙間。

・ スクリム構造。

・ 樹脂粘度；

· 真空レベル。

· 注入温度。

選択されたコア構成は、不必要な樹脂チャネルを作成することなく、十分な樹脂の流れを提供する必要があります。トライアルパネルは、注入時間、ウェットアウト、樹脂消費量、完成したパネルの品質を比較するのに役立ちます。

温度と寸法安定性

コアは、保管、レイアップ、注入および硬化を通じて安定した状態を維持する必要があります。

重要な温度関連要因には次のものがあります。

· 最高金型温度。

・ 樹脂発熱。

· 硬化期間。

· 硬化後の要件。

· 厚いラミネート領域全体の温度分布。

· コアの軟化または歪み。

・ 冷却後の寸法回復。

技術データシートに記載されている温度は、その定義方法を理解せずに使用しないでください。短期最高温度、連続使用温度、熱変形温度は互換性がありません。

お客様はフォームグレードを選択する際に完全な硬化サイクルを提供する必要があります。

疲労性能

風力タービンのブレードは繰り返しの周期的な負荷を受けます。短期間の静的試験に合格した材料が、必要な長期疲労性能を必ずしも提供するとは限りません。

疲労が設計要因である場合、評価には次のものが含まれる場合があります。

· せん断疲労挙動。

・ 圧縮疲労。

· 皮膚とコアの接着耐久性。

· 環境暴露後の財産保持。

· ジョイントとトランジションのパフォーマンス。

· 生産バッチ間の変動。

コアは、目的のスキン、樹脂、接着剤、製造プロセスを使用した完全なサンドイッチ システムの一部として認定される必要があります。

寸法精度とコアキッティング

大型ブレードの場合、コア材料は標準的な長方形のシートではなく、CNC 加工キットとして供給されることがよくあります。

適切に設計されたコア キットは以下を提供します。

· 金型内に正確にフィットします。

· 厚さの変化を修正します。

· 手動トリミングの削減。

· より速いレイアップ。

· ピース間の一貫したギャップ。

· 取り付けエラーのリスクが低い。

· 生産の再現性が向上します。

・ キットの各部品の識別。

一般的な加工オプションには次のものがあります。

·  CNC 切断。

· 面取り。

· 先細り。

· 溝加工;

· ミシン目;

· スコアリング;

· スクリムアプリケーション。

· 熱成形。

· パーツマーキング。

· キットの順序付けとパッケージ化。

材料特性だけでは、コア システムの合計価値が決まりません。加工精度、キット設計、梱包、配送の信頼性は、ブレードの生産効率に大きな影響を与える可能性があります。

実用的なコア材料の選択プロセス

構造化された選択プロセスにより、密度や価格のみに基づいて材料を選択することを避けることができます。

ステップ 1: ブレードの位置を特定する

コアがシェル パネル、シアー ウェブ、リーディング エッジ、トレーリング エッジ、または局所的なトランジション用であるかどうかを決定します。

ステップ 2: 構造要件を定義する

必要なせん断強度、せん断弾性率、圧縮特性、疲労性能、厚み、許容重量を確認します。

ステップ 3: 処理条件を定義する

樹脂システム、注入方法、真空レベル、硬化温度、硬化時間、予想される発熱量を提供します。

ステップ 4: PVC グレードと PET グレードを比較する

同等の密度および同等の試験条件で特性を比較します。製品ファミリーの説明のみを比較しないでください。

ステップ 5: 表面処理を選択する

形状や樹脂の流れの要件に基づいて、ミシン目、溝、スコアリング、または熱成形を選択します。

ステップ 6: 樹脂の消費量を評価する

選択した表面処理と接合部がパネル完成重量に与える影響を測定します。

ステップ 7: キットの要件を確認する

図面、公差、部品の識別、梱包順序、および予想される年間数量を提供します。

ステップ 8: 完全なサンドイッチ システムを検証する

代表的な試作パネルを製造し、最終承認前に完全なラミネートをテストします。

中核材料サプライヤーに提供する情報

正確な推奨事項を得るには、ブレードのメーカーは以下を提供する必要があります。

· コアアプリケーション領域。

· 必要な材料タイプ。

· 目標密度。

· コアの厚さ。

· シートまたはキットの寸法。

· 機械的特性の要件。

・ 樹脂系。

· 注入方法。

· 硬化サイクル。

・ 表面処理；

· 必要な公差。

· 推定年間数量。

· テストと文書化の要件。

ブレード設計が機密である場合、顧客は完全な構造設計を共有することなく、関連する最小限の処理要件と性能要件を提供できます。

最終的な推奨事項

PVC と PET フォームはどちらも風力タービンのブレードに効果的な構造コア ソリューションを提供できますが、交換可能な材料として扱うべきではありません。

PVC フォームは 、高い構造効率、耐疲労性、軽量性が特に重要な場合に検討されることがよくあります。 PET フォームは、ブレードの大量生産において、機械的性能、コスト効率、熱成形性、持続可能性の強力な組み合わせを提供します。

最終的な選択は、特定のブレードの位置、構造計算、密度、厚さ、加工温度、樹脂の取り込み、および表面処理に基づいて行う必要があります。多くの場合、最適なブレード設計では、全体で 1 つの材料に依存するのではなく、異なる領域で異なるコア グレードを使用します。

JLON は PVC と PET フォームコア。 風力タービンブレード製造用に、複数の密度、厚さ、加工フォーマットの利用可能な加工オプションには、溝入れ、穿孔、スコアリング、スクリム塗布、面取り、CNC 加工、カスタマイズされたコア キットが含まれます。

ブレードの用途、必要な密度、厚さ、硬化温度、図面を添えて JLON にお問い合わせください。私たちのチームは、評価に適したコア材料と処理構成を特定するお手伝いをします。