3Dプリントされた風力タービンブレードは発電効率を向上させることができる

世界的なエネルギー危機の拡大と地球環境汚染の深刻化に伴い、新エネルギーや再生可能エネルギーの開発と利用を推進することが一般的な傾向となっています。クリーンかつ再生可能なエネルギーとして、風力エネルギーは世界各国における新エネルギー開発の重要な方向性となっています。風力タービンの主要部品であるブレードの優れた設計、信頼性の高い品質、優れた性能は、ユニットの正常な動作を保証し、風力タービンの発電性能と出力を決定します。

ブレードの設計と製造は風力タービンのコア技術です。ブレードには、適切な設置角度、揚抗比、先端速度比、ブレードのねじれ角分布など、効率的な特殊な翼形が求められるだけでなく、軽量、高い構造強度、疲労耐性を確保するために複合プロセスと材料の使用も求められます。一方、空気力学の複雑さにより、ブレードの形状を正確に設計することは非常に困難です。従来の水平軸風力タービンは、主に前向き設計を採用しており、つまり、ブレードの幾何学的構造が最初に設計され、対応する空力性能要件が満たされるまで改良されます。しかし、前方設計では、ブレード幅に沿った必要な空力特性の分布を決定したり、必要なローター特性を決定できないなど、多くの問題に直面しています。
リバース設計は、フォワード設計の欠点を克服できます。3Dモデリングを元のブレードソリッドモデルと比較することで、ブレード設計を検証し、設計サイクルを短縮して製造コストを削減できます。一方、ブレードの製造工程も、ハンドレイアップ成形から真空注入成形へ、オープンモールド成形からクローズドモールド成形へと進化してきました。単純な形状の小型ブレードは、通常、圧縮成形で製造されますが、複雑な幾何学的形状や複数の材料を使用したブレードを低コストで製造することは難しく、ブレード製造業界の発展のボトルネックとなっています。 3D プリント技術は、生産サイクルが短く、製造材料が豊富で、複雑な形状のモデルを製造できるという特徴があり、業界で広く使用されています。したがって、本論文では、リバース 3D モデリング、有限要素解析と修正、そして最終的には 3D プリントによって実現される、風力タービンブレードの体系的かつ効率的な製造方法を提案します。

1. 製造方法と設計分析

1.1 製造工程 風力タービンブレードの 3D プリントの体系的かつ効率的な製造プロセスを図 1 に示します。まず、3Dレーザースキャナーで対象ブレードを逆スキャンして、3Dモデルと特性パラメータを取得します。次に、有限要素シミュレーションにより、特定の負荷環境におけるブレードの破損を分析し、使用要件を満たすように特性パラメータを修正します。最後に、最適化された形状モデルを3Dプリント技術でソリッドに製造します。

1.2 逆測定 本論文で使用した風力タービンブレードのプロトタイプは、米国SWWP社のAirBreezeブレードである。具体的なパラメータは表1に示すとおりである。使用した機器は、ドイツのBreukmann社製の3次元レーザースキャナーで、ブレード表面のオリジナルかつ正確なデータを取得します。ブレードのエッジ特徴抽出を考慮して、図2に示すように、マーカーポイントでブレードを処理します。

1.3 静的および座屈安定性解析 有限要素法は、製造前に潜在的な問題を検出し、さまざまな実験スキームをシミュレートすることで時間とコストを削減できるため、有限要素法を逆設計と組み合わせてブレードの応力、変形、疲労などのパラメータを分析し、ブレードの構造の詳細をすぐに修正できます。静的解析に有限要素法を使用する場合、理論的根拠は変分原理であり、最も一般的なものは最小位置エネルギー原理と最小補完エネルギー原理です。

最小位置エネルギー原理では、ユニット内の変位場関数がE = U − W (1)の形式で存在すると仮定する必要があります。ここで、Eは位置エネルギー、Uは弾性ひずみエネルギー、Wは外力位置エネルギーです。物体が多数のユニットとノードに離散化されている場合、各ノードの変位は変位行列 δ を構成し、関数 E は各ユニットの関数の合計、E=󰀁 Ei として表すことができます。 Eiはδiに依存します。異なるノード変位配列はE値が異なるため、E=E(δ)=E(u1,u2,···
,uN)(2) ここでui(i=1,2,···,N)は一般的な変位である。

この条件と E によれば、N 次代数方程式のセットが得られ、それを解くと δ が得られます。座屈安定性解析とは、構造の線形剛性マトリックスに差動剛性の影響を導入することを指し、差動剛性はひずみ-変位関係の高次項から導出されます。構造物の線形剛性行列をKa、ひずみ変位を考慮した高次非線形微分剛性行列をKdと仮定する。一般に、Ka=PaKd(3)が成り立ち、ここでPaは作用荷重を表す。特定のPaに対して、それは臨界座屈荷重Pcrと呼ばれ、λ= PcriP (4) λは座屈係数、Pは外部荷重、臨界座屈荷重はPcr=min(λi)Paです。λ<1の場合、構造は不安定であり、対応する外部荷重は不安定荷重です。

1.43D 印刷製造 リバーススキャンで得られたブレードの3次元モデルは、3Dプリント用に.STLファイル形式に変換する必要があります。処理後、3Dプリンターにインポートして物理的な製造を完了します。実験装置とブレード構造の特性を考慮して、熱溶解積層法（FDM）プロセスを使用して製造しました。

FDMプロセスに選択した機器は、国内Tiertime社のInspire D290 3Dプリンターです。作業台のXY平面造形サイズは255mm×290mm、ブレード全長は550mmなので、サイズは元の1/2に縮小されています。ブレードの形状とサポートの除去に影響を与える要因を考慮して、ブレードはエッジに沿って垂直に配置され、層の厚さは0.1mmに設定されています。材料はABSB501ワイヤで、主な機械的特性パラメータは、弾性係数2×103MPa、せん断弾性係数318.9MPa、質量密度1.02×103kg/m3、引張強度30MPaです。

2. 結果の評価
2.1 3Dモデルの取得ブレードの逆スキャンによって得られた点群データを図3に示します。

図3 ブレードの点群データ測定には誤差がつきものですが、特にブレードエッジやブレード断面線の入口側など、曲率が急激に変化する部分で得られるデータは信頼性が低くなります。そのため、点群データを前処理して異常なデータを除外する必要があります。

データ前処理の一般的な原則は次のとおりです。
（１）ブレードの曲線は、少なくともガイドベクトルの連続性を維持し、曲線の滑らかさを確保し、鋭い点を避ける必要がある。
（２）局所的な突起や窪みを防止するため、ブレード表面の曲線上に余分な変曲点を設けない。
（３）曲率は均一に変化し、大幅な膨張や収縮を避ける。

データを修復します。①エッジの欠陥がある不良な表面と穴を修正します。
②重複した面を削除し、滑らかにしてノイズを減らし、最後に測定誤差の影響を補正して、モデル再構築の品質を向上させます。
スキャン時には取得が難しいブレードの根元のねじ穴の特性を考慮して、後からねじ穴を修復し、最終的にブレードの3次元データモデルを取得します。

2.2 静的解析と座屈モードクラウド図 有限要素解析を使用すると、図 4 に示すように、極限フラッピングモーメント下でのブレードの静的解析結果を得ることができます。ブレードの全体的な応力の観点から見ると、ブレードの最大変位は先端で発生し、変形変位は根元で最小になります。また、全体的な応力の観点から見ると、根元がブレードの主な荷重支持部分です。ブレードの全体的な安定性解析によれば、異なる次数の座屈モード解析図が得られます。図5は2次座屈モードを示しています。これは、この動作条件下ではブレードが座屈しないことを示していますが、負荷が増加して座屈荷重に達するかそれを超えると、ブレードは主にブレードの最大弦長断面積の後縁と先端近くの後縁で局所的に座屈します。

2.3 葉っぱを作った FDMプロセスを使用してブレードサンプルを製造した後、サポート材を除去し、研削や研磨などの後処理を行います。得られたブレードを図6に示します。測定の結果、サンプルの平均寸法精度は約0.16mm/100mmであり、ブレードプロトタイプの元の寸法精度は±0.18mm/100mmでした。したがって、サンプルの精度は誤差範囲内であり、生産要件を満たしていました。

材料特性と成形プロセスを比較すると、元の風力タービンブレードの材料はナイロン繊維であり、その主な機械的性能パラメータは FDM プロセス方法で使用される ABS 材料よりも優れています。したがって、使用要件を満たす製品を直接 3D プリントするには、FDM ワイヤの材料を変更するか、複合プロセスを使用して強化相を追加する必要があります。

3 結論

この記事では、リバースエンジニアリング、有限要素解析、3D プリントを有機的に組み合わせて、風力タービンブレードを製造するための効率的で体系的な方法を形成します。また、風力タービンブレードの 3 次元モデリング、障害判定、製造プロセスの具体的な側面についても詳しく説明します。実験により、この体系的なアプローチは実行可能であり、ブレードの即時最適化と迅速な生産にとって優れた参考値を持つことが示されました。同時に、この研究には、さらに詳細な調査が必要な問題がまだいくつか残っています。
（１）本論文は主にこの体系的な製造方法に関する具体的な実験を行い、ブレードの幾何学的特徴の抽出と修正のための予備的な機能フレームワークを提供するだけであり、具体的な実装にはさらなる研究が必要である。
（２）刃の強度は構造によって保証されるだけでなく、使用される材料にも大きく関係している。 3D プリントプロセスは、材料や寸法精度などの条件によって制限されますが、繊維敷設や堆積プロセスと簡単に組み合わせて複合材料部品の製造を実現できるため、今後の研究の焦点にもなります。

編集者: Antarctic Bear 著者: Wu Di、Liu Sai、Yang Guoce、Gao Qi (上海第二工科大学工学研修センター)

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