JP2015151961A - 回転翼ブレード、回転翼、回転翼ブレードの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】作業性や強度の低下を抑え、高い性能を有する回転翼を得る。
【解決手段】回転翼のロータの外周部に結合される回転翼ブレード２０は、ロータの外周部に固定される基端部２１ｂにおいて、翼長方向に直交する断面形状が、一方向に長い長径部２１Ｌと、一方向に交差する他方向に長径部２１Ｌよりも短い短径部２１Ｓと、を有したＦＲＰ製のブレード本体２１と、ブレード本体２１の基端部２１ｂにおいて、短径部２１Ｓの外周側に設けられたＦＲＰ製の外周アダプタ２２と、ブレード本体２１の基端部２１ｂにおいて、長径部２１Ｌの内周側に設けられたＦＲＰ製の内周アダプタ２３と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、風車や水中回転翼等の回転翼の回転翼ブレード、回転翼、回転翼ブレードの製造方法に関する。

風力発電機の風車や、海流発電機の水中回転翼等の回転翼は、回転可能なロータの外周側に複数の翼ブレードが設けられている。翼ブレードは、その断面形状が、前縁側と後縁側を結ぶ一方向を長径とし、一方向に直交する他方向を短径とした翼断面形状をなしている。
翼ブレードの基端部は、ロータの外周部に設けられたハブに、ボルト等によって結合されている。翼ブレードの先端部側は、効率を高めるために最適化された翼断面形状をなしているのに対し、翼ブレードの基端部側は、楕円形状とされていることが多い。

ここで、図７に示すように、翼ブレード１の基端部１ａの断面形状が楕円形状であると、翼ブレード１の断面における長径方向Ｄｘに対し、短径方向Ｄｙにおいて、翼ブレード１の断面中心Ｃから翼ブレード１のハブへの結合位置であるボルト２までの距離が小さい。
このため、翼ブレード１の短径方向Ｄｙの両側の翼表面１ｆ，１ｇの基端部には、長径方向Ｄｘに対し、翼ブレード１に風や海流によるモーメントが作用したときの力が、より大きく作用する。特に、翼ブレード１は、短径方向Ｄｙの両側の翼表面１ｆ，１ｇに風や海流によるモーメントが大きく作用するため、この傾向はより顕著なものとなる。

そこで、特許文献１には、翼ブレードの基端部におけるハブに対する結合強度を高めるために、筒状に形成されて翼ブレードの基端部を覆う金属製のソケットを用いる構成が開示されている。

また、特許文献２、３には、翼ブレードの基端部の断面形状を円形とし、翼ブレードの基端部のハブに対する取付強度を確保する構成が開示されている。

米国特許出願公開第２０１３／０１０６１０５号明細書（Ｆｉｇ．１４） 特開平１１−１８２４０８号公報 特開２０１２−１７２５６０号公報

しかしながら、特許文献１に開示された構成においては、ソケットが金属製であるために、重量が大きい。回転翼のロータには、翼ブレードに加えてソケットの重量も作用するため、ソケットの重量は回転翼の性能低下に直結する。

また、特許文献２、３に開示された構成のように、翼ブレードの基端部の断面形状を円形とする場合、翼ブレードにおいて、翼断面形状をなしている部分から円形断面となる部分への断面形状の変化が大きい。翼ブレードを、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ：繊維強化プラスチック）で形成する場合、翼ブレードの断面形状が大きく変化する部分では形状が複雑となる。すると、シート状のＦＲＰ材料を貼り込むのが難しく、作業性が低下する。また、貼り込んだＦＲＰ材料（強化繊維）に折れ曲がりやシワが入り、翼ブレードの強度が低下する。

そこでなされた本発明の目的は、作業性や強度の低下を抑え、高い性能を有する回転翼を得ることが可能な回転翼ブレード、回転翼、回転翼ブレードの製造方法を提供することである。

この課題を解決するために、本発明に係る一態様としての回転翼ブレードは、回転翼のロータの外周部に結合される回転翼ブレードであって、前記ロータの外周部に結合される基端部において、翼長方向に直交する断面形状が、一方向に長い長径部と、前記一方向に交差する他方向に前記長径部よりも短い短径部と、を有する繊維強化プラスチック製のブレード本体と、前記ブレード本体の前記基端部において、前記短径部の外周側に設けられた繊維強化プラスチック製の外周アダプタと、前記ブレード本体の前記基端部において、前記長径部の内周側に設けられた繊維強化プラスチック製の内周アダプタと、を備えることを特徴とする。

このように、回転翼ブレードの基端部において、ブレード本体の短径部の外周側に外周アダプタを設け、長径部の内周側に内周アダプタを設けることで、回転翼ブレードの基端部の肉厚が増す。これにより、特に、回転翼ブレードの基端部をロータに結合したときの、曲げモーメントに対する強度を高めることができる。また、ブレード本体自体は、基端部の断面形状が長径部と短径部とを有した異形形状のままであるので、断面形状が急激に変わるのを抑えることができる。したがって、強化繊維を貼り込むのも容易であり、強化繊維にシワが寄るのも防ぐことができる。また、内周アダプタおよび外周アダプタは繊維強化プラスチック製であるので、軽量である。

そして、前記回転翼ブレードでは、前記ブレード本体、前記内周アダプタ、および前記外周アダプタが、円筒状の筒状部を形成してもよい。
さらに、前記回転翼ブレードでは、前記筒状部を前記ロータの外周部に結合するためのボルトを挿通させる複数のボルト挿通孔が、前記筒状部の周方向に沿って円形に配列されてもよい。
このように構成することで、筒状部からなる回転翼ブレードの基端部において、あらゆる方向からの曲げモーメントに対する強度を高めることができる。

また、前記回転翼ブレードでは、前記外周アダプタが、前記ブレード本体の前記基端部の外周面において、周方向の曲率半径が最大である部分を覆うように設けられてもよい。
さらに、前記回転翼ブレードでは、前記内周アダプタが、前記ブレード本体の前記基端部の内周面において、周方向の曲率半径が最小である部分を覆うように設けられてもよい。

また、前記回転翼ブレードでは、前記ブレード本体が、周方向に複数に分割されたブレード分割体からなり、前記内周アダプタが、互いに隣接する前記ブレード分割体どうしの接合位置を跨ぐように設けられているようにしてもよい。
このように構成することで、内周アダプタにより、ブレード分割体どうしの接合強度を高めることもできる。

さらに、前記回転翼ブレードでは、前記ブレード本体、前記内周アダプタ、および前記外周アダプタの外周部に補強体が設けられてもよい。
このように構成することで、回転翼ブレードの基端部における強度をさらに高めることができる。

また、本発明に係る一態様としての回転翼は、回転可能に設けられたロータと、前記ロータの外周部に接続された、前記回転翼ブレードと、を備えることを特徴とする。
このような構成によれば、回転翼ブレードの基端部をロータに結合したときの、曲げモーメントに対する強度を高めることができる。また、ブレード本体の断面形状が急激に変わるのを抑えることができる。したがって、強化繊維を貼り込むのも容易であり、強化繊維にシワが寄るのも防ぐことができる。また、内周アダプタおよび外周アダプタは繊維強化プラスチック製であるので、軽量である。

また、本発明に係る一態様としての回転翼ブレードの製造方法は、前記回転翼ブレードの製造方法であって、前記ブレード本体の前記基端部の前記長径部の内周面に前記内周アダプタを接合するとともに、前記ブレード本体の前記基端部の前記短径部の外周面に前記外周アダプタを接合することを特徴とする。
このようにして、上記したような回転翼ブレードを容易に製造することができる。

この発明に係る回転翼ブレード、回転翼、回転翼ブレードの製造方法によれば、作業性や強度の低下を抑え、高い性能を有する回転翼を得ることが可能となる。

この発明の一実施形態に係る回転翼の概略構成を示す側面図である。 回転翼ブレードの構成を示す図であり、（ａ）は回転翼ブレードの前縁部と後縁部とを結ぶ方向に沿う断面図、（ｂ）は回転翼ブレードの前縁部と後縁部とを結ぶ方向に直交する方向に沿う断面図である。 回転翼ブレードの断面構造を示す図であり、（ａ）は回転翼ブレードの基端部における断面構造を示す図、（ｂ）は回転翼ブレードの中間部における断面構造を示す図、（ｃ）は回転翼ブレード先端部側における断面構造を示す図である。 回転翼ブレードの部品構成を示す分解斜視図である。 上記回転翼ブレードの変形例として、回転翼ブレードの基端部の外周面に補強体を設けた複数の例を示す図である。 上記回転翼ブレードの変形例を示す図であり、回転翼ブレードの基端部を楕円形状断面とした場合の例を示す図である。 従来の翼ブレードの基端部を示す模式図である。

以下、添付図面を参照して、本発明による回転翼ブレード、回転翼、回転翼ブレードの製造方法を実施するための形態を説明する。しかし、本発明はこの実施形態のみに限定されるものではない。
図１は、回転翼の概略構成を示す側面図である。
図１に示すように、回転翼１０は、回転可能に設けられたロータ１１と、ロータ１１の外周部に接続された、複数枚の回転翼ブレード２０と、を備える。

ロータ１１の外周面には、各回転翼ブレード２０を接続するための接続ハブ１２が形成されている。回転翼ブレード２０は、ボルト５０により接続ハブ１２に結合されている。

図２は、回転翼ブレードの構成を示す図であり、（ａ）は回転翼ブレードの前縁部と後縁部とを結ぶ方向に沿う断面図、（ｂ）は回転翼ブレードの前縁部と後縁部とを結ぶ方向に直交する方向に沿う断面図である。図３は、回転翼ブレードの断面構造を示す図であり、（ａ）は回転翼ブレードの基端部における断面構造を示す図、（ｂ）は回転翼ブレードの中間部における断面構造を示す図、（ｃ）は回転翼ブレード先端部側における断面構造を示す図である。図４は、回転翼ブレードの部品構成を示す分解斜視図である。
図２〜図４に示すように、回転翼ブレード２０は、ブレード本体２１と、外周アダプタ２２と、内周アダプタ２３と、を備えて構成されている。

ブレード本体２１は、ＦＲＰ製であり、ロータ１１の外周部の接続ハブ１２に固定される基端部２１ｂから、回転翼１０の外周側（ロータ１１の径方向外側）に向けて延びるよう形成されている。

図３（ａ）および（ｂ）に示すように、ブレード本体２１の基端部２１ｂおよび中間部２１ｃは、翼長方向に直交する断面形状が、前縁部２１ｆと後縁部２１ｇとを結ぶ一方向に長い長径部２１Ｌと、一方向に交差する他方向に長径部２１Ｌよりも短い短径部２１Ｓと、を有した楕円形状とされている。
また、図３（ｃ）に示すように、ブレード本体２１の先端部２１ｄ側は、前縁部２１ｆの曲率半径よりも後縁部２１ｇの曲率半径の方が小さい、いわゆる翼断面形状とされている。

図４に示すように、このようなブレード本体２１は、前縁部２１ｆと後縁部２１ｇとを結ぶ分割線に沿って、二つのブレード分割体２１Ａ，２１Ｂから形成されている。これらブレード分割体２１Ａ，２１Ｂは、互いに突き合わせて接着されることで一体化され、ブレード本体２１を形成している。

図２（ｂ）、図３（ａ）、図４に示すように、外周アダプタ２２は、ＦＲＰ製で、ブレード本体２１の基端部２１ｂにおいて、短径部２１Ｓの外周側に設けられている。外周アダプタ２２は、その一面２２ａがブレード本体２１の短径部２１Ｓの外周面に密着するよう、短径部２１Ｓの外周面に沿う形状をなしている。外周アダプタ２２は、その他面２２ｂが、一定の曲率半径で形成されている。外周アダプタ２２の他面２２ｂは、ブレード本体２１の長径部２１Ｌの曲率半径とほぼ同じ曲率半径で形成されている。
外周アダプタ２２は、基端部２２ｃから先端部２２ｄに向けて、その厚さおよび周方向長さが漸次小さくなるよう形成されている。

この外周アダプタ２２は、ブレード本体２１の短径方向両側の短径部２１Ｓに沿うよう配置され、接着剤等により短径部２１Ｓに接着固定されている。
ここで、短径部２１Ｓとは、ブレード本体２１の基端部２１ｂにおいて、翼長方向に直交する断面における翼中心からの径寸法が最も小さい部位を指す。すなわち、短径部２１Ｓは、ブレード本体２１において、その外周面の曲率半径が最も大きい部位である。これにより、外周アダプタ２２は、ブレード本体２１の基端部２１ｂの外周面において、周方向の曲率半径が最大である部分を覆うように設けられている。

図２（ａ）、図３（ａ）、図４に示すように、内周アダプタ２３は、ＦＲＰ製で、ブレード本体２１の基端部２１ｂにおいて、長径部２１Ｌの内周側に設けられている。内周アダプタ２３は、その一面２３ａがブレード本体２１の長径部２１Ｌの内周面に密着するよう、長径部２１Ｌの内周面に沿う形状をなしている。内周アダプタ２３は、その他面２３ｂが、一定の曲率半径で形成されている。内周アダプタ２３の他面２３ｂは、ブレード本体２１の短径部２１Ｓの半径とほぼ同じ曲率半径で形成されている。
内周アダプタ２３は、基端部２３ｃから先端部２３ｄに向けて、その厚さおよび周方向長さが漸次小さくなるよう形成されている。

この内周アダプタ２３は、ブレード本体２１の長径方向両側の長径部２１Ｌに沿うよう配置され、接着剤等により長径部２１Ｌに接着固定されている。
ここで、長径部２１Ｌとは、ブレード本体２１の基端部２１ｂにおいて、翼長方向に直交する断面における翼中心からの径寸法が最も大きい部位を指す。すなわち、長径部２１Ｌは、ブレード本体２１において、その内周面の曲率半径が最も小さい部位である。これにより、内周アダプタ２３は、ブレード本体２１の基端部２１ｂの内周面において、周方向の曲率半径が最小である部分を覆うように設けられている。

図２、図３（ａ）に示すように、回転翼ブレード２０では、上記のブレード本体２１、内周アダプタ２３、および外周アダプタ２２が、ブレード本体２１の基端部２１ｂにおいて円筒状の筒状部２４を形成している。
そして、回転翼ブレード２０は、複数のボルト挿通孔２６が、筒状部２４の周方向に沿って円形に配列されている。このため、複数のボルト挿通孔２６は、ブレード本体２１、内周アダプタ２３、および外周アダプタ２２に適宜形成されている。そして、各ボルト挿通孔２６内には、筒状で内周面に雌ネジ穴が形成され、後端部に外周側に拡径したナット部５２ａを有したＴナット５２が埋設されている。
そして、複数のボルト５０を、それぞれロータ１１の接続ハブ１２に形成された貫通孔に挿通させ、ボルト挿通孔２６内のＴナット５２に締結する。
このように構成することで、筒状部２４からなる回転翼ブレード２０の基端部がロータ１１の各接続ハブ１２に結合されている。

次に、上記した回転翼ブレード２０の製造方法について説明する。
回転翼ブレード２０を製造する際には、はじめに、ブレード本体２１を構成するブレード分割体２１Ａ，２１Ｂと、外周アダプタ２２と、内周アダプタ２３と、をそれぞれ形成しておく。
次いで、ブレード分割体２１Ａ，２１Ｂを互いに突き合わせて接着し、ブレード本体２１を組み立てる。
そして、ブレード本体２１の基端部２１ｂの長径部２１Ｌの内周面に内周アダプタ２３を接合する。さらに、ブレード本体２１の基端部２１ｂの短径部２１Ｓの外周面に外周アダプタ２２を接合する。
このようにして、上記した回転翼ブレード２０を容易に製造することができる。

なお、内周アダプタ２３、外周アダプタ２２については、ブレード本体２１を組み立てた後、現場でＦＲＰ材料を、ハンドレイアップ法や真空含浸法等によって順次積層して形成してもよい。

以上説明したように、本実施形態の回転翼ブレード２０、回転翼１０によれば、回転翼ブレード２０の基端部において、ブレード本体２１の短径部２１Ｓの外周側に外周アダプタ２２を設け、長径部２１Ｌの内周側に内周アダプタ２３を設けている。これにより、回転翼ブレード２０の基端部が肉厚となり、その外形形状が円形に近づく。これにより、特に、回転翼ブレード２０の基端部２１ｂをロータ１１に結合したときの、回転翼ブレード２０の特に短径方向の曲げモーメントに対する強度を高めることができる。また、ブレード本体２１自体は、基端部２１ｂの断面形状が長径部２１Ｌと短径部２１Ｓとを有した異形形状のままであるので、断面形状が急激に変わるのを抑えることができる。したがって、ブレード本体２１の製作時に、強化繊維にシワが寄るのを防ぐことができる。その結果、回転翼ブレード２０を製作する際の作業性や強度の低下を抑えることができる。
また、内周アダプタ２３および外周アダプタ２２はＦＲＰ製であるので、軽量である。これにより、高い性能を有した回転翼１０を得ることが可能となる。

また、回転翼ブレード２０は、ブレード本体２１、内周アダプタ２３、および外周アダプタ２２が、円筒状の筒状部２４を形成するようにした。さらに、回転翼ブレード２０は、ボルト５０を挿通させる複数のボルト挿通孔２６が、筒状部２４の周方向に沿って円形に配置されるようにした。このように構成することで、回転翼ブレード２０の基端部に作用する、あらゆる方向からのモーメント力に対する強度をバランスよく高めることができる。

加えて、ブレード本体２１は、周方向に複数に分割されたブレード分割体２１Ａ，２１Ｂからなり、内周アダプタ２３は、互いに隣接するブレード分割体２１Ａ，２１Ｂどうしの接合位置を跨ぐように設けられている。このように構成することで、内周アダプタ２３により、ブレード分割体２１Ａ，２１Ｂの接合強度を高めることもできる。

（その他の実施形態）
なお、本発明の回転翼ブレード、回転翼、回転翼ブレードの製造方法は、図面を参照して説明した上述の各実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。
図５は、上記回転翼ブレードの変形例として、回転翼ブレードの基端部の外周面に補強体を設けた複数の例を示す図である。
例えば、図５（ａ）に示すように、回転翼ブレード２０は、ブレード本体２１、内周アダプタ２３、および外周アダプタ２２の外周部に補強体７０が設けられているようにしてもよい。この補強体７０は、ＦＲＰ材料を回転翼ブレード２０の基端部の外周面全面に巻き付けるようにして設ける。
このように構成することで、回転翼ブレード２０の基端部における強度をさらに高めることができる。また、回転翼ブレード２０の基端部全体を保護することができる。さらに、ブレード本体２１と外周アダプタ２２，２２の接着部をカバーすることができ、外周アダプタ２２，２２がブレード本体２１から剥離するのを抑えることもできる。

また、図５（ｂ）に示すように、ブレード本体２１の前縁部２１ｆ，後縁部２１ｇとその両側の外周アダプタ２２，２２とを覆うように、ＦＲＰ材料からなる補強体７１を設けても良い。
このように構成することで、回転翼ブレード２０の基端部における強度をさらに高めることができる。また、回転翼ブレード２０の前縁部、後縁部を保護することができる。さらに、ブレード本体２１と外周アダプタ２２，２２の接着部をカバーすることができ、外周アダプタ２２，２２がブレード本体２１から剥離するのを抑えることもできる。

また、図５（ｃ）に示すように、外周アダプタ２２の周方向両側を覆うように、ＦＲＰ材料を設けることで、補強体７２を設けても良い。
このように構成することで、回転翼ブレード２０の基端部における強度をさらに高めることができる。また、外周アダプタ２２の周方向両側を保護することができる。

上記実施形態では、回転翼ブレード２０の基端部に、内周アダプタ２３および外周アダプタ２２を設けることで、その断面形状がほぼ円形となるようにしたが、これに限らない。曲げモーメントに対する回転翼ブレード２０の基端部の強度が十分に確保できるのであれば、例えば図６に示すように、内周アダプタ２３、および外周アダプタ２２によって肉厚を増した回転翼ブレード２０の基端部の断面形状が楕円形となるようにしても良い。

また、上記実施形態で示した回転翼１０については、その用途を何ら限定するものではない。
さらに、回転翼ブレード２０と接続ハブ１２との結合構造については、いかなる構成としても良い。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。

１０ 回転翼
１１ ロータ
２０ 回転翼ブレード
２１ ブレード本体
２１Ａ，２１Ｂ ブレード分割体
２１Ｌ 長径部
２１Ｓ 短径部
２１ｂ 基端部
２１ｃ 中間部
２１ｄ 先端部
２１ｆ 前縁部
２１ｇ 後縁部
２２ 外周アダプタ
２３ 内周アダプタ
２４ 筒状部
２６ ボルト挿通孔
５０ ボルト
７０ 補強体
７１ 補強体
７２ 補強体

Claims (9)

1. 回転翼のロータの外周部に結合される回転翼ブレードであって、
   前記ロータの外周部に結合される基端部において、翼長方向に直交する断面形状が、一方向に長い長径部と、前記一方向に交差する他方向に前記長径部よりも短い短径部と、を有する繊維強化プラスチック製のブレード本体と、
   前記ブレード本体の前記基端部において、前記短径部の外周側に設けられた繊維強化プラスチック製の外周アダプタと、
   前記ブレード本体の前記基端部において、前記長径部の内周側に設けられた繊維強化プラスチック製の内周アダプタと、
   を備える回転翼ブレード。
2. 前記ブレード本体、前記内周アダプタ、および前記外周アダプタが、円筒状の筒状部を形成している請求項１に記載の回転翼ブレード。
3. 前記筒状部を前記ロータの外周部に固定するボルトを挿通させる複数のボルト挿通孔が、前記筒状部の周方向に沿って円形に配列されている請求項２に記載の回転翼ブレード。
4. 前記外周アダプタが、前記ブレード本体の前記基端部の外周面において、周方向の曲率半径が最大である部分を覆うように設けられている請求項１から３の何れか一項に記載の回転翼ブレード。
5. 前記内周アダプタが、前記ブレード本体の前記基端部の内周面において、周方向の曲率半径が最小である部分を覆うように設けられている請求項１から４の何れか一項に記載の回転翼ブレード。
6. 前記ブレード本体が、周方向に複数に分割されたブレード分割体からなり、
   前記内周アダプタが、互いに隣接する前記ブレード分割体どうしの接合位置を跨ぐように設けられている請求項１から５の何れか一項に記載の回転翼ブレード。
7. 前記ブレード本体、前記内周アダプタ、および前記外周アダプタの外周部に補強体が設けられている請求項１から６の何れか一項に記載の回転翼ブレード。
8. 回転可能に設けられたロータと、
   前記ロータの外周部に結合された、請求項１から７の何れか一項に記載の回転翼ブレードと、
   を備える回転翼。
9. 請求項１から７の何れか一項に記載の回転翼ブレードの製造方法であって、
   前記ブレード本体の前記基端部の前記長径部の内周面に前記内周アダプタを接合するとともに、
   前記ブレード本体の前記基端部の前記短径部の外周面に前記外周アダプタを接合する回転翼ブレードの製造方法。

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