CN100347443C - 机舱结构的风车 - Google Patents

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Abstract

一种对于突发性的大负载具有充分的叶片强度且具备高耐久性的风车叶片结构。该叶片可以实现叶片的薄壁小型化，提高叶片的性能，实现风车的高效率化，同时能抑制起因于卡曼涡街的噪音的风车叶片的结构。在风车叶片中，叶片由金属材料制成的一体叶片构成，或者是由金属材料制成的叶片本体和与该叶片本体不同的第2种金属材料制成的固定在该叶片本体的后部的后端部件组成的分割型叶片构成，同时，在该叶片的后缘部形成齿形部，上述叶片在其后缘部沿叶片长度方向形成三角齿锯齿、梯形齿等的齿形部、或锯齿，该齿形部的齿高度h和叶片表面的叶片面边界层的厚度之比h/δ构成为h/δ＝1.0～10.0，齿高度h与齿节距p之比h/p构成为h/p＝0.5～5.0。

Description

机舱结构的风车
技术领域
本发明涉及用于风车发电装置等的风车的在叶片后缘部沿叶片长度方向形成三角形或梯形齿等形成的齿形部的机舱结构的风车。
背景技术
以往，对利用使风力作用于转子支撑的多个叶片上产生转动力的风车来驱动发电机的机舱型的大型风车发电装置进行多台并行设立，这种具有高输出发电能力的风力发电设备设置在丘陵或山地等高地上或海洋上等能得到高风速的场所。
下面，根据图12(A)和12(B)对这种机舱型的水平轴风车的一例进行说明。如图所示，有关本实施例的风车，是在例如钢或混凝土制的锥形筒状塔(支柱)4的上端部装有转动(水平转动)自如的机舱(机器箱体)5，并将具有3枚叶片1的转子2的水平驱动轴3转动自如地支撑在该机舱5的前面部。该水平驱动轴3在机舱5内通过增速机(未图示)与发电机(未图示)相连。
而且，本适用例为从上述水平驱动轴3轴心到叶片1外端的转动直径约45m左右的大型装置，但本发明的适用例并不限于此，可以广泛地用于直径10m以上到100m左右的装置。
图13(A)、13(B)和13(C)表示有关现有技术的机舱型风车用叶片的一例，图13(A)是局部透视图，图13(B)是叶片的作用说明图，图13(C)是叶片后缘部的放大俯视图。
在图13(A)中，1是叶片，11是该叶片1的前缘部，12是后缘部，1a是叶片1的背风向面，1b是腹风背面。如图13(B)所示，该风车的叶片剖面呈不易受空气阻力的后缘尖的流线型即所谓的翼型，叶片1的腹风背面1b侧和背风向面1a侧的气流S上产生速度差，依靠伴随速度差的压力差产生的升力F得到转动力。
并且，该叶片1是由FRP材料(纤维强化塑料材料)的一体结构构成，或者是对于小型的装置，由泡沫聚戊烯树脂等多孔性树脂材料形成。
另外，特开2000-120524号公报中提案的风车叶片，是具有包括叶片本体部分和后缘部的叶片剖面的风车叶片，该后缘部是沿叶片长度方向与叶片本体部分分体形成再与叶片本体部分结合的部件，构成该后缘部的该部件的后端部具有沿叶片长度方向配置的、向后方延伸的多个锯三角齿状或梳齿状的突起。
在有关发明中，风车叶片后缘部与叶片本体部分分体形成再与本体部分结合。因此，后缘部的加工可以与本体部分另行进行，加工时不必处理大型的整体叶片，后缘部的加工很容易。由此，在本发明中，能够对后缘部进行高精度加工，以便后缘部厚度可以减低到抑制卡曼涡街发生的程度。再有，通过将构成上述后缘部的部件做成具有向后方延伸的锯齿状或梳齿状的突起的形状，能够生成阻碍卡曼涡街生成的涡旋，进一步降低噪音水平。这样，如果在上述后缘部后端设有锯齿状或梳齿状的突起，则与把后缘部后端做成平坦的直线形状的场合相比，抑制了卡曼涡街的发生。
另外，风车叶片由于自重及风，伴随转动受到围绕叶片的长轴线周围的扭转或弯曲力矩的作用，在叶片前缘及后缘上由该力矩引起的剪切应力及拉伸应力容易集中。特别是叶片后缘需减小厚度，因此容易发生应力集中造成的断裂。在本发明中，叶片前缘部及后缘部由多个分割部件构成，部件相互独立，可以独立地发生变形。因此，有取得应力集中得以缓解和防止应力集中造成破损的效果的记载。
而且，本现有技术中，在叶片本体的后缘部沿叶片长度方向形成三角形或梯形等的齿形部的风车叶片后缘部，与上述FRP制的叶片本体部分另体形成，该后缘部由比FRP组成的叶片本体韧性还高的硬质橡胶材料构成，固定在该叶片本体的后部上。
在风车用的叶片1中，如图13(A)所示，后缘部12的厚度t如有某种程度增大，则在风车转动中，在该后缘部12的后方由有规则的2列涡旋层组成的卡曼涡街19以与风速成比例的周期产生，从A、A1线如B、B1线那样向叶片1的后方行进，由此，在该后缘部12的后方附近产生与风速成比例的频率的噪音。
然而，在图13所示的FRP材料细成的叶片1中，叶片1的后缘部12成为FRP材料薄板的结合部，所以厚度t不得不采用得比较大，完全抑制该卡曼涡街19的发生是很困难的。
另外，上述组合型风车叶片的后缘部即使由硬质橡胶材料形成，厚度t也不得不采用得比较大，难于完全抑制卡曼涡街造成的噪音的发生，因此，该后缘部由硬质橡胶材料形成的同时，在该叶片后缘部上形成上述齿形部，在通过齿形的顶部及底部的风流中产生围绕平行的轴线转动的无周期性的涡旋，利用该涡旋阻碍有规则的卡曼涡街的生成，由此抑制卡曼涡街引起的噪音。
另外，在有关的现有技术中，因为是占叶片的大部分的叶片本体由FRP材料构成，在其后端侧连接以硬质橡胶材料形成的后缘部的结构，所以需要在后缘部附近设立该FRP材料薄板的结合部，及从叶片整体的强度方面来看，叶片不得不采用某种程度的厚度，因而，存在着叶片的性能受到限制且风车的高效率化受到抑制的问题等有待解决的课题。
另外，在上述机舱型风车中，由于采用在后缘部附近以FRP材料包覆的结构等，如图13(B)所示，运行中叶片1的背风向面1a及腹风背面1b，即叶片1的表面与沿着其之间流动的空气流S之间形成叶片面边界层21。该叶片面边界层21对叶片1的性能有很大的影响，其厚度δ变大，则由该叶片面边界层21的形成造成的损失增大，叶片1的性能降低。
这里，叶片面边界层是因为空气系粘性流体而生成的稀薄的空气层，是指从叶片面表面(流速零)到形成与上述气流S相同或略相同的流速的部位的稀薄的空气层。
而且，如果以叶片1的弦长为L，雷诺数为Re，则上述叶片面边界层21(的空气流的)厚度δ为：
δ＝c·L·(1/Re)/5    (1)
其中，c是系数，为0.37左右。
因此，上述叶片面边界层21的厚度δ与叶片1的弦长L成比例。如果叶片1的弦长L形成得小，叶片面边界层21的厚度δ减少，且叶片1的性能提高，因此，在后缘部附近是以FRP材料薄板包覆的结构，叶片面边界层21的厚度δ的减薄受到限制。因此，希望提供考虑叶片1的强度方面及输出方面并且是保持叶片1的性能的叶片面边界层21的厚度δ的叶片1。
另外，在有关叶片1中，如上所述，风车转动中在该后缘部12的后方产生如图13所示的卡曼涡街19，向叶片1的后方行进，由此在该后缘部12的后方附近产生与风速成比例的频率的噪音。
然而，特开2000-120524号提供的以与硬质橡胶材料形成的后缘部相接合的结构构成的叶片1，后缘部12与叶片本体侧相比，叶片1的强度变低，因此，提供考虑叶片1的强度方面且能够抑制上述卡曼涡街19发生的叶片1是困难的。
发明内容
本发明是为解决上述问题而提出的，本发明的第1个目的在于提供一种机舱结构的风车，它对于突发性的大负载也具有充分的叶片强度，具备高耐久性，可以实行叶片的薄壁小型化，提高叶片的性能，能够实现风车的高效率化，同时能够抑制卡曼涡街引起的噪音。
另外，本发明的第2个目的在于提供一种机舱结构的风车，它具有这样的结构：具备所需的叶片强度及输出，且叶片表面的叶片面边界层的厚度是能良好地保持叶片性能的厚度。
本发明是为达到上述目的而实施的，是关于一种机舱结构的风车，在支柱的上端部水平转动自如地装有机舱，在该机舱的前面部转动自如地支撑着有多枚叶片的转子，上述叶片利用风向面侧和叶片腹(背风面)侧的气流的速度差产生的升力得到转动力，其特征在于，上述叶片是由叶片整体用一种金属材料制成的一体叶片构成，或由叶片后端侧用另外的金属材料制成的叶片构成，同时，在该叶片的后缘部上沿叶片长度方向形成有齿形部。
而且，上述叶片由一种金属材料制成的一体叶片构成时，该一体叶片可以用铝材、钛材或其合金材料组成的轻金属材料形成；另外，在为分割叶片结构的情况下，该叶片除叶片后端侧外，叶片主要部分(以下称叶片本体)全体以一种轻金属材料形成的同时，上述叶片的叶片后端侧以比上述金属材料强度高的另外的金属材料构成，例如，上述叶片本体以含铝材在内的铝合金材料构成，上述后端部件以钛或钢材构成。
此外，在分割叶片结构的场合，该叶片本体部作成中空，该后端部部件作成实心的同时，两者可以用包括螺栓在内的螺丝、铆接焊接来接合。
根据本发明，由于一体叶片或分割型叶片的叶片本体用高强度的金属材料最好是高强度化的包括轻量的铝材在内的铝合金材料构成，所以能够保持叶片的强度并使叶片整体以薄壁构成。
因此，利用叶片的薄壁化可以最大限度地提高叶片的性能，实现风车的高效率化。
另外，使叶片的后缘部达到最小限度(2mm左右)的薄壁化，再加上在该后缘部沿叶片长度方向形成齿型部，能够完全防止叶片后缘部的后方的卡曼涡街的发生，确实抑制起因于该卡曼涡街的噪音。
另外，如上所述，叶片后端侧以钛或钢材等高强度的金属材料构成，所以即使叶片整体以薄壁构成，也能构成具有高强度的叶片，实现该叶片的薄壁轻量化，同时即使以该薄壁的叶片去对付突发的风及地震等对叶片的突发性的大负载，也能保持充分的强度。这样，能够回避有关大负载作用时叶片的损伤，提供具有高耐久性和可靠性的叶片。
进而，由于一体叶片或分割叶片都是叶片本体部以轻金属材料构成，所以即使叶片整体以单一材料构成，也能使叶片的强度保持所需强度，不必像有关现有技术的FRP材料的叶片那样，在叶片的内部插入增强用的芯材。这样，叶片的结构得到简化，同时叶片的制作也简单容易，缩减了叶片的制造工序。
此外，因为叶片本体和后端部件以另外的金属材料构成，所以占叶片重量的大部分的叶片本体能够以包含比重小的铝材在内的铝合金材料或包含钛材在内的钛合金材料构成，保持高强度、容易形成端部的薄壁化及上述凹凸部的且重量比例小的后端部部件能够以高强度的钢材或钛构成。这样，可以以轻量高强度最大限度地提高叶片的性能，并且能得到确实抑制起因于卡曼涡街的噪音的风车叶片。
另外，本发明的上述叶片，在其后缘部沿叶片长度方向形成三角齿锯齿、梯形齿及锯齿等齿型部，该齿型部的齿高度h和叶片表面的叶面边界层的厚度δ之比(h/δ)为：
h/δ＝1.0～10.0
以h/δ＝2.0～8.0为宜，最好为h/δ＝4.0～6.0。
h/δ越大，降低噪音的效果越好，但考虑到对作为叶片形状的特性给予有意义的影响、并在ZY上对齿部的板厚的结构强度的成立性，上述的数值范围较好。
而且，为使上述齿形部的齿高度h和叶片表面上的叶面边界层的厚度δ之比(h/δ)在叶片长度方向为一定值，使上述齿高度h随着变为叶片端部而减少来构成的。
另外，有关齿形构成中，为使上述齿形部的齿高度h在叶片长度方向上保持一定，并且，上述齿高度h和叶片表面上的叶片面边界层的厚度δ之比(h/δ)随着变为叶片端部而增大，最好是通过减少叶片弦长L来实现。
根据本发明，在上述齿形状叶片中，将齿形部的齿高度h和叶片表面上的叶片面边界层的厚度δ之比(h/δ)加大，即把齿形部的齿高度h加大，或者如上所述减少叶片弦长L来缩小叶片面边界层的厚度δ和加大(h/δ)，由此减少齿形部附近的叶片面边界层造成的流动损失，提高叶片的性能。
然而，把上述齿形部的齿高度h加大，则随之叶片弦长L也增大，使叶片宽度增大的同时，由于该弦长L的增大却使叶片面边界层的厚度δ加大。
另外，弦长L如上所述将其减小，则可以减少叶片面边界层的厚度δ，但叶片的强度降低，且叶片的输出(升力F)也减小。
因此，根据本发明，上述齿高度h和叶片表面上的叶片面边界层的厚度δ之比(h/δ)构成为h/δ＝1.0～10.0。
但上述(h/δ)不足1.0时，则叶片面边界层的厚度δ增大，使叶片面边界层造成的流动损失增大，叶片的性能降低。另外，(h/δ)超过10.0时，则齿高度h变大，随之上述叶片弦长L也不得不增大，叶片宽度增大的同时，由于上述弦长L的增大却使叶片面边界层的厚度δ加大，叶片的性能难以得提高。
因此，根据本发明，如上所述，通过h/δ＝1.0～10.0的结构，能够保持所需的叶片强度及叶片输出，抑制叶片表面的叶片面边界层的厚度δ，保持所需的叶片性能。
另外，根据本发明，把上述齿形部的齿高度h随着变为叶片端部而减小，使上述齿高度h和叶片表面上的叶片面边界层的厚度δ之比(h/δ)在叶片长度方向成为一定值，所以在叶片的全长上叶片面边界层的形成造成的叶片的流动损失能够控制为一定，同时，在叶片长度方向上能使齿高度h与叶片弦长L成比例地减少，使叶片强度及叶片输出在叶片的全长上保持良好的平衡。
另外，根据本发明，减少叶片弦长L，使上述齿形部的齿高度h在叶片长度方向成为一定，且上述齿高度h和叶片表面上的叶片面边界层的厚度δ之比(h/δ)随着变为叶片端部而增大，因此，能够随着变为从风力得到大的转动力的叶片外端部、减低由叶片面边界层的形成造成的叶片的流动损失，使叶片弦长L在叶片强度面上保持最小限度，在叶片的全长上发挥高的叶片性能。
另外，本发明的特征是，上述叶片在其后缘部沿叶片长度方向形成三角齿、梯形齿或锯齿等的齿形部，该齿形部上的齿高度h和齿节距p之比(h/p)为：
h/p＝0.5～5.0。
即如果上述齿形部上的齿高度h和齿节距p之比(h/p)小到不足0.5时，则齿高度h变低，后缘部在叶片长度方向接近于平的后缘部平坦叶片，起不到通过齿形部的形成实现的上述涡旋的发生及随之而来的抑制卡曼涡街的生成的效果；另外，如果上述(h/p)大到超过5.0时，则齿高度h相对齿节距p过大，齿形部变为齿根宽度小的尖锐的齿形，齿形部的强度降低。
因此，采用上述h/p＝0.5～5.0的结构，能够充分保持齿形部的强度，并利用齿形部的形成抑制卡曼涡街的生成和确实降低噪音。
h/p是表示齿的凸度的参数，对从齿的端部流出的涡旋方向产生影响，所以取得降低噪音效果的最佳的h/p是上述值。
而且，这种叶片适用于从水平驱动轴轴心到叶片外端的转动直径为10m以上到100m的大型的机舱型风车用叶片。
附图说明
图1是本发明的第1实施例的风车用叶片的透视图。
图2是表示上述第1实施例的实心叶片的示意图，是图1的A-A剖面图。
图3是表示上述第1实施例的中空叶片的示意图，是图1的A-A剖面图。
图4是本发明的第2实施例的风车叶片的透视图。
图5是表示上述第2实施例的中空叶片的示意图，是图4的D-D剖面图。
图6是图2、图3、图5的箭头B、C、E方向观察的叶片后边缘部的平面图，
图6(A)表示三角齿齿形部，图6(B)表示梯形齿齿形部。
图7是本发明的第3实施例的叶片后缘部的放大平面图。
图8是本发明的第4实施例的叶片后缘部的放大平面图。
图9是本发明的第5实施例的叶片的叶片长度方向平面图。
图10是本发明的第6实施例的叶片的叶片长度方向平面图。
图11是适用本发明的叶片的作用说明图。
图12表示适用本发明的风车的简图，(A)是正视图，(B)是侧视图。
图13表示现有技术的叶片，(A)是叶片的透视图、(B)是作用说明图、(C)是叶片后缘部的放大平面图。
符号说明：
11前缘部  12后缘部  13齿形部  13a顶部  13b根部 1叶片
1a背风向面(上弦面)  1b腹风向面(下弦面)  14中空部
15接合部  16后端部件  20叶片本体  17涡旋  18螺栓  21边界层
2转子  3水平驱动轴  4支柱  5机舱S空气流
具体实施方式
以下参照附图对本发明的实施例进行举例说明。但该实施例中记载的结构部件的尺寸、材质、形状、相对位置等并不特别限于特定的记载，本发明的范围也不仅限定于此含义，这些只不过是说明的例子而已。
如表示适用本发明的机舱型水平轴风车简图的图12(A)和12(B)所示，在支柱4的上端部水平转动自如地装有机舱(机器箱体)5，具有3枚叶片1的转子2的水平驱动轴3转动自如地支撑在该机舱5的前面部。上述水平驱动轴3在机舱5内通过增速机(未图示)与发电机(未图示)相连。
而且，上述现有技术的适用例中，是从上述水平驱动轴3轴心到叶片1外端的转动直径约45m左右的大型装置，但本发明的使用例并不限于此，可以广泛地适用于直径10m以上到100m左右的超大型的装置。
并且，该风车的叶片呈不易受空气阻力的后缘尖的流线型，依靠伴随叶片1的风背面1b侧和风向面1a侧的气流S的速度差的压力差产生的升力F，得到转动力。
而且，在表示上述水平轴风车的叶片型叶片的第1实施例的图1至图3、及图6中，1是叶片，由包括铝材、铝合金轧制材、铝合金铸件等高强度化的铝材的铝合金材料构成一体叶片。再有，上述叶片可以由包括钛材的钛合金材料等高强度的轻金属材料构成。
11是该叶片1的前缘部，12是后缘部，在该后缘部12上在叶片长度方向的全长形成连续的齿形部13。该齿形部13由图6(A)的三角齿锯齿、图6(B)的梯形齿(锯齿)等构成，其节距p、齿高度h等设定成与上述后缘部12端部的厚度t相关，使卡曼涡街的发生水平被保持为最小。而且，该齿形部13的形状不限定于上述三角齿锯齿或梯形齿，任何可以抑制卡曼涡街发生的形状均适用，也包括梳齿和锯齿。
另外，上述叶片1形成为图2中所示的实心的一体叶片，或图3所示的中空(14是中空部)的一体叶片以谋求实现轻量化。
在有关的第1实施例中，叶片1由包括高强度化的铝材的铝合金材料等轻量高强度合金构成一体叶片，所以能保持该叶片1的强度并使叶片整体构成为对空气流阻力小的薄壁。因此，利用叶片1的薄壁小型化可以最大限度地提高该叶片1的性能，实现风车的高效率化。
另外，由于叶片1以高强度合金材料等的金属材料构成，所以该叶片1的后缘部12能够在强度上无障碍地实现最小限变(2mm左右)的薄壁化。
在此基础上，该后缘部12可以形成沿叶片长度方向的薄壁的齿形部13，由此，如图1所示，流过上述齿形部13的顶部及底部的风流中产生围绕平行轴线转动的无周期性的涡旋17，该涡旋17通过阻碍卡曼涡街的生成，能够抑制起因于该卡曼涡街的噪音。
因此，如上所述，通过使上述后缘部12在强度上无障碍地实现最小限变(2mm左右)的薄壁化，并在该后缘部12上形成上述齿形部13，能够完全防止该后缘部12的后方的卡曼涡街的发生，确实抑制起因于该卡曼涡街的噪音。
另外，如上所述，由于叶片1由铝合金或钛合金等高强度的金属材料构成一体，所以叶片1整体即使以薄壁构成也能形成具有高强度的叶片。由此，该叶片1能够实现小型轻量化的同时，即使以该小型薄壁的叶片1对付突发的风及地震等对叶片的突发性的大负载，也可保持充分的强度，并能回避有关大负载作用时对叶片1的损伤。
进而，由于叶片1由高强度的轻金属材料构成，所以如该实施例所示，即使是单一材料的一体叶片，也能使该叶片1的强度保持所需的强度，不必像有关现有技术的FRP材料叶片那样在叶片的内部插入增强用的芯材。由此叶片1的结构得到简化。另外，叶片1采用铝合金材料的延伸加工及铸造等制造容易，与上述FRP材料叶片相比，叶片的制造工序大幅度减低。
图4至图5所示的第2实施例，除上述叶片的后端部外，本体侧以单一材料的铝合金或钛合金材料等高强度的金属材料构成一体，并和由作为与叶片本体20不同的金属材料的钛合盒或钢材制成的后端部件16相结合。
1是叶片，是由与该第1实施例同样的铝合金材料或钛合金细成的叶片本体20及与该叶片本体20不同的金属材料的钛合金或钢材组成的后端部件16相结合构成的。11是该叶片1的前缘部，12是后缘部。
上述铝合金材料等组成的叶片本体20与钢材等组成的后端部件16两者不能直接焊接，如图5的接合部15所示，实施凹窝嵌合，以沿叶片长度方向设的多个螺栓18紧固固定，在该螺栓18周围的间隙内装入填充料使叶片外面形成光滑的外面形状。
而且，上述叶片本体20和后端部件16是可以焊接的材料，例如彼比是钛合金时，也可以不用上述的螺栓接合，把两者直接进行焊接。
另外，在上述后端部件16的后缘部12上，与上述第1实施例一样，沿叶片长度方向的全长形成连续的齿型部13。该齿型部13与上述第1实施例一样，由图6(A)的三角齿锯齿、图6(B)的梯形齿(锯齿)等组成，其节距p、齿高度h等设定成与上述后缘部12的端部的厚度t相关，使卡曼涡街的发生水平为最小。
另外，上述叶片本体20可以形成图5那样的中空(14是中空部)，也可以形成图2的叶片1那样的实心。
根据该第2实施例，叶片本体20和后端部件16的组合能够自由选择，所以占叶片重量的大部分的叶片本体20以包括比重小的铝材的铝合金材料或包括钛材的钛合金材料等的轻金属材料构成，重量比例小的后端部件以端部的薄壁化及齿形凹凸部13容易成形的高强度的钢材或钛合金构成，由此，能够以轻量高强度最大限度地提高叶片1的性能，并可以确实抑制起因于卡曼涡街的噪音。
在图7所示的叶片的第3实施例中，上述叶片1的后缘部12在叶片长度方向的全长上连续形成的齿形部13以三角齿锯齿构成。
在图8所示的叶片的第4实施例中，上述叶片1的后缘部12在叶片长度方向的全长上连续形成的齿形部13以梯形齿或锯齿构成。
在上述叶片1的第3实施例和第4实施例中，上述齿形部13的齿高度h、齿节距p和上述(1)式所示的叶片表面的叶片面边界层21(参照图11)的厚度δ的关系设定如下。
齿高度h和叶片表面的叶片面边界层21厚度δ之比(h/δ)为
h/δ＝1.0～10.0    (2)
以h/δ＝2.0～8.0为宜，
最好是h/δ＝4.0～6.0。
这里，上述叶片面边界层21的厚度δ，如上述(1)式所示，以叶片弦长为L，雷诺数为Re，则：
δ＝c·L·(1/Re)/5(c为系数，0.37左右)
另外，齿高度h和齿节距p之比(h/p)为：
h/p＝0.5～5.0    (3)
以h/p＝0.6～3.0为宜，
最好是h/p＝0.8～1.5。
另外，在有关上述第3实施例的三角齿锯齿(图7)及有关上述第4实施例的梯形齿(锯齿)(图8)的顶部13a上形成半径R1的圆角，同时在谷部13b上形成半径R2的圆角。该圆角的半径R1及R2最好在不超过上述齿高度h的0.1的范围内形成。
在有关第3实施例及第4实施例的具有叶片1的风车在运行时，如图11所示，在该叶片1的风向面1a及风背面1b即沿该叶片1的表面与气流S之间形成叶片面边界层21。
该叶片面边界层21随着上述(1)式中所示的厚度δ变小，由该叶片面边界层21造成的流动损失减少，叶片1的性能提高。该叶片面边界层21的厚度δ如上式(1)式所示，与叶片的弦长度L成比例增加。
但是，有关上述第3实施例及第4实施例的、在后缘部12形成齿形部13的齿形状叶片中，把齿形部13的齿高度h与叶片表面1a、1b的叶片面边界层21的厚度δ之比(h/δ)加大，即把该齿形部13的齿高度h加大或如上所述缩小叶片1的弦长L来减少叶片面边界层的厚度δ，加大上述(h/δ)，由此，齿形部13附近的叶片面边界层21造成的流动损失减少，叶片1的性能提高。
另一方面，如果把上述齿形部13的齿高度h加大，则随之叶片1的弦长L也增大，该叶片1形成大型化的同时，由于该弦长L增大，叶片面边界层21的厚度δ反而增大。
另外，如果上述弦长L如前所述使之减小，则叶片面边界层21的厚度δ减小，叶片1的强度降低，叶片1的输出(升力F)也减少。
然而，根据第3实施例及第4实施例，上述齿高度h与叶片表面1a、1b的叶片面边界层21的厚度δ之比(h/δ)构成为h/δ＝1.0～10.0。
当该(h/δ)不足1.0时，则叶片面边界层21的厚度δ增大，该叶片面边界层21造成的流动损失增大，叶片1的性能降低。另外，(h/δ)超过10.0时，则齿高度h变大，随之该叶片1的弦长L也不得不增大，叶片1形成大型化的同时，由于上述弦长L增大，叶片面边界层21的厚度δ反而增大，叶片1的性能难以得到提高。
因此，根据有关实施例，上述(h/δ)构成为h/δ＝1.0～10.0，能够保持所需的叶片强度及叶片输出，抑制叶片表面的叶片面边界层21的厚度δ，维持所需的叶片性能。
另外，在上述的机舱结构的风车运转时，叶片1的后缘部12沿叶片长度方向形成上述齿形部13，由此如图1所示，通过该齿型部13的顶部13a及谷部13b的风流中产生围绕平行轴线转动的无周期性的涡旋17。而且，该涡旋17通过阻碍卡曼涡街的生成而抑制起因于卡曼涡街的噪音。
然而，在有关第3实施例、第4实施例中，如果上述齿形部13的齿高度h与齿节距p之比(h/p)小到不足0.5时，则齿高度h变低，后缘部接近于在叶片长度方向平坦的后缘部平坦叶片，难于取得由齿形部13的形成引起的该涡旋17的发生及对随之卡曼涡街的生成的抑制效果。
另一方面，上述(h/p)大得超过5.0时，则齿高度h相对于节距p变得过大，齿形部13变成齿根宽度小的尖锐的齿形，该齿形部13的强度降低。
因此，根据有关第3、4实施例，如上述(3)式所示，构成为(h/p)＝0.5～5.0，能充分保持齿形部13的强度，并利用齿形部13的形成抑制卡曼涡街的生成，确实降低了噪音。
在图9所示的第5实施例中，为使上述齿形部13的齿高度h与叶片1的表面1a、1b的叶片面边界层的厚度δ之比(h/δ)在叶片长度方向成为一定值，使上述齿高度h在叶片长度方向上变化。在图9中，11是叶片1的前缘部，12是后缘部。L是弦长，在叶片长度方向随着变为叶片端部而减少。
即在有关第5实施例中，如图9所示，上述叶片1的设定，要按从在叶片根部附近h1、p1到在叶片端部附近h2、p2，使(h/δ)在叶片长度方向的各部位成为一定值，使齿形部13的齿高度h及齿节距p随着弦长L的变小而减少，并且该(h/δ)要满足上述(2)式(h/δ＝1.0～10.0)。
根据有关第5实施例，由于使上述齿形部13的齿高度h与叶片1的表面1a、1b的叶片面边界层的厚度δ之比(h/δ)在叶片长度方向成为一定值，齿高度h随着变为叶片端部而减少，所以在叶片1的全长上，能够把叶片面边界层21的形成造成的叶片1的流动损失控制为一定。
另外，齿高度h能够与在叶片长度方向上叶片1的弦长L的减少成比例地减少，使叶片强度及叶片输出在叶片1的全长上保持良好的平衡。
在图10所示的第6实施例中，为使上述叶片1的齿形部13的齿高度h及齿节距p在叶片长度方向保持一定，且上述齿高度h与叶片1的表面1a、1b的叶面边界层的厚度δ之比(h/δ)随着变为叶片端部而增大，通过减少叶片1的弦长L进行设定。在图10中，11是叶片的前缘部，12是叶片的后缘部。
而且，该叶片1按上述(h/δ)满足上述(2)式(h/δ＝1.0～10.0)来进行没定。
根据有关第6实施例，由于减少了叶片1的弦长L，使上述齿形部13的齿高度h在叶片长度方向保持一定，且使上述齿高度h与叶片面边界层的厚度δ之比(h/δ)随着变为叶片端部而增大，所以随着变为从风力得到的转动力大的叶片外端部，叶片面边界层21的形成造成的叶片1的流动损失减低。
由此，叶片1的弦长L保持在叶片1的强度面上的最小限度，能够保证叶片1的强度并在叶片1的全长上发挥叶片的高性能。
综上所述，根据本发明，由于一体叶片或分割型叶片的叶片本体由高强度的金属材料构成，优选是由包括高强度化的轻量的铝材的铝合金材料构成，因此能够保持叶片的强度并使叶片整体以薄壁构成。
因此，利用叶片的薄壁小型化可以最大限度地提高叶片的性能，实现风车的高效率化。另外，叶片本体部以高强度的金属材料构成可以使叶片的后缘部最小限度(2mm左右)地实现薄壁化，加上在该后缘部形成沿叶片长度方向的齿型凹凸部，能够完全防止叶片后缘部的后方的卡曼涡街的发生，确实抑制起因于卡曼涡街的噪音。
另外，根据本发明，即使叶片整体以薄壁构成，也能作成具有高强度的叶片，使该叶片实现小型轻量化的同时，即使以该小型薄壁叶片对付突发的风及地震等对叶片的突发性的大负载，也能保持充分的强度，避免该大负载作用时的叶片的损伤，可提供具有高耐久性和可靠性的叶片。
进而，即使叶片整体以单一金属材料构成，也能使叶片的强度保持所需强度，由此叶片的结构得到简化，同时叶片的制作简单容易，减少了叶片的制造工序。
另外，如果采用分割型叶片，叶片本体与后端部件的组合可以自由选择，通过使占叶片重量的大部分的叶片本体以比重小的铝合金制料或钛合金制料等轻量材料构成，以端部的薄壁化及齿型凹凸部的容易形成的高强度的钢材或钛材构成后端部件，能够得到可以以轻量高强度最大限度地提高叶片的性能且确实能抑制起因于卡曼涡街的噪音的风车叶片。
另外，根据本发明，通过加大齿形部的齿高度h与叶片表面的叶片面边界层的厚度δ之比(h/δ)，可减少齿形部近旁的叶片面边界层造成的流动损失，提高叶片的性能，另一方面，鉴于加大齿形部的齿高度h时、随之叶片弦长L也增大、使叶片宽度增大、同时该弦长L的增大反而引起叶片面边界层的厚度δ增大的情况，所以通过将上述齿高度h与叶片表面的叶片面边界层的厚度δ之比(h/δ)构成为h/δ＝1.0～10.0，可以保持所需的叶片强度及叶片输出，避免叶片宽度的增大并抑制叶片表面的叶片面边界层的厚度δ，保持所需的叶片性能。
另外，根据本发明，由于齿高度h随着变为叶片端部而减少，使上述齿形部的齿高度h与叶片表面的叶片面边界层的厚度δ之比(h/δ)在叶片长度方向成为一定值，所以能够抑制在叶片的全长上叶片面边界层的形成造成的叶片的流动损失使之保持一定，同时能够使齿高度h在叶片长度方向与叶片弦长L成比例地减少，使叶片强度及叶片输出在叶片的全长上保特良好的平衡。
另外，根据本发明，由于减少了叶片弦长L，使上述齿形部的齿高度h在叶片长度方向保持一定，且齿高度h与叶片面边界层的厚度δ之比(h/δ)随着变为叶片端部而增大，所以能够减少随着变为由风力得到的转动力大的叶片外端部的叶片面边界层的形成造成的叶片的流动损失，使叶片弦长L保持在叶片的强度面上的最小限度，并在叶片的全长上发挥叶片的高性能。
另外，根据本发明，在后缘部沿叶片长度方向形成三角齿锯齿、梯形齿等的齿形部的机舱结构的风车在运行时，通过在叶片的后缘部沿叶片长度方向形成三角齿锯齿、梯形齿等的齿形部，流经该齿形部的顶部及底部的风流上产生围绕平行轴线转动的无周期性的涡旋，且该涡旋阻碍卡曼涡街的生成，由此能够抑制起因于卡曼涡街的噪音。
另外，根据本发明，如果减小齿形部的齿高度h与齿节距p之比(h/p)，则齿高度h变低，不能发挥由齿形部的形成造成的涡旋的产生及对随之的卡曼涡街的生成的抑制效果；如果加大上述(h/p)，则鉴于齿形部变成齿根宽度小的尖锐的齿形且齿形部的强度降低，所以，通过构成h/δ＝0.5～5.0，能够保持齿形部的强度，并利用齿形部的形成充分抑制卡曼涡街的生成，确实降低噪音。
总之，根据本发明，能够提供一种风车叶片，它对于突发性的大负载也有充分的叶片强度，具备高耐久性及可靠性，可以实现叶片的薄壁化，提高叶片的性能，实现风车的高效率化，同时，抑制起因于卡曼涡街的噪音，进而，使叶片的结构简化，减少了叶片的制造工序。

Claims (14)

1.一种机舱结构的风车，在支柱的上端部水平转动自如地装有机舱，并且在该机舱的前面部转动自如地支撑着有多枚叶片的转子，所述叶片利用叶片背风向面侧和叶片腹风背面侧的气流的速度差产生的升力得到转动力，其特征在于，所述风车叶片由叶片整体用一种金属材料制成的一体叶片构成，或由叶片后端侧用另外的金属材料制成的叶片构成，同时，在该叶片的后缘部上沿叶片长度方向形成有齿形部，并且
其中，在所述叶片用一种金属材料制成的一体叶片形成的情况下，该一体叶片由从铝材、钛材和含有钛的铝合金材料组成的组中选出的轻金属材料制成。
2.一种机舱结构的风车，在支柱的上端部水平转动自如地装有机舱，并且在该机舱的前面部转动自如地支撑着有多枚叶片的转子，所述叶片利用叶片背风向面侧和叶片腹风背面侧的气流的速度差产生的升力得到转动力，其特征在于，所述风车叶片由叶片整体用一种金属材料制成的一体叶片构成，或由叶片后端侧用另外的金属材料制成的叶片构成，同时，在该叶片的后缘部上沿叶片长度方向形成有齿形部，并且
其中，所述叶片除了叶片的后端部件，叶片的叶片本体用一种轻金属材料形成，同时，所述叶片的后端部件以比所述金属材料强度高的另外的金属材料构成。
3.根据权利要求2记载的机舱结构的风车，其特征是，所述叶片本体由包括铝材的铝合金材料构成，所述后端部件由钛或钢材构成。
4.根据权利要求2记载的机舱结构的风车，其特征是，所述叶片本体部形成中空，所述后端部件形成实心，同时所述叶片本体和所述后端部件两者用螺丝、铆钉或焊接接合。
5.根据权利要求1记载的机舱结构的风车，其特征是，叶片的后缘部沿叶片长度方向形成有三角齿锯齿、梯形齿、或锯齿的齿形部，该齿形部的齿高度h与叶片表面的边界层的厚度δ之比h/δ构成为h/δ＝1.0～10.0。
6.根据权利要求5记载的机舱结构的风车，其特征是，所述齿高度h构成为随着变为叶片外端部而减少，使所述齿形部的齿高度h与叶片表面的边界层的厚度δ之比h/δ在叶片长度方向成为一定值。
7.根据权利要求5记载的机舱结构的风车，其特征是，减少叶片弦长L，使所述齿形部的齿高度h在叶片长度方向成为一定，且所述齿高度h与叶片表面的边界层的厚度δ之比h/δ随着变为叶片外端部而增大。
8.根据权利要求1记载的机舱结构的风车，其特征是，叶片的后缘部沿叶片长度方向形成有三角齿锯齿、梯形齿、或锯齿的齿形部，该齿形部的齿高度h与齿节距p之比h/p构成为h/p＝0.5～5.0。
9.根据权利要求1记载的机舱结构的风车，其特征是，所述叶片是从水平驱动轴轴心到叶片外端的转动直径为10m以上到100m的大型机舱结构的风车用叶片。
10.根据权利要求2记载的机舱结构的风车，其特征是，叶片的后缘部沿叶片长度方向形成有三角齿锯齿、梯形齿、或锯齿的齿形部，该齿形部的齿高度h与叶片表面的边界层的厚度δ之比h/δ构成为h/δ＝1.0～10.0。
11.根据权利要求10记载的机舱结构的风车，其特征是，所述齿高度h构成为随着变为叶片外端部而减少，使所述齿形部的齿高度h与叶片表面的边界层的厚度δ之比h/δ在叶片长度方向成为一定值。
12.根据权利要求10记载的机舱结构的风车，其特征是，减少叶片弦长L，使所述齿形部的齿高度h在叶片长度方向成为一定，且所述齿高度h与叶片表面的边界层的厚度δ之比h/δ随着变为叶片外端部而增大。
13.根据权利要求2记载的机舱结构的风车，其特征是，叶片的后缘部沿叶片长度方向形成有三角齿锯齿、梯形齿、或锯齿的齿形部，该齿形部的齿高度h与齿节距p之比h/p构成为h/p＝0.5～5.0。
14.根据权利要求2记载的机舱结构的风车，其特征是，所述叶片是从水平驱动轴轴心到叶片外端的转动直径为10m以上到100m的大型机舱结构的风车用叶片。
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