JP2004340005A - プロペラファンの接合構造 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、接合部近傍のブレードやスパイダーの部位に発生する応力を低減させ、接合強度を大幅に向上させることができるプロペラファンの接合構造を得る。
【解決手段】スパイダー２とブレード３とは、両者の重ね合わせ部の中心位置をピッチｐで１列にリベット４により接合された１列リベット重ね継手構造を採っている。そして、リベット４のピッチｐとリベット４の直径ｄとの関係が、２．０＜ｐ／ｄ＜２．５を満足するように構成されている。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ブレードがスパイダーに接合されてなるプロペラファンの接合構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のリベット接合構造においては、一般に、リベットのピッチｐは、リベット打ちの逃げやリベット間の板の密着を考慮して、３．５ｄ≦ｐ≦８ｄ（ｄ：リベット径）としている。また、リベット穴の中心と板端との距離ｅは、ｅ≧３ｄとしている。（例えば、非特許文献１参照）
【０００３】
【非特許文献１】
「機械設計便覧」丸善株式会社、昭和５４年２月２０日第４印発行、ｐ．９８０
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のリベット接合構造においては、リベットのピッチｐとリベット径ｄとの関係やリベット穴の中心と板端との距離ｅとリベット径ｄとの関係は、主にリベットに発生する剪断負荷を考慮して設計されたもので、ブレードやスパイダーの曲げ負荷に対しては何ら考慮されていなかった。この曲げ負荷の場合には、板端を支点とする「てこの原理」により、リベット近傍に多大な負荷が作用することになる。
ブレードがスパイダーにリベット接合されているプロペラファンにおいては、遠心力や偏流に起因して、剪断負荷に加えて大きな曲げ負荷がリベット近傍に作用するため、リベット近傍のブレードやスパイダーの部位に多大な応力が発生することになる。
従って、従来のリベット接合構造の設計値をプロペラファンにおけるブレードとスパイダーとの接合に適用した場合、リベット近傍のブレードやスパイダーの部位に発生する応力が大きくなってしまい、この多大な応力に耐えられる接合強度を確保できなくなる危険性があった。
【０００５】
この発明は、上記の課題を解消するためになされたもので、接合部のピッチｐと接合部の直径ｄとの関係や接合部の中心と板端との距離ｅと接合部の直径ｄとの関係を曲げ負荷を考慮して設計するようにし、接合部近傍のブレードやスパイダーの部位に発生する応力を低減させ、接合強度を大幅に向上させることができるプロペラファンの接合構造を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明では、ブレードがスパイダーの先端部に重ねられて接合されてなるプロペラファンの接合構造において、上記ブレードと上記スパイダーとの接合部が、上記ブレードと上記スパイダーとの重ね部をｎ分割（ｎは２以上の整数）するように（ｎ−１）列に配列されており、第１列および最終列のそれぞれの端部に位置する上記接合部とそれに隣接する上記接合部との間隔ｐと上記接合部の直径ｄとの関係が、２．０＜ｐ／ｄ＜２．５を満足するように構成されているものである。
【０００７】
また、ブレードがスパイダーの先端部に重ねられて接合されてなるプロペラファンの接合構造において、上記ブレードと上記スパイダーとの接合部が、上記ブレードと上記スパイダーとの重ね部をｎ分割（ｎは２以上の整数）するように（ｎ−１）列に配列されており、第１列および最終列の上記接合部の中心と板端との距離ｅと上記接合部の直径ｄとの関係が、０．９＜ｅ／ｄ＜１．６を満足するように構成されているものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るプロペラファンにおけるブレードとスパイダーとの接合部周りを示す平面図、図２は図１のＡ部拡大図、図３はこの発明の実施の形態１に係るプロペラファンにおけるブレードとスパイダーとの接合部周りを示す断面図、図４はこの発明の実施の形態１に係るプロペラファンにおけるブレードとスパイダーとの接合部に作用する曲げ負荷を説明する図である。
【０００９】
図１乃至図３において、プロペラファン１は、スパイダー２と、スパイダー２の先端にリベット４により接合されたブレード３とを備えている。
そして、スパイダー２の先端部およびブレード３の基部には接合前に、貫通穴がピッチｐでそれぞれ穿設されている。ついで、ブレード３が貫通穴同士を一致させてスパイダー２の先端に重ね合わされ、接合部としてのリベット４が貫通穴に通される。その後、突出したリベット軸部を加圧し、スパイダー２とブレード３とを締結している。このように、スパイダー２とブレード３とは、両者の重ね合わせ部の中心位置をピッチｐで１列にリベット４により接合された、いわゆる１列リベット重ね継手構造を採っている。
【００１０】
このように構成されたプロペラファン１においては、図４に示されるように、遠心力に加えて偏流による風圧がブレード３に作用する。そして、リベット４近傍のスパイダー２およびブレード３の部位には、剪断負荷に加えて曲げ負荷が加わり、多大な応力が発生することになる。そこで、プロペラファン１の起動停止や偏流などの繰り返し負荷により、スパイダー２やブレード３に疲労亀裂が発生する可能性がある。
【００１１】
ここで、リベット４のピッチｐとリベット径ｄとの比ｐ／ｄと曲げ負荷による最大応力との関係を有限要素法により解析した結果を図５に示す。図５では、スパイダー２とブレード３との間に生じる隙間δの製造バラツキを考慮し、δを０．０１ｍｍ、０．０５ｍｍ、１ｍｍとした場合について解析している。
図５から、δに拘わらず、ｐ／ｄ＜２．２の領域では、ｐ／ｄが増加するにつれ、無次元化発生応力σは小さくなり、ｐ／ｄ＞２．２の領域では、ｐ／ｄが増加するにつれ、無次元化発生応力σは大きくなることがわかる。これは、ｐ／ｄ＜２．２の領域では、ｐ／ｄが小さくなるほど、スパイダー２あるいはブレード３の荷重を受け持つ断面積が小さくなり、無次元化発生応力σが大きくなったものと推考される。また、ｐ／ｄ＞２．２の領域では、ｐ／ｄが大きくなるほど、リベット４周辺の応力集中係数が大きくなり、無次元化発生応力σが大きくなったものと推考される。
このように、ｐ／ｄが２．２の時に、無次元化発生応力σは最小値をとる。
【００１２】
スパイダー２およびブレード３が金属材料である場合、一般的に、無次元化発生応力σを０．８５倍にすることで、疲労寿命は１０倍となる。そして、図５から、σが０．０１ｍｍ、０．０５ｍｍの場合、ｐ／ｄが８のときの無次元化発生応力σはほぼ１となっている（従来の接合構造のｐ／ｄ＝８に相当する）。また、図５から、２．０＜ｐ／ｄ＜２．５の領域では、無次元化発生応力σは０．８５以下となっている。
そこで、リベット４のピッチｐとリベット径ｄとの比ｐ／ｄが、２．０＜ｐ／ｄ＜２．５を満足する接合構造をとることにより、隙間δが製造時にばらついたとしても、剪断負荷のみを考慮して設計された従来の接合構造に比べて、無次元化発生応力σを０．８５倍以下に低減でき、疲労寿命を最大で１０倍以上とすることができる。
【００１３】
なお、上記実施の形態１において、リベット４の穴中心とブレード３の端部との距離ｅを変えて比ｐ／ｄと曲げ負荷による最大応力との関係を有限要素法により解析したところ、図５と同様の結果が得られた。
【００１４】
実施の形態２．
図６はこの発明の実施の形態２に係るプロペラファンにおける接合部周りを示す拡大図、図７はこの発明の実施の形態２に係るプロペラファンにおけるブレードとスパイダーとの接合部周りを示す断面図である。
この実施の形態２では、図６および図７に示されるように、スパイダー２の先端部とブレード３の基部とを重ね合わせ、両者の重ね合わせ部の中心位置をピッチｐで１列にスポット溶接して接合している。
ここで、接合部としてのスポット溶接部５のピッチｐとスポット溶接部５の直径ｄとの比ｐ／ｄと曲げ負荷による最大応力との関係を有限要素法により解析したところ、図５と同等の結果が得られた。
【００１５】
従って、この実施の形態２においても、スポット溶接部５のピッチｐとスポット溶接部５の直径ｄとの比ｐ／ｄが、２．０＜ｐ／ｄ＜２．５を満足する接合構造をとることにより、隙間δが製造時にばらついたとしても、剪断負荷のみを考慮して設計された従来の接合構造に比べて、無次元化発生応力σを０．８５倍以下に低減でき、疲労寿命を最大で１０倍以上とすることができる。
また、この実施の形態２では、リベット４が不要となり、部品点数の削減が図られる。
【００１６】
実施の形態３．
図８はこの発明の実施の形態３に係るプロペラファンにおけるブレードとスパイダーとの接合部周りを示す断面図である。
この実施の形態３では、貫通穴２ａがスパイダー２の先端部にピッチｐで１列に穿設され、かしめ部６がブレード３の基部にピッチｐで１列に突設されている。そして、図８に示されるように、かしめ部６が貫通穴２ａに嵌合するようにスパイダー２の先端部とブレード３の基部とを重ね合わせ、貫通穴２ａからのかしめ部６の延出部をかしめて、ブレード３がスパイダー２に接合されている。なお、接合部としてのかしめ部６は、両者の重ね合わせ部の中心位置をピッチｐで１列に配列されている。
ここで、かしめ部６のピッチｐとかしめ部６の直径ｄとの比ｐ／ｄと曲げ負荷による最大応力との関係を有限要素法により解析したところ、図５と同等の結果が得られた。
【００１７】
従って、この実施の形態３においても、かしめ部６のピッチｐとかしめ部６の直径ｄとの比ｐ／ｄが、２．０＜ｐ／ｄ＜２．５を満足する接合構造をとることにより、隙間δが製造時にばらついたとしても、剪断負荷のみを考慮して設計された従来の接合構造に比べて、無次元化発生応力σを０．８５倍以下に低減でき、疲労寿命を最大で１０倍以上とすることができる。
また、この実施の形態３では、リベット４が不要となり、部品点数の削減が図られる。
【００１８】
なお、上記実施の形態１〜３では、リベット４、スポット溶接部５およびかしめ部６の接合部を等ピッチで１列に配列するものとしているが、曲げ負荷に起因する応力が集中する接合部列の各端部に位置する接合部とそれに隣接する接合部との間隔（ｐ）が２．０＜ｐ／ｄ＜２．５を満足していれば、必ずしも接合部を等ピッチに配列する必要はない。
また、上記実施の形態１〜３では、接合部がスパイダー２とブレード３との重ね部（重ね合わせ部）の中心位置に１列に配列されているものとして説明しているが、接合部がスパイダー２とブレード３との重ね部を３分割や４分割（３等分や４等分を含む）するように２列や３列に配列されている接合構造にも適用できることはいうまでもないことである。即ち、接合部がスパイダー２とブレード３との重ね部をｎ分割（ｎは２以上の整数）するように（ｎ−１）列に配列されている接合構造にも適用できる。この場合、少なくとも第１列および最終列の各端部に位置する接合部とそれに隣接する接合部との間隔（ｐ）を、２．０＜ｐ／ｄ＜２．５を満足するように構成すればよい。
【００１９】
実施の形態４．
図９はこの発明の実施の形態４に係るプロペラファンにおけるブレードとスパイダーとの接合部周りを示す断面図である。
この実施の形態４では、上記実施の形態１と同様に、スパイダー２とブレード３とは、両者の重ね合わせ部の中心位置をピッチｐで１列にリベット４により接合された１列リベット重ね継手構造を採っている。そして、リベット４のピッチｐと径ｄとの比がｐ／ｄ＝２．２となるように構成されている。
【００２０】
ここで、リベット４の穴中心とブレード３の端部との距離ｅとリベット径ｄとの比ｅ／ｄと曲げ負荷による最大応力との関係を有限要素法により解析した結果を図１０に示す。図１０では、スパイダー２とブレード３との間に生じる隙間δの製造バラツキを考慮し、δを０．０１ｍｍ、０．０５ｍｍ、１ｍｍとした場合について解析している。
図１０から、δに拘わらず、ｅ／ｄ＜１．２の領域では、ｅ／ｄが増加するにつれ、無次元化発生応力σは小さくなり、ｅ／ｄ＞１．２の領域では、ｅ／ｄが増加するにつれ、無次元化発生応力σは大きくなることがわかる。これは、ｅ／ｄ＜１．２の領域では、ｅ／ｄが小さくなるほど、スパイダー２あるいはブレード３における荷重を受け持つ断面積が小さくなり、無次元化発生応力σが大きくなったものと推考される。また、ｅ／ｄ＞１．２の領域では、例えば、ブレード３にモーメントＭが作用すると、スパイダー２あるいはブレード４の板端を支点とする「てこの原理」によりリベット４には力Ｆ（＝Ｍ・ｅ）が作用することになる。そこで、ｅ／ｄが大きくなるほど、無次元化発生応力σが大きくなったものと推考される。そして、ｅ／ｄ≧１．６では、無次元化派生応力σは０．８３３５より大きくなっている。
このように、ｅ／ｄが１．２の時に、無次元化発生応力σは最小値をとる。
【００２１】
図１０から、０．９＜ｅ／ｄ＜１．６の領域では、ｅ／ｄ≧１．６の領域に比較して無次元化発生応力σが小さい。
そこで、リベット４の穴中心とブレード３の端部との距離ｅとリベット径ｄとの比ｅ／ｄが、０．９＜ｅ／ｄ＜１．６を満足する接合構造をとることにより、隙間δが製造時にばらついたとしても、高い信頼性でリベット４付近の無次元化発生応力σを低減させることができる。
さらに、剪断負荷のみを考慮して設計された従来の接合構造では、ｅ／ｄ≧３となるように設計されており、リベット４から板端までの距離ｅが長くなってしまう。しかしながら、この実施の形態４では、０．９＜ｅ／ｄ＜１．６であるので、距離ｅが短くなり、プロペラファンの重量を軽くすることができる。
【００２２】
なお、上記実施の形態４においても、リベット４は必ずしも等ピッチに配列する必要はない。
また、上記実施の形態４では、接合部がスパイダー２とブレード３との重ね部の中心位置に１列に配列されているものとして説明しているが、この発明は、接合部がスパイダー２とブレード３との重ね部を３分割や４分割（３等分や４等分を含む）するように２列や３列に配列されている接合構造にも適用できることはいうまでもないことである。即ち、接合部がスパイダー２とブレード３との重ね部をｎ分割（ｎは２以上の整数）するように（ｎ−１）列に配列されている接合構造にも適用できる。この場合、第１列および最終列の接合部の中心と板端との距離ｅと接合部の直径ｄとの関係を、０．９＜ｅ／ｄ＜１．６を満足するように構成すればよい。
【００２３】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように、ブレードがスパイダーの先端部に重ねられて接合されてなるプロペラファンの接合構造において、上記ブレードと上記スパイダーとの接合部が、上記ブレードと上記スパイダーとの重ね部をｎ分割（ｎは２以上の整数）するように（ｎ−１）列に配列されており、第１列および最終列のそれぞれの端部に位置する上記接合部とそれに隣接する上記接合部との間隔ｐと上記接合部の直径ｄとの関係が、２．０＜ｐ／ｄ＜２．５を満足するように構成されているので、接合部近傍のブレードやスパイダーの部位に発生する応力を低減させ、接合強度を大幅に向上させることができる。
【００２４】
また、ブレードがスパイダーの先端部に重ねられて接合されてなるプロペラファンの接合構造において、上記ブレードと上記スパイダーとの接合部が、上記ブレードと上記スパイダーとの重ね部をｎ分割（ｎは２以上の整数）するように（ｎ−１）列に配列されており、第１列および最終列の上記接合部の中心と板端との距離ｅと上記接合部の直径ｄとの関係が、０．９＜ｅ／ｄ＜１．６を満足するように構成されているので、接合部近傍のブレードやスパイダーの部位に発生する応力を低減させ、接合強度を大幅に向上させることができるとともに、プロペラファンの軽量化をはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係るプロペラファンにおけるブレードとスパイダーとの接合部周りを示す平面図である。
【図２】図１のＡ部拡大図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係るプロペラファンにおけるブレードとスパイダーとの接合部周りを示す断面図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係るプロペラファンにおけるブレードとスパイダーとの接合部に作用する曲げ負荷を説明する図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係るプロペラファンの接合構造におけるリベットピッチｐとリベット径ｄとの比ｐ／ｄと曲げ負荷による最大応力との関係を有限要素法により解析した結果を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態２に係るプロペラファンにおける接合部周りを示す拡大図である。
【図７】この発明の実施の形態２に係るプロペラファンにおけるブレードとスパイダーとの接合部周りを示す断面図である。
【図８】この発明の実施の形態３に係るプロペラファンにおけるブレードとスパイダーとの接合部周りを示す断面図である。
【図９】この発明の実施の形態４に係るプロペラファンにおけるブレードとスパイダーとの接合部周りを示す断面図である。
【図１０】この発明の実施の形態４に係るプロペラファンの接合構造におけるリベットの穴中心と板端との距離ｅとリベット径ｄとの比ｅ／ｄと曲げ負荷による最大応力との関係を有限要素法により解析した結果を示す図である。
【符号の説明】
１ プロペラファン、２ スパイダー、３ ブレード、４ リベット（接合部）、５ スポット溶接（接合部）、６ かしめ部（接合部）。

Claims (2)

1. ブレードがスパイダーの先端部に重ねられて接合されてなるプロペラファンの接合構造において、上記ブレードと上記スパイダーとの接合部が、上記ブレードと上記スパイダーとの重ね部をｎ分割（ｎは２以上の整数）するように（ｎ−１）列に配列されており、第１列および最終列のそれぞれの端部に位置する上記接合部とそれに隣接する上記接合部との間隔ｐと上記接合部の直径ｄとの関係が、２．０＜ｐ／ｄ＜２．５を満足するように構成されていることを特徴とするプロペラファンの接合構造。
2. ブレードがスパイダーの先端部に重ねられて接合されてなるプロペラファンの接合構造において、上記ブレードと上記スパイダーとの接合部が、上記ブレードと上記スパイダーとの重ね部をｎ分割（ｎは２以上の整数）するように（ｎ−１）列に配列されており、第１列および最終列の上記接合部の中心と板端との距離ｅと上記接合部の直径ｄとの関係が、０．９＜ｅ／ｄ＜１．６を満足するように構成されていることを特徴とするプロペラファンの接合構造。

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