JP2019094796A - 翼 - Google Patents

Abstract

【課題】少ない構成部材点数で確実に必要な連結や接合を行うことができ、捩じれ等の複雑な翼形状にも容易に対応できるようにした、比較的大型の翼に適用して好適な翼形状と構造を提供する。【解決手段】翼形状を形成する上下外皮と、ロータ軸側に接続され上下外皮が連結される翼根部材と、上下外皮の内側に配設されて該上下外皮に接合され翼根部材を貫通して延びる主桁とを有し、翼根部材と主桁との接合部が、主桁根元側から先端側に向けて先細りとなるテーパー形状に構成されていることを特徴とする翼。【選択図】図１

Description

本発明は、形状と構造を改良した翼に関し、比較的大型の風洞実験用設備等に好適な翼に関するものである。

近年、各種用途に用いられる翼の性能向上や効率向上のため、使用される翼には非常に複雑な形状や構造のものも採用されており、かつ、多様なデザイン構成を持ったものや特殊な製法を採用したものも知られている（例えば、特許文献１〜７）。

周知の翼形状、翼構造はさまざまな材料を用いて製造が可能であり、それらの材料としては、例えば、アルミニウム、チタン、鉄鋼、繊維強化複合材料（ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維を用いた複合材料等）、木材等が使用可能である。とくに近年、動力エネルギーの効率化のため比較的大型の翼には軽量化が求められ、繊維強化複合材料（ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維を用いた複合材料等）の採用が進んでいる。

特開２０１１−０１１４７３号公報 特開２００１−１２９８４４号公報 特開２００２−２２７７９６号公報 特開２００２−１６１８９３号公報 特開２０１１−１２７４８１号公報 特開２０１０−２０３４３５号公報 特開２０１６−１２５４４１号公報

比較的大型の翼を軽量化するためには、必要な強度や剛性を確保しつつ、構成部材間の連結や接合を確実に行えることや作業容易化のために構造を簡素化することが求められる。そのためには、構成部材の点数を極力少ない点数に抑え、その条件下で、連結や接合の確実性を確保しつつ、捩じれ等の複雑な翼形状にも容易に対応できるようにすることが要求される。

そこで本発明の課題は、上記のような実情に鑑み、少ない構成部材点数で確実に必要な連結や接合を行うことができ、捩じれ等の複雑な翼形状にも容易に対応できるようにした、とくに主要構成部材が繊維強化プラスチックからなる比較的大型の翼に適用して好適な翼形状と構造を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る翼は、翼形状を形成する上下外皮と、ロータ軸側に接続され前記上下外皮が連結される翼根部材と、前記上下外皮の内側に配設されて該上下外皮に接合され前記翼根部材を貫通して延びる主桁とを有し、前記翼根部材と前記主桁との接合部が、主桁根元側から先端側に向けて先細りとなるテーパー形状に構成されていることを特徴とするものからなる。

このような本発明に係る翼においては、回転駆動手段としてのロータ軸へと接続または連結される翼の主要構成部材は、上下外皮と、翼根部材と、主桁とからなる。上下外皮の内側に配設されて該上下外皮に接合される主桁は、翼根部材を貫通して延び、翼根部材と主桁との接合部は、主桁根元側から先端側に向けて先細りとなるテーパー形状に構成されている。ロータ軸からの回転駆動力が翼根部材を介して上下外皮と主桁に伝達され、主桁およびそれに接続された翼の主外形形状を形成する上下外皮が回転される際、その遠心力が翼根部材に加わることになるが、翼根部材と主桁との接合部が先細りテーパー形状に構成されていることにより、遠心力が効率よく翼根部材に伝達されるとともに、その遠心力が接合部におけるテーパー形状がより締まる方向に（翼根部材の内面側テーパー形状部と主桁の外面側テーパー形状部が互いに食い込み締め合う方向に）作用するので、この接合部における接合の確実性が向上される。その結果、少ない構成部材で翼に要求される必要な強度や剛性が容易に確保されつつ、構成部材間の接合が確実にかつ容易に行えるようになる。また、翼根部材と主桁との接合が特別な付加部材を要することなく、翼根部材と主桁を直接接合することで達成でき、少ない構成部材点数で目標とする接合構造を実現できるとともに、翼全体の軽量化にも寄与できることになる。

上記本発明に係る翼においては、上記主桁が中空構造に構成されていることが好ましい。中空構造の構成により、主桁の軽量化、ひいては翼全体の軽量化が可能になる。この中空構造は主桁の実質的に全長にわたっていることが好ましいが、軽量化の効果が大きい箇所を部分的に中空構造としてもよい。

上記主桁が中空構造に構成される場合、該主桁の板厚が、主桁根元側から先端側に向けて薄くなるように徐変している構成も好ましい。モーメント等の負荷の高い主桁根元側から相対的に負荷の低い先端側に向けて板厚を徐変させることにより、部位に応じた最適な板厚とすることができ、必要な強度を確保しながら軽量化の効果を発現できる。

また、上記本発明に係る翼においては、上記主桁根元側に嵌入される蓋を有する構成とすることができる。主桁根元側に蓋が嵌入されることにより、少なくとも主桁の根元側における所定の形状が蓋によってより確実に維持され、その所定の形状の保持強度も蓋によってより確実に維持される。その結果、主桁全体をより確実に所定の形状に維持することが容易化され、翼の目標性能をより確実に確保できることになる。

上記蓋と主桁の接合部の形状は、特に限定されないが、テーパー形状に構成されていることが好ましい。テーパー形状に構成されていると、蓋が主桁根元側部分により確実に密着した状態で嵌入されることが可能になるので、上記のような蓋嵌入、接合による作用、効果をより確実に発現することが可能になる。

また、本発明に係る翼においては、上記主桁の表面が、上記上下外皮の内面に沿う捩れ形状を有する構成とすることができる。翼の上下外皮は、翼の性能や効率の面から、しばしば捩れを有する複雑な曲面形状に形成されるが、主桁の表面も上下外皮の内面に沿う捩れ形状を有する構成とすることにより、上下外皮と主桁を確実にかつ容易に接合できる（例えば、接着により接合できる）ようになり、少ない構成部材点数でありながら、容易に望ましい翼の主要構造が構成される。

また、本発明に係る翼においては、上記上下外皮の翼回転方向前後端に位置する前後端部材を有する構成とすることができる。これら前後端部材は、上下外皮の形状に沿う形状に形成されればよく、上下外皮に前後端部材を接続することにより、翼の外面の実質的に全体の形状が完成される。構成部材を上下外皮と前後端部材に分割しておくことで、製造の容易化が可能になる。

また、本発明に係る翼においては、上記上下外皮の少なくとも一方と上記主桁との接合部が、接着接合によって、あるいは接着接合と凹凸の嵌め合いによって構成されている構造を採用できる。上下外皮の少なくとも一方と主桁とを接着により接合することによって、さらには接着接合と凹凸の嵌め合いにより接合することによって、両部材間に特別な部材を付加することなく、簡単な構造でかつ少ない構成部材点数で、外皮と主桁の望ましい接合が容易に達成される。

さらに、本発明に係る翼においては、少なくとも上記主桁が繊維強化プラスチックからなることが好ましい。主桁に加え、上下外皮と翼根部材、さらには上記蓋も、繊維強化プラスチックからなる構成とすることができる。このように主要構成部材を繊維強化プラスチック製とすることにより、望ましい強度を確保しつつ、翼の軽量化をはかることができる。

このように、本発明に係る翼によれば、少ない構成部材点数で確実に必要な連結や接合を行うことができ、捩じれ等の複雑な翼形状にも容易に対応できるようにした、とくに主要構成部材が繊維強化プラスチックからなり全体として軽量な、比較的大型の翼に適用して好適な、例えば比較的大型の風洞実験用設備等に好適な翼を提供することができる。

本発明の一実施態様に係る翼の分解斜視図である。 図１の翼における繊維強化プラスチックからなる部分の板厚分布を示す部分斜視図である。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る翼を示しており、特に各主要構成部材が繊維強化プラスチックで構成された場合の一例を示している。図１において、１は翼全体を示しており、本実施態様では、翼１は、翼形状を形成する上外皮２および下外皮３と、ロータ軸（図示略）側に接続され上下外皮２、３が例えば連結部材（図示略）を介して連結される翼根部材４と、上下外皮２、３の内側に配設されて該上下外皮２、３に接合され翼根部材４を貫通して延びる主桁５と、上下外皮２、３の翼回転方向前後端に位置し上下外皮２、３に接続される前端部材６および後端部材７を有しており、主桁５の根元側には蓋８が嵌入されている。本実施態様では、これらの構成部材の全てが繊維強化プラスチックで構成されている。但し、少なくとも主桁５は繊維強化プラスチックで構成されていることが好ましいが、他の構成部材については繊維強化プラスチック以外の材質から構成することも可能である。繊維強化プラスチックの強化繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維やこれら強化繊維の組合せを採用できる。

上記翼根部材４と主桁５とは、互いに接合されており（例えば、接着により接合されており）、翼根部材４と主桁５との接合部では、該接合部が、つまり、翼根部材４の内面側部分および主桁５の外面側部分が、主桁５の根元側から先端側に向けて先細りとなるテーパー形状に構成されている。テーパー形状の構成により、遠心力が翼根部材４に加わる際にも遠心力が効率よく翼根部材４に伝達されるとともに、その遠心力が接合部におけるテーパー形状がより締まる方向に作用するので、この接合部における接合の確実性が向上される。したがって、この部分に関しては、少ない構成部材で翼に要求される必要な強度や剛性が容易に確保されつつ、構成部材間の接合が確実にかつ容易に行えるようになる。

また、本実施態様では、上記主桁５は、実質的に全長にわたって中空構造に（角型中空構造に）構成されており、主桁５の根元側は開口されている。この主桁根元側の開口部に上記蓋８が嵌入されており、この蓋８と主桁５との接合部もテーパー形状に構成されている。主桁５が中空構造に構成されることにより、主桁の軽量化、ひいては翼全体の軽量化が可能になる。主桁根元側に蓋８が嵌入されることにより、特に蓋８と主桁５との接合部もテーパー形状に構成されていることにより、少なくとも主桁５の根元側における所定の形状が蓋８によってより確実に維持され、その所定の形状の保持強度も蓋８によってより確実に維持される。したがって、主桁全体をより確実に所定の形状に維持することも容易化され、翼１の目標性能をより確実に確保できることになる。

主桁５の形状は、それと接合される上下外皮２、３の形状に応じて適宜設計可能であり、特に上下外皮２、３が捩れ曲面形状を有する場合には、主桁５の表面が、上下外皮２、３の内面に沿う捩れ形状を有することが好ましい。これによって上下外皮２、３と主桁５との接合が、望ましい形態で強固に行われる。上下外皮２、３の少なくとも一方と主桁５との接合部は、接着接合によって構成されればよい。より強固な接合が望まれる場合には、接着接合と凹凸の嵌め合いによって構成されている構造を採用可能である。

翼１の各部の板厚は、特に限定されず、翼１全体のサイズや強度や剛性の要求仕様に応じて適宜設計可能である。本実施態様のように前述の主要構成部材が繊維強化プラスチック、とくに炭素繊維強化プラスチックで構成される場合で、かつ、比較的大型の風洞実験用設備用の翼として作製される場合の板厚分布の例を図２に示す（板厚：ｔ［単位：ｍｍ］）。但し、図２に示す板厚分布は単に一例であって、翼の設計に際しては何らこれに拘束されない。

図２に示す板厚分布では、とくに中空構造の主桁５の板厚が、主桁根元側から先端側に向けて薄くなるように徐変している。前述したように、モーメント等の負荷の高い主桁根元側から相対的に負荷の低い先端側に向けて板厚を徐変させることにより、部位に応じた最適な板厚とすることができ、必要な強度を確保しながら一層の軽量化に貢献できる。

また、各繊維強化プラスチックからなる各構成部材は、強化繊維層に関して積層構成を有することが好ましく、積層構成によって、より容易に望ましい機械特性を満たすことが可能になる。

翼１の各構成部材における強化繊維層の積層構成の例を表１に示す。但し、表１に示す積層構成は単に一例であって、翼の設計に際しては何らこれに拘束されない。なお、表１に示す０°方向は、図２に示した方向である。

本発明に係る翼は、あらゆる分野の翼に適用可能であり、特に、比較的大型の翼、例えば比較的大型の風洞実験用設備等に好適なものである。

１ 翼
２ 上外皮
３ 下外皮
４ 翼根部材
５ 主桁
６ 前端部材
７ 後端部材
８ 蓋

Claims (9)

1. 翼形状を形成する上下外皮と、ロータ軸側に接続され前記上下外皮が連結される翼根部材と、前記上下外皮の内側に配設されて該上下外皮に接合され前記翼根部材を貫通して延びる主桁とを有し、前記翼根部材と前記主桁との接合部が、主桁根元側から先端側に向けて先細りとなるテーパー形状に構成されていることを特徴とする翼。
2. 前記主桁が中空構造に構成されている、請求項１に記載の翼。
3. 前記主桁の板厚が、主桁根元側から先端側に向けて薄くなるように徐変している、請求項２に記載の翼。
4. 前記主桁根元側に嵌入される蓋を有する、請求項１〜３のいずれかに記載の翼。
5. 前記蓋と前記主桁の接合部が、テーパー形状に構成されている、請求項４に記載の翼。
6. 前記主桁の表面が、前記上下外皮の内面に沿う捩れ形状を有する、請求項１〜５のいずれかに記載の翼。
7. 前記上下外皮の翼回転方向前後端に位置する前後端部材を有する、請求項１〜６のいずれかに記載の翼。
8. 前記上下外皮の少なくとも一方と前記主桁との接合部が、接着接合によって、あるいは接着接合と凹凸の嵌め合いによって構成されている、請求項１〜７のいずれかに記載の翼。
9. 少なくとも前記主桁が繊維強化プラスチックからなる、請求項１〜８のいずれかに記載の翼。

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