JPS6340942B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、フイラメント強化マトリクスから製
作されたスパーおよびシエルを有し、このシエル
が、冗長荷重経路（すなわち単一でない荷重伝達
経路）を有して高信頼性の連結部を形成する新規
な羽根保持装置を介してハブに取付けられている
風力タービン羽根に係る。

航空プロペラのような回転翼羽根に対する保持
装置は種々知られており、フランジ、スラスト・
リング、スラスト軸受、ロツキング・リングおよ
びスプリツト・カラーのような機構を含んでい
る。これらの装置はいずれも羽根のシヤンクにな
んらかの変更、たとえばレースの機械加工あるい
はレース上の高段面の形成、を必要とする。さら
に、これらの公知の保持装置の多くのものでは、
シヤンク部分が羽根ピツチ調節機構と一体化され
ており、また羽根およびピツチ変更用作動器から
の遠心荷重および横荷重を吸収しかつ伝達するべ
く構成されている。

回転翼の直径が30ないし60ｍになることが多い
風力タービンあるいは風車用の回転翼羽根のよう
に大形の回転翼羽根を開発するにあたつては、羽
根の重量およびコストを減ずるのに特殊な製作技
術を必要とする。さらに、回転する大形の羽根は
保持装置に苛酷な荷重を及ぼすので、荷重を適正
に分配し得るように保持装置を構造的に改良する
ことが望ましい。

構造的な剛固性と矛盾することなく羽根の重量
およびコストを減ずるための方法の一つは、複合
材料を用いて羽根を形成することである。フイラ
メント強化マトリクス複合羽根は自動巻回機によ
り製作され得るので、構造的な完全さが接着され
た連結部に依存する範囲を減ずる。有用とされて
いる典型的なフイラメント強化材料はフアイバガ
ラス、炭素、黒鉛、ケブラー（Kevler）および
ホウ素をエポキシあるいはポリエステルのマトリ
クス内に含むものである。複合テープも使用可能
である。この形式の羽根では、同じくフイラメン
ト巻回のスパーが、荷重を吸収しかつ伝達するた
めの主たる要素である。フイラメント巻回プロセ
スの採用は、羽根に沿つて強度およびスチフネス
を最適化するための壁厚およびフアイバ方向の変
更を可能とし、せん断力に対するすぐれた特性お
よび大きな荷重に耐える能力が得られる。

多くの公知の複合羽根は、羽根をその全長に沿
い支持する構造として鋼製のスパーを備えてお
り、また羽根スパーのシヤンクと一体の羽根ピツ
チ調節機構を含む標準的な羽根保持装置の使用を
可能にする。フイラメント巻回スパーを有する羽
根では、羽根をハブに連結するための公知の方法
はスパー材料の相違のために適当でない。複合ス
パー羽根では、羽根ピツチ調節機構を羽根から分
離し、羽根ピツチ力がハブ内に位置するピツチ調
節機構から羽根・ハブ間アダプタを通じて羽根そ
のものに伝達されることが望ましいことが見い出
されている。したがつて、羽根保持装置は複合ス
パーを確実に保持すると同時に羽根ピツチ力をピ
ツチ調節機構から羽根に伝達することが可能でな
ければならず、しかも羽根の大きなサイズに起因
する高い荷重を吸収し得るものでなければならな
い。

したがつて本発明の一つの目的は、複合材料か
ら成る羽根部材を回転翼ハブと連結するのに適し
た羽根保持装置を提供することである。

本発明の他の目的は、風力タービンに用いられ
るような大形の複合材料製回転翼羽根に対する羽
根保持装置を提供することである。

本発明の別の目的は、内側アダプタ・スリーブ
が羽根スパーに対する巻回心棒の一部として用い
られているフイラメント巻き羽根に対する羽根保
持装置を提供することである。

本発明のさらに他の目的は、羽根荷重が高度の
信頼性を有する連結部を得るために冗長経路を経
てハブに伝達される複合材料製回転翼羽根に対す
る羽根保持装置を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、遠心力による羽根
荷重のもとに拘束を確実に行うように逆テーパ状
に形成された端部を有するフイラメント巻きマト
リクス材料製の羽根スパーに対する羽根保持装置
を提供することである。

本発明の好ましい実施例によれば、スパーの内
側端部と同心の金属製の内側および外側アダプ
タ・スリーブがスパーに接着され、またスリーブ
およびスパーがそれらを半径方向に貫く第一の一
連のシアー・ボルトおよびナツトにより一体に保
持されている。第二の一連のシアー・ボルトおよ
びナツトが両スリーブを貫いて、それらを一体に
接合しているが、第二の一連のボルトおよびナツ
トはスパーの内側端部よりも少し内側に配置され
ている。両スリーブが接着されているスパーの端
部は少し円錐状に形成され、その外側に隣接する
スパー部分に比較して直径が減ぜられているの
で、スパーの端部は両スリーブの間に有効に拘束
されており、羽根に作用する遠心力は拘束を強め
る傾向を生じ、保持スリーブから羽根が外れるの
を防止する。

本発明の有利な特徴として、内側アダプタ・ス
リーブをスパーに対する巻回心棒の一部として利
用することができ、またフイラメントあるいは複
合テープを完全に内側スリーブのまわりに巻い
て、その後に明確なスパー終端を形成するように
所望の位置で切断することができる。この方法は
巻回および複合スパーへの内側スリーブの接着を
容易にする。

ボルトをスリーブおよびスパーに接着して、接
合間隙を零にし、構成要素間の運動を最小にする
こともできる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を詳細
に説明する。

第１図を参照すると、複合材から形成された羽
根スパー１０が示されており、そのまわりに羽根
シエル１２が巻かれている。スパーおよびシエル
の複合材としてはフイラメント巻回フアイバガラ
ス・エポキシ複合材が好ましいが、他のフイラメ
ントおよびマトリクスならびにテープも使用する
ことができる。巻回は通常の方法でうことがで
き、これは本発明の一部分を成すものではない。
羽根およびスパーの寸法は任意であつてよいが、
大形風力タービンの羽根は30ｍを越ある回転翼直
径を越えるのが通常である。このような羽根は、
900Kgを越える重量となり、風力タービンに取付
けられて回転するとき著しく高い荷重を機械的羽
根保持および支持構造に及ぼす。この形式の羽根
の多くは羽根軸線のまわりにピツチを変更される
ようになつており、このことは追加的な荷重の源
となる。さらに荷重は突風により加えられ、突風
の羽根軸線に沿う速度および（あるいは）方向は
不定であり、またどの回転位置で加わるかも不定
である。したがつて、これらの羽根の機械的保持
をいかに行うかは、安全性の点でも羽根およびそ
れと組合わされる荷重受け構造の寿命の点でも重
要な因子である。羽根およびスパーの材料として
フイラメント巻回複合材を使用すれば、重量を軽
減し得るが、複合材の独特な性質により適当な機
械的保持装置を設けるように注意する必要があ
る。

図面には、冗長荷重経路が用意されている羽根
保持装置が示されており、この装置は内側の金属
製アダプタ・スリーブ１４および外側の金属製ア
ダプタ・スリーブ１６を含んでいる。この金属は
鋼であることが好ましい。これらのスリーブは羽
根軸線と同心であり、各スリーブの一部分は羽根
スパー１０に隣接しまたそれと接触して延びてい
るので、スパー１０はスリーブ１４とスリーブ１
６との間にサンドイツチ状に挾まれている。スパ
ー１０はスリーブ１４とスリーブ１６との間に、
スパーの周縁に分布しスリーブおよびスパーの孔
を貫く一連のシアー・ボルト１８およびナツト２
０により固定されている。これらのボルト１８
は、ボルトの差込みに先立つて少量の適当なエポ
キシをボルト孔に差すことによりスパーおよびス
リーブに接着されてもよい。スリーブ１４および
１６も後記のようにスパー１０に接着される。

またスリーブ１４および１６はスパー１０の内
側端部を越えて短い距離だけ延びており、外側ス
リーブ１６は半径方向に内方に延びるフランジ部
分２２を有し、内側スリーブ１４の内側延長部と
会して接合面２４を形成している。外側スリーブ
のフランジ部分２２はスパー１０の内側端部から
短い間隔をおいており、それらの間に小さなスペ
スを残してスパー端部とフランジ部分２２との間
の直接的な荷重を避けている。

スパー１０を挾んで内側スリーブ１４および内
側スリーブ１６を結合する一連のボルト１８に加
えて、第二の一連のシアー・ボルト３８がスパー
１０の端部より少し内側でスリーブ１４および１
６にあけられている孔に差込まれ、ナツト４０に
より固定される。ボルト３８も強度向上のため接
着されてよい。

スリーブ１４および１６を含む羽根保持装置に
よつて羽根スパー１０は確実に保持される。スパ
ーおよびスパー保持装置を回転翼ハブに連結する
ためのなんらかの手段が必要である。特定の構造
では、羽根保持スリーブを直接に回転翼ハブにボ
ルト締めすることも可能であろう。しかし、多く
の場合には、中間連結部材を設ける必要があり、
その一例として第１図には、一端で羽根保持装置
にまた他端でハブ軸３６にボルト締めされた円錐
状連結部材３２が示されている。

複数個のねじ孔２８が外側スリーブ１６のフラ
ンジ部分２２に軸線方向に加工されており、そこ
にボルト３０がねじ込まれて、円錐状の羽根・ハ
ブ連結部材３２のフランジ端部を外側スリーブ１
６に固定している。一つあるいはそれ以上のボル
ト３０は、第２図に示ように、外側スリーブ１６
と羽根・ハブ連結部材３２との間の相対的運動お
よびねじれ荷重を最小にするためのピン３４によ
り置換されてよい。ボルト３０も適当なエポキシ
により孔２８のなかに接着されてよい。ボルト３
０は、ハブから回転翼羽根を取外す必要があると
きは、容易に取外され得る。

羽根・ハブ連結部材３２はボルトのような通常
の手段によりハブ軸３６に固定されている。ハブ
軸３６は軸受（図示せず）により支えられてお
り、また羽根にピツチ変化を与えるべくその軸線
のまわりに回転するように取付けられていてよ
い。ハブは、もちろん、通常の回転翼あるいはプ
ロペラのように回転するべく構成されている。

第１図によく示されているように、スパー１０
の内側端部あるいはシヤンク部分はそこから外側
に向つてすぐ隣りの部分よりも少し小さい直径を
有するので、スパーの内側端部は少し円錐状であ
り、ハブの方に向つて内方にテーパがついてい
る。この構造は羽根スパーの確実な拘束を可能に
する。なぜならば、スパーを保持装置から引抜こ
うとする遠心力はスリーブ１４および１６に対し
て半径方向に作用する力の成分をも有し、これら
のスリーブがこの力の成分に抗して、内側および
外側スリーブにより生ずるシールを締めるからで
ある。すなわち、スリーブがスパーを保持して楔
として作用するからである。

前記のように、スパー１０は内側および外側の
アダプタ・スリーブ１４および１６に接着されて
いる。好ましい接着方法では、内側アダプタ・ス
リーブ１４が、スパー１０を形成するようにフア
イバガラスが巻かれる心棒の一部として用いられ
る。最初にフイラメント性材料が集中的に内側ア
ダプタ・スリーブ１４の上に巻かれ、またエポキ
シ接着剤がスリーブ１４の接着表面につけられ
る。内側スリーブと外側スリーブとの間に必要な
フイラメント厚みは、フイラメント層を有するフ
イラメント性布をさし込むことにより得られる。
第一の布層は直接に内側スリーブ１４上の接着剤
の上につけられ、また第一のフイラメント・ヘリ
カル層が布の上に巻かれ、次いで他の布層がつけ
られ、また他のヘリカル・フイラメント層が布の
上に巻かれ、以下同様な過程が所望の厚みを得ら
れるまで繰り返される。追加的な布層が必要に応
じてスパーの保持範囲に用いられてよいが、最終
的な層が外側に巻かれる。実際には外側の層とし
てナイロンはくが用いられ、続くアダプタ・スリ
ーブ接着過程の間にスパ表面が汚れるのを防止し
ている。

仕上げられたスパーは室温で48時間にわたる硬
化過程の後、スパー保持範囲の材料が機械加工可
能になる。巻回過程で全内側スリーブがフアイバ
ガラスで覆われているので、材料の硬化後に、ス
パーの端部が内側スリーブに対して相対的に適当
な位置で切断される。次いでスパー接着表面が機
械加工され、またエポキシ接着剤がスパーおよび
外側スリーブ接着表面につけられる。次いで外側
スリーブがスパーの外側に所望の半径方向位置ま
で押しはめられ、その位置に接着剤が硬化するま
で保持される。外側スリーブのボルト孔は予めあ
けられていることが好ましく、スパーおよび内側
スリーブの孔を加工するためのブシユとして用い
られる。次いでボルト３８による組立が行われ、
またスパー心棒が取外された後にボルト１８によ
る組立が行われる。

前記のように、本発明の羽根保持装置では、羽
根により保持構造に与えられる荷重に対して二つ
の独立した経路が得られている。第一に、せん断
力はスパーから接着層を経て内側および外側スリ
ーブ１４および１６に及ぶが、内側スリーブへの
荷重はさらにボルト３８を経て外側スリーブに、
次いでボルト３０を経て支持構造に伝達される。
第二に、ボルト１８により同一の荷重に対して別
の伝達経路が得られる。したがつて、もし一方の
荷重経路が損傷しても、他方の経路が安全に荷重
を伝達する能力を保ち、その結果、高度の信頼性
を有する保持装置が得られる。

スパー１０およびそのシヤンク部分は円形かつ
中空であることが好ましいが、他の構造であつて
も本発明の保持装置を適用することができる。

本発明をその好ましい実施例について説明して
きたが、種々の変形が本発明の範囲内で当業者に
より可能なことは明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による羽根保持装置の断面図で
ある。第２図は第１図の線２―２による断面図で
ある。 １０…羽根スパー、１２…羽根シエル、１４…
内側アダプタ・スリーブ、１６…外側アダプタ・
スリーブ、１８…ボルト、２０…ナツト、２２…
フランジ、２４…接合面、２６…スペース、２８
…ねじ孔、３０…ボルト、３２…羽根・ボルト連
結部材、３４…ピン、３６…ハブ軸、３８…ボル
ト、４０…ナツト。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 荷重伝達スパーを有する回転翼羽根を、スパ
   ーと隣接する中空円筒状内側シヤンクに保持する
   ための保持装置において、 前記シヤンクの内側周縁のまわりで前記シヤン
   クに境接し、前記シヤンクの端部を越えて少し延
   長している円筒状金属製の第一スリーブ部材と、
   前記シヤンクの外側周縁のまわりで前記シヤンク
   に境接し、前記シヤンクを越えて少し延長してお
   り、また半径方向に内方に延びて前記シヤンクの
   端部に隣接する前記第一スリーブ部材の延長部と
   境接するフランジ部分を有する円筒状金属製の第
   二スリーブ部材と、前記第一および第二スリーブ
   部材を前記シヤンクにその境接面に沿い接着する
   ための手段と、 前記シヤンクの周縁のまわりに配置され、半径
   方向に前記スリーブ部材および前記シヤンクを貫
   き、前記シヤンクを前記スリーブ部材の間に固定
   する第一の複数個のボルト手段と、 前記シヤンクの端部を少し越えた位置に配置さ
   れ、半径方向に第一および第二スリーブ部材を貫
   き、それらを固定する第二の複数個のボルト手段
   とを含むことを特徴とする回転翼羽根の保持装
   置。