專利名稱：機(jī)艙結(jié)構(gòu)的風(fēng)車的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于風(fēng)車發(fā)電裝置等的風(fēng)車的在葉片后緣部沿葉片長度方向形成三角齒鋸齒、梯形齒等齒形部的機(jī)艙結(jié)構(gòu)的風(fēng)車。
下面，根據(jù)

圖12對這種機(jī)艙型的水平軸風(fēng)車的一例進(jìn)行說明。如圖所示，有關(guān)本實施例的風(fēng)車，是在例如鋼或混凝土制的錐形筒狀塔(支柱)4的上端部裝有轉(zhuǎn)動(水平轉(zhuǎn)動)自如的機(jī)艙(機(jī)器箱體)5，并將具有3枚葉片1的轉(zhuǎn)子2的水平驅(qū)動軸3轉(zhuǎn)動自如地支撐在該機(jī)艙5的前面部。上述水平驅(qū)動軸3在機(jī)艙5內(nèi)通過增速機(jī)(未圖示)與發(fā)電機(jī)(未圖示)相連。
而且，本適用例為從上述水平驅(qū)動軸3軸心到葉片1外端的轉(zhuǎn)動直徑約45m左右的大型裝置，但本發(fā)明的適用例并不限于此，可以廣泛地用于直徑10m以上到100m左右的裝置。
圖13表示有關(guān)現(xiàn)有技術(shù)的機(jī)艙型風(fēng)車用葉片的一例，(A)是局部透視圖，(B)是葉片的作用說明圖，(C)是葉片后緣部的放大俯視圖。
在圖13中，1是葉片，11是該葉片1的前緣部，12是后緣部，1a是葉片1的背風(fēng)向面，1b是腹風(fēng)背面。如圖13(B)所示，該風(fēng)車的葉片剖面呈不易受空氣阻力的后緣尖的流線型即所謂的翼型，葉片1的腹風(fēng)背面1b側(cè)和背風(fēng)向面1a側(cè)的氣流S上產(chǎn)生速度差，依靠伴隨速度差的壓力差產(chǎn)生的升力F得到轉(zhuǎn)動力。
并且，上述葉片1是由FRP材料(纖維強(qiáng)化塑料材料)的一體結(jié)構(gòu)構(gòu)成，或者是對于小型的裝置，由泡沫聚戊烯樹脂等多孔性樹脂材料形成。
另外，特開2000-120524號公報中提案的風(fēng)車葉片，是具有包括葉片本體部分和后緣部的葉片剖面的風(fēng)車葉片，上述后緣部是沿葉片長度方向與葉片本體部分另體形成再與葉片本體部分結(jié)合的部件，構(gòu)成上述后緣部的該部件的后端部具有沿葉片長度方向配置的、向后方延伸的多個鋸三角齒狀或梳齒狀的突起。
在有關(guān)發(fā)明中，風(fēng)車葉片后緣部與葉片本體部分另體形成再與本體部分結(jié)合。這樣，后緣部的加工可以與本體部分另行進(jìn)行，加工時不必處理大型的整體葉片，后緣部的加工很容易。由此，在本發(fā)明中，能夠?qū)缶壊窟M(jìn)行高精度加工，后緣部厚度可以減低到抑制卡曼渦街發(fā)生的程度。再有，通過將構(gòu)成上述后緣部的部件做成具有向后方延伸的鋸齒狀或梳齒狀的突起的形狀，能夠生成阻礙卡曼渦街生成的渦旋，進(jìn)一步降低噪音水平。這樣，如果在上述后緣部后端設(shè)有鋸齒狀或梳齒狀的突起，則與把后緣部后端做成平坦的直線形狀的場合相比，抑制了卡曼渦街的發(fā)生。
另外，風(fēng)車葉片由于自重及風(fēng)，伴隨轉(zhuǎn)動受到圍繞葉片的長軸線周圍的扭轉(zhuǎn)或彎曲力矩的作用，在葉片前緣及后緣上由該力矩引起的剪切應(yīng)力及拉伸應(yīng)力容易集中。特別是葉片后緣需減小厚度，因此容易發(fā)生應(yīng)力集中造成的斷裂。在本發(fā)明中，葉片前緣部及后緣部由多個分割部件構(gòu)成，部件相互獨(dú)立，可以發(fā)生變形。因此，有取得應(yīng)力集中得以緩解和防止應(yīng)力集中造成破損的效果的記載。
而且，本現(xiàn)有技術(shù)中，在葉片本體的后緣部沿葉片長度方向形成鋸三角齒、梳齒等的齒形部的風(fēng)車葉片后緣部，與上述FRP制的葉片本體部分另體形成，該后緣部由比FRP組成的葉片本體韌性還高的硬質(zhì)橡膠材料構(gòu)成，固定在該葉片本體的后部上。
在風(fēng)車用的葉片1中，如圖13(A)所示，后緣部12的厚度t如有某種程度增大，則在風(fēng)車轉(zhuǎn)動中，在該后緣部12的后方由有規(guī)則的2列渦旋層組成的卡曼渦街19以與風(fēng)速成比例的周期產(chǎn)生，從A、A1線如B、B1線那樣向葉片1的后方行進(jìn)，由此，在該后緣部12的后方附近產(chǎn)生與風(fēng)速成比例的頻率的噪音。
然而，在圖13所示的FRP材料組成的葉片1中，葉片1的后緣部12成為FRP材料薄板的結(jié)合部，所以厚度t不得不采用得比較大，完全抑制上述卡曼渦街19的發(fā)生是很困難的。
另外，上述組合型風(fēng)車葉片的后緣部即使由硬質(zhì)橡膠材料形成，厚度t也不得不采用得比較大，難于完全抑制卡曼渦街造成的噪音的發(fā)生，因此，該后緣部由硬質(zhì)橡膠材料形成的同時，在該葉片后緣部上形成上述齒形部，在通過齒形的頂部及底部的風(fēng)流中產(chǎn)生圍繞平行的軸線轉(zhuǎn)動的無周期性的渦旋，利用該渦旋阻礙有規(guī)則的卡曼渦街的生成，由此抑制卡曼渦街引起的噪音。
另外，在有關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)中，因為是占葉片的大部分的葉片本體由FRP材料構(gòu)成，在其后端側(cè)連接以硬質(zhì)橡膠材料形成的后緣部的結(jié)構(gòu)，所以需要在后緣部附近設(shè)立FRP材料薄板的結(jié)合部，及從葉片整體的強(qiáng)度方面來看，葉片不得不采用某種程度的厚度，因而，存在著葉片的性能受到限制且風(fēng)車的高效率化受到抑制的問題等有待解決的課題。
另外，在上述機(jī)舵型風(fēng)車中，由于采用在后緣部附近以FRP材料包覆的結(jié)構(gòu)等，如圖13(B)所示，運(yùn)行中葉片1的背風(fēng)向面1a及腹風(fēng)背面1b，即葉片1的表面與沿著其之間流動的空氣流S之間形成葉片面邊界層21。該葉片面邊界層21對葉片1的性能有很大的影響，其厚度δ變大，則由該葉片面邊界層21的形成造成的損失增大，葉片1的性能降低。
這里，葉片面邊界層是因為空氣系粘性流體而生成的稀薄的空氣層，是指從葉片面表面(流速零)到形成與上述氣流S相同或略相同的流速的部位的稀薄的空氣層。
而且，如果以葉片1的弦長為L，雷諾數(shù)為Re，則上述葉片面邊界層21(的空氣流的)厚度δ為δ＝c·L·(1/Re)/5 (1)其中，c是系數(shù)，為0.37左右。
因此，上述葉片面邊界層21的厚度δ與葉片1的弦長L成比例。如果葉片1的弦長L形成得小，葉片面邊界層21的厚度δ減少，且葉片1的性能提高，但是在后緣部附近是以FRP材料薄板包覆的結(jié)構(gòu)，要把葉片面邊界層21的厚度δ減薄就受到限制，希望提供考慮葉片1的強(qiáng)度方面及輸出方面并且是保持葉片1的性能的葉片面邊界層21的厚度δ的葉片1。
另外，在有關(guān)葉片1中，如上所述，風(fēng)車轉(zhuǎn)動中在該后緣部12的后方產(chǎn)生如圖13所示的卡曼渦街19，向葉片1的后方行進(jìn)，由此在該后緣部12的后方附近產(chǎn)生與風(fēng)速成比例的頻率的噪音。
然而，特開2000-120524號提供的以與硬質(zhì)橡膠材料形成的后緣部相接合的結(jié)構(gòu)構(gòu)成的葉片1，后緣部12與葉片本體側(cè)相比，葉片1的強(qiáng)度變低，因此，提供考慮葉片1的強(qiáng)度方面且能夠抑制上述卡曼渦街19發(fā)生的葉片1是困難的。
另外，本發(fā)明的第2個目的在于提供一種機(jī)艙結(jié)構(gòu)的風(fēng)車，它具有這樣的結(jié)構(gòu)具備所需的葉片強(qiáng)度及輸出，且葉片表面的葉片面邊界層的厚度是能良好地保持葉片性能的厚度。
本發(fā)明是為達(dá)到上述目的而實施的，是關(guān)于一種機(jī)艙結(jié)構(gòu)的風(fēng)車，在支柱的上端部水平轉(zhuǎn)動自如地裝有機(jī)艙，在該機(jī)艙的前面部轉(zhuǎn)動自如地支撐著有多枚葉片的轉(zhuǎn)子，上述葉片利用風(fēng)向面?zhèn)群腿~片腹(背風(fēng)面)側(cè)的氣流的速度差產(chǎn)生的升力得到轉(zhuǎn)動力，其特征在于，上述葉片是由葉片整體用一種金屬材料制成的一體葉片構(gòu)成，或由葉片后端側(cè)用另外的金屬材料制成的葉片構(gòu)成，同時，在該葉片的后緣部上沿葉片長度方向形成有齒形部。
而且，上述葉片由一種金屬材料制成的一體葉片構(gòu)成時，該一體葉片可以用鋁材、鈦材或其合金材料組成的輕金屬材料形成；另外，在為分割葉片結(jié)構(gòu)的情況下，上述葉片除葉片后端側(cè)外，葉片主要部分(以下稱葉片本體)全體以一種輕金屬材料形成的同時，上述葉片的葉片后端側(cè)以比上述金屬材料強(qiáng)度高的另外的金屬材料構(gòu)成，具體的是，上述葉片本體以含鋁材在內(nèi)的鋁合全材料構(gòu)成，上述后部部件以鈦或鋼材構(gòu)成。
此外，在分割葉片結(jié)構(gòu)的場合，上述葉片本體部作成中空，上述后端部部件作成實心的同時，兩者可以用包括螺栓在內(nèi)的螺絲、鉚釘或焊接來接合。
根據(jù)本發(fā)明，一體葉片或分割型葉片的葉片本體，用高強(qiáng)度的金屬材料最好是高強(qiáng)度化的包括輕量的鋁材在內(nèi)的鋁合金材料構(gòu)成，所以能夠保持葉片的強(qiáng)度并使葉片整體以薄壁構(gòu)成。
因此，利用葉片的薄壁化可以最大限度地提高葉片的性能，實現(xiàn)風(fēng)車的高效率化。
另外，使葉片的后緣部達(dá)到最小限度(2mm左右)的薄壁化，再加上在該后緣部沿葉片長度方向形成齒型部，能夠完全防止葉片后緣部的后方的卡曼渦街的發(fā)生，確實抑制起因于該卡曼渦街的噪音。
另外，如上所述，葉片后端側(cè)以鈦或鋼材等高強(qiáng)度的金屬材料構(gòu)成，所以即使葉片整體以薄壁構(gòu)成，也能構(gòu)成具有高強(qiáng)度的葉片，實現(xiàn)該葉片的薄壁輕量化，同時即使以該薄壁的葉片去對付突發(fā)的風(fēng)及地震等對葉片的突發(fā)性的大負(fù)載，也能保持充分的強(qiáng)度。這樣，能夠回避有關(guān)大負(fù)載作用時葉片的損傷，提供具有高耐久性和可靠性的葉片。
進(jìn)而，一體葉片或分割葉片都是葉片本體部以輕金屬材料構(gòu)成，所以即使葉片整體以單一材料構(gòu)成，也能使葉片的強(qiáng)度保持所需強(qiáng)度，不必像有關(guān)現(xiàn)有技術(shù)的FRP材料的葉片那樣，在葉片的內(nèi)部插入增強(qiáng)用的芯材。這樣，葉片的結(jié)構(gòu)得到簡化，同時葉片的制作也簡單容易，縮減了葉片的制造工序。
此外，因為葉片本體和后部部件以另外的金屬材料構(gòu)成，所以占葉片重量的大部分的葉片本體能夠以包含比重小的鋁材在內(nèi)的鋁合金材料或包含鈦材在內(nèi)的鈦合金材料構(gòu)成，保持高強(qiáng)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夠以高強(qiáng)度的鋼材或鈦構(gòu)成。這樣，可以以輕量高強(qiáng)度最大限度地提高葉片的性能，并且能得到確實抑制起因于卡曼渦街的噪音的風(fēng)車葉片。
另外，本發(fā)明的上述葉片，在其后緣部沿葉片長度方向形成三角齒鋸齒、梯形齒及鋸齒等齒型部，該齒型部的齒高度h和葉片表面的葉面邊界層的厚度δ之比(h/δ)為h/δ＝1.0～10.0以h/δ＝2.0～8.0為宜，最好為h/δ＝4.0～6.0。
h/δ越大，降低噪音的效果越好，但考慮到對作為葉片形狀的特性給予有意義的影響、并在ZY上對齒部的板厚的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的成立性，上述的數(shù)值范圍較好。
而且，為使上述齒形部的齒高度h和葉片表面上的葉面邊界層的厚度δ之比(h/δ)在葉片長度方向為一定值，使上述齒高度h隨著變?yōu)槿~片端部而減少來構(gòu)成的。
另外，有關(guān)齒形構(gòu)成中，為使上述齒形部的齒高度h在葉片長度方向上保持一定，并且，上述齒高度h和葉片表面上的葉片面邊界層的厚度δ之比(h/δ)隨著變?yōu)槿~片端部而增大，最好是通過減少葉片弦長L來實現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明，在上述齒形狀葉片中，將齒形部的齒高度h和葉片表面上的葉片面邊界層的厚度δ之比(h/δ)加大，即把齒形部的齒高度h加大，或者如上所述減少葉片弦長L來縮小葉片面邊界層的厚度δ和加大(h/δ)，由此減少齒形部附近的葉片面邊界層造成的流動損失，提高葉片的性能。
另一方面，把上述齒形部的齒高度h加大，則隨之葉片弦長L也增大，使葉片寬度增大的同時，由于該弦長L的增大卻使葉片面邊界層的厚度δ加大。
另外，弦長L如上所述將其減小，則可以減少葉片面邊界層的厚度δ，但葉片的強(qiáng)度降低。且葉片的輸出(升力F)也減小。
因此，根據(jù)本發(fā)明，上述齒高度h和葉片表面上的葉片面邊界層的厚度δ之比(h/δ)構(gòu)成為h/δ＝1.0～10.0。
但上述(h/δ)不足1.0時，則葉片面邊界層的厚度δ增大，使葉片面邊界層造成的流動損失增大，葉片的性能降低另外，(h/δ)超過10.0時，則齒高度h變大，隨之上述葉片弦長L也不得不增大，葉片寬度增大的同時，由于上述弦長L的增大卻使葉片面邊界層的厚度δ加大，葉片的性能難以得到提高。
因此，根據(jù)本發(fā)明，如上所述，通過h/δ＝1.0～10.0的結(jié)構(gòu)，能夠保持所需的葉片強(qiáng)度及葉片輸出，抑制葉片表面的葉片面邊界層的厚度δ，保持所需的葉片性能。
另外，根據(jù)本發(fā)明，把上述齒形部的齒高度h隨著變?yōu)槿~片端部而減小，使上述齒高度h和葉片表面上的葉片面邊界層的厚度δ之比(h/δ)在葉片長度方向成為一定值，所以在葉片的全長上葉片面邊界層的形成造成的葉片的流動損失能夠控制為一定，同時，在葉片長度方向上能使齒高度h與葉片弦長L成比例地減少，使葉片強(qiáng)度及葉片輸出在葉片的全長上保持良好的平衡。
另外，根據(jù)本發(fā)明，減少葉片弦長L，使上述齒形部的齒高度h在葉片長度方向成為一定，且上述齒高度h和葉片表面上的葉片面邊界層的厚度δ之比(h/δ)隨著變?yōu)槿~片端部而增大，所以能夠隨著變?yōu)閺娘L(fēng)力得到大的轉(zhuǎn)動力的葉片外端部、減低由葉片面邊界層的形成造成的葉片的流動損失，使葉片弦長L在葉片強(qiáng)度面上保持最小限度，在葉片的全長上發(fā)揮高的葉片性能。
另外，本發(fā)明的特征是，上述葉片在其后緣部沿葉片長度方向形成三角齒、梯形齒等的齒形部，該齒形部上的齒高度h和齒節(jié)距p之比(h/p)為h/p＝0.5～5.0。
即如果上述齒形部上的齒高度h和齒節(jié)距p之比(h/p)小到不足0.5時，則齒高度h變低。后緣部在葉片長度方向接近于平的后緣部平坦葉片，起不到通過齒形部的形成實現(xiàn)的上述渦旋的發(fā)生及隨之而來的抑制卡曼渦街的生成的效果；另外，如果上述(h/p)大到超過5.0時，則齒高度h相對齒節(jié)距p過大，齒形部變?yōu)辇X根寬度小的尖銳的齒形，齒形部的強(qiáng)度降低。
因此，采用上述h/p＝0.5～5.0的結(jié)構(gòu)，能夠充分保持齒形部的強(qiáng)度，并利用齒形部的形成抑制卡曼渦街的生成和確實降低噪音。
h/p是表示齒的凸度的參數(shù)，對從齒的端部流出的渦旋方向產(chǎn)生影響，所以取得降低噪音效果的最佳的h/p是上述值。
而且，這種葉片適用于從水平驅(qū)動軸軸心到葉片外端的轉(zhuǎn)動直徑為10m以上到100m的大型的機(jī)艙型風(fēng)車用葉片。
圖2是表示上述第1實施例的實心葉片的示意圖，是圖1的A-A剖面圖。
圖3是表示上述第1實施例的中空葉片的示意圖，是圖1的A-A剖面圖。
圖4是本發(fā)明的第2實施例的風(fēng)車葉片的局部透視圖。
圖5是表示上述第2實施例的中空葉片的示意圖，是圖4的D-D剖面圖。
圖6是圖2、圖3、圖5的B、C、E各自的向視圖，(A)表示三角齒齒形部，(B)表示梯形齒齒形部。
圖7是本發(fā)明的第3實施例的葉片后緣部的放大平面圖。
圖8是本發(fā)明的第4實施例的葉片后緣部的放大平面圖。
圖9是本發(fā)明的第5實施例的葉片的葉片長度方向平面圖。
圖10是本發(fā)明的第6實施例的葉片的葉片長度方向平面圖。
圖11是適用本發(fā)明的葉片的作用說明圖。
圖12表示適用本發(fā)明的風(fēng)車的簡圖，(A)是正視圖，(B)是側(cè)視圖。
圖13表示現(xiàn)有技術(shù)的葉片，(A)是葉片的局部透視圖、(B)是作用說明圖、(C)是葉片后緣部的放大平面圖。
如表示適用本發(fā)明的機(jī)艙型水平軸風(fēng)車簡圖的圖12所示，在支柱4的上端部水平轉(zhuǎn)動自如地裝有機(jī)艙(機(jī)器箱體)5，具有3枚葉片1的轉(zhuǎn)子2的水平驅(qū)動軸3轉(zhuǎn)動自如地支撐在該機(jī)艙5的前面部。上述水平驅(qū)動軸3在機(jī)艙5內(nèi)通過增速機(jī)(未圖示)與發(fā)電機(jī)(未圖示)相連。
而且，上述現(xiàn)有技術(shù)的適用例中，是從上述水平驅(qū)動軸3軸心到葉片1外端的轉(zhuǎn)動直徑約45m左右的大型裝置，但本發(fā)明的使用例并不限于此，可以廣泛地適用于直徑10m以上到100m左右的超大型的裝置。
并且，上述風(fēng)車的葉片呈不易受空氣阻力的后緣尖的流線型，依靠伴隨葉片1的風(fēng)背面1b側(cè)和風(fēng)向面1a側(cè)的氣流S的速度差的壓力差產(chǎn)生的升力F，得到轉(zhuǎn)動力。
而且，在表示上述水平軸風(fēng)車的葉片型葉片的第1實施例的圖1至圖3、及圖6中，1是葉片，由包括鋁材、鋁合金軋制材、鋁合金鑄件等高強(qiáng)度化的鋁材的鋁合金材料構(gòu)成一體葉片。再有，上述葉片可以由包括鈦材的鈦合金材料等高強(qiáng)度的輕金屬材料構(gòu)成。
11是該葉片1的前緣部，12是后緣部，在該后緣部12上在葉片長度方向的全長形成連續(xù)的齒形部13。該齒形部13由圖6(A)的三角齒鋸齒、圖6(B)的梯形齒(鋸齒)等構(gòu)成，其節(jié)距p、齒高度h等設(shè)定成與上述后緣部12端部的厚度t相關(guān)，使卡曼渦街的發(fā)生水平為最小。而且，該齒形部13的形狀不限定于上述三角齒鋸齒或梯形齒，只要是可以抑制卡曼渦街發(fā)生的形狀，也包括梳齒和鋸齒。
另外，上述葉片1形成為圖2中所示的實心的一體葉片，或圖3所示的中空(14是中空部)的一體葉片以謀求實現(xiàn)輕量化。
在有關(guān)的第1實施例中，葉片1由包括高強(qiáng)度化的鋁材的鋁合金材料等輕量高強(qiáng)度合金構(gòu)成一體葉片，所以能保持該葉片1的強(qiáng)度并使葉片整體構(gòu)成為對空氣流阻力小的薄壁。因此，利用葉片1的薄壁小型化可以最大限度地提高該葉片1的性能，實現(xiàn)風(fēng)車的高效率化。
另外，葉片1以高強(qiáng)度合金材料等的金屬材料構(gòu)成，所以該葉片1的后緣部12能夠在強(qiáng)度上無障礙地實現(xiàn)最小限度(2mm左右)的薄壁化。
在此基礎(chǔ)上，該后緣部12可以形成沿葉片長度方向的薄壁的齒形部13，由此，如圖1所示，流過上述齒形部13的頂部及底部的風(fēng)流中產(chǎn)生圍繞平行軸線轉(zhuǎn)動的無周期性的渦旋17，該渦旋17通過阻礙卡曼渦街的生成，能夠抑制起因于該卡曼渦街的噪音。
因此，如上所述，通過使上述后緣部12在強(qiáng)度上無障礙地實現(xiàn)最小限度(2mm左右)的薄壁化，并在該后緣部12上形成上述齒形部13，能夠完全防止該后緣部12的后方的卡曼渦街的發(fā)生，確實抑制起因于該卡曼渦街的噪音。
另外，如上所述，葉片1由鋁合金或鈦合金等高強(qiáng)度的金屬材料構(gòu)成一體，所以葉片1整體即使以薄壁構(gòu)成也能形成具有高強(qiáng)度的葉片。由此，該葉片1能夠?qū)崿F(xiàn)小型輕量化的同時，即使以該小型薄壁的葉片1對付突發(fā)的風(fēng)及地震等對葉片的突發(fā)性的大負(fù)載，也可保持充分的強(qiáng)度，并能回避有關(guān)大負(fù)載作用時的葉片1的損傷。
進(jìn)而，葉片1由高強(qiáng)度的輕金屬材料構(gòu)成，所以如該實施例所示，即使是單一材料的一體葉片，也能使該葉片1的強(qiáng)度保持所需的強(qiáng)度，不必像有關(guān)現(xiàn)有技術(shù)的FRP材料葉片那樣在葉片的內(nèi)部插入增強(qiáng)用的芯材。由此葉片1的結(jié)構(gòu)得到簡化。另外，葉片1采用鋁合金材料的延伸加工及鑄造等制造容易，與上述FRP材料葉片相比，葉片的制造工序大幅度減低。
圖4至圖5所示的第2實施例，除上述葉片的后端部外，本體側(cè)以單一材料的鋁合金或鈦合金材料等高強(qiáng)度的金屬材料構(gòu)成一體，并和由作為與葉片本體20不同的金屬材料的鈦合金或鋼材制成的后部部件16相結(jié)合。
1是葉片，是由與上述第1實施例同樣的鋁合金材料或鈦合金組成的葉片本體20及與該葉片本體20不同的金屬材料的鈦合金或鋼材組成的后部部件16相結(jié)合構(gòu)成的。11是該葉片1的前緣部，12是后緣部。
上述鋁合金材料等組成的葉片本體20與鋼材等組成的后部部件16兩者不能直接焊接，如圖5的接合部15所示，實施凹窩嵌合，以沿葉片長度方向設(shè)的多個螺栓18緊固固定，在該螺栓18周圍的間隙內(nèi)裝入填充料使葉片外面形成光滑的外面形狀。
而且，上述葉片本體20和后部部件16是可以焊接的材料，例如彼此是鈦合金時，也可以不用上述的螺栓接合，把兩者直接進(jìn)行焊接。
另外，在上述后部部件16的后緣部12上，與上述第1實施例一樣，沿葉片長度方向的全長形成連續(xù)的齒型部13。該齒型部13與上述第1實施例一樣，由圖6(A)的三角齒鋸齒、圖6(B)的梯形齒(鋸齒)等組成，其節(jié)距p、齒高度h等設(shè)定成與上述后緣部12的端部的厚度t相關(guān)，使卡曼渦街的發(fā)生水平為最小。
另外，上述葉片本體20可以形成圖5那樣的中空(14是中空部)，也可以形成圖2的葉片1那樣的實心。
根據(jù)該第2實施例，葉片本體20和后部部件16的組合能夠自由選擇，所以占葉片重量的大部分的葉片本體20以包括比重小的鋁材的鋁合金材料或包括鈦材的鈦合金材料等的輕金屬材料構(gòu)成，重量比例小的后部部件以端部的薄壁化及齒形凹凸部13容易成形的高強(qiáng)度的鋼材或鈦合金構(gòu)成，由此，能夠以輕量高強(qiáng)度最大限度地提高葉片1的性能，并可以確實抑制起因于卡曼渦街的噪音。
在圖7所示的葉片的第3實施例中，上述葉片1的后緣部12在葉片長度方向的全長上連續(xù)形成的齒形部13以三角齒鋸齒構(gòu)成。
在圖8所示的葉片的第4實施例中，上述葉片1的后緣部12在葉片長度方向的全長上連續(xù)形成的齒形部13以梯形齒或鋸齒構(gòu)成。
在上述葉片1的第3實施例和第4實施例中，上述齒形部13的齒高度h、齒節(jié)距p和上述(1)式所示的葉片表面的葉片面邊界層21(參照圖11)的厚度δ的關(guān)系設(shè)定如下。
齒高度h和葉片表面的葉片面邊界層21厚度δ之比(h/δ)為h/δ＝1.0～10.0(2)以h/δ＝2.0～8.0為宜，最好是h/δ＝4.0～6.0。
這里，上述葉片面邊界層21的厚度δ，如上述(1)式所示，以葉片弦長為L，雷諾數(shù)為Re，則δ＝c·L·(1/Re)/5 (c為系數(shù)，0.37左右)另外，齒高度h和齒節(jié)距p之比(h/p)為h/p＝0.5～5.0(3)以h/p＝0.6～3.0為宜，最好是h/p＝0.8～1.5。
另外，在有關(guān)上述第3實施例的三角齒鋸齒(圖7)及有關(guān)上述第4實施例的梯形齒(鋸齒)(圖8)的頂部13a上形成半徑R1的圓角，同時在谷部13b上形成半徑R2的圓角。該圓角的半徑R1及R2最好在不超過上述齒高度h的0.1的范圍內(nèi)形成。
在有關(guān)第3實施例及第4實施例的具有葉片1的風(fēng)車在運(yùn)行時，如圖11所示，在該葉片1的風(fēng)向面1a及風(fēng)背面1b即沿該葉片1的表面與氣流S之間形成葉片面邊界層21。
該葉片面邊界層21隨著上述(1)式中所示的厚度δ變小，由該葉片面邊界層21造成的流動損失減少，葉片1的性能提高。該葉片面邊界層21的厚度δ如上式(1)式所示，與葉片的弦長度L成比例增加。
但是，有關(guān)上述第3實施例及第4實施例的、在后緣部12形成齒形部13的齒形狀葉片中，把齒形部13的齒高度h與葉片表面1a、1b的葉片面邊界層21的厚度δ之比(h/δ)加大，即把該齒形部13的齒高度h加大或如上所述縮小葉片1的弦長L來減少葉片面邊界層的厚度δ，加大上述(h/δ)，由此，齒形部13附近的葉片面邊界層21造成的流動損失減少，葉片1的性能提高。
另一方面，如果把上述齒形部13的齒高度h加大，則隨之葉片1的弦長L也增大，該葉片1形成大型化的同時，由于該弦長L增大，葉片面邊界層21的厚度δ反而增大。
另外，如果上述弦長L如前所述使之減小，則葉片面邊界層21的厚度δ減小，但葉片1的強(qiáng)度降低。葉片1的輸出(升力F)也堿少。
然而，根據(jù)第3實施例及第4實施例，上述齒高度h與葉片表面1a、1b的葉片面邊界層21的厚度δ之比(h/δ)構(gòu)成為h/δ＝1.0～10.0。
上述(h/δ)不足1.0時，則葉片面邊界層21的厚度δ增大，該葉片面邊界層21造成的流動損失增大，葉片1的性能降低。另外，(h/δ)超過10.0時，則齒高度h變大，隨之該葉片1的弦長L也不得不增大，葉片1形成大型化的同時，由于上述弦長L增大，葉片面邊界層21的厚度δ反而增大，葉片1的性能難以得到提高。
因此，根據(jù)有關(guān)實施例，上述(h/δ)構(gòu)成為h/δ＝1.0～10.0，能夠保持所需的葉片強(qiáng)度及葉片輸出，抑制葉片表面的葉片面邊界層21的厚度δ，維持所需的葉片性能。
另外，在上述的機(jī)艙結(jié)構(gòu)的風(fēng)車運(yùn)轉(zhuǎn)時，葉片1的后緣部12沿葉片長度方向形成上述齒形部13，由此如圖1所示，通過該齒型部13的頂部13a及谷部13b的風(fēng)流中產(chǎn)生圍繞平行軸線轉(zhuǎn)動的無周期性的渦旋17。而且，該渦旋17通過阻礙卡曼渦街的生成而抑制起因于卡曼渦街的噪音。
然而，在有關(guān)第3實施例、第4實施例中，如果上述齒形部13的齒高度h與齒節(jié)距p之比(h/p)小到不足0.5時，則齒高度h變低，后緣部接近于在葉片長度方向平坦的后緣部平坦葉片，難于取得由齒形部13的形成引起的上述渦旋17的發(fā)生及對隨之卡曼渦街的生成的抑制效果。
另一方面，上述(h/p)大得超過5.0時，則齒高度h相對于節(jié)距p變得過大，齒形部13變成齒根寬度小的尖銳的齒形，該齒形部13的強(qiáng)度降低。
因此，根據(jù)有關(guān)第3、4實施例，如上述(3)式所示，構(gòu)成為(h/p)＝0.5～5.0，能充分保持齒形部13的強(qiáng)度，并利用齒形部13的形成抑制卡曼渦街的生成，確實降低了噪音。
在圖9所示的第5實施例中，為使上述齒形部13的齒高度h與葉片1的表面1a、1b的葉片面邊界層的厚度δ之比(h/δ)在葉片長度方向成為一定值，使上述齒高度h在葉片長度方向上變化。在圖9中，11是葉片1的前緣部，12是后緣部。L是弦長，在葉片長度方向隨著變?yōu)槿~片端部而減少。
即在有關(guān)第5實施例中，如圖9所示，上述葉片1的設(shè)定，要按從在葉片根部附近h1、p1到在葉片端部附近h2、p2，使(h/δ)在葉片長度方向的各部位成為一定值，使齒形部13的齒高度h及齒節(jié)距p隨著弦長L的變小而減少，并且該(h/δ)要滿足上述(2)式(h/δ＝1.0～10.0)。
根據(jù)有關(guān)第5實施例，為使上述齒形部13的齒高度h與葉片1的表面1a、1b的葉片面邊界層的厚度δ之比(h/δ)在葉片長度方向成為一定值，齒高度h隨著變?yōu)槿~片端部而減少，所以在葉片1的全長上，能夠把葉片面邊界層21的形成造成的葉片1的流動損失控制為一定。
另外，齒高度h能夠與在葉片長度方向上葉片1的弦長L的減少成比例地減少，使葉片強(qiáng)度及葉片輸出在葉片1的全長上保持良好的平衡。
在圖10所示的第6實施例中，為使上述葉片1的齒形部13的齒高度h及齒節(jié)距p在葉片長度方向保持一定，且上述齒高度h與葉片1的表面1a、1b的葉面邊界層的厚度δ之比(h/δ)隨著變?yōu)槿~片端部而增大，通過減少葉片1的弦長L進(jìn)行設(shè)定。在圖10中，11是葉片的前緣部，12是葉片的后緣部。
而且，該葉片1按上述(h/δ)滿足上述(2)式(h/δ＝1.0～10.0)來進(jìn)行設(shè)定。
根據(jù)有關(guān)第6實施例，由于減少了葉片1的弦長L，使上述齒形部13的齒高度h在葉片長度方向保持一定，且使上述齒高度h與葉片面邊界層的厚度δ之比(h/δ)隨著變?yōu)槿~片端部而增大，所以隨著變?yōu)閺娘L(fēng)力得到的轉(zhuǎn)動力大的葉片外端部，葉片面邊界層21的形成造成的葉片1的流動損失減低。
由此，葉片1的弦長L保持在葉片1的強(qiáng)度面上的最小限度，能夠保證葉片1的強(qiáng)度并在葉片1的全長上發(fā)揮葉片的高性能。
綜上所述，根據(jù)本發(fā)明，一體葉片或分割型葉片的葉片本體由高強(qiáng)度的金屬材料構(gòu)成，最好是由包括高強(qiáng)度化的輕量的鋁材的鋁合金材料構(gòu)成，因此能夠保持葉片的強(qiáng)度并使葉片整體以薄壁構(gòu)成。
因此，利用葉片的薄壁小型化可以最大限度地提高葉片的性能，實現(xiàn)風(fēng)車的高效率化。另外，葉片本體部以高強(qiáng)度的金屬材料構(gòu)成可以使葉片的后緣部最小限度(2mm左右)地實現(xiàn)薄壁化，加上在該后緣部形成沿葉片長度方向的齒型凹凸部，能夠完全防止葉片后緣部的后方的卡曼渦街的發(fā)生，確實抑制起因于卡曼渦街的噪音。
另外，根據(jù)本發(fā)明，即使葉片整體以薄壁構(gòu)成，也能作成具有高強(qiáng)度的葉片，使該葉片實現(xiàn)小型輕量化的同時，即使以該小型薄壁葉片對付突發(fā)的風(fēng)及地震等對葉片的突發(fā)性的大負(fù)載，也能保持充分的強(qiáng)度，避免該大負(fù)載作用時的葉片的損傷，可提供具有高耐久生和可靠性的葉片。
進(jìn)而，即使葉片整體以單一金屬材料構(gòu)成，也能使葉片的強(qiáng)度保持所需強(qiáng)度，由此葉片的結(jié)構(gòu)得到簡化，同時葉片的制作簡單容易，減少了葉片的制造工序。
另外，如果采用分割型葉片，葉片本體與后部部件的組合可以自由選擇，通過使占葉片重量的大部分的葉片本體以比重小的鋁合金材料或鈦合金材料等輕量材料構(gòu)成，以端部的薄壁化及齒型凹凸部的容易形成的高強(qiáng)度的鋼材或鈦材構(gòu)成后部部件，能夠得到可以以輕量高強(qiáng)度最大限度地提高葉片的性能且確實能抑制起因于卡曼渦街的噪音的風(fēng)車葉片。
另外，根據(jù)本發(fā)明，通過咖大齒形部的齒高度h與葉片表面的葉片面邊界層的厚度δ之比(h/δ)，可減少齒形部近旁的葉片面邊界層造成的流動損失，提高葉片的性能，另一方面，鑒于加大齒形部的齒高度h時、隨之葉片弦長L也增大、使葉片寬度增大、同時該弦長L的增大反而引起葉片面邊界層的厚度δ增大的情況，所以通過將上述齒高度h與葉片表面的葉片面邊界層的厚度δ之比(h/δ)構(gòu)成為h/δ＝1.0～10.0，可以保持所需的葉片強(qiáng)度及葉片輸出，避免葉片寬度的增大并抑制葉片表面的葉片面邊界層的厚度δ，保持所需的葉片性能。
另外，根據(jù)本發(fā)明，由于齒高度h隨著變?yōu)槿~片端部而減少，使上述齒形部的齒高度h與葉片表面的葉片面邊界層的厚度δ之比(h/δ)在葉片長度方向成為一定值，所以能夠抑制在葉片的全長上葉片面邊界層的形成造成的葉片的流動損失使之保持一定，同時能夠使齒高度h在葉片長度方向與葉片弦長L成比例地減少，使葉片強(qiáng)度及葉片輸出在葉片的全長上保持良好的平衡。
另外，根據(jù)本發(fā)明，由于減少了葉片弦長L，使上述齒形部的齒高度h在葉片長度方向保持一定，且齒高度h與葉片面邊界層的厚度δ之比(h/δ)隨著變?yōu)槿~片端部而增大，所以能夠減少隨著變?yōu)橛娠L(fēng)力得到的轉(zhuǎn)動力大的葉片外端部的葉片面邊界層的形成造成的葉片的流動損失，使葉片弦長L保持在葉片的強(qiáng)度面上的最小限度，并在葉片的全長上發(fā)揮葉片的高性能。
另外，根據(jù)本發(fā)明，在后緣部沿葉片長度方向形成三角齒鋸齒、梯形齒等的齒形部的機(jī)艙結(jié)構(gòu)的風(fēng)車在運(yùn)行時，通過在葉片的后緣部沿葉片長度方向形成三角齒鋸齒、梯形齒等的齒形部，流經(jīng)該齒形部的頂部及底部的風(fēng)流上產(chǎn)生圍繞平行軸線轉(zhuǎn)動的無周期性的渦旋，且該渦旋阻礙卡曼渦街的生成，由此能夠抑制起因于卡曼渦街的噪音。
另外，根據(jù)本發(fā)明，如果減小齒形部的齒高度h與齒節(jié)距p之比(h/p)，則齒高度h變低，不能發(fā)揮由齒形部的形成造成的渦旋的產(chǎn)生及對隨之的卡曼渦街的生成的抑制效果；如果加大上述(h/p)，則鑒于齒形部變成齒根寬度小的尖銳的齒形且齒形部的強(qiáng)度降低，所以，通過構(gòu)成h/δ＝0.5～5.0，能夠保持齒形部的強(qiáng)度，并利用齒形部的形成充分抑制卡曼渦街的生成，確實降低噪音。
總之，根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種風(fēng)車葉片，它對于突發(fā)性的大負(fù)載也有充分的葉片強(qiáng)度，具備高耐久性及可靠性，可以實現(xiàn)葉片的薄壁化，提高葉片的性能，實現(xiàn)風(fēng)車的高效率化，同時，抑制起因于卡曼渦街的噪音，進(jìn)而，使葉片的結(jié)構(gòu)簡化，減少了葉片的制造工序。
權(quán)利要求
1.一種機(jī)艙結(jié)構(gòu)的風(fēng)車，在支柱的上端部水平轉(zhuǎn)動自如地裝有機(jī)艙，在該機(jī)艙的前面部轉(zhuǎn)動自如地支撐著有多枚葉片的轉(zhuǎn)子，所述葉片利用葉片背風(fēng)向面?zhèn)群腿~片腹風(fēng)背面?zhèn)鹊臍饬鞯乃俣炔町a(chǎn)生的升力得到轉(zhuǎn)動力，其特征是，所述風(fēng)車葉片由葉片整體用一種金屬材料制成的一體葉片構(gòu)成，或由葉片后端側(cè)用另外的金屬材料制成的葉片構(gòu)成，同時，在該葉片的后緣部上沿葉片長度方向形成有齒形部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1記載的機(jī)艙結(jié)構(gòu)的風(fēng)車，其特征是，在所述葉片用一種金屬材料制成的一體葉片形成的情況下，該一體葉片由鋁材、鈦材或它們的合金材料形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1記載的機(jī)艙結(jié)構(gòu)的風(fēng)車，其特征是，所述葉片除了葉片后端側(cè)，葉片主要部分(以下稱葉片本體)全體用一種輕金屬材料形成，同時，所述葉片后端側(cè)以比所述金屬材料強(qiáng)度高的另外的金屬材料構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3記載的機(jī)艙結(jié)構(gòu)的風(fēng)車，其特征是，所述葉片本體由包括鋁材的鋁合金材料構(gòu)成，所述后部部件由鈦或鋼材構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求3記載的機(jī)艙結(jié)構(gòu)的風(fēng)車，其特征是，所述葉片本體部形成中空，所述后部部件形成實心，同時兩者用螺絲、鉚釘或焊接接合。
6.一種機(jī)艙結(jié)構(gòu)的風(fēng)車，其特征是，權(quán)利要求1記載的所述葉片，其后緣部沿葉片長度方向形成有三角齒鋸齒、梯形齒、或鋸齒的齒形部，該齒形部的齒高度h與葉片表面的邊界層的厚度δ之比(h/δ)構(gòu)成為h/δ＝1.0～10.0。
7.根據(jù)權(quán)利要求6記載的機(jī)艙結(jié)構(gòu)的風(fēng)車，其特征是，所述齒高度h構(gòu)成為隨著變?yōu)槿~片外端部而減少，使所述齒形部的齒高度h與葉片表面的邊界層的厚度δ之比(h/δ)在葉片長度方向成為一定值。
8.根據(jù)權(quán)利要求6記載的機(jī)艙結(jié)構(gòu)的風(fēng)車，其特征是，減少葉片弦長L，使所述齒形部的齒高度h在葉片長度方向成為一定，且所述齒高度h與葉片表面的邊界層的厚度δ之比(h/δ)隨著變?yōu)槿~片外端部而增大。
9.一種機(jī)艙結(jié)構(gòu)的風(fēng)車，其特征是，權(quán)利要求1記載的所述葉片，其后緣部沿葉片長度方向形成有三角齒鋸齒、梯形齒等的齒形部，該齒形部的齒高度h與齒節(jié)距p之比(h/p)構(gòu)成為h/p＝0.5～5.0。
10.一種機(jī)艙結(jié)構(gòu)的風(fēng)車，其特征是，權(quán)利要求1記載的所述葉片，是從水平驅(qū)動軸軸心到葉片外端的轉(zhuǎn)動直徑為10m以上到100m的大型機(jī)艙結(jié)構(gòu)的風(fēng)車用葉片。
全文摘要
提供一種對于突發(fā)性的大負(fù)載也有充分的葉片強(qiáng)度，具備高耐久性，可以實現(xiàn)葉片的薄壁小型化，提高葉片的性能，實現(xiàn)風(fēng)車的高效率化，同時能抑制起因于卡曼渦街的噪音的風(fēng)車葉片的結(jié)構(gòu)。在風(fēng)車葉片中，葉片由金屬材料組成的一體葉片構(gòu)成，或者是由金屬材料制成的葉片本體和與該葉片本體不同的第2種金屬材料制成的固定在該葉片本體的后部的后部部件組成的分割型葉片構(gòu)成，同時，在該葉片的后緣部形成齒形部，上述葉片在其后緣部沿葉片長度方向形成三角齒鋸齒、梯形齒等的齒形部，該齒形部的齒高度h和葉片表面的葉片面邊界層的厚度之比(h/δ)構(gòu)成為h/δ＝1.0～10.0，齒高度h與齒節(jié)距p之比(h/p)構(gòu)成為h/p＝0.5～5.0。
文檔編號F03D1/06GK1442609SQ0311055
公開日2003年9月17日 申請日期2003年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月22日
發(fā)明者柴田昌明, 古川豐秋, 林義之, 加藤英司 申請人:三菱重工業(yè)株式會社