风车叶片用的翼根形成片以及使用了该翼根形成片的风车叶片的翼根结构、风车叶片、风车及风车叶片的制造方法

摘要

翼根形成片（10）具备：埋入金属器件（12），设有螺母部（12A）及突出部（12B），该螺母部（12A）具有切出内螺纹（13）的孔，该突出部（12B）从该螺母部（12A）沿着翼根的周向突出；芯材（14），在风车叶片的翼顶侧与突出部（12B）邻接设置；及FRP缠绕层（16），向突出部（12B）及芯材（14）缠绕并层叠单向纤维预成型料，并使该单向纤维预成型料硬化而形成。

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚集多个而形成风车叶片的翼根的翼根形成片、 使用了该翼根形成片的风车叶片的翼根结构、风车叶片、风车及风车 叶片的制造方法。

背景技术

近年来，从保护地球环境的观点出发，作为利用了可再生能源之 一的风力的发电设备，风车不断普及。

作为发电设备的风车通常具有将接收风的叶片支承于轮毂、并在 该轮毂上连接有主轴的结构。并且，将风的动能转换成转子（由叶片、 轮毂及主轴构成的旋转部分）的旋转能量，并通过发电机将转子的旋 转能量转换成电力。

作为发电设备的风车从提高发电效率的观点出发而优选大型化， 叶片的翼长具有增大的趋势，因此提出了将叶片与轮毂牢固地连接的 方法。例如，列举有：T螺栓方式，向设于叶片的翼根上的贯通孔插入 圆柱螺母，并将连接用的T螺栓与圆柱螺母螺合；埋入金属器件方式， 向叶片的翼根埋设具有切出内螺纹的孔的金属器件，并将连接用的螺 栓与金属器件螺合。以下，具体说明T螺栓方式及埋入金属器件方式。

图9是表示T螺栓方式的翼根结构的剖视图。在该图所示的翼根 结构100中，在形成叶片的翼根部的纤维强化塑料（FRP）102上设置 有贯通孔104，并向该贯通孔104插入圆柱螺母106。然后，用于将叶 片的翼根部连接到轮毂侧的T螺栓108与圆柱螺母106螺合。由此， 叶片的翼根部固定于轴承103的内圈103B和顶板105，其中该顶板105 以堵塞轮毂101的开口部分的方式配置。另一方面，轮毂101通过螺 栓（未图示）固定于轴承103的外圈103A。此外，在轴承103，滚动 体103C设于外圈103A与内圈103B之间，通过轴承103而将叶片旋 转自如地支承于轮毂101。

图10是表示埋入金属器件方式的翼根结构的剖视图。在该图所示 的翼根结构110中，在形成叶片的翼根部的纤维强化塑料（FRP）102 成形时，埋入狗骨形状的金属器件112。金属器件112在两端设有大径 部113，主要通过大径部113之间的由附图标记A表示的区域的纤维 强化塑料102的剪切强度，来防止金属器件112从翼根部脱落。而且， 在金属器件112设有切出内螺纹的孔，用于将叶片的翼根部和顶板105 及内圈103B连接的T螺栓108与金属器件112螺合。由此，叶片的翼 根部固定于轮毂侧。

而且，在专利文献1中，作为埋入金属器件方式的改良型，公开 了一种在埋设于翼根部的金属器件设有双头螺栓的翼根结构。在该翼 根结构中，双头螺栓作为固定器而发挥功能，从而更有效地防止金属 器件从翼根部脱落。

专利文献1：日本特开2003-293935号公报

发明内容

然而，T螺栓方式及埋入金属器件方式的翼根结构分别具有如下 的缺点。

T螺栓方式的翼根结构与埋入金属器件方式相比重量轻，圆柱螺 母106也难以脱落。然而，圆柱螺母106与内圈103B之间的纤维强化 塑料102产生松弛（收缩变形），T螺栓108的预紧力有时会减弱。而 且，由于在翼根部设有多个贯通孔104，因此为了弥补翼根部的强度下 降而不得不加厚纤维强化塑料102。而且，向翼根部形成贯通孔104需 要大量时间，并且当开孔加工失败时要将叶片废弃，从而存在成本增 加的问题。

另一方面，埋入金属器件方式的翼根结构使用金属器件112，因 此由纤维强化塑料102的松弛而引起的预紧力的下降不会成为问题。 但是，埋入金属器件方式时的翼根部与轮毂的固定强度依赖于大径部 113之间的由附图标记A表示的区域的纤维强化塑料102的剪切强度， 因此需要将大径部113之间的距离增大某种程度，其结果为，金属器 件112的重量变大，叶片重量增大。而且，当在大径部113之间的由 附图标记A表示的区域的纤维强化塑料102发生层间剥离时，可能引 起金属器件112的脱落。而且，为了将具有大径部113的金属器件112 埋入而不得不加厚翼根部的纤维强化塑料102。

因此，鉴于叶片的大型化急剧发展的近况，可知今后翼根所要求 的强度进一步增大，而且叶片的轻量化也更重要，因此需要开发克服 了上述缺点的新的翼根结构。

关于这一点，专利文献1所记载的翼根结构是在埋设于翼根部的 金属器件上设有作为固定器发挥功能的双头螺栓而不依赖于纤维强化 塑料的剪切强度的固定方法，因此能够有效地防止金属器件的脱落。 但是，由于需要将竖立设有双头螺栓的金属器件埋入于翼根部，因此 不得不增大翼根部的板厚。而且，为了确保竖立设有双头螺栓的金属 器件与翼根部的接触面积而不得不将金属器件的全长增大某种程度， 从而金属器件的重量较大。

本发明鉴于上述的情况而作出，目的在于提供一种不需要对翼根 部进行开孔加工、不会引起翼根部与轮毂的固定强度的下降而能够减 小翼根部的板厚及重量的风车叶片用的翼根形成片以及使用了该翼根 形成片的风车叶片的翼根结构、风车叶片、风车及风车叶片的制造方 法。

本发明的风车叶片用的翼根形成片是聚集多个而形成风车叶片的 圆筒形的翼根的翼根形成片，其特征在于，具备：埋入金属器件，设 有螺母部及突出部，该螺母部具有切出内螺纹的孔，该突出部从该螺 母部沿着上述翼根的周向突出；芯材，在上述风车叶片的翼顶侧而与 上述突出部邻接设置；及FRP缠绕层，向上述突出部及上述芯材缠绕 并层叠单向纤维预成型料，并使该单向纤维预成型料硬化而形成。

在使用上述翼根形成片组装成的风车叶片的翼根中，FRP缠绕层 缠挂于埋入金属器件的突出部而对作用于翼根的拉伸载荷进行支承， 通过与埋入金属器件的突出部的翼顶侧邻接设置的芯材而对作用于翼 根的压缩载荷进行支承。在此，FRP缠绕层通过将单向纤维预成型料 缠绕、层叠于突出部及芯材并硬化而形成，纤维连续（纤维未被切断）， 因此具有大的拉伸强度。因此，即使大的离心力作用于风车叶片，也 能够将风车叶片的翼根牢固地支承于轮毂，因此即使是板厚比较小的 翼根，也能够确保充分的强度。

而且，由于使用具有切出内螺纹的孔的埋入金属器件，因此不会 发生像T螺栓方式那样的由纤维强化塑料的松弛而引起的螺栓预紧力 的下降。而且，不是像埋入金属器件方式那样通过大径部之间的纤维 强化塑料的剪切强度来防止金属器件从翼根部的脱落，因此通过包围 埋入金属器件的突出部的FRP缠绕层，能够可靠地防止埋入金属器件 的脱落。因此，不会引起风车叶片的翼根与轮毂的固定强度的下降。

而且，埋入金属器件只要是能够使螺母部与轮毂连接用螺栓螺合 且突出部为能够对其缠绕单向纤维预成型料的尺寸即可，因此能够使 埋入金属器件小型化。而且，为了确保压缩强度而设有芯材作为埋入 金属器件的不同部件，因此能够进一步减小埋入金属器件，从而能够 使风车叶片的翼根轻量化。

而且，无需将T螺栓方式那样的贯通孔设于风车叶片的翼根，因 此能够节省大量时间，且省略在加工失败时会产生废弃叶片的开孔加 工。

在上述翼根形成片中，上述突出部可以从上述螺母部向上述翼根 的周向两侧突出。而且，优选上述单向纤维预成型料的纤维沿着向上 述突出部及上述芯材缠绕的缠绕方向排列。

本发明的风车叶片的翼根结构的特征在于，具备：环形部件，排 列多个上述翼根形成片并将上述翼根形成片连成环形而形成；及FRP 层，通过纤维缠绕而形成于上述环形部件的内周侧及外周侧。

如此，通过在使多个翼根形成片相连而形成的环形部件的内周侧 及外周侧形成FRP层，能够使翼根形成片彼此形成一体，从而提高了 作为翼根结构整体的强度。

而且，根据本发明的风车叶片的翼根结构，由于形成翼根结构的 翼根形成片具有上述的结构，因此能够减小翼根的板厚，不会引起翼 根与轮毂的固定强度的下降，能够使翼根轻量化，并且不需要在向轮 毂上安装风车叶片时对翼根进行开孔加工。

本发明的风车叶片的特征在于，在上述翼根结构安装外皮而形成。

根据本发明的风车叶片，由于形成翼根结构的翼根形成片具有上 述的结构，因此能够减小翼根的板厚，不会引起翼根与轮毂的固定强 度的下降，能够使翼根轻量化，并且不需要在向轮毂上安装风车叶片 时对翼根进行开孔加工。

本发明的风车具备：风车叶片，在上述翼根结构安装外皮而形成； 及轮毂，安装有上述风车叶片，上述风车的特征在于，上述风车叶片 与上述轮毂由与上述风车叶片的埋入金属器件的螺母部螺合的螺栓固 定。

根据本发明的风车，由于形成翼根结构的翼根形成片具有上述的 结构，因此能够减小翼根的板厚，不会引起翼根与轮毂的固定强度的 下降，能够使翼根轻量化，并且不需要在向轮毂上安装叶片时对翼根 进行开孔加工。

而且，本发明的风车叶片的制造方法中，该风车叶片具有由多个 翼根形成片形成的圆筒形的翼根，上述风车叶片的制造方法的特征在 于，具备如下工序：通过纤维缠绕而在圆柱形的心轴的外周面形成第 一FRP层；向埋入金属器件和芯材缠绕并层叠单向纤维预成型料，并 使该单向纤维预成型料硬化而制作翼根形成片，其中，上述埋入金属 器件设有螺母部及突出部，该螺母部具有切出内螺纹的孔，该突出部 从该螺母部沿着上述翼根的周向突出，上述芯材在上述风车叶片的翼 顶侧与上述突出部邻接设置；形成环形部件，上述环形部件通过排列 多个上述翼根形成片并将该翼根形成片连成环形而形成；将上述环形 部件嵌入于形成有上述第一FRP层的心轴的外周；通过纤维缠绕而在 嵌入于上述心轴的上述环形部件的外周面形成第二FRP层；将内周面 由第一FRP层覆盖且外周面由第二FRP层覆盖的上述环形部件从上述 心轴拆卸；及将从上述心轴拆卸的上述环形部件安装于外皮。

根据本发明的风车叶片的制造方法，能够制造出如下的风车叶片： 翼根的板厚小，不会引起翼根与轮毂的固定强度的下降，翼根轻量， 且不需要在向轮毂上安装时对翼根进行开孔加工。

发明效果

根据本发明，形成风车叶片的翼根的翼根形成片中，使用设有螺 母部及从该螺母部沿着翼根的周向突出的突出部的埋入金属器件，形 成FRP缠绕层，该FRP缠绕层通过向埋入金属器件的突出部和设于该 突出部的风车叶片的翼顶侧的芯材缠绕、层叠单向纤维预成型料，并 进行硬化而形成，因此能够减小风车叶片的翼根的板厚，不会引起翼 根与轮毂的固定强度的下降，能够使翼根轻量化，并且不需要在向轮 毂上安装风车叶片时对翼根进行开孔加工。

附图说明

图1是表示风车叶片的结构例的立体图。

图2是表示翼根形成片的结构例的局部截面俯视图。

图3是从图2的箭头B方向观察到的局部截面侧视图。

图4是表示翼根形成片的埋入金属器件及芯材的结构例的立体 图。

图5是表示使用翼根形成片而形成的翼根部的立体图。

图6是沿着图5的C-C线的剖视图。

图7是表示制造风车叶片的步骤的图。

图8是表示变形例的翼根形成片的结构例的局部截面俯视图。

图9是表示T螺栓方式的翼根结构的剖视图。

图10是表示埋入金属器件方式的翼根结构的剖视图。

具体实施方式

以下，按照附图，说明本发明的实施方式。但是，只要没有特定 的记载，本实施方式所记载的结构部件的尺寸、材质、形状、其相对 配置等均非旨在限定本发明的范围，而只不过是说明例。

图1是表示风车叶片的结构例的立体图。图2是表示翼根形成片 的结构例的局部截面俯视图。图3是从图2的箭头B方向观察到的局 部截面侧视图。图4是表示翼根形成片的埋入金属器件及芯材的结构 例的立体图。

另外，在图2～图4中，为了明确各翼根形成片在风车叶片翼根整 体的所处位置，示出了集合多个翼根形成片而形成风车叶片翼根时的 风车叶片的长度方向及翼顶侧。另外，翼顶侧是指风车叶片的前端侧， 在翼顶侧的相反侧，风车叶片的翼根固定于轮毂。

如图1所示，风车叶片1具有主梁2、覆盖主梁2的外皮4及风 车叶片1向轮毂（未图示）的连接部分即翼根部6。翼根部6形成为圆 筒形，嵌入于外皮4的端部而利用粘接剂加以固定。而且，在翼根部6 的内周面，通过粘接剂来固定主梁2。

使用图2及图3所示的翼根形成片10来形成翼根部6。翼根形成 片10由埋入金属器件12、芯材14、块15及FRP缠绕层16构成。

埋入金属器件12具有：螺母部12A，具有切有内螺纹13的孔； 及突出部12B，从螺母部12A突出。在图2～图4所示的例子中，突出 部12B从圆筒形状的螺母部12A的外周面向两侧突出。另外，内螺纹 13既可以形成于螺母部12A的孔的内壁面的局部，也可以形成于螺母 部12A的孔的内壁面的全部。

而且，如图3所示，突出部12B中，风车叶片的翼顶侧的表面S1 （与芯材14相接的面）平坦，另一方面，相反侧的表面S2为半圆形 状。如此，通过使突出部12B的翼顶侧的表面S1平坦，能够以小面积 来高效地进行应力传递，以简单的形状抑制埋入金属器件和芯材的制 造成本。而且，通过将突出部12B的翼顶侧的相反侧的表面S2设为半 圆形状，后述的单向纤维预成型料向突出部12B的缠绕作业变得容易。

芯材14由FRP（纤维强化塑料）、钢等具有所需充分强度的材料 构成，且在风车叶片的翼顶侧与埋入金属器件12的突出部12B邻接。 在图2～图4所示的例子中，在从螺母部12A向两侧突出的一对突出部 12B设有一个共用的芯材14。即，芯材14沿着突出部12B的突出方向 而从一方的突出部12B的前端位置延伸至另一方的突出部12B的前端 位置。

另外，芯材14与突出部12B一起决定翼根部6的形状，由此可适 当调节芯材14的形状以获得所希望的翼根部6的形状。

FRP缠绕层16以包围埋入金属器件12的突出部12B及芯材14 的方式设置。FRP缠绕层16通过向突出部12B及芯材14缠绕并层叠 单向纤维预成型料，并使该单向纤维预成型料硬化而得到。此时，沿 着单向纤维预成型料的纤维方向，向突出部12B及芯材14上缠绕单向 纤维预成型料。这样得到的FRP缠绕层16在单向纤维预成型料的缠绕 方向（风车叶片的长度方向）上纤维未断开而保持连续，因此具有大 的拉伸强度。

而且，一对块15以夹持螺母部12A的方式设置，且在风车叶片的 翼根侧与FRP缠绕层16邻接。块15由FRP（纤维强化塑料）、钢等 具有所需充分强度的材料构成。

图5是表示使用翼根形成片10而形成的翼根部6的立体图。图6 是沿着图5的C-C线的剖视图。另外，在图6中，为了便于说明，固 定翼根部6的轮毂101及螺栓108也一并示出。

如图5所示，翼根部6具有在环形部件20的内周侧及外周侧设有 FRP层22（22A、22B）的结构，其中该环形部件20通过排列多个翼 根形成片10并将翼根形成片10连成环形而形成。FRP层22（22A、 22B）通过纤维缠绕而形成。另外，关于使用翼根形成片10来组装翼 根部6的步骤，在后面详细叙述。

如图6所示，通过螺栓108的外螺纹与埋入金属器件12的螺母部 12A的内螺纹13螺合，而将使用翼根形成片10组装成的翼根部6固 定于轴承103的内圈103B和顶板105，其中该顶板105以堵塞轮毂101 的开口部分的方式配置。另一方面，轮毂101通过螺栓（未图示）而 固定于轴承103的外圈103A。此外，在轴承103，滚动体103C设于外 圈103A与内圈103B之间，并通过轴承103而将叶片旋转自如地支承 于轮毂101。

在上述结构的翼根部6中，FRP缠绕层16缠挂于埋入金属器件 12的突出部12B并对作用于翼根部6的拉伸载荷进行支承，通过与埋 入金属器件12的突出部12B的叶片翼顶侧邻接设置的芯材14及块15 而对作用于翼根部6的压缩载荷进行支承。芯材14及块15可以使用 钢材、FRP或具有所需充分强度的材料。在此，FRP缠绕层16通过使 单向纤维预成型料向突出部12B及芯材14缠绕、层叠并硬化而形成， 由于纤维连续（纤维未断开），因此具有大的拉伸强度。因此，即使 大的离心力作用于风车叶片1，也能够将风车叶片1的翼根部6牢固地 支承于轮毂101，因此即使是板厚比较小的翼根部6，也能够确保充分 的强度。实际上，根据本申请发明者们所进行的强度计算的结果，在 翼长为45m的风车叶片的情况下，与以往的T螺栓方式及埋入金属器 件方式的翼根结构相比，可知上述结构的翼根部6能够使板厚减小约 40%。

而且，由于使用具有切出内螺纹13的孔的埋入金属器件12，因 此不会发生T螺栓方式那样的由纤维强化塑料的松弛而引起的螺栓预 紧力的下降。而且，不像埋入金属器件方式那样通过大径部之间的纤 维强化塑料的剪切强度来防止金属器件从翼根部的脱落，因此通过包 围埋入金属器件12的突出部12B的FRP缠绕层16，能够可靠地防止 埋入金属器件12的脱落。因此，不会引起风车叶片1的翼根部6与轮 毂101的固定强度的下降。

而且，埋入金属器件12只要是能够使螺母部12A与螺栓108螺合 且突出部12B为能够对其缠绕单向纤维预成型料的尺寸即可，因此能 够使埋入金属器件12小型化。而且，为了确保压缩强度而设有芯材14 及块15作为埋入金属器件12的不同部件，因此能够进一步减小埋入 金属器件12，从而能够使风车叶片1的翼根部6轻量化。

而且，无需将T螺栓方式那样的贯通孔设于风车叶片的翼根，因 此能够节省大量时间，且省略了在加工失败时会产生废弃叶片的开孔 加工。

接下来，说明风车叶片1的制造方法。图7是表示制造风车叶片 1的步骤的图。

首先，如图7（a）所示，通过纤维缠绕而在圆柱形的心轴30的外 周面形成第一FRP层22A（参照图7（c））。具体而言，在将来自线 轴32的纤维34浸渍于树脂浴槽36之后，将该纤维34缠绕于心轴30 的外周面，而形成第一FRP层22A。

而且，如图7（b）所示，通过临时固定夹具38来临时固定将多 个翼根形成片10（参照图2及图3）连成环形而形成的的环形部件20。 另外，各翼根形成片10如上述那样，通过向埋入金属器件12的突出 部12B及在风车叶片的翼顶侧而与突出部12B邻接设置的芯材14缠 绕、层叠单向纤维预成型料，并使该单向纤维预成型料硬化而获得。

并且，如图7（c）所示，向形成有第一FRP层22A的心轴30的 外周嵌入由临时固定夹具38临时固定的环形部件20，并通过纤维缠绕 而在环形部件20的外周面形成第二FRP层22B。第二FRP层22B是 通过在将来自线轴32的纤维34浸渍于树脂浴槽36之后将该纤维34 缠绕于环形部件20的外周面而形成的。

由此，能获得在由多个翼根形成片10构成的环形部件20的内周 侧及外周侧设有FRP层22（22A、22B）的翼根部6（参照图5）。

最后，将如上述那样获得的翼根部6从心轴30拆卸，如图7（d） 所示，将由腹侧及背侧构成的分割成两部分的结构的外皮4（4A、4B） 通过粘接剂固定于翼根部6。

以上，详细地说明了本发明的实施方式，但本发明并未限定于此， 在不脱离本发明的主旨的范围内，当然可以进行各种改良或变形。

例如，在上述的实施方式中，说明了突出部12B从螺母部12A的 外周面向两侧突出的例子，但突出部12B也可以仅设于螺母部12A的 一侧。

图8是表示将突出部12B仅设于螺母部12A的一侧的翼根形成片 的结构例的局部截面俯视图。如该图所示，翼根形成片40设有从圆筒 形状的螺母部12A的外周面仅向一侧突出的突出部12B。芯材14具有 与埋入金属器件12的螺母部12A及突出部12B对应的宽度。而且，以 包围突出部12B及芯材14的方式设置有FRP缠绕层16。

在翼根形成片40，突出部12B及FRP缠绕层16仅设于螺母部12A 的一侧，因此形成FRP缠绕层16的作业（向突出部12B及芯材14缠 绕单向纤维预成型料的缠绕作业）仅需一次即可，因此与翼根形成片 10的情况相比，能够容易地制作。另外，若将突出部12B的突出长度 （FRP缠绕层16的宽度）设为翼根形成片10的情况的两倍，则能够 以个数与翼根形成片10的情况相同的翼根形成片40来形成翼根部6。