技术领域
[0001] 本
发明涉及风车，尤其涉及风车轴的
轮毂与翼根部的连结构造。
背景技术
[0002] 风车的翼通常设置三片左右的多片，其根部固定连结在风车轴的轮毂上并随着风车轴的旋转而旋转。尤其，在小型的风车中，将翼的根部通过贯通
螺栓连结固定在轮毂上的方法是最简单且经常被采用的。近年来，为了使高强度、高刚性的翼轻量化，采用
纤维强化塑料(以下简称作FRP)来构成翼的主体部，其中，日渐采用
碳纤维增强塑料(以下简称作CFRP)来构成翼的主体部(例如，
专利文献1)。对于这样的FRP制翼，通常采用使用上述那样的贯通螺栓进行连结的翼固定方法。
[0003] 但是，对于在翼主体上具有螺栓孔且使用螺栓直接连结翼主体的固定方法来说，由于风车的旋转产生的振动及离心
力，与螺栓连结力的大小无关，会以发生
应力集中的螺栓孔为起点在翼上产生皲裂，并由于
水侵入到翼的内部而使内部件劣化。
[0004] 另外，在翼主体上具有螺栓孔的情况下，为了保持螺栓孔部的形状及强度，就需要在连结部的内部另外插入实心部件，这样就不可避免地会增加翼的重量，出现损害上述轻量化效果的情况。另外，翼的重量增加就关联到翼的惯性转矩的增加及翼自身的
动能的增加，其结果，导致需要
制动器的性能增强及
马达容量、重量增量以及支承臂的加强等其他部位成本的提高。除此之外，翼的动能的增加有可能导致在翼一旦损坏、飞散的情况下对周围环境损害的增加。
[0005] 而且，例如，对个人在自家住宅的高处
位置或在山间的小屋等地点较多设置的小型风车的情况而言，由于要求施工
精度，通过螺栓进行的连结容易变成发生振动的原因。
[0006] (专利文献1：日本特开2000-120524号
公报)
发明内容
[0007] 鉴于上述现状，本发明的目的在于提供一种风车，该风车提供一种基本上不需要螺栓连结构造的翼与轮毂之间的连结构造，且该构造能够实现翼的轻量化，容易确保该连结部的强度、刚性、施工精度。
[0008] 为了解决上述课题，本发明所述的风车，其特征在于：在风车轴的放射线方向上，下刻嵌合构造连结轮毂与翼根部。该下刻嵌合构造是指，例如，翼根部具有在风车轴的放射线方向上随着靠近风车轴其宽度先变窄后变宽的形状，另一方面，在轮毂侧上形成有能够嵌合该翼根部的切槽或空部，通过该嵌合，能将翼根部中的宽度变宽的形状部分卡止在风车轴的放射线外侧方向上的构造，也就是说，能够发挥防止该翼根部从风车轴的放射线方向拔出的下刻功能的构造。
[0009] 在本发明所述的风车中，关于构成上述下刻嵌合构造的翼根部的、垂直于风车轴的放射线方向的截面，优选将具有最小截面面积的1.1～2.0倍范围内截面面积的截面配置在比具有最小截面积的截面更靠近风车轴侧。另外，在上述下刻嵌合构造中，轮毂与翼根部之间的间隙优选在0～0.5mm的范围内。
[0010] 另外，上述下刻嵌合构造部分在风车轴方向上相对于轮毂的
定位面优选通过推压机构被固定。即：上述下刻嵌合构造部分是通过该轮毂的定位面与推压机构的抵接而被固定在风车轴向上的规定位置，且在风车轴的放射线方向上，通过下刻嵌合构造进行固定的构造。对于任何一个方向，在翼根部都可不需要螺栓连结而进行固定。优选上述定位面或推压机构中的至少一个的固定面垂直于风车轴的面。
[0011] 在这样的结构中，优选将下刻嵌合构造构成在上述定位面或推压机构的各自的固定面上。另外，在构成上述轮毂的定位面的一部分的下刻嵌合构造部分中，轮毂与翼根部以平面或
曲率半径在5～100mm的范围内的面
接触。
[0012] 另外，在本发明所述的风车中，可将多个翼根部连结在一个轮毂上。另外，多个翼根部优选在以风车轴的旋
转轴心为中心的圆周上
角度等分配置地连结在轮毂上。
[0013] 另外，在具有上述推压机构的结构中，多个翼的下刻嵌合构造部分可被一个推压机构同时固定，由此，可仅通过一个推压机构同时容易地对全体翼进行固定。通过形成为这种结构，也能够确保施工的容易性及精度。
[0014] 另外，在本发明所述的风车中，从轻量化的方面考虑，优选使用纤维强化塑料形成构成翼根部的一部分的翼主体。尤其，为了保持翼的强度、刚性，实现良好的轻量化效果，该纤维强化塑料优选由碳素纤维强化塑料构成。这种情况下，翼主体部的表观
密度优选在3
0.2～1.0g/cm 的范围内。
[0015] 在使用纤维强化塑料形成翼主体部的情况下，形成在翼根部的下刻嵌合构造部分可以作为翼主体部由金属制壳体部件
覆盖的构造。尤其如上所述，下刻嵌合构造部分在风车轴方向上相对于轮毂的定位面有推压机构进行固定的情况下，该固定面成为接触面，由于要求更高的表面强度及精度，所以优选由金属制壳体部件覆盖的结构。作为金属制壳体部件，同时考虑轻量化时，优选采用由
铝制壳体部件(包括铝
合金制壳体部件)构成。该翼主体部与构成下刻嵌合构造部分的上述金属制壳体部件之间，例如可通过
粘合剂粘接。翼主体部与构成下刻嵌合构造部分的上述金属制壳体部件之间的粘合剂的层厚优选在
0.05～0.5mm的范围内。
[0016] 另外，在具有上述那样的金属制壳体部件的结构中，翼主体部与构成下刻嵌合构造部分的上述金属制壳体部件之间优选通过下刻嵌合构造连结。另外，上述金属制壳体部件可被分割成多个零件。此外，上述金属制壳体部件也可在下刻嵌合构造部分以外的位置被分割成多个零件。而且，可采用通过轮毂与上述金属制壳体部件的接触形成下刻嵌合构造的结构。
[0017] 另外，在本发明所述的风车中，可采用在翼根部的连结于轮毂的连结部上设置用于在翼相对于轮毂的固定被解除的情况下对翼相对于轮毂的位移进行约束的、具有柔软性的条状体的结构。
[0018] 即，在本发明由下刻嵌合构造进行连结的
基础上，再加上具有柔软性的条状体，由此，在翼相对于轮毂的固定被解除的情况下对翼相对于轮毂的位移进行约束的构造。基本上，在通常运转时(通常翼旋转时)，实际上翼的约束力不施加在条状体上(力不施加在条状体上)，在上述翼的固定由于连结部的疲劳破坏等原因被解除的情况下，通过条状体对翼进行约束，以使翼不会从轮毂离开某距离以上，防止翼的飞散。因此，条状体本身不产生疲劳，使条状体发挥阻止翼的飞散的功能时，作为条状体本身，能确实使其发挥预定的强度特性，确实实现防止翼的飞散。
[0019] 优选上述条状体的拉伸强度在1.5～5.0GPa的范围内，且优选拉伸断裂应变在3～15％的范围内。通过这样的结构，能够适当地防止翼的飞散。
[0020] 另外，风车在额定运转时，在上述条状体上产生的
拉伸应力优选为条状体的拉伸强度的1％以下。也就是说，如上所述，优选在通常运转时，使条状体弯曲以使拉伸
载荷基本不作用在条状体上，或优选利用其柔软性在条状体上留有宽余，事先将条状体连结在翼上，仅在需要防止翼的飞散时，用于约束翼的拉伸载荷作用于条状体上。
[0021] 作为条状体的连结在翼根部上的构造，可采用各种方式。例如，可采用上述条状体的一部分被内包在上述翼根部的一部分中的结构。另外，可采用上述条状体的一部分被栓在上述翼根部的一部分上的结构。而且，与此同时，可采用粘合剂进行粘结。
[0022] 作为上述条状体，若具有足以防止翼的飞散的拉伸强度，以及能采用在通常运转时力基本不作用在条状体上的与翼之间的连结构造的足够的柔软性，则没有特殊的限定。作为上述条状体的优选材料，可例举出例如包含玻璃纤维、芳香族聚酰胺纤维、
钢线材中的至少一种的材料。
[0023] 另外，作为条状体与翼根部之间的连结构造可以采用以下构造：可使用一根条状体对一个翼进行约束，实质上使用一根条状体也可以对多个翼的位移进行约束。
[0024] 本发明的风车类型虽没有特殊限定，但本发明尤其适用于风车轴沿水平方向延伸的水平轴形风车。
[0025] 在上述本发明的风车中，因旋转在风车轴的放射线方向上作用有
离心力的翼在其根部通过下刻嵌合构造连接在轮毂上。对于风车轴向，若通过推压机构将下刻嵌合构造部分在风车轴向上固定于轮毂的定位面上，则能够容易地将其固定在规定位置上。因此，在翼根部，基本上完全不需要以往那样的螺栓连结构造，也不需要螺栓孔。
[0026] 发明的效果
[0027] 根据本发明的风车，可在对翼主体不直接使用螺栓连结构造的情况下实现翼与轮毂的连结、固定，能够解决伴随螺栓连结而产生的翼的疲劳及皲裂的问题，并且能够实现简化施工、提高精度，而且，无需加工螺栓孔，通过简化翼及轮毂部分的形状使制造变得简单，能够降低成本。
[0028] 另外，若翼主体部为FRP制，能够使翼重量轻量化，并根据下刻嵌合构造能够容易地确保与轮毂的连结部的强度、刚性、施工精度。另外，由于可不需要FRP制翼主体部的螺栓孔，所以能够防止水侵入到翼内部，能够提高耐大气
腐蚀性。另外，由于形状比较简单，翼的成型也比较容易。
[0029] 尤其，在翼为FRP制的情况下，由于可采用翼主体的内部为中空，使极轻量的芯材介于其中的构造，故能够进一步使翼轻量化。
附图说明
[0030] 图1为本发明的一个实施方式的风车的翼部的俯视图。
[0031] 图2为图1的风车的翼根部与轮毂的连结部的放大俯视图。
[0032] 图3为形成在沿图2的A-A的翼根部上的下刻嵌合构造部的截面图。
[0033] 图4为表示与图3不同的结构例的下刻嵌合构造部的截面图。
[0034] 图5为沿图2的B-B线的下刻嵌合构造部分的局部截面图。
[0035] 图6为表示与图5不同的结构例的下刻嵌合构造部分的局部截面图。
[0036] 图7为表示另一个与图5不同的结构例的下刻嵌合构造部分的局部截面图。
[0037] 图8为表示沿图2的A-A线或C-C线的下刻嵌合构造部分的结构例的局部截面图。
[0038] 图9为在图1的风车上附加条状体的情况的一例的局部放大俯视图。
[0039] 图10为表示在图1的风车上附加其他条状体的结构例的局部放大俯视图。
[0040] 符号说明
[0041] 1风车
[0042] 2风车轴
[0043] 3、18轮毂
[0044] 4翼
[0045] 4a翼主体部
[0046] 5下刻嵌合构造部分
[0047] 6、12、14、20形成在翼根部上的下刻嵌合构造部
[0048] 7、13、15、19嵌合孔部
[0049] 7a嵌合孔部的定位面
[0050] 8铝制壳体部件
[0051] 9CFRP制表面材料
[0052] 10作为芯材的
丙烯酸制低密度发泡材料
[0054] 11a压板的推压面
[0055] 16宽余空间
[0056] 17嵌入部件
[0057] 19a、20a锥面
[0058] 31、32条状体
具体实施方式
[0059] 下面参照附图说明本发明的优选实施方式。
[0060] 图1及图2表示本发明的一个实施方式的风车，尤其表示由FRP构成翼主体部情况的
实施例。作为本发明风车的翼所使用的FRP没有特殊限定，作为强化纤维可以例举出例如由碳素纤维、玻璃纤维等无机纤维构成的强化纤维，以及由凯夫拉尔纤维、聚乙烯纤维、聚酰胺纤维等有机纤维构成的强化纤维。从控制翼的强度及刚性的容易性方面出发，尤其优选碳素纤维。作为FRP的基体
树脂可以例举出例如环
氧树脂、不饱和聚酯树脂，乙烯酯树脂、
酚醛树脂等热
固化性树脂，而且，也可以使用聚酰胺树脂、聚烯
烃树脂，二聚环戊二烯树脂、聚
氨酯树脂等热可塑性树脂。另外，作为FRP制翼主体部的构造可以采用仅其
外壳构造(仅表面材料)为FRP制且内部为中空的构造及在FRP制外壳的内部夹有或填充轻量芯材的所谓分层构造中的任意一种。作为芯材可采用弹性体、发泡材料或
蜂巢状材料，为了轻量化尤其优选发泡材料。作为发泡材料的材质没有特别的限定，可使
用例如聚氨酯或丙烯酰基、聚苯乙烯、聚酰亚胺、氯乙烯、
苯酚等高分子材料的低密度
泡沫材料等。作为蜂巢状材料没有特别的限定，可使用例如
铝合金、纸、芳香族聚酰胺纸等。
[0061] 图1为表示水平轴型的风车的翼部的俯视图，在图1中，1表示风车整体。风车1具有作为
旋转轴的风车轴2，在风车轴2的外周设有与风车轴2一体旋转的轮毂3。在本实施方式中，三片翼4的根部连接在该轮毂3上。各翼4的主体部4a是采用FRP、尤其是采用CFRP构成的，轮毂3与翼根部在风车轴2的放射线方向上通过下刻嵌合构造进行连结。
[0062] 该下刻嵌合构造部分5由以下部件构成：形成在翼根部上的下刻嵌合构造部6；形成在轮毂3侧的、与翼4侧的下刻嵌合构造部6嵌合并由此在风车轴2的放射线外侧方向上对下刻嵌合构造部6进行卡止的嵌合孔部7。进一步详细地说，如图2所示，形成在翼根部上的下刻嵌合构造部6形成为俯视观察为随着靠近风车轴2宽度先逐渐缩小随后宽度再扩大的形状，嵌合孔部7形成为能嵌合该下刻嵌合构造部6并具有很小的间隙(优选在0～0.5mm的范围内的间隙)的、与该下刻嵌合构造部6的俯视形状相应的俯视形状。
[0063] 在本实施方式中，形成在翼根部的下刻嵌合构造部6由金属制的、尤其由铝制的壳体部件8覆盖。
[0064] 图2中的A-A截面的结构为例如图3及图4所示地构成。这种情况下，关于构成下刻嵌合构造的翼根部的、与风车轴的放射线方向垂直的截面，具有最小截面积的1.1～2.0范围内的截面积的截面优选配置在比具有最小截面积的截面更靠近风车轴侧。在图3所示的结构中，翼主体部由CFRP制的表面材料9及在其内部作为芯材配置的丙烯酸制的低密度发泡材料10构成，其CFRP制翼主体部由铝制壳体部件8覆盖。铝制壳体部件8由两个部件8a、8b构成，两部件在其コ字形前端部彼此对接的状态下覆盖CFRP制翼主体部，两部件与表面材料9之间通过粘合剂粘接。在图4所示的结构中，铝制壳体部件8在其两个部件8c、8d的コ字形前端部形成为钩形且其前端部彼此重叠的状态下覆盖CFRP制翼主体部，两部件与表面材料9之间通过粘合剂粘接。由于形成为钩状部的重叠形态，故能够防止两部件8c、8d的错位。
[0065] 图2中的B-B截面结构例如图5～图7所示地构成。在图5所示的结构中，轮毂3的嵌合孔部7的一面7a形成为定位面，凭借作为推压机构的压板11将形成在翼根部上的下刻嵌合构造部6向该定位面7a推压，由此，该下刻嵌合构造部6被定位并固定在风车轴方向上。在本实施方式中，嵌合孔部7的定位面7a以及压板11的推压面11a两者都形成为相对风车轴垂直的面，能够简单地将翼4定位并固定在规定的轴向位置上，并且，能够凭借一
块压板11同时固定三片翼4。
[0066] 在图6所示的结构中，形成在翼根部上的下刻嵌合构造部12及轮毂3的嵌合孔部13也采用下刻嵌合构造，与图2所示的俯视方向的下刻嵌合构造一起在风车轴向上使其在风车轴的放射线外侧方向上能发挥卡止作用。即，形成在翼根部的下刻嵌合构造部12的厚度随着靠近风车轴的方向先缩小再扩大，并且，将嵌合孔部13的风车轴方向的深度也设定为与下刻嵌合构造部12的厚度方向的形状相对应。换言之，在风车轴方向上的下刻嵌合构造部12的凸面12a卡止在嵌合孔部13的凹面13a内。这种情况下，仅压板11的推压面11a形成为相对于风车轴垂直的面，在这种结构中，也能够凭借一块压板11同时固定三片翼4。
与图5所示的结构相比，相对于施加在翼4上的离心力，将翼4卡止、连结(拘束)在轮毂
3的力较大。
[0067] 在图7所示的结构中，形成在翼根部上的下刻嵌合构造部14及轮毂3的嵌合孔部15也采用钩形的下刻嵌合构造，与图2所示的俯视方向的下刻嵌合构造一起在风车轴向上使其在风车轴的放射线外侧方向上能发挥卡止作用。即，在形成于翼根部的下刻嵌合构造部14的插入前端部的一面设有钩形的卡止部14a，在嵌合孔部15的内部也形成有与钩形的卡止部14a的形状对应的钩形的凹部15a。另外，在钩形的凹部15a的最内部形成有用于将钩形的卡止部14a插入到钩形的凹部15a中的宽余空间16，为了防止插入后的嘎嗒声，在该宽余空间16中插入嵌入部件17。嵌入部件17插入后，通过压板11固定翼4即可。在这种情况下，也能够凭借一块压板11同时固定三片翼4。
[0068] 另外，作为图2中的A-A截面或C-C截面的结构，可以采用图3或图4所示那样的下刻嵌合构造部的外形形状，也可以采用例如图8所示的那样的锥形外形形状(锥形嵌合构造)。在图8所示的构造中，轮毂18的嵌合孔部19的侧面19a形成为锥面，形成在翼根部上的下刻嵌合构造部20的侧面20a形成为与其对应的锥面。在这种构造中，在通过压板21推压各翼时，即使嵌合部稍存在尺寸误差，也能通过锥面之间的咬合嵌合构造对其进行吸收。
[0069] 这样，对于下刻嵌合构造部分及凭借推压机构进行推压的构造来说，能够采用各种方式。在任何一种构造中，都不需要像以往那样用螺栓连结构造连结翼根部与轮毂，能够解决伴随螺栓连结而产生的疲劳及皲裂问题，并且能够简化施工、提高精度。由于不需要进行螺栓孔的加工，故能够使翼及轮毂部分的形状简化，使制造变得容易，降低成本，并且能够容易地防止水侵入到翼的内部，提高耐大气腐蚀性。
[0070] 另外，翼的主体部由FRP制成，尤其由CFRP制成，由此能够使翼的重量变轻，并能容易地确保其与轮毂之间的连结部的强度、刚性及施工精度。
[0071] 而且，在本发明中，也可在上述那样的下刻嵌合构造上附加下述结构，即：在翼根部连结于轮毂的连结部上设置条状体，该条状体在翼相对于轮毂的固定被解除的情况下约束翼相对于轮毂的位移并具有柔软性。
[0072] 例如图9所示，采用下述结构，即：在风车轴2的周围，根据情况借助
衬垫(未图示)设置条状体31，并可从那里将条状体31连结在各翼4的根部。另外，如图10所示，也可采用下述构造，即：在风车轴2的周围将条状体32在离开风车轴2的位置上拉伸并环绕，通过使条状体32内包在各翼4的根部将其连结在各翼4的根部。在任何一种情况下，在通常运转时(通常翼旋转时)，实际上翼4的约束力是不施加在条状体31、32上的(力不施加在条状体上)，在上述翼4的固定由于连结部的疲劳破坏等原因被解除的情况下，通过条状体31、32对翼4进行约束，以使翼4不会从轮毂3离开某距离以上，是防止翼的飞散的部件。
[0073] 作为上述条状体31、32的拉伸强度，如上所述，优选在1.5～5.0GPa的范围内，且作为拉伸断裂应变优选在3～15％的范围内。另外，在风车额定运转时，发生在上述条状体31、32上的拉伸引力优选为条状体的拉伸强度的1％以下。而且，作为上述条状体31、32的优选材质，可列举出例如包含玻璃纤维、芳香族聚酰胺纤维、钢线材中的至少一种的材料。
[0075] 本发明虽可适用于所有的风车，但尤其适用于小型的风车、翼为FRP制的风车及水平轴型的风车。
