JPS6013880B2 - 回転翼羽根の外皮構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はヘリコプターＬ風力発電用風車、送風機用のプ
ロペラ等の回転翼の羽根の構造に関するものである。

従釆、回転翼の羽根はその重心を羽根の翼型前縁から２
０〜２５％翼弦長付近に位置させることが好ましく、こ
の為羽根後縁側の重量をできる限り軽くすることが要求
された。

それ故、羽根後部構造には種々の工夫がなされて来た。
例えば薄板外皮を羽根中方向に配置したリブで支えるリ
ブ構造や、羽根外皮間にハニカム又は発泡ブラスチック
ス等軽い材料を充填したサンドイッチ構造が知られてい
る。

しかし「リブ構造ではリブが羽根長手方向にある間隔を
持って取付けられているためリブの間は外皮だけで剛性
、強度を保持する必要があり、外皮を厚くする必要があ
り、重量増加する欠点がある。さらに、リブと外皮と主
桁を互いに絹立てる際に高い精度と手数を要し、高価で
あると云う欠点もあった。又羽根外形精度もよくなかっ
た。一方、サンドイッチ構造では、充填されるコァ（芯
材）によって羽根外型寸法が決まってしまうためコアの
成形に高精度の曲面切削加工が要求され「 このため「
羽根の断面形状が羽根長手方向に変化したり、厚さや中
が変化したり、涙れが大きい場合に特にコア切削加工の
費用が高くなると云う欠点があった。

特に、主桁とサンドイッチ部との接続部では、主桁とコ
アの寸法差を箸るしく小さくしなければ接着不可能であ
り〜かつ高価な特殊接着剤を必要とすると云う問題もあ
った。そこで羽根後部を形成する上下面の各外皮をハニ
カムコァ等を充填したサンドイッチ構造の外皮とし〜各
外皮は主桁後部と羽根後綾部の２ケ所のみで接着結合さ
れるような構成にして、空気力は上下外皮と主桁とのド
ラス構造として主桁に伝達されるよう構成するならばハ
ニカムコアの曲面切削が不要となり、かつ組立の手数を
はぶき主桁や外板の要求精度が緩和され、部品点数も極
めて少く安価であると云う効果を持つはずである。とこ
ろがこのような試みは従来成功しなかった。その理由は
羽根後部にかかる空気外力によって主桁との結合部に大
きな曲げモーメントが作用し、接着や鉄等では耐えるこ
とができないという問題があったためである。又羽根内
面側から主桁と外板との結合部に別な補強部材等をあて
ることが必要であり、組立の手間と部品点数が増大し〜
接着の信頼性が低下するという問題があったためである
。本発明はこのような問題を解決したサンドイッチ構造
の回転翼羽根の外皮構造を提供することを目的とする。

本発明によれば、主桁の後縁側上部に結合され該主桁か
ら羽根後縁までの翼形上面を形成するサンドイッチ構造
上部外皮と、主桁の後縁側下部に結合され該主桁から羽
根後緑までの翼形下面を形成するサンドイッチ構造下部
外皮とを有し、かつ前記上部外皮及び下部外皮の後端を
羽根後緑部で結合して構成した回転翼羽根の外皮構造に
おいて、前記上部外皮及び下部外皮のそれぞれの前記主
桁結合部近傍に外皮厚さを薄くし他の外皮部分より曲げ
剛性を４・よくした薄板部を設け、かつ該薄板部の翼弦
方向長さを前記上及び下部外皮の翼弦方向中寸法の約３
〜１５％にしたことを特徴とする回転翼羽根の外皮構造
が提供される。

この場合「前託上及び下部外皮は「繊維強化ブラスチッ
ク板の間に発泡プラスチックまたはハニカム構造物等の
軽量芯部村を介在させて形成したサンドイッチ構造にし
、必要強度に対する重量をできるだけ軽減することが好
ましい。

さらに、前記主桁により前記上及び下部外皮から羽根前
緑までの翼形前部を形成すれば、羽根の構造を簡単にす
ることができる。

また、前記薄板部は前記サンドイッチ構造の芯村を除去
した板材構造にし「前記上及び下部外皮の後端は互いに
直接結合して外皮自体で羽根後綾部を形成するようにす
ることもでき、こうすることにより構造簡単で製作容易
なかつ軽量な回転翼羽根を得ることができる。

次に図面に従って詳細に説明する。

第ｉ図はヘリコプターの回転翼羽根に適用した本発明の
実施例であり、第２図は第１図の羽根の翼形拡大断面図
であり〜第３図は姿部を示す部分拡大図である。

図示の場合、主桁２は羽根の前縁部が一体に形成されて
おり「羽根川こかかる遠心力、曲げモーメント荷重、涙
れ荷重等の主たる荷重を受け持つ主要構造部材であり、
根元側には回転翼羽根の支持機構に取り付けるためのラ
グ３が形成されている。羽根川ま前緑部５及び後緑部６
を含む。主桁２の後縁側上下端部には、上及び下部外皮
８？ ９との結合部７が設けられている。主桁２と上部
外皮８および下部外皮９によって、一つの翼型が形成さ
れる。ここで該上部外皮８と下部外皮９はＬ各々の主桁
結合部７に結合されるとともに、後案談葺合部軍０１こ
おいて接着あるいは鋲により互いに直接結合されて後縁
部を形成している。しかし場合によっては他の適当な部
材を使用しへ上及び下部外皮の後端を該部材に結合して
羽根後綾部を形成することもできる。上部外皮８及び下
部外皮９は回転翼根元部ならびに先端部のカバー１１，
１２に接続される部分を除き「前記２ケ所の結合部７，
１０以外では結合されていない。該上部外皮８と該下部
外皮９は、例えばハェカムコアの芯材１３の上下面にガ
ラス繊維強化プラスチックスの表皮１亀，Ｇ５が接着結
合されたサンドイッチ構造である。

芯材１３はその前縁側および後縁側の一部分のみが斜め
に切り落されている。この構成においてはトハニカムコ
ア量３の厚さは薄くてよいため曲面に切削しなくとも容
易に曲面に沿わせる事が出釆、従ってハニカムコア１３
の切削は単なる平面切削だけで良い。しかも、外皮８及
び９は空気流にさらされる面のみに精度が必要で、他面
は凹凸があっても良いので、ハニカムコァ１３と末硬イ
びＲＰシートとを翼型をしためす型治具上で一回の加熱
硬化で製作出来る。このため、該上部ならびに下部外皮
８，９は安価に製造される。該上部ならびに下部外皮８
，９には、主桁結合部７とハニカムコア斜め加工部１７
との間にハニカムコア１３を有しない薄板部１６が形成
される。

該薄板部１６の翼弦方向長さは、該外皮８，９の中Ｃ（
第２図参照）の１５％以下、好ましくは３％から１５％
になるように選定される。このような薄坂部１６を設け
かつ前記範囲の最さ１こ選定することにより、次のよう
な空気外力に対抗出来る実用的な回転羽根の外皮機造が
得られたのである。

すなわち、従来のサンドイッチ機造外皮を有する回転翼
羽根の様に該薄板部１６に相当する部分が無かったりあ
るいは極端に短かいような構造では、該上部ならびに下
部外皮８，９に作用する空気外力による曲げモーメント
荷重が主桁との結合部７に働らき、この結合部７の接着
あるいは鏡結合等ではその大きな曲げモーメント荷重に
耐えることができなかった。

本発明の如く主桁との結合部附近に薄板部１６を設ける
と、薄板部はハニカムコア挿入部と比べて剛性が小さい
のでこの部分が一つのピン継手の如き効果を持ち、その
ため結合部７に働くモーメント荷重を軽減することが出
来る。この点をもっと詳細に説明すると、上部外皮８及
び下部外皮９はそれぞれ主桁２の後縁側に対しピン継手
により結合され、上部外皮８の後縁と下部外皮９の後緑
は互に剛結合された三角形のラーメン構造とトラス構造
の複合された構造物と見ることができる。別の観点から
見ると、上部外皮８と下部外皮９の後縁での結合部は荷
重を受けたとき或る程度の回転を生ずるので、この後緑
結合部もピン継手に近く、三角ラーメン構造と考えるこ
ともできる。そして、この３角形のラーメン又はトラス
構造の場合、後縁結合部の変位は曲げ変位に比べて極め
て小さいので、上部外皮８及び下部外皮９をそれぞれ別
個に考えるときは、各々は両端支持の梁として取扱うこ
とができる。したがつて、たとえば上部外皮８について
考察すると、この外皮８は前縁を主桁２にピン結合され
、後縁をピン継手により支持されるか或いは剛結合によ
り支持された梁と考えてよく、この外皮８にたとえば上
向きに一様分布の空気力が使用したとき、外皮８に生じ
る曲げモーメントは、両端がピン継手と考えたときは弦
方向の中央部で最大で両端で０になり、後縁部を固定支
持と考えたときは前緑で０で、後方に向って二次曲線状
に増加する。いずれにしても、上部外皮８と主桁との結
合部では、その結合をピン継手と考えるとモーメントは
０になる。実際には薄板部１６は完全なピン継手ではな
く、剛継手とピン継手の中間の性質を有するものである
から、上部外皮８と主桁との結合部には或る程度のモー
メントが生じるが、その大きさは薄坂部１６を設けない
場合に比し、大中に低減されることになる。この事は、
第４図及び第５図に示す模式図でもあきらかである。

即ち、両端を固定支持した部村に一様分布荷重がかかる
場合、一様な剛性を有する部材であれば固定端のモーメ
ントはＷ１２／１２である。ここでＷは分布荷重、１は
都材長さである。そこで、固定端部に隣接して他の部分
に比して剛性の小さい部分を有する構成を取ると、固定
舵−メント‘ま響よ小さく偽。例として、剛性の比が１
０の場合の固定端モーメントの値を、接触に１１／１（
１１剛性の小さい部分の長さ１：全長）を取って示すと
第５図の如くになる。

これからあきらかな様に、１１／１≠０．１近辺に固定
端モーメントを最小にする１１／１の最適値があり、そ
の場合の固定端モーメントは約１′２に減少する。この
モーメントの減少の割合および最適な１１／１の値は剛
性比によって変り、剛性比が大であればある程、固定端
モーメントの減少は大きくかつ最適な１１／１の値は４
・さくなる。

剛性比を大にする為には薄板部１６の板厚を十分薄くす
ればよいが、これには限度がある。

すなわち、板厚減少による強度の低下、ならびに外皮が
トラスとして機能するために生ずる圧縮力によって座屈
しないなどの要求を満足するため、板厚を小さくする事
には限界があり実用上得られる剛性比の場合の最適な１
１／】の値は３％から１５％である。実際に回転翼に適
用した場合、結合部のモーメントがいかに低減されるか
を、第６図から第８図に例を示して更に詳述する。

第６図は、本発明によって薄坂部がある翼の揚力分布を
示し、第７図と第８図は「剛性の比が１０の場合の薄板
部のある場合（１，／１＝０．０７）と、ない場合の上
側外皮のモーメントと鱒断力の分布を示したものである
。このモーメントと奥断力の分布は、簡単には次のよう
にして求められる。すなわち、曲げモーメントと鯛断力
の分布は、上側上皮を、両端固定支持したはりと考え、
それに前端から後端に向けて一様に減少する分布揚力が
働くものと仮定して求める。はり‘ま、前部簿坂部、ハ
ニカム、サンドイッチ部、後部薄板部に分け、それぞれ
の構成に応じた異なる曲げ剛性を有するものと考える。
このような仮定にもとづき、曲げモーメントと灘断力の
分布は材料力学のはり理論を用いて求めることができ、
その一例は第７図、第８図に示した通である。尚、揚力
は上側外皮がほとんどを受け持ち、下側外皮の荷重はわ
ずかである。薄板部がある場合、結合部に働く曲げモー
メントは薄板部をもうけることにより、約１／２に低減
しており、効果があきらかである。

一方、上側外皮中央部のサンドイッチ構造部では、薄板
部をもうけることにより逆にモーメントが増加するが、
サンドイッチ構造部は強度的に十分な余裕を有しており
、この発明の効果を滅するものではない。また、薄板部
自体の強度は問題とならない。なぜならば、一般に、こ
の様な結合部を含む構造の強度は、結合部の強度によっ
て支配され、結合部以外の強度は結合部より数情高いの
が普通である。また結合部以外で仮に問題があったとし
ても、板厚を厚くすることによって容易に強度を向上で
きる。一方、結合部は、板厚を増しても強度向上はわず
かである。更に具体的な例によって示すと次の通りであ
る。回転翼は、翼弦長７５０肌、直径１０の、回転数２
０仇ｐｍとし、最大揚力を発生しているものとする。

また外皮は第３図に示す様に、ガラス繊維強化プラスチ
ックスとハニカム・コアで構成され、薄板部の厚さは３
肋、サンドイッチ構造部は、コア厚さ１仇駁、表皮が０
．５肋とする。この場合、薄板部に働く荷重は、 曲げモーメント 単位幅（１柵）当り １４．１玄９・
舵桝鱒断力 単位幅（１帆）当り ０．２２ｋ
ｇ圧縮力 単位幅（１柵）当り ０．３１ｋｇ
でおり、各々による応力は、曲げモーメントによる引張
圧縮応力 ９．４ｋ９／舵の２奥断力による雛断応力
０．１１ｋ９／のの２圧縮力による圧縮応
力 ０．１０ｋ９／肋ここで、圧縮力は前述
の計算で求めた奥断力のうち羽根後端の結合部に生ずる
鱗断力から求められる。

すなわち、上側外皮と下側外皮を、前端部が支持され後
端部が互い結合された３角形トラスを構成するものと考
え、その後端部に上述の鱗断力に相当する外力が作用し
たぱあし、の圧縮力を求める。曲げモーメントによる引
張圧縮応力は、曲げモーメントを１′６×〔板厚〕２で
割ることにより、鱒断力による応力は、数断力を２／３
×〔板厚〕で割ることにより、また引張力による応力は
、引張力を板厚で割ることによって求められる。ガラス
繊維強化プラスチックスの強度は、引張圧縮に対して約
４０ｋ９／柵２、奥断に対して１０ｋ９／肋２程度あり
、十分な余裕を有していることがあきらかである。

また、疲労強度に対しても、ガラス繊維強化プラスチツ
クスの１０７回における強度は、引張圧縮に対し１８【
９／側２、駒断に対して３ｋ９／肌２程度あり、最大荷
重の繰り返し‘こ対しても余裕を有する。

ただし、薄坂部とハニカム・サンドイッチ構造の遷移部
において応力集中が生ずるが、ハニカム・コアの厚さ方
向の勾配を小さくし、かつガラス繊維強化プラスチック
スの層を連続させる等によって容易に応力集中を下げる
ことができる。

たとえば、ハニカム・コアの厚さの勾配を３０ｏとした
場合の応力集中は、中実な金属構造の応力集中から類推
すると、最大に見積っても１．９塁度であり、この応力
集中を考えても十分な強度を有している。以上示した応
力は、板厚を増加することによって容易に減少させるこ
とができる。

たとえば板厚を１．２倍にすれば、曲げモーメントによ
る応力を１／１．４４にすることができる。なお各部の
荷重と応力は、電子計算機を用いた有限要素法によって
、より正確に求められる。この様に、薄板部をもうける
ことによって、薄坂部を含めて外皮線造そのものに問題
となることはなく、かつ、板厚をかえること等によって
、種々の回転翼および実用要求に容易に対応できる。

本実施例では、第３図に示すごとくガラス繊維布をサン
ドイッチ構造部ではコア両面に各３層を積層し、該薄板
部１６には更に４層を追加して頚層し合計１０層積層し
て必要な強度を得ている。

本発明の考え方から、薄板部１６の材料としては、縦弾
性率が低くて高い坑張力を有する材料例えばガラス繊維
などが最も適しているが、炭素繊維やケプラー繊維でも
実施可能である。特に、剛性の必要なサンドイッチ構造
部には剛性の高い炭素繊維やケプラー繊維を用い、薄坂
部１６付近は剛性の低いガラス繊維を用いる等の組合わ
せによれば本発明の利点を更に強調することができる。
本発明は前記の如く構成されているので次の如き効果が
得られる。すなわち、コア１３の曲面切削を全く必要と
せず、単に端部１７を斜めに切削するだけで良く、しか
もコアに対してきびしい切削精度を要求しなくてすむた
め非常に安価に製作し得る。

そして、又外皮８，９の片面（外面）のみに精度が要求
され、他面は全く凹凸でもよいということから、ハニカ
ムコアと未硬化ＦＲＰシートを一回で加熱硬化させて成
形する方法を採用することができ、外皮の製作がきわめ
て容易でかつ安価に出来、しかも空気力に対して十分な
強度を有する実用的な回転度の後部構造が得られる。又
、従来のハニカムサンドィッチ構造やリブ構造では、非
常に高価で実施不可能に近かったような複雑な形状を持
つ回転翼羽根、例えば翼形断面形状が羽根長手方向に変
化したり羽根厚さが変化したり振れが箸るしく大きくな
る様な場合でも、本発明の外皮構造によれば製造費や設
備工程に何ら変化なく安価に実施し得るという馨るしい
効果が得られる。

こうして、空気力学的に最適の羽根形状を持つ高性能な
回転翼を容易かつ安価に提供することができるようにな
った。又、主桁部２の結合部分７に接着結合を用いる場
合、結合部分は、薄坂部１６に連続して設けられている
から剛性が小さく、小さな接着圧力でも互いに密着し、
十分均一な接着剤厚さが得られ接着強さの信頼性が高い
。

さらに結合部分は一枚の外皮について２ケ所のみである
から、常に接着部に圧力が作用し、接着不良がないので
１回で組立を完了することができ、組立費用がきわめて
安価になり、かつ信頼性が向上するという効果も得られ
る。本発明の方法は本実施例のみならず、その思想を逸
脱することなく種々の変形を含むことが出釆、各種のプ
ロペラ、ファン等の回転翼羽根に広く適用することが可
能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の外皮構造を有するヘリコプターの回転
翼羽根の平面図、第２図は第１図の線０一Ｄ‘こ沿った
拡大断面図、第３図は第２図の部分ｍを示す部分拡大斜
視図、第４図は従来の外皮構造の曲げモーメント分布を
示す漠式図、第５図は本発明の外皮構造の曲げモーメン
ト分布の例を示す模式図、第６図は、第２図に示す回転
翼羽根上での揚力分布を示す模式図、そして、第７図及
び第８図は、第６図に示す回転翼羽根と、同様な構造で
薄板のない回転翼羽根との、上例外皮のモーメント分布
と鯛断力分布とを示す穣式グラフである。 １・・…・回転翼羽根、２・・・・・・王桁、７…・・
・外皮の主桁への結合部、８・・…・上部外皮、９・・
・・・・下部外皮、１０……外皮の後緑結合部、１６…
…薄板部。 宗完丁図 帯２図 第３図 第４図 亭完５図 籍６図 ※７函 繁８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 主桁の後縁側上部に結合された該主桁から羽根後縁
   までの翼形上面を形成するサンドイツチ構造上部外皮と
   、主桁の後縁側下部に結合され該主桁から羽根後縁まで
   の翼形下面を形成するサンドイツチ構造下部外皮とを有
   し、かつ前記上部外皮及び下部外皮の後端を羽根後縁部
   で結合して構成した回転翼羽根の外皮構造において、前
   記上部外皮及び下部外皮のそれぞれの前記主桁結合部近
   傍に外皮厚さを薄くし他の外皮部分より曲げ剛性を小さ
   くした薄板部を設け、かつ該薄板部の翼弦方向長さを前
   記上及び下部外皮の翼弦方向巾寸法の約３〜１５％にし
   たことを特徴とする回転翼羽根の外皮構造。 ２ 前記特許請求の範囲第１項において、前記上及び下
   部外皮が、繊維強化プラスチツク板の間に発泡プラスチ
   ツクまたはハニカム構造物等の軽量芯部材を介在させて
   形成したサンドイツチ構造であることを特徴とする回転
   翼羽根の外皮構造。 ３ 前記特許請求の範囲第１項において、前記主桁が前
   記上及び下部外皮から羽根前縁までの翼形前部を形成し
   ていることを特徴とする回転翼羽根の外皮構造。 ４ 前記特許請求の範囲第１項において、前記薄板部が
   前記サンドイツチ構造の芯材を除去して板材構造である
   ことを特徴とする回転翼羽根の外皮構造。 ５ 前記特許請求の範囲第１項において、前記上及び下
   部外皮の後端を互いに直接結合して羽根後縁部を形成し
   たことを特徴とする回転翼羽根の外皮構造。