JP2004360669A

JP2004360669A - 水平軸風車の支承方法

Info

Publication number: JP2004360669A
Application number: JP2003195387A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiko Tokunaga; 泰彦徳永
Original assignee: Tokiwa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Tokiwa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2003-06-05
Filing date: 2003-06-05
Publication date: 2004-12-24

Abstract

【課題】水平軸風車において、ブレードよりの駆動体と発電機などの被動体との連結位付近をタワーに支承し、被動体の回転方向を駆動体と逆方向とし、それぞれの角運動量を等しく設定し、風向変動及びタワーや建造物などによる乱流風力の外乱を受けるとき、支承位に関して駆動・被動両側より拮抗状に生じるジャイロモーメントを相殺し、風車ブレードの搖振を防止することとする。
【解決手段】水平軸風車ブレード１を含む駆動体１ａより、発電機２の電機子２ｂなどの被動体２ａへ変速機３を介して、逆回転に変速して伝動するとき、予め、駆動体１ａの角速度ω_１及び慣性モーメントＪ_１と、被動体２ａの角速度ω_２ならびに慣性モーメントＪ_２とに関して、それぞれの角運動量Ｊ_１ω_１とＪ_２ω_２とを等しく設定し、該変速機の直下を支軸４によりタワー５に支承することとする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タワーに支承する水平軸風車において、風向変動や乱流状風力などの外乱により風車ローター支承位に生じるジャイロモーメントを防止する支承方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、水平軸風車として、プロペラ型、多翼型、オランダ風車型及びセールウイング型などがあるが、発電用の主流はプロペラ風車であって、プロペラ型のブレード回転面とタワーとの配置については、同回転面が風向に対して、タワー又は支柱の風上側に配置されるアップウインド型（ＪＩＳＣ１４００−０，１２３）と、風下側に配置されるダウンウインド型（ＪＩＳＣ１４００−０，１２４）とがある。
【０００３】
アップウインド型においては、タワー後流によるブレードの荷重変動、振動及び騒音への影響がないが、ブレードの回転面を変動する風向の風上に向けて追尾する方位制御、即ち、ヨー制御（ＪＩＳＣ１４００−０，１２７）として、小型風車においては、自律動作によるフリーヨー（ＪＩＳＣ１４００−０，１２８）があり、ローター風下の流れに倣って作動する、所謂、風見安定板、即ち、テールベーンによる方式や、風見安定用テールファンにより風向きに対するブレード回転面の傾きを矯正する方式があり、大型風車においては、風見センサーにより検出した風向へローター軸線の方向を一致させるため、強制的に支承部位を駆動して制御を行う、制御ヨー（ＪＩＳＣ１４００−０，１２９）方式の駆動装置を具備している。
【０００４】
ダウンウインド型においては、タワー風下側へのローターの受風抵抗により自律的に風見安定が得られるフリーヨー方式になるが、ブレードは必ずタワー後流の影響を受け、不規則な荷重変動を生じる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術で述べたように、アップウインド型のヨー制御として、小型風車においては、フリーヨー方式として、ローター風下側へ長大なテールベーンを片持ち状に延設するする必要があり、また、大型風車においては、上記制御ヨー方式の、強大なヨー駆動装置を具備する必要がある。
【０００６】
また、ダウンウインド形式のヨー制御は、自律動作によるフリーヨー方式であるが、ブレードは必ずタワー後流の影響により不規則な荷重変動を受け、振動及び騒音を生じると共に、疲労破壊の要因となっている。
【０００７】
さらに、アップウインド及びダウンウインド何れの型式においても、風向変動ないし不規則な地形や建造物などによる乱流風力により、ローターが外乱のモーメントを受けると、高速回転体としてのジャイロ作用により縦揺れ、横揺れ及び偏揺れなどの搖振を生じ、ブレードへの風荷重の変動、繰返し荷重と共に、振動ならびに騒音を誘発し、疲労破壊の要因となり、ことに、アップウインド型においては、上記搖振に対する制御が不備なときは、却って、搖振の振幅を増幅してブレードを破損することがあり、注意を要する。
【０００８】
そして、上記のヨー制御におけるフリーヨーないし制御ヨー方式の制御手段は、常時整備保全が必要であるが、何れもタワー高所に装備しており、高所作業として維持管理や故障修理を行う必要がある。
【０００９】
本発明は、従来の技術におけるこのような問題点に鑑みてなされものであり、その目的とするところは、水平軸風車において、ブレードよりの駆動体と発電機などの被動体との連結位付近をタワーに支承し、被動体の回転方向を駆動体と逆方向とし、且つ、それぞれの角運動量を等しく設定し、風向変動及びタワー、建造物ならびに地形による乱流風力の外乱を受けるとき、支承位に関して駆動・被動両側より拮抗状に生じるジャイロモーメントを相殺し、風車ブレードの搖振を防止することとする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の水平軸風車の支承方法は、水平軸風車ブレードを含む駆動体より、発電機の電機子などの被動体へ、変速機を介して逆回転に変速して伝動するとき、予め、駆動体及び被動体それぞれの角速度ならびに慣性モーメントに関して、角速度と慣性モーメントとの積により定義される駆動体と被動体それぞれの角運動量を等しく設定し、該変速機の直下を支軸によりタワーに支承することとする。
【００１１】
そして、ブレードに風向変動及び乱流風力などによる外乱モーメントを受けるとき、支承位に関して駆動・被動両側より拮抗状に生じるジャイロモーメントを相殺し、風車ブレードの搖振を防止することを特徴としている。
【００１２】
上記の支承方法は、アップウインド及びダウンウインド何れの型式においても適用される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態を実施例にもとづき図面を参照して説明する。
図１において、水平軸風車ブレード１を含む駆動体１ａより、発電機２の電機子２ｂなどの被動体２ａへ、変速機３を介して逆回転に変速して伝動しするとき、予め、駆動体１ａの角速度ω_１及び慣性モーメントＪ_１と、被動体２ａの角速度ω_２ならびに慣性モーメントＪ_２とに関して、慣性モーメントと角速度との積として定義される駆動体と被動体それぞれの角運動量Ｊ_１ω_１とＪ_２ω_２とを、数１に示すように等しく設定し、該変速機の直下を支軸４によりタワー５に支承することとする。
【００１４】
【数１】
Ｊ_１ω_１＝Ｊ_２ω_２
【００１５】
ここに、通常の与件としてブレード１を含む駆動体１ａのＪ_１、ω_１、及び電機子２ｂを含む被動体２ａのＪ_２が既知であるとき、数２により被動体２ａの角速度ω_２を設定する。
【００１６】
【数２】
ω_２＝Ｊ_１ω_１／Ｊ_２
（∵ Ｊ_１ω_１＝Ｊ_２ω_２）
【００１７】
また、与件として駆動体１ａのＪ_１及び被動体２ａのＪ_２が既知のときは、変速機３の変速比ω_１／ω_２は、数３により求められ、逆に、同変速比が既知のときは、反比例関係となる被動体と駆動体の慣性モーメント比Ｊ_２／Ｊ_１を設定することとなる。
【００１８】
【数３】
ω_１／ω_２＝Ｊ_２／Ｊ_１
【００１９】
そして、与件として、駆動体１ａと被動体２ａとの、角速度と慣性モーメントの組み合わせが既に設定されているときは、駆動体１ａ又は被動体２ａに、前記数１の条件を満たす慣性モーメントを付加する回転体（図示しない）を軸止して調整を行うこととする。
【００２０】
また、図２及び図３において、被動体２ａより駆動体１ａへの軸線をＸ軸とし、被動体と駆動体との連結位としての支軸４の軸芯をＺ軸とし、Ｘ軸４との交点を原点Ｏとし、該原点においてＸ軸・Ｚ軸と水平に直交するＹ軸を設定している。
【００２１】
そして、図２において、風向変動及び乱流風力などにより、Ｙ軸まわりに角速度μ_ｙの外乱モーメント受けると、Ｘ軸の駆動体１ａよりＺ軸まわりに数４に示すジャイロモーメントを生じると同時に、被動体２ａよりＺ軸の逆まわりに数５に示すジャイロモーメントを生じ、数１の条件により、数６に示すように、駆動体と被動体両側よりのジャイロモーメントが拮抗して相殺されることを示す。
【００２２】
【数４】
Ｊ_１ω_１μ_ｙ
【数５】
−Ｊ_２ω_２μ_ｙ
【数６】
Ｊ_１ω_１μ_ｙ−Ｊ_２ω_２μ_ｙ＝０
（∵Ｊ_１ω_１＝Ｊ_２ω_２）
【００２３】
また、図３において、風向変動及び乱風力流などにより、Ｚ軸まわりに角速度μ_ｚの外乱モーメント受けると、Ｘ軸の駆動体１ａよりＹ軸まわりに数７に示すジャイロモーメントを生じると同時に、被動体２ａよりＹ軸の逆まわりに数８に示すジャイロモーメントを生じ、数１の条件により、数９に示すように、駆動体と被動体両側よりのジャイロモーメントが拮抗して相殺されることを示す。
【００２４】
【数７】
Ｊ_１ω_１μ_ｚ
【数８】
−Ｊ_２ω_２μ_ｚ
【数９】
Ｊ_１ω_１μ_ｚ−Ｊ_２ω_２μ_ｚ＝０
（∵Ｊ_１ω_１＝Ｊ_２ω_２）
【００２５】
さらに、図１及び４に示すように、駆動体１ａより被動体２ａへ、逆回転方向へ変速する変速機３は、一般に、電機子の定格角速度が大きいため、増速機とすることが多いが、折り返し歯車、遊星歯車や巻掛け伝動機構などを適用し、駆動体１ａと被動体２ａとの軸芯の配置を、図１に示すように、同一軸芯とするか、また、図４に示すように、段違い状の平行軸芯とするか、駆動体と被動体との構成要素及び実施条件に応じて選択される。
【００２６】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
【００２７】
本発明の、水平軸風車の支承方法において、水平軸風車ブレード側の駆動体より発電機などの被動体へ、変速機を介して逆回転変速するため、予め、駆動体及び被動体の角運動量を等しく設定しており、ブレードが風向変動及びタワ、建造物及び地形による乱流風力の外乱を受けるとき、支承位において、駆動体と被動体との両側より拮抗状に生じるジャイロモーメントを相殺して風車ブレードの縦揺れ、偏搖れなどの搖振を防止することにより、ブレードへの繰り返し荷重の変動、振動ならびに騒音を低減し、疲労破壊の要因を抑制することができる。
【００２８】
上記のように、ジャイロモーメントを相殺してブレードの搖振を防止することにより、アップウインド型風車においては、従来技術のヨー制御手段としての、テールベーンや制御ヨー方式のヨウ駆動装置を縮小化することができる。
【００２９】
また、上記のように、ジャイロモーメントを相殺してブレードの搖振を防止することにより、ダウンウインド型風車においては、自律的なフリーヨー方式となり、制御ヨー方式の駆動装置を装備する必要がなく、構成が簡単、且つ低廉となり、高所作業としてのヨー駆動装置の維持管理や故障修理を省くことができる。
【００３０】
なお、本発明の水平軸風車の支承方法は、アップウインド型、ダウンウインド型の何れにも適用できるので、両型式相互の組み替えが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】水平軸風車の支承方法に係る構成概要を示す模式図である。
【図２】水平軸風車の駆動体と被動体が外乱として縦揺れを受けるとき、駆動体及び被動体両側に生じるジャイロモーメントの挙動を示す線図である。
【図３】水平軸風車の駆動体と被動体が外乱として偏揺れを受けるとき、駆動体及び被動体両側に生じるジャイロモーメントの挙動を示す線図である。
【図４】水平軸風車の支承方法に係る他の実施例の構成概要を示す模式図である。
【符号の説明】
１水平軸風車ブレード
１ａ駆動体
２発電機
２ａ被動体
２ｂ電機子
３変速機
４支軸
５タワー
ω_１角速度（駆動体の）
Ｊ_１慣性モーメント（駆動体の）
ω_２角速度（被動体の）
Ｊ_２慣性モーメント（被動体の）
μ_ｙＹ軸周りの外乱モーメントの角速度
μ_ｚＺ軸周りの外乱モーメントの角速度

Claims

水平軸風車ローターのブレード（１）を含む駆動体（１ａ）より、発電機（２）の電機子（２ｂ）などの被動体（２ａ）へ変速機（３）を介して、逆回転に変速して伝動するとき、予め、駆動体（１ａ）の角速度（ω_１）及び慣性モーメント（Ｊ_１）と、被動体（２ａ）の角速度（ω_２）ならびに慣性モーメント（Ｊ_２）とに関して、それぞれの角運動量（Ｊ_１ω_１）及び（Ｊ_２ω_２）を等しく設定し、該変速機の直下を支軸（４）によりタワー（５）に支承することとし、駆動体のブレードに風向変動及び乱流風力による外乱を受けるとき、風車ローターの支承位において、駆動体・被動体両側より、拮抗状に生じるジャイロモーメントを相殺して風車ブレードの搖振を防止することを特徴とする水平軸風車の支承方法。