JP2007113518A - 風車 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成でコスト性、整備性、信頼性に優れ、効率的、効果的にハブ内の発熱部を冷却することができる風車を提供する。
【解決手段】ハブ３１に吸気口２と、発熱部４ａ，４ｂまで導くダクト３を設ける。発熱部が配置されるハブ内の空間とブレード先端の排気口５ａ，５ｂとがブレード内の空間を介して連通した構造を有する。ロータが回転することにより、吸気口付近と排気口付近とで気圧差が生じ、吸気口から外気が吸引されてダクトへと流入しダクトの出口３ａから放出され、ハブ内の発熱部に吹き当たり、発熱部から吸熱して暖められ、各ブレード内に進み、各排気口から風車１の外へ排出される。この気流によりハブ内の発熱部を冷却する。
【選択図】図３

Description

本発明は、風車のブレードを主軸に保持するハブ内を冷却する技術に関する。

近年、風車に発電機を備えた風力発電システムが実用化、商業化している。風力発電システムに見られるような昨今の商業風車においては、ブレードが取り付けられるハブ内に形成された空洞内にブレードのピッチを制御するピッチ制御装置を配置する構成が一般的である。このようなハブ内のピッチ制御装置にはモータなどの発熱源が含まれるためハブ内での発熱が著しくなる場合があり、ピッチ制御装置をはじめとするハブ内の機器の劣化や故障のおそれが生じる。そのためハブ内の機器の環境条件が保たれるよう、ハブ内を冷却する必要がある。

従来のハブ内の熱対策としては、比較的発熱量が小さい場合は自然冷却に依っていたが、比較的発熱量が大きい場合には、冷却ファンを（通常風車の翼数分）設け、強制的に冷却する方法が採られている。
また、ハブ内への侵入用のマンホールを開放した状態とすることによりハブ内を冷却する方法が採られることもある。この場合、ハブ内全体に気流が侵入し、冷却効果は高まる。

一方、特許文献１には、発電機を冷却することを目的とし、発電機に設けた吸気口から吸気した外気を、中空の主軸内、ハブ、ブレード内を通してブレード先端の排気口から排出する構成により、発電機を冷却し、さらにはブレードを加温する風車が記載されている。
特開２００３−３４３４１７号公報

しかし、以上の従来技術にあってもさらに次のような問題があった。
冷却ファンを設ける場合には、冷却ファンを駆動するためのエネルギー消費によるエネルギー効率の低下や、冷却ファンを設けるためのコストや整備負担の増加などの問題がある。
また、冷却ファンの故障や性能低下による風車の信頼性低下などの問題がある。すなわち、冷却ファンが故障したり長期的使用により性能が低下したりするとハブ内の熱環境が悪化しハブ内に設置されたピッチ制御装置などの機器の動作不良や故障を招き、風車の動作信頼性が低下する。
また、冷却ファンの出力によっては発生する気流が弱く十分な冷却効果が得られないことがある。冷却ファンの正常動作を永続的に確保するには、その点検、整備が欠かせない。冷却ファンの正常動作を想定してもその冷却性能が低いために、依然として機器の耐熱設計が厳しく求められることがある。

特許文献１に記載の風車にあっては、発電機内において熱交換した空気が通気路としてのハブ内を通過するに過ぎない。したがって、発電機内において既に加熱された空気がハブ内の発熱部と接触しても大きな冷却効果は期待できない。また、ハブ内全体が主軸からブレードへの通気路として利用されているため、ハブ内の特定個所に配置された発熱部を冷却するための好個の通気路が確保できず、冷却効果が確保できない。

本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、簡素な構成でコスト性、整備性、信頼性に優れ、効率的、効果的にハブ内の発熱部を冷却することができる風車を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するための請求項１に記載の発明は、ブレードがハブを介して主軸に取り付けられてなり、
前記ハブの表面に吸気口が設けられ、
前記ブレードの翼先端部に排気口が設けられ、
前記吸気口から流入した空気を前記ハブ内の発熱部に導くダクトを備え、
前記発熱部が配置される前記ハブ内の空間と前記排気口とが前記ブレード内の空間を介して連通してなる風車である。

請求項２に記載の発明は、前記吸気口が前記ハブの先端部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の風車である。

請求項３に記載の発明は、前記ブレードのピッチを制御するピッチ制御装置が前記ハブ内に設置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の風車である。

請求項４に記載の発明は、前記排気口は前記ブレードの水抜き用の排水口を兼ねていることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載の風車である。

ロータが回転している時は、ハブ表面の圧力は大きく変化しないのに対して、翼先端部は渦を発生させつつ高速で移動しているためにその付近は低圧になる。本発明によれば、この両者の圧力差により、ハブ表面の吸気口から外気が吸気されハブ内に流入し、吸気口からハブ内に流入する空気がダクトによりハブ内の発熱部に導かれ発熱部から吸熱しつつ発熱部を通過し次いでブレード内へ流入して翼先端部の排気口から排気されることにより、ハブ内の発熱部を効果的に冷却することができるという効果がある。

ピッチ制御装置などのハブ内に設置される駆動機器は、専らロータ回転中に働くため、専らロータ回中に発熱する。本発明によれば、冷却が必要なロータ回転中にハブ内の発熱部を冷却するための気流を起こし、ロータ停止中にその気流を起こさないから効率的に冷却することができる。
また、ハブ内の気流を発生させるために風力エネルギーを電気などの他のエネルギー形態に変換せずそのまま利用するから、電力を必要とする冷却ファンによる場合に比較してエネルギー効率が良い。

また、本発明によれば、吸気口、排気口及び、吸気口からハブ内の発熱部まで導くダクトという簡素で故障の少ない構成を付加することにより実施可能であるから、コスト性、整備性、信頼性に優れた風車を実現できるという効果がある。排気口としてはブレードに既存の水抜き用の排水口を利用することができる。

以下に本発明の一実施の形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。

図１は、本実施の形態に係る水平軸型風車１の概要を示す斜視図である。水平軸型風車１は、タワー１０と、このタワー１０の頂部に取り付けられたナセル２０と、このナセル２０に略水平方向に延在して軸支された（図示されていない）主軸と、この主軸にハブ３１を介して取り付けられた２枚のブレード３２ａ、３２ｂとを備えている。

ナセル２０は、その内部に発電機、ギアボックス、コントローラ等の各種機器を搭載しており、タワー１０の頂部に回動自在に取り付けられる。
ロータ３０は、主軸の一端に取り付けられたハブ３１と、このハブ３１に取り付けられた２枚のブレード３２ａ、３２ｂとを有するものである。

本実施の形態に係る水平軸型風車１は、ロータ３０の各ブレード３２ａ、３２ｂのピッチを独立して可変制御するピッチ制御装置を備える。このピッチ制御装置について、ロータ３０のハブ３１からブレード３２ａを取り外した状態の斜視図である図２を用いて説明する。

図２に示すように、ハブ３１にはベアリング３１ａを介してリングギア３１ｂが回動自在に取り付けられており、このリングギア３１ｂにブレード３２ａの翼根部が取り付けられる。ハブ３１の内部には、ピニオン３１ｃを有するアクチュエータ３１ｄが設けられており、このピニオン３１ｃはリングギア３１ｂと噛み合っている。そして、図示していないモータによってアクチュエータ３１ｄのピニオン３１ｃを回転させ、リングギア３１ｂを回転させることによってブレード３２ａを回転させてブレード３２ａのピッチを変化させることができる。

これらベアリング３１ａ、リングギア３１ｂ、ピニオン３１ｃ及びアクチュエータ３１ｄと同一の構成要素がブレード３２ｂ側にも設けられており、ブレード３２ａ、３２ｂのピッチを独立に変化させることができる。なお、ブレード３２ａ駆動用のアクチュエータ３１ｄ及びブレード３２ｂ駆動用のアクチュエータは外部電源から電力を得ており、モータ及び制御装置によって駆動制御される。以上説明したベアリング３１ａ、リングギア３１ｂ、ピニオン３１ｃ、アクチュエータ３１ｄ、モータ及び制御装置等によって、ピッチ制御装置が構成される。

リングギア３１ｂの内側は開口しており、ハブ３１の内部空間と外部とを連通させている。リングギア３１ｂにブレード３２ａ（３２ｂ）の翼根部が取り付けられると、リングギア３１ｂの内側の開口と、ブレード３２ａ（３２ｂ）の翼根部の底面の開口とが接続される。
ハブ３１の先端部には吸気口２が設けられ、ハブ３１内に配置されたダクト３の一端が吸気口２に接続する。吸気口２には塵埃等がハブ３１内に進入しないようにフィルタを設けることが好ましい。

図３に、ハブ３１及びブレード３２ａ，３２ｂの断面模式図を示す。
図３に示すように、吸気口２は回転軸Ａ上若しくは吸気口２を回転軸Ａ上に配置することができない場合でも、できるだけ回転軸Ａに近い位置に配置する。ロータ回転中に吸気口２付近を翼先端部付近に対してより高圧に保持するためである。
吸気口２に一端が接続されたダクト３の出口３ａは、ハブ３１内の冷却を要する発熱部４ａ，４ｂにダクト３から流出する気流が吹き当たるように配置する。冷却を要する発熱部４ａ，４ｂは、上述したチッピ制御装置などの発熱する機器の全体又は部分である。ダクト３から流出する気流はロータ半径方向に流れるので、これを計算して出口３ａを配置する。ダクト３の出口３ａを２以上設けたり、ダクト３を二股にしたりなど、ダクト３の構造を工夫して冷却を要する発熱部４ａ，４ｂに気流が吹き当たるようにする。また、吸気口とダクトをそれぞれ２以上設け、各吸気口に１つずつダクトを接続しても良い。

上述したように、リングギア３１ｂにブレード３２ａ（３２ｂ）の翼根部が取り付けられると、リングギア３１ｂの内側の開口と、ブレード３２ａ（３２ｂ）の翼根部底面の開口とが接続される。図３に示すようにブレード３２ａ（３２ｂ）の翼根部底面の開口は、ブレード３２ａ（３２ｂ）内の空間を介して、ブレード３２ａ（３２ｂ）の翼先端部に設けられた排気口５ａ（５ｂ）まで連通している。通常、プレード内には桁など補強部材が設置されるが、これらの図示を省略する。この排気口５ａ（５ｂ）はブレード３２ａ（３２ｂ）の水抜き用の排水口を兼ねている。このように翼先端部の排気口５ａ（５ｂ）は、既存のブレードに形成されている水抜き用の孔をそのまま利用することとすれば、新たな加工の手間がかからない。３枚以上のブレードを有する風車に本発明を適用する場合も、各ブレードに排気口を設け、発熱部が配置されるハブ内の空間と各排気口とがブレード内の空間を介して連通する構造にする。

以上の本実施形態の風車によれば、ロータ３０が回転することにより、ブレード３２ａ、３２ｂ先端の排気口５ａ，５ｂ付近の気圧は低下する。これに対し、吸気口２付近の気圧は、吸気口２が回転軸Ａ上若しくは回転軸Ａに近いため、大きく変化しない。これにより吸気口２付近と排気口５ａ，５ｂ付近とで気圧差が生じ、吸気口２から外気が吸引されてダクト３へと流入する。ダクト３へと流入した空気はダクト３の出口３ａから放出される。ダクト３の出口３ａから放出された空気は、ハブ３１内の発熱部４ａ，４ｂに吹き当たり、発熱部４ａ，４ｂから吸熱して暖められ、各ブレード３２ａ，３２ｂ内に進み、各排気口５ａ，５ｂから風車１の外へ排出される。以上によりハブ３１内の発熱部４ａ，４ｂが冷却される。

以上の実施形態に拘わらず、吸気口はハブの表面のどの位置に設けてもよいが、回転軸Ａにできるだけ近い位置に配置することが好ましい。本実施形態のように吸気口をハブ３１の先端部に設けると、吸気口を回転軸Ａに近い位置に配置することができる。
本発明者によると、ダクト３・翼内部、その他、吸気口２のフィルタなどのロスとして90%を見込み、翼端速度を約70m/sec、圧力係数-2を想定した場合、排気口５ａの面積の10倍程度の吸気口３を設けることで、10m/sec程度の流入風速が期待できると試算できた。

従来、発熱量の大きい機器に取り付けられた放熱フィンの周囲でほとんど気流が発生せず、冷却効果が低かった風車があったが、本発明の適用により安定した強い気流が確保され、その冷却性能が大幅に改善する。加えて、ファンにより強制冷却する場合と比較して、システムが大幅に簡素化するため、コスト・信頼性・整備性においても改善する。

本発明の一実施の形態に係る水平軸型風車の斜視図である。 図１に示した水平軸型風車のピッチ制御機構の構成を説明するためのハブ部分の斜視図である。 本発明の一実施の形態に係る水平軸型風車の側面模式図であり、ハブ及びブレードに関してはロータ回転軸及びブレード軸を通る断面を描いた図である。

符号の説明

１ 水平軸型風車
２ 吸気口
３ ダクト
４ａ，４ｂ 発熱部
５ａ，５ｂ 排気口
１０ タワー
２０ ナセル
３０ ロータ
３１ ハブ
３１ａ ベアリング
３１ｂ リングギア
３１ｃ ピニオン
３１ｄ アクチュエータ
３２ａ、３２ｂ ブレード

Claims (4)

1. ブレードがハブを介して主軸に取り付けられてなり、
   前記ハブの表面に吸気口が設けられ、
   前記ブレードの翼先端部に排気口が設けられ、
   前記吸気口から流入した空気を前記ハブ内の発熱部に導くダクトを備え、
   前記発熱部が配置される前記ハブ内の空間と前記排気口とが前記ブレード内の空間を介して連通してなる風車。
2. 前記吸気口が前記ハブの先端部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の風車。
3. 前記ブレードのピッチを制御するピッチ制御装置が前記ハブ内に設置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の風車。
4. 前記排気口は前記ブレードの水抜き用の排水口を兼ねていることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載の風車。

Images