JP2008291789A - 風力発電装置のピッチ駆動装置および風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ピッチ駆動装置の信頼性が損なわれることを防止することができる風力発電装置のピッチ駆動装置および風力発電装置を提供する。
【解決手段】 ロータヘッドに対して軸線回りに風車回転翼を回動駆動してピッチ角を変更するシリンダ１２およびロッド１３と、ロータヘッドとの間で、シリンダ１２を風車回転翼の軸線と略平行に延びる第１回動軸線Ｌ１、および、第１回動軸線Ｌ１とシリンダ１２およびロッド１３の軸線とのそれぞれに対して交差する方向に延びる第２回動軸線Ｌ２回りに回動可能に支持するシリンダ軸受け１４，１５と、ロッド１３の端部を、風車回転翼の端面に回動可能に支持するロッド軸受け１６と、が設けられていることを特徴とする。
【選択図】 図５

Description

本発明は、風力発電装置のピッチ駆動装置および風力発電装置に関する。

風力発電装置に用いられる風車には、風車回転翼のピッチ角が固定された風車と、ピッチ角が可変の風車とが知られている。
上述の風車回転翼のピッチ角を変更させる機構としては、例えば、油圧シリンダにおけるロッドの直線移動を、風車回転翼の軸線回りの回転に変換する機構が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

上述の特許文献１に記載された機構の他にも、油圧シリンダをロータヘッドにトラニオン構造により１軸回りに回転可能に支持するとともに、ロッドの端部を風車回転翼に１軸回りに回転可能に支持するピッチ可変構成が知られている。

このピッチ可変構成によれば、油圧シリンダおよびロッドが、風車回転翼の軸線に対して垂直な面内で、トラニオン構造を中心に回動可能に保持される。ロッドの端部が風車回転翼の軸線から離れた位置で支持されているため、ロッドの直線移動が、風車回転翼の軸線回りの回転に変換されていた。
特開平５−１９４２３７号公報

しかしながら、このようなピッチ駆動機構においては、風力発電設備が大型化する等の理由により、油圧シリンダおよびロッドのストロークが長くなった場合、トラニオン構造と油圧シリンダとの間の取り付け部の構造が変形しやすくなり、トラニオン構造の回転軸線と直交する軸線回りに働く負荷が大きくなる恐れがあった。
さらに、大型化した風車回転翼に働く力により、風車回転翼の付け根やロータヘッド自体が変形を起こす可能性があり、トラニオン構造の回転軸線と直交する軸線回りに働く負荷が大きくなる恐れがあった。

このような負荷が大きくなると、油圧シリンダのシールが磨耗したり、トラニオン構造にかかる構造負担が大きくなったりして、ピッチ駆動機構の長期にわたる信頼性が損なわれる可能性があるという問題があった。

上述の問題以外にもピッチ駆動機構においては、油圧シリンダのシールの磨耗等を防止するため、風車回転翼の回転面に対する平行度の要求が厳しく、ピッチ駆動機構の組み立て作業には注意を払う必要があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、ピッチ駆動装置の信頼性が損なわれることを防止することができる風力発電装置のピッチ駆動装置および風力発電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の風力発電装置のピッチ駆動装置は、ロータヘッドに対して軸線回りに風車回転翼を回動駆動してピッチ角を変更するシリンダおよびロッドと、前記ロータヘッドとの間で、前記シリンダを前記風車回転翼の軸線と略平行に延びる第１回動軸線、および、該第１回動軸線と前記シリンダおよびロッドの軸線とのそれぞれに対して交差する方向に延びる第２回動軸線回りに回動可能に支持するシリンダ軸受けと、前記ロッドの端部を、前記風車回転翼の端面に回動可能に支持するロッド軸受けと、が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、シリンダおよびロッドは風車回転翼の軸線と略平行な第１回動軸線、および、それに交差する第２回動軸線回りに回動可能に支持されている。そのため、例えば、風車回転翼が風力を受け、ロータヘッドと風車回転翼との取り付け部に発生する歪みによりシリンダおよびロッドに働く力は、シリンダおよびロッドが第２回動軸線回りに回動することにより吸収される。
一方、シリンダおよびロッドが伸縮することにより風車回転翼は軸線回りに回動され、ピッチ角が変更される際には、シリンダおよびロッドは、風車回転翼の回動につれて第１回動軸線回りに回動される。

そのため、シリンダおよびロッドに対して曲げ方向に働く力は、シリンダ軸受けにより吸収され、シリンダのシール部等の磨耗促進を防止できる。さらに、本発明のピッチ駆動装置の組み立ての際に要求される組み立て公差の緩和を図ることができる。

上記発明においては、前記シリンダ軸受けには、前記シリンダから前記第１回動軸線と略平行に延びる第１トラニオンと該第１トラニオンを回動可能に支持する第１ブラケットとを有する第１シリンダ軸受けと、前記第１ブラケットから前記第２回動軸線と略平行に延びる第２トラニオンと該第２トラニオンを回動可能に支持する第２ブラケットとを有する第２シリンダ軸受けと、が設けられていることが望ましい。

本発明によれば、シリンダおよびロッドは第１シリンダ軸受けにより、第１回動軸線回りに回動可能に支持され、シリンダ、ロッドおよび第１シリンダ軸受けは、第２シリンダ軸受けにより、第２回動軸線回りに回動可能に支持される。
そのため、ロータヘッドと風車回転翼との取り付け部に発生する歪みによりシリンダおよびロッドに働く力は、シリンダ、ロッドおよび第１シリンダ軸受けが第２回動軸線回りに回動することにより吸収される。一方、風車回転翼のピッチ角が変更される際には、シリンダおよびロッドは風車回転翼の回動につれて第１回動軸線回りに回動される。

上記発明においては、前記ロッド軸受けは、球面軸受けであることが望ましい。

本発明によれば、ロッド軸受けとして球面軸受けを用いることで、ロッドの端部と風車回転翼との間においても、シリンダおよびロッドに働く曲げ方向の力がロッド軸受けにより吸収される。そのため、シリンダのシール部等の磨耗促進をより確実に防止できとともに、本発明のピッチ駆動装置の組み立ての際に要求される組み立て公差をより緩和することができる。

本発明の風力発電装置のピッチ駆動装置は、風力を受ける複数の風車回転翼と、該風車回転翼を前記風車回転翼の軸線回りに回動可能に支持するとともに、前記風車回転翼により回転駆動されるロータヘッドと、上記本発明に記載のピッチ駆動装置と、前記ロータヘッドの回転により発電を行う発電設備と、が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、上記本発明のピッチ駆動装置を用いることにより、ピッチ駆動装置の信頼性が損なわれること防止されるため、風力発電装置としての信頼性が損なわれることを防止することができる。

本発明の風力発電装置のピッチ駆動装置および風力発電装置によれば、ロータヘッドと風車回転翼との取り付け部に発生する歪みによりシリンダおよびロッドに働く力は、シリンダおよびロッドが第２回動軸線回りに回動することにより吸収される。一方、ピッチ角が変更される際には、シリンダおよびロッドは風車回転翼の回動につれて第１回動軸線回りに回動される。つまり、シリンダおよびロッドに対して曲げ方向に働く力はシリンダ軸受けにより吸収されるため、ピッチ駆動装置の信頼性が損なわれることを防止することができるという効果を奏する。

この発明の一実施形態に係る風力発電装置について、図１から図６を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る風力発電装置の構成を説明する図である。
風力発電装置１は、図１に示すように、風力発電を行うものである。風力発電装置１には、基礎Ｂ上に立設された支柱２と、支柱２の上端に設置されたナセル３と、略水平な軸線周りに回転可能にしてナセル３に設けられたロータヘッド４と、ロータヘッド４を覆う頭部カプセル５と、ロータヘッド４の回転軸線周りに放射状に取り付けられる複数枚の風車回転翼６と、ロータヘッド４の回転により発電を行う発電設備７と、が設けられている。

なお、本実施形態では、３枚の風車回転翼６が設けられた例に適用して説明するが、風車回転翼６の数は３枚に限られることなく、２枚の場合や、３枚より多い場合に適用してもよく、特に限定するものではない。

支柱２は、図１に示すように、基礎Ｂから上方（図１の上方）に延びる柱状の構成とされ、例えば、複数のユニットを上下方向に連結した構成とされている。支柱２の最上部には、ナセル３が設けられている。支柱２が複数のユニットから構成されている場合には、最上部に設けられたユニットの上にナセル３が設置されている。
ナセル３は、図１に示すように、ロータヘッド４を回転可能に支持するとともに、内部にロータヘッド４の回転により発電を行う発電設備７が収納されている。

図２は、図１のロータヘッドの構成を説明する部分拡大図である。
ロータヘッド４には、図１および図２に示すように、その回転軸線周りに放射状にして複数枚の風車回転翼６が取り付けられ、その周囲は頭部カプセル５により覆われている。

ロータヘッド４には、風車回転翼６の軸線回りに風車回転翼６を回転させて、風車回転翼６のピッチ角を変更するピッチ駆動装置１１が各風車回転翼６に対応して１対１に設けられている。
これにより、風車回転翼６にロータヘッド４の回転軸線方向から風が当たると、風車回転翼６にロータヘッド４を回転軸線周りに回転させる力が発生し、ロータヘッド４が回転駆動される。

図３は、図２のピッチ駆動部および風車回転翼の位置関係を説明する模式図である。
ピッチ駆動装置１１は、図２および図３に示すように、ロータヘッド４と風車回転翼６との間に配置され、風車回転翼６を軸線回りに回動させ、ピッチ角を制御するものである。
ピッチ駆動装置１１には、伸縮することによりピッチ角を制御するシリンダ１２およびロッド１３と、ロータヘッド４とシリンダ１２との間に配置された第１シリンダ軸受け（シリンダ軸受け）１４および第２シリンダ軸受け（シリンダ軸受け）１５と、風車回転翼６とロッド１３との間に配置されたロッド軸受け１６と、が設けられている。

図４は、図２のピッチ制御部の構成を説明する模式図であり、図５は、図４のピッチ駆動部の構成を説明する分解模式図である。
シリンダ１２は、図３から図５に示すように、内部にロッド１３が配置された円筒状の部材であって、内部に油などの加圧された流体が供給されることにより、ロッド１３をシリンダ１２の軸線に沿って押し出したり、引き入れたりするものである。
シリンダ１２は、第１シリンダ軸受け１４および第２シリンダ軸受け１５とともに、ロータヘッド４に配置されている。さらにシリンダ１２はロッド１３とともに、風車回転翼６の端面と略平行な面、つまり、Ｙ−Ｚ平面と略平行に延びるように配置されている。

ロッド１３は、円柱状に形成された部材であって、シリンダ１２の軸線と略同軸に配置され、当該軸線に沿って直線移動可能に配置されたものである。
ロッド１３の先端にはロッド軸受け１６が配置され、ロッド軸受け１６を介して風車回転翼６の端面に回動可能に固定されている。ロッド軸受け１６は、球面軸受けとして構成され、図中のＸ軸線、および、Ｙ軸線回りの回動を吸収するものである。

第１シリンダ軸受け１４は、シリンダ１２を風車回転翼６の軸線、つまりＸ軸線に沿って延びるインナー軸線（第１回同軸線）Ｌ１回りに回動可能に支持する軸受けである。
第１シリンダ軸受け１４は、図４および図５に示すように、一対のシリンダトラニオン（第１トラニオン）２１と、一対のインナーブラケット（第１ブラケット）２２とを備えている。

一対のシリンダトラニオン２１は、シリンダ１２の円筒面から、風車回転翼６の軸線方向、つまりＸ軸線方向沿って延びる円筒状の部材である。
一対のインナーブラケット２２は、シリンダ１２およびシリンダトラニオン２１をＹ軸の正方向および負方向から挟み、シリンダ１２をインナー軸線Ｌ１回りに回動可能に支持するものである。

一のインナーブラケット２２における他のインナーブラケット２２と対向する面には、シリンダトラニオン２１が収められる半円筒状のインナー凹部２３が形成されている。さらに、インナーブラケット２２とシリンダ１２との間には、インナー軸線Ｌ１回りにシリンダ１２の回動を許容する隙間が形成されている。

インナー凹部２３とシリンダトラニオン２１との間には、インナーブッシュ（図示せず）が配置されている。インナーブッシュの内部にはシリンダトラニオン２１が配置され、インナーブッシュはシリンダトラニオン２１を滑らかに回動させるものである。

第２シリンダ軸受け１５は、シリンダ１２および第１シリンダ軸受け１４をインナー軸線Ｌ１に略直交するＹ軸線に沿って延びるアウター軸線（第２回動軸線）Ｌ２回りに回動可能に支持する軸受けである。
第２シリンダ軸受け１５は、一対のブラケットトラニオン（第２トラニオン）３１と、一対のアウターブラケット（第２ブラケット）３２とを備えている。

一対のブラケットトラニオン３１は、インナーブラケット２２の外面から、Ｙ軸線方向沿って延びる円筒状の部材である。
一対のアウターブラケット３２は、インナーブラケット２２およびブラケットトラニオン３１をＹ軸の正方向および負方向から挟み、シリンダ１２およびインナーブラケット２２をアウター軸線Ｌ２回りに回動可能に支持するものである。

アウターブラケット３２におけるブラケットトラニオン３１と対向する位置には、内部にブラケットトラニオン３１が納められる円筒状のアウター孔３３が形成されている。さらに、アウターブラケット３２とインナーブラケット２２との間には、アウター軸線Ｌ２回りにシリンダ１２およびインナーブラケット２２の回動を許容する隙間が形成されている。

アウター孔３３とブラケットトラニオン３１との間にはアウターブッシュ（図示せず）が配置されている。アウターブッシュの内部にはブラケットトラニオン３１が配置され、アウターブッシュはシリンダトラニオン２１を滑らかに回動させるものである。

発電設備７としては、例えば、図１に示すように、ロータヘッド４の回転駆動力が伝達され発電を行う発電機と、発電機により発電された電力を所定の周波数の交流電力（例えば、５０Ｈｚや６０Ｈｚの交流電力）に変換するトランスと、が設けられているものを挙げることができる。

次に、上記の構成からなる風力発電装置１における発電方法についてその概略を説明する。
風力発電装置１においては、ロータヘッド４の回転軸線方向から風車回転翼６に当たった風の力が、ロータヘッド４を回転軸線周りに回転させる動力に変換される。

このロータヘッド４の回転は発電設備７に伝達され、発電設備７において、電力の供給対象に合わせた電力、例えば、周波数が５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの交流電力が発電される。
ここで、少なくとも発電を行っている間は、風の力を風車回転翼に効果的に作用させ
るため、適宜ナセル３を水平面上で回転させることにより、ロータヘッド４は風上に向けられている。

次に、ピッチ駆動装置１１による風車回転翼６のピッチ角の制御について説明する。
ピッチ駆動装置１１は、図３に示すように、ロッド１３をシリンダ１２から伸ばしたり、引き込んだりすることにより、風車回転翼６を軸線回りに回動させ、ピッチ角を変更させている。

例えば、ロッド１３がシリンダ１２から伸ばされた場合には、ロッド１３の端部は風車回転翼６の軸線から離れた位置に固定されているため、風車回転翼６に軸線回りに回転する力が働く。風車回転翼６が軸線回りに回転すると、シリンダ１２およびロッド１３は、第１シリンダ軸受け１４によりインナー軸線Ｌ１回りに回動する。同時に、ロッド軸受け１６においても、ロッド１３と風車回転翼６とが、Ｘ軸と略平行な軸線回りに相対的に回動する。

一方、ロッド１３がシリンダ１２に引き込まれた場合にも、上述の場合と同様にして、風車回転翼６が軸線回りに回動し、シリンダ１２およびロッド１３が第１シリンダ軸受け１４によりインナー軸線Ｌ１回りに回動する。

次に、本実施形態の特徴であるピッチ駆動装置１１における風車回転翼６の付け根とロータヘッド４の間の相対的な変形の吸収について説明する。
図６は、図２のピッチ駆動部における風車回転翼等の変形の吸収を説明する模式図である。
例えば、風力が強い場合など、風車回転翼６にかかる負荷が高くなると、図６の点線で示すように、風車回転翼６の付け根やロータヘッド４などに変形が発生する。この場合、風車回転翼６の端面がＹ軸回りに回転する変形が発生する。

すると、シリンダ１２およびロッド１３は、第２シリンダ軸受け１５により、アウター軸線Ｌ２回りに回動して、風車回転翼６の付け根（端面）とロータヘッド４の間の相対的な変形が吸収される。

上記の構成によれば、シリンダ１２およびロッド１３は風車回転翼６の軸線と略平行なインナー軸線Ｌ１、および、それに交差するアウター軸線Ｌ２回りに回動可能に支持されているため、風車回転翼６が風力を受け、ロータヘッド４と風車回転翼６との取り付け部に発生する歪みによりシリンダ１２およびロッド１３に働く力は、シリンダ１２およびロッド１３がアウター軸線Ｌ２回りに回動することにより吸収される。
一方、シリンダ１２およびロッド１３が伸縮することにより風車回転翼６は軸線回りに回動され、ピッチ角が変更される際には、シリンダ１２およびロッド１３は、風車回転翼６の回動につれてインナー軸線Ｌ１回りに回動される。

そのため、シリンダ１２およびロッド１３に対して曲げ方向に働く力は、第１シリンダ軸受け１４および第２シリンダ軸受け１５により吸収され、シリンダ１２のシール部等の磨耗促進を防止し、ピッチ駆動装置１１の信頼性が損なわれることを防止することができる。
さらに、本実施形態のピッチ駆動装置１１の組み立ての際に要求される組み立て公差の緩和を図ることができる。

シリンダ１２およびロッド１３は第１シリンダ軸受け１４により、インナー軸線Ｌ１回りに回動可能に支持され、シリンダ１２、ロッド１３および第１シリンダ軸受け１４は、第２シリンダ軸受け１５により、アウター軸線Ｌ２回りに回動可能に支持される。
そのため、ロータヘッド４と風車回転翼６との取り付け部に発生する歪みによりシリンダ１２およびロッド１３に働く力は、シリンダ１２、ロッド１３および第１シリンダ軸受け１４がアウター軸線Ｌ２回りに回動することにより吸収される。一方、風車回転翼６のピッチ角が変更される際には、シリンダ１２およびロッド１３は風車回転翼６の回動につれてインナー軸線Ｌ１回りに回動される。

ロッド軸受け１６として球面軸受けを用いることで、ロッド１３の端部と風車回転翼６との間においても、シリンダ１２およびロッド１３に働く曲げ方向の力がロッド軸受け１６により吸収される。そのため、シリンダ１２のシール部等の磨耗促進をより確実に防止できとともに、本実施形態のピッチ駆動装置１１の組み立ての際に要求される組み立て公差をより緩和することができる。

本発明の一実施形態に係る風力発電装置の構成を説明する図である。 図１のロータヘッドの構成を説明する部分拡大図である。 図２のピッチ駆動部および風車回転翼の位置関係を説明する模式図である。 図２のピッチ制御部の構成を説明する模式図である。 図４のピッチ駆動部の構成を説明する分解模式図である。 図２のピッチ駆動部における風車回転翼等の変形の吸収を説明する模式図である。

符号の説明

１ 風力発電装置
４ ロータヘッド
６ 風車回転翼
７ 発電設備
１１ ピッチ駆動装置
１２ シリンダ
１３ ロッド
１４ 第１シリンダ軸受け（シリンダ軸受け）
１５ 第２シリンダ軸受け（シリンダ軸受け）
１６ ロッド軸受け
Ｌ１ インナー軸線（第１回同軸線）
２１ シリンダトラニオン（第１トラニオン）
２２ インナーブラケット（第１ブラケット）
Ｌ２ アウター軸線（第２回動軸線）
３１ ブラケットトラニオン（第２トラニオン）
３２ アウターブラケット（第２ブラケット）

Claims (4)

1. ロータヘッドに対して軸線回りに風車回転翼を回動駆動してピッチ角を変更するシリンダおよびロッドと、
   前記ロータヘッドとの間で、前記シリンダを前記風車回転翼の軸線と略平行に延びる第１回動軸線、および、該第１回動軸線と前記シリンダおよびロッドの軸線とのそれぞれに対して交差する方向に延びる第２回動軸線回りに回動可能に支持するシリンダ軸受けと、
   前記ロッドの端部を、前記風車回転翼の端面に回動可能に支持するロッド軸受けと、
   が設けられていることを特徴とする風力発電装置のピッチ駆動装置。
2. 前記シリンダ軸受けには、
   前記シリンダから前記第１回動軸線と略平行に延びる第１トラニオンと該第１トラニオンを回動可能に支持する第１ブラケットとを有する第１シリンダ軸受けと、
   前記第１ブラケットから前記第２回動軸線と略平行に延びる第２トラニオンと該第２トラニオンを回動可能に支持する第２ブラケットとを有する第２シリンダ軸受けと、
   が設けられていることを特徴とする請求項１記載の風力発電装置のピッチ駆動装置。
3. 前記ロッド軸受けは、球面軸受けであることを特徴とする請求項１記載の風力発電装置のピッチ駆動装置。
4. 風力を受ける複数の風車回転翼と、
   該風車回転翼を前記風車回転翼の軸線回りに回動可能に支持するとともに、前記風車回転翼により回転駆動されるロータヘッドと、
   請求項１から請求項３に記載のピッチ駆動装置と、
   前記ロータヘッドの回転により発電を行う発電設備と、
   が設けられていることを特徴とする風力発電装置。

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