JP2014227833A - 風車ブレードのピッチ角制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】簡単な構成で、ブレードのピッチ角を制御することができる風車ブレードのピッチ角調整装置を提供する。【解決手段】ハブと、ブレードと、上記ブレードが取り付けられるブレード軸と、上記ハブに一体的に設けられるとともに、上記ブレード軸が挿通されるスリーブと、ブレード軸を一方向に回転付勢する上記ブレードと同数のコイルばねとを備え、上記コイルばねは一端が上記ブレード軸の端部に固定され、他端は所定以上の風圧を受けたときの上記ブレード軸の回転方向とは逆側にある他のブレード軸の端部に固定され、所定以上の風圧を受けた場合に、上記ブレードが上記ブレード軸周りに回転するのと連動して上記コイルばねが伸張する。【選択図】図3
Description
本発明は、風力発電用風車において、一定速度を超える風が吹いたときに、ブレードのピッチ角を大きくして風車の回転を制御する風車ブレードのピッチ角制御装置に関する。
風力発電用風車では、強風で風車の回転速度が過大となりダメージを生ずる事態を防止するため、風車の各ブレードにおける、風と垂直な面からのブレード軸周りの傾き(ピッチ角)を強風時に大きくするピッチ制御機構が設けられている。ピッチ制御機構としては、油圧駆動のアームを解してブレードを押すものや、電気駆動のパワーシリンダを用いたものや、風速計と連動して電気制御するもの等が知られている。
本発明は、上記のように複雑な機構を用いることなく、低コストで実現可能な風車ブレードのピッチ角調整装置を提供することを目的とする。
本発明に係る風車ブレードのピッチ角制御装置は、ハブと、ブレードと、上記ブレードが取り付けられるブレード軸と、上記ハブに一体的に設けられるとともに、上記ブレード軸が挿通されるスリーブと、ブレード軸を一方向に回転付勢する上記ブレードと同数のコイルばねとを備える。上記コイルばねは一端が上記ブレード軸の端部に固定され、他端は所定以上の風圧を受けたときの上記ブレード軸の回転方向とは逆側の上記ハブ上に固定され、所定以上の風圧を受けた場合に、上記ブレードが上記ブレード軸周りに回転するのと連動して上記コイルばねが伸張する。
または、上記コイルばねは一端が上記ブレード軸の端部に固定され、他端は所定以上の風圧を受けたときの上記ブレード軸の回転方向とは逆側にある他のブレード軸の端部に固定され、所定以上の風圧を受けた場合に、上記ブレードが上記ブレード軸周りに回転するのと連動して上記コイルばねが伸張する。
別の例において、ハブと、ブレードと、上記ブレードが取り付けられるブレード軸と、上記ハブに一体的に設けられるとともに、上記ブレード軸が挿通されるスリーブと、ブレード軸を一方向に回転付勢する上記ブレードと同数の板ばねとを備える。上記板ばねは一端が上記ブレード軸の端部に固定され、他端が所定以上の風圧を受けたときの上記ブレード軸の回転方向と同じ側の上記ハブ上に固定され、所定以上の風圧を受けた場合には、ブレードがブレード軸周りに回転するのと連動して上記板ばねが湾曲する
さらに、上記ブレード軸の端部には、通常時に上記ハブ上に接触して上記ブレード軸の回転を規制する第1回転規制部と、所定以上の風圧を受けたときに上記ハブ上に接触して上記ブレード軸の過回転を防止する第2回転規制部のいずれか、または双方を有し、
上記ブレード軸の回転を規制する。
上記ブレード軸の回転を規制する。
本発明は、コイルばね又は板ばねを用いた簡単な構成で、ブレードのピッチ角を制御することができ、所定以上の風圧を受けたときにも、ピッチ角が大きくなることで過回転が防止され、ブレードや発電機が損傷することを防止することができる。
以下、本発明を適用した風車ブレードのピッチ角制御装置について、図面を参照して説明する。
図1に示すように、本発明が適用された風力発電用風車1は、一般に、増速機や発電機等を収納したナセル4の増速機と接続された回転軸に設けられたハブ2と、ハブ2に複数取り付けられるブレード3,3,3とを備えている。風力発電は、発電機の能力(定格出力)が限られているため、一定速度を超える風が吹いた時には、風車による出力(回転)を制御する必要がある。そこで、各ブレード3の付け根部分、すなわちハブ2の内部には、ピッチ制御装置12が設けられている。このピッチ制御装置12は、台風等で風速が速いとき、風車の回転を下げて、回転速度が過大となりブレードや発電機が損することを防止する。
以上のような風力発電用風車1は、一般に、風速1.5〜3m/秒程度でカットインし、風車が回転しだし、風速10〜25m/秒程度でカットアウトし、風車が低速回転する仕様となっている。強風の状態でない通常の風環境のときにおいて、ブレード3は、図5(A)に示すように、ピッチ角も小さく、例えば10度程度となっている。したがって、風力発電用風車1は、風を受けて通常の回転数で回転する。
一方、風速10m/秒を超える強風の時には、図5(B)に示すように、ブレード3は、風圧によって押され、コイルばねが伸長する方向に、その付勢力に抗して矢印D1方向に回動する。これにより、ブレード3は、ピッチ角が例えば90度程度にまで大きくなり、風に対する抗力が小さくなることにより、風車1は回転数を落としカットアウトする。これにより、風力発電用風車1は、過回転が防止され、ブレード3や発電機が損傷することを防止することができる。
図2は本発明のコイルばねを用いた実施例にかかる風車ブレードのピッチ角制御装置を表した図である。
ハブ2にはブレード軸11を挿通するための挿通孔20があけられている。さらに、挿通孔20にはスリーブ13が溶接により固定されている。なお、スリーブ13は接着剤やネジ止め等によって固定する方法でもよい。またスリーブ13は防錆性に優れた例えばステンレス製であることが望ましい。ブレード軸11はこのハブ2に設けられたスリーブ13に挿通されるが、このスリーブ13とブレード軸11との間にはボールベアリングが設けられており、スリーブ13内をブレード軸11が回動するように作用するとともに、ブレード軸11が軸方向にスライドするのを制止する。
ブレード軸11の端部にはネジ溝が設けられ、ハブ2の内部において、挿通孔20より大径の抜け止めとなるナット等の抜け止め部材15により締め付けられる。さらに抜け止め部材15及びブレード軸11には貫通孔が形成され、弛み止めとなる回転規制部材14が挿通されている。なお、抜け止め部材15以外のブレード軸11の端部に回転規制部材14が挿通されていてもよい。回転規制部材14は一般的なボルトが用いられる。なお、その他の部材、例えばナットの弛み止めとなる割りピンや、スプリングピン等のピンが挿通されていてもよい。
ブレード軸11先端の回転規制部材14の一端にはコイルばね16の一端が係止されて取り付けられている。なお、回転規制部材14の軸部にコイルばね16の先端を係止してもよいし、直接溶接して取り付けてもよい。一方、コイルばね16の他端は強風時におけるブレード軸11の回転方向とは反対側のハブ2上にコイルばね固定ネジ18により取り付けられる。なお、溶接してハブ2上に取り付けてもよいし、他のブレード軸11の先端にある回転規制部材14に係止するか又は溶接してもよい。
図6はコイルばねを用いた実施例におけるコイルばねの働きを表した図である。
図6(A)は通常のブレード軸の状態を表している。ブレード軸11はコイルばね16によりD2方向へと付勢され、さらにボルトなどの回転規制部材14によって通常時に第1回転規制部21がハブ2上に当接して回転が規制されている。なお、この状態ではピッチ角はおおよそ10度の角度で保たれているため風速1.5〜3m/秒程度でカットインできる。
強風時には反付勢方向D1にブレード軸11が回転し、これと連動してコイルばね16も反付勢方向である反矢印D1方向へと伸張し、ピッチ角はおよそ90度の角度になりカットアウトする。このときネジなどの回転規制部材14の他端が強風時に第2回転規制部22がハブ2上に接触することでブレード軸11の回転が停止し、過回転を防止するようにする。一方で風圧が一定以下になると、図6(B)で表されるようにコイルばね16の伸縮力により付勢方向D2へとブレード軸11が回転する力が加わり、第1回転規制部21がハブ2上に当接することでブレード軸11のピッチ角を通常の角度に戻すことができる。なお、第1回転規制部21及び第2回転規制部22はボルトで構成するのではなく、ブレード軸11や抜け止め部材15に一体的に設けた突起で構成するようにしてもよい。
図3はコイルばねを用いた別の実施例に係るピッチ制御装置を表した図である。
回転規制部材14の一端にはコイルばね16の一端が係止されて取り付けられているのは上記実施例と同様であるが、他端であるコイルばね16の基端23が所定以上の風圧を受けたときの上記ブレード軸の回転方向とは逆側にある他のブレード軸の端部に固定されていることに特徴を有する。
これにより、図3における3本のコイルばね16はブレード軸11の回転と連動して同時に伸張するため、各ブレード3の動きを同期させることができる。また、コイルばね16の基端23をハブ2上に固定するよりもコイルばね16の伸張が大きくなるため、復元力も大きくなる。
図4は本発明の板ばねを用いた実施例にかかる風車ブレードのピッチ角制御装置を表した図である。ばねの構成以外の基本的構成はコイルばねを用いた実施例と同様であるため、異なる部分を中心に説明する。
ブレード軸11先端又は抜け止め部材15には板ばね17の一端が板ばね固定ネジ19により取り付けられる。なお、ブレード11軸の先端又は抜け止め部材15に溶接して取り付けてもよい。板ばね17の他端は強風時におけるブレード軸11の回転方向と同じ側に板ばね固定ネジ19により取り付けられる。この場合も、ハブ2上に溶接することで固定してもよい。
図7は板ばねを用いた実施例における板ばねの働きを表した図である。
図7(A)は通常のブレード軸の状態を表している。ブレード軸11は板ばね17により一方向へと付勢され、さらにネジなどの回転規制部材14によって係止されていることが望ましく、この状態ではピッチ角はおおよそ10度の角度で保たれている。
強風時には反付勢方向D1にブレード軸11が回転し、これと連動して板ばね17がそるように湾曲する。一方で風圧が一定以下になると、図7(B)で表されるように、板ばね17の弾性力により付勢方向D2へとブレード軸11が回転する力が加わり、ブレード軸11のピッチ角を通常の角度に戻すことができる。
なお、本発明は水平軸風車の中でもプロペラ型に好適に適用可能であり、適用の際、ブレードの枚数は、2枚でも3枚でも4枚でもよく、特に限定されるものではない。また、本発明におけるピッチ角制御装置12で用いられるコイルばね16は伸張と収縮を行う一般的なばねであればその種類を問わない。同様に、板ばね17も湾曲と弾性力による復元を伴うものであればいずれのものでもよい。ばねの種類やばね特性を調整することによって、例えば風速に応じて漸次ピッチ角を制御するようにしても良く、これにより、風車の回転数をより安定させることが望ましい。
1 風力発電用風車、2 ハブ、3 ブレード、4 ナセル、11 ブレード軸、12 ピッチ角制御装置、13 スリーブ、14 回転規制部材、15 抜け止め部材、16 コイルばね、17 板ばね、18 コイルばね固定ネジ、19 板ばね固定ネジ、20 挿通孔、21 第1回転規制部、22 第2回転規制部、23 基端、D1 反付勢方向、D2 付勢方向
本発明に係る風車ブレードのピッチ角制御装置は、ハブと、ブレードと、上記ブレードが取り付けられるブレード軸と、上記ハブに一体的に設けられるとともに、上記ブレード軸が挿通されるスリーブと、ブレード軸を一方向に回転付勢する上記ブレードと同数のコイルばねとを備え、上記コイルばねは一端が上記ブレード軸の端部に固定され、他端が所定以上の風圧を受けたときの上記ブレード軸の回転方向とは逆側にある他のブレード軸の端部に固定され、さらに、上記ブレード軸の端部には、通常時に上記ハブ上に接触して上記ブレード軸の回転を規制する第1回転規制部と、所定以上の風圧を受けたときに上記ハブ上に接触して上記ブレード軸の過回転を防止する第2回転規制部のいずれか、または双方を有し、所定以上の風圧を受けた場合に、上記ブレードが上記ブレード軸周りに回転するのと連動して上記コイルばねが伸張すると共に、上記ブレード軸の過回転を規制する。
Claims (4)
- ハブと、
ブレードと、
上記ブレードが取り付けられるブレード軸と、
上記ハブに一体的に設けられるとともに、上記ブレード軸が挿通されるスリーブと、
ブレード軸を一方向に回転付勢する上記ブレードと同数のコイルばねとを備え、
上記コイルばねは一端が上記ブレード軸の端部に固定され、他端が所定以上の風圧を受けたときの上記ブレード軸の回転方向とは逆側の上記ハブ上に固定され、
所定以上の風圧を受けた場合に、上記ブレードが上記ブレード軸周りに回転するのと連動して上記コイルばねが伸張することを特徴とする風車ブレードのピッチ角制御装置。 - ハブと、
ブレードと、
上記ブレードが取り付けられるブレード軸と、
上記ハブに一体的に設けられるとともに、上記ブレード軸が挿通されるスリーブと、
ブレード軸を一方向に回転付勢する上記ブレードと同数のコイルばねとを備え、
上記コイルばねは一端が上記ブレード軸の端部に固定され、他端が所定以上の風圧を受けたときの上記ブレード軸の回転方向とは逆側にある他のブレード軸の端部に固定され、
所定以上の風圧を受けた場合に、上記ブレードが上記ブレード軸周りに回転するのと連動して上記コイルばねが伸張することを特徴とする風車ブレードのピッチ角制御装置。 - ハブと、
ブレードと、
上記ブレードが取り付けられるブレード軸と、
上記ハブに一体的に設けられるとともに、上記ブレード軸が挿通されるスリーブと、
ブレード軸を一方向に回転付勢する上記ブレードと同数の板ばねとを備え、
上記板ばねは一端が上記ブレード軸の端部に固定され、他端が所定以上の風圧を受けたときの上記ブレード軸の回転方向と同じ側の上記ハブ上に固定され、
所定以上の風圧を受けた場合には、ブレードがブレード軸周りに回転するのと連動して上記板ばねが湾曲することを特徴とする風車ブレードのピッチ角制御装置。 - さらに、上記ブレード軸の端部には、
通常時に上記ハブ上に接触して上記ブレード軸の回転を規制する第1回転規制部と、
所定以上の風圧を受けたときに上記ハブ上に接触して上記ブレード軸の過回転を防止する第2回転規制部のいずれか、または双方を有し、
上記ブレード軸の回転を規制することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の風車ブレードのピッチ角制御装置。
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