JP2015232292A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
メンテナンス性を向上させた風力発電装置を提供することを目的とする。
【解決手段】
ブレード１を搭載するハブ１０と、該ハブ１０に接続して回転運動する回転軸１１と、増速機１２と、前記回転軸と前記増速機を接続すると共に、回転軸１１及び増速機１２とは別体で形成され、かつ増速機側端がハブ側端よりも外径が大きいアダプタ継手１３とを備えることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は風力発電装置に関するものであり、特にハブの回転運動を増速機に伝える動力伝達機構に関するものである。

風力発電装置は、再生可能エネルギーの柱として広く導入が進んでいる。風力発電装置では、ブレードを支持するハブの回転動力を発電機に伝達し、発電機ロータを回転させて発電運転を行う。

従来の風力発電装置として、例えば特許文献１に記載されたものがある。該特許文献１では、ブレードを支持してブレードとともに回転するハブと、ハブの内径側に配置されるとともに、ハブに接続されるハブシャフトと、ハブシャフトに接続されるギアボックスと、ギアボックスを介して増速された回転動力を受ける発電機とがナセル内に配置される。ハブシャフトの端部にはコネクションフランジが固定され、該コネクションフランジが増速機の入力フランジとボルト固定される。

風力発電装置においては、動力伝達機構およびその周辺のメンテナンスのため、軸、増速機、および発電機の各々の接続を切り離す作業を行うことがある。

米国特許４７５７２１１号公報

特許文献１に記載された風力発電装置において、増速機とハブシャフトとを完全に切り離すためには、コネクションフランジと増速機の入力フランジとを接続するボルトを緩めた後に、増速機を移動させて前記両フランジを遠ざける。

また、メンテナンス終了後、風力発電装置を再び運転可能な状態に復帰させるためには、コネクションフランジと増速機の入力フランジとをボルト締結可能となる位置まで増速機を正確に移動させ、ボルトを締め付けて固定する。

増速機は一般に質量が大きく、上記移動に手間と時間を要する課題があった。

そこで、本発明はメンテナンス性を向上させた風力発電装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係る風力発電装置では、風を受けて回転するブレードを搭載するハブと、該ハブに接続されて回転運動する回転軸と、増速機と、前記回転軸と前記増速機を接続すると共に、前記回転軸及び前記増速機とは別体で形成され、かつ増速機側端がハブ側端よりも外径が大きいアダプタ継手とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、メンテナンス性を向上させた風力発電装置を提供することが可能になる。

風力発電装置の外観を示す全体図である。 実施例１に係る風力発電装置のうち、ハブ、回転軸、アダプタ継手、増速機および発電機の接続構造を示す図である。 実施例１に係る風力発電装置のうち、流体を用いた圧力手段を備えたアダプタ継手による回転軸と増速機入力軸との接続機構の詳細を示す図である。 実施例１の変形例に係る風力発電装置のうち、ボルトを用いた圧力手段を備えたアダプタ継手による回転軸と増速機入力軸との接続機構の詳細を示す図である。

以下、上記した本発明を実施する上で好適な実施の形態について図面を用いて説明する。下記はあくまでも実施例に過ぎず、発明内容が係る特定の態様に限定して解釈されることを意図する趣旨ではない。下記実施例に示す風力発電装置によれば、回転軸と増速機とを容易に切り離すことができるため、メンテナンス作業を短縮して作業効率が向上するほか、ハブおよび固定軸を小型、軽量に製作することが可能となる。

実施例１について図１から図３を用いて説明する。図１に示すように、風力発電装置は、風を受けて回転するブレード１と、ブレード１の荷重を支持するナセル２と、ナセル２を支持するタワー３とから概略構成される。ナセル２はタワー３に対して概略水平面内で回転可能に支持されており、風向きに応じて向きを変えることができる。

図２は、ハブの回転運動を後段の増速機および発電機に伝える動力伝達機構を説明する図である。図１において破線で囲んだ部位に相当する。該図に示すように、本実施例における風力発電装置は、ブレード１を搭載するハブ１０と、ハブ１０に接続されるとともにハブ１０の回転に伴う回転動力を伝達する回転軸１１と、回転軸１１に接続して後段の出力軸の回転速度を増加させる増速機１２と、回転軸１１と増速機１２を接続するアダプタ継手１３と、増速機１２で増速された回転速度で回転し、発電運転する発電機２０と、増速機１２と発電機２０とを接続するカップリング２１と、回転軸１１の外径側に回転軸１１に対して空隙を設けて設置される固定軸３０と、固定軸３０とハブ１０の間に位置して固定軸３０に対してハブ１０を回転可能に支持する軸受３１ａおよび３２ａと、固定軸３０を支持するとともにタワー３に接続されるメインフレーム３２とを有している。

回転軸１１は増速機１２側とは反対側の端部が径方向に拡大する拡径状となっており、増速機側の外径よりも径方向長さが大きい。拡径部１１aはハブ１０の内径側に突出するハブ側フランジにボルト固定されており、回転軸１１はハブ１０とともに回転する。また、回転軸１１は、ハブ内部の電気機器制御用の電線または配管用に、軸方向に延伸する貫通孔(図示せず)を有している。

ブレード１に風を受けてハブ１０が回転すると、その回転トルクは回転軸１１、およびアダプタ継手１３を介して増速機１２に伝達される。増速機１２により回転速度を増加させた回転動力はカップリング２１を介して発電機２０に伝達され、発電機２０の回転子を駆動させ、発電運転が行われる。

固定軸３０はメインフレーム３２に固定されおり、内径側に空隙を設けて配置されるトルク伝達用の回転軸１１とは異なり、ハブ１０とともに回転することはない。ハブ１０と固定軸３０との間には２つの転がり軸受３１ａ，３１ｂが設けられ、回転するハブ１０に対して固定軸３０は静止状態でブレード１およびハブ１０の重量を支持する。固定軸３０における増速機側とは反対側の端部は、固定軸３０における増速機側の端部よりも径が細くなっている。また、アダプタ継手のハブ側の一部は固定軸３０の内部に配置されている。

図３は、アダプタ継手による回転軸と増速機入力軸との接続機構を説明する図である。該図に示すように、アダプタ継手１３は増速機側端にフランジ部１３a,ハブ側端に摩擦締結継手を備え、本実施例における摩擦締結継手は摩擦締結部１３ｂを有しており、摩擦締結部１３ｂの外周には摩擦締結部１３ｂと接する圧力手段１３ｃと、固定リング１３ｄを備える。アダプタ継手１３は、フランジ部１３aのある増速機側端の外径が摩擦締結部１３ｂおよび圧力手段１３ｃのあるハブ側端の外径よりも大きい。

摩擦締結部１３ｂは回転軸１１の外径側にあり、内径が回転軸１１の外径よりもわずかに大きく、回転軸１１を挿入可能な貫通孔１３ｅを有する。また、摩擦締結継手部１３ｂは回転軸１１の延伸方向に沿って外径が変化するテーパ部１３ｆを有する。テーパ部１３ｆは増速機から離れるにつれ、径が細くなっている。摩擦締結継手部１３ｂの外径側にある概略リング状の圧力手段１３ｃは内周にテーパ部１３ｆと嵌め合う嵌合テーパ部１３ｇを有し、また、外部から作動油等の高圧な流体を供給可能な給油穴１３ｈと１３ｉを有する。また、圧力手段１３ｃの両端部近傍には、圧力手段１３ｃと摩擦締結部１３ｂとに接するシール１３ｊを有する。シール１３ｊは圧力手段１３ｃと摩擦締結部１３ｂとの間の隙間を封止して、圧力手段１３ｃの両端部から前記流体が流出するのを防止する。

次に、図３に示す構造におけるアダプタ継手１３と回転軸１１、および増速機の入力軸１２ａとの接続方法および締結メカニズムを説明する。

フランジ部１３ａと増速機の入力軸１２ａとは、互いの回転軸延伸方向の端面を合わせた上で、例えばボルトにより締結する。

摩擦締結継手と回転軸１１との締結においては、はじめに摩擦締結部１３ｂの貫通孔１３ｅ内に回転軸１１を挿入する。次に、圧力手段１３ｃのハブ側にある給油穴１３ｈに外部から高圧な流体を供給し、圧力手段１３ｃと摩擦締結部１３ｂに囲まれた空間のうち、ハブ側の空間を増速機側の空間よりも高圧とすることにより、圧力手段１３ｃを増速機側に移動させる。圧力手段１３ｃが増速機側に移動する際、摩擦締結部１３ｂの外周のテーパ部１３ｆと圧力手段１３ｃの内周の嵌合テーパ部１３ｇとの間に滑りが生じ、摩擦締結継手部１３ｂを内径側に押す力が生じる。これにより貫通孔１３ｅの径が縮小し、摩擦締結継手部１３ｂの内周面と回転軸１１の外周面とが接触する。流体の圧力を高めると、摩擦締結継手部１３ｂの内周面と回転軸１１の外周面との接触界面に高い接触圧力と大きい静止摩擦力が生じ、アダプタ継手１３と回転軸１１とが締結される。この状態で固定リング１３ｄを締め付けて摩擦力を大きく保持することで、圧力手段１３ｃが摩擦締結部１３ｂに対して動かないように拘束することにより、アダプタ継手１３と回転軸１１との締結状態が保持される。

摩擦締結継手部１３ｂの内周面と回転軸１１の外周面との接触界面を軸方向に幅広く確保することにより、接触圧力の生じる面積を拡大し、発生する静止摩擦力を増加させることができるので、フランジをボルト締結する増速機側よりも小さい径で大きいトルクを伝達することが可能となる。

また、摩擦締結継手部１３ｂと回転軸１１との締結を解除したい場合は、固定リング１３ｄを緩めた後に、圧力手段１３ｃの増速機側にある給油穴１３ｉに高圧の流体を供給し、圧力手段１３ｃをハブ側に移動させることにより、圧力手段１３ｃが摩擦締結継手部１３ｂを内径側に押す力が減じられるため、前記接触圧力および前記静止摩擦力が減少し、締結が解除される。

本実施例によれば、回転軸と増速機を接続すると共に、回転軸及び増速機とは別体で形成され、かつ増速機側端がハブ側端よりも外径が大きいアダプタ継手とを備えているので、アダプタ継手と増速機の入力軸との間、あるいはアダプタ継手と回転軸との間の締結、あるいは締結解除を容易に行うことが可能である。具体的には、アダプタ継手が、回転軸と増速機を接続し、回転軸及び増速機とは別体で形成されるので、重い増速機を移動させずとも、締結解除後にアダプタ継手を回転軸延伸方向にスライドすれば、回転軸と増速機との間に空間を設けて両者を完全に切り離すことが可能となる。これにより、メンテナンスに要する手間と作業時間が削減され、作業効率が向上する。

また、メンテナンス後の復元作業においても、回転軸と増速機との位置合わせが容易となり、作業効率が向上する。また、なんらかにより回転軸の延伸方向に位置合わせ誤差が生じた場合でも、増速機を移動することなく、アダプタ継手の締結位置を変えて調整できるため、接続作業の効率が向上する。

また、摩擦締結構造により、アダプタ継手のハブ側端部はこの部位をフランジとした場合よりも外径が小さく構成できるので、アダプタ継手の一部を固定軸の増速機側内部に配置し、回転軸の長さを短縮するとともに、こうした構造としても固定軸の内径をフランジ部の外径以下に小さくできる。さらに、固定軸の増速機側とは反対側の端部を固定軸における増速機側の端部よりも径を細くすることで、固定軸そのものが小型かつ軽量化するとともに、固定軸のメインフレームから遠方側が軽量になり、固定主軸とメインフレームとの接合部に作用するモーメント力が減少するので、支持構造を小型化できる。

（変形例１）
次に、実施例１の変形例について図４を用いて説明する。尚、実施例１と重複する構成及び効果については、ここでの説明を省略する。実施例１では、アダプタ継手１３で、圧力手段１３ｃにより摩擦締結部１３ｂを内径方向に押すために高圧の流体を用いたが、変形例１ではその代わりにボルトを用いている点で実施例１と異なる。

具体的には、摩擦締結部１３ｂの外径側に概略リング形状の圧力手段１３ｃと中間リング１３ｋを備え、圧力手段１３ｃの内周のテーパ部が中間リング１３ｋの外周のテーパ部と嵌合するとともに、圧力手段１３ｃと中間リング１３ｋを回転軸の延伸方向にボルトで締め付ける構造となっている。

圧力手段１３ｃと中間リング１３ｋをボルトで締め付けると、圧力手段１３ｃが中間リング１３ｋと摩擦締結部１３ｂを内径側に押す力が生じ、これにより貫通孔１３ｅの内径が縮小し、摩擦締結継手部１３ｂの内周面と回転軸１１の外周面と接触界面に接触圧力と静止摩擦力が生じ、アダプタ継手１３と回転軸１１とが締結される。

変形例１においては、圧力手段に高圧の流体を供給するための圧力源を準備せずともアダプタ継手と回転軸との締結が可能な利点を有する。

尚、本実施例では固定軸を用いて固定軸とハブとの間に軸受が配置される構造を例として説明しているが、それ以外にも例えば前記固定軸を設けずにハブと回転軸とが接続され、回転軸が外周に配置された軸受により支持される構造とすることも可能である。

また、本実施例では増速機と発電機が別体である風力発電装置について説明したが、回転軸と増速機一体型の発電機とをアダプタ継手を介して接続する構成としても、適用に支障が無いことは言うまでもない。

また、本実施例では回転軸増速機１２側とは反対側のハブ側の端部が径方向に拡大する拡径状である構造を例に説明しているが、拡径部の構造は図２に示すように回転軸の増速機側の拡形状開始位置からハブ側につれて外径が拡大する構造のほか、軸とフランジを接合した構造であっても適用に支障が無いことは言うまでもない。

１ ブレード
２ ナセル
３ タワー
１０ ハブ
１１ 回転軸
１１ａ 拡径部
１２ 増速機
１２ａ 入力軸
１３ アダプタ継手
１３a フランジ部
１３ｂ 摩擦締結部
１３ｃ 圧力手段
１３ｄ 固定リング
１３ｅ 貫通孔
１３ｆ テーパ部
１３ｇ 嵌合テーパ部
１３ｈ、１３ｉ 給油穴
１３ｊ シール
１３ｋ 中間リング
２０ 発電機
２１ カップリング
３０ 固定軸
３１ａ、３１ｂ 軸受
３２ メインフレーム

Claims (8)

1. 風を受けて回転するブレードを搭載するハブと、
   該ハブに接続されて回転運動する回転軸と、
   増速機と、
   前記回転軸と前記増速機を接続すると共に、前記回転軸及び前記増速機とは別体で形成され、かつ増速機側端がハブ側端よりも外径が大きいアダプタ継手とを備えることを特徴とする風力発電装置。
2. 請求項１に記載の風力発電装置であって、前記アダプタ継手の前記ハブ側端は摩擦締結されることを特徴とする風力発電装置。
3. 請求項２に記載の風力発電装置であって、前記アダプタ継手の前記ハブ側端は摩擦締結継手からなり、前記摩擦締結継手は、前記回転軸の外径側に配置されることを特徴とする風力発電装置。
4. 請求項３に記載の風力発電装置であって、前記摩擦締結継手の外径側には該摩擦締結継手を内径側に押す圧力手段を更に備えることを特徴とする風力発電装置。
5. 請求項４に記載の風力発電装置であって、前記摩擦締結継手は前記回転軸に沿ってテーパ形状となっており、
   前記圧力手段は前記摩擦締結継手のテーパ形状と嵌め合うテーパ形状を有することを特徴とする風力発電装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の風力発電装置であって、前記回転軸は前記増速機側とは反対側の端部が径方向に拡大する拡径状になっていることを特徴とする風力発電装置。
7. 請求項６に記載の風力発電装置であって、前記回転軸の外径側に配置される固定軸と、前記ハブおよび前記固定軸の間に配置される軸受とを更に備えることを特徴とする風力発電装置。
8. 請求項７に記載の風力発電装置であって、前記固定軸における前記増速機側とは反対側の端部は、前記固定軸における前記増速機側の端部よりも径が細いことを特徴とする風力発電装置。