JP4104037B2 - パッシブ・アクティブ・ピッチ・フラップ機構 - Google Patents
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- Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、過風速時に風車翼に作用する空気力により翼（ブレード）を下流に傾斜させるフラップ運動と同時に翼ピッチ角変化を行うピッチ運動を行い、受動的に出力制御を行うとともに台風等の極端な強風時には能動的（アクティブ）にピッチ角変化を行うことができる風車のパッシブ・アクティブ・ピッチ・フラップ機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
風力発電では、変動する風の中で風車は発電を行い、できるかぎり安定した電力を供給することが望まれる。しかし、自然風では常時風速が大幅に変動し台風時には６０〜８０ｍ／ｓに達することもあるので、回転速度があがりすぎないように回転速度の制御装置を設けなければならず、また定格風速を越える強風時にはロータ、発電機等に係る負荷を少なくして機器の破損を防止する必要がある。こうした対策の一つとして、大形の発電用プロペラー型風車では、油圧作動の可変ピッチ機構による自動速度制御装置が多く利用されている。
【０００３】
その原理を図５に示す模式図について説明すると、風速が過大になると自動又は手動でコントロールモーター１１２が回わり、リンク機構１１３を介して配圧弁１１４が作動し、このとき油圧ユニット１１５からの圧油がサーボシリンダー１１６の右室に入り、ピストン１１７を左側へ押圧して操作棒１１８を移動させる。操作棒１１８にはクロスヘッド１１９が取付けられており、リンク機構１２０及びアーム１２１を介して、ブレード軸１０２を回転させ、ブレード１０１のピッチ角を立てて揚力及び抗力を減少させる。なおリンク機構１１３にはフィードバック用の復帰レバー１２２が結合され、制御の安定化が図られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらこのような機構は、構造が複雑でコスト高を招き、かつ油圧系統の保守が面倒であり、また急激な風速又は風向の変動に伴う衝撃力や負荷遮断による軸系への衝撃によって、風力原動機が破損する場合がある。
【０００５】
そこで、本発明は、このような事情に鑑みて提案されたもので、構造簡単で低コストであり、かつ強風時には、翼に加わる流体力を利用して翼を下流に傾斜させ、同時にピッチ操作を行い風車の過回転を防止するとともに台風等の極端な強風時には能動的（アクティブ）にピッチ角変化を行うことができる風車のパッシブ・アクティブ・ピッチ・フラップ機構を提供し、風速に応じた理想的なブレード角度を自動的に保持するとともに変動荷重によるブレード及び発電機等への衝撃力を有効に吸収できるようにすることを目的とする。
本発明は、強風時に風車翼を下流に傾斜させるフラップ運動、同時にピッチ角を変化させるフェザ運動により、最大出力を越えた範囲での翼車出力を受動的に低減することができ、安全性の高い風車とすることができる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明が採用した課題解決手段は、
風車のブレード軸を回転自在に保持する円筒状部材と、前記円筒状部材を貫通したブレード軸の端部に連結され前記ブレード軸を回転させるピッチレバーと、前記ピッチレバーに連結部材を介して結合されるパワーシリンダと、前記円筒状部材をナセルに対して揺動自在に支持するフラップ軸と、前記円筒状部材とナセルとの間に配置され前記フラップ軸を正常位置に付勢するスプリング・ダンパとを備え、前記ブレード軸は前記パワーシリンダの作動により前記円筒状部材内で回転してブレードのピッチ角を変えることができ、また、風速によって、ブレードがフラップ軸を中心に前記スプリング・ダンパの付勢力に抗して揺動してブレードのフラップ角およびピッチ角を増大できるようにしたことを特徴とするパッシブ・アクティブ・ピッチ・フラップ機構である。
【０００７】
【実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明すると、図１は第１実施形態に係るパッシブ・アクティブ・ピッチ・フラップ機構を備えた風車の側面構成図であり、図２はパッシブ・アクティブ・ピッチ・フラップ機構の作動状態を説明する斜視図である。
図１において、風車の各翼１はブレード軸２を備えており、このブレード軸２は、円筒状部材３を貫通して回転自在に配置され、ブレード軸２の端部がリンク機構を構成するピッチレバー５と結合されており、ピッチレバー５は連結部材６、７、回転継手８を介してピッチアクチュエータとしてのパワーシリンダ９に結合されている。パワーシリンダ９によって回転継手８を介して連結部材６、７を押し込むとピッチレバー５を介してブレード軸２が円筒状部材３内で回転し、翼（ブレード）１のピッチ角を変えることができる。なお、上記パワーシリンダ９、回転継手８、連結部材６、７などは風車のナセル内に収納されている。
【０００８】
ブレード軸２が貫通している円筒状部材３は、固定部材（ナセル）に取り付けたフラップ軸４を介して揺動自在に支持されており、円筒状部材３には、翼を正常位置に付勢するスプリング＆ダンパ１０が設けられている。スプリング＆ダンパ１０は円筒状部材３と固定部材側との間に設けられているため円筒状部材３には常時はフラップ軸４を中心にスプリング＆ダンパ１０の付勢力によって図中実線位置を保持する付勢力が働き、さらにダンパによって変動時の衝撃を吸収できる構成となっている。
【０００９】
上記構成からなるパッシブ・アクティブ・ピッチ・フラップでは、風車が回転中に、風速が所定値以上になると、図１、図２に示すようにその風速によって翼１がスプリング１０の付勢力に抗して点線位置（パッシブ作動位置）に傾き、翼１のフラップ角およびピッチ角が図２のように増大し風車出力を受動的に抑制する。さらに強風下では、パワーシリンダ９を駆動して連結部材６、７を移動すると、ピッチレバー５を回転して翼１のピッチ角を能動的に変化させることができ、さらに風車出力を抑制することができる（アクティブ作動）。この時のフラップ角ζとピッチ角γとの関係を図３に示す。そして、この時γ／ζは２〜３の範囲が最適である。
なお、上記実施形態のようなパワーシリンダ９を使用しピッチ角を変更する形態のものは１００ＫＷ程度の小型風車に適している。
【００１０】
続いて、第２実施形態について説明する。
第２実施形態は、第１実施形態のパワーシリンダの代わりに、ピッチモータを使用した点に特徴がある。
図４において、風車の各翼１はブレード軸を備えており、このブレード軸２は、第１実施形態と同様に円筒状部材３を貫通して回転自在に配置され、ブレード軸２の端部にはギヤ１１が設けられ、このギヤ１１が円筒状部材３に取り付けたピッチモータ１２の出力軸のギヤと噛み合っている。ピッチモータ１２を駆動するとギヤ１１を介してブレード軸２が円筒状部材３内で回転し、翼１のピッチ角が変わる。また、ブレード軸２が貫通している円筒状部材３は、フラップ軸４を介して揺動自在に支持されており、円筒状部材３には、翼を正常位置に付勢するスプリング＆ダンパ１０が設けられている。円筒状部材３はフラップ軸４を中心に、スプリング１０の付勢力によって、図中実線位置を保持できる構成となっている。
【００１１】
上記構成からなるパッシブ・アクティブ・ピッチ・フラップでは、風車が回転中に、風力が所定値以上になると、図２に示すようにその風力によって翼がスプリング１０の付勢力に抗して点線位置（パッシブ作動位置）に傾き、翼のフラップ角およびピッチ角が増大し風車出力を受動的に抑制する。さらに強風下では、ピッチモータ１２を駆動してギヤ１１を介してブレード軸２を回転することで翼のピッチ角を能動的に変化させることができる。
なお、ピッチモータを使用したこの形態のものは１０００ＫＷ程度の大型風車に適しており、ピッチモータには正・逆両用型モータを使用することが望ましい。
【００１２】
以上本発明に係わる実施形態について説明したが、ブレード軸とアクチュエータとの結合機構はチェーン、ベルト等を使用することも可能であり、同様な機能を達成できる他の機構を採用できる。また、ブレード軸を円筒状部材によって回転自在に保持する機構も、円筒状部材に限定することなく、同様の機能を達成できる他の構成を採用することもできる。
また、本発明はその精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいかなる形でも実施できる。そのため、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず限定的に解釈してはならない。
【００１３】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように本発明によれば、過風速時には風車の翼に作用する空気力により翼を下流側に傾斜させる（フラップ運動）と同時に翼ピッチ角変化を行うことができるため、風車の出力抑制を効果的に行うことができ、また機器の損傷を事前に防止できる。さらに突風時にも、出力制御を時間遅れなく実現でき、台風のような強風時における安全性、信頼性の向上を図ることができる、等の優れた効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係るパッシブ・アクティブ・ピッチ・フラップ機構を備えた風車の側面図である。
【図２】同パッシブ・アクティブ・ピッチ・フラップ機構の作動状態を説明する斜視図である。
【図３】パッシブ・アクティブ・ピッチ・フラップ機構におけるフラップ角とピッチ角の関係図である。
【図４】第２実施形態に係るパッシブ・アクティブ・ピッチ・フラップ機構を備えた風車の側面図である。
【図５】従来のピッチ角制御機構の構成図である。
【符号の説明】
１ 翼（ブレード）
２ ブレード軸
３ 円筒状部材
４ フラップ軸
５ ピッチレバー
６、７ 連結部材
８ 回転継手
９ パワーシリンダ
１０ スプリング＆ダンパ
１１ ギヤ
１２ ピッチモータ
【発明の属する技術分野】
本発明は、過風速時に風車翼に作用する空気力により翼（ブレード）を下流に傾斜させるフラップ運動と同時に翼ピッチ角変化を行うピッチ運動を行い、受動的に出力制御を行うとともに台風等の極端な強風時には能動的（アクティブ）にピッチ角変化を行うことができる風車のパッシブ・アクティブ・ピッチ・フラップ機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
風力発電では、変動する風の中で風車は発電を行い、できるかぎり安定した電力を供給することが望まれる。しかし、自然風では常時風速が大幅に変動し台風時には６０〜８０ｍ／ｓに達することもあるので、回転速度があがりすぎないように回転速度の制御装置を設けなければならず、また定格風速を越える強風時にはロータ、発電機等に係る負荷を少なくして機器の破損を防止する必要がある。こうした対策の一つとして、大形の発電用プロペラー型風車では、油圧作動の可変ピッチ機構による自動速度制御装置が多く利用されている。
【０００３】
その原理を図５に示す模式図について説明すると、風速が過大になると自動又は手動でコントロールモーター１１２が回わり、リンク機構１１３を介して配圧弁１１４が作動し、このとき油圧ユニット１１５からの圧油がサーボシリンダー１１６の右室に入り、ピストン１１７を左側へ押圧して操作棒１１８を移動させる。操作棒１１８にはクロスヘッド１１９が取付けられており、リンク機構１２０及びアーム１２１を介して、ブレード軸１０２を回転させ、ブレード１０１のピッチ角を立てて揚力及び抗力を減少させる。なおリンク機構１１３にはフィードバック用の復帰レバー１２２が結合され、制御の安定化が図られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらこのような機構は、構造が複雑でコスト高を招き、かつ油圧系統の保守が面倒であり、また急激な風速又は風向の変動に伴う衝撃力や負荷遮断による軸系への衝撃によって、風力原動機が破損する場合がある。
【０００５】
そこで、本発明は、このような事情に鑑みて提案されたもので、構造簡単で低コストであり、かつ強風時には、翼に加わる流体力を利用して翼を下流に傾斜させ、同時にピッチ操作を行い風車の過回転を防止するとともに台風等の極端な強風時には能動的（アクティブ）にピッチ角変化を行うことができる風車のパッシブ・アクティブ・ピッチ・フラップ機構を提供し、風速に応じた理想的なブレード角度を自動的に保持するとともに変動荷重によるブレード及び発電機等への衝撃力を有効に吸収できるようにすることを目的とする。
本発明は、強風時に風車翼を下流に傾斜させるフラップ運動、同時にピッチ角を変化させるフェザ運動により、最大出力を越えた範囲での翼車出力を受動的に低減することができ、安全性の高い風車とすることができる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明が採用した課題解決手段は、
風車のブレード軸を回転自在に保持する円筒状部材と、前記円筒状部材を貫通したブレード軸の端部に連結され前記ブレード軸を回転させるピッチレバーと、前記ピッチレバーに連結部材を介して結合されるパワーシリンダと、前記円筒状部材をナセルに対して揺動自在に支持するフラップ軸と、前記円筒状部材とナセルとの間に配置され前記フラップ軸を正常位置に付勢するスプリング・ダンパとを備え、前記ブレード軸は前記パワーシリンダの作動により前記円筒状部材内で回転してブレードのピッチ角を変えることができ、また、風速によって、ブレードがフラップ軸を中心に前記スプリング・ダンパの付勢力に抗して揺動してブレードのフラップ角およびピッチ角を増大できるようにしたことを特徴とするパッシブ・アクティブ・ピッチ・フラップ機構である。
【０００７】
【実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明すると、図１は第１実施形態に係るパッシブ・アクティブ・ピッチ・フラップ機構を備えた風車の側面構成図であり、図２はパッシブ・アクティブ・ピッチ・フラップ機構の作動状態を説明する斜視図である。
図１において、風車の各翼１はブレード軸２を備えており、このブレード軸２は、円筒状部材３を貫通して回転自在に配置され、ブレード軸２の端部がリンク機構を構成するピッチレバー５と結合されており、ピッチレバー５は連結部材６、７、回転継手８を介してピッチアクチュエータとしてのパワーシリンダ９に結合されている。パワーシリンダ９によって回転継手８を介して連結部材６、７を押し込むとピッチレバー５を介してブレード軸２が円筒状部材３内で回転し、翼（ブレード）１のピッチ角を変えることができる。なお、上記パワーシリンダ９、回転継手８、連結部材６、７などは風車のナセル内に収納されている。
【０００８】
ブレード軸２が貫通している円筒状部材３は、固定部材（ナセル）に取り付けたフラップ軸４を介して揺動自在に支持されており、円筒状部材３には、翼を正常位置に付勢するスプリング＆ダンパ１０が設けられている。スプリング＆ダンパ１０は円筒状部材３と固定部材側との間に設けられているため円筒状部材３には常時はフラップ軸４を中心にスプリング＆ダンパ１０の付勢力によって図中実線位置を保持する付勢力が働き、さらにダンパによって変動時の衝撃を吸収できる構成となっている。
【０００９】
上記構成からなるパッシブ・アクティブ・ピッチ・フラップでは、風車が回転中に、風速が所定値以上になると、図１、図２に示すようにその風速によって翼１がスプリング１０の付勢力に抗して点線位置（パッシブ作動位置）に傾き、翼１のフラップ角およびピッチ角が図２のように増大し風車出力を受動的に抑制する。さらに強風下では、パワーシリンダ９を駆動して連結部材６、７を移動すると、ピッチレバー５を回転して翼１のピッチ角を能動的に変化させることができ、さらに風車出力を抑制することができる（アクティブ作動）。この時のフラップ角ζとピッチ角γとの関係を図３に示す。そして、この時γ／ζは２〜３の範囲が最適である。
なお、上記実施形態のようなパワーシリンダ９を使用しピッチ角を変更する形態のものは１００ＫＷ程度の小型風車に適している。
【００１０】
続いて、第２実施形態について説明する。
第２実施形態は、第１実施形態のパワーシリンダの代わりに、ピッチモータを使用した点に特徴がある。
図４において、風車の各翼１はブレード軸を備えており、このブレード軸２は、第１実施形態と同様に円筒状部材３を貫通して回転自在に配置され、ブレード軸２の端部にはギヤ１１が設けられ、このギヤ１１が円筒状部材３に取り付けたピッチモータ１２の出力軸のギヤと噛み合っている。ピッチモータ１２を駆動するとギヤ１１を介してブレード軸２が円筒状部材３内で回転し、翼１のピッチ角が変わる。また、ブレード軸２が貫通している円筒状部材３は、フラップ軸４を介して揺動自在に支持されており、円筒状部材３には、翼を正常位置に付勢するスプリング＆ダンパ１０が設けられている。円筒状部材３はフラップ軸４を中心に、スプリング１０の付勢力によって、図中実線位置を保持できる構成となっている。
【００１１】
上記構成からなるパッシブ・アクティブ・ピッチ・フラップでは、風車が回転中に、風力が所定値以上になると、図２に示すようにその風力によって翼がスプリング１０の付勢力に抗して点線位置（パッシブ作動位置）に傾き、翼のフラップ角およびピッチ角が増大し風車出力を受動的に抑制する。さらに強風下では、ピッチモータ１２を駆動してギヤ１１を介してブレード軸２を回転することで翼のピッチ角を能動的に変化させることができる。
なお、ピッチモータを使用したこの形態のものは１０００ＫＷ程度の大型風車に適しており、ピッチモータには正・逆両用型モータを使用することが望ましい。
【００１２】
以上本発明に係わる実施形態について説明したが、ブレード軸とアクチュエータとの結合機構はチェーン、ベルト等を使用することも可能であり、同様な機能を達成できる他の機構を採用できる。また、ブレード軸を円筒状部材によって回転自在に保持する機構も、円筒状部材に限定することなく、同様の機能を達成できる他の構成を採用することもできる。
また、本発明はその精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいかなる形でも実施できる。そのため、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず限定的に解釈してはならない。
【００１３】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように本発明によれば、過風速時には風車の翼に作用する空気力により翼を下流側に傾斜させる（フラップ運動）と同時に翼ピッチ角変化を行うことができるため、風車の出力抑制を効果的に行うことができ、また機器の損傷を事前に防止できる。さらに突風時にも、出力制御を時間遅れなく実現でき、台風のような強風時における安全性、信頼性の向上を図ることができる、等の優れた効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係るパッシブ・アクティブ・ピッチ・フラップ機構を備えた風車の側面図である。
【図２】同パッシブ・アクティブ・ピッチ・フラップ機構の作動状態を説明する斜視図である。
【図３】パッシブ・アクティブ・ピッチ・フラップ機構におけるフラップ角とピッチ角の関係図である。
【図４】第２実施形態に係るパッシブ・アクティブ・ピッチ・フラップ機構を備えた風車の側面図である。
【図５】従来のピッチ角制御機構の構成図である。
【符号の説明】
１ 翼（ブレード）
２ ブレード軸
３ 円筒状部材
４ フラップ軸
５ ピッチレバー
６、７ 連結部材
８ 回転継手
９ パワーシリンダ
１０ スプリング＆ダンパ
１１ ギヤ
１２ ピッチモータ
Claims (1)
- 風車のブレード軸を回転自在に保持する円筒状部材と、前記円筒状部材を貫通したブレード軸の端部に連結され前記ブレード軸を回転させるピッチレバーと、前記ピッチレバーに連結部材を介して結合されるパワーシリンダと、前記円筒状部材をナセルに対して揺動自在に支持するフラップ軸と、前記円筒状部材とナセルとの間に配置され前記フラップ軸を正常位置に付勢するスプリング・ダンパとを備え、前記ブレード軸は前記パワーシリンダの作動により前記円筒状部材内で回転してブレードのピッチ角を変えることができ、また、風速によって、ブレードがフラップ軸を中心に前記スプリング・ダンパの付勢力に抗して揺動してブレードのフラップ角およびピッチ角を増大できるようにしたことを特徴とするパッシブ・アクティブ・ピッチ・フラップ機構。
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| JP2000027063A JP4104037B2 (ja) | 2000-02-04 | 2000-02-04 | パッシブ・アクティブ・ピッチ・フラップ機構 |
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| JP2000027063A JP4104037B2 (ja) | 2000-02-04 | 2000-02-04 | パッシブ・アクティブ・ピッチ・フラップ機構 |
Publications (2)
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|---|---|
| JP2001221145A JP2001221145A (ja) | 2001-08-17 |
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Family
ID=18552704
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000027063A Expired - Fee Related JP4104037B2 (ja) | 2000-02-04 | 2000-02-04 | パッシブ・アクティブ・ピッチ・フラップ機構 |
Country Status (1)
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|---|---|
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| JP2010138768A (ja) * | 2008-12-10 | 2010-06-24 | Univ Of Ryukyus | 風車のブレードピッチダブル制御機構 |
| WO2014185758A1 (ru) | 2013-05-17 | 2014-11-20 | Shaikenov Blok | Ветроколесо (с двумя вариантами) |
| WO2018151586A1 (en) | 2017-02-14 | 2018-08-23 | Shaikenov Blok | Wind wheel with blade elbow bend |
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| CN100365273C (zh) * | 2006-05-11 | 2008-01-30 | 严强 | 垂直轴风力发电机功率恒定输出装置 |
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| KR200459015Y1 (ko) * | 2010-03-15 | 2012-03-21 | 전북대학교산학협력단 | 풍력발전기용 블레이드 각도 제어장치 |
| KR101263935B1 (ko) * | 2011-09-02 | 2013-05-13 | 포항공과대학교 산학협력단 | 터빈 블레이드 및 이를 구비한 풍력 발전기 |
| CN102996346B (zh) * | 2012-12-31 | 2015-02-25 | 宁波锦浪新能源科技有限公司 | 主动变桨风力发电机 |
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-
2000
- 2000-02-04 JP JP2000027063A patent/JP4104037B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|---|---|---|
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| JP4649570B2 (ja) * | 2008-12-10 | 2011-03-09 | 国立大学法人 琉球大学 | 風車のブレードピッチダブル制御機構 |
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| US10865768B2 (en) | 2017-02-14 | 2020-12-15 | Blok SHAIKENOV | Wind wheel with blade elbow bend |
Also Published As
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|---|---|
| JP2001221145A (ja) | 2001-08-17 |
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