JP5062717B2 - 水平軸風車 - Google Patents

Description

本発明は、水平軸風車のピッチ制御機構に関する。

周知のように、いわゆる水平軸風車が風力発電事業等の商業用に広く実用化されている。一般的な水平軸風車は、少なくとも２枚以上のブレードがハブから放射状に取り付けられてなるロータと、ハブに接続されるとともに略水平方向に延在された主軸を介してこのロータを軸支するナセルと、略鉛直方向に設置されるとともにナセルをヨー回転自在に支持するタワーとを有して構成される。
水平軸風車ではブレードのピッチ角変更によって起動トルクの増大を図ると共に、風速に応じた回転数の制御を行い、かつ強風時にはブレードを風向と平行にするフェザリングにより出力及び回転速度を常用範囲内に収める制御が行われている。
可変ピッチ式の風車の一つの構造として、例えば特許文献１に記載されるようにブレードの付根が旋回ベアリングを介してハブに固定されており、旋回ベアリングに付設された旋回ベアリングギアにアクチュエータ側のピニオンギアを噛み合わせて駆動する構造が利用されている。
また、特許文献１に記載の風車のように、各ブレードを各々独立したアクチュエータで制御する独立ピッチ可変機構が利用されている。

特許文献１に記載の水平軸風車にあっては、ロータの回転軸及びブレードのピッチ軸から偏在させた錘を各ブレードの基端部に取り付け、ロータの回転に伴う錘の遠心力によりブレードをフルフェザーの位置に付勢する。
これにより、台風等の強風時にブレードのピッチ駆動制御装置に異常が発生したときに、ブレードのピッチ軸周りの回転拘束を解除することによって、ブレードがフルフェザー位置側に付勢され、かつフルフェザー位置に保持されてロータの過回転が有効的に回避されて安全性が確保できる。
特開２００３−５６４４８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。
特許文献１記載の発明にあっては、ブレードをフルフェザーの位置に付勢するには、ロータの回転に伴う錘の遠心力が必要であり、風力という動力が必要である。無風下では付勢力は作用しない。
また、通常使用するピッチ角度範囲（例えば、フラットからフェザーまでの９０°）においてブレードに一定回転方向への付勢力が常時作用していれば、通常使用においてブレードのピッチ駆動系に組み込まれるギア（上記旋回ベアリングギア、ピニオンギアなど）のバックラッシを消失させて、それらのギアの損傷を防止することができるが、特許文献１記載の発明は無風下ではこのような効果は無いばかりか、付勢力が作用したり作用しなかったりすることによって、かえってギアの損傷の機会を増加させてしまう。
また、特許文献１記載の発明にあっては、ロータの回転軸から偏在させた錘を各ブレードの基端部に取り付けるので、風車の外観及びロータの慣性モーメントに影響する。

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、ブレードのピッチ角を駆動制御する駆動制御装置への電力、油圧等の稼動エネルギーの供給が絶たれた非常時に、動力の供給を必要とせず簡素な構成でブレードを所定のピッチ角に収めることができる水平軸風車を提供することを課題とする。
また、動力を必要としない簡素な構成で、所定のピッチ角度範囲においてブレードに一定回転方向への付勢力を常時作用させることができる水平軸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記載の発明は、ハブと少なくとも２枚以上のブレードとを有し回転自在に軸支されたロータと、
外輪部が前記ハブに固定され、内輪部が前記ブレードに固定され、前記ブレードをピッチ旋回可能に支持する旋回ベアリングと、
前記旋回ベアリングの前記内輪部に固定された旋回ベアリングギアと、
前記ブレードのピッチ駆動に用いられるピッチモータと、
前記旋回ベアリングに噛合し、前記ピッチモータの出力軸に固定されたピニオンギアと、
前記ピッチモータを駆動して前記ブレードのピッチ角を制御するピッチ駆動制御装置とを備える水平軸風車において、
前記ブレードをフェザーの角度へ付勢する弾性部材が前記旋回ベアリングの前記内輪部の内側に架設されたブリッジに連結して設けられてなる水平軸風車である。

請求項２記載の発明は、前記弾性部材を捩りバネとし、前記ブレードのピッチ軸と同軸に配置したスプラインを介して前記ブリッジと前記捩りバネとが連結されてなることを特徴とする請求項１に記載の水平軸風車である。

請求項３記載の発明は、前記弾性部材を捩りバネとし、前記ブレードを３以上備え、ピッチ軸の異なる２以上のブレードの付根同士が前記ハブ内に配置した前記捩りバネを介して連結されてなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の水平軸風車である。

本発明によれば、弾性部材によりブレードがフェザーの角度へ付勢されるので、ブレードのピッチ角を駆動制御する駆動制御装置への電力、油圧等の稼動エネルギーの供給が絶たれた非常時に、動力の供給を必要とせず簡素な構成でブレードをフェザーの角度に収めることができる。台風等の暴風時にピッチ駆動制御装置に異常があっても、ブレードをフェザーにして過回転を避けることができる。
また、動力を必要としない簡素な構成で、フェザーの角度から外れた所定のピッチ角度範囲においてブレードに一定回転方向への付勢力を常時作用させることができる。これにより、前記所定のピッチ角度範囲においてブレードのピッチ駆動系に組み込まれるギアのバックラッシを消失させて、それらのギアの損傷を防止することができる。

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、本実施形態の水平軸風車の側面図、図２は図１の部分内視図、図３は図２のピッチ軸Ｐ方向から見た旋回ベアリング等の平面図、図４は連結部品の分解斜視図である。

図１に示すように本実施形態の水平軸風車は、タワー１と、ナセル２と、主軸３と、ハブ４と、ブレード５とを備える。
ナセル２はハブ４に接続された主軸３を介してハブ４とブレード５からなるロータ６
を軸支する。タワー１は、ナセル２をヨー回転自在に支持する。
ナセル２の内側には、図示しない増速機、発電機、および主軸ブレーキなどの動力伝達装置が収納されており、これらの各動力伝達装置に主軸３が連結されている。

主軸３は、その先端がナセル２の外部に突出しており、この主軸３の先端にはロータ６が、主軸３とともに回転するように取り付けられている。

ロータ６は、中心部に主軸３と連結されたハブ４を有しており、ハブ４の回転軸周りの周面には、３枚のブレード５が放射状に取り付けられる。ハブ４の回転軸周りの周面には、３つのブレード取付孔７が１２０度の角度をもって設けられている。図２に示すように、ブレード取付孔７の周縁部に旋回ベアリング８が取り付けられており、ブレード５は旋回ベアリング８を介してピッチ旋回可能に取り付けられる。図１においてはブレード５を１枚のみ図示する。

図２、図３によって示すように、旋回ベアリング８はベアリングボール８ｃを保持する外輪部８ａと内輪部８ｂとを有する。内輪部８ｂの内周には内歯のリングギアである旋回ベアリングギア９が旋回ベアリング８と同軸に固定されている。ブレード５のピッチ駆動に用いられるピッチモータの出力軸に固定されたピニオンギア１０が旋回ベアリングギア９に噛合している。このピッチモータは電磁ブレーキの機能を有する。本水平軸風車にはピッチモータを駆動してブレード５のピッチ角を制御するピッチ駆動制御装置（図示せず）が備えられる。

図２に示すように、旋回ベアリング８の外輪部８ａがハブ４のブレード取付孔７の周縁部に固定される。旋回ベアリング８の軸はピッチ軸Ｐに一致する。旋回ベアリング８の内輪部８ｂにブレード５の付根部及びブリッジ１１の両端部がボルトにより共締め固定され、ブリッジ１１はピッチ軸Ｐと交わるように旋回ベアリング８の内側に架設される。

図３及び図４で示すように、ブリッジ１１の中央にはピッチ軸Ｐと同軸にメス型スプライン１１ａが形成されている。
スプライン軸１２の一端には、メス型スプライン１１ａに嵌合するオス型スプライン１２ａが設けられており、他端には、ボルト挿入孔を有したメス型連結部１２ｂが結合されている。捩りバネ１３の両端には、ボルト挿入孔を有したオス型連結部１３ａが形成されている。メス型スプライン１１ａとオス型スプライン１２ａからなるスプラインは、軸周りのトルクを伝えるが、オス型スプライン１２ａがメス型スプライン１１ａ内で軸方向に滑動することにより軸方向の力を伝えない。このスプラインの軸をピッチ軸Ｐに一致させる。

三叉連結体１４は、３つの連結軸１４ａ，１４ｂ，１４ｃが１２０度の角度をもって設けられている。三叉連結体１４の中心は回転軸Ａとピッチ軸Ｐの交点にほぼ一致するように配置される（図２参照）。
連結軸１４ａの先端にはメス型連結部１４ｄが結合している。このメス型連結部１４ｄにもボルト挿入孔が設けられる。他の２つの連結軸１４ｂ，１４ｃの先端にも同様のメス型連結部（図示せず）が結合している。

ブリッジ１１のメス型スプライン１１ａにスプライン軸１２のオス型スプライン１２ａが挿入され、スプライン軸１２のメス型連結部１２ｂに捩りバネ１３の一方のオス型連結部１３ａが挿入されてボルト連結され、捩りバネ１３の他方のオス型連結部１３ａが三叉連結体１４のメス型連結部１４ｄに挿入されてボルト連結される。他の２枚のブレード５に対しても同様のブリッジ１１，スプライン軸１２，捩りバネ１３が設けられて三叉連結体１４に連結される。

以上のようにして、１つの三叉連結体１４と、各３つのブリッジ１１、スプライン軸１２及び捩りバネ１３とにより、３枚のブレードが三叉状に連結されている。
捩りバネ１３が自然状態のとき、ブレード５のピッチ角はフルフェザーの角度である。

上記ピッチモータが駆動制御されることによりピニオンギア１０に駆動力が伝達されると、ブレード５をピッチ旋回させるトルク（「駆動トルクＤ」とする。）が発生する。
図５に示すように、フェザーの角度を９０°、フラットの角度を０°とする。９０°から８０°、７０°とフラット側にブレード５をピッチ旋回させていくと、捩りバネ１３の弾性力によりフェザー側にブレード５をピッチ旋回させるトルク（「バネトルク」とする。）が発生する。
図５に示すように、バネトルクＳ１を上回るフラット側への駆動トルクＤを負荷することによって、ピッチ駆動制御装置はブレード５のピッチ角を制御することができる。

駆動トルクＤをゼロにする、すなわち、ピッチモータを回転フリーにすれば、ブレード５は、捩りバネ１３のバネトルクＳ１によりフェザーのピッチ角へ付勢される。

例えば、次のように運転する。
（１）いま、ピッチ角が９０°（フェザー）であるとする。
（２）適度な風速があるのでロータ６を風力により回すため、ブレード５のピッチ角を駆動トルクＤによりピッチ角０°まで変角させ、ピッチモータのブレーキによりピッチ角を固定する。ロータ６は風力により回転する。このとき、捩りバネ１３が捩り変形しており、弾性エネルギーが蓄えられている。
（３）必要によりピッチ角を変えるときは、風によるブレード５に対するピッチ軸Ｐ周りの空力トルクとバネトルクＳ１との合計トルクに打ち勝って駆動トルクＤにより変角させ、一定ピッチ角で保持する時はピッチモータのブレーキによりピッチ角を固定する。なお、ディスクブレーキなどのブレーキをピッチモータとは別に設けて、それを用いても良い。
（４）ブレード５をフェザーに戻すときは、ピッチモータを制御して戻せばよいが、上記（２）又は（３）の状態で、暴風雨等で電力供給系統に異常（停電や装置故障）が発生しピッチ駆動制御装置が不能となったとする。このときピッチモータへの電力が絶たれピッチモータは回転フリーの状態となる。ピッチモータが回転フリーの状態となると、ブレード５はバネトルクＳ１によりフェザーのピッチ角に戻される。その後、フェザリングによりロータ６の過回転が回避される。

図５に示すバネトルクＳ１の設定のほか、無負荷時にブレード５をフェザーのピッチ角に戻さなくても良い場合でも、ギアのバックラッシを消失させるため、図５に示すバネトルクＳ１より、小さなバネトルクＳ２（図６参照）を設定することが有効である。バネトルクＳ２は、ピッチモータが回転フリーのとき旋回ベアリングギア９の歯をピニオンギア１０の歯に当接させるが、ピニオンギア１０を回転させない程度のトルクである。バネトルクの設定変更は、捩りバネ１３を弾性力の弱いものに変更することによって行うことができる。

バネトルクＳ１でも、バネトルクＳ２でも、ピッチモータによりピッチ駆動する際に、図７に示すように旋回ベアリングギア９の歯とピニオンギア１０の歯が常時当接する（フェザーの角度を通過する時を除く）。
これにより、動力を必要としない簡素な構成で、フェザーの角度から外れたピッチ角度範囲においてブレード５にフェザー側への回転方向への付勢力を常時作用させることができる。したがって、フェザーの角度を除くピッチ角度範囲においてブレード５のピッチ駆動系に組み込まれるギアのバックラッシを消失させて、それらのギアの損傷を防止することができる。

本実施形態によれば、プレード４のピッチ軸Ｐと同軸に配置したスプラインを介してブレード５と捩りバネ１３とが連結されているので、捩りバネ１３がピッチ軸Ｐ方向に伸縮してもスプラインによりその伸縮を拘束することがないので、ピッチ旋回の円滑性を維持できる。

本実施形態においては、ピッチ軸Ｐの異なる２以上のブレード５の付根同士がハブ４内に配置した捩りバネ１３を介して連結される。これにより捩りバネ１３をハブに固定することなく、捩りバネ１３によってブレードが一定のピッチ角に付勢される。２枚ブレードのロータではピッチ軸Ｐが一致する（一直線上になる）ので、このような構造は取れないから、バネの一部をハブに固定するとよい。
ブレードが３枚以上のロータであってもバネの一部をハブに固定してもよい。

なお、本実施形態においては、弾性部材として捩りバネを用いたが、曲げバネ等の他の形態のバネを用いても良い。
上記実施形態においては、電力によりブレードのピッチを駆動する形態を想定したが、油圧等の他のエネルギー形態を駆動源とするものでも、駆動源が絶たれたときにバネトルクによりブレードを所定ピッチ角に収めることができるから、本発明は有効に利用できる。

本発明の一実施形態に係る水平軸風車の側面図である。 図１の部分内視図である。 図２のピッチ軸Ｐ方向から見た旋回ベアリング等の平面図である。 本発明の一実施形態に係る連結部品の分解斜視図である。 本発明の一実施形態に係るピッチ角とトルクとの関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係るピッチ角とトルクとの関係を示すグラフである。 互いの歯を当接させた状態の旋回ベアリングギアとピニオンギアを示す部分平面図である。

符号の説明

１ タワー
２ ナセル
３ 主軸
４ ハブ
５ ブレード
６ ロータ
７ ブレード取付孔
８ 旋回ベアリング
９ 旋回ベアリングギア
１０ ピニオンギア
１１ ブリッジ
１１ａ メス型スプライン
１２ａ オス型スプライン
１２ スプライン軸
１３ バネ
１４ 三叉連結体
Ａ 回転軸
Ｐ ピッチ軸

Claims (3)

1. ハブと少なくとも２枚以上のブレードとを有し回転自在に軸支されたロータと、
   外輪部が前記ハブに固定され、内輪部が前記ブレードに固定され、前記ブレードをピッチ旋回可能に支持する旋回ベアリングと、
   前記旋回ベアリングの前記内輪部に固定された旋回ベアリングギアと、
   前記ブレードのピッチ駆動に用いられるピッチモータと、
   前記旋回ベアリングに噛合し、前記ピッチモータの出力軸に固定されたピニオンギアと、
   前記ピッチモータを駆動して前記ブレードのピッチ角を制御するピッチ駆動制御装置とを備える水平軸風車において、
   前記ブレードをフェザーの角度へ付勢する弾性部材が前記旋回ベアリングの前記内輪部の内側に架設されたブリッジに連結して設けられてなる水平軸風車。
2. 前記弾性部材を捩りバネとし、前記ブレードのピッチ軸と同軸に配置したスプラインを介して前記ブリッジと前記捩りバネとが連結されてなることを特徴とする請求項１に記載の水平軸風車。
3. 前記弾性部材を捩りバネとし、前記ブレードを３以上備え、ピッチ軸の異なる２以上のブレードの付根同士が前記ハブ内に配置した前記捩りバネを介して連結されてなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の水平軸風車。

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