JP5165804B2 - 風力発電装置 - Google Patents
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Description
風力発電装置は、地面に立設されたタワー、ナセル、主軸、ロータヘッド、複数のブレード及びピッチ軸回転機構を備える。
ナセル(後部ナセル)は、タワーの上部に配設される。主軸は、ナセルに配設されて回転可能である。ロータヘッド(前部ナセル)は、主軸の先端に配設されてナセルから突出する。複数のブレードは、ロータヘッドから主軸の軸線回りに放射状に突設される。ピッチ軸回転機構(可変ピッチ装置)は、ブレードをそのピッチ軸回りに回転させる。
リンク構造は、ロッド軸受け部を介してロッド先端に連結されるピッチ制御軸と、このピッチ制御軸とブレードとを繋ぐ複数の継ぎ手(リンク及びアーム)と、を含んでいる。
ピッチ制御軸は、ナセルの発電機内及び主軸内を通ってロータヘッド内に至る。ピッチ制御軸は、アクチュエータ本体に対するロッドの伸縮に伴って主軸の軸線方向に往復移動可能である。ピッチ制御軸は、ロッド軸受け部によりロッドに対して回転可能である。
アクチュエータのロッド伸縮をブレードに伝達するためのリンク構造の部品点数が多く、構造が複雑である。このような複雑な構造により、組立やメンテナンス(以下、組立等)に手間がかかる。
本発明に係る風力発電装置は、タワーの上部に配設されたナセルと、前記ナセルに配設された回転可能な主軸と、前記主軸の先端に配設されて、前記ナセルから突出するロータヘッドと、前記ロータヘッドから前記主軸の軸線回りに放射状に突設された複数のブレードと、前記ロータヘッド内に設けられ、前記ブレードをピッチ軸回りに回転させるピッチ軸回転機構と、を備え、前記ピッチ軸回転機構は、前記ロータヘッドに支持されたアクチュエータ本体及び前記アクチュエータ本体から伸縮可能なロッドを有するアクチュエータと、前記ロッドと前記ブレードとを連結するリンク構造と、を備え、前記アクチュエータは、前記アクチュエータ本体の一方が前記ロータヘッドに固定され、前記アクチュエータ本体の他方が球面軸受を介して前記ロータヘッドに支持されて、前記主軸の軸線上に延設されることを特徴とする。
図1に示すように、本実施形態に係る風力発電装置1は、水平軸型の風力発電装置である。風力発電装置1は、タワー2、ナセル3及び回転構造4を備える。
タワー2は、地面Fに立設する。ナセル3は、タワー2の上部に配設される。回転構造4は、タワー2に対してナセル3をタワー2の軸回り(ヨー軸回り)に旋回させる。
主軸5は、ナセル3に対して回転可能に配設される。ロータヘッド6は、主軸5の先端に配設されて、ナセル3から突出する。複数のブレード7は、ロータヘッド6から主軸5の軸線C回りに放射状に突設される。ピッチ軸回転機構8は、ロータヘッド6内に設けられて、ブレード7をそのピッチ軸P回りに回転させる。
ナセル3において、主軸5の基端側には、発電機(不図示)が配設される。発電機は、主軸5が軸線C回りに回転することで得られる機械エネルギーを電気エネルギーに変換して電力を発電する。
油圧ブレーキ15は、ロータヘッド6の基端部から主軸5内を通り、筒状のスリップリング16内を通って、油圧ロータリージョイント17に接続される。油圧ロータリージョイント17の基端側には、油圧ブースタ18が接続される。油圧ブースタ18の基端側には、小型空気圧縮機19が接続される。
ドライバ20は、必ずしも地上に配設する必要はない。例えばナセル3内に配設されていてもよい。
ブレード7は、ロータヘッド本体22にピッチ軸P回りに回動可能に支持される。ブレード7には、ロータヘッド6内に配設された円板状のディスク27が一体に連結される。
ロッドカバー24は、ロッド10及びロッド10に連結されるリンク構造12の先端側部分を覆う。ロッド10は、ロータヘッド蓋23から先端側へ向けて突出する。
ロータヘッドカバー25は、ロータヘッド6及びロッドカバー24を覆うように配設される。
アクチュエータ本体9の基端部(アクチュエータ本体9の一方)は、ロータヘッド本体22の基端部に固定される。アクチュエータ本体9の先端部(アクチュエータ本体9の他方)は、球面軸受26を介してロータヘッド蓋23に支持される。
アクチュエータ11の詳しい構造については、後述する。
リンク棒29は、軸線C方向に沿うように延びるリンク棒本体31と、リンク棒本体31の両端部に配設されたリンク軸受30と、を備える。リンク軸受30は、リンクアングル28又はディスク27とリンク棒本体31とを相対回動可能に連結する。
仮想線L2は、アクチュエータ本体9に対するロッド10の突出量が最も大きくなった状態において、連結部分及びピッチ軸Pを通る仮想線である。この仮想線L2と、仮想線LCとのなす角度θ2は、45°である。
図6及び図7に示すように、リンク棒本体31の両端には、雄ねじ軸51Lと雄ねじ軸51Rが形成される。雄ねじ軸51Lは、左ねじ(反時計回りのねじ:left-hand thread)である。雄ねじ軸51Rは、右ねじ(時計回りのねじ:right-hand thread)である。
ディスク27に連結されたリンク軸受30(30L)には、左ねじの雌ねじ52Lが形成される。リンクアングル28に連結されたリンク軸受30(30R)には、右ねじの雌ねじ52Rが形成される。
リンク棒本体31の雄ねじ軸51Lに対して、リンク軸受30Lの雌ねじ52Lが嵌まる。リンク棒本体31の雄ねじ軸51Rに対して、リンク軸受30Rの雌ねじ52Rが嵌まる。
ナット53をリンク軸受30端面から離間させた状態では、リンク棒本体31を軸回転させると、リンク棒29の長さ(リンク長)Sを変更(調整)することができる。
リンク棒29の長さSを調整した後に、各ナット53をリンク軸受30(30R,30L)の端面に押付けることにより、リンク棒29の長さSを固定できる。
このように、各リンク棒29は、それぞれ長さ調整機構Mを備える。
そこで、各リンク棒29の長さを長さ調整機構Mにより調整して、3枚のブレード7のピッチ角を所定の角度に一致させる。例えば、アクチュエータ本体9に対するロッド10の突出量が最も小さくなった状態において、3枚のブレード7を全てピッチ角0°に一致させる。
このように、風力発電装置1は、長さ調整機構Mにより3枚のブレード7のピッチ角を一致させるので、発電効率の低下を防止できる。
ボールねじ33は、モータ32の回転運動のエネルギーを主軸5の軸線C方向に沿う直線運動のエネルギーに変換する。ボールスプライン34は、ボールねじ33に連結されて、アクチュエータ本体9に対して、ロッド10を主軸5の軸線C方向に直線案内する。ケーシング38は、ボールねじ33及びボールスプライン34を覆うように、筒状に形成される。
ねじ軸36の外周面には、軸線C回りに周回しつつ、軸線C方向に延びる螺旋状の溝である転動体転走面(不図示)が形成される。ボールねじナット37には、転動体転走面に対向する螺旋状の溝である負荷転動体転走面を含む無端の無限循環路(不図示)が形成される。無限循環路には、複数のボール(転動体)が循環可能に保持される(不図示)。
スプライン軸43は、ボールねじナット37の先端部に連結されて、軸線C方向に沿って延びる。スプライン軸43は、筒状に形成されて、ねじ軸36が挿入される。スプラインナット44は、筒状に形成されて、スプライン軸43が挿入される。スプラインナット44は、ケーシング38の先端部に固定される。スプラインナット44の先端部分44aは、ケーシング38から先端側へ向けて突出する。
これにより、アクチュエータ本体9の基端部において、アキシャル、スラスト及び曲げ方向の各方向の負荷を受けとめるように構成される。スタンド46の内部と主軸5の内部とは、互いに連通する。
球面軸受26は、球面軸受フランジ47を介して、ロータヘッド蓋23に配設される。ロータヘッド蓋23の中央には、軸線C方向に貫通する取付孔23aが形成される。この取付孔23aに球面軸受フランジ47が装着される。球面軸受26は、ロータヘッド6の梁であるアクチュエータ11の支持構造であり、スラスト方向の荷重を受けとめる。
筒部48内には、球面軸受26が挿入される。球面軸受26は、筒部48に対して軸線C方向に摺動可能である。筒部48と球面軸受26とのはめあい精度及び球面軸受26とスプラインナット44とのはめあい精度は、互いに軸線C方向に相対移動可能なクリアランス(しめ代)に設定される。
フランジ部49の中央には、軸線C方向に貫通する貫通孔49aが形成される。貫通孔49aにはロッド10が挿入される。
組立等が完了した際には、球面軸受フランジ47とロータヘッド蓋23とは、ボルト50によって互いに固定されて、径方向への相対移動が規制される。
このような特別な構成により、下記の顕著な効果を奏する。
これにより、風力発電装置1は、組立等が容易となる。ロッド10及びリンク構造12の全長を短くできるので、アクチュエータ11やブレード7から伝達される軸線C方向への大きな荷重(推力)によって、ロッド10やリンク構造12のリンク棒29の座屈を防止できる。
これにより、ロータヘッド6内に、アクチュエータ11のモータ32を配設できる。ロータヘッド6内に、近接スイッチ13、エンコーダ14等のセンサ及び油圧ブレーキ15を配設できる。よって、風力発電装置1の安全性や耐久性が高まる。
アクチュエータ11のロッド10伸縮は主軸5の軸線C上に沿って行われるので、ロッド10伸縮による偏心が生じない。
よって、ロータヘッド6は、長期に亘り安定して回転する。このようにロータヘッド6の回転が安定するため、回転バランスをとるためのバランサーの設置量を削減できる。
隙間G1が形成されることにより、球面軸受26がロータヘッド6に対して主軸5の軸線C方向に移動可能である。これにより、アクチュエータ本体9等が熱膨張(収縮)して軸線C方向に伸縮した際に、その伸縮量を吸収できる。
風力発電装置1は、ミスアライメントによる取り付け誤差や熱膨張による変位誤差をキャンセル又は吸収できるため、部品の加工精度が粗くてもよくなり、組立時の調整作業等の工程を削減できる。よって、生産性が向上するとともに製造費用が削減される。
アクチュエータ11は、駆動源として電気駆動のモータ32を用いているので、応答性に優れる。風力発電装置1は、風向きや風速が大きく変動する自然の風Wを受けて駆動するため、ピッチ軸回転機構8のアクチュエータ11には高い応答性が要求される。アクチュエータ11(電気駆動のモータ32)は、このような要求に十分に対応できる。
風力発電装置1のブレード7が風Wから受ける外力は非常に大きい。ブレード7をピッチ軸P回りに回動させるために、ピッチ軸回転機構8のアクチュエータ11には、高推力かつ低バックラッシが要求される。アクチュエータ11(ボールねじ33)は、このような要求に十分に対応できる。
これにより、軸線C方向に沿うロッド10伸縮の推力を、ピッチ軸P回りの回転トルクに変換する効率が高くなるので、制御の簡略化ができる。
球面軸受26がロータヘッド本体22の基端部に配設されてもよい。この場合、アクチュエータ本体9の一方である先端部がロータヘッド6に固定される。また、アクチュエータ本体9の他方である基端部が球面軸受26を介してロータヘッド6に支持される。
Claims (4)
- タワーの上部に配設されたナセルと、
前記ナセルに配設された回転可能な主軸と、
前記主軸の先端に配設されて、前記ナセルから突出するロータヘッドと、
前記ロータヘッドから前記主軸の軸線回りに放射状に突設された複数のブレードと、
前記ロータヘッド内に設けられ、前記ブレードをピッチ軸回りに回転させるピッチ軸回転機構と、
を備え、
前記ピッチ軸回転機構は、
前記ロータヘッドに支持されたアクチュエータ本体及び前記アクチュエータ本体から伸縮可能なロッドを有するアクチュエータと、
前記ロッドと前記ブレードとを連結するリンク構造と、
を備え、
前記アクチュエータは、
前記アクチュエータ本体の一方が前記ロータヘッドに固定され、前記アクチュエータ本体の他方が球面軸受を介して前記ロータヘッドに支持されて、前記主軸の軸線上に延設されることを特徴とする風力発電装置。 - 前記球面軸受は、前記ロータヘッドに対して、前記主軸の軸線方向に垂直な径方向及び前記軸線方向に移動可能であることを特徴とする請求項1に記載の風力発電装置。
- 前記アクチュエータは、
モータと、
前記モータの回転運動のエネルギーを前記主軸の軸線方向に沿う直線運動のエネルギーに変換するボールねじと、
前記ボールねじに連結されて、前記アクチュエータ本体に対して前記ロッドを前記主軸の軸線方向に直線案内するボールスプラインと、を含むことを特徴とする請求項1または2に記載の風力発電装置。 - 前記リンク構造は、
前記ロッドの先端部と前記ブレードの基端部を連結すると共に、長さ調整機構を有するリンク棒を備えることを特徴とする
請求項1〜3のいずれか一項に記載の風力発電装置。
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