JP5433808B1 - 風車ブレードのピッチ角制御装置 - Google Patents

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。

特開２０１０−２５５６２５号公報

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、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。

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。

風力発電用風車の斜視図である。 コイルばねを用いた実施例に係るピッチ制御装置を表した図である。 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。 板ばねを用いた実施例に係るピッチ制御装置を表した図である。 ピッチ角を説明する図である。 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。 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。

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

Claims (1)

1. 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ことを特徴とする風車ブレードのピッチ角制御装置。

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