JP5685699B2 - 可変ピッチ装置 - Google Patents

Description

本発明は、可変ピッチ装置に関しとくにプロペラ型風力発電装置の可変ピッチ装置に関するものである。

近年、地球の環境を守るという気運が高まりつつある中で電気エネルギー創造の面でもクリーンなエネルギー創造である風力発電への関心が高まり、より簡単な構成でより安全性の高いそして効率のよい風力発電装置が求められている。

従来、この種の風力発電装置においては、風の力を利用してプロペラ羽根を回転させその回転力により発電機をまわして発電するシステムであり、自然の風の力をシステムの中で如何に旨く吸収し制御するかが大きな課題であって、例えば、台風などの強風の場合はプロペラ羽根が必要以上に回転し、そのまま発電装置を運転し続けると装置自体の故障につながったり危険でもあるので、プロペラ羽根のピッチを変化させ、回転を落とすかあるいは停止させる方法が一般的であった。

しかしながら、上記のプロペラ羽根のピッチを変化させる機構としては、油圧ユニットとピストン及びリンク機構等の複雑な構造であり、コストアップとなると共に、保守のために多大の経費を必要とした。

そこで、プロペラ羽根を駆動軸方向に傾斜させる羽根傾斜手段を有し、この羽根傾斜手段により羽根を駆動軸方向に傾斜させ回転を制御する風力発電装置が提案されている（特許文献１参照。）。また、風車のブレード軸にブレードを回転するためのピッチアクチュエータを設けるとともに、ブレード軸をフラップ軸で揺動自在に保持し、さらにブレード軸を正常に付勢するスプリングを備えたフラップ機構もある（特許文献２参照。）。

特開平０９−７９１２７号公報 特開２００１−２２１１４５号公報

しかしながら、上記特許文献１に提案されている風力発電装置は、プロペラ羽根を駆動軸方向に傾斜させるためダウンウインド（風下側にプロペラ羽根を配置）での使用が可能であり、アップウインド（風上側にプロペラ羽根を配置）には使用できないという問題点があった。また、上記特許文献２に記載のフラップ機構は、ブレード軸を回転自在に保持する円筒状部材内で回転してブレードのピッチ角が変わる構造であり、またこの円筒状部材を介してスプリングによる付勢を行なうため、ブレードごとに微調整を行なう必要があると共に、構造が複雑となり高価であるという問題点もあった。

本発明は、上記の問題点に鑑みなされたもので、簡単な構造で、自動的にブレードのピッチ角を変更できる可変ピッチ装置を提供することを目的とする。

このため本発明の可変ピッチ装置は、プロペラ型風力発電装置の可変ピッチ装置において、複数のブレードを取付けるハブと、該ハブのブレード取付位置に所定の角度で取付けられたヒンジと、該ヒンジを介して取付けられ、風圧によって回転軸方向に揺動するブレードと、該ブレードの基端部を前記ハブ方向に付勢する付勢部材とから構成され、風圧によって前記ブレード先端部が前記付勢部材の付勢に抗して風下方向に揺動すると共に、ピッチ角度が増減することを第一の特徴とする。

また、複数のブレードを取付けるハブと、該ハブのブレード取付位置に所定の角度で取付けられたヒンジと、該ヒンジを介して取付けられたブレードと、該ブレードの基端部を前記ハブ方向に付勢する付勢部材とから構成され、前記ブレードが遠心力によって前記付勢部材の付勢に抗して揺動し、ピッチ角度が増減することを第二の特徴とする。

また、前記付勢部材は、前記ハブの中央位置に立設して設けられた中心軸の軸方向に巻回して設けられたバネ材と、該バネ材の一端側に設けられ前記ブレード基端部側と当接する当接部材と、他端側に設けられ前記バネ材を所定の付勢力で圧縮して固定する固定部材とから構成したことを第三の特徴とする。

そして、前記ヒンジの取付角度は、該ヒンジの回動基部がブレード取付中心線に対して反時計回りの所定角度の位置とし、風圧若しくは遠心力によってブレードのピッチ角度を減少させることを第四の特徴とする。

さらに、前記ヒンジの取付角度は、該ヒンジの回動基部がブレード取付中心線に対して時計回りの所定角度の位置とし、風圧若しくは遠心力によってブレードのピッチ角度を増加させることを第五の特徴とする。

本発明の可変ピッチ装置によれば、ハブに複数のブレードがヒンジを介して取付けられ、さらにブレードの基端部を付勢部材によってハブ方向に付勢されるため、風圧によってブレード先端部が風下方向に揺動し、自動的にピッチ角度を増減させることができるという優れた効果を有する。

また、本発明の可変ピッチ装置によれば、遠心力によってブレードが付勢部材の付勢に抗して揺動し、ピッチ角度を増減するという優れた効果を有する。

そして、前記付勢部材はハブの中央位置に立設して設けられた中心軸の軸方向に巻回して設けられたバネ材と、該バネ材の一端側に設けられ前記ブレード基端部側と当接する当接部材とから構成されているため、簡単な構造で複数のブレードをハブ方向に付勢することが可能である。しかも予めバネ材の圧縮量を調節することによってブレードの先端部の揺動量を調整できるためブレードの取り付け方向（ダウンウインド或いはアップウインド）を選ばないという優れた効果を有する。

さらに、ヒンジの取付け角度を反時計回り、または時計回りを選択して使用することが可能であり、ブレードの先端部の揺動に伴うピッチ角度の増減を選択できるという効果を有する。

本発明の可変ピッチ装置の一実施例を示す平面説明図である。 図１の正面説明図である。 本発明の可変ピッチ装置の可動状態を示す説明図である。 本発明の可変ピッチ装置による回転速度制御を示すグラフである。 本発明の可変ピッチ装置の他の実施例を示す側面説明図である。 図５の可変ピッチ装置の可動状態を示す説明図である。 本発明の可変ピッチ装置の他の実施例による回転速度制御を示すグラフである。

以下、本発明の可変ピッチ装置を実施例に基づいて説明するが、本発明が本実施例に限定されないことは言うまでもない。図１は本発明の可変ピッチ装置の実施例を示す平面説明図、図２は図１の正面説明図、図３は本発明の可変ピッチ装置の可動状態を示す説明図、図４は本発明の可変ピッチ装置によるブレード回転速度を制御する状態を示すグラフである。

図１乃至図３は、本発明の可変ピッチ装置を備えたプロぺラ型風力発電機の、ピッチ角度が減少する機構を示す説明図であり、図１は平面説明図、図２は正面説明図、図３は可変ピッチ装置の可動状態を説明する説明図であり、図３（ａ）は平面説明図、図３（ｂ）は正面説明図である。図に示すように本発明の可変ピッチ装置１は、プロペラ型風力発電機の３枚のブレード２を、ハブ３に取付けるヒンジ４と、ブレード２の基部固定部材５をハブ３方向に付勢する付勢部材６とから構成されている。

図１および図２に示すように、ブレード２は回転軸７周りに３枚均等に配置され基部固定部材５を介してヒンジ４によってそれぞれハブ３に固定され回転自在とされている。ヒンジ４の一端側はブレード２の中心軸８に対してヒンジ軸９が反時計周りに所定の角度を付けて基部固定部材５に取付けられ、他端側はハブ３上に設けられた取付台１０に取付けられる。尚、本実施例においてはヒンジ４の取り付け角度を１５度とした。また、本実施例においてはブレード２先端部のピッチ角度が４°の形状の物を使用した。

ブレード２の基部固定部材５をハブ３方向に付勢する付勢部材６は、ハブ３の中央位置に立設して設けられた回転中心軸１１の軸方向に巻回して設けられたバネ材１２と、バネ材１２の一端側に設けられブレード２の基部固定部材５と当接する当接部材１３と、バネ材１２の他端側に設けられバネ材１２を所定の付勢力で圧縮して固定する固定部材１４とから構成され、ボルトの締め付けによってブレード２の基部固定部材５を当接部材１３によってハブ３方向に押圧する。

この構成でブレード２の先端側が風圧を受けると、図３に示すようにブレード２は風圧によって風下方向に変移すると共にヒンジ４によって捩れ、ヒンジ軸９周りにブレード２が回動し、ピッチ角度が減少する。

上記構成の可変ピッチ装置を使用してプロペラ型風力発電機による発電を行なうと、３枚のブレード２は風圧によって回転し、風速が増加すると共に回転数が上がる。そしてブレード２に所定の風圧が加わると、ブレード２の先端側がバネ材１２の付勢に抗して風下側に変移すると共に、ヒンジ軸９周りにブレード２が回動して、ブレード２のピッチ角度が減少し、ブレード２の回転速度が一定の速度に収れんする。この際ブレード２の先端部のピッチ角度は風速が３ｍで４°から３°となり、さらに風速が増すと減少した。

図４は、本発明の可変ピッチ装置を使用したプロぺラ型風力発電機のブレード回転速度を制御する状態を示すグラフであり、Ａ線は固定ピッチの例を示し、Ｂ線はピッチ角度が減少する例を示し、Ｃ線はピッチ角度が増加する例を示す。尚、縦軸は回転数を表し、横軸は風速を表す。

図に示すように、ピッチ角度が変化しない場合には、Ａ線のように風速に比例してブレードの回転数が増加する。一方Ｂ線は上記の実施例に示した可変ピッチ機構によるブレードの回転速度の変化を示しており、風速が３ｍ／ｓ近傍で約４００ｒｐｍとなり、風速が増加するに従い３００ｒｐｍ近傍まで減少しほぼ一定となった。この３ｍ／ｓの風速におけるブレードの先端部のピッチ角度は３°であった。

Ｃ線は、ヒンジの取付角度を、ヒンジの回動基部がブレード取付中心線に対して時計回りの角度の位置とし、風圧によってブレードのピッチ角度を増加させる可変ピッチ装置によるブレード回転速度の変化を示しており、上記Ｂ線と同様に風速が３ｍ／ｓ近傍で約３００ｒｐｍとなり、風速が増加するに従い４００ｒｐｍ近傍まで増加しほぼ一定となった。この３ｍ／ｓの風速におけるブレードの先端部のピッチ角度は６°であり、風速が増加する毎にピッチ角度が増加した。

上記の構成からなる本発明の可変ピッチ装置によれば、ハブに３枚のブレードがヒンジを介して取付けられ、さらにブレードの基端部を付勢部材によってハブ方向に付勢されるため、風圧によってブレード先端部が風下方向に揺動し、自動的にピッチ角度を増減させることができる。

次に図５及び図６従って、可変ピッチ装置の他の実施例を説明する。図５は本発明の可変ピッチ装置の他の実施例を示す側面説明図、図６は図５の稼動状態を示す斜視図である。図に示すように、本実施例の可変ピッチ装置２１は、風下方向にブレードを備えたプロぺラ型風力発電機に使用されるものであり、ブレード２２は回転中心軸２３方向に約１５°傾斜した状態で、ヒンジ２４を介してハブ２５に取り付けられている。尚、ブレード２２とハブ２５との取り付け構造、及び付勢手段であるバネ材２６の取り付け構造に関しては、上記実施例と同等であり省略する。また、本実施例においては遠心力によってブレード２２のピッチ角度が減少する例で説明する。

図６は本発明の可変ピッチ装置を備えたプロぺラ型風力発電機が風を受けて、ブレード２２が回転して風速に応じてブレード２２のピッチ角度が変化する状態を示しており、図６（ａ）は変化前を示し、図６（ｂ）は変化後を示している。図に示すように、ブレード２２が所定の風速の風を受けると、回転軸（図示せず）周りに回転し、遠心力がブレード２２に生じる。この遠心力によって、ブレード２２はバネ材２６の付勢力に抗してヒンジ２４のヒンジ軸２７回りに回動し、ピッチ角度が減少する。そして、ブレード２２の回転数は略一定の値となる。

図７は、本発明の可変ピッチ装置を使用したプロぺラ型風力発電機のブレード回転速度を制御する状態を示すグラフであり、Ａ線は固定ピッチの例を示し、Ｂ線・Ｃ線・Ｄ線はピッチ角度が減少する例を示しており、バネ材の強度がＤ線、Ｃ線、Ｂ線の順に強くなる。尚、縦軸は回転数を表し、横軸は風速を表す。

図に示すように、ピッチ角度が変化しない場合には、Ａ線のように風速に比例してブレードの回転数が増加する。一方Ｂ線、Ｃ線、Ｄ線は上述した可変ピッチ機構によるブレードの回転速度の変化を示しており、例えば、Ｄ線では風速が３ｍ／ｓ近傍で約３００ｒｐｍとなり、風速が５ｍ／ｓ近傍で約３５０ｒｐｍとなった。この５ｍ／ｓの風速におけるブレードの先端部のピッチ角度の変化量（減少量）は約７°であった。尚、本実施例においては、ブレードのピッチ角度が減少する例で説明を行なったが、ピッチ角度が増加する構成であってもよいことは無論である。

以上本発明による可変ピッチ装置は、複数のブレードを取付けるハブと、該ハブのブレード取付位置に所定の角度で取付けられたヒンジと、該ヒンジを介して取付けられ、風圧によって回転軸方向に揺動するブレードと、該ブレードの基端部を前記ハブ方向に付勢する付勢部材とから構成したため、簡単な構造で、自動的にブレードのピッチ角を変更できる可変ピッチ装置を提供することができる。さらに、ブレードの回転による遠心力によってピッチ角を自動的に変更できる可変ピッチ装置も提供できる。

１、２１ 可変ピッチ装置
２、２２ ブレード
３、２５ ハブ
４、２４ ヒンジ
５ 基部固定部材
６ 付勢部材
７ 回転軸
８ 中心軸
９、２７ ヒンジ軸
１０ 取付台
１１、２３ 回転中心軸
１２、２６ バネ材
１３ 当接部材
１４ 固定部材
１５ ボルト

Claims (3)

1. 風上方向にブレードを備えたプロペラ型風力発電装置の可変ピッチ装置であって、複数のブレードを取付けるハブと、該ハブの中央位置に立設された回転中心軸と、該回転中心軸の軸方向に巻回して設けられたバネ材と、該バネ材の一端側に設けられ前記ブレード基端部側と当接する当接部材と、前記バネ材の他端側に設けられ前記バネ材を所定の付勢力で圧縮して固定する固定部材と、前記回転中心軸周りに基部固定部材を介して設けられた複数のブレードと、該基部固定部材及び前記ハブにブレードの中心軸に対してヒンジ軸が反時計回りに１５度となるよう取付けられたヒンジとから構成され、風圧によって前記ブレードの先端部が前記バネ材の付勢に抗して風下方向に揺動すると共に、ピッチ角度を減少させることを特徴とする可変ピッチ装置。
2. 風下方向にブレードを備えたプロペラ型風力発電装置の可変ピッチ装置であって、複数のブレードを取付けるハブと、該ハブの中央位置に立設された回転中心軸と、該回転中心軸の軸方向に巻回して設けられたバネ材と、該バネ材の一端側に設けられ前記ブレード基端部側と当接する当接部材と、前記バネ材の他端側に設けられ前記バネ材を所定の付勢力で圧縮して固定する固定部材と、前記回転中心軸周りに基部固定部材を介して設けられた複数のブレードと、該基部固定部材及び前記ハブにブレードの中心軸に対してヒンジ軸が反時計回りに１５度となるよう取付けられたヒンジとから構成され、前記ブレードが遠心力によって前記バネ材の付勢に抗して揺動し、ピッチ角度を減少させることを特徴とする可変ピッチ装置。
3. 前記ヒンジを前記ブレートの中心軸に対して時計回りに１５度となるよう取付け、ブレードのピッチ角度を増加させることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の可変ピッチ装置。

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