JP6125910B2

JP6125910B2 - 風力発電設備

Info

Publication number: JP6125910B2
Application number: JP2013114921A
Authority: JP
Inventors: 向井　寛; 寛向井; 了仁小畑
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2017-05-10
Anticipated expiration: 2033-05-31
Also published as: JP2014234836A; EP2821643A1

Description

本発明は風力発電設備に係り、特に、ハウジング内でロータが回転可能なように支持され、そのロータ内のロータ内流路から環状油室を経てハウジング内流路に作動油等の流体を導くスイベルジョイントを備えているものに好適な風力発電設備に関する。

従来のスイベルジョイントとしては、例えば、特許文献１に記載されている建設機械に用いられたものが知られている。この特許文献１に記載されているスイベルジョイントは、図１３に示すような断面形状の流路構造となっている。

即ち、図１３に示すように、従来のスイベルジョイントは、ロータ１と筒状のハウジング２を代表とする幾つかの構成部品から成り、ハウジング２内でロータ１が自在に回転可能なように支持され、ロータ１内に設けたロータ内流路６からハウジング２内に形成された環状油室４を経てハウジング内流路１０に作動油等の流体を導くか、或いは逆方向、つまり、ハウジング内流路１０から環状油室４を経てロータ内流路６に流体を導く動作を行うようになっている。

実開平４−３１９２号公報

上述したように、従来のスイベルジョイントは、環状油室４を介して流体を移送しているため、圧力損失の観点から以下のような問題が生ずる。即ち、圧力損失が増大する問題と、ロータ内流路６の開口部の方向により圧力損失が大きく異なる点である。

ここで、図１３において、ロータ内流路６の開口部の方向を、便宜上、上方向を０時、右方向を３時、下方向を６時、左方向を９時と定義する。ロータ内流路６の開口部の方向を定義した場合における数値解析による圧力損失の評価結果を、図５に示す。図５の直線Ｘは、図１３に示した従来構造におけるロータ内流路６の開口部の方向を定義した場合の圧力損失の計算結果である。

図５に示すロータ内流路６が０時方向を向いている場合、ロータ内流路６より流出した流体は、概ね直接ハウジング内流路１０に流入する。この時の圧力損失が最小となるため、これを基準に３時、６時、９時のロータ内流路６の開口部の方向の損失を評価した結果が従来構造の圧力損失評価結果を示す直線Ｘであり、０時方向以外では、圧力損失が概ね２倍になることが分かる。

この理由は、ロータ内流路６の開口部の方向が０時方向以外の場合、ロータ内流路６より流出した流体が一度２方向に別れ、ハウジング内流路１０に流入するため、分岐、合流損失が加算されたことによるものである。

即ち、図１３に示した従来構造の場合、ロータ内流路６から環状油室４に流入した流れは、環状油室４内で一度分岐し、ハウジング内流路１０から流出する段階で再び合流するため、流体の分岐、合流に伴う圧力損失が生ずる。また、ロータ内流路６の開口部の上方向を０時、右方向を３時、下方向を６時、左方向を９時と定義した場合、０時方向では、分岐、合流損失が殆ど生じないのに対して、それ以外の方向では分岐、合流損失が生じるため、方向により圧力損失が増減する方向依存性の問題が生じる。

本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、環状油室内に生ずる分岐、合流流れを緩和して圧力損失の低減を図ると共に、ロータ内流路の開口部の方向により圧力損失が増減する問題を防止することができるスイベルジョイントを備えた風力発電設備を提供することにある。

本発明の風力発電設備は、上記目的を達成するために、ハブとブレードから成る風車ロータと、該風車ロータに前記ハブに接続されたシャフトを介して接続され、前記風車ロータの回転エネルギを前記シャフトを介して伝達されて作動油の圧カエネルギに変換する油圧ポンプと、該油圧ポンプを少なくとも収納し、前記シャフトを介して前記風車ロータを軸支するナセルと、該ナセルを頂部に支持し、その頂部とは反対側が基礎に固定されているタワーと、該タワー内の基礎上に設置された油圧モータと、該油圧モータに前記油圧ポンプから作動油を供給して循環させる油圧配管と、前記油圧ポンプからの作動油が供給された前記油圧モータで回転エネルギに変換されて駆動される発電機と、前記ナセルと前記タワーの間に設置されると共に、前記油圧モータと前記油圧ポンプの間で前記作動油を循環させるために少なくも２系統の油圧回路が形成され、それぞれの前記油圧回路に前記油圧配管が接続されているスイベルジョイントとを備え、前記スイベルジョイントは、筒状のハウジングと、該ハウジングの内部に回転自在に挿嵌されたロータとを備え、前記ハウジングの内周面と前記ロータの外周面とにそれぞれ独立した２つの環状油室が形成されていると共に、前記ロータは、その端面からそれぞれの前記環状油室に通じる２系統のロータ内流路を有し、かつ、前記ハウジングは、該ハウジングの外周面から内周面のそれぞれの前記環状油室まで貫通する２系統のハウジング内流路を有し、前記２系統のロータ内流路のそれぞれの前記環状油室に面した各開口部には、前記それぞれの環状油室内に突出するガイドベーンが設置されて構成され、前記ハウジング内流路は、前記ハウジングの半径方向に対し、前記環状油室を旋回する作動油の流れの方向に傾斜し、かつ、前記ガイドベーンは、前記ロータ内流路から前記環状油室に流入する作動油の流れを１方向に旋回する流れに整流するように傾斜して形成されていると共に、前記環状油室を流れる前記作動油の流れ方向に曲がつた曲面状に形成され、前記２系統のロータ内流路のそれぞれの前記環状油室に面した各開口部に設置された前記ガイドベーンは、その傾斜方向が互いに逆向きであることを特徴とする。

本発明によれば、環状油室内に生ずる分岐、合流流れを緩和して圧力損失の低減を図ると共に、ロータ内流路の開口部の方向により圧力損失が増減する問題を防止することができる効果がある。

本発明のスイベルジョイントの実施例１を示す縦断面図である。本発明のスイベルジョイントの実施例１を示す水平断面図である。本発明のスイベルジョイントの実施例１を構成するロータとハウジングを示す斜視図である。本発明のスイベルジョイントの実施例１に採用されるガイドベーンの１例を示す斜視図である。本発明のスイベルジョイントの実施例１におけるロータ内流路の開口部の方向を定義した場合における数値解析による圧力損失の評価結果を従来構造の評価結果と比較して示す特性図である。本発明のスイベルジョイントの実施例１におけるガイドベーンの組立の仕方の１例を示す断面図である。本発明の実施例２である風力発電設備を一部断面して示す図である。本発明の実施例２である風力発電設備に採用されるスイベルジョイントを示す縦断面図である。図８のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図８のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。本発明のスイベルジョイントの実施例３を示す縦断面図である。本発明のスイベルジョイントの実施例３におけるロータ内流路の開口部の方向を定義した場合における数値解析による圧力損失の評価結果を実施例１及び従来構造の評価結果と比較して示す特性図である。従来構造のスイベルジョイントを示す水平断面図である。

以下、図示した実施例に基づいて本発明のスイベルジョイントを備えた風力発電設備を説明する。なお、各実施例において、同一構成部品には、同符号を使用する。

図１乃至図３に、本発明のスイベルジョイントの実施例１を示す。

図１乃至図３に示す如く、本実施例のスイベルジョイントは、筒状のハウジング２と、このハウジング２の内部に回転自在に挿嵌されたロータ１とから概略構成されており、また、ハウジング２の内周面とロータ１の外周面とに環状油室４が形成されていると共に、ロータ１は、その端面から環状油室４に通じるロータ内流路６を有し、かつ、ハウジング２は、ハウジング２の外周面から内周面の環状油室４まで貫通するハウジング内流路１０を有している。そして、本実施例では、ロータ内流路６の環状油室４に面した開口部には、環状油室４内に突出するガイドベーン３が設置されている。このガイドベーン３は、環状油室４に面した開口部のロータ内流路６の壁面に、後述する締結手段により固定されるものである。なお、図１において、５はロータ１を支持する軸受、７はロータ１とハウジング２間をシールするシール部材、８は蓋、９は蓋８をハイジング２に固定する止めネジである。

また、上述のハウジング内流路１０は、ハウジング２の半径方向に対し、環状油室４内を旋回する作動油の流れの方向に傾斜しており、更に、ガイドベーン３は、ロータ内流路６から環状油室４に流入する作動油の流れを１方向に旋回する流れに整流するように傾斜して形成されていると共に、環状油室４を流れる作動油の流れ方向に曲がった曲面状に形成されている。

更に詳述すると、図１及び図３に示す如く、ロータ１は、ハウジング２の内部で自在に回転可能なように軸受５により支持されていると共に、ロータ１の内部には、流体を通すＬ型の流路が形成されており、１方の開口部は環状油室４に面しており、開口部には環状油室４内に突き出す形でガイドベーン３を備えている。一方、ハウジング２には、図２及び図３に示す如く、環状油室４から外部に向かうハウジング内流路１０が存在し、このハウジング内流路１０は、ハウジング２の半径方向に対してガイドベーン３により誘起される旋回流の方向に傾斜して形成されている。

図４に、本実施例で採用されるガイドベーン３の構造の１例を示す。該図に示す如く、本実施例のガイドベーン３には、環状油室４に面した開口部のロータ内流路６の壁面に固定するための複数のボルト穴１３が設けられ、かつ、ボルト穴１３が設けられている側とは反対側は、環状油室４を流れる作動油の流れ方向に曲がった曲面状に形成されている。

図６に、本実施例のガイドベーン３の組立の仕方の１例を示す。該図に示す如く、本発実施例のガイドベーン３は、環状油室４に突き出した構造であるため、その組み立ての順序としては、先ずガイドベーン３´を取り外した状態でハウジング２の環状油室４内に仮り置きし、その状態でロータ１をハウジング２に挿入する。その後、ガイドベーン３をボルトあるいは溶接、接着等の締結手段によりロータ１に締結する。

このような本実施例のように、環状油室４内にガイドベーン３を形成することで、分岐、合流損失を低減して圧力損失が低減し、ロータ内流路６の開口部の方向による圧力損失の方向依存性を緩和することができる。

ロータ内流路６の開口部の方向を定義した場合における数値解析による圧力損失の評価結果を示す図５の破線Ｙは、本実施例の構成におけるロータ内流路６の開口部の方向を定義した場合における数値解析による圧力損失の評価結果である。

該図に示す如く、従来構造における圧力損失の評価結果である直線Ｘは、０時方向以外は２倍程度の圧力損失が生じており、強い方向依存性が存在することが分かる。これに対して、本実施例における圧力損失の評価結果である破線Ｙは、全方向で圧力損失は１．５倍以下に低減しており、ロータ内流路６の開口部の方向による圧力損失の方向依存性が緩和されていることが理解される。

次に、本発明の実施例２として、風力発電設備について図７乃至図１０を用いて説明する。

該図に示す如く、本実施例の風力発電設備は、ハブ２０とブレード２１から成る風車ロータ１１と、この風車ロータ１１のハブ２０に接続され、軸受１９で支持されたシャフト１８を介して接続され、風車ロータ１１の回転エネルギをシャフト１８を介して伝達されて作動油の圧カエネルギに変換し、架台２２上に設置された油圧ポンプ１７と、この油圧ポンプ１７を少なくとも収納し、シャフト１８を介して風車ロータ１１を軸支するナセル１６と、ナセル１６を頂部に支持し、その頂部とは反対側が基礎１２に固定されているタワー２３と、タワー２３内の基礎１２上に設置された油圧モータ２５と、油圧モータ２５に油圧ポンプ１７から作動油を供給して循環させる第１の油圧配管２４Ａ１、２４Ｂ１及び第２の油圧配管２４Ａ２、２４Ｂ２と、油圧ポンプ１７からの作動油が供給された油圧モータ２５で回転エネルギに変換されて発電機シャフト２６を介して駆動され、基礎１２上に設置されている発電機２７と、ナセル１６とタワー２３の間に設置されると共に、油圧モータ２５と油圧ポンプ１７の間で作動油を循環させるために少なくも２系統の油圧回路が形成され、それぞれの油圧回路に第１の油圧配管２４Ａ１、２４Ｂ１及び第２の油圧配管２４Ａ２、２４Ｂ２が接続されているスイベルジョイント１００とから概略構成されている。なお、２８は、発電機２７で発電された電力を系統に供給する送電線である。

そして、本実施例では、スイベルジョイント１００として、図８乃至図１０に示す構成のスイベルジョイントを採用したものである。

即ち、図８乃至図１０に示す如く、本実施例のスイベルジョイント１００は、筒状のハウジング２と、このハウジング２の内部に回転自在に挿嵌されたロータ１とを備え、ハウジング２の内周面とロータ１の外周面とに、それぞれ独立した２つの環状油室４Ａ、４Ｂが形成されていると共に、ロータ１は、その端面からそれぞれの環状油室４Ａ、４Ｂに通じる２系統のロータ内流路６Ａ、６Ｂを有し、かつ、ハウジング２は、ハウジング２の外周面から内周面のそれぞれの環状油室４Ａ、４Ｂまで貫通する２系統のハウジング内流路１０Ａ、１０Ｂを有し、２系統のロータ内流路６Ａ、６Ｂのそれぞれの環状油室４Ａ、４Ｂに面した各開口部には、それぞれの環状油室４Ａ、４Ｂ内に突出するガイドベーン３Ａ、３Ｂが設置され、ハウジング２はタワー２３に固定され、ロータ１はナセル１６に、ナセル１６と共に回転可能に支持されているものである。

また、油圧ポンプ１７からの作動油は、ロータ内流路６Ａ、６Ｂに第１の油圧配管２４Ａ１、２４Ｂ１を介して供給され、ロータ内流路６Ａ、６Ｂから環状油室４Ａ、４Ｂを経由してハウジング内流路１０Ａ、１０Ｂに導かれた作動油は、第２の油圧配管２４Ａ２、２４Ｂ２を介して油圧モータ２５に供給されている。

更に詳述すると、一般的な風力発電設備は、ナセル１６内に変速機、発電機、電力変換機等を備えるが、本実施例の風力発電システムでは、軽量化を目的として発電機２７を地上の基礎１２上に設置し、ナセル１６内の油圧ポンプ１７と地上の油圧モータ２５間を油圧により動力伝達する構造としたものである。

即ち、風力により駆動された風車ロータ１１の回転エネルギは、シャフト１８を介して油圧ポンプ１７に伝達され、作動油の圧力エネルギに変換される。前記作動油は、第１の油圧配管２４Ａ１、２４Ｂ１及び第２の油圧配管２４Ａ２、２４Ｂ２を介して油圧モータ２５に伝わり、再び回転エネルギに変換されて発電機２７を駆動するものである。

通常、ブレード２１が、風向きに対向するようにナセル１６の方向が制御されるため、ナセル１６は任意方向に回動自在とする必要がある。そのため、ナセル１６とタワー２３の間にスイベルジョイント１００を設置し、ロータ１はナセル１６と共に回転するようにし、ハウジング２はタワー２３に固定するようにしたものである。また、油圧ポンプ１７と油圧モータ２５間で作動油を循環させる必要があるため、本実施例でのスイベルジョイント１００は、図８に示すように、最低２系統の油圧回路が必要となる。つまり、図８に示すロータ内流路６Ａ、６Ｂと環状油室４Ａ、４Ｂ及び図９、図１０に示すハウジング内流路１０Ａ、１０Ｂから成る２系統の油圧回路である。

更に、本実施例においては、流体の流れの方向によらず、ガイドベーンの傾斜方向に対し反対向きの流量に比例したトルクが発生する。即ち、図２の構成の場合、反時計回り方向のトルクがロータ１に生ずることになるが、図９及び図１０に示すように、２系統の油圧回路におけるガイドベーン３Ａ及び３Ｂの傾斜方向を逆向きに構成することで、ロータ１に生ずる流体力起因のトルクを相殺することができる。

このような本実施例の構成とすることで、分岐、合流損失を低減して圧力損失が低減し、ロータ内流路の開口部の方向による圧力損失の方向依存性を緩和することができる。

図１１に、本発明のスイベルジョイントの実施例３を示す。該図に示す本実施例は、図１に示した実施例１の構成に、断面Ｌ字状に形成されるロータ内流路６の曲がり部にコーナーベーン３３を設置し、更なる圧力損失の低減を図ったものである。

図１２は、ロータ内流路６の開口部の方向を定義した場合における数値解析により圧力損失を評価した結果で、直線Ｚは、本実施例のコーナーベーン３３を付加した場合の圧力損失を評価した結果である。該図から明らかな如く、本実施例のコーナーベーン３３の整流効果により、全方向において圧力損失の改善効果が得られており、ロータ１の方向依存性も低減されていることが分かる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…ロータ、２…ハウジング、３、３´、３Ａ、３Ｂ…ガイドベーン、４、４Ａ、４Ｂ…環状油室、５、１９…軸受、６、６Ａ、６Ｂ…ロータ内流路、７…シール部材、８…蓋、９…止めネジ、１０、１０Ａ、１０Ｂ…ハウジング内流路、１１…風車ロータ、１２…基礎、１３…ボルト穴、１４…取り付け前のガイドベーン、１５…取り付け後のガイドベーン、１６…ナセル、１７…油圧ポンプ、１８…シャフト、２０…ハブ、２１…ブレード、２２…架台、２３…タワー、２４Ａ１、２４Ｂ１…第１の油圧配管、２４Ａ２、２４Ｂ２…第２の油圧配管、２５…油圧モータ、２６…発電機用シャフト、２７…発電機、２８…送電線、３３…コーナーベーン、１００…スイベルジョイント。

Claims

ハブとブレードから成る風車ロータと、該風車ロータに前記ハブに接続されたシャフトを介して接続され、前記風車ロータの回転エネルギを前記シャフトを介して伝達されて作動油の圧カエネルギに変換する油圧ポンプと、該油圧ポンプを少なくとも収納し、前記シャフトを介して前記風車ロータを軸支するナセルと、該ナセルを頂部に支持し、その頂部とは反対側が基礎に固定されているタワーと、該タワー内の基礎上に設置された油圧モータと、該油圧モータに前記油圧ポンプから作動油を供給して循環させる油圧配管と、前記油圧ポンプからの作動油が供給された前記油圧モータで回転エネルギに変換されて駆動される発電機と、前記ナセルと前記タワーの間に設置されると共に、前記油圧モータと前記油圧ポンプの間で前記作動油を循環させるために少なくも２系統の油圧回路が形成され、それぞれの前記油圧回路に前記油圧配管が接続されているスイベルジョイントとを備え、
前記スイベルジョイントは、筒状のハウジングと、該ハウジングの内部に回転自在に挿嵌されたロータとを備え、前記ハウジングの内周面と前記ロータの外周面とにそれぞれ独立した２つの環状油室が形成されていると共に、前記ロータは、その端面からそれぞれの前記環状油室に通じる２系統のロータ内流路を有し、かつ、前記ハウジングは、該ハウジングの外周面から内周面のそれぞれの前記環状油室まで貫通する２系統のハウジング内流路を有し、前記２系統のロータ内流路のそれぞれの前記環状油室に面した各開口部には、前記それぞれの環状油室内に突出するガイドベーンが設置されて構成され、
前記ハウジング内流路は、前記ハウジングの半径方向に対し、前記環状油室を旋回する作動油の流れの方向に傾斜し、かつ、前記ガイドベーンは、前記ロータ内流路から前記環状油室に流入する作動油の流れを１方向に旋回する流れに整流するように傾斜して形成されていると共に、前記環状油室を流れる前記作動油の流れ方向に曲がつた曲面状に形成され、
前記２系統のロータ内流路のそれぞれの前記環状油室に面した各開口部に設置された前記ガイドベーンは、その傾斜方向が互いに逆向きであることを特徴とする風力発電設備。
請求項１に記載の風力発電設備において、
前記油圧ポンプからの作動油は、前記スイベルジョイントのロータ内流路に第１の油圧配管を介して供給され、前記ロータ内流路から環状油室を経由して前記スイベルジョイントのハウジング内流路に導かれた作動油は、第２の油圧配管を介して前記油圧モータに供給されることを特徴とする風力発電設備。
請求項１又は２に記載の風力発電設備において、
前記スイベルジョイントのハウジングは、前記タワーに固定され、かつ、前記スイベルジョイントのロータは、前記ナセルに該ナセルと共に回転可能に支持されていることを特徴とする風力発電設備。