JP6595780B2 - 免振縦軸風車 - Google Patents

Description

本発明は、免振縦軸風車に係り、縦軸風車の回転時に生じる、支持枠体の振動を抑止して、ロータの回転効率を高めるようにした、免振縦軸風車に関する。

高層の支持枠体に、ロータを多層状に配設した縦軸風車は、特許文献１及び２に開示されている。

特開２００６−１１８３８４号公報 特開２００６−０１７０１１号公報

前記、特許文献１に記載の発明は、支持枠体に支持された１本の縦主軸に、複数のロータを、多層状に配設したものである。
特許文献２に記載の発明も、支持枠体に支持された１本の縦主軸に、複数のロータを多層状に配設し、縦主軸に撓み防止手段を施したものである。
これらの発明においては、微風時でもロータの回転効率が高く優れており、支持枠体をワイヤロープ等で四方から緊張して固定保持すれば、ロータの回転に伴う遠心力によって、支持枠体全体が振動しても、ある程度ワイヤロープの弛みを防止することができる。しかし、支持枠体全体の振動を抑制する方法が切望されているところである。
本発明は、この問題を解決することを目的としている。

本発明の具体的な内容は、次の通りである。

（１） １本の縦主軸に、複数のロータを上下に固定するための、複数の横枠体と複数の柱体で立体に組まれた支持枠体の中央部で、縦主軸の下端部を免振手段を介して基盤に固定された発電機に連結して立設された風車において、前記縦主軸の上端部は上部の横枠体における軸受で支持され、前記縦主軸の中間部は、前記基礎横枠体より上方における免振横枠体における免振手段の防振弾性体により、ロータの回転に伴う遠心力で生じる縦主軸の振動が吸収されるように支持され、
前記発電機の上側面は、支持枠体の最下部における基礎横枠体の内側中央部における支持環体で支持された免振手段の防振弾性体により、縦主軸の振動により生じる振動が吸収されるように支持され、風車全体の振動を抑制するようにしてなる免振縦軸風車。

（２） 前記免振横枠体は、平面視で複数の枠材で方形枠型に組まれ、その内部に水平に組まれた複数の支持杆の中央部に、免振手段の外枠体が固定され、その内側に、ロータの回転に伴う遠心力で生じる縦主軸の振動により生じる内枠体の揺動を抑止するための、放射方向を向き環方向に間隔を置いて配した５個の防振弾性体からなる免振手段を介して内枠体が固定され、その内側に、縦主軸を支持するベアリングが嵌装されてなる前記（1）に記載の免振縦軸風車。

（３） 前記支持枠体は、その隅部に設けられた柱体の外側に固定された弾性傾斜支柱を、その下端部を柱体から離して基盤に固定し、その中間部を柱体の方へ内向きに湾曲させて、その上端部は柱体の中間よりも高い位置で柱体に固定し、柱体の外方向への振動により弾性傾斜支柱に水平方向の撓みが生じ、支持枠体に生じる振動が前記弾性傾斜支柱により吸収されるように構成された前記（1）又は（2）に記載の免震縦軸風車。

本発明によると、次のような効果が奏せられる。

前記（1）に記載の発明においては、縦主軸の下端部を連結した発電機が、免振手段を介して基盤に支持されているので、回転時に縦主軸が振動しても、その振動は免振手段に吸収されて、縦主軸を支持している支持枠体が、振動することが抑止される。前記縦主軸の中間部は、前記基礎横枠体より上方における免振横枠体における免振手段の防振弾性体により、ロータの回転に伴う遠心力で生じる縦主軸の振動が吸収されるように支持されるので、全体の振動が抑制され、支持枠体の上部が振動することが抑止される。 また、発電機の上端側部が、支持枠体の最下部における基礎横枠体の内側中央部における支持環体で支持された免振手段の防振弾性体により、縦主軸の震動により生じる振動が吸収されるように支持されて、全体に振動が伝わりにくい。

前記（2）に記載の発明においては、前記免振横枠体は、平面視で複数の枠材で方形枠型に組まれ、その内部に水平に組まれた複数の支持杆の中央部に、免振手段の外枠体が固定され、その内側に、内枠体の揺動を抑止するための、５個の防振弾性体からなる免振手段を介して配した内枠体の内側に、縦主軸を支持するベアリングが嵌装されるので、縦主軸の振動により内枠体が振動しても、その外側部にある５個の防振弾性体による免震手段によって、振動が吸収されるため、支持枠体の振動が抑止される。

前記（3）に記載の発明においては、支持枠体の柱体に、外側から弾性傾斜支柱をその下端部を柱体から離して基盤に固定し、その中間部を柱体の方へ内向きに湾曲させて、その上端部は柱体の中間よりも高い位置で柱体に固定し、柱体の外方向への振動により弾性傾斜支柱に水平方向の撓みが生じ、振動を吸収するようにされたので、支持枠体が縦主軸の振動を受けても、弾性傾斜支柱が自ら撓み、支持枠体の振動惹起は抑止される。

本発明の一実施形態の正面図である。 図１における免振横枠体の平面図である。 図１におけるIII−III線横断平面図である。 図１おける基礎部分の平面図である。 本発明の免振手段の実施例２の要部正面図である。

以下本発明を、図面を参照して説明する。

図１に示すように、縦軸風車１は、複数の柱体２、２によって、複数の横枠体３、３Ａ、３Ｂを層状に組合わせた、立体の支持枠体４を備えている。
支持枠体４は、平面視で複数の枠材を方形枠形に形成されているが、横枠体３は、平面視で円形または環状でも構わない。複数の横枠体３を連結するのに、４本の柱体２が使用されているが、３本とすることでも可能で、その数は限定されない。

柱体２として長尺物を使用するときは、例えばＬ字型鋼材を凸部を外向きとし、横枠体３の四隅における型鋼の柱体２に外から被着して、ボルト留めをする。柱体として短尺杆を使用する時には、横枠体３の四隅の柱取付部３ｃに嵌合させてボルト留めする。

図１において、基盤Ｇは、セメントコンクリートとし、基礎柱体２Ａを固定する。
発電機５を支持する免振手段６は、支持台６Ａの下に、複数の、例えば防震ゴムやコイルスプリング等の、任意の防振弾性体６Ｂを配設して構成されている。
基礎柱体２Ａの外側に、支持枠体２を外側部から支持させる固定傾斜支柱７と、弾性傾斜支柱８をボルト19で固定する。

支持枠体４の中間の横枠体３Ａは、図２に示すように縦枠材３ａと横枠材３ｂとで、平面視で方形の一体に形成されたものが示されているが、環状とすることもある。その中央部に、免振手段９が、複数の支持杆10で支持されて、免振横枠体３Ａとされている。四隅部に柱体２を嵌合させる柱取付部３ｃが突設されている。

免振手段９は、図２に示すように、外枠体９Ａの中に、内枠体９Ｂを防振弾性体９Ｃを介して支持して構成されている。内枠体９Ｂの内部に、縦主軸11を支持するベアリング12が嵌装されている。

免振手段９の防振弾性体９Ｃは、例えば弾性のある防震ゴムで、全方向からの振動に対応可能に、例えば、５個が内枠体９Ｂから放射方向へ向いて、外枠体９Ａの内側に配設されている。縦主軸11に生じて、内枠体９Ｂに与えられる振動は、防振弾性体９Ｃによって吸収されて、振動が支持枠体４に伝わりにくい。

縦主軸11の下端部は、発電機５に連結されている。４本の基礎柱体２Ａの上に、基礎横枠体３Ｂが水平に固定されている。図３に示すように、基礎横枠体３Ｂは、縦枠材３ａと横枠材３ｂとで、平面視で方形に組成されているが、半円弧状の枠体によって、平面視で環状のものとすることもできる。

基礎横枠体３Ｂの内側中央部に、複数の水平な支持杆10を介して、発電機５の直径よりも大寸の、支持環体10Ａが固定されている。
支持環体10Ａと発電機５との間に、免振手段９の防振弾性体９Ｄ（例えば防震ゴム）を介在させて、発電機５が、縦主軸11の振動によって振動しても、支持枠体４に伝わらないようにされている。

縦主軸11は、その上端を、支持枠体４の上端に配置された横枠体３のべアリング12によって、回転可能に支持されている。ベアリングは免振手段を介在されていないので、縦主軸11を特定位置に固定する役割をもつ。縦主軸11がロータ13の回転によって振動しても、縦主軸11は、支持枠体４の頂上の横枠体３を中心に下方の部分が振動することになる。

ベアリングは、アンギュラ玉軸受か自動調心玉軸受を用いるのがより好ましい。アンギュラ玉軸受は、縦主軸11の振動によって生じるアキシャル荷重を受けることができ、自動調心玉軸受は、免震手段６の内枠体９Ｂが傾いても、自動的に調整され、縦主軸11の軸心のずれを防ぐことができる。

縦主軸11の下部は、免振手段９Ｄに支持された発電機５に連結されているので、縦主軸11の下部が振動しても、免震手段９Ｄに吸収されることとなり、縦主軸11の上部は振動しにくい。

加えて、支持枠体４の上部の外角隅部分は、４隅の弾性傾斜支柱８によって、振動が抑止されているので、縦主軸11の上部は振動が抑止され、支持枠体４の上部も振動が抑止される。

縦主軸11には、上下方向に一定の間隔を開けて、ロータ13が配設されている。
ロータ13は、上下端部を縦主軸11方向へ傾斜する傾斜部14Ａとした、縦長の揚力型ブレード14（以下単にブレードという）を、支持腕15を介して、縦主軸11に装着されている取付板16に、着脱可能に固定して形成されている。

ブレード14は、縦主軸11を挾んで対称的に配設されている。ブレード14の枚数は限定されないが、枚数が多い場合には、高速回転時に、先行のブレード14によって生じる乱気流を、追行するブレード14が受けて全体として失速する。

ブレード14が１枚の場合、縦主軸11に対する回転バランスが良くなく、振動の原因になる。縦主軸11にロータ13を多層状に配設するときは、上下のブレード14が重ならないように、ブレード14の位相をバランスよく変えて配置する。

ロータ13は、図１においては３層に配設されているが、これより層数が増加すると、気流の速度が上下で異なるため、上下のロータ13間で回転速度に違差が生じやすい。基盤Ｇの位置が高くて、比較的高速風の吹く場所においては、ロータ13の３層配設は、効率のよい高速回転をする。

ブレード14は、弦長が長くて、受風面積が大きく、回転効率を高いものとしてある。回転に伴い、ブレード14の前縁に当る相対流は、内外側面に沿って後縁方向へ流動する過程で、コアンダ効果により、外側面に負圧が生じ、ブレード14の回転軌跡内の気流が、外側へ吸引されて、ブレード14の内側面が前縁外方向へ押され、回転効率が高まる。

また、ロータ13が高速回転をすると、縦主軸11部分に近い部分よりも、ブレード14の外側面の、回転周速が大であるため、流体の粘性によって、外側面に沿って回転する気体は、内側部よりも負圧となり、ブレード14の回転軌跡内の気流が、外側方向に引かれて、内部が負圧となる。

それによって、風流以外の周囲の気流が、この負圧となる回転軌跡内に吸引されて、相対的に気流の量が増加し、ロータ13の回転効率が高められ、ブレード14は、風速以上の速度をもって回転する。

そのため、支持枠体４を頑強に形成しても、ブレード14の高速回転に伴う遠心力によって、縦主軸11が振動し、これを支持する支持枠体４が振動するため、ワイヤ等で支持枠体４を強く緊張しておいても、緩んだり縦主軸11が撓み、振動が、基盤Ｇから他所へ伝わり、低周波が発生する等の事態が生じかねない。

しかし、図１においては、免震横枠体３Ａには、免震手段９の防振弾性体９Ｃを介して、縦主軸11の上端部を支持してあるので、ロータ13の高速回転に伴う振動が生じても、防振弾性体９Ｃによって振動が吸収され、支持枠体４の振動が抑止される。

基盤Ｇ上に配置した発電機５から、縦主軸11が立設されている風車においては、縦主軸11の振動が、発電機５を経て基盤Ｇを振動させる。
図１において、発電機５を載置した支持台６Ａの下に、公知の防震ゴムか、あるいはコイルスプリング等からなる防振弾性体６Ｂを、基盤Ｇ上に配設して、免振手段６とされている。

これによって、縦主軸11の回転に伴う振動が、発電機５に伝えられたとしても、免震手段６によって振動が吸収されるので、基盤Ｇへの振動伝播が抑止される。
この場合、その他の横枠体３を、免震横枠体３Ａと同じく、免震手段９を具備させると、縦主軸11に対する震動抑止の効果は大となる。

基礎横枠体３Ｂは、四方向から固定傾斜支柱７によって支持されているので、支持枠体４の基礎部分は、振動しにくく堅固となっている。支持枠体４の上層部については、四隅に弾性傾斜支柱８が固定されているので、これによって振動が吸収されて振動が抑止される。

弾性傾斜支柱８は、下端部から上端部にかけて内向きに湾曲して、上端部が支持枠体４に、寄りかかったように設定されている。支持枠体４が振動すると、振動の強さに対応して、弾性傾斜支柱８に水平方向の撓みが生じ、振動が吸収される。
また、弾性傾斜支柱８を例えばＬ字型鋼材として、凸部を外向きに使用すると、外方向への撓みが生じにくいため、ある程度長尺の物でも対応させることができる。

このように、支持枠体４の基礎部分においては、基礎横枠体３Ｂと基礎柱２Ａと固定傾斜支柱７とで、堅固に枠組みされており、その上に一体に固定される支持枠体４も、外側に固定した複数の弾性傾斜支柱８によって、振動が抑止される。

縦主軸11を立設する発電機５も、免振手段６で基盤Ｇに支持され、縦主軸11の上端も、免振横枠体３Ａの免振手段９によって振動が抑止されるので、ロータ13が高速回転しても、支持枠体４や縦主軸11の振動が生じにくい免振縦軸風車１となる。

図５は、免振手段の実施例２を示す正面図である。前例と同じ部材には、同じ符号を付して説明を省略する。
この図５においては、図１における支持枠体４を省略してある。

図５において、基盤Ｇに、免振手段６を介して発電機５が支持されている。免振手段６は、発電機５の支持台６Ａの下に、防震ゴムからなる防振弾性体６Ｂを挾設して構成されている。
頂上の横枠体３の軸受のベアリング12には、縦主軸11が支持されている。

基礎横枠体３Ｂにおいては、防振弾性体９Ｄによって発電機５の上部を周囲から支持されているので、発電機における振動が吸収される。支持枠体４の頂上の横枠体３の軸受に免振手段を使用するときは、弾性の低反発なものを使用する。

本発明においては、縦主軸11を支持している発電機５の下端部を、免振手段６Ｂで支持してあるので、ロータ13の高速回転に伴って生じる縦主軸11の振動は、免振手段６Ｂにより吸収される。
支持枠体４の振動と、これによるロータ13の回転ロスとを緩和することができるので、回転効率の高い風車が形成され、効率の高い発電をさせる風力発電機とすることができる。

１．免振縦軸風車
２．柱体
２Ａ．基礎柱体
３．横枠体
３Ａ．免振横枠体
３Ｂ．基礎横枠体
３ａ．縦枠材
３ｂ．横枠材
３ｃ．柱取付部
４．支持枠体
５．発電機
６．免振手段
６Ａ．支持台
６Ｂ．防振弾性体
７．固定傾斜支柱
８．弾性傾斜支柱
９．免振手段
９Ａ．外枠体
９Ｂ．内枠体
９Ｃ．防振弾性体
９Ｄ．免振手段
10.支持杆
10Ａ．支持環体
11．縦主軸
12．ベアリング
13．ロータ
14．揚力型ブレード
14Ａ．傾斜部
15．支持腕
16．取付板
17〜19．ボルト
Ｇ．基盤

Claims (3)

1. １本の縦主軸に、複数のロータを上下に固定するための、複数の横枠体と複数の柱体で立体に組まれた支持枠体の中央部で、縦主軸の下端部を免振機構を介して基盤に固定された発電機に連結して立設された風車において、前記縦主軸の上端部は上部の横枠体における軸受で支持され、
   前記縦主軸の中間部は、前記基礎横枠体より上方における免振横枠体における免震手段の防振弾性体により、ロータの回転に伴う遠心力で生じる縦主軸の振動が吸収されるように支持され、
   前記発電機の上側面は、支持枠体の最下部における基礎横枠体の内側中央部における支持環体で支持された免振手段の防振弾性体により、縦主軸の振動により生じる振動が吸収されるように支持され、風車全体の振動を抑制するようにしてなることを特徴とする免震縦軸風車。
2. 前記免振横枠体は、平面視で複数の枠材で方形枠型に組まれ、その内部に水平に組まれた複数の支持杆の中央部に、免振手段の外枠体が固定され、その内側に、ロータの回転に伴う遠心力で生じる縦主軸の振動により生じる内枠体の揺動を抑止するための、放射方向を向き環方向に間隔を置いて配した５個の防振弾性体からなる免振手段を介して内枠体が固定され、その内側に、縦主軸を支持するベアリングが嵌装されてなることを特徴とする請求項１に記載の免振縦軸風車。
3. 前記支持枠体は、その隅部に設けられた柱体の外側に固定された弾性傾斜支柱を、その下端部を柱体から離して基盤に固定し、その中間部を柱体の方へ内向きに湾曲させて、その上端部は柱体の中間よりも高い位置で柱体に固定し、柱体の外方向への振動により弾性傾斜支柱に水平方向の撓みが生じ、支持枠体に生じる振動が前記弾性傾斜支柱により吸収されるように構成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の免振縦軸風車。

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