JPH0211747B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、風力タービンに係り、更に詳細には
地表からの高さに応じて風速に生ずる変化の影響
を大きく受ける如き大型の風力タービンの耐久性
及び効率を改善することに係る。

［従来技術］ 一般に知られているように、風は地表に沿つて
流れる際に地表より摩擦抵抗を受けるので、地表
より60〜90ｍ程度高い位置に於ける風速に比して
地表近くの風速はかなり小さく、直径が数十メー
トルに及ぶ大型の風力タービンに於ては、回転の
上部領域を通過中のブレードが受ける風速と回転
の下部領域を通過中のブレードが受ける風速との
間にかなりの差が生ずる。そのためブレードが回
転すると、ブレードにはそれが回転の上部領域を
通過しているときに、それが回転の下部領域を通
過しているときに比してより大きな風圧が作用
し、これによつてブレードは一回転毎に根元部の
周りに反転する曲げ荷重を受け、ブレードには周
期的なフラツピングが生じ、ブレードの根元部が
ハブやメインシヤフトに固定されている従来の風
力タービンに於ては、特にブレードの根元部は大
きな繰返し応力を受けることになり、ブレードに
疲労破壊が生ずる虞れがある。

従来ブレードのかかる周期的なフラツピングに
鑑み、ブレードをハブ又はメインシヤフトに対し
ブレードの縦軸線にほぼ垂直な枢軸の周りに枢動
可能に枢着することが提案されている。かかる枢
着構造によれば、上述の如きブレードの周期的な
フラツピングに際してブレードはハブ又はメイン
シヤフトへの枢着部の枢軸の周りに回動するの
で、ブレード根元部は上記の如き大きな繰返し応
力の作用からは解放される。

［発明が解決しようとする課題］ かかる従来のブレード枢着構造を備えた風力タ
ービンの一例が第７図及び第８図に示されてい
る。これらの図に於て、Atはメインシヤフト
（図示の例ではブレードはメインシヤフトに取付
けられたハブに枢着されている）に対するブレー
ドの枢動軸線である。

今一対のブレードが垂直方向にある状態から風
の方向に沿つて見て時計廻り方向に略90゜回転し
て第７図（平面図）に示す如く水平方向にある状
態になつたとすると、ブレードが垂直方向にある
間に上側のブレードは下側のブレードより強い風
を受けて風下側へ傾斜し、下側のブレードは風上
側へ傾斜するので、その状態から90゜回転し、第
７図に示す如く枢動軸線Atが垂直になる位置に
ブレードが回転した瞬間について見ると、ブレー
ドは図示の如くメインシヤフトの回転軸線に対し
傾いた状態にあり、ブレードに作用する正味スラ
ストの合成ベクトルThはメインシヤフトの回転
軸線に対し水平方向に傾き、メインシヤフトを回
転可能に支持するナセルの垂直な偏揺れ軸線Ay
との整合より外れ、メインシヤフトを回転可能に
支持するナセルにはその偏揺れ軸線Ayの周りの
モーメントが作用し、その結果風力タービンは全
体として第８図に示されている如く白矢印にて示
された風の方向より偏揺れすることになる。その
後も地上の高い領域を通つたブレードはその都度
地上の低い領域を通つたブレードより風下側に偏
し、それらのブレードが水平方向になつたとき風
向きに対しては第７図に示す如く傾いた状態とな
るので、メインシヤフトはその後も第８図に示す
如き偏揺れ状態に留まる。

第９図にはメインシヤフトが風の流れ方向に対
しなす角（インフロー角）とそのとき上記の理由
によつてメインシヤフトに作用しこれを風の流れ
方向に対し偏向させようとするモーメント（偏揺
れの角加速度にて表示）との間の関係を、風速が
25ｍ／secである場合について、従来のヒンジ型
ロータ（ブレードがメインシヤフトに対しブレー
ドの縦軸線に垂直な軸線の周りに枢動可能に枢着
されている型の大型風力タービン）の例、従来の
ヒンジレス型ロータ（ブレードがメインシヤフト
に固着されている型の大型風力タービン）の例、
及び本発明による大型風力タービンの例について
示す。

上記の如き現象から、従来のヒンジ型ロータ及
び従来のヒンジレス型ロータに於ては、最初イン
フロー角が零であつても各々−5゜／sec²及び−
20゜／sec²程度の有効偏揺れ加速度に相当するモ
ーメントが作用するので、タービンロータが0゜の
インフロー角より始動しても第８図に示す如き偏
揺れを生じ、この偏揺れ加速度が０となる迄にそ
の偏揺れ角（インフロー角）は従来のヒンジ型ロ
ータの場合には約15゜に達し、また従来のヒンジ
レス型ロータの場合には約−33゜、約−22゜或いは
約55゜にも達する。

第１０図は風力タービンのスラスト比及び動力
比が偏揺れ角に応じて変化する状態を示してお
り、風力タービンの向きを風の向きに沿う方向に
維持することによつて如何にスラスト比及び動力
比が最適化されるかを示している。ここで動力比
とは風力タービンの出力を風力タービンが横切る
円柱状の空気の流れより取出し可能な最大動力に
て除算した値であり、スラスト比とはブレードに
作用するスラストをタービンブレードが横切る円
柱状の空気の流れより取出し可能な正味のスラス
トにて除算した値である。第１０図に示されてい
る如く、風力タービンが0゜偏揺れ角より偏向する
につれて風力タービンの発電能力は大きく低下す
る。

本発明は、従来の風力タービン、特に大型の風
力タービンに於ける上記の問題に着目し、ブレー
ド特にその根元部に大きな繰返し応力が作用する
ことを回避し、またブレードに作用する風圧によ
る力をブレードの回転の各領域に於て均一化する
ことによりブレードの偏揺れを抑制すべき風力タ
ービンを改良することを目的としている。

［課題を解決するための手段］ かかる目的は、本発明によれば、実質的に垂直
な軸線の周りに回動可能に支持されたナセルと、
前記ナセルにより実質的に水平な回転軸線の周り
に回転可能に支持されたメインシヤフトと、根元
部にて前記メインシヤフトに対し枢動可能に支持
された一対のブレードとを有し、前記一対のブレ
ードは前記メインシヤフトに対する枢動によつて
その縦軸線が前記メインシヤフトの前記回転軸線
に対しなす角度を相互に反対の方向に変えるよう
になつており、前記ブレードの各々がその風下側
に於てその縦軸線と前記メインシヤフトの前記回
転軸線の間になす角度を減小又は増大する方向に
前記メインシヤフトに対し傾動するのに対応して
当該ブレードをその縦軸線の周りに風に対する迎
え角を減小又は増大する方向に回動せしめる手段
を有していることを特徴とする風力タービンによ
つて達成される。

［発明の作用及び効果］ 上記の如くブレードがその根元部に於てメイン
シヤフトに対し枢動可能に支持され、ブレードが
その風下側に於てその縦軸線とメインシヤフトの
回転軸線の間になす角度を減小又は増大する方向
にメインシヤフトに対し傾動するのに対応してブ
レードがその縦軸線の周りに風に対する迎え角を
減小又は増大する方向に回動されるようになつて
いることにより、ブレードが回転の上部領域を通
過中であつてより大きな風速の風を受ける時に
は、ブレードが回転の下部領域を通過中であつ
て、より小さい風速の風を受けるときに比してメ
インシヤフトに対しより大きく風下側へ傾こうと
し、ブレードの縦軸線とメインシヤフトの回転軸
線の間に風下側に張られる角度は減小しようとす
るので、ブレードは回転の下部領域を通過中に比
して回転の上部領域を通過中に風に対する迎え角
が小さくなり、それに応じてそれが受ける風圧が
低減され、これによつてブレードがメインシヤフ
トに対し或る小さな角度だけ傾いたところでそれ
が回転の上部領域を通過中に受ける風圧とそれが
回転の下部領域を通過中に受ける風圧とが等しく
釣合つた状態となる。

従つてこのように回転の上部領域を通過中のブ
レードに作用する風圧と回転の下部領域を通過中
に受ける風圧とを互いに釣合せることにより、ブ
レードに生ずる傾斜を低減し、第９図に本発明の
場合について示す如くインフロー角０のときメイ
ンシヤフトに作用する偏揺れ加速度を０とするこ
とができるので、メインシヤフトの偏揺れを低減
することができる。

ブレードをメインシヤフトの回転軸線に対する
傾動に伴つてブレードの縦軸線の周りに回動せし
める上記の手段は、メインシヤフトに対するブレ
ードの枢動の枢動軸線をブレードの縦軸線に対し
90゜より異ならせることにより与えられてよい。
上記の如くメインシヤフトに対するブレードの枢
動の枢動軸線がブレードの縦軸線に対し90゜より
異なつていることにより、ブレードがメインシヤ
フトに対し傾動すると、それに伴つてブレードは
その縦軸線の周りに回動し、風に対するブレード
の迎え角が変化する。従つて個々の風力タービン
に於て、ブレードが回転の上部領域を通過中に受
ける風速とブレードが回転の下部領域を通過中に
受ける風速との差の平均的見積値に応じてこの差
により上下のブレードに作用する風圧の差を打消
すようにブレードの風に対する迎え角が変化する
よう上記枢動軸線がブレードの縦軸線に対しなす
角度を適当に定めておくことにより、メインシヤ
フトに対するブレードの傾きを所定の小さい範囲
に保つて、ブレードが回転の上部領域を通過中に
受ける風圧（ブレードに生ずる揚力）とブレード
が回転の下部領域を通過中に受ける風圧（ブレー
ドに生ずる揚力）の差を小さくすることができ
る。

或いはまた、上記の如くメインシヤフトの回転
軸線に対するブレードの縦軸線の傾きに応じてブ
レードをその縦軸線の周りに回動せしめる前記手
段は、メインシヤフトに対し枢動可能に支持され
てブレードの根元部を構成するスタブ軸と、該ス
タブ軸に対し該ブレードをその縦軸線に周りに回
動可能に装着する軸受手段と、ブレードとメイン
シヤフトとの間に掛渡されブレードがその風下側
に於てその縦軸線とメインシヤフトの回転軸線の
間になす角度を減ずる方向にメインシヤフトに対
し傾動するにつれて前記軸受手段を介してブレー
ドを風に対する迎え角を減ずる方向に前記スタブ
軸に対し回転駆動するリンク要素とを含んでいて
よい。

かかる構成によつても、メインシヤフトに対す
るブレードの傾きをブレードの縦軸線の周りの回
動に変換することができる。またこの場合には前
記リンク要素によるリンク機構に変位の拡大作用
を持たせることにより、メインシヤフトの回転軸
線に対するブレードの傾き角に対するブレードの
縦軸線の周りの回動角の比を上記のブレード枢動
軸線をブレード縦軸線に対し90゜より傾ける場合
に於けるよりも大きくすることができ、これによ
つてメインシヤフトに対するブレードの傾き角の
範囲をより小さい値に保つて回転の上部領域を通
過中に於けるブレードに作用する風圧（揚力）と
回転の下部領域を通過中のブレードに作用する風
圧（揚力）とを釣合せることができる。

［実施例］ 以下に添付の図を参照して本発明を実施例につ
いて詳細に説明する。

添付の第１図〜第４図に於て、本発明による風
力タービンは一対の翼形断面を有するブレード６
及び７を含んでいる。尚第１図、第３図及び第４
図に示されている構造に於ては、一対ののブレー
ドはハブ９に装着され、ハブ９が図には見えてい
ないメインシヤフトに支持され、該メインシヤフ
トを介してナセル１８より回転軸線１２の周りに
回転するよう支持された構造となつているが、こ
の構造を原理的に示せば第２図に示されている如
く一対のブレード６及び７は互いにそれらの根元
部３０にて連結されており、この根元部にてメイ
ンシヤフト１５に枢動ピン３３により枢着されて
いるものである。メインシヤフト１５は図には示
されていない発電機に接続されそれを駆動するよ
うになつている。尚メインシヤフト１５の回転速
度を発電機駆動のために高めるに必要な歯車機構
（図示せず）がナセル１８内に配置されている。
尚ナセル１８はハブの上流側に配置されている
が、本発明はそれに限定されるものではない。ナ
セル１８は支持構造体２４より軸受２７を介して
垂直な偏揺れ軸線２１の周りに枢動可能に支持さ
れている。

第１図及び第４図に最もよく示されている如
く、偏揺れ軸線２１はハブ９又はブレード根元部
３０の回転軸線即ちメインシヤフトの回転軸線１
２と交差している。

第２図に示されている構造に於ては、ブレード
根元部３０は中空に作られており、それを貫通し
てメインシヤフト１５の端部が通されている。ブ
レードはブレード根元部３０で枢動ピン３３によ
りメインシヤフト１５に枢着されている。枢動ピ
ン３３はブレード根元部３０とメインシヤフト１
５に互いに整合して設けられた孔内に通されてい
る。ブレードが回転の上部領域と下部領域に於け
る風速の差により枢動ピン３３の周りにメインシ
ヤフト１５に対し枢動して傾くと、枢動ピンがブ
レードの縦軸線（図には示されていないがブレト
ーの長手方向に延在する仮想の軸線）に対し90゜
より傾けて配置されていることにより、ブレード
はその縦軸線の周りにも回動し、ブレードのピツ
チが変化し、ブレードの風に対する迎え角が変化
する。

第５図及び第６図はそれぞれ第３図の線５―５
及び線６―６による解図的断面図である。これら
の図に於て、ブレードの回転方向、ブレードに作
用する揚力及び抗力がそれぞれDr，Ｌ，Ｄにて
示されている。第５図に示す如く回転の上部領域
を通過中のブレード６には、メインシヤフトの回
転軸線より測定して半径ｒの位置に於てその位置
に於ける風速Vwとその位置に於けるブレードの
周方向速度Urとの合成ベクトルVrにより表わさ
れる風が作用する。この合成ベクトルVrにより
表わされる風はブレードの翼形断面に対し迎え角
α₁をなす。同様に回転の下部領域を通過中のブレ
ード７にはメインシヤフトの回転軸線より半径ｒ
の位置にて風速V′wとブレード７のその位置に於
ける周方向速度Urの合成ベクトルV′rの風が作用
する。V′wがVwより小さいことによつてブレー
ド７の翼形断面に対し作用する迎え角α₂はブレー
ド６の翼形断面に作用する迎え角α₁より小さい。
ブレードが受ける風による揚力は翼形断面に対す
る風の迎え角にほぼ比例しており、従つてもし回
転の上部領域を通過中のブレード６と回転の下部
領域を通過中のブレード７の翼形断面が各ブレー
ドの縦軸線の周りに同じ角度だけ捩られた状態に
あると、回転の上部領域を通過中のブレード６に
生ずる揚力は回転の下部領域を通過中のブレード
７に生ずる揚力よりも大きくなる。

しかし第２図に示されている如く枢動ピン３３
がブレードの縦軸線に対し90゜より図示の如く傾
けられていると、回転の上部領域を通過中のブレ
ード６と回転の下部領域を通過中のブレード７に
生ずる揚力の差によつてブレード６が風下方向に
またブレード７が風上方向に傾くことにより、ブ
レード６及び７はそれらの縦軸線の周りに回動
し、ブレード６の翼形断面に対する風の迎え角は
減小し、ブレード７の翼形断面に対する風の迎え
角は増大する。かくしてブレード６及び７はブレ
ード６を風上方向へまたブレード７を風下方向へ
動かすような差力を与えられることになり、ブレ
ード６及びブレード７に生ずる揚力が釣合つたと
ころで枢動ピン３３の周りのブレードの傾動が停
止する。

ブレード６及び７が枢動ピン３３の周りに枢動
することに伴いブレード６及び７がそれらの縦軸
線の周りに回動する度合は、これらブレードの縦
軸線に対する枢動ピン３３の傾き角に依存するの
で、この傾き角の大きさは風力タービンが配置さ
れる場所に於ける風の条件や風力タービンの設計
諸元に基いて最適の角度に定められればよい。例
えばブレードの全長が60ｍ或いはそれ以上の大型
風力タービンの場合には、枢動ピン３３がブレー
ドの縦軸線に対しなす角度は40〜70゜とされてよ
いことが解つている。

本発明によるヒンジ型ロータに於ては、第９図
に示す如くインフロー角0゜にて有効偏揺れ加速度
を０とすることができ、これによつて偏揺れをな
くし、第１０図に示す如くスラスト比及び動力比
を最大値にすることができる。

第１１図は本発明による風力タービンの他の一
つの実施例を示す第２図と同様の図である。この
実施例に於ては、ブレード６及び７はそれらの根
元部が一つのスタブ軸３６に対し図には示されて
いない軸受構造によりそれらの縦軸線の周りに枢
動し得るように装着されている。この実施例に於
ては、スタブ軸３６はブレードの縦軸線に垂直な
軸線３９に沿つて設けられた枢動ピン４２により
メインシヤフト１５に対し枢動可能に装着されて
いる。ブレード６のスタブ軸３６に近い根元部に
はマウント４８が設けられており、このマウント
に一端にて枢着されたリンク要素４５がその他端
にてメインシヤフト１５に設けられたマウント５
１に枢着されている。これと同様のリンク機構は
ブレード７についても設けられている。

かかる構成に於てブレード６がスタブ軸３６と
共にメインシヤフト１５に対し枢着ピン４２の周
りに風下方向に傾動すると、ブレード６はリンク
要素４５を介してその縦軸線の周りにその風に対
する迎え角を減ずる方向に回動される。このとき
他方の側にあるブレード７は同様の機構を介して
その風に対する迎え角を増大する方向にその縦軸
線の周りに回動する。かくしてこの実施例に於て
も、回転の上部領域を通過するブレードと回転の
下部領域を通過するブレードが受ける風速の差に
よりブレードがメインシヤフトに対し傾くと、そ
れに伴つてブレードに生ずる風に対する迎え角が
変化することによりその傾きを打消す方向の差力
が生じ、メインシヤフトに対するブレードの傾き
は或る小さな範囲内に止まる。この第１１図に示
す実施例に於ては、マウント４８と枢動ピン４２
の間の距離が大きくなるほどメインシヤフト１５
に対する枢動ピン４２の周りのブレード６の傾動
によりブレード６がその縦軸線の周りに回動する
角度が大きくなる。これはリンク要素４５により
構成されたリンク機構の拡大率がマウント４８と
枢動ピン４２の間の距離に伴つて変化することに
よるものである。従つてこの実施例に於ては、マ
ウント４８及び５１の位置を適当に設定すること
により枢動ピン４２の周りのブレードの傾きに対
するブレードの縦軸線の周りの回動角を最適に設
定することができる。

以上に於ては本発明をその特定の実施例につい
て詳細に説明したが、本発明はかかる実施例に限
られるものではなく、本発明の範囲にて種々の修
正並びに省略が可能であることは当業者にとつて
明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による風力タービンの正面図で
ある。第２図は本発明による風力タービンの要部
の構造を幾分原理的に示す一部破断した解図的斜
視図である。第３図は第１図に示す風力タービン
の側面図である。第４図は第１図に示す風力ター
ビンの平面図である。第５図及び第６図はそれぞ
れ第３図に於ける線５―５及び６―６によるブレ
ードの断面についての風とブレードの回転による
対気速度のベクトルを解析して示す図である。第
７図及び第８図は従来のヒンジ型ロータをそれに
生ずる偏揺れ変位の説明のために示す平面図であ
る。第９図は従来のヒンジ型ロータとヒンジレス
ロータと比較して本発明による可変ピツチ式ヒン
ジ型ロータの性能をインフロー角に対する有効偏
揺れ加速度の関係に於て示すグラフである。第１
０図は偏揺れ角の変化によつて風力タービンのス
ラスト比と動力比が変化する状態を示すグラフで
ある。第１１図は本発明による風力タービンの他
の一つの実施例を示す第２図と同様の幾分解図的
な部分破壊による斜視図である。 ６，７……ブレード、９……ハブ、１２……回
転軸線、１５……メインシヤフト、１８……ナセ
ル、２１……偏揺れ軸線、２４……支持構造体、
２７……軸受、３０……根元部、３３……枢動ピ
ン、３６……スタブ軸、３９……枢動軸線、４２
……枢動ピン、４８，５１……マウント、４５…
…リンク要素。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 実質的に垂直な軸線の周りに回動可能に支持
   されたナセル１８と、前記ナセルにより実質的に
   水平な回転軸線の周りに回転可能に支持されたメ
   インシヤフト１５と、根元部にて前記メインシヤ
   フトに対し枢動可能に支持された一対のブレード
   とを有し、前記一対のブレードは前記メインシヤ
   フトに対する枢動によつてその縦軸線が前記メイ
   ンシヤフトの前記回転軸線に対しなす角度を相互
   に反対の方向に変えるようになつており、前記ブ
   レードの各々がその風下側に於てその縦軸線と前
   記メインシヤフトの前記回転軸線の間になす角度
   を減小又は増大する方向に前記メインシヤフトに
   対し傾動するのに対応して当該ブレードをその縦
   軸線の周りに風に対する迎え角を減小又は増大す
   る方向に回動せしめる手段を有していることを特
   徴とする風力タービン。 ２ 特許請求の範囲第１項の風力タービンにし
   て、前記ブレードをその縦軸線の周りに回動せし
   める前記手段は前記メインシヤフトに対する前記
   ブレードの枢動の枢動軸線を前記ブレードの縦軸
   線に対し90゜より異ならせることにより与えられ
   ていることを特徴とする風力タービン。 ３ 特許請求の範囲第１項の風力タービンにし
   て、前記ブレードをその縦軸線の周りに回動せし
   める前記手段は前記メインシヤフトに対し枢動可
   能に支持されて前記ブレードの根元部を構成する
   スタブ軸３６と、前記スタブ軸に対し前記ブレー
   ドをその縦軸線の周りに回動可能に装着する軸受
   手段と、前記ブレードと前記メインシヤフトとの
   間に掛渡され前記ブレードがその風下側に於てそ
   の縦軸線と前記メインシヤフトの前記回転軸線の
   間になす角度を減小又は増大する方向に前記メイ
   ンシヤフトに対し枢動するにつれて前記軸受手段
   を介して前記ブレードを前記スタブ軸に対し一方
   向又はこれと反対の方向に回転せしめるリンク要
   素４５とを含んでいることを特徴とする風力ター
   ビン。