JPH03238376A - 風力発電の模擬試験装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は風力発電の模擬試験装置に関するものである。

［従来の技術］ 近年、限りある石油、石炭資源に替えて、風力をエネル
ギー源として発電を行う風力発電の研究が進められてい
る。

第８図は２枚翼風車型風力発電装置のハブ部を示し、水
平に枢支した駆動軸ｌの先端部に該駆動軸ｌの軸線と直
交する方向に延びる２翼１対のブレード２をハブ３を介
して同軸に設け、前記駆動軸ｌの後端部に増速装置及び
発電機（図示せず）を連結している。

ブレード２はその軸線を中心に回動可能な可変ピッチ構
造になっており、風速か変化した際に、ブレード２のブ
レードピッチを風力発電装置の出力に対応して変化させ
ることにより、風力を有効に駆動軸１の駆動トルクに変
換するようにしている。

一般に風速は、地上から上方に離れるに従って速くなる
。

そこで、駆動軸１の上方と下方とて風速に差かある場合
、その風を受けて回転するブレード２か水平位置に回転
したときには各ブレード２に作用するスラスト方向の荷
重は等しくなるか、それ以外の位置では駆動軸１の上方
に位置するプレート２と、下方に位置するプレート２と
ては各プレート２に作用するスラスト方向の荷重に差異
か生じるようになる。

この荷重の差異は、風を受ける風車の直径か大きくなる
程増大し、フレート２か垂直位置に回転したときに最大
になる。

従って、各ブレード２に作用するスラスト方向の荷重は
、ブレード２の回転に伴って周期的に変動することにな
るため、第８図に示すように特にブレード２を支持する
ブレード支持部３ａに大きな繰り返し応力か作用し、疲
労破壊が生じる危険かある。

そこで、２枚翼風車型風力発電装置のブレード支持部３
ａに作用する荷重変動を低減するために、第９図に示す
ようなティータート方式の風車を用いることか提案され
ている。

ティータート方式の風車の構造は、水平方向に延びる駆
動軸ｉの先端部に該駆動軸ｌの軸線と直交する方向に延
びるティータ−ビン４を介して中空のティータードハブ
１１を枢着し、該ハブ１１に前記駆動軸ｌ及びティータ
−ビン４の各軸線に直交する方向に延びる２ｍ１対のブ
レド２をプレートピッチを調整可能に取付けるようにし
ている。

駆動軸１には該駆動軸ｌと同軸に円盤状の被支持部５か
形成され、駆動軸ｌの被支持部５は軸受６を介して支持
部材７に回転可能に支持されている。

被支持部５のティータードハブ１１に対峙する面ト、テ
ィータードハブ１１のブレード２取付部内側位置には、
ブラケット８．９か夫々固着され、該ブラケット８．９
はティータ−ビン４と平行な取付ビン８°、９°により
ダンパｌＯを介して連結されている。

ティータート方式の風車では、例えば、駆動軸ｌの上方
の風速か下方の風速よりも速い場合、その風を受けて回
転するブレード２には遠心力か矢印Ａ方向に作用してブ
レード２を駆動軸ｉの軸線に対して垂直に保持しようと
するが、駆動軸ｌの上方に位置するブレード２か受ける
スラスト方向の荷重と、下方に位置するブレード２か受
けるスラスト方向の荷重の差が大きくなると、上方のブ
レード２は風下側に、下方のブレード２は風上側に、そ
れぞれティータ−ビン４の軸線を中心にティータートハ
フ１１とともに、ブレード２自体の回転に伴って周期的
に傾動しようとし、ダンパｌＯに圧縮力と引張力が繰り
返し作用するようになる。

ティータート方式の風車では、ブレード２の定常回転時
においては、該ブレード２の矢印イ及び口方向へある角
度以内の変位を許容し、ブレード２の傾動角がある角度
を超えないように、ダンパｌＯに作用する圧縮力若しく
は引張力、即ち、ブレード支持部１１ａに作用する荷重
変動を減衰させて緩衝するようにしている。

［発明が解決しようとする課題］ 上記した風力発電装置を実施しようとするとき、非常に
苛酷な負荷条件となるティータードハブ１１の実作動時
におけるブレード支持部１１ａの応力を知ることは重要
である。更に風から受ける荷重に応じてブレード２のピ
ッチ角α０（第５図参照）を変え、そのときのピッチ角
変更を行うリンク機構に作用する負荷応力も知る必要か
ある。又上記したように荷重を変化させてそのときのプ
レート荷重トルクを算出し、出力変化をシミュレーショ
ンすることは、風力発電の発電単価を算出するための年
間発電量を求める上で非常に重要である。

しかし、従来は単に応力計算等に基づいて設計するよう
にしているために、実際に複雑に作用する応力等を正確
に掴むことはできす、又例え前記したような大掛りな風
力発電装置を設置してから応力等を計測しようとしても
その作業が高所作業となって非常に大変であると共に、
自然の風の中で計測するために、条件が刻々変化してし
まい所望の正確なデータか得られにくく、更に強風時の
安全性を見る強度試験などを任意に行うこともてきない
という問題かある。

本発明は、風力発電装置か風から受ける任意の荷重条件
を、地上において再現して出力変化、応力等の計測を行
うことができるようにした風力発電の模擬試験装置を提
供することを目的としている。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、ティータードハブの駆動軸に備えた軸受を支
持する固定フレームと、前記ティータードハブに備えた
複数のブレード取付部の夫々を包囲するようティーター
ドハブに取付けたシリンダ取付台と、前記ブレード取付
部に対する力の作用方向の合成角に応した端面位置に遠
心力とラグとフラップの合成力を与えるよう前記シリン
ダ取付台上に備えた押引シリンダと、前記各ブレード取
付部に捩り力を与えるように前記シリンダ取付台上に備
えた捩りシリンダと、前記固定フレームに、駆動軸と平
行な方向に有したスラスト荷重シリンダを介して連結さ
れた移動フレームと、前記シリンダ取付台に前記ブレー
ド取付部の軸心を中心に回転自在に備えた各案内リング
に当接するようにリング形状を有して前記移動フレーム
に取付けられたガイド板と、前記駆動軸内を通して延び
るピッチ角調節軸と回転リンク機構を介して前記ブレー
ド取付部のピッチ角を変更するためのピッチ調節シリン
ダと、前記駆動軸に回転トルクを与える駆動モータとを
備えたことを特徴とする風力発電の模擬試験装置に係る
ものである。

［作　　　用コ 設定された風速に対応して、ティータードハブの各部に
作用する荷重、方向等を計算により求め、その計算結果
に基づき、ピッチ調節シリンダによりブレード取付部の
ピッチ角を、押引シリンダによりブレード取付部に与え
る曲げを、捩りシリンダによりブレード取付部に与える
捩りを、スラスト荷重シリンダによりブレード取付部に
与えるスラスト力を、ティータ作動シリンダによりブレ
ード取付部に与えるティータ傾動角を、又駆動モータに
より駆動軸に与える回転トルクを夫々調節し、そのとき
のティータードハブ各部の応力、ティータードハブの効
率、安全性を試験する。

［実　施　例］ 以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。

第１図〜第７図は本発明の一実施例であり、図中第８．
９図と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている
。

第５図はティータードハブ１１に風によって作用する荷
重の状態を表わすもので、図中Ｘは風の方向、Ｙはブレ
ード２の軸心、Ｚは平面ＸＹに垂直な軸、Ａは遠心力、
Ｂは風の力によってブレード２が受ける捩り力、Ｃはス
ラスト力、Ｄはブレード２を回転させようとしてブレー
ド２を回転方向に曲げるように働くラグ、Ｅはブレード
２を後方に曲げるように働くフラップ、Ｆは駆動軸１を
回すように作用する回転トルクを示している。

上記各荷重のうち、ラグＤとフラップＥは、第６図のよ
うに合成することかでき、この合成力Ｇは第７図に示す
ように、ブレード取付部１２端面１２°の軸心を通る直
線の周方向２点位置に軸心方向に作用させる２つの押引
力Ｈ，Ｈ’として与えることかでき、且つ同時に遠心力
Ａを合成して与えることかできる。θ°はラグＤ、フラ
ップＥの合成ベクトルがＺ軸となす合成角を示している
。

従って、上記押引力Ｈ，Ｈ’と、捩り力Ｂ１スラストカ
Ｃ１回転トルクＦを与えることにより、ティータードハ
ブ１１に作用する荷重のすべてを再現することができる
。

第１．２図は上記荷重を付加する試験装置の一例を示す
もので、ティータードハブ１１の駆動軸１に設けた軸受
６部を支持するようにした固定フレーム１３が設けられ
ており、該固定フレーム１３に、スラスト荷重シリンダ
１．４．１５及びティタ作動シリンダ１６を介して移動
フレーム１７が設けられ、且つ該移動フレーム１７に前
記駆動軸１と同心にリング状のガイド板１８か取付けら
れている。

ティータードハブ１１には、第３．４図に示すように駆
動軸１と直角方向の軸心を中心に回転か自在なブレード
取付部１２か複数（図示の場合２個）Ｑえられていると
共に、ブレード取付部１２を包囲するようにしたシリン
ダ取付台１９か備えられている。前記シリンダ取付台１
９上には、前記ブレード取付部１２の端面１２゛に前記
押引力Ｈ，Ｈ’を与えてラグＤとフラップＥ及び遠心力
Ａを与える押引シリンダ２０．２１が、ブレード取付部
１２に対する力の作用方向の合成角θ０に応じた位置に
設けられていると共に、ブレード取付部１２に捩り力Ｂ
を与える捩りシリンダ２２が設けられている。

更に、前記ブレード取付部１２には、前記リング状のガ
イド板１８の端面に沿って回転しガイド板１８からのス
ラスト力を受けるようにした案内リング３３か備えられ
ている。

一端かティータードハブ１１に連結部２３を介して連結
された駆動軸ｌの他端側には、減速機２４を介して前記
駆動軸１に回転トルクＦを与える直流電動機等の駆動モ
ータ２５が設けられている。

ティータードハブ１１には、前記駆動軸１及びティータ
−ビン４を貫通して延びるピッチ角調節軸３４が設けら
れており、該ピッチ角調節軸３４はティータードハブ１
１内に備えた回転リンク機構３５を介して前記プレート
取付部１２に連結されており、且つ前記駆動軸１の外方
には前記ピッチ角調節軸３４を押引するピッチ角調節シ
リンダ３６が設けである。

前記回転リンク機構３５は、ピッチ角調節軸３４に固定
され且つ該ピッチ角調節軸３４に対して直角方向に直線
状に延びる２個のアーム３７．３７°と、該アーム３７
，３７°の先端に設けた連結ピン３８．３８と、前記プ
レート取付部１２の底板３９，３９°の偏心位置に設け
た連結ピン４０．４０’との間を連結する連結リンク４
１．４１°とを有しており、前記ピッチ角調節軸３４の
押引作動により、アーム３７．３７°及び連結リンク４
１．４１’を介してブレード取付部１２をその軸心を中
心に回転させてピッチ角α０（第５図参照）を調整し得
るようにしている。

又、前記ティータードハブ１１の必要な個所及び前記回
転リンク機構３５には図示しない歪計が取付けられてい
る。

更に、前記ピッチ角調節軸３４のティ−タートハブ１１
側端部には、第１．２図に示すように前記押引シリンダ
２０．２１及び捩りシリンダ２２への給排浦、及び歪計
の検出信号の取り出しを行うためのロータリージヨイン
ト２６かスリップリング２７を介して連結されている。

又、前記駆動モータ２５には、インバータ２８を介して
制御装置２９からの制御信号３０が入力されるようにな
っている。図中３１は手動切替スイッチ、３２は回転計
を示す。

上記した風力発電の模擬試験装置において、設定された
風速に応じたピッチ角α０、遠心力Ａ１捩り力Ｂ１スラ
ストカＣ１ラグＤ、フラップＥ、回転トルクＦの夫々を
コンピュータ等を用いて計算し、得られたピッチ角α０
になるようにピッチ角調節シリンダ３６によりブレード
取付部１２のピッチ角を調節し、更に遠心力ＡとラグＤ
及びフラップＥとを合成した押引力Ｈ，Ｈを押引シリン
ダ２０．２１により前記合成角θ０に対応した方向にプ
レート取付部１２端面１２°に作用させる。

更に、前記捩り力Ｂを捩りシリンダ２２によりブレード
取付部１２端面１２°に、又スラスト力Ｃをスラスト荷
重シリンダ１４．１５により移動フレム１７、ガイド板
１８を介して案内リング３３に作用させることによりブ
レード取付部１２を介してティータードハブ１１に作用
させる。

この状態で、求められた回転トルクＦから駆動軸ｉに作
用するように制御装置２９からの制御信号３０により駆
動モータ２５を駆動して駆動軸１を回転し、又この回転
に伴うティータードハブ１１の回転位置に応じてティー
タードハブ１１の傾動角（第９図中イ、口方向の変位）
をティータ作動シリンダ１６によって与える。

上記状態において、ティータードハブ１１及びその内部
に備えられたブレードのピッチ角αを変更するための回
転リンク機構３５等に予め歪計を装着しておくと、該歪
計からの検出信号を、スリップリング２７及びロータリ
ージヨイント２６を介して外部に取り出し、図示しない
表示装置への表示、及び記録計への記録を行わせること
かできる。

又実際の風速をレコーダーで記録し、その実風速に基つ
いた計算により、設定値を種々変更して、前記試験を行
う。

更に、強風時の安全性の確認等も上記と同様にして行う
。

上記によれば、種々の条件におけるティ−タートハブ２
各部の強度、安全性を地上にて容易且つ確実に試験する
ことができ、更に前記各条件での駆動軸１の回転数を回
転計３２で検出することにより、これから発電機の出力
を計算により求め、風力発電の発電単価を算出するため
の年間発電量を求めることができる。

尚、本発明の風力発電の模擬試験装置は、上述の実施例
にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱し
ない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論であ
る。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の風力発電の模擬試験装置
によれは、風速に応した荷重を、地上においてティータ
ードハブの各部に任意に与えることかでき、よってティ
ータードハブ各部の応力、ティータートハフの信頼性、
安全性を容易、確実に試験することかできる優れた効果
を奏し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の斜視図、第２図は第１図の
概略平面図、第３図は第１図の要部の拡大側断面図、第
４図は第３図の底面図、第５図はティータードハブに風
によって作用する荷重の状態を示すための斜視図、第６
図はラグとフラップの合成状態を示す図、第７図はティ
ータードハブ荷重を人為的に与える場合の与え方を示し
ている図、第８図は従来の２枚翼風車型風力発電装置の
ハブ部の斜視図、第９図はティータードハブの一例を示
す切断側面図である。 ■は駆動軸、６は軸受、１１はティータードハブ、１２
はブレード取付部、１２゛は端面、１３は固定フレーム
、１４．１５はスラスト荷重シリンダ、１６はティータ
作動シリンダ、１７は移動フレーム、１８はガイド板、
１９はシリンダ取付台、２０．２１は押引シリンダ、２
２は捩りシリンダ、２４は減速機、２５は駆動モータ、
２６はロータリージヨイント、２７はスリップリンク、
２９は制御装置、３３は案内リング、３４はピッチ角調
節軸、３５は回転リンク機構、３６はピッチ角調節シリ
ンダ、Ａは遠心力、Ｂは捩り力、Ｃはスラスト力、Ｄは
ラグ、Ｅはフラップ、Ｆは回転トルク、θ０は合成角、
α０はピッチ角を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）ティータードハブの駆動軸に備えた軸受を支持する
   固定フレームと、前記ティータードハブに備えた複数の
   ブレード取付部の夫々を包囲するようティータードハブ
   に取付けたシリンダ取付台と、前記ブレード取付部に対
   する力の作用方向の合成角に応じた端面位置に遠心力と
   ラグとフラップの合成力を与えるよう前記シリンダ取付
   台上に備えた押引シリンダと、前記各ブレード取付部に
   捩り力を与えるように前記シリンダ取付台上に備えた捩
   りシリンダと、前記固定フレームに、駆動軸と平行な方
   向に有したスラスト荷重シリンダを介して連結された移
   動フレームと、前記シリンダ取付台に前記ブレード取付
   部の軸心を中心に回転自在に備えた各案内リングに当接
   するようにリング形状を有して前記移動フレームに取付
   けられたガイド板と、前記駆動軸内を通して延びるピッ
   チ角調節軸と回転リンク機構を介して前記ブレード取付
   部のピッチ角を変更するためのピッチ調節シリンダと、
   前記駆動軸に回転トルクを与える駆動モータとを備えた
   ことを特徴とする風力発電の模擬試験装置。