TW201604398A - 風力發電裝置 - Google Patents

Abstract

本發明之目地在於提供風力發電裝置，該風力發電裝置對於風車旋轉所產生之轉矩的附加，能兼顧到防止輪轂和旋轉主軸的連接面的滑動，以及維持輪轂小型化。 本發明之風力發電裝置，其特徵為：具備：葉片(2)，其係接受風進行旋轉；輪轂(1)，其係支撐該葉片；以及旋轉主軸(6)，其係隨著該輪轂的旋轉進行旋轉，輪轂(1)和旋轉主軸(6)是經由高摩擦部連接。

Description

風力發電裝置

本發明是有關於風力發電裝置，特別是與風力發電裝置的轉子支撐構造有關。

作為可再生能源受到矚目的風力發電，隨著近年來迅速引進發展的同時發電容量亦增加。水平軸風車是在大容量的風力發電裝置中最為普及的類型，藉由將在塔架上部且位於機艙的側方的轉子的旋轉傳遞於機艙內部的發電機，將旋轉動能轉換為電能。大型的水平軸風車具有5MW以上的發電容量，而且有葉片的直徑超過100m的情況。

隨著風力發電裝置的大型化，將轉子的旋轉傳遞至發電機的動力傳遞機構所承擔的傳遞轉矩變得極大。因轉矩的增大，將其傳遞的風車構成組件間的連接必須更堅固。特別是因為構成組件彼此於旋轉軸以垂直的凸緣般的面連接的部位，締結面在產生滑動的方向上負荷轉矩，所以有必要將其予以防止。在如此般連接部位，具有與例如位於轉子旋轉的中心附近的輪轂，及旋轉主軸的螺 栓連接部。在專利文獻1中，球殼狀的輪轂在機艙側具有主軸連接部，主軸是在輪轂側具有凸緣，該主軸連接部和凸緣藉由螺栓進行固接。

另一方面，因為風力發電裝置的塔架上部的重量會深刻影響到塔架所須滿足的強度，所以較理想為儘量壓低減輕。特別是在水平軸風車的情況下，將轉子重量減輕甚為重要。原因在於，因為在水平軸風車的塔架上部，不得不採用將轉子重量藉由從機艙延伸的軸予以懸臂支撐的不安定構造，所以轉子重量增加時其支撐構造的強度設計將更加困難。而且，藉著將重量予以減輕，可以將搬運成本或進行將重負載設置在高處這種高難度建築施工的成本減低。

[先前技術文獻] [專利文獻]

專利文獻1 日本特開2008-128135號公報

期望可提供在風力發電裝置的輪轂和旋轉主軸兩者的連接部，藉由將配置在轉子旋轉的中心部的輪轂予以小型化將轉子重量減低，並且對於轉矩負荷的可靠性高的連接構造。

以防止連接部的滑動的手段而言，雖然思考 例如將螺栓隻數增加且讓連接面的接觸壓力增加的方法，但在同時考量將輪轂小型化的情況下，輪轂和旋轉主軸兩者連接部的面積變小且可增加的螺栓的隻數將受限。再者，螺栓隻數的增加本身就會讓輪轂的重量增加。如此般，輪轂和旋轉主軸的連接部的可靠性和輪轂的小型化可說是一種權衡關係。

本發明所欲解決之課題在於提供的風力發電裝置對於風車旋轉所產生之轉矩的負荷，能兼顧到提高輪轂和旋轉主軸的連接面的可靠性，以及維持輪轂小型化。

為了解決上述課題，故本發明之風力發電裝置，其特徵為：具備：葉片，其係接受風進行旋轉；輪轂，其係支撐該葉片；以及旋轉主軸，其係隨著該輪轂的旋轉進行旋轉，前述輪轂和前述旋轉主軸是經由高摩擦部連接。

藉由本發明所提供之風力發電裝置，該風力發電裝置係對於風車旋轉所產生之轉矩的負荷，能兼顧到輪轂和旋轉主軸的連接面的可靠性，並維持輪轂小型化。

1‧‧‧輪轂

2‧‧‧葉片

3‧‧‧轉子

4‧‧‧機艙

5‧‧‧塔架

6‧‧‧旋轉主軸

7‧‧‧增速機輸入軸

8‧‧‧增速機

9‧‧‧增速機輸出軸

10‧‧‧發電機輸入軸

11‧‧‧發電機

12‧‧‧固定主軸

13‧‧‧軸承

14‧‧‧喇叭口

15‧‧‧凸緣

16‧‧‧開口部

17‧‧‧實施例1之旋轉主軸插入方向

18‧‧‧螺栓

19‧‧‧轉矩之方向

20‧‧‧輪轂和回轉主軸之連結面

21‧‧‧螺帽

22‧‧‧實施例2之旋轉主軸插入方向

第1圖是表示一般的水平軸風車的構造的圖。

第2圖是表示輪轂和機艙內部的構造的圖。

第3圖是表示外環驅動的轉子支撐構造的圖。

第4圖是將輪轂和旋轉主軸的螺栓連接部從旋轉主軸的軸方向觀看的圖。

第5圖是表示第4圖所示之締結部之中，一個螺栓大小的剖面的圖。

第6圖是表示將旋轉主軸從機艙側插入進行組裝的情況下的轉子支撐構造的例子的圖。

第7圖是表示分割的高摩擦構件的圖。

以下針對用於實施本發明的形態參照圖式進行說明。以下之記載是本發明的一個實施例，並非用來限定本發明。

此外，欲構成下述之摩擦部，可舉出如將高摩擦構件插入輪轂和旋轉主軸之間、將金屬粉熔噴在輪轂或旋轉主軸的至少任一個表面、或塗佈高摩擦塗料等的方法。

在將高摩擦構件插入的情況下，該高摩擦構件是配合輪轂和旋轉主軸兩者的連接面的形狀而形成圓環形狀較佳。而且，亦能將圓環狀的高摩擦構件於周向上分割成複數個。

視情況，在風力發電裝置亦可以具有被稱為 外環驅動的構造，該外環驅動是固定在機艙的固定主軸是配置在輪轂的內周側，在輪轂和固定主軸之間設置軸承，且旋轉主軸是配置在固定主軸的內周側。再者，旋轉主軸是與機艙相反側的前端朝徑向擴張的擴徑部，該擴徑部有連接於輪轂的情形。此時，亦有輪轂具有往內徑側突出的凸緣，在該凸緣與旋轉主軸連接，並且於與機艙在相反側具備用於插入旋轉主軸的開口部的情況，為了能夠將旋轉主軸插入，因此須要將旋轉主軸的擴徑部的徑向最大寬度縮至比該開口部小。以下，針對詳細的實施例使用圖式進行說明。

[實施例1]

於第1圖表示一般的水平軸風力發電裝置的概觀。水平軸風力發電裝置具有底部由輪轂1支撐的葉片2。由葉片和輪轂等構成的旋轉體是稱為轉子3，轉子是藉由葉片接受風而以輪轂為中心進行旋轉。轉子是藉由機艙4支撐，機艙是配置在相對於地面立於略鉛直方向上的塔架5的上部。

在第2圖表示輪轂及機艙內部的構造。輪轂是連結在旋轉主軸6，旋轉主軸是將轉子的旋轉傳遞於機艙內部的增速機輸入軸7。增速機8是將旋轉主軸的低速旋轉變換為高速旋轉。以高速進行旋轉的增速機輸出軸9是連結於發電機輸入軸10，發電機11是藉由以上的動力傳遞機構而將從轉子傳遞的旋轉動能轉換為電能。

在第3圖表示機艙藉由外環驅動方式支撐轉子的構造。在外環驅動方式中，配置在輪轂的內周側的中空的固定主軸12固定在機艙側面，輪轂位於固定主軸的外周側，在固定主軸和輪轂之間配置軸承13，位於固定主軸的內周側的旋轉主軸是與輪轂連結。在此，固定主軸是相對於機艙為相對地靜止，另一方面，因為旋轉主軸與輪轂連結，所以隨著轉子的旋轉進行旋轉。

外環驅動方式是將轉子重量支撐在機艙的作用主要由固定主軸分擔，將轉子的旋轉傳遞於增速機的作用由旋轉主軸分擔。相反地，在讓一根軸負擔重量支撐和旋轉傳遞的雙方的角色的情況下，該軸是在端部負荷極大重量的同時承受由風所產生的波動荷重之嚴苛荷重條件下，必須一邊保持軸芯一邊旋轉。其結果，為了將該軸的強度提高而必須採取將軸徑加大或使用剛性高的材料等之對策，軸的重量增加。另一方面，外環驅動方式的旋轉主軸因為轉子重量所產生的負荷較小所以可以低剛性且輕量，轉子支撐構造整體亦可以輕量化。

在第3圖中，旋轉主軸具有被稱為喇叭口14的朝徑向擴張的端部(擴徑部)。在此，徑向是指在旋轉主軸的軸方向上實質垂直的方向。喇叭口不但可撓性高且具有將與主軸的軸方向和徑向的錯位予以吸收的效果。另一方面，輪轂具有朝內徑側突出的凸緣15，該凸緣比喇叭口更位於機艙側，並且螺栓連接於喇叭口。

將本實施例之風力發電裝置進行組裝時，旋 轉主軸是從在輪轂中設置在與機艙相反側的開口部16插入輪轂內。第3圖中所示之箭頭17是表示旋轉主軸的插入方向。在此，若將喇叭口的徑向最大寬度定義為a，將機艙開口部的徑向最小寬度定義為A的話，為了讓旋轉主軸可以插入必須a<A。輪轂開口部的徑向最小寬度A對於輪轂整體的大小的影響較大，在考量輕量化的情況下，較理想為儘可能縮小。當A變小時，喇叭口的徑向最大寬度a雖然必須比其更進一步縮小，但因為旋轉主軸是以喇叭口外周部來螺栓連接於輪轂的凸緣，所以締結面積縮小。

在第4圖表示從旋轉主軸的軸方向觀看的喇叭口和凸緣的螺栓連接部。喇叭口或凸緣是在其外周部藉由螺栓18予以締結。箭頭19是表示藉由轉子的旋轉而在該螺栓連接部所負荷之轉矩的方向，該轉矩是施加在於喇叭口和凸緣的締結面產生滑動的方向上。

第5圖是第4圖之中一個螺栓大小的締結部的剖面圖。若將施加在藉由轉矩產生滑動的方向上的外力定義為F，將全螺栓賦予在締結面的力定義為N，將連結面20的最大靜摩擦係數定義為μ的話，在成為F>μN的情況下在締結面產生滑動。如前述般，當為了輪轂的小型化而將喇叭口的徑向最大寬度a縮小時，締結面積減少且可以使用的螺栓隻數減少。螺栓隻數的減少換言之即意味著N變小，所以，用於不產生滑動的允許外力F變小。在此，作為將輪轂開口部的徑向最小寬度A縮小，並且將允許外力F予以加大方法而言，較佳為將締結面的最大靜 摩擦係數μ加大。

本發明之風力發電裝置是旋轉主軸的喇叭口和輪轂的凸緣經由高摩擦部進行連接。高摩擦意即可以賦予比旋轉主軸和輪轂直接連接的情況更大的摩擦係數，若考慮一般的鐵鋼材料彼此的最大靜摩擦係數為0.1~0.2的話，至少比最大靜摩擦係數0.2大的話即可以期待其效果。以賦予高摩擦的手段而言，較佳為將摩擦係數高的構件插入連接面，或將高摩擦係數的材料熔噴在旋轉主軸及輪轂的至少任一個表面上。

在實施例中，作為賦予高摩擦係數的手段，將圓環狀的高摩擦構件夾在輪轂的凸緣和旋轉主軸的喇叭口之間。以高摩擦構件而言，例如使用將鎢粒子熔噴在金屬的母材表面的構件即可。高摩擦構件的插入，在前述組裝順序上，是在進行上下反轉使安裝有固定主軸的輪轂成為機艙側在下方後，將旋轉主軸插入輪轂內之前進行，而且所插入的高摩擦構件是置於往輪轂內部突出的凸緣上，之後插入的旋轉主軸的喇叭口配置在高摩擦構件的上方，最後進行螺栓連接。

[實施例2]

使用第6圖，針對用於實施本發明的第2形態進行說明。此外，與實施例1重複的構造則省略說明。

雖然在實施例1中，旋轉主軸是從在輪轂中設置於與機艙相反側的開口部插入，但本實施例中在輪轂 中從機艙側往固定主軸的內側插入。箭頭22表示旋轉主軸的插入方向。插入的旋轉主軸的喇叭口是比往輪轂的內周側突出的凸緣或壁面更位於機艙側，將外周部螺栓連接於凸緣或壁面。在此，若將固定主軸的徑向最小寬度定義為B，為了讓旋轉主軸可以插入必須a<B。藉由如此般構成，可以在將旋轉主軸安裝於機艙後，將輪轂及固定主軸等，其他的轉子部分設置在機艙。在大型風力發電裝置中，轉子的重量非常重，吊起到塔架上部的設置作業並不容易。實施例由於可以先僅將旋轉主軸安裝於機艙，之後吊起的轉子不包含旋轉主軸且重量較輕，所以有縮短建設的工期且抑制成本的效果。

[實施例3]

實施例3是將在實施例1或2中夾在輪轂的凸緣和旋轉主軸的喇叭口之間的圓環狀的高摩擦構件，於周向上分割成複數個的構造。第7圖是表示分割的高摩擦構件23的圖。在作為賦予高摩擦的手段而將高摩擦構件插入的情況下，藉由將高摩擦構件在周向上予以分割，可以防止部分接觸於輪轂或旋轉主軸的情形。再者，可以在製作高摩擦構件時，以高平面精度進行加工。分割的高摩擦構件，在風力發電裝置的維護時，亦有拆卸容易的優點。

藉由進行分割，而有將高摩擦構件和凸緣、或高摩擦構件和喇叭口的部分接觸予以減輕效果。特別是 在大型的風力發電裝置的情況下，雖然不易獲得凸緣面的平面精度且容易發生部分接觸，但藉由分割使高摩擦構件容易追隨凸緣面。再者，高摩擦構件的製作容易，可以將平面加工精度提昇。而且，如此般分割的話，發生必須維護及組件交換等時的締結部的分解容易。在不分割的情況下，將螺栓拆卸後若不將旋轉主軸從輪轂抽出的話會無法拆下高摩擦構件，但在分割的情況下，可以不用將旋轉主軸移動至輪轂外而僅將高摩擦構件拆下。

如在上述各實施例中所說明般藉著將輪轂和旋轉主軸的連接部形成高摩擦部，即使因旋轉主軸的徑向最大寬度必須比輪轂開口部小的限制而必須縮小連接面的面積的情況下，亦能夠進行不易產生滑動的連接，而可以兼顧輪轂的小型化和連接的強度。再者，可以防止螺栓或螺帽這類連接構件的破損。而且，由於可以減少螺栓或螺帽這類給予略垂直方向的力於連接面的構件的使用數量，所以可以期待將轉子予以輕量化的效果。

1‧‧‧輪轂

2‧‧‧葉片

6‧‧‧旋轉主軸

12‧‧‧固定主軸

13‧‧‧軸承

14‧‧‧喇叭口

15‧‧‧凸緣

16‧‧‧開口部

17‧‧‧實施例1之旋轉主軸插入方向

Claims (8)

1. 一種風力發電裝置，其特徵為：具備：葉片，其係接受風進行旋轉；輪轂，其係支撐該葉片；以及旋轉主軸，其係隨著該輪轂的旋轉進行旋轉，前述輪轂和前述旋轉主軸是經由高摩擦部連接。
2. 如申請專利範圍第1項所記載的風力發電裝置，其中高摩擦部形成在前述輪轂或前述旋轉主軸的至少任一個表面。
3. 如申請專利範圍第1項所記載的風力發電裝置，其中高摩擦構件配置在前述輪轂或前述旋轉主軸之間。
4. 如申請專利範圍第3項所記載的風力發電裝置，其中前述高摩擦構件在周向上分割成複數個。
5. 如申請專利範圍第1、2、3、或4項所記載的風力發電裝置，其中進一步具備：配置在前述輪轂的內周側的固定主軸，和設置於該固定主軸和前述輪轂之間的軸承。
6. 如申請專利範圍第5項所記載的風力發電裝置，其中前述旋轉主軸的前端是朝徑向擴張的擴徑部，該擴徑 部是連接於前述輪轂。
7. 如申請專利範圍第6項所記載的風力發電裝置，其中進一步具備：機艙，其內部具有傳遞前述旋轉主軸的旋轉動能的機器；凸緣，其係在前述輪轂中朝內徑側突出，且相對於前述擴徑部設於前述機艙側並且連接於前述擴徑部；以及開口部，其係在前述輪轂中形成於與前述機艙的相反側，前述開口部比前述擴徑部的徑向最大寬度大。
8. 如申請專利範圍第6項所記載的風力發電裝置，其中進一步具備：機艙，其內部具有傳遞前述旋轉主軸的旋轉動能的機器；凸緣，其係在前述輪轂中朝內徑側突出，且相對於前述擴徑部設於與前述機艙的相反側並且連接於前述擴徑部；以及開口部，其係在前述輪轂中形成於前述機艙側，前述開口部比前述擴徑部的徑向最大寬度大。