WO2018037394A1 - 流体機械および発電装置 - Google Patents

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WO2018037394A1
WO2018037394A1 PCT/IB2017/056494 IB2017056494W WO2018037394A1 WO 2018037394 A1 WO2018037394 A1 WO 2018037394A1 IB 2017056494 W IB2017056494 W IB 2017056494W WO 2018037394 A1 WO2018037394 A1 WO 2018037394A1
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ローンジョシュア
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ローンジョシュア
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the present invention relates to a fluid machine and a power generator. This application claims priority on August 22, 2016 based on Japanese Patent Application No. 16-162074 for which it applied to Japan, and uses the content here.
  • the wind power generation unit includes a plurality of front wings that are positioned on the wind and rotated by wind power, a plurality of rear wings that are positioned on the lee and rotated by the remaining wind power, and rotational power and rear wings transmitted from the front wing. And a differential device that collects rotational power transmitted from the motor and rotates the generator.
  • the wind power generation unit further includes a tower and a wind turbine base supported by the tower. The differential device and the generator are arranged on the wind turbine base.
  • the differential device is disposed between the front wing and the rear wing and is located directly above the tower, and the generator is shifted horizontally from directly above the tower. positioned. Therefore, for example, it is difficult to apply to a so-called passive yaw type wind power generation unit that passively changes the direction of the wing according to the direction of the wind (moves the head).
  • the present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to provide a fluid machine that can be employed in various power generation apparatuses.
  • a fluid machine includes a rotating shaft that extends along a power generation main shaft of a power generation unit, an end portion of which is connected to the power generation main shaft, the rotation shaft, and a circumferential direction of the rotation shaft.
  • a plurality of rotors provided rotatably and arranged at intervals in a rotation axis direction along the axis of the rotation shaft, and a pair of rotors adjacent to each other in the rotation axis direction, each of the pair of rotors And a differential mechanism that collects and transmits the rotational force to the rotating shaft.
  • the rotational force of each of the pair of rotors can be efficiently transmitted to the power generation main shaft via the differential mechanism and the rotation shaft, regardless of the rotation speed (number of rotations) of each rotor.
  • the load (rotational resistance) from the power generation main shaft acting on each rotor can be suppressed to a low level.
  • efficient power generation by the power generation unit can be realized.
  • the differential mechanism is disposed between the pair of rotors, the rotation shaft extends along the power generation main shaft, and the end of the rotation shaft is coupled to the power generation main shaft.
  • this fluid machine can be employed in a so-called passive yaw type power generation device in which a fluid machine that receives kinetic energy from a fluid passively swings according to the direction of the fluid.
  • the fluid machine can be employed as a so-called attachment for retrofitting the entire fluid machine to a power generation main shaft in an existing power generation apparatus.
  • this fluid machine can be employed in various power generation devices.
  • the differential mechanism rotates from the rotation shaft to a transmission shaft protruding in a radial direction of the rotation shaft, and to the transmission shaft in a circumferential direction of the transmission shaft.
  • a first gear that is freely provided, and the transmission shaft that is disposed in the direction of the rotation axis, is fixed to each of the pair of rotors, and meshes with the first gear so that the rotational force of each of the pair of rotors is obtained.
  • the transmission shaft transmits the rotational force to the rotation shaft while the first gear rotates in the circumferential direction of the transmission shaft. . Therefore, it is possible to suppress the pair of rotors from affecting each other on the rotation speed (the number of rotations). That is, the pair of rotors can be rotated with a small energy loss at different rotational speeds (number of rotations) according to the kinetic energy received by each rotor from the fluid. Thereby, a big rotational force can be transmitted to a rotating shaft.
  • the plurality of rotors may adopt a configuration that rotates in the same direction when receiving kinetic energy from the fluid.
  • each of the plurality of rotors includes a blade that receives kinetic energy from the fluid, and a hub to which the blade is fixed.
  • the pair of rotors may adopt a configuration in which the blades sandwich the hub in the rotation axis direction.
  • each of the plurality of rotors includes a blade and a hub. Therefore, in the whole fluid machine, it is possible to reduce the number of blades in each rotor while securing the total number of blades. Accordingly, in combination with the fact that the rotational force of each of the plurality of rotors is transmitted to the power generation main shaft via the differential mechanism, this fluid machine is provided with high startability (the blade of the fluid machine as a whole). Effect by securing the total number of Furthermore, it is possible to easily increase the rotation speed during rotation of the rotor at a high speed (an effect obtained by reducing the number of blades in each rotor). In the pair of rotors, the blades sandwich each other's hub in the rotation axis direction. Therefore, the blade can be largely separated in the rotation axis direction between the pair of rotors. Thereby, for example, it is possible to easily suppress contact between the blades.
  • the fluid machine according to any one of (1) to (4) further includes a cover that is fixed to one of the pair of rotors and separated from the other, and covers the differential mechanism.
  • the configuration may be adopted.
  • the cover is fixed to one of the pair of rotors and separated from the other. Therefore, for example, the cover can protect the differential mechanism while suppressing unexpected interference between the cover and the rotor.
  • a power generation apparatus includes a fluid machine according to any one of (1) to (5), and a power generation unit including a power generation main shaft to which an end of the rotating shaft is coupled. It is equipped with.
  • the power generation device includes the fluid machine, power can be generated with high efficiency.
  • the power generation unit further includes a support unit that rotatably supports the yaw axis extending in a direction intersecting the axis of the power generation main shaft, and the kinetic energy from the fluid is obtained.
  • the received fluid machine may adopt a configuration in which the fluid machine passively swings according to the direction of the fluid.
  • the power generation device since the power generation device has a so-called passive yaw type configuration including the support portion, the fluid machine is employed, and the advantages of cost, maintenance, and durability can be ensured compared to the so-called active yaw type configuration. it can.
  • the power generation device 10 converts the kinetic energy of a fluid (gas or liquid) into electric energy.
  • the power generation apparatus 10 is a so-called wind power generator, and converts kinetic energy of wind (air) into electric energy.
  • the wind power generator for example, any of small, medium, and large configurations can be adopted.
  • the power generation device 10 includes a support unit 11, a storage unit 12, a power generation unit 13, a fluid machine 14, and an adjustment unit 15.
  • the support part 11 is a tower (post) in the wind power generator, is formed in a columnar shape, and stands up from the ground surface.
  • the support part 11 supports the electric power generation part 13 rotatably around the yaw axis L0.
  • the yaw axis L0 extends in a direction perpendicular to (intersects) a rotation axis L1 described later.
  • the yaw axis L0 is located on the axis of the support portion 11 and extends in the vertical direction.
  • the accommodating part 12 is a nacelle (casing, housing) in a wind power generator.
  • the accommodating portion 12 is supported by the support portion 11 so as to be rotatable around the yaw axis L0.
  • the power generation unit 13 is accommodated in the accommodation unit 12 and located on the yaw axis L0.
  • the support unit 11 supports the power generation unit 13 through the storage unit 12 so as to be rotatable around the yaw axis L0.
  • the power generation unit 13 includes a power generation main shaft 31.
  • the power generation unit 13 converts kinetic energy that rotates the power generation main shaft 31 into electrical energy.
  • the power generation unit 13 includes a power generator 32, and the power generation main shaft 31 is a part of the power generator 32.
  • the power generation unit 13 may further include a speed increaser. In this case, a configuration in which the power generation main shaft 31 is a part of the speed increaser can be adopted.
  • the fluid machine 14 converts the kinetic energy of the wind into the rotational force of the power generation main shaft 31 and transmits it to the power generation main shaft 31.
  • the fluid machine 14 includes a rotating shaft 41, a pair of rotors 42, a differential mechanism 43, a cover 44, and a nose cone 45.
  • the rotating shaft 41 extends along the power generation main shaft 31.
  • the rotating shaft 41 is disposed coaxially with the power generation main shaft 31.
  • the common axis on which the axis of the power generation main shaft 31 and the axis of the rotation shaft 41 are located is referred to as a rotation axis L1.
  • the rotation axis L1 extends in the horizontal direction.
  • the end of the rotating shaft 41 is connected to the power generation main shaft 31.
  • An attachment portion 46 to which the end portion of the power generation main shaft 31 is attached is provided at the end portion of the rotating shaft 41.
  • the attachment portion 46 is a female screw portion (concave portion) to which the power generation main shaft 31 is screwed.
  • the fluid machine 14 mainly transmits a component of the wind kinetic energy along the rotation axis L ⁇ b> 1 to the power generation spindle 31 with respect to the fluid machine 14.
  • the windward side (upstream side) at this time may be referred to as a front side
  • the leeward side (downstream side) may be referred to as a rear side.
  • This power generation device 10 is a so-called passive yaw type in which a fluid machine 14 that receives kinetic energy from wind passively swings according to the direction of the fluid.
  • the power generator 10 is an upwind type in which the fluid machine 14 (rotor 42) is located on the windward side with respect to the yaw axis L0.
  • the rotating shaft 41 is located on the leeward side with respect to the power generation main shaft 31, and the mounting portion 46 is located on the leeward end of the rotating shaft 41.
  • the pair of rotors 42 are arranged at an interval in the direction of the rotation axis L1.
  • Each rotor 42 is provided on the rotary shaft 41 so as to be rotatable in a circumferential direction of the rotary shaft 41 (a direction around the rotary axis L1).
  • a first bearing 47 is provided between the rotating shaft 41 and each rotor 42. The first bearing 47 allows the rotor 42 to rotate with respect to the rotating shaft 41.
  • Each of the pair of rotors 42 includes a blade 48 that receives kinetic energy from the fluid, and a hub 49 to which the blade 48 is fixed.
  • the hub 49 is formed in an annular shape arranged coaxially with the rotation axis L1.
  • a rotating shaft 41 is inserted into the hub 49, and the first bearing 47 is disposed between the rotating shaft 41 and the hub 49.
  • a plurality of blades 48 are arranged at intervals in the circumferential direction of the rotating shaft 41.
  • Three blades 48 are provided in each rotor 42, and six blades 48 are provided as a whole in the fluid machine 14. In FIG. 1 and FIG. 3 described later, the blade 48 is shown in a simplified manner.
  • the blade 48 is disposed on the windward side with respect to the hub 49 in the front rotor 42a (first rotor) located on the windward side (one side in the direction of the rotation axis L1).
  • the blades 48 are arranged on the leeward side with respect to the hub 49.
  • the blades 48 sandwich each other's hub 49 in the direction of the rotation axis L1.
  • the pair of rotors 42 rotate in the same direction when receiving kinetic energy from the wind.
  • the pair of rotors 42 may employ a configuration in which, for example, the power generation device 10 rotates clockwise, for example, when viewed from the windward side.
  • the pair of rotors 42 is configured to rotate in the same direction when receiving kinetic energy from the wind based on the shape of the blade 48 of each rotor 42.
  • the pair of rotors 42 have the same shape and the same size.
  • the differential mechanism 43 is disposed between the pair of rotors 42, and collects and transmits the rotational force of each of the pair of rotors 42 to the rotation shaft 41.
  • the differential mechanism 43 includes a transmission shaft 50, a pair of first gears 51, and a pair of second gears 52.
  • the transmission shaft 50 protrudes from the rotation shaft 41 in the radial direction of the rotation shaft 41 (the radial direction of the rotation axis L1).
  • the transmission shaft 50 is disposed on a portion of the rotation shaft 41 that is positioned between the pair of rotors 42 along the direction of the rotation axis L1. In the present embodiment, the transmission shaft 50 penetrates the rotation shaft 41 in the radial direction.
  • the pair of first gears 51 and the pair of second gears 52 are both bevel gears in the illustrated example, but other structures capable of converting the power by 90 degrees may be employed.
  • the pair of first gears 51 are provided at both end portions of the transmission shaft 50 so as to be rotatable in the circumferential direction of the transmission shaft 50 (direction of turning around the axis L2 of the transmission shaft 50).
  • the pair of second gears 52 is disposed with the transmission shaft 50 sandwiched in the direction of the rotation axis L ⁇ b> 1 and is fixed to each of the pair of rotors 42.
  • the pair of second gears 52 mesh with the pair of first gears 51 to transmit the rotational force of the pair of rotors 42 to the transmission shaft 50.
  • the second gear 52 is formed separately from the rotor 42 and may be fixed to the rotor 42 by, for example, being fixed to the rotor 42.
  • the second gear 52 is integrally formed with the rotor 42.
  • the two gears 52 may be fixed to the rotor 42 by engraving or the like.
  • the cover 44 is fixed to one of the pair of rotors 42 and separated from the other to cover the differential mechanism 43.
  • the cover 44 is formed in a cylindrical shape extending in the direction of the rotation axis L ⁇ b> 1, and covers the differential mechanism 43 from the outside in the radial direction of the rotation shaft 41.
  • the cover 44 is fixed to the front rotor 42a and separated from the rear rotor 42b.
  • the windward end of the cover 44 abuts against the blade 48 of the front rotor 42a from the leeward side, and is fitted to the hub 49 of the front rotor 42a from the outside in the radial direction.
  • the end of the cover 44 on the leeward side is separated from the blade 48 of the rear rotor 42b to the windward side, and is separated from the hub 49 of the rear rotor 42b in the radial direction.
  • the nose cone 45 covers the rotating shaft 41.
  • the nose cone 45 covers the rotation shaft 41 from the windward side in the direction of the rotation axis L1.
  • the nose cone 45 is fixed to the front rotor 42a and is formed in a conical shape that protrudes forward from the front rotor 42a.
  • the adjustment unit 15 rotates the power generation unit 13 around the yaw axis L0 so that the direction of the fluid machine 14 corresponds to the direction of the wind when kinetic energy is received from the wind. At this time, the adjustment unit 15 rotates the power generation unit 13 so that the rotation axis L1 is along the direction in which the wind flows and the fluid machine 14 is located on the windward side of the yaw axis L0.
  • the adjustment unit 15 converts kinetic energy from the wind into rotational energy about the yaw axis L0.
  • the adjusting unit 15 is a tail blade in an upwind type wind power generator.
  • the fluid machine 14 includes the differential mechanism 43. Therefore, the rotational force of each of the pair of rotors 42 can be efficiently transmitted to the power generation main shaft 31 via the differential mechanism 43 and the rotation shaft 41 regardless of the rotation speed (number of rotations) of each rotor 42. At this time, by transmitting the rotational force from each rotor 42 to the power generation main shaft 31 of the common power generation unit 13, the load (rotational resistance) from the power generation main shaft 31 acting on each rotor 42 can be suppressed to a low level. it can. Thereby, efficient power generation by the power generation unit 13 can be realized.
  • the rotational force of the rotor 42 is transmitted to the rotation shaft 41 via the second gear 52, the first gear 51, and the transmission shaft 50.
  • the transmission shaft 50 transmits the rotational force to the rotation shaft 41 without the first gear 51 rotating. Therefore, compared to the case where there is only one rotor 42 instead of a pair, a rotational force having a magnitude nearly doubled can be transmitted to the rotating shaft 41. Thereby, even when the kinetic energy of the wind received by the rotor 42 is low, the rotor 42 can be easily started to rotate, and the fluid machine 14 can be provided with high startability.
  • the first gear 51 rotates in the circumferential direction of the transmission shaft 50, while the transmission shaft 50 moves to the rotation shaft 41. Transmits rotational force. Therefore, it is possible to suppress the pair of rotors 42 from affecting each other on the rotation speed (the number of rotations). That is, the pair of rotors 42 can be rotated with a small energy loss at different rotational speeds (rotational speeds) according to the kinetic energy received by each rotor 42 from the wind. Thereby, a large rotational force can be transmitted to the rotating shaft 41.
  • the differential mechanism 43 is disposed between the pair of rotors 42, the rotation shaft 41 extends along the power generation main shaft 31, and the end of the rotation shaft 41 is connected to the power generation main shaft 31. Therefore, for example, the fluid machine 14 that has received the kinetic energy from the wind can be employed in a so-called passive yaw power generation apparatus 10 that passively swings according to the direction of the wind. . Further, for example, the fluid machine 14 may be employed as a so-called attachment for retrofitting the entire fluid machine 14 to the power generation main shaft 31 in the existing power generation apparatus 10. As described above, the fluid machine 14 can be used in various power generation apparatuses 10.
  • the pair of rotors 42 rotate in the same direction when receiving kinetic energy from the wind. Therefore, compared with the case where the pair of rotors 42 are rotated in reverse, for example, it is not necessary to provide a further mechanism for reverse rotation, so that the structure can be simplified or the shape equivalent to that of the pair of rotors 42 can be achieved. In addition, it is possible to adopt a configuration having the same size (for example, a general clockwise rotor 42). Thereby, cost can be reduced and maintainability can be improved.
  • each of the pair of rotors 42 includes a blade 48 and a hub 49. Therefore, in the whole fluid machine 14, the number of blades 48 can be reduced in each rotor 42 while ensuring the total number of blades 48. Therefore, in combination with the rotational force of each of the pair of rotors 42 being transmitted to the power generation main shaft 31 via the differential mechanism 43, the fluid machine 14 is provided with high startability (the fluid machine 14). As a result, the effect of securing the total number of blades 48 can be achieved. Furthermore, it is possible to easily increase the rotation speed during rotation of the rotor 42 at a high speed (an effect obtained by reducing the number of blades 48 in each rotor 42).
  • the blades 48 sandwich the hub 49 in the direction of the rotation axis L1. Therefore, the blade 48 can be largely separated in the direction of the rotation axis L1 between the pair of rotors 42. Thereby, for example, the contact between the blades 48 can be easily suppressed.
  • the cover 44 is fixed to one of the pair of rotors 42 and separated from the other. Therefore, for example, the cover 44 can protect the differential mechanism 43 while suppressing unexpected interference between the cover 44 and the rotor 42.
  • the electric power generating apparatus 10 since the said fluid machine 14 is provided, it can generate electric power with high efficiency. Furthermore, since the power generation device 10 is a so-called passive yaw type configuration including the support portion 11, the fluid machine 14 is employed, and the advantages of cost, maintainability, and durability are ensured as compared to the so-called active yaw type configuration. be able to.
  • the nose cone 45 and the cover 44 may be omitted.
  • the blade 48 is disposed on the leeward side with respect to the hub 49 in the front rotor 42a, and the blade 48 is disposed on the leeward side with respect to the hub 49 in the rear rotor 42b.
  • the pair of rotors 42 may rotate in the opposite direction when receiving kinetic energy from the fluid.
  • Three or more rotors 42 may be provided, and the differential mechanism 43 may be provided between a pair of rotors 42 adjacent in the direction of the rotation axis L1.
  • the transmission shaft 50 may be formed integrally with the rotation shaft 41 or may be formed as a member separate from the rotation shaft 41.
  • this invention is not limited to this.
  • a plurality of transmission shafts 50 may be provided at intervals in the circumferential direction of the rotation shaft 41, and the first gear 51 may be provided on each of the plurality of transmission shafts 50.
  • the attachment portion 46 is provided at the end of the rotating shaft 41.
  • the present invention is not limited to this, and other forms in which the end of the rotating shaft 41 is connected to the power generation main shaft 31 are appropriately used. Can be adopted.
  • the rotating shaft 41 and the power generation main shaft 31 may be integrally formed.
  • the power generation apparatus 10 is not limited to the upwind type, and may be a downwind type as shown in FIG.
  • the fluid machine 14 is located on the leeward side with respect to the yaw axis L0, and the fluid machine 14 also serves as the adjusting unit 15. That is, when the rotor 42 (blade 48) receives kinetic energy from the wind, the kinetic energy from the wind is converted into rotational energy about the yaw axis L0 so that the direction of the fluid machine 14 corresponds to the direction of the wind.
  • the power generation unit 13 is rotated around the yaw axis L0.
  • the power generation device 10 is not limited to the passive yaw type, and may be a so-called active yaw type including a control unit that controls the direction of the fluid machine 14 based on electric power.
  • the power generation apparatus 10 converts wind kinetic energy into electrical energy, but the present invention is not limited to this.
  • the kinetic energy of the water stream (liquid) may be converted into electric energy.
  • the verification test of the said effect was implemented.
  • two power generation devices of the example and the comparative example were prepared.
  • the power generation apparatus 10 shown in FIGS. 1 and 2 was employed.
  • the comparative example instead of the fluid machine 14 in the power generation apparatus 10 shown in FIGS. 1 and 2, a configuration including a rotor that rotates the power generation main shaft when receiving wind kinetic energy was adopted.
  • the rotor diameter was 1.8 m and the rated output was 600 W.

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Abstract

流体機械（14)は、発電部（13)の発電主軸（31)に沿って延び、端部が発電主軸（31)に連結される回転軸（41)と、回転軸（41)に、回転軸（41)の周方向に回転自在に設けられ、回転軸（41)の軸線に沿つ回転軸線L1方向に間隔をあけて配置された複数のローター（42)と、回転軸線L1方向に隣り合う一対のローター（42)の間に配置され、一対のローター（42)それぞれの回転力を集約して回転軸（41)に伝達する差動機構（43)と、を備えている。

Description

流体機械および発電装置
　本発明は、流体機械および発電装置に関する。
　本願は、２０１６年８月２２日に、日本に出願された特願２０１６−１６２０７４号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　従来から、下記特許文献１に記載の風力発電部が知られている。この風力発電部は、風上に位置して風力により回転する複数の前方翼と、風下に位置して残りの風力により回転する複数の後方翼と、前方翼から伝達される回転動力および後方翼から伝達される回転動力を集合して発電機を回す差動装置と、を備えている。この風力発電部は、タワーと、タワーに支持された風車架台と、を更に備えている。差動装置および発電機は、風車架台上に配置されている。
特開平５−２３１２９７号公報
　しかしながら、前記従来の風力発電装置では、差動装置が、前方翼と後方翼との間に配置されてタワーの真上に位置し、発電機が、タワーの真上から水平方向にずらされて位置している。そのため、例えば、風の向きに応じて翼の向きを受動的に変更する（首ふり運動する）いわゆるパッシブヨー型の風力発電部への適用が難しい。
　本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、多様な発電装置に採用することができる流体機械を提供することを目的とする。
　前記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
（１）本発明の一態様に係る流体機械は、発電部の発電主軸に沿って延び、端部が前記発電主軸に連結される回転軸と、前記回転軸に、前記回転軸の周方向に回転自在に設けられ、前記回転軸の軸線に沿う回転軸線方向に間隔をあけて配置された複数のローターと、前記回転軸線方向に隣り合う一対のローターの間に配置され、前記一対のローターそれぞれの回転力を集約して前記回転軸に伝達する差動機構と、を備えている。
　この場合、一対のローターそれぞれの回転力を、各ローターの回転速度（回転数）によらず、差動機構および回転軸を介して発電主軸に効率的に伝達することができる。このとき、共通した発電部の発電主軸に各ローターからの回転力を伝達することで、ローター１つあたりに作用する発電主軸からの負荷（回転抵抗）を小さく抑えることができる。これにより、発電部による効率的な発電を実現することができる。
　また、差動機構が一対のローターの間に配置され、回転軸が発電主軸に沿って延び、回転軸の端部が発電主軸に連結される。したがって、例えば、流体からの運動エネルギーを受けた流体機械が、流体の向きに応じて受動的に首ふり運動するいわゆるパッシブヨー型の発電装置に、この流体機械を採用すること等ができる。さらに例えば、既存の発電装置における発電主軸に、流体機械の全体を後付けするいわゆるアタッチメントとして、この流体機械を採用すること等もできる。このように、この流体機械を多様な発電装置に採用することができる。
（２）上記（１）に係る流体機械では、前記差動機構は、前記回転軸から、前記回転軸の径方向に突出する伝達軸と、前記伝達軸に、前記伝達軸の周方向に回転自在に設けられた第１歯車と、前記伝達軸を前記回転軸線方向に挟んで配置されて前記一対のローターそれぞれに固定され、前記第１歯車に噛み合うことで前記一対のローターそれぞれの回転力を前記伝達軸に伝達する一対の第２歯車と、を備えている構成を採用してもよい。
　この場合、ローターが回転すると、ローターの回転力が、第２歯車、第１歯車および伝達軸を介して回転軸に伝達される。
　ここで、例えば起動時など、一対のローターの回転速度（回転数）が同等である場合、第１歯車が回転することなく、伝達軸が回転軸に回転力を伝達する。したがって、ローターが一対ではなく１つのみである場合に比べて、回転軸に倍近くの大きさの回転力を伝達させることができる。これにより、ローターが受ける流体の運動エネルギーが低いときにも、ローターを回転し始め易くし、この流体機械に高い起動性を具備させことができる。
　一方、例えば、高速回転時など、一対のローターの回転速度（回転数）が異なっている場合、第１歯車が伝達軸の周方向に回転しながら、伝達軸が回転軸に回転力を伝達する。したがって、一対のローターが、互いに回転速度（回転数）に影響を及ぼし合うことを抑えることができる。つまり一対のローターを、各ローターが流体から受けた運動エネルギーに応じた異なる回転速度（回転数）で、エネルギーロス少なく回転させることができる。これにより、回転軸に大きな回転力を伝達させることができる。
（３）上記（１）または（２）に係る流体機械では、前記複数のローターは、流体から運動エネルギーを受けたときに同一方向に回転する構成を採用してもよい。
　この場合、複数のローターを逆回転させる場合に比べて、例えば、逆回転用の更なる機構を設ける必要がないために構造の簡素化を図ることができたり、複数のローターに同等の形状でかつ同等の大きさの構成（例えば、一般的な時計回りするローター）を採用したりすること等ができる。これにより、コストの低減を図るとともに、メンテナンス性を向上させることができる。
（４）上記（１）から（３）のいずれか１つに係る流体機械では、前記複数のローターはそれぞれ、流体からの運動エネルギーを受けるブレードと、前記ブレードが固定されたハブと、を備え、前記一対のローターでは、互いの前記ブレード同士が、互いの前記ハブを前記回転軸線方向に挟んでいる構成を採用してもよい。
　この場合、複数のローターがそれぞれ、ブレードおよびハブを備えている。したがって、この流体機械の全体では、ブレードの総数を確保しつつ、各ローターにおいては、ブレードの数を少なくすることができる。したがって、複数のローターそれぞれの回転力が、差動機構を介して発電主軸に伝達されることと相俟って、この流体機械に、高い起動性を具備させること（流体機械の全体で、ブレードの総数を確保することによる効果）ができる。さらに、ローターの高速回転時に、回転速度を高め易くすること（各ローターにおけるブレードの数を少なくすることによる効果）もできる。
　また、一対のローターでは、互いのブレード同士が、互いのハブを回転軸線方向に挟んでいる。したがって、一対のローター間で、ブレードを回転軸線方向に大きく離間させることができる。これにより、例えば、ブレード同士の接触を抑制し易くすること等ができる。
（５）上記（１）から（４）のいずれか１つに係る流体機械では、前記一対のローターのうちの一方に固定されて他方からは分離され、前記差動機構を覆うカバーを更に備えている構成を採用してもよい。
　この場合、カバーが、一対のローターのうちの一方に固定されて他方からは分離されている。したがって、例えば、カバーとローターとの予期せぬ干渉を抑えつつ、カバーが差動機構を保護すること等ができる。
（６）本発明の一態様に係る発電装置は、前記（１）から（５）のいずれか１つに係る流体機械と、前記回転軸の端部が連結された発電主軸を備える発電部と、を備えている。
　この場合、発電装置が前記流体機械を備えているので、高効率に発電することができる。
（７）上記（６）に係る発電装置では、前記発電部を、前記発電主軸の軸線に交差する方向に延びるヨー軸回りに回転自在に支持する支持部を更に備え、流体からの運動エネルギーを受けた前記流体機械が、流体の向きに応じて受動的に首ふり運動する構成を採用してもよい。
　この場合、発電装置が、前記支持部を備えるいわゆるパッシブヨー型の構成なので、前記流体機械を採用し、いわゆるアクティブヨー型の構成に比べて、コストやメンテナンス性、耐久性の利点を確保することができる。
　本発明によれば、多様な発電装置に採用することができる流体機械を提供することができる。
本発明の一実施形態に係る発電装置の側面図である。 図１に示す発電装置の要部を構成する流体機械の断面図である。 本発明の第１変形例に係る発電装置の側面図である。 本発明の第２変形例に係る発電装置の側面図である。 本発明の検証試験における電力の計測結果を示すグラフである。 本発明の検証試験における電流の計測結果を示すグラフである。 本発明の検証試験における電圧の計測結果を示すグラフである。
　以下、図面を参照し、本発明の一実施形態に係る発電装置を説明する。
　図１および図２に示すように、発電装置１０は、流体（気体や液体）の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。本実施形態では、発電装置１０は、いわゆる風力発電機であり、風（空気）の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。前記風力発電機としては、例えば、小型、中型、大型のいずれの構成にも採用することができる。
　発電装置１０は、支持部１１と、収容部１２と、発電部１３と、流体機械１４と、調整部１５と、を備えている。
　支持部１１は、風力発電機におけるタワー（支柱）であり、柱状に形成されて地表から起立している。支持部１１は、発電部１３をヨー軸Ｌ０回りに回転自在に支持する。ヨー軸Ｌ０は、後述する回転軸線Ｌ１に直交（交差）する方向に延びている。本実施形態では、ヨー軸Ｌ０が支持部１１の軸線上に位置しており、鉛直方向に延びている。
　収容部１２は、風力発電機におけるナセル（ケーシング、ハウジング）である。収容部１２は、支持部１１に、ヨー軸Ｌ０回りに回転自在に支持されている。
　発電部１３は、収容部１２に収容されてヨー軸Ｌ０上に位置している。発電部１３が、収容部１２に収容されることにより、支持部１１が、収容部１２を介して発電部１３をヨー軸Ｌ０回りに回転自在に支持する。発電部１３は、発電主軸３１を備えている。発電部１３は、発電主軸３１を回転させる運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。本実施形態では、発電部１３が、発電機３２を備えていて、前記発電主軸３１は、発電機３２の一部となっている。なお発電部１３は、更に増速機を備えていてもよく、この場合、前記発電主軸３１が増速機の一部となっている構成を採用することができる。
　流体機械１４は、風の運動エネルギーを発電主軸３１の回転力に変換して発電主軸３１に伝達する。流体機械１４は、回転軸４１と、一対のローター４２と、差動機構４３と、カバー４４と、ノーズコーン４５と、を備えている。
　回転軸４１は、発電主軸３１に沿って延びている。本実施形態では、回転軸４１は、発電主軸３１と同軸に配置されている。以下では、発電主軸３１の軸線および回転軸４１の軸線が位置する共通軸を、回転軸線Ｌ１という。本実施形態では、回転軸線Ｌ１は、水平方向に延びている。
　回転軸４１の端部は、発電主軸３１に連結されている。回転軸４１の端部には、発電主軸３１の端部が取り付けられる取付け部４６が設けられている。本実施形態では、取付け部４６は、発電主軸３１が螺合される雌ねじ部（凹部）である。
　なお流体機械１４は、風の運動エネルギーのうち、この流体機械１４に対して回転軸線Ｌ１方向に沿う成分を主に発電主軸３１に伝達する。以下では、このときの風上側（上流側）を前側といい、風下側（下流側）を後側という場合がある。この発電装置１０は、風からの運動エネルギーを受けた流体機械１４が、流体の向きに応じて受動的に首ふり運動するいわゆるパッシブヨー型である。またこの発電装置１０は、流体機械１４（ローター４２）がヨー軸Ｌ０に対して風上側に位置するアップウィンド型である。回転軸４１は、発電主軸３１に対して風上側に位置し、取付け部４６は、回転軸４１の風下側の端部に位置する。
　一対のローター４２は、回転軸線Ｌ１方向に間隔をあけて配置されている。各ローター４２は、回転軸４１に、回転軸４１の周方向（回転軸線Ｌ１回りに周回する方向）に回転自在に設けられている。回転軸４１と各ローター４２との間には、第１軸受４７が設けられている。第１軸受４７は、回転軸４１に対するローター４２の回転を許容する。
　一対のローター４２はそれぞれ、流体からの運動エネルギーを受けるブレード４８と、ブレード４８が固定されたハブ４９と、を備えている。
　ハブ４９は、回転軸線Ｌ１と同軸に配置された環状に形成されている。ハブ４９内には回転軸４１が挿通されていて、回転軸４１とハブ４９との間に前記第１軸受４７が配置されている。ブレード４８は、回転軸４１の周方向に間隔をあけて複数配置されている。ブレード４８は、１つのローター４２に３つずつ設けられていて、流体機械１４の全体では６つ設けられている。なお、図１および後述する図３では、ブレード４８を簡略化して示している。
　一対のローター４２のうち、風上側（回転軸線Ｌ１方向の一方側）に位置する前段ローター４２ａ（第１ローター）では、ブレード４８が、ハブ４９に対して風上側に配置されている。一対のローター４２のうち、風下側（回転軸線Ｌ１方向の他方側）に位置する後段ローター４２ｂ（第２ローター）では、ブレード４８が、ハブ４９に対して風下側に配置されている。一対のローター４２では、互いのブレード４８同士が、互いのハブ４９を回転軸線Ｌ１方向に挟んでいる。
　一対のローター４２は、風から運動エネルギーを受けたときに同一方向に回転する。一対のローター４２は、この発電装置１０を風上側から見た正面視において、いずれも例えば時計回りに回転する構成を採用することができる。一対のローター４２は、各ローター４２のブレード４８の形状に基づいて、風から運動エネルギーを受けたときに同一方向に回転するように構成されている。なお図示の例では、一対のローター４２は、互いに同等の形状でかつ同等の大きさに形成されている。
　なお、風の運動エネルギーは、風下側に位置する後段ローター４２ｂよりも風上側に位置する前段ローター４２ａに多く作用し易い。そのため、前段ローター４２ａが後段ローター４２ｂよりも高速に回転し、一対のローター４２に回転速度（回転数）の差が生じ易い。
　差動機構４３は、一対のローター４２の間に配置され、一対のローター４２それぞれの回転力を集約して回転軸４１に伝達する。差動機構４３は、伝達軸５０と、一対の第１歯車５１と、一対の第２歯車５２と、を備えている。
　伝達軸５０は、回転軸４１から、回転軸４１の径方向（回転軸線Ｌ１の径方向）に突出する。伝達軸５０は、回転軸４１において、回転軸線Ｌ１方向に沿って一対のローター４２の間に位置する部分に配置されている。本実施形態では、伝達軸５０が、回転軸４１を前記径方向に貫通している。
　一対の第１歯車５１および一対の第２歯車５２は、図示の例ではいずれも傘歯車であるが、動力を９０度変換することが可能な他の構造を採用することもできる。一対の第１歯車５１は、伝達軸５０の両端部に、伝達軸５０の周方向（伝達軸５０の軸線Ｌ２回りに周回する方向）に回転自在に設けられている。一対の第２歯車５２は、伝達軸５０を回転軸線Ｌ１方向に挟んで配置されて一対のローター４２それぞれに固定されている。一対の第２歯車５２は、一対の第１歯車５１それぞれに噛み合うことで一対のローター４２それぞれの回転力を伝達軸５０に伝達する。なお第２歯車５２は、ローター４２と別体に形成され、例えば、ローター４２に固着される等することによってローター４２に固定されてもよく、ローター４２と一体成型され、例えば、ローター４２に第２歯車５２が彫り込まれる等することによってローター４２に固定されてもよい。
　カバー４４は、一対のローター４２のうちの一方に固定されて他方からは分離され、差動機構４３を覆う。カバー４４は、回転軸線Ｌ１方向に延びる筒状に形成され、差動機構４３を、回転軸４１の径方向の外側から覆っている。カバー４４は、前段ローター４２ａに固定されて後段ローター４２ｂからは分離されている。カバー４４の風上側の端部は、前段ローター４２ａのブレード４８に風下側から突き当たり、前段ローター４２ａのハブ４９に前記径方向の外側から嵌合されている。カバー４４の風下側の端部は、後段ローター４２ｂのブレード４８から風上側に離間していて、後段ローター４２ｂのハブ４９から前記径方向に離間している。
　ノーズコーン４５は、回転軸４１を覆う。ノーズコーン４５は、回転軸４１を、回転軸線Ｌ１方向の風上側から覆う。ノーズコーン４５は、前段ローター４２ａに固定され、前段ローター４２ａから前方に向けて突となる円錐状に形成されている。
　調整部１５は、風から運動エネルギーを受けたときに、流体機械１４の向きが風の向きに対応するように発電部１３をヨー軸Ｌ０回りに回転させる。このとき調整部１５は、風が流れる方向に回転軸線Ｌ１が沿うように、かつ、流体機械１４がヨー軸Ｌ０よりも風上に位置するように、発電部１３を回動させる。調整部１５は、風からの運動エネルギーをヨー軸Ｌ０回りの回転エネルギーに変換する。調整部１５は、アップウィンド型の風力発電機における尾翼である。
　以上説明したように、本実施形態に係る流体機械１４によれば、流体機械１４が差動機構４３を備えている。したがって、一対のローター４２それぞれの回転力を、各ローター４２の回転速度（回転数）によらず、差動機構４３および回転軸４１を介して発電主軸３１に効率的に伝達することができる。このとき、共通した発電部１３の発電主軸３１に各ローター４２からの回転力を伝達することで、ローター４２、１つあたりに作用する発電主軸３１からの負荷（回転抵抗）を小さく抑えることができる。これにより、発電部１３による効率的な発電を実現することができる。
　なお、ローター４２が回転すると、ローター４２の回転力が、第２歯車５２、第１歯車５１および伝達軸５０を介して回転軸４１に伝達される。
　ここで、例えば起動時など、一対のローター４２の回転速度（回転数）が同等である場合、第１歯車５１が回転することなく、伝達軸５０が回転軸４１に回転力を伝達する。したがって、ローター４２が一対ではなく１つのみである場合に比べて、回転軸４１に倍近くの大きさの回転力を伝達させることができる。これにより、ローター４２が受ける風の運動エネルギーが低いときにも、ローター４２を回転し始め易くし、この流体機械１４に高い起動性を具備させことができる。
　一方、例えば、高速回転時など、一対のローター４２の回転速度（回転数）が異なっている場合、第１歯車５１が伝達軸５０の周方向に回転しながら、伝達軸５０が回転軸４１に回転力を伝達する。したがって、一対のローター４２が、互いに回転速度（回転数）に影響を及ぼし合うことを抑えることができる。つまり一対のローター４２を、各ローター４２が風から受けた運動エネルギーに応じた異なる回転速度（回転数）で、エネルギーロス少なく回転させることができる。これにより、回転軸４１に大きな回転力を伝達させることができる。
　また、差動機構４３が一対のローター４２の間に配置され、回転軸４１が発電主軸３１に沿って延び、回転軸４１の端部が発電主軸３１に連結される。したがって、例えば、風からの運動エネルギーを受けた流体機械１４が、風の向きに応じて受動的に首ふり運動するいわゆるパッシブヨー型の発電装置１０に、この流体機械１４を採用すること等ができる。さらに例えば、既存の発電装置１０における発電主軸３１に、流体機械１４の全体を後付けするいわゆるアタッチメントとして、この流体機械１４を採用すること等もできる。このように、この流体機械１４を多様な発電装置１０に採用することができる。
　また、一対のローター４２が、風から運動エネルギーを受けたときに同一方向に回転する。したがって、一対のローター４２を逆回転させる場合に比べて、例えば、逆回転用の更なる機構を設ける必要がないために構造の簡素化を図ることができたり、一対のローター４２に同等の形状でかつ同等の大きさの構成（例えば、一般的な時計回りするローター４２）を採用したりすること等ができる。これにより、コストの低減を図るとともに、メンテナンス性を向上させることができる。
　また、一対のローター４２がそれぞれ、ブレード４８およびハブ４９を備えている。したがって、この流体機械１４の全体では、ブレード４８の総数を確保しつつ、各ローター４２においては、ブレード４８の数を少なくすることができる。したがって、一対のローター４２それぞれの回転力が、差動機構４３を介して発電主軸３１に伝達されることと相俟って、この流体機械１４に、高い起動性を具備させること（流体機械１４の全体で、ブレード４８の総数を確保することによる効果）ができる。さらに、ローター４２の高速回転時に、回転速度を高め易くすること（各ローター４２におけるブレード４８の数を少なくすることによる効果）もできる。
　また、一対のローター４２では、互いのブレード４８同士が、互いのハブ４９を回転軸線Ｌ１方向に挟んでいる。したがって、一対のローター４２間で、ブレード４８を回転軸線Ｌ１方向に大きく離間させることができる。これにより、例えば、ブレード４８同士の接触を抑制し易くすること等ができる。
　また、カバー４４が、一対のローター４２のうちの一方に固定されて他方からは分離されている。したがって、例えば、カバー４４とローター４２との予期せぬ干渉を抑えつつ、カバー４４が差動機構４３を保護すること等ができる。
　また、本実施形態に係る発電装置１０によれば、前記流体機械１４を備えているので、高効率に発電することができる。
　さらに、発電装置１０が、前記支持部１１を備えるいわゆるパッシブヨー型の構成なので、前記流体機械１４を採用し、いわゆるアクティブヨー型の構成に比べて、コストやメンテナンス性、耐久性の利点を確保することができる。
　なお、本発明の技術的範囲は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
　例えば、ノーズコーン４５やカバー４４が無くてもよい。
　前記実施形態では、前段ローター４２ａで、ブレード４８が、ハブ４９に対して風上側に配置され、後段ローター４２ｂで、ブレード４８が、ハブ４９に対して風下側に配置されているが、本発明はこれに限られない。
　一対のローター４２が、流体から運動エネルギーを受けたときに逆方向に回転してもよい。
　ローター４２を、３つ以上設け、回転軸線Ｌ１方向に隣り合う一対のローター４２の間に、差動機構４３を設けてもよい。
　伝達軸５０は、回転軸４１と一体に形成されていてもよく、回転軸４１と別部材で形成されていてもよい。
　前記実施形態では、伝達軸５０が、回転軸４１を、回転軸４１の径方向に貫通しているが、本発明はこれに限られない。例えば、伝達軸５０を、回転軸４１の周方向に間隔をあけて複数設け、第１歯車５１を、複数の伝達軸５０それぞれに設けてもよい。
　前記実施形態では、回転軸４１の端部に取付け部４６が設けられているが、本発明はこれに限られず、回転軸４１の端部が、発電主軸３１に連結された他の形態を適宜採用することができる。例えば、回転軸４１と発電主軸３１とが一体に形成されていてもよい。
　発電装置１０はアップウィンド型に限られず、図３に示すようなダウンウィンド型であってもよい。この発電装置１０Ａでは、流体機械１４が、ヨー軸Ｌ０に対して風下側に位置し、この流体機械１４が、前記調整部１５を兼ねている。つまり、ローター４２（ブレード４８）が風からの運動エネルギーを受けたときに、風からの運動エネルギーをヨー軸Ｌ０回りの回転エネルギーに変換し、流体機械１４の向きが風の向きに対応するように発電部１３をヨー軸Ｌ０回りに回転させる。
　発電装置１０はパッシブヨー型に限られず、電力に基づいて流体機械１４の向きを制御する制御部を備えるいわゆるアクティブヨー型であってもよい。
　前記実施形態では、発電装置１０が風の運動エネルギーを電気エネルギーに変換するが、本発明はこれに限られない。例えば図４に示す発電装置１０Ｂのように、水流（液体）の運動エネルギーを電気エネルギーに変換してもよい。
　次に、上記作用効果の検証試験を実施した。
　検証試験では、実施例および比較例の２つの発電装置を準備した。実施例には、図１および図２に示す発電装置１０を採用した。比較例には、図１および図２に示す発電装置１０における流体機械１４に代えて、風の運動エネルギーを受けたときに発電主軸を回転させるローターを備える構成を採用した。実施例および比較例のいずれにおいても、ローターの直径は１．８ｍ、定格出力は６００Ｗとした。
　そして、実施例および比較例の発電装置を自動車上に設置し、この自動車を走行させてローターが受ける風速と、発電装置が発電する電力（電流、電圧）と、を計測した。
　結果を表１および図５から図７に示す。表１および図５から図７それぞれにおいて、「Ｄｏｕｂｌｅ−ｒｏｔｏｒ　ｓｙｓｔｅｍ」が実施例を示し、「Ｏｒｉｇｉｎａｌ」が比較例を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　この結果から、実施例では、比較例に比べて、風速が低いときから発電されることが確認された。また同等の風速のときに、実施例では、比較例に比べて出力が高いことも確認された。
　多様な発電装置に採用することができる。
１０、１０Ａ、１０Ｂ　発電装置
１１　　支持部
１３　　発電部
１４　　流体機械
３１　　発電主軸
３２　　発電機
４１　　回転軸
４２　　ローター
４３　　差動機構
４４　　カバー
４８　　ブレード
４９　　ハブ
５０　　伝達軸
５１　　第１歯車
５２　　第２歯車
Ｌ０　　ヨー軸
Ｌ１　　回転軸線

Claims (7)

  1. 　発電部の発電主軸に沿って延び、端部が前記発電主軸に連結される回転軸と、
    　前記回転軸に、前記回転軸の周方向に回転自在に設けられ、前記回転軸の軸線に沿う回転軸線方向に間隔をあけて配置された複数のローターと、
    　前記回転軸線方向に隣り合う一対のローターの間に配置され、前記一対のローターそれぞれの回転力を集約して前記回転軸に伝達する差動機構と、を備えている流体機械。
  2. 　前記差動機構は、
    　前記回転軸から、前記回転軸の径方向に突出する伝達軸と、
    　前記伝達軸に、前記伝達軸の周方向に回転自在に設けられた第１歯車と、
    　前記伝達軸を前記回転軸線方向に挟んで配置されて前記一対のローターそれぞれに固定され、前記第１歯車に噛み合うことで前記一対のローターそれぞれの回転力を前記伝達軸に伝達する一対の第２歯車と、を備えている請求項１に記載の流体機械。
  3. 　前記複数のローターは、流体から運動エネルギーを受けたときに同一方向に回転する請求項１または２に記載の流体機械。
  4. 　前記複数のローターはそれぞれ、流体からの運動エネルギーを受けるブレードと、前記ブレードが固定されたハブと、を備え、
    　前記一対のローターでは、互いの前記ブレード同士が、互いの前記ハブを前記回転軸線方向に挟んでいる請求項１から３のいずれか１項に記載の流体機械。
  5. 　前記一対のローターのうちの一方に固定されて他方からは分離され、前記差動機構を覆うカバーを更に備えている請求項１から４のいずれか１項に記載の流体機械。
  6. 　請求項１から５のいずれか１項に記載の流体機械と、
    　前記回転軸の端部が連結された発電主軸を備える発電部と、を備えている発電装置。
  7. 　前記発電部を、前記発電主軸の軸線に交差する方向に延びるヨー軸回りに回転自在に支持する支持部を更に備え、
    　流体からの運動エネルギーを受けた前記流体機械が、流体の向きに応じて受動的に首ふり運動する請求項６に記載の発電装置。
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