JP2007198167A - 水平軸風車 - Google Patents

Abstract

【課題】タワーに対するナセルのヨー回転動作を効果的に緩衝する。
【解決手段】ハブ２と少なくとも２枚のブレード１とを有するロータ３と、ロータを軸支
するナセル５と、ナセルをヨー回転自在に支持するタワーと、回転速度の増大に従って増
大する抵抗トルクをナセルのヨー回転に負荷するロータリダンパとを備える。例えば、汎用のオイル粘性方式のロータリダンパ１０をギアボックス１１及びピニオンギア１２を介してタワー上端に固定された旋回ギア１３に連結する。他の例としては、ナセルをタワーに対してヨー回転自在に接続するヨー旋回ベアリングを保持する隙間に連続して隙間を形成し、この隙間にシリコンオイルを密閉してオイル粘性方式のロータリダンパを構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、水平軸風車のヨー回転動作の緩衝機構に関する。

周知のように、いわゆる水平軸風車が風力発電事業等の商業用に広く実用化されている。一般的な水平軸風車は、図５に示すように少なくとも２枚のブレード１がハブ２から放射状に取り付けられてなるロータ３と、ハブ２に接続されるとともに略水平方向に延在された主軸４を介してこのロータ３を軸支するナセル５と、略鉛直方向に設置されるとともにナセル５をヨー回転自在に支持するタワー６とを有して構成される。

水平軸風車は、風力利用の効率化や暴風回避等の目的で、ロータを風向に対して所定の角度に制御されることが必要である。そのために、ナセルのヨー回転を駆動制御するヨー駆動装置、ヨー回転を制動するヨーブレーキ等のヨー角制御手段を水平軸風車に設けることが行われている。

ヨーブレーキはナセルを固定する時はもちろん、ヨー回転時にも使用される。ヨー回転時のヨーブレーキの使用は、主に急激なヨー回転を避けるためのものである。
例えば、図５に示すように、ヨー軸７の左右で風速の異なる風９がロータ３に吹きあたると、ヨー軸７回りにトルク（ヨートルク８）が発生する。また、風向が変わることによりヨートルク８が発生する。このヨートルク８が比較的大きい場合に、ヨーブレーキによりナセル５のヨー角を固定しておくと、ブレード１、主軸４、タワー６などの構造に対して大きな荷重がかかり、損傷や変形の原因となる。とはいえ、完全にヨーブレーキを開放してしまうと、ナセルが急激に回転したり、過剰な速さで回転したりして、やはりブレード１、主軸４、タワー６などの構造に対して大きな負担をかけることになる。そこで、ナセル５のヨー角を固定しない程度にヨーブレーキを効かせつつヨートルク８に従ってナセル５をヨー回転させる。これにより過剰な回転に入ることなく、また急激に変化するヨートルク８を抑えて構造への負担を軽減する。
また、ヨー駆動装置を使用してヨー回転させる間にも、自然風による急激なヨー回転を避けるためヨーブレーキをかける必要があった。

従来、ヨーブレーキとしては、例えば、特許文献１に示すようなディスクをブレーキパッドで挟持する方式のディスクブレーキが使用されていた。
特開平８−８２２７７号公報

しかし、ヨー回転時にヨーブレーキを使用すると、ブレーキパッドが早期に磨耗するし、ブレーキ鳴りが発生する。また、ヨー回転の速度に関係なくブレーキトルクが一定であり、ヨー駆動時にヨーブレーキをかけるため、ヨーモータの容量を大きくしなくてはならない等の諸問題があった。

本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、タワーに対する
ナセルのヨー回転動作を効果的に緩衝できるヨー回転機構を有した水平軸風車を提供する
ことを課題とする。

以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、ハブと少なくとも２枚のブレードとを有するロータと、
前記ハブに接続された主軸を介して前記ロータを軸支するナセルと、
前記ナセルをヨー回転自在に支持するタワーと、
回転速度の増大に従って増大する抵抗トルクを前記ナセルのヨー回転に負荷するロータリ
ダンパとを備えてなる水平軸風車である。

請求項２記載の発明は、前記ロータリダンパへ回転が伝達される軸にピニオンギアが固定され、前記ナセルのヨー軸と同軸に旋回ギアが配置され、前記ピニオンギアと前記旋回ギアが噛合連結され、前記ロータリダンパ及び前記旋回ギアのうち一方が前記ナセルに固定され、他方が前記タワーに固定されてなる請求項１に記載の水平軸風車である。

請求項３記載の発明は、前記ロータリダンパの出力軸の回転速度に対して前記ピニオンギアが固定された軸を低い回転速度に変換して両軸を連動させる変速機を備えてなる請求項２に記載の水平軸風車である。

請求項４記載の発明は、前記ロータリダンパはオイルの粘性抵抗により前記抵抗トルクを発生させるオイル粘性方式のダンパであることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載の水平軸風車である。

請求項５記載の発明は、前記ナセルをヨー回転自在に前記タワーに接続するベアリングを備え、
前記ロータリダンパは、前記ベアリングを保持する隙間に連続形成された隙間と、この隙間に密閉されたオイルを備え、当該オイルの粘性抵抗により前記抵抗トルクを発生させるオイル粘性方式のダンパであることを特徴とする請求項１に記載の水平軸風車である。

請求項６記載の発明は、前記ロータリダンパは、前記オイルの温度を計測する温度計と、該オイルを加温する加温装置とを備えることを特徴とする請求項４記載の水平軸風車である。

本発明によれば、ロータリダンパは、回転速度の増大に従って抵抗トルクを増大させる特性を有し、かかる特性の抵抗トルクがナセルのヨー回転に負荷される。これにより自然風により生じるヨートルクは、大きいものほど高い率でロータリダンパの抵抗トルクにより抑えられ、ナセルのヨー回転の運動エネルギーはロータリダンパを回転させる仕事により消散するから、ナセルの急激なヨー回転の速度変化が緩和されるとともに、ヨー回転速度の高速域への移行を防ぐことができるという効果がある。また、低速域ではロータリダンパからナセルに負荷される抵抗トルクは比較的小さいから、駆動モータにあまり大きな負担をかけることなくナセルのヨー回転を駆動制御することができるという効果がある。

以下に本発明の一実施の形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形
態であって本発明を限定するものではない。

〔第１実施形態〕
まず、本発明の第１実施形態につき、図１、図２、図３及び図５を参照して説明する。
図１は本発明の第１実施形態に係る水平軸風車の主要部を示す側面図である。
本実施形態の水平軸風車は、図５に示すものと同様の３枚のブレードを有する水平軸風
車であり、タワー６と、ナセル５と、主軸４と、ハブ２と、３枚のブレード１を備える。
ナセル５はハブ２に接続された主軸４を介してハブ２とブレード１からなるロータ３を軸
支する。タワー６は、ナセル５をヨー回転自在に支持する。

ナセル５の内側には、図示しない増速機、発電機、および主軸ブレーキなどの動力伝達
装置が収納されており、これらの各動力伝達装置には、主軸４が連結されている。
主軸４は、その先端がナセル５の外部に突出しており、この主軸４の先端にはロータ３
が、主軸４とともに回転するように取り付けられている。
ロータ３は、中心部に主軸４と連結されたハブ２を有しており、ハブ２の周面から突出して、３枚のブレード１が放射状に取り付けられている。

図１に示すように、タワー６上端にはリング状の旋回ギア１３が配置されている。図１
Ａ部に示すように、ナセル５内に、ロータリダンパ１０及びギアボックス１１が内装されている。

図２に図１Ａ部の拡大図を示す。図２に示すように、ギアボックス１１がナセル５に固
定されている。ギアボックス１１の上部には軸２５が突出しており、下部には軸１７が突
出している。ロータリダンパ１０の出力軸１６は、ギアボックス１１の上部の軸２５にシュリンクフィット１５を介して同軸に連結されている。ロータリダンパ１０の出力軸１６は、ギアボックス１１の上部の軸２５と一体回転する。ギアボックス１１の下部の軸１７には、ピニオンギア１２が嵌められている。ロータリダンパ１０のアウターケース１８は、マウントフレーム２９を介してギアボックス１１に固定されている。ロータリダンパ１０のアウターケース１８の外面に温度センサ１４が付設されている。アウターケース１８の温度センサ１４を付設していない一部を覆うようにヒータ４４が取り付けられている。
ギアボックス１１は、上部の軸２５の回転速度に対して下部の軸１７を低い回転速度に変換して両軸を連動させる変速機であり、内部に変速のためのギア機構が構成されている。

ナセル５は、ヨー旋回ベアリング１９を介してタワー６に対しヨー回転自在に連結され
ている。ヨー旋回ベアリング１９の内側円筒２０にナセル５が固定され、外側円筒２１は
タワー６に固定される。このヨー旋回ベアリング１９の回転軸が自ずとナセル５のヨー軸
７となる。外側円筒２１の周囲に旋回ギア１３が設けられ、旋回ギア１３はヨー軸７と同軸に配置される。ギアボックス１１の下部の軸１７は、ナセルの底部に空けられた孔４１を通って外部に突出しており、その突出した先端に嵌められたピニオンギア１２が旋回ギア１３に噛合連結する。

図３にロータリダンパ、シュリンクフィット及びギアボックス上部の断面図を示す。
図３に示すように、アウターケース１８の内部にはシリコンオイル４２が封入されており、シリコンオイル４２に接触して回るロータ２２が出力軸１６とともに回転自在にベアリング２３，２４によって軸受け支持されている。

シリコンオイル４２の粘性抵抗により出力軸１６に入力されるトルクに対し抵抗トルク
を発生させる。この抵抗トルクは、出力軸１６の回転速度の増大に従って増大する。すな
わち、回転速度が上がると抵抗トルクは上がり、回転速度が下がると抵抗トルクも下がる
。シリコンオイル４２の粘性は温度により変化し、ダンパの特性も変化する。そのため、温度センサ１４により検知したロータリダンパ１０の温度に基づき、ヒータ４４によりロータリダンパ１０を必要量加温し、ロータリダンパ１０を年間通して適度な温度範囲に調温する。これによりダンパの特性を適度な範囲に維持する。例えば、寒冷時のヨー回転の不能を回避したり、過剰な抵抗トルクを軽減したりすることができる。

図３に示すように、シュリンクフィット１５は、メス型テーパ面を有する外筒部品２６と、外筒部品２６と対になるオス型テーパ面を有す内筒部品２７と、外筒部品２６と内筒部品２７とを軸方向に圧接するボルト２８，２８とからなる。ギアボックス１１上部の軸２５に設けられた穴４３にロータリダンパ１０の出力軸１６の先端を挿入し、軸２５に外嵌したシュリンクフィット１５のボルト２８，２８を締めることにより、出力軸１６及び軸２５を共に締め付け連結固定する。このシュリンクフィット１５によりロータリダンパ１０の交換が容易である。

以上説明したピニオンギア１２、ギアボックス１１、シュリンクフィット１５及びマウ
ントフレーム２９を１組として、同様の組を旋回ギア１３の周りに２以上に設ける。そのうちの１又は２以上にロータリダンパを搭載する。上記組をロータリダンパ用に２以上に設けておけば、その後いつでもロータリダンパを増減することが容易にできる。他方、上記組のうちの１又は２以上の組に駆動モータを搭載してヨー駆動装置を構成する。但し、使用する駆動モータに適合するギア比を実現するギアボックス及びピニオンを組み合わせる。

以上の第１実施形態によれば、ロータリダンパ１０は、回転速度の増大に従って抵抗トルクを増大させる特性を有する。かかる特性の抵抗トルクがナセル５のヨー回転に負荷される。すなわち、ナセル５のヨー回転運動に対してロータリダンパ１０が抵抗トルクを発生させる。これによりナセル５の急激なヨー回転の速度変化が緩和されるとともに、ヨー回転速度の高速域への移行を防ぐことができる。低速域ではロータリダンパ１０からナセル５に負荷される抵抗トルクは比較的小さいから、駆動モータにあまり大きな負担をかけることなくナセルのヨー回転を駆動制御することができる。

ナセル５のヨー回転駆動に用いられる旋回ギア１３に噛合連結するピニオンギア１２を設け、これをロータリダンパ１０へ伝達する構成をとることにより、さらに必要により適切なギア比を有するギアボックス１１を介装することにより、汎用のロータリダンパの多種の中から選択することができ、容易に搭載することができる。したがって、風車の仕様や環境条件等の諸条件に適合するロータリダンパを選びやすい。また、ロータリダンパの交換が容易にでき、性能の良いものや安価なものなどへの換装が容易にできる。

ロータリダンパ１０はオイルの粘性抵抗により前記抵抗トルクを発生させるオイル粘性方式のダンパであるため、静音性に優れ、機械部品の磨耗がなく長寿命である。

以上の実施形態に拘わらず、旋回ギアをナセルに固定し、ロータリダンパをタワーに固定しても、同様の目的が達成できることは勿論である。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態につき、図４を参照して説明する。図４は本発明の第２実
施形態に係る水平軸風車の主要部を示す断面図である。本実施形態は第１実施形態と異な
るロータリダンパを備えたものである。

図４に示すように、ナセル３６がヨー旋回ベアリング３０を介してタワー４０に対しヨ
ー回転自在に接続される。ヨー旋回ベアリング３０を保持する外側円筒３１がタワー４０
に固定される。ヨー旋回ベアリング３０を保持する内側円筒３２がナセル３６に固定され
る。
外側円筒３１及び内側円筒３２は、ヨー旋回ベアリング３０を保持する隙間に連続して
隙間を形成しており、かかる隙間にシリコンオイル３３が充填されている。シリコンオイ
ル３３が充填された隙間は、シール３４，３５により密閉されている。
外側円筒３１及び内側円筒３２は、シリコンオイル３３に接触して相対回転するから、
シリコンオイル３３の粘性抵抗によりナセル３６のヨー回転運動に対する抵抗トルクを発
生させるオイル粘性方式のロータリダンパが構成される。

以上の本実施形態の構成によっても、上記第１実施形態と同様に、ナセル３６の急激なヨー回転の速度変化が緩和されるとともに、ヨー回転速度の高速域への移行を防ぐことができ、加えて、駆動モータにあまり大きな負担をかけることなくナセルのヨー回転を駆動制御することができる。
また、本実施形態によれば、簡素で省スペースなロータリダンパを構成することが
できる。

本発明の第１実施形態に係る水平軸風車の主要部を示す側面図である。 図１のＡ部拡大図である。 本発明の第１実施形態に係るロータリダンパ、シュリンクフィット及びギアボックス上部の断面図である。 本発明の第２実施形態に係る水平軸風車の主要部を示す断面図である。 本発明を適用可能は水平軸風車の一例を示す外観斜視図である。

符号の説明

１ ブレード
２ ハブ
３ ロータ
４ 主軸
５ ナセル
６ タワー
７ ヨー軸
８ ヨートルク
１０ ロータリダンパ
１１ ギアボックス
１２ ピニオンギア
１３ 旋回ギア
１６ 出力軸
１９ ヨー旋回ベアリング
３０ ヨー旋回ベアリング
３３ シリコンオイル
３４，３５ シール
３６ ナセル
４０ タワー
４２ シリコンオイル

Claims (6)

1. ハブと少なくとも２枚のブレードとを有するロータと、
   前記ハブに接続された主軸を介して前記ロータを軸支するナセルと、
   前記ナセルをヨー回転自在に支持するタワーと、
   回転速度の増大に従って増大する抵抗トルクを前記ナセルのヨー回転に負荷するロータリダンパとを備えてなる水平軸風車。
2. 前記ロータリダンパへ回転が伝達される軸にピニオンギアが固定され、前記ナセルのヨー軸と同軸に旋回ギアが配置され、前記ピニオンギアと前記旋回ギアが噛合連結され、前記ロータリダンパ及び前記旋回ギアのうち一方が前記ナセルに固定され、他方が前記タワーに固定されてなる請求項１に記載の水平軸風車。
3. 前記ロータリダンパの出力軸の回転速度に対して前記ピニオンギアが固定された軸を低い回転速度に変換して両軸を連動させる変速機を備えてなる請求項２に記載の水平軸風車。
4. 前記ロータリダンパはオイルの粘性抵抗により前記抵抗トルクを発生させるオイル粘性方式のダンパであることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載の水平軸風車。
5. 前記ナセルをヨー回転自在に前記タワーに接続するベアリングを備え、
   前記ロータリダンパは、前記ベアリングを保持する隙間に連続形成された隙間と、この隙間に密閉されたオイルを備え、当該オイルの粘性抵抗により前記抵抗トルクを発生させるオイル粘性方式のダンパであることを特徴とする請求項１に記載の水平軸風車。
6. 前記ロータリダンパは、前記オイルの温度を計測する温度計と、該オイルを加温する加温装置とを備えることを特徴とする請求項４記載の水平軸風車。

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