JP2008128135A - 水平軸風車のハブ - Google Patents

Abstract

【課題】軽量で強度的均衡のとれた水平軸風車のハブを提供する。
【解決手段】本発明にかかるハブ１は、ブレードを固定するための円形フランジ３の内側の円形領域Ｇに、周縁で球状殻２に結合する補強プレート４を構成する。点Ｃ側に偏心するとともにに、円形領域Ｇの中心Ｂを含む単一の偏心開口５が円形領域Ｇに形成される。補強プレート４が偏心開口５の残余の部分に形成される。
【効果】円形フランジ３の内側における補強プレート５と開口５の偏在により、ハブ１の鋳造により生じる強度的不均衡が解消されて強度的均衡がとれ、軽量化もしやすくなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、水平軸風車のハブに関する。

現在、自然風から安定した電力を得る目的で、水平軸型風車を利用した風力発電装置が提案され、実用化されている。かかる水平軸風車は、図７、図８に示すようにハブ２１及びブレード２２を有するロータと、ハブ２１に接続された略水平方向に延在する主軸２３を介してロータを軸支するナセル２４と、略鉛直方向に設置されるとともにナセル２４を支持するタワー２５とを備える。なお、ハブ２１を被うスピナ３１が取り付けられている。図８に示すように、水平軸型風車を利用した風力発電装置においては、ナセル２４内に主軸２３に増速機２６を介して接続される発電機２７が備えられて風力発電装置の構成を成し、風を受けて回転するロータの回転エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電する。

従来、このような水平軸風車のハブ２１としては、図９に示すように、球状殻２８に主軸接続部２９と、ブレード固定用の円形フランジ３０とを有した形状のものが使用されている。円形フランジ３０の内側は開口している。この円形フランジ３０にブレードの根元部が固定される。ハブを製造する方法として鋳造法が適用されている。

特許文献１，２には、ブレード固定用の円形フランジの内側をすべて開口とせず、円形フランジの内側の一部を被う補強プレートを形成したものが記載されている。
特許文献１に記載された補強プレートは、ブレード固定用の円形フランジの中心から２〜４方に放射状に延びて円形フランジの内側位置で球状殻に結合したブリッジ状に構成されている。
特許文献２に記載された補強プレートは、円形フランジの内側円形領域の周縁を覆う形状に構成されており、中心部は開口されている。

このようなブレード固定用の円形フランジの内側に補強プレートを有したハブにあっては、球状殻の肉厚を薄くしても十分な強度を確保することができるので、ハブを軽量化することができる。
また、ハブの肉厚が薄くなることにより、鋳物特有の偏析(肉厚が厚い方が起こりやすい)を軽減することができ、品質を向上することができる。
ＷＯ２００４／０９０３２６ Ａ１ ＷＯ２００３／０６４８５４ Ａ１

しかし、以上の従来技術にあってもさらに次のような問題があった。
ハブの鋳造時には、溶湯を鋳型の下部から導入し、鋳型のハブ成形空間内を上昇させてさらに上部の排出部に到達させる鋳込み方法が採られる。
このような鋳込み方法においては、導入側の下部と、排出側の上部とでは次のように異なった性質を有している。
導入側の下部が先に凝固し、排出側の上部が後に凝固する。排出側の上部は、導入側の下部に比べて偏析や微小引け巣（マイクロポリシティ）が発生しやすい。偏析や微小引け巣などの鋳造上の欠陥は鋳物の肉厚が薄い方が発生しにくくなるから、排出側の上部ほど薄肉に設計されるが、それでも排出側の上部は導入側の下部に比べて強度的に不利である。
ハブは主軸接続側に高い強度が求められるから、ハブの主軸接続側を鋳型の下部に設定せざるを得ない。
しかしながら、ハブの主軸接続側を鋳型の下部に設定すると、相対的にハブの主軸接続側が高強度でハブの先端側が低強度となり、強度的不均衡が生じる。
特許文献１記載のハブにあっては、補強プレートがブレード固定用の円形フランジの中心から主軸接続側に延びて円形フランジの内側位置で球状殻に結合しており、すなわち、主軸接続側の補強も重視しており、相対的にハブの先端側の補強は顕著でない。
したがって、特許文献１記載の補強プレートでは上記強度的不均衡を十分に解消することができないおそれがある。
また、ハブの主軸接続側は肉厚が厚く形成されるため、ハブの主軸接続側への補強プレートの結合は、軽量性の面で不利である。

特許文献２記載のハブにあっては、円形フランジの内側円形領域の周縁を覆う形状に補強プレートが構成されており、ハブの主軸接続側と先端側とで補強度は同程度である。また、補強プレートは、主軸接続側においても円形フランジの内側位置で球状殻に結合している。
したがって、特許文献２記載の補強プレートでは上記強度的不均衡を解消することができない。
また、ハブの主軸接続側は肉厚が厚く形成されるため、ハブの主軸接続側への補強プレートの結合は、軽量性の面で不利である。

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、軽量で強度的均衡のとれた水平軸風車のハブ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、球状殻に主軸接続部とブレード固定用の円形フランジとが形成され、
前記円形フランジの内側の円形領域において前記球状殻は欠落しており、
前記円形領域の周縁で前記球状殻に結合する補強プレートを有し、
前記円形領域の中心及び前記主軸接続部に接続される主軸の中心軸を含む基準面と前記円形領域の周縁との２つの共有点のうち前記主軸接続部側の１つの共有点側に偏心するとともに、前記円形領域の中心を含む単一の開口が前記円形領域に形成され、
前記補強プレートが前記開口の残余の部分に形成されるとともに、前記２つの共有点のうち他の一つの共有点側に偏在することを特徴とする水平軸風車のハブである。

請求項２記載の発明は、前記開口が前記一つの共有点に接することを特徴とする請求項１に記載の水平軸風車ハブである。

請求項記３の発明は、前記開口が前記１つの共有点を含む所定の幅で前記円形領域の周縁に接していることを特徴とする請求項２に記載の水平軸風車のハブである。

請求項４記載の発明は、前記主軸接続部からその反対側の先端部に移り変わるに従って前記補強プレートの肉厚が漸減していることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載の水平軸風車のハブである。

請求項５記載の発明は、前記円形領域内で前記開口の対角位置に小孔が形成されていることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３又は請求項４に記載の水平軸風車のハブである。

本発明によれば、円形フランジの内側における補強プレートと開口の偏在により、ハブの主軸接続側に対して相対的にハブの先端側の補強が顕著となり、ハブの鋳造により生じるハブの主軸接続側と先端側との強度的不均衡が解消され、強度的均衡のとれた水平軸風車のハブを得ることができる。
強度的均衡がとれるため、強度的に弱い部分にあわせて厚肉にする必要は無く、全体的に薄肉化を追求することができ、薄肉化による軽量化がしやすい。
また、ハブの主軸接続側の厚肉に形成される部分に開口を設けて部材を欠落させることにより、効果的に軽量化が可能である。

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４を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係るハブの斜視図である。図２は、ブレード取付け面（円形フランジ）に垂直な方向から見たハブの側面図である。図３は、図２におけるＡ−Ａ線断面図である。

図１〜３に示すように本実施形態の水平軸風車のハブ１は、球状殻２と、円形フランジ３と、補強プレート４と、偏心開口５と、主軸接続部６とを備える。

球状殻２は、円形フランジ３の内側の円形領域Ｇにおいて欠落している。また、球状殻２は、主軸接続部６の孔部６ｂ及び先端孔部１６においても、欠落している。

主軸接続部６は、主軸が嵌め入れられる段付の孔部６ｂを中央に有する。周縁部には、主軸の外周フランジを固定するボルトが螺合する雌螺子６a，６ａ，…が適所に数箇所設けられている。図３に示す軸Ｅ−Ｅが主軸接続部６に接続される主軸の中心軸である。主軸接続部６の孔部６ｂ及び先端孔部１６は、中心軸Ｅ−Ｅと同軸に形成されている。

本実施形態のハブ１は、図７に示す３枚のブレード２２を有したロータを構成するためのハブである。本発明のハブとしては３枚ブレード用に限られず、ブレードの枚数は任意である。円形フランジ３は、中心軸Ｅ−Ｅ周りにブレードの枚数で均等に分割した角度（本実施形態では１２０度）をもってブレードと同数（本実施形態では３つ）設けられる。

円形フランジ３の中心（すなわち、円形領域Ｇの中心）Ｂ及び中心軸Ｅ−Ｅを含む基準面Ｆは、図３で描画されている断面に相当する。基準面Ｆと円形領域Ｇの周縁との２つの共有点Ｃ，Ｄのうち主軸接続部６側の１つの共有点がＣである。ブレードの根元端面と合わされる円形フランジ３の外側端面を含む平面と基準面Ｆとの共有線が円形フランジ３の縦中心線Ａ−Ａに相当する。各円形フランジ３の縦中心線Ａ−Ａは、中心軸Ｅ−Ｅとは平行ではなく、主軸接続部６側ほど中心軸Ｅ−Ｅから離れるように中心軸Ｅ−Ｅに対して傾斜している。この円形フランジ３の中心軸Ｅ−Ｅに対する傾斜は、型抜き時の抜き勾配として利用される。

補強プレート４及び偏心開口５は、円形フランジ３の内側の円形領域Ｇに配置される。
補強プレート４は、円形フランジ３に平行な板状である。円形フランジ３に平行な平面とは、円形フランジ３の円形の中心軸に垂直に交わる平面である。補強プレート４は、円形領域Ｇの周縁で球状殻２に結合している。

偏心開口５は、図２に示すように共有点Ｃに接する。また、偏心開口５は、円形領域Ｇの中心Ｂを含むように形成されている。さらに、偏心開口５は、共有点Ｃを含む幅Ｈで円形領域Ｇの周縁に接している。補強プレート４は円形領域Ｇ内において偏心開口５の残余の部分に形成されている。したがって、偏心開口５の範囲に補強プレート４は形成されない。また、幅Ｈの範囲では、補強プレート４は、球状殻２に結合していない。
偏心開口５は共有点Ｃ側に偏在し、補強プレート４は共有点Ｄ側に偏在する。

ハブ１には、円形領域Ｇ内で偏心開口５の対角位置に小孔７が形成されている。小孔７は、ハブ１を用いた風車の組立時やメンテナンス時に工具をハブ１内に挿し入れるためのいわゆるツールホールとして使用される。同様のツールホールとして小孔８が形成されている。また、偏心開口５もツールホールとして使用できる。補強プレート４に設けられた円形孔９にはブレードのピッチを駆動するギアードモータなどを取り付けることができる。その他、ハブ１には円形領域Ｇ内で円形小孔１０，１１が形成されている。

偏心開口５の周縁には、凸部１２，１３が形成されている。また、凸部１２，１３に対向する位置であって幅Ｈの範囲の円形領域の周縁に凸部１４，１５が形成されている。各凸部１２，１３，１４，１５には孔１２ａ，１３ａ，１４ａ，１５ａが形成されており、ハブ１の内外に配置する装置を固定するために用いることができる。

図３の断面に示すように、このハブ１は、主軸接続部６からその反対側の先端部に移り変わるに従って球状殻２の肉厚が変化している。代表して示す球状殻２の肉厚ｔ１から次第に肉厚は減少し、先端側の球状殻２の肉厚ｔ２に続いている。同様に、球状殻２の肉厚ｔ３から次第に肉厚は減少し、その後増加し先端側の球状殻２の肉厚ｔ４に続いている。

また、補強プレート４の肉厚は、主軸接続部６からその反対側の先端部に移り変わるに従って漸減している。代表して示す補強プレート４の肉厚ｔ５から次第に肉厚は減少し、先端側の補強プレート４の肉厚ｔ６に続いている。

次に、ハブ１の鋳込み工程を説明しつつ、ハブ１の強度、軽量性について説明する。図４は、本実施形態のハブの鋳込み工程を示す断面図である。

図４に示すように、外型４０の上部に溶湯の導入口４１と排出口４２が形成される。外型４０は少なくとも上下に分割される上型と下型からなる。中子（図示せず）には砂型が用いられる。外型４０と中子によってハブ１の成形空間が形成されている。導入口４１に溶湯を流し込むと、溶湯はハブ１の成形空間の下側に回りこみ下部からハブ１の成形空間に導入され、ハブ１の成形空間内を上昇してさらに上部の排出口４２に到達する。ハブ１の成形空間から出て上部の排出口４２までに溜まった溶湯４３は押し湯もしくは揚がりと呼ばれる。この押し湯もしくは揚がりは、溶湯の収縮に対して成形空間内に溶湯を補給する目的、鋳込終了の瞬間に成形空間内の溶湯に静圧を加える目的等のために一般的に設けられている。

以上のような鋳込み工程後、導入側の下部が先に凝固し、排出側の上部が後に凝固する。排出側の上部は、導入側の下部に比べて偏析や微小引け巣（マイクロポリシティ）が発生しやすい。偏析や微小引け巣などの鋳造上の欠陥は鋳物の肉厚が薄い方が発生しにくくなるから、ハブ１の肉厚は、鋳型において上部ほど薄肉に形成されている。それでも球状殻２だけでは排出側の上部は導入側の下部に比べて強度的に不利である。しかし、ハブ１によれば、補強プレート４が鋳型において上部であるハブ１の先端側を主に補強しており、ハブ１全体の強度的均衡がとれる。
ハブ１全体の強度的均衡がとれるため、強度的に弱い部分にあわせて厚肉にする必要は無く、全体的に薄肉化を追求することができ、薄肉化による軽量化がなされる。
また、ハブ１の主軸接続側の厚肉に形成される部分に偏心開口５を設けて部材を欠落させることにより、より厚肉に形成されるべき部分が欠落するので、偏心開口５の面積に対して効率よく軽量化がなされる。

型抜き工程において、上型からハブ１が主軸接続部６のある方向へ抜かれる。その後、鋳造で構成しなかった必要な孔や雌螺子の加工など、バリ取りその他必要な後加工が施される。

以上のように構成されるハブ１が、図８に示したハブ２１に代えて適用され、主軸２３ブレード２２等が接続されて図７に示すように水平軸風車が構成される。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態につき図５及び図６を参照して説明する。
図５は、本発明の第２実施形態に係るハブの斜視図である。図６は、ブレード取付け面（円形フランジ）に垂直な方向から見たハブの側面図である。

図５、図６に示すように本実施形態の水平軸風車のハブ５１は、球状殻５２と、円形フランジ５３と、補強プレート５４と、偏心開口５５と、主軸接続部５６とを備える。本実施形態の水平軸風車のハブ５１は、第１実施形態とほぼ同様であるが、以下に説明するように、円形フランジ５３内側の補強プレートや孔の構成が異なる。

第１実施形態と同様に本実施形態においても、円形フランジ５３の中心Ｂ、基準面（Ｆ）と円形領域（Ｇ）の周縁との２つの共有点Ｃ，Ｄを図６に示した。

偏心開口５５は、図６に示すように共有点Ｃ側に偏心するが、共有点Ｃから離れている。また、偏心開口５５は、中心Ｂを含むように形成されている。補強プレート５４は円形フランジ５３の内側の円形領域内において偏心開口５５の残余の部分に形成されている。
したがって、偏心開口５５の範囲に補強プレート５４は形成されない。偏心開口５５は共有点Ｃ側に偏在し、補強プレート４は共有点Ｄ側に偏在する。

ハブ５１には、円形フランジ５３の内側の円形領域内で円形小孔６１，６１,・・・が形成されている。円形小孔６１は、共有点Ｃ側と共有点Ｄ側の両側において、円形フランジ５３と偏心開口５５との間の領域に配置され、円形フランジ５３の内縁に接するように配置されている。

偏心開口５５の周縁には、４つの凸部６２，６３，６４，６５が形成されている。各凸部６２，６３，６４，６５には孔６２ａ，６３ａ，６４ａ，６５ａが形成されており、ハブ１の内外に配置する装置を固定するために用いることができる。

本発明の第１実施形態に係るハブの斜視図である。 ブレード取付け面（円形フランジ）に垂直な方向から見た本発明の第１実施形態に係るハブの側面図である。 図２におけるＡ−Ａ線断面図である。 本発明の第２実施形態に係るハブの鋳込み工程を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係るハブの斜視図である。 ブレード取付け面（円形フランジ）に垂直な方向から見た本発明の第２実施形態に係るハブの側面図である。 本発明に係るハブを適用可能な水平軸風車の一例を示す斜視図である。 図７に示すナセルの内視図である。 図８に示す従来のハブの単独斜視図である。

符号の説明

１ ハブ
２ 球状殻
３ 円形フランジ
４ 補強プレート
５ 偏心開口
６ 主軸接続部
７ 小孔（ツールホール）
８ 小孔（ツールホール）
９ 円形孔
１０，１１ 円形小孔

Claims (5)

1. 球状殻に主軸接続部とブレード固定用の円形フランジとが形成され、
   前記円形フランジの内側の円形領域において前記球状殻は欠落しており、
   前記円形領域の周縁で前記球状殻に結合する補強プレートを有し、
   前記円形領域の中心及び前記主軸接続部に接続される主軸の中心軸を含む基準面と前記円形領域の周縁との２つの共有点のうち前記主軸接続部側の１つの共有点側に偏心するとともに、前記円形領域の中心を含む単一の開口が前記円形領域に形成され、
   前記補強プレートが前記開口の残余の部分に形成されるとともに、前記２つの共有点のうち他の一つの共有点側に偏在することを特徴とする水平軸風車のハブ。
2. 前記開口が前記一つの共有点に接することを特徴とする請求項１に記載の水平軸風車のハブ。
3. 前記開口が前記１つの共有点を含む所定の幅で前記円形領域の周縁に接していることを特徴とする請求項２に記載の水平軸風車のハブ。
4. 前記主軸接続部からその反対側の先端部に移り変わるに従って前記補強プレートの肉厚が漸減していることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載の水平軸風車のハブ。
5. 前記円形領域内で前記開口の対角位置に小孔が形成されていることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３又は請求項４に記載の水平軸風車のハブ。

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