JP2015227651A - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
風車回転によるトルクの付加に対して、ハブと回転主軸の接続面のすべりを防止することと、ハブを小型に保つことを両立する、風力発電装置の提供を目的とする。
【解決手段】
本発明の風力発電装置は、風を受けて回転するブレード２と、該ブレードを支持するハブ１と、該ハブの回転に伴って回転する回転主軸６とを備え、ハブ１と回転主軸６とは高摩擦部を介して接続されることを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、風力発電装置に関するものであり、特に風力発電装置のロータ支持構造に関する。

再生可能なエネルギー源として注目されている風力発電は、近年急速に導入が進むとともに発電容量が増加している。水平軸風車は大容量の風力発電装置のなかで最も普及が進んでいるタイプであり、タワー上部でナセルの側方に位置するロータの回転を、ナセル内部の発電機に伝達することによって、回転エネルギーを電気エネルギーに変換している。大型の水平軸風車は5MW以上の発電容量を有し、ブレードの直径は100mを超える場合がある。

風力発電装置の大型化に伴い、ロータの回転を発電機に伝える動力伝達機構が受け持つ伝達トルクは、極めて大きくなっている。トルクの増大によって、それを伝達する風車構成部品間の接続はより強固なものとしなければならない。特に、構成部品同士が回転軸に垂直なフランジ様の面で接続される箇所は、締結面がすべりを生じる方向にトルクが負荷されるため、これを防止する必要がある。このような接続箇所には、例えばロータ回転の中心付近に位置するハブと、回転主軸とのボルト締結部がある。特許文献１において、球殻状のハブはナセル側に主軸接続部を有し、主軸はハブ側にフランジを有し、該主軸接続部とフランジとがボルトによって固接されている。

一方、風力発電装置のタワー上部の重量は、タワーが満たすべき強度に大きく影響するため、出来る限り小さく抑えられることが望ましい。特に、水平軸風車の場合には、ロータ重量を軽減することが重要である。これは、水平軸風車のタワー上部においては、ロータ重量をナセルから伸延する軸によって片持支持するという不安定な構造をとらざるを得ないため、ロータ重量が増加するとその支持構造の強度設計が難しくなるためである。さらに、重量を軽減することで、運搬コストや、重量物を高所に設置するという難易度の高い建設作業を行うコストを低減することができる。

特開2008−128135号公報

風力発電装置のハブと回転主軸との接続部において、ロータ回転の中心部に配置されるハブを小型化することによってロータ重量を低減し、かつ、トルク負荷に対する信頼性の高い接続構造を提供することが望まれる。

接続部のすべりを防止する手段としては、例えばボルト本数を増やし、接続面の面圧を増加させる方法が考えられるが、同時にハブを小型化することを考えた場合、ハブと回転主軸との接続部の面積が小さくなり、増やせるボルトの本数が限られる。また、ボルト本数の増加は、それ自体がハブの重量を増加させることにもなる。このように、ハブと回転主軸の接続部の信頼性と、ハブの小型化はトレードオフの関係にあると言える。

本発明が解決しようとする課題は、風車回転によるトルクの負荷に対して、ハブと回転主軸の接続面の信頼性を高めることと、ハブを小型に保つことを両立する、風力発電装置を提供することである。

上記の課題を解決するために、本発明にかかる風力発電装置は、風を受けて回転するブレードと、該ブレードを支持するハブと、該ハブの回転に伴って回転する回転主軸とを備え、前記ハブと前記回転主軸とは高摩擦部を介して接続されることを特徴とする。

本発明によれば、風車回転によるトルクの負荷に対して、ハブと回転主軸の接続面の信頼性を高めることと、ハブを小型に保つことを両立する、風力発電装置を提供することが可能になる。

一般的な水平軸風車の構成を示した図。 ハブとナセル内部の構成を示した図。 外輪駆動のロータ支持構造を示した図。 ハブと回転主軸のボルト締結部を回転主軸の軸方向から見た図。 図４に示した締結部のうち、ボルト一本分の断面を示した図。 回転主軸をナセル側から挿入して組み立てる場合のロータ支持構造の例を示した図。 分割した高摩擦部材を示した図。

以下に本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。以下の記載は本発明の一実施例であり、本発明を限定するものではない。

尚、下述する摩擦部を構成するには、ハブと回転主軸との間に高摩擦部材を挿入する、ハブまたは回転主軸の少なくともいずれかの表面に金属粉を溶射する、高摩擦塗料を塗布する等の方法が挙げられる。

高摩擦部材を挿入する場合には、該高摩擦部材はハブと回転主軸との接続面の形状に合わせて円環形状とするのが良い。更に、円環状の高摩擦部材を周方向に複数に分割することも可能である。

場合により、風力発電装置には、ナセルに固定された固定主軸がハブの内周側に配置され、ハブと固定主軸の間には軸受が設けられ、回転主軸は固定主軸の内周側に配置される、外輪駆動と呼ばれる構造を有することも出来る。また、回転主軸はナセルと反対側の先端が径方向に広がった拡径部であり、該拡径部がハブに接続されていることがある。このとき、ハブは内径側に突出したフランジを有し、該フランジにおいて回転主軸と接続されると共に、ナセルとは反対側に回転主軸を挿入するための開口部を備えている場合もあり、回転主軸の挿入を可能とするために、回転主軸の拡径部の径方向最大幅は該開口部よりも小さくされていることを要する。以下、詳細な実施例について図面を用いて説明する。

図1に一般的な水平軸風力発電装置の概観を示す。水平軸風力発電装置は根元部がハブ１に支持されているブレード２を有する。ブレードとハブ等から構成される回転体はロータ３と呼ばれ、ロータはブレードが風を受けることによってハブを中心に回転する。ロータはナセル４によって支持され、ナセルは地面に対して略鉛直方向に立つタワー５の上部に配置される。

図２にハブ及びナセル内部の構成を示す。ハブは回転主軸６に連結され、回転主軸はロータの回転をナセル内部の増速機入力軸７に伝達する。増速機８は回転主軸の低速回転を高速回転に変換する。高速で回転する増速機出力軸９は発電機軸１０に連結され、発電機１１は以上の動力伝達機構によってロータから伝達された回転エネルギーを電気エネルギーに変換する。

図３に外輪駆動方式によってナセルがロータを支持する構造を示す。外輪駆動方式においては、ハブの内周側に配置される中空の固定主軸１２がナセル側面に固定され、ハブが固定主軸の外周側に位置し、固定主軸とハブとの間には軸受１３が配置され、固定主軸の内周側に位置する回転主軸はハブと連結されている。ここにおいて、固定主軸はナセルに対して相対的に静止しており、一方、回転主軸はハブと連結されているため、ロータの回転に伴い回転する。

外輪駆動方式は、ロータ重量をナセルに支持するはたらきを主に固定主軸が分担し、ロータの回転を増速機に伝達するはたらきを回転主軸が分担する。対照的に、一本の軸に重量支持と回転伝達の両方の役割を負わせる場合、当該軸は端部に極めて大きな重量が負荷されると同時に風による変動荷重を受けるという厳しい荷重条件の下で、軸芯を保ちながら回転しなければならない。その結果、当該軸の強度を高めるために軸径を大きくする、剛性の高い材料を用いる、等の対策が必要となり、軸の重量が増加する。一方、外輪駆動方式の回転主軸はロータ重量による負荷が小さいため低剛性で軽量としてよく、ロータ支持構造全体としても軽量化することが出来る。

図３において、回転主軸はベルマウス１４と呼ばれる径方向に広がった端部（拡径部）を有する。ここで、径方向とは回転主軸の軸方向に実質的に垂直な方向を指す。ベルマウスは可撓性が高く、主軸の軸方向と径方向のミスアライメントを吸収する効果がある。一方、ハブは内径側に突出したフランジ１５を有し、該フランジはベルマウスよりもナセル側に位置すると共に、ベルマウスにボルト締結されている。

本実施例における風力発電装置を組み立てる際、回転主軸は、ハブのうちでナセルと反対側に設けられた開口部１６から、ハブ内に挿入される。図３中に示した矢印１７は回転主軸の挿入方向を示している。ここで、ベルマウスの径方向最大幅をa、ナセル開口部の径方向最小幅をAと定義すると、回転主軸の挿入が可能であるためにはa<Aでなければならない。ハブ開口部の径方向最小幅Aは、ハブ全体の大きさに対する影響が大きく、軽量化を考えた場合、なるべく小さいことが望ましい。Aが小さくなると、ベルマウスの径方向最大幅aはそれよりもさらに小さくしなければならないが、回転主軸はベルマウス外周部でハブのフランジにボルト締結されるため、締結面積が縮小する。

図４に回転主軸の軸方向から見たベルマウスとフランジとのボルト締結部を示す。ベルマウスまたはフランジはその外周部でボルト１８によって締結されている。矢印１９はロータの回転によって該ボルト締結部に負荷されるトルクの方向を表しており、このトルクはベルマウスとフランジとの締結面にすべりを生じる方向に負荷される。

図５は図４のうちボルト一本分の締結部の断面図である。トルクによってすべりを生じる方向に負荷される外力をF、全ボルトが締結面に与える力をN、締結面２０の最大静止摩擦係数をμと定義すると、F>μNとなった場合に締結面にすべりが生じる。先述のように、ハブの小型化のためにベルマウスの径方向最大幅aを小さくすると、締結面積が減少し、使用できるボルト本数が減少する。ボルト本数の減少はすなわちNが小さくなることを意味し、したがって、すべりが生じないための許容外力Fが小さくなる。ここにおいて、ハブ開口部の径方向最小幅Aを小さく、かつ、許容外力Fを大きくする方法として、締結面の最大静止摩擦係数μを大きくすると良い。

本発明における風力発電装置は、回転主軸のベルマウスとハブのフランジとが高摩擦部を介して接続される。高摩擦であるとは、回転主軸とハブが直接接続される場合よりも大きな摩擦係数を付与できることを意味しており、一般的な鉄鋼材料同士の最大静止摩擦係数が0.1〜0.2であることを考慮すると、少なくとも最大静止摩擦係数0.2より大きければその効果が期待できる。高摩擦を与える手段としては、摩擦係数の高い部材を接続面に挿入する、或いは高摩擦係数の材料を回転主軸やハブの少なくともいずれかの表面に溶射すると良い。

実施例においては、高摩擦係数を付与する手段として、円環状の高摩擦部材をハブのフランジと回転主軸のベルマウスとの間に挟む。高摩擦部材としては、例えば金属の母材表面にタングステン粒子を溶射したものを用いると良い。高摩擦部材の挿入は、前記組立手順において、固定主軸が取り付けられたハブをナセル側が下になるように上下反転させた直後、回転主軸をハブ内に挿入する直前に行い、挿入された高摩擦部材は、ハブ内部に突出したフランジ上に置かれ、その後挿入される回転主軸のベルマウスが高摩擦部材の上に配置され、最後にボルト締結される。

図６を用いて、本発明を実施するための第２の形態について説明する。なお、実施例１と重複する構造については説明を省略する。

実施例１において回転主軸は、ハブのうちでナセルと反対側に設けられた開口部から挿入されたが、本実施例においてはハブのうちでナセル側から固定主軸の内側に挿入される。矢印２２は回転主軸の挿入方向を示している。挿入された回転主軸のベルマウスはハブの内周側に突出したフランジないしは壁面よりもナセル側に位置し、外周部をフランジないしは壁面にボルト締結されている。ここにおいて、固定主軸の径方向最小幅をBと定義すると、回転主軸の挿入が可能であるためにはa<Bでなければならない。このように構成することによって、回転主軸をナセルに取り付けた後に、ハブや固定主軸など、その他のロータ部分をナセルに設置することが出来る。大型風力発電装置では、ロータの重量が非常に大きく、タワー上部に吊り上げての設置作業が容易ではない。実施例は、回転主軸のみを先にナセルに取り付けてしまい、後に吊り上げるロータは回転主軸を含まず軽量にすることが出来るため、建設の工期を短くし、コストを抑える効果がある。

実施例３は、実施例１または２において、ハブのフランジと回転主軸のベルマウスとの間に挟んだ円環状の高摩擦部材を、周方向に複数に分割した構造である。図７に分割した高摩擦部材２３を示す。高摩擦を与える手段として高摩擦部材を挿入する場合には、高摩擦部材を周方向に分割することによって、ハブまたは回転主軸に片当りすることを防止することが出来る。また、高摩擦部材を制作する際に、高い平面精度で加工することが出来る。分割された高摩擦部材は、風力発電装置のメンテナンスの際に、取り外しが容易であるという利点も有する。

分割することによって、高摩擦部材とフランジ、または高摩擦部材とベルマウスとの片当りを軽減する効果がある。特に大型の風力発電装置の場合、フランジ面の平面精度を得ることが難しく片当たりが生じやすいが、分割によって、高摩擦部材がフランジ面に追従しやすくなる。また、高摩擦部材の製作が容易になり、平面加工精度を向上させることが出来る。さらに、このように分割すると、メンテナンスや部品交換等の必要が生じた際の締結部の分解が容易になる。分割をしない場合、ボルトを取り外した後に回転主軸をハブから引き抜かなければ高摩擦部材を取り外すことができないが、分割した場合には、回転主軸をハブ外に移動することなく高摩擦部材のみを取り外すことができる。

上記各実施例で説明したようにハブと回転主軸の接続部を高摩擦部とすることで、回転主軸の径方向最大幅がハブ開口部よりも小さくなければならないという制限によって接続面の面積が小さくならざるを得ない場合でも、すべりが発生し難い接続を可能にし、ハブの小型化と接続の強度を両立させることが出来る。また、ボルトやナットといった接続部材の破損を防止することが出来る。さらに、ボルトやナットといった接続面に略垂直方向の力を与える部材の使用個数を低減することが出来るため、ロータを軽量化する効果が期待できる。

１ ハブ
２ ブレード
３ ロータ
４ ナセル
５ タワー
６ 回転主軸
７ 増速機入力軸
８ 増速機
９ 増速機出力軸
１０ 発電機入力軸
１１ 発電機
１２ 固定主軸
１３ 軸受
１４ ベルマウス
１５ フランジ
１６ 開口部
１７ 実施例１の回転主軸挿入方向
１８ ボルト
１９ トルクの方向
２０ ハブと回転主軸の締結面
２１ ナット
２２ 実施例２の回転主軸挿入方向

Claims (8)

1. 風を受けて回転するブレードと、
   該ブレードを支持するハブと、
   該ハブの回転に伴って回転する回転主軸とを備え、
   前記ハブと前記回転主軸とは高摩擦部を介して接続されることを特徴とする風力発電装置。
2. 請求項１に記載の風力発電装置であって、前記ハブまたは前記回転主軸の少なくともいずれかの表面には高摩擦部が形成されることを特徴とする風力発電装置。
3. 請求項１に記載の風力発電装置であって、前記ハブまたは前記回転主軸の間には高摩擦部材が配置されることを特徴とする風力発電装置。
4. 請求項３に記載の風力発電装置であって、前記高摩擦部材は周方向に複数に分割されたものであることを特徴とする風力発電装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の風力発電装置であって、更に前記ハブの内周側に配置される固定主軸と、該固定主軸と前記ハブの間に設けられる軸受とを備えることを特徴とする風力発電装置。
6. 請求項５に記載の風力発電装置であって、前記回転主軸の先端は径方向に広がった拡径部であり、該拡径部は前記ハブに接続されることを特徴とする風力発電装置。
7. 請求項６に記載の風力発電装置であって、
   更に前記回転主軸の回転エネルギーが伝達される機器を内部に有するナセルと、
   前記ハブのうちで内径側に突出し、かつ前記拡径部に対して前記ナセル側に設けられると共に前記拡径部に接続されるフランジと、
   前記ハブのうちで前記ナセルとは反対側に形成される開口部とを備え、
   前記拡径部の径方向最大幅よりも前記開口部は大きいことを特徴とする風力発電装置。
8. 請求項６に記載の風力発電装置であって、
   更に前記回転主軸の回転エネルギーが伝達される機器を内部に有するナセルと、
   前記ハブのうちで内径側に突出し、かつ前記拡径部に対して前記ナセルとは反対側に設けられると共に前記拡径部に接続されるフランジと、
   前記ハブのうちで前記ナセル側に形成される開口部とを備え、
   前記拡径部の径方向最大幅よりも前記開口部は大きいことを特徴とする風力発電装置。