(57)【要約】【課題】方向舵の構造の簡素化と軽量化を図るとともに、方向舵の先端部の支持の安定を図ることができるようにした横軸風車を提供する。【解決手段】横軸風車におけるナセル２に設けられ、かつ風向きの変化に追従して、風圧によりロータ６が常に風上を向くようにする方向舵７、８が、ナセル２の外周面に突設され、かつ先端部にロータ軸３と同方向を向く折曲部１０ｂ、１４ｂが設けられた補強杆１０、１４と、補強杆１０、１４の折曲部１０ｂ、１４ｂと、それに対向するナセル２の外周面との間に張設された張材１１、１５とを備えているものとする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支柱と、
前記支柱に、垂直軸回りに回転可能として装着されたナセルと、
前記ナセルにロータ軸が水平をなして回転自在に支持され、かつ前記ロータ軸に設けたハブの外周に、複数のブレードが放射状に設けられたものよりなるロータと、
前記ナセルに設けられ、かつ風向きの変化に追従して、風圧によりロータが常に風上を向くようにする方向舵とを備え、
前記方向舵が、ナセルの外周面に突設された補強杆と、前記補強杆の折曲部とナセルの外周面との間に張設された張材とを備えていることを特徴とする横軸風車。
【請求項２】
前記補強杆は、先端部に前記ロータ軸と同方向を向く折曲部を備えており、前記張材は、前記補強杆の折曲部と、それに対向するナセルの外周面との間に張設されていることを特徴とする請求項１記載の横軸風車。
【請求項３】
前記張材は帆布である請求項１または２記載の横軸風車。
【請求項４】
前記ロータが、先端部を前記ナセル側に向けて屈曲させた複数のブレードを備えるものとし、前記張材における前記ロータ側の縁に、前記ブレードの先端部が通過しうる切り欠きを設けた請求項１〜３のいずれかに記載の横軸風車。
【請求項５】
前記補強杆が、基端部が前記ナセルの外周面に突設され、かつ前記張材の前縁に沿って前記ナセルから離れる方向に延出する前枠部と、前記前枠部の先端部から前記ロータの方向を向く折曲部と、前記折曲部の後端から前記ナセルの外周面に向かう後枠部とを備えている請求項１〜４のいずれかに記載の横軸風車。
【請求項６】
前記張材の前縁を、前記補強杆における前枠部に、前記張材の後縁の少なくとも一部を、前記補強杆における後枠部にそれぞれ止着した請求項５記載の横軸風車。
【請求項７】
前記ナセルの上面に上方を向く上部方向舵を、かつ前記ナセルの下面に下方を向く下部方向舵を設けた請求項１〜６のいずれかに記載の横軸風車。
【請求項８】
支柱と、
前記支柱に、垂直軸回りに回転可能として装着されたナセルと、
前記ナセルにロータ軸が水平をなして回転自在に支持され、かつ前記ロータ軸に設けたハブの外周に、複数のブレードが放射状に設けられたものよりなるロータと、
前記ナセルに基端部が固着され、かつ風向きの変化に追従して、風圧により前記ロータが常に風上を向くようにする方向舵と、
前記支柱に回転自在に外嵌され、かつ外周部の一部が、前記方向舵の先端部または中間部に止着された回転リングとを備えていることを特徴とする横軸風車。
【請求項９】
前記方向舵が、ナセルの外周面に突設された補強杆と、前記補強杆とナセルの外周面との間に張設された張材とを備えており、かつ前記補強杆の先端部または中間部が、前記回転リングの外周部の一部に止着されている請求項８記載の横軸風車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力発電装置等の風力利用装置に使用しうる横軸風車に関する。
【背景技術】
【０００２】
横軸風車においては、水平のロータ軸を回転可能に支持しているナセルを、支柱に垂直軸回りに回転可能として支持し、かつナセルに、風向きの変化に追従して、風圧によりロータが常に風上を向くようにする方向舵が設けられている(例えば特許文献１または２参照)。
【０００３】
この方向舵は、風向板(例えば特許文献３参照)、方向キー(例えば特許文献４参照)、風見安定翼等と呼称されることもあるが、いずれも、板状のものであり、ナセルに直接、または支持腕(特許文献２参照)等の中間体を介して間接的に保持されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２７０５５号公報
【特許文献２】特開２０１７−２０３７１号公報
【特許文献３】特開２００３−１６６４６２号公報
【特許文献４】実用新案登録第３１１２３０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１〜４に記載されている方向舵は、ロータの大きさに見合う受圧面積と強度を確保するために、大型化せざるを得ず、それに伴って、方向舵自体の質量が大となる。
また方向舵は、通常片持ち支持であるので、大型化すると、その先端部の振動が大となり、また強風時の風圧にも耐えうるように、強度を大とすれば、それに伴って、方向舵自体の質量が大となるという問題もある。
【０００６】
本発明は、従来の技術が有する上記のような問題点に鑑みてなされたもので、方向舵の構造の簡素化と軽量化を図るとともに、方向舵の先端部の支持の安定化を図ることができるようにした横軸風車を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によると、上記課題は、次のようにして解決される。
（１）横軸風車が、支柱と、前記支柱に、垂直軸回りに回転可能として装着されたナセルと、前記ナセルにロータ軸が水平をなして回転自在に支持され、かつ前記ロータ軸に設けたハブの外周に、複数のブレードが放射状に設けられたものよりなるロータと、前記ナセルに設けられ、かつ風向きの変化に追従して、風圧により前記ロータが常に風上を向くようにする方向舵とを備え、前記方向舵が、ナセルの外周面に突設された補強杆と、前記補強杆の折曲部とナセルの外周面との間に張設された張材とを備えているものとする。
【０００８】
このような構成によると、方向舵の大部分を張材により構成してあるので、方向舵全体を軽量化することができ、また補強杆の折曲部とナセルの外周面との間に張材を張設してあるので、方向舵の先端部を安定よく支持することができ、しかも、方向舵を補強杆と張材のみにより構成することができるので、方向舵の構造を簡素化することができる。
【０００９】
（２）上記(１)項において、前記補強杆は、先端部に前記ロータ軸と同方向を向く折曲部を備えており、前記張材は、前記補強杆の折曲部と、それに対向するナセルの外周面との間に張設されているものとする。
【００１０】
このような構成によると、張材は、前記補強杆の折曲部と、それに対向するナセルの外周面との間に張設されるので、ナセルに安定よく支持される。
【００１１】
（３）上記(１)または(２)項において、前記張材を帆布とする。
【００１２】
このような構成によると、張材の強度と耐久性を高めることができる。
【００１３】
（４）上記(１)〜(３)項のいずれかにおいて、前記ロータが、先端部を前記ナセル側に向けて屈曲させた複数のブレードを備えるものとし、前記張材における前記ロータ側の縁に、前記ブレードの先端部が通過しうる切り欠きを設ける。
【００１４】
このような構成によると、方向舵をロータに接近させて配置することができ、横軸風車全体の小型化と受圧面積の拡大を図ることができる。
【００１５】
（５）上記(１)〜(４)項のいずれかにおいて、前記補強杆が、基端部が前記ナセルの外周面に突設され、かつ前記張材の前縁に沿って前記ナセルから離れる方向に延出する前枠部と、前記前枠部の先端部から前記ロータの方向を向く折曲部と、前記折曲部の後端から前記ナセルの外周面に向かう後枠部とを備えるものとする。
【００１６】
このような構成によると、張材の前後および内外の縁のほぼ大部分を、補強杆とナセルの外周面とによって囲むことができ、張材を防護することができる。
【００１７】
（６）上記 (５)項において、前記張材の前縁を、前記補強杆における前枠部に、前記張材の後縁の少なくとも一部を、前記補強杆における後枠部にそれぞれ止着する。
【００１８】
このような構成によると、張材の内外の縁だけでなく、前後の縁も補強杆に止着されているので、それらの縁が、風力により振動させられるのを防止することができる。
【００１９】
（７）上記(１)〜(６)項のいずれかにおいて、  前記ナセルの上面に上方を向く上部方向舵を、かつ前記ナセルの下面に下方を向く下部方向舵を設ける。
【００２０】
このような構成によると、上部方向舵と下部方向舵とが協動して、ナセルを効率よく風上に向けることができるだけでなく、そのいずれか一方のみを設けた場合のように、風圧によって、ナセルにロータ軸回りの捩りモーメントが生じるのを防止することができる。
【００２１】
（８）横軸風車が、支柱と、前記支柱に、垂直軸回りに回転可能として装着されたナセルと、前記ナセルにロータ軸が水平をなして回転自在に支持され、かつ前記ロータ軸に設けたハブの外周に、複数のブレードが放射状に設けられたものよりなるロータと、前記ナセルに基端部が固着され、かつ風向きの変化に追従して、風圧により前記ロータが常に風上を向くようにする方向舵と、前記支柱に回転自在に外嵌され、かつ外周部の一部が、前記方向舵の先端部または中間部に止着された回転リングとを備えているものとする。
【００２２】
このような構成によると、方向舵の先端部または中間部が、支柱に回転自在に外嵌された回転リングの外周部の一部に止着されているので、方向舵の先端部が回転リングにより安定よく支持されるとともに、風向きの変化に応じてナセルが垂直軸回りに回転させられる際に、方向舵の先端部も、回転リングと一体となって、支柱を中心として円滑に回転することができる。
【００２３】
（９）上記（８）項において、前記方向舵が、ナセルの外周面に突設され、かつ先端部に前記ロータ軸と同方向を向く折曲部が設けられた補強杆と、前記補強杆の折曲部と、それに対向するナセルの外周面との間に張設された張材とを備えており、かつ前記補強杆の先端部または中間部が、前記回転リングの外周部の一部に止着されているものとする。
【００２４】
このような構成によると、ナセルと回転リングとが、補強杆によって強固に結合され、方向舵の支持がより安定する。
さらに、上記(１)項の発明の効果、すなわち、方向舵の構造の簡素化と軽量化を図ることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によると、方向舵の構造の簡素化と軽量化を図るとともに、方向舵の先端部の支持の安定を図ることができるようにした横軸風車を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の横軸風車の一実施形態の側面図である。
【図２】同じく、後面図である。
【図３】図２のIII−III線における拡大断面図である。
【図４】図１のIV−IV線における拡大縦断面図である。
【図５】本発明の横軸風車の変形例の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の横軸風車の実施形態を、添付図面を参照して説明する。
図１〜図４は、本発明の横軸風車を、風力発電装置に適用したときの一実施形態を示す。
この横軸風車は、図１および図２に示すように、支柱１の上端に、前後方向を向きかつその中央よりやや前方部分を、垂直軸Ａ回りに旋回可能として支持されたナセル２を備えている。
図１における矢印を風向きの方向とし、この風向きに対して、ナセル２の前端が対向している状態を図１に示してある(図５においても同様)。
【００２８】
図１の左端であるナセル２の前端部は半球状をなし、中間部は円筒状をなし、かつ後部は後方に向かって次第に細くなるように形成されている。
したがって、ナセル２の正面形状は円形をなしているが、正面形が縦長、または横長の楕円形状をなすように形成することもある。
ナセル２の底面における支柱１への支持部には、支柱１より小径の筒状頸部２ａが固着されている。
【００２９】
ナセル２内には、前後方向を向くロータ軸３が、複数の軸受(図示略)をもって水平軸Ｂ回りに回転可能として枢支されており、ナセル２の後端より後方に突出するロータ軸３の後端には、ハブ４が一体的に形成されている。
ロータ軸３は、ナセル２内に設けた発電機の回転軸(図示略)に、直結、または減速機もしくは増速機(いずれも図示略)を介して間接的に接続されている。
発電機は、ナセル２内に設ける代わりに、支柱１の下端に設けたベース(図示略)内に配設し、発電機の回転軸とロータ軸３とを、支柱１内に垂直軸Ａ回りに回転可能として配設した連係軸と複数の傘歯車(いずれも図示略)とを介して、互いに連係することもある。
【００３０】
ハブ４の外周には、揚力型の複数のブレード５が、放射状をなすようにして突設されている。
このロータ軸３とハブ４と複数のブレード５とによって、ロータ６が形成されている。
なお、ロータ６を、ナセル２の前部に設けることもある。
【００３１】
各ブレード５は、図２に示すように、翼端方向に向かって次第に弦長を大とし、かつ最大弦長部５ａを境にして、先端部５ｂを、ナセル２側に向かって、すなわち前方に向かって緩やかに屈曲させられている。
図３に示すように、各ブレード５の前面は、ロータ軸３と直交する垂直面Ｃに対して、回転方向の前縁５ｃが、同じく後縁５ｄよりも前位となるように傾斜している。
また、ブレード５の断面は翼型をなし、その厚さは、前縁５ｃ側が厚く、かつ後縁５ｄに向かって漸次薄くなるようにしてある。
【００３２】
ロータ６は、揚力型のものとしてあるが、抗力型とすることもあり、ナセル２の前方からの風によって回転させられ、発電機において発電できるものであれば、どの様な型式のものであってもよく、またブレード５の枚数やその形状は、どの様なものであってもよい。
【００３３】
ナセル２の後部の外周面における上下には、風向きの変化に追従して、風圧によりロータ６が常に風上を向くようにする上部方向舵７と下部方向舵８とが設けられている。
【００３４】
上部方向舵７は、ナセル２の外周面の頂部に接着剤等をもって適宜固着されて、ナセル２と一体をなすベース９と、このベース９の前部上面に前枠部１０ａが突設され、かつ前枠部１０ａの先端にロータ軸３と平行をなして後方を向く折曲部１０ｂが設けられた補強杆１０と、補強杆１０の折曲部１０ｂと、それに対向するベース９(またはナセル２の外周面)との間に張設された張材１１とを備えている。
ベース９を省略し、補強杆１０の前枠部１０ａをナセル２の外周面に直接突設し、かつ張材１１の下縁を、ナセル２の外周面に直接止着することもある。
【００３５】
張材１１は、帆布、テント生地、その他の耐久性のある布地、合成樹脂製または金属製のシート等により形成することができる。張材１１をこのような材料により形成することによって、強度と耐久性を高めることができる。
【００３６】
張材１１は、図１および図４に示すように、上縁、前縁および下縁を、棒材を側面視コ字状に折曲した縁材１２に巻き付けた状態で、硬質合成樹脂製とした補強杆１０の折曲部１０ｂおよび前枠部１０ａ、並びにベース９にモールド成形することにより、ベース９および補強杆１０に強固に固着されている。
ベース９および補強杆１０は、金属製とすることもできる。
【００３７】
下部方向舵８は、上部方向舵７のベース９、補強杆１０および張材１１と基本構成は同様であるが、形状等が異なるベース１３、補強杆１４および張材１５を備えている。
【００３８】
下部方向舵８におけるベース１３は、ナセル２の外周面の底部に固着され、ナセル２と一体をなしている。
【００３９】
補強杆１４は、ベース１３の前部より垂下する前枠部１４ａと、この前枠部１４ａの下端からロータ６の方向、すなわち後方を向く折曲部１４ｂと、この折曲部１４ｂの後端からナセル２の外周面に向かう後枠部１４ｃとを備えている。
このように、補強杆１４によって、張材１５の前後および内外の縁のほぼ大部分を囲むことにより、張材１５を防護することができる。
【００４０】
前枠部１４ａの基部、すなわちナセル２に近い部分には、ナセル２の下面と支柱１の上端との間において、頸部２ａに近接するまで前方に向かってコ字状に膨出する膨出部１４ｄが形成されている。
それに伴って、張材１５における前縁上部には、補強杆１４の膨出部１４ｄ内に向かって突出する前向突出部１５ａが設けられている。
【００４１】
張材１５の後縁における補強杆１４の後枠部１４ｃより内側の部分には、ロータ６の回転時に、ロータ６における各ブレード５の先端部５ａが挿通する切り込み１６が設けられている。
ロータ軸３から上部方向舵７の上端までの距離は、ロータ軸３から各ブレード５の先端部５ａまでの距離と同一か、またはそれより小としてあるが、ロータ軸３から下部方向舵８の下端までの距離は、ロータ軸３から各ブレード５の先端部５ａまでの距離より大としてあるので、下部方向舵８をロータ６に近づけようとすると、各ブレード５の先端部５ａが張材１５の後縁と干渉することになる。
そこで、張材１５に上記の切り込み１６を設けることにより、各ブレード５の先端部５ａと張材１５の後縁との干渉を避けつつ、下部方向舵８をロータ６に接近させて配設することができ、張材１５の受圧面積を大としつつ、風車全体の小型化を図ることができるようにしてある。
【００４２】
また、張材１５の後縁に切り込み１６を設けたことと相まって、張材１５の前縁上部に前向突出部１５ａを設けたことにより、支柱１とロータ６との間の狭い空間に、受圧面である張材１５の面積を可及的に大とした、効率のよい下部方向舵８を形成することができる。
【００４３】
張材１５の材質は、張材１１の材質と同一とすることができる。
また、張材１５は、張材１１と同様に、上縁、前縁、下縁および後縁の外端部を、縁材１２と同様の縁材(図示略)に巻き付けた状態で、合成樹脂製としたベース１３、並びに補強杆１４の前枠部１４ａ、折曲部１４ｂおよび後枠部１４ｃにモールド成形することにより、ベース１３および補強杆１４に強固に固着されている。
ベース１３および補強杆１４は、金属製とすることもできる。
このように、張材１５の上下(内外)の縁だけでなく、前後の縁も補強杆１４に止着することにより、それらの縁が、風力により振動させられるのを防止することができる。
【００４４】
張材１１、１５の前縁を、補強杆１０、１４の前枠部１０ａ、１４ａから切り離し、張材１１の上縁を補強杆１０の折曲部１０ｂに、同じく下縁をベース９に、また張材１５の上縁をベース１３に、同じく下縁を補強杆１４の折曲部１４ｂに、それぞれ止着するだけとすることもできる(図５に示す変形例参照)。
【００４５】
下部方向舵８における補強杆１４の前枠部１４ａの下端部には、支柱１に回転自在に外嵌した回転リング１７の外周部の一部が止着されている。
この回転リング１７は、支柱１の上端より下方の部分に内輪１８ａが固着されたボールベアリング１８の外輪１８ｂにより形成されている。
ボールベアリング１８における内輪１８ａと外輪１８ｂとの間には、複数のボール１８ｃが、回転可能かつ内輪１８ａと外輪１８ｂと間から離脱不能として設けられている。
【００４６】
このように、下部方向舵８の先端部が、支柱１に回転自在に外嵌された回転リング１７の外周部の一部に止着されているので、下部方向舵８の先端部が回転リング１７により安定よく支持されるとともに、風向きの変化に応じてナセル２が垂直軸Ａ回りに回転させられる際に、下部方向舵８の先端部も、回転リング１７と一体となって、支柱１を中心として円滑に回転することができる。
【００４７】
この横軸風車においては、ロータ６に正対していた風向きが変わると、上部方向舵７と下部方向舵８との片面のみに風圧が作用し、他の片面は負圧となり、上記風圧によって、上部方向舵７と下部方向舵８とナセル２とロータ６とが一体となって、支柱１に対して垂直軸Ａ回りに回転させられ、上部方向舵７と下部方向舵８との両面に作用する風圧がバランスする位置で、それらが停止させられる。
このとき、ロータ６は風向きに対して正対し、ロータ６の複数のブレード５は正面から風を受けることとなり、ロータ６は効率よく回転させられる。
【００４８】
この横軸風車によると、方向舵７、８の大部分を張材１１、１５により構成してあるので、方向舵７、８全体を軽量化することができ、また補強杆１０、１４の折曲部１０ｂ、１４ｂと、ベース９、１３(実質的にナセル２の外周面)との間に張材１１、１５を張設してあるので、方向舵７、８の先端部を安定よく支持することができ、しかも、方向舵７、８を、補強杆１０、１４と張材１１、１５のみにより構成することができるので、方向舵７、８の構造を簡素化することができる。
【００４９】
上部方向舵７と下部方向舵８とは、そのいずれか一方を省略して実施することもできるが、その場合には、ナセル２に設けた方向舵が風圧を受けたとき、ナセル２にロータ軸３回りの捩りモーメントが生じる。
しかし、本実施形態のように、上部方向舵７と下部方向舵８とを共に設けると、上記のようなロータ軸３回りの捩りモーメントが発生するのを防止することができるだけでなく、上部方向舵７と下部方向舵８とが協動して、ナセル２を効率よく風上に向けることができる。
【００５０】
本発明は、前記実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲を逸脱することなく、例えば、次のような幾多の変形した態様での実施が可能である。
(１)  図５に示す変形例のように、上部方向舵７を、ブレード５の回転軌跡より上方に突出するように形成するとともに、ロータ６に近接させてナセル２に設け、かつ上部方向舵７における張材１１のロータ６側の縁に、ブレード５の先端部５ａが通過しうる切り欠き１９を設ける。
(２)  図５に示す変形例のように、張材１１、１５の縁に複数の係止孔２０を設け、そこに通した係止具２１(またはワイヤ等)を補強杆１０の折曲部１０ｂ、ベース９、補強杆１４の折曲部１４ｂ、ベース１３(またはナセル２の表面等)に設けた係止孔２２に係止させて、張材１１、１５を、補強杆１０の折曲部１０ｂとベース９またはナセル２の表面との間、補強杆１４の折曲部１４ｂとベース１３またはナセル２の表面との間に張設する。すなわち、帆船の帆のようなものとする。
図５において、図１に示すものと同一または類似の部材には同一の符号を付して図示するに止め、それらについての詳細な説明は省略する。
(３)  補強杆１０、１４を、ナセル２の表面と垂直か、または後傾するようにして立設した直線状のものとし、その補強杆１０、１４とナセル２の表面との間に張材１１、１５を張設し、折曲部１０ｂ、１４ｂ等を省略する。
【符号の説明】
【００５１】
Ａ  垂直軸
Ｂ  水平軸
Ｃ  垂直面
１  支柱
２  ナセル
２ａ筒状頸部
３  ロータ軸
４  ハブ
５  ブレード
５ａ最大弦長部
５ｂ先端部
５ｃ回転方向の前縁
５ｄ回転方向の後縁
６  ロータ
７  上部方向舵
８  下部方向舵
９  ベース
１０  補強杆
１０ａ前枠部
１０ｂ折曲部
１１  張材
１２  縁材
１３  ベース
１４  補強杆
１４ａ前枠部
１４ｂ折曲部
１４ｃ後枠部
１４ｄ膨出部
１５  張材
１５ａ前向突出部
１６  切り込み
１７  回転リング
１８  ボールベアリング
１８ａ内輪
１８ｂ外輪
１８ｃボール
１９  切り欠き
２０  係止孔
２１  係止具
２２  係止孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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