(57)【要約】  荷重変動を低減できる風力発電装置を提供することを目的とし、タワーと、該タワー上部に配置されると共に、該タワーに対して回転可能に支持されるナセルと、該ナセルに対して回転可能に支持されると共にハブハウジングを備えるロータハブと、風を受けて揚力を得るブレードと、前記ブレードを前記ロータハブに対して回転可能に支持する軸受を備え、前記軸受は、前記ロータハブの回転軸を中心とした円周上からは、傾いて配置されることを特徴とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タワーと、
該タワー上部に配置されると共に、該タワーに対して回転可能に支持されるナセルと、  該ナセルに対して回転可能に支持されると共にハブハウジングを備えるロータハブと、  風を受けて揚力を得るブレードと、
前記ブレードを前記ロータハブに対して回転可能に支持する軸受を備え、
前記軸受は、前記ロータハブの回転軸を中心とした円周上からは、傾いて配置されることを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の風力発電装置であって、
前記軸受は前記ロータハブの回転中心に最も近い位置に配置される軸受であることを特徴とする風力発電装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の風力発電装置であって、
一枚の前記ブレードと前記ロータハブの回転中心の間に配置される軸受は、前記軸受のみであり、かつ１つであることを特徴とする風力発電装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか一つに記載の風力発電装置であって、
前記ブレードは前記軸受を介して前記ロータハブに直接接続されることを特徴とする風力発電装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか一つに記載の風力発電装置であって、
前記ハブハウジングは前記ブレードに接続されるブレード支持部を備えており、
該ブレード支持部は、前記ハブハウジングのうちでいずれの部位よりも、前記ロータハブの回転中心から遠くまで延伸されることを特徴とする風力発電装置。
【請求項６】
請求項５に記載の風力発電装置であって、
前記ブレード支持部は、前記軸受に接続される側から前記ロータハブの回転軸側へ向かって広がって形成されることを特徴とする風力発電装置。
【請求項７】
請求項６に記載の風力発電装置であって、
前記ハブハウジングは前記ロータハブの中心から前記軸受と接続される部位まで一体構造であることを特徴とする風力発電装置。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか一つに記載の風力発電装置であって、
前記タワーのうちで前記ブレードの先端が到達可能な位置から前記タワー頭頂部までにおける前記タワーの中心軸に略垂直な方向の平均幅をＤtとし、
前記ブレードの翼弦方向の平均幅をＬbとし、
前記ロータハブの回転軸から前記軸受の回転軸までの距離をＲbaとすると、
Ｒba≧０．５Ｄt＋０．５Ｌbの関係を満たすことを特徴とする風力発電装置。
【請求項９】
請求項８に記載の風力発電装置であって、
更に前記軸受の回転中心点から前記ロータハブの回転軸までの距離をＲbcとすると、
Ｒbs＝√（Ｒbc2−Ｒba2）としたとき、
Ｒba≦Ｒbsの関係を満たすことを特徴とする風力発電装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の風力発電装置であって、
更にＲbaとＲbsは略等しいことを特徴とする風力発電装置。
【請求項１１】
請求項１ないし１０のいずれか一つに記載の風力発電装置であって、
前記ブレードは発電運転時に前記タワーの風下側に位置した状態で回転することを特徴とするダウンウィンド型風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は風力発電装置に関するものであり、特にハブとブレードの接続に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本技術分野の従来技術として、例えば特許文献１および特許文献２に記載されたものがある。特許文献１には、ロータヘッド（ロータハブに相当）と翼とを回転可能な連結環を介して連結することによりロータヘッドの軸心風速に対応して翼の通過面積を変化可能として、風車の出力を疲労破壊の発生を回避し得る範囲で最大限に保持することを可能とする翼通過面積調整装置を備えた風車及びその運転方法について記載されている。また、特許文献２には、ブレードの先端側をロータの反回転方向へ傾けることによりブレードへの流入風速に対応してブレードの捩れが変化し、ブレードの揚力と推力が調整されることで荷重変動を抑制することを可能とする耐久性に優れた水平軸風車用ロータを備えた風車について記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１０８１６２号公報
【特許文献２】特開２０００−３１０１７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
水平軸風車においては、ロータの回転中にブレードとタワーが風の主流方向に重なる瞬間がある。いずれかのブレードとタワーが風の主流方向に重なる度に互いに空力干渉するため、風車全体では荷重変動が常に発生しており、疲労強度に大きく影響する。よって、ダメージが蓄積することになるので荷重変動を減らして信頼性を向上させることが望まれる。【０００５】
ここで特許文献１では、ロータヘッドと翼は直接には接続されていない。即ち、軸心方向風速に対応して翼通過面積を変化可能とし、疲労破壊を抑制するために、風向き面内で回転可能な連結環を介して翼とロータヘッドが接続されているものである。ロータハブに相当するのは、前述の様にロータヘッドであり、翼をロータハブに対して回転可能に支持する軸受（符号５）を備えている。そして当該連結環のロータヘッド側を回転させることによってタワーと翼の間の距離を拡大し、荷重変動を軽減させている。しかしながら、連結環の回転により、翼の重心は風車の下流側へ移動し、ロータヘッド根元やタワーの曲げモーメントが増大することから風車全体の荷重が厳しくなる恐れがある。また、翼のピッチ回転に加えて連結環の回転も行わなければならず、損傷リスクが高まる恐れがある。こうした観点から信頼性向上には改善の余地がある。また、特許文献１ではそもそも軸心方向風速に対応して翼通過面積を変化可能とするべく、風向き面内で回転可能な連結環を設けているものであって、ブレードとタワー間などで空力干渉により圧力が上昇し荷重変動が比較的大きくなることについては一切考慮されているものでない。【０００６】
特許文献２では、簡単な構造により、ブレードは材質的な撓みの性質に依存して流入風速に対応し捩じれ、荷重変動を軽減させている。しかしながら、ブレードの材質的な撓みのみでは、流入風速の変化に応じて荷重を制御することには限界がある。また、特許文献２ではそもそも流入風速に対応してブレードへの流入角度を変化可能とするべく、構造を簡素化しブレードの材質的な撓みのみで捩じれるものであって、ブレードとタワーとの間で発生する空力干渉により圧力が上昇し荷重変動が比較的大きくなることについては一切考慮されているものでない。【０００７】
本発明では、荷重変動を低減できる風力発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために本発明に係る風力発電装置は、タワーと、該タワー上部に配置されると共に、該タワーに対して回転可能に支持されるナセルと、該ナセルに対して回転可能に支持されると共にハブハウジングを備えるロータハブと、風を受けて揚力を得るブレードと、前記ブレードを前記ロータハブに対して回転可能に支持する軸受を備え、前記軸受は、前記ロータハブの回転軸を中心とした円周上からは、傾いて配置されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、荷重変動を低減できる風力発電装置を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例に関するダウンウィンド型風車を風下側から見た全体図。
【図２】本発明の実施例に関するダウンウィンド型風車の側面図。
【図３】本発明の実施例に関するロータハブの拡大図。
【図４】本発明の実施例に関するロータハブの拡大図。
【図５】本発明の実施例に関するタワーとブレードを風下側から見た拡大図。
【図６】本発明の実施例に関するタワーとブレードの水平面における風速分布図。
【図７】本発明の実施例に関するロータ荷重のグラフ。
【図８】本発明の実施例に関するロータの図。
【図９】本発明の実施例に関する軸受周りの図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に本発明を実施する上で好適となる実施例について図面を参照して説明する。尚、下記はあくまでも実施例であり、本発明の実施態様を限定することを意図する趣旨ではない。本発明は下記実施例以外にも種々の変更等が可能である。
【実施例】
【００１２】
図１及び図２に示すように、本実施例に係るダウンウィンド型風車は、風車全体に発生する荷重を支えるタワー１と、タワー１上部に配置されると共に、タワー１の頭頂部にタワー１に対して回転可能に支持されるナセル２と、風から揚力を得るための複数のブレード５ａ、５ｂ、５ｃと、各ブレード５ａ、５ｂ、５ｃの揚力を回転運動エネルギーとするためにナセル２に対して回転可能に支持されるロータハブ３と、各ブレード５ａ、５ｂ、５ｃとロータハブ３とを繋いでいる各軸受４ａ、４ｂ、４ｃとを備え、発電運転時にはタワー１の風下側に各ブレード５ａ、５ｂ、５ｃが位置する状態でロータハブ３が回転する。ブレード５ａ、５ｂ、５ｃは軸受４ａ、４ｂ、４ｃを介してロータハブ３に直接接続される。【００１３】
図１は、本実施例に係るダウンウィンド型風車を風下側から見た概略構造を示しており、ロータ６の回転面１１に対して直交する方向（ロータ回転軸８の軸方向）から見たものである。また図２は、側面からのダウンウィンド型風車の概略構造を示している。【００１４】
風車は、ほぼ鉛直方向にタワー１が伸びている。タワー１の下方側の根元は、陸上であれば基礎に設置され、洋上であれば海底から設置されている基礎に接合、或いは海面付近に浮かんだ浮体基礎等に接合される。ナセル２の風下側には主軸を介してロータ６が繋がっている。ナセル２とロータ６は、タワー１のタワー中心軸７を軸として回転することでヨー角を調整している。ナセル２には、発電機、電力調整装置、動力伝達機構、冷却装置、風速や風向を測定するセンサの全部または一部が備えられる。【００１５】
ロータ６は、主にロータハブ３と各ブレード５ａ、５ｂ、５ｃで構成される。ロータハブ３は、ロータ回転軸８を中心に回転し、本実施例における風車では発電中、風下側から見て反時計回りに回転する。無論、風車の回転方向は反時計回りに限定されるものではない。【００１６】
図２に示すように、本実施例に係るダウンウィンド型風車では、ティルト角αt分、ロータ回転軸８が水平面９に対して傾いているため、ロータ回転軸８を中心に回転するロータハブ３も水平面９に対して傾いた状態で設置される。ティルト角αtは、ロータ６の回転中にタワー１と各ブレード５ａ、５ｂ、５ｃとが衝突しないように設定される。【００１７】
ロータハブ３と各ブレード５ａ、５ｂ、５ｃは、各軸受４ａ、４ｂ、４ｃを介して接続されている。各軸受４ａ、４ｂ、４ｃにより、各ブレード５ａ、５ｂ、５ｃはロータ６の外周側でロータハブ３に対して回転可能に支持される。【００１８】
図２には、ロータハブ３に対する各軸受４ａ、４ｂ、４ｃの回転軸のうち特に軸受４ｂの回転軸である軸受回転軸１０ｂを示している。ロータ回転面１１と軸受回転軸１０ｂとのなす角によってコーニング角αcが定められ、軸受回転軸１０ｂはロータ回転面１１からナセル２とは離れる方向に傾いている。各ブレード５ａ、５ｂ、５ｃは、各軸受４ａ、４ｂ、４ｃと繋がっているため、やはりロータ回転軸８の軸方向に傾いた構造となっている。コーニング角αcは、ロータ６が回転中に、タワー１と各ブレード５ａ、５ｂ、５ｃとの衝突を避けることができるように設定される。【００１９】
風車の運転状態に応じて、ピッチ角制御機構と組み合わされている各軸受４ａ、４ｂ、４ｃにより、各ブレード５ａ、５ｂ、５ｃは回転する。各ブレード５ａ、５ｂ、５ｃが各軸受４ａ、４ｂ、４ｃにより回転させられ、各ブレード５ａ、５ｂ、５ｃへの風の流入角度が調整されることで、ロータ６の回転速度が制御される。尚、各軸受４ａ、４ｂ、４ｃは、コーニング角αc ≠ 0°の場合、ロータ回転軸８の軸方向に傾いているため、図１の視点においても傾いた状態で表示されるはずであるが、図１では簡便に説明するためにコーニング角αcの傾きを省略している（簡易的にコーニング角αc = 0°で表示させている）。【００２０】
図３および図４は、図１におけるロータハブ３付近の拡大図であり、ロータハブ３の内部の概略構造を示している。また、図９は、軸受４ｂ周りの構造を示している。図９において、軸受回転面１４ｂは、軸受４ｂが回転する平面であるとともに軸受４ｂの重心を含む平面である。軸受回転軸１０ｂと軸受回転面１４ｂが直交する点は、軸受回転面１４ｂの回転中心点２０ｂとして定義する。図３に示すように、ロータハブ３は主にハブハウジング１５とスピナカバー１６で構成され、ハブハウジング１５の外側をスピナカバー１６が覆っている。各軸受４ａ、４ｂ、４ｃは、ロータハブ３のハブハウジング１５に接続されている。軸受取付角度αbはロータハブ３のロータ回転軸８を中心とした円周１３上に対する軸受回転面１４ｂのへの接触角として表され、本実施例における各軸受４ａ、４ｂ、４ｃは軸受取付角度αbにより、円周１３上からはロータ６の回転と逆方向へ傾いた状態で設置されている。尚、円周１３は回転中心点２０ｂを含んでおり、ロータ回転軸８から回転中心点２０ａまでの距離（円周１３の半径）はＲbcで定義する。また、図３ではロータ６の回転の逆方向へ傾いているが、軸受取付角度αbでロータ６の回転方向へ傾いても良い。【００２１】
ハブハウジング１５は、ロータ回転軸８側から各ブレード５ａ、５ｂ、５ｃ側へそれぞれブレード支持部１９ａ、１９ｂ、１９ｃが伸びている。そして、ハブハウジング１５の中心から各軸受４ａ、４ｂ、４ｃと接続される部位までは、材料的に連続しており、一体構造となっている。各ブレード支持部１９ａ、１９ｂ、１９ｃは、ハブハウジング１５のうちでどの部位よりも、ロータハブ３の回転中心に位置するロータ回転軸８から遠くまで延伸される。また、本実施例では、ロータハブ３のロータ回転軸８から各ブレード５ａ、５ｂ、５ｃの先端に至るまでに設ける軸受は、各軸受４ａ、４ｂ、４ｃの一つのみであり、各ブレード支持部１９ａ、１９ｂ、１９ｃにおいて当該軸受４ａ、４ｂ、４ｃはロータハブ３のロータ回転軸８に最も近い位置に配置される軸受となる。【００２２】
図４において、ハブハウジング１５のブレード支持部１９ｂにおける（外形）断面の重心点でロータ半径方向と直交している面を、ロータ半径方向の直交平面１７として定めた場合、ハブハウジング１５は、軸受４ｂに接続される側（またはブレード５ｂ側）からロータ回転軸８側へ向けて、直交平面１７におけるブレード支持部１９ｂの（外形）断面積が拡大していく構造となっている。（ブレード支持部１９ａ、１９ｃも同様）
図５は、図１と同様に風下側でのロータ６の回転面１１に対して直交する方向（ロータ回転軸８の軸方向）から見た本実施例におけるダウンウィンド型風車を示している。特に、図５の投影面上においてタワー中心軸７と軸受４ａの軸受回転軸１０ａとがおよそ平行に並んだ状態を表している。【００２３】
図５において、Ｒbaはロータ回転軸８から軸受回転軸１０ａまでの距離、Ｒbcはロータ回転軸８から回転中心点２０ａまでの距離を示しており、Ｒbsは式１で定義している。尚、補足として、コーニング角αc ≠ 0°の場合、各軸受回転軸１０ａ、１０ｂ、１０ｃはロータ回転軸８の軸方向へ傾いているため、Ｒbaを示す直線と、Ｒbcを示す直線は、構造的に交わることはない。
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【００２４】
ロータ６が回転することでブレード５ａがタワー１に重なる領域１８でのタワー１の平均幅をＤt、ブレード５ａの翼弦方向の平均幅をＬbとしたとき、図５に示す構造において、Ｒbaは（０．５Ｄt＋０．５Ｌb）以上でありＲbs以下となっている。即ち、式１の関係から必然的にＲbsは（０．５Ｄt＋０．５Ｌb）以上となる。【００２５】
以上の構成による本実施例に係るダウンウィンド型風車の機能及び動作について、発電状態を想定して説明する。【００２６】
ロータ６は、所定の風速以上で回転を開始し、風速の上昇に伴って回転数も上がっていく。また、ナセル２とロータ６は、タワー中心軸７を軸として、ナセル２に備わっている風向センサにより、風向の変化に合わせてヨー角を調整する。図示していないピッチ角制御機構と組み合わさった各軸受４ａ、４ｂ、４ｃにより、各ブレード５ａ、５ｂ、５ｃが各軸受回転軸１０ａ、１０ｂ、１０ｃの周りを回転し、各ブレード５ａ、５ｂ、５ｃへの風の流入角度が調整され、ロータ６の回転数が上がることで発電量も増加する。ダウンウィンド型風車が定格出力および定格回転数に到達している場合、そこから風速が更に上昇すれば、定格出力および定格回転数を維持するべく、各ブレード５ａ、５ｂ、５ｃへの風の流入角度が更に調整され、フェザリングに近い状態まで近付くこともある。暴風が吹き高風速となってきた際には、運転を停止するべく、各ブレード５ａ、５ｂ、５ｃは完全にフェザリングの状態まで流入角度が調整される。【００２７】
ロータ６が回転している際、タワー１と各ブレード５ａ、５ｂ、５ｃは、ある程度周期的に風の主流方向に重なることになる。図６は、タワー１とブレード５ａが風向に対して重なっている状態における水平面１２（図２に示している）内の風速分布を示している。図６において、タワー１の上流側は流れを妨げるものがないため、風速分布がある程度整った状態で風が流れてくる。しかし、タワー１を通過して下流側に至ると、タワー１により流れが遮られ、低風速領域が発生することになる。そして、図６に示す状態においては、ブレード５ａが当該低風速領域に入っている。【００２８】
ブレード５ａは、風による流体力から揚力を得て、回転運動エネルギーに変えているため、それに見合うだけの大きな荷重がブレード５ａにはかかることになる。しかし、タワー１の下流側の低風速領域に入った瞬間に、低風速によりブレード５ａは十分な揚力を得ることができず、荷重も急に小さくなる。そして、タワー１の下流側の低風速領域から脱け出る瞬間には、再び風速が回復するためブレード５ａの揚力も回復し、今度は急に大きな荷重がかかることになる。【００２９】
また、タワー１とブレード５ａが風向に対して重なっている瞬間には、タワー１とブレード５ａとの間の圧力が上昇する。この時、タワー１の下流側の壁面圧力も上昇するため、タワー１にかかっている荷重も少なからず変化することになる。即ち、タワー１と各ブレード５ａ、５ｂ、５ｃによる空力干渉は、ダウンウィンド型風車において全体的に荷重変動を常に発生させており、疲労強度に大きな影響を与えている。【００３０】
これに対し、本実施例では、各軸受４ａ、４ｂ、４ｃは軸受取付角度αbで示されるように、ロータ回転軸８を中心とした円周１３上から傾いた状態で設置されている。そのため、各軸受４ａ、４ｂ、４ｃに繋がっている各ブレード５ａ、５ｂ、５ｃも、（ロータ６の回転と逆方向へ）ロータ回転軸８を中心とした円周１３上から傾いた状態となる。当該構成により、各ブレード５ａ、５ｂ、５ｃがタワー１の下流側を横断する際、風の主流方向にタワー１と各ブレード５ａ、５ｂ、５ｃの全長が同時には重ならない。各ブレード５ａ、５ｂ、５ｃは、ロータ６の回転に合わせて一部のブレード領域ごとに徐々にタワー１と重なることで、タワー１との空力干渉を分散し、荷重変動最大値を緩和している。【００３１】
図７には、ロータ回転位置に対してロータの任意の箇所における荷重の変化を概念的に表しており、風の主流方向にタワーとブレード全長が同時に重なる従来の一般的なダウンウィンド型風車と、本実施例に係るダウンウィンド型風車とを比較している。ロータのブレードが最高点に達した際のロータ回転位置を０°とすると、一般的なダウンウィンド型風車と本実施例に係るダウンウィンド型風車のいずれも、ロータ回転位置が１８０°付近でタワーの下流側をブレードが横断する。尚、該図においてロータ荷重「１」はロータの平均荷重としている。図７で示すように、ロータ回転軸８を中心とした円周１３上から各軸受４ａ、４ｂ、４ｃを傾いた構造とすることにより、タワー１の下流側を各ブレード５ａ、５ｂ、５ｃが横断するときの荷重変動を、緩やかにすることができる。これにより荷重変動を風車全体として低減することができる。即ち、長期間風車を使用した場合における各ブレード５ａ、５ｂ、５ｃやタワー１に加わる荷重変動を減らすことで信頼性を向上させることが可能になる。【００３２】
また、各軸受４ａ、４ｂ、４ｃを軸受取付角度αbにより傾いた状態で設置するためには、ハブハウジング１５は比較的大きくなる。図示していないが、各軸受４ａ、４ｂ、４ｃを軸受取付角度αbにより傾いた状態で設置することは、各軸受４ａ、４ｂ、４ｃの位置まで、単純に円形のハブハウジングを拡大することによっても可能である。しかし、単純にハブハウジングを拡大した場合、ハブハウジングは必要以上に重量が増加し、コストが余分に増加することにも繋がる。よって、本実施例のように、各ブレード５ａ、５ｂ、５ｃを支えるために必要な各ブレード支持部１９ａ、１９ｂ、１９ｃを形成し、ハブハウジング１５のうちでどの部位よりも、各ブレード支持部１９ａ、１９ｂ、１９ｃをロータハブ３のロータ回転軸８から遠くまで延伸されるようにすることで、ハブハウジング１５の余分な重量増加を抑えることができ、コスト増加も抑えることができる。【００３３】
また、一般的に風車のロータの回転中心側へ近づくことに伴って荷重が大きくなることは避けることができない。そのため、ロータ６のロータ回転軸８付近のロータハブ３には、大きな荷重がかかる。加えて、ロータハブ３のハブハウジング１５は、ロータ６の回転運動エネルギーをロータ回転軸８にある主軸へ伝えるための主要部品であるため、ロータハブ３のうちでも、特に大きな荷重が集中する部品である。そこで、本実施例に示す構造では、ハブハウジング１５に対して、あくまでも直接に各ブレード５ａ、５ｂ、５ｃを回転可能に支持する各軸受４ａ、４ｂ、４ｃを設けており、更なる軸受など余分な部材を介さずに信頼性を向上している。つまり、各ブレード５ａ、５ｂ、５ｃとロータハブ３の回転中心の間に配置される軸受は一つのみとすることで、軸受を複数配置する構造よりも大幅に故障リスクを低減できる。【００３４】
また、ハブハウジング１５は比較的大きな部品であるため、各ブレード支持部１９ａ、１９ｂ、１９ｃなどは分割し組立てにおいてフランジなどでボルト締結することも考えられるが、材料的に分割されてボルトのみで大きな荷重を支えるだけでは締結部に故障が発生する可能性もある。ロータハブ３を中心から各軸受４ａ、４ｂ、４ｃと接続される部位まで材料的に連続する一体構造とすることで、故障を抑制および回避することができる。即ち、信頼性を更に向上できるようになる。【００３５】
一方、大幅な重量増加とコスト増加を抑えるためには、各ブレード支持部１９ａ、１９ｂ、１９ｃの構造を簡素にすることが考えられるが、不用意に構造を縮小させては局所的に荷重が集中し故障（破損）してしまう危険がある。これに対し、本実施例におけるハブハウジング１５は、各軸受４ａ、４ｂ、４ｃに接続される側からロータ回転軸８側へ向かって、各ブレード支持部１９ａ、１９ｂ、１９ｃの外形が広がるようにしているので、局所的な荷重の集中を避け、故障（破損）を抑制および回避することができる。【００３６】
各軸受４ａ、４ｂ、４ｃを軸受取付角度αbにより傾けたことによる荷重変動の低減効果は、傾きの状態が重要な要素となる。一般的に、ダウンウィンド型風車で風の主流方向にタワーとブレード全長が同時に重なってしまうと、大きな荷重変動が発生してしまう。故に、タワー１のタワー中心軸７と、ブレード５ａ（または５ｂ、または５ｃ）の全長方向に伸びている軸受４ａ（または４ｂ、または４ｃ）の軸受回転軸１０ａ（または１０ｂ、または１０ｃ）とがおよそ平行に並んだ状態において、タワー１とブレード５ａ（または５ｂ、または５ｃ）が一度に大きな領域で重ならず、分散されることが重要となる。【００３７】
よって、タワー１の平均幅Ｄtの１／２の距離とブレード５ａ（または５ｂ、または５ｃ）の翼弦方向の平均幅Ｌbの１／２の距離との合計距離に対して、ロータ回転軸８から軸受回転軸１０ａまでの距離Ｒbaを同等またはそれ以上とすることで、タワー１とブレード５ａ（または５ｂ、または５ｃ）の重なりを避けることができ、軸受４ａ（または４ｂ、または４ｃ）を傾けることによる荷重変動の低減効果を、更に引き出すことができる。【００３８】
ロータ回転軸８から軸受回転軸１０ａまでの距離Ｒbaを設けることによる更なる効果としては、各ブレード５ａ、５ｂ、５ｃを別物に変更することなく、ロータ６の直径を拡大し発電量を増加することが可能となる点である。但し、距離ＲbaとＲbsの関係によっては、ロータ６の直径の拡大による発電量増加の効果が得にくい場合もある。ここで、距離Ｒbaより、距離Ｒbsの方が小さくなっているダウンウィンド型風車を、図８に示す。ここでは、実線で距離Ｒbaより距離Ｒbsを小さくした場合を示している。本図に示すように、距離Ｒbaより距離Ｒbsを小さくしても、ロータ６の直径は拡大される。しかしながら、軸受４ｂの位置までのロータハブ３にするのであれば、図８において破線で表しているように、軸受回転軸１０ｂと軸受回転面１４ｂを反転させた方が、ロータ６の直径をより拡大し発電量をより増加させることが可能になる。よって、距離Ｒbaを距離Ｒbsに対して同等以下にすることで、ロータハブ３の構造を活かしてロータ６の直径拡大による発電量増加の効果を引き出すことができる。尚、任意の距離Ｒbsに対し、距離Ｒbaを距離Ｒbsと等しくすることで、ロータ６の直径拡大は最大となり発電量増加の効果も最大となる。但し、図８に示す構造も信頼性向上の効果は得られるため、本発明の範囲から除外されるものでないことは言うまでもない。【００３９】
風向に対してタワーの下流側にブレードが設置されているダウンウィンド型風車では、タワー下流側に発生する後流をブレードが横断するため、タワーの上流側にブレードが設置されているアップウィンド型風車と比べて、荷重変動は比較的大きくなる。よって、本発明を適用する上ではより好適なものとなる。但し、本発明の適用範囲はダウンウィンド型風車に限られるものではなく、発電運転時に風上に位置した状態でブレードが回転するアップウィンド型風車に適用した場合であっても一定の効果が期待できる。即ち、アップウィンド型風車でも空力干渉によりブレードとタワーとの間で圧力が上昇することで荷重変動は発生しており、アップウィンド型風車に本発明を実施しても良い。。
【符号の説明】
【００４０】
１  タワー
２  ナセル
３  ロータハブ
４ａ、４ｂ、４ｃ  軸受
５ａ、５ｂ、５ｃ  ブレード
６  ロータ
７  タワー中心軸
８  ロータ回転軸
９、１２  水平面
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ  軸受回転軸
１１  ロータ回転面
１３  ロータ回転軸を中心とした円周
１４ａ、１４ｂ  軸受回転面
１５  ハブハウジング
１６  スピナカバー
１７  ロータ半径方向の直交平面
１８  ブレードが重なるタワー領域
１９ａ、１９ｂ、１９ｃ  ブレード支持部
２０ａ、２０ｂ  回転中心点
【図１】
2014174654.tif 000004
【図２】
2014174654.tif 000005
【図３】
2014174654.tif 000006
【図４】
2014174654.tif 000007
【図５】
2014174654.tif 000008
【図６】
2014174654.tif 000009
【図７】
2014174654.tif 000010
【図８】
2014174654.tif 000011
【図９】
2014174654.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成28年9月16日(2016.9.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タワーと、
該タワー上部に配置されると共に、該タワーに対して回転可能に支持されるナセルと、該ナセルに対して回転可能に支持されると共にハブハウジングを備えるロータハブと、風を受けて揚力を得るブレードと、
前記ブレードを前記ロータハブに対して回転可能に支持する軸受を備え、
前記軸受は、前記ロータハブの回転軸を中心とした円周上からは、傾いて配置され、
前記ロータハブの回転中心に最も近い位置に配置される軸受であり、
前記タワーのうちで前記ブレードの先端が到達可能な位置から前記タワー頭頂部までにおける前記タワーの中心軸に略垂直な方向の平均幅をＤｔとし、
前記ブレードの翼弦方向の平均幅をＬｂとし、
前記ロータハブの回転軸から前記軸受の回転軸までの距離をＲｂａとすると、
Ｒｂａ≧０．５Ｄｔ＋０．５Ｌｂの関係を満たすことを特徴とする風力発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の風力発電装置であって、
一枚の前記ブレードと前記ロータハブの回転中心の間に配置される軸受は、前記軸受のみであり、かつ１つであることを特徴とする風力発電装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の風力発電装置であって、
前記ブレードは前記軸受を介して前記ロータハブに直接接続されることを特徴とする風力発電装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか一つに記載の風力発電装置であって、
前記ハブハウジングは前記ブレードに接続されるブレード支持部を備えており、
該ブレード支持部は、前記ハブハウジングのうちでいずれの部位よりも、前記ロータハブの回転中心から遠くまで延伸されることを特徴とする風力発電装置。
【請求項５】
請求項４に記載の風力発電装置であって、
前記ブレード支持部は、前記軸受に接続される側から前記ロータハブの回転軸側へ向かって広がって形成されることを特徴とする風力発電装置。
【請求項６】
請求項５に記載の風力発電装置であって、
前記ハブハウジングは前記ロータハブの中心から前記軸受と接続される部位まで一体構造であることを特徴とする風力発電装置。
【請求項７】
請求項１に記載の風力発電装置であって、
更に前記軸受の回転中心点から前記ロータハブの回転軸までの距離をＲｂｃとすると、
Ｒｂｓ＝√（Ｒｂｃ２−Ｒｂａ２）としたとき、
Ｒｂａ≦Ｒｂｓの関係を満たすことを特徴とする風力発電装置。
【請求項８】
請求項７に記載の風力発電装置であって、
更にＲｂａとＲｂｓは略等しいことを特徴とする風力発電装置。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか一つに記載の風力発電装置であって、
前記ブレードは発電運転時に前記タワーの風下側に位置した状態で回転することを特徴とするダウンウィンド型風力発電装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
上記の課題を解決するために本発明に係る風力発電装置は、タワーと、該タワー上部に配置されると共に、該タワーに対して回転可能に支持されるナセルと、該ナセルに対して回転可能に支持されると共にハブハウジングを備えるロータハブと、風を受けて揚力を得るブレードと、前記ブレードを前記ロータハブに対して回転可能に支持する軸受を備え、前記軸受は、前記ロータハブの回転軸を中心とした円周上からは、傾いて配置され、前記ロータハブの回転中心に最も近い位置に配置される軸受であり、前記タワーのうちで前記ブレードの先端が到達可能な位置から前記タワー頭頂部までにおける前記タワーの中心軸に略垂直な方向の平均幅をＤｔとし、前記ブレードの翼弦方向の平均幅をＬｂとし、前記ロータハブの回転軸から前記軸受の回転軸までの距離をＲｂａとすると、Ｒｂａ≧０．５Ｄｔ＋０．５Ｌｂの関係を満たすことを特徴とする。
【国際調査報告】
2014174654.tif 000013
2014174654.tif 000014