(57)【要約】【課題】  風力発電用の大型の水平軸型の風車において、従来、大型の風車には適用が困難であるとされてきたアウターリングを採用した動作安定性の高い大型の風車を提供する。【解決手段】  アウターリング２Ｒを各ブレード２Ｂの先端部に対して、風車２０の径方向に遊び動作可能に取り付け、遠心力によって変形するアウターリングからの変形応力がブレード２Ｂ…に伝達されるのを防止する。また、ハブ２Ｈの直下位置近傍にアウターリング２Ｒを下方から支持する支持ローラ３Ｒ，３Ｒを設置し、アウターリング２Ｒの自重による垂下り変形部分を支持し、アウターリング２Ｒの重量荷重が特定位置のブレード２Ｂの基部にモーメント性の荷重として集中するのを防止する。さらには、これらの双方の手段を併用してブレード２Ｂ…の負担軽減を図る。【選択図】図１
2012255410.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主軸に取り付けられたハブに対して少なくとも３枚以上である複数のブレードを等角度間隔で取り付けるとともに、前記複数のブレードの先端部に、前記複数のブレードの先端部を含む外接円の直径相当の直径を有する筒状のアウターリングを取り付けてなる水平軸型の風車において、
前記すべてのブレードの先端部に対して前記アウターリングが、それぞれ前記風車の径方向に所定範囲で遊び動作可能に取り付けられていることを特徴とする水平軸型の風車。
【請求項２】
前記ハブの中心を通って下垂する鉛直線と前記アウターリングとが交わる位置近傍に、前記アウターリングを下方から支持する１個または２個以上の支持ローラを備えることを特徴とする請求項１に記載の水平軸型の風車。
【請求項３】
主軸に取り付けられたハブに対して少なくとも３枚以上である複数のブレードを等角度間隔で取り付けるとともに、前記複数のブレードの先端部に、前記複数のブレードの先端部を含む外接円の直径相当の直径を有する筒状のアウターリングを取り付けてなる水平軸型の風車において、
前記ハブの中心を通って下垂する鉛直線と前記アウターリングとが交わる位置近傍に、前記アウターリングを下方から支持する１個または２個以上の支持ローラを備えることを特徴とする水平軸型の風車。
【請求項４】
少なくとも１個の前記支持ローラが回転型アクチュエータによって回転駆動可能であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の水平軸型の風車。
【請求項５】
前記支持ローラと前記回転型アクチュエータとの間にトルクリミッタ又はオーバンランクラッチを介装することを特徴とする請求項４に記載の水平軸型の風車。
【請求項６】
前記支持ローラに前記支持ローラの回転を制動するブレーキ機構と前記支持ローラの回転動作を制止するロック機構とのいずれか一方の機構または双方の機構を付設することを特徴とする請求項２ないし請求項５のいずれか１項に記載の水平軸型の風車。
【請求項７】
前記支持ローラが、上下動可能に設置されていることを特徴とする請求項２ないし請求項６のいずれか１項に記載の水平軸型の風車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中心に位置するハブに複数枚のブレードを放射状配置で取り付けるとともに、複数枚のブレードの外接円に相当する位置に、ブレードの先端部を互いに連結するアウターリングを取り付けてなる水平軸型の風車に関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電用の風車には、大きく分類して主軸を上下方向に向けて配置する垂直軸型風車と、主軸を水平方向に向けて配置する水平軸型の風車とがある。ただし、事業用途の風力発電装置に用いられる風車においては、いわゆるプロペラ型と称する水平軸型の風車が主流を占める。
【０００３】
水平軸型の風車は、主軸の先端部にハブを取り付け、ハブに通常２枚ないし３枚のブレードを径方向に向けて当角度間隔に割り付けて取り付けた基本構造を有する回転体である。したがって、各ブレードは、基本的には、ハブに対して片持ち支持の状態で取り付けられている。ハブに対するブレードの取付け方に関しては、各ブレードの基部がハブに直接固定される場合の他、ブレードをピッチ駆動することが必要な風車においては、ブレードをねじり運動可能に支持するための取付けベアリングを介して固定される場合もある。
【０００４】
ブレードがハブに直接固定されるか、あるいは、取付けベアリングを介して固定されるかを問わず、各ブレードは片持ち支持であることに変わりはない。片持ち支持は、長尺物である物体の支持方式としては、もっとも不安定な支持方式であると言える。特に、風力発電用の風車のブレードのように、変動幅の大きな風を受けながらハブを中心に旋回運動をする動作を求められる場合には、各ブレードの基部およびハブに対してモーメント性の巨大な交番荷重が負荷されることが避けられない。しかも、この荷重の大きさは、複数枚のブレードについて同じ大きさではなく、ブレードごとに異なる。
【０００５】
風力発電用の風車に関する設計の困難性、殊に、風車の大型化に際しての困難性は、まさに、上記のようにブレードが片持ち支持されていることに起因するといっても過言ではない。ところで、水平軸型の風車におけるブレードの基部およびハブに負荷されるモーメント性の交番荷重を軽減しようとする技術として、複数枚のブレードの先端部を互いに連結するアウターリングを備える風車が知られている。
【０００６】
アウターリングは、放射状に配置された複数のブレードの先端部の外接円に相当する直径を有する剛性の高い環状リングであり、風車の回転に伴ってハブを中心にブレードの先端部と略同一の週速度で回転運動をする。このような動作内容を有するアウターリングは、経験則的には比較的小型の風車に適用されることが多い技術であるが、定性的な意味において次のような利害得失を有する。
【０００７】
アウターリングは、風車の構成部材としては最も大きな慣性効果を発揮し、風車の回転変動を平準化することができる。また、風車の回転動作に伴い異なる角度姿勢をとることに起因してブレード毎に異なることとなる静荷重をその機械的な連結効果によって平準化することができる。同様に、アウターリングは、その機械的な連結効果によって、各ブレード毎に異なる動的荷重を平準化することができる。アウターリングがもたらすこれらの平準化機能は、ブレードおよびハブに作用する各種荷重の最大値を低下させるように極めて有利に働く。これらのメリットは、アウターリングの動作上、風車が大型であるか小型であるかにかかわらず享受できると考えられる。
【０００８】
一方、風車に取り付けられたアウターリングは、上記メリットの反面において、次のようなデメリットを有する。
【０００９】
アウターリングは、長大な周囲長を有する剛体構造物であることにより風車の自重の増大をもたらす。風車が受ける風抵抗の増大は、風車を支持している支持構造物に対する倒壊荷重を増大させるとともに、風車の自重増大は、一般に片持ち支持される主軸のベアリングに対してより大きい耐荷重性能を要求する。また、通常、３枚のブレードの先端部を連結するアウターリングにおいては、隣接するブレードの先端部間にまたがる中間部分であるアウターリングの円弧状スパン部分の長さが大きく、円弧状スパンの中間部分を支持する部材がないためにアウターリングの剛性を確保することは難しい。これは、特に大型の風車においてより問題視されることになる。さらに大型の風車においては、風車の回転に伴うアウターリングの遠心力による直径の拡大現象や低周波振動の発生、風車の停止時における遠心力の消失による自重変形、特に、垂下り変形が顕著化するに至る。これらの問題が、大型の風車にアウターリングが採用されない主な理由である。
【００１０】
事業用の風車においては、投資に対する発電量の割合、すなわち発電コストの追求が求められる。この結果、風車の効率を改善する一方策として風車の大型化対策が推進されてきた。また、同じ規模の風車においても、常に、より高効率かつ安定な発電動作が可能な風車が求められている。このような風車に対する効率追求や動作の安定性の追求は、今後も継続すると考えられる。
【００１１】
そこで、風車を安全に大型化する方策として、大型の風車にアウターリングを採用することの可否が検討課題となる。前述したように、アウターリングを採用することによるメリットは、大型の風車においてもなんら支障なく活用できる性質を有するからである。ただし、このメリットを活用するためには、上記アウターリングのデメリットを抑え込む有効な対策の準備が不可避的前提となる。
【００１２】
このような観点から、本願出願人は既に、互いに隣接するブレード間にそれぞれアウターリングの円弧状スパン部分を支持するスポーク部材を配置することによって、大型の風車にアウターリングを採用可能とする技術を提案している（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特願２００９−２９２１０２
【００１４】
隣接するブレード間に配置されたスポーク部材の効果はきわめて明瞭であって、アウターリングの剛性は飛躍的に高められる。この結果、風車回転時における直径の拡大現象や共振の発生、および、風車停止時におけるアウターリングの歪みや撓みも効果的に防止される。
【００１５】
しかしながら、風車の回転が上昇した際において、スポーク部材の風切り抵抗が増大し、発電機の駆動に使用されるべき風車のトルクが減殺されるという問題が生じた。ただし、この問題自体は、前もって想定された問題であり、想定当時この問題は、スポーク部材の素材として、断面積に対する曲げ剛性の高い高張力鋼管等の高剛性素材を採用することでスポーク部材の小径化を図り、スポーク部材全体の動作上の風切り抵抗を低下させることで対処することができると考えられていた。
【００１６】
上記、想定された問題と、問題に対する対処措置と、対処措置に対応する効果には、大きな誤算はなかった評価することができる。それにもかかわらず、スポーク部材による風切り抵抗が予想を上回る結果となったのは、全国各地に点在する風力発電装置の運用実績から、より高度の安全マージンの要求がなされるに至り、スポーク部材に対して補強部材の大幅な追加を余儀なくされたという事情にもよる。
【００１７】
また、風力発電装置の運用実績に基づく追加的要求には、運転騒音の低レベル化の要求および、より高度の発電効率の要求等がある。運転騒音の問題に関しては、スポーク部材が発する風切り音を完全に近いレベルに解消することは現状においては困難である。また、スポーク部材の風切り抵抗を所定レベル以下に抑えることができない場合には、例え、アウターリングを設けることによってブレードの補強効果等のメリットが十分に発揮されたとしても、スポーク部材による発電効率低下のマイナス面を言いつくろうことはできない。風力発電装置の運用においては、構造や動作の安全性や安定性と、効率の良さとは両立することが求められるからである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
アウターリングのブレード支持効果、その他のメリットを利用して風車の大型化、ひいては風車の高効率化を図るためのスポーク部材の採用は、上述のような問題を提示することとなった。上述の問題には、スポーク部材の風切り音や風切り抵抗のように一定限度以下に改善することが困難である問題が含まれ、大型の風車にアウターリングを採用するためには、巨大サイズのアウターリングの支持手段に関する発想の転換を迫られることとなった。
【００１９】
本発明は、大型の風車にアウターリングを採用した場合に顕在化することとなるブレードの動的変形および静的変形問題にスポーク部材を使用することなく対応することができる新たな対処手段を提供すると共に、この新たな対処手段に、風車の運転上またはメンテナンス上必要とされる特定の機能を割り当てることによって、従来の風力発電装置に備えられて困難な問題を包含していた特定の機能部材に代えることを目的とする。
【００２０】
より具体的に示す本発明の第１の目的は、風車の回転上昇に伴う遠心力によってアウターリングが大径化するように変形する際の変形応力が、ブレードの先端に波及してブレードの基部に集中するのを有効に防止する手段を提供することである。第２の目的は、風車が停止し、または停止に近い状態になった際に、隣接する特定角度位置のブレード間にまたがるアウターリングの円弧状スパン部分の垂れ下がりを有効に支持する手段を提供することである。これらの手段によって、大型の風車にアウターリングを採用することが可能になるからである。
【００２１】
第３の目的は、従来、風力発電装置の発電機系統の駆動軸に対して設置されていたブレードの手動回転機能、ブレーキ機能およびロック機能、すなわち、巨大なトルクを扱うために設計が困難であったこれらの機構に替えて、これらと同様の機能を極めて簡易に実現する手段を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明の水平軸型の風車は、大型の風車にアウターリングを適用した場合に生じる問題解決のために、主軸に取り付けられたハブに対して少なくとも３枚以上である複数のブレードを等角度間隔で取り付けるとともに、複数のブレードの先端部に、複数のブレードの先端部を含む外接円の直径相当の直径を有する筒状のアウターリングを取り付けてなる水平軸型の風車において、すべてのブレードの先端部に対してアウターリングが、それぞれ風車の径方向に所定範囲で遊び動作可能に取り付けられていることを特徴とする。
【００２３】
上記解決手段は、大型の風車においては、風車に取り付けられるアウターリングの周長が長大であることに起因して、風車の回転上昇に伴う遠心力により、アウターリングがあたかも直径が拡大するように変形し、その際の変形応力が、そのままブレードに負荷されるのを防止するための有効な手段を示している。
【００２４】
その要旨は、各ブレードの先端部とアウターリングとが、遊び動作可能に連結されることである。ここで、遊び動作とは、不特定の外力ないし内部応力によって自由に動けるという意味である。ただし、アウターリングの遊び動作には、方向付けがなされており、遊び動作の方向は、風車の径方向に設定されている。これにより、アウターリングの直径拡大方向の変形を無理なく吸収し、変形応力が結果的に片持ち支持された各ブレードの基部に集中することを防止する。
【００２５】
本発明としては、大型の風車にアウターリングを適用した場合に生じる問題解決のために、別の解決手段として、ハブの中心を通って下垂する鉛直線とアウターリングとが交わる位置近傍に、アウターリングを下方から支持する１個または２個以上の支持ローラを備えることが好ましい。
【００２６】
上記解決手段は、アウターリングの外周に沿った位置であって、風車のブレードが特定の角度位置をとった際において、隣接するブレード間におけるアウターリングの円弧状スパン部分に動的な変形と静的な変形が合算されて表現されることにより変形の度合いが最大となる位置を重点的に支持し、アウターリングの動作を安定化する有効な手段を示している。
【００２７】
その要旨は、ほぼハブの直下位置近傍にアウターリングを下方から支持する１個または複数個の支持ローラを配置することである。隣接するブレード間におけるアウターリングの円弧状スパン部分が最大に変形するのは、隣接するブレード間におけるアウターリングの円弧状スパン部分が下向きに凸となる姿勢をとる角度位置であって、円弧状スパン部分の両端部に位置する２本のブレードの先端部が同一の水平位置に位置する時点である。これを１２０度の角度間隔で配置された３枚のブレードを有する風車の場合について説明すると、１枚のブレードがハブの上方に直立姿勢をとり、残る２枚のブレードが左右に対称姿勢をとるときである。この姿勢のとき、円弧状スパン部分を支持する左右対称位置の２枚のブレードの先端部の水平距離が最大となるとともに、円弧状スパン部分が自重に対抗する剛性が低下する下向きの凸姿勢をとるからである。この結果、この位置の円弧状スパン部分には、風車の回転動作によるアウターリングの拡大変形に、自重による垂下り変形が加算されて表現されるのである。
【００２８】
すなわち、アウターリングの変形がもっとも顕著になるハブの直下位置近傍に配置された支持ローラは、この部分を重点的に支持することによって、円弧状スパン部分がその左右のブレードに対するぶら下がり荷重となり、結果的に左右のブレードの基部に大きなモーメント荷重として負荷されるのを防止することができる。なお、支持ローラは、従動回転可能とされ、支持ローラとアウターリングとが接触した状態においても、風車の回転動作は許容される。
【００２９】
本発明の水平軸型の風車は、大型の風車にアウターリングを適用した場合に生じる問題解決のために、上記課題の別の解決手段として、主軸に取り付けられたハブに対して少なくとも３枚以上である複数のブレードを等角度間隔で取り付けるとともに、複数のブレードの先端部に、複数のブレードの先端部を含む外接円の直径相当の直径を有する筒状のアウターリングを取り付けてなる水平軸型の風車において、ハブの中心を通って下垂する鉛直線とアウターリングとが交わる位置近傍に、アウターリングを下方から支持する１個または２個以上の支持ローラを備えることを特徴とする。
【００３０】
上記解決手段は、支持ローラが、ブレードに対するアウターリングの取り付け方に関係なく、つまり、アウターリングがブレードに対して遊び動作可能に取り付けられていない場合であっても適用可能であることを示している。なお、アウターリングに対する支持ローラの配置および機能は、支持ローラについて上記したものと同様である。
【００３１】
本発明としては、支持ローラを備える本発明の水平軸型の風車においては、少なくとも１個の支持ローラが回転型アクチュエータによって回転駆動可能とすることができる。
【００３２】
上記解決手段は、支持ローラに対して、アウターリングを支持する本来の機能に加えて、風車のメンテナンス時等において必要となる手動回転機能を追加するものである。手動回転機能は、アウターリングに接触している支持ローラを回転駆動することによって、アウターリングを摩擦伝動によって支持ローラと反対の回転方向に回転駆動するものである。なお、支持ローラを回転駆動するための回転型アクチュエータには、特別の要求はないので、各種の電動機や油圧モータを適宜に使用することができる。
【００３３】
上記支持ローラを回転駆動可能とした水平軸型の風車においては、駆動対象である支持ローラと回転型アクチュエータとの間に、例えば、トルクリミッタまたはオーバランクラッチのような広義の意味におけるトルクリミッタを介装することができる。
【００３４】
トルクリミッタが介装される場合におけるトルクリミッタの伝達トルクは、例えば、支持ローラがアウターリングを駆動する際には機能せず、風車が回転し、アウターリングが支持ローラを駆動する動作に転じた際に機能する値に設定される。回転型アクチュエータが支持ローラを介してアウターリングを駆動する動作は極めて大きな減速比による減速動作であり、したがってトルクリミッタに加わるトルクはごく小さい。一方、アウターリングが支持ローラを介して回転型アクチュエータを駆動する動作は、きわめて大きな増速比による増速動作である。このため、回転している風車に支持ローラが接触した場合には、風車に大きな衝撃荷重が加わり、ブレードの折損等の事故誘因になる恐れがある。そこで、トルクリミッタによって一定の限度を超えるトルクが加わった際において支持ローラと回転型アクチュエータとを切り離し、支持ローラを空転状態とすることによって風車を衝撃荷重から有効に保護することができる。また、風車に対するこのような、保護機能は、オーバランクラッチ（オーバランニングクラッチとも呼ばれる。）を用いることによっても、略同様の機構によって実現される。
【００３５】
支持ローラを備える本発明の水平軸型の風車においては、支持ローラに、支持ローラの回転を制動するブレーキ機構と支持ローラの回転動作を制止するロック機構とのいずれか一方の機構または双方の機構を付設することができる。
【００３６】
上記のように支持ローラ側からアウターリング側に伝達される動作は、大きな減速比による減速動作であるため、支持ローラに作用させる小さな力によってアウターリングに大きな力を作用させることができる。このことは、支持ローラ側にごく小規模のブレーキ機構や簡単なロック機構を設けておくことによって、巨大なイナーシャを有する風車を簡単に制動したり、ロックしたりすることができることを意味する。
【００３７】
支持ローラを備える本発明の水平軸型の風車においては、支持ローラを上下動可能とすることができる。なお、ここで、上下動可能とは、上昇位置と下降位置との二者択一的動作のほか、その中間位置での位置決め動作も可能である趣旨である。
【００３８】
支持ローラにこのような上下動動作機能を付与しておくことで、風車の回転動作に伴うアウターリングの拡大現象に対する支持ローラの最適位置や、風車の停止時における支持ローラの最適位置や、これらの平均的な最適位置をカットアンドトライ手法によって決定することができる他、必要に応じて、アウターリングと支持ローラが接触し得ない位置、または、常時接触する位置を選択することができる。必要に応じてとは、風車のメンテナンスにおいて必要なときや、風車の回転数の測定等に際して必要なときの意味である。
【発明の効果】
【００３９】
本発明は、大方の水平軸型の風車にアウターリングを適用した際に生じる主要な問題、すなわち、巨大風車の回転上昇に伴う遠心力によってアウターリングが大径化するように変形する問題に対して、アウターリングを風車の径方向に遊び動作可能に取り付ける手段を創案するとともに、風車が停止し、または停止に近い状態になった際に、隣接する特定角度位置のブレード間にまたがるアウターリングの円弧状スパン部分の垂れ下がり問題に対して、支持ローラによってアウターリングを下方から支持する手段を創案することによって、これらの問題に起因して風車のブレードの基部に大きなモーメント性荷重が負荷される事態を回避し、アウターリングを支持するための専用部材であるスポーク部材等を使用することなく、大型の風車にアウターリングを無理なく適用することを可能とした。
【００４０】
本発明は、上記の効果に加え、アウターリングと接触する際の上記支持ローラとの動作関係が、支持ローラに対する小さな入力によってアウターリングに大きな力を作用させることができる極めて大きな減速比による減速駆動となる関係に着目し、支持ローラに対し、小規模な駆動手段、制動手段、ロック手段を付設し、巨大イナーシャを有する大型の風車を小さな力で簡単に制御可能とすることによって、従来、風車の主軸系に付設されて巨大な制動力等を必要とした対応する大規模機構を省略可能とした。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の水平軸型の風車の一実施の形態を示す正面図である。
【図２】上記実施の形態に示す水平軸型の風車の側面図である。
【図３】上記実施の形態に示す水平軸型の風車に使用するアウターリングの剛性を説明する線図である。
【図４】上記実施の形態に示す水平軸型の風車の要部の拡大断面図である。
【図５】上記実施の形態に示す水平軸型の風車の動作説明図である。
【図６】上記実施の形態に示す水平軸型の風車の要部の拡大斜視図である。
【図７】上記実施の形態に示す水平軸型の風車の動作説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下、本発明の一実施形態に係る水平軸型の風車を図面を引用しながら説明する。
【００４３】
本発明の水平軸型の風車２０は、例えば、鋼管構造のタワー１０、その他、鉄骨トラス構造の支持鉄塔、高層建築物等の任意形式の支持構造物によって適切な上空位置に設置して用いられる。設置に際して風車２０の主軸Ｘは、ほぼ水平姿勢になるように調節され、主軸Ｘには風車２０に規模に応じた容量の発電機１０Ｇが接続される（図１，図２）。
【００４４】
タワー１０は、所定の高さ位置に設置されるヨーテーブル１０Ｔを挟んで、ヨーテーブル１０Ｔ以下の部分である固定タワー１０Ｂと、ヨーテーブル１０Ｔ以上の部分である可動タワー１０Ａとからなり、発電機１０Ｇは、可動タワー１０Ａの天端に搭載される。風車２０は、ヨーテーブル１０Ｔを駆動することによって可動タワー１０Ａを介してヨー軸Ｙを中心に旋回運動をすることができる。
【００４５】
本発明の水平軸型の風車２０は、アウターリング２Ｒを備える風車本体２０Ａと、風車本体２０Ａを下方から支持する支持機構２０Ｂとからなる（図１，図２）。
【００４６】
支持機構２０Ｂは、本発明に特有の構成部材であり、ヨーテーブル１０Ｔ上に搭載された状態で風車本体２０Ａと特定の位置関係をとるように位置決めされる。したがって、風車本体２０Ａと支持機構２０Ｂの位置関係は、風車本体２０Ａがヨーテーブル１０Ｔを介して風向き方向に追従するようにヨー駆動された場合にも維持される。
【００４７】
風車本体２０Ａの一部を構成するアウターリング２Ｒは、ハブ２Ｈに１２０度の角度間隔で取り付けられた３枚のブレード２Ｂ…の先端部を互いに連結する環状の剛体である。したがって、アウターリング２Ｒの直径は、３枚のブレード２Ｂ…の先端部を通る外接円の直径相当である。これを今日における大型の風車に適用する場合、アウターリング２Ｒは、巨大な環状構造物になる。
【００４８】
ここで、大型の風車２０にアウターリング２Ｒを適用することの利点と、その利点を享受するために必要とされるアウターリング２Ｒの剛性に関する考え方を説明する（図３）。
【００４９】
図３は、縦軸に各ブレード２Ｂの先端部の撓み量（δ）と、各ブレード２Ｂとハブ２Ｈとの取付け部に介装されるピッチ駆動用の取付けベアリングＭに加わる荷重の大きさを表すとともに、横軸にアウターリング２Ｒの剛性の大きさを表し、両者の相関関係をシミュレーションした線図に、風車２０のモデル図を対応させて示す複合図である。図３中の符号Ｐは、各ブレードに加わる総合荷重を示し、Ｐの値は、次式で与えられる。
【００５０】
【数１】
2012255410.tif 000003
【００５１】
上記数式１中、
Ｐｔｈ：ブレード２Ｂ…が前方の風から受けるスラスト力（風速の関数で、各ブレード２Ｂに撓み量δを生じさせる）。
Ｐｒ  ：ブレード２Ｂ…に発生する回転力（スラスト方向と直交する向きに生じる。風速の関数で一方向性）。
Ｐｗ  ：ブレード２Ｂ…の自重が回転角度に従ってサインカーブを描くように変化する交番荷重（スラスト方向と直交する方向）をそれぞれ示す。
また、同図の風車２０のモデル図３中の点線は、互いに隣接するブレード２Ｂ，２Ｂ間にアウターリング２Ｒを支持するために追加されたスポーク部材２Ｓを示し、線図中の点線は、スポーク部材２Ｓの存在によって、増加する風車２０の回転抵抗及び風圧抵抗を示している。これらは、従来技術に関するものであるが、対比の便宜上、同図に併記したものである。
【００５２】
先ず、各ブレード２Ｂに加わる総合荷重は、上記数式１で示され、アウターリング２Ｒを有しない風車は、図３の原点位置で示される。つまり、アウターリング２Ｒを有しないブレード２Ｂは、取付けベアリングＭのみで片持ち支持されており、取付けベアリングＭには、大きなモーメント荷重が負荷されるとともに、ブレード２Ｂの先端部には大きな撓み量δが発生する。このため、一般的な片持ちブレードにおいては、風車２０を大型化するに際して、ブレード２Ｂ自体および取付けベアリングＭの疲労荷重設計がクリティカルになる。
【００５３】
ここで、ブレード２Ｂ…にアウターリング２Ｒを取り付け、アウターリング２Ｒの剛性を漸進的に増大させると、それに応じて、ブレード２Ｂの撓み量δが減少するとともに、取付けベアリングＭに加わるモーメント荷重も漸減する。これは、ブレード２Ｂ…の角度位置ごとに異なる荷重を受けている３枚のブレード２Ｂ…がアウターリング２Ｒによって連結されることにより、荷重負荷の小さいブレード２Ｂが荷重負荷の大きいブレード２Ｂをアウターリング２Ｒを介して支持するように機能するためである。
【００５４】
すなわち、アウターリング２Ｒを介してブレード２Ｂの先端部に支持力が作用すると、作用する支持力に応じて、ブレード２Ｂの基部および取付けベアリングＭに対するモーメント荷重が低減するのである。特に、Ｐｒ，Ｐｗの荷重は、環状に連続するアウターリング２Ｒによって殆ど完全に支持される。なお、残るＰｔｈの荷重は、アウターリング２Ｒによっては軽減することができないが、ブレード２Ｂ…に加わる総合荷重Ｐの値を大きく減少させることができる。したがって、Ｐｔｈ荷重のみに配慮すれば足りるので疲労荷重設計は、格段に容易なものとなる。
【００５５】
図３に示すように、本名発明の水平軸型の風車２０に採用するアウターリング２Ｒとしての必要な剛性は、同図３の丸囲みＢ領域で示す領域に属する範囲で決定することが適切である。この領域においては、ブレード２Ｂ…に加わる荷重低減効果において、丸囲みＡ領域で示すように、スポーク部材２Ｓを設ける場合の荷重低減効果と比較しても大きな遜色がなく、しかも、環状部材であるアウターリング２Ｒの場合には、スポーク部材２Ｓの採用に伴う場合のような、回転抵抗や風圧抵抗の累乗的漸増現象を伴わないからである。
【００５６】
上記のような考え方により必要な剛性を求めたアウターリング２Ｒは、アウターリング２Ｒに負荷された、あるいはアウターリング２Ｒに生じた荷重が各ブレード２Ｂに不用意に伝達されるのを遮断するために各ブレード２Ｂの先端部に対して、風車２０の径方向Ｄ１に遊び動作可能に取り付けられる（図１，図４（Ａ），（Ｂ））。
【００５７】
アウターリング２Ｒを各ブレード２Ｂの先端部に遊び動作可能に取り付ける好ましい構造は、例えば、次のような構造である。各ブレード２Ｂの先端部には、適切な補強部材を介して、頭付のボルトに類する形状のスライド軸２１が取り付けられている（図４）。スライド軸２１は、断面形状が円形の丸棒状である。スライド軸２１の断面形状が円形であるのには、重要な意味がある。一方、アウターリング２Ｒの対応する位置には、スライド軸２１を摺動可能に受け入れるガイド孔２２が設けられている。ガイド孔２２には、アウターリング２Ｒの外周面側において、スライド軸２１の頭部を受け入れるためのザグリ孔が形成されている。
【００５８】
各ブレード２Ｂに対するアウターリング２Ｒの取付けは、各ブレード２Ｂの先端にガイド孔２２を対応させて、ガイド孔２２にスライド軸２１を挿通し、挿通したスライド軸２１をブレード２Ｂに固定する要領で実施する。取り付けられたアウターリング２Ｒは、風車２０の径方向Ｄ１にガイド孔２２の長さとスライド軸２１の長さの差長分の遊び動作をすることができる。また、スライド軸２１が丸棒状であることにより、各ブレード２Ｂは、アウターリング２Ｒの取り付けられた状態において、ピッチ駆動することができる。
【００５９】
風を受けた風車２０がハブ２Ｈを中心に回転すると、風車２０の回転速度によっては、アウターリング２Ｒに自重の数倍の大きな遠心力が加わることが想定される（図５）。この遠心力は、風車２０の半径をｒとするとき、次式で示される。
【００６０】
【数２】
2012255410.tif 000004
【００６１】
遠心力自体は、中心位置のハブ２Ｈから遠ざかる向きに作用する力であるが、この力が環状であるアウターリング２Ｒの全周に均等に加わることにより、アウターリング２Ｒに対しては、その周長を引き伸ばす向きの引張り力として作用する。このため、完全剛体ではありえず、また、大型の風車２０においては長大な周長を有するアウターリング２Ｒは、その半径ｒが拡大するような変形挙動をすることになる（同図５の一点鎖線で示す）。各ブレード２Ｂに対するアウターリング２Ｒの遊び動作は、この際の変形挙動を無理なく吸収する。なお、このような効果は、遠心力によるアウターリング２Ｒの直径拡大現象ばかりでなく、熱膨張或いは、各ブレードの長さ方向の寸法誤差等に起因する直径方向の調整機能に対しても、遺憾なく発揮される。
【００６２】
巨大なアウターリング２Ｒを備える風車本体２０Ａには、アウターリング２Ｒの自重による静的変形を一定限度に抑制するとともに、アウターリング２Ｒの重量による荷重がブレード２Ｂ…に加わるのを軽減するための支持機構２０Ｂが組み合わされている（図１，図２）。支持機構２０Ｂは、ヨーテーブル１０Ｔ上にハブ２Ｈの直下位置に一致させるように設置される。支持機構２０Ｂの基本的機能は、風車本体２０Ａの回転動作を阻害することなくアウターリング２Ｒを下方から支持する機能である。
【００６３】
好ましい支持機構２０Ｂの具体的構造は、例えば、次のような構造である。支持機構２０Ｂを構成する上での配慮事項は、風車２０全体の前面投影面積をできるだけ増加させないようにコンパクトにまとめることである（図６）。
【００６４】
ヨーテーブル１０Ｔに対する据付け部材としての角型の固定ベース２３上に、カバー２５を有する可動シャーシ２４が搭載されている。可動シャーシ２４は、固定ベース２３の四隅位置に立設する４本のスライドガイド３Ｇ…と、固定ベース２３の中心位置に立設するパワーシリンダ３Ｅを介して上下動自在に搭載されている。したがって、可動シャーシ２４に搭載される部材の総体をそれらの相対位置関係を維持して上下動させることができる。
【００６５】
可動シャーシ２４には、２個の支持ローラ３Ｒ，３Ｒが、回転可能に並設されている。２個の支持ローラ３Ｒ，３Ｒは、重量物を支持可能に設計された同一仕様によるものであり、互いに独立している。一方の支持ローラ３Ｒには、ブレーキ機構３Ｂが組み付けられ、支持ローラ３Ｒの回転動作を制動または制動力の限りにおいてロックすることができる。他方の支持ローラ３Ｒには、オーバランクラッチ等を含む意味におけるトルクリミッタ３Ｃを介して回転型アクチュエータ３Ｍとしての手動モータが接続されている。なお、手動モータとは、オープンループでオンオフさせるモータという意味である。また、２個の支持ローラ３Ｒ，３Ｒ間には、ロックピンを上方に向けた状態でアウターリング２Ｒの動きを制止するためのロック機構３Ｐが配置されている。このロック機構３Ｐの実質は、電磁ソレノイドそのものであるといえる。
【００６６】
支持機構２０Ｂに付属するカバー２５には、カバー２５を取り付けた状態で支持ローラ３Ｒ，３Ｒおよびロック機構３Ｐを機能させるための各種の透孔３Ｈ…が形成されている。
【００６７】
上記のように構成された支持機構２０Ｂは、支持ローラ３Ｒ，３Ｒの軸が風車本体２０Ａの主軸Ｘと平行の位置関係に揃うようにしてヨーテーブル１０Ｔ上に設置される（図１，図２）。設置された支持機構２０Ｂは、風車本体２０Ａが回転動作をしてアウターリング２Ｒに大きな遠心力が作用している場合に、アウターリング２Ｒと２個の支持ローラ３Ｒ，３Ｒとが非接触状態を維持し（図５）、風車本体２０Ａが停止するか停止に近い回転状況となった際において、２個の支持ローラ３Ｒ，３Ｒが自重によって垂下がり変形したアウターリング２Ｒ（図７に一点鎖線で示す）と接触する高さ位置に位置決めして利用される（図７）。
【００６８】
風車本体２０Ａと支持機構２０Ｂとの上記のような位置関係の設定により、支持機構２０Ｂは、風車本体２０Ａの発電動作には何らの影響を及ぼすことなく、巨大なアウターリング２Ｒを備える風車本体２０Ａの回転数が一定限度以下に低下した際に生じるアウターリング２Ｒの垂下がり変形を一定限度に規制する基本機能を発揮することができる。
【００６９】
支持機構２０Ｂは、その追加的機能として、回転型アクチュエータ３Ｍによって一方の支持ローラ３Ｒを積極駆動し、支持ローラ３Ｒに接触しているアウターリング２Ｒとの間の摩擦伝動によって風車本体２０Ａを手動回転させることができる（図６，図７）。また、支持機構２０Ｂは、ロック機構３Ｐのロックピンを上方に突出させる向きに作動させ、風車本体２０Ａの回転動作を完全に制止することもできる。すなわち、アウターリング２Ｒには、ロックピンを受け入れる図示しないロック孔が形成されている。
【００７０】
支持機構２０Ｂは、その他の追加的機能として、風車本体２０Ａにブレーキを掛け、例えば、風車本体２０Ａの回転速度が危険な領域に到達するのを防止することができる。風車本体２０Ａの制動操作は、支持機構２０Ｂを上昇させ２個の支持ローラ３Ｒ，３Ｒを回転している風車本体２０Ａのアウターリング２Ｒに接触させることで足りる。この際の制動力は、支持ローラ３Ｒ，３Ｒの回転抵抗がアウターリング２Ｒを介して風車本体２０Ａの回転負荷となることによって発揮されることとなる。また、さらに強力な制動力が必要とされる場合には、一方の支持ローラ３Ｒに組み付けられたブレーキ機構３Ｂを作動させることができる。
【００７１】
支持機構２０Ｂが有するこれらの追加的機能は、風車本体２０Ａの安全動作やメンテナンス上において有用である。また、これらの追加的機能は、小規模かつごく簡単な装置ではあるものの、風車本体２０Ａに対して主軸Ｘから離れた風車本体２０Ａの外周位置から風車本体２０Ａに作用させるものであるため、従来、主軸Ｘ系統に対して設置されていた大規模かつ非常に強力なこれらの機構に代替させることが可能である。
【符号の説明】
【００７２】
２０    風車、
２０Ａ  風車本体、
２０Ｂ  支持機構、
２Ｂ    ブレード、
２Ｈ    ハブ、
２Ｒ    アウターリング、
３Ｂ    ブレーキ機構、
３Ｃ    トルクリミッタ、
３Ｍ    回転型アクチュエータ、
３Ｐ    ロック機構、
３Ｒ    支持ローラ、
Ｘ      主軸
【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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【図６】
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【図７】
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