JP2017180232A - 風車装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ポール状の支持体でブレードを支持しながらブレードの大型化や多段化を達成できる風車装置を提供する。【解決手段】風車装置１は、ブレード２を有する回転部３と、回転部３を回転自在に支持する支持筒１１と、支持部４と回転部３との間に介在する軸受部５とを備える。回転部３は、回転主軸６と、一端がブレード２の上側部分に固定され、他端が回転主軸６の上端部に固定されるブレード取付部材７と、一端がブレード２の下側部分に固定されたブレード支持部材８とを備える。軸受部５は、支持筒１１の上端部と回転主軸６の上端部との間に介在するスラスト方向及びラジアル方向の上端部軸受部１８と、ブレード支持部材８の他端部と支持筒１１との間に介在するラジアル方向の下方軸受部１９とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、周方向に間隔を有する複数のブレードにより風力を受けて鉛直軸線周りの回転力が付与される風車装置に関する。

従来、風力発電に使用される風車装置として、直線翼垂直軸型風車が知られている。直線翼垂直軸型風車は、周方向に間隔を有する複数のブレードにより風力を受けて鉛直軸線周りの回転力が付与される回転部と、回転部を鉛直軸線周りに回転自在に支持する支持部と、支持部と回転部との間に介在する軸受部とを備える。

このような直線翼垂直軸型風車として、センターポールの上端部に発電機を設け、発電機のロータに風車の回転部の回転主軸を直結したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、風車専用の軸受を設け、これにより風車の回転主軸を保持するようにしたものも知られている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に記載された直線翼垂直軸型風車では、ポール形のベース部の上端に、ベアリングを介して回転シャフトを回転自在に立設し、該回転シャフトの上側に風車を一体的に設けている。

さらに、枠体により、ベアリングを介して風車の回転主軸を保持するものも知られている（例えば、特許文献３参照）。特許文献３の風車では、上下方向に２段で構成されたブレードを有する風車の回転主軸を、枠体により保持されたベアリングにより、鉛直軸方向に離れた２箇所において支持している。回転主軸の下端部は、発電機のロータに結合されている。

特開２０１５−１２９４７１号公報 特開２００３−３１４４２９号公報 特開２０１１−９９４１８号公報

しかしながら、上記のようにセンターポールの上端部で発電機のロータに風車の回転主軸を直結したものや、ポールの上端部で風車の回転主軸を保持するものにおいては、風車の回転主軸がその下端部においてのみ保持される。このため、風車のブレードで風を受けると、回転主軸とその軸受部に大きい曲げモーメントによる荷重が負荷される。したがって、風車の大型化や多段化は困難である。

大型化や多段化を実現するためには、上記特許文献３に記載の風車のように、風車の外側に枠体を構成し、鉛直方向の数個所で回転主軸を支持する必要がある。そうすると、構成が大きくなるので、より広い設置スペースを要することになる。

本発明の目的は、かかる従来技術の課題に鑑み、ポール状の支持体でブレードを支持しながらブレードの大型化や多段化を達成できる風車装置を提供することにある。

第１発明に係る風車装置は、
周方向に間隔を有する複数の第１のブレードにより風力を受けて鉛直軸線周りの回転力が付与される回転部と、
前記回転部を前記鉛直軸線周りに回転自在に支持する支持部と、
前記支持部と前記回転部との間に介在する軸受部とを備え、
前記回転部は、
前記鉛直軸線を中心軸線とする回転主軸と、
一端が前記第１のブレードの上側部分に固定され、他端が前記回転主軸の上端部に固定されるブレード毎のブレード取付部材と、
一端が前記第１のブレードの下側部分に固定され、他端側が前記回転主軸に向けて延びたブレード毎の第１のブレード支持部材とを備え、
前記支持部は、前記回転主軸が内部に同心状に位置する支持筒を備え、
前記軸受部は、
前記支持筒の上端部と前記回転主軸の上端部との間に介在してスラスト方向及びラジアル方向の支持を行う上端部軸受部と、
前記上端部軸受部より下方に位置し、前記第１のブレード支持部材の他端部と前記支持筒との間に介在してラジアル方向の支持を行う第１の下方軸受部とを備えることを特徴とする。

第１発明によれば、回転部の回転主軸を支持筒内に配置し、回転部を、支持筒によって、上端部軸受部を介してスラスト方向及びラジアル方向に支持するとともに、第１の下方軸受部によりラジアル方向に支持するようにしている。このため、大きい風速の風や突風により回転部が大きな力を受けた場合でも、支持部による回転部の支持を支障なく維持することができる。

すなわち、上下方向に離れた位置で回転部を支持するベアリングを保持する枠体を回転部の外側に設ける必要なく、回転部の回転主軸をポール状の支持体である支持筒により強固に支持することができる。これにより、簡便でコンパクトな構成でブレードの大型化や多段化を容易に達成することができる。

第２発明に係る風車装置は、第１発明において、
前記回転部は、
各第１のブレードの下方に位置する第２のブレードと、
一端が前記第２のブレードの下側部分に固定され、他端側が前記支持筒に向けて延びたブレード毎の第２のブレード支持部材とを備え、
前記第１のブレード支持部材の一端は、前記第２のブレードの上側部分にも固定され、
前記軸受部は、前記第２のブレード支持部材の他端部と前記支持筒との間に介在するラジアル方向の第２の下方軸受部を備えることを特徴とする。

第２発明によれば、ブレード、ブレード支持部材及び下方軸受部を追加するだけで、容易に複数段のブレードを有する風車装置を形成することができる。

第３発明に係る風車装置は、第１発明において、
前記回転部は、前記支持筒の外側に設けられる回転筒を備え、
前記上端部軸受部は、前記支持筒と前記回転筒との間に位置してラジアル方向の支持を行う軸受を有し、
前記第１のブレード支持部材の他端は前記回転筒に固定され、
前記下方軸受部は、前記支持筒と前記回転筒との間に位置することを特徴とする。

第３発明によれば、回転部の一部としてブレード支持部材の他端が固定される回転筒を採用し、支持筒と回転筒の間に上端部軸受部のラジアル方向の軸受及び下方軸受部を設けたので、該ラジアル方向の軸受及び下方軸受部として、サイズの小さいボールベアリング等を採用することができる。したがって、回転筒の径を大きくすることなく、支持筒として、径の大きいものを容易に採用することができる。

第４発明に係る風車装置は、第３発明において、
前記回転部は、
各第１のブレードの下方に位置する第２のブレードと、
一端が前記第２のブレードの上側部分に固定され、他端側が前記回転筒に固定されたブレード毎の第２のブレード支持部材と、
一端が前記第２のブレードの下側部分に固定され、他端側が前記回転筒に固定されたブレード毎の第３のブレード支持部材とを備えることを特徴とする。

第４発明によれば、ブレード、ブレード支持部材及び下方軸受部を追加するだけで、容易に複数段のブレードを有する風車装置を形成することができる。

第５発明に係る風車装置は、第１〜第４のいずれかの発明において、前記支持筒の外面に発電機のステータを有し、該発電機のロータを前記回転部上に有することを特徴とする。第５発明によれば、支持筒と回転部の間に発電機が構成されるので、省スペースを図ることができる。また、発電機自体を下方軸受部として機能させることもできる。

第６発明に係る風車装置は、第１〜第５のいずれかの発明において、前記回転主軸の下端部に発電機のロータが結合していることを特徴とする。第６発明によれば、発電機が風車装置の回転主軸の下端部に構成されるので、発電機のメンテナンスの容易化を図ることができる。

第７発明に係る風車装置は、第１〜第６のいずれかの発明において、前記下方軸受部は、磁気軸受、又はばねで前記支持筒の方に付勢されたローラを有することを特徴とする。第７発明によれば、支持筒と回転部との間の隙間の製造誤差や風力による変動に拘わらず、支持筒の周りで回転部を極力少ない摩擦で支障なく回転させることができる。

本発明の一実施形態に係る風車装置の断面図である。 図１の風車装置のII−II線断面図である。 本発明の他の実施形態に係る風車装置の要部の断面図である。 風車装置の下方軸受部の変形例を示す図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。本発明の第１実施形態に係る風車装置は、風力発電に適した直線翼垂直軸型風車である。図１に示すように、この風車装置１は、周方向に間隔を有する複数のブレード２により風力を受けて鉛直軸線周りの回転力が付与される回転部３と、回転部３を鉛直軸線周りに回転自在に支持する支持部４と、支持部４と回転部３との間に介在する軸受部５とを備える。ブレード２としては、円弧形状や対称翼形状等の翼断面形状を有する直線翼が用いられる。

回転部３は、鉛直軸線を中心軸線とする回転主軸６と、一端がブレード２の上側部分に固定され、他端が回転主軸６の上端部に固定されるブレード取付部材７と、一端がブレード２の下側部分に固定され、他端側が回転主軸６に向けて延びたブレード支持部材８とを備える。

ブレード取付部材７及びブレード支持部材８は、ブレード毎に設けられる。ブレード取付部材７は、これを貫通して上方に突出した回転主軸６上端のボルト部分に螺合するナット９でブレード取付部材７を回転主軸６に締結することにより、回転主軸６に固定される。この締結部分は、カバー１０で覆われる。

支持部４は、回転主軸６が内部に同心状に配置される支持筒１１を備える。支持筒１１は、発電機１２を収納した発電機収納部１３の天板上に、鉛直上方に向けて立設される。発電機収納部１３及び発電機１２は、設置面１４上の基台１５の上に設けられる。

発電機収納部１３の天板には、支持筒１１下端の開口に対応する部分に貫通孔１６が設けられる。この貫通孔１６を介して、回転主軸６の下端部が発電機１２のロータに連結される。支持筒１１の下端部の内側には、回転主軸６の下端部を回転自在に支持するラジアル軸受１７が設けられる。

軸受部５は、支持筒１１の上端部と回転主軸６の上端部との間に介在するスラスト方向及びラジアル方向の上端部軸受部１８と、ブレード支持部材８の他端部と支持筒１１との間に介在するラジアル方向の下方軸受部１９とを備える。下方軸受部１９としては、本実施形態では磁気軸受が用いられる。

上端部軸受部１８は、支持筒１１の上端部の内側に固定された固定部材２０とブレード取付部材７の下面との間に設けられるスラスト軸受２１と、この固定部材２０と回転主軸６との間に設けられるラジアル軸受２２とで構成される。

スラスト軸受２１及びラジアル軸受２２としては、例えば、玉軸受を用いることができるが、他の磁気軸受等を用いてもよい。また、上端部軸受部１８は、１つのスラスト自動調心ころ軸受で構成してもよい。

ブレード取付部材７の下面には、支持筒１１の上端部の周囲を囲うことにより、該下面と支持筒１１の上端面との間の間隙から雨水等が上端部軸受部１８の方に浸入するのを防止する円筒状の隔壁２３が設けられる。また、必要に応じて、ブレード２の支持力を補強するための、補強ステー２４が設けられる。

図２に示すように、下方軸受部１９は、各ブレード支持部材８の他端部に設けられた永久磁石片２５と、これに対応する高さ位置において支持筒１１の周囲に設けられた永久磁石帯２６により構成される。永久磁石片２５と永久磁石帯２６は、同極同士が対向してその反発力により非接触ベアリングとして機能するように構成される。

この構成において、ある程度の風速の風がブレード２に当たると、各ブレード２に生じる揚力の作用によって回転部３が回転を開始する。この回転部３の回転力が回転主軸６を介して発電機１２のロータを回転させることにより、発電機１２が稼働し、発電が行われる。

この発電中に、風を受けることによって各ブレード２に加わる力は、上端部軸受部１８を介して支持筒１１の上端部により支持されるとともに、下方軸受部１９を介して支持筒１１の外面により支持される。したがって、風速が上昇したり突風が吹いたりして、大きな力が各ブレード２に加わった場合でも、かかる力は、上端部軸受部１８及び下方軸受部１９に分散して、支持筒１１により支障なく支持される。

第１実施形態によれば、回転部３の回転主軸６を支持筒１１内に配置し、回転部３を、支持筒１１上の上端部軸受部１８によりスラスト方向及びラジアル方向に支持するとともに、下方軸受部１９によりラジアル方向に支持するようにしている。

このため、回転部３の外側に枠体を設け、これによって回転主軸６を支持する複数のベアリングを保持する必要なく、回転部３の強固な支持を達成することができる。したがって、回転主軸６を支持するベアリングを保持する枠体を回転部３の外側に構成する必要がないので、簡便でコンパクトな構成でブレード２の大型化や、次のようにして多段化を達成することができる。

第２実施形態に係る風車装置１は、第１実施形態の風車装置において、各ブレード２の下方にブレード２７を追加した構成を有する。すなわち、ブレード２は本発明の第１のブレードに相当する。追加したブレード２７は、本発明の第２のブレードに相当し、図１において二点鎖線で示されている。なお、前述の補強ステー２４及び後述の発電機３０の部分も二点鎖線で示されている。

この場合、ブレード支持部材８の一端は、ブレード２７の上側部分にも固定される。すなわち、ブレード支持部材８は、ブレード２及びブレード２７の双方を支持しており、本発明の第１のブレード支持部材に相当する。

また、回転部３は、さらに、一端がブレード２７の下側部分に固定され、他端側が支持筒１１に向けて延びた別のブレード支持部材２８をブレード毎に備える。

また、軸受部５は、ブレード支持部材２８の他端部と支持筒１１との間に介在するラジアル方向の別の下方軸受部２９を備える。すなわち、この場合、上述の下方軸受部１９は、本発明の第１の下方軸受部に相当し、下方軸受部２９は、本発明の第２の下方軸受部に相当する。

また、下方軸受部２９に隣接した支持筒１１の外面に発電機３０のステータ３１が設けられ、該発電機のロータ３２が回転部３のブレード支持部材２８に設けられる。可能な場合には、発電機３０自体が下方軸受部としても機能するものであってもよい。

第２実施形態によれば、回転部３を支持部４で強固に支持しながら、ブレードの構成を容易にブレード２及びブレード２７の２段構成とすることができる。なお、同様に第３のブレード等を追加して、３段以上の多段構成としてもよい。

図３は、第３実施形態に係る風車装置の要部の断面図である。図３において、図１中の要素と同様の要素については、同じ符号が付されている。この風車装置３３では、回転部３４は、支持筒１１の外側に設けられる回転筒３５を備える。上端部軸受部３６は、ラジアル方向の軸受として、支持筒１１と回転筒３５との間に設けられるボールベアリング３７を備える。

ブレードとしては、第１のブレードとしてのブレード３８とその下方の第２のブレードとしてのブレード３９を有し、これらは分離している。

回転部３４は、一端がブレード３８の下側部分に固定され、他端が支持筒１１に向けて延びて回転筒３５に固定されたブレード支持部材４０と、一端がブレード３９の上側部分に固定され、他端が同様に回転筒３５に固定されたブレード支持部材４１と、一端がブレード３９の下側部分に固定され、他端が同様に回転筒３５に固定されたブレード支持部材４２とを備える。

また、下方軸受部として、ブレード支持部材４２の他端部と支持筒１１との間に回転筒３５を挟んで介在するラジアル方向のボールベアリング４３を備える。ボールベアリング４３は、支持筒１１と回転筒３５との間に設けられる。他の点については、第１実施形態や第２実施形態の場合と同様である。

第３実施形態によれば、上記第１実施形態及び第２実施形態の場合と同様の作用効果を奏するとともに、支持筒１１の径がある程度以上大きい場合でも、下方軸受部を容易に構成することができる。

すなわち、第１実施形態及び第２実施形態の場合に、下方軸受部として滑り軸受や磁気軸受を用いた場合、支持筒１１の径が大きくなると軸受のサイズも大きくなるが、第３実施形態の場合には下方軸受部としてボールベアリング４３が用いられるので、軸受のサイズを大きくする必要なく下方軸受部を構成することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、本発明は、ブレードにより風力を受けて鉛直軸線周りに回転する風車であれば、他の形式の風車、例えば、ダリウス型やジャイロミル型の風車にも適用することができる。

また、下方軸受部１９は、図４のように、支持筒１１の外周を転動するローラ４４を、スプリングばね４５を介してブレード支持部材８の先端部に取り付けて構成したものであってもよい。この場合、スプリングばね４５は、ローラ４４を支持筒１１の外面に対して適切な力で押し付けるように作用する。また、発電機１２は、図１において二点鎖線で示してあるように、回転主軸６及び支持筒１１の上部に設けてもよい。

１…風車装置、２、２７、３８、３９…ブレード、３、３４…回転部、４…支持部、５…軸受部、６…回転主軸、７…ブレード取付部材、８、２８、４０、４１、４２…ブレード支持部材、１１…支持筒、１８…上端部軸受部、１９…下方軸受部、３５…回転筒、３１…ステータ、３２…ロータ、４４…ローラ、４５…スプリングばね。

Claims (7)

1. 周方向に間隔を有する複数の第１のブレードにより風力を受けて鉛直軸線周りの回転力が付与される回転部と、
   前記回転部を前記鉛直軸線周りに回転自在に支持する支持部と、
   前記支持部と前記回転部との間に介在する軸受部とを備え、
   前記回転部は、
   前記鉛直軸線を中心軸線とする回転主軸と、
   一端が前記第１のブレードの上側部分に固定され、他端が前記回転主軸の上端部に固定されるブレード毎のブレード取付部材と、
   一端が前記第１のブレードの下側部分に固定され、他端側が前記回転主軸に向けて延びたブレード毎の第１のブレード支持部材とを備え、
   前記支持部は、前記回転主軸が内部に同心状に位置する支持筒を備え、
   前記軸受部は、
   前記支持筒の上端部と前記回転主軸の上端部との間に介在してスラスト方向及びラジアル方向の支持を行う上端部軸受部と、
   前記上端部軸受部より下方に位置し、前記第１のブレード支持部材の他端部と前記支持筒との間に介在してラジアル方向の支持を行う第１の下方軸受部とを備えることを特徴とする風車装置。
2. 前記回転部は、
   各第１のブレードの下方に位置する第２のブレードと、
   一端が前記第２のブレードの下側部分に固定され、他端側が前記支持筒に向けて延びたブレード毎の第２のブレード支持部材とを備え、
   前記第１のブレード支持部材の一端は、前記第２のブレードの上側部分にも固定され、
   前記軸受部は、前記第２のブレード支持部材の他端部と前記支持筒との間に介在するラジアル方向の第２の下方軸受部を備えることを特徴とする請求項１に記載の風車装置。
3. 前記回転部は、前記支持筒の外側に設けられる回転筒を備え、
   前記上端部軸受部は、前記支持筒と前記回転筒との間に位置してラジアル方向の支持を行う軸受を有し、
   前記第１のブレード支持部材の他端は前記回転筒に固定され、
   前記下方軸受部は、前記支持筒と前記回転筒との間に位置することを特徴とする請求項１に記載の風車装置。
4. 前記回転部は、
   各第１のブレードの下方に位置する第２のブレードと、
   一端が前記第２のブレードの上側部分に固定され、他端側が前記回転筒に固定されたブレード毎の第２のブレード支持部材と、
   一端が前記第２のブレードの下側部分に固定され、他端側が前記回転筒に固定されたブレード毎の第３のブレード支持部材とを備えることを特徴とする請求項３に記載の風車装置。
5. 前記支持筒の外面に発電機のステータを有し、該発電機のロータを前記回転部上に有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の風車装置。
6. 前記回転主軸の下端部に発電機のロータが結合していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の風車装置。
7. 前記下方軸受部は、磁気軸受、又はばねで前記支持筒の方に付勢されたローラを有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の風車装置。

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