JPH0260869B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は発電機等を駆動するウインドミルに関
し、特に長手軸に回転可能なベーン又はウイング
（以下、ベーンという）を風の方向に対して最適
角度に設定する装置に係わる。各ベーンはロータ
に対して個々に回転可能に支持されており、すべ
てのベーンは共にヒンジ結合手段によつて中央締
結部に結合されている。

回転可能なベーンの風の方向に対する最適位置
を論ずる場合、ベーンの基準線に対して風の相対
導入角が変化した時に変化する、リフト、抵抗、
動力および結合特性に相当するデイメンジヨンの
ない係数C_L，C_D，C_P，C_Mの特質を参照する必要
がある。

休止位置にあるウインドミルが始動する際の始
動カツプリング特性を向上し、発電機の過負荷に
対してウインドミルを保護し、更に過度の速度や
非常な高速に対してウインドミルを保護するため
に、すべてのウイングの形状に対して有効な上記
特性が利用される。

本発明は特に、駆動シヤフトの長手方向に沿つ
て生ずるこれらの軸方向の力が吸収されかつ調整
可能なベーンの配置がプログラムされた信頼性の
あるユニツトで行なわれるこの種のウインドミル
用の装置を提供することを目的とする。

このため、ベーンがヒンジ結合される上記締結
部は、その長手軸に沿つて前後に移動可能な制御
シヤフトに固定され、この制御シヤフトの前記移
動により、上記中央締結部とヒンジ軸との間の前
記ヒンジ結合部を介してベーンの回転が行なわ
れ、前記ヒンジ軸は各ベーンの長手軸に対して偏
心してそのベーンの脚部に位置している。

発明の１つの特徴的構成によると、前記制御シ
ヤフトはギヤボツクスの中空シヤフトに軸方向に
は可動に、しかし回転方向には不動に連結される
と共に、ロータから突出したその端部がベアリン
グハウジングとして構成されたカツプリング部の
内部に位置し、このカツプリング部は前記制御シ
ヤフトの延長部に存在するピストンロツドに連結
され、前記ベアリングハウジングはウインドミル
の固定構成部材と前記ギヤボツクス中空シヤフト
との間にあり、該中空シヤフトはロータに連結さ
れ、もつて前記制御シヤフト、従つてそれに連結
された締結部の移動によりベーンの角度位置を設
定するようにした。

また、本発明の実施態様によれば、ピストンロ
ツドは液圧で制御され、シリンダ内のピストンの
いずれかの側にかけられる前記液圧の変化は、例
えばウインドミル休止位置での始動カツプル、最
適回転速度を越える発電機の過負荷、ウインドミ
ルの非常に高速度の発生等の各種のパラメータに
基づいて制御され、更に前記シリンダはオイル圧
力ポンプに取り付けられたオイルラインに接続さ
れ、該オイルラインには前記液圧変化を行なわせ
るバルブが設けられている。

以下、添付図面に示した実施例に基づいて本発
明を詳細に説明する。

まず最初、本発明に係わる装置について詳しく
説明する前に、上述の形式のウインドミルの回転
可能なベーンを所望の最適位置に設定するための
基本をなす現象について説明する。

図において、各種のパラメータを次のとおり定
義する。

VW：風速 Ωｒ：ベーンの周速度 Vrel：風の相対導入速度 αA：最適相対導入角度 導入角として知られる角度はベーンの基準線に
関して測定される。このことは第１図において、
角度αがベーン又はウイングＷの基準線ｒと風の
方向に対応する直線r′との間で測定される場合に
明瞭である。この角度はウインドミルを始動する
時最適の導入角でないと定められる。始動カツプ
ルを休止位置のウインドミルと共に増加すること
を望む場合、第２図に示すように、ウイングＷの
基準線ｒを同ウイングの基準線r″まで持つて来る
ことが必要である。Ω・ｒ＝０について、位置Ａ
からＢまで（第２図）ウイング又はベーンを回転
すると、係数C_Lが増加し、ベーンの始動カツプ
ルが増加することは明らかである。

風速が通常の値より高い時、前記ベーンＷ（第
３図）は角度αAの位置にとどまり、電力は第３
の力に基づいて風速に従がう。従つて、発生した
電力は許容最高値より高くなる可能性がある。従
つて、ベーンＷは位置W′（第３図）へ移動せざる
をえない。この結果、C_L，C_DおよびC_Pが低下す
る。これによつて、αAの値により発生する電力
の値を制限することができる。

高い風速によりロータの回転速度が高くなりす
ぎた時、機械的構造又は構成部材に重大な破損を
生ずることがありうる。第３図から明らかなこれ
らの特性を使用することにより、リフト系数もま
た減少し、これにより回転速度の制限を行なう。

風速が非常に高くなつた場合、ベーンはいわゆ
る羽根位置まで回転せざるをえない。この羽根位
置を第４図に示している。ベーンがこの位置まで
回転した時、リフトおよび抵抗係数並びにその結
果の力は最小となる。その結果、ロータの周速度
が低下し、かつベーンおよびそれに連結された機
械構成部材の負荷が小さくなる。

上述のような角度変化を得るために、すべての
ベーンはその長手軸まわりに同期して回転しなけ
ればならない。これによつて、次の条件が満たさ
れなければならない。

ベーンはロータ又はロータヘツドにそれぞれ
個々に支持されなければならない。

ベーンはこれらのベーンがそれぞれ他のパラメ
ータから独立して風に対して同じ位置となるよう
に相互に連結されなければならない。

所望のベーン回転を保証するコントロールユニ
ツトが設けられ、ベーンに所望の修正を与えるこ
とのできるすべてのパラメータを測定し、検出す
るモニターユニツトが設けられなければならな
い。

第５図に長手方向断面で図解的に示す如く、ま
た液圧制御の実際の実施例を第６図に示す如く、
上述した既知のパラメータに基づいて前記ベーン
の回転が保証される。

装置のこの位置を第５図に示しており、ベーン
１がどのようにロータヘツド３上の長手軸２まわ
りに回転可能に取り付けられているかを示してい
る。ベーン１はその脚部１′がリングベアリング
４によつてロータに対して回転可能に取り付けら
れている。ヒンジ結合部５によつて各ベーンが偏
心ヒンジ軸６に連結されかつアーム７はヒンジ軸
８によつて中央締結部９に結合されている。この
締結部９は制御シヤフト１０に固定されている。
ロータヘツド３を貫通して外部へ突出している制
御シヤフト１０の端部はスピンドルシヤフト１１
として形成されており、このスピンドルシヤフト
はスプラインチユーブ１２に対して摺動するが回
転はしないようになつている。

従つて、制御シヤフト１０はそれに結合された
締結部９およびロータヘツド３と共に回転する
が、またその長手軸に沿つて前後に摺動すること
もできる。このような動きにより、ベーン１の位
置に関して直接の作用があり、これらのベーンは
風の方向に対して同期的に同じ位置をとる。

制御シヤフト１０の長手方向の運動を液圧的に
作用させるために、一方において制御シヤフト１
０の長手方向に沿つて発生する力を吸収し、他方
において後に詳述するように公知のパラメータに
従つてピストンを液圧的に作用させることにより
同シヤフト１０の非常に信頼性のある制御を可能
ならしめる。

制御シヤフト１０の長手方向の移動に対する作
用を可能ならしめかつ同シヤフトの長手方向に沿
つた上述の力を取り除くために、制御シヤフト１
０はギヤボツクス１４の中空シヤフト１３に軸方
向には可動し、しかし回転方向には不動に連結さ
れる。シヤフト１３はその長さ方向に沿つて中空
シリンダ状チヤンバ１５が形成され、そのにベル
ヴイレ・ワツシヤ（皿ばね）１６が支持されてい
る。これらのベルヴイレ・ワツシヤ１６は一端が
シヤフト１３の一部であるシリンダ状中空チヤン
バ１５の底部に対抗し、その他端がリング１７に
対抗している。これらの部材は、ベアリング１
８，１９と共に両方向の圧力を吸収することがで
きる。

リング１７およびベアリング１８，１９はカツ
プリング部２０の内部構成部材であり、その外側
はベルヴイレ・ワツシヤ（皿ばね）２１に対抗
し、そのワツシヤの他端はウインドミル構造の一
部である固定部材２２に対抗している。カツプリ
ング部の内部には、制御シヤフト１０がベアリン
グ１８，１９間のデイスク状ヘツド２３と共に保
持されている。外側において、カツプリング部２
０はその底部でもつてピストンロツド２４に固着
されている。ピストンロツドの他端にはデイスク
状ピストンが設けてあり、そのピストンは圧力シ
リンダ２６内部に支持されている。

ピストン２５は液圧が圧力シリンダ２６のポー
トＡ又はポートＢのいずれに存在するかに応じて
左右方向に移動することができる（第６図）。

上述から明らかなように、ピストンロツド２４
の各直線運動はモータの回転に伴なつてベーン１
の回転運動に変換することができる。

第６図から明らかなように、液圧シリンダ２６
は液圧システム内部に取付けられ、この液圧シス
テムはオイルポンプ２７および一連のオイルライ
ンを備え、これらのオイルラインは液圧シリンダ
２６のポートＡおよびポートＢで終結している。

この装置の作用および液圧ダイヤグラムについ
て次の４つの条件に基づいて詳しく説明する。

(1) ウインドミルの休止位置 モータが休止位置にある時、液圧ピストン２
３はベルヴイレ・ワツシヤ１６，２１の圧力に
より、カツプリング部２０の両側の圧力が等し
くなるような位置となる。液圧ピストン２３の
この位置はベーン１の特定の調整値に対応す
る。この状態は第２図に示すベーンの始動位置
を決定する。ベーンがこのような位置にあると
き、ウインドミルは増加した始動モーメントを
得、そして軽い風とともに、既にゆつくりと回
転する。回転速度が零と異なる時点において、
バルブ２８，２９が励起される。第６図ではこ
れらのバルブが励起されていない状態を示して
いる。バルブ２８，２９を動作させる条件につ
いては後述する。

(2) ベーンの回転速度が調整値に達した時 回転速度が特定の調整された値に達した時―
この速度は十分な風のある特定の瞬間における
測定値である―バルブ３０のコイルS₂が励起さ
れ、一方同時にバルブ２８２９が励起される。
ポンプ２７によつて生じた圧力はバルブ３０の
ポートＰにかかり、従つて液圧シリンダ２６の
ポートＡにもかかる。バルブ２８，２９の励起
により、液圧シリンダのポートＢは圧力開放側
となる。これによりピストン２３は右方向（第
６図）に移動し、ベーン１はその最適端部位置
まで回転する。ウインドミルは速度を増加しか
つ所定回転速度に到達し、発電機は電力を発生
する。回転速度の増加により、ウインドミルは
より強度に電気的に負荷される。

(3) 発電機が調整最小値に達した時 発生した電力が特定の調整された最小値に達
した時、バルブ３０のコイルS₂はもはや励起さ
れず、従つてオイルポンプ２７の圧力側Ｐはバ
ルブ２８が励起されているために圧力開放タン
ク３１に接続される。ポンプ２７は圧力開放の
動作をし、これにより消費電力および摩擦熱の
発生を最小にする。

ウインドミルによつて生ずる電力が風速と共
に第３の力により増加すると、この電力は風速
のために発電機に前記所定値以上により重く負
荷をかける。

(4) 電力が許容値を起えた時 電力が高くなりすぎた時点において、バルブ
２８，２９はもはや励起されず、一方バルブ３
０のコイルS₁が励起される。ポンプ２７の圧力
側は液圧シリンダ２６のポートＢ側となる。そ
してポートＡはバルブ２８，２９を介してオイ
ルタンク３１の圧力開放側となる。これによ
り、液圧ピストン２３は左方向（第６図）に移
動する。

(5) 電力が調整値より低下した時 電力が十分低下した時点において、バルブ２
８，２９は再び励起される。短かいパルスをも
つたバルブ２８，２９の制御により、速度を調
整し、液圧ピストン２３は移動すると共にこの
ピストンが精確に調整される。

風速が再び上昇し電力が増加した場合は上記
(4)で述べたプロセスが繰り返される。

(6) 風速が低下した場合 実際に風速が低下すると、ベーン１は不適正
な位置にありかつウインドミルは低い効率で作
動していることにより、電力は低下する。この
ように風速が低下すると、バルブ３０のコイル
S₂は、液圧シリンダ２６のポートＡが再び圧力
側に来るまで再度励起され、ピストン２３は右
方向（第６図）へ移動する。ピストンのこのよ
うな移動により、ウインドミルが再び最適の効
率で作動するように、ベーン１を最適位置へ戻
す。

(7) 発電機の故障の場合 発電機の故障により、発生する電力が常に調
整最小値より小さくなることがありうる。この
結果、オイルポンプ２７の圧力側は連続して液
圧シリンダ２６のポートＡ側となる。従つて、
ベーン１は最適位置まで回転し、風速とは関係
なくその位置に保持される。これにより、負荷
のかかつていないウインドミルはたとえ風速が
低い場合でも速く回転しすぎることとなり、機
械的構造を破損する原因となりうる。このよう
な破損を防止するために、ウインドミルの回転
速度がセンサによつて連続的に測定される。発
電機の故障により、ある時点で回転速度が調整
可能な最大値を越えると、過圧制御バルブ３２
を含むすべてのバルブが励止される。圧力シリ
ンダ２６のポートＢはバルブ３０の流路を介し
てオイルポンプ２７の圧力側に接続され、一方
圧力シリンダ２６のポートＡはバルブ２８，２
９を介して圧力開放タンクに接続される。ピス
トン２３は左方向（第６図）へ移動し、ベーン
は第４図に示す位置まで回転する。

ピストン２３および、ピストンロツド２４お
よび制御シヤフト１０を介してそれに連結され
たベーン１は、ベルヴイレ・ワツシヤ２１の圧
力がオイル圧力に等しくなりそれに勝るまで移
動する。

ベーンは回転面に対してほぼ37゜まで回転す
ることが可能であるので、ウインドミルは風速
67ｍ／秒にまで達する風速に対して保護され
る。

故障が治るまでの間は各種バルブは励止され
たままであり、ウインドミルは手動で回転状態
に戻されている。始動時点において、ベーンは
上記(1)で述べた第２図に示す位置へ戻る。ウイ
ンドミルの回転計が故障している場合、ウイン
ドミルが回転していても零速度を測定すること
となる。これによつてウインドミルが高すぎる
速度で回転されるのを防止するため、バルブ２
８，２９，３０は励起されない。

これにより、圧力は圧力シリンダ２６のポー
トＢに連続的にかけられており、ベーンを第４
図に示す位置まで回転させる。

回転速度が零となる時、バルブ２８，２９は
励起され、ウインドミルは再び定格で作動す
る。

(8) 液圧ポンプ、ラインの故障、又はバルブ漏れ
の場合 液圧ポンプ２７、液圧ラインに故障が生じ又
は１つのバルブに漏れが生じた場合、圧力シリ
ンダのポートＡおよびポートＢにおける圧力が
低下する。これによりピストン２３はベルヴイ
レ・ワツシヤ１６によつていわゆる中央位置ま
で押し戻される、ベーン１は始動位置（第２
図）まで移動される。これにより、ウインドミ
ルは風速45ｍ／秒にまで達する風速による過大
速度に対して保護される。

このようにばね１６，２１は一連の利点を提供
する。そのうちのいくつかは上述したが、以下に
その利点を要約する。

ばね１６は風速45ｍ／秒以下のすべての条件の
下でウインドミルを保護する。

ベルヴイレ・ワツシヤ１６，２１は、故障して
はいるが力の一部分が失なわれている場合に有利
である。一方、コイルスプリングを用いると、ス
プリング力は完全に失なわれてしまう。

ウインドミルが適正に作動している時、液圧シ
リンダ２６の圧力は略一定値とされているが、ベ
ルヴイレ・ワツシヤ１６の圧力は2.9トンにまで
達することがありうる。この力はギヤボツクスの
中空シヤフト１３を前方に押し、一方ロータ３に
かかる風力は反対方向に作用する。これにより、
ギヤボツクスベアリングが過度の荷重を受けない
ように風圧の一部が補償される。従つて、ギヤボ
ツクスは摩耗が少なくなる。

本発明は上述の実施例に限定されるものではな
く、本発明の範囲を逸脱することなく各種の変更
をなすことは勿論可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図はベーンの可能な位置を図解的
に示した図であり、第５図は本発明に係る装置の
主要機械部分を長手軸方向に図解的に示した図で
あり、第６図はウインドミルのベーンを最適位置
に作用させることのできるピストンおよびこれに
連結されたピストンロツドおよび制御シヤフトを
動作させる液圧ダイヤグラムを示したものであ
る。 １…ベーン（ウイング）、２…ベーン軸、３…
ロータ、５…ヒンジ結合手段、６…ヒンジ軸、９
…中央締結部、１０…制御シヤフト、１３…中空
シヤフト、１４…ギヤボツクス、２０…カツプリ
ング部、２４…ピストンロツド。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 発電機を駆動するウインドミルのベーン１
   を、風の方向に対して最適な角度に設定する装置
   であつて、各ベーン１はそれぞれ個々に該ベーン
   の長手方向の軸２まわりに回転可能にロータ３に
   支持され、かつすべてのベーン１は共にヒンジ結
   合手段５により中央締結部９に連結され、該中央
   締結部９は制御シヤフト１０によつて駆動するこ
   とができ、該制御シヤフト１０はベーンの回転を
   遂行するように該制御シヤフトの長手軸に沿つて
   前進又は後進することができ、該制御シヤフト１
   ０は圧力シリンダ２６内に支持されたピストン２
   ５のピストンロツド２４によつて軸方向に移動さ
   れるベーンの設定装置において、前記制御シヤフ
   ト１０は前記発電機を駆動するギヤーボツクス１
   ４の中空シヤフト１３に軸方向には可動に、しか
   し回転方向には不動に連結され、前記ロータ３か
   ら離れた側の前記制御シヤフト１０の端部はベア
   リングハウジングとして形成されたカツプリング
   部２０の内部に回転自在に取付けられ、該カツプ
   リング部２０は前記制御シヤフト１０の延長部に
   存在するピストンロツド２４に連結され、かつ前
   記カツプリング部２０はウインドミルの固定部分
   ２２と、ロータに連結されたギヤーボツクス中空
   シヤフト１３との間に弾性的に保持されているこ
   とを特徴とするウインドミルのベーン設定装置。 ２ 前記カツプリング部２０は前記固定部分２２
   と中空シヤフト１３との間にあり、複数の皿ばね
   の形体をしたスプリング１６，２１が一方におい
   てカツプリング部２０と中空シヤフト１３の底部
   との間、他方において該カツプリング部２０と固
   定部分２２との間に取付けられている特許請求の
   範囲第１項記載の装置。 ３ 前記圧力シリンダ２６は液圧シリンダであつ
   て、該液圧シリンダはオイル圧力ポンプ２７に取
   り付けられたオイルラインに接続され、該オイル
   ラインには前記液圧の変化を行なわせるバルブ２
   ８，２９，３０が設けられ、もつて前記圧力シリ
   ンダ２６内のピストン２５のいずれかの側にかけ
   られる液圧は、ウインドミルの回転速度が所定の
   範囲内にある適正作動時には略一定値とされ、例
   えばウインドミルが休止位置から始動される状態
   にある時、最適回転速度を超えて発電機が過負荷
   の状態にある時、ウインドミルが非常に高速度の
   状態にある時、等の非適正時には変化される特許
   請求の範囲第１項記載の装置。 ４ 前記バルブ２８，２９，３０は遠隔操作電磁
   バルブであり、これらのバルブの設定により前記
   液圧シリンダ２６内部のオイル圧バランスを作用
   せしめ、これらのバルブは、前記液圧がウインド
   ミルの非適正時の態様に応じてあらかじめ設定さ
   れた値となるように制御される特許請求の範囲第
   ３項記載の装置。