(57)【要約】【課題】作動時の翼における応力を減少させ、正常な作動時に圧縮負荷を受ける翼の積層材の湾曲を最小限に抑え、風荷重時の主圧縮荷重経路における局所的な曲げ荷重の発生を排除し、より高い比強度を与える、風力タービン翼を提供する。【解決手段】本発明の風力タービン翼は、風力タービン翼の相対長さに沿って配列された複数の断面プロファイルを有し、断面プロファイルの周囲は、負圧面側の表面及び圧力面側の表面を形成する。断面プロファイルは、負圧面側の表面が、風力タービン翼の圧力面側へ向けて湾曲する１つの所定の曲率を有する線を形成するように、及び／又は、相対長さの少なくとも一部に沿ってほぼ直線を形成するように、負圧面側の表面に従って配列される。この線は、その翼弦線に直交するプロファイルの最大相対厚みが測定される圧力面側の点において、各断面プロファイルと交差する。【選択図】図４
2014092159.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力タービン（８）が、
−風力タービンタワー（９）と、
−前記風力タービンタワー（９）に設置された、ナセル（１０）と、
−前記ナセル（１０）に回転可能に取り付けられた、ローターハブ（１１）と、
−前記ローターハブ（１１）に取り付けられるように構成された翼根部（１５）と、翼先端部（１６）と、を有する、１枚又はそれ以上の風力タービン翼（１２）であって、前記風力タービン翼（１２）が、更に前縁（１９）及び後縁（２０）を介して相互に接続された圧力面側（１７）と負圧面側（１８）とを備え、前記風力タービン翼（１２）が相対長さ１を有する、１枚又はそれ以上の風力タービン翼と、
を備え、
−前記風力タービン翼（１２）が、風力タービン翼（１２）の相対長さに沿って配列された複数の断面プロファイル（２５）を有し、前記断面プロファイル（２５）の周囲が、前記負圧面側（１８）の外表面と前記圧力面側（１７）の外表面とを形成し、
−前記断面プロファイル（２５）が、前記負圧面側（１８）の前記外表面が少なくとも１つの所定の有限の曲率を有する第１の線（２６）を形成するように、前記負圧面側（１８）の前記外表面に従って整列し、前記第１の線（２６）が、前記負圧面側（１８）の前記外表面の長さに沿って配列された１つ又はそれ以上の支持要素の中間部に沿って延び、前記断面プロファイル（２５）の各々に内接する少なくとも１つの円の中心が、前記翼根部（１５）の中心（２８）に対して前記負圧面側（１８）へ向かう方向へオフセットしている中心線（３１）を形成する、
ことを特徴とする、風力タービン（８）。
【請求項２】
前記第１の線（２６）が、前記長さの少なくとも一部において前記風力タービン翼（１２）の前記圧力面側（１７）へ向かって湾曲することを特徴とする、請求項１に記載の風力タービン（８）。
【請求項３】
前記断面プロファイル（２５）の前記圧力面側（１７）の前記表面が、前記風力タービン翼（１２）の前記相対長さの関数として、前記翼根部（１５）における前記圧力面側（１７）の前記表面に対して、前記負圧面側（１８）へ向かう方向へオフセットすることを特徴とする、請求項１又は２に記載の風力タービン（８）。
【請求項４】
前記負圧面側（１８）へ向かう前記圧力面側（１７）の最大オフセットが、相対長さ０.４５±１０％（０．４５に対して、その±１０％であることを示す。以下同様）において９８８ｍｍ±１０％（９８８ｍｍに対して、その±１０％であることを示す。以下同様）であることを特徴とする、請求項３に記載の風力タービン（８）。
【請求項５】
前記翼根部（１５）における前記負圧面側（１８）に対して、前記圧力面側（１７）へ向かう、前記翼先端部（１６）の前記オフセットが、２メートルから４メートルの間であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の風力タービン（８）。
【請求項６】
前記断面プロファイル（２５）の各々が、翼弦線を有し、前記断面プロファイル（２５）の前記翼弦線が、前記風力タービン翼（１２）の前記相対長さの関数として、前記翼先端部（１６）における又は前記翼先端部（１６）の付近における前記翼弦線に対して、前記翼根部（１５）へ向かって角度を増加するように配置される、ことを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の風力タービン（８）。
【請求項７】
前記翼弦線の最大角度が、相対長さ０.９６±１０％における前記翼弦線に対して、相対長さ０.０４±１０％において３０°±１０％であることを特徴とする、請求項６に記載の風力タービン（８）。
【請求項８】
前記風力タービン翼（１２）の厚み分布又は翼弦分布が、前記風力タービン翼（１２）の前記相対長さの関数として決定されることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の風力タービン（８）。
【請求項９】
前記断面プロファイルの最大厚みが、相対長さ０.０４において１８９５ｍｍ±１０％であり、又は、前記断面プロファイルの最大翼弦が、相対長さ０.２０±１０％において２６６８ｍｍ±１０％であることを特徴とする、請求項８に記載の風力タービン（８）。
【請求項１０】
前記風力タービン翼（１２）が、４５ｍと５０ｍとの間、好ましくは４７.５ｍと４９.５ｍとの間、好ましくは４８.５ｍと４９.０ｍの間、の長さを有することを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載の風力タービン（８）。
【請求項１１】
前記風力タービン翼（１２）の数値の公差が、±７.５％、±５％、±２.５％又は±０％であることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載の風力タービン（８）。
【請求項１２】
前記風力タービン（８）が、１.４ＭＷと１.８ＭＷとの間の容量を有することを特徴とする、請求項１から１１のいずれか１項に記載の風力タービン（８）。
【請求項１３】
前記ローターハブの高さにおける年間平均風速が６.５ｍ／ｓ、６ｍ／ｓ、５.５ｍ／ｓ、５ｍ／ｓ、４.５ｍ／ｓ、４ｍ／ｓ、又は３.５ｍ／ｓ、よりも低速の風速領域における、請求項１から１２のいずれか１項に記載の風力タービン（８）の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、
−風力タービンタワーと
−風力タービンタワーに設置されたナセルと
−ナセルに回転可能に取り付けられたローターハブと
−ローターハブに取り付けられるように構成された翼根部と、翼先端部とを有する１枚又はそれ以上の風力タービン翼であって、風力タービン翼が、更に前縁及び後縁を介して相互に接続された圧力面側と負圧面側とを備え、風力タービン翼が相対長さ１を有する、風力タービン翼と、
を備える、風力タービンに関する。
【０００２】
更に、本発明は、上述の風力タービンの適切な使用に関する。
【背景技術】
【０００３】
近年、風力タービンのサイズ及び出力は、風力タービンの効率と共に増加している。同時に、風力タービン翼は、サイズ及び長さが増加し、空力的設計も変化した。風力タービン翼は、エアフォイル型断面プロファイルを有し、エアフォイル型プロファイルのサイズは、風力タービン翼の翼先端部へ向かって減少する。風力タービン翼は、他方の端で、風力タービンローターハブに接続されるように構成され、ローターハブ側の端は、典型的には、円形断面プロファイル及び補強された構造を有する。
【０００４】
図１は、風力タービン翼の長さに沿って複数の断面プロファイルを有する、代表的な風力タービン翼１の略図である。風力タービン翼１は、前縁２及び後縁３を備える空力形状を有する。風力タービン翼１は、風力タービンローターハブ（図示せず）に接続されるように構成された翼根部４を備える。風力タービン翼１の自由端は、空力プロファイルを終了する翼先端部５として構成される。断面プロファイルは、それぞれ、風力タービン翼１の長手方向に延びる共通の真直ぐな中心線６を形成する内接円を形成し、中心線６は、風力タービン翼１によって形成される回転平面に対して平行である。図２は、翼根部４から翼先端部５へ向かって見た様々な断面プロファイルを示す。翼根部４は、円形プロファイルを有し、円形プロファイルがより空力的な形状のプロファイル７へ変わって行き、図に示すように空力プロファイルのサイズは翼先端部５へ向かって減少する。これにより、負圧面側と圧力面側の両方における２つのプロファイルの間の移行領域が形成され、プロファイルの厚みは、翼先端部５へ向かって非直線的に減少する。すなわち、図７に示すように、中心線から見て凹形を形成する。風力タービン翼１は、捩れた長手方向プロファイルを有し、迎え角が風力タービン翼１の長さに沿って最適化されるように、複数の異なる断面プロファイルの翼弦線が、基準翼弦線８（例えば翼先端部５の）に対して角度を増加するか又は角度を減少させるように配置される。この形態において、支配的な空力荷重が、風力タービン翼を風力タービンタワーへ向かって曲げる。風力タービン翼は、このときビームとして作用して、負圧面側は圧縮力を受け圧力面側は張力を受ける。これにより、風力タービン翼が風力タービンタワーに衝突する危険が増加し、風力タービン翼の受風面積が減少するので、風力タービンの効率が低下する。風力タービン翼の曲げ、特に負圧面側における曲げは、風力タービン翼に波紋（座屈）を形成し、翼を故障させる可能性がある。
【０００５】
特許文献１は、風力タービン翼の翼先端部が風力タービンタワーから離れて外向きに曲げられた、多数の予め曲げられた風力タービン翼を有する、風力タービンを開示している。圧力面側に対して作用する風は、翼先端部を後向きに、翼を真直ぐにするように押すので、それによって、風受面積が増加する。この形態は、風力タービン翼の長さに沿った翼プロファイルの厚み分布が、移行領域の負圧面側のスパーキャップ（ｓｐａｒ  ｃａｐ）にＳ字形の主荷重の経路を形成するという結果になり、これが風の負荷時に生じる、という不具合を有する。これは、このスパーキャップに沿った積層材の座屈前変形を引き起こす可能性があり、反りが風の負荷時に無限に増加して、積層材に欠陥を形成する可能性がある。これは、圧縮荷重に、Ｓ字型領域に沿って積層材に形成される局所的な曲げ荷重を随伴させ、この結果、風力タービン翼の故障をより早く生じる。
【０００６】
特許文献２は、各々翼の翼長方向において圧力面側に直線状の表面を有し負圧面側に凹形表面を有する３枚の風力タービン翼を持つ風力タービンを開示する。翼は、移行領域において比較的大きい凸形領域を形成し、その後に、負圧面側において主荷重経路を形成する比較的大きい凹形領域を形成する。これにより、負圧面側の圧縮荷重が増加するので、風力タービン翼に作用する風荷重によるこの領域における曲げ荷重が増加する。これは、積層材の座屈の危険を増加し、故障を生じる。
【０００７】
特許文献３は、多数の予め曲げた風力タービン翼を有する風力タービンを開示する。風力タービン翼の断面プロファイルは、圧縮荷重を減少するために翼先端部へ向かって線形に減少する厚み分布を有する。これは、圧力面側と負圧面側の両方において直線状の面を形成する。断面プロファイルは、風力タービン翼の長さに沿って延びる中心線に従って整列させられ、中心線の一部は、翼根部の中心線に対して鋭角に配置される。この翼プロファイルは、風力タービン翼の最も内側の領域の厚み又は薄さを明示しない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第９９／１４４９０ Ａ１号
【特許文献２】独国実用新案第２０１２０３２４ Ｕ１号
【特許文献３】米国特許出願公開第２００８／０１１２８１３ Ａ１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の１つの目的は、作動時の風力タービン翼における応力を減少する改良されたタービン翼設計を提供することである。
【００１０】
本発明の１つの目的は、正常な作動時に圧縮負荷を受ける翼の積層材の湾曲を最小限に抑える風力タービン翼を提供することである。
【００１１】
本発明の１つの目的は、風荷重時の主圧縮荷重経路における局所的な曲げ荷重の発生を排除する風力タービン翼を提供することである。
【００１２】
本発明の１つの目的は、より高い比強度を与える風力タービン翼を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の目的は、
−風力タービン翼が、風力タービン翼の相対長さに沿って配列された複数の断面プロファイルを有し、断面プロファイルの周囲が負圧面側の外表面及び圧力面側の外表面を形成し、
−断面プロファイルが、負圧面側の外表面が少なくとも１つの、所定の有限の曲率を有する第１の線を形成するように負圧面側の外表面に従って整列させられ、第１の線が負圧面側の外表面の長さに沿って配列された１つ又はそれ以上の支持要素の中間部に沿って延び、断面プロファイルの各々に内接する少なくとも１つの円の中心が、翼根部の中心に対して負圧面側へ向かう方向へオフセットしている中心線を形成する、
ことを特徴とする風力タービンによって達成される。
【００１４】
この形態は、風力タービン翼が、作動時に風力タービン翼において発生する応力を減少し、翼の強度を増加する改良された翼設計を持てるようにする。空力的断面プロファイルは、翼根部に対してオフセットし、翼根部の中心線に従って整列する代わりに負圧面側の外表面に従って整列する。整列は、風力タービン翼の長さに沿って前縁から見たものである。負圧面側の外表面は、翼根部から翼先端部まで延びるスパーキャップの中間部に沿って延びる１本の線すなわち第１の線を形成する。この線は、圧力面側へ向かって湾曲する１つ又はそれ以上の曲率を有する曲線として形成することができ、及び／又は、直線として形成することができる。これにより、負圧面側のスパーキャップを直線状のスパーキャップとして、又は圧力面側へ向かって湾曲するスパーキャップとして、形成することができる。スパーキャップの曲率は、１つ、２つ又はそれ以上の内接円によって形成でき、内接円の中心は、圧力面側へ向かって配置される。
【００１５】
負圧面側に従って断面プロファイルを整列させることによって、負圧面側のスパーキャップに通常生じるＳ字形の主圧縮荷重経路が、真直ぐになる。中心線は、風力タービン翼の断面プロファイルを通過して延びて、負圧面側から見てほぼ凹形又はＳ字形の線を形成するように負圧面側へ向かってオフセットする。中心線は、風力タービン翼の相対長さの関数としてオフセットすることができる。これにより、負圧面側に通常生じる局所的な曲げ荷重を排除することによって、負圧面側のスパーキャップの長さ全体により均等に圧縮力を配分し、積層材を崩壊させる荷重レベルを増加する。これは、風力タービン翼の耐用年数を延ばし、支持力を増加する。更に、この形態によって、後縁のプロファイルを直線状にできるので、通常負圧面側の後縁にある湾曲が排除されるか又は著しく減少する。
【００１６】
負圧面側は、風力タービン翼の長さの少なくとも一部に沿って、翼根部の中心線に平行な直線又はほぼ直線を形成することができる。この構成は、風力タービン翼を、圧力面側へ向かって湾曲する前に、ローターハブから外向きに真直ぐに延びることができるようにする。この形態において、風力タービン翼は、直線状風力タービン翼として形成でき、翼先端部の負圧面側は、翼根部の負圧面側と整列又は実質的に整列する。翼先端部は、ローターハブに取り付けられた風力タービン翼によって掃引される受風面積の外周を画定する。この直線状風力タービン翼の圧力面側は、直線状圧力面側と凹形負圧面側を有する特許文献２の翼と異なり、凹形表面を形成できる。
【００１７】
１つの実施形態によれば、第１の線は、長さの少なくとも一部において、風力タービン翼の圧力面側へ向かって湾曲する。
【００１８】
これにより、負圧面側は、風力タービン翼の長さ又は少なくともその一部に沿って圧力面側へ向かってのみ湾曲する単一又は複数の曲線を形成できる。この形態において、風力タービン翼は、翼先端部を翼根部の負圧面側に対して圧力面側へ向かってオフセットする予め曲げた風力タービン翼として形成することができる。これにより、風力タービン翼は、負圧面側において凸形表面を、圧力面側において凹形表面を形成する。風力タービン翼を予め曲げることによって翼先端部から風力タービンタワーまでの距離が増加するので、回転時に翼先端部が風力タービンタワーに衝突する危険が減少する。風力タービン翼による受風面積は、風圧が翼先端部を後向きに押し、翼のプロファイルを長手方向に直線状にするので、増加させることができる。負圧面側の表面は、中間部の断面プロファイルと翼先端部との間で円弧曲線（ｒａｄｉｉ  ｃｕｒｖｅｄ  ｌｉｎｅ）に従ってオフセットすることができ、これにより、予め曲げた領域及び任意に翼先端部のオフセットを減少できる。翼根部と中間断面プロファイルとの間の負圧面側表面は、上述のように直線を形成することができる。予め曲げた領域は、０.４０±１０％（０．４０に対して、その±１０％であることを示す。以下同様）以下、好ましくは０.０４±１％の相対長さを起点とすることができる。風力タービン翼は、翼根部から翼先端部までの相対長さ１を有する。この翼の形態は、より効果的に風を捕捉できるので、タービンのコスト単位当たりのエネルギー収量がより高くなる。
【００１９】
１つの実施形態によれば、断面プロファイルの圧力面側の表面は、風力タービン翼の相対長さの関数として、翼根部の圧力面側の表面に対して負圧面側へ向かう方向へオフセットする。
【００２０】
これにより、風力タービン翼の長さに従うように、断面プロファイルの圧力面側を負圧面側へ向けてオフセットすることができる。負圧面側と圧力面側の間の距離は、翼プロファイルの厚み分布を形成する。これにより、断面プロファイルは負圧面側に従って整列するので、圧力面側の表面は、風力タービン翼の長さに沿って少なくとも１回、翼根部の中心線と交差できる。圧力面側の表面は、相対長さ０.３７±１０％において翼根部の中心線と交差できる。中心線は、所定の点に至るまで負圧面側へ向けてオフセットし続け、所定の点では、予めの曲げが、すなわち負圧面側のオフセットが、オフセットして方向を変え、以降の中心線が圧力面側へ向けてオフセットする。
【００２１】
１つの実施形態によれば、負圧面側へ向かう圧力面側の最大オフセットは、相対長さ０.４５±１０％における９８８ｍｍ±１０％（９８８ｍｍに対して、その±１０％であることを示す。以下同様）である。
【００２２】
この箇所は、風力タービン翼が予め曲げた翼として構成される場合に発生する。風力タービン翼が予め曲げられていない場合、圧力面側は、翼先端部まで負圧面側へ向かって継続的にオフセットする。上述の形態により、圧力面側は、再び相対長さ０.５２±１０％において翼根部の中心線と交差する。最大オフセットの点は、圧力面側が翼根部の中心線と交差することなく生じ得る。圧力面側は、単一又は複数の曲線を形成でき、この場合、湾曲を形成する内接円の中心は圧力面側へ向けて配置される。
【００２３】
１つの実施形態によれば、翼根部の負圧面側に対して、翼先端部の圧力面側へ向かうオフセットは、２メートルから４メートルの間である。
【００２４】
この箇所は、負圧面側の予めの曲げが最大である点に発生する。翼先端部は、翼先端部の周りでより最適の空気の流れを許容するように、また、任意に翼先端部において雑音の発生をより小さくするように構成することができる。翼先端部は、風力タービン翼の残り部分とは異なる空力プロファイルを有する雑音低減翼先端部として構成することができる。圧力面側及び／又は負圧面側から外向きに延びる１つ又はそれ以上のフランジを、翼先端部に取り付けることができる。受雷要素を翼先端部に取り付けるか又は形成できる。受雷要素は、風力タービンに配列された導電経路を介して電気的に地面に接続できる。
【００２５】
１つの実施形態によれば、断面プロファイルの各々は翼弦線を有し、断面プロファイルの翼弦線は、風力タービン翼の相対長さの関数として、翼先端部における又は翼先端部付近の翼弦線に対して翼根部へ向かって角度を増加するように配置される。
【００２６】
これにより、前縁を各断面プロファイルの迎え角を風向きに対して最適化できる方向へ回す又は捩れるようにし、それによって風力タービン名根の効率を向上できる。
【００２７】
１つの実施形態によれば、翼弦線の最大角度は、相対長さ０.９６±１０％における翼弦線に対して相対長さ０.０４±１０％における３０°±１０％である。
【００２８】
これにより、風力タービン翼は、風力タービン翼の長さに沿って最適迎え角を持つことができる。この角度は、断面プロファイルの各々の回転速度に従って決定することができる。
【００２９】
１つの実施形態によれば、風力タービン翼の厚み分布及び／又は翼弦分布は、風力タービン翼の相対長さの関数として決定される。
【００３０】
これにより、翼根部付近の最大厚みから風力タービン翼の長さに沿って徐々に小さくなる厚みへと厚みが変化できる。厚みは、弦線に直交して測定された負圧面側の表面から圧力面側の表面までの距離として定義される。風力タービン翼の翼弦は、翼先端部へ向かって徐々に減少可能である。これにより、翼根部における断面プロファイルはより空力的なプロファイルに素早く変化できる、プロファイルは翼先端部へ向かって縮小する。
【００３１】
１つの実施形態によれば、断面プロファイルの最大厚みは、相対長さ０.０４における１８９５ｍｍ±１０％であり、及び／又は、断面プロファイルの最大翼弦は、相対長さ０.２０±１０％における２６６８ｍｍ±１０％である。
【００３２】
厚みは、断面プロファイルの最大翼弦に従って算出された相対厚みとして決定することもできる。相対長さ０.０４における最大厚みは、相対厚み０.７１±１０％に等しい。
【００３３】
１つの実施形態によれば、風力タービン翼は、４５ｍと５０ｍとの間、好ましくは４７.５ｍと４９.５ｍとの間、好ましくは４８.５ｍと４９.０ｍとの間、の長さを有する。
【００３４】
これにより、浮力タービン翼の長さを風力タービンの要求出力及び要求受風面積に適合させることができる。
【００３５】
１つの実施形態によれば、風力タービン翼の値の公差は、±７.５％、±５％、±２.５％又は±０％である。
【００３６】
上記の値の公差は、風力タービン翼の製造時に発生するどのような公差も考慮に入れることができる。公差のいくつかは、圧力面側及び負圧面側の表面の不備が製造工程の終了時に研磨された場合、減少できる。
【００３７】
１つの実施形態によれば、風力タービンは、１.４ＭＷと１.８ＭＷとの間の容量を有する。
【００３８】
この風力タービン翼の形態は、上述の容量を持つ風力タービンに発生する疲労荷重を減少する改良された翼設計を与える。容量は、風力タービンの定格容量又は公称出力として定義できる。
【００３９】
本発明は、更に、適切な使用に関するものであり、風力タービンは、ローターハブの高さにおける年間平均風速が、６.５ｍ／ｓ、６ｍ／ｓ、５.５ｍ／ｓ、５ｍ／ｓ、４.５ｍ／ｓ、４ｍ／ｓ、又は３.５ｍ／ｓ、よりも低速の風速領域で使用される。
【００４０】
この風力タービンの形態は、ＩＥＣ標準に従って低風速等級内に属する地理的エリアにおいて空力的により効率のよい翼設計を提供する。
【００４１】
翼根部は、翼根部の周囲付近に配列された複数の接続要素を備える。接続要素は、ローターハブに配列された複数の受入れ接続要素例えば孔に取り付けられるように構成される。接続要素は、翼根部の中へ取り付け又は接着するように構成されるＴボルト又はスタッドとして構成することができる。或いは、Ｔボルト又はスタッドを、代わりにローターハブに配置できる。６０〜７０組、好ましくは６４〜６６組の接続要素を、翼根部の周囲に沿って配置できる。Ｔボルトを使用することによって、ローターハブへの取り付けが容易になり、Ｔボルトは、静止及び疲労荷重に関して高い信頼性を有する。ボルトは、更に、ボルトのプレテンションを増加できるようにし、保守時にボルトを絶えず締める必要を減少し、作動時にボルトが緩む危険を減少する。ボルトは、直径例えば１８００ｍｍ±１０％を有するボルト円を形成できる。これは、風力タービン翼の最大厚みとほぼ同じである。
【００４２】
本発明について、図面を参照して、例として説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】風力タービン翼の長さに沿って様々な断面プロファイルを有する代表的風力タービン翼の略図である。
【図２】ローターハブから翼先端部へ向かって見た、図１の様々な断面プロファイルを示す。
【図３】風力タービンの代表的実施形態を示す。
【図４】本発明に係わる風力タービン翼の第一実施形態の略図である。
【図５】負圧面側がオフセットしていない、図４の風力タービン翼の断面プロファイルの第１の実施形態を示す。
【図６】負圧面側がオフセットしている、図４の風力タービン翼の断面プロファイルの第２の実施形態を示す。
【図７】図５及び６の２つの翼プロファイルについての風力タービン翼の長さに対する負圧面側及び圧力面側の位置のグラフである。
【図８】図４の風力タービン翼の全長にわたって切り取ったものを、２つの既知の風力タービン翼の全長にわたって切り取ったものと比較して示している。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
以下の文章において、図面について１つずつ説明し、図面の様々な部分及び位置については、図面において同じ番号を当てる。特定の図面において指示される全ての部分及び位置は、必ずしもその図面と一緒に論じられない。
【００４５】
図３は、風力タービンタワー９と、風力タービンタワー９の最上部に取り付けられたナセル１０とを備える風力タービン８の代表的実施形態を示す。風力タービンタワー９は、相互の最上部に取り付けられた１つ又はそれ以上のタワー領域を備えることができる。ローターハブ１１は、ローターシャフトを介してナセル１０に回転可能に取り付けできる。１枚又はそれ以上の風力タービン翼１２は、ローターハブの中心から外向きに延びるシャフトを介してローターハブ１１に取り付けできる。２枚又は３枚の風力タービン翼１２をローターハブ１１に取り付けでき、風力タービン翼１２は回転平面を形成する。風力タービンタワー９は、地表面１４上に延びるプラットフォーム又は基礎体１３の上に取り付けできる。
【００４６】
風力タービン翼１２は、ローターハブ１１に取り付けられるように構成された翼根部１５を備えることができる。風力タービン翼１２は、翼１２の自由端に配置された翼先端部１６を備えることができる。風力タービン翼１２は、翼の長さに沿って空力プロファイルを有する。風力タービン翼１２は、例えばガラス、カーボン又は有機繊維で作られた繊維を持つ、積層材を形成する繊維補強プラスチック又は複合材料で製造できる。積層材は、外部装置例えば真空注入装置によって供給される樹脂例えばエポキシを用いて注入できる。
【００４７】
翼根部１５は、翼根部１５の周囲付近に配列された複数の接続要素（図示せず）を備えることができる。接続要素は、ローターハブ１１に配列された複数の受入れ接続要素例えば孔に取り付けられるように構成することができる。接続要素は、翼根部１５の中へ取り付け又は接着され、ローターハブ１１に取り付けられるように構成される、Ｔボルト又はスタッドとして構成することができる。
【００４８】
図４は、本発明に係わる風力タービン翼１２の第１の実施形態の略図である。風力タービン翼１２は、前縁１９及び後縁２０によって相互に接続される圧力面側１７と負圧面側１８とを備えることができる。風力タービン翼１２は、圧力面側１７及び負圧面側１８の外表面を形成する複数の断面プロファイル２１を持つことができる。断面プロファイル２１は、風力タービン翼１２の長さに沿って配列できる。後縁２０は、図に示すように、翼根部１５の又はその付近の第１の断面プロファイル２１ａから翼先端部１６から所定の距離に位置する第２の断面プロファイル２１ｂまで延びるフラットバックパネル２０ａを形成する切頭プロファイルの形状に作ることができる。後縁２０は、第２の断面プロファイル２１ｂから翼先端部１６まで延びる薄い外向きに延びるプロファイルの形状に作ることができる。
【００４９】
１つ又はそれ以上のスパーキャップ（図示せず）を、圧力面側１７及び負圧面側１８において長さ又は少なくとも長さの一部に沿って配置できる。スパーキャップは、圧力面側１７及び負圧面側１８を形成するシェル部品に組み込むか又はこの中に封じ込めることができる。シャーウェブ（図示せず）の形式の１つ又はそれ以上の支持要素（図示せず）をスパーキャップの間に配列できる。シャーウェブは、スパーキャップの一部として形成するか、又は接着剤によってスパーキャップに接続できる。
【００５０】
好ましい実施形態において、風力タービン翼１２は、翼根部１５から翼先端部まで４８.５ｍと４９.０ｍとの間の長さを持つことができる。これは相対長さ１.００に等しく、０.００は、翼根部の長さである。風力タービン翼１２の断面プロファイル２１は、相対長さ０.００と０.０４±１０％との間において好ましくは０.０４±１０％において最大厚み１８９５ｍｍ±１０％を持つように構成することができる。風力タービン翼１２の断面プロファイル２１は相対長さ０.２０±１０％において最大翼弦２６６８ｍｍ±１０％を持つように構成することができる。フラットバックパネル２０ａは、それぞれ圧力面側１７及び負圧面側１８の外表面に接続される２つの縁を形成し、断面プロファイル２１の翼弦線（図示せず）は、前縁１９及び前縁１９から最も離れて位置する縁を通過して延びる線として定義できる。
【００５１】
図５は、負圧面側１８がオフセットしていない、図４の風力タービン翼の断面プロファイル２１の第１の実施形態を示す。断面プロファイル２１は、翼根部１５から風力タービン翼１２の中間部へ向かって見ている。第１の線２２は、圧力面側１７の外表面に沿って延び、断面プロファイル２１の各々に接続される。第２の線２３は、負圧面側１８の外表面に沿って延び、断面プロファイル２１の各々に接続される。第１の線２２及び第２の線２３は、風力タービン翼１２の長さに沿って延びるスパーキャップの中心線を形成する。この実施形態において、第２の線２３は、翼根部１５付近においてＳ字形湾曲を形成でき、線２３は、翼根部１５から見て、まず圧力面側１７へ向かって湾曲し、その後負圧面側へ向かって湾曲する。他方の線２２もＳ字形湾曲を形成し、線２２は、線２３と同じ曲率を持つが、逆転する。第３の線２４は、圧力面側１７の外表面と負圧面側１８の外表面との間の断面プロファイル２１の厚み（翼根部１５の厚みのみ図示）を定義する。スパーキャップは、この実施形態において、線２２、２３の湾曲に従うことができる。
【００５２】
風力タービン翼１２は、翼先端部１６が圧力面側１７へ向かう方向へオフセットする予め曲げた風力タービン翼として構成することができる。風力タービン翼１２の少なくとも一部は、圧力面側１７へ向かう方向へ予め曲げることができる。線２３は、中間断面プロファイル２１ｃと翼先端部１６との間で圧力面側１７へ向かって湾曲する円弧曲線を形成できる。この実施形態において、中間断面プロファイル２１ｃは、第１の線２２及び第２の線２３のＳ字形湾曲後に配置できる。
【００５３】
風力タービン翼１２は、翼根部１５が翼先端部１６に対して捩じられた又はその逆の捩れ風力タービン翼として構成することができる。断面プロファイル２１の翼弦線は、翼根部１５の翼弦線に対して角度を増加するように配置できる。フラットバックパネル２０ａは、その長さに沿って断面プロファイルの捩れに従うことができる。
【００５４】
図６は、負圧面側１８が翼根部１５の負圧面側に対してオフセットする、図４の風力タービン翼１２’の断面プロファイル２５の第２の実施形態を示す。この実施形態において、断面プロファイル２５は、図５に示すように翼根部１５の中心線に従って整列する代わりに負圧面側１８に従って整列できる。断面プロファイル２５の外表面は、負圧面側１８において組み込まれた又は封じ込まれたスパーキャップが風力タービン翼１２’の長さに沿って延びる直線状のスパーキャップを形成するように、整列させることができる。スパーキャップは、負圧面側１８に発生した圧縮荷重が、図５に示すスパーキャップの場合のように局所的な曲げ荷重を随伴せずにスパーキャップの長さ全体に沿って配分されるように、構成される。直線状のスパーキャップは、翼根部１５から翼先端部１６まで延びる直線２６を形成できる。圧力面側１７に組み込まれた又は封じ込まれたスパーキャップは、Ｓ字形湾曲を形成するように構成でき、２つの湾曲点は、風力タービンの厚み分布に従うように構成することができる。この実施形態において、スパーキャップは、図５に示すＳ字形湾曲より大きい、及び／又は、異なるＳ字形の湾曲を形成できる。圧力面側１７に配置されたスパーキャップは、風力タービン翼１２の長さに沿ったスパーキャップの湾曲に従った線２７を形成できる。
【００５５】
風力タービン翼１２’は、翼先端部１６が圧力面側１７へ向かう方向へオフセットする予め曲げた風力タービン翼として構成することができる。風力タービン翼１２’の少なくとも一部は、圧力面側１７へ向かう方向に予め曲げることができる。線２６は、中間断面プロファイル２１ｄと翼先端部１６との間で圧力面側１７へ向かって湾曲する円弧曲線を形成できる。線２６は、翼根部１５と中間断面プロファイル２１ｄとの間で直線を形成できる。この実施形態では、中間断面プロファイル２１ｄは、図５に示す同じプロファイル又は同じ個所よりも、翼根部１５の近くに配置できる。
【００５６】
風力タービン翼１２’は、翼根部１５が翼先端部１６に対して捩じられた、又は翼先端部１６が翼根部１５に対してねじられた、捩れ風力タービン翼として構成することができる。断面プロファイル２５の翼弦線は、翼根部１５の翼弦線に対して角度を増加するように配置することができる。フラットバックパネル２０ａは、その長さに沿って断面プロファイル２５の捩れに従うことができる。
【００５７】
好ましい実施形態において、風力タービン翼１２’の断面プロファイル２５は、翼根部１５の圧力面側１７に対して相対長さ０.４５±１０％における負圧面側１８へ向かう最大オフセットが９８８ｍｍ±１０％である圧力面側１７を有するように構成することができる。圧力面側１７のオフセットは、相対長さ０.３７±１０％において及び再び０.５２±１０％において翼根部１５の中心線と交差するように構成することができる。風力タービン翼１２の翼先端部１６は、翼根部１５の負圧面側１８に対して相対長さ０.９８±１０％又は０.９６±１０％において測定して、２メートルから４メートルとの間、例えば２.５メートルから３.５メートルの間、例えば３メートル、のオフセットで配置されるように構成することができる。風力タービン翼１２’の翼弦線は、翼先端部の翼弦線に対して相対長さ０.００における最大捩れ角度３４°±１０％又は相対長さ０.９６±１０％における翼弦線に対して相対長さ０.０４±１０％における最大捩れ角度３０°±１０％で配置されるように構成することができる。
【００５８】
図７は、図５及び６の風力タービン翼１２、１２’の長さｌに対する負圧面側１８及び圧力面側１７の位置ｄのグラフである。ｘ軸は、ローターハブ１１の中心から測定した風力タービン翼１２、１２’の長さ（単位−メートル）を表す。ｙ軸は、翼根部１５の中心線２８から負圧面側１８の外表面までの距離（メートル）を表す。線２６（四角で記す）は、図６に示す翼プロファイルの場合の負圧面側１８の外表面を表す。線２７（四角で記す）は、図６に示す翼プロファイルの場合の圧力面側１７の外表面を表す。線２６、２７は、風力タービン翼１２’の長さに沿って配列されたスパーキャップの中間部に沿って延びる。線２３（三角で記す）は図５に示す翼プロファイルの場合の負圧面側１８の外表面を表す。線２２（三角で記す）は、図５に示す翼プロファイルの場合の圧力面側１７の外表面を表す。線２２、２３は、風力タービン翼１２の長さに沿って配列されたスパーキャップの中間部に沿って延びる。
【００５９】
線２６に示されるように、断面プロファイル２５は、図６のスパーキャップの線２６が予め曲げた領域へ入る前に直線を形成することができるように、まず翼根部１５に対して負圧面側１８へ向かってオフセットする。図５のスパーキャップの線２３は、図７に示すようにその予め曲げた領域へ入る前にＳ字形曲線を形成できる。線２３及び２６は共に、予め曲げた領域において圧力面側１７へ向かって湾曲する円弧曲線を形成できる。図６のスパーキャップは、圧力面側１７へ向かってのみ湾曲する円弧曲線又は一方向線を形成するのに対して、図５のスパーキャップは、圧力面側１７及び負圧面側１８の両方へ向かって湾曲する二重円弧曲線又は二方向線を形成できる。線２２、２７に示すように、断面プロファイル２５は、図５及び６に示す両方の翼プロファイルについて、圧力面側１７においてＳ字形スパーキャップを形成できる。圧力面側１７におけるスパーキャップの線２７は、図７に示すように少なくとも１回、翼根部の中心線２８と交差するように構成することができる。圧力面側１７のオフセットは、圧力面側１７の最大オフセットを形成する点２７ａにおいて方向を変換する。
【００６０】
断面プロファイル２５は負圧面側１８へ向かってオフセットするので、図６のスパーキャップの線２６は、図５のスパーキャップの線２３より広い予め曲げた領域を持つことができる。
【００６１】
好ましい実施形態において、図６に示す風力タービン翼１２’の負圧面側１８は、相対長さ０.０４±１０％において予め曲げた領域へ入るように構成することができる。図５の風力タービン翼１２の負圧面側１８は、相対長さ０.４０±１０％において予め曲げた領域へ入るように構成することができる。
【００６２】
風力タービン翼１２’内部に配列される支持要素の所望の形態及び選択された製造工程次第で、寸法（厚み、翼弦、捩れ）及び長さ（相対長さ）の公差は、±１０％以下である。
【００６３】
テストの結果、図６〜７を参照して説明した風力タービン翼１２’の実施形態は、例えば定格容量又は公称出力が１.４ＭＷと１.８ＭＷとの間、の容量を有する風力タービン８に特に適することが判明した。テストは、更に、図６〜７を参照して説明した風力タービン翼１２’が、ローターハブ１１の高さにおける年間平均風速が６.５ｍ／ｓ以下である地理的場所に特に適することを立証した。高さは、ローターハブ１１の中心から基礎体１３の上面までの距離として定義される。
【００６４】
図８は、風力タービン翼１２’を全長にわたって切り取ったものを、２つの既知の風力タービン翼２９、３０を切り取ったものと比較して示している。風力タービン翼１２’の断面プロファイルは、図８に示すように負圧面側の線２６に従って整列する。線２６によって定義される負圧面側は、風力タービン翼１２’の長さに沿って延びる平坦な表面を形成する。線２７によって定義される圧力面側は、風力タービン翼１２’の長さに沿って延びる凹形表面を形成する。翼プロファイルの中心線３１は、各断面プロファイルの内接円の中心を通過して延び、翼根部の中心線２８に対して負圧面側の線２６へ向かってオフセットする。中心線３１は、図８に示すように、翼プロファイルに沿って延びるほぼＳ字形又は凹形線を形成する。
【００６５】
風力タービン翼２９は、特許文献１において開示されるように、断面プロファイルが翼根部の中心線２８に従って整列する、伝統的翼プロファイルを形成する。風力タービン翼２９の負圧面側３２も圧力面側も、図８に示すように、風力タービン翼２９の長さに沿って延びるほぼ凹形表面を形成する。この翼プロファイルの中心線３４は、風力タービン翼２９の長さに沿って延びる直線を形成する。
【００６６】
風力タービン翼３０は、特許文献３において開示されるような楔形翼プロファイルを形成する。風力タービン翼３０の負圧面側３５も圧力面側３６も、図８に示すように、風力タービン翼３０の長さに沿って延びる、下降傾斜する表面を形成する。この風力タービン翼３０の翼プロファイルは、風力タービン翼３０の長さに沿って延びる直線を形成する。
【００６７】
風力タービン翼１２’も風力タービン翼２９も、比較的短い移行領域を形成し、翼プロファイルは、円形又は楕円形プロファイルから比較的速やかにより空力的に最適化されたプロファイルへ変化する。風力タービン翼１２’の翼プロファイルは、負圧面側においてより均等に配分された圧縮荷重を与えるのに対して、風力タービン翼２９の圧縮荷重は、点３３ａ、３３ｂにおけるスパーキャップの曲率の変化によって積層材の局所的な曲げを伴う。風力タービン翼３０の翼プロファイルは、比較的長い移行領域を形成して、図８に示すように、翼プロファイルは緩慢により空力的なプロファイルへ変化する。
【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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【図８】
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【外国語明細書】
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