(57)【要約】      （修正有）【課題】双方向流入可能で、ピッチ調整装置がなくても過負荷時においてロータブレードを防護することが出来る水平タービンを提供する。【解決手段】ハブ４に固定するためのロータブレード結合部１０を有するロータブレード３を備え、ロータブレードのフェザリング位置方向への受動回転のための少なくとも一つの偏向部１１がロータブレードの長手方向に沿って設けられ、偏向部は、ロータブレードに少なくとも一つの剛性素子によって少なくとも間接的に結合された第１縦梁１２及び第２縦梁１３を備え、重み付け表面中心が、偏向部の領域における周方向断面部において、第１及び第２縦梁それぞれに対して対応付けられており、先端速度比が閾値を超えるときは、断面部に作用する合力の作用によってロータブレードが弾性変形してフェザリング位置方向に動く。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１流入方向（２．１）及び前記第１流入方向（２．１）から１５０度から２１０度の範囲で逸れている第２流入方向（２．２）の流体流から発電するための水平タービンであって、
径方向と、径方向と直交する軸方向及び周方向とを特定する回転軸（５）を有するハブ（４）と、
前記ハブ（４）に固定するためのロータブレード結合部（１０）を有するロータブレード（３．１〜３．３）と
を備え、
前記ロータブレード（３．１〜３．３）のフェザリング位置方向への受動回転のための少なくとも一つの偏向部（１１）が前記ロータブレード（３．１〜３．３）の長手方向に沿って設けられ、前記偏向部は、前記ロータブレード（３．１〜３．３）に少なくとも一つの剛性素子（１４）によって少なくとも間接的に結合された第１縦梁（１２）及び第２縦梁（１３）を備え、
重み付け表面中心（１４．１、１４．２）が、前記偏向部（１４）の領域における周方向断面部において、前記第１及び第２縦梁（１２、１３）それぞれに対して対応付けられており、
先端速度比の閾値ＩSを超える先端速度比Ｉのときは、前記第１及び第２流入方向（２．１、  ２．２）それぞれにおいて、前記断面部（２０）に作用する合力の作用点（１７．１、  １７．２）に対して一方の重み付け表面中心（１４．１、  １４．２）は上流側に位置し、他方の重み付け表面中心（１４．１、  １４．２）は下流側に位置しており、
前記重み付け表面中心（１４．１、１４．２）が前記作用点（１７．１、１７．２）の上流に位置する前記縦梁（１２、１３）は、前記重み付け表面中心（１４．１、１４．２）が下流に位置する前記縦梁（１２、１３）よりも、流入により生じ、断面弦に垂直である、作用点（１７．１、１７．２）上の横力（ＦQ）による横偏向が小さいことを特徴とする、水平タービン。
【請求項２】
前記第１及び第２縦梁（１２、１３）は、横方向（ｙ）に対して異方性弾性係数を有する、請求項１に記載の水平タービン。
【請求項３】
第１及び／又は第２縦梁（１２、１３）は、前記横力（ＦQ）により弾性的に屈曲可能な上弦（２１）及び下弦（２２）を有し、前記上弦（２１）及び前記下弦（２２）は、前記上弦（２１）及び／又は下弦（２２）の長手方向に対して斜めに延びる少なくとも一つの対角筋かい（２３．１〜２３．ｎ）によって、前記長手方向（ｚ）に指向性を有する素子と結合されている、請求項１又は２に記載の水平タービン。
【請求項４】
前記第１及び／又は第２縦梁（１２、１３）は、前記長手方向（ｚ）と横方向（ｙ）とに広がる交差面に対して斜めに延びるファイバ層（４６．１〜４６．ｎ）を有するファイバ複合素子（２３）及び／又は異方向に巻回されたフィラメントヤーン（４８、４９、５７）を備える、請求項１から３のいずれか一つに記載の水平タービン。
【請求項５】
前記偏向部（１１）は、片側ばね組立部品（６）及び／又は片側ストッパが設けられた回転ジョイント（５８）を備える、前述の請求項１から４のいずれか一つに記載の水平タービン。
【請求項６】
前記偏向部（１１）は、前記ロータブレードの長手方向の一部に限定的に設けられている、前述の請求項１から５のいずれか一つに記載の水平タービン。
【請求項７】
前記偏向部（１１）は、前記ロータブレード（３．１〜３．３）の前記径方向の内側半分に配置されている、請求項６に記載の水平タービン。
【請求項８】
前記偏向部（１１）は、二つのブレード付け根部（４４．１、４４．２）を有するブレード結合部（１０）を備える、前述の請求項１から７のいずれか一つに記載の水平タービン。
【請求項９】
前記二つのブレード付け根部（４４．１、４４．２）は、軸方向に離間している、請求項８に記載の水平タービン。
【請求項１０】
前記ロータブレード（３．１〜３．３）は、点対称又は二重対称の断面部を備える、前述の請求項１から９のいずれか一つに記載の水平タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は双方向流入可能な水平タービンに関し、特に過負荷時受動防護具を有する、対称形状の潮力発電所用水平タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
風力発電所では、水平タービンの入力パワーを制限するために、ロータブレード用の特定のブレードピッチを設定するためのピッチ調整機構が使用されている。このようなピッチ調整することで、高流入速度下の過負荷時にロータブレードがねじれてフェザリングピッチとなるという、流れ分離による電力制限を超える利点がある。これは、出力係数が低減することに加え、推力係数が低減し、その結果、流入速度が上がるにつれて軸方向の負荷がさほど増加しない。
【０００３】
ピッチ調整が可能なロータブレードを潮流発電用浸漬独立型水平タービンに適用した場合、アクセスが困難な海上に独立して設置するため、ハブ部品にさらなるブレードピッチ調整用の機械部品が必要となる。さらに、ピッチ調整には継続的に作動する制御装置が必要であり、制御装置が故障した場合、ブレードが構造的耐荷力の最高値を超える異常流を受ける恐れがある。
【０００４】
簡素化及び耐故障性の見地から、ロータブレードは、ハブに強固に設置できる角度で固定されており、垂直軸周りの装置を備えていない。潮力を利用する一般的な水平タービンとして、例えば、特許文献１のものが知られている。このようなタービンに点対称又は二重対称形状を採用した場合、双方向流入が可能となる。しかしながら、公称出力に達した時点で出力低減のために速度を変更することができるだけであり、速度を変更すると、ロータブレードの性能を最大限に利用できなくなってしまう。一般に、ゼロ交差先端速度比までの先端速度範囲はこの目的で設定されている。
【０００５】
過負荷時には、先端速度が速くても高い軸推力が水平タービンに作用するため、ブレード設置器具やそれに続くパワートレインの部品の寸法決め及び設置の支持構造が必要となり、取付角度を固定的に選択したロータの設計において不利である。
【０００６】
強い流れが流入する場合に軸方向の負荷を低減するために、弾性可撓ロータブレードが風力発電所用水平タービンに提案されている。例えば、特許文献２に示されている。あるいは、ハブ上のロータブレード設置器具にジョイント結合したフラップロータブレードが使用可能である。例えば、特許文献３に示されている。垂直軸周りに回転する部品を使用せずに双方向流入可能に設置する場合、水平タービンは流入方向に応じて風下タービン又は風上タービンとして作用する。風上動作の場合及び過負荷の場合、支持構造がロータブレード先端と接触する恐れがあるため、機械用ナセルにさらなる軸方向スペーサが必要となる。このため、ロータブレードの軸方向への曲げ弾性とフェザリング位置の方向へのねじれを組合せた受動的動力制限が好ましい。このことは、例えば、水平タービンを設置の垂直軸周りにねじる装置を有する風力発電所に関する特許文献４に開示されている。単一方向流入水平型潮力タービンについてのさらなる改良が特許文献５に開示されている。これには、遠心力でフェザリング位置の方向へ更に変形するように、弾性変形可能な省スペースロータブレードを適用することが提案されている。周知の曲げねじりカップリングは、双方向流入可能なロータブレードには適していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２００７０６１１８５号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１０２００４０４５４０１号明細書
【特許文献３】独国特許出願公開第２５４６８８４号明細書
【特許文献４】米国特許第７１５３０９０号明細書
【特許文献５】独国特許出願公開第１０２０１１０５３３７０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、双方向流入可能で、ピッチ調整装置のない水平タービンのためのロータブレードを提供することにあり、各流入方向のフェザリング位置への弾性変形という受動的な方法で、水力的に特に有効な径方向外側ブレード領域を過負荷時に移動させるものである。
【０００９】
本発明の目的は、独立請求項の特徴により達成される。従属請求項において有利な実施形態が設けられている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の目的を達成するために、本発明において、過負荷時において受動的に防護するために、ハブに固着されたロータブレードを有する一般的水平タービンには、横負荷、すなわち形状断面の翼弦線に対して垂直な力に対して異方性挙動を有する構造強化部品が必要であると認識している。さらに、構造強化部品は、横負荷に対して剛性を発揮する部品を作用点の前に配置し、それよりも弾性力の高い構造補強部品の部分を下流に配置しなくてはならない。
【００１１】
双方向流入が可能な場合、圧力中心と横力成分の方向が変化するため、横方向に対する構造補強部品が反対方向への構造補強部品よりも弾力性が小さい必要がある。特に、横方向の弾性係数が反対方向の弾性係数よりも高いため、構造補強部品の異方性は、形状の中心線に対してミラー反転するよう適用することが好ましい。
【００１２】
構造補強部品は、ロータブレードの中間構造に機械的に結合されており、各々十分にねじれることのできるねじりを有する。このねじれは、各横負荷に対して弾性的により強い構造補強部品を横方向に偏向させる。さらなる改良において、弾性はねじれに対して、各構造補強部品の長軸方向周りに異方性があることが好ましい。
【００１３】
第１流入方向と第２流入方向とで双方向と考える。この二つの流入方向は精確に反対方向である必要はない。特に潮流の場合、潮流長円が非対称となることがあり、さらなる説明において双方向の流入とは、第１流入方向と、１５０度から２１０度の範囲で第１流入方向から逸れた第２流入方向とする。
【００１４】
本発明の基本は、過負荷下におけるロータブレードの弾性挙動にある。過負荷の場合とは、性能最適先端速度比を超える所定の先端速度比の閾値によって定義され得る。先端速度比は、流入速度に対する周方向先端速度の比として求められる。さらに、流入速度の閾値は過負荷の場合を特定するために想定することが好ましい。
【００１５】
さらに、ロータブレードの偏向部とは、少なくとも８０％がフェザリング位置の方向へのブレードねじれを生じる、ロータブレードの長手方向の部分として考えられる。偏向部はブレードの長手方向全長にわたっていてもよく、あるいは長手方向の一部のみであってもよく、その場合は、径方向内側半分に延びていることが好ましく、ブレードの付け根の領域にあることが特に好ましい。
【００１６】
断面部が偏向部の領域において周方向とする場合、これは代表的な有限長手方向伸張型ブレード素子の場合であるが、流入による流体力が力点で結合され得る。本発明によれば、第１縦梁及び第２縦梁が偏向部に沿って設けられ、第１及び第２縦梁は、互いに断面弦の方向に離間しており、第１縦梁の重み付け表面中心が力点の上流側に位置し、第２縦梁の重み付け表面中心が力点の下流側に位置するよう配置されている。
【００１７】
重み付け表面中心とは、横負荷に対する弾性係数の寄与を計算し、その値で縦梁の断面部に対して表面部分の重み付けを行うことで定義する。横力を特定するために仮定する横方向は、断面部平面における断面弦に対する垂直線として定義する。したがって、横方向偏向に対する弾性反力の力点は、重み付け表面中心で定義される。
【００１８】
さらに、それら二つの縦梁は、機械的に結合されていなければならない。このため、ロータブレードの剛性素子を介して少なくとも一か所で間接的に結合されている。この結合は、必ずしも偏向部で形成されている必要はない。したがって、偏向部における二つの縦梁の重み付け表面中心の距離の変化に対して反力を生ずる場合、少なくとも間接的に結合されていれば、結合機能を満たす。少なくとも間接的結合は、無負荷状態において９５〜１０５％の範囲で二つの縦梁の重み付け表面中心の距離を保つことが好ましい。ある実施形態では、二つの縦梁に固定された翼桁が設けられている。この結合の結果、一方で断面弦方向の流入による力成分が遮断され、二つの縦梁が結合されているため、他方で横力が断面弦に対して垂直に作用する。
【００１９】
本発明によれば、上流側縦梁は、流入時に作用点で存在し且つ断面弦に対して垂直な横力による横偏向が下流側縦梁よりも上流側縦梁で小さくなるような、横方向に対する弾性係数を有していなければならない。その結果、第１縦梁の横偏向は第２縦梁のそれよりも小さくなる。したがって、第１縦梁の重み付け表面中心周りに第２縦梁の重み付け表面中心が実質的に回転し、ブレード部の流体力ピッチ角が減少し、フェザリング位置方向に動く。
【００２０】
流れが第１流入方向から第２流入方向へ変化すると、流体合力による新たな作用点が断面弦上に生ずる。さらに、第１流入方向の横力の反対方向を向く第２流入方向に対する横力が得られる。さらに、上流側と下流側とに縦梁を交換することを考慮しなくてはならず、現在する横力に対する弾性係数が下流側縦梁よりも上流側縦梁の方が大きい。これが、第１の横方向（以下、偏向方向）の正方向に大きく弾性変形し、且つ第２の逆横方向には同じ量の横力に対してはあまり偏向しないという、横方向に対する弾性係数に関する異方性挙動を二つの縦梁が有していなければならない理由である。第２横方向は、以下で剛性方向と呼ぶ。
【００２１】
横方向に異方性弾性係数を有する縦梁は、さまざまな方法で形成され得る。例えば、上弦と下弦とを関節方法で取り付けた支持体により横方向に離間させることで形成され得る。テンションのみにより負荷され得る横方向指向性部品及び縦方向指向性部品をさらなる対角筋かいに設けることで、異方性横耐負荷がもたらされる。
【００２２】
他の実施形態において、異方性を有する縦梁は、テンションにより負荷可能なより糸が好ましい方向を特定するファイバ層を有するファイバ複合材料からなる。主に斜め巻回による構造的強度は、巻回の種類に影響を受けるため、横耐荷力に関する所望の異方性が得られる。上述の対角筋かいに応じた、斜めに延びる多くの層を設ける必要がある。さらに、横方向の異方性弾性係数は、対応する方向に向いたフィラメントヤーンをファイバ複合材料の縦梁の対向側に斜め巻回することで得ることが可能である。
【００２３】
さらに他の実施形態において、異方性挙動は、支持体を非対称に配置することで実現可能である。一側で縦梁を横方向に支持し且つ反対方向への横偏向を許容する、長手方向に延びる支持体を設けることも考え得る。さらに、偏向方向への移動の範囲を増加させるために、各部分で片側を支持してもよい。この点においては、非対称側方支持部品が、異方性横耐荷力を有する縦梁の一部としてみなされる。
【００２４】
他の実施形態において、横方向の異方性弾性係数は、翼弦線に対して平行に延びる縦梁に対するジョイント結合により、実現される。ここで、偏向方向及び剛性方向は、ジョイント結合上の片側ストッパ及びばね弾性部品により特定される。ジョイントにより実現される実施形態は、異方性可撓特徴と組み合わせることができる。さらに、空間が必要となるので、ジョイントはハブ内に設けられることが好ましく、ブレードの付け根の領域での軸支が可能である。ブレードの付け根の領域に空間的に限定された偏向部の実施形態は、実質的に長手方向に比較的剛性があるロータブレードと組み合わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る双方向流入可能な形状の水平タービンを示す。
【図２】図１における第１流入方向の断面Ａ−Ａを示す。
【図３】図１における第２流入方向の断面Ａ−Ａを示す。
【図４】図２における第１縦梁の領域の断面を示す。
【図５】図４における第１縦梁の断面Ｂ−Ｂを示す。
【図６】図５の縦梁における偏向方向と剛性方向を示す。
【図７】横負荷に対して異方性を有するファイバ複合材料からなる縦梁を示す。
【図８】第１巻回方向及び第２巻回方向のテンション帯又はフィラメントヤーンで形成された箱型縦梁の断面の一実施形態を示す。
【図９】（ａ）〜（ｄ）は、図８における縦梁の側面上の巻回の進行状態を示す。
【図１０】他の実施形態における一巻回方向のテンション帯又はフィラメントヤーンで形成された箱型縦梁の断面を示す。
【図１１】（ａ）〜（ｄ）は、図１０における縦梁の側面上の巻回の進行状態を示す。
【図１２】非対称ストッパとばね弾性素子を有する、ヒンジとして作用するジョイントの一実施形態を示す。
【図１３】非対称に配置された側方支持部品を有する第１縦梁の他の実施形態を示す。
【図１４】図１３の切断線Ｃ−Ｃに沿った断面を示す。
【図１５】図１３の切断線Ｄ−Ｄに沿った断面を示す。
【図１６】断面非対称に配置された側方支持部品を有する縦梁の他の実施形態を示す。
【図１７】図１６の切断線Ｅ−Ｅに沿った断面を示す。
【図１８】ブレードの付け根の領域において空間的に限定された偏向部分を示す。
【図１９】図１８の切断線Ｆ−Ｆに沿った断面を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に記載される本発明の好ましい実施例を、上記のことを詳しく示す図の表示をもとにして説明する。
【００２７】
図１は、本発明に係る水平タービン１を単純化した概略図であり、水平タービン１は、機械ナセル７内のベアリング（図示せず）上で回転する。タワーアダプタ８は、機械ナセル７に隣接し、取り付け位置で支持構造９に回転可能に強固に保持され、支持構造９は、水体又は浮上ユニットの面上の土台（図示せず）との結合を形成している。水平タービン１は、軸方向を特定する回転軸５に対応するハブ４をさらに備える。水平タービン１の径方向及び周方向はそれに対して垂直であり、回転面が広がっている。
【００２８】
図示した実施形態において、水平タービン１は、３つのロータブレード３．１、３．２、３．３を備え、ロータブレード３．１、３．２、３．３は、一般的な水平タービン１に対してハブ４上のブレード結合部１０．１、１０．２に強固に固定されている。水平タービン１は、周期的に方向が変化する流体の流れにより駆動され、図１においては、各々反対方向となる第１流入方向２．１及び第２流入方向２．２として示している。潮流を流入に使用した場合、第１流入方向２．１が第２流入方向２．２の反対方向と厳密にはならない場合がある。本願において反対流とは、第１流入方向２．１及び第２流入方向２．２が互いに少なくとも１５０度逸れているものと考える。
【００２９】
本発明の水平タービン１は、双方向流入可能なロータブレード３．１〜３．３のための過負荷時受動防護具を有し、過負荷防護具は、水力による強い流入の場合に、少なくともロータブレード３．１〜３．３の一部がフェザリング位置の方向へ移動するように、ねじれる偏向部１１を有する。この偏向は、ピッチ角度を減少させ、それにより動力係数及び推力係数を減少させる弾性偏向であるとわかる。
【００３０】
図１に示す実施形態では、偏向部１１はロータブレード３．１〜３．３の長手方向に全長にわたって延びており、ブレード結合部１０．１、１０．２からロータブレード先端３０に及んでいる。第１縦梁１２及び第２縦梁１３は、ロータブレード３．１〜３．３の長手方向に配置されている。第１流入方向２．１の水力の総和の有効中心をロータブレード３．１〜３．３の第１圧力中心１５とした場合、縦梁１２は第１圧力中心１５よりも上流側に配置されている。第２縦梁１３は、したがって下流に配置されている。水力の合力作用点は、第２圧力中心１６に対して第２流入方向２．２にずれる。この場合、第２縦梁１３は第２圧力中心１６よりも上流にあり、第１縦梁１２は下流にある。
【００３１】
図示した実施形態において、二つの縦梁１２、１３は横負荷に対して異方弾性を有しており、図１の交線Ａ−Ａの図２及び３の断面を参照して以下に詳しく説明する。
【００３２】
図２は、流入速度ｖ1と負の周速度‐ｕ1のベクトル和としての第１流入方向２．１の有効流入ｗ1を示しており、流体抵抗ＦD及び揚力ＦLが断面上に生じている。その結果、作用点１７．１に作用する流体合力ＦRが生じる。断面の弾性変形をさらに考察すると、断面部の線の流体合力は、ベクトル的には、断面弦１８に平行な力成分ＦPと断面弦１８に垂直な横力ＦQに分かれる。さらなる考察のために、断面弦１８に平行な力成分ＦPは過負荷時受動防護具に対しての実質的変形には寄与しないと仮定する。
【００３３】
第１流入方向２．１の上流側に位置する第１縦梁１２は、実施形態においてＤビームである。下流側の第２縦梁１３と共に概略図に示す。他の実施形態において、二つの縦梁１２、１３は、図には示さないが、ダブルＴビーム、Ｚビーム、又はボックスビームのように配置してもよい。横負荷に対する縦梁１２、１３の位置と変形特性が関係する。
【００３４】
二つの縦梁１２、１３の位置を決定するために、重み付け表面中心１４．１、１４．２をそれぞれ特定する。重み付けは、断面部の面にあって、断面弦１８に対して垂直な断面部２０において、横負荷に関する弾性係数の寄与に対して行う。したがって、無負荷状態の特徴であるゼロ線は、それぞれ縦梁１２、１３に対応付けられた重み付け表面中心１４．１、１４．２の細線であると理解できる。
【００３５】
本発明の一実施形態において、縦梁１２、１３それぞれに対応付けられた重み付け表面中心１４．１、１４．２は、第１流入方向２．１及び第２流入方向２．２の両方に対して、第１縦梁１２及び第２縦梁１３がそれぞれ上流側及び下流側に交互になるよう、偏向部１１に配置されている。図２に示す第１流入方向２．１に関して、重み付け表面中心１４．１は作用点１７．１の上流に位置し、第２縦梁１３の重み付け表面中心１４．２は下流に位置している。
【００３６】
第１縦梁１２及び第２縦梁１３は、少なくとも間接的に剛性素子２４を介して結合されている。翼桁３１がこのために断面部に対して設けられている。ロータブレードケーシング３２は、縦梁１２、１３及び断面部３１を通って延びている。翼桁３１は、二つの縦梁１２、１３を連結し、断面弦１８の方向の距離を定めている。
【００３７】
さらに、横力ＦQによる負荷の場合、偏向部１１における二つの縦梁１２、１３は互いに異なる弾性を発揮する。図２において第１流入方向２．１に生じる横力ＦQの方向に対して、上流の第１縦梁１２は下流の第２縦梁１３よりも剛性がある。これにより、第２縦梁１３の重み付け表面中心１４．２の横偏向に伴う弾性変形と、第１縦梁１２の重み付け表面中心１４．１を中心とする時計回りの回転とが生じる。このように生じた動きを破線の輪郭で示す。弾性変形によって生じる流体力ピッチ角α2は、無変形状態の流体力ピッチ角α1よりも小さい。実質的には下流の第２縦梁１３の弾性偏向によって生じるロータブレード３．１〜３．３のねじれの結果、フェザリング位置に近づく。
【００３８】
図３は流れの方向が変化した後の状態を示し、第２流入方向２．２は有効流入ｗ2の断面と一致している。その結果、作用点１７．２に作用する流体合力ＦRが生じる。流れの方向が変化した結果、第２縦梁１５の重み付け表面中心１４．２は上流に位置し、第１縦梁１２の重み付け表面中心１４．１は下流に位置する。断面弦１８に垂直な流体合力ＦRの成分としての横力ＦQの効果を考察すると、第２縦梁１３の重み付け表面中心１４．２を中心とする時計回り方向の回転として、第１縦梁１２の重み付け表面中心１４．１の横偏向が生じる。したがって、第１縦梁１２は横方向に弾性変形可能な部品となり、第２縦梁１３は横負荷に対する剛性素子となる。その結果、弾性特性が図２に示す状態の反対となる。したがって、両縦梁１２、１３はそれぞれ、ミラー反転したような異方弾性挙動、すなわち横力方向に応じて異なる挙動を示す。二つの縦梁１２、１３はしたがって、横力ＦQの方向の弾性変形に対して、それぞれ下流側の縦梁１２、１３の弾性係数が低くなるように設置される。異方性横耐荷力がある場合の他の実施形態を以下に述べる。
【００３９】
図４は、図２及び３における第１縦梁１２の領域の断面を示す。図には、ロッド２６．１、２６．２及び対角筋かい２３により横方向ｙに結合された上弦２１と下弦２２を示している。これらの部品は、図４のＢ‐Ｂの縦断面を表す図５に詳しく示している。
【００４０】
ロッド２６．１、２６．２は、実質的に横方向ｙに延びており、対角筋かい２３．１〜２３．ｎがなければ上弦２１及び下弦２２がたがいに平行方向にのみ動くよう、回転ジョイント２７．１〜２７．４を介して上弦２１と下弦２２に結合されている。対角筋かい２３．１〜２３．ｎは、圧力方向ではなく、テンション方向のみに対して反対方向の力を生じる素子により実現できる。ロープ又は鎖接続が最も簡単な場合に採用される。テンションにより負荷され得るファイバ複合素材を使用してもよい。対角筋かい２３．１〜２３．ｎが斜めに進行する結果、弾性変形性に所望の異方性が得られる。
【００４１】
図６に示すように、ｙ軸正方向に対して弾性係数が小さく、したがって弾性変形性が高い。この方向は、偏向方向２８を示している。対角筋かい２３．１〜２３．ｎの大きさが偏向方向２８の弾性変形に対して小さくなっており、反対方向の力が生じていないことがよくわかる。横力を負横方向ｙに負荷した場合、対角筋かい２３．１〜２３．ｎにテンションが負荷される結果、図６に示すように、高弾性係数となる。その結果、図６に示す輪郭の弾性変形が、偏向方向２８と剛性方向２９をたどる。
【００４２】
異方性縦梁１２、１３は、ファイバ複合素子３３のみによっても形成され得る。図７は、一実施形態におけるファイバ複合素子の簡素化した概略縦断面であって、長手方向ｚ及び横方向ｙに広がる交差面での第１縦梁１２を示す。テンションによる負荷可能なファイバ層２５．１〜２５．ｎを形成し、斜めに延びるファイバ層４６．１〜４６．ｎを示している。埋設のために使用されるフィラメントヤーン及びマトリックス材の詳細は図示していない。斜めに延びるファイバヤーン４６．１〜４６．ｎの織パターンは、テンション耐荷力を特定するフィラメントヤーンがｙ−ｚ面の対角方向に延びるように設けられており、第１縦梁１２は図示した偏向方向２８と剛性方向２９とを有することになる。
【００４３】
他の実施形態における複合部品としての縦梁１２を図８、９（ａ）〜９（ｄ）に示す。図８は、ボックス支持材４７のｘ‐ｙ面における断面図であり、ｘ‐ｙ面は弦方向ｘ及び横方向に広がっており、ボックス支持材には反時計回りに延びる第１巻回方向５０に第１フィラメントヤーン４８が巻回されている。第２フィラメントヤーン４９の巻回は、第２巻回方向５１であって、時計回りの方向である。フィラメントヤーンは、カーボン、ガラス、又はアラミドファイバからなる。
【００４４】
巻回の選択された斜め進行状態を図９（ａ）〜９（ｄ）に示し、図８に示した側面５２〜５５を示している。巻回５０、５１はそれぞれ一重のみ示し、それぞれの巻回の進行状態を示している。ｘ−ｚ面に平行な第１側面５２上では、第１及び第２フィラメントヤーン４８、４９は正のｚ成分の斜め巻回となっており、巻回が交差している。反対側の第３側面５４上の巻回の進行状態を示す。ｙ−ｚ面に平行な第２側面５３上では、第１フィラメントヤーン４８は負のｚ成分の斜め巻回となり、第２フィラメントヤーン４９は正のｚ成分の斜め巻回となっている。巻回５０、５１の方向が互いに反対方向である結果、平行な斜め巻回層が得られている。第２側面５３に平行な第４側面５５においても、平行に巻回されており、ｚ成分の符号が正負逆になっている。なお、第２側面５３及び第４側面５５における平行な斜め方向は投影視において互いに一致し、所望の異方性が図８に示す偏向方向２８及び剛性方向２９をたどる。
【００４５】
さらなる実施形態を図１０及び１１（ａ）〜１１（ｄ）に示し、対応する部品には同じ符号を付している。先の実施形態に比べ、フィラメントヤーン５７は反時計回りの巻回方向５６のみに巻回されている。第１から第３側面５２‐５４では正のｚ成分の斜め巻回がなされ、第４側面５５では負のｚ成分の斜め巻回がなされている。これにより、全ての側面５２〜５５において平行な斜め巻回となり、投影視において、第２及び第４側面５３、５５のみに対して同じ方向の斜め巻回になり、第１及び第３側面５２、５４の投影視では互いに交差している。その結果、図１０に示すような偏向方向２８及び剛性方向２９の所望の異方性が再び供される。さらに、ねじれ係数は異方である。所定の巻回方向５６への巻回の結果、図１０の断面図において、交差梁は長手方向ｚの軸を中心に反時計回りよりも時計回りにねじれやすい。
【００４６】
図１２は他の実施形態を示し、第１縦梁１２の偏向部１１がハブ４の回転ジョイント５８によって形成されている。回転軸３４、規制ストッパ４１．１、４１．２及びばね組立部品３６を選択することで、偏向方向２８と剛性方向２９との交差面で可動限定範囲が減少する。本実施形態において、縦梁１２、１３は、全体的に横方向に非常に安定するよう配置されている。
【００４７】
図１３〜１５に、横負荷の方向に応じた弾性係数のさらなる実施形態を示す。図１３は、例えば縦梁１２の縦断面図である。円筒状部材で形成され、翼桁３１．１〜３１．４に強固に結合された縦梁３７．１の簡素化した略図を示している。これらの翼桁は、ロータブレードケーシング３２に広がっている。異なる横耐荷力を実現するために、縦梁３７．１は、各二つの翼桁３１．１〜３１．４の間で、一側に向かって長手方向ｚに延びる中間梁３８によって支持されている。図１４及び１５に示す断面図Ｃ‐Ｃ及びＤ‐Ｄを参照する。
【００４８】
図１４及び１５には、翼桁３１．１〜３１．４の開口に達する中間梁３８が示されている。図１４にはさらに、中間梁３８が側面部４０．１〜４０．２において二つの翼桁３１．１〜３１．４の間の空き空間に向かって弦方向ｘに突出していることを示している。側面部４０．１、４０．２は、互いにミラー反転したように配置され、縦梁３７．１、３７．２を収容するための、ｙ軸正方向又は負方向に延びるキャッチ開口を有している。二つの縦梁３７．１、３７．２に対して、非対称に支持していることで剛性方向２９を特定し、側面部４０．１、４０．２に開口を設けたことで偏向方向２８を特定していることがわかる。
【００４９】
中間梁３８と縦梁３７．１、３７．２との間及び翼桁３１．１〜３１．４とロータブレードケーシング３２との間の相対移動は、中心に延びている中間梁３８によって限定されるため、図示した実施形態では、偏向部１１は径方向に短いほうが好ましい。
【００５０】
図１６及び１７は、より大きく横偏向させるためにブレードの長手方向全体に適用可能な場合のさらなる発展例を示す。図１６は、図１３に対応する、ｙ−ｚ面の断面図であり、図中にＥ−Ｅの交差線を示す。図１６は、いくつかの長手方向に限定された中間梁部４２．１〜４２．３を示し、それぞれ翼桁３１．１〜３１．４に結合されている。翼桁３１．１〜３１．４は、先の実施形態と同様に、各一部においてそれぞれ縦梁３７．１、３７．２及びロータブレードケーシング３２に結合されている。中間梁部４２．１〜４２．３は、縦梁３７．１、３７．２に沿って縦方向に接触しているため、ｙ軸負方向の偏向に対してのみ支持し、剛性方向２９を特定する。図１７に示すように、横方向反対、すなわちｙ軸正方向において、縦梁３７．１、３７．２は、弾性変形中に側面部４３．１、４３．２の開口から伸張可能である。これらの開口を側面部３４．１、３４．２にミラー反転するよう配置したことにより、二つの縦梁３７．１、３７．２の偏向方向２８及び剛性方向２９は、図１３に示すように、ミラー反転したようになり、したがって、異なる流入方向に対して下流側の縦梁３７．１がフェザリング位置方向への所望の内方向にねじれる。
【００５１】
図１８は、水平タービン１の本発明に係る一実施形態を示し、偏向部１１がブレード伸張部の一部に限られている。図示する実施形態において、それはロータブレード結合部１０の領域にある。図示する実施形態において、ロータブレード３．１〜３．３のその他の領域、すなわちブレードの水力活動領域は、可能な限り強固に設けられており、ある実施形態では鋳造部品が使用されている。他の実施形態においては、ファイバ複合材が使用され、構造的に剛性が強く、数層の交差対角層で補強したロータブレードケーシングが選択される。
【００５２】
図１９は、図１８におけるＦ‐Ｆ交差線に沿った断面図であり、偏向部１１として同時に使用されるダブルブレード結合部を示す。これは、二つのブレード付け根部４４．１、４４．２を有しており、軸方向に離れた二つの支持位置でハブに取り付けられている。これにより、単一のスパーに結合する場合に生ずる軸上の曲げモーメントとノッチ負荷とが低減する。これにより、偏向方向２８及び剛性方向２９の所望のミラー反転弾性変形性を実現するために、ブレード付け根部４４．１、４４．２が簡略化される。ある実施形態では、異方性弾性構造に代えて、断面弦８の投影に平行な回転軸とのジョイントが採用され得、そのジョイント部品と、特に剛性方向２９の支持に必要なばね組立部品がハブ４に収容される。
【００５３】
図１９は、水力に対して実質的に非活動な偏向部１１の作用点１７．１、１７．２が、ハブジャケット表面のブレード部品の圧力中心の細線部として特定されており、ブレード部品はロータブレードの水力部を形成していることを、さらに示している。また、図１９は、二つの重み付け表面中心１４．１、１４．２のうちの一つが上流に、他の一つが下流にそれぞれ配置されるように有効な作用点１７．１、１７．２のそれぞれが第１流入方向２．１及び第２流入方向２．２に対して配置される場合、作用点１７．１、１７．２が第１縦梁１２と第２縦梁１３とをつなぐ空間延長線上に位置していることを示している。
【００５４】
さらに、本発明に係る水平タービン１は空間捕まえロータブレード３．１〜３．３を備えていてもよい。これは、作用点の細線が径方向梁形状に即さず、径方向に対して角度をつけて配置されていることを意味する。ブレードは、前後方向に角度をつけられ得、又はロータ面上で鎌状で有り得、あるいは、そこからカーブしていく形状が考えられる。本発明による教示は、そのようなロータブレードにも適用可能であり、上述で仮定した長手方向ｚは、ロータブレード３．１〜３．３それぞれの径方向に限定された部分、すなわちブレード素子に対して定義される。さらに、ロータブレード３．１〜３．３は、径方向に応じた周速度を調節するために必要なブレードのねじれを有する。
【００５５】
偏向部はさらなる発明の進展のために使用し、ロータブレード３．１〜３．３の弾性挙動、すなわちそのフェザリング位置方向への動きは、所定の先端速度比の閾値ＩS以上の場合にのみ起きる。この過程において、横力ＦQに対する所定の閾値を超えると、フェザリング位置方向に内向きにねじれるよう、偏向方向２８に対する弾性係数が減少する非線形ばね装置を有するジョイント配置を使用する。標的圧力以上で切り替わるバルブ装置を有する水力動作シリンダを、この目的で非線形ばね素子として設けることができる。バルブを介した圧力コンテナへ過負荷時にばね素子の動作シリンダが排出すると、強い流入が中断した場合に単なる受動バルブ配置により圧力媒体が動作シリンダにフィードバックされ、トリップ閾値の前にあったばね力が再び生じる可能性がある。その結果、継続的に作動する制御装置が不要となり、純粋に受動的作動を提供することができる。以下の請求範囲内の実施形態が可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１                  水平タービン
３．１〜３．３      ロータブレード
２．１              第１流入方向
２．２              第２流入方向
４                  ハブ
５                  回転軸
６                  カウル
７                  機械ナセル
８                  タワーアダプタ
９                  支持構造
１０、１０．１、１０．２    ブレード結合部
１１                偏向部
１２                第１縦梁
１３                第２縦梁
１４．１、１４．２  重み付け表面中心
１５                第１圧力中心
１６                第２圧力中心
１７．１、１７．２  作用点
１８                断面弦
１９                回転面
２０                断面部
２１                上弦
２２                下弦
２３、２３．１、２３．ｎ    対角筋かい
２４                剛性素子
２５．１〜２５．ｎ  テンションにより負荷され得るファイバ層
２６．１、２６．２  ロッド
２７．１〜２７．４  回転ジョイント
２８                偏向方向
２９                剛性方向
３０                ロータブレード先端
３１、３１．１‐３１．４    翼桁
３２                ロータブレードケーシング
３３                ファイバ複合素子
３４                回転軸
３５．１〜３５．４  規制ストッパ
３６                ばね組立部品
３７．１、３７．２  縦梁
３８                中間梁
３９                開口
４０．１、４０．２  側面部
４２．１〜４２．３  中間梁部
４３．１〜４３．２  側面部
４４．１、４４．２  ブレード付け根部
４５                軸距離
４６．１〜４６．ｎ  斜めに延びるファイバ層
４７                ボックス支持材
４８                第１フィラメントヤーン
４９                第２フィラメントヤーン
５０                第２巻回方向
５１                第１巻回方向
５２                第１側面
５３                第２側面
５４                第３側面
５５                第４側面
５６                巻回方向
５７                フィラメントヤーン
５８                回転ジョイント
ｘ                  弦方向
ｙ                  横方向
ｚ                  縦方向
ＦD                流体抵抗
ＦL                揚力
ＦR                流体合力
ＦP                平行な力成分
ＦQ                周方向の力
ＩS                先端速度比の閾値
ｖ                  流入速度
ｕ                  周速度
ｗ                  有効流入
α1、α2、α3、α4  流体力ピッチ角
ｂ1、ｂ2            流入角度
ｄ1、ｄ2、ｄ3、ｄ4  回転面に対する角度
【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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【図９】
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【図１０】
2015180817.tif 000012
【図１１】
2015180817.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【外国語明細書】
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【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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