(57)【要約】  タービン発電機と共に使用するためのタービンであって、タービンは、流路内に位置付けるための少なくとも１つのタービンブレードと、少なくとも１つのタービンブレードに取り付けられるハブと、ヒンジ組立体を介してハブと動作的に連絡する回転可能なシャフトとを含み、ハブの軸はシャフトの軸から独立的である。ヒンジ組立体はシャフトとハブとの間に配置され、それらの間の角度を調節するよう構成される。コントローラ組立体がタービンの動作中にヒンジ組立体の少なくとも１つの動作特性を調節するよう構成される。１つの実施態様において、動作特性は、ヒンジ組立体のティータ角である。１つの実施態様において、動作特性は、剛性又は制動力である。流体タービンを使用する方法及び制御する方法も開示される。
2011515624.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン発電機と共に使用するためのタービンであって、
流路内に位置付けるための少なくとも１つのタービンブレードと、
該少なくとも１つのタービンブレードに取り付けられるハブと、
ヒンジ組立体を介して前記ハブと動作的に連絡する回転可能なシャフトとを含み、前記ハブの軸は、前記シャフトの軸から独立しており、
前記ヒンジ組立体は、前記シャフトと前記ハブとの間に配置され、それらの間の角度を調節するよう構成され、
当該タービンの動作中に前記ヒンジ組立体の少なくとも１つの動作特性を調節するよう構成されるコントローラ組立体を含む、
タービン。
【請求項２】
前記少なくとも１つの動作特性は、前記ヒンジ組立体のティータ角である、請求項１に記載のタービン。
【請求項３】
当該タービンを取り付ける細長いタワーを更に含み、前記ティータ角は、前記少なくとも１つのタービンブレードが前記タワーを通るときに、間隙距離を増大するよう調節される、請求項２に記載のタービン。
【請求項４】
前記少なくとも１つの動作特性は、前記ヒンジ組立体のティータに適用される剛性又は制動力である、請求項１に記載のタービン。
【請求項５】
前記シャフトの回転速度は、前記ハブ調節に基づき調節される、請求項４に記載のタービン。
【請求項６】
前記ヒンジ組立体は、
更に、前記ハブを前記シャフトに取り付ける剛的なヒンジ部材を含み、
該ヒンジ部材は、
前記ハブの回転を前記シャフトの回転に連結するためのカプリングと、
前記シャフトに対して直交する前記ヒンジ部材の旋回動作を可能にするよう構成される横方向旋回部材と、前記ヒンジ部材に隣接し且つ軸方向力を前記剛的なヒンジ部材に適用し、それによって、前記ヒンジ部材の前記旋回を制動するよう構成される制動部材とを含む、
請求項４に記載のタービン。
【請求項７】
前記ヒンジ部材は、前記シャフトの両側にあり且つ前記ヒンジ部材の前方側と前記ハブの対向表面との間に位置付けられる一対の制動部材を含む、請求項６に記載のタービン。
【請求項８】
前記シャフトは、主回転体に沿って並びに主回転体から偏心して設けられる剛的な取付け表面を含み、前記ハブは、前記ヒンジ部材と対向する取付け表面を含み、
前記ヒンジ組立体は、更に、複数の対の制動部材を含み、前記ヒンジ部材は、前記ヒンジ部材の中心軸の周りに均等に離間し且つ前記シャフト取付け表面とハブ取付け表面との間に位置付けられる複数の取付けフランジを含み、各対の制動部材は、前記フランジと前記ハブ又は前記シャフトの前記剛的な取付け表面の間にサンドウィッチ構造で前記取付けフランジの両側に位置付けられる、
請求項６に記載のタービン。
【請求項９】
前記ヒンジ組立体は、４つのフランジと、４つの対の制動部材とを含む、請求項８に記載のタービン。
【請求項１０】
前記制動部材は、進行性の剛性（ｋ）を有し、前記コントローラは、前記制動部材に力を適用し、それによって、前記制動部材の剛性（ｋ）を調節するよう構成される、請求項６に記載のタービン。
【請求項１１】
前記制動部材は、弾性材料である、請求項１０に記載のタービン。
【請求項１２】
前記シャフト取付け表面に隣接するチャンバと、
該チャンバの内側に位置付けられる一端部と、前記制動部材と連絡する他端部とを有するピストンとを含み、該ピストンの軸は、前記ハブ軸とは異なり、
前記ピストンの作動は、前記制動部材に対する圧力を調節する、
請求項１０に記載のタービン。
【請求項１３】
前記ヒンジ組立体は、横軸の周りの前記ヒンジ組立体の角度における変化に対する初期剛性（ｋｉ）を有し、前記少なくとも１つの動作特性は、当該タービンの動作中の角度における変化に対する動作剛性（ｋ）である、請求項１に記載のタービン。
【請求項１４】
前記少なくとも１つのタービンブレードは、前記ヒンジ組立体に対する質量慣性係数（Ｊｔｕｒｂｉｎｅ）を有し、前記少なくとも１つのタービンブレードは、前記少なくとも１つのタービンブレードの回転平面に対して実質的に垂直な流れ方向を有する流体流を通じて移動するよう構成され、前記流体流は、当該タービンが角周波数（ωｒｏｔａｔｉｏｎ）から成る外乱周波数（ωｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ）を含む外乱力に晒されるように、前記流れ方向において可変の流速を有し、
更に、前記ヒンジ組立体は、
【数２】
2011515624.tif 000004
として計算される固有周波数（ωｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を有し、
更に、当該タービンは、前記ヒンジの剛性（ｋ）、前記少なくとも１つのタービンブレードの前記質量慣性係数（Ｊｔｕｒｂｉｎｅ）、及び、前記角周波数（ωｒｏｔａｔｉｏｎ）が前記条件
【数３】
2011515624.tif 000005
に基ついて対応する点において特徴付けられるように、前記制動部材の前記動作剛性（ｋ）は周期的に調節される、
請求項１３に記載のタービン。
【請求項１５】
前記ヒンジ組立体の前記固有周波数の前記計算は、回転中の前記少なくとも１つのタービンブレードの遠心力及び空力制動のうちの少なくとも１つを組み込む、請求項１４に記載のタービン。
【請求項１６】
前記ヒンジ組立体の前記動作剛性（ｋ）は、実質的に連続的に調節される、請求項１４に記載のタービン。
【請求項１７】
前記コントローラは、前記少なくとも１つのタービンブレードの加速及び制動のうちの１つの間に前記少なくとも１つの動作特性を調節するよう構成される、請求項１に記載のタービン。
【請求項１８】
前記コントローラは、前記少なくとも１つのタービンブレードの荷重における変化に応答して前記少なくとも１つの動作特性を調節するよう構成される、請求項１に記載のタービン。
【請求項１９】
前記コントローラは、前記少なくとも１つのタービンブレードから上流の前記流路において来たるべき変化に応答して前記少なくとも１つの動作特性を調節するよう構成される、請求項１に記載のタービン。
【請求項２０】
前記ヒンジ組立体は、複数の所定の動作特性値を有し、前記コントローラは、前記少なくとも１つのブレードの荷重に関する入力情報に基づいて前記複数の値の１つを選択するよう構成される、請求項１８に記載のタービン。
【請求項２１】
当該タービンは、風力タービンであり、前記荷重は、当該タービンの疲労荷重、風外乱荷重、風シヤー荷重、及び、回転慣性荷重のうちの１つである、請求項１９に記載のタービン。
【請求項２２】
前記コントローラは、複数の値の対のルックアップ表を含み、各値の対は、第２の値に対応する測定された第１の値を含み、各値の対は、当該タービンの動作値に対応し、前記コントローラは、測定された第１の値を入力として受信し、前記測定された第１の値を使用して前記ルックアップ表を補間し、対応する第２の値を決定し、該対応する第２の値から、前記コントローラは、前記少なくとも１つの動作特性を前記対応する第２の値に調節する、請求項１に記載のタービン。
【請求項２３】
前記コントローラ組立体は、
入力情報を処理し且つ制御信号を送信するための制御プロセッサと、
前記入力情報に応答して前記少なくとも１つの動作特性を調節するよう構成される制御機構とを含む、
請求項１に記載のタービン。
【請求項２４】
前記制御機構は、曲げモーメントを前記ヒンジ組立体に適用し、前記ヒンジ組立体の剛性又は制動を調節する、請求項２３に記載のタービン。
【請求項２５】
当該タービンの動作パラメータを測定し且つ該パラメータに関連する情報を前記入力情報として前記コントローラに送信するよう構成されるフィードバックセンサを更に含む、請求項２３に記載のタービン。
【請求項２６】
近づいて来る流体のパラメータを測定し且つ該パラメータに関連する情報を前記入力情報として前記コントローラに送信するよう構成されるフィードバックセンサを更に含む、請求項２３に記載のタービン。
【請求項２７】
前記動作パラメータは、回転速度、シャフトトルク、空力制動、遠心剛性、及び、ブレード疲労荷重のうちの１つである、請求項２５に記載のタービン。
【請求項２８】
前記動作パラメータは、外乱力、シヤー力、流体加速、流体ジャーク、及び、流体速度のうちの１つである、請求項２５に記載のタービン。
【請求項２９】
前記ハブに対する前記少なくとも１つのブレードのピッチ角を制御するためのピッチ調節器を更に含む、請求項２３に記載のタービン。
【請求項３０】
前記ピッチ角を測定するための第１センサと、
前記ヒンジ組立体のティータ角を測定するための第２センサとを更に含み、
前記コントローラ組立体は、前記ピッチ角に基づいて前記ティータ角又はティータ制動を調節する、
請求項２９に記載のタービン。
【請求項３１】
電力を発電するための風力タービンシステムであって、
タワーと、
流体流内に位置付けられ且つ軸についての回転のために配置される少なくとも１つのブレードを含む前記タワーの上に配置されるロータ組立体と、
前記ロータ組立体のティータ角を調節するよう構成されるヒンジ組立体と、
ヒンジ剛性及び制動変更機構と、
当該風力タービンシステムによって発電される実際のトルク／電力を示す実際のトルク／電力信号を提供するための手段と、
所望の発電トルク／電力を示す基準トルク／電力を提供するための並びに剛性及び制動基準信号を前記ヒンジ剛性及び制動変更機構に前記実際のトルク／電力信号と前記基準のトルク／電力信号との間の差の関数として提供するための処理手段とを含み、
前記剛性及び制動信号を提供することは、
前記タワー、ロータ組立体、及び、ブレードのうちの少なくとも１つの上に配置される運動応答手段によって特徴付けられ、該運動応答手段は、前記少なくとも１つのブレードの運動、前方流体流、及び、前記ヒンジ組立体の運動のうちの少なくとも１つに基づき運動信号を提供し、
前記処理手段は、前記剛性及び制動信号を前記運動信号及び前記実際のトルク／電力信号と前記基準のトルク／電力信号との間の差の双方の関数として提供するための手段を含む、
風力タービンシステム。
【請求項３２】
前記運動応答手段は、加速度計を含み、前記処理手段は、前記剛性及び制動信号を前記運動信号の整関数として提供するための手段を含む、請求項３１に記載の風力タービンシステム。
【請求項３３】
前記運動応答手段は、加速度計を含み、前記処理手段は、前記実際のトルク／電力信号と前記基準のトルク／電力信号との間の前記差に基づく信号と前記剛性及び制動信号を前記運動信号との総和の整関数として提供するための手段を含む、
請求項３１に記載の風力タービンシステム。
【請求項３４】
前記処理手段は、前記剛性及び制動基準信号を前記運動信号の帯域通過濾過された関数として提供するための手段を含む、請求項３１に記載の風力タービンシステム。
【請求項３５】
細長い垂直なタワーと、偏揺れ角を決定する垂直平面における該タワーの軸と前記シャフトとの間の角度と、前記偏揺れ角を測定するためのセンサとを更に含み、前記コントローラは、前記偏揺れ角に基づき前記ティータ角又は前記ティータ制動を調節する、請求項２３に記載のタービン。
【請求項３６】
前記流路内の前記少なくとも１つのブレードから上流の流路における変化を測定するための前方センサを更に含み、前記コントローラは、前記前方センサの前記測定値に応答して前記少なくとも１つの動作特性を調節する、請求項１に記載のタービン。
【請求項３７】
前記前方センサ、ＬＩＤＡＲセンサである、請求項３６に記載のタービン。
【請求項３８】
当該タービンは、前記ハブの両側から延びる２つの対称的なブレードを含む、請求項１に記載のタービン。
【請求項３９】
当該タービンは、風力タービンである、請求項１に記載のタービン。
【請求項４０】
タービン発電機と共に使用するためのタービンであって、
流体領域内に位置付けるための少なくとも１つの細長いタービンブレードを含み、該少なくとも１つのタービンブレードは、ハブに取り付けられ、
該ハブと回転的に連絡する回転可能なシャフトを含み、
前記ハブ及び前記シャフトに連結される調節手段を含み、
該調節手段は、動作中に前記流体領域内の変化に応答して前記ハブ又は前記シャフトの動作パラメータを調節するよう構成される、
タービン。
【請求項４１】
前記流体領域は、風領域であり、前記シャフトは、ヒンジ機構を介して前記ハブと連絡する、請求項４０に記載のタービン。
【請求項４２】
前記調節手段は、前記ハブのティータ角及び前記ハブのティータ制動、シャフトの回転速度、及び、シャフトトルクのうちの少なくとも１つを調節する、請求項４１に記載のタービン。
【請求項４３】
前記調節手段は、前記ハブに曲げモーメントを適用する、請求項４１に記載のタービン。
【請求項４４】
前記ヒンジ機構は、前記ハブの取付け表面と前記シャフトの取付け表面との間の挟装構造で横方向旋回軸を備えるヒンジプレートと、該ヒンジプレートの旋回運動を制動するために前記ヒンジプレートの両側に設けられる複数の制動部材とを含む、請求項４３に記載のタービン。
【請求項４５】
前記調節手段は、前記複数の制動部材を調節可能に荷重し、それによって、前記ハブの曲げモーメント又は剛性を調節するよう構成されるヒンジコントローラ機構を含む、請求項４４に記載のタービン。
【請求項４６】
前記ヒンジコントローラ機構によって適用される前記荷重は、当該タービンの前記流体領域前方の測定値に基づく、請求項４５に記載のタービン。
【請求項４７】
前記調節手段による調節と協働して前記少なくとも１つのブレードの少なくともピッチを調節するよう構成されるブレード制御手段を更に含む、請求項４２に記載のタービン。
【請求項４８】
前記調節手段は、前記シャフト及び前記ハブの動作パラメータを調節する、請求項４１に記載のタービン。
【請求項４９】
前記調節手段は、所与の風領域のための動作を最適化するよう前記動作パラメータを調節する、請求項４１に記載のタービン。
【請求項５０】
前記調節手段は、当該タービンの動作条件に基づき前記動作パラメータを調節する、請求項４１に記載のタービン。
【請求項５１】
タービン発電機と共に使用するためのタービンであって、
流体領域内での位置付けのための少なくとも１つのタービンブレードと、
該少なくとも１つのタービンブレードの回転軸に沿って前記少なくとも１つのタービンブレードを取り付けるためのハブと、
ヒンジ組立体を介して前記ハブと動作的に連絡する回転可能なシャフトと、
前記ハブと前記シャフトとの間に配置されるヒンジ組立体とを含み、該ヒンジ組立体は、風の流れの方向に前記ハブの向きを調節するよう構成され、前記ヒンジ組立体は、
前記シャフトと前記少なくとも１つのタービンブレードの前記回転軸との間にティータ角を形成するヒンジ部材を含み、該ヒンジ部材は、制動部材を含み、角運動に対する剛性を有し、
前記ヒンジ部材運動の前記剛性を調節するよう構成されるヒンジコントローラを含み、該ヒンジコントローラは、動作中の前記少なくとも１つのタービンブレード又はシャフトに対する荷重に応答して前記剛性を調節するよう構成される、
タービン。
【請求項５２】
前記流体領域は、風領域である、請求項５１に記載のタービン。
【請求項５３】
前記ヒンジ部材は、予荷重される、請求項５１に記載のタービン。
【請求項５４】
前記制動部材は、複数の所定の剛性値を有し、前記剛性値の各々は、一組の流体領域条件に対応し、前記ヒンジコントローラは、前記一組の流体領域条件のうちの１つに基づき前記複数の剛性値のうちの１つを選択する、請求項５１に記載のタービン。
【請求項５５】
前記ヒンジコントローラは、前記ヒンジ部材のティータの剛性又は制動を調節するよう構成されるヒンジ制御機構を含み、前記ヒンジコントローラは、当該タービンの動作条件に基づきヒンジ部材剛性値を選択する、請求項５１に記載のタービン。
【請求項５６】
請求項５１に記載のタービンとの組み合わせでタービン発電機を含むエネルギを発生するためのシステム。
【請求項５７】
風の流れからエネルギを発生するための風力タービンシステムであって、
当該風力タービンシステムは、風力タービンを含み、該風力タービンは、
風の流れ内に位置付けるための少なくとも１つのタービンブレードと、
前記少なくとも１つのタービンブレードの回転軸に沿って前記少なくとも１つのタービンブレードに接続されるハブと、
ヒンジ組立体を介して前記ハブと動作的に連絡する回転可能なシャフトと、
前記ハブと前記シャフトとの間に配置されるヒンジ組立体とを含み、該ヒンジ組立体は、前記風の流れの方向に前記ハブの向きを制御するよう構成され、前記ヒンジ組立体は、
前記シャフトと前記ハブとの間にティータ角を形成するヒンジ部材を含み、該ヒンジ部材は、制動部材を含み、角運動に対する剛性を有し、
角運動に対して前記ヒンジ部材の前記剛性を調節するよう構成されるヒンジコントローラを含み、該ヒンジコントローラは、前記風の流れ及び前記少なくとも１つのタービンブレードの荷重に応答して前記剛性を調節するよう構成され、
当該風力タービンシステムは、前記シャフトの回転を電力に変換するために前記風力タービンに連結される風力タービン発電機を含む、
風力タービンシステム。
【請求項５８】
前記電力をユーティリティ電力網への分配のための形態に変換するために前記風力タービン発電機に連結される発電機変換システムを更に含む、請求項５７に記載の風力タービンシステム。
【請求項５９】
流体流内で流体タービンを調節する方法であって、
当該方法は、流体タービンを提供することを含み、
該流体タービンは、
流体流内に位置付けられる少なくとも１つのタービンブレードと、
該少なくとも１つのタービンブレードの回転軸に沿って前記少なくとも１つのタービンブレードに接続されるハブと、
ヒンジ組立体を介して前記ハブと動作的に連絡する回転可能なシャフトと、
前記ハブと前記シャフトとの間に配置されるヒンジ組立体とを含み、該ヒンジ組立体は、風の流れの方向において前記ハブの向きを制御するよう構成され、前記ヒンジ組立体は、
前記シャフトと前記少なくとも１つのタービンブレードの前記回転軸との間にティータ角を形成するヒンジ部材を含み、該ヒンジ部材は、制動部材を含み、角運動に対する剛性を有し、
前記ヒンジ部材運動の前記剛性を調節するよう構成されるヒンジコントローラを含み、
当該方法は、前記流体流内の変化に応答して前記ヒンジ部材の前記剛性を積極的に調節することを含む、
方法。
【請求項６０】
前記流体流は、風の流れである、請求項５９に記載の方法。
【請求項６１】
流体流から電力を発生する方法であって、
当該方法は、可変な流体流路内に位置付けるために構成されるタービンを提供することを含み、
前記流体流路内に位置付けられる少なくとも１つのタービンブレードと、
該少なくとも１つのタービンブレードの回転軸に沿って前記少なくとも１つのタービンブレードに接続されるハブと、
ハブ組立体を介して前記ハブと動作的に連絡する回転可能なシャフトと、
前記ハブと前記シャフトとの間に配置されるヒンジ組立体とを含み、該ヒンジ組立体は、前記流体流の方向において前記ハブの向きを制御するよう構成され、前記ヒンジ組立体は、
前記シャフトと前記少なくとも１つのタービンブレードの前記回転軸との間にティータ角を形成するヒンジ部材を含み、該ヒンジ部材は、制動部材を含み、角運動に対する剛性を有し、
前記ヒンジ部材の前記剛性を調節するよう構成されるヒンジコントローラを含み、
当該方法は、前記タービンと連絡するタービン発電機を提供することを含み、該タービン発電機は、前記シャフトの機械的な運動を電力に転換するよう構成され、
当該方法は、前記流体流路内に前記タービンを位置付けることを含み、
当該方法は、前記タービン発電機から電力を収集することを含む、
方法。
【請求項６２】
前記流体流は、風である、請求項６１に記載の方法。
【請求項６３】
タービンハブのティータを調整可能に調節するための制動組立体であって、
流体流内に位置付けられるときに、ティータードタービンハブに制動力を適用するよう構成される制動機構と、
前記流体流に基づき前記制動機構の前記制動力を調節するためのコントローラとを含む、
制動組立体。
【請求項６４】
前記タービンの回転するシャフトのトルクを調節するためのトルクコントローラを更に含み、該トルクコントローラは、前記制動力に基づき前記トルクを調節する、請求項６３に記載の制動組立体。
【請求項６５】
前記タービンのタービンブレードのピッチ角を調節するためのブレードピッチコントローラを更に含み、該ブレードピッチコントローラは、前記制動力に基づき前記ブレードピッチを調節する、請求項６３に記載の制動組立体。
【請求項６６】
流体流内に位置付けられる流体タービンを動作する方法であって、
１つ又はそれよりも多くの最初の第１の期間の間に、第１センサから感知される１つ又はそれよりも多くの事象に関する事象データを前記第一センサから受信すること、
ルックアップ表を使用して、前記事象データに対応する前記タービンの一組の動作パラメータを特定すること、
前記動作パラメータの関数である前記特定される組の性能値における前記動作パラメータの少なくとも一部を計算すること、
前記計算される性能値に基づき各動作パラメータのために前記特定される組のパラメータスコアの前記計算される部分を決定すること、
前記パラメータスコアに従って前記動作パラメータのうちの１つを選択すること、及び、
前記選択される動作パラメータに基づきティータ制動、ティータ角、及び、偏揺れ角のうちの少なくとも１つを調節することを含む、
方法。
【請求項６７】
前記第１センサは、近づいて来る流体流の少なくとも１つの特性を測定する、請求項６６に記載の方法。
【請求項６８】
前記第１センサは、前記タービンの素子の少なくとも１つの特性を測定する、請求項６６に記載の方法。
【請求項６９】
前記性能値は、タービン電力歩留まり及び素子疲労のうちの１つに関係する、請求項６６に記載の方法。
【請求項７０】
前記１つ又はそれよりも多くの最初の期間の間に、第２センサからの１つ又はそれよりも多くの事象に関する事象データを前記第２センサから受信することを更に含み、
前記一組の動作パラメータを特定することは、前記第１事象データ及び前記第２事象データへの対応に基づく、
請求項６７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には、タービン発電機と共に使用するためのタービンシステム及びタービンに関し、様々な実施態様において、風力タービン及びそれらを使用するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来的なタービンは、一般的に、流速を減少することによって、空気又は水のような流体流からエネルギを抽出する。タービンは、用途に依存して、異なる大きさ及び構造で提供される。一部のタービンは、小型の特殊な用途のために設計される。例えば、小規模地域社会に電力を提供するために、単純な風力タービン設備が遠隔場所で使用される。電力網に送られる電力を生成するために、独立した電力製造機及び公益設備は、しばしば、一筆の土地又は沖合の用地の上で幾つかのより大きな風力タービンを使用する。タービンは、例えば、川の流れにおけるような、水に基づく用途においても使用される。
【０００３】
タービン及び電力発電機プロジェクトは、しばしば、特異な環境的及び経済的な圧力に晒される。風力タービンの大きさ及び規模が問題を特に提示する。長期歳入に対する高い先行資本費用の繊細な均衡の故に、費用要因が多くのタービンプロジェクトの最前線にある。費用懸念は、継続的な保守及び動作費用並びに増築費用を含む。風力タービンの複雑性及び規模は、輸送、資本、及び、労働に関連する有意な費用も招く。大型風力タービンプロジェクトは、立地での騒音妨害及び視覚的影響のような、追加的な懸念も一般的に生み出す。
【０００４】
これらの懸念に応答して、タービン及びタービンシステムの性能を改良し且つ全体的な費用及び環境的影響を減少する益々の努力がなされている。そのような努力は、今までのところ、他の要因の中でも、伝達エネルギの費用、性能、材料使用量、システム寿命及び信頼性、並びに、タービンブレード性能及び騒音に集中している。
【０００５】
しかしながら、基本的レベルで、従来的なタービンは、一般的には、類似の原理に基づいて動作する。典型的なタービンは、幾つかの部材、例えば、流体流と適合するためのブレードを含む。ブレードは流体流内に位置付けられ、ハブで接続される。ハブは、シャフト及びドライブトレーン組立体に接続し、次に、ドライブトレーンは、発電機を駆動する。
【０００６】
近年、タービンの性能を改良し且つ様々な環境的及び経済的な問題に取り組むために、益々の努力がなされている。１つの焦点は、材料使用量を削減し、性能を向上し、且つ、動作寿命を増大することによって、タービン関連費用を削減することである。タービンから供給されるエネルギ費用を他の形態のエネルギ発生に対して競争力のあるものとするためには、費用を削減し且つ性能を向上することが絶え間のなく必要である。
【０００７】
益々信頼性があるタービン及び益々低価格な風力エネルギを提供するために、タービン技術は急激に進歩している。これは、部分的には、風力タービンが動作する荷重環境のより良好な理解によって可能にされ、それはより良好に設計されるタービンを可能にする。タービンブレード、ドライブトレーン、及び、タービンの全体的な動作は、そのような費用削減の具体的な焦点であった。
【０００８】
費用を削減するそのような設計変更の一例は、二枚ブレードタービンである。二枚ブレードタービンは、一般的には、材料、部品、及び、重量の減少の故に、より低いコストをもたらし、ひいては、それは伝達エネルギのより低いコストを意味する。加えて、二枚ブレード設計は他の利点をもたらす。二枚ブレード構造の固有の均衡の故に、例えば、タービンシステムを地面の上で組み立て且つ一斉に持ち上げ得る。
【０００９】
しかしながら、今までのところ、三枚ブレード設計は二枚ブレード設計よりも大きく受け入れられている。タービン上のブレードは、通常の動作中でさえ、相当に不均衡な力に晒され、それはタービンの構成部品に疲労を引き起こす。従来的なシステムは、全ての主要構成部品の寸法を増大することによって補償し、それは、ひいては、二枚ブレード設計の費用の利益を無にする。対照的に、三枚の対称的に配置されるブレードは、風領域又は水領域における不規則性の故に作り出される不均衡な力の一部を自然に均一にする。
【００１０】
上記の設計、環境問題、及び、経済問題を克服するために、特に、多数のタービンにとって典型的な不均衡な力を減少するために、幾つかの他の解決策が提示された。１つの解決策は、ティータードハブである。ティータードハブ設計は、ティータードハブに固定される二枚のブレードを含み、ティータードハブはタービンシャフトに蝶番的に接続される。
【００１１】
一例は、Ｂａｓｋｉｎ  ｅｔ  ａｌ．に交付された米国特許第４，５６５，９２９号であり、それは受動的にティータ（揺動）し得るハブを備える固定ピッチタービンを示している。ティータードハブは、ティータ止めと接触するまで、異なる荷重の力に応答する運動の範囲を通じて回転し得る。疲労挙動は通常条件の下では満足であるが、高乱流及び風シヤーを伴う極端な激しい条件の間にハブはティータ止めと衝突する。これはリジッドハブ風力タービンよりも高いモーメント力を引き起こし得る。
【００１２】
極端な条件におけるティータ運動の問題を解決するために、他の解決策が開発された。一例がＣｏｌｅｍａｎ  ｅｔ  ａｌ．に交付された米国特許第５，３５４，１７５号に開示されており、それは、各タービンブレードに接続された油圧ダンパ、ティータ止め、及び、エラストマサドル軸受を備える受動ティータードハブを開示している。通常条件の間、予荷重ゴムは、ゴムの固定弾性定数に応じたティータ運動の範囲を通じて制動力をもたらす。
【００１３】
Ｃｏｌｅｍａｎ装置は幾つかの制約を有する。Ｃｏｌｅｍａｎ装置のばねダンパは、回転するブレードに制動節力を加え、それは有意に増大された複雑性を引き起こす。さらに、ブレードにダンパを取り付けることは、外乱力をブレードに返し、それは性能及び信頼性に否定的な影響を及ぼす。Ｃｏｌｅｍａｎタービンは、各ブレードに関連付けられた特異なダンパシステムも要求する。各ダンパは他のダンパと同期的に作動するよう調節されなければならない。さらに、ダンパはティータ角及びティータ制動を正確且つ効率的に制御するよう協力して作用しなければならない。システムの複雑性は部品表及び保守費用を増大する。
【００１４】
加えて、Ｃｏｌｅｍａｎ装置は、特定の種類の条件の下でのみ性能を向上する。Ｃｏｌｅｍａｎダンパは低いＲＰＭで或いはティータ角が＋／−２．５°を超えるときに作動される。
【００１５】
通常発電モードであれ、極限条件、非動作条件、及び、これらの間の移行条件（これらに限定されない）を含む「他の」モードであれ、全ての条件に対処するタービンが有利に設計される。そのような条件の例は、突風に起因するブレード荷重の急激で激烈な変化、始動機能又は停止機能、及び、故障事例を含む。多様な風力タービン設計及びＩＥＣ基準のような認証基準は、そのような基準に従った設計において考慮されるべき荷重事例を定める。そのような荷重は、疲労荷重及び極限荷重を含む。
【００１６】
ダンパを備える従来的なタービンは、典型的には、大部分は固定的であり且つタービンの通常動作中に最も効果的であるよう設計されるばね定数を有するばねダンパを含む。そのようなタービンは、通常の使用中にダンパの移動又は圧縮を許容するが、圧縮は一定の弾力定数、及び、撓みの端部停止（エンドストップ）又は類似の制限によって定められる特定の最大を有する。「他の」条件の間、ダンパはティータ端部限界（エンドリミット）のアプローチを制動するよう機能する。動作中にシステムの異なる動力学に全体的に適合し且つ活用する適合又は調節はない。加えて、ばねダンパに打ち勝つとき、エンドストップは極限条件中に荷重の力を事実上増大し得る。
【００１７】
「他の」動作条件の下でティータ運動を制御することが有利である。例えば、タービンの始動又は停止中に、特に、より低い又はより高い風速で、ティータ運動は、タービンの設計回転速度と同じ条件の下で動作しない。
【００１８】
より近年、洗練された算数的なコンピュータ方法及びモデルがタービン設計に統合された。そのような設計は、風力タービンに対する荷重を減少し、よって、動作寿命を増大する算数的な計算を利用する。そのような設計の一例は、放棄された米国特許出願公開第２００４／００９６３２９Ａ１号（３２９号公報）に開示されており、その全文が全ての目的のためにここに参照として組み込まれる。そのような設計は、制動部材のような適切な構成部品を選択するために、動作環境の知識又は推定を使用する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
上記の装置にも拘わらず、タービンの性能及びタービン据付け及び動作の経済的側面を増大することの継続的な必要がある。
【００２０】
必要とされているのは、既知のシステムの上記の及び他の不利点を克服するタービン及びシステムである。必要とされているのは、現実世界の用途において受け得る無数の動的な条件において有利に作動するタービンである。必要とされているのは、平均的な或いは極限的な流体流以外の条件において増大された信頼性及び改良された効率（電力歩留まり）を備えるタービンである。
【００２１】
必要とされているのは、流体領域における不規則性によって引き起こされる不均衡な力の効果、よって、構造及びシステム内の疲労荷重及び極限荷重のリスクを最小限化するタービンのためのシステムである。必要とされているのは、通常条件、異常条件、極限条件、開始／停止条件、非動作条件、及び、他の条件の間の不均衡な力の効果を最小限化するタービン及びシステムである。
【００２２】
必要とされているのは、システム及び流体領域に関連する複数の要因に基づくタービンシステムの動作特性を改良する単純な設計のタービンである。必要とされているのは、改良された性能、信頼性、及び、強健性（ロバストネス）を有する、風領域(wind  field)又は他の流体領(fluid  field)域内での使用のための、１つ又はそれよりも多くのブレードを有するタービンである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
要約すれば、本発明は、タービン発電機と共に使用するためのタービンを提供し、タービンは、流路内に位置付けるための少なくとも１つのタービンブレードと、少なくとも１つのタービンブレードに取り付けられるハブと、ヒンジ組立体を介してハブと動作的に連絡する回転可能なシャフトとを含み、ハブの軸はシャフトの軸から独立している。様々な実施態様において、ヒンジ組立体は、シャフトとハブとの間に配置され、それらの間の角度を調節するよう構成される。本発明は、タービンの動作中に、ヒンジ組立体の少なくとも１つの動作特性を調節するよう構成されるコントローラ組立体も提供する。様々な実施態様において、動作特性は、ヒンジ組立体のティータ角である。
【００２４】
特定の実施態様において、ヒンジ組立体は、更に、ハブをシャフトに取り付ける剛的なヒンジ部材を含む。ヒンジ部材は、ハブの回転をシャフトの回転に連結するためのカプリングと、シャフトに対して直交するヒンジ部材の旋回動作を可能にするよう構成される横方向旋回部材と、ヒンジ部材に隣接する制動部材とを含む。様々な実施態様において、制動部材は、軸方向力を剛的なヒンジ部材に適用し、それによって、ヒンジ部材の旋回を制動するよう構成される。
【００２５】
様々な実施態様において、ヒンジ部材は、シャフトの両側にあり且つヒンジ部材の前方側とハブの対向表面との間に位置付けられる一対の制動部材を含む。シャフトは、選択的に、主回転体に沿って並びに主回転体から偏心して設けられる剛的な取付け表面を含み、ハブは、選択的に、ヒンジ部材と対向する取付け表面を含む。特定の実施態様において、ヒンジ組立体は、更に、複数の対の制動部材を含み、ヒンジ部材は、ヒンジ部材の中心軸の周りに均等に離間し且つシャフト取付け表面とハブ取付け表面との間に位置付けられる複数の取付けフランジを含む。各対の制動部材は、選択的に、フランジとハブ又はシャフトの剛的な取付け表面の間にサンドウィッチ構造で取付けフランジの両側に位置付けられる。特定の実施態様において、ヒンジ組立体は、４つのフランジと、４つの対の制動部材とを含む。
【００２６】
本発明は、少なくとも１つのブレードの加速及び制動のうちの１つの間に少なくとも１つの動作特性を調節するよう構成されるコントローラも提供する。コントローラは、少なくとも１つのタービンブレードの荷重における変化に応答して少なくとも１つの動作特性を調節するよう構成され得る。コントローラは、少なくとも１つのタービンブレードから上流の流路における変化に応答して少なくとも１つの動作特性を積極的に調節するよう構成され得る。
【００２７】
例示的なコントローラ組立体は、入力情報を処理し且つ制御信号を送信するための制御プロセッサと、入力情報に応答して少なくとも１つの動作特性を調節するよう構成される制御機構とを含む。特定の実施態様において、制御機構は、曲げモーメントをヒンジ組立体に適用し、ヒンジ組立体の剛性又は制動を調節する。特定の実施態様では、フィードバックセンサが、タービンの動作パラメータを測定し且つパラメータに関連する情報を入力情報としてコントローラに送信するよう選択的に構成される。様々な実施態様では、フィードバックセンサが、近づいて来る流体のパラメータを測定し且つパラメータに関連する情報を入力情報としてコントローラに送信するよう選択的に構成される。本発明は、選択的に、タービンシステムを監視するための１つ又はそれよりも多くのセンサを提供する。１つ又はそれよりも多くのセンサは、近づいて来る流体流の特性を測定するための前方センサであり得る。様々な実施態様において、前方センサは、ＬＩＤＡＲセンサである。
【００２８】
様々な実施態様において、本発明は、ハブの両側から延びる２つの対称的なブレードを含むタービンを提供する。様々な実施態様において、タービンは、風力タービンである。
【００２９】
様々な実施態様において、本発明は、タービンを調節するためにコンピュータ読み取り可能な媒体内のコンピュータプログラム製品を提供し、コンピュータプログラム製品は、タービン及び／又は前方流体領域の少なくとも１つの動作特性に関するデータを受信するための指令、受信データに基づきタービンの動作を分析すること、及び、分析に基づきタービンの他の動作特性を調節するための指令を含む。様々な実施態様において、タービンは、風力タービンである。様々な実施態様において、受信データは、前方流体領域、ティータ角、ティータ制動、偏揺れ角、偏揺れ制動、及び、ブレードピッチ角のうちの少なくとも１つに基づく。データ処理システムにおいてコンピュータプログラム製品を使用し得る。様々な実施態様において、分析することは、ルックアップ表を使用して達成される。様々な実施態様において、調節することは、ティータ角、ティータ制動、偏揺れ角、及び、偏揺れ制動のうちの少なくとも１つを調節するために制御信号を送信することによって達成される。
【００３０】
様々な実施態様において、本発明は、タービンを動作するためのデータ処理システムを提供し、データ処理システムは、タービンに関連付けられる少なくとも１つのセンサからのデータを受信するための入力手段と、タービンの少なくとも１つの動作特性を制御するための制御手段と、受信データに基づきタービンの性能を分析し且つ性能を向上するための値を計算するための計算手段とを含む。様々な実施態様において、制御手段は、計算される値に基づきヒンジコントローラ又は偏揺れコントローラを調節するために制御信号を送信する。
【００３１】
本発明は、タービン発電機と共に使用するためのタービンも提供し、タービンは、流体領域内に位置付けるための少なくとも１つの細長いタービンブレードと、ハブと回転的に連絡する回転可能なシャフトと、ハブ及びシャフトに連結される調節手段とを含み、少なくとも１つのタービンブレードは、ハブに取り付けられ、調節手段は、動作中に流体領域内の変化に応答してハブ又はシャフトの動作パラメータを調節するよう構成される。様々な実施態様において、流体領域は、風領域であり得る。シャフトは、選択的に、ヒンジ機構を介してハブと連絡する。
【００３２】
例示的な調節手段は、ハブのティータ角及びハブのティータ制動、シャフトの回転速度、及び、シャフトトルクのうちの少なくとも１つを調節する。調節手段は、動作中に少なくとも１つのブレード又はシャフトに対する荷重に応答して剛性を調節するよう構成されるヒンジコントローラ及び機構であり得る。用途に依存して、他の調節手段も設け得る。
【００３３】
様々な実施態様において、本発明は風の流れからエネルギを発生するための風力タービンシステムに向けられる。例示的なシステムは、風力タービンと、シャフトの回転を電力に変換するために風力タービンに連結される風力タービン発電機とを含む。特定の実施態様において、風力タービンは、風の流れ内に位置付けるための少なくとも１つのタービンブレードと、少なくとも１つのタービンブレードの回転軸に沿って少なくとも１つのタービンブレードに接続されるハブと、ヒンジ組立体を介してハブと動作的に連絡する回転可能なシャフトとを含む。特定の実施態様において、ヒンジ組立体は、ハブとシャフトとの間に配置され、風の流れの方向においてハブの向きを制御するよう構成される。ヒンジ組立体は、シャフトとハブとの間にティータ角を形成するヒンジ部材を含む。特定の実施態様において、ヒンジ部材は制動部材を含み、角運動に対する剛性を有し、ヒンジコントローラが、角運動に対してヒンジ部材の剛性を調節するよう構成される。本発明は、風の流れ又は少なくとも１つのタービンブレードの荷重に応答して剛性を調節するよう構成されるヒンジコントローラも提供する。風力タービンシステムは、電力をユーティリティ電力網への分配のための形態に変換するために風力タービンに連結される発電機変換システムを含み得る。
【００３４】
本発明は、流体流内でタービンを調節する方法も提供し、流体流内の変化に応答してヒンジ部材の剛性を積極的に調節することを含む。
【００３５】
本発明によって同様に提供されるのは、タービンハブのティータを調整可能に調節するための制動組立体であり、制動組立体は、流体流内に位置付けられるときに、ティータードタービンハブに制動力を適用するよう構成される制動機構と、流体流に基づき制動機構の制動力を調節するためのコントローラとを含む。特定の実施態様では、タービンの回転するシャフトのトルクを調節するために、トルクコントローラが選択的に提供される。トルクコントローラは、制動力に基づきトルクを調節する。特定の実施態様では、タービンのタービンブレードのピッチ角を調節するために、ブレードピッチコントローラが選択的に提供される。特定の実施態様において、ブレードピッチコントローラは、制動力に基づきブレードピッチを調節する。
【００３６】
様々な特徴において、本発明は、流体流内に位置付けられる流体タービンを動作する方法を提供し、当該方法は、１つ又はそれよりも多くの最初の第１の期間の間に、第１センサから感知される１つ又はそれよりも多くの事象に関する事象データを第一センサから受信すること、ルックアップ表を使用して、事象データに対応するタービンの一組の動作パラメータを特定すること、動作パラメータの関数である特定される組の性能値における動作パラメータの少なくとも一部を計算すること、計算される性能値に基づき各動作パラメータのために特定される組のパラメータスコアの計算される部分を決定すること、パラメータスコアに従って動作パラメータのうちの１つを選択すること、及び、選択される動作パラメータに基づきティータ制動、ティータ角、及び、偏揺れ角のうちの１つを調節することを含む。本発明は、コントローラ組立体が受信入力情報に基づき出力信号を決定するための決定手段も提供する。特定の実施態様において、コントローラ組立体は、入力情報に基づき、システムの少なくとも１つの素子の動作特性、例えば、ハブティータ制動を調節する。
【００３７】
本発明の様々な特徴は、流路においてタービンを方向付けるための偏揺れシステムに向けられ、システムは、少なくとも１つの回転可能なタービンブレードを有するタービンを偏揺れ軸について基準角度に対して流路内に位置付けるための偏揺れコントローラと、少なくとも１つのブレードの材料特性を測定するための監視組立体と、測定される特性に関する情報に基づき偏揺れ誤差を特定するための偏揺れプロセッサとを含む。
【００３８】
様々な実施態様において、監視組立体は、少なくとも１つのタービンブレードにおける荷重、応力、歪み、及び、温度のうちの少なくとも１つを測定する。監視組立体は、期間中の複数の測定材料特性に基づき、少なくとも１つのブレードの固有モードの周波数を測定し得る。様々な実施態様において、偏揺れプロセッサは、少なくとも１つのブレードの固有モード周波数を表す離散型フーリエ変換（ＤＦＴ）のためのアルゴリズムの係数を計算する。偏揺れプロセッサは、所定値を超える係数に基づき偏揺れ誤差を特定し得る。偏揺れ誤差は、基準角度からの逸脱及び／又は極端な方向変化に関係し得る。対向するブレードにおける持上げ力の比較に基づき偏揺れ誤差を特定し得る。ブレードが地面基準平面と平行な位置にあるとき或いは平行位置から回転するとき、対向するブレードにおける力の不均衡に基づき偏揺れ誤差を特定し得る。
【００３９】
様々な実施態様において、偏揺れコントローラは、偏揺れ誤差特定に基づき偏揺れ角を変更するよう構成される。様々な実施態様において、偏揺れコントローラは、偏揺れ誤差の特定に応答して運転停止信号を生成する。偏揺れコントローラは、受動コントローラであり得る。
【００４０】
本発明の様々な特徴において、偏揺れシステムは、更に、少なくとも１つのブレードのピッチ角を調節するためのピッチコントローラを含み、ピッチコントローラは、偏揺れ角の変化に基づきピッチ角を変更するよう構成される。タービンは、可変速度タービンであってもよく、タービンの速度は、タービンの偏揺れ角の変化に基づき調節される。
【００４１】
様々な実施態様において、偏揺れコントローラは、タービンの偏揺れ角が自由に変化することを可能にする。様々な実施態様において、偏揺れコントローラは、偏揺れ運動を制動するよう構成される。様々な実施態様において、偏揺れシステムは、更に、偏揺れブレーキを含む。
【００４２】
様々な実施態様において、監視組立体は、少なくとも１つのタービンブレード上に位置付けられるセンサ配列である。センサの各々は、縁部方向歪み及びフラップ方向歪みのうちの１つを測定し得る。センサの少なくとも１つは、光ファイバ歪みセンサであり得る。回転の軸に近接して少なくとも１つのブレードの根端部にセンサを位置付け得る。
【００４３】
様々な実施態様において、偏揺れシステムは、更に、監視組立体からの歴史的なデータを記憶するためのメモリを含む。記憶される歴史的データに基づき外乱データを除去するよう偏揺れプロセッサを構成し得る。通常動作温度、少なくとも１つのブレードの重量、及び、遠心力のうちの少なくとも１つの影響を低減するために、偏揺れプロセッサを較正し得る。
【００４４】
様々な実施態様において、偏揺れシステムは、更に、風条件を監視するためのセンサを含み、歴史的な風条件に関連するデータはメモリ内に記憶され、更に、偏揺れプロセッサは、記憶される風条件データに基づき風外乱データを除去するよう構成される。
【００４５】
本発明の様々な特徴は、風力タービンから電力を発電する方法に向けられており、当該方法は、風力タービンを提供することを含み、風力タービンは、流路内に位置付けられる少なくとも１つの回転可能なタービンブレードと、少なくとも１つのタービンブレードを偏揺れ軸について基準角度に対して流路内に位置付けるための偏揺れコントローラと、流路内での少なくとも１つのタービンブレードの回転によって電力を電力網に提供するための電力発電システムとを含み、当該方法は、タービンを流路内に提供すること、電力発電システムを活性化すること、電力発電システムからエネルギを収集すること、少なくとも１つのタービンブレードの荷重特性を監視すること、及び、監視することに基づき偏揺れ誤差を決定することを含む。様々な実施態様において、偏揺れ誤差は、基準角度からの逸脱及び／又は極端な角度変化に関係する。様々な実施態様において、当該方法は、更に、偏揺れ誤差の決定に応答してタービンの偏揺れ角を調節することを含む。様々な実施態様において、当該方法は、更に、偏揺れ誤差の決定に応答して電力発電システムを非活性化することを含む。
【００４６】
様々な実施態様において、監視することは、応力、歪み、温度、及び、荷重力のうちの少なくとも１つを測定することを含む。様々な実施態様において、当該方法は、更に、監視することを反復することを含み、決定することは、複数の監視される荷重特性値に基づき少なくとも１つのブレードの固有モードの周波数を計算することを含む。決定することは、固有モード周波数を表す離散型フーリエ変換（ＤＦＴ）のためのアルゴリズムの係数を計算することを含み得る。
【００４７】
様々な実施態様において、当該方法は、更に、決定することの前に、所定の閾値を選択することを含み、決定することは、所定値を超える係数に基づき偏揺れ誤差を特定することを含む。
【００４８】
様々な実施態様において、風力タービンは、偶数のブレードを含み、偏揺れ誤差の決定は、対向するブレードにおける力の不均衡を特定することに基づく。風力タービンは、奇数のブレードを含んでもよく、各ブレードは、前縁と後縁とを含み、偏揺れ角の決定は、対向するブレードの前縁での風速の不均衡を特定することに基づく。
【００４９】
様々な実施態様において、当該方法は、更に、長期に亘って監視することに関連するデータを記憶するステップを含む。ある瞬間に決定することは、以前に記憶されたデータとの比較に基づき得る。決定することは、以前に記憶されたデータに関連する所定のアルゴリズムに基づき得る。
【００５０】
本発明の様々な特徴は、風力タービンシステムに向けられ、風力タービンシステムは、タワーと、タワー上に支持され且つ流路内に位置付けられるために構成される少なくとも１つの回転可能なタービンブレードと、少なくとも１つのブレードの材料特性を監視するよう構成される、少なくとも１つのブレード上に位置付けられる少なくとも１つのセンサと、タワーの長手軸について少なくとも１つのタービンブレードの偏揺れ角を調節するよう構成される偏揺れコントローラとを含み、偏揺れコントローラは、材料特性に関連する情報を含む信号に基づき偏揺れ誤差を検出するよう構成される。
【００５１】
様々な実施態様において、偏揺れ誤差は、基準角度からの逸脱及び／又は極端な方向変化に関係する。偏揺れコントローラは、偏揺れ誤差を検出し、偏揺れコントローラは、偏揺れ角を調節し得る。偏揺れコントローラが偏揺れ誤差を決定するとき、少なくとも１つのタービンブレードに制動力を適用し得る。
【００５２】
様々な実施態様において、システムは、更に、回転軸について回転可能な、少なくとも１つのタービンブレードと連絡するシャフトと、回転可能なシャフトと連絡するドライブトレーンと、ドライブトレーンに連結され且つドライブトレーンの回転を電力に変換するよう構成される発電機とを含む。様々な実施態様において、偏揺れコントローラは、偏揺れ誤差の検出に応答して偏揺れ誤差信号を発電機に送信し、発電機は、偏揺れ誤差信号に応答して電力停止するよう構成される。偏揺れコントローラは、偏揺れ誤差の検出に応答して偏揺れ誤差信号を発電機に送信し、更に、発電機は、偏揺れ誤差信号に応答して速度を調節するよう構成される。
【００５３】
本発明の様々な特徴は、上述されたものに類似し且つコンピュータ上で実施されるタービンを制御する方法に向けられる。本発明の様々な特徴は、風力タービンを動作するためにデータ処理システム内で使用されるコンピュータ読み取り可能な媒体内のコンピュータプログラム製品に向けられ、コンピュータプログラム製品は、タービンの少なくとも１つの素子に関連するデータを受け取るための指令、データを所定値と比較するための指令、調節要因を決定すること、及び、調節要因を送信することを含む。調節要因に応答してタービンの素子を調節するコントローラに調節要因を送信し得る。
【００５４】
本発明の様々な特徴は、風力タービンを動作するためのデータ処理システムに向けられ、データを入力するための入力手段と、計算するための計算手段と、計算されたものに基づき制御信号を送信するための送信手段とを含む。
【００５５】
本発明のタービン及びシステムは、付属図面から明らかであり且つ付属図面中により詳細に示される他の機能及び利点を有し、それらは本明細書に組み込まれ且つ本明細書の一部を構成し、本発明の後続の詳細な記載は、共に本発明の原理を説明する働きをする。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明に従った二枚ブレードタービンを含む風力タービンシステムを示す側面図である。
【図２】図１の風力タービンシステムを示す側面図であり、システムは、ヒンジ組立体のティータ角及びタービンナセルの偏揺れ角を例証している。
【図３】図１のタービンのヒンジ組立体及びハブを一部断面で示す拡大側面図である。
【図４】図１のシステムのヒンジ組立体及びハブを概略的に示す拡大正面図である。
【図５】図１のタービンのヒンジ組立体の統合部分及びハブを示す拡大斜視図である。
【図６】図５のハブを示す拡大背面図である。
【図７】図５のハブを示す拡大側面図である。
【図８】図１のタービンのヒンジプレートを示す拡大斜視図である。
【図９】図８のヒンジプレートを示す拡大上面図である。
【図１０】図１のタービンのハブ及びヒンジ組立体を示す拡大側面図であり、４つの対の制動部材の間に挟装されたヒンジプレートを例証している。
【図１１】図１０のヒンジプレートを示す拡大側面図である。
【図１２】本発明に従った図１のヒンジ組立体のコントローラ機構の一部を示す拡大概略図であり、本発明に従った油圧ピストン及び制動部材を備えるヒンジコントローラを例証している。
【図１３】図１２のコントローラ機構と類似するコントローラ機構を示す拡大概略図であり、本発明に従った作動レバーアームを備えるヒンジコントローラを例証している。
【図１４】図１２のコントローラ機構と類似するコントローラ機構を示す拡大概略図であり、本発明に従ったヒンジコントローラ及び制動部材として作用する油圧ピストンを例証している。
【図１５】図１２のコントローラ機構と類似するコントローラ機構を示す拡大概略図であり、電気機械ヒンジコントローラを例証している。
【図１６】図１２のコントローラ機構と類似するコントローラ機構を示す拡大概略図であり、本発明に従った複数の連結された制動部材と二次的な制動部材を有するヒンジコントローラを例証している。
【図１７】本発明に従った図１のタービンの一般的な動作及び制御を示すブロック図である。
【図１８Ａ】本発明に従った図１のタービンのコントローラによって使用されるルックアップ表を例示的に示す図表である。
【図１８Ｂ】本発明に従った図１のタービンのコントローラによって使用されるルックアップ表を例示的に示す図表である。
【図１８Ｃ】本発明に従った図１のタービンのコントローラによって使用されるルックアップ表を例示的に示す図表である。
【発明を実施するための形態】
【００５７】
本発明の例示的な実施態様を今や詳細に参照する。それらの実施態様の実施例は付属の図面に例証されている。本発明は様々な実施態様と共に記載されるが、それらは本発明をそれらの実施態様に限定することが意図されていないことが理解されよう。逆に、本発明は、付属の請求項によって定められるような本発明の精神及び範囲内に含まれ得る代替、変更、及び、均等を含む。
【００５８】
図面を今や参照すると、様々な図面を通じて同等の構成部品には同等の参照番号が付されている。図１を参照すると、地面のような表面の上の概ね３０で指し示される風力タービンシステムを例証している。システム３０は、タービン３３と、タワー３７によって支持された発電機３５とを含む。記載される実施態様は風力タービンに提供されているが、以下に記載される原理を、本発明に従って、水及びガス（これらに限定されない）を含む他の流体のためのタービン並びに他の用途及び立地場所に適用し得る。
【００５９】
タービン３３は、今や放棄された、「Ｓｙｓｔｅｍ  Ｆｏｒ  Ｔｕｒｂｉｎｅ  Ｗｉｔｈ  Ａ  Ｇａｓｅｏｕｓ  Ｏｒ  Ｌｉｑｕｉｄｅｏｕｓ  Ｗｏｒｋｉｎｇ  Ｍｅｄｉｕｍ」と題する、米国特許出願公開第２００４／００９６３２９Ａ１号に開示されるものと類似し、その全文がここに全ての目的のために参照として組み込まれる。
【００６０】
動作中、タービン３３は、風領域３９内に位置付けられる。風領域は、タービンによって掃引される地域を横断する一団の又は一組の風ベクトルを指す。掃引(sweep)地域を通過する風ベクトルは、一般的には、同じではない。更に、掃引地域内の特定地点を通過する風ベクトルは、時間と共に異なる。従って、他のタービンの場合における風領域又は流体領域は、複雑で動的な組の力ベクトルを表す。
【００６１】
流体領域は、少なくとも２つの素子を含む。第１に、流体領域は、一般的には、概ね流体シヤーと呼ばれる組織的な変化を含み、それは平均流体速度がブレード掃引の回転の下方部分よりも上方部分の間により高いことを意味する。第２に、流体領域は、一般的には、概ね乱流と呼ばれる確率論的な変化を含む。流体シヤーは、座標の共回転系におけるタービンの各回転のための１回の荷重周期を作り出す。タワーによって妨害される流体流として定められるタワーシャドウ（タワー陰影）は、類似の変化を作り出し得る。
【００６２】
図１乃至２を参照すると、タービン３３は、流路３９内に位置付けられる２つの細長いタービンブレード４０を含む。タービンは２つのブレードを備えて例証されているが、タービンは、タービンの重量懸念、大きさ、及び、回転速度のようなタービン用途、流体流条件、及び、材料コスト要因の要因に依存して、如何なる数のブレードをも備え得る。
【００６３】
タービンブレードは、流体流のエネルギを利用するよう構成される。発電機３５とのタービンブレード４０の動作的な連絡は、エネルギがブレードからドライブトレーン組立体に、最終的には、発電機に伝送される動作的な流れを定める。ドライブトレーンシャフトのような機械的手段又はブレードの運動力学的エネルギを電気エネルギに変換することによる電気的な手段を含む様々な手段によって電力を伝送し得るが、それらに限定されない。
【００６４】
用途に依存してブレード構造を構成し得ることも更に付記されるべきである。例えば、ブレード効率を増大するために、ブレードの形状を変更し得る。ブレード表面は、概ね、ブレード表面がその中に位置付けられる風又は流体流がブレードの回転を伝えるような形状とされる。１つの実施態様において、ブレードは特定の流体の種類又は特性のために構成される。モーメント、軸方向力、回転設計速度、及び、騒音のような他の要因も考慮してブレード形状を構成し得る。前記から当業者によって理解される他の方法でブレード構造を変更し得る。
【００６５】
タービンブレード４０は、ブレードの回転軸に沿ってハブ４２に接続される。加えて、用途に依存して、ブレードを他の構成で直接的又は間接的に接続し得る。１つの実施態様において、ハブは、ブレードと回転シャフトへの締結具との間の剛的な接続を形成するキャップである。ハブは、一般的には、回転するブレードの運動をドライブトレーン組立体４４に連絡する異なる部材を指す。ハブをブレード又は回転シャフトと一体的に或いはモノリシックに形成し得る。
【００６６】
タービン３３は、性能の向上のために、異なる事象に応答する回転するブレードのティータリング(揺動)のために或いは風領域内でタービン及びブレードの動作を積極的に調節し或いは調整するように構成される。ティータリング機能を調節し且つ他の類似の素子機能を調整するための手段をハブ４２と一体化し得る。
【００６７】
ハブの剛性はハブをティータリング及び他の調節機能に適した部材とする。他の装置と対照的に、本発明のタービンは、部分的には、調節機能のための基礎として剛的ハブを使用することによって、簡単で、剛的で、効率的な構造を有する。
【００６８】
調節はタービンブレードを通じて提供され得るが、一部の用途において、ハブはより適切な荷重適用場所をもたらし得る。何故ならば、ブレードに適用される力は、相殺要因が無いならば、ブレード性能に影響を及ぼし得るからである。ブレードに力を適用することも不均衡を増幅し、その場合には、それはシステムに戻って反響する。
【００６９】
以下に記載されるように、本発明のハブ構造及びヒンジ組立体は、多様な調整機能を遂行するよう構成され得る。１つの実施態様において、ハブティータの剛性及び／又は制動は調整される。置換可能に使用されるが、剛性及び制動は僅かに異なる。剛性は移動に対する抵抗を指し、制動はエネルギの爆発の吸収又はシステムに対する急激なジャーク及び衝撃に対するような消音を指す。１つの実施態様では、これらの機能の一方又は双方のためにヒンジ組立体を調節し得る。
【００７０】
図１及び２を参照すると、タービンシステム３０は、ナセル４６内に収容され且つタワー３７の上に取り付けられるタービン３３を含む。タービンは発電機４７に接続され、発電機はタービンシャフト４９の回転から電力を発生する。一部の実施態様において、発電機はコンバータ及び電力網（図示せず）に電力を伝送する。
【００７１】
特に図２を参照すると、シャフト及びヒンジ組立体５６は、ハブの下流に位置付けられる。１つの実施態様において、ヒンジ組立体のヒンジ機構５８は、旋回軸又は継手として構成され、そこでは、２つの部材が水平軸又は横軸５１について移動する。ヒンジの一方の側にあるハブ及びブレードは、回転可能なシャフトに関して旋回する。よって、ヒンジの軸５１は、ティータ軸を形成する。
【００７２】
ティータリングは、広義には、シャフト又はタワー３７のような角度的に固定された部材に対するブレード４０の掃引によって形成される平面の傾斜を指す。ティータ角は、シャフトの軸５３に対して垂直な平面とブレードの掃引によって形成される平面との間の角度を指す。よって、ヒンジは、ハブとブレードとのティータ角αを決定する。ティータは、一般的には、タービンの残部及びタワーに対するハブ及び回転ブレードの傾斜を指すが、一部の用途では、ティータは、近づいて来る流体流に対する或いは他の素子に関連する傾斜も指し得る。例えば、シャフトは、非剛的な或いは非線形であり得る。その場合には、ティータ角は、他の素子に基づき得る。
【００７３】
図３乃至１２を参照すると、タービン３３は、流路５４内に位置付けられるタービンブレード４０と、ハブ４２と、ドライブトレーン４４とを含む。ドライブトレーンは、一端でハブに接続されたシャフトと、ギアボックス４９と、ブレードと発電機３５との間の任意の他の素子とから成る。タービンハブ及びブレードは、ティータ運動を許容するよう、シャフトに取り付けられる。１つの実施態様において、シャフトは、ヒンジ組立体５６を介して、ハブと動作的に連絡する。シャフトに対するティータリングのために回転ブレードを取り付けるために、他の構造も利用し得る。
【００７４】
ヒンジ組立体５６は、ハブの軸がシャフトの軸から独立しているように、ハブがシャフトに対してある角度に向けられることを可能にする。ヒンジ組立体５６は、タービンの機能線においてシャフトとハブとの間に配置され、それらの間の角度α（図２に最良に見られる）を調節するよう構成される。ヒンジ組立体５６は、ヒンジ機構５８と、制御機構６０とを含む。１つの実施態様において、ヒンジ機構は、単純な旋回軸であり、ハブの回転軸に沿ってハブから延びるロッドにシャフトを連結する。ヒンジ組立体は、例証される図面において、ハブとシャフトとの間に物理的に並びに動作的に完全に配置されるが、用途に依存して他の構造も利用し得る。ヒンジ組立体の一部又は特別な素子がシャフトとハブとの間にあり得るが、他はそうではない。
【００７５】
タービン３３は、更に、タービン動作中にヒンジ組立体の少なくとも１つの動作的な特性を調節するよう構成されるコントローラ組立体６１を含む。コントローラ組立体は、少なくとも１つの制御機構６０と、コントローラユニット６３とを含む。制御機構は、コントローラからの制御信号に応答してヒンジ機構５８に作用するよう構成される。
【００７６】
コントローラ組立体は、それらには限定されないが、動作中の流体領域の変化、動作パラメータ、及び、類似物を含む、幾つかの要因のうちの少なくとも１つに基づいて、ヒンジ組立体を調節するよう構成される。１つの実施態様において、ヒンジコントローラは、ヒンジの剛性を調整し、タービンの電力歩留まりが増大されるようヒンジのティータリングの制動を最適化する。
【００７７】
ヒンジ機構５８は、ティータ角α範囲として定められるティータ範囲を有し、ハブ４２は、その範囲を通じて、コントローラ組立体に基づき回転し得る。１つの実施態様において、ティータ範囲は−２０°〜２０°の範囲内に固定される。１つの実施態様において、ティータ角は＋／−５°未満の偏心である。ヒンジ組立体は、ヒンジ機構のティータリングを停止する選択的なブロック（図示せず）を含み得る。ティータブロックは、ブロックに衝突するヒンジ機構の力が吸収されるような弾性材料から成り得る。様々な実施態様では、ヒンジのティータを制動し、ヒンジ機構に対して付勢力も加え、それによって、ヒンジ機構を所定範囲の運動内に維持するために、制動部材６５が設けられる。
【００７８】
ティータシステムの運動は、多くの要因に依存し得る。様々な実施態様において、ヒンジコントローラは、概ね垂直風シヤーによってもたらされる１−ｐ（１回転当たり１回）振動を考慮に入れる。偶発的な風速は、一般的には、ロータディスクに亘って異なる。各ブレードは偶発的な風速を通じて掃引するので、速度は、一般的には、下方の方位位置で（即ち、ブレード下向きに）より低く、上方の方位位置で（即ち、ブレード上向きに）より高い。よって、ヒンジコントローラ、及び、以下に議論されるような偏揺れコントローラは、風速におけるそのような変化を計上し得る。様々な実施態様において、コントローラは、この一般的な風の流れに加えられる風速の確率論的な変化を考慮に入れる。乱流の長さ尺度（スケール）は、連続的なブレードが１回よりも多く乱流をサンプリング（即ち、通過）する）ようであり得る。一般的には、上記要因の結果は、１−ｐにあるティータシステムの基本振動のための条件に影響を及ぼす。
【００７９】
他の方法でタービンをどのように制御するかを決定するためにもブレードの回転を使用し得る。タービンが２つの対向するブレードを有することで、ブレードが理想的な環境において概ね同じ条件を受けることを理解するであろう。例えば、均質な風領域において、ブレードが水平であるとき、ブレードは、相等しいが反対の力を受ける。一方のブレードが上に移動する間、他方のブレードは下に移動するが、両方とも掃引方向に同じ風速を受ける。これらの原理に基づいて動作条件を監視し且つ様々な素子を相応して動的に調節するようシステムを構成し得る。様々な実施態様において、タービンは、ブレードが水平に通るときのブレードに対する力の相違を検出し、且つ、応答して、タービンの素子の特性を調節する制御信号を送信するためのプロセッサを含む。
【００８０】
１つの実施態様において、ヒンジは、所定範囲内で素子又はシステム全体に対する疲労荷重を維持するよう調節される。例えば、ハブが一方の側に突然にポキンと折れ且つ砕け或いは落ち込むことを回避するために、コントローラ組立体は、大きな突風がタービンの正面で検出されるときに、ヒンジ機構の剛性を増大し得る。最大ティータ範囲で落ち込むヒンジ機構の力が減少され或いは排除されるように、ヒンジ機構の剛性及び制動を進行的に−直線的に、指数関数的に、或いは、その他の方法で増大するようコントローラ組立体を構成し得る。
【００８１】
ここの記載から当業者によって理解されるような他の類似の方法でヒンジ機構を調節するよう、コントローラ６３を構成し或いはプログラムし得る。更に記載されるように、コントローラ組立体６１は、幾つかの目的のために並びに無数の動作条件の下でヒンジ組立体を調節し得る。その寿命において、タービンシステムは、通常動作段階で概ね機能し、その場合には、流体流は、予期される範囲内にあり、タービンシステムは、概ね発電モードにある。しかしながら、タービンシステムは、非動作条件も経験する。例えば、強い突風及び激しい乱流のような危機的な条件の間、安全のためにタービンシステムを調節し、システムを保全することが望ましくあり得る。他のモードは、弱い風における始動及び停止、フリーホイリング、制動、駐機、安全システム運転停止、電力網損失運転停止、偏揺れ誤差運転停止、及び、緊急運転停止を含むが、それらに限定されない。とりわけ、これらの作業のいずれかの動作を促進すること、これらの条件のいずれかにおける電力歩留まりを増大すること、又は、これらの双方の見地から、ヒンジ組立体の動作特性を調節するようコントローラ組立体を構成し得る。
【００８２】
様々な実施態様において、ヒンジコントローラは、「他の」条件の間にヒンジ組立体の剛性を調節するよう構成される。ティータシステムが制動部材に「向かって」移動するよう、ブレードが方位位置及び風を通過するとき、ヒンジ組立体は、所望位置に固定されるのに対し、制動部材は圧縮され、荷重は増大する。制動部材に対するこの力を克服するのに十分な力を適用し得るようヒンジコントローラを追加的に構成し得る。様々な実施態様において、ヒンジコントローラの作動及び制御の間、ヒンジコントローラの運動は、ブレード方位及びティータシステム運動のその部分の間に、時期尚早に停止される。
【００８３】
他のシステム素子のみの或いはヒンジ組立体との協働における動作特性を調節するようにもコントローラ組立体６１を構成し得る。１つの実施態様において、コントローラ組立体は、回転速度を調節するために、シャフト又はハブに対して制動力又は加速力を加える。シャフト又は発電機に対するトルクも同様に調節し得る。コントローラ組立体及びヒンジ組立体は、１つの実施態様において、シャフトと動作的に一体化されるので、ここの記載から当業者によって理解されるように、コントローラ組立体によってハブ及びシャフトの動作を容易に調節し得る。しかしながら、シャフト動作への調節は、発電機の種類に依存し得る。例えば、一定の回転速度及び／又はトルクのために一部の可変スリップ誘導発電機を設計し得る。１つの実施態様において、タービンシステムは、ヒンジ部材調節及びシャフト調節の少なくとも１つへの調節と協働してブレードピッチを調節するよう構成されるブレード制御手段を含む。
【００８４】
図１及び２を参照すると、タービンナセル４６は、タワー３７の上に取り付けられている。タワーは、細長い垂直なタワーである。垂直平面におけるタワーの中心軸とシャフト軸５３との間の角度が、偏揺れ角β（図２に最良に示されている）を決定する。偏揺れ角を測定するために偏揺れセンサ６７が選択的に提供される。１つの実施態様では、コントローラ６１が、偏揺れ角に基づいて、ティータ角α又はティータ制動及び剛性を調節する。
【００８５】
様々な実施態様において、タワーの高さは、６０メートルであり、２メートルの頂部直径及び３メートルの底部直径を備える切頭円錐形状を有する。タービンを具備しないナセルは、約３０メートルトンであり、タービンは、ほぼ２０トンである。タワーのための適切な材料は、鋼及び複合材を含むが、それらに限定されない。１つの実施態様において、タワーは４５メートルトンであり、硬化鋼である。よって、タワー及びナセルは、流体流との相互作用によって複合される相当な重力荷重を加え得る。
【００８６】
様々な実施態様において、タービンは、偏揺れ制御システム２００を含む。偏揺れ制御システムは、偏揺れコントローラ２０２と、監視組立体２０４と、偏揺れプロセッサ２０６とを含む。偏揺れコントローラは、流体流内でタービン及びブレードの偏揺れ角を制御するよう構成される。様々な実施態様において、監視組立体は、センサ８４を含む。ブレードに対する荷重を測定するために、ハブと外側先端との間で、少なくとも１つのセンサをブレードに取り付け得る。偏揺れプロセッサは、監視組立体から受信するデータに基づき偏揺れ誤差を検出するよう構成される。
【００８７】
様々な実施態様において、プロセッサは、ブレードの固有モードの周波数を計算するために、監視組立体からのデータを使用する。歴史的なタービン性能、材料データ、タービンパラメータ、及び、他の情報の知識に基づいて、処理パラメータの通常範囲を決定し、プロセッサに入力し得る。次に、プロセッサは、通常範囲を超えるパラメータに基づき偏揺れ角を決定し得る。様々な実施態様において、偏揺れ誤差は、基準角度及び／又は極端な方向変更（ＥＤＣ）からの有意な逸脱に基づき検出される。ヒンジコントローラと同様、所望の用途に基づいて偏揺れコントローラを修正し得ることが、ここの記載から理解されよう。
【００８８】
様々な実施態様において、偏揺れプロセッサは、タービン素子についての既知の情報を考慮に入れ、且つ／或いは、歴史的な性能に基づき情報を組み込む。通常動作温度、少なくとも１つのブレードの重量、及び、遠心力の少なくとも１つの影響を減少するよう、偏揺れプロセッサを較正し得る。例えば、ブレードの重量及び寸法は既知であり、回転速度を監視し得るので、遠心力及び遠心剛性因子を予期し得る。次に、この遠心剛性因子を計上するために、偏揺れコントローラを調節し得る。平面内又は平面外の力のためにこれを行い得る。
【００８９】
全ての目的のために参照によってここに組み込まれるＢｕｒｔｏｎ，Ｓｈａｒｐｅ，Ｊｅｎｋｉｎｓ，  ａｎｄ  Ｂｏｓｓａｎｙｉ（Ｗｉｌｅｙ  ２００１）によるＷｉｎｄ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ中に、遠心力及び類似物を計上するための算数に関連するより多くの情報を見出し得る。固定の非ティータードブレードのための第１モードフラップ方向固有周波数の計算に遠心合成を含むより単純化された方法は、全ての目的のために参照によってここに組み込まれるサウスウェル公式である。
【００９０】
当業者は、偏揺れコントローラがタービンシステムの素子及び動作に関する無数の静的又は動的な変数を計上し得ることを理解しよう。既知の要因のためにコントローラを較正し得る。センサ及び他の素子からの受信入力に基づき動的にもコントローラを調節し得る。タービンのヒンジコントローラ及び他の特徴も類似の方法で調節し得る。様々な実施態様において、タービンは、それぞれの素子を動的に調節するよう構成される複数のコントローラを含む。様々な実施態様において、コントローラは、互いに協働して操作され、それによって、１つのコントローラからの情報は他のコントローラに伝送される。
【００９１】
図１０乃至１２を参照すると、性能を向上し或いは疲労荷重を減少するために、ハブ４２及びブレード４０のティータ動作を積極的に調節するようヒンジ組立体を調節し得る。ヒンジ組立体は、ハブ及びブレードのティータ動作を制動するための制動組立体６５ａを含む。制動は、振動、動作の振幅、及び、動作の速度を含む動作の調節を指すが、それらに限定されない。加えて、タービンの残部に対して或いは流体流に対してハブを案内し或いは積極的に方向付けるようにもヒンジ組立体を構成し得る。例えば、コントローラ組立体は、もし風の流れが方向を変更するならば、ヒンジ組立体を所望のティータ角に積極的に移動するよう十分な力を加え得る。
【００９２】
ヒンジ組立体は、更に、ティータードハブ４２が流体流内に位置付けられるときに、ティータードハブ４２に制動力を加えるよう構成される制動機構６５を含む。１つの実施態様において、制動力は、ヒンジ機構５８を通じて間接的に加えられる。１つの実施態様において、制動組立体は、制動力を部分的に或いは全体的にハブに加える。
【００９３】
コントローラ組立体６１は、（図１２乃至１６に最良に見られ、以下に記載される）制御機構６０を操作することによってヒンジ組立体５６を制御する。制御機構は、制動組立体６５に力を加えることによって、コントローラ６３からの入力に応答して作動する。１つの実施態様において、制動部材は、ヒンジと接触するエラストマ又は均等装置であり、それによって、ばね力をヒンジに加える。制御機構は、制動部材６５を荷重するためのアクチュエータである。よって、コントローラは、アクチュエータを作動し、制動部材に対する力を調節し、それによって、制動部材の剛性を調節する。ひいては、ヒンジ５８に対する付勢力が調節され、それは最終的にヒンジの制動及び剛性を調節する。用途に依存して、ヒンジ組立体の剛性及び制動を調節する代替的な構造及び方法も利用し得る。
【００９４】
図１２を参照すると、例示的な制御機構６０は、ピストン組立体９３と、一連の荷重部材とを有する。例示的なピストン組立体は、チャンバ内にピストン９６を含む。通常条件において、ピストン９６は、制動部材として作用する。
【００９５】
例示的なピストン組立体は、力の線内にばね９４や制動部材６５も含む。例示的な機構は、幾つかの安全機能を含む。例示的な制動部材は、通常運転中にそれを圧縮内に置くことによって予荷重される。油圧回路圧力の損失があるときのような、故障条件の下での電力損失の場合には、ピストンの最適位置は、ばね９４のばね力及び制動部材６５の力によって維持される。例示的な機構は、油圧回路圧力の損失が、運動「Ｒ」の範囲を通じてばねがピストンを移動することを許容するように構成され、それは重要な安全機能である。
【００９６】
ピストン組立体９３は、チャンバ６８と、ピストン７０とを含む。チャンバは油圧流体で充填され、ヒンジ部材の取付け表面又はシャフト取付け表面８２に隣接して位置付けられる。ピストンの一端部はチャンバ内に位置付けられ、他端部は取付け表面の一方の反対側に位置付けられる。動作中及び使用中、ピストン組立体は、ピストンチャンバ９５内の油圧を調整することによって作動され、ひいては、それはピストン９６を作動する。これはピストンに圧力を適用させ或いは解放させ、制動部材６５の剛性を調節する。油圧ピストン組立体は、制動のもう１つの層をシステムに追加するという追加的な利点を有する。何故ならば、ヒンジ組立体に対するティータ衝撃はピストン組立体を通じて伝えられ、油圧流体によって吸収されるからである。
【００９７】
コントローラ組立体は、流体流５４、タービンパラメータ、及び、他の要因に基づきヒンジ組立体５６を調節する。コントローラ組立体は、特定の時点に、間隔を置いて、或いは、連続的にヒンジ組立体を調節し得る。１つの実施態様において、コントローラは、ヒンジ組立体が調節なしに自由に移動することを可能にする。
【００９８】
図３乃至１２を概ね参照して、ヒンジ組立体の構造をより詳細に記載する。１つの実施態様において、ヒンジ組立体５８は、４つの四分円内に取付けフランジ７４を備える剛的なヒンジプレート７２として構成される。取付けフランジは、ハブ４２及びシャフト４９と連絡するよう構成される荷重表面として働く。ヒンジプレート７２は、ティータ軸に沿って延び且つハブの受入れ部分７７内に着座するよう構成される２つの横方向旋回部分７５を含む。
【００９９】
図１０に示されるように、ヒンジはハブに取り付けられ、ハブとシャフトとの間にサンドウィッチ構造で位置付けられる。従って、ヒンジプレートは、シャフト軸についてシャフトと共に回転することができ、ティータ軸又は旋回軸５１に沿って旋回することもできる。このようにして、ヒンジ部材は、シャフトに対して直交する制動された旋回動作のために構成される。１つの実施態様において、ブレードに対する力はハブをティータ（揺動）させ、ティータ力は制動組立体を通じてシャフトに伝えられる。
【０１００】
１つの実施態様では、ヒンジ組立体が前部で８つの制動部材を含むよう、４つの制動部材６５が、ヒンジプレート取付けフランジの各側に隣接して並びにヒンジプレート取付けフランジの各側で、４つの四分円のそれぞれの中に位置付けられる。別の言い方をすると、制動部材の４つの対がシャフトの周りに円周的に位置付けられる。ヒンジプレートの前方側７９の上で、各対は、（この場合には受入れ部分７７である）対向する取付け表面とハブの前方側との間で、シャフトの両側に位置付けられる。背部側８１の上では、４つの制動部材が、（図３及び１０に示される）シャフトの取付け表面８２とヒンジプレートとの間に位置付けられる。
【０１０１】
制動部材がヒンジ機構から離れて位置付けられるような構成を含む代替的な構成内に制動部材を設け得る。制動部材は、ヒンジ機構の各隅部で制動又は付勢する軸方向力を旋回動作に加える。これらの力は、横方向ティータ軸についての屈曲動作として設計され得る。１つの実施態様において、ヒンジ組立体は、ハブと部分的に一体化される。共に、ヒンジ機構５８及び制動部材６５は、ハブの一部と共にヒンジ組立体５６を構成する。
【０１０２】
１つの実施態様において、ヒンジ組立体が中立状態にあるとき、制動部材は、ヒンジ機構が予荷重されるように圧縮される。中立状態は、無視可能な或いはゼロの流体流があるタービンの状態を指す。１つの実施態様において、ティータ運動は、制動部材の影響の下で継続的である。１つの実施態様において、制動部材は予荷重されず、中立状態においてゼロの或いは無視可能な制動力を加える。
【０１０３】
１つの実施態様において、ヒンジコントローラ組立体６１は、ヒンジ組立体の実質的に外部にある。ヒンジ組立体と協働する唯一の部分は、ヒンジ組立体の調節を引き起こす部分である。既述の構造は、コントローラ組立体からの制御をヒンジ組立体に連絡するために、主に機械的な構成を利用するが、電気的及び油圧的を含む他の方法も使用し得る。
【０１０４】
ヒンジ組立体５６及びコントローラ組立体６１は、設計仕様に依存して他の代替的な構造を有し得る。ヒンジ機構は、単純なヒンジ又はコントローラ組立体とのカプリングであり得る。ヒンジ組立体は、ハブ及び／又はシャフトと非接触の構造であってもよい。ヒンジ機構及びコントローラ組立体は、部分的に或いは全体的に動作ライン内にあり得るし、或いは、前記から当業者によって理解されるような他の類似の構造であり得る。
【０１０５】
制動部材は、エラストマ、ばね、フォーム、及び、類似物を含み得るが、それらに限定されない。制動部材は、加圧ピストン又はソレノイドのような制動力を加えるための電気的、化学的、又は、機械的な手段でもあり得る。材料の種類及び構造に拘わらず、制動部材６５は力を加え、或いは、圧縮力に抗する。換言すると、制動部材は、ティータ運動の有意で有用な範囲を通じて、エネルギを吸収し或いはヒンジ部材の力を相殺し得る。１つの実施態様において、制動部材は、運動の有意な範囲に亘って固有の剛性−ばね定数を有する。制動部材は可撓性を示し、運動の有用範囲に亘って一定のばね力を有する。
【０１０６】
タービン性能を向上するために、タービンの計算された特性に基づいても制動部材の種類及び構造を選択し得る。静的な制動部材を選択するそのような方法の一例は、全ての目的のために参照としてここに組み込まれた第３２９公報である。私の第３２９公報の制動部材は概ね静的である。何故ならば、制動力は、ハブティータに応答して変化し、制動部材の固有の制動力に基いて制動力を加えるだけだからである。タービンは制動部材の外部の要因に基づいて積極的に制動力を調節しない。
【０１０７】
質量−ばねシステムとしてタービンシステムを設計することによって予期される力を相殺するよう制動部材の一般的な剛性を選択し得る。タービンブレードは、例えば、約５〜２５ｍ／ｓの風に対して、迅速に、例えば、約５０〜１００ｍ／ｓの先端速度で移動するので、タービンシステムを通じて望ましくない力を伝え得る。各タービンブレードは、流体の特殊な不規則性に数回衝突し得る。それが意味することは、結果として発生する乱流が、この場合に、回転角周波数ωｒｏｔａｔｉｏｎと等しい周波数ωｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅを有することである。従って、乱流力の様々な予期される成分を制御するよう制動部材を選択し得る。
【０１０８】
１つの実施態様において、システム又は特別な素子を通じて伝えられる平均又は最大の予期される外乱力に基づき制動部材を選択し得る。１つの実施態様において、制動部材は、電力歩留まりを向上するために、ヒンジコントローラ構造に基づき選択される。同様に、コントローラ組立体の調節操作と共に類似の方法で多くの他のタービン素子を選択し得る。
【０１０９】
１つの実施態様において、ヒンジ部材は、制動部材の特性に基づく複数の所定の剛性値を有し、剛性値のそれぞれは一組の流体領域条件に対応する。制動部材がヒンジ部材に作用するステップコントローラ又は類似の電気機械的装置である場合のように、剛性値は進行的又は増分的であり得る。ヒンジコントローラが、予期される組の流体領域条件の１つに基づき、複数の剛性値の１つを選択するように、予期される流体領域条件と一致するようヒンジ組立体及び制動部材を選択し得る。
【０１１０】
１つの実施態様において、制動部材は、例えば、特定の外乱力を相殺するよう選択される初期剛性を用いて、予期される外乱力に部分的に基づいて選択される。１つの実施態様において、少なくとも所定範囲内で調節し得る進行性制動部材が選択される。予期される外乱力、荷重力、及び、類似の力に基づいて、或いは、最適な発電に基づいて所定範囲を決定し得る。
【０１１１】
戻って図１及び２を参照すると、１つの実施態様において、タービン３３は、タービンのパラメータを測定するために、１つ又はそれよりも多くのセンサ８４を含む。とりわけ、タービン前方の流体領域のパラメータ、偏揺れ角、ピッチ角、ブレード荷重、ティータ角、ティータ制動、シャフト回転速度、及び、トルクを測定するためにセンサを使用し得る。所望の調節を決定するために、コントローラ６３によって測定情報を使用し得る。１つの実施態様において、偏揺れ角、流体領域、及び、ティータ角の１つが測定され、ヒンジ組立体はそのような測定値に基づき調節される。１つの実施態様において、ティータ制動及び／又はティータ角を調節するコントローラ組立体によってヒンジ組立体に加えられる荷重のレベルは測定値に基づく。
【０１１２】
部分的には用途に依存する適切なセンサは、ＬＩＤＡＲセンサ、ピトー管、又は、加速度計を含むが、それらに限定されない。センサ８４は、接触的手段又は非接触的手段を使用して測定値を取る。接触手段は、ハブ４２上の地点とヒンジ組立体上の地点との間の指定距離の長さを測定するよう配置されるＬＶＤＴ、容量性近接センサ、磁歪センサ、及び、抵抗センサを含み得るが、それらに限定されない。非接触的手段は、ハブ及びヒンジ組立体の相対的な位置を検出するために配置される光センサ、レーザセンサ、音響センサ、電気磁石センサ、及び、近接センサを含み得るが、それらに限定されない。ヒンジ組立体の相対的な位置を測定する近接センサの場合には、ティータ軸に沿う回転速度又はティータ角を決定するために、測定値を角座標に変換し得る。１つの実施態様において、タワー振動はタワーセンサによって測定され、ティータ角又はティータ制動への調節を決定するために、コントローラによって使用される。
【０１１３】
図１及び２並びに図１７乃至１８を参照して、コントローラ組立体６１を動作するための方法を今や記載する。コントローラ組立体は、情報を処理し且つ制御信号を出力するためのコントローラ６３を含む。１つの実施態様において、コントローラは、入力情報を処理し且つ制御信号を出力するよう構成されるコンピュータプロセッサである。コントローラ組立体は、選択的に、ヒンジ組立体及び他の素子への適切な調節を決定するためにタービン及びそのシステム素子を監視するセンサ８４と一体化される。
【０１１４】
Ｓ１において、コントローラ６３は、入力情報を受信する。使用者入力装置８６、センサ８４、他の制御装置８８、他のタービン８９（例えば、風車群内に共に連結されるとき）、及び、類似装置から入力情報を送信し得る。１つの実施態様において、コントローラ６３は、使用者から入力情報を受信するよう構成される。例えば、コントローラを交換したり或いはタービンを分解したりせずに、コントローラのプログラムを変更することが望ましくあり得る。
【０１１５】
Ｓ２において、コントローラは、入力情報を処理する。コントローラは、選択的に、入力情報を受信し、ヒンジ組立体（これに限定されない）を含むタービン素子のための動作特性レベルを選択するよう構成される。選択される動作特性に基づき、コントローラは、必要な調節及び制御信号を決定する。
【０１１６】
Ｓ３において、コントローラ６３は、制御機構６０に制御信号を出力する。他の風力タービンと共に構成されるときには、全ての風力タービンのために性能を向上するために、コントローラは、そのような他の風力タービンからの入力情報及びそのような他の風力タービンへの出力情報も受信し得る。１つの実施態様において、コントローラ組立体は、素子の臨界荷重、システムの臨界荷重、又は、電力歩留まりにおける劇的な変化に関連する入力情報に応答してティータ制動を調節する。
【０１１７】
加速機能又は制動機能中のヒンジ組立体５６の動作特性を調節するためにもコントローラ組立体を構成し得る。例えば、コントローラ組立体は、揺らぎを避けるようヒンジ剛性を増大するために、始動のような加速機能及び信号コントローラ機構の開始を示す入力情報を受信し得る。動作特性は、速度、トルク、剛性、制動、及び、類似物のような動作中の成分の特性を指す。
【０１１８】
コントローラ組立体６１は、タービンの変更するモードに基づく入力情報に応答して制動部材６５又はあらゆる他の素子を調節し得る。そのようなモードは、保守モード、発電モード、駐機モード、及び、これらのモードの間の移行モードを含むが、それらに限定されない。
【０１１９】
Ｓ４において、タービンを調節する。ひいては、電力歩留まり、疲労荷重、及び、類似物に関して、タービン性能が影響される。
【０１２０】
１つの実施態様において、センサ８４は、各ブレード４０での荷重を測定し、コントローラ６３への入力値としての測定値を送信し、コントローラで測定値を比較する。コントローラによって差全体を処理し、タービン動作を分析する、例えば、タービン３３の運転停止を検出する。そのような差全体は、多数の原因、例えば、測定システム故障及びティータ機構故障に起因し得る。
【０１２１】
図１７乃至１８を特に参照して、センサ及びコントローラの動作を今や記載する。１つの実施態様において、コントローラ６３は、プログラムされたルーチンを含む。コントローラは、選択的に、メモリと、複数の値の対を有するルックアップ表とを含む。各値の対は、測定された第１の値と、対応する第２の値とを含む。各値の対は、タービンの動作値に対応する。例えば、測定された第１の値は、前方センサによって測定された風速でもよく、各測定値のために、対応するティータ制動値がある。
【０１２２】
動作中、コントローラは、測定された第１の値を入力として受信し、測定された第１の値を使用して（図１８Ａに示される）ルックアップ表を補間して、対応する第２の値を決定する。第２の値から、コントローラは、少なくとも１つの動作特性を対応する第２の値に調節する。よって、この例では、コントローラは、測定された風速を受信し、対応するティータ制動を決定し、次に、制御信号を出力して、ヒンジ部材を決定されたティータ制動値に調節する。
【０１２３】
様々な実施態様では、値の対の代わりに組の値を追加することによってルックアップ表を変更し得る。例えば、図１８Ｂは、３つの第１列に測定値（Ｍｘ）を備え、追加的な列に対応する値（Ｖｘ）を備える、ルックアップ表を例証している。各行は測定値が取られた異なる時間を表している。図１８Ｃは、タービン動作の状態に関連する情報を備える列を含む類似の表を例証している。
【０１２４】
表は、用途に依存して、２つ又はそれよりも多くの値のための一次方程式又は他の構造からも成り得る。このようにして、１つ又はそれよりも多くの制御値を決定し、相応して、ヒンジ部材又は他の素子を調節するために、コントローラは如何なる数の入力値をも処理し得る。１つの実施態様において、「学習」、誤り訂正、及び、他の用途のために、コントローラは入力値又は制御信号を記憶するためのメモリを含む。更に、本発明は、入力情報を処理し、出力制御信号を決定して、タービンを調節するための他の構造及び方法も提供する。
【０１２５】
タービンは、更に、コントローラ６３へのフィードバックをもたらすフィードバックセンサ８４ｂを含み得る。ひいては、調節制御を向上し或いは誤りを検出するために、フィードバック情報を使用し得る。制御組立体６１及び他の制御素子が意図通りに機能していることを検証するために、フィードバックセンサは、ヒンジ組立体のような特定の素子も測定し得る。
【０１２６】
本発明に従ってタービンを動作する方法を今や記載し得る。動作中、一般的には、タービンシステム３０は、流体流の運動エネルギを利用し、電気エネルギに変換する。タービン３３は、ドライブトレーン４４を通じて発電機３５に接続する。発電機は、シャフトの回転を、電送のための動力、典型的には、電力に変換する。
【０１２７】
タービンシステムは、選択的に、電力をユーティリティ電力網への分配への形態に変換するために風力タービン発電機に連結される発電機コンバータシステムを含む。選択的なコンバータ及びトランスフォーマは、発電機からの電力をユーティリティ電力網への分配のための形態に変換する。発電機の種類は、タービン設計及び動作に依存して異なる。発電された電気の供給は、更に、用途に依存する。タービンの典型的な使用者は、小規模な商業用及び住居用使用者、独立的な発電業者、及び、大規模な電力ユーティリティを含むが、それらに限定されない。
【０１２８】
タービンによって発電される電気は、タービンの大きさ、スケール、及び、種類に依存する。一般的には、大規模タービンは、小規模及び中規模タービンと異なる設計仕様を有する。特定の実施態様において、タービン直径は、５０〜７０メートルである。特定の実施態様において、ブレード直径は、５０〜７０メートルの間である。１つの実施態様において、ブレード直径は、５５メートルであり、ブレード回転速度は、１０〜２０ｍ／ｓの定格風速で２０〜３０ｒｐｍの間である。タービンは、可変スリップを備える誘導型発電機を用いて、そのような条件の下で、１０００ｋＷの公称電力を発電し得る。
【０１２９】
上記されたように、タービンの電力歩留まりを改良し或いは最適化するためにヒンジ組立体５１及びコントローラ組立体６１を有利に使用し得る。電力歩留まりは、所与の流体流条件から生成される電力を指し、発電効率を示す。対照的に、従来的なタービンは、タービン寿命を減少し且つ保守コストを増大することよりも、臨界荷重を回避することに向けられている。一部の従来的なタービンは、予期される流体流条件と一致する素子を選択することによって電力歩留まりを増大するために設計される。
【０１３０】
動作中及び使用中、本発明のタービンは、動作中に動作パラメータを調節することを可能にする。ここに記載される原理に従ってタービンの発電を最適化し得る。一般的には、以下の単純な式に基づき流体の電力を推測し得る。
【０１３１】
【数１】
2011515624.tif 000003
【０１３２】
上記式において、Ｐは、電力を表し、ｐは、密度（ｋｇ／ｍ３）を表し、Ａは、面積を表し、Ｖは、流体の速度を表す。この式は、流体の総電力の極めて単純化された表現であり、風が直交（垂直）方向からタービンに接近し且つ面積に亘って一定の速度を有するという推定を含む。この式は例証的な目的で提供されているに過ぎない。しかしながら、ここにおける記載から当業者によって理解されるように、流体領域及びシステムの複雑性に関する他の情報を計上するために、この式を拡張し得る。
【０１３３】
流体流特性は、電力歩留まりの唯一の決定因子ではない。タービン動作も電力歩留まりにおいて重要な役割を演じ、一部の場合には、流体流条件と同様に有意であり得る。例えば、風力タービン用途において、風の荒さを０〜３の等級に分類し得る。等級０の荒さでは、タービンは、等級３における電力のほぼ２倍の電力を生成し得る。より速い流体流は、一般的には、電力を増大するが、タービンは、一般的には、電力歩留まりが減少する傾向を有する限界を有する。その上、広い変化、速い変化、及び、他の乱流要因が、電力歩留まりに否定的な影響を及ぼし得る。とりわけ、電力歩留まりを増大し且つ素子疲労を減少するために、本発明の装置及び方法を見い出した。
【０１３４】
実際には、殆どのタービンは、流体速度が最終的に次第に衰える前に、流体速度の増大に伴って発電が急激に増大する範囲を有する。１つの実施態様では、この事実を活用するために、ティータ角又はティータ制動が調節される。例えば、電力歩留まりを最適化するために、ハブ及びブレードが風に対して方向付けられる。
【０１３５】
上記された本発明のタービンは、従来的なタービンに対して幾つかの利点を有する。１つには、一部の従来的なタービンは制動されたティータ動作をもたらすが、ティータ動作は受動的であり、制御されない方法で起こることを許容する。そのような従来的なタービンは、多くの理由から限定的な成功を達成した。それらの中には、システム内の不均衡な力を相殺するのに制動制御が不十分であることが多いという事実がある。更に、制動制御は複雑であり、ティータ動作は概して制御されない。
【０１３６】
対照的に、本発明のタービンは、ハブ４２内に全体的に又は部分的に選択的に組み込み得る多能でコンパクトなヒンジ組立体５６を含む。よって、本発明のタービンは、より大きな機能的な特徴を、従来的な装置よりも単純で、よって、より確実に費用効率的な構造で提供する。
【０１３７】
タービンを調節するプロセスを今や記載し得る。図１７乃至１８を参照すると、センサ８４及びコントローラ組立体６１がタービンシステム３０内に一体化されている。１つの実施態様において、コントローラ組立体は、発電モード中に、間隔的に或いは実質的に連続的に、タービンの少なくとも１つの動作パラメータを調節する。センサ８４は、タービンシステムの値を測定し或いは検出する。流体流、タービンシステム、又は、発電機のような如何なる数のものの特性をも感知するためにセンサを構成し得る。各センサの測定値又は検出値は、入力情報としてコントローラ６３に伝送される。
【０１３８】
コントローラ６３は、入力情報を処理し、制御パラメータを計算する。１つの実施態様において、コントローラは、一組の動作パラメータを有するルックアップ表（ＬＵＴ）を含む。各組は、調節されるべき素子のための入力値又は複数の入力値及び対応する複数の値のための動作パラメータを含む。コントローラは、センサから感知値を受信し、一組の動作パラメータを決定し、その組は、感知された値及び少なくとも１つの対応する値を含む。次に、コントローラは、対応する値に基づく制御信号をコントローラ機構６０に送信する。引き続き、制御機構は、制御信号に応答して、タービンの素子を調節する。
【０１３９】
１つの実施態様において、コントローラは、センサ８４から１つ又はそれよりも多くの入力値を受信し、パラメータスコアのランキングに基づき動作パラメータを選択する。コントローラは、第１センサから感知される１つ又はそれよりも多くの事象に関する事象データを第１センサから受信する。事象データは、１つ又はそれよりも多くの期間の間にセンサによって感知されるべき他のデータの中でも、流体流、タービン素子、又は、タービンの動作に関係し得る。
【０１４０】
次に、コントローラは、事象データに対応するタービンの一組の動作パラメータを特定する。例えば、コントローラは、１０ｍ／ｓの風速値を事象データとして受信し、１０ｍ／ｓに対応する一組のティータ制動パラメータを特定し得る。
【０１４１】
特定された組における動作パラメータの少なくとも一部のために、コントローラは、動作パラメータの関数である性能値を計算する。１つの実施態様において、発電は、タービンの動作パラメータの関数であり、コントローラは、パラメータの各々のために発電値を計算する。１つの実施態様において、性能値は疲労荷重又は素子寿命に関係する。
【０１４２】
次に、コントローラは、計算された性能値に基づき、各動作パラメータのためのパラメータスコアを決定する。性能値が高ければ高いほど、スコアはより高い。次に、コントローラは、各々のために計算された性能値に基づき、動作パラメータをランク付けする。然る後、コントローラは、ランキングに基づき、動作パラメータの１つを選択する。動作パラメータを選択するに際し、ランキング以外の要因も考慮に入れ得る。
【０１４３】
動作パラメータを選択した後、コントローラは、制御機構６０に制御信号を送信する。制御機構は、動作パラメータに基づき、タービンを相応して調節する。１つの実施態様において、動作パラメータは、ティータ角又はティータ制動レベルのうちの１つである。
【０１４４】
次に、プロセス全体が、間隔的に或いは実質的に連続的に再開される。制御プロセスを向上するために、様々な段階で、フィードバック情報の使用をプロセスに更に組み込み得る。
【０１４５】
上記では１つの脈絡において記載されたが、前記に基づき当業者によって理解されるように、様々な他の方法で入力情報を処理するようコントローラを構成し得る。１つの実施態様において、コントローラは、複数の入力データ値を処理し、幾つかの見地に基づき動作値を選択する。先ず、コントローラは、入力データ値を受信し、性能値は入力データ値の各々の関数である。次に、コントローラは、対応する組の動作パラメータを選択し、最終的には、幾つかの要因の検討に基づいて、その組内の動作パラメータ値のうちの１つを選択する。それらの要因の中で、性能値は唯一の１つである。
【０１４６】
センサ以外の他の源からもコントローラ入力情報を受信し得る。例えば、風車群の一部として連結されているときには、他のタービンから入力情報を受信し、使用者によって入力し、或いは、他の素子コントローラから受信し得る。
【０１４７】
様々な実施態様において、コントローラ組立体６１’は、上記されたコントローラ組立体６１と類似するが、図１３に示されるような作動アーム９１を含む。同等の参照番号は、同等の素子を記載するために使用されている。コントローラ組立体６１’は、上記されたコントローラ組立体６１と同様に、ヒンジ組立体及びタービンと統合する。動作中及び使用中、制動部材６５’の剛性を調節するために圧力を適用し或いは解放するようアームが作動される。
【０１４８】
本発明の様々な特徴において、コントローラ組立体６１”は、上記されたコントローラ組立体６１と類似するが、図１４に示されるような油圧ピストン組立体９３を含む。同等の参照番号は、同等の素子を記載するために使用されている。コントローラ組立体６１は、上記されたコントローラ組立体６１と同様に、ヒンジ組立体及びタービンと統合する。
【０１４９】
ピストン組立体９３は、チャンバ９５”’と、ピストン９６”’とを含む。チャンバは、油圧流体で充填され、ヒンジ部材７２”の取付け表面又はシャフト取付け表面８２”に隣接して位置付けられる。ピストンの一端部は、チャンバ内に位置付けられ、ピストンの他端部は、取付け表面のうちの１つと反対側に位置付けられる。
【０１５０】
動作中及び使用中、ピストン組立体は、ピストンチャンバ９５”’内の油圧を調整することによって作動され、ひいては、それはピストン９６”’を作動する。これはピストンに各取付け表面上に圧力を適用させ或いは解放させ、それによって、ヒンジ部材のティータを堅くし或いは緩める。
【０１５１】
例示的なピストン組立体は、ばね９４に構成されるばね９４”’を含む。故障条件の下での電力の損失の場合、ピストンの最適な位置は、主としてばね力によって維持される。例示的な機構は、ばねがピストンを移動することを油圧回路圧力の損失が許容するようにも構成される。
【０１５２】
様々な実施態様において、コントローラ組立体６１”’は、上記されたコントローラ組立体６１と類似するが、図１５に示されるような制動部材６５”’を調節するための電気機械的な手段を含む。同等の参照番号は、同等の素子を記載するために使用されている。コントローラ組立体６１”’は、上記されたコントローラ組立体６１と同様に、ヒンジ組立体及びタービンと統合する。コントローラ組立体６１”’は、ヒンジ部材７２”’の取付け表面とシャフト取付け表面８２”’との間にソレノイド９８を含む。ワイヤ１００がコントローラ６３”’をソレノイドに接続する。動作中及び使用中、制動部材６５”’の剛性を調節するために圧力を適用し或いは解放するようソレノイドは作動される。
【０１５３】
様々な実施態様において、コントローラ組立体６１””は、上記されたコントローラ組立体６１と類似するが、図１６に示されるような制動部材６５””及び流体アクチュエータを含む。制動部材は、移動する素子を挟装する。各々の力及び大きさの制御に従って２つの例示的な制動部材の間に制御弁が設けられる。コントローラ組立体６１””は、上述されたものと類似の原理に基づいて動作される。
【０１５４】
付属の請求項における説明及び正確な定義の便宜上、図面に示されるような機能の位置を参照して本発明のそのような機能を記載するために、「上」又は「上方」、「下」又は「下方」、「内側」及び「外側」の用語が使用される。
【０１５５】
多くの特徴において、様々な図面の修正は、先行する修正の修正に類似し、下付き文字「ａ」、「ｂ」、「ｃ」、及び、「ｄ」が続く同じ参照番号は、対応する部分を示している。
【０１５６】
本発明の特別な実施態様の前述の記載は、例証及び記載の目的のために提示されている。それらは網羅的であることは意図されておらず、或いは、本発明を記載された正確な形態に限定することも意図されておらず、多くの修正及び変形が上記教示の観点から明らかに可能である。実施態様は、本発明の原理及びその実用的な用途を最良に説明し、それによって、当業者が本発明を最良に利用することを可能にするために選択され且つ記載されており、特定の使用に適するような様々な修正を伴う様々な実施態様が想定される。本発明の範囲は、ここに付加される請求項及びそれらの均等物によって定められることが意図されている。
【図１】
2011515624.tif 000006
【図２】
2011515624.tif 000007
【図３】
2011515624.tif 000008
【図４】
2011515624.tif 000009
【図５】
2011515624.tif 000010
【図６】
2011515624.tif 000011
【図７】
2011515624.tif 000012
【図８】
2011515624.tif 000013
【図９】
2011515624.tif 000014
【図１０】
2011515624.tif 000015
【図１１】
2011515624.tif 000016
【図１２】
2011515624.tif 000017
【図１３】
2011515624.tif 000018
【図１４】
2011515624.tif 000019
【図１５】
2011515624.tif 000020
【図１６】
2011515624.tif 000021
【図１７】
2011515624.tif 000022
【図１８Ａ】
2011515624.tif 000023
【図１８Ｂ】
2011515624.tif 000024
【図１８Ｃ】
2011515624.tif 000025
【手続補正書】
【提出日】平成22年9月27日(2010.9.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン発電機と共に使用するためのタービンであって、
流体流路内に位置付けるための少なくとも１つのタービンブレードと、
該少なくとも１つのタービンブレードに取り付けられるハブと、
ヒンジ組立体を介して前記ハブと動作的に連絡する回転可能なシャフトとを含み、前記ハブの軸は、前記シャフトの軸から独立しており、
前記ヒンジ組立体は、前記シャフトと前記ハブとの間に配置され、前記ハブが前記シャフトに対してある角度でティータすることを可能にし、
前記ヒンジ組立体は、前記ティータ角及び前記ティータの制動のうちの少なくとも１つを調節するよう構成され、
前記少なくとも１つのタービンブレードが前記流体流路内に位置付けられるとき、前記ヒンジ組立体の少なくとも１つの動作特性を調節するよう構成されるコントローラ組立体を更に含む、
タービン。
【請求項２】
当該タービンを取り付ける細長いタワーを更に含み、前記コントローラ組立体は、前記少なくとも１つのタービンブレードが前記タワーを通るときに間隙距離を増大するよう、前記ティータ角を調節するように構成される、請求項１に記載のタービン。
【請求項３】
前記コントローラ組立体は、前記ヒンジ組立体に制動力を適用することによって前記ティータ制動を調節するよう構成される、請求項１に記載のタービン。
【請求項４】
前記コントローラ組立体は、更に、前記ティータ制動力の前記調節に基いて前記シャフトの回転速度を調節するよう構成される、請求項３に記載のタービン。
【請求項５】
前記ヒンジ組立体は、
更に、前記ハブを前記シャフトに取り付ける剛的なヒンジ部材を含み、
該ヒンジ部材は、
前記ハブの回転を前記シャフトの回転に連結するためのカプリングと、
前記シャフトの軸に対する前記ヒンジ部材の旋回動作を可能にし、それによって、前記ハブの前記ティータを調節するよう構成される横方向旋回部材と、
前記ヒンジ部材に隣接し且つ軸方向力を前記剛的なヒンジ部材に適用し、それによって、前記ヒンジ部材の前記旋回を制動するよう構成される制動部材とを含む、
請求項１に記載のタービン。
【請求項６】
前記ヒンジ部材は、前記シャフトの両側にあり且つ前記ヒンジ部材の前方側と前記ハブの対向表面との間に位置付けられる一対の制動部材を含む、請求項５に記載のタービン。
【請求項７】
前記制動部材は、進行性の剛性（ｋ）を有し、前記コントローラは、前記制動部材に力を適用し、それによって、前記制動部材の剛性（ｋ）を調節するよう構成される、請求項５に記載のタービン。
【請求項８】
前記シャフト取付け表面に隣接するチャンバと、
該チャンバの内側に位置付けられる一端部と、前記制動部材と連絡する他端部とを有するピストンとを含み、該ピストンの軸は、前記ハブ軸とは異なり、
前記ピストンの作動は、前記制動部材に対する圧力を調節する、
請求項７に記載のタービン。
【請求項９】
前記コントローラは、前記少なくとも１つのタービンブレードの加速及び制動のうちの１つの間に、前記ヒンジ組立体ティータの前記制動を調節するよう構成される、請求項１に記載のタービン。
【請求項１０】
当該タービンの性能を監視し且つ該性能に関する情報を前記入力情報として前記コントローラに送信するよう構成されるフィードバックセンサを更に含む、請求項１に記載のタービン。
【請求項１１】
前記コントローラは、前記ヒンジ組立体調節に基づいて、前記流体流路内の当該タービンの偏揺れ角、前記少なくとも１つのタービンブレードのピッチ角、及び、シャフトトルクのうちの少なくとも１つを調節するよう構成される、請求項１に記載のタービン。
【請求項１２】
前記ピッチ角を測定するための第１センサと、
前記ヒンジ組立体のティータ角を測定するための第２センサとを更に含み、
前記コントローラ組立体は、前記ピッチ角に基づいて前記ティータ角又はティータ制動を調節する、
請求項１に記載のタービン。
【請求項１３】
前記流路における前記少なくとも１つのタービンブレードから上流の前記流路内の変化を測定するための前方センサを更に含み、前記コントローラは、前記前方センサの前記測定に応答して前記少なくとも１つの動作特性を調節する、請求項１に記載のタービン。
【請求項１４】
前記ヒンジ機構は、前記ハブの取付け表面と前記シャフトの取付け表面との間の挟装構造で横方向旋回軸を備えるヒンジプレートと、該ヒンジプレートの旋回運動を制動するために前記ヒンジプレートの両側に設けられる複数の制動部材とを含む、請求項１に記載のタービン。
【請求項１５】
調節手段を含み、該調節手段は、前記複数の制動部材を調節可能に荷重し、それによって、前記ハブの曲げモーメント又は剛性を調節するよう構成されるヒンジコントローラ機構を含む、請求項１に記載のタービン。
【請求項１６】
前記ヒンジ部材は、予荷重される、請求項１に記載のタービン。
【請求項１７】
流体流からエネルギを発生するためのタービンシステムであって、
請求項１に記載のタービンと、
前記シャフトの回転を電力に変換するために前記タービンに連結されるタービン発電機とを含む、
タービンシステム。
【請求項１８】
前記電力をユーティリティ電力網への分配のための形態に変換するために前記風力タービン発電機に連結される発電機変換システムを更に含む、請求項１７に記載のタービンシステム。
【請求項１９】
流体流内で流体タービンを調節する方法であって、
当該方法は、流体タービンを提供することを含み、
該流体タービンは、
流体流内に位置付けられる少なくとも１つのタービンブレードと、
該少なくとも１つのタービンブレードの回転軸に沿って前記少なくとも１つのタービンブレードに接続されるハブと、
ヒンジ組立体を介して前記ハブと動作的に連絡する回転可能なシャフトと、
前記ハブと前記シャフトとの間に配置されるヒンジ組立体とを含み、
該ヒンジ組立体は、風の流れの方向において前記ハブの向きを制御するよう構成され、
前記ヒンジ組立体は、
前記シャフトと前記少なくとも１つのタービンブレードの前記回転軸との間にティータ角を形成するヒンジ部材を含み、該ヒンジ部材は、前記シャフトに対する前記ハブの角ティータ運動に対する付勢制動力をもたらすよう構成される制動部材を含み、
前記ヒンジ部材運動の前記付勢力を調節するよう構成されるヒンジコントローラを含み、
当該方法は、前記タービンから上流の前記流体流及び前記少なくとも１つのタービンブレードの現在荷重のうちの少なくとも１つに応答して、前記ヒンジ部材の前記制動力を積極的に調節することを含む、
方法。
【請求項２０】
流体流から電力を発生する方法であって、
請求項１又は１７に記載のタービンを提供することを含み、
前記タービンと連絡するタービン発電機を提供することを含み、該タービン発電機は、前記シャフトの機械的な回転を電力に転換するよう構成され、
前記流体流内に前記タービンを位置付けることを含み、
前記タービン発電機から前記電力を収集することを含む、
方法。
【国際調査報告】
2011515624.tif 000026
2011515624.tif 000027