(57)【要約】  少なくとも50メートルの半径となるように複数の羽根（2）が突き出ているハブ（1）を備える風車回転翼。各羽根は、中心桁によって支持された中空フェアリングを備えている。各羽根は、半径rで厚みtを有し；r＝0.5R、t＞0.3Tであり、Rが該羽根の半径であり、Tが該羽根の根元部の厚みであることを特徴とする。羽根のより大きい割合が太めであるため、該羽根のこの部分が空力性能に劣るが、より重要となる部分、すなわち、羽根の外側部分での優れた空力性能を可能にするため、この欠点を上回る効果をもたらす。また、より大きな羽根を提供することが可能となる。【選択図】  図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも50メートルの半径となるように複数の羽根が突き出ているハブを備え、該各羽根が、中心桁によって支持された中空フェアリングを備え、かつ該各羽根が、半径rで厚みtを有する、風車回転翼であって；r＝0.5R、t＞0.3Tであり、Rが該羽根の半径であり、Tが該羽根の根元部の厚みであることを特徴とする、前記風車回転翼。
【請求項２】
r＝0.5R、t＞0.4Tであり、好ましくはt＞0.5Tである、請求項1記載の風車回転翼。
【請求項３】
r＝0.25R、t＞0.6Tであり、好ましくはt＞0.7Tであり、より好ましくはt＞0.8Tである、請求項1又は2記載の回転翼。
【請求項４】
r＝0.4R、t＞0.5Tであり、好ましくはt＞0.6Tであり、より好ましくはt＞0.7Tである、請求項1〜3の何れか1項記載の回転翼。
【請求項５】
少なくとも50メートルの半径となるように複数の羽根が突き出ているハブを備え、該各羽根が、中心桁によって支持された中空フェアリングを備え、かつ該各羽根が、半径rで厚みtを有する、風車回転翼であって；r＝0.25R、t＞0.6Tであり、Rが該羽根の半径であり、Tが該羽根の根元部の厚みであることを特徴とする、前記風車回転翼。
【請求項６】
r＝0.25R、t＞0.7Tであり、好ましくはt＞0.8Tである、請求項5記載の回転翼。
【請求項７】
r＝0.4R、t＞0.5T、好ましくはt＞0.6T、より好ましくはt＞0.7Tである、請求項5又は6記載の回転翼。
【請求項８】
少なくとも50メートルの半径となるように複数の羽根が突き出ているハブを備え、該各羽根が、中心桁によって支持された中空フェアリングを備え、かつ該各羽根が、半径rで厚みtを有する、風車回転翼であって；r＝0.4R、t＞0.5Tであり、Rが該羽根の半径であり、Tが該羽根の根元部の厚みであることを特徴とする、前記風車回転翼。
【請求項９】
r＝0.4R、t＞0.6T、好ましくはt＞0.7Tである、請求項8記載の回転翼。
【請求項１０】
前記桁が、その長さの内側部分に沿ったガラス繊維補強エポキシ樹脂ラミネート、及びその長さの外側部分に沿った炭素繊維補強エポキシ樹脂ラミネートを少なくとも部分的に含む、請求項1〜9の何れか1項記載の回転翼。
【請求項１１】
前記桁が、主曲げ方向において縦に繊維が延在する桁キャップを有する内側部分であって、該内側部分における該桁キャップの少なくとも一部が、＜50GPaの該主方向におけるヤング率、及び＜0.027GPa/kgm-3のヤング率/密度の比を有する、該内側部分と、該主曲げ方向において縦に繊維が延在する桁キャップを有する外側部分であって、該外側部分における該桁キャップの少なくとも一部が、＞100GPaの該主曲げ方向におけるヤング率、及び＞0.059GPa/kgm-3のヤング率/密度の比を有する、該外側部分とを備える、請求項1〜10の何れか1項記載の回転翼。
【請求項１２】
前記桁が、前記羽根の厚みに亘って延在する少なくとも1つのせん断ウェブ、及び該せん断ウェブの各端部における少なくとも1つの桁キャップを備える、請求項1〜11の何れか1項記載の回転翼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風車回転翼に関する。詳細には、本発明は、現代の大型風車回転翼に関する。本明細書において、大型風車回転翼は、少なくとも50メートルの半径となるように複数の羽根が突き出ているハブを備え、各羽根が、中心桁によって支持された中空フェアリングを備える風車と定義する。
【背景技術】
【０００２】
風車羽根の現在のサイズは、35〜55ｍの範囲である（ハブの中心から羽根の先端部までとして測定される半径）。このサイズは、50〜100ｍの範囲のサイズの羽根を必要とする陸上及び海上の両方の用途用に、より大きな装置を建設する計画が立てられているため、数年のうちにさらに大きくなる見込みである。
（発明が解決しようとする課題）
【０００３】
現在の羽根の技術は、「そのままで」又は僅かな変更でサイズを大きくする場合、多数の製造上の課題があり、加えてタービン全体の設計者にとって多数の設計上の課題が持ち上がる。主な課題は、羽根の非常に大きな質量に対処することであり、これにより、タービン及びその土台にかかる荷重、特に疲労荷重に耐えられるように該タービン及びその土台の部品が巨大となり、従って高価になってしまう。
【０００４】
現在の羽根の設計法では、羽根の質量は、羽根の長さのほぼ2.95乗で増加する。これは、大きい羽根を建設するといういくつかの最近の早期の試みで実証され、図5に示されている。
【０００５】
加えて、羽根が大きくなるにつれて、羽根の固有振動数が低下し、羽根の動作の際に見られる励起周波数に近くづく。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第1の態様によると、風車回転翼が提供され、該風車回転翼は、少なくとも50メートルの半径となるように複数の羽根が突き出ているハブを備え、該各羽根が、中心桁によって支持された中空フェアリングを備え、かつ該各羽根が、半径rで厚みtを有し；r＝0.5R、t＞0.3Tであり、Rが該羽根の半径であり、Tが該羽根の根元部の厚みであることを特徴とする。
【０００７】
従来の羽根の設計では、厚みがより一層急激に先細になるため、羽根の中間点（ハブの中心から羽根の先端部までで測定される）では、羽根の厚みtは、典型的には、根元部の厚みTの約20％である。本発明では、羽根は、中間点において、その根元部の厚みの30％を超える厚みを維持している。
【０００８】
本発明が採用するアプローチは、典型的な空力比及び構造比から大幅にずれている。むしろ、本発明は、羽根の内側部分の空力性能の点で実際に有意に劣る羽根を企図する。それどころか、羽根の内側部分の設計に対する考慮は、ほぼ全てが構造により決定づけられている。他方、長さ方向の外側部分の設計上の考慮は、ほぼ全てが空力学により決定づけられている。空力的に劣る内側部分によって生じる「空力的損失」は、羽根の外側部分に対する空力的損失を減少させることによって十分に相殺される。また、空力的制限から解放されて羽根の内側部分を大幅に軽量化することができるため、はるかに長い羽根を形成することが可能となる。これにより、疲労荷重の劇的増加をともなうことなく空力性能を向上させることが可能となる。
【０００９】
好ましくは、r＝0.5R、t＞0.4Tであり、より好ましくはt＞0.5Tである。言い換えれば、羽根に沿った中間点において、羽根は、該羽根の根元部の厚みの少なくとも40％、より好ましくは50％を維持する。
【００１０】
本発明の第2の態様によると、風車回転翼が提供され、該風車回転翼は、少なくとも50メートルの半径となるように複数の羽根が突き出ているハブを備え、該各羽根が、中心桁によって支持された中空フェアリングを備え、かつ該各羽根が、半径rで厚みtを有し；r＝0.25R、t＞0.6Tであり、Rが該羽根の半径であり、Tが該羽根の根元部の厚みであることを特徴とする。
【００１１】
好ましくは、r＝0.25R、t＞0.7Tであり、より好ましくはt＞0.8Tである。言い換えれば、羽根に沿った1/4の位置（ハブの中心から）において、羽根は、該羽根の根元部の厚みの少なくとも60％、好ましくは少なくとも70％、より好ましくは少なくとも80％を維持する。従来の羽根は、この位置で、該羽根の根元部の厚みの約50％を維持する。
【００１２】
本発明の第3の態様によると、風車回転翼が提供され、該風車回転翼は、少なくとも50メートルの半径となるように複数の羽根が突き出ているハブを備え、該各羽根が、中心桁によって支持された中空フェアリングを備え、かつ該各羽根が、半径rで厚みtを有し；r＝0.4R、t＞0.5Tであり、Rが該羽根の半径であり、Tが該羽根の根元部の厚みであることを特徴とする。
【００１３】
好ましくは、r＝0.4R、t＞0.6T、より好ましくはt＞0.7Tである。言い換えれば、羽根に沿った40％の位置（ハブの中心から）において、羽根は、該羽根の根元部の厚みの少なくとも50％、好ましくは60％、より好ましくは70％を維持する。従来の羽根は、この位置で、該羽根の根元部の厚みの約30％を維持する。
【００１４】
羽根の最も内側の長さの大部分に沿ってより厚くなっている羽根のさらなる利点は、材料の使用に関連する。羽根の内側部分が厚めであるため、この内側部分に高弾性繊維複合材を用いなくても、より大きな羽根に対して剛性を維持することができる。したがって、好ましくは、桁は、その長さの内側部分に沿ったガラス繊維補強エポキシ樹脂ラミネート、及びその長さの外側部分に沿った炭素繊維補強エポキシ樹脂ラミネートを少なくとも部分的に含む。したがって、羽根の最も外側の領域での高性能材料の使用により、さらなる性能の向上によって羽根を比較的薄くできるため、羽根がその剛性を維持する能力がさらに向上する一方、抗力が非常に小さくなる。また、これにより、羽根の固有振動数がさらに上昇し、従って励起周波数を回避することができる。
【００１５】
また、桁の内側部分及び外側部分におけるこの材料の使用は、ヤング率の観点から決定することができる。大きい羽根では、ヤング率の高い複合材を用いなくても、厚みが増加した羽根は、その剛性が維持されるため、性能の低い複合材を羽根の内側部分に使用することができる。
【００１６】
好ましくは、桁は、主曲げ方向において縦に繊維が延在する桁キャップを有する内側部分であって、該内側部分における該桁キャップの少なくとも一部が、＜50GPaの該主方向におけるヤング率、及び＜0.027GPa/kgm-3のヤング率/密度の比を有する、該内側部分と、該主曲げ方向において縦に繊維が延在する桁キャップを有する外側部分であって、該外側部分における該桁キャップの少なくとも一部が、＞100GPaの該主曲げ方向におけるヤング率、及び＞0.059GPa/kgm-3のヤング率/密度の比を有する、該外側部分とを備える。
【００１７】
本発明はまた、上に明示した本発明の態様の何れか1つに従った回転翼用の羽根にも関する。
【００１８】
本発明による回転翼及び羽根の例を、添付の図面を参照して以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図1は、回転軸から羽根の先端部までの本発明による回転翼を通る回転軸に平行な平面における短縮化された略断面図であり、比較のために従来の羽根の断面が点線で示されている。図1Aは、図1の線A-Aを通る羽根の断面図であり、比較のために従来の羽根が点線で示されている。
【図２】図2は、図1に類似した図面であるが、羽根の平面図を示している。
【図３Ａ−３Ｄ】図3A〜図3Dは、異なる羽根の構造を示す図1Aに類似した図である。
【図４】図4は、従来の羽根、本発明による同等の長さの羽根、及び本発明による長い羽根の、半径の比に対する厚みの比を示すグラフである。
【図５】図5は、本発明と従来技術との比較を示す、羽根の長さに対する質量のグラフである。
【図６】図6は、本発明の従来技術に対する性能を示す、半径に対するトルクのグラフである。
【図７Ａ−７Ｂ】図7A及び図7Bはそれぞれ、従来技術及び本発明を示し、本発明によって得られる利点を例示する、図1Aに類似した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
羽根の建設及び該羽根の回転翼ハブへの取り付けに使用される技術は、従来の羽根製造技術でも良いが、我々の以前の出願である、国際公開2009/034291号、同第2009/034292号、同第2009/130467号、同第2010/041008号、同第2010/04012号、国際出願PCT/GB2010/002189、及び同PCT/GB2011/000661に記載されている技術が好ましい。
【００２１】
これらの文献は、任意の望ましい形状に形成することができる風車羽根の製造技術を開示している。
【００２２】
本発明は、外部の形状の変更、この結果として生じる材料の変更のみに関するため、形状及び材料のみを以下に説明する。
【００２３】
回転翼は、上記の出願に記載されているように接合部3で複数の羽根2（図1及び図2には、1つの羽根2のみが示されている）が取り付けられている中心ハブ1を備えている。ハブは、軸4を中心に回転する。3つのこのような羽根2が、各ハブ1に取り付けられている。羽根の半径Rとは、回転軸4から羽根の遠位端部5までの距離のことである。典型的には、半径Rの最初の1〜3メートルは、ハブ1によって占められ、半径の残りの部分は、羽根自体によるものである。羽根は、当分野で公知のように、構造剛性を付与する羽根の全長に沿って延在する中心桁、及び羽根の外面を構成する空力的フェアリングを備えている。
【００２４】
根元部の厚みTは、該根元部がハブに接触する部分における、回転軸に平行な方向における羽根の外寸を表している。この部分において、羽根は、ハブの内部に挿入されて該羽根のハブへの取り付けを可能にする突出部を有し得る。これは、厚みTが外形の厚みの寸法であるため、本発明において厚みTを決定する際には考慮されない。さらに、羽根の根元部は、該根元部をハブ1に取り付ける構造の一部として外側に突き出たフランジを備えることができる。このようなどのフランジも、本発明において厚みTを決定する際には無視するべきである。
【００２５】
図1Aに示されているように、羽根は、該羽根の幅を画定する前縁6及び後縁7を備えたエアロフォイル形状を有する。厚みtは、羽根の半径に垂直な平面、例えば、図1Aに示されている平面で決定される。この平面において、厚みtは、図1に示されている反り曲線Cに対して垂直な寸法である。反り曲線は、前縁6から後縁7にかけて引かれた線であり、そして全ての点において羽根の上面と下面とから等距離に位置している。
【００２６】
接合部3において、羽根は、概ね円形の断面であり、厚みtが減少するにつれて、該羽根の長さに沿って断面が徐々に平らになっている。
【００２７】
従来の羽根の厚みにおけるこの減少の程度は、図1の点線8で示されているが、本発明の厚みのプロファイルは線9で示されている。
【００２８】
図3A〜図3Bは、異なる構造の桁キャップを有する図1Aに類似した図である。図3Aは、比較のために図1Aと本質的に同じである。図3Bは、せん断ウェブ11が一対の桁キャップ12によって両側から挟まれているI型梁断面を有する桁10を示している。図3Cでは、桁10は、箱形梁であり、かつ一対の桁キャップ12によって挟まれた一対のせん断ウェブ11を有する。該桁は、上記参照した先行技術文献に記載されているあらゆる種類の構造を有することができる。
【００２９】
図3Dは、二重翼構造を有する羽根を示している。この場合、反り曲線は、上翼14の上面13と下翼16の下面15との間の中間の線として引かれている。厚みtは、相応に決定される。上翼14と下翼16は、せん断ブレース17によって連結されている。
【００３０】
この厚みの減少のさらなる詳細が図4に示されている。図4は、tが測定される点における半径rの回転翼の半径Rに対する比に対する、厚みtのY軸上の根元部の厚みTに対する比を示している。使用されるtの値は、各断面に対して上記の方法を用いて測定することができる最大の「t」である。言い換えれば、このtは、羽根の最も太い部分の厚みである。折れ線18は、従来の羽根を示し、折れ線19は、本発明に従って製造された同じ長さの羽根を示している。本発明は、より長い羽根の製造を可能にする。この場合、折れ線20は、折れ線18及び19で示されている羽根よりも15％長い羽根の厚みのプロファイルを示している。グラフのデータは、グラフの上の表に列記されている。
【００３１】
図4から分かるように、従来の羽根は、該羽根に沿った僅か25％の位置で根元部の厚みTの半分になる程、急激に薄くなるが、本発明による羽根は、その厚みをより大きい割合でより長く維持している。従って、羽根に沿った1/4の位置で、該羽根は、その根元部の厚みのなお80％を維持している。45％の線では、従来の羽根は、その根元部の厚みの30％未満であるが、本発明の羽根は、その根元の厚みの50％を超える厚みを有する。
【００３２】
これは、羽根の性能に対して2つの影響を与える。
【００３３】
第1に、図1Aから明らかなように、より平らな断面により、空力的に劣る断面となるため、この位置における本発明の羽根の効率が低下する。これが、羽根の長さに対して得られる出力を示す図6に例示されている。本発明によって得られる出力は、曲線21によって示され、従来の羽根によって得られる出力は、曲線22によって例示されている。羽根の最初の30メートルによって得られる出力が、本発明では、従来技術よりも有意に低いことが分かる。
【００３４】
加えて、図7A及び図7Bを参照して以下に説明するように、羽根の内側部分を大幅に軽量化することができる。
【００３５】
図7Aは、従来技術の断面であり、図7Bは、比較のための本発明の断面である。本発明は、空力的に最適ではなく、図7Bに示されているように著しく厚い。いずれの場合も、羽根の幅と桁キャップの幅は等しい。しかしながら、本発明では、桁キャップが、反り曲線Cからより離れている（かつ構造的にも中立軸からより離れている）ため、該桁キャップは、反り曲線Cを中心とする曲げーモーメントにより一層耐えることができる。この結果として、本発明の桁キャップ12は、従来技術の桁キャップに必要な対応する厚みよりも有意に薄い厚みbで形成することができる。
【００３６】
さらに、空力的に劣る内側部分によって実現される構造完全性の改善により、該内側部分が、はるかに長い外側部分を効果的に支持することができるため、羽根の効率が改善されると共に、製造できる羽根の最大長さも長くなる。
【００３７】
図5は、質量と羽根の長さとの関係を示している。この図から、本発明は、羽根の質量が羽根の長さのほぼ2.95乗で増加するという従来技術の羽根の関係性を壊すことが明らかである。図5に示されているように、この関係性は、羽根の質量が羽根の長さのほぼ2.75乗で増加するのに近い。
【図１】
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【図１Ａ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
2014517197.tif 000013
【図７Ｂ】
2014517197.tif 000014
【国際調査報告】
2014517197.tif 000015
2014517197.tif 000016
2014517197.tif 000017