(57)【要約】【課題】ブレード内の空間的制限が大きい場合に対応すべく十分に小型で平面的に設計するのに効果的なダンパーを有する風力タービンブレードを提供する。【解決手段】ブレード１の振動、特にブレード１が装着されるロータの回転平面でのブレード１のエッジ方向の振動を減衰するブレード１内に設けられた振動減衰手段をする風力タービンブレード１を開示する。この減衰手段は、塩化ナトリウムの飽和水溶液がブレード１の振動と逆位相に振動可能なＵ形状のキャビティ２を備えている。Ｕ形状キャビティ２のアーム５、６の上端部は、Ｏ形状キャビティ２が設けられるように通路７に連結される。キャビティ２が、ブレード１のエッジ方向の第一又は第二固有振動数の振動を減衰させるように同調させても良く、減衰手段が前記両振動を減衰させる型式のダンパーを備えても良い。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブレード内部でＵ形状キャビティを画定する振動減衰手段を備えた風力タービンブレードであって、
前記キャビティは、液体で部分的に充填され、前記キャビティの前記Ｕ形状の底部分は、前記ブレードの先端部方向に配列され、前記Ｕ形状のアームは、前記ブレードのハブ方向にほぼ位置付けられる風力タービンのロータに配列されるための風力タービンブレード。
【請求項２】
前記キャビティの前記アームは、前記ロータの回転平面内に配列され、
前記振動減衰手段が前記回転平面内で前記ブレードの第一固有振動数の振動を減衰させるために同調されるように、前記Ｕ形状のキャビティの位置及びデザインと該キャビティ内部の液体カラムの長さとが調節される請求項１に記載の風力タービンブレード。
【請求項３】
前記振動減衰手段は、１〜５Ｈｚの範囲内の振動数の振動を減衰させるように同調させる請求項２に記載の風量タービンブレード。
【請求項４】
前記キャビティ内部にあり振動方向に可動である液体質量は、前記振動減衰手段が少なくとも２％の振幅の対数減衰相当量に前記回転平面内での前記ブレードの第一固有振動数の振動を減衰させるために同調されるように、調節される請求項２、３に記載の風力タービンブレード。
【請求項５】
前記キャビティ内部にあり振動方向に可動である液体質量は、前記振動減衰手段が少なくとも５％の振幅の対数減衰相当量に前記回転平面内での前記ブレードの第一固有振動数の振動を減衰させるために同調されるように、調節される請求項４に記載の風力タービンブレード。
【請求項６】
前記回転平面内で前記ブレードの第一固有振動数の振動は、６〜１５％の範囲内の振幅の対数減衰相当量に減衰される請求項５に記載の風力タービンブレード。
【請求項７】
振動方向に可動である液体質量は、前記減衰手段の半径方向位置で第一固有振動モードで前記ブレードの等価振動質量の０．５〜２％に等しい請求項１〜６のいずれか１項に記載の風力タービンブレード。
【請求項８】
通路が、前記Ｕ形状キャビティの上端部で画定され、前記通路は、Ｏ形状のキャビティになるように２つのアームを結合する請求項１〜７のいずれか１項に記載の風力タービンブレード。
【請求項９】
前記通路の平均断面積は、前記Ｕ形状のキャビティの平均断面積の少なくとも半分に等しい請求項８に記載の風力タービンブレード。
【請求項１０】
前記通路の平均断面積は、前記Ｕ形状キャビティの平均断面積とほぼ同一である請求項９に記載の風力タービンブレード。
【請求項１１】
前記液体の凝固点は、摂氏マイナス１０度以下、好ましくは摂氏マイナス１８度以下である請求項１〜１０のいずれか１項に記載の風力タービンブレード。
【請求項１２】
前記液体は、水溶液の凝固点を降下させる剤を少なくとも１つ含む水溶液である請求項１１に記載の風力タービンブレード。
【請求項１３】
前記液体の濃度は、少なくとも１．１メートルトン毎立法メートル、好ましくは、少なくとも１．５メートルトン毎立法メートルである請求項１〜１２のいずれか１項に記載の風力タービンブレード。
【請求項１４】
前記液体は、前記液体の濃度を上昇させる剤を少なくとも１つ含む請求項１３に記載の風力タービンブレード。
【請求項１５】
少なくとも１つの剤は塩化ナトリウムである請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の風力タービンブレード。
【請求項１６】
前記液体は、少なくとも塩化ナトリウムが１８質量パーセンテージ、好ましくは、少なくとも２２質量パーセンテージ、最も好ましくは約２２質量パーセンテージの水溶液である請求項１５に記載の風力タービンブレード。
【請求項１７】
少なくとも１つの剤はグリセロールである請求項１２〜１４に記載の風力タービンブレード。
【請求項１８】
前記振動減衰手段は、前記ブレードの先端部に配列される請求項１〜１７のいずれか１項に記載の風力タービンブレード。
【請求項１９】
前記キャビティのアームは、ロータの回転平面内に配列され、前記振動減衰手段は、前記回転平面内の前記ブレードの第二固有振動数の振動を減衰させるように同調される請求項１〜１８のいずれか１項に記載の風力タービンブレード。
【請求項２０】
前記振動減衰手段は、５〜１２Ｈｚの範囲内である振動数の振動を減衰させるように同調する請求項１９に記載の風力タービンブレード。
【請求項２１】
前記振動減衰手段は、少なくとも２％の振幅の対数減衰相当量に前記回転平面内で前記ブレードの第二固有振動数の振動を減衰させる請求項１９又は２０に記載の風力タービンブレード。
【請求項２２】
前記回転平面内で前記ブレードの第二固有振動数の振動は、少なくとも５％の振幅の対数減衰相当量に減衰させる請求項２１に記載の風力タービンブレード。
【請求項２３】
前記回転平面内で前記ブレードの第二固有振動数の振動は、２〜１５％の範囲内である振幅の対数減衰相当量に減衰させる請求項２２に記載の風力タービンブレード。
【請求項２４】
振動方向に可動である前記液体質量は、前記減衰手段の半径方向位置で第二固有振動モードに前記ブレードの等価振動質量の０．５〜２％に等しい請求項１９〜２３のいずれか１項に記載の風力タービンブレード。
【請求項２５】
風力タービンのロータに配列されるための風力タービンブレードであって、
前記ブレードは、ボックスと、該ボックスの一方の側壁に係合する筒状要素とを有する振動減衰手段を備え、
前記側壁は、前記ブレードの先端部方向に配列され、前記ブレードのハブ端部方向に曲げられ、その結果、前記筒状要素は、中立位置の周りに前記側壁の一方から他方に回転する風力タービンブレード。
【請求項２６】
前記筒状要素は、前記ロータの回転平面内で回転可能であり、前記振動減衰手段は、是延期回転平面内で前記ブレードの第一固有振動数の振動を減衰させるように同調させる請求項２５に記載の風力タービンブレード。
【請求項２７】
前記ボックスは少なくとも部分的に液体を充填される請求項２５又は２６に記載の風力タービンブレード。
【請求項２８】
前記筒状要素と前記側壁とは、前記筒状要素が回転するときに前記側壁上で滑らないようにさせるために前記筒状要素の周囲が相互に係合する要素を備えた請求項２５〜２７のいずれか１項に記載の風力タービンブレード。
【請求項２９】
風力タービンのロータに配列されるための風力タービンブレードであって、
前記ブレードは、回転軸周りに揺動可能な質量要素を有する振子を有する振動減衰手段を備え、
前記振子は、弾性材料を用いて前記回転軸で前記ブレードに結合され、前記振子の揺動時にエネルギは前記材料に吸収される風力タービンブレード。
【請求項３０】
前記振子は、前記ロータの回転平面内で揺動可能であり、
前記振動減衰手段は、前記回転平面内で前記ブレードの第一固有振動数の振動を減衰させるように同調させる請求項２９に記載の風力タービンブレード。
【請求項３１】
前記質量要素は、前記回転軸よりも前記ブレードの先端部に接近して配列される請求項２８又は２９に記載の風力タービンブレード。
【請求項３２】
前記質量要素は、前記回転軸よりも前記ブレードのハブ端部に接近して配列される請求項２８又は２９に記載の風力タービンブレード。
【請求項３３】
前記弾性材料は、ゴムを含む請求項２８〜３２のいずれか１項に記載の風力タービンブレード。
【請求項３４】
前記質量要素は、前記回転軸方向に前記質量要素を支持するように、前記ブレード内部に画定されるキャビティの側壁部分に係合するためのホイール部材を備え、
前記ホイール部材は、前記回転軸に垂直の軸の周りに配列される請求項２８〜３３のいずれか１項に記載の風力タービンブレード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブレードにブレードの振動、特にブレードが装着されるロータの回転平面内でブレードのエッジ方向（エッジが延びる方向、すなわちブレードの回転方向とほぼ平行な方向）の振動を減衰させる振動減衰手段を有する風力タービンブレードに関する。
【０００２】
特に本発明は、液体、好ましくは飽和状態の食塩水が、ブレードの振動と逆位相に振動可能なＵ形状のキャビティを備える減衰手段に関する。有利な実施形態では、Ｏ形状のキャビティが設けられるようにＵ形状のキャビティのアームの上端部が通路に結合される。キャビティは、ブレードのエッジ方向の第一固有振動数又はエッジ方向の第二固有振動数の振動を減衰させるように調整可能であり、又は減衰手段が両振動用のダンパーを備えても良い。
【０００３】
さらに、本発明は、ブレードのボックス内で回転可能な筒状要素を有するダンパーを備えたブレードと、吊り下げ式弾性振り子を有するダンパーとに関する。
【背景技術】
【０００４】
発電用風力タービンには不要な振動が発生する。これらの振動は、タービンのいたる所で生じる場合、すなわち複数箇所でモード合成された状態の振動が発生する場合や、一箇所で集中的に発生する場合がある。特に重大な振動は、ロータ平面内のエッジ方向とロータ平面に垂直のフラップ方向とのどちらか又は両方向の合成モードのロータブレードの振動である。これらの振動が発生するか否かは、風力タービン設計と気象状態とによる。
【０００５】
振動現象は、ブレードと他の風力タービンの部分とに過大な負荷を掛け、最終的に破壊される方向に徐々に構成要素に亀裂が生じていき、突然の破壊あるいは疲労破壊や寿命の短縮化を招く恐れがある。振動の発生は、寿命を予測する際の不確定要素となり、風力タービンの種々の部分に負荷が掛かり、他の要因よりも設計を強化し重量化する必要がある。
【０００６】
ロータに配列されるブレード内の振動の減衰に対する概念は、特許文献１、２に記載のタービンブレードにより、永年の間知られている。
【０００７】
減衰装置をブレード内に設けることにより風力タービンブレードの振動を減衰させる基礎的考え方は、複数の装置の具体例が示された特許文献３に記載されており、これらの装置は、可動質量と、異なる配置で結合されたバネ及びダンパーと、運動抵抗が生じるようにディスクの運動中に渦電流が誘導される吊り下げ式アルムニウムディスクを備えた電磁装置と、液体が部分的に充填された容器を備え且つ穴空きのダンパープレートを有する装置とを備えた調整液体ダンパー（ＴＬＤ）である。
【０００８】
粒状物又は液体が充填された主として球状である複数のキャビティを備えた減衰装置は、特許文献４に開示され、液体が部分的に充填された複数の容器を備えた減衰装置である調整液体ダンパー（ＴＬＤ）は、特許文献５に開示されている。
【０００９】
これらの基礎的問題点は、ブレード内の空間的制限が大きな場合に対応すべく十分に小型で平面的な最適設計に効果的なダンパーを製造することが困難なことである。
【００１０】
２つの連結振子を備えた機構式共振機を有する風力タービンブレードは、特許文献６に開示されている。ダンパーが小型設計されている場合もあるが、機構的にこの連結機構は、むしろ複雑化する。
【００１１】
【特許文献１】米国特許２，２９２，０７２号明細書
【特許文献２】米国特許２，９９９，６６９号明細書
【特許文献３】国際公開公報９５／２１３２７号パンフレット
【特許文献４】デンマーク特許第９５，００２２２号明細書（DK 95 00222 U3）
【特許文献５】国際公開公報９９／３２７８９号パンフレット
【特許文献６】欧州特許出願公開第０８５３１９７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
風力タービンブレードの振動、特にエッジ方向振動の減衰は、ブレードの疲労損傷と破壊との防止に重要であり、これは、風力タービンが大型化され、ブレードが小型化されるにつれ、さらに重要な問題となってくる。
【００１３】
本発明の目的は、ブレード内の空間的制限が大きい場合に対応すべく十分に小型で平面的な最適設計に効果的なダンパーを有する風力タービンブレードを提供することである。
【００１４】
さらに、本発明の目的は、ダンパーのコストを削減するように単一構造のダンパーを有するブレードを提供するとともに、寿命が過ぎた場合にメンテナンスの必要がない又は非常に少ないダンパーを提供することである。
【００１５】
風力タービンブレードの構造を軽量化する設計がなされ且つブレードを長くされると、ブレードの第二固有振動数の振動、特にロータの回転平面内のブレードの第二固有振動数の振動すなわちエッジ方向の二次振動を減衰させる必要性が増加する。さらに、本発明の目的は、ブレードの第二固有振動数の振動、特にエッジ方向の振動を減衰させるためのダンパーを有するブレードを提供することである。
【００１６】
さらに、本発明の目的は、第一固有振動数の振動を減衰させる手段と同様に第二固有振動数の振動を減衰させるための手段を有するブレードを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
このように、本発明は、風力タービンのロータに配列される風力タービンブレードに関し、前記ブレードは、ブレード内でＵ形状のキャビティを画定する振動減衰手段を備え、前記キャビティは、部分的に液体で充満され、キャビティのＵ形状の底部分はブレードの先端部方向に配列され、キャビティのＵ形状のアームは実質的にブレードのハブの端部の方向に向けられる。
【００１８】
キャビティは、典型的にはチューブ又はシェルによって画定されても良いが、ブレードの構造要素との一体部分として構成されても良い。ブレードのハブ端部は、ロータのハブに結合される端部になるべきであり、先端部はブレードの自由端部になるべきであることが理解される。Ｕ形状は、中間部分又は底部分と、振動を減衰させるように底部分について対称に配列されることが好ましい２つのアームとを有するキャビティとして広義に理解されるべきである。底部分は、キャビティの形状がＶ字のような形状になるように、液体の充填されたアームの部分と比較して完全に短くても良く、このようなＶ形状にすることは、キャビティ内部の液体カラムの振幅が大きいときでは、Ｖ形状の設計のダンパーの固有振動数が、より長い底部分を有するダンパーよりも変化しにくいという長所を有する。しかし、実行可能な設計は、Ｖ形状よりもＵ形状に近い形状で示されており、底部分の内部に包含される液体カラムの長さがそれぞれのアームの液体カラムの長さのほぼ２倍である設計により、ダンパーは液体カラムの比較的小さい振幅と同様の十分な減衰特性を有する。
【００１９】
キャビティのアームは、特定の実施形態ではロータの回転平面に配列され、振動減衰手段は、回転平面内におけるブレードの第一固有振動数の振動を減衰させるべく調整され、その結果、エッジ方向のブレードの振動が減衰される。これらの振動は、主として１〜５Ｈｚの範囲内であり、好ましくは振動減衰手段はこの振動数の範囲に対して調整される。
【００２０】
ブレードを適当に減衰させるために、振動減衰手段は、少なくとも２パーセントの振幅の対数減衰（対数減少）に相当する量だけ、回転平面におけるブレードの第一固有振動数の振動を減衰させるように設計されるべきである。
【００２１】
振幅の対数減衰δは、以下に定義する通りである。
【数１】
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ｎ：振動の周期
ａ1  ：第一周期目の振動の振幅
ａn  ：第ｎ周期目の振動の振幅
【００２２】
ブレードの構造は、それ自身で振動を減衰する効果を有し、回転平面内のブレードの第一固有振動数の振動は、エッジ方向の振幅によりブレードに過大な荷重が掛からないように、少なくとも５パーセント、好ましくは６〜１５パーセントの範囲内の振幅の対数減衰に相当する量だけブレードの構造による効果とダンパーによる効果との両効果により完全に減衰される。
【００２３】
振動方向に可動する液体質量は、本発明の有利な実施形態では、減衰手段の半径方向位置における第一固有振動モードでのブレードの等価振動質量の０．５〜２パーセントに等しい。等価振動質量は、通常、質量がないと仮定したブレードの先端に位置される質量として求められ、この質量は、前記先端での振動の振幅と前記半径方向位置での振動の振幅との比を質量に掛けることにより他の振動位置の等価振動質量に変換される。
【００２４】
Ｕ形状キャビティのアームの上端部は、空気の一部がばねとして作用するような態様で液体の表面とアームの内壁との間に捕獲されることのないように設計されるべきである。このようなばねとしての空気の存在が不利益をもたらすことが証明されているからである。ダンパーは、長いアームを用いて設計されても良く、アームがリザーバや外気に連結されても良い。しかしながら、長いアーム又はリザーバは空間を占有し、従って、ブレードの中にダンパーを組み込むのには理想的ではなく、外気への開口により液体の蒸気がキャビティから抜き出される。これにより、ダンパー内の液体量を調節する手段が設けられない限り長い時間が経過すると、液体量が減少し、ダンパーの第一固有振動数が変化することとなる。最適な設計は、通路がＵ形状キャビティの上端部で画定されるときに、Ｏ形状キャビティが設けられるように通路が２つのアームを連結することである。
【００２５】
ダンパーがブレードの振動に対して逆位相であり且つダンパー自身の振動を減衰させないことによりブレードの振動を無くすので、通路は空気が小さな抵抗だけで前後通過するように設計されることが好ましい。このため、好ましくは通路の平均断面積がＵ形状キャビティの平均断面積の少なくとも２分の１に等しく、より好ましくは、通路の平均断面積はＵ形状キャビティの平均断面積とほぼ同じである。断面積がＯ形状の端から端までほぼ一定である本発明のダンパーの実施形態は、目的達成に非常に優れた特性を有することが判明している。
【００２６】
風力タービンを環境変化に適応させ、最良の状態で作動可能にするために、液体の凝固点は摂氏マイナス１０度以下、好ましくは摂氏マイナス１８度以下にすべきである。
【００２７】
液体の密度は有利には少なくとも１．１メートルトン毎立法メートル、好ましくは少なくとも１．１５メートルトン毎立法メートルであり、その結果、液体として純水を使用した場合と比べて振動減衰手段の物理的な大きさを小さくできる。
【００２８】
振動質量に好ましい安価な液体は、水であり、好ましくは水の凝固点を下降させる剤を少なくとも１つ及び／又は液体の密度を上昇させる剤を少なくとも１つ含む。また、水銀又は他の液体金属は高密度なのでダンパーの超小型設計を可能にさせて有効に使用可能であるが、水は容器から漏洩した場合に周囲環境に危険を及ぼさないので有利である。
【００２９】
多数の異なる剤が、これら多数の塩の間で使用されても良い。好ましい剤は、塩化ナトリウムである。これは、塩化ナトリウムが周囲環境に無害であり、塩化ナトリウムの水への溶解性は温度によりほとんど変化しないため結晶が容器内に発生しないからである。塩化ナトリウムは、水の凝固点を降下させ且つ密度を上昇させる２つの効果を有する。
【００３０】
水は、塩化ナトリウムを少なくとも１８質量％、好ましくは少なくとも２２質量％、最も好ましくは飽和溶液となる約２６質量％を含んでいる。
上記両効果に適した他の適当な剤は、グリセロールである。
【００３１】
同様に本発明によれば、キャビティのアームはロータの回転平面内に配列されても良く、振動減衰手段は回転平面内でブレードの第二固有振動数の振動を減衰させるように回転されても良い。このような減衰手段は５〜１２Ｈｚの範囲内である振動数の振動を減衰させるように調整されることが好ましく、振動減衰手段は第一固有振動数の振動と同様に少なくとも２％の振幅の対数減衰に相当する量だけ回転平面内において第二固有振動数の振動を減衰させるように設計されることが好ましい。
【００３２】
回転平面内におけるブレードの第二固有振動数の振動の総減衰は、好ましくは少なくとも５％、最も好ましくは６〜１５％の範囲内の振幅の対数減衰に相当する量である。振動方向に可動な液体の質量は、減衰手段の半径方向位置における第二固有振動モードでのブレードの等価振動質量の０．５〜２％に等しいことが好ましい。
【００３３】
また、第二固有振動数の振動を減衰する手段と同様に第一固有振動数の振動を減衰する手段を有するブレードも本発明によることもわかる。
【００３４】
第二固有振動の振動を減衰する手段にとっても第一固有振動数の振動を減衰する手段にとってもブレードの先端部に位置である、振動の振幅の大きいブレードの部分に振動減衰手段を配列することは上述のブレードの総てにとって有効である。第二固有振動数の振動は、ブレードの先端部近傍のノード点と、第二固有振動数の振動の振幅が大きく且つダンパーが位置されることができるハブ端部とノード点との間の区域とを有するであろう。
【００３５】
ダンパーを備えたブレードの本発明の他の実施形態は、風力タービンのロータに配列される風力タービンブレードであり、このブレードはボックスとボックスの一方の側壁に係合する筒状要素とを有する振動減衰手段を備え、前記側壁はブレードの先端部に向かって配列され、ブレードのハブ端部に向かって曲がり、その結果、筒状要素は、中立位置の周りに前記側壁の一方から他方に回転可能である。
【００３６】
このようなダンパーは、ブレードに適合されるように精密設計がなされても良い。筒状要素は、振動発生時にブレードの振動と逆位相に前後に回転し始め、これにより振動を減衰させる。
【００３７】
ダンパーは、筒状要素がロータの回転平面内で回転可能なように位置決めされ、振動減衰手段が回転平面内でブレードの第一固有振動数の振動を減衰させるように調整されることが好ましい。
【００３８】
ボックスは、筒状要素の運動を減衰させ且つダンパーの固有振動数と同調するように少なくとも部分的に液体が充填される。液体は、上述したように剤を含む水で良いが、潤滑油も、筒状要素の係合部分とボックスとの磨耗を減少させるために有利である。
【００３９】
特に好ましい実施形態では、筒状要素と側壁とは、筒状要素の周囲がこの要素が回転するときに側壁上で滑らないようにさせるように、互いに係合する要素を備えている。これにより、回転時の筒状要素の運動、ダンパーの固有振動数及び減衰効果は、完全に予測可能であり、滑りによって変化することもない。係合要素は、例えば、歯車と歯付きリム又はスプロケットホイールとチェーン等である。
【００４０】
ダンパーを有するブレードの本発明のさらなる実施形態は、風力タービンのロータに配列される風力タービンブレードであり、ブレードは、回転軸周りに揺動可能な質量要素を備えた振子を有する振動減衰手段を備えており、振子は、振子が揺動するときにエネルギが吸収されるように弾性材料を備えた回転軸でブレードに連結する。
【００４１】
このようなダンパーは、ブレード内に適用されるように小さく設計される場合もあり、振子はブレードの振動が発生する場合にブレードと逆位相の振動を開始するであろう。ブレードの振動は、振子が逆位相の振動を行うことにより減衰され、振子の運動は、弾性材料に運動エネルギが吸収されることにより弾性材料で減衰される。
【００４２】
ダンパーは、振子がロータの回転平面内に揺動可能なように位置決めされることが好ましく、振動減衰手段は回転平面内にブレードの第一固有振動数の振動を減衰させるように調整される。
【００４３】
一つの実施形態では、振子の質量要素は、回転軸よりもブレードの先端部に接近して配列される。
【００４４】
本発明の他の実施形態によれば、質量要素は、回転軸よりもハブ端部に接近して配列される。
【００４５】
弾性材料は、本発明の好ましい実施形態ではゴムを含んでいる。
振子の質量要素は、回転軸の方向に質量要素を支持するようにブレード内部に画定されるキャビティの側壁部分に係合するためのホイール部材を備え付けることが好ましく、このホイール部材は、回転軸に垂直な軸周りに配列される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
まず、Ｕ形状のダンパーは、ブレードと逆位相にさせることにより振動を減衰し、その結果、ダンパー内部の液体の運動は、ロータの角速度で回転するシステムに示されるようにブレードの振動運動と反対方向になる。Ｕ形状のダンパーの減衰振動数でもある第一固有振動数の振動ｆは、理論的には以下の通りである。
【数２】
2008274960.tif 000004
ｆ：Ｕ形状ダンパーの減衰振動数[Ｈｚ]
Ω：ロータの回転速度[rad／ｓ]
Ｒ：中立位置でのダンパー内の液体の自由表面にロータ中心からの距離[ｍ]
ψ：Ｕ形状ダンパーの脚部の方向とブレードの瞬間的な運動方向との間の角度
Ｌ：液体カラムの断面の重心に沿った、ダンパー内の液体カラムの長さ[ｍ]
【００４７】
ダンパーは、ブレードの回転によるΩ2Ｒの平均重力加速度が作用する。重力加速度は、ロータが一回転する間に±９．８ｍ／ｓ2でロータが垂直方向に変位することによる。
【００４８】
ブレードの一例は、Ｒ＝２９．５ｍの位置にダンパーを備えた全長３２メートルのブレードであり、回転速度Ω＝１．８０７rad/sで、ブレードの回転平面内の第一固有振動数、すなわちエッジ方向の固有振動数ｆbが２．１９Ｈｚで、ダンパーの脚部は、ψ＝π／２であるようにブレードの長手方向の軸線に平行である。このように、上記式から求められる液体カラムの全長Ｌは、１．０１７ｍである。
【００４９】
±９．８ｍ／ｓ2の重力加速度を変更することにより、本ブレードは、平均固有振動数の±６％に等しい回転をする間にダンパーの固有振動数が±０．１３Ｈｚ変化をすることが判る。
【００５０】
図３と４とに示すように使用されるダンパーの内部領域の断面積は、どの部分においてもＡ＝０．０１１２ｍ2であり、２つの脚部の重心間の距離ｄは、０．３１７ｍであり、塩化ナトリウムを２６質量パーセンテージの水溶液である液体の密度は、ρ＝１２００ｋｇ／ｍ3である。振動方向に可動な液体質量は、Ｍ=Ａ・ｄ・ρ＝４．２ｋｇである。第一固有振動モードのブレードの等価質量ＭEは、先端では５１４．９ｋｇであることが判る。Ｒでの第一固有モードの振動による偏差は、先端での偏差０．８６４倍であり、Ｒでの等価質量は、ＭE/０．８６４であり、従って、Ｍは、ダンパーのこの半径方向位置での第一固有振動モードのブレードの等価振動質量の０．７％に等しい。
【００５１】
実験は、ダンパーが振子に装着されたブレードに用いられるダンパーで行われる。ブレードの質量比は実験で再現され、振子と、液体の入っていないダンパーと、体積の異なる液体を有するダンパーとの振幅の対数減衰が測定された。ダンパー内に液体がある場合の対数減衰は、図１で液体体積の関数として示されている。
【００５２】
ロータの回転平面内での振動の減衰全体が少なくとも６．３％に到達するために、エッジ方向のブレードの構造減衰は、ダンパーの十分な減衰が２．５％にされることにより３．８％である。減衰は、容積が、１０．５％の最適な減衰を提供する最適体積の液体に対して±４．６％の振動数範囲に対応する範囲内であるときに満足な結果が得られることが判る。最適な液体の体積は、上述のダンパーの第一固有振動数ｆの式から求められる理論上の液体の予想体積よりも大きいことが判る。
【００５３】
このダンパー型式の設計により生じるさらに重要なことは、最適な液体の体積が理論当量から求められる体積の１．１１７倍、すなわち本ダンパーの重心に沿ったダンパー内部の液体カラムの最適な長さＬが理論当量から求められる長さＬの１．１１７倍であることが判る。これはダンパーの設計に応じて変化するかもしれないが、一般的には、ダンパーの正確で最適な減衰振動数に到達するためには、液体カラムの長さを理論値と比較して８〜１６％の範囲、好ましくは１２％程長くすべきであることが予想される。
【００５４】
Ｕ形状のダンパー２を有する風力タービンブレードが、図２に示されている。ダンパー２は、図２の右側に拡大されて示されたブレード１の先端部３に配列される。ダンパー２は、Ｕ形状の底部分４と、ロータの回転平面に配列された２つのアーム５、６と、上端部で２つのアーム５、６を結合する通路７とを備えている。一定量の液体８が、ダンパー２内に与えられ、振動方向に可動である該一定量の液体は、矢印９で示されている。
【００５５】
図３は、ミリメートル単位を用いてＵ形状ダンパー２の好ましい実施形態を示している。ダンパーは、上述の全長３２メートルのブレード用に設計されている。ダンパー２の内部断面積は、通路７を含むダンパーの全域に渡ってほぼ一定である。２つの脚部５、６の重心間距離ｄは３１７ミリメートルであり、この距離ｄも図示されている。
【００５６】
図４は、全長３２メートルのブレード１の先端部に配列された図３のダンパー２を示しており、ハブからのブレード１の長さは、図の左側にメートルで与えられている。ブレード１の寸法単位は、ミリメートル単位で示され、３層を有するブレード１の構造は、ＬＡＹ１、ＬＡＹ２、ＬＡＹ３として示されている。
【００５７】
本発明の他の実施形態は、図５に示されている。ブレード１の先端部３は、液体１２で充満されたボックス１１内部に備えられた筒状要素１０を有するダンパー２と共に示されている。ボックス１１は、筒状要素１０が回転する湾曲側壁１３がブレード１の先端部３方向に配置されるように、且つ回転平面内で振動を減衰させるべく筒状要素１０がブレード１に連結されるロータの回転平面内で回転可能であるように配列される。筒状要素１０の運動は、矢印１４で示されている。筒状要素１０は、湾曲側壁１３の歯付リム１６に係合する歯車１５を備えている。湾曲側壁１３の半径Ｒは、ダンパー２を正しく減衰させるようにハブから湾曲側壁１３までの距離よりも短くなければならない。
【００５８】
振子１７を備えたダンパー２の実施形態が図６、７に示されており、図６は、質量要素１８がピボット１９よりもブレード１の先端部近くに設けられている振子１７を有するダンパー２を示し、図７は、質量要素１８がピボット１９よりもブレード１のハブ端部近くに設けられている振子１７を有するダンパー２を示している。振子１７は、ブレード１のエッジ方向の振動を減衰させるように弾性材料の中に吊り下げられ、ロータの回転平面内で揺動しても良い。振子の運動は、矢印２０、２１で示されている。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】液体の体積に対するＵ形状ダンパー内の液体の存在による対数減衰を示したグラフである。
【図２】Ｕ形状のダンパーを有する風力タービンを示している。
【図３】Ｕ形状のダンパーの好ましい実施形態を示している。
【図４】ブレードの先端に配列された図３のダンパーを示している。
【図５】筒状要素を有するダンパーを示している。
【図６】質量要素がブレードの先端部近くに設けられた振子を有するダンパーを示している。
【図７】質量要素がブレードのハブ側端部近くに設けられた振子を有するダンパーを示している。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成20年7月11日(2008.7.11)
【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】
風力タービンのロータに配設される風力タービンブレードであって、Ｕ形状キャビティを画定する振動減衰手段をブレード内に具備し、
Ｕ形状キャビティはアームを具備し、
前記キャビティのアームはロータの回転平面内に配設され、前記キャビティは部分的に液体で充満され、前記キャビティのＵ形状の底部分は当該ブレードの先端部方向に配列され、前記Ｕ形状のアームは当該ブレードのハブ方向に配列され、前記Ｕ形状のキャビティの上端部に通路が画成され、該通路はＯ形状のキャビティが設けられるように２つのアームを連結し、
前記Ｕ形状のキャビティの位置及びデザインと前記キャビティ内部の液体カラムの長さとは、前記振動減衰手段が前記回転平面内における前記ブレードの第一固有振動数の振動を減衰させるように調節される、風力タービンブレード。
【請求項２】
前記振動減衰手段は、１〜５Ｈｚの範囲内の振動数の振動を減衰させるように調整される、請求項１に記載の風力タービンブレード。
【請求項３】
前記振動減衰手段が少なくとも２％の振幅の対数減衰に相当する量だけ前記回転平面内における前記ブレードの第一固有振動数の振動を減衰させるように、前記キャビティ内部に有り且つ振動方向に可動である液体質量が調節される、請求項１又は２に記載の風力タービンブレード。
【請求項４】
前記振動減衰手段が少なくとも５％の振幅の対数減衰に相当する量だけ前記回転平面内における前記ブレードの第一固有振動数の振動を減衰させるように、前記キャビティ内部に有り且つ振動方向に可動である液体質量が調節される、請求項３に記載の風力タービンブレード。
【請求項５】
前記振動減衰手段が６〜１５％の範囲内の振幅の対数減衰に相当する量だけ前記回転平面内における前記ブレードの第一固有振動数の振動を減衰させるように、前記キャビティ内部に有り且つ振動方向に可動である液体質量が調節される、請求項４に記載の風力タービンブレード。
【請求項６】
前記振動方向に可動である液体の質量は、前記減衰手段の半径方向位置における第一固有振動モードでの当該ブレードの等価振動質量の０．５〜２％に等しい、請求項１〜５のいずれか１項に記載の風力タービンブレード。
【請求項７】
前記通路の平均断面積は、前記Ｕ形状のキャビティの平均断面積の少なくとも半分に等しい、請求項１に記載の風力タービンブレード。
【請求項８】
前記通路の平均断面積は、前記Ｕ形状キャビティの平均断面積とほぼ同一である、請求項７に記載の風力タービンブレード。
【請求項９】
前記液体の凝固点は、摂氏マイナス１０度よりも低い、請求項１〜８のいずれか１項に記載の風力タービンブレード。
【請求項１０】
前記液体の凝固点は、摂氏マイナス１８度よりも低い、請求項９に記載の風力タービンブレード。
【請求項１１】
前記液体は、水の凝固点を降下させる剤を少なくとも１つ含む水溶液である、請求項９又は１０に記載の風力タービンブレード。
【請求項１２】
前記液体の密度は、少なくとも１．１メートルトン毎立法メートルである、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の風力タービンブレード。
【請求項１３】
前記液体の密度は、少なくとも１．１５メートルトン毎立法メートルである、請求項１２に記載の風力タービンブレード。
【請求項１４】
前記液体は、前記水の密度を上昇させる剤を少なくとも１つ含む水溶液である、請求項１２又は１３に記載の風力タービンブレード。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの剤は塩化ナトリウムである、請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の風力タービンブレード。
【請求項１６】
前記液体は、塩化ナトリウムが少なくとも１８質量パーセンテージの水溶液である、請求項１５に記載の風力タービンブレード。
【請求項１７】
前記液体は、塩化ナトリウムが少なくとも２２質量パーセンテージの水溶液である、請求項１６に記載の風力タービンブレード。
【請求項１８】
前記液体は、塩化ナトリウムが約２６質量パーセンテージの水溶液である、請求項１７に記載の風力タービンブレード。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの剤はグリセロールである、請求項１１〜１４に記載の風力タービンブレード。
【請求項２０】
前記振動減衰手段は、当該ブレードの先端部に配列される、請求項１〜１９のいずれか１項に記載の風力タービンブレード。
【請求項２１】
前記キャビティのアームは前記ロータの回転平面内に配列され、前記振動減衰手段は前記回転平面内における前記ブレードの第二固有振動数の振動を減衰させるように調整される、請求項１〜２０のいずれか１項に記載の風力タービンブレード。
【請求項２２】
前記振動減衰手段は、５〜１２Ｈｚの範囲内の振動数の振動を減衰させるように調整される、請求項２１に記載の風力タービンブレード。
【請求項２３】
前記振動減衰手段が少なくとも２％の振幅の対数減衰に相当する量だけ前記回転平面内における前記ブレードの第二固有振動数の振動を減衰させるように、前記キャビティ内部に有り且つ振動方向に可動である液体質量が調節される、請求項２１又は２２に記載の風力タービンブレード。
【請求項２４】
前記振動減衰手段が少なくとも５％の振幅の対数減衰に相当する量だけ前記回転平面内における前記ブレードの第二固有振動数の振動を減衰させるように、前記キャビティ内部に有り且つ振動方向に可動である液体質量が調節される、請求項２３に記載の風力タービンブレード。
【請求項２５】
前記振動減衰手段が６〜１５％の範囲内の振幅の対数減衰に相当する量だけ前記回転平面内における前記ブレードの第二固有振動数の振動を減衰させるように、前記キャビティ内部に有り且つ振動方向に可動である液体質量が調節される、請求項２４に記載の風力タービンブレード。
【請求項２６】
前記振動方向に可動である液体の質量は、前記減衰手段の半径方向位置における第二固有振動モードでの前記ブレードの等価振動質量の０．５〜２％に等しい、請求項２１〜２５のいずれか１項に記載の風力タービンブレード。
【外国語明細書】
2008274960000001.pdf