(57)【要約】2つ以上のローターの間の角度および/あるいは軸に対する変位が可変な複数ローター風力タービン。ローター間の（およびこれらローターに設置された対応するタービンブレード）角度および軸に対する変位は異なる風速におけるタービンのトルク特性を制御する。
2010522847.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力タービンのための風力タービンブレード組立体であって、
ａ．少なくとも1枚の前ブレードを有する前部ローターと、
ｂ．少なくとも1枚の後ブレードを有する後部ローターとを備え、
前ブレードと後ブレードの角度変位が調節可能であり、風力タービン稼動時に前部ローターと後部ローターが同方向に回転するよう構成されている、風力タービンブレード組立体。
【請求項２】
前ブレードと後ブレードの角度変位が-15度から+15度の範囲で調節可能な請求項1の風力タービンブレード組立体。
【請求項３】
風力タービン稼動中に前ブレードと後ブレードの角度変位が調節可能な請求項1あるいは2に記載の風力タービンブレード組立体。
【請求項４】
前ブレードと後ブレードの軸に対する変位が調節可能な請求項1から3のいずれかに記載の風力タービンブレード組立体。
【請求項５】
風力タービンのための風力タービンブレード組立体であって、
ａ．少なくとも1枚の前ブレードを有する前部ローターと、
ｂ．少なくとも1枚の後ブレードを有する後部ローターとを備え、
前ブレードと後ブレードの軸に対する変位が調節可能であり、風力タービン稼動時に前部ローターと後部ローターが同方向に回転するよう構成されている、風力タービンブレード組立体。
【請求項６】
軸に対する変位がローター直径の10％の範囲で調節可能な請求項4あるいは5に記載の風力タービンブレード組立体。
【請求項７】
風力タービン稼働中に軸に対する変位が調節可能な請求項4あるいは5に記載の風力タービンブレード組立体。
【請求項８】
前部ローターが3枚の前ブレードを120度間隔で有し、後部ローターが3枚の後ブレードを120度間隔で有する請求項１ないし7のいずれかに記載の風力タービンブレード組立体。
【請求項９】
更に中間部ローターが少なくとも1枚の中間ブレードを有し、風力タービン稼動時に前部ローターおよび後部ローターが同方向に回転するよう構成された請求項１ないし7のいずれかに記載の風力タービンブレード組立体。
【請求項１０】
前ブレードと中間ブレードの間の中間部の角度変位が調節可能な請求項9に記載の風力タービンブレード組立体。
【請求項１１】
前ブレードと中間ブレードの間の中間部の軸に対する変位が調節可能な請求項9あるいは１０に記載の風力タービンブレード組立体。
【請求項１２】
前ブレードと中間ブレードの間の中間部の角度変位が-15度から+15度までの間で調節可能な請求項10に記載の風力タービンブレード組立体。
【請求項１３】
前ブレードと中間ブレードの間の中間部の角度変位が風力タービン稼働中に調節可能な請求項10に記載の風力タービンブレード組立体。
【請求項１４】
中間部の軸に対する変位がローター直径の10％の範囲で調節可能な請求項10に記載の風力タービンブレード組立体。
【請求項１５】
中間部の軸に対する変位が風力タービン稼働中に調節可能な請求項10に記載の風力タービンブレード組立体。
【請求項１６】
前部ローターに、前ブレードから180度の位置に更に前部カウンターバラストを有する請求項1に記載の風力タービンブレード組立体。
【請求項１７】
後部ローターに、後ブレードから180度の位置に更に後部カウンターバラストを有する請求項1に記載の風力タービンブレード組立体。
【請求項１８】
中間部ローターに、中間ブレードから180度の位置に更に中間部カウンターバラストを有する請求項1に記載の風力タービンブレード組立体。
【請求項１９】
前ブレードと後ブレードの間の角度変位および軸に対する変位が0になり、前ブレードと後ブレードがシングルブレードの複合空力効果を生じるよう調整可能な請求項4に記載の風力タービンブレード組立体。
【請求項２０】
前ブレード、後ブレード、中間ブレードの角度変位および軸に対する変位が0になり、前ブレード、後ブレード、中間ブレードがシングルブレードの複合空力効果を生じるよう調整可能な請求項13に記載の風力タービンブレード組立体。
【請求項２１】
前ブレード、後ブレード、中間ブレードの角度変位が120度になり、前ブレード、後ブレード、中間ブレードが3枚ブレードのシングルローターブレード組立品の複合空力効果を生じるよう調整可能な請求項13に記載の風力タービンブレード組立体。
【請求項２２】
請求項1ないし21のいずれかに記載の風力タービン組立品を有する風力タービン。
【請求項２３】
前部ローターが内側シャフトに取り付けられ、後部ローターが外側シャフトに取り付けられ、内側シャフトと外側シャフトが同軸であり、内側シャフトと外側シャフトが互いに対して回転するよう構成された請求項22に記載の風力タービン。
【請求項２４】
請求項22に記載の風力タービンであって、
ａ．前部ローターが後部ローターに対して、または後部ローターが前部ローターに対して回転するよう調節可能なハブと、
ｂ．前部ローターおよび後部ローターが互いに対して回転しないような位置に調節可能なハブを配置できるブレーキシステムとを備える、風力タービン。
【請求項２５】
内側シャフトの先端に更にリニアアクチュエーター取り付け、そのリニアアクチュエーターが前部ローターと後部ローターの間の軸に対する変位を増大させるよう内側シャフトと前部ローターを押し、また前部ローターと後部ローターの間の軸に対する変位を減少させるよう内側シャフトと前部ローターを引き付けるよう構成された請求項23に記載の風力タービン。
【請求項２６】
内側シャフトに更にシャフトブレーキを取り付け、そのシャフトブレーキが稼動すると内側シャフトを外側シャフトに対してロックされた回転ができ、解除されると内側シャフトをこの外側シャフトに対して自由に回転ができるよう構成された請求項23に記載の風力タービン。
【請求項２７】
更に位置センサを取り付け、内側シャフトの外側シャフトに対する相対回転位置を監視できることで角度変位の制御を容易にする請求項26に記載の風力タービン。
【請求項２８】
更に空力シュラウドを有する請求項22ないし27のいずれかに記載の風力タービン。
【請求項２９】
空力シュラウドが大型ノズルとして構成される請求項28に記載の風力タービン。
【請求項３０】
空力シュラウドがノーズコーンおよび少なくとも1本の支柱と少なくとも1本の固定支柱によって構成され、その支柱がノーズコーンに統合される請求項28に記載の風力タービン。
【請求項３１】
空力シュラウドがブレード脱離時にブレードを格納できるよう構成される請求項28に記載の風力タービン。
【請求項３２】
ブレードに永久磁石が取り付けられ、空力シュラウドに複数の発電極が取り付けられ、その発電極がブレードの回転に選択的に反応することで電流を発生させる請求項28に記載の風力タービン。
【請求項３３】
平均的な風の状況に合わせて角度変位が既定された請求項22に記載の風力タービン。
【請求項３４】
更にスプライン1セットあるいはカム1セットを有し、既定の角度ないし軸に対する変位パラメータを設定する請求項25に記載の風力タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は多段式風力タービンに関するものである。
【０００２】
発明の背景
風力タービンはグリーンエネルギーの供給源として認知されてきているが、現行のデザインには幾つかの問題点があり、これが普及を妨げている。問題点には、人によっては見苦しいと思うほどに大型であること、可変式のタービン速度、そして騒音などが含まれる。これらの問題点の根底にあるのは風の動的エネルギーによってタービンのブレードを回転させるという、理想的とはいい難い変換方式である。この変換をより効率的なものにせしめたならば、ブレードの小型化が可能であり、それによってタワーの小型化、ブレード先の回転速度の減少、そして騒音の減少が実現する。あるいは、同じ直径のブレードによってより大きな電力を発生させることが可能である。さらに、タービンが風速に応じた可変式なものになれば、異なる風速の状況においてもより安定した速度での回転が可能となる。
【０００３】
風力タービンによって発生するトルクについては、ブレードの数を増やすことで増加が可能であることが本分野の技術においては広く知られている。
【０００４】
過去の技術の多くは異なるタイプの風力タービンであったり、あるいは特定部品の最適化であったりした。米特許7,347,660は改良タイプの垂直軸タービンに関する内容である。米特許7,344,360はシングルローターの水平軸風力タービンのブレードの設計に焦点を当てたもので、可変式の湾曲構造のブレードに関する内容である。米特許7,335,128は水平軸風力タービンの改良変速設計に関する内容である。米特許7,331,761は水平軸風力タービンのブレードの改良ピッチベアリングに関する内容である。米特許7,293,959は水平軸風力タービンローターに設置された一本一本のブレードを制御するリフトレギュレーション方法に関する内容である。
【０００５】
複数のローターを示唆してきた他の発明者はいたが、これを同軸に取り付け、可変式の角度あるいは軸に対する変位変更を行うことでバーチャルなブレードの組み合わせのトルク特性を制御することは考慮してこなかった。米特許7,299,627は風力発電地帯における上流側ローターの風陰が下流側ローターに与える破壊的影響について触れているが、同一のシャフトに上流側および下流側ローターを設置する生産的メリットについては想定していない。米特許6,713,893は別々のシャフトの、それぞれ別軸に取り付けられた第一ローターと第二ローター、および複合発電機によってフィールドローターがそれぞれ相互に回る際の発電に関するものである。米特許6,504,260はそれぞれ別のシャフトとハブを有する別軸に設置された互いに反対回りの2つのローターが、それぞれ共通の発電システムに繋がれており、ロード制御の向上が可能である。米特許6,278,197は互いに反対回りの2つのローターを発電機の両端に、それぞれ同軸の内側シャフトと外側シャフトに設置するもので、風により2つのシャフトが相互に逆回転することで、その間に設置された発電部品によって電力を発生するというものである。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】3枚のバーチャルブレードを有する多段式風力タービンの正面図である。
【図２】3枚のバーチャルブレードを有する多段式風力タービンの側面図である。
【図３】3枚のバーチャルブレードを有する多段式風力タービンのテスト結果である。
【図４】1枚のバーチャルブレードを有するマルチモード風力タービンの正面図を示している。
【図５】3枚ブレードモードのマルチモード風力タービンを示している。
【図６】空力的シュラウドを有する多段式風力タービンの側面図である。
【０００７】
発明の概要
本発明の一側面としては、少なくとも1枚の前ブレードを有する前部ローターと、少なくとも1枚の後ブレードを有する後部ローターからなる、前ブレードと後ブレードとの間の角度変更が調節可能であり、風力タービンの稼働中に前部ローターおよび後部ローターが同方向に回転するよう構成された風力タービンに使用する風力タービンブレード組立品である。
【０００８】
一つの実施例においては、前ブレードと後ブレードの角度変更は-15度から+15度までの間で調節可能である。
【０００９】
別の実施例においては、風力タービンの稼働中に前ブレードと後ブレードの角度変更が調節可能である。
【００１０】
更に別の実施例においては、前ブレードと後ブレードの軸に対する変位の変更が調節可能である。
【００１１】
本発明の異なる側面としては、少なくとも1枚の前ブレードを有する前部ローターと、少なくとも1枚の後ブレードを有する後部ローターからなる、前ブレードと後ブレードとの間の軸に対する変位変更が調節可能であり、風力タービンの稼働中に前部ローターおよび後部ローターが同方向に回転するよう構成された風力タービンに使用する風力タービンブレード部品である。
【００１２】
別の実施例においては、軸に対する変位変更はローターの直径に対して10%の割合で調節可能である。
【００１３】
また別の実施例においては、前部ローターには3枚の前ブレードが120度の間隔で設置されており、軸に対する変位変更はローターの直径に対して10%の割合で調節可能である。
【００１４】
更に別の実施例においては、前部ローターには3枚の前ブレードが120度の間隔で設置されており、後部ローターには3枚の後ブレードが120度の間隔で設置されている。
【００１５】
更に別の実施例においては、風力タービンブレード部品は更に少なくとも1枚の中間ブレードを有する中間ローターからなり、風力タービンの稼働中に前部ローターおよび中間部ローターが同方向に回転するよう構成されている。
【００１６】
更に別の実施例においては、前ブレードと中間ブレードの間の中間部の角度変更は調節可能である。
【００１７】
更に別の実施例においては、前ブレードと中間ブレードの間の軸に対する変位変更は調節可能である。
【００１８】
更に別の実施例においては、前ブレードと中間ブレードの間の中間部の角度変更は-15度から+15度までの間で調節可能である。
【００１９】
更に別の実施例においては、風力タービンの稼働中に前ブレードと中間ブレードの間の中間部の角度変更が調節可能である。
【００２０】
更に別の実施例においては、前ブレードと中間ブレードの間の中間部の軸に対する変位変更はローターの直径の10%の割合で調節可能である。
【００２１】
更に別の実施例においては、風力タービンの稼働中に前ブレードと中間ブレードの間の中間部の軸に対する変位変更が調節可能である。
【００２２】
更に別の実施例においては、風力タービンブレード部品は更に前部ローターの前ブレードから180度の位置に設置した前部カウンターバラストからなる。
【００２３】
更に別の実施例においては、風力タービンブレード部品は更に後部ローターの後ブレードから180度の位置に設置した後部カウンターバラストからなる。
【００２４】
更に別の実施例においては、風力タービンブレード部品は更に中間部ローターの中間ブレードから180度の位置に設置した中間部カウンターバラストからなる。
【００２５】
更に別の実施例においては、前ブレードと後ブレードの角度変更および軸に対する変位変更は、両方が0になり、また前ブレードと後ブレードが1枚のブレードから複合した空力効果を発生するよう調節可能である。
【００２６】
更に別の実施例においては、前ブレードおよび後ブレードの角度変更および軸に対する変位変更は、両方が0になり、また前ブレードと後ブレード1枚のブレードから複合した空力効果を発生するよう調節可能である。
【００２７】
更に別の実施例においては、前ブレード、後ブレード、そして中間ブレードの角度変更および軸に対する変位変更は、全てが0になり、また前ブレード、後ブレード、中間ブレードが1枚のブレードから複合した空力効果を発生するよう調節可能である。
【００２８】
更に別の実施例においては、前ブレード、後ブレード、そして中間ブレードの角度変更および軸に対する変位変更は、全てが120度になり、また前ブレード、後ブレード、中間ブレードが3枚のブレードによる1つのローターブレード組立品から複合した空力効果を発生するよう調節可能である。
【００２９】
本発明のさらなる態様としては、上述した風力タービンブレード組立体を有する風力タービンブレードである。
【００３０】
一つの実施例においては、風力タービンには前部ローターが内側シャフトに取り付けられ、後部ローターが外側シャフトに取り付けられており、内側シャフトと外側シャフトは同軸であり、内側シャフトと外側シャフトは互いに対して回転する。
【００３１】
別の実施例においては、風力タービンは、前部ローターが後部ローターに対して、あるいは後部ローターが前部ローターに対して回転するよう更に調節可能なハブを有し、また前部ローターと後部ローターが互いに対して回転しないような位置に調節可能なハブが取り付けられるブレーキシステムを有している。
【００３２】
更に別の実施例においては、風力タービンには更にリニアアクチュエータが内側シャフトの先端部に取り付けられ、そのリニアアクチュエータが前部ローターと後部ローターの軸に対する変位を増加させるよう内側シャフトおよび前部ローターを押すように構成され、また前部ローターと後部ローターの軸に対する変位を減少させるよう内側シャフトと外側シャフトを引くように構成されている。
【００３３】
更に別の実施例においては、風力タービンには更にシャフトブレーキが内側シャフトに取り付けられ、そのシャフトブレーキが稼働中に内側シャフトを外側シャフトに対してロックされた形で回転し、またこれが解除されると、内側シャフトが外側シャフトに対して自由に回転できるようになっている。
【００３４】
更に別の実施例においては、風力タービンには内側シャフトの外側シャフトに対する相対的移転位置をモニタリングできる位置センサが取り付けられることにより、角度の変位制御が容易になっている。
【００３５】
更に別の実施例においては、風力タービンは更に空力シュラウドを有する。
【００３６】
別の実施例においては、空力シュラウドは大規模ノズルに構成されている。
【００３７】
別の実施例においては、空力シュラウドはノーズコーン、少なくとも1本の支え用の支柱、少なくとも1本の固定支柱からなり、この支柱は先述のノーズコーンに統合するよう構成されている。
【００３８】
別の実施例においては、空力シュラウドはブレード脱離の際にブレードを格納するよう構成されている。
【００３９】
別の実施例においては、ブレードには永久磁石が、空力シュラウドには複数の発電柱が設置されており、この発電柱はブレードの回転を選択的に受けることで電力を発する構成になっている。
【００４０】
別の実施例では、軸に対する、また角度の変位は平均的な風の状況に合わせてプリセットされている。
【００４１】
別の実施例では、風力タービンは更にスプラインないしカムを有し、既定の角度および軸に対する変位パラメータを設定するようになっている。
【００４２】
詳細な説明
本発明者はブレードを追加することによるトルクの増分が追加ブレードの元のブレードに対する位置を変更することによって調節できることを発見した。この方法でブレードの相対位置を制御することによって、風速の小さい時には高いタービンrpmを、風速の大きい時には低いタービンrpmを発生せしめることが可能である。従って、ブレードの相対位置を制御することによって、風速が一定しない状況にあってもより一定したタービンrpmが実現できる。これによって、風速が一定しない状況における安定した周波数のAC電源の供給がより容易になる。更に、より小さなブレードでより大きなトルクを発生させ得る能力によって、ブレードの先端回転速度のより遅い、より小型のタービン製作が可能になり、小型化、費用削減、騒音減少が実現できる。
【００４３】
上記はブレードの相対的位置がリアルタイムに調節可能となることで、異なる風速に対応できる構造を説明したものである。別案として、ブレードの相対的位置を、設置場所の平均的な風の状況に適した位置に既定しておくことも可能である。これは地域の風の状況に合わせて新規にタービンブレードを設計するより遥かに単純で安価であり、平均風速の低い地域においては格段に経済的に実現可能な選択肢である。
【００４４】
本発明者は2枚の隣接ブレードの相対位置は2つの基本的パラメータによって説明できるとする。これは軸に対する変位と角度の変位である。軸に対する変位はタービンシャフトに添って計測される上流側のブレードと下流側のブレードとの距離と定義される。角度変位は下流側のブレードが回転する方向において上流側のブレードを先行する角度と定義される。ブレードは複合空力力学的および音響上の理想値を最大限に実現するべく、同じ、あるいは異なる構造または配置であり得る。
【００４５】
複数のブレードは制御プロセスを容易にするため2つないしそれ以上のローターに設置できる。更に、1つのローターの相対的位置をもう1つのローターに応じて変更し、これによってローターに設置されたブレードの相対位置を変更できるよう、ローターは同軸上に、それぞれ別のシャフトに設置できる。この軸に対する変位はタービンシャフトに沿って計測された上流側とこれに隣接する下流側のローターの距離と定義され、角度変位は下流側のローターが回転する方向において上流側のローターを先行する角度と定義される。
【００４６】
2つのローターによる構成においては、それぞれのローターは120度の間隔をおいた3枚のブレードを有し、それぞれのローターは今日の殆どの風力タービンに見られる従来の3枚ブレードローターに類似している。このタイプの構造は一定の風速状況においてマイナスの角度変位によってタービン速度を最大限に増加せしめ、またプラスの角度変位によってタービン速度を最小限に減少せしめることが可能であることが試験によって確認されている。更に、軸に対する変位を大きくすることでタービン速度を最大限に増加でき、また軸に対する変位を小さくすることでタービン速度を最小限に減少できることが確認されている。角度および軸に対する変位の必要変化量は些少であり、試験では、6フィートの直径を有する小型ローターにおいて角度変位+/- 7.5度の変化と軸に対する変位2インチの組み合わせによって20%近いタービン速度の変化が見られた。
【００４７】
驚くべきことに、それぞれのローターが120度間隔で設置された3枚のブレードを有する2つのローター構成によるタービン速度は、角度変位が0度の場合に同等の1つのロータータービンのそれより大きい。これは、2枚のブレードが「複葉機」の翼のように作用し、同じ量の風に対してより大きな浮力を生じている可能性が考えられる。この観点から観察した場合、角度変位の概念は下翼に対して上翼が前後に動かせ、下翼に近づけ、あるいは離すことができ、これにより複合タービンブレードの揚抗特性を調節できる一種の複葉機の翼として見ることができる。更にタービンの軸の向きを風向きに対して変更し、特にrpmが低い場合に風向きに対して優位に位置できる点にも注目すべきである。この技術は運転開始の時点でトルクを上げるのにも有効である。
【００４８】
上述したタービンブレードは調節可能な空力特性を有する一種の複合バーチャルタービンブレードと捉えることができる。すなわち2つの、それぞれのローターが120度間隔で3枚のブレードを有するローター構成は、一種の従来の市調節可能な3枚のバーチャルブレードを有するシングルロータータービンと捉えることができる。このアプローチによって多段式風力タービンの設計においても既存の設計ツール、例えばCFDモデルの流用が可能である。
【００４９】
別の施行例においては、多段式風力タービンはそれぞれ1枚のタービンブレードを有する3つのローターによって構成される。更に、それぞれのタービンブレードはバランスを取るためブレードに対して180度の位置にカウンターバラストを設置する。この場合、3枚のブレードは互いに0度のあるいはごく僅かな角度変位を有し、可変の軸に対する変位として1枚の調節可能なバーチャルブレードを有する一種の多段式風力タービンとなる。更に、別案として同じ3枚のブレードの角度変位を相対的に120度に設置し、同じ多段式の風力タービンを3枚の調節可能なバーチャルブレードを有する構成に変更することができる。1枚のバーチャルブレードモードは同じ回転範囲における翼面積を削減し、これによってタービン速度を上げることのできる可能性がある。3枚のバーチャルブレードモードにおいては翼面積が増加するが、同時に風力タービンによって提供されるトルクの増加の可能性がある。カウンターバラストは空力全体に貢献するように、そして1枚のバーチャルブレードモード、3枚のバーチャルブレードモード、そして2つのモードの切り替え時においてバランスを付加できるよう設計され得る。
【００５０】
非常に高い風速や突風に耐えるよう設計された施行例によっては、ローターやブレードはブレードが互いに入れ子になり、軸に対する変位なしで設計され得る。更に、下流側のブレードが完全に上流側のブレードの風陰に収まるよう上流側のブレードを下流側のブレードより大きくすることで、複葉機効果を打ち消し、複合バーチャルブレードを従来のシングルブレード同様に機能するよう設計し得る。
【００５１】
発明はまた、多段式風力タービンを通過する気流を制御、あるいは加速すべく多段式風力タービンブレードの外周に構成された空力シュラウドについても述べる。空力シュラウドは騒音軽減目的や、ハブとは無関係のブレードによる損害軽減にも利用され得る。空力シュラウドのサポート構造は、風と上流側ローターによって生じるウェイクを制御し最適化する固定ブレードによって下流側ローターの動作を向上するよう設計される。更に、空力シュラウドはヒートシンクとして機能し、ハブエリアにある発電機やその他の部品を冷却するよう設計される。
【００５２】
別の施行例では、空力シュラウドは、タービンブレードの端の回転に対応する発電機として構成される。この場合は発電機 / 空力シュラウドは様々なタービン速度において選択的に動作し、異なる風の状況下で比較的安定した周波数のAC電源供給し、あるいは強風等の状況においてはブレーキの役割を果たす複数の柱を有している。
【００５３】
好ましい実施例
図1は3枚のブレードローター2つを擁する多段式風力タービン1の正面図であり、上流側ローターが2、下流側ローターが4である。上流側ローター2および下流側ローター4は多段式風力タービン1が矢印6の示すよう時計回りに回転し、風と相互作用すべく空力的設計され得る。上流側ローター2および下流側のローター4のブレードは角度変位8によって隔てられており、これは多段式風力タービン1が図時された方向に回転している場合、下流側ローター4が上流側ローター2に対して遅れていればマイナスと定義される。
【００５４】
多段式風力タービン1によって発生するトルクは角度変位8を変更することによって修正が可能である。角度変位8が0度の状態からの些少なプラスおよびマイナスの角度変位8の変更が、多段式風力タービン1において比較的大きな発生トルクの変更をもたらすことが発見されている。これは求める効果を得るために必要な可動範囲が小さく済むため、角度変位8の変更に必要な機構の簡素化を可能にする。一定範囲以上の角度変位8の変更は反生産的効果をもたらす。すなわち、多段式風力タービン1によって発生するトルクがある角度変位8の最大値に達し、また別の角度変位8においては最小値に達し、これらを超えた調節を行うと、多段式風力タービンはその最大値より少ないか、あるいは最小値より大きいトルクを発生させる。
【００５５】
多段式風力タービン1は上流側ローター2と下流側ローター4を同じシャフトに設置するが、少なくとも1つの調節可能なハブを設置し、制御されたローターがシャフトに対して回転するよう構成するか、あるいはその他の手段によって上流側ローター2と下流側ローター4を2本の同軸シャフトにそれぞれのシャフトが互いに対して回転するよう構成することで角度変位8の変更を可能にする。あるいは多段式風力タービン1は多段式風力タービン1を設置地域の風の状況において最大限の効果をあげる角度に既定した固定角度変位8によって構成され得る。
【００５６】
少なくともこの、上流側ローター2と下流側ローター4がそれぞれ3枚の類似したブレードを120度間隔で有する多段式風力タービン1の構成においては、プラス60度の角度変位8は隣接する上流側ローター2のブレードに対してマイナス60度の角度変位8と同じである点は注目すべきである。当然ながら角度変位8は円環性であり、1つのローターが別のローターに対して回転するため範囲は必ず少なくともマイナス60度からプラス60度までに収まる。すなわちマイナスの角度変位8からプラスの角度変位への変更は下流側ローター4を上流側ローター2に対して時計回り、または反時計回りに回転させることで、またはその反対で達成できる。
【００５７】
この角度変位8についての円環特性の知識は、多段式風力タービンが稼動していて時計回りに回っている際に１つのローターをもう1つに対して時計回りに回転させるのに必要なトルクが、同じローターを反対回りに回すトルクに比べて遥かに小さく済むため、角度変位8の制御機構および必要手順を簡素化し得る。調節は1つのローターをハブとブレーキによって制御し、他のローターがシャフトに固定されている状態で制御されたローターのみが選択的にシャフトに対して異なる速度で回転できるようにすることで達成できる。ブレーキは制御されたローターへの負荷を一時的に軽減するため緩め、これによって制御されたローターを他のローターより一時的にやや速く回転せしめ、その後またブレーキを戻すことで制御されたローターを新しい角度変位8で固定する。また、ブレーキは通常制御されたローターの負荷調節に使用し、これによって強風等の状況における多段式風力タービン1全体の負荷を調節するものである。
【００５８】
下流側ローター4が上流側ローター2のすぐ後ろに位置する場合、すなわち角度変位8が0度の場合、多段式風力タービン1によって発生するトルクは、上流ローター2に類似したローターによって構成されるシングルローター風力タービンによって発生するトルクより大きい可能性がある。これは下流ローター4が上流ローター2から一定の距離を置いて設置されており、それぞれのブレードが互いに風に対して複合的に影響を及ぼし、トルク増大を生むことができるからである。この効果は複葉機の翼による揚力の増加に近似するものであり、特に明らかな風が回転するブレードに作用する際に、複合したブレードに対して実際の風向きに比べてはるかに水平に近い角度でブレードの受風エリアに当たるためである。これが望ましくない場合は、下流ローターのブレードは上流ローターのブレードと入れ子にし、角度変位が0度で複合の空力特性が上流ローターによるものとほぼ同程度になるように構成すればよい。
【００５９】
任意の角度変位8における1組のブレードによる複合空力特性は、その1組の内の1枚のブレードが上流ローター2に属し、もう1枚のブレードが下流ローター4に属する場合、1枚のバーチャルブレード10と同等と見なされる。バーチャルブレード10の空力特性は角度変位8および軸に対する変位20を調節することで（図2参照）当然変化する。しかし、これを空力特性が調節可能な1枚のバーチャルブレード10と見なすことによって、多段式風力タービン1の更なる設計および最適化の追求にあたって既存のシングルローター風力タービンソフトウェアモデルおよび設計ツールを流用することが可能であるかもしれない。
【００６０】
多段式風力タービン1はまた、異なる構成や設計のブレードや、異なる大きさのブレード、3枚以外の枚数のブレード等を有するローターや、可変ピッチのローター、3個以外の数のローター等、他の機能によって設置先の求める空力特性および音響特性を満たす構成にできる可能性がある。
【００６１】
図2は多段式風力タービン1と風20の側面図である。上流ローター2は下流ローター4と同区に、下流ローター4から軸に対する変位22で設置されている。上流ローター2は内側のシャフト24に取り付けられ、下流ローター4は外側のシャフト26に取り付けられている。内側のシャフト24は通常外側のシャフト26と共に回転し、同時に同軸内でスライドするように構成されており、これによって上流ローター2と下流ローター4の両方が発電機28と機械的な連絡を保ちながら、軸に対する変位22の変更を可能にしている。
【００６２】
多段式風力タービン1によって発生するトルクは軸に対する変位22を変更することによって修正できる。軸に対する変位22におけるわずかなプラスおよびマイナスの変更、多段式風力タービン1における、ごく些少な軸に対する変位22が比較的大きなトルクの変化をもたらすことが発見されている。限定された範囲の変更によって求める効果が得られるため、これは軸に対する変位22の変更機構の簡素化を可能にする。一定の範囲を超えた軸に対する角度変位22は反生産的効果をもたらす。すなわち、多段式風力タービン1によって発生するトルクがある角度変位22の最大値に達し、また別の角度変位22においては最小値に達し、これらを超えた調節を行うと、多段式風力タービン1はその最大値より少ないか、あるいは最小値より大きいトルクを発生させる。
【００６３】
一定の風速下における多段式風力タービン1によって発生するトルクの範囲は、軸に対する変位22の変更と角度変位8（図1参照）を組み合わせることによって更に広がることが発見された。結果として、軸に対する変位22と角度8を組み合わせることで多段式タービン1は幅広い範囲の風速において一定のトルクを提供することが可能である。軸に対する変位22および角度変位8は以下の方法で同時に変更が可能である。
【００６４】
軸に対する変位22は以下のように変更できる。内側のシャフト24は外側のシャフト26の全長におよび、外側のシャフト26の端から突出してリニアアクチュエータ30に至る。リニアアクチュエータ30は軸に対する変位22の既定範囲内で、風の状況の変化に対応する必要がある際に、内側のシャフト24と上流ローター2を風に向かって押すことで軸に対する変位22を増大させ、あるいは内側のシャフト24と上流ローター2を風向きと反対に引くことで軸に対する変位22を減少させることができる。
【００６５】
角度変位8（図1参照）は以下の方法で同時に変更できる。内側のシャフト24はスプラインシャフトあるいはその他の、内側のシャフト24のロックされた回転を可能にしながらもシャフトブレーキディスク32内でスライドすることが可能な機構によって内側のシャフト24にスライドするよう取り付けられたシャフトブレーキディスク32とで構成される。シャフトブレーキディスク32は通常シャフトブレーキハウジング34内に納まるよう設置され、内側のシャフト24が外側のシャフト26とロックされた回転を行い、また両方のシャフトから発生する複合トルクが同時に発電機28に供給されるようになっている。図では説明のため開いた状態で描写されているシャフトブレーキパッド36aおよび36bは、通常ブレーキディスク32に押し付ける形で設置し、必要なブレーキおよびシャフトロックの効果を得られるように構成する。しかし、角度変位8を変更する必要がある場合はシャフトブレーキパッド36aおよび36bはブレーキディスク32から離すことで、先述の新しい角度変位8が得られるまで上流側ローター2を下流側ローター4より速く回転させることができる。
【００６６】
シャフトブレーキパッド36aおよび36bを通常稼動させた状態にしておくことには(i)シャフトブレーキディスク32が一部あるいは完全に開放されている場合のみ動力が必要なため、通常必要とする動力がより少なく済む、(ii)故障モードにおいてもブレーキパッドがシャフトブレーキディスク32を保持し続け、最適とは言えない状態とはいえ多段式風力タービン1の継続可動を保証する、等を含む幾つかの利点がある。
【００６７】
軸に対する変位22および角度変位8（図1参照）の制御についてはその他の幾つかの手段が考えられる。例えば仮に多段式風力タービン1によって生じるトルクがそれぞれの軸による変位22を有する特定の角度変位8によって最も良く制御できるのであれば、内側シャフト24は外側シャフト26に取り付けたスプラインまたはカムと軽く組み合わせたスプラインまたはカムを取り付け、内側シャフト24をそれぞれの軸による変位22を有する特定の角度変位8になるよう構成する。これによってスプラインまたはカムはリニアアクチュエータ30によって生じる軸に対する変異22に自動的に対応することになる。
【００６８】
多段式風力タービン1はまた、上流側ローター2と下流側ローター4が強風下で回転しないようメインブレーキ部38と組み合わせることができる。メインブレーキ部28はこの場合、通常は稼動していないブレーキであるが、作動させるとメインブレーキディスク40に作用して外側シャフト26および下流ローター4の回転を止め、シャフトブレーキ部が通常作動している状態であれば、同じく内側シャフト24と上流ローター2の回転をも止める。あるいは、メインブレーキ部38に過度の負荷がかかることを防ぐため、シャフトブレーキ部24はメインブレーキ部38を作動させる前に一部または完全に作動させることができる。これによって外側シャフト26および下流ローター4が完全に回転を停止するまで内側シャフト24および上流ローター2が回転を続け、その時点でシャフトブレーキ部34をまた通常稼動している状態に戻して内側シャフト26および上流ローター2の回転を止めることができる。幾つかのより大きな実施例では、複数のブレーキディスクおよびブレーキ部を使用することにより、必要なブレーキ力を得ることができる。
【００６９】
シャフトブレーキ部34およびシャフトブレーキディスク32には位置センサを配して、上流ローター2の下流ローター4に対する相対的回転位置に相当する内側シャフト24の外側シャフト26に対する相対的回転位置を監視することで角度変位8（図1参照）の制御を容易にする。また、メインブレーキ部38およびメインブレーキディスク40にセンサを配して、発電機28の回転速度に相当する外側シャフト26と下流ローター4の回転速度を監視することでタービン速度制御およびその他の目的を達成する。発電機28の回転速度、角度変位8、軸に対する変位22、およびその他の多段式風力タービン1に関連したパラメータを監視するにはその他の多くの手段がある。
【００７０】
図3は2つの類似した3枚のブレードを有し、それぞれのローターが直径僅か2メートルという多段式風力タービン1（図2参照）の試験結果を示している。試験は軸に対する、および角度の変位の変更によってタービン速度が変更できることを確認するためと、これらの状況下において最大のタービン速度の変化を生じさせるために必要な制御範囲を規定するため、毎秒2メートルの一定した風の条件下で行われた。風速が上がるにつれ、またブレードの設計やローターの直径等その他のパラメータが変わるにつれ得られるタービン速度の変化と軸に対する、および角度の変位が変わる点は注目すべきである。
【００７１】
右手の“Ｙ”軸を基準として点線データラインと黒い四角マーカによる風速ライン42に示されている通り、試験中の風速は変わらず秒速2メートルであった。“風”は制御環境において9台の業務用ファンによって発生せしめ、排気バッフルによって必要な風速を得られるよう調節した。
【００７２】
最初の試験では多段式風力タービンは上流および下流ローターを3.75”の変位で構成し、角度変位を7.5度刻みで変更できるよう調節可能なハブを取り付けた。結果は中央の“Ｙ”軸を基準として点線データラインと黒い四角マーカの3.75”rmpライン44の2つのローターによって記録された。軸に対する変位−60度におけるタービン速度はおよそ90rpmであり、＋7.5度の角度変位において少なくともおよそ80rpmに落ち、+60度の角度変位において90rpmに戻った。これは、以前記した通り、別のローターに取り付けられた隣のブレードに対して-60度の角度変位である。これらの結果は多段式風力タービンによって発生するトルク、すなわちある負荷下のタービン速度が、一定の軸に対する変位を保ったまま角度変位を調節し風速を変更することで変更できることを裏付ける。
【００７３】
第1の試験と第2の基本的相違は軸に対する変位を3.75”から5.75”に、つまり僅か2.00”上げた点にある。結果は中央の“Ｙ”軸を基準として2つのローターによって5.75”rpmライン46に点線データラインと白い四角マーカによって記録された。2つのローターが5.75”rpmライン46にある全ての点において2つのローターが3.75”ライン44を上回っている点に注目すべきである。即ち多段式風力タービンによって発生するトルク、つまりある負荷下のタービン速度が角度変位を一定に保ったまま軸に対する変位によって変更できると結論付けられる。
【００７４】
−7.5度の角度変位の5.75”ライン46にある2つのローターにおいて約95rpmで明らかな頂点が見られる点も注目すべきである。この頂点は＋7.5度の角度変位の3.75”ライン44にある2つのローターにおける約80rpmの明らかな落ち込みと組み合わせると、軸に対する変位を2.00”上げると同時に角度変位を15度下げることによってタービン速度を15rpm、あるいは低い速度から約19％増大させることが可能であることを示す。更に、角度変位が−7.5から＋7.5の範囲、すなわち対称であり、角度変位0度に近いかあるいは“ブレードを重ねた”構成に注目すべきである。であるからして、角度および軸に対する些少な変位によって比較的大きなタービン速度の変化が得られると結論付けられる。
【００７５】
第3の試験は上流ローターおよび調節可能なハブは取り外され、3枚のブレードを有する1つの下流ローターのみとなっており、大幅に異なる。つまり、第3の試験は同じ制御された毎秒2メートルの風の状況における従来の3枚ブレードのシングルローター風力タービンの性能を反映する内容となっている。驚くべきことに、再設定されたタービンは中央の“Y”軸を基準としてシングルブレードライン48に黒の実線および黒い四角マーカによる記録に示される通り回転すらしなかった。つまり同じ風の状況下において多段式風力タービンは80から95rpmの速度で回転したと結論付けることが可能である。
【００７６】
0度の角度変位結果は特に興味深い。なぜなら、下流ローターのブレードは上流ローターのすぐ後ろに“置かれて”いるにも関わらず多段式風力タービンが回転し続けるからである。当初はこの構成においてはシングルローターのタービンと同様に動作すると考えるかもしれない。しかし2枚のブレードは一種の“複葉機”の翼のように作動し、タービンを回転させるのに必要な余分なトルクを発生させる。更に、これらの結果から言えることは軸に対する変位5.75”においての効果の方が、軸に対する変位3.75”より多段式風力タービンはより速く回転しており、即ち前者は後者に比べて大きな効果を生んでいるということである。
【００７７】
ここに見られる多段式風力タービン1の原理は図4および5に描写されているマルチモード風力タービン101にも適用できる。図4はシングルバーチャルブレードモードのマルチモード風力タービン101の正面図である。シングルブレード風力タービンは高速度低トルクの特徴を有しており効率が高いことが一般的に知られている。マルチモード風力タービン101は特定の風の状況におけるシングルバーチャルブレード102の空力を最適化することでこの効率性を獲得し、最適化することが可能である。これは先述したように主要角度変位104および副角度変位106を調節することで達成できる。シングルバーチャルブレード102の複合空力は先述したように軸に対する変位上流ブレード108、中間ブレード110、下流ブレード112を調節（図なし）することによって更に変更し最適化することができる。
【００７８】
シングルブレード風力タービンの欠点の一つは特有のバランス欠如である。これはマルチモード風力タービンによって、カウンターバランス114a、114b、114cをそれぞれ上流ブレード108、中間ブレード110、下流ブレード112と角度変位180度において回転させることによって少なくとも部分的には対策が可能である。カウンターバランス114a、114b、114cは更に生産的にシングルバーチャルブレード102の複合空力に貢献するよう構成させることが可能である
【００７９】
図5は3ブレードモードのマルチモード風力タービン101を描写している。この場合、上流ブレード108は中間ブレード110に対して主要角度変位104がここでは120度で回転しており、下流ブレード112の中間ブレード110に対する副角度変位106も120度で回転している。これは従来の3枚ブレードタービンの配列に適合するが、ただし上流ブレード108、中間ブレード110、そして下流ブレード112の間にはそれぞれ幾らかの軸に対する変位（図示なし）がある点において異なる。しかし、この軸に対する変位は3枚ブレードモードの性能を最適化する必要が生じた場合、下流ブレードのハブを次の上流ブレードのハブ内に入れ子にすることによって大幅に近づけ、適正な位置合わせを達成するか、あるいその他の手段によって最小限に留めることが可能である。
【００８０】
マルチモード風力タービン先述したように、あるいはその他の手段によって101は3つのシャフト/マルチステージ風力タービン1（図2）において利用されているブレーキシステムの3つのブレーキバージョンを利用してシングルバーチャルブレードから3枚ブレードモードに変更できるよう構成することが可能である。更に、3つのシャフトは上流ブレード108、中間ブレード110、下流ブレード108の120度間隔に調整可能な位置合わせ機構によって適正な位置合わせを容易にすることで構成できる。
【００８１】
図6は多段式風力タービン1に空力シュラウド50を取り付けた側面図である。空力シュラウド50は大型ノズルとしてた風が多段式空力タービンの回転するブレードを通る際に加速し、これによって多段式空力タービン1がより大きなトルクを発生させることが可能になるよう構成できる。注目すべきは多段式風力タービン1はこの図において図示目的で表されており、ここにおいて記される空力シュラウド50の原理はマルチモード風力タービン101（図4参照）や、その他の従来の風力タービンの内数種にも適用できる点である。
【００８２】
空力シュラウド50は支柱52および固定支柱54によって支えられる。支柱52は空力50の主要負荷に耐えうるよう構成され、発電機ハウジング29内の部品のヒートシンクとして作用し、更にノーズコーン56と統合して発電機ハウジング29周囲の空力を向上せしめる。固定支柱54は上流ローター2および下流ローター4への流入状態を向上させ、これによって風からより大きなエネルギーを得られるよう構成される。固定支柱54はまた内側シャフト24の追加アウトボードベアリングを含み、内側シャフト24が上流あるいは下流に動くことを可能にしながら支え、軸に対する変位22の変更を容易にできるよう構成される。いくつかの実施例においては固定支柱54は上流ローター2と下流ローター4の間に設置し、上流ローター2が発生させる過流が下流ローター4に達する前に軽減させるよう構成される。
【００８３】
空力シュラウド50はまた、上流ローター2と下流ローター4のブレード脱離の際にこれを格納し、これにより多段式風力タービン1の安全性に貢献するよう構成できる。更に、空力シュラウド50例えば回転するブレードの先端と空力シュラウドのクリアランスを削減する、あるいはその他の手段によって多段式空力タービン1の騒音を軽減するよう構成できる。更に、空力シュラウド50、上流ローター2のブレード、そして下流ローターのブレード4は合わせて、回転するブレードの端に磁石を取り付け、空力シュラウド50の内径に取り付けられた選択的に稼動する極によって電流を発生させ発電機として機能するよう構成できる。この種の発電機は過剰な負荷に接続された場合は上流ローター2および下流ローター4に対する一種のブレーキとして利用することも可能である。
【００８４】
別の構成としては、風20が逆向きに吹いた際に多段式風力タービンがトルクを発生するよう空力シュラウド、上流ローター2、下流ローターを反対にする。この場合発電機ハウジング29がローターの上流であり、故にコーン、羽、あるいはその他の動的機能を付加し風によって起こる気流の加速および/あるいはそれ以外で流入状況を向上させる。
【００８５】
上記の発明の例および実証は限定を目的としたものではなく、以下に説明する本発明における特許請求範囲の単なる例示である。本文において説明された一切の特許および適用はここにおいて参照により組み込まれる。
【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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【国際調査報告】
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