(57)【要約】  ハブ（２）と、ハブ（２）によって支持された少なくとも１つのブレード（２０）と、を具備した風力タービンロータが提供される。ブレード（２０）は第１ブレードセクション（３）および第２ブレードセクション（４）を具備し、第１ブレードセクション（３）はハブ（２）に対して静止するようにハブ（２）に組み付けられており、第２ブレードセクション（４）はブレード（２０）の長手軸に関して回転して調節可能なように第１ブレードセクション（３）に支持されており、第２ブレードセクション（４）は、ブレード（２０）の長手軸に関して離間された少なくとも２つのベアリング（７ａ、７ｂ）によって第１ブレードセクション（３）に支持されている。
2015513628.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハブ（２）と、
該ハブ（２）によって支持された少なくとも１つのブレード（２０）と、を具備した風力タービンロータであって、
前記ブレード（２０）は第１ブレードセクション（３）および第２ブレードセクション（４）を具備し、前記第１ブレードセクション（３）は前記ハブ（２）に対して静止するように前記ハブ（２）に組み付けられ、前記第２ブレードセクション（４）は前記ブレード（２０）の長手軸に関して回転調節可能なように前記第１ブレードセクション（３）によって支持されており、
前記第２ブレードセクション（４）は、前記ブレード（２０）の長手軸に関して離間された少なくとも２つのベアリング（７ａ、７ｂ）を用いて、前記第１ブレードセクション（３）によって支持されていることを特徴とする風力タービンロータ。
【請求項２】
前記第１ブレードセクション（３）は前記風力タービンロータの略径方向において延びており、前記第２ブレードセクション（４）は前記第１ブレードセクション（３）の径方向における延長部を形成し、かつ前記風力タービンロータの略径方向において延びていることを特徴とする請求項１に記載の風力タービンロータ。
【請求項３】
前記第１ブレードセクション（３）は、前記第２ブレードセクション（４）を回転可能に支持する支持構造（６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂ、８）のためのカバーおよび／またはマウントを形成していることを特徴とする請求項１または２に記載の風力タービンロータ。
【請求項４】
前記支持構造（６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂ、８）は前記第２ブレードセクション（４）の径方向内側端部に組み付けられたシャフト（８）を具備し、前記少なくとも２つのベアリング（７ａ、７ｂ）は前記シャフト（８）を回転可能に支持していることを特徴とする請求項３に記載の風力タービンロータ。
【請求項５】
前記少なくとも２つのベアリング（７ａ、７ｂ）の各々は、ベアリングマウント（６ａ、６ｂ）に組み付けられていることを特徴とする請求項４に記載の風力タービンロータ。
【請求項６】
前記少なくとも２つのベアリング（７ａ、７ｂ）の１つは、前記第１ブレードセクション（３）の径方向外側端部にまたはその近傍に設けられ、前記少なくとも２つのベアリング（７ａ、７ｂ）の他の１つは、前記第１ブレードセクション（３）の径方向内側端部にまたはその近傍に設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の風力タービンロータ。
【請求項７】
前記ベアリングマウント（６ａ、６ｂ）の各々はプレート部材として形成され、その面は前記風力タービンの径方向に対して略直交するように設けられており、
前記ベアリングマウント（６ａ、６ｂ）の各々には、保守作業および／または組立作業のための少なくとも１つのマンホール（１３ａ、１３ｂ）が設けられていることを特徴とする請求項５または６に記載の風力タービンロータ。
【請求項８】
前記第１ブレードセクション（３）は中空部材として形成されており、前記ハブ（２）に固定するように連結されて、前記中空部材内に前記支持構造（６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂ、８）を収容しており、該支持構造（６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂ、８）は前記ハブ（２）の外側に設けられていることを特徴とする請求項３〜７のいずれか一項に記載の風力タービンロータ。
【請求項９】
作動デバイス（１０）が前記第１ブレードセクション（３）に少なくとも部分的に設けられ、前記第２ブレードセクション（４）を前記ブレード（２０）の長手軸周りに回転させるように構成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の風力タービンロータ。
【請求項１０】
前記作動デバイス（１０）は、前記シャフト（８）を回転させることが可能な少なくとも１つの電気モータ（１０）として形成されていることを特徴とする請求項９に記載の風力タービンロータ。
【請求項１１】
前記少なくとも１つのモータ（１０）には、前記シャフト（８）に設けられたギアセクション（１１）と係合した、または係合可能な駆動ギアが設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の風力タービンロータ。
【請求項１２】
前記少なくとも１つのモータ（１０）は前記シャフト（８）に直接連結されており、前記モータ（１０）と前記シャフト（８）との間で速度を減速することなく前記シャフト（８）の直接駆動を構成していることを特徴とする請求項１０に記載の風力タービンロータ。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの電気モータ（１０）は、周波数変換機によって制御可能な同期モータとして形成されていることを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の風力タービンロータ。
【請求項１４】
前記第２ブレードセクション（４）は、最大ピッチ位置と最小ピッチ位置との間の動作ピッチ位置に、回転して調節可能であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の風力タービンロータ。
【請求項１５】
前記第１ブレードセクション（３）の外側面は、風力が前記風力タービンの軸方向から前記第１ブレードセクション（３）に負荷された場合に、前記ハブ（２）にトルクを与えるために設けられた空力形状を備えて形成されており、
前記第２ブレードセクション（４）の外側面は、風力が前記風力タービンロータの軸方向において前記第２ブレードセクション（４）に負荷され且つ前記第２ブレードセクション（４）が動作ピッチ位置に回転して調節された場合に、前記第１ブレードセクション（３）を介して前記ハブ（２）にトルクを与えるために設けられた空力形状を備えて形成されていることを特徴とする請求項１４に記載の風力タービンロータ。
【請求項１６】
前記第１ブレードセクション（３）の外側面および前記第２ブレードセクション（４）の外側面によって形成された前記ブレード（２０）の外側面は、前記第２ブレードセクション（４）の少なくとも所定の位置において連続面を形成していることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載の風力タービンロータ。
【請求項１７】
前記ブレード（２０）によって前記ハブ（２）に与えられるトルクは、前記第２ブレードセクション（４）のピッチ位置を最大ピッチ位置に調節することによって最小化されることを特徴とする請求項１４〜１６のいずれか一項に記載の風力タービンロータ。
【請求項１８】
少なくとも１つの支持ベース（１２）は、前記第１ブレードセクション（３）を支持するために前記ハブ（２）の外周に設けられており、
前記支持ベース（１２）は組み付け面（１４）を具備し、この面は少なくとも部分的に径方向外向きに面し、前記ハブ（２）の外周の少なくとも一部に対して接線方向となっているか、または前記ハブ（２）の外周の接線に平行であることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一項に記載の風力タービンロータ。
【請求項１９】
前記支持ベース（１２）の組み付け面（１４）は外側輪郭をともなって設けられており、この外側輪郭は前記支持ベース（１２）と前記第１ブレードセクション（３）との間の遷移部において、前記第１ブレードセクション（３）の外側輪郭に適合していることを特徴とする請求項８に記載の風力タービンロータ。
【請求項２０】
前記風力タービンロータの径方向における前記第１ブレードセクション（３）の長さは、前記風力タービンロータの径方向における前記第２ブレードセクション（４）よりも極めて短く、前記第２ブレードセクション（４）の長さの好適に５〜５０％、より好適に５〜２５％、最も好適に１０〜２５％であることを特徴とする請求項１〜１９のいずれか一項に記載の風力タービンロータ。
【請求項２１】
ハウジングと、該ハウジング内に収容された発電機と、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の風力タービンロータと、を具備し、
該風力タービンロータの前記ハブ（２）は、前記発電機に駆動可能に連結されていることを特徴とする風力タービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本主題は風力タービンロータ、およびそのような風力タービンロータを具備した風力タービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
公知の風力タービンにおいては、複数のブレードがハブに組み付けられており、このハブは、ブレードに与えられた風力エネルギに起因した回転力に基づいて発電するために、発電機システムに連結されている。公知の風力タービン設備においては、ハブは略水平に整列された軸を備えて回転可能に組み付けられており、この設備は水平風力タービンとして参照される。そのような公知の水平風力タービンにおいては、風力タービンロータが採用されており、ブレードピッチ角は、所定の回転速度が固有の風の状態に従って得られるように調節されることが可能である。
【０００３】
近年では、風力タービンブレードの長さは、単独のタービンにおいて１ＭＷ（ｅｌ）またはそれよりも大きい出力を有する風力タービン設備を提供するために、増大している。結果的に、そのような風力タービン設備の要素の運搬に関して特別な制限が導入されている。しかしながら、大型の風力タービン設備は出力増大、効率の向上に寄与し、それに加えて他のいくらかの経済的な向上に寄与している。
【０００４】
従来のロータシステムは、ブレードのピッチをその時の風の状態に調節するために、ブレードのための回転可能なサポートを採用している。完全なブレードは回転可能な要素として設計されているので、このサポートはハブに接近して配置されている。そのようなサポートに関して、ベアリングが使用されており、ブレードの曲げトルクをハブに伝達するように適合されている。公知の手段においては、ベアリングは、そのような公知の手段において制限された指定空間内にこのアセンブリを組み付けるために、小型アセンブリとして形成されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本主題は風力タービンロータに関し、この風力タービンロータは大型の風力タービンの利点を提供する一方で、そのような風力タービンロータの要素の運搬に関した制限を減少させている。
【０００６】
さらに、本主題は風力タービンロータに組み付けられたブレードのピッチを調節するための改良された手段に関し、この手段は容易に組み付け可能であり、且つ特に大きい風速の状態において強化された安全性を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本主題の基本的な概念によれば、風力タービンロータはハブ、およびハブに接続された少なくとも１つのブレードを具備している。本主題によれば、ブレードは第１ブレードセクションおよび第２ブレードセクションを具備している。第１ブレードセクションはハブに対して静止するようにハブに組み付けられ、第２ブレードセクションはブレードの長手軸に関して回転調節可能なように第１ブレードセクションによって支持されている。第２ブレードセクションは、ブレードの長手軸に関して離間された少なくとも２つのベアリングによって、第１ブレードセクションに支持されている。
【０００８】
高い定格速度の出力のために設計された風力タービンのブレードは、組み付けられた場合に、風力タービンロータの径方向において所定の長さを具備している。結果的に、そのようなブレードの全長を減少することは、そのような風力タービン設備の定格出力が同時に減少するために、妥当でない。
【０００９】
すなわち、本主題による風力タービンロータのブレードの全長は、ハブに組み付けられた第１ブレードセクションの長さと、第１ブレードセクションと、第１ブレードセクションによって支持された第２ブレードセクションの長さと、の総和によって決定されている。結果的に、第２ブレードセクションはブレード全体の全長よりも短く、第２ブレードセクションは路上でまたは鉄道によって容易に運搬され得る。ブレードの長手軸に関して離間された少なくとも２つのベアリングを使用して、第１ブレードセクションによって第２ブレードセクションを支持することは、回転可能な支持の安定性を強化し、一方でベアリングおよびベアリングマウントのような関連した要素のデザインを簡素化する。
【００１０】
本主題の実施形態によれば、第１ブレードセクションは風力タービンロータの略径方向において延びており、第２ブレードセクションは第１ブレードセクションの径方向端部において延長部を形成し、且つ風力タービンロータの略径方向において延びている。そのような配置に基づいて、全長を有するブレードが設けられ、風力タービン設備のデザインの所定の状態を満足している。
【００１１】
本主題のさらに別の実施形態によれば、第１ブレードセクションは、第２ブレードセクションを回転可能に支持する支持構造のためのカバーおよび／またはマウントを形成している。風力タービンロータの動作可能状態を、変動の影響を受けるその時点の風の状態に適合させるために、第２ブレードセクションの回転可能な支持がピッチ制御を可能にしている。本主題の概念によれば、第１ブレードセクションは回転可能ではなく、一方で第１ブレードセクションによって回転可能に支持された第２ブレードセクションは、ブレード全体の少なくとも一部分のピッチを調節するために、回転されることが可能である。
【００１２】
本主題のさらに別の実施形態によれば、支持構造は第２ブレードセクションの径方向内側端部に組み付けられたシャフトを具備し、少なくとも２つのベアリングはシャフトを回転可能に支持している。本主題の概念によれば、シャフトは少なくとも２つのベアリングに組み付けられた第２ブレードセクションを支持している。本主題によれば、これら少なくとも２つのベアリングは、風力タービンロータの径方向において、特にシャフトの軸方向において離間された配置で、シャフトの支持に寄与している。シャフトは、ハブへモーメントを伝達してハブの回転へと変換する能力を十分に安定して提供することに寄与するために、単純な方法によって製造され、且つ先の少なくとも２つのベアリングによって保持され得る。
【００１３】
本主題のさらに別の実施形態によれば、少なくとも２つのベアリングの１つは、第１ブレードセクションの径方向外側端部にまたはその近傍に設けられ、少なくとも２つのベアリングの他の１つは、第１ブレードセクションの径方向内側端部にまたはその近傍に設けられている。
【００１４】
本主題のさらに別の実施形態によれば、先の少なくとも２つのベアリングの各々は、ベアリングマウントに組み付けられている。特定のベアリングマウントは、シャフトを支持するために採用されたベアリングの所定の形状または所定の構造に適合され得る。
【００１５】
本主題のさらに別の実施形態によれば、ベアリングマウントの各々はプレート部材、または少なくとも部分的にプレート部材として形成され、その面は風力タービンの径方向に対して略直交するように設けられた主面を形成しており、ベアリングマウントの各々には、保守作業および／または組立作業のための少なくとも１つのマンホールが設けられている。支持構造が保守を前提とした要素を含んでいるために、ベアリングマウントとしてのプレート部材の採用、および各プレート部材への少なくとも１つのマンホールの提供、の手段は、必要とされた保守作業が第１ブレードセクション、特に複数の機械的手段を含んだ第１ブレードセクション内の領域において実行されることを可能にしている。さらに、風力タービンロータの設置はそのようなマンホールの提供によって簡素化され、マンホールを通じて第１ブレードセクション内にロータの要素を運搬するために使用される。
【００１６】
本主題のさらに別の実施形態によれば、第１ブレードセクションは中空部材として形成されており、ハブに固定するように連結されて、中空部材内に支持構造を収容しており、支持構造はハブの外側に設けられている。そのような手段は、第２ブレードセクションから作用する力がハブのさらに外側に位置した場所に負荷されるので、ハブの構造を簡素化することが可能である。すなわち、力は、第２ブレードセクションのための支持構造を含んだ第１ブレードセクションに負荷される。そのような手段によって生じた応力は、支持構造がハブの内部またはハブに接近して設けられた構造に関連して減少され得る。
【００１７】
本主題のさらに別の実施形態によれば、作動デバイスは少なくとも部分的に第１ブレードセクション内に設けられ、第２ブレードセクションをブレードの長手軸周りに回転させるように構成されている。そのような作動デバイスは、第２ブレードセクションのピッチ制御を可能にしており、第１ブレードセクション内の特別な手段は構造および保守作業を簡素化している。
【００１８】
本主題のさらに別の実施形態によれば、作動デバイスはシャフトを回転させることが可能な少なくとも１つの電気モータとして形成されている。電気モータは容易に制御可能であり、小さい寸法で設計することが可能であり、このことはロータ構造内の限定された空間によって重要なこととなる。
【００１９】
本主題のさらに別の実施形態によれば、少なくとも１つのモータには、シャフトに設けられたギアセクションと係合した、または係合可能な駆動ギアが設けられている。ギア付きのトランスミッションは単純であり、ブレードのピッチを制御することに関して正確である。さらに、そのようなシステムの保守は容易かつ経済的である。
【００２０】
本主題のさらに別の実施形態によれば、少なくとも１つのモータはシャフトに直接連結されており、特にモータとシャフトとの間で速度を減速することなくシャフトの直接駆動を構成している。そのような手段は、トランスミッション構造がシステム全体のサービス寿命を増大することを必要とされないため、より簡素となる。さらに、少なくとも１つのモータはシャフトの軸端部、またはシャフト内にさえも組み付けられ得る。
【００２１】
本主題のさらに別の実施形態によれば、少なくとも１つの電気モータは、周波数変換機によって制御可能な同期モータとして形成されている。そのようなシステムは、第２ブレードセクションのピッチの制御可能性をさらに増強する。このシステムは、シャフトまたは第２ブレードセクションの回転位置を示す信号を提供するための位置センサを使用することによって、さらに強化され得る。しかしながら、そのようなセンサは本主題に関して本質的ではない。
【００２２】
本主題のさらに別の実施形態によれば、第２ブレードセクションは、最大ピッチ位置と最小ピッチ位置との間の動作ピッチ位置に、回転して調節可能である。結果的に、第２ブレードセクションは、その時点の風の状態、それに加えて他の状態を考慮した要求に合わせるために、所望の回転位置に動作されることが可能である。
【００２３】
本主題のさらに別の実施形態によれば、第１ブレードセクションの外側面は、風力または風の負荷が風力タービンの軸方向から第１ブレードセクションに負荷された場合に、ハブにトルクを与えるために設けられた空力形状を備えて形成されており、第２ブレードセクションの外側面は、風力または風の負荷が風力タービンロータのほぼ軸方向において第２ブレードセクションに負荷された場合に、第１ブレードセクションを介してハブにトルクを与えるために設けられた空力形状を備えて形成されており、且つ第２ブレードセクションは動作ピッチ位置に回転して調節される。
【００２４】
さらに別のこの実施形態によれば、第１ブレードセクションの表面は、特定の空力形状に基づいて、特にロータの軸が風向に整列された場合に、ハブにトルクを発生させることに寄与している。さらに、第２ブレードセクションの外側面も、特定の空力形状によってトルクを発生させることに寄与している。第１ブレードセクション以外に、第２ブレードセクションのピッチが調節されることが可能である。結果として、ハブに負荷されるトルクの発生の効果は、第２ブレードセクションの回転位置を調節することによって調節可能であり、一方で第１ブレードセクションのピッチは常に一定である。
【００２５】
この手段の特別な効果は速い風速の状態、または風力タービンが回転を抑制された場合において顕著である。第２ブレードセクションのピッチが最大化された場合、第１ブレードセクションのピッチは常に同じであり、すなわち動作ピッチである。結果として、風がロータの軸に関してタービンに向かって流れる方向からの方向にかかわらず、ハブに負荷されるトルクは、個々の第１ブレードセクションおよび第２ブレードセクションからハブに負荷されるトルクが同時に最大にまたは動作可能トルクに決して到達しないので、減少されるかまたは最小化される。すなわち、第１ブレードセクションのトルクおよび第２ブレードセクションのトルクのうちの少なくとも一方は、第２ブレードセクションが最大ピッチ位置に回転された場合の可能なトルクよりも小さい。
【００２６】
本主題のさらに別の実施形態によれば、第１ブレードセクションの外側面および第２ブレードセクションの外側面によって形成されたブレードの外側面または外観は、第２ブレードセクションの少なくとも所定のピッチ位置において連続面または連続的な外観を形成している。好適に、この所定のピッチ位置は、定格風速における定格出力を考慮した最適なトルク出力を伴った動作ピッチ位置である。
【００２７】
すなわち、第１ブレードセクションおよび第２ブレードセクションによって形成されたブレード全体の外側面のデザインは、連続的な外側面が第２セクションの動作ピッチ位置において形成され、その位置は風力タービン設備の動作の標準状態となるようにされている。すなわち、ブレード全体の外観およびその空力は、動作状態に対して最適化され、単一部品として製造された空力的に最適化された公知のブレードの外観と顕著に異なったものではない。
【００２８】
本主題のさらに別の実施形態によれば、ブレードによってハブに負荷されたトルクは、第２ブレードセクションのピッチ位置を最大ピッチ位置に調節することによって最小化される。前述の通り、第１ブレードセクションのピッチ位置は常に一定であり、一方で第２ブレードセクションのピッチ位置は調節可能である。第２ブレードセクションのピッチ位置が最大ピッチ位置に調節された場合において、第１ブレードセクションのピッチ位置は動作ピッチ位置に留まっている。結果的に、そのような風力タービンロータを備えたシステムは安全性またはフェイルセーフ動作を発揮し、風力タービンロータは速い風速の状態の下でさえ停止されることが可能である。
【００２９】
本主題のさらに別の実施形態によれば、少なくとも１つの支持ベースが、第１ブレードセクションを支持するためにハブの外周面に設けられており、支持ベースは組み付け面を具備し、この面は少なくとも部分的に径方向外向きに面し、ハブの外周の少なくとも一部に対して接線方向となっているか、またはハブの外周の接線に平行である。ハブの外周における支持ベースは第１ブレードセクションの組み付け特性に適合されており、第１ブレードセクションの組み付け作業は簡素化され、そのような手段の強度は向上されている。
【００３０】
本主題のさらに別の実施形態によれば、支持ベースの組み付け面は外側輪郭をともなって設けられており、この外側輪郭は支持ベースと第１ブレードセクションとの間の遷移部において、第１ブレードセクションの外側輪郭に適合している。第１ブレードセクションの輪郭と支持ベースの輪郭との適合は組み付けを向上し、特に溶接等に基づいた取り付けのような最適化された連結または取り付けを可能にしている。しかしながら、任意の他の連結または取り付けが可能であり、溶接に限定されるものではなく、取り外し可能な組み付けさえも可能である。
【００３１】
本主題のさらに別の実施形態によれば、風力タービンロータの径方向における第１ブレードセクションの長さは、風力タービンロータの径方向における第２ブレードセクションよりも極めて短く、第２ブレードセクションの長さの好適に５〜５０％、より好適に５〜２５％、最も好適に１０〜２５％である。前述の範囲は運搬の手間を減らす効果を提供し、同時に本主題による風力タービンロータの動作を最適化する。前述の範囲は好適な範囲を表しているが、他の範囲が、効果が達成される限り、すなわち回転可能な第２ブレードセクションの改良された組み付けが可能であり且つ前述のフェイルセーフ動作が顕著である限り、本主題の範囲内にある。特に、前述の比率は、ピッチ制御と風力タービンロータ全体の構造的剛性との間の釣り合いを最適化するために選択されている。
【００３２】
随意的に、支持ベースはハブの外周面から突出している。第１ブレードセクションが中空部材として形成されて、ハブに関して静止した部材としてハブに組み付けられるので、支持ベースは力およびモーメント、すなわち曲げモーメントのハブへの伝達を強化し、手段全体が質量を減らすことが可能である。運搬のために、第１ブレードセクションを備えたハブの寸法を小さくするために、第１ブレードセクションは支持ベースに固定して組み付け可能であるか、または支持ベースに取り外し可能に組み付け可能である。いずれの場合においても、運搬の問題と第１ブレードセクションおよびハブの質量の減少との間において、最適化が所望される。
【００３３】
本主題のさらに別の実施形態によれば、ハウジングと、ハウジング内に収容された発電機と、前述の本主題の基本概念による風力タービンロータと、を具備した風力タービンが提供され、この風力タービンロータは１つ以上の前述の実施形態によってさらに随意的に発展されており、風力タービンロータのハブは発電機に駆動可能に連結されている。前述の本主題の概念を具備した風力タービンは、これまでに示した同一の有利な効果を示す。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】風力タービンロータの実施形態の概略図としての部分断面による側面を示した図である。
【図２】図１の風力タービンロータを三次元的に示した概略図である。
【図３】図１の風力タービンロータをさらに三次元的に示した概略図である。
【図４】第２ブレードセクションが最大ピッチ位置にある状態における、図１の風力タービンロータを概略的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下に、本主題の実施形態が図に基づいて説明されている。図は以下の説明として特別な実施形態を示しており、明細書に記載された代替の改良は少なくとも部分的にしか示されていない。
【００３６】
図１は本願の主題である風力タービンロータ、およびその詳細を示している。この風力タービンロータの利点および機能を理解するために、その全体的な機能は、組み付けられた状態のある実施形態による風力タービンロータを示した図４に基づいて説明されている。風力タービンロータは、ナセル１に回転可能に支持されたハブ２を具備している。ハブ２は回転可能であり、ハブ２の回転軸は略水平に整列されている。回転軸は、風向と反対側の回転軸の延びた方向がわずかに上向きに傾くように、わずかに傾斜され得る。そのような偏差は、軸の水平整列の意味によってカバーされると考えられる。さらに、ハブ２の前側は風に向かって面しており、風の流れはハブ２に向かっている。ハブ２は、ハブ２の表面を通過する風の流れによる乱流を減少するために、特定の空力的形状を伴って形成されている。ハブ２とナセル１との間の遷移部におけるさらなる乱流を回避するために、ハブ２の外側面およびナセル１の外側面は略連続的な面として形成されている。
【００３７】
図４に示されたナセル１には、冷却システムおよびポジションライトのような設備を含んだ上部セクション５が設けられている。しかしながら、図４に示されたように、上部セクション５は本実施形態に関して本質的ではなく、むしろ以下に議論された有利な改良を形成している。
【００３８】
さらに、ナセル１は、図示されていないタワーに支持されている。ナセル１は回転可能に支持されており、ハブ２の水平に向けられた軸が風向に最適な関係となるように配置され得る。
【００３９】
図１は、ナセル１に組み付けられたときの風力タービンの側面を示した図である。ハブ２は、ハブ２の外側面に形成された支持ベース１２を具備している。本実施形態による支持ベース１２は、ブレードの少なくとも一部を支持するために、少なくとも部分的に平面を形成している。
【００４０】
図４に戻って図を参照すると、ブレード２０は第１ブレードセクション３および第２ブレードセクション４を具備している。それ故に、第１ブレードセクション３および第２ブレードセクション４は、本実施形態において完全なブレード２０を形成している。図に示されたように、本実施形態による風力タービンロータは、等角度に離間されてハブ２に組み付けられた３つのブレード２０を具備している。しかしながら、異なった数のブレード２０を備えたロータを提供することが可能である。それ故に、１つのブレード、２つのブレード、または３つ以上のブレードが可能である。したがって、３つのブレードの数は本主題に関しては本質的ではない。１つのみのブレード２０がハブ２に組み付けられた場合、風力タービンロータの適切な動作を可能にするために、カウンターバランスが設計され且つハブ２に設けられなければならない。
【００４１】
図４に示されたように、第１ブレードセクション３はハブ２の外周に設けられている。本実施形態においては、第１ブレードセクション３は、図１〜３に示された支持ベース１２に組み付けられている。支持ベース１２は、すでに述べられたように、ハブ２の外周に形成されており、基本的に平面である組み付け面１４を具備している。支持ベース１２の外側輪郭は、第１ブレードセクション３の外側輪郭に適合されている。本実施形態においては、第１ブレードセクション３は中空部材であり、支持ベース１２に設けられて、ハブ２の径方向に面した組み付け面１４に溶接されている。しかしながら、第１ブレードセクション３がハブに固定的に組み付けられる限り、他の任意の連結手段が選択され得る。取り外し可能な手段でさえも可能である。
【００４２】
第１ブレードセクション３は、基本的にハブ２の径方向に延びている。図４に示されたように、第２ブレードセクション４は、径方向において第１ブレードセクション３の延長部を形成している。
【００４３】
本主題の基本的な概念によれば、第１ブレードセクション３はハブ２に回転可能に取り付けられておらず、ハブ２に対して静止するように組み付けられている。第２ブレードセクション４は、ブレード２０の長手方向に対する第２ブレードセクション４の回転位置が変化可能であるように組み付けられている。ブレードの特定の部分によって生じるトルクは、ハブの回転軸からの個々の部分の距離に依存している。すなわち、ブレードの径方向外側部分は、径方向内側部よりも大きい範囲でトルク発生に寄与している。したがって、第１ブレードセクションのピッチの不正確な調節は、第２ブレードセクションのピッチの任意の不正確な影響よりも影響が少ない。したがって、回転可能特性を備えた第２ブレードセクションを提供すること、および第１ブレードセクションの調節不可能な特性の欠点を受け入れ可能であることが重要である。
【００４４】
以下に、第２ブレードセクション４を支持するための、およびその回転位置を調節するための機構が論じられている。図１の描写において、第１ブレードセクション３を形成した中空部材は、第２ブレード４のための支持構造が見えるように排除されている。
【００４５】
支持構造は、ベアリング７ａ、７ｂによって支持されたシャフト８を具備している。各ベアリング７ａ、７ｂは、１つのベアリングマウント６ａ、６ｂによって支持されている。
【００４６】
特に、ベアリング７ａ、７ｂは、内側リングおよび外側リングを備えたローラベアリングとして形成されている。ベアリング７ａ、７ｂはシャフト８の外周において内側リングが設けられている。各ベアリング７ａ、７ｂの外側リングは、ベアリングマウント６ａ、６ｂ内に形成された内周面上に支持されている。ベアリング７ａ、７ｂは、その軸方向変位が抑制されるような態様において好適に組み付けられている。
【００４７】
本実施形態によるベアリングマウント６ａ、６ｂは、ベアリング７ａ、７ｂの外側リングを支持するための支持孔を備えた板部材、または少なくとも部分的に板状の部材として形成されている。板部材として形成されたベアリングマウント６ａ、６ｂは、その主面がシャフト８の軸方向に略直交するように設けられている。
【００４８】
ベアリングマウント６ａ、６ｂは、第１ブレードセクション３の内側輪郭に適合するような外側輪郭を伴って形成されている。第１ブレードセクション３は前述の中空部材として設けられており、ベアリングマウント６ａ、６ｂの外周面上に設けられている。結果的に、ベアリングマウント６ａ、６ｂは第１ブレードセクション３の内部に支持されており、第１ブレードセクション３はハブ２の一部である支持ベース１２上に支持されている。
【００４９】
本主題の基本的概念によれば、第１ブレードセクション３は第２ブレードセクション４のための支持構造を含んでいる。支持構造は、ベアリング７ａ、７ｂによって回転可能に支持されたシャフト８上に設けられている。ベアリング７ａ、７ｂは、シャフト８の軸方向に関して離間された関係において配置されている。結果的に、シャフト８は回転可能であり、一方で曲げモーメントのようにシャフト８に作用する力はベアリング７ａ、７ｂおよびベアリングマウント６ａ、６ｂによって支持されることが可能であり、力は第１ブレードセクション３を介して支持ベース１２に、および最終的にはハブ２に伝達される。
【００５０】
第２ブレードセクション４は、シャフト８の径方向外側端部に組み付けられている。この配置は、第２ブレードセクション４の複合構造の接続を形成するように、フランジまたは他の等価の手段を使用してシャフト８と第２ブレードセクション４とをボルト留めすることによって達成され得る。結果的に、シャフト８の外側端部は第２ブレードセクション４の回転可能な支持に寄与している。すなわち、シャフト８の回転に基づいて、第２ブレードセクション４は、その回転位置に関してブレード２０の長手軸またはブレード２０の長手軸にほぼ整列された軸周りに調節可能である。
【００５１】
図１に示されたように、シャフト８の径方向内側端部において、ギア部１１がシャフト８に固定的に組み付けられるように設けられている。さらに、作動デバイス１０が、回転方向においてシャフト８に作用するために設けられている。図１〜４に示された本実施形態においては、作動デバイス１０は３つの電気モータ１０ａ、１０ｂ、１０ｃを伴って形成され、各電気モータ１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、ギア部１１と係合した駆動ギアを具備している。結果的に、電気モータ１０ａ、１０ｂ、１０ｃはハブ２に対してシャフト８を回転させることが可能であり、ハブ２は同時に電気モータ１０ａ、１０ｂ、１０ｃのためのサポートを形成している。
【００５２】
図４に戻って図を参照すると、第１ブレードセクション３は空力的形状を伴って形成されており、その形状は、ハブ２の軸方向からそこに向かって負荷される、風力に基づいたトルクを発生するために形成されている。第２ブレードセクション４は類似の効果を有する空力的形状を伴って形成されており、すなわち、ハブ２の軸方向から第２ブレードセクション４に負荷された風力に基づいて、ハブ２にトルクを与えるための効果である。ハブ２に与えられるトルクは、第２ブレードセクション４のねじり、すなわちそのピッチによって調節され得る。本実施形態は風力タービンロータを提供しており、風力タービンの出力を最適化するために、第２ブレードセクション４は回転位置において調節され得る。第２ブレードセクション４の回転は、第１ブレードセクション３に設けられた特定の支持構造と協働して、作動デバイス１０を基礎として実行される。
【００５３】
特定の状態において、風力タービンロータの設計回転速度は、第２ブレードセクション４の特定の動作ピッチ位置によって達成される。第２ブレードセクション４の特定の動作ピッチ位置において、外観、すなわち第１ブレードセクション３および第２ブレードセクション４によって形成された完全なブレード２０の外側面は、完全な風力タービンロータの空力特性を最適化するために、連続的である。ブレード２０の空力的動作を適合させるために、第２ブレードセクション４は調節可能であり、これは風力タービンロータの設計回転速度およびそれに加えて他の状態を考慮した出力トルクを最適化するためである。
【００５４】
少なくとも風力タービンロータの動作状態において、略連続的な面を形成した第１ブレードセクション３および第２ブレードセクション４のデザインに基づいて、第１ブレードセクション３と第２ブレードセクションとの間の遷移部における乱流は、最小限に減少され得る。
【００５５】
風力タービンロータシェルが回転を抑制された場合、ブレード２０からハブ２へと負荷されるトルクを最小にまで減少することが必要とされる。そのような場合、第２ブレードセクション４のピッチは最大化され、第２ブレードセクション４の回転位置が、動作ピッチ位置に対して約９０°または少なくとも動作ピッチ位置よりも著しく大きいピッチ位置とされることが可能である。
【００５６】
この場合、ブレード２０から負荷されるトルクは、タービンに向かう風の流れの方向に関係なく、第１ブレードセクション３のトルクまたは第２ブレードセクション４のトルクのいずれかが減少されるために減少され、ブレード２０によって生じる全トルクは、風力タービンロータが停止し得る程度に非常に低くなる。そのような作用は、システムのフェイルセーフ動作の安全性を増大するために、速い風速の場合に関して非常に重要である。
【００５７】
図２に示されたように、ベアリングマウント６ａ、６ｂは、保守作業および／または組立作業のために使用されるマンホール１３ａ、１３ｂを具備している。本実施形態の支持構造においては、複数の要素が設けられており、これらは保守の対象である。そのような保守は、第１ブレードセクション３を形成した中空部材およびマンホール１３ａ、１３ｂを具備したベアリングマウント６ａ、６ｂを設けることによって簡素化され得る。同等のマンホールが支持ベース１２に設けられ、アクセスがハブ２の内部空間から第１ブレードセクション３内の支持構造に向かって提供されることが可能である。
【００５８】
前述の実施形態においては、３つのモータ１０ａ、１０ｂ、１０ｃが設けられている。代替の実施形態として、単一のモータ１０が設けられ、作動デバイスを直接駆動するように形成されることが可能である。固有の有利な手段として、電気モータ１０はシャフト８に対して同軸に組み付けられ得る。さらなる利点として、そのような直接駆動の電気モータ１０は、中空部材として形成可能なシャフト８の内側に組み付けられ得る。
【００５９】
前述の実施形態においては、作動デバイスは３つのモータ１０ａ、１０ｂ、１０ｃとして形成されて示されており、それらはシャフト８に組み付けられたギアセクション１１と係合している。しかしながら、本主題は、これまで説明したような単一のモータ１０、または油圧、空圧、もしくは他の機械的もしくは電気的システムに基づいた他の作動機構のような、任意の他の作動機構によってさえも成立されることが可能である。
【００６０】
前述の実施形態においては、２つのベアリング７ａ、７ｂが示されている。しかしながら、第２ブレードセクション４を第１ブレードセクション３に対して回転可能に支持するために、２つよりも多くのベアリングを使用することが可能である。すなわち、ベアリング７ａ、７ｂの数およびタイプは、少なくとも２つのベアリング７ａ、７ｂがブレード２０の径方向において離間されて設けられる限り、主題に関して本質的ではなく、それらの配置は本主題の主たる解決策に寄与している。本主題の背景におけるベアリングの離間された配置は、少なくとも２つのベアリングの間の特定の距離に限定されるものではない。しかしながら、第１ブレードセクション３のデザインに適合するように離間されて配置された少なくとも２つのベアリングを設けることは、利点となる。第１ブレードセクション３の内側空間が少なくとも２つのベアリングを具備した支持構造をカバーするために採用されることによって、少なくとも２つのベアリングの間の距離は第１ブレードセクション３のデザインに依存して獲得可能な空間に適合され得る。少なくとも２つのベアリング７ａ、７ｂの離間された配置の最大効果が、２つのベアリングの各々が第１ブレードセクション３の内側の径方向最外端部に配置された場合に達成されることは明確である。しかしながら、この選択は限定的ではなく、ベアリング７ａ、７ｂの間の距離は、支持構造の支持特性を増大する効果が達成される限り、可能な最大距離よりも小さくすることが可能である。
【００６１】
前述の実施形態においては、３つのブレード２０が示されている。しかしながら、ブレード２０の数は３つのブレードに限定されないことは明確である。むしろ、２つのブレードまたは３つよりも多いブレードが、本主題の同等の有利な効果とともに設けられ得る。単一のブレード２０が採用されることさえも可能であり、この場合、カウンターバランスウェイトが設けられることに配慮しなければならない。第１ブレードセクション３は、ハブ２の支持ベース１２に組み付けられた別部材として示されている。しかしながら、例えば鋳造もしくはそれに類似したものに基づいて、一部品として第１ブレードセクション３を備えたハブ２を設けることが可能である。この場合、第１ブレードセクション３を含んだハブ２の寸法は増大する。しかしながら、第２ブレードセクション４の長さの減少は、運搬に関した制限を低減させるために常に好適である。
【００６２】
風力タービンロータの径方向における第１ブレードセクション３の長さは、前述の通り、風力タービンロータの径方向における第２ブレードセクション４の長さよりも極めて短い。本実施形態においては、この手段の有利な効果は、第１ブレードセクション３の長さが風力タービンロータの径方向において第２ブレードセクション４の長さの５〜５０％となる場合に顕著である。すなわち、非常に短い第１ブレードセクション３でさえも改良された支持構造を提供し、特定の範囲に第２ブレードセクション４の長さを減少させる。その一方で、非常に大きく、第２ブレードセクション４の長さの５０％を超える範囲の第１ブレードセクション３の長さは、最適化された動作を提供し、安全性を増強する一方で、運搬の制限が劇的に減少される。
【００６３】
本実施形態によるブレード２０は、第１ブレードセクション３および第２ブレードセクション４を具備している。結果的に、本実施形態におけるブレード２０は、２つのセクションによって形成されている。しかしながら、ブレード２０がブレード２０の長手方向において、ハブ２に対して静止した第１ブレードセクション３およびハブ２に対して回転可能な第２ブレードセクション４、ならびにそれらに加えて静止したもしくは回転可能な１つ以上のさらなるブレードセクションを具備することも可能である。ブレード２０が少なくとも第１ブレードセクション３および第２ブレードセクション４を具備し、前述の配置とされ、且つ第１ブレードセクション３と第２ブレードセクション４との間のもしくはブレード２０の他の位置におけるさらなるセクションを設けることを排除することが無いということが、本主題に関して唯一の本質である。
【００６４】
主題は、以下の風力タービンロータが設けられる限り、図示されおよび説明されたものに限定されない。その風力タービンはハブ２に固定されて組み付けられた第１ブレードセクション３と、第１ブレードセクション３の径方向外側に設けられ且つ第１ブレードセクション３にもしくは少なくともハブ２に、ブレード２０の長手軸に関して回転可能に支持された第２ブレードセクション４と、を具備し、ブレード２０は第１ブレードセクション３および第２ブレードセクション４を具備し、第２ブレードセクション４は、ブレード２０の長手軸に関して離間された少なくとも２つのベアリング７ａ、７ｂを用いて、第１ブレードセクション３によって支持されている。
【符号の説明】
【００６５】
１  ・・・ナセル
２  ・・・ハブ
３  ・・・第１ブレードセクション
４  ・・・第２ブレードセクション
５  ・・・上部セクション
６ａ，６ｂ  ・・・ベアリングマウント
７ａ，７ｂ  ・・・ベアリング
８  ・・・シャフト
１０  ・・・作動デバイス
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ  ・・・電気モータ
１１  ・・・ギア部
１２  ・・・支持ベース
１３ａ，１３ｂ  ・・・マンホール
１４  ・・・組み付け面
２０  ・・・ブレード
【図１】
2015513628.tif 000003
【図２】
2015513628.tif 000004
【図３】
2015513628.tif 000005
【図４】
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【国際調査報告】
2015513628.tif 000007
2015513628.tif 000008