JP2009530541A - タービン部品に接近するための総合整備用クレーンを備えた風力タービン・ナセル - Google Patents

Abstract

風力タービンのための整備用クレーンには、トロリ（１５６）に対応するトラック（１５４）を備えた主クレーン・ビーム（１２８）が含まれている。主ビーム（１２８）の近位端に近い回転軸（１４８）にヒンジ（１４４）が設けられており、主ビーム（１２８）の後部が、回転軸（１４８）を越えて、タービンの外部まで延びるようになっている。主ビーム（１２８）の遠位端は、前部ビームに載っている。側方移動アクチュエータ（１３４）が前部ビームに沿って主ビーム（１２８）を前後に移動させる。トロリ（１５６）は、主ビーム（１２８）に沿って前後に走行する。トロリ（１５６）からケーブルによって降ろされるフックにタービン部品が取り付けられる。部品をフックに取り付けたトロリ（１５６）は、タービンを越えて延びる、主ビーム（１２８）の後部まで移動させられる。フックは、部品の整備または交換が行えるように、地上に降ろされる。

Description

本発明は、高いタワーの上でナセルに収容された風力タービンに関するものであり、とりわけ、高いタワーの上でタービン部品に接近するための総合整備用クレーンに関するものである。

風力発電のコストは、技術革新と規模の経済によって降下した。平均的なタービン・サイズは、今や、約１．５ＭＷで、ロータの直径は７０〜８５ｍの範囲内である。このクラスのタービンは、平均で、ナセル重量が５０トン（発電機、ギヤボックス、ナセル・ハウジング）で、ロータ重量が約３５トンである。風力タービンの経済性を改善するため、メーカは、地面からの高度をさらに高くして、より大きい風力エネルギを利用しようと、より高いタワーを設計するようになった。メーカは、以前に利用されていたより低いタワーではなく、８０ｍや１００ｍのタワー設計にますます依存するようになっている。整備のため地上に設けられた高いタワーの上から／上にこれらの重量物を降ろしたり、引き上げたりするコストは、主として、引き上げられる実際の重量よりもはるかに高いクレーン能力を必要とする、従来のクレーンのリーチのために、法外に高くつく。これは、従来のクレーンのリーチから生じる曲げモーメントに起因する。

先行技術文献には、風力タービン・タワーを引き起こす方法が開示されているが（例えば、特許文献１参照）、この場合、ナセルやナセルに収容されたタービン発電機も一緒に引き起こされ、タワーが引き起こされると、ナセルがタワーの頂上に位置するようになっている。その文献に記載の方法を利用すると、タワーとナセルを引き下げて、ナセルとタービンを交換することができる。しかし、１つの発電機といった、たった１つの部品の日常保守または交換だけのために、ナセル全体を降ろすのはコスト有効性が悪い。欠陥のある部品だけしか降ろす必要はない。

先行技術による従来の方法では、典型的なクレーンを地表面で利用して、そのドライブトレーンまたは部品が、高いタワーの頂部に配置されたナセルの上方まで引き上げられる。次に、ドライブトレーンまたは部品は、ナセルの上部にあるハッチ・ドアを通って降ろされる。逆手順を利用して、整備のために部品が取り除かれて、降ろされる。５０トンのドライブトレーンを引き上げるには、４００〜６００トンのクレーンが必要になるであろう。クレーンのリーチに関連した大きい曲げモーメントのために、このより高い能力が必要になる。

現在のところ、風力タービンは、修理または交換のため、ナセルの上部から部品を取り除いて、地上に降ろすには、ナセルの上部を取り外して、部品に接近するための風力タービン位置までクレーンまたは特殊装置を運ぶ必要がある。これによって、修理や部品交換作業に関するコストが大幅に増大し、エネルギのコスト増大につながることになる。
米国特許第６，９５５，０２５号明細書

本発明の目的は、風力タービン部品の修理と交換を容易にし、こうした修理と交換のコストを低下させる装置を提供することにある。

要するに、本発明は、極めて高いタワー（８０〜１００ｍ）の上部に重いタービン部品を引き上げるための風力タービン整備用クレーンに関するものである。

風力タービンの整備用クレーンは、トロリを誘導するためのトラックを備えた可動主クレーン・ビームと、回転軸の位置にヒンジを具備する第１のフレームとを含み、クレーン・ビームが、その一部が回転軸を超えて延びるように、ヒンジに接続されており、さらに、クレーム・ビームの遠位端に接続された固定ビームを含み、固定ビームに沿って、クレーン・ビームを側方に移動させることができるようになっている。

本発明の実施態様の１つによれば、整備用クレーンには、トロリが走行可能なトラックを備えた主クレーン・ビームが含まれている。主ビームの近位端に近い回転軸に、ヒンジが設けられており、ビームの後部が、回転軸を越えて、タービンの外部まで延び、ヒンジが、ナセルの床に取り付けられ、主ビームに接続された、後部フレームによって支持されるようになっている。

主ビームの遠位端が、ナセルの床に固定された前部フレームによって支持された、前部ビームに載っている。主ビームに動作可能に接続された側方移動アクチュエータによって、主ビームは前部ビームに沿って前後に移動する。トロリは、縦移動アクチュエータを具備しており、主ビームに沿って前後走行することができる。

動作中、トロリは、タービン内部に向かって移動し、タービン部品がトロリからのケーブルによって降ろされるフックに固定される。部品をフックに固定したトロリは、タービンを越えて延びる主ビームの後部まで移動する。次に、フックは、地表まで降下し、部品の整備または交換が可能になる。

搭載型整備用クレーンは、ハウジングを支持する整備用クレーン構造を含んでおり、整備高度からナセル外部に到達し、ハウジング・ドアを介して、ハウジングに出入りすることを可能にする。

整備用クレーンによって、大型クレーンの投入を必要とすることなく、風力タービン・タワーの上方端を整備することが可能になる。

整備用クレーンの能力は、引き上げられる重量に相当する。本発明には、クレーンがナセルの一体部分であるため、部品を取り出し、地上に降ろして、修理または交換することを目的として、ナセル上部を取り外して、部品に接近するための風力タービン位置まで、地上のクレーンまたは特殊装置を運ぶ必要がないという利点がある。

本発明は、風力タービンの保守コストと修理コストを節減することによって、クリーン・エネルギのコストを低下させる利点がある。

図面を参照しながら、本発明について詳述する。

タワーの頂部に配置されたナセルまでタービン部品を引き上げるための、ナセル内にあるクレーンの透視図である、図１を参照する。定格荷重が２トンの搭載型整備用クレーンが、ナセルの後部に設置されている。ナセル後部のヒンジ付きまたはロール・ダウン式ドアによって、部品を降ろし、整備用ツールや他の材料を地上から引き上げることが可能である。このクレーンによって、ブレーキ、ヨー・モータ、発電機、ギヤボックス・ピニオン・カートリッジ、その他の部品の整備が可能になる。小型整備用クレーンの投入さえ不要にすることによって、この搭載型整備用クレーンの利用は、定期保守及び不定期保守の両方のコストに明確な利益をもたらすことが期待される。

図１に示すナセルの正面図である図２、及び、図１に示すナセルの左側面図である図３を参照する。整備用クレーン構造は、ナセルの側面及び上面を支持している。整備高度からナセルの外部に到達し、図１、及び、図３の図面の右側に示された後部ドアを介して、ナセルの風力タービン部品への接近が行われる。

ナセルは、図４に部分的に例示されているが、通常の「バスタブ」形状の設計である。ナセルには、ギヤボックス１０８を介して、ナセル・バスタブ１１４の床に固定された主軸受け１１２によって所定位置に保持された主軸１１０に接続されている４つの発電機１００、１０２、１０４、１０６を備えるタービンが収容されている。主軸は、通常、風によって回転する３つのロータブレード１１８、１２０、１２２を備える、ロータ・ハブ１１６に接続されている。ロータブレードは、主軸１１０を回転させ、その結果、ギヤボックス１０８内の歯車が動く。次に、歯車が、発電機を回転させ、それによって、風力から電気が発生する。

ナセル整備用クレーンは、主軸受け１１２に取り付けられた、湾曲した固定式の前部Ｉビーム・フレーム１２４と、４つのローラ１３４、１３６、１３８、１４０によって前部フレーム１２４の上に遠位端１３０が載っている、線形で可動式のＩビーム・クレーン・レール１２８が含まれている。ローラの１つ以上は、起動されると、主ビームを側方向に移動させる、サーボモータのような側方移動主ビーム・アクチュエータに接続されている。代替案として、ケーブルとプーリによる側方移動アクチュエータによって、側方移動を実現することも可能である。クレーン・レール１２８の近位端１４２は、ヒンジ１４４を介して、ナセル・バスタブ１１４の床に取り付けられた固定式後部フレーム１４６に取り付けられている。クレーン・レールは、クレーン・レールの遠位端が載っている前部フレームの長さによって決まる、外側限界１５０、１５２内でヒンジ軸１４８のまわりを回転することが可能である。クレーン・レールのＩビームの下部１５４は、トロリ１５６が走行するオーバヘッド・モノレールの働きをする。トロリは、クレーン・レールのＩビームをまたぐ４つのホイール１５８、１６０、１６２、１６４によってオーバヘッド・クレーン・レールから吊り下げられている。１つ以上のローラが、起動されると、クレーン・レールに沿って長手方向にトロリを移動させる、サーボモータのような長手方向移動トロリ・アクチュエータに接続されている。代替案として、ケーブルとプーリによる長手方向移動アクチュエータによって、長手方向移動を実現することも可能である。

トロリは、ケーブル１６８とウィンチ（不図示）によって昇降することが可能な、フック１６６を備えている。ナセルの外部にあるクレーン・レールの近位端まで、発電機の１つといった部品を輸送するため、フックにその部品を取り付けることができる。クレーン・レールは、回転軸１４８のまわりを移動可能であるため、クレーン・レールを側方に移動させることによって、発電機のどれもが、フックに接近可能である。クレーン・レールの近位端１４２には、フェアリング１７０が取り付けられている。フェアリング１７０は、ヨーを誘発する可能性のある抗力を低減するように整形されている。ウィンチ機構は、フェアリング内に収容されており、さらに、クレーン・レール・アクチュエータを操作して、前部フレーム１２４上でクレーン・レールを前後に移動させ、トロリ・アクチュエータを操作して、クレーン・レール１２８に沿ってトロリを前後に移動させることが可能である。トロリは、自由に後部フレーム１４６を通過して、ナセルの外部まで移動し、やはり、ナセルの外部にあるフェアリング１７０に入り込む。いったんナセルの外部に出ると、部品が取り付けられたフック１６６は、部品を整備するため、ケーブルによって地表面まで降ろすことが可能になる。

ナセルは、トロリがナセルの後部から出ることができるようにするため、邪魔にならないようにドアを移動させるフェアリング内の機構によって操作される、ヒンジ付きまたはロール・アップ・ドア１７１が取り付けられる。ＦＡＡポッド１７２が、可動アーム１７４によって前方に回転し、接近を可能にする。クレーン支持構造フレームである、湾曲した固定式前部Ｉビーム・フレーム１２４、ナセル・バスタブ１１４に取り付けられた固定式後部フレーム１４６は、ナセル・タービン・ハウジングの側面と上部の支持構造としても機能する。ナセルの側面と上部は、図４には示されていない。このクレーン構造によって、ナセルの外部まで部品を水平方向に送り、後部ドア１７１を通って、そこから地表面まで部品を降ろすことが可能になる。従来の設計では、ナセルの上部を取り外すことが必要になり、部品の取出しは垂直方向に実施される。クレーンの主ビーム１２８の側方移動とクレーン・トロリ１５６のビームに沿った移動とによって、全域にわたるタービン部品への接近が可能になる。整備用クレーンは、風力タービン構造の一体部分であるため、いつでも、保守または部品交換作業に利用可能である。既存の構造を利用すると、コスト有効度が高く、信頼性があり、必要な作業負荷に対して定格のリフティング・クレーンにすることが可能になる。これは、風力タービンの保守及び修理コストを低下させることによって、クリーン・エネルギのコスト節減に役立つ。

本発明は、とりわけ、その望ましい実施形態に関連して示し、解説してきたが、当該技術者には明らかなように、本発明の範囲から逸脱することなく、形態及び細部に関して上記及びその他の変更を加えることが可能である。

タワーの上部に配置されたナセルまでタービン部品を引き上げるための、ナセル内にあるクレーンの透視図である。 図１に示すナセルの正面図である。 図１に示すナセルの左側面図である。 ナセル内のクレーンと共に、ナセル・ベッドを示す透視図である。

Claims (10)

1. 風力タービンのための整備用クレーンであって、
   トロリ（１５６）を誘導するためのトラック（１５４）を備えた可動式主クレーン・ビーム（１２８）と、
   回転軸（１４８）にヒンジ（１４４）を具備した第１のフレーム（１４６）であって、前記クレーン・ビーム（１２８）の一部が前記回転軸（１４８）を越えて延びるように、前記クレーン・ビーム（１２８）が前記ヒンジ（１４４）に接続されている、第１のフレーム（１４６）と、
   前記クレーン・ビーム（１２８）の遠位端に接続されており、前記クレーン・ビーム（１２８）がそれに沿って側方に移動できるようになっている、固定ビーム（１２４）と
   を含む整備用クレーン。
2. 前記トラック（１５４）が、前記トロリ（１５６）が走行可能なオーバヘッド・モノレールとして設計されていることを特徴とする請求項１に記載の整備用クレーン。
3. 前記第１のフレーム（１４６）が、ナセルの側面構造を支持し、ナセルの床に取り付けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の整備用クレーン。
4. 前記クレーン・ビーム（１２８）が前記固定ビーム（１２４）に載っていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の整備用クレーン。
5. 前記固定ビーム（１２４）が第２のフレーム（１１２）によって支持されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の整備用クレーン。
6. 前記第２のフレーム（１１２）に前記ナセルの主軸受が含まれることを特徴とする請求項５に記載の整備用クレーン。
7. 側方移動アクチュエータ（１３４）が、前記固定ビーム（１２４）に沿って側方に前記クレーン・ビーム（１２８）を移動させるため、前記クレーン・ビーム（１２８）に操作可能に接続されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の整備用クレーン。
8. 前記固定ビーム（１２４）が湾曲していることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の整備用クレーン。
9. 前記クレーン・ビーム（１２８）の近位端（１４２）に、抗力を低減するように整形されているフェアリング（１７０）が取り付けられていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の整備用クレーン。
10. 長手方向移動アクチュエータが、前記トロリ（１５６）に操作可能に接続されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の整備用クレーン。

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