JP2011511210A - 垂直回転軸型の風力タービンロータ - Google Patents

Abstract

ハブ（１）と連結されたロータは、弦長（ｂ１，ｂ２）と両方の翼端（３ａ，３ｂ）に向かって縮小する外形厚さとをもつ対称かつ凹凸状の空気力学的外形のロータブレード（３）が端に接している少なくとも２つの水平支持体（２）を有する。ロータブレード（３）の上翼（３ａ）および下翼（３ｂ）は中心ゾーン（３ｃ）から外方へ放射状に撓曲させられている。両方の翼端（３ａ，３ｂ）の外形の弦長（ｂ２）と、中心ゾーン（３ｃ）における弦長（ｂ１）とは、ロータの回転の軸に対するそれぞれの位置の半径にほぼ反比例する。下翼（３ｂ）の撓曲角度は上翼（３ａ）の撓曲角度より大きくなる可能性があり、あるいは、下翼（３ｂ）の長さは上翼（３ａ）の長さより長くなる可能性がある。ロータの仕様は、翼の全長で風力を消費する均一の強度を与え、一般的に支持体では引張応力だけが生成され、一方、フラッタの事故は実際的に除去される。
【選択図】図１

Description

本発明は、風力エネルギーを回転運動の機械的エネルギーに処理する間にダリウスの原理を適用するタービンにおいて使用される垂直回転軸型の風力タービンロータである。

たとえば、米国特許第４２６４２７９号明細書および米国特許第４４３００４４号明細書から知られている垂直回転軸型のタービンロータの解決法は、駆動シャフトのハブと連結され、垂直方向に搭載されたロータブレードを端に備えた少なくとも２つの水平支持体を有する。

ロータブレードは、多くの場合に、対称の空気力学的外形を有し、ブレードが上翼と下翼とに分離された状態で、ロータブレードの高さの中心ゾーンにおいて支持体と連結されている。駆動用の空気力学的力の他に、風圧によって加えられたロータ運動中に、遠心力も存在する。両方の力は２つの翼の質量中心に作用する。ブレード回転運動の軌道の中程で、上記の力は同じ方向へ向けられ、結果として、翼の縦変形と、ブレードと支持体との連結ゾーンにおける高い曲げ応力とを引き起こす。円のもう一方の半分では、風方向の側に、反対向きの両方の力が存在する。

極性変化を含む脈動負荷変化の出現は、タービン摩耗および設備効率に著しい悪影響を与える。既知の解決法は、翼を補強するため付加的な要素をロータの構造に挿入することにある。たとえば、付加的な要素は、英国特許第２１７５３５０号明細書に記載されているロータの場合のように直線タイロッドでもよく、または、独国特許第３６２６９１７号明細書に開示されているように付加的な支持体でもよい。補強要素の導入は、特に、補強要素が体積の大きい乱気流を促進する鋭角形状を含むならば、空気力学的抵抗の増加およびタービン効率の低下という結果になる。弦長および外形の厚さが両方の翼端へ向かって減少するとき、遠心力の悪影響は、変更可能な外形をロータ長さに適用することを部分的に削減する原因となる。このような解決法は、特に、欧州特許第００４６３７０号明細書に開示されたロータに適用された。これらの種類のロータにおいて出現する作業条件および技術的問題についての簡単な説明において、上翼および下翼への空気力学的力の多様性と、自励空気弾性振動、すなわち、周囲空気の高速時における翼のフラッタへの構造感受性とを指摘することが必要である。領域の特性は、多くの場合に、下翼レベルでの風速の実質的な減少を判定することがある。

米国特許第４２６４２７９号 米国特許第４４３００４４号 英国特許第２１７５３５０号 独国特許第３６２６９１７号 欧州特許第００４６３７０号

本発明の目的は、高い剛性および耐久性と、低い空気力学的抵抗と、ロータシャフトの駆動力への高い効率の風圧力変換とによって特徴付けられる簡単なロータの構造を提案することである。

本発明では、上記の解決法と同様に、ロータは、ハブと連結された少なくとも２つの水平支持体を含む。弦長および外形厚さが両方の翼端へ向かって減少する対称または凹凸状の空気力学的外形をもつロータブレードは、支持体の端に堅固に固定されている。本発明の本質は、ロータブレードの上翼および下翼が回転軸に相対的な角度で中心ゾーンから外方へ放射状に撓曲することである。同時に、両方の翼端での外形の弦長と、中心ゾーンの中での弦長とは、回転軸に関するそれぞれの位置の半径にほぼ反比例する。

撓曲し、同時に、外形を与えられた翼をもつロータの使用は、翼と耐久性のある中心ゾーンとの全長に沿って、安定した風力消費の強度を提供する。翼の外側層における加圧テンションの平衡および低減の実質的な改良は、翼の質量中心を支持体に近づけることによって実現される。ストレッチテンションが一般に支持体の中に発生させられる。撓曲された翼をもつブレードの自由振動の周波数は、直線ブレードの周波数より高い。この促進結果は突風の間に特に明らかである。中心ゾーンおよび翼の端で現れる空気衝突角度の多様化は、特に、フラッタの危険性を取り除く。

発明のさらなる実施形態の目的は、ロータの上方のレベルおよび下方のレベルに現れる異なる風速の影響を取り除くことである。

この目的のため、ロータの中の下翼撓曲の角度は上翼撓曲の角度より大きくすべきである。推奨される角度差は１°から５°の範囲に入る。

下翼が上翼より長い解決法もまた有利である。２から１５％の範囲に入る長さ差が推奨される。

発明によれば、ロータにおいて、対称の空気力学的外形、および、水平に設置された弦を備えた支持体と、外形の慣性中心を通過する縦軸が回転軸を切り取るハブとの連結とを使用することが望ましい。

ロータは異なる風速において最高の効率で仕事をするという事実を参照すると、−２°から＋３°の範囲に入る調整を可能にする衝突の角度の既知の設定点を使用して、駆動ブレードを支持体と連結することも役に立つ。

本発明を完全に理解するために、ロータの概略的な約束事の実施例が図面に表されている。

撓曲した翼を備えたロータの斜視図である。 ロータの側面図である。 図２において文字Ｘでマークされた方向からの翼の図である。 上翼と下翼の長さおよび撓曲角度が異なるその他のロータの図である。 図４にマークされた線Ｙ−Ｙによるロータの上方からの断面図である。

ロータは、第４の風力タービンのタワーの中に垂直に位置している駆動シャフトのハブ１に固定されている。対称の空気力学的外形を備えた２つの水平支持体はハブ１に固定されている。

支持体の外形弦は水平であり、外形の剛心を通過する縦軸はロータの回転軸を切り取る。ロータブレード３は各支持体２の端に固定され、ブレードは、ブレード自体の全長の中心ゾーン３ｃによって支持体２と連結されている。ロータブレード３の上翼３ａおよび下翼３ｂは同じ長さを有し、両方の翼は放射状に外方へ撓曲され、回転軸に対する角度はβ_１＝β_２である。上翼３ａおよび下翼３ｂの切断面は、弦長がｂ_１からｂ_２まで両方の翼端へ向かって減少し、外形の厚さがｃ_１からｃ_２まで減少する、対称または凹凸状の空気力学的外形を有する。両方の翼端３ａ、３ｂにおける外形の弦長と、中心ゾーン３ｃにおける弦長ｂ_１とは、関係：ｂ_１／ｂ_２＝Ｒ_２／Ｒ_１に表現されるように、回転軸に対するそれぞれの位置の半径Ｒ_１、Ｒ_２に反比例する。地形特徴がこのような寸法および形状の関係に当てはまるとき、風力消費は翼の全長に沿って安定であり、同時に、風に沿う気流の合成速度Ｔ_１、Ｔ_２の空気衝突角度α_１、α_２は減少する。このことは図３に示され、記号的に「１ｃｍ」としてマークされた、翼の特定の基本表面は、

Ｃ_ｙが空気力学的外形の形状に依存する因子を示し、
Ｓが翼の基本表面の領域であり、
Ｐが空気密度であり、
Ｖが気流の速度であるとき、
に従って、同一の空気力学的力を発生させるべきである。

中心ゾーン３ｃの近くの積Ｃ_ｙＳの値は翼の端での値より大きく、Ｖ^２は支配的な値である。突風の場合に、空気衝突の角度αは臨界値を越えることがある。

ロータでは、発明によれば、空気衝突の角度は、中心ゾーン３ｃにおけるα１から翼３ａ、３ｂの端におけるα_２まで連続的に減少し、翼に沿って同様に徐々に臨界値を越えることになる。翼の背後の乱気流ゾーンの発達過程は本質的に連続的であり、直線ブレードロータを備えるタービンに現れるタービン脈動、または、タワー４および支持体２の振動の原因とならない。

仮定されたタービン力が維持されるとき、翼３ａ、３ｂの外側撓曲は、支持体２を適切に短縮することを可能にさせ、これはタービンの空気力学的抵抗を低減し、タービン空気力学的抵抗に与える影響を減少させる。

上翼３ａおよび下翼３ｂによる平衡状態の風力消費に適合したロータは、風速が地表面から上の高さに依存して著しく多様化させられる土地条件に関して、図４に示されている。下翼３ｂと上翼３ａに現れる空気力学的力の間の差は、支持体の不利なトルクモーメントを作り出す。

空気力学的力の平衡は、上翼３ａの撓曲角度より大きい下翼３ｂの撓曲角度β_２（たとえば、３°）を使用し、翼の等しい長さＩ_１＝Ｉ_２を維持することによって確実にされ得る。撓曲角度値の増大は、翼の円周速度に影響を与え、地勢ダンピング空気力学的外形に依存する。上翼３ａと下翼３ｂの負荷平衡は、等しい撓曲角度β_１＝β_２と、たとえば、上翼３ａの長さｌ_１より約１０％長い下翼３ｂの長さｌ２とで同様に実現され得る。

本発明において指定されているように、ロータ試作品の実験は、異なる風速Ｗに対する電力消費の最大効率が、中心ゾーン弦３ｃとこのセクションに接する運動軌道との間の異なる衝突角度ｙで実現されることを明らかにした。たとえば、風速Ｗ＝６ｍ／ｓに対し、角度＝−２°であり、風速Ｗ＝９．５ｍ／ｓに対し、ｙ＝０°であり、Ｗ＝１１ｍ／ｓに対し、ｙ＝＋２°である。本発明の主題におけるロータは、タービンの動作中に衝突角度ｙを変更することを可能にする、支持体２に組み込まれた既知の解決法のうちの１つが装備されている。

Claims (7)

1. ハブと連結され、端にロータブレードがある少なくとも２つの水平支持体を有し、ロータブレードがロータブレードの高さの中心ゾーンにおいて支持体の端に堅固に連結され、ロータブレードの横断面が、両方のロータブレードの端で弦の長さが減少し外形の厚さが減少する、対称または凹凸状の空気力学的外形を有する、垂直回転軸型の風力タービンロータであって、
   ロータブレード（３）の上翼（３ａ）および下翼（３ｂ）が、ロータの回転軸へ向かって撓曲角度（β_１，β_２）を形成して、中心ゾーン（３ｃ）から外方へ放射状に撓曲し、
   両方の翼端（３ａ，３ｂ）での外形の弦の長さ（ｂ２）と中心ゾーン（３ｃ）における弦の長さ（ｂ１）とがロータの回転軸に関してそれぞれの位置の半径（Ｒ１，Ｒ２）にほぼ反比例することを特徴とする、ロータ。
2. 上翼（３ａ）の撓曲角度（β_１）より大きい下翼（３ｂ）の撓曲角度（β_２）を特徴とする、請求項１に記載のロータ。
3. 上翼（３ａ）の撓曲角度（β_１）より１から５°だけ大きい下翼（３ｂ）の撓曲角度（β_２）を特徴とする、請求項２に記載のロータ。
4. 上翼（３ａ）の撓曲角度（β_１）より大きい下翼（３ｂ）の撓曲角度（β_２）を特徴とする、請求項１または２に記載のロータ。
5. 上翼（３ａ）の長さ（ｌ_２）より２から１５％だけ長い下翼（３ｂ）の長さ（ｌ_１）を特徴とする、請求項４に記載のロータ。
6. 水平方向に位置付けられた弦を備えた対称の空気力学的外形を有し、支持体の縦軸が外形の剛性中心を通りロータの回転軸と交差する支持体（２）を特徴とする、請求項１に記載のロータ。
7. −２°から＋３°の範囲内の変更を可能にする区画の角度（ｙ）を設定することにより支持体（２）と連結されたロータブレード（３）を特徴とする、請求項１または６に記載のロータ。

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