JP2004526093A

JP2004526093A - 気体または液体の作動媒体を用いるタービンのためのシステム

Info

Publication number: JP2004526093A
Application number: JP2002578025A
Authority: JP
Inventors: エングストリョーム，ステファン
Original assignee: NORDIC WINDPOWER AB
Current assignee: NORDIC WINDPOWER AB
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2002-03-28
Publication date: 2004-08-26
Also published as: DE60218141D1; US20040096329A1; PT1373719E; DE60218141T2; EP1373719A1; WO2002079643A1; EP1373719B1; ATE354022T1; SE0101150D0; SE521358C2; ES2282406T3; SE0101150L

Abstract

この発明は、気体または液体の作動媒体を用いるタービン、特に風力発電装置に対する風力タービンのためのシステムに関する。このタービンは、ある角振動数で回転可能な軸（３）、少なくとも１つのタービンブレード（１）が上に取付けられるハブ（２）、および前記軸（３）と前記ハブ（２）との間に配置されるヒンジ部材（１２，１３）を含む。ヒンジ部材は、ヒンジ部材（１２，１３）における運動に対する剛性（κ）をともに形成するベアリング（１２）およびばね要素（１３）を含む。タービンブレード（１）は、ヒンジ部材（１２，１３）に対する質量慣性係数を有し、前記気体または液体の流れを通って動くよう適合され、前記気体または液体の流れは、前記タービンブレード（１）の回転面に本質的に垂直な流れ方向を有し、前記方向に変動する流速を有し、このためシステムが外乱力にさらされる。外乱力の基本的な成分は、前記角振動数（Ω_rotation）を含む外乱振動数（Ω_disturbance）を有し、このシステムにおける前記ヒンジ部材（１２，１３）の剛性（κ）、前記タービンブレード（１）の質量慣性係数（Ｊ_turbine）および前記軸（３）の角振動数（Ω_rotation）は、システムが超臨界または未臨界となるように選択されている。この発明はまた、このようなシステムを備えた風力発電装置に関する。

Description

【技術分野】
【０００１】
発明の分野
この発明は、気体または液体の作動媒体を用いるタービン、特に、風力発電装置に対する風力タービンのためのシステムに関する。このタービンは、ある角振動数で回転可能な軸、少なくとも１つのタービンブレードが上に取付けられるハブ、および軸とハブとの間に配置されるヒンジ部材を含む。このヒンジ部材は、ヒンジ部材における運動に対する剛性をともに形成するベアリングおよびばね要素を含む。タービンブレードは、ヒンジ部材に対する質量慣性係数を有し、気体または液体の流れを通って動くよう適合され、この気体または液体の流れは、前記タービンブレードの回転面と本質的に垂直な流れ方向を有し、前記方向に変動する速度を有し、このためこのシステムは外乱力にさらされる。この発明はまた、このようなシステムを備えた風力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
従来、風力発電装置は硬質のハブを有し、これは、風力タービンのブレードがハブに硬く連結されることを意味する。この機能は、ブレードの数が少なくとも３つである場合に許容され得る。というのも、３つの対称的に配置されたブレードが、風領域における不規則さのために作り出される不均衡な力をある程度まで均一にすることができるからである。ブレードの数が２つに減ることは、ブレードの費用の大幅な引下げ、ならびに組立作業がさほど複雑でなくなる等の他の利点も意味するので望ましい。２ブレードのタービンでの年間エネルギ産出量は、あるタービン直径で算出すると、２〜３％減るだけである。しかしながら、２ブレードのリジッドハブ風力タービンは、通常の動作中にも、タービンの構成要素に疲労をもたらすかなり不均衡な力にさらされる。これは主構成要素すべての寸法を増すことにより相殺されなければならないが、費用が高すぎるために、この２ブレードでの解決法はもはや妥当とされない。結果として、この種類の風力タービンはもはや製造されない。
【０００３】
ティータード（teetered）ハブにより、２ブレードのリジッドハブ風力タービンの問題が解決された。これは、タービン軸に蝶番式に留められるハブに硬く固定される２つのブレードにより特徴付けられる。米国特許第４，５６５，９２９号は、ティータ（teeter）止めに接触するまでに±７°の揺動が可能なタービンの一例を開示する。この機能は通常の状態時には申し分なく、このことは疲労特性が有利であることを意味する。しかしながら、激しい乱流およびウィンドシアーの生じた過酷な風況時に、ティータ止めとの上述のような接触により、リジッドハブ風力タービンにおけるよりもより強いモーメントが生じるおそれがある。したがって、極端な荷重ケースは致命的となる。この単純な種類のティータハブを備えたタービンは広く普及するには至っていない。
【０００４】
極端な荷重により生じる問題を解決するために、ティータ止めをダンピングと組合せることによってティータ運動を制御することが提案された。一例が米国特許第５，３５４，１７５号に開示され、制御可能な液圧ダンピングによるティータ運動の制限が提案される。これらの種類のハブはいずれも広く用いられてはいない。というのも、ある条件下でのシステムにおける外乱力の深刻な増加を防ぐためにハブをいかに設計すべきかという知識が不足しているからである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発明の基本概念
この発明の目的はタービンのためのシステム、特に、風力発電装置に対する風力タービンのためのシステムを提供することであり、これにより、風領域における不規則さによって生じる不均衡な力の影響を最小限にし、こうして疲労のリスク、さらに構造における極端な荷重のリスクを最小限にする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明は、ある剛性を有するティータヒンジを備えた風力タービン、たとえば２ブレードの風力タービンが、理論的には、古典力学に従ったばね質量系とみなされ得るという理解に基づく。
【０００７】
風領域は、タービンの回転の上部において平均風速がより高いことを意味する系統的変動、すなわちウィンドシアー、および確率変動、すなわち乱流の両方を含む。ウィンドシアーが、タービンでもって、協働する共回転システムにおいてタービンの各回転に対して１荷重周期をもたらすことは明らかである。同様に、タワーシャドウ（タワーにより妨げられる空気の流れ）がさほど大きくなくても同じ変動が生じる。さらに検討すると、タービンブレードが風（約５〜２５ｍ／ｓ）およびその不規則さに比べて速く（５０〜１００ｍ／ｓ）動くので、乱流もまた同じ振動数の成分をもたらすことが理解されるべきである。各タービンブレードは、こうして、特定の風の不規則さを数回被ることとなり、これは、結果として生じる外乱がこの場合もまた振動数ω_disturbanceを有することを意味する。この振動数ω_disturbanceは回転角振動数ω_rotationに等しいものである。すなわち、
（１） ω_disturbance＝ω_rotation
以下、この振動数は外乱振動数と称される。
【０００８】
この条件は、タービンで、協働する共回転システムにおいて有効であり、タービンに影響を及ぼす上述の力に関連することに留意すべきである。ナセルまたはタワーに固定される協働するシステムにおいては、外乱振動数は、ブレード数および回転振動数を乗算した結果に比例する。
【０００９】
今日の風力タービンの大半は、一般に用いられる誘導子発電装置のスリップに応じて、通常数％で変化する回転速度（角振動数）で動作する。この値は、特別の発電装置設計では、約１０％まで増え得る。風力タービンは、一定の速度ではなく、回転速度範囲内で動作する。２つの異なる回転速度範囲内で動作する、二つの巻線を備えた発電装置もある。特定の電気機器を適用することにより、回転速度をいかなる値にも制御することが可能であり、通常、低風速の場合には低く、高風速の場合には高く制御できる。タービンの回転角振動数ω_rotationは、この発明では、通常の主回路接続動作中に用いられる最速の回転速度範囲とみなされるだろう。これが可能であるのは、高速の回転速度が通常、風速がかなり高いかまたは高く、風力タービンが高出力を有する場合に用いられ、これにより、タービンの寸法の決め手となる動作条件を構成するからである。
【００１０】
ティータ軸に対するタービンの質量慣性係数Ｊ_turbineを算出することができる。しかしながら、ハブのからの寄与は重要ではない。こうして、タービンの質量慣性係数をブレードの質量慣性係数として概算することができる。ヒンジ部材は、ばねによりその運動を抑制する種類の部材と仮定され、これによりヒンジ部材に対するばね定数κを算出することが可能となる。ばね定数はヒンジ部材の剛性の値となる。古典力学に従って、ヒンジに対するタービンの固有振動数ω_resonanceを次のように算出することができる。
【００１１】
【数１】

【００１２】
以下、これはティータヒンジの固有振動数と称される。明確にするために、遠心力のティータ運動に対する安定化効果、すなわち遠心力による剛性の増加はここでは分析されないことに留意すべきである。
【００１３】
種々の振動数の外乱に対するこのようなばね質量系の一般的な反応を説明するために、増幅、すなわち外乱の振幅に対するシステムの振幅の比率が研究された。空気がブレードの揺動を減衰し、ヒンジ部材にダンピング要素を備え得る実際の状態に対応して、適度なダンピングがシステムに加えられている。
【００１４】
この研究では、ティータヒンジの固有振動数ω_resonanceに対して低い外乱振動数ω_disturbance、すなわち動作が古典力学に従って未臨界であることによって、外乱よりわずかに大きい、すなわち増幅が１を丁度超えるシステム応答が、比較的剛性度が高い理想的なハブに対応してもたらされることが明らかとなる。外乱振動数およびシステムの固有振動数が等しい、すなわち動作が臨界である場合、増幅が大きいことがさらに明らかとなる。抑制ばねを備えたティータリングハブを用いる先の試みにより、この効果がもたらされるであろう。外乱振動数が固有振動数より高い、すなわち動作が超臨界である場合、増幅は著しく低いものとなる。
【００１５】
上述の例は通常の動作中の状態を説明する。ある剛性を有するティータヒンジを備えた風力タービンはさらに、風力タービンの動作耐用期間中に数回起こる非常に激しい乱流およびウィンドシアー時の状態に、適度な荷重およびティータ角で対処できるという利点を有する。
【００１６】
通常の動作中の状態によって主に構造材料の疲労が決定されるが、極端な動作状態は極端な荷重を決定付けるものとなる。ハブがある剛性を備えることにより、疲労荷重ケースと極端な荷重ケースとの間に改善された均衡がもたらされる。
【００１７】
上述の研究では、外乱の大きな増幅の範囲における動作、すなわち外乱振動数および固有振動数が等しい場合の動作を避けるべきであることが示される。これらの結果は、適度に包括的なコンピュータタービンモデルでの時間領域におけるシミュレーションにより確認されており、前記モデルは、異なる風速での風力タービンに対して、質量分布、定常および非定常空気力学、ヒンジ、剛性、ダンピング、風力分布、遠心力による剛性の増加などを正確に考慮に入れる。このシミュレーションにより、ハブの剛性が、より高いかまたはより低い値と比べて臨界値を有する場合、ハブにおけるモーメントが１０倍を越えて大きくなることが明らかとなった。
【００１８】
上述のように、臨界の程度は、外乱振動数と、タービンの質量慣性係数とティータヒンジの剛性との間の関係に依存する。構成段階では、これらの値は制限なしに選択され得る。外乱振動数は回転速度に等しい。タービンの質量慣性係数は、主に、質量分布およびブレードの形状寸法によって決定される。特定のブレードの形状寸法に対して、質量慣性係数は、構成材料の選択およびバラスト材の追加により影響を受ける可能性がある。ティータヒンジの剛性は、通常ゴムまたは他のエラストマ材料で作られる異なるヒンジ要素の剛性により決定される。こうして、ゴム要素を、ヤング率が異なる、ことによると形状寸法が変更された新しい要素に交換することにより、既存のティータヒンジにおいても比較的容易に剛性を変える。
【００１９】
要約すると、この発明に従って、ハブは、動作が超臨界または未臨界となるように構成される。この発明を実施することにより、荷重が大いに減り、技術的および経済的な利点がともに得られる。
【００２０】
この発明は、添付の図面に関連して以下に詳細にさらに記載される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
発明の実施例の詳細な説明
図１には、質量、ばねおよびダンパを含むシステムが、一般的に、異なる振動数の外乱にどのように反応するかが示される。増幅（図１におけるＹ方向）、すなわち外乱の振幅に対するシステムの振幅の比率が、システムの固有振動数に対する外乱振動数の比率の関数（図１におけるＸ方向）として示される。点Ａは、剛性度が比較的高い理想的なハブに対応して、外乱振動数ω_disturbanceがティータヒンジの固有振動数ω_resonanceに比べて低い、すなわち動作が古典力学に従って未臨界である状態を示す。この応答は外乱よりわずかに大きい、すなわち増幅は１よりわずかに大きい。点Ｂでは、外乱振動数および固有振動数は等しい、すなわち動作が臨界である。外乱の増幅は大きい。点Ｃは、外乱振動数が固有振動数よりも高い、すなわち動作が超臨界である状態を示す。この応答は、点Ａにおけるよりも低く、点Ｂにおけるよりも極めて低い。
【００２２】
図１には、大幅な外乱の増幅がある点Ｂの範囲における動作を避けるべきであることが示される。
【００２３】
図２には、水平軸風力タービンを備えた風力発電装置の概略的な構造が示される。２つの空気力学的な形状のタービンブレード（１）は、ハブ（２）に固定されるかまたは（縦軸に沿って）回動するように連結される。ハブ（２）は、ベアリング（４）によって支持されるタービン軸（３）に連結される。タービン軸（３）は、タービンの低速回転を発電装置（６）に適合した回転速度に変換するギヤボックス（５）に連結される。機構部の構成要素は、ヨーベアリング（８）に連結される機構台（７）によって支持される。ヨーベアリング（８）は、ヨー機構（９）によりタワー（１０）上で回転可能である。タワーは基礎（図示せず）により硬い地面に連結される。さまざまな機能をある程度一体化し得るが、以下の記載に影響を及ぼすものではない。
【００２４】
図２には、ハブ（２）がティータードハブであることが示され、これは２つのタービンブレード（１）がハブ（２）に硬く連結されることを意味する。ハブ（２）はタービン軸（３）に蝶番で留められ、図示のように各方向に角度Ａだけ揺動し得る。
【００２５】
ブレードの数は通常２つであるが、好ましい一実施例では、この構造原理をブレードが１つであるタービンに適用し、欠落しているブレード分を釣り合い重りによって補う。
【００２６】
図３には、この発明に従ったティータハブが示される。上述のように、ブレード（１）はハブ（２）に連結される。このハブ（２）は通常は鋳物構造であり、ヒンジ部材によりタービン軸（３）に連結される。ヒンジ部材は、通常２つまたは４つの対称的に配置されるベアリング要素を含むベアリング（１２）を含む。ばね要素（１３）はティータ運動を抑制し、いくつかのダンピング特性を備えたばね材料を選択するかまたは他の種類のダンパ（図示せず）を設けることによりダンパと組合され得る。ベアリング（１２）およびばね要素（１３）の両方の作用部分は、好ましくはエラストマ材料でできている。
【００２７】
ベアリング（１２）およびばね要素（１３）はともに、ヒンジ部材の軸、したがってベアリングに対して特定の剛性を有するヒンジ部材（１２，１３）を形成する。好ましい実施例では、ベアリング（１２）およびばね要素（１３）は１つのユニット、たとえば、いわゆるフレックスビームに一体化されている。この場合、隣り合う構成要素（主にタービンブレード）がいくらかの固有の軟質性を有する場合も同様に、ばね要素（１３）のばね定数はこれらの要素の衝撃を含み得る。
【００２８】
好ましい実施例では、ばね（１３）を漸進的にする（すなわち、ばね定数が寸法の変更に応じて増す）かまたはプレストレスをかけられることにより、さらなる利点を得ることができる。特別の種類の漸進的ばねは、ばね要素と共働要素との間に遊びがある場合に得られ、これによりティータ運動の初期にはばね定数が０となる。
【００２９】
上述のように、構造パラメータは、外乱振動数が臨界振動数、すなわちティータヒンジの固有振動数に近い範囲における動作を避けるように選択されるべきである。好ましい実施例では、パラメータは、外乱振動数が固有振動数の０．９倍よりも低いか、または固有振動数の１．１倍よりも高くなるように選択される。加えて、好ましい実施例に従って、外乱振動数は通常、固有振動数の０．１倍より高く、固有振動数の１０倍より低い。こうして、上述のように最大限の荷重を避けるための要件を考慮して、固有振動数の０．１から０．９倍の範囲により、特に興味深い好ましい実施例がもたらされる。
【００３０】
上述のように、この発明およびこの発明の上述の好ましい実施例は、特に１および２ブレードの風力発電装置に適用された場合に、本質的な技術的および経済的利点を示す。
【００３１】
上述の好ましい実施例は、１つまたは２つのブレードを備えた風力タービンにこの発明をいかに適用し得るかを説明する。しかしながら、当業者は、複数のブレードを備えた風力タービン、ならびに周辺の応用領域、たとえば飛行機および船のプロペラ、ファン、他の気体または液体の作動媒体のためのタービン等にこの発明を容易に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】質量、ばねおよびダンパを含むシステムが一般的に異なる振動数の外乱にいかに反応するかを示す図である。
【図２】水平軸風力タービンを備えた風力発電装置の主な構造を示す図である。
【図３Ａ】この発明に従ったティータハブの、部分的に断面図を示す側面図である。
【図３Ｂ】図３Ａに示されるティータハブの正面図である。

Claims

気体または液体の作動媒体を用いるタービン、特に風力発電装置に対する風力タービンのためのシステムであって、
ある角振動数（ω_rotation）で回転可能な軸（３）と、
少なくとも１つのタービンブレード（１）が上に取付けられるハブ（２）と、
前記軸（３）と前記ハブ（２）との間に配置されるヒンジ部材（１２，１３）とを含み、前記ヒンジ部材（１２，１３）は、前記ヒンジ部材（１２，１３）における運動に対する剛性（κ）をともに形成するベアリング（１２）およびばね要素（１３）を含み、
前記タービンブレード（１）は、ヒンジ部材（１２，１３）に対する質量慣性係数（Ｊ_turbine）を有し、前記気体または液体の流れを通って動くよう適合され、前記気体または液体の流れは、前記タービンブレード（１）の回転面に本質的に垂直な流れ方向を有し、前記方向に変動する流速を有し、このためシステムが外乱力にさらされ、
外乱力の本質的な成分は、前記角振動数（ω_rotation）を含む外乱振動数（ω_disturbance）を有し、
システムにおける前記ヒンジ部材（１２，１３）の剛性（κ）、前記タービンブレード（１）の質量慣性係数（Ｊ_turbine）および前記軸（３）の角振動数（ω_rotation）は、システムが超臨界または未臨界となるように選択されることを特徴とする、システム。
前記ヒンジ部材（１２，１３）は、以下の式に従って算出され得る固有振動数を有するティータヒンジであり、

κはヒンジ部材の剛性であり、
Ｊ_turbineはタービンブレードの質量慣性係数であることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
ティータヒンジの固有振動数（ω_resonance）に対する外乱振動数（ω_disturbance）の比率は多くて０．９であることを特徴とする、請求項２に記載のシステム。
ティータヒンジの固有振動数（ω_resonance）に対する外乱振動数（ω_disturbance）の比率は少なくとも０．１であることを特徴とする、請求項３に記載のシステム。
ティータヒンジの固有振動数（ω_resonance）に対する外乱振動数（ω_disturbance）の比率は少なくとも１．１であることを特徴とする、請求項２に記載のシステム。
ティータヒンジの固有振動数（ω_resonance）に対する外乱振動数（ω_disturbance）の比率は多くて１０．０であることを特徴とする、請求項５に記載のシステム。
前記ヒンジ部材（１２，１３）はダンパを含むことを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載のシステム。
前記ばね要素（１３）は漸進的であること特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載のシステム。
前記ばね要素（１３）はプレストレスをかけられることを特徴とする、請求項１から８のいずれかに記載のシステム。
請求項１から９のいずれかに従ったシステムを備えた風力発電装置。
気体または液体の作動媒体を用いるタービン、特に風力発電装置に対する風力タービンのためのシステムを設計するための方法であって、前記システムは、ある角振動数（ω_rotation）で回転可能な軸（３）、少なくとも１つのタービンブレード（１）が上に取付けられるハブ（２）、および前記軸（３）と前記ハブ（２）との間に配置されるヒンジ部材（１２，１３）を含み、前記ヒンジ部材（１２，１３）は、前記ヒンジ部材（１２，１３）における運動に対する剛性（κ）をともに形成するベアリング（１２）およびばね要素（１３）を含み、前記タービンブレードはヒンジ部材（１２，１３）に対する質量慣性係数（Ｊ_turbine）を有し、前記気体または液体の流れを通って動くよう適合され、前記気体または液体の流れは、前記タービンブレード（１）の回転面に本質的に垂直な流れ方向を有し、前記方向に変動する流速を有し、このためシステムが外乱力にさらされ、
外乱力の外乱振動数（ω_disturbance）は前記角振動数（ω_rotation）に設定され、
システムにおける前記ヒンジ部材（１２，１３）の剛性（κ）、前記タービンブレード（１）の質量慣性係数（Ｊ_turbine）および前記軸（３）の角振動数（ω_rotation）は、システムが超臨界または未臨界となるように選択されることを特徴とする、方法。
前記ヒンジ（１２，１３）の剛性（κ）は、システムが通常の角振動数（ω_rotation）で超臨界または未臨界となるように選択されることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。