JP2009162229A - 風力タービンタワー継手 - Google Patents

Abstract

【課題】風力タービンタワー継手を提供する。
【解決手段】本風力タービンタワー（４）は、テーパ端縁部（２４）を有する第１の実質的に管状の壁セクション（２２）と、第１の壁セクション（２２）と実質的に同一平面上に配置されかつ該第１の壁セクションのテーパ端縁部（２４）に対して着座するようになったフレア端縁部（２８）を有する第２の実質的に管状の壁セクション（２６）と、第２の壁セクション（２６）のフレア端縁部（２８）に対して第１の壁セクション（２２）のテーパ端縁部（２４）を固定するための少なくとも１つのファスナ（３０）とを含む。
【選択図】 図２

Description

本明細書に記載した主題は、総括的には、限られた閉鎖周辺部を有しかつあらゆる横方向寸法に対して非常に細長い剛性部材を含む固定構造体に関し、より具体的には、風力タービンタワーの壁セクション用の継手に関する。

風力タービンは、風の運動エネルギーを機械的エネルギーに変換するための機械である。機械的エネルギーが、水をポンプ圧送するか又は小麦を粉にひくような機械によって直接使用される場合には、風力タービンは、風車と呼ぶことができる。同様に、機械的エネルギーが、さらに電気的エネルギーに変換される場合には、タービンは、風力発電機又は風力プラントと呼ぶことができる。

風力タービンは、「ブレード」の形態で１つ又はそれ以上の翼形部を使用して、
移動空気によりリフト及び捕捉運動量を発生し、この運動量が次にロータに与えられる。各ブレードは一般的に、その「根元」端部において固定され、次に半径方向に「外側に向かって」自由「先端」端部まで「延びる」。ブレードの前面又は「前縁」は、最初に空気と接触するブレードの最前方点を連結している。ブレードの後面又は「後縁」は、前縁によって分離された空気流がブレードの負圧及び正圧表面を通過した後に再び合流する場所である。「翼弦線」は、ブレードを横切る一般的な空気流の方向にブレードの前縁及び後縁を連結する。翼弦線の長さが、まさに「翼弦」である。

風力タービンは一般的に、その周りをブレードが回転する垂直又は水平軸線によって分類される。図１には、１つのいわゆる水平軸線型風力発電機を示しており、この種の風力発電機は、米国ジョージア州アトランタ所在のＧＥ Ｅｎｅｒｇｙから購入可能である。この風力タービン２の具体的な構成は、ロータ８を備えたドライブトレイン６を支持するタワー４を含み、ドライブトレイン６は、「ナセル」と呼ばれる保護エンクロージャによって覆われている。ブレード１０は、ナセルの外側でロータ８の一端部に配置されて、ドライブトレイン６の他端部において制御システム１６と共にナセルの内側に配置され発電機１４に連結された変速機１２を駆動するようになっている。ナセル上にはまた、風速計１８を設けて、制御システム１６に情報を与えるようにする。

風力タービンタワー４は一般的に、互いに上に積み重ねた幾つかの管状の切頭円錐形セクションで形成される。例えば、本出願と同一出願人によるＲｏｎａｌｄ Ｃａｉｒｏの係属中米国特許出願番号第１１／３９９，８２９号（代理人整理番号第１４０７８９号に対応する）は、「風力タービンタワーを組み立てるための方法及び装置」を開示している。この公報では、部材は、その下端部に半径方向及び円周方向外向きに延びて第２のタワー部材の上端部を受けるための環状のノッチを形成した突出部を含む。第２のタワー部材突出部及び第１のタワー部材上端部を貫通して少なくとも１つのボルトを延ばして、第１のタワー部材及び第２のタワー部材を相互結合することによって形成した継手の構造的健全性を増大させることができる。タワー部材にはまた、実質的に整列して継手を形成する垂直フランジを設けることができる。

その他の風力タービンタワー構成には、通常は周辺壁部分に対して溶接される内側又は外側フランジを設けている。例えば、本出願と同一出願人によるＷｏｌｆｇａｎｇ Ｆｕｅｌｈａａｓ Ｈｏｌｇｅｒ Ｌｕｈｎの係属中米国特許出願番号第１０／５１７，５８５号（代理人整理番号１３３３２６号に対応する）は、「周辺壁部分の実質的に中断のない連結部を生成する方法」を開示しており、またＭａｒｃ Ｓｅｉｄｅｌによるドイツ特許公告第ＤＥ１０１５２０１８号の英文抄録には、「風力発電システム用のタワーを製造するための構成部品構成は、構成部品間の接触の試験を可能にする試験チャネルの境界を定める境界面を備えた構成部品を有する」ことが開示されている。

しかしながら、そのようなフランジ式連結部を備えた風力タービンタワーは、様々な欠点を有する。例えば、フランジは、設置しかつ検査するために付加的な材料、溶接、検査及び労働資源を必要とする。フランジはまた、特に突出フランジが、他の構造体に対する積み重ね及び衝突により干渉する可能性がある場合には輸送及び保管の間における配置及び曲がりの問題を引き起こすおそれがある。
米国特許出願番号第１１／３９９，８２９号公報 米国特許出願番号第１０／５１７，５８５号公報 ドイツ特許公告第ＤＥ１０１５２０１８号の英文抄録 米国特許第６，３９９，８８１号公報 米国特許出願公開第２００６／０１２３７３５号公報 米国特許出願公開第２００７／０２４５６８０号公報

このような従来型の方法のこれらの及びその他の態様は、本明細書において、風力タービンタワーを提供することによって解決される。

様々な実施形態では、本風力タービンタワーは、テーパ端縁部を有する第１の実質的に管状の壁セクションと、第１の壁セクションと実質的に同一平面上に配置されかつ該第１の壁セクションのテーパ端縁部に対して着座するようになったフレア端縁部を有する第２の実質的に管状の壁セクションと、第２の壁セクションのフレア端縁部に対して第１の壁セクションのテーパ端縁部を固定するための少なくとも１つのファスナとを含む。

次に、添付の図（「ＦＩＧ」）を参照して、本技術発明の様々な態様を説明するが、これらの図は、必ずしも一定の縮尺では描いておらず、また幾つかの図の各々を通して、同じ参照符号を使用して対応する部品を示している。

図２及び図３は、図１に示す風力タービンタワー４の２つの壁セクションを連結するための接合部又は継手２０の部分斜視図である。しかしながら、継手２０は、あらゆるその他の風力タービンタワーで使用することができる。本明細書に記載した壁セクションは一般的に、圧延鋼材で形成されるが、その他の材料及び製造方法も使用することができる。従来型の風力タービンタワーと異なり、この図示した継手２０は、上述の様々な欠点を有する可能性がある従来型のフランジを必ずしも必要としない。

図２及び図３に示す実施例では、第１の壁セクション２２には、テーパ端縁部２４が設けられ、また第２の壁セクション２６には、フレア端縁部２８が設けられる。しかしながら、テーパ端縁部２４及びフレア端縁部２８の位置は、逆にすることができ、また／又はテーパ端縁部２４及び／又はフレア端縁部２８は、壁セクション２２及び２６の各々の両端部上に設けることができる。これらの実施例では、第１の壁セクション２２及び第２の壁セクション２６は、閉鎖しておりかつ実質的に円筒形として示しているが、開放又は部分的に開放した形状を含むその他の非円筒形及び／又は円錐形風力タービンタワーの形状もまた使用することができる。

図２に最も良く示すように、第１の壁セクション２２は、第２の壁セクション２６内に滑動させて、フレア端縁部２８がテーパ端縁部２４に対して着座するようにする。図３に最も良く示すように、第１の壁セクション２２のテーパ端縁部２４はさらに、それに限定されないがテーパ端縁部及びフレア端縁部を貫通して延びる図示したボルトを含むファスナ３０によって、第２の壁セクション２６のフレア端縁部２８に対して固定することができる。例えば、ファスナ３０はまた、リベット、ネジ、ピン、クランプ、ラグ、溶接又はろう付け、接着剤、及び／或いはあらゆるそのような材料の組合せを含むことができる。ファスナ３０は、継手２０の外周部の周りで延びる単一列又は複数列の形態とすることができる。

図４〜図７は、図３の切断線ＩＶ−ＩＶに沿って取った継手２０の様々な構成の断面図である。これらの実施形態の各々には付加的に、１つの部材の壁セクションが他方の部材のテーパ又はフレア端縁部に適合する場所に２つの任意選択的なフィレット溶接部３１が設けられる。例えば、図示した溶接又はろう付けパターンは、タワー４の周辺部の周りで連続的又は断続的に延びることができる。しかしながら、その他の溶接パターンもまた使用することができる。嵌め合せ壁セクション間のあらゆる間隙はまた、他の材料で充填しかつ／又は密封することができる。

図４では、フレア端縁部２８に対して摩擦嵌めする前のテーパ端縁部２４の初期位置を破線で示している。その他の実施形態の各々にはまた、テーパ及び／又はフレア端縁部２４、２８に対して同様の摩擦嵌め構成を設けることができる。それに代えて、様々な実施形態は、より緩い嵌合がない状態にすることができる。

図４及び図５に示す実施例では、第１及び第２の壁セクション２２及び２６は、実質的に同一平面上に配置して、地盤に対する良好な荷重経路を形成する。これらの実施例では、第１の壁セクション２２の軸線３２は、第２の壁セクション２６の軸線３４と整列して、テーパ端縁部が軸線３２及び３４に対して角度αを形成するようになる。例えば、テーパ／フレア角度αは、１〜１０°とすることができる。それに代えて、テーパ／フレア角度αは、構造変形、表面仕上げ、振れ、及び丸みのような様々な要因に応じて１°よりも小さく又は１０°よりも大きくすることができる。

図５に示す実施例では、整列した壁セクション２２及び２６の表面の露出面は、破線によって示す材料を除去するようにトリミングされている。その結果、ファスナ３０は、第１及び第２の壁セクションの長手方向軸線３２、３４に対して実質的に垂直に延びる。

図６及び図７に示す実施例では、第１及び第２の壁セクション２２及び２６は、異なる平面内に配置されて、壁セクション間の直接荷重経路を減少させるようにする。これらの実施例では、第１の壁セクション２２の軸線３２は、第２の壁セクション２６の軸線３４から間隔を置いて配置される。これらの実施例では、軸線３２及び３４は、実質的に平行に配置されているが、これらの軸線はまた、平行でないように配置することもできる。図６に示す実施例では、第１の壁セクション２４内のテーパ端縁部２４及び第２の壁セクション２６内のフレア端縁部２８は、壁対応セクション２２及び２６を屈曲させずに形成することができる。

図８及び図９は、図３に示す風力タービンタワー用の継手２０の別の拡大部分斜視図を示している。これらの実施例では、テーパ端縁部２４の周辺部内に、リリーフカット３６が配置される。しかしながら、フレア端縁部２８の周辺部及び／又は壁セクション２２及び２６の他の場所においても、同様なリリーフカットを配置することができる。同様なリリーフカット３６はまた、上述の様々な他の実施形態に対して設けることができる。

リリーフカット３６は、継手２０の組立て時におけるテーパ及び／又はフレア端縁部２４及び２８の柔軟性を強化し、かつそれらの局所的変形に適応する。リリーフカット３６はまた、割れ発生を回避するのに役立ち、またそれとは別に継手２０の締まり嵌めを可能にする。図８に示す実施例では、リリーフカットは、その形状が半円形である。しかしながら、楕円形、スロット付き、Ｉ字形、Ｖ字形、Ｕ字形、五角形、六角形、及び／又はこれらの組合せを含むその他の形状もまた使用することができる。例えば、図９は、一端部における実質的に円形の孔４０を有するテーパ端縁部の周辺部から延びるスロット３８を含むリリーフカット３６を示している。

リリーフカット３６及び／又はスロット３８は、嵌め合せタワーセクションの両方の自由縁部に沿って配置することができる。例えば、リリーフカット３６及び／又はスロット３８は、第１の壁セクション２２及び／又は第２の壁セクション２６のいずれか又は両方の周りでの交互する３０°セグメントの周辺部の周りに均等に又は不均等に分散配置することができる。リリーフカット３６又はスロット３８間の材料はまた、対応するタワーセグメントの嵌め合せ面に対して締まり嵌めを形成するように、半径方向外向き又は内向きに屈曲させることができる。これらの及びその他の構成では、リリーフカット３６は、接触面の良好な嵌め合せに必要な精密公差が他の方法では達成するのが困難である可能性がある風力タービンタワー４に使用するセクションのような大直径セクションのはめ合いに特に有用である。

上記の技術は、従来型の方法に勝る様々な利点を提供する。例えば、タワー４の様々な管状のセクションは、嵌め合せテーパ及びフレア端部に合せてローラ加工して、そうでなければこれらのセクションの壁に対する溶接を必要とすることになるフランジの必要性を最小にすることができる。従来型のフランジの排除により、労力、材料、溶接、検査及び重量について大幅なコスト削減が得られる。各壁から延びるフランジない状態で、より小型の管状セクションを、より大型の管状セクションの内側に滑動させて、物流構成及び保管を改善するようにすることができる。

嵌め合せ壁セクションの同一平面上の構成における地盤に対する荷重経路は、従来型のフランジを使用した時よりも直接的であり、したがってプレートの曲がりが生じ難い。しかしながら、異なる寸法の壁セクションを嵌め合せることもまた、継手２０内の壁セクション２２及び２４の同一平面上にない配置で適応することができる。テーパ／フレア角度αはまた、摩擦嵌めの締め代のような様々な設計パラメータを達成するように容易に変更することができる。

組立て時に、リリーフカット３６は、テーパ及び／又はフレア端縁部２４、２８の局所的変形並びに嵌め合せ壁セクションとの締まり嵌めに適応してセクション間の結合を強化するのに役立つ。継手２０にはまた、様々なタイプの荷重に抗する継手２０の必要性に応じて、単一列又は複数列に形態で半径方向の及び／又は傾斜したボルト止め構成を設けることができる。その場合に、タワープラットホーム及び／又は他の特徴形状部は、継手２０にボルト止めすることができ、また溶接部は、継手をさらに強化するために後で付加することができる。

上記の実施形態及び具体的にはあらゆる「好ましい」実施形態は、この技術の様々な態様の明確な理解を得るために、本明細書に記載した様々な実施形態の実施例に過ぎないことを強調しておきたい。特許請求の範囲の適切な構成によってのみ定まる保護の範囲から実質的に逸脱せずに、これらの実施形態の多くを変更することができるであろう。

従来型の風力タービンの概略側面図。 図１に示す風力タービンタワー用の継手の拡大正投影図。 図１に示す風力タービンタワー用の継手の部分正投影図。 図３に示す風力タービン用の継手の断面図。 図３に示す風力タービン用の継手の別の断面図。 図３に示す風力タービン用の継手の別の断面図。 図３に示す風力タービン用の継手の別の断面図。 図３に示す風力タービンタワー用の継手の拡大部分正投影図。 図３に示す風力タービンタワー用の継手の別の拡大部分正投影図。

符号の説明

２ 風力タービン
４ タワー
６ ドライブトレイン
８ ロータ
１０ ブレード
１２ 変速機
１４ 発電機
１６ 制御システム
１８ 風速計
２０ 継手
２２ 第１の壁セクション
２４ テーパ端縁部
２６ 第２の壁セクション
２８ フレア端縁部
３０ ファスナ（留め具）
３１ フィレット溶接部
３２、３４ 軸線
３６ リリーフカット
３８ スロット
４０ 円形の孔

Claims (10)

1. テーパ端縁部（２４）を有する第１の実質的に管状の壁セクション（２２）と、
   前記第１の壁セクション（２２）と実質的に同一平面上に配置されかつ該第１の壁セクションのテーパ端縁部（２４）に対して着座するようになったフレア端縁部（２８）を有する第２の実質的に管状の壁セクション（２６）と、
   前記第２の壁セクション（２６）のフレア端縁部（２８）に対して前記第１の壁セクション（２２）のテーパ端縁部（２４）を固定するための少なくとも１つのファスナ（３０）と、
   を含む風力タービンタワー（４）。
2. 前記少なくとも１つのファスナ（３０）が、前記テーパ端縁部（２４）及びフレア端縁部（２８）を貫通して延びるボルト（図３〜図９）を含む、請求項１記載の風力タービンタワー。
3. 前記ボルト（図３〜図９）が、前記第１及び第２の壁セクションの長手方向軸線（３２、３４）に対して実質的に垂直に配置される、請求項２記載の風力タービンタワー。
4. 前記少なくとも１つのファスナ（３０）が、溶接部（３１）をさらに含む、請求項１、請求項２又は請求項３のいずれか１項記載の風力タービンタワー。
5. 前記テーパ端縁部（２４）及びフレア端縁部（２８）の少なくとも１つの周辺部内に配置されたリリーフカット（３６）をさらに含む、請求項１、請求項２、請求項３又は請求項４のいずれか１項記載の風力タービンタワー。
6. 前記リリーフカット（３６）が、前記テーパ端縁部（２４）及びフレア端縁部（２８）の少なくとも１つの周辺部から延びるスロット（３８）を含む請求項５記載の風力タービンタワー。
7. テーパ端縁部（２４）を有する第１の実質的に管状の壁セクション（２２）と、
   前記第１の壁セクション（２２）のテーパ端縁部（２４）に対して着座するようになったフレア端縁部（２８）を有する第２の実質的に管状の壁セクション（２６）と、
   前記テーパ端縁部（２４）及びフレア端縁部（２８）の少なくとも１つの周辺部内に配置されたリリーフカット（３６）と、
   を含む風力タービンタワー（４）。
8. 前記リリーフカット（３６）が、前記テーパ端縁部（２４）及びフレア端縁部（２８）の少なくとも１つの周辺部から延びるスロット（３８）を含む、請求項７記載の風力タービンタワー。
9. 前記スロット（３８）が、一端部に実質的に円形の孔（図９）を含む、請求項８記載の風力タービンタワー。
10. 前記第１の壁セクション（２２）及び第２の壁セクション（２６）が、異なる平面内に配置される、請求項９記載の風力タービンタワー。