JP2010523895A - タービンロータおよび発電所 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1
Description
約5MWの出力量で115−125mを超えるロータ径の風車が、現在設計され建設されている。このような大型風車を陸上で輸送することは困難なため、5MW以上の大型風車は本来、沖合いに設置されることを考慮して設計される。これらの水平軸風車の原理は、その小型の姉妹品と基本的には同様である。それらは、高耐久性のボールベアリングによって固定されているシャフトを備える中央ハブ上に取り付けられる、典型的には3つのブレードで構成されるロータを基本とする。ハブの寸法は、風方向での各ブレードに対する風力、およびブレードがその回転経路内で上下どちらの方向にあるかによって絶えず方向が変化する、風に対してほぼ直角の面内の各ブレードの自重の両方に起因する相当な曲げモーメントに耐えるように決めなければならない。各ブレードが、所与の瞬間に風からの異なる荷重を有する場合、シャフトの長手軸に対して直角の軸の周りでハブを旋回させようとするモーメントが生じる。極端な場合には、このモーメントが例外的に大きくなるため、シャフトの寸法も、このようなモーメントに耐えるように決める必要がある。中央ハブおよびシャフトはまた、直接またはギアを介して、発電機にロータのトルクを転送する。
P=Cp*ρ*v3*A=Cp*ρ*v3*D2*π/4
なお、Cpは定数、ρは液体または空気の濃度、vは風速、Aはロータの掃引領域およびDはロータ径であり、
ω=v*6/(D*π)*2*π=12*v/D,
なお、6は、先端速度比である。
式P=MT*ωのPおよびωに代入すると、
MT=Cp*ρ*v3*D2*π*D/(4*12*v)=Cp*ρ*v2*D3*π/48、
MT=k*D3となる。
なお、kは所与の風速および空気密度の定数である。
1)ロータブレードの長さおよび重さを増大させずに、ロータの掃引領域(および、これによるエネルギー生成)が大幅に増大する。
2)ハブの直径が著しく増大する場合でも、その重量が減少する。
3)ハブの直径が大きいことに起因するハブおよびシャフトのねじり応力(回転軸を中心とする)が小さい。
4)直接駆動により、伝送ユニット(ギア)が省略され、同時にステータと電気ロータ(磁石)の間の周辺速度が増加し、これにより発電機内のアクティブ要素に関する要件を縮小することができる。
5)ステータと電気ロータの間のエアギャップ公差が大きいため、その結果もはや臨界パラメータでなくなる。
6)冷媒を循環させるためにいかなるポンプシステムも必要とせず、直接空気を冷却する。
7)作動中メインベアリングまたは発電機内の移動部分間で接触がなく、その結果消耗およびメンテナンスが大幅に減少される。
8)5MWから10MWの風力タービンに関する従来技術の増加率と比較して、ロータおよび発電機の総重量が50%を超えて削減される。
―断面Bにおいてはその形状が円形でありかつリングの外周および内周の形状が円形である断面Aにおいて該形状がリング形状である、円環形状、または、
―断面Bにおいてその形状が多角形または円形形状であり、リングの外周および内周が多角形または円形である断面Aにおいて該形状がリング形状である、準円環形状のうちどちらかの形状で形成される。なお、該円環または該準円環上に、少なくとも1つのロータブレードが設けられる。
好ましくは、前記張力ロッドが略同一面内に配置される。こうすることによって、半径方向の力が転送される。そして、タービンロータの風荷重によって発生した軸方向に向けられる力は転送されたとしてもほんのわずかまたは全く転送されない。
メインベアリング39は、図6に示すように、それらの間に反発力が生じるように互いに対して向けられる永久磁石61で構成される固定式磁気ベアリングである。
5 ロータブレード
6 ドーナツ形状のハブ
7 支持構造体
8、9、10 ピッチベアリング
11 電気発電機
12 ステータ部(ステータ、ステータリング)
13 曲げ剛性梁
14 円筒形管(モータ筐体)
15 張力ロッドまたは圧力ロッド
16 冷却リブ
21、22 領域
23 永久磁石
24 電気巻線
37 船舶
39 磁気ベアリング(メインベアリング)
40 推進システム
55 中央アンカーリング
60 アンカー板
61 永久磁石
62 電気発電機
101 構造部材
104 中央ベアリング
105 ドーナツ形状のハブ
106 取付要素
110 ナセル
112 点
202 ボルト
203 構造部材
204 穿孔
205 金属製のシム板
A 断面
B 断面
Claims (34)
- 風力または水力発電所用の、または船舶用推進手段用のタービンロータであって、
前記タービンロータは概してドーナツ形状のハブ(6)を備え、前記ドーナツ形状のハブは断面Bが密封型中空の外形形状で構成され、前記ドーナツ形状のハブの形状は、
―断面Bにおいてはその形状が円形でありかつリングの外周および内周の形状が円形である断面Aにおいて該形状がリング形状である、円環形状、または
―断面Bにおいてその形状が多角形または円形形状であり、リングの外周および内周が多角形または円形である断面Aにおいて該形状がリング形状である、準円環形状のうちどちらかの形状で形成され、
該円環または該準円環上に、少なくとも1つのロータブレードが設けられることを特徴とする風力または水力発電所用の,または船舶用推進手段用のタービンロータ。 - 前記断面Aおよび/または前記準円環の断面Bの多角形状が正多角形であることを特徴とする請求項1に記載のタービンロータ。
- タービンロータの回転軸からドーナツ形状のハブの断面Aに形成されるリングの外周まで、または該リングの形状が多角形である場合、ドーナツ形状のハブの断面Aに形成されるリングの外周ポリゴンを囲む円までの距離は、前記タービンロータの半径の少なくとも1/12である、つまり、回転軸からブレード先端までの距離に相当することを特徴とする請求項1または2に記載のタービンロータ。
- ドーナツ形状のハブの小径の大きさは、ブレードの根元部の少なくとも1枚のブレードの直径と略同じ大きさであることを特徴とする請求項1に記載のタービンロータ。
- 少なくとも1つの取付要素(106)がドーナツ形状のハブ上に取り付けられ、前記取付要素(106)には、前記取付要素がドーナツ形状のハブ上に取り付けられた場合に前記取付要素(106)がドーナツ形状のハブ(105)を囲むように、ドーナツ形状のハブ(105)の形状と大きさとに対応する形状と大きさとを有する貫通穴が形成される請求項1に記載のタービンロータ。
- ロータブレード(107)が取付要素(106)に装着され、前記ロータブレード(107)はタービンロータの回転軸から略離れる方向に延伸されることを特徴とする請求項5に記載のタービンロータ。
- 前記ロータブレード(107)がピッチベアリング(108)を有する取付要素(106)に装着されることを特徴とする請求項6に記載のタービンロータ。
- 前記タービンロータが少なくとも2つの張力ロッドを備え、該張力ロッドの第1端部はドーナツ形状のハブに装着されかつ第2端部が中央ハブ上に取り付けられる中央ベアリングに装着され、該中央ベアリングおよび該中央ハブがステータの中央軸と同軸的に設けられることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載のタービンロータ。
- 前記張力ロッドが略同一面内に配置されることを特徴とする請求項8に記載のタービンロータ。
- 少なくとも2つの圧力ロッドを備え、該圧力ロッドの第1端部はドーナツ形状のハブに装着されかつ第2端部は中央ハブ上に取り付けられる中央ベアリングに装着され、該中央ベアリングおよび該中央ハブがステータの中央軸と同軸的に設けられることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載のタービンロータ。
- 前記圧力ロッドが略同一面内に配置されることを特徴とする請求項10に記載のタービンロータ。
- 前記発電機ロータがドーナツ形状のハブに取り付けられることを特徴とする請求項1乃至11の一項に記載のタービンロータ。
- 前記タービンロータが少なくとも2組の支持部材(101)を備え、該支持部材(101)はドーナツ形状のハブ(105)の装着領域(112)と少なくとも2つの離間する中央ベアリング(104)の間を互いに延伸することを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載のタービンロータ。
- 前記装着領域(112)は前記タービンロータの回転軸に略向かって対面するドーナツ形状のハブ(105)の一部に位置することを特徴とする請求項13に記載のタービンロータ。
- 角度αが断面Bにおいて2組の支持部材(101)の間に形成され、該角度αは90度未満であり、好ましくは50度未満であり、最も好ましくは20度未満であることを特徴とする請求項13または14に記載のタービンロータ。
- 磁石(102)は、前記少なくとも2組の支持部材(101)のうち1つまたはその両方に装着され、前記磁石(102)は、電気発電機の一部を形成することを特徴とする請求項13乃至15のいずれか一項に記載のタービンロータ。
- 風または流水のエネルギーを電気エネルギーに変換するための直接駆動発電機と、筐体(110)が取り付けられるタワー(111)とを備える発電所であって、前記筐体(110)が固定式の中央ハブ(109)を備え、前記発電所はタービンロータをさらに備え、
前記タービンロータが請求項1乃至7または13乃至16のいずれか一項に従って形成され、前記タービンロータが中央ハブ(109)に設けられる前記少なくとも2つの離間するベアリング(104)の上に支持され、かつ直接駆動発電機の前記ステータ(100)が中央ハブ(109)の上に取り付けられることを特徴とする風または流水のエネルギーを電気エネルギーに変換するための直接駆動発電機と,筐体(110)が取り付けられるタワー(111)とを備える発電所。 - 直接駆動発電機の前記ステータ(100)が、前記ステータ(100)の両側に同数設けられるベアリング(104)を有する、前記少なくとも2つの離間するベアリング(104)の間の中央ハブ(109)に取り付けられることを特徴とする請求項17に記載の発電所。
- ドーナツ形状のハブ(105)および中央ハブ(109)の間の領域は、前記少なくとも2組の支持板(101)によって完全にまたは部分的に覆われていることを特徴とする請求項17または18に記載のタービンロータ。
- 風または流水のエネルギーを電気エネルギーに変換する直接駆動発電機と、タワー構造体と、タービンロータとを備える発電所であって、該直接駆動発電機がタービンロータ上に取り付けられる発電機ロータと、タワー構造体上に取り付けられるステータと、該ステータ上のタービンロータを支持するベアリングとを備え、前記タービンロータは、請求項1乃至15のいずれか一項に従って形成され、前記タービンロータは、直接駆動発電機のステータの中央軸に一致する回転軸を有することを特徴とする風または流水のエネルギーを電気エネルギーに変換する直接駆動発電機と、タワー構造体と、タービンロータとを備える発電所。
- 前記タービンロータが、永久磁石、電磁石、またはその両方の組み合わせによって構成される磁気ベアリングによって、前記ステータ上に支持されることを特徴とする請求項20に記載の発電所。
- 前記磁気ベアリングがパッシブ磁気ベアリングであることを特徴とする請求項21に記載の発電所。
- 前記磁気ベアリングがハルバッハ配列で配列される磁石を有するパッシブ磁気ベアリングであることを特徴とする請求項21に記載の発電所。
- 前記ステータ内の前記磁石が短絡導電体によって置き換えられることを特徴とする請求項21または23の一項に記載の発電所。
- 前記磁気ベアリングが電磁ベアリングであることを特徴とする請求項21に記載の発電所。
- 前記電流生成巻線(24)が磁気伝導鉄芯なしで設置されることを特徴とする請求項21に記載の発電所。
- 前記発電機磁石が、ハルバッハ配列で配列された永久磁石で構成されることを特徴とする請求項26に記載の発電所。
- 前記タービンロータが従来のベアリングによって前記ステータ上に支持されることを特徴とする請求項20に記載の発電所。
- 前記タービンロータが磁気ベアリングによって、前記ステータに対して軸方向に支持され、前記タービンロータが従来のベアリングによって半径方向に支持されることを特徴とする請求項20に記載の発電所。
- ドーナツ形状のハブの回転軸から磁気ベアリングの力転送面の領域中央までの最短距離は、ドーナツ形状のハブの回転軸からドーナツ形状のハブの断面の中立の軸までの距離よりも短いことを特徴とする請求項21乃至27の一項に記載の発電所。
- 前記ドーナツ形状のハブ(6)を通る面であって、前記ドーナツ形状のハブ(6)の前記回転軸に垂直な面から外に曲がろうとする、前記ドーナツ形状のハブ(6)の曲げ剛性が、同一面から外に曲がろうとする前記ステータの曲げ剛性より大きいことを特徴とする請求項21乃至30の一項に記載の発電所。
- 前記ドーナツ形状のハブ(6)を通る面であって、前記ドーナツ形状のハブ(6)の前記回転軸に垂直な面から外に曲がろうとする、前記ドーナツ形状のハブ(6)の曲げ剛性が、同一面から外に曲がろうとする前記ステータの曲げ剛性と比べて、少なくとも2倍であることを特徴とする請求項21乃至31の一項に記載の発電所。
- 風力発電所または水力発電所内の、請求項1乃至16のいずれかに記載のタービンロータに対しての使用。
- 船舶の推進手段としての、請求項1乃至16のいずれかに記載のタービンロータに対しての使用。
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