JP2012154325A - 風車ロータ羽根エレメント及び風車ロータ羽根 - Google Patents

Abstract

【課題】風車ロータ羽根に取り付けることができかつ風車ロータ羽根の空力特性を高める風車ロータ羽根エレメントを提供する。
【解決手段】互いに結合された第１の部分（５１，６１，８１）及び第２の部分（５２，６２，８２）を有する風車ロータ羽根エレメント（５０，６０，８０）において、第１の部分（５１，６１，８１）が風車ロータ羽根（５）の表面に対面するための後面（５３，６３）を有し、第２の部分（５２，６２，８２）が、第１の部分（５１，６１，８１）の後面（５３，６３）に対して９０゜〜１８０゜の角度（５７）を形成した上面（５６，６６）を有する。
【選択図】図７

Description

本発明は、有利な空力特性を備える、風車ロータ羽根エレメント及び風車ロータ羽根に関する。

風車ロータ羽根のプロファイル若しくは翼型形状を変化させると、風車ロータ羽根の空力特性も変化することは今では従来技術の文献から広く知られている。ロータ羽根の場合、スポイラ／ガーニーフラップ（Gurney flaps）を羽根の表面に取り付けることにより、特性が高まる。その例を以下に示す。

国際公開第２０１０／０６６５０１号は、流れ案内装置が羽根の圧力面に取り付けられている風車ロータ羽根を開示している。流れ面は、各横断面に関して、終点における流入面に対する終点接線が、プロファイル輪郭がこのプロファイル輪郭に対するプロファイル接線を有している交点において前記プロファイル輪郭と交差するように、かつプロファイル接線と終点接線との間の角度が少なくとも４５度であるように形成されている。

国際公開第２００７／１１８５８１号は、羽根のインボード部が、空気流の分離を遅延させるために羽根の圧力面において流れ案内装置を設けられており、これにより羽根の空力特性を高めたロータ羽根を開示している。

国際公開第２００４／０９７２１５号は、後縁プロファイルを変化させることによってロータ羽根の後縁における空力特性を変化させるための様々なソリューションを開示している。

欧州特許出願公開第１８４５２５８号明細書は、ロータ羽根の移行部分に配置されたガーニーフラップ装置を有するロータ羽根を開示している。フラップ装置は、凹面状の湾曲を有しており、羽根の圧力面において後縁に配置されている。

国際公開第２０１０／０６６５０１号 国際公開第２００７／１１８５８１号 国際公開第２００４／０９７２１５号 欧州特許出願公開第１８４５２５８号明細書

本発明の第１の課題は、風車ロータ羽根に取り付けることができかつ風車ロータ羽根の空力特性を高める風車ロータ羽根エレメントを提供することである。本発明の第２の課題は、空力特性が高められた風車ロータ羽根を提供することである。

前記第１の課題は、請求項１に記載の風車ロータ羽根エレメントによって解決される。前記第２の課題は、請求項１０に記載の風車ロータ羽根によって解決される。従属請求項は、発明のより発展した形を定義する。記載された全ての特徴は、個々に、又はいずれかを互いに組み合わせても有利である。

本発明の風車ロータ羽根エレメントは、第１の部分及び第２の部分を有する。第１の部分及び第２の部分は互いに結合されている。第１の部分は、風車ロータ羽根の表面に対面するための後面を有している。第２の部分は、第１の部分の後面に対して９０゜〜１８０゜、好適には１１０゜〜１６０゜の角度を成す上面を有する。さらに、第１の部分は、第２の部分の上面に対して９０゜〜１８０゜、好適には１１０゜〜１６０゜の角度を成す上面を有することができる。

第１の部分及び／又は第２の部分の後面又は上面が湾曲を有するならば、第１の部分と第２の部分との間の角度を、第１の部分の後面又は上面における接線と、第２の部分の上面又は上面における接線との間の角度として決定することができる。その代わりに、第１の部分又は第２の部分の前縁を後縁に結合する平面を、第２の部分の上面と、第１の部分の後面又は上面との間の角度を決定するための基準平面として規定することができる。

本発明の羽根エレメントは、羽根のエネルギ捕捉特性を改善するために、有利には、風車ロータ羽根、好適には風車ロータ羽根の後縁に取り付けることができる。本発明の羽根エレメントを使用して、風車ロータ羽根の空力特性を高めることができる。

本発明による風車ロータ羽根エレメントは、スポイラ、流れ案内装置又はフラップであってよい。第１の部分は取付けのために準備されてよい。第２の部分は、第１の部分から、又は羽根の表面の湾曲部から特定の角度で延びていてよい。好適には、第１の部分は、羽根エレメントを羽根の表面に確実に固定することができるように十分な寸法を有している。第１の部分は、例えば両面接着テープ及び／又は構造用接着剤及び／又はねじ及び／又はベルト及びねじ穴等によって固定されてよい。さらに、第１の部分は、設置位置における羽根の表面湾曲に正確に追従するように湾曲している。その結果、羽根には、同じ湾曲でない様々な羽根エレメント又は羽根エレメントの部材を取り付けてよい。

第２の部分は、ロータ羽根全体の空力特性に影響する部分である。前述のように、第２の部分は、羽根の湾曲部からある角度で延びている。様々な羽根エレメント又は羽根エレメントの部材のために、第２の部分の形状、寸法及び前記角度は、同一ロータ羽根に設置される他の羽根エレメント又は羽根エレメントの部材と異なっていてよい。

有利には、第１の部分と第２の部分とは一片に形成することができる。それに代えて、第１の部分及び第２の部分は、互いに結合された別個のエレメントであることができる。さらに、風車ロータ羽根エレメントは、第１の部分と第２の部分との間に配置された移行部分を有してよい。概して、本発明による風車ロータ羽根エレメントは、射出成形された熱可塑性樹脂、真空成形された熱可塑性樹脂、成形された構造用プラスチック、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＲＰ）等によって形成されていてよい。

風車ロータ羽根エレメントは、第１の部分及び第２の部分に結合された多数のウェッジを有することができる。ウェッジは、第１の部分と第２の部分との間の角度を支持してよい。これは、変化する空力負荷条件の下でロータ羽根の安定性を高める。

有利には、第２の部分及び／又は移行部分は、複数の山形部を有していてよい。このような山形部は、構造体の剛性を高め、ロータ羽根エレメントをより薄い材料で形成することができる。

ウェッジを有するロータ羽根エレメントの場合、第２の部分及び／又は移行部分の構造の山形部の高さを減じることができるか、又はその代わりにロータ羽根エレメントを山形部を備えることなく形成することができる。

好適には、第１の部分の後面は、特定の風車ロータ羽根の表面部分の湾曲に対応する湾曲を有することができる。これは、ロータ羽根エレメントがロータ羽根の表面に正確に嵌合し、設置位置における羽根の表面湾曲に正確に追従するという利点を有する。

さらに、風車ロータ羽根エレメントは、複数のロータ羽根エレメント部材を有しており、各部材は、第１の部分の一部と、第２の部分の一部とを含んでいる。これは、ロータ羽根エレメントを、複数のロータ羽根エレメント部材をロータ羽根のスパン方向でロータ羽根の表面に沿って整列させることによって設置することができることを意味する。風車ロータ羽根の表面にロータ羽根エレメント部材を整列させかつ取り付けることは、ロータ羽根へのロータ羽根エレメントの容易な設置を提供する。

本発明の羽根エレメント部材を製造する一方法の場合、後で適切な長さに切断される、例えば成形された、より長い羽根エレメント片から形成されてよい。

本発明の風車ロータ羽根は、前述のような風車ロータ羽根エレメントを有する。概して、本発明のロータ羽根は、本発明の風車ロータ羽根エレメントと同じ利点を有する。

風車ロータ羽根エレメントは、第１の部分の後面がロータ羽根の表面に対面するようにロータ羽根に結合されている。例えば、風車ロータ羽根エレメントを、両面接着テープ及び／又は構造用接着剤及び／又はねじ及び／又はボルト及びねじ穴によってロータ羽根に結合することができる。

好適には、風車ロータ羽根エレメントの第１の部分の後面は、風車ロータ羽根エレメントがロータ羽根に結合される位置における羽根の表面湾曲に追従するように湾曲していてよい。

ロータ羽根は、スパン方向と、根元部と、肩部とを有していてよい。有利には、風車ロータ羽根エレメントは、スパン方向で根元部と肩部との間においてロータ羽根に結合されている。これは、ロータ羽根エレメントが、根元部と肩部との間の距離よりも小さい、根元部からの距離に配置されてよいことを意味する。

さらに、ロータ羽根は後縁を有することができ、風車ロータ羽根エレメントは前記後縁においてロータ羽根に結合されてよい。

ロータ羽根エレメントは、ロータ羽根の空力特性を高め、ひいてはより高いエネルギ発生を保証するという点で有利である。

さらに、ロータ羽根エレメントは複数の部材に分割されているので、工場サイドから設置することも、既に設置されたロータ羽根に現場で改造として設置することも容易であるという点で有利である。

さらに、部材の寸法は比較的小さいので、例えば１つの部材が羽根から取り外される場合に、地上に落下するこのような部材の衝撃が、より大きなスポイラと比較して小さいという点で本発明は有利である。

部材の山形の構造は、比較的少ない材料だけを使用して強くて堅い構成を保証するという点で有利である。

本発明の別の特徴、特性及び利点は、添付の図面に関連した実施の形態の以下の説明から明らかとなる。言及された全ての特徴は、個別でも、又はいずれかを互いに組み合わせても有利である。

風車を概略的に示す図である。 羽根のスパンと羽根の翼弦とによって規定された平面で見たロータ羽根を概略的に示す平面図である。 図２に示した羽根の翼部分を概略的に示す翼弦方向断面図である。 本発明の風車ロータ羽根エレメントを概略的に示す断面図である。 本発明の風車ロータ羽根エレメントの別の態様を概略的に示す断面図である。 風車ロータ羽根の一部を概略的に示す斜視図である。 羽根エレメントを概略的に示す斜視図である。 ロータ羽根エレメント又はロータ羽根エレメント部材の３つの異なる別の態様を概略的に示す斜視図である。 本発明の風車ロータ翼エレメントの別の態様を概略的に示す斜視図である。 図９のロータ翼エレメントを概略的に示す別の斜視図である。

図１は、風車１を概略的に示している。風車１は、タワー２、ナセル３、及びハブ４を有する。ナセル３はタワー２の上部に配置されている。ハブ４は複数の風車羽根５を有する。ハブ４はナセル３に取り付けられている。さらに、ハブ４は、回転軸線９を中心として回転することができるように枢着されている。発電機６がナセル３内に配置されている。風車１は直接駆動風車である。

図２は、３枚羽根型ロータにおいて通常使用されるような風車羽根５を示している。しかしながら、本発明は３枚羽根型ロータ用の羽根に限定されない。実際には、本発明は、他のロータ、例えば１枚羽根型ロータ又は２枚羽根型ロータにおいて実施されてもよい。

図２に示されたロータ羽根５は、円筒状輪郭を備える根元部１３と、先端部１２とを有する。先端部１２は羽根５の最も外側の部分を形成している。根元部１３の円筒状輪郭は、羽根５をロータハブ４の軸受に固定するために働く。ロータ羽根５はさらに、最大輪郭深さの位置、すなわち羽根５の最大翼弦長の位置として規定されたいわゆる肩部１４を有する。肩部１４と先端部１２との間には、空力的に成形された輪郭を有する翼部分１５が延びている。肩部１４と円筒状根元部１３との間には移行部１７が延びており、この移行部において、翼部分１５の空力輪郭から根元部１３の円筒状輪郭への移行が生じている。

羽根５のスパンは参照符号１１によって示されている。スパン方向での肩部１４と根元部１３との間の距離は、参照符号１６によって示されている。本発明のロータ羽根エレメントは好適にはスパン方向で根元部と肩部との間においてロータ羽根に配置されている。これは、スパン方向でのロータ羽根エレメントと根元部１３との間の距離がスパン方向での肩部１４と根元部１３との間の距離よりも小さいことを意味する。

ロータ羽根の翼セクション１５の翼弦方向断面図が図３に示されている。図３に示された空力輪郭は、凸面状の負圧面２３と、凸面の度合いがより小さい圧力面２５とを有する。羽根の前縁１９から後縁２１まで延びた点線は、輪郭の翼弦を示す。圧力面２５は図３においては凸面状セクション２７と凹面状セクション２９とを有するが、負圧面２３が圧力面２５よりもさらに凸面状である限りは凹面状セクションを全く有することなく実施されてもよい。

厳密にいえば羽根５の円筒状部分１３は圧力面又は負圧面を形成しないが、翼部分１５における負圧面２３及び圧力面２５は、それぞれロータ羽根５の負圧面及び圧力面とも呼称される。

図４は、本発明の風車ロータ羽根エレメント５０を断面図で概略的に示している。羽根エレメント５０は第１の部分５１及び第２の部分５２を有する。第１の部分５１は、上面５４及び後面５３を有する。第２の部分５２は上面５６及び後面５５を有する。

羽根エレメントが風車ロータ羽根に結合されている場合、第１の部分５１の後面５３は風車ロータ羽根５の表面に対面する。

第２の部分の上面５６は第１の部分５１の後面５３に対して９０゜〜１８０゜、好適には１１０゜〜１６０゜の角度５７を成している。さらに、第２の部分５２の上面５６は第１の部分５１の上面５４に対して９０゜〜１８０゜、好適には１１０゜〜１６０゜の角度５８を成している。

図４において、第１の部分５１及び第２の部分５２は、一片の部分として若しくは一体に形成されている。これに代えて、第１の部分５１及び第２の部分５２は、互いに結合される別個のエレメントであることができる。

図５は、本発明の風車ロータ羽根エレメント６０の別の態様を概略的に断面図で示している。羽根エレメント６０は、上面６４及び後面６３を備える第１の部分６１を有する。羽根エレメント６０は、さらに、上面６６及び後面６５を備える第２の部分６２を有する。

後面６３は、風車ロータ羽根５の表面の湾曲に対応する湾曲を有する。第１の部分６１は前縁６８及び後縁６９を有する。第２の部分６２は前縁６８において第１の部分６１に結合されている。羽根エレメント６０が一片の部材として形成されている場合、前縁６８は、第１の部分６１と第２の部分６２との間の移行部分に配置されている。

前縁６８と後縁６９とは、前縁６８を後縁６９と結ぶ平面７０を規定している。第１の部分の後面６３の湾曲が存在する場合、第２の部分の上面６６は平面７０に対して９０゜〜１８０゜、好適には１１０゜〜１６０゜の角度６７を成している。この場合、平面７０は、第１の部分６１の後面６３と第２の部分６２の上面６６との間の正確な角度を決定するために後面６３として見なされる。

図６は、風車ロータ羽根５の一部を概略的に斜視図で示している。風車ロータ羽根５は本発明の羽根エレメント５０，６０を有する。羽根エレメント５０，６０は羽根５の肩部１４と根元部１３との間においてロータ羽根５の表面に結合されている。羽根エレメント５０，６０は、ロータ羽根５の後縁２１の近くに配置されており、スパン方向に延びている。

図７は、羽根エレメント６０を概略的に斜視図で示している。第１の部分６１は、羽根エレメント６０を風車ロータ羽根５の表面に結合するための複数のねじを有する。移行部分７９は第１の部分６１と第２の部分６２との間に配置されており、第１の部分６１と第２の部分６２との間の移行を形成している。

第２の部分６２は側縁７７及び前縁７８を有する。移行部分７９及び第２の部分６２は複数の山形部７６を有する。山形部７６は、第２の部分６２の側縁７７に対して平行に延びるように形成されている。さらに、山形部７６は、第２の部分６２の前縁７８を波形にするように形成されている。

図８は、ロータ羽根エレメント若しくはロータ羽根エレメント部材６０ａ，６０ｂ及び６０ｃの３つの異なる態様を概略的に斜視図で示している。羽根エレメント部材６０ａ，６０ｂ及び６０ｃを、羽根５の３つの異なる位置に取り付けることができる。３つの異なる羽根エレメント部材６０ａ，６０ｂ及び６０ｃは、第１の部分６１（又はより正確にいえば第１の部分６１の後面）と第２の部分６２（又はより正確にいえば第２の部分６２の上面）との間の角度に関して互いに異なっている。第１の羽根エレメント部材６０ａの角度６７ａは第２の羽根エレメント部材６０ｂの角度６７ｂよりも小さい。角度６７ｂは第３の羽根エレメント部材６０ｃの角度６７ｃよりも小さい。

図９及び図１０は、本発明の風車ロータ羽根エレメント８０の別の態様を概略的に斜視図で示している。羽根エレメント８０は第１の部分８１及び第２の部分８２を有する。第１の部分８１は前縁８８ａ及び後縁８９ａを有する。第２の部分８２は前縁８８ｂ及び後縁８９ｂを有する。第１の部分８１及び第２の部分８２は、第２の部分８２の後縁８９ｂと第１の部分８１の前縁８８ａとにおいて互いに結合されている。

ロータ羽根エレメント部材８０は、変化する空力負荷条件の下で第１の部分８１と第２の部分８２との間の角度を支持するために複数のくさび９０を有する。くさび９０を有するこのような羽根エレメント構成の場合、第２の部分８２の山形部８６の高さが減じられてよいか、又はその代わりに第２の部分８２は山形部８６を備えることなく形成されてよい。

概して、羽根エレメント５０，６０，８０は、羽根エレメント部材として見なすことができるか、又は羽根エレメントの一部として見なすことができる。羽根エレメント部材を製造する一方法の場合、部材は、後で羽根エレメント部材を形成する適切な長さに切断される、成形されたより長い羽根エレメント片から形成されてもよい。

１ 風車、 ２ タワー、 ３ ナセル、 ４ ハブ、 ５ 風車羽根、 ６ 発電機、 ９ 回転軸線、 １２ 先端部、 １３ 根元部、 １４ 肩部、 １５ 翼部分、 １６ 距離、 １９ 前縁、 ２１ 後縁、 ２３ 負圧面、 ２５ 圧力面、 ２７ 凸面状セクション、 ２９ 凹面状セクション、 ５０ 風車ロータ羽根エレメント、 ５１ 第１の部分、 ５２ 第２の部分、 ５３ 後面、 ５４ 上面、 ５５ 後面、 ５６ 上面、 ５７，５８ 角度、 ６０ 風車ロータ羽根エレメント、 ６０ａ，６０ｂ，６０ｃ ロータ羽根エレメント部材、 ６１ 第１の部分、 ６２ 第２の部分、 ６３ 後面、 ６４ 上面、 ６５ 後面、 ６６ 上面、 ６７ｂ 角度、 ６８ 前縁、 ６９ 後縁、 ７０ 平面、 ７６ 山形部、 ７７ 側縁、 ７８ 前縁、 ７９ 移行部分、 ８０ 風車ロータ羽根エレメント、 ８１ 第１の部分、 ８２ 第２の部分、 ８６ 山、 ８８ａ 前縁、 ８９ａ 後縁、 ９０ くさび

Claims (15)

1. 風車ロータ羽根エレメント（５０，６０，８０）であって、互いに結合された第１の部分（５１，６１，８１）及び第２の部分（５２，６２，８２）を有する形式のものにおいて、
   第１の部分（５１，６１，８１）が風車ロータ羽根（５）の表面に対面するための後面（５３，６３）を有し、第２の部分（５２，６２，８２）が、第１の部分（５１，６１，８１）の後面（５３，６３）に対して９０゜〜１８０゜の角度（５７）を成した上面（５６，６６）を有することを特徴とする、風車ロータ羽根エレメント（５０，６０，８０）。
2. 前記第１の部分（５１，６１，８１）が、第２の部分（５２，６２，８２）の上面（５６，６６）に対して９０゜〜１８０゜の角度（５８）を成した上面（５４，６４）を有する、請求項１記載の風車ロータ羽根エレメント（５０，６０，８０）。
3. 前記第２の部分（５２，６２，８２）の上面（５６，６６）が、第１の部分（５１，６１，８１）の後面（５３，６３）又は上面（５４，６４）に対して１１０゜〜１６０゜の角度（５７）を成している、請求項１又は２記載の風車ロータ羽根エレメント（５０，６０，８０）。
4. 前記第１の部分（５１，６１，８１）と前記第２の部分（５２，６２，８２）とが一片の部材として形成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の風車ロータ羽根エレメント（５０，６０，８０）。
5. 前記第１の部分（５１，６１，８１）と前記第２の部分（５２，６２，８２）との間に配置された移行部分（７９）が設けられている、請求項１から４までのいずれか１項記載の風車ロータ羽根エレメント（５０，６０，８０）。
6. 前記第１の部分（５１，６１，８１）と前記第２の部分（５２，６２，８２）とに結合された複数のくさび（９０）が設けられている、請求項１から５までのいずれか１項記載の風車ロータ羽根エレメント（５０，６０，８０）。
7. 前記第２の部分（５２，６２，８２）及び／又は移行部分（７９）が複数の山形部（７６，８６）を有する、請求項１から６までのいずれか１項記載の風車ロータ羽根エレメント（５０，６０，８０）。
8. 前記第１の部分（５１，６１，８１）の後面（５３，６３）が、特定の風車ロータ羽根（５）の表面部分の湾曲に対応する湾曲を有する、請求項１から７までのいずれか１項記載の風車ロータ羽根エレメント（５０，６０，８０）。
9. 風車ロータ羽根エレメント（５０，６０，８０）が複数のロータ羽根エレメント部材を有しており、各ロータ羽根エレメント部材が、前記第１の部分（５１，６１，８１）の一部と、前記第２の部分（５２，６２，８２）の一部とを含む、請求項１から８までのいずれか１項記載の風車ロータ羽根エレメント（５０，６０，８０）。
10. 請求項１から９までのいずれか１項記載の風車ロータ羽根エレメント（５０，６０，８０）を有することを特徴とする風車ロータ羽根（５）。
11. 風車ロータ羽根エレメント（５０，６０，８０）が、第１の部分（５１，６１，８１）の後面（５３，６３）が羽根（５）の表面に対面するように前記羽根（５）に結合されている、請求項１０記載の風車ロータ羽根（５）。
12. 風車ロータ羽根エレメント（５０，６０，８０）が、両面接着テープ及び／又は構造用接着剤及び／又はねじ（７５）及び／又はボルト及びねじ穴によって羽根（５）に結合されている、請求項１１記載の風車ロータ羽根（５）。
13. 風車ロータ羽根エレメント（５０，６０，８０）の第１の部分（５１，６１，８１）の後面（５３，６３）が、風車ロータ羽根エレメント（５０，６０，８０）がロータ羽根（５）に結合されている位置における羽根（５）の表面の湾曲に追従するように湾曲している、請求項１０から１２までのいずれか１項記載の風車ロータ羽根（５）。
14. ロータ羽根（５）が、スパン方向（１１）と、根元部（１３）と、肩部（１４）とを有しており、風車ロータ羽根エレメント（５０，６０，８０）が、前記スパン方向（１１）で根元部（１３）と肩部（１４）との間においてロータ羽根（５）に結合されている、請求項１０から１３までのいずれか１項記載の風車ロータ羽根（５）。
15. ロータ羽根（５）が後縁（２１）を有しており、風車ロータ羽根エレメント（５０，６０，８０）が前記後縁（２１）においてロータ羽根（５）に結合されている、請求項１０から１４までのいずれか１項記載の風車ロータ羽根（５）。

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