JP2012521515A - パワージェネレータ用、なかんずく風力タービン用のロータ - Google Patents

Abstract

流体の流れを利用するパワージェネレータ用ロータであって、なかんずく風力タービンに用いられるものであって、ロータ軸（２）に対して斜に構えたブレード群（４）を含んで構成され、各ブレード（４）は前端すなわち先端（５）から後端に長さ方向に延び且つ半径方向外側に広がり、以って該ロータの回転軸（２）から漸進的に移動するようになっており、その特徴とするところが、該ロータが該ブレード群（４）の斜度の変化を制御するための手段（１４； １５、 １６、 １７）と、各ブレード（４）の斜度の変化を確実なものとし以って該斜度を流体の流速に追従せしめるようにした該制御手段（１４； １５、 １６、 １７）を制御する出力信号を発信することのできるサーボ回路に接続されたところの流体の流速を測定する手段と、を含んで構成されることであるロータ。

Description

本発明は、特に電力を発生させるパワージェネレータ用のロータに関し、特には空気又は水を流体とする流れを利用するものである。本発明はなかんずく風力タービンロータに関する。本発明はまた発電機デヴァイス、特に少なくとも1つのロータに接続された発電機を含んだ風力タービンに適用される。

昨今、環境への配慮、および化石燃料の高騰する価格により、エネルギーを代替する態様、特には風力タービン分野が注目されている。

最も一般的な風力タービン仕様は、風に直交するプロペラのついた水平軸を有しウインドタワーに設置される風力タービンである。

本技術は、しばしば大量の電力を発生させるための大型設備に適用される。

特に、電力を消費する建築物のそばでの発電設備の小型化が提案されている。このことは、ブレード（羽根）が半切頭円錐形（半円錐台形）を有し回転軸に擬似平行に設けられたロータを有した風力発電機を態様とする、風力を利用したパワージェネレータ用の機械を開示する
ＦＲ Ａ ２８７２８６７公報に記載されたデヴァイスの背景である。もっぱら水平回転軸を用いることで、この種のデヴァイスは高性能でコンパクトであるので建築物の屋上等多様な設置場所を選ぶことができる。

しかしながら、この種の発電機のブレードは大規模であるので流体との接触表面積が大で、このことにより変化の激しい風力によってもたらされるストレスに耐えうる構造のサイズ設計において綿密な機械的強度の配慮が重要となる。

ここに紹介する本発明は、ロータの軸に対し斜に構えたブレードを有したロータの技術を改良することを意図している。

US ４１５９１９１公報に、ロータ軸に対して斜に構えた複数の弾力性ブレードを含む流体の流れを利用するパワージェネレータ用のロータが記載されており、この発明では運転中にブレードの斜度を変じることが可能である。より詳細には、ブレードの先端部は円冠に固定され、残部はフリー状態である。こうすることにより、先端部のおかげでブレードは円冠の周りを浮動することが可能であり、該円冠自体はロータの水平軸に固着されている。該円冠により画成されるロータの先端開口部内に巻き込まれる風の勢いに応じて、弾力性ブレードの後方フリー端は該ロータ水平軸から遠ざかったり近づいたりする。したがって、ロータのブレードの斜度が変化するのであるが、このような斜度の変化は斜度の調整であるとはいえない。そのような解決手段は純粋に理論的なものであって、実用性あるものを導き出したとは思えない。性能が十分で、長持ちし且つ静かなロータの運転を実現する風力タービンの構造を設計することは、実に難しいといわざるを得ない。

ＦＲ Ａ ２８７２８６７公報 US ４１５９１９１公報

本発明は、斜構えのブレードを有したタービン機の上記問題への解決を提供する。

特には、本発明は、特に風を流体とする場合著しく変動する流速を調整することが容易となる利点を有している。

これを達成するために、本願明細書において提案されたロータの形態は風の勢いに呼応して変化し、以ってロータの破損を防止して電力発生装置を保護し、よってアセンブリーの構造を最適化し、なかんずく風により負荷される機械ストレスに抗することができるようにしている。本出願人は本願発明を実施することによりロータの重量を下げ且つ十分な機械的強度を維持することができることを提唱する。

その他の課題や利点は、本発明の詳細な態様を記載した明細書において明瞭に述べられており、これら態様は発明を限定するものではない。

最初に述べたように、本発明はロータ軸に対して斜に構えた複数の弾力性ブレードを含む流体の流れを利用するパワージェネレータ用のロータに関するものであり、該ブレードの斜度の変化を制御するための手段を含んで成ることを特徴とする。

好ましいが発明を限定するのでない態様として、本ロータは：

− 前記ブレードの斜度の変化を制御する手段が、該斜度を流体の流れの速さに追従するよう制御されるようにして成り、

− 前記ブレードが略半円錐台形状をしており、

− 前記ブレードの斜度が、ブレードの長さ方向の端縁の成す平面に略垂直な平面に関しての変化であり、

− 本デヴァイスは前記ロータの軸を中心軸とするシャフトと、該シャフトと各ブレードとを接合するための手段と、を含んで成る、

− 前記接合手段は、各ブレード毎に、ブレードの先端近くにおけるヒンヂと、下流方に設けられた少なくとも一つの可動接合子と、を含んで成る、

− 前記変化制御手段は、前記下流方接合子の長さを調節するための手段を含んで成る、

− 前記変化制御手段は、前記接合子の位置を前記シャフトに沿って調節するための手段を含んで成る、

− 前記ブレードの斜度は ０° と ４５°の間を変化する、

− 前記ブレード群の先端縁は、当該ブレードの長さ方向軸に垂直な平面から外方向に２０° − ３０°の角度を成す、

− 前記ブレード群の末端縁は当該ブレードの長さ方向軸に垂直な平面より外方向に２０° − ３０°の角度を成す、ことを特徴とする。

本発明はまた、上記定義によるところの少なくとも一つのロータに結合された発電機を含んで構成される電力発生デヴァイスに関する。
添付した図面は例として提供するものであり、本発明を限定するものではない。これらは単に本発明の実施例を示すものであり、発明の理解を助けるためのものである。

図１は、平均的速度の流体流に適用することができる本発明第１の態様を斜視した図である。 図２は、Ｆ方向から見た図である。 図３は、より強力な流体流の場合の本発明の斜視図。 図４は、Ｅ方向から見た図である。 図５は、本発明によるロータの１つのブレードの２つの異なる斜度を示す説明図である。 図６は、本発明によるロータの１つのブレードの２つの異なる斜度を示す説明図である。 図７は、本発明の概略を示す説明図。 図８は、図７で概略が示された態様と比較するための本発明の別態様を示す説明図である。 図９は、図７で概略が示された態様と比較するための本発明の別態様を示す説明図である。

本書で提示するロータは図示されたように種々の形状から選ばれ、ロータの回転軸２に対して非ゼロ角度の長さ方向を有したブレード群４を含んで構成される。このようにすることで、ブレード群４はロータの軸に関して斜構えに構成される。

各ブレード４はその前端すなわち先端５より末端に長さ方向に伸び且つ半径外方向に伸び、よって回転軸２から次第に遠ざかるようになっている。このように設置されたブレード群の斜度は０°と４５°の間を可変である。

図示例では、ブレード４が３枚設置されているがこれは必須でない。また、図示例では均等間隔で配置され、且つ２０乃至３０°の角度で先端５から末端６にわたって少々捻られた互いに合同な半円錐台キャスティングにより成形されたブレード４が示されている。ブレード群４は回転軸２によって定められる方向に対して、図５と６に示されるＸＹ平面において５ないし１５°の角度で外に振れている。

前記先端５が成す円錐台の底面の直径はブレード長さの０．２５倍程度であり、末端部６が成す円錐台の頂面の直径はブレード長さの０．０８３倍程度である。

シャフト１により規定される軸２のまわりを回動するこれらブレード群４によって構成されるロータは、特に電力発生デヴァイスおいて、なかんずく風力タービンとして活用できる。特に図１と３において示された場合においては、ロータのシャフトは発電機１０に結合され、以って発電を成させしめる。本アセンブリーは鉛直軸上に回転自在に搭載され、以って自動的に風上を向くよう仕向けられている。

図示された態様によるなら、本アセンブリーは、略垂直に立つ支持アーム１２ａ、１２ｂを介してベース７により支持されており、シャフト１はフロントベアリング８とリアベアリング９とにガイドされて回転する。ベース７自体は、風見鶏機能を果たすべく有利な向きに回転するように設置され、以って流体流が風エネルギー型の時、風上に向くよう仕向けられている。

電気ボックス１１はまた前記アセンブリーの制御のために設けられている。本ボックスは必要であればウィンドタービンを上昇されるために用いられるウィンドタワーの基部に取り付けてもいい。

本発明によると、ロータの形状は流体の流速に応じて調整することができる。特に、ブレード群４の斜度は可変であり流速に有利に追従するものである。

ブレード群の斜度の変化は、各ブレードの長さ方向端縁によって画成される平面に略垂直である図５と６に示されたＹＺ平面内でなされるのが好ましい。

また動力学的均衡の理由から、各ブレード４の斜度の変化が一様でかつ同時になされることが好ましい。

この斜度の変化を制御する別個の手段を設けることも可能である。

図に示された態様によると、各ブレード４はシャフト１に結合部材１３によって、特にはピボットヒンジ１８によって結合されている。

このヒンジはネジ切りされた軸を有した器具によって作製することができ、選択的にはブレードに形成された長円形の孔の中を相対移動することができるものとし、これにより、図５と６に示すＸＹ方向に沿って斜度を調整できるようにする。

さらにロータ後部において、シャフト１上に載った結合部材１４は、各々が該結合部材１４を各ブレード４に連結する連結子群１５と協働する。好ましくは、結合部材１４はハブとして作用する。

好ましくは、各連結子の端部は結合部材１４とブレード４の上表面に関してスイベルジョイント方式で非固定結合されている。

概略的に図示したように、ブレード群４の斜度の変化は、連結子１５、１６、１７の長さの変化によって為される。この目的のために各連結子は電動式、空気圧式、あるいは水圧式の制御シリンダーを含んでよい。

選択肢として、結合部材１４をシャフト１に沿って移動可能とし、以って連結子１５、１６、１７の傾きを調整し、その末端部６がシャフト１に近づいたり遠ざかったりするようにしてもよい。

このような制御は手動で行ってもいいが、ブレード群４の斜度を変えることのできる自動手段を備えることが有利であって、これにより回転速度が半一定となる。この目的のために、風力タービンの設計において、流体の流速を測定する手段を、特には電子的風力計を含ませるとよい。このような測定手段は、斜度変化を確実なものにすべく制御手段へ送る出力信号を発生することのできるサーボ回路に接続される。このようなブレード群を操る手段は機械式、電動式、空気圧式あるいは水圧式であってもよい。

みなさんが容易に推察されるように、流速変化が検知されると、強風の場合には斜度を下げるようにロータの形態が調節される。風に対する抵抗を小さくすることにより、ブレード群４は斜度が大きい場合に比べ、受ける機械的ストレスが小さくてすむ。

斜度を０°と４５°の間で調整できるようにしておくことが有利である。

加えて、ブレード群の動作の制御命令を中空回転シャフト２を経由して行うことが有利である。

流体の勢いに係わりなく、流体から最適なエネルギーの収穫ができることに加えて、本発明は斜度を０に近づけることができることによってより安全な運転を可能とする。

シャフト１の風下側端部に、水圧式あるいは機械式の制御機能を備えたディスクブレーキ１９を取り付けることもよい。回転速度が過剰になったときに現状よく起きる止めることのできない機械的振動を予防することができる。半一定回転速度の効果として騒音レベルの低下も観察されている。この速度安定はまたアセンブリーの信頼性をも向上させる。

図８と９とは、ブレードの上流側縁部と下流側縁部の他の態様を示すもので、図９は（Ｘ，Ｙ）平面に展開した場合の外輪郭を示している。

上気した実施例において、平均的風速の場合、斜度は約３０°となるであろう。この角度において、先端縁は、ブレードに垂直で回転軸を通過する線を含む平面に含み、ブレードの先端部において該軸と２５°の角を成す。これによる効果は、ブレードの外延が延長されているのでブレード４の有効表面が約６％だけ増加し、エネルギー効果の向上が見込まれるということである。

１ シャフト
２ ロータ軸
４ ブレード
５ 先端部
６ 末端縁
７ ベース
８ フロントベアリング
９ リアベアリング
１０ 発電機
１１ 電気ボックス
１２ａ、１２ｂ 支持アーム
１３ 結合部材
１４ 結合部材
１５ 連結子
１６ 連結子
１７ 連結子
１８ ピボットヒンジ
１９ ディスクブレーキ

Claims (12)

1. 流体の流れを利用するパワージェネレータ用ロータであって、なかんずく風力タービンに用いられるものであって、ロータ軸（２）に対して斜に構えたブレード群（４）を含んで構成され、各ブレード（４）は前端すなわち先端（５）から後端に長さ方向に延び且つ半径方向外側に広がり、以って該ロータの回転軸（２）から漸進的に移動するようになっており、その特徴とするところが、該ロータが該ブレード群（４）の斜度の変化を制御するための手段（１４； １５、 １６、 １７）と、各ブレード（４）の斜度の変化を確実なものとし以って該斜度を流体の流速に追従せしめるようにした該制御手段（１４； １５、 １６、 １７）を制御する出力信号を発信することのできるサーボ回路に接続されたところの流体の流速を測定する手段と、を含んで構成されることであるロータ。
2. 請求項１に記載された流体の流れを利用するパワージェネレータ用ロータであって、その特徴とするところが、流体の流速を測定する手段が電子的風力計であるロータ。
3. 前記ブレード（４）が略半円錐台形状である、請求項１または請求項２のいずれかに記載されたロータ。
4. 前記ブレード（４）の斜度が、各ブレード（４）の長さ方向端縁部によって画成される平面に略垂直な平面において変化するようにした、請求項３に記載されたロータ。
5. 前記ロータの軸（２）を中心軸とするシャフト（１）と、該シャフト（１）と各ブレード（４）との間にある連結手段と、を含んで構成される、請求項１乃至４のいずれか１項に記載されたローラ。
6. 各ブレード（４）ごとの前記連結手段が、該ブレード（４）の先端部（５）の近傍においてヒンジ（１８）と、また少なくとも１つの変動下流連結子（１５、１６、１７）と、を含んで構成される、請求項５に記載されたロータ。
7. 前記変動手段が前記下流連結子（１５、１６、１７）の長さを調整するための手段を含んで構成される、請求項６に記載されたロータ。
8. 前記変動手段が、前記連結子（１５、１６、１７）の位置を前記シャフト（１）に沿って調整するための手段（１４）を含んで構成される、請求項６に記載されたロータ。
9. 前記ブレード（４）の斜度が ０° と ４５°の間で可変であるようにした、請求項１乃至７のいずれか１項に記載されたロータ。
10. 前記ブレード（４）の先端縁（５）が、該ブレード（４）の長さ方向軸に垂直な平面から外方向に２０°と３０°の間の角度を成すようにした、請求項１乃至９のいずれか１項に記載されたロータ。
11. 前記ブレード（４）の末端縁（６）が、該ブレード（４）の長さ方向軸に垂直な平面より外方向に２０°と３０°の間の角度を成すようにした、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載されたロータ。
12. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載された少なくとも一つのロータに結合された発電機（１０）を含んで構成される電力発生デヴァイス、特には風力タービン。
    

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