JP2015504136A - タービン用のロータ羽根 - Google Patents

Abstract

【課題】
容易にハブに固定することができ、その輪郭部がエネルギー生産に適合され得るロータ羽根を提供すること。
【解決手段】
タービン用のロータ羽根において、該ロータ羽根１が、中空室１０と、その下端部において少なくとも２つのリブ３２，３２’とを備えている。また、タービンロータのハブ４との結合のためのジャーナル２が設けられており、該ジャーナルが前記リブ３２，３２’に固結されている。さらに、前記ジャーナル２は、係合式及び／又は嵌合式に前記リブ３２，３２’に結合されている。

Description

本発明は、タービン用のロータ羽根に関するものである。このようなタービンは、とりわけ風力タービン、海水流タービン、潮流タービンであり得る。

ロータ羽根は、その基部範囲において、すなわちタービンハブへの取付時に、非常に大きな曲げモーメントにさらされ、これにより、必要な強度を保証するためにも、非常に大きく、かつ、高価なフランジ結合部が必要となる。このようなフランジ結合部は、例えば特許文献１又は特許文献２に開示されている。したがって、羽根の輪郭もこのような幾何学的な寸法に合わせられる必要があり、エネルギー生産について最適化され得ない。また、例えば特許文献３の船舶用プロペラのような、ハブに鋳つけられるか、あるいは溶接されたブレードあるいは羽根も存在する。

国際公開第２０１０／０８４３２０号 国際公開第２０１１／０７７４５４号 米国特許第３３１０１１６号明細書

本発明の目的とするところは、容易にハブに固定することができ、その輪郭部がエネルギー生産に適合され得るロータ羽根を提供することにある。

したがって、本発明は、ロータ羽根が、中空室と、その下端部において少なくとも２つのリブとを備えていることを特徴としている。これにより、下端部の直径が小さい場合でもロータ羽根が十分に安定し、ロータ羽根の全長のエネルギー生産のための割り当て分を本質的に大きくすることが可能である。

本発明の好ましい発展形成は、タービンロータのハブとの結合のためのジャーナルが設けられており、該ジャーナルが前記リブに固結されていることを特徴としており、このとき、この結合が係合式及び／又は嵌合式であり得る。ジャーナルとロータ羽根のこの固結によって、曲げモーメントのほか、ねじりモーメントも良好に伝達され得る。

本発明の好都合な形態は、当該ロータ羽根が鋼製であることを特徴としている。これにより、羽根を本質的により小さく形成することが可能である。このとき、この羽根は、鋼板を溶接したものであってもよく、羽根の基部は、場合によっては鋳鉄であってもよい。

本発明の好都合な発展形成は、前記ジャーナルが、軸方向に配置された少なくとも１つのボルトによって少なくとも１つの前記リブに結合されていることを特徴としており、、このジャーナルは、径方向に配置された少なくとも１つのボルトあるいはピンによって少なくとも１つの前記リブに結合されることも可能である。

本発明の代替的な形態は、前記ジャーナルが、少なくとも１つの円すい部又は段部を備えているとともに、この円すい部又は段部によって１つの前記リブに嵌合式に結合されていることを特徴としており、このとき、前記ジャーナルが１つの別の円すい部又は段部を備えることができ、該別の円すい部が第１の円すい部に対して逆方向の傾斜を備えている。これにより、羽根に作用する力を合理的にジャーナルへ、つづいてハブへと伝達することが可能である。

好ましくは前記別の円すい部に係合式に結合可能なホルダリングが設けられていれば、羽根を容易に固定し、力を伝達することが可能である。

本発明による発展形態は、少なくとも１つの前記リブに結合されたテンションロッドが設けられていることを特徴としている。したがって、容易に固定装置を予備取付することができ、これにより、現場における取付時間の短縮につながる。

前記ジャーナルが前記テンションロッドの付勢によって少なくとも２つの前記リブに嵌合式に結合されていれば、特に合理的である。

これに代えて、前記ジャーナルは、少なくとも２つの前記リブで係合式に締結されるとともに、締付リングによって係合式及び嵌合式に固定保持されることが可能である。

本発明は、上述の構成を有する、少なくとも２つ、好ましくは３つのロータ羽根を有するタービン、特に潮流タービンに関するものでもある。特に潮流タービンについては安定的なロータ羽根が必要であり、本発明によるロータ羽根は、非常に小さな空間での良好なエネルギー変換の利点を有している。なお、より多くの羽根を設けることが可能である。特に、鋼製の構成により、潮流タービン又は河川流タービンについてのコンパクトかつ安定した構成が可能となる。

本発明によるタービンについての配置を示す図である。 軸への羽根の接続を示す図である。 ジャーナル−羽根の結合についての本発明の第１のバリエーションを示す図である。 ジャーナル−羽根の結合についての別のバリエーションを示す図である。 ジャーナル−羽根の結合についての本発明の別のバリエーションを示す図である。 図５におけるバリエーションに基づくジャーナルの取付を示す図である。 図５におけるバリエーションに基づくジャーナルの取付を示す図である。 図５におけるバリエーションに基づくジャーナルの取付を示す図である。 図６ａ、図６ｂ及び図６ｃに基づく実施のの１つのバリエーションを示す図である。 ジャーナル−羽根の結合についての本発明の別のバリエーションを示す図である。

図１には、例えば潮流によるエネルギーの利用のために使用されるタービンについての配置が示されている。このタービンは例えば３つのロータ羽根１を有しており、このロータ羽は、ハブ４を介して軸５に結合されている。なお、２つ、４つ又はそれより多くの羽根を設けることも可能である。

図２には、ロータ羽根１の軸５への結合が示されている。このとき、ロータ羽根１のジャーナル２は、軸受又はその他の固定部３を介して、軸に固結されたハブ４に固定されている。このとき、最適なエネルギー生産のためにロータ羽根１を流れへ回転させることができる装置を設けることが可能である。

図３には、ジャーナル２のロータ羽根１との結合の本発明によるバリエーションが示されている。ロータ羽根１の下端部３１には、中空室１０内においてリブ３２，３２’として形成された力伝達要素が配置されている。ジャーナル２は、下側のリブ３２におけるぴったりと適合する開口部３３を通してロータ羽根１の下端部３１へ挿入され、ジャーナルが凹部３４へ挿入される上側のリブ３２’まで達している。下側のリブ３２と上側のリブ３２’の間には別の複数のリブを配置することが可能であり、これら別のリブは、それぞれ開口部３３と同様な開口部を備えている。ジャーナル２は更にストッパ３５を備えており、このストッパは、ジャーナル２が完全に凹部３４へ収容されるとすぐに外側において下側のリブ３２に到達する。ロータ羽根１の下端部３１における開口部３６を通してボルト３７が挿入され、ジャーナル２の軸線において固定される。例えばボルト円状に配置された、軸方向に配置された複数のボルトを使用することも可能である。これにより、下側のリブ３２と上側のリブ３２’が互いに固定され、生じる力、特にねじり力も良好に伝達することが可能である。

図４にはロータ羽根１の図３と同様な配置が示されており、ここで、ロータ羽根１の下端部４１では、中空室１０において、リブ４２，４２’として形成された複数の力伝達要素が配置されている。ジャーナル２は、下側のリブ４２におけるぴったりと適合する開口部４３を通してロータ羽根１の下端部４１へ挿入される。下側のリブ４２と上側のリブ４２’の間には、ここでも別の複数のリブを設けることが可能であり、これらリブは、それぞれ開口部４３と同様の開口部を備えている。ジャーナル２は更にストッパ４５を備えており、このストッパは、ジャーナル２が上側のリブ４２’における開口部４４を通して延出されるとすぐに外側において下側のリブ４２に到達する。ロータ羽根１の下端部４１における周囲において分配された１つ又は複数の穴４６を通して止めネジ４７が挿入され、ジャーナル２に螺着される。もちろん、複数の止めネジ４７を周囲に分配して設けることも可能である。これにより、曲げモーメント及びねじりモーメントが良好に伝達され得る。

図５には、ロータ羽根１へのジャーナル２の結合の本発明による別のバリエーションが示されている。ここでも、ロータ羽根１の下端部５１における中空室１０にはリブ５２，５２’として形成された力伝達要素が配置されており、別の複数のリブも設けることが可能である。ジャーナル２は、ここでは円すい状の２つの範囲５６及び５８を備えている。このとき、ジャーナル２の上側の範囲５６は、上側のリブ５２’の、同様に円すい状に構成された開口部５４へぴったりと適合する。ジャーナル２の円すい状の下側の範囲５８はここでは同様に円すい状に構成されたホルダリング５５において適合されているとともに、このホルダリングは下側のリブ５２の開口部５３へはめ込まれており、ここで、取付を容易にするために、ホルダリング５５と開口部５３の間に分離隙間を設けることができる。テンションロッド５７を介してホルダリング５５が上側のリブ５２’へ付勢される。好ましくは、ジャーナル２の円すい状の上側の範囲５６は平坦な角度を備えており、その結果、この範囲は、セルフロッキング式であり、生じるねじりモーメント及び軸方向力を吸収することができる。円すい状の、ジャーナル２の下側の範囲５８は、好ましくは急な角度を備えており、そのため、取外しが容易となる。固定のこのバリエーションにおいては、ジャーナルの安価な製造が可能であり、例えばキー溝又は横方向穴による脆弱なノッチ部が存在しない。ロータ羽根１への力の作用は、少なくとも２つのリブ５２，５２’によって好都合に行うことができ、これにより、スリムなブレード（羽根）構造を得ることが可能である。

図６ａ、図６ｂ及び図６ｃには、図５に基づくジャーナル２及びロータ羽根１の本発明による結合のための取付過程が示されている。円すい状の上側の範囲６６及び円すい状の下側の範囲６８を有するジャーナル２上に、まず、一部材のホルダリング６５が押し込まれ、つづいて、ジャーナル軸受３が取り付けられる（図６ａ）。他方の側には複数のテンションロッド６７がロータ羽根１の上側のリブ６２’において取り付けられる。つづいて、ホルダリング６５に予備取付されたジャーナル２がリブ６２における開口部６３を通して、このジャーナルがその円すい状の上側の範囲６６において上側のリブ６２’の開口部６４へ、中九室１０へ向けて係合するまで挿入される（図６ｂ）。次に、ホルダリング６５が、このホルダリングが開口部６３において下側のリブ６２に係合し、ジャーナル２の円すい状の下側の範囲６８に当接するまで押し込まれる。つづいて、ホルダリング６５がナット６９を介してテンションロッド６７に螺着され、これにより、ジャーナル２の円すい状の両範囲６６，６８が、隙間のない力伝達が達成されるよう、下側のリブ６２及び上側のリブ６２’によって付勢される（図６ｃ）。

図６ｄには図６ａ、図６ｂ及び図６ｃに基づく構成の１つの変形が示されている。円すい状の上側あるいは下側の範囲の代わりに、ここではそれぞれ段部６６’あるいは６８’、すなわち段が設けられており、ジャーナルは、両段部６６’，６８’間で残りのジャーナル軸よりも大きな直径を有しているとともに、テンションロッド６７による付勢によって羽根１のリブ６２，６２’に嵌合式に結合されている。

図７にはジャーナル２のロータ羽根１との本発明による結合の他のバリエーションが示されており、ここで、ロータ羽根の下端部７１にはここでも２つのリブ７２，７２’が示されている。なお、より多くのリブを設けることも可能である。ここでは、下側のリブ７２が１つのフランジ部７６を備えており、このフランジ部は、ジャーナル２のために１つの開口部７３を形成するものである。さらに、ジャーナル２のストッパ７５もフランジ状の縁部を備えている。両フランジ部の周囲には締付リング７７が取り付けられており、この締付リングは、一部材であるが、二部材で構成されることも可能である。これにより、ジャーナル２も、このジャーナルが発生するねじり力及び軸方向力を良好に吸収することができるようにロータ羽根１に結合される。

本発明は、タービン用のロータ羽根であって、該ロータ羽根（１）が中空室（１０）を備えている前記ロータ羽根に関するものである。このようなタービンは、とりわけ風力タービン、海水流タービン、潮流タービンであり得る。

ロータ羽根は、その基部範囲において、すなわちタービンハブへの取付時に、非常に大きな曲げモーメントにさらされ、これにより、必要な強度を保証するためにも、非常に大きく、かつ、高価なフランジ結合部が必要となる。このようなフランジ結合部は、例えば特許文献１又は特許文献２に開示されている。したがって、羽根の輪郭もこのような幾何学的な寸法に合わせられる必要があり、エネルギー生産について最適化され得ない。また、例えば特許文献３の船舶用プロペラのような、ハブに鋳つけられるか、あるいは溶接されたブレードあるいは羽根も存在する。さらに、特許文献４には中空室を有するタービン羽根が開示されており、このタービン羽根は、２つの羽根半部で構成されているとともに、１つの半部がウェブ又はリブを備えている。ジャーナルのリブとの結合はなされていない。

国際公開第２０１０／０８４３２０号 国際公開第２０１１／０７７４５４号 米国特許第３３１０１１６号明細書 国際公開第０２／４２６３８号

したがって、本発明は、ロータ羽根が、中空室と、その下端部において少なくとも２つのリブとを備えており、タービンロータのハブとの結合のためのジャーナルが設けられており、前記ジャーナルが、下側の前記リブにおけるびったりと適合する開口部を通して前記ロータ羽根の下端部へ挿入されるとともに、上側の前記リブまで到達し、そこで１つの凹部へ挿入されるとともに、前記リブに係合式及び／又は嵌合式に結合されており、前記ジャーナルが、少なくとも１つの円すい部又は段部を備えているとともに、この円すい部又は段部によって１つの前記リブに嵌合式に結合されていることを特徴としている。これにより、下端部の直径が小さい場合でもロータ羽根が十分に安定し、ロータ羽根の全長のエネルギー生産のための割り当て分を本質的に大きくすることが可能である。

ジャーナルとロータ羽根の固結によって、曲げモーメントのほか、ねじりモーメントも良好に伝達され得る。

本発明の代替的な形態は、前記ジャーナルが１つの別の円すい部又は段部を備えており、該別の円すい部が第１の円すい部に対して逆方向の傾斜を備えている。これにより、羽根に作用する力を合理的にジャーナルへ、つづいてハブへと伝達することが可能である。

Claims (13)

1. タービン用のロータ羽根において、
   該ロータ羽根（１）が、中空室（１０）と、その下端部において少なくとも２つのリブ（３２，３２’，４２，４２’，５２，５２’，６２，６２’，７２，７２’）とを備えていることを特徴とするロータ羽根。
2. タービンロータのハブ（４）との結合のためのジャーナル（２）が設けられており、該ジャーナルが前記リブ（３２，３２’，４２，４２’，５２，５２’，６２，６２’，７２，７２’）に固結されていることを特徴とする請求項１記載のロータ羽根。
3. 前記ジャーナル（２）が、係合式及び／又は嵌合式に前記リブ（３２，３２’，４２，４２’，５２，５２’，６２，６２’，７２，７２’）に結合されていることを特徴とする請求項２記載のロータ羽根。
4. 当該ロータ羽根（１）が鋼製であることを特徴とする請求項１又は２記載のロータ羽根。
5. 前記ジャーナル（２）が、軸方向に配置された少なくとも１つのボルト（３７）によって少なくとも１つの前記リブ（３２’）に結合されていることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載のロータ羽根。
6. 前記ジャーナル（２）が、径方向に配置された少なくとも１つのボルトあるいはピン（４７）によって少なくとも１つの前記リブ（４２’）に結合されていることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載のロータ羽根。
7. 前記ジャーナル（２）が、少なくとも１つの円すい部（５６，６６）又は段部（６６’）を備えているとともに、この円すい部又は段部によって１つの前記リブ（５２’，６２’）に嵌合式に結合されていることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載のロータ羽根。
8. 前記ジャーナル（２）が１つの別の円すい部（５８，６８）又は段部（６８’）を備えており、該別の円すい部（５８，６８）が前記第１の円すい部（５６，６６）に対して逆方向の傾斜を備えていることを特徴とする請求項７記載のロータ羽根。
9. ホルダリング（５５，６５）が設けられており、該ホルダリングが前記別の円すい部（５８，６８）に係合式に結合可能であることを特徴とする請求項８記載のロータ羽根。
10. 少なくとも１つの前記リブ（５２’，６２’）に結合されたテンションロッド（５７，６７）が設けられていることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載のロータ羽根。
11. 前記ジャーナル（２）が前記テンションロッド（５７，６７）の付勢によって少なくとも２つの前記リブ（５２，５２’，６２，６２’）に嵌合式に結合されていることを特徴とする請求項１０記載のロータ羽根。
12. 前記ジャーナル（２）が、少なくとも２つの前記リブ（７２，７２’）で係合式に締結されるとともに、締付リング（７７）によって係合式及び嵌合式に固定保持されることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載のロータ羽根。
13. タービン、特に潮流タービンにおいて、
    当該タービンが請求項１〜１２のいずれか１項に記載の、少なくとも２つ、好ましくは３つのロータ羽根（１）を備えていることを特徴とするタービン。

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