JP2019143615A - タービンのためのアーチ状リブ - Google Patents

Abstract

【課題】潜在的な健康上の問題を生じさせず、地元の鳥個体群に悪影響を及ぼさない、線形発電ステーションに結合可能な風力タービンを提供する。【解決手段】少なくとも２つの翼２ａ、２ｂを有するロータ１は、軸方向に離間した間隔を有し、且つタービンのシャフト５に堅固に接続する複数の細長いアーチ状支持リブ４を含む。アーチ状支持リブは、シャフトに対して横方向に配置され、翼の内面全体に接続するための合わせ面を提供する。リブを形成する方法がさらに含まれる。【選択図】図１

Description

本発明は、流体作動式タービンに関する。より詳細には、本発明は、線形発電ステーションに一体化された流体作動式タービンのためのアーチ状リブ設計に関する。

既知の風力タービンは、典型的には、プロペラ駆動航空機のプロペラのように、半径方向に取り付けられた複数のブレードに結合された回転可能な中央ハブを有する。このようなブレードは、ハブとほぼ垂直な円弧内を移動する。ブレードは、所望の電力量を生成するのに十分な速度で回転する。

従来技術に頻繁に見られる設計のタービンには多くの欠点がある。発電要件を満たすために、ブレードの先端速度を比較的速くすることになる。先端速度を速くすると、健康上の問題との関連が指摘されている望ましくないノイズが発生する。

上述の風力タービンは、さらに全方向性ではない。そのような風力タービンは、通常、支持マスト上でハブおよびプロペラを水平に回転させることによって、卓越風を整え、卓越風のエネルギーを捕捉する。このようなタービンの運転に必要な空間の容積は、少なくとも垂直方向と水平方向の両方におけるブレード先端間距離である。これは、特に居住区域での使用にとっては、相当かつ望ましくないほど大きな容積である。ハブに対するブレードの半径方向の配置は、かなりの容積が風力タービン専用であることを必要とする。非垂直型（またはプロペラ型）の風力タービンを人間が占有する建物に統合しようとすると、そのような専用の容積は非垂直型風力タービンの有用性を低下させ、建物設計に悪影響を与える。

また、電力を発生するための風力タービン構造の使用は、国際公開第８１／０１４４３号、カナダ特許第１，２３６，０３０号明細書、および米国特許第８，０８７，８９７号明細書に開示されており、これらは、ここに本明細書の一部を構成するものとして援用されている。そのような従来技術のデバイスは、
−基部、
−基部に旋回可能に接続されたフレーム、
−外縁および内縁、ならびに、湾曲した、例えば半円形の断面を有する一対の細長い羽根または翼であって、羽根の凹面が互いに部分的に重なり合って、羽根の内縁間の軸方向通路を画定するように、幾何学的軸線を中心として軸方向に対称に配置されており、羽根は互いに対してねじ形状にねじられている、一対の細長い羽根または翼を備えるロータ、
−ロータの少なくとも一端をフレームに旋回可能に接続する長手方向要素、
−各羽根の外縁を他の羽根の内縁と軸方向に間隔を空けて堅固に相互接続する複数の細長い、概して翼状のリブであって、上記リブは、幾何学的軸線に対して実質的に垂直関係に配置され、リブの断面は、幾何学的軸線の同一の方向において凸状である、リブ、を備える。

従来技術のロータは、翼とリブとの間の限られた部分での接続しか許容していない。したがって、翼は、接続点において局部的な応力を受ける。従来の「フラットバーリブ」設計では、翼によって引き起こされる力は、リブの両端に関してのみ分割される。

したがって、業界において、その回転によって潜在的な健康上の問題を生じさせず、且つ地元の鳥個体群に悪影響を及ぼさない、線形発電ステーションに結合可能な、比較的静かな風力タービンが必要とされている。さらに、その回転を行うために卓越流体流に整える必要がない線形発電ステーションにおける全方向性風力タービンが必要とされている。さらに、翼をより効率的にロータに接続するために改良されたリブ設計が必要とされている。

国際公開第８１／０１４４３号 カナダ特許第１，２３６，０３０号明細書 米国特許第８，０８７，８９７号明細書

本発明は、離間したアーチ形状の支持リブを有し、バランス質量体および接続質量体を含む上記のタイプのロータであって、ロータ内で特に有利なバランス条件が達成される、ロータを提供する。

タービンは、すべての風速において風の中の運動エネルギーの変換を最大にするように設計されている。２ｍ／ｓ程度の低い風速、および６０ｍ／ｓ程度の高い風速から電気を生成することができる。風が常にタービン翼に対して直角であるため、本発明の二重螺旋形状に起因して、乱れた風からのエネルギーも利用される。

タービンは、主に１２Ｖ、２４Ｖまたは４８ＶバッテリのＤＣバッテリバンクを充電する目的で使用される。蓄積されたエネルギーは、その後、ＤＣ機器、照明、信号、および、グリッド接続された代替手段を有するか、または、有しないシステムに電力を供給するのに使用することができる。さらに、本発明は、この種のタービンのサイズを公共グリッド向けの電力を生成するための非常に大きなＡＣ発電タービンに増大させることを容易にするように、翼の締結を改善する。

本発明によるロータは、主に、各羽根または翼に、軸方向に離間した間隔で堅固に相互接続する、複数の細長い、概ねアーチ状支持リブによって特徴付けられる。アーチ状リブは、シャフトに対して横方向に配置することができる。上記リブは、幾何学的軸線に対して実質的に垂直な関係で配置される。アーチ状リブの断面は、幾何学的軸線と同一の方向に凸状であってもよい。リブは、遠位端にある接続ボスと、中間バランス質量体とを有していてもよい。

本発明は、タービンの翼をタービンシャフトに堅固にかつ安全に接続または締結する改良された固定方法が実施されるロータである。米国特許第８，０８７，８９７号明細書および国際公開第８１／０１４４３号に開示されているような初期の締結では、翼は締結部またはリブの端部および締結の中間点からのみ締結されている。本発明において、この新規のタイプの締結は、翼材料をその半径方向全体に沿って締結することを可能にする。

締結部またはリブは、一般に、ロータシャフトに接続するためのハブと、ハブから遠位方向に延びる、対向するリブとを含む。アーチ状リブは湾曲した翼の形状に従うように注意深く設計された弓、曲線、または弧の形状に作成されている。この同じ形状は、弓、曲線、または弧の間で共有され、翼自体は、翼材料を締結部曲線の全面にわたって取り付けることを可能にする。

従来の「フラットバーリブ」設計では、翼によって引き起こされる力は、リブの両端に関してのみ分割される。本発明では、この力は、締結部またはリブの合わせ面全体の周りに拡散される。翼が半径方向に固定されると、新規の本発明はシャフトに関連する翼の堅固さを増加させる。新規のタイプの締結部は、翼が翼の縁部においてのみ接続されている「フラットバーリブ」の旧式のリブよりも、より効率的にシャフトにそれらの力を伝える。

本発明では、湾曲したリブを、締結部曲線の全長に沿って、例えば接着剤および／または１０〜１００ｐｃ以上のねじによって翼に取り付けることができる。この新規の締結タイプおよび方法は、翼が半径方向において２本または４本のネジのみで締結される初期の締結モデルおよび方法よりもはるかに強力である。

本発明は、少なくとも２つの羽根または翼、および軸方向に離間した間隔で、第１の羽根の外縁を他の羽根の内縁と堅固に相互接続する複数の細長い支持リブを含むロータである。アーチ状リブは、内縁に沿った他の点で羽根の翼に接続されてもよい。アーチ状リブは、中央ハブに接続ボスを有していてもよい。バランス質量体は、アーチ状リブの近位端と遠位端との中間に位置決めされてもよい。

本発明は、翼を有し、シャフトに沿って軸方向に離間した間隔をおいて、堅固に相互接続する複数のアーチ状支持リブを含むロータであり、各アーチ型支持リブは、ハブと弓形ウィングとを含み、ハブは、シャフトに接続するための接続ボスを画定する。弓形ウィングは、湾曲アームと取り付けアームとを含む。翼は、湾曲アームの外周に沿って取り付けられる。翼は、翼およびリブに使用される材料のタイプに応じて、任意の妥当な方法で湾曲アームの外周に接着、ねじ止めまたは接続される。接続ボスは、ねじ穴を含んでもよい。好ましい実施形態では、ロータは少なくとも２つの翼を含む。

本発明は、翼をロータに取り付ける方法も含む。この方法は、リブアセンブリをシャフトに対して横方向に接続することを含む。リブアセンブリは、シャフトと係合するための開口を画定する中央ハブと、ハブから半径方向に延びるリブアームと、リブアームの遠位端部をハブに接続し、翼の内面をリブアーチ状アームの合わせ面に締結するリブアーチ状ウィングとを有する。翼をリブに締結することは、接着剤、ねじまたは使用される材料に適した他の締結技法による。リブアセンブリは、中央ハブから遠位方向に延びる、対向するリブアームをさらに含むことができる。

本発明の１つの利点は、リブアームが、リブアーチ状ウィングを形成する材料および中央ハブとは異なる材料から作成され得ることである。

本発明によるロータを、添付の図面を参照してより詳細に検討する。

風力タービンの立面図である。 本発明の締結部を示す風力タービンの斜視図である。 本発明のリブの斜視図である。 タービンのための締結リブの代替実施形態の上面斜視図である。 図４に示された締結リブの上面平面図である。 図４に示された締結リブの正面側立面図である。 図４に示された締結リブの底面平面図である。 図４に示された締結リブの背面側立面図である。 図４に示された締結リブの左側立面図である。 図４に示された締結リブの右側立面図である。

本発明のロータが、図１に全体的に示されている。本発明によるロータ１は、湾曲した、好ましくは半円形の断面を有する一対の細長い羽根または翼２ａ、２ｂを含む。本出願においては、羽根および翼は、締結部およびリブのように互換的に使用される。

羽根２ａ、２ｂは、羽根２ａ、２ｂの凹面が部分的に互いに重なり合うように、対称に、長手方向の幾何学的軸線５（図１参照）の周りに軸方向に配置される。これにより、軸方向通路が羽根２ａ、２ｂの内縁間に画定される。羽根２ａ、２ｂは、実質的に１８０°だけ互いに対してねじ状にねじられている。ロータ１の長さは、その直径の少なくとも４倍であることが好ましい。

長手方向シャフト３が、少なくとも一端において支持フレーム５０に回転可能に接続されている。シャフト３は、軸線５と同心である。上述したように、接続部は旋回可能であってもよい。この場合、ロータ１を支持フレームに対して第１の軸方向に弾性的に保持するが、ロータ１に作用する風の強さに応じてロータ１が旋回することを可能にする手段が設けられている。

複数の細長い、概してアーチ状の支持リブ４は、好ましくは軸方向に等間隔を有して、それぞれの羽根２ａ、２ｂの内面を堅固に相互接続する。図１に示すように、羽根２ａ、２ｂは、シャフト３の周りに巻き付いている。支持リブ４は、シャフト３を横切るか、または９０度より大きいかまたは小さい角度にあり得る。

上記リブ４は、長手方向軸線５に対して実質的に垂直な関係で配置され、それらの断面は、垂直に取り付けられたロータ１に対して上方向に凸状である。シャフト３は、図１の場合のように、ロータ１の軸方向全長にわたって延びていてもよい。

ロータ１のアーチ状リブが、図１および図３において全体的に４で示されている。アーチ状リブ４は、２つの主要な部分構成要素、すなわちハブ１０およびブレード３０から形成される。

リブ４のハブ１０は、ハブ本体１２を含む。軸方向ボア１４が、ハブ本体１２内に画定される。軸方向ボア１４は、ロータ１の長手方向軸線５と同軸に画定されている。

一対のねじ穴１８がハブ本体１２を貫通し、軸方向ボア１４と交差する。リブ４がシャフト３上に配置されると、ボルト（図示せず）をそれぞれのねじ穴１８内にねじ式に配置してもよく、それぞれのボルトの端部がシャフト３の外縁を圧迫して、リブ４をシャフト３に堅固に結合する。

一対の対向する羽根内縁支持体２０が、好ましくは、ハブ本体１２と一体的に形成されている。羽根内縁支持体２０の各々は、傾斜支持面２１を含む。ブラインドねじ穴２２が、各支持面２１において始まり、それぞれの羽根内縁支持体２０の内側に延びる。

選択可能なバランス質量体２４を、羽根内縁支持体２０と一体的に形成してもよい。選択可能なバランス質量体２４は、ハブ本体１２から半径方向に延びることが好ましい。図３に示すように、選択可能なバランス質量体２４は、内側縁２６および外側縁２８を有する。内側縁２６と外側縁２８との間の距離は、選択可能なバランス質量体２４の質量に適切に影響を与えるように、所望に応じて変更してもよい。例えば、バランス質量体２４の外縁２９を変化させること、および、所望のより大きいまたはより小さい質量を有する材料からバランス質量体２４を形成することなどの、他の既知の手段を利用して、そのような質量に影響を与えてもよい。

ブレード３０は、ハブ１０から半径方向外側に延び、ブレード３０の近位端３２において選択可能なバランス質量体２４に結合される。結合ボス３６がブレード３０の遠位端３４に形成されている。結合ボス３６は、内部に画定されたブラインドねじ穴３８を有する羽根外縁支持面４２を呈する。

ブレード３０は、対向する弓形ウィング３９および４０を含んでもよい。弓形ウィング３９および４０は、内縁支持部２０に近似する第１の端部４１と、遠位端３４に近接する羽根外縁支持面４２の第２の端部とでリブ４に接続してもよい。弓形ウィング３９および４０は、単一部品であってもよく、または複数のセグメントから構成されてもよい。弓形ウィング３９および４０は、翼または羽根に接続するための追加の表面積を有していてもよい。弓形ウィング３９および４０は、平坦であるかまたは翼を取り付けるための接続部を含むことが可能な外面４３を有する。内側領域４４が、ブレード３０ならびに弓形ウィング３９および４０によって画定される。内側領域４４はオープンであってもよく、または他の支持構造体で充填されていてもよい。

リブ４は好ましくは金属製である。一方、羽根２ａ、２ｂは金属またはプラスチック製であり得る。他の材料の組み合わせを使用してもよく、または、リブと羽根とを同じ材料から作製してもよい。

ハブ１０の選択可能なバランス質量体２４は、ロータ１の回転質量を適切に平衡させるように選択される。このような平衡は、ロータ１により経験されることになる既知の範囲の回転速度について、シャフト３、羽根２、およびリブ４自体の質量の影響を考慮に入れる。さらに、選択可能なバランス質量体２４の質量は、ロータ１の共振周波数が、ロータ１により経験されることになる回転速度の範囲より下または上にあるように選択される。ロータ１の固有振動数近傍でのロータ１の動作を回避することは、ロータ１内の潜在的に破壊的な共鳴を最小にするために重要である。

図２および図４〜図１０は、リブまたは締結部１００の代替実施形態を示す。アーチ状リブ１００は、ハブ開口１２２を介してシャフト３上に配置される。ボルト（図示せず）をそれぞれのねじ穴内にねじ式に配置してもよく、それぞれのボルトの端部がシャフト３の外縁を圧迫して、リブ１００をシャフト３に堅固に結合する。

リブ１００は、好ましくは、ハブ本体１１２と一体的に形成されている、一対の対向する羽根内縁支持体１２０を含む。選択可能なバランス質量体（図示せず）を、羽根内縁支持体１２０と一体的に形成してもよいし、または、独立して取り付けてもよい。選択可能なバランス質量体は、ハブ本体１１２から半径方向に延びることが好ましい。例えば、バランス質量体の外縁を変化させること、および、所望のより大きいまたはより小さい質量を有する材料からバランス質量体を形成することなどの、他の既知の手段を利用して、そのような質量に影響を与えてもよい。

リブ１００は、ハブ１１２から半径方向外側に延びるリブアーム１３０を含む。リブアーム１３０は、対向するアーチ状ウィング１３９および１４０を含んでもよい。アーチ状ウィング１３９および１４０は、内縁支持部１２０に近似する第１の端部１３５と、遠位端１３４に近接する第２の端部とでリブ１００に接続する。アーチ状ウィング１３９および１４０は、単一部品であってもよく、または複数のセグメントから構成されてもよい。アーチ状ウィング１３９および１４０は、翼または羽根に接続するための追加の表面積を有していてもよい。アーチ状ウィング１３９および１４０は、平坦であるかまたは翼を取り付けるための接続部を含むことが可能な外面１４１を有する。ウィング開口部１４２が、リブアーム１３０ならびに弓形ウィング１３９および１４０によって画定される。ウィング開口部１４２は、オープンであってもよく、または他の支持構造体で充填されてもよい、リブ１００の内側領域である。リブアーム１３０はまた、傾斜した内面１４３および傾斜した外面１４４を含んでもよい。リブアーム内面１４３およびリブアーム外面１４４は、リブの空気力学的側面を増加させるための斜角、傾斜または曲率を有していてもよい。同様に、リブアーム１４０は、凹状または湾曲した断面を有していてもよい。

図２に示すように、個々のリブ１００を、シャフト３上に配置してもよい。その後、羽根２ａ、２ｂを、個々のリブ１００に結合してもよい。羽根２ａの内側縁は、リブ１３９および１４０の外面１４１に結合される。翼は、単一部品ではなく、ストリップまたはスラットから構成されていてもよい。ストリップまたはスラットは、水平または垂直のいずれかの方向、または０〜９０度の角度の間の任意の方向にある。

本発明は、様々な改変および代替形態に修正可能であるが、それらの詳細は、例として図面に示されており、詳細に記載される。しかしながら、本発明を記載した特定の実施形態に限定する意図はないことを理解されたい。逆に、その意図するところは、すべての改変、等価物、および代替形態を包含することである。

Claims (14)

1. 少なくとも２つの翼、および
   シャフトに沿って軸方向に離間した間隔で、堅固に接続する複数のアーチ状支持リブ、
   を備え、
   前記複数のアーチ状支持リブのそれぞれは、ハブと、アーチ状リブアームと、を含み、前記ハブは、前記シャフトに接続するための接続ボスを画定し、
   前記翼は、前記アーチ状リブアームに接続されている、ロータ。
2. 前記アーチ状リブアームは、アーチ状ウィングと、取り付けアームと、を含む、請求項１に記載のロータ。
3. 前記翼は、前記アーチ状ウィングの外周に沿って取り付けられている、請求項２に記載のロータ。
4. 前記取り付けアームは、傾斜面を含む、請求項２に記載のロータ。
5. 前記アーチ状ウィングおよび前記取り付けアームは、ウィング開口部を画定する、請求項２に記載のロータ。
6. 前記ウィング開口部に、交差支持構造体を有する、請求項５に記載のロータ。
7. 前記翼は、前記アーチ状ウィングの前記外周に接着またはねじ止めされている、請求項３に記載のロータ。
8. 前記接続ボスは、その内部に画定されたねじ穴を含む、請求項１に記載のロータ。
9. 前記接続ボスとバランス質量体との中間に配置されている翼形状部分を含む、請求項１に記載のロータ。
10. 前記翼が、水平方向もしくは垂直方向にあるか、または、０〜９０度の間の任意の方向にあるストリップまたはスラットから作成される、請求項１に記載のロータ。
11. 翼をロータに取り付ける方法であって、
    アーチ状リブアセンブリをシャフトに対して横方向に接続するステップ、ここで、前記アーチ状リブアセンブリは、前記シャフトに係合する開口を画定する中央ハブを有し、前記アーチ状リブアセンブリは、ハブから半径方向に延びるリブアームと、前記リブアームの遠位端において前記ハブと接続するアーチ状ウィングとを含む、
    前記翼の内面を前記リブの弓形アームの合わせ面に締結するステップ、
    を含む、方法。
12. 前記翼を前記リブに締結するステップは、接着剤またはねじによって締結することを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記リブアームは、前記アーチ状ウィングを形成する材料とは異なる材料から作成される、請求項１１に記載の方法。
14. 前記翼は、水平方向または垂直方向にあるか、または、０〜９０度の間の任意の方向にあるストリップまたはスラットから作成される、請求項１１に記載の方法。

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