JP2019157855A - 風力タービンブレードの前縁を保護するための保護カバー - Google Patents

Abstract

【課題】保護シェルが取り付けられた風力タービンロータブレードの空力特性を維持しかつ提供しながら前縁に保護を提供する、以下では保護シェルとも呼ばれる保護カバーを提供する。【解決手段】風力タービンロータブレードの前縁のための保護カバー１。保護カバー１は、保護すべき風力タービンロータブレードの前縁を含む前縁セクションの少なくとも一部を収容するように湾曲形状に予め形成されている。保護カバー１は、正圧面セクション１ａと、負圧面セクション１ｂと、正圧面セクション１ａと負圧面セクション１ｂとの間の中心線１ｃとを有する。中心線１ｃは、保護カバー１の長手方向に延びている。横断方向での保護カバー１の断面における保護カバー１の厚さは、標準正規分布に対応する厚さ分布を有する。【選択図】図４

Description

本発明は、一般に風力タービンに関し、特に、風力タービンロータブレードの前縁を浸食から保護するための保護カバーおよびこのような保護カバーを有する風力タービンロータブレードに関する。

今日では、ロータまたはタービンブレード、例えば、風力タービン、ガスタービンまたは蒸気タービンのためのブレードは、繊維強化プラスチック複合材料から形成されている。運転中にこのようなブレードの前縁の浸食が生じることが知られている。タービンブレードの前縁の浸食は、ブレードの効率、ひいてはタービンによる電力出力を低下させることがある。

洋上風力タービンおよび陸上風力タービン両方の風力タービンロータブレードは、周囲の風の中の粒子または滴がブレードに衝突するときに生じる摩耗によって特に影響され、その結果、風力タービンロータブレードの前縁が劣化する。粒子および滴は、周囲の風の中に存在し、粉塵、雨、降雪などから生じ、衝突摩耗によって風力タービンブレードの前縁の浸食を生じ、その結果、ブレードの空力効率、ひいては風力タービンの最大出力電力の低下につながる。

タービンブレードにおける浸食は、構造的な繊維強化ラミネート内へ浸透することがあり、タービンブレードの深刻な故障につながり、修理を必要とする。修理は、タービンオペレータにとって非常にコストがかかるものである可能性があり、影響された風力タービンのかなりのダウンタイムを生じることがある。これは、特に洋上風力タービンに当てはまる。なぜならば、洋上風力タービンのメンテナンスコストは極めて高いからである。これが、一般に陸上および洋上風力タービンの風力タービンロータブレードの前縁上で表面システムが予測される理由である。

修理手順は、典型的に、ほとんどはフィラーおよび塗料を含む表面システムの再形成を含む。深刻な劣化の場合、ラミネーションが必要とされることがある。複合ブレードの前縁を保護および／または修理するために、接着剤プラスチックテープを含む様々な解決策が使用される。

欧州特許出願公開第２４９７９４３号明細書は、ブレード表面を補強するためにブレードの特定の位置にプラスチックテープが配置されている、改良された表面を備える風力タービンブレードを開示している。風力タービンの立地の環境的条件およびタービン運転条件に応じて、浸食保護テープの寿命は、約５〜８年間続く。一般的に、浸食保護テープは、重度の浸食のために裂断し、ロータブレード上に残った層を風に自由にはためかせる。このはためきは、ブレードの空力性能の損失および騒音の発生につながる。

その他の解決策は、ブラシ、ローラ、へらまたはスプレー缶によって塗布される浸食保護コーティングを提案している。通常、このようなコーティングは、ある湿度レベルでかつ特別な温度範囲、例えば摂氏２０〜２５度で塗布されなければならない。つまり、これらの解決策は、現場、例えば、特別な温度範囲よりも通常は低温または高温である、洋上ウィンドファームまたは風力タービン立地においては使用できないことがある。

別の解決策は、ブレードの製造中に風力タービンブレードの最前部にポリマ材料から形成された保護キャップを取り付けることを提案している。従来公知の保護キャップ、および上記で言及したロータブレードの前縁に厚い層で塗布された塗料の１つの欠点は、保護キャップまたはシェルの付加が、風力タービンブレードの空力性能および特性に影響するということである。保護シェルとしてまたは塗料またはテープの層として、材料を付加しかつ前縁の形状を変更することは、繊細な問題である。なぜならば、前縁上および前縁の周囲の空気流がこの付加の結果として容易にかく乱され、これにより翼上の流れに影響し、その結果、潜在的に空力性能の著しい損失を生じ、最終的に、風力タービンの年間エネルギ生産の損失につながるからである。

したがって、本発明の目的は、本発明の保護シェルが取り付けられた風力タービンロータブレードの空力特性を維持しかつ提供しながら前縁に保護を提供する、以下では保護シェルとも呼ばれる保護カバーを提供することである。

上記目的は、本技術の請求項１記載の風力タービンロータブレードの前縁のための保護カバーと、本技術の請求項６記載の本技術の保護カバーを備える風力タービンロータブレードと、本技術の請求項８記載の本技術の保護カバーを有する風力タービンロータブレードを備える風力タービンと、本技術の請求項９記載の本技術の保護カバーを製造する方法と、によって達成される。本技術の有利な実施形態は、従属請求項に提供されている。

本技術の上述の属性およびその他の特徴および利点ならびにそれらを達成する形式がより明らかになるであろう。本技術それ自体は、添付の図面に関連してなされる本技術の実施形態の以下の詳細な説明を参照することによってさらに理解されるであろう。

本技術の保護カバーを組み込み可能である風力タービンロータブレードを有する風力タービンを概略的に示している。 本技術の保護カバーを組み込み可能である風力タービンロータブレードを概略的に示している。 本技術の保護カバーが取り付けられたタービンブレードの翼の１つの典型的な実施形態の断面図を概略的に示している。 本技術の図３の保護カバーの断面図を概略的に示している。 本技術の保護カバーの１つの典型的な実施形態の斜視図を概略的に示している。 本技術の保護カバーを備える風力タービンロータブレードの１つの典型的な実施形態の一部の斜視図を概略的に示している。

以下に、本技術の上述の特徴およびその他の特徴が詳細に説明される。様々な実施形態が図面に関連して説明され、同じ符号は全体を通して同じ要素を示すために用いられる。以下の記述では、説明のために、１つまたは複数の実施形態の完全な理解を提供するために多数の特定の詳細事項が示される。例示される実施形態は、本発明を説明することが意図されており、本発明を限定することは意図されていないことに留意されたい。このような実施形態は、これらの特定の詳細事項なしに実施されてもよいことが明らかとなるであろう。

本開示において、「第１」、「第２」、「第３」などの用語は、本明細書中で、説明を容易にするためにのみ使用されており、別段の定めがない限り、特定の時間的、空間的または時系列的意義を有さないことに留意されたい。

図１は、本技術の風力タービン１００の１つの典型的な実施形態を示している。風力タービン１００は、基礎（図示せず）に取り付けられたタワー１２０を有する。ナセル１２２は、ヨー軸受およびヨーモータなどのヨー角度調節機構１２１を用いて、タワー１２０の上部に、タワー１２０に対して回転可能に取り付けられている。ヨー角度調節機構１２１は、タワー１２０の長手方向の延在と整列した、ヨー軸と呼ばれる垂直線（図示せず）の周りにナセル１２２を回転させるように機能する。風力タービン１００が受けている現在の風向きとナセル１２２が適切に整合することを保証するために、風力タービン１００の運転中、ヨー角度調節機構１２１はナセル１２２を回転させる。

風力タービン１００は、少なくとも１つのロータブレード１０、通常は３つのロータブレード１０を有するロータ１１０をさらに備えるが、図１の斜視図では、２つのロータブレード１０のみが見えている。ロータブレード１０のうちの１つが、図２に概略的に示されている。ロータ１１０は、回転軸線１１０ａの周りに回転可能である。ブレード１０またはブレード１０のうちの１つに言及するときは１つのブレード１０とも呼ばれる、ロータブレード１０は、通常、ハブ１１２とも呼ばれる駆動カラー１１２に取り付けられている。ハブ１１２は、主軸受（図示せず）を用いてナセル１２２に対して回転可能に取り付けられている。ハブ１１２は、回転軸線１１０ａの周りに回転可能である。各ブレード１０は、回転軸線１１０ａに対して半径方向に延びており、翼セクション２０を有している。

ハブ１１２と、各ロータブレード１０との間には、ブレード１０の長手方向軸線（図示せず）の周りにそれぞれのブレード１０を回転させることによってブレード１０のブレードピッチ角を調節するためのブレード調節機構１１６が設けられている。各ブレード１０の長手方向軸線は、それぞれのブレード１０の長手方向の延在に対して実質的に平行に整列している。ブレード調節機構１１６は、それぞれのブレード１０のブレードピッチ角を調節するように機能する。

風力タービン１００は主軸１２５を有する。主軸１２５は、ロータ１１０、特にハブ１１２を、ナセル１２２内に収容された発電機１２８に回転可能に連結している。ハブ１１２は、発電機１２８のロータに接続されている。風力タービン１００の１つの典型的な実施形態（図示せず）では、ハブ１１２は、発電機１２８のロータに直接接続されており、これにより、風力タービン１００は、ギヤレス直接駆動風力タービン１００と呼ばれる。代替例として、図１の典型的な実施形態に示したように、風力タービン１００は、ナセル１２２内に設けられたギヤボックス１２４を有する。主軸１２５は、ギヤボックス１２４を介してハブ１１２を発電機１２８に接続しており、これにより、風力タービン１００は、ギヤ式風力タービン１００と呼ばれる。ギヤボックス１２４は、ロータ１１０の回転数を主軸１２５、結果として発電機１２８のロータのより大きな回転数に変換するために使用される。さらに、例えば非常に強い風の場合および／または緊急の場合に風力タービン１００の運転を停止させるかまたはロータ１１０の回転速度を低下させるために、ブレーキ１２６が設けられている。

風力タービン１００は、さらに、風力タービン１００を所望の運転パラメータで、例えば、所望のヨー角度、所望のブレードピッチ、ロータ１１０の所望の回転速度などで運転させるための制御システム１５０を有する。運転パラメータの制御および／または調節は、存在する条件下、例えば、存在する風条件およびその他の気象条件下で最適な発電を得るために行われる。

風力タービン１００は、さらに、風力タービン１００の運転を最適化するために制御機構１５０または風力タービン１００のその他の構成部材に入力を提供する様々なセンサ、例えば、回転速度センサ１４３、パワーセンサ１４４、角度センサ１４２等を有していてもよい。

さらに図２に示すように、ロータブレード１０は、根元１１ａを有する根元セクション１１と、翼セクション２０とを有する。一般的に、ロータブレード１０は、根元セクション１１と翼セクション２０との間に移行セクション９０を有する。以下では翼２０とも呼ばれる翼セクション２０は、先端１２ａを有する先端セクション１２を有する。根元１１ａと先端１２ａとは、ロータブレード１０の形状に従うロータブレード１０のスパン１６だけ隔てられている。スパン１６に沿ったまたはスパン１６に対して平行な方向は、スパン方向１６ｄと呼ばれる。先端１２ａを含む先端セクション１２は、先端１２１から根元１１ａに向かって、先端１２ａから測定したときのブレード１０の全長の約３３．３％（パーセント）、すなわち３分の１のスパン方向位置まで延びている。先端１２ａは、先端セクション１２内で根元１１ａに向かって約１メートルのスパン方向位置まで延びている。ロータブレード１０は、前縁１４ａを有する前縁セクション１４と、後縁１３ａを有する後縁セクション１３とを有する。後縁セクション１３は後縁１３ａを包囲している。同様に、前縁セクション１４は前縁１４ａを包囲している。

スパン１６に対して垂直な各スパン方向位置において、前縁１４ａと後縁１３ａとを接続する翼弦線１７を規定することができる。翼弦線１７に沿ったまたは翼弦線１７に対して平行な方向は、翼弦方向１７ｄと呼ばれる。図２は、２つの異なるスパン方向位置における２つのこのような翼弦線１７を示している。さらに、スパン方向１６ｄおよび翼弦方向１７ｄに対して相互に垂直な方向は、フラップ方向９ｄと呼ばれる。ロータブレード１０は、肩部１８を有する。肩部１８は、翼弦線１７が最大翼弦長を有するところ、すなわち、図２の例では、根元１１ａのほうに示された翼弦線１７におけるロータブレード１０のセクションである。

風力タービン１００において、ブレード１０のうちの１つまたは複数が、風力タービンロータブレード１０のシェル（図示せず）内に配置された１つまたは複数のスパーキャップ（図示せず）を有していてもよい。シェルは、１つまたは複数のスパーキャップがシェルの構造内に一体化されている、いわゆる「構造的シェル設計」（図示せず）を有していてもよい。風力タービン１００のブレード１０は、別個に製造され、次いで、ブレード１０を形成するために接合される風下シェルおよび風上シェルを有する「バタフライブレード」構造を有していてもよいし、またはバタフライブレード構造とは異なり、風下シェルおよび風上シェルが別個に製造されない、シーメンス社の周知の「一体型ブレード」構造を有していてもよい。一体型ブレード構造では、シェル全体が一体型シェルとして一部分で製造され、したがって、別個に製造された風下側および風上側を有していない。

図３〜図６に示されかつ以下で説明される本技術の保護シェル１または保護カバー１は、図１の風力タービン１００の一部であってもよい図２のブレード１０と共に使用される。

保護カバー１は、風力タービンロータブレード１０の前縁１４ａに取り付けるために使用される。図３は、保護カバー１が取り付けられたブレード１０の翼２０の断面図を示している。保護カバー１は、図５に示すように、予め形成された湾曲形状を有している。予め形成された湾曲形状は、保護カバー１によって保護すべき風力タービンロータブレード１０の前縁１４ａを含む前縁セクション１４の少なくとも一部を受け入れかつ収容するためのスペースＲを形成している。図３〜図５に示すように、保護カバー１は、ブレード１０の正圧面２０ａに配置される正圧面セクション１ａと、ブレード１０の負圧面２０ｂに配置される負圧面セクション１ｂと、保護カバー１の正圧面セクション１ａと負圧面セクション１ｂとの間の中心線１ｃとを有する。中心線１ｃは、線として明確に形成されているわけではなく、実際には、保護カバー１の正圧面セクション１ａと負圧面セクション１ｂとが出会うところにある仮想線であることに留意されたい。保護カバー１は長手方向に延びている、すなわち、保護カバー１は、図２に示したようにブレード１０のスパン方向１６ｄに沿って延びる形状を有している。保護カバー１の中心線１ｃは、保護カバー１の長手方向に沿って延びている。

本技術によれば、横断方向での保護カバー１の断面における、図４に示された保護カバー１の厚さｔは、標準正規分布に対応する厚さ分布を有している。図４は、例示の目的で、保護カバー１の厚さｔの３つの測定位置、すなわち、ｔ１、ｔ２、ｔ３を示している。横断方向での保護カバー１の断面内の異なる位置に沿った厚さは、そのｔ１，ｔ２，ｔ３が例であるが、標準正規分布、すなわちガウス分布に対応している。保護カバー１は、保護カバー１の厚さ、ひいては保護カバー１がブレード１０上に配置されたときのブレード１０の前縁セクション１４への材料付加を表す以下の正規分布（合成指数関数）に従った厚さ分布を有している。

ここで、
ｓは、ブレードセクションの円弧長さを表し、
ｔ₀は、ピーク厚さを表し、
μ_Sは、分布の平均を表し、
σ_Sは、標準偏差を表す。

正規分布を選択する利点は、それを計算的に効率的にし、比較的良好な形状順応性を維持する、その数学的単純さおよび決定論的挙動である。最適化の間、変数、すなわち、ピーク厚さ（α）、前縁１４ａに関するピーク位置を表す平均値（μ）、および保護カバー１の厚さの幅／鈍さを駆動する標準偏差（σ）のみが変化する。

図５に示したように、保護カバー１がブレード１０に取り付けられたときの、ブレード１０の異なるスパン方向位置に対応する保護カバー１の異なる長手方向位置のための厚さ分布は、異なっている。保護カバー１の２つの異なる長手方向位置における、異なる厚さ分布の中での中心線１ｃに関して同じ相対位置における変化する厚さの例が、厚さＴｎおよびＴｎｅで図５に示されている。

保護カバー１の１つの典型的な実施形態では、厚さ分布は、ゼロでない歪度を有する標準正規分布に対応する。すなわち、保護カバー１の形状における付加的な柔軟性のための第４の変数としての歪度（κ）を含む、一般化された正規分布が使用される。これは、平均値に関する非対称性、すなわち、保護カバー１の非対称の厚さ分布を許容し、この場合、より厚い部分は、保護カバー１の好適な実施形態では正圧面よりにある。このような正規分布は、以下の等式によって表すことができる。

ここで、
ｓは、ブレードセクションの円弧長さを表し、
ｔ₀は、ピーク厚さを表し、
μ_Sは、分布の平均を表し、
σ_Sは、標準偏差を表し、
κ_Sは、歪度係数を表す。

上記の等式は、歪度（κ_S）が０（ゼロ）であるときの、単純化されたガウス分布のケースをもカバーすることが当業者によって認識可能である。

中心線１ｃから同じ距離を有する測定点について、保護カバー１の正圧面セクション１ａおよび負圧面セクション１ｂにおける厚さの変化に起因して、本技術の保護カバー１は、図４に示したように正圧面セクション１ａおよび負圧面セクション１ｂについて異なる円弧長さ圧力Ｌ１，Ｌ２を有している。

保護カバー１は、ポリウレタン、エポキシ、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリアクリレートなどのポリマ材料から形成されてもよい。保護カバー１は、エラストマ材料、例えば、ポリウレタン、エポキシ、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリアクリレートなどから形成されてもよい。保護カバー１に弾性および可撓性特性を提供し、これにより、保護カバー１が風力タービンブレード１０の表面に容易に形状適合し、浸食的な影響の衝撃を緩和するために風力タービンブレード１０の表面に十分な弾性を提供する、弾性ポリウレタンから形成された保護カバー１が好ましい。

図６は、風力タービンブレード１０の一部に取り付けられた本技術の保護カバー１の１つの典型的な実施形態を概略的に示している。本技術の保護カバー１は、図６に示したように、スパン方向１６ｄに部分的にのみ延びており、これにより、風力タービンブレード１０の前縁１４ａを部分的にカバーしてもよいし、または、本技術の保護カバー１は、風力タービンブレード１０の前縁１４ａを全体的にカバーするようにスパン方向１６ｄに延びていてもよいことに留意されたい（図示せず）。

本技術は、保護カバー１を製造する方法も提供する。製造される保護カバー１は、図１〜図６を参照して上記で説明したようなものである。この方法では、保護カバー１は、保護すべき風力タービンロータブレード１０の前縁１４ａを含む前縁セクション１４の少なくとも一部を収容するように湾曲形状に形成される。保護カバー１は、図１〜図６を参照して説明したように、正圧面セクション１ａと、負圧面セクション１ｂと、正圧面セクション１ａと負圧面セクション１ｂとの間の中心線１ｃとを有して形成されている。保護カバー１は、図１〜図６に関して上記で説明したように、横断方向での保護カバー１の断面における保護カバー１の厚さｔが、標準正規分布に対応する厚さ分布を有するように形成されている。

本技術について、幾つかの実施形態に関して詳細に説明してきたが、本技術はこれらの実施形態そのものに限定されないことが認識されるべきである。むしろ、本発明を実施するための典型的な態様を説明する本開示を考慮して、多くの変更および変化態様が、本発明の範囲および思想から逸脱することなく当業者に提示されている。したがって、発明の範囲は、上記の説明によってではなく、以下の請求項によって示される。請求項の均等物の意味および範囲に含まれる全ての変更、改良および変化態様は、それらの範囲内にあるとみなされるべきである。

Claims (13)

1. 風力タービンロータブレード（１０）の前縁（１４ａ）のための保護カバー（１）であって、該保護カバー（１）は、保護すべき前記風力タービンロータブレード（１０）の前記前縁（１４ａ）を含む前縁セクション（１４）の少なくとも一部を収容するように湾曲形状に予め形成されており、前記保護カバー（１）は、正圧面セクション（１ａ）と、負圧面セクション（１ｂ）と、前記正圧面セクション（１ａ）と前記負圧面セクション（１ｂ）との間の中心線（１ｃ）とを有しており、該中心線（１ｃ）は、前記保護カバー（１）の長手方向に延びている、保護カバー（１）において、横断方向での前記保護カバー（１）の断面における前記保護カバー（１）の厚さ（ｔ）は、標準正規分布に対応する厚さ分布を有することを特徴とする、保護カバー（１）。
2. 前記厚さ分布は、ゼロでない歪度を有する標準正規分布に対応する、請求項１記載の保護カバー（１）。
3. 前記中心線（１ｃ）から同じ距離を有する測定点において、前記正圧面セクション（１ａ）は、前記負圧面セクション（１ｂ）よりも比較的厚い、請求項２記載の保護カバー（１）。
4. 前記保護カバー（１）はポリマを含む、請求項１から３までのいずれか１項記載の保護カバー（１）。
5. 前記保護カバー（１）はエラストマを含む、請求項１から４までのいずれか１項記載の保護カバー（１）。
6. 請求項１から５までのいずれか１項記載の保護カバー（１）を備える風力タービンロータブレード（１０）。
7. 前記保護カバー（１）は、前記風力タービンロータブレード（１０）の前縁セクションに接着されている、請求項６記載の風力タービンロータブレード（１０）。
8. 請求項１から５までのいずれか１項記載の保護カバー（１）を有する風力タービンロータブレード（１０）を備える風力タービン（１００）。
9. 風力タービンロータブレード（１０）の前縁（１４ａ）のための保護カバー（１）を製造する方法であって、該方法は、前記保護カバー（１）を、保護すべき前記風力タービンロータブレード（１０）の前記前縁（１４ａ）を含む前縁セクション（１４）の少なくとも一部を収容するように湾曲形状に形成することを含み、前記保護カバー（１）は、正圧面セクション（１ａ）と、負圧面セクション（１ｂ）と、前記正圧面セクション（１ａ）と前記負圧面セクション（１ｂ）との間の中心線（１ｃ）とを有しており、該中心線（１ｃ）は、前記保護カバー（１）の長手方向に延びており、前記保護カバー（１）は、横断方向での前記保護カバー（１）の断面における前記保護カバー（１）の厚さ（ｔ）が、標準正規分布に対応する厚さ分布を有するように形成されることを特徴とする、方法。
10. 前記厚さ分布は、ゼロでない歪度を有する標準正規分布に対応する、請求項９記載の方法。
11. 前記保護カバー（１）は、該保護カバー（１）の前記中心線（１ｃ）から同じ距離を有する測定点において、前記保護カバー（１）の前記正圧面セクション（１ａ）が、前記保護カバー（１）の前記負圧面セクション（１ｂ）よりも比較的厚くなるように形成される、請求項９または１０記載の方法。
12. 前記保護カバー（１）はポリマによって形成される、請求項９から１１までのいずれか１項記載の方法。
13. 前記保護カバー（１）はエラストマによって形成される、請求項９から１２までのいずれか１項記載の方法。

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