JP2019520511A - 空気力学的形状部材及び水力学的形状部材 - Google Patents

Abstract

本発明は、空気力学的形状部材及び水力学的形状部材に関する。特に、空気力学的形状部材10は、鏡面対称の断面を有し、形状部材10は、対称軸S上にその中心を配された円弧状の第1の部分12と、片側が第1の部分12に接続される円弧状の第2の部分14と、第1の部分12及び第2の部分14の双方に接続される円弧状の第3の部分16とから形成される。第1の部分12の曲げ半径は、第2の部分14及び第3の部分16の曲げ半径よりも小さい。【選択図】図1

Description

本発明は、空気力学的形状部材及び水力学的形状部材に関する。本発明は、詳細には、風力発電機、特に浮体式風力発電機の構成部材としての空気力学的形状部材及び水力学的形状部材に関する。

一般に、風力発電機がローターの設計及び製造において良好な性能係数を有するには、輪郭形状及び表面粗さによる抵抗力を最小限に抑えることが留意される。そのために、現在の風力発電機では、ローターブレードに、揚抗比（Gleitzahl）に関して最適化された水滴形の形状部材が用いられている。

特許文献1からは、円筒タワーとして形成される柱によって引き起こされる風の滞留、伴流、又は乱流の影響を最小限にするために、断面が水滴形に形成された形状部材として風力発電機のタワーを形成することも既知である。

また、一方で、本出願人により出願された、特許文献2として公開されている特許出願からは、浮体式風力発電機の風向追尾のためにタワーの空気力学的形状部材を利用することが既知である。これらの形状部材は、水滴形とするか、又はレンズ形とすることもできる。

また、浮体式基礎を備える浮体式風力発電機の場合、風を受ける構成要素に加えて基礎を水力学的形状部材として形成することは、浮体式風力発電機の性能及び安定性に寄与する。

使用する材料によって、水滴形の形状部材をローターブレードとして製造することは比較的容易であるが、タワー又は浮体式基礎の製造には鋼製部材を使用するため、非常に労力及びコストがかかることになる。

特に、風力発電機の円筒タワーを鋼から製造する場合、通常、アール曲げ加工機（Rundbiegemaschinen）を用いて所望の形状を生成する。この場合、水滴形の形状部材の製造は、丸い形状から先の尖ったフラッグ状に変化させるだけで非常に労力がかかり、複数の連続した作業ステップの実施により遂行しなければならない。

独国特許出願公開第102010037706号 国際公開第2016/000681号

したがって、本発明の課題は、特に風力発電機の構成要素を形成するために、水滴形又はレンズ形の形状部材に類似した特性を有するが、製造が容易である空気力学的形状部材及び水力学的形状部材の双方を創出することである。

上記課題は、本発明によれば、請求項1に記載の特徴を有する空気力学的形状部材によって解決される。上記課題はまた、請求項8に記載の特徴を有する水力学的形状部材によって解決される。従属請求項は、それぞれ本発明の有利な形態を提示する。

本発明の基本構想は、空気力学的形状部材又は水力学的形状部材を複数の部分から製造することである。これらの部分は、曲げ半径が異なるために個別に作製され、後に互いに接続して、水滴形状に類似した形状部材にすることができる。

本発明の利点は、風力発電機の構成要素として使用する場合に、剪断負荷及び後流が低減されることである。

したがって、本発明によれば、鏡面対称の断面を有する空気力学的形状部材であって、該形状部材は、対称軸上にその中心を配された円弧状の第1の部分と、片側が第1の部分に接続される円弧状の第2の部分と、第1の部分及び第2の部分の双方に接続される円弧状の第3の部分とから形成され、第1の部分の曲げ半径は、第2の部分及び第3の部分の曲げ半径よりも小さい、空気力学的形状部材が提供される。この場合、対称軸は、形状部材の長手方向軸にも相当する。

上記部分は、（風力発電機の円筒タワーの場合に知られているように）鋼から作製されることが好ましい。

本発明に係る形状部材を製造する作業コストが好ましくは低減されるように、第2の部分及び第3の部分は、同一の形状であり、互いに鏡像となるように配置されることが更に好ましい。

また、第1の部分、第2の部分、及び／又は第3の部分の断面は、同様に、これらの部分の作製に特に労力のかかる作業を必要としないように、鏡面対称に形成される。

さらに、好ましくは、第2の部分及び第3の部分は、形状部材の対称軸上において互いに接続されることが意図される。

基本的には、これらの部分は、個別部品として作製され、互いに接続することで、形状部材へと組み立てられる。しかし、代替的に、形状部材を一部品として形成することも意図することができる。特に、形状部材は、単一の鋼製平板から、対応する部分領域を曲げ加工することによって製造することができ、この場合、当接縁部のみが互いに接続される。そのため、形状部材の上記部分は、規定の曲げ半径を有する想定上の曲げ部分ともみなされる。

いずれの場合も、上記部分が個々に鋼から作製される場合、これらの部分は、特に、互いに溶接されることが好ましい。代替的には、これらの部分は、それぞれ、端部にフランジを有することができ、このフランジにおいて、それらの部分が互いにねじ留めされる。

特に、形状部材の片側が丸みを帯び、反対側が先の尖った形状で構成されるように、第2の部分と第3の部分との間に形成される角度は、第1の部分の中心角よりも小さくなっている。

空気力学的形状部材は、特に、長さ対幅の比が1:0.4〜1:0.7の範囲である。

さらに、互いに垂直な2つの対称軸に関して鏡面対称の断面を有する水力学的形状部材であって、該形状部材は、第1の対称軸上にその中心を配された互いに対向する2つの第1の湾曲部分と、第2の対称軸上にその中心を配された互いに対向する2つの第2の湾曲部分とから形成され、第1の部分は、それぞれ、第2の部分の端部に接続され、第1の部分の曲げ半径は、第2の部分の曲げ半径よりも小さい、水力学的形状部材が特許請求される。

水力学的形状部材の特に好ましい形態は、第1の部分及び第2の部分をコンクリートから一体的に作製するか、又は、各部分を1つの部材として作製し、個々の部分を好適な補助手段によって互いに接続することによって得られる。

特に、水力学的形状部材の好ましい形態では、形状部材の壁は、内面が少なくとも部分的に強化されて形成されることが提案される。

これらの形状部材は、特に、風力発電機、具体的には浮体式風力発電機に使用するのに適している。

そして、本発明に従って構成される風力発電機のタワーは、上述の空気力学的形状部材を備えることが好ましい。

空気力学的形状部材を浮体式風力発電機のタワーとして用いる場合、浮体式風力発電機は、ダウンウインドローターとして構成されることが有利である。この場合、タワーの形状部材は、風向追尾をもたらしはしないまでも少なくとも補助することができる。

同様に、上述の水力学的形状部材を備える浮体式風力発電機を構成することができる。

この場合、水力学的形状部材は、例えば、水面の領域に、好ましくは水面下に配置される部分となる。特に、浮体式風力発電機の基礎が、上述の特徴を有する水力学的形状部材として形成される。この場合、浮体式基礎、すなわち形状部材は、タワーの延長部として垂直に、又は特に水平に方向付けることができる。

以下、本発明を、添付図面に示されている特に好ましい形態の実施例に基づいて、より詳細に説明する。

空気力学的形状部材の第1の実施例の断面図である。 空気力学的形状部材の第2の実施例の断面図である。 空気力学的形状部材の第3の実施例の断面図である。 水力学的形状部材の第1の実施例の断面図である。

図1は、空気力学的形状部材の第1の実施例の断面図を示している。

空気力学的形状部材10は、対称軸S上にその中心を配された円弧状の第1の部分12が、その一方の自由端部によって円弧状の第2の部分14に接続され、他方の自由端部によって円弧状の第3の部分16に接続されることで形成される。第2の部分14及び第3の部分16のそれぞれの他方の自由端部は、閉鎖された鋼製形状部材を得るために、特に溶接によって互いに接続される。

本発明によれば、第1の部分12の曲げ半径rは、概ね水滴形の技術的に製造しやすい形状部材10を形成することができるように、第2の部分14及び第3の部分16の曲げ半径Rよりも小さくなっている。

特に、図1に示されている形状部材10において、その長さ対幅の比は1:0.4である。

形状部材10を風力発電機のタワーとして使用する場合、タワー、すなわち形状部材10は、図1に示されている矢印の方向からの流入が生じるように方向付けられることが意図される。

図2は、空気力学的形状部材の第2の実施例の断面図を示している。この実施例の構造は、基本的には図1に示されている構造に従う。

図1に示されている実施例とは異なり、図2に示されている形状部材10は、その長さ対幅の比が1:0.5である。

図3は、空気力学的形状部材の第3の実施例の断面図を示している。相違点として、図3に示されている形状部材10は、その長さ対幅の比が1:約0.67である。

最後に、図4は、水力学的形状部材の特に好ましい実施例の断面図を示している。

図4は、互いに垂直な2つの対称軸S1、S2に関して鏡面対称の断面を有する水力学的形状部材20を示している。ここでは、形状部材20は、第1の対称軸S1上にその中心を配された互いに対向する2つの第1の湾曲部分22a、22bと、第2の対称軸S2上にその中心を配された互いに対向する2つの第2の湾曲部分24a、24bとから形成される。第1の部分22a、22bは、それぞれ、第2の部分24a、24bの端部に接続され、第1の部分22a、22bの半径は、第2の部分24a、24bの半径よりも小さい。

したがって、形状部材20は、2方向に関して同一の流入特性を有する。特に、形状部材20は、水平に配置される浮体式基礎又は水平に配置される基礎部分として適しており、その水力学的外形は、互いに反対方向からの流入の場合に特に有利である。

10:空気力学的形状部材
12:円弧状の第1の部分
14:円弧状の第2の部分
16:円弧状の第3の部分
20:水力学的形状部材
22:第1の湾曲部分（22a、22b）
24:第2の湾曲部分（24a、24b）

Claims (17)

1. 鏡面対称の断面を有する空気力学的形状部材（10）であって、該形状部材（10）は、対称軸（S）上にその中心を配された円弧状の第1の部分（12）と、片側が前記第1の部分（12）に接続される円弧状の第2の部分（14）と、前記第1の部分（12）及び前記第2の部分（14）の双方に接続される円弧状の第3の部分（16）とから形成され、前記第1の部分（12）の曲げ半径は、前記第2の部分（14）及び前記第3の部分（16）の曲げ半径よりも小さいことを特徴とする、空気力学的形状部材。
2. 請求項1に記載の空気力学的形状部材（10）であって、前記部分（12、14、16）は、鋼から作製されることを特徴とする、空気力学的形状部材。
3. 請求項1又は2に記載の空気力学的形状部材（10）であって、前記第2の部分（14）及び前記第3の部分（16）は、同一の形状であり、互いに鏡像となるように配置されることを特徴とする、空気力学的形状部材。
4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の空気力学的形状部材（10）であって、前記第1の部分（12）、前記第2の部分（14）、及び／又は前記第3の部分（16）の断面は、鏡面対称に形成されることを特徴とする、空気力学的形状部材。
5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の空気力学的形状部材（10）であって、前記第2の部分（14）及び前記第3の部分（16）は、該形状部材（10）の前記対称軸（S）上において互いに接続されることを特徴とする、空気力学的形状部材。
6. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の空気力学的形状部材（10）であって、前記部分（12、14、16）は、互いに溶接されることを特徴とする、空気力学的形状部材。
7. 請求項1〜6のいずれか1項に記載の空気力学的形状部材（10）であって、前記第2の部分（14）と前記第3の部分（16）との間に形成される角度（α）は、前記第1の部分（12）の中心角（β）よりも小さいことを特徴とする、空気力学的形状部材。
8. 請求項1〜7のいずれか1項に記載の空気力学的形状部材（10）であって、該形状部材（10）は、長さ対幅の比が1:0.4〜1:0.7の範囲であることを特徴とする、空気力学的形状部材。
9. 互いに垂直な2つの対称軸（S1、S2）に関して鏡面対称の断面を有する水力学的形状部材（20）であって、該形状部材（20）は、前記第1の対称軸（S1）上にその中心を配された互いに対向する2つの第1の湾曲部分（22a、22b）と、前記第2の対称軸（S2）上にその中心を配された互いに対向する2つの第2の湾曲部分（24a、24b）とから形成され、前記第1の部分（22a、22b）は、それぞれ、前記第2の部分（24a、24b）の端部に接続され、前記第1の部分（22a、22b）の半径は、前記第2の部分（24a、24b）の半径よりも小さいことを特徴とする、水力学的形状部材。
10. 請求項9に記載の水力学的形状部材（20）であって、前記第1の部分（22a、22b）及び前記第2の部分（24a、24b）は、コンクリートから作製されることを特徴とする、水力学的形状部材。
11. 請求項9又は10に記載の水力学的形状部材（20）であって、該形状部材（20）の壁は、内面が少なくとも部分的に強化されて形成されていることを特徴とする、水力学的形状部材。
12. 請求項1〜8のいずれか1項に記載の空気力学的形状部材を備える風力発電機。
13. 前記風力発電機のタワーは、前記空気力学的形状部材を備えることを特徴とする、請求項12に記載の風力発電機。
14. 前記風力発電機は、浮体式風力発電機であることを特徴とする、請求項12又は13に記載の風力発電機。
15. 請求項9〜11のいずれか1項に記載の水力学的形状部材を備える浮体式風力発電機。
16. 前記浮体式風力発電機の基礎は、水力学的形状部材として形成されることを特徴とする、請求項15に記載の浮体式風力発電機。
17. 基礎は、水平に方向付けられることを特徴とする、請求項15又は16に記載の浮体式風力発電機。