JP2021521368A - 風力タービンのローター・ハブ及び、そのようなローター・ハブを組み立てる方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、ローター・ブレード（１０８）の連結のためにそれぞれ適合された複数の連結フランジ（１１）を有するハブ・ハウジング（３）を備える風力タービン（１００）のローター・ハブ（１）に関し、ここで、各ローター・ブレードは、ローター・ブレード（１０８）を回転させるためのピッチ駆動装置（１９）に連結され、ピッチ駆動装置（１９）は、ピッチ駆動装置を制御するように適合された電気制御デバイス（２５ａ〜ｅ）の構成（２２）に連結される。制御デバイス（２５ａ〜ｅ）の構成（２３）は、構造ユニットとしてモジュール（２１，１２１）に設けられ、このモジュール（２１，１２１）は、全体としてハブ・ハウジング（３）に連結されることが提案される。【選択図】 図３

Description

本発明は、ローター・ブレードの連結のためにそれぞれ適合された複数の連結フランジを有するハブ・ハウジングを備える風力タービンのローター・ハブに関し、ここで、各ローター・ブレードは、ローター・ブレードを回転させるためのピッチ駆動装置に連結され、ピッチ駆動装置は、ピッチ駆動装置を制御するように適合された電気制御デバイスの構成に連結される。

優先権が主張されているドイツの出願について、ドイツ特許商標庁は、次の資料を調査した：
独国特許出願公開第１０２００７０８８１６７号明細書、独国特許出願公開第１０２０１００４３４３５号明細書、独国特許出願公開第１０２０１４２００２７６号明細書、独国実用新案第２０２００５００７４５０号明細書、及び国際公開第２０１５／０９０６５５号。

独国特許出願公開第１０２００７０８８１６７号明細書 独国特許出願公開第１０２０１００４３４３５号明細書 独国特許出願公開第１０２０１４２００２７６号明細書 独国実用新案第２０２００５００７４５０号明細書 国際公開第２０１５／０９０６５５号

風力タービンは、今日では通常、回転翼を備えており、その風に対するピッチ角は、モータ手段によって変更され得る。このようにして、風から取り出される「機械的」エネルギの量に影響を及ぼすことが可能である。電力消費、ひいては風力タービンによる発電が、高い風力負荷又は高いネットワーク負荷で低減される場合、ブレードによってより少ない機械エネルギが消費され、ローター・ハブの回転数が減少するように、ピッチ駆動装置の手段によってブレード角度は変更される。ピッチ角を変更するための開ループ及び閉ループ制御方法は、一般に知られている。

特に、複雑な閉ループ制御手順の実装にはピッチ駆動装置を制御するために電気制御デバイスが不可欠であり、このようなデバイスは、一方では、例えば、風速、風向、及びガスティネス（風の息）のような動作パラメータ及び環境特性を検知することを目的とし、他方では検知された変数に応じて、連結されたローター・ブレードのピッチ角の開ループ制御又は閉ループ制御を提供することを機能とするものがある。

制御デバイスは、通常、風力タービンのナセル内に配置される。その点で、制御コンポーネントがナセルの回転部分に直接配置されることが好都合であることが分かっている。風力タービンは、ローター・ブレードのピッチ駆動を制御するための電気制御デバイスがローター・ハブの最前部、いわゆるスピナー・キャップの下に配置されていることが、最新技術から知られている。一方で、そこで制限されてしか利用できない作業容積のために、制御デバイスの組立ては、ある程度の複雑さと労力に結びついてきた。他方、設置後の制御デバイスは、必ずしも動作中に容易にアクセス可能であるとは限らず、その点で改良の必要性があることが分かる。

また、最先端の技術によると、特に４ＭＷ級以上のタービンでは、大容量ブレード・アダプタ手段によりローター・ブレードをローター・ハブに連結したタービン形式も知られている。このような風力タービンでは、通常、電気制御デバイスは、ブレード・アダプタに配置されていた。このデザイン構成に関しては、後にハブ・ハウジングの内部からの制御デバイスへのアクセスも難しく、組み立てを完了するために多数の設置ステップを必要としていた。

この背景を念頭に置いて、本発明の目的は、以前に知られている欠点ができる限り最良に克服されるように、本明細書に記載された種類のローター・ハブを更に発展させることである。特に、発明の目的は、電気制御デバイスの組立が簡略化されるように、本明細書の開口部の部分に記載されている種類のローター・ハブを改良することである。更に、発明の目的は、特に、例えば保守目的のためのハブ・ハウジング内からの電気制御デバイスへの接近性が改善されるように、ローター・ハブを更に開発することである。

本願明細書の従来技術に記載された種類のローター・ハブにおいて、制御デバイスの構成が構造ユニットの形態でモジュール状に設けられ、モジュール全体がハブ・ハウジングに連結されているという点で、発明の目的が達成される。ここでの発明は、構造ユニットとしてのモジュールを構成する電気制御デバイスの事前組立が、完全にローター・ハブの外側で行うことができることを利用しており、これにより、モジュールに制御デバイスを取り付けるための十分な空間が利用可能となり、また、制御デバイス相互のケーブル配線も、空間的な制限なしに組立作業によって必要に応じて、迅速かつ容易に行うことができる。

モジュールは、好ましくは、ローター・ハブのそれぞれの連結フランジに固定するためのインタフェースを有する。インタフェースは、連結フランジ及びモジュールの両方に対応して設けられた穴あけ又はネジのパターンであることが好ましい。インタフェースは、好ましくは、モジュールの組み立てを正確に１つの向きで行うことができるようなものである。それは、ローター・ハブ上のモジュールの組立不良又は方向不良のリスクを回避する。

好ましくは、ハブ・ハウジングと電気制御デバイスとの間の機械的振動の伝達を減衰させるために、モジュールを連結フランジに組み立てるためのインタフェースにおいて、モジュールと連結フランジとの間に１つ以上の減衰手段が配置される。これは、特に、制御デバイスで使用される計測技術に有利な効果を有する。

好ましい実施形態において、モジュールは制御デバイスの構成が固定される支持構造を有し、支持構造は、特に、その設置状態で連結フランジの領域において、ローター・ハブを支持するように構成されることが好ましい。その態様では、本発明は、電気制御デバイスのための支持構造が二重機能を実行するという利点を利用する。一方、それは連結フランジの領域に補強支持を実装し、一方、それは電気制御デバイスを支える。このようにして、支持構造を正しく寸法決めすることにより、連結フランジの領域に追加の支持要素を省略することができ、これは、ローター・ハブの観点で総合的な取付けの複雑さ及び労力にプラスの効果を及ぼす。

更に好ましい実施形態では、ローター・ハブの連結フランジは、それぞれフランジ面と貫通開口部を有し、貫通開口部はフランジ面に投影された断面領域を有し、全ての制御デバイスは投影断面領域内に配置される。例えば、貫通開口部が連結フランジ内の円形開口である場合、次いで、フランジ面に投影され、それは、円形断面領域を規定する。次いで、全ての制御デバイスは、好ましくはその円形断面領域内に配置され、すなわち、制御デバイスのいかなる部分もその断面領域の外側に半径方向に存在しないように、半径方向に断面領域内に配置される。この構成は、モジュールが完全に組み立てられた形態で、外側から連結フランジに対して押すことができ、全ての制御デバイスの機能が、モジュール上の制御デバイスが、例えば、特定の移送位置に移動されなければならず、その特定の移送位置から、モジュールの設置後に、動作の準備のために再度戻されなければならないということがなく、ただ１つの作業工程で完了されるという特別な利点を有する。

更に、支持構造体は、それぞれ関連する連結フランジに対してハブ・ハウジングの外部から固定されることが好ましい。支持構造体の連結フランジへの固定は、好ましくはネジ止めの手段によって行われる。外部からネジ止めすることにより、工具の使用及び人員の動きの自由度のためにハブ・ハウジングの外側により著しく広い空間があるという利点が得られる。

更に好ましい実施形態では、支持構造体が角度をなして互いに連結された複数の支持支柱を有する。互いにある角度関係で連結され、例えば、お互いに対して骨組状に又は９０°の角度で延びることができる支持支柱は、モジュールのための効果的な補強手段を形成し、連結フランジ上に設置された状態で、支持支柱の支持に寄与する。同時に、それらは、支持支柱に沿った制御デバイスの柔軟な取り付けを可能にする。支持構造は、実質的に連結フランジの平面内に、又は連結フランジの平面に平行に、又は深さ方向、すなわち連結フランジを通る挿入方向に連結フランジに対して垂直に延在することができる。

更に好ましい実施形態では、支持構造体が連結フランジの貫通開口部を覆う踏み板又は通路面を有する。このようにして、同時に支持構造体は、ローター・ハブ内の保守要員のための作業プラットフォームとなる。

支持支柱の上述の使用に追加的に、又は代替手段として、支持構造体は、好ましくは固定ディスクを有する。この実施形態において、通路面は、固定ディスクの表面の形態であり、好ましくは、固定ディスクの２つの表面のうちの内側である。

更に好ましい実施形態では、モジュールが、カバー手段を備え、ハブ・ハウジング内からローター・ブレード内に通過するように適合されたマンホールを有する。モジュールが通路面を有する実施形態において、マンホールは、好ましくは通路面を通る開口の形態で延在する。マンホールは、好ましくは選択的に開可能なハッチの手段によって覆われ、ハッチは、閉鎖位置にあるときに通路表面としても機能する。

本発明は、第１の態様の手段によって、ローター・ハブに関連して上述されている。さらなる態様では、本発明は更に、風力タービンのローター・ハブ、特に上述の好ましい実施形態のうちの１つによるローター・ハブを組み立てる方法に関する。本発明は、以下のステップを含む方法により、上述の目的を達成する：
・ローター・ブレードの連結のためにそれぞれ適合された複数の連結フランジを有するハブ・ハウジングを提供し、ここで、ローター・ブレードの各々は、ローター・ブレードを回転させるためのピッチ駆動装置に連結され、
ａ）構成が構造ユニットを形成するように、モジュール上にピッチ駆動装置を制御するための電気制御デバイスの構成を取り付けるか、又は、
ｂ）構造ユニットの形態のピッチ駆動装置を制御するための電気制御デバイスの構成を有するモジュールを提供し、
・モジュールを全体としてハブ・ハウジングに連結し、
・電気制御デバイスをピッチ駆動装置に連結する。

本発明による方法は、上述のローター・ハブと同じ利点及び好ましい実施形態を享受し、その点において、繰り返しを避けるための上述の説明に注意が向けられる。特に、本発明に係る方法によれば、電気制御デバイスがモジュール上に配置されるとすぐに、ハブ・ハウジング内で全ての電気制御デバイスを１つの作業工程で実装することができることは、特に有利である。

モジュールを制御するための電気制御デバイスの組立ては、代替案としてはローター・ハブ自身の組立から位置及び時間に関して、別々に外注及び実施することができる。モジュールは、ローター・ハブの組立のために、既製品ユニットの形態で搬送することができる。

モジュールをローター・ハブに連結した後、ピッチ駆動装置がモジュールにまだ一体化されていない限り、ピッチ駆動装置への連結を行うだけでよく、これは同時に本発明の好ましい実施形態をも表す。

進化した方法では、各連結フランジにおいて、ローター・ハブがブレード・アダプタを有し、モジュールを電気制御デバイスと組み立てる工程が、ブレード・アダプタの取り付けの前に行われることを提供する。

更に好ましくは、この方法がモジュールを連結する工程の手段によってローター・ハブを支持する工程を含む。

本発明は、添付の図を参照して、好ましい実施形態の手段によって以下で説明される：

好ましい実施形態による風力タービンを示す。 第１の好ましい実施形態によるローター・ハブの概略図を示す。 図２に示すローター・ハブのモジュールの概略図を示す。 図３のモジュールの詳細図を示す。 取り付けられたモジュールを有する図２のローター・ハブの側面図である。 さらなる付属物を有する図２及び図５のローター・ハブのさらなる概略図である。 第２の実施形態によるローター・ハブの一部の概略図である。

図１は、タワー１０２とナセル１０４とを備える風力タービン１００を示す。ナセル１０４上に配置されているのは、３つのローター・ブレード１０８及び（任意選択で）スピナー１１０を有するローター・ハブ１である。ローター・ブレード１０８は、ローター・ブレードのルートがローター・ハブ上に配置されるように構成されている。ローター・ハブ１は、動作中は、風によって回転駆動され、それによってナセル１０４内の発電機（図示せず）を駆動する。

図２に本発明によるローター・ハブ１を示す。ローター・ハブ１は、ハブ・ハウジング３を有する。ハブ・ハウジング３には、ハブ先端に向かって貫通するためのマンホール５が設けられている。スピナー・キャップとも呼ばれるローター・ハブ１のキャップ（図示せず）は、マンホール５を通して後でアクセス可能である。

マンホール５に対向して、ローター・ハブ１は、回転連結でローター・ハブ１と連結する連結フランジ７を有する。ローター・ハブ１は、一般に公知の方法で、風力タービン１００のナセル１０４の残りの部分に連結することができる。

ローター軸Ｒは、ローター・ハブ１を貫通して長手方向に延びている。

ローター・ハブ１は、ローター・ハブ１をそれぞれのローター・ブレード１０８に連結するための複数の連結部を有し、各連結部にはそれぞれ連結フランジ１１が設けられている。連結フランジ１１は、内側端部１５で区切られたそれぞれの貫通開口部９をローター・ハブ１の内部に有している。外周端部で、連結フランジ１１が、ブレード・フランジ取付部３５又はブレード・アダプタ３７の連結のための穿孔パターン１３を有する（図６参照）。更に、フランジ１１を連結する内側端部１５と外周縁との間を放射状に見て、発明によるモジュールを固定するためのインタフェース１７として機能するように寸法決めされた第２の穿孔パターンを有する（図２乃至５参照）。

各連結フランジ１１に対して、従って各ローター・ブレードに対して、ローター・ハブ１に配置されるのは、２つの駆動モータ１９の形態のそれぞれのピッチ駆動装置である。駆動モータ１９は、対応する歯構成と相互作用し、従って、ローター・ブレード１０８を連結された状態で所望のピッチ角に設定するようになっている。

貫通開口部９は、例えば、図３に示すモジュール２１を受けるようになっている。モジュール２１は、モジュール２１上に構造ユニットを形成するために組み合わされる電気制御デバイス２５ａ〜ｅの構成２３を有する。

ユニット２１は、電気制御デバイス２５ａ〜ｅの構成２３が固定される支持構造体２７を有する。支持構造体２７には、ローター・ハブ１の連結フランジ１１（図２）上のインタフェース１７に対応する連結点２９がそれぞれ設けられている（図２）。

電気制御デバイス２５ａ〜ｅは、例えば、ブレード調整制御キャビネット、変圧器、ブレード継電器、キャパシタ・モジュール、音響センサ、負荷調整制御キャビネット、通信技術制御キャビネット、雷電流検出器、着氷検知、ブレード加熱制御キャビネットからなるリストから選択される。

また、制御デバイス２５ａ〜ｅは、支持構造体２７に固定されかつ位置決めされており、連結フランジ表面１１の面上に投影され、貫通開口部９の領域によって規定されるよりも小さな領域上にある。制御デバイス２５ａ〜ｅは、支持構造体２７とともに、支持構造体２７上に配置されるので、連結点２９が連結フランジ１１及び対応するインタフェース１７に当接するまで、貫通開口部を通してローター・ハブ１の内部に一工程でモジュール全体として導入することができる。好ましくは、モジュール２１が、通路表面３１を有し、その通路表面３１は、相応に静止しているローター・ブレード及びローター・ハブ１を有する風力タービンの運転中に作業台のように歩くことができる。

モジュールは更に、ローター・ハブ１の内部からローター・ブレード内へ外向きにアクセスできるハッチ３３を有し、これもまた、好ましくは閉状態（図３に示す）で歩行可能である。

図４は、電気制御デバイスを取り外した状態のモジュール２１の支持構造体２７を示す。制御デバイス２５ａ〜ｅを直接的に受け止める役割を果たす第２の支持構造体２９は、すでに図２に示した支持構造体２７に固定的に連結されている。支持構造体２７、２９が、互いにある角度をなして配置され、かつ互いに固定される複数の支持支柱から形成され、特に支持構造体の第１の部分２７に対して、モジュール２１が連結フランジ１１に取り付けられたときに、連結フランジ１１に好ましくは支持作用を及ぼす。

なお、制御デバイス２５ａ〜ｅを収容したローター・ハブ１及びモジュール２１はそれぞれ別の図２〜４に示したが、図５は、組み込んだモジュール２１を有するローター・ハブ１を示している。連結点２９は、それぞれ、対応するインタフェース１７に連結され、特にネジ止めされる。支持構造体２７の対応する向きの支持支柱は、任意選択で連結フランジ１１を固定する。好ましくは、連結点２９とインタフェース１７との間に設けられる減衰要素は、ローター・ハブ１のハウジングと電気制御デバイス２５ａ〜ｅ（図３）との間の機械的振動の伝播を少なくとも減衰させる減衰要素である。

図６は、図５でもすでに見られた組立状態のさらなる図を示す。ブレード・フランジ取付部３５の所定の位置に取り付けられているモジュール２１に加えて、ブレード・アダプタ３７が、各々の連結フランジ１１においてローター・ハブ１に更に取り付けられている。ここで、ローター・ハブ１は、純粋に機械的観点からローター・ブレードを受け入れるように準備される。一般に、ローター・ハブ１にもケーシングを設けることが望ましいが、このケーシングは明確性のために本図には示されていない。

図７は、本発明によるローター・ハブ１の別の実施形態を示す。ローター・ハブ１及びハブ・ハウジング３は、図１から図５と実質的に同じ構成となっており、そのため、できるだけ同じ参照符号が用いられている。同じように使用される参照符号に関しては、繰り返しを避けるために、図１〜図５に関連する上述の説明にも注意されたい。

図７の実施形態と図１〜図６の実施形態との間の本質的な違いは、特別に採用された支持構造体１２７にのみある。支持支柱上に載置されたフレーム様構造の代わりに、図７に設けられたモジュール２１は、支持ディスク形態の支持構造体１２７を有する。支持ディスクは、連結点１２９を有し、これは、連結フランジ１１上の対応するインタフェース１７に、それらの穿孔パターンに適合する。

更に、図７の支持構造体１２７は、適切な取付具及び制御デバイスをモジュール１２１上の構造ユニットに固定するための取付点１３０を有する。モジュール１２１上の電気制御デバイスの原理的な構造と原理的な構成は、図２から図６に示すモジュール２１の構造に関して対応することができる。この点で、上述の説明に留意されたい。

両方の実施形態について、実質的に同じ手順が、本発明による組立方法の実行に関して適用される：

まず、ローター・ハブ１には、ローター・ハブ１の一部であるハブ・ハウジング３が設けられている。次いで、予め組み立てられた形態で準備されるか、又はピッチ駆動装置１９が制御される手段によって電気制御デバイス２５ａ〜ｅの構成が取り付けられる、モジュール２１、１２１が、連結フランジ１１の各々に属する。それぞれの支持構造体２７、１２７上の電気制御デバイス２５ａ〜ｅは、全体としてモジュール２１、１２１として連結フランジ１１内の貫通開口部９内に導入され、モジュール２１、１２１は連結点２９、１２９と共に外部から対応するインタフェース１７に固定される。モジュール２１、１２１が固定されると直ちに、ブレード・フランジ取付部３５及びブレード・アダプタ３７をローター・ハブ１のハブ・ハウジング３に加えて取り付けることができる。

モジュール２１の組み立てが行われた後、電気制御デバイス２５ａ〜ｅの構成から対応する駆動モータ１９まで、ハブ・ハウジング３の内部に必要なケーブル・ハーネスを敷設するだけでよい。しかしながら、個々の制御デバイスの個別の専用の取り付けはもはや必要とされないことに留意されたい。固定状態では、支持構造体２７とディスク形状の支持構造体１２７の両方が、連結フランジ１１の補強支持を提供し、全体として、ローター・ハブ１の構造的完全性の向上に寄与する。

Claims (12)

1. ローター・ブレード（１０８）の連結にそれぞれ適合された複数の連結フランジ（１１）を有するハブ・ハウジング（３）を備える風力タービン（１００）のローター・ハブ（１）であって、
   前記ローター・ブレードの各々は、前記ローター・ブレード（１０８）を回転させるためのピッチ駆動装置（１９）に連結され、
   前記ピッチ駆動装置（１９）は、前記ピッチ駆動装置を制御するように適合された電気制御デバイス（２５ａ〜ｅ）の構成（２２）に連結され、
   前記制御デバイス（２５ａ〜ｅ）の前記構成（２３）は、構造ユニットとしてモジュール（２１、１２１）内に設けられ、前記モジュール（２１、１２１）は、全体として前記ハブ・ハウジング（３）に連結されることを特徴とする、ローター・ハブ（１）。
2. 前記モジュール（２１、１２１）は、前記それぞれの連結フランジに固定するためのインタフェース（１７）を有する、請求項１に記載のローター・ハブ（１）。
3. 前記モジュール（２１、１２１）は、前記制御デバイス（２５ａ〜ｅ）の前記構成（２３）が固定される支持構造体（２７）を有し、前記支持構造体（２７）は、好ましくは前記ローター・ハブ（１）を、特にその設置された状態で前記連結フランジの領域で固定するように適合される、請求項１又は請求項２に記載のローター・ハブ（１）。
4. 前記連結フランジ（１１）はそれぞれ、フランジ面及び貫通開口部（９）を有し、前記貫通開口部（９）は、前記フランジ面上に投影された切断面領域を有し、すべての制御デバイス（２５ａ〜ｅ）は、前記投影された切断面領域内に配置される、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のローター・ハブ（１）。
5. 前記支持構造体（２７）は、前記ハブ・ハウジング（３）の外部から、それにそれぞれ関連する前記連結フランジ（１１）に対して固定されている、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のローター・ハブ（１）。
6. 前記支持構造体（２７）は、互いに角度をなして連結された複数の支持支柱を有する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のローター・ハブ（１）。
7. 前記支持構造体（２７）は、前記貫通開口部（９）を覆う通路表面（３１）を有する、請求項３乃至６のいずれか１項に記載のローター・ハブ（１）。
8. 前記支持構造体（１２７）は、補強ディスクを有する、請求項３乃至７のいずれか１項に記載のローター・ハブ（１）。
9. 前記モジュール（２１、１２１）は、カバー手段（３３）が設けられ、前記ハブ・ハウジング（３）内から前記ローター・ブレード（１０８）に通過するように適合されたマンホールを有する、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のローター・ハブ（１）。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項記載の風力タービン（１００）のローター・ブレード（１）、特にローター・ハブ（１）を組み立てる方法であって、
    ローター・ブレード（１０８）の連結のためにそれぞれ適合された複数の連結フランジ（１１）を有するハブ・ハウジング（３）を提供するステップであって、前記ローター・ブレードのそれぞれは、前記ローター・ブレード（１０８）を回転させるためのピッチ駆動装置（１９）に結合されている、提供するステップと、
    ａ）構成（２３）が、構造ユニットを形成するような方法で、モジュール（２１、１２１）上に前記ピッチ駆動装置を制御するための電気制御デバイス（２５ａ〜ｅ）の前記構成（２３）を取り付けるステップ、又は、
    ｂ）構造ユニットの形態で前記ピッチ駆動装置を制御するための電気制御デバイス（２５ａ〜ｅ）の構成（２３）を有するモジュール（２１、１２１）を提供するステップ、と、
    ハブ・ハウジング（３）を提供するステップと、
    前記モジュールを全体として前記ハブ・ハウジング（３）に連結するステップと、
    前記電気制御デバイス（２５ａ〜ｅ）を前記ピッチ駆動装置に連結するステップと、
    を含む、方法。
11. 各連結フランジにおいて、前記ローター・ハブ（１）は、ブレード・アダプタ（３７）を有し、前記モジュールに前記電気制御デバイスを取り付けるステップは、前記ブレード・アダプタの取り付けに先立って行われる、請求項１０に記載の方法。
12. 前記ローター・ハブ（１）を、前記モジュールを連結するステップの手段によって支持するステップを含む、請求項１０又は１１に記載の方法。
    

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