JP2022504646A - 風力タービンベルト伝動ピッチ制御 - Google Patents

Abstract

原動スプロケットと、従動スプロケットと、原動スプロケットと従動スプロケットの間に掛け回される歯付きベルトとを備え、歯付きベルトは、原動スプロケットと従動スプロケットの間にフリースパンを有し、フリースパンが緩んだ状態のときフリースパンは円弧状を呈し、歯付きベルトは、フリースパンが緩んだ状態にあるとき原動スプロケットと従動スプロケットの間において張り状態にある第２スパンを有し、駆動装置の動作方向に応じて、フリースパンは第２スパンとして動作可能であり、第２スパンはフリースパンとして動作可能であるブレードピッチ駆動装置。

Description

本発明は、原動スプロケットと従動スプロケットとの間にフリースパンを有し、フリースパンが緩み状態にあるときフリースパンが円弧状を呈する歯付きベルト風力タービンベルト伝動ピッチ制御に関する。

一般的に風力タービンは、風速変動に対処するために動的ブレードピッチ制御を必要とする。風速が低いとき、ブレードピッチ（迎角）は増大でき、必要に応じて風力エネルギーを取り込むために調整できる。一方、風速が増大すると、ブレードの迎角はブレードやタービンの構造的損傷をもたらす速度超過の発生を防止するために調整可能である。

伝統的に、ブレードピッチ制御は、ギヤ伝動装置により実現される。システムは通常、原動モータ、ギヤボックス、およびドライブリングを備える。タービンブレードは各ドライブリングに取り付けられる。各ドライブリングの回転は、ブレード迎角（ピッチ）を調整する。複数のブレードは一体的に調整される。

複数のベルト伝動もブレードピッチを制御するのに用いられる。従来技術のシステムは、両開放端に設けられた調整クランプにより予荷重状態で緊張状態に維持されるベルトを備える。原動スプロケット周りにベルトを巡らし、接触角を増大するとともに歯飛びを防止するために背面アイドラが用いられる。しかし、背面アイドラの利用はベルト寿命に悪影響を与え得る。

この技術の代表は米国特許第９，５４１，１７３号明細書であり、第１スプロケットと、第２スプロケットと、歯付きベルト長さを有し第１スプロケットと第２スプロケットの間の掛け回される歯付きベルトと、歯付きベルトと協働する関係にあるとともに所定距離（Ｂ）を隔てて配置される第１リニアガイド部材と、歯付きベルトと協働する関係にあるとともに所定距離（Ｂ）を隔てて配置される第２リニアガイド部材とを備え、歯付きベルトの長さがドライブ長さよりも長く、歯付きベルトが、第１スプロケットと歯付きベルトの圧縮スパンに設けられる第２スプロケットとの間に自立円弧スパンを形成する。

必要とされているのは、原動スプロケットと従動スプロケットとの間にフリースパンを有し、フリースパンが緩み状態にあるときフリースパンが円弧状を呈する歯付きベルト風力タービンベルト伝動ピッチ制御である。本発明はこの要求に合致する。

本発明は、原動スプロケットと従動スプロケットとの間にフリースパンを有し、フリースパンが緩み状態にあるときフリースパンが円弧状を呈する歯付きベルト風力タービンベルト伝動ピッチ制御を提供することを目的としている。

本発明の別の目的は、本発明の以下の詳細な説明と添付図面により指摘され明らかにされる。

本発明は、原動スプロケットと、従動スプロケットと、原動スプロケットと従動スプロケットの間に掛け回される歯付きベルトとを備え、歯付きベルトは、原動スプロケットと従動スプロケットの間にフリースパンを有し、フリースパンが緩んだ状態のときフリースパンは円弧状を呈し、歯付きベルトは、フリースパンが緩んだ状態にあるとき原動スプロケットと従動スプロケットの間において張り状態にある第２スパンを有し、駆動装置の動作方向に応じて、フリースパンは第２スパンとして動作可能であり、第２スパンはフリースパンとして動作可能である、ブレードピッチ駆動装置を備える。

本明細書に組み込まれ、その一部を構成する添付図面は、本発明の好ましい実施形態を例示し、詳細な説明とともに、本発明の原理を説明する役割を果たす。
風力タービンブレードピッチの動作である。 風力タービンの従来のブレードピッチ制御機構である。 従来のブレードピッチ制御機構である。 本発明のブレードピッチ制御機構の概要図である。 第１回転方向に駆動される本発明のブレードピッチ制御機構である。 第２回転方向に駆動される本発明のブレードピッチ制御機構である。

図１は、風力タービンブレードピッチの動作を示す。一般に風力タービンは、風速変動に対処するために動的ブレードピッチ制御を必要とする。図１に示されるように、風速が遅いときブレードピッチ（迎角）は、風力エネルギーを獲得するためにａ１からａ３へと増大可能である。一方、風速が増大すると、ブレードの迎角はブレードやタービンの構造的損傷をもたらす速度超過の発生を防止するために、例えばａ１、ａ２あるいはａ３からａ４に低減できる。ブレードは、回転を停止する位置ａ４で「フェザリング」される。

図２は、風力タービンの従来技術のブレードピッチ制御機構である。ピッチ制御機構は、一般に風力タービンプロプのハブに搭載される。伝統的に、ブレードピッチ制御は、図２に示されるようなギヤ駆動装置により実現される。システムは、一般的に原動モータ（Ｄ）、ギヤボックス（Ｇ）、ドライブリング（Ｒ）を備える。タービンブレードＴＢ（図１）は、各ドライブリング（Ｒ）に取り付けられる。各ドライブリングＲの回転により、ブレード迎角（ピッチ）が調整される。複数のブレードは同時に調整される。

図３は、従来技術のブレードピッチ制御機構である。図３は、従来技術のベルトピッチ駆動装置のレイアウトを示し、原動モータＡ、オープンエンド歯付きベルトＢ、ガイド背面アイドラＣ、ドライブリングＲ、ベルトクランプＥから構成される。クランプＥは、ベルトＢの両端部をドライブリングＲに取り付ける。

ギヤ駆動装置に対するベルト伝動装置の利点は、腐食や過酷な環境に耐える能力であり、特にオフショア設備において有利である。しかし、従来技術のシステムにおけるベルトの破損は、引張コードの損傷をもたらし得るベルトＢのバックベンディングによりよく発生する。当該技術分野においてよく知られているように、ベルトＢは引張荷重を伝達する引張コードを備える。

背面アイドラＣは、ベルトＢを十分な接触角で小型の原動スプロケットＳに掛け回し歯飛びを防止するために用いられる。ピッチ制御調整作業において、原動部が時計回りに、そして反時計回りに回転すると、時計回りの回転における緩み側スパンは、反時計回りの回転において張り側スパンとなる。高い取り付け張力、バックベンディング、小径スプロケットの組み合わせが引張コード破損の主な原因である。２次的な破損は、繰り返される前後へのピッチ制御調整作業において、ベルトの同じ区間がスプロケットＳとアイドラＣに係合されることで生じる歯のせん断である。

図４は、本発明のブレードピッチ制御機構の概要図である。本発明の圧縮ベルト伝動装置は、従来技術の２つの欠点を克服する：（１）高い張力の下での小径バックベンディング、そして（２）ベルトの同じ区間での繰り返し利用。このベルト伝動装置は、駆動モータ１０、ベルト２０、ベアリング３０、３１、大型ドライブリング４０、２つのガード５０、５１を備える。本発明のシステムにおいて、ベアリングのＯ．Ｄ．は小さくできることから、ベアリング３０、３１が背面アイドラＣの代わりに用いられる。ベアリング３０、３１は、所定の回転方向に対して、ベルトスパンが原動スプロケット１１の接線方向となる位置に各々配置される。ベアリング３０、３１は、何れの方向の回転に対してもベルト２０のスプロケット１１への係合を維持する。それはまた、張り側がスプロケット１１の周りに巻かれるのを防止する。ベルト２０は、ループを形成する無端ベルトまたは連続ベルトである。タービンブレード（不図示）は、各ドライブリング４０に取り付けられる。

ベルトガード５０、５１は、ベルトとの定常的な接触を防止するため、僅かな隙間を空けてベルト接線方向スパンに平行に配置される。ベルト２０は、駆動長さよりも長い長さを有するように慎重に選択される。

取り付けにおいて、ベルトが外側に曲がるのをガード５０が防止するため、ベルトは緩み側６０において内側に曲げられる。取り付け時、緩み側６０は円弧状を呈する。ドライブリング４０に対するスプロケット１１の位置は、区間６０が緩み状態において円弧状となるように選択される。ベルト曲げ剛性は、ベルト２０がスプロケット１１の径と適合するように選択される。

取り付けられると、ベルトは安定してスプロケット１１に係合し、その結果、スプロケット１１周りのベルト２０の接触角を増大させる。緩み側６０は、スプロケット１１とドライブリング４０の間のフリースパンであり、そこでは区間６０の長さに亘ってベルトと接触するアイドラや他のスプロケットは存在しない。

緩み側区間６０の径Ｒ２は、従来技術の背面アイドラＣと係合するベルトＢの径Ｒ１よりも大きい（図３参照）。この構成は、ベルトにおける背面曲げ応力を低減する。

図５は、第１回転方向に移動している本発明のブレードピッチ制御機構の概要図である。図５は、緩み側スパン６０と張り側スパン７０の間におけるベルトの曲げ位置を比較して示す。作動時、ドライブリング４０は、原動スプロケット１１が緩み側からのベルト長さの余剰を吸収して自由に回転可能な間は回転しない。回転方向が反転すると、緩み側と張り側が反転する。すなわち、緩み側スパンが張り側スパンに替わるとき、曲げられた緩み側スパンは、真っ直ぐな張り側スパンとなる。

圧縮伝動は、原動及び従動の両方の接線方向となる１つのベルト円弧区間７０しか持たないので径は大幅に増大される。ベルトの曲げられた径が大きくなるにつれて、引張コードへのダメージは低減する。更に、ベルト歯の数は、ドライブリングスプロケットの歯の数よりも常に大きいため、ドライブリングの１回転において、経路に沿った同じ位置にベルト背面がくることはない。

限定的ではなく例示的に、例示的システムは：
１．ベルト２０は５８６歯備える。
２．ドライブリング４０は５５２歯備える。
３．ブレードピッチ回転範囲は９０度であり、ドライブリングは回転範囲を通して１３８本の歯に係合する。
４．ベルト長さは、ドライブリングの円周よりも３４歯分長い。
５．ドライブリングが周期的に４回３６０°回転されると、ドライブリング上のベルトを１３６歯前進させ、続く動作期間にベルトの新しい区間を使用でき、これにより従来技術のシステムに比べてベルトの運転寿命が延びる。

図６は、第２回転方向に移動している本発明のブレードピッチ制御機構の概要図である。図６は、従動スプロケットの１回転する前、かつ従動スプロケットの１回転した後のベルト区間を示す。この手順は、長い１つの期間、例えば１年、の後に簡単に実行でき、従動スプロケットは１回転により前進され、ベルトは別の位置へと前進される。これにより、異なるベルト区間がピッチ制御調整に用いられる。

緩み側区間６０と張り側区間７０は、伝動装置の動作方向によってポジションを交代できる。駆動方向Ｄ１において、ベルト区間６０は緩み側である。駆動方向Ｄ２では、区間７０が緩み側である。ガイド５０は、区間６０が緩み側のときに、区間６０が外側に撓むことを防止する。ガイド５１は、区間７０が緩み側のときに、区間７０が外側に撓むことを防止する。

本発明の伝動装置は、３つのアドバンテージを提供する。すなわち；（１）それは背面アイドラＣ周りのバックベンディングの下でのタイトな高引張力スパンを無くし；（２）それは緩み側スパンのバックベンディング半径Ｒ２を大幅に増大させ；（３）それは同じベルト区間が原動スプロケット１１と繰り返し係合することを防止する。

ブレードピッチ駆動装置は、原動スプロケットと、従動スプロケットと、原動スプロケットと従動スプロケットの間に掛け回される歯付きベルトとを備え、歯付きベルトは、原動スプロケットと従動スプロケットの間にフリースパンを有し、フリースパンが緩んだ状態のときフリースパンは円弧状を呈し、歯付きベルトは、フリースパンが緩んだ状態にあるとき原動スプロケットと従動スプロケットの間において張り状態にある第２スパンを有し、駆動装置の動作方向に応じて、フリースパンは第２スパンとして動作可能であり、第２スパンはフリースパンとして動作可能である。

本明細書では、本発明の複数の形態について説明されたが、当業者であれば、ここで説明された発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、その構成、パーツ間の関係に様々な変更ができることは明らかである。特に明記されていない限り、図面に示されている構成部は一定の縮尺で描かれていない。更に、「手段」または「ステップ」という言葉が特定のクレームで明示的に使用されていない限り、添付されたクレームまたはクレーム要素の何れかが３５Ｕ.Ｓ.Ｃ.１１２（ｆ）条の適用を意図するものではない。本開示は、図面に示され、本明細書に記載される例示的な実施形態または数値上の寸法に限定されるものではない。

Claims (11)

1. 原動スプロケットと、
   従動スプロケットと、
   前記原動スプロケットと前記従動スプロケットの間に掛け回される歯付きベルトとを備え、
   前記歯付きベルトは、前記原動スプロケットと前記従動スプロケットの間にフリースパンを有し、前記フリースパンが緩んだ状態のとき前記フリースパンは円弧状を呈し、
   前記歯付きベルトは、前記フリースパンが緩んだ状態にあるとき前記原動スプロケットと前記従動スプロケットの間において張り状態にある第２スパンを有し、
   駆動装置の動作方向に応じて、前記フリースパンは前記第２スパンとして動作可能であり、前記第２スパンは前記フリースパンとして動作可能である
   ことを特徴とするブレードピッチ駆動装置。
2. 前記歯付きベルトが無端ベルトであることを特徴とする請求項１に記載のブレードピッチ駆動装置。
3. フリースパンの突出方向を制御するガイドを更に備えることを特徴とする請求項１に記載のブレードピッチ駆動装置。
4. 第２ガイドを更に備えることを特徴とする請求項１に記載のブレードピッチ駆動装置。
5. 第１動作方向に対して、前記歯付きベルトが原動スプロケットの接線方向となる前記原動スプロケットに隣接して配置される第１ベアリングを更に備えることを特徴とする請求項１に記載のブレードピッチ駆動装置。
6. 第２動作方向に対して、前記歯付きベルトが原動スプロケットの接線方向となる前記原動スプロケットに隣接して配置される第２ベアリングを更に備えることを特徴とする請求項５に記載のブレードピッチ駆動装置。
7. 原動スプロケットと、
   従動スプロケットと、
   前記原動スプロケットと前記従動スプロケットのあいだに掛け回される歯付きベルトとを備え、
   前記歯付きベルトは、前記原動スプロケットと前記従動スプロケットの間にフリースパンを有し、前記フリースパンが緩んだ状態のとき前記フリースパンは円弧状を呈し、
   前記歯付きベルトは、前記フリースパンが緩んだ状態にあるとき前記原動スプロケットと前記従動スプロケットの間において張り状態にある第２スパンを有し、
   駆動装置の動作方向に応じて、前記フリースパンは前記第２スパンとして動作可能であり、前記第２スパンは前記フリースパンとして動作可能であり、
   第１動作方向に対して、前記歯付きベルトが原動スプロケットの接線方向となる前記原動スプロケットに隣接して配置される第１ベアリングと、
   第２動作方向に対して、前記歯付きベルトが原動スプロケットの接線方向となる前記原動スプロケットに隣接して配置される第２ベアリングと備える
   ことを特徴とするブレードピッチ駆動装置。
8. 前記歯付きベルトが無端ベルトであることを特徴とする請求項７に記載のブレードピッチ駆動装置。
9. フリースパンの突出方向を制御するガイドを更に備えることを特徴とする請求項７に記載のブレードピッチ駆動装置。
10. 第２ガイドを更に備えることを特徴とする請求項９に記載のブレードピッチ駆動装置。
11. 原動スプロケットと、
    従動スプロケットと、
    前記原動スプロケットと前記従動スプロケットのあいだに掛け回される歯付きベルトとを備え、
    前記歯付きベルトは、前記原動スプロケットと前記従動スプロケットの間にフリースパンを有し、前記フリースパンが緩んだ状態のとき前記フリースパンは円弧状を呈し、
    フリースパンの突出方向を制御するガイドを備え、
    前記歯付きベルトは、前記フリースパンが緩んだ状態にあるとき前記原動スプロケットと前記従動スプロケットの間において張り状態にある第２スパンを有し、
    駆動装置の動作方向に応じて、前記フリースパンは前記第２スパンとして動作可能であり、前記第２スパンは前記フリースパンとして動作可能であり、
    第１動作方向に対して、前記歯付きベルトが原動スプロケットの接線方向となる前記原動スプロケットに隣接して配置される第１ベアリングと、
    第２動作方向に対して、前記歯付きベルトが原動スプロケットの接線方向となる前記原動スプロケットに隣接して配置される第２ベアリングと備える
    ことを特徴とするブレードピッチ駆動装置。

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