JP4116573B2 - 風力タービン、液圧系、抽気系、並びに少なくとも２つの風力タービン羽根を制御する方法 - Google Patents

Description

本発明は風力タービン、液圧系、抽気系、並びに少なくとも２つの風力タービン羽根（ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ｂｌａｄｅｓ）を制御する方法に関する。

近代の風力タービンにおいては、２つの方式のうちの一方を用いて、タービン発電機で発生した力を、特に風力過剰な場合に制御している。両制御方式とも、風から風力タービンのローター羽根に伝達される揚力を減勢させる。

第１の方法、縦揺れ方式（ｐｉｔｃｈ ｓｙｓｔｅｍ）、は、羽根を長手方向軸の周りに縦揺れ（ｐｉｔｃｈｉｎｇ）させることにより制御を達成する。
第２の方法、失速方式（ｓｔａｌｌ ｓｙｓｔｅｍ）、は、風力過剰な事態が発生すると失速するように設計された羽根の輪郭を用いて制御を達成する。大きな風力タービンでは、いわゆる能動失速方式（ａｃｔｉｖｅ ｓｔａｌｌ ｓｙｓｔｅｍ）を確立するため、失速方式を縦揺れ可能な羽根と組み合わせてもよい。

図１は、従来技術の縦揺れ方式を示し、羽根を縦揺れさせる所要の力は液圧系により供給される。液圧系の主要部分は風力タービンのナセル（ｎａｃｅｌｌ）の中に位置して、液圧を中空の低速軸を介して数多のアクチュエータに供給する。アクチュエータは、羽根を軸に結合する風力タービンのハブ（ｈｕｂ）に位置される。アクチュエータは液圧を、羽根を縦揺れさせる際に用いる機械的な力に変換する。

従来技術の制御系が水力学（ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ）を含むため、多くの問題が現われている。特に、大きなメガワット風力タービンの出現は、液圧系、それも風力タービンの液圧系の静止構成要素から回転構成要素へ至る液圧の伝達に、問題を露呈している。さらに、所要の中空軸は大きな風力タービンとの関連で、不適切すなわち使用できず、そのうえ概して製造に費用がかかりすぎる。各液圧系の構成要素間の距離は圧力容量の重大な損失と、液圧系の構成要素の寿命に影響するノッキングノイズとを招来する可能性がある。

本発明の目的は上述した不都合を避けた風力タービンを確立することにある。
特に、目的は大きさに関係なく全ての風力タービンに使用可能な液圧系を確立することにある。

本発明によれば、請求項１に述べたように、風力タービンは回転手段と液圧手段（１７）とを備える。回転手段は、自身の長手方向軸の周りを回転可能な少なくとも２つの風力タービン羽根（４）と、前記少なくとも２つの風力タービン羽根（４）を少なくとも１つの軸（７、１６）に結合する風力タービンのハブとを含む。前記少なくとも２つの風力タービン羽根（４）を駆動する液圧手段（１７）は前記回転手段に組み込まれる。

液圧手段の全てを回転手段に含めることにより、液圧系構成要素間の距離と、これによる圧力容量の損失とを低度に保つこができる。

さらに、風力タービン産業の発展はますますコンパクトなギアに傾倒している。コンパクトなギアをつくると、中空軸はその直径が大き過ぎるために使用できず、またコンパクトなギアの軸がくりぬかれれば、顕著に崩壊の危険が増える。
さらにまた、軸と付随する液圧系構成要素とをくりぬく出費が回避できる。

同時に、ナセルの中のスペースを省くことができるから、サイズの縮小が可能となり、一方でハブと関連した「フリースペース」を使用することができる。
「回転手段」という用語はローター、ハブ、軸などの、風力タービンのナセルに対して回転する風力タービンの手段と諒解するものとする。
「駆動」なる用語は風力タービン羽根を新しい位置に動かすのに、または他の力が風力タービン羽根を動かそうとすると、それをその位置に維持するのに用いられる力と諒解するものとする。

本発明の一の態様では、前記液圧手段（１７）は少なくとも１つの液圧タンク（２０）と、少なくとも１つの液圧ポンプ（２１、２５）と、前記少なくとも２つの風力タービン羽根（４）を駆動する少なくとも２つの液圧アクチュエータ（２２）と、少なくとも１つの抽気系（４３）と、少なくとも１つの液圧フィルタ（２６）と、加熱手段（１８）及び／または冷却手段（２７）とを含むことができる。

ポンプ（及びタンク）とアクチュエータとが互いにすぐ近くに位置できるから、アクチュエータにはこれによって、制限された距離でポンプから液圧を与えることができる。
本発明のさらなる態様では、前記液圧手段（１７）は前記回転手段の回転中心線（ｃｌ）との関係で位置される。

これにより、風力タービンの回転手段における対称バランスの問題が生じることなく、液圧手段を回転手段に付加することが可能となる。好ましくは、液圧手段は中心線の周りにコンパクトに配設する、例えば液圧タンクを中央の中心線に配設し、他の液圧系構成要素をできるだけ対称的にタンクの両側に配設するようにする。

本発明のまたさらなる態様では、前記液圧手段（１７）は風力タービンのハブ（１４）に取り付けられる。
これにより、信頼度の高い極めて剛性の高い構造を創設することができる。

本発明によれば、請求項７に述べたように、回転手段を制御する液圧系は少なくとも２つの風力タービン羽根を含み、前記系は液圧タンク（２０）と、少なくとも１つの液圧ポンプ（２１、２５）と、前記少なくとも２つの風力タービン羽根（４）を前記羽根の長手方向軸の周りに駆動する少なくとも２つの液圧アクチュエータ（２２）と、を備え、前記少なくとも１つの液圧ポンプ（２１、２５）は作動油を前記液圧タンクから前記少なくとも２つの液圧アクチュエータへ圧送し、前記液圧系は回転中心線（ｃｌ）の周りに位置してその周りを回転する。

本発明の一の態様では、前記系はさらに少なくとも１つの抽気系（４３）を備える。
本発明によれば、請求項１０は回転手段に組み込まれた液圧系の抽気系（４３）について述べている。前記抽気系は、前記液圧系の回転中心線（ｃｌ）に位置しかつ前記液圧系に枢軸的に結合（枢結）された抽気チューブ（ａｉｒ ｂｌｅｅｄ ｔｕｂｅ）（１９）と、前記液圧系に位置しかつ前記中心線（ｃｌ）から離れた空気取入れ口を有する抽気管（３４、４１）と、前記液圧系の外側に位置するウェイト鉛バーの付いたウェイトブロックと、を備え、前記抽気管とウェイトブロックとはそれぞれ前記抽気チューブに枢軸的に結合され、前記抽気管は前記ウェイトブロックに固定的に結合されている。

本発明の一の態様では、前記抽気管（４１）はエルボ継手（４０）を介して前記抽気チューブ（３８）に結合され、前記枢結には少なくとも１つの軸受（３９）が含まれる。
本発明のさらなる態様では、前記ウェイトブロック（２９）は前記抽気管（４１）より重くしてある。
本発明のまたさらなる態様では、前記系は、前記中心線（ｃｌ）の周りに対称的に配置される少なくとも２つの、好ましくは３つの容量センサ（３１）を具備する。

以下本発明を図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は風力タービンにおける従来技術の縦揺れ方式（ｐｉｔｃｈ ｓｙｓｔｅｍ）を示している。風力タービンは、風力タービン塔（ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ｔｏｗｅｒ）の頂部に位置するナセル（ｎａｃｅｌｌｅ）２とヨーイング機構（ｙａｗ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）５とを含み、風にぶつかる風力タービンのローター羽根（ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ｒｏｔｏｒ ｂｌｏｄｅｓ）を組み立てている。ローター羽根は風力タービンの回転手段に組み込まれ、ノーズコーン（ｎｏｓｅ ｃｏｎｅ）の中の風力タービンのハブ１４と縦揺れ機構１５もまた、ギア９の両側部にある低速軸１０と高速軸７と共に風力タービンの回転手段に含まれる。高速軸はさらに機械式制動装置を備えて発電機（ｅｌｅｃｔｒｉ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）６に結合される。

羽根４を縦揺れさせるに必要な力は液圧系により供給される。ポンプやタンクなど液圧系８の主要部分は風力タービン１のナセル２に位置し、図面に示したように液圧力を中空の低速軸１０を介して多数のアクチュエータ１３へ供給する。

液圧は低速軸の端部を通って供給され、作動液を静止した液圧系の構成要素から回転成分へ、例えばポンプからアクチュエータへ供給する。低速軸は第１と第２の軸受１１、１２の間で懸架され、風力タービンのハブ１４と縦揺れ機構１５とを介して風力タービン羽根４に連結される。

アクチュエータ１３は風力タービンのハブに、またはハブのすぐ近くに位置し、各風力タービン羽根の縦揺れ機構１５に連結される。アクチュエータは液圧を、縦揺れ機構１５を介して羽根を縦揺れさせる際に用いる機械的力に変換する。

通常は、縦揺れ方式を用いて自動的にローター羽根を調節し、風に合わせるようにすることができる。
さらに縦揺れ方式を用いて、羽根が風に対して直角となる位置に羽根を転回させることもできる。この位置で、羽根の揚力は消滅し、風力タービンの回転手段は減速して例えば風力過剰な場合最終的に回転を停止させる。

図２は本発明による風力タービンの液圧系を示している。全体の液圧系１７はノーズコーン３の回転中心線ｃｌ上でハブ１４の隣に位置し、回転手段の残部と共に回転する。ハブは非常に短い低速軸１６を介して液圧系１７とギア９とに連結される。軸の長さは軸がギア９の前部で軸受に懸架されることを意味する。図面の残余の構成要素は図１の構成要素に対応する。

図３は本発明の好ましい実施形態の機能についてのフローチャートを示している。
チャートには液圧系１７の部分を全て形成する多数の液圧系の構成要素が含まれている。普通の３ローター羽根（３−ｒｏｔｏｒ ｂｌａｄｅ）の風力タービンでは、構成要素は次の如くである：

系の作動油を含有する液圧タンク２０。液圧タンクの油のレベルは通常満杯のタンクのおよそ２／３であり、残部は空気で満たされる。
作動油をタンクから液圧アクチュエータ２２まで高圧で圧送する高液圧ポンプ２１。高液圧ポンプ２１はさらに、通常に機能している間はバックアップ蓄圧機（ｂａｃｋ−ｕｐ ａｃｃｕｍｕｌａｔｏｒ）２４に所要の圧力を供給する。

個々の３つの液圧アクチュエータ２２は、風力タービン羽根４の縦揺れ機構１５に機械的に連結され、羽根を羽根の長手方向軸の周りに転回（ｔｕｒｎ）させることができる。

作動液をアクチュエータとタンクとから受け取り、それを液圧フィルタ２６を通して圧送し、油から種々の粒子とよごれとを取り除く低圧ポンプ２５。さらに、油は扇風機の付いた油冷却器などの冷却手段２７を通って圧送され、それから液圧タンクに戻される。

液圧タンクの抽気チューブ１９は、必要な場合に空気をタンクから出し入れさせて、空気と油との関係が安定に保持されるのを保証する。
バックアップ蓄圧機２４には、例えば液圧系すなわち電気系統が働かなくなり、液圧が消滅した場合羽根を休止位置に転回させるために、加圧ガスが含まれている。

液圧系の構成要素に加えて、液圧系は多数の電気加熱要素を含む加熱手段１８などのさらなる要素を液圧タンク内部に備え、油が、ある一定の好ましい温度にあることを保証する。

ポンプと幾つかの他の液圧系の構成要素は、液圧系と回転手段とから離れて位置することもできる電源２３から電力を供給される。
図４は本発明の液圧抽気系（ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ａｉｒ ｂｌｅｅｄ ｓｙｓｔｅｍ）の好ましい実施形態の分解図を示している。

液圧抽気系４３は一部が液圧タンクに内設され、センサと軸受ブラケット３３とで液圧タンクの内側部分と外側部分との間の線を規定する。
タンクに内設される装置の一部は逆Ｊ型の抽気管４１を含む。抽気管４１はエルボ継手管４０と軸受３９とによりブラケット３３を介して抽気チューブ３８に連結される。軸受は抽気チューブ３８と抽気管４０、４１とをブラケット３３に対して回転させる。

抽気チューブ３８の他端部で、矩形の孔３７を介してウェイト鉛バー（ｗｅｉｇｈｔ−ｐｌｕｍｂｉｎｇ ｂａｒ）３６が連結される。孔は、ブラケットの両側部に配設される軸受３９と締結リング４２とにより可能となるバーの、ブラケットに対する一種の軸としての転回時に、バーが抽気チューブに従動することを保証する。ウェイト鉛バー３６にはその下端部にウェイトブロック（ｗｅｉｇｈｔ ｂｌｏｃｋ）２９が設けられている。

抽気チューブ３８はエアフィルタ３０まで伸長する。
図５は本発明による液圧タンクの第１の見方を示し、抽気系の機能を図解している。
液圧タンクは回転中心線ｃｌの周りに対称的に位置する。
液圧タンク２０は作動油２８と空気３５とが充填される多くの部分を備える。空気は、回転矢印ｒａで示した回転中心線ｃｌの周りをタンクが回転することとは無関係に、油の上を浮遊する。油と空気の分離は油の表面３２と、図示したように、油の表面３２から上昇する抽気管とによって示される。

タンクの回転中、ウェイトブロック２９と抽気管３４とは、下方を向いたウェイトブロックにより常に鉛直である。ウェイトブロックと管とが抽気チューブに固定的に取り付けられ、加えてウェイトブロックが管より重いため、抽気管３４は常に上向きに鉛直になり、ウェイトブロックは下向きに鉛直になることは重力によって保証される。

タンクの油圧が上がれば、空気圧は上がり、抽気系は確実にチューブを介して圧力を除去する。さらに、タンク内部の空気圧が著しく低下すれば、系は確実に外側から空気が吸込まれるようにする。ローター羽根の制御中に油がタンクの内外に圧送される際、タンク内部の圧力と油のレベルは変っても構わない。

ブラケット３３はまた、中心線ｃｌから離れて対称的に位置する多数の容量センサ３１、例えば中心線から一定の間隔で１２０度離れて位置する３つのセンサ、を具備する。回転中、各センサは油の表面３２に対して常に異なる位置にあり、センサとしてタンクの油のレベルを表示できる。例えばセンサのうちの１つが油から離れていれば、メンテナンスを早急に行うべきことを指示でき、３つのセンサのうちの２つが離れていれば、油のレベルが低すぎるということであるから風力タービンの即座の停止を指示できる。

図６は液圧タンクの第２の見方を示し、回転矢印ｒａにより回転が明瞭に示されている。さらに、抽気管４１とウェイト鉛バー３６とウェイトブロック２９の関係、及びそれぞれの位置が示されている。

ウェイト鉛バー３６とウェイトブロック２９と抽気管４１とは上述の如く抽気チューブに固定的に結合されている。抽気チューブと、これによりウェイト鉛バー３６と抽気管４１とは軸受を介してタンクに、加えて液圧系の残部に枢結される。

図７は本発明による液圧系の好ましい実施形態を示している（分解図により）。
図は液圧タンク２０を液圧系の中心構成要素として示し、他の液圧系の構成要素はできるだけ対称的に配置されている。液圧系の構成要素はバックアップ蓄圧機２４、高圧ポンプ２１、低圧ポンプ２５、液圧フィルタ２６、冷却手段２７、及び抽気系４３を備える。
図はさらに、高圧ポンプをアクチュエータ２２の１つに結合するホース結線４４を含む、いろいろな構成要素を結合する所要の液圧ホースを示している。

図８は液圧タンク２０のさらなる実施形態を示している。タンクの入口管と出口管４５、４６は、外側のホース結線４７、４８からタンクまで伸長し、好ましくはこれらにタンクの中心または中心近くで開口４９、５０が設けられる。タンクの中心は回転中心線ｃｌで表示される。

図にはさらに作動油における好ましい温度を保証する電気加熱手段５１も示してある。
入口管と出口管の数と、これらがタンクの表面から突出する位置は変えることもできる。本発明の実施形態では、入口と出口のホースは、入口管並びに出口管として作用する１つのホースに結合できる。

従来技術による風力タービンの液圧系を示した図である。 本発明による風力タービンの液圧系を示した図である。 本発明の好ましい実施形態の機能を示したフローチャートである。 本発明による液圧抽気系を示した分解図である。 本発明による液圧タンクの第１の見方を示した図である。 液圧タンクの第２の見方を示した図である。 本発明による液圧系の好ましい実施形態を示した図である。 液圧タンクの第３の見方を示した図である。

符号の説明

１ 風力タービン
２ ナセル
３ ノーズコーン
４ 風力タービン羽根
５ 風力タービン塔及びヨーイング機構
６ 発電機
７ 機械式制動装置及び高速軸
８ 液圧ポンプなどを含む液圧系
９ ギア
１０ 中空の低速軸
１１ 低速軸の第１の軸受
１２ 低速軸の第２の軸受
１３ 液圧アクチュエータ
１４ ハブ
１５ 縦揺れ機構
１６ 低速軸
１７ 液圧系
１８ 電気加熱手段
１９ 抽気チューブ
２０ 液圧タンク
２１ 高液圧（ｈｐ）ポンプ
２２ 液圧アクチュエータ
２３ 電源
２４ バックアップ蓄圧機
２５ 低液圧（ｌｐ）ポンプ
２６ 液圧フィルタ
２７ 冷却手段
２８ 作動液
２９ ウェイトブロック
３０ 空気フィルタ
３１ 容量センサ
３２ 作動油面
３３ センサ及び軸受ブラケット
３４ 抽気管
３５ 空気
３６ ウェイト鉛バー
３７ 矩形孔
３８ 抽気チューブ及び軸
３９ 軸受
４０ エルボ継手管
４１ 抽気管
４２ 締結リング
４３ 抽気系
４４ 液圧結合ホース
４５ 出口管
４６ 入口管
４７ 外側ホース結線−出口
４８ 外側ホース結線−入口
４９ タンク内の出口管開口
５０ タンク内の入口管開口
５１ 電気加熱手段
ｃｌ 中心線
ｒａ 回転矢印

Claims (21)

1. 回転手段と液圧系（１７）とを備えた風力タービンにおいて、
   前記回転手段は、自身の長手方向軸線の周りに転回可能な少なくとも２つの風力タービン羽根（４）と、前記少なくとも２つの風力タービン羽根（４）を少なくとも１つの軸（７、１６）に結合する風力タービンのハブ（１４）とを含み、
   前記液圧系（１７）は、前記少なくとも２つの風力タービン羽根（４）を駆動し、また、少なくとも１つの液圧タンク（２０）と、前記液圧系（１７）中の空気圧を制御するための抽気系（４３）とを備えており、
   前記液圧系（１７）は、前記回転手段に組み込まれ、かつノーズコーン（３）の中に位置するとともに、前記回転手段の回転中心線（ｃｌ）が前記少なくとも１つの液圧タンク（２０）を通過することを特徴とする風力タービン。
2. 請求項１に記載の風力タービンにおいて、前記液圧系（１７）は、少なくとも１つの液圧ポンプ（２１、２５）と、前記少なくとも２つの風力タービン羽根（４）を駆動する少なくとも２つの液圧アクチュエータ（２２）と、少なくとも１つの液圧フィルタ（２６）と、加熱手段（１８）及び／または冷却手段（２７）とを含むことを特徴とする風力タービン。
3. 請求項１に記載の風力タービンにおいて、前記液圧系（１７）の液圧入口管と液圧出口管（４５、４６）はタンク（２０）内へ延在していることを特徴とする風力タービン。
4. 請求項１に記載の風力タービンにおいて、液圧入口管と液圧出口管（４５、４６）は前記回転手段のほぼ回転中心線（ｃｌ）に開口（４９、５０）を含むことを特徴とする風力タービン。
5. 請求項１に記載の風力タービンにおいて、前記液圧系（１７）は風力タービンのハブ（１４）に取り付けられることを特徴とする風力タービン。
6. 少なくとも２つの風力タービン羽根を含んだ風力タービンの回転手段を制御する液圧系において、前記系は、
   液圧タンク（２０）と、
   少なくとも１つの液圧ポンプ（２１、２５）と、
   前記液圧系（１７）中の空気圧を制御するための抽気系（４３）と、
   前記少なくとも２つの風力タービン羽根（４）を前記羽根の長手方向軸の周りに駆動する少なくとも２つの液圧アクチュエータ（２２）とを備え、
   前記少なくとも１つの液圧ポンプが前記液圧タンクから前記少なくとも２つの液圧アクチュエータまで作動油を圧送し、
   前記液圧系は、前記風力タービンの回転手段に組み込まれ、かつ前記風力タービンのノーズコーンの中に位置するとともに、前記回転手段の回転中心線（ｃｌ）が前記液圧タンク（２０）を通過することを特徴とする液圧系。
7. 請求項６に記載の液圧系において、前記液圧系は、前記風力タービンのハブの中に位置することを特徴とする液圧系。
8. 請求項６に記載の液圧系において、前記回転中心線（ｃｌ）はまた、前記液圧系を用いる風力タービンの回転中心線（ｃｌ）でもあることを特徴とする液圧系。
9. 請求項６に記載の液圧系において、前記抽気系は、
   前記回転中心線（ｃｌ）が通過しかつ前記液圧系に枢軸的に結合された抽気チューブ（３８）と、
   前記液圧系内に位置しかつ前記中心線（ｃｌ）から離れた空気取入れ口を有した抽気管（３４、４１）と、
   前記液圧系の外部に位置するウェイト鉛バー付きのウェイトブロックと、を備え、
   前記抽気管とウェイトブロックとはそれぞれ前記抽気チューブに結合され、
   前記抽気管は前記ウェイトブロックに固定的に結合されることを特徴とする液圧系。
10. 請求項９に記載の液圧系において、前記抽気管（４１）はエルボ継手（４０）を介して前記抽気チューブ（３８）に結合されることを特徴とする液圧系。
11. 請求項９に記載の液圧系において、前記抽気チューブ（３８）は前記タンクへ枢軸的に結合され、この枢軸的な結合は少なくとも１つの軸受（３９）を含むことを特徴とする液圧系。
12. 請求項９に記載の液圧系において、前記枢軸的な結合は少なくとも１つの締結リング（４２）を含むことを特徴とする液圧系。
13. 請求項９に記載の液圧系において、前記ウェイトブロック（２９）は前記抽気管（４１）より重さがあることを特徴とする液圧系。
14. 請求項９に記載の液圧系において、前記系は、少なくとも２つの、好ましくは３つの容量センサ（３１）を備えることを特徴とする液圧系。
15. 少なくとも２つの風力タービン羽根を前記羽根の長手方向軸の周りに転回させるための液圧系を制御する制御方法において、前記方法は、
    少なくとも１つのポンプにより作動油を少なくとも１つの液圧タンクから少なくとも１つの液圧アクチュエータまで圧送するステップと、
    前記液圧アクチュエータにより、前記風力タービン羽根を転回させる少なくとも１つの縦揺れ機構を駆動するステップと、
    前記作動油を前記少なくとも１つの液圧タンクへ復帰させるステップと、を含み、
    前記液圧系の空気圧は、抽気系により制御され、
    前記液圧系は、前記風力タービンの回転手段に組み込まれ、かつ前記風力タービンのノーズコーンの中に位置するとともに前記回転手段の回転中心線（ｃｌ）が前記少なくとも１つの液圧タンクを通過することを特徴とする制御方法。
16. 請求項１５に記載の液圧系を制御する方法において、前記液圧系は前記回転中心線で回転することを特徴とする制御方法。
17. 請求項１５に記載の液圧系を制御する方法において、前記液圧系は前記回転中心線の周りを回転することを特徴とする制御方法。
18. 請求項１５に記載の液圧系を制御する方法において、前記液圧系は前記液圧タンク内部の少なくとも１つの入口並びに出口の管から、前記少なくとも１つのポンプにより作動油を吸引することを特徴とする制御方法。
19. 請求項１８に記載の液圧系を制御する方法において、吸引は前記タンクの中心あるいはその近くで行われることを特徴とする制御方法。
20. 請求項１５に記載の液圧系を制御する方法において、タンク内部を周囲に結合する抽気系はタンク内部の圧力を制御することを特徴とする制御方法。
21. 請求項１５に記載の液圧系を制御する方法において、抽気系の抽気管は、タンクに枢軸的に結合されかつこの枢軸的な結合の下方で結合されるウェイトブロックを備えることにより、直立位置に保持されることを特徴とする制御方法。

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