JP4220547B2 - ローターブレード接合部 - Google Patents

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Description

本発明は風力発電設備用のローターブレードに関し、このローターブレードは、ローターブレード根部の領域に配されかつローターブレードの長手方向軸線に対して実質的に交差するよう延在する貫通孔の形態となった複数の孔と、この孔内に嵌め込まれる交差ピンと、この交差ピンに対して連結できる引張り要素と、を具備してなる。
特許文献１は、ローターブレード根部の領域に配されかつローターブレードの長手方向軸線に対して実質的に交差するよう延在する孔と、この孔内に嵌め込まれる交差ピンと、この交差ピンに対して接続できる引張り要素と、を備えたローターブレードを開示している。この孔は止まり孔の形態である。
非特許文献１(これは最も関係のある従来技術と考えられる)は、本明細書の冒頭部分で言及した種類のローターブレードを開示している。この公知のローターブレードにおいては、引張り要素(引張りアンカーと呼ばれる)は交差ピンからフランジへと延在する。このようにしてローターブレードは、たとえばローターハブのフランジに対して固定できる。
最新技術から、ローターブレード根部内で延在する引張り要素が知られている。したがってローターブレード根部の材には通路が存在しなければならず、この通路内には引張り要素が嵌め込まれる。これが引き起こす材の強度低下を考慮して、ローターブレード根部領域の材は、必要な強度を確保するため適当な構造的手法によって補強されなければならない。
DE 197 33 372 C1 Erich Hau、「Windkraftanlagen」、SpringerVerlag、1996年、第２版、第202ページ
構造の簡素化によって上記不具合を解消するため、本発明によるローターブレードは、ローターブレード根部の外部で延在する引張り要素によって特徴付けられる。
この点に関して、本発明は次のような認識に基づくものである。このようにして、ハブにおけるローターブレード根部の領域は明らかに空力的に不利な様態に変更される。だが、それは音響特性および設備の他の特性に有害な影響を及ぼさない。なぜなら、ローターブレードの上記領域はスピナーで覆われるか、あるいは少なくともローターの一部内に配置され、それは非常にゆっくりと回転するからである。
本発明によるローターブレードは、一方では、ローターブレード根部の領域におけるローターブレードの材には通路による強度低下が生じず、しかも引張り要素をいつでも、その目的のために必要な分解を要さずに目視点検することができる、という利点を持つ。したがって、たとえば初期腐食をすぐに発見し、除去できる。
さらに、引張り要素の交換は容易に可能である。
特に、軽量でかつ同時に強靭なローターブレード用の素材として、繊維強化エポキシ樹脂複合素材が使用される場合、ローターブレード根部において交差ピンの耐久性に優れた定着を実現することができる。この点に関して、上記構造は、交差ピンからローターブレードのエポキシ樹脂複合素材への力の有利な伝達をもたらす。
好ましくは、ローターブレードには複数の交差ピンを収容するための複数の離間した孔が設けられる。このようにしてローターブレード接合部の強度を実質的に増大させることができる。これは、非常に大型の風力発電設備の場合には特に必要なことである。この孔は、この孔によって材には僅かな強度低下しか生じないよう離間させることができる。
特に好ましい本発明の実施形態は、ローターブレードがローターブレード根部の領域において断面が拡大されておりかつ孔がこの拡大断面領域に配置されているものである。この手法によれば、ローターブレードとローターハブとの間の接合部の荷重支持能力を実質的に増大させることができる。なぜなら、ローターブレードは、ローターブレード根部の領域における断面拡大によって実質的により低い応力を受け、ゆえにより大きな力で作動させることができるからである。拡大断面領域の孔の本発明による配置は、対応して拡大された表面積によって交差ピンからローターブレードの材への有利な力の伝達を可能にし、一方で、交差ピンと開口部内面との間の境界面には、表面積に関する実質的により低い圧力が生じる。この場合、断面拡大は、公知のローターブレードの場合よりも著しくわずかな程度のものとすることができる。なぜなら、ローターブレード内で延在する引張り要素用の孔を補償する必要がないからである。
本発明の特に好ましい実施形態によれば、ローターブレードの断面は、ローターブレードの、ハブに向う、端部の方向に両側で大きなものとなっている。これによって、交差ピンからローターブレードへと対称的に力が伝達される。
この実施形態の好ましい展開によれば、ローターブレードは対向配置された二つの肥厚部(これはそれぞれローターブレードに対して一体に形成されている)を有し、しかも上記孔は少なくとも一部が肥厚部の領域に配される。断面拡大に寄与する肥厚部は、繊維複合素材およびエポキシ樹脂からなる複数の層のローターブレードへの積層による公知の簡単な手法で形成できる。
さらに特に好ましい実施形態は、ローターブレードがローターブレード根部の領域に、複数の孔が設けられた実質的に筒状の端部を有するようなものである。筒状端部は特に統一された簡単な手法でローターハブに固定でき、しかも特に極めて大型の風力発電設備の場合に有利である(大型の風力発電設備には過大な力が生じ、しかもそのローターブレードは固定のための筒状端部から翼形部への移行部を含む)。
ローターブレードが実質的にガラス繊維強化エポキシ樹脂複合素材からなる実施形態によれば、素材は高強度であると共に非常に軽量なものである。
良好な荷重伝達をもたらすため、交差ピンは好ましくは孔内に接着される。さらに、引張り要素が取り付けられる間も含めて、交差ピンを所定のポジションで確実に保持できる、という利点も存在する。
特に好ましい特徴に関して、金属ディスクを、孔の少なくとも一方の、だが好ましくは両方の端部に、孔(あるいは交差ピン)の長手方向軸線の周りに同心状に設けることができる。公知のサポートワッシャと形状に関して類似する上記ディスクは、孔の部位にローターブレード根部の面と同一平面をなすよう嵌め込まれ、そして孔の縁へのダメージを防止する。
さらに好ましい実施形態では、スリーブが孔内に嵌め込まれるかあるいは接着される。このスリーブは金属素材からなるものであって、孔の壁と交差ピンとの間に摩擦が生じるのを抑止する。生じる摩擦は交差ピンとスリーブとの間で発生する。
本発明によるローターブレードの上記利点は、本発明の冒頭部分で言及した種類の風力発電設備用のローターにおいて同じ様式で享受されるが、このローターは本発明によるローターブレードを備える。それゆえ重複を回避するため、有利な効果に関する先の説明を参照されたい。
本発明によるローターの好ましい展開は、ローターハブがローターブレードの接続用の実質的にＴ形断面の周方向に延在するフランジ部分を有し、かつローターブレードがこのローターブレードに嵌め込まれた交差ピンに対して接続された複数の引張り要素によってフランジ部にネジ留めされる、ということによって特徴付けられる。貫通孔がＴ形フランジ部の自由部分(これは実質的に一つの面に配される)の両方に設けられ、引張り要素が貫通孔を経て係合した状態となっている限り、好ましくは対称なＴ形フランジ部はローターブレードからハブへと力を対称的に伝達することを可能にする。好ましくは、複数の引張り要素が、対になった相互に平行な関係でかつ実質的に相互に同心状に配された二つの列に設置される。
本発明による利益はまた、上記種類のローターおよび／またはローターブレードを備えた風力発電設備において実現される。これによって得ることのできる、本発明による利点に関しては、本発明によるローターブレードおよびローターに関する先の説明を参照されたい。
以下、添付図面を参照し、風力発電設備のローターの一実施形態を用いて本発明を説明する。
図１の風力発電設備は実質的にパイロン３およびそれに取り付けられたポッド５を備え、このポッド５は、発電機７およびそれに直接接続されたローター９を収容する。ローター９は、ローターハブ１１およびこのローターハブ１１に取り付けられた３枚のローターブレード２を有する。ローターハブ１１は、ローターブレード２に作用する風力によって回転させられて発電機７を駆動する。
リング発電機の形態の発電機７はステータ１３および発電機ローター１５を有する。発電機ローター１５は、いわゆる装置キャリア２１に固定的に結合されたジャーナル１９上で、主ベアリング１７によってローターハブ１１と共に支持される。装置キャリア２１はロータリーマウント(図示せず)によってパイロン３の上で、方位角モーター２３によって旋回可能に支持される。風速計および風向計を備えたデバイス２７がまた、装置キャリア２１に対して取り付けられている。
図２は、風力発電設備１のローターブレード２の(ブレード根部端における)一部を示す断面図である。この風力発電設備１は、図１に示すように、たとえばいわゆる水平軸風力発電設備とすることができる。
図２に一部を示すローターブレード２はガラス繊維強化エポキシ樹脂複合素材からなる軽量構造体であり、かつローターブレード２が、Ｔ形断面のものであってかつローターハブ１１を一体的に備える、周方向に延在するフランジ４に対してネジ留めされている限り、本発明によるローターブレード接合部２９(図１)によってローターハブ１１に対して固定的に接合される。図１に示すローターブレード２の一部(ちょうどフランジ４のように)は、周方向に延在しかつ実質的に筒状構造のものであり、しかもローターブレード１１からの距離が大きくなるに伴い、空力的に有効なローターブレード断面(図示せず)への移行部を形成する。ブレードアダプター３１をローターブレード接合部２９とローターハブ１１との間に配置できる。ローターブレード２は、ブレード接合部２９およびブレードアダプター３１と共に、ブレード調整モーターによって、ローターブレード２の長手方向軸線を中心として回動できる。
図２は、ローターブレード根部６の領域におけるローターブレード２の断面の本発明による両側拡大を示す。すなわち図示の実施形態では、ローターブレードの実質的に筒状部分の端部領域は組立て状態ではローターハブ１１のフランジ４に載っている。ローターブレード根部６の対向配置された側面領域には肥厚部８,１０が形成されており、これは、ローターブレード根部６の領域で、ローターブレード２の端部領域に向う方向にローターブレード２の横断面を拡大する。この拡大横断面は高い強度をその場所に付与する。肥厚部８,１０は、たとえば追加的なエポキシ樹脂および繊維層の付加によって、ローターブレード根部６に一体的に形成できる。
貫通孔１２がローターブレード根部６の領域に、ローターブレード６の周縁上に割り当てられた状態で設けられる。金属製の交差ピン１６が固定要素として、ローターブレード２の、この孔１２内に嵌め込まれる。
交差ピン１６は、ローターブレード根部６の厚みを超えて延びる長さのものであり、かつ貫通孔が、ローターブレード根部６の外側であってかつその両側において、その端部領域に設けられている。この貫通孔には、たとえば雌ネジ(図示せず)が形成されていてもよい。それは金属製円柱ボルトの形態の引張り要素２０,２２と協働する。この引張り要素２０,２２には雄ネジを形成することができ、この雄ネジを用いることで、引張り要素２０,２２は交差ピン１６の対応する雌ネジに螺着させられる。
引張り要素２０,２２は、フランジ４の貫通孔２８,３０を経て、ローターブレード根部の両側において、ローターブレード２の外部で延在している。この引張り要素２０,２２は、スリーブあるいはサポートワッシャ３６,３８を介在させた状態で、引張り要素２０,２２の(さらなる)雄ネジに螺着できるナット３２,３４によって大きな引張り力を受けることができ、したがってローターブレード２を、フランジ４に対して、したがってローターハブ１１に対して、ローターブレード２とローターハブ１１との間で確実な接合がなされるよう堅固に引き寄せることができる。
図３は図２の一部を拡大して示すものである。どのようスリーブ１５が孔１２内に配置されているか、どのように交差ピンがスリーブ１５内に配置されているか、そしてどのようにディスク１７が交差ピンの周囲に配置されているかが特に明確に認識できる。
引張り要素２０,２２がローターブレード２の根部領域６の表面に可能な限り密接した状態で延在するように、ディスク１７はローターブレード２の根部領域６の表面と同一平面をなすよう配置される。
交差ピン１６を孔１２内に接着できるのと同様、スリーブ１５もまた孔内に接着できる。このようにして交差ピン１６と孔１２の壁との移動を防止できる。その代わりに、この移動はスリーブ１５と交差ピン１６との間で生じる。交差ピン１６が引張り要素２０,２２によって固定的に締め付けられていることに起因して、たとえ、この移動が極めて僅かなもの(いわゆるマイクロ移動)となり得る場合でも、それにもかかわらず、さもなければ連続荷重は損傷を引き起こし得る。
図４は本発明の代替的な、より簡単な実施形態を示す。この実施形態では、交差ピン１６は、スリーブを伴わずに孔１２内に単独で延在している。二つの構成要素間の移動を防止するため、したがってローターブレード根部６の材の摩損を防止するため、そして同時に、組立て作業の間、交差ピン１６をその所定ポジションで保持するため、交差ピン１６をやはり孔１２内に接着できることが分かるであろう。
このさらなる構造は公知の実施形態のそれに対応する。すなわち、引張り要素２０,２２はフランジを貫通して延在し、かつディスク３６,３８を介在させた上で、ナット３２,３４によって固定されている。
上記ローターブレードを風力発電設備において実施するとき、風力発電設備が、上記ローターブレードがローターによって支持されかつローターブレードがピッチ制御によって風に対するその角度について調整可能であるような設備であると特に有利である。この場合、ピッチ駆動装置が、一つのピッチ駆動装置からだけでなく、二つまたは三つのピッチ駆動装置からなるならば特に有利となり得る。
本発明による風力発電設備の概略図である。 風力発電設備のローターハブに対する、ローターブレードの本発明による固定状態を示す断面図である。 図２の一部拡大図である。 本発明の代替的実施形態の断面図である。
符号の説明
１ 風力発電設備
２ ローターブレード
３ パイロン
４ フランジ
５ ポッド
６ ローターブレード根部
７ 発電機
８,１０ 肥厚部
９ ローター
１１ ローターハブ
１２ 貫通孔
１３ ステータ
１５ スリーブ
１６ 交差ピン
１７ ディスク
１９ ジャーナル
２０,２２ 引張り要素
２１ 装置キャリア
２３ 方位角モーター
２７ デバイス
２８,３０ 貫通孔
２９ ローターブレード接合部
３１ ブレードアダプター
３２,３４ ナット
３６,３８ サポートワッシャ

Claims (13)

  1. ローターブレード根部の領域に配されると共に前記ローターブレードの長手方向軸線に対して交差するよう延在する貫通孔 ( １２ )の形態となった複数の孔と、前記孔 ( １２ )内に嵌め込まれる交差ピンと、前記交差ピン ( １６ )に対して連結可能な引張り要素 ( ２０ , ２２ )と、を具備してなる、風力発電設備用のローターブレードであって、前記交差ピン ( １６ )は雌ネジを有すると共に前記引張り要素 ( ２０ , ２２ )は前記雌ネジの直径に対応する雄ネジを有し、かつ前記引張り要素 ( ２０ , ２２ )は前記交差ピン ( １６ )に螺着させられており、かつ前記引張り要素(２０,２２)が前記ローターブレード根部(６)の外側で延在していることを特徴とするローターブレード。
  2. 複数の交差ピン(１６)を収容するための複数の離間した孔(１２)が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のローターブレード。
  3. ローターブレード(２)は前記ローターブレード根部(６)の領域において断面が拡大されており、かつ前記孔(１２)はこの拡大断面領域に配されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のローターブレード。
  4. ローターブレード(２)の断面は、前記ローターブレード(６)の、ハブに向う、端部に向う方向に両側で大きくなることを特徴とする請求項３に記載のローターブレード。
  5. 前記ローターブレード根部(６)の領域においてローターブレード(２)は筒状の端部を有し、この端部には複数の孔(１２)が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のローターブレード。
  6. 前記ローターブレードはガラス繊維強化エポキシ樹脂複合素材からなることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のローターブレード。
  7. 前記交差ピン(１６)は前記孔(１２)内で接着されることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のローターブレード。
  8. スリーブ(１５)が前記孔(１２)内に設けられると共に、前記交差ピン(１６)は前記スリーブ(１５)内に配置されることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のローターブレード。
  9. 金属ディスク(７)が、前記孔(１２)の長手方向軸線と同心状関係で、前記孔(１２)の少なくとも一方の端部に設けられてなることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載のローターブレード。
  10. ローターハブと、請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の少なくとも一つのローターブレード ( ２ ) と、を具備してなる風力発電設備用のローターであって、前記少なくとも一つのローターブレードは前記ローターハブに取り付けられていることを特徴とするローター。
  11. ローターハブ(１１)はローターブレード(２)の接合用のＴ形断面の周方向に延在するフランジ(４)を有すると共に、ローターブレード(２)は、このローターブレード(２)に配置された交差ピン(１６)に連結された複数の引張り要素(２０,２２)によって前記フランジ(４)に対してネジ留めされることを特徴とする請求項１０に記載のローター。
  12. 前記引張り要素(２０,２２)は、対をなす互いに平行な関係で、かつ実質的に相互に同心状に配された二つの列に配置されることを特徴とする請求項１１に記載のローター。
  13. 請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載のローターブレード(２)および／または請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載のローター(９)によって特徴付けられた風力発電設備。
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