JP4880749B2 - 風力設備のためのロータブレード - Google Patents

Description

本発明は風力設備のためのロータブレードに関するものであり、そのロータブレードは少なくとも第１および第２の構成要素を具備し、第１の構成要素はロータブレード先端部であり、第２の構成要素はロータブレード基底部である。

分割されたロータブレードは、例えば特許文献１から公知である。公知のロータブレードの部品は、別々に生産されおよび輸送される。それは生産と輸送との両方における基盤の要求の限界による、考慮され得る寸法のためである。

一般論として、技術の留意点のさらなる情勢は、特許文献２、特許文献３および特許文献４に導かれている。

独国特許出願公開第１９９ ６２ ９８９号明細書 独国特許出願公開第１０１ ５２ ４４９号明細書 独国実用新案公開第２０２ ２０７１４号明細書 国際公開第０３／０７８８３３号パンフレット

本発明の目的は、風力設備のためのロータブレードをさらに最適化することである。

この明細書の序文で説明されている種類のロータブレードにおいて、その目的は、第１の構成要素のための第１の材料と第２の構成要素のための第２の材料とを使用することによって達成される。

したがって、少なくとも第１および第２の構成要素を備えた風力設備のためのロータブレードが提供される。第１の構成要素はロータブレード先端部を備え、第２の構成要素はロータブレード基底部を備えている。第１および第２の構成要素は、結合してそのロータブレードを形成するために個別部品の形態とされている。第１の構成要素は第１の材料を備え、第２の構成要素は第２の材料を備えている。

この観点において、ロータブレードを分割することは取り扱われる部品の寸法を減少することを可能にするが、適切な材料の選択およびそれに関連した生産工程も有利に経済的に影響するということに、本発明は基づいており、このことは多数の要因に起因している。個別の部品の寸法の減少は、風力設備が組み立てられるまでのロータブレードの生産、運搬および輸送における生産基盤および物流に課された条件も減少させる。しかしながら、生産基盤は、前工程のために、処理される材料に依存し、後工程のステップは、含まれた個別の材料に依存した純粋な形状処理に先行して、またはその処理の後で要求される。例えば所定のサイズに切断する工程、金属の機械加工におけるバリの除去などである。繊維強化型プラスチック材料を処理する場合、そのような工程は、例えば熱処理工程などの所定の温度条件に応じることを含んでいる。

明らかに最先端の技術は複数部品のロータブレードを記載しており、ブレード全長にわたって、ブレードを形成する部品は常に同一の材料で形成されており、一方で本発明は異なった材料の使用を提案している。異なった材料は構成要素の基本機能に対して有利に適応する。材料を特別に目的に合うように選択することは、例えば高荷重の効果にさらされる領域に関して比較的高い弾性係数を備え、そのような高荷重が発生しない場所ではロータブレードの部品の固有の重量を小さくする材料を導き出す。

最先端の技術にしたがって、比較的低い弾性係数を有する軽量な材料は他にも使用されるものであり、例えば高レベルの荷重伝達を確実に行う必要がある場所に使用されるものである。大量の材料が組み込まれなければならない。考えられるだけでも、安全な荷重伝達を保証するために、形状の観点において単純に精密さを達成するために要求される以上のものが必要である。考えられる材料の量は、高い弾性係数を備えた別の材料の発明にしたがって選択することにより抑制可能である。

ロータブレードの好適な実施形態において、第２の構成要素も同様に少なくとも２つの部品に分割され、それらが結合して第２の構成要素を形成している。第２の構成要素は、ロードベアリング部とブレードトレーリングエッジボックスとに特に好適に分割されている。大きいロータブレード構成要素の運搬は分割することによってさらに容易にすることが可能であり、特に路上の運搬が、第２の構成要素の領域における最大深さとなるロータブレードに関してかなり簡略化され、ロータブレードが６ｍ以上の寸法に容易に到達することが可能である。したがって、あらゆる高速道路のカーブおよび任意の橋が潜在的に障害となり、それらに一致した問題は、第２の構成要素を２部品に分割することによって、排除まではされなくても減少されることが可能である。

この観点において、特に好適な異なった材料が、結合して第２の構成要素を形成する２つの部品として使用される。

輸送の職務の遂行をさらに容易にするために、ブレードトレーリングエッジボックスは必要であればさらに複数の部品に分割されて、任意の寸法のロータブレードを生産および輸送するようにすることが可能である。

ロータブレードを２つの構成要素に有利に分割することを達成するために、第１の構成要素は好適に、ロータブレードの全長の約６分の５乃至２分の１であり、一方で、第２の構成要素の長さは好適に、ロータブレードの長さの６分の１乃至２分の１に相当する。

ブレードトレーリングエッジボックスまたはその部品は、例えばアルミニウムで形成されることが可能である。その材料は軽量で、加工性が良く、鋼の温度特性に近い温度特性を有している。したがって、アルミニウム製のトレーリングエッジボックスと鋼製のロードベアリング部との組み合わせを伴って、比較的安価に生産されることが可能なロータブレードが期待される。そのブレードは形状の観点から、実際に精密さも備えている。さらに、アルミニウムの弾性係数は鋼の弾性係数よりも約５倍小さい。そのことは、とりわけ第２の構成要素が支配されない荷重が、トレーリングエッジボックスの材料よりも柔らかい材料によってもたらされないことを提供している。トレーリングエッジボックスの部品の寸法の決定は、より有利な方法で達成される。

個別の部品の組み立てによってブレードの適応を容易にするため、およびその次のブレードの検査作業を容易にするため、特に第１および第２の構成要素間の遷移部のチェックを容易にするために、第２の構成要素のロードベアリング部の特に好適な特徴は、基底部において交換可能に適合されている。そのことは、一方で内部に十分な空間を与え、さらに材料が、少なくとも（恒久的に）変形が発生しない荷重を十分に支持することが可能であるということを示している。

ロータブレードの第１および第２の構成要素間の接続は、突合せ結合を伴って特に好適に達成され、そこでは結合のギャップを橋渡しするための締結要素が、ロータブレード内に含まれるように配置されている。そのことは、ブレードに空力的にクリーンな外側の輪郭を与えている。

その観点において、接続は好適に行われており、接続要素はクロスボルト、締結要素、および第２の構成要素上にロータブレードの内側に向けられたＬ型フランジを含み、そこではクロスボルトは第１の構成要素の開口内に適合されている。好適な実施形態において、それらの開口は貫通穴の形である。空力的に滑らかなロータブレードの面を提供するために、それらの開口は適切にカバーされている。それは作成済みのカバーを利用して達成され、そのカバーは、開口が外側から覆われるようになっている。その機能は、材料充填などの適用によってブレードの表面を処理する場合に実行されることが可能であるということは、好ましいことである。

本発明の代替的な実施形態において、開口は第１の構成要素の内部から止まり穴として形成され、この場合、開口の形成の規則は独立的なものであり、締結要素はクロスボルトに接続され、Ｌ型フランジを貫通して延伸し、そこで固定される。

開口領域の第１の構成要素の材料の厚みは、開口が形成される方法に関して重要である。確実な荷重伝達を提供するために、所定の最小限の接触領域がクロスボルトに要求され、その領域は必要な開口の深さを決定する。材料がより薄くない場合、配置は貫通穴を含み、これによって穴はロータブレード表面においてカバーされなければならない。材料がより薄い場合、止まり穴が差し支えなく形成され、ロータブレード表面はその後処理される必要がない。

経済的に有利なブレードを利用するために、少なくとも１つのそのようなロータブレードを備えた風力設備が提供される。

本発明の例による好適な実施形態は、添付図を参照して、より完全に記載されている。

本発明によるロータブレードの分解図を示している。 組み立てられた状態の本発明によるロータブレードを示した図である。 第１構成要素と第２構成要素との間の接続の簡略化した側面を示した図である。 第１構成要素と第２構成要素との間の接続の計画を示した図である。 図３に示された接続の代替的な実施形態を示した図である。

図１の分解図は、ロータブレード先端部１１を含んだ第１の構成要素１０を示している。第２の構成要素２０は２つの部品から構成されており、すなわちロータブレードをロータハブ（図示略）に固定するためのロータブレード基底部２３を含んだロードベアリング部（load-bearing part）２２と、ブレードトレーリングエッジボックス（blade trailing edge box）２４とである。ロードベアリング部２２は第１の接続面２２ａと第２の接続面２２ｂとを備えている。第１の接続面２２ａは、ロードベアリング部２２を第１の構成要素または第１の構成要素の接続面１０ａに接続している。第２の接続面または接触面２２ｂは、ロードベアリング部２２をブレードトレーリングエッジボックス２４に接続している。その点において、対応した接触面、すなわち、一方の接続面または接触面２２ａと他方の接続面または接触面１０ａとが互いに適合されて、ロードベアリング部と第１の構成要素とが共にほぼ継ぎ目の無いように固定されることが可能である。対応した考え方が接続面または接触面２２ｂと２４ａとにも当てはまる。

図２は本発明によるロータブレード１の組み立てられた状態を示している。この場合、部品２２と２４とから組み立てられた第１の構成要素１０と第２の構成要素２０とは、参照符号１で全体的に認定されたロータブレードを形成している。

異なった材料の選択によって、構成要素と部品とによって異なった利益が得られる。したがって、好適に繊維強化された合成樹脂が第１の構成要素（ブレード先端部）に使用され、鋼が第２の構成要素（ブレード基底部）のロードベアリング部に使用される。アルミニウムがブレードトレーリングエッジボックスの一部品、または複数の部品に使用される。これによって、要求される強度がロードベアリング部に与えられ、それは周知であり且つ製鉄工程において現実に管理された作業工程によるものである。第２の構成要素がロータブレード基底部を含み、これによってロータブレードが組み立てられた場合にロータハブ内部領域近傍を形成するので、形状の精度の範囲には特別高いものは要求されない。比較的高い鋼の弾性係数は、ロータブレードから発生する荷重伝達のために付加的な材料を必要としないことを意味している。第２の構成要素のための材料として、例えばガラス繊維強化材料（ＧＲＰ）を使用すると、状態は異なる。ここで、荷重伝達のために要求される曲げ剛性を達成するために、形状の観点において安定した構造を提供することを現実に要求される以上の材料を使用することが必要とされるだろう。しかしながら、鋼はＧＲＰの約５倍の弾性係数を備えており、ＧＲＰに必然的に含まれる補強、複雑性、経費は要求されていない。

ロータブレードの外側部を形成している第１の構成要素（ブレード先端部）は、形状の観点において 対照的に高レベルの精密さで生産されなければならず、それは、構成要素がロータブレードの空力的特性を極めて支配的に決定しているからである。繊維強化された合成樹脂を使用した生産工程は公知であり、構成要素が形状の観点において高レベルの精密さを備え、且つそれと同時に重量を軽く、しかし見返りとして鋼よりもコストの高い材料であり、量産工程において生産されることが可能であるということを長年の目的としている。第１の構成要素のために、アルミニウムのような比較的軽量な異なった材料を使用することも可能であるということは、重宝されることである。第１の構成要素の軽量化は、それに相当して、第２の構成要素全体および風力設備全体に作用する荷重が小さくなる結果となる。実施例を手段として、ここでの記載内容は重力の影響による回転の周期的荷重を形成するものである。

図３は、第１の構成要素１０と第２の構成要素２０との間、または接触面１０ａを接触面２２ａとの間がどのようにして形成されているかを示した図である。

第１の構成要素１０内に提供されているものは止まり穴として言及されており、言い換えると材料を完全に貫通していない開口である。クロスボルト１２はそのような開口に取り付けられている。締結要素１４は例えばねじ切りされたロッドのようなものであり、そのクロスボルト１２に接続される。締結要素１４の長さは第１の構成要素１０から突出するような長さから、第２の構成要素２０が締結要素に固定されてねじ接続が可能となるまで延在している。

第２の構成要素２０はロータブレードの内側に向けられたＬ型フランジであるので、クロスボルト１２もロータブレードの内側から開口内に取り付けられている状態が図３に見られている。結果として、ロータブレードの概則は変化しないままであり、したがって、空力的にクリーンである。

図３からさらに見られるように、ロータブレードの２つの構成要素１０および２０は、締結要素１４に形成されたねじ山に取り付けられたナット１６によって共に締結されており、締結要素は第２の構成要素２０のＬ型フランジ２６から突出している。

Ｌ型フランジ２６から第２の構成要素２０へとさらに有利に荷重を伝達するために、ニーガセット板２８が所定の空間に設けられることが可能である。

図４は、第１の構成要素１０と第２の構成要素２０との間の接続の計画図を示している。ここでは再度クロスボルト１２が図示されており、そこに締結要素１４が接続され、第２の構成要素２０のＬ型フランジ２６を通して係合し、ナット１６と共に締め付けて、２つの構成要素１０および２０の間の確実且つ固定的な接続を提供している。

個々のニーガセット板２８は２つの隣接した締結要素の間に設けられており、それらのニーガセット板２８はロータブレードの周囲の内部全体に分散されて、したがって均一な荷重伝達を促進しているということが、この図からさらに見て取ることができる。

図５は図３に示された接続の代替的な実施形態を示した図である。２つの図の間の差異は、図３に示された止まり穴に替えて図５は貫通穴を示していることである。他の部分は同一であり、図３に付された参照符号と同一の参照符号が付されている。したがって、ここでは繰り返し記載されておらず、個々の留意点は図３に関連した記載に向けられている。

上述のロータブレードは風力設備のロータブレードとして好適に使用され、風力設備は３つのそれらのロータブレードを好適に備えている。

本発明の例を利用したさらなる実施形態にしたがって、ロータブレードトレーリングエッジボックス２４とロータブレード先端部とは異なった寸法とすることが可能である。しかしながらこの観点において、ロータブレード先端部２４ａの接続面１０ａとブレードトレーリングエッジボックス２４とは、ロータブレード先端部の寸法とトレーリングエッジボックスの寸法とが異なっていたとしても同じままであり、個々の且つ異なったロータブレード先端部およびブレードトレーリングエッジボックスは、ロードベアリング部２２に固定されることが可能であるということに注意するべきである。風力設備のためのロータブレードが、ロードベアリング部２２と、ロータブレード先端部および異なった形態のロータブレードトレーリングエッジボックス２４とを基本としたモジュール構造で構成されることが可能であることを確実にすることが可能である。したがって、個々のロータブレードは、期待される操作状態に容易に適合されることが可能である。したがって、異なった長さならびに幅、および異なった幾何学的寸法のロータブレードを生産することが可能であり、ロードベアリング部２２は変化されないままであり、ロータブレード先端部およびブレードトレーリングエッジボックスのみが適切に適合されている。

したがって、ロードベアリング部の安価な生産を達成することが可能であり、その部品は異なったロータブレードの多様性に関して同一の形態である。

１０ 第１の構成要素
１１ ロータブレード先端部
１２ クロスボルト
１４ 締結要素
１６ ナット
２０ 第２の構成要素
２２ ロードベアリング部
２３ ロータブレード基底部
２４ ブレードトレーリングエッジボックス
２６ Ｌ型フランジ
２８ ニーガセット板

Claims (11)

1. 少なくとも第１および第２の構成要素を備えた、風力設備のためのロータブレードであって、
   前記第１の構成要素はロータブレード先端部を備え、前記第２の構成要素はロータブレード基底部を備え、
   前記第１および第２の構成要素は個別の部品であって、結合して前記ロータブレードを形成するロータブレードにおいて、
   前記第１の構成要素（１０）は第１の材料で形成され、前記第２の構成要素（２０）は第２の材料で形成され、
   前記第２の構成要素（２０）は少なくとも第１および第２の部品（２２，２４）を備え、該部品が結合して前記第２の構成要素（２０）を形成し、
   前記第１の部品はロードベアリング部（２２）であり、前記第２の部品はブレードトレーリングエッジボックス（２４）であり、
   前記第１の部品（２２）は第２の材料を含み、前記第２の部品は第３の材料を含み、
   前記第１の材料として繊維強化型合成樹脂が使用され、前記第２の構成要素（２０）の前記ロードベアリング部（２２）のための前記第２の材料として鋼が使用されており、前記ブレードトレーリングエッジボックス（２４）の１つの部品または複数の部品のための第３の材料としてアルミニウムが使用されていることを特徴とするロータブレード。
2. 前記ブレードトレーリングエッジボックス（２４）は複数の部品に分割されることを特徴とする、請求項１に記載のロータブレード。
3. 前記第１の構成要素（１０）の長さは、前記ロータブレード全体の長さの約６分の５乃至２分の１の相当し、前記第２の構成要素（２０）の長さは前記ロータブレード（１）全体の長さの約６分の１乃至２分の１の相当していることを特徴とする、請求項１または２に記載のロータブレード。
4. 前記第２の構成要素（２０）の少なくとも前記ロードベアリング（２２）は基底部においてアクセス可能に構成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のロータブレード。
5. 前記ロータブレード（１）の前記第１および第２の構成要素間の接続は突合せ結合を伴っており、結合ギャップを橋渡しするための接続要素は前記ロータブレード（１）内に含まれるように配置されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のロータブレード。
6. 前記接続要素はクロスボルト（１２）、締結要素（１４）および前記第２の構成要素（２０）のロータブレードの内側に向けられたＬ型フランジ（２６）を備え、前記クロスボルト（１２）は前記第１の構成要素（１０）の開口内に受容され、前記締結要素（１４）は前記Ｌ型フランジ（２６）を貫通して延伸して前記クロスボルト（１２）に接続され、そこで固定されることを特徴とする、請求項５に記載のロータブレード。
7. 前記クロスボルト（１２）を受容するための前記第１の構成要素（１０）内の前記開口は、前記第１の構成要素（１０）の内側から止まり穴として形成されていることを特徴とする、請求項６に記載のロータブレード。
8. 特に請求項１〜７のいずれか一項に記載の風力設備のためのロータブレードであって、該ロータブレードは、
   前記ロータブレード先端部を備えた前記第１の構成要素と、
   前記ロータブレード基底部を備えた前記第２の構成要素と、
   を具備し、
   前記第１および第２の構成要素は個別部品の形態で形成されており、該部品が結合して前記ロータブレードを形成し、
   前記第２の構成部品は、少なくとも１つの前記第１のロードベアリング部（２２）と、前記ブレードトレーリングエッジボックス（２４）として形成された少なくとも１つの前記第２の部品と、を備え、
   前記ロータブレードはモジュール構造であり、異なった寸法の前記ロータブレード先端部は前記ロードベアリング部（２２）、および／または前記ロードベアリング部（２２）の異なった寸法の前記ブレードトレーリングエッジボックス（２４）に固定されることが可能であることを特徴とするロータブレード。
9. 前記ロータブレード先端部（１０）は、さまざまな幾何学的形状に関連して事前に画定された接触面（１０ａ）を備え、
   前記ロータブレードトレーリングエッジボックス（２４）は、さまざまな寸法を伴って事前に画定された接触面（２４ａ）を備えていることを特徴とする、請求項８に記載のロータブレード。
10. 前記ロータブレード先端部（１０）の前記接触面（１０ａ）は前記ロードベアリング部（２２）の第１の接触面（２２ａ）に適合され、
    前記ブレードトレーリングエッジボックス（２４）の前記接触面（２４ａ）は前記ロードベアリング部（２２）の第２の接触面（２２ｂ）に適合されていることを特徴とする、請求項７または８に記載のロータブレード。
11. 少なくとも１つの、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のロータブレードを具備した風力設備。

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