JP4997288B2 - 格納式ロータブレード構造 - Google Patents

Description

本発明は、風力タービンおよび海流タービンなどの発電装置に、より詳しくは、延長した時にロータ直径を増大させて弱風期間中に多量の風力エネルギーを獲得し、強風時には収縮して（格納されて）風力エネルギーへの露出を低下させるという伸縮特徴を備える着脱可能な外側空力モジュールを有する風力タービンブレードの構造的支持体に関連する。

特許文献１には、飛行機の胴体の頂部に取り付けられた収納式ロータが記載されている。ロータは、垂直シャフトに取り付けられて、ハウジングユニットへ伸縮する一対のロータブレードユニットを備える回転可能なハウジングユニットを含む。離陸および垂直着陸時に垂直揚力を付与する目的でロータブレードユニットをハウジングユニットから延長および格納する機構が設けられている。１枚のロータブレードの動作が他のロータブレードユニットの全く同一の動作によって必ず達成されることで揚力および慣性力の不均衡な印加を回避するように、ロータブレードは相互に機械的に結合されている。ロータブレードアセンブリの反作用（偏揺れ）に抵抗するため、従来のヘリコプターのように飛行機の尾翼にはプロペラが設けられている。

特許文献１は、航空機に垂直揚力を発生させるための収納式ロータ構成に関連している。ハウジングユニットは、航空機に取り付けられ、ハウジングユニットに伸縮式に取り付けられてハウジングユニットの回転軸に対して略横方向に配置された一対のロータブレードを用いて、揚力の方向と略整合状態にある軸を中心として回転可能である。

風および水の流れの利用は、航空機に垂直揚力を発生させることには関連していない。反対に、風力および水流のシステムでは、ロータは静止した構造物に取り付けられ、風または水の流れの方向と略整合状態にある軸を中心として回転可能である。特許文献１では、ハウジングユニットは航空機に取り付けられ、風または水の流れとの整合状態でなく揚力の方向との整合状態にある軸を中心として回転可能である。風および水の流れを利用する際には、ロータが根本的に異なる方法で使用されて根本的に異なる結果を達成する。つまり、ロータは風また水との整合状態にあり、その流れによってロータが動かされて電気を発生する結果となるのである。特許文献１では、ロータは揚力の方向との整合状態にあり、その結果、ロータがエンジンによって動かされて垂直揚力を発生させる。特許文献１には、ロータがエンジンによって駆動されて流動媒体に対して垂直に動く航空宇宙学での利用のための可変直径ロータの機構が記載されている。特許文献１では、風または海流を利用する際の要件については触れられておらず、ロータは流動媒体との整合状態にあってこれにより駆動され、流動媒体に対して動くことはない。

特許文献２は、通常は部分的に延長した伸縮ブレード先端部分を有する同軸逆回転ロータを開示している。上方および下方ロータのブレードは差動式に延長および格納されて、ロータの間に合成正味トルクを発生させる。その目的は、一方のロータの先端部分を延長させながら他方のロータの先端部分を格納するパイロット操作ケーブルシステムによって差動式に操作される伸縮ブレード先端部分を設けることにより偏揺れ制御を行なうことである。

各ブレードは、前縁を形成するとともにブレードの主要強度部材である中空翼桁と、ブレードのエーロフォイル輪郭を完成させるテーパ状後縁部分とを包含する。各ブレードは、自由摺動が可能であるブレード翼桁の外側端部の空洞に挿入される一端部を有する翼弦の短い先端部分を有する。先端部分は、前縁に沿って離間した点に旋回点で取り付けられた翼桁上の２個のローラと、後縁に隣接する先端部分のテーパ状上面および底面と嵌合する位置で翼桁に支持されて旋回点に取り付けられたローラとにより支持されている。

先端部分の内側端部に装着されて、中空翼桁を通り、中空駆動シャフトを介してケーブルを下向きにするロータハブに取り付けられたプーリまで延在するケーブルまたは可撓性ストラップにより、上方ロータの各先端部分の延長および格納が制御される。駆動シャフト内では、上方ロータの３枚のブレードからの３本のケーブルが組み合わされて単一のケーブルとなる。下方ロータの先端部分は、ケーブルによって同様に制御される。

偏揺れ制御を行なうため、ケーブルの１本を延長させて他方を格納するラダーペダルが踏まれて、ケーブルスプールを反対方向に回転させ、一方がケーブルをケーブルリールに巻き上げ、他方がケーブルを緩める。ヘリコプターのエンジンにより駆動される回転ブレードによって発生する遠心力によって軸位置に関係なく常に外向きに付勢される回転先端部分により、ケーブルは常時、緊張状態に保持される。

特許文献２は、流動媒体が空気、水、または他の流体流媒体であれ、流動媒体に対して固定された延長可能ロータブレードシステムについて生じる問題は扱っていない。

上記の先行技術引例には、ロータがエンジンにより駆動されて流動媒体に対して動く航空宇宙学的利用のための機構が記載されている。これらの引例は、ロータが流動媒体によって駆動され、流動媒体に対して動かず、耐久性および耐疲労性がこのようなシステムの成功にとって最も重要であり、ロータに作用する力が回転のたびに大きく変化するという風または海流の利用についての要件には触れていない。

ティルトロータおよび航空機の可変直径ロータを制御するための、先行技術に示唆された機構は、疲労による故障を受けやすく、広範囲の保守を必要とする。風力タービンおよび海流タービンは、延長機構の性質をすぐに劣化させる環境条件で作動する。高い保守要件は高いエネルギーコストにつながり、結果的に、競争力の低い再生可能エネルギーシステムとなる。

特許文献３には、ブレードの前縁またはその付近とブレードの先端またはその付近とに可動ノーズ部分が設けられた風力タービンが開示されている。ノーズ部分は、通常格納位置から、ブレードの長手方向つまりブレードの径方向外向きに変位可能である。この可動部分はエーロフォイルセクションの揚力に寄与し、抗力が発生する前進位置へ移動して、ロータの回転速度の不要な上昇を防止する。

通常の格納位置にある時の可動部分は、エーロフォイルセクションの空力的形状にほとんど悪影響を与えず、空気の流線は、エーロフォイルセクションの可動部分から残部へと極めてスムーズに移行する。

可動部分が前進位置にある時に抗力効果を高めるため、エーロフォイルセクションの残部の前縁は平坦面または凹面を有する。抗力効果をさらに高めるため、可動部分が前進位置へ移動した時に露出するエーロフォイルセクションの残部の前面から、通気路が設けられている。この通気路は各エーロフォイルセクションの残部の主要面まで延在して、前面から主要面まで空気を流通させて流れを分離するとともに抗力を増大させる。露出部分は実際には可動部分の作動機構の一部を含み、これが抗力効果をさらに高める。

許容できる最大値である値にロータの回転速度が達すると、ノーズ部分が径方向外向きに動く。ノーズ部分は、ばねの戻り力に反する遠心力の作用を受けて、またはアクチュエータの補助により移動して、前面が露出する。ノーズ部分の外向き移動そのものがブレードの断面の形状を効果的に変化させるため、ブレードの先端ではエーロフォイルセクションには全く類似していない。これは、最大の力が発生するブレードセクションの揚力を妨げる。こうして、最大抗力を発生させるための輪郭を持つか凹凸のない前面である露出セクションに、より多くの抗力が生じるのである。変位したノーズセクションは、先端の通常位置を超える半径で抗力を発生させ、ここでは速度が速くなり、有効性も高くなる。

本発明は、ブレードの外端部における有効気流を向上させるようにロータブレードの長さを増大させて、抗力または制動を導入せずにロータ駆動時の有効性を高めるという正反対の作用に関連する。

特許文献４には、風の流れのエネルギーを機械的エネルギーに変換するための装置が開示されている。装置は、ベース構造と、ベースに取り付けられた水平軸を備えるロータとを有する。ロータは、回転支持体に結合されて回転支持体から径方向に延長するいくつかの長形ロータブレードを有する。ロータブレードまたはその一部の長手軸を支持体の回転軸に対して所定の配向で傾斜させるため、各ロータブレードまたはその一部はヒンジ結合によりロータ支持体に結合されている。ロータブレードと回転支持体との間のヒンジ結合のヒンジ軸は、ロータブレードの長手軸と支持体の回転軸の両方に対して鋭角の方向に配置されている。

ロータブレードが風の方向に対して直角である時に、比較的低い風速で使用される最大風力制動エリアが達成されるのに対して、ロータブレードを風の方向から外れるように旋回させるとともに長手軸を中心としてロータブレードを旋回させると、結果的に、比較的高い風速で使用される弱風制動エリアとなる。

実際の風速に対する風力制動エリアの調節性を高めるため、長さ方向において全体的または部分的に相互に重複する位置に、または本質的に相互に並置されるのに適したいくつかの長形ロータブレード部品により、ロータブレードが形成される。このようなロータブレードの長さを最小にするには、ロータブレードの構成部品を完全に相互重複させる。ロータブレード構成部品すべてが相互に並置されると、このようなロータブレードの長さは最大となる。

特許文献４の図５には、アームにヒンジ結合された長形で中空の第１ロータブレード部品が図示されている。第１ロータブレード部品は、長形で中空の第２ロータブレード部品を収容する。そして、第２ロータブレード部品は長形の第３ロータブレード部品を収容する。第１ロータブレード部品に装着された各可動部品のための、モータ駆動装置とスピンドルとワイヤケーブルとを含む個別の機構により、ロータブレード部品は長さ方向に相対的にシフトできる。ワイヤはスピンドルに巻かれている。ワイヤは引張応力と圧力の両方を受け、個別のワイヤ・スピンドル・モータ構成は、ロータブレード部品を相互に内外へシフトする目的で、第１および第２ロータブレード部品にそれぞれ結合されている。

特許文献４の図５に示された装置の短所は、第２ブレード部品が摺動する第１ロータブレードは、第２ブレードの形状を収納するため完全に中空でなければならないことである。最新の大型タービンでは、ブレードは、大規模な風および水流の利用において強度を得るため補強リブ支持体が必要であるような大きさである。ワイヤは引張応力と圧力の両方を受けることが可能でなければならず、ケーブルは大型の物体を移動させるのに利用可能ではないため、ケーブル機構そのものは大型タービンに適していない。

上記の説明から分かるように、先行技術では、風力制動エリアが変化するようにブレードの長さが調節可能であることは周知である。先行技術装置の短所は構成部品の数であり、そのため装置の組立、点検、修理が複雑になる。

特許文献５には、延長可能ロータブレードの制御装置は開示されているが、風力・水流駆動タービンのロータブレードを延長および格納するための機構は詳述されていない。

可変直径ロータブレードの延長ブレードを動かすための従来の機構は、エンドレスベルトと、ワイヤケーブルと、延長ブレードに装着されたリードスクリュ機構とを使用する。

エンドレスベルトは、所望する最大の長手方向移動を実施するためにメインブレードの末端部まで延在しなければならないという短所を持っており、製造が複雑で、メインブレードの外側範囲に望ましくない重量の追加が見られる。

ワイヤケーブルは、一方が延長ブレードを外へ動かし、他方が延長ブレードを引き入れる２本のケーブルを必要とするという短所を持っている。またケーブルは、必要な強度のために重く、所望の程度の長手方向移動を実施するためメインブレードの末端部まで延在しなければならず、製造が複雑であり、メインブレードの外側範囲に望ましくない重量の追加が見られる。

リードスクリュ機構は、ねじ付リードスクリュにより駆動されるスライダナットを取り入れている。リードスクリュ機構は、必要な強度のため重く、最大負荷において良好な安全誤差をもってリードスクリュを回すのに充分なトルクが必要である重い可逆モータを必要とし、所望する長手方向移動を実施するためメインブレードの末端部まで延在しなければならず、製造が複雑であり、メインブレードの外側範囲に望ましくない重量の追加が見られ、動作中に詰まりやすく、ゆえに保守のコストがかさむ。

必要とされるのは、延長可能ロータブレードの延長および格納を容易にするとともに、軽量で保守が簡単であり耐久性のある風力・海流タービンのための機構である。

必要とされるのは、モジュール式で、点検および保守のためのアクセスを容易にするように着脱可能である風力・海流タービンのための延長可能ロータブレード構造である。

１９７１年９月２０日に付与された“Ｓｔｏｗｅｄ Ｒｏｔｏｒ”（収納式ロータ）という名称を持つＷｏｏｄの特許第３，６０６，５７１号 １９７４年６月４日に付与された“Ｃｏａｘｉａｌ Ｒｏｔｏｒ Ｙａｗ Ｃｏｎｔｒｏｌ”（同軸ロータの偏揺れ制御）という名称を持つＢｉｅｌａｗａの特許第３，８１４，３５１号 １９８７年１２月１日に付与された“Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ”（風力タービン）という名称を持つＪａｍｉｅｓｏｎの米国特許第４，７１０，１０１号 １９９７年５月２０日に付与された“Ｒｏｔｏｒ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｗｉｎｄｍｉｌｌ”（風車のロータ構造）という名称を持つＥｉｋｅｌｅｎｂｌｏｏｍの特許第５，６３０，７０５号 ２００４年４月２７日に付与された“Ｅｘｔｅｎｄａｂｌｅ Ｒｏｔｏｒ Ｂｌａｄｅｓ Ｆｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ Ｗｉｎｄ Ａｎｄ Ｏｃｅａｎ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｕｒｂｉｎｅｓ Ａｎｄ Ｍｅａｎｓ Ｆｏｒ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｂｅｌｏｗ Ｓｅｔ Ｒｏｔｏｒ Ｔｏｒｑｕｅ Ｌｉｍｉｔｓ”（発電風力・海流タービンのための延長可能ロータブレードおよび設定ロータトルク範囲未満で作動させるための手段）という名称を持つＧｅｏｆｆｒｅｙ Ｆ． ＤｅａｎｅとＡｍｉｒ Ｓ． Ｍｉｋｈａｉｌの米国特許第６，７２６，４３９号 “Ｒｅｔｒａｃｔａｂｌｅ ｒｏｔｏｒ ｂｌａｄｅｓ ｆｏｒ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｗｉｎｄ ａｎｄ ｏｃｅａｎ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｕｒｂｉｎｅｓ ａｎｄ ｍｅａｎｓ ｆｏｒ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｂｅｌｏｗ ｓｅｔ ｒｏｔｏｒ ｔｏｒｑｕｅ ｌｉｍｉｔｓ”（発電風力・海流タービンのための格納式ロータブレードおよび設定ロータトルク範囲未満で作動させるための手段）について２００４年４月２７日に付与されたＭｉｋｈａｉｌ，ｅｔ ａｌ．の米国特許第６，７２６，４３９号

本発明は、流体流（風または水）発電システムに係り、ロータブレードを通過する流体の流断面積を増加および減少させ得るよう、ロータブレードの通過半径の延長および短縮を可能とすることに関する。

本発明の一面によれば、流体流に対して水平軸上で静止状態に保持される構造物（高い風力タワーまたは係留された水中ナセルなど）にタービンが取り付けられる。タービンは、ロータハブに結合されたメインブレードと延長ブレードとを有するロータを含む。延長ブレードは、メインブレードに対する格納位置とロータのいくらかを流体流に露出させるように露出した位置との間で移動可能である。延長ブレードのための調節装置は、延長ブレードに結合されてメインブレード内のレール上を移動するいくつかのリニアベアリングカーを含む。電気エネルギーを発生させるため、タービンに発電機が結合されている。

本発明の別の面によれば、ロータブレードの延長ブレード部分が格納される時と延長する時の両方において、ロータブレードのベースブレード部分の構造ビームをブレードの伸縮モジュールまで延長させることにより、延長可能ロータブレード構造はエーロフォイルシェルのための支持体となる。

本発明の別の面によれば、
ベースブレードモジュールビームを含むベースブレードモジュールと、
ベースブレードモジュールビームに結合された延長ブレードモジュールビームを含む延長ブレードモジュールと、
を包含し、
延長ブレードモジュールが、ベースブレードモジュールと、延長および格納のため延長ブレードモジュールビームに支承されるブレード延長部とに結合されたキャリヤブレードを含む、
延長可能ロータブレード構造が設けられる。

本発明の別の面によれば、モジュール式で点検および保守のためのアクセスを容易にするようにメインブレードから着脱可能である延長可能ロータブレード構造が設けられる。

ベースセクションと、延長モジュールを構成するキャリヤおよび延長部とを含む、本発明の延長可能ロータブレードを、それが完全に延長した状態において示す斜視図である。 延長モジュールの装着端部が装着されたベースブレードビームを示す、ベースブレード内の延長モジュールビームの図である。 アルミニウム翼桁がブレード翼桁内にボルト結合された、図２の延長部モジュールビームおよびベースブレードビーム（翼桁）の図である。 キャリヤエーロフォイルシェルのビームと、キャリヤエーロフォイルシェルそのものと、ベースモジュールと、キャリヤモジュールとベースモジュールとの装着ジョイントとを示す、図２に示された装置のより詳細な図である。 キャリヤビームに装着されたリニアカーを備えるキャリヤエーロフォイルシェルのビームと、リニアベアリングのガイドレールと、キャリヤエーロフォイルシェルそのものと、キャリヤモジュール面板と、キャリヤモジュールとベースモジュールとの装着ジョイントとを示す、図４に示された装置のより詳細な図である。 図５に示された装置の破断図である。 下流側延長シェルと、上流側延長シェルおよびシェル間の間隙と、キャリヤエーロフォイルシェルそのものと、キャリヤビームと、各延長シェルの延長支承ビームに装着されたベアリングとを示す、図５に示された装置の断面図である。 代替実施例を示す、図７と同様の断面図である。 金属テープとファスナとゴム蓋とが装填された延長ブレードの上部のスロットの図である。 ナセルの巻上げ装置により延長ブレードモジュールが持ち上げられる様子を示す風力タービンタワーの図である。 延長ブレードモジュールの簡易着脱式装着機構の図である。

図面を参照して本発明を詳細に説明する。

図において、類似の数字は図面中の類似の要素を指す。図の異なる部品の大きさは一定の尺度または正確な比例によるものではなく、視覚的な明瞭性のため、そして説明のために描かれたものであることを理解すべきである。

風力タービンタワー１を示す図１０を参照する。図１０には、延長ブレードモジュール２が、ナセル３の巻上げ装置により持ち上げられる様子が示される。風力発電装置はタービンナセル３に収容された発電機を含み、そのタービンナセル３は、地面に固定された高いタワー構造物４の頂部に取り付けられる。タービン５は、周囲の風の流路に位置するように水平面上で自由に回転する。タービンは、風の流れを受けて回転する可変ピッチブレード７を備えるロータ６を有する。ブレードの各々は、ロータハブ９に装着されたベースブレードと呼ばれるブレードベースセクション８と、可変直径ロータとなるように長さが可変である延長ブレードモジュール２と呼ばれる延長ブレードとを有する。ロータにより伝達されるかロータに印加される負荷が設定範囲を超えないようにするため、低い流速ではロータ６を完全に延長させ、流速が高くなるにつれてロータを格納（短縮）させるようにロータ直径が制御される。風力発電装置が風の流れとの整合状態において所定箇所で水平方向に保持されるように、風力発電装置は風の流れの流路内でタワー構造物４によって保持されている。発電機はタービンにより駆動されて電気を発生させ、発電機を他のユニットおよび／または電力会社に相互結合する送電ケーブルに結合されている。

風力および海流タービンからの電力獲得は、タービンのロータブレードが通過する断面積に正比例する。従来のロータでは、回転ハブで結合された一定長さのブレードを利用する。主として高い流速の際の動力分散のため、流入する流体の流れに対する迎え角を変更するようにこれらのブレードは可変ピッチである（長手軸を中心として選択的に回転可能である）。あるいは、これらのブレードが一定ピッチであるか、風が公称値を超えるとブレード揚力、ゆえに電力獲得が劇的に低下する失速制御機能を持つ。直径が一定で、可変ピッチを持つ、または失速制御機能を持つロータブレードはともに、当該技術で周知である。上述した特許文献５には、風または水の流れで作動するロータアセンブリを包含する風力・水流エネルギー変換装置が記載されている。ロータは複数のブレードを包含し、可変直径ロータを設けるためブレードは長さが可変である。ロータにより伝達されるかロータに印加される負荷が設定範囲を超えないようにするため、低い流速ではロータを完全に延長させるとともに流速が上昇するにつれてロータを格納するようにロータ直径が制御される。

ベースセクション８と、延長モジュール２を構成するキャリヤ１０および延長部１１とを含んでいる、本発明の延長可能ロータブレード７を、その完全な延長状態の斜視図として示す図１を参照する。ロータは、基部ブレード（ブレードのベースセクション８）と、ブレード延長部１１とを有する。ブレード延長部１１が所望の位置にある時に延長モジュールビームをロックするため、任意の摩擦ブレーキが設けられる。安全のため、油圧システムまたは他の作動システムによって作動していない時にブレーキは作用し、作動されると解除される。ゆえに、ブレーキは常にフェイルセーフ状態にある。

本発明は、延長させるとロータ直径を増大させて微風期間中により多くの風力エネルギーを獲得するとともに、強風時には収縮して（格納されて）風力エネルギーへの露出を低下させると言う、伸縮特徴を持つ着脱自在な外側空力モジュール２を有する風力タービンブレード７のための構造的支持体を設ける方法および装置に関連する。

延長ブレードモジュール２の簡易着脱式装着機構１３の図である図１１を参照する。伸縮できるブレード部分２は、図１１に見られるように点検のためベースブレード８に対して着脱可能であるモジュール（図１）として設計されている。ベースブレード８から取り外されない伸縮ブレードシステム２は点検および交換の際に問題があるので、このことは重要な特徴である。

本発明の構造システムを開発する根拠となったのは、特に風の推力、重力、遠心力からブレードに作用する力が付与されると、完全な管形のようには伸縮動作に構造的に適していない断面形状をエーロフォイルシェルが有することである。そのため、格納時と延長時の両方において、ベースブレード８の構造ビーム（または翼桁）をブレードの伸縮モジュール２まで延長させることにより、構造システムはエーロフォイルシェルの支持体となる。

装着された延長モジュールの装着端部を含むベースブレードビーム１４と、キャリヤエーロフォイルシェル１０のビーム１２と、キャリヤエーロフォイルシェルそのものと、ベースモジュール８，１４と、キャリヤモジュール１０，１２とベースモジュールとの装着ジョイント１３とを示す、ベースブレード内の延長モジュールビーム１２を図示した図２〜４を参照する。構造要素は、以下に説明する実施例ａ，ｂ，ｃのいずれかである。

ａ． モジュール装着端部から延長し、装着面板１５（図３）に取り付けられ、キャリヤエーロフォイルシェル１０（図４）内に延在する延長ブレードモジュールビーム１２（図２）。この設計では、キャリヤエーロフォイルシェル１０の内側上面と内側底面のいずれにもビーム１２が装着されていない。

リニアカー１６がキャリヤビーム１２に装着されたキャリヤエーロフォイルシェル１０のビーム１２と、リニアベアリング１６のガイドレール１７と、キャリヤエーロフォイルシェル１０そのものと、キャリヤモジュール面板１９と、キャリヤモジュール１０，１２とベースモジュール８，１４との装着ジョイント１３とを示す、図４に示された装置のより詳細な図である図５と、図５に示された装置の破断図である図６とを参照する。

キャリヤエーロフォイル１０が有する唯一の構造支持体は、モジュール装着端部の面板１９（図５）と、キャリヤモジュール１０，１２がブレード延長部１１と重なって延長ブレードエーロフォイルシェルに支承された端部とに設けられ、延長ブレードエーロフォイルシェルは、延長または格納動作時に相互に摺動するモジュールキャリヤビームと重なる延長ビームを収容する。

ｂ． 代替構造（図８）は、モジュールのキャリヤエーロフォイルシェル１０の内側下部のみに装着されたキャリヤビーム１２であり、シェルエーロフォイル延長部１１の二重または「支承」ビームがキャリヤ１２に支承され、エーロフォイル延長部の内側上部に装着されている。この結果、エーロフォイル延長部の底面において長さ方向に延在するスロット２０が、モジュールのキャリヤセクションのビームを収容できる。

ｃ． 図７を参照する。その図７は、図５に示された装置の断面図であり、下流側シェル延長部１１’と、上流側シェル延長部１１”およびシェル間の間隙と、キャリヤエーロフォイルシェル１０と、キャリヤビーム１２と、各シェル延長部の延長支承ビーム２１に装着されたベアリング１７とを示す。キャリヤビーム１２は、分離翼弦エーロフォイル形状のエーロフォイル延長部１１を備える「キャリヤ」セクションの上方および下方エーロフォイルシェル１０の内側に装着され、その結果、前方（上流側シェル延長部１１”）と後方（下流側シェル延長部１１’）とを備えて、垂直キャリヤビーム１２上を摺動する「支承」ビーム２１を各々が収容する二分割エーロフォイルとなる。またこの結果、エーロフォイルの前方セクション１１”と延長部の分割エーロフォイルの後方セクション１１’との間のエーロフォイル延長部１１の上面および底面の両方に長さ方向のスロットまたは間隙が設けられることになる。

この結果、延長ブレードモジュールビーム１２が壁の形である構造となり、壁の上縁および／または下縁はキャリヤブレード１０に結合され、ブレード延長部１１は壁によって分割されて上流側シェル延長部１１’および下流側シェル延長部１１”となる。

キャリヤビーム１２（図２）と隣接の支承ビーム２１とは、相互作用手段としてのリニアベアリングカー１６（図７）を有する。リニアベアリングカー１６は、メインブレード１０の内側ビーム１２に装着され、カーが支承されるカートラック１７は、格納式のブレード先端部１１’，１１”の支承ビーム２１に装着されている。２枚のブレードの間には１．５Ｍの重複がある。ブレード先端部は、ブレード先端により結合された前縁セクション１１”と後縁セクション１１’とで構成されて、分割エーロフォイル延長部１１となっている。

分割エーロフォイル延長部１１は、ブレードの外側要素が延長する際に前方エーロフォイルセクション１１”と後方エーロフォイルセクション１１’とを機械的に相互連結するとともに、ブレードが格納される際には機械的に連結解除する機構を有する。

上のｂとｃのいずれかのケースでは、ブレード延長部１１（図７と８）は、エーロフォイルの有効性を低下させる長さ方向スロット２０を有する。金属テープ、ファスナ、またはゴム蓋２２が装填されたブレード延長部１１の上部のスロット２０の図である図９を参照する。この設計の主要な特徴は、延長の際にエーロフォイル１１のスロットを塞ぎ、外側ブレードが格納される際に収縮するか丸くなる薄鋼板またはプラスチックストリップ（巻き尺に類似）の使用である。エーロフォイルの空力的効率を維持する代替方法は、外側ブレード１１が延長する際に長さ方向スロットを塞ぐように閉じるとともに、外側ブレードが格納される際には開くファスナによるものである。ファスナは、ブレード延長部１１の作用により外れるファスナ鋸歯付きの布または重複ゴムストリップなどのウェブ材料である。

両方のケースで、外側ビーム２１は内側ビーム１２の上を摺動し、完全に延長すると、空力的に効率的な形状を維持しながら延長状態の外側ブレード１１に構造的な支持を付与するのに充分な程度に内側および外側ビームが重複する。

図１１に見られるように、ベースブレードのビームからモジュールのビームまで構造的支持を付与する簡易着脱式係合システム１３により、モジュールはベースブレードに装着される。ベースブレードは、モジュールに結合されて機構を駆動するとともに制御機能を実施する電力・制御配線も有する。

図１０に見られるように、開いた時に点検およびモジュール交換のためのスロープを延長させる、風力タービンタワー４のポート２３および折畳みハッチ２４によって、ベースブレードのモジュール装着エリアへのアクセスが行なわれる。モジュールのタービンロータハブ９からメインブレード８を下方に簡易着脱式装着点１３まで巻上げケーブル２５を送る（図１１）タービン５のナセル３の搭載巻上げ装置によって、モジュール２の取外しまたは装着が補助される。

タービン制御ユニット
特許文献６には、ロータが複数のブレードを包含し、可変直径ロータとなるようにブレードの長さが可変である風力タービンが開示されている。

特許文献６では、ロータにより伝達されるかロータに印加される負荷が設定範囲を超えないようにするため、低い流速ではロータを完全に延長させるとともに流速が上昇するにつれてロータを格納するようにロータ直径が制御される。トルク（または推力）が閾値未満に制限されるように、ロータにより伝達される機械的トルク（または推力）が制御される。これは、調節可能なトルクおよび推力負荷範囲内で延長ロータブレード構造を作動させるという長所を持つ。こうして、様々な制御設定点を使用することにより、多数の風量タービン駆動系の製造者による設計または多様な運転条件に適応させることができ、同様に、既存の設置済み風力タービンの改造も可能にする。

制御システムは、以下のセンサ入力、すなわち、
出力の測定値
ロータ回転速度の測定値
ロータトルクの測定値
延長可能ロータブレード位置の測定値
ロータブレードピッチ角の測定値
ロータブレード曲げ負荷の測定値
支持構造物への曲げ負荷の測定値
のうち一つ以上を用いて、可変ロータ半径、ロータブレードのピッチ、ロータの回転速度を決定する。

タービン制御ユニットは、特許文献６に記載された方法により制御機能を実施する。すなわち、制御方法では、四つの領域内で作動するようにロータシステムを制御するのである。第１領域は始動速度を下回る速度であり、第２領域は様々な動力発生をもたらす中間速度範囲にわたるものであり、第３領域は、負荷を制限するため、タービンが一定または若干少ない動力を発生させる高い速度であり、第４領域はタービンが停止する極めて高い速度である。

加えて、この制御方法では、指定の負荷状態での運転を維持する信号をバスを介してリニアカーに送信することにより、ロータ直径が変化する第５領域内で作動するようにロータシステムを制御する。指定の負荷状態とは、定格電力に達するのに必要な流速を下回る風または水流の速度すべてにおいて、指定のロータ負荷範囲を維持するのに許容可能な最大直径までロータ直径が延長されるようなものである。ロータ負荷範囲は例えば、ロータ推力および／またはシャフトトルクに対する制限である。延長可能ロータブレードの軸移動を可能にするため、二つのブレーキが信号により作動停止されなければならない。

好適な実施例について本発明を詳しく示し説明したが、発明の範囲から逸脱することなく、形状および詳細における上記および他の変更が可能であることは、当該技術の熟練者には理解されるだろう。

１…風力タービンタワー、２…延長ブレードモジュール、３…ナセル、４…タワー構造物、７…メインブレード、８…ベースブレードモジュール、９…ロータハブ、１０…キャリヤブレード、１１…ブレード延長部、１１’…上流側シェル延長部、１１”…下流側シェル延長部、１２…延長ブレードモジュールビーム、１３…簡易着脱式装着機構、１４…ベースブレードモジュールビーム、１５…装着面板、１６…リニアベアリングカー、１７…ガイドレール、１９…モジュール装着端部面板、２０…スロット、２１…支承ビーム、２２…ゴム蓋、２３…ポート、２４…折畳みハッチ、２５…巻上げケーブル。

Claims (7)

1. ベースブレードモジュールビーム（１４）を含むベースブレードモジュール（８）を備え、
   前記ベースブレードモジュールビーム（１４）に結合された延長ブレードモジュールビーム（１２）を含む延長ブレードモジュール（２）を備え、その延長ブレードモジュール（２）が、前記ベースブレードモジュール（８）に結合されたキャリヤブレード（１０）と、そのキャリヤブレード（１０）に収容され且つ延長および格納のため前記延長ブレードモジュールビーム（１２）に支承されるブレード延長部（１１）とを含んでおり、
   前記ブレード延長部（１１）が、リニアベアリングカー（１６）およびガイドレール（１７）によって、前記延長ブレードモジュールビーム（１２）に結合され、そして、
   前記延長ブレードモジュール（２）が、前記ベースブレードモジュール（８）に点検および保守のアクセス容易化のために着脱可能に結合されて、モジュラー化をされた
   ことを特徴とする、延長可能ロータブレード構造。
2. 前記延長ブレードモジュールビーム（１２）により前記リニアベアリングカー（１６）が支持される、請求項１に記載の構造。
3. 前記延長ブレードモジュールビーム（１２）が前記キャリヤブレード（１０）と非接触状態にある、請求項１または２に記載の構造。
4. 前記延長ブレードモジュールビーム（１２）が壁の形状であり、該壁の上縁または下縁が前記キャリヤブレード（１０）に接続される、請求項１または２に記載の構造。
5. 前記延長ブレードモジュールビーム（１２）が壁の形状であり、該壁の上縁および下縁が前記キャリヤブレード（１０）に接続され、該壁により前記ブレード延長部（１１）が上流側シェル延長部（１１’）と下流側シェル延長部（１１”）とに分割される、請求項１または２に記載の構造。
6. 延長位置において前記ブレード延長部（１１）の前記単数または複数の間隙（２０）を閉鎖するための手段（２２）を包含する、請求項４または５に記載の構造。
7. 流体流発電システムであって、
   流体流に対して静止状態に保持された構造物に取り付けられたタービンにして、ロータを有し、そのロータが流体の流方向と整合状態にあるように該構造物に配置されたタービンを備え、
   前記ロータが、請求項１〜６の何れか１項に記載の、少なくとも１つの延長可能ロータブレード構造を備えている
   流体流発電システム。

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