JP5270685B2 - 風力タービンのブレードのピッチを制御するための電気油圧式アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は一般に風力タービンの分野に関し、より詳細には、複数の電気油圧式アクチュエータを有する改良型風力タービンであって、電気油圧式アクチュエータの数と同じ数の複数のブレードのピッチを個々に制御するためにこれらの複数の電気油圧式アクチュエータがタービンの回転可能ハブの上に取り付けられる改良型風力タービンに関する。

風力タービンについては、当然、知られている。近年、電気格子に同期した電力を風力タービンに供給させる問題の多くが対処され、且つ、克服されている。

風力タービンは、今日、比較的高度に複雑化されている。それらは、通常、塔の上に取り付けられ、ナセルに対して水平の軸の周りに回転させるためにハブの上に取り付けられる複数のブレードを有している（通常は３つ）。ナセルは、前方から吹いてくる風の方向に向けることができる。これらの複数のブレードのそれぞれは、通常、可変ピッチのブレードであり、個々のブレードのピッチは、他のブレードに無関係に制御することができる。これらのブレードは、通常、１２０°の間隔で配置されている。１つのブレードが６時の位置に向かって下の方向を指し示すと、地面に近い風は、通常、他の２つのブレードに向かって吹く風の速度より遅い。従って、地面効果、突風、等々からハブの回転速度を正規化する試みを達成するために（つまり、合理的に一定に維持するために）、個々のブレードのピッチは、互いに独立して制御される。

これまでのところ、風力タービンは、電気タイプ又は油圧タイプの風力タービンとして特性化されている。いずれの場合においても、発電機は、通常、ナセルの中に取り付けられている。制御信号及び電力は、塔を通って上のピッチ制御機構に供給される。いずれの場合も、このピッチ制御機構は、これまでのところ、ナセルの中に取り付けられており、そのため、ナセルと回転可能ハブの間のスリップ・リング結合のタイプが余儀なくされている。さらに、この構造には大型ブル・ギヤーの使用が伴っており、また、ハブの中に様々なホースを備えている。主として風速の変化に起因するブル・ギヤーの過度の摩耗のため、このような構造の耐用年数は、これまでのところでは約４年程度の短い年数である。

米国特許第５６０８７７１号明細書 米国特許第６８１３３１６号明細書 米国特許第５５７２１７８号明細書

従って、一般的には、ナセルの上ではなく、ハブの中にピッチを制御する電気油圧式アクチュエータが取り付けられる改良型風力タービンが提供されることが望ましい。

開示されている、単に例証を目的としたものにすぎず、何ら制限されることのない実施例の対応する部品、部分又は表面を付加的に参照すると、本発明により、ナセル（２２）に対して回転させるためにハブ（２３）の上に取り付けられる複数の可変ピッチ・ブレード（２４）を有する風力タービン（２０）に使用するための改良が提供される。

この改良には、広義には、それらのブレードのうちの１つのピッチを制御するための電気油圧式アクチュエータ（２５）が含まれており、このアクチュエータには、電流が供給されるように適合される電動機（２６）と、電動機によって駆動されるポンプ（２７）であって、電動機に供給される電流の関数としての油圧出力を提供するように構成されるポンプ（２７）と、関連するブレードのピッチをポンプの油圧出力の関数として選択的に変化させるように動作可能に構成される油圧アクチュエータ（２８）とが含まれており、これらの電動機、ポンプ及びアクチュエータは、風力タービンのハブの中に物理的に配置される。

一形態では、風力タービンは、ハブの上に取り付けられる３つの可変ピッチ・ブレード（２４）を有しており、ブレードのそれぞれに複数の電気油圧式アクチュエータ（２５）のうちの１つが提供される。

電動機は、直流ブラシレス電動機であってもよい。

ポンプは、固定容量式ポンプであってもよい。

好ましい実施例では、ポンプからの油圧出力の極性は、電動機に供給される電流の極性の関数である。

アクチュエータは、シリンダ（３１）の中にスライド可能に取り付けられるピストン（３０）であって、ピストンの一方の側の第１のチャンバ（３５）をピストンのもう一方の側の第２のチャンバ（３６）から密閉分離するピストン（３０）を有することができ、ロッド（３２）は、ピストンの上に取り付けられ、チャンバに面する不等領域表面をピストンが有するよう、チャンバ（３５）を通って展開し、シリンダの末端壁まで内部に入り込む。改良型アクチュエータは、さらに、油圧リザーバ（４１）と、タンクとアクチュエータの間に動作可能に構成されるアンチ・キャビテーション弁（５７）とを含むことができ、アンチ・キャビテーション弁（５７）は、このようなチャンバが膨張すると、リザーバから、より大きい領域ピストン面に面しているチャンバへ油圧作動油が流れ、また、このようなチャンバが収縮すると、より大きい領域ピストン面に面しているチャンバからリザーバへ油圧作動油が流れるように動作可能に構成される。

油圧リザーバは加圧することができる。

アンチ・キャビテーション弁は、ポンプの油圧出力の極性の関数として自動的に動作させることができる。

この改良は、さらに、ポンプ油圧出力の最大圧力を制限するように動作可能に構成される安全弁（４８、５２）を含むことができる。

ポンプは、高圧側及び低圧側並びにケース・ドレンを有することができる。

バイパス弁（５４）は、高圧側及び低圧側を連絡させるべく選択的に動作可能に構成することができる。

ケース・ドレン（４０）は、フィルタを介してリザーバと連絡することができる。

この改良は、さらに、バイパス弁と直列に拘束オリフィス（５６）を含むことができる。

この改良は、さらに、小領域ピストン表面が面しているチャンバとコンジット（６３）を介して連絡する加圧油圧作動油源（６２）と、コンジットの中に配置される常時開電磁弁（６４）とを含むことができ、電磁弁は、電力障害の場合に開いて、加圧油圧作動油源からコンジットを介して、小領域ピストン表面が面しているチャンバへ油圧作動油を流すことができるように構成され、それにより、そのようなチャンバが膨張し、シリンダに対して、ブレードがフェザーされる位置に向かってピストンが緊急移動する。

この改良は、さらに、ポンプを小領域及び大領域アクチュエータ・チャンバから選択的に分離するように動作可能に構成される遮断弁（５９、６０）を含むことができる。

電動機への電力及び／又は制御信号は、ナセルから非接触回転変圧器を介してハブに供給されることが好ましい。参照によりそれらの開示がすべて本明細書に組み込まれている特許文献１号、特許文献２及び特許文献３に、これらの実例が示され、且つ、記載されている。

従って、本発明の一般的な目的は、風力タービンに使用するための電気油圧式アクチュエータであって、その上に取り付けられる複数の可変ピッチ・ブレードのうちの１つのピッチを制御するための電気油圧式アクチュエータを提供することである。

他の目的は、風力タービンに使用するための改良型電気油圧式アクチュエータであって、ナセルの上ではなく、回転ハブの上にアクチュエータの主要コンポーネントを取り付けることができる改良型電気油圧式アクチュエータを提供することである。

他の目的は、風力タービンに使用するための改良型アクチュエータであって、電力障害、又は停電の場合に、関連するブレードをフェザー位置に向かって緊急移動させるためのフェイル・セーフ機構を含んだ改良型アクチュエータを提供することである。

これら及び他の目的並びに利点は、以上及び以下の書面明細書、図面及び特許請求の範囲から明らかになる。

ナセルに対して水平の軸の周りに回転させるためにハブの上に取り付けられた可変ピッチ・ブレードの断片部分を示す、風力タービンの上部周辺末端部分の等角図である。 改良型電気油圧式アクチュエータの油圧略図である。 複数のブレードのうちの１つのピッチを制御するための改良型電気油圧式アクチュエータの左側面図である。 図３に示されているアクチュエータの平面図である。 図４に示されているアクチュエータの左端面図である。 ３つのブレードを個々に制御するための回路のブロック図である。

最初に、構造エレメント、部分又は表面は、以下の詳細な説明がその必要不可欠の部分をなしている書面明細書全体によってさらに記述され、或いは説明されることになるため、同様の参照数表示には、いくつかの図面を通して終始一貫して同じ構造エレメント、部分又は表面を識別することが意図されていることを明確に理解されたい。特に指摘されていない限り、図面は、本明細書と共に読まれること（例えば、断面線、部品の構造、比例、度、等々）が意図されており、また、本発明の書面説明全体の一部と見なされることが意図されている。以下の説明の中で使用されているように、「水平」、「垂直」、「左」、「右」、「上」及び「下」という用語、並びにそれらの形容詞的及び副詞的派生語（例えば、「水平方向」、「右側」、「上側」、等々）は、読者に面している特定の図面に示されている構造の配向を単純に意味している。同様に、「内側」及び「外側」という用語は、一般に、該当する延長線のその軸又は回転の軸に対する表面の配向を意味している。

ここで、図面、より詳細にはそれらのうちの図１を参照すると、塔の上部周辺末端部分の上に取り付けられた、一括して２０で示されている改良型風力タービンが示されており、塔の断片部分は、一括して２１で示されている。ナセル２２は、垂直軸ｙ−ｙの周りに回転させるために、塔の上部周辺末端部分の上に回転可能に取り付けられている。ハブ２３は、水平軸ｘ−ｘの周りに回転させるために、ナセルの上に取り付けられている。それぞれ２４で示されている複数のブレードは、ハブと共に回転させるためにハブの上に取り付けられている。個々のブレードのピッチは、本明細書において開示される改良型電気油圧式アクチュエータによって個々に制御することができる。主軸（図示せず）は、ハブの回転運動をナセル内に伝達し、通常の方法で発電機（図示せず）を駆動する。また、ナセルには、被駆動軸の速度を速くするための歯車箱（図示せず）、変圧器（図示せず）、等々などの様々な通常のアイテム及び典型的なアイテムが含まれている。

これまでは、ブレードのピッチを制御するための機構は、ナセルの上に取り付けられ、また、制御は、ブル・ギヤーによってハブに伝達されていた。しかしながら、本発明の場合、電気油圧式アクチュエータはハブの中に取り付けられ、また、ブル・ギヤーを完全に除去することができる。

次に図２を参照すると、図に概略的に示されている改良型電気油圧式アクチュエータ２５には、電動機２６、電動機によって駆動されるポンプ２７、及び一括して２８で示されている複動油圧アクチュエータが含まれている。

好ましい実施例では、電動機は、ナセルから非接触回転変圧器（図示せず）を介して電流が供給されるブラシレス直流電動機である。供給される電流が１極性の電流である場合、電動機は一方向に回転する。供給される電流が逆極性の電流である場合、電動機は逆方向に回転する。

ポンプ２７は、固定容量式ポンプであることが好ましく、軸２９によって電動機に接続される。

図に示されているアクチュエータ２８は、シリンダ３１の中にスライド可能に取り付けられたピストン３０を有している。左端にピストンが取り付けられたロッド３２は、シリンダの右末端壁まで入り込む。アイ３３は、ロッド３２の右端に取り付けられている。図に示されているもう１つのアイ３４は、シリンダの左末端壁に取り付けられている。ピストンは、シリンダの中にスライド可能に取り付けられており、左側のチャンバ３５を右側のチャンバ３６から密閉分離している。ピストン３０の円形垂直末端表面全体が左側のチャンバ３５に面している。しかしながら、ピストンの右側の環状垂直表面は、右側のチャンバ３６に面している。電気油圧式アクチュエータ全体は、風力タービンの回転可能ハブの中に取り付けられている。アイ３４は回転可能ハブに取り付けられており、また、アイ３３は、関連するブレードのピッチを制御するために接続されているレバー・アーム（図示せず）に取り付けられている。

ポンプ２７の一方の側は、コンジット３８を介してアクチュエータの左側のチャンバ３５と連絡しており、また、ポンプ２７の反対側は、コンジット３９を介してアクチュエータの右側のチャンバ３６と連絡している。ドレン・コンジット４０は、ポンプ流の一部をフィルタ４２及び逆止め弁４３を介してリザーバ４１に連絡している。より詳細には、コンジット４０は、ケース・ドレンとフィルタの間を展開しており、コンジット４４は、フィルタ４２を逆止め弁４３に連絡し、また、コンジット４５は、逆止め弁４３をリザーバ即ちタンク４１と連絡している他のコンジット４６に連絡している。図に示されているこのタンクはダイヤフラムを有しており、約９０〜２５０ｐｓｉの圧力まで加圧されたガスが入っている。

コンジット３８は、高圧安全弁４８を含んだコンジット４７であって、コンジット４９、５０及び４６が接続されたコンジット４７を介してタンク４１と連絡している。コンジット３９は、もう１つの高圧安全弁５２を含んだコンジット５１であって、且つ、コンジット４９、５０及び４６が接続されたコンジット５１を介してタンク４１と連絡している。安全弁４８、５２の機能は、ポンプ動作の極性に応じて、過圧状態に対する球剤を提供することである。また、コンジット３８は、コンジット５３、バイパス・ソレノイド５４、及び拘束オリフィス５６を含んだコンジット５５を介してコンジット３９と連絡している。

また、コンジット３８及び３９は、コンジット５６、アンチ・キャビテーション弁５７及びコンジット５８を介して互いに連絡している。ソレノイド動作バイパス弁５９、６０は、それぞれコンジット３８、３９の中に配置されている。アンチ・キャビテーション弁５７は、コンジット３８、３９内の流体の圧力をサンプリングする逆シャットル弁のタイプであり、それらの間の圧力差に応答して自動的に移動する。アンチ・キャビテーション弁５７の機能は、対向しているアクチュエータ・チャンバ３５と３６の間の体積変化に適応することである。言い換えると、ピストンがシリンダ内を左側へ移動すると、収縮する左側のチャンバ３５から除去される流体の体積は、膨張する右側のチャンバ３６に供給される流体の体積より大きくなる。アンチ・キャビテーション弁は、コンジット４６、４９、５０を通ってリザーバへ流れる過剰流体又は過少流体を許容するように機能している。逆に、アクチュエータ・ピストンがシリンダに対して右側へ移動すると、過少分の量の流体をリザーバ４１からコンジット４６及びアンチ・キャビテーション弁を介して、膨張する左側のアクチュエータ・チャンバへ流入させることができる。

チャージ・フィッティング６１は、コンジット３９と連絡しており、システムへの流体の追加を許容している。フェイル・セーフ・アキュムレータ６２は、常時開電磁弁６４を含んだコンジット６３を介してコンジット３９と連絡している。

最初に風力タービンが始動すると、バイパス弁５９、６０が閉じ、最初に、アキュムレータ６２に液体を装填し、且つ、約３，０００ｐｓｉに加圧するために、このアキュムレータ６２に流体がポンプ供給される。次に、弁５９、６０が開いてアクチュエータへの流体の流れが許容される。

フェイル・セーフ・アキュムレータ６２の機能は、電動機への電力が損失した場合に、システムに加圧油圧作動油源を提供することである。電力障害の場合に、フェイル・セーフ・アキュムレータ６２は、アクチュエータ・ロッドをブレードのフェザー位置に向かって左側へ変位させるために、加圧油圧作動油源を提供することができる。

図３〜５は、この装置の商用形態を示したもので、同じ番号を使用して、上で説明した部品が参照されている。

次に図６を参照すると、３つのブレードのそれぞれのピッチを個々に制御するためのより大きい制御システムが示されている。３相スリップ・リング６５からの信号は、３つの電動機コントローラ６６Ａ、６６Ｂ、６６Ｃのそれぞれに供給される。個々の電動機コントローラは、それぞれ電力段６７Ａ、６７Ｂ、６７Ｃに信号を供給しており、これらの電力段６７Ａ、６７Ｂ、６７Ｃは、適切な大きさ及び極性の電流をそれぞれ電気油圧式アクチュエータＡ、Ｂ及びＣに供給している。ＬＶＤＴ６８Ａ、６８Ｂ、６８Ｃを介して個々のロッド３２の位置がそれぞれモニタされ、次に、その位置信号がそれらに関連する電動機コントローラ６６Ａ、６６Ｂ、６６Ｃにそれぞれフィード・バックされる。また、データ伝送のための回転光リング６９は、個々の電動機コントローラに入力信号を提供している。従って、この方法の場合、システムは、個々のブレードのピッチを個々に制御することができる。当然、図６に示されている構造は、３ブレード風力タービンに特化されている。もっと多数のブレード或いはもっと少数のブレードを使用しなければならない場合、それに応じてアクチュエータの数を調整することができる。

修正
本発明には、多くの変更及び修正を加えることができることが明白に企図されている。改良型風力タービンの場合、ブレード毎に電気油圧式アクチュエータが提供されるため、様々なブレードのピッチを互いに独立して制御することができる。現時点においては直流ブラシレス電動機を使用することが好ましいが、他のタイプの電動機を使用することも可能である。同様に、現時点においては固定容量式ポンプが好ましいが、他のタイプのポンプに置き換えることも可能である。

アクチュエータは、当然、シリンダの両方の末端壁まで入り込むロッドを有することができる。しかしながら、これは、ハブのノーズを妨害する可能性がある。それにもかかわらず、構造を適応させることができる場合、膨張するチャンバの体積が収縮するチャンバの体積と等しくなるため、アンチ・キャビテーション弁の必要性を除去することができる。

必要に応じて、電動機コントローラ及び電力段を改良型ハブ取付け電気油圧式アクチュエータの中に直接組み込むことができる。

従って、本改良の現時点における好ましい形態が示され、且つ、説明され、また、それらのいくつかの修正について説明されているが、特許請求の範囲によって定義され、且つ、区別されている本発明の精神から逸脱することなく、様々な追加変更及び修正を加えることができることは当業者には容易に理解されよう。

Claims (8)

1. ナセル（２２）に対して回転させるためにハブ（２３）の上に取り付けられる複数の可変ピッチ・ブレード（２４）を有する風力タービン（２０）における、
   前記ブレードのうちの１つのピッチを制御するための電気油圧式アクチュエータを備える風力タービンであって、各々の前記アクチュエータが、
   電流が供給されるようにされた電動機（２６）と、
   前記電動機によって駆動されるポンプ（２７）であって、前記電動機に供給される前記電流の関数としての油圧出力を提供するように構成されるポンプと、
   関連するブレードのピッチを前記ポンプの前記油圧出力の関数として選択的に変化させるように動作可能に構成される電気油圧式アクチュエータ（２８）であって、シリンダ（３１）の中にスライド可能に取り付けられ、前記ピストンの一方の側の第１のチャンバ（３５）を該ピストンのもう一方の側の第２のチャンバ（３６）から密閉分離するピストン（３０）を有し、ロッド（３２）が、前記ピストンの上に取り付けられ、前記第１、及び第２チャンバ（３５、３６）に面する不等領域表面を前記ピストンが有するよう、前記第１、及び第２チャンバ（３５、３６）の一方を通って展開し、前記シリンダの末端壁まで内部に入り込む、電気油圧式アクチュエータ（２８）と、
   小領域ピストン表面が面しているチャンバとコンジット（６３、３９）を介して連通する加圧油圧作動油源（６２）と、前記コンジットの中に配置される常時開電磁弁（６４）とであって、前記電磁弁が、電力障害の場合に開いて、前記加圧油圧作動油源からコンジットを介して、前記小領域ピストン表面が面している前記チャンバへ油圧作動油を流すことができるように構成され、それにより、前記チャンバが膨張し、前記シリンダに対して、前記ブレードがフェザーされる位置に向かって前記ピストンが動かされる、加圧油圧作動油源（６２）と、常時開電磁弁（６４）と、
   油圧リザーバ（４１）と、前記油圧リザーバと、前記電気油圧式アクチュエータとの間に動作可能に構成されるアンチ・キャビテーション弁（５７）であって、前記チャンバが膨張すると、前記リザーバから、より大きい領域ピストン面に面している前記チャンバへ油圧作動油が流れ、前記チャンバが収縮すると、前記より大きい領域ピストン面に面している前記チャンバから前記油圧リザーバへ油圧作動油が流れるアンチ・キャビテーション弁（５７）と、
   を含み、
   前記電動機、ポンプ及び電気油圧式アクチュエータが前記風力タービンの前記ハブの中に物理的に配置され、
   前記風力タービンが、前記ハブの上に取り付けられる３つの前記可変ピッチ・ブレードを有し、前記電気油圧式アクチュエータのうちの１つが前記複数のブレードのそれぞれに提供され、
   個々の前記ブレードのピッチは、他の前記ブレードのピッチに無関係に制御することができる風力タービン。
2. 前記電動機が直流ブラシレス電動機、及び／又は前記ポンプが固定容量式ポンプである、請求項１に記載の風力タービン。
3. 前記ポンプからの前記油圧出力の極性が、前記電動機に供給される前記電流の極性の関数である、請求項１に記載の風力タービン。
4. 前記油圧リザーバが加圧される、請求項１に記載の風力タービン。
5. 前記アンチ・キャビテーション弁が、前記ポンプの前記油圧出力の極性の関数として自動的に動作する、請求項１に記載の風力タービン。
6. 前記ポンプを前記小領域及び大領域アクチュエータ・チャンバから選択的に分離するように動作可能に構成される遮断弁（５９、６０）をさらに備える、請求項１に記載の風力タービン。
7. 前記ナセルからの電力が非接触回転変圧器を介して前記電動機に提供される、請求項１に記載の風力タービン。
8. 電動機コントローラ及び電力段をさらに備え、前記電動機コントローラ及び前記電力段が、同じく前記タービンの前記ハブの中に物理的に配置される、請求項１に記載の風力タービン。

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