JP5379851B2 - タービン翼ピッチ角を制御するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、可変ピッチ角型式のタービン・システムに関するものであり、とりわけタービン翼ピッチ角を制御するための装置に関するものである。より詳しくは、本発明は潮流タービンに関するものである、とりわけ潮流タービン翼のピッチ角を選択的に調整するためのシステムに関するものである。

通常、可変ピッチ角タービン翼システムは、複数のタービン翼を組み込んでいる。タービン翼は、駆動シャフトに連結された回転ハブに取り付けられている。各タービン翼は、翼の長手方向軸線に沿ってハブから半径方向外向きに延びる。ピッチ角調整を可能にするために、各翼はその長手方向軸線の周りに枢動可能にハブに取り付けられている。通常、このハブは、チャンバをその内部に取り囲んでおり、その内部にはタービン翼に動作的に連結されたピッチ角変更作動システムが設置されている。この作動システムは翼のピッチ角を選択的に変更し、その結果、翼の回転に対する流体抵抗力を変え、それによってシャフトの回転速度を制御するように機能する。

水中の流れ（例えば潮流）から電気エネルギを発生させるための発電プラント用の可変ピッチ角タービン・システムにおいて、タービンは水流によって回転させられ、この回転はハブ及び駆動シャフトを介してプラントの発電機に伝達される。タービン翼ピッチ角は、翼の長手方向軸線の周りに翼を枢動させることによって調整される。それによって、水流タービンが、変動する水流状態において最大効率で機能することが可能となる。そして、タービンの起動を助けることが可能となり、高い水流速度によってタービンが過速度運転されることを、翼のフェザリングによって防止することが可能となる。

水中の流れからエネルギを発生させるためのプラントは、発電機と共に支配的な流れのある水中に沈められて設置されることがある。支配的な流れは、水流方向がある時間間隔で逆転する潮流などであり、潮の干満に同調する。この型式のプラント用の可変ピッチ角タービン・システムは、ピッチ角調整システムを装備する場合がある。このピッチ角調整システムによって、個々のタービン翼がその長手方向軸線の周りに１８０°回転することが可能である。時には、タービン翼をフェザリングさせる必要性が生じる。これは、速度超過を防止するためである場合もあり、又はプラントの停止と関連している場合もある。

本発明の目的は、タービン翼フェザリング動作を、迅速で、予測可能な、信頼性の高い方式で実施するための装置を提供することである。

本発明はそのような装置を提供する。本発明は、タービン翼ピッチ角を制御するための装置を提供する。この装置は、タービン翼に連結するためのタービン翼スピンドルを含み、スピンドルは、タービン翼の長手方向軸線と位置合わせされた長手方向軸線を有し、支持部材に回転可能に連結されていることを特徴とする。そして、この装置は、スピンドルに連結され、作動部材を介して支持部材に連結されたアクチュエータを含むことを特徴とする。そして、アクチュエータが、スピンドルをスピンドル長手方向軸線の周りに回転させるように動作可能であることを特徴とする。

この作動部材は、後退状態と伸張状態との間を動作可能であり、それによって、アクチュエータの前記動作が、スピンドル長手方向軸線の周りのスピンドルの回転を生じさせることが好ましい。好ましい実施形態では、このスピンドルは、アクチュエータに連結するための連結手段を含む。

この連結部材がアクチュエータに連結するための第１の枢動連結手段を含み、この支持部材がアクチュエータに連結するための第２の枢動連結手段を含むことが好ましい。

好ましい実施形態では、この支持部材は歯付き円弧部材を含み、この歯付き円弧部材は、ギア・ホイール及び傘歯車を介して、ピッチ角調整駆動ユニットに連結されている。

好ましい実施形態では、このアクチュエータは、油圧式に動作するアクチュエータ、又はソレノイド・アクチュエータ、及び／又は１つ若しくは複数の装薬若しくはばねを含むアクチュエータを含む。また、好ましい実施形態では、このアクチュエータは、ピッチ角調整歯車と独立に動作するようになっている。また、このアクチュエータは、ピッチ角調整歯車と同時に動作するようにもなっていてもよい。

本発明の装置は、水中に沈められた発電機において、水中に沈められた発電機を通過する流れから電気を発生させるために使用されることが、とりわけ有用である。

本発明のこれらの特徴及び他の特徴は、添付の図面を参照して実施形態の好ましい形態についての以下の説明から明らかになるであろう。実施形態の好ましい形態は、非限定的な実施例として挙げられている。

本発明の好ましい実施形態を図示する、タービン・ナセルの断面立面図である。 本発明の好ましい実施形態の原理的な略図である。 本発明の好ましい実施形態の斜視図である。 第１の位置にある、本発明の好ましい実施形態のいくつかの構成部品の斜視図である。 第２の位置にある、図４に示す構成部品の斜視図である。

図１は、本発明の好ましい実施形態を示している。この実施形態は、ナセル又はハウジング１０内に組み込まれて示されている。駆動シャフト１２は、一方の端部においてタービン・ハブ１１に連結され、もう一方の端部において発電機（図示せず）に連結されている。発電機は、潮流又は類似のもの等、水の流れから電気を発生させる。図示の実施形態においては、このタービン・ハブは２つのタービン翼スピンドル１４を備えており、通常、その各々の自由端部８にそれぞれタービン翼（図示せず）が取り付けられている。図を分かり易くするためにタービン翼は図に示されていないが、タービン翼が各スピンドル１４の自由端部８に取り付けられており、スピンドルの長手方向軸線がタービン翼の長手方向軸線と位置合わせされていることを当業者は理解するであろう。記載されている実施形態においては、各スピンドル１４はそれぞれの外側ラジアル軸受９及び内側軸受７によって支持されている。この内側軸受７は、スラスト−ラジアル複合軸受であってもよい。記載されている実施形態において、これらの軸受は水潤滑されている。

図１は、ピッチ角調整駆動ユニット１８も示している。それは、（油圧式に又は電気式に動作する）従来方式でタービン・ピッチ角調整歯車１６を駆動している。このピッチ角調整歯車１６は、図３により詳細に示されている。

図３は、ピッチ角調整軸２０を示している。（ピッチ角調整軸２０は、ピッチ角調整駆動ユニット１８に連結されているが、それは図３には示されていない。）ピッチ角調整軸２０は、傘歯車に連結されている。傘歯車は、ピニオン駆動部２２及び、（図３には、その一部分のみ示されている）各タービン・スピンドル１４に対する冠歯車２４を含んでいる。各冠歯車２４は、それぞれのギア・ホイール２６に結合されている。ギア・ホイール２６は、円形を区分化した歯切りされた円弧部材２８上の対応する歯２９とそれぞれ係合する歯を有している。これ以降、円形を区分化した歯切りされた円弧部材２８を歯付き円弧部材２８と呼ぶ。本発明の範囲から逸脱せずに、この歯付き円弧部材２８は完全な円盤を備えてもよいということを当業者は理解するであろう。図示の実施形態においては、この歯付き円弧部材２８は、部分的に円盤形状の構造を含み、その円周に沿った歯２９を有し、内部区画部３３によって分離された、穴の開けられた２つの側壁を有している。

図３は、各タービン翼スピンドル１４がどのようにそのそれぞれの歯付き円弧部材２８に回転可能に連結されているかも示している。このタービン翼スピンドル１４は、歯付き円弧部材２８内の適切に構成された支持区域３１内において、その長手方向軸線の周りに回転することができる。スピンドル内側端部１５は、この技術分野において既知の方式によって上記の内部軸受７に結合され、支持されている。したがって、ここでは図示も議論もしない。

スピンドル１４に連結部材３６が取り付けられている。図示の実施形態において、この連結部材３６は、支持区域３１の近傍においてスピンドル１４に固定された部材として示されている。そして、この連結部材３６は、歯付き円弧部材の２つの側壁の部品の間に位置決めされている。この連結部材３６は、ねじ又は同様の締結手段を使用してスピンドル１４に取り付けることができる。或いは、それはスピンドル１４と一体で形成することができる。アクチュエータ３２が、連結部材３６に枢動可能に連結されており、したがってスピンドル１４に枢動可能に連結されている。このアクチュエータ３２は、アクチュエータ・ロッド３８（図３では後退状態で示されている）を含む。アクチュエータ・ロッド３８は、その自由端部において、歯付き円弧部材２８に枢動連結部３４によって連結されている。アクチュエータ３２についてのより詳細な説明は後述する。

このスピンドルの回転位置、したがってタービン・ピッチ角は、ピッチ角調整駆動ユニット１８を制御可能に作動させ、それによって調整軸２０を回転させることによって調整することができる。この調整軸の回転移動は、傘歯車２２、２４を介して個々のギア・ホイール２６及びそれぞれの歯付き円弧部材２８に伝達される。この歯付き円弧部材２８はアクチュエータ３２（及びその連結３４、３５、３６）を介してスピンドル１４に連結されているので、この歯付き円弧部材の回転移動はスピンドル１４に直接伝達される。したがって、アクチュエータ３２及びその連結（３４、３５、３６）によって歯付き円弧部材とスピンドルとの間に堅固な連結が形成されるので、この歯付き円弧部材２８及びスピンドル１４は、この動作において実質的に単一の部材である。

歯付き円弧部材２８の円弧の長さは、各スピンドル１４のその長手方向軸線周りの回転可能な範囲、したがってタービン翼ピッチ角調整範囲を決定する。したがって、図示の実施形態においては、歯付き円弧部材２８の円弧長さによって、１８０°より大きい回転が可能になる。この特徴は、例えば逆流に対応するために有用である。逆流は、例えば潮流で起きる可能性がある。

プラントが動作しており、タービンが高いスラスト負荷を受けているとき、タービン翼ピッチ角を調整するためには、歯付き円弧部材２８上の歯２９が高強度の材料であることが必要とされる。このことは、図３、図４及び図５に図示されている。歯付き円弧部材２８の両端部の円弧区域３０は、Ｄｕｐｌｅｘ又は同様のもの等の高強度材料を含んでいる。

図示の実施形態において、このアクチュエータ３２は、後退状態（図４参照）及び伸張状態（図５参照）との間で動作させることができるアクチュエータ・ロッド３８を含んでいる。このアクチュエータ３２を油圧式に動作させることができる。このアクチュエータ・ロッド３８は、この技術分野において既知の方式で油圧力の操作によって伸長させられ、後退させられる。代替の実施形態において、このアクチュエータ３２は、ソレノイド・アクチュエータであってもよく、アクチュエータ・ロッド３８の伸張及び後退は、電気的インパルスによって達成される。油圧ライン及び制御ラインは、図を分かり易くするために、また、これらの特徴はこの技術分野で知られているので、図から省略されている。

したがって、アクチュエータ３２の動作によってスピンドル１４（したがって、このスピンドルに取り付けられたタービン翼）をスピンドル長手方向軸線の周りに回転させることができるので、このアクチュエータ３２は、追加のピッチ角調整装置としての役割を果たす。したがって、アクチュエータ３２を使用するこのピッチ角調整は、駆動ユニット１８、傘歯車２２、２４及び歯付き円弧部材２８を参照して説明したピッチ角調整とは独立に実施することができる。したがって、このアクチュエータ３２は、補助のピッチ角調整装置としての役割を果たすことができる。

図示の実施形態において、このアクチュエータ３２を使用して達成可能なピッチ角調整範囲は、アクチュエータ・ロッド３８のストローク長さなどの寸法的なパラメータによって、及びタービン翼スピンドル中心とアクチュエータ連結点３５との間の距離によって、及びタービン翼スピンドル中心と歯付き円弧部材の連結点３４との間の距離によって限定される。それらは、図２において、それぞれ「Ｓ」、「ａ」及び「ｂ」として表示されている。

したがって、例えば歯付き円弧部材２８が図３に図示されるような傘歯車装置によって所定の位置にロックされるとき、このアクチュエータ３２は、タービン・ピッチ角を微調整するための手段としての役割を果たすことができる。したがって、この２つのピッチ角調整手段（すなわち、回転歯車２８及びアクチュエータ３２）は、互いに別個に動作させることもできるが、同時に動作させることもできる。

この装置の動作の１つのモードにおいて、このピッチ角は、上記で説明され、図３に図示されるように、駆動ユニット１８、傘歯車２２、２４及び歯付き円弧部材２８を使用して調整される。この構成では、アクチュエータ３２は後退状態に、すなわちアクチュエータ・ロッド３８がアクチュエータ・ハウジングの内側に後退状態で固定されており、ピッチ角調整軸２０の回転は、上述の通り固定されたアクチュエータ３２を介してスピンドル１４に直接伝達される。ある状況下においては、ピッチ角調整を行うことが望ましい、又は必要であることがある。それは、例えば、タービンからスラスト荷重を実質的に取り除くためにタービン翼をフェザリングさせるためである。これは、例えば、潮流発電プラントにおいて、水流速度が許容される設計パラメータを超える場合、及び／又はピッチ角調整歯車１６又はそれに関連する部品が故障した場合という状況があり得る。その場合には、迅速にピッチ角調整をする必要性が追加的に生じる。そして、そのようなピッチ角調整は、アクチュエータ３２を作動させることによって達成することができ、タービン翼スピンドル１４がその長手方向軸線の周りに十分回転するようにアクチュエータ・ロッド３８を伸張させることによって達成することができる。

図４は、後退状態のアクチュエータ３２及びアクチュエータ・ロッド３８を図示している。一方、図５は、伸張状態のアクチュエータ・ロッド３８を図示している。アクチュエータ３２の作動による長手方向軸線周りのスピンドルの回転（したがって、タービン翼ピッチ角調整）は、図４及び図５において参照文字「Ａ」によって示されている。

図２に特定されるパラメータを含む、アクチュエータの適切な寸法を設定することによって、アクチュエータの作動が、タービン翼をフェザリングさせる。さらに、このアクチュエータを、アクチュエータ・ロッド３８が迅速に展開されるように構成させることができる。例えば、このアクチュエータは、唯一の作動手段として、又は上述の油圧又は電気的作動と組み合わせることによって、装薬及び／又はばねを含むことができる。したがって、このアクチュエータ３２は、フェザリング装置として、そして緊急フェザリング装置として役割を果たすことができる。したがって、このアクチュエータ３２は、安全装置を提供し、ピッチ角調整歯車１６のためのバックアップ機能を満足させる。

２つのタービン翼スピンドル１４を含む実施形態を参照して本発明を説明してきたが、当業者は、本発明が他の個数及び構成のタービン翼スピンドルにも適用されることを理解するであろう。

Claims (9)

1. タービン翼ピッチ角を制御するための装置であって、
   前記装置は、タービン翼スピンドル（１４）を支持する歯付き円弧部材（２８）に回転可能に連結されたピッチ角調整歯車（１６）を含み、前記スピンドル（１４）は、前記タービン翼の長手方向軸線と位置合わせされた長手方向軸線を有する装置において、
   前記スピンドル（１４）が、前記歯付き円弧部材（２８）に回転可能に連結されており、
   アクチュエータ（３２）が、前記スピンドル（１４）に連結され、作動部材（３８）を介して前記歯付き円弧部材（２８）に連結されており、
   前記アクチュエータ（３２）が、前記スピンドル（１４）をスピンドル長手方向軸線の周りに回転させるように動作可能であり、それによって、前記タービン翼ピッチ角は、前記アクチュエータ（３２）を使用して、前記ピッチ角調整歯車（１６）とは独立に調整される、ことを特徴とする装置。
2. 前記作動部材（３８）が、後退状態と伸張状態との間を動作可能であり、それによって、前記アクチュエータ（３２）の前記動作が、スピンドル長手方向軸線の周りの前記スピンドル（１４）の回転を生じさせる、請求項１に記載された装置。
3. 前記スピンドル（１４）が、前記アクチュエータ（３２）に連結するための連結部材（３６）を含む、請求項１又は請求項２に記載された装置。
4. 前記連結部材（３６）が、前記アクチュエータ（３２）に連結するための第１の枢動連結手段（３５）を含む、請求項３に記載された装置。
5. 前記歯付き円弧部材（２８）が、前記アクチュエータ（３２）に連結するための第２の枢動連結手段（３４）を含む、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載された装置。
6. 前記歯付き円弧部材（２８）が、ギア・ホイール（２６）及び傘歯車（２２、２４）を介して、ピッチ角調整駆動ユニット（１８）に連結されている歯付き円弧部材（２８）を含む、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載された装置。
7. 前記歯付き円弧部材（２８）が、内部区画部（３３）によって分離された２つの壁を含み、前記アクチュエータ（３２）を前記スピンドル（１４）に連結させるための連結部材（３６）が、前記２つの壁の間に配置されており、作動部材（３８）が前記２つの壁の間において伸張する、請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載された装置。
8. 前記アクチュエータ（３２）が、油圧式に動作するアクチュエータ、又はソレノイド・アクチュエータ、及び／又は１つ若しくは複数の装薬若しくはばねを含むアクチュエータを含む、請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載された装置。
9. 水中に沈められた発電機において、水中に沈められた前記発電機を通過する流れから電気を発生させるための、請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載された装置の使用。

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