JP5504176B2 - 垂直回転軸型の風力タービンロータ - Google Patents

Description

本発明は、風力エネルギーを回転運動の機械的エネルギーに処理する間にダリウスの原理を適用するタービンにおいて使用される垂直回転軸型の風力タービンロータである。

たとえば、米国特許第４２６４２７９号明細書および米国特許第４４３００４４号明細書から知られている垂直回転軸型のタービンロータの解決法は、駆動シャフトのハブと連結され、垂直方向に搭載されたロータブレードを端に備えた少なくとも２つの水平支持体を有する。

ロータブレードは、多くの場合に、対称の翼型を有し、ブレードが上翼と下翼とに分離された状態で、ロータブレードの高さの中心ゾーンにおいて支持体と連結されている。駆動用の空気力学的力の他に、風圧によって加えられたロータ運動中に、遠心力も存在する。両方の力は２つの翼の質量中心に作用する。ブレード回転運動の軌道の中程で、上記の力は同じ方向へ向けられ、結果として、翼の縦変形と、ブレードと支持体との連結ゾーンにおける高い曲げ応力とを引き起こす。円のもう一方の半分では、風方向の側に、反対向きの両方の力が存在する。

極性変化を含む脈動負荷変化の出現は、タービン摩耗および設備効率に著しい悪影響を与える。既知の解決法は、翼を補強するため付加的な要素をロータの構造に挿入することにある。たとえば、付加的な要素は、英国特許第２１７５３５０号明細書に記載されているロータの場合のように直線タイロッドでもよく、または、独国特許第３６２６９１７号明細書に開示されているように付加的な支持体でもよい。補強要素の導入は、特に、補強要素が体積の大きい乱気流を促進する鋭角形状を含むならば、空力抵抗の増加およびタービン効率の低下という結果になる。弦長および翼型の厚さが両方の翼端へ向かって減少するとき、遠心力の悪影響は、変更可能な翼型をロータ長さに適用することを部分的に削減する原因となる。このような解決法は、特に、欧州特許第００４６３７０号明細書に開示されたロータに適用された。これらの種類のロータにおいて出現する作業条件および技術的問題についての簡単な説明において、上翼および下翼への空気力学的力の多様性と、自励空気弾性振動、すなわち、周囲空気の高速時における翼のフラッタへの構造感受性とを指摘することが必要である。領域の特性は、多くの場合に、下翼レベルでの風速の実質的な減少を判定することがある。

米国特許第４２６４２７９号 米国特許第４４３００４４号 英国特許第２１７５３５０号 独国特許第３６２６９１７号 欧州特許第００４６３７０号

本発明の目的は、高い剛性および耐久性と、低い空力抵抗と、ロータシャフトの駆動力への高い効率の風圧力変換とによって特徴付けられる簡単なロータの構造を提案することである。

本発明では、上記の解決法と同様に、ロータは、ハブと連結された少なくとも２つの水平支持体を含む。弦長および翼型の厚さが両方の翼端へ向かって減少する対称または凹凸状の翼型をもつロータブレード（各ブレードは２つの結合された翼からなる）は、支持体の端に堅固に固定されている。本発明の本質は、ロータブレードの上翼および下翼が回転軸に相対的な角度で中心ゾーンから外方へ放射状に撓曲することである。同時に、両方の翼端での翼型の弦長と、中心ゾーンの中での弦長とは、回転軸に関するそれぞれの位置の半径にほぼ反比例する。

撓曲した翼であって、同時に弦長および翼型の厚さが翼の端部に向けて減少する翼をもつロータの使用は、翼の全長に沿って、安定した風力消費の強度を提供する。翼の外側層における加圧テンションの平衡および低減の実質的な改良は、翼の質量中心を支持体に近づけることによって実現される。ストレッチテンションが一般に支持体の中に発生させられる。撓曲し、弦長および翼厚が減少する翼型をもつブレードの自由振動の周波数は、直線ブレードの周波数より高い。この促進結果は突風の間に特に明らかである。中心ゾーンおよび翼の端で現れる迎角の多様化は、特に、フラッタの危険性を取り除く。

本発明のさらなる実施形態の目的は、ロータの上方のレベルおよび下方のレベルに現れる異なる風速の影響を取り除くことである。

この目的のため、ロータの中の下翼撓曲の角度は上翼撓曲の角度より大きくすべきである。推奨される角度差は１°から５°の範囲に入る。

下翼が上翼より長い解決法もまた有利である。２から１５％の範囲に入る長さ差が推奨される。

本発明によれば、ロータにおいて、対称の翼型、および、水平に設置された弦を備え、長手軸が翼型の幾何学的中心を通過して回転軸と交差する支持体をハブに連結させて使用することが望ましい。

ロータは異なる風速において最高の効率で仕事をするという事実を参照すると、−２°から＋３°の範囲に入る調整を可能にする迎角の既知の設定点を使用して、駆動ブレードを支持体と連結することも役に立つ。

本発明を完全に理解するために、ロータの概略的な約束事の実施例が図面に表されている。

撓曲した翼を備えた本発明のロータの斜視図である。 本発明のロータの側面図である。 図２において文字Ｘでマークされた方向からの翼の図である。 上翼と下翼の長さおよび撓曲角度が異なる他のロータの図である。 図４にマークされた線Ｙ−Ｙによるロータの上方からの断面図である。

ロータは、第４の風力タービンのタワーの中に垂直に位置している駆動シャフトのハブ１に固定されている。対称の翼型を備えた２つの水平支持体はハブ１に固定されている。

支持体の翼弦は水平であり、長手軸が翼型の幾何学的中心を通過しロータの回転軸と交差する。ロータブレード３は各支持体２の端に固定され、ブレードは、ブレード自体の全長の中心ゾーン３ｃによって支持体２と連結されている。ロータブレード３の上翼３ａおよび下翼３ｂは同じ長さを有し、両方の翼は放射状に外方へ撓曲され、回転軸に対する角度はβ_１＝β_２である。上翼３ａおよび下翼３ｂの切断面は、弦長がｂ_１からｂ_２まで両方の翼端へ向かって減少し、翼型の厚さがｃ_１からｃ_２まで減少する、対称または凹凸状の翼型を有する。両方の翼端３ａ、３ｂにおける翼型の弦長ｂ _２ と、中心ゾーン３ｃにおける弦長ｂ_１とは、関係：ｂ_１／ｂ_２＝Ｒ_２／Ｒ_１に表現されるように、回転軸に対するそれぞれの位置の半径Ｒ_１、Ｒ_２に反比例する。地形特徴がこのような寸法および形状の関係に当てはまるとき、風力消費は翼の全長に沿って安定であり、同時に、風に沿う気流の合成速度Ｔ_１、Ｔ_２の空気衝突角度α_１、α_２は減少する。このことは図３に示され、記号的に「１ｃｍ」としてマークされた、翼の特定の基本表面は、

Ｃ_ｙが翼型の形状に依存する因子を示し、
Ｓが翼の基本表面の領域であり、
ρが空気密度であり、
Ｖが気流の速度であるとき、
に従って、同一の空気力学的力を発生させるべきである。

中心ゾーン３ｃの近くの積Ｃ_ｙ ×Ｓの値は翼の端での値より大きく、Ｖ^２は支配的な値である。突風の場合に、空気衝突の角度αは臨界値を越えることがある。

ロータでは、本発明によれば、空気衝突の角度は、中心ゾーン３ｃにおけるα_１から翼３ａ、３ｂの端におけるα_２まで連続的に減少し、翼に沿って同様に徐々に臨界値を越えることになる。翼の背後の乱気流ゾーンの発達過程は本質的に連続的であり、直線ブレードロータを備えるタービンに現れるタービン脈動、または、タワー４および支持体２の振動の原因とならない。

翼３ａ、３ｂの外側撓曲は、支持体２を適切に短縮することを可能にし、これはタービンへの空気力学的抵抗を減少させる。

上翼３ａおよび下翼３ｂによる平衡状態の風力消費に適合したロータは、風速が地表面から上の高さに依存して著しく多様化させられる土地条件に関して、図４に示されている。下翼３ｂと上翼３ａに現れる空気力学的力の間の差は、支持体の不利なトルクモーメントを作り出す。

空気力学的力の平衡は、上翼３ａの撓曲角度β_１より大きい下翼３ｂの撓曲角度β_２（たとえば、３°）を使用し、翼の等しい長さｌ_１＝ｌ_２を維持することによって確実にされ得る。撓曲角度値の増大は、翼の円周速度に影響を与える。上翼３ａと下翼３ｂの負荷平衡は、等しい撓曲角度β_１＝β_２と、たとえば、上翼３ａの長さｌ_１より約１０％長い下翼３ｂの長さｌ_２とで同様に実現され得る。

本発明において指定されているように、ロータ試作品の実験は、異なる風速Ｗに対する電力変換の最大効率が、中心ゾーン弦３ｃと図５の断面図の運動軌道に対するタンジェントラインとの間の異なる迎角γで実現されることを明らかにした。たとえば、風速Ｗ＝６ｍ／ｓに対し、角度＝−２°であり、風速Ｗ＝９．５ｍ／ｓに対し、γ＝０°であり、Ｗ＝１１ｍ／ｓに対し、γ＝＋２°である。本発明の主題におけるロータは、タービンの動作中に迎角γを変更することを可能にする、支持体２に組み込まれた既知の解決法のうちの１つが装備されている。

Claims (4)

1. ハブと連結され、端にロータブレードがある少なくとも２つの水平支持体を有し、前記ロータブレードはロータブレードの中心ゾーンにおいて前記支持体の端に堅固に固定され、それぞれの前記ロータブレードは、横断面が対称または凹凸状の翼型である結合された２つの翼からなり、弦長および翼型の厚さが翼端に向かって減少する、垂直回転軸型の風力タービンロータであって、
   前記ロータブレード（３）の上翼（３ａ）および下翼（３ｂ）が、前記ロータの回転軸へ向かって撓曲角度（β_１，β_２）を形成して、中心ゾーン（３ｃ）から外方へ放射状に撓曲し、
   両方の翼端（３ａ，３ｂ）での翼型の弦長（ｂ_２）と中心ゾーン（３ｃ）における弦長（ｂ_１）とが前記ロータの回転軸に関してそれぞれの位置の半径（Ｒ_１，Ｒ_２）にほぼ反比例することを特徴とする、ロータ。
2. 前記下翼（３ｂ）の前記撓曲角度（β_２）は、前記上翼（３ａ）の前記撓曲角度（β_１）より大きいことを特徴とする、請求項１に記載のロータ。
3. 前記下翼（３ｂ）の長さ（ｌ_１）は、前記上翼（３ａ）の長さ（ｌ_２）より長いことを特徴とする、請求項１または２に記載のロータ。
4. 前記支持体（２）は、水平方向に位置付けられた弦を備えた対称の翼型を有し、前記支持体の長手軸が翼型の幾何学的中心を通り前記ロータの回転軸と交差することを特徴とする、請求項１に記載のロータ。

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