JP5530434B2 - 風力タービン - Google Patents

Description

本発明は、広くは風力エネルギを発生させかつ貯蔵する設備、より詳しくは風力タービンの改善された構造に関する。

風力タービンには幾つかの形式があり、これらは、ベース、タワー及び該タワーに固定される風力タービンからなる。初期の風力タービン構造は、ブレードに連結されたタービンと、主軸と、減速機と、ステータ及びロータを備えた発電機とを有していた。これらの種類の発電機は、主軸-減速機-発電機の伝達により引き起こされる消耗（exhaustion）の問題を呈している。また、このような構造は１，５００ｋＷのキャパシティを超える風力タービンには使用できない。なぜならば、主軸及び減速機により発生されるトルクが大きくなり過ぎ、建造物が消耗及び材料疲労を受けて、構造に損傷を与えてしまうからである。

風力タービンの他の既知の解決法として、Wobben Aloysの発明を用いてEnerconと呼ばれている会社により製造される、減速機を用いない風力タービンがあり、この風力タービンでは、タワーが膝型コンソールに連結され、該膝型コンソールは次に、発電機部品に固定されたインペラヘッドに連結された主軸に連結されている。このような１つの解決法が２００７年６月１３日付特許出願ＥＰ１７９４４５０号に開示されており、この場合には、主軸、ナセル及びロータを備えたコンソールがタワーに連結されている。このような解決法の弱点はコンソールとタワーとが連結されていることにある。なぜならば、タービン（ブレード長：３５-４０ｍ）に作用する風力がコンソールの連結部に伝送され、該連結部が材料疲労を受け、破壊される虞れがあるからである。また、これらの種類の風力タービンは冷却が不充分であることによる問題があり、発電機構造における巻線の気密性も同時に確保すべきである。他の解決法も提案されているが、冷却及び構造的信頼性に関する限り、問題が残されている。また、提案されている解決法は高価でありかつ材料の消費が大きいものである。

風力タービンの最も関連性の深い解決法が、本発明の開発を行った本件出願人に係る特許出願Ｐ２００７０００３８号に開示されている。したがって、以下に述べる説明は、この特許出願に開示された細部への関連を含んでいる。

本発明の目的は、
風力タービン及びタワーに設置される部品間のバランスを改善でき、
ベアリング構造の機能から発電機を分離して、タービンから出る力（トルクを除く）が発電機の細部に伝達されないようにでき、
風力タービンの本体内のノット（knots）及びコンポーネンツを有効に冷却でき、
殆どの風力タービンが海及び海洋中及び海岸上に設置されるものであり、これらの場所は、水分に加えて、風により海水から鉱物塩の粒子も運ばれ、このため細部の早期腐食、発電機の絶縁のかなりの劣化及び巻線の電気的パンク（破壊）が引き起こされることを考慮して必要な気密性を確保できる風力タービンの構造を提案することにある。

上記目的から、本件出願人は、風力タービンの主軸が発電機ロータ本体を兼ねる風力タービン構造が、チューブの一端からブレードを備えたインペラヘッドに接続された中空の管状構造であることを示唆する。風力タービンロータ本体は、主軸の外表面の中心で第１部分上に装着されたベアリング（単一または複数）の補助により、チューブで形成された発電機本体内に支持されている。ベアリングは、ボールベアリング及びローラベアリング（円錐ころ軸受を含む）の両方で構成でき、最新技術では、任意のサイズのベアリングローラ及びベアリングの製造が可能である。このような構造は、風力タービンロータ本体とメインフレームとの間の気密性を確保できると同時に、風力タービンロータ本体を通って空気が流れることにより、必要なノット及びコンポーネンツが冷却される。

以下、添付図面を参照して本発明をより詳細に説明する。
本発明による風力タービンを示す断面図である。 発電機部品及び風力タービンロータ本体を示す斜視後面面図である（本体の上部は除去されている）。 本発明による風力タービンの発電機部品を示す斜視図である。

図示の風力タービン１は、当業界で既知の連結装置を介して、風力タービン１のベアリングタワー等の頂部に連結される。風力タービン１はメインフレーム２、２’を有し、該メインフレーム２、２’は発電機部品３すなわち作動チャンバ及びインペラヘッド（図示せず）を包囲している。インペラヘッドは、発電機のブレードと、風力タービン１をタワーに固定する連結部品（図示せず）とを保持し、タワーは、特殊ベース（図示せず）を介して地上に設置される。タワーの内部には、風力タービン１の作動に必要なノット及びコンポーネンツが配置されかつ取付けられている。

発電機部品３は、風力タービンロータ本体４及びステータ本体５から構成されている。

インペラヘッドは、風力タービンの構造技術分野で知られた連結方法を用いて発電機部品３の風力タービンロータ本体４に連結されるため、この点に関して更に説明はしない。また、インペラブレードは、最新技術で知られた解決法を用いてインペラヘッドに固定される。風力発電機の風力タービンロータ本体４は２つの部分２、２’に分割されており、このため、主本体の下方部分２はタワーに結合され、主本体の上方部分２’は、風力発電機１の最終組立て段階で主本体の下方部分２連結される。主本体にこのような構造を使用することにより、風力発電機のコンポーネンツ及びノットを所定位置に持ち上げて、これらを迅速かつ容易な方法で組立てることが可能になる。

風力タービンロータ本体４は、両端部が開放した中空円筒状をなしており、インペラヘッドの端部がベアリング６を介してメインフレーム２内に支持される。ベアリングは、第１に高荷重下及び構造物に複合荷重が作用する条件下で作動することを意味するＳＫＦ社の製造に係る２列円錐ころ軸受を使用できる。また、ベアリング荷重及び衝撃荷重から生じる条件との相容性を有する他の形式のベアリングを使用することもできる。

ベアリング６の内輪は風力タービンロータ本体４を包囲する。すなわち、ベアリング６は、張力をもって風力タービンロータ本体４の外表面に固定されるか、ボルト（図示せず）により風力タービンロータ本体４の外面のフランジに固定され、ベアリング６の内輪と風力タービンロータ本体４の外面との間の固定連結を確保する。風力タービンロータ本体４のインペラヘッドの側には、風力タービンロータ本体４の軸線（axle）の内部に向かって延びているフランジ７が配置されている。該フランジ７には装置を固定する開口が穿孔されており、フランジ７は、風力タービン１の組立て中に取付けられるインペラヘッドを保持する。

風力タービン１のメインフレーム２にはステータ本体５が固定され、該ステータ本体５は、風力タービンロータ本体４を包囲しておりかつステータ巻線１２及びベアリング６の外輪にも固定される。これにより、メインフレーム２へのベアリング６の外輪及びステータ本体５の不動連結が確保される。

また、図示の風力タービンロータ本体４は円錐状部分９を有し、該円錐状部分９は、風力タービンロータ本体４の内径をＤ１からＤ２（Ｄ２＞Ｄ１）に増大できる。円錐状部分９は開口１０を有し、冷却に使用される空気が、開口１０を通ってステータ本体５内に移動できる。ステータ本体５の側の風力タービンロータ本体４の外面には、ロータ巻線または磁石１１が固定されている。ステータ本体５の内面にはステータ巻線１２が固定されており、該ステータ巻線１２の幅はロータ巻線１１の幅に等しい。同時に、ロータ巻線１１及びステータ巻線１２の両者は、風力タービンのメインテナンス及び補修を容易にする態様でセグメント等に分割できる。

ステータ１２及びロータ７の適正作動に必要な、これらの間のエアギャップ「Ｓ」を確保するため、ステータ本体５及び風力タービンロータ本体４は支持ベアリング１３を介して相互に支持されている。支持ベアリング１３は、その内輪が風力タービンロータ本体４の端部の支持部品１４に固定されている。支持部品１４自体は、風力タービンロータ本体４の後部に位置する端板１５に固定されており、端板１５はインペラヘッドから一定距離を隔てた位置で風力タービンロータ本体４に連結されている。端板１５には、冷却空気用の開口１６が設けられている。支持部品１４は、風力タービンロータ本体４の軸線（axle）方向で端板１５の中心に配置されておりかつ円筒状をなしている。支持部品１４の外表面は、支持ベアリング１３の内輪との連結を保持している。

ベアリング１３の外輪は、ステータ本体５の端部の端板１７を介してステータ本体５に固定されている。風力タービンロータ本体４及びステータ本体５の両者の端板１５、１７は、発電機部品からの冷却空気がより自由に流れ得るようにするため、スポークで構成することもできる。

支持ベアリング１３の主な仕事は、ロータ１１とステータ１２との間に永久ギャップ「Ｓ」を確保することにあり、これは、風力タービン１の作動にとって必要なことである。

上記風力タービンの長所は、風力タービン１の全体（殆どはロータ１１及びステータ１２）の重心をタワーの中心軸線（central axle）に近接させることができ、これにより、メインフレーム２、２’のコンソール構造に作用する荷重を低減できることである。

風力タービンのメインフレーム２，２’はフランジ連結によりタワーに固定されるが、このことは本発明での技術的解決法に関するものではないので、ここでは詳細に説明しない。

当業者ならば、本発明による風力発電機構造が上記実施形態に限定されないことは理解されよう。例えばメインフレームの長さは、風力タービンのブレードから発電機部品の後端部に至る全体寸法が最小になるように、及び／または１つのみのベアリングを用いて構造がより軽量になりかつ設置及び作動がより容易になるように変更できるであろう。

１ 風力タービン
２、２’ メインフレーム
４ 風力タービンロータ本体
５ ステータ本体
６ ベアリング
１１ ロータ巻線
１２ ステータ巻線
１３ 支持ベアリング
１４ 支持部品
１５、１７ 端板
Ｄ１、Ｄ２ 主軸の内径
Ｓ エアギャップ

Claims (6)

1. タワーと、発電機部品（３）を包囲する風力タービンの中空の管状のメインフレーム（２、２’）と、インペラヘッドとを有し、前記発電機部品（３）は中空の管状の風力タービンロータ本体（４）を有し、前記風力タービンロータ本体（４）は、外面にロータ巻線又は磁石（１１）を本質的に全幅に亘って組み込み、かつ前記発電機（３）のステータ本体（５）によって包囲されている、風力タービン（１）であって、
   前記風力タービン（１）の前記メインフレーム（２，２’）は、インペラヘッドの側においてのみ前記ステータ本体（５）に連結され、これにより前記ステータ本体（５）の残部とエアギャップだけ分離され、ベアリング（６）の外輪が前記ステータ本体（５）に固定され、前記インペラヘッドの側で前記風力タービンロータ本体（４）は、前記風力タービンロータ本体（４）を前記メインフレーム（２）に支持するために設けられた前記ベアリング（６）の内輪に直接固定されている
   ことを特徴とする風力タービン。
2. 前記ベアリング（６）の前記外輪及び前記ステータ本体（５）は、前記メインフレーム（２）の前記インペラヘッドの側に固定され、一方、前記ステータ本体（５）は、前記メインフレーム（２）の前記インペラヘッドの側でのみ前記フレーム（２）に固定されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の風力タービン。
3. ステータ本体（５）の内面には、前記風力タービンロータ本体（４）の前記外面上の本質的に前記全幅に設けられたロータ巻線（１１）の幅に一致する大きさのステータ巻線（１２）が固定され、ステータ巻線（１２）とロータ巻線（１１）との間には一定のエアギャップＳが存在することを特徴とする請求項１記載の風力タービン。
4. 前記インペラヘッドから遠い側の風力タービンロータ本体（４）の他端には端板（１５）が設けられ、該端板（１５）の中心には、同じ軸線を有する風力タービンロータ本体（４）の軸線の方向を向いた円筒状の支持部品（１４）が設けられ、該支持部品（１４）の外面には支持ベアリング（１３）の内輪が組込まれ、インペラヘッドから遠い側のステータ本体（５）の他端には端板（１７）が設けられ、該端板（１７）の中心には支持フランジを備えた開口が設けられ、該開口の直径は前記支持ベアリング（１３）の外径に一致する
   ことを特徴とする請求項１記載の風力タービン。
5. 前記一体開口を備えた前記端板（１７）は、前記支持ベアリング（１３）の外輪により支持され、前記外輪の外面と前記端板（１７）の前記一体開口との間には応力が生じている
   ことを特徴とする請求項４記載の風力タービン。
6. 前記ベアリング（６）が、２列円錐ころ軸受又は３列ころ軸受である
   ことを特徴とする請求項２に記載の風力タービン。

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