JP5612229B2

JP5612229B2 - 風力タービンのためのブレードピッチ角調整装置

Info

Publication number: JP5612229B2
Application number: JP2013553856A
Authority: JP
Inventors: ベルント・ツィッケルト
Original assignee: アレバ・ヴィント・ゲーエムベーハー
Priority date: 2011-02-16
Filing date: 2012-01-20
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2032-01-20
Also published as: TW201237263A; US9644607B2; KR20140008387A; PL2489873T3; PT2489873E; ES2430817T3; DK2489873T3; WO2012110278A1; EP2489873B1; JP2014508879A; CN103415699A; BR112013020791A2; KR101778105B1; TWI557317B; CA2826803A1; CN103415699B; EP2489873A1; US20130330191A1

Description

本発明は、風力タービンのブレードのピッチ角を調整するためのブレードピッチ角調整装置であって、最大モータトルクＴｍを出力可能とされる電動ピッチモータと、最大ブレーキ集合体トルクＴｂを発生可能とされるピッチブレーキ集合体と、を備えている当該ブレードピッチ角調整装置に関する。

ブレードピッチ角調整装置を具備するピッチ角制御システムは、既知の従来技術である。

従来技術に基づくピッチ角制御システムでは、ロータブレードそれぞれが、上述のブレードピッチ角調整装置すなわち電気機械式アクチュエータによってピッチ角を制御されていた。このようなアクチュエータそれぞれが、電動ピッチモータと減速機と電磁式ピッチブレーキとを備えている。

ピッチブレーキは、初期において制動状態にある。ピッチ角を調整するために、ピッチブレーキが解放され、電動ピッチモータが、ブレードが当該ブレードの長手軸線を中心として回転するように、当該ブレードを駆動する。所望のピッチ角に到達した場合には、ピッチブレーキが初期の制動状態に復帰し、回転しているブレードを停止させる。

このようなブレードピッチ角調整装置は、ピッチブレーキが故障した場合にブレードのピッチ角を調整することができなくなるという欠点を有している。このような故障が発生した場合には、ピッチブレーキを解放することができないので、その結果として、電動ピッチモータは閉じているブレーキに対して動作する。これによって、電動ピッチモータの電気回路に過負荷が作用し、電動ピッチモータが損傷する。いずれの場合であっても、電動ピッチモータはブレードを回転させることができない。従って、風力タービンは、ピッチ角調整機能を失うので、変化する風の状態に適応することができなくなり、空気力学的な不均衡によって発生する極めて大きな負荷を受ける恐れがある。

このような問題に対する解決策は、ピッチブレーキが故障した場合にピッチブレーキの制動力より大きな力を発生させることができる、高出力の電動ピッチモータを具備するブレードピッチ角調整装置を提供することである。しかしながら、このような解決策は、電動ピッチモータの大きさ、コスト、及び重量を大きくするので、満足いくものではない。

ロシア国特許第２３５４８４５号明細書

従って、本発明の目的は、ピッチブレーキが故障した場合であってもブレードピッチ角を調整することができる、小型且つ軽量で低コストのブレードピッチ角調整装置を提供することである。

この目的は、風力タービンのブレードのピッチ角を調整するためのブレードピッチ角調整装置であって、最大モータトルクＴｍを出力可能とされる電動ピッチモータと、最大ブレーキ集合体トルクＴｂを発生可能とされるピッチブレーキ集合体と、を備えているブレードピッチ角調整装置において、ピッチブレーキ集合体が、それぞれが最大ブレーキトルクＴｓｂを発生可能とされる複数のピッチブレーキを備えており、最大ブレーキ集合体トルクＴｂが、すべての最大ブレーキトルクＴｓｂを合算した和に等しく、最大モータトルクＴｍが、ピッチブレーキのうち任意のピッチブレーキの最大ブレーキトルクＴｓｂより大きいことを特徴とするブレードピッチ角調整装置によって達成される。

幾つかのピッチブレーキを具備するピッチブレーキ集合体を備えていることによって、制動力の合計とピッチブレーキが故障する危険性とが、一のピッチブレーキではなく、当該幾つかのピッチブレーキに分散する。幾つかのピッチブレーキのうち一のピッチブレーキが故障した場合には、電動ピッチモータ単独で、ピッチ角を調整するための当該一のピッチブレーキの部分的な制動力より大きな力を発生させる必要がある。さらに、電動ピッチモータは、高出力の電動ピッチモータを利用する従来の解決策より小型な状態を維持することができる。

特許文献１は、電動ピッチモータを具備するのではなく、ピッチ角を調整するための風力タービンの運動エネルギを利用するブレードピッチ角調整装置を開示している。

本発明の好ましい実施例では、ブレードピッチ角調整装置は、単独で又は技術的に可能な組み合わせとして、以下の特徴のうち１つ以上の特徴を有している：
−最大モータトルクＴｍより大きい最大ブレーキ集合体トルクＴｂ；
−複数のピッチブレーキを同時に制動するように制御するための手段；
−それぞれが電源を具備する内蔵式ブレーキユニットとされるピッチブレーキ；
−２つのピッチブレーキから成るピッチブレーキ集合体；
−ピッチブレーキ集合体の最大ブレーキ集合体トルクＴｂの半分とされるピッチブレーキそれぞれの最大ブレーキトルクＴｓｂ；
−電動ピッチモータによって駆動されるために、且つ、ピッチブレーキ集合体によって制動されるために、電動ピッチモータ及びピッチブレーキ集合体に接続されている駆動シャフト；及び
−電動ピッチモータに接続されている減速ギヤ。

また、本発明は、ロータを備えている風力タービンであって、ロータが、ハブと、少なくとも１つのブレードのピッチ角を調整するためにピッチ軸線を中心として回転するように、ハブに取り付けられている少なくとも１つのブレードと、上述のブレードのピッチ角を調整するためのブレードピッチ角調整装置とを備えている風力タービンに関する。

本発明におけるブレードピッチ角調整装置の側面を概略的に表わす添付図面を参照しつつ、本発明の非限定的な実施例に関する以下の説明を読めば、本発明を良好に理解することができる。

本発明におけるブレードピッチ角調整装置の概略的な側面図である。

図１は、ブレードピッチ角調整装置１を表わす。ブレードピッチ角調整装置１は、風力タービンのロータハブ（図示しない）内に配置されている。ブレードピッチ角調整装置１の一方の端部２は、リングギヤ３と咬合している。リングギヤ３は、ロータブレード（図示しない）の下側端部に固定されている。リングギヤ３とロータブレードとは、ロータブレードの長手方向軸線に略一致するピッチ軸線を中心としてロータハブに対して相対的に回転可能とされる。

ブレードピッチ角調整装置１は、図１の左側から右側に順番に、ピニオン４と、減速ギヤ５と、駆動シャフト６と、電動ピッチモータＭと、ピッチブレーキ集合体７とを備えている。

電動ピッチモータＭは、最大モータトルクＴｍを出力可能とされる。

駆動シャフト６は、電動ピッチモータＭによって駆動されるように電動ピッチモータＭに接続されており、駆動側端部９と制動側端部１０とを有している。駆動側端部９は減速ギヤ５に接続されており、減速ギヤ５はピニオン４に接続されている。ピニオン４はリングギヤ３と咬合している。

図示の実施例では、ピッチブレーキ集合体７は、２つの独立したピッチブレーキ１１，１２を備えている。必要に応じて、ピッチブレーキ集合体７は、３つ以上のピッチブレーキを備えている場合もある。図示の実施例では、ピッチブレーキ１１，１２は、駆動シャフト６の制動側端部１０を囲んでおり、互いに隣接して配置されている。しかしながら、ピッチブレーキ１１，１２は、電動ピッチモータＭと減速ギヤ５との間にも配置されている。他の実施可能な構成では、ピッチブレーキのうち一方のピッチブレーキが電動ピッチモータＭと減速ギヤ５との間に配置されており、他方のピッチブレーキが制動側端部１０に配置されている場合もある。電動ピッチモータＭと減速ギヤ５との間にピッチブレーキを配置することの利点は、電動ピッチモータＭを交換する際にロータブレードを所定の姿勢にロックした状態に維持することができることである。

ピッチブレーキ１１，１２は自動ロック式であるので、ピッチブレーキ１１，１２は初期において制動状態にある。

ピッチブレーキ１１，１２それぞれは、電源を具備する内蔵式ブレーキユニットである。従って、ピッチブレーキ１１，１２それぞれが、互いから独立して機能するようになっている。特に、ピッチブレーキ１１は、ピッチブレーキ１２が故障した場合であっても動作可能とされる。その逆も然りである。好ましくは、ピッチブレーキ１１，１２は電磁式ブレーキである。図示しない他の実施例では、ピッチブレーキは液圧式ブレーキである。

また、ブレーキピッチ角調整装置１は、ピッチブレーキ１１，１２が単一のピッチブレーキとして動作するようにピッチブレーキ１１，１２を制御するための手段（図示しない）を備えている。

ピッチブレーキ１１，１２それぞれは、最大ブレーキトルクＴｓｂ（それぞれＴｓｂ１，Ｔｓｂ２）を発生可能とされる。従って、ピッチブレーキ集合体７は、最大ブレーキ集合体トルクＴｂすなわち（Ｔｓｂ１＋Ｔｓｂ２）を発生可能とされる。当該実施例では、Ｔｓｂ１がＴｓｂ２に等しいので、Ｔｂ＝２×Ｔｓｂ１＝２×Ｔｓｂ２が成立する。

代替的な実施例では、Ｔｓｂ１がＴｓｂ２の２倍とされるので、Ｔｓｂ２＝Ｔｂ／３且つＴｓｂ１＝２×Ｔｂ／３が成立する。

電動ピッチモータＭ及びピッチブレーキ１１，１２は、Ｔｂ＞Ｔｍ＞Ｔｓｂとなるように選定される。

［正常なピッチ動作］
ブレードピッチ角調整装置１は、関連するロータブレードのピッチ角を調整するために、以下のように動作する。

最初に、ピッチブレーキ制御手段は、ピッチブレーキ集合体７を解放するために、ピッチブレーキ１１，１２の両方に電力を同時に供給する。その後に、電動ピッチモータＭが通電され、駆動シャフト６を駆動させる。さらに、ピニオン４が減速ギヤ５を介して回転されることによって、リングギヤ３とリングギヤ３に取り付けられたロータブレードとが回転される。所望のピッチ角に到達すると、電動ピッチモータＭが停止し、ピッチブレーキ制御手段は、駆動シャフト６及びロータブレードを制動するために、ピッチブレーキ１１，１２の両方の動作を停止させる。

正常なピッチ動作においては、ピッチブレーキ制御手段は、ピッチブレーキ１１，１２が単一のピッチブレーキとして動作するように、ピッチブレーキ１１，１２を制御する。ピッチブレーキ制御手段は、ピッチブレーキ１１，１２を同期制御する。

［ピッチブレーキが故障した場合におけるピッチ動作］
ピッチブレーキ１１，１２のうち一方のピッチブレーキが故障に起因して解放することができない場合であっても、電動ピッチモータＭの最大モータトルクＴｍが最大ブレーキトルクＴｓｂより大きいので、電動ピッチモータＭは、故障したピッチブレーキのブレーキ力より大きな力を発生させ、風力タービンの損傷を回避するために、風の抵抗が少ない安全な姿勢にタービンブレードをピッチ動作させることができる。故障していないピッチブレーキは解放可能であるので、ロータブレードをピッチ動作させることができる。一方、故障していないピッチブレーキ１１，１２の動作を停止させた場合であっても、確実にロータブレードを所望の姿勢に維持することができる。

ピッチブレーキ１１，１２の両方が同時に故障する可能性は無視することができるので、故障した一方のピッチブレーキの部分的なブレーキ力より大きな力を発生させるために十分な動力は、電動ピッチモータＭのみに必要とされる。従って、風力タービンの安全性を損なうことなく、電動ピッチモータＭを小型化することができる。

１ブレードピッチ角調整装置
２（ブレードピッチ角調整装置の）一方の端部
３リングギヤ
４ピニオン
５減速ギヤ
６駆動シャフト
７ピッチブレーキ集合体
９（駆動シャフト６の）駆動側端部
１０（駆動シャフト６の）制動側端部
１１ピッチブレーキ
１２ピッチブレーキ
Ｍ電動ピッチモータ
Ｔｍ最大モータトルク
Ｔｂ最大ブレーキ集合体トルク
Ｔｓｂ最大ブレーキトルク
Ｔｓｂ１（ピッチブレーキ１１の）最大ブレーキトルク
Ｔｓｂ２（ピッチブレーキ１２の）最大ブレーキトルク

Claims

風力タービンのブレードのピッチ角を調整するためのブレードピッチ角調整装置（１）であって、
最大モータトルク（Ｔｍ）を出力可能とされる電動ピッチモータ（Ｍ）と、
最大ブレーキ集合体トルク（Ｔｂ）を発生可能とされるピッチブレーキ集合体（７）と、
を備えている前記ブレードピッチ角調整装置（１）において、
前記ピッチブレーキ集合体（７）が、それぞれが最大ブレーキトルク（Ｔｓｂ）を発生可能とされる複数のピッチブレーキ（１１，１２）を備えており、
前記最大ブレーキ集合体トルク（Ｔｂ）が、すべての前記最大ブレーキトルク（Ｔｓｂ）を合算した和に等しく、
前記最大モータトルク（Ｔｍ）が、前記ピッチブレーキ（１１，１２）のうち任意の一のピッチブレーキの最大ブレーキトルク（Ｔｓｂ）より大きいことを特徴とするブレードピッチ角調整装置（１）。
前記最大ブレーキ集合体トルク（Ｔｂ）が、前記最大モータトルク（Ｔｍ）より大きいことを特徴とする請求項１に記載のブレードピッチ角調整装置（１）。
前記ブレードピッチ角調整装置（１）が、前記ピッチブレーキ（１１，１２）を同時に制動するように前記ピッチブレーキ（１１，１２）を制御するための手段を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のブレードピッチ角調整装置（１）。
前記ピッチブレーキ（１１，１２）それぞれが、電源を具備する内蔵式ブレーキユニットとされることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のブレードピッチ角調整装置（１）。
前記ピッチブレーキ集合体（７）が、２つの前記ピッチブレーキ（１１，１２）から成ることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のブレードピッチ角調整装置（１）。
前記ピッチブレーキ（１１，１２）それぞれの前記最大ブレーキトルク（Ｔｓｂ）が、前記ピッチブレーキ集合体（７）の最大ブレーキ集合体トルク（Ｔｂ）の半分とされることを特徴とする請求項５に記載のブレードピッチ角調整装置（１）。
前記ブレードピッチ角調整装置（１）が、前記電動ピッチモータ（Ｍ）によって駆動されるために、且つ、前記ピッチブレーキ集合体（７）によって制動されるために、前記電動ピッチモータ（Ｍ）及び前記ピッチブレーキ集合体（７）に接続されている駆動シャフト（６）を備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のブレードピッチ角調整装置（１）。
前記ブレードピッチ角調整装置（１）が、前記電動ピッチモータ（Ｍ）に接続されている減速ギヤ（５）を備えていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のブレードピッチ角調整装置（１）。
ロータを備えている風力タービンであって、
前記ロータが、
ハブと、
少なくとも１つのブレードのピッチ角を調整するためにピッチ軸線を中心として回転するように、前記ハブに取り付けられている少なくとも１つの前記ブレードと、
前記ブレードの前記ピッチ角を調整するための、請求項１〜８のいずれか一項に記載のブレードピッチ角調整装置（１）と、
を備えていることを特徴とする風力タービン。