JP5680623B2 - 風力タービン用マスト組立体 - Google Patents

Description

本願は、2009年５月１５日に行った米国仮出願（No.61/178,682）の優先権を主張し、また、該米国仮出願の内容を本明細書に引用する。

本発明は、マスト組立体及びかかるマスト組立体を立ち上げる方法に関するものである。

マスト組立体は、装置を効果的に機能させるために、立ち上げられる必要がある場合に用いられる。かかる装置は例えば、ライトの構造物、信号、通信アンテナまたは風力タービンである。マストにより得られる高さは変化し、高価値の装置、または有意な高さに合わせて、カスタマイズされた組立工程が調整される。しかしながら、比較的適当な高さが要求されて、マスト及び装置のカスタマイズされた組立体を経済的に調整できない場合がある。

その上、ある状況では、マストに支持される装置を保守したり修理したりする必要が生じて、マストを降下させる必要がある。

マストを立ち上げる単純ではあるが頑健な方法の典型例は、比較的小さな風力発電機を設置することである。これらの発電機を、個々の住居の要求を満たすような電力を供給できる場所に設置することができ、それゆえに、それらを組み立ち上げる際に、カスタマイズの費用は発生しない。しかし、マストの高さは、典型的には１６〜３０メートルとすることができ、マストの上端部に取り付けられたタービンの質量により、マストを起こすことは困難となる。また、悪天候の場合に、マストに取り付けられたタービンまたは他の装置への損傷を避けるために、マストを降下可能とすることが望ましい。

マストの組み立てを容易にする提案の一つは、ベースに対してマストを回転させ、ベースとマストとの間に油圧シリンダを設けて、マストを水平位置から鉛直位置に移動させることである。マストはそれから、ベースにボルト締めされて、安定した位置で支持されることができる。しかしながらこの方法では、マスト及びタービンの組立体に大きなモーメントアームが存在し、油圧ピストンが作用する距離のために、多段式の伸縮可能な油圧アクチュエータの組を用いる必要がある。これらのアクチュエータは比較的高価であって、取り付け時のコストを大幅に増加させる。

従って、本発明の目的は、上述した不都合を除去または緩和する、マストを立ち上げる方法及び装置を提供することである。

一般論として、本発明は、ベースと、前記ベースに枢着されて水平位置と直立位置との間を移動するマストとを具えるマスト組立体を提供するものである。ベースとマストとの間は、マストを回転軸周りに移動させるように伸縮可能としたリニアアクチュエータで連結する。リニアアクチュエータはベースとマストとを連結し、アクチュエータは伸縮性で、マストを回転軸周りに移動させる。ストラットは、マストとベースとを選択的に係合することができ、マストが水平位置へ回転移動することを防止する。リニアアクチュエータを、ベース上またはマスト上の、当接部のひとつに選択的に位置決めすることで、ストラットがマストを支持するように位置決めされている間、アクチュエータは複数の当接部の間を移動することができる。このようにして、水平位置から鉛直位置までの運動を達成するのに必要なストロークをより少なくした、一段式の油圧シリンダを使用することができる。ストラットを用いることで、組み立て中にシリンダを位置替えすることができ、多段式のシリンダを用いることなく、必要な範囲の運動を達成することができる。

好ましくは、複数の当接部はベース上のカム軌道内に形成される。ストラットは同様に、一対のノッチを有するカム軌道に沿って移動し、シリンダの最初の拡張後に、ストラットがマストと第１のノッチとを係合し、モータを収縮させる。さらに拡張する際には、ストラットを第２のノッチに移動し、アクチュエータを位置替えして、さらに回転移動させる。

風力タービンの側面図である。 図１に示されるタービンの部分拡大図である。 図２のIII−III正面断面図である。 図１に示すマストが中間位置に存在している際の、図２と同種の図である。

例示のみを目的として、添付する図を参照して、本発明の一実施形態を以下に述べる。

図１に示すように、一般に１０で図示される風力タービンは、ベース１２、マスト１４及び発電機組立体１６を具える。発電機組立体１６は、マスト１４の上端のフランジ１８上に、自己完結型の組立体として設置され、水平軸周りに回転して従来の方法で発電するブレード２０を有する。

マスト１４は、多数の節、すなわち下節２２、中間節２４、上節２６で構成され、それらの節はフランジ２８、３０でそれぞれ互いにボルト留めされて、一体的な構造を形成する。あるいは、ボルトまたはフランジが存在しない、滑り嵌合等の異なる種類の構造によって、タワーを形成することができる。この代替的な設計では、ボルトが無く、節同士の圧縮によって節が固定される。典型例では、全長２〜８メートルのブレード２０を有する発電機１６を支持するマストの全長は１６〜３０メートルである。マスト全体の高さを含む寸法は、応用例及びマストに付加される荷重に合わせて変化することは、言うまでもない。

マスト１４の下節２２には、ベース１２の上面に設けられたフランジ３４に当接するフランジ３２が設けられている。フランジ３２、３４は、フランジ３２、３４からそれぞれ延在するイアー（ear）３８、４０との間に形成されるヒンジ３６で連結されている。ピン４２はイアー３８と４０との間を貫通して、マスト１４と、マスト１４の片側にオフセットするベース１２との間に、回転軸を画定する。マスト１４はそれゆえに、図２の破線で示される略水平位置から、図２の実線で示される直立状態の略鉛直位置まで回転することができる。

リニアアクチュエータ４４は、好ましくは複動式の油圧モータであり、基部１２とマスト１４との間に延在し、ピン４２まわりの回転運動を生じさせる。アクチュエータ４４は、マスト１４の下節２２に溶接された一対のプレート５０、５２の間で画定されるＵ字型金具４８に固定された、ピストンロッド４６を有する。ボルト５４はプレート５０、５２及びロッド４６上のボス５５を貫通して、ロッド４６をマストに、回転可能に連結する。ロッド４６は、ベース１２の一部を形成する一対の壁５８、６０の間に配置されるシリンダ５６内を摺動する。

壁５８、６０は、壁５８、６０内にそれぞれ形成され、６２で図示されるカム軌道を有し、カム軌道はシリンダ５６とベース１２との間の相対運動を制御する。ボルト６４の形をとるコネクタがシリンダに連結されており、コネクタは、両側のカム軌道６２まで延在する。カム軌道６２は下方の閉端６５と、カム軌道６２の下側の縁内にそれぞれ形成される一対のノッチ６６、６８とを有する。端部６５及びノッチ６６、６８は、ベース上のマストの異なる回転位置で、ボルト６４を受け止める開口部を形成する。ノッチ６６は、カム軌道６２の中間地点に配置され、またノッチ６６は、ボルト６４を受け止めて、安定した位置に保持することができる大きさである。ノッチ６８は、カム軌道６２の上端に配置されて、ノッチ６８は同様に、ボルト６４を安定した位置で受け止めることができる大きさである。端部６５及びノッチ６６、６８は、アクチュエータ４４からベース１２へ負荷を移す３つの当接部となる。

ストラット７０は、Ｕ字型金具４８の真上に配置されるＵ字型金具７２によってマスト１４に連結される。ストラット７０はピン７４でＵ字型金具７２に連結されて、ストラット７０の下端は、ストラット７０の両端に突き出る一対の円柱状のノブ７６を具える。ストラット７０は筒状に形成されており、水平位置でも傾斜位置でも、マスト１４に付加される荷重を支持するのに十分な座屈強度を具える。

壁５８、６０の外側垂直縁部に、ノブ７６を受け止めて安定した位置で保持するノッチ７８、８０が形成される。壁５８、６０は、補強ストリップ８２で補強されて、ストラットにより荷重が付加される際に、壁の座屈を防止する。

図２に示すように、マスト１４を立ち上げるために、マスト１４は、最初にピン４２によりベース１２と連結され、水平方向に延在する。その位置で、発電機組立体１６をマストに設置することができ、マスト１４を立ち上げるのに先立って、必要な試運転及び修理点検が行われる。

マストを立ち上げる準備ができた際に、アクチュエータ４４は、ボルト５４によってＵ字型金具４６と連結され、また、シリンダ５６の下端は、ボルト６４によってカム軌道６２と連結する。最初に、アクチュエータ４４は完全に収縮し、ボルト６４は軌道６２の閉端６５に当接する。ストラット７０はピン７４によってＵ字型金具７２と連結し、ベース１２に立てかけられる。アクチュエータ４４は液体圧力容器に連結されて、シリンダ５６に作動液を供給し、シリンダからロッド４６を伸ばす。好ましくは、液体圧力容器はベース１２に配置されて、貯蔵部及び電動のポンプを具えて加圧流体を供給する。シリンダ５６及びロッド４６は、マストにより付加される荷重に打ち勝つのに十分な大きさを持つ。

図４に示されるように、アクチュエータ４４が拡張する際に、マスト１４はピン４２の周りを回転し、水平位置から直立位置へと移動する。この運動の間、ボルト５４はカム軌道６２の端部６５に当接し、ストラット７０の下端はプレート５０、５２の外縁部に沿って、ノッチ６６まで移動する。

アクチュエータ４４のストロークが限界に達したときに、ノブ７６はノッチ７８に落ち込む。それから、アクチュエータ４４への油圧供給は逆流し、ロッドをシリンダ内に収縮させる。ストラット７０はマストを傾斜位置で支持し、ロッド４６の収縮によって、ボルト５４はカム軌道６２に沿ってノッチ６６まで移動する。アクチュエータ４４が最小長さに達する際に、ボルト６４はノッチ６６に落ち込み、ベース１２とマスト１４とを、さらに強固に連結する。その後、アクチュエータ４４は再び拡張し、マスト１４のベース１２に対する回転運動を継続し、ストラット７０を外表面に沿ってノッチ８０へ引き寄せる。アクチュエータ４４の拡張は、ノブ７６がノッチ８０と位置合わせされるまで続き、ノブ７６がノッチ８０と位置合わせされる際に、アクチュエータ４４が再び収縮して、ボルト６４をノッチ６８内に移動させる。ノッチ８０からストラット７０を移動し、アクチュエータ４４の拡張を継続させることで、マストの回転運動が完了する。このように、アクチュエータ４４はカム軌道６２に沿って進み、つり上げ力を継続的に提供する。アクチュエータ４４が別の場所に移る間、ストラット７０は、マストが安定した位置に居続けるように操作可能である。

直立位置に達した時点で、フランジ３２、３４は互いにボルト留めされて強固に連結され、アクチュエータ４４を取り除くことができ、また、アクチュエータ４４をタワーに取り付けたまま、特定の場所に格納することもできる。

むろん、修理点検または部品交換のために、マストを降下させることが必要となった場合には、逆の動作を行い、ストラット及びアクチュエータを交互に使用して、降下を制御することができることは明らかである。

カム軌道６２をマスト上に配置して、ベースに枢着させて固定可能なことも明らかであり、また、カム軌道に沿うノッチの数を個々の応用例に合わせて増減できることも明らかである。要望によっては、アクチュエータ４４を、循環型ボール、ねじジャッキ等の機械アクチュエータとすることもできる。

アクチュエータとベースとの間の当接部を、カム軌道６２に連結されるノッチではなく、個々の孔とすることができる。変形例として、壁５８、６０の安定性を強化するために、ボルト６４を、孔に挿入されて取り外し可能なピンとアクチュエータ上のベアリングとで構成して、アクチュエータ及びベースを連結する。ストラットがマストを支持している時には、ピンは引き抜かれ、アクチュエータは隣接した孔に位置合わせされる。同様に、要望によっては、ストラットとベースとの間の連結を、個々の孔と取り外し可能なピンとで構成することができる。

本発明のある特定の実施形態について記載しているが、本明細書に添付される特許請求の範囲が示す、本発明の精神及び範囲を離れることなく、当業者にとって自明な、様々な変更態様が存在することは明らかである。マスト組立体は、風力タービンを支持する文脈で記載されているが、ライト、アンテナ及び信号等の他の装置も、本発明のマストに支持されることは明らかである。本明細書で引用される文献の全内容は、本明細書に引用されるものとする。

Claims (15)

1. ベースと、
   前記ベースに枢着されて、水平位置と直立位置との間を移動するマストと、
   前記ベースと前記マストとの間に連結されて、前記マストを回転軸周りに移動するように操作可能なアクチュエータと、
   前記マストと前記ベースとを選択的に係合させることが可能で、前記水平位置への回転移動を妨げるストラットと、
   前記ベース上または前記マスト上の複数の当接部であって、前記アクチュエータと、前記当接部のひとつとの間を選択的に連結することが可能で、それによって前記アクチュエータが前記複数の当接部の間を移動する間、前記ストラットが前記マストを支持するような、複数の当接部と
   を具える、マスト組立体。
2. 前記アクチュエータがリニアアクチュエータである、請求項１に記載のマスト組立体。
3. 前記当接部が前記ベース上に配置される、請求項２に記載のマスト組立体。
4. 前記アクチュエータが前記マストに枢着される、請求項３に記載のマスト組立体。
5. 前記ベースが、側面方向に間隔をおいて配置される一対の壁を具え、
   前記アクチュエータが壁と壁との間に配置され、
   それぞれの壁に前記当接部が形成されている、請求項３に記載のマスト組立体。
6. コネクタが前記アクチュエータと前記当接部との間に延在して、前記アクチュエータを前記壁に連結する、請求項５に記載のマスト組立体。
7. 前記当接部が前記壁内に開口部を具え、
   前記コネクタが前記開口部に係合される、請求項６に記載のマスト組立体。
8. 前記開口部が、カム軌道によって連結されて、前記当接部同士の間で前記コネクタを導く、請求項７に記載のマスト組立体。
9. 前記開口部が、前記カム軌道に沿う離間した位置に、ノッチとして形成される、請求項８に記載のマスト組立体。
10. 前記ストラットが前記ベースに選択的に係合される、請求項１に記載のマスト組立体。
11. 前記ストラットが前記マストに枢着される、請求項１０に記載のマスト組立体。
12. 前記マストが、前記水平位置と前記直立位置との間に存在する時に、前記ストラットが、前記ベースの開口部に係合され、それによって前記アクチュエータを別の当接部に移すことを可能とする、請求項１１に記載のマスト組立体。
13. 前記ベース内のノッチが前記開口部を具え、
    前記ストラットと前記ベースとの間に延在するコネクタを受け止める、請求項１２に記載のマスト組立体。
14. 前記アクチュエータ用に、少なくとも３つの当接部が前記ベース上に設けられ、
    前記ストラットを選択的に係合するために、少なくとも２つの開口部が設けられている、請求項１２に記載のマスト組立体。
15. ベースと、水平位置及び垂直位置との間を移動するために、前記ベースに枢着されるマストと、前記ベースと前記マストとの間に連結され、マストを回転軸周りに移動させるように操作可能なアクチュエータと、前記マストと前記ベースとを選択的に係合可能で、前記水平位置への回転移動を妨げるストラットと、前記ベース上または前記マスト上の当接部であって、前記アクチュエータと、前記当接部のひとつとを選択的に連結することが可能な、複数の当接部とを具えるマスト組立体を位置決めする方法であって、
    該方法は、前記アクチュエータを前記当接部のひとつと連結するステップと、
    前記アクチュエータを、前記マストが前記ベースに対し回転させるように動作させ、前記ストラットをある位置へ移動させ、それによって前記ストラットに前記マストを支持させるステップと、
    前記アクチュエータを前記当接部のひとつから隣接する当接部に移動するステップと、
    前記マストを前記ベースに対して回転させるように前記アクチュエータを動作させ続けるステップとを具える、マスト組立体を位置決めする方法。
    

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