JP6657488B2

JP6657488B2 - ブレードのエルボー曲がり部を有する風車

Info

Publication number: JP6657488B2
Application number: JP2019534708A
Authority: JP
Inventors: シャイケノフ，ブロック; ブロコビッチシャイケノフ，イェルサン
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-02-14
Filing date: 2018-01-23
Publication date: 2020-03-04
Anticipated expiration: 2038-01-23
Also published as: KR102033366B1; ES2746862T3; EP3411592A1; JP2020502428A; US20190390647A1; WO2018151586A1; CN110168218A; CN110168218B; KR20190104533A; EP3411592B1; US10865768B2

Description

本発明は、風力利用に関するものであり、具体的には、３ブレードロータを使用する、小、中および大容量の風力プラントにて水平軸タービンを用いて発電するための風力エネルギーの利用に関する。風の流れの運動エネルギーを変換するための風力プラントにおける主要な要素は、風車の設計上の特徴である。

先行技術として公知の、水平回転軸を有する風力プラント用の風車（２００８年５月２１日のＥＰ１９２３５６７Ａ２、Ｆ０３Ｄ１／０６）では、ブレードハンドルが垂直面から８〜１０°風上側へと傾斜して取り付けられている。このことは、強風時にありうるタワーとの接触によってブレード先端部が破壊されるのを防ぐ。突風時に、前記風車のブレードは、垂直の位置・姿勢を取りうるに過ぎず、ブレードの先端部はエンジンタワーに到達しない。

先行技術として公知の、２０１４年８月１５日の発明ＫＺ２８８７１Ｆ０３Ｄでは、ブレードが２つの部分、すなわち、短い根元部分と、長い翼状部分とからなる。短い根元部分は、強化ガラス繊維の被覆材で覆われた強いスチールで作られており、プラントのハブへの取り付け部から１．５〜３．５メートルにて、ロータの回転方向とは逆の側へと３０〜４５°のエルボー曲がり部を有している。ハブへの取り付け点からエルボー曲がり部までの、短い根元部分のセグメントは、軸側セグメントと呼んでおり、エルボー曲がり部より後のセグメントは、スリーブセグメントと呼ぶ。

この発明の不利な点は、短い部分が鋳造リチウムで作られていることであり、このことは、軸側の端部についての、ハブとの接続、および、ブレードの翼状部のハンドルに接続するためのスリーブセグメントの内部構造との接続にあたり、金属を加工する技術的問題を複雑にする。ガラス繊維被覆材と、スチール製の軸側の短い部分とは、様々な温度条件下（高温および低温）で異なる程度の膨張および圧縮を有しており、これらの間の親和性が、ある程度の技術的困難を生み出す。

先行技術として公知の、２０１４年１１月１７日の発明ＫＺ２９２０６Ｆ０３Ｄでは、ブレードが２つの部分、すなわち、短い根元部分と、長い翼状部分とからなる。短い根元部分は、風力プラントのハブに接続された軸側セグメントと、ブレードの翼状部分のハンドルが接続されたスリーブセグメントとからなる。２つの部分は、別々に強いスチールで作られる。軸側セグメントとスリーブセグメントとは、エルボー曲がり部を形成するように３０〜４５°の角度で接続されている。角をなす折り曲げは、風車の回転とは逆の後方を向いている。軸側セグメントとスリーブセグメントとの間に、スチールケーブルが、エルボー曲がり部の破損を防ぐために張られている。

上記発明の不利な点は、ブレードの短い根元部分にてエルボー曲がり部を形成する、軸側セグメントと、スリーブセグメントとの間の角度をなす接続についての狭いパラメータ（３０〜４５°）であり、これは、他のパラメータにて回転効果を高めるために、長い翼状ブレードの、テコの作用を使用しうることを制限する。スリーブセグメントの環状支持部、及び、翼状ブレードの環状突起が、単一であり、スリーブセグメントの駆体と、翼状ブレードの連結シャフトとを連結する複数のヒンジ機構についての信頼性及び技術的コンセプトに、一定の疑義が起こる。これらの機構の機能性について明確に述べられていない。翼状ブレードに面する、端部にあるフランジ部と、エルボー曲がり部に接するロッキングディスクとが、これらの機構の取り付け部に対する主な負荷を担うからである。

先行技術として公知の、２００５年６月１０日の発明ＦＲ２８６３３１８Ａ１では、ブレードハンドルが風の向きとは逆側に曲がっており、ブレードの長い部分は、ハンドルにおける、直線部分に沿った軸に対して角度をなす位置・姿勢をとる。このことは、タワーマストの前を前述のブレードが通過することによって生じる空気力学的な外乱を低減すると考えられていた。曲がり部の一つの部分は、軸線からの延長部をなし、部分的にハブの側へと沈み込んでいる。第一の部分と角度を成す、曲がり部の第二の部分は、図８、９、および１０（ＦＲ２８６３３１８Ａ１）に示されているように、長い翼状ブレードにおける、その先端からハブとの接続部までを通る直線の線上に位置する。ブレードハンドルは一体型なので、テコの動き、すなわちブレードの動きは、１つの支持部、つまりブレードとプラントハブとの接続部を通じて伝達される。そのため、ハンドルの歪みは、ブレードの回転を増幅するのにさらに寄与することがほとんどなく、また、それに対応して風力プラントの能力を増幅するのにさらに寄与することがほとんどない。

先行技術として公知の発明ＷＯ２００８／０６４６７８は、ブレードの軸がブレードの長手方向軸に対して、ある角度をなして配置されるように、円形ピッチ軸受に取り付けるための取り付け装置を有する風力プラントのブレードからなる。このことは、主軸との楕円状接続を可能にするのであり、ブレードの外側部分と支持体との間の距離が大きくなる。一方、ブレードの前方エッジは風に向かって上向きに上昇する。

この明細書によれば、このことは、ブレードが２つの部分、すなわち、メインシャフトの水平軸に垂直に、プラントのハブに固定された短いベースと、ピッチ面（Yuryev-Sikorsky装置）に取り付けられた長いブレードとからなり、これは、その長手方向軸に沿って回転可能であるという事実によって達成される。この二部分式の装置の主な目的は、「ピッチングによりブレードがそれらの長手方向軸まわりに回転可能であって、従来のピッチ調整式タービンよりも複雑で高度な方式にて」、風力発電プラントのタワーから、回転するブレードを安定して分離することにある。

同様の先行技術ＷＯ２００８／０６４６７８Ａ２では、ピッチベアリングの回転が、２つの角度（図７ａおよび７ｂ）、すなわち、ブレード軸回転角度４０４（ＷＯ２００８／０６４６７８Ａ２の図４）、及び、タワーからのブレードの分離の角度の両方を変化させる（図には示されていない）。このことはピッチベアリングの設計に起因するのであり、したがって、空間内にてブレードが向く方向に起因する。明らかに、角度４０４＝０において、マストとブレードとの間の角度もまたゼロになるであろう。曲げおよび傾斜が、メインシャフトの主軸を横切る位置・姿勢をとる場合、長いブレードがプラントタワーと平行な位置・姿勢を取り、羽根とタワーとの間の接触の危険性が、強い風の流れの中で生じうる（ＷＯ２００８／０６４６７８Ａ２の図１１）。

前記発明の不利な点は、短い部分と長いブレードとの接合部の信頼性が低いこと、および、長いブレードの軸の傾斜を維持し、同時に長いブレードをその軸の周りに回転させながらブレードの位置・姿勢を制御する機構の複雑さである。この装置は、ヘリコプターのブレードを固定するための機構を改変して適合させたものであり、小さい長さ寸法を有する短い部品でしか作動できない。長さ寸法が、かなり小さい場合、風圧、及び、ブレードの重量（中容量および大容量プラントでは２〜７トンに達する可能性がある）の影響により、すべての機構が急激な接続破損を起こしうる。そのため、この発明の産業上の利用可能性が制限される。

先行技術として２０１４年１１月２０日の発明ＷＯ２０１４／１８５７５８Ａ１（ＥＰ２９３７５５７Ｂ１Ｆ０３Ｄ１／０６、２０１７年１１月１５日）が公知であり、これは、２０１４年１１月１７日のＫＺ２９２０６Ｆ０３Ｄと同様のものである。

先行技術としての２０１７年７月３１日の発明ＫＺ３２２７８Ｆ０３Ｄでは、ブレードが、２つの部分、すなわち、短いエルボー部分と、長い翼状部分とからなる。この発明は、筆者らによってなされた発明の設計における特定の省略を考慮している。特には、次のことを考慮している。ブレードにおける軸側セグメントとスリーブセグメントとの角をなす接続が１０〜８０°の範囲内で増大し、エルボー曲がり部を備えるブレードの短い部分についての設計の発明の技術的効果が決定され、追加の軸側セグメント、及び、ブレードの長い翼部分の角をなす接続を用いて、力の作用モーメントが強化される。ここで、Ｆ＝Ｆ_１＋Ｆ_２である。これにより、ブレードの短いエルボー部分のスリーブセグメントを、ブレードの長い翼状部分と接続する安全で新しい方法が提供され、スリーブセグメントは３列の二重環状支持部を含む。

ＥＰ１９２３５６７Ａ２ＦＲ２８６３３１８Ａ１ＷＯ２００８０６４６７８Ａ２ＪＰ４１０４０３７ＢＵＳ４４１２７８４ＡＤＥ１９７３３７２Ｃ１ＫＺ２８８７１Ｆ０３ＤＫＺ２９２０６Ｆ０３ＤＷＯ２０１４１８５７５８Ａ１（ＥＰ２９３７５５７Ｂ１）ＫＺ３２２７８Ｆ０３Ｄ

ヤンソンＲ．Ａ．風力タービン。２００７年バウマンモスクワ州立工科大学

本発明の目的は、１６／２７を超える風捕捉係数を有する、自由に入射した風の動きの運動エネルギーを効率的に利用する風車（ロータ）の設計を創出することである（Ｙａｎｓｏｎ，２００７）。

本発明の技術的結果は、風車の特別な設計により風力エネルギーの利用を増大させること、そして風力発電プラントの材料の消費および重量を減少させることである。

このことは、入射した自由な風の流れを効率的に利用するために、新しいロータ設計のブレードがホッケースティック（図５）のような形をしているという事実によって達成される。特許請求の範囲に記載されたロータ設計では、ブレードが、２つの部分からなる。すなわち、エルボー曲がり部を有する短い根元部分（図１ａ、１ｂ、５、および６）と、長い翼状部８（図５および６）とからなる。ブレードの短いエルボー部分は、風力タービンのメインシャフト２（図５および図６）に取り付けられたハブ９（図１ａ、図５および図６）に固定されている軸側セグメント３（図１ａ、図５および図６）と、長い翼状部８が接続されているスリーブセグメント４（図４、５および６）とに分割されている。軸側セグメント３とスリーブセグメント４とは、接続部の主軸に対して、１０〜８０°の角度（エルボー曲がり部）で、ブレードの回転方向の逆側へと折れ曲がるように、接続されている（図５および６）。

軸方向セグメントとスリーブセグメントとの接合部における短いエルボー部分の曲げ角度についての、１０〜８０°の角度での決定は、翼状ブレードの平面に入射した風の流れに対する高い抵抗の発生に依存する。１０°未満の曲げ角度での接続の強度は、技術的問題を伴う。このようであると、翼状部の重力の曲げ圧力が増大し、このことが、ブレードへの向かい風のねじれ効果、及び、空気力学的風圧のトルクによって増幅されるからである。風車ブレードのエルボー曲がりの角度について、８０°を超えて大きくすると、風の流れに対する抵抗が大きくなり、さらなる空気力学的な負荷を生成する。風車設計の２重テコ機構(double lever system)による、より最適な空気力学的効果は、軸側セグメントとスリーブセグメントとの間での３０〜６０°のエルボー曲げ角度にて達成される。

工場条件下で、一体の短いエルボー部分を作ることは技術的な理由から困難である。したがって、ブレードの短いエルボー部分における軸側セグメントとスリーブセグメントとは、別々に、強いスチールで作られる。それらの設計は、種々のロータのタイプを使用するにあたり共通である。

短い根元部分における軸方向セグメントとスリーブセグメントの寸法と長さは、風力エンジンの計画容量及び使用原理によって異なる。２つの、力の作用の支点（レバーアーム）を有するテコ(lever)状のブレードの設計上の特徴から、高い効率を得るために、２つの、ロータ設計のバリエーションが提供される。

風車オプション１（「Qayq₁ jelqalaq 1」）では、エルボー部分の軸側セグメントは、１．５〜５メートル（ブレードの長さの１／１０〜１／２０）の長さを有し、その根元端は、風力発電プラント９（図１ａおよび５）のハブに取り付けられる。軸側セグメントとスリーブセグメントとの接続部の設計を強化するにあたり、テコの棒（レバーアーム）としてのブレードの長い翼状部分は、比較的短い長さで高い機械的力を与える。特定のブレード長さにて、現代の風力プラントの比容量について計算すると、我々のロータ設計の使用は、いくらかの有意な量で、エンジン容量を増幅しうる。

自然に強い風圧がある場所では、短いエルボー部分３（図６）における軸側セグメント（図６）が、ハブの外円の外側へと（曲がり部の側に向かって）０．２〜１．５メートル延びる風車オプション２（「Qayq₁ jelqalaq 2」）の設計を使用することを提案する。ハブの内側には、作業者アクセス開口３１（図６）を有する中央ドラム３０（図６）があり、軸側セグメントおよびスリーブセグメントの機構を整備する技術的作業を可能にしている。風力発電プラントのハブは、ナセルの幅と同じかそれよりいくらか大きいのでありうるが、発電プラントの空気力学的な負荷には強い影響を与えない。

本発明のロータブレード設計における基本的な相違、ならびに部品の形状および構造、及びそれらの接続部の図解(diagram)を以下の図に示す。図１には、ブレードの短いエルボー部分における軸側セグメント（図１ａ）およびスリーブセグメント（図１ｂ）の概略構造を示す。図２は、短いエルボー部分における、スリーブセグメントと、翼状ブレードの端部シャフトとの接続箇所の断面を示す。図３は、セグメント化されて嵌め込まれている３つの環状突出物を伴う、翼状ブレードのシャフトの断面を示す。図４は、短いエルボー部分における軸側セグメントとスリーブセグメントとの接続、及び、スリーブセグメントと翼状ブレードの端部シャフトとの接続について図解したものである。図５は、完全に組み立てられた風車ブレードであって、軸側セグメントとスリーブセグメントの長さが１．５〜５メートルであるもの（風車オプション1）を示す。図６は、組み立てられた風車ブレードであって、軸方向セグメントの長さが０．２〜１．５メートルと短いもの（風車オプション２）について図解したものである。図７は、従来のブレード設計の羽根における力の作用箇所を示す。図８は、エルボー曲がり部を有するブレード内における力の作用箇所を示す。図９は、キール（竜骨部）を有する翼状ブレードの端部を示す。

ブレードの短いエルボー部分における軸側セグメント（図１ａ）及びスリーブセグメント（図１ｂ）の構造的詳細は、以下からなる。(1)エンジンのメインシャフトに接続されているプラントのハブ１、(2)軸側セグメントの円筒形の駆体３、(3)スリーブセグメントの円筒形の駆体４、(4)軸側セグメントおよびスリーブセグメントの壁部１２、(5)軸側セグメントとスリーブセグメントとを接続するための先端の張出したエッジ部５、(6)曲がり部の内側にある、エッジ部と壁部とについての、追加的なスチール補強部６、(7)エッジ部の穴１０、(8)スリーブセグメントの環状支持部１３、及び、(9)翼状ブレードに接続するための、スリーブセグメントの面状端部１４を有する。

軸側セグメントは、円筒形状（図１ａ）を有し、ボルト（図示せず）によって風力プラントのハブ開口９の壁に接続されている。軸側セグメントにおける曲がり部の側の端部は、楕円形であり、軸側セグメント及びスリーブセグメントの軸線の間にて、これら軸線の交点を通る、半ば円弧状の線(half-arc line)に沿って、斜めに傾斜している。傾斜は、回転方向から見て、外側に向いている（図４、５、６）。円筒の開口の全周に沿って、短いエルボー部における２つのセグメントを互いに固定するための横向きのエッジ部５がある。曲がり部の内側部分に位置する、エッジ部の上側の部分は、追加のスチール補強部６で補強されている。エッジ部の側面と背面は、円筒形の壁からエッジ部へと移行する下向きの傾斜を有する。エッジ部の外周に沿って、必要な数の穴１０が、スリーブセグメントとのボルト接続のために穿孔されている。

スリーブセグメントは、軸側セグメントよりも幾分短くても、同じ長さでもよい。スリーブセグメントは、円筒形（図１ｂ）を有しており、実際には設計において環状のセグメントを繰り返して作る。スリーブセグメントは、３つの、二つ組の環状支持部１３（図１ｂおよび図２）を有する点で異なり、この二つ組の環状支持部１３は、翼状ブレードにおける根元シャフト１７の突出部（図２）を、その側面に据え付けられるベアリング１８（図２および図４）でもって支持する。軸側セグメントの側の、スリーブセグメントの端部も、軸側セグメント及びスリーブセグメントの軸線の間にて、これらの交点を通る半ば円弧状の線に沿って、斜めに傾斜した開口部を有する。傾斜面は、スリーブセグメントの外側の端部を向いている。楕円形の開口部は、横向きのエッジ部５（図１ｂ）によって縁取られており、その、曲がり部の側の上端部は、追加のスチール補強部６によって強化されている。エッジ部の側面と背面は、円筒形の壁からエッジ部へと移行する下向きの傾斜を有する。スリーブセグメントの斜めに傾斜した端部にあるエッジ部の外周に沿って、計画された数の穴１０があり、これらの穴は、短いエルボー部分における軸側セグメントとのボルト接続１１（図４）を可能にする。

長い翼状ブレード８（図４、５、および６）はガラス繊維でできており、そのキャビティには、ガラス繊維でできているブレード保持梁２５（図４）が入っており、このガラス繊維は複合材料を伴う。

翼状ブレードと、短いエルボー部分のスリーブセグメントとの接続は、スチール製である、ブレードの端部のシャフト１５（図４）を通じて行われる。このシャフトの駆体は、円筒状であって、外側が凹凸のない滑らかな面をなし、外側の端部が環状支持拡張エッジ部２２を有し、他方の端部が、多面の星形でもって狭くなっていて、凹凸のない滑らかな円筒端部を有する（図示せず）。シャフトの環状支持エッジ部２２は、ボルト２４によって、長い翼状ブレードの駆体における根元補強部２３に固定されている（１９８３年１１月１日の米国特許第４，４１２，７８４号、ＦＲＧ発明ＤＥ１９７３３３７２Ｃ１Ｆ０３Ｄ１／０６、１９９９年１月７日）。翼状ブレードのシャフトは、同時に、その軸まわりのブレードの回転を可能にするように支持する。

スリーブセグメントと、翼状ブレードのシャフトとの接続部の長手方向断面図が図２に示されている。この図２には、スリーブセグメントの駆体４と、スリーブセグメントの環状支持部１３と、翼状ブレードのシャフトの壁１５と、シャフト補強部１６と、嵌め込まれていて取り外し可能な環状突出部１７、及び緊締ボルト２０が示されている。ベアリングには、ローラー型（finger type）とボール型の２種類がある。ローラー型のベアリングは横向きのエッジ部に横断方向に取り付けられ、ボール型のベアリングは、取り外し可能な環状突出部の外側にて、シャフトの壁と、突出部の穴の嵌め込みとの間にある。それらの目的は、横断方向の環状突出部をスリーブセグメントの環状支持部に緊密に接触させ、スリーブセグメントの軸のまわりにブレードのシャフトを容易に回転させることである。シャフトの壁と、取り外し可能な環状突出部とは、ベアリングレース同士の間に空いている管状のチャネル（図示せず）を有することができ、シャフトのキャビティ側に潤滑油供給口を有することができる。図３は、翼状ブレードのシャフト壁１５、及び、その３つの、嵌め込まれセグメント化された突出部１７の断面図を示す。

長いブレードのシャフトは、以下のようにして、短いエルボー部分のスリーブセグメントに取り付けられている。シャフトのスリーブの外面に、３つのセグメント化された環状突出部１７及びローラー状のベアリング１８が取り付けられ、スリーブセグメントの駆体の環状支持部１３（図２）同士の間に差し込まれる。長いブレードの連結用のシャフト１５が、スリーブセグメントの開口部に取り付けられる。嵌め込まれた突出部は、穴１９を通じてボルト２０によって、ブレードのシャフトに固定されている。取り外し可能な環状突出部が取り付けられた高さ領域にて、ブレードのシャフトの躯体は、自身を破損および損傷から保護する補強壁１６を有する。翼状ブレードの側にて、スリーブセグメントの端部は、内側縁部にゴムシール（図示せず）を備えた、一体型であるか、または２つの半環部からなる環状フランジ部２１によって、密に閉じられている。ゴムシールは、スリーブセグメントの環状支持部と、翼状ブレードの連結シャフトにおける環状突出部のベアリングとの間にて、湿気および汚れの侵入を防止する。環状フランジ部２１は、スリーブセグメントの駆体の環状支持部にボルト（図示せず）によって固定されている。シャフトの面状端部は多面の星形のデバイスでもって段階的に狭められている。シャフトの小面部分は、環状カム２８（２００８年６月１８日のＪＰ４１０４０３７ＦＰ０３Ｄ７／００または他の発明）を通じて液圧回転機構２９を固定するのに役立つ。液圧回転機構２９は、翼状ブレードについて、その軸まわりに回転させて、種々の風速にて位置・姿勢を決めるのを助ける。一体型または２つの半ディスク体からなるロッキングディスク２６が、翼状ブレードのシャフトの円筒端部に取り付けられている。これらは、ボルト２７によってスリーブセグメントにおける外側の環状支持部に固定されている。

短いエルボー部分のスリーブセグメントと、長い翼状ブレードの端部のシャフトとを接続する機構はまた、他の設計上の特徴を有してもよい。例えば、スリーブセグメントの二つ組の環状支持部は、円筒形の駆体の両端部にそれぞれ配置された二対のみであってもよく、このようであると、ブレードの接続のシャフトは、二対の取り外し可能な突出部を有することとなる。ブレードのハンドルを風力タービンのハブと連結するために、現代のロータで使用されていて、その軸を中心とするブレードの回転も可能にしている、他の構造を、スリーブセグメントと、長い翼状ブレードの端部のシャフトとを連結するのに使用することができる。

特に風力が強くなるにつれて、ブレードに曲がり部があることについて、したがって風速のねじれ効果に対するブレードのエルボー部の強度について、ある程度の憂慮が生じる。ここでの新しい風車の設計では、ブレードの翼状部分にかかる風の空気力学的圧力は、エルボーの曲がり部を通じて伝達される。短い根元部分と、エルボーの曲がり部は２つの方向に圧力を受ける。１つは垂直方向で、風の空気力学的圧力のトルクによって増幅された翼状部分の重力であり、２つ目は、ブレードの翼状部分に向かう風の作用に起因する、ねじれの効果である。これらの作用は、ブレードの長さが増すにつれて顕著になる。

ブレードの長い翼状部分に作用する風の流れによる引きずり作用及び重力の下でのエルボー曲がり部での「破損」の問題の克服と、ブレードの曲がり部の技術的な堅牢性とは、曲がり部が、側方から、軸側セグメントおよびスリーブセグメントの先端のエッジ部についての追加のスチール補強部６（図１および図２）によって強化されるという事実によって達成される。さらに、軸側セグメントとスリーブセグメントとは、ケーブル７（図２、３および４）によって強く引き締められることで、短いエルボー部分における軸側セグメント及びスリーブセグメントについての曲げ及び接続の負荷を減少させる。軸側セグメントが短縮形である場合（図６）、ケーブル７は、スリーブセグメントと、風力タービンハブ内の中央ディスク３０との間に張られて引き締められる。ケーブルの使用は、重力と風圧の影響下での長い翼状ブレードの張力に対応して、確実に固定を行なうものである。ケーブルの使用は、同様の荷重を受ける吊り橋の建設において十分にテストされた接続手段である。短いエルボー部における軸側セグメント及びスリーブセグメントのエッジ部のところにある横方向のスチール補強部は、風圧についての正面に向かう作用による、ねじりモーメントの下で、破断からの信頼性を提供する。

風を利用した発電における重要なポイントは、自由に通過する風の運動エネルギーの捕捉係数を改善することである。したがって、翼状ブレードの表面への掃引領域において高い風の流れ密度を達成し、その全体量におけるますます多くの部分についての「捕捉」を達成し、それに応じて、掃引エリア内における風の流れの大きな空気力学的効果を保証する、ということが必要である

力のモーメントは、テコの棒(lever arm)（回転中心−ここではメインシャフト−と、力の作用点との間の距離）に比例することが知られている。この前提によれば、直線状ブレードを備えた稼動している風車において、ブレードのテコＦ_１の作用点は、メインシャフトの軸から、ブレードのハンドルの取り付け点までの、風力タービンのハブの半径である（図７）。

本発明は、ブレードの短いセグメントが、２つの部分、すなわち、軸からハブの縁までを結ぶ線に沿った延長部分である軸側セグメントと、軸側セグメントに１０〜８０°の角度で（より効率的には３０〜６０°で）接続されるスリーブセグメントとからなるという点で異なる。これにより、２つのテコの支点と２つの力の作用点が生成される（図８）。

我々の風車の設計の機能をテコの法則に変換すると、力のモーメントＦ_１は、軸側セグメントの力Ｆ_２を加えることでさらに増幅されるのであり、また、テコ(lever)として作用する、長い翼状ブレードに接続された、スリーブセグメントの角度位置・姿勢により増幅される。風の力は、２つの支点、エルボー曲がり部、及び、軸側セグメントのプラントハブへの接続点を介して伝達される（図８）。ブレードの短い部分における軸側セグメントは、追加の力モーメントを構成するリンクである（Ｆ＝Ｆ_１＋Ｆ_２）。伝達される追加の力は、軸側セグメントの長さの増加に比例する。これは、風力プラントの計画容量に応じて、（リンクＦ_２としての）０．２０〜５メートルである。しかしながら、その効率は、軸側セグメントの長さと、翼状ブレードの長さとの関係に左右され、それは、風の流れの運動力の高効率を達成するための努力、及び、ブレード設計における安全性の維持のルールによって、主として決定される。

エルボー曲がり部を備えた風車の利点は、小さな風力発電プラントではそれほど重要ではないかもしれない。なぜなら、急速な回転であると、ブレードは、未だ運動の循環に関与していない空気のマス（mass）からの抗力の増加に遭遇するからである。ロータ速度が毎分１１〜１６回転である中容量および大容量の風力発電プラントでは、片側にエルボー曲がり部と２つの支点との、２つの力の作用点があるブレードの設計により、直線状のブレードの場合よりも、追加的な力の効果が、大幅に大きくなる。我々の設計は、中容量および大容量の風力発電プラントにおけるブレードの最新の設計長さを維持しながら、容量を２倍または３倍に増やし、強力な発電機を適用し、材料および財務支出を削減するための真の基盤を作り出す。

ブレードの根元部分の軸側取り付け部に対して１０〜８０°の角度を持つ、ブレードの長い翼状部分の位置・姿勢は、風の流れの動きを増幅するのに役立ち、その密度が、翼の平面上にていくらか増加する。中心から（ここでは風力プラントのハブから）周囲に向かって距離がある直線状ブレード上の風の気流は、ブレード同士の間の開いた空間へと自由に流れ出すのであり、我々の設計による長いロータブレードは、ハブへの取り付け軸に対する一つの角度位置を取りつつ、常に、風の流れの圧力下にある。一方の側に配置された２つのアーム（テコの棒）と２つの力の作用点を有する、テコの原理に基づく、本発明のブレードまたはロータの設計上の違いは、特には、高密度の風の流れによる抵抗を容易に克服するように案出されたものである。

別の選択肢として、翼８の先端に、その平面に対する横断方向に設置された、キール３２（竜骨突起；図９）の形状の追加の構造デバイスを権利範囲内として請求する。このキールの高さは４５〜５０ｃｍである。これは、先端部からの風の流れの分離にとって相当な障害をなす。このデバイスは、三角状であり、風上側にて２０〜２５ｃｍの高さで低く、後方にて４５〜５０ｃｍの高さであって、２０〜２５ｃｍだけ、より長くなっている。キールの基部は翼のエッジから後方に突き出しており、三角形の延長部分は先端部の後方へと延びている。ブレードの先端に制限キールが存在することもまた、翼状部分の全長に沿って高い風の流れ密度を作り出すのに役立つ。

２つのアームと２つの支点を持つ、テコ機構(lever system)の原理により、伝達比が異なるため、エルボー曲がり部のある短い部分と、長い翼状部分とに分けられた、風力プラントでの発明されたブレード設計の使用は、直線状の設計のブレードが使用される場合を大きく超える、追加の力の利益を生み出す。これは、風の流れと、エネルギー発生器の回転力の係数とを増加させ、そしてまた、ブレードの長さを減少させ、そして風力エンジンのナセルおよびタワーの重量を減少させることを可能にする。これにより、掃引面積１単位あたりの年間単位発電量を増加させることができ、消費される材料および実行される作業についての、エネルギー１キロワット時あたりのコストを削減することができる。

１風力発電プラントのハブ
２風力発電プラントのメインシャフト
３短いエルボー部における軸側セグメントの駆体
４短いエルボー部におけるスリーブセグメントの駆体
５軸側セグメントとスリーブセグメントとの接続部における横方向エッジ部
６横方向エッジ部の追加のスチール補強部
７緊締ケーブル
８長い翼状ブレード
９軸側セグメントとプラントハブとの接続部
１０横方向エッジ部の穴
１１横方向エッジ部の緊締ボルト
１２軸側セグメントおよびスリーブセグメントの駆体壁
１３スリーブセグメントの環状支持部
１４スリーブセグメントの面状端部
１５翼状ブレードの円筒形シャフトの駆体
１６突出部の取り付け箇所におけるシャフト補強部
１７ブレードのシャフトの取り外し可能な環状の突出部
１８ベアリング
１９シャフト壁及び嵌め込まれた突出部における穴
２０緊締ボルト
２１シャフトをロックするフランジ部
２２シャフトの環状の支持エッジ部
２３ブレードの駆体の根元補強部
２４シャフトの環状支持部と、ブレードの駆体の根元補強部との緊締ボルト
２５翼状ブレードの保持梁
２６面状端部のロッキングディスク
２７ロッキングディスクと、支持突出部との緊締ボルト
２８カム
２９翼状ブレードの液圧回転器
３０ハブの中央ディスク
３１中央ディスクのアクセス開口
３２長いブレードの先端にある横断方向のキール

Claims

メインシャフトと、風力プラントのハブ（１）と、複数のブレードとからなり、各ブレードは、短い部分と、長い翼状部分との、２つの部分によるものであって、この短い部分は、角度をなすように互いに接続された、軸側セグメント（３）およびスリーブセグメント（４）を有し、長い翼状部分は、端部のシャフトが、ベアリングを備えた支持デバイスにより、スリーブセグメントに接続されており、前記の短い部分はスチールでできている風車であって、
ハブ（１）との接続部から１．５〜５メートルまたは０．２０〜１．５メートルの距離にて、軸側セグメント（３）とスリーブセグメント（４）の接合部に、風車の回転とは逆の側への１０°〜８０°のエルボー曲がり部を有し、
前記短い部分のスリーブセグメント（４）は、円筒状の駆体を有し、ブレードの翼状部分（８）に接続されており、この翼状部分は、根元端に、中空のスチールのシャフト（１５）が備えられ、このシャフト（１５）は、緊締ボルト（２４）によって翼状部分（８）の駆体と接続され、
スリーブセグメントにおける、エルボー曲がり部の側の端部には、液圧機構（２９）が備え付けられ、この液圧機構（２９）は、カム（２８）を介して翼状部分（８）における前記シャフト（１５）の端部に接続されて、翼状部分（８）をその軸のまわりに回転可能にする風車において、
スリーブセグメント（４）の円筒状の駆体は、２つ組の環状支持部（１３）を３つ含み、翼状部分（８）の前記シャフト（１５）は、ベアリング（１８）を備える、３つの取り外し可能な突出部（１７）を含み、この取り外し可能な突出部（１７）は、ベアリングと共に、２つ組をなす環状支持部（１３）の間に差し込まれ、ボルト（２０）でもってシャフト（１５）に緊締されていることを特徴とする風車。
前記短い部分の軸側セグメント（３）は、１．５〜５メートルの長さであって、ある角度をなすようにしてスリーブセグメント（４）に取り付けられており、軸側セグメントとスリーブセグメントとの接続箇所の、これらのエッジ部には、曲がりの内側に向かって、スチールの補強部（６）が備えられ、軸側セグメントとスリーブセグメントとが、ケーブル（７）によって緊締されていることを特徴とする、請求項１に記載の風車。
前記短い部分の軸側セグメント（３）は、０．２〜１．５メートルの長さであり、ある角度をなすようにしてスリーブセグメント（４）に取り付けられており、軸側セグメントとスリーブセグメントとの接続箇所の、これらのエッジには、曲がりの内側に向かって、スチールの補強部（６）が備えられており、エルボー曲がり部を支持するケーブル（７）が、ハブ上の中央ディスク（３０）と、ブレードの短いエルボー部分のスリーブセグメント（４）との間に張られて緊締を行なっていることを特徴とする、請求項１に記載の風車。
エルボー曲がり部を有する根元の短い部分が、片側に２つのアーム及び２つの支点を有するテコを構成し、ブレードの翼状部分（８）を通過する高密度の風の流れについて、効率的に、テコ作用を行なって用いるように設計されている、請求項１に記載の風車。
メインシャフト、風力プラントのハブ（１）、および複数のブレードからなり、各ブレードは、短い部分と、長い翼状部分（８）との、２つの部分によるものであって、この短い部分は、角度をなすように互いに接続された、軸側セグメント（３）およびスリーブセグメント（４）を有し、長い翼状部分（８）は、根元端のシャフトが、ベアリングを備えた支持デバイスでもってスリーブセグメントに接続されており、
力を加える主たるアームは、メインシャフトの軸から、前記短い部分とハブとの接続部まで延びるアームに等しく、この力Ｆ_１は、追加の力Ｆ_２のモーメントを構成する軸側セグメント（３）の取り付けによって増幅されて、より大きな空気力学的効果Ｆ＝Ｆ_１＋Ｆ_２を与えるのであり、ここで、スリーブセグメントは風車の回転方向とは逆の側に向かって１０°〜８０°の角度をなすように軸側セグメントに取り付けられている風車を製造する方法において、
スリーブセグメント（４）の、２つずつで組をなす環状支持部（１３）の間に、環状をなす取り外し可能な突出部（１７）が、ベアリング（１８）とともに差し込まれ、この後、ブレードの翼状部分における中空のスチールのシャフト（１５）が取り付けられ、このシャフト（１５）に、取り外し可能な突出部（１７）がボルト（２０）でもって緊締され、このシャフトのエッジ部は、ブレードの翼状部分の駆体に、ボルト（２４）を用いて固定されることを特徴とする風車を製造する方法。