JP6978426B2 - 羽根の制御を改善した、方向付け可能な羽根を伴う流体ロータ - Google Patents

Description

本願は、概して、気体環境又は流体環境で作動して、機械エネルギーの生成と可動本体の推進との両方を行うように設計された、方向付け可能な羽根を有する流体ロータに関する。これらロータは、特に、風力タービン、海洋タービン、船舶ならびに航空機のプロペラ及びタービンに、通常適用される。

こうした方向付け可能な羽根を伴う流体ロータは、この出願人名義の国際公開第２０１４／００６６０３Ａ１号及び国際公開第２０１６／０６７２５１Ａ１号で明確に開示されている。

これら文書に記載の羽根制御構造は、ロータの回転中に、羽根の振動について所望の目的を達成するのに有効ではあるものの、ある程度の複雑性を残したままである。

本発明は、この文書に記載された制御構造を改善することを目的とし、以下の利点、すなわちより高い単純性、より高い頑健性、より高い調節容易性、より高い産業化容易性及び高回転速度での良好な性能のうち少なくともひとつをもたらす。

したがって、ここでは、１．流体ロータを有する回転装置であって、該ロータは、ロータの主軸を形成するロータシャフトを中心に回転するアーム上に搭載された少なくとも１つの羽根を備え、ロータは、支持構造によって、軸が流体の流れの方向に対して実質的に垂直であるような向きに維持され、羽根は、主軸に対して平行である羽根の回転軸を中心に回動するように搭載されるものであり、この装置は、羽根の回転軸においてアームに対する羽根の相対的な振動運動を発生させる手段を、このようにしてロータの回転中に羽根の傾斜を変化させるために、備えるものであって、該手段は、アームの端部に、駆動要素としての第１の回転要素と被駆動要素としての第２の回転要素とを備える機構を備え、該要素は、互いに平行な回転軸上に搭載されて、ある軸間距離で離間するものであり、駆動要素の向きはロータシャフトの向きに応じて制御され、一方で被駆動要素の向きが羽根の向きを決定し、一方の回転要素がその回転軸から離間した指状体を備え、他方の回転要素が、該指状体を受け入れて、該指状体が摺動可能であるような溝を備える装置、を提案する。

好ましいが任意である形態においては、この装置は、以下の追加的な特性で特徴付けられ、個々に又は当業者が技術的に互換性があると考えるような任意の組み合わせで取り入れられる：
・前記溝は直線状であること、
・前記溝は直線状でないこと、
・溝の両端部間の距離は、少なくとも、軸間距離の２倍に等しいこと、
・装置が、２つの要素の回転軸間の距離を調節する手段を備えること、
・ロータの回転主軸と駆動要素の回転軸との間の距離が、一定であること、
・ロータの回転主軸と被駆動要素の回転軸との間の距離が、一定であること、
・ロータの回転主軸と駆動要素及び被駆動要素それぞれの回転軸との間の距離が等しいものであって、駆動要素及び被駆動要素が、角度調節可能な支持体上に搭載されていること、
・該角度調節は、ロータの主軸について行われること、
・被駆動要素の支持体は、関連する羽根のアームによって形成されること、
・装置が、ロータシャフトと、被駆動要素との間を分離する手段を備えること、
・この分離手段は、ロータシャフトと駆動要素に係合する部材との間に設けられること。

本願のさらなる態様、目的及び効果は、非限定的な例で与えられ、添付の図面を参照してなされる、その好ましい実施形態についての以下の詳細な記載からより明白に明らかにされることとなる。
図１は、従来技術にかかる方向付け可能な羽根を有する回転羽根（rotor blade）の概略側面図である。 図２は、この発明にかかる回転羽根の向きを制御する素子の２つの要素を、概略正面分解図で示している。 図３Ａは、第１の構成における図２の要素の協動状態を示す概略正面図である。 図３Ｂは、第１の構成における図２の要素の協動状態を示す概略側面図である。 図４Ａは、第２の構成における図２の要素の協動状態を示す概略正面図である。 図４Ｂは、第２の構成における図２の要素の協動状態を示す概略側面図である。 図５は、４つの角度位置での、第２の構成にかかる要素の相互位置を示す。 図６は、方向付け可能な羽根を伴うロータアームに、図２から５の制御素子を組み込んだ状態の正面図である。 図７は、図６の組立体の側面図である。 図８は、４つの角度位置での、図７及び８の組立体の様々な部分の相互位置を示す。 図９は、図２から８に示す向き制御素子により得られた、角度の調節法則（setting law）についての例である。 図１０は、方向付け可能な羽根を伴うロータに実装可能である、羽根の向きの振幅を調節する機構の第１の部分の概略正面図を示す。 図１１は、調節機構の第２の部分の概略正面図を示す。 図１２は、第１の相互位置での、２つの部品の振幅調節機構の概略正面図を示す。 図１３は、第２の相互位置での、２つの部品の振幅調節機構の概略正面図を示す。 図１４は、羽根と向き制御間を分離する機構の一例を概略的に示している。

本記載の全体にわたって、国際公開第２０１４／００６６０３Ａ１号の出願に記載するようなロータを参照するものとし、その内容が本記載の一部となることを意図しているものとする。この出願人名義の国際公開第２０１６／０６７２５１Ａ１号の出願の内容もまた、本記載の一部となることを意図しているものとする。

まず図１を参照すると、動作は、回転羽根Ｐの面ＰＬの視点から（気体又は液体の流れの方向Ｆに対して）、羽根上に位置する回転点ＰＲを中心とする振動運動となる。

本願に実装される基礎的要素を図２に示しており、２つの要素Ａ及びＢが、平行な２本の軸を中心に回転しながら、一方を他方が駆動する。要素Ａは、その半径において形成された溝又はスロットＣを備える。要素Ｂは、ディスクの中心からある距離ｘだけ離間した、指状部Ｄを備える。該指状部Ｄは、ディスクＡの溝又はスロットＣ内で摺動可能であるように設ける。なお溝又はスロットＣは、発生させようとする所望の運動に応じて、貫通するか又は完全に貫通しないものとし、また直線状か又は直線状でない形態を有するものとする。

本明細書では、要素Ａ及びＢの直径と形状であってさえも、ここでは何ら影響を有さず、重要な因子は、その自身の回転軸に対する指状部Ｄの位置、及び、その自身の回転軸に対するスロットＣの幾何学的配列のみであることに留意されたい。

図３Ａ及び３Ｂにおいては、要素Ａ及びＢの軸が合っている。一方が他方を（逆の場合も同じ）、同相で駆動、すなわちそれらの回転中に２つの要素間で角度ずれ（angular misalignment）なしに駆動させる。

図４Ａ及び４Ｂにおいては、要素Ａ及びＢの軸が合っていない（互いに平行ではある）。この場合、回転中に２つの要素間で交互に角度ずれを生じさせながら、要素Ａが要素Ｂを駆動させるものである（逆の場合も同じ）。

なお、要素Ａ及びＢで形成された組立体が動作可能であるために、溝Ｃ中における指状部Ｄの移動長さが、要素Ａ及びＢの各軸間のずれの距離ＤＡの２倍であり得るようにする必要があり、こうなることが可能となるように溝Ｃの長さを規定するものである。さらに溝Ｃは、摩擦を制限しながら、指状部Ｄが前記溝の内側を移動するのに十分な間隔を設けるために十分である幅とする必要がある。この点においては、指状部Ｄは、指状部Ｄと溝Ｃの壁との間で平滑な摺動を確実にするボールベアリングを有利に設ける必要がある。これら壁はさらに、特殊な耐摩耗性材料により形成可能である（表面処理、クロムめっき等）。バリエーションとして、溝／指状部の協動状態を促すために、ボールガイド、ボールスリーブ、スライダー等を設けることが可能である。

図５は、直線状の溝で得られる運動、特に４つの角度位置について生じた調節法則を示している。ここで要素Ａは、角度的な参照として溝Ｃを設けているものと考えられ、また要素Ａが要素Ｂを駆動し、図５の時計回り方向に回転させていると仮定する（逆推論では、同じ結果、近い調節サインとなる）。この調節法則は、以下のように要約できる：
０°位置：角度ずれなし
９０°位置：要素Ｂが、要素Ａに対して−ｘ°だけ後方に遅れる
１８０°位置：角度ずれなし
２７０°位置：要素Ｂが、要素Ａに対して＋ｘ°だけ前進する。

溝Ｃの位置、形状及び寸法、ディスクＢの軸に対する指状部Ｄの位置、ならびに２枚のディスクの回転軸間の距離ＤＡ等の、幾何学的配列上の様々なパラメータを調節することによって、無限数の様々な調節法則を得ることが可能であるということがわかる。スロットもしくは溝を保持する要素又は指状部を保持する要素のいずれで駆動を実行するかを選択することによって、調節法則のバリエーションもまた得ることが可能である。

このように、生成する調節法則は、特に正弦型の法則及びトロコイド型の法則をカバーする、広い範囲にわたって変化し得る。

例としては、距離ＤＡを軸間３０ｍｍとし、ディスクＢの回転中心に対する指状部Ｄの位置を５０ｍｍと選択した場合、角度ずれｘの振幅は、約３６°となる。

ここで、国際公開第２０１４／００６６０３Ａ１号に記載の一般的なタイプのロータへの機構の組込みについて記載するものとする。

この文書においては、ロータの回転中のナセルの角度位置は、ロータの回転主軸上に配置されたプーリの周囲に係合するベルト（又はチェーン、又はアングルギア、又はピニオン）、厳密にいえば固定されたプーリ（エネルギー回収モードでは流れの方向に対して羽根の位置を確実にするために、又は、プロペラモードでは発生する流れの方に向けるために、制御することは可能である）によって確定される。

本願においては、第一の実施形態によれば、この機構的な接続が、溝Ｃを備えた要素Ａを駆動する（この発明の第二の実施形態によれば、これにより、指状部Ｄを備える要素Ｂが駆動されることとなる）。

制御対象である羽根Ｐは、指状部Ｄを備えた要素Ｂと、直接又は関節的に連結している。すなわち、国際公開第２０１４／００６６０３Ａ１号の文書に記載されている、ナセル、クランク軸、連接棒、歯車、及びロータの連結アセンブリは、除いている。

図６及び７は、ベルトＣＲが、ここではディスク形状である要素Ａを駆動し、羽根Ｐが、これもディスク形状である要素Ｂに回転可能に固定されている、第一の実施形態を示している。ここでは、溝Ｃは直線状である。

ここで、ロータが、反時計回り方向に回転している（すなわち回収モードで、目的の流れである気体又は液体が左からくる）と仮定する。図８に、互いに９０°で離間した４つの位置を示している。国際公開第２０１４／００６６０３Ａ１号に記載のものと同様である、羽根Ｐの方向付けによる効果が達成されている。もちろん、要素Ａ及びＢにより形成される機構ならびに要素Ａによる駆動は、ロータ上に存在する羽根Ｐと同じ数が生成される。

図６から８より、本願の機械的解決法が優れた単純性及び優れた強度であることが容易にわかる。

ここで、要素Ａに対する要素Ｂの角度ずれの機械的な法則を説明する（直線状で直線からなる溝の場合で）。

ここで、
Ｒは、要素Ｂの回転軸に対する、指状部Ｄの距離であり、
Ｄは、要素Ａ及びＢの回転軸間の距離であり、
ｘ＝Ｒ／Ｄとし、
αは、参照方向Ｏｘに対するディスクＡの角度であり、
βは、参照方向Ｏｘに対するディスクＢの角度である。

２枚のディスクの回転軸間のずれＤがゼロであれば、その場合回転中のディスク間で角度ずれは生じないこととなり、Ｎ枚の羽根を伴うロータの場合では、該羽根は、この場合互いに平行となる、ということが理解されるであろう。このことは、このロータが停止する場合に、影響を及ぼすことがある。

ディスクの回転中の要素Ｂ及び要素Ａ間の角度ずれは、その振幅が以下の式に従って値ｘに直接比例するものである正弦型の法則に非常に近い。

図９のグラフは、Ｄ＝１４ｍｍ、Ｒ＝２５．２ｍｍであり、ｘ＝１．８である、流れの方向に対して特定した、羽根の調節法則（setting law）を示している（便宜上、風力タービン用途を想定している）。

この法則は、ここでは３３．７５°の振幅である正弦型の法則に非常に近いということが観察されるであろう。

ここで、ロータへの要素の組込みと、調節法則が調節可能であるような方法とについて述べることとする。

指状部Ｄの位置は、構成によって設定されるが（一実施形態によれば、値Ｒが可変であったとしても）、用途とロータの動作速度とに従って調節法則を調節することが可能であるように、２つの要素Ａ及びＢ間の距離Ｄを制御可能であることが有利である、ということが理解されるであろう。

例としては、ロータが風力タービンモードで動作している場合には、風が増加するにつれて空気力学的効率Ｃｐを下げることができるということが現実的である。

プロペラモードでは、動作が低速であるか高速であるかに応じて、調節法則を変化させることができることが望ましいものであり得る。

図６から８には、ディスクＡ及びＢの各軸が、それらを保持するロータの同じ半径上にあることを示している。より正確には、ディスクＡの回転軸は、ディスクＢの回転軸よりも、ロータの回転軸からさらに離れているということが観察されるであろう（しかし、これは反対であってもよく、すなわちディスクＡの軸が、ディスクＢの軸よりもロータの軸に近くてもよい）。

振幅の調節法則を変更するために、単純に２枚のディスクの回転軸間の距離を変化させることができるということを上記で説明した。２枚のディスクが、それらを保持するロータの同じ半径上にそれらの回転軸を有するというこの第一の実施形態によれば、いくつかの解決法を予想することが可能である。すなわち、
− 制御に関しては、或る技術的な複雑性が存在することとなるが、ディスクＢの回転軸の位置、したがって羽根の位置を変えることか、
− ディスクＡの回転軸の位置を変化させることであって、この場合にも複雑になり得るが、実際にはこのディスクが、ディスクと溝と中央プーリとの間で正弦性を制御しながら緊張状態を維持する必要があるベルト（又はチェーン）によって駆動される場合、９０°のアングルギアでの制御の場合には、溝付きの軸を用いて、該制御を摺動させることが可能であるが、これは技術的にもある程度複雑となり得ることか、
− 又は、ディスクＡの回転軸が、ロータの中心から距離ｒに配置され、ディスクＢの回転軸が同じ距離ｒに配置され、２枚のディスクが、角度ずれが生じ得る２枚のそれぞれの板上に搭載されて、それにより、距離Ｄを変更するために、２枚のディスクを支持する各板を単に角度ずれ（ロータの回転主軸に対して）させる必要があるが、ひとつの利点は、このモードによれば、距離ｒが固定されるため、ディスクＡ及びＢそれぞれの回転軸とロータの中心との間の軸間は固定されたままとなり、このことがベルト、チェーン又はギア（ギアトレーン又は９０°のアングルギア）による駆動の可変緊張又は幾何学的配列の問題を排除し、羽根の軸とロータの軸との間の固定距離を維持することを可能にすることか、のいずれかである。

図１０から１３は、羽根ひとつにつき、あるベルト駆動を含む、第三の可能性である実装を示している。図１０は、その溝Ｃを備えるディスクＡを支持する板Ｐ１を示しており、このディスクＡが、ベルトＣＲで駆動するプーリとなる。ロータの軸を中心としプーリＡと同じ直径である固定プーリに取り付けられるベルトＣＲが、ロータ回転中、一定の絶対方位（absolute orientation）に、後者を維持する。

図１１は、指状部Ｄを保持する要素Ｂを支持する板Ｐ２を示しており、この要素Ｂが羽根Ｐを駆動する。

図１２においては、各板は、それらの間で角度ずれが生じないような位置を占有する、すなわち距離ＤＡ（要素Ａ及びＢの回転軸間の距離）はゼロであるため、ロータの回転中に２つの要素Ａ及びＢ間に角度ずれが生じない。

図１３においては、板Ｐ１及びＰ２が互いに対してずれて、それらの間で角度ずれθを生じるものであり、したがって距離ＤＡがゼロではなく、ロータの回転が、対応して羽根Ｐの向きを変えるように、ロータの回転中に２つの要素Ａ及びＢ間に角度ずれが生じさせる。

したがって、２枚の板の互いの角度位置の調節が、結果的に調節法則を変化させる。

基本的な実施形態においては、この調節は、ロータを組み立てる際に静的になすことが可能であり、すなわち、例えば板Ｐ１が長方形状の孔を備え、所望の用途の条件及び拘束に応じて、角度ずれを決定的に調節することを可能にする。

特定の用途においては、積極的な調節が必要となるものであって、所与の動作条件の最良の調節法則となるように、制御素子が、実時間で又は少なくとも適切な応答性で、２枚の板Ｐ１及びＰ２間の角度ずれを調節できるものである。

一実施形態においては、板上に直接取り付けた電動アクチュエータを用いることが可能であり、回転コレクター（rotating collector）によって、ロータ支持体から電気的な制御を取り入れることを伴う。無線制御システムを設けて、アクチュエータを直接制御することも可能であり、例えばベルト及び関連する部材（又はチェーン、アングルギア等）によって駆動される小さい発電機又は光起電力装置のいずれかで電力を与えることが可能である。

しかしながら好ましい解決法は、その調節を確実にするために、ロータの中心から板Ｐ１又はＰ２それぞれまでに、単に機械的制御をなすことである。これを達成するための設計は、ロータの回転主軸の内側の摺動軸（並進）に関与し得、該軸が、電気的に制御されるアクチュエータ（電気式、液圧式等）によって、又は、ワットレギュレータ型の単なる機械的システムによってのいずれかで、並進駆動される。この制御用軸の他端は、ベアリング上に搭載された回転斜板に連結され得る（制御用軸は、ロータと共に回転するものではなく、一方、回転斜板がロータと共に回転する）。クレビス、ボール継手及びギアは、この回転斜板から生じ、関連する要素Ｂのそれぞれに対して、各要素Ａの位置の制御が可能になることとなる。

ここで、要素Ａ及びＢの回転軸間の距離ＤＡの調節を実行するための他の解決法について説明する。この解決法によれば、溝Ｃを備えたディスクＡは、ロータの中央プーリに対して、固定の角度向きで維持され、かつ、ロータの中心にもたらされる制御を介して、又は、適切なアクチュエータによって、要素Ａ及びＢの回転軸間の距離ＤＡを減少又は増加させるように、ロータのアームに沿ってそれが摺動できるようなガイド上に搭載される。

チェーン又はベルトはこの距離の変動に対応することができないため、この調節を施すことができる解決法には、溝付の軸を伴うアングルギアのトランスミッションによるトランスミッションシステムがある。

しかしながら、サーボテンションシステムと共に、ベルト又はチェーンの解決法を採用することは可能である。

風力タービン用途での特定の場合においては、この発明にかかる装置は、暴風条件に対応することができるように、又は、メンテナンス業務を実行することができるように、その空気力学的効率をゼロまで減少させる安全装置を有利に備える。この安全要素の実施に向けたアプローチのひとつは、各軸において自由となって風向計のように振舞うようにして羽根のサーボ機構を解放することによって、ロータにかかるトルクを無効にすることを伴う。他の目的は、羽根の調節法則を再調節する必要なく、制御システムを簡単に元に戻すことを可能にすることである。

羽根の機構を解放することは、ロータの軸上に配置されてベルトを駆動するプーリ（又は、チェーンを駆動するピニオン）を解放することによって確実となる。図１４を参照すると、このことは、ベルト又はチェーンを駆動するプーリ又はピニオンＰが溝Ｇ１を有する一方で、ロータの中心シャフトＡＣが溝Ｇ２を備えることを確実にすることによって、達成することが可能である。参照符号ＣＬは、溝Ｇ１及びＧ２である、軸の溝及びプーリの溝の両方によって共同で形成される溝において、軸ＡＣに沿って摺動することが可能であるキーを指し示す。

キーＣＬの解放は、電気制御部がセンサからの信号に応答することによって、又は、ロータの回転が特定の速度に達したときに解放される機械システムであって、例えばキーの解放を可能とするトリガと連携する、ワットの振り子式の遠心力を用いるシステムを用いることによって、達成することが可能である。

明らかに、本願は、上記して図面に表した実施形態に限定されるものでは全くないが、当業者は、それらに対して様々なバリエーション及び変形を適用する方法を知っているものである。特に、
− 設定限界を超えて使用する事象において（例えば、風力タービンの暴風事象において）、ロータの完全性を確実にするように、機構（kinematic chain）上にトルク制限器（例えば、ボールベアリングと共に）を配置してよいものであり、これらトルク制限器は、一実施形態においては、羽根及びそれを駆動する要素Ｂ間に取り付けられ得、
− 各羽根は、指状部Ｄを保持する要素Ｂによってではなく、溝又はスロットＣを保持する要素Ａによって駆動され得、そして要素Ｂは、ベルト、チェーン又は他の伝達手段によって、ロータの中心により駆動される。これにより、羽根が要素Ｂで駆動されたときに得られ、かつ、特定の場合においては好ましいものであることもある、逆関数（inverse function）であるような調節法則をもたらす。

さらに、当業者によれば、羽根の振動の振幅（すなわち、上記で参照した値ｘ）を調節する機構を、国際公開第２０１４／００６６０３Ａ１号及び国際公開第２０１６／０６７２５１Ａ１号の文書で参照する羽根の制御システムに適用することが可能である。

述べたように、この発明は、風力タービン又は海洋タービンのみならず船舶及び航空機のプロペラの分野に適用される。またこれは、タービンの製造に適用されるものであり、その場合には、ロータの周囲に整形板（fairing）を設けることで、流れが誘導される。この場合、従来のタービンにおける殆どの場合とは異なり、ロータが掃引した部分全体にわたって通常の等流が得られる。

Claims (11)

1. 流体ロータを有する回転装置であって、該ロータは、前記ロータの主軸を形成するロータシャフトを中心に回転するアーム上に搭載された少なくとも１つの羽根を備え、前記ロータは、支持構造によって、前記主軸が流体の流れの方向に対して実質的に垂直であるような向きに維持され、前記羽根は、前記主軸に対して平行である前記羽根の回転軸を中心に回動するように搭載されるものであり、当該装置は、前記羽根の前記回転軸において前記アームに対する前記羽根の相対的な振動運動を発生させて前記ロータの回転中に前記羽根の傾斜を変化させる手段を備えるものであって、該手段は、前記アームそれぞれの端部に、駆動要素としての第１の回転要素（Ａ；Ｂ）と被駆動要素としての第２の回転要素（Ｂ；Ａ）とを備える機構を備え、当該要素は、互いに平行な回転軸上に搭載されて、ある軸間距離で離間するものであり、また当該装置は、前記ロータシャフトと前記駆動要素との間にあって前記ロータシャフトの角度的な向きに応じて前記駆動要素の角度的な向きを制御する伝達手段を備えるものであって、一方で前記被駆動要素の向きが前記羽根の向きを決定するものであり、一方の回転要素がその回転軸から離間した指状体（Ｄ）を備え、他方の回転要素が、該指状体を受け入れて、該指状体が摺動可能であるような溝（Ｃ）を備える、装置。
2. 前記溝（Ｃ）は、直線状である、請求項１記載の装置。
3. 前記溝の両端部間の距離は、前記軸間距離（ＤＡ）の少なくとも２倍である、請求項１から２のいずれか一項に記載の装置。
4. ２つの前記要素の回転軸間の距離（ＤＡ）を調節する手段を備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記ロータの回転主軸と駆動要素（Ａ；Ｂ）の回転軸との間の距離が、一定である、請求項４記載の装置。
6. 前記ロータの回転主軸と被駆動要素（Ｂ；Ａ）の回転軸との間の距離が、一定である、請求項５記載の装置。
7. 前記ロータの前記回転主軸と前記駆動要素及び前記被駆動要素それぞれの回転軸との間の距離が等しいものであって、前記駆動要素及び前記被駆動要素が、角度調節可能な支持体上に搭載される、請求項５又は６に記載の装置。
8. 該角度調節は、前記ロータの主軸について行われる、請求項７記載の装置。
9. 前記被駆動要素の前記支持体は、関連する羽根のアームによって形成される、請求項８記載の装置。
10. 前記ロータシャフトと、前記被駆動要素との間を分離する手段（Ｇ１、Ｇ２、ＣＬ）を備える、請求項１から９のいずれか一項に記載の装置。
11. 当該分離する手段は、前記ロータシャフトと前記駆動要素に係合する部材との間に設けられる、請求項１０記載の装置。

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