JP7123954B2 - 風力タービンのシャフトへのローターの振動接続のためのジョイント - Google Patents

Description

本発明は、可動部材のための機械的接続の技術分野に関し、本発明が対象とするのは、風力タービンのシャフトへのローターの振動接続のためのジョイントである。

知られているように、２枚ブレード型風力タービンは、シャフトの端に連結される振動ハブからなるローターを具備することがある。

これらは、ピッチ制御システムを有するタービンに適用されるのに適した振動ハブをも具備することがあり、ここで、ブレードは、ベアリングによってハブに、及びヨー制御システムを有するタービンに接続され、ブレードは、ハブに強固に固定される。

小さなサイズのタービンにおいて、振動ハブは、２つのベアリングからなるヒンジを使用し、それぞれ、円筒金属層及びエラストマ材料製の円筒層を交互に重ね合わせて得られるものである。

エラストマ材料の円筒層からなるヒンジは、均質なエラストマ材料で大きな部分を作ることができないため、比較的小さな寸法を有する。

さらに、たとえ小さなサイズのタービンであっても、この種のヒンジのメンテナンスは、特に複雑である。

対して、大きなサイズのタービンでは、エラストマ材料と金属材料の交互な層からなる複数の別種のエラストマエレメントにより作り上げられるハブを備える振動ハブが使用されることが知られている。

この種のハブでは、エラストマエレメントは、ブレードによりタービンシャフトから伝わる全ての荷重を受ける。

より詳細には、これらエレメントは、トルク及び揚力により、ローターの重さによる力により、及びヒンジ周囲のローターの振動により発生するモーメントにより作用する応力を受ける。

さらに、エストマエレメントが圧縮状態で作動することを可能にするため、アセンブリでは、これらは、１組の傾斜面で区切られたシート内でエラストマ材料の層を互いに摺動させることにより与えられる接線方向の変形作用を経る。

この方法では、タービンが作動する間、材料が予圧の作用に加えられる周期的な接線方向の変形作用を主に受けつつ、エラストマエレメントの予圧は間接的に発生する。

この種のハブでは、デバイスの決められた時間を超えた耐久期間を保証するため、エラストマエレメントは、オーバーサイズであり、ヒンジにおいて冗長な仕様で使用される。

非常に大きなタービンにとって、この種のヒンジは、度を越えて扱いにくいことがある。

さらに、この種のヒンジを備えるハブの寸法は、やや大きく、これによりシステム全体のコストが増加する。

本発明は、機械的エレメント及びエラストマエレメントの組み合わせにより構成される、ハイブリット型の振動ハブを提供することにより、以上に記載した解決策の制限を解消することを意図する。

本発明は、風力タービンのローターとシャフトの間の振動接続のためのジョイントであって、長い耐久期間を特徴とし、頻繁なメンテナンスを必要としないジョイントを提供することにより、以上に記載した技術的課題を解決することを意図する。

本発明のさらなる目的は、限界動作状態にあっても、これら構成要素の接続を確保することができる、風力タービンのローターとシャフトの間の振動接続のためのジョイントを提供することである。

本発明のさらなる目的は、比較的コンパクトで、すべての種類の風力タービンにおいて使用することができる、風力タービンのローターとシャフトの間の振動接続のためのジョイントを提供することである。

本発明のさらなる目的は、容易に取り付けることができ、タービンの構成要素を容易に点検することを可能にする、風力タービンのローターとシャフトの間の振動接続のためのジョイントを提供することである。

また、発明の決して小さくはない別の目的は、製造が単純で、製造コストが比較的低い、風力タービンのローターとシャフトの間の振動接続のためのジョイントを提供することである。

これら目的は、請求項１に従い作製される、風力タービンのローターとシャフトの間の振動接続のためのジョイントにより達成される。

本発明は、一部の荷重が、自己潤滑性があるか又はグリースで潤滑することができる滑り軸受を通してハブからタービンのシャフトに伝わり、一方、他の荷重が、エラストマエレメントを通してタービンによりハブに伝わる、「ｈｙｂｒiｄ」タイプのコンパクトな解決策に基づく。

本発明の対象であるジョイントでは、作動ローターの重さにより作られる周期的な力、及びヒンジの周囲のローターの振動により発生する周期的モーメントは、それぞれ、ローターの重さによる力で圧縮され、ローターの振動の間発生するモーメントによる接線方向の変形作用を受ける、連続するエラストマエレメントにより打ち消される。

ローターのトルク及び揚力、並びにローター自体の重さによる力は、ヒンジに作用する径方向の力を発生する。

これらの力は、通常、グリース又は同様の潤滑剤を使用してさらに潤滑することができる２組の自己潤滑性ベアリングにより打ち消される。

ベアリングの組は、互いに径方向に重ね合わせられる、自己潤滑性球形金属スリーブにより、及び自己潤滑性のある円筒形金属スリーブにより、それぞれ構成される。

本発明の他の目的は、本明細書にて以下により詳細に記載され、前述の請求項に従い作製される風力タービンのローターとシャフトの間の振動接続のためのジョイントにより達成される。

風力タービンのローターとシャフトの間の振動接続のためのジョイントの好ましく、非限定の実施形態についての以下の発明を実施するための形態にて、本発明の利点及び特性を以下の図面を具体的に参照して明確に説明する。

図１は、風力タービンのローターとシャフトの間の振動接続のためのジョイントの側面図を示す。 図２は、図１にて説明したジョイントの側断面図を示す。 図３は、図２の一部の斜視断面図を示す。 図４は、図３の第１細部の拡大側面図を示す。 図５は、図３の第２細部の側面図を示す。

本発明の対象は、ハブ及びブレードにより作り上げられるアセンブリからなるローターと風力タービンのシャフトの間の振動接続のためのジョイントであり、ジョイントは、添付図面において、参照符号１で表示される。

ジョイント１は、縦軸Ｌを定める、ほぼ箱形状のローターハブ２を備える。

ハブ２は、タービンのシャフトＳに接続されるのに適したシャフトヘッド３を収容するよう設計され、縦軸Ｌに沿って位置合わせされるが、互いに向かい合う少なくとも１組の穴４を具備する。

シャフトヘッド３は、ほぼＴ形状であり、シャフトＳに接続されることが意図される円筒端５と、縦軸Ｌに沿って配置される１組の円筒ピボット７を定める２つの向かい合う端６と、を具備する。

ピボット７は、円形外面８と、ほぼ横方向の端縁９と、を有する。

ジョイント１は、ハブ２の１組の穴４の水平面に置かれる１組のヒンジ１０をさらに備え、ハブ２へのピボット７の振動接続を促す。

ハブ２は、概して、ローターのブレード１２が接続される、基本的には長方形又は円筒形の、箱形状金属構造１１を備える。

各ヒンジ１０は、縦軸Ｌに対するその制御された回転及び縦軸に対する結果として生じる軸方向の変位を可能にするために、対応するピボット７の外面８に据えられる少なくとも１つの滑り軸受１３を備える。

さらに、各ヒンジ１０は、縦方向Ｌに沿う及びその周りの、ピボットとハブ２の間の振動を減衰させるために、ハブ２及びピボット７の縁９と相互作用する複数の弾性ダンパーエレメント１４を具備する。

ハブ２と一体化され、滑り軸受１３を含有するように設計され、一体型アセンブリ１６を形成するような方法で複数のダンパーエレメント１４をピボット７に接続することを可能にする、接続手段１５も具備される。

図３からわかるように、接続手段１５は、ハブ２の穴４に少なくとも部分的に挿入され、そこに接続されるのに適したほぼ円筒形の縦部１７を備える。縦部１７は、さらに、滑り軸受１３のためのハウジング１８を定めるように設計される。

ヒンジ１０の下部１７は、接続リング２１において作製される簡便穴２０を通過する複数の第１ねじ１９によってハブ２に接続される。

接続手段１５は、各々のピボットの端縁と接触して置かれ、円筒形縦部に連結されるほぼ横方向の円形リングをさらに備える。

円形リング２２は、適切な接続ねじによってピボット７の端縁９に連結され、複数の弾性ダンパーエレメント１４をそこに収容することを可能にするのに適する。

図３及び４にてより詳細に説明するように、滑り軸受１３は、シャフトのヘッド３の対応するピボット７の外面８に摺動可能に嵌まる第１の自己潤滑性円筒ブッシュ２４と、第１ブッシュ２４に摺動可能に据えられ、シート２６を通り縦部９にアンカー固定される第２の自己潤滑性ブッシュ２５と、を備える。

シート２６は、適切なねじ２７又は同様の接続エレメントを通してヒンジ１０の縦部１７によってハブに固定される。

滑り軸受１３は、それぞれ第１ブッシュ２４及び第２ブッシュ２５において与えられる、２つの球形摺動内面２８、２９を有する。

球形面２８、２９の存在により、縦軸Ｌに対しピボット７のずれを許容し、そのため、作動荷重が印加される間、縦部１７とピボット７の間で角度変位をした場合に、過荷重及び拘束の発生を防止する。

第１ブッシュ２４は、縦軸Ｌ周りのその自由な回転を確保することに寄与し、ピボット７とハブ２の間の縦軸に沿った軸方向の変位を可能にする、ほぼ円筒形の外面３０を有する。

便利なことに、シート２６は、第２の自己潤滑性ブッシュ２５のほぼ円筒形の外面３２と接触して置かれる円錐壁３１を有する。

シート２６の縦位置は、ハブ２に対してその位置で第２ブッシュ２５をロックするような方法で、調整することができる。

こうして、所定の期間作動した後、第２ブッシュを角度的に位置変更し、第１ブッシュ２４の内面２８に接触させるように設計されたその球形面２９の部分を変えるような方法で、第２の自己潤滑性ブッシュ２５の角度位置を変えることが可能である。

この解決策のおかげで、ブッシュ２４、２５の球形面２８、２９の間の接触領域を変えることが可能であり、磨耗した領域からまだ磨耗していない領域を通過することにより、ベアリング１３の作動寿命が延びる。

好ましくは、ブッシュ２４、２５の球形及び円筒形摺動面２８、２９の間の潤滑流体の制御された分布を促すように設計される、図面には不図示の、潤滑手段を提供することが可能である。

例えば、表面２８、２９は、グリースで潤滑することができ、図面では見られない適切なグリース供給チャネルを、ヒンジに与えることができる。

グリース供給は、定期的に戻すことができ、潤滑手段は、手動型であっても自動型であってもよい。

さらに、グリースは、ピボットの内側及びハウジングの外側の両方から定期的に追加することができる。

ジョイントは、ベアリング１３の端に配され、ベアリング１３の球形及び円筒形面２８、２９の外へ漏れる過剰な潤滑流体を回収するのに適した弾性シール３３又はエラストマ隔壁をも備え得る。

各ダンパーエレメント１４は、その端を定める１組の金属プレート３４を備える。

プレート３４の中には、平面形状、窪んだ形状、又は別の形状の金属材料３５の層と、エラストマ材料３６の層の交互に重ね合わせられた層がある。

エラストマ材料３６は、硬化処理によって与えられることができる。

層３５、３６は、図５からわかるように、それら自体の成長及び重ね合わせ軸Ｘに沿って、相互に重ね合わせることができる。

便利なことに、図３からより良くわかるように、ダンパーエレメント１４は、縦軸Ｌにほぼ平行なその成長軸Ｘを有して、円形リング２２に配される。

エレメント１４は、金属円形リング２２の円周に沿って収容され、各エレメントのプレート３４を、円形リング２２の外面３７に形成される適切な凹部に差し込むことができる。

プレート３４は、第２接続ねじ３８又は他の同様のエレメントによって、リング２２の外面３７に連結される。

各ダンパーエレメント１４の他端プレート３４は、第３接続ねじ３９又は等価な接続エレメントを使用して、金属環状リングのセクター４０にアンカー固定することができる。

セクターは、次に、第４接続ねじ４１によって、ヒンジ１０の縦部１７に固定することができる。

便利なことに、環状スペーサ４２は、環状リングのセクター４０と縦部１７の間に挿入することができ、ここで、環状スペーサ４２は、第４接続ねじ４１で締結される間、エラストマ層３６の軸方向の予圧縮を促すのに適した所定の厚さｓを有する。

環状リングのセクター４０のこの特定の形態により、互いに個別に、及び独立して、ダンパーエレメント１４を組み立て、予圧し、交換することが可能となる。

エラストマ層３６の予圧縮は、環状スペーサ４２を異なる厚さのスペーサと、交換することにより変えることができる。

ダンパーエレメント１４は、タービンの機能的設計により必要になる軸方向の剛性とねじり剛性をヒンジ１０に与えるような大きさとすることができる。

さらに、エラストマエレメント１４は、ハブ２によりシャフトヘッド２のピボット７に縦方向に伝達される荷重を減衰させるために非常に重要である。

さらに、ダンパーエレメント１４は、ハブ２によりピボット７に横方向に伝達される荷重を減衰することに寄与する。

ジョイント１は、閉鎖点検通路４４を具備するカバー４３を備え得、本明細書では説明しないが、そこに、ヒンジ１０の構成要素に作用する応力をモニタリングするように設計されるさまざまな種類のセンサを配することが可能である。

ヒンジ１０の構成要素は、図面では見ることができない適切なマンホールを通して、ハブ２の内部から点検することができる。

さらに、いずれの図面でも説明されないロードセルを、円形リングのセクター４０と対応するダンパーエレメント１４の間に挟むことができ、ここでロードセルは、ヒンジ１０の軸方向の力を制御するように設計される。

たとえ本明細書が、専ら風力タービンの分野におけるジョイントの使用に関係していても、それらが振動する仕様でハブにシャフトを接続する機能を担う限りは、本発明の対象であるデバイスは陸上及び水中の両方で異なる機械的接続手段にも取り付けることができるため、本願は、本発明の範囲に限定されるものとみなされるべきではない。

本発明は、他の変形実施形態に従って実施することができ、それら全ては、本明細書で主張する及び記載する発明の特徴の範囲内に属する。これらの技術的特性は、異なるが技術的に等価な構成要素及び材料によって与えることができ、発明は、それらが意図した使用に適合する限りは、任意の形状およびサイズで実施することができる。

特許請求の範囲及び明細書に付加される参照符号及び記号は、理解しやすいよう文章を明確にし、特定しようとする対象又は工程が適用される技術的範囲を限定することを意図した要素としてみなされてはならない。

Claims (13)

1. 風力タービンのローターシャフト（Ｓ）の振動接続のためのジョイント（１）であって、
   縦軸（Ｌ）を定め、縦方向に対向し、互いに位置合わせされる１組の穴（４）を有する箱形状のハブ（２）と、
   前記ローターシャフト（Ｓ）に接続されるように設計され、前記ハブ（２）の前記穴（４）を通り挿入されるように設計される１組の円筒ピボット（７）を有するシャフトヘッド（３）であって、前記ピボット（７）は、それぞれ、円筒外面（８）と横方向端縁（９）を有する、シャフトヘッド（３）と、
   前記１組の穴（４）に近接して設置され、前記ハブ（２）への前記ピボット（７）の振動接続を促す、１組のヒンジ（１０）と、
   を備え、
   前記ヒンジ（１０）は、
   対応するピボット（７）の前記外面（８）に据えられ、前記縦軸（Ｌ）に対してその軸方向の変位を可能にする、滑り軸受（１３）と、
   前記ピボット（７）の前記端縁（９）と作動可能に相互作用し、前記縦軸（Ｌ）に沿って及びその周囲において印加される振動を減衰させる、複数の弾性ダンパーエレメント（１４）と、
   一体アセンブリ（１６）を形成するために、前記複数の弾性ダンパーエレメント（１４）に前記滑り軸受（１３）を互いに接続するために設計される接続手段（１５）と、
   を備え、
   前記滑り軸受（１３）は、それぞれ、前記ピボット（７）の前記外面（８）上に挿入される第１の自己潤滑性ブッシュ（２４）と、前記第１の自己潤滑性ブッシュ（２４）上に摺動可能に据えられ、シート（２６）により端縁（９）にアンカー固定される、第２の自己潤滑性ブッシュ（２５）を備えることを特徴とする、ジョイント。
2. 前記接続手段（１５）は、前記ハブ（２）の前記穴（４）に挿入されるように設計され、前記少なくとも１つの滑り軸受（１３）のためのハウジング（１８）を定める、円筒形の縦部（１７）を備え、前記縦部（１７）は、第１接続ねじ（１９）を有する環状リング（２１）により前記ハブ（２）に連結される、請求項１に記載のジョイント。
3. 前記接続手段（１５）は、前記縦部（１７）に連結され、各ピボット（７）の前記端縁（９）と接触する、横方向のリング（２２）を備え、前記横方向のリング（２２）は、前記複数の弾性ダンパーエレメント（１４）を収容するために設計される、請求項２に記載のジョイント。
4. 前記第１の自己潤滑性ブッシュ（２４）及び第２の自己潤滑性ブッシュ（２５）は、それぞれ、内部球形摺動面（２８、２９）を有する、請求項１に記載のジョイント。
5. 前記シート（２６）は、前記接続手段（１５）の前記縦部（１７）に接続されることを特徴とする、請求項２に記載のジョイント。
6. 前記シート（２６）は、前記第２の自己潤滑性ブッシュ（２５）の外面（３２）と接触するコーン形状壁（３１）を有し、前記シート（２６）は、前記ハブ（２）に対する前記第２の自己潤滑性ブッシュ（２５）の位置決めを選択的に妨害するように縦方向に調整可能である、請求項５に記載のジョイント。
7. 前記内部球形摺動面（２８、２９）と、前記前記第１の自己潤滑性ブッシュ及び前記第２の自己潤滑性ブッシュ（２４、２５）の外面（３０、３２）の間に潤滑液の制御された分布を促すために、潤滑手段が具備される、請求項４に記載のジョイント。
8. １組の弾性シール（３３）が具備され、前記弾性シール（３３）は、各滑り軸受（１３）の端に設置され、前記滑り軸受（１３）の表面から垂れる過剰な潤滑液を回収する、請求項７に記載のジョイント。
9. 前記複数の弾性ダンパーエレメント（１４）は、それぞれ、１組の端金属プレート（３４）を備え、エラストマ層（３６）と互い違いの金属層（３５）は、１組の端金属プレート（３４）の間に置かれ、前記金属層（３５）及び前記エラストマ層（３６）は、所定の伸長軸（Ｘ）に沿って重なる、請求項３に記載のジョイント。
10. 前記複数の弾性ダンパーエレメント（１４）は、前記縦軸（Ｌ）に平行なその伸長軸（Ｘ）での前記横方向のリング（２２）の広がりに沿って配置される、請求項９に記載のジョイント。
11. 前記横方向のリング（２２）は、外面（３７）を有し、
    前記複数の弾性ダンパーエレメント（１４）の各々は、前記横方向のリング（２２）の前記外面（３７）に形成される対応する凹部に収容され、各ダンパー部材（１４）の端プレート（３４）は、第２接続ねじ（３８）又は同様の接続手段により、前記横方向のリング（２２）の前記外面（３７）にアンカー固定される、請求項１０に記載のジョイント。
12. 前記複数の弾性ダンパーエレメント（１４）の各々の他端プレート（３４）は、第３接続ねじ（３９）又は同様の接続手段により対応する円形リングセクター（４０）にアンカー固定され、前記円形リングセクター（４０）は、次に、第４接続ねじ（４１）により前記ヒンジ（１０）の前記縦部（１７）に連結される、請求項１１に記載のジョイント。
13. 環状スペーサ（４２）が具備され、前記スペーサ（４２）は、所定の厚さ（ｓ）を有し、前記円形リングセクター（４０）と前記縦部（１７）の間に挟まれ、前記エラストマ層（３６）が第４接続ねじ（４１）により与圧されるとき、前記複数の弾性ダンパーエレメント（１４）の前記エラストマ層（３６）の軸方向の与圧を促す、請求項１２に記載のジョイント。

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