JPH03502594A - タービンの回転スピードを一定に維持する規制装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 タービンの回転スピードを一定に維持する規制装置本発明は、タービンの回転ス ピードを一定に維持する規制装置に関し、特に、特許請求の範囲の前文に記載さ れた形式の風力タービンに関する。

スウェーデン特許明細書第３８７，１６１号及び第４２６．０９１弓には、下限 風力から上限風力まで風力タービンの回転スピードを一定に維持することが可能 なことが開示されている。この回転スピードは、風力によって自動的に作動する 規制装置により再度減少される。

この従来のスピード規制装置は、タービンのシャフトから半径方向外方に伸延す る複数個のタービンブレードを有しかつ１つのタービンハブの長手軸線の周りで 回転し得るようにトーションスプリングによりタービンハブに軸連結された風力 タービンにとってａ用である。タービンブレードは、前記ハブから半径方向外方 に伸延して取付けられたベアリングスリーブに回転自在に載置されている。この 装置は、ブレードプロフィルの中央弦の曲りや、トルクや、前記トーションスプ リングの弾性に対抗し長手方向軸の周りのブレード上の傾きモーメントにより、 ブレード上に風力が作用するようになっている。前記トーションスプリングは、 ハブに対し半径方向に離間された２つの支承体間に押圧されて設けられている。

この支承体の内の１つは、ベアリングスリーブ等の非調節部分に設けられ、他方 はブレ−ドに連結されている。トーションスプリングは、その弾性力のために、 ブレードとベアリングスリーブとの間で弾性トルクを生じ、タービンブレードに 風力により生じたトルクと、前記弾撥されたトーションスプリングの弾性トルク とがバランスしている。

実隙上、この装置は、有効に作用することが判明しているが、ある場合には問題 があり、これが本発明が解決する目的である。

これら問題の１つは、風がタービンブレードに傾斜して当り、互いに極端に角変 位して不均一な回転となり、タービンの負荷が必然的に増大して傾きが増大する という問題である。他の問題は、例えば重大な曲面に直面したときタービンを停 止させるために意識的に操作してタービンブレードをフェザリングすることがあ るが、これが不可能となることである。第３の問題は、タービンが始動した後に はトーションスプリング相互の弾撥力の再調整が難しいことである。第４の問題 は、より一層のスピード規制や停止機・能を達成するために、ある角度範囲内で スプリングのトーショントルクを調節したいという要求に応じることが困難なこ とである。

本発明は、コストの増大なく、ブレード軸上の曲げモーメントの減少を許容し、 ハブ中心においてブレード相互間の同期を行なう装置のための幾何学的でかつ空 間的な改善を行なうという目的を有している。

この目的は、特許請求の範囲１、最適実施例並びに特許請求の範囲２〜１５に述 べられた特徴を備えた本発明の規制装置により成遂られる。

以下、本発明の一実施例を図面を参照しつつ説明する。

第１図は、タービンシャフトの方向から見たタービンの部分的断面図で、ある部 分を取外した状態で、ハブ中心においてブレード相互間の本発明に係る規制と同 期を行なう装置を示している。

第２図は、第１図のＡ−Ａ線に沿う断面図、第３図は、第２図におけるＢ−Ｂ線 に沿う断面図、第４，５図は、タービンブレードのフェザリングに対応して一部 外方に角度的に曲げられた位置の第２，３図に関連する規制装置を示し、 第６図は、ブツシュロッドとワイヤにより回動し得る前記同期装置の他の実施例 を示す斜視図、第７図は、タービンブレードに作用する捩れリードが、・　　各 ブレードに共通しかつブレードに角変位を生じさせるための作動装置に直接作用 するスプリング手段により提供される変形例を示し、 第８図は、非常に狭いスピードレンジが要求される場合、例えば、メインに直接 ジェネレータを連結する場合に、スプリング荷重されたモーメントアームを介し て傾きモーメントを作用させることにより、駆動軸のトルクを感知したり、限定 する装置が補充された第１〜７図に示すタービンの実施例を示す斜視図である。

第１図に部分的に示されているタービンは、駆動軸１によって発電機のような負 荷を駆動するための風力タービンとして使用される。複数あるタービンブレード （図には１つのブレード２の内部のみが示されている）は、それぞれ規制装置に よりタービンハブ３に回転可能に連結されている。この規制装置は、管体７内に 同軸的に取付けられたトーションスプリング８を有し、この管体７は、その半径 方向外方端にそれぞれタービンブレード２が連結され、中空のブレード基部５を 挿通して軸方向に伸延している。この中空のブレード基部５は、前記管体７のハ ウジングとして機能するもので、１つ又はそれ以上のベアリングによりブレード シャフト２゛に回転自在に載置されている。ブレード基部５は、その半径方向内 端では、ハブ３に固定的にあるいは枢動可能に（例えばこの明細書に引き続いて 記載される実施例のもの）に連結されている。

前記ハウジング（ブレード基部）５と管体７は、トーションスプリング８によっ て軸方向に一緒に支持されている。

このトーションスプリング８は、ハウジング５内に設けられている。そして、実 施例として示されているものはリーフスプリング形式のものである。このスプリ ング８は、半径方向外端でスプリングアタッチメント１２によりブレードシャフ ト７′に固定的に連結されている。ブレードシャフトの一部を構成する管体７は 半径方向内端にスプリングアタッチメント１１が嵌合されている。このスプリン グアタッチメント１１は、前記ハブ側から簡単に手を近づけ易いヘッド１１′を 有し、道具を用いてスプリング８の弾撥力を調整することができ、ロックナツト ２４あるいは同様の手段でハウジング５の半径方向の内端からの突部５”の端部 に対して係止される。規制装置はここまでの記載に関する限り、スウェーデン特 許明細書３８７．１６１と４２６．１９１に開示された規制装置と了解され、ま た、公知の規制装置であり、前記スプリング８は、ブレード２とハブ３との間の トルク伝達手段である。このスプリング８の弾撥力は、タービンシャフトの回転 スピードを基本的にセットするものである。

このタービンブレードはスウェーデン特許明細書３８７１６１に記載されている ようなブレードプロフィルを持っている。これは、風力の中心の周りの実質的に 独立のものであるノイズ低減モーメントや傾きモーメントと密接な関係を有する かあるいは風がそこに当るときにブレードに作用する揚力と密接な関係を持って いる。このブレードは前記２つの部分５と７の共通の長手軸線に関連して設けら れているので、トーションスプリング８の作用に対抗してブレードに作用する風 力はブレードの回転軸線２′の周りに作用するモーメントを向上させる（第１図 ）。このモーメントは、前記部分５と７の共通長手軸線と一致する軸の周りでブ レードを回転させる。

」を記記載された特許明細書中の第１図に示す実施例では、タービンブレードの 軸線２−間は回転可能に連結されてい”はいない。しかし、第１．２．４及び６ 図に示されている本件発明の実施例では、幾何学的なブレードの軸線２′の周り のブレード２相互の角度位置はクランクアームとリンク機構９，１０．１４によ り同期的に等しくなるように維持されている。このリンク機構９，１０．１４は 各ブレードの軸線２′の半径方向内端に載置されたクランクアーム９、リンクア ーム１０及び共通の同期手段１４を灯している。各リンクアーム１０はクランク アーム９に関する一端で間接連結されかつその他端て同期手段１４の他端と間接 連結されている。この同期手段１４は、複数のブレードの回転がそれらの長手軸 線あるいは幾何学的な回転軸線２゛の周りで同じになるようにするために設けら れている。この目的のために、優れた実施例中の同期手段は、共通の中心から対 照的に突出したアーム１４から構成され、そし、てそれらの半径方向内端て互い に固く連結されている。すなわち一体的なユニットとして構成されている。この 中心部分では、前記同期アーム１４は、このアーム１４の長手軸線に対しほぼ直 角に伸延している共通の幾何学的軸線４′に対し回動可能に支持されている。図 示実施例では、幾何学的な軸線４″は、中空駆動軸１を種油して同軸的に伸延し 、かつ同期手段１４が外端部分で支持されているロッド４の長手軸線である。２ つのブレード２の回転を同期させるために、同期手段１４は２つのアームを白− するヨーク形式とすることができる。クランクアームとリンクアーム機構の構成 に基づき同期手段はそれぞれ幾何学的な軸線４″の周り及びそれに沿って回転可 能及び／又は変位可能に設けられ得る。第１〜５図に示す実施例において、同期 手段１４は、ロッド４とともに変位可能である。この場合、このロッド４は、駆 動軸１内で変位及び任意に回動可能に設けられている。第６図に示す実施例では 、同期手段１４は駆動軸１等に回動可能に設けられ、ロッド４は駆動軸１内に変 位可能にのみ載置されていることが必要である。

ブレード２の基本的なセット位置では、同期手段１４あるいは任意のロッド４は 支承体上に支持されている。第２及び４図において、この支承体は弾性を有する 衝撃吸収リング１５の形式であり、このリング１５はロッド１４及び／又は同期 手段１４に嵌合されかつ駆動軸１に連結された支持部１３と共動するようになっ ている。前記同期手段の衝撃吸収リング１５からの離間あるいは係合は、スプリ ングの弾撥力や前記タービンブレード２に作用する風力モーメントと密接な関連 を有する力に基づいている。このように本発明では、ハブ中心から簡単に手を近 づけることができる中心位置に唯一の支承体を設けているため、支承体の数を減 少させることができる。

動作を伝達するための機構９，１０．１４では、タービンブレード個々の回転動 作を許容するため、弾性体あるいは他のｔ　Ｆｉｒ手段として、１つのタービン ブレードから他のものに回転動作を伝達する例えばリンクアーム１−０等のよう なものを設計することができる。

風力がある出発口から増大するとき、タービンブレードはその風力やブレードの 大きさや形状によって決定されるトルクにより長手軸線２′の周りで回転される が、ここで重要なファクターはブレードの中央弦の曲り具合である。

風力の増加による幾何学的な軸線２′の周りのブレードの回転は弾撥されたスプ リング８からの弾性トルクの作用を受ける。タービンブレード２及びスプリング ８のモーメントの特性は、選択し得るので、タービンの回転スピードは前記風力 の出発量を越え、かなり高い風力量になるまで実質的に一定に維持され、これを 越えた点では、タービンの回転スピードが再び減少しはじめる。これは、前記出 発量以−１−のタービンブレードの風力モーメントがトーショントルクより急速 に増加するからである。これは」二記記載の特許明細書３８７．１６１号に記載 されている。

第１．２図に示し及び上記記載から明らかなように、本発明によりトーションス プリング８は簡単に手の届くスプリングアタッチメントであるねじ１１．１１” により加圧されあるいは捩ることができる。そしてナツト２４によりロック位置 に固定することができる。図示しないが他の実施例としては、トーションスプリ ング８に捩りを加えるものも加えないものも考えられる。例えばリモートコント ロール手段等により、タービンの始動や停止を行ないたいときの始動動作あるい は停止動作を達成する場合である。タービンが始動しはじめるとき、前記記載さ れたように、望ましい回転スピードにセットすることが可能となる。

第４．５図には、基本的なセット位置（第３図に示す）からややフェザリングさ れた位置（第５図に示す）まで回転した状態のタービンブレードが示され、極端 な風力のときには、タービンブレードの風力モーメントがトーションスプリング の作用にさからってブレードを回転するか又は同期ヨーク１４が支承体１３から 離れ、ブツシュロッド４の長手方向軸線の方向に変位することにより外的力１６ がそうするかのいずれかが可能となる。この装置は、トーションスプリング８の 作用にさからってタービンブレードが回転するように、外的力により同期ヨーク １４、リンクアーム１０及びクランクアーム９が作動してロッド４を変位させる ことも可能であり、また活発な内的影響力を与えることによってもタービンを簡 単に停止させることもできる。

この場合、ねじ１１．１１．、”、つまりスプリングアタッチメントはタービン の始動や停止させる手段としては使用されない。

さらに、一層明確な停止機能を発揮させるため、つまり極度に高い風力があると きにタービンを停止させる場合に、発展的な手段、つまり非直線的な方向にター ビンブレードの空力モーメントが作用する方向あるいはこれにさからう方向にト ーンョントルクを作用させる、例えば、第５図のみに示されているハウジング５ とクランクアーム９との間に追加スプリングを設けてもよい。

第６図には、他の実施例が示されている。この実施例は同期ヨーク１４がタービ ン駆動軸１の周りに実質的に回転可能に載置されている。しかし、リンクアーム １０とクランクアーム９のために上記記載の方法と同様な方法でブレードシャフ ト２′に連結されている。この場合において、タービンはロッド４による外的力 １６によって停止され得る。この場合、前記ロッド４は同期ヨーク１６に固定的 に連結されてはおらず、ワイヤ１８の外端でプーリ１９によってクランクアーム ９に力を伝達するように連結されている。当然リモートコントロールされる規制 手段によりクランクアーム９を介しであるいは介さずに直接にブレードシャフト を回転させることもできる。

当初記載の特許明細書では、バタバタするフラッピング動作は、ブレード基部の 弾性部分によって可能にさせており、そして特許明細書４２６．０９１では、第 ６図に示す、いわゆるバタバタする間接部を持った実施例を示している。

しかしながら、この間接部では動きの規制がハブ部分に対して弾性的な支承体に よって行なわれている。

本発明によれば、幾何学的な回転軸線２′の周りてのブレード２の回転が、ブレ ードでのフラッピング軸線１７の周りのハブ３に対するブレードのフラッピング 動作と旨く適合している。そして、ブレードと一緒には回転しないブレード基部 ５に対して回転し、フラッピング軸線１７の周りである限定された範囲内での枢 動運動とフラッピングを達成するように、ハブ３に回動可能に連結されている。

この可能な枢動運動とフラッピング運動は、動作限定支承体２１間のハブの中空 部分に伸延したフラッピング用のベアリングサポートアーム２２によって限定さ れる。

上述したことから明らかなように、ブレードの回転軸線２′の周りで、ブレード の角動作と角度変位の同期、すなわち一致が簡単な手段で関連して成遂られる。

この簡単な手段とはつまりクランク９からなるリンク機構である。このクランク アーム９は、回転し得るブレード部分に連結され、そしてリンクアーム１０はク ランクアーム９に連結され、かつ力伝達手段あるいは力分配手段１４にヒンジ的 に連結されている。この力分配手段１４は、リンク機構の中央に設けられている 。そして、２つのタービンブレードのために示された実施ρ１ｊは２つのアーム をもったヨークの形式を持っている。さらに明らかにすれば、これら力及び動作 伝達手段は１つの部材（ロッド）４に前記手段１４を介して作用する。これは第 ４及び６図に示す矢印１６の方向に外的力が存在としていることを条件とする。

しかしながら、それ自身は、ｊ風力にさからうリンク機構を介し、てタービンブ レード回転させるためと、タービンをより簡単に停止させるような大きさまでブ １ノー　ドをフェザリングさせるためと、あるいは高い風力があるときに調節を 行なうための力分配手段１４に作用する手段を構成している。

矢印１６の方向で示す外的力は、図示しない作動手段によって提供される。この 作動手段は、選択されるパラメータ（つまり風力、一般的なトルク、時間等）と は独立に、例えば電気的に規制される。または何か適当なタイプの装置によって 手動により動作させる規制することもできる。

第７図に示されているような、タービンブレードを加圧するためのスプリング装 置、ここには１つのブレード軸線２゛のみが示されているが、これはアクチュエ ータ手段（ロッド）４に設けられたヘリカルスプリング８−からなる。そして、 作動装置４上の軸方向調節可能な適当な支承体１１′とタービンシャフト１上の 支承体２７′との間に介装される。この実施例では、第２図に示したタイプのト ーションスプリングやあるいは上記記載されたような予めセットされるトーショ ンスプリングのような構成ではないが、第７図に示す実施例は第２図に示すもの と対応する他の方法である。

第７図から明らかなように、パワフルなスプリング８′は、作動手段（ロッド） ４によって前記装置に作用している。これは、タービンの回転軸線２−の周りで タービン２の角度動作及び角度変位を一致させるためのものである。

つまり、このスプリングは、この作動手段に作用し、そしてこの作動手段４を介 して力伝達手段１４に作用し、そしてリンクアーム１０を介してブレードシャフ ト２′に作用ブレードに作用するスプリング装置、つまり第１〜６図に示すトー ションスプリング８及び第７図に示すヘリカルスプリング８は、上記記載や図示 の本発明概念から離れることなくいくつかの方法で変形し得る。

第８図に示すモーメント感知装置は、駆動ヨーク３０が固着された駆動軸１を有 し、この駆動軸１の前端３１にはハブ３が回転可能に載置されている。これは各 タービンブレード２に対し１つづつある２つの動作アーム３２は、各リンクアー ム３３の連結点３４及び３５で駆動ヨーク３０と連結されている。そして連結点 ３６でハブ３は孔３８内にそれぞれビン３７によって取付けられている。２つの 加圧されたスプリング３９はその端部がハブの脚部４０と共動するモーメントア ーム３２の外端部とに連結され°Ｃいる。

可撓な線状をした２つの駆動部４２は、それらの端部が各モーメントアーム３２ と各クランクアーム９に連結されている。図示実施例では、クランクアーム９は 各駆動部４２の一端４２に突出した連結点４３を有している。

第８図から明らかなように、駆動軸１に回転自在に載置されたハブ３からの駆動 力は、連結点３６を介してベアリングとなるビン３７及び孔３８の点で各モーメ ントアーム３２に伝達される。連結点３５及び３６間の各短いレバーアームは、 それぞれ大きな駆動力を、端部４１でモーメントアーム３２と連結された抑圧ス プリング３９の連結点で小さな力に減じるようになっている。

第８図から明らかなように、スプリング３９は、モーメントアーム３２の端部に 作用した力が、スプリングの弾撥力を越えるとき、伸ばされるが、これは、望ま しい最高の駆動モーメントが達成されたときに生じる。図示の場合では、モーメ ントアーム３２が、傾き軸線２′上のクランクアーム９の連結点４３で駆動部４ ２を介して作用するとき、タービンブレード２は減少した駆動モーメントの方向 に向って回転することができる。

国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．タービンのハブと、 このハブに軸的に支持されて回転自在に連結されかつ所定の形状を有し、流体中 に設けられ、タービンの回転軸の周りに作用するトルクを前記タービンのハブに 作用させ、かつタービンシャフトに対し実質的に直角をなす長手方向の幾何学的 回転軸線（２′）の周りでタービンブレードを回転させるスプリング装置（８， ８′）によりトルクを作用させるように構成したタービンブレードと、前記流体 に関連するタービンブレード上のトルクとは逆の回転方向に各タービンブレード を作動させるためのトルクを生じさせるための前記スプリング装置（８，８′） を加圧する手段（１１，１１′）を有し、前記幾何学的回転軸線（２′）の周り で回転し、スタート時から望ましい最高のタービンスピード時まで流体中でター ビンブレードに傾きモーメントに対応する力を付与する規制装置とを有し、前記 傾きモーメントの大きさは、実質的にブレードのプロフィルと前記流体が当ると きにブレードに実質的に独立に生じる揚力とによって決定されるタービンの回転 スピードを一定に維持する規制装置において、前記規制装置は、作動手段により 作動されかつ前記ハブ（３）に対し可動に支持されたもので、各タービンブレー ド（２）に連結されたクランクアーム（９）を有するリンク機構によって前記タ ービンブレード（２）と連結されているブレードの回転軸線（２′）の周りでタ ービンブレード（２）の角動作と角変位とを一致させるための力伝達手段（１４ ）と、 各タービンブレードは、前記回転軸線（２′）の周りで回転するとき、他のター ビンブレードあるいは、もし２つ以上のタービンブレードがあれば、タービンブ レードの共通の力伝達手段（１４）及び前記リンク機構を介して他のタービンブ レードの対応回転を成遂げるように作用するようにした装置とを有し、 この装置は、さらに、全てのタービンブレードが、それらの幾何学的回転軸線（ ２′）の周りで、前記作動手段により加えられ力あるいは前記共通の力伝達手段 （１４）及び前記リンク機構を介してタービンブレードに作動される力等により 相互に関連して実質的に等しい角変位の状態で回転し得るようにしたことを特徴 とするタービンの回転スピードを一定に維持する規制装置。 ２．請求項１に記載の装置において、支承体は、前記ハブに対して回転自在に設 けられた力伝達手段（１４）によって支持された弾性部材（１５）と、この弾性 部材（１５）と共動するように設けられかつ前記力伝達手段（１４）を介して前 記スプリング装置（８）からの反力を作用させるように前記タービンハブ（３） に対し固定的に支持した弾性部材（１３）とを有することを特徴とする。 ３．請求項１に記載の装置において、前記作動手段は、前記力伝達手段（１４） 及びリンク機構を介してタービンブレードの回転を許容するように、前記タービ ンハブ（３）に対し同軸的に変位可能あるいは回動可能であるロッド形状あるい は管体（４）である。 ４．前記いずれか１つの請求項に記載の装置において、前記力伝達手段は、２つ あるいは多数のアーム形式の力伝達ヨーク（１４）を有し、この多数のアームは 、多数のタービンブレードに対応しかつ前記作動手段（４）によりその中心で支 持されていることを特徴とする。 ５．前記いずれか１つの請求項に記載の装置において、前記各タービンブレード （２）用のスプリング装置は、調節可能なスプリングアタッチメントにより前記 ハブ（３）に連結され、例えば、セットスクリュー（１１）あるいはこれと同様 の手段の形式であり、かつロック装置、例えばロックナット（２４）により望ま しいセット位置に係止されていることを特徴とする。 ６．前記いずれか１つの請求項に記載の装置において、前記リンク機構及びター ビンブレード間の分配力を伝達するための力伝達手段は、前記ハブ（３）とター ビンブレードとを連結するフラッピング軸線（１７）と実質的に一致する回転平 面に回転可能に設けられていることを特徴とする。 ７．前記いずれか１つの請求項に記載の装置は、前記ブレードシャフト上の曲げ モーメントを増加し、力分配手段、幾何学的回転軸線（２′）、フラッピング軸 線（１７）及び異なる平面内に設けられたタービンブレードの駆動軸（１）のた め大きなスペースと幾何学的改善を達成するものである。 ８．前記いずれか１つの請求項に記載の装置において、前記クランクアームは、 弾性を有するリンクアーム（１０）により力伝達手段（１４）に連結されている ことを特徴とする。 ９．前記いずれか１つの請求項に記載の装置において、前記スプリング装置（８ ）に発展的モーメントを分配するための弾性手段（２５）は、クランクアーム（ ９）若しくは同期手段（１４）と、前記ハブ若しくはハブに連結された部分（５ ）との間に作用するように設けられたことを特徴とする。 １０．前記いずれか１つの請求項に記載の装置において、前記リンクアーム（１ ０）は、前記力伝達手段から半径方向に突出する力分配アーム（１４）に、ター ビンの回転平面に対し平行で最後に記載のアームの半径方向に対し実質的に直角 になるようにしたシャフト（２６）により連結されていることを特徴とする。 １１．前記いずれか１つの請求項に記載の装置において、前記各リンクアーム（ １０）の少なくとも一部は、対応する前記力分配アーム（１４）に沿う方向で弾 性的に変位可能であることを特徴とする。 １２．前記いずれか１つの請求項に記載の装置において、少なくとも１つのフラ ッピングベアリング支持アーム（２２）は、前記ハブ（３）にブレード基部（５ ′）を連結し、かつ前記ハブ（３）に連結される２つの動作限界支承体（２１） 間にフラッピング軸（１７）を挿通して伸延したことを特徴とする。 １３．前記いずれか１つの請求項に記載の装置において、前記ハブ（３）は、相 互の捩りがモーメント感知装置（３０−４４）を介しての捩りに対応する傾きシ ャフト（２′）に作用するように駆動軸（１）に弾性をもって回転自在に連結さ れたことを特徴とする。 １４．前記請求項１３に記載の装置において、前記モーメント感知装置は、前記 駆動軸（１）に固定的に取付けられた駆動ヨーク（３０）と、リンクアーム（３ ３）を介して前記ヨーク及びハブ（３）に連結されたモーメントアーム（３２） と、前記各モーメントアーム（３２）及び各クランクアーム（９）に連結された 駆動部（４２）とを有していることを特徴とする。 １５．前記請求項１４に記載の装置において、抑圧スプリング（３９）は、前記 ハブと前記各モーメントアーム（３２）に対し、それらの端部で連結されたこと を特徴とする。