JPH10504366A - 多単位回転羽根システム集積化風力タービン - Google Patents

多単位回転羽根システム集積化風力タービン

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Abstract

(57)【要約】 該風力タービンは、結合されたベベル−遊星ギア組立体の前端に配置されている風上側の補助回転羽根タービンと、風下側の主回転羽根タービンで構成されている一セットのプロペラ型の風力収集回転タービンを有する。これらの回転羽根は相互に逆方向に回転し、且っ軸棒は、主タービンが、補助回転羽根の運動によって作り出されるいかなる気体力学的な風の通り跡(wake)乱流効果を受けることなく、通常風速により作動されることを可能とする。超大型の集積された多単位回転羽根風力タービンは、一つの風下側補助ロータタービンと、該補助タービン羽根の半径と同じ長さの軸棒上に中央の枢軸的ロータハブの回りに均等に配置された三つの風上側ロータタービンユニットで構成される四セットの風力収集回転羽根タービンを有する。上記記述された風力タービンには、マイクロプロセッサのピッチ制御システムが設けられており、これにより高効率動作を達成し、且つ台風制御のために失速する。

Description

【発明の詳細な説明】多単位回転羽根システム集積化風力タービン 技術分野 本発明は、自然の風のエネルギーを、入力回転数の速度を高度に効率的な集積 ベベル−遊星ギアボックスにおいて増加させ、及びプロペラ型風車発電機を用い た多単位回転羽根システムによって、電気エネルギーに変換する。背景技術 風は、人類により利用されるエネルギーのうち最も古い形の一つである。環境 にやさしいエネルギー源に対する桁はずれの需要の増大、更には増大する化石燃 料不足に伴い、代替エネルギー源の開発が刺激されている。この同じ環境におい て、風力変換システムはより効率的，且つ競争力を持ったものとなりつつあり、 商業的利用に十分な量の電気エネルギーを発生させている。しかしながら、世界 的なクリーンエネルギーの必要に応じるために、風により発生される電気エネル ギーの製造への新しいアプローチを採用する必要があろう。 風力エネルギー変換システムの開発者には二つの主要な難題がある：総合的な エネルギー変換効率及び風速と風向きのゆらぎである。風力エネルギーのより低 い可能な電力出力は、もし実質的な量の電力が発生されるべきであるなら進歩し た変換システムは相当なサイズのものとならざるを得ないことを強いるものであ る。 上記の事情を考慮に入れると、本発明は、韓国特許登録第0575858 号及び米国 特許登録第5222924 号において特許された先行技術に基づいているものより効率 的且つ改良されたシステムを供給している。 実地試験の後、風力タービンシステム[図15]における先行技術の主及び補助回 転羽根の相互逆回転には、幾らかの改良が必要であるということが明らかになっ ている。例えば、主回転羽根は風上位置において前に配置される一方、補助回転 羽根は風下の位置に尾として機能するよう取り付けられ、風力タービンが風向 きが変化にするときに風に向かうようになっている。しかしながら、主回転羽根 の風上の位置は羽根の先端と塔との間の狭い空間のために、半径の制限を作って いた。風が強く吹き、回転羽根は塔に向かって曲がり、最後には塔に接触し、長 い羽根ほどより容易に曲がってしまう。そしてまた回転先端速度（周速）は、羽 根の半径の長さに課された制約に関して、制限される。 改良を要する第二の構造的形状の欠陥は、ベベル−遊星ギアボックスである。 これらの部分は上側ベベルギア部及び下側遊星ギア部に分かれている。 この設計には、複雑な潤滑システムだけでなく、動作的，及び機械的効率を抑 制する余分部品を必要とする。発明の開示 本発明は、一つの補助的な、これらの回転羽根が逆回転関係にある風上側回転 羽根と、一つの風下側主回転羽根を有する改良された風力タービンで構成されて いるということにおいて先行技術と区別される。それぞれ、風上側補助回転羽根 は結合されたベベル−遊星ギアボックスの前に配置され、風下側回転羽根はその 後ろに据え付けられている。 補助回転羽根の半径は、軸棒と主回転羽根の半径の結合された長さの半分であ る。主及び補助の回転羽根の二つの回転速度は、風速の変化に依存しない最適の 周速比に達する同一の周速比（λ=V1/V0，V0：風速m/秒，V1：回転羽根の周速m/ 秒）を有する。結合されたベベル−遊星ギア装置の特別な特徴の一つは、補助及 び主ロータータービンの二つの別々の水平入力回転力が、ギアボックスのすぐ下 に配置されている垂直に位置する発電機に伝達される単一のより高い回転力に変 換されることである。 従って、本発明の第一の目的は、二つの回転力を塔の頂点に配置された風力タ ービンの使用を通して、電気エネルギーを発生するよう、一つに変換することの できる，改良された非常に剛性があり且つコンパクトな、結合されたベベル−遊 星ギア組立体を与えることであり；且つ、その二つの水平な，相互逆回転する入 力軸から生産されたエネルギーが、それらが集積されている結合されたベベル− 遊星ギアボックスに入り、且つその後発電機の垂直ローター軸に伝達される，ギ アボックスに垂直に配置された発電機システムを備えることである。 本発明のさらなる目的は、ロータハブから主回転羽根留め具に至るまでの、補 助回転羽根の半径と同じ長さの軸棒を設けることを通して、弱められた風の流れ の速度のような気体力学的な風の通り跡(wake)乱流効果を避けることである。風 は、補助ロータタービンの風の通り跡(wake)により邪魔されることなく、自然風 速だけにより主ロータを作動させながら、補助ロータを通り抜ける。 本発明の第三の目的は、補助回転及び主回転羽根の両方によりつくりだされる 風の壁を含むことを通して風力タービンロータによってスイープされる、より大 きな領域を与えることである。 本発明の第四の目的は、アメリカの複合羽の低速度，高トルク風力タービン及 びデンマークの高速度，低トルク風力タービンの結合と同様に、高回転速度でだ けでなく高トルクで機能するこの混成の風力タービンシステムを利用することで ある。 さらに、そのシステムは全方向性である、即ち二つのロータタービンシステム の物理的構造の好ましい実施態様はいかなる方向からも風を受け入れるよう自動 調整を達成するので、軸回り振動(yaw)制御システムが必要ないという事実から 数多くの利点が得られる。 また、可変速動作は、この風力エネルギー変換システムが風速の変化に最大効 率で自動的に調整することを意味する。その結果、ロータ速度、羽根ピッチ及び 最適周速比は最善の性能を得るよう自動的に調整されることとなる。 電子的ピッチ制御アクチュエータの機能は、風速度がそのシステムの安全動作 に必要なレベルを越えるとき、発電機を不活性とするために回転羽根を回転させ る失速(stall)レギュレータ／台風制御装置として動作することである。 これは、必要な時に緊急失速を始動させるための割り込み動作には理想的な解 決策であり、それは、システムに対する応力が機械摩擦制動システムにおける力 による失速により作り出されることを避けるため、従来の制動システムより優れ ているものである。 本発明の主な目的は、集積された複合型回転羽根風力タービンシステムからな る進歩した超大型風力変換システムを供給することである。従来の大型風力ター ビンシステムは、幾つかの技術的な弱点を持っていることはよく知られている。 第一はロータの直径の制限である。一般的な気体力学理論によると、発電機の出 力は羽根のスイープ面積の二乗に比例する。 しかしながら、秒速60メートル以上でないという，周速の制限は、強められた 抗力の効果及び増加した騒音公害のために避けられないものであった。回転羽根 の半径の長さはまた、気体力学的にバランスのとれたより長い羽根を製造するに おける困難性により制限されていた。 これらの障害を最小限にするため、本発明は超大型風力機を作るため複合型回 転羽根システムを集積化する。 図10に示されるように、それは、その各々がその頂点に位置する回転羽根ユニ ットを持つ，主ロータハブの回りを回転する三つの軸棒の使用を通して、達成さ れる。個々のロータは時計方向に回転し、一方組立体ユニットの全体は反時計方 向に回転し、個々の回転羽根ユニットによりつくり出される外側の運動速度を効 果的にキャンセルする。図面の簡単な説明 本発明の側面、用途及び利点は、添付の図面の以下の詳細な記述を通してより 理解するにつれて、さらに高く評価されるであろう： 図1(A)は本発明の正面図であり：図1(B)は本発明の側面図である。 図2 は本発明の結合されたベベル−遊星ギアボックス組立体の断面図である。 図3 は図2 の詳細断面図である。 図4 は図2 に示されるベベル−遊星ギアボックス組立体のA-A 線に沿った断面 図である。 図5 は図2 に示されるベベル−遊星ギアボックス組立体のB-B 線に沿った断面 図である。 図6 は図2 に示されるベベル−遊星ギアボックス組立体のC-C 線に沿った断面 図である。 図7 は図2 に示されるベベル−遊星ギアボックス組立体のD-D 線に沿った断面 図である。 図8 は図 2のE 部分の拡大図である。 図9 は本発明の結合されたベベル−遊星ギアボックス組立体の別の機能的実施 態様の断面図である。 図10は本発明の超大型，集積化，複合回転羽根風力タービンの側面図である。 図11は図10の正面図である。 図12は図9 に導入された回転羽根システムの物理的構造の断面図である。 図13は図12で示される主ユニットタービンの断面図である。 図14は図12で示される主ユニットの断面図である。 図15は先行技術である従来の風力タービンの側面図である。発明を実施するための最良の形態 本発明の好ましい設計図、即ち図1(A)，図1(B)及び図2 に示されるように、集 積された複合回転羽根システムの詳細に関して、以下のように構成されている： ロータタービン(100)に装着された主回転羽根(110)と、 ロータタービン(201)に装着された補助回転羽根(210)と、 結合されたベベル−遊星ギア組立体(300)と、 ロータタービン(100)上の主回転羽根(110)のためのピッチ調節アクチュエータ (120)と、 主回転羽根(110)の差動ギア部(130)と、 ロータタービン(200)上の補助回転羽根(201)のためのピッチ調節アクチュエー タ(220)と、 結合されたベベル−遊星ギア組立体(300)から繋がっている垂直の出力軸(420) と、 ギアボックス組立体(300)の真下にある塔(400)内に搭載された垂直の発電装置 (410)である。 図1(B)に示されるように、ロータタービン(200)上の風上側補助回転羽根(210) はギア組立体(300)の後端上に配置された結合された軸棒と主回転羽根(110)の長 さの半分の半径を有し、同一の回転周速で主回転羽根(110)に対し逆回転する態 様で動作する。この構造によっていつもタービンを支配している風に向かわ せている。 補助ロータタービン(200)は、主ロータタービン(100)の約半分の大きさであり 、軸棒(211)によりロータタービン(200)に装着された三枚羽根のロータ(210)か らなり、主ロータタービン(100)の約２倍のスピードで回転する。主ロータター ビン(100)は、結合されたベベル−遊星ギア組立体(300)の主羽ロータタービンハ ブ組立体から主回転羽根(110)の留め具位置(anchor point)まで続いている軸棒( 111)を持つ三枚羽根の回転羽根(110)からなる。 主回転羽根(110)からの軸棒(111)の長さは、補助ロータタービン(200)の補助 回転羽根(210)の長さにほぼ等しい。このことにより主ロータタービン(100)は、 補助ロータタービン(200)により引き起こされる風の通り跡(wake)乱流効果なし に通常の風の条件において効果的に動作できる。 図3 に示されるように、結合されたベベル−遊星ギア組立体(300)は上側の水 平配置されたベベルギア(311)を含んでいる。 このギア(311)は、その反対部、下側ベベルギア(312)と向き合っている。複数 の三つの遊星ギア(323)がベベルギア(311)の内側面に取り付けられている。リン グギア(322)はベベルギア(312)の内側面に固定して設置されている。 遊星ギアスパイダは、ベベルギア(311)に取り付けられた遊星ギア(323)とベベ ルギア(312)に取り付けられたリングギア(322)とから構成される。同時に、上側 ベベルギア(311)及び下側ベベルギア(312)は、垂直に配置されたベベルギア(313 )及び(314)と噛合する関係において、垂直に設置されている。 ベベルギア(313)は、補助ロータタービン(200)から繋がっている入力回転軸棒 (230)の一端に固定されている。ベベルギア(314)は、主ロータタービン(100)の 入力回転軸棒(150)に固定されている。これらの両者は、上側(311)及び下側ベベ ルギア(312)と噛合する関係において、配置されている。 両ベベルギア(311)及び(312)は、主ロータタービン(100)の回転に応答し、そ れぞれ補助ロータタービン(200)の回転に反応するベベルギア(313)及び(314)か ら同一の速度で反対方向に回転する。 上記記述されたメカニズムに続いて、図3 及び図6 の両方を見てみると、遊星 ギアスパイダの中央に配置された太陽ギア(321)は、三つの遊星ギア(323)と噛 合関係において回転し、その三つの遊星ギアは各々の中枢軸で回転し、太陽ギア (321)の回りを回転する；一方、遊星ギア(323)と噛合関係にあるリングギア(322 )は、反対方向に回転する。 上述されているように、補助ロータタービン(200)及び主ロータタービン(100) のエネルギー入力は、一セットの遊星部；"T"型ギアボックス組立体において集 積されている，三つの遊星ギア(323)、リングギア(322)、太陽ギア(321),及び一 対の垂直ベベルギア(313),(314),一組みの水平ベベルギア(311),(312),で構成さ れるコンパクトなベベル−遊星ギア組立体(300)装置において結合されている。 さらに、水平位置に配置されている二つの低速入力回転軸棒は、垂直位置に配 置されている一つの高速出力回転軸と噛合されており、全ては一つのコンパクト ギアボックス内にある。 図3 及び図5 における詳細図に関して、図のように示された、主ロータタービ ン(100)の入力ロータハブは、入力差動ギア部(130)の好ましい実施態様であり［ 図3 参照］、理論的には、主ロータタービン(100)の入力速度からの回転数rpmを 、補助ロータータービン(200)の周速に調和するよう２倍にすることにより効率 を高めるものである。入力差動ギア部(130)は、フレーム(140)に装着された固定 された垂直ベベルギア(131)[図3 参照],及びタービン(100)の主回転羽根(110)［ 図1 参照］に結合された対向する垂直回転ベベルギア(133)で構成されている。 入力回転軸棒(150)[図3 参照］は、入力垂直ベベルギア(314)から三つの自転 するベベルギア(132)にまで延びている［図3 及び図5 参照］。主ロータタービ ン(100)の主回転羽根(110)の各軸棒(111)の一端を適合させている関連するベア リング(112)は、ベベルギア(133)と噛合して、固定されたベベルギア(131)の回 りを回転する。これは、補助ロータタービン(200)の速度を増加して主ロータタ ービン(100)の速度を2倍とし、両者のエネルギー入力がその後結合されたベベル −遊星ギア組立体(300)に与えられるように、入力回転軸棒(150)に装着されてい る［図3 及び図4 参照］。 従って、結合されたベベル−遊星ギア組立体(300)に装着された垂直出力回転 軸(420)［図1,図3,図9 及び図12参照］の総回転出力数(Zo)は、Zo=(ZS＋2ZR/ZS) ×2nとなり、ここで、"ZS"は太陽ギア(321)の歯数を表わし、"ZR"はリングギア( 322)の歯数を表わし、"n"は主ロータタービン(100)の出力回転数を表わす。 図9 において、本発明の代替の構造的実施態様が描写されており、そこで、結 合されたベベル−遊星ギア組立体(300)と集積された，主ロータタービン(100)及 び補助ロータタービン(200)は、ベベルギア(311)及び(312)と同じ中枢軸におい て配置され、元々記述されているベベルギア(314)の二倍の大きさである，右側 ベベルギア(314-1)と噛合関係にある上側水平ベベルギア(311-1)及び下側水平ベ ベルギア(312-1)の付加を通して、Zo=(ZS＋2ZR/ZS)×2nの方程式と一致する。入 力回転軸棒(150)は、ベベルギア(314-1)を主回転羽根タービン(100)に連結させ る。種々のギアの結果として生ずる動作性能の機能は図3 に示されている主ロー タタービン(100)の入力差動ベベルギア(130)のそれと全く同じである。 図10及び図11に描写されている超大型多回転羽根タービン集積化風力変換装置 の側面及び正面を見て、構造と機能の両方における，その構成部品とそれらの関 係を詳細に記述する。 本発明の複合型風力タービンシステムは、支持空洞軸棒(511)の上に搭載され たロータタービン(500)[図13参照]に装着された三つの風上側多単位回転羽根(53 1)、及び入力ベベルギア(520)及び(521)までの単位ロータタービン(500)の入力 心棒軸(510)を持ち、且つまた、軸棒(511)を貫通して、図12，図13及び図14で示 されている結合されたベベル−遊星ギア組立体(300)の後端に配置されている主 ロータハブ組立体の結合されたベベルギア(132[132'])まで延びている、結合さ れたベベル−遊星ギア組立体(300)の前端に装着された風上側補助ロータタービ ン(200)により形成される超大型のスイープ領域を提供することを目的としてい る。 タービン(500)の多単位回転羽根(531)の回転力は、水平ベベルギア(521)[図13 参照]と噛合関係にある入力垂直ベベルギア(520)に伝達される。その力は、入力 心棒軸(510)を通って、入力心棒軸(510[111])の端に固定され固定ベベルギア(13 1)の回りを回転しているベベルギア(132[132'])に転送される[図12及び図14参照 ]。ロータタービン組立体の主ハブは、入力回転軸(150)に連結されて いるベベルギア(131)の回りを回転している三つの主多単位ロータタービン(500) を有している。動作原理の同様の機能は図3 及び図9 に関係して以前に記述され ている。 風速の変化に応じて最適周速比及び可変稼動速度を維持することは、高度に効 率的な風力タービンにおいては不可欠な要素であり、特に可変速風力タービンに おいて秒速60メートル以上の高周速を越える超大型風力タービンシステムには不 可避である。 従って上述のように、本発明の物理的及び機械的構造内の連結は、超大型風力 タービンの回転羽根の周速を減ずることによって、最適の周速比及び低動作騒音 レベルを持って最高のエネルギー出力効率を達成することを可能とする，一連の 軌道的に配置されたギアを通して、気体力学的に逆回転速度を相殺するシステム を供給する。逆回転周速相殺機械的ギアシステム及び原理は、超大型ヘリコプタ ーの主回転羽根に適用され得る。 図11に示されるように、ロータタービン(500)の単位回転羽根(531)の回転方向 は時計回り方向であり、一方単位ロータタービン(500)に繋がっている装着され た支持軸棒(511)の主羽ロータハブ組立体は、反時計回りに回転している。従っ て、回転速度が同一で、且つ回転入力ベベルギア(520),(521)、固定ベベルギア( 131)及び軌道入力ベベルギア(132[132'])の適切な配置が存在する時、ロータタ ービン(500)の単位回転羽根(531)の外側軌道周速は、主ロータハブ組立体の支持 軸棒(511)の対向する回転速度により相対的にバランスされる。 本発明の最も重要な特徴の一つは、通常風及び台風条件の両方において使用さ れるピッチコントロール羽根角度変更メカニズムである。 主ロータタービン(100)の主回転羽根(110)のピッチ調節アクチュエータ(120) 、補助ロータタービン(220)及びロータタービン(500)の回転羽根(531)のための 調節アクチュエータ(532)は独立に羽根角度が変えられる[図3,図9,図12及び図13 参照]。これにより、可変風速動作の間に最適周速比は維持されている。また、 かなりの強風の間にその構造を危険から守るための失速メカニズムをも与えてい る。 図3,図9,図12及び図13に言及し、ピッチ調節アクチュエータ(120),(220)及び (532)は、アクチュエータモータ(124)で構成されており、これは、ギア部(123)[ 図7 参照]及び関連するウォームギア(122)及びウォームホイール(121)[図8 参照 ]と共にいずれかの方向となることができる。 主ロータタービン(100)及び補助ロータタービン(220)は、全ての三つの単位ロ ータタービン(500)について同一の最適周速比を維持するように、風速計を通し て全ての風力データを監視し、且つ補助ロータタービン(220)及び主ロータター ビン(100)の両方の個々の出力回転数を監視するマイクロプロセッサにより個別 に制御される。 図7 及び図8 における拡大図に示されるように、図2 における詳細"E"は、ピ ッチ調節(120),(220)［図2 参照］及び(532)［図13参照］及びそれら動作的及び 機能的な関係を表わしている。 第一は、スタートアップ機能であり、これによりマイクロプロセッサは羽根を 鈍角に調整し、その羽根はある時間の間に適用される回転風速に応じて回転し始 める。アクチュエータモータ(124)は活性化するギア部材(123)をウォームギア(1 22)と同時に回転させ、これと同期して、軸棒(111)及び(211)の延長軸[図3 参照 ]，及び図13に描写されている単位ロータタービンの軸棒(530)に装着されている ウォームホイール(121)が回転する。これにより、ロータタービンの羽根のピッ チ角を調節する。 アクチュエータモータ(124)の第二の機能は、マイクロプロセッサから受け取 られた制御信号に依存していずれか一方の方向に連続に回転することにより、可 変風速条件における最適周速比を保つことである。 第三の機能は、台風制御調整失速である。過度に強い風力がロータタービンに 加えられている時、台風制御メカニズムが作動し、回転羽根のピッチを変えてタ ービンが回転しないようにする。 従って以前に図示されているように、緊急停止制御が機械的摩擦ブレーキシス テムの使用によるよりも、かなりマニュアルに作動する。これらの機能は、マイ クロプロセッサ内にある予めロードされたソフトウェアにより遂行される。 本発明の数多くの修正及び変更は、修正可能な単一羽根ロータ、多数羽根ロー タ、複合する個々の単位タービン又は多数単位タービンのように可能である。ま た、補助及び主ロータータービンの回転方向は、補助又は主ロータタービンのい ずれかにギア装置を単に付加することにより、逆回転または単一方向のいずれか の回転が可能とされる。 全てのこのような修正は、以下のクレームにより定義された通り本発明の範囲 内に包含されることが意図されている。
【手続補正書】 【提出日】１９９７年３月１２日 【補正内容】 明細書 多単位回転羽根システム集積化風力タービン 技術分野 本発明は、入力回転数の速度を、高度に効率的な集積ベベル−遊星ギアボック スにおいて、かつプロペラ型風車発電機を用いた多単位回転羽根システムを通し て増大させることにより、自然の風のエネルギーを、電気エネルギーに変換する 。背景技術 風は、人類により利用されるエネルギーの最も古い形のものの一つである。環 境にやさしいエネルギー源に対する桁はずれの要求の増大、更には増大する化石 燃料不足に伴い、代替エネルギー源の開発が刺激されてきている。この同じ環境 において、風力変換システムはより効率的，且つ競争力を持ったものとなりつつ あり、商業的利用に十分に大きい量の電気エネルギーを発生させている。しかし ながら、世界的なクリーンエネルギーの必要に応じるために、風により発生され る電気エネルギーの製造への新しいアプローチを採用することが必要であろう。 風力エネルギー変換システムの開発者には二つの主要な難題がある：総合的な エネルギー変換効率，及び風速と風向きの変動である。風力エネルギーのより低 い可能な電力出力は、もし実質的な量の電力が発生されるべきであるなら、進歩 した変換システムは相当なサイズのものとならざるを得ないことを記述している 。 上記の事情を考慮に入れると、本発明は、韓国特許登録第057585号，及び米国 特許登録第5222924 号において特許された先行技術装置に基づいている，より効 率的，且つ改良されたシステムを与えている。 実地試験の後、風力タービンシステム[図15]における先行技術の主及び補助回 転羽根の相互逆回転には、改良が必要であるということが明らかになった。例え ば、先行技術の主回転羽根は風上位置において塔の前に配置される一方、補助回 転羽根は風下の位置に尾として機能するよう取り付けられ、風力タービンが、風 向きが変化するときに風に向かうようになっている。 しかしながら、主回転羽根の風上の位置は羽根の先端と塔との間の狭い空間の ために、半径の制限を作っていた。風が強く吹く時、回転羽根は塔に向かって曲 がり、最後には塔に接触し、長い羽根ほどより容易に曲がるものであった。回転 する先端の速度は、そのとき、羽根の半径の長さに課された制約に関して制限さ れていた。 第二の構造的形状の欠陥は、ベベル−遊星ギアボックスであった。先行技術に おいて、その部分は上側ベベルギア部及び下側遊星ギア部に分かれている。 その設計には、複雑な潤滑システムばかりでなく、余分な部品を必要とし、こ れは動作的な，及び機械的な効率を抑制した。発明の開示 本発明は、それは、軸棒に装着された一つの主となる風下側回転羽根に対して 相互逆回転関係にある一つの補助的な、風上側回転羽根を有する改良された風力 タービンからなるということにおいて先行技術と区別される。風上側補助回転羽 根は結合されたベベル−遊星ギアボックスの前に配置され、風下側主回転羽根は その後ろに、それぞれ、据え付けられている。 補助回転羽根の半径は、軸棒の長さと主回転羽根の半径の結合されたものの半 分である。主，及び補助の羽根の二つの回転速度は、風速の変化に依存しない最 適の周速比に達する一致する周速比（λ＝V1/V0，V0：風速 m/秒，V1：回転羽 根の周速 m/秒）を有する。結合されたベベル−遊星ギア装置の特別な特徴の一 つは、補助，及び主ロータタービンの二つの別々の水平入力回転力が、ギアボッ クスのすぐ下に位置する垂直に配置された発電機に伝達される単一のより高い回 転力に変換されることである。 従って、本発明の第一の目的は、二つの回転力を塔の頂点上に配置された風力 タービンの周期動作を通して、電気エネルギーを発生するよう一つに変換するこ とのできる，改良された，剛性が高く，コンパクトな，結合されたベベル−遊星 ギア組立体を与えることであり、且つ、その二つの水平な，相互逆回転する入力 軸から生じるエネルギーが、それらが集積されている結合されたベベル−遊星ギ アボックスに入り、その後発電機の垂直ローター軸に伝達される，ギアボックス に垂直に配置された発電機システムを与えることであった。 本発明のさらなる目的は、ロータハブから主回転羽根の留め具までに至る、補 助回転羽根の半径と同じ長さの軸棒を設けることを通して、弱められた風の流れ の速度のような，主回転羽に対する空気力学的な風の通り跡(wake)乱流効果を避 けることであった。風は、補助ロータタービンの風の通り跡(wake)により邪魔さ れることなく、自然風速だけにより主ロータを作動させながら、補助ロータを通 り抜ける。 本発明の第三の目的は、風の壁の形成において補助回転及び主回転羽根の両方 を利用することにより、より大きなスイープ領域を与えることであった。 本発明の第四の目的は、アメリカの複数羽根の低速度，高トルク風力タービン ，とデンマークの高速度，低トルク風力タービンとを結合したものと同様に、高 回転速度でだけでなく高トルクで機能するこの混成の風力タービンシステムを利 用することであった。 さらに、そのシステムは全方向性である，即ち二つのロータタービンシステム の物理的構造の好ましい実施態様はいかなる方向からの風をも受け入れるよう自 動調整を達成したので、軸回り振動(yaw)制御システムが要求されないという事 実からいくつかの有意義な利点が得られた。 また、可変速動作は、この風力エネルギー変換システムが風速の変化に最大効 率で自動的に調整することを意味した。その結果、ロータ速度、羽根ピッチ，及 び最適周速比は最高の性能を得るよう自動的に揃うこととなった。 電子的ピッチ制御アクチュエータの機能は、風速度がそのシステムの安全動作 に必要なレベルを越えるとき、発電機を不活性とするために回転羽根を回転させ る失速(stall)レギュレータ／台風制御装置として動作することであった。 これは、必要な時に緊急失速を始動させるための割り込み動作には理想的な解 決策であり、それは、システムに対する応力が機械的摩擦制動システムを利用す る強い失速により作り出されることを避けるものであるので、従来の制動システ ムより優れているものであった。 本発明の主な目的は、集積された多単位回転羽根風力タービンシステムからな る進歩した超大型風力変換システムを提供することであった。従来の大型風力タ ービンシステムは、幾つかの技術的な弱点を持っていることはよく知られている 。第一はロータの直径の制限である。一般的な空気力学理論によると、発電機の 理想的な出力パワーは羽根のスイープ面積の二乗に比例する。 しかしながら、回転羽根の半径の長さはまた、空気力学的にバランスのとれた より長い羽根を製造するにおける困難性により制限されていた。 これらの障害を最小限にするため、本発明は超大型風力機械を作るために多単 位回転羽根システムを集積化する。図10に示されるように、それは、その各々が その頂点に位置する回転羽根ユニットを持つ，主ロータハブの回りを回転する三 つの軸棒の使用を通して、達成された。個々のロータは時計方向に回転し、一方 、全体の組立体ユニットは反時計方向に回転し、個々の回転羽根ユニットにより つくり出される外側軌道の周速を効果的にキャンセルする。図面の簡単な説明 本発明の側面、用途及び利点は、添付の図面の以下の詳細な記述を通してこれ が、より良く理解されるにつれて、より十分に理解されるであろう： 図1(A)は本発明の正面図であり：図1(B)は本発明の側面図である。 図2 は本発明の結合されたベベル−遊星ギアボックス組立体の断面図である。 図3 は図2 の詳細断面図である。 図4 は図2 に示されるベベル−遊星ギアボックス組立体のA-A 線に沿った断面 図である。 図5 は図2 に示されるベベル−遊星ギアボックス組立体のB-B 線に沿った断面 図である。 図6 は図2 に示されるベベル−星ギアボックス組立体のC-C 線に沿った断面図 である。 図7 は図2 に示されるベベル−ギアボックス組立体のD-D 線に沿った断面図で ある。 図8 は図2 のE 部分の拡大図である。 図9 は本発明の結合されたベベル−遊星ギアボックス組立体の別の機能的実施 態様の断面図である。 図10は本発明の超大型，集積化，多単位回転羽根風力タービンの側面図である 。 図11は図10の正面図である。 図12は図9 に導入された回転羽根システムの物理的構造の断面図である。 図13は図12で示される主ユニットタービンの断面図である。 図14は図12で示される主ユニットの線A-A に沿った断面図である。 図15は先行技術である従来の風力タービンの側面図である。発明を実施するための最良の形態 本発明の好ましい設計、即ち図1(A)，図1(B)及び図2 に示されるような、集積 された多単位回転羽根システム，の図面に関する詳細を参照して、それは以下の ものから構成されている： ロータタービン(100)に装着された主回転羽根(110)と、 ロータタービン(200)に装着された補助回転羽根(210)と、 結合されたベベル−遊星ギア組立体(300)と、 ロータタービン(100)上の主回転羽根(110)のためのピッチ制御アクチュエータ (120)と、 主回転羽根(110)の差動ギア部(130)と、 ロータタービン(200)上の補助回転羽根(210)のためのピッチ制御アクチュエー タ(220)と、 結合されたベベル−遊星ギア組立体(300)から導かれる垂直の出力軸(420)と、 ギアボックス組立体(300)の真下にある塔(400)内に搭載された垂直の発電装置 (410)。 図1(B)に示されるように、ロータタービン(200)上の風上側補助回転羽根(210) は、軸棒と主回転羽根(110)の結合された長さの半分の半径を有し、ギア組立体( 300)の後端上に配置されており、主回転羽根(110)に対し相互逆回転する態様で 同一の回転周速で動作する。この構造によってタービンを、いつも支配している 風に向かわせている。 補助ロータタービン(200)は、主ロータタービン(100)の約半分の大きさであり 、軸棒(211)によりロータタービン(200)に装着された三枚羽根のロータ(21 0)からなり、主ロータタービン(100)の約２倍のスピードで回転する。主ロータ タービン(100)は、結合されたベベル−遊星ギア組立体(300)の主ロータタービン ハブ組立体から主回転羽根(110)の留め具位置(anchor point)まで続いている軸 棒(111)を持つ三枚羽根の回転羽根(110)からなる。 主回転羽根(110)からの軸棒(111)の長さは、補助ロータタービン(200)の補助 回転羽根(210)の長さにほぼ等しい。このことにより、主ロータタービン(100)は 、補助ロータタービン(200)により引き起こされる風の通り跡(wake)乱流効果な しに通常の風の条件において効果的に動作できる。 図3 に示されるように、結合されたベベル−遊星ギア組立体(300)は上側の水 平配置されたベベルギア(311)を含んでいる。このギア(311)は、その反対部、下 側ベベルギア(312)と向き合っている。複数の三つの遊星ギア(323)がベベルギア (311)の内側面に取り付けられている。リングギア(322)はベベルギア(312)の内 側面に固定して設置されている。 遊星ギアスパイダは、ベベルギア(311)に取り付けられた遊星ギア(323)及びベ ベルギア(312)に取り付けられたリングギア(322)とを含んで構成される。同時に 、上側ベベルギア(311)及び下側ベベルギア(312)は、垂直に配置されたベベルギ ア(313)及び(314)と噛合する関係において、垂直に設置されている。ベベルギア (313)は、補助ロータタービン(200)から導かれる入力回転軸棒(230)の一端に固 定されている。ベベルギア(314)は、主ロータタービン(100)の入力回転軸棒(150 )に固定されている。これらの両者は、上側(311)及び下側ベベルギア(312)と噛 合する関係において、配置されている。両ベベルギア(311)及び(312)は、主ロー タタービン(100)の回転に応答し、それぞれ補助ロータタービン(200)の回転に応 答するベベルギア(313)及び(314)から同一の速度で反対方向に回転する。 今図3 及び図6 の両方を見てみると、上記記述されたメカニズムに従い、遊星 ギアスパイダの中央に配置された太陽ギア(321)は、三つの遊星ギア(323)と噛合 関係において回転し、その三つの遊星ギアは各々の中枢軸で回転し、太陽ギア(3 21)の回りを回転する一方、遊星ギア(323)と噛合関係にあるリングギア(322)は 、反対方向に回転する。 上述したように、補助ロータタービン(200)及び主ロータタービン(100)の回転 入力は、コンパクトなベベル−遊星ギア組立体(300)装置において結合され、該 組立体(300)装置は、ワンセットの遊星要素；"T"型ギアボックス組立体において 集積されている，三つの遊星ギア(323)、リングギア(322)、太陽ギア(321）、一 対の垂直べべルギア(313),(314)、及び一対の水平ベベルギア(311),(312)から構 成されている。さらに、水平位置に配置されている二つの低速入力回転軸棒は、 垂直位置に配置されている一つの高速出力回転軸棒と噛合されており、全ては一 つのコンパクトギアボックス内にある。 図3 及び図5 における詳細な図示を参照して、図解されたような、主ロータタ ービン(100)の入力ロータハブは、入力差動ギア要素(130)の好ましい実施態様で あり［図3 参照］、理論的には、主ロータタービン(100)の入力速度からの回転 数rpm を、補助ロータタービン(200)の周速と整合するよう２倍にすることにり 効率を高めるものである。入力差動ギア要素(130)は、フレーム(140)に装着され た固定された垂直ベベルギア(131)[図3 参照],及びタービン(100)の主回転羽根( 110)[図3 参照]に結合された対向する垂直回転ベベルギア(133)で構成されてい る。 入力回転軸棒(150)[図3 参照]は、入力垂直ベベルギア(314)から三つの自転す るベベルギア(132)にまで延びている［図3 及び図5 参照］。主ロータタービン( 100)の主回転羽根(110)の各軸棒(111)の一端に位置している関連するベアリング (112)は、ベベルギア(133)と噛合して、定置されたベベルギア(131)の回りを回 転する。 差動ギアシステムは、入力回転軸棒(230)と調和する速度を可能にするために 入力回転軸棒(150)に装着されており、補助ロータタービン(200)を主ロータター ビン(100)の２倍の速度で回転し、両者のエネルギー入力がその後、結合された ベベル−遊星ギア組立体(300)に与えられることを許すようにしている［図3 及 び図4 参照］。 従って、結合されたベベル−遊星ギア組立体(300)に装着された垂直出力回転 軸(420)［図2 及び図3 参照］の総出力回転数(Zo)は、Zo=(ZS＋2ZR/ZS)×2nとな り、ここで、"ZS"は太陽ギア(321)の歯数を表わし、"ZR"はリングギア(322)の 歯数を表わし、"n"は主ロータタービン(100)の入力回転数を表わす。 図9 において、本発明のもう一つの構造的実施態様が描写されており、そこで 、結合されたベベル−遊星ギア組立体(300)と集積された，主ロータタービン(10 0)及び補助ロータタービン(200)は、入力回転軸棒(150)がベベルギア(314-1)を 主回転羽根タービン(100)に結合させている，元々記述されたベベルギア(314)の 二倍の大きさの，ベベルギア(314-1)と噛合関係にある，ベベルギア(311)及び(3 12)と同じ中枢軸において配置された上側水平ベベルギア(311-1)及び下側水平ベ ベルギア(312-1)を付加することにより、Zo=(ZS＋2ZR/ZS)×2nの式と一致するも のである。種々のギアの，結果として生ずる動作性能の機能は図3 に示される主 ロータタービン(100)の入力差動ベベルギア(130)のそれと全く同じである。 今、図10及び図11に描写されている超大型多回転羽根タービン集積化風力変換 装置の側面及び正面を見て、構造と機能の両方における，その構成部品とそれら の関係を詳細に記述する。 本発明の複合型風力タービンシステムは、その各々が、空洞支持軸棒(511)上 に搭載された単位回転羽根(531)[図13参照]，及び入力ベベルギア(520)及び(521 )まで，且つ、軸棒(511)を通って図12，図13及び図14に示される主ロータハブ組 立体(300)の結合されたベベルギア(132,132')まで延びる主多単位ロータタービ ン(500)の入力心軸棒(510)を持つ，三つの主風下側多単位ロータタービン(500) と共に、結合されたベベル−遊星ギア組立体(300)の前端に装着された風上側補 助ロータタービン(200)により形成される超大型のスイープ領域を提供すること を目的としている。 主多単位ロータタービン(500)の単位回転羽根(531)の回転力は、水平ベベルギ ア(521)と噛合関係にある入力垂直ベベルギア(520)に伝達される[図13参照]。そ の力は、入力心軸棒(510)を通って、入力心軸棒(510,111)の端に固定され、固定 ベベルギア(131)の回りを回転しているベベルギア(132,132')に転送される[図12 及び図14参照]。ロータタービン組立体の主ハブは、定置されたベベルギア(131) の回りを回転している三つの主多単位ロータタービン(500)を持っている。動作 原理の同様の機能は、図3 に関係して以前に記述されている。 図11に示されるように、ロータタービン(500)の単位回転羽根(531)の回転方向 は時計回り方向であり、一方、主多単位ロータタービン(500)に導かれる装着さ れた支持軸棒(511)の主ロータハブ組立体は、反時計回りに回転している。従っ て、回転速度が同一で、且つ回転入力ベベルギア(520),(521)、定置されたベベ ルギア(131)及び軌道入力ベベルギア(132,132')の適切な配置が存在する時、主 多単位ロータタービン(500)の単位回転羽根(531)の外側軌道周速は、主ロータハ ブ組立体の支持軸棒(511)の対向する回転速度により相対的にバランスされる。 本発明の重要な特徴の一つは、通常風及び台風条件の両方において使用される ピッチ制御羽根角度変更メカニズムである。ロータタービン(100)の主回転羽根( 110)のピッチ制御アクチュエータ(120)、補助羽根ピッチ制御アクチュエータ(22 0)及び主多単位ロータタービン(500)の回転羽根(531)のピッチ制御アクチュエー タ(532)は独立に羽根角度が変えられる［図3,図9,図12及び図13参照］。これは 、可変風速動作の間の最適周速比を維持する。それはまた、かなりの強風条件に 耐えることを確実にするための失速メカニズムをも与え始めるものである。 図3,図9,図12及び図13を参照して、ピッチ制御アクチュエータ(120),(220)及 び(532)は、アクチュエータモータ(124)で構成されており、これは、作動させる ギア要素(123)[図7 参照]及び関連するウォームギア(122)及びウォームホイール (121)［図8 参照］を持ち、時計回りまたは反時計回りに回転することができる 。 主ロータタービン(100)及び補助ロータタービン(200)は、風速計を通して全て の風力データを監視し、且つ補助ロータタービン(200)及び主ロータタービン(10 0)の両方の個々の出力回転数を監視するマイクロプロセッサにより独立に制御さ れて、全ての三つの主多単位ロータタービン(500)について同じ最適周速比を保 つようにする。 図7 及び図8 において拡大して示される，図2 における詳細"E"は、ピッチ制 御の構成要素(120),(220)[図2 参照]及び(532)[図13参照]及びそれらの動作的及 び機能的な関係を表わしている。 第一は、スタートアップ機能であり、これによりマイクロプロセッサは羽根を 鈍角に調整し、その羽根は、回転可能な風速が所定の時間の間適用されるのに応 じて回転し始める。アクチュエータモータ(124)は作動させるギア要素(123)をウ ォームギア(122)と同時に、回転羽根の延長された心軸棒(111)及び(211)［図3 参照］，及び図13に描画された単位ロータタービンの心軸棒(530)に装着された ウォームホイール(121)と同期して回転させる。これは、ロータタービンの羽根 のピッチ角を調節する。 アクチュエータモータ(124)の第二の機能は、マイクロプロセッサから受け取 る制御信号に依存して時計回りまたは反時計回り方向に連続に回転することによ り、種々の風速条件において最適の周速比を保つことである。 第三の機能は、台風制御調整された失速である。過度に強い風力がロータター ビンに対して加えられる時、台風制御メカニズムが作動し、回転羽根のピッチを 変えてタービンが回転しないようにする。 従って、緊急停止制御は機械的摩擦ブレーキシステムの使用によるより、むし ろマニュアルに作動する。これらの機能は、マイクロプロセッサ内にある予めロ ードされたソフトウェアにより遂行される。 本発明の数多くの修正及び変更は、修正可能な単一羽根ロータ、多数羽根ロー タ、複合する個々の単位タービン又は多数単位タービンのように可能である。ま た、補助及び主ロータタービンの回転方向は、補助又は主ロータタービンのいず れかにギア装置を単に付加することにより、相互逆回転か、あるいは単一方向性 のいずれかとすることが可能である。 全てのこのような修正は、以下のクレームにより定義される本発明の範囲内に 包含されることが意図されている。 請求の範囲 １．ベベル−遊星ギア組立体(300)の後方上に配置された入力差動ギア要素(13 0)を含む，ロータタービン(100)の風下側の主回転羽根(110)と、 ギア組立体(300)の前に枢軸的に連結された固定装置と結合されたロータター ビン(200)の風上側補助回転羽根(210)と、 ロータタービン(200)は、回転羽根(110)の回転を補助するものであり、 超大型風カタービンのもう一つの実施態様は、三つの主多単位ロータタービン (500)からなり、その各々は、空洞支持軸棒(511)上に搭載された単位回転羽根(5 31)及び該ロータタービン(500)の入力心軸棒(510)を有し、回転力が軸棒(511)を 通り入力ベベルギア(520),(521)まで伝達され、主ロータハブ組立体の定置され たベベルギア(131)の回りを回転しているベベルギア(132,132')に結合されてお り、 ギア組立体(300)の，一対の入力ベベルギア部(310)及び四つのベベルギア部(3 10)の円筒形内部空間上にそれぞれ搭載されている一セットの遊星ギア部(320)で 、二つの低速水平軸棒(150),(230)の回転力を効果的に増加するもの，と、 高速回転出力軸(420)であって、出力が垂直に配置された発電機(410)に伝達さ れるもの，とを備えた多単位回転羽根システム集積化風力タービン。 ２．通常風力が、補助ロータタービン(200)により引き起こされるいかなる風 の通り跡(wake)効果もなく、ロータタービン(100)の風下側主回転羽根(110)に対 して当てられるように、タービン(200)の補助回転羽根(210)の回転直径が、ロー タタービン(100)の延長棒(111)の長さにほぼ等しい、請求項１に記載された多単 位回転羽根システム集積化風力タービン。 ３．ロータタービン(100)の入力ロータハブの差動ギア要素(130)が、フレーム (140)に固定されているベルギア(131)からなり、 回転垂直ベベルギア(133)は、ロータタービン(100)及び入力軸(150)に対し回 転して結合されるものであり、 三つの入力ベベルギア(132)は、回転羽根(110)の三つの延長棒(111)の一端上 に回転可能に搭載され、かつベベルギア(131)と噛合関係において自転し、かつ 一巡するベベルギア(133)と結合されて、両方のロータタービン(100)及び(200) の回転周速を空気力学的に整合させるようにするものである、請求項１に記載さ れた多単位回転羽根システム集積化風力タービン。 ４．ピッチ制御アクチュエータ(120),(220),(532)が、作動させるギア要素(12 3)及び延長棒(111),(211),(530)の一端上に搭載されたウォームホイール(121)と 結合された関連するウォームギア(122)を持つ，時計回り又は反時計回り方向に 回転されることのできるマイクロプロセッサ制御のアクチュエータモータ(124) で構成され、与えられた風速における最大動作効率を達成するための最適の周速 比のための，及び台風制御又は緊急停止のための失速制御のための，ピッチ角の 調整を行なう、請求項１に記載された多単位回転羽根システム集積化風力タービ ン。 ５．ベベル−遊星組立体(300)は、一対の入力ベベルギア(314)及び(313)が入 力回転軸棒(150)及び(230)の一端上に搭載されている，噛合関係にある上側ベベ ルギア(311)及び下側ベベルギア(312)からなり、 ベベル−遊星組立体(300)のもう一つの実施態様は、ベベルギア(314)の代わり に、入力回転軸(150)の一端に固定された２倍の大きさの直径のベベルギア(314- 1)と噛合した関係に配置されている付加的な上側ベベルギア(311-1)及び下側ベ ベルギア(312-1)を備えており、 遊星ギア要素(320)は、垂直相互逆回転入力ベベルギア(314-1),(313),及び一 対の水平上下相互逆回転ベベルギア(311),(311-1)及び(312),(312-1)からなり、 中央の円筒形空間に搭載されている、請求項１に記載された多単位回転羽根シス テム集積化風力タービン。 ６． ベベル−遊星組立体(300)は、天井面上に下向きに設けられている上側 ベベルギア(311)に対し垂直に120°の角度で配置されているワンセットの三つ の遊星ギア(323)と、 下側ベベルギア(312)の上を向いている底面に垂直に配置されたリングギア(32 2)とで構成される遊星ギアスパイダを組み込んでおり、遊星ギアスパイダは、同 一速度で逆方向に回転する遊星ギア(323)，及びリングギア(322)を含むものであ り、そうする間、遊星ギア(323)は出力垂直回転軸(420)に連結された中央に位置 する太陽ギア(321)の回りを回転するものであり、これにより、ベベルギア組立 体(300)の出力ギア比を1+2ZR/ZSと定義し、ここで、ZRはリングギア(322)の歯数 を表わし、ZSは太陽ギア(321)の歯数を表わす、請求項１又は請求項５に記載さ れた多単位回転羽根システム集積化風力タービン。 ７． 入力ベベルギア(132,132')は、それぞれ入力回転心軸棒(510,111)の一 端に固定され、他端でロータタービン(500)のベベルギア(520)と結合された入力 ベベルギア(521)に接続されており、その全てが超大型風力タービンのロータハ ブ組立体のベベルギア(131)の周囲と噛合関係にあって、回転する、請求項１に 記載された多単位回転羽根システム集積化風力タービン。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １．結合されたベベル−遊星ギア組立体(300)の後方上に配置された入力差動 ギア部(130)を含む，ロータタービン(100)の風下側の主回転羽根(110)と、結合 されたベベル−遊星ギア組立体(300)の前に枢軸的に連結された固定装置と結合 されたロータタービン(200)の風上側補助回転羽根(210)からなる、多単位ロータ タービン及び集積された風車発電機システムを通して回転運動エネルギーを導出 するための装置。それは、ロータタービン(100)の主回転羽根(110)の回転を補助 するある一定量の風を捕らえる。これらは気体力学的にバランスがとられており 、同一の周速比において逆回転する。結合されたベベル−遊星ギア組立体(300) は、一対の入力ベベルギア(310)及び四つのベベルギア部(310)の円筒形内部空間 上に装着されている１セットの遊星ギア(320)からなる。結合されたベベル−遊 星ギア組立体(300)は二つの低速水平軸(150)及び(230)の回転力を効果的に増加 させる。それは、ギアプロセスを高速垂直軸(420)の一つの機械的運動とすると 共に、出力力が結合されたベベル−遊星ギア組立体(300)の真下の塔(400)の内部 上に装着され、塔(400)の頂点に設置された，垂直に配置された発電機(410)に伝 達され、そのタービンシステムの構造が、自動的に風の方を向くことを気体力学 的に可能にするので、能動的な軸回り振動(yaw)制御の必要なしに、自動的に風 の方を向いている。 ２．請求項１において、本発明は風により回転するように設計されている結合 されたベベル−遊星ギア組立体(300)の後端上に装着されているロータタービン( 100)の風下側の主回転羽根(110)及び軸棒(111)である。結合されたベベル−遊星 ギア組立体(300)の前上に装着されている，ロータタービン(200)の補助回転羽根 (210)は、速度制御及び始動補助だけでなく、ロータタービン(100)の主回転羽根 (110)の回転において補助することができる。複合型回転羽風カタービンシステ ムの、二倍の大きさの直径の主ロータタービン(100),及び半分の大きさの直径の 補助ロータタービン(200)の物理的配置，及び構造的調節によって、能動的な軸 回り振動(yaw)制御システムの必要なしにその装置を自動的に支配する風に向か わせることができる。 ３．請求項１に記載の本発明において、通常風力が、タービン(200)の補助回 転羽根(210)からタービン(100)の風下側の主回転羽根(110)及び気体力学的風の 通り跡(wake)に対して当てられるように、タービン(200)の補助回転羽根(210)の 回転直径は、主ロータタービン(100)の軸棒(111)の長さにほぼ等しい。 ４．請求項１に記載の本発明の装置は、差動ギアシステムの理論に基づき、主 ロータタービン(100)の入力速度から回転数を２倍にするための手段をさらに備 え、原則としてタービン(200)の補助回転羽根(210)の周速を主ロータタービン(1 00)の主回転羽根の周速と調和させる主ロータタービン(100)の入力ロータハブの 差動ギア組立体(130)である。上述に遂行する差動ギア部は、フレーム(140)に付 着されている垂直ベベルギア(131)からなる。ベベルギア(131)は主タービン(100 )の主回転羽根(110)及び入力回転軸(150)に回転において結合されている垂直ベ ベルギア(133)と対向している。ベアリング(112)と関連した三つの入力ベベルギ ア(132)は主ロータタービン(100)の主回転羽根(110)の三つの軸棒(111)の一端に 回転的に装着されている。これらは、入力回転軸(150)の回転ベベルギア(13 3) と結合され、固定ベベルギア(131)と噛合関係にあり自転及び公転している。差 動ギアの原理に従い、主ロータタービン(100)は一回転する一方、補助ローター タービン(200)は両方のタービン(100)及び(200)の回転周速を気体力学的に調和 するように二回転する。 ５．請求項１に記載の本発明の装置は、ロータタービン(100)の主回転羽根(11 0),及びロータタービン(200)の補助回転羽根(210),及びタービン(500)の主回転 羽根(531)のためのピッチ制御アクチュエータ(120),(220),(532)であり、そのピ ッチ制御アクチュエータは羽根のピッチ角を調節して風力速度を利用する。ピッ チ制御アクチュエータ(120),(220),及び(532)は三つの機能を有する：風速にお ける遮断のために羽根のピッチ角を調節して、スタートアップ補助をし、最適の 周速比のためのピッチ角を調節して与えられた風速における作動の最大効率を達 成し、且つ台風制御又は緊急停止のための失速調整する。 ６．請求項５に記載の本発明の装置で、ピッチ制御アクチュエータ(120),(220 ),(532)はそれぞれ、主回転羽根(110)の軸棒(111)の一端、補助回転羽根(121)の 軸棒(211)、及び主回転羽根(531)の延長軸(530)の一端に据えつけられているウ ォームホイール(121)と結合されたウォームギア(122)と噛合されている伝達ギア 部(123)を含むアクチュエータモータ(124)を制御するマイクロプロセッサである 。 ７．請求項１に記載の本発明の装置は、水平回転軸(150)及び(230)の一端上に 搭載された，一組の入力ベベルギア(314)及び(313)と噛合関係にある上側ベベル ギア(311)及び下側ベベルギア(312)で構成される，結合されたベベル−遊星組立 体(300)である。他の一端は主ロータタービン(100)及び補助ロータタービン(200 )の各々と結合されている。結合されたベベル−遊星ギア組立体(300)の代替の構 造的実施態様は、入力回転軸(150)の一端に固定されたベベルギア(314)の代わり に、これより直径が２倍の大きさのベベルギア(314-1)と噛合した関係に配置さ れている付加的な上側ベベルギア(311-1)及び下側ベベルギア(312-1)が備えられ ている。遊星ギア部(320)は、各々が垂直に相互逆回転する入力ベベルギア(314- 1),(313)及び水平の上，及び下の相互逆回転するベベルギア(311),(311-1)及び( 312),(312-1)で構成されている中央の円筒形空間に配置されている。 ８．請求項１及び請求項７に記載の本発明の装置は、天井面上に下向きにある 上側水平ベベルギア(311)に対し垂直に120°の角度に配置されている一セットの 三つの遊星ギア(323)と、底面に上向きに配置された下側水平ベベルギア(312)に 対し垂直に置かれたリングギア(322)で構成される遊星スパイダ(321)である，結 合されたベベル−遊星ギア組立体(300)である。従って、遊星ギア(323)がその中 央に配置された太陽ギア(321)の回りを回転する時、遊星ギア(323)及びリングギ ア(322)を含む該遊星ギアスパイダ(311)は、遊星ギア(323)が中央に配置された 太陽ギア(321)の回りを回転するのと同じ速度で逆方向に回転し、 そうする間、太陽ギア(321)及び遊星ギア(323)と逆方向に回転するこれを囲むリ ングギア(322)と結合されている。結果として、太陽ギア(321)は、その空洞の中 央部を抜けて、且つ下側ベベルギア(312)を抜けて、発電機(410)と結合された出 力垂直回転軸(420)を有する。上記結合されたベベルギア組立体(300)のギア比の 出力回転は1+2ZR/ZSであり、ここで、ZRはリングギア(322)の歯数を表わし、ZS は太陽ギア(321)の歯数を表わす。 ９．請求項１に記載の本発明の装置は、主単位ロータタービン(500)を回転さ せ、且つタービン(100)の入力固定垂直ベベルギア(131)の回りを回転させること によって、単純な入力ベベルギア配置が達成されるように修正され得る主ロータ タービン(100)の入力差動ギア部(130)である。超大型風力装置のロータタービン (100)の枢軸の中心に固定されたベベルギア(131)上で、互いに逆方向に回転する 三つの主ロータタービン及びそれらの多単位羽根システムの組立体の回転方向は 、結果として、ロータタービン(500)の三つの単位回転羽根(531)の外側の軌道周 速が、風速の変化とは無関係の最適な周速比の維持と結合して、回転羽根の回転 速度を気体力学的に相殺するものである，同一の回転速度の配置を通して、主ロ ータハブ組立体(100)の支持軸棒(511)の回転速度によって、相対してバランスさ れ、最も効率的な可変速ロータタービン動作を達成することを可能とする。この 機械的ギアシステム，及びその効果は、超大型ヘリコプターの主回転羽根翼に適 用できる。 １０．請求項９に記載の本発明の装置は、単位ロータタービン(500)のベベル ギア(520)と結合された入力ベベルギア(521)に対し他端で接続された入力回転軸 (510,[111])の一端に安定して装着されている入力ベベルギア(132[132'])であり 、その全てが超大型風力タービンのロータハブ組立体の固定ベベルギア(131)の 周囲と噛合関係にあり、回転する。
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