JP2022539866A - 風力タービン用のロータブレード及び風力タービン - Google Patents

Abstract

風力タービン用のロータブレード（１０）は、ハブに固定するための、参照平面（ＢＥ）を定めるロータブレードルート（１２）を有している。ロータブレードルート（１２）に、ロータブレード尖端（２６）までプロフィール領域（１６）が連続している。プロフィール領域（１６）内で、ロータブレード（１０）は、弦（３４）を定めるウィングプロフィール（２８）を有している。参照平面（ＢＥ）と弦（３４）の間の弦角度（α）は、プロフィール領域（１６）全体にわたって、ロータブレードルート（１２）からロータブレード尖端（２６）の方向に増大する。

Description

本発明は、請求項１に記載の風力タービンのロータブレード及び請求項１３に記載の風力タービンに関する。

風力タービンのロータブレードとロータブレードを有する風力タービンは、一般的に知られており、たとえば欧州特許出願公開第３３３０５３０（Ａ１）号明細書、欧州特許出願公開第３１４７４９９（Ａ１）号明細書、欧州特許出願公開第２８４０２５５（Ａ２）号明細書、欧州特許第１０１９６３１（Ｂ１）号明細書、国際公開第２０１９／０３０２０５（Ａ１）号、国際公開第２０１８／０４６０６７（Ａ１）号、国際公開第２０１０／０４６０００（Ａ２）号及びオランダ国特許第１０３０１１１号明細書に開示されている。

本発明は、特に風力タービンのロータブレードとこの種のロータブレードを有する風力タービンに関するものであって、そのロータブレードは１．５ｍから８ｍのロータ直径もしくは約０．７５ｍから約４ｍのロータブレードの長さを有している。

欧州特許出願公開第３３３０５３０（Ａ１）号明細書 欧州特許出願公開第３１４７４９９（Ａ１）号明細書 欧州特許出願公開第２８４０２５５（Ａ２）号明細書 欧州特許第１０１９６３１（Ｂ１）号明細書 国際公開第２０１９／０３０２０５（Ａ１）号 国際公開第２０１８／０４６０６７（Ａ１）号 国際公開第２０１０／０４６０００（Ａ２）号 オランダ国特許第１０３０１１１号明細書

本発明の課題は、騒音放出が少なくて、良好な始動挙動を有する、風力タービンのロータブレード及びこの種のロータブレードを有する風力タービンを提供することである。

この課題は、請求項１に記載のロータブレード及び請求項１３に記載の風力タービンによって解決される。

風力タービンのロータブレードは、既知のやり方で、ロータブレードをロータ軸もしくはハブに固定するためのロータブレードルートを有している。ロータブレードルートが、参照平面を定める。ハブは、通常のように、ロータ軸に固定されている。駆動中に、ロータ軸もしくはその回転軸線は、少なくともほぼ流着する風の方向に方向づけされている。

ロータブレードのプロフィール領域が、ロータブレードルートに連続しており、かつロータブレードルートとは逆のロータブレード尖端領域まで延びている。好ましくはプロフィール領域は、ロータブレード尖端まで、すなわちロータブレードの自由端部まで延びている；しかし、プロフィール領域がロータブレード尖端領域内で、ロータブレード尖端から距離をおいて、終了し、かつロータブレードがプロフィール領域に連続して、ロータブレード尖端まで、異なる形状のロータブレード部材を有することも、考えられる。

ロータブレードノーズとロータブレードリアエッジは、プロフィール領域の全長にわたって延びている。プロフィール領域の全長にわたってロータブレードノーズからロータブレードリアエッジまで延びる、ロータブレードのウィングプロフィールは、吸い込み側を形成する上側と、圧力側を形成する下側とを有している。

上側が風下側にあって、下側が風上側にある。

ウィングプロフィールの弦（翼弦）が、ロータブレードノーズとロータブレードリアエッジを通って延びている。弦と参照平面が弦角度を形成し、その場合にウィングプロフィールの下側は参照平面を向いており、ウィングプロフィールの上側は参照平面とは逆向きである。

参照平面と弦との間の間隔は、ロータブレードノーズの方向に増大している。

参照平面ＢＥは、ロータブレード１０が取りつけられた状態において、ロータ軸１８及びその回転軸線２０と、好ましくは最大７０°かつ最小５０°の迎角βを形成する。この迎角βは、回転軸線２０と参照平面ＢＥの間の測定可能な最小角度である。

ウィングプロフィールの下側は、風が流着するように定められている。

本発明によれば、弦角度はプロフィール領域にわたってロータブレードルートからロータブレード尖端領域の方向に増大する。

実験とコンピュータシミュレーションは、この種のロータブレード及びこの種のロータブレードを有する風力タービンは、たとえば秒あたり４．５ｍから５ｍの低い風速においてすでに、わずかな騒音放出において良好なｃｐ値を示し、したがって良好な始動特性を有していることを、示している。

好ましいやり方で、弦角度は連続的に、好ましくは少なくともほぼ線形に、増大し、それが高い効率と簡単な構造を有するロータブレードをもたらす。

弦角度のこの増大は、好ましくはロータブレード尖端まで行われる。しかし、弦角度は、ロータブレードルートからロータブレード尖端領域まで線形に、そしてロータブレード尖端領域内ではより強く増大することもでき、それは、風速が低い場合に良好な応答挙動を支援する。

好ましくは弦角度は、ロータブレードルートに直接連続する始端セクション内では０°と４°の間、そしてロータブレード尖端領域内では２０°と２６°の間となる。これは、ロータブレード長さが約０．７５ｍから約４ｍである場合に、したがってロータ直径が約１．５ｍから約８ｍである場合に、良好な結果をもたらす。

好ましくは弦角度は、プロフィール領域のロータブレードルート側の端部において０°である。

好ましくは、ロータブレードリアエッジは、少なくともほぼ直線的に延びている。これが、ロータブレードの特に簡単な構造をもたらす。

特に簡単な構造と良好な効率は、ロータブレードリアエッジが、優先されるように、少なくともほぼ参照平面内に延びている場合に、支援される。

好ましくは、プロフィール奥行きは、プロフィール領域全体にわたってロータルートからロータブレード尖端領域の方向に減少する。それによってロータブレードの機械的応力を低く抑えることができる。

好ましくは、プロフィール奥行きは、連続的に、好ましくは線形に、減少する。これも、特に簡単かつ効率的なロータブレードをもたらす。

好ましくはプロフィール奥行きは、ロータブレードルートに続いてロータブレード尖端領域内で、半分から４分の１に、好ましくは少なくともほぼ３分の１に減少する。これが、構造において簡単かつ安定した効率的なロータブレードをもたらす。

好ましいやり方で、プロフィール厚みもプロフィール領域全体にわたって、ロータブレードルートからロータブレード尖端領域の方向に、減少する。これは、好ましくは連続的に、特に少なくともほぼ線形に行われる。それによってウィングプロフィールは、プロフィール領域全体において少なくともほぼ等しい（似ている）形状を有することができ、それが特に簡単な構造をもたらす。

好ましいやり方で、プロフィール領域全体におけるプロフィール奥行きに対するプロフィール厚みの比率が、少なくともほぼ一定であることが、効率的かつ簡単な構造のロータブレードをもたらすことが、明らかにされている。好ましくはこの比率は、少なくともほぼ０．０７である。

好ましくは、プロフィール領域のロータブレードルート側の端部において測定した、プロフィール奥行きの、プロフィール領域の長さ（ロータブレードの長手方向に測定）に対する比率は、少なくともほぼ０．２である。

ロータブレードは、風力タービンの回転軸線を中心に回転するように、定められており、その場合に回転軸線は、駆動中に、少なくともほぼ流着する風の方向に方向づけされており、かつロータブレードは、優先されるように、風上側にある。その場合にはロータブレードに風が妨げられずに流着することができる。

ウィングプロフィールは、好ましくは凸状に湾曲された上側とＳ字状に湾曲された下側とを有するノーマルプロフィールであって、その場合に下側において、凸から凹の形状への移行部は、プロフィールノーズの近傍に、好ましくはプロフィール奥行きの最初の１５％内に位置する。それによって細長いウィングプロフィールが得られる。

この種のロータブレードを搭載したエネルギユニットは、回転軸線を定めるロータ軸とその上に固定的に取りつけられたハブを有し、そのハブにロータブレードが固定されている。風力タービンの駆動中に、回転軸線は少なくともほぼ流着する風の方向に方向づけされており、かつ、ロータブレードは、風が妨げられずに流れ着くように、風上側に位置している。

風力タービンは、好ましくは２つから５つ、特に好ましくは３つのロータブレードを有している。それによって一方で、対称な構造が、他方ではそれに伴って静かな運転が保証されている。

好ましくは、風力タービンは、特に良好な効率を得るために、ダクテッド風力タービンの形状で形成されている。

好ましくはロータブレードは、その長手方向が回転軸線に対して少なくともほぼ径方向に延びるように、定められている。同じことは、２つ又はそれより多いロータブレードを有する風力タービンにも当てはまり、その場合にこれらは周方向に均一に分配して配置されている。

ロータブレードノーズは、少なくともほぼ、参照平面に対して直角に延びる平面内に延びている。

また、ロータブレードルートを、ハブもしくはロータ軸に、ロータブレードの長手方向に延びる揺動軸線を中心に揺動可能に配置することも、可能であって、これは特に、駆動力を発生させないようにする場合に、ロータブレードをニュートラル位置へ揺動させるため、あるいは流着を最適化するためである。

念のために述べておくが、駆動中にロータブレードノーズは、ロータブレードの回転方向において先を行くように、そしてロータブレードリアエッジが後を追うように回転する。

好ましくはロータブレードルートは、ハブもしくはロータ軸に固定するために２つの固定穴を有しており、その透孔は参照平面に対して少なくともほぼ直角に延びている。

図を用いて本発明を詳細に説明する。図は、純粋に図式的なものである。

本発明に係るロータブレードを示している。 図１のロータブレードを、切断ラインＢ－Ｂに沿って示す断面図である。 図１のロータブレードを、切断ラインＣ－Ｃに沿って示す断面図である。 図１のロータブレードを、切断ラインＤ－Ｄに沿って示す断面図である。 図１のロータブレードを、切断ラインＥ－Ｅに沿って示す断面図である。 図１のロータブレードを、切断ラインＦ－Ｆに沿って示す断面図である。 図１から６に示すロータブレードを、図１の矢印ＶＩＩの方向に示す側面図である。 図１から７に示すロータブレードを、図１の矢印ＶＩＩＩの方向に示す側面図である。 図１の切断ラインＡ－Ａに沿ってロータブレードを示す断面図である。 図１から９に示すロータブレードを、下から示している。 図１から１０に示すロータブレードを、上から示している。 回転軸線に対して直角に延びる、図１の切断ラインＧ－Ｇに沿ってロータブレードを示す縦断面図である。 図１から１２に示す３つのロータブレードを有する風力タービンを示す斜視図である。 図１から１２に示す３つのロータブレードを有する、ダクテッド風力タービンの形式で形成された、風力タービンを示す斜視図である。

図１から１２に示すロータブレード１０は、ロータブレードルート１２と、ロータブレードルート１２に直接連続し、かつロータブレードルート１２とは逆のロータブレード尖端領域１３まで延びるプロフィール領域１６を有している。ロータブレード１０は、ロータブレードルート１２によってハブに固定され、もしくはハブに固定することができるように、定められている。このハブは、知られたやり方で、ロータ軸１８上に相対回動不能に取りつけられており、そのロータ軸がロータブレード１０のための回転軸線２０を定める。以下、これに関連して図１３と１４及びその説明を、ずっと下で参照する。

ロータブレード１０の回転方向Ｄにおいて先を行くロータブレードノーズ２２と後を追うロータブレードリアエッジ２４が、プロフィール領域１６全体にわたって延びている。

図示される実施例において、プロフィール領域１６は、ロータブレード尖端２６まで、すなわちロータブレード１０の自由端部まで、延びている。しかし、プロフィール領域１６が単にロータブレード尖端領域１４内へ延びており、その場合にロータブレード１０がプロフィール領域１６に続いてロータブレード尖端２６まで、他の形状のロータブレード終端部材を有することが、考えられる。

ロータブレード１８は、プロフィール領域１６内にウィングプロフィール２８を有しており、そのウィングプロフィールは既知のやり方で、その上側３０によって吸い込み側を、そしてその下側３２によって圧力側を形成する。ウィングプロフィール２８は、ロータブレードノーズ２２からロータブレードリアエッジ２４まで延びている。

図２においては、矢印Ｗによって、ロータブレードの駆動中に流着する風の方向が示されている。したがって下側３２は風上側にあり、上側３０は風下側にある。

ウィングプロフィール２８は、弦３４を有しており、その弦がロータブレードノーズ２２とロータブレードリアエッジ２４を通って延びており、かつ弦角度αを定める。この弦角度αは、弦３４と参照平面ＢＥの間の（最小の）角度によって定められる。

実施例において、参照平面ＢＥは、ロータブレードルート１２の平坦な表面によって定められてる。参照平面Ｅは、さらに、回転軸線２０に対して径方向に延びる、ロータブレード１０の長手方向Ｌに延びている。

図２から読み取ることができるように、参照平面ＢＥは回転軸線２０と最小５０°かつ最大７０°の迎角βを形成する。

さらに、特に図２から６から明らかなように、弦角度αは、プロフィール領域１６全体にわたって、ロータブレードルート２０からロータブレード尖端２６の方向にこのロータブレード尖端まで連続的に増大している。

通常のように、ロータ軸１８もしくはそれに取りつけられたハブに固定されたロータブレード１０は、プロフィール領域１６のロータブレード側の始端まで、すなわちロータブレードルート１２まで、軸カバー６８によって覆われており、これが図１３及び１４との関連において示されている。

図示される実施例において、ロータブレードルート１２に直接隣接して、弦角度αは、０°である。しかし、この弦角度が、たとえば４°までの、わずかな角度を有することも、可能である。

図示される実施例において、ロータブレード尖端における弦角度は、約２６°である。しかし、それよりも小さく、あるいは大きく選択することもできる。ロータブレード尖端領域１４内では、弦角度αは、好ましくは２０°と２８°の間にある。

特に図１に関連して図２から６から明らかなように、弦角度αはロータブレードルート１２からロータブレード尖端２６の方向に線形に増大する。

図１の表示において、ロータブレードノーズ２２とロータブレードリアエッジ２４は、まっすぐである。弦角度αの変化にしたがって、特に図７から１２から明らかなように、ロータブレードノーズ２２はやや湾曲して延びており、ロータブレードリアエッジ２４（図１０を参照）は、その全長にわたってほぼ参照平面ＢＥ内に位置する。

プロフィール奥行き３８、すなわちロータブレードノーズ２２とロータブレードリアエッジ２４の間の間隔は、プロフィール領域１６全体にわたって、ロータブレードルート１２からロータブレード尖端２６の方向に連続的に、図示される実施例においては線形に、減少する。

図示される実施例においては、ロータブレード尖端２６において、プロフィール奥行き３８は、プロフィール領域１６のロータブレードルート１２側の端部におけるプロフィール奥行き３８の３分の１である。

プロフィール領域１６の、ロータブレードルート側の端部におけるプロフィール奥行き３６の、プロフィール領域３６の長さ－すなわちロータブレードルート１２とロータブレード尖端２６の間の間隔－に対する比率は、０．２である。

プロフィール厚み４０も、プロフィール領域１６全体にわたって、ロータブレードルート１２からロータブレード尖端２６まで連続的に、図示される実施例においては線形に、減少する。

プロフィール奥行き３８に対するプロフィール厚み４０の比率は、プロフィール領域１６全体において、ほぼ０．０７である。したがってきわめて細長いウィングプロフィール２８となる。

特に図２から６から読み取ることができるように、図示されるウィングプロフィール２８は、凸状の上側３０とＳ字形状の下側３２とを有するノーマルプロフィールであって、その場合に下側３２においては、凸状の領域から凹状の領域への移行部は、ロータブレードノーズ２２の近傍に位置している；ロータブレードノーズ２２からの距離は、プロフィール奥行き３８の約１０％である。

特に図１３と１４からも明らかなように、ロータブレード１０は、風力タービンの回転軸線２０を中心に回転するように、定められており、その場合に回転軸線は少なくともほぼ流着する風Ｗの方向に延びており、かつロータブレード１０は風力タービンの風上側にある。

図１３と１４に示す２つの風力タービンは、図１から１２に示し、かつ上で説明したように、それぞれ３つのロータブレード１０を搭載している。

これらのロータブレード１０は、図示されない２つのボルトを用いてハブ４２に固定されており、それらのボルトは、特に図９が示すように、それぞれロータブレードルート１２の固定穴４４に挿通されている。これらの固定穴４４及びそれに伴ってボルトの長手方向は、参照平面ＢＥに対して直角に延びる。

図１３に示す風力タービンの実施形態において、垂直支持体４６上に流線形状のジェネレータハウジング４８が取りつけられており、その中に、電気エネルギを発生させるためのジェネレータ５０が配置されている。ジェネレータ５０を駆動するロータ軸１８上に取りつけられたハブ４６に、３つのロータブレード１０が周方向に均一に分配して固定されている。ジェネレータハウジング４８の風下側の端部には、回転軸線２０が流着する風３６に抗して方向づけされるように、垂直支持体４６の垂直軸線を中心にジェネレータハウジング４８を方向づけするために、テイルユニット５２が設けられている。ロータブレードルート１２は、軸カバー６８によって覆われている。

図１４に示す風力タービンの実施形態は、国際公開第２０１９／０７６５１４（Ａ１）号に開示されているように、ダクテッド風力タービンとして形成されているが、その場合に３つのロータブレード１０は、図１から１２に示すように形成されている。

垂直支持体３６上に、垂直軸線を中心に回転可能に、ダクト５４が取りつけられており、そのダクトは回転軸線２２に対して回転対称に形成されており、かつウィング形状の横断面を有している。内側に位置するダクト上側５６が、風のための流れ通路５８を画成する。案内部材６０は、リング形状であり、かつ回転軸線２０に対して回転対称に形成されている。案内部材６０の外径は、流れ通路５８の最小の内法よりも小さい。

案内部材プロフィールノーズ６２は、ダクトプロフィールノーズ６４に関して上流に、そして案内部材プロフィールリアエッジ６６はダクトプロフィールノーズ６４に関して下流に、しかし流れ通路５８の最小の内法に関しては上流に配置されている。

電気的ジェネレータ５０を駆動するための３つのロータブレード１０を有するプロペラが、案内部材プロフィールリアエッジ６６の少なくとも近傍に配置されている。

流着する風３６に対してダクト５４とそれに伴って回転軸線２０を方向づけするために、ダクト５４は垂直支持体４６の軸線を中心に動力で回転可能である。

この発明対象は、以下のように定義することもできる：

風力タービンのロータブレードであって、ロータブレード１０をハブに固定するためのロータブレードルート１２、ロータブレードルート１２に連続し、かつロータブレードルートとは逆のロータブレード尖端領域１４まで延びるプロフィール領域１６、プロフィール領域１６全体にわたって延びる、ロータブレードノーズ２２とロータブレードリアエッジ２４、プロフィール領域１６全体にわたってロータブレードノーズ２２からロータブレードリアエッジ２４まで延びるウィングプロフィール２８の吸い込み側を形成する上側３０と圧力側を形成する下側３２及び、ロータブレードノーズ２２とロータブレードリアエッジ２４を通って延びる、ウィングプロフィール２８の弦３４を有し、その場合に参照平面ＢＥと弦３４の間の弦角度αが、プロフィール領域１６にわたってロータブレードルート１２からロータブレード尖端領域１４の方向に増大する。

参照平面ＢＥは、ロータブレード１０の長手方向Ｌに延びており、かつその中で少なくともほぼ弦３４が、プロフィール領域１６のロータブレードルート側の端部において、延びている。

ウィングプロフィール２８の上側３０は、参照平面ＢＥとは逆向きであって、風下側にある。したがって下側３２は風上側にある。

参照平面Ｅは、回転軸線２０と、したがってそれに伴って流着する風と、好ましくは５０°と７０°の間の迎角βを形成する。

Claims (13)

1. 風力タービンのロータブレードであって、ロータブレード（１０）をハブに固定するための、参照平面（ＢＥ）を定めるロータブレードルート（１２）、ロータブレードルート（１２）に連続して、ロータブレードルート（１２）とは逆のロータブレード尖端領域（１４）内まで延びるプロフィール領域（１６）、プロフィール領域（１６）全体にわたって延びる、ロータブレードノーズ（２２）とロータブレードリアエッジ（２４）、プロフィール領域（１６）全体にわたってロータブレードノーズ（２２）からロータブレードリアエッジ（２４）まで延びるウィングプロフィール（２８）の、吸い込み側を形成する上側（３０）と圧力側を形成する下側（３２）及び、ロータブレードノーズ（２２）とロータブレードリアエッジ（２４）を通って延びる、ウィングプロフィール（２８）の弦（３４）を有する、ものにおいて、
   参照平面（ＢＥ）と弦（３４）の間の弦角度（α）が、プロフィール領域（１６）にわたってロータブレードルート（１２）からロータブレード尖端領域（１４）の方向に増大する、ことを特徴とするロータブレード。
2. 弦角度（α）が、連続的に増大する、ことを特徴とする請求項１に記載のロータブレード。
3. 弦角度（α）が、ロータブレードルート（１２）に連続する始端セクション内で０°と４°の間、そしてロータブレード尖端領域（１４）内では２０°と２８°の間である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のロータブレード。
4. ロータブレードリアエッジ（２４）が、少なくともほぼ直線的に延びている、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のロータブレード。
5. プロフィール奥行き（３８）が、プロフィール領域（１６）全体にわたって、ロータブレードルート（１２）からロータ尖端領域（１４）の方向に減少している、ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のロータブレード。
6. プロフィール奥行き（３８）が、連続的に減少している、ことを特徴とする請求項５に記載のロータブレード。
7. プロフィール奥行き（３８）が、半分から４分の１まで、好ましくは少なくともほぼ３分の１に減少する、ことを特徴とする請求項５又は６に記載のロータブレード。
8. プロフィール厚み（４０）が、プロフィール領域（１６）全体にわたって、ロータブレードルート（１２）からロータブレード尖端領域（１４）の方向に、減少する、ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のロータブレード。
9. プロフィール厚み（４０）が、連続的に減少する、ことを特徴とする請求項８に記載のロータブレード。
10. プロフィール奥行き（３８）に対するプロフィール厚み（４０）の比率が、プロフィール領域（１６）全体内で、少なくともほぼ一定であり、好ましくは少なくともほぼ０．０７である、ことを特徴とする請求項８又は９に記載のロータブレード。
11. ロータブレード（１０）が、風力タービンの回転軸線（２０）を中心に回転するように、定められており、その場合に回転軸線（２０）が少なくともほぼ流着する風（３６）の方向に延びており、かつ参照平面（ＢＥ）が回転軸線（２０）と少なくとも５０°の迎角（β）を形成する、ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載のロータブレード。
12. ウィングプロフィール（２８）が、凸状に湾曲された上側（３０）とＳ字形状に湾曲された下側（３２）とを有するノーマルプロフィールである、ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載のロータブレード。
13. ハブ（４２）を備えた、回転軸線（２０）を定めるロータ軸（１８）を有する風力タービンであって、前記ハブに請求項１から１２のいずれかに記載のロータブレード（１０）がそのロータブレードルート（１２）によって固定されており、その場合に回転軸線（２０）が駆動中に少なくともほぼ流着する風（３６）の方向に方向づけされている、風力タービン。

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