JP5726759B2 - 風力タービンのための駆動デバイス - Google Patents

Description

本発明は、以下の請求項１の前段による風力タービンのための駆動デバイスに関する。

最も最近の風力タービンにおいては、駆動ユニットは風力タービンロータも坦持したナセル内に配置されている。ナセルは必然的に高いマストの頂部に配置され、ロータが常に風に面するように回転する。

国際公開第２００８／０２８３３５号パンフレット 特開２００５−０２３８９３号公報

駆動ユニットのそのような配置はマストの頂部に大きい重量を置くことになり、保守のためのアクセスが課題となる。それにもかかわらず、駆動ユニットと発電機とはこの位置にあり、回転トルクがマストを通じたシャフトを介して伝達されなければならず、いくらかの損失を導き、マストは回転するシャフトからの反作用トルクを緩和することが可能であることを要求されるため、使用は高価なものとなる。

したがって、駆動ユニットを簡素化し且つ軽量にする緊迫した要求が存在する。また、保守のためのアクセスを容易にする必要もある。これらは本発明の主目的であり、これらは請求項１の特徴部分に記載された特徴によって達成される。

ロータから発電機へと回転を伝達するためのベルトの使用は、特許文献１および２、ならびにその他から公知である。しかしながら、本発明はより良好にベルトの作用または可能であればチェーンの作用の特性を利用することを目的としており、より小型の駆動デバイスが追加的な作用の利得とともに達成されることが可能である。

ベルトの作用に関連して本発明によって達成されることが可能ないくつかの利得は、公知の解決策による。
・ 公知のベルトの作用に対するベルトの能力の利用の倍増を得る。これは、特に大きい（したがってこるとの高い）ベルトおよび連結された大きいベルトホイールに関する。
・ 構造はより小型化される。
・ 駆動軸にかかるトルクが平衡する。
・ 発電は２つの発電機に分割され、より効率的な発電制御システムを公開することが可能である。
・ ベルトの交換が必要となる前の時間は延長され、それは弱風の場合に単一の発電機にトルクをかけることが可能なためである。

歯車伝動または直接伝動を備えた従来の駆動システムと比較して、本願発明は以下の利得が達成することが可能である。
・ 衝撃荷重が減少される（大きいモーメントの変化、振動等が緩和される）。
・ 複雑な潤滑および冷却システムが不要となる。
・ システムは腐食がより少なくなる傾向となり、保守の必要が少なくなる。これは特に海上風力タービンに適切である。例えば、ベルトホイールは亜鉛コーティングされて腐食が減少し、歯車伝達を備える必要がない。
・ 軽量化はベルトホイール内の駆動軸の一体化によって、およびギアボックス内の小さい半径に変わって大きい半径にトルクを伝えることによって達成されている。
・ 駆動システムの生産において製造されなければならない部品の数は、顕著に減少されている。
・ 保守の大部分は大型クレーンを使用することなく実行され得る。ベルトは最も摩耗の影響を受けやすいが、大きいベルトでさえ７０〜１００ｋｇよりも大きくない重量である。ベルトが柔らかいため、ベルトホイールは摩耗しないだろう。
・ たとえば５、７および１０ＭＷの拡大は、駆動システムの質量を飛躍的に増加することなく可能である。ギアボックスまたは直接駆動を備えた５ＭＷタービンの質量は即座に非常に重くなる。
・ ロータからの動力はいくつかの標準的な発電機に分散され、柔軟性が増大する結果となる。
・ 歯車伝達よりも大きい変換が一段階についてもたらされることが可能である。これは、歯車伝達による大きい変換は歯への高い圧力を導くため、より多い摩耗に帰結するからである。ベルト動作を伴って、より柔軟な伝達が存在し、いくらかの滑りは突然のトルク変化を受容することが可能である。
・ ベルト駆動システムは、直接動作と比較して利点を備えている。直接動作を伴って、比較的低い回転速度が発電機に伝達される。このことは、発電機は高回転速度において大きく且つ重くなければならないことを意味しているが、本発明はより小さく軽い発電機を使用することが可能である。

本発明は添付図を参照してより詳細に説明される。

ロータハブ、駆動ユニットおよび発電機を備えた風力タービンのための公知のナセルを示した図である。 図１に示されたナセルに類似したナセルを示しているが、本発明による駆動デバイスを備えている。 本発明による駆動デバイスの斜視図を示している。 本発明による駆動デバイスの反対側からの斜視図を示している。 本発明による駆動デバイスの分解図を示している。 本発明による３つの第２軸を備えたシステムの原理図を示している。 第２軸が共通の発電機に回転可能に接続されている図を示している。

最初に、図１による公知のナセルが簡潔に説明される。そのナセルはロータハブ１を具備し、そこに風力タービンブレード（図示略）が取り付けられる。ハブ１は主軸受２内に組み付けられ、主軸３に接続されている。ギア４にはブレーキ５が取り付けられている。ギアは連結器６を介して発電機７に接続されている。ナセルには、タワー１１に関連したナセルの回転のためにスイベル軸受８、スイベルギア９およびスイベルリング１０が取り付けられており、タワーにはナセルが配置されている。

本発明は、上述の公知のナセル内の以下の部品を置き換えることを目的としている。それらは主軸３、主ギア４、ブレーキ５および連結器６である。

図２は図１のナセルを示しており、意図された位置に配置された本発明による駆動デバイスと、背景としての公知のナセルと、を備えている。

しかしながら、図２が説明される前に、本発明による駆動デバイスが図３〜５を参照して説明されるべきであり、それらの図はナセルから分離した本発明による駆動デバイスを示している。

駆動デバイスはフレーム１２内に組み付けられており、ハブ１から離れた側の一端に第１開口部１３を備え、ハブ１に向かうように面した他端に第２開口部１４を備えている。開口部１４は円形であり、回転軸受１５を受け入れるように設定されている。そのフレームは荷重担持壁１６と主軸軸受１７とも含んでいる。荷重担持壁１６は開口部１８および１９を備えている。フレーム１２は、底部においてタワーに関連したナセルの回転のためのスイベル軸受を持ち上げるように設計されている。フレームはこの領域において開口部２０も備えている。

ラージベルトディスクホイール２１はスイベル軸受１５と主軸軸受１７との間に組み付けられ、主軸２２を補助している。２つの第２軸２３および２４はラージベルトディスクホイール２１と主軸２２とに平行に組み付けられている。これらの各々には、ハブ１から離れた側の端部にスモールベルトディスク２５，２６が取り付けられている。ベルト２７のセットはラージベルトディスク２１と第２軸２３，２４との周りに延在し、ラージベルトディスク２１から第２軸２３，２４へと回転トルクを伝達している。第２軸２３，２４は開口部の側部のブラケット２８，２９と荷重担持壁１６との間に組み付けられている。２つの発電機３０，３１はフレーム１２に取り付けられており、荷重担持壁１６を貫通して延在した発電基軸３２，３３を備えている。これらの発電機軸３２，３３はベルト３４，３５のセットを介して各々のスモールベルトディスク２５，２６と回転可能に接続されている。

ラージベルトディスク２１にはスポーク３６が設けられ、４つの開口部３７がベルトディスク２１自身を貫通して形成されている。

上述の構成はナセルの荷重担持部をコンパクトなユニットとして形成することが可能である。図２はどのようにこのユニットがナセル内に配置されるかを示している。ハブは多数のボルトを利用してラージベルトディスク２１に直接的に接続され、ボルトはベルトディスク２１内のボルト穴にねじ込まれる。

したがって、ハブの回転はラージベルトディスク２１の回転を引き起こす。この回転はベルト２７を介して第２軸２３，２４に伝達され、スモールベルトディスク２５，２６およびベルト３４，３５を介して発電機３０，３１に順に伝達される。ラージベルトディスク２１は第２軸２３，２４よりも顕著に大きい直径を有するので、ハブの小さい回転速度でさえも第２軸２３，２４の大きい回転速度を引き起こす。単一ステップでの非常に大きい変換はこれによって達成される。

平行であって且つ径方向に対向した第２軸２３，２４はラージベルトディスク２１の良好なバランスに寄与している。ベルトの張りは第２軸の側方への移動によって調節されることが可能であり、ブラケット２８，２９および荷重担持壁１６内の長穴３９によって示唆されている。ベルト３４，３５の張りは発電機３０，３１の側方への変位によって類似の方法において実行されることが可能であり、荷重担持壁１６の長穴４０によって示唆されている。

出力発生の半分を提供するために必要とされるよりも風が弱い場合、１つの発電機は接続解除されることが可能である。発電機の半分を接続解除する能力は、わずかな風がある場合、単一の発電機および従来の二連供給の発電機制御の補助を伴うよりも、より広い風力タービンの規制範囲達成することが可能であることを意味している。

２つの第２軸と２つの発電機とが上述されており、複数の第２軸と発電機とを使用することに関しては何もない。ラージベルトディスク２１と回転可能に接続された１セットのベルト２７を介した３つの第２軸２３ａ，２３ｂ，２３ｃを備えたシステムの原理図は、図６に示されている。ベルト２７，３４，３５の代わりに、ラージディスクの歯と第２軸とを係合する１つ以上のチェーンが使用されることも可能である。

各々の第２軸が固有の発電機と接続される代わりに、これらは共通の発電機に回転可能に接続されている。この実施例は図７に示されており、そこではスモールベルトディスク２５，２６はベルトディスクセット３４，３５を介して共通の発電機３０ａに通じた共通の発電機軸３２ａに接続されている。今日において、これは最も適切な実施形態である。

検査および保守のための良好なアクセスを提供するように、フレーム１２は設計され、且つ駆動ユニットはフレーム内に配置されている。作業者は、タワーの頂部の開口部に通じた開口部２０を介してフレーム内に進入することが可能である。ここから、作業者は開口部１３を介してナセルの後部および開口部１８または１９を介してナセルの前部に到達することが可能である。さらに、１つの開口部３７を介してラージベルトディスク２１を通って、およびここからハブ内へと這って進むことが可能である。

本発明による駆動デバイスにはブレーキも設けられ、ブレーキはナセル内に人がいる間、回転しないことを確実にする。このブレーキは２つのスモールベルトディスクまたは発電機に最も適切に配置され、保守作業者が手動でラージベルトディスクおよびハブを固定するまで稼動する。

１ ・・・ロータハブ、 ２ ・・・主軸受、 ３ ・・・主軸、 ４ ・・・ギア、 ５ ・・・ブレーキ、 ６ ・・・連結器、 ７ ・・・発電機、 ８ ・・・スイベル軸受、 ９ ・・・スイベルギア、 １０ ・・・スイベルリング、 １１ ・・・タワー、 １２ ・・・フレーム、 １３ ・・・第１開口部、 １４ ・・・第２開口部、 １５ ・・・回転軸受、 １６ ・・・荷重担持壁、 １７ ・・・主軸軸受、 １８，１９，２０，３７ ・・・開口部、 ２１ ・・・ラージベルトディスクホイール、 ２２ ・・・主軸、 ２３，２４ ・・・第２軸、 ２５，２６ ・・・スモールベルトディスク、 ２７ ・・・ベルト、 ２８，２９ ・・・ブラケット、 ３０，３１ ・・・発電機、 ３２，３３ ・・・発電機軸、 ３６ ・・・スポーク、 ３９，４０ ・・・長穴

Claims (11)

1. 風力タービンのための駆動デバイスであって、該駆動デバイスは、
   主軸に配置されたラージベルトディスクと、
   該ディスクから発電機へと回転を伝達するための少なくとも１つのベルトと、
   を具備し、
   前記ディスクは少なくとも２つの第２軸に回転可能に接続されており、前記第２軸は少なくとも１つの発電機に順に回転可能に接続された駆動デバイスにおいて、
   前記ディスクと少なくとも２つの第２軸との間の回転可能な接続は少なくとも１つの前記ベルトを介しており、少なくとも１つの前記ベルトは前記ディスクと少なくとも２つの第２軸との周囲に連続的に延在しており、
   前記第２軸の各々の回転が、それぞれ対応する発電機に対してさらなるベルトを介して伝達されることを特徴とする駆動デバイス。
2. ２つまたは３つの第２軸を備えていることを特徴とする請求項１に記載の駆動デバイス。
3. 前記第２軸は互いに関連して同じ各距離で前記ディスクの周囲に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の駆動デバイス。
4. 前記ディスクと主軸とは互いに一体化されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の駆動デバイス。
5. 前記第２軸は個々の発電機に回転可能に接続されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の駆動デバイス。
6. 前記第２軸は同一の発電機に回転可能に接続されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の駆動デバイス。
7. 前記ディスクは、前記主軸に平行な大きい貫通開口部を備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の駆動デバイス。
8. フレームが配置され、その内部には前記ディスク、主軸、第２軸および発電機が組み付けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の駆動デバイス。
9. 前記第２軸は前記フレーム内において前記主軸およびディスクに関して側方に変位することが可能なように組み付けられており、前記ベルトの張りが前記第２軸の変位によって調節されることが可能であることを特徴とする請求項８に記載の駆動デバイス。
10. 前記フレームは、前記駆動デバイスが風力タービンのナセル内に配置されたときに保守のためのアクセスを提供する開口部を具備し、前記フレームはナセルが配置されたタワーに向かった開口部を備え、前記フレームの両端を通じてアクセスを提供する開口部が存在し、前記ディスク内の開口部を介して前方へおよび前記フレーム内の開口部を介して後方へのアクセスを提供していることを特徴とする請求項８または９に記載の駆動デバイス。
11. 前記フレームは荷重担持壁を具備し、該壁は前記主軸および第２軸の一端を組み付けることに寄与していることを特徴とする請求項８、９または１０に記載の駆動デバイス。

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