JP5841662B2 - 風力タービン用のナセルメインフレーム構造体及びドライブトレインアセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、風力タービンのタワーに取り付けるためのナセルメインフレーム構造体及びドライブトレインアセンブリに関する。

今日の風力タービン市場は、急速に変化している。より大規模でより高いメガワット数の電気を発生可能とする風力タービン（「マルチメガワット級風力タービン」とも称する）に対して、継続的な需要が存在する。同時に、タービン及びその部品の小型化並びに軽量化に対する要件はますます重要になってきている。風力タービンにおいて、通常は風力タービンロータにより、ギア変速ユニット又はギアボックスにおける低速のシャフトが駆動される。この場合にギア変速ユニット又はギアボックスは、ロータのトルク及び速度を発電機にとって所要のトルク及び速度に変換するものである。マルチメガワット級風力タービンに対する需要の増大により、上述した風力タービン用部品における新規の設計に対する要求が厳しくなっている。このような要求に鑑み、風力タービンの重量及びコストを可及的に削減するか、又は少なくとも許容範囲内に抑えつつ、各部品を風力タービンの運転時に生じるロータへの高負荷に耐え得るものとする必要がある。

既存のタービン設計は、２つの主要なカテゴリに大別することができる。第１カテゴリには、それ自体で十分な強度を有するナセルメインフレーム構造体を備えることにより、ロータが受ける一切の負荷に対応できるタービンが含まれる。第１カテゴリに属するタービンの例として、ナセルメインフレーム構造体が、メインシャフトを保持する２個の主軸受が設けられた、従来のベッドプレート設計を含むものがある。しかしながら、この場合、ナセルメインフレームが重量化し、しかも重量のあるギアボックス及び／又は発電機などを含むドライブトレインがメインフレームに取り付けられる。ドライブトレインが比較的重量を有するものとして構成されるのは、一切のトルク負荷に耐え得る必要があるからである。その結果、風力タービンの頂部質量が極めて大きくなる。

第１カテゴリの設計コンセプトは、たしかに各部品が容易に交換可能であるという利点を有するが、このような設計コンセプトの主な欠点は、ドライブトレイン自体が極めて重い上、ロータ負荷が風力タービンのタワーに伝達される際にドライブトレインが部分的にしか関与しないことである。その結果、より堅牢なナセルメインフレーム構造体が必要とされるため、ナセルメインフレーム構造体の総重量がより増加する。

第２カテゴリには、一体化されたナセルメインフレーム構造体を備える設計とするタービンが含まれる。この場合、ナセルメインフレーム構造体及びドライブトレインは、１個のユニットを構成している。このような設計の利点は、ロータ負荷をタワーに伝達するために構造部品がより効果的に使用されることである。この場合、負荷伝達部品がより好適に使用されるため、ナセルメインフレーム構造体の重量は、第１カテゴリの設計に比べて軽減することができる。しかしながら、一体化された設計では、部品の点検又は交換がより困難であるため、交換可能性の低下だけでなく点検やメンテナンスのためのコスト増につながる。

上述したところから明らかなとおり、最新のタービン設計においては、風力タービン部品における最適な交換可能性と、ナセルメインフレーム構造体における最適な重量との間で何らかの妥協を図る必要がある。

従って、本発明の課題は、風力タービン部品の最適な交換可能性と、ナセルメインフレーム構造体の軽量化とを同時に達成可能としたナセルメインフレーム構造体及びドライブトレインアセンブリを提供することである。

この課題を解決するため、本発明に係るナセルメインフレーム構造体及びドライブトレインアセンブリ（以下、「アセンブリ」と略称する。）は、ナセルメインフレーム構造体と、ドライブトレインの少なくとも一部とを含み、ドライブトレインの少なくとも一部が、アセンブリのロータ側にナセルメインフレーム構造体と結合される第１結合面を有すると共に、ロータ側から離れる方向に見て、第１結合面に対して軸線方向にずらせて配置され、かつナセルメインフレーム構造体と結合される第２結合面を有する。

第１結合面は、第２結合面とは異なる面である。換言すれば、第１及び第２結合面は、互いに独立して形成されている。即ち、第１及び第２結合面は、同一ではなく２つの異なる結合面とされており、互いに分離している。これは、第１結合面及び第２結合面が互いに重ならないか、又は直接接触しないことを意味する。

一実施形態において、第１結合面は、ドライブトレインの軸線にほぼ直交する方向、又はドライブトレインの軸線にほぼ平行な方向を指向することができる。また、第２結合面は、ドライブトレインの軸線にほぼ平行な方向、又はドライブトレインの軸線にほぼ直交する方向を指向することができる。即ち、第１及び第２結合面は、互いにほぼ直交する方向を指向することができる。

このように第１及び第２結合面を指向させる構成の利点は、ロータ負荷をロータの水平軸線からタワーの垂直軸線に伝達するための付加的な構造体が不要となることである。

このようなアセンブリの構成により、風力タービンの運転時におけるロータ負荷の大部分を、ロータからドライブトレインを介して風力タービンのタワーに伝達することができる。その利点は、ナセルメインフレーム構造体に必要とされる材料が、既存のナセルメインフレーム構造体に比べて大幅に少ないことである。即ち、ロータ負荷の大部分が、ナセルメインフレーム構造体自体ではなく、ドライブトレインを介して伝達されるため、ナセルメインフレーム構造体を既存のものに比べて大幅に軽量化することができる。

一実施形態において、ドライブトレインは、ギアボックス及び発電機の両者を含むことができるが、他の実施形態において発電機だけを含む構成とすることができる。

本発明に係るアセンブリは、風力タービンのロータを支持するために、主軸受とも称する少なくとも１個の軸受を更に備えることができる。ナセルメインフレーム構造体は、ロータに結合するための第１部分及び風力タービンのタワーに結合するための第２部分を有することができる。一実施形態において、少なくとも１個の軸受は、ナセルメインフレーム構造体の第１部分に配置することができる。この実施形態において、ドライブトレインは、その軸線に平行な方向に見て、アセンブリのロータ側における少なくとも１個の軸受に対して軸線方向にずらせて配置することができる。他の実施形態において、少なくとも１個の軸受は、ドライブトレイン側に配置してもよい。

一実施形態において、少なくとも１個の軸受は、外輪によりロータに、そして内輪によりナセルインフレーム構造体に、それぞれ結合可能である。

他の実施形態において、少なくとも１個の軸受は、内輪により風力タービンのロータに、そして外輪によりナセルメインフレーム構造体に、それぞれ結合可能である。

他の実施形態において、ドライブトレインは、風力タービンのロータに結合される第３結合面を更に有することができる。

風力タービンの立面図である。 本発明の実施形態に係るアセンブリを示す側面図である。 同アセンブリを示す斜視図である。 同アセンブリの異なる方向からの斜視図である。 ナセルメインフレーム構造体の実施形態を示す斜視図である。 一実施形態に係るアセンブリの風力タービンロータへの取り付け状態を示す断面図である。 他の実施形態に係るアセンブリの取り付け状態を示す断面図である。 他の実施形態に係るアセンブリの取り付け状態を示す断面図である。 他の実施形態に係るアセンブリの取り付け状態を示す断面図である。 他の実施形態に係るアセンブリの取り付け状態を示す断面図である。

各図における同一参照符号は同一の、又は対応する構成要素を表す。

本明細書では、発明を記述するために異なる実施形態を用いるため、異なる図面に言及する。ただし、図面は非限定的なものであり、本発明は特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。即ち、図面は説明を目的としたものであり、また、図中に示す構成要素の寸法は、明瞭性の見地から誇張されていることがある。

本明細書において、「含む、「備える」、「有する」等の用語は、本発明を限定するものではない。また、特許請求の範囲における「含む」、「備える」、「有する」等の用語は、後述する手段に限定されるものでなく、他の要素、部分又はステップを除外するものでもない。特許請求の範囲及び明細書における「結合」は、特記しない限り、直接的な結合に限定されるものではない。即ち、部分Ａが部分Ｂに結合される場合には、部分Ａが部分Ｂに直接接触する構成に限定されるわけではなく、部分Ａ及び部分Ｂが間接的に接触する構成、例えば部分Ａ及び部分Ｂの間に中間部分が介在する構成も含む。本発明の実施形態によっては、本発明に係る全ての特徴を部分的にしか含まないものがある。以下の記載及び特許請求の範囲における各実施形態は、任意に組み合わせることができる。

以下、本発明を幾つかの実施形態に基づいて説明する。これらの実施形態は、もっぱら本発明の理解を容易とするものであって、本発明を限定するものではないことは言うまでもない。

本発明は、風力タービンのタワーに取り付けるためのナセルメインフレーム構造体及びドライブトレインアセンブリを提供する。このアセンブリは、ナセルメインフレーム構造体と、ドライブトレインの少なくとも一部とを含む。本発明によれば、ドライブトレインの少なくとも一部が、アセンブリのロータ側でナセルメインフレーム構造体に結合される第１結合面と、ロータ側から離れる方向に見て、第１結合面に対して軸線方向にずらせて配置され、かつナセルメインフレーム構造体に結合される第２結合面とを有する。

図１に示す風力タービン１は、ナセルメインフレーム構造体及びドライブトレインアセンブリ10が取り付けられたタワー２を備える。アセンブリ10は、ナセルメインフレーム構造体３及びドライブトレイン４を含む。ドライブトレイン４は、図１に示すように、ギアボックス５及び発電機６の両者を含むことができるが、他の実施形態において、発電機６だけを含む構成とすることができる。風力タービン１は更に、ロータ７及びロータブレード８を備える。図２〜図４は、本発明に係るアセンブリ10の一実施形態を示す。この実施形態において、ドライブトレイン４は、ギアボックス５及び発電機６の他にリングギア９を含むことができる。図５に示すナセルメインフレーム構造体３は、風力タービン１のロータ７に結合される第１部分3aと、風力タービン１のタワー２に結合される第２部分3bとを備えることができる。本発明に係るドライブトレイン４に使用可能なギアボックス５及び／又は発電機６は、任意かつ適切で、当業者にとって既知のもので構成することができる。

ドライブトレイン４は、ナセルメインフレーム構造体３に対してその第１部分3aにおいて結合される第１結合面11を有する。第１結合面11は、ナセルメインフレーム構造体及びドライブトレインアセンブリ10のロータ側Ｒに位置している。ロータ側Ｒとは、アセンブリ10において風力タービン１のロータ７に結合される側を指す。ドライブトレイン４は、フランジ12によってナセルメインフレーム構造体３の第１部分3aに結合することができる。第１結合面11は、ドライブトレイン４の軸線Ａにほぼ直交する方向を指向している。換言すれば、第１結合面11は、風力タービン１のタワー２における軸線Ｂにほぼ平行な方向を指向している。

ナセルメインフレーム構造体３及びドライブトレイン４の間の第２結合面13は、ナセルメインフレーム構造体３の第２部分3bに結合される。第２結合面13は、ロータ側Ｒから離れる方向に見て、第１結合面に対して軸線方向にずらせて配置されている。図２〜図４に示す実施形態において、第２結合面13は、ドライブトレイン４の軸線Ａにほぼ直交する方向を指向することができる。換言すれば、第２結合面13は、風力タービン１のタワーにおける軸線Ｂにほぼ直交する方向を指向することができる。上述したところから明らかなとおり、第１結合面11及び第２結合面13は互いにほぼ直交するよう指向させることができる。

第１結合面は、第２結合面とは異なるものである。換言すれば、第１及び第２結合面は、互いに独立して形成されている。即ち、第１及び第２結合面は、同一ではなく互いに完全に異なる２つの結合面とされている。これは、第１結合面及び第２結合面が互いに重ならないか、又は直接に接触しないことを意味する。

本発明に係るアセンブリ10は、風力タービン１のロータ７を支持するための少なくとも１個の主軸受14を更に備えることができる。図２〜図４に示す実施形態において、主軸受14はナセルメインフレーム構造体３の第１部分3aに配置することができる。

当業者間で知られているように、従来の軸受は、内輪及び外輪だけでなく、これらの間に軸受用ローラを有する。図２〜図４及び図６に示すように、主軸受14は、外輪により風力タービン１のロータ７に結合される構成とすることができる。換言すれば、図２〜図４及び図６に示すアセンブリ10を風力タービン１に取り付ける場合、主軸受14は、外輪により風力タービン１のロータ７に結合することができる。従って、主軸受14は、内輪によってナセルメインフレーム構造体３の第１部分3aに結合可能である。この場合、ナセルメインフレーム構造体３の第１部分3aにおける内径D₁は、主軸受14の内径D₂よりも小さい（図６参照）。

他の実施形態において、主軸受14は、内輪により風力タービン１のロータ７に結合することができる。換言すれば、この実施形態に係るアセンブリ10を風力タービン１に取り付ける場合、主軸受14は、内輪により風力タービン１のロータ７に結合するものである。これは、図７に示すとおりである。この場合に主軸受14は、外輪によりナセルメインフレーム構造体３の第１部分3aに結合可能である。図７に示すように、ナセルメインフレーム構造体３の第１部分3aにおける直径D₁は、主軸受14の直径D₂よりも大きい。

図２〜図４の実施形態、並びに図６及び図７の実施形態においては、主軸受14がナセルメインフレーム構造体３の第１部分3aに配置されているため、ドライブトレイン４は、主軸受14に対して、ロータ側Rから軸線方向、即ちドライブトレイン４の軸線にほぼ平行な方向にずらせて配置されている。

他の実施形態において、ロータ７を支持するための少なくとも１個の主軸受14は、ドライブトレイン４側に配置してもよい。これは、図８に示すとおりである。この場合、少なくとも１個の主軸受14は、外輪によりロータ７に結合することができる。従ってこの場合、少なくとも１個の主軸受14は、内輪によりドライブトレイン４に結合することができる。ただし、図示しない他の実施形態において、少なくとも１個の主軸受14は、内輪によりロータ７に結合される構成としてもよい。この場合、少なくとも１個の主軸受14は、外輪によりナセルメインフレーム構造体３の第１部分3aに結合可能である。

他の実施形態においては、図６〜図８から明らかなように、アセンブリ10を風力タービン１に取り付ける場合、ドライブトレイン４は、ナセルメインフレーム構造体３に結合される第１及び第２結合面11，13とは別に、風力タービン１のロータ７に結合される第３結合面15を更に有することができる。この更なる結合面15は、ロータ７及びドライブトレインフランジ16の間に形成することができる。

上述した実施形態におけるドライブトレイン４は、ギアボックス５及び発電機６の両者を含むものであるが、他の実施形態においては、発電機６だけを含む構成としてもよい。このような実施形態は、図９に示すとおりである。この場合、主軸受14は、外輪によりロータ７に結合し、内輪によりナセルメインフレーム構造体３の第１部分3aに結合することができる。この配置は逆転することも可能である。即ち、主軸受14は、内輪によりロータ７に結合し、外輪によりナセルメインフレーム構造体３に結合することができる。これは図７に示す実施形態であって、主軸受14がナセルメインフレーム構造体３の第１部分3aに配置されるケースに類似する。

更に、上述した実施形態におけるナセルメインフレーム構造体及びドライブトレインアセンブリ10は、ドライブトレイン４の全部を含むものとして示したが、他の実施形態においてはドライブトレイン４の一部だけを含む構成としてもよい。例えば、図10に示すように、ギアボックス５のみをアセンブリ10の一部とし、発電機６はアセンブリ10の外側に配置することができる。

上述した実施形態に係るアセンブリ10の構成によれば、ロータ負荷の大部分が、ロータ７からドライブトレイン４を介して風力タービン１のタワー２に伝達される。ここに「ロータ負荷」とは、ロータ７の運動及び重量によって生じる一切の負荷及び力を意味する。また、ロータ負荷がドライブトレイン４を介して伝達されることは、ロータ負荷の大部分がドライブトレイン４を介して伝達されるが、一部はナセルメインフレーム構造体３を介して伝達されることを意味する。ただし、この場合のロータ負荷のうち、ナセルメインフレーム構造体３を介して伝達される部分は、従来のナセルメインフレーム構造体及びドライブトレインアセンブリにおける負荷よりも大幅に小さい。

ロータ７からのロータ負荷は、まず主軸受14に伝達される。主軸受14の位置には、ナセルメインフレーム構造体３及びドライブトレイン４の間で第１結合面11が配置されている。そのため、ロータ負荷は主軸受14からドライブトレイン４に伝達される。その後、ロータ負荷は、ロータ側Ｒから離れる方向に見て第１結合面11に対して軸線方向にずらせた位置に配置されている第２結合面13を介して、風力タービン１のタワー２に更に伝達される。

従って、上記実施形態に係るアセンブリ10の構成においては、ドライブトレイン４がロータ負荷の大部分を受けると共に、その負荷を風力タービン１のタワー２に伝達する。即ち、上記実施形態において、ドライブトレイン４は負荷経路の一部を形成する。換言すれば、ドライブトレイン４は、ナセルメインフレーム構造体３に剛性を付与している。

このことの利点は、本発明の実施形態に係るナセルメインフレーム構造体３が必要とする材料が、既存のナセルメインフレーム構造体に比べて大幅に少ないことである。これは、ロータ負荷の大部分が、ナセルメインフレーム構造体３自体ではなくドライブトレイン４を介して伝達されるからである。その結果、ナセルメインフレーム構造体３は、既存の構造体に比べて大幅に軽量化可能である。

更に、ロータ負荷をロータ７の水平軸線からタワー２の垂直軸線に伝達するための付加的な構造体を設ける必要がない。なぜなら、ロータ負荷の伝達が、互いにほぼ直交する２個の結合面11，13（上記参照）を設けると共に、ドライブトレイン４を２つの軸線間における負荷経路として使用することによって達成されるからである。

上記実施形態に係るアセンブリ10の他の利点は、ロータ７をナセルメインフレーム構造体３から取り外すことなく、ドライブトレイン４を、例えば点検目的のためにアセンブリから容易に取り外せることである。この場合、ドライブトレイン４は、２個の結合面11，13の位置で分離した後、軸線方向に取り外すことができる。

即ち、ドライブトレイン４は、その軸線にほぼ平行な方向において、ナセルメインフレーム構造体３の後方、換言すれば風力タービンのタワー２の後方に移動した後、そこから地上に降ろすことができる。更に、ドライブトレイン４を、その点検後に、又は本発明の実施形態に係るアセンブリ10を構成するために、ナセルメインフレーム構造体３に再び装入することも容易に実行可能である。ドライブトレイン４が所定位置にない場合、ロータ７の重量によりナセルメインフレーム構造体３が僅かに前方に傾く。これは、ドライブトレイン４を装入する際に有益である。なぜなら、僅かではあるがより大きなスペースが得られるため、ドライブトレイン４が所定位置に配置されたときに、ナセルメインフレーム３に堅固に結合されるからである。ドライブトレイン４を装入する場合には、まずナセルメインフレーム構造体３の第１結合面11及び更なる結合面15のロータ７に結合することができる。次いで、第２結合面13を堅固に結合してナセルメインフレーム構造体３を所定位置に変位させる。これにより、ドライブトレイン４が負荷経路の一部を構成する。

本発明に係るアセンブリ10は、軽量なナセルメインフレーム構造体３と、容易に交換可能なドライブトレイン４又はドライブトレイン部品という２つの利点を組み合わせたものである。従って、既存の風力における設計とは異なり、軽量性又は容易な交換可能性に関して妥協を図る必要がない。

参照符号の説明

１ 風力タービン
２ タワー
３ ナセルメインフレーム構造体
４ ドライブトレイン
５ ギアボックス
６ 発電機
７ ロータ
10 ドライブトレインアセンブリ
11 第１結合面
13 第２結合面
14 軸受
15 第３結合面
Ｒ ロータ側

Claims (8)

1. 風力タービン（１）のタワーに取り付けるためのナセルメインフレーム構造体及びドライブトレインアセンブリ（10）であって、該アセンブリ（10）が、ナセルメインフレーム構造体（３）と、ドライブトレイン（４）の少なくとも一部とを含み、該ドライブトレイン（４）の一部が、
   ・前記アセンブリ（10）のロータ側（Ｒ）において前記ナセルメインフレーム構造体（３）に結合される第１結合面（11）と、
   ・前記ロータ側（Ｒ）から離れる方向に見て、前記第１結合面（11）に対して軸線方向にずらせて配置されると共に、前記ナセルメインフレーム構造体（３）に結合される第２結合面（13）と、
   を備え、
   前記第１結合面（11）が前記ドライブトレイン４の軸線にほぼ直交する方向を指向している、ナセルメインフレーム構造体及びドライブトレインアセンブリ。
2. 請求項１に記載のアセンブリ（10）であって、前記第２結合面（13）が前記ドライブトレイン４の軸線にほぼ平行な方向を指向している、ナセルメインフレーム構造体及びドライブトレインアセンブリ。
3. 請求項１又は２に記載のアセンブリ（10）であって、前記ナセルメインフレーム構造体（３）に配置され、かつ前記風力タービン（１）のロータ（７）を支持するための少なくとも１個の軸受（14）を更に備える、ナセルメインフレーム構造体及びドライブトレインアセンブリ。
4. 請求項１又は２に記載のアセンブリ（10）であって、前記ドライブトレイン（４）に配置され、かつ前記風力タービン（１）のロータ（７）を支持するための少なくとも１個の軸受（14）を更に備える、ナセルメインフレーム構造体及びドライブトレインアセンブリ。
5. 請求項３又は４に記載のアセンブリ（10）であって、前記少なくとも１個の軸受（14）が、外輪によって前記風力タービン（１）の前記ロータ（７）に結合される、ナセルメインフレーム構造体及びドライブトレインアセンブリ。
6. 請求項３又は４に記載のアセンブリ（10）であって、前記少なくとも１個の軸受（14）が、内輪によって前記風力タービン（１）の前記ロータ（７）に結合される、ナセルメインフレーム構造体及びドライブトレインアセンブリ。
7. 請求項１〜６の何れか一項に記載のアセンブリ（10）であって、前記ドライブトレイン（４）の少なくとも一部が、前記風力タービン（１）の前記ロータ（７）に結合される第３結合面（15）を更に有する、ナセルメインフレーム構造体及びドライブトレインアセンブリ。
8. 請求項１〜７の何れか一項に記載のアセンブリ（10）であって、前記ドライブトレイン（4）が、ギアボックス（５）及び発電機（６）の両者を、又は発電機（６）のみを含む、ナセルメインフレーム構造体及びドライブトレインアセンブリ。

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