JP5546625B2

JP5546625B2 - 風力タービン

Info

Publication number: JP5546625B2
Application number: JP2012508706A
Authority: JP
Inventors: ツェアー・マティアス
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-11-22
Filing date: 2011-11-22
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2031-11-22
Also published as: EP2630368A1; CN103221683A; EP2630368B1; WO2013076754A1; US20130177419A1; KR20130095656A; JP2014503730A

Description

本発明は補強部材を備えることでピッチ軸受の変形を低減する風力タービンに関する。

従来、風力タービンは少なくとも一つのブレードが搭載されたハブを備えてなる。風力タービンのロータブレードに作用する負荷を制御可能にするために、ハブへのブレードの搭載は、該ブレードが流入風に対してピッチ制御されるように、しばしば内側軸受リングと外側軸受リングとを備えたピッチ軸受を用いてなされる。この場合、ロータブレードはピッチ軸受の内側軸受リングに接続され、一方の外側軸受リングはハブに接続される。

ロータブレードに作用する風力やモーメントは風力タービン発電機のハブに伝達されなければならないので、ピッチ軸受は非常に大きな歪みや負荷の対象となっており、損傷や歪みの要因となっている。風力タービンの開発は風力タービンのサイズを増大する傾向にあるので、それに応じて、負荷と同様にブレードのサイズも増大している。このような開発のおかげで、ブレードとハブとの間の負荷伝達の中間部材としてのピッチ軸受は、より一層ダメージや歪みを受けやすい傾向にある。

ピッチ軸受の耐久性や機能性を確かなものとするために、軸受リングに補強部材を使用することが知られている。ＵＳ２００８０２１３０９５Ａｌでは、外側軸受リングの軸端部に配置された補強部材が開示されている。加えて、更なる補強部材が内側軸受リングの軸下端部に配置されている。しかしながら、これらの軸受リングの軸端部における配置は、軸受リングの径方向に作用して軸方向位置に強さが依存する負荷に関して、不利となる。軸受リングに対して軸方向に設けられた補強部材は他の力を受けることもあり、その際、軸受リング自体が補強部材、軸受リング、及びこれらの接続部によって、お互いに不利な負荷分布に導かれてしまう。

本発明は剛性機能が強化されたピッチ軸受を備えることで改良された風力タービンを提供することを目的とする。本発明は更に、ピッチ軸受の耐久性及び機能性を改善することを目的とする。

本発明によれば、風力タービンはハブ、少なくとも一つのブレード、及び、少なくとも一つのピッチ軸受を備える。風力タービンブレードの少なくとも一つのブレードは、内側軸受リング及び外側軸受リングを備えたピッチ軸受によってハブに旋回可能に取り付けられている。ブレードはピッチ軸受の内側軸受リングに特にボルト締結によって搭載されるのが好ましく、ハブは外側軸受リングに搭載されることが好ましい。２つの軸受リング間には、これらの軸受リングを互いに回転させる回転部材が配置されているので、内側軸受リングに搭載されたブレードはその長手軸回りに旋回できるようになっている。

更に、風力タービンはピッチ軸受の内側軸受リングの剛性を強化するための補強部材を備える。内側軸受リングは径方向に内壁を有しており、軸方向に第１の端部及び第２の端部を有している。補強部材はこのように配置されることによって、内側軸受リングの内壁に取り付けられている。つまり、補強部材は内側軸受リングの内壁に接触して配置されている。このように補強部材を使用することで、軸受リングの軸方向及び径方向における変形が軽減される。

本発明の好適な態様では、補強部材は内部軸受リングの内壁に搭載されている。特に好ましい態様では、補強部材はブレード及びピッチ軸受間には配置されておらず、それゆえ、ブレード及びピッチ軸受間に配置した場合に比べて、ブレードの長手方向における交差面数を低減している。

他の好適な態様では、内側軸受リングの内壁及び補強部材は、これらの間に接触領域を有している。更に、内側軸受リングの内壁はピッチ回転に使用される内側リングギアを備える。内側リングギア並びに内側軸受リングの内壁及び補強部材間の接触領域は、内側軸受リングの軸方向に互いに隣り合うように設けられる。本明細書では、内側軸受リング及び補強部材はこのように内側軸受リングの軸方向に沿って並んで配置されており、これらは互いに隣接していてもよく、或いはこれに代えて、内側軸受リングの内壁の一部が内側リングギアを備えていなくてもよいし、補強部材に隣接していなくてもよい。

更に好適な態様では、内側リングギア並びに内側軸受リングの内壁及び補強部材間の接触領域は互いに隣接して配置されており、径方向内壁の全軸方向長さに沿って延在していることによって、それらは内側軸受リングの径方向内壁の第１の端部及から第２端部までを全体的にカバーしている。

他の本発明の好適な態様では、補強部材はそれぞれ内側軸受リングの第１の端部及び第２の端部を超えて軸方向に延在していない。このように補強部材は軸方向の内側軸受リングの第１の端部及び第２の端部間の範囲に制限されている。好ましくは、補強部材は内側軸受リングの少なくとも一つの軸端部で平らになるように（flush level）終端しているとよい。

本発明の好適な態様では、補強部材は内側軸受リングの径方向に、ブレードの径方向内壁に部分的に隣接し、且つ、内部軸受リングの内壁に部分的に隣接する外面を有する。好ましくは、補強部材の一部はブレードの内壁に搭載されていてもよいが、補強部材の他の一部が内側軸受リングの内壁に搭載されているとよい。更に、外面は連続的に形成されていることが好ましい。

本発明の他の好適な態様では、補強部材の一部はブレード及び内側軸受リング間に配置されており、好ましくは、ブレードの径方向外壁に平らになるように（flush level）で終端する外壁を備えているとよい。このようなブレード及び内側軸受リング間の補強部材の部分的な配置によって、補強部材は内側軸受リングの内壁に取り付けできるように固定されている。

本発明の他の態様では、補強部材はリング板又は環状板として形成されており、好ましくは軸方向に少なくとも一つの開口部を有する。これに代えて、補強部材は少なくとも一つの補強網（web）又は補強棒（bar）であってもよい。

本発明の他の態様では、補強部材の径方向外壁は段差を備えている。好ましくは、この段差は軸方向において異なる径を有する補強部材の第１の部材及び第２の部材で規定されるとよい。言い換えると、補強部材は２ステップ環状部材として形成されている。第１の部材は第２の部材より小さい外径を有しており、内側軸受リングの内壁に隣接して配置されるが、外径の大きな第２の部材はブレード及び内側軸受リング間に部分的に配置される。好ましくは、第１の部材及び第２の部材は同じ内径を有するとよい。

本発明の他の好適な態様では、内側リングギアはこのように内側軸受リングの内壁に配置されているので、補強部材には内側リングギアの径方向に延在した支持面が形成されている。このように、内側軸受リングの形状は、補強部材の位置決め及び支持のために使用されていてもよい。好ましくは、補強部材は一端が前記支持面に平らになるように（flush levelで）終端しており、特に、内側軸受リングの少なくとも一つの軸端もまた他端と平らになるように（flush levelで）終端しているとよい。

他の好適な形態では、補強部材は内側軸受リングに搭載されており、好ましくはその径方向内壁に例えば誘導加熱のような加熱手法によって搭載される。補強部材は冷却手法によって搭載されていてもよい。補強部材及び内側軸受リング間の接続部は溶接、接着又は圧入により形成されていてもよい。特に補強部材は、該補強部材をしっかり保持すると共に必要に応じて分解可能な内側軸受リングにフィットした接続部（transition）を有するとよい。

好適な態様ではこれに代えて、補強部材は内側軸受リングと一体的に形成されている。これは内側軸受リングの内側に厚さを増加させた壁を設けることによって達成するとよい。この厚さを増加させた壁は該内側軸受リングの内側に径方向に延在する。言い換えると、通常のシリンダー状の内側軸受リングは一定の外径を有しているが、この内径は厚みを増加させた箇所において減少するようになっている。好ましくは、増加させた壁の厚さは内側軸受リングの一方の軸端において最大値を有し、軸方向において通常のシリンダー状の内側軸受リングの内壁に向って減少するとよい。

好ましくは、補強部材の材料は繊維強化プラスチックのような繊維強化材の鋳造金属や金属板からなるとよい。特に補強部材は上記材料の一つから全体的に形成されているとよい。

本発明の更に好適な態様では、内側軸受リング及びブレード間の接続部の剛性は、ハブ及び外側軸受リング間の接続部の剛性に一致しているとよい。特にこれは、内側軸受リングの剛性に影響を与えることによって、内側軸受リング及びブレード間の接続部の剛性に影響を与える補強部材を使用することによって達成される。このピッチ軸受の２つの接続部において剛性を一致させることによって、ピッチ軸受に作用する負荷やその耐久性にポジティブな影響が与えられる。対称的に、剛性が異なると、ピッチ軸受における負荷の不均衡分布となってしまう。この不均衡な負荷分布は軸受リングのダメージとなったり、軸受リングの楕円変形のような変形をもたらしてしまう。

本発明の他の態様は、ハブ接続管（hub
transition tube）と、風力タービンの発電機にハブのトルクを伝達するトルク伝達手段とを備えてなる。ハブ接続管はそれぞれ異なる外径を有する第１の端部と第２の端部とを有する。ハブ接続管はハブ及びトルク伝達手段管に配置されており、その第１の端部にはハブが取り付けられており、その第２の端部にはトルク伝達手段が搭載されている。ハブ接続管は、第１の端部及び第２の端部間において、第２の端部におけるハブ接続管の外径より小さくなる外径を少なくとも一つ有している。

トルク伝達手段は好ましくは風力タービンのメインシャフトであり、好ましくはナセル内に格納されており、ブレードと共に回転する。好ましくは、ハブ接続管はトルク伝達手段のフランジや、通常トルク伝達手段に接続されているハブのフランジに接続されている。

上記形態は、ハブが必要とされる構造に比べて小さく設計できる点において有利となる。通常、ハブの寸法はピッチ軸受のフランジの外径、及び、トルク伝達手段のフランジの外径によって決定されるため、ハブはピッチ軸受やトルク伝達手段をそれぞれ接続するための調整フランジを備えている。ハブがトルク伝達手段のフランジ径に応じて寸法されている場合、ハブは通常拡大されなければならず、これら２つの間の接続できるように、そのフランジはトルク伝達手段のフランジに整合させていた。この寸法制限のために、ハブは不必要に大きく重くなっており、特に取り扱い上の問題や、部品コストや輸送コストの大幅な増加をもたらしていた。本発明の上記態様の場合、特にハブのフランジ径がトルク伝達手段の予め設定された径より小さく寸法されている上述の場合には、異なる大きさのハブとトルク伝達手段のフランジとの間のアダプタとして機能するハブ接続管が設けられている。従って、このハブ接続管はハブを通常より小さくすることができる。

他の好適な態様では、ハブ接続管はその第１の端部及び第２の端部の両方の径より小さな径を有する。好ましくは、ハブ接続管の径は該ハブ接続管の第１の端部から第２の端部にかけて連続的に変化し、その２つの端部間に最小値を有する。

本発明の他の好適な態様では、ハブ接続管の外面は該ハブ接続管の長手断面図においてカーブに沿って形成されている。好ましくは、長手断面図に示すようにハブ接続管の外面によって規定される２本のカーブは連続関数になっている。特にこの両方のカーブは勾配の符号が変化する変曲点を有している。

本発明の他の好適な態様によれば、トルク伝達手段及びハブ接続管は接続手段によって接続されている。好ましくは、トルク伝達手段及びハブ接続管はボルト締結によって接続されており、このボルト締結はボルト挿入用のスルーホール又はめくら穴のいずれかを備えてなるとよい。

他の好適な態様では、ハブ接続管はハブと一体物として製造され、ハブから離れるように設けられているので、ナセル内の好適な位置に設けられたトルク伝達手段に接続できる。

他の好適な態様によれば、ハブ接続管の一部は少なくとも一つのピッチ軸受、好ましくは外側軸受リングの軸端において外側軸受リングに隣接している。このようなハブ接続管の配置、特に長手断面図に示すようにハブ接続管のカーブによって、軸方向におけるピッチ軸受の外側軸受リングの剛性が強化される。好ましくは、風力タービンは、複数のピッチ軸受を用いたハブに搭載された複数のブレードを備える。この場合、ハブ接続管は各ピッチ軸受の外側軸受リングに隣接して配置された部品からなる。特に、外側軸受リングに隣接するハブ接続管の一部は、長手断面図に示すように湾曲して形成されており、外側軸受リングの外面によって規定されるカーブに連続的に形成されている。

ブレード、ピッチ軸受、ハブ及び補強部材の概略断面図である。ブレード、ピッチ軸受、ハブ及び補強部材の概略断面図である。ブレード、ピッチ軸受、ハブ及び補強部材の概略断面図である。ハブ接続管の長手方向の概略断面図である。ハブの側面図である。ハブの側面図である。

図１は、風力タービンのブレード１１、ピッチ軸受１４及びハブ１３間の接続領域の断面図をそれぞれ示している。ブレード１１は内壁１２を有している。ブレード１１は外側軸受リング１５、内側軸受リング１６、並びに、両リング１５及び１６間に配置された回転部材１７からなるピッチ軸受１４を介してハブ１３に接続されている。内側軸受リング１６は径方向に設けられた内壁１８と、軸方向に設けられた第１端部１９及び第２端部２０を有している。

ブレード１１は、内側軸受リング１６及びブレード１１館に配置された長手状ボルト２８を用いたボルト締結によって内側軸受リング１６に搭載されている。外側軸受リング１５もまた、長手状ボルト２８を用いたボルト締結によってハブ１３に搭載されている。回転部材１７によって、内側軸受リング１６と外側軸受リング１５は互いに回転することができるので、内側軸受リング１６に搭載されたブレード１１はその長手軸回りに旋回できる。

リング板状の補強部材２３は、補強部材２３及び内側軸受リング１６の径方向内壁１８間の接触領域２７を形成している内側軸受リング１６の径方向内壁１８に隣接して配置されている。本実施例では、補強部材２３は誘導加熱によって内側軸受リング１６の径方向内壁１８に固定されて搭載されており、ブレード１１とピッチ軸受のいずれの部材にも設けられていない。補強部材２３は内側軸受リング１６の第１軸端１９より上方には延在されていない。

内側軸受リング１６の径方向内壁１８は更に、内側軸受リング１６の軸方向の接触領域２７の隣（例えば下方）に配置された内側リングギア２１を有している。接触領域２７及び内側リングギア２１は、内側軸受リング１６の径方向内壁１８の全軸方向長さを、その第１軸端１９から第２軸端２０にかけてカバーしている。内側リングギア２１のこのような配置により、内側軸受リング１６の径方向内壁１８は段差が形成されている。従って内側リングギア２１は、補強部材２３を支持するために、内側軸受リング１６の軸方向に延在する支持面２２を提供している。補強部材２３はまた、支持面２２に固定されて搭載されていてもよいし、或いはこれに加えて又は代えて、内側軸受リング１６の径方向内壁１８に搭載されていてもよい。

図２は本発明の他の実施例に係る、ブレード１１、ピッチ軸受１４及びハブ１３間の接続領域の断面透過図を示している。リング状の補強部材２３は内側軸受リング１６の径方向内壁１８に隣接して配置された外面２４を有している。補強部材２３は、軸方向に連続的に配置され、且つ、互いに隣接して配置された、第１の部材２５と第２の部材２６とを有している。第１の部材２５及び第２の部材２６は一体的に形成されている。補強部材２３の第１の部材２５は補強部材２３の第２の部材２６より外径が小さいので、補強部材２３の外面２４には段差が形成されている。補強部材２３の第１の部材２５は内側軸受リング１６の内壁１８に隣接して配置されており、補強部材２３の第２の部材２６の外側領域２６ａはブレード１１と内側軸受リング１６との間に配置されている。補強部材２３は内側軸受リング１６に接着により固定されて搭載されている。更に、補強部材２３の第２の部材２６の外側領域２６ａは、同時に内側軸受リング１６に対してボルト２８により固定されて搭載されている。

図３は本発明の更に他の実施例に係る、ブレード１１、ピッチ軸受１４及びハブ１３間の接続領域の断面透過図を示している。補強部材２３は内側軸受リング１６の径方向内壁１８に隣接して配置されており、補強部材２３は内側軸受リング１６の第１軸端部より上方に延在している。従って、補強部材２３の外面２４は、ブレード１１の径方向内壁１２に隣接して配置された第１の部材２４ａと、内側軸受リング１６の径方向内壁１８に隣接して配置された第２の部材２４ｂとを有している。補強部材２３はブレード１１及びピッチ軸受１４間には延在していない。補強部材２３は、補強部材２３の外面２４の第２の部材２４ｂを内側軸受リング１６の径方向内壁１８に対して接着することにより、固定されて搭載されている。更に、補強部材２３の外面２４の第１の部材２４ａはブレード１１の内壁１２に対して接着されていてもよい。

図４はハブ接続管２９の長手方向の断面透過図である。本実施例におけるハブ接続管
２９はハブ１３と一体的に形成されており、ハブ１３の外側に離れて設けられている。更にハブ接続管２９は、外径３２を有する第２の端部３１を有している。このハブ接続管２９の第２の端部３１に対して、例えばロータシャフトであるトルク伝達手段３４が搭載されている。

ハブ側では、ハブ接続管２９は外側軸受リング１５の軸端部に隣接して配置されている。ハブ接続管
２９は、この端部から始まってその第２の端部３１向って、ハブ１３からわずかに離れるように設けられた外側軸受リング１５の略軸方向に延在している。ハブ接続管
２９の径は、ハブ接続管２９の径がその第２の端部３１に向って再び増加する定留点４１まで減少しており、第２の端部３１にはトルク伝達手段３４に接続されるようにフランジ４２が形成されている。このようなハブ接続管２９の配置により、その外面３７は長手方向断面図に示したように湾曲して形成されている。ハブ側から始まってハブ接続管
２９の第２の端部３１にかけては、その外面３７が変曲点４１に至るまで高勾配を有している。この変曲点４１から、ハブ接続管２９の外面３７は反対符号のより小さな勾配を有している。

ハブ接続管の湾曲形状により、ハブ接続管の外径がその第２の端部３１における外形３２より小さな部分を有している。実施例のように、変曲点４１における外形３３は図４に示しているが、第２の端部３１の外径３２より小さい。

図５はハブ１３の概略側面図を示している。ハブは３つのピッチ軸受の外側軸受リングに接続するための３つのフランジ３８を有している。円は、ハブ１３のトルク伝達手段３４への接続のために必要な外径３９を示している。この図に示すように、トルク伝達手段３４への接続に必要な外径３９と、外側軸受リングへの接続のためのフランジ３８とは、干渉する。ここに示したハブ１３をこの寸法で接続できるようにするために、必要な外径３９を有するトルク伝達手段３４に対して、ハブ接続管２９が使用されている。ハブ接続管２９はこのようにハブ１３から離れるように設けられているので、トルク伝達手段３４への接続領域とハブ１３とは局所的に隔離されている。このように、ハブの寸法、特にその高さと、トルク伝達手段への必要な接続との干渉が防止できる。従って、ハブ１３の高さ４０ａは通常に比べて小さくすることができる。

対照的に、図６は従来技術に係る高さ４０ｂを有するハブ１３の概略側面図を示している。ハブ１３もまた、３つのピッチ軸受の外側軸受リングに接続するための３つのフランジ３８を有している。円は、図５の必要な径３９と同サイズであるトルク伝達手段３４への接続のために必要な外径３９を示している。ハブ１３をトルク伝達手段３４に接続するために、ハブ１３は図５のハブとは対照的に広げられなければならないので、トルク伝達手段３４への接続のために必要な外径３９は、外側軸受リングへの接続のためのフランジ３８と干渉しない。従って、図６の従来技術に係るハブの高さ４０ｂは図５のハブの高さ４０ａに比べて非常に大きくなる。

Claims

ハブと、
該ハブに旋回可能に取り付けられた少なくとも一つのブレードと、
内側軸受リング及び外側軸受リングを有し、前記内側軸受リングは径方向に内壁を有すると共に軸方向に第１の端部及び第２の端部を有する少なくとも一つのピッチ軸受と、
前記ピッチ軸受の剛性を強化する少なくとも一つの補強部材と
を備え、
前記補強部材は前記内側軸受リングの内壁に取り付けられていることを特徴とする風力タービン。
前記内側軸受リングの内壁及び前記補強部材間に接触領域を有しており、
ピッチ回転に用いられる内側リングギアが前記内側軸受リングの径方向内壁に配置されており、
前記内側リングギア及び前記接触領域は、前記内側軸受リングの軸方向に互いに隣り合うように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の風力タービン。
前記接触領域及び前記内側リングギアは、前記内側軸受リングの径方向内壁の第１の端部及から第２端部までの全軸方向長さをカバーすることを特徴とする請求項２に記載の風力タービン。
前記補強部材は、それぞれ前記内側軸受リングの前記第１の端部及び前記第２の端部より上方において、前記内側軸受リングの軸方向に沿って延在していないことを特徴とする請求項１に記載の風力タービン。
前記ブレードは内壁を有し、
前記補強部材は外面を有し、
前記外面の一部は前記ブレードの内壁に隣接して設けられており、
前記外面の一部は前記内側軸受リングの内壁に隣接して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の風力タービン。
前記補強部材の一部は前記ブレードと前記内側軸受リングとの間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の風力タービン。
前記補強部材はリング板又は環状板として形成されていることを特徴とする請求項１に記載の風力タービン。
前記補強部材は軸方向に少なくとも一つの開口部を有することを特徴とする請求項７に記載の風力タービン。
前記補強部材は径方向外壁を有し、
該補強部材の径方向外壁には段差が形成されていることを特徴とする請求項７に記載の風力タービン。
前記補強部材は、軸方向に連続して配置された第１の部材及び第２の部材を含んでなり、
前記第１の部材は前記第２の部材より外径が小さく、
前記第１の部材及び前記第２の部材は互いに隣接して設けられており、
前記第１の部材は前記内側軸受リングの径方向内壁に隣接して設けられており、
前記第２の部材の一部は前記ブレードと前記内側軸受リングとの間に配置されていることを特徴とする請求項９に記載の風力タービン。
前記内側リングギアは前記補強部材に対して支持面を与えるように構成されており、
該支持面は前記内側軸受リングの径方向に延在していることを特徴とする請求項２に記載の風力タービン。
前記補強部材は、加熱、冷却、溶接、接着又は圧入により前記内側軸受リングに搭載されており、
前記補強部材は前記内側軸受リングと一体的に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の風力タービン。
前記内側軸受リング及び前記ブレード間の接続部は、前記ハブ及び前記外側軸受リング間の接続部の剛性に相当する剛性を有することを特徴とする請求項１に記載の風力タービン。
前記ハブのトルクを発電機に伝達するためのトルク伝達手段と、
第１の端部及び第２の端部を有するハブ接続管と
を備え、
前記第１の端部及び前記第２の端部はそれぞれ別個の外径を有しており、
前記ハブ接続管は前記ハブにその第１の端部が取り付けられており、
前記トルク伝達手段は前記ハブ接続管の第２の端部に搭載されており、
前記ハブ接続管はその第１の端部及び第２の端部との間に、前記第２の端部における前記ハブ接続管の外径より小さい外径を少なくとも一つ有していることを特徴とする請求項１に記載の風力タービン。
前記ハブ接続管はその第１の端部及び第２の端部との間に、前記第１の端部における前記ハブ接続管の外径より小さい外径を少なくとも一つ有していることを特徴とする請求項１４に記載の風力タービン。
長手断面における前記ハブ接続管の外面が湾曲して形成されていることを特徴とする請求項１４に記載の風力タービン。
前記トルク伝達手段及び前記ハブ接続管は接続手段によって接続されていることを特徴とする請求項１４に記載の風力タービン。
前記ハブ接続管は前記ハブと一体的に形成されており、前記ハブから離れるように設けられていることを特徴とする請求項１４に記載の風力タービン。
前記ハブ接続管の一部は、前記ピッチ軸受の剛性を強化する少なくとも一つの軸受の外側軸受リングに隣接して設けられていることを特徴とする請求項１４に記載の風力タービン。