特許 7427659 騒音低減テープを備えたジョイント風力タービンブレード

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-01-26

(45)【発行日】2024-02-05

(54)【発明の名称】騒音低減テープを備えたジョイント風力タービンブレード

(51)【国際特許分類】

   F03D 1/06 20060101AFI20240129BHJP

   F03D 80/00 20160101ALI20240129BHJP

【ＦＩ】

F03D1/06 A

F03D80/00

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2021516381

(86)(22)【出願日】2019-09-19

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-01-11

(86)【国際出願番号】 US2019051879

(87)【国際公開番号】W WO2020068543

(87)【国際公開日】2020-04-02

【審査請求日】2022-09-08

(31)【優先権主張番号】16/139,197

(32)【優先日】2018-09-24

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】513131419

【氏名又は名称】ゼネラル エレクトリック レノバブレス エスパーニャ， エセ．エレ．

(74)【代理人】

【識別番号】100105588

【弁理士】

【氏名又は名称】小倉 博

(72)【発明者】

【氏名】メルツハウザー，トマス

(72)【発明者】

【氏名】へリッジ，アンドレアス

【審査官】北村 一

(56)【参考文献】

【文献】欧州特許出願公開第０３３３３４１６（ＥＰ，Ａ１）

【文献】特開２０１０－０５９８８４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０３Ｄ １／００－８０／８０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ジョイント風力タービンブレード（２８）であって、
翼弦方向接合線（３４）から反対方向に延びる第１のブレードセグメント（３０）及び第２のブレードセグメント（３２）であって、前記第１のブレードセグメント（３０）及び前記第２のブレードセグメント（３２）のそれぞれが正圧側シェル部材（３１）及び負圧側シェル部材（３３）を有する、第１のブレードセグメント（３０）及び第２のブレードセグメント（３２）と、
前記翼弦方向接合線（３４）に沿って前記正圧側シェル部材（３１）及び前記負圧側シェル部材（３３）上に貼り付けられるシーリングテープ（１００）であって、
前記シーリングテープ（１００）が、前記ジョイント風力タービンブレード（２８）の定義された負荷及び動作状態における前記翼弦方向接合線（３４）における前記正圧側シェル部材（３１）及び前記負圧側シェル部材（３３）上の気流（１０４）に平行に整列される側縁部（１０２）を備える、シーリングテープ（１００）と
を備える、ジョイント風力タービンブレード（２８）。

【請求項2】

前記翼弦方向接合線（３４）もまた、前記定義された負荷及び動作状態における前記正圧側シェル部材（３１）及び前記負圧側シェル部材（３３）上の前記気流（１０４）に平行に向けられる、請求項１に記載のジョイント風力タービンブレード（２８）。

【請求項3】

前記シーリングテープ（１００）が、前記シーリングテープ（１００）の長手方向の全長に沿って一定の断面プロファイル（１０６）を備える、請求項１に記載のジョイント風力タービンブレード（２８）。

【請求項4】

前記シーリングテープ（１００）が、前記翼弦方向接合線（３４）に沿って前記第１のブレードセグメント（３０）と前記第２のブレードセグメント（３２）との間に突出する変形可能なスペーサ（１０８）をさらに備える、請求項１に記載のジョイント風力タービンブレード（２８）。

【請求項5】

前記翼弦方向接合線（３４）が、前記シーリングテープ（１００）の前記側縁部（１０２）が前記翼弦方向接合線（３４）に平行ではないように前記ジョイント風力タービンブレードの前縁（７４）に略垂直に向けられる、請求項１に記載のジョイント風力タービンブレード（２８）。

【請求項6】

前記シーリングテープ（１００）が、前記翼弦方向接合線（３４）に沿って前記第１のブレードセグメント（３０）と前記第２のブレードセグメント（３２）との間に突出する変形可能なスペーサ（１０８）をさらに備え、前記スペーサが前記シーリングテープ（１００）の下面（１２２）に、前記シーリングテープ（１００）の前記側縁部（１０２）に平行ではない向きで画定される、請求項５に記載のジョイント風力タービンブレード（２８）。

【請求項7】

前記シーリングテープ（１００）が連続的であり、前記正圧側シェル部材（３１）及び前記負圧側シェル部材（３３）に巻き付くような長さを備え、前記シーリングテープ（１００）の両端部（１０３）が、前記ジョイント風力タービンブレード（２８）の後縁（７６）で合流し、前記スペーサ（１０８）が前記シーリングテープ（１００）の中間点（１２４）から反対かつ等しい角度で延びる、請求項６に記載のジョイント風力タービンブレード（２８）。

【請求項8】

前記シーリングテープ（１００）が、前記正圧側シェル部材（３１）に貼り付けられる第１のテープセグメント（１１０）と、前記負圧側シェル部材（３３）に貼り付けられる第２のテープセグメント（１１２）とを備え、前記第１及び第２のテープセグメント（１１０、１１２）が、前記ジョイント風力タービンブレード（２８）の前縁（７４）にある第１のシーム（１２８）、及び前記ジョイント風力タービンブレード（２８）の後縁（７６）にある第２のシーム（１２６）において接合される、請求項６に記載のジョイント風力タービンブレード（２８）。

【請求項9】

前記シーリングテープ（１００）が、前記正圧側シェル部材（３１）及び前記負圧側シェル部材（３３）に取り付けるために、前記シーリングテープ（１００）の下面（１２２）に事前塗布された接着剤層（１１４）を備える、請求項１に記載のジョイント風力タービンブレード（２８）。

【請求項10】

前記シーリングテープ（１００）が、前記シーリングテープ（１００）の長手方向の全長に沿って前記両側縁部（１０２）に向かって先細になる比較的厚肉の中央セクション（１０７）を有する一定の断面プロファイル（１０６）を備える、請求項１に記載のジョイント風力タービンブレード（２８）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の主題は、一般に、風力タービンロータブレードに関し、より具体的には、ジョイントプロファイルで発生する騒音および振動を低減するように設計されたジョイントブレードのセグメント間のシーリングテープ構成に関する。

【背景技術】

【0002】

風力発電は、現在利用可能な最もクリーンで最も環境に優しいエネルギー源の１つと考えられ、風力タービンはこの点で注目を集めている。最新の風力タービンは、典型的には、タワー、発電機、ギヤボックス、ナセル、および１つまたは複数のロータブレードを備える。ロータブレードは、既知のフォイル原理を使用して風から運動エネルギーを取り出し、回転エネルギーを介して運動エネルギーを伝達し、ロータブレードをギヤボックスに結合する、またはギヤボックスを使用しない場合、発電機に直接結合するシャフトを回転させる。次いで、発電機は、機械的エネルギーを、電力網に供給することができる電気エネルギーに変換する。

【0003】

風力タービンロータブレードは、一般に、複合ラミネート材料の２つのシェル半体によって形成されたボディシェルを備える。シェル半体は、一般に成形プロセスを使用して製造され、次にロータブレードの対応する端に沿って互いに結合される。一般に、ボディシェルは比較的軽量であり、動作中にロータブレードに加えられる曲げモーメントおよび他の負荷に耐えるように構成されていない構造特性（例えば、剛性、座屈抵抗、および強度）を有する。

【0004】

近年、風力発電用の風力タービンは、発電効率の改善の達成、および発電量の増加のために大型化している。風力発電用の風力タービンのサイズの増加に伴い、風力タービンロータブレードも大幅に大型化しており（例えば、最大５５メートルの長さ）、一体型の製造、ならびに現場へのブレードの運搬および輸送が困難になっている。

【0005】

これに関して、業界は、個別のブレードセグメントが製造され、完全なブレード（「ジョイント」ブレード）に組み立てるために現場に輸送される組み立て式風力タービンロータブレードを開発している。ある特定の構造では、ブレードセグメントは、一方のブレードセグメントから他方のブレードセグメントの受容セクションまで翼幅方向に延びるビーム構造によって互いに接合される。例えば、米国特許出願公開第２０１５／０３６９２１１号を参照すると、受容セクションで第２のブレードセグメントと構造的に接続する縦方向に延びるビーム構造を有する第１のブレードセグメントが記載されている。ビーム構造は、ブレードに対する内部支持構造の一部を形成し、負圧側スパーキャップおよび正圧側スパーキャップと接続された剪断ウェブを含む。ビームの端面にある翼幅方向のボルトと、ブレードセグメント間の接合線から間隔を空けて配置されたビーム構造を通る少なくとも１つの翼弦方向のボルトとを含む、複数のボルトジョイントを使用して、ビーム構造を第２のブレードセグメントの受容セクションに接続する。

【0006】

同様に、米国特許出願公開第２０１１／００９１３２６号は、第１のブレード部分および第２のブレード部分が接合線から反対方向に延びるジョイントブレードを記載している。各ブレード部分は、ブレードの構造部材を形成し、縦方向に貫通するスパーセクションを含み、第１のブレード部分と第２のブレード部分とは、スパーセクションを接合するスパーブリッジによって構造的に接続される。スパーブリッジは、他のブレード部分の受容スパーセクションで受容されるスパーセクションの１つの延長部であり得る。この構成はまた、スパーの端面から延びるねじ付きボルトを使用して、受容スパーセクションのスパーを接続して張力をかける。

【0007】

しかしながら、ジョイントブレード構成は、接合線に起因する振動および騒音発生の増加の影響を受けやすいことが判明している。根元側ブレードセグメントと先端側ブレードセグメントとの間の相対的な撓みにより、接合線におけるシェル部材間にフラップ方向オフセットが生じる。この状況は、特に、接合線から（翼幅方向に）間隔を空けて配置した翼弦方向のボルトまたはピンを使用して負荷を翼弦方向のボルトからブレードシェル内に伝達するジョイントブレード構成に存在する。この翼幅方向の間隔は、ブレードセグメントと接合された内部支持構造との間の剛性および向きの差分と組み合わされて、シェル部材間にフラップ方向オフセットをもたらす。

【0008】

ジョイント構造では、誘発されたフラップ方向オフセットに加えてねじり力も生じ、これによりシェル部材間で、特にブレードの後縁においてねじれオフセットが生じる。

【0009】

風力タービンの負荷状態の下で空気がシェル表面上を流れると、接合線におけるフラップ方向オフセットおよび／またはねじれ方向オフセットにより乱流渦が発生し、これにより接合線で発生する振動および騒音が大幅に増加し得る。

【0010】

したがって、指摘された問題に対処する、ジョイントブレードのブレードセグメント間の改善されたジョイント構造は、当技術分野における有利な進歩となるであろう。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【文献】国際公開２０１８１２１８２６号

【発明の概要】

【0012】

本発明の態様および利点は、一部は以下の説明において述べられ、あるいは明細書から自明であり得、もしくは本発明の実施を通じて習得可能であり得る。
一態様では、本開示は、ジョイント風力タービンロータブレードの第１のブレードセグメントと第２のブレードセグメントとの間のジョイント構成における騒音および振動を低減する方法に関する。第１および第２のブレードセグメントのそれぞれは、正圧側シェルコンポーネントおよび負圧側シェルコンポーネントを有するシェル部材を備える。本方法は、ジョイント風力タービンロータブレードの負荷状態において（定義された動作状態下で）、第１および第２のブレードセグメントのシェル部材間の翼弦方向接合線で誘発される実際のオフセットを決定することであって、実際のオフセットが、フラップ方向の力によって生じるフラップ方向オフセット、ねじれ方向の力によって生じるねじれ方向オフセット、またはヨール方向の力によって生じるヨール方向オフセットのいずれか１つまたは組み合わせである、ことを含む。これらの誘発されたオフセットに基づいて、負荷状態における実際のオフセット成分のうちの１つまたは複数を少なくとも部分的に補償するジョイント構造の改良された構成が、風力タービンロータブレードの無負荷状態において定義される。次に、第１および第２のブレードセグメントが、ジョイント構造の改良された構成で接続または接合され、負荷状態において、ジョイント構造の改良された構成が、第１および第２ブレードセグメントのシェル部材間のフラップ方向オフセットおよびねじれ方向オフセットの一方または両方を低減する。

【0013】

本方法は、ブレードセグメント間の特定のジョイント構造に限定されない。しかしながら、特定の実施形態では、ジョイント構造は、第１のブレードセグメントから翼幅方向に延びるビーム構造と、ビーム構造を受容するために第２のブレードセグメントに形成された受容セクションとを備え、ジョイント構造の改良された構成が、ビーム構造と受容セクションと間の接続の変更を含む。例えば、第１のブレードセグメントは、先端側ブレードセグメントであり、第２のブレードセグメントは、根元側ブレードセグメントであり得る。ジョイント構造は、翼幅方向に接合線から間隔を空けて配置された位置で、ビーム構造および受容セクションを通って延びる翼弦方向ピンを備え得る。ジョイント構造の改良された構成は、負荷状態におけるフラップ方向オフセット、ねじれ方向オフセット、またはヨール方向オフセットのうちの１つまたは複数を補償する翼弦方向ピンの代替的な位置を含み得る。代替的な位置は、無負荷状態における反フラップ方向オフセット、反ねじれ方向オフセット、または反ヨール方向オフセットのうちの１つまたは複数を生じるように選択され得る。

【0014】

本方法のさらに別の実施形態では、ジョイント構造の改良された構成を決定するステップが、負荷状態におけるフラップ方向オフセット、ねじれ方向オフセット、またはヨール方向オフセットのうちの１つまたは複数を低減することに同様に寄与し得るジョイント構造における材料の組み合わせを決定することを含む。この材料の組み合わせは、ジョイント構造に対する独立した改良であってもよいし、翼弦方向ピンの位置の変更、またはジョイント構造の他の変更と組み合わせられてもよい。材料の変更としては、例えば、負荷状態におけるフラップ方向オフセット、ねじれ方向オフセット、またはヨール方向オフセットのうちの１つまたは複数を低減する剛性またはねじり抵抗を達成するためのジョイント構造に対する材料の追加または除去が含まれ得る。

【0015】

特定の実施形態では、負荷／運転状態は、ジョイント風力タービンロータブレードが使用される風力タービンの定格出力速度に近づくときの変数であり、負荷状態におけるフラップ方向オフセット、ねじれ方向オフセット、またはヨール方向オフセットは、特定の範囲の風速にわたる定格出力速度におけるそれぞれのオフセットの平均に基づく。この決定は、運転中の風力タービンからの実際の測定である場合もあれば、負荷状態におけるジョイント風力タービンブレードのコンピュータモデリングを介して行われる場合もある。

【0016】

本発明はまた、上記の特徴を有するジョイント構造を備えたジョイント風力タービンロータブレードを包含する。特に、そのようなブレードは、翼弦方向接合線から反対方向に延びる第１のブレードセグメントおよび第２のブレードセグメントを備え、ブレードセグメントのそれぞれが正圧側シェル部材および負圧側シェル部材を有する。ジョイント構造は、第１のブレードセグメントと第２のブレードセグメントとの間に設けられ、ジョイント構造は、負荷状態におけるフラップ方向オフセット、ねじれ方向オフセット、またはヨール方向オフセットのうちの１つまたは複数を補償する、ロータブレード上の無負荷状態でのカウンタオフセットを含む。この構成により、ジョイント構造は、負荷状態におけるジョイント風力タービンロータブレードが発生する騒音および振動を低減する。

【0017】

特定のブレード実施形態では、ジョイント構造は、第１のブレードセグメントから翼幅方向に延びるビーム構造と、ビーム構造を受容するために第２のブレードセグメントに形成された受容セクションとを備える。第１のブレードセグメントは、先端側ブレードセグメントであり、第２のブレードセグメントは、根元側ブレードセグメントであり得る。ジョイント構造は、翼幅方向に接合線から間隔を空けて配置された位置で、ビーム構造および受容セクションを通って延びる翼弦方向ピンを備えることができ、翼弦方向ピンは、少なくとも部分的に無負荷状態におけるカウンタオフセットを発生する場所にある。

【0018】

ロータブレードの特定の実施形態では、ジョイント構造は、負荷状態におけるフラップ方向オフセット、ねじれ方向オフセット、またはヨール方向オフセットのうちの１つまたは複数を低減するのを支援し得る材料の組み合わせを含む。この材料の組み合わせは、ジョイント構造に対する独立した改良であってもよいし、翼弦方向ピンの位置の変更と組み合わせられてもよい。材料の変更としては、例えば、負荷状態におけるフラップ方向オフセットおよびねじれ方向オフセットの一方または両方を低減する剛性またはねじり抵抗を達成するためのジョイント構造に対する材料の追加または除去が含まれ得る。

【0019】

本発明はまた、風力タービンの運転状態におけるブレードの振動および騒音を低減するシーリングテープ構成を備えたジョイント風力タービンロータブレードを包含する。ジョイント風力タービンロータブレードは、翼弦方向接合線から反対方向に延びる第１のブレードセグメントおよび第２のブレードセグメントを備え、ブレードセグメントのそれぞれが正圧側シェル部材および負圧側シェル部材を有する。シーリングテープが、翼弦方向接合線に沿って正圧側シェル部材および負圧側シェル部材上に貼り付けられる。シーリングテープは、ジョイント風力タービンブレードの定義された負荷／動作状態における翼弦方向接合線における正圧側シェル部材および負圧側シェル部材上の気流に平行に整列される側縁部を有する。テープ縁部およびテープの断面形状が、シェル部材の表面に対して隆起したプロファイルを画定する。テープの縁部をブレード上の気流に平行になるように整列させることにより、テープの存在によって本来引き起こされる騒音およびブレードの振動が最小化される。

【0020】

シーリングテープは、シーリングテープの長手方向の全長に沿って一定の断面プロファイルを有することができ、そのようなプロファイルは、テープの両側縁部に向かって先細になる比較的厚い中央セクションを備え得る。特定の実施形態では、シーリングテープは、翼弦方向接合線に沿って第１のブレードセグメントと第２のブレードセグメントとの間に突出または嵌合するように設計された変形可能な中間スペーサを備え得る。このスペーサは、上記のように、交換ブレード先端部セグメントに作用するフラップ方向の力、ねじれ方向の力、またはヨール方向の力のいずれか１つまたは組み合わせを減衰させるように機能し得る。

【0021】

特定の実施形態では、翼弦方向接合線はまた、負荷状態における正圧側シェル部材および負圧側シェル部材上の気流に平行に向けられる。しかしながら、本実施形態は、ブレードセグメント間のジョイント構造を形成する複雑さ、時間、および費用を増大させ得る。よって、別の実施形態では、翼弦方向接合線の長さは最小化され、ジョイント風力タービンブレードの前縁に略垂直に向けられる。この構成では、シーリングテープの側縁部は翼弦方向接合線に平行ではないが、ブレード表面上の気流に平行に保たれる。本実施形態では、シーリングテープは、変形可能なスペーサを備えることができ、スペーサは、シーリングテープの下面に、シーリングテープの側縁部に平行ではない向きで画定される。

【0022】

上記の実施形態では、シーリングテープは連続的であり、正圧側シェル部材および負圧側シェル部材に巻き付くような長さを有することができ、シーリングテープの両端部は、ジョイント風力タービンブレードの後縁で交わる。本実施形態のスペーサは、シーリングテープの中間点から反対かつ等しい角度で延びる。

【0023】

別の実施形態では、シーリングテープは、正圧側シェル部材に貼り付けられる第１のテープセグメントと、負圧側シェル部材に貼り付けられる第２のテープセグメントとを備え、第１および第２のテープセグメントは、ジョイント風力タービンブレードの前縁にある第１のシーム、およびジョイント風力タービンブレードの後縁にある第２のシームにおいて接合される。

【0024】

シーリングテープは、天然または合成のウェブ材料、ビニールまたはプラスチック材料、および複合材料など、ブレードシェル部材の形状に適合し得る任意の適切な柔軟な材料から作られ得る。シーリングテープは、任意の適切な接着剤でブレードシェル部材に貼り付けられ得る。特定の実施形態では、シーリングテープは、正圧側シェル部材および負圧側シェル部材に取り付けるために、シーリングテープの下面に事前塗布された接着剤を備える。

【0025】

本発明のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、以下の説明および添付の特許請求の範囲を参照することによってよりよく理解されるであろう。添付の図面は、本明細書に組み込まれて、本明細書の一部を構成し、本発明の実施形態を例示し、説明と共に本発明の特定の原理を説明するのに役立つ。

【0026】

当業者に向けられた本発明の最良の態様を含む本発明の充分かつ本発明を実施可能にする開示が、添付の図面を参照して、本明細書において説明される。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】本開示による、ジョイント風力タービンブレードを利用し得る風力タービンの斜視図である。

【図2】第１のブレードセグメントおよび第２のブレードセグメントを有するロータブレード、ならびにブレードセグメントを接続するジョイント構造を示す図である。

【図3】ジョイント構造を有する第１のブレードセグメントの一実施形態の斜視図である。

【図4】ジョイント構造を有する第２のブレードセグメントの一実施形態の斜視図である。

【図5】ブレードに作用するフラップ方向の力およびねじれ方向の力を示す、ジョイント風力タービンブレードの斜視図である。

【図6】接合線におけるブレードセグメント間のフラップ方向に誘発されたオフセットを示す、ブレードセグメント間の接合線の部分斜視図である。

【図7】接合線におけるブレードセグメント間のフラップ方向およびねじれ方向に誘発されたオフセットを示す、ブレードセグメント間の接合線の部分斜視図である。

【図8a】ブレードの負荷状態におけるフラップ方向に誘発されたオフセットを補償するために、ジョイント風力タービンブレードのジョイント構造を改良するための一実施形態の連続図である。

【図8b】ブレードの負荷状態におけるフラップ方向に誘発されたオフセットを補償するために、ジョイント風力タービンブレードのジョイント構造を改良するための一実施形態の連続図である。

【図8c】ブレードの負荷状態におけるフラップ方向に誘発されたオフセットを補償するために、ジョイント風力タービンブレードのジョイント構造を改良するための一実施形態の連続図である。

【図8d】ブレードの負荷状態におけるフラップ方向に誘発されたオフセットを補償するために、ジョイント風力タービンブレードのジョイント構造を改良するための一実施形態の連続図である。

【図9a】ブレードの負荷状態におけるねじれ方向に誘発されたオフセットを補償するために、ジョイント風力タービンブレードのジョイント構造を改良するための一実施形態の連続図である。

【図9b】ブレードの負荷状態におけるねじれ方向に誘発されたオフセットを補償するために、ジョイント風力タービンブレードのジョイント構造を改良するための一実施形態の連続図である。

【図9c】ブレードの負荷状態におけるねじれ方向に誘発されたオフセットを補償するために、ジョイント風力タービンブレードのジョイント構造を改良するための一実施形態の連続図である。

【図9d】ブレードの負荷状態におけるねじれ方向に誘発されたオフセットを補償するために、ジョイント風力タービンブレードのジョイント構造を改良するための一実施形態の連続図である。

【図10】本発明の追加的な態様による、シーリングテープを備えたジョイント風力タービンブレードの一実施形態の図である。

【図11】シーリングテープを備えたジョイント風力タービンブレードの代替的な実施形態の図である。

【図12】シーリングテープの一実施形態の斜視図である。

【図13】シーリングテープの代替的な実施形態の斜視図である。

【図14】スペーサ構造を組み込んだシーリングテープの一実施形態の下面図である。

【図15】別個のテープストリップを利用するシーリングテープ構成の下面図である。

【図16】本発明の態様による、シーリングテープを備えたジョイント風力タービンブレード上の気流の部分斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

次に、本発明の実施形態を詳細に参照し、それらの１つまたは複数の例が図面に示されている。各例は、本発明の説明のために提示され、本発明を限定するためではない。実際には、本発明の範囲または趣旨から逸脱することなく、本発明において様々な修正および変更が行われ得ることは、当業者には明らかであろう。例えば、ある実施形態の一部として図示または記載された特徴は、またさらなる実施形態をもたらすために、別の実施形態において使用することができる。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物の範囲に含まれるような修正および変更を、包含するように意図されている。

【0029】

概して、本発明の主題は、ロータブレードの負荷状態におけるブレードセグメント間のフラップ方向オフセットおよびねじれ方向オフセットの一方または両方を補償するまたは無効にするように機能する改良されたジョイント構造構成を有するジョイント風力タービンロータブレードに関する。この独自の方法およびロータブレード構成により、ブレードセグメント間の接合線において発生する騒音および振動が低減される。

【0030】

ここで図面を参照すると、図１は、本発明の一実施形態による、ジョイント風力タービンロータブレードを使用し得る例示的な風力タービン１０の側面図である。本実施形態では、風力タービン１０は水平軸風力タービンである。代替的に、風力タービン１０は垂直軸風力タービンとすることもできる。本実施形態では、風力タービン１０は、支持面１４から延びるタワー１２、タワー１２に取り付けられたナセル１６、ナセル１６内に配置された発電機１８、発電機１８に結合されたギヤボックス２０、およびロータシャフト２４によりギヤボックス２０に回転可能に結合されたロータ２２を備える。ロータ２２は、回転可能なハブ２６と、回転可能なハブ２６に結合され、そこから外側に延びる少なくとも１つのロータブレード２８とを備える。図示のように、ロータブレード２８は、ブレード先端部１７からブレード根元部１９までを含む。

【0031】

図２および図３を参照すると、本技術の態様による、第１のブレードセグメント３０および第２のブレードセグメント３２を有するジョイントロータブレード２８が示されている。第１のブレードセグメント３０および第２のブレードセグメント３２は、翼弦方向接合線３４から反対方向に延びる。ブレードセグメント３０、３２のそれぞれが、正圧側シェル部材３１および負圧側シェル部材３３を備える。第１のブレードセグメント３０と第２のブレードセグメント３２とは、ブレードセグメント３０、３２の接合を容易にするために両方のブレードセグメント３０、３２内に延びる内部支持構造３６によって接続される。矢印３８は、図示の例のセグメント化されたロータブレード２８が２つのブレードセグメント３０、３２を備え、内部支持構造３６を第２のブレードセグメント３２に挿入することによってこれらのブレードセグメント３０、３２が接合されることを示している。

【0032】

図示の実施形態では、第１のブレードセグメントは、内部支持構造３６の一部を形成し、第２のブレードセグメント３２の内部支持構造３６と構造的に接続するために縦方向（例えば、翼幅方向）に延びるビーム構造４０を備える。ビーム構造４０は、スパーセクション４２から突出する延長部として第１のブレードセグメント３０と一体的に形成されることにより延長スパーセクションを形成することができる。ビーム構造４０は、負圧側スパーキャップ４６および正圧側スパーキャップ４８と接続された少なくとも１つの相互に接続するウェブ４４（例えば、剪断ウェブ）を備える。図示の実施形態では、ビーム構造４０は、対向する相互に接続するウェブ４４を有するボックスタイプ構造として形成される。

【0033】

第１のブレードセグメント３０は、ビーム構造４０の第１の端部５４に１つまたは複数の第１のボルトジョイント（「ピン」とも呼ばれる）を備え得る。例えば、ボルト５２が、ビーム構造４０の端部５４上に配置され、翼幅方向に向けられ得る。第１のブレードセグメント３０はまた、翼弦方向接合線３４に近接してビーム構造４０上に配置され、翼弦方向に向けられたボルトジョイントスロット５０を備え得る。第２のブレードセグメント３２を第１のブレードセグメント３０に接続するために使用されるボルトチューブまたはピン５３と緊密に締まり嵌めして構成されたボルトジョイントスロット５０内には、ブッシングが存在し得る。ボルトチューブ５２、５３およびボルトスロット５０の任意の組み合わせは、第１のブレードセグメント３０と第２のブレードセグメント３２とを相互に接続する目的で、ビーム構造４０と受容セクション６０（図４）との間に構成され得ることを理解されたい。

【0034】

図４、すなわち第２のブレードセグメント３２では、内部支持構造３６は、第１のブレードセグメント３０のビーム構造４０を受容するために、第２のブレードセグメント３２内で縦方向（翼幅方向）に延びる受容セクション６０を備える。受容セクション６０は、受容セクション６０の長さに沿って第１のブレードセグメント３０のビーム構造４０と接続するために縦方向に延びる複数のスパー構造コンポーネント６６を備える。図４には示されていないが、受容セクション６０は、ビーム構造４０の対応するボルトまたはスロットと相互接続するためのボルトスロット５０またはボルト５２、５３の任意の組み合わせを備えることが容易に理解される。例えば、ボルトスロットは、ビーム構造４０の端部５４上に設けられたボルト５２を受容するために、受容セクション６０の（翼弦方向接合線３４から離れた）遠位端に構成される。

【0035】

図５は、ジョイント風力タービンブレードに作用するフラップ方向の力７１、ねじれ方向の力７３、およびヨール方向の力７５の概念を示しており、そのような力は、翼弦方向接合線３４における第１および第２のブレードセグメント３０、３２のシェルコンポーネント間においてフラップ方向オフセット７０（図６）、ねじれ方向オフセット７２（図７）、およびヨール方向オフセット７７（図６）をそれぞれ生じ得る。これらのオフセット成分７０、７２、および７７を合成して、シェルコンポーネント間の実際のオフセット６８を導くことができる。フラップ方向の力７１は、第１のブレードセグメント３０の翼弦側面全体に均一に作用して、第１のブレードセグメント３０を第２のブレードセグメント３２に向かって実質的に「曲げ」る傾向があり、シェル部材３１を垂直方向７０に翼弦方向接合線３４に沿って変位させる。ねじれ方向の力７３は、ブレードの翼幅方向軸に沿って第２のブレードセグメント３２に対して第１のブレードセグメント３０のねじれを生じて、翼弦方向接合線３４に沿ってシェル部材３１のねじれ方向オフセット７２を生じる傾向がある。ヨール方向の力７５は、ブレードの翼幅方向軸に直角に第２のブレードセグメント３２に対して第１のブレードセグメント３０の横方向の動きを生じて、翼弦方向接合線３４に沿ってシェル部材３１のヨール方向オフセット７７を生じる傾向がある。上述のように、これらの誘発されたオフセット７０、７２、７７は、風力タービンの動作負荷（風力タービン１０が電力曲線の定格出力範囲で動作しているときにタービンブレード２８にかかる負荷）でブレード２８において過度の振動および騒音を発生させ得る。

【0036】

図６は、フラップ方向オフセット７０およびヨール方向オフセット７７の合成としての実際のオフセット６８を示している。図７は、フラップ方向オフセット７０、ねじれ方向オフセット７２、およびヨール方向オフセット７７の合成としての実際のオフセット６８を示している。実際のオフセット６８は、オフセット成分７０、７２、および７７の任意の１つまたは組み合わせから導かれ得ることを理解されたい。

【0037】

加えて、図５を参照すると、ブレード２８は、ブレードピッチ軸Ｐに対して内側（ブレード根元部に近い方）に無負荷の適度な湾曲を有するように設計されてもよく、一方、外側セクション（ブレード先端部に近い方）はピッチ軸Ｐに対して最大１０度（図５の角度θ）後方に湾曲され得る。

【0038】

図８ａから図８ｄには、本開示の態様による、負荷の下でブレード２８において誘発されたフラップ方向オフセット７０の決定および補償が示されている。同様に、図９ａから図９ｄには、負荷の下でブレード２８において誘発されたねじれ方向オフセット７２の決定および補償が示されている。ヨール方向オフセットの決定および補償についても同様の方法が使用され得ることを理解されたい。

【0039】

図８ａおよび図９ａを参照すると、初期無負荷状態におけるジョイントブレード２８が翼弦方向接合線３４において示され、ここでは、初期の無視できるフラップ方向オフセットまたはねじれ方向オフセットが、接合線３４においてブレードに誘発されている。図８ｂは、初期負荷状態における、例えば風力タービンの定格出力での負荷の下での同じジョイントブレード２８を示しており、フラップ方向オフセット７０が、翼弦方向接合線３４において第１のブレードセグメント３０および第２のブレードセグメント３２のシェル部材間に示されている。同様に、図９ｂは、初期負荷状態における、例えば風力タービンの定格出力に近づく、または定格出力での負荷の下でのジョイントブレード２８を示しており、ねじれ方向オフセット７２が、翼弦方向接合線３４において第１のブレードセグメント３０および第２のブレードセグメント３２のシェル部材間に示されている。本方法は、フラップ方向オフセット７０およびねじれ方向オフセット７２の一方または両方の大きさを決定することを含む。この決定は、ブレード２８（または同様のブレード）が定義された動作状態における負荷の下にあるときに、センサ、カメラなどによる、翼弦方向接合線３４における実際のオフセットの測定によってなされ得る。あるいは、実際のオフセットは、適切なモデリングプログラムを介して決定されてもよい。上述のように、翼弦方向接合線３４における実際のオフセット６８は、フラップ方向オフセット７０、ねじれ方向オフセット７２、およびヨール方向オフセット７７の合成であり得ることが理解されよう。また、これらのオフセットのいずれか１つは無視できる場合があり、実際のオフセットは、ブレード２８にかかる負荷の下での他のオフセットの１つまたは組み合わせに主に起因する。

【0040】

図８ｃを参照すると、負荷の下でブレード２８に接合線３４において誘発された実際のオフセットに基づいて、誘発されたオフセットを補償するジョイント構造３６の改良された構成が、ブレード２８の無負荷状態において定義される。この改良された構成は、フラップ方向オフセット７０またはねじれ方向オフセット７２の一方しか補償することができないが、両方のタイプのオフセット７０、７２を補償することが好ましい。

【0041】

本方法は、実際のオフセット６８が、定義された位置かつ定義された動作状態下で特定のタイプのブレードについて経験的にまたはコンピュータモデリングを介して決定された後、このオフセット６８がその後のいくつかのブレード２８の改良された構成を定義するために使用されるシナリオを包含することを理解されたい。ブレード２８ごとに個別に実際のオフセットおよび改良された構成を決定する必要はない。

【0042】

上述のように、ジョイント構造３６の改良された構成は、負荷状態におけるフラップ方向オフセット７０およびねじれ方向オフセット７２の一方または両方を低減するジョイント構造３６における材料の組み合わせを決定することを含み得る。この材料の組み合わせは、ジョイント構造に対する独立した改良であってもよいし、後述のジョイント構造３６のコンポーネントの位置の変更と組み合わされてもよい。材料の変更としては、例えば、負荷状態におけるフラップ方向オフセット７０およびねじれ方向オフセット７２の一方または両方を低減する剛性またはねじり抵抗を達成するためのジョイント構造３６に対する材料の追加または除去が含まれ得る。

【0043】

図８ｃは、負荷状態で誘発されるフラップ方向オフセット７０（図８ｂ）を補償するために、ブレード２８の無負荷状態におけるジョイント構造３６が構造的に改良される実施形態を示している。本実施形態では、ジョイント構造３６は、第１のブレードセグメント３０（先端側セグメント）から翼幅方向に延びるビーム構造４０と、ビーム構造４０を受容するために第２のブレードセグメント３２（根元側セグメント）に形成された受容セクション６０とを備える。ジョイント構造３６の改良された構成は、ビーム構造４０と受容セクション６０との間の接続の変更を含む。ジョイント構造３６は、翼幅方向に接合線３４から間隔を空けて配置された位置で、ビーム構造４０および受容セクション６０を通って延びる翼弦方向ピン５３を備える。負荷状態におけるフラップ方向オフセット７０を補償する、翼弦方向ピン５３の代替的な位置が決定され、代替的な位置は、ブレード２８の無負荷状態において反フラップ方向オフセットを生じるように選択される。例えば、説明の目的で図８ｃにおいて誇張されているように、翼弦方向ピン５３は、反フラップ方向オフセットを生じるように図８ａに示す初期位置に対してブレード２８の正圧側または負圧側に向かって下降または上昇され得る。

【0044】

同様に、図９ｃは、負荷状態で誘発されるねじれ方向オフセット７２（図９ｂ）を補償するために、ブレード２８の無負荷状態におけるジョイント構造３６が構造的に改良される実施形態を示している。ジョイント構造３６の改良された構成は、ビーム構造４０と受容セクション６０との間の接続の変更を含む。ジョイント構造３６は、翼幅方向に接合線３４から間隔を空けて配置された位置で、ビーム構造４０および受容セクション６０を通って延びる翼弦方向ピン５３を備える。負荷状態におけるねじれ方向オフセット７２を補償する、翼弦方向ピン５３の代替的な位置が決定され、代替的な位置は、ブレード２８の無負荷状態において反ねじれ方向オフセットを生じるように選択される。例えば、説明の目的で図９ｃにおいて誇張されているように、翼弦方向ピン５３は、反ねじれ方向オフセットを生じるように図９ａに示される初期の向きから図９ｃの改良された位置に回転され得る。

【0045】

ジョイント構造３６への改良が決定されると、ジョイントブレード２８は、そのような改良により組み立てられる。図８ｃは、無負荷状態の改良された組み立てられたジョイントブレード２８を示し、図８ｄは、負荷下のブレード２８を示し、ここでは、図８ｂに存在するフラップ方向オフセット７０が図８ｃに示す改良によって補償されている。同様に、図９ｃは、無負荷状態の改良された組み立てられたジョイントブレード２８を示し、図９ｄは、負荷下のブレード２８を示し、ここでは、図９ｂに存在するねじれ方向オフセット７２が図９ｃに示す改良によって補償されている。

【0046】

本発明はまた、上記の特徴を有するジョイント構造３６を備えたジョイント風力タービンロータブレード２８を包含する。

【0047】

図１０から図１６を参照すると、本発明はまた、風力タービンの運転状態におけるブレードの振動および騒音を低減するシーリングテープ１００構成を備えたジョイント風力タービンロータブレード２８を包含する。ジョイント風力タービンロータブレード２８は、翼弦方向接合線３４から反対方向に延びる第１のブレードセグメント３０および第２のブレードセグメント３２を備え、ブレードセグメント３０、３２のそれぞれが正圧側シェル部材３１および負圧側シェル部材３３を有する。シーリングテープ１００構成は、図２から図９の実施形態に関して上で検討した特性を有するジョイント風力タービンブレード２８に組み込まれてもよく、その点に関して、図２から図９の検討が図１０から図１６に関して本明細書に組み込まれることを理解されたい。あるいは、シーリングテープ１００構成は、図２から図９の改良されたジョイント構造を含まないジョイント風力タービンブレード上の独立したコンポーネントとして使用されてもよい。

【0048】

シーリングテープ１００は、正圧側シェル部材３１および負圧側シェル部材３３上に翼弦方向接合線３４を跨ぐように貼り付けられる。シーリングテープ１００は、シェル部材３１、３３から少なくともある程度突出する側縁部１０２を有する。シーリングテープは、側縁部１０２が、ジョイント風力タービンロータブレード２８が使用される風力タービンの定格出力速度での負荷状態などのジョイント風力タービンブレード２８の定義された負荷状態において翼弦方向接合線３４におけるシェル部材３１、３３上の気流１０４に平行に整列するようにシェル部材３１、３３上で向けられる。テープ縁部１０２およびテープ１００の断面形状が、シェル部材３１、３３の表面に対して隆起したプロファイルを画定する。テープ１００の縁部１０２をブレード上の気流１０４に平行になるように整列させることにより、テープ１００の存在によって本来引き起こされる騒音およびブレードの振動が最小化される。

【0049】

シーリングテープ１００は、図１２および図１３に示すように、その長手方向の長さ全体に沿って一定の断面プロファイル１０６を有することができ、そのようなプロファイルは、テープの両側縁部１０２に向かって先細になる比較的厚肉の中央セクション１０７を備え得る。特定の実施形態では、シーリングテープ１００は、テープ１００の下面１２２に形成または取り付けられ、図１６の破線によって示される翼弦方向接合線３４に沿って第１のブレードセグメント３０と第２のブレードセグメント３２との間に突出または嵌合するように設計された変形可能な中間スペーサ１０８（図１２）またはくさび１０９（図１３）を備え得る。このスペーサ１０８またはくさび１０９は、テープ１００と同じ材料で形成されることが好ましい、またはテープ１００の下面１２２に固定される別個のコンポーネントであってもよい。スペーサ１０８またはくさび１０９は、ブレード先端部セグメント３０に作用する力が、ブレード先端部セグメント３０とセグメント３２との間に上記のオフセットを誘発するときに圧縮可能であり、これにより交換ブレード先端部セグメント３０に作用するフラップ方向の力、ねじれ方向の力、またはヨール方向の力のいずれか１つまたは組み合わせを減衰させるように機能する。

【0050】

本明細書で使用される「負荷状態」はまた、ブレード上の流れに影響を与え得る風力タービンについて決定または予想される定義された動作状態および環境を指す場合があり、したがって、風力タービンの出力曲線上の点での負荷の考慮以上のものを伴う可能性があることを理解されたい。

【0051】

図１０を参照すると、特定の実施形態では、翼弦方向接合線３４はまた、負荷状態におけるシェル部材３１、３３上の気流１０４に平行に向けられる。しかしながら、本実施形態は、ブレードセグメント３０、３２間のジョイント構造を形成する複雑さ、時間、および費用を増大させ得る。よって、図１１に示す別の実施形態では、翼弦方向接合線３４の長さは最小化され、ジョイント風力タービンブレード２８の前縁７４に略垂直に向けられる。この構成では、シーリングテープ１００の側縁部１０２は翼弦方向接合線３４に平行ではないが、図１１から分かるようにブレード表面上の気流１０４に平行に保たれる。本実施形態では、シーリングテープ１００は、変形可能なスペーサ１０８またはくさび１０９を備えることができ、スペーサ１０８またはくさび１０９は、シーリングテープ１００の下面１２２に、シーリングテープ１００の側縁部１０２に平行ではない向きで規定される。

【0052】

図１４を参照すると、上記の実施形態では、シーリングテープ１００は連続的であり、正圧側シェル部材および負圧側シェル部材３１、３３に巻き付くような長さを有することができ、シーリングテープ１００の両端部は、ジョイント風力タービンブレード２８の後縁７６にあるシーム１２６（図１０）で交わる。本実施形態におけるスペーサ１０８またはくさび１０９は、テープ１００がブレード２８に貼り付けられるときに前縁７４の相対位置に対応するシーリングテープ１００の中間点１２４から反対かつ等しい角度で延びる。

【0053】

図１１および図１５を参照すると、別の実施形態では、シーリングテープ１００は、正圧側シェル部材３１に貼り付けられる第１のテープセグメント１１０と、負圧側シェル部材３３に貼り付けられる第２のテープセグメント１１２とを備え、第１のテープセグメント１１０と第２のテープセグメント１１２とは、ジョイント風力タービンブレード２８の前縁７４にある第１のシーム１２８、およびジョイント風力タービンブレード２８の後縁７６にある第２のシーム１２６において接合される。

【0054】

シーリングテープ１００は、天然または合成のウェブ材料、ビニールまたはプラスチック材料、および複合材料など、ブレードシェル部材３１、３３の形状に適合し得る任意の適切な柔軟な材料から作られ得る。シーリングテープは、任意の適切な接着剤でブレードシェル部材に貼り付けられ得る。特定の実施形態では、シーリングテープ１００は、正圧側シェル部材３１および負圧側シェル部材３３に取り付けるために、シーリングテープ１００の下面１２２に事前塗布された接着剤層１１４（図１３および図１６）を備える。

【0055】

本明細書は、最良の態様を含む本発明を開示するため、およびどのような当業者も、任意のデバイスまたはシステムの作製および使用ならびに任意の組み込まれた方法の実施を含む本発明の実践を可能にするために、実施例を使用している。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者であれば想到できる他の実施例を含むことができる。そのような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言から相違しない構造要素を含むか、または特許請求の範囲の文言から実質的には相違しない均等な構造要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内にあることが意図されている。

【符号の説明】

【0056】

１０ 風力タービン
１２ タワー
１４ 支持面
１６ ナセル
１７ ブレード先端部
１８ 発電機
１９ ブレード根元部
２０ ギヤボックス
２２ ロータ
２４ ロータシャフト
２６ 回転可能なハブ
２８ ブレード／ジョイントロータブレード／ジョイントブレード／ロータブレード／ジョイント風力タービンロータブレード／ジョイント風力タービンブレード
３０ 第１のブレードセグメント／ブレードセグメント／ブレード先端部セグメント
３１ シェル部材／正圧側シェル部材／ブレードシェル部材
３２ 第２のブレードセグメント／ブレードセグメント
３３ シェル部材／負圧側シェル部材／ブレードシェル部材
３４ 翼弦方向接合線
３６ 内部支持構造／ジョイント構造
３８ 矢印
４０ ビーム構造
４２ スパーセクション
４４ 相互に接続するウェブ
４６ 負圧側スパーキャップ
４８ 正圧側スパーキャップ
５０ ボルトジョイントスロット／ボルトスロット
５２ ボルト／ボルトチューブ
５３ 翼弦方向ピン／ボルトチューブ／ピン／ボルト
５４ 第１の端部／端部
６０ 受容セクション
６６ スパー構造コンポーネント
６８ オフセット
７０ フラップ方向オフセット／オフセット成分／垂直方向／オフセット
７１ フラップ方向の力
７２ ねじれ方向オフセット／オフセット成分
７３ ねじれ方向の力
７４ 前縁
７５ ヨール方向の力
７６ 後縁
７７ ヨール方向オフセット
１００ シーリングテープ／テープ
１０２ 側縁部／テープ縁部
１０３ 両端部
１０４ 気流
１０６ 断面プロファイル
１０７ 中央セクション
１０８ スペーサ／中間スペーサ
１０９ くさび
１１０ 第１のテープセグメント
１１２ 第２のテープセグメント
１１４ 接着剤層
１２２ 下面
１２４ 中間点
１２６ シーム／第２のシーム
１２８ 第１のシーム
Ｐ ブレードピッチ軸
θ 角度

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8a】

【図8b】

【図8c】

【図8d】

【図9a】

【図9b】

【図9c】

【図9d】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】