专利名称：水平轴风车的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种逆风型水平轴风车在暴风时的待机。
背景技术：
众所周知，所谓水平轴风车广泛地应用于商用。通常的水平轴风车的结构为，具有转子，其是从轮毂呈放射状地安装至少2片或2片以上的叶片而成；机舱(nacelle)，其与轮毂连接，同时经由沿大致水平方向延伸的主轴而轴支撑该转子；以及塔架(tower)，其沿大致铅垂方向设置，同时可自由偏航旋转地支撑机舱。并且，当前在水平轴风车中还设有以下控制单元偏航驱动单元，其可自由地驱动控制机舱的偏航(yaw)旋转；偏航制动器，其对偏航旋转进行制动；以及主轴制动器等，其对转子旋转进行制动。另外，当前的商业风车的大多采取逆风型的水平轴风车的结构。逆风型的水平轴风车，是配置在塔架的上风侧的转子进行旋转而发电的结构。通常，风车的设计强度受到在暴风中处于待机状态时所承受的负载较大影响。必须假定同时产生停电的情况而设定暴风时的风车负载。下面，说明与水平轴风车的待机方法相关的具有代表性的现有技术1 5。(现有技术1)现有技术1是通常的逆风·失速控制风车，在暴风时由制动器固定主轴而进行待机。基本上在待机时将偏航固定。通过进行偏航控制而使转子与风向平行，实现负载的降低。即使能够控制偏航，在进行偏航控制所需的电源被切断的情况下、或与偏航控制相关的某个设备发生故障的情况下，也有可能承受来自全方位的暴风。由此，必须假定来自全方位的暴风而进行设计。通常，在失速控制器的情况下，在产生来自正面及背面的暴风时产生很大的负载。(现有技术2)现有技术2是通常的逆风·桨距控制器，在暴风时，使转子空转、将偏航固定而进行待机。在桨距控制器中，控制偏航而使转子朝向上风侧，实现负载降低，但这是以具有偏航控制所必需的电源、同时各设备无故障地进行工作为前提的。通常在桨距控制器的情况下，在横向风及来自斜前方/后方的暴风时，产生很大的负载。图3所示的模型A是现有技术2的待机状态。(现有技术3)现有技术3是逆风·桨距控制器，在暴风时，在确保所有叶片成为顺桨后，通过偏航控制使机舱方位角反转大约180(deg)，由扭矩较小的偏航制动器进行保持而待机(例如，参照非专利文献1、专利文献2)。由此，在暴风时，转子被吹向下风侧，能够减少作用在塔架上的负载。现有技术3的待机状态，在外观上与现有技术5相同。图3所示的模型B， 是现有技术3及5的待机状态。(现有技术4)现有技术4是顺风风车·桨距控制器，在暴风时，确保所有叶片成为顺桨，使转子空转，以自由偏航的方式进行待机。由此，在暴风时，转子被吹向下风侧，能够减少作用在塔架上的负载。图3所示的模型C是现有技术4的待机状态。(现有技术5)现有技术5是专利文献1所述的顺风风车 桨距控制器，在确保所有叶片顺桨后， 一片一片地使叶片的桨距角改变大约180 (deg)，以自由偏航的方式在暴风时待机。与从叶片前缘受风的情况相比，在从后缘受风的情况下，由于最大升力系数大幅减少，另外偏航保持扭矩也较小，所以在其他部位产生的负载变小。现有技术5的待机状态，在外观上与现有技术3相同。图3所示的模型B，是现有技术3及5的待机状态。专利文献1 特开2006-16984号公报专利文献2 =WO2OOV58O62非专利文献1 柴田昌明、林义之，《用于降低设计负载的新观念》，第25次纪念风能利用研讨会，平成15年11月20日，p. 225-22
发明内容
在2丽级的风车中，根据上述的现有技术，只要配合风车的规模而良好地进行设计，就能够避免强度问题。但是，由于今后如果进一步大型化，则叶片的刚性会逐渐降低，固有振动频率降低，所以特别在叶片后缘附近承受暴风的情况下，可以预想会发生颤动而容易出现在叶片上产生很大负载的问题。在具有上述的低刚性叶片的情况下，在现有技术1 3的逆风型水平轴风车中，不管是否在暴风时为待机状态，都无法避免来自叶片后缘附近的暴风，会产生颤动。预想发生的颤动的模式为下述两个种类。失速颤动在叶片的失速区域中，相对于迎角的升力倾斜为负，在该区域中的空气动力项产生负衰减效果，提高不稳定倾向。即使是扭曲刚性高的叶片也会产生这种模式。弯折·扭曲复合颤动由于叶片为不对称的长大构造物，所以在弯折时会复合发生扭曲。特别在叶片后缘附近承受暴风的情况下，叶片承受负载而弯折，由于这种情况与扭曲复合，因而空气流入叶片的迎角变化，容易产生不稳定倾向。这种模式在扭曲刚性高的叶片中几乎不会发生。在逆风型风车中，通过如现有技术3那样确保所有叶片顺桨后，使转子被吹向塔架的下风侧而形成待机状态，能够大幅降低暴风时的负载。这是逆风风车的一个理想的待机状态。但是，在为了在暴风时使转子朝向塔架的下风侧而使用偏航电动机驱动机舱的偏航旋转的现有结构中，在产生台风等暴风时同时发生向偏航电动机的电源供给切断、包括偏航电动机在内的偏航驱动系统发生故障的情况下，由于将转子配置在塔架的下风侧的动力消失，所以无法成为使转子被吹向塔架下风侧的待机状态。
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本发明就是鉴于上述的现有技术中的问题而提出的，其课题在于，在逆风型的水平轴风车中，在暴风时，即使偏航驱动单元无法工作，也能够确保转子被吹向下风侧的待机状态，通过该待机状态降低风车的暴风时设计负载。用于解决上述课题的技术方案1所述的发明是一种逆风型的水平轴风车，其具有转子，其具有轮毂和至少2片或2片以上的叶片；机舱，其经由与上述轮毂连接的主轴对上述转子进行轴支撑；塔架，其可自由偏航旋转地支撑上述机舱；独立桨距控制装置，其分别独立地控制上述叶片的桨距角；以及偏航控制装置，其控制上述机舱的偏航旋转，其具有下述两种模式运行模式，其在风速小于或等于规定值时，通过上述偏航控制装置的控制，将上述转子配置在上述塔架的上风侧，经由上述转子的旋转而利用风力；以及待机模式，其在风速超过上述规定值时进行待机，以准备恢复上述运行模式，其特征在于，(1)上述独立桨距控制装置具有由下述步骤组成的控制动作第1步骤，其在风速超过上述规定值时，使所有的上述叶片成为顺桨，第2步骤，其在上述第1步骤之后，仅使1 片上述叶片从顺桨向平侧变角，在上述机舱产生偏航角位移后，使上述1片叶片恢复为顺桨；以及第3步骤，其在上述第2步骤之后，将所有的上述叶片保持为顺桨状态，直至恢复上述运行模式，(2)上述偏航控制装置具有下述第2控制动作在风速超过上述规定值时，控制偏航制动器产生下述制动值，该制动值允许下述的偏航旋转，即，因由风力向上述机舱加载的围绕偏航轴的扭矩而产生的偏航旋转，作为上述待机模式，执行上述(1)的控制动作，在上述第2步骤执行前执行上述 (2)的控制动作，通过在上述第2步骤及上述第3步骤中实现上述机舱的偏航角位移，使上述转子被吹向上述塔架的下风侧。发明的效果根据技术方案1所述的发明，在风速超过规定值，准备用于发电等的风车运行而进行待机时，通过在第1步骤中使所有叶片成为顺桨，能够降低由暴风产生的负载。通过该第1步骤，成为所有叶片的后缘朝向塔架侧的状态。在之后的第2步骤中，仅使1片叶片从顺桨向平桨侧变角。通过仅使该1片叶片变角，转子出现空气动力不平衡，使由风力向机舱加载的围绕偏航轴的扭矩变大。通过控制偏航制动器产生容许因该扭矩形成的偏航旋转的控制值，能够得到机舱的偏航角位移。然后，使该1片叶片恢复为顺桨，保持所有叶片为顺桨状态直至运行模式的恢复， 但由于在第2步骤中，机舱相对于风向得到偏航角位移，控制偏航制动器产生下述制动值 其容许因由风力向机舱加载的围绕偏航轴的扭矩而产生的偏航旋转，所以能够得到进一步的偏航角位移而将转子配置在塔架的下风侧，使转子被吹向塔架的下风侧。如果希望从机舱正对风向的状态使机舱利用风力反转，则在机舱开始偏航旋转之前需要较大的风力，在成为高风速之后才开始偏航旋转，所以会产生急剧的偏航旋转，使风车承受很大的负载。但是，由于根据本发明，在第2步骤完成时，机舱并不是正对风向，而是产生偏航角位移，所以能够通过比较平缓的偏航旋转得到偏航角位移，从而可以将转子配置在塔架的下风侧。由于如果将转子配置在塔架的下风侧，则利用第2步骤的完成，成为所有叶片的后缘朝向塔架侧的状态，利用第3步骤保持该状态，所以所有叶片从后缘受风，与叶片前缘朝向上风侧的情况相比，由风作用的升力大幅减少。其结果，作为暴风时的待机姿态，调整为以可以使叶片及塔架处于承受最小负载的状态待机的待机姿态。由于如上所示，机舱利用风力平缓地向下风侧反转，然后利用风力进行偏航旋转而使转子被吹向塔架的下风侧，所以即使偏航驱动单元无法工作，也能够确保转子及叶片前缘被吹向下风侧的待机状态，具有通过该待机状态降低风车在暴风时的设计负载的效^ ο
图IA是从上方观察本发明实施方式1的逆风型水平轴风车的俯视图。图IB是从上方观察本发明实施方式1的逆风型水平轴风车的俯视图。图IC是从上方观察本发明实施方式1的逆风型水平轴风车的俯视图。图ID是从上方观察本发明实施方式1的逆风型水平轴风车的俯视图。图IE是从上方观察本发明实施方式1的逆风型水平轴风车的俯视图。图2是表示本发明实施方式1的逆风型水平轴风车所搭载的控制部的结构的框图。图3A是记载本发明或现有技术的待机状态所涉及的模型A、B、C的条件的表。图;3B是记载本发明或现有技术的待机状态所涉及的模型A、B、C的条件的表。图4是表示分析的条件所涉及的风力状况的曲线图。图5是表示机舱方位角的分析结果的曲线图。图6是表示转子旋转速度的分析结果的曲线图。图7是表示叶片扭曲位移的分析结果的曲线图。图8是表示叶片根部颤动弯折的分析结果的曲线图。图9是表示叶片根部扭矩的分析结果的曲线图。图10是表示偏航扭矩的分析结果的曲线图。图11是表示偏航水平力的分析结果的曲线图。图12A是从上方观察本发明实施方式2的逆风型水平轴风车的俯视图。图12B是从上方观察本发明实施方式2的逆风型水平轴风车的俯视图。图12C是从上方观察本发明实施方式2的逆风型水平轴风车的俯视图。图12D是从上方观察本发明实施方式2的逆风型水平轴风车的俯视图。图13A是表示本发明实施方式2的逆风型水平轴风车所搭载的控制部的结构的框图。图1 是表示偏航角-桨距角平面坐标上的过旋转存在区域和避开过旋转存在区域的控制步骤的图。图14A是从上方观察本发明实施方式3的逆风型水平轴风车的俯视图。图14B是从上方观察本发明实施方式3的逆风型水平轴风车的俯视图。
图14C是从上方观察本发明实施方式3的逆风型水平轴风车的俯视图。图14D是从上方观察本发明实施方式3的逆风型水平轴风车的俯视图。图14E是从上方观察本发明实施方式3的逆风型水平轴风车的俯视图。图15是表示本发明实施方式3的逆风型水平轴风车所搭载的控制部的结构的框图。图16是表示分析的条件所涉及的风力状况的曲线图。图17是表示偏航角的分析结果的曲线图。图18是表示叶片弯折力矩的分析结果的曲线图。图19是表示偏航水平力的分析结果的曲线图。图20是表示分析条件所涉及的风力状况的曲线图。图21是表示机舱方位角的分析结果的曲线图。
具体实施例方式下面，参照
本发明的实施方式。下面仅为本发明的实施方式，并是不限定本发明。(实施方式1)首先，说明本发明的实施方式1的逆风型水平轴风车。图1是从上方观察本发明实施方式1的逆风型水平轴风车的俯视图。图2是表示本发明实施方式1的逆风型水平轴风车所搭载的控制部的结构中，与本发明相关的部分的框图。如图1所示，本实施方式的水平轴风车具有塔架1、机舱2、轮毂3、以及3片叶片
4a 4c0机舱2经由与轮毂3连接的主轴(省略图示)而轴支撑由轮毂3和叶片如 如组成的转子。塔架1可自由偏航旋转地支撑机舱2。另外，在机舱2的外表面，安装未图示的风速计及风向计。在机舱2的内侧，收容未图示的增速器、发电机及主轴制动器等动力传递装置，这些各动力传递装置与主轴连结。主轴的前端向机舱2的外部突出，在该主轴的前端，以与主轴一起旋转的方式安装转子。转子在中心部具有与主轴连结的轮毂3，在轮毂3的旋转方向的外周面，以放射状安装3片叶片如 如。另外，叶片如 如的叶片形状不对称地形成。如图2所示，本实施方式的水平轴风车的控制部由风向计10、风速计13、控制装置 16a、桨距驱动装置11、偏航驱动装置14构成。控制装置16a具有独立桨距控制装置1 和偏航控制装置15a。偏航驱动装置14检测机舱2的偏航角，驱动偏航旋转，同时具有未图示的偏航制动器，其对偏航旋转进行制动。偏航控制装置15a向偏航驱动装置14发出控制信号，控制机舱2的偏航角。桨距驱动装置11独立地旋转驱动叶片乜 如的桨距角。独立桨距控制装置12a 向桨距驱动装置11发出控制信号，分别独立地控制各叶片如 4c的桨距角。各叶片如 4c在至少180度内分别独立地被自由控制。此外，所谓桨距角，是叶片相对于轮毂3的安装角度，在本说明书中，具有最大效率的角度为Odeg。通常，在商业用的风力发电中，考虑机械强度、发电效率及安全方面，存在适于发电的风速区域，在超过其上限即安全风速的风速区域中不进行发电，而是控制为以尽可能减少风力负载的姿态进行待机，从而避开暴风。下面，说明本实施方式的水平轴风车的运行模式及待机模式。(运行模式)在适于发电的风速区域中，基于由风向计10检测出的风向，偏航控制装置15a进行控制而将转子配置在塔架1的上风侧，基于由风速计13检测出的风速及转子转速等，独立桨距控制装置1 控制叶片如 4c成为适当的桨距角，使转子受风而进行旋转。该转子的旋转力传递至与轮毂3连接的主轴，从而传递至与主轴连结且收容在机舱2内部的发电机，由此，将旋转运动的动能变换为电能。在偏航驱动装置14接收来自偏航控制装置15a 的控制信号而使机舱2旋转时，解除或放松偏航制动器，在将机舱2保持在固定方向上时， 使偏航制动器扭矩最大。(待机模式)在台风等暴风时，如果由风速计13检测出风速超过安全风速，则偏航控制装置 15a控制偏航制动器而产生规定的制动值，该规定的制动值容许机舱2的下述偏航旋转， 艮口，因由风力向机舱2加载的围绕偏航轴的扭矩而产生的偏航旋转，同时，独立桨距控制装置1 使所有叶片如 如顺桨(第1步骤)。转子停止，发电中断。由此，减少作用在叶片如 如及塔架1上的风力负载。规定的制动值，设定为低于将机舱2保持在固定方向上时的制动值。在使规定的制动值为固定值的情况下，使其成为在假定为风速超过安全风速的风时机舱2不会急剧偏航旋转程度的高值。另外，规定的制动值也可以与机舱2的偏航旋转对应而变动。例如，可以如下变动为了容许机舱2即使在由风力向机舱2加载的围绕偏航轴的扭矩小时也偏航旋转而使该规定的制动值减小，另一方面，为了将机舱2的偏航旋转的角速度限制为小于或等于固定值而使该规定的制动值增大。然后，独立桨距控制装置12a使叶片如 如一个一个按顺序成为逆桨(第2步
骤)ο然后，独立桨距装置1 将所有叶片如 如保持为逆桨状态，直至上述运行模式的恢复(第3步骤)。在这里，再次参照图1，说明上述控制动作的执行及与之相伴的风车动作。首先，通过执行上述第1步骤，如图IA所示，所有叶片如 如成为顺桨，转子的旋转停止，偏航制动器产生容许上述偏航旋转的规定的制动值。此时，由风力向机舱2加载的围绕偏航轴的扭矩，如果大于偏航制动器扭矩，则机舱2开始运动，如果小于偏航制动器扭矩，则机舱2停止在固定角度上。然后，进入第2步骤。首先，如图IB所示，为了使桨距角反转而启动叶片如。以叶片如的桨距角通过平桨角的时刻为峰值而围绕偏航轴的扭矩增大。在该叶片如的变角过程中，由于对叶片如产生升力而转子的旋转力也变大，但由于维持顺桨状态的另外2片叶片4b、k对转子的旋转发挥制动力，所以即使在不使用另外的主轴制动器单元的情况下， 转子也不会发生急剧旋转。进而，使叶片如变角而如图IC所示，使其成为逆桨，然后使叶片如保持逆桨状态，直至运行模式的恢复。如果在该叶片如的变角过程中机舱开始偏航旋转，则例如如图IB — C所示，机舱 2进行偏航旋转，转子配置在塔架1的下风侧。然后，第2片叶片4b与第1片叶片如相同地，从顺桨变角为逆桨，然后保持逆桨状态直至运行模式的恢复(图1D)。然后，第3片叶片如与第1片、第2片的叶片4a、4b相同地，从顺桨变角为逆桨， 然后保持逆桨状态直至恢复运行模式(图1E)。假如在第1片叶片如的变角过程中机舱2不开始偏航旋转，则在使第2片、第3 片叶片4b、k从顺桨变角为逆桨的过程中，相同地，存在使机舱2偏航旋转的机会，由此可以高可靠性地最终确保图IE所示的状态，即，转子配置在塔架1的下风侧，所有叶片如 4c的前缘朝向上风处的待机姿态。由于偏航制动器成为容许上述偏航旋转的规定的制动值，所以机舱2与风向变化对应而绕偏航轴滑动，转子被吹向下风侧。在发生暴风的待机模式中，能够使所有叶片如 4c从前缘受风，避免颤动的产生，减少向叶片^ 4c加载的负载。根据以上所示的本实施方式的水平轴风车，由于机舱2利用风力进行偏航旋转， 使转子被吹向塔架1的下风侧，所以即使偏航驱动单元不发挥作用，也能够确保转子及叶片后缘被吹向下风侧的待机状态，通过该待机状态，从叶片后缘避开暴风而减少颤动产生， 进而能够减少叶片等在暴风时的设计负载。由于成为转子被吹向下风侧的待机状态，所以即使在风向变化的情况下，也由于机舱2进行偏航旋转以使得转子始终位于下风侧，所以能够避开作用在叶片如 如及塔架1上的载荷而减少负载。由此，例如即使在台风等暴风时，也不需要用于维持水平轴风车姿态的特别的控制单元，能够始终将转子配置在塔架1的下风侧，将由于风力而承受的负载抑制到最小。进而，由此能够大幅降低水平轴风车的设计强度，可以提高设计自由度，能够实现成本降低。另外，根据本实施方式的水平轴风车，例如在台风等暴风时，首先通过使所有叶片 4a 如的桨距角成为顺桨状态，能够减少由风作用在各叶片如 4c上的阻力。其结果， 能够减少作用在叶片如 4c及塔架1上的负载。另外，由于通过独立桨距控制装置12a使成为顺桨的各叶片如 如的桨距角一片一片地按顺序成为逆桨，所以与使所有叶片同时反转的情况相比，能够将作用在叶片 4a 如及塔架1上的负载的增加抑制在最小限度。其结果，能够防止在叶片如 如上产生过量的阻力及升力，能够有效地防止转子过旋转。(实施方式2)下面，说明本发明的实施方式2的逆风型水平轴风车。图12是从上方观察本发明实施方式2的逆风型水平轴风车的俯视图。如图12所示，本实施方式的水平轴风车具有塔架1、机舱2、轮毂3和3片叶片4a 4c ο机舱2经由与轮毂3连接的主轴(省略图示)而轴支撑由轮毂3和叶片如 如组成的转子。塔架1可自由偏航旋转地支撑机舱2。另外，在机舱2的外表面，安装未图示的风速计及风向计。在机舱2的内侧，收容未图示的增速器、发电机及主轴制动器等动力传递装置，这些各动力传递装置与主轴连结。主轴的前端向机舱2的外部突出，在该主轴的前端，以与主轴一起旋转的方式安装转子。转子在中心部具有与主轴连结的轮毂3，在轮毂3的旋转方向的外周面，以放射状地安装3片叶片如 如。另外，叶片如 如的叶片形状不对称地形成。图13A是本实施方式2的逆风型水平轴风车所搭载的控制部的结构中，与本发明相关的部分的框图。如图13A所示，本实施方式的水平轴风车的控制部由风向计10、风速计13、控制装置16b、桨距驱动装置11、偏航驱动装置14构成。控制装置16b具有桨距控制装置12b和偏航控制装置15b。偏航驱动装置14检测机舱2的偏航角，驱动偏航旋转，同时具有对偏航旋转进行制动的未图示的偏航制动器。偏航控制装置15b向偏航驱动装置14发出控制信号而控制机舱2的偏航角。桨距驱动装置11对叶片如 如的桨距角进行旋转驱动。桨距控制装置12b向桨距驱动装置11发出控制信号，控制叶片如 4c的桨距角。各叶片如 如在至少180 度内被自由地控制。叶片如 如的桨距控制，可以是独立地控制每个叶片，也可以仅能够统一控制所有叶片。叶片4a 如的桨距控制，不需要能够独立地对每个叶片进行控制，只要能够进行 180度旋转，也可以对所有叶片统一控制。在后者的情况下，仪器及控制装置的结构可以简化。当然，也可以能够独立地控制每个叶片。图1 是表示偏航角-桨距角平面坐标中的过旋转存在区域和避开过旋转存在区域的控制步骤的图。如图13B所示，在使横轴为偏航角、纵轴为桨距角的平面坐标上，分布有在风速为40(m/sec)的风况下转子达到大于或等于20 (rpm)转速的过旋转存在区域Bi、 B2。基于图13B，在本实施方式中，将为了避开过旋转存在区域Bi、B2的+75 +llO(deg) 或-75 -llO(deg)确定为偏航角范围A，如下所述执行待机模式。在偏航角范围A内，无论桨距角为多少，都不会达到过旋转。此外，在桨距角为90(deg)时，叶片如 如的后缘朝向塔架1侧，在桨距角为-90(deg)时，叶片如 如的前缘朝向塔架1侧。在偏航角为O(deg)时，转子位于塔架 1的上风侧，从正面受风。通常，在商业用的风力发电中，考虑机械强度、发电效率及安全方面，存在适于发电的风速区域，在逆风风速超过其上限的风速区域中不进行发电，而是为了避开暴风，控制为以尽可能减少风力负载的姿态进行待机。下面，说明本实施方式的水平轴风车的运行模式及待机模式。(运行模式)
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在适于发电的风速区域中，基于由风向计10检测出的风向，偏航控制装置15b进行控制而将转子配置在塔架1的上风侧，基于由风速计13检测的风速及转子转速等，桨距控制装置12b控制叶片如 如成为恰当的桨距角，使转子受风而进行旋转。该转子的旋转力传递至与轮毂3连接的主轴，从而传递至与主轴连结且收容在机舱2内部的发电机，由此，将旋转运动的动能变换为电能。在偏航驱动装置14接收来自偏航控制装置15b的控制信号而使机舱2旋转时，放开或放松偏航制动器，在将机舱2保持在固定方向上时，使偏航制动器扭矩最大。逆风型风车的运行模式中的桨距角、偏航角的存在区域，大致为图13B中的运行区域R。(待机模式)在台风等暴风时，如果由风速计13检测出风速超过安全风速(例如25(m/SeC))， 则桨距控制装置12b使所有叶片如 如成为顺桨(第1步骤)。转子停止，发电中断。由此，减少作用在叶片4a 如及塔架1上的风力负载。然后，偏航控制装置1 使机舱2转动而变角为偏航角范围A内的固定角度，利用偏航制动器使机舱2的偏航角保持为该固定角度(第2步骤S2)。然后，在机舱2的偏航角保持在偏航角范围A内的状态下，桨距控制装置12b使所有叶片如 如同时成为逆桨(第3步骤S3)。桨距控制装置12b从第3步骤S3之后保持所有叶片如 如的逆桨状态直至上述运行模式的恢复。偏航控制装置1 控制偏航制动器产生下述制动值(制动力)，该制动值容许下述的偏航旋转，即，因由风力向机舱2加载的围绕偏航轴的扭矩而产生的偏航旋转。该制动值设定为低于在将机舱2保持在固定方向时的制动值。另外，该制动值为在假定风速超过安全风速时，机舱2不会过度地偏航旋转程度的高值。该制动值也可以与机舱2的偏航旋转对应而变动。例如，可以如下变动为了容许机舱2即使在由风力向机舱 2加载的围绕偏航轴的扭矩小时也偏航旋转而使该制动值减小，另一方面，为了将机舱2的偏航旋转的角速度限制为小于或等于固定值而使该制动值增大。在这里，一边参照图12，一边说明上述控制动作的执行及随之产生的风车动作。首先，通过执行上述第1步骤Sl，如图12A所示，所有叶片如 如成为顺桨，转子的旋转停止。然后，利用第2步骤S2，风车成为图12B所示的姿态。即，成为机舱2的偏航角相对于风向为大致90 (deg)，转子旋转面大致与风向平行的姿态。在该姿态下，即使切换叶片的桨距角，也不会产生较大的升力。在第2步骤S2中，也可以使机舱2向某一侧转动。图 12B表示从上方观察机舱2而使其顺时针旋转，位于+75 +110 (deg)的偏航角范围A中的状态。可以预先设定进行顺时针旋转还是逆时针旋转，但优选在第2步骤S2开始时，选择并确定能够最短时间内移动至偏航角范围A中的旋转方向。然后，利用第3步骤，如图12C所示，使叶片如 如同时变角至逆桨。在该过程中不会产生较大的升力，可以不使转子过旋转地安全成为逆桨。然后，保持逆桨状态直至恢复上述运行模式，控制偏航制动器产生下述制动值，该制动值容许机舱2的下述偏航旋转，即，因由风力向机舱2加载的围绕偏航轴的扭矩而产生的偏航旋转。如果由风力向机舱2加载的围绕偏航轴的扭矩大于偏航制动器扭矩，则机舱2
11旋转，转子如图12D所示配置在塔架1的下风侧，转子被吹向塔架1的下风侧。由此，能够确保转子及叶片如 4c后缘被吹向下风侧的待机状态，通过该待机状态，从叶片后缘避开暴风而减少颤动产生，进而能够减少其在暴风时的设计负载。通过将偏航制动器的制动值设定得比较高，即使风速超过安全风速，在由风产生的偏航扭矩的负载比较小的情况下，也可以使机舱2不进行偏航旋转而使其待机。在此情况下，只要风向不变化，就维持如图12C所示的待机状态。在此情况下，由于不产生转子的过旋转且风速较低，所以能够将风车的负载抑制得较小。即使机舱2不追随风向而风向改变，参考图13B可知，也不会进入过旋转存在区域B1、B2中，所以不会产生转子的过旋转，因风速较低，所以能够将风车的负载抑制得较小。另一方面，通过将偏航制动器的制动值设定得比较低，如果风速超过安全风速，则可以以使机舱2追随风向的方式待机。如果通过风速计13在固定期间内检测出小于或等于安全风速的风速，则恢复为运行模式。偏航控制装置1 使机舱2旋转而使转子朝向上风侧。例如，如果在恢复为运行模式时风车为图12D的状态，则偏航控制装置1 首先使机舱2旋转180 (deg)而使转子朝向上风侧。另外，例如如果在恢复为运行模式时风车为图12C的状态，则偏航控制装置15b 首先使机舱2逆时针旋转90(deg)而使转子朝向上风侧。下面，参照图13B的偏航角-桨距角平面坐标进行说明。坐标(偏航角、桨距角)在运行模式中大致位于运行区域R。通过执行待机模式的第1步骤Si，坐标移动至点Pl或其周围。由于第1步骤Sl能够瞬间降低对转子的风力负载，所以优选以检测出安全风速为触发立即执行。然后，通过执行第2步骤S2，坐标移动至点P2或其周围。参照图1 可知，即使从运行区域R开始执行第2步骤S2，也能够离开过旋转存在区域Bi。在本实施方式中，控制流程为在第1步骤Sl结束后开始第2步骤S2，但并不限于此，第2步骤S2也可以以检测出安全风速为触发立即执行。即，可以是第1步骤Sl和第2步骤S2同时开始，或第2步骤 S2在第1步骤Sl完成前开始，或者两者具有同时进行的期间。然后，通过执行第3步骤S3，坐标移动至点P3或其周围。此时，重要的是不进入过旋转存在区域B1、B2中，更重要的是尽可能地远离过旋转存在区域B1、B2而绕开。其通过第2步骤S2和第3步骤S3的同步而实现。在本实施方式中采用下述控制流程在第2步骤S2的前半部分的变角过程中，使机舱2转动至偏航角范围A内的目标固定角度，在后半部分的保持过程中，利用偏航制动器使该机舱2固定保持为该固定角度，在该保持过程中执行全部的第3步骤S3。第2步骤S2在第3步骤S3结束的同时或在其之后结束，然后放松偏航制动器。另外，偏航角范围A与桨距角无关地，为固定范围。根据本实施方式，能够远离过旋转存在区域Bi、B2而绕开，移动至点P3或其周围，是优选的实施方式。并不限于此，也可以在第2步骤S2中进行的偏航角变化时执行第3步骤S3，以选择过旋转存在区域Bi、B2之外的区域(进而是转子转速更慢的区域)的方式，使偏航角及桨距角同时变角而进行控制。另外，也可以以使偏航角范围A根据桨距角而产生宽窄变化的方式确定。也可以在第3步骤S3即将完成之前使第2步骤S2结束，放松偏航制动器。只要是能够避让(优选尽可能远地避让)过旋转存在区域Bi、B2，将偏航角及桨距角从点Pl 或其周围的区域移动至点P3或其周围的区域，则不限定于本实施方式。优选在过旋转存在区域Bl和过旋转存在区域B2的正中间穿过。然后，控制偏航制动器产生下述制动值，该制动值容许下述的偏航旋转，即，因由风力向机舱2加载的围绕偏航轴的扭矩而产生的偏航旋转，如果由风力向机舱2加载的围绕偏航轴的扭矩大于偏航制动器扭矩，则如图13B中的箭头D所示，机舱2旋转，转子配置在下风侧。如果使机舱2旋转的强风持续，则转子被吹向下风侧，就图1 来说，该风车的坐标大致位于待机区域W中，风车在所述待机状态下等待暴风的停止。根据上述的本实施方式的水平轴风车，即使没有独立桨距控制装置以及复杂的转向操纵顺序，也能够确保在躲避暴风的同时使转子及叶片后缘被吹向下风侧的待机状态， 通过该待机状态，从叶片后缘避开暴风而减少颤动的产生，并且能够减少叶片等在暴风时的设计负载。由于叶片在暴风时成为被吹向下风侧的待机状态，所以即使在风向变化的情况下，由于机舱2偏航旋转而使转子位于下风侧，所以能够减少作用在叶片如 如及塔架1 上的负载而减少载荷。由此，例如即使在台风等暴风时，也不需要用于维持水平轴风车姿态的特别的控制单元，能够使转子配置在塔架1的下风侧，将由于风力而承受的负载抑制到最小。进而，由此能够大幅降低水平轴风车的设计强度，可以提高设计自由度，能够实现成本降低。另外，根据本实施方式的水平轴风车，例如在台风等暴风时，首先通过使所有叶片 4a 如的桨距角成为顺桨状态，能够减少由风作用在各叶片如 4c上的阻力。其结果， 能够减少作用在叶片如 4c及塔架1上的负载。另外，由于使通过桨距控制装置1 而成为顺桨的各叶片如 如，移动至躲避相对于转子的正面风及背面风的规定偏航角范围内，在此基础上，使桨距角同时成为逆桨，所以与不进行上述偏航控制，且在存在转子受到正面风或背面风的可能性的状态下使所有叶片同时反转的情况相比，能够更可靠地避免在叶片如 4c及塔架1上作用过大负载的危险。其结果，能够防止在叶片如 4c上产生过大的阻力及升力，能够有效地防止转子过旋转。(实施方式3)下面，说明本发明实施方式3的逆风型水平轴风车。图14是从上方观察本发明实施方式3的逆风型水平轴风车的俯视图。图15是表示本发明实施方式3的逆风型水平轴风车所搭载的控制部的结构的框图。如图14所示，本实施方式的水平轴风车具有塔架1、机舱2、轮毂3、以及3片叶片
4a 4c0机舱2经由与轮毂3连接的主轴(省略图示)而轴支撑由轮毂3和叶片如 如组成的转子。塔架1可自由偏航旋转地支撑机舱2。另外，在机舱2的外表面，安装未图示的风速计及风向计。在机舱2的内侧，收容未图示的增速器、发电机及主轴制动器等动力传递装置，上述各动力传递装置与主轴连结。主轴的前端向机舱2的外部突出，在该主轴导前端，以与主轴一起旋转的方式安装转子。转子在中心部具有与主轴连结的轮毂3，在轮毂3的旋转方向的外周面，以放射状安装3片叶片如 如。另外，叶片如 如的叶片形状不对称地形成。如图15所示，本实施方式的水平轴风车的控制部由风向计10、风速计13、控制装置16c、桨距驱动装置11、偏航驱动装置14构成。控制装置16c具有独立桨距控制装置12c 和偏航控制装置15c。偏航驱动装置14检测机舱2的偏航角，驱动偏航旋转，同时具有对偏航旋转进行制动的未图示的偏航制动器。偏航控制装置15c向偏航驱动装置14发出控制信号而控制机舱2的偏航旋转。桨距驱动装置11独立地对叶片乜 如的桨距角进行旋转驱动。独立桨距控制装置12c向桨距驱动装置11发出控制信号，分别独立地控制各叶片如 如的桨距角。各叶片如 如分别在至少180度范围内被独立地自由控制。通常，在商业用的风力发电中，考虑机械强度、发电效率及安全方面，存在适于发电的风速区域，在超过其上限即安全风速的风速区域中不进行发电，而是为了避开暴风，进行控制以尽可能减少风力负载的姿态进行待机。下面，说明本实施方式的水平轴风车的运行模式及待机模式。(运行模式)在适于发电的风速区域中，基于由风向计10检测出的风向，偏航控制装置15c进行控制而将转子配置在塔架1的上风侧，基于由风速计13检测出的风速及转子转速等，独立桨距控制装置12c控制叶片如 如成为适当的桨距角，使转子受风而进行旋转。该转子的旋转力传递至与轮毂3连接的主轴，从而传递至与主轴连结且收容在机舱2内部的发电机，将旋转运动的动能变换为电能。在偏航驱动装置14接收来自偏航控制装置15c的控制信号而使机舱2旋转时，解除或放松偏航制动器，在将机舱2保持在固定方向上时，使偏航制动器最大。(待机模式)(第1步骤)在台风等暴风时，如果由风速计13检测出风速超过安全风速，则独立桨距控制装置12c使所有叶片如 如成为顺桨。由此，减少作用在叶片如 4c及塔架 1上的风力负载。转子停止，发电中断。(第2步骤)然后，偏航控制装置15c控制偏航制动器产生下述的规定制动值，该制动值容许机舱2的下述偏航旋转，即，因由风力向机舱2加载的围绕偏航轴的扭矩而产生的偏航旋转，同时独立桨距控制装置12c使1片叶片如从顺桨向平桨侧变角。规定的制动值设定为低于将机舱2保持为固定方向时的制动值。在使规定的制动值为固定值的情况下，使其成为在假定风速超过安全风速时机舱2不会急剧偏航旋转的较高值。另外，规定的制动值也可以与机舱2的偏航旋转对应而变动。例如，可以如下变动 为了容许机舱2即使在由风力向机舱2加载的围绕偏航轴的扭矩小时也偏航旋转而使该规定的制动值减小，另一方面，为了将机舱2的偏航旋转的角速度限制为小于或等于固定值而使该规定的制动值增大。在叶片如从顺桨向平桨侧变角的情况下，变角后的角度为平桨(Odeg) 45deg 左右。该角度影响所得到的偏航角位移。基于偏航控制装置15c检测出的机舱2的偏航角，在机舱2的偏航角位于为30deg 左右时，独立桨距控制装置12c使1片叶片如恢复顺桨。
优选该偏航角位移大于或等于30deg。这是因为如果从正对风向的状态开始利用风力使机舱反转，则直至机舱开始偏航旋转需要较大的风力，在成为高风速之后开始偏航旋转，所以会产生急剧的偏航旋转，使风车承受很大的负载。以使该偏航角位移大于或等于30deg的方式，设定使叶片如在从顺桨向平桨侧变角情况下的变角后角度、和用于容许机舱2的偏航旋转的制动值。(第3步骤)然后，保持所有叶片如 如处于顺桨状态，直至恢复上述运行模式。在这里，再次参照图14，说明上述控制动作的执行及与之相伴的风车动作。首先，通过执行上述第1步骤，如图14A所示，所有叶片如 如成为顺桨，转子的
旋转停止。然后，进入第2步骤。控制偏航制动器产生容许机舱2的偏航旋转的制动值，同时如图14B所示，将叶片如向平桨侧竖立，绕偏航轴的扭矩增大。通过该叶片如向平桨侧变角，叶片如上产生升力而使转子的旋转力增大，但由于维持顺桨状态的另外2片叶片4b、 4c对转子的旋转产生制动力，所以即使在不使用另外的主轴制动器单元的情况下，也不会产生急剧的转子旋转。通过叶片如向平桨侧的变角和偏航制动器控制，如图14C所示，机舱2得到相对于风向40 89(deg)的偏航角位移。此时，如果风向固定，则使相对于风向的偏航角为“初始偏航角”。然后，如图14D所示，叶片如恢复顺桨状态，之后使所有叶片如 4c保持顺桨状态，直至恢复运行模式。此时，由于得到初始偏航角，所以向机舱2加载偏航扭矩。另外，由于偏航制动器容许机舱2的偏航旋转，所以如图14D — E所示，进一步得到偏航角位移，转子配置在塔架1的下风侧。然后在待机模式中，由于偏航制动器产生容许上述偏航旋转的规定制动值，所以机舱2与风向变化对应而绕偏航轴滑动，转子被吹向塔架的下风侧。在发生暴风的待机模式中，所有叶片如 如从后缘受风，与叶片前缘朝向上风侧的情况相比，大幅降低由风产生的升力，其结果，作为暴风时的待机状态，调整为可以以向叶片如 如及塔架1施加最小负载的状态进行待机的姿态。根据上述所示的本实施方式的水平轴风车，由于机舱2利用风力而偏航旋转，使转子被吹向塔架1的下风侧，所以即使偏航驱动单元无法工作，也能够确保转子及叶片后缘被吹向下风侧的待机状态，通过该待机状态，能够减少叶片在暴风时的设计负载。由于转子成为被吹向下风侧的待机状态，所以即使在风向变化的情况下，也由于机舱2进行偏航旋转而使得转子始终位于下风侧，所以能够避免作用在叶片如 如及塔架1上的负载而减少载荷。由此，例如即使在台风等暴风时，也不需要用于维持水平轴风车姿态的特别的控制单元，能够始终将转子配置在塔架1的下风侧，将由于风力而承受的负载抑制到最小。进而，由此能够大幅降低水平轴风车的设计强度，可以提高设计自由度，能够实现成本降低。另外，根据本实施方式的水平轴风车，例如在台风等暴风时，首先通过使所有叶片 4a 如的桨距角成为顺桨状态，能够减少由作用在各叶片如 4c上风产生的阻力。其结果，能够减少作用在叶片如 4c及塔架1上的负载。(实施例1)
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为了验证假设叶片的大型化而由待机状态产生的颤动等，对于通常不产生颤动的直径80m(相当于2MW)的风车，使叶片刚性大幅降低而制成模型A、B、C。模型A、B、C的条件及待机姿态记载在图3所示的表中。分别对于模型A、B、C，分析在图4所示的风况下的机舱方位角(图幻、转子旋转速度(图6)、叶片扭曲位移(图7)、叶片根部襟翼弯折(图8)、叶片根部扭矩(图9)、偏航扭矩(图10)、偏航水平力(图11)，输出曲线图。另外，在图3所示的表中记载分析结果的要点、分布范围、评价。如图3所示的表中所记载，模型A相当于现有技术2的待机状态。模型B是本发明实施方式3的实施例的待机状态，现有技术3及5的待机状态也与其相当。模型C是本发明实施方式1及2的实施例的待机状态，现有技术4及6的待机状态也与其相当。作为本发明实施方式1及2的实施例的待机状态的模型C，对于叶片的颤动弯折/ 扭曲及偏航水平力来说，具有良好的减少负载的效果。另外，与通常的逆风设备(模型A) 相比，大幅改善偏航扭矩。下面按照每一个项目进行评价。(1)机舱方位角(参照图5)平顺地偏航的模型B、C，基本上追随风向。在后缘朝向上风侧的模型B中，在前半部分(0 150(sec))叶片振动，偏航也随其摆动。(2)旋转速度(参照图6)平顺地偏航的模型B、C，基本上转子缓慢地空转，但在使后缘朝向上风侧的模型B 中，在前半部分(0 150(sec))中叶片振动，转子也随其摆动。(3)叶片扭曲位移(参照图7)具有与叶片根部扭矩大致相同的评价。(4)叶片根部襟翼弯折(参照图8)全部具有伴随转子旋转而产生的负载摆动。模型B的前半部分(0 150(SeC)) 以较短周期摆动。(5)叶片根部扭矩(参照图9)全部具有伴随转子旋转的负载摆动。在模型B的前半部分(0 150(SeC))及模型A的200seC附近等，在从转子后缘承受暴风的情况下，产生较大扭矩。通常由于在安全上不容许桨距机构扭曲，所以需要使桨距机构及叶片的构造能够承受上述扭矩。(6)偏航扭矩(参照图10)在平顺地偏航的模型B、C的情况下，将偏航扭矩的振幅限制得较小，在脱离上述限制的情况下，通过偏航滑动而减少负载。在模型B、C中，与保持偏航的模型A的情况相比，大幅降低负载。(7)偏航水平力(参照图11)偏航水平力对塔架和地基的设计有很大的影响。在使偏航平顺的模型B、C中，基本上具有降低负载的趋势，但在从后缘受风的模型B中产生较大振动，相反负载增加。该相反的倾向在叶片刚性显著降低时可以看出。(实施例2)对于叶片片数为3片、转子直径为80m、独立桨距控制的逆风型水平轴风车，进行下述⑴⑵的分析。(1)对初始偏航角的动作的分析将对初始偏航角θ y0进行各种变更而在特定的风况下产生的偏航角、转子弯折力矩、偏航水平力的变化进行分析。适用于本分析的风况如图16所示。是风向固定，风速在 60秒内从10 (m/s)至70(m/s)变化的风况。初始偏航角0 0设定为5、15、30、45((1叩)这4种。叶片全部处于顺桨(桨距角大约为86度)，偏航制动器扭矩为400 (kNm)。表示图16所示的风况下对应于各初始偏航角θ y0的偏航角变化、转子弯折力矩、 偏航水平力变化的曲线，分别按顺序在图17、图18、图19中表示。如图17所示，由于横轴O(sec)处的偏航角是初始偏航角θ y(1，所以各曲线图为5、 15、30、45(deg)的点。在θ yQ = 5(deg)及θ yQ = 15(deg)时，以比较大的振幅进行多次摆动，直至转子稳定在下风侧。与之相对，在eyQ = 30(deg)及eyQ = 45(deg)中，在转子转向下风侧时的摆动较小，迅速地使转子稳定在下风侧。在θ y(1 = 5 (deg)时，维持初始偏航角大约48秒后，然后开始急剧偏航旋转，同时转子弯折力矩、偏航水平力的值急剧上升。在θ y(1 = 15 (deg)时，相对于θ y(1 = 5 (deg)时，变化略有缓和，但维持初始偏航角大约36秒后，然后开始偏航旋转，同时转子弯折力矩、偏航水平力的值上升。相对于上述2例，在θ y(1 = 30 (deg)及θ y(1 = 45 (deg)时，仅在大约25秒左右维持初始偏航角，然后在比较早的时期开始旋转转动，控制转子弯折力矩、偏航水平力的值处于比较低的水平。对于上述4个例子，将偏航急剧变化时刻、偏航急剧变化时的风速、转子弯折力矩的最大值和偏航水平力的最大值汇总在表1中。(表 1)
权利要求
1. 一种逆风型的水平轴风车，其具有转子，其具有轮毂和至少2片或2片以上的叶片；机舱，其经由与上述轮毂连接的主轴对上述转子进行轴支撑；塔架，其可自由偏航旋转地支撑上述机舱；独立桨距控制装置，其分别独立地控制上述叶片的桨距角；以及偏航控制装置，其控制上述机舱的偏航旋转，其具有下述两种模式运行模式，其在风速小于或等于规定值时，通过上述偏航控制装置的控制，将上述转子配置在上述塔架的上风侧，经由上述转子的旋转而利用风力；以及待机模式，其在风速超过上述规定值时进行待机，以准备恢复上述运行模式， 其特征在于，上述独立桨距控制装置具有由下述步骤组成的第1控制动作第1步骤，其在风速超过上述规定值时，使所有的上述叶片成为顺桨，第2步骤，其在上述第1步骤之后，仅使1片上述叶片从顺桨向平桨侧变角，在上述机舱产生偏航角位移后，使上述1片叶片恢复为顺桨； 以及第3步骤，其在上述第2步骤之后，将所有的上述叶片保持为顺桨状态，直至上述运行模式的恢复，上述偏航控制装置具有下述第2控制动作在风速超过上述规定值时，控制偏航制动器产生下述制动值，该制动值允许下述的偏航旋转，即，因由风力向上述机舱加载的围绕偏航轴的扭矩而产生的偏航旋转，作为上述待机模式，执行上述第1控制动作，在上述第2步骤执行前执行上述第2控制动作，通过在上述第2步骤及上述第3步骤中实现上述机舱的偏航角位移，使上述转子被吹向上述塔架的下风侧。
全文摘要
本发明提供一种水平轴风车，具有运行模式及待机模式。独立桨距控制装置具有第1控制动作第1步骤，其在风速超过规定值时，使所有的叶片成为顺桨，第2步骤，仅使1片叶片从顺桨向平桨侧变角，在机舱产生偏航角位移后，使1片叶片恢复为顺桨；第3步骤，将所有的叶片保持为顺桨状态，直至运行模式的恢复。偏航控制装置具有第2控制动作在风速超过规定值时，控制偏航制动器产生下述制动值，该制动值允许下述偏航旋转，即，因由风力向上述机舱加载的围绕偏航轴的扭矩而产生的偏航旋转。作为待机模式，执行第1控制动作，在第2步骤执行前执行第2控制动作，通过在第2步骤及第3步骤中实现机舱的偏航角位移，使转子被吹向塔架的下风侧。
文档编号F03D7/04GK102518557SQ20121002002
公开日2012年6月27日 申请日期2006年5月22日 优先权日2005年5月31日
发明者吉田茂雄 申请人:富士重工业株式会社