專利名稱：水平軸風車的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種逆風型水平軸風車在暴風時的待機。
背景技術：
眾所周知，所謂水平軸風車廣泛地應用于商用。通常的水平軸風車的結構為，具有轉(zhuǎn)子，其是從輪轂呈放射狀地安裝至少2片或2片以上的葉片而成；機艙(nacelle)，其與輪轂連接，同時經(jīng)由沿大致水平方向延伸的主軸而軸支撐該轉(zhuǎn)子；以及塔架(tower)，其沿大致鉛垂方向設置，同時可自由偏航旋轉(zhuǎn)地支撐機艙。并且，當前在水平軸風車中還設有以下控制單元偏航驅(qū)動單元，其可自由地驅(qū)動控制機艙的偏航(yaw)旋轉(zhuǎn)；偏航制動器，其對偏航旋轉(zhuǎn)進行制動；以及主軸制動器等，其對轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)進行制動。另外，當前的商業(yè)風車的大多采取逆風型的水平軸風車的結構。逆風型的水平軸風車，是配置在塔架的上風側(cè)的轉(zhuǎn)子進行旋轉(zhuǎn)而發(fā)電的結構。通常，風車的設計強度受到在暴風中處于待機狀態(tài)時所承受的負載較大影響。必須假定同時產(chǎn)生停電的情況而設定暴風時的風車負載。下面，說明與水平軸風車的待機方法相關的具有代表性的現(xiàn)有技術1 5。(現(xiàn)有技術1)現(xiàn)有技術1是通常的逆風·失速控制風車，在暴風時由制動器固定主軸而進行待機?；旧显诖龣C時將偏航固定。通過進行偏航控制而使轉(zhuǎn)子與風向平行，實現(xiàn)負載的降低。即使能夠控制偏航，在進行偏航控制所需的電源被切斷的情況下、或與偏航控制相關的某個設備發(fā)生故障的情況下，也有可能承受來自全方位的暴風。由此，必須假定來自全方位的暴風而進行設計。通常，在失速控制器的情況下，在產(chǎn)生來自正面及背面的暴風時產(chǎn)生很大的負載。(現(xiàn)有技術2)現(xiàn)有技術2是通常的逆風·槳距控制器，在暴風時，使轉(zhuǎn)子空轉(zhuǎn)、將偏航固定而進行待機。在槳距控制器中，控制偏航而使轉(zhuǎn)子朝向上風側(cè)，實現(xiàn)負載降低，但這是以具有偏航控制所必需的電源、同時各設備無故障地進行工作為前提的。通常在槳距控制器的情況下，在橫向風及來自斜前方/后方的暴風時，產(chǎn)生很大的負載。圖3所示的模型A是現(xiàn)有技術2的待機狀態(tài)。(現(xiàn)有技術3)現(xiàn)有技術3是逆風·槳距控制器，在暴風時，在確保所有葉片成為順槳后，通過偏航控制使機艙方位角反轉(zhuǎn)大約180(deg)，由扭矩較小的偏航制動器進行保持而待機(例如，參照非專利文獻1、專利文獻2)。由此，在暴風時，轉(zhuǎn)子被吹向下風側(cè)，能夠減少作用在塔架上的負載?，F(xiàn)有技術3的待機狀態(tài)，在外觀上與現(xiàn)有技術5相同。圖3所示的模型B， 是現(xiàn)有技術3及5的待機狀態(tài)。(現(xiàn)有技術4)現(xiàn)有技術4是順風風車·槳距控制器，在暴風時，確保所有葉片成為順槳，使轉(zhuǎn)子空轉(zhuǎn)，以自由偏航的方式進行待機。由此，在暴風時，轉(zhuǎn)子被吹向下風側(cè)，能夠減少作用在塔架上的負載。圖3所示的模型C是現(xiàn)有技術4的待機狀態(tài)。(現(xiàn)有技術5)現(xiàn)有技術5是專利文獻1所述的順風風車 槳距控制器，在確保所有葉片順槳后， 一片一片地使葉片的槳距角改變大約180 (deg)，以自由偏航的方式在暴風時待機。與從葉片前緣受風的情況相比，在從后緣受風的情況下，由于最大升力系數(shù)大幅減少，另外偏航保持扭矩也較小，所以在其他部位產(chǎn)生的負載變小?，F(xiàn)有技術5的待機狀態(tài)，在外觀上與現(xiàn)有技術3相同。圖3所示的模型B，是現(xiàn)有技術3及5的待機狀態(tài)。專利文獻1 特開2006-16984號公報專利文獻2 :W02003/58062非專利文獻1 柴田昌明、林義之，《用于降低設計負載的新觀念》，第25次紀念風能利用研討會，平成15年11月20日，p. 225-22
發(fā)明內(nèi)容
在2麗級的風車中，根據(jù)上述的現(xiàn)有技術，只要配合風車的規(guī)模而良好地進行設計，就能夠避免強度問題。但是，由于今后如果進一步大型化，則葉片的剛性會逐漸降低，固有振動頻率降低，所以特別在葉片后緣附近承受暴風的情況下，可以預想會發(fā)生顫動而容易出現(xiàn)在葉片上產(chǎn)生很大負載的問題。在具有上述的低剛性葉片的情況下，在現(xiàn)有技術1 3的逆風型水平軸風車中，不管是否在暴風時為待機狀態(tài)，都無法避免來自葉片后緣附近的暴風，會產(chǎn)生顫動。預想發(fā)生的顫動的模式為下述兩個種類。失速顫動在葉片的失速區(qū)域中，相對于迎角的升力傾斜為負，在該區(qū)域中的空氣動力項產(chǎn)生負衰減效果，提高不穩(wěn)定傾向。即使是扭曲剛性高的葉片也會產(chǎn)生這種模式。彎折·扭曲復合顫動由于葉片為不對稱的長大構造物，所以在彎折時會復合發(fā)生扭曲。特別在葉片后緣附近承受暴風的情況下，葉片承受負載而彎折，由于這種情況與扭曲復合，因而空氣流入葉片的迎角變化，容易產(chǎn)生不穩(wěn)定傾向。這種模式在扭曲剛性高的葉片中幾乎不會發(fā)生。在逆風型風車中，通過如現(xiàn)有技術3那樣確保所有葉片順槳后，使轉(zhuǎn)子被吹向塔架的下風側(cè)而形成待機狀態(tài)，能夠大幅降低暴風時的負載。這是逆風風車的一個理想的待機狀態(tài)。但是，在為了在暴風時使轉(zhuǎn)子朝向塔架的下風側(cè)而使用偏航電動機驅(qū)動機艙的偏航旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)有結構中，在產(chǎn)生臺風等暴風時同時發(fā)生向偏航電動機的電源供給切斷、包括偏航電動機在內(nèi)的偏航驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)生故障的情況下，由于將轉(zhuǎn)子配置在塔架的下風側(cè)的動力消失，所以無法成為使轉(zhuǎn)子被吹向塔架下風側(cè)的待機狀態(tài)。本發(fā)明就是鑒于上述的現(xiàn)有技術中的問題而提出的，其課題在于，在逆風型的水平軸風車中，在暴風時，即使偏航驅(qū)動單元無法工作，也能夠確保轉(zhuǎn)子被吹向下風側(cè)的待機狀態(tài)，通過該待機狀態(tài)降低風車的暴風時設計負載。用于解決上述課題的技術方案1所述的發(fā)明是一種逆風型的水平軸風車，其具有轉(zhuǎn)子，其具有輪轂和至少2片或2片以上的葉片；機艙，其經(jīng)由與上述輪轂連接的主軸對上述轉(zhuǎn)子進行軸支撐；塔架，其可自由偏航旋轉(zhuǎn)地支撐上述機艙；槳距控制裝置，其控制上述葉片的槳距角；以及偏航控制裝置，其控制上述機艙的偏航旋轉(zhuǎn)，其具有下述兩種模式運行模式，其在風速小于或等于規(guī)定值時，通過上述偏航控制裝置的控制，將上述轉(zhuǎn)子配置在上述塔架的上風側(cè)，經(jīng)由上述轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而利用風力；以及待機模式，其在風速超過上述規(guī)定值時進行待機，以準備恢復上述運行模式，其特征在于，(1)上述槳距控制裝置具有由下述步驟組成的控制動作第1步驟，其使所有的上述葉片成為順槳，第3步驟，其在上述第1步驟之后，使所有的上述葉片成為逆槳；以及下述步驟，即，從上述第3步驟之后，將所有的上述葉片保持為逆槳狀態(tài)，直至恢復上述運行模式，(2)上述偏航控制裝置具有由下述步驟組成的控制動作第2步驟，其與上述第3 步驟同步地，將上述機艙的偏航角控制在規(guī)定偏航角范圍內(nèi)，該規(guī)定的偏航角范圍使上述轉(zhuǎn)子避開正面風及背面風；以及下述步驟，即，從上述第2步驟之后至恢復上述運行模式之前，控制偏航制動器產(chǎn)生下述制動值，該制動值允許下述的偏航旋轉(zhuǎn)，即，因由風力向上述機艙加載的圍繞偏航軸的扭矩而產(chǎn)生的偏航旋轉(zhuǎn)，作為上述待機模式，執(zhí)行上述(1)、(2)的控制動作。技術方案2所述的發(fā)明是具有下述特征的技術方案1所述的水平軸風車上述規(guī)定的偏航角范圍，相對于上風側(cè)為+75 +llO(deg)或-75 -llO(deg)。技術方案3所述的發(fā)明是具有下述特征的技術方案1所述的水平軸風車在上述第3步驟中，上述槳距控制裝置同時使所有的上述葉片成為逆槳。發(fā)明的效果根據(jù)技術方案1所述的發(fā)明，在風速超過規(guī)定值，準備用于發(fā)電等的風車運行而進行待機時，通過利用第1步驟使所有葉片成為順槳，能夠降低暴風導致的負載。利用該第 1步驟，成為所有葉片的后緣朝向塔架側(cè)的狀態(tài)，通過在之后的第3步驟中使所有葉片成為逆槳，從而成為葉片前緣朝向塔架側(cè)的狀態(tài)。由于利用第2步驟，與第3步驟同步地控制機艙的偏航角度，使轉(zhuǎn)子處于避讓正面風及背面風的規(guī)定偏航角范圍內(nèi)，所以能夠在葉片從順槳狀態(tài)經(jīng)由完全平槳而成為逆槳的槳距變角過程中，抑制轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸沿風向偏離的量、由暴風導致的轉(zhuǎn)子的過旋轉(zhuǎn)、由暴風產(chǎn)生的負載。規(guī)定的偏航角范圍是包括士 90(deg)的范圍，為了避讓暴風，優(yōu)選處于比包括士90(deg)的范圍更窄的范圍，但如果范圍過窄，則控制的需要很長時間。例如，通過實現(xiàn)規(guī)定的偏航角范圍為相對于上風側(cè)+75 +110 (deg)或-75 -110 (deg)，能夠得到足夠的躲避暴風效果。如上所示，通過執(zhí)行第1 第3步驟，一邊避讓暴風一邊成為使葉片的前緣朝向塔架側(cè)的狀態(tài)后，保持所有葉片為逆槳狀態(tài)，直至恢復運行模式，同時控制偏航制動器產(chǎn)生下述制動值其容許因由風力向機艙加載的圍繞偏航軸的扭矩而產(chǎn)生的偏航旋轉(zhuǎn)。因此，只要強風持續(xù)，就能夠使機艙承受橫風或斜風，產(chǎn)生由該風力向機艙加載的圍繞偏航軸的扭矩， 機艙偏航旋轉(zhuǎn)以使得轉(zhuǎn)子配置在塔架的下風側(cè)，從而使轉(zhuǎn)子被吹向塔架的下風側(cè)。由于如果轉(zhuǎn)子配置在塔架的下風側(cè)，則成為所有葉片的前緣朝向塔架側(cè)的狀態(tài)并保持該狀態(tài)，所以所有葉片從前緣承受風，能夠避免顫動的發(fā)生，減少葉片的負載。通過上述動作，能夠確保一邊避讓暴風一邊使葉片后緣被吹向下風側(cè)的待機狀態(tài)，通過該待機狀態(tài)，具有能夠躲避來自葉片后緣的暴風、減少顫動發(fā)生、且降低葉片等在暴風時的設計負載的效果。在技術方案1所述的發(fā)明中，優(yōu)選在第3步驟中，槳距控制裝置使所有葉片同時成為逆槳。這是由于能夠?qū)⑺腥~片迅速地轉(zhuǎn)移至逆槳狀態(tài)。另外，在不具有獨立槳距控制裝置而只能統(tǒng)一控制葉片槳距角度的風車中也能夠執(zhí)行。在此情況下，不需要對每1片操縱槳距角的復雜的順序。


圖IA是從上方觀察本發(fā)明實施方式1的逆風型水平軸風車的俯視圖。圖IB是從上方觀察本發(fā)明實施方式1的逆風型水平軸風車的俯視圖。圖IC是從上方觀察本發(fā)明實施方式1的逆風型水平軸風車的俯視圖。圖ID是從上方觀察本發(fā)明實施方式1的逆風型水平軸風車的俯視圖。圖IE是從上方觀察本發(fā)明實施方式1的逆風型水平軸風車的俯視圖。圖2是表示本發(fā)明實施方式1的逆風型水平軸風車所搭載的控制部的結構的框圖。圖3A是記載本發(fā)明或現(xiàn)有技術的待機狀態(tài)所涉及的模型A、B、C的條件的表。圖;3B是記載本發(fā)明或現(xiàn)有技術的待機狀態(tài)所涉及的模型A、B、C的條件的表。圖4是表示分析的條件所涉及的風力狀況的曲線圖。圖5是表示機艙方位角的分析結果的曲線圖。圖6是表示轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度的分析結果的曲線圖。圖7是表示葉片扭曲位移的分析結果的曲線圖。圖8是表示葉片根部顫動彎折的分析結果的曲線圖。圖9是表示葉片根部扭矩的分析結果的曲線圖。圖10是表示偏航扭矩的分析結果的曲線圖。圖11是表示偏航水平力的分析結果的曲線圖。圖12A是從上方觀察本發(fā)明實施方式2的逆風型水平軸風車的俯視圖。圖12B是從上方觀察本發(fā)明實施方式2的逆風型水平軸風車的俯視圖。圖12C是從上方觀察本發(fā)明實施方式2的逆風型水平軸風車的俯視圖。圖12D是從上方觀察本發(fā)明實施方式2的逆風型水平軸風車的俯視圖。圖13A是表示本發(fā)明實施方式2的逆風型水平軸風車所搭載的控制部的結構的框圖。圖1 是表示偏航角-槳距角平面坐標上的過旋轉(zhuǎn)存在區(qū)域和避開過旋轉(zhuǎn)存在區(qū)域的控制步驟的圖。圖14A是從上方觀察本發(fā)明實施方式3的逆風型水平軸風車的俯視圖。圖14B是從上方觀察本發(fā)明實施方式3的逆風型水平軸風車的俯視圖。圖14C是從上方觀察本發(fā)明實施方式3的逆風型水平軸風車的俯視圖。圖14D是從上方觀察本發(fā)明實施方式3的逆風型水平軸風車的俯視圖。圖14E是從上方觀察本發(fā)明實施方式3的逆風型水平軸風車的俯視圖。圖15是表示本發(fā)明實施方式3的逆風型水平軸風車所搭載的控制部的結構的框圖。圖16是表示分析的條件所涉及的風力狀況的曲線圖。圖17是表示偏航角的分析結果的曲線圖。圖18是表示葉片彎折力矩的分析結果的曲線圖。圖19是表示偏航水平力的分析結果的曲線圖。圖20是表示分析條件所涉及的風力狀況的曲線圖。圖21是表示機艙方位角的分析結果的曲線圖。
具體實施例方式下面，參照

本發(fā)明的實施方式。下面僅為本發(fā)明的實施方式，并是不限定本發(fā)明。(實施方式1)首先，說明本發(fā)明的實施方式1的逆風型水平軸風車。圖1是從上方觀察本發(fā)明實施方式1的逆風型水平軸風車的俯視圖。圖2是表示本發(fā)明實施方式1的逆風型水平軸風車所搭載的控制部的結構中，與本發(fā)明相關的部分的框圖。如圖1所示，本實施方式的水平軸風車具有塔架1、機艙2、輪轂3、以及3片葉片
4a 4c0機艙2經(jīng)由與輪轂3連接的主軸(省略圖示)而軸支撐由輪轂3和葉片如 如組成的轉(zhuǎn)子。塔架1可自由偏航旋轉(zhuǎn)地支撐機艙2。另外，在機艙2的外表面，安裝未圖示的風速計及風向計。在機艙2的內(nèi)側(cè)，收容未圖示的增速器、發(fā)電機及主軸制動器等動力傳遞裝置，這些各動力傳遞裝置與主軸連結。主軸的前端向機艙2的外部突出，在該主軸的前端，以與主軸一起旋轉(zhuǎn)的方式安裝轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子在中心部具有與主軸連結的輪轂3，在輪轂3的旋轉(zhuǎn)方向的外周面，以放射狀安裝3片葉片如 如。另外，葉片如 如的葉片形狀不對稱地形成。如圖2所示，本實施方式的水平軸風車的控制部由風向計10、風速計13、控制裝置 16a、槳距驅(qū)動裝置11、偏航驅(qū)動裝置14構成?？刂蒲b置16a具有獨立槳距控制裝置1 和偏航控制裝置15a。
偏航驅(qū)動裝置14檢測機艙2的偏航角，驅(qū)動偏航旋轉(zhuǎn)，同時具有未圖示的偏航制動器，其對偏航旋轉(zhuǎn)進行制動。偏航控制裝置15a向偏航驅(qū)動裝置14發(fā)出控制信號，控制機艙2的偏航角。槳距驅(qū)動裝置11獨立地旋轉(zhuǎn)驅(qū)動葉片乜 如的槳距角。獨立槳距控制裝置1 向槳距驅(qū)動裝置11發(fā)出控制信號，分別獨立地控制各葉片如 4c的槳距角。各葉片如 4c在至少180度內(nèi)分別獨立地被自由控制。此外，所謂槳距角，是葉片相對于輪轂3的安裝角度，在本說明書中，具有最大效率的角度為Odeg。通常，在商業(yè)用的風力發(fā)電中，考慮機械強度、發(fā)電效率及安全方面，存在適于發(fā)電的風速區(qū)域，在超過其上限即安全風速的風速區(qū)域中不進行發(fā)電，而是控制為以盡可能減少風力負載的姿態(tài)進行待機，從而避開暴風。下面，說明本實施方式的水平軸風車的運行模式及待機模式。(運行模式)在適于發(fā)電的風速區(qū)域中，基于由風向計10檢測出的風向，偏航控制裝置15a進行控制而將轉(zhuǎn)子配置在塔架1的上風側(cè)，基于由風速計13檢測出的風速及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等，獨立槳距控制裝置1 控制葉片如 4c成為適當?shù)臉嘟?，使轉(zhuǎn)子受風而進行旋轉(zhuǎn)。該轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)力傳遞至與輪轂3連接的主軸，從而傳遞至與主軸連結且收容在機艙2內(nèi)部的發(fā)電機，由此，將旋轉(zhuǎn)運動的動能變換為電能。在偏航驅(qū)動裝置14接收來自偏航控制裝置1 的控制信號而使機艙2旋轉(zhuǎn)時，解除或放松偏航制動器，在將機艙2保持在固定方向上時， 使偏航制動器扭矩最大。(待機模式)在臺風等暴風時，如果由風速計13檢測出風速超過安全風速，則偏航控制裝置 15a控制偏航制動器而產(chǎn)生規(guī)定的制動值，該規(guī)定的制動值容許機艙2的下述偏航旋轉(zhuǎn)， 即，因由風力向機艙2加載的圍繞偏航軸的扭矩而產(chǎn)生的偏航旋轉(zhuǎn)，同時，獨立槳距控制裝置1 使所有葉片如 如順槳(第1步驟)。轉(zhuǎn)子停止，發(fā)電中斷。由此，減少作用在葉片如 如及塔架1上的風力負載。規(guī)定的制動值，設定為低于將機艙2保持在固定方向上時的制動值。在使規(guī)定的制動值為固定值的情況下，使其成為在假定為風速超過安全風速的風時機艙2不會急劇偏航旋轉(zhuǎn)程度的高值。另外，規(guī)定的制動值也可以與機艙2的偏航旋轉(zhuǎn)對應而變動。例如，可以如下變動為了容許機艙2即使在由風力向機艙2加載的圍繞偏航軸的扭矩小時也偏航旋轉(zhuǎn)而使該規(guī)定的制動值減小，另一方面，為了將機艙2的偏航旋轉(zhuǎn)的角速度限制為小于或等于固定值而使該規(guī)定的制動值增大。然后，獨立槳距控制裝置12a使葉片如 如一個一個按順序成為逆槳(第2步
驟)ο然后，獨立槳距裝置1 將所有葉片如 如保持為逆槳狀態(tài)，直至上述運行模式的恢復(第3步驟)。在這里，再次參照圖1，說明上述控制動作的執(zhí)行及與之相伴的風車動作。首先，通過執(zhí)行上述第1步驟，如圖IA所示，所有葉片如 如成為順槳，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)停止，偏航制動器產(chǎn)生容許上述偏航旋轉(zhuǎn)的規(guī)定的制動值。CN 102536658 A此時，由風力向機艙2加載的圍繞偏航軸的扭矩，如果大于偏航制動器扭矩，則機艙2開始運動，如果小于偏航制動器扭矩，則機艙2停止在固定角度上。然后，進入第2步驟。首先，如圖IB所示，為了使槳距角反轉(zhuǎn)而啟動葉片如。以葉片如的槳距角通過平槳角的時刻為峰值而圍繞偏航軸的扭矩增大。在該葉片如的變角過程中，由于對葉片如產(chǎn)生升力而轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)力也變大，但由于維持順槳狀態(tài)的另外2片葉片4b、k對轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)發(fā)揮制動力，所以即使在不使用另外的主軸制動器單元的情況下， 轉(zhuǎn)子也不會發(fā)生急劇旋轉(zhuǎn)。進而，使葉片如變角而如圖IC所示，使其成為逆槳，然后使葉片如保持逆槳狀態(tài)，直至運行模式的恢復。如果在該葉片如的變角過程中機艙開始偏航旋轉(zhuǎn)，則例如如圖IB — C所示，機艙 2進行偏航旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子配置在塔架1的下風側(cè)。然后，第2片葉片4b與第1片葉片如相同地，從順槳變角為逆槳，然后保持逆槳狀態(tài)直至運行模式的恢復(圖1D)。然后，第3片葉片如與第1片、第2片的葉片4a、4b相同地，從順槳變角為逆槳， 然后保持逆槳狀態(tài)直至恢復運行模式(圖1E)。假如在第1片葉片如的變角過程中機艙2不開始偏航旋轉(zhuǎn)，則在使第2片、第3 片葉片4b、k從順槳變角為逆槳的過程中，相同地，存在使機艙2偏航旋轉(zhuǎn)的機會，由此可以高可靠性地最終確保圖IE所示的狀態(tài)，即，轉(zhuǎn)子配置在塔架1的下風側(cè)，所有葉片如 4c的前緣朝向上風處的待機姿態(tài)。由于偏航制動器成為容許上述偏航旋轉(zhuǎn)的規(guī)定的制動值，所以機艙2與風向變化對應而繞偏航軸滑動，轉(zhuǎn)子被吹向下風側(cè)。在發(fā)生暴風的待機模式中，能夠使所有葉片如 如從前緣受風，避免顫動的產(chǎn)生，減少向葉片^ 4c加載的負載。根據(jù)以上所示的本實施方式的水平軸風車，由于機艙2利用風力進行偏航旋轉(zhuǎn)， 使轉(zhuǎn)子被吹向塔架1的下風側(cè)，所以即使偏航驅(qū)動單元不發(fā)揮作用，也能夠確保轉(zhuǎn)子及葉片后緣被吹向下風側(cè)的待機狀態(tài)，通過該待機狀態(tài)，從葉片后緣避開暴風而減少顫動產(chǎn)生， 進而能夠減少葉片等在暴風時的設計負載。由于成為轉(zhuǎn)子被吹向下風側(cè)的待機狀態(tài)，所以即使在風向變化的情況下，也由于機艙2進行偏航旋轉(zhuǎn)以使得轉(zhuǎn)子始終位于下風側(cè)，所以能夠避開作用在葉片如 如及塔架1上的載荷而減少負載。由此，例如即使在臺風等暴風時，也不需要用于維持水平軸風車姿態(tài)的特別的控制單元，能夠始終將轉(zhuǎn)子配置在塔架1的下風側(cè)，將由于風力而承受的負載抑制到最小。進而，由此能夠大幅降低水平軸風車的設計強度，可以提高設計自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)成本降低。另外，根據(jù)本實施方式的水平軸風車，例如在臺風等暴風時，首先通過使所有葉片 4a 如的槳距角成為順槳狀態(tài)，能夠減少由風作用在各葉片如 4c上的阻力。其結果， 能夠減少作用在葉片如 4c及塔架1上的負載。另外，由于通過獨立槳距控制裝置12a使成為順槳的各葉片如 如的槳距角一片一片地按順序成為逆槳，所以與使所有葉片同時反轉(zhuǎn)的情況相比，能夠?qū)⒆饔迷谌~片 4a 如及塔架1上的負載的增加抑制在最小限度。其結果，能夠防止在葉片如 如上產(chǎn)生過量的阻力及升力，能夠有效地防止轉(zhuǎn)子過旋轉(zhuǎn)。(實施方式2)下面，說明本發(fā)明的實施方式2的逆風型水平軸風車。圖12是從上方觀察本發(fā)明實施方式2的逆風型水平軸風車的俯視圖。如圖12所示，本實施方式的水平軸風車具有塔架1、機艙2、輪轂3和3片葉片
4a 4c0機艙2經(jīng)由與輪轂3連接的主軸(省略圖示)而軸支撐由輪轂3和葉片如 如組成的轉(zhuǎn)子。塔架1可自由偏航旋轉(zhuǎn)地支撐機艙2。另外，在機艙2的外表面，安裝未圖示的風速計及風向計。在機艙2的內(nèi)側(cè)，收容未圖示的增速器、發(fā)電機及主軸制動器等動力傳遞裝置，這些各動力傳遞裝置與主軸連結。主軸的前端向機艙2的外部突出，在該主軸的前端，以與主軸一起旋轉(zhuǎn)的方式安裝轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子在中心部具有與主軸連結的輪轂3，在輪轂3的旋轉(zhuǎn)方向的外周面，以放射狀地安裝3片葉片如 如。另外，葉片如 如的葉片形狀不對稱地形成。圖13A是本實施方式2的逆風型水平軸風車所搭載的控制部的結構中，與本發(fā)明相關的部分的框圖。如圖13A所示，本實施方式的水平軸風車的控制部由風向計10、風速計13、控制裝置16b、槳距驅(qū)動裝置11、偏航驅(qū)動裝置14構成。控制裝置16b具有槳距控制裝置12b和偏航控制裝置15b。偏航驅(qū)動裝置14檢測機艙2的偏航角，驅(qū)動偏航旋轉(zhuǎn)，同時具有對偏航旋轉(zhuǎn)進行制動的未圖示的偏航制動器。偏航控制裝置15b向偏航驅(qū)動裝置14發(fā)出控制信號而控制機艙2的偏航角。槳距驅(qū)動裝置11對葉片如 如的槳距角進行旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。槳距控制裝置12b向槳距驅(qū)動裝置11發(fā)出控制信號，控制葉片如 4c的槳距角。各葉片如 如在至少180 度內(nèi)被自由地控制。 葉片如 如的槳距控制，可以是獨立地控制每個葉片，也可以僅能夠統(tǒng)一控制所有葉片。葉片4a 如的槳距控制，不需要能夠獨立地對每個葉片進行控制，只要能夠進行 180度旋轉(zhuǎn)，也可以對所有葉片統(tǒng)一控制。在后者的情況下，儀器及控制裝置的結構可以簡化。當然，也可以能夠獨立地控制每個葉片。圖1 是表示偏航角-槳距角平面坐標中的過旋轉(zhuǎn)存在區(qū)域和避開過旋轉(zhuǎn)存在區(qū)域的控制步驟的圖。如圖13B所示，在使橫軸為偏航角、縱軸為槳距角的平面坐標上，分布有在風速為40(m/sec)的風況下轉(zhuǎn)子達到大于或等于20 (rpm)轉(zhuǎn)速的過旋轉(zhuǎn)存在區(qū)域Bi、 B2?；趫D13B，在本實施方式中，將為了避開過旋轉(zhuǎn)存在區(qū)域Bi、B2的+75 +llO(deg) 或-75 -llO(deg)確定為偏航角范圍A，如下所述執(zhí)行待機模式。在偏航角范圍A內(nèi)，無論槳距角為多少，都不會達到過旋轉(zhuǎn)。此外，在槳距角為90(deg)時，葉片如 如的后緣朝向塔架1側(cè)，在槳距角為-90(deg)時，葉片如 如的前緣朝向塔架1側(cè)。在偏航角為O(deg)時，轉(zhuǎn)子位于塔架 1的上風側(cè)，從正面受風。
通常，在商業(yè)用的風力發(fā)電中，考慮機械強度、發(fā)電效率及安全方面，存在適于發(fā)電的風速區(qū)域，在逆風風速超過其上限的風速區(qū)域中不進行發(fā)電，而是為了避開暴風，控制為以盡可能減少風力負載的姿態(tài)進行待機。下面，說明本實施方式的水平軸風車的運行模式及待機模式。(運行模式)在適于發(fā)電的風速區(qū)域中，基于由風向計10檢測出的風向，偏航控制裝置15b進行控制而將轉(zhuǎn)子配置在塔架1的上風側(cè)，基于由風速計13檢測的風速及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等，槳距控制裝置12b控制葉片如 如成為恰當?shù)臉嘟?，使轉(zhuǎn)子受風而進行旋轉(zhuǎn)。該轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)力傳遞至與輪轂3連接的主軸，從而傳遞至與主軸連結且收容在機艙2內(nèi)部的發(fā)電機，由此，將旋轉(zhuǎn)運動的動能變換為電能。在偏航驅(qū)動裝置14接收來自偏航控制裝置15b的控制信號而使機艙2旋轉(zhuǎn)時，放開或放松偏航制動器，在將機艙2保持在固定方向上時，使偏航制動器扭矩最大。逆風型風車的運行模式中的槳距角、偏航角的存在區(qū)域，大致為圖13B中的運行區(qū)域R。(待機模式)在臺風等暴風時，如果由風速計13檢測出風速超過安全風速(例如25(m/SeC))， 則槳距控制裝置12b使所有葉片如 如成為順槳(第1步驟)。轉(zhuǎn)子停止，發(fā)電中斷。由此，減少作用在葉片4a 如及塔架1上的風力負載。然后，偏航控制裝置1 使機艙2轉(zhuǎn)動而變角為偏航角范圍A內(nèi)的固定角度，利用偏航制動器使機艙2的偏航角保持為該固定角度(第2步驟S2)。然后，在機艙2的偏航角保持在偏航角范圍A內(nèi)的狀態(tài)下，槳距控制裝置12b使所有葉片如 如同時成為逆槳(第3步驟S3)。槳距控制裝置12b從第3步驟S3之后保持所有葉片如 如的逆槳狀態(tài)直至上述運行模式的恢復。偏航控制裝置1 控制偏航制動器產(chǎn)生下述制動值(制動力)，該制動值容許下述的偏航旋轉(zhuǎn)，即，因由風力向機艙2加載的圍繞偏航軸的扭矩而產(chǎn)生的偏航旋轉(zhuǎn)。該制動值設定為低于在將機艙2保持在固定方向時的制動值。另外，該制動值為在假定風速超過安全風速時，機艙2不會過度地偏航旋轉(zhuǎn)程度的高值。該制動值也可以與機艙2的偏航旋轉(zhuǎn)對應而變動。例如，可以如下變動為了容許機艙2即使在由風力向機艙 2加載的圍繞偏航軸的扭矩小時也偏航旋轉(zhuǎn)而使該制動值減小，另一方面，為了將機艙2的偏航旋轉(zhuǎn)的角速度限制為小于或等于固定值而使該制動值增大。在這里，一邊參照圖12，一邊說明上述控制動作的執(zhí)行及隨之產(chǎn)生的風車動作。首先，通過執(zhí)行上述第1步驟Sl，如圖12A所示，所有葉片如 如成為順槳，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)停止。然后，利用第2步驟S2，風車成為圖12B所示的姿態(tài)。即，成為機艙2的偏航角相對于風向為大致90 (deg)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)面大致與風向平行的姿態(tài)。在該姿態(tài)下，即使切換葉片的槳距角，也不會產(chǎn)生較大的升力。在第2步驟S2中，也可以使機艙2向某一側(cè)轉(zhuǎn)動。圖 12B表示從上方觀察機艙2而使其順時針旋轉(zhuǎn)，位于+75 +110 (deg)的偏航角范圍A中的狀態(tài)?？梢灶A先設定進行順時針旋轉(zhuǎn)還是逆時針旋轉(zhuǎn)，但優(yōu)選在第2步驟S2開始時，選擇并確定能夠最短時間內(nèi)移動至偏航角范圍A中的旋轉(zhuǎn)方向。
然后，利用第3步驟，如圖12C所示，使葉片如 如同時變角至逆槳。在該過程中不會產(chǎn)生較大的升力，可以不使轉(zhuǎn)子過旋轉(zhuǎn)地安全成為逆槳。然后，保持逆槳狀態(tài)直至恢復上述運行模式，控制偏航制動器產(chǎn)生下述制動值，該制動值容許機艙2的下述偏航旋轉(zhuǎn)，即，因由風力向機艙2加載的圍繞偏航軸的扭矩而產(chǎn)生的偏航旋轉(zhuǎn)。如果由風力向機艙2加載的圍繞偏航軸的扭矩大于偏航制動器扭矩，則機艙2 旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子如圖12D所示配置在塔架1的下風側(cè)，轉(zhuǎn)子被吹向塔架1的下風側(cè)。由此，能夠確保轉(zhuǎn)子及葉片如 4c后緣被吹向下風側(cè)的待機狀態(tài)，通過該待機狀態(tài)，從葉片后緣避開暴風而減少顫動產(chǎn)生，進而能夠減少其在暴風時的設計負載。通過將偏航制動器的制動值設定得比較高，即使風速超過安全風速，在由風產(chǎn)生的偏航扭矩的負載比較小的情況下，也可以使機艙2不進行偏航旋轉(zhuǎn)而使其待機。在此情況下，只要風向不變化，就維持如圖12C所示的待機狀態(tài)。在此情況下，由于不產(chǎn)生轉(zhuǎn)子的過旋轉(zhuǎn)且風速較低，所以能夠?qū)L車的負載抑制得較小。即使機艙2不追隨風向而風向改變，參考圖13B可知，也不會進入過旋轉(zhuǎn)存在區(qū)域B1、B2中，所以不會產(chǎn)生轉(zhuǎn)子的過旋轉(zhuǎn)，因風速較低，所以能夠?qū)L車的負載抑制得較小。另一方面，通過將偏航制動器的制動值設定得比較低，如果風速超過安全風速，則可以以使機艙2追隨風向的方式待機。如果通過風速計13在固定期間內(nèi)檢測出小于或等于安全風速的風速，則恢復為運行模式。偏航控制裝置1 使機艙2旋轉(zhuǎn)而使轉(zhuǎn)子朝向上風側(cè)。例如，如果在恢復為運行模式時風車為圖12D的狀態(tài)，則偏航控制裝置1 首先使機艙2旋轉(zhuǎn)180 (deg)而使轉(zhuǎn)子朝向上風側(cè)。另外，例如如果在恢復為運行模式時風車為圖12C的狀態(tài)，則偏航控制裝置1 首先使機艙2逆時針旋轉(zhuǎn)90(deg)而使轉(zhuǎn)子朝向上風側(cè)。下面，參照圖13B的偏航角-槳距角平面坐標進行說明。坐標(偏航角、槳距角)在運行模式中大致位于運行區(qū)域R。通過執(zhí)行待機模式的第1步驟Si，坐標移動至點Pl或其周圍。由于第1步驟Sl能夠瞬間降低對轉(zhuǎn)子的風力負載，所以優(yōu)選以檢測出安全風速為觸發(fā)立即執(zhí)行。然后，通過執(zhí)行第2步驟S2，坐標移動至點P2或其周圍。參照圖1 可知，即使從運行區(qū)域R開始執(zhí)行第2步驟S2，也能夠離開過旋轉(zhuǎn)存在區(qū)域Bi。在本實施方式中，控制流程為在第1步驟Sl結束后開始第2步驟S2，但并不限于此，第2步驟S2也可以以檢測出安全風速為觸發(fā)立即執(zhí)行。即，可以是第1步驟Sl和第2步驟S2同時開始，或第2步驟 S2在第1步驟Sl完成前開始，或者兩者具有同時進行的期間。然后，通過執(zhí)行第3步驟S3，坐標移動至點P3或其周圍。此時，重要的是不進入過旋轉(zhuǎn)存在區(qū)域B1、B2中，更重要的是盡可能地遠離過旋轉(zhuǎn)存在區(qū)域B1、B2而繞開。其通過第2步驟S2和第3步驟S3的同步而實現(xiàn)。在本實施方式中采用下述控制流程在第2步驟S2的前半部分的變角過程中，使機艙2轉(zhuǎn)動至偏航角范圍A內(nèi)的目標固定角度，在后半部分的保持過程中，利用偏航制動器使該機艙2固定保持為該固定角度，在該保持過程中執(zhí)行全部的第3步驟S3。第2步驟S2在第3步驟S3結束的同時或在其之后結束，然后放松偏航制動器。另外，偏航角范圍A與槳距角無關地，為固定范圍。根據(jù)本實施方式，能夠遠離過旋轉(zhuǎn)存在區(qū)域Bi、B2而繞開，移動至點P3或其周圍，是優(yōu)選的實施方式。并不限于此，也可以在第2步驟S2中進行的偏航角變化時執(zhí)行第3步驟S3，以選擇過旋轉(zhuǎn)存在區(qū)域Bi、B2之外的區(qū)域(進而是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速更慢的區(qū)域)的方式，使偏航角及槳距角同時變角而進行控制。另外，也可以以使偏航角范圍A根據(jù)槳距角而產(chǎn)生寬窄變化的方式確定。也可以在第3步驟S3即將完成之前使第2步驟S2結束，放松偏航制動器。只要是能夠避讓(優(yōu)選盡可能遠地避讓)過旋轉(zhuǎn)存在區(qū)域Bi、B2，將偏航角及槳距角從點Pl 或其周圍的區(qū)域移動至點P3或其周圍的區(qū)域，則不限定于本實施方式。優(yōu)選在過旋轉(zhuǎn)存在區(qū)域Bl和過旋轉(zhuǎn)存在區(qū)域B2的正中間穿過。然后，控制偏航制動器產(chǎn)生下述制動值，該制動值容許下述的偏航旋轉(zhuǎn)，S卩，因由風力向機艙2加載的圍繞偏航軸的扭矩而產(chǎn)生的偏航旋轉(zhuǎn)，如果由風力向機艙2加載的圍繞偏航軸的扭矩大于偏航制動器扭矩，則如圖13B中的箭頭D所示，機艙2旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子配置在下風側(cè)。如果使機艙2旋轉(zhuǎn)的強風持續(xù)，則轉(zhuǎn)子被吹向下風側(cè)，就圖1 來說，該風車的坐標大致位于待機區(qū)域W中，風車在所述待機狀態(tài)下等待暴風的停止。根據(jù)上述的本實施方式的水平軸風車，即使沒有獨立槳距控制裝置以及復雜的轉(zhuǎn)向操縱順序，也能夠確保在躲避暴風的同時使轉(zhuǎn)子及葉片后緣被吹向下風側(cè)的待機狀態(tài)， 通過該待機狀態(tài)，從葉片后緣避開暴風而減少顫動的產(chǎn)生，并且能夠減少葉片等在暴風時的設計負載。由于葉片在暴風時成為被吹向下風側(cè)的待機狀態(tài)，所以即使在風向變化的情況下，由于機艙2偏航旋轉(zhuǎn)而使轉(zhuǎn)子位于下風側(cè)，所以能夠減少作用在葉片如 如及塔架1 上的負載而減少載荷。由此，例如即使在臺風等暴風時，也不需要用于維持水平軸風車姿態(tài)的特別的控制單元，能夠使轉(zhuǎn)子配置在塔架1的下風側(cè)，將由于風力而承受的負載抑制到最小。進而，由此能夠大幅降低水平軸風車的設計強度，可以提高設計自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)成本降低。另外，根據(jù)本實施方式的水平軸風車，例如在臺風等暴風時，首先通過使所有葉片 4a 如的槳距角成為順槳狀態(tài)，能夠減少由風作用在各葉片如 4c上的阻力。其結果， 能夠減少作用在葉片如 4c及塔架1上的負載。另外，由于使通過槳距控制裝置1 而成為順槳的各葉片如 如，移動至躲避相對于轉(zhuǎn)子的正面風及背面風的規(guī)定偏航角范圍內(nèi)，在此基礎上，使槳距角同時成為逆槳，所以與不進行上述偏航控制，且在存在轉(zhuǎn)子受到正面風或背面風的可能性的狀態(tài)下使所有葉片同時反轉(zhuǎn)的情況相比，能夠更可靠地避免在葉片如 4c及塔架1上作用過大負載的危險。其結果，能夠防止在葉片如 4c上產(chǎn)生過大的阻力及升力，能夠有效地防止轉(zhuǎn)子過旋轉(zhuǎn)。(實施方式3)下面，說明本發(fā)明實施方式3的逆風型水平軸風車。圖14是從上方觀察本發(fā)明實施方式3的逆風型水平軸風車的俯視圖。圖15是表示本發(fā)明實施方式3的逆風型水平軸風車所搭載的控制部的結構的框圖。如圖14所示，本實施方式的水平軸風車具有塔架1、機艙2、輪轂3、以及3片葉片
4a 4c0機艙2經(jīng)由與輪轂3連接的主軸(省略圖示)而軸支撐由輪轂3和葉片如 如組成的轉(zhuǎn)子。塔架1可自由偏航旋轉(zhuǎn)地支撐機艙2。另外，在機艙2的外表面，安裝未圖示的風速計及風向計。
在機艙2的內(nèi)側(cè)，收容未圖示的增速器、發(fā)電機及主軸制動器等動力傳遞裝置，上述各動力傳遞裝置與主軸連結。主軸的前端向機艙2的外部突出，在該主軸導前端，以與主軸一起旋轉(zhuǎn)的方式安裝轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子在中心部具有與主軸連結的輪轂3，在輪轂3的旋轉(zhuǎn)方向的外周面，以放射狀安裝3片葉片如 如。另外，葉片如 如的葉片形狀不對稱地形成。如圖15所示，本實施方式的水平軸風車的控制部由風向計10、風速計13、控制裝置16c、槳距驅(qū)動裝置11、偏航驅(qū)動裝置14構成?？刂蒲b置16c具有獨立槳距控制裝置12c 和偏航控制裝置15c。偏航驅(qū)動裝置14檢測機艙2的偏航角，驅(qū)動偏航旋轉(zhuǎn)，同時具有對偏航旋轉(zhuǎn)進行制動的未圖示的偏航制動器。偏航控制裝置15c向偏航驅(qū)動裝置14發(fā)出控制信號而控制機艙2的偏航旋轉(zhuǎn)。槳距驅(qū)動裝置11獨立地對葉片乜 如的槳距角進行旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。獨立槳距控制裝置12c向槳距驅(qū)動裝置11發(fā)出控制信號，分別獨立地控制各葉片如 如的槳距角。各葉片如 如分別在至少180度范圍內(nèi)被獨立地自由控制。通常，在商業(yè)用的風力發(fā)電中，考慮機械強度、發(fā)電效率及安全方面，存在適于發(fā)電的風速區(qū)域，在超過其上限即安全風速的風速區(qū)域中不進行發(fā)電，而是為了避開暴風，進行控制以盡可能減少風力負載的姿態(tài)進行待機。下面，說明本實施方式的水平軸風車的運行模式及待機模式。(運行模式)在適于發(fā)電的風速區(qū)域中，基于由風向計10檢測出的風向，偏航控制裝置15c進行控制而將轉(zhuǎn)子配置在塔架1的上風側(cè)，基于由風速計13檢測出的風速及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等，獨立槳距控制裝置12c控制葉片如 如成為適當?shù)臉嘟?，使轉(zhuǎn)子受風而進行旋轉(zhuǎn)。該轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)力傳遞至與輪轂3連接的主軸，從而傳遞至與主軸連結且收容在機艙2內(nèi)部的發(fā)電機，將旋轉(zhuǎn)運動的動能變換為電能。在偏航驅(qū)動裝置14接收來自偏航控制裝置15c的控制信號而使機艙2旋轉(zhuǎn)時，解除或放松偏航制動器，在將機艙2保持在固定方向上時，使偏航制動器最大。(待機模式)(第1步驟)在臺風等暴風時，如果由風速計13檢測出風速超過安全風速，則獨立槳距控制裝置12c使所有葉片如 如成為順槳。由此，減少作用在葉片如 4c及塔架 1上的風力負載。轉(zhuǎn)子停止，發(fā)電中斷。(第2步驟)然后，偏航控制裝置15c控制偏航制動器產(chǎn)生下述的規(guī)定制動值，該制動值容許機艙2的下述偏航旋轉(zhuǎn)，即，因由風力向機艙2加載的圍繞偏航軸的扭矩而產(chǎn)生的偏航旋轉(zhuǎn)，同時獨立槳距控制裝置12c使1片葉片如從順槳向平槳側(cè)變角。規(guī)定的制動值設定為低于將機艙2保持為固定方向時的制動值。在使規(guī)定的制動值為固定值的情況下，使其成為在假定風速超過安全風速時機艙2不會急劇偏航旋轉(zhuǎn)的較高值。另外，規(guī)定的制動值也可以與機艙2的偏航旋轉(zhuǎn)對應而變動。例如，可以如下變動 為了容許機艙2即使在由風力向機艙2加載的圍繞偏航軸的扭矩小時也偏航旋轉(zhuǎn)而使該規(guī)定的制動值減小，另一方面，為了將機艙2的偏航旋轉(zhuǎn)的角速度限制為小于或等于固定值而使該規(guī)定的制動值增大。在葉片如從順槳向平槳側(cè)變角的情況下，變角后的角度為平槳(Odeg) 45deg 左右。該角度影響所得到的偏航角位移。基于偏航控制裝置15c檢測出的機艙2的偏航角，在機艙2的偏航角位于為30deg 左右時，獨立槳距控制裝置12c使1片葉片如恢復順槳。優(yōu)選該偏航角位移大于或等于30deg。這是因為如果從正對風向的狀態(tài)開始利用風力使機艙反轉(zhuǎn)，則直至機艙開始偏航旋轉(zhuǎn)需要較大的風力，在成為高風速之后開始偏航旋轉(zhuǎn)，所以會產(chǎn)生急劇的偏航旋轉(zhuǎn)，使風車承受很大的負載。以使該偏航角位移大于或等于30deg的方式，設定使葉片如在從順槳向平槳側(cè)變角情況下的變角后角度、和用于容許機艙2的偏航旋轉(zhuǎn)的制動值。(第3步驟)然后，保持所有葉片如 如處于順槳狀態(tài)，直至恢復上述運行模式。在這里，再次參照圖14，說明上述控制動作的執(zhí)行及與之相伴的風車動作。首先，通過執(zhí)行上述第1步驟，如圖14A所示，所有葉片如 如成為順槳，轉(zhuǎn)子的
旋轉(zhuǎn)停止。然后，進入第2步驟?？刂破街苿悠鳟a(chǎn)生容許機艙2的偏航旋轉(zhuǎn)的制動值，同時如圖14B所示，將葉片如向平槳側(cè)豎立，繞偏航軸的扭矩增大。通過該葉片如向平槳側(cè)變角，葉片如上產(chǎn)生升力而使轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)力增大，但由于維持順槳狀態(tài)的另外2片葉片4b、 4c對轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生制動力，所以即使在不使用另外的主軸制動器單元的情況下，也不會產(chǎn)生急劇的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。通過葉片如向平槳側(cè)的變角和偏航制動器控制，如圖14C所示，機艙2得到相對于風向40 89(deg)的偏航角位移。此時，如果風向固定，則使相對于風向的偏航角為“初始偏航角”。然后，如圖14D所示，葉片如恢復順槳狀態(tài)，之后使所有葉片如 4c保持順槳狀態(tài)，直至恢復運行模式。此時，由于得到初始偏航角，所以向機艙2加載偏航扭矩。另外，由于偏航制動器容許機艙2的偏航旋轉(zhuǎn)，所以如圖14D —E所示，進一步得到偏航角位移，轉(zhuǎn)子配置在塔架1的下風側(cè)。然后在待機模式中，由于偏航制動器產(chǎn)生容許上述偏航旋轉(zhuǎn)的規(guī)定制動值，所以機艙2與風向變化對應而繞偏航軸滑動，轉(zhuǎn)子被吹向塔架的下風側(cè)。在發(fā)生暴風的待機模式中，所有葉片如 如從后緣受風，與葉片前緣朝向上風側(cè)的情況相比，大幅降低由風產(chǎn)生的升力，其結果，作為暴風時的待機狀態(tài)，調(diào)整為可以以向葉片如 如及塔架1施加最小負載的狀態(tài)進行待機的姿態(tài)。根據(jù)上述所示的本實施方式的水平軸風車，由于機艙2利用風力而偏航旋轉(zhuǎn)，使轉(zhuǎn)子被吹向塔架1的下風側(cè)，所以即使偏航驅(qū)動單元無法工作，也能夠確保轉(zhuǎn)子及葉片后緣被吹向下風側(cè)的待機狀態(tài)，通過該待機狀態(tài)，能夠減少葉片在暴風時的設計負載。由于轉(zhuǎn)子成為被吹向下風側(cè)的待機狀態(tài)，所以即使在風向變化的情況下，也由于機艙2進行偏航旋轉(zhuǎn)而使得轉(zhuǎn)子始終位于下風側(cè)，所以能夠避免作用在葉片如 如及塔架1上的負載而減少載荷。由此，例如即使在臺風等暴風時，也不需要用于維持水平軸風車姿態(tài)的特別的控制單元，能夠始終將轉(zhuǎn)子配置在塔架1的下風側(cè)，將由于風力而承受的負載抑制到最小。進而，由此能夠大幅降低水平軸風車的設計強度，可以提高設計自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)成本降低。另外，根據(jù)本實施方式的水平軸風車，例如在臺風等暴風時，首先通過使所有葉片 4a 如的槳距角成為順槳狀態(tài)，能夠減少由作用在各葉片如 4c上風產(chǎn)生的阻力。其結果，能夠減少作用在葉片如 4c及塔架1上的負載。(實施例1)為了驗證假設葉片的大型化而由待機狀態(tài)產(chǎn)生的顫動等，對于通常不產(chǎn)生顫動的直徑80m(相當于2MW)的風車，使葉片剛性大幅降低而制成模型A、B、C。模型A、B、C的條件及待機姿態(tài)記載在圖3所示的表中。分別對于模型A、B、C，分析在圖4所示的風況下的機艙方位角(圖幻、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度(圖6)、葉片扭曲位移(圖7)、葉片根部襟翼彎折(圖8)、葉片根部扭矩(圖9)、偏航扭矩(圖10)、偏航水平力(圖11)，輸出曲線圖。另外，在圖3所示的表中記載分析結果的要點、分布范圍、評價。如圖3所示的表中所記載，模型A相當于現(xiàn)有技術2的待機狀態(tài)。模型B是本發(fā)明實施方式3的實施例的待機狀態(tài)，現(xiàn)有技術3及5的待機狀態(tài)也與其相當。模型C是本發(fā)明實施方式1及2的實施例的待機狀態(tài)，現(xiàn)有技術4及6的待機狀態(tài)也與其相當。作為本發(fā)明實施方式1及2的實施例的待機狀態(tài)的模型C，對于葉片的顫動彎折/ 扭曲及偏航水平力來說，具有良好的減少負載的效果。另外，與通常的逆風設備(模型A) 相比，大幅改善偏航扭矩。下面按照每一個項目進行評價。(1)機艙方位角(參照圖5)平順地偏航的模型B、C，基本上追隨風向。在后緣朝向上風側(cè)的模型B中，在前半部分(0 150(sec))葉片振動，偏航也隨其擺動。(2)旋轉(zhuǎn)速度(參照圖6)平順地偏航的模型B、C，基本上轉(zhuǎn)子緩慢地空轉(zhuǎn)，但在使后緣朝向上風側(cè)的模型B 中，在前半部分(0 150(sec))中葉片振動，轉(zhuǎn)子也隨其擺動。(3)葉片扭曲位移(參照圖7)具有與葉片根部扭矩大致相同的評價。(4)葉片根部襟翼彎折(參照圖8)全部具有伴隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的負載擺動。模型B的前半部分(0 150(SeC)) 以較短周期擺動。(5)葉片根部扭矩(參照圖9)全部具有伴隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的負載擺動。在模型B的前半部分(0 150(SeC))及模型A的200seC附近等，在從轉(zhuǎn)子后緣承受暴風的情況下，產(chǎn)生較大扭矩。通常由于在安全上不容許槳距機構扭曲，所以需要使槳距機構及葉片的構造能夠承受上述扭矩。(6)偏航扭矩(參照圖10)在平順地偏航的模型B、C的情況下，將偏航扭矩的振幅限制得較小，在脫離上述限制的情況下，通過偏航滑動而減少負載。在模型B、C中，與保持偏航的模型A的情況相比，大幅降低負載。(7)偏航水平力(參照圖11)
偏航水平力對塔架和地基的設計有很大的影響。在使偏航平順的模型B、C中，基本上具有降低負載的趨勢，但在從后緣受風的模型B中產(chǎn)生較大振動，相反負載增加。該相反的傾向在葉片剛性顯著降低時可以看出。(實施例2)對于葉片片數(shù)為3片、轉(zhuǎn)子直徑為80m、獨立槳距控制的逆風型水平軸風車，進行下述⑴⑵的分析。(1)對初始偏航角的動作的分析將對初始偏航角θ y0進行各種變更而在特定的風況下產(chǎn)生的偏航角、轉(zhuǎn)子彎折力矩、偏航水平力的變化進行分析。適用于本分析的風況如圖16所示。是風向固定，風速在 60秒內(nèi)從10 (m/s)至70(m/s)變化的風況。初始偏航角0 0設定為5、15、30、45((1叩)這4種。葉片全部處于順槳(槳距角大約為86度)，偏航制動器扭矩為400 (kNm)。表示圖16所示的風況下對應于各初始偏航角θ y0的偏航角變化、轉(zhuǎn)子彎折力矩、 偏航水平力變化的曲線，分別按順序在圖17、圖18、圖19中表示。如圖17所示，由于橫軸O(sec)處的偏航角是初始偏航角θ y(1，所以各曲線圖為5、 15、30、45(deg)的點。在θ yQ = 5(deg)及θ y(| = 15(deg)時，以比較大的振幅進行多次擺動，直至轉(zhuǎn)子穩(wěn)定在下風側(cè)。與之相對，在eyQ = 30(deg)及eyQ = 45(deg)中，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向下風側(cè)時的擺動較小，迅速地使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定在下風側(cè)。在θ y(1 = 5 (deg)時，維持初始偏航角大約48秒后，然后開始急劇偏航旋轉(zhuǎn)，同時轉(zhuǎn)子彎折力矩、偏航水平力的值急劇上升。在θ y(1 = 15 (deg)時，相對于θ y(1 = 5 (deg)時，變化略有緩和，但維持初始偏航角大約36秒后，然后開始偏航旋轉(zhuǎn)，同時轉(zhuǎn)子彎折力矩、偏航水平力的值上升。相對于上述2例，在θ y(1 = 30 (deg)及θ y(1 = 45 (deg)時，僅在大約25秒左右維持初始偏航角，然后在比較早的時期開始旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動，控制轉(zhuǎn)子彎折力矩、偏航水平力的值處于比較低的水平。對于上述4個例子，將偏航急劇變化時刻、偏航急劇變化時的風速、轉(zhuǎn)子彎折力矩的最大值和偏航水平力的最大值匯總在表1中。(表 1)
根據(jù)上述結果，在初始偏航角θy0較小的情況下，轉(zhuǎn)子維持在上風側(cè)位置直至達到高風速，由于急劇進行偏航變角，所以可以說產(chǎn)生較大的負載。在本分析例的情況下，如果初始偏航角θ y0大于或等于30 (deg)，則能夠降低負載。(2)由槳距變角產(chǎn)生的動作的分析將3片葉片的槳距角設為θb1、θb2、θb3 。使θb1進行86、60、45、30(deg)這各種變更，使θb2 = 86 (deg)、θ b3 = 86 (deg)，對在圖20所示的風況下的機艙方位角(偏航角)的變化進行分析。分析結果的曲線圖如圖21所示。假定安全風速為25m/sec，具有圖 20所示的風速、風向固定的風況。適用于本分析的葉片的順槳槳距角為86 (deg)。如圖21 所示，對于所有例子，都從初始機艙方位角為Odeg開始，即，從轉(zhuǎn)子正對風向的狀態(tài)開始， 偏航制動器扭矩始終為400 (kNm)。在θ bl = 86 (deg)及θ bl = 60 (deg)的例子中，機艙方位角沒有變化。與之相對，在θ bl = 45 (deg)的例子中，在大約11秒后，機艙方位角變化至大致 45度，穩(wěn)定在該角度上，在θbl = 30(deg)的例子中，在大約11秒后，機艙方位角變化至大致77度，穩(wěn)定在該角度上。在本分析中，通過使所有葉片順槳后，僅1片葉片的槳距角(θbl)返回至大致 45 (deg)，能夠得到大于或等于30 (deg)的初始偏航角。(3)總結總結上述(1) (2)的分析例的結果可知，通過使所有葉片順槳后，僅使1片葉片的槳距角(θbl)返回至大致45 (deg)，能夠得到大于或等于30 (deg)的初始偏航角θyo，將其恢復至順槳的槳距角而使所有葉片順槳后，能夠避免機艙急劇轉(zhuǎn)動，降低向風車加載的載荷。由于在上述(1) (2)的分析例中得到的數(shù)值，依賴于水平軸風車的形狀及大小和偏航制動器扭矩的值，所以并非通用值。此外可知，在所有葉片成為順槳后，通過將偏航制動器扭矩控制為恰當值，而僅使1片葉片的槳距角適當?shù)胤祷仄綐獋?cè)，能夠得到合適的初始偏航角θ y0,能夠避免機艙急劇轉(zhuǎn)動，降低向風車加載的載荷。另外，通過模仿上述(1) (2)的分析例，對每個水平軸風車進行分析或試驗，能夠確定θ bl及偏航制動器扭矩的最佳值，可以廣泛應用本發(fā)明實施方式3所涉及的技術。此外，在2005年5月31日提出的特愿2005-159848號的全部公開內(nèi)容，全部并入本說明書中。此外，在2005年7月5日提出的特愿2005-198548號的全部公開內(nèi)容，全部并入本說明書中。此外，在2005年8月30日提出的特愿2005-2405M號的全部公開內(nèi)容， 全部并入本說明書中。工業(yè)實用性本發(fā)明用于風力發(fā)電等風能產(chǎn)業(yè)。特別地，適于即使在暴風時偏航驅(qū)動單元無法工作，也能夠確保使轉(zhuǎn)子被吹向下風側(cè)的待機狀態(tài)。
權利要求
1.一種逆風型的水平軸風車，其具有轉(zhuǎn)子，其具有輪轂和至少2片或2片以上的葉片；機艙，其經(jīng)由與上述輪轂連接的主軸對上述轉(zhuǎn)子進行軸支撐；塔架，其可自由偏航旋轉(zhuǎn)地支撐上述機艙；槳距控制裝置，其控制上述葉片的槳距角；以及偏航控制裝置，其控制上述機艙的偏航旋轉(zhuǎn)，其具有下述兩種模式運行模式，其在風速小于或等于規(guī)定值時，通過上述偏航控制裝置的控制，將上述轉(zhuǎn)子配置在上述塔架的上風側(cè)，經(jīng)由上述轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)而利用風力；以及待機模式，其在風速超過上述規(guī)定值時進行待機，以準備恢復上述運行模式，其特征在于，上述槳距控制裝置具有由下述步驟組成的第1控制動作第1步驟，其使所有的上述葉片成為順槳，第3步驟，其在上述第1步驟之后，使所有的上述葉片成為逆槳；以及下述步驟，即，從上述第3步驟之后，將所有的上述葉片保持為逆槳狀態(tài)，直至上述運行模式的恢復，上述偏航控制裝置具有由下述步驟組成的第2控制動作第2步驟，其與上述第3步驟同步地，將上述機艙的偏航角控制在規(guī)定偏航角范圍內(nèi)，該規(guī)定的偏航角范圍使上述轉(zhuǎn)子避開正面風及背面風；以及下述步驟，即，從上述第2步驟之后至恢復上述運行模式之前， 控制偏航制動器產(chǎn)生下述制動值，該制動值允許下述的偏航旋轉(zhuǎn)，即，因由風力向上述機艙加載的圍繞偏航軸的扭矩而產(chǎn)生的偏航旋轉(zhuǎn)，作為上述待機模式，執(zhí)行上述第1、第2控制動作。
2.根據(jù)權利要求1所述的水平軸風車，其特征在于，上述規(guī)定的偏航角范圍，相對于上風側(cè)為+75 +IlOdeg或-75 -llOdeg。
3.根據(jù)權利要求1所述的水平軸風車，其特征在于，在上述第3步驟中，上述槳距控制裝置同時使所有的上述葉片成為逆槳。
全文摘要
本發(fā)明提供一種水平軸風車，具有轉(zhuǎn)子；機艙；塔架；槳距控制裝置；偏航控制裝置，其具有運行模式及待機模式。槳距控制裝置具有由下述步驟組成的第1控制動作第1步驟，使所有的葉片成為順槳，第3步驟，其在第1步驟之后，使所有的葉片成為逆槳；從第3步驟之后，將所有的葉片保持為逆槳狀態(tài)，直至運行模式的恢復。偏航控制裝置具有由下述步驟組成的第2控制動作第2步驟，其與第3步驟同步地，將機艙的偏航角控制在規(guī)定偏航角范圍內(nèi)；從第2步驟之后至恢復運行模式之前，控制偏航制動器產(chǎn)生下述制動值，該制動值允許下述偏航旋轉(zhuǎn)，即，因由風力向機艙加載的圍繞偏航軸的扭矩而產(chǎn)生的偏航旋轉(zhuǎn)。作為待機模式，執(zhí)行第1、第2控制動作。
文檔編號F03D7/02GK102536658SQ20121001930
公開日2012年7月4日 申請日期2006年5月22日 優(yōu)先權日2005年5月31日
發(fā)明者吉田茂雄 申請人:富士重工業(yè)株式會社