JP2010270733A

JP2010270733A - 水平軸風車

Info

Publication number: JP2010270733A
Application number: JP2009125532A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Yoshida; 茂雄吉田
Original assignee: Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2009-05-25
Filing date: 2009-05-25
Publication date: 2010-12-02
Anticipated expiration: 2029-05-25
Also published as: JP5390261B2

Abstract

【課題】ブレードの強制フェザー時の変角過程において風車に負荷される荷重を低減する。
【解決手段】ハブ１とブレード２とを有するロータと、ロータを緊急停止するためにブレードを一時にフェザーの角度まで変角させる強制フェザー動作を発動する強制フェザー手段とを有して構成される水平軸風車において、限定されたピッチ角範囲（例えば１０〜３０〔deg〕）でブレードのピッチ角変角運動に抵抗力を与える変角速度抑制機構を備える。変角速度抑制機構としては、ブレーキ５及びカム６による機構、ロータリダンパ９及びギア１０による機構を適用できる。
【効果】ブレードの強制フェザー動作の初期における低すぎる変角速度と、中期、後期における高すぎる変角速度を解消し、ブレードの強制フェザー時の変角過程において風車に負荷される荷重を低減することができる。
【選択図】図８

Description

本発明は、水平軸風車に係り、特にブレードのピッチ角の変角動作に関する。

周知のように、いわゆる水平軸風車が風力発電等の商業用に広く実用化されている。水平軸風車は、１枚又は２枚以上のブレードがハブから放射状に取付けられてなるロータと、ハブに接続されるとともに略水平方向に延在した主軸を介してこのロータを軸支するナセルと、略鉛直方向に設置されるとともにナセルをヨー回転自在に支持するタワーとを有して構成される。

従来、ブレードのピッチ角を駆動制御するピッチ可変式の水平軸風車も利用されている。
ピッチ可変式の水平軸風車としては、全てのブレードのピッチ角がリンク機構で互いに機械的に連結されていて一斉に操作される連動式のほか、近年では、ブレード毎にピッチ駆動制御システムを有していて、ブレード毎に独立してピッチ角を制御可能な独立ピッチ可変式の水平軸風車も利用されている。
独立ピッチ可変式の水平軸風車にあっては、暴風時にいずれかのブレードのピッチ駆動装置が故障した場合でも、他のブレードをフェザーにすることでロータの過回転を防止し安全性を確保することができる。
また、ピッチ駆動制御システムの異常時や停電時などのピッチ駆動制御システムが動作不能に陥った時、緊急停止が必要なときには、油圧アキュミュレータやバッテリ等のパワーを利用して強制フェザーを行う強制フェザー手段を備えた水平軸風車もある。この強制フェザー手段は、ピッチ角を変角制御する制御装置を介さず、フラットからフェザーに強制するだけの動力を発生、伝達するだけなので、ピッチ角の変角速度は制御できない。
特許文献１にあっては、強制フェザー時の動力としてゼンマイを適用している。

特開２００３−２２２０７０号公報

しかし、以上の従来技術にあってもさらに次のような問題があった。
ピッチ駆動制御システムの不能時に、変角速度制御が不能な強制フェザーシステムによりブレードをフェザーにして緊急停止する時に、ピッチ角の変角速度が制御できない。
これにより、ピッチ角の変角速度が低すぎる場合には風力によりロータの回転速度の上昇を招き、ブレードやタワーに大きな荷重が負荷されるおそれがある。
また、ピッチ角の変角速度が高すぎる場合には、ロータの回転速度が十分低下する前にピッチ角が大きくなりすぎ、ブレードやタワーに大きな荷重が負荷されるおそれがある。

本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、ブレードの強制フェザー時の変角過程において風車に負荷される荷重を低減できる水平軸風車を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、ハブと１枚又は２枚以上のブレードとを有するロータと、前記ロータを緊急停止するために前記ブレードを一時にフェザーの角度まで変角させる強制フェザー動作を発動する強制フェザー手段とを有して構成される水平軸風車において、
限定されたピッチ角範囲で前記ブレードのピッチ角変角運動に抵抗力を与える変角速度抑制機構を備える水平軸風車である。

請求項２記載の発明は、前記変角速度抑制機構が、前記ブレードに対して固定され当該ブレードとともに回転する部材と、前記ハブに対して固定された部材とを備え、前記２つの部材が互いに前記ピッチ角範囲において摩擦擦動するように構成された請求項１に記載の水平軸風車である。

請求項３記載の発明は、前記変角速度抑制機構が、前記ピッチ角範囲において前記ブレードのピッチ角変角運動に回転抵抗力を与えるロータリダンパにより構成された請求項１に記載の水平軸風車である。

請求項４記載の発明は、前記ピッチ角範囲が、ロータ回転面に対して１０〜３０〔deg〕である請求項１に記載の水平軸風車である。

本発明によれば、ブレードのピッチ角の変角速度が制御できない強制フェザー手段の発動時において、変角速度抑制機構が限定されたピッチ角範囲で作用することにより、一定のピッチ角で変角速度が抑制された一定の変角速度変遷過程にピッチ角変化過程を矯正することができる。
したがって、変角速度抑制機構が作用するピッチ角範囲及び作用させる抵抗力を適切に設定することにより、ブレードの強制フェザー動作の初期における低すぎる変角速度と、中期、後期における高すぎる変角速度を解消し、ブレードの強制フェザー時の変角過程において風車に負荷される荷重を低減することができる。

(a1)は、本発明の第１実施形態に係る水平軸風車のハブとブレードの連結部分を、ピッチ軸を含む断面で示した部分断面模式図で、変角速度抑制機構が作用していない状態を示す。(b1)は、(a1)に示す状態におけるハブとブレードの内側の様子を平面的に描いた模式図である。(a2)は、本発明の第１実施形態に係る水平軸風車のハブとブレードの連結部分を、ピッチ軸を通る断面で示した部分断面模式図で、変角速度抑制機構が作用している状態を示す。(b2)は、(a2)に示す状態におけるハブとブレードの内側の様子を平面的に描いた模式図である。本発明の第１実施形態に係る水平軸風車のハブとブレードの連結部分を、ピッチ軸を含む断面で示した部分断面模式図で、ピッチモータが示される。本発明の第１実施形態に係る水平軸風車のハブとブレードの連結部分を、ピッチ軸に垂直な断面で示した断面模式図である。本発明例と比較例に係るピッチ角−摩擦力の変化特性図である。本発明例と比較例に係るピッチ角−ピッチ角変角速度の変化特性図である。本発明例と比較例に係る時間−ピッチ角変角速度の変化特性図である。本発明例と比較例に係る時間−ピッチ角の変化特性図である。比較例に係るブレードの強制フェザー動作の初期（ｔ＝ｔ１）におけるブレード状況図(a1)、中期（ｔ＝ｔ２）におけるブレード状況図(a2)、及び後期（ｔ＝ｔ３）におけるブレード状況図(a3)、並びに、本発明例に係るブレードの強制フェザー動作の初期（ｔ＝ｔ１）におけるブレード状況図(b1)、中期（ｔ＝ｔ２）におけるブレード状況図(b2)、及び後期（ｔ＝ｔ３）におけるブレード状況図(b3)である。 (a1)は、本発明の第２実施形態に係る水平軸風車のハブとブレードの連結部分を、ピッチ軸を含む断面で示した部分断面模式図で、変角速度抑制機構が作用していない状態を示す。(b1)は、(a1)に示す状態におけるハブとブレードの内側の様子を平面的に描いた模式図である。(a2)は、本発明の第２実施形態に係る水平軸風車のハブとブレードの連結部分を、ピッチ軸を通る断面で示した部分断面模式図で、変角速度抑制機構が作用している状態を示す。(b2)は、(a2)に示す状態におけるハブとブレードの内側の様子を平面的に描いた模式図である。本発明の第２実施形態に係る水平軸風車のハブとブレードの連結部分を、ピッチ軸に垂直な断面で示した断面模式図である。

以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。

〔第１実施形態〕
まず、本発明の第１実施形態につき説明する。
図１に示すように本実施形態の水平軸風車は、ハブ１とブレード２とを有するロータを備える。ブレード２は、ハブ１にピッチ回転可能にベアリング装置３を介して取り付けられる。ブレード２は、１枚又は２枚以上設けられる。

さらに本実施形態の水平軸風車は、ハブ１に接続された主軸（図示せず）を介してロータを回転自在に軸支するナセル（図示せず）と、ナセルをヨー回転自在に支持するタワー（図示せず）とを備えて構成される。主軸はナセルによって略水平に保持される。主軸がナセルに設置された増速機、発電機に接続され、風力発電装置が構成される。

図１に示すように、ベアリング装置３の外輪部３ａがハブ１に固定され、ベアリング装置３の内輪部３ｂがブレード２に固定される。周知のように、ベアリング装置３の外輪部３ａと内輪部３ｂとは間にベアリングを保持して相対回転する。
ベアリングに対してブレード２側には内歯のリングギア４が固定される。図２に示すようにモータ７の本体はハブ１に固定され、モータ７の出力軸７ａに装着されたピニオンギア７ｂが、リングギア４と噛合する。リングギア４とモータ７によりブレード２のピッチ駆動装置が構成される。図３に示すように、モータ７のほか、ピッチ角センサ８が設けられる。ピッチ角センサ８はロータリエンコーダで、その入力軸に装着されたピニオンギアがリングギア４と噛合する。制御装置（図示せず）は、ピッチ角センサ８の検出値に基づき、モータ７をサーボ制御し、ブレード２のピッチ角を制御する。

本実施形態における変角速度抑制機構は、ブレード２に対して固定されブレード２とともに回転するブレーキ５と、ハブ１に対して固定されたカム６とにより構成される。ブレーキ５はベアリング装置３の内輪部３ｂに固定されている。カム６はハブ１に固定されている。ブレード２のピッチ回転とともに、ブレーキ５がピッチ軸回りに移動し、カム６に接触して摩擦擦動する。これにより、ブレード２のピッチ角変角運動に摩擦抵抗力Ｆ１が与えられる。
ブレーキ５とカム６とが限定されたピッチ角範囲において互いに摩擦擦動する。ブレーキ５とカム６とが摩擦擦動するピッチ角範囲は、ロータ回転面に対して１０〜３０〔deg〕とする。

本水平軸風車には、ロータを緊急停止するためにブレード２を一時にフェザーの角度まで変角させる強制フェザー動作の発動する強制フェザー手段が設けられる。
強制フェザー手段としては、停電をきっかけにバッテリに蓄電された電力をモータ７に給電してブレード２のピッチ角をフェザーの角度まで駆動するものが適用できる。また、ピッチ角の駆動に油圧駆動システムを採用している場合は、停電をきっかけに油圧アキュミュレータを解放してその油圧エネルギーをブレード２のピッチ角を駆動する油圧シリンダ等に伝達し、ブレード２のピッチ角をフェザーの角度まで駆動するものが適用できる。強制フェザー動作を発動させるきっかけは、上記制御装置の異常が検出されたこととしてもよい。

強制フェザー動作が発動しても、０から１０〔deg〕においては、図１(a1)(b1)に示すように、ブレーキ５とカム６とが接触していないため、ピッチ角の変角速度Ａ１は抑えられない。
１０から３０〔deg〕においては、ブレーキ５とカム６との摩擦力によって、ブレード２のピッチ角変角運動に抵抗力が与えられる。その結果、ピッチ角の変角速度Ａ２は、ブレーキ５とカム６との摩擦力がない場合の変角速度に対して低く抑えられる。但し、変角速度Ａ２がゼロにならないようにする。また、変角速度Ａ２は、０から１０〔deg〕のときの変角速度Ａ１より低いことを要件とされない。
ピッチ角が３０〔deg〕を越えると、ブレーキ５とカム６との摩擦力が無くなり、再び高い率で変角速度が上昇する。

図４〜図８は、以上のようなブレーキによる摩擦抵抗が作用する本発明例と、同摩擦抵抗が作用しない比較例とを計算により比較したものである。
図４に示すように、本発明例にあっては、１０から３０〔deg〕のピッチ角範囲においてブレーキによる摩擦力約４〔Ｎｍ〕が作用し、比較例にあっては、そのような摩擦力が作用しない。
図５に示すように比較例にあっては、ピッチ角０から８０〔deg〕に亘ってピッチ角変角速度が滑らかに上昇する。
これに対し本発明例にあっては、ピッチ角０から１０〔deg〕では比較例と同様に変化するが、ピッチ角１０から３０〔deg〕においてピッチ角変角速度が僅かに上昇するものの、比較例に対してピッチ角変角速度の上昇率が低いレートに抑えられており、ピッチ角３０から８０〔deg〕において比較例と同程度のピッチ角変角速度の上昇率に回復するものの、ピッチ角変角速度それ自体は比較例より低いものとなっている。
図６には、時間を横軸にして、本発明例と比較例とのピッチ角変角速度の変化を比較したグラフ、図７には、時間を横軸にして、本発明例と比較例とのピッチ角の変化を比較したグラフが示される。

図７中に示した時点ｔ１，ｔ２，ｔ３におけるブレード２の断面及びブレード２に関する空力的状況を図８に示した。図８(a1)(a2)(a3)は比較例に関するものである。図８(b1)(b2)(b3)は本発明例に関するものである。ロータ正面に垂直に一定風速の風が流れ込む場合を考える。図８において、Ｄはロータ回転面、Ｗは風速ベクトルであり、Ｒ１〜Ｒ５はロータ回転によるブレード２の移動速度を負にしたベクトルであり、無風状態における相対風速ベクトルに相当する。
したがって、風速ベクトルＷと速度ベクトルＲ１〜Ｒ５を合成した速度ベクトルＣ１〜Ｃ５がブレード２に対する風の相対風速ベクトルとなる。

ｔ＝ｔ１時点においては、本発明例と比較例とで状況は同じであり、ブレード２に生じる揚力Ｌ１の方向及び大きさは等しい。
ｔ＝ｔ２時点においては、比較例の方が本発明例よりピッチ角が僅かに大きくなるものの状況はほぼ同一であり、比較例における揚力Ｌ２と本発明例における揚力Ｌ４とはその方向及び大きさがほぼ等しい。
ｔ＝ｔ３時点においては、比較例及び本発明例の両者において、ロータ回転数の低下に伴う速度ベクトルＲ３，Ｒ５の低下により相対風速ベクトルＣ３，Ｃ５の方向がロータ回転面Ｄに対して起き上がってきている。
このような状況において、比較例にあっては、ピッチ角が大きくなり過ぎて、揚力Ｌ１，Ｌ２に対して逆方向で大きい揚力Ｌ３が生じると計算される。
これに対し本発明例にあっては、ピッチ角が大きくなり過ぎず、生じる揚力Ｌ５は比較例の揚力Ｌ３に対して小さく抑えられると計算される。

以上の計算例のように、比較例にあっては、強制フェザー動作の後期において大きな揚力Ｌ３が生じたり、大きな揚力変動が生じたりするので、風車に負荷される荷重が増大し、風車破壊のおそれが高まる。
これに対し本発明例にあっては、強制フェザー動作の後期において大きな揚力が生じず、大きな揚力変動が生じないので、風車に負荷される荷重が軽減され、風車破壊のおそれが低くなる。

強制フェザー動作の後期（ｔ＝ｔ３）におけるピッチ角の切り過ぎを抑えるべく、強制フェザー手段によるピッチ角変角速度そのものを低く設定すると、強制フェザー動作の初期（ｔ＝ｔ１）におけるピッチ角変角速度が低すぎることとなり、風力によりロータの回転速度の過剰な上昇を招き、風車に負荷される荷重が増大するおそれがあり、風車破壊のおそれが高まる。
したがって、ブレードの強制フェザー時の変角過程において風車に負荷される荷重を効果的に低減するために、すなわち、強制フェザー動作の初期（ｔ＝ｔ１）においてピッチ角変角速度が低くなり過ぎず、強制フェザー動作の中期（ｔ＝ｔ２）、後期（ｔ＝ｔ３）においてピッチ角変角速度が高くなり過ぎないようにするために、本発明を適用することが有効である。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態につき説明する。
本実施形態の水平軸風車は、上記第１の実施形態に対してブレーキ５及びカム６による変角速度抑制機構に代え、図９に示すようにロータリダンパ９及びギア１０による変角速度抑制機構を採用したものであり、その他は同様の構成を有する。上記第１実施形態と同一の要素に同一の符号を付する。

本実施形態における変角速度抑制機構は、ブレード２に対して固定されブレード２とともに回転するギア１０と、ハブ１に対して固定されたロータリダンパ９とにより構成される。ギア１０はベアリング装置３の内輪部３ｂに固定されている。ロータリダンパ９はハブ１に固定されている。ギア１０は、ブレード２のピッチ軸を中心軸として配置されたギアで、中心角２０度程度の部分的なギアである。ロータリダンパ９の入力軸９ａには、ギア１０と噛合回転するピニオンギア９ｂが装着されている。ブレード２のピッチ回転とともに、ギア１０がピッチ軸回りに移動し、ピニオンギア９ｂに噛合してロータリダンパ９に回転力が入力されることで、ロータリダンパ９により回転抵抗力Ｆ２がブレード２のピッチ角変角運動に与えられる。
ギア１０とロータリダンパ９とが連動するピッチ角範囲は、ロータ回転面に対して１０〜３０〔deg〕とし、上記第１実施形態と同様に作用させる。

本実施形態も強制フェザー動作が発動しても、０から１０〔deg〕においては、図９(a1)(b1)に示すように、ギア１０とロータリダンパ９とが連動していないため、ピッチ角の変角速度Ｂ１は抑えられない。
１０から３０〔deg〕においては、ギア１０とロータリダンパ９との連動による回転抵抗によって、ブレード２のピッチ角変角運動に抵抗力が与えられる。その結果、ピッチ角の変角速度Ｂ２は、ロータリダンパ９による回転抵抗力がない場合の変角速度に対して低く抑えられる。但し、変角速度Ｂ２がゼロにならないようにする。また、変角速度Ｂ２は、０から１０〔deg〕のときの変角速度Ｂ１より低いことを要件とされない。
ピッチ角が３０〔deg〕を越えると、ロータリダンパ９による回転抵抗力が無くなり、再び高い率で変角速度が上昇する。

以上の構成の本実施形態によっても、上記第１の実施形態と同様に、強制フェザー動作の初期においてピッチ角変角速度が低くなり過ぎず、強制フェザー動作の中期、後期においてピッチ角変角速度が高くなり過ぎないようにすることができ、ブレードの強制フェザー時の変角過程において風車に負荷される荷重を効果的に低減することができる。

１ハブ
２ブレード
３ベアリング装置
４リングギア
５ブレーキ
６カム
７モータ
８ピッチ角センサ
９ロータリダンパ
１０ギア
１２ハブ
Ｄロータ回転面
Ｗ風速ベクトル

Claims

ハブと１枚又は２枚以上のブレードとを有するロータと、前記ロータを緊急停止するために前記ブレードを一時にフェザーの角度まで変角させる強制フェザー動作を発動する強制フェザー手段とを有して構成される水平軸風車において、
限定されたピッチ角範囲で前記ブレードのピッチ角変角運動に抵抗力を与える変角速度抑制機構を備える水平軸風車。
前記変角速度抑制機構が、前記ブレードに対して固定され当該ブレードとともに回転する部材と、前記ハブに対して固定された部材とを備え、前記２つの部材が互いに前記ピッチ角範囲において摩擦擦動するように構成された請求項１に記載の水平軸風車。
前記変角速度抑制機構が、前記ピッチ角範囲において前記ブレードのピッチ角変角運動に回転抵抗力を与えるロータリダンパにより構成された請求項１に記載の水平軸風車。
前記ピッチ角範囲が、ロータ回転面に対して１０〜３０〔deg〕である請求項１に記載の水平軸風車。