JP4690776B2 - Horizontal axis windmill - Google Patents

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Description

本発明は、アップウィンド型の水平軸風車における暴風時の待機に関する。   The present invention relates to standby in a storm in an upwind type horizontal axis wind turbine.

周知のように、いわゆる水平軸風車が商業用に広く実用化されている。一般的な水平軸風車は、少なくとも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され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。
加えて、ナセルのヨー回転を自在に駆動制御可能なヨー駆動手段、ヨー回転を制動するヨーブレーキ、ロータの回転を制動する主軸ブレーキ等の制御手段を水平軸風車に設けることも従来より行われている。
また、今日の商業風車の多くは、アップウィンド型の水平軸風車の構成をとっている。アップウィンド型の水平軸風車は、タワーの風上側に配置されたロータが回転して発電する構成の水平軸風車である。 As is well known, so-called horizontal axis wind turbines are widely used for commercial purposes. A general horizontal axis wind turbine supports the rotor via a rotor in which at least two blades are attached radially from a hub, and a main shaft that is connected to the hub and extends in a substantially horizontal direction. It has a nacelle and a tower that is installed in a substantially vertical direction and supports the nacelle in a yaw-rotatable manner.
In addition, it has also been conventionally performed to provide control means such as a yaw driving means that can freely control yaw rotation of the nacelle, a yaw brake that brakes the yaw rotation, and a main shaft brake that brakes the rotation of the rotor in the horizontal axis wind turbine. ing.
Many of today's commercial wind turbines have an upwind horizontal axis wind turbine configuration. The upwind type horizontal axis wind turbine is a horizontal axis wind turbine configured to generate electricity by rotating a rotor disposed on the windward side of the tower.

通常、風車の設計強度は暴風中の待機状態の際に受ける荷重に大きく影響を受ける。暴風時の風車荷重は停電も併発することを想定して設定する必要がある。以下、水平軸風車の待機方法に関する代表的な従来技術１〜５について説明する。   Usually, the design strength of a windmill is greatly influenced by the load received during a standby state during a storm. It is necessary to set the windmill load during a storm assuming that a power outage will also occur. Hereinafter, typical prior arts 1 to 5 relating to a standby method for a horizontal axis wind turbine will be described.

〔従来技術１〕
従来技術１は、一般的なアップウィンド・ストール制御風車であり、主軸をブレーキで固定して暴風時に待機するものである。待機時にヨーを固定することが基本である。ヨー制御をしてロータを風向きに平行にして、荷重低減を図るものもある。ヨー制御可能であっても、ヨー制御に必要な電源が遮断される場合や、ヨー制御に関するいずれかの機器に故障が生じた場合は、全方位からの暴風を受ける可能性がある。したがって、全方位からの暴風を想定して設計する必要がある。一般にストール制御機の場合、正面ならびに背面からの暴風時に大きな荷重が発生する。 [Prior art 1]
Prior art 1 is a general upwind / stall control wind turbine, which is configured to wait for a storm by fixing a main shaft with a brake. Basically, the yaw is fixed during standby. Some yaw control makes the rotor parallel to the wind direction to reduce the load. Even if yaw control is possible, if the power necessary for yaw control is cut off or if any device related to yaw control breaks down, there is a possibility of receiving a storm from all directions. Therefore, it is necessary to design the storm from all directions. In general, in the case of a stall controller, a large load is generated during a storm from the front and back.

〔従来技術２〕
従来技術２は、一般的なアップウィンド・ピッチ制御機であり、ロータを遊転、ヨーを固定して暴風時に待機するものである。ピッチ制御機の中には、ヨー制御をしてロータを風上に向け、荷重低減を図るものもあるが、これはヨー制御に必要な電源があるとともに、各機器が故障なく機能していることが前提となる。一般にピッチ制御機の場合、横風ならびに斜め前方/後方から暴風時に大きな荷重が発生する。図３に示すモデルＡは、従来技術２の待機形態に該当する。 [Prior art 2]
Prior art 2 is a general upwind pitch controller, which idles the rotor, fixes the yaw, and waits in a storm. Some pitch controllers use yaw control to direct the rotor to the windward to reduce the load, but this has a power supply necessary for yaw control and each device functions without failure. This is a prerequisite. In general, in the case of a pitch controller, a large load is generated during a side wind and a storm from the front / back. Model A shown in FIG. 3 corresponds to the standby mode of Conventional Technique 2.

〔従来技術３〕
従来技術３は、アップウィンド・ピッチ制御機であり、全翼のフェザーを確保した後に、ナセル方位角をヨー制御により約180[deg]反転させ、弱いヨーブレーキで保持して暴風時に待機するものである。これにより、暴風時にはロータが風下に靡き、タワーへの荷重を軽減することができる。従来技術３の待機形態は外観上、従来技術５と同様である。図３に示すモデルＢは、従来技術３及び５の待機形態に該当する。 [Prior art 3]
Prior art 3 is an upwind pitch controller that secures the feathers of all wings, then reverses the nacelle azimuth by about 180 [deg] by yaw control, holds it with a weak yaw brake, and waits in a storm. It is. Thereby, at the time of a storm, a rotor can go downwind and the load to a tower can be reduced. The standby mode of the prior art 3 is similar to the prior art 5 in appearance. The model B shown in FIG. 3 corresponds to the standby mode of the prior arts 3 and 5.

〔従来技術４〕
従来技術４は、ダウンウィンド風車・ピッチ制御機であり、全翼のフェザーを確保し、ロータを遊転させ、フリーヨーとして暴風時に待機するものである。これにより、暴風時には、ロータが風下に靡き、タワー頂部に作用する荷重を低減できる。従来技術４の待機形態は外観上、本発明実施例と同様である。図３に示すモデルＣは、本発明実施例の待機形態であり、従来技術４の待機形態もこれに該当する。 [Prior Art 4]
Prior art 4 is a downwind windmill / pitch controller, which secures the feathers of all the blades, idles the rotor, and stands by during a storm as free yaw. Thereby, at the time of a storm, a rotor can wind downwind and the load which acts on a tower top part can be reduced. The standby mode of the prior art 4 is similar in appearance to the embodiment of the present invention. The model C shown in FIG. 3 is a standby mode of the embodiment of the present invention, and the standby mode of the prior art 4 also corresponds to this.

〔従来技術５〕
従来技術５は特許文献１に記載され、ダウンウィンド風車・ピッチ制御機であり、全翼のフェザーを確保したのち、ピッチ角を翼1枚ずつ約180[deg]変角して、フリーヨーで暴風時に待機するものである。翼前縁からの風を受ける場合と比較して、後縁から風を受ける場合は最大揚力係数が大幅に減少し、また、ヨー保持トルクも小さいので、その他の部位に発生する荷重も小さくなる。従来技術５の待機形態は外観上、従来技術３と同様である。図３に示すモデルＢは、従来技術３及び５の待機形態に該当する。
特願２００４−１９３２７１ [Prior art 5]
Prior art 5 is a downwind windmill / pitch controller described in Patent Document 1, and after securing the feathers of all the blades, the pitch angle is changed by about 180 [deg] for each blade, and a storm with free yaw It is something that waits sometimes. When receiving wind from the trailing edge of the blade, the maximum lift coefficient is greatly reduced when receiving wind from the trailing edge, and the yaw holding torque is also small, so the load generated at other parts is also small. . The standby mode of the prior art 5 is the same as that of the prior art 3 in appearance. The model B shown in FIG. 3 corresponds to the standby mode of the prior arts 3 and 5.
Japanese Patent Application No. 2004-193271

２ＭＷクラスの風車でも、上記の従来技術により、風車のスケールに合わせて上手く設計すれば強度問題は回避できる。しかし、今後、一層大型化が進むと翼の剛性はますます低下し、固有振動数が低くなるため、特に翼後縁付近から暴風を受ける場合にフラッタが発生し翼に大きな荷重が発生しやすくなるという問題が予想される。
従来のアップウィンド型水平軸風車（従来技術１〜３）では、暴風時待機形態によらず、翼後縁付近からの暴風を避けることができず、フラッタが発生する。発生が予想されるフラッタのモードは下記の二種類である。
失速フラッタ：翼の失速領域では迎角に対する揚力傾斜が負になり、この領域で空力項が負のダンピング効果を与え、不安定傾向を高める。これは捩り剛性の高い翼でも発生する。
曲げ・捩り連成フラッタ：翼は非対称で長大な構造物であるため、曲げに捩りが連成して発生する。特に翼後縁付近からの暴風を受ける場合に翼が荷重を受け曲がるが、これに捩りを連成するため翼に流入する迎角が変化し、不安定傾向になりやすい。これは捩り剛性の高い翼ではほとんど発生しない。 Even with a 2 MW class wind turbine, the strength problem can be avoided if it is well designed according to the scale of the wind turbine by the above-described conventional technology. However, as the size of the blade further increases in the future, the rigidity of the blade will further decrease, and the natural frequency will decrease. The problem of becoming is expected.
In conventional upwind horizontal axis wind turbines (Prior Art 1 to 3), windstorms from the vicinity of the trailing edge of the blade cannot be avoided and flutter occurs regardless of the standby mode during windstorms. There are two types of flutter modes that are expected to occur:
Stall flutter: The lift gradient with respect to the angle of attack becomes negative in the stall region of the wing, and the aerodynamic term gives a negative damping effect in this region, increasing the instability tendency. This occurs even on wings with high torsional rigidity.
Bending / twisting flutter: Since a wing is an asymmetrical and long structure, twisting occurs in bending. In particular, when a storm from the vicinity of the trailing edge of the blade is received, the blade is bent under a load. However, since the torsion is coupled to this, the angle of attack flowing into the blade is changed, and it tends to be unstable. This rarely occurs on wings with high torsional rigidity.

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、アップウィンド型の水平軸風車において、暴風時にヨー駆動手段が機能していなくともロータ及びブレード後縁が風下に靡く待機形態を確保でき、この待機形態によりブレード後縁から暴風を避けてフラッタの発生を低減し、ひいてはブレードその他の暴風時設計荷重を低減することを課題とする。   The present invention has been made in view of the above problems in the prior art, and in an upwind type horizontal axis wind turbine, a standby mode in which the rotor and blade trailing edge are leeward even if the yaw driving means is not functioning during a storm. It is an object of this standby mode to reduce the occurrence of flutter by avoiding storms from the trailing edge of the blade, and consequently to reduce the design load during storms such as blades.

以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、ハブと少なくとも２枚以上のブレードとを有するロータと、
前記ハブに接続された主軸を介して前記ロータを軸支するナセルと、
前記ナセルをヨー回転自在に支持するタワーと、
前記ブレードのピッチ角をそれぞれ独立に制御する独立ピッチ制御装置と、
前記ナセルのヨー回転を制御するヨー制御装置とを備え、
所定値以下の風速時に前記ヨー制御装置の制御により前記ロータを前記タワーより風上に配置し前記ロータの回転を介して風力を利用する運転モードと、前記所定値を超える風速時に前記運転モードに備えて待機する待機モードとを有するアップウィンド型の水平軸風車において、
（１）前記独立ピッチ制御装置は、前記所定値を超える風速時に、すべての前記ブレードをフェザーにする第１ステップと、前記第１ステップ後に前記ブレードを１枚ずつ順次反転フェザーにする第２ステップと、前記第２ステップ後に前記運転モードの復帰まですべての前記ブレードを反転フェザーの状態に保持する第３ステップとからなる制御動作を有し、
（２）前記ヨー制御装置は、前記所定値を超える風速時に、風力により前記ナセルに負荷されるヨー軸周りのトルクによるヨー回転を許容する制動値にヨーブレーキを制御する制御動作を有し、
前記待機モードとして、前記（１）（２）の制御動作を実行することにより前記ロータを前記タワーより風下に靡かせることを特徴とする水平軸風車である。 The invention according to claim 1 for solving the above-described problems includes a rotor having a hub and at least two blades;
A nacelle that pivotally supports the rotor via a main shaft connected to the hub;
A tower that supports the nacelle in a yaw-rotating manner;
An independent pitch control device for independently controlling the pitch angle of the blade;
A yaw control device for controlling the yaw rotation of the nacelle,
When the wind speed is less than or equal to a predetermined value, the rotor is placed upwind from the tower under the control of the yaw control device, and wind power is used through rotation of the rotor, and the operation mode is entered when the wind speed exceeds the predetermined value. In an upwind type horizontal axis wind turbine having a standby mode for preparing and waiting,
(1) The independent pitch control device includes a first step in which all the blades are feathered when the wind speed exceeds the predetermined value, and a second step in which the blades are sequentially turned one by one after the first step. And a third step of holding all the blades in a reverse feather state until the return to the operation mode after the second step,
(2) The yaw control device has a control operation of controlling the yaw brake to a braking value that allows yaw rotation by a torque around a yaw axis loaded on the nacelle by wind force at a wind speed exceeding the predetermined value,
A horizontal axis wind turbine characterized in that, as the standby mode, the rotor is moved downwind from the tower by executing the control operations (1) and (2).

請求項２記載の発明は、前記ヨー制御装置は、前記独立ピッチ制御装置が前記第２ステップを実行する前に前記（２）の制御動作を実行することを特徴とする請求項１記載の水平軸風車である。   The invention according to claim 2 is characterized in that the yaw control device executes the control operation of (2) before the independent pitch control device executes the second step. It is an axial windmill.

請求項３記載の発明は、前記ヨー制御装置は、前記独立ピッチ制御装置が前記第１ステップを実行する前又は同時に前記（２）の制御動作を実行することを特徴とする請求項１記載の水平軸風車である。   The invention according to claim 3 is characterized in that the yaw control device executes the control operation (2) before or simultaneously with the independent pitch control device executing the first step. It is a horizontal axis windmill.

本発明によれば、風速が所定値を超え、発電等のための風車の運転に備えて待機する時に、第１ステップによりすべてのブレードをフェザーにすることにより、暴風による負荷荷重を低減することができる。この第１ステップによりすべてのブレードの後縁がタワー側を向いた状態となり、その後の第２ステップによりブレードを１枚ずつ順次反転フェザーにすることにより、ブレードの前縁がタワー側を向いた状態となる。全ての翼を同時に反転する場合には、ロータが過回転に達し重大な事故を引き起こすが、第２ステップにおいては１枚ずつ順次反転フェザーするから、暴風による負荷荷重を問題のないレベルに抑えることができる。また、第２ステップにおいては、１枚ずつブレードがフェザーからフラットを経て反転フェザーの状態に移行する過程において、風力によりナセルに負荷されるヨー軸周りのトルクを大きくことがきる。その後、第３ステップにより運転モードの復帰まですべての前記ブレードを反転フェザーの状態に保持する。
一方、風力によりナセルに負荷されるヨー軸周りのトルクによるヨー回転を許容する制動値にヨーブレーキを制御するので、ナセルが風力によりヨー回転しロータがタワーの風上から風下に配置されるようにナセルを回転させ、ロータをタワーより風下に靡かせることができる。
ロータがタワーより風下に配置されると、第２ステップの完了によりすべてのブレードの前縁がタワー側を向いた状態となり第３ステップによりこれを保持しているから、すべてのブレードは前縁から風を受けることとなり、フラッタの発生を避け翼に負荷される荷重を低減することができる。
以上のようにナセルが風力によりヨー回転しロータをタワーより風下に靡かせるから、ヨー駆動手段が機能していなくともロータ及びブレード後縁が風下に靡く待機形態を確保でき、この待機形態によりブレード後縁から暴風を避けてフラッタの発生を低減し、ひいてはブレードその他の暴風時設計荷重を低減することができるという効果がある。 According to the present invention, when the wind speed exceeds a predetermined value and when waiting for the operation of the wind turbine for power generation or the like, the load load due to the storm is reduced by making all the blades feather in the first step. Can do. In this first step, the trailing edge of all blades faces the tower side, and in the subsequent second step, the blades are turned in reverse feathers one by one so that the leading edge of the blade faces the tower side. It becomes. If all the blades are reversed at the same time, the rotor reaches overspeed and causes a serious accident. However, in the second step, the feathers are reversed one by one in sequence, so the load caused by the storm should be kept at a level where there is no problem. Can do. In the second step, the torque around the yaw axis loaded on the nacelle by the wind force can be increased in the process in which the blade moves from the feather to the inverted feather state one by one in the second step. Thereafter, in the third step, all the blades are held in a reverse feather state until the operation mode is restored.
On the other hand, since the yaw brake is controlled to a braking value that allows yaw rotation by the torque around the yaw axis loaded on the nacelle by the wind force, the nacelle is yawed by the wind force so that the rotor is arranged from the windward side of the tower to the leeward side Rotate the nacelle to make the rotor go downwind from the tower.
When the rotor is placed leeward from the tower, the leading edge of all the blades is facing the tower side by the completion of the second step, and this is held by the third step. Since the wind is received, the load applied to the blade can be reduced while avoiding the generation of flutter.
As described above, the nacelle yaw-rotates by wind power and causes the rotor to go downwind from the tower. Therefore, even if the yaw driving means is not functioning, it is possible to secure a standby mode in which the rotor and blade trailing edge go downwind. There is an effect that the generation of flutter can be reduced by avoiding the storm from the trailing edge, and the design load during the storm can be reduced.

第２ステップの完了後に前記（２）の制御動作を実行する場合も、風況によりナセルを回転させるために十分なヨー軸周りのトルクが発生するから、ロータがタワーの風下に配置されるようにナセルを回転させ、待機姿勢に移行することができる。   Even when the control operation (2) is executed after the completion of the second step, a torque around the yaw axis sufficient to rotate the nacelle is generated by the wind condition, so that the rotor is arranged leeward of the tower. The nacelle can be rotated to the standby posture.

好ましくは、第２ステップの実行前に前記（２）の制御動作を実行する。第２ステップの１枚ずつブレードがフェザーからフラットを経て反転フェザーの状態に移行する過程においては、風力によりナセルに負荷されるヨー軸周りのトルクが比較的大きくなるから、この時にヨーブレーキを弱めておくことにより、より確実にロータがタワーの風下に配置されるようにナセルを回転させ、待機姿勢に移行することができる。   Preferably, the control operation (2) is executed before the execution of the second step. In the process of shifting the blade from the feather to the state of inverted feather one by one in the second step, the torque around the yaw axis loaded on the nacelle by the wind force becomes relatively large. Thus, the nacelle can be rotated so that the rotor is more surely arranged on the lee of the tower, and the standby posture can be shifted.

さらに好ましくは、第１ステップの実行前又はその実行と同時に前記（２）の制御動作を実行する。これにより、第１ステップから第３ステップのいずれかにおいて発生する風力によりナセルに負荷されるヨー軸周りのトルクにより、より確実にロータがタワーの風下に配置されるようにナセルを回転させ、待機姿勢に移行することができる。   More preferably, the control operation (2) is executed before or simultaneously with the execution of the first step. As a result, the nacelle is rotated by the torque around the yaw axis that is applied to the nacelle by the wind force generated in any of the first step to the third step, so that the rotor is more surely placed leeward of the tower, and waiting. It is possible to shift to a posture.

以下に本発明の一実施の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。図１は、本実施形態のアップウィンド型水平軸風車を上から見た平面図である。図２は、本実施形態のアップウィンド型水平軸風車に搭載される制御部の構成のうち、本件に関連のある部分を示すブロック図である。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The following is one embodiment of the present invention and does not limit the present invention. FIG. 1 is a plan view of an upwind horizontal axis wind turbine according to this embodiment as viewed from above. FIG. 2 is a block diagram showing a portion related to the present case in the configuration of the control unit mounted on the upwind type horizontal axis wind turbine of the present embodiment.

図１に示すように、本実施形態の水平軸風車は、タワー１と、ナセル２と、ハブ３と、３枚のブレード４ａ〜４ｃを備える。
ナセル２はハブ３に接続された主軸（図示略）を介してハブ３とブレード４ａ〜４ｃからなるロータを軸支する。タワー１は、ナセル２をヨー回転自在に支持する。
また、ナセル２の外面には図示しない風速計及び風向計が取り付けられている。 As shown in FIG. 1, the horizontal axis windmill of this embodiment is provided with the tower 1, the nacelle 2, the hub 3, and the three blades 4a-4c.
The nacelle 2 pivotally supports a rotor composed of the hub 3 and blades 4a to 4c via a main shaft (not shown) connected to the hub 3. The tower 1 supports the nacelle 2 so that it can rotate freely.
An anemometer and an anemometer (not shown) are attached to the outer surface of the nacelle 2.

ナセル２の内側には、図示しない増速機、発電機、および主軸ブレーキなどの動力伝達装置が収納されており、これらの各動力伝達装置には、主軸が連結されている。   Inside the nacelle 2 are housed power transmission devices such as a speed increaser, a generator, and a main shaft brake (not shown), and a main shaft is coupled to each of these power transmission devices.

主軸は、その先端がナセル２の外部に突出しており、この主軸の先端にはロータが、主軸とともに回転するように取り付けられている。   The main shaft has a tip protruding outside the nacelle 2, and a rotor is attached to the tip of the main shaft so as to rotate together with the main shaft.

ロータは、中心部に主軸と連結されたハブ３を有しており、ハブ３の回転方向の周面には、３枚のブレード４ａ〜４ｃが放射状に取り付けられている。なお、ブレード４ａ〜４ｃは断面形状が非対称の翼形に形成されている。   The rotor has a hub 3 connected to the main shaft at the center, and three blades 4 a to 4 c are radially attached to the circumferential surface of the hub 3 in the rotation direction. The blades 4a to 4c are formed in a wing shape having an asymmetric cross-sectional shape.

図２に示すように、本実施形態の水平軸風車の制御部は、風向計１０、風速計１３、制御装置１６、ピッチ駆動装置１１、ヨー駆動装置１４から構成される。制御装置１６には、独立ピッチ制御装置１２とヨー制御装置１５とが備えられている。   As shown in FIG. 2, the control unit of the horizontal axis wind turbine according to the present embodiment includes an anemometer 10, an anemometer 13, a control device 16, a pitch driving device 11, and a yaw driving device 14. The control device 16 includes an independent pitch control device 12 and a yaw control device 15.

ヨー駆動装置１４は、ナセル２のヨー角を検出し、ヨー回転を駆動するとともに、ヨー回転を制動する図示しないヨーブレーキを備える。ヨー制御装置１５は、ヨー駆動装置１４に制御信号を与えてナセル２のヨー角を制御する。   The yaw driving device 14 includes a yaw brake (not shown) that detects the yaw angle of the nacelle 2 and drives the yaw rotation and brakes the yaw rotation. The yaw control device 15 gives a control signal to the yaw drive device 14 to control the yaw angle of the nacelle 2.

ピッチ駆動装置１１は、ブレード４ａ〜４ｃのピッチ角を独立して回転駆動する。 独立ピッチ制御装置１２は、ピッチ駆動装置１１に制御信号を与え、各ブレード４ａ〜４ｃのピッチ角をそれぞれ独立に制御する。各ブレード４ａ〜４ｃは、それぞれ独立して少なくとも１８０度自在に制御される。
なお、ピッチ角とは、ハブに対するブレードの取り付け角度であり、本稿では、効率が最大となる角度を0degとしている。 The pitch driving device 11 rotates the pitch angles of the blades 4a to 4c independently. The independent pitch control device 12 gives a control signal to the pitch driving device 11 and controls the pitch angles of the blades 4a to 4c independently. Each blade 4a-4c is independently controlled at least 180 degrees freely.
Note that the pitch angle is the angle at which the blade is attached to the hub. In this paper, the angle at which the efficiency is maximized is 0 deg.

通常、商業用の風力発電においては、機械的強度、発電効率、および安全面を考慮して、発電に適する風速帯域が存在し、その上限であるカットアウト風速を超える風速領域では発電は行わず、暴風を回避するべく、できるだけ風荷重を軽減できる姿勢で待機するように制御される。以下、本実施形態の水平軸風車の運転モード及び待機モードについて説明する。   In general, in wind power generation for commercial use, there is a wind speed band suitable for power generation in consideration of mechanical strength, power generation efficiency, and safety, and power generation is not performed in a wind speed region exceeding the upper limit cut-out wind speed. In order to avoid the storm, the vehicle is controlled to stand by in a posture that can reduce the wind load as much as possible. Hereinafter, the operation mode and standby mode of the horizontal axis windmill of this embodiment will be described.

〔運転モード〕
発電に適する風速帯域では、風向計１０により検知した風向に基づきヨー制御装置１５が制御してロータをタワー１より風上に配置し、風速計１３により検知した風速やロータ回転数などに基づき独立ピッチ制御装置１２が適度なピッチ角にブレード４ａ〜４ｃを制御しロータが風を受けて回転する。このロータの回転力は、ハブ３に接続された主軸に伝達され、主軸に連結されるとともにナセル２の内部に収納された発電機に伝達されることで、回転運動による運動エネルギーが電気エネルギーに変換される。ヨー駆動装置１４はヨー制御装置１５からの制御信号を受けてナセル２を回転させるときは、ヨーブレーキを解除するか又は軽くし、ナセル２を一定方向に保持するときは、ヨーブレーキトルクを最大にする。 [Operation mode]
In the wind speed zone suitable for power generation, the yaw control device 15 controls the rotor based on the wind direction detected by the anemometer 10 and places the rotor on the windward side from the tower 1, and independently based on the wind speed detected by the anemometer 13, the rotor rotational speed, and the like. The pitch control device 12 controls the blades 4a to 4c to an appropriate pitch angle, and the rotor receives wind to rotate. The rotational force of the rotor is transmitted to the main shaft connected to the hub 3, coupled to the main shaft and transmitted to the generator housed in the nacelle 2, so that the kinetic energy due to the rotational motion is converted into electric energy. Converted. When the yaw driving device 14 receives the control signal from the yaw control device 15 and rotates the nacelle 2, the yaw brake is released or lightened, and when the nacelle 2 is held in a certain direction, the yaw brake torque is maximized. To.

〔待機モード〕
台風などの暴風時に、風速計１３によって風速がカットアウト風速を超えたことが検出されると、ヨー制御装置１５が、風力によりナセル２に負荷されるヨー軸周りのトルクによるナセル２のヨー回転を許容する所定の制動値にヨーブレーキを制御するとともに、独立ピッチ制御装置１２がすべてのブレード４ａ〜４ｃをフェザーにする（第１ステップ）。ロータは停止し、発電は中断される。
これにより、ブレード４ａ〜４ｃ及びタワー１に作用する風荷重を軽減する。所定の制動値は、ナセル２を一定方向に保持するときの制動値より低く設定する。所定の制動値を一定値とする場合、カットアウト風速を超える風を想定したときナセル２が激しくヨー回転しない程度に高い値とする。また、所定の制動値は、ナセル２のヨー回転に応じて変動するものであっても良い。例えば、風力によりナセル２に負荷されるヨー軸周りのトルクが小さくてもナセル２のヨー回転を許容するために小さくされる一方、ナセル２のヨー回転の角速度を一定以下に制限するために大きくされることにより変動してもよい。 (Standby mode)
When the anemometer 13 detects that the wind speed has exceeded the cut-out wind speed during a storm such as a typhoon, the yaw control device 15 causes the yaw rotation of the nacelle 2 due to the torque around the yaw axis loaded on the nacelle 2 by the wind power. In addition, the yaw brake is controlled to a predetermined braking value that permits the control, and the independent pitch control device 12 makes all the blades 4a to 4c feather (first step). The rotor stops and power generation is interrupted.
Thereby, the wind load acting on the blades 4a to 4c and the tower 1 is reduced. The predetermined braking value is set lower than the braking value when the nacelle 2 is held in a certain direction. When the predetermined braking value is a constant value, it is set to a high value so that the nacelle 2 does not rotate yaw vigorously when a wind exceeding the cutout wind speed is assumed. Further, the predetermined braking value may vary according to the yaw rotation of the nacelle 2. For example, even if the torque around the yaw axis applied to the nacelle 2 by the wind force is small, the nacelle 2 is reduced to allow yaw rotation, while it is large to limit the angular velocity of the nacelle 2 yaw rotation below a certain level. It may vary depending on what is done.

次に、独立ピッチ制御装置１２は、ブレード４ａ〜４ｃを１枚ずつ順次反転フェザーにする（第２ステップ）。
次に、独立ピッチ制御装置１２は、上記運転モードの復帰まですべてのブレード４ａ〜４ｃを反転フェザーの状態に保持する（第３ステップ）。 Next, the independent pitch control device 12 sequentially turns the blades 4a to 4c one by one into reverse feathers (second step).
Next, the independent pitch control device 12 holds all the blades 4a to 4c in a reverse feather state until the operation mode is restored (third step).

ここで、改めて図１を参照しながら、以上の制御動作の実行及びこれに伴う風車の動作につき説明する。
まず、上記第１ステップの実行により、図１（ａ）に示すように、すべてのブレード４ａ〜４ｃがフェザーになり、ロータの回転は停止し、ヨーブレーキは上述したヨー回転を許容する所定の制動値となる。
このとき、風力によりナセル２に負荷されるヨー軸周りのトルクがヨーブレーキトルクより大きければナセル２が動き始め、小さければナセル２は一定角度に停止している。 Here, referring to FIG. 1 again, the execution of the above control operation and the wind turbine operation associated therewith will be described.
First, by executing the first step, as shown in FIG. 1 (a), all the blades 4a to 4c become feathers, the rotation of the rotor is stopped, and the yaw brake is a predetermined one that allows the yaw rotation described above. It becomes a braking value.
At this time, if the torque around the yaw axis loaded on the nacelle 2 by the wind force is larger than the yaw brake torque, the nacelle 2 starts to move, and if it is smaller, the nacelle 2 stops at a constant angle.

次に、第２ステップに入る。まず、図１（ｂ）に示すようにブレード４ａが、ピッチ角を反転させるために起動される。ブレード４ａのピッチ角がフラットの角度を通過する時点をピークとしてヨー軸周りのトルクは増大する。このブレード４ａの変角過程でブレード４ａにおける揚力発生によりロータの回転力も大きくなるが、フェザーの状態を維持する他の２枚のブレード４ｂ，４ｃはロータの回転に対して制動力を発揮するため、他の主軸ブレーキ手段を使用していない場合でも、ロータ回転が激しく生じることはない。   Next, the second step is entered. First, as shown in FIG. 1B, the blade 4a is activated to reverse the pitch angle. The torque around the yaw axis increases at the point when the pitch angle of the blade 4a passes a flat angle. The rotational force of the rotor also increases due to the lift generated in the blade 4a during the turning process of the blade 4a, but the other two blades 4b and 4c that maintain the feather state exhibit braking force against the rotation of the rotor. Even when other spindle brake means are not used, the rotor does not rotate vigorously.

さらに、ブレード４ａを変角して図１（ｃ）に示すように反転フェザーにし、以後運転モードの復帰までブレード４ａを反転フェザーの状態に保持する。
このブレード４ａの変角過程でナセル２のヨー回転が開始したとすると、例えば、図１（ｂ）→（ｃ）に示すように、ナセル２がヨー回転し、ロータがタワー１の風下側に配置される。 Further, the blade 4a is changed to a reverse feather as shown in FIG. 1C, and thereafter the blade 4a is held in the reverse feather state until the operation mode is restored.
If the yasel rotation of the nacelle 2 starts in the process of changing the angle of the blade 4a, for example, the nacelle 2 rotates yaw as shown in FIG. Be placed.

次に、１枚目のブレード４ａと同様にして、２枚目のブレード４ｂをフェザーから反転フェザーに変角し、以後運転モードの復帰まで反転フェザーの状態に保持する（図１(d)）。
次に、１枚目、２枚目のブレード４ａ，４ｂと同様にして、３枚目のブレード４ｃをフェザーから反転フェザーに変角し、以後運転モードの復帰まで反転フェザーの状態に保持する（図１(e)）。 Next, in the same manner as the first blade 4a, the second blade 4b is turned from the feather to the reverse feather, and thereafter the state of the reverse feather is maintained until the operation mode is restored (FIG. 1 (d)). .
Next, in the same manner as the first and second blades 4a and 4b, the third blade 4c is turned from the feather to the reverse feather, and thereafter the state of the reverse feather is maintained until the operation mode is restored ( FIG. 1 (e)).

仮に、１枚目のブレード４ａの変角過程でナセル２のヨー回転が開始しなくとも、２枚目、３枚目のブレード４ｂ，４ｃをフェザーから反転フェザーに変角する過程で同様に、ナセル２をヨー回転させるチャンスがあり、従って高い確実性をもって最終的に、図１(e)に示す状態、すなわち、ロータがタワー１より風下に配置され、すべてのブレード４ａ〜４ｃの前縁が風上を向いている待機姿勢を確保することができる。
ヨーブレーキは上述したヨー回転を許容する所定の制動値にされているから、風向きの変化に応じてナセル２がヨー軸周りに滑ってロータがタワーより風下に靡く。 Even if the yasel rotation of the nacelle 2 does not start in the process of changing the angle of the first blade 4a, similarly, in the process of changing the angle of the second and third blades 4b and 4c from the feather to the inverted feather, There is a chance to yaw the nacelle 2 and therefore with high certainty, finally the state shown in FIG. 1 (e), ie the rotor is located leeward from the tower 1, and the leading edges of all the blades 4a-4c are It is possible to ensure a standby posture facing the windward.
Since the yaw brake has a predetermined braking value that allows the yaw rotation described above, the nacelle 2 slides around the yaw axis in accordance with the change in the wind direction, and the rotor winds down from the tower.

暴風が生じている待機モード中、すべてのブレード４ａ〜４ｃは前縁から風を受けることとなり、フラッタの発生を避けブレード４ａ〜４ｃに負荷される荷重を低減することができる。
以上のように本実施形態の水平軸風車によれば、ナセル２が風力によりヨー回転しロータをタワー１より風下に靡かせるから、ヨー駆動手段が機能していなくともロータ及びブレード後縁が風下に靡く待機形態を確保でき、この待機形態によりブレード後縁から暴風を避けてフラッタの発生を低減し、ひいてはブレードその他の暴風時設計荷重を低減することができる。 During the standby mode in which a storm is generated, all the blades 4a to 4c receive wind from the front edge, and the load applied to the blades 4a to 4c can be reduced by avoiding the generation of flutter.
As described above, according to the horizontal axis wind turbine of the present embodiment, the nacelle 2 is yaw-rotated by the wind force and causes the rotor to wind down from the tower 1, so that the rotor and blade trailing edge are leeward even if the yaw driving means is not functioning. In this standby mode, it is possible to avoid windstorms from the trailing edge of the blade and reduce the occurrence of flutter, thereby reducing the blade and other design loads during windstorms.

ロータが風下に靡く待機形態となるので、風向きが変化した場合であっても、ロータが常に風下側に位置するようにナセル２がヨー回転するため、ブレード４ａ〜４ｃやタワー１に作用する荷重を逃がしながら負荷を軽減することができる。したがって、例えば、台風などの暴風時においても、水平軸風車の姿勢維持のための特別な制御手段を要することなく、常にロータがタワー１の風下側に配置され、風によって受ける荷重を最小に抑えることができる。さらに、これによって水平軸風車の設計強度を大幅に緩和することができ、設計の自由度を高めることができ、コストの軽減を図ることができる。   Since the rotor is in a standby mode to wind down, the nacelle 2 is yaw-rotated so that the rotor is always located on the leeward side even when the wind direction changes, so the load acting on the blades 4a to 4c and the tower 1 The load can be reduced while letting go. Therefore, for example, even during a storm such as a typhoon, the rotor is always arranged on the leeward side of the tower 1 without any special control means for maintaining the attitude of the horizontal axis wind turbine, and the load received by the wind is minimized. be able to. In addition, the design strength of the horizontal axis wind turbine can be greatly relaxed, the degree of freedom in design can be increased, and the cost can be reduced.

また、本実施形態の水平軸風車によれば、例えば、台風などの暴風時に、まず、すべてのブレード４ａ〜４ｃのピッチ角をフェザーの状態にすることにより、各ブレード４ａ〜４ｃに作用する風による抗力を低減することができる。その結果、ブレード４ａ〜４ｃおよびタワー１に作用する荷重を低減することができる。   Further, according to the horizontal axis wind turbine of the present embodiment, for example, in the case of a storm such as a typhoon, first, the wind acting on each blade 4a to 4c is set by setting the pitch angle of all the blades 4a to 4c to a feather state. The drag due to can be reduced. As a result, the load acting on the blades 4a to 4c and the tower 1 can be reduced.

また、独立ピッチ制御装置１２によってフェザーにした各ブレード４ａ〜４ｃのピッチ角を１枚ずつ順次反転フェザーにするため、すべての翼を同時に反転させる場合に比べて、ブレード４ａ〜４ｃおよびタワー１に作用する荷重の増加を最小限に抑えることができる。その結果、ブレード４ａ〜４ｃに過度の抗力および揚力が発生することを防止することができ、ロータが過回転になることを効果的に防止することができる。   Moreover, since the pitch angle of each blade 4a-4c made into a feather by the independent pitch control device 12 is made into a reversal feather one by one, the blades 4a-4c and the tower 1 are compared with the case where all the blades are reversed at the same time. An increase in the applied load can be minimized. As a result, it is possible to prevent excessive drag and lift from being generated in the blades 4a to 4c, and to effectively prevent the rotor from over-rotating.

翼の大型化を想定し待機形態によるフラッタの発生等を検証するため、通常はフラッタの発生しない直径８０ｍ（２ＭＷ相当）の風車について、翼剛性を大幅に低下させたモデルＡ，Ｂ，Ｃを作成した。モデルＡ，Ｂ，Ｃの条件及び待機姿勢を図３に示す表中に記載した。
モデルＡ，Ｂ，Ｃのそれぞれに対し、図４に示す風況下でのナセル方位角（図５）、ロータ回転速度（図６）、翼捩れ変位（図７）、翼根フラップ曲げ（図８）、翼根トルク（図９）、ヨートルク（図１０）、ヨー水平力（図１１）を解析し、グラフ出力した。また、解析結果の要点、分布範囲、評価付けを図３に示す表中に記載した。 In order to verify the occurrence of flutter due to standby mode on the assumption of larger blades, models A, B, and C with significantly reduced blade rigidity are typically used for wind turbines with a diameter of 80 m (equivalent to 2 MW) where flutter does not occur. Created. The conditions and standby postures of models A, B, and C are shown in the table shown in FIG.
For each of models A, B, and C, the nacelle azimuth angle (FIG. 5), rotor rotational speed (FIG. 6), blade twist displacement (FIG. 7), and blade root flap bending (FIG. 4) shown in FIG. 8) Blade root torque (FIG. 9), yaw torque (FIG. 10), and yaw horizontal force (FIG. 11) were analyzed and output as a graph. Moreover, the main points of the analysis results, the distribution range, and the evaluation are described in the table shown in FIG.

図３に示す表中にも記載するように、モデルＡは、従来技術２の待機形態に該当する。モデルＢは、従来技術３及び５の待機形態に該当する。モデルＣは、本発明実施例の待機形態であり、従来技術４の待機形態もこれに該当する。   As described in the table shown in FIG. 3, the model A corresponds to the standby mode of the related art 2. Model B corresponds to the standby mode of the prior arts 3 and 5. Model C is the standby mode of the embodiment of the present invention, and the standby mode of the prior art 4 also corresponds to this.

本発明実施例の待機形態であるモデルＣは、翼のフラップ曲げ/捩りならびにヨー水平力について良好な荷重軽減効果がある。また、ヨートルクに関しても、通常のアップウィンド機（モデルＡ）と比較して大幅に改善している。以下に一項目ずつ評価を試みる。   The model C, which is the standby mode of the embodiment of the present invention, has a good load reducing effect with respect to the wing flap bending / twisting and the yaw horizontal force. Further, the yaw torque is greatly improved as compared with a normal upwind machine (model A). The following items are evaluated one by one.

(１）ナセル方位角（図５参照）
基本的にヨーを滑らせるモデルＢ，Ｃでは風向に追従している。後縁が風上を向くモデルＢでは、前半部（０〜１５０[sec]）で翼の振動があり、ヨーもこれに振られている。 (1) Nacelle azimuth (see Fig. 5)
The models B and C that basically slide the yaw follow the wind direction. In the model B in which the trailing edge faces upwind, the blades vibrate in the first half (0 to 150 [sec]), and the yaw is also swung.

（２）回転速度（図６参照）
ヨーを滑らせるモデルＢ，Ｃでは基本的にロータはゆっくり遊転しているが、後縁が風上に向くモデＢでは、前半部（０〜１５０[sec]）で翼の振動があり、ロータもこれに振られている。 (2) Rotational speed (see Fig. 6)
In the models B and C that slide the yaw, the rotor basically swings slowly, but in the model B with the trailing edge facing the windward, there is blade vibration in the first half (0 to 150 [sec]). The rotor is also swung to this.

（３）翼捩り変位（図７参照）
翼根トルクとほぼ同様の評価が当てはまる。
（４）翼根フラップ曲げ（図８参照）
全般に、ロータ回転に伴う荷重の揺動がある。モデルＢの前半部（０〜１５０[sec]）は短い周期で振動する。 (3) Blade torsional displacement (see Fig. 7)
The same evaluation as the blade root torque applies.
(4) Blade root flap bending (see Fig. 8)
In general, there is a swing of a load accompanying rotor rotation. The first half (0 to 150 [sec]) of model B vibrates with a short period.

（５）翼根トルク（図９参照）
全般に、ロータ回転に伴う荷重の揺動がある。モデルＢの前半部（０〜１５０[sec]）やモデルＡの２００sec付近など、ロータ後縁から暴風を受けている場合に大きなトルクが発生している。通常、ピッチ機構が捩り戻されることは安全上許容できないので、ピッチ機構並びにブレードの構造はこれに耐えるものとする必要がある。 (5) Blade root torque (see Fig. 9)
In general, there is a swing of a load accompanying rotor rotation. A large torque is generated when storms are received from the trailing edge of the rotor, such as the first half of model B (0 to 150 [sec]) and the vicinity of 200 seconds of model A. Usually, since it is unacceptable for the pitch mechanism to be twisted back, the structure of the pitch mechanism and the blade needs to withstand this.

（６）ヨートルク（図１０参照）
ヨーを滑らせるモデルＢ，Ｃの場合、ヨートルクの振幅は小さく制限され、これを逸脱する場合には、ヨーが滑ることにより荷重を逃がす。モデルＢ，Ｃでは、ヨー保持のモデルＡの場合と比較して大幅に荷重が低減している。 (6) Yaw torque (see Fig. 10)
In the models B and C that slide the yaw, the amplitude of the yaw torque is limited to a small value, and when it deviates from this, the load is released by the yaw slipping. In the models B and C, the load is significantly reduced as compared with the case of the model A with yaw holding.

（７）ヨー水平力（図１１参照）
ヨー水平力はタワーと基礎の設計に大きく寄与する。ヨーを滑らせるモデルＢ，Ｃでは基本的に荷重を低減する傾向であるが、後縁から風を受けるモデルＢでは大きな振動が発生し、逆に荷重を増やしている。この逆転傾向は、翼剛性が著しく低いときに見られる。 (7) Yaw horizontal force (see Fig. 11)
Yaw horizontal force greatly contributes to the design of towers and foundations. In the models B and C that slide the yaw, there is a tendency to reduce the load basically, but in the model B that receives the wind from the trailing edge, a large vibration is generated and the load is increased. This tendency to reverse is seen when the blade stiffness is significantly low.

本発明一実施形態のアップウィンド型水平軸風車を上から見た平面図である。It is the top view which looked at the upwind type horizontal axis windmill of one embodiment of the present invention from the top. 本発明一実施形態のアップウィンド型水平軸風車に搭載される制御部の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the control part mounted in the upwind type horizontal axis windmill of one Embodiment of this invention. 本発明又は従来技術の待機形態に係るモデルＡ，Ｂ，Ｃの条件及び解析結果を記載した表である。It is the table | surface which described the conditions and analysis result of model A, B, C which concern on this invention or the standby form of a prior art. 解析の条件に係る風況を示すグラフである。It is a graph which shows the wind condition which concerns on the conditions of analysis. ナセル方位角の解析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the analysis result of a nacelle azimuth. ロータ回転速度の解析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the analysis result of a rotor rotational speed. 翼捩れ変位の解析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the analysis result of blade torsion displacement. 翼根フラップ曲げの解析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the analysis result of a blade root flap bending. 翼根トルクの解析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the analysis result of a blade root torque. ヨートルクの解析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the analysis result of yaw torque. ヨー水平力の解析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the analysis result of a yaw horizontal force.

符号の説明Explanation of symbols

１ タワー
２ ナセル
３ ハブ
４ａ，４ｂ，４ｃ ブレード 1 Tower 2 Nacelle 3 Hub 4a, 4b, 4c Blade

Claims (3)

ハブと少なくとも２枚以上のブレードとを有するロータと、
前記ハブに接続された主軸を介して前記ロータを軸支するナセルと、
前記ナセルをヨー回転自在に支持するタワーと、
前記ブレードのピッチ角をそれぞれ独立に制御する独立ピッチ制御装置と、
前記ナセルのヨー回転を制御するヨー制御装置とを備え、
所定値以下の風速時に前記ヨー制御装置の制御により前記ロータを前記タワーより風上に配置し前記ロータの回転を介して風力を利用する運転モードと、前記所定値を超える風速時に前記運転モードに備えて待機する待機モードとを有するアップウィンド型の水平軸風車において、
（１）前記独立ピッチ制御装置は、前記所定値を超える風速時に、すべての前記ブレードをフェザーにする第１ステップと、前記第１ステップ後に前記ブレードを１枚ずつ順次反転フェザーにする第２ステップと、前記第２ステップ後に前記運転モードの復帰まですべての前記ブレードを反転フェザーの状態に保持する第３ステップとからなる制御動作を有し、
（２）前記ヨー制御装置は、前記所定値を超える風速時に、風力により前記ナセルに負荷されるヨー軸周りのトルクによるヨー回転を許容する制動値にヨーブレーキを制御する制御動作を有し、
前記待機モードとして、前記（１）（２）の制御動作を実行することにより前記ロータを前記タワーより風下に靡かせることを特徴とする水平軸風車。 A rotor having a hub and at least two or more blades;
A nacelle that pivotally supports the rotor via a main shaft connected to the hub;
A tower that supports the nacelle in a yaw-rotating manner;
An independent pitch control device for independently controlling the pitch angle of the blade;
A yaw control device for controlling the yaw rotation of the nacelle,
When the wind speed is less than or equal to a predetermined value, the rotor is placed upwind from the tower under the control of the yaw control device, and wind power is used through rotation of the rotor, and the operation mode is entered when the wind speed exceeds the predetermined value. In an upwind type horizontal axis wind turbine having a standby mode for preparing and waiting,
(1) The independent pitch control device includes a first step in which all the blades are feathered when the wind speed exceeds the predetermined value, and a second step in which the blades are sequentially turned one by one after the first step. And a third step of holding all the blades in a reverse feather state until the return to the operation mode after the second step,
(2) The yaw control device has a control operation of controlling the yaw brake to a braking value that allows yaw rotation by a torque around a yaw axis loaded on the nacelle by wind force at a wind speed exceeding the predetermined value,
A horizontal axis wind turbine characterized in that, as the standby mode, (1) and (2) control operations are executed to cause the rotor to move downwind from the tower. 前記ヨー制御装置は、前記独立ピッチ制御装置が前記第２ステップを実行する前に前記（２）の制御動作を実行することを特徴とする請求項１記載の水平軸風車。   The horizontal axis wind turbine according to claim 1, wherein the yaw control device executes the control operation of (2) before the independent pitch control device executes the second step. 前記ヨー制御装置は、前記独立ピッチ制御装置が前記第１ステップを実行する前又は同時に前記（２）の制御動作を実行することを特徴とする請求項１記載の水平軸風車。   2. The horizontal axis wind turbine according to claim 1, wherein the yaw control device executes the control operation of (2) before or simultaneously with the execution of the first step by the independent pitch control device.
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