CN102713272A - 风车转动体设计方法、风车转动体设计支援装置、风车转动体设计支援程序及风车转动体 - Google Patents

Abstract

提供一种涉及风车转动体的设计方法。该风车转动体包括：旋翼毂，设置于旋翼毂上的轴承和安装于轴承上的风车翼。该风车转动体设计方法包括：提供表示含有风车转动体的风力发电装置的运转环境的运转环境数据和风车翼的设计数据；根据运转环境数据和设计数据，计算出在该运转环境下的、风车翼的长度方向的各位置的风车翼的翼的质量中心的位置；在从风车翼的翼根到翼前端的范围内，对算出的翼的质量中心位置与风车翼的长度方向各位置的单位长度质量的乘积进行积分而得到积分值，而计算出依存于所得到的积分值的值，该值就是评价值。

Description

风车转动体设计方法、风车转动体设计支援装置、风车转动体设计支援程序及风车转动体

技术领域

本发明涉及风车转动体设计方法、风车转动体设计支援装置及风车转动体，特别是在风力发电装置中，防止所使用的风车翼(叶片)与塔架接触，而且能够使俯仰力矩降低。

背景技术

伴随着迎风型风力发电装置的风车转动体径的增大，即，风车翼的长大化，产生因为风负荷所引起的风车翼的挠曲量增大的问题。风车翼的挠曲量的增大，风车翼可能与塔架接触，所以考虑到风车翼的挠曲量，必须设计一种防止风车翼与塔架接触的风力发电装置。

公知有三种防止风车翼与塔架接触的方法。第1种方法，风车翼的俯仰轴(风车翼的旋转轴)向迎风侧倾斜(设置锥形角)。第2种方法，风车翼向迎风侧弯曲(预先弯曲)。第3种方法，翼根部的初始安装面与俯仰轴保持倾斜角，风车翼相对于俯仰轴倾斜安装(根切)。这些方法的每一种，都使风车翼的前端远离塔架，有效的防止了风车翼与塔架的接触。这样的技术，例如，美国专利申请公开第2009/0304513A1、美国专利第6,582,196B1、美国专利申请公报第2010/0104444A1及德国专利申请第102006041383A1中公开。

但是，单单采用这些方法，因为风车翼的长大化，作用于翼旋转轴承负载的不均衡的增大，无法消除使风车翼绕着俯仰轴旋转所必要的俯仰力矩的增大的问题。首先，在这种情况下，相反作用于翼旋转轴承的负载的不均衡可能会增大。俯仰力矩的增加，必须增大搭载在旋翼毂的俯仰控制机构的驱动能力，这不是设计风力发电装置所希望的。但是，如果通过风车翼的设计可以减小使风车翼绕俯仰轴旋转所必要的俯仰力矩，就可以避免这一问题。

于是，通过发明者的研究，采用最适合的设计手法，可以减小使风车翼绕俯仰轴旋转所必要的俯仰力矩。所述公知技术中，没有涉及到关于减小俯仰力矩的技术。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：美国专利申请公开第2009/0304513A1

专利文献2：美国专利第6,582,196B1

专利文献3：美国专利申请公报第2010/0104444A1

专利文献4：德国专利申请第102006041383A1

发明内容

本发明的目的在于提供一种设计技术，以使风车翼绕俯仰轴旋转所必要的俯仰力矩减小。

在本发明的第一个观点中，提供一种风车转动体的设计方法，该风车转动体包括：旋翼毂，设置于所述旋翼毂上的轴承，安装于所述轴承上的风车翼。该风车转动体设计方法包括：提供运转环境数据和所述风车翼的设计数据，该运转环境表示含有风车转动体的风力发电装置的运转环境；根据运转环境数据和设计数据，计算出在该运转环境下的风车翼的长度方向各位置的风车翼的翼的质量中心的位置；在从风车翼的翼根到翼前端的范围内，对算出的翼的质量中心位置与风车翼的长度方向各位置的单位长度质量的乘积进行积分而得到积分值，而计算出依存于所得到的积分值的值，该值就是评价值。

第一实施形态中，优选的是，运转环境数据包括：第一数据，表示风力发电装置的额定风速；第二数据，表示运转风力发电装置所容许的最低温度及对应于该最低温度的空气密度。

另外，评价值F利用如下公式(1)计算：

$F={\∫}_{Z_0}^{Z_1}x\left(z\right)m\left(z\right)\mathrm{dz},\·\·\·\left(1\right)$

其中，在公式(1)中，z轴被定义为沿轴承的中心轴方向。x轴是垂直于z轴，且含有x轴、z轴的平面被设定义与风车转动体的旋转面垂直。x(z)是在z轴上的位置z的、在运转环境下的风车翼的翼的质量中心的x轴方向的位置，m(z)是在z轴上的位置z的风车翼的单位长度的质量。z₀是风车翼的翼根在z轴上的位置，z₁是翼前端在z轴上的位置。

在第一实施形态中，x(z)通过以下公式(2)计算：

x(z)＝Δx(z)-Δx_PRE(z)-zsinθ，...(2)

其中，Δx(z)是在该运转环境下的、由风负载所引起的所述x轴方向的所述翼的质量中心的位移，风车翼的预先弯曲量Δx_PRE(z)是在位置z上的、无负载时所述风车翼的所述翼的质量中心在所述x轴方向的位置，根切倾斜角θ是在所述风车翼的翼根部的、所述风车翼的延伸方向与所述轴承的中心轴之间的夹角度。

在该风车转动体设计方法中，更加优选的是为了所述积分值的减小而修正所述设计数据。

在风车翼的翼根部是圆筒形的情况下，也可以把在翼根部的风车翼的延伸方向定义为圆筒形的中心线。

本发明的其他观点，提供一种风车转动体的设计支援装置。该风车转动体包括：旋翼毂、设置于旋翼毂上的轴承、安装于轴承上的风车翼。该设计支援装置备有存贮装置和运算装置，所述存贮装置存贮表示含有所述风车转动体的风力发电装置的运转环境的运转环境数据和所述风车翼的设计数据；所述运算装置通过运行程序计算评价值，根据所述运转环境数据和所述设计数据，计算出在所述运转环境下的所述风车翼的长度方向各位置的所述风车翼的翼的质量中心的位置，并且在从风车翼的翼根到翼前端的范围内，对算出的翼的质量中心位置与风车翼的长度方向各位置的单位长度质量的乘积进行积分而得到积分值，而计算出依存于所得到的积分值的值，该值就是评价值。

本发明的其他观点提供一种风车转动体的设计支援程序，该风车转动体具备有旋翼毂、设置于旋翼毂上的轴承和安装于轴承上的风车翼。该风车转动体的设计支援装置程序是在计算机中按照下述步骤进行：计算所述风车翼的翼的质量中心的位置的步骤，以存贮装置中预备的表示以含有所述风车转动体的风力发电装置的运转环境的运转环境数据和所述风车翼的设计数据为基础，在所述运转环境下的、计算出所述风车翼的长度方向各位置的所述风车翼的翼的质量中心的位置；以及，计算评价值的步骤，在从风车翼的翼根到翼前端的范围内，对算出的翼的质量中心位置与风车翼的长度方向各位置的单位长度质量的乘积进行积分而得到积分值，而计算出依存于所得到的积分值的值，该值就是评价值。

本发明的其他观点提供一种风车转动体，该风车转动体包括：旋翼毂、设置于旋翼毂上的轴承和安装于轴承上的风车翼。其中，当第一方向被设定沿轴承中心轴方向，第二方向与第一方向垂直，且第一方向和第二方向所规定的平面垂直于风车转动体的旋转面时，所述风车翼形成以下形状：在气温为运转含有所述风车转动体的风力发电装置所容许的最低温度的情况下，且在吹着额定风速的风的情况下，当在所述翼根以外对曲线引切线时，从所述曲线的所述一致位置离开的部分位于切线与轴承的中心轴之间，所述曲线是由风负荷引起的风车翼的翼的质量中心在第二方向的位置的相对于从风车翼的翼根开始在第一方向的距离进行变化的曲线，所述切线是位于所述风车翼的翼的质量中心与所述轴承的中心轴一致的位置。

本发明提供一种设计技术，减小风车翼绕俯仰轴旋转时所必要的俯仰力矩。

附图说明

图1表示第一实施形态的风力发电装置的结构的侧视图。

图2表示第一实施形态的旋翼毂与风车翼的连接结构的例子的立体图。

图3A表示风车翼的翼面形状的例子的俯视图。

图3B表示从翼弦方向观察的风车翼结构的主视图。

图4表示风车转动体轴承的中心轴与风车翼的翼根部的中心线的关系的侧视图。

图5表示在不采用“根切法”的情况下，风车翼的翼根部与A-A剖面的翼剖面的位置关系。

图6表示在采用“预先弯曲法”，不采用“根切法”的情况下，翼的质量中心的迎风方向(x轴方向)的位置的、相对于从翼根向俯仰轴方向(z轴方向)的位置的变化的曲线图。

图7表示在采用“根切法”的情况下，风车翼的翼根部与A-A剖面及B-B剖面的翼剖面的位置关系。

图8表示在采用“预先弯曲法”和“根切法”的情况下，翼的质量中心的迎风方向(x轴方向)的位置的、相对于从翼根向俯仰轴方向(z轴方向)的位置的变化的曲线图。

图9表示在适合的风车翼的情况下，翼的质量中心的迎风方向的位置的、相对于从翼根向俯仰轴方向(z轴方向)的位置的变化的曲线图。

图10表示第一实施形态的风车转动体设计支援装置的结构的方块图。

具体实施方式

图1表示第一实施形态的迎风型风力发电装置的结构的侧视图。风力发电装置1包括：设立于基础7上的塔架2、设置于塔架2上端的机舱3和风车转动体4。风车转动体4包括：安装于机舱3上可以旋转的旋翼毂5，三枚安装于旋翼毂5的风车翼6。风车转动体4的旋转轴(风车旋转轴4a)为水平方向，或者朝上迎风方向而比水平方向稍稍偏上的方向。利用风负荷风车转动体旋转，风力发电装置1产生电力，向与风力发电装置连接的电力系统供给电力。

图2表示旋翼毂5与风车翼6的连接结构的例的立体图。在转动体5上安装有三个轴承8(图示只表示一个)。轴承8，可以支持风车翼6的旋转，轴承8的中心轴是风车翼6的旋转中心轴，即俯仰轴。利用轴承8，风车翼6的俯仰角可变。

图3A、图3B表示风车翼6结构的例子的示图。图3A表示风车翼6的翼面的形状，图3B表示从翼弦方向观察所得的风车翼6结构的示图。本实施形态中，风车翼6的翼根部6a形成圆筒形，风车翼6的中央部及前端部形成翼形。形成翼形的部分和翼根部6a平滑接合。并且，在风车翼6的翼面之中，迎风侧的翼面6c为凹面，并且顺风侧的翼面6d为凸面。因此，风车翼6的前端部分向迎风方向弯曲。如后述所示，这些是用于防止风车翼6与塔架2间的接触。在图3A、图3B中，符号10表示翼根部6a的风车翼6的中心线(及其延长线)。如图3B所表示，风车翼6的翼前端6b位于相对中心线10偏离迎风方向。另外，在图3A、图3B中，符号6e表示风车翼6的翼根。

图4表示轴承8的中心轴(即俯仰轴)与翼根部6a的中心线10的关系的侧视图。俯仰轴参照图4的符号9。以下说明中使用的用语，参照图4定义。

(1)风车的旋转面

风车旋转面12是垂直于风车旋转轴4a的平面。

(2)锥形角

锥形角α是俯仰轴9与风车旋转面12所形成的角度。更严密的说，包含俯仰轴9且垂直于风车旋转面12的面与风车旋转面12形成直线，该直线与俯仰轴9形成的角度。

(2)根切倾斜角

根切倾斜角θ是，翼根部6a的风车翼6的延伸方向与俯仰轴9所形成的角度。在此，因为在本实施形态中翼根部6a形成为圆筒形，所以根切倾斜角θ被定义为该翼根部6a的圆筒形的中心线与俯仰轴9所形成的角度。在本实施形态中，通过倾斜切割圆筒形的翼根部6a，得到非零的根切倾斜角θ。

其中，z轴方向被定义为沿俯仰轴9的方向。但是，风车翼6的翼根6e为z＝0。而且，x轴方向被定义为垂直于z轴方向，且面向迎风侧的方向。在此，x轴方向被定义为，在由x轴方向与z轴方向所定义的平面与风车旋转面12垂直。

如上所述可知，有三种用于防止风车翼6与塔架2接触的技术。

第一种方法，风车翼6的俯仰轴(风车翼6的旋转中心轴)向迎风侧倾斜。这就意味着，所述圆锥角α设定为非零。以下，称这种方法为“非零圆锥角法”。

第二种方法，制作时风车翼6的前端部分向迎风侧弯曲。以下，称这种方法为“预先弯曲法”。

第三种方法，把风车翼6的翼根部6a倾斜切断，风车翼6相对于俯仰轴9倾斜安装。这就意味着，所述的根切倾斜角θ设定为非零。以下，称这种方法为“根切法”。

这些方法每一种都可以有效的用于防止风车翼6与塔架2接触。最简单并且应用最广泛的方法是“非零圆锥角法”，在风车翼长大的情况下，如果只采用“非零圆锥角法”的方法，无法防止风车翼与塔架2的接触。因此，通过发明者的研究，最好把其他方法与“非零圆锥角法”方法组合使用。

这里，发明者有这样一个见解。根据“非零圆锥角法”、“预先弯曲法”及“根切法”的每一种对俯仰力矩Mzb(用于风车翼6绕俯仰轴9旋转所必要的力矩)的影响的不同，通过对这些方法进行适当的组合使用，可以减小俯仰力矩Mzb。以下，讨论“非零圆锥角法”、“预先弯曲法”及“根切法”对俯仰力矩Mzb的影响。

在只采用“非零圆锥角法”的情况下，无风负荷时风车翼6在俯仰轴9之上。因此，只采用“非零圆锥角法”，在因为风负荷风车翼6弯曲的情况下，风车翼6的顶端部分离开俯仰轴9，俯仰力矩Mzb增大。

但是，如果采用“预先弯曲法”，则在通过风负荷作用风车翼6弯曲的情况下，风车翼6的前端部分可以靠近俯仰轴9，所以可以使俯仰力矩Mzb减小。

这里，通过发明者的讨论，最有效减小俯仰力矩Mzb的是“根切法”。以下，参照图5～图9，由“根切法”所产生的俯仰力矩Mzb的减小效果进行说明。

图5表示，在不采用“根切法”的情况下，风车翼6的翼根部6a与翼剖面11A的位置关系。这里图5的左图表示，在风车翼6位于方位角270°的情况下，风车翼6的翼根部6a与翼剖面11A的位置关系，右图表示，在风车翼6位于方位角90°的情况下，风车翼6的翼根部6a与翼剖面11A的位置关系。这里，本说明书中，“方位角”是风车旋转轴4a在周向的风车翼6的位置，在风车翼6位于垂直向上方向或者垂直向上方向的最近方向的情况下，方位角为0°。翼剖面11A是，图3A、图3B的A-A剖面，即从风车翼6的中间稍微靠近翼前端6b的位置的风车翼6的翼剖面。

如图5所示，因为风负荷作用和风车翼6的弯曲，翼剖面11A离开俯仰轴9。与风车翼6的挠曲量成比例，因为风车翼6的自重和空气阻力，非对称负载作用于使风车翼6旋转的轴承8，使俯仰力矩增加。图6表示，在采用“预先弯曲法”，而不采用“根切法”的情况下，翼的质量中心的迎风方向(x轴方向)的位置x(z)，相对于从翼根6e向俯仰轴方向(z轴方向)的位置z的变化的曲线图。这里，在俯仰轴方向的位置z的翼的重量中心的位置x(z)是，计算通过位置z与俯仰轴9垂直的翼剖面所得的翼的重量中心的位置。无风负荷作用时，风车翼6弯曲的顶端部分位于从俯仰轴9沿迎风方向稍微离开的位置，整体上，翼的质量中心位于俯仰轴9的附近。当与额定风速下对应的风负荷作用时，风车翼6向顺风侧弯曲，翼的质量中心越接近风车翼6的翼前端6b，越从俯仰轴9离开。由此，作用于使风车翼6旋转的轴承8的负载的非对称性增加，使风车翼6绕俯仰轴9旋转所必要的俯仰力矩Mzb增大。

另外，图7表示，在采用“根切法”的情况下，风车翼6的翼根部6a与翼剖面11A、11B的位置关系。图7的左图表示，在风车翼6位于方位角270°的情况下，风车翼6的翼根部6a与翼剖面11A、11B的位置关系。右图表示在风车翼6位于方位角90°的情况下，风车翼6的翼根部6a与翼剖面11A、11B的位置关系。这里，翼剖面11B是，图3A、图3B的B-B剖面，即，从风车翼6的中间稍微靠近翼根6e的位置的风车翼6的翼剖面。即，翼剖面11A位于，相对地接近于风车翼6的翼前端6b的位置，翼剖面11B位于，相对地接近于风车翼6的翼根部6a的位置。

采用“根切法”的风车翼6的一个特征是，在因为风负荷作用而风车翼6弯曲的情况下，接近于风车翼6的翼根部6a的部分位于俯仰轴9的迎风侧，接近于翼前端6b的部分位于俯仰轴9的顺风侧。这些通过图7表示，在图7中，即使在方位角270°、90°的任意角度的情况下，翼剖面11A、11B隔着俯仰轴9而位于相对的两侧。另外，如图8所表示，在领域B中，翼的质量中心位于相对于俯仰轴9的迎风侧，在领域A中，翼的质量中心位于相对于俯仰轴9的迎风侧。由此，通过接近风车翼6的翼根部6a的部分与接近翼前端6b的部分的自重所产生的俯仰力矩Mzb相互抵消，风车翼6绕俯仰轴9旋转所必要的俯仰力矩Mzb减小。

这里，在设计让俯仰力矩Mzb减小的风车转动体4时，必须要留意俯仰力矩Mzb是依赖于风力发电装置1的运转环境。在运转风力发电装置1所容许的气温为最低温度，且吹着额定风速的风的运转环境下运转风力发电装置1的情况下，俯仰力矩Mzb最大。即气温与空气密度有关，在气温为最低气温的情况下，俯仰力矩变得最大。另外，风力发电装置1，一般地，在实际风速小于额定风速的情况下，风车翼6控制在俯仰角最小状态的良好状态(接受风能最大的状态)或者最小俯仰角附近的俯仰角的状态，实际速度超过额定风速时，随着风速的增大，俯仰角增大，接近羽状状态(接受风能最小的状态)。在这样的运转情况下，实际风速为额定风速时，俯仰力矩Mzb最大。结果，在气温为运转风力发电装置1所容许的最低气温，而且吹着额定风速的风的情况下，俯仰力矩Mzb最大，所以对于这种情况，适宜地设计风车转动体4以减小俯仰力矩Mzb。

对于适宜的风车转动体4的设计的例子，在俯仰力矩Mzb符合最大条件(也就是说，在气温为运转风力发电装置1所容许最低气温，且吹着额定风速的风的情况下)，风车翼6的翼的质量中心在迎风方向的位置x(z)，相对于从翼根6e沿俯仰轴(z轴方向)向上的位置z变化的曲线满足以下条件(参照图9)。

条件：

在翼根6以外引切线L时，该切线在翼的质量中心的位置x(z)与俯仰轴9一致的位置Q，这时，离开该曲线上位置Q的部分位于切线L和俯仰轴9(z轴)之间。

如果设计满足这些条件的风车翼6，风车翼6弯曲时，可以提高俯仰轴的迎风侧部分与顺风侧部分的平衡，减小俯仰力矩Mzb。

如果只考虑减小俯仰力矩Mzb，希望注意的是，采用“根切法”是重要的，而未必采用“非零圆锥角法”和“预先弯曲法”。但是，从防止风车翼6与塔架2接触的观点来说，采用“非零圆锥角法”及/或“预先弯曲法”是有效果的。因此，对于实际的风车转动体4的整体来说，采用“非零圆锥角法”和/或“预先弯曲法”并加上“根切法”是优选的。

这里，在采用“根切法”的情况下，重要的是使根切倾斜角θ最优化。当根切倾斜角θ过大时，因为风负荷作用风车翼6弯曲时，俯仰轴9的迎风侧部分和顺风侧部分失去平衡，俯仰力矩Mzb增大。而且，在采用“预先弯曲法”的情况下，风车翼6弯曲时在俯仰轴的迎风侧部分和在顺风侧部分的平衡依赖于“预先弯曲”的程度。因此，为了确定最适合的根切倾斜角θ，必须考虑风车翼6在各位置上的预先弯曲量(也就是，无风负荷时，风车翼6在俯仰轴方向的各位置的翼的质量中心的x轴方向的位置)。以下讨论设计最优化的根切倾斜角θ的方法。

如上所述，为了减小用于使风车翼6绕俯仰轴9旋转所必要的俯仰力矩Mzb，风车翼6在俯仰轴9的迎风侧部分和顺风侧部分的俯仰力矩Mzb间的平衡是非常重要的。一种评价这种平衡的方法：在风车翼6的翼根6e到翼前端6b的范围内，对在风负荷作用状态下风车翼6的翼的质量中心位置x(z)和风车翼6在z轴方向各位置上的单位长度质量m(z)的乘积进行积分所得的积分值f为基础计算出评价值。积分值f的表达式(1)如下：

$f={\∫}_{z_0}^{z_1}x\left(z\right)m\left(z\right)\mathrm{dz},\·\·\·\left(1\right)$

其中，z是z轴方向(俯仰轴9方向)的位置。z₀是风车翼6的翼根6e在z轴上的位置，z₁是是风车翼6的翼前端6b在所述z轴上的位置。

在第一实施例中，可以直接使用积分值f作为评价值。在这种情况下，评价值F的表达式(2)如下：

$F={\∫}_{z_0}^{z_1}x\left(z\right)m\left(z\right)\mathrm{dz},\·\·\·\left(2\right)$

评价值F也可以不是积分值f，也可以是对积分值进行某些运算所得的值。而且，也可以是考虑了积分值f以外的参数而计算出的值。

第一实施形态中，可以通过以下公式(3)计算出在风负荷作用状态下的风车翼6的翼的质量中心的位置x(z)：

x(z)＝Δx(z)-Δx_PRE(z)-z sinθ，...(3)

其中，Δx(z)是，风负荷作用状态下x轴方向的翼的质量中心的位移(displacement移动)。Δx_PRE(z)是在坐标z迎风车翼6的预先弯曲量，即，在无风负荷作用时，坐标z上的风车翼6的翼的质量中心在x轴方向的位置，θ是根切倾斜角，即在风车翼6的翼根部6a上，风车翼6的延伸方向与轴承8的中心轴之间的角度。

在这种情况下，从式(2)、(3)得到以下公式(4)：

$F={\∫}_{z_0}^{z_1}(\mathrm{\Δx}\left(z\right)-\mathrm{\Δ}{x}_{\mathrm{PRE}}\left(z\right)-z\sin \mathrm{\θ})m\left(z\right)\mathrm{dz},\·\·\·\left(4\right)$

第一实施形态中，也可以利用式(4)得到评价值F。而且，风车翼6的翼根6e的位置为z＝0。在翼前端6b的位置为z＝R的情况下(也就是，风车翼6的翼长为R的情况下)，得到以下公式(5)：

$F={\∫}_0^R(\mathrm{\Δx}\left(z\right)-\mathrm{\Δ}{x}_{\mathrm{PRE}}\left(z\right)-z\sin \mathrm{\θ})m\left(z\right)\mathrm{dz},\·\·\·\left(5\right)$

在第一实施形态中，也可以利用式(5)得到评价值F。

其中，在有风负荷作用的情况下的翼的质量中心的位置x(z)(或者，因为风负荷所引起的翼的质量中心的位移Δx(z))的值是依赖于运转风力发电装置1的运转环境。运转环境可以列举出空气密度、气温和风速。其中，因为空气密度依赖于气温，所以希望注意的是空气密度和气温是基本等效的参数。第一实施形态中，评价值F通过依存于气温T和风速v的函数计算得出。计算出要求的气温T和风速v下的位置x(z)(或者位移Δx(z))，而且，通过从计算出的位置x(z)(或者是位移Δx(z))中计算出评价值F，可以评价在该气温T和风速v的情况下，风车翼6在俯仰轴的迎风侧部分和顺风侧部分的俯仰力矩Mzb间的平衡。作为替代，也可以通过依存于空气密度ρ和风速v的函数计算出评价值F。在这种情况下，可以评价在该空气密度ρ和风速v下，风车翼6在俯仰轴9的迎风侧部分和顺风侧部分的俯仰力矩Mzb间的平衡。

其中，如上所述，在运转风力发电装置1所容许的最低气温T_LOW(或者，空气密度ρ为最大空气密度ρ_MAX)，风速v为额定风速的情况下，用于使风车翼6绕俯仰轴9旋转所必要的俯仰力矩Mzb的最大。因此，计算出最低气温T_LOW(或者，空气密度ρ为最大空气密度ρ_MAX)及额定风速V_RATED下的翼的质量中心位置x(z)(或者位移Δx(z))，利用计算出的位置x(z)(或者位移Δx(z))，计算出评价值F，该评价值F是，为了评价由于风车翼6的A领域部分和B领域部分的自重所产生的俯仰力矩Mzb间的平衡的最佳值。为了使最低气温T_LOW(或者，最大空气密度ρ_MAX)，额定风速V_RATED计算所得的评价值F最小，如果确定该根切倾斜角θ和风车翼6的形状(特别是预先弯曲量Δx_PRE(z))，可以减小用于使风车翼6绕俯仰轴9旋转所必要的俯仰力矩Mzb。

这种设计方法可以通过图10表示的风车转动体设计支援装置20来实施。风车转动体设计支援装置20由电脑构成。该电脑具备有输入装置21、输出装置22、CPU23、存储器24和外部存贮装置25。输入装置21和输出装置22构成风车转动体设计支援装置20的人-机接口。输入装置21具备有例如键盘或鼠标。输出装置22具备有例如监视器或打印机。在外部存贮装置25中，安装有风车转动体设计支援程序26。风车转动体设计支援程序26是为了支援所述设计方法的计算机程序。CPU23是利用监视器24执行风车转动体设计支援程序26。风车转动体设计支援程序26包括：模拟器，计算在要求的运转环境(例如，气温T，空气密度ρ，风速v)下受到风负荷作用的情况下，风车翼6的翼的质量中心在迎风方向(x轴方向)的位置x(z)或者因为风负荷作用所产生的位移x(z)；代码模块，计算所述评价值F；结构设计工具，设计风车翼6的结构。

以下，通过图10中的风车转动体设计支援装置20，说明设计风车翼6的程序的最适合的实施例。以下，说明利用公式(5)计算评价值F的情况。该公式(5)从最低气温T_LOW和额定风速V_RATED所得。但是，也可以利用公式(2)、(4)通过同样的顺序计算出评价值，以及也可以用最大空气密度ρ_MAX代替最低气温T_LOW，这对于本领域的技术员来说是显而易见的。

外部存贮装置25中预先准备了风车翼6的设计数据。该设计数据包括：表示风车翼6结构的数据(风车翼6的位置x的预先弯曲量Δx_PRE(z)、风车翼6的翼长R和在位置z上的风车翼6的单位长度的质量m(z)等)以及表示其他机械特性的数据。设计数据可以通过风车转动体设计支援程序26的结构设计工具制作，也可以通过输入装置21从外部输入。

而且，运转风车发电装置1所容许的最低气温T_LOW和额定风速V_RATED通过输入装置22输入，记忆在外部存贮装置25中。

风车转动体设计支援程序26通过模拟器计算出，在提供了最低气温T_LOW和额定风速V_RATED下，因为风负荷作用所产生的翼的质量中心在迎风方向(x轴方向)的位移Δx(z)。使用风车翼6的设计数据计算出位移Δx(z)。计算所得的因为风负荷作用而产生的翼的质量中心在迎风方向的位移Δx(z)记忆在外部存贮装置25中。

而且，风车转动体设计支援程序26利用所述式(5)计算出评价值F。该评价值表示，风车翼6在俯仰轴9的迎风侧部分和顺风侧部分的俯仰力矩Mzb间的平衡程度。评价值F越小，风车翼6绕俯仰轴9旋转所必要的俯仰力矩Mzb就越小。

如果必要的话，观察评价值F的用户也可以通过风车转动体设计支援程序26的结构设计工具修正风车翼6的设计数据。根据需要，通过修正预先弯曲量Δx_PRE及/或根切倾斜角θ，减小评价值F。也就是说，可以减小风车翼6绕俯仰轴9所必要的俯仰力矩Mzb。其中，希望注意的是，在利用公式(5)计算评价值F的情况下，减小评价值F与减小式(1)中的积分值f是等价的。也可以通过风车转动体设计支援程序26修正设计数据。

通过以上的设计顺序，可以设计出使绕俯仰轴9旋转所必要的俯仰力矩Mzb减小的风车翼6。

Claims (9)

1.一种风车转动体的设计方法，其中，该风车转动体包括：旋翼毂、设置于所述旋翼毂上的轴承和安装于所述轴承上的风车翼，其特征在于，该风车转动体的设计方法包括：

提供运转环境数据和所述风车翼的设计数据，该运转环境表示含有所述风车转动体的风力发电装置的运转环境；

根据所述运转环境数据和所述设计数据，计算出在所述运转环境下的、所述风车翼的长度方向的各位置的所述风车翼的翼的质量中心的位置；

在从所述风车翼的翼根到翼前端的范围内，对算出的所述翼的质量中心位置与所述风车翼的长度方向各位置的单位长度质量的乘积进行积分而得到积分值，而计算出依存于所得到的积分值的值，该值就是评价值。

2.如权利要求1所述的风车转动体设计方法，其特征在于，包括：

所述运转环境数据包括：第一数据，表示所述风力发电装置的额定风速；第二数据，运转所述风力发电装置所容许的最低气温或所述最低气温所对应的空气密度。

3.如权利要求2所述的风车转动体设计方法，其特征在于，

所述评价值利用以下公式(1)计算得出：

$F={\∫}_{Z_0}^{Z_1}x\left(z\right)m\left(z\right)\mathrm{dz},\·\·\·\left(1\right)$

其中，在公式(1)中，z轴被定义为沿所述轴承的中心轴方向，x轴被定义为垂直于所述z轴，且含有所述x轴、所述z轴的平面与所述风车转动体的旋转面垂直，

F是所述评价值，

x(z)是在所述z轴上的位置z的所述运转环境下的所述风车翼的翼的质量中心的所述x轴方向的位置，

m(z)是在z轴上的位置z的所述风车翼的单位长度的质量，

z₀是所述翼根在所述z轴上的位置，

z₁是所述翼前端在所述z轴上的位置。

4.如权利要求3所述的风车转动体设计方法，其特征在于，

所述x(z)利用以下公式(2)计算得出：

x(z)＝Δx(z)-Δx_PRE(z)-zsinθ，...(2)

其中，Δx(z)是，在所述运转环境下，由风负荷所引起的所述x轴方向的所述翼的质量中心的位移，

所述风车翼的预先弯曲量Δx_PRE(z)是，在位置z上，无负载时所述风车翼的所述翼的质量中心在所述x轴方向的位置，

所述根切倾斜角θ是，在所述风车翼的翼根部，所述风车翼的延伸方向与所述轴承的中心轴之间的角度。

5.如权利要求1至4中的任意一项所述的风车转动体设计方法，其特征在于，还包括：

修正所述设计数据以减小所述积分值。

6.如权利要求1所述的风车转动体设计方法，其特征在于，

所述风车翼的所述翼根部是圆筒形，

所述翼根部的所述风车翼的延伸方向被定义为所述圆筒形的中心线。

7.一种风车转动体设计支援装置，其中，所述风车转动体包括：旋翼毂、设置于所述旋翼毂上的轴承和安装于所述轴承上的风车翼，该风车转动体的设计支援装置包括存贮装置和运算装置，

所述存贮装置，存贮表示含有所述风车转动体的风力发电装置的运转环境的运转环境数据和所述风车翼的设计数据；

所述运算装置通过运行程序计算评价值，根据所述运转环境数据和所述设计数据，计算出在所述运转环境下的所述风车翼的长度方向各位置的所述风车翼的翼的质量中心的位置，并且在从所述风车翼的翼根到翼前端的范围内，对算出的所述翼的质量中心位置与所述风车翼的长度方向各位置的单位长度质量的乘积进行积分而得到积分值，而计算出依存于所得到的积分值的值，该值就是评价值。

8.一种风车转动体设计支援程序，其中所述风车转动体包括：旋翼毂、设置于所述旋翼毂上的轴承和安装于所述轴承上的风车翼，该风车转动体的设计支援装置程序是在计算机中按照下述步骤进行：

计算所述风车翼的翼的质量中心的位置的步骤，以存贮装置中预备的表示以含有所述风车转动体的风力发电装置的运转环境的运转环境数据和所述风车翼的设计数据为基础，在所述运转环境下的、计算出所述风车翼的长度方向各位置的所述风车翼的翼的质量中心的位置；

以及，计算评价值的步骤，在从所述风车翼的翼根到翼前端的范围内，对算出的所述翼的质量中心位置与所述风车翼的长度方向各位置的单位长度质量的乘积进行积分而得到积分值，而计算出依存于所得到的积分值的值，该值就是评价值。

9.一种风车转动体，其包括：旋翼毂、设置于所述旋翼毂上的轴承和安装于所述轴承上的风车翼，所述风车转动体，其中，

第一方向被设定为所述轴承中心轴方向，第二方向与所述第一方向垂直，且所述第一方向和所述第二方向所规定的平面被设定为垂直于所述风车转动体的旋转面时，

所述风车翼形成为以下形状：在气温为运转含有所述风车转动体的风力发电装置所容许的最低温度的情况下，且在吹着额定风速的风的情况下，当在所述翼根以外对曲线引切线时，从所述曲线的所述一致位置离开的部分位于所述切线与所述轴承的中心轴之间，所述曲线是所述风车翼的翼的质量中心在所述第二方向的位置的相对于从所述风车翼的翼根开始在所述第一方向的距离进行变化的曲线，所述切线是位于所述风车翼的翼的质量中心与所述轴承的中心轴一致的位置。

Images