JP2004011543A - 水平軸型風車 - Google Patents
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Abstract
【課題】水平軸型風車において、ブレードの過回転を防止して強風時等の安全性を高めるとともに、ロータに作用する荷重を格段に低減させて装置の軽量化および装置の建設コストの低減化を図る。
【解決手段】略水平方向に延在する回転自在な主軸と、この主軸に取り付けられたハブ３１およびハブ３１にピッチ変更自在に取り付けられたブレード３２ａ、３２ｂを有するロータ３０と、を備える水平軸型風車１において、カットアウト風速を超える風速の風が作用した場合にブレード３２ａ、３２ｂの各々のピッチを独立して可変制御して、一のブレード３２ａのピッチをフルフェザー位置に、残りのブレード３２ｂのピッチをフルフラット位置に、各々設定するピッチ制御機構を備える。
【選択図】 図４
【解決手段】略水平方向に延在する回転自在な主軸と、この主軸に取り付けられたハブ３１およびハブ３１にピッチ変更自在に取り付けられたブレード３２ａ、３２ｂを有するロータ３０と、を備える水平軸型風車１において、カットアウト風速を超える風速の風が作用した場合にブレード３２ａ、３２ｂの各々のピッチを独立して可変制御して、一のブレード３２ａのピッチをフルフェザー位置に、残りのブレード３２ｂのピッチをフルフラット位置に、各々設定するピッチ制御機構を備える。
【選択図】 図４
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水平軸型風車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自然風から安定した電力を得る目的で、水平軸型風車が提案され、実用化されている。この水平軸型風車には、強風時におけるブレードの過回転を防止する目的で各種ブレーキが設けられているが、このブレーキが何らかの要因によって故障したり、不測の停電が発生したりする場合がある。このため、ブレードの過回転防止手段を２重以上設けて冗長性を確保している。
【０００３】
ブレードの過回転防止手段の一例としては、水平軸型風車のブレードの翼端に設けられる空力ブレーキが挙げられる。空力ブレーキは、遠心力や油圧によって、ブレードの過回転時に翼端部が略９０°回転しながら半径方向外側に突出するものであり、空力ブレーキに作用する空気抵抗によってブレードの過回転を抑制することができる。
【０００４】
一方、ブレード全体をフェザー側に操舵してブレードのピッチを変更することによって、ブレードの過回転状態を抑制するピッチ可変機構が提案されている。このようなピッチ可変機構としては、単一の油圧シリンダとこれに連結されたリンクによって全てのブレードを連動させる連動型の機構や、各ブレードを各々独立したアクチュエータによって駆動制御する独立型の機構が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ブレードの過回転防止手段として空力ブレーキを採用すると、通常ブレードのピッチ角は固定されているため、強い正面風が作用した場合にロータが大きな荷重を受けてしまう。また、ピッチ可変機構を採用した場合には、ブレードの過回転防止のためにブレードのピッチをフルフェザー位置に設定するが、この状態で停電が発生するとブレードがフルフェザー位置で固定されてしまうため、強い横風によってロータに大きな荷重が作用する。このため、タワーや基礎の設計強度を高める必要があり、水平軸型風車の重量の増加や建設コストの増大をもたらしていた。
【０００６】
本発明の課題は、水平軸型風車において、ブレードの過回転を防止して強風時等の安全性を高めるとともに、ロータに作用する荷重を格段に低減させて装置の軽量化及び装置の建設コストの低減化を図ることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、略水平方向に延在する回転自在な主軸と、前記主軸に取り付けられたハブ及び前記ハブにピッチ変更自在に取り付けられた２枚以上のブレードを有するロータと、を備える水平軸型風車において、カットアウト風速を超える風速の風が作用した場合に前記ブレードの各々のピッチを独立して可変制御して、一の前記ブレードのピッチをフルフェザー位置に、残りの前記ブレードのピッチをフルフラット位置に、各々設定するピッチ制御機構を備えることを特徴とする。
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、カットアウト風速を超える風速の風が作用した場合に、ピッチ制御機構によって一のブレードのピッチをフルフェザー位置に設定することができるので、ブレードの過回転を抑制することができる。
【０００９】
また、請求項１に記載の発明によれば、カットアウト風速を超える風速の風が作用した場合に、ピッチ制御機構によって一のブレードのピッチをフルフェザー位置に、残りのブレードのピッチをフルフラット位置に、各々設定することができるので、ロータに作用する荷重を格段に低減させることができる。
【００１０】
例えば、カットアウト風速を超える風速の正面風や背風が作用した場合において、ピッチをフルフラット位置に設定したブレード（以下、「フルフラットブレード」という）を正面風や背風の風下側に靡かせることができる。また、カットアウト風速を超える風速の正面風や背風が作用した場合でも、ピッチをフルフェザー位置に設定したブレード（以下、「フルフェザーブレード」という）が受ける荷重はきわめて小さい。従って、ブレードのピッチを全てフルフラット位置に設定した場合と比較すると、ロータに作用する荷重は格段に低減することとなる。この結果、装置全体の軽量化及び装置の建設コストの低減化を図ることができる。
【００１１】
また、カットアウト風速を超える風速の横風が作用した場合において、例えばブレードを２枚とした場合には、フルフェザーブレードが横風の風下側に靡くようにロータが回転し、このフルフェザーブレードが略水平に配置されて釣り合った状態となる。この状態においてカットアウト風速を超える風速の横風が作用した場合でも、フルフラットブレードに作用する荷重はきわめて小さい。従って、ブレードのピッチを全てフルフェザー位置に設定した場合と比較すると、ロータに作用する荷重は格段に低減することとなる。この結果、装置全体の軽量化及び装置の製造コストの低減化を図ることができる。
【００１２】
さらに、カットアウト風速を超える風速の横風が作用した場合において、例えばブレードを３枚とした場合には、１枚のフルフェザーブレードが横風の風下側に靡くようにロータが回転し、このフルフェザーブレードが略水平に配置され、他の２枚のフルフラットブレードが上下に配置されて釣り合った状態となる。この状態においてカットアウト風速を超える風速の横風が作用した場合でも、２枚のフルフラットブレードに作用する荷重はきわめて小さい。従って、ブレードのピッチを全てフルフェザー位置に設定した場合と比較すると、ロータに作用する荷重は格段に低減することとなる。この結果、装置全体の軽量化及び装置の建設コストの低減化を図ることができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の水平軸型風車において、停電が発生した場合に、一の前記ブレードのピッチをフルフェザー位置に、残りの前記ブレードのピッチをフルフラット位置に、各々設定するピッチ予備制御手段を備えるとともに、前記ブレードは、停電が発生した場合にピッチ軸周りの回転拘束が解除されることを特徴とする。
【００１４】
請求項２に記載の発明によれば、停電が発生した場合においても、ピッチ予備制御手段によって、一のブレードのピッチをフルフェザー位置に、残りのブレードのピッチをフルフラット位置に、各々設定することができる。従って、停電が発生した場合においても、ピッチ制御機構による制御と同様の作用効果を発揮することができ、冗長性を確保することができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の水平軸型風車において、前記ピッチ予備制御手段は、前記ピッチ制御機構の故障が発生した場合に、一の前記ブレードのピッチをフルフェザー位置に、残りの前記ブレードのピッチをフルフラット位置に、各々設定するものであるとともに、前記ブレードは、前記ピッチ制御機構の故障が発生した場合にピッチ軸周りの回転拘束が解除されることを特徴とする。
【００１６】
請求項３に記載の発明によれば、ピッチ制御機構の故障が発生した場合においても、ピッチ予備制御手段によって、一のブレードのピッチをフルフェザー位置に、残りのブレードのピッチをフルフラット位置に、各々設定することができる。従って、ピッチ制御機構の故障が発生した場合においても、ピッチ制御機構による制御と同様の作用効果を発揮することができ、さらなる冗長性を確保することができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の水平軸型風車において、一の前記ブレードのピッチがフルフェザー位置に、残りの前記ブレードのピッチがフルフラット位置に、各々設定された場合に、ロータ軸周りの回転拘束が解除されることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
【００１９】
［第１の実施の形態］
本実施の形態においては、水平軸型風車とその制御方法について説明する。図１は、本実施の形態に係る水平軸型風車１の概要を示す斜視図である。水平軸型風車１は、タワー１０と、このタワー１０の頂部に取り付けられたナセル２０と、このナセル２０に略水平方向に延在して軸支された（図示されていない）主軸と、この主軸に取り付けられたロータ３０と、を備えている。
【００２０】
タワー１０の頂部には、偏揺機構が設けられている。この偏揺機構によって、タワー１０の頂部に取り付けられたナセル２０を略水平面内で回動させることができ、ナセル２０に取り付けられたロータ３０の回転面を平均風向きの方向に正対させることができる。なお、本実施の形態におけるタワー１０の基部の直径は２ｍ、頂部の直径は１ｍ、高さは２０ｍとされている。
【００２１】
ナセル２０は、その内部に発電機、ギアボックス、コントローラ等の各種機器を搭載しており、タワー１０の頂部に回動自在に取り付けられる。このナセル２０には、水平軸型風車に作用する正面風、背風及び横風の速度を検出するセンサが搭載されている。なお、本実施の形態におけるナセル２０の正面投影面積は４ｍ２、側面投影面積は８ｍ２とされている。
【００２２】
ロータ３０は、主軸の一端に取り付けられたハブ３１と、このハブ３１に取り付けられた２枚のブレード３２ａ、３２ｂと、を有するものである。各ブレード３２ａ、３２ｂのピッチ角は、後述するピッチ制御機構によって、独立して可変制御される。なお、本実施の形態におけるロータ３０の直径は２０ｍ、ブレード３２ａ（３２ｂ）の平面積は６ｍ２とされている。
【００２３】
本実施の形態に係る水平軸型風車１は、ロータ３０の各ブレード３２ａ、３２ｂのピッチを独立して可変制御するピッチ制御機構を備える。このピッチ制御機構について、ロータ３０のハブ３１からブレード３２ａを取り外した状態の斜視図である図２を用いて説明する。
【００２４】
図２に示すように、ハブ３１にはベアリング３１ａを介してリングギア３１ｂが回動自在に取り付けられており、このリングギア３１ｂにブレード３２ａの端部が取り付けられる。ハブ３１の内部には、ピニオン３１ｃを有するアクチュエータ３１ｄが設けられており、このピニオン３１ｃはリングギア３１ｂと噛み合っている。そして、図示していないモータによってアクチュエータ３１ｄのピニオン３１ｃを回転させ、リングギア３１ｂを回転させることによってブレード３２ａを回転させることができ、ブレード３２ａのピッチを変化させることができる。
【００２５】
これらベアリング３１ａ、リングギア３１ｂ、ピニオン３１ｃ及びアクチュエータ３１ｄと同一の構成要素がブレード３２ｂ側にも設けられており、ブレード３２ａ、３２ｂのピッチを独立に変化させることができる。なお、ブレード３２ａ駆動用のアクチュエータ３１ｄ及びブレード３２ｂ駆動用のアクチュエータは外部電源から電力を得ており、共通のモータ及び制御装置によって駆動制御される。以上説明したベアリング３１ａ、リングギア３１ｂ、ピニオン３１ｃ、アクチュエータ３１ｄ、モータ及び制御装置によって、ピッチ制御機構が構成される。
【００２６】
なお、運転中に停電が発生してモータへの電流供給が中断された場合には、アクチュエータ３１ｄのピニオン３１ｃの回転拘束が解除され、リングギア３１ｂが回転自在となるように構成されている。このため、停電が発生した場合には、ブレード３２ａ、３２ｂのピッチ軸周りの回転拘束が解除され、後述するピッチ付勢手段の作用により、一方のブレード３２ａのピッチがフルフェザー位置に、他方のブレード３２ｂのピッチがフルフラット位置に、各々設定されるようになっている。また、このとき、同時にロータ３０のロータ軸周りの回転拘束が解除されるようになっている。
【００２７】
また、ピッチ制御機構を構成するベアリング３１ａ、リングギア３１ｂ、ピニオン３１ｃ、アクチュエータ３１ｄ及びモータの何れかに故障が発生した場合には、故障していない残りのブレードのピッチをフルフェザー位置又はフルフラット位置に設定することにより、安全性を確保することとしている。
【００２８】
本実施の形態に係る水平軸型風車１は、停電が発生したり、ピッチ制御機構の構成要素に故障が発生したりしてモータに電流が供給されなくなった場合においても、一方のブレード３２ａのピッチをフルフェザー位置に、他方のブレード３２ｂのピッチをフルフラット位置に、各々設定するピッチ予備制御手段を備えている。このピッチ予備制御手段について説明する。
【００２９】
ピッチ予備制御手段は、ピッチ規制手段及びピッチ付勢手段から構成される。ピッチ規制手段は、図２に示したハブ３１のベアリング３１ａに突設されたフェザー用係止部４０と、ブレード３２ａの端部に設けられこのフェザー用係止部４０に当接可能な図示していない係合部と、を備える。ブレード３２ａの係合部が、ハブ３１のフェザー用係止部４０に当接した場合に、ブレード３２ａのピッチがフルフェザー位置に規制される。
【００３０】
一方、図２には示していないが、ブレード３２ｂ側のハブのベアリングにフラット用係止部が設けられるとともに、ブレード３２ｂの端部にこのフラット用係止部に当接可能な係合部が設けられており、これらによってもピッチ規制手段が構成される。そして、ブレード３２ｂの係合部が、ハブ３１のフラット用係止部に当接した場合に、ブレード３２ｂのピッチがフルフラット位置に規制されることとなる。
【００３１】
なお、本実施の形態においてはブレード３２ａ（３２ｂ）の係合部近傍に、図示していない緩衝手段（ダンパ）を設けているため、ブレード３２ａ（３２ｂ）の係合部とハブ３１のフェザー用（フラット用）係止部とが当接する際の衝撃を緩和することができる。
【００３２】
本発明において「フルフェザー位置」とは、ブレード３２ａが、ロータ３０のトルク出力を零にするようなピッチ角に設定された状態（例えば、ブレード３２ａのピッチ角θ０を図３に示したように定義すると、θ０が約＋９０ｄｅｇに設定された状態）を意味する。
【００３３】
また、本発明において「フルフラット位置」とは、ブレード３２ｂが、通常運転時におけるピッチ角よりフラット（正面風に対して略直角な状態）にされ、ロータ３０にほとんど回転力が発生しないピッチ角に設定された状態（例えば、図３に示したθ０が約−１５ｄｅｇに設定された状態）を意味する。
【００３４】
ピッチ付勢手段は、ブレード３２ａをフェザー方向へ、ブレード３２ｂをフラット方向へ、各々駆動する図示されていないバネで構成されている。このバネによる付勢力は、ブレード３２ａ、３２ｂに作用する空気力モーメントに対して充分に対抗できる大きさとされている。ピッチ付勢手段は、ブレード３２ａ、３２ｂのピッチ軸周りの回転拘束力が解除された場合に、ブレード３２ａをフルフェザー位置まで、ブレード３２ｂをフルフラット位置まで、各々回転させるように機能するものである。
【００３５】
次いで、本実施の形態に係る水平軸型風車１のピッチ制御動作について、図４及び図５を用いて説明する。
【００３６】
まず、正常運転時においては、風速変動等に基づく予め設定された制御条件に従って発せられる制御装置からの信号によって、ピッチ制御機構の各アクチュエータ３１ｄを駆動し、各ピニオン３１ｃを正逆回転駆動し、各ピニオン３１ｃに噛み合うリングギア３１ｂを回転駆動して、各ブレード３２ａ、３２ｂのピッチを独立して可変制御する。
【００３７】
ここで、運転中に、ナセル２０に搭載されたセンサによって、水平軸型風車１にカットアウト風速を超える風速の風が作用している旨が検出された場合には、ピッチ制御機構によって、一方のブレード３２ａのピッチをフルフェザー位置に、他のブレード３２ｂのピッチをフルフラット位置に、各々設定する。
【００３８】
カットアウト風速を超える風速の正面風（背風）が作用した場合において、前記した制御動作を行った水平軸型風車１の正面図及び側面図を、図４（ａ）及び（ｂ）に示した。また、カットアウト風速を超える風速の横風が作用した場合において、前記した制御動作を行った水平軸型風車１の正面図及び側面図を、図５（ａ）及び（ｂ）に示した。なお、本実施の形態においては、カットアウト風速を２５ｍ／ｓと設定している。
【００３９】
表−１は、本実施の形態に係る水平軸型風車に風速６０ｍ／ｓの風が作用した場合において、ブレード３２ａ、３２ｂの双方のピッチをフルフラット位置に設定した場合における風車基部のスラスト荷重（ｋＮ）及び転倒モーメント（ｋＮｍ）と、ブレード３２ａ、３２ｂの双方のピッチをフルフェザー位置に設定した場合における風車基部のスラスト荷重（ｋＮ）及び転倒モーメント（ｋＮｍ）と、ブレード３２ａをフルフラット位置に他方のブレード３２ｂをフルフェザー位置に各々設定した場合における風車基部のスラスト荷重（ｋＮ）及び転倒モーメント（ｋＮｍ）と、を示したものである。
【００４０】
【表１】
【００４１】
表−１に示されるように、本実施の形態に係る水平軸型風車１のブレード３２ａをフルフラット位置に、他方のブレード３２ｂをフルフェザー位置に、各々設定した場合においては、ブレード３２ａ、３２ｂの双方のピッチをフルフラット位置に設定した場合と比較すると、ブレードに作用するスラスト荷重（ｋＮ）及び転倒モーメント（ｋＮｍ）は、ともに８７％に低減していることがわかる。
【００４２】
また、表−１に示されるように、本実施の形態に係る水平軸型風車１のブレード３２ａをフルフラット位置に、他方のブレード３２ｂをフルフェザー位置に、各々設定した場合においては、ブレード３２ａ、３２ｂの双方のピッチをフルフェザー位置に設定した場合と比較すると、ブレードに作用するスラスト荷重（ｋＮ）は７７％に低減するとともに、転倒モーメント（ｋＮｍ）は６９％に低減していることがわかる。
【００４３】
また、運転中に、２枚のブレード３２ａ、３２ｂのうち何れか一方のブレード（例えばブレード３２ａ）を駆動制御するピッチ制御機構に異常が発生し、フラット位置（運転時におけるピッチ角の位置）で固着した場合には、他の正常に作動するブレード３２ｂのアクチュエータ３１ｄのピニオン３１ｃによってリングギア３１ｂを回転させて、ブレード３２ｂのピッチをフルフェザー位置又はフルフラット位置に設定する。
【００４４】
一方、運転中に停電が発生したり、ピッチ制御機構を構成する構成要素に故障が発生したりしてモータに電流が供給されなくなった場合には、アクチュエータ３１ｄのピニオン３１ｃの回転拘束が解除され、各ブレードに設けたピッチ付勢手段が機能してブレード３２ａがフルフェザー位置まで、ブレード３２ｂがフルフラット位置まで、各々回転する。なお、このとき、同時にロータ軸周りの回転拘束も解除される。
【００４５】
本実施の形態に係る水平軸型風車１においては、カットアウト風速（２５ｍ／ｓ）を超える風速の風が作用した場合に、ピッチ制御機構によって一方のブレード３２ａのピッチをフルフェザー位置に設定することができるので、ブレードの過回転を抑制することができる。
【００４６】
また、本実施の形態に係る水平軸型風車１においては、カットアウト風速（２５ｍ／ｓ）を超える風速の風が作用した場合に、ピッチ制御機構によって、一方のブレード３２ａ（３２ｂ）のピッチをフルフェザー位置に、他方のブレード３２ｂ（３２ａ）のピッチをフルフラット位置に、各々設定することができる。従って、ロータに作用する荷重を格段に低減させることができる。
【００４７】
例えば、ブレード３２ａのピッチをフルフェザー位置に設定し、ブレード３２ｂのピッチをフルフラット位置に設定すると、カットアウト風速（２５ｍ／ｓ）を超える風速の正面風（背風）が作用した場合でも、フルフェザーブレードであるブレード３２ａに作用する荷重はフルフラットブレードであるブレード３２ｂと比較すると大幅に低下する。従って、ブレードのピッチを全てフルフラット位置に設定した場合と比較すると、ロータに作用する荷重は格段に低減することとなる。この結果、装置全体の軽量化及び装置の建設コストの低減化を図ることができる。
【００４８】
また、ブレード３２ａのピッチをフルフェザー位置に設定し、ブレード３２ｂのピッチをフルフラット位置に設定すると、カットアウト風速を超える風速の横風が作用した場合に、フルフェザーブレードであるブレード３２ａが横風の風下側に靡くようにロータ３０が回転し、このブレード３２ａが略水平に配置されて釣り合った状態となる（図５参照）。この状態においてフルフラットブレードであるブレード３２ｂに作用する荷重はきわめて小さい。従って、ブレードのピッチを全てフルフェザー位置に設定した場合と比較すると、ロータに作用する荷重は格段に低減することとなる。この結果、装置全体の軽量化及び装置の製造コストの低減化を図ることができる。
【００４９】
また、本実施の形態に係る水平軸型風車１においては、運転中に停電が発生したり、ピッチ制御機構を構成する構成要素に故障が発生したりしてモータに電流が供給されなくなった場合においても、ピッチ予備制御手段（ピッチ規制手段及びピッチ付勢手段）によって、ブレード３２ａのピッチをフルフェザー位置に、ブレード３２ｂのピッチをフルフラット位置に、各々設定することができる。従って、停電が発生したり、ピッチ制御機構を構成する構成要素に故障が発生したりしてモータに電流が供給されなくなった場合においても、ピッチ制御機構による制御と同様の作用効果を発揮することができ、ロータに作用する荷重を格段に低減させることができる。
【００５０】
［第２の実施の形態］
本実施の形態に係る水平軸型風車１Ａは、第１の実施の形態に係る水平軸型風車１において、ロータ３０の構成を変更したものであり、その他の構成については実質的に同一であるので、重複した構成については説明を省略する。
【００５１】
本実施の形態に係る水平軸型風車１Ａのロータ３０Ａは、主軸の一端に取り付けられたハブ３１Ａと、このハブ３１Ａに取り付けられた３枚のブレード３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃと、を有するものである。各ブレード３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃのピッチ角は、ピッチ制御機構によって、独立して可変制御される。
【００５２】
ピッチ制御機構の構成は、第１の実施の形態に係る水平軸型風車１のものと実質的に同一であり、運転中に停電が発生したり、ピッチ制御機構の構成要素に故障が発生したりした場合には、各ブレード３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃはピッチ軸を中心に回転自在となるとともに、ロータ３０Ａはロータ軸を中心に回転自在となる。
【００５３】
また、本実施の形態に係る水平軸型風車１Ａのピッチ予備制御手段は、１枚のブレード３２Ａのピッチをフルフェザー位置に設定し、残りのブレード３２Ｂ、３２Ｃのピッチをフルフラット位置に設定するものとした。
【００５４】
次いで、本実施の形態に係る水平軸型風車１Ａのピッチ制御動作について、図６を用いて説明する。
【００５５】
まず、正常運転時においては、風速変動等に基づく予め設定された制御条件に従って発せられる制御装置からの信号によって、ピッチ制御機構によって各ブレード３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃのピッチを独立して可変制御する。
【００５６】
ここで、運転中に、ナセル２０Ａに搭載されたセンサによって、水平軸型風車１Ａにカットアウト風速（２５ｍ／ｓ）を超える風速の風が作用している旨が検出された場合には、ピッチ制御機構によって、１枚のブレード３２Ａのピッチをフルフェザー位置に、残りの２枚のブレード３２Ｂ、３２Ｃのピッチをフルフラット位置に、各々設定する。このような制御動作を行った水平軸型風車１の正面図及び側面図を、図６（ａ）及び（ｂ）に示した。
【００５７】
また、運転中に、３枚のブレード３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃのうち何れか１枚のブレード（例えばブレード３２Ａ）を制御するピッチ制御系統に異常が発生し、フラット位置で固着した場合には、他の正常に作動する２枚のブレード３２Ｂ、３２Ｃのうち何れか１枚のブレード（例えばブレード３２Ｂ）のピッチをフルフェザー位置に設定し、残りの１枚のブレード（ブレード３２Ｃ）のピッチをフルフラット位置に設定する。
【００５８】
一方、運転中に停電が発生したり、ピッチ制御機構を構成する構成要素に故障が発生したりしてモータに電流が供給されなくなった場合には、各ブレード３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃはピッチ軸周りの回転拘束が解除される。そして、各ブレードに設けたピッチ付勢手段により、ブレード３２Ａのピッチがフルフェザー位置に設定され、残りのブレード３２Ｂ、３２Ｃのピッチがフルフラット位置に設定される。
【００５９】
本実施の形態に係る水平軸型風車１Ａにおいては、カットアウト風速（２５ｍ／ｓ）を超える風速の風が作用した場合に、ピッチ制御機構によって、１枚のブレード（例えばブレード３２Ａ）のピッチをフルフェザー位置に、残り２枚のブレード（ブレード３２Ｂ、３２Ｃ）のピッチをフルフラット位置に、各々設定することができる。従って、ロータに作用する荷重を格段に低減させることができる。
【００６０】
例えば、ブレード３２Ａのピッチをフルフェザー位置に設定し、ブレード３２Ｂ、３２Ｃのピッチをフルフラット位置に設定すると、カットアウト風速（２５ｍ／ｓ）を超える風速の正面風が作用した場合でも、フルフェザーブレードであるブレード３２Ａに作用する荷重は、フルフラットブレードであるブレード３２Ｂ、３２Ｃと比較すると大幅に低下する。従って、ブレードのピッチを全てフルフラット位置に設定した場合と比較すると、ロータに作用する荷重は格段に低減することとなる。この結果、装置全体の軽量化及び装置の建設コストの低減化を図ることができる。
【００６１】
また、カットアウト風速（２５ｍ／ｓ）を超える風速の横風が作用した場合において、フルフェザーブレードであるブレード３２Ａが横風の風下側に靡くようにロータ３０Ａが回転し、このブレード３２Ａが略水平に配置され、他の２枚のフルフラットブレードであるブレード３２Ｂ、３２Ｃが上下に配置されて釣り合った状態となる（図６参照）。この状態において２枚のブレード３２Ｂ、３２Ｃに作用する荷重はきわめて小さい。従って、ブレードのピッチを全てフルフェザー位置に設定した場合と比較すると、ロータに作用する荷重は格段に低減することとなる。この結果、装置全体の軽量化及び装置の製造コストの低減化を図ることができる。
【００６２】
なお、以上の実施の形態においては、ピッチ予備制御手段をピッチ規制手段及びピッチ付勢手段から構成したが、これに限られるものではない。例えば、ハブ内部やナセル内部にバッテリを備え、停電時にバッテリからモータに電流を供給して、一のブレードのピッチをフルフェザー位置に設定し、残りのブレードのピッチをフルフラット位置に設定することもできる。
【００６３】
また、以上の実施の形態においては、電力で駆動するアクチュエータを備えた電動のピッチ制御機構を採用したが、これに限らず、流体圧式アクチュエータを採用することもできる。この場合には、圧縮空気を充填したタンクをナセル内部に搭載しておき、停電時にタンク内の圧縮空気をシリンダに送り込んで、一のブレードのピッチをフルフェザー位置に設定し、残りのブレードのピッチをフルフラット位置に設定することができる。
【００６４】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、カットアウト風速を超える風速の風が作用した場合に、ピッチ制御機構によって一のブレードのピッチをフルフェザー位置に設定することができるので、ブレードの過回転を抑制することができる。
【００６５】
また、請求項１に記載の発明によれば、カットアウト風速を超える風速の風が作用した場合に、ピッチ制御機構によって一のブレードのピッチをフルフェザー位置に、残りのブレードのピッチをフルフラット位置に、各々設定することができるので、ロータに作用する荷重を格段に低減させることができる。この結果、装置全体の軽量化及び装置の建設コストの低減化を図ることができる。
【００６６】
請求項２に記載の発明によれば、停電が発生した場合においても、ピッチ予備制御手段によって、一のブレードのピッチをフルフェザー位置に、他のブレードのピッチをフルフラット位置に、各々設定することができる。この結果、停電時においてもピッチ制御機構による制御と同様の作用効果を発揮することができ、冗長性を確保することができる。
【００６７】
請求項３に記載の発明によれば、ピッチ制御機構の故障が発生した場合においても、ピッチ予備制御手段によって、一のブレードのピッチをフルフェザー位置に、残りのブレードのピッチをフルフラット位置に、各々設定することができる。この結果、ピッチ制御機構の故障発生時においてもピッチ制御機構による制御と同様の作用効果を発揮することができ、冗長性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る水平軸型風車の斜視図である。
【図２】図１に示した水平軸型風車のピッチ制御機構の構成を説明するためのハブ周辺部分の斜視図である。
【図３】図１に示した水平軸型風車のブレードのピッチ角を説明するための説明図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る水平軸型風車のピッチ制御動作を説明するためのものであり、（ａ）は、強い正面風（背風）が作用した場合において一方のブレードのピッチをフルフェザー位置に他方のブレードのピッチをフルフラット位置に設定した状態の水平軸型風車の正面図、（ｂ）は（ａ）の状態の水平軸型風車の側面図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る水平軸型風車のピッチ制御動作を説明するためのものであり、（ａ）は、強い横風が作用した場合において一方のブレードのピッチをフルフェザー位置に他方のブレードのピッチをフルフラット位置に設定した状態の水平軸型風車の正面図、（ｂ）は（ａ）の状態の水平軸型風車の側面図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る水平軸型風車のピッチ制御動作を説明するためのものであり、（ａ）は、強い横風が作用した場合において一のブレードのピッチをフルフェザー位置に残り２枚のブレードのピッチをフルフラット位置に設定した状態の水平軸型風車の正面図、（ｂ）は（ａ）の状態の水平軸型風車の側面図である。
【符号の説明】
１、１Ａ 水平軸型風車
１０ タワー
２０ ナセル
３０、３０Ａ ロータ
３１、３１Ａ ハブ
３１ａ ベアリング
３１ｂ リングギア
３１ｃ ピニオン
３１ｄ アクチュエータ
３２ａ、３２ｂ ブレード
３２Ａ〜３２Ｃ ブレード
４０ フェザー用係止部
【発明の属する技術分野】
本発明は、水平軸型風車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自然風から安定した電力を得る目的で、水平軸型風車が提案され、実用化されている。この水平軸型風車には、強風時におけるブレードの過回転を防止する目的で各種ブレーキが設けられているが、このブレーキが何らかの要因によって故障したり、不測の停電が発生したりする場合がある。このため、ブレードの過回転防止手段を２重以上設けて冗長性を確保している。
【０００３】
ブレードの過回転防止手段の一例としては、水平軸型風車のブレードの翼端に設けられる空力ブレーキが挙げられる。空力ブレーキは、遠心力や油圧によって、ブレードの過回転時に翼端部が略９０°回転しながら半径方向外側に突出するものであり、空力ブレーキに作用する空気抵抗によってブレードの過回転を抑制することができる。
【０００４】
一方、ブレード全体をフェザー側に操舵してブレードのピッチを変更することによって、ブレードの過回転状態を抑制するピッチ可変機構が提案されている。このようなピッチ可変機構としては、単一の油圧シリンダとこれに連結されたリンクによって全てのブレードを連動させる連動型の機構や、各ブレードを各々独立したアクチュエータによって駆動制御する独立型の機構が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ブレードの過回転防止手段として空力ブレーキを採用すると、通常ブレードのピッチ角は固定されているため、強い正面風が作用した場合にロータが大きな荷重を受けてしまう。また、ピッチ可変機構を採用した場合には、ブレードの過回転防止のためにブレードのピッチをフルフェザー位置に設定するが、この状態で停電が発生するとブレードがフルフェザー位置で固定されてしまうため、強い横風によってロータに大きな荷重が作用する。このため、タワーや基礎の設計強度を高める必要があり、水平軸型風車の重量の増加や建設コストの増大をもたらしていた。
【０００６】
本発明の課題は、水平軸型風車において、ブレードの過回転を防止して強風時等の安全性を高めるとともに、ロータに作用する荷重を格段に低減させて装置の軽量化及び装置の建設コストの低減化を図ることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、略水平方向に延在する回転自在な主軸と、前記主軸に取り付けられたハブ及び前記ハブにピッチ変更自在に取り付けられた２枚以上のブレードを有するロータと、を備える水平軸型風車において、カットアウト風速を超える風速の風が作用した場合に前記ブレードの各々のピッチを独立して可変制御して、一の前記ブレードのピッチをフルフェザー位置に、残りの前記ブレードのピッチをフルフラット位置に、各々設定するピッチ制御機構を備えることを特徴とする。
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、カットアウト風速を超える風速の風が作用した場合に、ピッチ制御機構によって一のブレードのピッチをフルフェザー位置に設定することができるので、ブレードの過回転を抑制することができる。
【０００９】
また、請求項１に記載の発明によれば、カットアウト風速を超える風速の風が作用した場合に、ピッチ制御機構によって一のブレードのピッチをフルフェザー位置に、残りのブレードのピッチをフルフラット位置に、各々設定することができるので、ロータに作用する荷重を格段に低減させることができる。
【００１０】
例えば、カットアウト風速を超える風速の正面風や背風が作用した場合において、ピッチをフルフラット位置に設定したブレード（以下、「フルフラットブレード」という）を正面風や背風の風下側に靡かせることができる。また、カットアウト風速を超える風速の正面風や背風が作用した場合でも、ピッチをフルフェザー位置に設定したブレード（以下、「フルフェザーブレード」という）が受ける荷重はきわめて小さい。従って、ブレードのピッチを全てフルフラット位置に設定した場合と比較すると、ロータに作用する荷重は格段に低減することとなる。この結果、装置全体の軽量化及び装置の建設コストの低減化を図ることができる。
【００１１】
また、カットアウト風速を超える風速の横風が作用した場合において、例えばブレードを２枚とした場合には、フルフェザーブレードが横風の風下側に靡くようにロータが回転し、このフルフェザーブレードが略水平に配置されて釣り合った状態となる。この状態においてカットアウト風速を超える風速の横風が作用した場合でも、フルフラットブレードに作用する荷重はきわめて小さい。従って、ブレードのピッチを全てフルフェザー位置に設定した場合と比較すると、ロータに作用する荷重は格段に低減することとなる。この結果、装置全体の軽量化及び装置の製造コストの低減化を図ることができる。
【００１２】
さらに、カットアウト風速を超える風速の横風が作用した場合において、例えばブレードを３枚とした場合には、１枚のフルフェザーブレードが横風の風下側に靡くようにロータが回転し、このフルフェザーブレードが略水平に配置され、他の２枚のフルフラットブレードが上下に配置されて釣り合った状態となる。この状態においてカットアウト風速を超える風速の横風が作用した場合でも、２枚のフルフラットブレードに作用する荷重はきわめて小さい。従って、ブレードのピッチを全てフルフェザー位置に設定した場合と比較すると、ロータに作用する荷重は格段に低減することとなる。この結果、装置全体の軽量化及び装置の建設コストの低減化を図ることができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の水平軸型風車において、停電が発生した場合に、一の前記ブレードのピッチをフルフェザー位置に、残りの前記ブレードのピッチをフルフラット位置に、各々設定するピッチ予備制御手段を備えるとともに、前記ブレードは、停電が発生した場合にピッチ軸周りの回転拘束が解除されることを特徴とする。
【００１４】
請求項２に記載の発明によれば、停電が発生した場合においても、ピッチ予備制御手段によって、一のブレードのピッチをフルフェザー位置に、残りのブレードのピッチをフルフラット位置に、各々設定することができる。従って、停電が発生した場合においても、ピッチ制御機構による制御と同様の作用効果を発揮することができ、冗長性を確保することができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の水平軸型風車において、前記ピッチ予備制御手段は、前記ピッチ制御機構の故障が発生した場合に、一の前記ブレードのピッチをフルフェザー位置に、残りの前記ブレードのピッチをフルフラット位置に、各々設定するものであるとともに、前記ブレードは、前記ピッチ制御機構の故障が発生した場合にピッチ軸周りの回転拘束が解除されることを特徴とする。
【００１６】
請求項３に記載の発明によれば、ピッチ制御機構の故障が発生した場合においても、ピッチ予備制御手段によって、一のブレードのピッチをフルフェザー位置に、残りのブレードのピッチをフルフラット位置に、各々設定することができる。従って、ピッチ制御機構の故障が発生した場合においても、ピッチ制御機構による制御と同様の作用効果を発揮することができ、さらなる冗長性を確保することができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の水平軸型風車において、一の前記ブレードのピッチがフルフェザー位置に、残りの前記ブレードのピッチがフルフラット位置に、各々設定された場合に、ロータ軸周りの回転拘束が解除されることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
【００１９】
［第１の実施の形態］
本実施の形態においては、水平軸型風車とその制御方法について説明する。図１は、本実施の形態に係る水平軸型風車１の概要を示す斜視図である。水平軸型風車１は、タワー１０と、このタワー１０の頂部に取り付けられたナセル２０と、このナセル２０に略水平方向に延在して軸支された（図示されていない）主軸と、この主軸に取り付けられたロータ３０と、を備えている。
【００２０】
タワー１０の頂部には、偏揺機構が設けられている。この偏揺機構によって、タワー１０の頂部に取り付けられたナセル２０を略水平面内で回動させることができ、ナセル２０に取り付けられたロータ３０の回転面を平均風向きの方向に正対させることができる。なお、本実施の形態におけるタワー１０の基部の直径は２ｍ、頂部の直径は１ｍ、高さは２０ｍとされている。
【００２１】
ナセル２０は、その内部に発電機、ギアボックス、コントローラ等の各種機器を搭載しており、タワー１０の頂部に回動自在に取り付けられる。このナセル２０には、水平軸型風車に作用する正面風、背風及び横風の速度を検出するセンサが搭載されている。なお、本実施の形態におけるナセル２０の正面投影面積は４ｍ２、側面投影面積は８ｍ２とされている。
【００２２】
ロータ３０は、主軸の一端に取り付けられたハブ３１と、このハブ３１に取り付けられた２枚のブレード３２ａ、３２ｂと、を有するものである。各ブレード３２ａ、３２ｂのピッチ角は、後述するピッチ制御機構によって、独立して可変制御される。なお、本実施の形態におけるロータ３０の直径は２０ｍ、ブレード３２ａ（３２ｂ）の平面積は６ｍ２とされている。
【００２３】
本実施の形態に係る水平軸型風車１は、ロータ３０の各ブレード３２ａ、３２ｂのピッチを独立して可変制御するピッチ制御機構を備える。このピッチ制御機構について、ロータ３０のハブ３１からブレード３２ａを取り外した状態の斜視図である図２を用いて説明する。
【００２４】
図２に示すように、ハブ３１にはベアリング３１ａを介してリングギア３１ｂが回動自在に取り付けられており、このリングギア３１ｂにブレード３２ａの端部が取り付けられる。ハブ３１の内部には、ピニオン３１ｃを有するアクチュエータ３１ｄが設けられており、このピニオン３１ｃはリングギア３１ｂと噛み合っている。そして、図示していないモータによってアクチュエータ３１ｄのピニオン３１ｃを回転させ、リングギア３１ｂを回転させることによってブレード３２ａを回転させることができ、ブレード３２ａのピッチを変化させることができる。
【００２５】
これらベアリング３１ａ、リングギア３１ｂ、ピニオン３１ｃ及びアクチュエータ３１ｄと同一の構成要素がブレード３２ｂ側にも設けられており、ブレード３２ａ、３２ｂのピッチを独立に変化させることができる。なお、ブレード３２ａ駆動用のアクチュエータ３１ｄ及びブレード３２ｂ駆動用のアクチュエータは外部電源から電力を得ており、共通のモータ及び制御装置によって駆動制御される。以上説明したベアリング３１ａ、リングギア３１ｂ、ピニオン３１ｃ、アクチュエータ３１ｄ、モータ及び制御装置によって、ピッチ制御機構が構成される。
【００２６】
なお、運転中に停電が発生してモータへの電流供給が中断された場合には、アクチュエータ３１ｄのピニオン３１ｃの回転拘束が解除され、リングギア３１ｂが回転自在となるように構成されている。このため、停電が発生した場合には、ブレード３２ａ、３２ｂのピッチ軸周りの回転拘束が解除され、後述するピッチ付勢手段の作用により、一方のブレード３２ａのピッチがフルフェザー位置に、他方のブレード３２ｂのピッチがフルフラット位置に、各々設定されるようになっている。また、このとき、同時にロータ３０のロータ軸周りの回転拘束が解除されるようになっている。
【００２７】
また、ピッチ制御機構を構成するベアリング３１ａ、リングギア３１ｂ、ピニオン３１ｃ、アクチュエータ３１ｄ及びモータの何れかに故障が発生した場合には、故障していない残りのブレードのピッチをフルフェザー位置又はフルフラット位置に設定することにより、安全性を確保することとしている。
【００２８】
本実施の形態に係る水平軸型風車１は、停電が発生したり、ピッチ制御機構の構成要素に故障が発生したりしてモータに電流が供給されなくなった場合においても、一方のブレード３２ａのピッチをフルフェザー位置に、他方のブレード３２ｂのピッチをフルフラット位置に、各々設定するピッチ予備制御手段を備えている。このピッチ予備制御手段について説明する。
【００２９】
ピッチ予備制御手段は、ピッチ規制手段及びピッチ付勢手段から構成される。ピッチ規制手段は、図２に示したハブ３１のベアリング３１ａに突設されたフェザー用係止部４０と、ブレード３２ａの端部に設けられこのフェザー用係止部４０に当接可能な図示していない係合部と、を備える。ブレード３２ａの係合部が、ハブ３１のフェザー用係止部４０に当接した場合に、ブレード３２ａのピッチがフルフェザー位置に規制される。
【００３０】
一方、図２には示していないが、ブレード３２ｂ側のハブのベアリングにフラット用係止部が設けられるとともに、ブレード３２ｂの端部にこのフラット用係止部に当接可能な係合部が設けられており、これらによってもピッチ規制手段が構成される。そして、ブレード３２ｂの係合部が、ハブ３１のフラット用係止部に当接した場合に、ブレード３２ｂのピッチがフルフラット位置に規制されることとなる。
【００３１】
なお、本実施の形態においてはブレード３２ａ（３２ｂ）の係合部近傍に、図示していない緩衝手段（ダンパ）を設けているため、ブレード３２ａ（３２ｂ）の係合部とハブ３１のフェザー用（フラット用）係止部とが当接する際の衝撃を緩和することができる。
【００３２】
本発明において「フルフェザー位置」とは、ブレード３２ａが、ロータ３０のトルク出力を零にするようなピッチ角に設定された状態（例えば、ブレード３２ａのピッチ角θ０を図３に示したように定義すると、θ０が約＋９０ｄｅｇに設定された状態）を意味する。
【００３３】
また、本発明において「フルフラット位置」とは、ブレード３２ｂが、通常運転時におけるピッチ角よりフラット（正面風に対して略直角な状態）にされ、ロータ３０にほとんど回転力が発生しないピッチ角に設定された状態（例えば、図３に示したθ０が約−１５ｄｅｇに設定された状態）を意味する。
【００３４】
ピッチ付勢手段は、ブレード３２ａをフェザー方向へ、ブレード３２ｂをフラット方向へ、各々駆動する図示されていないバネで構成されている。このバネによる付勢力は、ブレード３２ａ、３２ｂに作用する空気力モーメントに対して充分に対抗できる大きさとされている。ピッチ付勢手段は、ブレード３２ａ、３２ｂのピッチ軸周りの回転拘束力が解除された場合に、ブレード３２ａをフルフェザー位置まで、ブレード３２ｂをフルフラット位置まで、各々回転させるように機能するものである。
【００３５】
次いで、本実施の形態に係る水平軸型風車１のピッチ制御動作について、図４及び図５を用いて説明する。
【００３６】
まず、正常運転時においては、風速変動等に基づく予め設定された制御条件に従って発せられる制御装置からの信号によって、ピッチ制御機構の各アクチュエータ３１ｄを駆動し、各ピニオン３１ｃを正逆回転駆動し、各ピニオン３１ｃに噛み合うリングギア３１ｂを回転駆動して、各ブレード３２ａ、３２ｂのピッチを独立して可変制御する。
【００３７】
ここで、運転中に、ナセル２０に搭載されたセンサによって、水平軸型風車１にカットアウト風速を超える風速の風が作用している旨が検出された場合には、ピッチ制御機構によって、一方のブレード３２ａのピッチをフルフェザー位置に、他のブレード３２ｂのピッチをフルフラット位置に、各々設定する。
【００３８】
カットアウト風速を超える風速の正面風（背風）が作用した場合において、前記した制御動作を行った水平軸型風車１の正面図及び側面図を、図４（ａ）及び（ｂ）に示した。また、カットアウト風速を超える風速の横風が作用した場合において、前記した制御動作を行った水平軸型風車１の正面図及び側面図を、図５（ａ）及び（ｂ）に示した。なお、本実施の形態においては、カットアウト風速を２５ｍ／ｓと設定している。
【００３９】
表−１は、本実施の形態に係る水平軸型風車に風速６０ｍ／ｓの風が作用した場合において、ブレード３２ａ、３２ｂの双方のピッチをフルフラット位置に設定した場合における風車基部のスラスト荷重（ｋＮ）及び転倒モーメント（ｋＮｍ）と、ブレード３２ａ、３２ｂの双方のピッチをフルフェザー位置に設定した場合における風車基部のスラスト荷重（ｋＮ）及び転倒モーメント（ｋＮｍ）と、ブレード３２ａをフルフラット位置に他方のブレード３２ｂをフルフェザー位置に各々設定した場合における風車基部のスラスト荷重（ｋＮ）及び転倒モーメント（ｋＮｍ）と、を示したものである。
【００４０】
【表１】
表−１に示されるように、本実施の形態に係る水平軸型風車１のブレード３２ａをフルフラット位置に、他方のブレード３２ｂをフルフェザー位置に、各々設定した場合においては、ブレード３２ａ、３２ｂの双方のピッチをフルフラット位置に設定した場合と比較すると、ブレードに作用するスラスト荷重（ｋＮ）及び転倒モーメント（ｋＮｍ）は、ともに８７％に低減していることがわかる。
【００４２】
また、表−１に示されるように、本実施の形態に係る水平軸型風車１のブレード３２ａをフルフラット位置に、他方のブレード３２ｂをフルフェザー位置に、各々設定した場合においては、ブレード３２ａ、３２ｂの双方のピッチをフルフェザー位置に設定した場合と比較すると、ブレードに作用するスラスト荷重（ｋＮ）は７７％に低減するとともに、転倒モーメント（ｋＮｍ）は６９％に低減していることがわかる。
【００４３】
また、運転中に、２枚のブレード３２ａ、３２ｂのうち何れか一方のブレード（例えばブレード３２ａ）を駆動制御するピッチ制御機構に異常が発生し、フラット位置（運転時におけるピッチ角の位置）で固着した場合には、他の正常に作動するブレード３２ｂのアクチュエータ３１ｄのピニオン３１ｃによってリングギア３１ｂを回転させて、ブレード３２ｂのピッチをフルフェザー位置又はフルフラット位置に設定する。
【００４４】
一方、運転中に停電が発生したり、ピッチ制御機構を構成する構成要素に故障が発生したりしてモータに電流が供給されなくなった場合には、アクチュエータ３１ｄのピニオン３１ｃの回転拘束が解除され、各ブレードに設けたピッチ付勢手段が機能してブレード３２ａがフルフェザー位置まで、ブレード３２ｂがフルフラット位置まで、各々回転する。なお、このとき、同時にロータ軸周りの回転拘束も解除される。
【００４５】
本実施の形態に係る水平軸型風車１においては、カットアウト風速（２５ｍ／ｓ）を超える風速の風が作用した場合に、ピッチ制御機構によって一方のブレード３２ａのピッチをフルフェザー位置に設定することができるので、ブレードの過回転を抑制することができる。
【００４６】
また、本実施の形態に係る水平軸型風車１においては、カットアウト風速（２５ｍ／ｓ）を超える風速の風が作用した場合に、ピッチ制御機構によって、一方のブレード３２ａ（３２ｂ）のピッチをフルフェザー位置に、他方のブレード３２ｂ（３２ａ）のピッチをフルフラット位置に、各々設定することができる。従って、ロータに作用する荷重を格段に低減させることができる。
【００４７】
例えば、ブレード３２ａのピッチをフルフェザー位置に設定し、ブレード３２ｂのピッチをフルフラット位置に設定すると、カットアウト風速（２５ｍ／ｓ）を超える風速の正面風（背風）が作用した場合でも、フルフェザーブレードであるブレード３２ａに作用する荷重はフルフラットブレードであるブレード３２ｂと比較すると大幅に低下する。従って、ブレードのピッチを全てフルフラット位置に設定した場合と比較すると、ロータに作用する荷重は格段に低減することとなる。この結果、装置全体の軽量化及び装置の建設コストの低減化を図ることができる。
【００４８】
また、ブレード３２ａのピッチをフルフェザー位置に設定し、ブレード３２ｂのピッチをフルフラット位置に設定すると、カットアウト風速を超える風速の横風が作用した場合に、フルフェザーブレードであるブレード３２ａが横風の風下側に靡くようにロータ３０が回転し、このブレード３２ａが略水平に配置されて釣り合った状態となる（図５参照）。この状態においてフルフラットブレードであるブレード３２ｂに作用する荷重はきわめて小さい。従って、ブレードのピッチを全てフルフェザー位置に設定した場合と比較すると、ロータに作用する荷重は格段に低減することとなる。この結果、装置全体の軽量化及び装置の製造コストの低減化を図ることができる。
【００４９】
また、本実施の形態に係る水平軸型風車１においては、運転中に停電が発生したり、ピッチ制御機構を構成する構成要素に故障が発生したりしてモータに電流が供給されなくなった場合においても、ピッチ予備制御手段（ピッチ規制手段及びピッチ付勢手段）によって、ブレード３２ａのピッチをフルフェザー位置に、ブレード３２ｂのピッチをフルフラット位置に、各々設定することができる。従って、停電が発生したり、ピッチ制御機構を構成する構成要素に故障が発生したりしてモータに電流が供給されなくなった場合においても、ピッチ制御機構による制御と同様の作用効果を発揮することができ、ロータに作用する荷重を格段に低減させることができる。
【００５０】
［第２の実施の形態］
本実施の形態に係る水平軸型風車１Ａは、第１の実施の形態に係る水平軸型風車１において、ロータ３０の構成を変更したものであり、その他の構成については実質的に同一であるので、重複した構成については説明を省略する。
【００５１】
本実施の形態に係る水平軸型風車１Ａのロータ３０Ａは、主軸の一端に取り付けられたハブ３１Ａと、このハブ３１Ａに取り付けられた３枚のブレード３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃと、を有するものである。各ブレード３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃのピッチ角は、ピッチ制御機構によって、独立して可変制御される。
【００５２】
ピッチ制御機構の構成は、第１の実施の形態に係る水平軸型風車１のものと実質的に同一であり、運転中に停電が発生したり、ピッチ制御機構の構成要素に故障が発生したりした場合には、各ブレード３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃはピッチ軸を中心に回転自在となるとともに、ロータ３０Ａはロータ軸を中心に回転自在となる。
【００５３】
また、本実施の形態に係る水平軸型風車１Ａのピッチ予備制御手段は、１枚のブレード３２Ａのピッチをフルフェザー位置に設定し、残りのブレード３２Ｂ、３２Ｃのピッチをフルフラット位置に設定するものとした。
【００５４】
次いで、本実施の形態に係る水平軸型風車１Ａのピッチ制御動作について、図６を用いて説明する。
【００５５】
まず、正常運転時においては、風速変動等に基づく予め設定された制御条件に従って発せられる制御装置からの信号によって、ピッチ制御機構によって各ブレード３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃのピッチを独立して可変制御する。
【００５６】
ここで、運転中に、ナセル２０Ａに搭載されたセンサによって、水平軸型風車１Ａにカットアウト風速（２５ｍ／ｓ）を超える風速の風が作用している旨が検出された場合には、ピッチ制御機構によって、１枚のブレード３２Ａのピッチをフルフェザー位置に、残りの２枚のブレード３２Ｂ、３２Ｃのピッチをフルフラット位置に、各々設定する。このような制御動作を行った水平軸型風車１の正面図及び側面図を、図６（ａ）及び（ｂ）に示した。
【００５７】
また、運転中に、３枚のブレード３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃのうち何れか１枚のブレード（例えばブレード３２Ａ）を制御するピッチ制御系統に異常が発生し、フラット位置で固着した場合には、他の正常に作動する２枚のブレード３２Ｂ、３２Ｃのうち何れか１枚のブレード（例えばブレード３２Ｂ）のピッチをフルフェザー位置に設定し、残りの１枚のブレード（ブレード３２Ｃ）のピッチをフルフラット位置に設定する。
【００５８】
一方、運転中に停電が発生したり、ピッチ制御機構を構成する構成要素に故障が発生したりしてモータに電流が供給されなくなった場合には、各ブレード３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃはピッチ軸周りの回転拘束が解除される。そして、各ブレードに設けたピッチ付勢手段により、ブレード３２Ａのピッチがフルフェザー位置に設定され、残りのブレード３２Ｂ、３２Ｃのピッチがフルフラット位置に設定される。
【００５９】
本実施の形態に係る水平軸型風車１Ａにおいては、カットアウト風速（２５ｍ／ｓ）を超える風速の風が作用した場合に、ピッチ制御機構によって、１枚のブレード（例えばブレード３２Ａ）のピッチをフルフェザー位置に、残り２枚のブレード（ブレード３２Ｂ、３２Ｃ）のピッチをフルフラット位置に、各々設定することができる。従って、ロータに作用する荷重を格段に低減させることができる。
【００６０】
例えば、ブレード３２Ａのピッチをフルフェザー位置に設定し、ブレード３２Ｂ、３２Ｃのピッチをフルフラット位置に設定すると、カットアウト風速（２５ｍ／ｓ）を超える風速の正面風が作用した場合でも、フルフェザーブレードであるブレード３２Ａに作用する荷重は、フルフラットブレードであるブレード３２Ｂ、３２Ｃと比較すると大幅に低下する。従って、ブレードのピッチを全てフルフラット位置に設定した場合と比較すると、ロータに作用する荷重は格段に低減することとなる。この結果、装置全体の軽量化及び装置の建設コストの低減化を図ることができる。
【００６１】
また、カットアウト風速（２５ｍ／ｓ）を超える風速の横風が作用した場合において、フルフェザーブレードであるブレード３２Ａが横風の風下側に靡くようにロータ３０Ａが回転し、このブレード３２Ａが略水平に配置され、他の２枚のフルフラットブレードであるブレード３２Ｂ、３２Ｃが上下に配置されて釣り合った状態となる（図６参照）。この状態において２枚のブレード３２Ｂ、３２Ｃに作用する荷重はきわめて小さい。従って、ブレードのピッチを全てフルフェザー位置に設定した場合と比較すると、ロータに作用する荷重は格段に低減することとなる。この結果、装置全体の軽量化及び装置の製造コストの低減化を図ることができる。
【００６２】
なお、以上の実施の形態においては、ピッチ予備制御手段をピッチ規制手段及びピッチ付勢手段から構成したが、これに限られるものではない。例えば、ハブ内部やナセル内部にバッテリを備え、停電時にバッテリからモータに電流を供給して、一のブレードのピッチをフルフェザー位置に設定し、残りのブレードのピッチをフルフラット位置に設定することもできる。
【００６３】
また、以上の実施の形態においては、電力で駆動するアクチュエータを備えた電動のピッチ制御機構を採用したが、これに限らず、流体圧式アクチュエータを採用することもできる。この場合には、圧縮空気を充填したタンクをナセル内部に搭載しておき、停電時にタンク内の圧縮空気をシリンダに送り込んで、一のブレードのピッチをフルフェザー位置に設定し、残りのブレードのピッチをフルフラット位置に設定することができる。
【００６４】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、カットアウト風速を超える風速の風が作用した場合に、ピッチ制御機構によって一のブレードのピッチをフルフェザー位置に設定することができるので、ブレードの過回転を抑制することができる。
【００６５】
また、請求項１に記載の発明によれば、カットアウト風速を超える風速の風が作用した場合に、ピッチ制御機構によって一のブレードのピッチをフルフェザー位置に、残りのブレードのピッチをフルフラット位置に、各々設定することができるので、ロータに作用する荷重を格段に低減させることができる。この結果、装置全体の軽量化及び装置の建設コストの低減化を図ることができる。
【００６６】
請求項２に記載の発明によれば、停電が発生した場合においても、ピッチ予備制御手段によって、一のブレードのピッチをフルフェザー位置に、他のブレードのピッチをフルフラット位置に、各々設定することができる。この結果、停電時においてもピッチ制御機構による制御と同様の作用効果を発揮することができ、冗長性を確保することができる。
【００６７】
請求項３に記載の発明によれば、ピッチ制御機構の故障が発生した場合においても、ピッチ予備制御手段によって、一のブレードのピッチをフルフェザー位置に、残りのブレードのピッチをフルフラット位置に、各々設定することができる。この結果、ピッチ制御機構の故障発生時においてもピッチ制御機構による制御と同様の作用効果を発揮することができ、冗長性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る水平軸型風車の斜視図である。
【図２】図１に示した水平軸型風車のピッチ制御機構の構成を説明するためのハブ周辺部分の斜視図である。
【図３】図１に示した水平軸型風車のブレードのピッチ角を説明するための説明図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る水平軸型風車のピッチ制御動作を説明するためのものであり、（ａ）は、強い正面風（背風）が作用した場合において一方のブレードのピッチをフルフェザー位置に他方のブレードのピッチをフルフラット位置に設定した状態の水平軸型風車の正面図、（ｂ）は（ａ）の状態の水平軸型風車の側面図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る水平軸型風車のピッチ制御動作を説明するためのものであり、（ａ）は、強い横風が作用した場合において一方のブレードのピッチをフルフェザー位置に他方のブレードのピッチをフルフラット位置に設定した状態の水平軸型風車の正面図、（ｂ）は（ａ）の状態の水平軸型風車の側面図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る水平軸型風車のピッチ制御動作を説明するためのものであり、（ａ）は、強い横風が作用した場合において一のブレードのピッチをフルフェザー位置に残り２枚のブレードのピッチをフルフラット位置に設定した状態の水平軸型風車の正面図、（ｂ）は（ａ）の状態の水平軸型風車の側面図である。
【符号の説明】
１、１Ａ 水平軸型風車
１０ タワー
２０ ナセル
３０、３０Ａ ロータ
３１、３１Ａ ハブ
３１ａ ベアリング
３１ｂ リングギア
３１ｃ ピニオン
３１ｄ アクチュエータ
３２ａ、３２ｂ ブレード
３２Ａ〜３２Ｃ ブレード
４０ フェザー用係止部
Claims (4)
- 略水平方向に延在する回転自在な主軸と、前記主軸に取り付けられたハブ及び前記ハブにピッチ変更自在に取り付けられた２枚以上のブレードを有するロータと、を備える水平軸型風車において、
カットアウト風速を超える風速の風が作用した場合に前記ブレードの各々のピッチを独立して可変制御して、一の前記ブレードのピッチをフルフェザー位置に、残りの前記ブレードのピッチをフルフラット位置に、各々設定するピッチ制御機構を備えることを特徴とする水平軸型風車。 - 停電が発生した場合に、一の前記ブレードのピッチをフルフェザー位置に、残りの前記ブレードのピッチをフルフラット位置に、各々設定するピッチ予備制御手段を備えるとともに、
前記ブレードは、
停電が発生した場合にピッチ軸周りの回転拘束が解除されることを特徴とする請求項１に記載の水平軸型風車。 - 前記ピッチ予備制御手段は、
前記ピッチ制御機構の故障が発生した場合に、一の前記ブレードのピッチをフルフェザー位置に、残りの前記ブレードのピッチをフルフラット位置に、各々設定するものであるとともに、
前記各ブレードは、
前記ピッチ制御機構の故障が発生した場合にピッチ軸周りの回転拘束が解除されることを特徴とする請求項２に記載の水平軸型風車。 - 一の前記ブレードのピッチがフルフェザー位置に、残りの前記ブレードのピッチがフルフラット位置に、各々設定された場合に、ロータ軸周りの回転拘束が解除されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の水平軸型風車。
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