JP4076123B2 - 風車のピッチアライメント調整方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は風車のピッチアライメント調整方法に関し、特に、複数のブレードの各ピッチ角を独立したアクチュエータにより各々制御するようにした風車のピッチアライメント調整方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、無公害な発電設備として風力発電設備が普及しつつある。風力発電に使用される風車は、一般にタワーの上端に発電機等を収容するナセルを回転自在に取り付け、このナセルにハブ及び複数のブレードを有するロータを回転自在に支承して構成されている。
【０００３】
また、特に大型の風車では、風速変動に応じてブレードのピッチ角を変更するアクティブピッチ制御により、起動トルクの増大が図られていると共に、風速に応じたロータの回転数の制御が行なわれ、かつ強風時にはブレードを風向と平行にするフェザリングにより出力及び回転速度を常用範囲内に収める制御が行なわれている。
【０００４】
このようなアクティブピッチ制御によりピッチ角を変更するピッチ可変機構としては、各ブレードのピッチ角を共通のアクチュエータにより複数のリンクを介して連動して制御する連動式のものと、各ブレードのピッチ角を各々独立したアクチュエータにより独立して制御する独立式のものとが知られているが、連動式のものは複雑なリンク機構等を要し、ハブ内の構造が複雑になることから、最近ではハブ内の構造が簡素化できる独立式のものが比較的多く採用されている。
【０００５】
ところで、上記のようにアクティブピッチ制御によりブレードのピッチ角を変更する場合には、ブレードの形状誤差やピッチアライメント誤差により、各ブレードが発生する空気力にアンバランスが生じ、これにより主軸、ナセル、ヨー系統等のサブシステムに変動荷重が作用して、耐用年数の低下などの悪影響を及ぼすことになる。
【０００６】
そこで、従来は、風車の設置にあたって、各ブレードを形状誤差が極力小さくなるように高精度に製造すると共に、各ブレードをハブの結合部に対して幾何学的誤差が極力小さくなるように高精度にアライメント調整して取り付けるようにしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述したように各ブレードを高精度に製造するには、製造・検査等に時間がかかり、コストアップになることが懸念される。また、各ブレードをハブの結合部に幾何学的に高精度に位置合わせして取り付けるには、取り付け作業及び検査に時間を要することが懸念される他、タワー上の高所での長時間に亘る取り付け調整作業及び検査は安全性の観点から好ましくない。
【０００８】
また、このようにブレードの形状誤差及びピッチアライメント誤差が各々設定範囲内に入るようにブレードの製造及び取り付けを行なう場合には、両者の誤差の組み合わせが最大となる場合の荷重アンバランスにも対処できるように、主軸、ナセル、ヨー系統等のサブシステムを設計する必要があるため、該サブシステムが大型で重量が大きく、コストアップになることが懸念される。
【０００９】
なお、ピッチアライメントに関しては、ハブのブレード結合部をアライメント誤差が生じにくい形状にすることも考えられるが、このようにするとコストアップを招くことになる。
【００１０】
従って、かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、コストアップを招くことなくピッチアライメントを簡単に調整できると共に、サブシステムの小型・軽量化もしくは耐久性向上、及び設備事業費の低減化が図れる風車のピッチアライメント調整方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する請求項１に記載の風車のピッチアライメント調整方法の発明は、ナセルに回転自在に支持されたロータにハブを介して取り付けられた複数のブレードを有し、各ブレードのピッチ角を独立したアクチュエータにより制御するようにした風車のピッチアライメントを調整する風車のピッチアライメント調整方法において、上記複数のブレードのうちの任意の１枚のブレードのピッチ角を固定した状態で、上記ロータを定速回転させながら残りのブレードのピッチ角を対応するアクチュエータにより変更して、該各ピッチ角における上記ナセルの振動状態を測定し、上記振動状態の測定結果に基づいて上記複数のブレードの最適なピッチ角の組み合わせを決定して、上記複数のブレードのピッチ角を決定された組み合わせのピッチ角となるように、対応するアクチュエータを介してピッチアライメントを調整することを特徴とする。
【００１２】
請求項１の発明によると、任意の１枚のブレードのピッチ角を固定し、ロータを定速回転させながら残りのブレードのピッチ角を対応するアクチュエータにより変更して、その各ピッチ角におけるナセルの振動状態を測定し、その振動状態の測定結果に基づいて複数のブレードのピッチ角を対応するアクチュエータを介して最適なピッチ角の組み合わせに調整するので、空力（トルク及びスラスト）アンバランスの要因となるブレード形状誤差とピッチアライメント誤差とを区別することなく、総合的なバランスが取れるようにピッチアライメントを簡単に調整することが可能になり、これにより変動荷重を小さくすることが可能となる。
【００１３】
従って、各ブレードの製造及びハブ結合部への取り付けに際しての幾何学的精度要求を緩くすることが可能となるので、ブレードのコストダウンが図れると共に、ピッチ角のアライメント設定に対する要求値が基本的に不要となるので、風車の設置が容易になり、それに伴ってタワー上の高所での作業を簡略化でき、作業の安全性及び設置期間の短縮化が図れる。
【００１４】
更に、変動荷重を小さくできることから、主軸、ナセル、ヨー系統等のサブシステムの小型・軽量化もしくは耐久性向上が図れ、風車の設備事業費（風車本体、設置、保守の各費用）の低減化が図れる。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のピッチアライメント調整方法において、上記振動状態として振動加速度を測定し、該振動加速度が最小となるピッチ角の組み合わせを、上記最適なピッチ角の組み合わせとして決定することを特徴とする。
【００１６】
請求項２の発明によると、ナセルの振動加速度が最小となるようにピッチアライメントを簡単に調整することが可能となる。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のピッチアライメント調整方法において、上記振動状態として振動加速度のパワースペクトラム密度を測定し、該パワースペクトラム密度に基づいて上記ナセルの振動バランスが最良となる組み合わせを、上記最適なピッチ角の組み合わせとして決定することを特徴とする。
【００１８】
請求項３の発明によると、ナセルの振動バランスが最良となるようにピッチアライメントを簡単に調整することが可能となる。
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の風車のピッチアライメント調整方法において、上記ピッチアライメントの調整は、上記風車の設置またはメンテナンスにあたって行われることを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の風車のピッチアライメント調整方法において、上記ナセルの振動状態の測定は、上記ナセルに取り付けられた加速度センサによって行われることを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の風車のピッチアライメント調整方法において、上記ナセルの振動状態の測定は、上記ナセルに取り付けられた歪みセンサによって行われることを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、請求項１に記載の風車のピッチアライメント調整方法において、上記測定時に、上記ロータをモータによって回転させることを特徴とする。
請求項８に記載の発明は、請求項１に記載の風車のピッチアライメント調整方法において、上記測定時に、上記残りのブレードのピッチ角を、所定の角度範囲で微少角度ずつ変角させることを特徴とする。
請求項９に記載の発明は、請求項１に記載の風車のピッチアライメント調整方法において、上記測定時に、上記残りのブレードのピッチ角を、各ブレードの幾何学的原点から±５度の角度範囲で変角させることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による風車のピッチアライメント調整方法の実施の形態について、図１乃至図６を参照して説明する。
【００２０】
（第１実施の形態）
図１は本発明によるピッチアライメント調整方法を実施し得る水平軸型風車の概要を示す全体斜視図である。この水平軸型風車１は、タワー２の上端に回転自在に取り付けられた発電機等を収容するナセル３を有しており、このナセル３に略水平方向に延在して回転自在に支持された主軸（図示せず）によって、ハブ５及び複数枚のブレード、本実施の形態では３枚のブレード６ａ、６ｂ、６ｃを有するロータ４が回転自在に支持されている。
【００２１】
各ブレード６ａ、６ｂ、６ｃは、ハブ５内に搭載されている対応する公知のアクチュエータにより各々独立してピッチ角を調整できるようにハブ５に回動自在に取り付けられ、風速変動に応じて各ブレード６ａ、６ｂ、６ｃのピッチ角を変更するアクティブピッチ制御により、起動トルクの増大が図られると共に、風速に応じた回転数の制御が行なわれ、かつ強風時には各ブレード６ａ、６ｂ、６ｃを風向と平行にするフェザリングにより出力及び回転速度が常用範囲内に収まるように制御されるようになっている。
【００２２】
本発明の第１実施の形態では、図１に示した水平軸型風車１の設置或いはメンテナンスにあたって、ブレード６ａ、６ｂ、６ｃを、ナセル３の振動が最も小さくなるピッチ角の組み合わせにアライメント調整する。
【００２３】
図２は第１実施の形態におけるピッチアライメント調整方法を実施する調整システムの概略構成図である。この調整システムは、各ブレード６ａ、６ｂ、６ｃのピッチ角を独立して可変するアクチュエータ１０ａ、１０ｂ、１０ｃと、ロータ４を定速回転させるモータ１１と、アクチュエータ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ及びモータ１１の駆動を制御する制御器１２と、ナセル３の振動加速度を測定する振動測定器１３と、制御器１２から出力される各ブレード６ａ、６ｂ、６ｃのピッチ角情報と共に振動測定器１３による振動加速度の測定値を記録する記録装置１４とを有している。
【００２４】
各アクチュエータ１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、上述したように各ブレード６ａ、６ｂ、６ｃのピッチ角を独立して制御するためにハブ５内に搭載されているもので、各々油圧シリンダや電動モータ等の駆動源を有している。
【００２５】
制御器１２は、ピッチアライメント調整専用に構成することもできるが、図１に示した水平軸型風車１には、風向を検出してナセル３をヨー軸を中心に回動制御したり、強風時にロータ４が過回転するのを防止する制御を行なったりする制御器が搭載されているので、本実施の形態ではこの水平軸型風車１に本来搭載されている制御器を共用し、この制御器に運転モードの他にアライメント設定モードを設定してピッチアライメント調整時の運転手順をプログラムしておく。
【００２６】
振動測定器１３は、例えばナセル３の任意の箇所に加速度センサを取り付けてナセル３の振動加速度を直接測定するよう構成するか、加速度センサの代わりに歪みセンサを接着してナセル３の振動加速度を間接的に測定するよう構成する。
【００２７】
また、記録装置１４は、一般的な公知の記録装置を用いる。
【００２８】
本実施の形態では、アライメント設定モードにおいて、先ず、３枚のブレード６ａ、６ｂ、６ｃのうちの任意のブレード、例えばブレード６ｃのピッチ角を制御器１２によりアクチュエータ１０ｃを介して所定の角度θ３に固定し、その状態で制御器１２によりモータ１１を駆動してロータ４を定速回転、例えば６０ｒｐｍで回転させながら、他の２枚のブレード６ａ及び６ｂのピッチ角θ１、θ２を制御器１２により対応するアクチュエータ１０ａ、１０ｂを介して所定の角度範囲で微小角度ずつ自動的に変角させ、その各ピッチ角におけるナセル３の振動加速度を振動測定器１３で測定して記録装置１４に記録する。
【００２９】
なお、ブレード６ｃのピッチ角θ３は、好ましくはブレード６ｃがハブ５の結合部に対して幾何学的原点（ピッチ角が幾何学的に一致している点）にほぼ位置する角度に設定する。また、ブレード６ａ、６ｂは、例えば各々の幾何学的原点から±５度の範囲で変角させる。
【００３０】
その後、記録装置１４に記録された振動加速度の測定結果を解析して、ナセル３の振動が最も小さくなるブレード６ａ、６ｂ、６ｃの最適なピッチ角の組み合わせを求め、その求めた最適なピッチ角の組み合わせとなるように、各ブレード６ａ、６ｂ、６ｃのピッチ角を制御器１２により対応するアクチュエータ１０ａ、１０ｂ、１０ｃを介してアライメント調整する。
【００３１】
即ち、記録装置１４に記録された測定結果を解析すると、例えば図３に模式的に示すような振動加速度等高線を得ることができるので、この解析結果からブレード６ｃのピッチ角θ３に対して最適、即ち振動が最小となるブレード６ａ及び６ｂのピッチ角θ１opt及びθ２optを選択して、ブレード６ａ、６ｂ、６ｃのピッチ角の組み合わせを（θ１opt，θ２opt，θ３）のように決定し、その決定されたピッチ角の組み合わせとなるように、各ブレード６ａ，６ｂ，６ｃのピッチ角をアライメント調整する。なお、これらのピッチ角は、ブレード６ａ、６ｂ、６ｃの各形状誤差を吸収するので、通常は幾何学的原点とは若干異なる角度を取る。
【００３２】
以上のようにして、アライメント調整した後、以後の通常の運転モードでは、そのアライメント調整されたピッチ角をピッチ角制御の基準点として、風速変動に応じて制御器１２により各ブレード６ａ、６ｂ、６ｃのピッチ角を対応するアクチュエータ１０ａ、１０ｂ、１０ｃを介してアクティブ制御する。
【００３３】
このように、本実施の形態では、１枚のブレード６ｃのピッチ角をθ３に固定し、ロータ４を定速回転させながら他の２枚のブレード６ａ，６ｂのピッチ角θ１、θ２を可変して、その各ピッチ角におけるナセル３の振動加速度を測定し、その測定結果に基づいてナセル３の振動が最も小さくなるブレード６ａ、６ｂ、６ｃの最適なピッチ角の組み合わせを決定して、その決定した最適なピッチ角の組み合わせとなるようにブレード６ａ、６ｂ、６ｃのピッチ角を対応する各アクチュエータ１０ａ、１０ｂ、１０ｃを介して調整するようにしたので、空力アンバランスの要因となるブレード形状誤差とピッチアライメント誤差とを区別することなく、総合的なバランスが取れるようにピッチアライメントを簡単に調整でき、変動荷重を小さくすることができる。
【００３４】
従って、ブレード６ａ、６ｂ、６ｃの製造及び検査等を容易にでき、コストダウンを図ることができると共に、ピッチ角のアライメント設定に対する要求値が基本的に不要となるので風車１の設置が容易になり、それに伴いタワー２上の高所での作業を簡略化できるので、作業の安全性及び設置期間の短縮化を図ることができる。更に、変動荷重を小さくできることから、主軸、ナセル３、ヨー系統等のサブシステムの小型・軽量化若しくは高耐久性を図ることができ、風力発電の設備事業費を低減することができる。
【００３５】
（第２実施の形態）
本発明の第２実施の形態では、図１に示した水平軸型風車１の設置或いはメンテナンスにあたって、ブレード６ａ、６ｂ、６ｃを、ナセル３の振動バランスが最も良くなるピッチ角の組み合わせにアライメント調整する。
【００３６】
このため、本実施の形態では、図４に調整システムの概略構成図を示すように、図２に示した調整システムの構成に、振動測定器１３から出力される振動加速度のパワースペクトラム密度を演算する高速フーリエ変換器（ＦＦＴ）２１を付加し、このＦＦＴ２１で演算したパワースペクトラム密度を制御器１２から出力される各ブレード６ａ、６ｂ、６ｃのピッチ角情報と共に記録装置１４に記録するようにする。
【００３７】
このようにして、アライメント設定モードにおいては、第１実施の形態と同様にして、先ず、３枚のブレード６ａ、６ｂ、６ｃのうちの任意のブレード、例えばブレード６ｃのピッチ角をθ３に固定し、その状態で制御器１２によりモータ１１を駆動してロータ４を定速回転、例えば６０ｒｐｍで回転させながら、他の２枚のブレード６ａ及び６ｂの各ピッチ角θ１、θ２を制御器１２により対応するアクチュエータ１０ａ、１０ｂを介して所定の角度範囲で微小角度ずつ自動的に変角させ、その各ピッチ角におけるナセル３の振動加速度を振動測定器１３で測定する。
【００３８】
本実施の形態では、振動測定器１３から出力される振動加速度をＦＦＴ２１に供給してそのパワースペクトラム密度を求め、そのパワースペクトラム密度を制御器１２からの各ブレード６ａ、６ｂ、６ｃのピッチ角情報とともに記録装置１４に記録する。
【００３９】
その後、記録装置１４に記録された測定結果を解析して、ナセル３の振動バランスが最も良くなるブレード６ａ、６ｂ、６ｃの最適なピッチ角の組み合わせを決定し、その決定された最適なピッチ角の組み合わせとなるように、各ブレード６ａ、６ｂ、６ｃのピッチ角を制御器１２により対応するアクチュエータ１０ａ、１０ｂ、１０ｃを介してアライメント調整する。
【００４０】
ここで、ＦＦＴ２１により振動測定器１３で測定された振動加速度のパワースペクトラム密度を求めると、図５に示すように、アライメント誤差が大きい場合には、ロータ４の回転速度と同一周期の１Ｐ成分のパワースペクトル強度が大きくなって支配的となり、振動バランスが良い場合には（ｎｂ×Ｐ）成分のパワースペクトル強度が大きくなって支配的となることが知られている。なお、ｎｂはブレード枚数を示す。
【００４１】
従って、本実施の形態のように、３枚のブレード６ａ、６ｂ、６ｃを有するロータ４を例えば６０ｒｐｍで定速回転させると、アライメント誤差が大きい場合には１Ｐ（１Ｈｚ）成分が支配的となり、振動バランスが良くなるに従って３Ｐ（３Ｈｚ）成分が支配的となる。
【００４２】
そこで、記録装置１４に記録された測定結果を、例えば３Ｐ成分と１Ｐ成分との比を評定パラメータとして解析すると、例えば図６に模式的に示すような振動加速度等高線を得ることができるので、この解析結果からブレード６ｃのピッチ角θ３に対して最適、即ち振動バランスが最も良いブレード６ａ及び６ｂのピッチ角θ１opt及びθ２optを求めて、ブレード６ａ、６ｂ、６ｃの最適なピッチ角の組み合わせを（θ１opt、θ２opt、θ３）のように決定し、その決定された最適なピッチ角の組み合わせとなるように、各ブレード６ａ、６ｂ、６ｃのピッチ角をアライメント調整する。なお、これらのピッチ角は、第１実施の形態の場合と同様に、ブレード６ａ、６ｂ、６ｃの各形状誤差を吸収するので、通常は幾何学的原点とは若干異なる角度を取る。
【００４３】
このように、本実施の形態では、１枚のブレード６ｃのピッチ角をθ３に固定し、ロータ４を定速回転させながら他の２枚のブレード６ａ、６ｂのピッチ角θ１、θ２を変更して、その各ピッチ角におけるナセル３の振動加速度のパワースペクトラム密度を測定し、その測定結果に基づいてナセル３の振動バランスが最も良くなるブレード６ａ、６ｂ、６ｃのピッチ角の組み合わせを求めて、その組み合わせとなるようにブレード６ａ、６ｂ、６ｃのピッチ角を調整するようにしたので、第１実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００４４】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えばブレード枚数は３枚に限らず、２枚または４枚以上の風車のアライメント調整にも適用できると共に、水平軸型風車に限らず、風速変動に応じて各ブレードのピッチ角を各々独立したアクチュエータで独立してアクティブ制御する種々の形式の風車に適用することができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、任意の１枚のブレードのピッチ角を固定し、ロータを定速回転させながら残りのブレードのピッチ角を対応するアクチュエータにより変更して、その各ピッチ角におけるナセルの振動状態を測定し、その振動状態の測定結果に基づいて複数のブレードのピッチ角を対応するアクチュエータを介して最適なピッチ角の組み合わせとなるようにピッチアライメントを調整するようにしたので、ブレード形状誤差とピッチアライメント誤差とを区別することなく、総合的なバランスが取れるようにピッチアライメントを簡単に調整することができ、変動荷重を小さくすることができる。
【００４６】
従って、各ブレードの製造及びハブ結合部への取り付けに際しての幾何学的精度を緩くすることができるので、ブレードのコストダウンが図れると共に、ピッチ角のアライメント設定に対する要求値が基本的に不要となるので、風車の設置が容易になり、それに伴ってタワー上の高所での作業を簡略化できるので、作業の安全性及び設置期間の短縮化が図れる。更に、変動荷重を小さくできることから、主軸、ナセル、ヨー系統等のサブシステムの小型・軽量化もしくは耐久性向上が図れるので、風車の設備事業費を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるピッチアライメント調整方法を実施し得る水平軸型風車の概要を示す全体斜視図である。
【図２】本発明の第１実施の形態におけるピッチアライメント調整方法を実施する調整システムの概略構成図である。
【図３】第１実施の形態による振動加速度の解析結果を模式的に示す図である。
【図４】本発明の第２実施の形態におけるピッチアライメント調整方法を実施する調整システムの概略構成図である。
【図５】第２実施の形態による振動加速度のパワースペクトラム密度を説明するための図である。
【図６】第２実施の形態によるパワースペクトラム密度の解析結果を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１ 水平軸型風車
２ タワー
３ ナセル
４ ロータ
５ ハブ
６ａ、６ｂ、６ｃ ブレード
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ アクチュエータ
１１ モータ
１２ 制御器
１３ 振動測定器
１４ 記録装置
２１ 高速フーリエ変換器（ＦＦＴ）
【発明の属する技術分野】
本発明は風車のピッチアライメント調整方法に関し、特に、複数のブレードの各ピッチ角を独立したアクチュエータにより各々制御するようにした風車のピッチアライメント調整方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、無公害な発電設備として風力発電設備が普及しつつある。風力発電に使用される風車は、一般にタワーの上端に発電機等を収容するナセルを回転自在に取り付け、このナセルにハブ及び複数のブレードを有するロータを回転自在に支承して構成されている。
【０００３】
また、特に大型の風車では、風速変動に応じてブレードのピッチ角を変更するアクティブピッチ制御により、起動トルクの増大が図られていると共に、風速に応じたロータの回転数の制御が行なわれ、かつ強風時にはブレードを風向と平行にするフェザリングにより出力及び回転速度を常用範囲内に収める制御が行なわれている。
【０００４】
このようなアクティブピッチ制御によりピッチ角を変更するピッチ可変機構としては、各ブレードのピッチ角を共通のアクチュエータにより複数のリンクを介して連動して制御する連動式のものと、各ブレードのピッチ角を各々独立したアクチュエータにより独立して制御する独立式のものとが知られているが、連動式のものは複雑なリンク機構等を要し、ハブ内の構造が複雑になることから、最近ではハブ内の構造が簡素化できる独立式のものが比較的多く採用されている。
【０００５】
ところで、上記のようにアクティブピッチ制御によりブレードのピッチ角を変更する場合には、ブレードの形状誤差やピッチアライメント誤差により、各ブレードが発生する空気力にアンバランスが生じ、これにより主軸、ナセル、ヨー系統等のサブシステムに変動荷重が作用して、耐用年数の低下などの悪影響を及ぼすことになる。
【０００６】
そこで、従来は、風車の設置にあたって、各ブレードを形状誤差が極力小さくなるように高精度に製造すると共に、各ブレードをハブの結合部に対して幾何学的誤差が極力小さくなるように高精度にアライメント調整して取り付けるようにしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述したように各ブレードを高精度に製造するには、製造・検査等に時間がかかり、コストアップになることが懸念される。また、各ブレードをハブの結合部に幾何学的に高精度に位置合わせして取り付けるには、取り付け作業及び検査に時間を要することが懸念される他、タワー上の高所での長時間に亘る取り付け調整作業及び検査は安全性の観点から好ましくない。
【０００８】
また、このようにブレードの形状誤差及びピッチアライメント誤差が各々設定範囲内に入るようにブレードの製造及び取り付けを行なう場合には、両者の誤差の組み合わせが最大となる場合の荷重アンバランスにも対処できるように、主軸、ナセル、ヨー系統等のサブシステムを設計する必要があるため、該サブシステムが大型で重量が大きく、コストアップになることが懸念される。
【０００９】
なお、ピッチアライメントに関しては、ハブのブレード結合部をアライメント誤差が生じにくい形状にすることも考えられるが、このようにするとコストアップを招くことになる。
【００１０】
従って、かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、コストアップを招くことなくピッチアライメントを簡単に調整できると共に、サブシステムの小型・軽量化もしくは耐久性向上、及び設備事業費の低減化が図れる風車のピッチアライメント調整方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する請求項１に記載の風車のピッチアライメント調整方法の発明は、ナセルに回転自在に支持されたロータにハブを介して取り付けられた複数のブレードを有し、各ブレードのピッチ角を独立したアクチュエータにより制御するようにした風車のピッチアライメントを調整する風車のピッチアライメント調整方法において、上記複数のブレードのうちの任意の１枚のブレードのピッチ角を固定した状態で、上記ロータを定速回転させながら残りのブレードのピッチ角を対応するアクチュエータにより変更して、該各ピッチ角における上記ナセルの振動状態を測定し、上記振動状態の測定結果に基づいて上記複数のブレードの最適なピッチ角の組み合わせを決定して、上記複数のブレードのピッチ角を決定された組み合わせのピッチ角となるように、対応するアクチュエータを介してピッチアライメントを調整することを特徴とする。
【００１２】
請求項１の発明によると、任意の１枚のブレードのピッチ角を固定し、ロータを定速回転させながら残りのブレードのピッチ角を対応するアクチュエータにより変更して、その各ピッチ角におけるナセルの振動状態を測定し、その振動状態の測定結果に基づいて複数のブレードのピッチ角を対応するアクチュエータを介して最適なピッチ角の組み合わせに調整するので、空力（トルク及びスラスト）アンバランスの要因となるブレード形状誤差とピッチアライメント誤差とを区別することなく、総合的なバランスが取れるようにピッチアライメントを簡単に調整することが可能になり、これにより変動荷重を小さくすることが可能となる。
【００１３】
従って、各ブレードの製造及びハブ結合部への取り付けに際しての幾何学的精度要求を緩くすることが可能となるので、ブレードのコストダウンが図れると共に、ピッチ角のアライメント設定に対する要求値が基本的に不要となるので、風車の設置が容易になり、それに伴ってタワー上の高所での作業を簡略化でき、作業の安全性及び設置期間の短縮化が図れる。
【００１４】
更に、変動荷重を小さくできることから、主軸、ナセル、ヨー系統等のサブシステムの小型・軽量化もしくは耐久性向上が図れ、風車の設備事業費（風車本体、設置、保守の各費用）の低減化が図れる。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のピッチアライメント調整方法において、上記振動状態として振動加速度を測定し、該振動加速度が最小となるピッチ角の組み合わせを、上記最適なピッチ角の組み合わせとして決定することを特徴とする。
【００１６】
請求項２の発明によると、ナセルの振動加速度が最小となるようにピッチアライメントを簡単に調整することが可能となる。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のピッチアライメント調整方法において、上記振動状態として振動加速度のパワースペクトラム密度を測定し、該パワースペクトラム密度に基づいて上記ナセルの振動バランスが最良となる組み合わせを、上記最適なピッチ角の組み合わせとして決定することを特徴とする。
【００１８】
請求項３の発明によると、ナセルの振動バランスが最良となるようにピッチアライメントを簡単に調整することが可能となる。
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の風車のピッチアライメント調整方法において、上記ピッチアライメントの調整は、上記風車の設置またはメンテナンスにあたって行われることを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の風車のピッチアライメント調整方法において、上記ナセルの振動状態の測定は、上記ナセルに取り付けられた加速度センサによって行われることを特徴とする。
請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の風車のピッチアライメント調整方法において、上記ナセルの振動状態の測定は、上記ナセルに取り付けられた歪みセンサによって行われることを特徴とする。
請求項７に記載の発明は、請求項１に記載の風車のピッチアライメント調整方法において、上記測定時に、上記ロータをモータによって回転させることを特徴とする。
請求項８に記載の発明は、請求項１に記載の風車のピッチアライメント調整方法において、上記測定時に、上記残りのブレードのピッチ角を、所定の角度範囲で微少角度ずつ変角させることを特徴とする。
請求項９に記載の発明は、請求項１に記載の風車のピッチアライメント調整方法において、上記測定時に、上記残りのブレードのピッチ角を、各ブレードの幾何学的原点から±５度の角度範囲で変角させることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による風車のピッチアライメント調整方法の実施の形態について、図１乃至図６を参照して説明する。
【００２０】
（第１実施の形態）
図１は本発明によるピッチアライメント調整方法を実施し得る水平軸型風車の概要を示す全体斜視図である。この水平軸型風車１は、タワー２の上端に回転自在に取り付けられた発電機等を収容するナセル３を有しており、このナセル３に略水平方向に延在して回転自在に支持された主軸（図示せず）によって、ハブ５及び複数枚のブレード、本実施の形態では３枚のブレード６ａ、６ｂ、６ｃを有するロータ４が回転自在に支持されている。
【００２１】
各ブレード６ａ、６ｂ、６ｃは、ハブ５内に搭載されている対応する公知のアクチュエータにより各々独立してピッチ角を調整できるようにハブ５に回動自在に取り付けられ、風速変動に応じて各ブレード６ａ、６ｂ、６ｃのピッチ角を変更するアクティブピッチ制御により、起動トルクの増大が図られると共に、風速に応じた回転数の制御が行なわれ、かつ強風時には各ブレード６ａ、６ｂ、６ｃを風向と平行にするフェザリングにより出力及び回転速度が常用範囲内に収まるように制御されるようになっている。
【００２２】
本発明の第１実施の形態では、図１に示した水平軸型風車１の設置或いはメンテナンスにあたって、ブレード６ａ、６ｂ、６ｃを、ナセル３の振動が最も小さくなるピッチ角の組み合わせにアライメント調整する。
【００２３】
図２は第１実施の形態におけるピッチアライメント調整方法を実施する調整システムの概略構成図である。この調整システムは、各ブレード６ａ、６ｂ、６ｃのピッチ角を独立して可変するアクチュエータ１０ａ、１０ｂ、１０ｃと、ロータ４を定速回転させるモータ１１と、アクチュエータ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ及びモータ１１の駆動を制御する制御器１２と、ナセル３の振動加速度を測定する振動測定器１３と、制御器１２から出力される各ブレード６ａ、６ｂ、６ｃのピッチ角情報と共に振動測定器１３による振動加速度の測定値を記録する記録装置１４とを有している。
【００２４】
各アクチュエータ１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、上述したように各ブレード６ａ、６ｂ、６ｃのピッチ角を独立して制御するためにハブ５内に搭載されているもので、各々油圧シリンダや電動モータ等の駆動源を有している。
【００２５】
制御器１２は、ピッチアライメント調整専用に構成することもできるが、図１に示した水平軸型風車１には、風向を検出してナセル３をヨー軸を中心に回動制御したり、強風時にロータ４が過回転するのを防止する制御を行なったりする制御器が搭載されているので、本実施の形態ではこの水平軸型風車１に本来搭載されている制御器を共用し、この制御器に運転モードの他にアライメント設定モードを設定してピッチアライメント調整時の運転手順をプログラムしておく。
【００２６】
振動測定器１３は、例えばナセル３の任意の箇所に加速度センサを取り付けてナセル３の振動加速度を直接測定するよう構成するか、加速度センサの代わりに歪みセンサを接着してナセル３の振動加速度を間接的に測定するよう構成する。
【００２７】
また、記録装置１４は、一般的な公知の記録装置を用いる。
【００２８】
本実施の形態では、アライメント設定モードにおいて、先ず、３枚のブレード６ａ、６ｂ、６ｃのうちの任意のブレード、例えばブレード６ｃのピッチ角を制御器１２によりアクチュエータ１０ｃを介して所定の角度θ３に固定し、その状態で制御器１２によりモータ１１を駆動してロータ４を定速回転、例えば６０ｒｐｍで回転させながら、他の２枚のブレード６ａ及び６ｂのピッチ角θ１、θ２を制御器１２により対応するアクチュエータ１０ａ、１０ｂを介して所定の角度範囲で微小角度ずつ自動的に変角させ、その各ピッチ角におけるナセル３の振動加速度を振動測定器１３で測定して記録装置１４に記録する。
【００２９】
なお、ブレード６ｃのピッチ角θ３は、好ましくはブレード６ｃがハブ５の結合部に対して幾何学的原点（ピッチ角が幾何学的に一致している点）にほぼ位置する角度に設定する。また、ブレード６ａ、６ｂは、例えば各々の幾何学的原点から±５度の範囲で変角させる。
【００３０】
その後、記録装置１４に記録された振動加速度の測定結果を解析して、ナセル３の振動が最も小さくなるブレード６ａ、６ｂ、６ｃの最適なピッチ角の組み合わせを求め、その求めた最適なピッチ角の組み合わせとなるように、各ブレード６ａ、６ｂ、６ｃのピッチ角を制御器１２により対応するアクチュエータ１０ａ、１０ｂ、１０ｃを介してアライメント調整する。
【００３１】
即ち、記録装置１４に記録された測定結果を解析すると、例えば図３に模式的に示すような振動加速度等高線を得ることができるので、この解析結果からブレード６ｃのピッチ角θ３に対して最適、即ち振動が最小となるブレード６ａ及び６ｂのピッチ角θ１opt及びθ２optを選択して、ブレード６ａ、６ｂ、６ｃのピッチ角の組み合わせを（θ１opt，θ２opt，θ３）のように決定し、その決定されたピッチ角の組み合わせとなるように、各ブレード６ａ，６ｂ，６ｃのピッチ角をアライメント調整する。なお、これらのピッチ角は、ブレード６ａ、６ｂ、６ｃの各形状誤差を吸収するので、通常は幾何学的原点とは若干異なる角度を取る。
【００３２】
以上のようにして、アライメント調整した後、以後の通常の運転モードでは、そのアライメント調整されたピッチ角をピッチ角制御の基準点として、風速変動に応じて制御器１２により各ブレード６ａ、６ｂ、６ｃのピッチ角を対応するアクチュエータ１０ａ、１０ｂ、１０ｃを介してアクティブ制御する。
【００３３】
このように、本実施の形態では、１枚のブレード６ｃのピッチ角をθ３に固定し、ロータ４を定速回転させながら他の２枚のブレード６ａ，６ｂのピッチ角θ１、θ２を可変して、その各ピッチ角におけるナセル３の振動加速度を測定し、その測定結果に基づいてナセル３の振動が最も小さくなるブレード６ａ、６ｂ、６ｃの最適なピッチ角の組み合わせを決定して、その決定した最適なピッチ角の組み合わせとなるようにブレード６ａ、６ｂ、６ｃのピッチ角を対応する各アクチュエータ１０ａ、１０ｂ、１０ｃを介して調整するようにしたので、空力アンバランスの要因となるブレード形状誤差とピッチアライメント誤差とを区別することなく、総合的なバランスが取れるようにピッチアライメントを簡単に調整でき、変動荷重を小さくすることができる。
【００３４】
従って、ブレード６ａ、６ｂ、６ｃの製造及び検査等を容易にでき、コストダウンを図ることができると共に、ピッチ角のアライメント設定に対する要求値が基本的に不要となるので風車１の設置が容易になり、それに伴いタワー２上の高所での作業を簡略化できるので、作業の安全性及び設置期間の短縮化を図ることができる。更に、変動荷重を小さくできることから、主軸、ナセル３、ヨー系統等のサブシステムの小型・軽量化若しくは高耐久性を図ることができ、風力発電の設備事業費を低減することができる。
【００３５】
（第２実施の形態）
本発明の第２実施の形態では、図１に示した水平軸型風車１の設置或いはメンテナンスにあたって、ブレード６ａ、６ｂ、６ｃを、ナセル３の振動バランスが最も良くなるピッチ角の組み合わせにアライメント調整する。
【００３６】
このため、本実施の形態では、図４に調整システムの概略構成図を示すように、図２に示した調整システムの構成に、振動測定器１３から出力される振動加速度のパワースペクトラム密度を演算する高速フーリエ変換器（ＦＦＴ）２１を付加し、このＦＦＴ２１で演算したパワースペクトラム密度を制御器１２から出力される各ブレード６ａ、６ｂ、６ｃのピッチ角情報と共に記録装置１４に記録するようにする。
【００３７】
このようにして、アライメント設定モードにおいては、第１実施の形態と同様にして、先ず、３枚のブレード６ａ、６ｂ、６ｃのうちの任意のブレード、例えばブレード６ｃのピッチ角をθ３に固定し、その状態で制御器１２によりモータ１１を駆動してロータ４を定速回転、例えば６０ｒｐｍで回転させながら、他の２枚のブレード６ａ及び６ｂの各ピッチ角θ１、θ２を制御器１２により対応するアクチュエータ１０ａ、１０ｂを介して所定の角度範囲で微小角度ずつ自動的に変角させ、その各ピッチ角におけるナセル３の振動加速度を振動測定器１３で測定する。
【００３８】
本実施の形態では、振動測定器１３から出力される振動加速度をＦＦＴ２１に供給してそのパワースペクトラム密度を求め、そのパワースペクトラム密度を制御器１２からの各ブレード６ａ、６ｂ、６ｃのピッチ角情報とともに記録装置１４に記録する。
【００３９】
その後、記録装置１４に記録された測定結果を解析して、ナセル３の振動バランスが最も良くなるブレード６ａ、６ｂ、６ｃの最適なピッチ角の組み合わせを決定し、その決定された最適なピッチ角の組み合わせとなるように、各ブレード６ａ、６ｂ、６ｃのピッチ角を制御器１２により対応するアクチュエータ１０ａ、１０ｂ、１０ｃを介してアライメント調整する。
【００４０】
ここで、ＦＦＴ２１により振動測定器１３で測定された振動加速度のパワースペクトラム密度を求めると、図５に示すように、アライメント誤差が大きい場合には、ロータ４の回転速度と同一周期の１Ｐ成分のパワースペクトル強度が大きくなって支配的となり、振動バランスが良い場合には（ｎｂ×Ｐ）成分のパワースペクトル強度が大きくなって支配的となることが知られている。なお、ｎｂはブレード枚数を示す。
【００４１】
従って、本実施の形態のように、３枚のブレード６ａ、６ｂ、６ｃを有するロータ４を例えば６０ｒｐｍで定速回転させると、アライメント誤差が大きい場合には１Ｐ（１Ｈｚ）成分が支配的となり、振動バランスが良くなるに従って３Ｐ（３Ｈｚ）成分が支配的となる。
【００４２】
そこで、記録装置１４に記録された測定結果を、例えば３Ｐ成分と１Ｐ成分との比を評定パラメータとして解析すると、例えば図６に模式的に示すような振動加速度等高線を得ることができるので、この解析結果からブレード６ｃのピッチ角θ３に対して最適、即ち振動バランスが最も良いブレード６ａ及び６ｂのピッチ角θ１opt及びθ２optを求めて、ブレード６ａ、６ｂ、６ｃの最適なピッチ角の組み合わせを（θ１opt、θ２opt、θ３）のように決定し、その決定された最適なピッチ角の組み合わせとなるように、各ブレード６ａ、６ｂ、６ｃのピッチ角をアライメント調整する。なお、これらのピッチ角は、第１実施の形態の場合と同様に、ブレード６ａ、６ｂ、６ｃの各形状誤差を吸収するので、通常は幾何学的原点とは若干異なる角度を取る。
【００４３】
このように、本実施の形態では、１枚のブレード６ｃのピッチ角をθ３に固定し、ロータ４を定速回転させながら他の２枚のブレード６ａ、６ｂのピッチ角θ１、θ２を変更して、その各ピッチ角におけるナセル３の振動加速度のパワースペクトラム密度を測定し、その測定結果に基づいてナセル３の振動バランスが最も良くなるブレード６ａ、６ｂ、６ｃのピッチ角の組み合わせを求めて、その組み合わせとなるようにブレード６ａ、６ｂ、６ｃのピッチ角を調整するようにしたので、第１実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００４４】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えばブレード枚数は３枚に限らず、２枚または４枚以上の風車のアライメント調整にも適用できると共に、水平軸型風車に限らず、風速変動に応じて各ブレードのピッチ角を各々独立したアクチュエータで独立してアクティブ制御する種々の形式の風車に適用することができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、任意の１枚のブレードのピッチ角を固定し、ロータを定速回転させながら残りのブレードのピッチ角を対応するアクチュエータにより変更して、その各ピッチ角におけるナセルの振動状態を測定し、その振動状態の測定結果に基づいて複数のブレードのピッチ角を対応するアクチュエータを介して最適なピッチ角の組み合わせとなるようにピッチアライメントを調整するようにしたので、ブレード形状誤差とピッチアライメント誤差とを区別することなく、総合的なバランスが取れるようにピッチアライメントを簡単に調整することができ、変動荷重を小さくすることができる。
【００４６】
従って、各ブレードの製造及びハブ結合部への取り付けに際しての幾何学的精度を緩くすることができるので、ブレードのコストダウンが図れると共に、ピッチ角のアライメント設定に対する要求値が基本的に不要となるので、風車の設置が容易になり、それに伴ってタワー上の高所での作業を簡略化できるので、作業の安全性及び設置期間の短縮化が図れる。更に、変動荷重を小さくできることから、主軸、ナセル、ヨー系統等のサブシステムの小型・軽量化もしくは耐久性向上が図れるので、風車の設備事業費を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるピッチアライメント調整方法を実施し得る水平軸型風車の概要を示す全体斜視図である。
【図２】本発明の第１実施の形態におけるピッチアライメント調整方法を実施する調整システムの概略構成図である。
【図３】第１実施の形態による振動加速度の解析結果を模式的に示す図である。
【図４】本発明の第２実施の形態におけるピッチアライメント調整方法を実施する調整システムの概略構成図である。
【図５】第２実施の形態による振動加速度のパワースペクトラム密度を説明するための図である。
【図６】第２実施の形態によるパワースペクトラム密度の解析結果を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１ 水平軸型風車
２ タワー
３ ナセル
４ ロータ
５ ハブ
６ａ、６ｂ、６ｃ ブレード
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ アクチュエータ
１１ モータ
１２ 制御器
１３ 振動測定器
１４ 記録装置
２１ 高速フーリエ変換器（ＦＦＴ）
Claims (9)
- ナセルに回転自在に支持されたロータにハブを介して取り付けられた複数のブレードを有し、各ブレードのピッチ角を独立したアクチュエータにより制御するようにした風車のピッチアライメントを調整する風車のピッチアライメント調整方法において、
上記複数のブレードのうちの任意の１枚のブレードのピッチ角を固定した状態で、上記ロータを定速回転させながら残りのブレードのピッチ角を対応するアクチュエータにより変更して、該各ピッチ角における上記ナセルの振動状態を測定し、
上記振動状態の測定結果に基づいて上記複数のブレードの最適なピッチ角の組み合わせを決定して、
上記複数のブレードのピッチ角を決定された組み合わせのピッチ角となるように、対応するアクチュエータを介してピッチアライメントを調整することを特徴とする風車のピッチアライメント調整方法。 - 上記振動状態として振動加速度を測定し、
該振動加速度が最小となるピッチ角の組み合わせを、上記最適なピッチ角の組み合わせとして決定することを特徴とする請求項１に記載の風車のピッチアライメント調整方法。 - 上記振動状態として振動加速度のパワースペクトラム密度を測定し、
該パワースペクトラム密度に基づいて上記ナセルの振動バランスが最良となる組み合わせを、上記最適なピッチ角の組み合わせとして決定することを特徴とする請求項１に記載の風車のピッチアライメント調整方法。 - 上記ピッチアライメントの調整は、上記風車の設置またはメンテナンスにあたって行われることを特徴とする請求項１に記載の風車のピッチアライメント調整方法。
- 上記ナセルの振動状態の測定は、上記ナセルに取り付けられた加速度センサによって行われることを特徴とする請求項１に記載の風車のピッチアライメント調整方法。
- 上記ナセルの振動状態の測定は、上記ナセルに取り付けられた歪みセンサによって行われることを特徴とする請求項１に記載の風車のピッチアライメント調整方法。
- 上記測定時に、前記ロータをモータによって回転させることを特徴とする請求項１に記載の風車のピッチアライメント調整方法。
- 上記測定時に、上記残りのブレードのピッチ角を、所定の角度範囲で微少角度ずつ変角させることを特徴とする請求項１に記載の風車のピッチアライメント調整方法。
- 上記測定時に、上記残りのブレードのピッチ角を、各ブレードの幾何学的原点から±５度の角度範囲で変角させることを特徴とする請求項１に記載の風車のピッチアライメント調整方法。
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