風車轉動體設計方法、風車轉動體設計支援裝置、風車轉動體設計支援程序及風車轉動體的製作方法

2023-06-02 21:30:16

專利名稱：風車轉動體設計方法、風車轉動體設計支援裝置、風車轉動體設計支援程序及風車轉動體的製作方法
技術領域：
本發明涉及風車轉動體設計方法、風車轉動體設計支援裝置及風車轉動體，特別是在風力發電裝置中，防止所使用的風車翼(葉片)與塔架接觸，而且能夠使俯仰力矩降低。
背景技術：
伴隨著迎風型風力發電裝置的風車轉動 體徑的增大，S卩，風車翼的長大化，產生因為風負荷所引起的風車翼的撓曲量增大的問題。風車翼的撓曲量的增大，風車翼可能與塔架接觸，所以考慮到風車翼的撓曲量，必須設計一種防止風車翼與塔架接觸的風力發電裝置。公知有三種防止風車翼與塔架接觸的方法。第I種方法，風車翼的俯仰軸(風車翼的旋轉軸)向迎風側傾斜(設置錐形角)。第2種方法，風車翼向迎風側彎曲(預先彎曲)。第3種方法，翼根部的初始安裝面與俯仰軸保持傾斜角，風車翼相對於俯仰軸傾斜安裝(根切)。這些方法的每一種，都使風車翼的前端遠離塔架，有效的防止了風車翼與塔架的接觸。這樣的技術，例如，美國專利申請公開第2009/0304513A1、美國專利第6，582，196B1、美國專利申請公報第2010/0104444A1及德國專利申請第102006041383A1中公開。但是，單單採用這些方法，因為風車翼的長大化，作用於翼旋轉軸承負載的不均衡的增大，無法消除使風車翼繞著俯仰軸旋轉所必要的俯仰力矩的增大的問題。首先，在這種情況下，相反作用於翼旋轉軸承的負載的不均衡可能會增大。俯仰力矩的增加，必須增大搭載在旋翼轂的俯仰控制機構的驅動能力，這不是設計風力發電裝置所希望的。但是，如果通過風車翼的設計可以減小使風車翼繞俯仰軸旋轉所必要的俯仰力矩，就可以避免這一問題。於是，通過發明者的研究，採用最適合的設計手法，可以減小使風車翼繞俯仰軸旋轉所必要的俯仰力矩。所述公知技術中，沒有涉及到關於減小俯仰力矩的技術。現有技術文獻專利文獻專利文獻I :美國專利申請公開第2009/0304513A1專利文獻2 :美國專利第6，582，196B1專利文獻3 :美國專利申請公報第2010/0104444A1專利文獻4 :德國專利申請第102006041383A
發明內容
本發明的目的在於提供一種設計技術，以使風車翼繞俯仰軸旋轉所必要的俯仰力矩減小。在本發明的第一個觀點中，提供一種風車轉動體的設計方法，該風車轉動體包括旋翼轂，設置於所述旋翼轂上的軸承，安裝於所述軸承上的風車翼。該風車轉動體設計方法包括提供運轉環境數據和所述風車翼的設計數據，該運轉環境表示含有風車轉動體的風力發電裝置的運轉環境；根據運轉環境數據和設計數據，計算出在該運轉環境下的風車翼的長度方向各位置的風車翼的翼的質量中心的位置；在從風車翼的翼根到翼前端的範圍內，對算出的翼的質量中心位置與風車翼的長度方向各位置的單位長度質量的乘積進行積分而得到積分值，而計算出依存於所得到的積分值的值，該值就是評價值。第一實施形態中，優選的是，運轉環境數據包括第一數據，表示風力發電裝置的額定風速；第二數據，表示運轉風力發電裝置所容許的最低溫度及對應於該最低溫度的空
/又 o另外，評價值F利用如下公式(I)計算F 1 x(z)m(z)dz，( I )
Z0 其中，在公式(I)中，z軸被定義為沿軸承的中心軸方向。X軸是垂直於z軸，且含有X軸、Z軸的平面被設定義與風車轉動體的旋轉面垂直。X(Z)是在Z軸上的位置Z的、在運轉環境下的風車翼的翼的質量中心的X軸方向的位置，Hl(Z)是在Z軸上的位置Z的風車翼的單位長度的質量。Z。是風車翼的翼根在Z軸上的位置，Z1是翼前端在Z軸上的位置。在第一實施形態中，X(Z)通過以下公式⑵計算x(z) = A X (z) - A xPRE (z)-zsin 0，…(2)其中，Ax(Z)是在該運轉環境下的、由風負載所引起的所述X軸方向的所述翼的質量中心的位移，風車翼的預先彎曲量Axpke(Z)是在位置z上的、無負載時所述風車翼的所述翼的質量中心在所述X軸方向的位置，根切傾斜角0是在所述風車翼的翼根部的、所述風車翼的延伸方向與所述軸承的中心軸之間的夾角度。在該風車轉動體設計方法中，更加優選的是為了所述積分值的減小而修正所述設計數據。在風車翼的翼根部是圓筒形的情況下，也可以把在翼根部的風車翼的延伸方向定義為圓筒形的中心線。本發明的其他觀點，提供一種風車轉動體的設計支援裝置。該風車轉動體包括旋翼轂、設置於旋翼轂上的軸承、安裝於軸承上的風車翼。該設計支援裝置備有存貯裝置和運算裝置，所述存貯裝置存貯表示含有所述風車轉動體的風力發電裝置的運轉環境的運轉環境數據和所述風車翼的設計數據；所述運算裝置通過運行程序計算評價值，根據所述運轉環境數據和所述設計數據，計算出在所述運轉環境下的所述風車翼的長度方向各位置的所述風車翼的翼的質量中心的位置，並且在從風車翼的翼根到翼前端的範圍內，對算出的翼的質量中心位置與風車翼的長度方向各位置的單位長度質量的乘積進行積分而得到積分值，而計算出依存於所得到的積分值的值，該值就是評價值。本發明的其他觀點提供一種風車轉動體的設計支援程序，該風車轉動體具備有旋翼轂、設置於旋翼轂上的軸承和安裝於軸承上的風車翼。該風車轉動體的設計支援裝置程序是在計算機中按照下述步驟進行計算所述風車翼的翼的質量中心的位置的步驟，以存貯裝置中預備的表示以含有所述風車轉動體的風力發電裝置的運轉環境的運轉環境數據和所述風車翼的設計數據為基礎，在所述運轉環境下的、計算出所述風車翼的長度方向各位置的所述風車翼的翼的質量中心的位置；以及，計算評價值的步驟，在從風車翼的翼根到翼前端的範圍內，對算出的翼的質量中心位置與風車翼的長度方向各位置的單位長度質量的乘積進行積分而得到積分值，而計算出依存於所得到的積分值的值，該值就是評價值。本發明的其他觀點提供一種風車轉動體，該風車轉動體包括旋翼轂、設置於旋翼轂上的軸承和安裝於軸承上的風車翼。其中，當第一方向被設定沿軸承中心軸方向，第二方向與第一方向垂直，且第一方向和第二方向所規定的平面垂直於風車轉動體的旋轉面時，所述風車翼形成以下形狀在氣溫為運轉含有所述風車轉動體的風力發電裝置所容許的最低溫度的情況下，且在吹著額定風速的風的情況下，當在所述翼根以外對曲線引切線時，從所述曲線的所述一致位置離開的部分位於切線與軸承的中心軸之間，所述曲線是由風負荷引起的風車翼的翼的質量中心在第二方向的位置的相對於從風車翼的翼根開始在第一方向的距離進行變化的曲線，所述切線是位於 所述風車翼的翼的質量中心與所述軸承的中心軸一致的位置。本發明提供一種設計技術，減小風車翼繞俯仰軸旋轉時所必要的俯仰力矩。


圖I表示第一實施形態的風力發電裝置的結構的側視圖。圖2表示第一實施形態的旋翼轂與風車翼的連接結構的例子的立體圖。圖3A表示風車翼的翼面形狀的例子的俯視圖。圖3B表示從翼弦方向觀察的風車翼結構的主視圖。圖4表示風車轉動體軸承的中心軸與風車翼的翼根部的中心線的關係的側視圖。圖5表示在不採用「根切法」的情況下，風車翼的翼根部與A-A剖面的翼剖面的位
置關係。圖6表示在採用「預先彎曲法」，不採用「根切法」的情況下，翼的質量中心的迎風方向(X軸方向)的位置的、相對於從翼根向俯仰軸方向(z軸方向)的位置的變化的曲線圖。圖7表示在採用「根切法」的情況下，風車翼的翼根部與A-A剖面及B-B剖面的翼剖面的位置關係。圖8表示在採用「預先彎曲法」和「根切法」的情況下，翼的質量中心的迎風方向(X軸方向)的位置的、相對於從翼根向俯仰軸方向(z軸方向)的位置的變化的曲線圖。圖9表示在適合的風車翼的情況下，翼的質量中心的迎風方向的位置的、相對於從翼根向俯仰軸方向(z軸方向)的位置的變化的曲線圖。圖10表示第一實施形態的風車轉動體設計支援裝置的結構的方塊圖。
具體實施例方式圖I表示第一實施形態的迎風型風力發電裝置的結構的側視圖。風力發電裝置I包括設立於基礎7上的塔架2、設置於塔架2上端的機艙3和風車轉動體4。風車轉動體4包括安裝於機艙3上可以旋轉的旋翼轂5，三枚安裝於旋翼轂5的風車翼6。風車轉動體4的旋轉軸(風車旋轉軸4a)為水平方向，或者朝上迎風方向而比水平方向稍稍偏上的方向。利用風負荷風車轉動體旋轉，風力發電裝置I產生電力，向與風力發電裝置連接的電力系統供給電力。圖2表示旋翼轂5與風車翼6的連接結構的例的立體圖。在轉動體5上安裝有三個軸承8 (圖示只表示一個)。軸承8，可以支持風車翼6的旋轉，軸承8的中心軸是風車翼
6的旋轉中心軸，即俯仰軸。利用軸承8，風車翼6的俯仰角可變。圖3A、圖3B表示風車翼6結構的例子的示圖。圖3A表示風車翼6的翼面的形狀，圖3B表示從翼弦方向觀察所得的風車翼6結構的示圖。本實施形態中，風車翼6的翼根部6a形成圓筒形，風車翼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。並且，在風車翼6的翼面之中，迎風側的翼面6c為凹面，並且順風側的翼面6d為凸面。因此，風車翼6的前端部分向迎風方向彎 曲。如後述所示，這些是用於防止風車翼6與塔架2間的接觸。在圖3A、圖3B中，符號10表示翼根部6a的風車翼6的中心線(及其延長線)。如圖3B所表不,風車翼6的翼前端6b位於相對中心線10偏離迎風方向。另外,在圖3A、圖3B中，符號6e表不風車翼6的翼根。圖4表示軸承8的中心軸(即俯仰軸)與翼根部6a的中心線10的關係的側視圖。俯仰軸參照圖4的符號9。以下說明中使用的用語，參照圖4定義。(I)風車的旋轉面風車旋轉面12是垂直於風車旋轉軸4a的平面。(2)錐形角錐形角a是俯仰軸9與風車旋轉面12所形成的角度。更嚴密的說，包含俯仰軸9且垂直於風車旋轉面12的面與風車旋轉面12形成直線，該直線與俯仰軸9形成的角度。(2)根切傾斜角根切傾斜角0是，翼根部6a的風車翼6的延伸方向與俯仰軸9所形成的角度。在此，因為在本實施形態中翼根部6a形成為圓筒形，所以根切傾斜角0被定義為該翼根部6a的圓筒形的中心線與俯仰軸9所形成的角度。在本實施形態中，通過傾斜切割圓筒形的翼根部6a，得到非零的根切傾斜角0。其中，z軸方向被定義為沿俯仰軸9的方向。但是，風車翼6的翼根6e為z = 0。而且，X軸方向被定義為垂直於Z軸方向，且面向迎風側的方向。在此，X軸方向被定義為，在由X軸方向與z軸方向所定義的平面與風車旋轉面12垂直。如上所述可知，有三種用於防止風車翼6與塔架2接觸的技術。第一種方法，風車翼6的俯仰軸(風車翼6的旋轉中心軸)向迎風側傾斜。這就意味著，所述圓錐角a設定為非零。以下，稱這種方法為「非零圓錐角法」。第二種方法，製作時風車翼6的前端部分向迎風側彎曲。以下，稱這種方法為「預先彎曲法」。第三種方法，把風車翼6的翼根部6a傾斜切斷，風車翼6相對於俯仰軸9傾斜安裝。這就意味著，所述的根切傾斜角0設定為非零。以下，稱這種方法為「根切法」。這些方法每一種都可以有效的用於防止風車翼6與塔架2接觸。最簡單並且應用最廣泛的方法是「非零圓錐角法」，在風車翼長大的情況下，如果只採用「非零圓錐角法」的方法，無法防止風車翼與塔架2的接觸。因此，通過發明者的研究，最好把其他方法與「非零圓錐角法」方法組合使用。這裡，發明者有這樣一個見解。根據「非零圓錐角法」、「預先彎曲法」及「根切法」的每一種對俯仰力矩Mzb (用於風車翼6繞俯仰軸9旋轉所必要的力矩)的影響的不同，通過對這些方法進行適當的組合使用，可以減小俯仰力矩Mzb。以下，討論「非零圓錐角法」、「預先彎曲法」及「根切法」對俯仰力矩Mzb的影響。在只採用「非零圓錐角法」的情況下，無風負荷時風車翼6在俯仰軸9之上。因此，只採用「非零圓錐角法」，在因為風負荷風車翼6彎曲的情況下，風車翼6的頂端部分離開俯仰軸9，俯仰力矩Mzb增大。但是，如果採用「預先彎曲法」，則在通過風負荷作用風車翼6彎曲的情況下，風車翼6的前端部分可以靠近俯仰軸9，所以可以使俯仰力矩Mzb減小。
這裡，通過發明者的討論，最有效減小俯仰力矩Mzb的是「根切法」。以下，參照圖5 圖9，由「根切法」所產生的俯仰力矩Mzb的減小效果進行說明。圖5表示，在不採用「根切法」的情況下，風車翼6的翼根部6a與翼剖面IlA的位置關係。這裡圖5的左圖表示，在風車翼6位於方位角270°的情況下，風車翼6的翼根部6a與翼剖面IlA的位置關係,右圖表不,在風車翼6位於方位角90°的情況下,風車翼6的翼根部6a與翼剖面IlA的位置關係。這裡，本說明書中，「方位角」是風車旋轉軸4a在周向的風車翼6的位置,在風車翼6位於垂直向上方向或者垂直向上方向的最近方向的情況下，方位角為0°。翼剖面IlA是，圖3A、圖3B的A-A剖面，即從風車翼6的中間稍微靠近翼前端6b的位置的風車翼6的翼剖面。如圖5所示，因為風負荷作用和風車翼6的彎曲，翼剖面IlA離開俯仰軸9。與風車翼6的撓曲量成比例，因為風車翼6的自重和空氣阻力，非對稱負載作用於使風車翼6旋轉的軸承8，使俯仰力矩增加。圖6表示，在採用「預先彎曲法」，而不採用「根切法」的情況下，翼的質量中心的迎風方向(X軸方向)的位置X(Z),相對於從翼根6e向俯仰軸方向(Z軸方向)的位置z的變化的曲線圖。這裡，在俯仰軸方向的位置z的翼的重量中心的位置x(z)是，計算通過位置z與俯仰軸9垂直的翼剖面所得的翼的重量中心的位置。無風負荷作用時，風車翼6彎曲的頂端部分位於從俯仰軸9沿迎風方向稍微離開的位置，整體上，翼的質量中心位於俯仰軸9的附近。當與額定風速下對應的風負荷作用時，風車翼6向順風側彎曲，翼的質量中心越接近風車翼6的翼前端6b，越從俯仰軸9離開。由此，作用於使風車翼6旋轉的軸承8的負載的非對稱性增加，使風車翼6繞俯仰軸9旋轉所必要的俯仰力矩Mzb增大。另外，圖7表示，在採用「根切法」的情況下，風車翼6的翼根部6a與翼剖面11A、IlB的位置關係。圖7的左圖表示，在風車翼6位於方位角270°的情況下，風車翼6的翼根部6a與翼剖面IlAUlB的位置關係。右圖表不在風車翼6位於方位角90°的情況下，風車翼6的翼根部6a與翼剖面IlAUlB的位置關係。這裡，翼剖面IlB是，圖3A、圖3B的B-B剖面，S卩，從風車翼6的中間稍微靠近翼根6e的位置的風車翼6的翼剖面。即，翼剖面IlA位於，相對地接近於風車翼6的翼前端6b的位置，翼剖面IlB位於，相對地接近於風車翼6的翼根部6a的位置。採用「根切法」的風車翼6的一個特徵是，在因為風負荷作用而風車翼6彎曲的情況下，接近於風車翼6的翼根部6a的部分位於俯仰軸9的迎風側，接近於翼前端6b的部分位於俯仰軸9的順風側。這些通過圖7表示，在圖7中，即使在方位角270°、90°的任意角度的情況下，翼剖面IlAUlB隔著俯仰軸9而位於相對的兩側。另外，如圖8所表示，在領域B中，翼的質量中心位於相對於俯仰軸9的迎風側，在領域A中，翼的質量中心位於相對於俯仰軸9的迎風側。由此，通過接近風車翼6的翼根部6a的部分與接近翼前端6b的部分的自重所產生的俯仰力矩Mzb相互抵消，風車翼6繞俯仰軸9旋轉所必要的俯仰力矩Mzb減小。這裡，在設計讓俯仰力矩Mzb減小的風車轉動體4時，必須要留意俯仰力矩Mzb是依賴於風力發電裝置I的運轉環境。在運轉風力發電裝置I所容許的氣溫為最低溫度，且吹著額定風速的風的運轉環境下運轉風力發電裝置I的情況下，俯仰力矩Mzb最大。即氣溫與空氣密度有關，在氣溫為最低氣溫的情況下，俯仰力矩變得最大。另外，風力發電裝置1，一般地，在實際風速小於額定風速的情況下，風車翼6控制在俯仰角最小狀態的良好狀態(接受風能最大的狀態)或者最小俯仰角附 近的俯仰角的狀態，實際速度超過額定風速時，隨著風速的增大，俯仰角增大，接近羽狀狀態(接受風能最小的狀態)。在這樣的運轉情況下，實際風速為額定風速時，俯仰力矩Mzb最大。結果,在氣溫為運轉風力發電裝置I所容許的最低氣溫，而且吹著額定風速的風的情況下，俯仰力矩Mzb最大，所以對於這種情況，適宜地設計風車轉動體4以減小俯仰力矩Mzb0對於適宜的風車轉動體4的設計的例子,在俯仰力矩Mzb符合最大條件(也就是說，在氣溫為運轉風力發電裝置I所容許最低氣溫，且吹著額定風速的風的情況下)，風車翼6的翼的質量中心在迎風方向的位置x(z),相對於從翼根6e沿俯仰軸(z軸方向)向上的位置z變化的曲線滿足以下條件(參照圖9)。條件在翼根6以外引切線L時，該切線在翼的質量中心的位置x(z)與俯仰軸9 一致的位置Q，這時，離開該曲線上位置Q的部分位於切線L和俯仰軸9 (z軸)之間。如果設計滿足這些條件的風車翼6，風車翼6彎曲時，可以提高俯仰軸的迎風側部分與順風側部分的平衡，減小俯仰力矩Mzb。如果只考慮減小俯仰力矩Mzb，希望注意的是，採用「根切法」是重要的，而未必採用「非零圓錐角法」和「預先彎曲法」。但是，從防止風車翼6與塔架2接觸的觀點來說，採用「非零圓錐角法」及/或「預先彎曲法」是有效果的。因此，對於實際的風車轉動體4的整體來說，採用「非零圓錐角法」和/或「預先彎曲法」並加上「根切法」是優選的。這裡，在採用「根切法」的情況下，重要的是使根切傾斜角0最優化。當根切傾斜角9過大時，因為風負荷作用風車翼6彎曲時，俯仰軸9的迎風側部分和順風側部分失去平衡，俯仰力矩Mzb增大。而且，在採用「預先彎曲法」的情況下，風車翼6彎曲時在俯仰軸的迎風側部分和在順風側部分的平衡依賴於「預先彎曲」的程度。因此，為了確定最適合的根切傾斜角9，必須考慮風車翼6在各位置上的預先彎曲量(也就是，無風負荷時，風車翼6在俯仰軸方向的各位置的翼的質量中心的X軸方向的位置)。以下討論設計最優化的根切傾斜角9的方法。如上所述，為了減小用於使風車翼6繞俯仰軸9旋轉所必要的俯仰力矩Mzb，風車翼6在俯仰軸9的迎風側部分和順風側部分的俯仰力矩Mzb間的平衡是非常重要的。一種評價這種平衡的方法在風車翼6的翼根6e到翼前端6b的範圍內，對在風負荷作用狀態下風車翼6的翼的質量中心位置X (z)和風車翼6在z軸方向各位置上的單位長度質量m(Z)的乘積進行積分所得的積分值f為基礎計算出評價值。積分值f的表達式(I)如下
f = [ 1x(z)m(z)dz , ( I )
jZ0其中，z是z軸方向(俯仰軸9方向)的位置。Ztl是風車翼6的翼根6e在z軸上的位置，Z1是是風車翼6的翼前端6b在所述z軸上的位置。在第一實施例中，可以直接使用積分值f作為評價值。在這種情況下，評價值F的表達式⑵如下F = [ 1x(z)m(z)dz , ( 2 )
,Z0評價值F也可以不是積分值f，也可以是對積分值進行某些運算所得的值。而且，也可以是考慮了積分值f以外的參數而計算出的值。
第一實施形態中，可以通過以下公式(3)計算出在風負荷作用狀態下的風車翼6的翼的質量中心的位置X(Z)x(z) = Ax(z)-Axpre(z)-z sin 0，…(3)其中，Ax(Z)是，風負荷作用狀態下X軸方向的翼的質量中心的位移(displacement移動)。Axpke(Z)是在坐標z迎風車翼6的預先彎曲量，即，在無風負荷作用時，坐標z上的風車翼6的翼的質量中心在X軸方向的位置，0是根切傾斜角，即在風車翼6的翼根部6a上，風車翼6的延伸方向與軸承8的中心軸之間的角度。在這種情況下，從式(2)、(3)得到以下公式⑷F = [ 1 (Ax(z) - Axpre (z) - zsin6,)m(z)dz , (4)
,Z0第一實施形態中，也可以利用式⑷得到評價值F。而且，風車翼6的翼根6e的位置為z = O。在翼前端6b的位置為Z = R的情況下(也就是，風車翼6的翼長為R的情況下)，得到以下公式(5)F = j"o (Ax(z) - Axpre(z)-zsin6,)m(z)dz , ( 5 )在第一實施形態中，也可以利用式(5)得到評價值F。其中，在有風負荷作用的情況下的翼的質量中心的位置x(z)(或者，因為風負荷所引起的翼的質量中心的位移Ax(Z))的值是依賴於運轉風力發電裝置I的運轉環境。運轉環境可以列舉出空氣密度、氣溫和風速。其中，因為空氣密度依賴於氣溫，所以希望注意的是空氣密度和氣溫是基本等效的參數。第一實施形態中，評價值F通過依存於氣溫T和風速V的函數計算得出。計算出要求的氣溫T和風速V下的位置X (Z)(或者位移A X (z))，而且，通過從計算出的位置x(Z)(或者是位移Ax(Z))中計算出評價值F，可以評價在該氣溫T和風速V的情況下，風車翼6在俯仰軸的迎風側部分和順風側部分的俯仰力矩Mzb間的平衡。作為替代，也可以通過依存於空氣密度P和風速V的函數計算出評價值F。在這種情況下，可以評價在該空氣密度P和風速V下，風車翼6在俯仰軸9的迎風側部分和順風側部分的俯仰力矩Mzb間的平衡。其中，如上所述，在運轉風力發電裝置I所容許的最低氣溫!；「或者，空氣密度P為最大空氣密度P max)，風速V為額定風速的情況下，用於使風車翼6繞俯仰軸9旋轉所必要的俯仰力矩Mzb的最大。因此，計算出最低氣溫Tot(或者，空氣密度P為最大空氣密度Pmax)及額定風速Veated下的翼的質量中心位置X (Z)(或者位移Ax(z))，利用計算出的位置X (Z)(或者位移A X (z))，計算出評價值F，該評價值F是，為了評價由於風車翼6的A領域部分和B領域部分的自重所產生的俯仰力矩Mzb間的平衡的最佳值。為了使最低氣溫Tlow(或者，最大空氣密度P mx)，額定風速Veated計算所得的評價值F最小，如果確定該根切傾斜角9和風車翼6的形狀(特別是預先彎曲量Axpke(Z)),可以減小用於使風車翼6繞俯仰軸9旋轉所必要的俯仰力矩Mzb。這種設計方法可以通過圖10表示的風車轉動體設計支援裝置20來實施。風車轉動體設計支援裝置20由電腦構成。該電腦具備有輸入裝置21、輸出裝置22、CPU23、存儲器24和外部存貯裝置25。輸入裝置21和輸出裝置22構成風車轉動體設計支援裝置20的人-機接口。輸入裝置21具備有例如鍵盤或滑鼠。輸出裝置22具備有例如監視器或印表機。在外部存貯裝置25中，安裝有風車轉動體設計支援程序26。風車轉動體設計支援程序26是為了支援所述設計方法的電腦程式。CPU23是利用監視器24執行風車轉動體設計支援程序26。風車轉動體設計支援程序26包 括模擬器，計算在要求的運轉環境(例如，氣溫T，空氣密度P，風速V)下受到風負荷作用的情況下，風車翼6的翼的質量中心在迎風方向(X軸方向)的位置X(Z)或者因為風負荷作用所產生的位移X(Z);代碼模塊，計算所述評價值F ;結構設計工具，設計風車翼6的結構。以下，通過圖10中的風車轉動體設計支援裝置20，說明設計風車翼6的程序的最適合的實施例。以下，說明利用公式(5)計算評價值F的情況。該公式(5)從最低氣溫Tot和額定風速Veated所得。但是，也可以利用公式(2)、(4)通過同樣的順序計算出評價值，以及也可以用最大空氣密度P mx代替最低氣溫Tot，這對於本領域的技術員來說是顯而易見的。外部存貯裝置25中預先準備了風車翼6的設計數據。該設計數據包括表示風車翼6結構的數據(風車翼6的位置X的預先彎曲量Axpke(Z)、風車翼6的翼長R和在位置z上的風車翼6的單位長度的質量m(z)等)以及表示其他機械特性的數據。設計數據可以通過風車轉動體設計支援程序26的結構設計工具製作，也可以通過輸入裝置21從外部輸入。而且，運轉風車發電裝置I所容許的最低氣溫Tot和額定風速Veated通過輸入裝置22輸入，記憶在外部存貯裝置25中。風車轉動體設計支援程序26通過模擬器計算出，在提供了最低氣溫Tot和額定風速Veated下，因為風負荷作用所產生的翼的質量中心在迎風方向(X軸方向)的位移Ax(Z)。使用風車翼6的設計數據計算出位移Ax(Z)。計算所得的因為風負荷作用而產生的翼的質量中心在迎風方向的位移Ax(Z)記憶在外部存貯裝置25中。而且，風車轉動體設計支援程序26利用所述式(5)計算出評價值F。該評價值表示，風車翼6在俯仰軸9的迎風側部分和順風側部分的俯仰力矩Mzb間的平衡程度。評價值F越小，風車翼6繞俯仰軸9旋轉所必要的俯仰力矩Mzb就越小。如果必要的話，觀察評價值F的用戶也可以通過風車轉動體設計支援程序26的結構設計工具修正風車翼6的設計數據。根據需要，通過修正預先彎曲量Ax-及/或根切傾斜角e，減小評價值F。也就是說，可以減小風車翼6繞俯仰軸9所必要的俯仰力矩Mzb。其中，希望注意的是，在利用公式(5)計算評價值F的情況下，減小評價值F與減小式(I)中的積分值f是等價的。也可以通過風車轉動體設計支援程序26修正設計數據。通過以上的設計順序，可以設計出使繞俯仰軸9旋轉所必要的俯仰力矩Mzb減小的風車翼6。
權利要求
1.一種風車轉動體的設計方法，其中，該風車轉動體包括旋翼轂、設置於所述旋翼轂上的軸承和安裝於所述軸承上的風車翼，其特徵在於，該風車轉動體的設計方法包括 提供運轉環境數據和所述風車翼的設計數據，該運轉環境表示含有所述風車轉動體的風力發電裝置的運轉環境； 根據所述運轉環境數據和所述設計數據，計算出在所述運轉環境下的、所述風車翼的長度方向的各位置的所述風車翼的翼的質量中心的位置； 在從所述風車翼的翼根到翼前端的範圍內，對算出的所述翼的質量中心位置與所述風車翼的長度方向各位置的單位長度質量的乘積進行積分而得到積分值，而計算出依存於所得到的積分值的值，該值就是評價值。
2.如權利要求I所述的風車轉動體設計方法，其特徵在於，包括 所述運轉環境數據包括第一數據，表示所述風力發電裝置的額定風速；第二數據，運轉所述風力發電裝置所容許的最低氣溫或所述最低氣溫所對應的空氣密度。
3.如權利要求2所述的風車轉動體設計方法，其特徵在於， 所述評價值利用以下公式(I)計算得出F= fZlx(z)m(z)dz，( I ) Z0 其中，在公式(I)中，Z軸被定義為沿所述軸承的中心軸方向，X軸被定義為垂直於所述Z軸，且含有所述X軸、所述Z軸的平面與所述風車轉動體的旋轉面垂直， F是所述評價值， x(z)是在所述Z軸上的位置Z的所述運轉環境下的所述風車翼的翼的質量中心的所述X軸方向的位置， Hl(Z)是在Z軸上的位置Z的所述風車翼的單位長度的質量， Z0是所述翼根在所述Z軸上的位置， Z1是所述翼前端在所述Z軸上的位置。
4.如權利要求3所述的風車轉動體設計方法，其特徵在於， 所述X(Z)利用以下公式⑵計算得出 X (z) = A X (z) - A xPRE (z) -zsin 0 , . . . (2) 其中，Ax(z)是，在所述運轉環境下，由風負荷所引起的所述X軸方向的所述翼的質量中心的位移， 所述風車翼的預先彎曲量Axpke(Z)是，在位置z上，無負載時所述風車翼的所述翼的質量中心在所述X軸方向的位置， 所述根切傾斜角e是，在所述風車翼的翼根部，所述風車翼的延伸方向與所述軸承的中心軸之間的角度。
5.如權利要求I至4中的任意一項所述的風車轉動體設計方法，其特徵在於，還包括 修正所述設計數據以減小所述積分值。
6.如權利要求I所述的風車轉動體設計方法，其特徵在於， 所述風車翼的所述翼根部是圓筒形， 所述翼根部的所述風車翼的延伸方向被定義為所述圓筒形的中心線。
7.一種風車轉動體設計支援裝置，其中，所述風車轉動體包括旋翼轂、設置於所述旋翼轂上的軸承和安裝於所述軸承上的風車翼，該風車轉動體的設計支援裝置包括存貯裝置和運算裝置， 所述存貯裝置，存貯表示含有所述風車轉動體的風力發電裝置的運轉環境的運轉環境數據和所述風車翼的設計數據； 所述運算裝置通過運行程序計算評價值，根據所述運轉環境數據和所述設計數據，計算出在所述運轉環境下的所述風車翼的長度方向各位置的所述風車翼的翼的質量中心的位置，並且在從所述風車翼的翼根到翼前端的範圍內，對算出的所述翼的質量中心位置與所述風車翼的長度方向各位置的單位長度質量的乘積進行積分而得到積分值，而計算出依存於所得到的積分值的值，該值就是評價值。
8.一種風車轉動體設計支援程序，其中所述風車轉動體包括旋翼轂、設置於所述旋翼轂上的軸承和安裝於所述軸承上的風車翼，該風車轉動體的設計支援裝置程序是在計算機中按照下述步驟進行 計算所述風車翼的翼的質量中心的位置的步驟，以存貯裝置中預備的表示以含有所述風車轉動體的風力發電裝置的運轉環境的運轉環境數據和所述風車翼的設計數據為基礎，在所述運轉環境下的、計算出所述風車翼的長度方向各位置的所述風車翼的翼的質量中心的位置； 以及，計算評價值的步驟，在從所述風車翼的翼根到翼前端的範圍內，對算出的所述翼的質量中心位置與所述風車翼的長度方向各位置的單位長度質量的乘積進行積分而得到積分值，而計算出依存於所得到的積分值的值，該值就是評價值。
9.一種風車轉動體，其包括旋翼轂、設置於所述旋翼轂上的軸承和安裝於所述軸承上的風車翼，所述風車轉動體，其中， 第一方向被設定為所述軸承中心軸方向，第二方向與所述第一方向垂直，且所述第一方向和所述第二方向所規定的平面被設定為垂直於所述風車轉動體的旋轉面時， 所述風車翼形成為以下形狀在氣溫為運轉含有所述風車轉動體的風力發電裝置所容許的最低溫度的情況下，且在吹著額定風速的風的情況下，當在所述翼根以外對曲線引切線時，從所述曲線的所述一致位置離開的部分位於所述切線與所述軸承的中心軸之間，所述曲線是所述風車翼的翼的質量中心在所述第二方向的位置的相對於從所述風車翼的翼根開始在所述第一方向的距離進行變化的曲線，所述切線是位於所述風車翼的翼的質量中心與所述軸承的中心軸一致的位置。
全文摘要
提供一種涉及風車轉動體的設計方法。該風車轉動體包括旋翼轂，設置於旋翼轂上的軸承和安裝於軸承上的風車翼。該風車轉動體設計方法包括提供表示含有風車轉動體的風力發電裝置的運轉環境的運轉環境數據和風車翼的設計數據；根據運轉環境數據和設計數據，計算出在該運轉環境下的、風車翼的長度方向的各位置的風車翼的翼的質量中心的位置；在從風車翼的翼根到翼前端的範圍內，對算出的翼的質量中心位置與風車翼的長度方向各位置的單位長度質量的乘積進行積分而得到積分值，而計算出依存於所得到的積分值的值，該值就是評價值。
文檔編號F03D11/00GK102713272SQ20108000332
公開日2012年10月3日 申請日期2010年8月31日 優先權日2010年8月31日
發明者中村昭裕, 林義之, 林禎彥, 藤岡秀康, 黑巖隆夫 申請人:三菱重工業株式會社