JP2017193996A - 風力発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】
簡易な手法ですべり軸受の摩耗量を算出可能な風力発電システムを提供する。
【解決手段】
風を受けるブレード１を有して回転するロータと、ロータの回転に伴って回転する回転軸５と、回転軸５に対して油膜を介して設けられるすべり軸受２１を備える風車と、回転軸５の回転速度を直接または間接に求める回転速度計測手段１２と、油膜の温度を直接または間接に求める油膜温度計測手段９と、回転速度および油膜の温度を用いて、すべり軸受２１の所定期間内における摩耗量を演算する摩耗量演算装置１３を備えることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は風力発電システムに関するものであり、特にすべり軸受の摩耗量等の算出を行う装置に関するものである。

風力発電システムは、再生可能エネルギーの柱として広く導入が進んでいる。風力発電システムでは、ブレードを支持するハブの回転動力を発電機に伝達し、発電機ロータを回転させて発電運転を行う。

従来の風力発電システムとして、例えば特許文献１に記載されたものがある。該特許文献１では、遊星ピンを回転軸とする遊星歯車がすべり軸受を介して回転する遊星歯車増速機を備えており、軸受は潤滑油により潤滑される。

また、摩耗検知装置を備える風力発電システムとして、例えば特許文献２に記載されたものがある。該特許文献２では、増速機の出力軸を非回転状態に固定するブレーキ装置と、増速機の入力側の軸の回転角を検出する回転角センサと、ブレードによる受風状態を変えることにより軸の回転方向を反転させる制御部とを備え、前記ブレーキを作動させた状態で入力軸の回転する角度からギヤおよび歯車の摩耗の有無を判定する。

特開２０１２−１３２３３３号 特開２０１１−２０８６３５号

風力発電システムにおいては、風況と制御条件によりハブや回転軸の回転動力、回転速度が変化する。特許文献１に記載される様にすべり軸受けを用いる場合、回転軸とすべり軸受との隙間に形成される油膜厚さは回転軸の回転速度や支持荷重、潤滑油粘度により変化し、例えば回転軸が極低速で回転すると油膜厚さが減少する。それにより、部分的に油膜切れを生じて、回転軸とすべり軸受との直接接触、更には、それに伴う摩耗が生じやすくなる。また、風力発電システムにおいて、増速機等の回転動力伝達機構は高所に設置されるため、作業員によりすべり軸受の摩耗状態を点検することは時間とコストを要する。したがって、風力発電システムは、運用者がすべり軸受の接触状態および摩耗の進行状態を常時把握できる機能を有することが望ましい。

一方で、特許文献２に記載の風力発電システムにおいては、検知をするために発電運転の停止、および特別な検査用運転の実施を要する。

そこで、本発明では簡易な手法ですべり軸受の摩耗量を算出可能な風力発電システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係る風力発電システムでは、風を受けるブレードを有して回転するロータと、前記ロータの回転に伴って回転する回転軸と、前記回転軸に対して油膜を介して設けられるすべり軸受を備える風車と、前記回転軸の回転速度を直接または間接に求める回転速度計測手段と、前記油膜の温度を直接または間接に求める油膜温度計測手段と、前記回転速度および前記油膜の温度を用いて、前記すべり軸受の所定期間内における摩耗量を演算する摩耗量演算装置を備えることを特徴とする

本発明によれば、簡易な手法ですべり軸受の摩耗量を算出可能な風力発電システムを提供することができる。

風力発電システムの外観を示す全体図である。 実施例１に係る風力発電システムのうち、ハブ、回転主軸、増速機および発電機の構成と、各種計測手段、摩耗量演算装置、表示装置、データ伝送装置の接続を示す図である。 実施例１に係る風力発電システムのうち、増速機内における回転軸、すべり軸受近傍の詳細を示す図である。 実施例１に係る風力発電システムのうち、各装置、手段の接続関係を示すブロック図である。 実施例１に係る風力発電システムにおいて、摩耗量の算出と表示を行うフローチャート図である。 実施例１に係る風力発電システムのうち、摩耗量演算装置での演算に用いられる潤滑油情報の一例である。 実施例１に係る風力発電システムのうち、摩耗量演算装置での演算に用いられる軸受接触荷重情報の一例である。 実施例１に係る風力発電システムのうち、摩耗量演算装置での演算に用いられる摩耗速度情報の一例である。 実施例１に係る風力発電システムのうち、摩耗量演算装置で演算される摩耗量、総摩耗量、余寿命摩耗量情報の一例である。 実施例１に係る風力発電システムのうち、データ伝送装置をナセル内部に、摩耗量演算装置と表示装置をナセル外部に配置した変形例を示す図である。

以下、上記した本発明を実施する上で好適な実施の形態について図面を用いて説明する。下記はあくまでも実施例に過ぎず、発明内容が係る特定の態様に限定して解釈されることを意図する趣旨ではない。

実施例１について図１から図１０を用いて説明する。図１に示すように、風力発電システムは、風を受けるブレード１やハブ４を有し、回転するロータと、ブレード１の荷重を支持するナセル２と、ナセル２を支持するタワー３とから概略構成される。ナセル２はタワー３に対して概略水平面内で回転可能に支持されており、風向きに応じて向きを変えることができる。

図２は、ハブから後段の増速機および発電機への回転動力伝達機構、並びに回転軸とすべり軸受との接触状態および摩耗量を算出して表示させるための各種手段、装置の接続関係を説明する図である。図１において破線で囲んだ部位に相当する。該図に示すように、本実施例における風力発電システムは、ブレード１を搭載するハブ４と、ハブ４に接続されるとともにハブ４の回転に伴う回転動力を伝達する回転主軸５と、回転主軸５に接続して後段の出力軸の回転速度を増加させる増速機６と、発電機７と、増速機６に潤滑油を供給する給油装置８と、給油される潤滑油の温度を計測する給油温度計測手段９と、給油される潤滑油の圧力を計測する給油圧力計測手段１０と、油中粒子計測手段１１と、回転速度計測手段１２と、摩耗量演算装置１３と、表示装置１４と、データ伝送装置１５とを有している。

ブレード１に風を受けてハブ４が回転すると、その回転トルクは回転主軸５を介して増速機６に伝達される。増速機６により回転速度を増加させた回転動力は増速機６の出力軸に接続する発電機７に伝達され、発電機７の回転子を駆動させ、発電運転が行われる。

増速機６と給油装置８は給油配管および排油配管で接続されており、給油装置８に内蔵されたポンプにより増速機６内の軸受および歯車等に潤滑油が供給される。また、増速機６内の軸受および歯車を通過した潤滑油は排油配管を通じて再び給油装置８に回収される。給油装置８あるいは給油配管の途中に、給油温度計測手段９と、給油圧力計測手段１０が設置され、給油装置８の給油側と排油側に油中粒子計測手段１１が設置されている。回転速度計測手段１２はハブ４、回転主軸５、増速機６、発電機７あるいはこれらの接続部のいずれかに設けられ、摩耗量を算出するすべり軸受と摺動する回転軸の回転速度を、直接あるいは間接的に計測する。図４にて詳述しているが、摩耗量演算装置１３の入力部には、給油温度計測手段９と、給油圧力計測手段１０と、油中粒子計測手段１１と、回転速度計測手段１２と、図２には図示していないが、油膜温度計測手段と、ブレード角度計測手段と、風速計測手段と、発電機制御装置と設定入力装置とが接続される。また、摩耗量演算装置１３の出力部には、表示装置１４と、データ伝送装置１５が接続される。

図３は、増速機６内における評価対象の軸受近傍の構造を示す。図２において破線４ａで囲んだ部位に相当する。回転軸２０はすべり軸受２１を貫通し、油膜２２を介してすべり軸受２１により回転可能に支持されている。すべり軸受２１には給油装置８からの給油配管に接続した給油通路２３が設けられ、ここから潤滑油が回転軸２０とすべり軸受２１との隙間に流入し、前記隙間の軸方向端部より流出する。油膜温度計測手段２４a、２４ｂは、油膜２２あるいはその近傍、例えば給油通路２３、すべり軸受２１の表面あるいは内部、前記隙間の軸方向端部付近に設置され、油膜２２の温度を直接的あるいは間接的に計測する。排油温度計測手段２５はすべり軸受２１の外部に設置され、回転軸２０とすべり軸受２１との隙間を通じて流出した油の温度を計測する。排油温度計測手段２５をすべり軸受２１の端部、すなわち回転軸２０とすべり軸受２１との隙間の開口部に近接設置し、油膜温度計測手段２４を兼ねることも可能である。

図４は、摩耗量演算装置１３に関連する各装置および各手段の接続関係を示す。また、図５は摩耗量の算出と表示を行うフローを示す。

はじめに、設定入力装置を通じて、各風力発電システムに関する個体情報、潤滑油情報、評価時間Ｔを入力する。前記個体情報は、回転軸２０の直径、すべり軸受２１の内径、幅、回転軸２０とすべり軸受２１との隙間等に代表される寸法情報、摺動面における表面粗さ、ハブ４に対する回転軸２０の回転速度比、風速および運転状態に応じた軸受荷重の情報を含む。前記の潤滑油情報は図６に例示する温度と粘度との関係を含む。設定入力装置に入力された情報は摩耗量演算装置１３に伝達される。

続いて、各種計測手段による計測値を摩耗量演算装置１３に入力する。計測値は評価時間Ｔを代表する値とし、例えば評価時間Ｔの全体あるいは一部の時間における平均値が用いられる。同様に発電機制御装置の制御情報も摩耗量演算装置１３に入力する。

設定入力装置、各計測手段、並びに発電機制御装置からの入力情報を用い、摩耗量演算装置１３における演算のフローを図５を用いて以下に説明する。

油膜温度計測手段２４、あるいは給油温度計測手段９と排油温度計測手段２５により直接的あるいは間接的に計測された油膜温度と、図６に例示するような使用油における温度に対する粘度の変化特性から粘度ηを算出する。また、回転速度計測手段１２と個体情報として入力された速度比から回転軸２０の回転速度Ｎを算出する。また、ブレードのピッチ角度、風速、発電機の制御情報、および各部寸法からすべり軸受２１における軸受荷重Ｐを算出し、軸受荷重を軸受の内径と幅で除して平均軸受荷重Ｐａｖｅを算出する。回転軸２０の外径Ｄ、すべり軸受２１の内径とＤとの差をｃとし、下記（１）の式で定義されるゾンマフェルト数Ｓを算出する。

Ｓ＝（ηＮ／Ｐａｖｅ）（Ｄ／ｃ）^２ ・・・（１）
一般に、粘度ηや回転速度Ｎの減少、あるいは平均軸受荷重Ｐａｖｅの増加等によりＳが小さくなるとすべり軸受の最小油膜厚さが減少しやすいことが知られている。油膜が薄くなり、部分的に油膜が切れて回転軸２０とすべり軸受２１の表面同士が直接接触を生じる場合、軸受荷重Ｐは、油膜による支持荷重である油膜荷重Ｐｆと直接接触による支持荷重である接触荷重Ｐｃとの下記（２）の関係で支持される。

Ｐ＝Ｐｆ＋Ｐｃ ・・・（２）
摩耗量演算装置１３は式（１）の各パラメータ、給油圧力、および摺動面における表面粗さを用いて、あるいは図７に例示するゾンマフェルト数Ｓと接触荷重比Ｐｃ／Ｐとの関係を用いて接触荷重Ｐｃを算出する。

摩耗量演算装置１３には、図８に例示する接触荷重Ｐｃと摩耗速度Ｗｓとの関係が評価対象の各軸受について記録されている。接触荷重Ｐｃと摩耗速度Ｗｓとの関係は給油装置８の給油側の油中粒子計測手段１１で評価された潤滑油の清浄度等級により補正され、清浄度等級が大きく、単位油量あたりの粒子数が多い場合は接触荷重Ｐｃに対して摩耗速度Ｗｓがより大きく補正される。潤滑油の清浄度等級は例えばＩＳＯ４４０６に記載の等級が用いられる。評価時間Ｔにおける摩耗量Ｗｔは、下記（３）の式で算出される。

Ｗｔ＝ＴＮＷｓ ・・・（３）
摩耗量演算装置１３は、過去から評価時点までに複数回算出した各評価時間Ｔにおける摩耗量Ｗｔを積算し、総摩耗量Ｗを算出する。あらかじめ摩耗量の規定値Ｗｄを設定しておき、余寿命摩耗量ΔＷｒは下記（４）の式で算出される。

ΔＷｒ＝Ｗｄ−Ｗ ・・・（４）
余寿命の出力としては、余寿命摩耗量ΔＷｒをそのまま用いるか、あるいは総摩耗量Ｗの時間変化でΔＷｒを除した余寿命時間を用いる。

摩耗量演算装置１３は、接触荷重Ｐｃが０あるいはばらつきを考慮したしきい値より大きい値を示した際に、回転軸２０とすべり軸受２１との間の油膜が切れて部分的に表面同士の直接接触が生じていると判断し、表示装置１４においてインジケータを表示させる。また、接触荷重Ｐｃを表示させる。

また、摩耗量演算装置１３は、評価時間Ｔにおける摩耗量Ｗｔ、総摩耗量Ｗ、余寿命の全てあるいはいずれかを表示装置１４に伝達し、表示装置１４はその全てあるいはいずれかを表示する。同様に、摩耗量演算装置１３は、回転軸２０とすべり軸受２１との直接接触の判断情報、Ｐｃ、Ｗｔ、Ｗ、余寿命をデータ伝送装置１５に伝達し、データ伝送装置１５はその全てあるいはいずれかをナセルの内外の表示装置、記録装置、制御装置、あるいは端末等に向けて有線あるいは無線の通信手段により伝達する。

本実施例によれば、運用者は各風力発電システムが回転軸とすべり軸受との間の油膜切れや直接接触を生じうる運転状態にあるかどうかをリアルタイムに知ることができる。また、評価時間Ｔにおける接触荷重Ｐｃ、摩耗量Ｗｔの推定値から回転軸とすべり軸受で生じうる直接接触状態および摩耗状態を定量的に把握することができる。したがって、運用者はこれらの情報をもとに、すべり軸受の損傷を回避するための運転操作、例えば回転速度の増加、油温度の低減、発電負荷の低減など、油膜厚さの増加を促進する対応が可能となる。あるいは、回転速度の増加が困難な場合などは、回転軸を静止固定して回転軸と軸受との摺動を回避することにより、摩耗防止の対策をすることが可能となる。これらの対応や対策は運用者による判断によって、あるいは制御装置等の自動判断により例えば摩耗量に応じて、或いは余寿命を考慮して実施される。運転条件の変更等を通じて寿命の延長を図ることにより信頼性の高い風力発電システムの運用が可能となる。制御装置による制御態様としては回転数を必要に応じて減少させる様に、風からの入力エネルギーを減少させるべくピッチ角をフェザー側に制御することや、発電機トルクを変えることなどが考えられる。

また、運用者は各風力発電システムにおけるその時点までの総摩耗量Ｗ、および余寿命摩耗量ΔＷｒの推定値を知ることができるので、メンテナンスや設備交換の計画が容易となるほか、個々の風力発電システムの設置場所や個体特性に適切な運転条件および運用計画を適用し、長寿命化を図ることが可能となる。

更に、上述の例によれば、特別な運転動作を必要とせず、汎用のセンサで構成し、低コストに摩耗量演算機能を提供できる。

尚、図２において、摩耗量演算装置１３と表示装置１４は風車のナセル２の内部に設置されているが、これらをナセル２の外部や遠隔地に設置しても良い。また、図１０に示すように、各種計測手段をデータ伝送装置１５に接続し、データ伝送装置１５が有線あるいは無線の通信手段により各種計測情報をナセル２の外部にある摩耗量演算装置１３に入力する構成としても図２および図４に示す構成と同様の機能を得ることができる。図１０のような構成とした場合、摩耗量演算装置１３をナセル２の外部あるいは遠隔地に設置する、あるいは持ち運び可能することができるほか、複数の風力発電システムで装置を共用し、設備の削減が可能となる。

また、本発明はすべり軸受の摺動面材料が錫、銅、黄銅、青銅あるいはこれらを主成分とする混合材料である場合に最も好適である。これらの材料は主にスチール製の回転軸に対して硬さが小さく、図８に例示した接触荷重Ｐｃと摩耗速度Ｗｓの関係が変動しにくいため、摩耗量Ｗｔや総摩耗量Ｗの値を高精度に推定することが可能となる。

１ ブレード
２ ナセル
３ タワー
４ ハブ
５ 回転主軸
６ 増速機
７ 発電機
８ 給油装置
９ 給油温度計測手段
１０ 給油圧力計測手段
１１ 油中粒子計測手段
１２ 回転速度計測手段
１３ 摩耗量演算装置
１４ 表示装置
１５ データ伝送装置
２０ 回転軸
２１ すべり軸受
２２ 油膜
２３ 給油通路
２４ 油膜温度計測手段
２５ 排油温度計測手段

Claims (11)

1. 風を受けるブレードを有して回転するロータと、
   前記ロータの回転に伴って回転する回転軸と、
   前記回転軸に対して油膜を介して設けられるすべり軸受を備える風車と、
   前記回転軸の回転速度を直接または間接に求める回転速度計測手段と、
   前記油膜の温度を直接または間接に求める油膜温度計測手段と、
   前記回転速度および前記油膜の温度を用いて、前記すべり軸受の所定期間内における摩耗量を演算する摩耗量演算装置を備えることを特徴とする風力発電システム
2. 請求項１に記載の風力発電システムであって、所定期間内における前記摩耗量を積算することを特徴とする風力発電システム
3. 請求項２に記載の風力発電システムであって、積算した前記摩耗量を用いて前記すべり軸受の余寿命を算出することを特徴とする風力発電システム
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の風力発電システムであって、前記油膜の温度を用いて計測時点における前記油膜の粘度を算出することを特徴とする風力発電システム
5. 請求項４に記載の風力発電システムであって、風速及び風力発電システムにおける機器の寸法を用いて前記すべり軸受に加わる平均荷重を算出し、
   前記回転速度、前記油膜の温度及び前記平均荷重を用いてゾンマフェルト数を算出することを特徴とする風力発電システム
6. 請求項５に記載の風力発電システムであって、前記ゾンマフェルト数及び軸受荷重と直接接触に伴う接触荷重の比である接触荷重比を用いて前記接触荷重を算出することを特徴とする風力発電システム
7. 請求項６に記載の風力発電システムであって、前記摩耗量演算装置には、前記接触荷重と摩耗速度の関係が格納されており、前記すべり軸受に供給される潤滑油の清浄度を用いて前記接触荷重に対する前記摩耗速度を補正することを特徴とする風力発電システム
8. 請求項７に記載の風力発電システムであって、補正した前記摩耗速度及び前記回転速度を用いて所定期間内における前記摩耗量を算出することを特徴とする風力発電システム
9. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の風力発電システムであって、前記摩耗量、積算された総摩耗量または前記すべり軸受の余寿命の少なくともいずれかが表示される表示装置を備えることを特徴とする風力発電システム
10. 請求項９に記載の風力発電システムであって、前記油膜に用いられる油の清浄度を入力する入力手段を備えることを特徴とする風力発電システム
11. 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の風力発電システムであって、
    前記風車を制御する制御装置を備え、
    前記すべり軸受の摩耗量又は余寿命に応じて前記すべり軸受の摩耗を低減する制御を行うことを特徴とする風力発電システム

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