JP5412516B2 - 風力発電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、風力を受けて回転する主軸が発電機を駆動して発電する風力発電装置に係り、特に、風力発電装置のヨー(YAW)旋回輪軸受に用いられる滑り軸受の構造に関する。
風力発電装置は、風車翼を備えたロータヘッドが風力を受けて回転し、この回転を増速機により増速するなどして発電機を駆動することにより発電する装置である。また、風車翼を備えたロータヘッドは、タワーの上部に設置されたナセル内の増速機及び発電機と連結されているので、ロータヘッドの向きを常に変動する風向きに合わせるため、ナセルをタワー上で旋回させるためのヨー旋回装置が必要となる。
図10a,10Bは、従来のヨー旋回装置の構成例を示している。
図10Bに示すヨー旋回装置10は、タワー2上を旋回するナセル3側のベース部材(ナセル台板)11に固定された内輪12aと、不動のタワー2側に固定された外輪12bとの間に、鋼球12c等を介在させた転がり軸受12が採用されている。すなわち、図示のヨー旋回装置10では、ヨー旋回輪軸受として転がり軸受12が採用されている。
この場合のヨー旋回装置10は、外輪12bの外周面に形成された固定歯車13と、ナセル3側に固定設置されたヨーモータ14により回動する駆動歯車15とを備えている。そして、駆動歯車15を固定歯車13と噛合させることにより、駆動歯車15がヨーモータ14の回転方向に応じて固定歯車13の廻りを旋回移動するので、ベース部材11及びヨーモータ14は、不動のタワーに対して時計回りまたは反時計回りに旋回する。
なお、図中の符号16はブレーキディスク、17はブレーキパッド、18はブレーキブラケットである。
また、従来の風力発電装置においては、上述したヨー旋回輪軸受として、たとえば図11に示すような滑り軸受20を採用したものがある。
図11に示す滑り軸受20は、タワー2上を旋回するナセル3側のベース部材(ナセル台板)11に固定された旋回部21と、不動のタワー2側に固定された固定部22との間に、滑り軸受材23を介在させたものである。この場合の滑り軸受20は、主としてタワー2の上部に形成された固定部(フランジ部)22の上下平面部で翼が受けた風荷重によるモーメント荷重を受け持つものであり、この平面部と接触する滑り軸受け材23はナセル側に固定されている。
また、回転軸に作用するラジアル荷重を支承可能な球面滑り軸受として、転がり軸受部分の外輪側に摺動材を配設したものが開示されている。(たとえば、特許文献1参照)
特開2006−312965号公報
ところで、上述した滑り軸受20は、転がり軸受12と比較して大型の風力発電装置のヨー旋回輪軸受に適している。
すなわち、風力発電装置の大型化に伴って大径のヨー旋回輪軸受が必要となるため、分割構造が困難な転がり軸受12においては、球状ベアリング12c等の特注品化に伴うコストアップや陸送限界等の問題を有している。
一方、滑り軸受20は、分割構造が可能であるためコストや陸送問題等への対応は容易であり、従って、風力発電装置の大型化には対応しやすいヨー旋回輪軸受となる。
しかし、滑り軸受20は、転がり軸受12と比較して、内輪側と外輪側に存在するラジアル(半径)方向すきまが大きく、タワー側とナセル側の軸中心がラジアル方向にずれやすいという問題を有している。すなわち、滑り軸受20は、通常半径方向に1mm程度の初期隙間が必要であり、しかも、運転の継続に伴って滑り軸受材23が摩耗するので、初期隙間は運転時間の増加に伴ってさらに拡大することとなる。
このため、ヨー旋回輪軸受として滑り軸受20を採用すると、隙間により軸中心が移動してずれを生じることとなる。このような軸中心のずれは、ナセルを旋回させるヨーモータとの位置関係,しいては駆動側及び固定側歯車間のバックラッシュを変動させるため、駆動側及び固定側の歯車に過大な荷重が作用してヨー旋回装置のスムーズな動作の妨げとなる。
なお、転がり軸受12の場合、半径方向の隙間を0〜マイナスに設定することができるため、隙間の問題は発生しない。
このような背景から、近年大型化が進む風力発電装置のヨー旋回輪軸受に有利な滑り軸受については、ラジアル方向の隙間を小さくして軸中心のずれを減少させることが望まれる。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ヨー旋回輪軸受として、ラジアル方向の隙間を小さくして軸中心のずれを減少させることができる滑り軸受を備えた風力発電装置を提供することにある。
本発明は、上記の課題を解決するため、以下の手段を採用した。
請求項1に係る風力発電装置は、タワー上に設置されたナセルがヨー滑り軸受を介して旋回可能に支持される風力発電装置において、前記ヨー滑り軸受は、固定部に形成したフランジの上下支持面と旋回部との間に配置した滑り部材と、前記ヨー滑り軸受の前記固定部と前記旋回部との間に配置されてラジアル方向の荷重を受ける転動体とを備えていることを特徴とするものである。
このような風力発電装置によれば、ヨー滑り軸受は、固定部に形成したフランジの上下支持面と旋回部との間に配置した滑り部材と、ヨー滑り軸受の固定部と旋回部との間に配置されてラジアル方向の荷重を受ける転動体とを備えているので、軸受内に生じるラジアル方向の隙間を低減することができる。この場合の転動体は、円柱・円筒形状等のころを使用すればよい。
上記の発明において、前記転動体をローラフォロアとし、前記旋回部を周方向に複数に分割して配置することが好ましく、これにより、大型化する軸受を分割構造とし、旋回部については全周にわたる支持構造が不要となる。また、分割構造とした場合のアキシアル(軸)方向荷重については、滑り軸受材の面積を荷重に応じて調整すればよい。また、ヨー滑り軸受の損傷時においても、損傷部分を部分的に交換することが可能になる。
この場合、前記ローラフォロワに隙間調整機構を設けることが好ましく、これにより、工場にて製造する際には隙間の製作公差を緩く設定し、最終的には現地調整することが可能になる。また、ヨー滑り軸受の損傷時に、現地で部分的に交換した部分についても容易に隙間調整をすることができる。
上記の発明において、前記ヨー滑り軸受は、前記フランジが前記固定部の内周側及び外周側に上下支持面を形成するT字状とされ、前記転動体を前記固定部の内周側及び外周側の少なくとも一方に備えていることが好ましく、これにより、モーメント荷重の負荷によるヨー滑り軸受構造のたわみを抑えることができる。
本発明の風力発電装置によれば、大型化が進む風力発電装置のヨー旋回輪軸受に有利な滑り軸受について、ラジアル方向の隙間を小さくして軸中心のずれを減少させることできるので、駆動側及び固定側の歯車に余分な荷重が作用することを防止し、ヨー旋回装置をスムーズに動作させることが可能になる。従って、ヨー旋回輪軸受に滑り軸受を採用したヨー旋回装置を備える風力発電装置は、ナセルの旋回がスムーズになって信頼性や耐久性の向上に顕著な効果を奏する。
本発明に係る風力発電装置について、第1の実施形態としてナセルの旋回を支持するヨー滑り軸受構造を示す要部の縦断面図である。 図1Aの横断面図である。 風力発電装置の概要を示す側面図である。 本発明に係る風力発電装置について、第2の実施形態としてナセルの旋回を支持するヨー滑り軸受構造を示す要部の縦断面図である。 図3Aのヨー滑り軸受構造において、分割された滑り軸受ユニットを示す斜視図である。 図3A及び図3Bのローラフォロアを拡大して示す斜視図である。 図3Aに示すヨー滑り軸受構造の横断面図である。 図3Bの滑り軸受ユニットに係る第1変形例を示す図で、ローラフォロワに隙間調整機構が設けた構成例の縦断面図である。 図5Aの要部拡大図である。 図5Aに示す第1変形例の横断面図である。 図6Aの要部拡大図である。 本発明に係る風力発電装置について、第3の実施形態として一体構造のヨー滑り軸受構造を示す要部断面斜視図である。 本発明に係る風力発電装置について、第4の実施形態としてT字状のフランジを有するヨー滑り軸受構造を示す要部断面斜視図である。 図8のヨー滑り軸受構造に係る第1変形例を示す縦断面図である。 ヨー旋回装置の従来構造として転がり軸受を備えた構成例を示す図である。 図10Aに示すヨー旋回装置について、要部の構成を拡大した縦断面図である。 ヨー旋回装置の従来構造として、滑り軸受を備えた構成例を示す図である。
1 風力発電装置
2 タワー(支柱)
3 ナセル
10A ヨー旋回装置
11 ベース部材(ナセル台板)
21 固定歯車
22 ベース部材(ナセル台板)
23 ヨーモータ
24 駆動歯車
30,30A,30B,30C ヨー滑り軸受
31,31B 旋回部
31A 旋回軸受ユニット
32,32A 固定部
33 水平滑り軸受材(水平軸受材)
34 転動体
40 ローラフォロア
50 バネ予圧機構
60 隙間調整機構
以下、本発明に係る風力発電装置の一実施形態を図1A,1B及び図2を参照して説明する。
図2に示す風力発電装置1は、基礎B上に立設されるタワー(「支柱」ともいう。)2と、タワー2の上端に設置されるナセル3と、略水平な横方向の回転軸線周りに回転可能に支持されてナセル3に設けられるロータヘッド4とを有している。
ロータヘッド4には、その回転軸線周りに放射状にして複数枚(たとえば3枚)の風車回転翼5が取り付けられている。これにより、ロータヘッド4の回転軸線方向から風車回転翼5に当たった風の力が、ロータヘッド4を回転軸線周りに回転させる動力に変換されるようになっている。
<第1の実施形態>
上述した風力発電装置1は、ロータヘッド4の向きを常に変動する風向きに合わせるため、タワー2の上端部に設置されているナセル3を旋回させるためのヨー旋回装置10Aを備えている。
このヨー旋回装置10Aは、タワー2の上端部に設置されたナセル3を旋回可能に支持するため、主として平面部でモーメント荷重を受け持つヨー滑り軸受30を備えている。
図示のヨー滑り軸受30は、タワー2上端部で旋回するナセル3側のベース部材(ナセル台板)11に固定された旋回部31と、不動のタワー2側に固定された固定部32との間に、水平滑り軸受材(以下、「水平軸受材」と呼ぶ)33及び転動体34を介在させた構成とされる。
旋回部31は、外周側が開口する断面コ字状のリング部材であり、タワー2の内周側でベース部材11の下面に固定されている。この場合、旋回部31の軸中心位置は、すなわち、ナセル3の旋回軸中心位置は、タワー2の軸中心位置と一致するように取り付けられている。なお、この旋回部31は、一体のリング部材、または円周方向を複数に分割したリング部材のいずれでもよい。
固定部32は、タワー2の上端部に固定された別体の円筒部材2aから、タワー2の内側へ向けて水平に形成されているフランジ部である。この固定部(フランジ部)32は、上下の平面部に水平軸受材33が接して滑り軸受を形成するので、摩擦係数を小さくする加工が施されている。なお、図中の符号2bはタワー本体である。
水平軸受材33は、旋回部31の上下内面に、すなわち、コ字状断面の上下に形成された内側の平面部(対向面)に固定して取り付けられている樹脂等の板状部材である。図示の構成例では、水平軸受材33の周方向が略台形状を有する12枚に分割されており、それぞれが周方向へ等ピッチに配置されている。なお、水平軸受材33の分割数は12に限定されることはなく、配置についても必ずしも等ピッチである必要はなく、荷重に対して対称な配置であれば良い。分割した水平軸受材33の合計面積については、ヨー滑り軸受30に作用するアキシアル(軸)方向荷重に応じて適宜調整すればよい。
転動体34には、たとえば円柱形状等のころが使用される。この転動体34は、円柱側面等の曲面部が固定部32の内周側鉛直面と接するように、鉛直方向へ向けて旋回部31に保持されている。この転動体34は、円周方向へ等ピッチに多数配置されている。
なお、転動体34は、円柱形状のころに限定されることはなく、たとえば円筒形状のころや鋼球など、ヨー滑り軸受30内に生じるラジアル方向の隙間を低減する機能を有するものであればよい。
このようなヨー滑り軸受30を備えたヨー旋回装置10Aは、タワー2側に固定されている円筒部材2aの外周面に形成された固定歯車13Aと、ナセル3側のベース部材11に固定設置されたヨーモータ14により回動する駆動歯車15とを備えている。そして、駆動歯車15を固定歯車13Aと噛合させることにより、駆動歯車15がヨーモータ14の回転方向に応じて固定歯車13Aの廻りを旋回移動することになるので、ベース部材11及びヨーモータ14は、駆動歯車15と一体に不動のタワーに対して時計回りまたは反時計回りに旋回する。
ところで、図示の構成例では、ヨー滑り軸受30の採用により、摩擦力を受けて旋回駆動の負荷を増す。このため、4組のヨーモータ14及び駆動歯車15を円周方向へ等ピッチに配置してモータ出力を増しているが、ヨーモータ14の数などこれに限定されることはない。
また、ヨー滑り軸受30を採用したヨー旋回装置10Aは、モータ出力を増す原因の摩擦力と、出力を増したヨーモータ14の負荷とをブレーキ力として使用することもできる。このため、ヨー滑り軸受30を備えたヨー旋回装置10Aでは、ナセル3の旋回停止に必要なブレーキ機構(図9に示すブレーキディスク16やブレーキパッド17等)が不要となり、従って、ナセル3の軽量化やコストダウンに有効となる。また、ブレーキ機構の動作に必要な油圧回路も不要になるので、油圧ポンプの配管やバルブ類を低減して簡素化することができる。
このように、上述した風力発電装置1のヨー旋回装置10Aは、主として固定部32に形成したフランジの上下支持面と旋回部31との間に滑り部材33を配置してモーメント荷重を受け持ち、ヨー滑り軸受30の固定部32と旋回部31との間に、ラジアル方向の荷重を受ける転動体34を備えているので、滑り軸受及び転がり軸受の利点を有効に利用し、ヨー滑り軸受30内に生じるラジアル方向の隙間を低減することができる。
すなわち、上述したヨー滑り軸受30は、ラジアル方向の荷重を転動体34で受けるため、転がり軸受と同様に、固定部32となるフランジ部の内周側先端部と転動体34との間については、隙間を0またはマイナスに設定することができる。換言すれば、上述したヨー滑り軸受30は、ラジアル方向の荷重を転動体34で受けるため、固定部32と転動体34との間に形成される隙間について、これをなくなるように小さくすることが可能になる。
<第2の実施形態>
次に、本発明に係る風力発電装置について、第2の実施形態を図3A〜図6Bに基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態では、上述した転動体34としてローラフォロア40を採用している。そして、ヨー滑り軸受30Aは、たとえば図3B及び図4に示すように、旋回部31の周方向を複数に分割した旋回軸受ユニット31Aを採用している。すなわち、本実施形態のヨー滑り軸受30Aは、旋回部31を全周に配置するのではなく、複数の旋回軸受ユニット31Aを周方向に等ピッチで配置した構成となっている。
ローラフォロア40は、たとえば図3A及び図3Cに示すように、円筒41が固定部32の内周側鉛直面と転がり接触する摺動面を形成する。円筒41は、内部に軸受42を介してピン43が挿入されることにより、ローラフォロア40となる。
上述した構成のローラフォロア40は、円筒41がピン43を軸として旋回自在であり、円筒41の内周面とピン43の外周面との間も軸受42を介して転がり接触するようになっている。
なお、図示の構成例では、1つの旋回軸受ユニット31Aに4個のローラフォロア40を設置してあるが、これに限定されることはなく、また、ローラフォロア40の構成についても、軸受42のない構造が採用可能であるなど特に限定されることはない。
このように、大型化するヨー滑り軸受30Aの旋回部31については、分割構造の旋回軸受ユニット31Aを採用することにより、旋回軸受ユニット31Aを予め組み立てた状態で搬送することが可能になるため、陸送問題の解消や現地作業の簡略化など大きな利点を有している。
また、旋回軸受ユニット31Aについては、コ字状断面を有するリング部材がタワー2の上端部全周になく、従って、旋回軸受ユニット31Aをベース部材11に固定するための支持構造を全周にわたって設ける必要がない。さらに、コ字状断面を有するリング部材がタワー2の上端部全周になく、従って、転動体34として使用するローラフォロア40の数も低減できる。
また、上述したヨー滑り軸受30Aにおいて、複数の分割軸受ユニット31Aに分割構造とした場合、アキシアル(軸)方向荷重については、水平軸受材33の合計面積を荷重に応じて適宜調整する対応が可能である。
また、上述した分割構造の採用は、ヨー滑り軸受30Aの旋回軸受ユニット31Aが損傷した場合において、損傷部分を部分的に交換するという対処を可能にする。
また、図示の構成例では、下面側の水平軸受材33にバネ予圧機構50が設けられている。このバネ予圧機構50は、たとえばコイルバネや皿バネなどをバネ51として用いることにより、バネ51の弾性係数をナット52の締込量に応じて調整し、水平軸受材33が固定部32に接する面圧を変化させる機能を有している。なお、このバネ予圧機構50は、必要に応じて適宜採用すればよい。
ところで、上述したローラフォロワ40に対し、たとえば図5A,5B及び図6A,6Bに示すように、隙間調整機構60を設けることが好ましい。
図示の隙間調整機構60は、ローラフォロア40を保持する断面コ字状のホルダ61と、一端にホルダ61を支持した調整ボルト62と、調整ボルト62の他端側に螺合するナット63とを具備して構成される。なお、図示の構成例では、ナット63がダブルとなっているが、これに限定されることはない。
このような隙間調整機構60を備えているので、調整ボルト62に対するナット63の螺合位置を変化させることにより、ローラフォロア40の突出量を調整することができる。
ここで調整される突出量は、ローラフォロア40の摺動面と固定部32の内周側鉛直面との間に形成される隙間を変化させるものである。従って、隙間調整機構60を備えている旋回軸受ユニット31Aは、製造時においては設定される隙間の公差を緩くし、組付完了後に現地調整して最適化することが可能になる。
また、上述した隙間調整機構60は、ヨー滑り軸受30Aの損傷時に、現地で交換した部分の旋回軸受ユニット31Aについても、容易に隙間の調整をすることができる。
<第3の実施形態>
次に、本発明に係る風力発電装置について、第3の実施形態を図7に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態では、ヨー滑り軸受30Bの旋回部31Bが、上下一対のリング35,36を連結した一体構造とされる。
上下一対のリング35,36は、上部に配置される略L字状断面のリング35と、下部に配置される略矩形断面のリング36とを連結して一体化することにより、全体として略コ字状断面を有する旋回部31Bのリング部材となる。また、上下のリング部材35,36を一体化する際には、両リング部材35,36間に転動体34を挟持するようにして組み込まれる。
なお、水平軸受材33は、上下のリング部材35,36を連結して一体化する前に、各々対向面に予め固定されている。
このように、旋回部31Bを一体化したリング形状とし、水平軸受材33及び転動体34を組み込んだ一体構造のヨー滑り軸受30Bとすれば、現地搬送及び現地組立の部品点数が少なくてすむ。従って、現地における組立時の作業工数を低減し、しかも、転動体34の摺動面と固定部32の内周側鉛直面との間に形成される隙間設定についても、十分な設備を有する工場で正確に調整することができる。
<第4の実施形態>
次に、本発明に係る風力発電装置について、第4の実施形態を図8及び図9に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図8に示す実施形態において、ヨー滑り軸受30Cは、固定部32AとなるフランジがT字状断面とされ、固定部32Aの内周側及び外周側に上下支持面を形成するように構成されたヨー滑り軸受30Cを備えている。
すなわち、本実施形態の固定部32Aは、タワー2の上端部から、具体的にはタワー本体2bの上端部に固定された別体の円筒部材2a′から、タワー2の内側及び外側へ向けて水平に形成されているフランジ部である。この固定部(フランジ部)32は、上下の平面部に旋回部31Cに固定された水平軸受材33が接して滑り軸受を形成する。
また、図示のヨー滑り軸受30Cは、転動体34がT字状とした固定部32Aの内周側及び外周側に配設されてフランジ部端面に接しているが、内周側端面及び外周側端面のいずれか一方のみに転動体34を配設してもよく、いずれの構成を採用してもラジアル方向の隙間を小さくすることができる。
このようなヨー滑り軸受30Cは、上述した片持ち梁の固定部32と比較して、T字状断面とした固定部32Aの剛性が増すので、モーメント荷重の負荷によるヨー滑り軸受構造の撓みを抑えることができる。すなわち、ナセル3の旋回がスムーズになるヨー旋回装置を実現でき、あるいは、T字状断面の固定部32Aを小型化して、片持ち梁の固定部32と同程度の剛性を確保することができる。
また、図9に示した本実施形態の第1変形例では、転動体34を配設する位置が、T字状とした固定部32Aの内周側端面及び外周側端面と接する位置から、固定部32Aを固定支持しているタワー2の内周面及び外周面と接する位置に変更されている。この場合の転動体34は、下側のリング部材36に形成した転動体収納部37の内部に配設されている。すなわち、T字状の固定部32Aを有するヨー滑り軸受30C,30C′においては、転動体34が固定部32Aと接するように内周側及び外周側の少なくとも一方に配置されるが、この場合の上下方向位置は、フランジ部端面と接する位置またはタワー2の壁面と接する位置のいずれでもよい。
なお、図示の構成例では、タワー2の内周側及び外周側に転動体34を配設しているが、いずれか一方のみに配設する構成としてもよい。
このように、上述した本発明によれば、大型化が進むヨー旋回輪軸受に有利な滑り軸受を採用し、ラジアル方向の隙間を転動体34が規定するように構成したので、ラジアル方向の隙間を小さくして軸中心のずれを減少させることできる。このため、固定歯車21及び駆動歯車24の各歯車に余分な荷重が作用することを防止し、ヨー旋回装置10Aをスムーズに動作させることが可能になる。
従って、ヨー旋回輪軸受に滑り軸受を採用したヨー旋回装置10Aを備える風力発電装置1は、ナセル3の旋回をスムーズにして信頼性や耐久性が向上する。
また、上述した各実施形態については、図示に基づいて説明したものに限定されることはなく、たとえばバネ予圧機構の採用など、適宜組み合わせた構成が可能である。
すなわち、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

Claims (4)

  1. タワー上に設置されたナセルがヨー滑り軸受を介して旋回可能に支持される風力発電装置において、
    前記ヨー滑り軸受は、固定部に形成したフランジの上下支持面と旋回部との間に配置した滑り部材と、前記ヨー滑り軸受の前記固定部と前記旋回部との間に配置されてラジアル方向の荷重を受ける転動体とを備えていることを特徴とする風力発電装置。
  2. 前記転動体をローラフォロアとし、前記旋回部を周方向に複数に分割して配置したことを特徴とする請求項1に記載の風力発電装置。
  3. 前記ローラフォロワに隙間調整機構を設けたことを特徴とする請求項2に記載の風力発電装置。
  4. 前記ヨー滑り軸受は、前記フランジが前記固定部の内周側及び外周側に上下支持面を形成するT字状とされ、前記転動体を前記固定部の内周側及び外周側の少なくとも一方に備えていることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の風力発電装置。
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