JP2017040610A - 回転機器の状態監視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸のミスアライメントの発生を正確に検出する。【解決手段】状態監視装置８０は、投光部８３と、受光部８１と、回転検出板８４と、監視部８８とを含む。投光部８３は、出力軸６２を回転可能に支持する増速機４０の非回転部分に固定される。受光部８１は、入力軸６１を回転可能に支持する発電機５０の非回転部分に固定され、投光部８３からの光を受ける。回転検出板８４は、投光部８３と受光部８１との間に配置され、入力軸６１に取り付けられる。回転検出板８４は、入力軸６１が回転すると、入力軸６１と共に回転し、投光部８３から受光部８１に向かう光を遮断する状態と、投光部８３から受光部８１に向かう光を透過する状態とを繰り返すように構成される。【選択図】図３

Description

この発明は、回転機器の状態監視装置に関し、特にミスアライメント発生の検出に関する。

クリーンなエネルギー源を使用して発電する発電装置として、風力発電装置が知られている。

風力発電装置においては、運転監視装置（Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｎｄ Ｄａｔａ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ：ＳＣＡＤＡ）や状態監視装置（Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ：ＣＭＳ）などにより風車の運転状態が遠隔的に監視される。ＳＣＡＤＡでは、風車の発電量や風速などの運転情報が収集され、ＣＭＳでは、機器の損傷や劣化状態などが監視される。

風力発電装置には、回転機器として、増速機と発電機が使用される構造が多い。これらの故障原因のひとつに、ミスアライメント現象によるものがある。アライメントの欠如すなわちミスアライメントとは、回転する２本またはそれ以上の機械軸の中心線が一致してない状態をいう。風力発電装置のような大型設備の回転機器は、構成装置が大型であるので分割して製造され、設置現場で組み立てられることが多い。したがって、風力発電装置の増速機と発電機も別々に設置現場に搬入され、ナセル内に位置決めされた後に、カップリング（継手）によって回転軸同士が接続される。

一般に、回転機器同士をカップリングで接続する場合にはミスアライメントを防止する必要がある。ミスアライメントが発生していると、回転時に回転機器の部品に大きな力がかかるので部品の寿命が短くなってしまうからである。たとえば、発電機ロータのアライメントの変化は、ロータ振動の主要な原因となり、発電機の軸受の垂直荷重に不均衡をもたらす。

しかし、設置時に十分注意してミスアライメントが発生しないようにしても、その後の経年変化等によりミスアライメントが生じる場合もある。機械の動作中にミスアライメントを見つけることは簡単ではないが、特開２０１２−９３３５４号公報（特許文献１）や特開平５−３２２６４１号公報（特許文献２）に開示された技術では、温度の変化や振動の変化によって、機械動作中にミスアライメントを検出しようとしている。

特開２０１２−９３３５４号公報 特開平５−３２２６４１号公報

風力発電装置は２０年以上の長期にわたり使用される。この間に、振動などによりボルトの緩みが発生し、台風時などの突風によって大きな力が加わった際の回転機器の設置位置のずれの発生や、カップリングや軸受などの部品の劣化による軸ずれなどによって、ミスアライメントが発生する可能性がある。ミスアライメントが発生すると、部品寿命が悪化する。

カップリングにミスアライメントをある程度許容する継手を採用することも可能であるが、樹脂やゴムにより吸収させたりする継手では、過度のミスアライメントが生じれば、耐久性が高く設計された継手でも急速に磨耗し、故障する場合もある。またミスアライメント状態では、カップリング部に熱を発生させ発電時のエネルギロスが生じる。

設置後の経年変化によるミスアライメントの発生をこまめにチェックすることが望ましいが、風車は僻地にあることが多く、またチェックのために作業員がタワーの上まで行かなければならないので、作業員によるこまめな点検が容易でない。

また回転機器の運転中のミスアライメントの検出は容易ではなく、特開２０１２−９３３５４号公報（特許文献１）や特開平５−３２２６４１号公報（特許文献２）に開示された技術のように、温度の変化や振動の変化による間接的な方法による検出では、正確にミスアライメントの発生を検出できない虞が有る。

風力発電装置には、ＣＭＳによる監視装置を設ける場合も多いので、なるべく簡単な構成で運転中のミスアライメントを監視、検出する機能をＣＭＳに追加することができれば望ましい。

この発明は、上記の課題を解決するためのものであって、その目的はミスアライメントの発生を正確に検出することが可能な回転機器の状態監視装置を提供することである。

この発明は、要約すると、第１の回転軸と、第１の回転軸と継手で接続される第２の回転軸とを有する回転機器の状態監視装置であって、第１の回転軸を有する第１の装置の非回転部分に固定された投光部と、第２の回転軸を有する第２の装置の非回転部分に固定され、投光部からの光を受ける受光部と、投光部と受光部との間に配置され、前記第２の回転軸が回転すると、前記第２の回転軸と共に回転する回転検出板とを備える。回転検出板は、回転時に、投光部から受光部に向かう光を遮断する状態と、投光部から受光部に向かう光を透過する状態とを繰り返すように構成される。

このような構成とすることによって、回転検出板によって光が遮断される回数に基づいて第１および第２の回転軸の回転速度を検出することが可能となるとともに、受光部における受光状態の変化に基づいて第１の装置と第２の装置の位置関係が変化したことも検出することが可能となる。

好ましくは、状態監視装置は、受光部が受光した光の受光回数に基づいて第１の回転軸の回転速度を算出すると共に、受光部が受光した光の受光量の変化に基づいて第１の回転軸と第２の回転軸のミスアライメントの有無を判定する監視部をさらに備える。

このような監視部を有することによって、状態監視装置は、回転速度とミスアライメントの有無について、情報を出力したり情報を記憶したりすることが可能となる。

好ましくは、回転検出板は、第２の回転軸に取り付けられる。回転検出板には、投光部から受光部に向かう光を透過させるための少なくとも１つの穴が設けられる。

投光部からの光を回転検出板の適切な大きさの穴を通過させることによって、回転軸のミスアライメントが生じたときに通過する光の一部が穴の縁によってさえぎられるようになる。これにより、受光部において受光量の変化が検出しやすくなる。

好ましくは、回転検出板は、第２の回転軸に取り付けられる。回転検出板には、投光部から受光部に向かう光を透過させるための複数の穴が設けられ、複数の穴は、回転検出板の回転中心から等距離の位置に回転の周方向に沿って等間隔に配列される。

複数の穴を設けることによって、回転速度が遅い場合にも正確な回転速度を計測しやすくなり、また１回転中に回転むらが発生するような場合でも、回転速度の変動を検出することができる。

好ましくは、第１の装置は、第１の回転軸の回転を増速する増速機であり、第２の装置は、増速機によって増速された回転が与えられる発電機である。投光部は、増速機の筐体に固定され、受光部は、発電機の筐体に固定される。

風力発電装置の大型の回転機器としては、増速機と発電機が最も代表的である。上記の構成によれば、増速機と発電機のミスアライメントの発生を正確に検出することができる。なお、ミスアライメントの検出位置は、他の場所であっても良い。たとえば、増速機と主軸受との間にも継手があるような場合であれば、この部分に投光部、受光部、回転検出板を設けてもよい。

好ましくは、投光部は、指向性のあるレーザ光を出力するように構成されるが、可視光または赤外線を出力するように構成されてもよい。

本発明によれば、回転軸の接続部分において、回転速度を検出すると同時に、ミスアライメントの発生を正確に検出することが可能となる。

本実施の形態の状態監視装置が使用される風力発電装置を説明するための図である。 ナセル内部の構造をより詳細に示した図である。 ナセル内に設置されている増速機と発電機の接続部分を詳細に示した図である。 回転検出板の一例を示した図である。 回転検出板の他の例を示した図である。 ミスアライメントが発生した状態を説明するための図である。 ミスアライメントによって受光量が変化することをわかりやすく示した図である。 受光部における受光パルスの変化を示した図である。 監視部８８が実行する処理を説明するためのフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

図１は、本実施の形態の状態監視装置が使用される風力発電装置を説明するための図である。

図１を参照して、タワー１００の上端部には、ナセル９０が設けられている。ロータヘッド２０には複数のブレード３０が取り付けられている。ロータヘッド２０は主軸２２の先端部分に接続されている。主軸２２はナセル９０内部で支持される。主軸２２の回転は、増速機４０を経由して発電機５０へと伝達される。

風力発電装置は、地上または海底に固定されたタワー１００に対して、風向に応じてナセル９０を回転させるヨー運動を行なうことが可能に構成されている。好ましくは、風上にブレード３０側が位置するようにナセル９０が回転される。

図２は、ナセル内部の構造をより詳細に示した図である。図１、図２を参照して、風力発電装置１０は、主軸２２と、ブレード３０と、増速機４０と、発電機５０と、主軸受６０と、状態監視装置８０とを備える。増速機４０、発電機５０、主軸受６０および状態監視装置８０は、ナセル９０に格納され、ナセル９０は、タワー１００によって支持される。

主軸２２は、ロータヘッド２０からナセル９０内に進入して増速機４０の入力軸に接続され、主軸受６０によって回転自在に支持される。そして、主軸２２は、風力を受けたブレード３０により発生する回転トルクを、増速機４０の入力軸へ伝達する。ブレード３０は、主軸２２の先端に設けられ、風力を回転トルクに変換して主軸２２に伝達する。

主軸受６０は、ナセル９０内において固設され、主軸２２を回転自在に支持する。主軸受６０は、転がり軸受によって構成され、たとえば、自動調芯ころ軸受や円すいころ軸受、円筒ころ軸受、玉軸受等によって構成される。なお、これらの軸受は、単列のものでも複列のものでもよい。

増速機４０は、主軸２２と発電機５０との間に設けられ、主軸２２の回転速度を増速して発電機５０へ出力する。一例として、増速機４０は、遊星ギヤや中間軸、高速軸等を含む歯車増速機構によって構成される。なお、特に図示しないが、この増速機４０内にも、複数の軸を回転自在に支持する複数の軸受が設けられている。発電機５０の入力軸６１は、増速機４０の出力軸６２に継手（カップリング）６３によって接続され、増速機４０から受ける回転トルクによって発電する。発電機５０は、たとえば、誘導発電機によって構成される。なお、この発電機５０内にも、ロータを回転自在に支持する軸受が設けられている。

ナセル回転機構は、ナセル９０側に取り付けられたナセル向き変更用の駆動装置１２４と、駆動装置１２４の回転軸に嵌合されたピニオンギヤによって回転されるリングギヤ１２６とを含む。リングギヤ１２６はタワー１００に固定された状態に取り付けられている。

ナセル回転機構は、ナセル９０の向きを変更（調整）する。ここで、ナセル９０とタワー１００の境界部には、ナセル支持用の軸受１２２が設けられている。ナセル９０は軸受１２２によって支持され、軸受１２２の回転軸を中心として回転する。このようなタワーの中心軸回りのナセル９０の回転をヨー（ｙａｗ）運動またはヨーイング（ｙａｗｉｎｇ）という。ヨー運動は、ナセル９０内に設置された状態監視装置８０によって検知される。

主軸受けには、振動センサ８２が設置され、振動センサ８２によって検出された振動は、状態監視装置８０の監視部８８で監視され、記録される。

図３は、ナセル内に設置されている増速機と発電機の接続部分を詳細に示した図である。図３を参照して、増速機４０の出力軸６２と発電機５０の入力軸６１とは、継手６３を介して接続されている。ナセル内に増速機４０と発電機５０を設置する際には、出力軸６２と入力軸６１の中心が共に軸Ｏ１に一致するように入念に調整が行なわれる。

しかし、ナセル９０は風向に応じて回転させるものであり、また、タワー１００の上に配置されているため、増速機４０と発電機５０とが固定されている床も動く。時には、台風などにより大きな力を受けてナセル９０が激しく揺れる可能性もある。また、風力発電装置は、２０年以上の長期間にわたり使用される場合もあるので、軸受やカップリングなどの磨耗や劣化が生じることもある。このような要因によって、設置時に調整されていても、その後に増速機４０の出力軸６２と発電機５０の入力軸６１との間にミスアライメントが発生する可能性がある。

したがって、本実施の形態では、回転速度を検出する構成を少し変更することによって、ミスアライメントも監視することができるようにした。

図２、図３を参照して、本実施の形態に係る状態監視装置８０は、増速機の出力軸６２（第１の回転軸）と、出力軸６２と継手６３で接続される発電機５０の入力軸６１（第２の回転軸）とを有する風力発電装置１０の状態監視装置である。

状態監視装置８０は、投光部８３と、受光部８１と、回転検出板８４と、監視部８８とを含む。投光部８３は、出力軸６２を回転可能に支持する増速機４０の非回転部分に固定される。受光部８１は、入力軸６１を回転可能に支持する発電機５０の非回転部分に固定され、投光部８３からの光を受ける。回転検出板８４は、投光部８３と受光部８１との間に配置され、入力軸６１に取り付けられる。

回転検出板８４は、入力軸６１が回転すると、入力軸６１と共に回転し、投光部８３から受光部８１に向かう光を遮断する状態と、投光部８３から受光部８１に向かう光を透過する状態とを繰り返すように構成される。

このような構成とすることによって、回転検出板８４によって光が遮断される回数に基づいて出力軸６２および入力軸６１の回転速度を検出することが可能となるとともに、受光部８１における受光状態の変化に基づいて増速機４０と発電機５０の位置関係が変化したことも検出することが可能となる。

監視部８８は、受光部８１が受光した光の受光回数に基づいて出力軸６２の回転速度を算出すると共に、受光部８１が受光した光の受光量の変化に基づいて増速機４０と発電機５０との間の回転軸のミスアライメントの有無を判定する。

このような監視部８８を有することによって、状態監視装置８０は、回転速度とミスアライメントの有無について、情報を出力したり情報を記憶したりすることが可能となる。

図４は、回転検出板の一例を示した図である。図４を参照して、回転検出板８４には、投光部８３から受光部８１に向かう光を透過させるための少なくとも１つの穴６６が設けられる。

投光部８３からの光を回転検出板８４の適切な大きさの穴６６を通過させることによって、回転軸のミスアライメントが生じたときに通過する光の一部が穴の縁によってさえぎられるようになる。これにより、回転検出板８４が無いときと比べてミスアライメント発生時の受光部８１における受光量の変化が大きくなり、検出感度が向上する。さらに感度を向上させるには、回転検出板８４の厚みを増加させるなどすればよい。

図５は、回転検出板の他の例を示した図である。図５を参照して、回転検出板８４Ａには、投光部８３から受光部８１に向かう光を透過させるための複数の穴６６Ａが設けられ、複数の穴６６Ａは、回転検出板８４の回転中心Ｏ１から等距離の位置に回転の周方向に沿って等間隔に配列される。

複数の穴６６Ａを設けることによって、回転速度が遅い場合にも正確な回転速度を計測しやすくなり、また１回転中に回転むらが発生するような場合でも、回転速度の変動を検出することができる。

好ましくは、図１〜図３に示したように、投光部８３は、増速機４０の筐体に固定され、受光部８１は、発電機５０の筐体に固定される。

風力発電装置の大型の回転機器としては、増速機と発電機が最も代表的である。上記の構成によれば、増速機４０と発電機５０のミスアライメントの発生を正確に検出することができる。なお、ミスアライメントの検出位置は、他の場所であっても良い。たとえば、増速機４０と主軸受６０との間にも継手があるような場合であれば、この部分に投光部８３、受光部８１、回転検出板８４を設けてもよい。

好ましくは、投光部８３は、指向性のあるレーザ光を出力するように構成されるが、可視光または赤外線を出力するように構成されてもよい。

図６は、ミスアライメントが発生した状態を説明するための図である。図６においては、わかりやすさのため、ずれ角度αを実際よりも大きく表示している。図６において、発電機５０の位置がたとえばボルトの緩みと大きなゆれによって固定位置がずれた結果、増速機４０の出力軸６２の中心線Ｏ１から角度αのミスアライメントが発生したとする。すると、受光部８１における受光量が変化する。

図７は、ミスアライメントによって受光量が変化することをわかりやすく示した図である。図８は、受光部における受光パルスの変化を示した図である。

図７（Ａ）はミスアライメント発生前の状態である。この状態では、受光部側から投光部８３を見ると、継手６３の外側に見える回転検出板８４Ａの穴６６Ａから投光部８３が見える。ここでミスアライメントが発生すると、図７（Ｂ）に示すように、穴６６Ａの縁によって投光部８３の一部が見えなくなる。これは投光部８３からの光の一部がさえぎられることを意味する。したがって、図８に示すように、正常時の波形ＷＡに比べて、ミスアライメント発生時の波形ＷＢは、受光量がΔＬだけ低下する。したがって、しきい値Ｌｔｈを適宜定め、しきい値Ｌｔｈと受光量を示す波形とを比較することによって、ミスアライメントが発生したことを検出することができる。

図９は、監視部８８が実行する処理を説明するためのフローチャートである。このフローチャートの処理は、振動等の他の風力発電装置の状態を監視するプログラムのメインルーチンから、一定時間ごとまたは所定の条件が成立するごとに呼び出されて実行される。

図９を参照して、まず、ステップＳ１において、監視部８８は、受光部８１で受光した単位時間あたり受光パルス数から回転速度を算出する。

続いて、ステップＳ２において監視部８８は入力軸６１が回転中であるか否かを判断する。もし回転中で無ければ、光が回転検出板８４によって遮られた状態で固定されているかも知れず、ミスアライメントの判断はできない。ステップＳ２において、回転中で無いと判断された場合には（Ｓ２でＮＯ）、ミスアライメントの判断を行なわずにステップＳ７に処理が進められる。

ステップＳ２において、回転中であると判断された場合（Ｓ２でＹＥＳ）、ステップＳ３において、監視部８８は図８に示した受光パルスの受光量（波高値）がしきい値Ｌｔｈ以上であるか否かを判断する。

ステップＳ３において、受光量がしきい値以上であった場合（Ｓ３でＹＥＳ）、ステップＳ４に処理が進められ、増速機４０の回転軸（出力軸６２）と発電機５０の回転軸（入力軸６１）との間のアライメントは正常であると判断される。一方、ステップＳ３において、受光量がしきい値未満であった場合（Ｓ３でＮＯ）、ステップＳ５に処理が進められ、増速機４０の回転軸（出力軸６２）と発電機５０の回転軸（入力軸６１）との間にミスアライメントが発生したと判断される。

ステップＳ４またはＳ５においてミスアライメント発生の有無の判断が確定した後には、ステップＳ６に処理が進められる。ステップＳ６では、ステップＳ１において計算した回転速度と、ステップＳ４またはＳ５で確定したミスアライメント判定の結果を、状態監視装置８０の内部のメモリ等に記録するか、またはナセル９０の外部の監視端末等に向けて無線等によって送信し、ステップＳ７に処理が進められる。ステップＳ７では、制御がメインルーチンに戻される。

以上説明したように、本実施の形態に開示された状態監視装置は、増速機と発電機に投光器と受光器を配置し、初期状態からの受光量の変化に基づいてミスアライメントを検出することができる。加えて、周方向に穴形状を配置した回転検出板を配置することによって、回転軸の回転速度も検出できるとともに、ミスアライメントの検出感度を向上させることができる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ 風力発電装置、２０ ロータヘッド、２２ 主軸、３０ ブレード、４０ 増速機、５０ 発電機、６０ 主軸受、６１ 入力軸、６２ 出力軸、６３ 継手、６６，６６Ａ 穴、８０ 状態監視装置、８１ 受光部、８２ 振動センサ、８３ 投光部、８４，８４Ａ 回転検出板、８８ 監視部、９０ ナセル、１００ タワー、１２２ 軸受、１２４ 駆動装置、１２６ リングギヤ。

Claims (7)

1. 第１の回転軸と、前記第１の回転軸と継手で接続される第２の回転軸とを有する回転機器の状態監視装置であって、
   前記第１の回転軸を有する第１の装置の非回転部分に固定された投光部と、
   前記第２の回転軸を有する第２の装置の非回転部分に固定され、前記投光部からの光を受ける受光部と、
   前記投光部と前記受光部との間に配置され、前記第２の回転軸が回転すると、前記第２の回転軸と共に回転する回転検出板とを備え、
   前記回転検出板は、回転時に、前記投光部から前記受光部に向かう光を遮断する状態と、前記投光部から前記受光部に向かう光を透過する状態とを繰り返すように構成される、回転機器の状態監視装置。
2. 前記受光部が受光した光の受光回数に基づいて前記第１の回転軸の回転速度を算出すると共に、前記受光部が受光した光の受光量の変化に基づいて前記第１の回転軸と前記第２の回転軸のミスアライメントの有無を判定する監視部をさらに備える、請求項１に記載の回転機器の状態監視装置。
3. 前記回転検出板は、前記第２の回転軸に取り付けられ、
   前記回転検出板には、前記投光部から前記受光部に向かう光を透過させるための少なくとも１つの穴が設けられる、請求項１または２に記載の回転機器の状態監視装置。
4. 前記回転検出板は、前記第２の回転軸に取り付けられ、
   前記回転検出板には、前記投光部から前記受光部に向かう光を透過させるための複数の穴が設けられ、
   前記複数の穴は、前記回転検出板の回転中心から等距離の位置に回転の周方向に沿って等間隔に配列される、請求項１または２に記載の回転機器の状態監視装置。
5. 前記第１の装置は、前記第１の回転軸の回転を増速する増速機であり、
   前記第２の装置は、前記増速機によって増速された回転が与えられる発電機であり、
   前記投光部は、前記増速機の筐体に固定され、
   前記受光部は、前記発電機の筐体に固定される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の回転機器の状態監視装置。
6. 前記投光部は、指向性のあるレーザ光を出力するように構成される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転機器の状態監視装置。
7. 前記投光部は、可視光または赤外線を出力するように構成される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の回転機器の状態監視装置。

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