JP5419472B2

JP5419472B2 - 風力発電装置の主軸軸受の監視装置

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Publication number: JP5419472B2
Application number: JP2009003111A
Authority: JP
Inventors: 伸幸二之湯
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2009-01-09
Filing date: 2009-01-09
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2029-01-09
Also published as: JP2010159710A

Description

この発明は、風力発電装置の主軸軸受の状態を監視する監視装置に関する。

クリーンエネルギーとして風力発電が注目され、既に多くの風力発電装置が稼動している。今後建設される風力発電装置については、単位発電量当たりの発電コストを下げるため、ますます大型化することが予想される。風力発電装置は、年間を通じて風が強い場所に設置することが望ましく、比較的交通の便が悪い辺鄙な場所に設置されることが多い。そのため、メンテナンスが容易でないという問題がある。特に、大型の風力発電装置の場合は、より一層メンテナンスが難しくなり、メンテナンスコストも高くなる。一旦故障となれば、発電機や増速機を交換することもあり、メンテナンスコストは増大する。また、メンテナンスにはクレーン作業が必要であるため、天候次第で作業ができないこともあり、その場合数日間設備を停止しなければならない。

上記のように風力発電装置のメンテナンスは容易でなく、頻繁に行うことはできないことから、風力発電装置の運転状況をリアルタイムで把握して、メンテナンスの必要時期を予測することにより、メンテナンス回数を減らすことが考えられている。それにより、メンテナンスコストを低減できる。現実に、風力発電装置やそれ以外の離れた位置にある装置の運転状況を遠隔監視している例もある（例えば特許文献１，２）。

特開２００３−１０８２０１号公報特許第４１１７５００号公報

一般に、転がり軸受の寿命に影響を及ぼす要因として、振動、温度、角速度、潤滑等が挙げられる。しかし、風力発電装置におけるブレードが取付けられた主軸を支持する主軸軸受の場合、突風等により負荷荷重が大きく変動するという特徴があり、この負荷荷重の変動も軸受寿命に大きく影響する。従来の遠隔監視システムでは、上記負荷荷重を監視していなかったため、風力発電装置の主軸軸受のメンテナンス必要時期を精度良く予測することができない。

この発明の目的は、風力発電装置における主軸軸受のメンテナンス必要時期の予測等の判定を精度良く行える監視装置を提供することである。

この発明にかかる風力発電装置の主軸軸受の監視装置は、風力発電装置におけるブレードが取付けられた主軸を支持する転がり軸受からなる主軸軸受を監視する装置であって、前記主軸軸受に作用する負荷荷重を検出する荷重検出手段を設けると共に、
前記主軸軸受の封入潤滑剤の劣化状況を検出する潤滑剤劣化検出手段、前記主軸軸受の振動を検出する振動検出手段、および前記主軸軸受の予圧を検出する予圧検出手段のうちのいずれかの検出手段を設け、
これらの検出信号を用いて前記主軸軸受に関する異常の判定を行う判定手段を設け、
この判定手段として、前記荷重検出手段の検出信号と、その他の前記各検出手段のうちのいずれかの検出信号とを総合的に用いた評価値を生成する総合評価値生成部と、この総合評価値生成部で生成した評価値が閾値以上になると、軸受寿命の推定値、または次期メンテナンス時期を示す異常信号を出力する総合異常判定部を有し、
総合評価値生成部は、演算式またはデータによって前記各検出手段の検出信号と前記評価値との関係となる評価基準を設定した評価基準設定手段を有し、上記各検出信号を前記評価基準に照らして前記評価値を生成し、
前記総合異常判定部での判定に用いる閾値は、前記各検出信号と前記軸受寿命の推定値、または次期メンテナンス時期との関係を実験またはシミュレーションの結果から導き出して得た数値とする。
この構成によれば、荷重検出手段の検出信号が判定手段に送信され、判定手段により、前記検出信号を判定情報の一つとして用いて主軸軸受に関する所定の判定、すなわち、軸受寿命の推定値、またはメンテナンス必要時期の判定を行う。風力発電装置の主軸軸受の特徴である負荷荷重の変動について監視するため、主軸軸受のメンテナンス必要時期の予測等の判定を精度良くできる。
具体的には、総合評価値生成部により、荷重検出手段を含む複数の検出手段の検出信号を総合的に判断して評価値を生成することにより、総合異常判定部による異常か否かの判定を行う。総合異常判定部が異常と判定した場合、それに応じて適切な対応をとることができる。
また、前記判定手段により、軸受寿命の推定値、または次期メンテナンス時期を判定することにより、メンテナンスを適正なタイミングで行うことができる。
また、この発明の監視装置は、前記判定手段として、前記総合異常判定部に加えて、個々の前記各検出手段の検出信号を、それぞれ閾値と比較して閾値以上になると異常と判定する個別異常判定部を有する。
前記個別異常判定部を有するため、各検出手段のうち特定の検出手段だけが突出して異常な検出信号を出力した場合でも、異常と判定して、それに応じて適切な対応をとることができる。

前記荷重検出手段として、主軸軸受の軌道輪の歪を検出する歪ゲージを用いることができる。あるいは、前記荷重検出手段として、主軸軸受の一対の軌道輪である内輪と外輪との相対変位を検出する変位センサも用いることができる。何れであっても、主軸軸受に作用する負荷荷重を検出することが可能である。

この発明において、前記主軸軸受に、封入潤滑剤の劣化状況を検出する潤滑剤劣化検出手段を設け、前記判定手段は、前記荷重検出手段の検出信号の他に、前記潤滑剤劣化検出手段の検出信号を用いて所定の判定を行うものとしてもよい。
この構成の場合、主軸軸受の負荷荷重に加えて、封入潤滑剤の劣化状況について監視するため、より一層精度良い判定を行える。

また、この発明において、前記主軸軸受に、振動センサ、超音波センサ、およびＡＥセンサ（アコースエミッションセンサ）のうちの少なくとも一つのセンサである振動検出手段を設け、前記判定手段は、前記荷重検出手段の検出信号と前記振動検出手段の検出信号とを用いて所定の判定を行うものとしてもよい。
この構成の場合、主軸軸受の負荷荷重に加えて、振動について監視するため、より一層精度良い判定を行える。

さらに、この発明において、前記主軸軸受は予圧を付与した軸受であって、その予圧を検出する予圧検出手段を設け、前記判定手段は、前記荷重検出手段の検出信号の他に、前記予圧検出手段の検出信号を用いて所定の判定を行うものとしてもよい。
この構成の場合、主軸軸受の負荷荷重に加えて、予圧について監視するため、より一層精度良い判定を行える。

この発明において、前記判定手段は、判定結果の一つとして、主軸に対するブレードの取付角度の調整値を生成するのがよい。
判定手段により、主軸に対するブレードの取付角度の調整値を判定することにより、常に、主軸に過大な負荷荷重が作用することがなく、かつ発電効率が良いブレードの取付角度を維持できる。

この発明の風力発電装置の主軸軸受の監視装置は、風力発電装置におけるブレードが取付けられた主軸を支持する転がり軸受からなる主軸軸受の監視装置であって、前記主軸軸受に作用する負荷荷重を検出する荷重検出手段を設けると共に、前記主軸軸受の封入潤滑剤の劣化状況を検出する潤滑剤劣化検出手段、前記主軸軸受の振動を検出する振動検出手段、および前記主軸軸受の予圧を検出する予圧検出手段のうちのいずれかの検出手段を設け、これらの検出信号を用いて前記主軸軸受に関する異常の判定を行う判定手段を設け、この判定手段として、前記荷重検出手段の検出信号と、その他の前記各検出手段のうちのいずれかの検出信号とを総合的に用いた評価値を生成する総合評価値生成部と、この総合評価値生成部で生成した評価値が閾値以上になると、軸受寿命の推定値、または次期メンテナンス時期を示す異常信号を出力する総合異常判定部を有し、
総合評価値生成部は、演算式またはデータによって前記各検出手段の検出信号と前記評価値との関係となる評価基準を設定した評価基準設定手段を有し、上記各検出信号を前記評価基準に照らして前記評価値を生成し、
前記総合異常判定部での判定に用いる閾値は、前記各検出信号と前記軸受寿命の推定値、または次期メンテナンス時期との関係を実験またはシミュレーションの結果から導き出して得た数値とするため、風力発電装置における主軸軸受のメンテナンス必要時期の予測等の判定を精度良く行える。
また、この監視装置は、前記判定手段として、前記総合異常判定部に加えて、個々の前記各検出手段の検出信号を、それぞれ閾値と比較して閾値以上になると異常と判定する個別異常判定部を有するため、各検出手段のうち特定の検出手段だけが突出して異常な検出信号を出力した場合でも、異常と判定して、それに応じて適切な対応をとることができる。

この発明の実施形態にかかる風力発電装置の主軸軸受の断面図とその監視装置のブロック図とを組み合わせた表示した図である。風力発電装置の一例の一部を切り欠いて表した斜視図である。同風力発電装置の破断側面図である。この発明の異なる実施形態にかかる風力発電装置の主軸軸受の断面図である。この発明のさらに異なる実施形態にかかる風力発電装置の主軸軸受の断面図である。この発明のさらに異なる実施形態にかかる風力発電装置の主軸軸受の断面図である。この発明のさらに異なる実施形態にかかる風力発電装置の主軸軸受の断面図である。

この発明の実施形態を図１ないし図３と共に説明する。図１は風力発電装置の主軸軸受の断面図とこの主軸軸受に設置される監視装置のブロック図を組み合わせた図、図２は前記主軸軸受で主軸が支持された風力発電装置の一部を切り欠いて表した斜視図、図３はその破断側面図である。

図２および図３において、風力発電装置１１は、支持台１２上にナセル１３を水平旋回自在に設け、このナセル１３のケーシング１４内に、前後一対の主軸軸受１により主軸１５を回転自在に支持している。主軸１５のケーシング１４外に突出した一端にブレード支持基体１６ａが設けられ、このブレード支持基体１６ａに、図示しない旋回駆動機構により旋回自在にブレード１６が取付けられている。主軸１５の他端は増速機１７に接続され、増速機１７の出力軸１８が発電機１９のロータ軸に結合されている。

図１に示すように、主軸軸受１は、複列の円すいころ軸受であって、外周面に複列の軌道面２ａを有する内輪２と、この内輪２の軌道面２ａに対向する軌道面３ａをそれぞれ内周面に有する一対の外輪３と、これら内外の軌道輪２，３間に組み込まれた円すいころからなる複列の転動体４とを備えている。一対の外輪３の間には、外輪間座５が介在している。この実施形態の場合、複列の転動体４は、正面組合せで配列され、各列毎に保持器６で保持されている。

内輪２の内周には、主軸１５が嵌合している。主軸１５は筒状であり、その先端に結合した蓋部材７に、前記ブレード支持基体１６ａが取付けられる。主軸１５の外周面に形成された段部１５ａと内輪位置決め間座８とにより、内輪２の軸方向位置が位置決めされている。外輪３の外周には、ハウジング９が嵌合している。ハウジング９の先端には外輪押え蓋１０が取付けられ、この外輪押え蓋１０とハウジング９の内周面に形成された段部９ａとにより、一対の外輪３および外輪間座５の軸方向位置が位置決めされている。ハウジング９および外輪押え蓋１０は、それぞれ内径側へ延びるつば部９ｂ，１０ａを有し、これらつば部９ｂ，１０ａにより、主軸軸受１の軸受空間を密封している。軸受空間には、潤滑油、グリース等からなる潤滑剤が封入されている。

監視装置３０は、主軸軸受１に作用する負荷荷重を検出する荷重検出手段３１と、主軸軸受１の軸受空間に封入した潤滑剤の劣化状況を検出する潤滑剤劣化検出手段３２と、これら荷重検出手段３１および潤滑剤劣化検出手段３２の検出信号を判定情報として用いて主軸軸受１に関する所定の判定を行う判定手段３３とを備える。この実施形態では、荷重検出手段３１は、一方の外輪３の外周面に貼り付けられた歪ゲージである。また、潤滑剤劣化検出手段３２は、潤滑剤に含まれる鉄分の量を検出する鉄粉センサである。

判定手段３３は、例えばマイクロコンピュータ等のコンピュータと、これに実行されるプログラムおよびデータとで構成され、または論理回路等の電子回路で構成される。判定手段３３は、各検出手段３１，３２の検出信号ａ，ｂを総合的に用いた評価値を生成する総合評価値生成部３４と、この総合評価値生成部３４で生成した評価値が閾値以上になると異常と判定する総合異常判定部３５と、荷重検出手段３１の検出信号ａを閾値と比較して閾値以上になると異常と判定する個別異常判定部３６とでなる。

総合評価値生成部３４は、例えば、演算式やデータ等によって各検出信号ａ，ｂと評価値との関係となる評価基準を設定した評価基準設定手段を有し、上記検出信号ａ，ｂを評価基準に照らして評価値を生成する。総合異常判定部３５での判定に用いる閾値は、主軸軸受１に作用する負荷荷重および潤滑剤の劣化状況と、軸受寿命、または主軸軸受１の次期メンテナンス時期との関係を予め実験やシミュレーションにより求め、その結果から導き出された数値である。また、個別異常判定部３６での判定に用いる閾値は、主軸軸受１に作用する負荷荷重と、主軸１５が受けるダメージとの関係を予め実験やシミュレーションにより求め、その結果から導き出された数値である。

総合異常判定部３５には異常信号受信装置３７が接続され、個別異常判定部３６には前記旋回駆動機構（図示せず）のブレード取付角度調整用駆動源３８に接続されている。異常信号受信装置３７は、風力発電装置１１から離れた遠隔地に設けられている。判定手段３３も、風力発電装置１１から離れた遠隔地に設けられていてもよい。

上記構成の動作を説明する。ブレード１６が風を受けて主軸１５が回転すると、主軸軸受１に作用する負荷荷重が荷重検出手段３１に検出される。また、軸受空間に封入した潤滑剤の劣化状況が潤滑剤劣化検出手段３２に検出される。これらの検出信号ａ，ｂは判定手段３３の総合評価値生成部３４に送信され、総合評価値生成部３４において、各検出信号ａ，ｂを総合的に用いた評価値が生成される。この評価値は、総合異常判定部３５に送られる。総合異常判定部３５では、記憶保存されている閾値と比較し、評価値が閾値以上である場合、異常信号ｃを異常信号受信装置３７に送信する。この異常信号ｃは、軸受寿命の推定値を示す信号、または主軸軸受１の次期メンテナンス時期を示す信号である。なお、参考提案例として示すと、図１において点線で示すように、各検出信号ａ，ｂを異常信号受信装置３７に常時送信してもよく、その場合は、異常信号ｃが単に異常を示すだけの信号であってよい。

このように、この監視装置３０は、遠隔地から主軸軸受１に作用する負荷荷重および軸受空間に封入した潤滑剤の劣化状況を常時監視することで、負荷荷重が大きく変動する風力発電装置１１の主軸軸受１に対して、軸受寿命または次期メンテナンス時期を常に把握しておくことができる。それにより、適正な時期を選んでメンテンスを行うことが可能になる。結果的に、メンテナンス回数を減らすことができ、メンテナンスコストを低減できる。

また、荷重検出手段３１の検出信号ａは、判定手段３３の個別異常判定部３６に送信される。個別異常判定部３６では、検出信号ａの値と記憶保存されている閾値とを比較し、検出信号ａの値が閾値以上である場合、ブレード取付角度調整用駆動源３８を制御する制御信号ｄを出力する。検出信号ａの値が閾値以上であるということは、主軸軸受１に大きな負荷荷重がかかり、主軸軸受１または他の部品が損傷を受ける可能性があるということを意味する。その場合、主軸１５に対するブレード１６の取付角度を変更して、ブレード１６が風から受ける力を小さくすることにより、主軸軸受１に作用する負荷荷重を低減させる。これにより、強風による風力発電装置１１の損傷を防げる。

図４に示すように、荷重検出手段３１である歪ゲージは、外輪３の端面に貼り付けてもよい。また、図５に示すように、荷重検出手段３１は、内輪２と外輪３との相対変位を検出する変位センサとしてもよい。何れも、主軸軸受１に作用する負荷荷重を検出することができる。

図６は、この発明の異なる実施形態を示す。この風力発電装置の主軸軸受の監視装置３０は、前記実施形態の潤滑剤劣化検出手段３２に代えて、主軸軸受１の振動を検出する振動検出手段４０が設けられている。この実施形態では、振動検出手段４０により外輪３の振動を検出する。振動検出手段４０は、振動センサ、超音波センサ、およびＡＥセンサのうちの少なくとも一つのセンサからなる。監視装置３０は、荷重検出手段３１と、振動検出手段４０と、前記同様の判定手段３３とでなる。

各検出手段３１，４０の検出信号ａ，ｅが判定手段３３へ送信され、前記同様、判定手段３３により、各検出信号ａ，ｅを判定情報として用いて主軸軸受１の軸受寿命、または主軸軸受１の次期メンテナンス時期について判定を行うと共に、荷重検出手段３１の検出信号ａを判定情報として用いて主軸１５に対するブレード１６の取付角度についての判定を行う。

この実施形態の監視装置３０は、遠隔地から主軸軸受１に作用する負荷荷重および主軸軸受１の振動を常時監視することで、前記実施形態と同様、負荷荷重が大きく変動する風力発電装置１１の主軸軸受１に対して、軸受寿命または次期メンテナンス時期を常に把握しておくことができる。それにより、適正な時期を選んでメンテンスを行うことが可能になる。結果的に、メンテナンス回数を減らすことができ、メンテナンスコストを低減できる。

図７は、さらに異なる実施形態を示す。この風力発電装置の主軸軸受の監視装置３０は、前記各実施形態の潤滑剤劣化検出手段３２や振動検出手段４０に代えて、主軸軸受１の予圧を検出する予圧検出手段４１が設けられている。予圧検出手段４１は、例えば外輪間座５に設けられる。監視装置３０は、荷重検出手段３１と、予圧検出手段４１と、前記同様の判定手段３３とでなる。

各検出手段３１，４１の検出信号ａ，ｆが判定手段３３へ送信され、前記同様、判定手段３３により、各検出信号ａ，ｆを判定情報として用いて主軸軸受１の軸受寿命、または主軸軸受１の次期メンテナンス時期について判定を行うと共に、荷重検出手段３１の検出信号ａを判定情報として用いて主軸１５に対するブレード１６の取付角度についての判定を行う。

この実施形態の監視装置３０は、遠隔地から主軸軸受１に作用する負荷荷重および主軸軸受１の予圧を常時監視することで、前記実施形態と同様、負荷荷重が大きく変動する風力発電装置１１の主軸軸受１に対して、軸受寿命または次期メンテナンス時期を常に把握しておくことができる。それにより、適正な時期を選んでメンテンスを行うことが可能になる。結果的に、メンテナンス回数を減らすことができ、メンテナンスコストを低減できる。

上記各実施形態では、荷重検出手段３１以外に、潤滑剤劣化検出手段３２、振動検出手段４０、および予圧検出手段４１のうちの一つの検出手段が設けられているが、これら各検出手段３２，４０，４１は設けなくてもよく、あるいはこれら各検出手段３２，４０，４１のうちの複数の検出手段を設けてもよい。
また、上記各実施形態では主軸軸受１を複列の円すいころ軸受としたが、この発明は他の形式の主軸軸受にも適用できる。

１…主軸軸受
２…内輪（軌道輪）
３…外輪（軌道輪）
１１…風力発電装置
１５…主軸
１６…ブレード
３０…監視装置
３１…荷重検出手段
３２…潤滑剤劣化検出手段
３３…判定手段
３４…総合評価値作成部
３５…総合異常判定部
３６…個別異常判定部
３７…異常信号受信装置
３８…ブレード取付角度調整用駆動源
４０…振動検出手段
４１…予圧検出手段

Claims

風力発電装置におけるブレードが取付けられた主軸を支持する転がり軸受からなる主軸軸受の監視装置であって、
前記主軸軸受に作用する負荷荷重を検出する荷重検出手段を設けると共に、
前記主軸軸受の封入潤滑剤の劣化状況を検出する潤滑剤劣化検出手段、前記主軸軸受の振動を検出する振動検出手段、および前記主軸軸受の予圧を検出する予圧検出手段のうちのいずれかの検出手段を設け、
これらの検出信号を用いて前記主軸軸受に関する異常の判定を行う判定手段を設け、
この判定手段として、前記荷重検出手段の検出信号と、その他の前記各検出手段のうちのいずれかの検出信号とを総合的に用いた評価値を生成する総合評価値生成部と、この総合評価値生成部で生成した評価値が閾値以上になると、軸受寿命の推定値、または次期メンテナンス時期を示す異常信号を出力する総合異常判定部を有し、
総合評価値生成部は、演算式またはデータによって前記各検出手段の検出信号と前記評価値との関係となる評価基準を設定した評価基準設定手段を有し、上記各検出信号を前記評価基準に照らして前記評価値を生成し、
前記総合異常判定部での判定に用いる閾値は、前記各検出信号と前記軸受寿命の推定値、または次期メンテナンス時期との関係を実験またはシミュレーションの結果から導き出して得た数値とし、
前記判定手段として、前記総合異常判定部に加えて、個々の前記各検出手段の検出信号を、それぞれ閾値と比較して閾値以上になると異常と判定する個別異常判定部を有する、風力発電装置の主軸軸受の監視装置。
請求項１において、前記荷重検出手段が、主軸軸受の軌道輪の歪を検出する歪ゲージである風力発電装置の主軸軸受の監視装置。
請求項１において、前記荷重検出手段が、主軸軸受の一対の軌道輪である内輪と外輪との相対変位を検出する変位センサである風力発電装置の主軸軸受の監視装置。
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記検出手段の一つとして、前記潤滑剤劣化検出手段を設けた風力発電装置の主軸軸受の監視装置。
請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、前記検出手段の一つとして、振動センサ、超音波センサ、およびＡＥセンサのうちの少なくとも一つのセンサである振動検出手段を設けた風力発電装置の主軸軸受の監視装置。
請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、前記主軸軸受は予圧を付与した軸受であって、前記検出手段の一つとして、前記予圧検出手段を設けた風力発電装置の主軸軸受の監視装置。
請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、前記判定手段は、判定結果の一つとして、主軸に対するブレードの取付角度の調整値を生成する風力発電装置の主軸軸受の監視装置。