JP6995011B2

JP6995011B2 - 風力発電装置に用いられる軸受装置

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Publication number: JP6995011B2
Application number: JP2018090342A
Authority: JP
Inventors: 貴弥安達
Original assignee: NTN Corp
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2018-05-09
Filing date: 2018-05-09
Publication date: 2022-01-14
Anticipated expiration: 2038-05-09
Also published as: WO2019216298A1; JP2019196727A

Description

この発明は、風力発電装置に用いられる軸受装置に関し、特に潤滑剤の交換や補充のための作業を容易にする技術に関する。

風力発電装置における主軸の支持に用いられる軸受は、一般にグリースにより潤滑される。グリースによる潤滑では、多くの場合、軸受の外部にグリースポケットを設けて、このグリースポケットに貯留されているグリースの基油を少しずつ軸受に供給するようにしている。これにより、軸受内部に封入されたグリースのみで潤滑を行う場合に比べて、長期間にわたって潤滑を行うことができる。

グリースによる潤滑以外では、軌道輪の表面に二硫化モリブデン、ＰＴＦＥ等の固体潤滑剤の被膜を形成したものが提案されている（例えば特許文献１）。固体潤滑剤による潤滑は、風力発電装置以外の機器に用いられる軸受についても行われている（例えば特許文献２～４）。

特開２００８－３０９３１２号公報特開２００４－３３２８９９号公報特開２００７－３２６７０号公報特開２０１３－６０９８８号公報

前述のグリースポケットを設けて軸受にグリースの基油を供給する方式であっても、長期間にわたる風力発電装置の稼働期間中に、軸受内部の古くなったグリースを排出（脱脂）して新しいグリースを補充（給脂）するメンテナンス作業を行わなければならない。古くなったグリースとは、基油が抜けたグリースのことである。このメンテナンス作業は高所で行われるため、作業が容易でないという課題がある。

例えば、地上から数メートルの高さにある主軸支持用の軸受に対して、脱脂および給脂のメンテナンス作業を行う場合における作業手順を以下に示す。
１）作業者がグリース、専用のグリース封入装置、必要な工具等を持って高所作業車のバスケットやプラットホームに乗り込み、所定の作業高さまで上がる。グリース封入装置は、例えば空圧式である。

２）作業者が、グリース封入装置によりグリースポケットにグリースを封入する。その際、グリースポケットの容量よりも多くの量のグリースを封入する。それにより、グリースポケットおよび軸受空間を新しいグリースで満たすと共に、グリースポケットおよび軸受空間に残っている古いグリースを排出する。
なお、軸受が設置されているハウジングやグリースポケット形成部品に給脂用孔および脱脂用孔が設けられており、前記給脂用孔にグリース封入装置の給脂ノズルを差し込んで新しいグリースを封入する。それにより、前記脱脂用孔から古いグリースが排出される。

３）グリースの封入が終わると、作業者は一旦地上に降りる。このとき、前記脱脂用孔は開放されたままである。
４）次に、風車を回転させて、試運転（慣らし運転）を行う。この試運転により、満杯状態となっていた軸受空間のグリースのうち不要な余分のグリースが、脱脂用孔から外部に排出される。
５）試運転中、トルクを測定して、グリースの撹拌抵抗によるトルク損失を確認する。トルクが所定の値となったなら、試運転を終了する。なお、主軸の近くでトルク測定を行う必要がある場合は、作業者は高所に留まってトルク測定を行う。

６）試運転終了後、作業者は再度、高所作業車により作業高さまで上がる。
７）そして、排出されたグリースを除去ならびに回収をする。また、脱脂用孔に栓をする。
８）作業者が地上に降りる。
９）再度、試運転を行い、問題の有無を確認する。
試運転の結果、さらなる調整や確認が必要な場合、その内容に合わせた作業を繰り返す。

このように、従来の脱脂および給脂のメンテナンス作業では、作業者が地上と高所とを少なくとも２往復しなければならなかった。その際、重量物であるグリース封入装置を高所まで持って上がらなくてはならない。そのため、メンテナンス作業に時間がかかり、かつ労力を要した。また、グリースポケットや軸受空間に残された古いグリースを排出させるために余分なグリースを封入する必要があり、グリースの無駄があった。

この発明の目的は、古い潤滑剤の除去ならびに新しい潤滑剤の補充を容易に行うことができて、潤滑剤の無駄が少ない風力発電装置に用いられる軸受装置を提供することである。

この発明の風力発電装置に用いられる軸受装置は、風力発電装置の回転軸を支持する転がり軸受と、潤滑剤を貯留する潤滑剤ポケットを有し、前記潤滑剤を前記転がり軸受に供給する潤滑剤パッケージとを備え、
前記潤滑剤パッケージは、前記転がり軸受の外輪と内輪間の軸受空間に前記潤滑剤ポケットの開口が対向するように、前記転がり軸受の外部に配置され、前記回転軸、または前記転がり軸受、または前記転がり軸受が設置される軸受設置部材に対して脱着可能であることを特徴とする。

この構成によると、潤滑剤の交換時期になった場合、古い潤滑剤パッケージを取り外して新しい潤滑剤パッケージに交換することができる。古い潤滑剤パッケージの潤滑剤ポケットに残された古い潤滑剤は、潤滑剤パッケージごと回収される。潤滑剤パッケージの交換で潤滑剤の補充ができるため、従来のような、軸受空間の不要な余分な潤滑剤を排出するための試運転（前記作業過程の４番目）を行わなくてよく、潤滑剤パッケージの交換後、すぐに問題の有無を確認するための試運転（前記作業過程の９番目）に移ることができる。つまり、作業者は高所に一度上がるだけでよい。その際、重量物である潤滑剤封入装置を持って上がる必要がない。これらのことから、作業時間の短縮および作業負荷の軽減が図れる。

また、従来のような、古い潤滑剤を排出させるために余分な潤滑剤を封入する必要がないため、潤滑剤の無駄がない。さらに、ハウジング等に潤滑剤の封入用および排出用の孔を設けなくて済み、かつ孔を塞ぐ栓が不要である。

この発明において、前記潤滑剤パッケージは、前記転がり軸受と同軸心で前記転がり軸受の幅面に対向し、かつ前記潤滑剤ポケットに貯留されている前記潤滑剤と共に円周方向に分割される複数のパッケージ分割体で構成されていてもよい。
潤滑剤パッケージが複数のパッケージ分割体に分割されていると、潤滑剤パッケージを交換する際に、軸受や付帯部品を回転軸から軸方向に外さなくても潤滑剤パッケージを脱着することができる。このため、作業が容易である。

この発明において、前記転がり軸受の軸方向両側に前記潤滑剤パッケージが設けられていてもよい。
この場合、両側の潤滑剤パッケージに潤滑剤を多く貯留することができるため、潤滑剤パッケージの交換期間を長くできる。

この発明において、前記潤滑剤パッケージに、前記潤滑剤ポケットと前記軸受空間との間に介在し、前記潤滑剤ポケットから前記軸受空間への前記潤滑剤の流通を制限する仕切り部材が設けられていてもよい。
仕切り部材が設けられていると、潤滑剤ポケットの潤滑剤が軸受空間に一気に入ることを防止できる。潤滑剤が軸受空間に一気に入ってしまうと、軸受の回転による撹拌抵抗が大きくなり、トルクの損失、温度上昇、衝撃による他の部材への影響が出る可能性があるが、このような影響を排除することができる。

潤滑剤ポケットから軸受空間への潤滑剤の入り方を調整するために、例えば、前記仕切り部材を、前記潤滑剤ポケットから前記軸受空間への前記潤滑剤の流通を許容する連通孔を有する構成としてもよい。連通孔の大きさを適正に定めることで、潤滑剤が軸受空間に入る量を適正に調整することができる。

この発明において、前記潤滑剤パッケージは、前記転がり軸受と同軸心で前記転がり軸受の幅面に対向し、かつ前記潤滑剤ポケットに貯留されている前記潤滑剤と共に円周方向に分割される複数のパッケージ分割体で構成されている場合、前記仕切り部材は、前記複数のパッケージ分割体と共にそれぞれ分割される複数の仕切り部材分割体で構成されているとよい。
この構成であると、仕切り部材を外さなくても、各潤滑剤パッケージの分解と組立とを行うことができ、潤滑剤パッケージの脱着作業が容易になる。

この発明において、前記潤滑剤がグリースである場合、前記潤滑剤パッケージは、前記回転軸と共に回転するように設けられていてもよく、また前記回転軸と共に回転しないように設けられていてもよい。
潤滑剤パッケージが回転軸と共に回転する場合、遠心力、温度上昇によりグリースから基油が浸み出し易い。また、潤滑剤パッケージが回転軸と共に回転しない場合、基油の浸み出しが抑えられるため、長期間使用できる。

この発明の風力発電装置に用いられる軸受装置は、風力発電装置の回転軸を支持する転がり軸受と、潤滑剤を貯留する潤滑剤ポケットを有し、前記潤滑剤を前記転がり軸受に供給する潤滑剤パッケージとを備え、前記潤滑剤パッケージは、前記転がり軸受の外輪と内輪間の軸受空間に前記潤滑剤ポケットの開口が対向するように、前記転がり軸受の外部に配置され、前記回転軸、または前記転がり軸受、または前記転がり軸受が設置される軸受設置部材に対して脱着可能であるため、古い潤滑剤の除去ならびに新しい潤滑剤の補充を容易に行うことができて、潤滑剤の無駄が少ない。

この発明の一実施形態に係る風力発電装置に用いられる軸受装置およびその周辺部の断面図である。図１のII部拡大図である。（Ａ）は同軸受装置の潤滑剤パッケージの断面図、（Ｂ）はその底面図である。異なる潤滑剤パッケージの底面図である。異なる軸受装置およびその周辺部の部分図である。垂直軸風車を備えた風力発電装置の一部を省略した図である。水平軸風車を備えた風力発電装置の一部を省略した図である。

この発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１はこの発明の一実施形態に係る風力発電装置に用いられる軸受装置およびその周辺部の断面図、図２はそのII部拡大図である。この軸受装置が適用される風力発電装置は垂直軸風車型である。

図６に示すように、垂直軸風車型の風力発電装置は、タワー１の上端に主軸ユニット２が設けられ、この主軸ユニット２の内部に設けられた後述の転がり軸受１０（図６には図示せず）により、垂直軸風車３の主軸４が回転自在に支持されている。主軸４は、請求項で言う「回転軸」に相当する。垂直軸風車３は、複数（例えば３つ）のブレード５がそれぞれ複数アーム６を介して主軸４に取り付けられている。タワー１の下部には、垂直軸風車３の回転で発電する発電機（図示せず）が設置されている。

図１、図２において、前記転がり軸受１０は深溝玉軸受とされているが、転がり軸受１０は他の形式の軸受であってもよい。転がり軸受１０の上下両側には、外輪１０ａと内輪１０ｂとの間の軸受空間Ｓ（図２）に潤滑剤を供給するための上下２つの潤滑剤パッケージ１１，１２が配置されている。転がり軸受１０と２つの潤滑剤パッケージ１１，１２とで、軸受装置１３を構成する。

前記転がり軸受１０は、主軸ユニット２のハウジング１４（図１）に固定の軸受設置部材１５に設置されている。図２に示すように、軸受設置部材１５は、内径部に上下方向に延びる筒状部１５ａと、この筒状部１５ａの下端から内径側に突出する円環部１５ｂとを有し、前記筒状部１５ａの内周に転がり軸受１０の外輪１０ａが嵌合し、前記円環部１５ｂにより転がり軸受１０の外輪１０ａを下から支えている。また、転がり軸受１０の内輪１０ｂは、その上幅面が主軸４の段面４ａに当接することで、軸方向に位置決めされている。

潤滑剤パッケージ１１，１２は、潤滑剤ポケットＰを有するポケット形成部材１１ａ，１２ａと、前記潤滑剤ポケットＰに封入された潤滑剤Ｌとを含んだものを指す。ポケット形成部材１１ａ，１２ａは、金属製、樹脂製等である。潤滑剤Ｌは、液状、ゲル状、および固体のいずれであってもよい。液状の潤滑剤は、例えば潤滑油のことである。ゲル状の潤滑剤は、基油に増稠剤等を添加したグリースのことである。固体の潤滑剤は、グリースを樹脂材料で固形化したプラスチックグリース等のことである。

潤滑剤パッケージ１１，１２は、転がり軸受１０と同軸心で転がり軸受１０の幅面に対向し、かつ軸受空間Ｓに潤滑剤ポケットＰの開口が対向するように配置される。潤滑剤パッケージ１１，１２には、潤滑剤ポケットＰと軸受空間Ｓとの間に介在し、潤滑剤ポケットＰから軸受空間Ｓへの潤滑剤Ｌの流通を制限する仕切り部材１６，１７が設けられている。仕切り部材１６，１７は、複数の連通孔１６ａ，１７ａを有しており、潤滑剤ポケットＰから軸受空間Ｓへ潤滑剤Ｌが少しずつ供給されるようになっている。

図３に示すように、上側の潤滑剤パッケージ１１は、潤滑剤ポケットＰに貯留された潤滑剤Ｌと共に円周方向に分割される２つのパッケージ分割体１１Ａ，１１Ｂで構成されている。各パッケージ分割体１１Ａ，１１Ｂはそれぞれ独立した潤滑剤ポケットＰを有し、潤滑剤パッケージ１１が各パッケージ分割体１１Ａ，１１Ｂに分割された状態でも、潤滑剤ポケットＰに潤滑剤Ｌが貯留された状態に保たれる。また、仕切り部材１６も、２つのパッケージ分割体１１Ａ，１１Ｂと共にそれぞれ分割される２つの仕切り部材分割体１６Ａ，１６Ｂから構成されている。

図３は上側の潤滑剤パッケージ１１を示すが、下側の潤滑剤パッケージ１２も、前記同様に、複数のパッケージ分割体（図示せず）で構成されている。また、下側の仕切り部材１７も、複数のパッケージ分割体（図示せず）で構成されている。

図４のように、上側の潤滑剤パッケージ１１は３つのパッケージ分割体１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃで構成されていてもよい。その場合、仕切り部材１６も、３つの仕切り部材分割体１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃで構成される。下側の潤滑剤パッケージ１２についても同様である。

潤滑剤パッケージ１１，１２は、主軸４または転がり軸受１０または軸受設置部材１５に脱着可能に取り付けられる。図１の例では、潤滑剤パッケージ１１，１２が軸受設置部材１５に脱着可能に取り付けられている。

潤滑剤パッケージ１１，１２の取付方法の一例として、図５に示すように、ボルト１８により結合する方法がある。すなわち、ポケット形成部材１１ａ，１２ａの外周縁部１１ａａ，１２ａａにボルト挿通孔１９を設けると共に、軸受設置部材１５にねじ孔２０を設け、ボルト挿通孔１９に挿通したボルト１８をねじ孔２０に螺着する。このようにボルト１８を用いて取り付けると、潤滑剤パッケージ１１，１２の脱着が容易である。

他の取付方法としては、帯状体を潤滑剤パッケージ１１，１２に巻き付けて取付対象物（例えば軸受設置部材１５）に取り付ける方法、潤滑剤パッケージ１１，１２および取付対象物にそれぞれ設けられた係合部と被係合部とを互いに係合させることで取り付ける方法、潤滑剤パッケージ１１，１２と取付対象物とを径方向に嵌め合わせて取り付ける方法等がある。

この軸受装置１３の構成によると、潤滑剤Ｌの交換時期になった場合、古い潤滑剤パッケージ１１，１２を取り外して新しい潤滑剤パッケージ１１，１２に交換する。この交換作業は以下の手順で行われる。

１）作業者が新しい潤滑剤パッケージ１１，１２および必要な工具等を持って高所作業車のバスケットやプラットホームに乗り込み、所定の作業高さまで上がる。
２）古い潤滑剤パッケージ１１，１２を新しい潤滑剤パッケージ１１，１２に交換する。
３）潤滑剤パッケージ１１，１２の交換が終わると、作業者は地上に降りる。
４）次に、風車を回転させて、試運転を行い、問題の有無を確認する。
試運転の結果、さらなる調整や確認が必要な場合、その内容に合わせた作業を繰り返す。

潤滑剤パッケージ１１（１２）が複数のパッケージ分割体１１Ａ，１１Ｂに分割されているため、作業過程２において潤滑剤パッケージ１１を交換する際に、転がり軸受１０や付帯部品を主軸４から軸方向に外さなくても潤滑剤パッケージ１１を脱着することができる。また、仕切り部材１６（１７）も複数の仕切り部材分割体１６Ａ，１６Ｂで構成されているため、仕切り部材１６を外さなくても、潤滑剤パッケージ１１の分解と組立とを行うことができる。このため、潤滑剤パッケージ１１，１２の交換作業を容易にかつ短時間で行える。

従来のように、軸受空間Ｓに入り過ぎた潤滑剤を排出するための試運転を行う必要がないため、作業者は、潤滑剤パッケージ１１，１２の交換時に一度だけ高所に上がるだけで済む。その際、重量物である潤滑剤封入装置を持って上がる必要がない。これらのことから、作業時間の短縮および作業負荷の軽減が図れる。

また、従来のように、古い潤滑剤を排出させるために余分な潤滑剤を封入する必要がないため、潤滑剤の無駄がない。
さらに、従来のように、ハウジング等に潤滑剤の封入用および排出用の孔を設けなくて済み、かつ孔を塞ぐ栓が不要である。

この実施形態のように、転がり軸受１０の軸方向両側に潤滑剤パッケージ１１，１２が設けられていると、潤滑剤パッケージ１１，１２の各潤滑剤ポケットＰに潤滑剤Ｌを多く貯留することができるため、潤滑剤パッケージ１１，１２の交換期間を長くできる。

また、潤滑剤パッケージ１１，１２に、潤滑剤ポケットＰから軸受空間Ｓへの潤滑剤Ｌの流通を制限する仕切り部材１６，１７が設けられているため、潤滑剤ポケットＰの潤滑剤Ｌが軸受空間Ｓに一気に入ることを防止できる。潤滑剤Ｌが軸受空間Ｓに一気に入ってしまうと、転がり軸受１０の回転による撹拌抵抗が大きくなり、トルクの損失、温度上昇、衝撃による他の部材への影響が出る可能性があるが、このような影響を排除することができる。

潤滑剤ポケットＰから軸受空間Ｓへの潤滑剤Ｌの入り方を調整するために、仕切り部材１６，１７に連通孔１６ａ，１７ａが設けられている。この連通孔１６ａ，１７ａの大きさを適正に定めることで、潤滑剤Ｌが軸受空間Ｓに入る量を適正に調整することができる。

この実施形態では、潤滑剤パッケージ１１，１２が軸受設置部材１５に取り付けられていて、主軸４と共に回転しない構成である。この構成であると、潤滑剤Ｌがグリースである場合、基油の浸み出しが抑えられるため、長期間使用できる。

潤滑剤パッケージ１１，１２が主軸４と共に回転する構成としてもよい。その構成であると、潤滑剤Ｌがグリースである場合、遠心力、温度上昇によりグリースから基油が浸み出し易いという作用が得られる。

上記実施形態は、この発明の軸受装置１３を垂直軸風車型の風力発電装置に適用した例を示すが、この発明の軸受装置１３は、図７に示すような水平軸風車型の風力発電装置にも適用することができる。その場合、後述のナセル３２の支持、および後述の主軸の支持にこの発明の軸受装置１３が用いられる。

図７において、水平軸風車型の風力発電装置は、タワー３１の上端にナセル３２が旋回自在に設置され、そのナセル３２に水平軸風車３３が設置されている。水平軸風車３３は、ナセル３２に回転自在に支持された水平状の主軸（図示せず）を有し、その主軸のナセル３２の外に突出した部分に複数（例えば３つ）のブレード３４が取り付けられている。ナセル３２には、水平軸風車３３の回転で発電する発電機（図示せず）が内蔵されている。

以上、実施例に基づいて本発明を実施するための形態を説明したが、ここで開示し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。本発明の範囲は上記した説明では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。

４…主軸（回転軸）
１０…転がり軸受
１０ａ…外輪
１０ｂ…内輪
１１，１２…潤滑剤パッケージ
１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ…パッケージ分割体
１５…軸受支持部材
１６，１７…仕切り部材
１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ…仕切り部材分割体
１６ａ，１７ａ…連通孔
Ｌ…潤滑剤
Ｐ…潤滑剤ポケット
Ｓ…軸受空間

Claims

風力発電装置の回転軸を支持する転がり軸受と、潤滑剤を貯留する潤滑剤ポケットを有し、前記潤滑剤を前記転がり軸受に供給する潤滑剤パッケージとを備え、
前記潤滑剤パッケージは、前記転がり軸受の外輪と内輪間の軸受空間に前記潤滑剤ポケットの開口が対向するように、前記転がり軸受の外部に配置され、前記回転軸、または前記転がり軸受、または前記転がり軸受が設置される軸受設置部材に対して脱着可能であることを特徴とする風力発電装置に用いられる軸受装置。
請求項１に記載の風力発電装置に用いられる軸受装置において、前記潤滑剤パッケージは、前記転がり軸受と同軸心で前記転がり軸受の幅面に対向し、かつ前記潤滑剤ポケットに貯留されている前記潤滑剤と共に円周方向に分割される複数のパッケージ分割体で構成されている風力発電装置に用いられる軸受装置。
請求項１または請求項２に記載の風力発電装置に用いられる軸受装置において、前記転がり軸受の軸方向両側に前記潤滑剤パッケージが設けられた風力発電装置に用いられる軸受装置。
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の風力発電装置に用いられる軸受装置において、前記潤滑剤パッケージに、前記潤滑剤ポケットと前記軸受空間との間に介在し、前記潤滑剤ポケットから前記軸受空間への前記潤滑剤の流通を制限する仕切り部材が設けられた風力発電装置に用いられる軸受装置。
請求項４に記載の風力発電装置に用いられる軸受装置において、前記仕切り部材は、前記潤滑剤ポケットから前記軸受空間への前記潤滑剤の流通を許容する連通孔を有する風力発電装置に用いられる軸受装置。
請求項４または請求項５に記載の風力発電装置に用いられる軸受装置において、前記潤滑剤パッケージは、前記転がり軸受と同軸心で前記転がり軸受の幅面に対向し、かつ前記潤滑剤ポケットに貯留されている前記潤滑剤と共に円周方向に分割される複数のパッケージ分割体で構成され、
前記仕切り部材は、前記複数のパッケージ分割体と共にそれぞれ分割される複数の仕切り部材分割体で構成されている風力発電装置に用いられる軸受装置。
請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の風力発電装置に用いられる軸受装置において、前記潤滑剤がグリースであり、前記潤滑剤パッケージが前記回転軸と共に回転するように設けられた風力発電装置に用いられる軸受装置。
請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の風力発電装置に用いられる軸受装置において、前記潤滑剤がグリースであり、前記潤滑剤パッケージが前記回転軸と共に回転しないように設けられた風力発電装置に用いられる軸受装置。