JPWO2011099139A1

JPWO2011099139A1 - 風力発電装置

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Publication number: JPWO2011099139A1
Application number: JP2010507165A
Authority: JP
Inventors: 義弘藤岡; 敦史今長
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-02-12
Filing date: 2010-02-12
Publication date: 2013-06-13
Anticipated expiration: 2030-02-12
Also published as: WO2011099139A1; AU2010201247A1; US20110278851A1; US8212372B2; CA2699279C; CN102812240A; CA2699279A1; JP4563510B1; EP2535577A1; EP2535577A4; BRPI1000008A2

Abstract

風車翼の翼旋回輪軸受１０に設けられているオイルシール構造を改善し、潤滑油の外部への漏出を防止または抑制した風力発電装置を提供する。風車翼に風力を受けて回転するロータヘッドがナセルの内部に設置された発電機を駆動して発電し、ナセルが基礎上に立設されたタワーの上端部にヨー旋回可能に設置されるとともに、風車翼とロータとの間に設置された翼旋回輪軸受１０を介して前記風車翼のピッチ角を調整可能とするピッチ制御機構を備えている風力発電装置において、翼旋回輪軸受１０の外輪１１及び内輪１２が転動体１３を介在させて対向する転動体保持面１１ａ，１２ａの両端部にシール機構１４，２０を取り付け、シール機構１４，２０の翼側が、シール部材２１，２２間に空間部２３を設けて翼軸線方向に配置した二重シール構造とされ、空間部２３に加圧流体を供給してシール部材２１，２２のリップを相手側壁面に押圧するように構成した。

Description

本発明は、風車翼のピッチ角度を可変とするピッチ制御機構を備えた風力発電装置に係り、特に、風車翼の翼旋回輪軸受に設けられているオイルシール構造を改善した風力発電装置に関する。

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駆動される発電機により発電する装置である。
上述したロータヘッドは、風車用タワー（以下、「タワー」と呼ぶ）上に設置されてヨー旋回可能なナセルの端部に取り付けられ、略水平な横方向の回転軸線周りに回転可能となるように支持されている。

通常の風力発電装置は、風速に応じて風車翼のピッチ角を変化させるピッチ制御装置を備えている。このピッチ制御装置は、風速に応じて各風車翼を最適なピッチ角に設定し、ロータヘッドの回転速度を制御するための装置である。
上述したピッチ制御装置により風車翼のピッチ角を調整可能とするため、風車翼をロータヘッドに対して回動可能に支持する翼旋回輪軸受が用いられている。この翼旋回輪軸受には、内輪と外輪との間に転動体（ボールベアリングやローラ等）を配設した転がり軸受が採用されている。

上述した翼旋回輪軸受には、軸受摺動部の潤滑を行う潤滑油（グリース）の漏出を防止するため、軸受を構成する内輪と外輪との接合面両端部にオイルシールが設けられている。すなわち、転動体を挟持する転動体保持面（内輪の外周面及び外輪の内周面）が所定の間隙を形成して対向している接合面は、外輪及び内輪の両端部側に開口する間隙出口がオイルシールにより封止されている。

また、下記の特許文献１には、グリース潤滑された転がり軸受の軸受箱内に水や異物が侵入することを防止するため、ラビリンスシール構造を採用することが開示されている。

特開２００６−１０５２９７号公報

ところで、従来の風力発電装置において、上述した翼旋回輪軸受のオイルシールは、外輪及び内輪の接合面両端が同じ形状（構造）となっている。このため、ロータヘッドの回転により遠心力が作用すると、翼側のオイルシールから風車翼の外部へ向けて潤滑油が漏出しやすい状況となる。

すなわち、風車翼の軸方向において翼先端側にある翼側のオイルシールには、ロータヘッドの回転により翼旋回輪軸受の内部から外向きの遠心力が作用するので、十分なシール機能がないと翼旋回輪軸受内の潤滑油は遠心力を受けて軸受の外部へ漏出しやすい状況にある。
なお、ロータヘッド内側（風車翼の軸方向においてロータヘッド側）となるオイルシールにおいては、ロータヘッドの回転により翼旋回輪軸受内部の転動体方向に遠心力が作用するので、潤滑油は風車翼の外部へ漏出しにくい状況にある。

このような背景から、風力発電装置の翼旋回輪軸受においては、ロータヘッドの回転により発生する遠心力の影響で外部へ潤滑油が漏出しないように、オイルシール構造を改善することが望まれる。
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、風車翼の翼旋回輪軸受に設けられているオイルシール構造を改善し、潤滑油の外部への漏出を防止または抑制し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、下記の手段を採用した。
本発明の風力発電装置は、風車翼に風力を受けて回転するロータヘッドがナセルの内部に設置された発電機を駆動して発電し、前記ナセルが基礎上に立設されたタワーの上端部にヨー旋回可能に設置されるとともに、前記風車翼と前記ロータとの間に設置された翼旋回輪軸受を介して前記風車翼のピッチ角を調整可能とするピッチ制御機構を備えている風力発電装置において、前記翼旋回輪軸受の外輪及び内輪が転動体を介在させて対向する転動体保持面の両端部にシール機構を取り付け、前記シール機構の翼側が、シール部材間に空間部を設けて翼軸線方向に配置した二重シール構造とされ、前記空間部に加圧流体を供給して前記シール部材のリップを相手側壁面に押圧するように構成した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、翼旋回輪軸受の外輪及び内輪が転動体を介在させて対向する転動体保持面の両端部にシール機構を取り付け、シール機構の翼側が、シール部材間に空間部を設けて翼軸線方向に配置した二重シール構造とされ、空間部に加圧流体を供給してシール部材のリップを相手側壁面に押圧するように構成したので、転動体側から外部へ向かう方向及び外部から空間部へ向かう方向の両方向に強固なシール構造を形成することができる。

ここで、シール機構の翼側とは、ロータヘッドに対して風車翼を回動自在に支持してピッチ角の調整を可能にしている翼旋回輪軸受において、風車翼先端側（外側）となる接合面端部のことである。従って、翼側と反対側の接合面端部はロータヘッド内側となり、このロータヘッド内側は、ロータヘッドに対して風車翼を回動自在に支持してピッチ角の調整を可能にしている翼旋回輪軸受において、ロータヘッドの回転中心軸側（内側）のことである。

上記の発明において、前記加圧流体は、前記ロータヘッド内に設置された専用の圧縮機から供給される圧縮空気であることが好ましく、これにより、常に圧縮流体を安定して供給することが可能になる。

上記の発明において、前記加圧流体は、前記ロータヘッド内に設置された加圧タンクに畜圧されている圧縮空気であることが好ましく、これにより、風力発電装置で発電した電力を消費することなく圧縮流体を安定して供給することができる。この場合、たとえば定期点検時等に外部から圧縮機を接続し、加圧タンク内に圧縮流体を畜圧すればよい。

上述した本発明によれば、翼旋回輪軸受の転動体保持面において翼側に取り付けられるシール機構が、シール部材間に空間部を設けて翼軸線方向に配置した二重シール構造とされ、シール部材間の空間部に加圧流体を供給してシール部材のリップを相手側壁面に押圧するように構成したので、転動体側から外部へ向かう方向（軸受内の潤滑油が遠心力で外部へ流出する方向）及び外部から空間部へ向かう方向（軸受内へ雨水等が侵入する方向）の両方向において強固なシール構造を形成することができる。

この結果、風力発電装置の運転時に遠心力を受けても、軸受内の潤滑油が外部へ流出することを防止する強固なシールを形成し、同時に、雨水等が軸受内へ侵入することを防止する強固なシールを形成するので、軸受内の潤滑油が翼側のシール部材から外部へ漏出することを防止または抑制することができる。
従って、風車翼の翼旋回輪軸受に設けられているオイルシール構造を改善し、翼旋回輪軸受から外部へ漏出する潤滑油量を最小限に抑えることで、信頼性や耐久性の高い風力発電装置を提供することができる。

本発明に係る風力発電装置の一実施形態として、翼旋回輪軸受のオイルシール構造を示す要部の断面図である。ロータヘッドに対し風車翼のピッチ角を変更可能に支持している翼旋回輪軸受について、ロータヘッド及び風車翼との位置関係を示す要部の断面図である。風力発電装置の概要を示す側面図である。

１風力発電装置
２風車用タワー
３ナセル
４ロータヘッド
５風車翼
１０翼旋回輪軸受
１１外輪
１１ａ，１２ａ転動体保持面
１２内輪
１３転動体
１４，２０シール機構
２１内部シール（シール部材）
２２外部シール（シール部材）
２３空間部
３０流体供給路
４０加圧流体供給装置

以下、本発明に係る風力発電装置について、その一実施形態を図面に基づいて説明する。
図３に示す風力発電装置１は、基礎Ｂ上に立設される風車用タワー（以下では「タワー」と呼ぶ）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の前端部側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。
ナセル３の外周面適所（たとえば上部等）には、周辺の風速値を測定する風速計や、風向を測定する風向計等が設置されている。

すなわち、風力発電装置１は、風車翼５に風力を受けて略水平な回転軸線周りに回転するロータヘッド４がナセル３の内部に設置された発電機（不図示）を駆動して発電するとともに、ナセル３が基礎Ｂ上に立設されたタワー２の上端部に設置されてヨー旋回可能となっている。
なお、図示のタワー２は鋼製のモノポール式とされ、複数に分割したタワーセクションのフランジ（不図示）を接続することにより、必要な長さ（高さ）を確保した円筒タワーとなる。

また、上述した風力発電装置１は、図１及び図２に示すように、風車翼５とロータヘッド４との間に設置された翼旋回輪軸受１０を介して、風車翼５のピッチ角を調整可能としたピッチ制御機構を備えている。このピッチ制御機構は、自然現象である風の状況に応じて、すなわち、常に変動している風速に応じて各風車翼５のピッチ角を適宜調整し、ピッチ角を最適値に設定してロータヘッド４の回転速度を制御するための装置である。
上述したピッチ制御装置は、図示しない油圧機構等を駆動源にして、風車翼５を所望の方向に回動させてピッチ角を調整するものである。このため、風車翼５は、ロータヘッド４に対し翼旋回輪軸受１０を介して回動自在に支持されている。

翼旋回輪軸受１０には、外輪１１と内輪１２との間にボールベアリングやローラ等の転動体１３を挟持した構成の転がり軸受が採用されている。
図示の構成例では、外輪１１がロータヘッド４側に固定され、内輪１２に連結された風車翼５が外輪１１及びロータヘッド４に対して回動可能となっている。また、内輪１２及び風車翼５のスムーズな回動を維持するため、たとえば転動体１３の外周面及びその接触面である外輪１１及び内輪１２の摺動面等には、潤滑油としてグリースが供給されている。

このような翼旋回輪軸受１０において、転動体１３を介在させて対向する外輪１１及び内輪１２の翼転動体保持面１１ａ，１２ａには、ロータヘッド内側及び翼側の両端に天然ゴムや合成ゴム等を成形したシール機構１４，２０が取り付けられている。なお、翼転動体保持面１１ａ，１２ａは、転動体１３を保持する領域以外が所定の間隙を形成して対向している。

このうち、ロータヘッド内側のシール機構１４は、すなわちロータヘッド１４の回転中心軸ＣＬ側（内側）に位置するシール機構１４は、外輪１１と内輪１２との翼転動体保持面１１ａ，１２ａ間に形成される間隙の出口開口である接合面端部開口１５を塞ぐように取り付けられている。図示の構成例では、シール機構１４がリップ形状の断面を有するシール部材とされ、その一端が支持部材１６によって内輪１２側の端面に固定されている。

上述したシール機構１４の他端側には、柔軟なリップ先端部１４ａが形成されている。このリップ先端部１４ａは、所定位置において外輪１１の翼転動体保持面１１ａに接した状態が維持されるようになっている。この結果、ロータヘッド内側の接合面端部開口１５はシール部材１４によって塞がれ、翼旋回輪軸受１０の内部摺動面に異物等が侵入することを防止できる。

一方、翼側のシール機構２０は、一対のシール部材２１，２２を外輪１１及び内輪１２の翼側端部に形成した凹部１７に配設したもので、シール部材２１，２２間に空間部２３を設けて翼軸線方向に配置した二重シール構造となっている。すなわち、翼転動体保持面１１ａ，１２ａの翼側端部に形成した凹部１７には、ロータヘッド内側から順に、内部側のシール部材（以下、「内部シール」とも呼ぶ）２１、空間部２３、及び外部側のシール部材（以下、「外部シール」とも呼ぶ）２２が存在している。

図示の構成例では、内部シール２１及び外部シール２２が外輪１１側の凹部形成面１７ａ側に保持され、内部シール２１及び外部シール２２のリップ先端部２１ａ，２２ａが内輪１２側の凹部形成面１７ｂに密着するように構成されている。なお、内部シール２１及び外部シール２２のリップは、いずれも二股形状としたリップ先端部２１ａ，２２ａを備えているが、たとえばリップ先端部を３以上にするなど特に限定されることはない。

上述した空間部２３には、圧縮空気等の加圧流体を供給する流体供給路３０が連通している。この流体供給路３０は、たとえばロータヘッド４の内部に設置された加圧流体供給装置４０に接続されており、外輪１１内に形成した流体流路３１や外輪１１の外部に設けた流体配管１２等を備えている。
また、流体供給路３０が空間部２３に連通する出口開口には、隣接するシール部材２１，２２間に加圧流体の流路を確実に確保するため、金属や樹脂等により形成された筒状出口３３が設けられている。

こうして空間部２３に供給した加圧流体は、空間部２３側からシール部材２１，２２を加圧するので、リップ先端部２１ａ，２２ａが相手側壁面の凹部形成面１７ｂに押圧されるようになっている。この結果、内輪１２側の凹部形成面１７ｂに対するリップ先端部２１ａ，２２ａの密着は、より強固で確実なものとなるため、転動体１３側から外部へ向かう方向が内部シール２１によりシールされ、外部から空間部２３へ向かう方向が外部シール２２によりシールされるので、両方向において強固なシール構造となる。
なお、外輪１１の翼側端面には支持部材１８が取り付けられ、加圧流体の圧力を受けるシール部材２１，２２が、特に、外部シール２２が、凹部１７の外部へ飛び出さないように規制している。

このように、本実施形態の風力発電装置１は、翼旋回輪軸受１０の外輪１１及び内輪１２が転動体１３を介在させて対向する転動体保持面１１ａ，１２ａの両端にシール機構１４，２０を取り付け、シール機構１４，２０の翼側については、シール部材２１，２２間に空間部２３を有する翼軸線方向の二重配置にして、空間部２３に加圧流体を供給してシール部材２１，２２のリップを相手側壁面へ押圧するように構成したので、転動体１３側から翼旋回輪軸受１０の外部へ向かう方向及び翼旋回輪軸受１０の外部から空間部２３へ向かう方向の両方向に強固なシール構造を形成することができる。

この結果、風力発電装置１の運転時においてシール機構２０が遠心力を受けても、内部シール２１は、翼旋回輪軸受１０内から潤滑油が外部へ流出することを防止する強固なシールとして機能し、同時に、外部シール２２は、翼旋回輪軸受１０内に雨水等が侵入することを防止する強固なシールとして機能する。
このため、翼旋回輪軸受１０内の潤滑油が翼側のシール機構２０から外部へ漏出することを防止または抑制することができる。

ところで、上述した加圧流体については、上述した圧縮空気に限定されることはない。
しかし、圧縮空気は、たとえばロータヘッド４内に設置専用の圧縮機を設置し、周囲の空気を圧縮すれば容易に供給することができるので、常に圧縮流体を安定して供給することが可能になる。この場合、加圧流体供給装置４０は圧縮機となり、風力発電装置１で発電した電力の一部を使用しての駆動や、専用の太陽電池を設置して得た電力を使用した駆動が可能である。
なお、この場合の圧縮機は常時運転する必要はなく、たとえば比較的小型の畜圧タンクを設けて所定圧力を維持するように断続運転をしてもよい。

また、上述した加圧流体の圧縮空気は、ロータヘッド４内に設置された加圧タンクに畜圧されているものを使用してもよい。この場合、加圧流体供給装置４０は畜圧タンクとなり、風力発電装置１側においては圧縮機を駆動するような電力消費はなく、たとえば加圧タンクの容量を最適化することにより、定期点検までに必要な圧縮空気量を確保することができる。

このようにすれば、風力発電装置１で発電した電力を消費することなく、圧縮空気を安定供給することができる。そして、加圧タンク内の圧縮流体については、定期点検時等に風力発電装置１の外部から圧縮機を接続して畜圧することができる。なお、加圧タンクの内圧を監視し、所定値以下に低下した場合は管理者に警報を出すようにすることが望ましい。

このように、上述した本実施形態によれば、翼側のシール機構２０は、風力発電装置１の運転時に遠心力を受けても、空間部２３に圧縮流体を供給して加圧することにより、翼旋回輪軸受１０内の潤滑油が外部へ流出することを防止する強固な内部シール２１と、雨水等が軸受内へ侵入することを防止する強固な外部シール２２とを同時に形成するので、風車翼５の翼旋回輪軸受１０に設けられているオイルシール構造が改善される。
従って、このようなシール機構２０を備えた風力発電装置１は、翼旋回輪軸受１０から外部へ漏出する潤滑油量を最小限に抑えて信頼性や耐久性を向上させることができる。
なお、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

風車翼に風力を受けて回転するロータヘッドがナセルの内部に設置された発電機を駆動して発電し、前記ナセルが基礎上に立設されたタワーの上端部にヨー旋回可能に設置されるとともに、前記風車翼と前記ロータとの間に設置された翼旋回輪軸受を介して前記風車翼のピッチ角を調整可能とするピッチ制御機構を備えている風力発電装置において、
前記翼旋回輪軸受の外輪及び内輪が転動体を介在させて対向する転動体保持面の両端部にシール機構を取り付け、
前記シール機構の翼側が、シール部材間に空間部を設けて翼軸線方向に配置した二重シール構造とされ、前記空間部に加圧流体を供給して前記シール部材のリップを相手側壁面に押圧するように構成したことを特徴とする風力発電装置。
前記加圧流体が前記ロータヘッド内に設置された専用の圧縮機から供給される圧縮空気であることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。
前記加圧流体が前記ロータヘッド内に設置された加圧タンクに畜圧されている圧縮空気であることを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置。