JP2021017891A - 風力タービンのロータブレードピッチ軸受 - Google Patents

Abstract

【課題】風力タービンの経済的なロータブレードピッチ軸受の設計および保守ルーチンを実施する方法を提供する。【解決手段】本発明は、ハブにロータブレードを取り付けるための、風力タービンのロータブレードピッチ軸受（１）に設けた軸受パッド（Ｐ）であって、軸受パッド（Ｐ）の環状配列に接して位置するように配置された摺動部を備え、開放時に軸受パッド（Ｐ）を露出させるように寸法設定されたアクセス窓をさらに備える。本発明は、多数のこのようなピッチ軸受（１）を有する風力タービンおよび風力タービンのロータブレードピッチ軸受（１）に関する設計および保守ルーチンを実施する方法を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、風力タービンのロータブレードピッチ軸受および風力タービンのロータブレードピッチ軸受に関する保守ルーチンを実施する方法を説明する。

風力タービンのロータブレードは、ロータブレードをその長手方向軸線を中心として回転させることができるピッチシステムによってハブに取り付けることができる。このようなロータブレードを有する風力タービンは、より多くのエネルギーを風から取り込むことができる。

ピッチシステムを構成する様々な方法がある。軸受の選択が重要な側面となる。ピッチ軸受(pitch baring)にかかる荷重は、特に、ロータブレードが非常に長くなる（ひいては重くなる）傾向に伴い、顕著となり得る。ピッチシステムは、ころ要素軸受、ラジアル軸受(plain bearing)などとして実現する(realised)ことができる。

様々な理由から、軸受パッドの環状配列を備えるラジアル軸受（または「滑り軸受」）が、ロータブレードピッチシステムでの使用に適している。軸受パッドは、スリーブまたは固定部（通常ではハブ）に対するジャーナルまたは回転部（通常ではロータブレード）の自由な動きを確保しなければならず、また発生し得る大きな荷重に耐えられなければならない。

風力タービンは、僻遠または洋上の箇所に設置されることが多いので、保守ルーチンが高価となる。さらに、ピッチ軸受のメンテナンス措置は、例えば、ハブの外側からまたはハブの内側の窮屈な内部空間からしか軸受にアクセスできない場合に、危険を伴うとともに時間がかかる場合がある。したがって、例えば、長寿命の軸受を設計することにより、メンテナンス措置のインターバルを著しく延ばすように、このような軸受を設計することに多大な労力が注ぎ込まれる。

このための１つの方法は、時間とともに極めてゆっくりと摩耗するように軸受を設計することである。例えば、軸受パッドは、丈夫なポリマーで作られてもよいし、丈夫なポリマー材料を含む少なくとも外側面を有してもよい。長寿命（すなわち、保守ルーチンの長いインターバル）のために設計された従来の滑り軸受は、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）などの熱可塑性ポリマーを使用し得る。軸受パッドの寿命を延ばす別の方法は、埋め込まれたガラス繊維または炭素繊維などの補強材料を含むことである。しかし、このような軸受パッドは高くつく。基端部での直径がそれぞれ数メートルとなる３つのロータブレードを有する風力タービンは、このような軸受パッドを数百個必要とする場合があるので、軸受は、顕著なコスト要因となる場合がある。

軸受パッドが長寿命を特徴とする場合でも、風力タービンの寿命のいずれかの段階で、軸受パッドを交換する必要があり得る。したがって、ピッチ軸受は、何らかの方法で内部へのアクセスを可能にしなければならない。環状またはディスク状の収容部を取り外して軸受パッドを露出させることができるように、ロータブレードピッチ軸受を構成することが知られている。しかし、このようないずれの収容部の直径も、長いロータブレードの基端部では相応して大きくなる。このような重くて嵩張る部品を風力タービンハブの狭い空間内で取り扱うことは、困難かつ危険となり得るので、保守ルーチンは、時間を要し、高価となる。

したがって、本発明の目的は、より経済的なロータブレードピッチ軸受の設計を提供することである。

この目的は、請求項１のロータブレードピッチ軸受および風力タービンのロータブレードピッチ軸受に関する保守ルーチンを実施する請求項１３の方法によって達成される。

本発明によれば、風力タービンのロータブレードピッチ軸受が、軸受パッド座部の環状配列を周縁部に有するキャリアと、複数の軸受パッドであって、軸受パッドが、各軸受パッド座部に配置されている、複数の軸受パッドと、キャリアを把持するための把持用アセンブリであって、軸受パッドの環状配列に接して位置するように(lie against)配置された摺動部を備え、開放時に軸受パッドを露出させるように寸法設定されたアクセス窓をさらに備える把持用アセンブリとを備える。摺動部は、ピッチシステムが作動すると、パッドキャリアに対して摺動するように配置され、軸受パッドの環状配列に接して位置する低摩擦接触面を備えるものと理解されるであろう。

パッドキャリアは、ピッチ軸受がどのように実現されるかに応じてディスクまたはリングの形態とすることができる。軸受パッド座部は、パッドキャリアの周縁部に、例えば、その外周の近くに、環状態様で配置されるものと理解されるであろう。本発明は、ピッチシステムが作動すると、パッドキャリアに対して摺動するように摺動部が配置されるという事実を利用する。アクセス窓を摺動部に設けることで、軸受パッドにアクセスすることが可能となる。軸受パッドに比較的容易にアクセスすることができるので、長寿命に目を向ける代わりに、より頻繁な交換に目を向けるように、軸受の設計パラメータを調整することができる。このことは、より経済的な軸受パッドを使用するようにピッチ軸受を製造することができることを意味する。特に、ロータブレードのためのピッチシステムが５ｍ以上のオーダーの基端部直径を有する場合に、節減が顕著となり得る。これは、このようなロータブレードピッチシステムの軸受が、キャリアと摺動部との間に優に４０〜６０個の軸受パッドを必要とし得るためである。

本発明によれば、風力タービンが、多数のロータブレードを備え、各ロータブレードが、このようなピッチ軸受と、各ロータブレードをその長手方向軸線を中心として回転させるためのピッチシステムとによってハブに取り付けられている。ピッチシステムは、キャリアに対して摺動部を回転させるように実現された、すなわち、ハブに対してロータブレードを回転させるように実現されたピッチドライブを備えることが想定され得る。

本発明によれば、このようなロータブレードピッチ軸受に関する保守ルーチンを実施する方法は、摺動部のアクセス窓を開放するステップと、開放されたアクセス窓に特定の軸受パッドが現れるまで、摺動部をキャリアに対して回転させるように、ピッチシステムを作動させるステップと、軸受パッドを点検および／または交換するステップと、アクセス窓を閉鎖するステップとを含む。

本発明の方法の利点は、比較的労力を要さずに軸受パッドへのアクセスが可能となる点にある。例えば、保守を受けるロータブレードは、（下向きの）６時の位置に持って来られてもよい。保守技術者がハブに入り、そのピッチ軸受の摺動部のアクセス窓を開放し得る。次いで、保守技術者は、軸受パッドが開口に現れるまでピッチ軸受を作動させるピッチ制御シーケンスを開始することができる。保守技術者は、例えば、各軸受パッドを視覚的に点検するために、このシーケンスを繰り返すことができる。代替的には、軸受パッドの損傷または摩耗がすでに疑われる場合には、制御シーケンスを使用して、損傷または摩耗した軸受パッドに交換のためにアクセスすることができる。

以下の説明で明らかにされるような本発明の特に有利な実施形態および特徴が、従属請求項によって与えられる。異なる請求項カテゴリーの特徴が、本明細書に説明されていない更なる実施形態を与えるために適当に組み合わされてもよい。

用語「ラジアル軸受」、「ジャーナル軸受」および「滑り軸受」は、以下で同じように使用され得る。以下では、本発明をいかなる方法でも制限せずに、軸受パッドが、補強材料を含まずに単純にナイロンで作られることが想定され得る。このような軸受パッドは極めて経済的であり、そのロータブレードピッチ軸受に数百個の軸受パッドを必要とする風力タービンの全体コストを大幅に低減することができる。このようなナイロン軸受パッドの比較的短い寿命は欠点とはならない。なぜならば、本発明のピッチ軸受が、メンテナンスおよび交換のための容易なアクセスを可能にするためである。

ピッチ軸受の摺動部は、ピッチシステムの設計に応じて環状またはディスク状であってよい。同様に、パッドキャリアも、ピッチシステムの設計に応じて環状またはディスク状であってよい。

本発明の特に好ましい一実施形態では、キャリアは、（例えば、ハブの方に向いた）第１の面と、（例えば、ロータブレードの方に向いた）平行な第２の面と、各面にある軸受パッド座部の環状配列とを備える。ピッチ軸受は、第１のキャリア面の軸受パッドに接して位置するように配置された第１の摺動部と、第２のキャリア面の軸受パッドに接して位置するように配置された第２の摺動部とを備える。この好ましい実施形態では、ピッチ軸受は、第１のキャリア面の軸受パッド座部に配置された第１の組の軸受パッドと、第２のキャリア面の軸受パッド座部に配置された第２の組の軸受パッドとを備える。摺動部とキャリアとは、互いに平行であると理解され得る。摺動リングおよびキャリアのアセンブリは、好ましくは、ロータブレードの基部とハブとの間の境界面に取り付けられる。

ピッチ軸受に所望の構造強度をもたらすために、スペーサリングは、好ましくは第１の摺動リングと第２の摺動リングとの間に配置され、摺動リングとスペーサとは、好ましくは単一のユニットまたは要素(entity)として実現されている。スペーサリングは摺動リングとともに一部品で形成することができる。代替的には、スペーサリングは、２つの摺動リングの間の所定位置にボルト固定および／または溶接されてもよい。

いくつかのアクセス窓が摺動部に設けられてよい。しかし、本発明の好ましい一実施形態では、単一のアクセス窓が摺動リングに設けられている。この実施形態は、実現するのに最も経済的である。アクセス窓は、１つ以上の軸受パッド全体を露出させるように寸法設定されてよい。例えば、アクセス窓が、隣り合う２つの軸受パッドを露出させるように寸法設定されてもよい。代替的には、直径方向で反対側にある２つの軸受パッドを同時に露出させることができるように、摺動リングが、直径方向で反対側にある２つのアクセス窓を有することができる。しかし、摺動リングのいかなる開口のサイズも、摺動リングの構造強度を損なわないために最小に制限することが好ましい場合がある。したがって、本発明の好ましい一実施形態では、摺動リングが、単一の軸受パッドを露出させるように寸法設定されたただ１つのアクセス窓を有している。

本発明の好ましい一実施形態では、アクセス窓は、軸受に使用される軸受パッドの形状に従って成形されている。好ましくは、アクセス窓の外形は、取り外しおよび挿入のステップを容易にするために軸受パッドの外形よりもわずかに大きい。軸受パッドは、このような軸受パッドの組が集合的に環を形成するように、円弧状であってもよい。この場合には、摺動リングのアクセス窓も円弧状であってよい。また、軸受パッドは単純な矩形形状であってよい。この場合には、摺動リングのアクセス窓も単純な矩形形状である。

アクセス窓は、任意の好適な態様で実現することができる。本発明の特に好ましい一実施形態では、アクセス窓は、上で説明したような好適に成形された開口と、アクセス窓が閉められるかまたは閉鎖されると開口に本質的に正確に嵌合するように成形されたカバーとを備える。カバーは、窓もしくは扉のように一方の縁部に沿ってヒンジ留めされてもよいし、マンホールカバーもしくはハッチのように完全に取り外し可能であってもよく、例えば、１つ以上のピン、磁石、フックもしくはラッチで固定することができる。用語「アクセス窓」、「アクセス扉」および「アクセスハッチ」は、本明細書では同じように使用され得る。

アクセス窓開口は、アクセス窓自体の周りの対応するように成形されたエッジとともに、テーパ状および／または段状の側壁を有することができる。こうして、アクセス窓が摺動部の内部面と同一平面に位置し、軸受の内側空間へと延在しないことが保証される。

ロータブレードピッチシステムでは、ロータブレードは、その長手方向軸線を中心として回転させられる。このことは、概して、環状歯付リングに係合するように配置されたピニオンを有するピッチドライブユニットを使用することによって達成される。ピッチドライブユニットは、システムの固定部またはシステムの回転部に取り付けることができる。例えば、ピッチドライブユニットはハブに取り付けることができ、環状歯付リングはロータブレード基端部の付近に取り付けられてよい。代替的には、ピッチドライブユニットがロータブレードの基端部に取り付けられ、環状歯付リングはハブの円形開口の付近に取り付けられてよい。当業者に知られているように、このようなシステムの様々な修正が可能である。

一実施形態では、キャリアは、ロータブレードの基端部を越えて取り付けられている。ピッチドライブユニットおよび歯付リングがどのように実現されるかに応じて、キャリアは、翼の基端部を閉鎖するプレートであってもよいし、翼内部へのアクセスを可能にする中央開口を伴う環状であってもよい。

本発明の他の目的および特徴は、添付図面と併せて考慮される以下の詳細な説明から明らかになるであろう。しかし、図面が、本発明の限定事項を定義するものとしてではなく、例示するためにのみ描かれていることを理解されたい。

本発明のロータブレードピッチ軸受の一実施形態の平面図である。 図１の実施形態の断面図である。 本発明のロータブレードピッチ軸受の更なる実施形態の平面図である。 図３の実施形態の断面図である。 本発明の方法の一実施形態の例示的な段階を示す図である。 本発明の方法の一実施形態の例示的な段階を示す図である。 本発明の方法の一実施形態の例示的な段階を示す図である。

略図では、全てを通して同じ符号が同じ対象を指している。略図中の対象は、必ずしも縮尺に従って描かれていない。

図１は、本発明のロータブレードピッチ軸受１の一実施形態の平面図を示す。ここで、観察者は、ロータブレード２の内部にある視点からハブの方向を見ている。図２は、断面ＩＩ−ＩＩを示す。第１の摺動リング１１Ａが、ロータブレード２の基端部２０に取り付けられ、スペーサまたは間隔リング１１Ｄが、第１の摺動リング１１Ａと第２の摺動リング１１Ｂとの間に配置される。基端部２０、摺動リング１１Ａ，１１Ｂ、およびスペーサ１１Ｄは連結され、単一の要素として機能する。

ディスク状パッドキャリア１０Ａが、ハブ３に取り付けられる。ピッチドライブ１７が、キャリア１０に取り付けられ、第１の摺動リング１１Ａの内側縁部で環状歯付リングに係合して、ロータブレード２をその長手方向軸線Ｌを中心として回転させる。

図１は、パッドキャリア１０の凹部または座部１０Ｓにセットされた軸受パッドＰの環状配列を示し、図２は、キャリア１０の両面１０１，１０２の座部１０Ｓを示す。略図は、第１の摺動リング１１Ａのアクセス窓１１Ｗおよび第２の摺動リング１１Ｂのアクセス窓１１Ｗも示す。ここで、各軸受パッドＰは円弧状であり、アクセス窓１１Ｗは、製造を容易にするために本質的に矩形である。略図は、分かり易いように少数の軸受パッドのみを示すが、直径数メートルのピッチ軸受が、例えば４０〜６０個以上の、多くの軸受パッドを利用し得ることが理解されるであろう。これらは、ここで示すような広い間隔とは異なり、非常に密集して配置され得る。

図２で例示するために、アクセス窓１１Ｗ，１１Ｗが直径方向で反対側になるように示されるが、このことは必須でない。実際には、両方のアクセス窓１１Ｗが、全ての軸受パッドＰを同時に露出させるように配置されると有利である。

図２は、アクセス窓開口が、テーパ状のまたは傾斜した側面と、アクセス窓１１Ｗの辺に沿った対応する傾斜させられたエッジとを有し、これによって、アクセス窓１１Ｗが軸受１の内部に突出し得ないようになっていることを示す。

図３は、本発明のロータブレードピッチ軸受１の更なる実施形態の平面図を示し、図４は、断面ＩＶ−ＩＶを示す。ここでも、観察者は、ロータブレード２の内部にある視点からハブ３の方向を見ている。この実施形態では、環状パッドキャリア１０が、ロータブレード２の基端部２０に取り付けられる。この実施形態の摺動部１１Ａ，１１Ｂは、再びそれらの間にスペーサまたは間隔リング１１Ｄを伴ってハブ３に取り付けられる。ここで、内側摺動部１１Ｂが、ディスク状であり、ハブ３を閉鎖する。外側摺動部１１Ａは、環状であり、ロータブレード２の基端部２０の周りに延在する。ピッチドライブ１７が、内側摺動部１１Ａに取り付けられ、環状パッドキャリア１０の内側縁部で歯付リングに係合する。この場合にも、軸受パッドＰの環状配列が、パッドキャリア１０の両側１０１，１０２の凹部または座部１０Ｓにセットされ、各摺動部１１Ａ，１１Ｂは、全ての軸受パッドＰを露出させるアクセス窓１１Ｗを有する。

図５〜図７は、例示的な保守ルーチンの段階を示す。図５では、ピッチシステムが、パッドＰをアクセス窓１１Ｗと位置合わせすべく、摺動部１１Ａ，１１Ｂをキャリア１０に対して移動させるように作動する。図６では、アクセス窓１１Ｗが開放されており、パッドＰが、キャリア１０の座部１０Ｓから取り外される。図７では、交換パッドＰが、アクセス開口１１Ｗを通じて挿入され、アクセス窓を再び閉鎖することができる。もちろん、アクセス窓１１Ｗを閉鎖する前に、次のパッドＰをアクセス窓１１Ｗと位置合わせすべく、ピッチシステムを作動させることができ、所望の数のパッドＰを点検および／または交換するのに必要なだけステップを繰り返すことができる。

本発明をその好ましい実施形態および変形の形態で開示してきたが、本発明の範囲から逸脱せずに、多くの更なる修正および変形を本発明に施し得ることが理解されるであろう。例えば、ピッチ軸受は、上述の実施形態に加えて任意の好適な態様で実現されてもよい。すなわち、パッドキャリアは、ロータブレード基端部またはハブに取り付けられてもよく、把持用アセンブリは、ディスク状パッドキャリアの外周または環状パッドキャリアの内周に延在していてもよく、ピッチドライブユニットが、ロータブレードの内側または外側に取り付けられてもよい。

分かり易くするために、この出願を通して「１つの（a）」または「１つの（an）」の使用が、複数を除外せず、「備える（comprising）」が、他のステップまたは要素を除外しないことを理解されたい。

Claims (14)

1. 風力タービンのハブ（３）にロータブレード（２）を取り付けるためのピッチ軸受（１）であって、
   軸受パッド座部（１０Ｓ）の環状配列を有するキャリア（１０）と、
   複数の軸受パッド（Ｐ）であって、軸受パッド（Ｐ）が、前記キャリア（１０）の各軸受パッド座部（１０Ｓ）に配置されている、複数の軸受パッド（Ｐ）と、
   前記キャリア（１０）を把持するための把持用アセンブリ（１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｄ）であって、軸受パッド（Ｐ）の環状配列に接して位置するように配置された摺動部（１１Ａ，１１Ｂ）を備え、開放時に軸受パッド（Ｐ）を露出させるように寸法設定されたアクセス窓（１１Ｗ）をさらに備える把持用アセンブリ（１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｄ）と、
   を備えるピッチ軸受。
2. 前記キャリア（１０）が、第１の面（１０１）と、反対側の第２の面（１０２）と、各面（１０１，１０２）にある軸受パッド座部（１０Ｓ）の環状配列とを備え、前記ピッチ軸受（１）が、前記第１のキャリア面（１０１）の前記軸受パッド座部（１０Ｓ）に配置された第１の組の軸受パッド（Ｐ）と、前記第２のキャリア面（１０２）の前記軸受パッド座部（１０Ｓ）に配置された第２の組の軸受パッド（Ｐ）とを備える、請求項１記載のピッチ軸受。
3. 前記把持用アセンブリが、前記第１のキャリア面（１０１）の前記軸受パッド（Ｐ）に接して位置するように配置された第１の摺動部（１１Ａ）と、前記第２のキャリア面（１０２）の前記軸受パッド（Ｐ）に接して位置するように配置された第２の摺動部（１１Ｂ）とを備える、請求項１または２記載のピッチ軸受。
4. 前記把持用アセンブリが、前記第１の摺動部（１１Ａ）と前記第２の摺動部（１１Ｂ）との間に配置された間隔リング（１１Ｄ）を備え、前記摺動部（１１Ａ，１１Ｂ）と前記間隔リング（１１Ｄ）とが、単一の要素として実現されている、請求項３記載のピッチ軸受。
5. 各摺動部（１１Ａ，１１Ｂ）に単一のアクセス窓（１１Ｗ）を備える、請求項３または４記載のピッチ軸受。
6. アクセス窓（１１Ｗ）が、摺動部（１１Ａ，１１Ｂ）に形成された開口（１１０）に嵌合するように成形されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のピッチ軸受。
7. 前記開口（１１０）が、テーパ状の側壁を有する、請求項６記載のピッチ軸受。
8. 前記軸受パッド（Ｐ）が、ポリマー軸受パッドとして実現されている、請求項１から７までのいずれか１項記載のピッチ軸受。
9. 前記キャリア（１０）が、前記ピッチ軸受（１）の固定部品として実現されていて、前記ハブ（３）に取り付けられている、請求項１から８までのいずれか１項記載のピッチ軸受。
10. 前記キャリア（１０）が、前記ピッチ軸受（１）の回転部品として実現されていて、前記ロータブレード（２）の基端部（２０）を越えて取り付けられている、請求項１から８までのいずれか１項記載のピッチ軸受。
11. 多数のロータブレード（２）を備える風力タービンであって、各ロータブレード（２）が、請求項１から１０までのいずれか１項記載のピッチ軸受（１）と、各ロータブレード（２）をその長手方向軸線（Ｌ）を中心として回転させるためのピッチシステムとによって前記ハブ（３）に取り付けられている、風力タービン。
12. 前記ピッチシステムが、各ロータブレード（２）のためのピッチドライブユニット（１７）を備え、ピッチドライブユニット（１７）が、前記ロータブレード（２）の周囲に配置された歯付リングに係合するように配置されたピニオン（１７０）を備える、請求項１１記載の風力タービン。
13. 請求項１から１０までのいずれか１項記載の、風力タービンのロータブレードピッチ軸受（１）に関する保守ルーチンを実施する方法であって、
    摺動部（１１Ａ，１１Ｂ）のアクセス窓（１１Ｗ）を開放するステップと、
    開放された前記アクセス窓（１１Ｗ）に軸受パッド（Ｐ）が現れるまで、前記摺動部（１１Ａ，１１Ｂ）を前記キャリア（１０）に対して回転させるように、ピッチシステムを作動させるステップと、
    前記軸受パッド（Ｐ）を点検および／または交換するステップと、
    前記アクセス窓（１１Ｗ）を閉鎖するステップと、
    を含む方法。
14. 前記キャリア（１０）の前記第１の面（１０１）にある軸受パッド（Ｐ）と、前記キャリア（１０）の前記第２の面（１０２）にある軸受パッド（Ｐ）とを、前記ピッチシステムの１つの位置で点検および／または交換する、請求項１３記載の方法。