ヨーベアリング
 |
ヨーベアリングは、現代の水平軸風力タービンに搭載されているヨーシステムにおいて、最も重要かつコストのかかる部品です。ヨーベアリングは、風力タービンの運転中に発生する膨大な静的および動的荷重とモーメントに耐え、あらゆる気象条件下でナセルの向きをスムーズに回転させる特性を備えていなければなりません。また、耐腐食性と耐摩耗性を備え、極めて長寿命であることも求められます。風力タービンの耐用年数と同等の耐久性を備えつつ、コスト効率も高くなければなりません。
歴史
18世紀の風車は、様々な方向からの風を捉えるために回転可能なナセルを採用し始めました。これらの「原始的」な風車のヨーシステムは、現代の風力タービンのものと驚くほど類似していました。ナセルは、ファンテイルと呼ばれる風力駆動装置、あるいは動物の力によって回転し、軸方向の滑り軸受を介して風車の塔に固定されていました。
これらの滑走軸受は、風車タワー構造に固定された複数の滑走ブロックで構成されていました。これらのブロックは、ナセル上の滑走リングと滑り接触を維持していました。滑走ブロックは木製の立方体状の部品で、凸状の滑走面が動物の脂肪で覆われていたり、摩擦を減らすために銅 (または真鍮) のシートで裏打ちされていたりしていました。これらの木製ブロックは、木製の軸受下部に彫られた木製のスロットに釘またはくさびで固定され、ナセルの滑走リングが滑走できる平らな面を作るために注意深く水平にされていました。滑走ブロックは、潤滑油を使用しても頻繁に摩耗するため、交換する必要がありました。この操作は、下部構造と滑走ブロック間のくさびベースの接続のため、比較的簡単でした。滑走ブロックはさらに可動式のロック装置[ 1 ]によって固定されていましたが、これは別の形で、現代の滑走ヨー軸受の技術的ソリューションとして残っています。
風車ナセルの滑走リングは複数の木製部品で作られており、古い建設技術にもかかわらず、通常は非常に水平であり、ナセルが塔の軸の周りをスムーズに回転できるようにしていました。[ 1 ]
ハイブリッドヨーベアリングシステムは、古い風車で使用されていたソリューションを組み合わせたものです。このシステムは、取り外し可能な複数のラジアルグライディングパッドとアキシャルローラーベアリングで構成されています。[ 1 ]
種類
ヨーベアリングの主なカテゴリは次のとおりです。
- ローラーヨーベアリング：大径ベアリング（通常は4点ベアリング）
- 滑走ヨーベアリング：複数の軸方向および半径方向の滑走パッドが大径の鋼板と摩擦接触する乾式または潤滑式の滑走ベアリング。通常はギアリムと単一の要素として組み合わされています。
ローラーヨーベアリング
ローラーヨーベアリングは、低い回転摩擦とナセルのスムーズな回転を実現するため、多くの風力タービンメーカーが採用している一般的な技術的ヨーベアリングソリューションです。低い回転摩擦により、（グライディングベアリングソリューションと比較して）若干小型のヨー駆動装置を実装できますが、その一方で、ヨーブレーキシステムが必要になります。
一部のメーカーは、交換を容易にするために、複数の小型ヨードライブ（通常は6個）を使用しています。複数のヨードライブを備えたこのような構成では、ヨードライブからの差動トルクを利用したアクティブヨーブレーキングが可能になる場合が多くあります。この場合、ヨードライブの半分が時計回り方向に小さなトルクを印加し、残りの半分が反対方向にトルクを印加した後、電動モーターの内部磁気ブレーキを作動させます。これにより、ピニオンギアリムのバックラッシュが除去され、ナセルが所定の位置に固定されます。
滑空ヨーベアリング
グライディングヨーベアリングは、アキシャルベアリングとラジアルベアリングを組み合わせたもので、風力タービンのナセルとタワーの回転接続部として機能します。従来の風車のコンセプトとは異なり、現代のヨーベアリングはナセルを上面からも支持するため、ロータースイープディスクの上半分によって発生するモーメントによるY軸方向の回転や、駆動系（ローター、シャフト、発電機など）のトルクによるX軸方向の回転を抑制します。
基本的に、ヨーベアリングのタスクを滑走要素で達成する最も簡単な方法は、軸方向荷重用の 2 つの滑走面 (上部と下部) と、ラジアル荷重用のラジアル滑走面を使用することです。したがって、滑走ヨーベアリングは、複数の滑走パッドで覆われた 3 つの一般的な表面で構成されます。これらの滑走パッドは、通常、滑走ディスク/ギアリムを形成するためにギアの歯を備えたスチールディスクと滑り接触します。歯はディスクの内側または外側の円筒面にある場合がありますが、滑走パッドの配置と正確な数と位置は、既存の設計間で大きく異なります。滑走ヨーベアリングを組み立てるには、ケージをいくつかのセグメントに分割し、風力タービンの設置または製造中に一緒に組み立てます。
最もシンプルな形態のグライディングヨーベアリングは、 3つの接触面の周囲にパッド（通常はポリマー製）を配置することで、比較的低い摩擦係数でラジアル方向およびアキシャル方向の動きを適切にガイドします。このようなシステムは経済的で非常に堅牢ですが、アキシャル方向およびラジアル方向のグライディング要素を個別に調整することはできません。この機能は、製造公差や運転中のグライディングパッドの摩耗に起因するグライディングベアリングのアキシャル方向およびラジアル方向の「遊び」を最小限に抑える上で重要です。
この問題を解決するため、ヨーシステムにはプレテンション式グライディングベアリングが組み込まれています。これらのベアリングにはグライディングパッドが備えられており、圧力要素を介してグライディングディスクに押し付けられることで、ナセルの不要な動きを抑制します。圧力要素には、単純な鋼製スプリング、空気圧式、油圧式のプレテンション要素などが用いられます。空気圧式または油圧式のプレテンション要素を使用することで、ヨーベアリングのプレテンションをアクティブに制御し、ヨーブレーキ機能を実現できます。
摩耗と潤滑
すべてのグライディング ベアリングでは、潤滑と同様に摩耗が懸念事項です。従来のグライディング ヨー ベアリングには、ポリオキシメチレン プラスチック(POM) やポリアミド(PA) などのポリマー プラスチックで作られたグライディング エレメントが組み込まれています。摩擦と摩耗を減らし、スティック スリップ効果(このような高摩擦の低速移動システムによく見られる) を回避するために、潤滑が導入されることがよくあります。このソリューションは一般にグライディングの問題を解決しますが、システムにさらに多くのコンポーネントが導入され、全体的な複雑さが増します (使用済み潤滑剤を除去するための困難なメンテナンス手順など)。一部の風力タービン メーカーは現在、集中潤滑システムの代わりに自己潤滑グライディング エレメントを使用しています。これらのグライディング エレメントは、低摩擦材料または複合材料(ポリテトラフルオロエチレン(テフロン) など) で製造されており、ドライ (無潤滑) グライディング ヨー システムの信頼性の高い動作を可能にします。
メンテナンスと修理
グライディングヨーベアリングとその構成部品は、風力タービンの耐用年数に耐えるよう設計・製造されていますが、摩耗したヨーベアリングのグライディング要素やヨーシステムの他の構成部品は交換できる必要があります。摩耗した構成部品の交換を可能にするため、ヨーシステムはセグメント単位で設計されています。通常、1 つまたは複数のグライディングプレーンは、多数のグライディング要素 (ラジアル、アキシャル、またはその組み合わせ) を含む複数のサブ要素で構成されます。これらのサブ要素は、個別に取り外して修理、再装着、または交換できます。このようにして、グライディングヨーベアリング全体を分解することなく (たとえば、ローラーヨーベアリングの場合は風力タービン全体を分解することなく) ヨーベアリングのメンテナンスを行うことができます。グライディングヨーベアリングのセグメント化設計によって実現されるこの交換可能性は、ローラーヨーベアリングソリューションに対するこのシステムの最も重要な利点の 1 つです。
残る唯一の問題は、セグメント化されていないグライディングヨーベアリング面のグライディングエレメントの交換です。これは通常、グライディングベアリングの上部軸方向表面であり、ナセルローターアセンブリ全体の重量を常に支えています。このグライディング面のグライディングエレメントを交換するには、ナセルローターアセンブリを外部クレーンで持ち上げる必要があります。この問題の代替解決策は、グライディングヨーベアリングがまだ所定の位置に取り付けられている間にナセルローターアセンブリを部分的または完全に持ち上げることができる機械式または油圧式ジャッキを使用することです。このようにして、グライディングエレメントとグライディングディスクの間に小さな隙間を設けることで、グライディングヨーベアリングを分解せずにスライドエレメントを交換することができます。
ベアリング調整
風力タービンナセルがタワーに設置され、ヨーベアリングアセンブリが完成したら、ベアリングの個々の滑走パッドへの圧力を調整する必要があります。これは、滑走パッドの不均一な摩耗や、ヨーベアリングの一部の領域への過負荷を回避するために必要です。これを実現するために、技術者が個々の滑走要素の接触圧力を制御可能かつ安全に調整できる調整機構が必要です。最も一般的な解決策は、調整可能な滑走ベアリングシステムを収容する、大きな開口部を備えた底部ベアリングプレートを使用することです。これらの調整可能な滑走ベアリングは、滑走ユニット（滑走パッド）と調整可能な圧力分配プレートで構成されています。滑走パッドと圧力プレートの間には、複数のスプリング（予圧）要素が配置されています。圧力プレートの垂直位置は通常、調整ネジによって制御されます。この調整ネジは、ベアリングアセンブリに強力なボルトで固定された反圧力支持プレートによって保持されながら、圧力プレートに押し付けられます。このようにして、異なる滑走パッド間にさまざまなレベルの接触圧力を適用することができ、それによってヨーベアリング配置の各滑走コンポーネントが予想どおりに動作することを保証できます。
参照
参考文献
さらに読む
- 風力発電所、R. Gasch および J. Twele、Solarpraxis、ISBN 3-934595-23-5
- 風力エネルギーハンドブック、T.バートン[他]、ジョン・ワイリー・アンド・サンズ社、ISBN 0-471-48997-2
- モレンボウ、A. シップマン、ズトフェン、2002、 ISBN 90-5730-119-9
