大型の洋上風力タービンが軸受設計にどのような課題を抱えているか

ポール・ドヴォルザーク著 | 2018年2月23日

フィリップ・シュミット、アプリケーション エンジニア、SKF

フィリップ・シュミット

2012 年以来、総出力が 1 ギガワット (GW) を超える洋上タービンが毎年ヨーロッパ海域で稼働し続けています。 WindEUROPE によると、ヨーロッパの洋上風力発電では、2016 年に純 1,558 MW の追加の系統接続容量が設置されました。

洋上タービンの建設には課題があるにもかかわらず、陸上の適切な場所が少なくなり、オペレーターが洋上でのより安定した風を利用するため、その能力は増大すると予想されます。 洋上タービンの出力も、陸上のタービンよりも大きくなる傾向があります。 WindEUROPE によると、2016 年に設置された洋上タービンの平均出力は 4.8 MW でした。 9 MW 以上の容量のタービンが現在立ち上げ段階にあります。Vestas の V164-9.5 MW 開発はその代表的な例です。

ギアボックスを備えた一般的なタービンは、2 つの大きなベアリングによって提供される 2 点サスペンションを備えています。 この構成は、6 MW 範囲のタービンで使用されます。

また、洋上風力タービンはブレードが長くなり、ドライブトレインに大きな力を与える傾向があります。 さらに、ドライブトレインとそのベアリングは、塩水環境により腐食の危険性が高くなります。 オフショアでのメンテナンスの実施は困難で、潜在的に危険で、コストがかかるため、オペレータはメンテナンスの訪問頻度を減らすことに熱心であり、これにより、ローターベアリングと、これらの条件で長期間確実に機能し続ける能力にかなりの要求が課されます。

タービン ローター シャフトには 4 つの一般的なベアリング設計コンセプトがあります。 1つ目は、ローター側にトロイダルローラーベアリング、ジェネレーター側に自動調心ころベアリングを使用した2点サスペンションです。 これは、たとえば 6 MW カテゴリーのタービンに使用されます。

より高性能なクラスでは、円筒ころ軸受と複列円すいころ軸受を組み合わせた自由側軸受と固定側軸受を備えた「リジッド」軸受配置を使用する傾向があります。 あるいは、SKF の Nautilus など、2 つを 1 つのベアリングに組み合わせた専用設計のベアリング、または 2 つの調整された円すいころベアリングを含む構成。 いずれの場合も、これらのベアリングの設計、構造材料、機械的形状は、メンテナンス間隔の間に確実に機能する能力に大きな影響を与えます。

一般的なタービンは 3 点サスペンションで設計されています。 大きなメインシャフト ベアリング用に 1 つのポイントと、ギアボックスの両側に他の 2 つのポイントがあります。

ベアリングの他の特徴も注目を集めています。 たとえば、ベアリングケージは通常、機械加工された真鍮または板金で作られており、後者は大型のベアリングでよく見られます。 可能な場合、ケージは常に一体的に取り付けられますが、より大きなベアリングの場合は、個別に製造され、前後に配置されたセグメントの列で構成される場合があります。 すべてのタイプのケージを内輪の中心に置くことができるため、摩耗が少なくなり、ベアリングの耐用年数が長くなります。洋上風力タービンに関しては、これは明らかに重要です。

ギアボックスベアリングもアップグレードされました。 最近の最も重要な進歩の 1 つは、軌道面に黒色酸化処理を施す表面化学処理です。 未処理のベアリングと比較して、黒色酸化ベアリングは風力タービン用途にさまざまな利点をもたらします。これには、白いエッチング亀裂によって引き起こされる早期ベアリング故障のリスクの低減、一部の潤滑剤のより攻撃的な成分による化学的攻撃に対する高い耐性、水素透過の低下、耐腐食性も向上しました。 さらに、黒色に酸化されたベアリング表面により、摩擦が低減され、スリップ損傷のリスクが減少し、ベアリング潤滑不良に対する耐性が向上します。

この断面図は、ある OEM がローターの両側に 2 点サスペンションを備えたダイレクト ドライブ構成をどのように処理しているかを示しています。

海洋環境に加えて、ベアリングは高電流による潜在的に有害な影響にも対処する必要があります。 たとえば、風力タービン発電機には周波数変換器が装備されており、これがベアリングに新たな一連の問題を引き起こします。 コンバータの三相交流電圧出力は、真の正弦波ではなく、一連の矩形パルスの形式をとり、その結果、これらの電圧の合計はゼロにならず、コモンモード電圧が存在します。 このコモンモード電圧により、ベアリングを介して発電機ロータに漏れ電流が流れ、軌道が損傷し、潤滑剤の特性が損なわれる可能性があります。

これらの漏れ電流の通過を防ぐために、発電機ベアリングの転動体はセラミック材料で作られており、これも同等のスチールボールベアリングよりも慣性が低くなります。 非導電性転動体に加えて、ベアリングの耐用年数を延ばすための追加の絶縁を提供するセラミックコーティングされたリングを備えたベアリングも利用できます。

より高性能な設計では、「剛性」ベアリング配置を使用する傾向があります。 これは、非固定ベアリング、円筒ころ設計 (ローターのすぐ後ろ) と複列円すいころベアリング (ギアボックスの直前) を組み合わせたものです。 ギアボックスのモーメントベアリングを備えたタービンがギアボックスを分離します。

同様に重要なのは、タービン ナセルが風向きに応じて位置を調整し、ブレードが風速に応じて「フェザリング」する機能です。 これらの機能を支える旋回軸受もタービンの出力容量の増大に伴い大型化しています。 通常、複列 4 点接触ベアリングはブレードのフェザリング機構に使用されますが、タワー ベアリングは通常、単列 4 点接触ベアリングですが、ブレードの長さが長くなるため、新しいコンセプトが開発中です。 これらのベアリングは腐食を防ぐために溶射亜鉛メッキされており、海洋環境の過酷な気象条件のため、特殊なシールも取り付けられています。

4 つのプロファイルは、ドライブトレイン設計が出力とともにどのように進化したかを示しています。 ローター直径とナセル重量はそれぞれの下に掲載されています。 その下は、設計が 10 MW 定格に拡大された場合のタービン重量の数値です。AMSC のダイレクト ドライブ HTS とは、発電機の重量を大幅に削減できる材料である高温超電導を指します。