JP5215780B2 - 増速機の潤滑装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、増速機の潤滑装置及び方法に関するものであり、特に寒冷地で用いられる増速機の潤滑装置及び方法に関するものである。

従来より、様々な分野において、入力軸、該入力軸の回転によって回転する入力側歯車、該入力側歯車と噛合し入力側歯車の回転によって回転する出力側歯車、及び該出力側歯車の回転によって回転する出力軸を有し、前記入力軸の回転を、入力側歯車及び出力側歯車を介して増速して前記出力軸に伝達する増速機が用いられている。

例えば風力発電に用いられる風車においては、風力により翼が回転すると、該回転により主軸（入力軸）が回転し、該主軸の回転を増速機によって増速して、発電機に接続した出力軸に伝達し、発電機で発電している。
このような増速機においては、増速機の作動を円滑にするために増速機に潤滑油が供給されている。
また、このような風車は、温暖地に設置される場合もあるが、寒冷地に設置する場合もある。

寒冷地に設置される風力発電用の風車における従来の増速機の起動について図２を用いて説明する。
増速機１１０は、風力により回転する翼とともに回転する入力軸１１２と、該入力軸１１２の回転によって回転する入力側歯車１１４と、該入力側歯車１１４と噛合し入力側歯車の回転によって回転する出力側歯車１１６と、該出力側歯車の回転によって回転し発電機（不図示）に接続される出力軸１１８とからなっている。入力軸１１２と出力軸１１８の先端、入力側歯車１１４、出力側歯車１１６はケーシング１３８内に収められており、前記入力軸１１２は軸受１３４を介してケーシング１３８に回転自在に支持され、前記出力軸１１８は軸受１３６を介してケーシング１３８に回転自在に支持されている。

また、前記増速機１１０に付帯して、増速機１１０の作動を円滑にするための潤滑装置１１１が設けられており、該潤滑装置１１１はオイルパン１２０と、潤滑油循環ライン１２６から構成される。
前記オイルパン１２０は、ケーシング１３８の底部に設けられ、増速機１１０の作動を円滑にするための潤滑油が貯留される。また、オイルパン１２０内には貯留された潤滑油を加熱するためのヒーター１２２が設けられている。

前記潤滑油循環ライン１２６は、オイルパン１２０に貯留された潤滑油を増速機１１０に供給するための循環ラインである。該潤滑油循環ライン１２６にはポンプ１２４と、オイルクーラー１２８と、弁１３２を備えたオイルクーラーバイパスライン１３０が設けられている。オイルクーラー１２８及びオイルクーラーバイパスライン１３０は設けられないこともある。

このように構成された増速機１１０及び潤滑装置１１１を低温停止状態（例えば外気温−３０℃）で起動する場合について説明する。

外気温−３０℃の状態で停止していると、オイルパン１２０内のオイルも−３０℃に近い低温となっており、また潤滑油循環ライン１２６やオイルクーラー１２８中にも−３０℃近い潤滑油が残存している。また潤滑油循環ライン１２６中で空気中の水分が凍結して氷として潤滑油循環ライン１２６を閉塞している可能性がある。そのため、オイルパン１２０内のオイルを加熱してから、潤滑油循環ライン１２６を循環させて、潤滑油循環ライン１２６内やオイルクーラー１２８を暖気する必要がある。

そのため、増速機１１０の起動に際して、まずオイルパン１２０に貯留されている潤滑油をヒーター１２２で加熱する。該加熱により潤滑油が所定の温度（例えば０〜１０℃の規定の温度）に達すると、ポンプ１２４を起動し、循環ライン１２６を通して潤滑油を増速機１１０へ供給する。該増速機１１０へ供給された潤滑油は、重力によりオイルパン１２０へ落下する。
これにより、循環ライン１２６及びオイルクーラー１２８の暖気が行われ、充分に暖気が行われると増速機１１０に安定して潤滑油を供給できるようになるため、入力軸１１２を回転させて増速機を作動させる。

このような増速機の潤滑装置に関しては一般的に用いられており、例えば特許文献１などに開示されている。

特開平１０−０９６４６３号公報

しかしながら、図２に示したような従来の潤滑装置においては、入力軸が回転していない状態、つまり入力側歯車、出力側歯車ともに回転していない状態で潤滑油を循環させることになる。０〜１０℃の潤滑油は動粘度が２０００〜８０００ｃＳｔと高いため、気泡の分離性が低く、そのため停止状態の入力側歯車及び出力側歯車に供給された０〜１０℃の潤滑油は前記歯車でしぶきを上げて飛散した後、重力でオイルパンへ落下する。この状態が続くことでオイルパン全体の潤滑油が白濁化した状態となり、潤滑油が多量の空気を含んだ状態となる。
このような多量の空気を含んだ潤滑油をポンプで循環させると、エアレーションが発生し、ポンプが異音及び振動を発するとともに、ポンプの寿命が低下する。

これは前記歯車の停止状態で動粘度が高い潤滑油を循環させて前記歯車を含む増速機に供給することに起因するため、潤滑油を０〜１０℃ではなく、さらに高温（例えば２０〜３０℃）となるまでヒーターで加熱してから潤滑油を循環させることも考えられるが、寒冷地において２０〜３０℃まで潤滑油を加熱するには非常に長時間が必要であるため現実的ではない。

従って、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、寒冷地で使用しても潤滑油の加熱に長時間を要することなく、起動時に潤滑油の飛散による潤滑油への空気の混入を防止することができる増速機の潤滑装置及び潤滑方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明においては、
入力軸、該入力軸の回転によって回転する歯車群、及び該歯車群の回転によって回転する出力軸を有し、前記入力軸の回転を前記歯車群を介して増速して前記出力軸に伝達する増速機と、前記歯車群の下側に設けられ、前記増速機を潤滑するための潤滑油を貯留する貯油室と、前記貯油室に貯留された潤滑油をポンプにより前記貯油室より上側に設けられた前記増速機に供給し、該増速機を潤滑した潤滑油を前記貯油室に落下させて戻す潤滑油循環ラインと、を有する増速機の潤滑装置において、前記潤滑油循環ラインから分岐し、前記潤滑油循環ラインの前記増速機への供給口に比べて低い位置に連通することにより、前記増速機をバイパスするバイパスラインと、前記潤滑油を前記増速機に供給するか、前記バイパスラインを通過させるかの何れかを切り替える切り替え弁と、を設けたことを特徴とする。

入力軸が停止している状態では増速機を潤滑する必要は無く、増速機に潤滑油を循環供給する必要はない。
そこで前記バイパスラインと切り替え弁を設けることで、入力軸停止時にはバイパスラインを使用し、入力軸回転時には増速機を潤滑するようにラインの切り替えが可能となる。
これにより、入力軸停止時には潤滑油が増速機に供給されなくなるため、停止した歯車で動粘度が高い潤滑油が飛散することがなくなり、該飛散に起因する潤滑油への空気の混入を防止することができる。

なお、入力軸の停止時においても、前記バイパスラインを用いて潤滑油を循環させることが可能であるため、前記潤滑油循環ラインの暖気は可能である。

また、前記入力軸回転時に、前記潤滑油を前記増速機に供給し、前記入力軸停止時に、前記潤滑油を前記バイパスラインを通過させるように前記切り替え弁を切り替える制御手段を設けたことを特徴とする。
前記制御手段により前記切り替え弁を切り替えることで、前記切り替え弁の切り替えが自動化されて作業員による切り替え作業が必要なくなり、少ない工数で潤滑油の飛散に起因する潤滑油への空気の混入を防止することができる。

また、前記ポンプを起動させてから規定時間経過後に前記入力軸を回転させる制御を行う制御手段を設けたことを特徴とする。
前記規定時間は、前記潤滑油循環ラインを潤滑油がスムースに流れるようになる程度まで、潤滑油循環ラインを流れる温度が上がるために要する時間以上の時間とする。
前記ポンプ起動後前記入力軸回転前は前記切り替え弁により前記バイパスラインを使用し、前記制御手段により入力軸を回転させると、潤滑油が前記増速機に供給されるように前記切り替え弁が切り替えられる。
これにより、ポンプ起動から入力軸を回転させるまでの時間を短時間化することができ、早急な起動が可能となる。
また、入力軸が回転すると増速機を構成する歯車群も回転し、該歯車群に潤滑油が供給されることにより潤滑油がさらに昇温し、飛散しにくくなる。従って潤滑油に気泡が蓄積する時間が短く、ポンプのエアレーションを防止することができる。

また、前記バイパスラインにオリフィスを設けたことを特徴とする。
オリフィスの抵抗加熱により、バイパスライン使用時における潤滑油の温度上昇を促進することができる。

また、課題を実現するための方法発明として、
入力軸の回転を歯車群を介して増速して出力軸に伝達する増速機に、前記歯車群の下側に設けられた貯油室に貯留された潤滑油をポンプによって供給して前記増速機を潤滑し、該増速機を潤滑した潤滑油を前記貯油室に落下させて戻す増速機の潤滑方法において、前記入力軸停止時に、前記貯油室に貯留された潤滑油を前記ポンプによって前記増速機を潤滑させずに外部循環させて前記貯油室のうち前記入力軸回転時に比べて低い位置に戻し、前記ポンプを起動させてから規定時間経過後に前記入力軸を回転させる制御を行い、かつ前記潤滑油の循環流路を切り換えて前記増速機を潤滑し、該増速機を潤滑した潤滑油を前記貯油室に戻すことを特徴とする。

また、前記入力軸停止時に前記ポンプを起動し、該ポンプ起動から規定時間経過後、前記入力軸を回転させる制御を行うことを特徴とする。

以上記載のごとく本発明によれば、潤滑油の加熱に長時間を要することなく、起動時に潤滑油の飛散による潤滑油への空気の混入を防止することができる増速機の潤滑装置及び潤滑方法を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図３は実施例１における風車の全体構成図であり、図４は実施例１におけるナセル周辺の概略構成図である。本実施例においては水平軸風車を用いるが、風車はこれに限定するものではない。
図３に示すように、本実施例の水平軸風車５０は、タワー５８と、ナセル５２と、ハブ５４と、翼５６とを備える。翼５６はハブ５４に固定されている。
タワー５８はナセル５２をヨー回転自在に支持しており、ナセル５２はハブ５４に接続された主軸１２を介してハブ５４を軸支している。主軸１２は、その先端がナセル５２の外部に突出しており、主軸１２の先端にはハブ５４が、主軸１２とともに回転するように取り付けられている。ナセル５２の内側には、増速機１０、発電機６０、主軸１２、出力軸１８及びその付帯設備（不図示）が収納されており、増速機１０には作動を円滑にするための潤滑装置（図１、２においては不図示）が設けられている。

このように構成された水平軸風車５０においては、翼５６及びハブ５４が風を受けて回転すると、ハブ５４に連結された主軸１２が回転し、該回転を増速機１０で増速して出力軸１８を介して発電機６０に伝達することで発電がなされる。発電機６０で発電された電流は配線６２を介して外部へ供給される。

このような水平軸風車５０に用いられる増速機１０の構成、及び水平軸風車５０が寒冷地に設置され、風車５０の停止状態から駆動させる場合の潤滑装置の動作について図１を用いて説明する。
図１は、実施例１における増速機及び増速機の潤滑装置を示す概略図である。
本実施例における増速機は寒冷地に設置される風力発電用の風車に用いられる増速機であるが、本発明はこれに限定されるものではない。
増速機１０は、風力により回転する翼（不図示）とともに回転する入力軸１２と、該入力軸１２の回転によって回転する入力側歯車１４と、該入力側歯車１４と噛合し入力側歯車の回転によって回転する出力側歯車１６と、該出力側歯車の回転によって回転し発電機（不図示）に接続される出力軸１８とからなっている。前記入力軸１２と出力軸１８の先端、前記入力側歯車１４、出力側歯車１６はケーシング３８内に収められており、前記入力軸１２は軸受３４を介してケーシング３８に回転自在に支持され、前記出力軸１８は軸受３６を介してケーシング３８に回転自在に支持されている。

また、前記増速機１０に付帯して、増速機１０の作動を円滑にするための潤滑装置１１が設けられており、該潤滑装置１１はオイルパン２０と、潤滑油循環ライン２６から構成される。

前記オイルパン２０は、ケーシング３８の底部に設けられ、増速機１０の作動を円滑にするための潤滑油が貯留される。また、オイルパン２０内には貯留された潤滑油を加熱するためのヒーター２２が設けられている。

前記潤滑油循環ライン２６は、オイルパン２０に貯留された潤滑油を増速機１０に供給するための循環ラインである。該潤滑油循環ライン２６にはポンプ２４と、オイルクーラー２８と、弁３２を備えたオイルクーラーバイパスライン３０が設けられている。オイルクーラー２８及びオイルクーラーバイパスライン３０は設けられないこともある。
さらに、潤滑油循環ライン２６には増速機１０をバイパスするバイパスライン２６Ｂが設けられており、該バイパスライン２６Ｂを使用するか否かを切り替える切り替え弁４０が設けられている。またバイパスライン２６Ｂにはオリフィス４６が設けられている。
切り替え弁４０の切り替えにより潤滑油は、以下の２系統での循環が可能である。
（Ａ）オイルパン２０→ポンプ２４→オイルクーラー２８又はオイルクーラーバイパスライン３０→切り替え弁４０→増速機１０→オイルパン２０
（Ｂ）オイルパン２０→ポンプ２４→オイルクーラー２８又はオイルクーラーバイパスライン３０→切り替え弁４０→バイパスライン２６Ｂ→オイルパン２０

さらに、入力軸１２の回転状態を検知するとともに、入力軸１２の回転時にはバイパスライン２６Ｂの不使用、即ち前記（Ａ）の系統、入力軸１２の停止時にはバイパスライン２６Ｂの使用、即ち前記（Ｂ）の系統で潤滑油が潤滑するように切り替え弁４０を切り替える制御装置４０が設けられている。

また、ポンプ２４を起動させてから規定時間経過後、入力軸１２が回転するように制御する第２の制御装置４４が設けられている。

このように構成された増速機１０及び潤滑装置１１を低温停止状態（例えば外気温−３０℃）で起動する場合について説明する。

外気温−３０℃の状態で増速機１０及び潤滑装置１１を停止した状態を保持していると、オイルパン２０内のオイルも−３０℃に近い低温となっており、また潤滑油循環ライン２６やオイルクーラー２８中にも−３０℃近い潤滑油が残存している。また潤滑油循環ライン２６中で空気中の水分が凍結して氷として潤滑油循環ライン２６を閉塞している可能性がある。そのため、オイルパン２０内のオイルを加熱してから、潤滑油循環ライン２６を循環させて、潤滑油循環ライン２６内やオイルクーラー２８を暖気する必要がある。

そのため、増速機１０の起動に際して、まず入力軸１２が回転していない状態でオイルパン２０に貯留されている潤滑油をヒーター２２で加熱する。このとき、第１の制御装置４２により切り替え弁４０はバイパスライン２６Ｂ使用側に切り替えられている。

前記加熱により潤滑油が所定の温度（例えば０〜１０℃の規定の温度）に達すると、ポンプ２４を起動する。これにより潤滑油はオイルパン２０→ポンプ２４→オイルクーラー２８→切り替え弁４０→バイパスライン２６Ｂ→オイルパン２０の順に循環する。
これにより、潤滑油循環ライン２６及び潤滑油循環ライン２６上のオイルクーラー２８が暖気される。なお、暖気中もポンプ２４やオリフィス４６の抵抗加熱により潤滑油の温度は上昇し、さらに効率的に暖気が行われる。

ポンプ２４を起動し、前記のように循環ライン２６Ｂを用いて潤滑油が潤滑されはじめてから規定時間（例えば１０分）経過すると、第２の制御装置４４により切り替え弁４０を自動的に切り替える。これにより潤滑油は、オイルパン２０、ポンプ２４、オイルクーラー２８、切り替え弁４０を経て増速機１０に送られる。

切り替え弁４０が切り替えられると、第１の制御装置４２によりその切り替えが検知され、入力軸１２を回転可能となるように制御する。なお、前記入力軸１２の制御は切り替え弁４０の切り替え検知と同時または切り替え検知後に行うように、第１の制御装置４２で制御を行う。
これにより入力軸１２が回転して増速機１０が駆動するとともに、潤滑油は、オイルパン２０、ポンプ２４、オイルクーラー２８、切り替え弁４０を経て増速機１０に送られる。増速機１０に送られた潤滑油は入口側歯車１４、出口側歯車１６、軸受３４、３６に供給され、増速機１０の作動が円滑になる。
その後、潤滑油は重力によりオイルパン２０に落下する。

即ち、潤滑油はオイルパン２０→ポンプ２４→オイルクーラー２８→切り替え弁４０→増速機１０→オイルパン２０の順に循環し、これにより増速機１０の作動が円滑になる。
また第１の制御装置４２により切り替え弁４０の切り替えを制御することで、入力軸１２停止時には潤滑油が増速機へ供給されないため、停止した歯車によって潤滑油が飛散し、該飛散に起因する潤滑油への空気の混入を防止することができる。

以上のような構成の増速機の潤滑装置１１を用いることで、潤滑油の加熱に長時間を要することなく、起動時に潤滑油の飛散による潤滑油への空気の混入を防止することができ、該空気の混入に起因する循環ポンプ２４のエアレーションを防止することができる。

さらに、以上のような増速機の潤滑装置１１を、前記潤滑油が外気によって冷却される寒冷地に設置される風車に適用することで、前述の通り循環ポンプ２４のエアレーションを防止することができ、振動騒音を極力抑えた静かな風車とし得ることに加え、ポンプ等の潤滑油系統の破損が起こりにくく、低温環境での風車の潤滑が向上して発電可能な温度範囲が広がるので発電効率が向上する。

潤滑油の加熱に長時間を要することなく、起動時に潤滑油の飛散による潤滑油への空気の混入を防止することができる増速機の潤滑装置及び潤滑方法として利用することができる。

実施例１における増速機の潤滑装置を示す概略図である。 従来例における増速機の潤滑装置を示す概略図である。 実施例１における風車の全体構成図である。 実施例１におけるナセル周辺の概略構成図である。

符号の説明

１０ 増速機
１１ 増速機の潤滑装置
１２ 入力軸
１４、１６ 歯車
１８ 出力軸
２０ オイルパン（貯油室）
２４ ポンプ
２６ 潤滑油循環ライン
２６Ｂ バイパスライン
４０ 切り替え弁
４２ 第１の制御装置
４４ 第２の制御装置
４６ オリフィス
５０ 水平軸風車
５２ ナセル
５４ ハブ
５６ 翼
６０ 発電機

Claims (6)

1. 入力軸、該入力軸の回転によって回転する歯車群、及び該歯車群の回転によって回転する出力軸を有し、前記入力軸の回転を前記歯車群を介して増速して前記出力軸に伝達する増速機と、
   前記歯車群の下側に設けられ、前記増速機を潤滑するための潤滑油を貯留する貯油室と、
   前記貯油室に貯留された潤滑油をポンプにより前記貯油室より上側に設けられた前記増速機に供給し、該増速機を潤滑した潤滑油を前記貯油室に落下させて戻す潤滑油循環ラインと、を有する増速機の潤滑装置において、
   前記潤滑油循環ラインから分岐し、前記潤滑油循環ラインの前記増速機への供給口に比べて低い位置に連通することにより、前記増速機をバイパスするバイパスラインと、
   前記潤滑油を前記増速機に供給するか、前記バイパスラインを通過させるかの何れかを切り替える切り替え弁と、を設けたことを特徴とする増速機の潤滑装置。
2. 前記入力軸回転時に、前記潤滑油を前記増速機に供給し、
   前記入力軸停止時に、前記潤滑油を前記バイパスラインを通過させるように前記切り替え弁を切り替える制御手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の増速機の潤滑装置。
3. 前記ポンプを起動させてから規定時間経過後に前記入力軸を回転させる制御を行う制御手段を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の増速機の潤滑装置。
4. 前記バイパスラインにオリフィスを設けたことを特徴とする請求項１〜３何れか１に記載の増速機の潤滑装置。
5. 入力軸の回転を歯車群を介して増速して出力軸に伝達する増速機に、前記歯車群の下側に設けられた貯油室に貯留された潤滑油をポンプによって供給することで前記増速機を潤滑し、
   該増速機を潤滑した潤滑油を前記貯油室に落下させて戻す増速機の潤滑方法において、
   前記入力軸停止時に、前記貯油室に貯留された潤滑油を前記ポンプによって前記増速機を潤滑させずに外部循環させて前記貯油室のうち前記入力軸回転時に比べて低い位置に戻し、
   前記ポンプを起動させてから規定時間経過後に前記入力軸を回転させる制御を行うとともに、前記潤滑油の循環流路を切り換えて前記増速機を潤滑し、該増速機を潤滑した潤滑油を前記貯油室に戻すことを特徴とする増速機の潤滑方法。
6. 前記入力軸停止時に前記ポンプを起動し、
   該ポンプ起動から規定時間経過後、前記入力軸を回転させる制御を行うことを特徴とする請求項５記載の増速機の潤滑方法。

Images