JP5354849B2 - 風力発電機の主軸支持構造 - Google Patents

Description

この発明は、風力発電機の主軸支持構造に関するものである。

従来の風力発電機が、例えば、特開２００５−２０７５１７号公報（特許文献１）に記載されている。同公報に記載されている風力発電機は、支持台と、支持台上に旋回座軸受を介して水平旋回自在に配置される主要部品を格納するナセルと、軸受ハウジングに固定された軸受によって回転自在に支持される主軸と、主軸の一方端側にブレードと、主軸の他方端側に増速機および発電機とを備える。

上記構成の風力発電機は、風を受けて回転するブレードに伴って主軸が回転し、増速機によって主軸の回転が増速され、発電機で電力に変換される。この風力発電機の主軸は、ブレードが風を受けることによって生じるアキシアル荷重の他に、ブレードの自重によって生じるラジアル荷重やモーメント荷重を受ける。このため、主軸を支持する軸受には、ラジアル荷重、アキシアル荷重、およびモーメント荷重が同時に負荷される環境で使用可能な自動調心ころ軸受や円錐ころ軸受が使用される。
特開２００５−２０７５１７号公報

近年、ブレードの大型化や風力発電機をより風の強い場所に設置する等、発電効率の向上を目的とした取り組みがなされており、これに伴って主軸を支持する軸受に負荷される荷重も大きくなっている。したがって、長寿命で高い信頼性が求められる主軸支持用軸受には、更なる負荷容量の向上が要求されている。

また、風力発電機の主軸には回転時に所定の方向に偏った荷重が作用するので、その円周方向において、荷重が負荷される領域（以下、「負荷領域」という）と、荷重が負荷されない領域（以下、「非負荷領域」という）とに区分される。そのため、主軸を支持する軸受は、負荷領域に位置するころのみによって荷重を支持することとなる。したがって、このような環境で使用される軸受が現実に支持可能な荷重は、軸受全体として支持可能な荷重の一部でしかない。

そこで、この発明の目的は、負荷容量をさらに増大させた円錐ころ軸受であって、軸受全体で荷重を支持することができる円錐ころ軸受を採用した風力発電機の主軸支持構造を提供することである。

この発明に係る風力発電機の主軸支持構造は、風を受けるブレードと、その一端がブレードに固定されてブレードとともに回転する主軸と、主軸を回転自在に支持する円錐ころ軸受とを備える風力発電機の主軸支持構造である。円錐ころ軸受に注目すると、軌道面を有する内輪および外輪と、軌道面に接する転動面を有する複数の円錐ころとを備える。そして、この円錐ころ軸受は、隣接する円錐ころが互いに接触可能な位置に配置される総ころ形式の軸受である。

上記構成のように、風力発電機の主軸を支持する軸受として総ころ形式の円錐ころ軸受を採用することにより、保持器を有する同じサイズの円錐ころ軸受と比較して収容可能な円錐ころの本数を増やすことができる。その結果、軸受全体としての負荷容量が増加する。

好ましくは、円錐ころ軸受の軸受回転中心線と、外輪の軌道面とのなす角θ（接触角）は、θ≧４０°を満たす。風力発電機の主軸の主軸を支持する軸受には、ラジアル荷重だけでなくスラスト荷重やモーメント荷重も負荷されるので、これらの荷重を適切に支持するためには、接触角θを上記範囲内とするのが望ましい。

好ましくは、円錐ころの転動面の任意の位置におけるころ径をＤ、円錐ころのころ径の測定位置における内輪および外輪の軌道面間距離をｄとすると、全ての円錐ころそれぞれの転動面の少なくとも１箇所で、Ｄ＞ｄを満たす。

上記構成のように、円錐ころ軸受の円周方向のいずれの位置においても軌道面間距離ｄをころ径Ｄより小さくする（以下、この関係を「負隙間」という）ことにより、全ての円錐ころに内外輪を介して荷重が負荷される。これにより、長寿命で信頼性の高い風力発電機の主軸支持構造を得ることができる。さらに、軌道面間距離を負隙間とすることによって円錐ころ横滑り等を防止することができるので、隣接する円錐ころの干渉等による回転不良を防止することが可能となる。

一実施形態として、円錐ころの転動面にはクラウニングが形成されており、円錐ころのクラウニングの頂上におけるころ径をＤ_１、円錐ころのクラウニングの頂上に対応する位置の軌道面間距離をｄ_１とすると、全ての円錐ころで、Ｄ_１＞ｄ_１を満たす。

他の実施形態として、全ての円錐ころの転動面全域でＤ＞ｄを満たす。

転動面にクラウニングが形成されている円錐ころを使用する場合、軽荷重時には全ての円錐ころがクラウニングの頂上でのみ荷重を支持するので、Ｄ_１＞ｄ_１が成立する。一方、重荷重時には円錐ころが弾性変形して転動面全体で荷重を支持するので、全ての円錐ころの転動面全域で、Ｄ＞ｄが成立する。

この発明によれば、風力発電機の主軸を支持する軸受として総ころ形式の円錐ころ軸受を採用したことにより、保持器を有する同じサイズの円錐ころ軸受と比較して負荷容量が増加する。また、軌道面間距離を負隙間とすることにより、常に全てのころで荷重を支持することができるので、長寿命で信頼性の高い風力発電機の主軸支持構造を得ることができる。

図１〜図７を参照して、この発明の一実施形態に係る主軸支持構造を採用した風力発電機１１、円錐ころ軸受３１、および円錐ころ軸受３１を主軸１６に組み込む方法を説明する。なお、図１および図２は風力発電機１１の内部構造を示す図、図３および図４は風力発電機１１の主軸１６を支持する円錐ころ軸受３１を示す図、図５〜図７は円錐ころ軸受３１を主軸１６に組み込む方法を示す図である。

まず、図１および図２を参照して、風力発電機１１は、支持台１２と、旋回座軸受１３と、ナセル１４と、ブレード１５と、主軸１６と、増速機１７と、発電機１８と、軸受ハウジング１９と、主軸支持用軸受としての円錐ころ軸受３１と、旋回用モータ２０と、減速機２１とを備える。

ナセル１４は、支持台１２の上に旋回座軸受１３を介して設置されており、旋回用モータ２０および減速機２１によって水平旋回自在となっている。また、風力発電機１１の主要部品である主軸１６、増速機１７、発電機１９、円錐ころ軸受３１、旋回用モータ２０、および減速機２１等を収容するハウジングとして機能する。

ブレード１５は、主軸１６の一端に固定されて風を受けて回転する。主軸１６は、一端がブレード１５に他端が増速機１７それぞれに接続されて、ブレード１５の回転を増速機１７を介して発電機１８に伝達する。また、軸受ハウジング１９に組み込まれた円錐ころ軸受３１によって、回転自在に支持されている。

円錐ころ軸受３１には、ブレード１５が受ける風力等によって大きなアキシアル荷重が負荷されると共に、ブレード１５の自重等によって大きなラジアル荷重および大きなモーメント荷重が負荷される。そこで、このような環境で使用される主軸支持用軸受として、図３に示すような、左右の内輪部材３２ａ，３２ｂを含む内輪３２と、外輪３３と、複数の円錐ころ３４と、内輪間座３５とを備える円錐ころ軸受３１を採用する。

内輪部材３２ａは、外径面に軌道面３６ａと、軌道面３６ａの一方側端部に小鍔３７ａと、他方側端部に大鍔３８ａと、大鍔３８ａ側の端面に軸方向に延びる複数のボルト穴３９ａとを有する。内輪部材３２ｂも同様の構成である。そして、この内輪部材３２ａ，３２ｂは、内輪間座３５を挟んで互いの小鍔３７ａ，３７ｂを向かい合わせて配置することによって内輪３２を構成する。外輪３３は、内輪部材３２ａ，３２ｂの軌道面３６ａ，３６ｂに対応する複列の軌道面３３ａ，３３ｂと、軸方向に貫通する複数の貫通穴３３ｃとを有する。

図４を参照して、円錐ころ３４は、小端面３４ａと、大端面３４ｂと、転動面３４ｃとを有し、小端面３４ａを内輪部材３２ａ，３２ｂの小鍔３７ａ，３７ｂ側に向けて内輪３２および外輪３３の間に配置される。また、転動面３４ｃにはクラウニングが形成されており、その頂上はころ長さの中央に位置する。なお、「転動面」とは、両端の面取り部を除いた部分の長さであって、軸受に組み込んだ時に内輪３２および外輪３３の軌道面３６ａ，３６ｂ，３３ａ，３３ｂと接し得る面を指す。

上記構成の円錐ころ軸受３１は、円錐ころ３４が軸方向に複列に配置されており、左右の列の円錐ころ３４の小端面３４ａ同士を突き合わせた背面組み合わせ軸受である。また、各軌道面においては、隣接する円錐ころ３４が互いに接触可能な位置に配置される総ころ形式の軸受である。

さらに、円錐ころ３４の転動面３４ｃの任意の位置におけるころ径をＤ、円錐ころ３４のころ径の測定位置における内輪３２および外輪３３の軌道面間距離をｄとすると、全ての円錐ころ３４それぞれの軌道面３４ｃの少なくとも１箇所で、Ｄ＞ｄを満たす。すなわち、軌道面間距離は負隙間となっている。

具体的には、円錐ころ軸受３１に負荷される荷重が小さい場合（軽荷重時）、軌道面３６ａ，３３ａと転動面３４ｃとはクラウニングの頂上でのみ接触する。すなわち、全ての円錐ころ３４のクラウニングの頂上でのみ負隙間（Ｄ_１＞ｄ_１）となる。なお、ｄ_１はクラウニングの頂上に対応する位置の軌道面間距離を指す。

一方、円錐ころ軸受３１に負荷される荷重が大きい場合（重荷重時）、円錐ころ３４の転動面３４ｃが弾性変形して、軌道面３６ａ，３３ａと転動面３４ｃとの接触面積が増加する。そして、転動面３４ｃの全域が軌道面３６ａ，３３ａと接触したときに、全ての円錐ころ３４の転動面３４ｃ全域で負隙間（Ｄ＞ｄ）となる。

上記構成のように総ころ形式の円錐ころ軸受３１とすることにより、保持器を含む同じサイズの円錐ころ軸受と比較して収容可能な円錐ころ３４の本数が増加する。その結果、軸受全体の負荷容量を大きくすることができる。また、軌道面間距離を負隙間とすることにより、全ての円錐ころ３４に内外輪３２，３３を介して荷重が負荷される。その結果、負荷領域と非負荷領域とを含む環境で使用する場合でも大きな荷重を支持することが可能となると共に、円錐ころ軸受３１の剛性が向上する。

さらに、隣接する円錐ころ３４の接触位置における自転方向は互いに逆向きとなるので、総ころ形式の円錐ころ軸受３１においては、隣接する円錐ころ３４の干渉による回転不良が問題となる。しかし、軌道面間距離を負隙間とすることで円錐ころ３４の横滑り等を防止できるので、隣接する円錐ころ３４同士の干渉による回転不良が抑制される。その結果、円錐ころ３４の自転運動および公転運動がスムーズになる。

上記構成の円錐ころ軸受３１を風力発電機１１の主軸１６を支持する軸受として使用することにより、長寿命で信頼性の高い風力発電機の主軸支持構造を得ることができる。

なお、上記実施形態における円錐ころ３４は、クラウニングの頂上が円錐ころ３４のころ長さの中央に位置する例を示したが、これに限ることなく、任意の位置に設定することができる。また、転動面３４ｃにクラウニングが形成されている例を示したが、この発明は、クラウニングが形成されていない円錐ころを採用した円錐ころ軸受にも適用することができる。

また、上記実施形態における円錐ころ軸受３１は複列の例を示したが、これに限ることなく、単列であってもよいし、軌道面が３列以上ある多列の軸受であってもよい。また、円錐ころ軸受３１は、背面組み合わせの例を示したが、これに限ることなく、円錐ころ３４の大端面３４ｂ同士を突き合わせた正面組み合わせの軸受であってもよい。

背面組み合わせとした場合には、軸受の回転中心線ｌ_０と、左右の列の円錐ころ３４および内外輪３２，３３の接触線ｌ_１，ｌ_２との交点α，βの間の距離（以下「作用点間距離」という）が長くなるので、剛性が向上する。

次に、図５〜図７を参照して、円錐ころ軸受３１を主軸１６に組み込む方法を説明する。なお、図５および図６は円錐ころ軸受３１を主軸１６に組み込む前後の状態を示す図、図７は円錐ころ軸受３１の一方の内輪部材３２ｂを主軸１６に組み込む主な工程を示すフロー図である。

大型の風力発電機１１の主軸１６に円錐ころ軸受３１を組み込む場合、地上で主軸１６を垂直に固定して作業を行う。まず、大鍔３８ａ側を下に向けて内輪部材３２ａを主軸１６に挿通する。次に、内輪部材３２ａの軌道面３６ａに円錐ころ３４を組み込む。ここで、円錐ころ３４の重心Ｇは大鍔３８ａの外径面より径方向内側に位置するので、円錐ころ３４は軌道面３６ａ上で拘束されていなくとも大鍔３８ａに引っ掛かって脱落することはない。さらに、内輪間座３５を主軸１６に挿通する。

風力発電機１１の主軸１６を支持する円錐ころ軸受３１には、ブレード１５が風を受けること等によって生じるスラスト荷重と、ブレード１５の自重等によって生じるラジアル荷重およびモーメント荷重とが負荷される。そこで、これらの荷重を適切に支持するために、円錐ころ軸受３１の回転中心線ｌ_３と、外輪３３の軌道面３３ａに接する位置における円錐ころ３４の外径面、つまり外輪３３の軌道面３３ａの仮想線ｌ_４とのなす角θ（以下「接触角」という）をθ≧４０°に設定する。なお、従来の一般的な円錐ころ軸受の接触角は１０°〜３５°程度である。

次に、図７を参照して、主軸１６に組み込む前に内輪部材３２ｂと外輪３３とを組み立てる（Ｓ１１）。具体的には、大鍔３８ａ側を下に向けて内輪部材３２ｂを載置する。次に、内輪部材３２ｂの軌道面３６ｂに円錐ころ３４を組み込む。次に、外輪３３の軌道面３３ｂと円錐ころ３４の転動面３４ｃとが適切に接するように外輪３３を組み込む。

次に、内輪部材３２ｂと外輪３３とを固定連結する（Ｓ１２）。具体的には、Ｌ字型の固定冶具１の一端と内輪部材３２ｂのボルト穴３９ｂとをボルト２によって固定し、他端と外輪３３の貫通穴３３ｃを固定棒３によって固定する。これにより、円錐ころ３４は軌道面３６ｂ，３３ｂの間で拘束されているので脱落することはない。

次に、図５に示すように、固定連結された内輪部材３２ｂと外輪３３とを吊り上げて（Ｓ１３）、外輪３３の軌道面３３ａを下に向けて主軸１６に組み込む（Ｓ１４）。さらに、図６に示すように、外輪３３の軌道面３３ａが内輪部材３２ａに組み込まれた円錐ころ３４と適切に接触していることを確認して固定冶具１を外す。

最後に、内輪３２と外輪３３との軌道面間距離ｄを調整する（Ｓ１５）。具体的には、予め内輪間座３５の幅寸法を調整しておき、内輪部材３２ａ，３２ｂの間に予圧を加えることによって軌道面間距離を所定値に設定する。さらに具体的には、全ての円錐ころ３４のクラウニングの頂上で負隙間（Ｄ_１＞ｄ_１）となるようにする。

なお、上記の組込み手順は一例であって、他の工程をさらに追加してもよいし、一部の工程の順序を入れ替える等してもよい。また、固定冶具１としては、内輪部材３２ｂと外輪３３とを固定連結することができるあらゆる構成のものを採用することができる。

上記の組み込み手順とすることにより、総ころ形式の円錐ころ軸受３１を主軸１６に組み込む際に円錐ころ３４が脱落するのを防止することができる。これにより、円錐ころ軸受３１の主軸１６への組込みが容易となる。

また、この発明は他の形式の軸受、例えば、自動調心ころ軸受等に適用してもその効果を得ることができる。しかし、前述のように円錐ころ軸受は軌道面間距離の調整が容易であるので、この発明は、特に円錐ころ軸受に適しているといえる。

ここで、円錐ころ３４の重心位置は、接触角θが大きくなるにつれて円錐ころ軸受３１の径方向内側に移動する。したがって、上記の組み込み方法は、風力発電機１１の主軸１６を支持する円錐ころ軸受３１のような接触角θの大きい軸受に適している。なお、円錐ころの重心位置を径方向内側に移動させる他の方法として、ころ角度を極端に小さくしたり、大鍔の外径を極端に大きくしたりすることも考えられる。しかし、これらは負荷容量が低下したり円錐ころの回転が不安定になったりするので、風力発電機１１の主軸１６を支持する軸受には適していない。

さらに、汎用性の観点から内輪部材３２ａ，３２ｂの両方にボルト穴３９ａ，３９ｂを設けた例を示したが、組込み作業の観点からは小鍔３７ｂ側を下に向けて組み込む内輪部材３２ｂにのみボルト穴３９ｂを設ければ足りる。

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示した実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

この発明は、風力発電機の主軸支持構造に有利に利用される。

この発明の一実施形態に係る主軸支持構造を採用した風力発電機を示す図である。 図１に示す風力発電機の図解的側面図である。 図１に示す風力発電機の主軸を支持する円錐ころ軸受を示す図である。 図３に示す円錐ころの拡大図である。 円錐ころ軸受の内輪部材の一方を主軸に組み込む前の状態を示す図である。 円錐ころ軸受を主軸に組み込む後の状態を示す図である。 円錐ころ軸受の内輪部材の一方を主軸に組み込む主な方法を示すフロー図である。

符号の説明

１ 固定冶具、２ ボルト、３ 固定棒、１１ 風力発電機、１２ 支持台、１３ 旋回座軸受、１４ ナセル、１５ ブレード、１６ 主軸、１７ 増速機、１８ 発電機、１９ 軸受ハウジング、２０ 旋回モータ、２１ 減速機、３１ 円錐ころ軸受、３２ 内輪、３２ａ，３２ｂ 内輪部材、３３ 外輪、３３ａ，３３ｂ 外輪軌道面、３３ｃ 貫通穴、３４ 円錐ころ、３４ａ 小端面、３４ｂ 大端面、３４ｃ 転動面、３５ 内輪間座、３６ａ，３６ｂ 内輪軌道面、３７ａ，３７ｂ 小鍔、３８ａ，３８ｂ 大鍔、３９ａ，３９ｂ ボルト穴。

Claims (2)

1. 風を受けるブレードと、
   その一端が前記ブレードに固定されてブレードとともに回転する主軸と、
   前記ブレードおよび前記主軸から負荷されるアキシアル荷重、ラジアル荷重、およびモーメント荷重を受け、前記主軸を回転自在に支持する複列の円錐ころ軸受とを備える風力発電機の主軸支持構造であって、
   複列の前記円錐ころ軸受は、軌道面を有する内輪および外輪と、前記軌道面に接する転動面を有する複数の円錐ころとを備え、
   前記内輪は、外径面に設けられた軌道面と、前記軌道面の一方側端部に設けられた小鍔と、前記軌道面の他方側端部に設けられた大鍔とを含み、
   前記円錐ころは、小端面を前記小鍔側に向けて配置され、
   複列の前記円錐ころ軸受は、それぞれの前記円錐ころの小端面同士を突き合わせた背面組み合わせ軸受であり、
   複列の前記円錐ころ軸受は、隣接する前記円錐ころが互いに接触可能な位置に配置される総ころ形式の軸受であり、
   前記円錐ころ軸受の軸受回転中心線と、前記外輪の軌道面とのなす角θは、θ≧４０°を満たし、
   前記円錐ころの転動面の任意の位置におけるころ径をＤ、前記円錐ころのころ径の測定位置における前記内輪および前記外輪の軌道面間距離をｄとすると、
   全ての前記円錐ころの転動面全域で、Ｄ＞ｄを満たす、風力発電機の主軸支持構造。
2. 前記円錐ころの転動面には、クラウニングが形成されている、請求項１に記載の風力発電機の主軸支持構造。

Images