JP5880707B2 - 複合すべり軸受およびこの軸受けを用いた風力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電装置などの主軸用軸受に適用してラジアル荷重，アキシャル荷重を支えるようにした複合すべり軸受、およびこのすべり軸受を採用した風力発電装置の構成に関する。

よく知られているように、風力発電装置の駆動方式は大別して増速駆動方式（例えば、特許文献１，特許文献２参照）と直接駆動（ダイレクトドライブ）方式（例えば、特許文献３参照）に分けられる。

すなわち、現在の風力発電装置に多く採用されている水平軸風車の回転数は毎分数十回転程度の超低速であり、前記の増速駆動方式では風車と発電機との間に増速装置（ギアボックス）を接続して発電機の回 転数を増速するようにしている。しかしながら、歯車式の増速装置は騒音が大きく、かつトラブル発生も多くてメンテナンスに手間がかかる問題がある。

これに対して、増速装置を用いない直接駆動方式の発電機では、その回転周速を高めるために発電機が大径な構造となる。

一方、風力発電装置の風車，および発電機の回転子を支える主軸の軸受には、ラジアル荷重のほかに、風向，風速によって変動するアキシャル荷重が負荷されることから、従来では主軸用の軸受には複列テーパーこ ろ軸受が一般に採用されている（例えば、特許文献４参照）。

特開平８−１７７７１１号公報（図３） 特開２０１１−６４１４１号公報 特開２００９−１９６２５号公報（図３） 特開２００５−１０５９１７号公報

昨今の動向として風力発電装置は大容量化する傾向にあり、現在では５ＭＷクラスを超える風力発電装置も製作されるようになっているが、このクラスの発電機を直接駆動方式で駆動しようとすると発電機（同期発 電機）の径サイズが１０ｍを超えるものとなる。また、発電機の大容量化に伴い風車と発電機とを連結する主軸も当然のことながら大径化する。

一方、先記のように風力発電装置の主軸用軸受には、複列テーパーころ軸受などのころがり軸受が一般に採用されているが、ころがり軸受には特殊鋼が使用されていて、軸受の製造には鍛造と熱処理工程が必要で あることから、大口径のころがり軸受を製作するには高度な製造技術と大型の製造設備が必要であり、現状では超大形の軸受でもその口径４ｍ程度が上限と考えられている。

上記の理由から、風力発電装置の大容量化に伴い直接駆動方式による発電機の径サイズが大きくなると、現実問題として大容量の風力発電装置の主軸用軸受にころがり軸受を採用することが困難となることが想 定される。

そこで、ころがり軸受に比べて安価，かつ簡易な構造で大口径化が可能であり、さらに耐重荷重，耐衝撃荷重の負荷能力にも優れているすべり軸受を風力発電装置の主軸用軸受に採用することが検討されている。

ところで、従来のすべり軸受は一般にジャーナル軸受とスラスト軸受が別なタイプの軸受として製作されている。したがって、このすべり軸受を用いて風力発電装置の主軸用軸受を構築するには、軸受をラジアル荷重用 のすべり軸受とアキシャル荷重用のすべり軸受とに分けた上で、各すべり軸受を一つの軸受スタンド，あるいは軸受ブラケットに組み込んで構成することが考えられる。ここで、風力発電装置の主軸に適用する軸受を例に、 共通な軸受ブラケットに従来のジャーナル軸受（ラジアル荷重用）のすべり軸受とスラスト軸受（アキシャル荷重用）のすべり軸受を組み込んだ複合すべり軸受の設計構造例を図４に示す。

図４おいて、１０は例えば風力発電装置のナセルに取り付けた固定軸（中空形の横軸）、２０は発電機の回転子センター（支持フレーム）、３０は前記固定軸１０と発電機の回転子センター２０との間に介装した主軸用 の複合すべり軸受であり、この複合すべり軸受３０は、半割り構造になる回転側の軸受ブラケット３０ａの内部にラジアル荷重用の軸受パッド３０ｂと、二列に分けて軸方向に配置したアキシャル荷重用の軸受パッド３０ｃを 組み合わせて円筒状の中空固定軸１０の軸上に構築した構造になる。なお、図中のＯは固定軸１０の軸中心である。

ところで、図示の複合すべり軸受３０は、ラジアル荷重用の軸受パッド３０ｂとアキシャル荷重用の軸受パッド３０ｃ（二列）が軸方向に並ぶ三列構造となって軸受の軸長サイズが長大化し、かつ部品点数も多くなって軸 受の小型，コンパクト化が困難となる。

そのほか、風車，発電機をタワーの頂部に設置した風力発電装置の主軸用軸受では、その軸受パッド３０ｂ，３０ｃを交換するに際して、タワー上の高所で軸受３０を分解，再組立するメンテナンス作業が困難となる問 題もある。

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、その目的は簡易，かつ小型，コンパクトな構成でラジアル荷重とアキシャル荷重を安定よく支えることができ、しかも組立，分解も簡単でメンテナンス性に優れた複合すべり 軸受、およびこの複合すべり軸受を主軸用の軸受に採用した風力発電装置の構成を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の複合すべり軸受は、軸方向の中央で二分した分割構造のリング体になり、かつ該リング体の外径面に断面Ｖ字状の傾斜面を形成した内リングと、該内リングの外径面に沿っ て各分割リングの傾斜面上に分散配置した軸受パッドと、前記内リングの外径面に対応する断面Ｖ字状の傘形傾斜面を内径面に形成した外リングとから構成した上で、前記軸受パッドの流体潤滑状態で該軸受パッ ドの摺動面に外リングの内径面を摺動させて軸受に加わるラジアル荷重，およびアキシャル荷重を支えるようにする。

また、前記の複合すべり軸受は、具体的に次記のような態様で構成することができる。
（１）前記軸受パッドは、少なくとも軸受の回転方向に傾動可能なティルティングパッドで構成する。
（２）前記軸受パッドには、その摺動面にホワイトメタル，ないし摩擦係数の低い樹脂系のオーバーレイを施して構成する。
（３）前記軸受パッドにかかる荷重分担の不均一さを是正するために、該軸受パッドの背面と内リングの内径傾斜面との間に弾性支持座を介挿する。
（４）また、この複合すべり軸受の潤滑機構として、前記内リングにはその内径面の中央部位に給油溝、および該給油溝に連通して内リングをラジアル方向に貫通する給油孔を穿設し、前記給油溝から給油孔を経て 外リングが摺動する軸受パッドの摺動面に潤滑油を給油するようにする。
（５）一方、前記構成になる複合すべり軸受を主軸用軸受に採用した本発明の風力発電装置は、複合すべり軸受を主軸用軸受として、該複合すべり軸受の内リング，外リングをそれぞれナセル側に設けた固定軸，発 電機の回転子センターに固定して発電機の回転子，および風車を固定軸上に軸支するようにする。
（６）また、前項（５）の風力発電装置においては、予め軸受パッドを取り付けた内リングのナセル側の分割リングを固定軸に嵌挿して所定位置に位置決め保持し、この状態で固定軸の先端側から定位置に組み付けた 外リングを回転子センターに結合し、残る片方の分割リングを固定軸に嵌挿して定位置に固定支持して組立て構成する。
（７）さらに、前記構成において、前記固定軸は中空状に形成された中空固定軸であって、複合すべり軸受の内リングを結合した前記中空固定軸の周面には、前記内リングの内径面に形成した給油溝に連通する給 油口を穿設し、該給油口を通じて油ポンプから送油される潤滑油を複合すべり軸受に給油するようにする。

上記構成になる本発明の複合すべり軸受によれば、図４に示した従来の組立構造と比べて、軸受パッドの配列が二列で済むので、その軸長サイズを複列テーパーころ軸受並に小型，コンパクト化が可能である。また、 この複合すべり軸受については、その軸受パッドにティルティング機能を持たせるほか、軸受パッドの摺動面にホワイトメタル，ないし摩擦係数が低く摺動特性が優れているＰＥＥＫ樹脂あるいはテフロン（登録商標）などの 樹脂系のオーバーレイ（摺動層）を施したこと、さらに軸受パッドの背面側に弾性支持座を介挿することで軸受機能の向上化が図れる。また、このすべり軸受の形状に合わせて内リングに形成した給油溝，給油孔の潤滑 給油経路に潤滑油を流すことにより、軸受パッドの摺動面を安定した流体潤滑状態に保ってラジアル荷重，アキシャル荷重を支えることができる。

さらに、この複合すべり軸受を風力発電装置の主軸用軸受に採用することで、タワー上の高所で行う軸受のメンテナンス作業性に優れた効果を発揮できる。すなわち、複列ころがり軸受を主軸用軸受に採用した現在 の風力発電装置では、タワー上の高所で軸受を点検、交換する作業を行うことが極めて困難であり、特に風車と発電機を主軸で直結した直接駆動方式では事実上不可能に近い。かかる点、前記した本発明の複合 すべり軸受を採用すれば、メンテナンス用の治具を用意するだけで、タワー上の高所でも軸受の点検，軸受パッドの交換，再組立のメンテナンス作業を行うことが可能である。

本発明の実施例による複合すべり軸受の略示構造断面図であって、該軸受を風力発電装置の主軸に組み付けた使用状態を表す図である。 図１に示した複合すべり軸受の動作，機能の説明図で、（ａ），（ｂ）はそれぞれ軸受に作用するラジアル荷重，アキシャル荷重およびそのベクトル図である。 図１の複合すべり軸受を主軸用軸受として装備した風力発電装置の要部の構成断面図である。 従来のジャーナル軸受用のすべり軸受とスラスト軸受用のすべり軸受を組み合わせて構成する複合すべり軸受ユニットの設計構造図である。

以下、本発明による複合すべり軸受、およびこの複合軸受を装備した風力発電装置の実施の形態を図１〜図３に示す実施例に基づいて説明する。

まず、本発明による複合すべり軸受の組立構造を図１に示す。図において、１は筒形の中空固定軸（横軸）、２は発電機の回転子センター、３は固定軸１の軸上に回転子センター２を支える複合すべり軸受である。な お、図中のＯは固定軸１の軸中心である。

ここで、前記複合すべり軸受３は、軸方向の中央分割面Ａで二分割して固定軸１の軸上に嵌挿，配置した分割リング４ａと４ｂからなり、かつその外径面に断面Ｖ字状の傾斜面を形成した内リング４と、該内リング４の 外径面に沿って各分割リング４ａ，４ｂの傾斜面上に分散配置した軸受パッド５と、前記内リング４の外径面に対応する断面Ｖ字状の傘形傾斜面を内径面に形成し、フランジ６ａを介して前記回転子センター２に取り付 けた外リング６との組立体からなり、前記軸受パッド５の流体潤滑状態で該軸受パッド５の摺動面に外リング６の内周面を摺動させて回転子センター２から軸受に負荷されるラジアル荷重，およびアキシャル荷重を支えるよ うに構成している。なお、７は固定軸１に嵌挿した前記内リング４を定位置に保持する軸受押さえリング、８は複合すべり軸受３の周域を包囲した軸受カバー、８ａは潤滑油９の油溜まり部、１０は油溜まり部８ａから後述 の潤滑機構に潤滑油９を供給する油ポンプである。

また、図示には詳細構造を示してないが、前記軸受パッド５は少なくとも回転方向、必要によっては径方向にも傾動可能なティルティング機能を持たせるように、ティルティングパッドとして内リング４の外径傾斜面に布設 するとともに、その摺動面にホワイトメタル，ないし摩擦係数が低く摺動特性が優れているＰＥＥＫ樹脂，テフロン（登録商標）などの樹脂系材料を成層してオーバーレイ（摺動層）を施すようにしている。なお、直接駆動方 式の風力発電装置のように低速回転の主軸軸受として適用する場合には、摺動面の潤滑油膜が薄くなる傾向にあるため、潤滑性に優れているＰＥＥＫ樹脂，あるいはテフロン（登録商標）を使用することは有利である 。そのほか、この摺動層に高分子材料の樹脂（電気的な絶縁材）を用いることにより、発電機などの軸電流防止機能を持たせる効果も得られる。

さらに、この実施例では、軸受パッド５の裏面と内リング４の外径傾斜面との間にはスプリング効果を有する金属部品，あるいはゴムからなる弾性支持座１１を介挿し、前記した内，外リング４，６の変形などに起因して 生じる軸受荷重の不均一さを是正して軸受荷重が一部の軸受パッド５に集中するのを避けるようにしている。

一方、複合すべり軸受３の実使用状態で軸受パッド５の摺動面を流体潤滑状態に保つために、次記の潤滑油給油系統を構成している。すなわち、前記内リング４には周方向に沿って内径側の中央に刻設した給 油溝４ｃ、および該給油溝４ｃに連通して各分割リング４ａ，４ｂをラジアル方向に貫通する給油孔４ｄを周方向に分散して穿設するとともに、外リング６の外周フランジ６ａには軸方向に貫通する通油孔６ｂを穿孔し、さらに 中空固定軸１の周面には前記給油溝４ｃに通じる給油口１ａを一箇所もしくは周上の複数箇所（例えば、９０°間隔に４箇所）に穿孔している。

上記構成の潤滑油給油系統で、油溜まり部８ａから油ポンプ１０を経て送油した潤滑油９を、油ポンプ１０の吐出管を経て中空固定軸１の内径側から前記給油口１ａを通じて内リング４の給油溝４ｃに供給すると、図 示矢印で表すように潤滑油９は給油孔４ｄを通じて分割リング４ａ，４ｂの傾斜面に布設した軸受パッド５の摺動面に流れて各列の軸受パッド５を潤滑，冷却した後、油溜まり部８ａに還流し、ここから再び油ポンプ１０に 吸い上げられて軸受に循環給油される。

次に、前記構成になる複合すべり軸受の動作，機能を図２（ａ），（ｂ）で説明する。先に図１で述べたように、複合すべり軸受３を介して発電機の回転子，風車を固定軸１（横軸）に軸支した状態で、複合すべり軸受 ３にラジアル荷重Ｒ，およびアキシャル荷重Ｔが負荷されると、ラジアル荷重Ｒはその分力ｒが内リング４のＶ字状傾斜面に配置した二列の軸受パッド５に作用し（図２（ａ）参照）、アキシャル荷重Ｔは分力ｔが荷重の向きに対 応する軸受パッド５に作用して支えられる（図２（ｂ）参照）。

ここで、図中に表した内リング４の傾斜面角度（接触角）θは、軸受パッド５に作用するラジアル荷重の分力ｒとアキシャル荷重の分力ｔの分力の合力（総荷重）が最小となるように選定するようにする。また、外リング６の 接触角度は基本的に内リング４の角度θと同じに設定するが、内リング４の変形量を考慮して接触角度を多少変更してもよい。

なお、上記実施例の複合すべり軸受３では、内リング４を固定軸１に取り付けた固定リングとし、外リング６を回転リングとして主軸用の軸受を構成しているが、主軸の形態によっては内リング４を回転リング、外リング６を 固定リングとして主軸を軸支する使い方も可能である。また、図示構造では内リング４の分割リング４ａと４ｂを軸方向に重ねているが、必要に応じて分割リング４ａと４ｂの間に間座を介装してもよい。

次に、前記の複合すべり軸受を、発電機の主軸用軸受に採用した直接駆動方式による風力発電装置の実施例を図３に示す。図３において、１２は発電機（永久磁石型同期発電機）、１３は発電機１２の回転子 前方に直結した風車のローターハブ、１４はヨー駆動装置（不図示）を介してタワーの頂部に搭載したナセルであり、発電機の回転子，および風車は図１で述べた本発明の複合すべり軸受３を介してナセル１４の前部に 設けた固定軸１５（図１における円筒状の中空固定軸１に対応）の軸上に回転可能に支えられている。

ここで、１２ａは発電機１２の固定子鉄心、１２ｂは回転子鉄心、１２ｃは回転子磁極（回転子鉄心の周上に配列した永久磁石）、１２ｄは発電機１２の発電機フレーム、１２ｅは回転子鉄心１２ｂを支える回転子センター（図１の回転子センター２に対応）であり、前記発電機１２の発電機フレーム１２ｄはナセル１４の前部に固定され、回転子センター１２ｅの前方には風車のローターハブ１３を連結して翼車をオーバーハング状態に支えている。そして、複合すべり軸受３は、固定軸１５と発電機１２の回転子センター１２ｅとの間に設置して風車，および発電機の回転子を回転可能に軸支している。

なお、図３の風力発電装置では、発電機１２の周速を高めるように大径，軸長短小化を意図して発電機の直径に対する長さの比が２０％程度に収まるように設計し、発電機の回転子，および風車を１基の複合すべ り軸受３により固定軸１５に軸支して運転時に負荷されるラジアル荷重，およびアキシャル荷重（風車の風力荷重）を支えるようにしている。

上記の構成で、複合すべり軸受３を固定軸１５と発電機１２の回転子センター１２ｅとの間に介装して組み付けるには、あらかじめ発電機１２の回転子組立体を、図示されていない治具を使用して固定子鉄心１２ａの内側に仮固定しておく。また、複合すべり軸受３（詳細構造は図１参照）の内リング４には予め軸受パッド５を取り付けておく。この状態で、先ず内リングのナセル側の分割リング４ｂを固定軸１５の先端側から軸周面に嵌挿してその肩部１ｂ（図１参照）に分割リング４ｂを押し当てて所定位置に位置決めする。次いで、外リング６を分割リング４ｂの内周側に組み込んで軸受パッド５の摺動面に重ね合わせた上で、外リング６の外周フランジ６ａを発電機１２の回転子センター１２ｅに結合する。続いて内リング４の他方の分割リング４ａを固定軸１５の周面に嵌挿してその軸受パッド５を外リング６の傘形傾斜面に重ね合わせた上で、最後に軸受押さえリング７を分割リング４ａの端面に押し当てて軸受を定位置に固定する。次いで、発電機１２の回転子を仮固定していた治具を外して複合すべり軸受３，および発電機１２の回転子組み付け作業が完了し、その後に風車のローターハブ１３を回転子センター１２ｅの前部に連結する。

一方、前記複合すべり軸受３の分解，取り外しは前記の組立手順と逆手順で行うことができるので、軸受のメンテナンス性にも寄与する。すなわち、主軸用の軸受にころがり軸受が使用されている現在の風力発電装 置では、タワー上の高所で軸受部品を交換することが極めて困難であり、特に直接駆動方式の風力発電装置では事実上不可能に近い。

かかる点、前記構成になる複合すべり軸受を採用した風力発電装置では、メンテナンス用の吊り具，および引き抜き治具を用意することで、タワー上にて複合すべり軸受の分解，部品交換を行うことが可能である。すなわち、図３に示した風力発電装置の据付け状態で、例えば複合すべり軸受３の風車側分割リング４ａ（図１参照）に組み付けた軸受パッド５を交換するには、あらかじめ用意した治具を用いて先記の組立時と同じように発電機１２の回転子組立体を固定子鉄心１２ａに仮固定する。この状態で、次に軸受押さえリング７を外し、次いで吊り，および引抜き治具を使用して分割リング４ａを固定軸１５から引抜き、軸受パッド５の交換作業が可能な位置まで移動して新しい軸受パッドと交換する。

これにより、風力発電装置のメンテナンス時，あるいは軸受部品の交換が必要となった場合でも、前記の作業手順によって軸受の内部点検，軸受パッドの交換作業を支障なく行うことができる。

０：軸中心
Ａ：軸受中心
１：固定軸
１a：給油口
１b：肩部
２：回転子センター
３：複合すべり軸受
４：内リング
４ａ，４ｂ：分割リング
４ｃ：給油溝
４ｄ：給油孔
５：軸受パッド
６：外リング
６ａ：外周フランジ
６ｂ：通油孔
７：軸受押さえリング
８：軸受カバー
８ａ：油溜まり部
９：潤滑油
１０：油ポンプ
１１ 軸受パッドの弾性支持座
１２：発電機
１２a：固定子鉄心
１２b：回転子鉄心
１２c：回転子磁極
１２d：発電機フレーム
１２ｅ：回転子センター
１３：風車のローターハブ
１４：ナセル
１５：固定軸

Claims (7)

1. 軸方向の中央で二分した分割構造のリング体になり、かつ該リング体の外径面に断面Ｖ字状の傾斜面を形成した内リングと、該内リングの外径面に沿って各分割リングの傾斜面上に分散配置した軸受パッドと、前記内リングの外径面に対応する断面Ｖ字状の傘形傾斜面を内径面に形成した外リングとから構成し、前記軸受パッドの流体潤滑状態で該軸受パッドの摺動面に外リングの内径面を摺動させて軸受に加わるラジアル荷重，およびアキシャル荷重を支えるようにし、
   前記内リングにはその内径面の中央部位に給油溝、および該給油溝に連通して内リングをラジアル方向に貫通する給油孔を穿設し、前記給油溝から給油孔を経て外リングが摺動する軸受パッドの摺動面に潤滑油を給油するようにしたことを特徴とする複合すべり軸受。
2. 請求項１に記載の複合すべり軸受において、軸受パッドが少なくとも軸受の回転方向に傾動可能なティルティングパッドであることを特徴とする複合すべり軸受。
3. 請求項１または２に記載の複合すべり軸受において、軸受パッドの摺動面にホワイトメタル，ないし摩擦係数の低い樹脂系のオーバーレイを施したことを特徴とする複合すべり軸受。
4. 請求項１ないし３のいずれかの項に記載の複合すべり軸受において、軸受パッドの背面と内リングの内径面との間に弾性支持座を介挿したことを特徴とする複合すべり軸受。
5. 請求項１ないし４のいずれかの項に記載の複合すべり軸受を主軸用軸受として、該複合すべり軸受の内リング，外リングをそれぞれナセル側に設けた固定軸，発電機の回転子センターに固定して発電機の回転子，および風車を固定軸上に支えるようにしたことを特徴とする風力発電装置。
6. 請求項５に記載の風力発電装置において、複合すべり軸受は、予め軸受パッドを取り付けた内リングのナセル側の分割リングを固定軸に嵌挿して所定位置に位置決め保持し、この状態で固定軸の先端側から定位置に組み付けた外リングを回転子センターに結合し、残る片方の分割リングを固定軸に嵌挿して定位置に固定支持したことを特徴とする風力発電装置。
7. 請求項５に記載の風力発電装置において、前記固定軸は中空状に形成された中空固定軸であって、複合すべり軸受の内リングを結合した前記中空固定軸の周面に、前記内リングの内径面に形成した給油溝に連通する給油口を穿設し、該給油口を通じて油ポンプから送油される潤滑油を複合すべり軸受に給油するようにしたことを特徴とする風力発電装置。

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