JP2008261357A

JP2008261357A - 風力発電機の回転軸支持構造

Info

Publication number: JP2008261357A
Application number: JP2007102543A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Omoto; 達也大本
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2007-04-10
Filing date: 2007-04-10
Publication date: 2008-10-30

Abstract

【課題】給油装置のトラブル等によって潤滑油の供給が滞った場合でも、異常発生から軸受の完全停止までの時間を延伸した転がり軸受を採用することにより、信頼性の高い風力発電機の回転軸支持構造を提供する。
【解決手段】風力発電機の回転軸支持構造は、風を受けて回転するブレードと、ブレードの回転に伴って回転する回転軸と、回転軸を支持する転がり軸受３１とを備える。転がり軸受３１は、軌道輪としての内輪３２および外輪３３と、内輪３２および外輪３３に保持される転動体としての複数の円錐ころ３４とを有しする。そして、内輪３２の外径面および外輪３３の内径面には、潤滑剤を保持する凹部３６が設けられている。
【選択図】図１

Description

この発明は、風力発電機の回転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等の転がり軸受が使用される。

また、転がり軸受に採用されている給油装置が、例えば、特開２００４−１０８３８８号公報（特許文献２）に記載されている。同公報に記載されている給油装置は、転がり軸受の設置位置から離れた場所に設置されるタンクと、内外輪の間に配置されるノズルと、タンクとノズルとを接続する油路とを備える。
特開２００５−２０７５１７号公報特開２００４−１０８３８８号公報（段落番号０００３）

風力発電機のナセルは高所に設置されるので、主軸を支持する軸受等の交換には多くの作業工数と多額の作業費用が必要となる。そこで、従来の風力発電機には各種のセンサが設けられて、給油装置を含む風力発電機の構成要素の状態を常に監視し、完全に停止する前に保守作業を行えるような体制がとられている。

しかし、例えば、給油装置に不具合が発生して軸受に潤滑油を供給できなくなった場合、軸受はすぐに焼付いて停止してしまう。一方、風力発電機は、洋上や海岸線沿いの交通不便の地に設置されることが多く、異常発生から保守作業を開始するまでにはある程度の時間が必要となる。

そこで、この発明の目的は、給油装置のトラブル等によって潤滑油の供給が滞った場合でも、異常発生から軸受の完全停止までの時間を延伸した転がり軸受を採用することにより、長寿命で信頼性の高い風力発電機の回転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回転軸支持構造は、風を受けて回転するブレードと、ブレードの回転に伴って回転する回転軸と、軌道輪、および軌道輪に形成される軸受内部空間に配置される複数の転動体を有し、回転軸を支持する転がり軸受とを備える。そして、軌道輪の軸受内部空間に対面する面には、潤滑剤を保持する凹部が設けられている。

上記構成の転がり軸受は、給油装置のトラブル時等においても、軌道輪の凹部に保持された潤滑剤を転動体と軌道面との間に供給することができる。これにより、トラブル発生から完全停止までの時間を延伸することができる風力発電機の回転軸支持構造を得ることができる。

一実施形態として、凹部は軌道輪の円周方向に延びる油溝である。これにより、転がり軸受の全域に均等に潤滑剤を供給することができる。

好ましくは、凹部は、最奥部から開口部に向かって大きくなっている。また、軌道輪の軸受内部空間に対面する面と凹部との境界部分の角部は、所定の曲率を有しているのが好ましい。これにより、凹部から潤滑剤が流出しやすくなる。

一実施形態として、転動体は円錐ころであり、転がり軸受は、円錐ころを保持する複列の軌道面を有する複列円錐ころ軸受であって、軌道輪として、外輪と、複数の内輪部材および複数の内輪部材の間に配置される間座を含む内輪とを含む。そして、凹部は、外輪、内輪部材、および間座のうちの少なくとも１つに設けられている。

この発明によれば、給油装置のトラブル等によって転がり軸受に潤滑剤が供給されなくなった場合でも、異常発生から軸受の完全停止までの時間を延伸することができる。これにより、長寿命で信頼性の高い風力発電機の回転軸支持構造を得ることができる。

図１を参照して、この発明の一実施形態に係る転がり軸受としての円錐ころ軸受３１を説明する。円錐ころ軸受３１は、軌道輪としての内輪３２および外輪３３と、軸受内部空間に配置される転動体としての複数の円錐ころ３４と、隣接する円錐ころ３４の間隔を保持する保持器３５とを備える。なお、「軸受内部空間」とは、内輪３２の外径面と外輪３３の内径面とに挟まれた空間を指すものとする。

内輪３２は、組立性の観点から２つの内輪部材３２ａ，３２ｂと、２つの内輪部材３２ａ，３２ｂの間に配置される間座３２ｃとで構成される。内輪部材３２ａは、１つの内輪軌道面３２ｄと、小鍔３２ｅと、大鍔３２ｆとを有する。また、内輪軌道面３２ｄの両端部には、円錐ころ３４の角部との干渉を避けるためにぬすみ３２ｇが形成されている。なお、内輪部材３２ｂも同様の構成である。そして、内輪部材３２ａ，３２ｂは、間座３２ｃを挟んで互いの小鍔３２ｅ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。一方、外輪３３は、左右の内輪軌道面３２ｃそれぞれに対面する複列の外輪軌道面３３ａを有する一体型外輪である。

ここで、内輪３２および外輪３３の軸受内部空間に対面する面、すなわち、内輪部材３２ａ，３２ｂおよび間座３２ｃの外径面、および外輪３３の内径面には、潤滑剤を保持する凹部３６が形成されている。この凹部３６は、断面形状が円弧形状であって軌道輪の円周方向に延びる円周溝である。

なお、この実施形態における凹部３６は、内輪部材３２ａ，３２ｂの小鍔３２ｅの外径面と、間座３２ｃの外径面と、外輪３３の内径面の左右の外輪軌道面３３ａの間とに形成されている。また、ぬすみ３２ｇは、潤滑剤を保持する凹部３６として機能するために、従来のぬすみより大きくなっている。

上記構成の円錐ころ軸受３１は、外部から潤滑油の供給を受けて回転する。具体的には、外部の給油装置（図示省略）から給油口（図示省略）を通って軸受内部に潤滑油が流入する。この潤滑油は、主に軌道輪と円錐ころ３４との接触部分、すなわち、内輪３２および外輪３３の軌道面３２ｃ，３３ａと円錐ころ３４の転動面３４ａ、および内輪３２の鍔部（「小鍔３２ｅ」および「大鍔３２ｆ」を指す）と円錐ころ３４の端面３４ｂとの間に油膜を形成する。さらに、軸受内部の潤滑油は新たに流入する潤滑油に押し出されて軌道輪の間の隙間等から排出される。

したがって、給油装置が正常に動作している状態では、潤滑油が円錐ころ軸受３１の内部を循環しており、凹部３６の内部にも潤滑油が保持されている。一方、トラブル等によって給油装置から新たな潤滑油が供給されない状態では、凹部３６に保持されている潤滑油が円錐ころ軸受３１の回転に伴って軌道輪（「内輪３２および外輪３３」を指す、以下同じ）と円錐ころ３４との間に供給される。

このように、外部からの潤滑油の供給が滞った場合でも、凹部３６から潤滑油の供給を受けることにより、異常発生から完全停止までの時間を延伸した円錐ころ軸受を得ることができる。

なお、上記の実施形態においては、内輪３２（間座３２ｃを含む）および外輪３３の両方に凹部３６を設けた例を示したが、これに限ることなく、少なくとも一方に設けることでこの発明の効果を得ることができる。なお、凹部３６に保持されている潤滑油は、軌道輪の回転に伴って流出するので、回転側の軌道輪に設けることによってより高い効果が期待できる。

また、上記の実施形態においては、凹部３６を左右の軌道面の間およびぬすみ３２ｇに設けた例を示したが、これに限ることなく、任意の位置に設けることができる。例えば、内輪３２の大鍔３２ｆの外径面、または大鍔３２ｆに対面する外輪３２の内径面の軸方向両端部に形成してもよい。ただし、図１に示す円錐ころ軸受３１は、軸方向両端部の隙間から潤滑油を排出するので、軌道輪と円錐ころ３４の接触部分に潤滑油を供給する観点からは、左右の軌道面の間やぬすみ３２ｇに凹部３６を設けるのが望ましい。

次に、図２〜図６を参照して、凹部３６の他の実施形態を説明する。なお、基本構成は凹部３６と共通するので、共通点の説明は省略し、相違点を中心に説明する。

図２を参照して、凹部４１は、直線状の側壁４１ａと円弧形状の底壁４１ｂとを有する。図３を参照して、凹部４２は断面形状が矩形形状である。図４を参照して、凹部４３は断面形状が三角形である。図５を参照して、凹部４４は、断面形状が底壁４４ｂから開口部４４ｃに向かって広がる略台形である。図６を参照して、凹部４５は、断面形状が略台形であって、底壁４５ｂに第２の凹部４５ｃが形成されている。

このように、凹部の断面形状としては、任意の形状を採用することができる。ただし、凹部４２，４３，４４，４５のように、凹部内に角部４２ａ，４３ａ，４４ａ，４５ａを有する場合には、応力集中を防ぐために所定の曲率（丸み）を持たせておくことが望ましい。

また、図２に示す凹部４１のように、直線状の側壁４１ａを設けることにより、開口部４１ｃの直径を大きくしなくても保持可能な潤滑油量を増やすことができる。したがって、小鍔３２ｅのような狭い領域に形成するのに有利である。なお、底壁４１ａは、円弧形状に限られず他の任意の形状を採用することができる。

また、凹部４３，４４，４５のように、側壁４３ｂ，４４ｄ，４５ｄを最奥部から開口部に向かって広がるテーパ形状とすることにより、内部の潤滑油が側壁４３ｂ，４４ｄ，４５ｄに沿って流出しやすくなる。なお、これは、図１に示す凹部３６のように曲線的に広がる場合でも同様である。

また、軌道輪表面と凹部３６，４１，４２，４３，４４，４５との境界部分の角部は、潤滑油の流出を促進するために所定の曲率（丸み）を持たせておくのが望ましい。角部に丸みを持たせる方法としては、例えば、面取り加工（Ｒ面取り）や予め丸みを持たせた砥石での研削加工等が該当する。

次に図７および図８を参照して、この発明の一実施形態に係る回転軸支持構造を採用した風力発電機１１を説明する。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、回転軸としての主軸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にそれぞれ接続されて、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に組み込まれた主軸支持用軸受２２によって、回転自在に支持されている。

この円錐ころ軸受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。また、主軸支持用軸受２２の交換には多くの作業工数と高額の作業費用が必要となる。

そこで、このような環境で使用される風力発電機１１の主軸１６を支持する軸受として、図１に示すような円錐ころ軸受３１を採用する。これにより、給油装置の不具合等によって円錐ころ軸受３１への潤滑油の供給が滞った場合でも、異常発生からメンテナンス開始までの間、円錐ころ軸受３１を延命することができる。つまり、円錐ころ軸受３１が致命的な損傷を受けて完全に停止する前にメンテナンスを行うことができるので、メンテナン工数および費用を低減することができると共に、長寿命で信頼性の高い風力発電機の回転軸支持構造を得ることができる。

なお、上記の実施形態においては、円錐ころ軸受３１に外部から潤滑油を供給する例を示したが、この発明は、内部にグリースを封入した転がり軸受にも適用することができる。この場合、図１に示す構成に加えて、内輪および外輪の軸方向両端部の隙間を密封する密封部材を配置する。また、この軸受にグリースを封入する際には、凹部をグリースで満たしておく。

また、上記の各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、上記の各実施形態においては、転がり軸受として円錐ころ軸受３１の例を示したが、これに限ることなく、自動調心ころ軸受、円筒ころ軸受、針状ころ軸受、深溝玉軸受、アンギュラ玉軸受、および４点接触玉軸受等、転動体がころであるか玉であるかを問わず、外部からの潤滑油の供給を必要とするあらゆる転がり軸受を採用することができる。

さらに、上記の実施形態においては、風力発電機の主軸支持構造にこの発明を適用した例を示したが、これに限ることなく、この発明は、風力発電機の他の回転軸支持構造にも適用することが可能である。例えば、増速機１７の低速軸（入力軸）、中間軸、および高速軸（出力軸）等に適用してもこの発明の効果を得ることができる。

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、風力発電機に有利に利用される。

この発明の一実施形態に係る転がり軸受を示す図である。軌道輪に形成される凹部の他の形態を示す図である。軌道輪に形成される凹部の他の形態を示す図である。軌道輪に形成される凹部の他の形態を示す図である。軌道輪に形成される凹部の他の形態を示す図である。軌道輪に形成される凹部の他の形態を示す図である。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７に示す風力発電機の図解的側面図である。

符号の説明

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、３２ｃ間座、３２ｄ内輪軌道面、３２ｅ小鍔、３２ｆ大鍔、３２ｇぬすみ、３３外輪、３３ａ外輪軌道面、３４円錐ころ、３４ａ転動面、３４ｂ端面、３５保持器、３６，４１，４２，４３，４４，４５，４５ｃ凹部、４１ａ，４３ｂ，４４ｄ，４５ｄ側壁、４１ｂ，４４ｂ，４５ｂ底壁、４２ａ，４３ａ，４４ａ角部、４４ｃ開口部。

Claims

風を受けて回転するブレードと、
前記ブレードの回転に伴って回転する回転軸と、
軌道輪、および前記軌道輪に形成される軸受内部空間に配置される複数の転動体を有し、前記回転軸を支持する転がり軸受とを備え、前記軌道輪の前記軸受内部空間に対面する面には、潤滑剤を保持する凹部が設けられている、風力発電機の回転軸支持構造。
前記凹部は、前記軌道輪の円周方向に延びる油溝である、請求項１に記載の風力発電機の回転軸支持構造。
前記凹部は、最奥部から開口部に向かって大きくなっている、請求項１または２に記載の風力発電機の回転軸支持構造。
前記軌道輪の前記軸受内部空間に対面する面と前記凹部との境界部分の角部は、所定の曲率を有している、請求項１〜３のいずれかに記載の風力発電機の回転軸支持構造。
前記転動体は、円錐ころであり、
前記転がり軸受は、前記円錐ころを保持する複列の軌道面を有する複列円錐ころ軸受であって、
前記軌道輪は、外輪と、複数の内輪部材および前記複数の内輪部材の間に配置される間座を含む内輪とを含み、
前記凹部は、前記外輪、前記内輪部材、および前記間座のうちの少なくとも１つに設けられている、請求項１〜４のいずれかに記載の風力発電機の回転軸支持構造。