CN101715520A - 轴承结构及风力发电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种轴承结构及风力发电装置。在该轴承结构中，降低密封环(20)与接触面之间的相对滑动速度，并且抑制由内外轮(11，12)的温度差造成的相对变形。在该轴承结构中，滚动体(14)被设置在形成于外轮(11)和内轮(12)之间的空间部(16)内，外轮(11)或内轮(12)经由滚动体(14)进行相对转动，并且，滚动体(14)表面和空间部(16)内表面的滑动部通过供给到空间部(16)内的润滑剂来冷却，空间部(16)的轴向端部开口由密封环(20)来堵塞，该密封环(20)安装在保持滚动体(14)的保持器(13)上。

Description

轴承结构及风力发电装置
技术领域
本发明涉及一种轴承结构及风力发电装置。
背景技术
风力发电装置是具有风车翼的旋转头受到风力而旋转，并利用该旋转力驱动发电机，从而进行发电的装置。在这种风力发电装置中，作为支承旋转头的旋转的主轴承，采用能够由一个轴承支承转矩的双列圆锥滚子轴承等。另外，向滑动部供给润滑剂，以使轴承的外轮或内轮以及保持于外轮和内轮之间的滚柱(コロ)等滑动部滑动地动作或者不发热。为了防止因该润滑剂从轴承泄漏而造成滑动部的动作不良或者因发热而引起的轴承破损等而设置有密封部件。
密封部件固定于外轮或内轮中的一个上，与未固定的另一个接触并密封润滑剂。该接触部成为密封部件的滑动部。
在如双列圆锥滚子轴承那样的轴承结构中，由于轴承口径变大，因此存在滑动部的圆周速变大而增加因摩擦产生的发热量的倾向。
图6所示的轴承10在外轮11和内轮12之间具有由保持器13保持的滚动体14。作为滚动体14，采用例如球体或滚柱等滚子(ベアリング)。
在图示的结构例中使用滚柱的滚动体14。一对该滚动体14在轴向上配置成大致倒“ハ”字形，在配置成这样的大致倒“ハ”字形的状态下，多个滚动体14排列在整个周向上。
另外，图中的附图标记15为保持轴承10的密封件17的壳体。
在这样构成的现有的轴承结构中，由于摩擦在滚动体14与外轮11及内轮12接触的滑动面发热。例如，因设于内轮12上的轴环部而发热。因此，配置有滚动体14的空间部(润滑剂供给区域)16接受润滑剂的供给而被冷却。
另外，将配置有滚动体14的空间部16内的润滑剂密封的结构被设置于以下两者的任一方上，即在轴承10的外轮11与内轮12之间(空隙19)，或者在轴承10的壳体15与轴(未图示)之间。
图示的构成例为外轮11固定而内轮旋转的结构，具体构成为：作为密封部件安装于固定侧的外轮11的唇形密封件17，与内轮12侧的滑动面12a相接而密封形成于轴向端部的空间部16的端部(空隙19)。另外，图中的附图标记18为固定在内轮12上的密封部件的按压板。
作为与上述轴承结构相关的现有技术，可知有例如专利文献1所记载的技术。在该专利文献1中提出以下密封装置，即在板金护圈及具有唇形密封件的板金护圈密封件等中，通过将护圈及唇形密封件的嵌合面设定成护圈的外周部且唇形密封件的内周部，从而能够只更换唇形密封件。
另外，除如唇形密封件那样的接触密封部件以外，还可知例如曲路密封件那样的非接触型密封件。
专利文献1：(日本)特开2003-343739号公报
在上述现有的轴承结构中，为了安装例如唇形密封件17那样的密封部件来堵塞空隙19，需要施工有沟槽或安装部的环部件或密封件的按压板18等附属物。因此，被指出存在因部件数量增加而结构变得复杂，并且在制造上也需要花费大量工时等问题。
另外，由于与密封件接触的面被限制在旋转侧或固定侧的任一侧，因此，由旋转侧的速度确定的相对速度差变大，并且由摩擦产生的发热量增大。因此，在轴承10中，由于外轮11和内轮12之间的温度差变大而增加由温度差造成的相对变形，因此变得难以管理滚动体14与外轮11及内轮12的空隙及预压。
而且，在如双列圆锥滚子轴承那样的轴承结构中，由于存在因前述摩擦产生的发热量的影响而使润滑剂温度升高的问题，因此不仅限制了能够使用的润滑剂种类，而且存在以下倾向，即需要用于冷却温度升高的润滑剂的冷却装置等，并且轴承结构的运转所需的附带设备的规模也变大。
发明内容
本发明鉴于上述问题而做出，其目的在于提供一种降低密封部件与接触面之间的相对滑动速度，并且抑制由内外轮的温度差造成的相对变形的轴承结构。本发明的另一个目的在于提供一种采用这样的轴承结构作为主轴承的风力发电装置。
在本发明中为了解决上述问题采用了以下手段。
在本发明的轴承结构中，将滚动体设置在形成于外轮和内轮之间的空间内，所述外轮或所述内轮经由所述滚动体进行相对转动，并且，所述滚动体表面和所述空间部内表面之间的滑动部通过供给到所述空间内的润滑剂来润滑，所述空间的轴向端部开口由密封部件来堵塞，该密封部件安装在保持所述滚动体的所述保持器上。
根据这样的轴承结构，由于保持滚动体的保持器相对轴承的旋转侧以大致二分之一的速度进行旋转，因此安装于保持器的密封部件与外轮及内轮的滑动面之间的相对滑动速度，与轴承的固定侧及旋转侧产生的相对速度相比，减小到大致二分之一的程度。
在上述发明中，所述滚动体表面和所述空间部内表面之间的滑动部优选通过供给到所述空间内的润滑剂来润滑并冷却。
在这种情况下，关于将密封部件安装于保持器的结构，除了利用嵌合、黏接以及螺栓等固定以外，也可以相对保持器可相对滑动地嵌合密封部件。
另外，关于堵塞空间的轴向端部的密封部件接触的对象侧(接触面)的部件，除外轮及内轮以外，也可以是与外轮连接的壳体部件或者与内轮连接的轴部件等。
在本发明的风力发电装置中，与具有风车翼的旋转头一同旋转的轴部是在形成于外轮和内轮之间的空间内设置滚动体，并且所述外轮或所述内轮经由所述滚动体进行相对转动的轴承结构，该轴部由具有如下轴承结构的主轴承来支承，即所述滚动体表面和所述空间部内表面之间的滑动部通过供给到所述空间内的润滑剂来润滑，所述空间的轴向端部开口由密封部件来堵塞，该密封部件安装在保持所述滚动体的所述保持器上。
在这种情况下的轴承结构中，所述滚动体表面和所述空间部内表面之间的滑动部优选通过供给到所述空间内的润滑剂来润滑并冷却。
根据这种风力发电装置，支承与旋转头一同旋转的轴部的主轴承，能够使与密封部件接触并堵塞空间的轴向端部的接触面的相对滑动速度降低到大约一半。
根据上述本发明的轴承结构，能够降低密封部件与密封部件接触并密封的对象侧部件的接触面之间产生的旋转时的相对滑动速度，其中密封部件用来堵塞供给润滑剂的空间的轴向端部。因此，由于减少在滑动面产生的摩擦热等发热量，能够抑制由外轮及内轮的温度差造成的相对变形，并且容易管理轴承结构中的部件间的空隙及预压。
其结果，不需要冷却用于免受由内外轮温度差造成的相对变形等的影响而必需的冷却装置。因此，能够实现轴承结构的简化、小型化及低成本化，并且得到有助于提高可靠性及耐久性的显著效果。
另外，在采用具有上述轴承结构的轴承的风力发电装置等的装置中，由于也能够实现轴承结构的简化、小型化及低成本化，因此作为装置整体也能够实现结构的简化、小型化及低成本化，并且得到有助于提高可靠性及耐久性的显著效果。
附图说明
图1是表示作为本发明的轴承结构的一实施方式的多列圆锥滚子轴承的结构例的重要部分的剖面图；
图2是表示作为主轴承采用本发明的轴承结构的风力发电装置的概要的侧视图；
图3是表示在图2所示的风力发电装置中主轴承的外侧轮与旋转头一同旋转的轴承结构的结构例的剖面图；
图4是表示在图2所示的风力发电装置中主轴承的内侧轮与旋转头一同旋转的轴承结构的结构例的剖面图；
图5是表示作为本发明的轴承结构的其他实施方式的三滚子轴承的结构例的重要部分的剖面图；
图6是表示作为现有轴承结构例的多列圆锥滚子轴承的重要部分的剖面图。
附图标记说明
1风力发电装置
3机舱
4旋转头
5叶片(风车旋转翼)
10，10A轴承
11，51外轮
12，52内轮
13，53保持器
14，54滚动体
16，55空间部(润滑剂供给区域)
17，21，61唇形密封件
20，60密封环
50三滚子轴承
具体实施方式
下面，基于附图说明本发明的轴承结构及风力发电装置的一实施方式。
图2所示的风力发电装置1具有：竖直设置在基座6上的支柱2、设置在支柱2的上端的机舱3以及设置在机舱3上并可绕大致水平的轴线旋转的旋转头4。
在旋转头4上设有绕其旋转轴线呈放射状的多枚叶片(风车旋转翼)5。由此，如果叶片(风车旋转翼)5受到来自从旋转头4的旋转轴线方向的风力，则转换成使旋转头4绕旋转轴线旋转的动力，并利用此动力驱动设置于机舱3内的发电机而可进行发电。
图3表示在风力发电装置1的机舱3外设置于旋转头侧的动力传动系统30的结构例，在这种情况下，未设有使旋转头的旋转增速的增速器。在该动力传动系统30中，主轴承10A支承具有叶片(风车旋转翼)5的旋转头4的旋转。这种情况下的旋转头4与主轴承10A的外轮11一同旋转。
在图示的动力传动系统30中，发电机31的转子32与旋转头4一体旋转。由于在发电机31中定子设置在转子32的外周侧，因此根据电磁感应法则能够进行发电。
定子33安装于发电机轴35的前端，该发电机轴35经由双级弹性联轴器34安装于机舱3。转子32通过设置在发电机轴35的外周面上的轴承36进行旋转。
图1所示的轴承10A具有通过保持器13保持在外轮11和内轮12之间的滚动体14。在图示的结构例中，作为滚动体14采用滚柱的滚子，该子被收纳并设置在形成于外轮11和内轮12之间的空间部16。一对滚动体14在轴向上配置成大致倒“ハ”字形，在配置成这样的大致倒“ハ”字形的状态下，多个滚动体14排列在轴承10A的整个周向上。
在外轮11和内轮12之间，直径与滚动体14大致相等的空隙19朝向空间16的轴向端部开口。该空隙19遍布轴承10A的全周并存在于轴向的两端部。
由于上述的空间部16内表面因滚动体14与该内表面接触并滑动，因此摩擦生热而温度上升。为防止这种温度上升，设有滚动体14的空间部16接受润滑剂的供给被冷却。即，在设有滚动体14的空间部16，接有设置了未图示的润滑油供给源的润滑剂循环系统。该润滑油循环系统是如下构成的封闭回路的润滑剂循环通路，即从润滑油供给源向空间部16的内部供给润滑剂，并且将流经空间部16内所需部位的冷却后的润滑剂回收至润滑剂供给源。
在接受润滑剂供给的空间部16中，为了使润滑剂可靠地进行循环，形成于轴向的两端部的空隙19通过密封环20来堵塞。该密封环20为由橡胶等成形并在两端部设置唇形密封件21的密封部件。密封件20可以是整体的环状，或者根据需要将分离的部件通过黏接等一体化后安装。
上述的密封件20安装在作为保持滚动体14的部件的保持器13上。在图示的结构例中，采用了如下嵌合结构，即在保持器13的一端部侧设置卡止突起13a，其构成为可嵌入在设置于具有弹性的密封环20侧的卡合凹部22，从而通过单次操作能够使密封环20卡合。
在上述的密封环20中，唇形密封件21在规定的安装状态下与外轮11及内轮12贴紧，从而堵塞空隙19。其结果，接受润滑剂的供给的空间部16成为密闭空间，能够防止润滑剂从包含空间部16的润滑剂循环系统泄漏。
另外，具有上述结构的密封环20安装在保持器13上。由于保持器13相对轴承10A的旋转侧以大致二分之一的旋转速度旋转，因此，安装于保持器13的密封环20的唇形密封件21与外轮及内轮的滑动面之间的相对滑动速度，与产生于轴承10A的固定侧及旋转侧的相对旋转速度相比，减小至大致二分之一的程度。
这样，如果唇形密封件21的相对滑动速度减小，不仅减少由摩擦产生的磨损量，而且减少由摩擦产生的发热量。即，与保持器13一体旋转的唇形密封件21的、在成为旋转侧的外轮11的滑动面之间产生的相对滑动速度，与在成为固定侧的内轮12的滑动面之间产生的相对滑动速度大致相等，因此，外轮11侧及内轮12侧产生的发热量也大致相等，所以能够抑制由内外轮温度差造成的相对温度差。
如果这样抑制部件间的相对温度差，则容易进行构成轴承10A的各部件间的空隙及预压的管理。其结果，可以不需要冷却用于免受由内外轮的温度差产生的影响而必需的润滑剂等的冷却装置。即，由于通过减少滑动部的发热量，减少润滑剂冷却所吸收的热量，因此就不需要通过与外界空气等进行热交换来冷却润滑剂的冷却装置。
但是，在上述的轴承10A中，密封环20的安装并不限于图1所示的嵌合结构。
作为其他能够使用于密封环20的安装结构，也可以采用使用黏接剂固定于保持器13的黏合结构，或者使用螺钉等机械地固定于保持器的固定结构等。
安装于保持器13的密封环20并不限于如上述所述的固定于保持器13的结构，也可以将密封环20安装成相对保持器13能够相对滑动。
密封环20的唇形密封件21接触并密封的滑动面，优选使唇形密封件21直接与外轮11及内轮12的两面接触的结构。但是，如果能够堵塞空间部16的空隙19，也可以选择例如使唇形密封件21一侧接触在与内轮12连接的轴部的结构，或者使唇形密封件21一侧接触在与外轮11连接的壳体等部件的结构。
在图4中，作为轴承10A的内轮12旋转的结构例，表示有在风力发电装置1的机舱3外设于旋转头侧的动力传动装置30A的结构例。图示的动力传动装置30A具有使旋转头4的旋转增速的增速器40，以增速后的转速驱动发电机31A而进行发电。另外，在图示的结构例中，轴承10A的内轮12侧与旋转头4一同旋转。在与上述的图3相同的部分赋予相同的附图标记，并省略其详细说明。
动力传动系统30A是采用了星形单级增速器40的系统。该动力传动系统30A在具有双级弹性联轴器34的发电机轴35的前端支承有行星齿轮41，而且在前端部侧安装有定子33。另一方面，转子32与能够旋转地支承于定子33后端面的恒星齿轮42进行同轴连接。
另外，通过壳体43与旋转头4一体旋转，壳体43的啮轮部44、行星齿轮41及恒星齿轮42啮合，因此根据啮合比，从旋转头4的转速增速旋转转子32。即，在这种情况下的发电机31A中，由于与恒星齿轮42一同旋转的转子32，在定子33的内侧大致同轴地旋转，因此根据电磁感应法则能够进行发电。
在图5中表示将本发明适用于三滚子轴承50的结构例。
在图示的三滚子轴承50中，被保持器53保持的滚动体54设置在外轮51和内轮52之间。这种情况下的滚动体54在剖面形状中使用三个滚子，包括朝向轴向配置的一个滚子和朝向周方向配置的两个滚子。
三个滚动体54收纳于在外轮51和内轮52之间形成的空间部55内，并且在保持器53上安装有密封环60，以使堵塞形成于该空间55的轴向两端部的空隙19A。
密封环60具有与外轮51及内轮52的滑动面贴紧并密封的唇形密封件61。
将密封环60安装于保持器53的结构，采用了与上述图1相同的结构，即在保持器53的一端部侧设置卡止突起53a并嵌入密封环60的嵌合结构，但是该结构并不限于此。
即使作为具有这种结构的三滚子轴承50，在规定的安装状态下，唇形密封件61贴紧于外轮51及内轮52，从而堵塞空隙19A。因此，接受润滑剂的供给的空间部55成为密闭空间，从而能够防止润滑剂从包含空间部55的润滑剂循环系统泄漏。
另外，具有上述结构的密封环60安装于保持器53。由于保持器53相对三滚子轴承50的旋转侧以大致二分之一的旋转速度旋转，因此安装于保持器53的密封环60的唇形密封件61和外轮51及内轮52的滑动面之间的相对滑动速度，与三滚子轴承50的固定侧及旋转侧产生的相对旋转速度相比，减小到大致二分之一的程度。
这样，根据上述本发明的轴承结构，能够降低密封部件20，60与密封部件20，60接触并密封的对象侧部件的接触面之间产生的旋转时的相对滑动速度，该密封件20，60用来堵塞供给润滑剂的空间部16，55的轴向端部。因此，减少在滑动面产生的摩擦热等发热量，所以能够抑制由外轮11，51及内轮12，52的温度差造成的相对变形，并且容易管理轴承结构中的部件间的空隙及预压。
因此，可以不需要用来冷却为了免受因内外轮温度差造成的影响而必需的润滑剂等的冷却装置。因此，能够实现轴承结构的简化、小型化及低成本化，而且，也能够提高轴承结构的可靠性及耐久性。
另外，由于采用了具有上述轴承结构的轴承的风力发电装置，能够实现轴承结构的简化、小型化及低成本化，因此作为装置整体也能够实现结构的简化、小型化及低成本化。
关于适用上述本发明的轴承的种类，并无特别限定，但是，如果适用于在风力发电装置1中使用的双列圆锥滚子轴承，则在减少部件等效果上尤为显著。
另外，本发明并不局限于上述实施方式，在不脱离本发明主旨的范围内可进行适当的变更，例如对与增速器的构成或发电机的构成等相关的组合进行变更，或者对与轴承及联轴器相关的组合进行变更等。

Claims (3)

1.一种轴承结构，在形成于外轮和内轮之间的空间内设置滚动体，所述外轮或所述内轮经由所述滚动体进行相对转动，该轴承结构的特征在于：
所述滚动体表面和所述空间部内表面之间的滑动部通过供给到所述空间内的润滑剂来润滑，
所述空间的轴向端部开口由密封部件来堵塞，该密封部件安装在保持所述滚动体的保持器上。
2.如权利要求1所述的轴承结构，其特征在于：
所述滚动体表面和所述空间部内表面的滑动部通过供给到所述空间内的润滑剂来润滑并冷却。
3.一种风力发电装置，其特征在于：
与具有风车翼的旋转头一同旋转的轴部，由具有权利要求1或2所述的轴承结构的主轴承来支承。
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