CN103958910A - 垂直轴型风车用轴承及垂直轴型风力发电装置 - Google Patents

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Abstract

在将垂直轴型风车的垂直轴支承为能够旋转的轴承中，以满足所需的起动转矩和额定载荷的方式，选定滚珠(7)的直径和滚道槽的曲率。例如，滚道槽曲率为54％以上且100％以下，滚珠直径相对于垂直轴(2)的比率为20％以下。

Description

垂直轴型风车用轴承及垂直轴型风力发电装置
技术领域
本发明涉及垂直轴型风车用轴承及垂直轴型风力发电装置。
本申请基于2011年11月29日在日本提出申请的特愿2011-260317号而主张优先权，并将其内容援引于此。
背景技术
作为利用流体的流动来进行发电的垂直轴型流体发电装置，开发出例如利用风(工作流体)的流动的风力发电装置。这样的垂直轴型风力发电装置具备轴体、多个叶片(风车)、支承体及发电机。
多个叶片绕着轴体的中心轴隔开间隔地排列，且与该轴体连接。支承体经由轴承将轴体支承为能够绕中心轴旋转。发电机将轴体沿周向旋转所得的机械能转换成电能而发电。
例如，在专利文献1记载的风力发电装置中，连结有垂直翼(叶片)的旋转机构(轴体)相对于地面沿着铅垂方向(与水平面垂直的方向)延伸设置。该旋转机构经由一对轴承(球轴承)能够旋转地支承于中间固定轴(支承体)。
【在先技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本特开2006-207374号公报
发明内容
【发明要解决的课题】
然而，在现有的垂直风力发电装置中存在以下课题。轴体设定为确保强度所必需的直径。并且，与该轴体的直径对应而选定例如70XX系等(JISB1512)市场上流通的球轴承。然而，在这样选定的球轴承中，额定载荷过大(超规格)。另外，球轴承的负载容量(额定动载荷或额定静载荷)也大，因此转矩抗力也会增大。因此，轴体的旋转(尤其是低风速域中的旋转)受到阻碍而使发电效率降低，成为效率差的风车。
本发明的目的在于提供一种转矩抗力小，能够使轴体顺畅地旋转来提高发电效率的垂直轴型风车用轴承及垂直轴型风力发电装置。
【用于解决课题的方案】
本发明的垂直轴型风车用轴承的第一实施方式为，垂直轴型风车用轴承是将垂直轴型风车的垂直轴支承为能够旋转的轴承，其中，以满足所需的起动转矩和额定载荷的方式来选定滚珠的直径和滚道槽的曲率。
本发明的垂直轴型风车用轴承的第二实施方式以第一实施方式为基础，所述滚道槽的曲率为54％以上且100％以下。
本发明的垂直轴型风车用轴承的第三实施方式以第一或第二实施方式为基础，所述滚珠的直径相对于所述垂直轴的直径的比率为20％以下。
本发明的垂直轴型风车用轴承的第四实施方式以第一至第三实施方式中的任一方式为基础，在所述垂直轴的外周面形成有所述滚珠的滚道槽。
本发明的垂直轴型风力发电装置的实施方式为，具备：绕着沿垂直方向延伸的中心轴旋转的风车；沿着所述中心轴配置且与所述风车连结的轴体；经由轴承将所述轴体支承为能够绕所述中心轴旋转的支承体；通过所述轴体的旋转而发电的发电机，其中，所述轴承为本发明的第一～第四实施方式中的任一实施方式的垂直轴型风车用轴承。
【发明效果】
根据本发明，能够实现转矩抗力小，可使轴体顺畅地旋转且提高发电效率的垂直轴型风车用轴承及垂直轴型风力发电装置。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式的垂直轴型风力发电装置的外观图。
图2是表示本发明的第一实施方式的垂直轴型风力发电装置的侧剖视图。
图3是表示本发明的第一实施方式的轴承的图。
图4是将用于满足轴承的要求性能的滚道槽曲率与滚珠比的关系曲线图表化而成的图表。
图5是表示本发明的第二实施方式的垂直轴型风力发电装置及轴承的侧剖视图。
具体实施方式
(第一实施方式)
图1是表示第一实施方式的垂直轴型风力发电装置10的外观图。图2是表示垂直轴型风力发电装置10的侧剖视图。
如图1、图2所示，垂直轴型风力发电装置(垂直轴型流体发电装置)10具有承受风(工作流体)W而进行旋转的旋转机构10A、将由旋转机构10A得到的机械能转换成电能的发电机构10B。
旋转机构10A具备承受风W的风车1、与风车1连结的旋转轴(轴体)2、及经由轴承3将旋转轴2支承为能够绕中心轴C旋转的壳体(支承体)4。
发电机构10B具备将旋转轴2沿周向(绕中心轴C)旋转所得的机械能转换成电能而发电的发电机5。
上述的旋转机构10A及发电机构10B配设于在地面F上竖立设置且沿铅垂方向延伸的塔架(支柱)6的上部。
风车1是所谓的gyro-mill型风车。风车1具有多个形成为矩形板状或带板状且沿铅垂方向延伸的叶片1A。多个叶片1A绕旋转轴2的中心轴C在周向上均等地隔开间隔而配设。多个叶片1A经由对它们进行支承的多个臂1B而与旋转轴2连结。
叶片1A形成为承受风W时产生升力的形状。通过该升力，使风车1绕旋转轴2的中心轴C旋转。
风车1对风向没有依赖性。风车1设定成相对于来自任意方向的风W都能绕旋转轴2的中心轴C旋转。
如图2所示，与风车1(叶片1A)连结的旋转轴2以中心轴C垂直于地面F的方式沿着铅垂方向延伸配设。旋转轴2经由轴承3能够旋转地轴支承于壳体4。
在旋转轴2的外周面上连接呈矩形板状或带板状的臂1B的第一端。臂1B朝向径向外方突出设置有多个。这些臂1B在旋转轴2的周向上均等地隔开间隔而配设。并且，在臂1B的第二端连结有叶片1A。相对于一个叶片1A而言，一对臂1B在中心轴C方向上分离而平行地设置。
旋转轴2通过在其中央部附近和下端部附近设置轴承3，由此能够旋转地支承于壳体4。轴承3具备在旋转轴2的中心轴C方向上彼此分离的径向轴承13及多列角接触轴承14A、14B。
径向轴承13配设在旋转轴2上的中心轴C方向的发电机5侧的端部。径向轴承13的内圈15固定设置在旋转轴2的下端侧。
多列角接触轴承14A、14B配设在旋转轴2上的中心轴C方向的风车1侧。多列角接触轴承14A、14B的内圈17、17固定设置在旋转轴2的中央部。
壳体4通过风车1侧(第一端侧)的上侧部分4A比与风车1侧相反的塔架6侧(第二端侧)的下侧部分4B缩径而形成为多级筒形。壳体4的下侧部分4B的下端部连结于塔架6的上端部。
在壳体4的上侧部分4A的内周面的上端侧固定设置有角接触轴承14A、14B的外圈18、18。在壳体4的上侧部分4A的内周面的下端侧固定设置有径向轴承13的外圈16。
轴承3的径向轴承13和角接触轴承14A、14B具有同一直径的多个滚珠7。
径向轴承13和角接触轴承14A、14B的上下位置可以设定成与上述相反。可以是，径向轴承13配设在旋转轴2的风车1侧，角接触轴承14A、14B配设在旋转轴2的发电机5侧。
角接触轴承14A、14B彼此可以是背面对合以外的正面对合或并列对合。
在壳体4的下侧部分4B的内部收容有发电机5或控制部(未图示)等。
发电机5将通过旋转轴2的旋转所得的旋转力(机械能)转换成电能而发电。发电机5具备：连结于旋转轴2的下端且与旋转轴2一起旋转的磁铁转子8；以包围磁铁转子8的外周侧的方式配设的线圈定子9。
当风车1承受风W而使旋转轴2绕中心轴C旋转时，与旋转轴2连结的磁铁转子8也绕中心轴C旋转。磁铁转子8在与风车1及旋转轴2相同的轴(中心轴C)上旋转。
通过磁铁转子8相对于线圈定子9绕中心轴C旋转，由此在磁铁转子8与线圈定子9之间产生电磁感应，从而发电。
对轴支承旋转轴2的轴承3的要求性能详细地进行说明。
图3是表示第一实施方式的轴承3的图。
要求垂直轴型风力发电装置10的旋转轴2高效且轻快地旋转。要求旋转轴2所使用的轴承3以即使在风车1承受微弱风速的风W的情况下，也使旋转轴2旋转的方式对旋转轴2进行轴支承。因此，就轴承3(径向轴承13、角接触轴承14A、14B)而言，起动转矩及旋转转矩需要极小。
另一方面，对旋转轴2进行轴支承的轴承3长期受到变动大的外力(风车1所承受的风W)，因此需要具有满足充分的静负载容量(基本额定静载荷)和动负载容量(基本额定动载荷)的性能。
因而，需要轴承3具有充分的额定载荷且旋转转矩小。
已知轴承3的规格(性能)中，决定旋转转矩、额定载荷(基本额定静载荷·基本额定动载荷)的形状参数有以下的四项。
(1)滚珠直径Dw
(2)滚道槽曲率α(α＝R/Dw、滚道槽半径R)
(3)滚珠节圆直径Dpw
(4)滚珠数z
通常已知的是，若增大(1)、(3)、(4)的数值，则旋转转矩及额定载荷也会变大。另一方面，若增大(2)的数值，则旋转转矩及额定载荷会变小。
因此，这四个参数的平衡是重要的。
基于风车1所承受的最大风力等条件(使用条件)，旋转轴2的直径d1被大致必然地确定(必要最小限度的直径以上)。轴承3的内径d由于与旋转轴2的直径d1相同，因此被大致必然地确定。
若确定轴承3的内径d，则(3)滚珠节圆直径Dpw可以通过确定(1)滚珠直径Dw来导出。
(4)滚珠数z可以通过确定(1)滚珠直径Dw和(3)滚珠节圆直径Dpw来导出。这是因为，能够配置在轨道上的滚珠B的最大数目在物理上是确定的。若减少滚珠数z，则每一个滚珠B的负载会变大而使可靠性降低，因此不现实。
这样，可以理解成，在要为风车1的旋转轴2设计(采用)最佳的轴承3的情况下，(1)滚珠直径Dw和(2)滚道槽曲率α这两个参数成为重要的参数。
因而，为了使轴承3具有充分的负载容量及低旋转转矩，轴承3需要满足以下的条件。
(条件1)减小滚珠直径Dw。
(条件2)增大滚道槽曲率α。
为了设计(采用)满足上述条件的轴承3，进行如下的流程。
首先，基于风车1的规格(使用条件)，求解对旋转轴2进行轴支承的轴承3所要求的性能。求解轴承3所要求的额定载荷(基本额定动载荷·基本额定静载荷)及起动转矩。
接着，求解能够分别满足求出的要求性能(基本额定动载荷、基本额定静载荷及起动转矩)的关系曲线。即，求解(1)滚珠直径Dw与(2)滚道槽曲率α的关系(关系曲线)。
图4是将用于满足轴承3的要求性能的滚珠比β与滚道槽曲率α的关系曲线图表化而成的图表。在图4中，示出风车1的受风面积为9m2的情况。风条件为IEC61400-2classIV。
在IEC61400-2下，将受风面积小于2m2～200m2的风车称作小型风车。
在图4中，纵轴表示滚珠比β，横轴表示滚道槽曲率α。纵轴并不表示(1)滚珠直径Dw本身，而是表示滚珠直径Dw相对于旋转轴2的直径d1的比率(滚珠比β)。旋转轴2的直径d1并没有限定为要设计成必要最小限度的尺寸，因此使用滚珠比β。
滚珠比β＝Dw/d(滚珠直径Dw、旋转轴直径d)
如上所述，轴承3需要满足额定载荷和起动转矩。轴承3需要满足基本额定动载荷及基本额定静载荷中的至少一方，进而需要满足起动转矩。更优选的是，期望轴承3同时满足基本额定动载荷、基本额定静载荷及起动转矩。
在图4所示的情况下，可以理解为只要(1)滚珠直径Dw和(2)滚道槽曲率α标示在区域I、区域II及区域III，则轴承3就适于作为垂直轴型风力发电装置10的旋转轴2所使用的轴承。
而且，对轴承3而言，(1)滚珠直径Dw和(2)滚道槽曲率α标示在区域I的话最佳。(1)滚珠直径Dw约为20％以下。优选(1)滚珠直径Dw为10％～15％。(2)滚道槽曲率α为54％～100％。优选(2)滚道槽曲率α为55％～65％。
例如，作为轴承3，采用(设计)滚道槽曲率α＝60％且滚珠比β＝12％的轴承为好。
在滚珠直径Dw超过20％的情况下，难以同时满足额定载荷和起动转矩。若相对于旋转轴2的直径而言滚珠直径Dw变得过大，则能够配置于轴承3的滚珠7的数目会变少，每一个滚珠7的负载变得过大，因此不现实。
通常，直径过小的滚珠或直径大的滚珠(尤其是直径为1英寸以上)的市场性低，会导致成本增加。因此，滚珠直径Dw为20％以下是适宜的。
在滚珠直径Dw小于10％的情况下，难以同时满足额定载荷和起动转矩。因此，滚珠直径Dw为10％以上是适宜的。
在滚道槽曲率α小于54％的情况下，与滚珠直径Dw为10％以下的情况相同地，难以同时满足额定载荷和起动转矩。因此，滚道槽曲率α为54％以上是适宜的。
在滚道槽曲率α超过100％的情况下，与滚珠直径Dw超过20％的情况同样，难以同时满足额定载荷和起动转矩。因此，滚道槽曲率α为100％以下是适宜的。
如以上所说明的那样，在第一实施方式的垂直轴型风力发电装置10中，轴承3由于(i)滚珠直径Dw小且(ii)滚道槽曲率α大，因此具有充分的额定载荷，另一方面旋转转矩小。因而，即使在风车1受到微弱的风速的风W的情况下，也能够支承旋转轴2旋转。
另外，风车1能够长期承受变动大的外力(风车1所承受的风W)。因此，垂直轴型风力发电装置10能够以高效率发电。
(第二实施方式)
图5是表示第二实施方式的垂直轴型风力发电装置20及轴承23的侧剖视图。
对第一实施方式的垂直轴型风力发电装置10及轴承3的不同点进行说明，对于与垂直轴型风力发电装置10及轴承3相同的构件等省略说明。
垂直轴型风力发电装置20的旋转轴22由轴承23轴支承。轴承23具备上述的径向轴承13、角接触轴承24A、24B。
在与风车1连结的旋转轴22中，在设置多列角接触轴承24A、24B的部分形成有供多个滚珠7滚动的滚道槽33。角接触轴承24A、24B仅具有外圈28，没有内圈。因此，在旋转轴22的外周面形成有供滚珠7滚动的滚道槽33。
滚道槽33在旋转轴22的外周面上形成为沿着周向延伸的环状。滚道槽33形成为朝向中心轴C侧凹陷的半圆形状。
径向轴承13和角接触轴承24A、24B的上下位置可以设定成与上述方式相反。可以是，径向轴承13配设在旋转轴2的风车1侧，角接触轴承24A、24B配设在旋转轴2的发电机5侧。
角接触轴承24A、24B彼此可以是背面对合以外的正面对合或并列对合。
对旋转轴22进行轴支承的轴承23的要求性能与轴承3相同。因而，为了设计(采用)满足上述条件的轴承23，进行与轴承3的设计(采用)相同的流程即可。
然而，在径向轴承13和角接触轴承24A、24B中，由于半径d、滚珠直径Dw、滚道槽半径R、滚珠节圆直径Dpw、滚珠数z的值不同，因此需要分别独立地设计(采用)。例如，角接触轴承24A、24B的半径d不是旋转轴22的直径d1，而是形成有滚道槽33的部位的直径d2。
在第二实施方式的垂直轴型风力发电装置20中，轴承23由于(i)滚珠直径Dw小且(ii)滚道槽曲率α大，因此具有充分的额定载荷，另一方面，旋转转矩小。因而，即使在风车1受到微弱的风速的风W的情况下，也能够支承旋转轴22旋转。另外，风车1能够长期承受变动大的外力(风车1所承受的风W)。因此，垂直轴型风力发电装置20能够以高效率发电。
上述的实施方式所示的各结构构件的各种形状或组合等仅是一例，可以在不脱离本发明的主旨的范围内根据设计要求等进行各种变更。
可以是，在径向轴承不具有内圈，而在旋转轴22上形成有滚道槽。
可以是，径向轴承和角接触轴承仅具有内圈而不具有外圈，在壳体4(上侧部分4A)的内周面形成有滚道槽。
旋转轴2、22不局限于一体结构，可以通过连结多个轴构件而构成。
一对臂1B可以在中心轴C方向上分离但不平行。
轴承3、23的径向轴承13和角接触轴承14A、14B、24A、24B的滚珠直径可以彼此同径或不同径。
【符号说明】
1…风车
2…旋转轴(轴体)
3…轴承(垂直轴型风车用轴承)
4…壳体(支承体)
5…发电机
7…滚珠
10…垂直轴型风力发电装置
13…径向轴承
14A、14B…角接触轴承
20…垂直轴型风力发电装置
22…旋转轴(轴体)
23…轴承(垂直轴型风车用轴承)
24A、24B…角接触轴承
33…滚道槽
C…中心轴

Claims (5)

1.一种垂直轴型风车用轴承，其是将垂直轴型风车的垂直轴支承为能够旋转的轴承，其中，
以满足所需的起动转矩和额定载荷的方式来选定滚珠的直径和滚道槽的曲率。
2.根据权利要求1所述的垂直轴型风车用轴承，其中，
所述滚道槽的曲率为54％以上且100％以下。
3.根据权利要求1或2所述的垂直轴型风车用轴承，其中，
所述滚珠的直径相对于所述垂直轴的直径的比率为20％以下。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的垂直轴型风车用轴承，其中，
在所述垂直轴的外周面形成有所述滚珠的滚道槽。
5.一种垂直轴型风力发电装置，其具备：
绕着沿垂直方向延伸的中心轴旋转的风车；
沿着所述中心轴配置且与所述风车连结的轴体；
经由轴承将所述轴体支承为能够绕所述中心轴旋转的支承体；
通过所述轴体的旋转而发电的发电机，其中，
所述轴承为权利要求1～4中任一项所述的垂直轴型风车用轴承。
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