JP2005337267A - 風車用旋回輪軸受構造 - Google Patents

Abstract

【課題】旋回輪軸受の複列化と面圧均等化の同時実現。
【解決手段】本体（１：ロータヘッド）に支持され複数の可変ピッチ翼をそれぞれに旋回自在に支持する複数の旋回輪軸受（３）とから構成されている。旋回輪軸受（３）は、内輪（５）、外輪（４）、第１転動体列（６）、第２転動体列（７）とから形成されている。第１転動体列（６）が受ける第１荷重分布は、円周方向位置に対応する第１転動体番号の第１分布関数として表され、第２転動体列（７）が受ける第２荷重分布は、第２転動体列の円周方向位置に対応する第２転動体番号の第２分布関数として表される。旋回輪軸受（３）は、第１荷重分布と第２荷重分布との荷重差分布を積極的に小さくする荷重分配構造を有する。結果的に、両列間の荷重差分布は円周方向位置の関数として表される。転動体荷重は均等化され、結果として、面圧差分布が平坦化される。
【選択図】 図４

Description

本発明は、風車用旋回輪軸受構造に関し、特に、複列化される風車用旋回輪軸受構造に関する。

地球環境の保全のために、環境に対する負荷が小さい自然エネルギーの利用が望まれている。自然エネルギーとして風力エネルギーが有望である。風車発電機は、風力エネルギーを電力に変換する回転機械である。風車発電機は、図１７に示されるように、支持塔と、支持塔の一部である旋回軸１０１に旋回自在に支持される風車基体１０２と、風車基体１０２に回転自在に支持される翼車基体（ロータヘッド）１０３とから構成されている。複数翼（例示：３枚翼）１０４Ａ，１０４Ｂ，１０４Ｃは、それぞれに、ロータヘッド１０３に旋回輪軸受１０５Ａ，１０５Ｂ，１０５Ｃを介してロータヘッド１０３に旋回自在に（ピッチ可変自在に）支持されている。旋回輪軸受１０５Ｂは、図１８に示されるように、非旋回側（ロータヘッド側）の外輪１０６と旋回側（翼側）の内輪１０７とで形成されている。外輪１０６と内輪１０７との間には、環状の転動体列１０８が介設されている。転動体列１０８の要素（転動体）は、概球面の転がり玉又は概円筒面（鼓面）の転がりローラとして形状化されている。

図１７に示される３枚翼の１つ１０４Ｂを支持する旋回輪軸受１０５Ｂには、軸線ＸＢに向く外力Ｆｘｂと、軸線ＸＢのまわりの回転モーメントＭｘｂと、軸線ＹＢに向く外力Ｆｙｂと、軸線ＹＢのまわりの回転モーメントＭｙｂと、ロータヘッド１０３の回転軸心線に直交して交叉する放射線ＺＢに向く外力Ｆｚｂと、放射線ＺＢのまわりの回転モーメントＭｚｂとが作用する。このような２様の３次元の力は、外輪１０６と内輪１０７と転動体列１０８の多数の転動体に対して面圧を生成する。そのような面圧は、外輪１０６と内輪１０７と転動体列１０８に変形力として作用する。そのような変形力は、同一円周上に配列される多数の転動体の玉番号に対応する円周方向位置の分布関数として表され、転動体が受ける球荷重又はその位置の面圧は、一定でなく大きく変動している。このような変形力は、旋回輪軸受１０５−Ａ，Ｂ，Ｃに生成される不適正な摩擦の原因として現れ、旋回輪軸受の寿命を短期化する。

単列旋回輪軸受を複列旋回輪軸受（例示：２列）に変更することにより、そのような不適正変形を適切に最小化することが期待される。複列の転動体列を持つ複列旋回輪軸受では、複列の転動体列に対応して外輪と内輪とが分担する荷重が適正分配（例示：荷重等配）されることが必要である。荷重等配は、複列旋回輪軸受が高剛性であり、又は、各転動体列に対応する全剛性（軸受剛性＋支持剛性）が等しいことにより実現される。各転動体列に対応する全剛性が等しくなければ、より多く荷重を支持する列の軸受部位の面圧が高くなって、当該部位の早期損傷を招くことになる。

単列旋回輪軸受を複列旋回輪軸受（例示：２列）に変更することが求められる。その場合に、複列化が不適正荷重分配を招かないことが重要である。

特開平７−３１０６５４号

本発明の課題は、旋回輪軸受の複列化と面圧均等化（玉荷重の均等化）を同時に実現する風車用旋回輪軸受構造を提供することにある。
本発明の他の課題は、旋回輪軸受を複列化し、且つ、適正荷重分配を荷重等配とすることにより、面圧均等化を実現する風車用旋回輪軸受構造を提供することにある。
本発明の更に他の課題は、旋回輪軸受を複列化し、荷重不等配の場合に面圧均等化を実現する風車用旋回輪軸受構造を提供することにある。

本発明による風車用旋回輪軸受構造は、本体（１：ロータヘッド）と、本体（１）に支持され複数の可変ピッチ翼をそれぞれに旋回自在に支持する複数の旋回輪軸受（３）とから構成されている。旋回輪軸受（３）は、内輪（５）と、外輪（４）と、内輪（５）と外輪（４）の間に介設される第１転動体列（６）と、内輪（５）と外輪（４）の間に介設される第２転動体列（７）とから形成されている。第１転動体列（６）と第２転動体列（７）は互いに旋回軸方向に並んで複列化されている。第１転動体列（６）が受ける第１荷重分布は、第１転動体列（６）の円周方向位置に対応する第１転動体番号の第１分布関数（図９）として表され、第２転動体列（７）が受ける第２荷重分布は、第２転動体列の円周方向位置に対応する第２転動体番号の第２分布関数（図１０）として表される。旋回輪軸受（３）は、第１荷重分布と第２荷重分布との荷重差分布を積極的に小さくする荷重分配構造を有する。第３転動体列を追加することは自由である。

結果的に、両列間の荷重差分布は円周方向位置の関数として表される。荷重差分布は、一定でなく全周域で零になるとは限らないが、荷重差分布の大きさは全体的に小さくなり、転動体荷重は均等化され、結果として、面圧差分布が平坦化される。荷重分配構造は、荷重差分布を全周域で平坦化して小さくすることが可能である。

荷重分配構造は、第１転動体列（６）の第１転動体の球直径と第２転動体列（７）の第２転動体の球直径との直径差を積極的に与えることにより有効に実現される。外輪（４）の本体側と外輪（４）の翼側とが受ける荷重（ｆ１，ｆ２）が等しくない場合に、荷重差（ｆ２−ｆ１）に対応して玉直径差を与える簡素な構造により、荷重分布を平坦化することができる。

荷重分配構造は、外輪（４）の第１転動体列（６）の側の第１厚みと外輪（４）の第２転動体列（７）の側の第２厚みとの厚み差を積極的に与えることにより有効に実現される。第１転動体列（６）の側の剛性と第２転動体列（７）の側の剛性の剛性差分布が平坦化され、両列で荷重が等配化され、玉荷重分布又は面圧分布が平坦化される。

荷重分配構造は、外輪（４）の旋回軸方向の第１長さと内輪（５）の旋回軸方向の第２長さとの長さ差を積極的に与えることにより有効に実現される。両列で荷重が等配化され、玉荷重分布又は面圧分布が平坦化される。

荷重分配構造は、第１転動体列（６）にかける予圧と第２転動体列（７）にかける予圧との予圧差を積極的に与えることにより有効に実現される。両列で面圧分布が平坦化される。

第１転動体の球直径Ｒ１と第２転動体の球直径Ｒ２との直径差を積極的に与え、その直径差を小さくすることにより予圧差を適正に与えることにより有効に実現される。両列で面圧分布が平坦化される。

荷重分配構造は、外輪（４）の側周面又は内輪（５）の側周面に接合する輪板（１３）を備え、輪板（１３）に外輪又は内輪に剛性を付加することにより有効に実現される。両列の剛性分布が平坦化され、各列に対する荷重（ｆ１，ｆ２）が均等分配され、両列で荷重差分布、面圧差分布が平坦化される。

荷重分配構造は、外輪（４）の転動体転がり面と内輪（５）の転動体転がり面の内の一方、又は、外輪の転動体転がり面と内輪の転動体転がり面の両方を非真円に形成することにより有効に実現される。両列の転動体荷重差分布が平坦化される。

荷重分配構造は、第１転動体列を保持する第１リテーナ（図示されず）を単一環に形成し、且つ、第２転動体列を保持する第２リテーナ（図示されず）を単一環に形成し、その第１リテーナと第２リテーナとを更に同体の単一環として形成することにより、外輪と内輪の間に単一剛性体が形成され、両列の転動体荷重差分布の平坦化が促進される。このような多重の単一環構造により、両列の転動体の位相を更に高精度に同じにすることができ、両列の転動体荷重分布の平均化が更に促進される。

荷重分配構造は、旋回輪軸受（３）を２列球面転がり軸受として構成することにより容易に実現する。周知であり既製品的に機械部品市場に流通する２列球面転がり軸受は、本発明の実現のために顕著に有効に利用され、玉荷重差分布を容易に平坦化することができる。

本発明による風車用旋回輪軸受構造は、荷重差分布の平坦化により面圧差分布を平坦化し、旋回輪軸受の複列化と面圧均等化を同時に実現することができる。

本発明による風車用旋回輪軸受構造の実現態は、図に対応して、詳細に記述される。翼車本体（ロータヘッド）１には、図１に示されるように、風力取出用回転軸２と、３組の旋回輪軸受３とから構成されている。３体の可変ピッチ翼（図示されず）は、３組の旋回輪軸受３にそれぞれに支持される。３組の旋回輪軸受３のそれぞれの旋回軸心線は、同一平面上で１２０度の等角度間隔で配置されている。

図２は、１組の旋回輪軸受３の外周側領域部分を斜軸投影断面で示している。旋回輪軸受３は、ロータヘッド１の側に固着される外輪４と翼の側に固着される内輪５とから形成されている。外輪４の内周面と内輪５の外周面との間には、第１転動体列６と第２転動体列７とが介設されている。第１転動体列６と第２転動体列７のそれぞれの要素は、玉、ローラのような転動体として形成されている。第１転動体列６と第２転動体列７は、旋回軸心線Ｌの旋回軸方向に適正間隔Ｄで離隔している。

外輪４と内輪５の表面に生成される面圧のＦＥＭ解析の結果は、その面上に線描されている。２列の第１転動体列６と第２転動体列７のそれぞれの転動体を保持するリテーナ（保持器）は、単一体又は一体物として形成されている。第１転動体列６と第２転動体列７として、多様な公知の複列転がり軸受を利用する。複列転がり軸受として、２列球面（玉）軸受、２列球面ころ軸受（自動調心ころ軸受）を利用することができる。

図３は、荷重ｆ１と荷重ｆ２が荷重等配又は荷重不等配で旋回軸方向に配分され、円周方向に面圧を均等化する（面圧差分布を平坦化する）２領域を示している。円周方向座標は、同一円周上に並ぶ複数の転動体である玉の玉番号で離散化される。一体的物体の外輪４は、第１転動体列６に旋回軸方向に位置的に対応する第１旋回軸方向外輪部位８と、第２転動体列７に旋回軸方向に位置的に対応する第２旋回軸方向外輪部位９とに仮想的に領域分けされる。一体的物体の内輪５は、第１転動体列６に旋回軸方向に位置的に対応する第１旋回軸方向内輪部位１１と、第２転動体列７に旋回軸方向に位置的に対応する第２旋回軸方向内輪部位１２とに仮想的に領域分けされる。第１旋回軸方向外輪部位８と第２旋回軸方向外輪部位９は、旋回軸心線Ｌに直交する仮想的中心面Ｓで旋回軸方向に二分されている。第１旋回軸方向内輪部位１１と第２旋回軸方向内輪部位１２は、仮想的中心面Ｓで旋回軸方向に二分されている。

図４は、本発明による風車用旋回輪軸受構造の荷重分配の実現態を示している。第１旋回軸方向外輪部位８の外側周面に作用する荷重ｆ１が第２旋回軸方向外輪部位９の外側周面に作用する荷重ｆ２より小さい場合には、第１転動体列６の玉の玉直径は第２転動体列７の玉の玉直径より小さい。玉の荷重負荷能力は玉径が大きいほど大きいので、荷重と玉直径の大小関係は、第１旋回軸方向外輪部位８と第２旋回軸方向外輪部位９の変形度又は内部応力分布を均等化（平坦化）する。荷重ｆ１より大きい荷重ｆ２の一部は、第１転動体列６に分配されて支持される。本実現態では、荷重不等配に係わらず面圧分布は平坦化される。

図５は、本発明による風車用旋回輪軸受構造の荷重分配の他の実現態を示している。第２旋回軸方向外輪部位９の外側周面に作用する荷重ｆ２が第１旋回軸方向外輪部位８の外側周面に作用する荷重ｆ１より大きい場合には、第１旋回軸方向外輪部位８の半径方向厚さを第２旋回軸方向外輪部位９の半径方向厚さより厚くする。第１転動体列６と第２転動体列７の直径は同じである。第１旋回軸方向外輪部位８の剛性が第２旋回軸方向外輪部位９の剛性より大きく、その結果として、大きい剛性の方に荷重が多く作用するようになり、ｆ２が小さくなりｆ１が大きなるので、第１転動体列６と第２転動体列７の荷重の等配が実現される。荷重等配により、軸受の面圧（面圧差分布）が均等化される。第１旋回軸方向外輪部位８と第２旋回軸方向外輪部位９のこのような大小関係は、一般的傾向として正しいが、現実には現物についてＦＥＭ解析の結果に基づいて、その厚み、その形状、仮想的中心面Ｓの旋回軸心線方向位置が定められる。本実施例では、荷重分配を等配として実現することができる。

図６は、本発明による風車用旋回輪軸受構造の荷重等配の更に他の実現態を示している。本実現態は、外輪４と内輪５の形状を調整する点で、図５の実施例に同じである。ｆ１とｆ２の大小関係に対応して、外輪４と内輪５の旋回軸方向の幅の大小関係が定められる。又は、ｆ１とｆ２の大小関係に対応して、第１旋回軸方向外輪部位８と第２旋回軸方向外輪部位９の旋回軸方向の幅の大小関係、又は、第１旋回軸方向内輪部位１１と第２旋回軸方向内輪部位１２の旋回軸方向の幅の大小関係が定められる。本実施例では、荷重分配を等配として実現することができる。

図７は、本発明による風車用旋回輪軸受構造の荷重等配の更に他の実現態を示している。ｆ１とｆ２の大小関係に対応して、第１転動体列６の玉の直径Ｒ１と第２転動体列７の玉の直径Ｒ２とに僅かな差ΔＲが与えられる。
ΔＲ＝Ｒ２−Ｒ１＝Ｋ・（ｆ２−ｆ１）
Ｋ：微小値
外輪４と内輪５で第１転動体列６と第２転動体列７を挟み、第１転動体列６と第２転動体列７を外輪４と内輪５とで強く挟圧して第１転動体列６と第２転動体列７を挟持する場合に、第１旋回軸方向外輪部位８の外側周面に作用する荷重ｆ１が第２旋回軸方向外輪部位９の外側周面に作用する荷重ｆ２より大きい場合には、玉直径の僅かに大きい玉７の方が予圧力が大きいために剛性が大きくなり、その結果として、大きい剛性の方に荷重が多く作用するようになり、ｆ１が小さくなりｆ２が大きくなるので、第１転動体列６と第２転動体列７の荷重の等配が実現される。本実現態では、予圧力を調整することにより軸受の面圧の均等化（面圧差分布の平坦化）を実現することができる。本実現態の予圧調整の考えに従って、第１転動体列６の環状列の直径Ｒ１’と第２転動体列７の環状列の直径Ｒ２’との間に僅かな差を設けることにより、軸受の面圧分布を両列間で均等化（平坦化）することができる。

図８は、荷重等配の更に他の実現態を示している。ｆ１とｆ２の大小関係に対応する厚みの輪板１３が第１旋回軸方向外輪部位８の側周面に取り付けられ、ｆ１とｆ２の大小関係に対応する厚みの輪板１３が第２旋回軸方向外輪部位９の側周面に取り付けられ、ｆ１とｆ２の大小関係に対応する厚みの輪板１３’が第１旋回軸方向内輪部位１１の側周面に取り付けられ、又は、ｆ１とｆ２の大小関係に対応する厚みの輪板１３’が第２旋回軸方向内輪部位１２の側周面に取り付けられる。又は、第１旋回軸方向外輪部位８に取り付けられる輪板１３の厚みと第１旋回軸方向内輪部位１１に取り付けられる輪板１３’の厚みは、ｆ１とｆ２の大小関係に対応して調整される。又は、第２旋回軸方向外輪部位９に取り付けられる輪板１３の厚みと第２旋回軸方向内輪部位１２に取り付けられる輪板１３’の厚みは、ｆ１とｆ２の大小関係に対応して調整される。剛性の調整により荷重分配を等配として実現することができる。

図９〜図１２は、既述の荷重分配により分配される荷重のＦＥＭ解析結果（横軸：内外輪の１周に関する角度座標であり、玉番号で離散化されている。）を示している。図９は、ｆ１とｆ２の分配率を変えてＦＥＭ解析を行った結果のうちロータヘッド側の玉荷重を示している。図９のｆ１は、ロータヘッド側の玉荷重分布を示している。図１０は、その分配率に基づく翼側の玉荷分布重を示している。ロータヘッド側の玉荷重は、翼側の玉荷重より大きい。分配率５０％の通常荷重がかけられる場合の玉荷重分布は、分配率５９％又は分配率６１％の通常荷重がかけられる場合の玉荷重分布に比べて、全周域でロータヘッド側で小さく抑えられている。図１１は、図９の玉荷重に対応するロータヘッド側の面圧を示している。図１２は、図１０の玉荷重分布に対応する面圧を示している。分配率５０％の通常荷重がかけられる場合の面圧分布は、分配率５９％又は分配率６１％の通常荷重がかけられる場合の面圧分布に比べて、全周域でロータヘッド側で小さく抑えられている。このように玉荷重分布と面圧分布が大きい側でそれらの値が小さく抑えられ、それらが小さい側で大きくなっていて、両分布が平坦化されている。図９〜図１２は、両列の玉荷重差分布と面圧差分布が平坦化されることを示し、等配が適正分配であることを示している。

図１３〜図１６は、図８の輪板（１枚の天板）の付加による荷重分配に対応する荷重のＦＥＭ解析結果を示している。分配率が５０％に近い４８％である場合に、玉荷重と面圧とが大きいロータヘッド側で、その玉荷重差分布とその面圧差分布とが全般に更に平坦化されていることを示している。

その他の実施例：
荷重不等配の更に他の実施例として、２列球面ころ軸受を用いることにより、ころに対して予圧を調整することにより、軸受の負荷能力が上がり、多少の荷重不均等は吸収できる。第１転動体列６の保持器と第２転動体列７の保持器を一体化することは、面圧の均等化（平坦化）のために有効である。１円周上の玉荷重を均等化することは効果的である。その玉荷重を均等化するために、外輪４の転がり面と内輪５の転がり面をともに非真円に形成し、又は、外輪４と内輪５の一方を非真円に形成し、その玉に与える予圧を調整することにより、軸受の面圧分布を均等化（平坦化）することができる。

図１は、本発明の適用対象を示す旋回輪軸受構造を示す斜軸投影図である。 図２は、図１の一部の斜軸投影断面図である。 図３は、旋回輪軸受の領域分割を示す断面図である。 図４は、本発明による風車用旋回輪軸受構造の実現態を示す断面図である。 図５は、本発明による風車用旋回輪軸受構造の他の実現態を示す断面図である。 図６は、本発明による風車用旋回輪軸受構造の更に他の実現態を示す断面図である。 図７は、本発明による風車用旋回輪軸受構造の更に他の実現態を示す断面図である。 図８は、本発明による風車用旋回輪軸受構造の更に他の実現態を示す断面図である。 図９は、本発明による風車用旋回輪軸受構造の玉荷重分布を示すグラフである。 図１０は、本発明による風車用旋回輪軸受構造の他の玉荷重分布を示すグラフである。図である。 図１１は、本発明による風車用旋回輪軸受構造の面圧分布を示すグラフである。 図１２は、本発明による風車用旋回輪軸受構造の他の面圧分布を示すグラフである。 図１３は、本発明による風車用旋回輪軸受構造の更に他の玉荷重分布を示すグラフである。 図１４は、本発明による風車用旋回輪軸受構造の更に他の玉荷重分布を示すグラフである。図である。 図１５は、本発明による風車用旋回輪軸受構造の更に他の面圧分布を示すグラフである。 図１６は、本発明による風車用旋回輪軸受構造の更に他の面圧分布を示すグラフである。 図１７は、公知の旋回輪軸受構造を示す斜軸投影図である。 図１８は、公知の旋回輪軸受を示す斜軸投影図である。

符号の説明

１…本体（ロータヘッド）
３…旋回輪軸受
４…外輪
５…内輪
６…第１転動体列
７…第２転動体列
１３…輪板

Claims (11)

1. 本体と、
   前記本体に支持され複数の可変ピッチ翼をそれぞれに旋回自在に支持する複数の旋回輪軸受とを具え、
   前記旋回輪軸受は、
   内輪と、
   外輪と、
   前記内輪と前記外輪の間に介設される第１転動体列と、
   前記内輪と前記外輪の間に介設される第２転動体列とを備え、
   前記第１転動体列と前記第２転動体列は互いに旋回軸方向に並び、
   前記第１転動体列が受ける第１荷重分布は、前記第１転動体列の円周方向位置に対応する第１転動体番号の第１分布関数として表され、前記第２転動体列が受ける第２荷重分布は、前記第２転動体列の円周方向位置に対応する第２転動体番号の第２分布関数として表され、
   前記旋回輪軸受は、前記第１荷重分布と前記第２荷重分布との荷重差を積極的に小さくする荷重分配構造を有する
   風車用旋回輪軸受構造。
2. 前記荷重分配構造は前記荷重差を全周域で小さくする
   請求項１の風車用旋回輪軸受構造。
3. 前記荷重分配構造は、前記第１転動体列の転動体の球直径と前記第２転動体列の転動体の球直径との直径差を積極的に与える
   請求項１の風車用旋回輪軸受構造。
4. 前記荷重分配構造は、前記外輪の第１転動体列の側の第１厚みと前記外輪の第２転動体列の側の第２厚みとの厚み差を積極的に与える
   請求項１の風車用旋回輪軸受構造。
5. 前記荷重分配構造は、前記外輪の旋回軸方向の第１長さと前記内輪の旋回軸方向の第２長さとの長さ差を積極的に与える
   請求項１の風車用旋回輪軸受構造。
6. 前記荷重分配構造は、前記第１転動体列にかける予圧と前記第２転動体列にかける予圧との予圧差を積極的に与える
   請求項１の風車用旋回輪軸受構造。
7. 前記第１転動体の球直径Ｒ１と前記第２転動体の球直径Ｒ２との直径差を積極的に与え、前記直径差は小さい
   請求項６の風車用旋回輪軸受構造。
8. 前記荷重分配構造は、前記外輪の側周面又は前記内輪の側周面に接合する輪板を備え、前記輪板は前記外輪又は前記内輪に剛性を付加する
   請求項１の風車用旋回輪軸受構造。
9. 前記荷重分配構造は、外輪の転動体転がり面と内輪の転動体転がり面の内の一方、又は、外輪の転動体転がり面と内輪の転動体転がり面の両方を非真円に形成する
   請求項１の風車用旋回輪軸受構造。
10. 前記荷重分配構造は、前記第１転動体列を保持する第１リテーナを単一環に形成し、且つ、前記第２転動体列を保持する第２リテーナを単一環に形成し、前記第１リテーナと第２リテーナとは同体の単一環として形成される
    請求項１〜９から選択される１請求項の風車用旋回輪軸受構造。
11. 前記荷重分配構造は、前記旋回輪軸受を２列球面ころの転がり軸受として構成する
    請求項１の風車用旋回輪軸受構造。

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