JP2008031941A

JP2008031941A - 風力発電機の回転軸支持構造

Info

Publication number: JP2008031941A
Application number: JP2006207607A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Ninoyu; 伸幸二之湯; Naoki Matsumori; 直樹松森
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2006-07-31
Filing date: 2006-07-31
Publication date: 2008-02-14

Abstract

【課題】風力発電機の回転軸を支持する軸受の組込み作業および交換作業を簡略化した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１１の回転軸支持構造は、風を受けて回転するブレード１５と、ブレード１５の回転に伴って回転する回転軸としての主軸１６と、内輪、外輪、および内輪と外輪との間に配置される複数の転動体を有し、主軸１６を回転自在に支持する転がり軸受３１と、外輪を受け入れる軸受ハウジング１９と、外輪を軸受ハウジング１９に機械的に固定する機械的固定手段とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、風力発電機に用いられる回転軸、例えば、主軸や増速機の低速軸、中間軸、および高速軸等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て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が使用される。

また、一般的に風力発電機の主軸を支持する軸受は、内輪と主軸、および外輪とハウジングとがそれぞれ嵌め合いによって固定される。特に、内輪の内径寸法は主軸の外径寸法より僅かに小さく設定されており、内輪の内径寸法が主軸の外径寸法より大きくなるまで熱膨張させてから主軸に組み込む（以下、この組込み方法を「焼き嵌め」という）。
特開２００５−２０７５１７号公報

内輪を焼き嵌めによって主軸に組み込む場合、内輪を加熱する工程と、内輪を主軸の所定位置に嵌め込む工程と、内輪および主軸を冷却する工程とが必要となる。また、冷却工程で生じる結露によって軸受が錆びるのを防止するために、防錆処理が必要となる。したがって、焼き嵌めには、加熱・冷却装置が必要になると共に、多くの作業工数と長い作業時間が必要となる。

特に、風力発電機の主軸のように大径で高所に設置されている回転軸の軸受を交換する場合、主軸をナセルから地上に降ろして作業しなければならず、多くの作業工数と高額な作業費用とが必要となる。

そこで、この発明の目的は、風力発電機の回転軸を支持する軸受の組込み作業および交換作業を簡略化した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、内輪、外輪、および内輪と外輪との間に配置される複数の転動体を有し、回転軸を回転自在に支持する転がり軸受と、外輪を受け入れるハウジングと、外輪をハウジングに機械的に固定する機械的固定手段とを備える。

一実施形態として、機械的固定手段は、外輪の外径面から径方向外側に突出するフランジ部と、フランジ部およびフランジ部に対面するハウジングの壁面に連通するボルト穴と、ボルト穴に螺合するボルトとを含む。

この発明の他の局面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、内輪、外輪、および内輪と外輪との間に配置される複数の転動体を有し、回転軸を回転自在に支持する転がり軸受と、内輪を回転軸に機械的に固定する機械的固定手段とを備える。

上記構成の転がり軸受は、内輪を回転軸に、外輪をハウジングにそれぞれボルト等の機械的固定手段によって固定する。その結果、回転軸への軸受組込み作業において、焼き嵌め等の嵌め合い工程を省略することができるので、作業工数および作業時間を削減することができる。また、組込み作業から冷却工程を省略することができるので、軸受の発錆を防止することもできる。

この発明によれば、内輪および外輪を周辺部材にボルト等の機械的固定手段によって固定可能としたことにより、軸受の風力発電機の回転軸への組込み作業を簡素化した風力発電機の回転軸支持構造を得ることができる。

図１〜図４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および円錐ころ軸受３１を説明する。なお、図１および図２は風力発電機１１の内部構造を示す図、図３および図４は風力発電機１１の主軸１６を支持する円錐ころ軸受３１を示す図である。

まず、図１および図２を参照して、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１８、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それぞれに接続されて、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に組み込まれた円錐ころ軸受３１によって、回転自在に支持されている。

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。そこで、このような環境で使用される主軸支持用軸受として、図３および図４に示すような、内輪３２と、外輪３３と、複数の円錐ころ３４と、保持器３５とを備える円錐ころ軸受３１を採用する。

内輪３２は、外径面に２列の軌道面３２ａ，３２ｂと、軌道面３２ａ，３２ｂの一方側端部に小鍔３２ｃと、他方側端部に大鍔３２ｄと、内径面から径方向内側に突出する内輪張出部としての内輪フランジ部３２ｅとを有する。この内輪フランジ部３２ｅは、内径面の円周方向の全域に形成されており、軸方向に貫通する複数のボルト穴３２ｆを有する。また、主軸１６の内輪フランジ部３２ｅに対面する位置にもボルト穴３２ｆに連通するボルト穴１６ａが設けられており、これらにボルト４０を螺合することにより、内輪３２が主軸１６に固定される。

外輪３３は、内輪３２の左右の軌道面３２ａ，３２ｂに対応する複列の軌道面３３ａ，３３ｂと、外径面から径方向外側に突出する外輪張出部としての外輪フランジ部３３ｃとを有する。この外輪フランジ部３３ｃは、内輪フランジ部３２ｅと同様に軸方向に貫通するボルト穴３３ｄが複数設けられており、ボルト４０によって外輪３３を軸受ハウジング１９に対して固定する。

転動体としての円錐ころ３４は、小端面３４ａと、大端面３４ｂと、転動面３４ｃとを有し、小端面３４ａを内輪３２の小鍔３７ａ，３７ｂ側に向けて内輪３２および外輪３３の間に配置される。保持器３５は、リング形状の部材であって、円錐ころ３４を収容する複数のポケットを有しており、隣接する円錐ころ３４の間隔を保持する。

この円錐ころ軸受３１は、円錐ころ３４が軸方向に複列に配置されており、左右の列の円錐ころ３４の小端面３４ａ同士を突き合わせた背面組み合わせ軸受である。なお、この円錐ころ軸受３１は、組立の観点から内輪３２が左右に分割されている必要があるが、図示は省略している。

上記構成の円錐ころ軸受３１において、内輪３２を主軸１６に対して機械的に固定する機械的固定手段は、内輪３２の内径面から径方向内側に突出する内輪フランジ部３２ｅと、内輪フランジ部３２ｅおよび主軸１６に連通するボルト穴３２ｆ，１６ａと、ボルト穴３２ｆ，１６ａに螺合するボルト４０とを含む。同様に、外輪３３を軸受ハウジング１９に対して機械的に固定する機械的固定手段は、外輪３３の外径面から径方向外側に突出する外輪フランジ部３３ｃと、外輪フランジ部３３ｃおよび軸受ハウジング１９に連通するボルト穴３３ｄ，１９ａと、ボルト穴３３ｄ，１９ａに螺合するボルト４０とを含む。

このように、内輪３２を主軸１６に、外輪３３を軸受ハウジング１９にそれぞれボルト４０で固定することができるので、軸受の組込み作業において焼き嵌め等の嵌め合い作業を省略することができる。これにより、軸受の組込み作業が大幅に簡素化される。特に、嵌め合い工程を省略できることで、主軸１６の円錐ころ軸受３１を交換する場合でも、主軸１６を地上に降ろすことなくナセル１４内で作業することが可能となる。さらには、軸受の組み込み作業から冷却工程を省略できることで、円錐ころ軸受３１の発錆を防止することもできる。

次に、図５を参照して、風力発電機１１の主軸１６を支持する円錐ころ軸受の他の例を説明する。なお、図５に示す円錐ころ軸受４１の基本構成は、図３に示す円錐ころ軸受３１と同様であるので、共通点の説明は省略し、相違点を中心に説明する。

まず、円錐ころ軸受４１は、内輪４２と、外輪４３と、円錐ころ４４と、保持器４５とを備える。内輪４２は、その一方側の端面から軸方向に突出する張出部４２ｅを有する。同様に、外輪４３は、その一方側の端面から軸方向に突出する張出部４３ｃを有する。また、この張出部４２ｅ，４３ｃは、径方向に貫通するボルト穴４２ｆ，４３ｄを有し、内輪４２は主軸１６に、外輪４３は軸受ハウジング１９にそれぞれボルト５０で固定されている。

上記構成によっても、円錐ころ軸受４１を嵌め合いによらず主軸に取り付けることができるので、軸受の組み込み作業を簡素化した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ける円錐ころ軸受３１において、フランジ部３２ｅは、内輪３２の円周方向の全域に設けた例を示したが、これに限ることなく、ボルト穴３２ｆの位置でのみ径方向に張り出す張出部であってもよい。これは、外輪３３や円錐ころ軸受４１でも同様である。

また、上記の実施形態における円錐ころ軸受３１において、フランジ部３２ｅの４箇所に９０°の間隔でボルト穴３２ｆを設けた例を示したが、これに限ることなく、任意の間隔で、任意の個数を設けることができる。ただし、内輪３２を主軸１６に安定して固定する観点からは、複数箇所に等間隔で設けるのが望ましい。これは、外輪３３や円錐ころ軸受４１でも同様である。

また、上記の各実施形態における円錐ころ軸受３１，４１は、内輪３２，４２および外輪３３，４３の１箇所に張出部３２ｅ，４２ｅ，３３ｃ，４３ｃを設けた例を示したが、これに限ることなく、複数箇所に張出部を設けてもよい。例えば、径方向に張り出す張出部３２ｅ，３３ｃと、軸方向に張り出す張出部４２ｅ，４３ｃを組み合わせて設ける等してもよい。

また、上記の各実施形態における円錐ころ軸受３１，４１は、張出部３２ｅ，４２ｅ，３３ｃ，４３ｃと、主軸１６または軸受ハウジング１９とを締結する手段として、ボルト４０，５０を使用した例を示したが、これに限ることなく、内輪３２，４２と主軸１６、外輪３３，４３と軸受ハウジング１９とを確実に固定可能なあらゆる手段を採用することができる。

また、上記の各実施形態における円錐ころ軸受３１，４１は、軸方向端部から張出部３２ｅ，４２ｅ，３３ｃ，４３ｃが張り出している例を示したが、これに限ることなく、軌道輪表面の任意の位置から張り出す張出部であってもよい。

また、上記の各実施形態における円錐ころ軸受３１，４１は、内輪３２，４２および外輪３３，４３の両方に張出部３２ｅ，４２ｅ，３３ｃ，４３ｃを設けた例を示したが、これに限ることなく、内輪３２，４２または外輪３３，４３のいずれか一方にのみ設けてもよい。この場合、主軸１６に嵌まり込む内輪３２，４２に張出部３２ｅ，４２ｅを設けるほうが、高い効果を期待できる。

また、上記の各実施形態における機械的固定手段の構成要素として、内輪３２，４２および外輪３３，４３に張出部を設けた例を示したが、これに限ることなく、内輪と主軸、および外輪と軸受ハウジングとを固定連結可能なあらゆる形態を採用することができる。例えば、主軸１６や軸受ハウジング１９に張出部が設けられていてもよいし、内輪と主軸、および外輪と軸受ハウジングとを別体の連結部材で固定連結したものであってもよい。

また、上記の各実施形態における円錐ころ軸受３１，４１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、円錐ころ軸受３１は、背面組み合わせの例を示したが、これに限ることなく、円錐ころ３４の大端面３４ｂ同士を突き合わせた正面組み合わせの軸受であってもよい。

背面組み合わせとした場合には、軸受の回転中心線ｌ_０と、左右の列の円錐ころ３４および内外輪３２，３３の接触線ｌ_１，ｌ_２との交点α，βの間の距離（「作用点間距離」という）が長くなるので、ラジアル剛性が向上する。一方、正面組み合わせとした場合には、外輪の肉厚が円周上であまり差のないバランスの良い設計ができるとともに、同じ断面高さであれば、背面組み合わせ軸受より負荷容量を大きくすることができる。

また、上記の各実施形態における円錐ころ軸受３１，４１の保持器３５，４５は、あらゆる構成の保持器を採用することができる。例えば、円環状の一体型保持器であってもよいし、円弧形状の保持器セグメントを円周方向に連ねて形成されるセグメント保持器であってもよい。さらには、保持器を有しない総ころ形式の円錐ころ軸受にもこの発明を適用することができる。

また、上記の各実施形態においては、風力発電機１１の主軸１６を支持する転がり軸受として円錐ころ軸受３１，４１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、軌道輪を有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、風力発電機の回転軸支持構造に有利に利用される。

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１に示す風力発電機の図解的側面図である。図１に示す風力発電機の回転軸を支持する円錐ころ軸受を示す図である。図３の内輪をＩＶの方向から見た図である。図１に示す風力発電機の回転軸を支持する円錐ころ軸受の他の例を示す図である。

符号の説明

１１風力発電機、１２支持台、１３旋回座軸、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、３１，４１円錐ころ軸受、３２，４２内輪、３２ａ，３２ｂ，４２ａ，４２ｂ内輪軌道面、３２ｃ，４２ｃ小鍔、３２ｄ，４２ｄ大鍔、３２ｅ，４２ｅ３３ｃ，４３ｃ張出部、３２ｆ，４２ｆ，３３ｄ，４３ｄボルト穴、３３，４３外輪、３３ａ，３３ｂ，４３ａ，４３ｂ外輪軌道面、３４，４４円錐ころ、３４ａ，４４ａ小端面、３４ｂ，４４ｂ大端面、３４ｃ，４４ｃ転動面、３５，４５保持器、４０，５０ボルト。

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、
内輪、外輪、および前記内輪と前記外輪との間に配置される複数の転動体を有し、前記回転軸を回転自在に支持する転がり軸受と、
前記外輪を受け入れるハウジングと、
前記外輪を前記ハウジングに機械的に固定する機械的固定手段とを備える、風力発電機の回転軸支持構造。
前記機械的固定手段は、前記外輪の外径面から径方向外側に突出するフランジ部と、
前記フランジ部および前記フランジ部に対面する前記ハウジングの壁面に連通するボルト穴と、
前記ボルト穴に螺合するボルトとを含む、請求項１に記載の風力発電機の回転軸支持構造。
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、
内輪、外輪、および前記内輪と前記外輪との間に配置される複数の転動体を有し、前記回転軸を回転自在に支持する転がり軸受と、
前記内輪を前記回転軸に機械的に固定する機械的固定手段とを備える、風力発電機の回転軸支持構造。