JP2009138578A - 水平軸型風力発電装置のロータ支持構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 変動頻度が高く変動振幅が大きい過酷な風況条件下において、低故障率で長期間安定に稼動することができる水平軸型風力発電装置のロータ支持構造を提供する。
【解決手段】 ナセル４からロータ１０側に向けて筒状又は中空軸状のロータ支持軸６を突設するとともに、ロータ１０のハブ１２からナセル４側に向けて筒状の回転筒状体５を突設し、この回転筒状体５を複数列のベアリングＢ１，Ｂ２を介してロータ支持軸６の外側に同軸に組み付け、ロータ１０の自重等による回転トルク以外の不要応力をナセル４に負担させる。一方、主軸１３は、応力解消された回転筒状体５にロータ支持軸６の内部空間を通して、例えば、スプライン等によって連結し、回転筒状体５から必要なトルク成分を別経路で取り出し、後続の発電機構４０に伝達する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、わが国特有の複雑な地形条件、変化の激しい風況条件等の設置環境において高い耐久性を発揮し、長期間にわたって安定に稼動することができる水平軸型風力発電装置のロータ支持構造に関する。

わが国の総発電量に占める風力発電量率の少ないことが指摘されている。風力発電という観点から見たわが国の風土及び風況条件は決して好ましいものとは言えず、劣悪といっても過言ではない。しかし、風力発電は、欧州等に代表される風力発電先進国の状況等から見ても、自然力をゼロエミッションで有効利用することができる有力な一手段であることには異論をみない。

風力発電事業がわが国において普及し定着するためには、わが国特有の設置環境に適合する独自の風力発電装置の開発が望まれる。これは、風力発電装置開発に際しての前提条件である地理的条件や風況条件が風力発電先進諸外国とわが国とでは大きく異なることによる。すなわち、わが国では、平地面積が少なく地形も複雑であり、風向の変化や風力の変化、そして風力変化の周期が短周期であって振れ幅も大きい。この原因のひとつとして、国土全体が赤道近辺で発生して北上する台風の通り道に位置することがある。自然の悪条件が重なる場合には、竜巻やダウンバースト現象のような異常現象が発生することも念頭に置かなければならない。また、国土が複雑なプレートのせめぎあい上に位置することから、相当規模の地震をも想定しなければならない。このようなわが国特有の厳しい設置環境に対し、年間を通じて比較的安定な風を前提として開発された諸外国の風力発電装置の構造をそのまま導入しても装置故障の原因となり易く、所定の機械寿命を全うすることもできない。事実、少なからず事故例も報告されているようである。

水平軸型風力発電装置を日本国の不安定な設置環境に耐え得るものとするため、ロータ支持構造が採用されている。いっぽう水平軸型風力発電装置では、ナセルを所定の地上高に支持する支持塔の側方が支持塔と干渉しないだけのクリアランスを保ってロータを回転自在に支持しなければならず、その結果、装置の全体構成が巨大重量を片持ち支持するような不安定なデザインとなってしまう。その上、ロータに加わる荷重（外力）が不定性の風力であることから、その主軸には、通常の産業機械装置では想定外の過大な変動性の荷重（外力）が加わる。このことから、ロータ支持構造に関して既に多くの提案がなされている（例えば、特許文献１〜４）。
特開２００１−２００７８１号公報 特開２００５−１０５９１７号公報 特開２００５−１４７３３０号公報 特開２００７−１３２４１８号公報

水平軸型風力発電装置のロータ支持構造に関する上記従来の代表的先行技術文献に含まれる技術思想を概観するに、主軸にロータを支持する支持軸としての機能とロータで発生したトルクを発電機構にまで伝達する伝動軸としての機能との両機能を負担させ、負担した機能に応じて主軸に加わる複合的な荷重（外力）については、主軸を支持するベアリングの種類の選択及び配置の最適化によって対応するという考え方がみられる（特許文献３，４参照）。この考え方を採用する場合には、主軸には過大な強度が要求され、主軸の軽量化ができないとともに、諸荷重（外力）が主軸を介して後続の増速機構等にストレートに負荷されることとなるため、後続機構側の耐用期間が極端に短期間化してしまうという問題がある。また、主軸を支持するベアリングに対する依存度が高く、主軸の支持強度に余裕を持たせるためベアリングを大型化しようとすると、伝動すべきトルクの大きさに比して不必要に大径の主軸を採用しなければならないという不合理を呈する。

主軸の支持に関する従来の考え方には、ロータが受けた荷重（外力）のうち、発電のために必要な回転トルク成分以外の不要荷重成分をナセル側に分散させて、発電のために必要な回転トルク成分のみを選択的に主軸に伝達するという合理的な発想に基づくものがある（特許文献１，２，４参照）。この考え方は、主軸及び主軸に後続される装置類の負担を軽くすることができることから、大型の水平軸型風力発電装置のロータ支持構造として有望である。

上記考え方に基づくものとしては、例えばナセルの一部を先細りの中空軸状に形成してロータ側に突出させ（本明細書においては「フレーム突出部」とする）、当該フレーム突出部の外側にベアリングを介してハブを組み付けるとともに、当該フレーム突出部の内部に主軸を貫通させて、主軸の先端部とハブを連結する構成を採用しているものが開示されている（特許文献１，４参照）。なお、主軸とハブとの連結部分には、弾性部材やベアリングが介在する場合がある（特許文献１参照）。つまり、風力や振動、重力のうち、ロータが受けた不要荷重成分は、ロータに生じる応力（内力）とその他の不要荷重成分に分かれて、その他の不要荷重成分が上記フレーム突出部に伝達し、最終的には、ナセルを支持している支持塔に分散される。いっぽう主軸は、上記フレーム突出部に支持されたハブに連結されて必要な回転トルク成分のみを伝達することとなる。しかしながら、上述した細長い筒状又は管状に形成されたフレーム突出部は、ロータが受ける変動性荷重（外力）により生じる応力（内力）によって短期間に疲労破壊してしまう危険がある。

また、上記考え方に基づくものとしては、例えば大径かつ極く短い筒形フランジ状の主軸が複列テーパーころ軸受を介して直接にナセルに組み付けられるとともに、主軸の端部に端面部材が取り付けられ、端面部材の中心に増速機構の入力軸が連結された構成を採用するものが開示されている（特許文献２参照）。この構成においては、複列テーパーころ軸受の使用方法が変則的であり、摩擦低減というベアリング本来の機能の他に、ナセルに対するロータの直接的な取付け部材として機能させているため、重大事故が発生する危険が考えられる。例えば複列テーパーころ軸受に対する自動潤滑装置が故障して多数のローラを均等間隔で保持しているリテーナが損壊し、外側軌道輪と内側軌道輪とが分離するような事故が起こり得る。そして最悪の場合には、ロータ全体がナセルから脱落して落下することが考えられる。

そこで本発明の目的は、ロータが受けた荷重（外力）のうち発電のために必要な回転トルク成分以外の不要荷重成分をナセル側に分散させることで発電のために必要な回転トルク成分のみを選択的に主軸に伝達するという合理的な考え方を基本として、新たに柔構造の考え方を採用することによってロータに応力（内力）を生じさせ難くすることで、信頼性が高くメンテナンス性にも優れた水平軸型風力発電装置のロータ支持構造を提供することにある。

本発明の請求項１記載の水平軸型風力発電装置のロータ支持構造は、ハブに複数のブレードを放射状に配設してなるロータの回転をナセル内部の発電機構へと伝達する主軸と、主軸を挿通する中心孔を有し、ナセルからロータ側に向けて突設するか、又は、ロータのハブにナセル側に向けて突設するロータ支持軸と、上記ロータ支持軸を受け、ナセルからロータ側に向けて突設するか、又は、ロータのハブにナセル側に向けて突設する回転筒状体とを備え、上記回転筒状体とロータ支持軸とは、複数のベアリングを分散介装して同心に連結し、主軸は、ロータ支持軸の中心孔を通してロータ支持軸に同心で連結した少なくとも三重軸構成として組み合わされていることを特徴とする。

本発明によれば、ロータが受けた荷重（外力）のうち発電のために必要な回転トルク成分以外の不要荷重成分をロータ支持軸又は回転筒状体を介してナセル側に負担させることで、ロータに応力（内力）を生じさせ難くする。一方、回転筒状体を介して主軸が発電のために必要な回転トルク成分のみを取り出して後続の発電機構等に伝達することができる。そして、ロータが主軸に依存することなくロータ支持軸又は回転筒状体によって支持されている構造であるため、ロータ支持軸又は回転筒状体の規模を主軸とは無関係に大きく設計することが可能であり、大径のロータに容易に対応することができる。

本発明の請求項２記載の水平軸型風力発電装置のロータ支持構造は、前記ロータ支持軸は、主軸を挿通する中心孔を有しナセルからロータ側に向けて水平姿勢で突設し、上記回転筒状体は、ロータのハブにナセル側に向けて水平姿勢で突設し、上記ロータ支持軸と主軸とは、これらの間に空隙が形成される寸法設定条件において主軸をロータ支持軸の中心孔を貫通させて連結してなることを特徴とする。すなわち、主軸は、ロータ支持軸内を遊嵌状態で挿通させて回転筒状体に連結する。

本発明によれば、ロータが受けた荷重（外力）のうち発電のために必要な回転トルク成分以外の不要荷重成分を互いに突出したロータ支持軸と回転筒状体に負担させることで、ロータに応力（内力）を生じさせ難くする。そして、上記ロータ支持軸と回転筒状体の組み合わせにより、ナセルとロータとの間隔を最少限に抑えながら、安定な柔構造が実現する。

上記ナセルとロータの間隔が小さいということはナセル側を支点としてロータ側を力点とする場合のモーメントの腕が短くなるということであり、ロータ支持軸に加わるモーメント性の荷重が一様に軽減される。また、ロータ支持軸と回転筒状体との間に介装される複数のベアリングが両者のオーバラップの範囲内で広いスタンスを保って分散介装することで、ロータが受けた荷重（外力）を安定して分散負担しながらナセル側へと伝達させる。そして、ロータが主軸に依存することなくロータ支持軸又は回転筒状体によって支持されている構造であるため、ロータ支持軸又は回転筒状体の規模を主軸とは無関係に大きく設計することが可能であり、大径のロータに容易に対応することができる。

上記主軸とロータ支持軸との間の空隙は、回転筒状体から内側のロータ支持軸を経由して内部の主軸に至る不要荷重成分の伝達経路を遮断する。すなわち、ロータ支持軸と回転筒状体との組合せにより両者の間に空隙が形成され、上記不要荷重成分の伝達経路を遮断する。また、ロータ支持軸と回転筒状体がそれぞれ中空構造であるために、ある程度の径方向への弾性変形を許容することができ、柔構造が実現される。したがって、変動性荷重、過渡的荷重、振動性荷重を回転筒状体及びロータ支持軸の径方向の弾性変形エネルギーとして吸収する。

本発明の請求項３記載の水平軸型風力発電装置のロータ支持構造は、ロータ支持軸と回転筒状体とが、いずれも略円筒形の周胴部と、周胴部の一方の開口部に端面を形成する端面部とからなるカップ状に形成され、カップ状に形成されたロータ支持軸と回転筒状体とは、それぞれ端面部をロータ側とナセル側に向けて互いの周胴部間に複数のベアリングを介装して組み合わされ、主軸は、ロータ支持軸の端面部に形成した中心孔を挿通して回転筒状体の端面部に連結することを特徴とする。

上記ロータ支持構造においては、ロータ支持軸と回転筒状体との双方について、荷重（外力）に対し易変形性を発揮する部分と剛性を発揮する部分とを明確化することで、易変形性と剛性それぞれの特性を生かした組合せ構造を実現する。

すなわち、周胴部と端面部とからなるカップ状に形成されたロータ支持軸については、端面部を有する側は剛性を有しており、径方向に変形し難いため、ナセル側に固定することに適している。一方、端面部を有せず開口している側の周胴部は、易変形性を有しており、径方向に変形し易いため柔構造を実現する。同様に回転筒状体については、端面部を有する側は剛性を有しており、径方向に変形し難いため、主軸を連結することに適しており、他方側は、易変形性を有しており、径方向に変形し易いため柔構造を実現する。したがって、このようなロータ支持軸と回転筒状体とを上記構成のように補完的に組み合わせることによって、荷重（外力）に対して柔軟性を発揮しながら安定な主軸端部の支持とナセルへの確実な取付けを実現する。上記構成は、大径のロータ支持軸と回転筒状体に好適である。

本発明の請求項４に記載の水平軸型風力発電装置のロータ支持構造は、請求項１ないし請求項３に記載のロータ支持構造において、回転筒状体と主軸とがスプライン嵌合によって連結されていることを特徴とする。

上記スプライン嵌合により、回転運動を伝達しながらスラスト変位を吸収することができる。したがって、ロータ支持軸と回転筒状体との組合せによって阻止できなかったスラスト変位や、主軸の熱膨張、ナセル側から主軸を介してロータ側に伝達されるスラスト変位を吸収することができる。

請求項５記載の発明は、前記回転筒状体とロータ支持軸との間に分散介装された複数列のベアリングの少なくとも１列のベアリングが複列自動調心コロ軸受であることを特徴とする。

上記複列自動調心コロ軸受によって、コロの公転軌道の所定範囲内での変動を許容しながら前記主軸を正常に作動させることができるので、主軸と主軸に連結される発電機構間で生じる部品の許容誤差や組立て誤差に起因する偏心、及び風力発電装置設置後に生じる後発的な偏心、運転中の過大外力による外力性の偏心を効果的に吸収する。

請求項６記載の発明は、前記回転筒状体からナセル内部の発電機構に至るまでの前記主軸の中間部に、ロータと発電機構との間で主軸を介して往来する回転トルク以外の不要荷重成分を吸収する緩衝継ぎ手を介装することを特徴とする。上記緩衝継ぎ手には、可撓継ぎ手、スプライン継ぎ手、セレーション継ぎ手、ギヤ継ぎ手、その他回転トルクの伝達において入力側の軸と出力側の軸との間に設定されている偏心、偏角、スラスト変位、熱膨張、位相ずれの許容範囲内においてこれら不要荷重成分を吸収する作用を有する継ぎ手を含む。

前記主軸がこのような緩衝継ぎ手を含むことによって、ロータと発電機構との間で主軸を介して往来する回転トルク以外の不要荷重成分を吸収するので、装置故障率を低下させる。

請求項７記載の発明は、前記ロータ支持軸が回転筒状体と主軸とがスプライン嵌合するものにおいて、ナセル側にボルト締結用の取付けフランジを備え、かつ、ナセルにボルト締結され、ボルト締結を外すことによって、ロータを回転筒状体及びロータ支持軸とともに主軸から抜き取ることができることを特徴とする。

本発明によれば、ロータ支持軸がナセルに対してボルト締結されており、しかも、回転筒状体と主軸とがスプライン嵌合していることで、ボルトを外してロータ支持軸をナセルから取り外すと、主軸をナセル側に残してロータ支持軸に組み付けられている回転筒状体をそのまま取り外すことができる。これは、回転筒状体と主軸とのスプライン嵌合が軸方向に抜き取ることができる連結方式であるからである。したがって、ロータとロータ支持軸とがアセンブリとして交換可能となり、メンテナンス性を高める。

本発明によれば、上記回転筒状体とロータ支持軸とが複数のベアリングを分散介装して同心に連結し、主軸がロータ支持軸の中心孔を通してロータ支持軸に同心で連結した少なくとも三重軸構成として組み合わされていることによって、ロータが受けた荷重（外力）のうち発電のために必要な回転トルク成分以外の不要荷重成分を互いに突出したロータ支持軸と回転筒状体に負担させることで、ロータに応力（内力）を生じさせ難くする。そして、上記ロータ支持軸と回転筒状体の組み合わせにより、ナセルとロータとの間隔を最少限に抑えながら、安定な柔構造が実現する。主軸が回転筒状体から必要な回転トルク成分のみを取り出し、後続の発電機構に伝達するので、故障率を大幅に低減することができる。そして、ロータが主軸に依存することなくロータ支持軸又は回転筒状体によって支持されている構造であるため、ロータ支持軸又は回転筒状体の規模を主軸とは無関係に大きく設計することが可能であり、大径のロータに容易に対応することができる。さらに、それぞれ一端側のみを固定する形態で使用される中空構造のロータ支持軸及び回転筒状体が所定範囲内で径方向に弾性変形するため、これらを組み付けてなるロータ支持構造は、全体として柔構造として機能しながら変動性荷重を吸収するので、発電機構のみならずロータブレードの折損事故等をも効果的に防止する。

以下、図面を引用しながら本発明の水平軸型風力発電装置のロータ支持構造の実施の形態を説明する。

（第１の実施の形態）
水平軸型風力発電装置ＧＥは、一般に、前端部にロータ１０を取り付けたナセル４を支持塔１によって所定の地上高に支持する構成を採用する（図４（Ａ）参照）。支持塔１は、ロータリ装置２を介してナセル４底面のナセル台盤３の部分を支持している。

ロータ１０は、中心位置のハブ１２と、ハブ１２に放射状に配設される複数のブレード１１…とからなる。ハブ１２の回転運動を取り出すための主軸１３は、水平方向に向けられており、ロータ１０のブレード１１…は、略垂直面内で旋回運動をする。ナセル４の内部には、増速機４１や発電機４２等を主要部材とする発電機構４０が収納されている。

ロータ支持構造５０は、ナセル４とロータ１０との間に、ロータ１０と主軸１３の先端部を支持するために採用されている（図１）。また、ハブ１２の回転を発電機構４に伝達するための主軸１３中間位置に緩衝継ぎ手３０が介装されており、ハブ１２の回転は、緩衝継ぎ手３０を経由して発電機構４０の増速機４１に入力される構成である。水平軸型風力発電装置ＧＥは、図示しない風向センサによって一定時間毎の単位時間あたりの平均風向を検出し、ロータリ装置２によってロータ１０が風上を向くようにナセル４の水平方向を自動制御しながら運転される。

ロータ支持構造５０は、設計上の中心線ＣＬを基準として同心に配置される主軸１３とロータ支持軸６と回転筒状体５との三重軸構成からなる（図１，図２）。なお、図１は、ロータ支持構造５０の実施の形態を実体的に示したものであり、図２は、図１に示す実施の形態と構造的に等価な模式説明図である。

ロータ支持軸６は、段付きの略円筒形の周胴部６Ａと端面部６Ｂとからなるカップ状に形成されている。したがって、ロータ支持軸６の内部には、大きな空隙６Ｈが形成され、この空隙６Ｈは、端面部６Ｂに設ける中心孔６Ｓを介して外部に開口している。また、ロータ支持軸６には、端面部６Ｂの外径を拡張するように取付けフランジ６Ｃが形成されている。ナセルフレーム４Ａの中央部分には、主軸１３をナセル４の内部に導入するための透孔４Ｈが設けられている。

回転筒状体５は、円筒形の周胴部５Ａと、周胴部５Ａの一方の開口部を塞ぐように後付けした端面部５Ｂとからなるカップ状に形成されている。回転筒状体５の内径は、ロータ支持軸６を遊嵌状態で受け入れられる寸法であり、周胴部５Ａの長さは、ロータ支持軸６の周胴部６Ａの長さと同等である。回転筒状体５は、周胴部６Ａの長さの半分長程度をナセル４側に突設させる状態でロータ１０のハブ１２に固定されている。したがって、周胴部６Ａの残りの半分長は、ハブ１２内に収納されている。周胴部６Ａの突出量を調節することによって、ナセル４とハブ１２間の必要なクリアランスを加減することができる。また、回転筒状体５の端面部６Ｂには、短寸のボス部５Ｃが設けられ、ボス５Ｃの内部には、スプライン嵌合部Ｓ１が形成されている。なお、主軸１３の頭部１３ｔは、上記端面部５Ｂに接触している。

上記ロータ支持軸６と回転筒状体５とは、回転筒状体５内にロータ１０側に突出しているロータ支持軸６の周胴部６Ａ全体を収納する形態で組み合わされ、両者間には、いずれも大荷重用であって種類が異なる２列のベアリングＢ１，Ｂ２が介装されている。２列のベアリングＢ１，Ｂ２は、回転筒状体５とロータ支持軸６の重なり範囲内で最大限の相互間隔となるように介装されている。このうち、回転筒状体５の先端側とロータ支持軸６の基部側との間に介装されるベアリングＢ１は、単列コロ軸受であり、回転筒状体５の基部側とロータ支持軸６の先端側との間に介装されるベアリングＢ２は、複列自動調心コロ軸受である（図１）。本実施の形態のベアリングＢ２は、回転筒状体５とロータ支持軸６の重なり合う空間部５Ｈの位置において配されている。そして、ベアリングＢ２は、２つのベアリング２ａ，２ａが斜め下に凸になるように（Ｖ字形状に）配されている。これは第２の実施の形態とは逆向きであるが、図５に示す支点（フランジ６Ｃが主軸１３と交差する位置）Ｄ１では主軸１３の振れが小さいことから、２つのコロ軸受け２ｂ，２ｂが斜め上に凸になるように（ヘの字形状に）配されることが好ましいが、図１に示す支点Ｄ１から近い位置では主軸１３の振れが大きいことから、２つのベアリング２ａ，２ａが斜め上に凸になるように（Ｖ字形状に）配されることが好ましいからである。なお、図１と後述する図５のベアリングＢ１についても、上記いずれかの構成の複列自動調心コロ軸受２ａ，２ｂとすることが可能である。

主軸１３は、ロータ支持軸６の中心孔６Ｓを通して内部の空隙６Ｈを通過させて、回転筒状体５の端面部５Ｂに設けたボス部５Ｃのスプライン嵌合部Ｓ１にスプライン嵌合している。この際、主軸１３の中間部は、中心孔６Ｓ部分に挿入するベアリングＢ３によって支持される。このベアリングＢ３は、複列ボールベアリングであって、振れ止め程度の軽い支持を担当する。なお、ロータ支持軸６の周胴部６Ａの内径は、主軸１３を受け入れた状態において、余裕の空隙６Ｈが残ることとなる寸法設定がされている。

主軸１３は、ナセルフレーム４Ａの透孔４Ｈを通してナセル４内に導入され、発電機構４０に至る主軸１３の中間には、ナセルフレーム４Ａに近接して緩衝継ぎ手３０が介装されている。また、緩衝継ぎ手３０の入力側要素には、ブレーキディスク４Ｄが取り付けられ、ナセルフレーム４Ａに固定される図示しないキャリパによって緩衝継ぎ手３０の入力側において制動されるようになっている。

緩衝継ぎ手３０は、入力側要素と出力側要素との間に設計上設定される偏心、偏角、スラスト変位、熱膨張、位相ずれの許容範囲内において、これらの不要荷重成分を吸収する作用を発揮させることを目的とするものであり、このような機能を有する各種の軸継ぎ手を用いることができるが、本実施の形態においては、増減速機能を有しない大容量のギヤ継ぎ手が採用されている。

上記構成によるロータ支持構造５０は、主軸１３がロータ１０を支持せず、ロータ１０で発生した諸荷重（外力）のうちトルク成分のみを選択的に後続の発電機構４０に伝達することができるとともに、トルク成分以外の諸荷重（外力）が吸収されることが特徴である。ここで、ロータ１０で発生する全ての応力に含まれることとなるロータ自重Ｗ１とロータ支持構造５０の関係を説明する（図２）。

ロータ自重Ｗ１は、回転筒状体５を矢印Ｒ１方向に旋回させて、いわばロータ支持軸６からもぎ取ろうとするようなモーメントを発生させる。したがって、中心線ＣＬを基準として、中心線ＣＬの下側における回転筒状体５の周胴部５Ａの先端部には、ロータ支持軸６に押し付けられる向きの分力Ｆ１が作用するとともに、中心線ＣＬの上側では、ロータ支持軸６から引き離す向きの分力Ｆ１として作用する。一方、回転筒状体５の基部側においては、中心線ＣＬの上側において、周胴部５Ａをロータ支持軸６に押し付ける向きの分力Ｆ２が作用するとともに、中心線ＣＬの下側においては、周胴部５Ａをロータ支持軸６から引き離す向きの分力Ｆ２が作用する（図２）。

図３は、図２をナセル４の方向から見た模式的動作説明図である。カップ状に形成された回転筒状体５は、モーメント性荷重の分力Ｆ１，分力Ｆ２に対し、周胴部５Ａの径方向の弾性変形によって上記トルク成分以外の諸荷重（外力）を吸収することができる（図３）。つまり、上記空隙６Ｈにより、金属材料が持つ微小な弾性変形を許容する柔構造が実現する。周縁部５Ａの弾性変形は、周胴部５Ａの先端側（ナセル４側）で発生する。端面部５Ｂを有する基部側においては、剛性が高く変形の余地がないからである。周胴部５Ａの弾性変形は、中心線ＣＬの上側において径が拡大する向きに発生し、中心線ＣＬの下側においても径が拡大する向きに発生する。これは、中心線ＣＬの下側の周胴部５Ａが、ベアリングＢ１の反力−Ｆ１を受けるためである。

ここで、重要なことは、回転筒状体５の周胴部５Ａが弾性変形しても端面部５Ｂに連結された主軸１３のセンタがその中心からずれないことである。また、これと同様の弾性変形は、ロータ支持軸６の周胴部６Ａについても発生する。ただし、変形方向は、水平方向となる。ロータ支持軸６が弾性変形する場合も主軸１３のセンタが変位しないことは、同様であり、この結果、ロータ支持構造５０は、主軸１３に影響を与えることなく、ロータ自重Ｗ１以外の変動性モーメント荷重のピークをロータ支持軸６及び回転筒状体５の変形損失として吸収することができ、ロータ支持構造５０全体の機械的負担を軽減することができる。

なお、不要なモーメント荷重によって生じる分力Ｆ１，分力Ｆ２は、十分な相互間隔を保って配置されたベアリングＢ１，Ｂ２に対しては、略ラジアル荷重として負荷されることとなる。したがって、ベアリングＢ１，Ｂ２の負担は軽く、故障率の低下に寄与することができる。不要な分力Ｆ１，分力Ｆ２は、ベアリングＢ１，Ｂ２を介してロータ支持軸６に伝達され、ロータ支持軸６から取付けフランジ６Ｃを経由してナセルフレーム４Ａへと、最終的には、ナセル台盤３から支持塔１へと分散される。

水平軸型風力発電装置ＧＥにおいては、ロータ１０由来の不要応力のみならず、装置の全体構成に起因して様々な不要応力が発生する（図４（Ａ））。この種の不要応力は、主軸１３を介してロータ１０と発電機構４０間、さらには装置全体に波及し、装置各部の機械寿命を短縮させる原因となるのであるが、主軸１３に介装された緩衝継ぎ手３０は、この種の不要応力を吸収することができる。

不要応力には、例えば、ナセル４の熱膨張による圧縮応力dＰ，引っ張り応力ｄＴ（図４（Ｂ））、ナセル４の歪による偏角ｄＡ（図４（Ｃ））や偏心ｄＳ（図４（Ｄ））が知られている。また、ロータ１０の回転によるコギング性振動や主軸１３の固有振動等も吸収することができる。なお、主軸１３に介装する緩衝継ぎ手３０は、１基に限るものではなく、異なる特性のものを複数基介装することもできる。緩衝継ぎ手３０の活用によって、発電機構４０のフローティング支持を省略することができる。

（第２の実施の形態）
次に本発明のロータ支持構造５０の第２の実施の形態を説明する。第２の実施の形態は、上記のロータ支持構造５０のバリエーションであり、主に、両者の相違点について、図５を用いて説明する。ただし、同じ部材には同じ符号を付してある。

ロータ支持軸６は、端面部を有しない太鼓胴形の周胴部６Ａと取付けフランジ６Ｃとからなり、周胴部６Ａの両端に介装するベアリングＢ３，Ｂ４によって主軸１３の２点を支持する構造である。ただし、ベアリングＢ３，Ｂ４の機能は、主軸１３の振れ止め程度の軽い支持である。太鼓胴形の周胴部６Ａの採用によって、主軸１３との間に不要応力が伝達されるのを遮断するための空隙６Ｈが形成されることとなる（図５）。

回転筒状体５は、ロータ支持軸６の周胴部６Ａの外形に沿って周胴部６Ａを抱持する先開きのテーパ管状に形成する周胴部５Ａからなり、同じく端面部を有しない。周胴部５Ａの基部側は、段突きに絞り込まれ、絞り込んだ周胴部５Ａの内周部にスプライン嵌合部Ｓ１が設けられている。ロータ支持軸６内を通した支持３の先端部は、回転筒状体５のスプライン嵌合部Ｓ１にスプライン結合されている。

ロータ支持軸６の周胴部６Ａと回転筒状体５の周胴部５Ａとの間には、２列のベアリングＢ１，Ｂ２が介装されている。ロータ支持軸６の先端側に介装されるベアリングＢ１は、単列コロ軸受であり、回転筒状体５の先端側のベアリングＢ２は、複列自動調心コロ軸受である。すなわち、第１の実施の形態とは、ベアリングＢ１，Ｂ２の種類を入れ替えた配置である。これは、ロータ１０の荷重の殆どを回転筒状体５の先端側のベアリングＢ２から、取付けフランジの補強効果を受けるロータ支持軸６の基部側に負担させ、他方のベアリングＢ１は、添える程度の荷重負担にしようとする荷重分担の考え方の相違によるものである。

したがって、回転筒状体５の周胴部５Ａの基部側、つまり主軸１３と連結する側には、殆ど荷重が加わらない構造となり、主軸１３にトルク成分以外の不要応力が負荷されるのを防止することができる。ただし、ロータ支持軸６及び回転筒状体５の周胴部６Ａ，５Ａの弾性変形範囲が少ないことから、より小型の水平軸型風力発電装置ＧＥに使用することが想定されている。

また、ロータ支持軸６には、端面部６Ｂの外径を拡張するように、ボルト締結用の取付けフランジ６Ｃが形成されている。ナセルフレーム４Ａの中央部分には、主軸１３をナセル４の内部に導入するための透孔４Ｈが設けられ、透孔４Ｈの周囲には、多数のスタッドボルト４Ｂ…が環状に植設されている。ロータ支持軸６は、植設されたスタッドボルト４Ｂ…を利用して開口部をロータ１０側に向けて突設されている。つまり、ロータ支持軸６は、ボルト締結を外すことによってナセル４から取り外すことが可能である。ロータ支持軸６の取付けフランジ６Ｃをナセルフレーム４Ａに固定しているボルト４Ｂを外すことによって、ロータ支持構造５０全体をロータ１０とともに主軸１３から抜き取ることができるので、ロータ支持構造５０自体の不具合や、ブレード１１の損傷等の事故に際してのメンテナンスや復旧作業を短期間化することができる。ただし、このためには主軸１３とロータ支持軸６間に介装されるベアリングＢ３，Ｂ４の介装方向が抜き取る方向に対応していることが設計条件となる。
また、本実施の形態では、上記ロータ支持軸６をナセル４からロータ１０側に向けて突設するか、又は、ロータ１０のハブ１２にナセル４側に向けて突設し、上記筒状の回転筒状体５をロータ１０のハブ１２にナセル４側に向けて突設するものとしたが、これとは逆に、上記回転筒状体５をナセル４からロータ１０側に向けて突設し、上記ロータ支持軸６をロータ１０のハブ１２にナセル４側に向けて突設するものとすることも可能である。さらに、上記ロータ支持軸６が上記回転筒状体５を更に上方側からベアリングを介して挟み込む構造（サンドイッチ構造）をとることも可能である。

本発明の第１の実施の形態を要部を破断して示す側面図である。 上記実施の形態の模式説明図である。 上記実施の形態における要部の動作説明図である。 上記実施の形態における要部の動作説明図である。 本発明の第２の実施の形態の要部を破断して示す側面図である。

符号の説明

４ ナセル、
４Ａ ナセルのロータ側の面、
４Ｂ ボルト、
１０ ロータ、
１１ ブレード、
１２ ハブ、
１３ 主軸、
３０ 緩衝継ぎ手、
４０ 発電機構、
５０ ロータ支持構造、
５ 回転筒状体、
５Ａ 周胴部、
５Ｂ 端面部、
６ ロータ支持軸、
５，６，１３ ３重軸構造、
６Ａ 周胴部
６Ｂ 端面部
６Ｃ 取付けフランジ
６Ｈ 空隙、
６Ｓ 中心孔
Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４ ベアリング、
２ａ，２ａ、２ｂ，２ｂ ２列のベアリング、

Claims (7)

1. ハブに複数のブレードを放射状に配設してなるロータの回転をナセル内部の発電機構へと伝達する主軸と、
   主軸を挿通する中心孔を有し、ナセルからロータ側に向けて突設するか、又は、ロータのハブにナセル側に向けて突設するロータ支持軸と、
   上記ロータ支持軸を受け、ナセルからロータ側に向けて突設するか、又は、ロータのハブにナセル側に向けて突設する回転筒状体とを備え、
   上記回転筒状体とロータ支持軸とは、複数のベアリングを分散介装して同心に連結するとともに、主軸は、ロータ支持軸の中心孔を通してロータ支持軸に同心で連結した少なくとも三重軸構成として組み合わされていることを特徴とする水平軸型風力発電装置のロータ支持構造。
2. 前記ロータ支持軸は、主軸を挿通する中心孔を有しナセルからロータ側に向けて水平姿勢で突設し、上記回転筒状体は、ロータのハブにナセル側に向けて水平姿勢で突設し、上記ロータ支持軸と主軸とは、これらの間に空隙が形成される寸法設定条件において主軸をロータ支持軸の中心孔を貫通させて連結してなることを特徴とする請求項１記載の水平軸型風力発電装置のロータ支持構造。
3. 前記ロータ支持軸と回転筒状体とは、いずれも略円筒形の周胴部と、周胴部の一方の開口部に端面を形成する端面部とからなるカップ状に形成され、カップ状に形成されたロータ支持軸と回転筒状体とは、それぞれ端面部をロータ側とナセル側に向けて互いの周胴部間に前記複数のベアリングを介装して組み合わされ、前記主軸は、ロータ支持軸の端面部に形成した前記中心孔を挿通して回転筒状体の端面部に連結することを特徴とする請求項２記載の水平軸型風力発電装置のロータ支持構造。
4. 前記回転筒状体と主軸とが、スプライン嵌合によって連結されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の水平軸型風力発電装置のロータ支持構造。
5. 前記回転筒状体とロータ支持軸との間に分散介装された複数のベアリングの少なくとも一のベアリングは、複列自動調心コロ軸受であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の水平軸型風力発電装置のロータ支持構造。
6. 前記回転筒状体からナセル内部の発電機構に至るまでの前記主軸の中間部に、ロータと発電機構との間で主軸を介して往来する回転トルク以外の不要荷重成分を吸収する緩衝継ぎ手を介装することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載の水平軸型風力発電装置のロータ支持構造。
7. 前記ロータ支持軸は、回転筒状体と主軸とがスプライン嵌合するものにおいて、ナセル側にボルト締結用の取付けフランジを備え、かつ、ナセルにボルト締結され、ボルト締結を外すことによって、ロータを回転筒状体及びロータ支持軸とともに主軸から抜き取ることができることを特徴とする請求項４記載の水平軸型風力発電装置のロータ支持構造。
   

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