JP2011174614A

JP2011174614A - 風車ロータに用いられる軸受けシステム

Info

Publication number: JP2011174614A
Application number: JP2011036997A
Authority: JP
Inventors: Klaus Ventzke; フェンツケクラウス
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-02-24
Filing date: 2011-02-23
Publication date: 2011-09-08
Also published as: EP2360383A1; US20110206310A1; CN102192106A; NZ591305A; CA2732382A1

Abstract

【課題】広い範囲の運転荷重のために適しているにもかかわらず、長い寿命を有している軸受けシステムを提供する。
【解決手段】風車ロータのための軸受けシステムであって、Ｏ字形配列の２列テーパころ軸受け５を有しており、該２列テーパころ軸受け５が、内輪７と、該内輪７上に支持されたテーパころ９の周方向の列と、浮動の内側リブ１４と、駆動装置２６と、着脱可能な連結装置１７−２４とを有しており、前記浮動の内側リブ１４が、各テーパころ９に相応する予荷重を加えるために、軸方向外方に面した各大きなころ端部１１に隣接するように、駆動装置２６によって予め規定された位置へ軸方向に移動され、かつ連結装置１７−２４を用いて内輪７に堅固に連結され得るようになっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ころ軸受け技術の分野であり、風車ロータに用いられる軸受けシステムに関する。

風車用途において、大きな運転隙間を備える大型の主軸軸受けは、隙間を有しない軸受けまたは最適化された最小の予荷重（予圧）を有する軸受けに比べて、減じられた定格寿命を有している。特に、Ｏ字形またはＸ字形配列の、予荷重をかけられていない２列軸受けは低い剛性を有している。これら軸受けが高い半径方向の力もしくは高い傾動モーメントによって負荷されると、転動エレメントの荷重分配は不規則になる。結果として、いくつかの転動エレメントが、早期の軸受け故障を起こす高いヘルツ圧力（Hertzian Pressure）を受ける。特に、軸受け剛性は、予荷重と、当該軸受けの目下の運転状態から生じる荷重とに関連する。高過ぎる予荷重をかけられた２列軸受けの剛性、ひいてはこの軸受け内の摩擦も高くなる。その結果、軸受けの内部荷重は不都合に高く、このことは早期の軸受け故障を起こす。

さらに、ころ軸受けは特にスキッディング（公転滑り）の影響を受けやすいようである。スキッディングは、転動運動と滑り運動との組合せの結果であり、軸受けの転がり完全性を損なう。スキッディングが起こると、回転する輪に作用する前方向の力が、ころ／保持器ユニットの、回転に対する抗力よりも小さくなる。スキッディングは、転動エレメントおよび軌道の周方向のスミアリングおよび条痕を引き起こし得る。このことは結果として、過度のピッチング形成に基づく早期の軸受け故障をもたらす恐れがある。さらに、予荷重をかけられていない転動エレメントが軌道に接触しなくなり、転動エレメントが保持器によって減速されるとすぐに、スキッディングが生じる。

固定的な（非調心の：rigid）軸受け装置の緩衝能力は、動的荷重の事例では適当ではない。固定的な予荷重をかけられた軸受けは、液圧式に予荷重をかけられたシステムに比べて、あまり適当な緩衝能力を有しておらず、この固定的な軸受けシステムは、緩衝能力を作用させることができない。一方では、複数の部材を取り囲む軸受けの真の走行（true running）は、軸受け隙間による影響を受け、他方では、予荷重をかけられていない軸受けの剛性は十分ではなく、最大の真の走行のエラーは、許容不能な高い値となる。さらに、大型の風車軸受けの予荷重および隙間は、軸受け製造の精度、シャフトもしくは軸とハウジングとの嵌合いおよび目下の運転温度に依存する。設置された隙間の可変の範囲によって、調節不能な予荷重をかけられたシステムにおける接触圧の種々の範囲に関連する、種々異なる目下の運転状態が生じる。高過ぎる軸受け隙間は、予荷重をかけられていないシステムのころの、許容不能な高いエッジ圧をもたらし得る。

本発明の課題は、風車ロータのための軸受けシステムを改良して、広い範囲の運転荷重のために適しているにもかかわらず、長い寿命を有している軸受けシステムを提供することである。

この課題を解決するために、風車ロータのための本発明による軸受けシステムの構成では、風車ロータのための軸受けシステムが、Ｏ字形配列の２列テーパころ軸受けを有しており、２列テーパころ軸受けが、内輪と、この内輪上に支持されたテーパころの周方向の列と、浮動の内側リブ（つば）と、駆動装置と、着脱可能な連結装置とを有していて、浮動の内側リブが、各テーパころに相応する予荷重を加えるために、軸方向外方に面した各大きなころ端部に隣接するように、駆動装置によって予め規定された位置へ軸方向に移動されるようになっていて、かつ連結装置を用いて内輪に堅固に連結されるようになっている。

したがって、本発明による軸受けシステムには、ころに調節可能に予荷重をかけるために、有利には十分に可変の外部荷重が提供されており、これにより、軸受けシステムの運転状態の広い範囲にわたって、テーパころのために最適化された運転状態を提供することができる。さらに、この軸受けシステムは、有利には極めて剛いので、軸受けシステムの周辺部材の真の走行特性は軸受け隙間によって影響されない。連結装置を用いて浮動の内側リブを予め規定された軸方向の位置にある内輪に硬く連結することによって本発明による軸受けシステムの最適な隙間、予荷重および剛性が達成されるやいなや、軸受けシステムのこの最適な配置が固定的に設置されると有利である。さらに、ころおよび浮動の内側リブへの荷重分布が良好に平衡されているという有利な効果を得られる。最も高く負荷されたころのヘルツ圧力は、従来の軸受けに比べて減じられている。なぜならば、負荷が隣接するころに分散されているからである。その結果、ころの疲れ寿命と稼働率とは向上し、したがって、本発明による軸受けシステムの寿命も長くなる。さらに、本発明によれば、ころのスキッディングを回避することができるので、この軸受けシステムの寿命はスミアリングによる不都合な影響を受けない。

駆動装置によって、本発明による軸受けシステムの予荷重および剛性を、目下の運転状態に適合させることができる。本発明による軸受けシステムの、運転中の運転状態、有利には温度、騒音、振動および／または半径方向の振れ（radial runout）を監視すると有利である。臨界的な運転状態が監視されるやいなや、駆動装置を作動させることによって、軸受けシステムの予荷重および／または剛性を、軸受けシステムの最適化された内部荷重をもたらすために適合させることができる。

連結装置が、内輪と浮動の内側リブとの間で形状嵌合部（form-fit）を形成すると有利である。さらに、連結装置は、有利には周方向の支持リブを有している。この支持リブは、内輪上に形成され、この内輪から半径方向に延びていて、かつ浮動の内側リブに係合する。これにより、内輪と浮動の内側リブとの間で形状嵌合部を形成することができる。内輪と浮動の内側リブとの間で形状嵌合部を設けることによって、この構造体の剛性が軸方向で高くなる。したがって、軸受けシステムの全体的な構造が有利には剛くなる。支持リブが、内輪上で一体的に形成されていると有利である。

周方向の支持リブが、軸受け軸線に対して垂直に配置され軸受けに面した、周方向に延びる軸方向の支持段部を有していると有利である。この場合、浮動の内側リブは、この支持段部によって軸方向で支持されている。さらに、内輪が、浮動の内側リブを内輪上で半径方向に支持し、かつ浮動の内側リブを軸方向の運動のために軸方向でガイドする滑り面を有していると有利である。有利には、この滑り面は浮動の内側リブを周方向でガイドするようになっていて、これにより、浮動の内側リブは内輪上で周方向に可動である。軸方向の支持段部が、鋸歯状にねじ山を付けられた第１の面を有していて、浮動の内側リブが、鋸歯状にねじ山を付けられた第２の面を有していて、鋸歯状にねじ山を付けられた第１の面と鋸歯状にねじ山を付けられた第２の面とが、互いに係合して協働するので、浮動の内側リブの、内輪に対する相対的な周方向の位置に依存して、浮動の内側リブの、内輪に対する相対的な軸方向の位置が規定される。さらに、鋸歯状にねじ山を付けられた第１の面と鋸歯状にねじ山を付けられた第２の面とは、有利には、浮動の内側リブが内輪によりセルフロック式に軸方向で支持されているように形成されている。したがって、鋸歯状にねじ山を付けられた第１の面と、鋸歯状にねじ山を付けられた第２の面とは、浮動の内側リブの周方向の運動を、浮動の内側リブの軸方向の運動に変換する。さらに、鋸歯状にねじ山を付けられた第１の面と、鋸歯状にねじ山を付けられた第２の面とが、軸方向でセルフロックしているので、浮動の内側リブの軸方向の位置は堅固に位置固定される。したがって、浮動の内側リブの軸方向の調節を、浮動の内側リブの回転により簡単に操作することができ、この場合、浮動の内側リブの到達された軸方向の位置、ひいては軸受けシステムの予荷重および隙間は良好に規定されている。

さらに、内輪および／または浮動の内側リブは、セルフロック効果を克服するために、鋸歯状にねじ山を付けられた第１の面と、鋸歯状にねじ山を付けられた第２の面との間の空間を、液圧媒体で一時的に加圧するようになっている。さらに、駆動装置が、浮動の内側リブを周方向に駆動することにより、鋸歯状にねじ山を付けられた第１の面と、鋸歯状にねじ山を付けられた第２の面との協働により浮動の内側リブを軸方向に運動させるようになっている。駆動装置が、浮動の内側リブと内輪とを周方向に負荷する液圧プランジャであり、これにより浮動の内側リブを周方向に駆動することができると有利である。

以下に本発明の実施形態を図面につき詳しく説明する。

本発明による軸受けシステムの実施形態を示す部分図である。本発明による軸受けシステムの実施形態を示す側面図である。図１に示したＡ−Ａ線の断面を示す図である。

図１〜図３に示されているように、風車ロータは、軸受けシステム１と、シャフト軸線３を有する風車シャフト２と、ロータハブ４とを有している。この場合、シャフト２は位置固定されていて、ロータハブ４は回転している。このロータハブ４上には、１つまたは複数のロータ羽根（図示せず）が組み付けられていて、半径方向に延びている。ロータハブ４は、軸受けシステム１により、ロータシャフト２により支持されている。これにより、ロータハブ４は、風車シャフト２上に枢着式に組み付けられている。軸受けシステム１は、風負荷により生じる半径方向の力、軸方向の力および傾動モーメント、ブレードおよびロータハブ４の重量ならびに風車ロータの不平衡等の影響を受ける。運転荷重を支えることのできる風車ロータの安定した構造を提供するために、軸受けシステム１は、Ｏ字形配列の２列テーパころ軸受け５を有している。２列テーパころ軸受け５は、第１の内輪７と、第２の内輪８とから成る分割されたシャフトリングを有している。第１の内輪７上には、テーパころ９の周方向の列が配置されていて、この第１の内輪７により支持されている。さらに、第２の内輪８上には、テーパころ９の周方向の別の列が配置されていて、この第２の内輪８により支持されている。したがって、第２の内輪８は、第１の内輪７およびそのテーパころ９と共にＯ字形配列を形成している。

テーパころ９は円錐形であり、したがって小さなころ端部１０と、大きなころ端部１１とを有している。テーパころ９は、その大きなころ端部１１が軸方向外方に面しているように、それぞれの内輪７，８上に配置されている。第２の内輪８は、この第２の内輪８上に一体的に形成された位置固定された内側リブ１２を有している。この固定の内側リブ１２は、半径方向外側に延びていて、第２の内輪８の軸方向の外端部に配置されているので、固定の内側リブ１２は、第２の内輪８によって支持されたテーパころ９の、各大きなころ端部１１に隣接している。固定の内側リブ１２の、大きなころ端部１１に面した周方向の面は、固定された軌道１３を形成していて、これにより第２の内輪８により支持されたテーパころ９に予荷重をかけることができる。

内輪７は、周方向の支持リップもしくは支持リブ１７有している。この支持リブ１７は、内輪７上に一体的に形成されていて、この内輪７から半径方向に延びている。周方向の支持リブ１７は、軸受け軸線３に対して垂直方向に配置されかつ軸受け５に面した、周方向に延びる軸方向の支持段部２０を形成している。この場合、周方向の支持リブ１７の半径方向外側に位置する面は、上側の滑り面１８を規定していて、内輪７の半径方向外側に位置する面は、下側の滑り面１９を規定している。軸方向の支持段部２０は、上側の滑り面１８と下側の滑り面１９とをつないでいる。

さらに軸受けシステム１は、支持リブ１７および第１の内輪７上に配置された浮動の内側リブ１４を有している。この浮動の内側リブ１４は、リングとして形成されており、周方向の支持リブ１７、上側の滑り面１８、支持段部２０および下側の滑り面１９に合致する内面を有している。周方向の支持リブ１７は、浮動の内側リブ１４と係合する。この場合、浮動の内側リブ１４は、内輪７と浮動の内側リブ１４との間の形状嵌合部が形成されるように、支持段部２０によって軸方向で支持されている。さらに、浮動の内側リブ１４は、上側の滑り面１８と下側の滑り面１９とにより支持されており、この場合、浮動の内側リブ１４は、軸方向の運動１６と周方向の運動２５とにおいてガイドされる。

軸方向の支持段部２０は、鋸歯状にねじ山を付けられた第１の面２１を有しており、浮動の内側リブ１４は、鋸歯状にねじ山を付けられた第２の面２２を有している。この場合、鋸歯状にねじ山を付けられた第１の面２１と、鋸歯状にねじ山を付けられた第２の面２２とは互いに係合する。したがって、鋸歯状にねじ山を付けられた第１の面２１と鋸歯状にねじ山を付けられた第２の面２２とが協働して、これにより、浮動の内側リブ１４の、内輪７に対する相対的な周方向の位置に依存して、浮動の内側リブ１４の、内輪７に対する相対的な軸方向の位置が規定される。さらに、鋸歯状にねじ山を付けられた第１の面２１のピッチと、鋸歯状にねじ山を付けられた第２の面２２の対応するピッチとは、軸方向で浮動の内側リブ１４が内輪７によりセルフロック式に支持されるようになっている。

鋸歯状にねじ山を付けられた第１の面２１と、鋸歯状にねじ山を付けられた第２の面２２との間には、特に、鋸歯状にねじ山を付けられた第１の面２１と、鋸歯状にねじ山を付けられた第２の面２２とが完全に係合していない場合に、複数のキャビティ２３が形成されている。内輪７は、液圧媒体入口２４を有していて、これにより、液圧媒体が鋸歯状にねじ山を付けられた第１の面２１と、鋸歯状にねじ山を付けられた第２の面２２との間に供給され得る。上側の滑り面１８と下側の滑り面１９とは、Ｏリング２７を設けることによって浮動の内側リブ１４に対してそれぞれシールされている。キャビティ２３、ひいては鋸歯状にねじ山を付けられた第１の面２１と鋸歯状にねじ山を付けられた第２の面２２との間の空間を、液圧媒体入口２４により液圧媒体で一時的に加圧した場合、鋸歯状にねじ山を付けられた第１の面２１と、鋸歯状にねじ山を付けられた第２の面２２とが離されて、セルフロック効果が克服される。

さらに、軸受けシステムは液圧プランジャ２６を有している。この液圧プランジャ２６は、浮動の内側リブ１４を周方向に駆動するために、浮動の内側リブ１４と内輪７とを周方向に負荷する。これにより、浮動の内側リブ１４が、鋸歯状にねじ山を付けられた第１の面２１と鋸歯状にねじ山を付けられた第２の面２２との協働によって、各大きなころ端部１１に隣接するように、予め規定された位置へ軸方向に運動させられる。したがって、相応する予荷重が各テーパころ９に提供されて、この場合、浮動の内側リブ１４は、内輪７に堅固に連結されている。

Claims

風車ロータのための軸受けシステムであって、Ｏ字形配列の２列テーパころ軸受け（５）を有しており、該２列テーパころ軸受け（５）が、内輪（７）と、該内輪（７）上に支持されたテーパころ（９）の周方向の列と、浮動の内側リブ（１４）と、駆動装置（２６）と、着脱可能な連結装置（１７−２４）とを有しており、前記浮動の内側リブ（１４）が、各テーパころ（９）に相応する予荷重を加えるために、軸方向外方に面した各大きなころ端部（１１）に隣接するように、駆動装置（２６）によって予め規定された位置へ軸方向に移動され、かつ連結装置（１７−２４）を用いて内輪（７）に堅固に連結され得るようになっている、風車ロータのための軸受けシステム。
連結装置（１７−２４）が、内輪（７）と浮動の内側リブ（１４）との間で形状嵌合部を形成している、請求項１記載の軸受けシステム。
前記連結装置が、周方向の支持リブ（１７）を有しており、該支持リブ（１７）が、内輪（７）上に形成され、該内輪（７）から半径方向に延びていて、かつ内輪（７）と浮動の内側リブ（１４）との間で形状嵌合部が形成されるように浮動の内側リブ（１４）に係合している、請求項２記載の軸受けシステム。
周方向の支持リブ（１７）が、軸受け軸線（３）に対して垂直方向に配置されかつ軸受け（５）に面した、周方向に延びる軸方向の支持段部（２０）を有しており、該支持段部（２０）によって、浮動の内側リブ（１４）が軸方向で支持されている、請求項３記載の軸受けシステム。
内輪（７）が、該内輪（７）上で浮動の内側リブ（１４）を半径方向で支持しかつ浮動の内側リブ（１４）を軸方向の運動のために軸方向でガイドする滑り面（１８，１９）を有している、請求項４記載の軸受けシステム。
前記滑り面（１８，１９）が、浮動の内側リブ（１４）の周方向でガイドするようになっていて、これにより浮動の内側リブ（１４）が内輪（７）上で周方向に可動である、請求項４または５記載の軸受けシステム。
軸方向の支持段部（２０）が、鋸歯状にねじ山を付けられた第１の面（２１）を有していて、浮動の内側リブ（１４）が、鋸歯状にねじ山を付けられた第２の面（２２）を有しており、鋸歯状にねじ山を付けられた第１の面（２１）と、鋸歯状にねじ山を付けられた第２の面（２２）とが、互いに係合しかつ協働して、これにより、浮動の内側リブ（１４）の、内輪（７）に対する相対的な周方向の位置に依存して、浮動の内側リブ（１４）の、内輪（７）に対する相対的な軸方向の位置が規定される、請求項６記載の軸受けシステム。
浮動の内側リブ（１４）が内輪（７）によってセルフロック式に軸方向で支持されるように、鋸歯状にねじ山を付けられた第１の面（２１）と、鋸歯状にねじ山を付けられた第２の面（２２）とが形成されている、請求項７記載の軸受けシステム。
内輪（７）および／または浮動の内側リブ（１４）が、セルフロック効果を克服するために、鋸歯状にねじ山を付けられた第１の面（２１）と、鋸歯状にねじ山を付けられた第２の面（２２）との間の空間を一時的に液圧媒体によって加圧するようになっている、請求項８記載の軸受けシステム。
駆動装置（２６）が、浮動の内側リブ（１４）を周方向に駆動することにより、鋸歯状にねじ山を付けられた第１の面（２１）と、鋸歯状にねじ山を付けられた第２の面（２２）との協働によって浮動の内側リブ（１４）を軸方向に運動させるようになっている、請求項７から９までのいずか１項記載の軸受けシステム。