JP2012532279A - 風力タービン主軸受け - Google Patents

Abstract

本発明は、風力タービン（１０）の軸（１３）を支持するために形成された風力タービン主軸受け（１）であって、軸（１３）は、軸（１３）と結合された幾つかの翼（１１）により回転させられるものにおいて、風力タービン主軸受け（１）は、軸（１３）の周りに配置された複数の軸受けパッド（２）を備えた流体軸受け（１）である。また本発明は、風力タービン（１０）であって、軸（１３）に結合され、軸（１３）を回転させるために形成された幾つかの翼（１１）を備えており、風力タービン（１０）は、主軸として風力タービン主軸受け（１）を備えている。さらに本発明は、請求項１２から１４までのいずれか１項記載の風力タービン（１０）の保守を行う方法において、以下のステップ：軸（１３）の回転を停止し、軸（１３）を持ち上げるために持ち上げアッセンブリ（２２）を運転し、風力タービン主軸受け（１）の軸受けハウジング（３）から風力タービン主軸受け（１）の軸受けパッド（２）を取り外す、ステップを有する。

Description

本発明は、風力タービン主軸受けに関する。また本発明は、風力タービン主軸受けを備えた風力タービンおよび風力タービンの保守を行う方法に関する。

背景技術
電力を生産するための風力コンバータ（いわゆる風力発電機）に用いられる風力タービン（風車）は、再生可能な源からエネルギを得るために極めて有用である。風力コンバータは、オンショアつまり陸上またはオフショアつまり洋上（沿岸）に建設することができる。風がある状況は一般的に洋上にみられ、設置場所に応じて、陸上の風力タービンは、長期にわたって僅かな風にしかさらされず、それゆえ比較的低い出力しか形成しないので、オフショア風力タービンが能力に関してオンショア風力タービンを上回る。このような理由からより多くのオフショア設備が建設され、将来的にその数は増えていく見込みである。そのような傾向により、新型の風力タービンのサイズがより大きくなることと相俟って、実用性および耐久性に関する要求が高くなっている。オフショア風力タービンは、明確な理由で、陸上またはオンショア風力タービンよりも保守費用が嵩むものである。

現在、様々なタイプの風力タービンまたは風力コンバータが使用されている。その多くは、一方の端部にハブおよび翼を備え、他方の端部にギヤボックスを備えた主軸を使用しているが、選択的な構成も存在する。たとえばＶｅｓｔａｓ ３ＭＷ Ｖ９０は、主軸受けとギヤボックスとの組み合わせを用いており、つまりギヤボックスが主軸受けに組み込まれており、したがって主軸を備えていない。別のタイプの風力タービンは、ギヤボックスを備えておらず、発電機は、低速で回転する。このような風力タービンは、「ダイレクトドライブジェネレータ」と云われ、主軸やそれに類するものを備えていない。このような先行技術の風力タービンは、ロータおよび翼を支持するための主軸受けとして転がり軸受けと主軸（風力タービンに設けられている場合）とを用いる。

保守に関する典型的な問題は、破損した軸受け、特に主軸受けの交換であり、主軸受けは、風力タービンのサイズや風の条件に応じて極めて高い動荷重を吸収する必要がある。主軸受けに掛かる荷重は、主に翼、ハブおよび主軸の合計質量と風速とにより規定される。高い動荷重により、風力タービンにおいて、相応に大きな動的な軸の撓みが生じる。風力タービンの最大回転速度は、風力タービンのサイズ、ひいては翼のサイズにより規定される。比較的大きな翼を備えた比較的大きな風力タービンは、比較的低い最大回転速度を提供する。たとえば既存の２．０ＭＷの風力タービンは、１９ｒｐｍの最大回転速度を有しており、これに対して３．６ＭＷの風力タービンの最大回転速度は１３ｒｐｍである。このような低速では、主軸および主軸受けに作用する動荷重は、特に強い風の状況で極めて高くなることがあり、結果として軸受けに２ＭＮ（メガニュートン）を超える範囲の力が作用することも希ではない。始動または停止時には、回転速度が極めて低く、たとえば５ｒｐｍを下回り、軸と主軸受けとの間の摩擦が極めて大きくなるので、状況はさらに厳しくなる。云うまでもないが、軸受け荷重は、風力タービンのサイズと共に増加する。大きなころ軸受けは材料品質に関して極めて敏感であり、正確な取扱いおよび潤滑を要求するという問題と共に、運転状況により、ころ軸受けまたは玉軸受けは、要求される耐用期間の間に故障し易くなる。

概して設備の経済性が優れていることにより比較的大きな風力タービンが要求されるので、軸受けの耐用期間および機能は、風力タービンの設計、特にオフショア風力タービンにおいてより重要な観点となる。従来慣用のころ軸受けは、多くの問題点を伴うものである。ころ軸受けは、僅かな狂いでも直ちに材料破損につながるので、高精度で加工する必要がある。風力タービンの主軸受けにおけるころ軸受け系の使用に対する主な見解では、保守が困難である。ころ軸受けよりも騒音や振動に対して敏感ではないが、滑り軸受けまたはジャーナル軸受けのような択一的な構成も、比較的柔軟な風力タービン構造に起因して生じる端部荷重に対して耐性を有していないので不適である。そのような軸受けまたは軸受け部分は、はじめに駆動トレーンを取り外さずに交換することができない。ハブ、翼、軸および軸受けを風力タービンから持ち上げるために、相応に大きな外部クレーンが要求される。そのあとで軸受けは取り外して交換することができ、次いで構成要素は、取り付けるために再び所定位置に持ち上げる必要がある。要求される持ち上げ能力を有する外部クレーンは、特にオフショア風力タービンにおいて多大な追加費用をもたらし、オフショア風力タービンでは、外部クレーンは、船により（良好な天候条件下で）搬送する必要がある。

風力コンバータにおけるそのような保守作業は、専門家が認めるように、特にオフショアでは費用および時間の嵩むものである。すなわち、そのような保守は、風が弱い状況下でしか実施することができない。しかしオフショアでは、風が弱い状況は希である。破損した軸受けを備えた風力タービンは、風が弱まるまで長期にわたってたたむ必要があり、その間、風力タービンは電気を生産することができない。

要するに、現在の軸受け系は、主軸受けとして風力タービンに使用すると、長い耐用期間および僅かな保守の要求を十分に満たすものではない。

したがって本発明の課題は、風力タービンの軸受けを改良して、前述の問題を解決するものを提供することである。

発明の開示
本発明の課題は、請求項１に記載の風力タービン主軸受け、請求項１２に記載の風力タービン、請求項１５に記載の風力タービンの保守を行う方法、請求項１６記載の風力タービンの主軸受けとしての流体軸受けの使用により解決される。

本発明による、風力タービンの軸を支持するために形成された風力タービン主軸受けは、軸が、軸と結合された幾つかの翼により回転させられるものにおいて、風力タービン主軸受けが、軸の周りに配置された複数の軸受けパッドを備えた流体軸受けである。

本発明の風力タービン主軸受けは、特に軸、ハブ、翼などの合計重量ならびにこれらの構成要素に掛かる動荷重を支持するために適切である。条件が重なると、軸の許容最高回転速度は低くなる。本発明による風力タービン主軸受けは、５ｒｐｍ〜２５ｒｐｍ、好適には５ｒｐｍ〜２０ｒｐｍ、最も好適には５ｒｐｍ〜１５ｒｐｍの速度で軸を回転するために構成された風力タービンに使用するように設計され、実現されている。

流体軸受けは、流体、通常は油の薄い層で完全に荷重を支持する軸受けである。以下、「風力タービン主軸受け」および「流体軸受け」という用語は、本発明のいかなる限定を行うことなく、代替的に用いられるものとする。流体軸受けは、水力発電に使用されるようなタービンにおいて公知である。また流体軸受けは、船舶用エンジンや潜水艦のプロペラシャフトのような海洋の用途に用いられる。しかしこのような用途に使用されるタービンは、高速および低速の用途であり、つまり、ロータは数１００ｒｐｍの高速で回転する一方、主軸受けに掛かる荷重は、水流の比較的安定した性質に基づいて通常低く一定であり、そのようなタービンは、極めて希にしか始動または停止されない。しかし風力コンバータでは、運転状況は、冒頭で述べたように、低い回転速度、高い荷重、頻繁な始動および停止を含むものである。このような理由から、オンショアおよびオフショアの立地条件で使用される先行技術の風力タービンは、主軸受けとして流体軸受けを使用せず、ころ軸受けのような従来慣用の軸受けを有している。

したがって好適には、本発明による風力タービン用の流体軸受けは、従来慣用のころ軸受けよりも好適であり、故障が生じにくく、保守が容易な軸受けを提供する。流体軸受けのパッドは、たとえばころ軸受けでは軸受けにアプローチするために必要であった駆動トレーンの取り外しが不要で、比較的容易に取り付けまたは取り外すことができる。

以下、「風力タービン」という用語は、本発明のいかなる制限を行うことなく、オフショアまたはオンショアの風力コンバータと解されるものとする。本発明による風力タービンは、主軸とギヤボックス（またはダイレクトドライブジェネレータであってもよい）を有することができるので、「軸」および「主軸」という用語は、本発明のいかなる制限を行うことなく、代替的に用いられ、主軸により支持される回転部分に関係するものとする。

本発明による風力タービンは、主軸受けとして流体軸受けを備えており、流体軸受けは、風力タービンの回転軸の周りに配置された複数の軸受けパッドを有している。

本発明による風力タービンでは、個々のパッドは、取り付けまたは取り外し可能であり、これに対して残りのパッドは、荷重を支持し続ける。したがって本発明による風力タービンに設けられたこのような流体軸受けの保守は、冒頭で述べたような、先ず駆動トレーンをクレーンで持ち上げて、次いで軸受けにアプローチするために取り外す必要があるころ軸受けの保守と比べて極めて容易で、迅速に行うことができる。したがって本発明による風力タービンの流体軸受けは、今までの先行技術の風力タービンに用いられた慣用の軸受けよりも頑丈であり、このような風力タービンは、保守の要求が少なく、そして保守が要求される場合でも少ない手間で迅速に行うことができる。これにより本発明による風力タービンは、特にオフショアの立地条件に好適である。流体軸受けは、高精度の加工を要求する従来慣用のころ軸受けと比べてより簡単な構成を有していて、経済的に製造することができるので、本発明の風力タービンは、もちろんオンショアの立地条件にとっても効果的である。

本発明によれる風力タービンの保守を行う方法は、以下のステップ：軸の回転を停止し、軸を持ち上げるために持ち上げアッセンブリを運転し、風力タービン主軸受けの軸受けハウジングから風力タービン主軸受けの軸受けパッドを取り外す、ステップを有している。このような極めて簡単な方法は、極めて複雑な保守を必要とする、主軸受けとしてころ軸受けを有する先行技術の風力タービンと比べて好適である。先行技術の風力タービンでは、ハブ、翼、軸および軸受けをタービンから取り外して持ち上げるために外部クレーンが要求される。持ち上げたあとで、軸受けは、交換して、次いで全ての構成要素を取り付けるために再び定位置に持ち上げる必要がある。本発明による方法では、軸受けパッドは、駆動トレーンを分解することなく軸受けハウジングから簡単に取り外すことができる。本発明による方法の明確な利点は、コスト削減にあり、高い持ち上げ能力を有する高価な外部クレーンは不要である。本発明による主軸では、駆動トレーンを分解する必要なく、保守が簡単に行われるので、保守の間に低速の天候状況が必要不可欠ではない。したがって保守の間に風力タービンの長い停止時間が生じる恐れは、大幅に低減されている。

本発明の好適な態様および構成は、以下に言及するように、従属請求項から明らかである。

風力コンバータの出力は、大部分はその寸法に関係する。通常、比較的長い翼、したがって比較的長い主軸を有する風力タービンは、比較的大きな電力を生産する。したがって本発明の好適な態様によれば、風力タービン主軸受けは、少なくとも４０ｃｍ、より好適には少なくとも５０ｃｍ、最も好適には少なくとも８０ｃｍの直径（主軸の付近で）を有する軸を支持するために形成されている。主軸受けは、通常、ハブ端部（直径はギヤボックス端部に向かって漸減する）である軸の最大直径の周りに位置決めされる。たとえば１．３ＭＷの風力タービンは、主軸受けに約５５ｃｍの直径の軸を備えることができるが、２．３ＭＷの風力タービンは、主軸受けに約８０ｃｍの直径の軸を備えることができる。３．６ＭＷの風力タービンの主軸受けに設けられる軸は、１００ｃｍ以上の直径を有することができる。本発明による流体軸受けは、特にそのような大きなタービンの荷重や運転中に掛かるあらゆる動荷重を支持するのに適切である。主軸受けとして使用される本発明による流体軸受けは、たとえばギヤボックスの内側またはギヤボックスの後方の極めて小さな直径を有する駆動アッセンブリの一部のために従来慣用の軸受けを装着した、他の目的の風力タービンに用いられる従来慣用の流体軸受けと混同してはならない。そのような流体軸受けの一例は、最大６ｃｍの内径を有しギヤボックスまたはジェネレータに高速回転して使用するための、Main Metall International AG社製造のハイドロダイナミックの「Norixlager」である。専門家には公知であるように、そのような従来慣用の流体軸受けは、風力タービン内で主軸が回転する際の低速回転で運転するために設計されておらず、風力タービンで起こる撓みに耐えることができない。

流体軸受けの軸受けパッドは、好適には外側の収容構造または主軸ハウジングに配置されている。軸受けパッドは、以下「パッド配置構造」とも云う。軸受けハウジングは、好適には、軸受けを潤滑するために使用される流体を収容するために形成されている。そのような流体は、たとえばISO VG 46−ISO VG 460の粘性を有する適切な油または潤滑剤であってよい。

理想的な状況下では、風力コンバータの翼は、ロータを、中心縦軸を中心にスムーズに回転させる。しかし幾分かの横力も回転軸に掛かることがあり、回転軸は、比較的大きな動荷重によりある程度の範囲で動き、曲がる恐れがあり、流体軸受けの軸受けパッドは、好適には、このような動きに対して調整可能にする必要がある。したがって本発明による流体軸受けは、軸受けパッドが軸の撓みに適合するために傾動可能であるように、形成されている。外側の軸受けハウジングに軸受けパッドを傾動可能に取り付ける様々な構成が存在する。たとえば軸受けパッドおよび外側の収容構造は、たとえば軸受けハウジングに軸受けパッドを繋ぐためのフレキシブルなコネクタにより、実質的に「一体」的に形成される。

本発明の好適な態様によれば、流体軸受けの軸受けパッドは、軸受けハウジングに軸受けパッドを傾動可能に結合するためのピボット軸受けを備えている。ピボット軸受けは、各軸受けパッド用のボールソケット配置構造を備えることができるので、軸受けパッドの外側表面は、ソケットを備え、「ボール」または半球は、外側の収容構造の一部である。このようなタイプの流体軸受けは、「ティルティングパッド流体軸受け」と云われる。以下、理解を容易にするために、「流体軸受け」および「ティルティングパッド」という用語は、本発明のいかなる制限を行うことなく、代替的に用いられるものとする。

本発明による流体軸受け用の軸受けパッドは、対称的な形状を有してよい。選択的に、非対称な形状は好適である。たとえば軸受けパッドは、横断面でみて、実質的に不等辺三角形の形状に構成してもよい。軸受けパッドのそのような形状により、軸受けパッドは、運転中に主軸に掛かる動荷重に良好に適合することができる。

本発明による流体軸受けは、ハイドロスタティック軸受けおよび／またはハイドロダイナミック軸受けとして実現可能である。ロータが運動する際に、ハイドロダイナミック軸受けとして運転する間、潤滑剤は、流体圧力により僅かに傾動する軸受けパッドの下側にガイドされている。「傾動」の範囲は、荷重と回転速度とに関係する。潤滑剤または流体が軸受けパッドの下側にガイドされる際に、圧力を掛けられた流体の「楔」が、軸受けパッドとロータとの間に形成される。

さらにそのような流体軸受けは、十分な潤滑剤が軸受けパッドの下側にガイドされるまで、軸受けパッドと軸との間の高い摩擦により、始動時において漸増する摩耗にさらされる。そのような始動時の摩擦により、軸受けの耐用期間が短縮されることがある。

したがって本発明の好適な態様によれば、流体軸受けは、ハイドロスタティック軸受けとして形成されていて、好適には、軸受けパッドは、軸受けパッドの内側表面に配置された複数の凹みを備えており、凹みは、軸受けパッドの内側表面に潤滑流体を噴射するための流体入口を備えている。このようにして潤滑剤は、極めて高い圧力下で、直に、軸受けパッドの下側で主軸の表面に噴射され、したがって潤滑剤の層を２つの表面の間に押し込み、始動時でも好適な低い摩擦での主軸の運動を許容する。高圧の流体が軸受けパッドと主軸との間に噴射されるので、軸受けパッドは、持ち上げられ、流体膜により支持され、圧力は、パッドに沿ってより均等に分配され、その結果として軸受けパッドの荷重支持能力が高まる。したがって軸受けの耐用期間が延長され、保守の手間が低減される。以下、凹みは、「ポケット」または「溝」とも云う。

軸受けパッドと主軸との間の流体による圧力分布は、軸受けパッドの内側表面に沿って均一でなく、軸とパッドとの間の相対回転により、軸受けパッドの「後縁」に向かう域で最大圧力範囲が形成される。したがって本発明の好適な態様によれば、軸受けパッドの内側表面に掛かる相対圧力分布を基に、軸受けパッドの内側表面に設けられた凹みまたはポケットの位置が選択されている。このようにして、油の噴射は、軸受け表面の好適な位置で行うことができる。最も好適には、凹みまたはポケットの位置は、軸受けパッドの内側表面に掛かる低い相対圧力の域に一致するかまたは対応するので、流体がそのような凹みに噴射されると、軸受けパッドの内側表面にわたる流体の全体圧力は、より均等に分配されている。低圧の域は、軸受けパッドにわたる圧力プロファイルを計算し、圧力プロファイルを幾つかの「等圧線」に変換し、軸受けパッド内側表面に関する低圧の等圧線の位置を規定することにより、規定することができる。したがって凹みは、好適には、等圧線、より好適には低圧域に対応するかまたは少なくとも部分的に低圧域に一致する等圧線に従って、軸受けパッド表面に成形される。流体は、軸受けパッドの内側表面により好適に噴射される。たとえば４つの凹みが略矩形の軸受けパッド内側表面の角隅域に配置されている場合には、流体は、風力タービンの始動および／または運転中に凹みに噴射され、その結果軸受けパッド内側表面にわたって圧力の実質的に均等な分配が得られるので、軸受けパッドにより支持される荷重は、より均等に分配される。

軸受けパッドに使用される材料は、風力タービンの所定の機能および寸法に基づいて選択され、機能や寸法は、たとえば設置場所や運転状況に関係する。たとえば高出力発電用の相応に寸法設定された所定の風力タービンでは、ロータにより軸受けに掛かる荷重は極めて大きく、２ＭＮの範囲である。このような荷重は予め計算可能であり、相応に材料は選択可能である。軸受け用の材料は、たとえば硬化鋼または研磨鋼であってよく、もしくはホワイトメタルの薄い被覆を有する鋼（「バビット」または「バビットメタル」とも云われる）であってよい。

本発明の別の好適な態様によれば、軸受けパッドの内側表面は、弾性係数の低いポリマーライニングを有しており、たとえば材料は、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＶＤＦ（ポリ弗化ビニリデン）、ＰＯＭ（ポリオキシメチレン）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）等である。好適な安定性および剛性を提供するこれらの材料は、軽量で、低い摩擦係数を有し、損傷なく油に浸漬することができる。このような性質を有するポリマーは、高圧下で僅かに変形され、軸受けがより大きな「伸び」を有するので、軸受けの内側表面としてそのような材料を使用することは好適である。これによりハイドロダイナミック運転中に形成される良好な流体膜厚が許容される。ポリマー層の厚さは、流体軸受けの使用状況や軸受けパッドの寸法に関係する。ハイドロスタティック軸受けにおいて、上述の凹みは、ポリマーライニングから切り込まれるか、または切除される。

風力タービン用の流体軸受けのパッド配置構造は、ロータに対して適切に配置された幾つかの軸受けパッドを備え、所定の位置で外側収容構造により保持することができる。好適には、少なくとも３つの軸受けパッドが、リング状または環状の配置でロータ軸の周りに配置されている。前述のように、たとえば環状の配置構造は、ロータの周りに略均一に配置された３つの軸受けパッドを備え、定位置でピボット軸受けのような適切な軸受けにより保持することができる。本発明の別の好適な態様によれば、パッド配置構造は、ロータ軸の周りに配置された２つまたは３つの軸受けパッドの環状の配置構造を含む。そのような場合、たとえばそれぞれ３つの軸受けパッドを備えた環状の２つの配置構造を用いると、荷重が６つの軸受けパッドにわたって分配されるので、比較的小さな軸受けパッドの使用で十分である。

本発明による別の好適な態様によれば、風力タービンは、軸受けハウジングの低い部分において軸受けパッドの取り外し、取り付けまたは保守を容易にする目的で主軸に掛かる荷重を低減するために、主軸のような関連パーツを持ち上げるためのジャッキのような持ち上げ構造を有している。専門家には明らかなように、そのような簡単なジャッキは、風力タービンナセルハウジング内に極めて簡単に取り付けることができる。そのようなジャッキを用いると、主軸またはロータを持ち上げて、荷重を支持するために固定し、軸を安定して保持することができる。したがって軸受けパッドは、長時間荷重にさらされず、１作業で簡単に交換可能である。リング配置構造に３つまたは４つ以上のパッドが設けられている場合、保守の間に同時に１つのパッドは交換可能で、これに対して残りのパッドは軸またはロータを支持し続ける。少なくとも２つのパッドが軸を支持し、これに対して１つの軸受けパッドが取り外されるので、リング状の配置構造で少なくとも３つのパッドを使用すると好適である。軸の重量は、軸が回転していない場合、パッドにより低い部分で支持されるので、軸受けハウジングの上側部分に位置する軸受けパッドは、主軸を持ち上げることなく容易に取り外し可能である。

主軸を備えた風力タービンは、１つまたは複数の軸受け、たとえばハブ端部（そこでは荷重が最大である）に位置決めされた本発明による流体軸受けを有する主軸受けと、主軸の他方の端部を支持しながらギヤボックスに従来慣用のころ軸受けとを備えることができる。風力タービンの運転中ならびに風状況に応じて、軸方向の荷重が軸にも掛かることがある。材料破損を回避するために、好適には、風力タービンは、たとえば軸の周りに配置され、軸の軸方向運動を吸収するために形成された複数のスラスト軸受けを備えている。軸方向の荷重は、通常、「下流」方向に掛かる、つまり、軸に沿ってハブから離間する方向に掛かる。スラスト軸受けパッドもまた傾動可能に構成することができる。希に反対方向に掛かる荷重を吸収するために、風力タービンは、好適には、主軸の正面側端部に、たとえば主軸とハブとの間の適切な位置に「バンプストップ」を備えている。

本発明の別の対象および特徴は、付属の図面および以下の説明から明らかである。図面は、単に例示したものでしかなく、本発明を制限するものではない。

例示した従来慣用の風力タービンの基本要素を示す概略図である。 本発明の第１の態様において本発明に関係する風力タービンの構成部分を概略的に示す横断面図および縦断面図である。 本発明の第２の態様において本発明に関係する風力タービンの構成部分を概略的に示す横断面図であり、軸受けハウジングと、保守のために取り外した状態で軸受けパッドとを示す図である。 図３の横断面図に対応する分解図であり、保守のために分解した状態で軸受けハウジングの構成部材を示す図である。 ティルティングパッド流体軸受けの軸受けパッドの内側表面に沿って３次元的な圧力分布を２次元で示す図である。 軸受けパッドの内側表面を表す表面に沿った、図５の圧力分布の等圧線図である。 図６の等圧線図の上に軸受けパッドの内側表面に設けられた凹みの実施可能な配置を示す図である。 図７について説明する技術を用いて軸受けパッドの内側表面に配置された凹みを備えた軸受けパッドを示す図である。 軸が定位置にある状態で、図８の軸受けパッドの内側表面に沿って３次元的な圧力分布を２次元で示す図である。 軸が回転している状態で、図８の軸受けパッドの内側表面に沿って３次元的な圧力分布を２次元で示す図である。 本発明の別の態様による、流体軸受けに配置した軸受けパッドの第２の配置構造を示す図である。

発明を実施するための形態
全図にわたって、同一の符号は、同等の構成要素を表している。図示の構成要素は、必ずしも正しい縮尺で示すものではない。

図１には、背景技術による風力タービン２０の主要構成要素を概略的に例示しており、ここではタワー２０１により支持されるハウジング２００内に設けられたギヤボックス（伝動装置）および駆動トレーンを備えた風力タービンのナセル配置構造を示す。図面を明確にするために、本発明に関係する構成要素しか図示していない。

風力タービン２０の翼１１は、必然的ではないが、通常３つあり、翼１１は、ピッチ軸受け１２０によりハブ１２またはスピナ１２に取り付けられている。ピッチ軸受け１２０により、翼１１は、たとえば暴風の状況ではたたむことができる。通常運転では、風が翼１１に圧力を及ぼし、これによりスピナ１２および取り付けられた主軸１３が回転する。回転エネルギは、ギヤボックス１４とジェネレータ１４０とを用いて、電気エネルギに変換される。エネルギ変換の詳細は、本発明に関係しないので、したがって詳しく説明しない。主軸１３、ギヤボックス１４等を含む駆動アセンブリは、ナセル台板１７に取り付けられている。ナセルハウジング２００の内側の寸法は、約３ｍの高さおよび約１０ｍの長さの範囲であってよい。主軸１３の直径は、４０ｃｍ〜１００ｃｍまたはそれ以上の範囲であってよい。

翼１１、ハブ１２、主軸１３および説明しない他の構成要素の合計重量ならびに風により及ぼされる力により掛けられる荷重は、主軸１３のスピナ端部の傍に位置決めされた主軸受け１５により支持される。ギヤボックス１４の一部としての追加的な軸受け（図示していない）は、荷重の一部を支持することができる。従来の風力タービンでは、主軸受け１５は、ころ軸受けである。ナセル内に設けられたクレーン１６は、保守の間に比較的小さな構成要素および工具をナセル内に巻き上げるために用いられる。比較的重い構成要素またはハブ、翼または軸を持ち上げるために、外部クレーン（図示していない）が要求される。外部クレーン等は、冒頭で述べたように、風力タービンに搬送する必要がある。

図２は、本発明に関するティルティングパッド流体軸受け１を構成する風力タービン１０の関係する部分を横断面図（図の左側）および縦断面図（図の右側）で示すものである。右側の縦断面図は、大体において横断面図における破線に沿って示すものであり、翼１１、ハブ１２、主軸１３およびギヤボックス１４を示す。ナセル台板、ジェネレータ等の関係しない部分は、図面を判りやすくするために図示していないが、専門家にとって明確なように、これらの要素はもちろん必要とされるものである。

本発明による風力タービン１０の図示の態様では、主軸受け１がティルティングパッド流体軸受け１を構成しており、主軸１３は、主軸１３の円筒部分１３０により所与される比較的厚い部分によって、流体軸受け１の軸受けパッド２に適合するように形成されている。方向Ｄ（この方向は略主風方向に相当する）のスラスト荷重を吸収するために、横断面図から明確に看取されるように、複数のスラスト軸受けパッド１８が、主軸の下半部の後方外縁に沿って位置決めされている。反対向きのスラスト荷重は、比較的小さく、頻繁に生じることはないが、主軸の下半部の前方外縁に位置決めされた適切なバンプストップ１９により吸収することができる。

左側の横断面図から、主軸１３の外側表面の周りに環状の配置で位置決めされた３つの軸受けパッド２から成る軸受けパッド２の第１の配置構造が看取される。縦断面図では、軸受けパッド２が２つだけ看取される。軸受けパッド２の形状は、図２において図面を判りやすくするために精確には示していないが、あとで詳しく説明する。さらに軸受けハウジング３は、単に囲繞する円として略示していて、これについては図３および図４に基づいて後述する。軸受けパッド２は、適切な軸受け（図示していない）により、軸受けハウジング３に傾動可能に取り付けられている。軸受けパッドは、不等辺三角形の形状で非対称横断面を有するように示されており、その際、三角形の外側の「角」（「角」はパッドが傾動する時の中心点または中心軸を規定する）は軸受けハウジングに配置されており、長辺は軸の回転方向に向いている。軸受けパッドの非対称形状は、軸の回転方向に良好に適合する。

軸受けハウジング３は、図面を判りやすくするために横断面図において単に円として示しており、軸受けハウジング３には、潤滑流体を閉じこめるための適切なシール（図示していない）を取り付けてある。保守を目的として軸受けパッド２にアプローチするために、ナセル台板にジャッキ（持ち上げ装置）２２が取り付けられており、ジャッキ２２は、下側の軸受けパッド２の１つの取り外しを許容するために十分な程度に主軸１３を持ち上げるために用いられる。

図３は、本発明による風力タービン１０の本発明に関する構成部分を横断面図で示すものであり、図示の軸受けハウジングは、ルーフエレメント３４とサイドエレメント３３とベースエレメント３５とを備えている。これらのエレメント３３，３４またはその一部は、好適には、たとえば内部クレーンを用いて簡単に持ち上げられるように寸法設定することができる。図示の態様の軸受けハウジングは、４つの軸受けパッド２を備えており、そのうちの１つは、保守を目的として取り外されている（矢印で示唆する）。図面から看取されるように、パッド２は、主軸１３の周りに配置されており、ボールソケット形ピボット軸受け３０により軸受けハウジングに固定されている。さらに図面から、主軸１３の低い部分に沿って位置決めされた一連のスラスト軸受けパッド１８’が看取される。主軸１３の下側に、潤滑流体を集めてポンプ（図示していない）に戻すためのリザーバ３２または溜め３２が配置されている。

図４は、図３に示す軸受けハウジング３の分解図である。図４には、どのようにして軸受けハウジングの様々なエレメント３３，３４を、軸受けパッド２へのアプローチを許容するために容易に持ち上げるまたは取り外すことができるのか示す。１つまたは複数のどの軸受けパッド２が交換されるのかに応じて、サイドエレメント３３が外されるか、またはルーフエレメント３４が持ち上げられる。これらのエレメント３３，３４は、慣用の風力タービンの保守に関して上述するような高価な外部クレーンを必要とせず、容易に取り外して交換可能である。図面から看取されるように、右側で、軸受けパッド２は、交換または修理のために取り外される（矢印で示唆する）。

図５は、流体力学式のティルティングパッド流体軸受け用の軸受けパッドの内側表面に沿った３次元の圧力分布を２次元で示す図であり、ここでは、潤滑流体は、シャフトが回転する際に軸受けパッドの下方に排出される。Ｘ軸およびＹ軸は、それぞれ軸受けパッドの幅（軸受けハウジングに交差する）および長さ（主軸の周囲に沿った）を表す。図示の寸法は例示したものでしかなく、０．５ｍ×０．７ｍの軸受けパッド表面は、大抵の風力タービン構造にとって十分なものである。簡単に表すために、Ｘ軸およびＹ軸により規定された平面により得られる軸受け表面は、平らに図示しているが、実際には、軸の湾曲に適合するために湾曲した部分となっている。主軸の回転方向Ｒは、Ｙ軸に対して平行の矢印により規定されており、これに対して軸受けパッドの「後縁」は、Ｘ軸と一致する。専門家にとって周知のように、圧力分布は、パッドと軸との間の速度差と、ティルティングパッド軸受けと回転軸との間に形成された加圧流体が集まった「楔」とから形成される。圧力の単位は、ＭＰａ（メガパスカル）であり、その値は、例示したものに過ぎない。図面から看取されるように、圧力の最高点が示されている。軸受けパッドに関する最高圧力の位置は、軸受けパッドが軸受けハウジングと結合される方式、たとえばピボット軸受けの位置に影響される。運転中に生じる圧力の大きさおよび圧力分布は、主に風速および軸受けパッドにより支持される機械の回転質量により規定される、主軸の回転速度や軸受けに掛かる外力のような幾つかの係数に影響される。

図６は、軸受けパッドの内側表面を表す表面に沿った、図５の圧力分布の等圧線図である。等圧線は、軸受けパッドの後縁に向かって密集していて、そこでは圧力は急激に上昇する。低圧域は、縁部および軸受けパッド内側表面の角隅部に向かってみられ、そこでは等高線または等圧線は、比較的離れて配置されている。

図７は、図６の等圧線図を基に軸受けの内側表面に設けられた凹みまたは溝の設置可能な位置を示す図である。図面が示すように、溝は、主に低圧にあたる域の等圧線に「追従」する。

図８には、図７について上述する技術を用いて軸受けパッド２の内側表面に配置された凹みＣ₁，Ｃ₂，Ｃ₃，Ｃ₄を備えた軸受けパッド２を示す。図示の態様において、軸受けパッド２の内側表面は、低い弾性を有するポリマー被覆５０により形成されている。この被覆５０は、設計要求に応じた厚さを有する。凹みＣ₁，Ｃ₂，Ｃ₃，Ｃ₄は、たとえば約５ｃｍの厚さを有する軸受けパッド２に、たとえば５ｍｍの深さで延びている。ハイドロスタティック運転のために、凹みＣ₁，Ｃ₂，Ｃ₃，Ｃ₄は、運転中に高圧下の流体を噴射するための流体入口Ｆ₁，Ｆ₂，Ｆ₃，Ｆ₄に適合される。

図９は、軸が静止状態で、図８の軸受けパッド２の内側表面に沿った３次元的な圧力分布を２次元で示す図である。図面が示すように、静止している場合、軸受けパッド内側表面に掛かる圧力は、比較的均一に分布している。最も高い圧力の域は、凹みＣ₁，Ｃ₂，Ｃ₃，Ｃ₄と一致する。なぜならば流体がその域に噴射され、軸受けパッド２が主軸から離れるように押し付けられ、流体の膜により支持されるからである。流体のこの均一な圧力分布は、摩擦に起因する摩耗が大幅に低減されているので、始動中に特に有効である。この運転モードは、ハイドロスタティック運転と云われる。

図１０は、軸が回転していて、流体が高圧下で凹みに噴射されている状態の、図８の軸受けパッド２の内側表面に沿った３次元的な圧力分布を２次元で示す図である。この運転モードは、ハイブリッド運転と云われ、ハイドロスタティック運転とハイドロダイナミック運転との組み合わせである。図１０が示すところによれば、ハイドロスタティック運転中に流体を噴射するためにそのような凹みの使用が有利である。図５のハイドロダイナミック圧力分布と比較して、ポケットを有する軸受けパッドのために得られるハイドロスタティック圧力分布が示すように、圧力は、軸受けパッドの内側表面にわたってより均一に分布されていて、最高圧力域と低圧力域との間の差は低減されている。

図１１は、本発明による風力タービンのためのティルティングパッド流体軸受け１における軸受けパッド２の第２の配置構造を概略的に示す図である。主軸１は、概略的に円筒体として表しているが、専門家が認めるように、その形状は、図示の形状から大きく異なっていてよい。

実際には、軸受けパッド２は、軸受けハウジングに対して軸受けパッドを傾動可能に固定するために、カーブ区分として実現されており、軸受けパッドの「背部」と軸受けハウジングの内側（図示しない）との間にピボット軸受けを備えている。図面には、各軸受けパッド２の外側表面に設けられた、ピボット軸受けのための受け部６２を示す。ピボット軸受けは、専門家に知られているように、簡単なボールソケット形軸受けであってよい。ピボット軸受けは、軸受けパッド２を、軸受けハウジングに対して固定するが、軸受けパッド２は、主軸１３の回転速度と、運転中に主軸１３に掛かる様々な力とに動的に適合可能である。軸受けパッド２の形状は、上述のように、主軸１３の回転方向Ｒに適合するために非対称であってよい。

ここではそれぞれ３つの軸受けパッド２を備えた環状の２つの配置構造が、風力タービンの主軸１３の周りに配置されている。軸受けパッド２の幾つかまたは全てが、上述したようなポケットまたは凹みを備えていてよい。たとえば主軸１３の「下に」配置され、その重量を支持する軸受けパッド２は、軸受けパッド２から離れるように主軸１３を「押す」ための高圧下の流体を噴射するためのポケットを有してよく、満足できる運転は、主軸１３の「上で」ポケットを有していない軸受けパッド２と相俟って得られる。

本発明は、好適な態様およびその変化態様について説明しているが、本発明の範疇から逸脱しない範囲において追加的な様々な態様およびその変化形が考えられる。

理解を容易にするために、明細書全般にわたって「１つ」という表現の使用は、複数の構成を排除したものではなく、「含む、有する、備える」という表現の使用は、他の段階または要素を排除するものではない。「ユニット」または「モジュール」という表現は、特に言及しない限り、幾つかのユニットまたはモジュールを含んでいる。

Claims (16)

1. 風力タービン（１０）の軸（１３）を支持するために形成された風力タービン主軸受け（１）であって、
   該軸（１３）は、該軸（１３）と結合された幾つかの翼（１１）により回転させられるものにおいて、
   当該風力タービン主軸受け（１）は、軸（１３）の周りに配置された複数の軸受けパッド（２）を備えた流体軸受け（１）であることを特徴とする、風力タービン主軸受け。
2. 当該風力タービン主軸受け（１）は、少なくとも４０ｃｍ、より好適には少なくとも５０ｃｍ、最も好適には少なくとも８０ｃｍの直径（Ｄ_s）を有する軸（１３）を支持するために形成されている、請求項１記載の風力タービン主軸受け。
3. 当該風力タービン主軸受け（１）は、軸受けパッド（２）が軸（１３）の撓みに適合するために傾動可能であるように、形成されている、請求項１または２記載の風力タービン主軸受け。
4. 当該風力タービン主軸受け（１）は、軸受けハウジング（３）を備えており、当該風力タービン主軸受け（１）の軸受けパッド（２）は、軸受けハウジング（３）に軸受けパッド（２）を傾動可能に結合するためのピボット軸受け（３０）を備えている、請求項３記載の風力タービン主軸受け。
5. 軸受けパッド（２）は、軸（１３）の回転方向（Ｒ）に応じて選択された非対称的な構造を有している、請求項１から４までのいずれか１項記載の風力タービン主軸受け。
6. 軸受けパッド（２）は、該軸受けパッド（２）の内側表面に配置された複数の凹み（Ｃ₁，Ｃ₂，Ｃ₃，Ｃ₄）を備えており、該凹み（Ｃ₁，Ｃ₂，Ｃ₃，Ｃ₄）は、軸受けパッド（２）の内側表面に潤滑流体を噴射するための流体入口（Ｆ₁，Ｆ₂，Ｆ₃，Ｆ₄）を備えている、請求項１から５までのいずれか１項記載の風力タービン主軸受け。
7. 軸受けパッド（２）の内側表面に掛かる相対圧力分布を基に、凹み（Ｃ₁，Ｃ₂，Ｃ₃，Ｃ₄）の位置が選択されている、請求項６記載の風力タービン主軸受け。
8. 凹み（Ｃ₁，Ｃ₂，Ｃ₃，Ｃ₄）の位置は、軸受けパッド（２）の内側表面に掛かる低い相対圧力の域に一致する、請求項６または７記載の風力タービン主軸受け。
9. 凹み（Ｃ₁，Ｃ₂，Ｃ₃，Ｃ₄）の位置は、軸受けパッド（２）の内側表面に掛かる低い相対圧力の域を表す所定の等圧線を基に選択されている、請求項６から８までのいずれか１項記載の風力タービン主軸受け。
10. 軸受けパッド（２）の内側表面は、ポリマー被覆（５０）で被覆されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の風力タービン主軸受け。
11. 軸（１３）の周りに配置された軸受けパッド（２）の少なくとも１つの環状の配置構造が設けられている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の風力タービン主軸受け。
12. 風力タービン（１０）であって、
    軸（１３）に結合されかつ軸（１３）の周りを回転させるように形成された幾つかの翼（１１）を備え、軸（１３）のための主軸受け（１）を備えるものにおいて、
    主軸受け（１）は、請求項１から１１までのいずれか１項記載の風力タービン主軸受け（１）であることを特徴とする、風力タービン。
13. 軸（１３）の周りに配置された幾つかのスラスト軸受け（１８，１８’）が設けられており、選択的に、軸（１３）の縦方向の運動に適合するために形成された、軸（１３）の前方端部に配置されたバンプストップ（１９）が設けられている、請求項１２記載の風力タービン。
14. 風力タービン主軸受け（１）の軸受けパッド（２）の取り外し、挿入または保守を容易にするための、風力タービン（１０）の構成要素を持ち上げるための持ち上げアッセンブリ（２２）が設けられている、請求項１２または１３記載の風力タービン。
15. 請求項１２から１４までのいずれか１項記載の風力タービン（１０）の保守を行う方法において、以下のステップ：
    ・軸（１３）の回転を停止し、
    ・軸（１３）を持ち上げるために持ち上げアッセンブリ（２２）を運転し、
    ・風力タービン主軸受け（１）の軸受けハウジング（３）から風力タービン主軸受け（１）の軸受けパッド（２）を取り外す、
    ステップを有することを特徴とする、風力タービンの保守を行う方法。
16. 風力タービン（１０）の軸（１３）の周りに配置された複数の軸受けパッド（２）を備え、軸（１３）に結合された幾つかの翼（１１）により該軸（１３）が回転させられる流体軸受け（１）を、風力タービン（１０）の主軸受け（１）として使用する、流体軸受けの使用。

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