JP2013137074A - 風力発電装置用の軸受及び風力発電装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】重量増加を抑制しながら、風力発電装置の運転中に加わる不均一な荷重に起因する寿命低下を抑制しうる風力発電装置用の軸受及びこれを備えた風力発電装置を提供する。
【解決手段】軸受５０は、第１軌道面６２を有する内輪５２と、第２軌道面６４を有する外輪５４と、第１軌道面６２と第２軌道面６４との間に設けられる転動体５６を備える。軸受５０の中心軸Ｃに対する第１軌道面６２及び第２軌道面６４の少なくとも一方の傾斜角αは、風力発電装置１の運転時に軸受５０に作用する荷重分布に基づいて、軸受５０の周方向について分布を持っている。
【選択図】 図４
【解決手段】軸受５０は、第１軌道面６２を有する内輪５２と、第２軌道面６４を有する外輪５４と、第１軌道面６２と第２軌道面６４との間に設けられる転動体５６を備える。軸受５０の中心軸Ｃに対する第１軌道面６２及び第２軌道面６４の少なくとも一方の傾斜角αは、風力発電装置１の運転時に軸受５０に作用する荷重分布に基づいて、軸受５０の周方向について分布を持っている。
【選択図】 図４
Description
本発明は、風力発電装置用の軸受及びこれを備えた風力発電装置に関する。ここで、風力発電装置の軸受とは、例えば、ブレード−ハブ間に設けられる翼旋回軸受およびナセル−タワー間に設けられるヨー旋回軸受に代表される旋回軸受や、主軸−ナセル間に設けられる主軸受を意味する。
近年、地球環境の保全の観点から、再生エネルギーとしての風を利用して発電を行う風力発電装置の普及が進んでいる。風力発電装置は、一般に、ハブに取り付けられたブレードが風を受けることによって、ハブ及びこれに連結された主軸が回転し、主軸の回転を増速機で増速して発電機に入力することで、発電機において電力が生成されるようになっている。
風力発電装置には、種々の回転部分が存在し、軸受によって回転部分における回転を可能にしている。このような軸受には、例えば、ブレードをハブ（ロータヘッド）に旋回自在に支持するための翼旋回軸受、および、ナセルをタワーに旋回自在に支持するためのヨー旋回軸受に代表される旋回軸受がある。
ところで、一般的な転がり軸受の取付けは、締りばめ／すきまばめで固定する。これに対し、風力発電装置の旋回軸受の取付けは、一般的な転がり軸受とは異なり、旋回部分を構成する一対の構造体に内輪及び外輪をそれぞれボルトで直接締結することで行われる。これは、風力発電装置の旋回軸受のサイズが大きいため内輪及び外輪をボルトで旋回部分に直接締結することができ、またそのような取付け構造がシンプルであるからである。
例えば、特許文献１〜４には、内輪及び外輪にそれぞれ取付用ボルト孔を設けた風力発電装置用の旋回軸受が開示されている。この旋回軸受の取り付けは、内輪及び外輪にそれぞれ設けられた取付け用ボルト孔を利用して、旋回部分を構成する一対の構造体に内輪及び外輪をボルトで直接締結することによって行われる。
例えば、特許文献１〜４には、内輪及び外輪にそれぞれ取付用ボルト孔を設けた風力発電装置用の旋回軸受が開示されている。この旋回軸受の取り付けは、内輪及び外輪にそれぞれ設けられた取付け用ボルト孔を利用して、旋回部分を構成する一対の構造体に内輪及び外輪をボルトで直接締結することによって行われる。
なお、風力発電装置用の軸受に関するものではないが、特許文献５には、車軸に接続されてこれとともに回転する回転体と、この回転体を回転可能に支持する固定体と、この固定体に設けられた複数のフランジ部を通じて車両のナックルに固定される乗用車用軸受が開示されている。この乗用車用軸受では、フランジ部の個数を増やして５つ以上設けることで、軸受の剛性を向上させて、車両の走行に伴いナックルから伝わる荷重に起因する軌道溝の不均一な変形を抑制するようになっている。
しかしながら、風力発電装置のブレード及びナセルに風荷重が作用する結果、特許文献１〜４に記載された旋回軸受にモーメント荷重を含む不均一な荷重が加わり、旋回軸受自体が構造変形して、旋回軸受の軌道面と転動体との適切な接触状態を維持できなくなってしまうことがある。
図１０は不均一な荷重が加わることによる旋回軸受の構造変形の様子を示す断面図であり、図１０（ａ）は不均一な荷重が加わっていない状態の旋回軸受を示し、図１０（ｂ）は不均一な荷重が加わった状態の旋回軸受を示している。また図１１は旋回軸受の構造変形が軌道面と転動体との接触状態に及ぼす影響を示す断面図であり、図１１（ａ）は図１０（ａ）におけるＤ部の拡大図であり、図１１（ｂ）は図１０（ｂ）におけるＥ部の拡大図である。
風力発電装置の旋回部分１００は、第１部材１０２と、旋回軸受１１０によって第１部材１０２に旋回自在に支持された第２部材１０４とを有する。旋回軸受１１０の内輪１１２は、ボルト１１３によって第１部材１０２に締結されている。旋回軸受１１０の外輪１１４は、ボルト１１５によって第２部材１０４に締結されている。また、内輪１１２と外輪１１４との間には、上下２列のボール１１６が転動体として設けられている。
風力発電装置の旋回部分１００は、第１部材１０２と、旋回軸受１１０によって第１部材１０２に旋回自在に支持された第２部材１０４とを有する。旋回軸受１１０の内輪１１２は、ボルト１１３によって第１部材１０２に締結されている。旋回軸受１１０の外輪１１４は、ボルト１１５によって第２部材１０４に締結されている。また、内輪１１２と外輪１１４との間には、上下２列のボール１１６が転動体として設けられている。
図１０（ａ）及び図１１（ａ）に示すように、旋回軸受１１０に外力が加わっていない状態では、内輪１１２及び外輪１１４にそれぞれ形成された軌道面１２２，１２４とボール１１６とが適切な状態で接触している。すなわち、内輪１１２に形成された軌道面１２２とボール１１６が接触点Ｐ１及び／又はＰ２において接触し、外輪１１４に形成された軌道面１２４とボール１１６が接触点Ｐ３及びＰ４において接触している。このとき、各接触点Ｐ１〜Ｐ４における面圧は、バランスが保たれており、軌道面１２２，１２４とボール１１６との接触状態は安定している。
これに対し、図１０（ｂ）に示すように、風荷重に起因するモーメント荷重Ｍが第２部材１０４に加わると、図１０（ｂ）の矢印方向の引張荷重がボルト１１５を介して外輪１１４に付与されて、外輪１１４が変形しようとする。そして、外輪１１４の変形に伴ってボール１１６に作用する面圧のバランスが崩れて、図１１（ｂ）に示すように、ボール１１６と外輪１１４の軌道面１２４との接触位置が肩部１２５にずれる。また、内輪１１２も、ボール１１６を介して外輪１１４の肩部１２５からの荷重（図１０（ｂ）の右下から左上に向かう矢印方向の荷重）が伝わり、図１０（ｂ）に示すように軌道面１２２が傾くように内周側に倒れる。そのため、図１１（ｂ）に示すように、ボール１１６と内輪１１２の軌道面１２２との接触位置が肩部１２３にずれる。このように、旋回軸受１１０においてボール１１６の肩部１２３，１２５との接触（いわゆる肩乗り上げ）が発生すると、局所的に面圧が急増し、ボール１１６及び軌道面１２２，１２４における塑性変形（損傷）に至ることがあり得る。
これに対し、図１０（ｂ）に示すように、風荷重に起因するモーメント荷重Ｍが第２部材１０４に加わると、図１０（ｂ）の矢印方向の引張荷重がボルト１１５を介して外輪１１４に付与されて、外輪１１４が変形しようとする。そして、外輪１１４の変形に伴ってボール１１６に作用する面圧のバランスが崩れて、図１１（ｂ）に示すように、ボール１１６と外輪１１４の軌道面１２４との接触位置が肩部１２５にずれる。また、内輪１１２も、ボール１１６を介して外輪１１４の肩部１２５からの荷重（図１０（ｂ）の右下から左上に向かう矢印方向の荷重）が伝わり、図１０（ｂ）に示すように軌道面１２２が傾くように内周側に倒れる。そのため、図１１（ｂ）に示すように、ボール１１６と内輪１１２の軌道面１２２との接触位置が肩部１２３にずれる。このように、旋回軸受１１０においてボール１１６の肩部１２３，１２５との接触（いわゆる肩乗り上げ）が発生すると、局所的に面圧が急増し、ボール１１６及び軌道面１２２，１２４における塑性変形（損傷）に至ることがあり得る。
また、たとえボール１１６の肩乗り上げが発生しなくても、不均一な荷重に起因した旋回軸受の変形によって起こる局所的な面圧上昇は、旋回軸受の寿命を低下させる要因であるから、望ましいことではない。特に、ボール１１６が複数列設けられた複列玉軸受の場合（図１０（ａ）及び（ｂ）参照）、旋回軸受１１０（内輪１１２及び外輪１１４）の変形に起因して各列における荷重分担比率にバラツキが生じ、何れかの列における局所的な面圧上昇が生じやすい。
なお、ここでは、正常時における軌道面１２２，１２４とボール１１６との接触点が４点Ｐ１〜Ｐ４である４点接触タイプの複列玉軸受を例に挙げたが、その他の形式の旋回軸受でも同様に、旋回軸受に加わる不均一な荷重に起因する局所的な面圧上昇によって寿命が低下することがある。
また、旋回軸受だけでなく主軸受の場合にも、旋回軸受と同様に、ハブを介して風荷重に起因する不均一な荷重（モーメント荷重）が作用するから、主軸受自体が構造変形して、局所的な面圧上昇によって寿命が低下することがある。
また、旋回軸受だけでなく主軸受の場合にも、旋回軸受と同様に、ハブを介して風荷重に起因する不均一な荷重（モーメント荷重）が作用するから、主軸受自体が構造変形して、局所的な面圧上昇によって寿命が低下することがある。
そこで、特許文献５に記載された、車両のナックルに軸受を固定するためのフランジ部の個数を増やして、軸受全体の剛性を高めることで軸受軌道溝の不均一な変形を抑制する発想を、風力発電装置用の軸受に適用することが考えられる。すなわち、風力発電用装置用の軸受そのもの又は軸受周辺の構造体の体格を大きくして、軸受の軌道面の変形を抑制することが考えられる。
ところが、昨今の風力発電装置は採算性向上の観点から大型化が急激に進んでおり、各部品を少しでも軽量化したいという要請から、軸受そのもの又は軸受周辺の構造体の体格を大きくして軸受の剛性を確保する手法が許容されない場合がある。また、風力発電装置の大型化に伴ってブレード及びナセルに加わる風荷重も増大する傾向にあるから、軸受の体格を大きくする手法では、軸受の重量増加を抑制しながら、風荷重に見合った軸受の剛性を確保することが今後ますます困難になっていく。
ところが、昨今の風力発電装置は採算性向上の観点から大型化が急激に進んでおり、各部品を少しでも軽量化したいという要請から、軸受そのもの又は軸受周辺の構造体の体格を大きくして軸受の剛性を確保する手法が許容されない場合がある。また、風力発電装置の大型化に伴ってブレード及びナセルに加わる風荷重も増大する傾向にあるから、軸受の体格を大きくする手法では、軸受の重量増加を抑制しながら、風荷重に見合った軸受の剛性を確保することが今後ますます困難になっていく。
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、重量増加を抑制しながら、風力発電装置の運転中に加わる不均一な荷重に起因する寿命低下を抑制しうる風力発電装置用の軸受及びこれを備えた風力発電装置を提供することを目的とする。
風力発電装置の運転時に軸受に作用する荷重は、軸受の周方向について一様ではなく、軸受の特定の周方向位置に偏った分布を有する。
例えば、ブレード−ハブ間に設けられる翼旋回軸受の場合、風力発電装置の運転時におけるブレードの迎え角の変化範囲は限定的であるから、ブレードが風から受ける力の方向は概ね決まっており、翼旋回軸受に作用する荷重は所定の分布を有するとみなすことができる。また、ナセルの旋回制御はナセルが風向きに追従するように行われるのが一般的であるから、ナセルに対する風向きは常に略一定であり、ヨー旋回軸受のナセル側に取り付けられる部分（内輪又は外輪）に作用する荷重は所定の分布を有するとみなすことができる。また、風力発電装置に向かって吹く風の向きは概ね主風向に一致するから、ヨー旋回軸受のタワー側に取り付けられる部分（外輪又は内輪）に作用する荷重についても、所定の分布を有すると考えることができる。さらに、主軸受についても、風力発電装置の運転時に作用する荷重（風荷重に起因するモーメント荷重）は、主軸受の周方向について一様ではなく、主軸受の特定の周方向位置に偏った分布を有することが経験的に分かっている。
本発明者らは、鋭意検討の結果、風力発電装置の運転時において軸受に作用する荷重が所定の分布を有するという特性に着目して、この荷重分布に基づいて軸受の軌道面の傾斜角に予め分布を持たせることで、大きな荷重が偏在する軸受の周方向位置における面圧を低減しうるという認識を得て、本発明を完成するに至った。
例えば、ブレード−ハブ間に設けられる翼旋回軸受の場合、風力発電装置の運転時におけるブレードの迎え角の変化範囲は限定的であるから、ブレードが風から受ける力の方向は概ね決まっており、翼旋回軸受に作用する荷重は所定の分布を有するとみなすことができる。また、ナセルの旋回制御はナセルが風向きに追従するように行われるのが一般的であるから、ナセルに対する風向きは常に略一定であり、ヨー旋回軸受のナセル側に取り付けられる部分（内輪又は外輪）に作用する荷重は所定の分布を有するとみなすことができる。また、風力発電装置に向かって吹く風の向きは概ね主風向に一致するから、ヨー旋回軸受のタワー側に取り付けられる部分（外輪又は内輪）に作用する荷重についても、所定の分布を有すると考えることができる。さらに、主軸受についても、風力発電装置の運転時に作用する荷重（風荷重に起因するモーメント荷重）は、主軸受の周方向について一様ではなく、主軸受の特定の周方向位置に偏った分布を有することが経験的に分かっている。
本発明者らは、鋭意検討の結果、風力発電装置の運転時において軸受に作用する荷重が所定の分布を有するという特性に着目して、この荷重分布に基づいて軸受の軌道面の傾斜角に予め分布を持たせることで、大きな荷重が偏在する軸受の周方向位置における面圧を低減しうるという認識を得て、本発明を完成するに至った。
本発明に係る風力発電装置用の軸受は、風力発電装置に用いられる軸受であって、第１軌道面を有する内輪と、第２軌道面を有する外輪と、前記第１軌道面と前記第２軌道面との間に設けられる転動体とを備え、前記風力発電装置の運転時に前記軸受に作用する荷重分布に基づいて、前記軸受の周方向について、前記軸受の中心軸に対する前記第１軌道面及び前記第２軌道面の少なくとも一方の傾斜角に分布を持たせたことを特徴とする。
なお、軸受の周方向について軌道面の傾斜角に「分布を持たせる」とは、軸受の中心軸に対する軌道面の傾斜角を軸受周方向に関して一様とせずに、軸受の特定の周方向位置と他の周方向位置とで軌道面の傾斜角を異ならせることをいう。
なお、軸受の周方向について軌道面の傾斜角に「分布を持たせる」とは、軸受の中心軸に対する軌道面の傾斜角を軸受周方向に関して一様とせずに、軸受の特定の周方向位置と他の周方向位置とで軌道面の傾斜角を異ならせることをいう。
上記風力発電装置用の軸受では、上述のように、風力発電装置の運転時に軸受に作用する荷重分布に基づいて、軸受の周方向について、軸受の中心軸に対する第１軌道面及び第２軌道面の少なくとも一方の傾斜角に予め分布を持たせている。そのため、風力発電装置の運転時に軸受に荷重が加わって軌道面が傾くような構造変形が軸受に生じても、局所的な面圧上昇を抑制して面圧の均等化を図ることができる。
よって、軸受又はその周辺の構造体の体格を大きくして軸受の剛性を向上させる手法に頼らずに、軸受の構造変形を前提としながら、軸受の寿命低下を抑制できる。したがって、軸受の重量増加を抑制しながら、風力発電装置の運転中に加わる不均一な荷重に起因する軸受の寿命低下を抑制することができる。
よって、軸受又はその周辺の構造体の体格を大きくして軸受の剛性を向上させる手法に頼らずに、軸受の構造変形を前提としながら、軸受の寿命低下を抑制できる。したがって、軸受の重量増加を抑制しながら、風力発電装置の運転中に加わる不均一な荷重に起因する軸受の寿命低下を抑制することができる。
上記風力発電装置用の軸受において、前記内輪及び前記外輪の一方が前記風力発電装置の第１部材に取り付けられ、前記内輪及び前記外輪の他方が、前記第１部材に対して相対的に回転する前記風力発電装置の第２部材に取り付けられ、前記内輪及び前記外輪の一方と前記第１部材との間、または、前記内輪及び前記外輪の他方と前記第２部材との間にシムを挿入して、前記第１軌道面または前記第２軌道面の前記傾斜角に分布を持たせてもよい。
これにより、シムの挿入という簡便かつ安価な手法によって、第１軌道面または第２軌道面の傾斜角の分布を形成することができる。また、風力発電装置の建設時に、適切な形状（厚さ、くさび角度）のシムを選択して用いることで、当該風力発電装置の建設場所における風況に応じた軌道面の傾斜角の分布を形成することができる。
これにより、シムの挿入という簡便かつ安価な手法によって、第１軌道面または第２軌道面の傾斜角の分布を形成することができる。また、風力発電装置の建設時に、適切な形状（厚さ、くさび角度）のシムを選択して用いることで、当該風力発電装置の建設場所における風況に応じた軌道面の傾斜角の分布を形成することができる。
また、シムの挿入によって第１軌道面または第２軌道面の傾斜角の分布を形成する場合、互いに異なる形状を有する複数の前記シムを、前記軸受の周方向に配列し、前記内輪及び前記外輪の一方と前記第１部材との間、または、前記内輪及び前記外輪の他方と前記第２部材との間に挿入してもよい。
このように、互いに異なる形状を有する複数のシムを軸受周方向に配列して挿入することで、第１軌道面または第２軌道面の傾斜角の分布をある程度自由に調整することができる。
このとき、厚さ、くさび角、幅などが異なる複数種のシムを予め準備しておき、軸受の各周方向位置に適したシムを選択して、これを軸受と第１部材又は第２部材との間に挿入することが好ましい。これにより、風力発電装置の建設場所における実際の風況に応じて、第１軌道面及び第２軌道面の少なくとも一方の傾斜角の分布を風力発電装置ごとに個別に調整することができる。
このように、互いに異なる形状を有する複数のシムを軸受周方向に配列して挿入することで、第１軌道面または第２軌道面の傾斜角の分布をある程度自由に調整することができる。
このとき、厚さ、くさび角、幅などが異なる複数種のシムを予め準備しておき、軸受の各周方向位置に適したシムを選択して、これを軸受と第１部材又は第２部材との間に挿入することが好ましい。これにより、風力発電装置の建設場所における実際の風況に応じて、第１軌道面及び第２軌道面の少なくとも一方の傾斜角の分布を風力発電装置ごとに個別に調整することができる。
さらに、シムの挿入によって第１軌道面または第２軌道面の傾斜角の分布を形成する場合、前記軸受が、前記第１部材としてのブレードを前記第２部材としてのハブに旋回自在に支持する翼旋回軸受であれば、前記内輪及び前記外輪の他方と前記ハブとの間に前記シムを挿入することが好ましい。
ブレードは、圧縮力が継続的に作用すると収縮変形して応力緩和が起きるという特性を少なからず有する繊維強化プラスチックで構成されるのが一般的である。一方、ブレードが取り付けられるハブは、応力緩和が比較的起こりにくい鋼製であるのが通常である。そこで、翼旋回軸受の内輪又は外輪とハブとの間に複数のシムを挿入することで、翼旋回軸受の第１軌道面及び第２軌道面の少なくとも一方の傾斜角の分布を確実に形成することができる。
ブレードは、圧縮力が継続的に作用すると収縮変形して応力緩和が起きるという特性を少なからず有する繊維強化プラスチックで構成されるのが一般的である。一方、ブレードが取り付けられるハブは、応力緩和が比較的起こりにくい鋼製であるのが通常である。そこで、翼旋回軸受の内輪又は外輪とハブとの間に複数のシムを挿入することで、翼旋回軸受の第１軌道面及び第２軌道面の少なくとも一方の傾斜角の分布を確実に形成することができる。
あるいは、上記風力発電装置用の軸受において、前記内輪及び前記外輪の一方が前記風力発電装置の第１部材に取り付けられ、前記内輪及び前記外輪の他方が、前記第１部材に対して相対的に回転する前記風力発電装置の第２部材に取り付けられ、前記軸受の周方向位置に応じて、前記内輪及び前記外輪の一方が取り付けられる前記第１部材の軸受取付け面、または、前記内輪及び前記外輪の他方が取り付けられる前記第２部材の軸受取付け面が前記軸受の中心軸に対してなす角度を変化させて、前記第１軌道面または前記第２軌道面の前記傾斜角に分布を持たせてもよい。
このように、第１部材の軸受取付け面または第２部材の軸受取付け面が軸受の中心軸に対してなす角度を軸受周方向位置に応じて変化させることで、シムを挿入する場合に比べて、第１軌道面及び第２軌道面の少なくとも一方の傾斜角の分布を高精度に調整できる。また、シムを挿入する場合とは異なり、実現できる軌道面の傾斜角の分布がシムの厚さ及び幅に依存するという制約がないことから、微小変化を含む軌道面の傾斜角の分布を実現することも可能である。さらに、シムを挿入する場合とは異なり、シムを用いた軌道面の傾斜角の分布の調整作業の必要がないため、軸受の取付け作業を迅速に行うことができる。
このように、第１部材の軸受取付け面または第２部材の軸受取付け面が軸受の中心軸に対してなす角度を軸受周方向位置に応じて変化させることで、シムを挿入する場合に比べて、第１軌道面及び第２軌道面の少なくとも一方の傾斜角の分布を高精度に調整できる。また、シムを挿入する場合とは異なり、実現できる軌道面の傾斜角の分布がシムの厚さ及び幅に依存するという制約がないことから、微小変化を含む軌道面の傾斜角の分布を実現することも可能である。さらに、シムを挿入する場合とは異なり、シムを用いた軌道面の傾斜角の分布の調整作業の必要がないため、軸受の取付け作業を迅速に行うことができる。
なお、第１部材又は第２部材の軸受取付け面が軸受の中心軸に対してなす角度を変化させて第１軌道面及び第２軌道面の少なくとも一方の傾斜角の分布を形成する場合、前記軸受が、前記第１部材としてのブレードを前記第２部材としてのハブに旋回自在に支持する翼旋回軸受であるならば、前記ハブの前記軸受取付け面の前記翼旋回軸受の中心軸に対してなす角度を前記翼旋回軸受の周方向位置に応じて変化させることが好ましい。
ブレードは、圧縮力が継続的に作用すると収縮変形して応力緩和が起きるという特性を少なからず有する繊維強化プラスチックで構成されるのが一般的である。一方、ブレードが取り付けられるハブは、応力緩和が比較的起こりにくい鋼製であるのが通常である。そこで、ハブの軸受取付け面の翼旋回軸受の中心軸に対してなす角度を翼旋回軸受の周方向位置に応じて変化させることで、翼旋回軸受の第１軌道面及び第２軌道面の少なくとも一方の傾斜角の分布を確実に形成することができる。
ブレードは、圧縮力が継続的に作用すると収縮変形して応力緩和が起きるという特性を少なからず有する繊維強化プラスチックで構成されるのが一般的である。一方、ブレードが取り付けられるハブは、応力緩和が比較的起こりにくい鋼製であるのが通常である。そこで、ハブの軸受取付け面の翼旋回軸受の中心軸に対してなす角度を翼旋回軸受の周方向位置に応じて変化させることで、翼旋回軸受の第１軌道面及び第２軌道面の少なくとも一方の傾斜角の分布を確実に形成することができる。
あるいは、上記風力発電装置用の軸受において、前記内輪及び前記外輪の一方が前記風力発電装置の第１部材に取り付けられ、前記内輪及び前記外輪の他方が、前記第１部材に対して相対的に回転する前記風力発電装置の第２部材に取り付けられ、前記軸受の周方向位置に応じて、前記第１部材の軸受取付け面に対する前記内輪及び前記外輪の一方の接触面、または、前記第２部材の軸受取付け面に対する前記内輪及び前記外輪の他方の接触面が前記第１軌道面または前記第２軌道面に対してなす角度を変化させて、前記第１軌道面または前記第２軌道面の前記傾斜角に分布を持たせてもよい。
このように、第１部材または第２部材の軸受取付け面に対する軸受（内輪又は外輪）の接触面が第１軌道面または第２軌道面に対してなす角度を変化させることで、第１軌道面及び第２軌道面の少なくとも一方の傾斜角の分布を高精度に調整できる。また、シムを挿入する場合とは異なり、実現できる軌道面の傾斜角の分布がシムの厚さ及び幅に依存するという制約がないことから、微小変化を含む軌道面の傾斜角の分布を実現することも可能である。さらに、シムを挿入する場合とは異なり、シムを用いた軌道面の傾斜角の分布の調整作業の必要がないため、軸受の取付け作業を効率的に行うことができる。
このように、第１部材または第２部材の軸受取付け面に対する軸受（内輪又は外輪）の接触面が第１軌道面または第２軌道面に対してなす角度を変化させることで、第１軌道面及び第２軌道面の少なくとも一方の傾斜角の分布を高精度に調整できる。また、シムを挿入する場合とは異なり、実現できる軌道面の傾斜角の分布がシムの厚さ及び幅に依存するという制約がないことから、微小変化を含む軌道面の傾斜角の分布を実現することも可能である。さらに、シムを挿入する場合とは異なり、シムを用いた軌道面の傾斜角の分布の調整作業の必要がないため、軸受の取付け作業を効率的に行うことができる。
なお、第１部材または第２部材の軸受取付け面に対する軸受の接触面が第１軌道面または第２軌道面に対してなす角度を変化させて第１軌道面及び第２軌道面の少なくとも一方の傾斜角の分布を形成する場合、前記軸受が、前記第１部材としてのブレードを前記第２部材としてのハブに旋回自在に支持する翼旋回軸受であるならば、前記ハブの前記軸受取付け面に対する前記内輪及び前記外輪の他方の接触面が前記第１軌道面または前記第２軌道面に対してなす角度を前記翼旋回軸受の周方向位置に応じて変化させることが好ましい。
ブレードは、圧縮力が継続的に作用すると収縮変形して応力緩和が起きるという特性を少なからず有する繊維強化プラスチックで構成されるのが一般的である。一方、ブレードが取り付けられるハブは、応力緩和が比較的起こりにくい鋼製であるのが通常である。そこで、ハブの軸受取付け面に対する翼旋回軸受（内輪又は外輪）の接触面が第１軌道面または第２軌道面に対してなす角度を周方向位置に応じて変化させることで、翼旋回軸受の第１軌道面及び第２軌道面の少なくとも一方の傾斜角の分布を確実に形成することができる。
ブレードは、圧縮力が継続的に作用すると収縮変形して応力緩和が起きるという特性を少なからず有する繊維強化プラスチックで構成されるのが一般的である。一方、ブレードが取り付けられるハブは、応力緩和が比較的起こりにくい鋼製であるのが通常である。そこで、ハブの軸受取付け面に対する翼旋回軸受（内輪又は外輪）の接触面が第１軌道面または第２軌道面に対してなす角度を周方向位置に応じて変化させることで、翼旋回軸受の第１軌道面及び第２軌道面の少なくとも一方の傾斜角の分布を確実に形成することができる。
なお、上記風力発電装置用の軸受は、前記転動体がボールである玉軸受、および、前記転動体がローラであるころ軸受のいずれかであってもよい。
また本発明に係る風力発電装置は、上述の軸受を備えることを特徴とする。
上述の軸受では、風力発電装置の運転時に軸受に作用する荷重分布に基づいて、軸受の周方向について、軸受の中心軸に対する第１軌道面及び第２軌道面の少なくとも一方の傾斜角に予め分布を持たせている。そのため、風力発電装置の運転時に軸受に荷重が加わって軌道面が傾くような軸受の構造変形が生じても、局所的な面圧上昇を抑制して面圧の均等化を図ることができる。
上述の軸受では、風力発電装置の運転時に軸受に作用する荷重分布に基づいて、軸受の周方向について、軸受の中心軸に対する第１軌道面及び第２軌道面の少なくとも一方の傾斜角に予め分布を持たせている。そのため、風力発電装置の運転時に軸受に荷重が加わって軌道面が傾くような軸受の構造変形が生じても、局所的な面圧上昇を抑制して面圧の均等化を図ることができる。
本発明によれば、風力発電装置の運転時に軸受に荷重が加わって軌道面が傾くような軸受の構造変形が生じても、局所的な面圧上昇を抑制して面圧の均等化を図ることができる。したがって、軸受の重量増加を抑制しながら、風力発電装置の運転中に加わる荷重に起因する軸受の寿命低下を抑制することができる。
以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
［第１実施形態］
図１は、風力発電装置の全体構成例を示す図である。同図に示すように、風力発電装置１は、少なくとも一本のブレード２と、ブレード２が取り付けられるハブ４と、ハブ（ロータヘッド）４に連結された主軸６と、主軸６の回転を増速する増速機８と、増速機８の出力軸９に接続された発電機１０とを備える。なお、主軸６は主軸受７によってナセル１２に回転自在に支持されている。
図１は、風力発電装置の全体構成例を示す図である。同図に示すように、風力発電装置１は、少なくとも一本のブレード２と、ブレード２が取り付けられるハブ４と、ハブ（ロータヘッド）４に連結された主軸６と、主軸６の回転を増速する増速機８と、増速機８の出力軸９に接続された発電機１０とを備える。なお、主軸６は主軸受７によってナセル１２に回転自在に支持されている。
ブレード２が風を受けることで、ブレード２及びハブ４で構成されるロータ５が回転する。ロータ５が回転すると、主軸６もロータ５とともに回転する。主軸６の回転は、増速機８によって増速された後、出力軸９を介して発電機１０に入力される。これにより、発電機１０において電力が生成される。
なお、増速機８は、任意の形式のものを用いることができ、例えば、ギヤ式の増速機であってもよいし、油圧ポンプ及び油圧モータを組み合わせた油圧トランスミッションからなる増速機であってもよい。また、増速機８を用いずに、主軸６の回転を発電機１０に直接入力してもよい。
なお、増速機８は、任意の形式のものを用いることができ、例えば、ギヤ式の増速機であってもよいし、油圧ポンプ及び油圧モータを組み合わせた油圧トランスミッションからなる増速機であってもよい。また、増速機８を用いずに、主軸６の回転を発電機１０に直接入力してもよい。
ハブ４内には、ブレード２のピッチ角を調節するためのアクチュエータ（例えば、油圧シリンダや電動モータ）が設けられている。このアクチュエータは、ブレード２を図１の矢印方向に旋回させて、ブレード２のピッチ角を調節するようになっている。このようなブレード２の旋回を可能にするため、ブレード２は翼旋回軸受を介してハブ４に取り付けられている。
図２は、ブレード２を旋回自在にハブ４に支持する翼旋回軸受の構成例を示す図である。
同図に示すように、翼旋回軸受２０は、内輪２２と外輪２４との間に２列のボール２６が配置された構成を有する。翼旋回軸受２０の内輪２２は、ボルト２３によって、ブレード２の翼根部に直接締結されている。一方、翼旋回軸受２０の外輪２４は、ボルト２５によって、ハブ４に直接締結されている。
なお、図２には、ブレード２を内輪２２に取り付け、ハブ４を外輪２４に取り付ける例を示したが、ブレード２を外輪２４に取り付け、ハブ４を内輪２２に取り付けてもよい。
同図に示すように、翼旋回軸受２０は、内輪２２と外輪２４との間に２列のボール２６が配置された構成を有する。翼旋回軸受２０の内輪２２は、ボルト２３によって、ブレード２の翼根部に直接締結されている。一方、翼旋回軸受２０の外輪２４は、ボルト２５によって、ハブ４に直接締結されている。
なお、図２には、ブレード２を内輪２２に取り付け、ハブ４を外輪２４に取り付ける例を示したが、ブレード２を外輪２４に取り付け、ハブ４を内輪２２に取り付けてもよい。
また、風力発電装置１の各種機器（図１に示す例では増速機８及び発電機１０）はナセル１２に収納されている。ナセル１２は、基礎（不図示）に立設されたタワー１４の上に設けられている。そして、ロータ５が常に風を受けられるように、任意のアクチュエータ（例えば、電動モータや油圧シリンダ）によって図１の矢印方向にナセル１２を旋回させ、ナセル１２を風向きに追従させるような制御が行われる。このようなナセル１２の旋回を可能にするため、ナセル１２はヨー旋回軸受を介してタワー１４に取り付けられている。
図３は、ナセル１２を旋回自在にタワー１４に支持するヨー旋回軸受の構成例を示す図である。
同図に示すように、ヨー旋回軸受３０は、内輪３２と外輪３４との間に２列のボール３６が配置された構成を有する。ヨー旋回軸受３０の内輪３２は、ボルト３３によって、ナセル１２（具体的にはナセル１２の底面を構成するナセル台板）に直接締結されている。一方、ヨー旋回軸受３０の外輪３４は、ボルト３５によって、タワー１４に直接締結されている。
なお、図３には、ナセル１２を内輪３２に取り付け、タワー１４を外輪３４に取り付ける例を示したが、ナセル１２を外輪３４に取り付け、タワー１４を内輪３２に取り付けてもよい。
同図に示すように、ヨー旋回軸受３０は、内輪３２と外輪３４との間に２列のボール３６が配置された構成を有する。ヨー旋回軸受３０の内輪３２は、ボルト３３によって、ナセル１２（具体的にはナセル１２の底面を構成するナセル台板）に直接締結されている。一方、ヨー旋回軸受３０の外輪３４は、ボルト３５によって、タワー１４に直接締結されている。
なお、図３には、ナセル１２を内輪３２に取り付け、タワー１４を外輪３４に取り付ける例を示したが、ナセル１２を外輪３４に取り付け、タワー１４を内輪３２に取り付けてもよい。
ところで、風力発電装置１の運転時、翼旋回軸受２０及びヨー旋回軸受３０のような旋回軸受には、旋回軸受の周方向に関して所定の分布を持った荷重が作用する。
例えば、翼旋回軸受２０の場合、風力発電装置１の運転時におけるブレード２の迎え角の変化範囲は限定的であるから、ブレード２が風から受ける力の方向は概ね決まっており、翼旋回軸受２０に作用する荷重は所定の分布を有するとみなすことができる。なお、ブレード２の迎え角とは、ブレード２の前縁と後縁とを結ぶコードに対して相対風速ベクトルがなす角度である。また、相対風速ベクトルは、ロータ５に向かって吹く風の風速ベクトルと、ロータ５の回転に伴うブレード２の周速ベクトルとを合成したベクトルであり、回転中のロータ５のブレード２に対して流れてくる風の相対的な風速ベクトルを意味する。
また、ヨー旋回軸受３０の場合も、ナセル１２の旋回制御はナセル１２が風向きに追従するように行われるのが一般的であるから、ナセル１２に対する風向きは常に略一定であり、ヨー旋回軸受３０のナセル１２側に取り付けられる部分（内輪３２又は外輪３４）に作用する荷重は所定の分布を有するとみなすことができる。さらに、風力発電装置１に向かって吹く風の向きは概ね主風向に一致するから、ヨー旋回軸受３０のタワー１４側に取り付けられる部分（外輪３４又は内輪３２）に作用する荷重についても、所定の分布を有すると考えることができる。
例えば、翼旋回軸受２０の場合、風力発電装置１の運転時におけるブレード２の迎え角の変化範囲は限定的であるから、ブレード２が風から受ける力の方向は概ね決まっており、翼旋回軸受２０に作用する荷重は所定の分布を有するとみなすことができる。なお、ブレード２の迎え角とは、ブレード２の前縁と後縁とを結ぶコードに対して相対風速ベクトルがなす角度である。また、相対風速ベクトルは、ロータ５に向かって吹く風の風速ベクトルと、ロータ５の回転に伴うブレード２の周速ベクトルとを合成したベクトルであり、回転中のロータ５のブレード２に対して流れてくる風の相対的な風速ベクトルを意味する。
また、ヨー旋回軸受３０の場合も、ナセル１２の旋回制御はナセル１２が風向きに追従するように行われるのが一般的であるから、ナセル１２に対する風向きは常に略一定であり、ヨー旋回軸受３０のナセル１２側に取り付けられる部分（内輪３２又は外輪３４）に作用する荷重は所定の分布を有するとみなすことができる。さらに、風力発電装置１に向かって吹く風の向きは概ね主風向に一致するから、ヨー旋回軸受３０のタワー１４側に取り付けられる部分（外輪３４又は内輪３２）に作用する荷重についても、所定の分布を有すると考えることができる。
そこで、本実施形態では、風力発電装置１の運転時に旋回軸受に作用する荷重分布に基づいて、旋回軸受の周方向について旋回軸受の軌道面の傾斜角が分布を持つように、シムを用いて、旋回軸受を予め変形させている（すなわち、軌道面を歪ませている）。
図４はシムを用いて旋回軸受を予め変形させた様子を示す断面図であり、図４（ａ）は旋回軸受の全体を示しており、図４（ｂ）は図４（ａ）におけるＡ部の拡大図である。
図４（ａ）に示す旋回軸受５０は、風力発電装置１の第１部材４２と、第１部材４２に対して相対的に旋回する第２部材４４との間に設けられる。旋回軸受５０は、例えば、翼旋回軸受２０やヨー旋回軸受３０であってもよい。旋回軸受５０が翼旋回軸受２０である場合、ブレード２及びハブ４が第１部材４２及び第２部材４４に相当する。同様に、旋回軸受５０がヨー旋回軸受３０である場合、ナセル１２及びタワー１４が第１部材４２及び第２部材４４に相当する。
図４（ａ）に示す旋回軸受５０は、風力発電装置１の第１部材４２と、第１部材４２に対して相対的に旋回する第２部材４４との間に設けられる。旋回軸受５０は、例えば、翼旋回軸受２０やヨー旋回軸受３０であってもよい。旋回軸受５０が翼旋回軸受２０である場合、ブレード２及びハブ４が第１部材４２及び第２部材４４に相当する。同様に、旋回軸受５０がヨー旋回軸受３０である場合、ナセル１２及びタワー１４が第１部材４２及び第２部材４４に相当する。
図４（ａ）に示した旋回軸受５０の周方向位置において、風力発電装置１の運転中に、風荷重に起因するモーメント荷重Ｍが第２部材４４に作用する場合について考える。この場合、旋回軸受５０の内輪５２は、図中右側（中心軸Ｃよりも右側）の周方向位置において、図中の矢印で示すように内周側に倒れるように変形することが予想される。
本実施形態では、シム５８を内輪５２と第１部材４２との間に挿入し、予想される内輪５２の変形方向とは逆方向（すなわち外周側）に予め変形させる。
このとき、外輪５４に形成された軌道面６４の旋回軸受５０の中心軸Ｃに対する傾斜角は、シム５８の挿入前と変わらず、軌道面６４はシム挿入前と同一の接触点Ｐ３及びＰ４においてボール５６と接触していてもよい。言い換えると、旋回軸受５０の中心軸Ｃに対する軌道面６４の傾斜角は、旋回軸受５０の周方向位置によらず一様であってもよい。
このとき、外輪５４に形成された軌道面６４の旋回軸受５０の中心軸Ｃに対する傾斜角は、シム５８の挿入前と変わらず、軌道面６４はシム挿入前と同一の接触点Ｐ３及びＰ４においてボール５６と接触していてもよい。言い換えると、旋回軸受５０の中心軸Ｃに対する軌道面６４の傾斜角は、旋回軸受５０の周方向位置によらず一様であってもよい。
これに対し、内輪５２に形成された軌道面６２の旋回軸受５０の中心軸Ｃに対する傾斜角α（図４（ａ）参照）は、シム５８の挿入によって変化し、軌道面６２はシム挿入前と異なる接触点Ｐ２’においてボール５６と接触するようになる。そのため、旋回軸受５０の中心軸Ｃに対する軌道面６２の傾斜角は、シム５８が挿入された周方向位置と、シム５８が挿入されていない周方向位置とで異なる。すなわち、旋回軸受５０の軌道面６２は歪んでおり、旋回軸受５０の中心軸Ｃに対する軌道面６２の傾斜角αは、旋回軸受５０の周方向について、風力発電装置１の運転時に旋回軸受５０に作用する荷重分布に基づく分布を持っている。
シム５８は、少なくとも、風力発電装置１の運転時に旋回軸受５０に作用する不均一な荷重によって面圧上昇が顕著に表れることが予想される周方向位置に挿入することが好ましい。ここでいう、面圧上昇が顕著に表れることが予想される周方向位置とは、例えばボール５６の肩乗り上げが発生したり、ボール５６の各列で均等に荷重分担できなくなったりする旋回軸受５０の周方向位置である。
これにより、風力発電装置１の運転時における旋回軸受５０の面圧の最大値を抑制することができ、旋回軸受５０の寿命低下を効果的に抑制できる。すなわち、このような周方向位置にシム５８を挿入することで、同一寸法の旋回軸受に対して、旋回軸受５０の寿命を大幅に長くすることができる。
これにより、風力発電装置１の運転時における旋回軸受５０の面圧の最大値を抑制することができ、旋回軸受５０の寿命低下を効果的に抑制できる。すなわち、このような周方向位置にシム５８を挿入することで、同一寸法の旋回軸受に対して、旋回軸受５０の寿命を大幅に長くすることができる。
なお、互いに形状の異なる複数のシム５８を、内輪５２と第１部材４２との間に挿入してもよい。
図５は、複数のシム５８を内輪５２と第１部材４２との間に挿入した様子を示す斜視断面図である。同図に示すように、複数のシム５８を旋回軸受５０の周方向に配列し、これらを内輪５２と第１部材４２との間に挿入する。このとき、各シム５８の幅、厚さ、くさび角度θ１を変更することで、軌道面６２の傾斜角の分布をある程度自由に調整できる。
図５は、複数のシム５８を内輪５２と第１部材４２との間に挿入した様子を示す斜視断面図である。同図に示すように、複数のシム５８を旋回軸受５０の周方向に配列し、これらを内輪５２と第１部材４２との間に挿入する。このとき、各シム５８の幅、厚さ、くさび角度θ１を変更することで、軌道面６２の傾斜角の分布をある程度自由に調整できる。
また、複数のシム５８を用いる場合、風力発電装置１の運転時に旋回軸受５０に作用する荷重分布に基づいて、大きな面圧上昇が予想される周方向位置ほど、くさび角度θ１が大きなシム５８を挿入する。なお、図５には、シム５８−１，５８−２，５８−３，…，５８−ｉの順にくさび角度θ１が大きくなっていく例を示した。
このように、大きな面圧上昇が予想される周方向位置ほど、くさび角度θ１が大きなシム５８を挿入することで、風力発電装置１の運転中における旋回軸受５０の面圧を均一に抑制できる。
このように、大きな面圧上昇が予想される周方向位置ほど、くさび角度θ１が大きなシム５８を挿入することで、風力発電装置１の運転中における旋回軸受５０の面圧を均一に抑制できる。
また、複数のシム５８を用いる場合、厚さ、くさび角、幅などが異なる複数種のシムを予め準備しておき、旋回軸受５０の各周方向位置に適したシムを選択して、これを内輪５２と第１部材４２との間に挿入することが好ましい。これにより、風力発電装置１の建設場所における実際の風況に応じて、中心軸Ｃに対する軌道面６２の傾斜角αの分布を風力発電装置１ごとに個別に細やかに調整することができる。
なお、図４及び５には、内輪５２と第１部材４２との間にシム５８を挿入する例を示したが、外輪５４と第２部材４４との間にシム５８を挿入してもよい。あるいは、内輪５２と第１部材４２との間、および、外輪５４と第２部材４４との間の両方にシム５８を挿入してもよい。
また、旋回軸受５０が翼旋回軸受２０である場合、翼旋回軸受２０の軌道面の傾斜角αの分布を確実に形成する観点から、シム５８は、ブレード２と内輪２２との間ではなく、ハブ４と外輪２４との間に挿入することが好ましい。これは、一般的に繊維強化プラスチックで構成されるブレード２が、通常は鋼製であるハブ４に比べて、応力緩和が起きやすいからである。
本実施形態によれば、風力発電装置１の運転時に旋回軸受５０に作用する荷重分布に基づいて、旋回軸受５０の周方向について、軌道面６２及び軌道面６４の少なくとも一方の中心軸Ｃに対する傾斜角αに分布を持たせたので、風力発電装置１の運転時に不均一な荷重が加わって軌道面６２，６４が傾くような旋回軸受５０の構造変形が生じても、局所的な面圧上昇を抑制して面圧の均等化を図ることができる。そのため、ボール５６の肩乗り上げや、ボール５６の各列における荷重分担比率のバラツキを防止できる。
よって、旋回軸受５０又はその周辺の構造体の体格を大きくして旋回軸受５０の剛性を向上させる手法に頼らずに、旋回軸受５０の構造変形を前提としながら、旋回軸受５０の寿命低下を抑制できる。したがって、旋回軸受５０の重量増加を抑制しながら、風力発電装置１の運転中に加わる荷重に起因する旋回軸受５０の寿命低下を抑制することができる。
よって、旋回軸受５０又はその周辺の構造体の体格を大きくして旋回軸受５０の剛性を向上させる手法に頼らずに、旋回軸受５０の構造変形を前提としながら、旋回軸受５０の寿命低下を抑制できる。したがって、旋回軸受５０の重量増加を抑制しながら、風力発電装置１の運転中に加わる荷重に起因する旋回軸受５０の寿命低下を抑制することができる。
また本実施形態によれば、シム５８を旋回軸受５０と第１部材４２又は第２部材４４との間に挿入するようにしたので、軌道面６２及び軌道面６４の少なくとも一方の中心軸Ｃに対する傾斜角αの分布を簡便かつ安価に形成することができる。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係る風力発電装置について説明する。本実施形態の風力発電装置は、風力発電装置の旋回部分の構造体の形状を変更することで旋回軸受の軌道面の傾斜角に分布を持たせる点を除けば、第１実施形態で説明した風力発電装置１と同様である。したがって、ここでは、第１実施形態と共通する箇所には同一の符号を用い、当該箇所に関する説明を省略し、第１実施形態とは異なる点を中心に説明する。
次に、第２実施形態に係る風力発電装置について説明する。本実施形態の風力発電装置は、風力発電装置の旋回部分の構造体の形状を変更することで旋回軸受の軌道面の傾斜角に分布を持たせる点を除けば、第１実施形態で説明した風力発電装置１と同様である。したがって、ここでは、第１実施形態と共通する箇所には同一の符号を用い、当該箇所に関する説明を省略し、第１実施形態とは異なる点を中心に説明する。
図６は旋回部分の構造体の形状変更により旋回軸受を予め変形させた様子を示す断面図であり、図６（ａ）は旋回軸受の全体を示しており、図６（ｂ）は図６（ａ）におけるＢ部の拡大図である。
図６に示すように、旋回軸受７０は、風力発電装置の第１部材７２と、第１部材７２に対して相対的に旋回する第２部材４４との間に設けられる。風力発電装置の運転中に、風荷重に起因するモーメント荷重Ｍ（図６（ａ）参照）が第２部材４４に作用すると、旋回軸受７０の内輪５２は、図中右側の周方向位置において、図中の矢印で示すように内周側に倒れるように変形することが予想される。
図６に示すように、旋回軸受７０は、風力発電装置の第１部材７２と、第１部材７２に対して相対的に旋回する第２部材４４との間に設けられる。風力発電装置の運転中に、風荷重に起因するモーメント荷重Ｍ（図６（ａ）参照）が第２部材４４に作用すると、旋回軸受７０の内輪５２は、図中右側の周方向位置において、図中の矢印で示すように内周側に倒れるように変形することが予想される。
そこで、本実施形態では、内輪５２が取り付けられる第１部材７２の軸受取付け面４１が旋回軸受７０の中心軸Ｃに対してなす角度を変更し、予想される内輪５２の変形方向とは逆方向に予め変形させる。
これにより、内輪５２に形成された軌道面６２の中心軸Ｃに対する傾斜角αは、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、軸受取付け面４１の中心軸Ｃに対してなす角度の変更によって変化し、軌道面６２は軸受取付け面４１の角度変更前と異なる接触点Ｐ２’においてボール５６と接触するようになる。そのため、旋回軸受７０の中心軸Ｃに対する軌道面６２の傾斜角αは、軸受取付け面４１の中心軸Ｃに対してなす角度が変更された周方向位置と、軸受取付け面４１の中心軸Ｃに対してなす角度が変更されていない周方向位置とで異なる。すなわち、旋回軸受７０の中心軸Ｃに対する軌道面６２の傾斜角αは、旋回軸受７０の周方向について、風力発電装置の運転時に旋回軸受７０に作用する荷重分布に基づく分布を持っている。
これにより、内輪５２に形成された軌道面６２の中心軸Ｃに対する傾斜角αは、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、軸受取付け面４１の中心軸Ｃに対してなす角度の変更によって変化し、軌道面６２は軸受取付け面４１の角度変更前と異なる接触点Ｐ２’においてボール５６と接触するようになる。そのため、旋回軸受７０の中心軸Ｃに対する軌道面６２の傾斜角αは、軸受取付け面４１の中心軸Ｃに対してなす角度が変更された周方向位置と、軸受取付け面４１の中心軸Ｃに対してなす角度が変更されていない周方向位置とで異なる。すなわち、旋回軸受７０の中心軸Ｃに対する軌道面６２の傾斜角αは、旋回軸受７０の周方向について、風力発電装置の運転時に旋回軸受７０に作用する荷重分布に基づく分布を持っている。
軸受取付け面４１の角度変更は、少なくとも、風力発電装置の運転時に旋回軸受７０に作用する荷重によって面圧上昇が顕著に表れることが予想される周方向位置について行うことが好ましい。ここでいう、面圧上昇が顕著に表れることが予想される周方向位置とは、例えばボール５６の肩乗り上げが発生したり、ボール５６の各列で均等に荷重分担できなくなったりする旋回軸受７０の周方向位置である。
これにより、風力発電装置の運転時における旋回軸受７０の面圧の最大値を抑制することができる。
これにより、風力発電装置の運転時における旋回軸受７０の面圧の最大値を抑制することができる。
なお、軸受取付け面４１の中心軸Ｃに対する角度は、旋回軸受７０の周方向について連続的に変化させてもよい。
図７（ａ）は軸受取付け面４１の中心軸Ｃに対する角度を周方向に連続的に変化させた様子を示す斜視断面図であり、図７（ｂ）は異なる周方向位置における第１部材７２の断面形状を示す図である。異なる周方向位置における第１部材７２の断面形状４３−１，４３−２，４３−３から分かるように、軸受取付け面４１の中心軸Ｃに対する角度は周方向位置に応じて異なる。
図７（ａ）は軸受取付け面４１の中心軸Ｃに対する角度を周方向に連続的に変化させた様子を示す斜視断面図であり、図７（ｂ）は異なる周方向位置における第１部材７２の断面形状を示す図である。異なる周方向位置における第１部材７２の断面形状４３−１，４３−２，４３−３から分かるように、軸受取付け面４１の中心軸Ｃに対する角度は周方向位置に応じて異なる。
また、風力発電装置の運転時に旋回軸受７０に作用する荷重分布に基づいて、大きな面圧上昇が予想される周方向位置ほど、軸受取付け面４１の角度変更量（中心軸Ｃに直交する面に対して軸受取付け面４１がなす角度の大きさ）θ２を大きくすることが好ましい。なお、図７（ａ）及び（ｂ）には、断面形状４３−１，４３−２，４３−３の順に軸受取付け面４１の角度変更量θ２が大きくなっていく例を示した。
このように、大きな面圧上昇が予想される周方向位置ほど、軸受取付け面４１の角度変更量θ２を大きくすることで、風力発電装置の運転中における旋回軸受７０の面圧を均一に抑制できる。
このように、大きな面圧上昇が予想される周方向位置ほど、軸受取付け面４１の角度変更量θ２を大きくすることで、風力発電装置の運転中における旋回軸受７０の面圧を均一に抑制できる。
なお、図６及び７には、第１部材７２の軸受取付け面４１が中心軸Ｃに対してなす角度を変化させる例を示したが、外輪５４が取り付けられる第２部材４４の軸受取付け面４７が中心軸Ｃに対してなす角度を変化させてもよい。あるいは、軸受取付け面４１が中心軸Ｃに対してなす角度と、軸受取付け面４７が中心軸Ｃに対してなす角度の両方を変化させてもよい。
また、旋回軸受７０が翼旋回軸受２０（図２参照）である場合、翼旋回軸受２０の軌道面の傾斜角αの分布を確実に形成する観点から、内輪２２が取り付けられるブレード２の軸受取付け面ではなく、外輪２４が取り付けられるハブ４の軸受取付け面の軸受中心軸に対する角度を変化させることが好ましい。これは、一般的に繊維強化プラスチックで構成されるブレード２が、通常は鋼製であるハブ４に比べて、変形を伴う応力緩和が起きやすいためである。
本実施形態によれば、風力発電装置の運転時に旋回軸受７０に作用する荷重分布に基づいて、旋回軸受７０の周方向について、軌道面６２及び軌道面６４の少なくとも一方の中心軸Ｃに対する傾斜角αに分布を持たせたので、風力発電装置の運転時に荷重が加わって軌道面６２，６４が傾くような旋回軸受７０の構造変形が生じても、局所的な面圧上昇を抑制して面圧の均等化を図ることができる。そのため、ボール５６の肩乗り上げや、ボール５６の各列における荷重分担比率のバラツキを防止できる。
よって、旋回軸受７０又はその周辺の構造体の体格を大きくして旋回軸受７０の剛性を向上させる手法に頼らずに、旋回軸受７０の構造変形を前提としながら、旋回軸受７０の寿命低下を抑制できる。したがって、旋回軸受７０の重量増加を抑制しながら、風力発電装置の運転中に加わる荷重に起因する旋回軸受７０の寿命低下を抑制することができる。
よって、旋回軸受７０又はその周辺の構造体の体格を大きくして旋回軸受７０の剛性を向上させる手法に頼らずに、旋回軸受７０の構造変形を前提としながら、旋回軸受７０の寿命低下を抑制できる。したがって、旋回軸受７０の重量増加を抑制しながら、風力発電装置の運転中に加わる荷重に起因する旋回軸受７０の寿命低下を抑制することができる。
また本実施形態によれば、軸受取付け面４１または軸受取付け面４７が中心軸Ｃに対してなす角度を軸受周方向位置に応じて変化させるようにしたので、シムを挿入する場合に比べて、軌道面６２，６４の中心軸Ｃに対する傾斜角αの分布を高精度に調整できる。また、シムを挿入する場合とは異なり、実現できる軌道面６２，６４の傾斜角αの分布がシムの厚さ及び幅に依存するという制約がないことから、微小変化を含む軌道面６２，６４の傾斜角αの分布を実現することも可能である。さらに、シムを挿入する場合とは異なり、シムを用いた軌道面６２，６４の傾斜角αの分布の調整作業の必要がないため、旋回軸受７０の取付け作業を迅速に行うことができる。
［第３実施形態］
次に、第３実施形態に係る風力発電装置について説明する。本実施形態の風力発電装置は、旋回軸受の形状を変更することで旋回軸受の軌道面の傾斜角に分布を持たせる点を除けば、第１実施形態で説明した風力発電装置１と同様である。したがって、ここでは、第１実施形態と共通する箇所には同一の符号を用い、当該箇所に関する説明を省略し、第１実施形態とは異なる点を中心に説明する。
次に、第３実施形態に係る風力発電装置について説明する。本実施形態の風力発電装置は、旋回軸受の形状を変更することで旋回軸受の軌道面の傾斜角に分布を持たせる点を除けば、第１実施形態で説明した風力発電装置１と同様である。したがって、ここでは、第１実施形態と共通する箇所には同一の符号を用い、当該箇所に関する説明を省略し、第１実施形態とは異なる点を中心に説明する。
図８は旋回軸受の形状変更により旋回軸受を予め変形させた様子を示す断面図であり、図８（ａ）は旋回軸受の全体を示しており、図８（ｂ）は図８（ａ）におけるＣ部の拡大図である。
図８に示すように、旋回軸受８０は、風力発電装置の第１部材４２と、第１部材４２に対して相対的に旋回する第２部材４４との間に設けられる。風力発電装置の運転中に、風荷重に起因するモーメント荷重Ｍ（図８（ａ）参照）が第２部材４４に作用すると、旋回軸受８０の内輪８２は、図中右側の周方向位置において、図中の矢印で示すように内周側に倒れるように変形することが予想される。
図８に示すように、旋回軸受８０は、風力発電装置の第１部材４２と、第１部材４２に対して相対的に旋回する第２部材４４との間に設けられる。風力発電装置の運転中に、風荷重に起因するモーメント荷重Ｍ（図８（ａ）参照）が第２部材４４に作用すると、旋回軸受８０の内輪８２は、図中右側の周方向位置において、図中の矢印で示すように内周側に倒れるように変形することが予想される。
そこで、本実施形態では、第１部材４２の軸受取付け面４１に対する内輪８２の接触面８４の軌道面６２に対する角度を変更し、予想される内輪８２の変形方向とは逆方向に予め変形させる。
これにより、内輪８２に形成された軌道面６２の中心軸Ｃに対する傾斜角αは、図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、内輪８２の接触面８４の軌道面６２に対してなす角度の変更によって変化し、軌道面６２は接触面８４の角度変更前と異なる接触点Ｐ２’においてボール５６と接触するようになる。そのため、旋回軸受８０の中心軸Ｃに対する軌道面６２の傾斜角αは、接触面８４の軌道面６２に対してなす角度が変更された周方向位置と、接触面８４の軌道面６２に対してなす角度が変更されていない周方向位置とで異なる。すなわち、旋回軸受８０の中心軸Ｃに対する軌道面６２の傾斜角αは、旋回軸受８０の周方向について、風力発電装置の運転時に旋回軸受８０に作用する荷重分布に基づく分布を持っている。
これにより、内輪８２に形成された軌道面６２の中心軸Ｃに対する傾斜角αは、図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、内輪８２の接触面８４の軌道面６２に対してなす角度の変更によって変化し、軌道面６２は接触面８４の角度変更前と異なる接触点Ｐ２’においてボール５６と接触するようになる。そのため、旋回軸受８０の中心軸Ｃに対する軌道面６２の傾斜角αは、接触面８４の軌道面６２に対してなす角度が変更された周方向位置と、接触面８４の軌道面６２に対してなす角度が変更されていない周方向位置とで異なる。すなわち、旋回軸受８０の中心軸Ｃに対する軌道面６２の傾斜角αは、旋回軸受８０の周方向について、風力発電装置の運転時に旋回軸受８０に作用する荷重分布に基づく分布を持っている。
接触面８４の角度変更は、少なくとも、風力発電装置の運転時に旋回軸受８０に作用する荷重によって面圧上昇が顕著に表れることが予想される周方向位置について行うことが好ましい。ここでいう、面圧上昇が顕著に表れることが予想される周方向位置とは、例えばボール５６の肩乗り上げが発生したり、ボール５６の各列で均等に荷重分担できなくなったりする旋回軸受８０の周方向位置である。
これにより、風力発電装置の運転時における旋回軸受８０の面圧の最大値を抑制することができ、旋回軸受８０の寿命低下を効果的に抑制できる。すなわち、このような周方向位置における接触面８４の軌道面６２に対する角度を変更することで、同一寸法の旋回軸受に対して、旋回軸受８０の寿命を大幅に長くすることができる。
これにより、風力発電装置の運転時における旋回軸受８０の面圧の最大値を抑制することができ、旋回軸受８０の寿命低下を効果的に抑制できる。すなわち、このような周方向位置における接触面８４の軌道面６２に対する角度を変更することで、同一寸法の旋回軸受に対して、旋回軸受８０の寿命を大幅に長くすることができる。
なお、接触面８４の軌道面６２に対する角度は、旋回軸受８０の周方向について連続的に変化させてもよい。
図９（ａ）は接触面８４の軌道面６２に対する角度を周方向に連続的に変化させた様子を示す斜視断面図であり、図９（ｂ）は異なる周方向位置における内輪８２の断面形状を示す図である。異なる周方向位置における内輪８２の断面形状８３−１，８３−２，８３−３から分かるように、接触面８４の軌道面６２に対する角度は周方向位置に応じて異なる。
図９（ａ）は接触面８４の軌道面６２に対する角度を周方向に連続的に変化させた様子を示す斜視断面図であり、図９（ｂ）は異なる周方向位置における内輪８２の断面形状を示す図である。異なる周方向位置における内輪８２の断面形状８３−１，８３−２，８３−３から分かるように、接触面８４の軌道面６２に対する角度は周方向位置に応じて異なる。
また、風力発電装置の運転時に旋回軸受８０に作用する荷重分布に基づいて、大きな面圧上昇が予想される周方向位置ほど、接触面８４の角度変更量θ３を大きくすることが好ましい。なお、図９（ａ）及び（ｂ）には、断面形状８３−１，８３−２，８３−３の順に接触面８４の角度変更量θ３が大きくなっていく例を示した。
このように、大きな面圧上昇が予想される周方向位置ほど、接触面８４の角度変更量θ３を大きくすることで、風力発電装置の運転中における旋回軸受８０の面圧を均一に抑制できる。
このように、大きな面圧上昇が予想される周方向位置ほど、接触面８４の角度変更量θ３を大きくすることで、風力発電装置の運転中における旋回軸受８０の面圧を均一に抑制できる。
なお、図８及び９には、内輪８２の接触面８４が軌道面６２に対してなす角度を変化させる例を示したが、第２部材４４の軸受取付け面４７に対する外輪５４の接触面８６が軌道面６４に対してなす角度を変化させてもよい。あるいは、内輪８２の接触面８４が軌道面６２に対してなす角度と、外輪５４の接触面８６が軌道面６４に対してなす角度の両方を変化させてもよい。
また、旋回軸受８０が翼旋回軸受２０（図２参照）である場合、翼旋回軸受２０の軌道面の傾斜角αの分布を確実に形成する観点から、ブレード２の軸受取付け面に対する内輪２２の接触面ではなく、ハブ４の軸受取付け面に対する外輪２４の接触面が軌道面に対してなす角度を変化させることが好ましい。これは、一般的に繊維強化プラスチックで構成されるブレード２が、通常は鋼製であるハブ４に比べて、変形を伴う応力緩和が起きやすいためである。
本実施形態によれば、風力発電装置の運転時に旋回軸受８０に作用する荷重分布に基づいて、旋回軸受８０の周方向について、軌道面６２及び軌道面６４の少なくとも一方の中心軸Ｃに対する傾斜角αに分布を持たせたので、風力発電装置の運転時に荷重が加わって軌道面６２，６４が傾くような旋回軸受８０の構造変形が生じても、局所的な面圧上昇を抑制して面圧の均等化を図ることができる。そのため、ボール５６の肩乗り上げや、ボール５６の各列における荷重分担比率のバラツキを防止できる。
よって、旋回軸受８０又はその周辺の構造体の体格を大きくして旋回軸受８０の剛性を向上させる手法に頼らずに、旋回軸受８０の構造変形を前提としながら、旋回軸受８０の寿命低下を抑制できる。したがって、旋回軸受８０の重量増加を抑制しながら、風力発電装置の運転中に加わる荷重に起因する旋回軸受８０の寿命低下を抑制することができる。
よって、旋回軸受８０又はその周辺の構造体の体格を大きくして旋回軸受８０の剛性を向上させる手法に頼らずに、旋回軸受８０の構造変形を前提としながら、旋回軸受８０の寿命低下を抑制できる。したがって、旋回軸受８０の重量増加を抑制しながら、風力発電装置の運転中に加わる荷重に起因する旋回軸受８０の寿命低下を抑制することができる。
また本実施形態によれば、内輪８２の接触面８４または外輪５４の接触面８６が軌道面６２，６４に対してなす角度を軸受周方向位置に応じて変化させるようにしたので、シムを挿入する場合に比べて、軌道面６２，６４の中心軸Ｃに対する傾斜角αの分布を高精度に調整できる。また、シムを挿入する場合とは異なり、実現できる軌道面６２，６４の傾斜角αの分布がシムの厚さ及び幅に依存するという制約がないことから、微小変化を含む軌道面６２，６４の傾斜角αの分布を実現することも可能である。さらに、シムを挿入する場合とは異なり、シムを用いた軌道面６２，６４の傾斜角αの分布の調整作業の必要がないため、旋回軸受８０の取付け作業を迅速に行うことができる。
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。
上述の第１実施形態〜第３実施形態では、シム５８の挿入、軸受取付け面４１，４７の角度変更、または接触面８４，８６の角度変更によって旋回軸受５０，７０，８０の軌道面６２，６４の傾斜角αに分布を持たせるようにしたが、旋回軸受の軌道面の傾斜角αの分布を実現するための具体的手法はこれらに限定されない。
例えば、旋回軸受の軌道面を工作機械で切削加工する際、旋回軸受の周方向に沿って軌道面にねじりを与えるように加工することで、旋回軸受の軌道面の傾斜角αに分布を持たせてもよい。
例えば、旋回軸受の軌道面を工作機械で切削加工する際、旋回軸受の周方向に沿って軌道面にねじりを与えるように加工することで、旋回軸受の軌道面の傾斜角αに分布を持たせてもよい。
また、上述の第１実施形態〜第３実施形態では、旋回軸受５０，７０，８０が複列玉軸受である例について説明したが、軌道面の傾斜角に分布を持たせる旋回軸受は任意のタイプの軸受であってもよい。例えば、軌道面の傾斜角に分布を持たせる旋回軸受は、転動体がローラであるころ軸受であってもよく、この場合、隣接するローラ（転動体）が交差するように配列されてなるクロスローラ軸受であってもよい。
なお、ころ軸受の場合には、玉軸受におけるようなボールの肩乗り上げは問題にならないものの、風力発電装置の運転時における不均一な荷重に起因する面圧上昇が生じ得る。そのため、本発明をころ軸受に適用し、局所的な面圧上昇を抑制して面圧の均等化しうることは非常に有用である。
なお、ころ軸受の場合には、玉軸受におけるようなボールの肩乗り上げは問題にならないものの、風力発電装置の運転時における不均一な荷重に起因する面圧上昇が生じ得る。そのため、本発明をころ軸受に適用し、局所的な面圧上昇を抑制して面圧の均等化しうることは非常に有用である。
さらに、上述の第１実施形態〜第３実施形態では、翼旋回軸受２０やヨー旋回軸受３０等の旋回軸受５０，７０，８０の軌道面の傾斜角に分布を持たせる例を説明したが、本発明は風力発電装置の主軸受を含む任意の軸受に適用してもよい。
１ 風力発電装置
２ ブレード
４ ハブ（ロータヘッド）
６ 主軸
７ 主軸受
８ 増速機
９ 出力軸
１０ 発電機
１２ ナセル
１４ タワー
２０ 翼旋回軸受
２２ 内輪
２３ ボルト
２４ 外輪
２５ ボルト
２６ ボール（転動体）
３０ ヨー旋回軸受
３２ 内輪
３３ ボルト
３４ 外輪
３５ ボルト
３６ ボール（転動体）
４１ 軸受取付け面
４２ 第１部材
４４ 第２部材
４７ 軸受取付け面
５０ 旋回軸受
５２ 内輪
５３ ボルト
５４ 外輪
５５ ボルト
５６ ボール（転動体）
５８ シム
６２ 軌道面（第１軌道面）
６４ 軌道面（第２軌道面）
７０ 旋回軸受
７２ 第１部材
８０ 旋回軸受
８２ 内輪
８４ 接触面
８６ 接触面
１００ 旋回部分
１０２ 第１部材
１０４ 第２部材
１１０ 旋回軸受
１１２ 内輪
１１３ ボルト
１１４ 外輪
１１５ ボルト
１１６ ボール
２ ブレード
４ ハブ（ロータヘッド）
６ 主軸
７ 主軸受
８ 増速機
９ 出力軸
１０ 発電機
１２ ナセル
１４ タワー
２０ 翼旋回軸受
２２ 内輪
２３ ボルト
２４ 外輪
２５ ボルト
２６ ボール（転動体）
３０ ヨー旋回軸受
３２ 内輪
３３ ボルト
３４ 外輪
３５ ボルト
３６ ボール（転動体）
４１ 軸受取付け面
４２ 第１部材
４４ 第２部材
４７ 軸受取付け面
５０ 旋回軸受
５２ 内輪
５３ ボルト
５４ 外輪
５５ ボルト
５６ ボール（転動体）
５８ シム
６２ 軌道面（第１軌道面）
６４ 軌道面（第２軌道面）
７０ 旋回軸受
７２ 第１部材
８０ 旋回軸受
８２ 内輪
８４ 接触面
８６ 接触面
１００ 旋回部分
１０２ 第１部材
１０４ 第２部材
１１０ 旋回軸受
１１２ 内輪
１１３ ボルト
１１４ 外輪
１１５ ボルト
１１６ ボール
Claims (10)
- 風力発電装置に用いられる軸受であって、
第１軌道面を有する内輪と、
第２軌道面を有する外輪と、
前記第１軌道面と前記第２軌道面との間に設けられる転動体とを備え、
前記風力発電装置の運転時に前記軸受に作用する荷重分布に基づいて、前記軸受の周方向について、前記軸受の中心軸に対する前記第１軌道面及び前記第２軌道面の少なくとも一方の傾斜角に分布を持たせたことを特徴とする風力発電装置用の軸受。 - 前記内輪及び前記外輪の一方が前記風力発電装置の第１部材に取り付けられ、
前記内輪及び前記外輪の他方が、前記第１部材に対して相対的に回転する前記風力発電装置の第２部材に取り付けられ、
前記内輪及び前記外輪の一方と前記第１部材との間、または、前記内輪及び前記外輪の他方と前記第２部材との間にシムを挿入して、前記第１軌道面または前記第２軌道面の前記傾斜角に分布を持たせたことを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置用の軸受。 - 互いに異なる形状を有する複数の前記シムを、前記軸受の周方向に配列し、前記内輪及び前記外輪の一方と前記第１部材との間、または、前記内輪及び前記外輪の他方と前記第２部材との間に挿入したことを特徴とする請求項２に記載の風力発電装置用の軸受。
- 前記軸受は、前記第１部材としてのブレードを前記第２部材としてのハブに旋回自在に支持する翼旋回軸受であり、
前記内輪及び前記外輪の他方と前記ハブとの間に前記シムを挿入したことを特徴とする請求項２又は３に記載の風力発電装置用の軸受。 - 前記内輪及び前記外輪の一方が前記風力発電装置の第１部材に取り付けられ、
前記内輪及び前記外輪の他方が、前記第１部材に対して相対的に回転する前記風力発電装置の第２部材に取り付けられ、
前記軸受の周方向位置に応じて、前記内輪及び前記外輪の一方が取り付けられる前記第１部材の軸受取付け面、または、前記内輪及び前記外輪の他方が取り付けられる前記第２部材の軸受取付け面が前記軸受の中心軸に対してなす角度を変化させて、前記第１軌道面または前記第２軌道面の前記傾斜角に分布を持たせたことを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置用の軸受。 - 前記軸受は、前記第１部材としてのブレードを前記第２部材としてのハブに旋回自在に支持する翼旋回軸受であり、
前記ハブの前記軸受取付け面の前記翼旋回軸受の中心軸に対してなす角度を前記翼旋回軸受の周方向位置に応じて変化させたことを特徴とする請求項５に記載の風力発電装置用の軸受。 - 前記内輪及び前記外輪の一方が前記風力発電装置の第１部材に取り付けられ、
前記内輪及び前記外輪の他方が、前記第１部材に対して相対的に回転する前記風力発電装置の第２部材に取り付けられ、
前記軸受の周方向位置に応じて、前記第１部材の軸受取付け面に対する前記内輪及び前記外輪の一方の接触面、または、前記第２部材の軸受取付け面に対する前記内輪及び前記外輪の他方の接触面が前記第１軌道面または前記第２軌道面に対してなす角度を変化させて、前記第１軌道面または前記第２軌道面の前記傾斜角に分布を持たせたことを特徴とする請求項１に記載の風力発電装置用の軸受。 - 前記軸受は、前記第１部材としてのブレードを前記第２部材としてのハブに旋回自在に支持する翼旋回軸受であり、
前記ハブの前記軸受取付け面に対する前記内輪及び前記外輪の他方の接触面が前記第１軌道面または前記第２軌道面に対してなす角度を前記翼旋回軸受の周方向位置に応じて変化させたことを特徴とする請求項７に記載の風力発電装置用の軸受。 - 前記軸受は、前記転動体がボールである玉軸受、および、前記転動体がローラであるころ軸受のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の風力発電装置用の軸受。
- 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の軸受を備えることを特徴とする風力発電装置。
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