JP2015519511A

JP2015519511A - 風力タービンの主軸受機構

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Publication number: JP2015519511A
Application number: JP2015516464A
Authority: JP
Inventors: ルゥーンガードビッチ，ミカエル
Original assignee: ヴェスタスウィンドシステムズエー／エス
Priority date: 2012-06-10
Filing date: 2013-06-06
Publication date: 2015-07-09
Anticipated expiration: 2033-06-06
Also published as: JP6185054B2; ES2570588T3; WO2013185768A1; US10054109B2; CN104364521A; EP2859230B1; EP2859230A1; US20150159631A1; CN104364521B

Abstract

本発明の水平軸風力タービンのドライブトレインは、風力タービンのローターに接続されるローター取付けフランジが設けられた主軸と、主軸を少なくとも部分的に囲み、第１の端部から第２の端部に延在する本体を有し、第２の端部からローター取付けフランジの距離が第１の端部からローター取付けフランジの距離より大きく、本体は第２の端部においてハウジングを更なるドライブトレイン部品に接続する部品取付けフランジを提供する主軸受ハウジングと、を備え、主軸受ハウジングは、第１の軸受及び第２の軸受を介して主軸を保持し、第２の軸受とローター取付けフランジの距離が第１の軸受とローター取付けフランジの距離よりも大きく、第１の軸受に対する第１の軸受座と第２の軸受に対する第２の軸受座とを有し、本体から少なくとも部分的に径方向内方に延在する軸受座フランジを備え、第２の軸受座は軸受座フランジの遠位端に位置する。【選択図】図２

Description

本発明は、水平軸風力タービンのドライブトレインに関する。本ドライブトレインは、風力タービンのローターに接続されるようになっているローター取付けフランジが設けられている主軸と、第１の軸受及び第２の軸受を介して主軸を保持する主軸受ハウジングとを備える。本発明はまた、水平軸風力タービンの主軸受ハウジングに関する。本主軸受ハウジングは、風力タービンのローターに接続される主軸を少なくとも部分的に囲むようになっている。本主軸受ハウジングは、主軸受ハウジングを更なるドライブトレイン部品に接続するのに用いる略円形の部品取付けフランジを提供する。ここでは、更なるドライブトレイン部品及びローターは、主軸受ハウジングの両端に配置される。

水平軸風力タービンは、通常、頂部にナセルを保持するタワーと、ナセルに収容されるドライブトレインに取り付けられるローターとを備える。ドライブトレインは、通常、主軸と、ギアボックスと、発電機とを備える。多くのタービンにおいて、主軸は、軸方向にオフセットされた２つの軸受を介して主軸受ハウジングによって保持される。主軸とギアボックス入力軸との間の接続は、任意の好適な型とすることができ、例えば、強固な接続とすることができるか、又は、軸のアライメントにいくらかの自由度を有する、国際公開第２０１２／０５２０２２号に例示されているような低速カップリング（low speed coupling）とすることができる。いくつかの場合において、主軸受ハウジングと、ギアボックスと、発電機とは、それぞれ、ナセルの保持構造体に対してそれぞれの直接の支持を有する。他の場合において、ギアボックス及び発電機は、以下に例示するように、主軸受ハウジングから片持ちされており、このような場合、主軸受ハウジングと固定されたギアボックス本体との間の接合部は比較的大きい力を受ける。さらに、或る特定の型の低速カップリングは直径が比較的大きい。これにより、主軸受ハウジングと固定されたギアボックス本体との間に、直径が大きい任意の固定接続部が必要となる。例えば、主軸受ハウジング及びギアボックスは、主軸とギアボックス入力軸との間の低速カップリングのための比較的大きいカバーによって接続してもよい。一方、ギアボックスに対する接続部において、直径が比較的小さい主軸を、また、ひいては主軸と主軸受ハウジングとの間に小さい軸受を提供することが望ましい場合がある。

本発明の目的は、風力タービンにおいて、効果的かつ信頼性のある主軸の軸受支持部と、主軸受ハウジングとギアボックス等の更なるドライブトレイン部品との間に、特に負荷に関して効果的な接続部とを提供することである。

この目的は、水平軸風力タービンのドライブトレインであって、
前記風力タービンのローターに接続されるようになっているローター取付けフランジが設けられている主軸と、
前記主軸を少なくとも部分的に囲むとともに、第１の端部から第２の端部に延在する本体を有する主軸受ハウジングであって、前記第２の端部から前記ローター取付けフランジまでの距離が、前記第１の端部から前記ローター取付けフランジまでの距離よりも大きく、前記本体は、前記第２の端部において、該ハウジングを更なるドライブトレイン部品に接続する部品取付けフランジを提供する、主軸受ハウジングと、
を備え、
前記主軸受ハウジングは、第１の軸受及び第２の軸受を介して前記主軸を保持し、前記第２の軸受と前記ローター取付けフランジとの間の距離が、前記第１の軸受と前記ローター取付けフランジとの間の距離よりも大きく、
前記主軸受ハウジングは、前記第１の軸受に対する第１の軸受座と、前記第２の軸受に対する第２の軸受座とを有し、
前記主軸受ハウジングは、前記本体から少なくとも部分的に径方向内方に延在する軸受座フランジを備え、前記第２の軸受座は前記軸受座フランジの遠位端に位置する、ドライブトレインによって達成される。

主軸受ハウジング本体は主軸の回転軸に沿って延在することが好ましい。いくつかの実施形態において、更なるドライブトレイン部品は低速カップリングカバーである。他の実施形態において、主軸受ハウジングの部品取付けフランジは、ギアボックス又は発電機の固定部に対してハウジングを直接接続するようになっている。

ハウジング本体から少なくとも部分的に径方向内方に延在する軸受座フランジは、主軸の回転軸に対して径方向に第２の軸受座の外側に位置する部品取付けフランジに対して設けられる。すなわち、軸受座フランジの延長部は径方向の要素を有する。軸受座フランジの延長部は回転軸に対して平行な要素も有することができるが、いずれの場合も、フランジは、回転軸に対してゼロでない角度で本体から内方に向いている。

本発明は、更なるドライブトレイン部品（複数の場合もある）が主軸受ハウジングから片持ちされているドライブトレイン内で、力の処理を向上することを可能にする。この理由は、更なる部品（複数の場合もある）と主軸受ハウジングとの間の接続部は、主軸の軸受機構の設計に関して妥協することなく、片持ち構成によって生じる曲げモーメントにより引き起こされる力を低減するように比較的大きくすることができ、主軸の軸受機構は、主軸のサイズにより比較的小さく維持することができる。

したがって、低減された力により、材料を削減することが可能となる。また、主軸受ハウジングと更なるドライブトレイン部品との間の接続部は、主軸の軸受機構とは独立に設計することができるため、片持ち構成が受ける応力に対して比較的真っ直ぐな負荷経路を主軸受ハウジングに設けることができる。ここでは更なるドライブトレイン部品に対する接続部の直径は大きい。

また、本発明は、低速カップリングの直径が比較的大きく、カップリングのための大きいカバーを必要とする場合に有利となる。部品取付けフランジは、カバーに接続するのに大きくすることができ、一方、主軸の軸受は、主軸を収容するのにはるかにより小さく維持することができる。

前記軸受座フランジは円錐台の形状であり、前記遠位端は前記円錐台の細い側の端部であり、前記遠位端から前記ローター取付けフランジまでの距離が、前記円錐台のより太い端部から前記ローター取付けフランジまでの距離よりも大きいことが好ましい。軸受座フランジの円錐台形状は、第２の軸受に関する力経路によって軸受座フランジのアライメントを提供する。ここでは、特に、第２の軸受は、以下のように角度が付いた円錐ころ軸受である（これは以下に記載される図面に例示される）。軸受ころは、それぞれ第１のころ端及び第２のころ端を有し、前記ローター取付けフランジと前記第１のころ端との間の距離が、前記ローター取付けフランジと前記第２のころ端との間の距離よりも小さく、前記主軸の回転軸と前記第１のころ端との間の距離が、前記回転軸と前記第２のころ端との間の距離よりも小さい。

本発明はまた、水平軸風力タービンの主軸受ハウジングであって、該主軸受ハウジングは、前記風力タービンのローターに接続される主軸を少なくとも部分的に囲むようになっており、該主軸受ハウジングは、該主軸受ハウジングを更なるドライブトレイン部品に接続するのに用いる略円形の部品取付けフランジを提供し、前記更なるドライブトレイン部品及び前記ローターは該主軸受ハウジングの両側の端に位置し、該主軸受ハウジングは、該主軸受ハウジングと前記主軸との間に第１の軸受に対する第１の軸受座を有し、該主軸受ハウジングと前記主軸との間に第２の軸受に対する第２の軸受座を有し、前記部品取付けフランジから前記第１の軸受座までの距離が、前記部品取付けフランジから前記第２の軸受座までの距離よりも大きく、部品取付けフランジの直径が前記第１の軸受座の直径よりも大きく、前記第２の軸受座の直径が前記第１の軸受座の前記直径に等しいか又は該直径よりも小さい、主軸受ハウジングを提供する。

それにより、上述したように、大きい部品取付けフランジは、主軸受ハウジングから片持ちされる更なるドライブトレイン部品に関して良好な力処理能力を提供する。一方、比較的小さい第２の軸受は、最適化された主軸設計に対して適合するように提供することができる。

ここでは、部品取付けフランジの直径は、部品取付けフランジと更なるドライブトレイン部品との間の負荷を伝達する領域の直径として理解される。例えば、部品取付けフランジと更なるドライブトレイン部品との間には、主軸の回転軸に対して略平行な向きの単列のボルト及び複数のボルトによるボルト接続がある。部品取付けフランジの直径は、部品取付けフランジに沿って分布する一連のボルトの中心線によって形成される仮想円の直径である。軸受座の直径は、径方向内方に面するとともにそれぞれの軸受を支持する軸受座のそれぞれの面の直径として理解される。

前記部品取付けフランジの直径と前記第２の軸受座の直径との差が、前記第１の軸受座及び前記第２の軸受座の前記直径間の差の少なくとも２倍、好ましくは３倍の大きさであることが好ましい。前記部品取付けフランジの前記直径は、前記第２の軸受座の直径よりも少なくとも３０％、好ましくは少なくとも４０％、より好ましくは少なくとも５０％大きいことが好ましい。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して記載する。

水平軸風力タービンの部分側面図である。風力タービンのローターの回転軸に一致する断面である、風力タービンのドライブトレインの一部の断面図である。図２のドライブトレイン部分の斜視図である。図３に部分的に示されているドライブトレインの斜視図である。風力タービンのローターの回転軸に一致する断面である、本発明の代替的な一実施形態に係る、風力タービンのドライブトレインの一部の断面図である。風力タービンのローターの回転軸に一致する断面である、本発明の代替的な一実施形態に係る、風力タービンのドライブトレインの一部の断面図である。

図１の水平軸風力タービン１は、頂部にナセル３を保持するタワーを備え、ナセル３は、タワーに対して垂直軸の回りに揺動するようになっている。風力タービンは、３つのブレード４２を保持するハブ４１を有するローター４も備える。代替的に、ハブ４１には３つよりも少ないか又は多いブレードが存在することができる。ハブはナセル３に収容されるドライブトレインに取り付けられる。ドライブトレインは、主軸５と、ギアボックス６と、発電機７とを備える。

図２は、主軸５を含むドライブトレインの部品を示している。ローター４及び主軸５の回転軸は、図２に破線Ａで示されている。主軸５には、第１の端部において（図２における左側）、ローター取付けフランジ５Ｃが設けられている。ローター取付けフランジ５Ｃはハブ４１（図１）に固定接続される。主軸５は、第２の端部において（図２における右側）、低速カップリング６１に接続され、低速カップリング６１は更に、ギアボックス６の入力軸６２に接続される。主軸５は、主軸受機構５２、５３を介して主軸受ハウジング５１によって保持される。図３において見て取ることができるように、主軸受ハウジング５１はナセル構造体の台フレーム３１に固定取付けされる。図２において見て取ることができるように、主軸受機構は、主軸５の回転軸Ａに沿って配置された第１の軸受５２及び第２の軸受５３を含む。この実施形態では、第１の軸受及び第２の軸受はころ軸受であるが、第１の軸受及び第２の軸受のいずれも、代替的に、任意の型の軸受、例えば玉軸受とすることができる。

第１の軸受５２は、ハブに対して第２の軸受５３よりも近くに位置する。第１の軸受５２、すなわちより詳細には第１の軸受５２の外輪は、主軸受ハウジング５１が提供する第１の軸受座５１１に嵌まる。第２の軸受５３は低速カップリング６１の近くに位置する。第２の軸受５３の外輪は、同じく主軸受ハウジングが提供する第２の軸受座５１２に嵌まる。第１の軸受５２及び第２の軸受５３の内輪は、主軸５が提供するそれぞれの軸受座５Ａ、５Ｂに嵌まる。

主軸受ハウジング５１は、主軸５を囲むとともに第１の端部５１４１から第２の端部５１４２まで回転軸Ａに対して略平行に延在する本体５１４を有する。第１の端部は、ローターに対して第２の端部よりも近い。第２の端部５１４２において、本体５１４は、主軸受ハウジング５１を低速カップリングカバー６１１に固定接続するのに用いる部品取付けフランジ５１３を提供する（図３も参照）。低速カップリングカバー６１１は、低速カップリング６１を覆うように構成される。部品取付けフランジは略円形の断面を有する。部品取付けフランジ５１３は、第２の軸受座５１２の、回転軸Ａに対して径方向外側に位置する。換言すると、部品取付けフランジ５１３は、回転軸Ａから第２の軸受座５１２よりも遠くに位置する。

図４に示されているように、ギアボックス６及び発電機７はナセル構造体に直接支持されていない。その代わり、ギアボックス６及び発電機７は低速カップリングカバー６１１を介して主軸受ハウジング５１から片持ちされている。これは、主軸受ハウジング５１及び低速カップリングカバー６１１が、片持ちされた部品６、７の重量により比較的大きい力を受けることを意味する。図３において見て取ることができるように、主軸受ハウジングの本体５１４は、部品取付けフランジ５１３からローター取付けフランジ５Ｃに向かって延在する部分５１６において、円錐台の形状である。これにより、片持ちされた部品によって生じる本体の応力に対する比較的真っ直ぐな負荷経路が提供される。

第２の軸受座５１２の径方向距離をより短くするため、主軸受ハウジングには軸受座フランジ５１５が設けられている。軸受座フランジ５１５は本体５１４の内面から径方向内側に延在する。軸受座フランジ５１５には、自身の内側遠位端において第２の軸受座が設けられている。軸受座フランジ５１５は、回転軸Ａに対して垂直な向きの仮想平面に対してゼロでない角度を呈し、したがって、第２の軸受座５１２を有する端部が円錐台のより細い端部５１５１である円錐台の形状を有し、第２の軸受座５１２を有する端部は、円錐台のより太い端部５１５２に比べてローター４からより遠くに位置する。円錐台のより太い端部５１５２において、軸受座フランジ５１５は本体５１４に接合する。軸受座フランジ５１５と本体５１４との間の接合部は第２の端部５１４２及び部品取付けフランジ５１３から或る距離に位置する。

低速カップリング６１は任意の型、例えば、引用することにより本明細書の一部をなす国際公開第２０１２／０５２０２２号に記載されている解決策のうちの１つとすることができる。この例では、低速カップリングは２つの可撓性ディスク６１２を有し、２つの可撓性ディスク６１２は、それぞれの内縁部において主軸５及びギアボックス入力軸６２にそれぞれ固定接続される。可撓性ディスク６１２は、それぞれの外縁部において円筒６１３を介して固定接合される。そのような低速カップリングは、ドライブトレインに生じる可能性があるミスアライメント及び他の不所望の現象を許容するいくらかの自由度を提供する。

低速カップリング６１の設計に起因して、低速カップリング６１は直径が比較的大きくなり、ひいては低速カップリングカバー６１１も直径が比較的大きくなる。上述したように、主軸受ハウジング本体５１４は、部品取付けフランジ５１３からローターに向かって延在する部分５１６において、円錐台の形状である（図３）。これにより、片持ち構成が受ける応力に対する比較的真っ直ぐな負荷経路が提供される。さらに、軸受座フランジ５１５は、主軸受ハウジング本体５１４が大径の部品取付けフランジ５１３を提供することを可能にする一方、第２の軸受５３に対する強固な支持を同時に提供する。実際、本体５１４の直径は、第１の端部５１４１におけるよりも第２の端部５１４２において大きい。部品取付けフランジ５１３の大きい直径は負荷の観点で有益である。なぜなら、片持ち構成によって生じる曲げモーメントが部品取付けフランジ５１３における力によって相殺されるためである。この力は、より小さい部品取付けフランジを有する場合よりも小さい。

さらに、特に、第２の軸受５３が、図面に示されているように角度が付いた円錐ころ軸受の場合、軸受座フランジ５１５の円錐台形状により、第２の軸受５３に伴う力経路によってフランジのアライメントが提供される。図４において見て取ることができるように、軸受ころは、それぞれ第１のころ端５３１及び第２のころ端５３２を有する。ローター取付けフランジ５Ｃと第１のころ端５３１との間の距離は、ローター取付けフランジ５Ｃと第２のころ端５３２との間の距離よりも小さい。主軸５の回転軸Ａと第１のころ端５３１との間の距離は、回転軸Ａと第２のころ端５３２との間の距離よりも小さい。

部品取付けフランジ５１３の直径は第１の軸受座５１１の直径よりも大きく、第２の軸受座５１２の直径は第１の軸受座５１１の直径よりも小さい。部品取付けフランジ５１３と低速カップリングカバー６１１との間には、回転軸Ａに対して略平行な向きの単列のボルト５１３１によるボルト接続がある。ここでは、部品取付けフランジ５１３の直径は、部品取付けフランジ５１３に沿って分布する一連のボルト５１３１の中心線によって形成される仮想円の直径として理解される。軸受座５１１、５１２の直径は、径方向内方に面するとともにそれぞれの軸受５２、５３を支持する、軸受座のそれぞれの面の直径として理解される。

図５は、部品取付けフランジ５１３が軸受座フランジ５１５の外周縁に隣接して位置する一実施形態を示す。すなわち、部品取付けフランジ５１３は軸受座フランジ５１５と主軸受ハウジング本体５１４との間の接続部に隣接して位置する。

本発明は、ドライブトレインにおいてギアボックスを全く備えないタービン、すなわち、いわゆるダイレクトドライブタービンにも応用可能である。それにより、本発明は、図６に示されているように発電機７が主軸受ハウジング５１から片持ちされており、主軸５が、例えば（図６におけるように）直接、又は例えば上記国際公開第２０１２／０５２０２２号に記載のように低速カップリングを介して発電機７のローター７１に接続される場合に、特に有用とすることができる。

Claims

水平軸風力タービンのドライブトレインであって、
前記水平軸風力タービンのローターに接続されるようになっているローター取付けフランジが設けられている主軸と、
前記主軸を少なくとも部分的に囲むとともに、第１の端部から第２の端部に延在する本体を有する主軸受ハウジングであって、前記第２の端部から前記ローター取付けフランジまでの距離が前記第１の端部から前記ローター取付けフランジまでの距離よりも大きく、前記本体は、前記第２の端部において、該主軸受ハウジングを更なるドライブトレイン部品に接続する部品取付けフランジを提供する、主軸受ハウジングと、
を備え、
前記主軸受ハウジングは、第１の軸受及び第２の軸受を介して前記主軸を保持し、前記第２の軸受と前記ローター取付けフランジとの間の距離が前記第１の軸受と前記ローター取付けフランジとの間の距離よりも大きく、
前記主軸受ハウジングは、前記第１の軸受に対する第１の軸受座と、前記第２の軸受に対する第２の軸受座とを備え、
前記主軸受ハウジングは、前記本体から少なくとも部分的に径方向内方に延在する軸受座フランジを備え、前記第２の軸受座は前記軸受座フランジの遠位端に位置する、
ことを特徴とするドライブトレイン。
前記軸受座フランジは円錐台の形状であり、前記遠位端は前記円錐台の細い端部であり、前記遠位端から前記ローター取付けフランジまでの距離が、前記円錐台の太い端部から前記ローター取付けフランジまでの距離よりも大きい、ことを特徴とする請求項１に記載のドライブトレイン。
前記第２の軸受はころ軸受であり、軸受ころは、それぞれ第１のころ端及び第２のころ端を有し、前記ローター取付けフランジと前記第１のころ端との間の距離が前記ローター取付けフランジと前記第２のころ端との間の距離よりも小さく、前記主軸の回転軸と前記第１のころ端との間の距離が前記回転軸と前記第２のころ端との間の距離よりも小さい、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のドライブトレイン。
水平軸風力タービンの主軸受ハウジングであって、該主軸受ハウジングは、前記風力タービンのローターに接続される主軸を少なくとも部分的に囲むようになっており、該主軸受ハウジングは、該主軸受ハウジングを更なるドライブトレイン部品に接続するのに用いる略円形の部品取付けフランジを提供し、前記更なるドライブトレイン部品及び前記ローターは該主軸受ハウジングの両側の端に位置し、該主軸受ハウジングは、該主軸受ハウジングと前記主軸との間に第１の軸受に対する第１の軸受座を備え、該主軸受ハウジングと前記主軸との間に第２の軸受に対する第２の軸受座を備え、前記部品取付けフランジから前記第１の軸受座までの距離が前記部品取付けフランジから前記第２の軸受座までの距離よりも大きく、前記部品取付けフランジの直径が前記第１の軸受座の直径よりも大きく、前記第２の軸受座の直径が前記第１の軸受座の前記直径に等しいか又は該直径よりも小さい、ことを特徴とする主軸受ハウジング。
前記部品取付けフランジの直径と前記第２の軸受座の直径との差が前記第１の軸受座の前記直径及び前記第２の軸受座の前記直径の差の少なくとも２倍、好ましくは３倍の大きさである、ことを特徴とする請求項４に記載の主軸受ハウジング。
前記部品取付けフランジの前記直径は前記第２の軸受座の直径よりも少なくとも３０％、好ましくは少なくとも４０％、より好ましくは少なくとも５０％大きい、ことを特徴とする請求項４又は５に記載の主軸受ハウジング。