JP2019032077A - 伝動装置のシャフトを支承するための軸受構造 - Google Patents

Abstract

【課題】省スペースであるにもかかわらず不具合が起こりにくく、それに伴ってローメンテナンスであり、にもかかわらず最善の軸受特性を有する、伝動装置のシャフトを支承するための軸受構造を提供する。【解決手段】伝動装置のシャフトを支承するための軸受構造１に関し、この軸受構造は、少なくとも２つのラジアル軸受と少なくとも２つのアキシャル軸受を有しており、ラジアル軸受のうち少なくとも１つは滑り軸受であるとともに、支持体２に配置された少なくとも１つの挿入シェルによって形成される軸受面を有しており、アキシャル軸受のうち少なくとも１つは、好ましくは両方の前記アキシャル軸受は、複数のティルティングパッド１０を備えるティルティングパッド軸受である。【選択図】図３

Description

本発明は、伝動装置のシャフトを支承するための軸受構造に関する。さらに本発明は、このような種類の軸受構造に支承される少なくとも１つのシャフトを有する風力発電設備のための伝動装置に関し、ならびに、このような種類の伝動装置を有する風力発電設備に関する。

風力発電設備は、ここ数年から十数年の間、規模に関して絶えず大型化しており、現在では、アクセス不能な場所や困難にしか到達可能でない場所、たとえば沖合の洋上領域などで採用されることも多い。その場合、特に洋上風力発電設備は、比較的コンスタントな風状況に暴露されるため、電力生産量が特別に大きくなるという利点がある。さらに、住民の迷惑に関する苦情がないので、特にサイズや配置に関して風力発電設備を最善に設計することができる。現在の風力発電設備はしばしば６０ｍを超える羽根の長さを有しており、その結果、特に比較的強風のときや強風のときに膨大な負荷が風力発電設備のロータに作用し、およびそれに伴い、ロータによって回転するシャフトにも作用する。シャフトの回転はしばしば多段の伝動装置を介して伝達されてから、本来の発電機に供給される。
特にこのような種類の風力発電設備のための伝動装置は、あるいはそれ以外の用途のための伝動装置も、数多く前提条件を満たさなければならない。たとえば、懸案となる風によって引き起こされることがある膨大な負荷に耐えなければならず、それにもかかわらず、可能な限り少ない設計スペースで済まさなければならない。ゴンドラすなわち風力エネルギー設備の本来の機械室が、可能な限り小さく構成されるのがよいからである。さらに、特に洋上領域では、可能な限りローメンテナンスで故障が起こりにくい伝動装置を提供することが重要となる。沖合での保守や補修は、困難かつ非常にコスト集中的にしか可能でないからである。

風力エネルギー設備の伝動装置は、通常、１つまたは複数のプラネタリギヤ段を備えているので、さまざまに異なるシャフト形状がさまざまに異なる仕方で支承されなければならない。従来技術より、たとえば振り子ローラ軸受および円筒ローラ軸受の形態の転がり軸受を使用することが知られているが、これらは実際問題としては、十分に不具合が起きにくいわけではないことが判明している。しかし、軸受の不具合の起きにくさとローメンテナンス性はクリティカルな前提条件の１つである。すでに述べたとおり、メンテナンスが困難にしか可能でなく、風力エネルギー設備のプラネタリ軸受のうちの１つの故障は、通常、設備の全面停止につながるからである。そのような種類の停止は、当然ながら可能な限り回避すべきである。

特にプラネタリギヤの場合、個々のシャフトがラジアル軸受で支承されなければならないだけでなく、場合により、軸方向への運動に対してもアキシャル軸受によって固定されなければならないことが、追加のチャレンジとして付け加わる。

本発明の課題は、省スペースであるにもかかわらず不具合が起こりにくく、それに伴ってローメンテナンスであり、にもかかわらず最善の軸受特性を有する、伝動装置のシャフトを支承するための軸受構造を提案することにある。

本発明は、伝動装置のシャフトを支承するための軸受構造であって、軸受は少なくとも２つのラジアル軸受と少なくとも２つのアキシャル軸受を有しており、ラジアル軸受のうち少なくとも１つは滑り軸受であるとともに、支持体に配置された少なくとも１つの挿入シェルによって形成される軸受面を有しており、アキシャル軸受のうち少なくとも１つは、好ましくは両方のアキシャル軸受は、複数のティルティングパッドを備えるティルティングパッド軸受であるものによって、課せられた課題を解決する。

ラジアル軸受としての滑り軸受の使用は、非常に信頼度が高く不具合の起こりにくい種類のラジアル軸受を提供する。好ましくは鋼材からなり、一体的または多部分で構成されていてよい支持体は、支承されるべきシャフトが挿通される軸方向開口部を備えている。この開口部は、たとえば支持体に押し込まれていてよい少なくとも１つの挿入シェルによって外装される。挿入シェルは同じく多部分で構成されていてよく、支持体の開口部の円周全体にわたって延びているのが好ましい。

両方のラジアル軸受は、支承されるべきシャフトの長手方向に沿って相互に間隔をおくのが好ましい。このようにして、半径方向での確実な支承を保証することができる。両方のアキシャル軸受は、互いに反対向きの２つの軸方向でシャフトを支承するように構成されるのが好ましい。たとえばアキシャル軸受のうちの１つは、第１の軸方向へ、たとえば右方に向かって、力を受け止めるようにセットアップされるのが好ましく、それに対して、両方のアキシャル軸受のうちの他方はこれと反対向きの軸方向へ、すなわち本例で左方に向かって、力を受け止めるようにセットアップされる。このようにして包括的な支承が実現される。

アキシャル軸受のうちの少なくとも１つのティルティングパッドは、ラジアル軸受のうちの１つの支持体に配置されるのが好ましい。このようにして、アキシャル軸受のうちの少なくとも１つと、ラジアル軸受のうちの少なくとも１つとを有する軸受が形成される。このような種類の軸受は多種多様な用途に適用可能であり、１つの別個の発明をなす。１つの好ましい実施形態では、このような種類の軸受は、両方のラジアル軸受のうちの１つを備えるとともに、軸方向での支承を保証できるようにするために、相応の支持体の両方の端面のところにアキシャル軸受部材、特にティルティングパッドを備えている。

１つのラジアル軸受と、少なくとも１つのアキシャル軸受、好ましくは両方のアキシャル軸受とを有する軸受は、ここに記載されているすべての実施形態を装備することができる。

挿入シェルは、少なくとも２つの層またはレイヤを備えていて、そのうち１つは、いわば裏側は、開口部と反対を向いている側であるのが好ましい。挿入シェルは支持体と取外し可能に結合されるのが好ましく、同じく鋼材でできているのが好ましい。挿入シェルの半径方向内側の層は、本来の軸受金属層をなす、いわゆる摺動層である。この層は滑り軸受金属、たとえばホワイトメタル、ブロンズ、プラスチック、アルミニウムまたはアルミニウム合金、特にアルミニウム・錫合金、たとえばＡｌＳｎ２０またはＡｌＳｎ４０でできているのが好ましい。

このような種類のラジアル軸受は可動部分を備えておらず、それにより、摩耗やそれに伴うメンテナンス強度が非常にわずかとなる。

これに加えて軸受構造は、複数のティルティングパッドを有するティルティングパッド軸受である少なくとも１つのアキシャル軸受、好ましくは２つのアキシャル軸受を備えている。ここでの複数は、特に、少なくとも２つのティルティングパッドである。

シャフトが軸方向へ動くのを防止するために、少なくとも２つのアキシャル軸受が設けられる。特に、風力発電設備のロータと結合されているシャフトの場合、あるいはさらに伝動装置で用いられるその他のシャフトの場合にも、軸受、シャフト、および／または伝動装置の作動時に、シャフトの軸方向に沿って相当の力が生じることが十分にあり得る。このような力はシャフトの断面にわたって必ずしも均等に分布するとは限らず、異なる個所で異なる大きさを有することが十分にあり得る。特にこのような力はシャフトの回転速度と、たとえば伝動装置の動作モードとに依存する。したがって少なくとも１つのアキシャル軸受は、好ましくは両方のアキシャル軸受は、特別な保持部で支承され、少なくとも１つの軸を中心として好ましくは載置点に対してティルティング可能である、複数のティルティングパッド軸受を備えている。これらが回転するシャフトそのものによって最善の位置へとティルティングし、それにより、どのような状況でも最善の支承が可能となる。パッドは、すでに述べたとおり、回転数やシャフトに印加される負荷に依存する動作状態に合わせて最善に自身を調整をすることを保証するために、それぞれティルティング運動可能である。ティルティングパッドは、いわゆる多面軸受よりも耐久性が高いことが示されている。個々のティルティングパッドは、摩擦を最小化するために潤滑剤、特にオイルが供給される。そのために、新鮮なオイルを供給するオイル供給通路があるのが好ましい。各々のティルティングパッドについて、少なくとも１つのオイル供給通路があるのが好ましい。これに加えて、個々のティルティングパッドはオイルの側方流を通じてラジアル軸受から供給を受けることもできる。

少なくとも２つのラジアル軸受の挿入シェルは、通常、複合体から製作される。そのために滑り軸受金属、たとえばホワイトメタルやアルミニウム合金などを、支持体または挿入シェルの内面へ直接的に装着し、またはたとえば遠心注型することができる。しかしながら本発明による軸受の構成は、挿入シェルが支持体に統合されることによって、これ以外の軸受金属、たとえばブロンズ合金あるいはプラスチックでも、それ自体公知の製造方法で使用できるという利点を有する。このことは、たとえばプレス法やシュリンク法によって行うことができ、それによりプレスベルトまたはシュリンクベルトが生じる。

ティルティングパッドは円周方向で、支承されるべきシャフトに関して少なくとも区域的に、ただし好ましくは円周全体にわたって、支持体の軸方向の端面に等間隔に配置されるのが好ましい。ティルティングパッドの等間隔の位置決め、または少なくとも区域的に等間隔の位置決めは、円周にわたっての最善の配分につながり、それに伴って、シャフトによる個々のティルティングパッドへの可能な限り均等な圧力分布につながる。ただし、特に支持体が、軸受の組立のときに１つの支持体をなすように組み合わされて相互に結合される複数の支持体部分からなるケースについては、支持体部分のうちの１つによってそれぞれ形成される端面の部分でのみ、ティルティングパッドの等間隔の配分を意図するのが好ましい場合もある。
その別案として、個々のティルティングパッドが等間隔にではなく配置されていてもよい。このことも何らかの状況のもとでは好ましい。ティルティングパッドはアキシャル軸受を形成し、したがって、軸方向に作用する力を受け止めるために意図される。しかし作動時にはこの力が変動することがあり、その際に、その強さや方向を変えてせん断力反転を生じるばかりでなく、シャフトの回転軸からそれぞれ異なる間隔で力が発生することもある。たとえば、大きい軸方向の圧縮力が特定の状況で発生するが、その場合に常に事前設定された領域で、たとえば回転軸の下方で発生することがあり得る。別の状況では、軸方向の圧縮力が明らかに低い強さで発生するが、回転軸の上方に位置している。このような状況では、回転軸の下方に、すなわち大きいせん断力と圧縮力が発生する領域に、回転軸の上方の領域よりも、すなわちせん断力が発生するが明らかに低い強さを有している領域よりも、多くのティルティングパッドを設けるのが好ましい。さらには支承されるべきシャフトが傾き、そのためにこのような形でも、等しくなく配分された力をアキシャル軸受のうちの少なくとも１つによって受け止めなければならないことが起こり得る。

支持体は端面のところで閉じているのが好ましく、複数のティルティングパッドがこの端面に配置される。そして軸受はカップ形状に構成され、支承されるべきシャフトがこの軸受の中に差し込まれる。このケースでは、アキシャル軸受のティルティングパッドは、ラジアル軸受の半径方向内側に配置される。このことは、軸受構造がどの端面のところでも閉じておらず、支承されるべきシャフトが軸受構造へ全面的に挿通されるときには当然ながら可能でないので、ティルティングパッドはラジアル軸受の軸受面の半径方向外側に配置される。

１つの好ましい実施形態では、少なくとも１つの挿入シェルは支持体に取外し可能に配置される。このことは、たとえば摩耗や摩減によって、あるいはメンテナンス目的のために必要となったときに、差込シェルの容易な交換を可能にする。軸受は、軸方向で互いに間隔をおく少なくとも２つのラジアル軸受を備えているのが特別に好ましい。軸受は、好ましくは支持体の互いに向かい合う２つの端面に配置される、２つのアキシャル軸受を備えているのが特別に好ましい。当然ながら、この軸受構造は複数のシャフトを支承するためにも利用することができ、たとえば少なくとも１つのシャフトがラジアル軸受によって半径方向で支承され、少なくとも１つの別のシャフトがアキシャル軸受によって軸方向で支承される。しかしながら軸受は、伝動装置の可能な限りすべてのシャフトを支承できるようにするために、複数のラジアル軸受と複数のアキシャル軸受とを備えているのが好ましい。このようにして、特別に高い安定性と変形の起こりにくさとが保証される。

支持体と、ティルティングパッドのうちの少なくとも１つとの間に、ただし好ましくはすべてのティルティングパッドとの間に、オイル案内リングがあるのが好ましい。

さらに本発明は、１つの軸受構造によって、好ましくは少なくとも２つの軸受構造によって、前記請求項のうちいずれか１項に基づいて支承される少なくとも１つのシャフトを備える少なくとも１つの平歯車伝動装置段を有する、風力発電設備のための伝動装置によって、課せられた課題を解決する。平歯車段の複数の、好ましくはすべてのシャフトが、前記請求項のうちいずれか１項に記載の軸受構造によって支承されると、特別に好ましいことが判明している。

さらに本発明は、ここで説明している種類の伝動装置を備える風力発電設備によって、課せられた課題を解決する。

次に、図面を参照しながら、本発明のいくつかの実施例について詳しく説明する。図面は次のものを示す：

軸受を示す軸方向の模式図である。 図１に示す軸受の断面図である。 図１および２の軸受を示す模式的な３Ｄ図である。 本発明の別の実施例に基づく軸受を示す模式的な断面図である。 図４の軸受を示す模式的な三次元の図である。 本発明の別の実施例に基づく軸受を示す模式図である。 本発明の実施例に基づく軸受が使用された伝動装置を示す模式的な断面図である。

図１は、本発明の第１の実施例に基づく軸受構造１の一部として使用することができる軸受を示す。この軸受は、中央の開口部４を備える支持体２を備えていて、この開口部に図示しないシャフトを挿通することができる。中央の開口部４は、挿入シェル８の半径方向内側の面を形成する軸受面６で取り囲まれる。図示した実施例では、挿入シェルは２つの部分から構成されている。しかしながらその別案として、一体的な挿入シェル８や多部分からなる挿入シェル、および／または多部分からなる支持体２も考えられる。

中央の開口部４の周りに、軸受の軸受面を形成する複数のティルティングパッド１０が示されている。これらは図示した実施例では円周にわたって等間隔に配分され、そのようにして、支承されるべきシャフトの最善の負荷受け止めのために作用する。作動時には、中央の開口部４へ通されたシャフトが矢印１２の矢印方向に沿って回転する。

図２は、図１の軸受の模式的な断面図を示す。支持体ならびに中央の開口部４をよく見ることができる。挿入シェル８の軸受面６にオイル供給部１４が示されており、これにより軸受面６およびそれに伴ってアキシャル軸受が潤滑される。別案として、特にさまざまな軸受へ、たとえばラジアル軸受とアキシャル軸受へオイルを運ぶために、複数のオイル供給部１４を利用することも可能である。複数のティルティングパッド１０を見ることができ、そのうち２つが横断面で示されている。これらは載置点１６を中心としてほぼすべての方向に旋回可能なように構成されている。当然ながら、載置点１６は数学的な意味での点でなくてもよく、屈曲し、湾曲し、あるいは平坦に構成されていてよい面として存在していてよい。

図３は、若干改変された実施形態の軸受を示す。支持体２が、それぞれ半円形に構成された２つの支持体部材１８を有する様子を見ることができる。これらが取付手段２０を介して互いに固定される。さらに、オイル供給部１４ならびに個々のティルティングパッド１０を見ることができる。

図４および５は軸受の別の実施形態を示す。やはり支持体２の端面２２に配置されるティルティングパッド１０の半径方向外側に、中央の開口部４の中心軸に関して軸方向へティルティングパッド１０から突出する、周回する縁部２４が配置されている。この縁部は、図５の軸受１の断面図を示す図４にも図示されている。図４の断面図に見られるとおり、軸受は、それぞれ複数のティルティングパッド１０を有する２つのアキシャル軸受を有している。図５に図示する一方のアキシャル軸受は、図４の右側に図示するティルティングパッド１０で形成される。これらは周回する縁部２４に対して軸方向に引っ込んでいる。縁部２４は、軸方向に作用する力を、図示しない後続する軸受体に導入するための役目を果たす。図４で左方を向いているティルティングパッド１０は縁部の後ろへ引っ込むのではなく、図１から３に示すとおり端面２２に配置されている。この個所で半径方向に支承される部材の軸方向での支承は行われない。

図６は、取付手段２０を介して互いに固定された２つの支持体部材１８を備える軸受の別の実施形態を示す。ここでも軸受面６、オイル供給部１４、ならびにさまざまなティルティングパッド１０を見ることができる。ただし、これまでに示した実施形態とは異なり、ティルティングパッド１０は完全な円周にわたって等間隔に配分されるのではない。両方の支持体部材１８が互いに当接する２つの個所で、対応するティルティングパッド１０が欠如しており、それにより、他の部分では等間隔である配分の断絶がここに存在する。

図７は伝動装置の断面図を示す。この伝動装置は、互いに係合する歯車３０がそれぞれ上に配置された、第１のシャフト２６および第２のシャフト２８を備えている。２つの軸受構造１が使用される。第１のシャフト２６は、ラジアル軸受の軸受面６とアキシャル軸受のティルティングパッド１０とを備える、本発明の１つの実施例に基づく軸受が支承された軸受構造１を介して支承される。第１のシャフト２６にフランジ３２が配置されているのを見ることができ、このフランジは本来の第１のシャフト２６から半径方向に突出し、そのようにして軸受１のティルティングパッド１０に当接する。軸受の向かい合う側にもこのような種類のフランジが配置されているので、この軸受は両方の側に軸方向で相応のティルティングパッド１０を備えている。図７の右側の領域では第１のシャフト２６が別のラジアル軸受３４によって支承されており、それにより、第１のシャフト２６を支承するために、全体として１つのラジアル軸受と２つのアキシャル軸受が存在する。

このことは、第２のシャフト２８が支承される軸受構造１では異なっている。この軸受構造も、当然ながら軸受面６を半径方向の支承のために備えている。相応の軸受体のうちの１つは、両方のアキシャル軸受のうちの１つを形成する多面軸受３８を備えている。第２のアキシャル軸受は別個のアキシャル軸受３６として構成されており、軸方向に生じる力を受け止めて支承することができるティルティングパッド１０を備えている。

１ 軸受構造
２ 支持体
４ 中央の開口部
６ 軸受面
８ 挿入シェル
１０ ティルティングパッド
１２ 矢印
１４ オイル供給部
１６ 載置点
１８ 支持体部材
２０ 取付手段
２２ 端面
２４ 縁部
２６ 第１のシャフト
２８ 第２のシャフト
３０ 歯車
３２ フランジ
３４ ラジアル軸受
３６ アキシャル軸受
３８ 多面軸受

Claims (12)

1. 伝動装置のシャフトを支承するための軸受構造（１）において、前記軸受構造は、
   少なくとも２つのラジアル軸受と少なくとも２つのアキシャル軸受を有しており、
   前記ラジアル軸受のうち少なくとも１つは滑り軸受であるとともに、支持体（２）に配置された少なくとも１つの挿入シェル（８）によって形成される軸受面（６）を有しており、
   前記アキシャル軸受のうち少なくとも１つは、好ましくは両方の前記アキシャル軸受は、複数のティルティングパッド（１０）を備えるティルティングパッド軸受である
   軸受構造。
2. 前記アキシャル軸受のうちの少なくとも１つの前記ティルティングパッド（１０）は前記ラジアル軸受の支持体に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の軸受構造（１）。
3. 前記ティルティングパッド（１０）は支承されるべき軸に関して円周方向で少なくとも区域的に、好ましくは円周全体にわたって等間隔に、好ましくは前記支持体（２）の軸方向の端面（２２）に配置されることを特徴とする、請求項１または２に記載の軸受構造（１）。
4. 前記支持体（２）は複数の前記ティルティングパッド（１０）が配置される端面のところで閉じていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の軸受構造（１）。
5. 前記軸受面はホワイトメタル、ブロンズ、プラスチック、アルミニウムまたはアルミニウム合金、特にアルミニウム・錫合金で製作されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の軸受構造（１）。
6. 少なくとも１つの前記挿入シェル（８）は前記支持体（２）に取外し可能に配置されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の軸受構造（１）。
7. 前記軸受構造（１）は軸方向で互いに間隔をおく少なくとも２つのラジアル軸受を有することを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の軸受構造（１）。
8. 前記軸受構造（１）は好ましくは前記支持体（２）の互いに向かい合う端面（２２）に配置される２つのアキシャル軸受を有することを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の軸受構造（１）。
9. 前記支持体（２）と前記ティルティングパッド（１０）のうちの少なくとも１つとの間に、好ましくはすべてのティルティングパッド（１０）との間に、供給リングがあることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載の軸受構造（１）。
10. 風力発電設備のための伝動装置において、請求項１から９のいずれか１項に記載の１つの軸受構造（１）によって、好ましくは少なくとも２つの軸受構造（１）によって支承される少なくとも１つのシャフトを備える少なくとも１つの平歯車伝動装置段を有している伝動装置。
11. 前記平歯車段の複数の、好ましくはすべてのシャフトが、請求項１から６のいずれか１項に記載の少なくとも１つの軸受構造（１）によって支承されることを特徴とする、請求項１０に記載の伝動装置。
12. 請求項１０または１１のいずれか１項に記載の伝動装置を有している風力発電設備。