JP6267826B2 - ハイブリッド軸受、ハイブリッド軸受を備えた風力発電機、ハイブリッド軸受の使用、及びハイブリッド軸受の稼動方法 - Google Patents

Description

本発明は、動圧摩擦軸受と転がり軸受とを備えたハイブリッド軸受に関する。本発明は、又、前記ハイブリッド軸受を備えた風力発電機と前記ハイブリッド軸受の使用とに関する。さらに、本発明は、前記ハイブリッド軸受の稼動方法に関する。

風力発電機において、メインシャフトは、電気を作るための発電機を駆動する歯車とともに、ロータハブに連結されている。前記メインシャフトは、摩擦軸受又はスライド軸受によって、たびたび支持される。摩擦軸受には、主に流体静圧軸受と流体動圧軸受の２種類の摩擦軸受がある。流体静圧的に潤滑される軸受には、潤滑ギャップ内に十分な潤滑膜を確立するため、外オイルポンプが適用される。流体動圧摩擦軸受においては、ジャーナル又はシャフトの回転に由来する流体動圧効果により、軸受面とジャーナルとの間に加圧油膜が維持される。しかしながら、シャフトのスタートアップ又はシャットダウンの際には、流体動圧摩擦軸受におけるスライド面の間の潤滑が不十分となり得る。最低限の厚みを有する潤滑膜が確立されるために必要とされる所定の臨界的な回転速度が存在するのである。例えば、メインシャフト支持用の流体動圧摩擦軸受を備えた風力発電機のスタートアップ又はシャットダウンの際、摩擦の入り混じった諸状態を導き得る。しかしながら、これらの状態は、基本的には摩擦フリーの軸受が摩擦を受ける原因となる。スライド面の接触を、あらゆる状況において避けることはできない。これに加え、シャフトの回転の低速時には、メインシャフトのプレイフリー支持がなくなる、というのは、流体動圧摩擦軸受は、一般に、低回転速度ではプレイフリーではないからである。

従来の軸受、特に、風力発電機のメインシャフトの支持用軸受において、流体動圧摩擦軸受は、スタートアップ又はシャットダウンの間、流体静圧摩擦軸受として稼動する。これは、摩擦面間の接触を回避し、さらに軸受内の遊びを最小化するためである。しかしながら、このような稼動は、軸受の潤滑ギャップ内に潤滑剤を供給するための高圧潤滑システムを必要とする。これは、技術的に複雑で、しばしばコスト高のソリューションを提示する。

ＵＳ３７０８２１５公報は、摩擦軸受と転がり軸受とを備えたハイブリッド軸受を開示する。支持されたシャフトがスタートし、さらにストップする場合、軸受荷重は、転がり軸受から摩擦軸受に移動し、そして転がり軸受に戻る。転がり軸受と摩擦軸受との間の遷移は、摩擦軸受の潤滑ギャップにおける圧力の昇降によってなされる。しかしながら、活性油加圧システムが必要となり、技術的に複雑でどちらかといえば高くつくソリューションを提示する。

したがって、複雑ではなく、信頼性があり、しかも経済的な軸受が要請される。特に、該軸受は、例えば、風力発電機のメインシャフトを支持するために適用される場合の高荷重を負担するのに適しているものである。

本発明の目的は、改良されたハイブリッド軸受と、この軸受を備える改良された風力発電機とを提供することである。さらに、本発明の目的は、ハイブリッド軸受の改良された稼動方法と、該ハイブリッド軸受の有利な使用とを提供することを目的としている。

本発明の一側面において、流体動圧摩擦軸受と転がり軸受とを備えたハイブリッド軸受が提供される。両軸受は、支持構造体及び支持シャフトと協働する。前記流体動圧摩擦軸受は、受圧型流体動圧軸受である。換言すれば、ハイブリッド軸受は、流体動圧摩擦軸受における潤滑ギャップに潤滑剤の積極的な供給を不要にする。特に、ハイブリッド軸受は、流体動圧摩擦軸受の潤滑剤を積極的に加圧し得るオイルポンプ又は他のオイル供給装置を必要としない。

このことは、ハイブリッド軸受の信頼性を有利に増加し、メンテナンスの要請を潜在的に低減する。潤滑剤を加圧するための活性システムが適用される摩擦軸受と比較した場合、本発明の各側面によるハイブリッド軸受の設計は、例えば、活性オイル供給装置が不要になる、といった活性的に制御する部品が少ない点で、技術的によりシンプルとなる。特に、ハイブリッド軸受が洋上風力発電機に装着されている場合、メンテナンスの要請の低減は、顕著にサービス費用を低くする。さらに、実質的に独立している流体動圧摩擦軸受と転がり軸受とを有するハイブリッド軸受の設計は、各軸受が別々に交換されることを許容する。このことは、ハイブリッド軸受のメンテナンスを有利に単純化する。

本発明の有利な実施形態によれば、転がり軸受は、プレストレスがかけられている。転がり軸受には、シャフトにプレテンションが作用するようにプレストレスがかけられる。このプレテンションは、少なくとも摩擦軸受の最小許容荷重と実質的に同一以上の値を有する。有利には、転がり軸受は、例えば風力発電機のスタートアップ又はシャットダウンといった、シャフトの回転のスタートアップ又はシャットダウンの間、当該シャフトを支持する。流体動圧摩擦軸受は、シャフトの所定の回転速度に達した場合に、荷重の負担を引き継ぐ。低速度では、転がり軸受がシャフトを支持する。これに加え、この軸受は、回転が低速度でもプレイフリーである、というのは、前記プレストレスされた転がり軸受によって、シャフト上にプレテンションが作用しているからである。プレテンションの値は、全ての稼動状態において、摩擦軸受の潤滑ギャップにおける潤滑膜の最低限の厚さの存在を保証する。これは、一般に望ましくない軸受の摩擦の原因となる、スライド面間の接触を回避する。

本発明の別の実施形態によれば、前記プレテンションは、少なくともシャフトの最大回転速度での摩擦軸受の最小許容荷重以上の値に設定される。このプレテンションの特定の値は、摩擦軸受の軸受面が互いに接触することはなく、摩擦の入り混じった諸状態が生じないことを保証する。

プレテンションの調整のため、ハイブリッド軸受は、調整装置を有利に備える。該装置は、プレテンションの量を調整するために構成される。この調整装置は、一般的にはアクチュエータである。該アクチュエータは、適切な予め設定された値にプレテンションを調整するために構成されてはいるが、その値は、ハイブリッド軸受が稼動する間、一定のままである。例えば、調整装置は、風力発電機において、ハイブリッド軸受のひとたびの実施で調整される。これは、例えば、固定された中間部材、調整ねじ、又は調整ウェッジ等であってもよい。

本発明の有利な実施形態によれば、流体動圧摩擦軸受と転がり軸受とは、並列に配置される。これらの軸受は、双方が支持構造体と回転自在な支持軸受との間に配置されるようように並列とされる。換言すれば、各軸受のそれぞれの固定側部位は、堅固に支持構造体に対し固定又は装着され、可動側部位は、シャフトに固定又は装着される。前記摩擦軸受に関し、ブッシュを支持構造体に直接装着することができる。内輪と外輪との間に転がり要素を有している転がり軸受においては、例えば、内輪がシャフトと一体的に回転し、外輪が堅固に支持構造体に固定される。

本発明のこの実施形態によるハイブリッド軸受は、少なくとも一つのアクチュエータをさらに備える。同アクチュエータは、流体動圧摩擦軸受と転がり軸受のいずれか一方又は双方の軸受要素を動かすように構成される。特に、本アクチュエータは、流体アクチュエータである。例えばモータで駆動されるものを含む、種々の他の形式のアクチュエータが適用可能である。

例えば、転がり軸受は、当該転がり軸受の転がり要素を支持する第１アクチュエータを備える。第１アクチュエータは、転がり要素と協働する軸受面に対し、転がり要素を接近及び離反する向きに動かすように構成されている。有利には、シャフトが回転する場合、転がり要素は、軸受面に向かって動くことができる。同様に、シャフトが回転していない場合、シャフトを転がり要素によって支持することができる。本ハイブリッド軸受を備えた、例えば風力発電機のスタートアップの際、転がり軸受は、十分に高い回転速度に達するまで、摩擦軸受を荷重から解放する。シャフトが所定割合の定格速度で回転している場合、第１アクチュエータを退避させることによって、転がり要素を軸受面から離すことができる。そのため流体動圧摩擦軸受は、シャフトの全荷重を負担する。転がり軸受は、ハイブリッド軸受が相対的に比較荷重で稼動している状態の場合でのみ、用いられる。さらに、転がり軸受の稼動時間は、きわめて限られている。

本発明のさらに別の有利な実施形態において、スライド軸受は、第２アクチュエータを備えている。第２アクチュエータは、対向スライド面に対し、流体動圧摩擦軸受のスライド面を動かすように構成されている。特に、該軸受は、流体動圧摩擦軸受のスライド面の一方を担持するスライドブロックを備えている。スライドブロックは、伸張及び退避が可能なように第２アクチュエータによって駆動される。有利には、流体動圧摩擦軸受の流体動圧操作のためにシャフトの回転速度が十分高い場合、スライドブロックに設けられたスライド面を、対向（協働）スライド面に向かって動かすことができる。この動作のゆえに、スライド軸受は、シャフトの荷重の大部分を負担することとなる。転がり軸受は、従って、荷重から解放される。これは、転がり軸受における摩耗を最小化することとなる。

ハイブリッド軸受が二つ以上の転がり要素のために、二つ以上の第１アクチュエータを備え得ることが理解される。同様に、ハイブリッド軸受は、二つ以上のスライドブロックのために、二つ以上の第２アクチュエータを備え得る。

本発明のさらに別の実施形態において、摩擦軸受と転がり軸受とは、直列に配置される。二つの軸受の一方がシャフトを支持し、他方の軸受が支持構造体に連結される。支持構造体に連結された軸受は、シャフトを支持する軸受からの荷重を負担する。同軸受は、該荷重を支持構造体に伝達する。本発明の有利な実施形態において、ローラ軸受がシャフトを支持し、摩擦軸受が支持構造体に連結される。ハイブリッド軸受のこのデザインにおいては、転がり軸受と比べた場合に、流体動圧摩擦軸受は、より高い周速を受ける。このことは、流体動圧摩擦軸受は、転がり軸受よりも半径が大きいところに配置されている、という事実に由来する。前記半径は、各軸受のそれぞれの一方と支持されたシャフトの中心軸との間の距離とすることができる。高い周速のゆえに、摩擦軸受は、シャフトの回転数が低いところの荷重を負担することが可能となる。この比較的低い回転速度は、摩擦軸受と転がり軸受とが同じ半径に配置される状況と比較される。

本発明の別の実施形態において、ハイブリッド軸受は、ラジアル軸受、スラスト軸受、又はアキシャル軸受である。同様に、これは、転がり軸受と流体動圧摩擦軸受とに適用される。

本発明の他の有利な側面によれば、メインシャフトを備えたドライブトレインを有する風力発電機が提供される。前記メインシャフトは、本発明の各側面によるハイブリッド軸受によって支持される。特に、風力発電機は、洋上風力発電機である。メンテナンス、高い信頼性、及びハイブリッド軸受の摩耗耐性に関する大概の要請は、風力発電機、さらには、特に、洋上風力発電機への適用に特に好適なものとなる。本発明の各側面による風力発電機のさらに好適な側面は、ハイブリッド軸受に関して言及したものと同様である。従って、繰り返さないこととする。

本発明のさらに別の側面において、ハイブリッド軸受の有利な使用が提供される。本発明の各側面によるハイブリッド軸受は、風力発電機、特に、洋上風力発電機のドライブトレインのメインシャフト支持用として用いられる。ここでも、該ハイブリッド軸受の使用のさらなる側面と利点とは、ハイブリッド軸受に関して言及したものと同様であり、繰り返さないこととする。

本発明の他の有利な側面によれば、ハイブリッド軸受の稼動方法が提供される。このハイブリッド軸受は、流体動圧摩擦軸受と転がり軸受とを備える。流体動圧摩擦軸受と転がり軸受とは、両軸受が支持構造体と回転自在の支持シャフトとの間に連結されるように並列に配置される。さらに、ハイブリッド軸受は、少なくとも１つのアクチュエータを備えている。同アクチュエータは、流体動圧摩擦軸受と転がり軸受の双方のうちのいずれか一方又は他方の軸受部位を移動するように構成される。この少なくとも１つのアクチュエータは、シャフトの回転のスタートアップ又はシャットダウンの際、伸張し又は退避する。

特に、転がり軸受の転がり要素は、第１アクチュエータによって支持される。これは、当該転がり要素と協働する軸受面に対し、転がり要素を接近及び離反する向きに動かすように構成されている。シャフトが回転した場合において一次の予め設定されたスタートアップ期間が経過したときに、第１アクチュエータは退避する。これは、風力発電機が本発明の各側面によるハイブリッド軸受を有する状況において、典型的に適用される。シャフトがシャットダウンされる場合、例えば、風力発電機のシャットダウンする際の場合において一次の予め設定されたシャットダウン期間が経過したときに、第１アクチュエータは、退避する。

有利には、流体動圧摩擦軸受は、初期のスタートアップ期間の後、シャフトの荷重を負担する。流体動圧操作と転がり軸受操作との間の遷移は、転がり要素の協働する軸受面に対しする接近又は離反する動作によって、制御される。

さらに、流体動圧摩擦軸受が、当該流体動圧摩擦軸受のスライド面の一方を担持するスライドブロックを駆動するように構成された第２アクチュエータを備えている場合、第２アクチュエータは、軸受面に対し、スライドブロックを接近及び離反する向きに動かす。これは、それぞれ二次スタートアップ期間及び二次シャットダウン期間の機能として実施される。シャフトが回転を開始した場合において二次スタートアップ期間が経過したとき、スライドブロックは、伸張する。同様に、シャフトがシャットダウンした場合において二次の予め設定されたシャットダウン期間が経過したとき、第１アクチュエータは、退避する。

スライドブロックの操作は、流体動圧摩擦軸受がシャフトの荷重を負担する操作状態と、ハイブリッド軸受が転がり軸受として稼動する操作モードとの間の遷移を制御する。この二つの状態の間における遷移は、スライドブロックの協働する軸受面に対しする接近し又は離反する向きの動作によって、制御される。

一次の予め設定されたスタートアップ期間及びシャットダウン期間は、二次の予め設定されたスタートアップ期間及びシャットダウン期間と同様に、シャフト回転速度の関数とすることができる。しかしながら、予め設定された期間、例えば風力発電機の開始又は停止シグナルの後の秒数を、上述の期間を規定するものとすることも可能である。

ハイブリッド軸受の稼動方法のさらなる利点は、ハイブリッド軸受に関して述べたことと同様であるので、ここでは繰り返さない。

本発明のさらなる各側面及び特徴は、添付図面と併せて読むべき本発明の好適な実施形態に係る以下の説明から確かなものとなるであろう。

本発明の実施形態による単純化された洋上風力発電機である。 転がり軸受と摩擦軸受とが並列に配置された本発明の一実施形態によるハイブリッド軸受のコンセプトを示す。 転がり軸受と摩擦軸受とが並列に配置された本発明の一実施形態によるハイブリッド軸受のコンセプトを示す。 本発明の各実施形態によるハイブリッド軸受を適用可能な転がり軸受の剛性プロファイルを簡略化したグラフを示す。 本発明の一実施形態による風力発電機のドライブトレインにおけるメインシャフトを支持するために適用されたハイブリッド軸受を示す簡略化した概念図である。 本発明の一実施形態による風力発電機のドライブトレインにおけるメインシャフトを支持するために適用されたハイブリッド軸受を示す簡略化した概念図であり、図６は図５とは、ハイブリッド軸受の異なる作動状態を示すものである。 本発明の各実施形態によるハイブリッド軸受の細部を簡略化して示し、前記ハイブリッド軸受は、並列に配列された転がり軸受と流体動圧軸受とを有し、図示されたハイブリッド軸受は、風力発電機のドライブトレインにおけるメインシャフトを支持するアキシャルラジアル軸受として構成されている。 本発明の各実施形態によるハイブリッド軸受の細部を簡略化して示し、前記ハイブリッド軸受は、並列に配列された転がり軸受と流体動圧軸受とを有し、図示されたハイブリッド軸受は、風力発電機のドライブトレインにおけるメインシャフトを支持するアキシャルラジアル軸受として構成されている。 本発明の他の実施形態による、転がり軸受と摩擦軸受とが直列に配置されたハイブリッド軸受の他のコンセプトを示す。 本発明の一実施形態によるハイブリッド軸受を概略的に図示し、該ハイブリッド軸受は、直列に配置された転がり軸受と摩擦軸受とを有し、該ハイブリッド軸受は、風力発電機のドライブトレインにおけるメインシャフトの支持に適用される。 本発明のさらなる諸実施形態によるハイブリッド軸受の稼動方法を図示した簡素化されたフローチャートである。 本発明のさらなる諸実施形態によるハイブリッド軸受の稼動方法を図示した簡素化されたフローチャートである。

図１は、風力発電機２の簡略化された斜視図である。一例として、風力発電機２は、洋上風力発電機である。同風力発電機は、ロータブレード６を担持するロータハブ４を備えている。支持構造体８は、例えばタワーであり、ナセル（図示せず）を担持し、海１０の好適な海底基礎の上に立脚するものである。

風力発電機２のメインシャフトは、ロータハブ４によって駆動される。ロータハブ４は、さらに、例えばプラネタリ歯車といった、トルク伝達用の歯車に連結される。このトルクは、ロータハブ４によってメインシャフトに作用し、ドリブンシャフトに至る。ドリブンシャフトは、さらに、電気を作るための発電機器に連結される。

風力発電機２のメインシャフトは、転がり軸受と流体動圧摩擦軸受とを備えたハイブリッド軸受によって、支持されている。

簡略化された概略図であるところの図２及び図３は、本発明の各実施形態による二つのコンセプトのハイブリッド軸受２０を示している。本発明のこれら二つの実施形態は、流体動圧軸受と摩擦軸受とが並列になったハイブリッド軸受のタイプを表すものである。換言すれば、この流体動圧摩擦軸受２２と転がり軸受２４は、支持構造体２６に接続され、風力発電機２のメインシャフトとなり得るシャフト２８を回転自在に支持している。

図２の実施形態において、転がり軸受２４には、プレストレスが付加されている。図３の実施形態は、第１アクチュエータ３２によって操作される、回転可能な転がり要素７２を有するハイブリッド軸受２０を参照する。最初に、図２に示されるタイプの軸受を参照する。図３に示すハイブリッド軸受２０の別のタイプのさらなる詳細は、後述する。

図２の実施形態において、転がり軸受２４のプレテンションは、流体動圧摩擦軸受２２が担持する荷重の最小許容量と少なくとも実質的に同一以上の値を有する。特に、転がり軸受２４のプレテンションは、シャフト２８の回転が最大速度での流体動圧摩擦軸受２２の最小許容荷重と実質的に同一以上の値を有する。例えば、この最大回転は、風力発電機２のメインシャフトの、当該技術的諸元による最大回転速度である。

図４は、本発明の図２の実施形態によるハイブリッド軸受２０を適用可能な転がり軸受２４の剛性プロファイルを簡略化したグラフを示す。軸受荷重Ｆは、支持シャフト２８の変位Ｄにわたってプロットされている。値Ｆｍｉｎは、シャフトを支持するための最小許容荷重である。これは、風力発電機２が停止又は低速回転にある稼動状況において、例えば当てはまる。転がり軸受２４には、当該転がり軸受が変位Ｄ１だけシャフト２８に向かって動かされるようにプレストレスが付加されている。この変位は、無負荷の転がり軸受であって、しかしながら、その転がり要素が対応する軸受面に接触しているものに関して決定される。変位Ｄ１は、転がり軸受２４の剛性プロファイル４０によって最小許容荷重Ｆｍｉｎが決定れされた際、これと等しいプレテンションを導く。

風力発電機２が稼動中の間、ハイブリッド軸受２０は、Ｆ１以上の荷重を受ける。シャフト２８の最大回転時では、流体動圧摩擦軸受２２は、最小厚さの潤滑膜を確立する。この最小厚さは、荷重が最小荷重Ｆｍｉｎから荷重Ｆ１に増加した場合に、転がり軸受２４の変位と実質的に等しくなるものである。これは、図４のＦｍｉｎからＦ１までの間の間隔Ｘによって表示される。ハイブリッド軸受２０に作用する荷重が荷重Ｆ１を越えた場合、流体動圧摩擦軸受２２は、Ｆ１の値を超えたさらなる荷重を引き受ける。換言すれば、転がり軸受２４に作用する荷重は限定されており、その摩耗や寿命の観点から有利である。

有利には、本発明の一側面に係るハイブリッド軸受２０は、プレイフリーである。シャフト２８の低回転数のところでは、流体動圧摩擦軸受２２において潤滑膜が確立されるまで、転がり軸受２４は、荷重を負担する。しかしながら、典型的には、高負荷側に対応する支持されたシャフト２８の高速側回転速度では、転がり軸受２４は、流体動圧摩擦軸受２２によって、さらなる負荷から解放される。

図５には、本発明の一実施形態による風力発電機２のドライブトレインにおけるメインシャフト２８を支持するために適用されたハイブリッド軸受２０を図示する簡略化した概念図が示されている。メインシャフト２８は、ロータハブ４に連結され、このロータハブ４から歯車５０にトルクを伝達する。歯車５０は、さらに電気を作るための発電機器５２に接続される。発電機２のドライブトレインは、適切な支持構造体２６上に装着される。転がり軸受２４と流体動圧摩擦軸受２２とは、それぞれの軸受が支持構造体２６によって支持され、かつシャフト２８を回転自在に支持するように、並列に配置されている。

図５は、シャフト２８が低速、すなわち、低回転数で回転又は停止している場合の稼動状態を図示している。ロータハブ４によって作用する力Ｆは、Ｆ１−ｍｉｎ以下でなければならない。この状態では、転がり軸受２４は、Ｆ１の値に至るまで、回転するシャフト２８の全荷重を負担する。

図６には、図５と同様の他の簡略化された概略図が示される。しかしながら、シャフト２８のより高速な回転速度での稼動モードが図示されている。いくつかの参照符号は、ハイブリッド軸受２０とドライブトレインの同一部分を表示するために付されている。ロータハブ４の荷重がＦ１とＦｍｉｎとの間の差よりも大きい場合、Ｆ−Ｆ１である付加的な荷重は、流体動圧摩擦軸受２２によって負担される。転がり軸受２４は、Ｆ１を越えない最大荷重にさらされる。

図７には、前記シャフト２８、特に前記風力発電機２のパワートレインにおけるメインシャフトを支持するアキシャルラジアル軸受として構成されたハイブリッド軸受２０の詳細を簡略化して図示した図が示される。前記シャフト２８は、メイン軸芯Ａに沿って突出し、アウタリング７０を備えている。これは、前記シャフト２８を支える流体動圧摩擦軸受２２と転がり軸受２４とに相互に関わっている。転がり軸受２４は、２種の転がり要素７２、７４を有している。これらはそれぞれ、第１軸Ａ１、第２軸Ａ２回りに転動する。第１軸Ａ１及び第２軸Ａ２は、前記アウタリング７０とシャフト２８とを支持するためのアキシャルラジアル軸受を提供するべく、それぞれ逆向きの傾きを有する。転がり軸受２４は、ここでもプレストレスが付加されている。調整装置７６を用いて、プレテンションがかけられている。図７の実施形態において、これは、リング要素である。調整装置７６は、第１、第２転がり要素７２、７４を保持している支持部材７８に所望のプレテンションを付加するためのものである。第１、第２転がり要素７２、７４は、支持構造体２６上に支持される支持部材７７によってさらに支持される。

付加されたプレテンションは、流体動圧摩擦軸受２２の対向スライド面７３、７５間の最小潤滑ギャップ７１を保証する。

図８には、本発明の他の実施形態によるハイブリッド軸受２０の他の詳細を簡略化して図示した図が示される。この図は、図７と同様であり、いくつかの部材には、同一の符号が付されている。

本発明のこの実施形態による流体動圧摩擦軸受２２は、第１、第２スライドブロック８２、８４を備えている。第１、第２スライドブロック８２、８４は、実線で示す稼動位置と、破線で示す退避位置との間で移動自在である。前記スライドブロック８２、８４は、第２アクチュエータを用いることにより、前記二つの位置の間で移動自在である。この第２アクチュエータは、例えば油圧ピストン又は油圧ポンプといった、油圧アクチュエータとすることができる。該油圧ポンプは、中央流体通路８８に、加圧された油圧流体を供給する。これらのスライドブロック８２、８４を稼動するため、アウタリング７０には、さらなる油圧通路８６が形成されていてもよい。この油圧通路８６は、シャフト２８のメイン軸芯Ａに沿って突出する中央流体通路８６、８８と液的に連通している。

中央アクチュエータ（図示せず）を用いて加圧された油圧流体が流体通路８６、８８に供給された場合、スライドブロック８２、８４は、対応するスライド面に向かって駆動される。これは、前記シャフト２８の回転数が、潤滑ギャップ内に流体動圧膜を確立するため十分に高い場合に、典型的に実施される。図の簡略化のゆえに、図８には、潤滑ギャップを図示していない。スライドブロック８２、８４は、流体動圧摩擦軸受２２の対向スライド面７５を形成する面をそれぞれ有している。

スライドブロック８２、８４が伸張し又は退避することにより、ハイブリッド軸受２０上のシャフト２８によって付加される荷重は、転がり軸受２４から流体動圧摩擦軸受２２にシフトし、そして転がり軸受２４に戻る。風力発電機２にハイブリッド軸受２０が適用された場合、このことは、有利である。風力発電機２が始動した場合、シャフト２８は、まず転がり軸受２４によって支持される。ロータハブ４の回転速度が、流体動圧摩擦軸受２２が稼動するのに十分に高い場合、スライドブロック８２、８４は、伸張し、スライド面７３に向かって押し付けられる。従って、流体動圧摩擦軸受２２は、シャフト２８の荷重を負担する。

転がり軸受２４と流体動圧摩擦軸受２２との間の荷重をシフトするオプションを提供する他のハイブリッド軸受２０のコンセプトは、図３に図示される。図８と比較した場合に、このハイブリッド軸受２０に後退する別のコンセプトがある。図３に示すハイブリッド軸受２０は、図３に示すハイブリッド軸受２０は、流体動圧摩擦軸受２２と転がり軸受２４とを有し、転がり軸受２４は、第２アクチュエータ３２を有している。これは、転がり要素７２と協働し、転がり要素７２を軸受面３４に対し接近及び離反する向きに動かすように構成されている。転がり要素７２は、概略的に図示された支持部材７８によって支持される。例えば流体アクチュエータといった第１アクチュエータ３２は、この支持部材７８と結合している。流体動圧摩擦軸受２２がシャフト２８の荷重を十分に負担することができるように支持されたシャフト２８の回転数十分に高い場合、転がり軸受２４の転がり要素７２は、第１アクチュエータ３２を用いて退避する。これで転がり軸受２４の摩耗が低減される。風力発電機２の通常運転の間に流体動圧摩擦軸受２２がこのように使用されるので、これは、運転時間の大半に適用される。

図９には、本発明の他の実施形態による、ハイブリッド軸受２０のコンセプトを図示した他の概略図が示される。その流体動圧摩擦軸受２２と転がり軸受２４とは、直列に連結されている。転がり軸受２４は、シャフト２８を支持し、流体動圧摩擦軸受２２は、支持構造体２６に連結されている。流体動圧摩擦軸受２２は、シャフト２８を支持する転がり軸受２４からの荷重を負担し、この荷重を支持構造体２６に伝達する。シャフト２８のメイン軸芯Ａと流体動圧摩擦軸受２２との間の第２間隔Ｚ２は、転がり軸受２４とメイン軸芯Ａとの間の第１間隔Ｚ１よりも大きい。流体動圧摩擦軸受２２は、従って、転がり軸受２４と比較した場合に比べ、より高い周速を受けることになる。このことは、二つの軸受２２、２４が逆の構成になっているものと比べた場合に、支持されたシャフト２８の回数がより低いところで流体膜が有利に確立することになるであろう。これは、流体動圧摩擦軸受２２が相対的に低い回転速度でシャフト２８の荷重を負担することを可能とする。

図１０には、図９のコンセプトによって構成された、ハイブリッド軸受２０を図示した概略図が示される。該軸受２０は、風力発電機２のドライブトレインにおけるメインシャフト２８を支持するために適用される。図は、図５及び図６と同様であり、同等の部材には、同一の符号を付している。流体動圧摩擦軸受２２は、シャフト２８を支持する転がり軸受２４からの荷重を負担し、この荷重を支持構造体２６に伝達する。シャフト２８のメイン軸芯Ａと流体動圧摩擦軸受２２との間の第２間隔（明確化のためのみにより、図示していない）は、転がり軸受２４とメイン軸芯Ａとの間の第１間隔よりも大きい。流体動圧摩擦軸受２２は、従って、転がり軸受２４と比べた場合に、より高い周速を受ける。

図１１及び図１２には、本発明の諸実施形態によるハイブリッド軸受２０の稼動方法を図示した簡素化されたフローチャートが示される。

図１１に示される方法は、図３の実施形態によって構成されたハイブリッド軸受２０に特に適用されるものである。フローチャートは、例えば、風力発電機２のスタートアップ時のようにシャフト２８が回転開始する状態、及び、例えば、風力発電機２がシャットダウンする間のようにシャフト２８が減速し停止する状態を示す。

まず、風力発電機２のスタートアップの間におけるハイブリッド軸受２０の操作方法について説明する。

まず、シャフト２８が回転を開始する（ステップＳ０、ステップＳ１）。次いで、一次スタートアップ期間が経過したか否かが決定される（ステップＳ２）。これは、回転速度若しくは支持されたシャフト２８の回転数の値を把握することにより、又は風力発電機２のスタートアップで開始されるタイマーを用いることにより、実施される。一次スタートアップ期間が経過した場合、方法は、「はい」の分岐に進み、そうでなければ、予め設定された一次スタートアップ期間の基準に達するまで、「いいえ」の分岐に進む。

前記一次スタートアップ期間は、流体動圧摩擦軸受２２が流体動圧流体の潤滑膜の確立により荷重を十分に負担することのできる状態において、当該軸受２２の周速、又は支持されたシャフト２８の回転速度が十分に高い状態から選択される。一次スタートアップ期間が経過した場合、転がり軸受２４の転がり要素７２が退避する（ステップＳ３）（図３参照）。換言すれば、転がり要素７２は、協働する軸受面３４から外され、転がり軸受は、荷重から解放される。ハイブリッド軸受２０を操作するこの方法は、ステップＳ４において終了する。

回転しているシャフト２８のスローダウン時では（ステップＳ０、Ｓ１）、一次シャットダウン期間が経過したか否かがチェックされる。ここでも、該ステップは、シャフト２８の回転速度を測定することにより実施することができる。転がり要素７２は、シャフト２８の荷重を負担するためにスライド面３４と協働するべく伸張する（ステップＳ３）。流体動圧摩擦軸受２２の潤滑膜は、シャフト２８の回転速度が低いところでは、不安定になる。対応するスライド面７３、７５同士の接触や、摩擦の入り混じった諸状態の少なくとも一方を避けるため、第１アクチュエータ３２は、伸張する（図３も参照されたい）。さらに、転がり要素７２の伸張は、低速度でのハイブリッド軸受２０の遊びを回避する。当然に、これは、回転のスタートアップでの状態にも適用される。

図１２には、ハイブリッド軸受２０であって、特に、図８の実施形態によるハイブリッド軸受２０の稼動方法を図示した他のフローチャートが示される。

ここでもまず、風力発電機２のスタートアップしてからの状態、次に風力発電機２が減速してからの状態について説明する。図１１のフローチャートと同様に、シャフト２８が回転を開始し（ステップＳ０、ステップＳ１）、二次スタートアップ期間が経過したか否かが決定される（ステップＳ５）。特に、一次スタートアップ期間と二次スタートアップ期間とは、概ね同一とすることができる。一次スタートアップ期間と同様に、二次スタートアップ期間もまた、予め設定された時間、又はシャフト２８の回転速度に関するしきい値とすることができる。潤滑ギャップ７１（図７）における潤滑膜を確立するために流体動圧摩擦軸受２２での周速が十分高い場合、スライドブロック８２、８４は、伸張する（ステップＳ６）。従って、流体動圧摩擦軸受２２は、シャフト２８の荷重を負担する。この方法は、典型的にはシャフト２８の稼動速度が到達した場合に、ステップＳ４において終了する。

図１２に示したこの方法は、回転しているシャフト２８のスローダウンの際においても適用することができる。スタートアップ期間（ステップＳ５）が、シャットダウン期間に置き換えられる。ここでも、シャットダウン期間は、予め設定された時間、又はシャフト２８の回転速度に関するしきい値とすることができる。シャフト２８の回転速度が所定のしきい値を下回るまで下がった場合、協働するスライド面７３、７５間での接触を回避するようにスライドブロック８２、８４は、退避する。スライドブロック８２、８４が退避すると、転がり軸受２４は、回転するシャフト２８の荷重を負担することになる。

本明細書の文脈の範囲内において、流体動圧摩擦軸受２２は、受動型流体動圧軸受である。換言すれば、ハイブリッド軸受２２は、潤滑ギャップ７１に対する潤滑剤の積極的な供給を不要にする。特に、ハイブリッド軸受２２は、流体動圧摩擦軸受２２の潤滑剤を積極的に加圧し得るオイルポンプ又は他のオイル供給装置を備えていない。

これは、本発明の全ての実施形態に有利に該当する。

本発明の各実施形態によるハイブリッド軸受２０は、高い信頼性を有し、しかもメンテナンスに関しては少ない要請を有する。潤滑剤を加圧するための活性システムを適用する摩擦軸受と比べた場合、本発明の各実施形態によるハイブリッド軸受２０の設計は、積極的に制御する部品が少ない点で、技術的によりシンプルとなる。例えば、オイル供給装置を必要としない。特に、ハイブリッド軸受２０が洋上風力発電機２０に装着された場合、メンテナンスの要請の低減は、顕著にサービス費用を低くする。さらに、実質的に独立している流体動圧摩擦軸受２２と転がり軸受２４とを有するハイブリッド軸受２０の設計は、各軸受２２、２４が別々に交換されることを許容する。これは、ハイブリッド軸受２０のメンテナンスを有利に簡素化できる。これに加え、ハイブリッド軸受２０は、支持されたシャフト２８の回転速度が低いところでは、プレイフリーでさえある。

本発明は、上述の通り詳細な実施形態とともに説明されたが、本発明は、これらの実施形態に限定されないし、クレームされた本発明の範囲にある当業者にとってさらなる変形例が生じることは、疑うべくもない。

Claims (15)

1. 流体動圧摩擦軸受と転がり軸受とを備え、双方が支持構造体と支持シャフトとの間で協働するハイブリッド軸受において、前記流体動圧摩擦軸受が、前記流体動圧摩擦軸受の潤滑ギャップに潤滑剤の積極的な供給を必要としない受圧型流体動圧軸受であり、前記転がり軸受には、プレストレスが付加されており、当該転がり軸受によって作用するプレテンションは、少なくとも実質的に当該流体動圧摩擦軸受の最小許容荷重以上である値を有することを特徴とする風力発電のシャフトを支持するためのハイブリッド軸受。
2. 請求項１のハイブリッド軸受において、前記流体動圧摩擦軸受の前記最小許容荷重は、ハイブリッド軸受の最大回転速度での前記摩擦軸受の最小許容荷重であるハイブリッド軸受。
3. 請求項１又は２のハイブリッド軸受において、前記転がり軸受は、前記プレテンションを調整するために構成された調整装置を備えているハイブリッド軸受。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のハイブリッド軸受において、前記流体動圧摩擦軸受と前記転がり軸受とは、これら両軸受が前記支持構造体と前記回転自在の支持シャフトとの間に連結されるように並列に配置されているハイブリッド軸受。
5. 請求項４に記載のハイブリッド軸受において、前記流体動圧摩擦軸受と前記転がり軸受の少なくともいずれか一方の軸支部位を駆動するように構成された少なくとも１つのアクチュエータを備えているハイブリッド軸受。
6. 請求項５に記載のハイブリッド軸受において、前記転がり軸受は、当該転がり軸受の転がり要素を支持する第１アクチュエータを備えており、前記第１アクチュエータは、前記転がり要素と協働する軸受面に対し、前記転がり要素を接近及び離反する向きに動かすように構成されているハイブリッド軸受。
7. 請求項５又は６に記載のハイブリッド軸受において、前記流体動圧摩擦軸受は、当該流体動圧摩擦軸受のスライド面を対向スライド面に対し接近及び離反する向きに動かすように構成されている第２アクチュエータを備えているハイブリッド軸受。
8. 請求項７に記載のハイブリッド軸受において、前記流体動圧摩擦軸受は、前記スライド面を担持するスライドブロックを備えており、前記スライドブロックは、当該スライドブロックが伸張可能又は退避可能に前記第２アクチュエータによって支持され、駆動されるハイブリッド軸受。
9. 請求項１から３のいずれか１項に記載のハイブリッド軸受において、前記流体動圧摩擦軸受と前記転がり軸受とは直列に連結されており、これら二つの軸受のいずれか一方が前記シャフトを支持し、他方の軸受が前記支持構造体に連結されており、前記支持構造体に支持された軸受は、シャフトを支持する軸受からの荷重を負担し、その荷重を支持構造体に伝達するハイブリッド軸受。
10. 請求項９に記載のハイブリッド軸受において、前記転がり軸受がシャフトを支持し、前記流体動圧摩擦軸受が前記支持構造体に連結されているハイブリッド軸受。
11. メインシャフトを備えたドライブトレインを有する風力発電機であって、前記メインシャフトが請求項１から１０のいずれか１項に記載のハイブリッド軸受に支持されている風力発電機。
12. 風力発電機、特に洋上風力発電機のドライブトレインのメインシャフトを支持する、請求項１から１０のいずれか１項に記載のハイブリッド軸受の使用。
13. 流体動圧摩擦軸受と転がり軸受とを備え、前記流体動圧摩擦軸受と前記転がり軸受とが、双方とも支持構造体と回転自在な支持シャフトとに連結されるように並列に配置されるハイブリッド軸受の稼動方法において、前記流体動圧摩擦軸受が、前記流体動圧摩擦軸受の潤滑ギャップに潤滑剤の積極的な供給を必要としない受圧型流体動圧軸受であり、前記転がり軸受には、プレストレスが付加されており、当該転がり軸受によって作用するプレテンションは、少なくとも実質的に当該流体動圧摩擦軸受の最小許容荷重以上である値を有し、前記ハイブリッド軸受は、前記流体動圧摩擦軸受と前記転がり軸受のいずれか一方又は双方の軸支部位を動かすように構成された少なくとも１つのアクチュエータを備え、本方法は、シャフトの回転のスタートアップ期間又はシャットダウン期間の間、前記少なくとも１つのアクチュエータを伸張又は退避させるステップを備えていることを特徴とするハイブリッド軸受の稼動方法。
14. 請求項１３に記載のハイブリッド軸受の稼動方法において、前記転がり軸受の転がり要素は、当該転がり要素と協働する軸受面に対し、当該転がり要素を接近及び離反する向きに動かすように構成されている第１アクチュエータによって支持されており、本方法は、一次の予め定められたスタートアップ期間が経過した場合に前記第１アクチュエータを退避させるステップと、一次の予め定められたシャットダウン期間が経過した場合に前記第１アクチュエータを伸張させるステップとの少なくとも一方を備えているハイブリッド軸受の稼動方法。
15. 請求項１３又は１４に記載のハイブリッド軸受の稼動方法において、前記流体動圧摩擦軸受は、当該流体動圧摩擦軸受の一方のスライド面を担持するスライドブロックを動かすように構成された第２アクチュエータを備え、前記第２アクチュエータは、当該スライドブロックと協働する軸受面に対し、前記スライドブロックを接近及び離反する向きに動かすように構成されており、本方法は、二次の予め定められたスタートアップ期間が経過した場合に前記第２アクチュエータを伸張させるステップと、二次の予め定められたシャットダウン期間が経過した場合に前記第２アクチュエータを退避させるステップとの少なくとも一方を備えているハイブリッド軸受の稼動方法。

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