JPWO2014122719A1 - 風力発電装置 - Google Patents

Abstract

希に発生する非常時の最大荷重に対応でき、通常運転時における軸受の体格決定に疲労荷重を採用できる軸受支持構造を提供する。軸線を中心に回転するロータヘッド（４）の主軸（７）を回転可能に片持ち支持する軸受支持構造であって、ロータヘッド（４）の軸部先端側をモーメントが作用する片持ち梁状に単独支持可能な複列テーパコロ軸受（１０）と、複列テーパコロ軸受（１０）の軸部後端側を支持する滑り軸受（２０）とを備えている。複列テーパコロ軸受（１０）は、所定値以下の荷重が作用する通常運転時に主軸（７）を単独支持し、滑り軸受（２０）は、所定値を超えた大荷重が作用する非常運転時にのみ主軸（７）を複列テーパコロ軸受（１０）と協働して支持する。

Description

本発明は、例えば風力発電装置の主軸用軸受のように、回転体の軸部をモーメントが作用する片持ち梁状に単独支持可能な軸受を備えている軸受支持構造及び風力発電装置に関する。

従来、風力発電装置の主軸用軸受構造等の軸受は、主に設計寿命間の運転において受ける最大荷重と疲労荷重のどちらかに基づいて体格が決められている。
一般的な風力発電装置の場合、疲労荷重は最大荷重の半分程度である。しかし、例えば風車寿命が２０年であるにもかかわらず、５０年に１度程度あるかもしれない暴風等にも耐えうるように最大荷重を設定した設計が求められている。従って、風力発電装置の軸受構造は、設計寿命の間において１度も作用しないことも考えられる非常に大きな最大荷重による体格決定が行われている。

図２０は、複列テーパコロ軸受を採用した風力発電装置の主軸用軸受構造を示している。複列テーパコロ軸受は、回転体の軸部をモーメントが作用する片持ち梁状に単独支持可能な軸受支持構造の一例である。
図２０において、支柱２の上端に設置されたナセル３の前端部側では、風車回転翼５に風力を受けてロータヘッド（ハブ）４が回転する。ロータヘッド４は、複数の風車回転翼５を備える。

ロータヘッド４は、主軸７の軸線を中心に回転する回転体であり、ロータヘッド４の後端部と連結された発電機構の主軸前端部７ａが複列テーパコロ軸受１０によって回転可能に支持されている。従って、外輪側がナセル３に固定支持された複列テーパコロ軸受１０は、主軸７の前端部側で回転するロータヘッド４等の回転体軸部を、１台の軸受でモーメントが作用する片持ち梁状に単独支持している。
なお、主軸７の後端部側となる他端については、図示しない増速機や油圧機構を介して発電機を駆動する発電方式、あるいは、直接発電機を駆動する発電方式がある。

また、風力発電装置の主軸用軸受構造としては、たとえば図２１及び図２２に示すように、軸方向に所定の間隔を設けて配置した前後一対の転がり軸受Ｂｆ、Ｂｒにより主軸７を支持する軸受支持構造もある。なお、図２１及び図２２において、図中の符号３ａはナセル３の台板（ナセル台板）、Ｓｉは増速装置、Ｇｅは発電機、Ｒｍは補強部材、Ｈｃはハブ中心の荷重負荷位置である。

下記の特許文献１には、風力発電駆動部において、曝される荷重に対して過剰寸法とならないようにして耐える技術が開示されている。この先行技術では、遊星キャリアに支承ローラのような追加の支持部を設け、この支持部によりロータ軸に対する十分な支持を与えるものである。

また、下記の引用文献２は、可変ピッチ翼を旋回自在に支持する風車用旋回輪軸受構造に関するもので、荷重差分布の平坦化により面圧差分布を平坦化し、複列化と面圧均等化とを同時に実現する技術が開示されている。

特開２００９−１６２３８０号公報 特許第４５３３６４２号

ところで、近年の風力発電装置は大型化する傾向にあり、上述した複列テーパコロ軸受等の転がり軸受を主軸用軸受に使用する場合においても、軸受の体格決定に疲労荷重ではなく最大荷重が採用されている。
図２３は、荷重サイズ（縦軸）及び時間スケール（横軸）のイメージ図であり、実線で示す風況に伴う荷重変動において、暴風などの異常時に発生するピークの荷重が静的安全率評価に用いる最大荷重Ｌｍとなる。これに対して、寿命評価に用いる等価荷重（疲労荷重）Ｌａは、通常発電時の荷重変動に基づく平均値（破線表示）である。

図２３から明らかなように、最大荷重Ｌｍと等価荷重Ｌａとを比較した場合、最大荷重Ｌｍが２倍程度の大きな値となるので、この最大荷重Ｌｍに基づいた主軸用軸受の体格決定は、主軸用軸受を大型化する原因となる。
しかも、風力発電装置の大型化により、主軸用軸受（複列テーパコロ軸受等の転がり軸受）の体格は、より一層大型化することが避けられない状況にある。

しかし、複列テーパコロ軸受等の主軸用軸受を大型化するためには、汎用軸受と比較してより高い工作精度が要求されるだけでなく、調質のために必要となる熱処理炉も大型化することになる。
このため、大型化した風力発電装置の主軸用軸受支持構造として複列テーパコロ軸受等の転がり軸受を採用すると、汎用軸受と比較して重量単価が高くなるという問題が指摘されている。

また、軸方向及び径方向の荷重を１つの軸受で受け持つ１軸受構造の複列テーパコロ軸受は、ほとんどの場合、内外輪どちらかに付帯剛性を要求するためスリーブ等のリング材を必要としている。従って、軸方向及び径方向に各々専用の軸受を設ける２軸受構造と比較すれば、ナセル全体としては軽量化及びコストダウンを達成できるものの、主軸用軸受周りだけで評価すると重量単価が高いという問題があった。

このような背景から、万が一の最大荷重に対応できるとともに、通常運転（発電）時に対応した体格決定には、一般的に最大荷重よりも小さな値となる疲労荷重を採用できる軸受支持構造が求められる。
また、前後一対の転がり軸受により主軸を支持する軸受支持構造においても、転がり軸受が負担するラジアル荷重やアキシアル荷重を低減し、軸受体格の大型化を抑制することが望まれる。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、希に発生する非常時の最大荷重に対応でき、しかも、通常運転時における軸受の体格決定に疲労荷重を採用できる軸受支持構造を提供するとともに、この軸受支持構造を備えた風力発電装置を提供することにある。
また、本発明は、転がり軸受が負担するラジアル荷重やアキシアル荷重を低減し、軸受体格の大型化を抑制できる軸受支持構造を提供するとともに、この軸受支持構造を備えた風力発電装置を提供することも目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る第１態様の軸受支持構造は、軸線を中心に回転する回転体の軸部を回転可能に片持ち支持する軸受支持構造であって、前記回転体の軸部先端側をモーメントが作用する片持ち梁状に単独支持可能な主軸受と、前記主軸受の軸部後端側を支持する補助軸受とを備え、前記主軸受は、所定値以下の荷重が作用する通常運転時に前記軸部を単独支持し、前記補助軸受は、前記所定値を超えた大荷重が作用する非常運転時にのみ前記軸部を前記主軸受と協働して支持することを特徴とするものである。

このような第１態様の軸受支持構造によれば、非常運転時の最大荷重と疲労荷重との差分を補助軸受が受け持つことにより、通常運転時に単独使用する主軸受の体格決定には最大荷重より小さい疲労荷重を適用することが可能になる。この場合の主軸受は、転がり軸受や滑り軸受など特に限定されるものではないが、複列テーパコロ軸受が最も好適である。
なお、上述した非常運転時の最大荷重は、風車寿命期間中に発生する頻度としては極めて低く、しかも、作用する継続時間の短い荷重を主に対象としている。

上記第１態様の軸受支持構造において、前記補助軸受の軸受面と前記軸部の外周面との間には、前記通常運転時に所定の面間距離を維持して間隙部が形成されていることが好ましい。これにより、通常運転時に発生して軸部に作用する摩擦力等の抵抗力を抑制できる。

上記第１態様の軸受支持構造において、前記補助軸受の軸受面は、周方向の全周にわたって設けられてもよいし、あるいは、周方向を複数に分割した不連続状態に設けられてもよい。
また、上記第１態様の軸受支持構造は、前記補助軸受に滑り軸受を採用することが望ましい。すなわち、非常運転時以外に使用されない補助軸受としては、潤滑不良防止等のメンテナンスが不要になる滑り軸受が好適である。

本発明に係る第２態様の軸受支持構造は、軸線を中心に回転する回転体の軸部を、軸方向に所定の間隔を設けて配置した複数の転がり軸受により回転可能に支持する軸受支持構造であって、前記転がり軸受に加えて、等価荷重条件下及び最大荷重条件下でのラジアル荷重またはアキシアル荷重を低減する補助軸受を備えていることを特徴とするものである。

このような第２態様の軸受支持構造によれば、転がり軸受の荷重負担低減による軸受体格の大型化を抑制することができる。

第２態様の軸受支持構造において、前記補助軸受は、前記軸部の外周面に設置された回転側磁性体と前記軸部の外周部材に固定設置された固定側磁性体とにより構成される周方向を複数に分割した磁気軸受分割体よりなり、前記回転側磁性体と前記固定側磁性体との間に生じる面間距離をギャップセンサで検出し、該ギャップセンサの検出値に応じて前記磁気分割体毎の磁力及び磁力の負荷方向を変化させるように構成された磁気軸受であることが好ましい。

このような軸受支持構造によれば、補助軸受として複数の転がり軸受より先端側に設置した磁気軸受が、軸受下側の領域で軸部と反発し、かつ、軸受上側の領域で軸部を引き寄せることにより、ハブ中心に作用する下向きの荷重に対し、ハブが存在する先端側の滑り軸受で負担するラジアル荷重を低減することができる。

上記第２態様の軸受支持構造において、前記補助軸受は、前記軸部に通常運転時の負荷荷重を受けた状態で軸部外周面と非接触となり、かつ、前記軸部に異常荷重負荷を受けた状態で前記軸部外周面と接触となるように、前記軸部外周面との面間距離を設定した滑り軸受であることが好ましい。

このような軸受支持構造によれば、補助軸受の滑り軸受は、通常運転時の負荷荷重からラジアル荷重が増加して異常荷重負荷に近づくと軸部外周面と接触するので、転がり軸受において負担するラジアル荷重を低減することができる。

上記第２態様の軸受支持構造において、前記補助軸受は、前記軸部の外周面から突出して一体に回転するとともに軸線と直交する磁性体面を軸方向両面に有する回転側磁性体と、前記軸部の外周部材に固定設置されるとともに、前記回転側磁性体の軸方向両側に対向する磁性体面を有する一対の固定側磁性体よりなり、前記回転側磁性体と前記固定側磁性体との間に生じる面間距離をギャップセンサで検出し、該ギャップセンサの検出値に応じて磁力及び磁力の負荷方向を変化させるように構成された磁気軸受であることが好ましい。

このような軸受支持構造によれば、補助軸受の磁気軸受は、ハブ中心において風車回転翼から受けるアキシアル荷重（軸方向の先端側から後方へ向けた荷重）に対し、軸方向前側に引き寄せるとともに後方側で反発することにより、転がり軸受において負担するラジアル荷重を低減することができる。

上記第２態様の軸受支持構造において、前記補助軸受は、前記軸部の外周面から突出して軸線と直交する周方向のストッパ面を形成するとともに、前記軸部と一体に回転するフランジ部に対し、前記軸部の外周側部材に固定設置されて前記ストッパ面の対向面を形成するように、通常運転時の負荷荷重を受けた状態で前記ストッパ面に対して非接触とされ、かつ、前記軸部に異常荷重負荷を受けた状態で前記ストッパ面に接触する軸方向位置に設置された滑り軸受であることを特徴とするものである。

このような軸受支持構造によれば、補助軸受の滑り軸受は、通常運転時の負荷荷重からアキシアル荷重が増加して異常荷重負荷に近づくとストッパ面と接触するので、転がり軸受において負担するアキシアル荷重を低減することができる。

上記第２態様の軸受支持構造において、前記補助軸受は、前記軸部の外周面を取り囲むように配置されるとともに周方向を複数に分割された滑り軸受分割体と、前記滑り軸受分割体を半径方向に移動させる駆動機構とを備え、
前記軸部に通常運転時の負荷荷重を受けた状態では、前記滑り軸受分割体と前記軸部の外周面とが非接触とされ、かつ、前記軸部に異常荷重負荷を受けた状態では、前記駆動機構が前記滑り軸受分割体を軸中心方向へ移動させて前記軸部外周面と接触させるように構成された補助支持機構であることが好ましい。

このような軸受支持構造によれば、補助軸受の補助支持機構は、通常運転時の負荷荷重を受けた状態では軸部外周面と非接触となり、異常荷重負荷を受けた状態、あるいは負荷荷重が異常荷重負荷に近づいた状態になると、駆動機構が動作して滑り軸受分割体を軸中心方向へ移動させて軸部外周面に接触させるので、転がり軸受において負担する荷重を低減することができる。なお、駆動機構が動作する設定により、転がり軸受で負担する荷重は、通常運転時の負荷荷重を超えないように限定することも可能である。

本発明に係る風力発電装置は、複数の風車回転翼を備えたロータヘッドの回転を支持する主軸用軸受、前記風車回転翼のピッチ角を可変に支持するピッチ軸受、及び、ナセルのヨー角を可変に支持するヨー軸受の少なくとも一つが、上記軸受支持構造であることを特徴とするものである。

このような本発明の風力発電装置によれば、複数の風車回転翼を備えたロータヘッドの回転を支持する主軸用軸受、風車回転翼のピッチ角を可変に支持するピッチ軸受、及び、ナセルのヨー角を可変に支持するヨー軸受の少なくとも一つに上記軸受支持構造を採用したので、主軸用軸受、ピッチ軸受及び／またはヨー軸受の軸受支持構造において非常運転時の最大荷重と疲労荷重との差分を補助軸受が受け持つようにすれば、通常運転時に単独使用する主軸受の体格決定に最大荷重より小さい疲労荷重を適用できるようになり、軸受及び風力発電装置の小型・軽量化が可能になる。
また、転がり軸受に加えて、等価荷重条件下でのラジアル荷重またはアキシアル荷重を低減する補助軸受を備えた軸受支持構造とすれば、転がり軸受の荷重負担低減による軸受体格の大型化を抑制することができる。

上述した本発明によれば、通常運転時に単独支持する主軸受の体格決定に最大荷重よりも小さな値の疲労荷重を採用でき、しかも、万が一の最大荷重については主軸受及び補助軸受が協働して支持するので、最大荷重に対する支持強度、耐久性及び信頼性等を確保しつつ、主軸受の体格が小型化することにより軸受支持構造の重量単価を低減できる。
また、本発明の軸受支持構造を主軸用軸受、ピッチ軸受及び／またはヨー軸受に採用した風力発電装置は、軸受支持構造の支持強度や信頼性等を確保しつつ小型化して重量単価を下げることができ、この結果、装置全体の小型化やコストの低減が可能になる。

本発明の軸受支持構造に係る一実施形態（第１態様）を示す図で、風力発電装置の主軸用軸受に適用した構成例の側面図である。 図１に示した補助軸受の断面図である。 図１に示した補助軸受の変形例を示す断面図である。 図１に示した軸受支持構造について、主軸受が単独支持する通常運転時の状態（紙面左側）と、主軸受及び補助軸受が協働して支持する非常運転時の状態（紙面右側）とを示す説明図である。 図１に示した軸受支持構造を単純な支持モデルにした説明図であり、主軸受が単独支持する通常運転時の状態（紙面左側）と、主軸受及び補助軸受が協働して支持する非常運転時の状態（紙面右側）とを示している。 図４の説明図に対応した荷重分布（圧縮）について、主軸受を軸方向から見た場合の回転方向角度を横軸にして示す図であり、主軸受が単独支持する通常運転時の状態（紙面左側）と、主軸受及び補助軸受が協働して支持する非常運転時の状態（紙面右側）とを示している。 本実施形態の軸受支持構造（第１態様）について、主軸受及び補助軸受に関する許容外力（横軸）と負荷能力（縦軸）との関係を示す説明図である。 本実施形態の軸受支持構造（第１態様）を風力発電装置のピッチ軸受に適用した概略構成例を示す要部断面図である。 本実施形態の軸受支持構造（第１態様）を風力発電装置のヨー軸受に適用した概略構成例を示す要部断面図である。 図９のヨー軸受に滑り軸受を採用した場合の概略構成例を示す要部断面図である。 風力発電装置の概要を示す側面図である。 本発明の軸受支持構造に係る一実施形態（第２態様）を示す図で、風力発電装置の主軸用軸受に適用される補助軸受（ラジアル荷重対応）に磁気軸受を用いた構成例の側面図である。 図１２に示した軸受支持構造について、通常運転時の荷重負荷及び異常荷重負荷に対する補助軸受（ラジアル荷重対応）としての動作説明図である。 図１２に示した第２態様の軸受支持構造について、滑り軸受（ラジアル荷重対応）を用いた第１変形例を示す側面図である。 図１２に示した第２態様の軸受支持構造について、補助軸受（アキシアル荷重対応）として磁気軸受を用いた第２変形例を示す側面図である。 図１５に示した軸受支持構造について、通常運転時の荷重負荷及び異常荷重負荷に対する補助軸受（アキシアル荷重対応）としての動作説明図である。 図１２に示した第２態様の軸受支持構造について、補助軸受（アキシアル荷重対応）として滑り軸受を用いた第３変形例を示す側面図である。 図１２に示した第２態様の軸受支持構造について、補助軸受として滑り軸受を有する補助支持機構を用いた第４変形例を示す側面図である。 図１８に示す補助支持機構の動作説明図であり、転がり軸受及び軸部の位置関係が上段の通常運転時から下段の最大荷重時に変化した状態を示す縦断面図である。 図１８に示す補助支持機構の動作説明図であり、補助支持機構が上段の通常運転時から下段の最大荷重時に変化した状態を示す縦断面図である。 軸受支持構造の従来例として、風力発電装置の主軸用軸受部を示す一部断面側面図である。 軸受支持構造の従来例として、軸方向に配置した一対の転がり軸受で主軸を支持する風力発電装置の主軸受構造を示し概略構成図である。 図２１に示した主軸受構造の要部断面図である。 荷重サイズ（縦軸）及び時間スケール（横軸）のイメージ図であり、通常発電（運転）時や暴風などの異常時の風況に応じた荷重変化のイメージを示している。

以下、本発明に係る軸受支持構造の一実施形態として、風力発電装置への適用例について図面を参照して説明する。
図１１に示す風力発電装置１は、基礎Ｂ上に立設される支柱（「タワー」ともいう。）２と、支柱２の上端に設置されるナセル３と、略水平な回転軸線周りに回転可能に支持されてナセル３に設けられるロータヘッド（ハブ）４とを有している。なお、風力発電装置１が洋上風車の場合には、浮体式あるいは基礎Ｂを海底に設ける方式の何れでもよい。

ロータヘッド４には、その回転軸線周りに放射状にして複数枚（たとえば３枚）の風車回転翼５が取り付けられている。これにより、ロータヘッド４の回転軸線方向から風車回転翼５に当たった風の力が、ロータヘッド４を回転軸線周りに回転させる動力に変換されるようになっている。

＜第１の実施形態（第１態様）＞
上述した風力発電装置１には、軸線（図１の回転軸線Ｒｓ）を中心に回転する回転体の軸部を回転可能に片持ち支持する軸受支持構造として、例えば図１に示すように、ロータヘッド４と、ロータヘッド４の後端部に連結された主軸７とを回転可能に支持する主軸用軸受ＢＵが設けられている。上述した風車回転翼５は、ロータヘッド４に取り付けられ、ロータヘッド４のカバーを貫通して放射状に突出している。
なお、図示の構成例では、主軸７の後端部側が増速機８と連結され、ロータヘッド４の回転を増速して発電機（不図示）を駆動するが、このような増速発電方式に限定されることはない。

主軸用軸受ＢＵは、回転体であるロータヘッド４の軸部先端側をモーメントが作用する片持ち梁状に単独支持可能な主軸受の複列テーパコロ軸受１０と、複列テーパコロ軸受１０の軸部後端側（増速機８側）を支持する補助軸受の滑り軸受２０とを備えている。
主軸受となる複列テーパコロ軸受１０は、バネ定数ｋ１のナセル３に固定支持され、所定値以下の荷重が作用する通常運転時において、ロータヘッド４の後端部に連結されたバネ定数ｋ２に設定された主軸７の主軸前端部７ａを単独支持する。なお、ナセル３のバネ定数ｋ１及び主軸７のバネ定数ｋ２は、ナセル３のバネ定数ｋ１が圧倒的に大きな値（ｋ１≫ｋ２）となるように設定されている。

複列テーパコロ軸受１０は、内輪１１と外輪１２との間に、周方向へ等ピッチに配置した多数のコロ１３が軸方向に２列配列された構成とされる。この場合、２列に配列した円柱状のコロ１３は、回転軸線Ｒｓと直交する中心線Ｃ１側の端部が内輪１１側となるように、中心線Ｃ１に対してほぼ４５度傾斜した状態に配置されている。
この結果、１台の複列テーパコロ軸受１０は、回転体の荷重を受けて主軸７を回転自在に支持するとともに、中心線Ｃ１に対して傾斜配置された２列のコロ１３が主軸７に作用するモーメントにも対応可能である。

補助軸受の滑り軸受２０は、所定値を超えた大荷重が作用する非常運転時にのみ、複列テーパコロ軸受１０と協働して主軸７を支持する。この滑り軸受２０は、例えばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂のような材料を用いて形成した円形断面の軸受面２１を備えている。このような軸受面２１は、例えば図２に示すように、非常運転時より荷重の小さい通常運転時において主軸７とほぼ同心の位置関係となる。

また、通常運転時の状態では、主軸７の外周面と滑り軸受２０の内周面との間に所定の面間距離Ｓ１（好適には０．５ｍｍ程度）を維持して隙間２２が形成され、滑り軸受２０に対して主軸７が非接触の状態となっている。
この結果、通常運転時においては、非接触の滑り軸受２０で摩擦力等の抵抗力が発生しないので、主軸７の全体に作用する摩擦力等の抵抗力を抑制することができる。

また、上述した滑り軸受２０は、ナセル３を構成する高剛性の台板３ａに対してステー２４で固定支持されており、特に鉛直方向の入力に対して高剛性となるように支持されている。ステー２４の曲げに対する剛性は、すなわち上下方向の剛性を意味するバネ定数ｋ３は、複列テーパコロ軸受１０を支持するナセル３のバネ定数ｋ１及び主軸７のバネ定数ｋ２と比較して最も大きな値（ｋ３＞ｋ１≫ｋ２）に設定されている。これは、ステー２４の剛性が不十分だと、非常運転時の荷重を受けて複列テーパコロ軸受１０とともに変形移動することになり、滑り軸受２０を設置する目的を達成できなくなるためである。
このような滑り軸受２０は、潤滑不良防止等のメンテナンスが不要になることから、非常運転時以外に使用されることのないない補助軸受として好適である。

ところで、上述した滑り軸受２０は、周方向の全周にわたって軸受面２１を設けているが、たとえば図３に示すように、周方向を４分割した不連続状態の軸受面２１Ａを設けてもよい。この不連続状態は、軸受面２１Ａと軸受面２１Ａのない間隙部２３とが周方向へ交互に配置されたものであり、軸受面２１Ａの分割数は特に限定されることはない。
また、不連続状態の軸受面２１Ａに代えて、例えばローラ等の転動体を周方向へ等ピッチに複数配置する構成とし、非常運転時に主軸７が接触して支持される構成としてもよい。

以下、上述した主軸用軸受ＢＵの作用について、図４〜７を参照して説明する。
さて、上述した主軸受用軸受ＢＵは、図４に示すように、ロータヘッド４等の回転体重心から複列テーパコロ軸受１０の中心線Ｃ１までの距離をＬ１、複列テーパコロ軸受１０の中心線Ｃ１から滑り軸受２０の中心線Ｃ２までの距離をＬ２とすれば、距離Ｌ１が距離Ｌ２より大（Ｌ１＞Ｌ２）となるように設定されている。また、複列テーパコロ軸受１０の径をＤ１、滑り軸受２０の径をＤ２とすれば、径Ｄ１が径Ｄ２より大（Ｄ１＞Ｄ２）となるように設定されている。なお、滑り軸受２０は、軸方向の幅がＬ３となる。

図５は、上述した軸受支持構造を材料力学の単純な支持モデルにした説明図である。
紙面左側の通常運転時においては、先端に外力Ｆ１が作用する長さＬ１の片持ち梁Ｂ１となり、片持ち梁Ｂ１を支持する基部にはモーメントＭが作用している。この場合、外力Ｆ１は、モーメントＭ以下（０≦Ｆ１≦Ｍ）となる。この状態は、図４の通常運転時において、滑り軸受２０の軸受面２１と主軸７との間に面間距離Ｓ１の隙間２２が形成され、主軸７が複列テーパコロ軸受１０により単独支持されたものである。

このような通常運転時において、主軸用軸受ＢＵに作用する圧縮荷重の荷重分布は、図６の紙面左側に示すように、ハブ側コロ列と増速機側コロ列とが回転方向角度において１８０度ずれている。また、滑り軸受２０によるアシストサポートはないので、図中に点線で示すように、滑り軸受２０の荷重分布は常時０となる。
すなわち、実線で示すハブ側コロ列の荷重分布は、最大の０度から０の９０度まで低下し、９０度から２７０度まで荷重０の状態が継続した後、２７０度から最大の３６０度まで上昇する。また、破線で示す増速機側コロ列の荷重分布は、０度から９０度まで荷重０の状態が継続した後、９０度から徐々に上昇して１８０度で最大となる。この後、１８０度から荷重０の２７０度まで低下し、２７０度から３６０度まで荷重０の状態が継続する。

一方、紙面右側の非常運転時においては、先端に外力Ｆ１より大きい外力Ｆ２（Ｍ≦Ｆ２≦Ｍ′）が作用する長さＬ１＋Ｌ２の片持ち梁Ｂ２となり、弾性片持ち支持及び２点単純支持の機能を備えている。この場合、片持ち梁Ｂ２が所定値以上の荷重（外力Ｆ２）を受けることにより、弾性変形することによりＰ１での１点支持からＰ１，Ｐ２の２点で単純支持された片持ち梁Ｂ２となる。
この状態は、図４に示す非常運転時のように、過大な外力Ｆ２を受けて最も低剛性（弾性係数ｋ２）の主軸７が弾性変形したものとなる。

この結果、滑り軸受２０の軸受面２１と主軸７との間に維持されていた面間距離Ｓ１の隙間２２は、一方（例えば下面側）の軸受面２１に主軸７が接触してゼロとなり、同時に、他方（例えば上面側）が面間距離Ｓ２にほぼ倍増（Ｓ２≒Ｓ１×２）した状態となる。すなわち、主軸７は、複列テーパコロ軸受１０により支持に加えて、滑り軸受２０による支持も受けている。

このような非常運転時において、主軸用軸受ＢＵに作用する圧縮荷重の荷重分布は、図６の紙面右側に示すようになる。
すなわち、実線で示すハブ側（ロータヘッド側）コロ列の荷重分布は、上述した通常運転時と同様に、最大の０度から０の９０度まで低下し、９０度から２７０度まで荷重０の状態が継続した後、２７０度から最大の３６０度まで上昇する。

しかし、破線で示す増速機側コロ列の荷重分布は、９０度から２７０度の範囲においてやや低下するものの、０度〜９０度及び２７０度〜３６０度の範囲では大幅に上昇する。そして、増速機側コロ列の荷重分布が低下する９０度から２７０度の範囲では、図中に点線で示すように、滑り軸受２０によるアシストサポートが許容値まで増加している。

従って、上述した軸受支持構造の主軸用軸受ＢＵにおいて、主軸受の複列テーパコロ軸受１０及び補助軸受の滑り軸受２０に関する許容外力（横軸）と負荷能力（縦軸）との関係は、例えば図７に示す説明図のようになる。
すなわち、許容外力が０〜Ｍの領域では、複列テーパコロ軸受１０が単独で負荷能力が０〜ａまでの範囲を負担し、さらに、許容外力がＭを超えた領域では、負荷能力がａ〜ｃまでの範囲を複列テーパコロ軸受１０及び滑り軸受２０により負担している。

換言すれば、許容外力がＭ〜Ｍ´の領域では、負荷能力がｅ〜ｆまで負担可能な滑り軸受２０を加える（上方へ平行移動してａに接続する）ことで、許容値を超えた複列テーパコロ軸受１０の負荷能力については、ａ〜ｂのように負荷能力を増すことなく、主軸用軸受ＢＵ全体としての負荷能力を０〜ｃまで確保することができる。
なお、図示の複列テーパコロ軸受１０及び滑り軸受２０は、いずれも直線的に負荷能力を増す線形として説明したが、たとえば図７に示すｇ〜ｆや０〜ｈのように負荷能力を増す非線形でもよく、複列テーパコロ軸受１０の許容値以上を負担して支持できれば特に限定されることはない。

上述したように、本実施形態の主軸用軸受ＢＵは、非常運転時に作用する最大荷重に対して補助軸受の滑り軸受２０によるアシストサポートを受けるように構成されているので、通常運転時に単独支持する主軸受の複列テーパコロ軸受１０については、その体格決定に最大荷重よりも小さな値の疲労荷重を採用できる。従って、複列テーパコロ軸受１０の小型化が可能となり、風力発電装置１を大型化しても、相対的に小型化できる複列テーパコロ軸受１０は汎用品の使用が可能になるなど、コスト低減や調達が容易になる。
すなわち、５０年に１度あるかないかの暴風等を想定した万が一の最大荷重については、複列テーパコロ軸受１０及び滑り軸受２０が協働して支持するように構成されているので、最大荷重に対する支持強度、耐久性及び信頼性等を確保し、かつ、複列テーパコロ軸受１０の体格が小型化することに伴って、主軸用軸受ＢＵは軸受支持構造全体の重量単価を低減できる。

次に、本発明の軸受支持構造をピッチ軸受に適用した実施形態について、図８を参照して説明する。
図８に示すピッチ軸受４０は、風車回転翼５のピッチ角を可変に支持する軸受支持構造であり、主軸受となる転がり軸受４１と、補助軸受となるアシストサポート支持部４２とを備えている。

転がり軸受４１はロータヘッド４に固定支持され、内輪４１ａと外輪４１ｂとの間に球状のベアリング４１ｃを挟持した構成とされる。
アシストサポート支持部４２は、風車回転翼５の回動方向（紙面の左右方向）と直交する方向（紙面の上下方向）の両側に一対設けられている。具体的には、一対のアシストサポート支持部４２は、外輪４１ｂの上端面と、外輪４１ｂの下端面とロータヘッド４との間に設けられている。そして、一対のアシストサポート支持部４２の対向面には、内輪４１ａの上下端面との間に所定の隙間を形成するようにして、ＰＥＥＫ材などの滑動部材４２ａが取り付けられている。このため、上述したアシストサポート支持部４２は、通常運転時に非接触の滑り軸受として機能する。

このように構成されたピッチ軸受４０は、通常運転時においてピッチ角制御に伴う風車回転翼５の回動を転がり軸受４１が単独支持し、非常運転時において最大荷重が作用すると、滑り軸受の機能を有するアシストサポート支持部４２が転がり軸受４１と協働して支持する。
従って、主軸受の転がり軸受４１は、その体格決定に最大荷重よりも小さな値の疲労荷重を採用できるので、小型化が可能となる。

次に、本発明の軸受支持構造をヨー軸受に適用した実施形態について、図９及び図１０を参照して説明する。
図９に示すヨー軸受５０は、ナセル３のヨー角を可変に支持する軸受支持構造であり、主軸受となる転がり軸受５１と、補助軸受となるアシストサポート支持部５２とを備えている。

この場合、ヨーブレーキ装置６０のブレーキディスク６１をアシストサポート支持部５２などに利用している。
転がり軸受５１は、支柱２の上端部に固定設置されたブレーキディスク６１に固定支持され、内輪５１ａと外輪５１ｂとの間に球状のベアリング５１ｃを挟持した構成とされる。

アシストサポート支持部５２は、ナセル３の回動方向（紙面の左右方向）と直交する方向（紙面の上下方向）の両側に一対設けられている。具体的には、一対のアシストサポート支持部５２は、外輪５１ｂの上端面と、外輪５１ｂの下端面と支柱２の上端面との間に設けられたブレーキディスク６１とにより構成される。
また、内輪５１ａとナセル３の台板３ａとの間には、外輪５１ａの上端面まで鍔状に突出する補助部材５３が設けられている。

そして、一対のアシストサポート支持部５２の対向面には、補助部材５３の上端面との間、及び内輪５１ａの下端面との間に、所定の隙間を形成するようにして、ＰＥＥＫ材などの滑動部材５２ａが取り付けられている。このため、上述したアシストサポート支持部５２は、通常運転時に非接触の滑り軸受として機能する。
従って、非常運転時において最大荷重が作用すると、滑り軸受の機能を有するアシストサポート支持部５２が転がり軸受５１と協働して支持できるようになる。このため、主軸受の転がり軸受５１は、その体格決定に最大荷重よりも小さな値の疲労荷重を採用できるので、小型化が可能となる。

また、図１０に示すヨー軸受７０は、主軸受に滑り軸受７１を採用した場合を示している。このヨー軸受７０は、固定側鍔部７１ａの上下に配設されてナセル３を回動自在に支持する滑動部材７２ａと、回転側鍔部７１ａの内周面に配設されてナセル３の水平方向移動を規制する滑動部材７２ｂとを備えている。

そして、この場合のアシストサポートは、滑動部材７２ａの近傍に設置された上下一対の滑動部材７４により行われる。この滑動部材７４は、回動するナセル３側に設置されるとともに、固定側鍔部７１ａとの間に所定の隙間を形成している。
このようなヨー軸受７０としても、非常運転時において最大荷重が作用すると、滑り軸受の機能を有する補助軸受のアシストサポート支持部７４が主軸受の滑り軸受７１と協働して支持できるようになる。このため、主軸受の滑り軸受７０は、その体格決定に最大荷重よりも小さな値の疲労荷重を採用できるので、小型化が可能となる。

本実施形態の風力発電装置１は、その軸受支持構造として、複数の風車回転翼５を備えたロータヘッド４の回転を支持する主軸用軸受ＢＵ、風車回転翼５のピッチ角を可変に支持するピッチ軸受４０、及び、ナセル３のヨー角を可変に支持するヨー軸受５０，７０の少なくとも一つを採用していれば、非常運転時の最大荷重と疲労荷重との差分を補助軸受が受け持つことができるようになる。この結果、通常運転時に単独使用する主軸受の体格決定に最大荷重より小さい疲労荷重を適用できるようになり、主軸受となる軸受及び風力発電装置１の小型・軽量化が可能になる。

また、風力発電装置１を大型化する際、上述した本実施形態の軸受支持構造は、主軸７を支持する軸受として２軸受構造から軽量化とナセル３の長さ短縮によるコンパクト化に有効な複列テーパコロ軸受１０を採用し、そのメリットを生かしつつ、主軸受の小型化により軸受サプライヤの軸受製造能力の限界による制約を低減できる。従って、軸受支持構造の大型化に伴う制約から解放され、スケールアップによって風力発電装置１の大型化を目指すことが可能になる。

＜第２の実施形態（第２態様）＞
次に、本発明に係る軸受支持構造について、第２の実施形態を図面に基づいて説明する。
以下に説明する実施形態は、軸方向に所定の間隔を設けて配置した前後一対の転がり軸受Ｂｆ、Ｂｒにより主軸７を支持する軸受支持構造に適用したものであり、転がり軸受Ｂｆ，Ｂｒに加えて、等価荷重条件下及び最大荷重条件下でのラジアル荷重またはアキシアル荷重を低減する補助軸受を備えている。なお、主軸７を支持する転がり軸受は、通常前後一対の転がり軸受Ｂｆ，Ｂｒによる支持とするが、特に限定されることはなく、２以上の複数であってもよい。

図１２に示す第２態様の軸受支持構造は、回転軸線Ｒｓを中心に回転する回転体の主軸（軸部）７を、軸方向に所定の間隔を設けて配置した前後一対の転がり軸受Ｂｆ，Ｂｒにより回転可能に支持するとともに、フロント側の転がり軸受Ｂｆよりも軸先端側となる位置に設けた磁気軸受ＭＢを備えている。この磁気軸受ＭＢは、軸受体格の大型化を抑えるため、ラジアル荷重の低減を目的として設置した補助軸受である。この場合の軸先端側は、主軸７に風車回転翼５やロータヘッド（ハブ）４が取り付けられている方向のことである。
なお、図中の符号３ａはナセル３の台板、Ｒｍは補強部材である。

磁気軸受ＭＢは、主軸７の外周面に設置された回転側磁性体Ｍｒと、主軸７の外周部材に固定設置された固定側磁性体Ｍｆとにより構成され、周方向を複数に分割した磁気軸受分割体Ｍｐの集合体である。すなわち、磁気軸受ＭＢは、複数の磁気軸受分割体Ｍｐを主軸７の外周を取り囲むようにして周方向に略均等配置した構成とされる。

ところで、図示の磁気軸受ＭＢは、回転側磁性体Ｍｒ及び固定側磁性体Ｍｆの一方が、好適には固定側磁性体Ｍｆが電磁石であり、通電により磁力及びＳ／Ｎの極性（磁力の負荷方向）を制御できるようになっている。なお、回転側磁性体Ｍｒは、主軸７の外表面に埋め込まれた磁石となる。

上述した磁気軸受ＭＢの近傍には、回転側磁性体Ｍｒと固定側磁性体Ｍｆとの間に生じる半径方向の面間距離（図１３に示すギャップＧ）を検出するギャップセンサＧＳが設置されている。このギャップセンサＧＳは、検出したギャップＧを図示しない制御部に入力されることにより、例えば電磁石とした固定側磁性体Ｍｆの磁力や極性の制御に使用される。すなわち、磁気軸受ＭＢは、ギャップセンサＧＳの検出値に応じて、磁気分割体Ｍｐ毎の磁力及び磁力の負荷方向を変化させるように構成されている。

このような第２態様の磁気軸受ＭＢを備えた軸受支持構造は、転がり軸受Ｂｆ，Ｂｒに加えて、寿命評価に用いる等価荷重条件下におけるラジアル荷重を低減する補助軸受を備えたものとなる。従って、転がり軸受Ｂｆ，Ｂｒの荷重負担低減により、特に、ハブ中心（ロータヘッド中心）の荷重負荷位置Ｈｃに近いフロント側の転がり軸受Ｂｆにおいて、軸受下側の領域で主軸７と反発し、かつ、軸受上側の領域で主軸７を引き寄せることにより、下向きに作用するラジアル荷重を低減して軸受体格の大型化を抑制することができる。

以下では、上述した磁気軸受ＭＢについて、補助軸受としての動作を図１３に基づいて具体的に説明する。
主軸７においては、ハブ中心の荷重負荷位置Ｈｃに作用する下向きの荷重により、寿命評価用の等価荷重（ラジアル荷重）は下向きとなる。従って、通常運転時荷重負荷は、ニュートラル位置で略同心となる主軸７及び磁気軸受ＭＢの固定側磁性体Ｍｆの位置関係が変動する。すなわち、主軸７がラジアル荷重を受けて下方へ移動し、主軸７の上方領域においてギャップＧがニュートラル位置との比較において拡大する。

このようなギャップＧの変化は、ギャップセンサＧＳの検出値から認識することができ、同時に、荷重負荷方向の把握が可能となる。
そこで、荷重負荷方向と逆方向へ吸引力が発生するように、磁気軸受ＭＢの電磁石を制御する。すなわち、図示の構成例では、白抜矢印の方向に吸引力が発生するように固定側磁性体Ｍｆの電磁石を制御すれば、主軸７は本来の回転軸線Ｒｓの方向へ近づいてギャップＧが低減されるので、転がり軸受Ｂｆに作用する軸受荷重の低減が可能となる。なお、固定側磁性体Ｍｆの電磁石は、主軸７を回転軸線Ｒｓの方向へ極力近づけるため、ギャップＧに応じて磁力を適宜調整すればよい。

一方、非常時などの異常荷重負荷が作用して他の領域（図示の例では下側領域）にニュートラル時より大きなギャップＧが生じた場合、これをギャップセンサＧＳが検知することで、ギャップＧを低減する方向に吸引力（白抜矢印参照）が生じるように、磁気軸受ＭＢの電磁石を制御する。この結果、主軸７が本来の回転軸線Ｒｓの方向へ近づくので、ギャップＧが低減されるとともに転がり軸受Ｂｆに作用する軸受荷重も低減される。

このように、補助軸受として磁気軸受ＭＢを転がり軸受Ｂｆより先端側に設けた軸受支持構造は、磁気軸受ＭＢの磁力や磁力の負荷方向をギャップＧの検出値をニュートラル状態へ極力近づけるように制御することで、ロータヘッド４が存在する先端側の滑り軸受Ｂｆで負担するラジアル荷重を低減することができる。
なお、磁気軸受ＭＢの電磁石は、吸引力と反発力とを同時に作用させるようにしてもよく、このような場合には、吸引側の方向から１８０度の逆方向が反発力の作用方向となる。

次に、上述した第２態様の軸受支持構造について、第１変形例を図１４に基づいて説明する。
この変形例で採用する補助軸受は、等価荷重条件下及び最大荷重条件下でのラジアル荷重を低減するものである。この補助軸受は、主軸７に通常運転時の負荷荷重を受けた状態で軸部外周面と非接触となり、かつ、主軸７に異常荷重負荷を受けた状態で軸部外周面と接触となるように、軸部外周面との面間距離を設定した滑り軸受ＳＢである。この場合、滑り軸受ＳＢに用いる油は、例えば主軸受等のように、近傍に設置された機器類と併用することも可能である。
なお、滑り軸受ＳＢの位置は、転がり軸受Ｂｆ，Ｂｒの間に配置されているが、転がり軸受Ｂｆより先端側に配置するなど、特に限定されることはない。

このような軸受支持構造によれば、補助軸受の滑り軸受ＳＢは、通常運転時の負荷荷重からラジアル荷重が増加して異常荷重負荷に近づくと、周方向のいずれかで面間距離が減少して軸部外周面と接触する。このため、滑り軸受ＳＢが軸受として機能し、ラジアル荷重の一部を負担するので、転がり軸受Ｂｆにおいて負担するラジアル荷重を低減することができる。

次に、上述した第２態様の軸受支持構造について、第２変形例を図１５及び図１６に基づいて説明する。
この変形例で採用する補助軸受は、等価荷重条件下及び最大荷重条件下でのアキシアル荷重を低減するものである。

ここで採用する補助軸受の磁気軸受ＭＢは、主軸７の外周面から突出して一体に回転するとともに、軸線Ｒｓと直交する磁性体面を軸方向両面に有する回転側磁性体Ｍｒと、主軸７の外周部材（例えば台板３ａ）に固定設置されるとともに、回転側磁性体Ｍｒの軸方向両側に対向する磁性体面を有する一対の固定側磁性体Ｍｆとにより構成される。なお、この変形例では、固定側磁性体Ｍｆが電磁石となり、極性や磁力等を適宜制御できる。

この磁気軸受ＭＢは、回転側磁性体Ｍｒと固定側磁性体Ｍｆとの間に生じる面間距離（図１５に示すギャップＧｆ，Ｇｒ）をギャップセンサＧＳで検出し、この検出値に応じて磁力及び磁力の負荷方向を変化させるように構成されている。
ここで、ギャップセンサＧＳで検出するギャップＧｆ，Ｇｒは、主軸７に作用するアキシアル荷重の変動により変化する軸方向の面間距離である。

このような磁気軸受ＭＢを備えた第２変形例の軸受支持構造によれば、転がり軸受Ｂｆ，Ｂｒに加えて、等価荷重条件下でのアキシアル荷重を低減することができ、従って、転がり軸受Ｂｆ，Ｂｒの荷重負担低減による軸受体格の大型化を抑制することができる。

具体的に説明すると、主軸７にアキシアル荷重が作用すると、ニュートラル位置でギャップＧｆ，Ｇｒが略一致（Ｇｆ≒Ｇｒ）するように設定されている。しかし、通常運転時荷重負荷（アキシアル荷重）が作用すると、軸先端側のギャップＧｆが増大するとともに、軸後端側のギャップＧｒが減少する。そこで、磁気軸受ＭＢの固定側磁性体Ｍｆは、ギャップＧｆ，Ｇｒのアンバランスを是正する方向の磁力を発生する。

すなわち、軸先端側の固定側磁性体Ｍｆが回転側磁性体Ｍｒを吸引し、ギャップＧｆ，Ｇｒのアンバランスを是正してもよいし、軸後端側の固定側磁性体Ｍｆによる反発力のみで、あるいは、吸引力及び反発力の両方を用いてアンバランスを是正してもよい。このようなギャップＧｆ，Ｇｒのアンバランス是正は、ハブ６の中心において風車回転翼５から受けるアキシアル荷重（軸方向の先端側から後方へ向けた荷重）に対し、転がり軸受Ｂｆ，Ｂｒで負担するラジアル荷重を低減でき、軸受体格の大型化を防止できる。

次に、上述した第２態様の軸受支持構造について、第３変形例を図１７に基づいて説明する。
この変形例で採用する補助軸受は、等価荷重条件下及び最大荷重条件下におけるアキシアル荷重を低減するものである。この補助軸受は、主軸７と一体に回転するフランジ部Ｓｆのストッパ面Ｓａに対し、滑り軸受ＳＢを接触させてアキシアル荷重を低減する。

具体的に説明すると、滑り軸受ＳＢは、主軸７の外周面から突出して軸線Ｒｓと直交する周方向のストッパ面Ｓａを形成し、主軸７と一体に回転するフランジ部Ｓｆに対し、主軸７の外周側部材（例えば台板３ａ等）に固定設置されてストッパ面Ｓａの対向面を形成するように設置されている。この滑り軸受ＳＢは、通常運転時の負荷荷重を受けた状態でストッパ面Ｓａに対して非接触とされ、かつ、主軸７に異常荷重負荷を受けた状態でストッパ面Ｓａに接触する軸方向位置に設置されている。

このような軸受支持構造によれば、補助軸受の滑り軸受ＳＢは、通常運転時の負荷荷重からアキシアル荷重が増加して異常荷重負荷に近づくと、ストッパ面Ｓａと接触して軸受として機能するので、転がり軸受Ｂｆ，Ｂｒにおいて負担するアキシアル荷重を低減することができる。
なお、図示の構成例では、軸方向に前後２組の滑り軸受ＳＢ及びフランジ部Ｓｆを設けてあるが、特に限定されることはなく、１組または３組以上としてもよい。

最後に、上述した第２態様の軸受支持構造について、第４変形例を図１８〜図１９Ｂに基づいて説明する。
この変形例で採用する補助軸受は、最大荷重条件下での荷重を低減する補助支持機構ＡＳである。以下、この補助支持機構ＡＳについて具体的に説明する。

補助支持機構ＡＳは、主軸７の外周面を取り囲むように配置されるとともに周方向を複数に分割された滑り軸受分割体Ｓｐと、滑り軸受分割体Ｓｐを半径方向に移動させる駆動機構の油圧シリンダＨＳとを備えている。この場合、滑り軸受分割体Ｓｐとしては、潤滑油を必要としないドライタイプが好適である。

この補助支持機構ＡＳは、主軸７に通常運転時の負荷荷重を受けた状態において、滑り軸受分割体Ｓｐと主軸７の外周面とが非接触の状態（図１９Ａ上段を参照）とされ、従って、転がり軸受Ｂｆ内の主軸上方領域には、内輪ＲｉとベアリングＷとの間に隙間δ１（図１９Ａ上段を参照）が形成されている。なお、この状態において、転がり軸受Ｂｆ内の主軸下方領域では、ベアリングＷが内輪Ｒｉ及び外輪Ｒｏと接触状態にあり、隙間が存在しない状態となっている。

また、主軸７に異常荷重負荷を受けた状態（図１９Ｂ下段を参照）においては、油圧シリンダＨＳが滑り軸受分割体Ｓｐを軸中心方向へ移動させ、滑り軸受分割体Ｓｐを軸部外周面と接触させるように構成されている。
なお、図示の構成例では、補助支持機構ＡＳを周方向へ１２０度ピッチに３組設置しているが、特に限定されるものではない。

このような軸受支持構造によれば、補助軸受の補助支持機構ＡＳは、主軸７が通常運転時の負荷荷重を受けた状態では軸部外周面と非接触となり、滑り軸受分割体Ｓｐは滑り軸受としての機能を発揮することはない。
しかし、主軸７が異常荷重負荷を受けた状態、あるいは、負荷荷重が異常荷重負荷に近づいた状態になると、油圧シリンダＨＳが動作して滑り軸受分割体Ｓｐを軸中心方向へ移動させ、滑り軸受分割体Ｓｐを軸部外周面に接触させて押圧する。

この結果、軸受分割体Ｓｐは、主軸７を回転可能に支持する滑り軸受として機能するので、転がり軸受Ｂｆ，Ｂｒにおいて負担するラジアル荷重やアキシアル荷重を低減することができる。このように、軸受分割体Ｓｐが滑り軸受として機能すると、転がり軸受Ｂｆ内においては、ベアリングＷと内輪Ｒｉとの間に隙間δ２，δ３が生じて（図１９Ａ下段を参照）非接触の状態となるため、荷重負担が低減されている。
なお、上述した隙間δ１は、隙間δ２と隙間δ３との和（δ１＝δ２+δ３）となる。

また、上述した油圧シリンダＨＳを動作させる条件の設定により、転がり軸受Ｂｆ，Ｂｒで負担する荷重は、通常運転時の負荷荷重を超えないように限定することも可能である。

このように、上述した第２態様及び変形例によれば、転がり軸受Ｂｆ，Ｂｒに加えて、等価荷重条件下及び最大荷重条件下でのラジアル荷重またはアキシアル荷重を低減する補助軸受を備えた軸受支持構造としたので、転がり軸受Ｂｆ，Ｂｒの荷重負担低減による軸受体格の大型化を抑制することができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、発電機駆動系が増速機を備えた増速方式に限定されないなど、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。

１ 風力発電装置
２ 支柱（タワー）
３ ナセル
３ａ 台板
４ ロータヘッド（ハブ）
５ 風車回転翼
７ 主軸
１０ 複列テーパコロ軸受（主軸受）
２０ 滑り軸受（補助軸受）
２１，２１Ａ 軸受面
２２ 隙間
２３ 間隙部
２４ ステー
４０ ピッチ軸受
５０，７０ ヨー軸受
６０ ヨーブレーキ装置
Ｂｆ，Ｂｒ 転がり軸受
ＭＢ 磁気軸受
Ｍｒ 回転側磁性体
Ｍｆ 固定側磁性体
Ｍｐ 磁気軸受分割体
ＧＳ ギャップセンサ
ＳＢ 滑り軸受
Ｓｆ フランジ部
Ｓａ ストッパ面
ＡＳ 補助支持機構
Ｓｐ 滑り軸受分割体
ＨＳ 油圧シリンダ

本発明は、例えば風力発電装置の主軸用軸受のように、回転体の軸部をモーメントが作用する片持ち梁状に単独支持可能な軸受を備えている風力発電装置に関する。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、希に発生する非常時の最大荷重に対応でき、しかも、通常運転時における軸受の体格決定に疲労荷重を採用できる軸受支持構造を備えた風力発電装置を提供することにある。
また、本発明は、転がり軸受が負担するラジアル荷重やアキシアル荷重を低減し、軸受体格の大型化を抑制できる軸受支持構造を備えた風力発電装置を提供することも目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る第１態様の風力発電装置は、複数の風車回転翼を備え、水平な軸線を中心に回転するロータヘッドの軸部を回転可能に片持ち支持する軸受支持構造を有する風力発電装置であって、前記軸受支持構造は、前記ロータヘッドの軸部先端側をモーメントが作用する片持ち梁状に単独支持可能な転がり軸受と、前記転がり軸受の軸部後端側を支持する補助軸受とを備え、前記転がり軸受は、所定値以下の荷重が作用する通常運転時に前記軸部を単独支持し、前記補助軸受は、前記所定値を超えた大荷重が作用する非常運転時にのみ前記軸部を前記転がり軸受と協働して支持することを特徴とするものである。

このような第１態様の風力発電装置によれば、非常運転時の最大荷重と疲労荷重との差分を補助軸受が受け持つことにより、通常運転時に単独使用する転がり軸受の体格決定には最大荷重より小さい疲労荷重を適用することが可能になる。この場合の転がり軸受は、転がり軸受や滑り軸受など特に限定されるものではないが、複列テーパコロ軸受が最も好適である。
なお、上述した非常運転時の最大荷重は、風車寿命期間中に発生する頻度としては極めて低く、しかも、作用する継続時間の短い荷重を主に対象としている。

上記第１態様の風力発電装置において、前記補助軸受の軸受面と前記軸部の外周面との間には、前記通常運転時に所定の面間距離を維持して間隙部が形成されていることが好ましい。これにより、通常運転時に発生して軸部に作用する摩擦力等の抵抗力を抑制できる。

上記第１態様の風力発電装置において、前記補助軸受の軸受面は、周方向の全周にわたって設けられてもよいし、あるいは、周方向を複数に分割した不連続状態に設けられてもよい。
また、上記第１態様の風力発電装置は、前記補助軸受に滑り軸受を採用することが望ましい。すなわち、非常運転時以外に使用されない補助軸受としては、潤滑不良防止等のメンテナンスが不要になる滑り軸受が好適である。

本発明に係る第２態様の風力発電装置は、複数の風車回転翼を備え、水平な軸線を中心に回転するロータヘッドの軸部を、軸方向に所定の間隔を設けて配置した複数の転がり軸受により回転可能に支持する軸受支持構造を有する風力発電装置であって、前記軸受支持構造は、前記転がり軸受に加えて、等価荷重条件下及び最大荷重条件下でのラジアル荷重またはアキシアル荷重を低減する補助軸受を備えていることを特徴とするものである。

このような第２態様の風力発電装置によれば、転がり軸受の荷重負担低減による軸受体格の大型化を抑制することができる。

第２態様の風力発電装置において、前記補助軸受は、前記軸部の外周面に設置された回転側磁性体と前記軸部の外周部材に固定設置された固定側磁性体とにより構成される周方向を複数に分割した磁気軸受分割体よりなり、前記回転側磁性体と前記固定側磁性体との間に生じる面間距離をギャップセンサで検出し、該ギャップセンサの検出値に応じて前記磁気軸受分割体毎の磁力及び磁力の負荷方向を変化させるように構成された磁気軸受であることが好ましい。

このような風力発電装置によれば、補助軸受として複数の転がり軸受より先端側に設置した磁気軸受が、軸受下側の領域で軸部と反発し、かつ、軸受上側の領域で軸部を引き寄せることにより、ハブ中心に作用する下向きの荷重に対し、ハブが存在する先端側の滑り軸受で負担するラジアル荷重を低減することができる。

上記第２態様の風力発電装置において、前記補助軸受は、前記軸部に通常運転時の負荷荷重を受けた状態で軸部外周面と非接触となり、かつ、前記軸部に異常荷重負荷を受けた状態で前記軸部外周面と接触となるように、前記軸部外周面との面間距離を設定した滑り軸受であることが好ましい。

このような風力発電装置によれば、補助軸受の滑り軸受は、通常運転時の負荷荷重からラジアル荷重が増加して異常荷重負荷に近づくと軸部外周面と接触するので、転がり軸受において負担するラジアル荷重を低減することができる。

上記第２態様の風力発電装置において、前記補助軸受は、前記軸部の外周面から突出して一体に回転するとともに軸線と直交する磁性体面を軸方向両面に有する回転側磁性体と、前記軸部の外周部材に固定設置されるとともに、前記回転側磁性体の軸方向両側に対向する磁性体面を有する一対の固定側磁性体よりなり、前記回転側磁性体と前記固定側磁性体との間に生じる面間距離をギャップセンサで検出し、該ギャップセンサの検出値に応じて磁力及び磁力の負荷方向を変化させるように構成された磁気軸受であることが好ましい。

このような風力発電装置によれば、補助軸受の磁気軸受は、ハブ中心において風車回転翼から受けるアキシアル荷重（軸方向の先端側から後方へ向けた荷重）に対し、軸方向前側に引き寄せるとともに後方側で反発することにより、転がり軸受において負担するラジアル荷重を低減することができる。

上記第２態様の風力発電装置において、前記補助軸受は、前記軸部の外周面から突出して軸線と直交する周方向のストッパ面を形成するとともに、前記軸部と一体に回転するフランジ部に対し、前記軸部の外周側部材に固定設置されて前記ストッパ面の対向面を形成するように、通常運転時の負荷荷重を受けた状態で前記ストッパ面に対して非接触とされ、かつ、前記軸部に異常荷重負荷を受けた状態で前記ストッパ面に接触する軸方向位置に設置された滑り軸受であることを特徴とするものである。

このような風力発電装置によれば、補助軸受の滑り軸受は、通常運転時の負荷荷重からアキシアル荷重が増加して異常荷重負荷に近づくとストッパ面と接触するので、転がり軸受において負担するアキシアル荷重を低減することができる。

上記第２態様の風力発電装置において、前記補助軸受は、前記軸部の軸部外周面を取り囲むように配置されるとともに周方向を複数に分割された滑り軸受分割体と、前記滑り軸受分割体を半径方向に移動させる駆動機構とを備え、前記軸部に通常運転時の負荷荷重を受けた状態では、前記滑り軸受分割体と前記軸部外周面とが非接触とされ、かつ、前記軸部に異常荷重負荷を受けた状態では、前記駆動機構が前記滑り軸受分割体を軸中心方向へ移動させて前記軸部外周面と接触させるように構成された補助支持機構であることが好ましい。

このような風力発電装置によれば、補助軸受の補助支持機構は、通常運転時の負荷荷重を受けた状態では軸部外周面と非接触となり、異常荷重負荷を受けた状態、あるいは負荷荷重が異常荷重負荷に近づいた状態になると、駆動機構が動作して滑り軸受分割体を軸中心方向へ移動させて軸部外周面に接触させるので、転がり軸受において負担する荷重を低減することができる。なお、駆動機構が動作する設定により、転がり軸受で負担する荷重は、通常運転時の負荷荷重を超えないように限定することも可能である。

このような本発明の風力発電装置によれば、複数の風車回転翼を備えたロータヘッドの回転を支持する主軸用軸受、風車回転翼のピッチ角を可変に支持するピッチ軸受、及び、ナセルのヨー角を可変に支持するヨー軸受の少なくとも一つに上記軸受支持構造を採用したので、主軸用軸受、ピッチ軸受及び／またはヨー軸受の軸受支持構造において非常運転時の最大荷重と疲労荷重との差分を補助軸受が受け持つようにすれば、通常運転時に単独使用する転がり軸受の体格決定に最大荷重より小さい疲労荷重を適用できるようになり、軸受及び風力発電装置の小型・軽量化が可能になる。
また、転がり軸受に加えて、等価荷重条件下でのラジアル荷重またはアキシアル荷重を低減する補助軸受を備えた軸受支持構造とすれば、転がり軸受の荷重負担低減による軸受体格の大型化を抑制することができる。

本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明に係る第１態様の風力発電装置は、複数の風車回転翼を備え、水平な軸線を中心に回転するロータヘッドの軸部を回転可能に片持ち支持する軸受支持構造を有する風力発電装置であって、前記軸受支持構造は、前記ロータヘッドの軸部先端側をモーメントが作用する片持ち梁状に単独支持可能な転がり軸受と、前記転がり軸受の軸部後端側を支持する補助軸受とを備え、前記転がり軸受は、所定値以下の荷重が作用する通常運転時に前記軸部を単独支持し、前記補助軸受は、前記所定値を超えた大荷重が作用する非常運転時にのみ前記軸部を前記転がり軸受と協働して支持し、前記補助軸受は、前記非常運転時に作用する最大荷重と、前記最大荷重よりも小さな値の疲労荷重の差分を受け持ち、前記通常運転時に前記軸部を単独支持する前記転がり軸受は、前記疲労荷重によって体格決定されていることを特徴とするものである。

本発明に係る第２態様の風力発電装置は、複数の風車回転翼を備え、水平な軸線を中心に回転するロータヘッドの軸部を、軸方向に所定の間隔を設けて配置した複数の転がり軸受により回転可能に支持する軸受支持構造を有する風力発電装置であって、前記軸受支持構造は、前記転がり軸受は、通常運転時のラジアル荷重またはアキシアル荷重を負担し、前記通常運転時の前記ラジアル荷重または前記アキシアル荷重よりも荷重が増加したとき、前記転がり軸受に加えて、前記ラジアル荷重または前記アキシアル荷重を負担し、等価荷重条件下及び最大荷重条件下での前記転がり軸受に作用する前記ラジアル荷重または前記アキシアル荷重を低減する補助軸受を備えていることを特徴とするものである。

このような本発明の風力発電装置によれば、複数の風車回転翼を備えたロータヘッドの回転を支持する主軸用軸受、風車回転翼のピッチ角を可変に支持するピッチ軸受、及び、ナセルのヨー角を可変に支持するヨー軸受の少なくとも一つに上記軸受支持構造を採用したので、主軸用軸受、ピッチ軸受及び／またはヨー軸受の軸受支持構造において非常運転時の最大荷重と疲労荷重との差分を補助軸受が受け持つようにすれば、通常運転時に単独使用する転がり軸受の体格決定に最大荷重より小さい疲労荷重を適用できるようになり、軸受及び風力発電装置の小型・軽量化が可能になる。
また、転がり軸受に加えて、等価荷重条件下でのラジアル荷重またはアキシアル荷重を低減する補助軸受を備えた軸受支持構造とすれば、転がり軸受の荷重負担低減による軸受体格の大型化を抑制することができる。
本発明に係る第３態様の風力発電装置は、複数の風車回転翼を備え、水平な軸線を中心に回転するロータヘッドの軸部を、軸方向に所定の間隔を設けて配置した複数の転がり軸受により回転可能に支持する軸受支持構造を有する風力発電装置であって、前記軸受支持構造は、前記転がり軸受に加えて、等価荷重条件下及び最大荷重条件下でのラジアル荷重またはアキシアル荷重を低減する補助軸受を備え、前記補助軸受は、前記軸部の軸部外周面を取り囲むように配置されるとともに周方向を複数に分割された滑り軸受分割体と、前記滑り軸受分割体を半径方向に移動させる駆動機構とを備え、前記軸部に通常運転時の負荷荷重を受けた状態では、前記滑り軸受分割体と前記軸部外周面とが非接触とされ、かつ、前記軸部に異常荷重負荷を受けた状態では、前記駆動機構が前記滑り軸受分割体を軸中心方向へ移動させて前記軸部外周面と接触させるように構成された補助支持機構であることを特徴とするものである。

Claims (11)

1. 軸線を中心に回転する回転体の軸部を回転可能に片持ち支持する軸受支持構造であって、
   前記回転体の軸部先端側をモーメントが作用する片持ち梁状に単独支持可能な主軸受と、前記主軸受の軸部後端側を支持する補助軸受とを備え、
   前記主軸受は、所定値以下の荷重が作用する通常運転時に前記軸部を単独支持し、
   前記補助軸受は、前記所定値を超えた大荷重が作用する非常運転時にのみ前記軸部を前記主軸受と協働して支持することを特徴とする軸受支持構造。
2. 前記補助軸受の軸受面と前記軸部の外周面との間には、前記通常運転時に所定の面間距離を維持して間隙部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の軸受支持構造。
3. 前記補助軸受の軸受面は、周方向の全周にわたって、あるいは、周方向を複数に分割した不連続状態に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の軸受支持構造。
4. 前記補助軸受が滑り軸受であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の軸受支持構造。
5. 軸線を中心に回転する回転体の軸部を、軸方向に所定の間隔を設けて配置した複数の転がり軸受により回転可能に支持する軸受支持構造であって、
   前記転がり軸受に加えて、等価荷重条件下及び最大荷重条件下でのラジアル荷重またはアキシアル荷重を低減する補助軸受を備えていることを特徴とする軸受支持構造。
6. 前記補助軸受は、前記軸部の外周面に設置された回転側磁性体と前記軸部の外周部材に固定設置された固定側磁性体とにより構成される周方向を複数に分割した磁気軸受分割体よりなり、前記回転側磁性体と前記固定側磁性体との間に生じる面間距離をギャップセンサで検出し、該ギャップセンサの検出値に応じて前記磁気分割体毎の磁力及び磁力の負荷方向を変化させるように構成された磁気軸受であることを特徴とする請求項５に記載の軸受支持構造。
7. 前記補助軸受は、前記軸部に通常運転時の負荷荷重を受けた状態で軸部外周面と非接触となり、かつ、前記軸部に異常荷重負荷を受けた状態で前記軸部外周面と接触となるように、前記軸部外周面との面間距離を設定した滑り軸受であることを特徴とする請求項５に記載の軸受支持構造。
8. 前記補助軸受は、前記軸部の外周面から突出して一体に回転するとともに軸線と直交する磁性体面を軸方向両面に有する回転側磁性体と、前記軸部の外周部材に固定設置されるとともに、前記回転側磁性体の軸方向両側に対向する磁性体面を有する一対の固定側磁性体よりなり、前記回転側磁性体と前記固定側磁性体との間に生じる面間距離をギャップセンサで検出し、該ギャップセンサの検出値に応じて磁力及び磁力の負荷方向を変化させるように構成された磁気軸受であることを特徴とする請求項５に記載の軸受支持構造。
9. 前記補助軸受は、前記軸部の外周面から突出して軸線と直交する周方向のストッパ面を形成するとともに、前記軸部と一体に回転するフランジ部に対し、前記軸部の外周側部材に固定設置されて前記ストッパ面の対向面を形成するように、通常運転時の負荷荷重を受けた状態で前記ストッパ面に対して非接触とされ、かつ、前記軸部に異常荷重負荷を受けた状態で前記ストッパ面に接触する軸方向位置に設置された滑り軸受であることを特徴とする請求項５に記載の軸受支持構造。
10. 前記補助軸受は、前記軸部の外周面を取り囲むように配置されるとともに周方向を複数に分割された滑り軸受分割体と、前記滑り軸受分割体を半径方向に移動させる駆動機構とを備え、
    前記軸部に通常運転時の負荷荷重を受けた状態では、前記滑り軸受分割体と前記軸部の外周面とが非接触とされ、かつ、前記軸部に異常荷重負荷を受けた状態では、前記駆動機構が前記滑り軸受分割体を軸中心方向へ移動させて前記軸部外周面と接触させるように構成された補助支持機構であることを特徴とする請求項５に記載の軸受支持構造。
11. 複数の風車回転翼を備えたロータヘッドの回転を支持する主軸受、前記風車回転翼のピッチ角を可変に支持するピッチ軸受、及び、ナセルのヨー角を可変に支持するヨー軸受の少なくとも一つが、請求項１から１０のいずれか１項に記載の軸受支持構造であることを特徴とする風力発電装置。
    

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