JP4163596B2 - 複列自動調心ころ軸受および風力発電機主軸支持装置 - Google Patents

Description

この発明は、風力発電機の主軸を支持する軸受に適用される複列自動調心ころ軸受、およびそれを備えた風力発電機主軸軸受装置に関する。

大型の風力発電機における主軸用軸受には、図７に示すような大型の複列自動調心ころ軸受５１が用いられることが多い。主軸５０は、ブレード４９が取付けられた軸であり、風力を受けることによって回転し、その回転を増速機（図示せず）で増速して発電機を回転させ、発電する。

風を受けて発電している際に、ブレード４９を支える主軸５０は、ブレード４９にかかる風力による軸方向荷重（軸受スラスト荷重）と、径方向荷重（軸受ラジアル荷重）が負荷される。複列自動調心ころ軸受５１は、ラジアル荷重とフラスト荷重を同時に負荷することができ、かつ調心性を持つため、軸受ハウジング４８の精度誤差や、取付誤差による主軸５０の傾きを吸収でき、かつ運転中の主軸５０の撓みを吸収できる。そのため、風力発電機主軸用軸受に適した軸受であり、利用されている（例えば、非特許文献１）。
ＮＴＮ社カタログ「新世代風車用軸受」Ａ６５．ＣＡＴ．Ｎｏ．８４０４／０４／ＪＥ、２００３年５月１日発行

しかしながら、風車においては、ラジアル荷重に比べてスラスト荷重が大きく、複列のころ５４，５５のうち、スラスト荷重を受ける列のころ５４が、もっぱらラジアル荷重とスラスト荷重を同時に負荷することになる。そのため、転がり疲労寿命が短くなる。加えて、反対側の列では軽負荷となり、ころ５５が内外輪５２，５３の軌道面５２ａ，５３ａで滑りを生じ、表面損傷や摩耗を生じるという問題がある。そのため、軸受サイズが大きなものを用いたり、潤滑性を高めることで対処されるが、軽負荷側では余裕が大きくなり過ぎて、不経済である。また、無人で運転されたり、ブレード４９が大型となるために高所に設置される風力発電機主軸用軸受では、メンテナンスフリー等のために、潤滑面でも簡易なものとすることが望まれる。

この発明の目的は、風力発電機のブレードが取付けられた主軸の支持に用いられて、負荷に応じた適正な支持が各列で行えて、実質寿命を延長することができ、また材料に無駄のない経済的な複列自動調心ころ軸受を提供することである。

この発明の複列自動調心ころ軸受は、風力発電機のブレードが取付けられた主軸を支持する主軸支持軸受として使用されるころ軸受であって、内輪と外輪との間に複列にころを介在させ、上記外輪の軌道面を球面状とし、上記ころの外周面を上記外輪の軌道面に沿う形状とした複列自動調心ころ軸受において、内外輪は、左右の列の軸受部分が互いに一体の複列仕様であり、これら左右の列の軸受部分における負荷容量を互いに異ならせ、左右の列の接触角の方向を互いに逆方向とし、かつ左右の列の接触角の大きさを互いに異ならせ、左右の列のころを、互いに最大径が同一寸法で、且つ、互いに幅寸法が異なるものとし、上記ブレードから遠い方の列の軸受部分を、近い方の軸受部分よりも負荷容量が大きく、且つ接触角、およびころの幅寸法が大きいものとしたことを特徴とする。この互いに異ならせる負荷容量は、ラジアル負荷およびスラスト負荷に対するいずれの負荷容量であっても、また両方であっても良い。

この発明において、左右いずれか片方の列のころを、中心に孔を有する中空ころとしても良い。

上記のように、左右の列のころの幅寸法を異ならせことなどで、左右の列の負荷容量を互いに異ならせると、左右の列に非対称の負荷が作用する用途に用いられた場合に、負荷に応じた適正な支持が各列で行える。これにより、軽負荷側の列で、負荷容量の余裕が大きくなり過ぎて材料の無駄が生じることが防止でき、また軽負荷のために生じるころの滑りが発生し難くなり、表面損傷や摩耗が生じ難い。これらにより、総合的に軸受の実質寿命が向上する。

詳しくは、ころの幅寸法または外径等の寸法を異ならせた場合は、寸法の大きいころ列の負荷容量が増大する。また、寸法の小さいころ列では、ころの自重が軽くなることで、滑りが軽減され、摩耗、表面損傷が軽減される。片方のころ列のころを中空ころとした場合も、その列のころの自重が軽くなることで、滑りが軽減され、摩耗、表面損傷が軽減される。

接触角については、接触角が大きくなるに従い、ラジアル負荷に対してスラスト負荷の支持力の割合が増大する。そのため、接触角を大きくした列のスラスト支持力が大きくなる。接触角を小さくした方のころ列では、ころと軌道面との接触応力が大きくなり、これによって滑りが軽減され、摩耗、表面損傷が軽減される。

左右の列の負荷容量を異ならせる構成として、ころの幅寸法を異ならせる場合や、接触角を異ならせる場合は、ころ径を異ならせる場合に比べて、内外輪の肉厚確保のための内外輪の径方向寸法の設計変更が僅かで済み、あるいは設計変更が不要となり、左右列が非対称であっても設計，製造が容易である。
左右の列のころの自重を異ならせ滑りを軽減させる構成として、左右いずれか片方の列のころを、中心に孔を有する中空ころとする場合は、内外輪については従来の対称型のものと同じで済み、より設計，製造が容易である。

この発明における上記各構成の複列自動調心ころ軸受は、いずれも、外輪を軸方向に並ぶ２つの分割外輪に分割しても良い。
外輪を分割構造とすることで、２つの分割外輪を個々に製造すれば良いため、非対称の外輪の製造が容易となる。

上記のように外輪を分割構造とする場合に、２つの分割外輪の間に隙間を設け、これら分割外輪間に予圧を負荷しても良い。予圧は、小さい方のころ列の側から負荷することが好ましい。
このように予圧を負荷することにより、ころの滑りを積極的に抑制することができる。したがって外輪を分割構造として製造の容易を図りながら、上記滑りの抑制が得られる。

この発明における上記各構成の複列自動調心ころ軸受は、いずれも、風力発電機のブレードが取付けられた主軸を支持する主軸支持軸受として使用されるものである。
風力発電機の主軸支持軸受は、主軸に取付けられたブレードに作用する風圧で、上記のように片方の列にスラスト荷重が偏って作用するため、この発明における左右非対称の複列自動調心ころ軸受の効果が有効に発揮され、実質軸受寿命の向上効果が得られる。

この発明の風力発電機主軸支持装置は、ブレードが取付けられた主軸を、ハウジングに設置された１個または複数の軸受により支持し、上記いずれか一個または複数の軸受を、この発明における上記のいずれかの構成の複列自動調心ころ軸受としたものである。その場合に、上記ブレードから遠い方の列の軸受部分を、近い方の軸受部分よりも負荷容量が大きいものとする。
この構成とすることで、主軸支持軸受となる複列自動調心ころ軸受の実質軸受寿命の向上効果が得られる。

この発明の複列自動調心ころ軸受は、内外輪は、左右の列の軸受部分が互いに一体の複列仕様であり、これら左右の列の軸受部分における負荷容量を互いに異ならせ、左右の列の接触角の方向を互いに逆方向とし、かつ左右の列の接触角の大きさを互いに異ならせ、左右の列のころを、互いに最大径が同一寸法で、且つ、互いに幅寸法が異なるものとしたものであり、風力発電機の主軸支持軸に適用したため、その風力で主軸に作用する特性に応じた適正な支持が行えて、実質寿命の延長効果が高い。

この発明の第１の実施形態を図１と共に説明する。この複列自動調心ころ軸受１は、内輪２と外輪３との間に複列にころ４，５を介在させてある。各列のころ４，５は、それぞれ保持器６により保持されている。保持器６は、各列毎に別個に設けられたものである。外輪３の軌道面３ａは球面状とし、各列のころ４，５の外周面は、外輪３の軌道面３ａに沿う断面形状としてある。外輪３は、外径面における両列間の中間に油溝７を有し、油溝７から内径面に貫通する油孔８が、円周方向の１箇所または複数箇所に設けられている。内輪２は、各列のころ４，５の外周面に沿う断面形状の複列の軌道面２ａ，２ｂを有し、両軌道面２ａ，２ｂの間、および両端に、鍔９〜１１がそれぞれ設けられている。内輪２は、鍔無しのものであっても良い。

左右の列のころ４，５は、互いに幅寸法Ｌ１，Ｌ２が異なるものとされ、かつ左右の列の軸受部分１ａ，１ｂは、互いに接触角θ１，θ２が異なるものとされている。この場合に、幅寸法の大きなころ４の列に対応する軸受部分１ａの接触角θ１の方が、幅寸法の小さなころ５の列の軸受部分１ｂの接触角θ２よりも大きく設定されている。両列のころ４，５の外径は、例えば最大径が同じとされる。

この構成の複列自動調心ころ軸受１は、左右の列に非対称の負荷が作用する用途、例えば片方の列にスラスト荷重とラジアル荷重とを受け、もう片方の列には殆どラジアル荷重のみを受けるような用途に用いられる。具体的には、風力発電機の主軸支持軸受等に用いられる。その場合に、スラスト荷重を負荷する列を、接触角θ１が大きく、かつ幅寸法Ｌ１が大きなころ４の列とする。なお、各列のころ４，５自体の形状は、非対称ころであっても、また非対称ころでなくても良い。

このように、スラスト負荷列について、接触角θ１を大きくし、かつころ４の幅寸法Ｌ１を大きくすることによって、スラスト負荷負荷能力を大きくしたため、転がり疲労寿命が向上する。反対側の列は、接触角θ２を小さくし、かつころ５の幅寸法Ｌ２を小さくしたため、ころ５と軌道面２ｂ，３ａとの接触応力が大きくなり、かつころ５の自重が軽くなることで、滑りが軽減される。そのため、軽負荷でも、ころ５の滑りが生じ難く、表面損傷を生じ難い。これらの作用から、総合的に、風力発電機主軸支持軸受等となる複列自動調心ころ軸受１の実質寿命が向上する。

図２は、この発明の参考提案例を示す。この複列自動調心ころ軸受１Ａは、図１に示した第１の実施形態の複列自動調心ころ軸受１において、外輪３を、軸方向に並ぶ２つの分割外輪３Ａ，３Ｂに、両列の間で分割したものである。両分割外輪３Ａ，３Ｂは、自然状態、つまり両分割外輪３Ａ，３Ｂの球面状の軌道面３Ａａ，３Ｂａが同じ球面上に位置する状態で、互いの間に隙間ｄが生じるように設けられる。この複列自動調心ころ軸受１Ａは、軸受ハウジング２０に設置した状態で、予圧付与手段２１によって、両側の分割外輪３Ａ，３Ｂの隙間ｄが狭まるように予圧が付与される。予圧付与手段２１には、ばね部材または締め付けねじ等が用いられる。ばね部材を用いる場合、例えば円周方向複数箇所に配置されて外輪３の端面に接する圧縮ばねとされる。予圧付与手段２１は、小さい方のころ５側の外輪分割体３Ｂから付与するようにすることが好ましい。

このように、外輪３を分割構造とすると、非対称形状の外輪３を簡単に製造することができる。また、外輪３を分割構造として予圧を与えることで、ころ５の滑りを積極的に抑制することができる。
この参考提案例におけるその他の構成，効果は、第１の実施形態と同じであり、対応部分に同一符号を付してある。

なお、図２の例のように、外輪３を分割する構成に加えて、図３に示す複列自動調心ころ軸受１Ｂのように、内輪２も、軸方向に並ぶ２つの分割内輪２Ａ，２Ｂに分割しても良い。内輪２を分割すると、左右非対称な内輪２の製造が容易になる。

図４は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この複列自動調心ころ軸受１Ｃは、片方の列のころ５を、中心に孔５ｂを有する中空ころとしたものである。この例では、左右の列の接触角θ１，θ２を互いに同じとし、かつ両列のころ４，５の幅寸法および外径を同じとしている。その他の構成は、図１に示す第１の実施形態と同じである。

この構成の場合、片方の列のころ５が中空ころとされることで、ころ５の材料が節減される。また、この列のころ５に作用する負荷が小さくても、ころ５の自重が軽くなることによって滑りが軽減され、摩耗、表面損傷が軽減される。

図５，図６は、この発明の複列自動調心ころ軸受を用いた風力発電機主軸支持装置の一例を示す。支持台３１上に旋回座軸受３２（図６）を介してナセル３３のケーシング３３ａが水平旋回自在に設置されている。ナセル３３のケーシング３３ａ内には、軸受ハウジング３４に設置された主軸支持軸受３５を介して主軸３６が回転自在に設置され、主軸３６のケーシング３３ａ外に突出した部分に、旋回翼となるブレード３７が取付けらている。主軸３６の他端は、増速機３８に接続され、増速機３８の出力軸が発電機３９のロータ軸に結合されている。ナセル３３は、旋回用モータ４０により、減速機４１を介して任意の角度に旋回させられる。

主軸支持軸受３５は、図示の例では２個並べて設置してあるが、１個であっても良い。この主軸支持軸受３５に、上記のいずれかの実施形態における複列自動調心ころ軸受１，１Ａ，１Ｃが用いられる。

このように風力発電機の主軸支持軸受３５に、上記実施形態の複列自動調心ころ軸受１を適用した場合、ブレード３７に対して遠い方の列がスラスト荷重負荷列となる。そのため、このスラスト荷重負荷列側に、ころ幅Ｌ１の大きい列が配置されるように複列自動調心ころ軸受１を設置する。図４の実施形態の複列自動調心ころ軸受１Ｃを使用する場合は中実のころ４側の列をスラスト荷重負荷列側とする。

この発明の第１の実施形態にかかる複列自動調心ころ軸受の部分断面図である。 この発明の参考提案例にかかる複列自動調心ころ軸受の設置状態を示す部分断面図である。 この発明のさらに他の参考提案例にかかる複列自動調心ころ軸受の設置状態を示す部分断面図である。 この発明のさらに他の実施形態にかかる複列自動調心ころ軸受の部分断面図である。 この発明の上記いずれかの複列自動調心ころ軸受を用いた風力発電機主軸支持装置の切欠斜視図である。 同風力発電機主軸支持装置の破断側面図である。 従来例の断面図である。

符号の説明

１，１Ａ〜１Ｃ…複列自動調心ころ軸受
２…内輪
３…外輪
２ａ，３ａ，３ｂ…軌道面
４，５…ころ
θ１，θ２…接触角

Claims (3)

1. 風力発電機のブレードが取付けられた主軸を支持する主軸支持軸受として使用されるころ軸受であって、内輪と外輪との間に複列にころを介在させ、上記外輪の軌道面を球面状とし、上記ころの外周面を上記外輪の軌道面に沿う形状とした複列自動調心ころ軸受において、
   内外輪は、左右の列の軸受部分が互いに一体の複列仕様であり、これら左右の列の軸受部分における負荷容量を互いに異ならせ、左右の列の接触角の方向を互いに逆方向とし、かつ左右の列の接触角の大きさを互いに異ならせ、左右の列のころを、互いに最大径が同一寸法で、且つ、互いに幅寸法が異なるものとし、上記ブレードから遠い方の列の軸受部分を、近い方の軸受部分よりも負荷容量が大きく、且つ接触角、およびころの幅寸法が大きいものとしたことを特徴とする複列自動調心ころ軸受。
2. 請求項１において、左右いずれか片方の列のころを、中心に孔を有する中空ころとしたことを特徴とする複列自動調心ころ軸受。
3. ブレードが取付けられた主軸を、ハウジングに設置された１個または複数の軸受により支持し、上記いずれか一個または複数の軸受を、請求項１または請求項２に記載の複列自動調心ころ軸受とし、この複列自動調心ころ軸受における上記ブレードから遠い方の列の軸受部分を、近い方の軸受部分よりも負荷容量が大きいものとした風力発電機主軸支持装置。

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