風力発電所のベアリングの選択と計算

風力発電所のベアリングに対する要求は非常に高いです。したがって、ベアリングの選択と寿命の計算の手順は、他のアプリケーション分野でのベアリングの選択とは根本的に異なります。

産業用のベアリングを選択する場合、設計エンジニアは定義されたベアリング位置のベアリングを比較的簡単に選択できます。必要に応じてサプライヤと一緒に、回転速度とトルク、ラジアル荷重とアキシアル荷重、必要な剛性と予圧またはクリアランスなどのパラメータに基づいて決定します。 NSKなどの完全なプロバイダーが提供する幅広い範囲は、異常なアプリケーションや特別な動作条件でも、適切なベアリングが常に利用可能であることを意味します。そうでない場合は、特別にカスタマイズされたベアリングを使用することもできます。

厳密な要件
風力発電技術では、ベアリングの選択に至るまでの手順は根本的に異なります。これは、基本的に、ベアリングの寿命という単一のパラメーターのためです。風力発電所とそれらの発電所のギアのメーカーは、ベアリングに20年（つまり175,000時間）のベアリング寿命を必要とします。これはすでに極端な値ですが、すべての要件を網羅しているわけではありません。さらに、ベアリングに作用する外部荷重は風のために非常に動的（つまり不規則）であることを考慮に入れる必要があります。これまで以上に頻繁に使用されるオフショア施設の不利な環境条件は、別の要因です。海の空気は非常に腐食性があります。発電機プラントの場合、電気腐食も考慮に入れる必要があります。最後に、風力発電所のオペレーターが利用できるサービスオプションは非常に限られており、ベアリングの予定外のダウンタイムはかなりのコストになります。

寿命を計算することの重要性
このタイプのベアリングの寿命を計算するだけでも、高度な専門知識が必要です。これが、風力発電所のベアリングの選択が他の使用分野よりも複雑である理由です。多数のパラメータを考慮に入れる必要があります。アプリケーションのコンテキストでのベアリング荷重と回転速度に加えて、設計エンジニアは、ベアリングが配置される構造、つまり、シャフトとハウジングの構成、それらの材料、およびそれらの公差を考慮する必要があります。

このデータに基づいて、最初に、カタログ方式としても知られるDIN ISO281に従って従来の標準化された計算が行われます。パラメータは、軸受荷重、回転速度、荷重容量、および軸受タイプです。さらなる計算では、温度、潤滑、オイルの純度などのパラメータも考慮されます。

標準で要求されるよりも高い精度
DIN ISO 281の付録4は、修正された基準寿命を計算するための基礎として、簡略化されたベアリング形状を想定しています。ほとんどの場合、この種の計算で十分です。ただし、風力発電業界では、より正確な値が推奨されます。 NSKは、この目的のためにSTIFFソフトウェアを開発しました。 STIFFは、ベアリングの寿命を計算する際に、正確な内部形状、走行クリアランスと予圧、シャフトベアリングシステムの変形、および転動体とベアリングレースウェイ間の荷重ゾーンと荷重分布も考慮に入れます。

このモデルでは、転動体はスライスに分割されています。個々の修正された基準ベアリングの寿命は、スライスごとに決定されます。各荷重ケースの時間の割合に基づいて、総軸受寿命のより現実的な指標が得られます。

ターゲットを絞った設計の最適化
ベアリングの寿命をすばやく正確に計算するだけでなく、STIFFソフトウェアを使用すると、短期間のバージョン分析が可能になり、既存の設計を最適化できます。さらに、ベアリングの特別な適合をすばやくテストできます。この特定の利点は頻繁に利用されます。カスタマイズされたベアリングは、厳密な要件のために風力発電技術でよく使用されます。さらに、剛性の予測、効率損失の推定、および操作上の安全性の調査は、ベアリングを選択する際にNSK風力エネルギーユニットが追求する計算目標の一部です。

最前線のエンジニアリング：顧客との集中的な協力
この分野で考慮しなければならないデータの量と厳しいベアリング寿命要件を考えると、そのようなプロジェクトが常に顧客と緊密に協力して実行されることは驚くべきことではありません。エンジニアリングだけでなく、テストも重要な役割を果たします。 NSKは、動的荷重と運動のシミュレーションを可能にするベアリングテストリグを設計しました。これらには、たとえば、ローター負荷から動的な力とモーメントを加えることができる大型のベアリングテストリグ、および急速に回転するローラーベアリングの加速と減速およびブレーキング手順をシミュレートするためのテストリグが含まれます。

風力発電技術のためのSuper-TF技術
ベアリングの設計の選択とは別に、材料の選択も重要な役割を果たします。たとえば、不利な条件や動的負荷の下でのベアリングの寿命は175,000時間であり、特殊な材料を使用することによってのみ達成できます。そのため、NSKは長年の材料の専門知識を利用して、極端な動作条件に適した特殊な材料を開発してきました。そのような開発の1つがSuper-TFテクノロジーです。この技術は、特殊な熱処理技術と組み合わせた高純度軸受鋼を採用し、最適化された残留オーステナイト含有量を保証します。この材料は、ベアリングを貫通する異物が従来の鋼よりも材料に発生する応力が少ないことを保証します。その結果、不純物による損傷の発生頻度が低くなります。

この材料で作られた、きれいな潤滑剤と一緒に使用されるベアリングは、寿命が約2倍です。 Super-TFテクノロジーは、風力発電テクノロジーで最も頻繁に使用されるベアリングタイプの1つである円筒ころ軸受や、テーパーおよび球面ころ軸受など、さまざまな種類の軸受に使用できます。

さまざまな種類のベアリング
メガワットおよびマルチメガワットクラスの最新の風力発電所では、多段遊星歯車および差動歯車が主に主動力車の必要な減速を提供します。この場合、設計エンジニアは適切なベアリングタイプを選択するだけでなく、ベアリング配置のタイプも決定する必要があります。固定および自由端ベアリングを備えたベアリングアセンブリ、調整されたベアリングアセンブリ、またはフローティングベアリングアセンブリが利用可能です。

すべてのベアリングタイプには、特定の長所と短所があります。したがって、特に軸方向のシャフトの正確なガイドを可能にする調整されたベアリングアセンブリは、相互張力のリスクを伴います。したがって、ここでは、軸力を半径方向の力とともに少なくとも1方向に収容できる円すいころ軸受などの軸受アセンブリタイプを選択する必要があります。同じことがフローティングベアリングアセンブリにも当てはまり、シャフトは特定の距離だけ軸方向に移動できます。固定およびフローティングベアリングアセンブリは、たとえば、遊星キャリアおよび遊星ホイールのベアリング設計で使用されます。

メインギアの新しいデザイン
ますます高性能でオフショア設備の傾向に加えて、新しいドライブとギアの設計は、設計エンジニアに新しい課題を提示します。 NSKは、風力発電所とその駆動コンポーネントのメーカーと緊密に協力しています。目標は、市場向けの新しい設計（たとえば、風力タービンの効率を高めたり、ナセルの重量を減らしたりする）を迅速に開発し、ユーザーに競争上の優位性を与えることです。 NSKには、風力発電業界向けのベアリングの開発に20年以上の経験があるという利点があり、風力発電セクター以外のベアリングのユーザーにもメリットがあります。

NSKの製品とサービスの詳細については、www.nsk.comにアクセスしてください。