KR100752510B1 - 단일 메인베어링을 갖는 풍력 발전기 - Google Patents

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Abstract

하나의 메인베어링을 사용하여 증속기어박스가 나셀프레임에서 분리되어 조립되며, 회전자로부터 전달되는 하중은 회전토크만 상기 증속기어박스로 전달되고 회전토크를 제외한 하중은 상기 메인베어링에 의해 지지되어 상기 증속기어박스의 내구성 및 효율이 향상되는 효과를 갖는 단일 메인베어링을 갖는 풍력 발전기가 개시된다. 상기 풍력 발전기는 전면에 하나의 메인베어링이 장착되는 나셀프레임과; 상기 메인베어링의 내륜에 장착되는 중공드럼축이 후방에 구비되는 로터허브를 갖는 회전자와; 상기 중공드럼축의 끝단에 장착되는 입력축을 전방에 갖고, 후방에 출력축을 가지며, 상기 나셀프레임의 내측에 부상되어 분리된 상태로 상기 입력축의 회전을 증대시켜서 상기 출력축에 전달하는 증속기어박스와; 상기 증속기어박스의 자체 회전을 방지하도록 상기 증속기어박스와 상기 나셀프레임의 사이에 설치되는 토크지지체와; 상기 출력축에 연결되는 회전축을 갖는 발전기를; 포함한다.
풍력, 발전기, 증속기어박스, 동력전달, 방진

Description

단일 메인베어링을 갖는 풍력 발전기{Wind energy converter with single main bearing}
도 1은 본 발명의 요부 측단면도,
도 2는 본 발명의 요부 평단면도,
도 3은 본 발명에 따른 메인베어링의 요부 단면도,
도 4는 도 1에 따른 증속기어박스의 요부 측단면도,
도 5는 본 발명의 다른 실시예를 보인 요부 측단면도,
도 6은 도 5의 개략적인 평단면도,
도 7은 도 5에 따른 증속기어박스의 요부 측단면도,
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예를 보인 요부 측단면도,
도 9는 종래의 일예를 보인 요부 측단면도.
도 10은 종래의 다른 예를 보인 요부 측단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 나셀프레임
11 : 메인베어링
20 : 회전자
21 : 로터허브 22 : 중공드럼축
30 : 증속기어박스
31 : 입력축 32 : 출력축
40 : 토크지지체
41 : 토크레버 42 : 방진댐퍼
50 : 발전기
51 : 회전축 52 : 발전기댐퍼
60 : 축이음부
본 발명은 풍력 발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하나의 메인베어링을 사용하여 증속기어박스가 나셀프레임에서 분리되어 조립되며, 회전자로부터 전달되는 하중은 회전토크만 상기 증속기어박스로 전달되고, 회전토크를 제외한 하중은 상기 메인베어링에 의해 지지되어 상기 나셀프레임으로 전달되도록 하여 상기 증속기어박스의 내구성 및 효율이 향상되는 효과를 갖는 단일 메인베어링을 갖는 풍력 발전기에 관한 것이다.
일반적으로 풍력 발전기는 자연의 바람으로 풍차를 돌리고 이 풍차의 회전력을 이용하여 발전기의 축을 돌려 발전을 하는 것이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 종래의 풍력 발전기는 지면에 적정 높이로 고정되게 설치된 타워(1)와, 상기 타워(1)의 상단에 바람 방향에 따라 회전하는 나셀프레 임(2)과, 상기 나셀프레임(2)의 선단에 다수의 블레이드(3a)가 로터허브(3b)에 설치되는 회전자(3)와, 상기 회전자(3)와 연결되며 2개의 메인베어링(4a)으로 저널링되는 회전축(4)과, 상기 나셀프레임(2)의 후단에 설치되는 발전기(5)와, 상기 발전기(5)의 입력축의 회전 속도를 증가시키기 위해 상기 회전축(4)과 상기 발전기(5) 사이에 설치되는 증속기어박스(6)로 구성된다.
상기 풍력 발전기는 증속기어박스(6)가 3단으로 증속되는 구조로서 고속으로 회전되는 출력축을 갖고, 상기 발전기(5)는 이중권선형 유도발전기로 구성되는 것이다.
그런데, 상기와 같은 종래 기술에는 다음과 같은 문제점이 있다.
상기와 같이 종래의 풍력 발전기는 3단으로 증속되는 고속 증속기어박스를 사용하여 높은 증속비를 통해 발전기를 고속으로 회전시킴으로써, 상기 증속기어박스의 내부에 구비되는 베어링 등의 부품의 피로수명이 쉽게 감소되고, 동시에 상기 증속기어박스의 내부에 구비되는 기어의 치열이 마쉽게 마모되면서 상기 치열의 피로파손이 발생하게 되며, 상기 증속기어박스에 높은 소음 및 진동이 발생하게 되는 문제점이 있다.
또한, 도 10에 도시된 바와 같이, 종래의 풍력 발전기는 블레이드가 조립되는 로터허브(100a)를 갖는 회전자(100)와, 상기 로터허브(100a)의 후방에 장착되고 끝단에 케리어플레이트(201)를 갖는 유성홀더(200)와, 롤러베어링(301)의 내륜에 조립되고 기어박스(600)와 조립되어 회전 불가능하게 설치되는 링기어(300)와, 상기 링기어(300)의 내측에 맞물리고 보기축(401)에 회전 가능하게 구비되는 유성기 어(400)와, 상기 유성기어(400)에 맞물리는 태양기어(500)와, 상기 링기어(300)가 선단에 장착되고 상기 유성기어(400)가 내측에 구비되며 끝단으로 출력축(601)을 갖는 기어박스(600)와, 상기 기어박스(600)가 내측에 장착되는 나셀프레임(700)을 포함한다.
상기 풍력 발전기는 바람에 의해 회전자(100)가 회전되면서 로터허브(100a)가 회전되면 이에 장착된 유성홀더(200)가 롤러베어링(301)에 의해 지지된 상태로 회전되고, 상기 유성홀더(200)의 회전에 따라 케리어플레이트(201)가 링기어(300)의 내측에서 회전되면서 보기축(401)을 밀어 상기 링기어(300)의 내측에서 원운동을 시키게 되며, 상기 보기축(401)의 원운동에 의해 상기 링기어(300)의 내측에 맞물리는 유성기어(400)가 상기 링기어(300)의 내측을 따라 회전되면서 원운동을 하게 된다.
상기 유성기어(400)가 회전되면서 원운동을 함에 따라 이에 맞물린 태양기어(500)가 회전되면서 일단계로 증속되고, 상기 태양기어(500)는 기어박스(600)의 내부로 구비된 평기어(미도시)를 회전시키면서 다단계로 증속된 후에 출력축(601)을 통해 발전기(미도시)의 축을 고속으로 회전시키게 된다.
그런데, 상기와 같은 종래 기술에는 다음과 같은 문제점이 있다.
상기와 같이 종래의 풍력 발전기는 로터허브와 태양기어 사이의 구조가 매우 복잡하고, 유성홀더와 링기어 및 유성기어가 나셀프레임의 외부에 설치됨으로써 그 조립 및 분해가 까다로워 부품의 교체 및 유지관리가 매우 어려운 문제점이 있다.
또한, 종래의 기어박스가 나셀프레임의 내부에 직접적으로 견고히 장착됨으 로써, 상기 나셀프레임을 통해 전달되는 외력이 그대로 상기 기어박스에 전달되어 상기 기어박스의 내구성이 저하되면서 소음 및 진동이 심하게 발생하게 되는 문제점이 있다.
또한, 종래의 풍력 발전기는 나셀프레임의 내측에 기어박스가 설치된 후 고장에 의한 교체 시에 회전자를 비롯하여 상기 기어박스 전면에 배치되는 모든 부분품을 완전히 분해해야 함으로, 상기 기어박스의 유지보수가 매우 어려운 문제점이 있다.
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해서 안출된 것으로,
본 발명의 목적은 단일 메인베어링을 사용하여 증속기어박스를 나셀프레임에서 분리시켜 조립함으로써 회전자로부터 전달되는 하중은 회전토크만 상기 증속기어박스로 전달되고, 회전토크를 제외한 하중은 상기 메인베어링을 통해 나셀프레임으로 직접 전달하여 상기 증속기어박스의 내구성이 향상되도록 하면서 발전기와 나셀프레임 사이에 방진이 이루어지도록 하는 단일 메인베어링을 갖는 풍력 발전기를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 간단한 구조로 증속기어박스의 자체 회전 즉 자전이 원활히 방지되면서 진동이 저감되도록 하는 단일 메인베어링을 갖는 풍력 발전기를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 발전기와 나셀프레임 사이에 회전력의 전달이 안정적이면서 정밀하게 이루어지도록 하는 단일 메인베어링을 갖는 풍력 발전기를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 유성기어를 통해 증속 즉 회전수의 증대가 안정적이면서 원활히 이루어지도록 하는 단일 메인베어링을 갖는 풍력 발전기를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 증속기어박스와 발전기의 하우징을 일체로 구성하여 별도의 축이음부 없이 회전력의 전달이 안정적으로 이루어지면서 상기 증속기어박스와 발전기의 설치 및 조립이 간편해지도록 하는 단일 메인베어링을 갖는 풍력 발전기를 제공함에 있다.
삭제
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단일 메인베어링을 갖는 풍력 발전기는 전면에 하나의 메인베어링이 장착되는 나셀프레임과, 상기 메인베어링의 내륜에 장착되는 중공드럼축이 후방에 구비되는 로터허브를 갖는 회전자와, 상기 중공드럼축의 끝단에 장착되는 입력축을 전방에 갖고 후방에 출력축을 가지며 상기 나셀프레임의 내측에 부상되어 분리된 상태로 상기 입력축의 회전을 증대시켜서 상기 출력축에 전달하는 증속기어박스와, 상기 증속기어박스의 자체 회전을 방지하도록 상기 증속기어박스와 상기 나셀프레임의 사이에 설치되는 토크지지체와, 상기 출력축에 연결되는 회전축을 갖는 발전기를 포함하는 풍력 발전기에 있어서; 상기 발전기는, 상기 나셀프레임과 발전기의 사이에 방진이 이루어지도록 상기 발전기의 하면과 상기 나셀프레임의 상면 사이에 설치되는 발전기댐퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 증속기어박스는, 상기 입력축의 타단에 결합되는 기어하우징과, 상기 기어하우징의 내측에 편심되면서 회전 가능하게 결합되는 유성기어와, 상기 기어하우징의 회전에 따라 상기 유성기어가 회전되도록 상기 유성기어의 외측에 내측이 맞물리는 내접기어와, 상기 유성기어의 내측에 일단이 맞물리고 타단이 상기 출력축에 결합되는 기어축을, 더 포함하여 상기 유성기어에 의해 1단으로 증속되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 증속기어박스는, 상기 기어축의 끝단에 결합되는 결합기어와, 상기 결합기어에 맞물려 증속되도록 상기 출력축의 선단에 형성되는 증속기어를, 더 포함하여 상기 증속기어에 의해 2단으로 증속되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 토크지지체는, 상기 증속기어박스의 양측면에 돌출되어 상기 나셀프레임에 고정되는 토크레버와, 상기 증속기어박스의 진동이 상기 나셀프레임으로 전달되는 것을 방지하도록 상기 토크레버에 조립되는 방진댐퍼를, 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 방진댐퍼는, 상기 증속기어박스로부터 생성되는 진동이 상기 나셀프레임으로 전달되는 것을 저감시키도록 합성고무 재질로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 출력축과 회전축의 사이에 편각이 허용된 상태로 회전력의 전달이 이루어지도록 상기 출력축과 회전축의 사이에 설치되는 축이음부를; 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 증속기어박스와 상기 발전기는, 상기 나셀프레임의 내측에 일체로 조립 및 설치되도록 상기 증속기어박스 및 발전기의 하우징이 일체로 형성되는 것을 특징으로 한다.
삭제
또한, 상기 메인베어링은, 복열 테이퍼롤러베어링인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 발전기는, 영구자석 동기발전기인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 중공드럼축은, 상기 메인베어링의 내륜을 지지하도록 상기 중공드럼축의 외주면 선단에 돌출되게 형성되는 지지턱을, 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 요부 측단면도이고, 도 2는 본 발명의 요부 평단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 단일 메인베어링을 갖는 풍력 발전기는 하나의 메인베어링(11)을 전면에 갖는 나셀프레임(10)과, 상기 메인베어링(11)의 내륜에 장착되는 중공드럼축(22)이 후방에 구비되는 로터허브(21)를 갖는 회전자(20)와, 상기 중공드럼축(22)에 결합되어 상기 나셀프레임(10)의 내측에 분리된 상태로 구비되는 증속기어박스(30)와, 상기 증속기어박스(30)의 자전을 방지하는 토크지지체(40)와, 상기 증속기어박스(30)의 후방에 연결되는 발전기(50)와, 상기 증속기어박스(30)와 상기 발전기(50)를 축상으로 연결하는 축이음부(60)를 포함한다.
상기 나셀프레임(10)은 타워(T)의 상부에 회전 가능하게 설치되면서 전방에 메인베어링(11)이 장착되는 것으로, 상기 메인베어링(11)은 상기 나셀프레임(10)에 단일 즉 하나로 설치되어 로터허브(21)의 후방에 구비되는 중공드럼축(22)이 내륜에 장착되어 상기 로터허브(21)를 포함하는 회전자(20)를 회전 가능하게 지지하는 역할을 한다.
즉, 상기 나셀프레임(10)은 그 전면에 하나의 메인베어링(11)의 외륜이 장착됨으로써, 상기 메인베어링(11)의 내륜에 장착되는 중공드럼축(22)을 회전 가능한 상태로 직접 지지하게 되고, 그에 따라 상기 중공드럼축(22)이 구비되는 로터허브(21)를 포함하는 회전자(20)가 상기 나셀프레임(10)의 전방에서 회전 가능하게 지지된 상태로 설치된다.
아울러, 상기 중공드럼축(22)은 메인베어링(11)에 의해 나셀프레임(10)에 회전 가능하게 지지된 상태로 설치됨으로써, 상기 중공드럼축(22)에 결합되는 증속기어박스(30)가 상기 나셀프레임(10)과 분리된 상태로 그 내측에 설치될 수 있게 된다.
또한, 상기 회전자(20)는 메인베어링(11)의 내륜에 장착되는 중공드럼축(22)을 후방으로 갖는 로터허브(21)에 블레이드가 조립되는 것으로, 상기 로터허브(21)에 조립되는 블레이드가 바람에 의해 회전되면서 상기 로터허브(21)가 회전됨과 동시에 상기 메인베어링(11)에 의해 나셀프레임(10)의 전방에 회전 가능하게 상기 중공드럼축(22)이 회전되면서 상기 중공드럼축(22)과 결합된 증속기어박스(30)에 회전력을 전달하는 역할을 한다.
상기 중공드럼축(22)은 메인베어링(11)에 의해 나셀프레임(10)에 회전 가능하게 지지되어 로터허브(21)를 상기 나셀프레임(10)에 대하여 회전 가능하게 지지된 상태로 설치될 수 있도록 하면서 동시에 증속기어박스(30)에 회전력을 전달하는 역할을 한다.
상기 중공드럼축(22)은 로터허브(21)의 후방에 일체형으로 구비되거나 분리형으로 구비되어 볼트 등으로 조립되는 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 증속기어박스(30)는 중공드럼축(22)의 끝단에 장착되는 입력축(31)을 전방에 갖고, 후방에 출력축(32)을 가지는 것으로, 상기 증속기어박스(30)는 상기 중공드럼축(22)의 회전과 함께 이에 연결되어 회전되는 상기 입력축(31)의 회전속도를 증대시킨 후에 상기 출력축(32)을 통해 외부로 전달하는 역할을 한다.
이와 같은 역할을 하는 상기 증속기어박스(30)는 중공드럼축(22)의 내측 중앙에 입력축(31)이 결합되고 후방의 출력축(32)이 축이음부(60)에 의해 발전기(50)의 회전축(51)과 연결됨으로써, 나셀프레임(10)의 내측에 부상되어 분리된 상태로 구비된다.
또한, 상기 증속기어박스(30)가 나셀프레임(10)의 내측에서 부상된 상태로 분리되게 배치됨으로써, 상기 나셀프레임(10)을 통한 상기 증속기어박스(30)로 외력의 전달을 방지하면서 동시에 상기 증속기어박스(30)를 통해 상기 나셀프레임(10)으로 외력의 전달을 방지할 수 있다.
즉, 상기 중공드럼축(22)으로부터 전달되는 하중은 나셀프레임(10)에 단일로 설치된 메인베어링(11)에서 지지하고 상기 중공드럼축(22)의 회전토크만이 입력축(31)을 통해 증속기어박스(30)로 전달됨으로써, 상기 증속기어박스(30)로의 상기 나셀프레임(10)을 통한 외력의 전달이 원활히 방지된다.
따라서, 상기 증속기어박스(30)와 이에 연결된 부품이 나셀프레임(10)을 통해 전달되는 외력에 영향을 받지 않게 되면서 동시에 상기 나셀프레임(10)에 설치된 부품 또한 상기 증속기어박스(30)에 의해 영향을 받지 않게 되기 때문에 상기 증속기어박스(30)의 내구성을 향상시킬 수 있다.
아울러, 상기 나셀프레임(10)의 내측에서 전체 부품의 분해 없이 상기 증속기어박스(30)만을 손쉽게 조립 및 분해할 수 있게 된다.
이와 같이 상기 증속기어박스(30)의 자체 조립 및 분해가 용이하게 이루어짐으로써, 상기 증속기어박스(30)를 포함한 여러 부품의 교체 및 수리가 손쉽게 이루어져 풍력 발전기의 유지관리가 간편하게 이루어진다.
또한, 상기 토크지지체(40)는 증속기어박스(30)의 외부면과 나셀프레임(10)의 내부면 사이에 설치되는 것으로, 나셀프레임(10)의 내측에 부상되어 분리된 상태로 배치되는 증속기어박스(30)가 회전자(20)로부터 전달되는 회전토크에 의해 자체 회전되는 것을 방지시키는 역할을 한다.
이와 같은 역할을 하는 상기 토크지지체(40)는 증속기어박스(30)의 양측면에 돌출되는 토크레버(41)와, 상기 토크레버(41)와 나셀프레임(10)의 사이에 조립되는 방진댐퍼(42)를 포함한다.
상기 토크레버(41)는 일단이 증속기어박스(30)의 외부면에 장착되고 타단이 나셀프레임(10)에 삽입 고정됨으로써, 상기 증속기어박스(30)의 자체 회전을 방지시키는 역할을 한다.
상기 방진댐퍼(42)는 증속기어박스(30)를 통해 나셀프레임(10)으로 전달되는 진동을 방지하는 역할을 하면서 동시에 나셀프레임(10)에서 상기 증속기어박스(30)로 전달되는 진동을 방지하는 역할을 한다.
이와 같은 역할을 하는 상기 방진댐퍼(42)는 증속기어박스(30)로부터 생성되는 진동이 나셀프레임(10)으로 전달되는 것을 저감시키도록 합성고무 재질로 형성되는 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니며, 합성고무 이외에 상기 방진댐퍼(42)는 스프링, 유압실린더, 공압실린더 등과 같이 방진능력을 갖는 다양한 구성품으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 발전기(50)는 축이음부(60)에 의해 출력축(32)과 연결되는 회전축(51)을 갖고, 상기 출력축(32)의 회전과 함께 상기 회전축(51)이 회전되면서 전기를 생산하는 역할을 한다.
또한, 상기 축이음부(60)는 출력축(32)과 회전축(51)의 사이에 설치되는 것으로, 증속기어박스(30)의 출력축(32)과 발전기(50)의 회전축(51)을 편각이 허용된 상태로 연결하여 상기 회전축(51)에 상기 출력축(32)의 회전력을 안정적으로 전달하는 역할을 한다.
즉, 상기 축이음부(60)는 출력축(32)과 회전축(51)의 사이를 편각의 형성이 가능한 상태로 연결하는 플렉시블 커플링으로써, 상기 출력축(32)과 회전축(51)의 사이가 어긋나 편각을 갖더라도 상기 출력축(32)에 의해 상기 회전축(51)이 안정적 으로 회전하게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 메인베어링의 요부 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 나셀프레임(10)에 하나로 설치되는 메인베어링(11)은 복렬 테이퍼롤러베어링으로 구성되며, 외륜이 상기 나셀프레임(10)에 볼트로 조립되고 내륜은 중공드럼축(22)과 조립되어 장착된다.
상기 메인베어링(11)은 중공드럼축(22)을 통해 전달되는 회전자(20)의 기계적 하중을 나셀프레임(10)으로 전달하면서 동시에 상기 회전자(20)에서 발생하여 상기 중공드럼축(22)을 통해 전달되는 회전토크를 내부에 복렬로 설치되는 테이퍼롤러(111)를 통해 회전 가능하게 지지하여 증속기어박스로 전달될 수 있도록 한다.
이와 같이 상기 메인베어링(11)은 나셀프레임(10)에 단일 즉 하나로 설치되어 회전자(20)로부터 전달되는 기계적 하중을 상기 나셀프레임(10)으로 전달함으로써, 상기 회전자(20)에서 발생되는 기계적 하중이 증속기어박스로 전달되는 것이 차단되면서 상기 증속기어박스는 상기 회전자(20)에서 발생되는 회전토크만을 전달받게 된다.
상기 중공드럼축(22)은 그 외주면 선단에 돌출되게 형성되는 지지턱(221)을 더 포함한다. 상기 지지턱(221)은 메인베어링(11)의 내륜을 안정적으로 지지하는 역할을 하는 것으로, 상기 중공드럼축(22)은 상기 지지턱(221)에 의해 상기 메인베어링(11)의 내륜에 안정적이면서 손쉽게 조립된다.
도 4는 본 발명에 따른 증속기어박스의 요부 측단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 증속기어박스(30)는 선단에 노출되게 구비되는 입력 축(31)과, 후단에 노출되게 구비되는 출력축(32)과, 상기 입력축(31)의 타단에 결합되는 기어하우징(33)과, 상기 기어하우징(33)에 회전 가능하게 구비되는 유성기어(34)와, 상기 유성기어(34)에 맞물리는 내접기어(35)와, 상기 유성기어(34)에 일단이 맞물리고 타단이 상기 출력축(32)에 결합되는 기어축(36)을 포함한다.
상기 증속기어박스(30)는 입력축(31)이 회전되면서 기어하우징(33)이 회전되고, 상기 기어하우징(33)의 회전에 따라 상기 기어하우징(33)의 내측에 구비된 유성기어(34)가 내접기어(35)를 따라 회전되고, 상기 유성기어(34)의 회전에 따라 회전속도가 증대되면서 상기 유성기어(34)에 맞물린 기어축(36)과 상기 기어축(36)에 결합된 출력축(32)이 증속된 상태로 회전하게 되는 것이다.
이와 같이 상기 증속기어박스(30)는 유성기어(34)와 내접기어(35)에 의해 입력축(31)의 회전속도를 1단계로 안정적이며 정밀하게 증대시켜 출력축(32)으로 전달하는 것이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예를 보인 요부 측단면도이고, 도 6은 도 5의 개략적인 평단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 풍력 발전기는 전면에 하나의 메인베어링(11)을 갖는 나셀프레임(10)과, 상기 메인베어링(11)에 장착되는 중공드럼축(22)을 후방으로 갖는 로터허브(21)를 포함하는 회전자(20)와, 상기 중공드럼축(22)에 결합되어 상기 나셀프레임(10)의 내측에 분리된 상태로 구비되는 증속기어박스(30)와, 상기 증속기어박스(30)의 자전을 방지하는 토크지지체(40)와, 상기 증속기어박스(30)의 후방에 연결되는 발전기(50)와, 상기 증속기어박스(30)와 상기 발전기(50)를 방진되 게 축상으로 연결하는 축이음부(60)를 포함한다.
상기 나셀프레임(10)은 타워(T)의 상부에 회전 가능하게 설치되고 단일 즉 하나의 메인베어링(11)을 통해 중공드럼축(22)을 회전 가능하게 지지하는 역할을 하면서 후방에 발전기(50)를 안정적으로 받쳐주는 역할을 한다.
상기 메인베어링(11)은 나셀프레임(10)에 단일 즉 하나로 설치된 상태로 그 내륜에 장착되는 중공드럼축(22)을 통해 로터허브(21)를 포함하는 회전자(20)를 회전 가능한 상태로 직접 지지하게 되고, 그에 따라 상기 중공드럼축(22)에 조립되는 증속기어박스(30)가 상기 나셀프레임(10)의 내측에서 분리된 상태로 설치될 수 있게 된다.
또한, 상기 회전자(20)는 바람에 의해 블레이드가 회전되면서 로터허브(21)가 회전됨과 동시에 이에 장착된 중공드럼축(22)을 메인베어링(11)에 의해 회전 가능하게 나셀프레임(10)의 전방에 지지된 상태로 회전시켜 상기 중공드럼축(22)에 조립되는 증속기어박스(30)에 풍력에 의해 발생된 회전력을 전달하는 역할을 한다.
또한, 상기 증속기어박스(30)는 중공드럼축(22)의 회전과 함께 이에 연결되어 회전되는 입력축(31)의 회전속도를 증대시킨 후에 출력축(32)을 통해 외부로 전달하는 역할을 한다.
이와 같은 역할을 하는 상기 증속기어박스(30)는 중공드럼축(22)의 내측 중앙에 입력축(31)이 결합되고 후방의 출력축(32)이 축이음부(60)에 의해 발전기(50)의 회전축(51)과 연결됨으로써, 나셀프레임(10)의 내측에 부상되어 분리된 상태로 구비되고, 그에 따라 상기 증속기어박스(30)와 이에 연결된 부품이 나셀프레임(10) 을 통해 전달되는 외력에 영향을 받지 않게 되면서 동시에 상기 나셀프레임(10)에 설치된 부품 또한 상기 증속기어박스(30)에 의해 영향을 받지 않게 된다.
아울러, 상기 나셀프레임(10)의 내측에서 전체 부품의 분해 없이 증속기어박스(30)만을 손쉽게 조립 및 분해할 수 있게 됨으로써, 상기 증속기어박스(30) 자체의 조립 및 분해가 용이하게 이루어지고 부품의 교체 및 상기 증속기어박스(30) 자체의 교체가 용이하게 이루어진다.
또한, 상기 토크지지체(40)는 나셀프레임(10)의 내측에 부상되어 분리된 상태로 배치되는 증속기어박스(30)의 자전을 방지하면서 상기 증속기어박스(30)에서 상기 나셀프레임(10)으로 또는 상기 나셀프레임(10)에서 상기 증속기어박스(30)로 전달되는 진동을 방지시키는 역할을 한다.
또한, 상기 발전기(50)는 축이음부(60)에 의해 출력축(32)과 연결되는 회전축(51)을 갖고, 나셀프레임(11)의 상면에 장착되는 것으로, 상기 출력축(32)의 회전과 함께 상기 회전축(51)이 회전되면서 전기를 생산하는 역할을 한다.
이와 같은 역할을 하는 상기 발전기(50)는 그 하면과 나셀프레임(10)의 상면 사이에 설치되는 발전기댐퍼(52)를 더 포함한다. 상기 발전기댐퍼(52)는 발전기(50)에서 나셀프레임(10)으로 또는 상기 나셀프레임(10)에서 상기 발전기(50)로 전달되는 진동을 방지시키는 역할을 한다.
상기 발전기(50)는 영구자석 동기발전기인 것이 바람직한데, 이는 코일이 권선된 비동기발전기처럼 여자(勵磁)를 시킬 필요가 없어 작동상의 편리성이 증진되도록 하기 위한 것이다.
또한, 상기 축이음부(60)는 출력축(32)과 회전축(51)의 사이에 설치되는 것으로, 증속기어박스(30)의 출력축(32)과 발전기(50)의 회전축(51)을 편각이 허용된 상태로 연결하여 상기 출력축(32)의 회전력을 편각을 가진 상태에서도 상기 회전축(51)에 안정적으로 전달하는 역할을 한다.
따라서, 본 풍력 발전기는 단일로 설치된 메인베어링(11)을 사용하여 증속기어박스(30)가 나셀프레임(10)의 내측에 부상되어 분리된 상태로 배치됨으로써, 상기 증속기어박스(30)의 내구성 및 효율을 향상시키고, 고장의 발생 시에 그 해체 및 조립이 용이하게 이루어진다.
도 7은 도 5에 따른 증속기어박스의 요부 측단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 증속기어박스(30)는 선단에 노출되게 구비되는 입력축(31)과, 후단에 노출되게 구비되는 출력축(32)과, 상기 입력축(31)의 타단에 결합되는 기어하우징(33)과, 상기 기어하우징(33)에 회전 가능하게 구비되는 유성기어(34)와, 상기 유성기어(34)에 맞물리는 내접기어(35)와, 상기 유성기어(34)에 일단이 맞물리고 타단이 상기 출력축(32)에 결합되는 기어축(36)과, 상기 기어축(36)의 끝단에 결합되는 결합기어(37)와, 상기 결합기어(37)에 맞물려 증속되도록 상기 출력축(32)의 선단에 형성되는 증속기어(38)를 포함한다.
상기 증속기어박스(30)는 입력축(31)이 회전되면서 기어하우징(33)을 회전시키게 되고, 상기 기어하우징(33)의 회전에 따라 유성기어(34)가 내접기어(35)를 따라 회전되면서 1차적으로 증속된 상태로 기어축(36)을 회전시키게 된다.
이와 같이 상기 기어축(36)이 증속된 상태로 회전됨에 따라 이에 맞물린 결 합기어(37)가 회전되고, 상기 결합기어(37)의 회전에 따라 이에 맞물린 증속기어(38)가 2차적으로 증속된 상태로 회전되면서 출력축(32)을 회전시키게 된다.
이와 같이 상기 증속기어박스(30)는 유성기어(34)와 내접기어(35)에 의해 입력축(31)의 회전속도를 1단계로 증대시킨 후에 결합기어(37)와 증속기어(38)에 의해 회전속도를 2단계로 증대시킨 다음 출력축(32)으로 전달함으로써, 상기 입력축(31)의 회전력이 2단계로 증대된 후에 상기 출력축(32)으로 전달된다.
도 8은 는 본 발명의 또 다른 실시예를 보인 요부 측단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 풍력 발전기는 전면에 하나의 메인베어링(11)을 갖는 나셀프레임(10)과, 상기 메인베어링(11)의 내륜에 장착되는 중공드럼축(22)을 후방으로 갖고 블레이드(B)가 조립되는 로터허브(21)를 포함하는 회전자(20)와, 상기 중공드럼축(22)에 조립되어 상기 나셀프레임(10)의 내측에 분리된 상태로 구비되는 증속기어박스(30)와, 상기 증속기어박스(30)의 자전을 방지하는 토크지지체(40)와, 상기 증속기어박스(30)와 함께 하나의 하우징 내에 조립되는 발전기(50)를 포함한다.
상기 증속기어박스(30)와 발전기(50)는 상기 증속기어박스(30)를 둘러싸는 하우징과 상기 발전기(50)를 둘러싸는 하우징이 하나의 하우징으로 형성됨으로써, 즉 하나의 하우징 내부에 상기 증속기어박스(30)와 발전기(50)가 구비됨으로써, 상기 증속기어박스(30)와 발전기(50)의 사이의 편각의 해소를 위한 축이음부가 제거되면서 상기 증속기어박스(30)의 출력축(32)과 발전기(50)의 회전축(51)이 직접 연결된다. 이와 같이 하우징을 일체로 형성하기 위해서는 상기 출력축(32)와 회전축(51)을 연결한 상태에서 상기 증속기어박스(30) 및 발전기(50)의 내부 부품을 상기 출력축(32) 및 회전축(51)에 모두 조립한 다음에 상기 증속기어박스(30)와 발전기(50)를 한꺼번에 둘러싸는 하나의 하우징을 외부에 조립하게 되는 것이다.
이와 같이 상기 증속기어박스(30)의 출력축(32)과 발전기(50)의 회전축(51)이 볼트에 의해 직접 연결됨으로써, 상기 출력축(32)과 회전축(51) 사이에 편각의 발생이 미연에 방지되고, 그에 따라 상기 출력축(32)과 회전축(51) 사이의 편각의 발생으로 인한 상기 출력축(32)과 회전축(51)의 피로하중의 증가가 원활히 해소된다.
상술한 바와 같이 본 발명은 콤팩트한 구조로 설치가 간편하면서 조립 및 분해가 용이하고 하나의 메인베어링을 사용하여 증속기어박스를 나셀프레임에서 분리시켜 회전자로부터 전달되는 기계적 하중을 상기 메인베어링을 통해 상기 나셀프레임으로 직접 전달시키고 회전토크만 상기 증속기어박스로 전달함으로써 상기 증속기어박스의 유지보수가 용이하게 이루어지며, 동력의 전달이 안정적이고 정밀하게 이루어져 증속기어박스의 내구성 및 효율이 증가되고, 발전기와 나셀프레임 사이에 방진이 이루어지며, 그에 따라 진동에 의한 부품의 손상이 방지되면서 소음이 저감되고 발전기의 수명이 연장되는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 간단한 구조로 증속기어박스의 자체 회전 즉 자전이 원활히 방지되면서 진동이 저감되도록 함으로써, 증속기어박스의 자전 방지가 간편하게 이루어지고 진동의 저감으로 작동상의 안정성이 향상되면서 소음의 발생이 현저히 감소되는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 증속기어박스와 발전기 사이에서 회전력의 전달이 안정적이면서 정밀하게 이루어지도록 함으로써, 회전력의 불안정한 전달로 인한 축부의 손상 및 파손이 미연에 방지되는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 유성기어를 통해 증속 즉 회전수의 증대가 안정적이면서 원활히 이루어지도록 함으로써, 과도한 증속으로 인한 치열의 마모 및 파손이 저감된 상태로 증속운전이 안정적으로 이루어지는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 증속기어박스와 발전기의 하우징을 일체로 구성하여 별도의 축이음부 없이 회전력의 전달이 안정적으로 이루어지면서 상기 증속기어박스와 발전기의 설치 및 조립이 간편해지도록 함으로써, 편각으로 인한 피로하중의 증가가 미연에 방지되면서 원활히 해소되고 설치 및 조립 작업이 단시간에 간편하게 이루어지는 효과를 갖는다.
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Claims (11)

  1. 전면에 하나의 메인베어링(11)이 장착되는 나셀프레임(10)과, 상기 메인베어링(11)의 내륜에 장착되는 중공드럼축(22)이 후방에 구비되는 로터허브(21)를 갖는 회전자(20)와, 상기 중공드럼축(22)의 끝단에 장착되는 입력축(31)을 전방에 갖고 후방에 출력축(32)을 가지며 상기 나셀프레임(10)의 내측에 부상되어 분리된 상태로 상기 입력축(31)의 회전을 증대시켜서 상기 출력축(32)에 전달하는 증속기어박스(30)와, 상기 증속기어박스(30)의 자체 회전을 방지하도록 상기 증속기어박스(30)와 상기 나셀프레임(10)의 사이에 설치되는 토크지지체(40)와, 상기 출력축(32)에 연결되는 회전축(51)을 갖는 발전기(50)를 포함하는 풍력 발전기에 있어서;
    상기 발전기(50)는, 상기 나셀프레임(10)과 발전기(50)의 사이에 방진이 이루어지도록 상기 발전기(50)의 하면과 상기 나셀프레임(10)의 상면 사이에 설치되는 발전기댐퍼(52)를,
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 메인베어링을 갖는 풍력 발전기.
  2. 제1항에 있어서 상기 증속기어박스(30)는,
    상기 입력축(31)의 타단에 결합되는 기어하우징(33)과,
    상기 기어하우징(33)의 내측에 편심되면서 회전 가능하게 결합되는 유성기어(34)와,
    상기 기어하우징(33)의 회전에 따라 상기 유성기어(34)가 회전되도록 상기 유성기어(34)의 외측에 내측이 맞물리는 내접기어(35)와,
    상기 유성기어(34)의 내측에 일단이 맞물리고 타단이 상기 출력축(32)에 결 합되는 기어축(36)을,
    더 포함하여 상기 유성기어(34)에 의해 1단으로 증속되는 것을 특징으로 하는 단일 메인베어링을 갖는 풍력 발전기.
  3. 제2항에 있어서 상기 증속기어박스(30)는,
    상기 기어축(36)의 끝단에 결합되는 결합기어(37)와,
    상기 결합기어(37)에 맞물려 증속되도록 상기 출력축(32)의 선단에 형성되는 증속기어(38)를,
    더 포함하여 상기 증속기어(38)에 의해 2단으로 증속되는 것을 특징으로 하는 단일 메인베어링을 갖는 풍력 발전기.
  4. 제1항에 있어서 상기 토크지지체(40)는,
    상기 증속기어박스(30)의 양측면에 돌출되어 상기 나셀프레임(10)에 고정되는 토크레버(41)와,
    상기 증속기어박스(30)의 진동이 상기 나셀프레임(10)으로 전달되는 것을 방지하도록 상기 토크레버(41)에 조립되는 방진댐퍼(42)를,
    포함하는 것을 특징으로 하는 단일 메인베어링을 갖는 풍력 발전기.
  5. 제4항에 있어서 상기 방진댐퍼(42)는,
    상기 증속기어박스(30)로부터 생성되는 진동이 상기 나셀프레임(10)으로 전 달되는 것을 저감시키도록 합성고무 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 단일 메인베어링을 갖는 풍력 발전기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 출력축(32)과 회전축(51)의 사이에 편각이 허용된 상태로 회전력의 전달이 이루어지도록 상기 출력축(32)과 회전축(51)의 사이에 설치되는 축이음부(60)를;
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 메인베어링을 갖는 풍력 발전기.
  7. 제1항에 있어서 상기 증속기어박스(30)와 상기 발전기(50)는,
    상기 나셀프레임(10)의 내측에 일체로 조립 및 설치되도록 상기 증속기어박스(30) 및 발전기(50)의 하우징이 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 단일 메인베어링을 갖는 풍력 발전기.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서 상기 메인베어링(11)은,
    복열 테이퍼롤러베어링인 것을 특징으로 하는 단일 메인베어링을 갖는 풍력 발전기.
  10. 제1항에 있어서 상기 발전기(50)는,
    영구자석 동기발전기인 것을 특징으로 하는 단일 메인베어링을 갖는 풍력 발전기.
  11. 제1항에 있어서 상기 중공드럼축(22)은,
    상기 메인베어링(11)의 내륜을 지지하도록 상기 중공드럼축(22)의 외주면 선단에 돌출되게 형성되는 지지턱(221)을,
    더 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 메인베어링을 갖는 풍력 발전기.
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