KR101074694B1 - 회전 하우징을 갖는 풍력발전기용 기어박스 - Google Patents

회전 하우징을 갖는 풍력발전기용 기어박스 Download PDF

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Abstract

본 발명은 풍력발전기의 구성품 중 메인로터의 회전속도를 증속시켜 발전기에 적합한 회전속도로 변환시켜주는 회전 하우징을 갖는 풍력발전기용 기어박스에 관한 것으로, 기어박스의 토오크 입력축을 하우징 내에 위치시키지 않는 대신에 하우징의 일부 또는 전체를 회전시킬 수 있도록 하여 토오크 입력축으로 활용함으로써 기어박스를 경량화 및 소형화하고 기어박스를 변형시키는 하중에 대한 강성을 증가시킬 수 있도록 하는 것이며, 또한 제작에 큰 비용이 소요되는 토오크 입력축을 하우징으로 대체함으로써 저렴한 기어박스 생산을 가능하게 하기 위한 것이다.
풍력발전기, 기어박스, 하우징, 로터, 토오크 입력축

Description

회전 하우징을 갖는 풍력발전기용 기어박스{Wind turbine gearbox with rotating housing}
본 발명은 회전 하우징을 갖는 풍력발전기용 기어박스에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 풍력발전기의 구성품 중 메인로터의 회전속도를 증속시켜 발전기에 적합한 회전속도로 변환시켜주는 회전 하우징을 갖는 풍력발전기용 기어박스에 관한 것이다.
일반적으로, 풍력발전은 지상으로부터 일정한 높이에 설치된 회전자인 로터 블레이드를 바람의 운동에너지를 이용하여 회전시키고, 로터 블레이드의 회전에 의하여 발생하는 기계적 에너지를 사용하여 풍력발전기의 내부에 설치된 발전기를 구동시켜 전기를 발생시키는 것으로서, 환경오염에 대한 우려가 전혀 없을 뿐만 아니라, 그 에너지 자원의 거대한 잠재성으로 인하여 세계 각국에서 대체 에너지원의 일환으로 폭넓게 개발되어 사용되고 있다.
상기와 같은 풍력발전에 사용되는 풍력발전기는 바람에 의하여 로터 블레이드가 회전하게 되면, 로터 블레이드의 회전속도를 증속기어박스에서 증속시켜 그 후방에 설치된 발전기에 로터 블레이드의 회전력을 전달시킴으로서 발전기를 구동 시켜 전력을 생산하게 하는 발전원리를 이용하는 것이다.
여기서, 종래 풍력발전기의 구성요소들의 설치상태를 도 1 및 도 2를 통해서 간략하게 살펴보면 다음과 같다.
상기 풍력발전기의 블레이드(1)는 허브(2)를 통해 메인샤프트(3,5)에 연결되며, 상기 블레이드(1), 허브(2) 및 메인샤프트(3, 5)는 로터의 구성요소가 된다.
상기 로터는 하나 또는 다수 개의 메인베어링(4)에 의해 지지되어 메인프레임(6)에 얹혀진 상태에서 회전이 가능하게 된다.
여기서, 기어박스(100)는 메인프레임(6)으로부터 공중에 뜬 상태로 토오크 입력축(7)에 의해 메인샤프트(3, 5)에 연결되고, 토크암 연결부(8)와 메인프레임(6) 사이에는 충격을 완화시켜주면서 입력 및 출력 토크의 반력토크를 지탱해주는 스프링 댐퍼 등의 적절한 마운팅 장치(미도시)가 연결된다.
바람이 불어 상기 로터가 회전하면 토오크 입력축(7)이 로터와 동일한 속도로 회전하고 비회전부인 후단하우징(110)은 정지한 상태로 토크의 반력을 마운팅 장치로 전달하며 출력축(9)으로 출력 토크가 전달된다.
이 때, 진동 및 변형에 의해 발생하는 하중과 기어박스(100) 자체의 무게는 마운팅 장치와 토오크 입력축(7)에 의해 지지되는데 마운팅 장치는 축변형 발생 시 구속에 의한 반력을 줄이기 위해 일정 수치 이하의 강성을 가져야 하나 마운팅 장치의 강성을 무한정 올릴 수 없기 때문에 충분한 지지를 위해서는 토오크 입력축(7)의 강성이 커야 한다.
그러나, 상기와 같은 토오크 입력축(7)은 상대적으로 그의 지름이 작아 강성 이 떨어지게 되고, 이에 의해 입력의 변형이 커지는 문제점이 생길 수 있으며, 상기 입력축(7)에서 휨이 발생할 경우 기어박스 마운팅에 큰 하중이 발생할 가능성이 매우 높게 된다.
그리고, 상기 토오크 입력축(7)의 강성을 키우려면 축 단면의 두께와 무게가 커져야 하는 문제로 장비가 대형화 및 중량화 되는 문제점을 가지게 된다
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 풍력발전기의 기어박스에 대한 토오크 입력축을 대체하여서 하우징의 일부 또는 전체를 회전시킬 수 있도록 하여 기어박스를 경량화 및 소형화하고 기어박스를 변형시키는 하중에 대한 강성을 증가시킬 수 있게 하는 회전 하우징을 갖는 풍력발전기용 기어박스를 제공하는 데에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 성취하기 위한 본 발명의 실시예에 따라, 블레이드, 허브 및 메인샤프트를 구비하여서 다수 개의 메인베어링에 의해 지지되어 메인프레임에 얹혀져 회전가능하게 장착되는 로터와 연결되어서 회전 속도를 증속시키는 회전 하우징을 갖는 풍력발전기용 기어박스는, 상기 메인샤프트와 연결되되 상기 로터와 함께 회전가능하게 장착되어 토크를 전달하는 회전하우징; 및 상기 회전하우징과 다수 개의 베어링으로 연결되어 로터에 의한 회전 하우징의 회전시 토크의 반력을 마운팅 장치로 전달하는 비회전부;로 이루어진다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 회전 하우징은 조립 및 가공을 용이하게 하기 위해 전단부와 후단부 등의 다수 개 부분으로 나누어진다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 회전 하우징의 전단부 및 후단부는 내기어, 외기어 및 유성기어 등의 기어와 유압장치 및 터빈 등의 동력전달장치를 둘러싸고 있으며 토크 변환 및 동력을 전달하는 구조로 이루어진다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 회전하우징은 다수개의 볼트에 의해 메인샤프트와 연결된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 회전하우징의 후단부와 비회전부의 결합부에는 누유방지를 위한 실링부재가 장착된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 실링부재는 실링 케이스에 고정되어 고정부와 회전부 사이에 장착되며 교체를 쉽게하기 위한 실링 커버가 구비된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 실링부재에 의한 회전하우징의 후단부의 마모를 방지하기 위한 마찰링이 구비된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 회전하우징이 메인베어링의 내륜과 메인샤프트 내부에 위치한다.
상기와 같은 본 발명에 따른 회전 하우징을 갖는 풍력발전기용 기어박스를 이용하게 되면, 기어박스에 대한 토오크 입력축을 사용하지 않아 무게와 비용 절감을 가능하게 하고, 입력축의 지름이 커짐에 따라 회전강성과 굽힘 강성이 커져서 같은 무게로도 고강도의 입력축을 사용 가능하게 되어 진동, 변형, 자중에 의한 하 중에 대한 내성이 커지게 되고, 입력축의 형태가 내부의 동력전달장치를 둘러싸는 구조가 되어 공간의 효율적인 배치 및 토크 분배에도 유리하고, 메인샤프트와 연결하는 부위인 플랜지를 대체할 수 있어 무게를 절감하고 플랜지보다도 지름이 크므로 연결하는 볼트의 전단력을 줄이고 볼트의 개수를 충분히 늘릴 수 있으며, 회전하는 하우징 부분은 로터와 회전 속도가 동일하여 메인베어링의 지름이 충분히 크다면 하우징 부분을 메인베어링 내부로 집어넣어 공간 절약이 가능한 효과를 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 회전 하우징을 갖는 풍력발전기용 기어박스에 대한 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 회전 하우징을 갖는 풍력발전기용 기어박스를 보인 측단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 회전 하우징을 갖는 풍력발전기용 기어박스의 부분 절개단면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 회전 하우징을 갖는 풍력발전기용 기어박스의 실링부재의 장착상태를 보인 단면도이며, 도 6은 본 발명에 따른 회전 하우징을 갖는 풍력발전기용 기어박스가 메인베어링 내륜에 장착된 상태를 보인 측단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전기 기어박스(100)는, 블레이드(11), 허브(12) 및 메인샤프트(13, 15)를 구비하여서 다수 개의 메인베어링(14)에 의해 지지되어 메인프레임(16)에 얹혀져 회전가능하게 장착되는 로터(10)와 연결된다.
상기 기어박스(100)는 로터(10)로부터 전달되는 회전속도를 증속시켜주는 역할을 하며, 회전하우징(20) 및 비회전부(30)로 구성된다.
상기 회전하우징(20)은 메인샤프트(13, 15)와 연결되되 상기 로터(10)와 함께 회전가능하게 장착되어 토크를 전달하는 역할을 한다.
즉, 상기 기어박스(100)의 회전하우징(20)은 메인샤프트(13,15)와 연결되어 로터(10)와 함께 회전하는 부분이 회전가능한 하우징이라는 점에서 기어박스(100)의 하우징 역할뿐만이 아니라 종래의 토오크 입력축(도 1의 도면부호 7 참조)의 역할까지 수행하여 로터(10)로부터 받은 토크를 전달하게 되는 것이다.
따라서, 상기 기어박스(100)의 회전하우징(20)이 토오크 입력축의 역할도 대신함으로써 그 만큼의 무게와 가격을 절감할 수 있게 한다.
또한, 토오크 입력축과의 강성을 비교할 때 회전하우징(20)은 토오크 입력축에 비하여 지름이 훨씬 크므로 같은 무게로도 고강도의 축이 될 수 있기 때문에 진동 및 변형에 의해 발생하는 하중과 기어박스 자체의 무게를 더 효율적으로 지탱해줄 수 있게 된다.
여기서, 상기 회전하우징(20)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 다수 개의 볼트(25)에 의해 메인샤프트(13, 15)와 연결된다.
그리고, 상기 메인샤프트(13,15)에 볼트(25)로 연결하기 위해 필요한 토오크 입력축의 플랜지 부분의 역할을 회전하우징(20)과 메인샤프트(13, 15)가 맞닿는 면이 해줄 수 있어 기어박스(100)의 길이와 무게를 줄일 수 있으며, 이때 연결용 볼트(25)의 피치서클 지름이 더 커지기 때문에 볼트(25)에 가해지는 전단력을 줄이고 볼트(25)의 개수를 충분히 늘려줄 수 있게 한다.
그리고, 상기 회전하우징(20)은 조립 및 가공을 용이하게 하기 위하여 전단부(21)와 후단부(23)과 같이 둘 이상의 다수 개 부분으로 나누어 제작되어 조립될 수 있다.
상기 회전하우징(20)의 전단부(21)와 후단부(23)는 동력전달장치들을 둘러싸는 구조로 되어 있다.
상기 동력전달장치는 토크 변환 및 동력 전달을 가능하게 하는 것으로 일반적으로 내기어, 외기어, 유성기어 등의 기어장치가 활용되지만 그 외에도 유압장치, 터빈 등도 활용될 수 있다.
그리고, 상기 회전하우징(20) 내부의 동력전달 장치들을 둘러싸는 형태의 입력축이 되기 때문에 유성기어를 사용할 경우 링기어 또는 캐리어를 토크 입력 장치로 사용하기 용이하고, 기어박스(100) 내에서 동력전달 경로가 분배되는 경우(예를 들면, 디퍼렌셜 유성기어)에도 여러 부분으로 동시에 토크를 분배시키기 용이하게 된다.
구동부인 상기 회전하우징(20)과 고정부인 비회전부(30)의 분리를 막고 원활한 회전을 할 수 있도록 1개 이상의 베어링(32) 등을 이용하여 연결할 수 있으며, 비회전부(30)는 로터(10)에 의한 회전하우징(20)의 회전시 토크의 반력을 마운팅장치(미도시)로 전달하는 역할을 한다.
그리고, 상기 회전하우징(20)의 후단부(23)와 비회전부(30)의 결합부에는, 도 5에 도시된 바와 같이, 누유방지를 위한 실링부재(40)가 장착된다.
상기의 실링부재(40)의 장착은 필수는 아니지만 기어박스(100)의 윤활유로 오일을 사용하거나 기어박스(100) 내부를 외부와 밀봉하기 위한 목적을 이루기 위해 립 실링부재 및 V 실링부재 등의 동적 실링부재를 활용할 수 있다.
그리고, 상기 실링부재(40)는 실링 케이스(42)에 고정되어 고정부와 회전부 사이에 장착되며 교체를 쉽게하기 위한 실링 커버(44)가 구비된다.
상기 실링부재(40)는 상황에 따라 단수 개 또는 복수 개가 사용될 수 있으며, 실링부재(40)에 의한 회전하우징(20)의 후단부(23)의 마모를 방지하기 위한 마찰링(50)이 추가로 구비된다.
상기 마찰링(50)이 실링부재(40)와 닿는 표면은 고정도로 마감되어 마찰을 최소한으로 줄일 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이 실링부재(40)의 접촉면이 내경 쪽으로 고정부가 회전하지 않는 실링 케이스(42)로 나타나 있지만 설계에 따라서 접촉면이 외경쪽인 실링부재(40)를 사용하여 고정부가 회전하우징(20)에 위치하도록 설계하는 것도 가능하다.
한편, 도 6에 도시한 바와 같이, 상기 회전하우징(20)이 메인베어링(14)의 내륜과 메인샤프트(13, 15) 내부에 위치되게 하는 것도 가능하다.
즉, 상기 메인샤프트(13,15)의 안쪽 지름이 회전하우징(20)이 들어갈 정도로 클 경우, 회전하우징(20)이 메인샤프트(13,15)와 메인베어링(14) 내륜이 이루는 안쪽의 공간에 들어가도록 설치된다.
상기 회전하우징(20)과 메인베어링(14) 내륜 및 메인샤프트(13,15)는 모두 로 터(10) 회전 속도와 동일한 속도로 회전하게 되므로 상호간의 체결 및 구동에 문제가 없다.
따라서, 상기와 같은 구조를 통해 d 만큼의 공간을 절약할 수 있으므로 더욱 효율적인 공간 배치를 가지는 풍력발전기를 개발할 수 있다.
상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 풍력발전기 기어박스의 작동상태를 간략하게 살펴보면 다음과 같다.
바람이 불어 상기 로터(10)가 회전하면 기어박스(100)의 회전하우징(20)이 로터(10)와 동일한 속도로 회전하여 토크를 전달함과 동시에 비회전부(30)는 토크의 반력을 마운팅 장치로 전달하게 된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에서 청구된 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.
도 1은 종래의 풍력발전기 기어박스를 보인 측단면도.
도 2는 종래의 풍력발전기 기어박스의 부분 절개단면도.
도 3은 본 발명에 따른회전 하우징을 갖는 풍력발전기용 기어박스를 보인 측단면도.
도 4는 본 발명에 따른 회전 하우징을 갖는 풍력발전기용 기어박스의 부분 절개단면도.
도 5는 본 발명에 따른 회전 하우징을 갖는 풍력발전기용 기어박스의 실링부재의 장착상태를 보인 단면도.
도 6은 본 발명에 따른 회전 하우징을 갖는 풍력발전기용 기어박스가 메인베어링 내륜에 장착된 상태를 보인 측단면도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 간략한 설명*
10: 로터 11: 블레이드
12: 허브 13, 15: 메인샤프트
14: 메인베어링 16: 메인프레임
20: 회전하우징 21: 전단부
23: 후단부 25: 볼트
30: 비회전부 32: 베어링
40: 실링부재 42: 실링 케이스
44: 실링 커버 50: 마찰링
100: 기어박스
110: 종전 기어박스의 후단하우징

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 블레이드(11), 허브(12) 및 메인샤프트(13, 15)를 구비하여서 다 수개의 메인베어링(14)에 의해 지지되어 메인프레임(16)에 얹혀져 회전가능하게 장착되는 로터(10)와 연결되어서 회전 속도를 증속시키는 회전 하우징을 갖는 풍력발전기용 기어박스에 있어서. 상기 기어박스(100)는,
    상기 메인샤프트(13, 15)와 연결되되 상기 로터(10)와 함께 회전가능하게 장착되어 토크를 전달하는 회전하우징(20); 및
    상기 회전하우징(20)과 다수 개의 베어링(32)으로 연결되어 로터(10)에 의한 회전 하우징(20)의 회전시 토크의 반력을 마운팅 장치로 전달하는 비회전부(30);로 이루어지고,
    상기 회전 하우징(20)은 조립 및 가공을 용이하게 하기 위해 전단부(21)와 후단부(23) 등 다수 개의 부분으로 나누어지고,
    상기 회전하우징(20)의 후단부(23)와 비회전부(30)의 결합부에는 누유방지를 위한 실링부재(40)가 장착되며,
    상기 실링부재(40)는 실링 케이스(42)에 고정되어 고정부와 회전부 사이에 장착되며 교체를 쉽게하기 위한 실링 커버(44)가 구비되는 것을 특징으로 하는 회전 하우징을 갖는 풍력발전기용 기어박스.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 회전 하우징(20)의 전단부(21) 및 후단부(23)는 내기어, 외기어 및 유성기어 등의 기어와 유압장치 및 터빈 등의 동력전달장치를 둘러싸고 있으며 토크 변환 및 동력을 전달하는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 회전 하우징을 갖는 풍력발전기용 기어박스.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 회전하우징(20)은 다수개의 볼트(25)에 의해 메인샤프트(13, 15)와 연결되는 것을 특징으로 하는 회전 하우징을 갖는 풍력발전기용 기어박스.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제2항에 있어서,
    상기 실링부재(40)에 의한 회전하우징(20)의 후단부(23)의 마모를 방지하기 위한 마찰링(50)이 구비되는 것을 특징으로 하는 회전 하우징을 갖는 풍력발전기용 기어박스.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 회전하우징(20)이 메인베어링(14)의 내륜과 메인샤프트(13, 15) 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 회전 하우징을 갖는 풍력발전기용 기어박스.
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