KR101140348B1 - 풍력 발전기용 베어링의 성능 시험 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 풍력 발전기용 베어링의 성능 시험 장치에 관한 것으로서, 성능 시험의 대상이 되는 베어링 어셈블리가 안착되는 기초 프레임, 상기 베어링 어셈블리에 하중을 가하도록 상기 베어링 어셈블리의 상부에 마련되는 가력 프레임, 상기 가력 프레임의 측부에 결합되도록 상기 기초 프레임의 둘레에 마련되고, 상기 가력 프레임의 측부를 압인(押引)함으로써 상기 베어링 어셈블리에 그 반경 방향으로 힘을 가하는 적어도 하나의 수평 가력기 및 상기 가력 프레임의 모서리부에 결합되도록 상기 기초 프레임의 둘레에 마련되고, 상기 가력 프레임의 모서리부를 압인(押引)함으로써 상기 베어링 어셈블리에 그 축 방향으로 상기 가력 프레임의 하중을 가하거나, 그 반경 방향으로 모멘트 하중을 가하는 적어도 하나의 수직 가력기를 포함한다.

Description

풍력 발전기용 베어링의 성능 시험 장치{PERFORMANCE TESTING DEVICE OF BEARING FOR WIND POWER GENERATOR}
본 발명은 풍력 발전기용 베어링의 성능 시험 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 풍력 발전기에 사용되는 피치 베어링(pitch bearing) 및 요 베어링(yaw bearing)에 대하여 극한 하중(extreme load) 시험 및 피로 하중(fatigue load) 시험을 하기 위한 풍력 발전기용 베어링의 성능 시험 장치에 관한 것이다.
최근 유가의 급격한 상승 경험과 신재생 에너지 활용에 대한 사회적인 관심도가 급격히 증가하면서 한국뿐 아니라 세계적으로도 풍력 발전기에 대한 시장의 수요가 증가하고 있는 실정이다. 즉, 풍력 발전기는 바람으로 풍차를 회전시켜 전기를 일으키는 발전기로서 자연 상태의 무공해 에너지원을 이용하게 된다.
이러한 풍력 발전기는, 도 1에 도시된 바와 같이, 크게 블레이드(blade, 10), 상기 블레이드(10)를 고정하는 허브(hub, 20), 기계 장치들이 장착된 나셀(nacelle, 30) 및 상기 구조물들을 지지하는 타워(tower, 40)로 구성된다. 그리고, 상기 나셀(30) 내부에 구비된 동력 전달 시스템은 회전축, 베어링, 기어박스, 브레이크 및 발전기 등으로 구성된다.
한편, 상기 블레이드(10)와 상기 허브(20) 사이에는 피치 베어링(pitch bearing, 50)이 장착되는데, 이는 상기 허브(20)에 대한 상기 블레이드(10)의 상대 회전 운동을 가능하게 해줌으로써 바람의 세기에 따라 상기 블레이드(10)의 각도를 조절한다. 또한, 상기 나셀(30)과 상기 타워(40) 사이에는 요 베어링(yaw bearing, 60)이 장착되며, 이는 바람의 방향에 따라 상기 타워(40)에 대하여 상기 나셀(30)을 회전시켜주는 역할을 한다.
구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 피치 베어링(50) 및 상기 요 베어링(60)은 외치형 베어링(70)과 내치형 베어링(80)으로 분류되는데, 도 2(a)에 도시된 상기 외치형 베어링(70)은 외륜(74)에 기어치가 있으므로 피니언 등을 이용하여 상기 외륜(74)을 회전시켜 줌으로써 베어링을 작동시키게 된다. 요 베어링에 있어서, 상기 외치형 베어링(70)이 상기 요 베어링(60)으로 사용되는 경우에는 상기 타워(40)는 내륜(72)과 결합되며, 상기 나셀(30)은 외륜(74)과 결합된다.
반면, 도 2(b)에 도시된 상기 내치형 베어링(80)은 내륜(82)에 기어치가 있으므로 피니언 등을 이용하여 상기 내륜(82)을 회전시켜 줌으로써 베어링을 작동시키게 된다. 요 베어링에 있어서, 상기 내치형 베어링(80)이 요 베어링(60)으로 사용되는 경우에는 상기 타워(40)는 외륜(84)과 결합되며, 상기 나셀은 내륜(82)과 결합된다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 피치 베어링(50) 및 상기 요 베어링(60)은 내륜(82)과 외륜(84) 사이에 구름 운동을 하는 전동체(86)가 개재되는데, 상기 전동체(86)가 구름 운동을 함으로써 내륜(82)과 외륜(84) 사이에 상대 회전 운동이 발생하여 바람의 방향에 따라 상기 블레이드(10) 및 상기 나셀(30)을 회전시켜 준다.
이와 같이, 상기 피치 베어링(50) 및 상기 요 베어링(60) 등은 바람의 방향에 따라 상기 블레이드(10)에 대한 하중 및 상기 나셀(30)에 대한 하중을 받게 되는데, 상기 피치 베어링(50) 및 상기 요 베어링(60)의 성능을 확인하기 위하여 각종 시험이 수행될 필요가 있다. 즉, 상기 피치 베어링(50) 및 상기 요 베어링(60)에 대하여 상기 블레이드(10)에 대한 하중 및 상기 나셀(30)에 대한 하중을 안전하게 견딜 수 있는지의 여부를 확인하기 위한 시험의 필요성이 제기된다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 풍력 발전기에 사용되는 피치 베어링 및 요 베어링에 대하여 수평(반경 방향), 수직(축 방향) 하중 및 반경 방향 모멘트 하중을 가함으로써, 상기 피치 베어링 및 상기 요 베어링이 주어진 극한 하중 및 피로 하중 조건에서 제시된 요구조건들을 충족시킬 수 있는지의 여부를 확인할 수 있는 풍력 발전기용 베어링의 성능 시험 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 풍력 발전기용 베어링의 성능 시험 장치는, 성능 시험의 대상이 되는 베어링 어셈블리(BRG)를 저면에서 지지하는 기초 프레임(100)과, 상기 베어링 어셈블리(BR)에 하중을 가하도록 상기 베어링 어셈블리(BRG)의 상부에 마련되는 가력 프레임(200)과, 상기 가력 프레임(200)의 일 부분을 수평방향으로 가압하여 상기 베어링 어셈블리(BRG)에 수평 방향 힘을 가하는 수평 가력기(HF); 및 상기 가력 프레임(200)의 타 부분을 수직방향으로 가압하여 상기 베어링 어셈블리(BRG)에 수직방향 하중 또는 모멘트 하중을 가하는 수직 가력기(VF)를 포함하는 풍력 발전기용 베어링의 성능 시험 장치에 일 특징이 있다.
이때, 상기 가력 프레임(200)과 기초 프레임(100)사이에 배치되어 상기 베어링 어셈블리(BRG)를 수용하는 어댑터(900)를 더 포함하되, 상기 어댑터(900)는 링 형상으로 상기 기초 프레임(100)상에 배치되어 상기 베어링 어셈블리(BRG)의 저면을 고정하는 하부 어댑터(920)와, 링 형상으로 상기 가력 프레임(200)의 저면에 배치되어 상기 베어링 어셈블리(BRG)의 상면을 고정하는 상부 어댑터(910)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 상부 어댑터(910)와 하부 어댑터(920)는 각각 링 형상의 본체(911,921)와, 상기 본체(911,921)의 상면에 원주방향으로 일정 간격 이격되어 형성되되 상기 본체(911,921)를 관통하는 인너 고정공(912,922)과, 상기 인너 고정공(912,922)의 외측에 원주방향으로 일정 간격 이격되어 형성되되 상기 본체(911,921)를 관통하는 아우터 고정공(913,923)을 포함하여, 상기 베어링 어셈블리(BRG)가 고정되는 것도 가능하다.
또한, 상기 베어링 어셈블리(BRG)는 상기 상부 어댑터(910)의 저면에 배치되는 가력 베어링(BRG1)과, 상기 하부 어댑터(920)의 상면에 배치되는 고정 베어링(BRG2)과, 상기 가력 베어링(BRG1) 및 고정 베어링(BRG2) 사이에 배치되어 상기 가력 베어링(BRG1) 및 고정 베어링(BRG2)이 상호 결합되도록 하는 링 형상의 인서트 링(IR)을 포함하되, 상기 가력 베어링(BGR1)과 고정 베어링(BRG2) 그리고 인서트 링(IR)에 모두 고정공이 형성되어, 상기 상부 어댑터(910) 및 하부 어댑터(920)에 각각 고정되는 것도 가능하다.
또한, 상기 가력 베어링(BRG1) 및 고정 베어링(BRG2)에 형성되는 고정공은 상기 상부 어댑터(910) 및 하부 어댑터(920)의 인너 고정공(912,922) 및 아우터 고정공(913,923)에 대응되도록 내륜부분에 인너 정공(BRG1a,BRG2a)이 형성되고 외륜 부분에 아우터 고정공(BRG1b,BRG2b)이 각각 형성되며, 상기 인서트 링(IR)에는 상기 가력 베어링(BRG1) 및 고정 베어링(BRG2)의 인너 고정공(BRG1a,BRG2a) 또는 아우터 고정공(BRG1b,BRG2b)에 대응되는 고정공(IRa)이 형성되는 것도 가능하다.
또한, 상기 가력 프레임(200)은 십자(+) 형상으로 형성되고, 상기 수직 가력기(VF)는 상기 가력 프레임(200)의 십자 형상 끝단부에 설치되는 것도 가능하다.
또한, 상기 수직 가력기(VF) 중 어느 하나는 나머지 수직 가력기와 차등적인 용량을 갖는 것도 가능하다.
또한, 상기 수평 가력기(HF)는 상기 가력 프레임(200)을 가압하는 힘의 방향이 서로 직교하도록 설치될 수 있다.
또한, 상기 수평 가력기 중 어느 하나는 나머지 수평 가력기와 차등적인 용량을 갖는 것도 가능하다.
또한, 상기 수직 가력기(VF) 및 상기 수평 가력기(HF)는 액츄에이터(actuator) 또는 잭(jack)일 수 있다.
또한, 상기 기초 프레임(100)의 둘레에 마련되고, 상기 베어링 어셈블리(BRG)의 설치 또는 교체시 상기 가력 프레임(200)이 안착되는 프레임 지지대(FS)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 상부 어댑터(910)의 외주연에 구동수단 장착부(914)가 링 형상으로 돌출 형성되는 것도 가능하다.
본 발명에 따르면, 풍력 발전기에 사용되는 피치 베어링 및 요 베어링에 대하여 수평 방향(반경 방향)으로의 하중, 수직 방향(축 방향)으로의 하중 및 수평 방향으로의 모멘트 하중을 가하고, 피치 베어링 및 요 베어링의 구름면의 소성 변형(plastic deformation) 및 박리(flaking) 등의 현상을 관찰함으로써 상기 피치 베어링 및 상기 요 베어링에 대하여 목표한 하중에서 제시된 요구 조건들을 충족시킬 수 있는지 여부를 확인할 수 있다.
도 1은 풍력 발전기의 요부를 나타낸 사시도이다.
도 2는 풍력 발전기용 피치 베어링 또는 요 베어링을 나타낸 사시도이다.
도 3은 풍력 발전기용 피치 베어링 또는 요 베어링을 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기용 베어링의 성능 시험 장치를 나타낸 분리 사시도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 풍력 발전기용 베어링의 성능 시험 장치의 측면도이다.
도 7은 본 발명의 어댑터를 분리 도시한 사시도이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 베어링 어셈블리가 고정되는 일 실시예를 도시한 분리 사시도 및 결합단면도이다.
도 10은 본 발명의 베어링 어셈블리가 고정되는 다른 실시예를 도시한 결합단면도이다.
도 11 및 도 12는 베어링 성능 시험을 위한 베어링 어셈블리의 고정 방법을 도시한 개념도이다.
도 13은 본 발명의 베어링 유닛에 가해지는 하중을 설명하는 개념도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
그리고, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위내에서 다른 실시예를 용이하게 실시할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 범위 내에 속함은 물론이다.
먼저, 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 풍력 발전기용 베어링의 성능 시험 장치(100)는 성능 시험의 대상이 되는 베어링 어셈블리(BRG)를 저면에서 지지하는 기초 프레임(100)과, 상기 베어링 어셈블리(BRG)에 하중을 가하도록 상기 베어링 어셈블리(BR)의 상부에 마련되는 가력 프레임(200)을 포함한다.
이때, 상기 가력 프레임(200)의 일 부분을 수평방향으로 가압하여 상기 베어링 어셈블리(BRG)에 수평 방향 힘을 가하는 수평 가력기(HF) 및 상기 가력 프레임(200)의 타 부분을 수직방향으로 가압하여 상기 베어링 어셈블리(BRG)에 수직방향 하중 또는 모멘트 하중을 가하는 수직 가력기(VF)가 설치된다.
즉, 가력 프레임(200)과 기초 프레임(100)사이에 베어링 어셈블리(BRG)를 설치한 후 상기 가력 프레임(200)에 수직방향 또는 수평 방향 힘을 가하여 결국 상기 베어링 어셈블리(BRG)에 수직 방향 또는 수평 방향 힘을 가하게 된다.
이러한 구성에 의해 풍력 발전기용 베어링의 성능을 시험할 수 있게 된다.
한편, 상기 가력 프레임(200)은 십자(+) 형상으로 형성되고, 상기 수직 가력기(VF)는 상기 가력 프레임(200)의 십자 형상 끝단부에 설치될 수 있다.
즉, 상기 수직 가력기(VF)는 상기 베어링 어셈블리(BRG)에 대하여 수직 방향으로 상기 가력 프레임(200)의 하중 또는 모멘트 하중을 가하여 상기 베어링 어셈블리(BRG)의 구름면의 소성 변형(plastic deformation) 및 박리(flaking) 등의 현상을 관찰하기 위한 것으로, 십자(+) 형상으로 형성되는 상기 가력 프레임(200)의 4개의 모서리부에 각각 마련되는 것이 바람직하다.
이를 위해, 도 4에 도시된 바와 같이 빔 형상의 제1프레임(210)과 제2프레임(220)을 직선 형상을 배치한 후 역시 빔 형상인 제3프레임(230)과 제4프레임(240)을 직교되는 방향을 배치하여 전체적으로 십자(+)형상으로 배치할 수 있다.
이때 상기 수직 가력기(VF)는 상기 제1프레임(210) 내지 제4프레임(240)의 끝단에 설치되는 제1수직 가력기(300) 내지 제4수직 가력기(600)를 포함할 수 있다.
한편 상기 수직 가력기(VF)는 상술한 바와 같이 상기 가력 프레임(200)에 수직 방향 힘 즉 도면상 상부 방향으로 상기 가력 프레임(200)에 힘을 가하거나 반대로 하부 방향으로 상기 가력 프레임(200)을 당기는 기능을 수행한다.
이를 위해 수직 가력기(VF)는 액츄에이터(actuator) 또는 잭(jack)을 사용할 수 있다.
즉, 유압이나 공압 실린더와 같은 액츄에이터나 유압식 또는 공압식 잭을 사용할 수 있다.
다만 상기 수직 가력기(VF)는 상술한 바와 같이 상기 가력 프레임(200)에 힘을 가하는 것을 목적으로 하는 바, 이러한 목적을 달성하는 한 상기 수직 가력기(VF)가 다른 종류의 구성을 사용하더라도 모두 본 발명의 범주에 속함은 당연하다.
이는 후술하는 수평 가력기(HF)에도 동일하게 적용되므로 중복되는 설명은 생략한다.
한편 상기 수직 가력기(VF)는 상기 가력 프레임(200)에 수직방향 힘을 가해야 하므로 도시된 바와 같이 상기 가력 프레임(200)의 저면에 배치될 수 있다.
즉, 제1수직 가력기(300)의 경우 실린더(320)를 수직방향으로 배치하되 그 저면에 베이스(310)를 설치할 수 있다.
또한, 상기 실린더(320)의 끝단부에 평판 형상의 연결 플레이트(330)를 설치하여 상기 제1프레임(210)의 저면에 고정되도록 할 수 있다.
이와 같은 구성에 의해 상기 가력 프레임(200)에 수직 방향 힘을 가할 수 있다.
한편 상기 베이스(310)는 다양한 형상일 수 있다. 즉, 제3수직 가력기(500)의 베이스(510)와 같이 철골 구조물 형상일 수 있고 제4수직 가력기(600)의 베이스(610)와 같이 평판 형상일 수 있다.
이때, 상기 베어링 어셈블리(BRG)에 다양한 형태의 힘을 가할 수 있도록 상기 수직 가력기(VF) 중 어느 하나는 나머지 수직 가력기와 차등적인 용량을 갖도록 할 수 있다.
즉, 상기 베어링 어셈블리(BRG)의 시험 과정에 있어서 상기 베어링 어셈블리(BRG)에 대하여 수직 방향으로의 힘을 다양하게 가하거나 모멘트 하중을 가하기 위하여, 상기 수직 가력기(VF) 중 어느 하나는 나머지 수직 가력기와 차등적인 용량을 갖는 것이 바람직하다.
예를 들어, 상기 수직 가력기(VF) 중 어느 하나는 100톤의 하중에 달하는 힘을 상기 베어링 어셈블리(BRG)에 수직 방향으로 가할 수 있고, 나머지 세 개는 100톤 이하의 힘을 상기 베어링 어셈블리(BRG)에 수직 방향으로 가할 수 있다.
그러므로, 상기 수직 가력기(VF)가 모두 같은 힘으로 상기 가력 프레임(200)에 힘을 가하는 경우에는 상기 가력 프레임(200)의 하중을 상기 베어링 어셈블리(BRG)에 대하여 수직 방향으로 가할 수 있으며, 상기 수직 가력기(VF)가 다양한 힘으로 상기 가력 프레임(200)에 힘을 가하는 경우에는 상기 베어링 어셈블리(BRG)에 대하여 수직 방향 하중 및 모멘트 하중을 가할 수 있다.
이를 위해 상기 수직 가력기(VF)의 실린더 개수를 변경하여 차등적인 용량을 갖도록 할 수 있다.
예를 들어 도시된 바와 같이 제1수직 가력기(300)와 같이 실린더(320)를 2개 배치할 수 있으나,이에 한하지 않고 제2수직 가력기(400) 또는 제4수직 가력기(600)와 같이 실린더를 1개 배치하거나 제3 수직가력기(500)와 같이 실린더를 3개 배치할 수 있다.
물론 상기 수직 가력기(VF)의 실린더 용량 자체를 변화시켜 차등적인 용량을 갖도록 하는 것도 가능하다.
한편 상기 수평 가력기(HF)는 상술한 바와 같이 상기 가력 프레임(200)의 일 부분을 수평방향으로 가압하여 상기 베어링 어셈블리(BRG)에 수평 방향 힘을 가한다.
이때, 상기 수평 가력기(HF)는 상기 가력 프레임(200)을 가압하는 힘의 방향이 서로 직교하도록 설치될 수 있다.
즉, 상기 수평 가력기(HF)는 상기 베어링 어셈블리(BRG)에 대하여 수평 방향(반경 방향)으로 힘을 가하여 상기 베어링 어셈블리(BRG)의 구름면의 소성 변형(plastic deformation) 및 박리(flaking) 등의 현상을 관찰하기 위한 것으로서, 반경 측으로는 두 방향이 존재하므로 상기 가력 프레임(200)의 측부를 가압하는 가상의 축이 서로 직교하도록 상술한 바와 같이 2개 배치될 수 있다.
이를 위해 도시된 바와 같이 제1수평 가력기(700)를 제1프레임(210)측에 설치하는 한편 제2수평 가력기(800)를 상기 제4프레임(240)측에 설치할 수 있다.
이상 설명된 수평 가력기(HF)와 수직 가력기(VF)에 의해 가력 프레임(200)에 가해지는 힘을 A1 내지 A6로 도 4에 도시하였드.
한편 제1수평 가력기(700)는 도시된 바와 같이 수평 방향으로 설치되는 실린더(720)와 상기 실린더(720)를 지지하는 베이스(710)와 상기 실린더(720) 끝부분에 설치되어 상기 가력 프레임(200)에 고정되는 연결 플레이트(730)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 연결 플레이트(730)를 상기 가력 프레임(200)에 보다 용이하게 설치하기 위해 상기 가력 프레임(200)의 저면에 설치되는 연결부(250)를 포함할 수 있다.
상기 연결부(250)는 도시된 바와 같이 중공의 원통 형상을 구비하여 일측면은 상기 수평 가력기(HF)에 연결될 수 있고 저면은 후술할 어댑터(900)의 상부 어댑터(910)와 결합될 수 있다.
한편, 상기 연결부(250)의 일측면에 돌출 형성되는 고정 플레이트(251)를 더 포함하여 상기 수평 가력기(HF)가 고정될 수 있다.
한편, 상기 수평 가력기 중 어느 하나는 나머지 수평 가력기와 차등적인 용량을 갖도록 할 수 있다.
예를 들어, 상기 수평 가력기(VF) 중 어느 하나는 50톤의 하중에 달하는 힘을 상기 베어링 어셈블리(BRG)에 수평 방향으로 가할 수 있고, 나머지 하나는 100톤의 하중에 달하는 힘을 상기 베어링 어셈블리(BRG)에 수평 방향으로 가할 수 있다.
이를 위해 도시된 바와 같이 제1수평 가력기(700)의 경우 1개의 실린더를 사용하는 한편 제2수평 가력기(800)의 경우 2개의 실린더를 사용할 수 있다.
물론 상기 실린더 자체의 용량을 달리하여 수평 가력기(HF)사이의 용량 차별화를 이룰 수 있다.
한편, 상기 베어링 어셈블리(BRG)의 설치 또는 교체시 상기 가력 프레임(200)이 안착되는 프레임 지지대(FS)를 상기 기초 프레임(100)의 둘레에 설치할 수 있다.(도 5 및 도 6 참조)
즉, 상기 베어링 어셈블리(BRG)의 설치 또는 교체시 상기 가력 프레임(200)을 분리해야 하는데, 이때 상기 가력 프레임(200)을 지지하기 위해 상기 프레임 지지대(FS)를 설치할 수 있다.
이때, 상기 프레임 지지대(FS)는 다양한 형상을 가질 수 있으며 예를 들어 П형상일 수 있으며, 상기 도 5 및 도 6은 측면도인 관계로 상기 프레임 지지대(FS)가 일직선 형상으로 도시된 것이다.
이하 도 7을 참고하여 본 발명의 어댑터(900)와 베어링 어셈블리(BRG)에 대해 보다 상세히 설명한다.
상기 어댑터(900)는 상기 가력 프레임(200)과 기초 프레임(100)사이에 배치되어 상기 베어링 어셈블리(BRG)를 수용하기 위한 것이다.
즉, 상기 베어링 어셈블리(BRG)에 직접 힘을 가하기 어려우므로 본 발명의 가력 프레임(200)을 사용하였으며, 상기 가력 프레임(200)에 베어링 어셈블리(BRG)를 보다 안정적으로 고정할 수 있도록 본 발명의 어댑터(900)가 사용된다.
상기 어댑터(900)는 링 형상으로 상기 기초 프레임(100)상에 배치되어 상기 베어링 어셈블리(BRG)의 저면을 고정하는 하부 어댑터(920)와, 링 형상으로 상기 가력 프레임(200)의 저면에 배치되어 상기 베어링 어셈블리(BRG)의 상면을 고정하는 상부 어댑터(910)를 포함한다.
즉, 상부 어댑터(910)는 가력 프레임(200)-특히 연결부(250)-의 저면에 장치되고, 하부 어댑터(920)는 기초 프레임(100)상에 배치되며, 그 사이에 베어링 어셈블리(BRG)가 배치되는 것이다.
이때, 상기 상부 어댑터(910)와 하부 어댑터(920)는 유사하게 원주방향으로 형성되는 2줄의 인너 고정공(912,922)과 아우터 고정공(913,923)을 포함할 수 있다.
즉, 도시된 바와 같이 상기 상부 어댑터(910)와 하부 어댑터(920)는 각각 링 형상의 본체(911,921)와, 상기 본체(911,921)의 상면에 원주방향으로 일정 간격 이격되어 형성되되 상기 본체(911,921)를 관통하는 인너 고정공(912,922)과, 상기 인너 고정공(912,922)의 외측에 원주방향으로 일정 간격 이격되어 형성되되 상기 본체(911,921)를 관통하는 아우터 고정공(913,923)을 포함할 수 있다.
이때, 상기 상부 어댑터(910)의 아우터 고정공(913)과 인서트 링(IR) 그리고 하부 어댑터(920)의 아우터 고정공(923)을 고정구(도시되지 않음)가 관통하면서 상기 어댑터(900)와 베어링 어셈블리(BRG)가 고정된다.
이때, 상술한 바와 같이 상기 상부 어댑터(910)와 하부 어댑터(920)에 2줄의 고정공이 형성되는데 이에 대해서는 후술한다.
또한, 상기 베어링 어셈블리(BRG)는 앞서 설명한 바와 같이 상기 상부 어댑터(910)의 저면에 배치되는 가력 베어링(BRG1)과, 상기 하부 어댑터(920)의 상면에 배치되는 고정 베어링(BRG2)을 포함한다.
이때, 상기 가력 베어링(BRG1) 및 고정 베어링(BRG2) 사이에 배치되어 상기 가력 베어링(BRG1) 및 고정 베어링(BRG2)이 상호 결합되도록 하는 링 형상의 인서트 링(IR)이 설치된다.
이때 상기 가력 베어링(BGR1)과 고정 베어링(BRG2) 그리고 인서트 링(IR)에 모두 고정공이 형성되어, 상기 상부 어댑터(910) 및 하부 어댑터(920)에 각각 고정된다.
즉, 상기 가력 베어링(BRG1) 및 고정 베어링(BRG2)에는 상기 상부 어댑터(910) 및 하부 어댑터(920)의 인너 고정공(912,922) 및 아우터 고정공(913,923)에 대응되도록 내륜 부분(IT)에는 인너 고정공(BRG1a,BRG2a)이 형성되고 및 외륜 부분(OT)에 아우터 고정공(BRG1b,BRG2b)이 각각 형성된다.
또한, 상기 인서트 링(IR)에는 상기 가력 베어링(BRG1) 및 고정 베어링(BRG2)의 인너 고정공(BRG1a,BRG2a) 또는 아우터 고정공(BRG1b,BRG2b)에 대응되는 고정공(IRa)이 형성된다.
이러한 구성에 의해 상기 가력 베어링(BRG1) 및 고정 베어링(BRG2)이 외치형이거나 내치형(도 2참조)이라도 모두 수용할 수 있다.
우선 본 발명과 같이 풍력 발전기에 사용되는 베어링의 성능을 시험하는 일반적인 장치에 대해 설명한다.
통상적으로 큰 힘을 받는 대형 베어링의 성능을 시험하기 위해서는 시험 대상이 되는 베어링(본 발명의 경우 가력 베어링)과 상기 베어링을 회전시키기 위한 별도의 베어링(본 발명의 경우 고정 베어링)등 한 쌍의 베어링을 사용한다.
즉, 본 발명의 경우를 예로 설명하면 우선 상기 가력 베어링과 고정 베어링을 연동시킨다.
이후 상기 고정 베어링을 회전시켜 상기 가력 베어링이 연동 회전되도록 한다.
이때, 상기 가력 베어링에 힘이 작용되어 베어링의 성능을 시험하게 된다.
본 발명의 경우 상기 가력 베어링(BRG1)과 고정 베어링(BRG2)은 인서트 링(IR)에 의해 연동되는 것이다.
이하, 도 8과 도 9를 참조하여 상기 가력 베어링(BRG1) 및 고정 베어링(BRG2)이 외치형인 경우에 대해 설명한다.
외치형인 경우는 치형이 외측(즉 외륜)에 형성되어 있는 것으로서 상기 치형에 구동 수단(치형이 부가된 모터등)이 결합됨이 보통이다.
따라서 상기 외륜 부분(OT)이 회전해야 되고 내륜 부분(IT)은 고정되어야 한다.
이를 위해 상부 어댑터(910)의 아우터 고정공(913)과 가력 베어링(BRG1)의 인너 고정공(BRG1a)을 고정구(도시되지 않음)가 관통하여 상기 가력 베어링(BRG1)의 내측 부분(IT)가 고정된다.
동일하게 하부 어댑터(920)의 아우터 고정공(923)과 고정 베어링(BRG2)의 인너 고정공(BRG2a)이 고정구에 의해 고정되어 상기 고정 베어링(BRG2)의 내륜 부분(IT)이 고정된다.
한편, 상기 가력 베어링(BRG1)과 고정 베어링(BRG2)의 외륜부분(OT)은 연동되어 회전해야 한다.
이를 위한 인서트 링(IR)이 장치되는데, 이때, 상기 인서트 링(IR)의 관통공(IRa)은 상기 가력 베어링(BRG1)과 고정 베어링(BRG2)의 아우터 고정공(913,923)에 대응되도록 형성된다.
다시 말해서 상기 가력 베어링(BRG1) 및 고정 베어링(BRG2)의 아우터 고정공(913,923)과 상기 인서트 링(IR)의 관통공(IRa)이 일직선상에 배치되도록 한 후 고정구를 관통시켜 상기 가력 베어링(BRG1)과 고정 베어링(BRG2)의 외륜부분(OT)이 상호 고정되는 것이다.
이러한 구성에 의해 상기 고정 베어링(BRG2)이 구동수단에 의해 회전되면, 이에 연동되어 가력 베어링(BRG1)이 회전되는 것이다.
한편 상기 구동 수단에 대해서는 설명되지 않았으나 상기 외륜 부분(OT)에 결합되어 상기 고정 베어링(BRG2)을 구동할 수 있는 것이면 어느 것이나 사용될 수 있다.
한편 상술한 바와 같이 상기 베어링이 외치형인 경우 상기 구동 수단은 상기 베어링의 외측부분에 배치되어야 하며, 이를 위해 상기 구동 수단이 장착될 수 있는 구동수단 장착부(914)를 상기 상부 어댑터(910)의 외주연에 링 형상으로 돌출 형성되도록 할 수 있다.
한편 도 9에서는 외치형인 경우 상기 베어링 어셈블리(BRG)와 상하부 어댑터(910,920)가 결합된 것을 도시하는 단면도로서 상기 각 고정공에 흑색으로 채워진 것은 장착된 고정구를 뜻한다.
이상 외치형인 경우에 대해 설명하였으며, 이하 내치형인 경우에 대해 설명한다.
내치형인 경우에는 외치형과 반대로 베어링의 내륜부분이 회전해야 하고 외륜부분은 고정되어야 한다.
따라서 도 10에 도시된 바와 같이 가력 베어링(BRG1)과 고정 베어링(BRG2)의 아우터 고정공(BRG1b,BRG2b)과 상부 어댑터(910) 및 하부 어댑터(920)의 인너 고정공(912,922)을 고정구가 관통하면서 상기 가력 베어링(BRG1)과 고정 베어링(BRG2)의 외륜 부분을 고정한다.
한편 상기 가력 베어링(BRG1)과 고정 베어링(BRG2)은 연동되어야 하므로 인서트 링(IR)의 고정공(IRa)과 상기 가력 베어링(BRG1)과 고정 베어링(BRG2)의 인너 고정공(BRGa,BRG2a)을 고정구가 관통하면서 연동되게 한다.
한편 상술할 바와 같이 베어링의 내륜 부분(IT)을 회전시키기 위한 구동수단은 도 4에 나타난 바와 같이 연결부(250)의 상단부에 구멍 형상으로 관통되어 있는 구동수단 장착부(252)에 설치될 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 상기 인서트 링(IR)의 고정공(IRa)은 상기 가력 베어링(BRG1)과 고정 베어링(BRG2)의 인너 고정공(BRG1a,BRG2a) 또는 아우터 고정공(BRG1b,BRG2b)에 대응되어야 한다.
이를 위해 직경이 다른 상기 인서트 링(IR)을 사용하거나 또는 상기 인서트 링(IR)에 2줄의 고정공을 형성할 수 있다.
이하에서는 상기 베어링 어셈블리(BRG)에 대하여 성능 시험 과정이 종료된 후 다른 베어링 어셈블리(BRG)에 대하여 성능 시험을 할 필요가 있는 경우, 상기 베어링 어셈블리(BRG)의 설치 또는 교체 과정에 대하여 설명한다.
먼저, 하나의 베어링 어셈블리(BRG)의 성능 시험 과정이 종료되고, 다른 베어링 어셈블리(BRG)로 교체할 때에는 일단 상기 상부 어댑터(910)의 구동 수단 장착부(914)에 결합되어 있는 구동 수단을 제거한다.
이후, 상기 상부 어댑터(910) 및 상기 하부 어댑터(920)와 상기 베어링 어셈블리(BRG)를 결합하는 볼트 등의 구정구를 모두 해체한다.
그런 다음 상기 상부 어댑터(910)를 포함한 상기 가력 프레임(200)을 프레임 지지대(FS)에 안착시켜 준다.
즉, 상기 프레임 지지대(FS)는 상기 베어링 어셈블리(BRG)의 설치 또는 교체시 상기 가력 프레임(200)이 안착되도록 상기 기초 프레임(100)의 둘레에 마련된다.
그리고, 상기 상부 어댑터(910)와 상기 베어링 어셈블리(BRG) 사이에 간격이 생기면 상기 베어링 어셈블리(BRG)를 이동시켜 베어링 지지대(BRGS, 도 4참조)에 안착시킨다.
즉, 상기 베어링 지지대(BRGS)는 상기 베어링 어셈블리(BRG)의 설치 또는 교체시 상기 베어링 어셈블리(BRG)가 안착되도록 상기 기초 프레임(100)에 마련된다.
이와 같이 성능 시험 과정이 종료된 상기 베어링 어셈블리(BRG)가 상기 상부 어댑터(910) 및 상기 하부 어댑터(920)로부터 제거되면, 새롭게 성능 시험을 진행할 다른 베어링 어셈블리(BRG)를 상기 하부 어댑터(920)에 안착시킨 후 상술한 순서와 반대로 진행하게 된다.
한편, 상술한 상기 베어링 어셈블리(BRG)의 설치 또는 교체 과정에서 상기 상부 어댑터(910) 및 상기 하부 어댑터(920)는 상기 베어링 어셈블리(BRG)의 크기에 따라 교체될 수 있음은 물론이다.
한편 풍력 발전기용 베어링의 성능 시험에 있어서, 상기 가력 베어링(BRG1) 및 상기 고정 베어링(BRG2)등 두 세트를 사용해야 하는 이유에 대해 설명한다.
즉, 외륜 부분(OT)에 하중을 가해주고 내륜 부분(IT)을 회전시켜 주는 내치형 베어링을 예로 들면, 상기 가력 베어링(BRG1)의 외륜 부분(OT)에 하중을 가해주면 내륜 부분(IT)도 따라서 움직이게 된다.
즉, 위에서 눌러 주는 힘만 있다고 가정하면 베어링이 아래로 자유롭게 움직이게 되므로, 내륜 부분(IT)을 고정시켜 주는 장치가 필요하게 된다.
따라서, 상기 가력 베어링(BRG1)과 상기 고정 베어링(BRG2) 사이에 상기 인서트 링(IR)를 삽입하고, 상기 가력 베어링(BRG1)과 상기 고정 베어링(BRG2)의 내륜 부분(IT)을 고정구(F)로 고정 연결함으로써 베어링 한 세트를 연결한 후, 상기 고정 베어링(BRG2)의 외륜 부분(OT)을 고정시켜 줌으로써 상기 가력 베어링(BRG1)의 내륜 부분(IT)의 위치를 고정시키게 된다.
만약, 상기 인서트 링(IR) 없이 상기 가력 베어링(BRG1) 및 상기 고정 베어링(BRG2)을 바로 연결하면 베어링 거동 입장에서는 두께가 두 배인 하나의 베어링과 같으므로 상기 가력 베어링(BRG1)의 내륜을 고정시켜 줄 수가 없게 된다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 베어링 어셈블리(BRG)와 구동 수단(M)을 나타낸 측단면도이다.
도 11의 경우는 내치형으로서 구동 수단(M)이 베어링 어셈블리(BRG)의 내부에 배치되어 베어링 어셈블리(BRG)의 내륜 부분(IT)에 결합된다.
이때, 상기 베어링 어셈블리(BRG)의 내륜 부분(IT)이 회전되어야 하므로 상술된 바와 같이 상기 인서트 링(IR)이 상기 베어링 어셈블리(BRG)의 내륜 부분(IT)과 함께 고정구(F)에 의해 고정된다.
이러한 구성에 의해 상기 구동 수단(M)이 고정 베어링(BRG2)의 내륜 부분(IT)을 회전시키고 이에 연동되어 상기 가력 베어링(BRG1)의 내륜 부분(IT)이 회전된다.
이때, 상기 베어링 어셈블리(BRG)에는 상기 가력 프레임(200)에 설치된 수평 가력부(HF)와 수직 가력부(VF)에 의해 하중이 작용된다.
이와 같이, 수평 및 수직 방향에 대한 상기 가력 프레임(200)의 하중, 수평 방향으로의 모멘트 하중을 받는 상기 베어링 어셈블리(BRG)에 대하여 그 내륜 부분(IT)을 회전시켜 줌으로써 상기 베어링 어셈블리(BRG)의 회전 시험을 수행할 수가 있다.
즉, 상기 베어링 어셈블리(BRG)의 성능 시험에는 극한 하중 시험과 피로 하중 시험이 있는데, 상기 극한 하중 시험은 상기 베어링 어셈블리(BRG)의 수명 기간 동안 받게 되는 하중 중 가장 큰 하중으로 수명 동안 1회만 발생하는 정하중(static load)을 상기 베어링 어셈블리(BRG)에 가하는 시험이다.
이러한 극한 하중 시험에서는 상기 베어링 어셈블리(BRG)에 극한 하중을 1회만 가해주고, 그때의 베어링 구름면의 소성 변형 및 베어링의 추가적인 작동을 불가능하게 하는 기능상의 이상 요인 유무를 조사하게 된다.
한편, 상기 피로 하중 시험은 상기 베어링 어셈블리(BRG)의 수명 기간 동안 지속적으로 받게 되는 하중으로써 평균값과 진폭이 동시에 존재하는 동하중(dynamic load)을 상기 베어링 어셈블리(BRG)에 가하는 시험이다.
이러한 피로 하중 시험 데이터에는 하중의 평균값, 진폭 및 기준 사이클(하중의 반복수)이 함께 명시되어야 하며, 상기 데이터의 하중의 평균값과 진폭을 기준 사이클 동안 반복하여 가력해주고, 그때의 베어링 구름면의 박리(flaking) 및 베어링의 추가적인 작동을 불가능하게 하는 기능상의 이상 요인 유무를 조사하게 된다.
한편, 도 12에는 외치형 베어링 즉, 상기 베어링 어셈블리(BRG)를 구성하는 가력 베어링(BRG1) 및 고정 베어링(BRG2)의 외륜 부분에 기어치가 있어 구동 수단(M)을 이용하여 상기 외륜 부분(OT)을 회전시켜 줌으로써 작동되는 베어링에 대한 성능 시험 과정이 나타난다.
도시된 바와 같이 상기 외륜 부분(OT)이 연동되어 회전되어야 하므로 인서트 링(IR)은 상기 외륜 부분(OT)에 고정된다.
즉, 상기 가력 베어링(BRG1) 및 상기 고정 베어링(BRG2)의 내륜 부분(IT)은 각각 상기 상부 어댑터(910) 및 상기 하부 어댑터(920)와 볼트 등의 체결 부재에 의하여 결합되어 고정되며, 상기 수평 가력기(HF) 및 상기 수직 가력기(VF)에 의해 하중을 받게 된다.
이와 같이, 수평 및 수직 방향에 대한 상기 가력 프레임(200)의 하중, 수평 방향으로의 모멘트 하중을 받는 상기 베어링 어셈블리(BRG)에 대하여 그 외륜부분(OT)을 회전시켜 줌으로써 상기 베어링 어셈블리(BRG)의 회전 시험을 수행할 수 있다.
그 외에는 이미 설명한 바와 같으므로 중복되는 설명은 생략한다.
한편, 상기 상부 어댑터(910) 및 상기 하부 어댑터(920)의 볼트 홀 pcd(pitch circle diameter)를 조절함으로써 내치형과 외치형 베어링 모두에 대한 시험이 가능해진다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 베어링 어셈블리(BRG)에 가해지는 하중을 개략적으로 나타낸 그래프이다.
상기 그래프의 중심에 도시된 원은 상기 베어링 어셈블리(BRG)를 개략적으로 나타낸 것이며, L1 및 L2는 상기 가력 프레임(200)의 각 길이를 나타낸 것이다.
도 13과 아래의 수학식1을 참조하면
Figure 112011068348049-pat00001
Figure 112011068348049-pat00002
Figure 112011068348049-pat00003
Figure 112011068348049-pat00004
Figure 112011068348049-pat00005
이상 설명된 수식에 의해 상기 가력 프레임(200)에 가해야 하는 하중을 결정할 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
100: 기초 프레임 200: 가력 프레임
HF: 수평 가력기 VF: 수직 가력기
BRG: 베어링 어셈블리 FS: 프레임 지지대
IR : 인서트 플레이트

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 성능 시험의 대상이 되는 베어링 어셈블리(BRG)를 저면에서 지지하는 기초 프레임(100)과,
    상기 베어링 어셈블리(BRG)에 하중을 가하도록 상기 베어링 어셈블리(BRG)의 상부에 마련되는 가력 프레임(200)과,
    상기 가력 프레임(200)의 일 부분을 수평방향으로 가압하여 상기 베어링 어셈블리(BRG)에 수평 방향 힘을 가하는 수평 가력기(HF); 및
    상기 가력 프레임(200)의 타 부분을 수직방향으로 가압하여 상기 베어링 어셈블리(BRG)에 수직방향 하중 또는 모멘트 하중을 가하는 수직 가력기(VF)를 포함하되,
    상기 가력 프레임(200)과 기초 프레임(100)사이에 배치되어 상기 베어링 어셈블리(BRG)를 수용하는 어댑터(900)를 더 포함하며,
    상기 어댑터(900)는 링 형상으로 상기 기초 프레임(100)상에 배치되어 상기 베어링 어셈블리(BRG)의 저면을 고정하는 하부 어댑터(920)와,
    링 형상으로 상기 가력 프레임(200)의 저면에 배치되어 상기 베어링 어셈블리(BRG)의 상면을 고정하는 상부 어댑터(910)를 포함하는 풍력 발전기용 베어링의 성능 시험 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 상부 어댑터(910)와 하부 어댑터(920)는 각각 링 형상의 본체(911,921)와,
    상기 본체(911,921)의 상면에 원주방향으로 일정 간격 이격되어 형성되되 상기 본체(911,921)를 관통하는 인너 고정공(912,922)과,
    상기 인너 고정공(912,922)의 외측에 원주방향으로 일정 간격 이격되어 형성되되 상기 본체(911,921)를 관통하는 아우터 고정공(913,923)을 포함하여,
    상기 베어링 어셈블리(BRG)가 고정되는 풍력 발전기용 베어링의 성능 시험 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 베어링 어셈블리(BRG)는 상기 상부 어댑터(910)의 저면에 배치되는 가력 베어링(BRG1)과, 상기 하부 어댑터(920)의 상면에 배치되는 고정 베어링(BRG2)과, 상기 가력 베어링(BRG1) 및 고정 베어링(BRG2) 사이에 배치되어 상기 가력 베어링(BRG1) 및 고정 베어링(BRG2)이 상호 결합되도록 하는 링 형상의 인서트 링(IR)을 포함하되,
    상기 가력 베어링(BGR1)과 고정 베어링(BRG2) 그리고 인서트 링(IR)에 모두 고정공이 형성되어, 상기 상부 어댑터(910) 및 하부 어댑터(920)에 각각 고정되는 풍력 발전기용 베어링의 성능 시험 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 가력 베어링(BRG1) 및 고정 베어링(BRG2)에 형성되는 고정공은 상기 상부 어댑터(910) 및 하부 어댑터(920)의 인너 고정공(912,922) 및 아우터 고정공(913,923)에 대응되도록 내륜부분에 인너 고정공(BRG1a,BRG2a)이 형성되고 외륜 부분에 아우터 고정공(BRG1b,BRG2b)이 각각 형성되며,
    상기 인서트 링(IR)에는 상기 가력 베어링(BRG1) 및 고정 베어링(BRG2)의 인너 고정공(BRG1a,BRG2a) 또는 아우터 고정공(BRG1b,BRG2b)에 대응되는 고정공(IRa)이 형성되는 풍력 발전기용 베어링의 성능 시험 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 가력 프레임(200)은 십자(+) 형상으로 형성되고, 상기 수직 가력기(VF)는 상기 가력 프레임(200)의 십자 형상 끝단부에 설치되는 풍력 발전기용 베어링의 성능 시험 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 수직 가력기(VF) 중 어느 하나는 나머지 수직 가력기와 차등적인 용량을 갖는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기용 베어링의 성능 시험 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 수평 가력기(HF)는 상기 가력 프레임(200)을 가압하는 힘의 방향이 서로 직교하도록 설치된 풍력 발전기용 베어링의 성능 시험 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 수평 가력기 중 어느 하나는 나머지 수평 가력기와 차등적인 용량을 갖는 풍력 발전기용 베어링의 성능 시험 장치.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 수직 가력기(VF) 및 상기 수평 가력기(HF)는 액츄에이터(actuator) 또는 잭(jack)인 풍력 발전기용 베어링의 성능 시험 장치.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 기초 프레임(100)의 둘레에 마련되고, 상기 베어링 어셈블리(BRG)의 설치 또는 교체시 상기 가력 프레임(200)이 안착되는 프레임 지지대(FS)를 더 포함하는 풍력 발전기용 베어링의 성능 시험 장치.
  12. 제2항에 있어서,
    상기 상부 어댑터(910)의 외주연에 구동수단 장착부(914)가 링 형상으로 돌출 형성되는 풍력 발전기용 베어링의 성능 시험 장치.
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