KR101206017B1 - 풍력발전장치용 동력전달 유닛 - Google Patents

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Abstract

풍력발전장치용 동력전달 유닛이 개시된다. 본 발명은 풍력에 의해 회전되는 로터의 회전력을 발전기에 전달하기 위한 풍력발전장치용 동력전달 유닛에 있어서, 상기 로터에 의해 회전하는 메인 샤프트; 기어박스; 및 상기 메인 샤프트를 지지하는 메인 프레임을 포함한다.

Description

풍력발전장치용 동력전달 유닛{POWERTRAIN UNIT FOR WINDMILL}
본 발명은 풍력발전장치용 동력전달 유닛에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기어박스의 신뢰성 및 내구성을 향상시키는 풍력발전장치용 동력전달 유닛에 관한 것이다.
풍력발전장치는 풍력에 의해 회전되는 로터의 회전력을 이용하여 전기를 발생시키는 장치로서, 일반적인 풍력발전장치는 로터에 의해 회전되는 메인 샤프트와, 메인 샤프의 회전력을 발전기에 전달하는 기어박스를 포함하고 있다. 일반적으로 메인 샤프트와 기어박스를 포함하여 동력전달 유닛으로 통칭하는데, 이 동력전달 유닛과 발전기는 일반적으로 풍력발전장치의 타워 위에 설치되는 메인 프레임 상에 설치되어 지지된다.
이러한 종래의 동력전달 유닛이 메인 프레임 상에 설치되는 일례가 도 1에 도시되어 있다. 이 동력전달 유닛은 로터에 의해 회전되는 메인 샤프트(1)와, 상기 메인 샤프트에 동력적으로 연결되는 기어박스(2)와, 이 기어박스(2)에 동력적으로 연결된 출력축(3)의 회전력을 전기로 변환하는 발전기(4), 및 이들 메인샤프트(1)와 기어박스 및 발전기(4)를 지지하는 메인 프레임(5)을 포함한다. 기어박스(2)는 잘 알려진 바와 같이, 메인 샤프트(1)에 대한 출력축(3)의 회전속도비를 증가시킴으로써, 발전기(4)의 발전 효율을 증대시키는 증속기어부(미도시)를 내부에 수용하고 있다.
도시된 바와 같이, 종래의 동력전달 유닛에서는, 메인 샤프트(1)가 베어링 하우징(7) 내에 수용된 단일의 베어링(6)에 의해 1점 지지되고 있는 구조이다. 따라서, 로터 및 메인 샤프트(1)에 걸리는 하중의 상당부분은 메인 샤프트(1)에 연결된 기어박스(2)에 걸리게 되어, 풍력발전장치의 사용시간이 증가함에 따라 기어박스의 신뢰성 및 내구성이 급격히 하락하게 된다. 이로 인해, 고가인 기어박스를 자주 수리하고 교체해야하는 문제점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기어박스에 전달되는 하중을 최소화할 수 있는 구조를 가짐으로써, 기어박스의 신뢰성 및 내구성을 향상시킬 수 있는 구성을 가지는 풍력발전장치용 동력전달 유닛을 제공할 수 있다.
본 발명의 일측면에 따르면, 풍력발전장치용 동력전달 유닛은, 풍력에 의해 회전되는 로터의 회전력을 발전기에 전달하기 위한 풍력발전장치용 동력전달 유닛에 있어서, 상기 로터에 의해 회전하는 메인 샤프트와; 상기 메인 샤프트와 동력적으로 연결되는 입력축과, 상기 발전기에 동력적으로 연결되는 출력축과, 상기 입력축에 대한 출력축의 회전비를 증가시키는 증속기어부, 및 상기 증속기어부를 수용하는 기어박스 케이스를 포함하는 기어박스; 및 상기 메인 샤프트를 지지하는 메인 프레임을 포함하고, 상기 메인 샤프트는, 제1 베어링 및 상기 제1 베어링으로부터 상기 메인 샤프트의 축방향으로 이격되어 배치된 제2 베어링에 의해 상기 메인 프레임에 대하여 회전가능하게 지지되며, 상기 메인 프레임에는, 상기 메인 샤프트의 회전에 의해 상기 기어박스 케이스가 회전되는 것을 방지하도록, 기어박스 회전방지장치가 마련된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 베어링 및 상기 제2 베어링은 상기 메인 프레임에 고정되는 단일의 베어링 하우징 내에 수용된다.
또한, 상기 제1 베어링은 상기 로터와 상기 제2 베어링 사이에 위치하고, 상기 제1 베어링은 복열 테이퍼 롤러 베어링이고, 상기 제2 베어링은 원통형 롤러 베어링이다.
또한, 상기 제1 베어링은 상기 제2 베어링보다 외경이 더 크다.
여기서, 상기 기어박스 회전방지장치는, 상기 메인 샤프트의 축선에 대해 수평방향으로 직교하는 축선상에서 서로 반대방향으로 상기 기어박스 케이스로부터 돌출하는 한 쌍의 돌출부와; 상기 메인 프레임에 고정되고, 상기 기어박스의 각 돌출부에 삽입될 수 있는 삽입부가 구비된 한 쌍의 기어박스 지지체;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 풍력발전장치는, 상술한 풍력발전장치용 동력전달 유닛을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 풍력발전장치용 동력전달 유닛에 의하면, 로터와 메인샤프트의 하중이 기어박스에 걸리지 않게 함으로써, 기어박스의 내구성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 풍력발전장치용 동력전달 유닛의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전장치용 동력전달 유닛의 측면도이다.
도 3은 도2 에 도시된 풍력발전장치용 동력전달 유닛의 평면도이다.
도 4는 도 2의 선Ⅳ-Ⅳ를 따라 취해진 풍력발전장치용 동력전달 유닛의 단면도이다.
도 5는 도 2에 도시된 풍력발전장치용 동력전달 유닛에 사용되는 기어박스 회전방지장치를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 기어박스 회전방지장치의 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대하여 설명한다. 본 실시예는 제한적인 것으로 의도된 것이 아니다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전장치용 동력전달 유닛의 측면도이고, 도 3은 도2 에 도시된 동력전달 유닛의 평면도이다. 또한, 도 4는 도 2의 선Ⅳ-Ⅳ를 따라 취해진 단면도로서, 동력전달 유닛의 메인 샤프트가 지지되는 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 도시된 풍력발전장치용 동력전달 유닛(100)은, 풍력발전장치의 타워의 상부에 설치되어, 풍력에 의해 회전되는 로터(미도시)의 회전력을 발전기에 전달하는 데 사용되는 것으로서, 메인 샤프트(110), 기어박스(120), 메인프레임(150), 및 기어박스 회전방지장치를 포함하여 구성된다.
상기 메인 샤프트(110)는, 그 일단부가 로터에 연결되고 타단부가 상기 기어박스(120)의 입력축(122)에 동력적으로 연결되어, 로터의 회전력을 상기 기어박스(120)의 입력축(122)에 전달하는 역할을 한다.
상기 메인프레임(150)은 상기 메인 샤프트(110)와 상기 기어박스(120)를 지지하기 위해 마련된 것이다. 상기 메인프레임(150)에는 단일의 베어링 하우징(115)이 고정되어 있는데, 도 4에 도시된 바와 같이, 이 베어링 하우징(115)은 제1 베어링(116)과, 이 제1 베어링(116)으로부터 상기 메인 샤프트(110)의 축방향으로 이격되어 배치된 제2 베어링(117)을 수용하고 있다. 상기 메인 샤프트(110)는 제1 베어링(116)과 제2 베어링(117)에 의해 2점에서 상기 메인 프레임(150)에 대해 회전가능하게 지지되어 있다. 따라서, 종래의 하나의 베어링에 의해 메인 샤프트가 1점지지되는 것과 비교할 때, 메인 샤프트(110)는 보다 안정적으로 지지될 수 있다.
도시된 실시예에서는, 제1 베어링(116)으로서 복열 테이퍼 롤러베어링(DTRB; Double Tapered Roller Bearing)이 사용되고, 제2 베어링(117)으로서 원통형 롤러베어링(CRB; Cylindrical Roller Bearing)이 사용되고 있으며, 제1 베어링(116)의 외경은 제2 베어링(117)의 외경보다 크다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 메인 샤프트(110)와 기어박스(120) 전체에 가해지는 하중은 로터에 가깝게 위치한 제1 베어링(116)에 더 많이 가해질 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 기어박스(120)로 전달되는 하중은 최소화된다.
상기 기어박스(120)는 상기 메인 샤프트(110)의 회전력을 발전기(140)에 전달하기 위해 마련된 것으로, 입력축(122)과, 증속기어부(미도시)와, 출력축(124) 및 기어박스 케이스(125)를 구비하고 있다. 도시된 바와 같이, 상기 기어박스(120)는 상기 메인 프레임(150)에 직접적으로 고정되지 않는 구조를 취하고 있다.
상기 출력축(124)은 발전기(140)에 동력적으로 연결되어 있으며, 상기 기어박스 케이스(125) 내에는 상기 증속기어부가 수용되어 있다. 상기 기어박스(120)는 상기 증속기어부를 통해서, 상기 입력축(122)에 대한 상기 출력축(124)의 회전비를 증가시킴으로써, 발전기(140)의 발전 효율을 증대시킨다.
한편, 상기 기어박스(120)는 상기 메인프레임(150)에 직접적으로 고정되어 있지 않기 때문에, 별도의 장치가 마련되지 않으면, 상기 기어박스 케이스(125)가 상기 메인 샤프트(110)의 회전에 의해 함께 회전하게 된다. 그러므로, 본 발명에서는 이를 방지하기 위하여, 기어박스 회전방지장치가 마련된다.
이하에서는, 기어박스 회전방지장치에 대해 도 5 및 도 6을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 5는 도 2에 도시된 풍력발전장치용 동력전달 유닛에 사용되는 기어박스 회전방지장치를 나타내는 도면이고, 도 6은 도 5에 도시된 기어박스 회전방지장치의 사시도이다.
상기 기어박스 회전 장치는 한 쌍의 돌출부(127a, 127b)와 한 쌍의 기어박스 지지체(160a, 160b)를 포함하여 구성된다.
상기 한 쌍의 돌출부(127a, 127b)는 직육면체 형상으로, 상기 메인 샤프트(110)의 축선(C1; 도 3참조)에 대해 수평방향으로 직교하는 축선(C2; 도 3참조)상에서 서로 반대방향으로 상기 기어박스 케이스(125)로부터 돌출하고 있다.
상기 한 쌍의 기어박스 지지체(160a, 160b)는, 그 내부에 각각 삽입부(162)를 갖는 사각틀 형상으로 이루어지며, 이 기어박스 지지체(160a, 160b)를 관통하는 기다란 복수개의 볼트(165)에 의해 상기 메인 프레임(150)에 각각 고정된다. 상기 삽입부(162) 각각에는 상기 기어박스(120)의 각 돌출부(127a, 127b)가 삽입된다. 따라서, 돌출부(127a, 127b)는 삽입부(162) 내에서 이탈될 수 없다. 이와 같은 구조 덕분에, 메인 샤프트(110)가 회전하더라도, 기어박스 케이스(125)는 메인 샤프트(110)와 함께 회전되지 않는다.
한편, 상기 기어박스 지지체(160a, 160b) 각각에는 상측 실린더 부재(166)가 마련되어 있다. 이 상측 실런더 부재(166)는 그 일단이 상기 돌출부(127a, 127b)의 상면에 접촉하고, 타단이 상기 지지체(160a, 160b) 상측 내면에 접촉하며, 상하방향으로 신축가능한 주름진 형상을 가진다. 그리고, 이 실린더 부재(166)의 내부에는 유체가 충전되어 있다.
또한, 상기 기어박스 지지체(160a, 160b) 각각에는 주름진 형상의 하측 실린더 부재(168)가 마련되어 있다. 이 하측 실런더 부재(168)는 그 일단이 상기 돌출부(127a, 127b)의 하면에 접촉하고, 타단이 상기 지지체(160a, 160b) 하측 내면에 접촉하며, 상하방향으로 신축가능한 주름진 형상을 가진다. 이 실린더 부재(168) 역시 내부에는 유체가 충전되어 있다.
기어박스 지지체(160a)의 상측 실린더 부재(166)는, 다른 기어박스 지지체(160b)의 하측 실린더 부재(168)에 유압 호스(163)로 연통되어 있고, 기어박스 지지체(160a)의 하측 실린더 부재(168)는, 다른 기어박스 지지체(160b)의 상측 실린더 부재(166)에 유압 호스(164)로 연통되어 있다. 즉, 각각의 기어박스 지지체들(160a,160b)은 상측 실린더 부재(166)와 하측 실린더 부재(168)는 유압 호스(163, 164)에 의해 상호 교차하여 연통되어 있다. 또한, 이 유압 호스(163, 164)는 실린더 부재(166, 168) 내에 충전된 유체가 흐를 수 있도록 실린더 부재(166, 168)에 각각 접속되어 있다.
이하, 기어박스 회전방지장치의 작동에 대해 구체적으로 설명하기로 한다. 로터가 시계방향으로 회전하게 되면, 로터에 연결된 메인 샤프트(110) 역시 시계방향으로 회전하게 된다. 메인 샤프트(100)의 회전에 따라 기어박스(120)의 입력축(122)도 회전하게 되는데, 이 경우 기어박스 케이스(125) 역시 시계방향으로 회전하려고 하여, 도 5에서 우측에 마련된 기어박스 지지체(160b)의 하측 실린더 부재(168)는 수축하게 되고 상측 실린더 부재(166)는 확장하게 된다. 기어박스 지지체(160b)의 하측 실린더 부재(168b)가 수축함에 따라, 이 실린더 부재(168b) 내부는 압력이 증가하게 되므로, 내부에 충전된 유체는 유압 호스(163)를 통하여 도 5에서 좌측에 마련된 기어박스 지지체(160a)의 상측 실린더 부재(166)로 이동하게 된다. 이에 따라, 기어박스 지지체(160a)에서는 상측 실린더 부재(166) 내의 유체의 압력이 하측 실린더 부재(168) 내의 유체의 압력보다 크게 되므로 돌출부(127a)를 아래로 누름으로써, 기어박스를 반시계 방향으로 회전시키려고 하게 된다. 따라서, 메인 샤프트(100)에 의해 전달된 시계방향의 회전 토크는 기어박스 회전방지장치에서 발생하는 반시계방향으로의 회전 토크와 상쇄되어, 기어박스 케이스(125)는 메인 프레임(150)에 대해 회전되지 않게 된다. 메인 샤프트(110)가 반시계 방향으로 회전하려 하는 경우는 전술한 과정에 대해 역으로 진행하여 회전이 방지되므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
상술한 바와 같이, 메인 샤프트(110)는 단일의 베어링 하우징(115) 내에 수용된 2개의 베어링(116, 117)에 의해 2점 지지되는 구조를 갖기 때문에, 메인 샤프트(110)에 연결된 기어박스(120)에 걸리는 하중을 최소화할 수 있고, 이에 따라 기어박스(120)의 신뢰성 및 내구성이 증대된다.
또한, 메인 샤프트(110)에 의해 전달된 기어박스 케이스(125)의 회전력은 상기 기어박스 회전방지장치에 의한 역방향으로의 회전력에 의해 상쇄되므로, 메인 프레임(150) 상에서 기어박스 케이스(125)가 회전되지 않으면서 기어박스(120)는 진동의 발생없이 안정적으로 유지될 수 있는 장점이 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 명백할 것이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 풍력발전장치용 동력전달 유닛
110: 메인 샤프트 115: 베어링 하우징
116: 제1 베어링 117: 제2 베어링
120: 기어박스 125: 기어박스 케이스
127a, 127b: 돌출부 140: 발전기
150: 메인 프레임 160a, 160b: 기어박스 지지체
163, 164: 유압 호스 165: 볼트
166: 상측 실린더 부재 168: 하측 실린더 부재

Claims (6)

  1. 풍력에 의해 회전되는 로터의 회전력을 발전기에 전달하기 위한 풍력발전장치용 동력전달 유닛에 있어서,
    상기 로터에 의해 회전하는 메인 샤프트와;
    상기 메인 샤프트와 동력적으로 연결되는 입력축과, 상기 발전기에 동력적으로 연결되는 출력축과, 상기 입력축에 대한 출력축의 회전비를 증가시키는 증속기어부, 및 상기 증속기어부를 수용하는 기어박스 케이스를 포함하는 기어박스; 및
    상기 메인 샤프트를 지지하는 메인 프레임을 포함하고,
    상기 메인 샤프트는, 제1 베어링 및 상기 제1 베어링으로부터 상기 메인 샤프트의 축방향으로 이격되어 배치된 제2 베어링에 의해 상기 메인 프레임에 대하여 회전가능하게 지지되며,
    상기 메인 프레임에는, 상기 메인 샤프트의 회전에 의해 상기 기어박스 케이스가 회전되는 것을 방지하도록, 기어박스 회전방지장치가 마련되고,
    상기 기어박스 회전방지장치는,
    상기 메인 샤프트의 축선에 대해 수평방향으로 직교하는 축선상에서 서로 반대방향으로 상기 기어박스 케이스로부터 돌출하는 한 쌍의 돌출부와;
    상기 메인 프레임에 고정되고, 상기 기어박스의 각 돌출부에 삽입될 수 있는 삽입부가 구비된 한 쌍의 기어박스 지지체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치용 동력전달 유닛.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 베어링 및 상기 제2 베어링은 상기 메인 프레임에 고정되는 단일의 베어링 하우징 내에 수용되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치 동력전달 유닛.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 베어링은 상기 로터와 상기 제2 베어링 사이에 위치하고,
    상기 제1 베어링은 복열 테이퍼 롤러 베어링이고, 상기 제2 베어링은 원통형 롤러 베어링인 것을 특징으로 하는 풍력발전장치용 동력전달 유닛.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 베어링은 상기 제2 베어링보다 외경이 더 큰 것을 특징으로 하는 풍력발전장치용 동력전달 유닛.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 한 쌍의 기어박스 지지체 각각에는,
    상기 돌출부의 상면과 상기 지지체의 상측 내면에 양단이 각각 접촉하고, 상하 방향으로 신축가능하며, 내부에 유체가 충전된 상측 실린더 부재와;
    상기 돌출부의 하면과 상기 지지체의 하측 내면에 양단이 각각 접촉하고, 상하 방향으로 신축가능하며, 내부에 유체가 충전된 하측 실린더 부재; 및
    상기 기어박스 지지체들 중 어느 하나의 지지체의 상측 실린더 부재는, 다른 지지체의 하측 실린더 부재에 유압 호스에 의해 연통되고,
    상기 기어박스 지지체들 중 어느 하나의 지지체의 하측 실린더 부재는, 다른 지지체의 상측 실린더 부재에 유압 호스에 의해 연통되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치용 동력전달 유닛.
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