KR101215481B1 - 풍력발전장치용 기어트레인 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 풍력발전장치에서 요구하는 높은 증속비를 만족시키고, 무게를 대폭 경감시킬 수 있으며, 풍하중 변동에 의한 기어 손상 및 고장 발생률을 줄여 신뢰성을 향상시킬 수 있는 풍력발전장치용 기어트레인에 관한 것으로, 본 발명에 따른 풍력발전장치용 기어트레인은 제1유성기어유닛(PGU1)의 세 구성요소(A1, A2, A3) 중 어느 하나(A1)와 제2유성기어유닛(PGU2)의 세 구성요소(B1, B2, B3) 중 어느 하나(B1)를 서로 연결하여 결합요소1을 구성하고, 제1유성기어유닛(PGU1)의 세 구성요소(A1, A2, A3)중 다른 하나(A2)와 제2유성기어유닛의 세 구성요소(B1, B2, B3)중 다른 하나(B2)를 서로 연결하여 결합요소2를 구성하고, 입력 주축(i)을 상기 결합요소1과 연결하며, 제2유성기어유닛(PGU2)의 구성요소(B1, B2, B3) 중 나머지 하나(B3)를 제3유성기어유닛(PGU3)의 세 구성요소(C1, C2, C3) 중 어느 하나(C1)와 연결하고, 상기 결합요소2와 제3유성기어유닛(PGU3)의 세 구성요소(C1, C2, C3) 중 다른 하나(C2)를 케이스에 연결하고, 제3유성기어유닛의 마지막 남은 구성요소(C3)를 출력축(o)에 연결한 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

풍력발전장치용 기어트레인{Gear Train for Aerogenerator}
본 발명은 풍력발전장치용 기어박스에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 풍력발전장치의 회전 블레이드의 회전 속도를 증가시켜 발전기로 전달하는 풍력발전장치용 기어트레인에 관한 것이다.
풍력 발전은 자연의 바람으로 풍차를 돌리고 이 풍차의 회전력을 이용하여 발전장치의 축을 돌려 발전을 하는 것으로 가장 경제적이고 환경친화적인 발전 방법으로 여겨진다.
이러한 풍력 발전을 수행하는 풍력발전장치는 크게 기어리스 타입(gearless)과 기어 타입(geared type)으로 구별된다. 상기 기어리스 타입은 1MW 이하의 발전 용량에 채택되는 풍력발전장치로서 기어박스를 사용하지 않고 회전 블레이드의 주축을 직접 발전기에 연결하여 동력을 생산하는 시스템으로 이루어진다. 그리고, 기어 타입은 1MW 이상의 발전 용량에 채택되는 풍력발전장치로서 회전 블레이드의 주축을 기어박스의 입력축에 연결하고, 기어박스의 출력축을 발전기의 입력축에 연결함으로써 회전 블레이드의 속도를 증속시켜 발전기로 전달하여 동력을 생산하는 시스템이다.
상기 기어 타입 풍력발전장치의 기어박스는 1~3단의 유성기어유닛들과 헬리컬기어단의 조합으로 이루어지는 기어트레인을 구비한다. 이러한 기어트레인은 저속/고토크의 입력에 50~150 대 1의 높은 증속비와, 99% 신뢰도에서 20년 이상의 수명시간을 요구받고 있다. 또한, 풍력발전장치용 기어트레인은 풍하중 변동에 의한 기어 손상 및 고장 발생을 저감시킬 수 있는 구조로 설계되어야 한다. 특히, 해상용 풍력발전장치(3~8MW)의 너셀부의 중량은 구조물 안정성 유지를 위해 가능한한 가벼워야 함이 필수적인 요소이다.
그러나, 종래의 풍력발전장치용 기어트레인에 구성되는 단순한 유성기어유닛들의 조합은 높은 증속비를 요구하는 풍력발전용 기어트레인에 적합하지 않을 뿐만 아니라 기어트레인의 중량을 지나치게 가중시켜 풍력 발전장치의 신뢰성에 큰 문제점을 일으키며, 부피도 크고, 기대수명 또한 풍력 발전장치의 기대치에 미치지 못하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 풍력발전장치에서 요구하는 높은 증속비를 만족시키고, 무게를 대폭 경감시킬 수 있으며, 풍하중 변동에 의한 기어 손상 및 고장 발생률을 줄여 신뢰성을 향상시킬 수 있는 풍력발전장치용 기어트레인을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 형태에 따르면, 케이스와, 상기 케이스의 전단부에서 풍력발전장치의 회전 블레이드의 주축과 연결되는 입력축과, 상기 케이스 내부에 3단으로 구성되며 각각이 링기어와, 선기어, 그리고 유성기어가 장착된 캐리어를 구성요소로 하는 제1유성기어유닛과 제2유성기어유닛과 제3유성기어유닛과, 상기 케이스의 후단부에서 풍력발전장치의 발전기의 입력축과 연결되는 출력축을 포함하는 풍력발전장치용 기어트레인에 있어서, 상기 제1유성기어유닛(PGU1)의 세 구성요소(A1, A2, A3) 중 어느 하나(A1)와 제2유성기어유닛(PGU2)의 세 구성요소(B1, B2, B3) 중 어느 하나(B1)를 서로 연결하여 결합요소1을 구성하고, 제1유성기어유닛(PGU1)의 세 구성요소(A1, A2, A3)중 다른 하나(A2)와 제2유성기어유닛의 세 구성요소(B1, B2, B3)중 다른 하나(B2)를 서로 연결하여 결합요소2를 구성하고, 입력 주축(i)을 상기 결합요소1과 연결하며, 제2유성기어유닛(PGU2)의 구성요소(B1, B2, B3) 중 나머지 하나(B3)를 제3유성기어유닛(PGU3)의 세 구성요소(C1, C2, C3) 중 어느 하나(C1)와 연결하고, 상기 결합요소2와 제3유성기어유닛(PGU3)의 세 구성요소(C1, C2, C3) 중 다른 하나(C2)를 서로 연결하고, 제1유성기어유닛(PGU1)의 세 구성요소(A1, A2, A3) 중 나머지 하나(A3)를 케이스에 연결하고, 제3유성기어유닛(PGU3)의 마지막 남은 구성요소(C3)를 출력축(o)에 연결한 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 풍력발전장치용 기어트레인을 제공한다.
본 발명의 다른 한 형태에 따르면, 본 발명의 풍력발전장치용 기어트레인은 상기 케이스의 후방부에 구동기어 및, 이 구동기어에 치합되며 중앙부에 상기 출력축이 결합되어 있는 종동기어로 구성된 헬리컬기어단이 추가로 구성되며, 상기 제3유성기어유닛의 마지막 남은 구성요소(C3)는 고속축에 의해 상기 헬리컬기어단의 구동기어와 연결되어 헬리컬기어단을 통해 출력축에 회전력을 전달한다.
본 발명에 따르면, 동력이 전달되는 경로가 여러 갈래로 분기되기 때문에 유성기어유닛에 걸리는 하중을 경감시킬 수 있으며, 그만큼 기어트레인의 중량을 경감시킬 수 있다.
또한, 본 발명에서 제시하는 기어트레인의 실시형태들은 증속비를 제공하며, 99% 수명시간이 20년을 상회할 뿐만 아니라, 외곽 직경도 기존의 기어트레인에 비하여 30% 이상 축소되어 소형화 및 경량화를 달성할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 풍력발전장치용 기어트레인의 구조를 나타낸 구성도로서 헬리컬기어단을 구성하지 않은 구조를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 풍력발전장치용 기어트레인의 구조를 나타낸 구성도로서 헬리컬기어단을 구성한 구조를 나타낸다.
도 3 내지 도 5는 도 2에 도시된 풍력발전장치용 기어트레인을 구현한 실시예들을 나타낸 요부 단면도이다.
도 6 내지 도 8은 도 1에 도시된 풍력발전장치용 기어트레인을 구현한 실시예들을 나타낸 요부 단면도이다.
도 9는 종래의 직렬형 기어트레인의 구성의 일례를 나타낸 요부 단면도이다.
도 10은 종래의 연성형 기어트레인의 구성의 일례를 나타낸 요부 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 풍력발전장치용 기어트레인의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 풍력발전장치용 기어트레인은 링기어와, 선기어, 그리고 유성기어가 장착된 캐리어를 구성요소로 하는 유성기어유닛을 3단으로 연결하되, 도 1 및 도 2에 도시한 것과 같이, 제1유성기어유닛(PGU1)의 세 구성요소(A1, A2, A3) 중 어느 하나(A1)와 제2유성기어유닛(PGU2)의 세 구성요소(B1, B2, B3) 중 어느 하나(B1)를 서로 연결하고(결합요소1), 제1유성기어유닛(PGU1)의 세 구성요소(A1, A2, A3)중 다른 하나(A2)와 제2유성기어유닛의 세 구성요소(B1, B2, B3)중 다른 하나(B2)를 서로 연결하고(결합요소2), 입력 주축(i)을 상기 결합요소1과 연결하며, 제2유성기어유닛(PGU2)의 구성요소(B1, B2, B3) 중 나머지 하나(B3)를 제3유성기어유닛(PGU3)의 세 구성요소(C1, C2, C3) 중 어느 하나(C1)와 연결하고, 상기 결합요소2와 제3유성기어유닛(PGU3)의 세 구성요소(C1, C2, C3) 중 다른 하나(C2)를 서로 연결하고, 제1유성기어유닛(PGU1)의 세 구성요소(A1, A2, A3) 중 나머지 하나(A3)를 케이스에 연결하고, 제3유성기어유닛(PGU3)의 마지막 남은 구성요소(C3)를 풍력발전장치의 발전기(미도시)의 입력축(미도시)과 연결되는 출력축(o) 또는 도 2에 도시된 헬리컬기어단(HGU)에 연결한 구조로 이루어진다.
여기서, 상기 제1유성기어유닛(PGU1)와 제2유성기어유닛(PGU2) 및 제3유성기어유닛(PGU3)는 3단으로 이루어진 3개의 유성기어유닛들의 순서대로 배열되는 것이 아니라 임의의 순서로 배열될 수 있다. 다시 말해서, 첫째 단에 제1유성기어유닛(PGU1)가 배치되고, 둘째 단에 제2유성기어유닛(PGU2)가 배치되며, 셋째 단에 제3유성기어유닛(PGU3)이 순서대로 배열될 수도 있지만, 이와 다르게 첫째 단에 제2유성기어유닛(PGU2) 또는 제3유성기어유닛(PGU3)가 배치되고, 둘째 단에 제1유성기어유닛(PGU1) 또는 제3유성기어유닛(PGU3)가 배치되며, 셋째 단에 제1유성기어유닛(PGU1) 또는 제2유성기어유닛(PGU2)가 배치될 수도 있는 등 제1유성기어유닛(PGU1)와 제2유성기어유닛(PGU2) 및 제3유성기어유닛(PGU3)은 임의의 순서로 배열될 수 있다.
하지만 이러한 구성 모두가 총속도비(overall speed ratio ; 입력속도에 대한 출력속도의 비율)가 50 ~ 200 정도가 되는 높은 증속비를 갖는 풍력발전용 기어트레인으로서 유용한 것은 아니며 도 3 내지 도 8에 도시된 바와 같은 형태로 구비되는 것이 바람직하다.
아래의 실시예 1~3은 도 2에 도시한 것과 같이 헬리컬기어단을 갖는 구조의 기어트레인을 나타내고, 실시예 4~6은 도 1에 도시한 것과 같이 헬리컬기어단을 구성하지 않고 제3유성기어유닛을 중앙의 출력축에 직접 연결하여 회전력을 전달하는 구조의 기어트레인을 나타낸다.
이하의 실시예들에 대한 설명에서 이해를 돕기 위해 도면 상 좌측을 기어트레인의 전방으로 지정하고, 도면 상 우측을 기어트레인의 후방으로 지정하여 설명한다.
실시예 1
도 3은 본 발명에 따른 풍력발전장치의 기어트레인의 첫번째 실시예를 나타낸 것으로, 이 첫번째 실시예의 풍력발전장치는 전방에서부터 차례대로 제1유성기어유닛과 2유성기어유닛 및 제3유성기어유닛이 3단으로 배열되되, 제1유성기어유닛의 제1링기어(114)와 제2유성기어유닛의 제2캐리어(121)를 서로 연결하고(결합요소1), 제1유성기어유닛의 제1선기어(115)와 제2유성기어유닛의 제2링기어(124)를 서로 연결하고(이하 결합요소2), 제1유성기어유닛의 제1캐리어(111)는 케이스(101)에 고정시키고, 상기 결합요소1의 일단에 입력축(102)을 연결하고, 제2유성기어유닛의 제2선기어(125)는 제3유성기어유닛의 제3링기어(134)와 연결하고, 상기 결합요소2와 제3유성기어유닛의 제3캐리어(131)와 연결하고, 제3유성기어유닛의 제3선기어(135)는 헬리컬기어단(140)의 구동기어(141)와 연결하고, 헬리컬기어단의 종동기어(142)는 출력축(103)과 연결한 구성으로 이루어진다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 이 첫번째 실시예의 기어트레인은 케이스(101)와, 상기 케이스(101)의 전단부에서 풍력발전장치의 회전 블레이드(미도시)의 주축(미도시)과 연결된 입력축(102)과, 상기 케이스(101)의 후단부에서 풍력발전장치의 발전기의 입력축과 연결되는 출력축(103)과, 상기 케이스(101) 내부에 전방에서부터 순차적으로 배열되는 제1유성기어유닛과 제2유성기어유닛과 제3유성기어유닛으로 구성되되; 상기 제1유성기어유닛은 상기 케이스(101)의 전방에 고정되며 제1축(112)을 중심으로 회전 가능하게 설치된 복수개의 제1유성기어(113)가 설치된 제1캐리어(111)와, 상기 제1유성기어(113)의 외측 및 내측 각각에서 제1유성기어(113)와 치합하는 제1링기어(114) 및 제1선기어(115)로 구성되고; 상기 제2유성기어유닛은 상기 제1유성기어유닛의 후방에 설치되며 복수개의 제2유성기어(123)들이 제2축(122)을 중심으로 회전 가능하게 설치된 제2캐리어(121)와, 상기 제2유성기어(123)들의 외측 및 내측 각각에서 제2유성기어(123)들과 치합된 제2링기어(124) 및 제2선기어(125)로 구성되며; 상기 제3유성기어유닛은 제2유성기어유닛의 후방에 설치되며 복수개의 제3유성기어(133)들이 제3축(132)을 중심으로 회전 가능하게 설치된 제3캐리어(131)와, 상기 제3유성기어(133)들의 외측 및 내측 각각에서 제3유성기어(133)들과 치합된 제3링기어(134) 및 제3선기어(135)로 구성되며; 상기 입력축(102)과 제1링기어(114)는 제1연결부재(151)에 의해 서로 연결되고; 상기 제1연결부재(151)는 제2연결부재(152)에 의해 제2캐리어(121)에 연결되며; 상기 제1선기어(115)는 제3연결부재(153)에 의해 제2링기어(124) 및 제3캐리어(131)에 함께 연결되고; 상기 제2선기어(125)는 제4연결부재(154)에 의해 상기 제3링기어(134)에 연결되며; 상기 제3선기어(135)는 고속축(160)에 의해 케이스(101) 후방에 구성되는 헬리컬기어단(140)의 구동기어(141)와 연결되어 구동기어(141) 및 이 구동기어(141)에 치합된 헬리컬기어단(140)의 종동기어(142)를 회전시킴으로써 상기 종동기어(142)의 중심부에 결합된 출력축(103)을 회전시키도록 구성된다.
이와 같이 구성된 기어트레인은 다음과 같이 작동한다.
입력축(102)이 회전하면, 이에 연결된 제1연결부재(151) 및 제1링기어(114)가 회전하게 되고, 이에 따라 제1유성기어(113)가 회전하여 제1선기어(115)에 회전력을 전달한다. 이와 동시에 상기 제2캐리어(121)가 회전하게 된다. 그리고, 상기 제1선기어(115)가 회전하게 되면, 제3연결부재(153) 및 이에 결합되어 있는 제2링기어(124)가 회전하게 되고, 이에 따라 상기 제2유성기어(123)가 제2링기어(124)를 따라 공전 및 자전하게 된다.
상기 제2유성기어(123)가 공전 및 자전 운동하게 되면, 제2선기어(125) 및 이와 결합되어 있는 제4연결부재(154)가 회전하게 되고, 제4연결부재(154)에 결합되어 있는 제3링기어(134)가 제3유성기어(133)들을 회전시킨다. 그리고, 상기 제3연결부재(153)의 후단부에 결합되어 있는 제3캐리어(131)는 제3연결부재(153)와 함께 회전한다.
상기 제3유성기어(133)들의 회전은 제3선기어(135)에 전달되고, 제3선기어(135)의 회전에 의해 고속축(160)이 회전하게 된다. 상기 고속축(160)의 회전력은 헬리컬기어단(140)의 구동기어(141) 및 종동기어(142)를 통해 출력축(103)에 전달되어 출력축(103)을 고속으로 회전시키게 된다.
실시예 2
도 4에 도시된 기어트레인의 두번째 실시예는 전방에서부터 제2유성기어유닛, 제3유성기어유닛, 제1유성기어유닛 순으로 3단으로 배열되되, 셋째 단에 배치된 제1유성기어유닛의 제1링기어(214)와 첫째 단에 배치된 제2유성기어유닛의 제2캐리어(221)를 서로 연결하고(결합요소1), 제1유성기어유닛의 제1선기어(215)와 제2유성기어유닛의 제2링기어(224)를 서로 연결하고(이하 결합요소2), 제1유성기어유닛의 제1캐리어(211)는 케이스에 고정시키고, 상기 결합요소1의 제2캐리어(221)에 입력축(202)을 연결하고, 제2유성기어유닛의 제2선기어(225)는 제3유성기어유닛의 제3캐리어(231)와 연결하고, 상기 결합요소2와 제3유성기어유닛의 제3링기어(234)를 연결하고, 제3유성기어유닛의 제3선기어(235)는 헬리컬기어단(240)의 구동기어(241)와 연결하고, 헬리컬기어단의 종동기어(242)는 출력축(203)과 연결한 구성으로 이루어진다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 두번째 실시예에 따른 기어트레인은 케이스(201)와, 상기 케이스(201)의 전단부에서 풍력발전장치의 회전 블레이드(미도시)의 주축(미도시)과 연결된 입력축(202)과, 상기 케이스(201)의 후단부에서 풍력발전장치의 발전기의 입력축과 연결되는 출력축(203)과, 상기 케이스(201) 내부에 전방에서부터 순차적으로 배열되는 제2유성기어유닛과 제3유성기어유닛과 제1유성기어유닛으로 구성되되; 상기 제1유성기어유닛은 상기 케이스(201)의 후방에 고정되며 제1축(212)을 중심으로 회전 가능하게 설치된 복수개의 제1유성기어(213)가 설치된 제1캐리어(211)와, 상기 제1유성기어(213)의 외측 및 내측 각각에서 제1유성기어(213)와 치합하는 제1링기어(214) 및 제1선기어(215)로 구성되고; 상기 제2유성기어유닛은 케이스(201)의 전방에 설치되며 복수개의 제2유성기어(223)들이 제2축(222)을 중심으로 회전 가능하게 설치된 제2캐리어(221)와, 상기 제2유성기어(223)들의 외측 및 내측 각각에서 제2유성기어(223)들과 치합된 제2링기어(224) 및 제2선기어(225)로 구성되며; 상기 제3유성기어유닛은 제2유성기어유닛와 제1유성기어유닛 사이에 설치되며 복수개의 제3유성기어(233)들이 제3축(232)을 중심으로 회전 가능하게 설치된 제3캐리어(231)와, 상기 제3유성기어(233)들의 외측 및 내측 각각에서 제3유성기어(233)들과 치합된 제3링기어(234) 및 제3선기어(235)로 구성되며; 상기 입력축(202)은 상기 제2캐리어(221)와 연결되며, 상기 제2캐리어(221)는 제1연결부재(251)에 의해 상기 제1링기어(214)와 연결되며, 상기 제2선기어(225)는 제2연결부재(252)에 의해 제3캐리어(231)와 연결되고, 상기 제1선기어(215)는 제3연결부재(253)에 의해 제2링기어(224) 및 제3링기어(234)에 동시에 연결되며, 상기 제3선기어(235)는 고속축(260)에 의해 케이스(201) 후방에 구성된 헬리컬기어단(240)의 구동기어(241)와 연결되어 구동기어(241) 및 이 구동기어(241)에 치합된 헬리컬기어단(240)의 종동기어(242)를 회전시킴으로써 상기 종동기어(242)의 중심부에 결합된 출력축(203)을 회전시키도록 구성된다.
실시예 3
도 5에 도시된 기어트레인의 세번째 실시예는 두번째 실시예와 마찬가지로 전방에서부터 제2유성기어유닛, 제3유성기어유닛, 제1유성기어유닛 순으로 3단으로 배열되되, 셋째 단에 배치된 제1유성기어유닛의 제1링기어(314)와 첫째 단에 배치된 제2유성기어유닛의 제2링기어(324)를 서로 연결하고(결합요소1), 제1유성기어유닛의 제1선기어(315)와 제2유성기어유닛의 제2캐리어(321)를 서로 연결하고(이하 결합요소2), 제1유성기어유닛의 제1캐리어(311)는 케이스에 고정시키고, 상기 결합요소1에 입력축(302)을 연결하고, 제2유성기어유닛의 제2선기어(325)는 제3유성기어유닛의 제3링기어(334)와 연결하고, 상기 결합요소2와 제3유성기어유닛의 제3선기어(335)를 연결하고, 제3유성기어유닛의 제3캐리어(331)를 헬리컬기어단(340)의 구동기어(341)와 연결하고, 헬리컬기어단의 종동기어(342)는 출력축(303)과 연결한 구성으로 이루어진다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 세번째 실시예에 따른 기어트레인은 케이스(301)와, 상기 케이스(301)의 전단부에서 풍력발전장치의 회전 블레이드(미도시)의 주축(미도시)과 연결된 입력축(302)과, 상기 케이스(301)의 후단부에서 풍력발전장치의 발전기의 입력축과 연결되는 출력축(303)과, 상기 케이스(301) 내부에 전방에서부터 순차적으로 배열되는 제2유성기어유닛과 제3유성기어유닛과 제1유성기어유닛으로 구성되되; 상기 제1유성기어유닛은 상기 케이스(301)의 후방에 고정되며 제1축(312)을 중심으로 회전 가능하게 설치된 복수개의 제1유성기어(313)가 설치된 제1캐리어(311)와, 상기 제1유성기어(313)의 외측 및 내측 각각에서 제1유성기어(313)와 치합하는 제1링기어(314) 및 제1선기어(315)로 구성되고; 상기 제2유성기어유닛은 케이스(301)의 전방에 설치되며 복수개의 제2유성기어(323)들이 제2축(322)을 중심으로 회전 가능하게 설치된 제2캐리어(321)와, 상기 제2유성기어(323)들의 외측 및 내측 각각에서 제2유성기어(323)들과 치합된 제2링기어(324) 및 제2선기어(325)로 구성되며; 상기 제3유성기어유닛은 제2유성기어유닛와 제1유성기어유닛 사이에 설치되며 복수개의 제3유성기어(333)들이 제3축(332)을 중심으로 회전 가능하게 설치된 제3캐리어(331)와, 상기 제3유성기어(333)들의 외측 및 내측 각각에서 제3유성기어(333)들과 치합된 제3링기어(334) 및 제3선기어(335)로 구성되며; 상기 입력축(302)은 제1연결부재(351)에 의해 상기 제2링기어(324) 및 제1링기어(314)와 연결되며, 상기 제1선기어(315)는 제2연결부재(352)에 의해 상기 제2캐리어(321)와 연결되며, 상기 제3선기어(335)는 제3연결부재(353)에 의해 제2연결부재(352)와 연결되고, 상기 제2선기어(325)는 제4연결부재(354)에 의해 상기 제3링기어(334)와 연결되며, 상기 제3캐리어(331)는 고속축(360)에 의해 케이스(301) 후방에 구성된 헬리컬기어단(340)의 구동기어(341)와 연결되어 구동기어(341) 및 이 구동기어(341)에 치합된 헬리컬기어단(340)의 종동기어(342)를 회전시킴으로써 상기 종동기어(342)의 중심부에 결합된 출력축(303)을 회전시키도록 구성된다.
실시예 4
도 6은 본 발명에 따른 풍력발전장치의 기어트레인의 네번째 실시예를 나타낸 것으로, 이 네번째 실시예의 기어트레인은 전술한 첫번째 실시예와 거의 동일한 구성으로 이루어지지만 케이스(401) 내부에 헬리컬기어단을 구성하지 않고 제3유성기어유닛을 직접 출력축(403)에 연결한 점에서만 차이가 있다.
즉, 이 네번째 실시예의 기어트레인은 전방에서부터 차례대로 제1유성기어유닛과 2유성기어유닛 및 제3유성기어유닛이 3단으로 배열되되, 제1유성기어유닛의 제1링기어(414)와 제2유성기어유닛의 제2캐리어(421)를 서로 연결하고(결합요소1), 제1유성기어유닛의 제1선기어(415)와 제2유성기어유닛의 제2링기어(424)를 서로 연결하고(이하 결합요소2), 제1유성기어유닛의 제1캐리어(411)는 케이스(401)에 고정시키고, 상기 결합요소1의 일단에 입력축(402)을 연결하고, 제2유성기어유닛의 제2선기어(425)는 제3유성기어유닛의 제3링기어(434)와 연결하고, 상기 결합요소2와 제3유성기어유닛의 제3캐리어(431)와 연결하고, 제3유성기어유닛의 제3선기어(435)는 출력축(403)과 연결한 구성으로 이루어진다.
실시예 5
도 7에 도시된 다섯번째 실시예에 따른 기어트레인은 전술한 네번째 실시예와 마찬가지로 케이스(501) 내부에 헬리컬기어단을 구성하지 않고 유성기어유닛을 직접 출력축(503)에 연결한 구성으로 이루어진다.
이 다섯번째 실시예의 기어트레인은 전방에서부터 제2유성기어유닛, 제1유성기어유닛, 제3유성기어유닛 순으로 3단으로 배열되되, 둘째 단에 배치된 제1유성기어유닛의 제1링기어(514)와 첫째 단에 배치된 제2유성기어유닛의 제2캐리어(521)를 서로 연결하고(결합요소1), 제1유성기어유닛의 제1선기어(515)와 제2유성기어유닛의 제2링기어(524)를 서로 연결하고(이하 결합요소2), 제1유성기어유닛의 제1캐리어(511)는 케이스(501)에 고정시키고, 상기 결합요소1에 입력축(502)을 연결하고, 제2유성기어유닛의 제2선기어(525)는 제3유성기어유닛의 제3캐리어(531)와 연결하고, 상기 결합요소2와 제3유성기어유닛의 제3선기어(535)를 서로 연결하고, 제3유성기어유닛의 제3링기어(534)를 출력축(503)과 연결한 구성으로 이루어진다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 이 실시예에 따른 기어트레인은 케이스(501)와, 상기 케이스(501)의 전단부에서 풍력발전장치의 회전 블레이드(미도시)의 주축(미도시)과 연결된 입력축(502)과, 상기 케이스(501)의 후단부에서 풍력발전장치의 발전기의 입력축과 연결되는 출력축(503)과, 상기 케이스(501) 내부에 전방에서부터 순차적으로 배열되는 제2유성기어유닛과 제1유성기어유닛과 제3유성기어유닛으로 구성되되; 상기 제1유성기어유닛은 상기 케이스(501)의 중간부에 고정되며 제1축(512)을 중심으로 회전 가능하게 설치된 복수개의 제1유성기어(513)가 설치된 제1캐리어(511)와, 상기 제1유성기어(513)의 외측 및 내측 각각에서 제1유성기어(513)와 치합하는 제1링기어(514) 및 제1선기어(515)로 구성되고; 상기 제2유성기어유닛은 상기 제1유성기어유닛의 전방에 설치되며 복수개의 제2유성기어(523)들이 제2축(522)을 중심으로 회전 가능하게 설치된 제2캐리어(521)와, 상기 제2유성기어(523)들의 외측 및 내측 각각에서 제2유성기어(523)들과 치합된 제2링기어(524) 및 제2선기어(525)로 구성되며; 상기 제3유성기어유닛은 제1유성기어유닛의 후방에 설치되며 복수개의 제3유성기어(533)들이 제3축(532)을 중심으로 회전 가능하게 설치된 제3캐리어(531)와, 상기 제3유성기어(533)들의 외측 및 내측 각각에서 제3유성기어(533)들과 치합된 제3링기어(534) 및 제3선기어(535)로 구성되며; 상기 입력축(502)은 제2캐리어(521)와 연결되고, 상기 제1링기어(514)와 제2캐리어(521)는 제1연결부재(551)에 의해 서로 연결되며, 상기 제2링기어(524)는 제2연결부재(552)에 의해 제1선기어(515)에 연결되고, 상기 제2선기어(525)는 제3연결부재(553)에 의해 제3캐리어(531)에 연결되며, 상기 제3링기어(534)는 제4연결부재(554)에 의해 출력축(503)에 연결된 구조로 이루어진다.
실시예 6
도 8에 도시된 기어트레인의 여섯번째 실시예는 전술한 두번째 실시예와 거의 동일한 구성으로 이루어지지만 케이스(601) 내부에 헬리컬기어단을 구성하지 않고 제3유성기어유닛을 직접 출력축(603)에 연결한 점에서 차이가 있다.
즉, 이 여섯번째 실시예에 따른 기어트레인은 전방에서부터 제2유성기어유닛, 제3유성기어유닛, 제1유성기어유닛 순으로 3단으로 배열되되, 셋째 단에 배치된 제1유성기어유닛의 제1링기어(614)와 첫째 단에 배치된 제2유성기어유닛의 제2캐리어(621)를 서로 연결하고(결합요소1), 제1유성기어유닛의 제1선기어(615)와 제2유성기어유닛의 제2링기어(624)를 서로 연결하고(이하 결합요소2), 제1유성기어유닛의 제1캐리어(611)는 케이스에 고정시키고, 상기 결합요소1의 제2캐리어(621)에 입력축(602)을 연결하고, 제2유성기어유닛의 제2선기어(625)는 제3유성기어유닛의 제3캐리어(631)와 연결하고, 상기 결합요소2와 제3유성기어유닛의 제3링기어(634)를 연결하고, 제3유성기어유닛의 제3선기어(635)를 출력축(603)에 바로 연결한 구성으로 이루어진다.
성능비교
이하에서는 전술한 것과 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 기어트레인들과 종래의 직렬형 기어트레인 및 연성형 기어트레인의 성능을 비교한 결과에 대하여 설명하기로 한다.
비교대상으로 채택된 종래의 직렬형 기어트레인은 도 9에 도시한 것과 같이 케이스(1) 내에 제1유성기어(13)가 설치된 제1캐리어(11), 제1링기어(14), 제1선기어(15)로 이루어진 제1유성기어유닛과; 제2유성기어(23)가 설치된 제2캐리어(21), 제2링기어(24), 제2선기어(25)로 이루어진 제2유성기어유닛과; 제3유성기어(33)가 설치된 제3캐리어(31), 제3링기어(34), 제3선기어(35)로 이루어진 제3유성기어유닛을 3단으로 직렬로 연결하고, 첫째 단인 제1유성기어유닛의 제1캐리어(11)를 입력축(2)에 연결하고, 마지막 단인 제3유성기어유닛의 제3선기어(35)를 헬리컬기어단(40)의 구동기어(41)에 연결하여 출력축(3)을 회전시키는 구성으로 이루어진다.
그리고, 또 다른 비교대상으로 채택된 종래의 연성형 기어트레인은 도 10에 도시한 것과 같이, 케이스(1) 내에 제1유성기어(13)가 설치된 제1캐리어(11), 제1링기어(14), 제1선기어(15)로 이루어진 제1유성기어유닛과; 제2유성기어(23)가 설치된 제2캐리어(21), 제2링기어(24), 제2선기어(25)로 이루어진 제2유성기어유닛과; 제3유성기어(33)가 설치된 제3캐리어(31), 제3링기어(34), 제3선기어(35)로 이루어진 제3유성기어유닛을 3단으로 배치하되, 제1캐리어(11)를 입력축(2)에 연결하고, 상기 제2캐리어(21)를 제1연결부재(51)를 이용하여 제3링기어(34)에 연결하며, 상기 제2링기어(24)를 제2연결부재(52)로 제3선기어(35)에 연결하고, 둘째 단인 상기 제2유성기어유닛의 제2선기어(25)를 헬리컬기어단(40)의 구동기어(41)와 연결하여 출력축(3)을 회전시키는 구성으로 이루어진다.
표 1은 성능비교에 사용된 해상풍력발전기의 설계 사양을 나타내며, 표 2는 전술한 본 발명에 따른 기어트레인의 실시예들(실시예1~실시예6)과 상기 도 9 및 도 10에 도시된 직렬형 및 연성형 기어트레인의 중량, 동력밀도, 수명시간 및 외곽직경을 비교한 결과를 나타낸 것이다.
정격동력(MW) 레이드 반경(m) 어트레인
정력입력속도(rpm)		 속도비
1000 ~ 1800
5 56.8 12.1 82.6 ~ 148.6
모델명 중량
(ton)		 동력밀도
(KW/ton)		 99% 수명시간
(yr)		 케이스 외곽 직경
(m)
직렬형 67.7 73.9 37.3 2.7
연성형 73.3 68.2 19.0 2.3
본 발명 실시예1 33.8 148.1 23.4 1.9
실시예2 31.3 159.9 28.9 1.9
실시예3 27.6 181.2 18.2 2.0
실시예4 29.6 169.2 25.7 1.9
실시예5 28.0 178.3 23.0 1.9
실시예6 25.6 195.5 23.7 1.9
표 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 기어트레인들은 비교대상인 직렬형 및 연성형 기어트레인에 비하여 중량에서 약 50% 정도의 감량 효과를 얻었으며, 동력밀도는 약 120% 정도 증가했다. 또한, 99% 수명시간은 20년을 상회하거나 20년에 근접하였으며, 케이스의 외곽 직경에 있어서도 약 30% 정도의 축소 효과를 얻었다.
101 : 케이스 102 : 입력축
103 : 출력축 111 : 제1캐리어
112 : 제1축 113 : 제1유성기어
114 : 제1링기어 115 : 제1선기어
121 : 제2캐리어 122 : 제2축
123 : 제2유성기어 124 : 제2링기어
125 : 제2선기어 131 : 제3캐리어
132 : 제3축 133 : 제3유성기어
134 : 제3링기어 135 : 제3선기어
140 : 헬리컬기어단 141 : 구동기어
142 : 종동기어 151~153 : 제1~3 연결부재
160 : 고속축

Claims (8)

  1. 케이스와, 상기 케이스의 전단부에서 풍력발전장치의 회전 블레이드의 주축과 연결되는 입력축과, 상기 케이스 내부에 3단으로 구성되며 각각이 링기어와, 선기어, 그리고 유성기어가 장착된 캐리어를 구성요소로 하는 제1유성기어유닛과 제2유성기어유닛과 제3유성기어유닛과, 상기 케이스의 후단부에서 풍력발전장치의 발전기의 입력축과 연결되는 출력축을 포함하는 풍력발전장치용 기어트레인에 있어서,
    상기 제1유성기어유닛(PGU1)의 제1,2,3 구성요소(A1, A2, A3) 중 제1 구성요소(A1)와 제2유성기어유닛(PGU2)의 제1,2,3 구성요소(B1, B2, B3) 중 제1 구성요소(B1)를 서로 연결하여 결합요소1을 구성하고, 제1유성기어유닛(PGU1)의 제2 구성요소(A2)와 제2유성기어유닛의 제2구성요소(B2)를 서로 연결하여 결합요소2를 구성하고, 입력 주축(i)을 상기 결합요소1과 연결하며, 제2유성기어유닛(PGU2)의 제3 구성요소(B3)를 제3유성기어유닛(PGU3)의 제1,2,3 구성요소(C1, C2, C3) 중 제1구성요소(C1)와 연결하고, 상기 결합요소2와 제3유성기어유닛(PGU3)의 제2 구성요소(C2)를 서로 연결하고, 제1유성기어유닛(PGU1)의 제3 구성요소(A3)를 케이스에 연결하고, 제3유성기어유닛(PGU3)의 제3 구성요소(C3)를 출력축(o)에 연결한 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 풍력발전장치용 기어트레인.
  2. 제1항에 있어서, 상기 케이스의 후방부에 구동기어 및, 이 구동기어에 치합되며 중앙부에 상기 출력축이 결합되어 있는 종동기어로 구성된 헬리컬기어단이 추가로 구성되며, 상기 제3유성기어유닛의 제3 구성요소(C3)는 고속축에 의해 상기 헬리컬기어단의 구동기어와 연결되어 헬리컬기어단을 통해 출력축에 회전력을 전달하는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치용 기어트레인.
  3. 제2항에 있어서, 상기 기어트레인은, 케이스(101)의 전방에서부터 차례대로 제1유성기어유닛과 2유성기어유닛 및 제3유성기어유닛이 3단으로 배열되되, 제1유성기어유닛의 제1링기어(114)와 제2유성기어유닛의 제2캐리어(121)를 서로 연결하여 결합요소1을 구성하고, 제1유성기어유닛의 제1선기어(115)와 제2유성기어유닛의 제2링기어(124)를 서로 연결하여 결합요소2를 구성하며, 제1유성기어유닛의 제1캐리어(111)는 케이스(101)에 고정시키고, 상기 결합요소1의 일단에 입력축(102)을 연결하고, 제2유성기어유닛의 제2선기어(125)는 제3유성기어유닛의 제3링기어(134)와 연결하고, 상기 결합요소2와 제3유성기어유닛의 제3캐리어(131)와 연결하고, 제3유성기어유닛의 제3선기어(135)는 헬리컬기어단(140)의 구동기어(141)와 연결하고, 헬리컬기어단의 종동기어(142)는 출력축(103)과 연결한 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 풍력발전장치용 기어트레인.
  4. 제2항에 있어서, 상기 기어트레인은, 케이스(201)의 전방에서부터 제2유성기어유닛, 제3유성기어유닛, 제1유성기어유닛 순으로 3단으로 배열되되, 셋째 단에 배치된 제1유성기어유닛의 제1링기어(214)와 첫째 단에 배치된 제2유성기어유닛의 제2캐리어(221)를 서로 연결하여 결합요소1을 구성하고, 제1유성기어유닛의 제1선기어(215)와 제2유성기어유닛의 제2링기어(224)를 서로 연결하여 결합요소2를 구성하며, 제1유성기어유닛의 제1캐리어(211)는 케이스(201)에 고정시키고, 상기 결합요소1에 입력축(202)을 연결하고, 제2유성기어유닛의 제2선기어(225)는 제3유성기어유닛의 제3캐리어(231)와 연결하고, 상기 결합요소2와 제3유성기어유닛의 제3링기어(234)를 연결하고, 제3유성기어유닛의 제3선기어(235)는 헬리컬기어단(240)의 구동기어(241)와 연결하고, 헬리컬기어단의 종동기어(242)는 출력축(203)과 연결한 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 풍력발전장치용 기어트레인.
  5. 제2항에 있어서, 상기 기어트레인은, 케이스(301)의 전방에서부터 제2유성기어유닛, 제3유성기어유닛, 제1유성기어유닛 순으로 3단으로 배열되되, 셋째 단에 배치된 제1유성기어유닛의 제1링기어(314)와 첫째 단에 배치된 제2유성기어유닛의 제2링기어(324)를 서로 연결하여 결합요소1을 구성하고, 제1유성기어유닛의 제1선기어(315)와 제2유성기어유닛의 제2캐리어(321)를 서로 연결하여 결합요소2를 구성하며, 제1유성기어유닛의 제1캐리어(311)는 케이스에 고정시키고, 상기 결합요소1에 입력축(302)을 연결하고, 제2유성기어유닛의 제2선기어(325)는 제3유성기어유닛의 제3링기어(334)와 연결하고, 상기 결합요소2와 제3유성기어유닛의 제3선기어(335)를 연결하고, 제3유성기어유닛의 제3캐리어(331)를 헬리컬기어단(340)의 구동기어(341)와 연결하고, 헬리컬기어단의 종동기어(342)는 출력축(303)과 연결한 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 풍력발전장치용 기어트레인.
  6. 제1항에 있어서, 상기 기어트레인은, 케이스(401)의 전방에서부터 차례대로 제1유성기어유닛과 2유성기어유닛 및 제3유성기어유닛이 3단으로 배열되되, 제1유성기어유닛의 제1링기어(414)와 제2유성기어유닛의 제2캐리어(421)를 서로 연결하여 결합요소1을 구성하고, 제1유성기어유닛의 제1선기어(415)와 제2유성기어유닛의 제2링기어(424)를 서로 연결하여 결합요소2를 구성하며, 제1유성기어유닛의 제1캐리어(411)는 케이스(401)에 고정시키고, 상기 결합요소1의 일단에 입력축(402)을 연결하고, 제2유성기어유닛의 제2선기어(425)는 제3유성기어유닛의 제3링기어(434)와 연결하고, 상기 결합요소2와 제3유성기어유닛의 제3캐리어(431)와 연결하고, 제3유성기어유닛의 제3선기어(435)는 출력축(403)과 연결한 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 풍력발전장치용 기어트레인.
  7. 제1항에 있어서, 상기 기어트레인은, 케이스(501)의 전방에서부터 제2유성기어유닛, 제1유성기어유닛, 제3유성기어유닛 순으로 3단으로 배열되되, 둘째 단에 배치된 제1유성기어유닛의 제1링기어(514)와 첫째 단에 배치된 제2유성기어유닛의 제2캐리어(521)를 서로 연결하여 결합요소1을 구성하고, 제1유성기어유닛의 제1선기어(515)와 제2유성기어유닛의 제2링기어(524)를 서로 연결하고여 결합요소2를 구성하며, 제1유성기어유닛의 제1캐리어(511)는 케이스(501)에 고정시키고, 상기 결합요소1에 입력축(502)을 연결하고, 제2유성기어유닛의 제2선기어(525)는 제3유성기어유닛의 제3캐리어(531)와 연결하고, 상기 결합요소2와 제3유성기어유닛의 제3선기어(535)를 서로 연결하고, 제3유성기어유닛의 제3링기어(534)를 출력축(503)과 연결한 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 풍력발전장치용 기어트레인.
  8. 제1항에 있어서, 상기 기어트레인은, 케이스(601)의 전방에서부터 제2유성기어유닛, 제3유성기어유닛, 제1유성기어유닛 순으로 3단으로 배열되되, 셋째 단에 배치된 제1유성기어유닛의 제1링기어(614)와 첫째 단에 배치된 제2유성기어유닛의 제2캐리어(621)를 서로 연결하여 결합요소1을 구성하고, 제1유성기어유닛의 제1선기어(615)와 제2유성기어유닛의 제2링기어(624)를 서로 연결하여 결합요소2를 구성하며, 제1유성기어유닛의 제1캐리어(611)는 케이스에 고정시키고, 상기 결합요소1의 제2캐리어(621)에 입력축(602)을 연결하고, 제2유성기어유닛의 제2선기어(625)는 제3유성기어유닛의 제3캐리어(631)와 연결하고, 상기 결합요소2와 제3유성기어유닛의 제3링기어(634)를 연결하고, 제3유성기어유닛의 제3선기어(635)를 출력축(603)에 바로 연결한 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 풍력발전장치용 기어트레인.
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