KR101307678B1 - 비대칭 베어링 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 외부적으로 작용하는 힘에 의해 주로 유발되는 기계장치 진동의 감소를 위한 엘라스토머릭 베어링 장치에 관한 것이다. 엘라스토머릭 베어링 장치의 공간 구성 및 대칭 구조로 인해, 엘라스토머릭 베어링 장치는 모든 공간 방향에서 발생하는 힘을 최적의 재료 보호로 처리할 수 있다. 본 발명에 따른 베어링은 바람직하게는 풍력 터빈에서 로터/기어박스 유닛을 베드플레이트에 회전 연결시키는데 적합하다. 베어링은 상호작용하는 샌드위치 요소 (5), 원뿔 요소 (3), 원뿔 조각 (4) 및 원통 조각 (4a) 을 구비한다.

Description

비대칭 베어링 장치{ASYMMETRICAL MOUNTING}
본 발명은 외부적으로 작용하는 힘에 의해 주로 유발되는 기계 진동의 감소를 위한 엘라스토머릭 베어링 장치 (elastomeric bearing arrangement) 에 관한 것이다. 엘라스토머릭 베어링 장치의 특별한 구성 및 대칭 구조로 인해, 엘라스토머릭 베어링은 모든 공간 방향에서 발생하는 힘을 최적의 재료 보호로 처리할 수 있다. 본 발명에 따른 베어링은 바람직하게는, 풍력 터빈에서 로터/기어박스 유닛을 베드플레이트 (bedplate) 에 연결하는 부분에 적합하며, 이 연결 부분은 원형 방식으로 배치된다.
다양한 베어링이 이런 목적을 위해 종래기술에 설명되어 있다. 이미 매우 유용한 해결책이 EP 1 593 867 B1 에 설명되어 있지만, 이것은 특별한 커플링을 사용한다. 이런 유형의 베어링은 서로 기대어 있는 2 개의 원뿔 요소 (cone element) 의 인장 (tensioning) 에 의해 형성되고 도 1 에 개략적으로 도시되어 있다. 이런 이중-원뿔 베어링의 경우에 있어서의 힘 전달은 2 개의 인장된 직경방향 원뿔 베어링 (10) 을 통해 기어박스 플랜지 (2) 로부터 베드플레이트 (1) 로 일어나며, 이 2 개의 인장된 직경방향 원뿔 베어링 (10) 은 한쪽으로 (unilaterally) 지지되고 원뿔 조각 (8) 및 (9) 에 의해 사전-인장된다. 사전-인장은 스크류 (7) 에 의해 실행된다. 상기 시스템은 완벽한 힘 전달을 허용하지만 여전히 이하의 단점을 가진다: 예컨대, 모든 베어링에서 반경방향 힘에 의해 각각의 경우에 이들 베어링에 의해 전달되는 로터 축선을 중심으로 한 비틀림 모멘트의 도입시, 각각의 원뿔 베어링의 중심에서 원뿔 요소 (10) 의 경우에 반경방향 힘이 작용하고, 따라서 결과적인 반경방향 힘이 대략 2 개의 원뿔 (8, 9) 사이의 중심에서 작용한다. 이는, 2 개의 원뿔 (8, 9) 과 기계장치 플랜지 (1) 사이에서 전달되어야 하는 굽힘 모멘트를 일으킨다. 이 모멘트의 전달은, 분리면 (11) 및 원뿔 (8) 과 플랜지 (1) 사이의 분리면, 그리고 스크류 연결부 (7) 를 통해 일어난다. 스크류 연결부가 손상되지 않도록 하기 위해서, 분리면과 스크류 연결부의 결과적인 부하상태 (loading) 는 접촉면 및 스크류 연결부의 충분히 큰 치수화 (dimensioning) 를 필요로 한다. 이는 시스템의 물리적인 크기가 전체적으로 크게 증가하는 결과를 가지고 올 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기 단점, 특히 스크류 연결부 (7) 및 원뿔 (8, 9) 의 영역에서 발생하는 굽힘 모멘트를 회피하거나 적어도 크게 감소시키고, 동시에 EP 1 593 867 B1 에 설명된 바와 같은 최적화된 진동 감소의 이점을 보장하는 상기 목적을 위한 베어링을 제공하는 것이다.
이 목적은 이하에서 설명되고 청구항에 의해 명기되는 바와 같이 본 발명에 의해 달성되었다. 본 발명에 따른 베어링 장치는 도 2 및 도 3 에 도식적으로 나타나 있다.
도 1 은 원형 방식으로 배치된 종래의 요소이다.
도 2 는 본 발명에 다른 요소의 원형 배치이다.
도 3 은 본 발명에 따른 베어링의 단면도이다.
따라서, 본 발명은 모든 공간 방향, 특히 축방향 및 반경방향에서 발생하는 힘 및 모멘트의 전달을 위한 그리고 발생하는 진동의 감소 또는 차단을 위한 탄성 기계장치 또는 기어박스 베어링에 관한 것이며, 이 탄성 기계장치 또는 기어박스 베어링은 축방향으로 배향된 엘라스토머릭 샌드위치 요소 (5) 및 엘라스토머릭 원뿔 요소 (3) 를 포함하고, 이 엘라스토머릭 원뿔 요소 (3) 는 샌드위치 요소 (5) 의 위 또는 아래에 설치되고 이 엘라스토머릭 원뿔 요소 (3) 의 축선은 샌드위치 요소 (5) 에 대해 수직하게 배향되고 또한 이 엘라스토머릭 원뿔 요소 (3) 의 테이퍼진 단부는 이 샌드위치 요소 (5) 에 대항하여 위치되고, 요소 (3) 및 (5) 는 원뿔 요소 (3) 에 의해 동심으로 둘러싸이는 원뿔 조각 (4) 및 샌드위치 요소 (5) 에 의해 동심으로 둘러싸이는 원통 조각 (4a) 에 의해 서로 연결되며, 요소 (3), (5), (4), (4a) 각각은, 엘라스토머릭 요소 (3) 과 (5) 사이에 삽입되며 일반적으로 클램핑 플랜지로서 작용하는 기계장치 부품 (2) 을 요소 (3) 아래에 설치되며 부착 플랜지로서 작용하는 기계장치 부품 (1) 에 클램핑하기 위한 클램핑 볼트 또는 클램핑 스크류 (7) 의 수용을 위한 중심에 축방향으로 배향된 구멍을 구비한다.
본 발명에 따르면, 탄성적인 힘-전달 모멘트는 이제 탄성 원뿔 요소 (3) 및 거기에 축방향으로 클램핑되는 탄성 샌드위치 요소 (5) 로 구성된다. 원뿔 요소 (3) 가 축방향 힘 및 반경방향 힘을 전달하는 반면, 샌드위치 요소 (5) 는 실질적으로 오직 축방향 힘만을 전달한다. 본 발명에 따른 베어링에 작용하는 결과적인 총 힘은 이제 넓혀진 단면을 가지는 원뿔 조각 (4) 의 영역에 작용하고, 그 결과 형성된 굽힘 모멘트는 이 정도로 좁은 연결 조각 (4a) 또는 클램핑 수단 (7) 에 더 이상 작용하지 않고 더 이상 부착의 느슨해짐 또는 재료 피로를 유발시키지 않는다.
본 발명에 따르면, 샌드위치 요소 (5) 의 강성은 원뿔 요소 (3) 의 반경방향 강성보다 대략 2 ~ 100, 바람직하게는 10 ~ 100, 특히 50 ~ 100 배 더 작다.
베어링에 있어서의 반경방향 힘 전달은 또한 반경방향 강성비에 따라 일어난다. 따라서, 샌드위치 요소 (5) 에서 전달되는 반경방향 힘의 약 2 ~ 100 배가 원뿔 요소 (3) 에서 전달된다. 샌드위치 요소 (5) 에 있어서의 반경방향 힘 전달은 따라서 무시될 수 있다. 이는 큰 굽힘 모멘트가 원뿔 조각 (4) 에서 전달되지 않아도 되고, 이는 원뿔 조각 (4) 에 인접해 있으며 클램핑 수단 (7) 이 또한 통해 지나가는 원통 조각 (4a) 에서의 부하의 완화를 가져오고, 그 결과 원뿔 조각 (4) 및 클램핑 수단은 단지 인장 및 압축력 발생을 위해서만 치수가 정해져야 하는 결과를 가져온다.
또한, 원뿔 조각 (4) 으로부터 부착 플랜지 (1) 로의 부하의 도입은, 실질적으로 순수한 전단이 여기에서 전달되어야 하고 굽힘 모멘트는 도 1 에 따른 종래의 설계에서보다 상당히 더 작다는 사실에 의해 단순화된다. 본 발명의 실시형태에서, 원뿔 조각 (4) 및 부착 플랜지 (1) 는 또한 단일 구성품으로 된 일체형 구성요소일 수 있다.
대체로, 원뿔 조각 (4) 및 원통 조각 (4a) 은 또한 단일 작업물일 수 있다.
따라서, 2 개의 요소는 축방향으로 서로 클램핑된다. 2 개의 요소는 축방향으로 동일한 강성을 가질 수 있지만, 이는 절대적으로 필요한 것은 아니다. 그러나, 원뿔 요소 (3) 는 샌드위치 요소 (5) 보다 반경 방향으로 상당히 더 큰 강성을 가진다.
샌드위치 요소의 경우에 있어서의 사전-인장 및 축방향 힘 전달은 압력 플레이트 (6) 를 통해 일어나는 것이 바람직하고, 이 압력 플레이트 (6) 에는 클램핑 볼트 또는 클램핑 스크류 (7) 를 수용할 수 있는 구멍이 제공된다.
본 발명은 따라서 샌드위치 요소 (5) 와 직접적 또는 간접적 접촉을 하는 압력 플레이트를 구비하는 대응하는 베어링에 관한 것이다.
특별한 실시형태에서, 압력 플레이트 (6) 및 샌드위치 요소 (5) 는 구조 유닛을 형성한다.
또한, 전체 베어링 요소에 걸친 힘 분포는 고정된 비탄성 원뿔형 원뿔 조각 (4) 이 간단한 원뿔 표면에 의해 형성되지 않고 대신 볼록한 굴곡부를 가지는 경우에 특히 유리하다는 것을 알아냈다. 상기 효과는, 엘라스토머릭 원뿔 요소 (3) 또한 내측 및 바람직하게는 외측에서도 대응하는 오목한 굴곡부를 가져, 엘라스토머릭 원뿔 요소 (3) 의 내측 표면이 원뿔 조각 (4) 의 외측 표면에 정확한 맞춤으로 놓일 수 있는 경우에 더 강화될 수 있다.
추가의 실시형태에서, 원통 조각 (4a) 을 가지는 원뿔 조각 (4) 이 구조 유닛을 형성할 수 있다.
본 발명은 따라서, 원뿔 조각 (4) 이, 원뿔 요소 (3) 의 내측 표면이 놓이는 볼록한 굴곡부를 가지는 표면을 가지는 대응하는 베어링에 관한 것이다. 추가의 실시형태에서, 구성품 (3) 및 (4) 는 다시 본 발명에 따라 단일 구조 유닛을 형성하도록 조합될 수 있다.
본 발명은 또한, 원뿔 요소 (3) 의 내측 표면이 오목한 굴곡부를 가지고, 바람직하게는 또한 원뿔 요소 (3) 의 외측 표면도 오목한 굴곡부를 가지는 대응하는 베어링에 관한 것이다.
엘라스토머 요소 (3) 및 (5) 는 1 이상의 엘라스토머 층을 갖는다. 일반적으로, 엘라스토머 요소는 본질적으로 적어도 2 개의 엘라스토머 층으로 구성되고, 이 엘라스토머 층은 강성적인 내부층 (interlayer), 일반적으로는 금속 플레이트에 의해 분리된다. 엘라스토머 요소는 대응하는 중간 플레이트 또는 내부층을 가지는 3 개 내지 5 개의 알라스토머릭 층으로 구성되는 것이 바람직하다. 엘라스토머 요소는 마찬가지로 강성적인 층/플레이트에 의해 외측에서 종료된다.
본 발명에 따른 베어링에 사용된 엘라스토머 재료는 본질적으로 천연 고무, 천연 고무 유도체, 또는 적절한 탄성 중합 플라스틱 또는 플라스틱 혼합물로 구성된다. 본 발명에 따르면, 엘라스토머 층은 원하는 요건에 대응하는 상이한 경도 ("쇼어 경도") 및 상이한 감쇠 특성 (damping property) 을 가질 수 있다. 20 내지 100 쇼어 A, 특히 30 내지 80 쇼어 A 의 경도를 가지는 엘라스토머가 사용되는 것이 바람직하다. 상이한 경도의 이러한 엘라스토머의 조제는 종래기술에 알려져 있으며 관련 문헌에 충분히 설명되어 있다.
본 발명에 따르면, 강성적인 중간 플레이트 또는 내부층은 높은 강성, 높은 강도 및 낮은 압축성을 가지는 재료로 만들어진다. 이 재료는 금속 시트인 것이 바람직하지만, 경질 플라스틱, 복합 재료 또는 탄소 섬유-함유 재료와 같은 다른 재료 또한 사용될 수 있다. 중간 금속 시트 및 엘라스토머 재료는 일반적으로 가황 (vulcanization) 동안 서로 연결된다.
본 발명에 따른 베어링의 원뿔 요소 (3) 는 스크류삽입 방향의 반대 방향 또는 스크류삽입 방향으로 기구 축선 (a) 또는 클램핑 요소 (7) 의 축선에 대해 10 ~ 50 °의 원뿔 각을 가져야 한다. 원뿔 요소 (3) 는 25 ~ 50 °의 원뿔 각을 갖는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 베어링은 다목적으로 쓰이며 상이한 방식으로 사용될 수 있다. 이른바 일측성 베어링 장치로서, 상기 베어링은 특히 로터 축, 기어박스 또는 로터/기어박스 유닛 및 베드플레이트 사이의 회전 탄성 연결을 만들기 위해서 풍력 터빈에 특히 적절하다.
그러나, 상기 베어링은 본원에 언급된 엘라스토머 베어링 대신 EP 1 593 867 B1 에 설명된 바와 같은 커플링에서 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 베어링은 또한, 추가적으로 단순화를 일으키는, EP 1 065 374 B1 에 설명된 바와 같은 풍력 터빈의 타워 디커플링으로서 사용될 수 있다.
설명된 구성을 가지는 플랜지 사이의 굽힘 모멘트가 감소될 수 있고 스크류 힘이 따라서 감소될 수 있다는 점에서 EP 1 065 374 B1 에 따른 기계장치 풋 (machine foot) 을 향상시키는 것이 마찬가지로 가능하다.
1 부착 플랜지
2 클램핑 플랜지
3 엘라스토머릭 원뿔 요소
4 원뿔 조각
4a 원통 조각
5 엘라스토머릭 샌드위치 요소
6 압력 플레이트
7 클램핑 수단 (스크류/볼트)
8 원뿔 조각 클램핑 측
9 한쪽으로 지지된 원뿔 조각
10 대칭적인 엘라스토머릭 원뿔 베어링
11 원뿔 사이의 분리

Claims (17)

  1. 모든 공간 방향에서 발생하는 힘, 모멘트 및 진동의 전달 및 감쇠를 위한 기계장치 또는 기어박스의 탄성 베어링으로서, 축방향으로 배향된 엘라스토머릭 샌드위치 요소 (5) 및 엘라스토머릭 원뿔 요소 (3) 를 포함하고, 이 엘라스토머릭 원뿔 요소 (3) 는 샌드위치 요소 (5) 의 위 또는 아래에 설치되고 이 엘라스토머릭 원뿔 요소 (3) 의 축선은 샌드위치 요소 (5) 에 대해 수직하게 배향되고 또한 이 엘라스토머릭 원뿔 요소 (3) 의 테이퍼진 단부는 이 샌드위치 요소 (5) 에 대항하여 위치되고, 상기 원뿔 요소 (3) 및 상기 샌드위치 요소 (5) 는 원뿔 요소 (3) 에 의해 동심으로 둘러싸이는 원뿔 조각 (4) 및 샌드위치 요소 (5) 에 의해 동심으로 둘러싸이는 원통 조각 (4a) 에 의해 서로 연결되며, 상기 요소들 (3), (5), (4), (4a) 각각은, 상기 엘라스토머릭 원뿔 요소 (3) 와 상기 엘라스토머릭 샌드위치 요소 (5) 사이에 지탱되는 클램핑 플랜지 (2) 를 상기 원뿔 요소 (3) 아래에 설치되는 부착 플랜지 (1) 에 클램핑하기 위한 클램핑 볼트 또는 클램핑 스크류 (7) 의 수용을 위한 중심에 축방향으로 배향된 구멍을 구비하는 기계장치 또는 기어박스의 탄성 베어링.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 원뿔 요소 (3) 는 상기 샌드위치 요소 (5) 보다 반경 방향으로 더 큰 강성을 가지는 것을 특징으로 하는 기계장치 또는 기어박스의 탄성 베어링.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 샌드위치 요소 (5) 와 압력 플레이트 (6) 가 구조 유닛을 형성하는 것을 특징으로 하는 기계장치 또는 기어박스의 탄성 베어링.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 원뿔 조각 (4) 및 엘라스토머릭 원뿔 요소 (3) 는 단일 구성품인 것을 특징으로 하는 기계장치 또는 기어박스의 탄성 베어링.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 요소 (4) 및 (4a) 는 단일 구성품인 것을 특징으로 하는 기계장치 또는 기어박스의 탄성 베어링.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 원뿔 조각 (4) 및 부착 플랜지 (1) 는 단일 구성품인 것을 특징으로 하는 기계장치 또는 기어박스의 탄성 베어링.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 클램핑 수단 (7) 의 수용을 위한 중심 구멍을 구비하는 압력 플레이트 (6) 가 샌드위치 요소 (5) 의 외측에 설치되는 것을 특징으로 하는 기계장치 또는 기어박스의 탄성 베어링.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 원뿔 조각 (4) 은 원뿔 요소 (3) 의 내측 표면이 놓이는 볼록한 굴곡부를 가지는 표면을 가지는 것을 특징으로 하는 기계장치 또는 기어박스의 탄성 베어링.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 원뿔 요소 (3) 의 내측 표면은 오목한 굴곡부를 가지는 것을 특징으로 하는 기계장치 또는 기어박스의 탄성 베어링.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 원뿔 요소 (3) 의 외측 표면 또한 오목한 굴곡부를 가지는 것을 특징으로 하는 기계장치 또는 기어박스의 탄성 베어링.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 원뿔 요소 (3) 및 상기 샌드위치 요소 (5) 는 하나의 비탄성 내부층에 의해 각각 분리되어 있는 하나 이상의 엘라스토머 층을 구비하는 것을 특징으로 하는 기계장치 또는 기어박스의 탄성 베어링.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 원뿔 요소 (3) 는 스크류삽입 방향에서 클램핑 요소 (7) 의 축선에 대해 10 ~ 50 °의 원뿔 각을 가지는 것을 특징으로 하는 기계장치 또는 기어박스의 탄성 베어링.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 원뿔 각은 25 ~ 35 °인 것을 특징으로 하는 기계장치 또는 기어박스의 탄성 베어링.
  14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 원뿔 요소 (3) 는 스크류삽입 방향의 반대 방향에서 클램핑 요소 (7) 의 축선에 대해 10 ~ 50 °의 원뿔 각을 가지는 것을 특징으로 하는 기계장치 또는 기어박스의 탄성 베어링.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 원뿔 각은 25 ~ 35 °인 것을 특징으로 하는 기계장치 또는 기어박스의 탄성 베어링.
  16. 모든 공간 방향에서 서로에 대해 이동하는 장치 부품의 진동력을 감쇠시키기 위한 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 기계장치 또는 기어박스의 탄성 베어링의 사용 방법.
  17. 풍력 터빈에서 기어박스, 로터 축 또는 로터/기어박스 유닛 및 베드플레이트 사이의 회전 탄성 연결을 위한 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 기계장치 또는 기어박스의 탄성 베어링의 사용 방법.
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