KR101418415B1 - 풍력 발전기의 주축과 기어 박스의 연결 구조체 - Google Patents

풍력 발전기의 주축과 기어 박스의 연결 구조체 Download PDF

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Abstract

풍력 발전기의 주축과 기어 박스의 연결 구조체가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 연결 구조체는, 풍력 발전기의 주축의 일측 단부와 기어 박스의 샤프트의 일측 단부를 서로 연결하는 풍력 발전기의 주축과 기어 박스의 연결 구조체로서, 주축의 일측 단부의 원주 방향으로 배열되되 주축의 회전축 방향으로 돌출된 제 1 톱니부 및 제 1 톱니부와 치합되며 샤프트의 일측 단부의 원주 방향으로 배열된 제 2 톱니부를 포함한다.

Description

풍력 발전기의 주축과 기어 박스의 연결 구조체{CONNECTION STRUCTURE BETWEEN MAIN SHAFT AND GEAR BOX FOR WIND TURBINE}
본 발명은 풍력 발전기의 주축과 기어 박스의 샤프트를 서로 연결하는 연결 구조체에 관한 것이다.
일반적으로 풍력 발전기(10)는 도 1에 나타난 바와 같이 복수의 블레이드(11), 상기 블레이드의 회전 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기(16)가 설치된 너셀(17) 및 상기 너셀을 지지하는 타워(18)를 포함한다.
그리고, 블레이드에 연결되어 회전하는 주축(main shaft, 14)은 저속의 블레이드 회전수를 발전기용 고속 회전으로 변환하는 기어 박스(gear box, 15)에 연결된다(도 1의 A 영역 참조). 이 때, 주축(14)는 기어 박스의 샤프트와 연결되어 블레이드의 회전력이 기어 박스의 샤프트에 전달된다.
종래에는 주축과 기어 박스의 샤프트를 서로 연결하기 위해 주축 및 샤프트의 단부에 플렌지(flange)를 형성 또는 쉬링크 디스크(shrink disc)를 적용 하여 볼트 및 너트 등의 체결 부재를 이용하여 상호 결합시켰다.
그러나, 종래의 플렌지 또는 쉬링크 디스크를 이용한 주축과 기어 박스의 샤프트의 연결 구성은 설치 및 유지 보수시 많은 비용이 발생하거나, 많은 시간이 소요된다. 또한, 주축으로부터 주축의 회전축 방향으로 전달되는 외력 또는 하중이 기어 박스에 직접 전달되는 문제점이 있었다.
본 발명의 일 실시예는 풍력 발전기의 주축으로부터 기어 박스로 전달되는 충격 하중을 차단하고, 주축과 기어 박스를 용이하게 연결하는 풍력 발전기의 주축과 기어 박스의 연결 구조체를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 풍력 발전기의 주축의 일측 단부와 기어 박스의 샤프트의 일측 단부를 서로 연결하는 풍력 발전기의 주축과 기어 박스의 연결 구조체로서, 상기 주축의 상기 일측 단부의 원주 방향으로 배열되되 상기 주축의 회전축 방향으로 돌출된 제 1 톱니부 및 상기 제 1 톱니부와 치합되며 상기 샤프트의 상기 일측 단부의 원주 방향으로 배열된 제 2 톱니부를 포함하는, 풍력 발전기의 주축과 기어 박스의 연결 구조체가 제공된다.
서로 마주보는 상기 제 1 톱니부와 상기 제 2 톱니부 사이에 상기 회전축 방향으로 일정한 간극이 형성되도록 상기 제 1 톱니부와 상기 제 2 톱니부가 배치되는, 풍력 발전기의 주축과 기어 박스의 연결 구조체.
이 때, 상기 제 1 톱니부 및 상기 제 2 톱니부는 복수의 톱니로 포함하되, 각각의 톱니는 사각 형상으로 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 간극은 5 ~ 10 mm 일 수 있다.
한편, 상기 제 1 톱니부와 상기 제 2 톱니부가 상기 제1 및 제2 톱니부가 배열된 상기 원주 방향으로 서로 밀착되도록 배치될 수 있다.
한편, 상기 제1 및 제2 톱니부가 배열된 상기 원주 방향으로 서로 마주보는 상기 제 1 톱니부와 상기 제 2 톱니부 사이에 삽입되는 판상의 삽입 부재를 더 포함할 수 있다.
이 때, 서로 치합된 상기 제 1 톱니부와 상기 제 2 톱니부의 외주면을 둘러싸는 덮개를 더 포함할 수 있다.
이 때, 상기 덮개는 한 쌍의 반원링으로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 제 1 톱니부 또는 상기 제 2 톱니부의 일 측면에 상기 제1 및 제2 톱니부가 배열된 상기 원주 방향으로 연장된 걸림부가 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 주축과 기어 박스의 연결 구조체를 이용하면, 주축으로부터 기어 박스로 전달되는 충격 하중을 차단하고, 주축과 기어 박스를 용이하게 연결할 수 있다.
도 1은 일반적인 풍력 발전기의 측면 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 주축과 기어 박스의 연결 구조체에 관한 사시도이다.
도 3은 제 1 톱니부와 제 2 톱니부 사이에 형성된 간극에 관한 부분 확대도이다.
도 4는 제 1 톱니부와 제 2 톱니부 사이에 삽입 부재가 삽입 고정되는 과정이다.
도 5는 제 2 톱니부에 형성된 걸림부에 관한 부분 확대도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시에에 따른 풍력 발전기의 연결 구조체에 덮개가 설치된 사시도이다.
도 7은 덮개의 분해 사시도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 주축과 기어 박스의 연결 구조체에 관한 사시도이다. 도 3은 제 1 톱니부와 제 2 톱니부 사이에 형성된 간극에 관한 부분 확대도이다. 도 4는 제 1 톱니부와 제 2 톱니부 사이에 삽입 부재가 삽입 고정되는 과정이다. 도 5는 제 2 톱니부에 형성된 걸림부에 관한 부분 확대도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 주축과 기어 박스의 연결 구조체는, 주축으로부터 전달되는 회전력을 기어 박스로 연결하기 위해 주축(14)의 일측 단부와 기어 박스의 샤프트(19)의 일측 단부를 서로 연결하는 연결 구조체로서, 제 1 톱니부(110) 및 제 2 톱니부(130)를 포함한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 제 1 톱니부(110)는 주축(14)의 일측 단부에 형성된다. 그리고, 제 1 톱니부(110)는 주측(14)의 상기 일측 단부의 원주 방향으로 배열된다.
이 때, 제 1 톱니부(110)는 주축(14)의 회전축의 연장 방향으로 돌출된 톱니 형상으로 이루어진다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 톱니부(110)는 복수의 톱니로 이루어진다.
이 때, 제 1 톱니부(110)를 이루는 복수의 톱니는 도 2에 도시된 바와 같이, 사각 형상으로 이루어질 수 있다. 즉, 복수의 톱니가 사각 형상을 이루며 주축(14) 단부의 원주 방향으로 배열된다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 제 1 톱니부(110)뿐만 아니라, 후술할 제 2 톱니부(130)의 복수의 톱니도 사각 형상으로 이루어진다. 제 1 톱니부(110) 및 제 2 톱니부(130)의 복수의 톱니가 사각 형상으로 이루어지는 것은, 주축으로부터 전달되는 외력에 의한 충격 하중 등이 기어 박스로 전달되는 것을 차단하기 위함이다. 이와 관련된 자세한 설명은 후술하기로 한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 2 톱니부(130)는 주축(14)로부터 전달되는 회전력을 기어 박스(15)로 전달하는 샤프트(19)의 일측 단부에 형성된다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 톱니부(110)과 마주보는 샤프트(19)의 단부측에 배열된다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 제 2 톱니부(130)는 기어 박스의 샤프트(19)의 상기 일측 단부에 형성된다. 그리고, 제 2 톱니부(130)는 제 1 톱니부(110)와 마찬가지로, 샤프트(19)의 상기 일측 단부의 원주 방향으로 배열된다.
이 때, 제 2 톱니부(130)는 샤프트(19)의 회전축의 연장 방향으로 돌출된 톱니 형상으로 이루어진다. 또한, 제 2 톱니부(130)는 복수의 톱니로 이루어진다.
이 때, 제 2 톱니부(130)를 이루는 복수의 톱니는 제 1 톱니부(110)와 마찬가지로, 사각 형상으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 톱니부(110) 및 제 2 톱니부(130)는 주축(14)의 회전력이 기어 박스(15)로 원활하게 전달되도록 서로 치합 가능하게 배열된다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 톱니부(110)와 제 2 톱니부(130)의 복수의 톱니는, 제 1 톱니부(110)의 톱니와 톱니 사이에 제 2 톱니부(130)의 톱니가 위치하도록 배열된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 서로 마주보는 제 1 톱니부(110)와 제 2 톱니부(130) 사이에 주축(14)의 회전축의 연장 방향으로 일정한 간극(T1, T2)이 형성되도록, 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 톱니부(110)와 제 2 톱니부(130)가 배치된다.
이 때, 제 1 톱니부(110)와 제 2 톱니부(130) 사이에 간극(T1, T2)이 형성됨으로써, 주축(14)으로부터 전달되는 외력에 의한 하중 등이 기어 박스로 전달되는 것을 차단할 수 있다. 즉, 주축을 회전시키는 블레이드를 통해 전달되는 강한 바람 등에 의한 외력이나 주축 자체 하중이 기어 박스로 전달되는 것을 차단할 수 있다.
보다 상세히, 풍력 발전기의 주축(14)은 허브(12, 도 1 참조)와 기어박스(15) 사이에 위치하는 지지 베어링(미도시)에 의해 회전 가능하도록 지지된다. 이 때, 주축(14)은 외력 등에 의해 주축의 회전축의 연장 방향으로 일정한 길이만큼 이동 가능하도록 지지 베어링에 의해 지지될 수 있다. 이하, 주축이 주축(14)의 회전축의 연장 방향으로 이동 가능한 거리를 이동 거리(G, 미도시)라 정의한다.
이 경우, 주축(14)이 외력 등에 의해 주축의 회전축의 연장 방향으로 이동하더라도, 제 1 톱니부(110)와 제 2 톱니부(130) 사이에 이동 거리(G)보다 큰 길이의 간극(T1, T2)이 구비됨으로써, 주축을 통해 전달되는 외력이 기어 박스로 전달되지 않게 된다.
즉, 주축(14)과 샤프트(19) 사이에 형성된 간극(T1, T2)에 의해, 주축(14)의 단부와 기어 박스의 샤프트(19)의 단부가 서로 접촉되지 않으므로, 블레이드를 통해 주축(14)으로 전달된 외력 등이 기어 박스로 전달되지 않는다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에서, 제 1 톱니부(110)와 제 2 톱니부(130)의 톱니의 형상이 도 3에 도시된 바와 같이 사각 형상으로 이루어져, 주축의 원주 방향으로 서로 마주보는 제 1 톱니부(110)의 톱니와 제 2 톱니부(130)의 톱니가 주축의 회전축의 연장 방향과 이루는 각도가 0 도를 이룬다. 이에 따라, 주축을 따라 전달되는 외력에 의한 하중 등이 기어 박스로 전달되는 것을 차단할 수 있다.
이 때, 주축의 원주 방향으로 서로 마주보는 제 1 톱니부(110)의 톱니와 제 2 톱니부(130)의 톱니가 주축의 회전축의 연장 방향과 이루는 각도가 0 도가 아닌 일정한 각도를 이루는 경우, 주축으로부터 전달되는 외력에 의한 하중 등이 기어 박스로 전달되는 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 제 1 톱니부(110)와 제 2 톱니부(130)의 톱니는 사각 형상으로 이루어지는 것에 한정되지 않고, 전술한 바와 같이 주축의 원주 방향으로 서로 마주보는 제 1 톱니부(110)의 톱니와 제 2 톱니부(130)의 톱니가 주축의 회전축의 연장 방향과 이루는 각도가 0 도를 이루는 다른 형상의 톱니도 가능하다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 톱니부(110)와 제 2 톱니부(130) 사이에 형성된 간극(T1, T2)은 5 ~ 10 mm 일 수 있다. 간극(T1, T2)의 크기는 전술한 바와 같이 주축(14)의 회전축의 연장 방향의 이동 거리(G)보다 크게 형성된다. 예를 들어, 풍력 발전기의 주축(14)의 이동 거리(G)가 3 mm 이상 5 mm 미만 정도로 형성되는 경우, 제 1 톱니부(110)와 제 2 톱니부(130)가 서로 닿지 않도록 상기 크기의 간극(T1, T2)을 가질 수 있다.
그러나, 간극의 크기는 이에 한정되지 않고, 풍력 발전기의 크기에 따라 변할 수 있는 주축(14)의 회전축의 연장 방향의 이동 거리(G)에 따라, 이동 거리(G)보다 큰 다양한 크기를 가질 수 있다.
그리고, 제 1 톱니부(110)와 제 2 톱니부(130) 사이에 형성된 간극(T1)과 간극(T2)은 서로 같거나 다를 수 있다.
한편, 도 2 내지 도 4를 참조하면, 제 1 톱니부(110)와 제 2 톱니부(130) 사이에 삽입 부재(150)가 삽입된다. 이 때, 삽입 부재(150)는 주축의 회전축의 원주 방향으로 서로 마주보는 제 1 톱니부(110)와 제 2 톱니부(130) 사이에 삽입된다.
보다 상세히, 도 3을 참조하면, 제 1 톱니부(110)의 톱니와 제 2 톱니부(130)의 톱니는 주축(14)의 회전축의 원주 방향으로 일정한 폭(W)만큼 이격되어 있다. 이 때, 주축(14)의 회전력을 샤프트(19)로 원활하게 전달하기 위해, 제 1 톱니부(110)와 제 2 톱니부(130) 사이의 이격된 공간에 삽입 부재(150)가 삽입된다.
제 1 톱니부(110)와 제 2 톱니부(130) 사이에 도 4에 도시된 바와 같이 삽입 부재(150)가 삽입 고정됨으로써, 제 1 톱니부(110)의 톱니와 제 2 톱니부(130)의 톱니가 밀착되어 주축(14)의 회전력이 샤프트(19)로 효과적으로 전달될 수 있다.
이 때, 삽입 부재(150)의 재질은, 제 1 톱니부(110)와 제 2 톱니부(130) 사이에 삽입되어 주축의 회전력을 기억 박스의 샤프트로 전달할 때 형상 변형이 발생하지 않을 정도의 강성을 갖는 재질로 이루어진다. 예를 들어, 삽입 부재(150)는 제 1 톱니부(110) 또는 제 2 톱니부(130)와 동일한 재질로 이루어지거나, SUS 304 (냉간 압연 스테인리스 강판)일 수 있다.
이 때, 삽입 부재(150)는 제 1 톱니부(110)와 제 2 톱니부(130) 사이의 폭(W)에 대응하는 두께를 갖는 판상 부재로 이루어질 수 있다. 도 2 내지 도 4에 도시된 복수의 삽입 부재(150)는 모두 동일한 두께를 갖지 않고, 삽입될 위치의 제 1 톱니부(110)와 제 2 톱니부(130) 사이의 폭에 대응하는 두께로 이루어진다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 삽입 부재(150)는 제 1 톱니부(110)의 톱니와 제 2 톱니부(130)의 톱니 사이에 이격된 부분에만 삽입 고정된다. 즉, 도 2에서는 제 1 톱니부(110)의 톱니와 제 2 톱니부(130)의 톱니 사이에 모두 삽입 부재(150)가 위치하는 것으로 도시되어 있으나, 이는 설명의 편의를 위해 나타낸 것에 불과하다.
따라서, 제 1 톱니부(110)의 톱니와 제 2 톱니부(130)의 톱니가 서로 이격되지 않고, 제 1 톱니부(110)와 제 2 톱니부(130)이 밀착되도록 형성되면 삽입 부재(150)는 포함되지 않을 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연결 구조체는, 삽입 부재(150)가 이탈되지 않도록 서로 치합된 제 1 톱니부(110)와 제 2 톱니부(130)의 외주면을 감싸는 덮개(170)를 더 포함할 수 있다.
이 때, 덮개(170)는 한 쌍의 반원링(171, 173)으로 이루어질 수 있다. 한 쌍의 반원링(171, 173)의 크기는 서로 치합된 제 1 톱니부(110)와 제 2 톱니부(130)의 외주면의 반경과 동일하게 형성된다.
그리고, 한 쌍의 반원링(171, 173)은 체결 부재(177)에 의해 상기 외주면을 감싸면서 하나의 원형 형상을 이루며 상기 외주면에 고정된다.
이 때, 체결 부재(177)은 리벳 또는 볼트와 너트일 수 있다. 그러나, 체결 부재(177)는 이에 한정되지 않고, 한 쌍의 반원링을 서로 체결할 수 있는 다양한 부재가 사용될 수 있다.
이 때, 도 7을 참조하면, 각각의 반원링(171, 173)의 단부에 체결 구멍(175a, 175b)이 형성된다. 체결 부재(177)가 체결 구멍(175a, 175b)을 동시에 관통하면서 한 쌍의 반원링(171,173)을 상기 외주면에 고정할 수 있다
한편, 도 4 및 도 5를 참조하면, 제 1 톱니부(110) 또는 제 2 톱니부(130)에는 삽입 부재가 회전축의 내측 방향으로 이탈되는 것을 방지하기 위해 걸림부(135)가 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 걸림부(135)는 제 2 톱니부(130)의 톱니에 형성된다. 그러나, 이에 한정되지 않고, 전술한 바와 같이 걸림부(135)는 제 1 톱니부(110) 또는 제 2 톱니부(130)에 형성될 수 있다.
도 5를 참조하면, 걸림부(135)는 제 2 톱니부(130)의 톱니의 내주면을 따라 제2 톱니부(130)가 배열된 원주 방향으로 연장되어 형성된다. 이 때, 걸림부(135)의 제2 톱니부(130)가 배열된 원주 방향으로 연장되는 길이는 제 1 톱니부(110)와 제 2 톱니부(130) 사이에 삽입되는 삽입 부재(150)의 두께 정도일 수 있다. 그러나, 걸림부(135)의 연장 길이는 이에 한정되지 않고, 삽입 부재(150)의 두께보다 더 크게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기의 주축과 기어 박스의 연결 구조체는, 주축으로부터 전달되는 외력 등이 기어 박스로 전달되는 것을 차단하고, 주축의 회전력을 기어 박스로 효과적으로 전달할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 한정된 실시예와 도면을 통하여 설명되었으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재된 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
10: 풍력 발전기 11: 블레이드
12: 허브 14: 주축
15: 기어 박스 16: 발전기
17: 너셀 18: 타워
19: 샤프트 110: 제 1 톱니부
130: 제 2 톱니부 135: 걸림부
150: 삽입 부재 170: 덮개
171, 173: 반원링 177: 체결 부재

Claims (9)

  1. 풍력 발전기의 주축의 일측 단부와 기어 박스의 샤프트의 일측 단부를 서로 연결하는 풍력 발전기의 주축과 기어 박스의 연결 구조체로서,
    상기 주축의 상기 일측 단부의 원주 방향으로 배열되되 상기 주축의 회전축 방향으로 돌출된 제 1 톱니부 및
    상기 제 1 톱니부와 치합되며 상기 샤프트의 상기 일측 단부의 원주 방향으로 배열된 제 2 톱니부를 포함하는, 풍력 발전기의 주축과 기어 박스의 연결 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    서로 마주보는 상기 제 1 톱니부와 상기 제 2 톱니부 사이에 상기 회전축 방향으로 일정한 간극이 형성되도록 상기 제 1 톱니부와 상기 제 2 톱니부가 배치되는, 풍력 발전기의 주축과 기어 박스의 연결 구조체.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 톱니부 및 상기 제 2 톱니부는 복수의 톱니로 포함하되, 각각의 톱니는 사각 형상으로 이루어지는, 풍력 발전기의 주축과 기어 박스의 연결 구조체.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 간극은 5 ~ 10 mm 인, 풍력 발전기의 주축과 기어 박스의 연결 구조체.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 톱니부와 상기 제 2 톱니부가 상기 제1 및 제2 톱니부가 배열된 상기 원주 방향으로 서로 밀착되도록 배치되는, 풍력 발전기의 주축과 기어 박스의 연결 구조체.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 톱니부가 배열된 상기 원주 방향으로 서로 마주보는 상기 제 1 톱니부와 상기 제 2 톱니부 사이에 삽입되는 판상의 삽입 부재를 더 포함하는, 풍력 발전기의 주축과 기어 박스의 연결 구조체.
  7. 제 6 항에 있어서,
    서로 치합된 상기 제 1 톱니부와 상기 제 2 톱니부의 외주면을 둘러싸는 덮개를 더 포함하는, 풍력 발전기의 주축과 기어 박스의 연결 구조체.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 덮개는 한 쌍의 반원링으로 이루어지는, 풍력 발전기의 주축과 기어 박스의 연결 구조체.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 톱니부 또는 상기 제 2 톱니부의 일 측면에 상기 제1 및 제2 톱니부가 배열된 상기 원주 방향으로 연장된 걸림부가 형성되는, 풍력 발전기의 주축과 기어 박스의 연결 구조체.
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