KR101626392B1 - Wind turbine driving shaft having flexible flange - Google Patents

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Abstract

본 발명은 로터축(10)의 동력을 기어박스(20)의 입력축(25)으로 전달하는 풍력발전기 구동축에 있어서: 상기 로터축(10)과 입력축(25)을 각각의 플랜지 상으로 다수의 볼트를 이용하여 연결하는 연결수단(30); 및 상기 각각의 볼트를 동심상으로 감싸는 완충재(41)를 구비하는 완충수단(40);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 풍력발전기의 로터축으로부터 전달되는 토크 부하뿐만 아니라 축력과 벤딩 모멘트를 흡수하여 기어박스로 전달되는 비 토크성 부하의 경감에 의한 실제적 수명 향상을 도모하는 효과가 있다.The present invention relates to a wind turbine drive shaft for transmitting the power of a rotor shaft 10 to an input shaft 25 of a gear box 20, wherein the rotor shaft 10 and the input shaft 25 are connected to a plurality of bolts A connecting means 30 for connecting using a connector; And a shock absorber (41) for concentrically surrounding each of the bolts.
As a result, not only the torque load transmitted from the rotor shaft of the wind power generator, but also the axial force and the bending moment are absorbed, thereby realizing an improvement in the practical life by reducing the non-torque load transmitted to the gear box.

Description

신축성 플랜지를 지닌 풍력발전기 구동축{Wind turbine driving shaft having flexible flange}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a wind turbine driving shaft having a flexible flange,

본 발명은 풍력발전기의 구동축에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 풍력발전기의 로터축(Rotor shaft)과 기어박스(Gearbox)를 연결하여 동력을 전달하기 위한 신축성 플랜지를 지닌 풍력발전기 구동축에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a drive shaft of a wind power generator, and more particularly, to a wind power generator drive shaft having a flexible flange for connecting a rotor shaft and a gear box of a wind power generator to transmit power.

도 1을 참조하면 풍력발전기의 로터축(Rotor shaft)과 기어박스(Gearbox)의 연결은 수축 디스크(shrink disc) 또는 플랜지(flange)를 이용한 강체(rigid) 연결이 보편적이다. 이에 블레이드 회전으로부터 발생한 동력을 로터축으로 전달하고 수축 디스크 등을 통하여 기어박스로 동력전달이 이루어진다. Referring to FIG. 1, a connection between a rotor shaft and a gearbox of a wind turbine is generally made by a rigid connection using a shrink disc or a flange. The power generated from the rotation of the blades is transferred to the rotor shaft and the power is transmitted to the gearbox via the shrink disk.

그런데, 이 경우 실제 풍력터빈은 비 토크성 부하(non-torque load)에 의해 기어박스를 비롯한 주변 구성품의 고장 발생이나 수명 단축을 유발한다. 이는 동력 전달 시 토크성분 뿐만 아니라 축력(Thrust), 벤딩 모멘트(Bending Moment) 성분도 함께 전달되는 점에 기인한다. 플렉시블 커플링을 적용하려 해도 저속/고토크의 운전조건 때문에 고비용을 초래한다.However, in this case, the non-torque load of the actual wind turbine causes the failure of the gear box and other peripheral components and shortens the life span. This is due to the fact that not only the torque component but also the axial thrust and the bending moment are transmitted together during power transmission. Applying flexible coupling results in high cost due to low speed / high torque operating conditions.

이와 관련되는 하기의 선행문헌 1은 통상의 풍력발전용 메인샤프트에 있어서, 상기 통상의 메인샤프트의 메인홀의 내주면을 절삭하여 이루어진 제1 확장메인홀을 포함하는 제1 본체와; 상기 제1 확장메인홀의 내주면에 부착되는 카본파이버(Carbon Fiber) 재질로서, 상기 메인홀의 직경과 동일한 직경의 제1 카본홀을 갖는 제1 강관;을 포함한다. 이에 따라, 지속적인 피로하중 및 진동 등에 의한 가혹한 운전조건에 견디는 내구성 향상을 기대한다.The prior art reference 1 described below relates to a conventional main shaft for wind power generation, comprising: a first main body including a first expansion main hole formed by cutting an inner peripheral surface of a main hole of the normal main shaft; And a first steel pipe having a first carbon hole having a diameter equal to a diameter of the main hole, the carbon fiber being attached to an inner peripheral surface of the first expansion main hole. As a result, durability that can withstand severe operating conditions due to continuous fatigue load and vibration is expected to be improved.

하기의 선행문헌 2에 의하면 구동 샤프트는 로터 허브로부터 발전기 시스템으로 토오크를 전달하도록 상기 발전기 시스템에 연결되어 있고, 상기 구동 샤프트는 유연한 섬유 복합소재로서 굽힘 모멘트를 제한하도록 기계적인 비등방성으로 되는 구성을 지닌다. 이에 따라, 굽힘 응력을 전달하는 것이 방지되어 구성부재의 마모나 파손을 감소시키는 효과를 기대한다.According to the prior art document 2 below, the drive shaft is connected to the generator system to deliver torque from the rotor hub to the generator system, the drive shaft being a flexible fiber composite material with a mechanically anisotropic configuration to limit the bending moment I have. Accordingly, it is prevented that the bending stress is transmitted, thereby reducing the wear and tear of the structural member.

그러나, 선행문헌 1의 카본파이버 코팅으로 벤딩 모멘트를 완화하기 한계성을 보이고, 선행문헌 2의 유연한 섬유 복합소재의 구동 샤프트로 축력을 감당하기 미흡하다.However, there is a limit to alleviate the bending moment by the carbon fiber coating of the prior art document 1, and it is insufficient to cover the axial force with the drive shaft of the flexible fiber composite material of the prior art document 2.

1. 한국 등록특허공보 제1350871호 "풍력발전용 하이브리드 메인샤프트" (공개일자 : 2013. 12. 26.)1. Korean Registered Patent No. 1350871 entitled "Hybrid Main Shaft for Wind Power Generation" (Open date: December 26, 2013) 2. 한국 공개특허공보 제2011-0139129호 "가요성 샤프트 풍력 터빈" (공개일자 : 2011. 12. 28.)2. Korean Patent Publication No. 2011-0139129 entitled " Flexible shaft wind turbine "(Open date: Dec. 28, 2011)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 로터축으로부터 전달되는 토크 부하뿐만 아니라 축력과 벤딩 모멘트를 흡수하여 기어박스로 전달되는 비 토크성 부하의 경감에 의한 실제적 수명 향상을 도모하는 신축성 플랜지를 지닌 풍력발전기 구동축를 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to overcome the above-mentioned problems of the prior art by providing an improved life span by reducing the non-torque load transmitted to the gear box by absorbing not only torque load transmitted from the rotor shaft but also axial force and bending moment To provide a wind turbine drive shaft having a flexible flange.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 로터축의 동력을 기어박스의 입력축으로 전달하는 풍력발전기 구동축에 있어서: 상기 로터축과 입력축을 각각의 플랜지 상으로 다수의 볼트를 이용하여 연결하는 연결수단; 및 상기 각각의 볼트를 동심상으로 감싸는 완충재를 구비하는 완충수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a wind turbine drive shaft for transmitting the power of a rotor shaft to an input shaft of a gear box, comprising: coupling means for connecting the rotor shaft and the input shaft in respective flanges using a plurality of bolts; And a cushioning member for concentrically surrounding each of the bolts.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 연결수단은 상호 대향되는 숫형플랜지와 암형플랜지를 일정 유격을 유지하도록 배치한 것을 특징으로 한다.In the detailed construction of the present invention, the connecting means is characterized in that the male flange and the female flange which are opposed to each other are arranged so as to maintain a constant clearance.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 완충수단의 완충재는 PVC계, 올레핀계, 폴리에스터계, 우레탄계 중에서 선택되는 엘라스토머를 사용하는 것을 특징으로 한다.As a detailed constitution of the present invention, the buffer material of the buffer means is characterized by using an elastomer selected from PVC-based, olefin-based, polyester-based and urethane-based materials.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 완충수단은 대향하는 플랜지 사이에 개재되는 오링을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.As a detailed configuration of the present invention, the buffer means further includes an O-ring interposed between the flanges facing each other.

이때, 상기 오링은 스티렌계, 올레핀계, 폴리에스터계, 우레탄계 중에서 선택되는 엘라스토머를 사용하는 것을 특징으로 한다.Here, the O-ring is characterized by using an elastomer selected from the group consisting of styrene series, olefin series, polyester series and urethane series.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 풍력발전기의 로터축으로부터 전달되는 토크 부하뿐만 아니라 축력과 벤딩 모멘트를 흡수하여 기어박스로 전달되는 비 토크성 부하의 경감에 의한 실제적 수명 향상을 도모하는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, not only the torque load transmitted from the rotor shaft of the wind power generator, but also the axial force and the bending moment are absorbed, thereby realizing an improvement in the practical life by reducing the non-torque load transmitted to the gear box.

도 1은 종래의 풍력발전기 구동축을 개념적으로 나타내는 구성도
도 2는 본 발명에 따른 풍력발전기 구동축을 나타내는 구성도1 is a diagram schematically showing a conventional wind turbine drive shaft
Fig. 2 is a schematic view showing a wind turbine drive shaft according to the present invention.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 로터축(10)의 동력을 기어박스(20)의 입력축(25)으로 전달하는 풍력발전기 구동축에 관하여 제안한다. 동력전달 계통에서 로터축(10)은 상류측으로 허브와 블레이드에 연결되고, 기어박스(20)의 입력축(25)은 하류측으로 기어트레인과 출력축에 연결된다. 구동축은 로터축(10)과 입력축(25)을 포함하는 동력전달 계통의 샤프트를 의미한다.The present invention proposes a wind power generator drive shaft which transmits the power of the rotor shaft 10 to the input shaft 25 of the gear box 20. In the power transmission system, the rotor shaft 10 is connected upstream to the hub and the blade, and the input shaft 25 of the gear box 20 is connected downstream to the gear train and the output shaft. The drive shaft means a shaft of the power transmission system including the rotor shaft 10 and the input shaft 25. [

본 발명에 따르면 연결수단(30)이 상기 로터축(10)과 입력축(25)을 각각의 플랜지 상으로 다수의 볼트를 이용하여 연결하는 구조를 지닌다. 연결수단(30)은 로터축(10)과 입력축(25)의 연결에 있어서 종래의 플랜지 방식을 기반으로 한다. 로터축(10)과 입력축(25)의 플랜지는 상호 동일한 규격과 수량의 볼트를 이용하여 결합된다.According to the present invention, the connecting means (30) has a structure in which the rotor shaft (10) and the input shaft (25) are connected to each other by flanges using a plurality of bolts. The connecting means 30 is based on a conventional flange connection in connecting the rotor shaft 10 and the input shaft 25. The flanges of the rotor shaft 10 and the input shaft 25 are coupled using bolts of the same size and number.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 연결수단(30)은 상호 대향되는 숫형플랜지(31)와 암형플랜지(32)를 일정 유격을 유지하도록 배치한 것을 특징으로 한다. 숫형플랜지(31)는 돌기를 지니고 암형플랜지(32)의 이에 대향하는 요홈을 지닌다. 도 2는 로터축(10)에 숫형플랜지(31)를 장착하고 입력축(25)에 암형플랜지(32)를 장착한 상태를 예시한다. 플랜지(31)(32)는 로터축(10) 및 입력축(25)에 각각 내부볼트(35)로 결합되는 동시에 외부볼트(45)를 통하여 상호 연결된다. 내부볼트(35)는 너트 없이 직결되지만 외부볼트(45)는 각각의 너트를 이용하여 체결된다. 물론 내부볼트(35)는 용접을 이용한 연결로 대체할 수도 있다. 숫형플랜지(31)와 암형플랜지(32)의 대향 유격은 구동축의 직경에 따라 3~10㎜ 범위에서 선택한다.In the detailed construction of the present invention, the connecting means (30) is characterized in that the male flange (31) and the female flange (32) which are opposed to each other are arranged so as to maintain a constant clearance. The male flange 31 has protrusions and has a groove facing the female flange 32. Fig. 2 illustrates a state in which a male flange 31 is mounted on a rotor shaft 10 and a female flange 32 is mounted on an input shaft 25. Fig. The flanges 31 and 32 are coupled to the rotor shaft 10 and the input shaft 25 respectively by inner bolts 35 and through outer bolts 45 to each other. The inner bolt 35 is directly connected without a nut, but the outer bolt 45 is fastened using the respective nuts. Of course, the inner bolt 35 may be replaced by a connection using welding. The opposed clearance between the male flange 31 and the female flange 32 is selected in the range of 3 to 10 mm according to the diameter of the drive shaft.

이때, 숫형플랜지(31)의 돌기는 각각의 외부볼트(45)의 주변에 원형으로 형성될 수도 있고, 전체의 외부볼트(45)가 배열된 원주상에 환상으로 형성될 수도 있다. 물론 상기한 원형의 구성과 환상의 구성을 복합적으로 적용하는 것도 가능하다. 어느 경우에 있어서나 숫형플랜지(31)와 암형플랜지(32)의 대향하는 요철 구조는 축력과 벤딩 모멘트 흡수에 유리하다.At this time, the protrusions of the male flange 31 may be formed in a circular shape around the outer bolts 45, or may be formed in an annular shape on a circumference on which the entire outer bolts 45 are arranged. Of course, it is also possible to combine the circular configuration and the annular configuration described above. In either case, the opposing concave-convex structure of the male flange 31 and the female flange 32 is advantageous in absorbing axial force and bending moment.

한편, 숫형플랜지(31)의 돌기와 암형플랜지(32)의 요홈은 테이퍼를 지닌 형태로 형성할 수도 있다.On the other hand, the protrusion of the male flange 31 and the groove of the female flange 32 may be formed in a shape having a taper.

또, 본 발명에 따르면 완충수단(40)이 상기 각각의 볼트를 동심상으로 감싸는 완충재(41)를 구비하는 구조를 특징으로 한다. 완충수단(40)은 대향하는 숫형플랜지(31)와 암형플랜지(32)의 유격에 개재되어 축력과 벤딩 모멘트를 흡수하는 기능을 수행한다. 완충재(41)는 중공의 실린더 구조로서 숫형플랜지(31)와 암형플랜지(32)에 형성된 통공에 각각의 외부볼트(45)를 동심으로 감싸도록 장착된다. 완충재(41)의 길이는 숫형플랜지(31)와 암형플랜지(32)외 외면에 돌출되지 않으면서 외부볼트(45)의 너트를 체결하기 용이한 정도로 설정한다.According to the present invention, the buffering means (40) is provided with a buffer material (41) for concentrically enclosing the respective bolts. The buffering means 40 intervenes between the male flange 31 and the female flange 32 to absorb the axial force and the bending moment. The cushioning material 41 is mounted as a hollow cylinder structure to concentrically enclose the respective outer bolts 45 in the through holes formed in the male flange 31 and the female flange 32. The length of the cushioning material 41 is set to such a degree that the nut of the outer bolt 45 can be easily fastened without protruding from the outer surface of the male flange 31 and the female flange 32. [

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 완충수단(40)의 완충재(41)는 PVC계, 올레핀계, 폴리에스터계, 우레탄계 중에서 선택되는 엘라스토머를 사용하는 것을 특징으로 한다. 완충재(41)의 엘라스토머는 플라스틱과 고무의 중간적인 물성으로서 내하중성, 내마모성, 내열성, 내유성, 내후성, 전기절연성 등을 나타낸다. PVC계, 올레핀계, 폴리에스터계, 우레탄계 엘라스토머는 대체로 내하중성과 내마모성이 양호하여 축력과 벤딩 모멘트 흡수에 유리하다.As a detailed constitution of the present invention, the buffer material 41 of the buffer means 40 is characterized by using an elastomer selected from PVC-based, olefin-based, polyester-based and urethane-based materials. The elastomer of the cushioning material 41 is an intermediate physical property between plastic and rubber, and exhibits load-carrying property, abrasion resistance, heat resistance, oil resistance, weather resistance, electrical insulation and the like. PVC-based, olefin-based, polyester-based, and urethane-based elastomers are generally favorable in absorbing axial force and bending moment because of good load resistance and abrasion resistance.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 완충수단(40)은 대향하는 플랜지 사이에 개재되는 오링(43)을 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 오링(43)은 숫형플랜지(31)의 돌기와 암형플랜지(32)의 요홈 형태에 따라 다른 크기로 적용된다. 즉, 상기 돌기와 요홈이 원형인 경우에 작은 직경의 오링(43)을 각각의 외부볼트(45)에 인접하게 장착한다. 반면, 상기 돌기와 요홈이 환형인 경우에는 큰 직경을 지닌 2개의 오링(43)을 동심상으로 장착한다.As a detailed configuration of the present invention, the buffer means (40) further includes an O-ring (43) interposed between opposed flanges. The O-rings 43 are applied in different sizes depending on the protrusions of the male flange 31 and the recessed shape of the female flange 32. That is, when the protrusions and the grooves are circular, small-diameter O-rings 43 are mounted adjacent to the respective outer bolts 45. On the other hand, when the projection and the groove are annular, two O-rings 43 having a large diameter are mounted concentrically.

이때, 상기 오링(43)은 스티렌계, 올레핀계, 폴리에스터계, 우레탄계 중에서 선택되는 엘라스토머를 사용하는 것을 특징으로 한다. 스티렌계, 올레핀계, 폴리에스터계, 우레탄계 엘라스토머는 대체로 내유성과 내후성을 고려하여 선택될 수 있다. 물론 오링(43)은 완충재(41)와 요구되는 물성이 크게 다르지 않으므로 동일성 범주에서 복합적으로 적용할 수 있다.Here, the O-ring 43 may be made of an elastomer selected from the group consisting of styrene series, olefin series, polyester series and urethane series. The styrene-based, olefin-based, polyester-based, and urethane-based elastomers can be generally selected in consideration of oil resistance and weather resistance. Of course, since the o-ring 43 does not differ greatly in the required physical properties from the cushioning material 41, the o-ring 43 can be applied in a similarity in the complexity.

이와 같이 본 발명은 로터축(10)과 입력축(25)의 연결에 있어서 각각의 플랜지(31)(32)에 원주방향으로 수십개의 외부볼트(45)를 사용하여 결합하고, 플랜지(31)(32)와 외부볼트(45)의 사이에는 엘라스토머 소재의 완충재(41)를 투입한다. 이에 비 토크성 부하(non-torque load)를 흡수하고 기어박스(20)의 입력축(25)으로 순수 토크성 부하(pure torque load)만 전달하므로 기어박스(20)를 비롯한 구동축계의 수명 향상을 기대할 수 있다.The rotor shaft 10 and the input shaft 25 are connected to the flanges 31 and 32 by using a plurality of outer bolts 45 in the circumferential direction and the flanges 31 32) and the outer bolt (45), a buffer material (41) made of an elastomer material is inserted. The non-torque load is absorbed and pure torque load is transmitted to the input shaft 25 of the gear box 20 to improve the life of the drive shaft including the gear box 20 You can expect.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. It is therefore intended that such variations and modifications fall within the scope of the appended claims.

10: 로터축 20: 기어박스
25: 입력축 30: 연결수단
31: 숫형플랜지 32: 암형플랜지
35: 내부볼트 40: 완충수단
41: 완충재 43: 오링
45: 외부볼트10: rotor shaft 20: gear box
25: input shaft 30: connecting means
31: male flange 32: female flange
35: inner bolt 40: buffer means
41: cushioning material 43: o-ring
45: External bolt

Claims (5)

로터축의 동력을 기어박스의 입력축으로 전달하는 풍력발전기 구동축에 있어서:
상기 로터축과 입력축을 각각의 플랜지 상으로 다수의 볼트를 이용하여 연결하는 연결수단; 및
상기 각각의 볼트를 동심상으로 감싸는 완충재를 구비하는 완충수단;을 포함하여 이루어지고,
상기 연결수단은 상호 대향되는 숫형플랜지와 암형플랜지를 상기 구동축의 직경에 대응하여 일정 유격을 유지하도록 배치하되, 숫형플랜지(31)의 돌기는 전체의 외부볼트(45)가 배열된 원주상에 환상으로 형성되며,
상기 완충수단은 대향하는 플랜지 사이에 개재되는 오링을 구비하되, 상기 오링은 상기 숫형플랜지의 돌기와 암형플랜지의 요홈에 상호 다른 크기를 동심상으로 배치하는 것을 특징으로 하는 신축성 플랜지를 지닌 풍력발전기 구동축.1. A wind turbine drive shaft for transmitting power from a rotor shaft to an input shaft of a gearbox, comprising:
Connecting means for connecting the rotor shaft and the input shaft to each other in a flange shape using a plurality of bolts; And
And a buffering member having a cushioning member for concentrically surrounding each of the bolts,
The protrusions of the male flange (31) are formed in a ring-like shape in which the entire outer bolt (45) is arranged, and the annular flange and the female flange are arranged so as to maintain a constant clearance corresponding to the diameter of the drive shaft. Respectively,
Characterized in that the buffering means comprises an O-ring interposed between opposing flanges, wherein the O-rings concentrically arrange the protrusions of the male flange and the recesses of the female flange in a mutually different size. 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 완충수단의 완충재는 PVC계, 올레핀계, 폴리에스터계, 우레탄계 중에서 선택되는 엘라스토머를 사용하는 것을 특징으로 하는 신축성 플랜지를 지닌 풍력발전기 구동축.The method according to claim 1,
Characterized in that the buffering material of the buffer means comprises an elastomer selected from the group consisting of PVC, olefin, polyester and urethane. 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 오링은 스티렌계, 올레핀계, 폴리에스터계, 우레탄계 중에서 선택되는 엘라스토머를 사용하는 것을 특징으로 하는 신축성 플랜지를 지닌 풍력발전기 구동축.The method according to claim 1,
Wherein the O-ring uses an elastomer selected from a group consisting of styrene series, olefin series, polyester series and urethane series.
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