KR101633330B1 - 풍력 터빈용 구동 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 풍력 터빈용 구동 장치와, 구동 장치를 포함하는 풍력 터빈에 관한 것이다. 일 실시예에서, 풍력 터빈(10)용 구동 장치(12)가 개시되며, 구동 장치는 로터 샤프트(20)와; 로터 샤프트로부터 발전기(18)로 토크를 전달하기 위한 기어박스 조립체(22);를 포함하며, 기어박스 조립체는 입력 샤프트(40); 출력 샤프트(42); 1차 기어 스테이지(44); 및 2차 기어 스테이지(46)를 포함하고, 각각의 기어 스테이지는 출력 샤프트의 둘레에 위치한 다수의 유성 기어들(52; 58)과, 유성 기어들과 맞물리는 환형 기어(84; 86)와, 유성 기어들과 맞물리며 출력 샤프트로 토크를 전달하도록 배치된 태양 기어(82; 88)를 가진다. 또한 구동 장치는 로터 샤프트로부터 입력 샤프트를 통해 기어박스 조립체로 토크를 전달하기 위한 구동력 전달 기구(24); 및 기어박스 조립체를 풍력 터빈의 하우징(34)에 해체 가능하게 장착하기 위한 1차 내부하 부재;를 포함한다. 로터 샤프트는 적어도 부분적으로 속이 비어 있고, 기어박스 조립체의 적어도 부분 및 구동력 전달 기구의 적어도 부분이 그 안에 위치하는 내부 공동(28)을 가진다. 입력 샤프트, 출력 샤프트, 1차 기어 스테이지 및 2차 기어 스테이지를 포함하는 상기 기어박스 조립체는 1차 내부하 부재에 의해 하나의 유닛으로서 로터 샤프트 내부에 장착 가능하다.

Description

풍력 터빈용 구동 장치{A drive arrangement for a wind turbine}
본 발명은 풍력 터빈용 구동 장치와, 구동 장치를 포함하는 풍력 터빈에 관한 것이다. 특히, 그러나 배타적은 아니게, 본 발명은 로터 샤프트, 로터 샤프트로부터 발전기로 토크를 전달하기 위한 기어박스 조립체, 및 로터 샤프트로부터 기어박스 조립체로 토크를 전달하기 위한 구동력 전달 기구를 포함하는 구동 장치에 관한 것이다.
재생 에너지원을 활용하기 위해 의미 있는 노력이 전 세계적으로 행해지고 있다. 많은 연구가 있어 왔던 하나의 특별한 영역은 풍력 발전 분야이다. 매우 다양한 다른 유형들의 풍력 발전 기계들이 개발되어 왔다. 잘 알려진 바와 같이, 이 기계들은 일반적으로 풍력 터빈으로 불리고 있으며, 두 개 또는 그 이상의 블레이드를 가진 로터(rotor)와 발전기를 포함하고, 보통 로터로부터 발전기로 토크(torque)를 전달하기 위한 구동 장치(drive arrangement)를 가진다. 구동 장치는 블레이드에 연결된 로터 샤프트와 기어박스를 포함한다. 구동 장치와 발전기는 유선형의 나셀(nacelle) 내부에 들어 있으며, 이는 높이가 수십 미터일 수도 있는 길쭉한 타워 상에 장착된다. 다른 유형들은 '직접 구동식(direct drive)'이며, 여기에서 로터 샤프트는 직접 발전기에 연결된다.
대형 터빈들에 있어서, 로터 속도는 용인되는 블레이드의 선단 속도(tip speed)에 의해 제한된다. 결과적으로, 획득되는 출력은 블레이드 디스크의 직경의 제곱에 비례하되, 블레이드가 길어짐에 따라 로터 속도는 낮아진다. 이 결과로서, 이러한 대형 터빈에 있어 터빈 로터의 회전 속도는 비교적 낮고, 로터 샤프트의 토크는 비교적 높다. 그래서 발전기 내로 회전 부하를 입력하기 전에 회전 속도는 증가시키고 토크는 감소시키는 것이 필요하다. 이는 종래의 발전기들이 이러한 낮은 속도와 높은 토크에서 효과적으로 작동할 수 없기 때문이다. 따라서 토크는 로터 샤프트에 결합된 기어박스를 통해 전달되며, 기어박스는 발전기에 결합된 출력 샤프트를 가진다. 기어박스 출력 샤프트의 회전 속도는 기어박스로 입력을 제공하는 로터 샤프트의 그것보다 상당히 높으며, 출력 샤프트의 토크는 상당히 낮다. 직접 구동 발전기들이 알려져 있으며, 이는 효율적으로 만들어질 수 있으나, 비교적 크고 무겁다. 동일한 출력 조건에서 비교했을 때, 기어 터빈(geared turbine)이 직접 구동 시스템보다 상당히 더 가볍고, 더 작으며 더 낮은 비용이 들며, 이것이 기어 터빈 디자인을 선택하는 통상적인 이유이다.
이러한 종래의 풍력 터빈의 구성요소들은 전형적으로 로터 - 로터 샤프트 - 기어박스 - 발전기의 순서로 연속하여 연결된다. 연결 요소들은 로터 샤프트와 기어박스 입력 샤프트 사이에, 그리고 마찬가지로 기어박스 출력 샤프트와 발전기 사이에 제공된다. 사용 중 로터가 겪는 상당한 벤딩 모멘트와 전단력을 지지하기 위해 베어링의 배치도 요구된다. 결과적으로, 많은 종래의 풍력 터빈들의 구동 장치는, 특히 다양한 샤프트들 사이에 제공되는 부피가 크고 무거운 연결 요소들과 나셀 내부에서 이들의 물리적으로 분리되고 연속된 배치로 인해 비교적 길고 무겁다. 그 결과, 풍력 터빈의 나셀은 비교적 크고 무겁다. 풍력 터빈 타워 위의 높이에 이와 같이 큰 나셀을 설치하는 것은 일반적으로 바람직하지 않다. 이는 타워가 비교적 높은 정적 및 동적 하중을 지지하도록 요구한다. 부가하여, 나셀에 가해지는 풍하중(wind loading)이 높을 수 있으며, 이는 결국 타워에 의해 지지되어야 한다. 따라서 나셀의 무게와 크기는 타워 및 기초 설계가 터빈 시스템의 전체 비용의 주된 요인이 되도록 한다.
더욱이, 구동 장치, 특히 기어박스는 역사적으로 정기적인 정비가 요구되어 왔다. 이는 특히 로터가 기어박스에 가하는 토크 부하가 풍황(wind conditions)의 함수에 따라 극도로 변화가 심하다는데 기인한다. 게다가, 로터에 의해 높은 전단력과 벤딩 모멘트가 기어박스에 가해질 수 있으며, 조기 마모와 피로 손상을 초래한다.
그러나 현재 사용되는 터빈의 기어박스를 정비하는 것은 어려울 수 있다. 전형적으로, 나셀 내에서 기어박스로의 접근이 제한되기 때문에, 기어박스는 보수를 위해 타워에서 제거된다. 일반적 환경적 조건과 특별히 필요한 것과 어떤 경우들에서 실질적인 공구와 시험 장비가 타워 위에서의 보수에 관련된 장벽들이다. 어떤 경우들에서 기어박스들을 제거하는 것은 비교적 어렵다는 것이 알려져 있으며, 이는 그들의 크기, 무게 및 그들을 나셀 내부에 장착하고 로터 샤프트와 발전기에 결합하는 방식에 기인한다. 어떤 터빈들에 있어서, 기어박스는 부분적으로 또는 완전히 로터를 지지하며 그래서 기어박스의 제거에는 로터를 지지하기 위해 제공되는 별도의 지지장치 또는 그의 제거가 요구된다. 따라서 현재 사용되는 터빈들의 구동 장치의 정비는 시간이 걸리고 비용이 많이 들 수 있다.
미국 특허공개공보 US-2010/0009803호(Giger)는 풍력 터빈과 기어박스를 개시하고 있다. 터빈은 속이 빈 형태의 로터 샤프트(3)를 포함하며, 기어박스는 부분적으로 샤프트의 내부에 배치된다. 기어박스는 평행한 샤프트와 로터 샤프트 내부에 1차 및 2차 스테이지를 형성하는 두 개의 스테이지를 가진 유성 기어박스(planetary gearbox)이다. 2차 스테이지는 다수의 유성 기어들(planet gears)을 탄성적으로 변형 가능한 마운팅에 유지시키는 유성 기어 캐리어를 가진다. 2차 스테이지의 링(또는 환형) 기어는 2차 스테이지의 태양 기어(sun gear)를 구성하는 결합 부재의 부분이다. 선 샤프트(sun shaft)는 토크 지지부를 통과하여 로터 샤프트의 밖으로 나와 뒤로 이어져, 옵셋 발전기에 결합된다. 1차 스테이지의 유성 기어들은 토크 지지부에 의해 형성된 제2 기어 캐리어에 장착되며, 1차 스테이지의 링 기어는 속이 빈 로터 샤프트의 내부에 직접 형성된다.
Giger에 개시된 기어박스 조립체를 터빈 하우징으로부터 제거하는 것은 어렵다. 특히, 1차 및 2차 스테이지는 태양 샤프트(sun shaft)와 함께 하우징으로부터 제거될 수 없으며, 몇몇의 인터페이스를 가지고 별도로 제거되어야 한다. 특히, 2차 스테이지 유성 기어 캐리어가 로터 샤프트 및 로터 샤프트의 내부에 형성된 링 기어에 대해 장착되는 방식은, 기어박스 조립체를 하나의 유닛으로서가 아니라 부분별로 해체하여 제거하여야 하는 정도이다. 이는 힘들고 시간이 매우 많이 소모된다.
알려진 기어박스 조립체의 다른 문제점은 기어 치(tooth)의 왜곡(distortion)에 관한 것이다. 유성 기어 스테이지들은 유성 기어들과 맞물려 토크를 유성 기어들로 전달하는 환형 기어를 포함한다. 유성 기어들은 태양 기어와 맞물려 출력 샤프트로 구동력을 전달한다. 기어박스 조립체는 제1 축방향 단부에서 토크가 환형 기어로 전달되도록 구성된다. 이렇게 환형 기어로 토크를 전달하는 것은 유성 기어들의 원주 둘레 방향의 유성 치들(teeth)의 왜곡 또는 '비틀림(twisting)'을 초래할 수 있으며, 이는 산업계에서 '와인드업(wind-up)'으로 알려져 있다. 이것은 관례적으로, 1) 기어들의 길이를 따라 중간 부분에서, 구동력이 환형 기어로 전달되고, 유성 기어들로부터 태양 기어로 전달되는 축-구동(centre-drive) 장치를 구성함에 의해; 및/또는 2) 유성 및 태양 기어들의 기어 치들을 왜곡을 감안하여 원주 폭이 변하고 길이를 따라 테이퍼지도록 형성함에 의해 해결되어 왔다. 1)의 경우에는, 기어박스 조립체의 치수, 무게 및 복잡성이 현저히 증가된다. 2)의 경우에는, 설계 및 제조 과정이 현저히 복잡하게 된다.
본 발명의 적어도 하나의 실시예의 목적들 중에 하나는 전술한 단점들 중에서 적어도 하나를 제거하거나 경감하는 것이다.
본 발명의 제1 측면에 따르면, 풍력 터빈용 구동 장치가 제공되며, 구동 장치는:
로터 샤프트;
로터 샤프트로부터 발전기로 토크를 전달하기 위한 기어박스 조립체로서,
● 입력 샤프트;
● 출력 샤프트;
● 1차 기어 스테이지; 및
● 2차 기어 스테이지;를 포함하고,
● 각각의 기어 스테이지는 출력 샤프트의 둘레에 배치된 다수의 유성 기어들(planet gears)과, 유성 기어들과 맞물리는 환형 기어와, 유성 기어들과 맞물리며 출력 샤프트로 토크를 전달하도록 배치된 태양 기어(sun gear)를 포함하는, 기어박스 조립체;
로터 샤프트로부터 입력 샤프트를 통해 기어박스 조립체로 토크를 전달하기 위한 구동력 전달 기구; 및
기어박스 조립체를 풍력 터빈의 하우징에 해체 가능하게 장착하기 위한 1차 내부하 부재(primary load carrying member);를 포함하며,
로터 샤프트는 적어도 부분적으로 속이 비어 있고, 기어박스 조립체의 적어도 부분 및 구동력 전달 기구의 적어도 부분이 그 안에 위치하는 내부 공동을 가지며;
입력 샤프트, 출력 샤프트, 1차 기어 스테이지 및 2차 기어 스테이지를 포함하는 기어박스 조립체는 1차 내부하 부재에 의해 하나의 유닛으로서 로터 샤프트 내부에 장착 가능하다.
따라서, 1차 내부하 부재는 구동 장치를 적재하는 나셀 내부에 기어박스 조립체를 (하나의 유닛으로서) 더욱 쉽게 제거할 수 있도록 하는 방식으로 로터 샤프트를 설치하는 것을 용이하게 할 수 있다.
본 발명의 제2 측면에 따르면, 풍력 터빈용 구동 장치가 제공되며, 구동 장치는:
로터 샤프트;
로터 샤프트로부터 발전기로 토크를 전달하기 위한 기어박스 조립체; 및
로터 샤프트로부터 기어박스 조립체로 토크를 전달하기 위해 로터 샤프트와 기어박스 조립체 사이에서 연장된 플렉서블 커넥터를 포함하는 구동력 전달 기구;를 포함하며,
로터 샤프트는 적어도 부분적으로 속이 비어있고, 기어박스 조립체의 적어도 부분 및 구동력 전달 기구의 적어도 부분이 그 안에 위치하는 내부 공동을 가지며,
플렉서블 커넥터는, 사용 중에, 로터 벤딩 또는 전단 부하들로 인한 기어박스 조립체에 대한 로터 샤프트의 왜곡을 적어도 대략 0.1°허용할 정도로 탄성적으로 변형 가능하여, 상기 부하들이 기어박스 조립체로 전달되는 것을 감소시킨다.
플렉서블 커넥터는 제1 단부 및 제1 단부 반대쪽의 제2 단부를 가질 수 있으며, 제1 단부에서 로터 샤프트에 고정될 수 있고, 제2 단부에서 기어박스 조립체에 고정될 수 있다. 플렉서블 커넥터에는 로터 샤프트가 일체로 제공될 수 있으며 츨렉서블 커넥터는 샤프트로부터 기어박스 조립체를 향하여 연장될 수 있고, 플렉서블 커넥터는 기어박스 조립체에 결합될 수 있는 자유 단부를 가질 수 있다. 플렉서블 커넥터는, 사용 중에, 로터 벤딩 및 전단 부하들이 기어박스 조립체로 전달되는 것을 감소시키기 위해 메인 축에 대해 편향되도록 탄성적으로 변형 가능할 수 있다. 플렉서블 커넥터는 기어박스 조립체에 대한 로터 샤프트의 왜곡을 대략 0.2°또는 그 이상까지 지지할 수 있다. 플렉서블 커넥터는 로터 샤프트로부터 기어박스 조립체를 향하여 반경방향으로 연장된 플랜지일 수 있다. 플렉서블 커넥터는 물결 모양으로 주름질 수 있고, 로터 샤프트의 장착용 어깨부(mounting shoulder)와 기어박스 조립체 사이에서 축방향으로 연장될 수 있으며, 커넥터의 물결 주름(corrugation)은 로터 부하들이 기어박스 조립체로 전달되는 것을 감소시키기 위해 변형될 수 있다.
본 발명의 제2 측면의 구동 장치는 US-2010/0009803호(Giger)에 개시된 것과 같은 종래의 장치를 넘는 현저한 이점을 제공한다. 특히, Giger는 로터 샤프트와 기어박스 사이에 극히 경직된 연결이 있도록 구성된 기어박스를 채용한다. 이러한 경직된 연결은 확실히 로터 벤딩 및/또는 전단 부하가 기어박스로 직접 전달되도록 한다. 다시 말해서, 로터 샤프트의 왜곡을 기어박스 조립체가 느끼게 된다. Giger는 이를 인정하고 있으나, 유성 기어들을 플렉서블 핀에 장착함으로써 그 문제점을 해결하려고 시도한다. 이는 절충된 해법이지만, 기어박스 조립체에 보다 높은 부하를 초래하고, 조기 기어 마모 및 플렉서블 핀과 베어링 조립체에 원치 않는 부하를 초래한다.
본 발명의 제1 측면의 기어박스 조립체는, 로터 샤프트의 내면과 상기 기어 스테이지의 환형 기어의 외면 사이에 반경방향의 갭이 존재하도록 로터 샤프트 내부에 배치될 수 있으며, 이는 구동 장치에 이동 자유도를 제공하여, 사용하는 동안 로터 샤프트의 편향을 부담하도록 하기 위한 것이다. 본 발명의 제1 측면의 기어박스 조립체는 로터 샤프트로부터 기어박스 조립체로 토크를 전달하기 위해 로터 샤프트와 기어박스 조립체 사이에서 연장된 플렉서블 커넥터를 가진 구동력 전달 기구를 포함할 수 있으며, 플렉서블 커넥터는, 사용 중에, 로터 벤딩 또는 전단 부하들로 인한 기어박스 조립체에 대한 로터 샤프트의 왜곡을 적어도 대략 0.1°허용할 정도로 탄성적으로 변형 가능하여, 상기 부하들이 기어박스 조립체로 전달되는 것을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 제2 측면의 기어박스 조립체는 1차 기어 스테이지 및 2차 기어 스테이지와; 기어박스 조립체를 풍력 터빈의 하우징에 해체 가능하게 장착하기 위한 1차 내부하 부재;를 포함하며, 출력 샤프트, 1차 기어 스테이지 및 2차 기어 스테이지를 포함하는 기어박스 조립체는 1차 내부하 부재에 의해 하나의 유닛으로서 로터 샤프트 내부에 장착될 수 있다.
본 발명의 제3 측면에 따르면, 풍력 터빈용 구동 장치가 제공되며, 구동 장치는:
로터 샤프트;
로터 샤프트로부터 발전기로 토크를 전달하기 위한 기어박스 조립체; 및
로터 샤프트로부터 기어박스 조립체로 토크를 전달하기 위한 구동력 전달 기구;를 포함하며,
로터 샤프트는 적어도 부분적으로 속이 비어있고, 기어박스 조립체의 적어도 부분 및 구동력 전달 기구의 적어도 부분이 그 안에 위치하는 내부 공동을 가진다.
아래의 이점들과 특징들은 본 발명의 제1, 제2 및/또는 제3 측면의 구동 장치에 적용될 수 있다.
속이 빈 로터 샤프트를 포함하며, 샤프트 내의 공동 내에 기어박스 조립체가 적어도 부분적으로 위치하는 구동 장치를 제공하는 것은 종래의 구동 장치를 넘는 많은 이점을 제공한다. 특히, 구동 장치의 길이가 현저히 감소될 수 있다. 또한 로터 샤프트와 기어박스 조립체 사이에 크고 무거운 연결 요소들을 마련할 필요가 없다. 이 요인들은 구동 장치의 무게 감소를 초래하며, 이에 따라 구동 장치를 적재하고 풍력 터빈 타워 위의 높은 높이게 설치되는 나셀의 무게를 감소시킨다. 부가하여, 구동 장치의 길이 감소는 구동 장치를 적재하는 나셀의 길이 감소를 초래하며, 이는 나셀에 가해지는 풍하중(wind loading)을 감소시킬 수 있다. 이는 보다 가벼운 타워 설계 및 보다 작은 타워 기초의 면에서 이득으로 이어질 수 있다. 더욱이, 로터 샤프트는 기어박스 조립체가, 예를 들어 정비를 위해, 더욱 쉽게 제거될 수 있거나 또는 제 자리에서 분해될 수 있는 그러한 방식으로 구동 장치를 적재한 나셀 내부에 지지될 수 있다. 본 발명은 기어박스 조립체의 제거에 뒤따라 로터 샤프트를 지지하기 위해 제공되는 별도의 요소들의 요구 없이 이를 성취 가능하게 할 수 있다. 더욱이, 기어박스 조립체의 적어도 부분과 구동력 전달 기구를 로터 샤프트의 내부 공동 내에 설치하면, 기어박스를 위한 윤활 시스템이 로터의 메인 샤프트 베어링들을 윤활하기 위해 사용되도록 할 수 있으며, 터빈을 위한 전체 윤활 시스템 설계를 단순하게 한다.
기어박스 조립체는 외면과 축방향 길이를 가질 수 있으며, 로터 샤프트가 기어박스 조립체의 축방향 길이의 적어도 부분을 따라 외면 둘레에 연장되도록 하는 방식으로 로터 샤프트 내의 공동 내부에 위치할 수 있다. 기어박스 조립체의 대부분이 로터 샤프트 내의 공동 내부에 위치할 수 있다. 기어박스 조립체의 구성 부분들의 대부분이 공동 내부에 위치할 수 있다. 기어박스 조립체의 부분이 로터 샤프트 내의 공동으로부터 돌출될 수 있다. 기어박스 조립체의 출력 샤프트의 적어도 부분은 공동으로부터 돌출될 수 있다. 이는 출력 샤프트를 발전기에 연결하기 쉽게 할 수 있다. 로터 샤프트 내의 공동은 로터 샤프트의 바람 부는 방향의 단부로부터 축방향으로 연장될 수 있다. 공동은 샤프트의 길이를 따라 어느 정도 연장될 수 있으며, 또는 샤프트의 전체 길이를 따라 연장될 수도 있다. 출력 샤프트는 하나의 또는 통합된 부품일 수 있으며, 또는 기어박스에 결합된 발전기로 토크를 전달하기 위해 회전 가능하게 결합된 별개의 샤프트 부분들 또는 구성요소들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 각각의 기어 스테이지는 회전 가능하게 결합된 그 자신의 샤프트 부분 또는 구성요소를 가질 수 있다.
기어박스 조립체는 1차 기어 스테이지와 2차 기어 스테이지를 포함할 수 있으며, 각각은 출력 샤프트 둘레에 배치된 다수의 유성 기어들을 포함하고, 각각의 유성 기어는 개별의 유성 기어 핀에 회전 가능하게 장착되며 출력 샤프트로 토크를 전달하도록 구성된다. 1차 스테이지는 유성 캐리어가 고정되고 그래서 정지되는 스타 구성(star arrangement)일 수 있으며, 2차 스테이지는 유성 또는 스타일 수 있다. 기어박스 조립체 구성요소들은 그들 자신의 축에 대해 회전할 수 있으며, 및/또는 기어박스의 메인 축에 대해 궤도 경로를 따를 수 있다. 이는 구동 장치를 위해 선택된 구성 또는 운용 배치 형태이다. 기어박스 조립체로 입력되는 로터 샤프트의 토크는 1차 기어 스테이지와 2차 기어 스테이지 사이에서 나뉠 수 있다. 1차 기어 스테이지는 로터 샤프트 부하의 부분을 2차 기어 스테이지를 통해 출력 샤프트로 전달하도록 구성될 수 있다. 1차 기어 스테이지는 1차 기어 스테이지에 입력되는 로터 부하의 부분에 대해 1차 속도 증가/토크 감소를 수행할 수 있도록 구성될 수 있다. 2차 기어 스테이지는 2차 기어 스테이지로 입력되는 부하에 대해 2차 속도 증가/토크 감소를 수행할 수 있도록 구성될 수 있으며, 이는 2차 스테이지로 직접 전달되는 로터 샤프트 부하의 부분과 1차 기어 스테이지의 출력의 조합일 수 있다.
구동력 전달 기구는 로터 샤프트로부터 기어박스 조립체로 회전 구동력 또는 부하(토크)를 전달하기 위해, 로터 샤프트를 기어박스 조립체에 연결하기 위한 1차 구동 요소를 포함할 수 있다. 기어박스 조립체는 1차 구동 요소에 결합될 수 있는 입력 샤프트를 포함할 수 있으며, 입력 샤프트는 1차 구동 요소로부터 1차 및 2차 기어 스테이지들로 구동력을 전달하도록 배치될 수 있다. 1차 구동 요소는 로터 샤프트에 고정될 수 있다. 입력 샤프트는 기어박스 조립체에 연결될 수 있다.
1차 구동 요소와 입력 샤프트는 부동 연결(floating connection) 또는 이에 부응하는 연결에 의해 함께 결합될 수 있다. 이는 기어박스 조립체로 원치 않는 부하, 특히 로터에 의해 가해지는 벤딩 모멘트 및 전단력이 전달되는 것을 감소시킬 수 있다. 이는 사용하는 동안 기어박스 구성요소들이 손상되는 가능성을 감소시킬 수 있다. 이 기구는 로터 샤프트로부터 기어박스 조립체로 회전 구동력을 전달하기 위한 스플라인 연결부를 포함할 수 있다. 스플라인 연결부는 입력 샤프트에 제공되고 축방향으로 연장된 수 스플라인 및, 1차 구동 요소에 제공되고 수 스플라인과 맞물리는 축방향으로 연장된 암 스플라인을 포함할 수 있다. 이러한 스플라인 연결부의 제공은 기어박스 조립체를 로터 샤프트의 공동 내부에 설치하는 것을 용이하게 하며, 확실히 기어박스 조립체의 제거를 용이하게 한다. 수 스플라인의 높이는 스플라인의 길이를 따라 변할 수 있다(비록 스플라인이 전형적으로 뿌리로부터 첨단까지의 깊이가 일정하다 하더라도). 수 또는 암 스플라인, 그리고 전형적으로 수 스플라인은 스플라인들의 중간 또는 중심부로부터 스플라인들의 각각의 단부쪽 방향으로 테이퍼질 수 있다(선택적으로 비선형적으로). 스플라인은 중간 부분에서 가장 큰 반경방향 높이이고, 단부들에서 가장 작은 반경방향 높이일 수 있다. 스플라인들은 만곡된 프로파일을 가질 수 있으며 (반경 방향으로 보아서) "배럴형상(barrelled)" 또는 (옆에서 보아서) "크라운형상(crowned)" 일 수 있다. 크라운형상의 스플라인들은 로터 샤프트와 기어박스의 길이방향 축 사이에 상대적인 각 기울기를 어느 정도 허용할 수 있다. 조립을 위해 작은 이 간격/이 여유가 있을 수 있다. 이러한 형상을 가진 스플라인들은 많은 이점을 제공하며, 이는 결과적으로 편향을 초래하는 기어박스 조립체로의 상당한 부하의 전달 없이(또는 전달의 감소), 스플라인들이 사용하는 동안 로터에 의해 로터 샤프트에 가해지는 큰 벤딩 모멘트와 전단력을 수용할 수 있다는 것을 포함한다. 대체안으로서, 토크 전달 튜브가 채용될 수 있으며, 이는 회전방향으로 견고하지만, 반경방향의 샤프트 왜곡의 영향을 흡수하기 위해 측방향 유연성을 허용한다.
1차 구동 요소/플렉서블 커넥터는 구동 요소를 로터 샤프트에 결합하기 위한 제1 결합 요소와, 구동 요소를 기어박스 조립체의 입력 샤프트에 결합하기 위한 제2 결합 요소를 가질 수 있다. 제1 및 제2 결합 요소들은 1차 구동 요소의 길이를 따라 축방향으로 이격되고, 제1 결합 요소는, 사용 중, 제2 결합 요소의 바람 부는 방향에 위치할 수 있다. 1차 결합 요소에 근접한 1차 구동 요소의 내면과 기어박스 조립체 사이에 반경방향의 간격 또는 갭이 있을 수 있다. 이는 로터 샤프트로부터 기어박스 조립체로 반경방향으로 향하는 부하의 전달을 감소시키는데 도움을 줄 수 있다. 특히, 반경방향 갭과 결합 요소들 사이의 간격은 1차 구동 요소의 변형을 허용하여 기어박스 조립체로의 반경방향의 부하의 전달을 감소시킬 수 있다. 1차 구동 요소는 황형 요소일 수 있으며 토션 튜브일 수 있다. 제1 결합 요소는 토션 튜브의 바람 부는 방향의 단부에 또는 인접하여 마련될 수 있으며 제2 결합 요소는 토션 튜브의 바람 반대 방향의 단부에 또는 인접하여 마련될 수 있다.
기어박스 조립체는:
출력 샤프트;
출력 샤프트의 둘레에 배치된 다수의 유성 기어들을 가진 적어도 하나의 기어 스테이지; 및
유성 기어들과 맞물리며 출력 샤프트로 토크를 전달하도록 구성된 태양 기어;를 포함하며,
● 태양 기어는 출력 샤프트와 함께 회전함으로써 출력 샤프트를 구동시키며;
● 유성 기어들과 태양 기어는 각각 기어들의 메인 축과 평행하게 연장된 기어 치들(teeth)을 포함하고, 유성 기어 치들은 상기 태양 기어 치들과 맞물려 유성 기어들로부터 태양 기어로 토크를 전달하며;
● 태양 기어는 제1 축방향 단부 및 제1 단부 반대쪽의 제2 축방향 단부를 가진 속이 빈 환형 요소이며, 태양 기어는 제1 단부에서 출력 샤프트에 장착되거나 또는 출력 샤프트와 일체로 제공되고, 사용 중, 유성 기어 치들의 왜곡을 초래하는 유성 기어들의 비틀림 및 반경방향 편향은 태양 기어 치들의 상응하는 왜곡에 의해 수용된다.
기어 스테이지는 유성 기어들과 맞물려 유성 기어들로 토크를 전달하도록 구성된 환형 기어를 포함할 수 있으며, 환형 기어는 제1 축방향 단부 및 제1 단부 반대쪽의 제2 축방향 단부를 가지고, 기어박스는 제1 축방향 단부에서 환형 기어로 토크를 전달되도록 구성된다. 이러한 방식으로 환형 기어로 토크를 전달하는 것은 산업계에서 '와인드업(wind-up)'으로 알려져 있는 기어의 원주 둘레 방향의 환형 기어 치들의 왜곡 또는 '비틀림(twisting)'을 야기할 수 있으며, 그리고 토크의 전달에 의해 생성된 별도의 힘으로부터 반경방향의 맞물림 정렬 불량을 야기할 수 있다. 그래서 왜곡은 유성 및 환형 기어 치들에 있을 수 있다. 이는 유성 기어의 치들로 전달되고 그래서 태양 기어 치들로 전달된다. 태양 기어는 전형적으로 비교적 두꺼운 벽을 가진 샤프트를 가지며, 그래서 유성 기어 및 선기 어들 사이에 조기 이 마모를 초래하는 정렬 불량을 야기한다. 태양 기어를 단부 구동형(end driven)으로서, 선택적으로 얇은 벽을 가진 환형 요소로서 제공하면, 이러한 왜곡이 태양 기어 치들의 상응하는 왜곡에 의해 수용되며, 유성 및 태양 기어 치들에 복잡한 이 프로파일이 필요하지 않고 또는 복잡한 축 구동 장치의 필요성도 피할 수 있다. 본 발명의 문맥에서, '단부 구동형(end driven)' 기어 또는 기어 요소라는 언급은 토크가 하나의 축방향 단부에서 기어/기어 요소로 또는 기어/기어 요소로부터 전달된다는 것이다.
기어박스 조립체는 출력 샤프트 둘레에 배치된 다수의 유성 기어들을 가진 1차 기어 스테이지를 포함할 수 있으며, 각각의 유성 기어는 각각의 유성 기어 핀에 회전 가능하게 장착되어 구동력 또는 부하(토크)를 출력 샤프트로 전달하도록 구성된다. 핀들은 1차 기어 캐리어에 마련될 수 있으며, 기어 캐리어에 결합되거나 기어 캐리어와 함께 일체로 제공될 수 있다. 1차 기어 캐리어는 풍력 터빈의 하우징에 대해 회전하지 않도록 고정될 수 있으며, 그래서 핀들도 로터 샤프트 공동 내부에 또는 공동에 대해 고정된 위치에 유지된다. 1차 기어 스테이지는 유성 기어들과 맞물리는 태양 기어, 유성 기어들로부터 기어박스 조립체 출력 샤프트로 구동력 또는 부하를 전달하도록 구성된 태양 기어를 포함할 수 있다. 1차 기어 스테이지 태양 기어는 출력 샤프트 둘레에 위치한 환형 기어일 수 있다.
기어박스 조립체는 출력 샤프트의 둘레에 위치한 다수의 유성 기어들을 가진 2차 기어 스테이지를 포함할 수 있으며, 각각의 유성 기어는 개별의 유성 기어 핀에 회전 가능하도록 장착되어 구동력 또는 부하를 출력 샤프트로 전달하도록 구성된다. 핀들은 2차 기어 캐리어에 마련될 수 있으며, 2차 기어 캐리어에 결합되거나 또는 2차 기어 캐리어와 함께 일체로 마련될 수 있다. 2차 기어 캐리어는 1차 구동력 전달 요소와 맞물리는 기어박스 조립체의 입력 샤프트에 결합되거나 또는 기어박스 조립체의 입력 샤프트를 한정할 수 있다. 1차 기어 스테이지는 입력 기어를 포함할 수 있으며, 이는 환형 기어일 수 있고, 1차 유성 기어들과 맞물리며 입력 샤프트에 결합되어 함께 회전하면서 로터 부하의 적어도 부분을 1차 기어 스테이지로 전달한다. 2차 기어 캐리어는 회전할 수 있으며 유성 기어 핀들과 유성 기어들을 출력 샤프트 둘레의 원주방향으로 경로로 회전 이동시키도록 구성될 수 있다. 2차 기어 스테이지는 유성 기어들과 맞물리며 유성 기어들로부터 기어박스 조립체 출력 샤프트로 구동력 또는 부하를 전달하도록 구성된 태양 기어를 포함할 수 있다. 2차 기어 스테이지 태양 기어는 출력 샤프트에 장착되거나 또는 출력 샤프트와 함께 일체로 제공될 수 있다. 태양 기어는 출력 샤프트에 또는 그 둘레에 위치하는 환형 기어일 수 있다.
1차 기어 스테이지 태양 기어는 1차 스테이지로부터 기어박스 조립체 출력 샤프트로 구동력 또는 부하를 전달하기 위해 2차 기어 스테이지 유성 기어들에 결합될 수 있다. 2차 기어 스테이지는 구동력 전달 요소를 포함할 수 있으며, 이는 1차 스테이지 태양 기어에 고정되어 함께 회전하는 환형 기어 요소일 수 있고, 구동력 전달 요소는 2차 유성 기어들과 맞물린다.
기어박스 조립체는 출력 샤프트의 둘레에 배치된 다수의 유성 기어들을 가진 적어도 하나의 추가적인 기어 스테이지를 포함할 수 있으며, 각각의 유성 기어는 개별의 유성 기어 핀에 회전 가능하게 장착되어 구동력 또는 부하를 출력 샤프트로 전달하도록 구성된다. 기어박스 조립체의 출력 샤프트는 1차 및 2차 기어 스테이지로부터 3차 기어 스테이지로 구동력을 전달하기 위한 제1 샤프트 부분과, 3차 스테이지로부터 발전기로 구동력을 전달하기 위한 제2 부분을 포함할 수 있다. 선택적으로 3차 기어 스테이지는 기어박스 조립체로 입력되는 구동력 또는 부하가 1차, 2차 및 3차 기어 스테이지 사이에서 나뉘도록 구성될 수 있다. 1차 및 2차 기어 스테이지들은 이러한 새 개의 토크 분할을 가능하게 구성될 것이다. 3차 기어 스테이지는 3차 스테이지로 입력되는 부하에 대해 3차 속도 증가/토크 감소를 수행하도록 구성될 수 있다(이는 1차/2차 기어 스테이지들의 출력, 또는 3차 스테이지로 직접 전달되는 로터 샤프트 부하의 부분과 1차/2차 기어 스테이지의 출력의 조합일 수 있다). 추가적인 기어 스테이지는 구동 장치를 적재한 터빈의 전력 생산 용량을 포함하는 인자들과 발전기의 운용 파라미터들 및/또는 원하는 발전기의 크기/배치 형태에 따라 제공될 수도 있다.
구동 장치는 기어박스 조립체를 구동 장치를 적재한 풍력 터빈의 하우징에 해체 가능하게 장착하기 위한 1차 내부하 부재를 포함할 수 있다. 하우징은 내부에 로터 샤프트가 회전 가능하게 장착되는 내부 챔버를 포함할 수 있으며, 1차 내부하 부재는, 기어박스 조립체가 하우징으로부터 적어도 부분적으로 캔틸레버되는(cantilevered) 것과 같은 방식으로, 기어박스 조립체를 적어도 부분적으로 챔버 내부에 해체 가능하게 장착하는 역할을 할 수 있다. 1차 내부하 부재는 1차 기어 스테이지의 기어 캐리어일 수 있다.
본 발명의 제4 측면에 따르면,
로터;
발전기; 및
본 발명의 제1, 제2 또는 제3 측면에 따른 구동 장치;를 포함하며,
로터로부터 발전기로 토크를 전달하여 전력을 생산하기 위해, 구동 장치의 로터 샤프트는 로터에 결합되고 기어박스 조립체의 출력 샤프트는 발전기에 결합되는, 풍력 터빈이 제공된다.
풍력 터빈은 로터 샤프트가 들어 있는 하우징을 포함할 수 있다. 로터는 하우징 내에 회전 가능하게 장착되고 하우징에 의해 지지될 수 있다. 이는 기어박스 조립체의 제거 후에 로터 샤프트를 지지할 필요 없이 기어박스 조립체를 로터 샤프트 내의 공동 내부로부터 제거할 수 있는 이점을 제공할 수 있다. 기어박스 조립체의 1차 스테이지 기어 캐리어는 하우징에 결합되어 회전하지 않도록 고정될 수 있다. 이렇게 하여, 기어박스 조립체 내의 반작용 부하는 하우징으로 전달될 수 있다. 터빈은 로터 샤프트를 하우징 내에 회전 가능하게 장착하고 지지하기 위한 적어도 한 쌍의 베어링을 포함할 수 있다. 베어링들은 로터 샤프트에 의해 하우징에 가해지는 축방향 및/또는 반경방향으로 향하는 부하를 지지하기 위한 테이퍼 롤러 베어링일 수 있다. 베어링들은 베어링들 사이에 간격이 있도록 축방향으로 간격을 둘 수 있다. 하나의 베어링은 로터 샤프트의 바람 부는 방향의 단부에 가깝게 위치하고, 다른 하나는 바깥쪽의 바람 반대 방향의 단부에 가깝게 위치하며, 그 곳에서 로터가 샤프트에 결합된다. 이는 로터 샤프트의 바람 부는 방향의 단부에 위치한 베어링에 작용하는 벤딩 모멘트 부하를 감소시키는 이점을 제공한다.
본 발명의 제4 측면의 풍력 터빈의 구동 장치의 추가 특징들은 본 발명의 제1, 제2 및/또는 제3 측면과 관련하여 위에서 설명되었다.
본 발명의 제5 측면에 따르면, 풍력 터빈용 구동 장치가 제공되며, 구동 장치는:
하우징;
로터 샤프트;
로터 샤프트로부터 발전기로 토크를 전달하기 위한 기어박스 조립체; 및
기어박스 조립체를 하우징에 해체 가능하게 장착하기 위한 1차 내부하 부재;를 포함하며,
하우징은 내부에 로터 샤프트가 회전 가능하게 장착되는 내부 챔버를 포함하고;
1차 내부하 부재는, 기어박스 조립체가 하우징으로부터 적어도 부분적으로 캔틸레버되는 것과 같은 방식으로, 기어박스 조립체를 적어도 부분적으로 챔버 내에 해체가능하게 장착하는 역할을 한다.
기어박스 조립체는 하우징으로부터 적어도 부분적으로 캔틸레버되며, 하우징 내에서 기어박스 조립체의 정적 부하의 적어도 부분이 하우징에 의해 캔틸레버 방식으로 지지된다. 이는 기어박스 조립체의 정적 부하의 적어도 부분이 기어박스 조립체의 기어 요소들을 통해 하우징으로 전달되지 않고, 1차 내부하 부재를 통해 하우징에 의해 직접 지지된다는 이점을 제공할 수 있다. 이는 기어박스 조립체의 기어 부품들의 마모/손상을 감소시킬 수 있다. 전형적으로 기어박스 조립체의 정적 부하의 대부분이 하우징으로부터 지지될 것이다. 1차 내부하 부재는 기어박스 조립체의 기어 부품들에 가해지는 정적 부하만 기어박스 조립체의 자중으로 인한 내부하 부재 및/또는 하우징의 작은 편향에 기인하게 되는 방식으로 기어박스 조립체를 하우징에 해체 가능하게 장착하는 역할을 할 수 있다.
기어박스 조립체는 1차 기어 스테이지와 2차 기어 스테이지를 포함할 수 있으며, 각각은 출력 샤프트 둘레에 위치한 다수의 유성 기어들을 포함하고, 각각의 유성 기어들은 개별의 유성 기어 핀에 회전 가능하게 장착되어 구동력 또는 부하를 기어박스 조립체 출력 샤프트로 전달하도록 구성된다. 1차 기어 스테이지는 로터 샤프트 부하의 부분을 2차 기어 스테이지를 통해 기어박스 조립체의 출력 샤프트로 전달하도록 구성될 수 있다. 1차 기어 스테이지는 1차 스테이지에 입력되는 로터 부하의 부분에 대한 1차 속도 증가/토크 감소를 수행하도록 구성될 수 있다. 2차 기어 스테이지는 2차 스테이지에 입력되는 부하에 대해 2차 속도 증가/토크 감소를 수행하도록 구성될 수 있으며, 2차 스테이지에 입력되는 부하는 2차 스테이지로 직접 전달되는 로터 샤프트 부하의 부분과 1차 기어 스테이지의 출력의 조합일 수 있다.
1차 기어 스테이지의 각각의 유성 기어는 개별의 유성 기어 핀에 회전 가능하도록 장착되어 구동력 또는 부하를 출력 샤프트로 전달하도록 구성될 수 있다. 핀들은 1차 기어 캐리어일 수 있는 1차 내부하 부재에 마련될 수 있으며, 기어 캐리어에 결합되거나 기어 캐리어와 함께 일체로 제공될 수 있다. 1차 기어 캐리어는 회전하지 않고 고정되도록 구성될 수 있으며, 그래서 핀들은 챔버 내부에 고정된 위치에 유지된다. 1차 기어 스테이지는 유성 기어들과 맞물리는 태양 기어를 포함할 수 있으며, 태양 기어는 유성 기어들로부터 기어박스 조립체 출력 샤프트로 구동력 또는 부하를 전달하도록 구성된다. 1차 기어 스테이지 태양 기어는 출력 샤프트 둘레에 배치된 환형 기어일 수 있다.
구동 장치는 로터 샤프트로부터 기어박스 조립체로 회전 구동력을 전달하기 위한 구동력 전달 기구를 포함할 수 있다. 로터 샤프트는 적어도 부분적으로 속이 비어 있을 수 있으며, 기어박스 조립체의 적어도 부분 및 구동력 전달 기구가 그 안에 위치하는 내부 공동을 가진다. 구동 장치의, 특히 구동력 전달 기구 및/또는 로터 샤프트의 추가 특징들은 본 발명의 제1, 제 및/또는 제3 측면과 관련하여 위에서 설명되었다.
본 발명의 제6 측면에 따르면,
로터;
발전기; 및
본 발명의 제6 측면에 따른 구동 장치;를 포함하며,
로터로부터 발전기로 토크를 전달하여 전력을 생산하기 위해, 구동 장치의 로터 샤프트는 로터에 결합되고 기어박스의 출력 샤프트는 발전기에 결합되는, 풍력 터빈이 제공된다.
본 발명의 제6 측면의 풍력 터빈의 구동 장치의 추가 특징들은 본 발명의 제4 측면과 관련하여 위에서 설명되었다.
이제 본 발명의 실시예들이, 단지 예로서, 첨부된 도면들을 참조하면서 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구동 장치를 포함하는 풍력 터빈의 부분 절개된 개략적인 측면도이며;
도 2는 도 1에 도시된 구동 장치의 측면 상세 단면도이며;
도 3과 4는 각각 도 1과 2에 도시된 구동 장치의 부분을 형성하는 기어박스 조립체의 전면 및 후면 사시도이며;
도 5는 도 1과 2에 도시된 구동 장치의 부분을 형성하는 구동력 전달 기구의 확대도이며;
도 6은 본 발명의 선택 가능한 실시예에 따른 풍력 터빈의 구동 장치의 측면 상세 단면도이며,
도 7은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 풍력 터빈의 구동 장치의 측면 상세 단면도이며,
도 8은 도 7에 도시된 구동 장치의 부분을 형성하는 구동력 전달 기구의 확대도이며;
도 9는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 풍력 터빈의 구동 장치의 측면 상세 단면도이며,
도 10은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 풍력 터빈의 구동 장치의 부분 측면 상세 단면도이며,
도 11은 도 10에 도시된 구동 장치의 부분을 형성하는 구동력 전달 기구의 확대도이며;
도 12는 도 10과 11에 도시된 구동력 전달 기구의 부분을 형성하는 플렉서블 커넥터를, 도 10에 도시된 바와 같이 절단하여 보여주는 사시도이다.
먼저, 도 1로 돌아가면, 본 발명의 일 실시예에 따른 구동 장치(12)를 포함하는 풍력 터빈(10)의 부분 절개된 개략적인 측면도가 도시되어 있다. 풍력 터빈(10)은 세 개의 로터 블레이드를 가진 로터(14)를 포함하며, 세 개의 로터 블레이드 중 두 개가 도시되어 있고 각각 참조번호 16이 주어져 있다. 또한 풍력 터빈(10)은 발전기(18)와 구동 장치(12)를 포함한다. 구동 장치(12)는 로터(14)와 발전기(18)에 결합되며, 전력을 생산하기 위해 로터(14)로부터 발전기(18)로 회전 구동력(토크)을 전달하는 역할을 한다.
구동 장치(12)는 일반적으로 로터(14)에 결합된 로터 샤프트(20)와, 개략적으로 참조번호 22로 표시된 기어박스 조립체와, 개략적으로 참조번호 24로 표시된 구동력 전달 기구를 포함한다. 잘 알려진 바와 같이, 로터 샤프트(20)는 로터(14)에 결합되어 로터(14)에 의해 회전하며, 로터(14)는 로터 블레이드(16)에 충돌하는 공기(26)의 흐름에 의해 구동된다. 기어박스 조립체(22)는 로터 샤프트(20)로부터 발전기(18)로 회전 구동력을 전달하는 역할을 한다. 로터 샤프트(20)의 회전 구동력은 구동력 전달 기구(24)에 의해 기어박스 조립체(22)로 입력된다.
로터 샤프트(20)는 내부 공동(cavity)(28)을 가져서 적어도 부분적으로 속이 비어 있으며, 공동(28) 내에 기어박스 조립체(22)의 적어도 부분과 구동력 전달 기구(24)가 위치한다. 속이 빈 로터 샤프트(20)를 포함하며 샤프트 내의 공동(28) 내에 적어도 부분적으로 위치한 기어박스 조립체(12)를 가진 구동 장치(12)를 제공하는 것은, 종래의 구동 장치를 넘어서는 많은 이점을 제공한다. 특히, 구동 장치(12)의 길이는 종래의 장치와 비교하여 상당히 감소될 수 있다. 또한 로터 샤프트(20)와 기어박스 조립체(22) 사이에 크고 무거운 연결 요소들을 마련할 필요가 없다. 이 요인들은 구동 장치(12)의 무게 감소를 초래하며, 이에 따라 구동 장치(12)를 적재하고 풍력 터빈 타워(31) 위에 설치되는 나셀(30)의 무게를 감소시킨다. 부가하여, 구동 장치(12)의 길이의 감소는 나셀(30)의 길이 감소를 야기하며, 이는 나셀에 가해지는 풍하중(wind loading)을 감소시킬 수도 있다. 이는 보다 가벼운 타워 설계 및 보다 작은 타워 기초의 면에서 이득으로 이어질 수 있다. 더욱이, 로터 샤프트(20)는 기어박스 조립체(22)가, 예를 들어 정비를 위해, 더욱 쉽게 제거될 수 있는 그러한 방식으로 나셀(30) 내부에 지지될 수 있다. 본 발명은 이를 기어박스 조립체(22)의 제거에 뒤따라 로터 샤프트(20)를 지지하기 위해 제공되는 별도의 요소들, 공구 또는 장비의 요구 없이 성취 가능하게 할 수도 있다.
구동 장치(12)는 도 2를 참조하면서 보다 상세하게 설명될 것이며, 도 2는 구동 장치의 측면 상세 단면도이다. 또한 도 3과 4도 참조되며, 이들은 각각 구동 장치(12)의 부분을 형성하는 기어박스 조립체(22)의 전면 및 후면 사시도이다.
도 2는 기어박스 조립체(22)의 구성요소들과 그들의 로터 샤프트(20) 내에서의 위치를 더 잘 도시하고 있다. 그 도면에는 로터 샤프트(20)의 부분만 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 공동(28)은 샤프트의 바람 부는 방향의 단부(32)로부터 축방향으로 연장된다. 로터 샤프트(20)는 터빈(10)의 메인 프레임(35)에 결합된 하우징(34) 내부에 장착된다. 메인 프레임(35)은 발전기(18)와 로터(14)를 지지하며, 메인 프레임 둘레에 나셀(30)이 설치된다. 로터(20)는 한 쌍의 베어링(36, 38)에 의해 하우징(34) 내부에 회전 가능하게 장착되며, 한 쌍의 베어링(36, 38)은 전형적으로 테이퍼 롤러 베어링일 것이다. 베어링(36, 38)은 로터(14)에 의해 로터 샤프트(20)에 가해지는 큰 다축성 힘(multi-axis forces)과 벤딩 모멘트로부터 기인하는 축방향 및 반경방향의 편향을 지지할 수 있다. 베어링(36, 38)은 로터 샤프트(20)를 따라 축방향으로 간격을 두고 있으며, 베어링들 사이의 간격은 로터 샤프트(20)에 가해지는 전단력의 영향과 벤딩 모멘트의 일부를 경감시키는 역할을 한다. 특히, 베어링(36)은 로터 샤프트의 바람 부는 방향의 단부(32) 쪽에 위치하고, 베어링(38)은 로터(14)를 지지하는 샤프트(미도시)의 바람 반대 방향의 단부쪽에 위치한다. 베어링(36)이 바람 부는 방향의 단부(32) 쪽에 위치함으로써 로터 샤프트(20)에 가해지는 전단력과 벤딩 모멘트로 인한 반경방향의 편향이 감소되는 효과가 있으며, 이에 따라 기어박스 조립체(22)로의 편향의 전달이 감소되고, 그렇지 않으면 기어박스 구성요소들의 정렬 작업을 나쁘게 할 수 있다. 부가하여, 내부 공동(28) 내의 기어박스 조립체(22)와 구동력 전달 기구(24)는 기어박스를 위한 윤활 시스템(미도시)이 메인 샤프트 베어링들(36, 38)을 윤활하기 위해 사용되도록 할 수 있으며, 터빈을 위한 전체 윤활 시스템 설계를 단순하게 한다.
기어박스 조립체(22)는 그 대부분이 로터 샤프트 공동(28) 내에 위치한다. 기어박스 조립체(22)는 로터 샤프트(20)에 결합된 환형의 입력 샤프트(40)와 개략적으로 참조번호 42로 표시된 출력 샤프트를 포함한다. 또한 기어박스 조립체(22)는 1차 기어 스테이지(44)와 2차 기어 스테이지(46)를 포함한다. 구동력은 로터 샤프트(20)로부터 입력 샤프트(40)로 전달되고, 1차 및 2차 기어 스테이지(44, 46)를 통해 출력 샤프트(42)로 전달되며, 그 뒤에 발전기(18)로 전달된다. 발전기 출력 샤프트(42)와 발전기(18)(도 1)의 입력 샤프트(50) 사이에 토크 또는 회전력을 전달하기 위한 적합한 샤프트 커플링(48)이 제공된다.
1차 기어 스테이지(44)는 다수의 유성 기어들을 포함하며, 이들 중 두 개가 도시되어 있고 참조번호 52로 표시되어 있다. 1차 유성 기어들(52)은 각각 1차 기어 스테이지 캐리어(56) 내에 고정되어 유지되는 개별의 핀(54)에 회전 가능하도록 장착된다. 캐리어(56)는 적합한 볼트들(미도시)을 사용하여 하우징(34)에 장착되며, 그로 인해 캐리어는 하우징에 대해 회전하지 않도록 고정된다. 그래서 핀들(54)도 하우징(34)에 대해 회전하지 않도록 고정되어 로터 샤프트 공동(28) 내에서 고정된 위치에 유지된다. 2차 기어 스테이지(46)는 다수의 유성 기어들(58)을 포함하며 이들은 도 3에 가장 잘 도시되어 있다. 2차 유성 기어들(58)은 마찬가지로 개별의 핀에 대해 회전하도록 장착되며, 핀들 중 하나가 도 2에 도시되어 있고 참조번호 60이 부여되어 있다. 핀들(60)은 각각 2차 기어 스테이지 캐리어(62) 내에 고정되어 유지되며, 2차 기어 스테이지 캐리어(62)는 로터 샤프트 공동(28) 내에서 회전 가능하고, 그래서 핀들(60)과 유성 기어들(58)을 출력 샤프트(42) 둘레의 원주방향의 경로를 따라 이동시킨다.
구동력 전달 기구(24)는 적합한 볼트들(미도시)을 사용하여 로터 샤프트(20)에 고정된 1차 구동 요소(64)를 포함한다. 1차 구동 요소(64)를 로터 샤프트에 고정된 별도의 구성요소로서 제공하는 것은 구동 요소가 마모된 경우에 교체를 용이하게 하여, 로터 샤프트(20) 전체를 제거 및/또는 교체할 필요가 없다. 1차 구동 요소(64)와 기어박스 조립체 입력 샤프트(40) 사이에 로터 샤프트(20)로부터 기어박스 조립체(22)로 회전 구동력을 전달하기 위한 스플라인 연결부(66)가 제공된다. 1차 구동 요소(64)는 환형 요소이며, 도 5의 확대 개략도에 잘 도시되어 있다. 스플라인 연결부(66)는 환형 구동 요소(64)에 마련된 암 스플라인(68)과 입력 샤프트(40)에 마련된 수 스플라인(70)을 포함한다. 스플라인들(68, 70)은 구동 요소(64)와 입력 샤프트(40)의 길이를 따라 축방향으로 연장된다. 암 스플라인(68)은 일정한 높이와 형상을 가진다. 그에 반해 수 스플라인(70)은 스플라인의 중심 또는 중간 부분(72)으로부터 바람 부는 방향 및 바람 반대 방향 단부들(74, 76)을 향하여 테이퍼진다. 따라서 수 스플라인(70)은 (반경 방향으로 보아서) "배럴형상(barrelled)" 또는 (옆에서 보아서) "크라운형상(crowned)" 이다. 이렇게 수 스플라인(70)을 성형하면 운용 토크와 로터(14)에 의해 로터 샤프트(20)에 가해질 수 있는 높은 벤딩 모멘트 및/또는 전단력에 의해 유발된 편향 하에서 스플라인들(68, 70)을 사용하는 동안 마모가 감소된다. 부가하여, 이러한 수 스플라인(70)의 성형은 기어박스 조립체(22)의 결과적인 편향을 감소시키거나 또는 심지어 방지하면서 로터 샤프트(20)의 어느 정도의 움직임을 허용한다. 이는 기어박스 조립체(22)의 구성요소들, 특히 1차 및 2차 기어 스테이지(44, 46)의 마모를 감소시킨다. 덧붙여, 암 스플라인(68)의 이뿌리(root)(78)와 수 스플라인(70)의 이끝면(crest)(80) 사이에는 그들의 중간 부분(72)에서 간격이 제공될 수 있다. 이는 스플라인들(68, 70) 사이의 맞물림 내에서 어느 정도의 반경 방향 "움직임(play)"을 제공하여, 기어박스 조립체(22)로 상당한 전단 부하 및/또는 벤딩 모멘트가 전달되는 것을 감소시키거나 또는 피하도록 한다. 대안으로서 수 스플라인(70)은 균일한 높이이고 암 스플라인(68)이 배럴형상일 수 있다는 것이 인정될 것이다.
1차 기어 스테이지(44)는 출력 샤프트(42)에 대해 회전 가능하게 장착되고 1차 유성 기어들(52)과 맞물린 태양 기어(82)를 더 포함한다. 환형 입력 기어(84)가 입력 샤프트(40)에 결합되어 입력 샤프트(40)와 함께 회전하며, 1차 유성 기어들(52)과 맞물린다. 구동력은 1차 태양 기어(82)로부터 연결 부재(85)와 다른 환형 입력 기어(86)를 통해 2차 기어 스테이지(46)의 유성 기어들(58)로 전달된다. 환형 입력 기어(86)는 2차 유성 기어들(58)과 맞물리며, 이에 따라 구동력을 1차 기어 스테이지(44)로부터 2차 기어 스테이지(46)로 전달한다. 출력 샤프트(42)는 2차 유성 기어들(58)과 맞물리는 기어 치들(teeth)(88)을 가진 태양 기어 샤프트를 형성한다. 아래에서 설명되는 바와 같이, 1차 및 2차 기어 스테이지들(44, 46)로부터의 합쳐진 입력은 출력 샤프트(42)로 전달된다.
1차 기어 스테이지(44)는 1차 스테이지로 입력되는 로터 샤프트(20) 부하의 일부분에 대해 1차 속도 증가/토크 감소를 수행하도록 구성된다. 2차 기어 스테이지(46)는 2차 스테이지로 입력되는 부하에 대해 2차 속도 증가/토크 감소를 수행하도록 구성되며, 2차 스테이지로 입력되는 부하는 2차 스테이지로 직접 전달되는 로터 샤프트(20)의 부하의 일부분과 1차 기어 스테이지(44)의 출력의 조합이다. 이는 1차 및 2차 기어 스테이지들(44, 46)의 기어 부품들의 적절한 치수에 의해 성취된다.
지금부터 로터 샤프트(20)로부터 출력 샤프트(42)로의 구동력의 전달이 보다 상세하게 설명된다.
로터 샤프트(20) 토크는 1차 및 2차 기어 스테이지(44, 46) 사이에서 원하는 비율로 나뉘게 된다. 1차 및 2차 기어 스테이지(44, 46)를 가지는 이점은 보다 큰 직경의 유성 기어들을 요구하는 하나의 스테이지보다 더 작은 직경과 전체 무게를 가진 장치로 적절한 속도 증가/토크 감소가 성취될 수 있다는 것이다.
구동력은 1차 구동 요소(64), 스플라인 연결부(66) 및 입력 샤프트(40)를 통해 1차 기어 스테이지(44)로 전달된다. 입력 샤프트(40)는 환형 입력 기어(84)를 회전 구동시키며, 이에 의해 유성 기어들(52)을 그들 개별의 핀들(54)에 대해 회전시킨다. 1차 유성 기어들(52)로 전달된 로터 구동력의 부분은 1차 태양 기어(82)로 전달된다. 연결부재(85)는 이 구동력을 2차 환형 입력 기어(86)로 전달하고, 이에 따라 이 구동력은 2차 유성 기어들(58)로 전달된다.
2차 기어 스테이지(46)로 직접 전달되는 로터(20) 구동력의 부분은 1차 구동 요소(64), 스플라인 연결부(66)를 통해 입력 샤프트(40)로 전달되며, 그 뒤에 입력 샤프트와 함께 회전하는 2차 기어 캐리어(62)로 전달된다. 위에서 설명한 바와 같이, 2차 기어 핀들(60)은 캐리어(62) 내에 고정되어 있으며, 그래서 출력 샤프트(42)에 대해 캐리어(62)와 함께 회전된다. 2차 캐리어(62)의 회전 속도는 1차 태양 기어(82)의 회전 속도와 다르며 이에 따라 2차 환형 입력 기어(86)의 회전 속도와도 다르다. 실제로는, 1차 기어 스테이지(44)를 통해 그리고 2차 기어 스테이지(46)를 통해 직접적으로 전달되는 로터(20) 구동력의 부분들은 합쳐져서 출력 샤프트 기어 치들(88)과 맞물린 2차 유성 기어들(58)을 통해 출력 샤프트(42)로 전달된다.
출력 샤프트(42)는 샤프트 커플링(48)을 경유하여 발전기(18)에 직접 결합될 수 있다. 그러나, 도 2에 도시된 실시예는 부가적인 3차 기어 스테이지(90)를 포함한다. 3차 기어 스테이지(90)는 로터 구동력을 발전기(18)에 입력하기 전에 추가적인 속도 증가/토크 감소를 제공한다. 3차 스테이지(90)는 선택적인 것이며, 터빈(10)의 로터 속도를 포함하는 인자들과 발전기(18)의 작동 파라미터에 따라 필요하지 않을 수도 있다. 도시된 예에서, 터빈(10)은 수-MW 용량의 터빈이며, 3차 기어 스테이지(90)는 로터 부하를 발전기(18)로 입력하기 위한 적합한 속도 증가/토크 감소를 제공하며, 일반적으로 "고속" 기어 스테이지로 언급된다.
도시된 실시예에서, 3차 기어 스테이지(90)는 로터 샤프트(20)의, 확실히는 1차 기어 스테이지 캐리어(56)의 외부에 제공된다. 이것은 정비 목적을 위한 3차 기어 스테이지(90)의 제거를 용이하게 한다. 과거에 고속 기어 스테이지는 풍력 터빈 기어박스에서 더욱 실패하기 쉬운 것으로 밝혀진 것처럼, 이것은 특별한 유용성이 있다. 그러나, 선택적으로 기어박스 조립체(22)는 3차 기어 스테이지(미도시)가 로터 샤프트(20)의 내부에 제공되도록 구성되어, 도 2에 도시된 실시예에서 1차 및 2차 기어 스테이지(44, 46)로부터의 구동력 각각은 3차 기어 스테이지를 통해 출력 샤프트(42)로 향하게 하고, 마찬가지 방법으로 1차 기어 스테이지로부터의 구동력은 2차 기어 스테이지(46)를 통해 출력 샤프트(42)로 향하도록 할 수도 있다.
3차 기어 스테이지(90)는 다수의 유성 기어들을 포함하며, 유성 기어들 중 두 개가 도시되어 있고 참조번호 92가 부여되어 있다. 기어 캐리어는 출력 샤프트(42)에 샤프트와 함께 회전하도록 장착되며, 유성 기어들(92)이 회전 가능하게 장착되는 핀들(96)을 지니고 있다. 3차 기어 스테이지 하우징(98)은 1차 스테이지 기어 캐리어(56)에 장착되며, 이에 따라 하우징(34)에 대해 회전하지 않도록 고정된다. 출력 샤프트(100)는 3차 스테이지 하우징(98) 내에 회전하도록 장착되며, 유성 기어들(92)과 맞물리는 태양 기어 치들(102)을 가진다. 출력 샤프트(42)로부터의 구동력은, 1차 및 2차 기어 스테이지(44, 46)의 합쳐진 출력을 포함하며, 이에 따라 기어 캐리어(94), 핀들(96), 유성 기어들(92) 및 태양 기어 치들(102)을 통해 출력 샤프트(100)로 향하게 된다. 유성 기어들(92)/태양 기어 치들(102)의 어레인지먼트는 요구되는 속도 증가/토크 감소를 수행한다. 출력 샤프트(100)는 샤프트 커플링(48)을 통해 발전기(18)에 결합되어 토크 또는 구동력을 발전기로 전달한다.
도 2는 기어박스 조립체(22)가 하우징(34) 내에 장착되는 방식에 관련된 구동 장치의 특징들도 보여준다. 구체적으로 그리고 위에서 논의된 바와 같이, 1차 기어 스테이지 캐리어(56)는 기어박스 하우징(34)에 대해 회전하지 않고 고정되도록 장착된다. 1차 기어 스테이지 캐리어(56)는 실질적으로 기어박스 조립체(22)를 하우징(34)에 해체 가능하게 장착하기 위한 1차 내부하 부재(primary load carrying member)를 형성한다. 도시된 실시예에서, 기어박스 조립체(22)는 로터 샤프트(20) 내부의 공동(28) 내에 위치한다. 그러나, 도시된 실시예에 관한 변형에서, 기어박스 조립체(22)는 단순히 하우징(34)에 의해 한정된 내부 챔버(104) 내에 위치할 수도 있으며, 보다 관례적인 방식으로 로터 샤프트(20)에 고정될 수도 있다. 이에 따라 로터 샤프트(20)는 실질적으로 속이 찬 고형물일 수 있으며, 로터 샤프트를 기어박스 조립체에 연결하기 위해 도 1에 도시된 커플링(48)과 유사한 샤프트 커플링이 사용될 수 있다.
1차 내부하 부재(56)는 기어박스 조립체(22)를 적어도 부분적으로 내부 챔버(104) 내에 해체 가능하게 장착하기 위한 역할을 한다. 이렇게 하여, 적어도 출력 샤프트(42)와 1차 및 2차 기어 스테이지(44, 46)는 로터 샤프트(20) 내부에 하나의 유닛으로서 장착된다. 실제로, 기어박스 조립체(22) 전체는 로터 내부에 하나의 유닛으로서 설치된다. 따라서 1차 내부하 부재(56)는 정비 목적 또는 다른 목적을 위해 기어박스 조립체를 하나의 유닛으로서 제거하는 것을 용이하게 한다. 더욱이, 기어박스 조립체(22)를 나셀 메인 프레임을 형성하는 하우징(34)에 일체로 장착하면, 토크가 없는 부하(전단 또는 벤딩) 하에서 두 개가 거의 일치하여 움직이게 된다. 이는 기어의 맞물림 정렬 구조와 관련하여 현저한 이점이며, 더 낮은 평균 접촉 응력, 더 나은 기어 수명과 베어링 하중의 분배를 초래한다.
1차 내부하 부재(56)는 기어박스 조립체(22)를 하우징(34)으로부터 적어도 부분적으로 캔틸레버되는(cantilevered) 것과 같은 방식으로 장착하는 역할을 할 수 있다. 이는 1차 구동 요소(64)와 기어박스 조립체 입력 샤프트(40) 사이의 스플라인 연결부(66)에 의해 제공된 부동 커플링(floating coupling)에 의해 용이하게 된다. 기어박스(22)의 정적 부하로부터 기인한 어떠한 반경방향의 편향도 수 스플라인(70)과 암 스플라인(68) 사이의 맞춤(fit) 내에 적절한 공차를 제공함에 의해 해결될 수 있다.
추가적으로 도 2에 도시된 바와 같이, 환형 입력 기어(84)의 외면(108)과 로터 샤프트(20)의 내면(110) 사이에 반경방향의 갭 또는 간격(106)이 존재한다. 반경방향의 갭(106)은, 사용 중, 로터 샤프트(20)의 편향을 부담하도록, 구동 장치(12)에 이동 자유도를 제공한다. 또한, 하우징 내부 챔버(104)의 일부분(112)은 적절한 오일계 윤할유로 채워진다. 선택적으로, 기어박스의 작동 중에 진동을 감쇄하기 위한 댐핑 효과를 주기 위해 간격(106) 내에 윤활유가 제공될 수 있다.
기어박스 조립체(22)가 위에서 설명한 바와 같이 이상적으로 부동 캔틸레버 장착(floating cantilever mounting) 상태인 동안, 기어박스 조립체(22)의 정적 부하의 적어도 부분이 1차 내부하 부재(56)를 통하지 않고서 하우징(34)으로 전달될 수도 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다. 스플라인 연결부(66)는 수 스플라인(70)과 암 스플라인(68)이 접촉 상태가 되어 기어박스 조립체(22)의 정적 부하의 상기 부분을 지지하도록 설계될 수 있다. 이는, 각각의 스플라인(68, 70)에 손상이 있을 경우 교체 또는 정비를 위해 1차 구동 요소(64) 및/또는 입력 샤프트(40)가 더 쉽게 제거되기 때문에, 1차 또는 확실히 2차 기어 스테이지(44, 46)의 구성요소들 사이의 어떠한 접촉보다도 일반적으로 바람직하다.
또한 하우징(34) 내에 기어박스 조립체(22)를 캔틸레버 장착하는 것은 정비 목적을 위한 기어박스 조립체의 제거를 용이하게 한다. 이는 먼저 샤프트 커플링(48)을 풀어서 출력 샤프트(100)를 발전기(18)로부터 분리함으로써 성취된다. 기어박스 조립체(22)가 하우징(34)으로부터 뒤로 빠지도록 충분한 간격을 제공하기 위해 커플링(48)은 제거된다. 기어박스 조립체(22)는 적절한 승강 또는 인양 장비(미도시)를 사용하여 지지되며, 그 다음에 1차 내부하 부재(56)를 하우징(34)에 고정시키는 볼트들을 푼다. 그 다음에 기어박스 조립체(22)는 화살표 B (도 2) 방향으로 하우징(34)의 밖으로 미끄러져 나올 수 있다. 이는 제자리에서의 정비를 위한 기어박스 조립체(22)로의 접근을 제공하며, 또는 그 대신에 필요하다면 기어박스 조립체를 터빈(10)으로부터 제거할 수 있게 한다.
이제, 도 6으로 돌아가면, 본 발명의 선택 가능한 실시예에 따른 풍력 터빈의 구동 장치의 측면 상세 단면도가 도시되어 있으며, 구동 장치는 개략적으로 참조번호 12a로 표시되어 있다. 구동 장치는 도 1에 도시된 풍력 터빈(10) 내에 사용되며, 도 2 내지 5에 도시된 구동 장치(12)와 매우 유사한 구성이다. 이에 따라, 구동 장치(12a)와 구동 장치(12) 사이의 차이점에 대해서만 여기에서 설명된다. 동일한 구성요소들은 동일한 참조번호를 공유하며 접미사 "a"가 부가된다.
구동 장치(12a)는 일반적으로 터빈 로터(14)에 결합된 로터 샤프트(20a)와, 개략적으로 참조번호 22a로 표시된 기어박스 조립체와, 개략적으로 참조번호 24a로 표시된 구동력 전달 기구를 포함한다. 구동 장치(12a)와 도 2 내지 5에 도시된 그것 사이의 실질적인 차이점은 구동력 전달 기구(24a)의 구조에 있다. 본 실시예에서, 구동력 전달 기구(24a)는 환형 토션 튜브(torsion tube)(64a) 형상의 1차 구동 요소를 포함하며, 이는 동심형 슬리브이고, 비틀림에 대해 높은 강성을 가지되 비교적 낮은 측방향(전단) 강성을 가진다. 이 부재는 기어박스(22a)의 메인 회전 요소들의 대부분을 그들의 결합된 무게 중심 위치에서 지지하기 위해 사용되며, 타워의 움직임에 의해 유발된 관성 부하 하에서 중립을 유지하도록 지지한다. 측방향 유연성은 기어박스로부터 반경방향으로 편향된 로터 샤프트를 분리하는데 도움이 된다.
보다 상세하게, 토션 튜브(64a)는 튜브를 로터 샤프트(20a)에 결합하기 위한 제1 결합 요소(114)와, 튜브를 기어박스 조립체의 입력 샤프트(40a)에 결합하기 위한 제2 결합 요소(116)를 가진다. 제1 및 제2 결합 요소들(114, 116)은 토션 튜브(64a)에 형성된 플랜지들이고, 튜브의 길이를 따라 축방향으로 이격되어 있다. 제1 결합 플랜지(114)는 제2 결합 플랜지(116)의 바람 부는 방향에 위치한다. 또한, 반경 방향의 간격 또는 갭(118)이 토션 튜브(64a)의 내면과 기어박스 조립체 사이에 존재하며, 제1 결합 플랜지(114)에 근접한 위치로부터 튜브의 길이를 따라 제2 결합 플랜지(116)를 향하여 연장된다. 이는 로터 샤프트(20a)로부터 기어박스 조립체(22a)로 반경방향으로 향하는 부하의 전달을 감소시키는데 도움을 준다. 특히, 반경 방향의 갭(118) 및 결합 플랜지들(114, 116) 사이의 간격은 토션 튜브(64a)의 변형을 허용하여 기어박스 조립체(22a)로의 반경방향 부하의 전달을 감소시킨다.
위에서 설명된 토션 튜브(또는 결합 플랜지)(64a)를 부착시키는 볼트들은 제거도 필요하다(몇몇의, 적어도 세 개 또는 그 이상의, 1차 기어 스테이지 캐리어(56a)의 후면 내의 공구 접근 포트들을 통해). 로터 샤프트(20a)는 모든 볼트들로 접근할 수 있도록 조금씩 돌 수 있다. 블레이드들이 떨어짐에 따라 샤프트 토크는 낮아질 것이다. 로터 샤프트(20a)는 볼트들을 제거하는 동안 바람 반대 방향의 단부에 고정될 것이며 - 즉, 볼트들에 닿기 위한 접근 포트들은 로터 샤프트에 부착된 메인 로터 고정 디스크에 각도가 맞춰질 것이다. 선택적으로, 슬리브(64a)의 바람 반대 방향 단부의 볼트들은 로터 허브 공간으로 접근하여 제거할 수 있다.
이제 도 7로 돌아가면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력 터빈의 구동 장치의 부분 측면 상세 단면도가 도시되어 있으며, 구동 장치는 개략적으로 참조번호 12b로 표시되어 있다. 구동 장치는 도 1에 도시된 풍력 터빈(10) 내에 사용되며, 도 2 내지 5에 도시된 구동 장치(12)와 매우 유사한 구성이다. 이에 따라, 구동 장치(12b)와 구동 장치(12) 사이의 차이점에 대해서만 여기에서 설명된다. 동일한 구성요소들은 동일한 참조번호를 공유하며 접미사 "b"가 부가된다.
도면은 1차 및 2차 기어 스테이지를 포함하는 기어박스 조립체(22b)를 보여주지만, 도면에는 도시의 편의성을 위해 2차 기어 스테이지(46b)만 도시되어 있다. 구동력 전달 기구(24b)는 도 8에 확대도로 더 잘 도시된 스플라인 연결부(66b)를 포함하며, 이는 로터 샤프트(20b)와 기어박스 조립체(22b)의 환형 입력 샤프트(40b) 사이에서 토크를 전달한다. 스플라인 연결부(66b)는 환형 구동 요소(또는 로터 하우징 커플링)(64b)에 마련된 암 스플라인(68b)과, 입력 샤프트(40b)에 마련된 수 스플라인(70b)을 포함한다. 환형 구동 요소(64b)는 연속된 볼트들을 통해 로터 샤프트(20b)의 어깨부(134)에 고정되며, 볼트들 중 하나가 도시되어 있고 참조번호 139가 부여되어 있다. 암 스플라인(68b)은 균일한 높이와 형상을 가지며, 수 스플라인(70b)은 "배럴형상(barrelled)"이다(그러나 그 반대도 동등할 것이다). 본 실시예에서, 스플라인 연결부(66b)는 입력 샤프트(40b)에 결합된 2차 기어 스테이지 캐리어(62b)의 바람 부는 방향으로 멀리, 바람직하게는 기어박스 조립체의 스프링 하질량 중심(unsprung mass centre of gravity)을 넘어서 마련된다. 이는 부가적인 기어 맞물림 부하를 초래하는 자중중력하중(self weight gravity loads)을 무효화시키는데 도움이 된다. 플렉서블 멤브레인 커플링(미도시)이 입력 샤프트(40b)와 2차 유성 기어 캐리어(62b)를 설치하기 위해 그리고 오일 공간을 밀봉하기 위해 스플라인 연결부(66b)의 바람 반대 방향에 위치할 수 있다. 적절한 커플링이 도 12에 도시되어 있으며, 이는 뒤에서 설명될 것이다.
이제 도 9로 돌아가면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 풍력 터빈의 구동 장치의 측면 상세 단면도가 도시되어 있으며, 구동 장치는 개략적으로 참조번호 12c로 표시되어 있다. 구동 장치는 도 1에 도시된 풍력 터빈(10) 내에 사용되며, 도 2 내지 5에 도시된 구동 장치(12)와 매우 유사한 구성이다. 이에 따라, 구동 장치(12c)와 구동 장치(12) 사이의 차이점에 대해서만 여기에서 설명된다. 동일한 구성요소들은 동일한 참조번호를 공유하며 접미사 "c"가 부가된다.
본 실시예에서, 구동력 전달 기구(24)는 로터 샤프트(20c)와 기어박스 조립체(22c) 사이에서 연장된 환형 플랜지(120) 형상의 플렉서블 커넥터를 포함하는 것으로 도시되어 있으며, 이는 샤프트로부터 기어박스 조립체로 토크를 전달하기 위한 것이다. 플렉서블 커넥터(120)는 로터 샤프트(20c)에 일체로 구성되며, 122에서 샤프트로부터 기어박스 조립체(22c)를 향하여 연장된다. 플렉서블 커넥터(120)는 기어박스 조립체(22c)에, 구체적으로 2차 기어 스테이지(46c)의 기어 캐리어(62c)에 고정되는 자유단부(124)를 가진다. 플렉서블 커넥터(120)는 탄성적으로 변형 가능하여, 사용 중에, 축(126)에 대해 편향되거나 또는 벤딩됨으로써, 로터 벤딩 및 전단 부하들이 기어박스 조립체(22c)로 전달되는 것을 감소시킨다. 플렉서블 커넥터(120)는 기어박스 조립체(22c)에 대한 로터 샤프트(20c)의 왜곡을 적어도 대략 0.1°, 선택적으로 대략 0.15°까지, 선택적으로 0.2°또는 그 이상까지 지지할 수 있다.
기어박스 조립체(22c)는 출력 샤프트(42c)와 태양 기어(128)를 포함하며, 태양 기어(128)는 출력 샤프트에 고정되어 출력 샤프트와 함께 회전함으로써 출력 샤프트를 구동시킨다. 2차 스테이지(46c)의 유성 기어들(58c)과 태양 기어(128)는 각각 기어들의 메인 축과 평행하게 연장된 기어 치들(미도시)을 포함하며, 유성 기어 치들은 태양 기어 치들과 맞물려 유성 기어들로부터 태양 기어로 토크가 전달된다. 태양 기어(128)는 제1 축방향 단부(130)와 제1 단부 반대쪽의 제2 축방향 단부(132)를 가지는 속이 빈 환형 요소이다. 태양 기어(128)는 출력 샤프트 둘레에 장착되는 속이 빈 슬리브(132)를 경유하여 제1 단부(130)에서 출력 샤프트(42c)에 장착된다(또는 선택적으로 출력 샤프트와 일체형으로 구성된다). 이렇게 하여, 유성 기어 치들의 왜곡을 초래하는 유성 기어들(58c)의 비틀림은 태양 기어 치들의 상응하는 왜곡에 의해 수용된다. 허용되는 왜곡의 양은 태양 기어(128)의 벽 두께와 사용된 재료와 같은 인자들에 의존할 것이다. 태양 기어(128)를 환형 요소로서 제공하면, 왜곡이 태양 기어 치들의 상응하는 왜곡에 의해 수용되며, 유성 및 태양 기어에 복잡한 이 프로파일이 필요하지 않고 또는 축 구동 장치의 필요성도 피할 수 있다.
이제, 도 10으로 돌아가면, 본 발명의 선택 가능한 실시예에 따른 풍력 터빈의 구동 장치의 부분 측면 상세 단면도가 도시되어 있으며, 구동 장치는 개략적으로 참조번호 12d로 표시되어 있다. 구동 장치는 도 1에 도시된 풍력 터빈(10) 내에 사용되며, 도 2 내지 5에 도시된 구동 장치(12)와 매우 유사한 구성이다. 이에 따라, 구동 장치(12d)와 구동 장치(12) 사이의 차이점에 대해서만 여기에서 설명된다. 동일한 구성요소들은 동일한 참조번호를 공유하며 접미사 'd'가 부가되거나 또는 그에 맞춰 접미사 'c'가 교체된다.
도면은 1차 및 2차 기어 스테이지를 포함하는 기어박스 조립체(22d)를 보여주지만, 도면에는 도시의 편의성을 위해 2차 기어 스테이지(46d)만 도시되어 있다. 본 실시예에서 구동력 전달 기구(24d)는 플렉서블 커넥터(120d)를 포함하며, 이는 물결 모양으로 주름지고, 도 11의 확대도와 도 12의 사시도로 (도 10에 도시된 것과 같이 절단되어) 더 잘 도시되어 있다. 커넥터(120d)는 로터 샤프트(20d)의 장착용 어깨부(134)와 기어박스 조립체(22d)의 환형 입력 샤프트(40d)의 어깨부(136) 사이에서 축방향으로 연장된다. 커넥터(120d)는 제1 축방향 단부(135)에서 어깨부(134)에 고정되고, 제2 축방향 단부(137)에서 어깨부(136)에 고정된다. 커넥터(120d)의 물결 주름(138, 140)은 사용하는 동안 변형될 수 있어서, 로터 샤프트(20d)의 전단 및 벤딩 부하가 기어박스 조립체(22d)로 전달되는 것을 감소시킨다. 플렉서블 커넥터(120d)는 또한 오일 누출을 방지하기 위한 기어박스 조립체의 밀봉을 용이하게 한다. 게다가, 플렉서블 커넥터(120d)는 기어박스 조립체(22d)에 대한 로터 샤프트(20d)의 왜곡을 위에서 언급한 범위 내에서 지지할 수 있다.
본 발명의 정신 또는 범위를 벗어나지 않고서 전술한 내용에 대해 다양한 변형들이 이루어질 수 있다.
예를 들어, 기어박스 조립체는 풍력 터빈의 용량을 포함하는 인자들과 발전기의 작동 파라미터들에 따라 필요로 하는 어떠한 수의 기어 스테이지들도 포함할 수 있다. 기어박스 조립체 내의 각각의 기어 스테이지는 적절한 어떠한 수의 유성 기어들도 포함할 수 있다.
기어박스 조립체는 전체적으로 로터 샤프트 내의 공동 내에 위치할 수 있다. 공동으로부터 돌출된 기어박스 조립체의 유일한 부분은 출력 샤프트일 수 있다. 기어박스 조립체의 부분은 도 2에 도시된 것보다 더 많은 또는 더 적은 정도로 공동으로부터 돌출될 수 있다.
테이퍼 롤러 베어링이 서술되었으나, 롤러 샤프트와 하우징 사이에는 적합한 어떠한 베어링 장치도 제공될 수 있다.

Claims (29)

  1. 풍력 터빈용 구동 장치로서, 상기 구동 장치는:
    로터 샤프트;
    상기 로터 샤프트로부터 발전기로 토크를 전달하기 위한 기어박스 조립체로서,
    입력 샤프트;
    출력 샤프트;
    1차 기어 스테이지; 및
    2차 기어 스테이지;를 포함하고,
    각각의 기어 스테이지는 상기 출력 샤프트의 둘레에 배치된 다수의 유성 기어들(planet gears)과, 상기 유성 기어들과 맞물리는 환형 기어와, 상기 유성 기어들과 맞물리며 상기 출력 샤프트로 토크를 전달하도록 배치된 태양 기어(sun gear)를 포함하는, 기어박스 조립체;
    상기 로터 샤프트로부터 상기 입력 샤프트를 통해 상기 기어박스 조립체로 토크를 전달하기 위한 구동력 전달 기구; 및
    상기 기어박스 조립체를 상기 풍력 터빈의 하우징에 해체 가능하게 장착하기 위한 1차 내부하 부재(primary load carrying member);를 포함하며,
    상기 로터 샤프트는 적어도 부분적으로 속이 비어 있고, 상기 기어박스 조립체의 적어도 부분 및 상기 구동력 전달 기구의 적어도 부분이 그 안에 위치하는 내부 공동을 가지며;
    상기 입력 샤프트, 출력 샤프트, 1차 기어 스테이지 및 2차 기어 스테이지를 포함하는 상기 기어박스 조립체는 상기 1차 내부하 부재에 의해 하나의 유닛으로서 상기 로터 샤프트 내부에 장착 가능한, 구동 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 구동력 전달 기구는 상기 로터 샤프트로부터 상기 기어박스 조립체로 토크를 전달하기 위해 상기 로터 샤프트와 기어박스 조립체 사이에서 연장된 플렉서블 커넥터를 포함하며, 상기 플렉서블 커넥터는, 사용 중에, 로터 벤딩 또는 전단 부하들로 인한 상기 기어박스 조립체에 대한 상기 로터 샤프트의 왜곡을 적어도 대략 0.1°허용할 정도로 탄성적으로 변형 가능하여, 상기 부하들이 상기 기어박스 조립체로 전달되는 것을 감소시키는, 구동 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 플렉서블 커넥터는 축방향으로 제1 단부 및 상기 제1 단부 반대쪽의 제2 단부를 가지며, 상기 제1 단부에서 상기 로터 샤프트에 고정되고 상기 제2 단부에서 상기 기어박스 조립체에 고정되는, 구동 장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 플렉서블 커넥터에는 상기 로터 샤프트가 일체로 제공되며 상기 플렉서블 커넥터는 상기 샤프트로부터 상기 기어박스 조립체를 향하여 연장되고, 상기 플렉서블 커넥터는 상기 기어박스 조립체에 결합될 수 있는 자유 단부를 가지는, 구동 장치.
  5. 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플렉서블 커넥터는, 사용 중에, 로터 벤딩 및 전단 부하들이 상기 기어박스 조립체로 전달되는 것을 감소시키기 위해 메인 축에 대해 편향되도록 탄성적으로 변형 가능한, 구동 장치.
  6. 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플렉서블 커넥터는 상기 기어박스 조립체에 대한 상기 로터 샤프트의 왜곡을 대략 0.2°까지 지지할 수 있는, 구동 장치.
  7. 제 2항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 플렉서블 커넥터는 상기 로터 샤프트로부터 상기 기어박스 조립체를 향하여 반경방향으로 연장된 플랜지인, 구동 장치.
  8. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 플렉서블 커넥터는 물결 모양으로 주름지고, 상기 로터 샤프트의 장착용 어깨부(mounting shoulder)와 상기 기어박스 조립체 사이에서 축방향으로 연장되며, 상기 커넥터의 물결 주름(corrugation)은 로터 부하들이 상기 기어박스 조립체로 전달되는 것을 감소시키기 위해 변형되는, 구동 장치.
  9. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기어박스 조립체는 상기 구동 장치에 이동 자유도를 제공하여, 사용하는 동안 로터 샤프트 편향을 부담하도록, 상기 로터 샤프트의 내면과 상기 1차 기어 스테이지의 환형 기어의 외면 사이에 반경방향의 갭이 존재하도록 상기 로터 샤프트 내부에 배치되는, 구동 장치.
  10. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동력 전달 기구는 상기 로터 샤프트로부터 상기 기어박스 조립체로 토크를 전달하기 위해 상기 로터 샤프트를 상기 기어박스 조립체에 연결하기 위한 1차 구동 요소를 포함하는, 구동 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 1차 구동 요소에 결합될 수 있는 입력 샤프트를 포함하고, 상기 입력 샤프트는 상기 1차 구동 요소로부터 상기 1차 및 2차 기어 스테이지들로 구동력을 전달하도록 배치되며, 상기 1차 구동 요소와 입력 샤프트는 부동 연결(floating connection)로 함께 결합되는, 구동 장치.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 구동력 전달 기구는 상기 로터 샤프트로부터 상기 기어박스 조립체로 회전 구동력을 전달하기 위한 스플라인 연결부를 포함하며, 상기 스플라인 연결부는 상기 입력 샤프트와 1차 구동 요소 중 하나에 제공되고 축방향으로 연장된 수 스플라인 및, 상기 입력 샤프트와 1차 구동 요소 중 다른 하나에 제공되고 축방향으로 연장되며 상기 수 스플라인과 맞물리는 암 스플라인을 포함하는, 구동 장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 수 스플라인은 크라운형상(crowned)인, 구동 장치.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 수 및 암 스플라인들 중 하나 또는 둘 다 상기 스플라인들의 중간 부분으로부터 상기 스플라인들의 각각의 단부를 향하는 방향으로 테이퍼지는, 구동 장치.
  15. 제 10항에 있어서,
    상기 1차 구동 요소는 상기 구동 요소를 상기 로터 샤프트에 결합하기 위한 제1 결합 요소와, 상기 구동 요소를 상기 기어박스 조립체의 입력 샤프트에 결합하기 위한 제2 결합 요소를 가지며, 상기 제1 및 제2 결합 요소들은 상기 1차 구동 요소의 길이를 따라 축방향으로 이격되고, 상기 제1 결합 요소는, 사용 중, 상기 제2 결합 요소의 바람 부는 방향에 위치하는, 구동 장치.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 로터 샤프트로부터 상기 기어박스 조립체로 반경방향으로 향하는 변위를 감소시키기 위해, 상기 1차 결합 요소에 근접한 상기 1차 구동 요소의 내면과 상기 기어박스 조립체 사이에 반경 방향의 간격이 존재하는, 구동 장치.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 1차 구동 요소는 환형 토션 튜브이며, 상기 제1 결합 요소는 상기 토션 튜브의 바람 부는 방향의 단부에 또는 인접하여 제공되고 상기 2차 결합 요소는 상기 토션 튜브의 바람 반대 방향의 단부에 또는 인접하여 제공되는, 구동 장치.
  18. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2차 스테이지 태양 기어는 상기 출력 샤프트와 함께 회전함으로써 상기 출력 샤프트를 구동시키며;
    상기 2차 유성 기어들과 태양 기어는 각각 상기 기어들의 메인 축과 평행하게 연장된 기어 치들(teeth)을 포함하고, 상기 유성 기어 치들은 상기 유성 기어 치들과 맞물려 상기 유성 기어들로부터 상기 태양 기어로 토크를 전달하며;
    상기 2차 태양 기어는 제1 축방향 단부 및 상기 제1 축방향 단부 반대쪽의 제2 축방향 단부를 가진 중공형 환형 요소이며, 상기 태양 기어는 상기 제1 축방향 단부에서 상기 출력 샤프트에 장착되거나 또는 상기 출력 샤프트와 일체로 제공되고, 사용 중, 상기 유성 기어 치들의 왜곡을 초래하는 상기 유성 기어들의 비틀림 및 반경방향 편향은 상기 태양 기어 치들의 상응하는 왜곡에 의해 수용되는, 구동 장치.
  19. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1차 내부하 부재는, 상기 기어박스 조립체가 상기 하우징으로부터 적어도 부분적으로 캔틸레버되는(cantilevered) 것과 같은 방식으로, 상기 기어박스 조립체를 적어도 부분적으로 상기 챔버 내에 해체 가능하게 장착하는 역할을 하는, 구동 장치.
  20. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1차 기어 스테이지의 유성 기어들은 각각 개별의 유성 기어 핀에 회전 가능하게 장착되고, 상기 핀들은 상기 1차 내부하 부재를 형성하는 1차 기어 캐리어(carrier)에 제공되는, 구동 장치.
  21. 풍력 터빈용 구동 장치로서, 상기 구동 장치는:
    로터 샤프트;
    상기 로터 샤프트로부터 발전기로 토크를 전달하기 위한 기어박스 조립체; 및
    상기 로터 샤프트로부터 상기 기어박스 조립체로 토크를 전달하기 위해 상기 로터 샤프트와 상기 기어박스 조립체 사이에서 연장된 플렉서블 커넥터를 포함하는 구동력 전달 기구;를 포함하며,
    상기 로터 샤프트는 적어도 부분적으로 속이 비어있고, 상기 기어박스 조립체의 적어도 부분 및 상기 구동력 전달 기구의 적어도 부분이 그 안에 위치하는 내부 공동을 가지며,
    상기 플렉서블 커넥터는, 사용 중에, 로터 벤딩 또는 전단 부하들로 인한 상기 기어박스 조립체에 대한 상기 로터 샤프트의 왜곡을 적어도 대략 0.1°허용하도록 탄성적으로 변형 가능하여, 상기 부하들이 상기 기어박스 조립체로 전달되는 것을 감소시키는, 구동 장치.
  22. 제 21항에 있어서,
    상기 플렉서블 커넥터는 축방향으로 제1 단부 및 상기 제1 단부 반대쪽의 제2 단부를 가지며, 상기 제1 단부에서 상기 로터 샤프트에 고정되고 상기 제2 단부에서 상기 기어박스 조립체에 고정되는, 구동 장치.
  23. 제 21항에 있어서,
    상기 플렉서블 커넥터에는 상기 로터 샤프트가 일체로 제공되며 상기 플렉서블 커넥터는 상기 샤프트로부터 상기 기어박스 조립체를 향하여 연장되고, 상기 플렉서블 커넥터는 상기 기어박스 조립체에 결합될 수 있는 자유 단부를 가지는, 구동 장치.
  24. 제 21항 내지 제 23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플렉서블 커넥터는, 사용 중에, 로터 벤딩 및 전단 부하들이 상기 기어박스 조립체로 전달되는 것을 감소시키기 위해 메인 축에 대해 편향되도록 탄성적으로 변형 가능한, 구동 장치.
  25. 제 21항 내지 제 23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플렉서블 커넥터는 상기 기어박스 조립체에 대한 상기 로터 샤프트의 왜곡을 대략 0.2°까지 지지할 수 있는, 구동 장치.
  26. 제 21항 또는 제 23항에 있어서,
    상기 플렉서블 커넥터는 상기 로터 샤프트로부터 상기 기어박스 조립체를 향하여 반경방향으로 연장된 플랜지인, 구동 장치.
  27. 제 21항 또는 제 22항에 있어서,
    상기 플렉서블 커넥터는 물결 모양으로 주름지고, 상기 로터 샤프트의 장착용 어깨부(mounting shoulder)와 상기 기어박스 조립체 사이에서 축방향으로 연장되며, 상기 커넥터의 물결 주름(corrugation)은 로터 부하들이 상기 기어박스 조립체로 전달되는 것을 감소시키기 위해 변형되는, 구동 장치.
  28. 제 21항 내지 제 23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기어박스 조립체는, 상기 구동 장치에 이동 자유도를 제공하여 사용하는 동안 로터 샤프트 편향을 부담하도록, 상기 로터 샤프트의 내면과 상기 기어박스 조립체의 기어 스테이지의 환형 기어의 외면 사이에 반경방향의 갭이 존재하도록 상기 로터 샤프트 내부에 배치되는, 구동 장치.
  29. 로터;
    발전기; 및
    제 1항 내지 제 4항, 또는 제 21항 내지 제 23항 중 어느 한 항에 따른 구동 장치;를 포함하며,
    상기 로터로부터 상기 발전기로 토크를 전달하여 전력을 생산하기 위해, 상기 구동 장치의 로터 샤프트는 상기 로터에 결합되고 상기 기어박스 조립체의 출력 샤프트는 상기 발전기에 결합되는, 풍력 터빈.
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