KR101666999B1 - 풍력발전기의 베어링 보호용 가열장치 및 베어링 시스템 - Google Patents

풍력발전기의 베어링 보호용 가열장치 및 베어링 시스템 Download PDF

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베이징 골드윈드 싸이언스 앤 크리에이션 윈드파워 이큅먼트 코.,엘티디.
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Abstract

본 발명은 풍력발전기의 베어링 보호용 가열장치 및 베어링 시스템을 제공한다. 외부에 베어링이 씌움 설치되는 풍력발전기의 스핀들에 적용되고, 스핀들의 내부에 설치되며, 위치적으로 베어링이 설치되는 위치와 서로 대응되는 가열장치는 복수 개의 아크 세그먼트, 연성 열원 및 지지장치를 포함하고, 연성 열원은 아크 세그먼트와 스핀들의 내벽 사이에 설치되며, 지지장치는 아크 세그먼트의 내면을 지지하여, 연성 열원을 스핀들의 내벽에 밀착시키도록 한다. 본 발명의 풍력발전기의 베어링 보호용 가열장치 및 베어링 시스템에서, 지지장치와 복수 개의 아크 세그먼트의 조합을 통하여 연성 열원을 풍력발전기의 스핀들의 내벽에 긴밀하게 고정시켜, 베어링에 열원을 제공하여, 베어링 그리스가 동결되지 않도록 하고 또한 그리스의 유동화를 유지시킴으로써, 베어링의 사용수명을 연장시키고, 연성 열원과 풍력발전기의 스핀들의 내벽 사이의 긴밀한 접촉을 실현한다.

Description

풍력발전기의 베어링 보호용 가열장치 및 베어링 시스템 {Heating device for the protection of bearings of wind power generator and bearing system}
본 발명은 풍력발전기의 베어링 보호용 가열장치 및 그 베어링 시스템에 관한 것이고, 풍력발전 기술분야에 속한다
영구자석 직접 구동식 외부 로터 풍력발전기의 샤프트 시스템에서, 일반적으로 스테이터(stator)의 스핀들(spindle)과 로터(rotor)의 가동축(drive shaft) 사이에는 베어링이 설치되고, 베어링 위치에는 베어링 그리스(grease)가 설치된다.
겨울철 추운 지역에서 풍력발전기를 사용할 경우, 장비가 정지한 후 스테이터 스핀들과 로터의 회동축 사이의 베어링 그리스는 동결현상이 쉽게 발생한다. 그리스가 동결되거나 또는 유동화를 상실한 후, 풍력발전지역에 바람이 인가되어 강제로 장비를 작동시키면, 궤도면에서 베어링 회전체의 미끄럼 현상이 발생되어, 회전체와 궤도 사이의 롤링 마찰이 미끄럼 마찰로 전환되고, 회전체가 지속적으로 미끄러져 회전체의 변형을 초래한다. 회전체와 케이지(cage)가 일체로 동결될 경우, 풍력발전지역에 바람이 인가되어 강제로 장비를 작동시키면, 회전체와 케이지가 전체적으로 미끄러져, 케이지를 손상시킨다. 여러 차례 지속적인 작용 하에서 베어링의 고장을 초래할 수 있다.
본 발명의 실시예는 베어링 그리스의 해동 및 유동화의 유지를 위하여 열원을 제공하여, 베어링의 사용수명을 연장시키기 위한 풍력발전기의 베어링 보호용 가열장치 및 베어링 시스템을 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예는 외부에 베어링이 씌움 설치되는 풍력발전기의 스핀들에 적용되고, 스핀들의 내부에 설치되며, 위치적으로 베어링이 설치되는 위치와 서로 대응되는 가열장치에 있어서, 상기 가열장치는 복수 개의 아크 세그먼트, 연성 열원 및 지지장치를 포함하고, 상기 연성 열원은 상기 아크 세그먼트와 스핀들의 내벽 사이에 설치되며, 상기 지지장치는 상기 아크 세그먼트의 내면을 지지하여, 상기 연성 열원을 상기 스핀들의 내벽에 밀착시키는 풍력발전기의 베어링 보호용 가열장치 및 베어링 시스템을 제공한다.
본 발명의 실시예는 풍력발전기의 스핀들 및 상기 스핀들에 씌움 설치되는 패들측 베어링과 타워측 베어링을 포함하고, 상기 스핀들의 내부에서 상기 패들측 베어링 및/또는 상기 타워측 베어링과 대응되는 위치에는 상기 어느 한 항에 따른 풍력발전기의 베어링 보호용 가열장치가 설치되는 풍력발전기의 베어링 시스템을 더 제공한다.
본 발명의 실시예는 지지장치와 복수 개의 아크 세그먼트의 조합을 통하여 연성 열원과 고정축의 내벽을 긴밀하게 접촉시킴으로써 열전달 방식의 필요한 조건을 실현하고, 동시에 열원을 풍력발전기의 스핀들의 내벽에 고정시켜, 베어링에 열원을 제공함으로써 베어링 그리스가 동결되지 않고 또한 그리스의 유동화를 유지시켜, 베어링의 사용수명을 연장시키고, 연성 열원과 풍력발전기의 스핀들의 내벽의 긴밀한 접촉을 실현하는 풍력발전기의 베어링 보호용 가열장치 및 베어링 시스템을 제공한다.
도1은 본 발명의 실시예의 가열장치가 풍력발전기에 장착된 구조 모식도이다.
도2는 도1에 도시된 구조의 Ⅰ부분의 부분 확대도이다.
도3은 도2에 도시된 구조의 A부분의 정면도이다.
도4는 도3에 도시된 구조의 Ⅱ위치의 부분 확대도이다.
도5는 본 발명의 실시예의 열량 전달 모식도이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예가 제공하는 풍력발전기의 베어링 보호용 가열장치에 대하여 상세히 설명한다
영구자석 직접 구동식 외부 로터 풍력발전기의 샤프트 시스템의 스테이터 스핀들과 로터의 가동축 사이에는 베어링이 설치된다. 겨울철 추운 지역에서 장비가 정지한 후, 베어링 중의 베어링 그리스는 동결현상이 쉽게 발생한다. 베어링 그리스가 동결될 경우, 강제로 장비를 작동시키면, 한편으로 베어링의 궤도면에서 베어링 회전체의 순간적인 미끄럼이 발생되어, 베어링 회전체와 베어링의 궤도면 사이의 롤링 마찰이 미끄럼 마찰로 전환되고, 베어링 회전체가 지속적으로 미끄러져 베어링 회전체의 변형을 초래한다. 다른 한편, 베어링 회전체와 베어링 케이지가 일체로 동결될 경우, 강제로 장비를 작동시키면 베어링 회전체와 베어링 케이지가 전체적으로 미끄러져, 케이지를 손상시키며, 여러 차례 지속적인 작용 하에서 베어링의 고장을 초래할 수 있다.
베어링의 사용수명을 연장시키기 위하여, 풍력발전기 유닛을 작동하기 전에, 베어링 그리스를 예열,해동(또는 베어링 그리스의 유상화 상태를 유지)시켜야 한다. 운행에 투입된 영구자석 직접 구동식 외부 로터 풍력발전기(캐빈 외부의 자연환경 중에 위치함)의 사프트에 연성 열원을 추가로 장착하여, 베어링 그리스가 중국에서 '동지’ 절기 후의 '삼구’, '사구’ 기간이라고 불리우는 절기에서 동결되는 문제를 해결한다. 연성 열원의 설계, 연성 열원의 고정 위치 및 연성 열원의 지지장치는 해결해야 할 과제이다.
본 발명의 실시예의 원리를 설명하기 전에, 먼저 연성 열원의 사용배경과 장착 등에 관하여 간단히 설명한다.
1. 연성 열원 및 그 사용 현황
현재, 연성 열원으로 가장 많이 사용되는 것은 실리콘 고무 가열패드이고, 습관에 따라 실리콘 고무 가열패드를 또 실리콘 고무 가열시트, 실리콘 고무 가열판, 실리콘 고무 전열시트, 실리콘 고무 전열판, 실리콘 고무 전열필름, 폴리이미드 전열필름, 투명 PET 전열필름, 방수 전열기, 실리콘 고무 가열기(silicon rubber heaters), 실리콘 고무 발열체(silicon rubber heating element) 등이라고도 부른다. 또한 온도 제어 기능을 구비한 것과 구비하지 않은 실리콘 고무 가열패드도 있다.
실리콘 고무 가열패드는 전기가 인가되면 즉시 발열하는 시트이고, 실리콘 고무 가열패드의 코어는 니크롬 와이어 또는 일정한 형상으로 식각된 니크롬 호일을 사용하여, 아주 높은 신뢰성을 구비한다. 실리콘 고무 가열패드의 제조방식은 하기와 같다. 두께가 0.02mm~0.1mm인 니크롬 호일을 일정한 형상으로 식각하고, 양면에 보온단열재료를 피복시키며, 고온 몰드 성형 및 에이징(aging) 열처리를 거쳐 형성한다. 실리콘 고무 가열패드는 적색 또는 기타 색상의 유연하며 다양한 곡면에 긴밀하게 밀착할 수 있는 필름이고, 다양한 형상과 출력에 따라 제조될 수 있으며, 또한 발열이 신속하고, 전기가 전달되면 즉시 뜨거워 지며, 표면 출력 밀도가 8w/cm2인 특징을 구비한다. 실리콘 고무 가열패드는 열용량이 작고, 열원의 온(ON), 오프(OFF)가 신속하며, 열효율이 높다. 또한 내수성, 내산성, 내알칼리성을 구비하고, 전기 절연 강도가 높다. 물리적 강도도 높아 200kg/cm2의 기계적 압력에 달하고, 체적이 작아 사용 중에서 가열시트는 공간을 거의 차지하지 않는다. 또한, 사용이 편리한 바, 그 자체는 절연적이고 화재가 없으므로 보온 공법 방면에서 크게 간소화된다. -60℃~250℃의 큰 내온 범위를 가지고, 수명이 길어 정상 사용 조건 하에서, 거의 영구적으로 연속 사용할 수 있다. 니크롬 호일은 어떠한 부식도 방지할 수 있고, 실리콘 고무 가열패드의 표면 저항력은 200kg/cm2까지 달한다. 실리콘 고무 가열패드는 또 사이즈, 경도와 두께도 선택할 수 있다.
구조 방면에서, 실리콘 고무 가열패드는 두 개의 유리섬유 직물과 두 개의 이중 압착 실리카겔(press silicone)을 합착하여 형성된 실리카겔 유리섬유 직물로 구성된다. 실리콘 고무 가열패드는 시트 형상의 제품(표준 두께는 1.5 mm)으로서, 우수한 유연성을 구비하며, 피가열물체와 완전히 긴밀하게 접촉될 수 있다. 그 원인은, 실리콘 고무 가열패드가 유연성을 구비하여, 피가열물체에 쉽게 밀착될 수 있는 것으로, 형상은 실제 수요에 따라 설계될 수 있다. 이와 같이, 실리콘 고무 가열패드는 열을 원하는 모든 곳에 전달시킬 수 있다. 실리콘 고무 가열패드는 배열을 거친 후의 니켈 합금 저항선으로 형성되어, 안전하고 신뢰적이다. 상기 실리콘 고무는 신형의 고분자 탄성재료이고, 훌륭한 내고온 성능과 내저온 성능을 구비하며, 우수한 반발탄성과 영구적 변형이 작은 특징을 구비한다. 전기적 성능 면에서, 단락으로 인해 발생되는 실리카도 여전히 절연체이다. 표면 성능면에서, 상기 실리콘 고무는 많은 재료와 접착이 발생 되지 않는다.
2. 연성 전기열원을 풍력발전소 현장에 장착 및 고정할 때에 발생하는 어려움
중국 대륙의 동북, 티벳 지역의 풍력발전소에 이미 운행에 투입되었거나 투입하고자 하는 상당 수량의 직접 구동식 외부 로터 풍력발전기는 한랭한 자연환경에 처해있다. 향후 추가적으로 전열 기기를 설치해야 하고, 전열설비의 유형 및 전열설비의 고정방식을 확정해야 한다. 스테이터 스핀들의 캐비티(cavity)의 표면에 대하여 이미 부식 방지 조치를 취하였다. 풍력발전기의 스테이터 스핀들 캐비티 통로는 캐빈의 내부 동력 전원선, 데이터 통신선이 풍력발전기 허브의 내부에 진입하는 유일한 통로이기도 하다. 이 통로는 원활함을 유지해야 하고, 방화 안전 면에서 차질이 없어야 한다.
풍력발전기의 스테이터 스핀들의 캐비티에 온풍기 가열 기기를 가설하면 에너지를 절감하지 못한다. 접합 방식을 사용하여 연성 열원과 스테이터 스핀들의 챔버의 내벽을 고정하고, 연성 열원이 장기간 강제적 진동을 받는 상태에서, 이탈로 인하여 초래되는 온도 제어 불가, 화재 등 우려가 존재한다. 풍력발전기의 스테이터 스핀들의 캐비티에 -45℃~+60℃의 온도 교차적 변화가 발생하고, 장기간 진동과 온도 교차적 변화 작용에 의해 접착제의 효력 상실을 초래할 수 있다. 동시에 연성 열원이 캐비티의 벽면에 접합하더라도, 상기 열원의 다른 면이 캐비티에 대하여 복사 및 방열하기 때문에, 단열층을 더 장착해야 하는데, 이는 연성 열원의 중량을 증가시켜, 연성 열원이 더욱 쉽게 이탈되게 한다. 연성 열원을 고정시키면서, 풍력발전기의 스테이터 스핀들의 캐비티의 챔버가 원활하도록 하기 위하여, 가열 시 에너지 절감 요구를 고려하여 연성 열원과 풍력발전기의 스테이터 스핀들의 캐비티의 표면이 '긴밀한 접촉’을 실현해야 한다. 만약 '긴밀한 접촉’을 실현하지 못하면, 연성 열원 자체가 소각, 효력 상실, 심지어 화재를 유발한다. 그 원인은 다음과 같다. 단지 접합 기술 (접합 공법)로는 든든하게 고정시키는 요구를 만족시키지 못하고, 풍력발전기가 출하 전에 실내에서 열원에 대하여 접합 공법을 실시하더라도, 수백 킬로미터에 달하는 장거리 운송 과정에서 흔들림과 진동에 의해 열원 및 절연재료의 이탈을 쉽게 초래한다. 이탈 후, 겨울철 작업 현장에서 접합 공법을 실시하기 어렵고, 저온은 접착제의 효력 상실 또는 접착 성능의 저하를 초래한다. 여름철 현장에서 접합을 실시할 경우에도, 열원, 단열재를 고정 시켜 이탈을 방지하는 조치를 실시하여야 한다. 한편, 우선적인 선택에서 접합 방식을 사용하지 않는 데 그 원인은 다음과 같다. 열원과 풍력발전기의 고정축의 내벽을 접착시킨 후, 열원 재료의 열팽창과 열수축에 불리하다. 이와 반대로, 한가지 한정으로, 접착면에 대하여 전단 응력을 발생시켜, 풍력발전기의 고정축의 캐비티에서 기존의 방부식층이 이탈되어 손상되는 것을 방지하는 바, 이는 열원의 실리콘 고무재료의 표면에 대하여서도 마찬가지이다. 풍력발전기는 당직자가 없는 야외 자연환경에 처해 있으므로, 일단 풍력발전기에 불이 나면 구조가 어렵고, 심지어 순풍향으로 초원, 풍력발전기의 화재를 초래할 수 있어 손실이 막대하다.
상기 상황에 기반하여 다음과 같은 본 발명의 실시예의 기술원리를 제출한다. 지지장치와 복수 개의 아크 세그먼트의 조합을 통하여 연성 열원을 풍력발전기의 고정축의 캐비티의 벽면에 긴밀하게 접촉시키고, 지지장치에 의하여 단열재와 함께 풍력발전기의 스핀들의 내벽에 고정시키며, 베어링에 열원을 제공하여, 베어링 그리스가 동결하는 문제와 유동화를 유지하는 수요를 해결하여, 베어링의 사용수명을 연장시키고, 연성 열원과 풍력발전기의 스핀들의 내벽 사이의 긴밀한 접촉을 실현한다.
실시예1
도1 내지 도3에서 도시된 바와 같이, 도1은 본 발명의 실시예의 가열장치가 풍력발전기에 장착된 구조 모식도이고, 도2는 도1에 도시된 구조의 Ⅰ부분의 부분 확대도이며, 도3은 도2에 도시된 구조의 A부분의 정면도이다.
본 발명의 실시예는 외부에 베어링이 씌움 설치되는 풍력발전기의 스핀들(spindle)에 적용되고, 스핀들의 내부에 설치되며, 스핀들의 내벽을 통하여 외부에 씌움 설치되는 베어링을 가열하는 풍력발전기의 베어링 보호용 가열장치(1)를 제공한다. 풍력발전기에서, 스테이터와 로터는 모두 각자의 스핀들을 구비하고, 스테이터의 스핀들을 고정축이라고 약칭하며, 로터의 스핀들을 가동축이라고 약칭하고, 풍력발전기의 상이한 구조에 따라, 가동축과 고정축의 위치관계도 다소 상이하다. 외부 로터와 내부 스테이터인 구조의 풍력발전기에 있어서, 가동축은 베어링을 통하여 고정축에 씌움 설치되고, 이 경우 상기 스핀들은 풍력발전기의 고정축이며, 즉 가열장치는 고정축의 내부에 설치된다. 외부 스테이터와 내부 로터인 구조의 풍력발전기에 있어서, 고정축은 베어링을 통하여 가동축에 씌움 설치되고, 이 경우 상기 스핀들은 풍력발전기의 가동축이며, 즉 가열장치는 가동축의 내부에 설치된다. 일반적으로, 가동축과 고정축의 배합은 두 개의 베어링에 의해 완성될 수 있고, 그 중 하나의 베어링은 타워 드럼(tower drum)의 일측을 근접하고, 본 발명에서는 이를 타워측 베어링이라고 칭하며, 다른 하나는 블레이드(blade)의 일측을 근접하고, 본 발명에서는 이를 패들측 베어링이라고 칭한다.
본 발명의 하나의 실시예로서, 도1에 도시된 풍력발전기는 외부 로터와 내부 스테이터인 구조이고, 가열장치(1)는 고정축(22)에 적용되며, 가동축(23)은 고정축(22)의 밖에 씌움 설치된다. 그 중, 가열장치(1)는 고정축(22)의 내부에 설치되고, 위치적으로 베어링(21)이 설치되는 위치와 서로 대응된다. 여기서 말하는 위치적인 대응이란 가열장치(1)가 고정축(22)의 내부에서 고정축(22)의 베어링의 축벽을 투과하여 베어링(21)을 가열할 수 있도록 하는 것을 말하는 바, 즉 위치적으로 베어링(21)이 씌움 설치되는 위치의 부근에 있어야 한다. 이 밖에, 도1에 도시된 구조에서, 베어링(21)은 패들측 베어링(21a)과 타워측 베어링(21b)을 포함하고, 실제 응용에서, 일반적으로 패들측 베어링(21a)과 타워측 베어링(21b)의 대응되는 위치에 모두 가열장치(1)를 설치한다. 즉, 고정축(22)의 내부에 두 개의 가열장치(1)를 설치한다. 하지만 실제 수요에 따라 그 중의 한 곳에만 가열장치(1)를 설치할 수 있다. 이하, 패들측 베어링(21a)과 타워측 베어링(21b)의 대응되는 위치에 모두 가열장치(1)를 설치하는 것을 예로 들어 설명을 한다.
가열장치(1)의 구체적인 장착 위치를 정확하게 표현하기 위하여, 도1에서는 캐빈(24), 임펠러(impeller)(25), 페어링(fairing)(26), 타워 드럼(27), 고정축(22), 고정축 캐비티(221)와 가동축(23) 등 부품을 더 도시하였다.
준비 작업 단계에서, 풍력발전기(2)의 고정축 캐비티(221)의 표면(또는 가동축 캐비티의 표면)에서 베어링(21)과 대응되는 위치에 두께가 1~2mm이고 내저온(-45℃~80℃) 특성을 가지는 한층의 열전달 실리콘 그리스(silicone grease)(난연성 실리콘 그리스)를 도포한다. 온도의 상한에 대하여 내고온 요구를 고려하지 않아도 된다. 겨울철 현장에서 시공할 경우, 히트 건(heat gun) 등 송풍 기기를 더 배치해야 하고, 고정축(22)의 캐비티의 표면을 깨끗이 정리하고 닦아낸 후, 히트 건 등 송풍 기기를 사용하여 열풍으로 건조시킨 다음, 풍력발전기의 고정축(22) 내에 열이 축적되도록, 상온 20~30℃에 도달할 때까지 고정축(22)의 캐비티의 표면을 지속적으로 반시간 동안 가열시킨다. 이로써, 조작 과정에서 열전달 실리콘 그리스가 '유동화’를 유지하도록 하는 요구를 만족시키고, 다시 열전달 실리콘 그리스를 도포한다.
가열장치(1)는 복수 개의 아크 세그먼트(11), 연성 열원(12) 및 지지장치(13)를 포함할 수 있고, 연성 열원(12)은 아크 세그먼트(11)와 고정축(22)의 내벽 사이에 설치될 수 있으며, 지지장치(13)는 아크 세그먼트(11)의 내면을 지지할 수 있어, 연성 열원(12)을 고정축(22)의 내벽에 밀착시킨다. 그 중, 가열장치(1)의 위치는 풍력발전기(2)의 패들측 베어링(21a)과 타워측 베어링(21b)(도1에서, 좌측은 풍력발전기(2)의 타워측이고, 우측은 풍력발전기(2)의 패들측임)의 위치와 서로 대응된다. 지지장치(13)와 복수 개의 아크 세그먼트(11)를 조합함으로써, 연성 열원(12)을 복수 개의 아크 세그먼트(11)와 고정축(22)의 내벽 사이에 압착시켜, 연성 열원(12)과 고정축(22)의 내벽이 '긴밀히 접촉’되도록 하여, 연성 열원(12)과 고정축(22)의 내벽을 긴밀히 접촉시키는 기술문제를 해결하였고, '긴밀한 접촉’은 연성 열원(12)이 가열 대상의 표면에 대하여 열전달 방식으로 가열하는 선결조건이다. 연성 열원(12)은 베어링(21)에 열원을 제공하여, 베어링 그리스가 동결되는 문제를 해결하고, 베어링(21)의 사용수명을 연장시킨다.
도3에 도시된 바와 같이, 도3은 도2에 도시된 구조의 A부분의 정면도이다. 상기 가열장치에서, 아크 세그먼트(11)의 크기는 동일하며 그 수량은 짝수를 이루고, 고정축(22)의 반경 방향에서 서로 마주하는 매 두 개의 아크 세그먼트(11)는 하나의 그룹을 구성한다. 아크 세그먼트(11)는 하나의 그룹 또는 복수개의 그룹일 수 있고, 이러한 아크 세그먼트(11)는 하나의 원환(아크 세그먼트 사이의 조합 위치에는 일정한 틈이 형성되는 것을 허용함)으로 조합되어, 고정축(22)의 한 바퀴의 내벽을 모두 균일하게 가열시킬 수 있는 것이 바람직하다. 지지장치(13)는 아크 세그먼트(11)의 그룹 수량과 동일한 수량의 복수 그룹의 좌회전 스트럿바 부재(131), 우회전 스트럿바 부재(132) 및 양방향 회전 슬리브(133)를 포함하고, 양방향 회전 슬리브(133)의 양단은 좌회전 스트럿바 부재(131)와 우회전 스트럿바 부재(132)의 일단에 각각 연결될 수 있으며, 좌회전 스트럿바 부재(131)와 우회전 스트럿바 부재(132)의 타탄은 동일한 그룹의 두 개의 아크 세그먼트(11)의 내면의 중부에 각각 지지될 수 있다. 그 중, 아크 세그먼트(11)는 강성 재료로 제조되고, 아크 세그먼트(11)는 반원형 아크 세그먼트인 것이 바람직하며, 이로써 하나의 그룹의 아크 세그먼트만으로 하나의 원환을 구성할 수 있어, 전체 한 바퀴의 고정축(22)의 내벽을 모두 균일하게 가열할 수 있고, 아크 세그먼트(11)의 두께는 5~6mm 범위일 수 있다. 고정축(22)의 캐비티에서, 연성 열원(12)은 상기 원환의 외측에 설치된다. 지지장치(13)와 아크 세그먼트(11)의 조합을 설치함으로써, 연성 열원(12)을 고정축의 내벽에 밀착시킨다. 이러한 구조는 장착, 탈거 과정을 간소화할 수도 있어, 연성 열원(12)과 고정축(22)의 내벽의 접촉의 긴장정도(tightness)를 조절할 수 있도록 한다. 이 밖에, 지지장치(13)는 하나의 그룹의 아크 세그먼트(11)의 중앙에 위치하고, 지지장치(13)와 하나의 그룹의 아크 세그먼트(11) 사이에는 틈이 존재하여, 고정축(22)의 챔버가 원활해지도록 하고, 지지장치(13)와 복수 개의 아크 세그먼트(11)의 조합이 원동력 케이블, 통신의 통로를 차지하지 않도록 하여, 일상적인 유지보수, 검사 등 작업에 유리하다.
진일보로, 두 개의 아크 세그먼트(11)(하나의 그룹의 아크 세그먼트(11))와 두 개의 지지대(동일한 양방향 회전 슬리브(133)와 연결된 좌회전 스트럿바 부재(131)와 우회전 스트럿바 부재(132))는 용접의 방식을 통하여 일체로 연결되고, 양방향 회전 슬리브(133)와 두 개의 지지대 사이는 아크메 나사(acme screw thread)(또는 톱니형 나사)로 연결할 수 있다. 양방향 회전 슬리브(133)의 중부에 양방향 회전 슬리브(133)를 회전하기 위한 가압로드(134)가 설치된다. 가압로드(134)는 회전하는 양방향 회전 슬리브(133)의 슬리브 벽에 직접 용접될 수 있고, 회전하는 양방향 회전 슬리브(133)의 슬리브 벽에 한쌍의 통공을 설치하여, 가압로드(134)를 상기 통공으로 통과시킬 수도 있다. 가압로드(134)를 회전시킴으로써 양방향 회전 슬리브(133)의 회전을 인도하고, 양방향 회전 슬리브(133)와 두 개의 지지대(좌회전 스트럿바 부재(131)와 우회전 스트럿바 부재(132)) 사이에 '힘 전달 나선(Force transmission screw)’ 구조를 사용함으로써, 지지장치(13)가 비교적 작은 토크로 반경 방향의 비교적 큰 추진력을 발생하도록 하며, 반경 방향의 추진력은 두 개의 아크 세그먼트(11)가 서로 반대되는 반경 방향으로 운동하도록 추진시켜, 지지장치(13)를 조절함으로써 상기 원환의 직경을 개변할 수 있어, 아크 세그먼트(11)와 연성 열원(12)을 강제로 '긴밀히 접촉’시킨다. 고정축(22)의 내경과 상기 원환의 직경의 차이가 두 개의 연성 열원(12)의 두께 값보다 작거나 같을 경우, 연성 열원(12)이 상기 원환과 고정축(22)의 내벽 사이에 이미 압출되어, 연성 열원(12)과 풍력발전기(2)의 고정축(22)의 내벽의 긴밀한 접촉을 실현하였음을 의미한다. 이 밖에, 본 발명의 실시예의 가열장치는 고정축의 캐비티의 공간이 작은(일반적으로 1명의 작업자만 수용할 수 있음) 문제를 충분히 고려하였고, 양방향 회전 슬리브 기구를 설치하고, 가압로드를 배합함으로써, 아주 편리하게 탈착 및 유지 보수를 할 수 있으며, 가압로드는 한손으로 충분히 조작할 수 있어, 작업자의 유지 보수에 편리하다.
도4에 도시된 바와 같이, 이는 도3에 도시된 구조의 Ⅱ부분의 부분 확대도이다. 연성 열원(12)에 안정적인 압출력을 제공하기 위하여, 본 발명의 실시예는 도킹 아크 세그먼트(111)를 더 포함할 수 있고, 도킹 아크 세그먼트(111)는 인접한 아크 세그먼트(11)(상기 동일한 그룹의 아크 세그먼트(11))의 원주 방향의 결합 위치에 설치될 수 있고, 양측의 아크 세그먼트(11)와 고정 연결될 수 있어, 아크 세그먼트(11)가 연성 열원(12)의 각 위치에 대한 압출력이 모두 균일하고 일치하도록 한다.
상기 구조에서, 도킹 아크 세그먼트(111)는 'T'자형으로 형성될 수 있고, 'T'자형의 수직대는(수직대의 단부) 고정축(22)의 내벽에 직접 당접될 수 있고(즉, 도킹 아크 세그먼트(111)의 위치에는 연성 열원을 설치하지 않아도 됨), 인접한 아크 세그먼트(11)의 측벽은 'T'자형의 수직대의 측벽과 서로 당접될 수 있으며, 'T'자형의 수평대는 인접한 아크 세그먼트(11)의 내면과 고정 연결될 수 있다.
상기 가열장치에서, 수평 회전 가압로드(134)는 양방향 회전 슬리브(133)를 함께 회전시켜, 두 개의 지지대를 신축시키고, '힘 전달 나선’ 구조에 의하여 두 개의 아크 세그먼트(11)가 형성한 원의 내경을 증가하고, 두 개의 지지대가 늘어날 경우, 상기 원의 내경의 증가에 따라, 두 개의 아크 세그먼트(11)의 결합 위치에 틈이 생기기 시작하고, 두 개의 아크 세그먼트(11)의 결합되는 위치에 두 개의 도킹 아크 세그먼트(111)(도킹 아크 세그먼트(111)의 길이는15mm)를 삽입시킬 수 있을 정도로 틈이 커진 후, 두 개의 도킹 아크 세그먼트(111)를 삽입하고, 다음 가압로드(134)의 회전을 중지한다. 이러한 조작을 통하여 틈을 적절한 크기(예를 들면 15mm)로 형성시켜, 두 개의 아크 세그먼트(11)를 두 개의 도킹 아크 세그먼트(111)에 대하여 적절하게 압착시킴으로써, 두 개의 도킹 아크 세그먼트(111)와 인접한 두 개의 아크 세그먼트(11)의 '긴밀한 접촉’을 실현하며, 연성 열원(12)과 두 개의 아크 세그먼트(11)의 압축 정도를 진일보로 조정하여, 연성 열원(12)과 두 개의 아크 세그먼트(11)가 '긴밀하게 접촉’하도록 하고, 그 후 도킹 아크 세그먼트(111)를 다시 두 개의 아크 세그먼트와 각각 연결시켜(도4에서는 볼트 연결 방식에 의해 연결함), 하나의 '완전한 원환’을 형성하며, 도킹 아크 세그먼트(111)와 두 개의 아크 세그먼트(11)를 각각 연결시킨 후, 지지장치(13)에 대하여 하나의 반대 방향의 반경 방향의 작용력을 발생시킨다. 이와 같이, 양방향 회전 슬리브(133)와 두 개의 지지대를 연결시 발생하는 풀림 방지 요구도 동시에 해결한다. 하나의 '완전한 원환’을 형성한 후, 하나의 그룹의 아크 세그먼트(11)가 반경 방향에서 연성 열원(12)에 대한 압력이 일치(즉, '긴밀한 접촉’의 정도가 일치함)하도록 보증하여, 연성 열원(12)과 풍력발전기(2)의 고정축(22)의 내벽의 '긴밀한 접촉’의 정도가 일치하도록 한다. 그 중, 연성 열원(12)과 풍력발전기(2)의 고정축(22)의 '긴밀한 접촉’을 반드시 확보해야 한다. 그렇지 않으면, 연성 열원(12) 자체의 열용량이 아주 작아, 몇분 내에 온도가 수십도에 도달할 수 있다. 연성 열원(12) 자체는 '자동 평형 능력’을 구비하지 않으므로, 만약 흡열계수가 큰 축열체에 의해 흡열되지 않으면, 연성 열원(12) 자체가 소각, 효력 상실되거나, 심지어 화재를 야기한다.
도5에 도시된 바와 같이, 이는 본 발명의 실시예의 열량 전달 모식도(뒷부분 베어링에 대한 모식도임)이다. 그 중, ФD1 내지 ФD5는 각각 다음과 같은 의미를 나타낸다. ФD1: 고정축(22)의 외경, ФD2: 베어링 콘(bearing cone)의 내경,ФD3: 베어링 콘의 외경, ФD4: 베어링 컵(bearing cup)의 내경, ФD5: 베어링 컵의 외경,ФD6: 가동축(23)의 내경. 연성 열원(12)은 지지장치(13)와 아크 세그먼트(11)의 조합에 의해 지지된 후, 연성 열원(12)과 풍력발전기(2)의 고정축(22)의 내벽은 '긴밀하게 접촉’되고, 도5에서 고정축(22)의 내부에서 위로 향한 화살표는 연성 열원(12)이 열량을 발산하는 경로를 표시하고, 회전체(213)에서 아래 및 위로 향한 화살표는 베어링(21)의 회동에 의해 발생하는 열량의 유통 경로를 표시하며, 베어링 컵(211)에서 아래로 향한 화살표는 가동축(23)의 회동에 의해 발생하는 열량의 유통 경로를 표시하고, 연성 열원(12)이 발산하는 열량은 고정축(22)의 슬리브 벽을 거쳐, 일부분 열량은 고정축(22)의 축 방향을 따라 자연 중으로 확산되고, 또 일부분 열량은 고정축(22)의 반경 방향을 따라 베어링 콘(212)에 전달된다. 베어링(21)의 회동에 의해 발생하는 열량과 연성 열원(12)의 열량은 베어링 콘(212)의 내부에서 만나고, 베어링(21)의 회동에 의해 발생하는 열량과 가동축(23)의 회동에 의해 발생하는 열량은 베어링 컵(211)의 내부에서 만나며, 연성 열원(12)은 베어링(21)에 열원을 제공하여, 베어링 그리스가 동결되지 않고 또한 그리스의 유동화를 유지할 수 있도록 함으로써, 베어링(21)의 사용수명을 연장하고, 그리스의 윤활 작용을 확보한다.
이 밖에, 상기 연성 열원(12)은 난연성 연성 전기 열원층(121)과 전기절연성 탄성층(122)을 포함할 수 있고, 난연성 연성 전기 열원층(121)은 고정축(22)의 내벽에 접합될 수 있고, 전기절연성 탄성층(122)은 난연성 연성 전기 열원층(121)과 아크 세그먼트(11)의 외면 사이에 설치될 수 있다. 그 중, 난연성 연성 전기 열원층(121)의 두께는 1.5~2mm일 수 있고, 난연성 연성 전기 열원층(121)의 내부에는 Pt100 센서 감온부재가 설치될 수 있으며, 센서의 인출선을 캐빈의 제어함에 연결시켜, 난연성 연성 전기 열원층(121)에 대하여 프로세스 모니터링 제어를 실시한다. 난연성 연성 전기 열원층(121)은 실리콘 고무 가열패드(난연 성분을 포함함)일 수 있다. 전기절연성 탄성층(122)은 8~10mm 이상 두께의 메틸-비닐 실리콘 고무패드일 수 있고, 메틸-비닐실리콘 고무패드는 변형량이 큰 내열성 탄성 재료로서, 우수한 반발탄성과 영구적 변형이 작은 특징을 구비하고, 메틸-비닐실리콘 고무패드는 압축된 후 비교적 큰 변형량(기재 두께의 20~25%로 요구를 만족시킬 수 있음)을 발생하여, 고정축(22)의 캐비티의 표면의 원형도(circular degree)와 광택도의 부족(고정축(22)은 주조 재질이고, 주조 과정에, 모듈에 의해 둘러지는 표면의 원형도와 광택도가 0.5~1mm 미만임)을 보완하도록 한다. 이 밖에, 폴리이미드 양면 테이프로 연성 열원(12)과 전기절연성 탄성층(122)을 접착하여 고정할 수 있다. 전기절연성 탄성층(122)는 단열층으로 사용할 수 있고, 연성 열원(12)의 열량이 아크 세그먼트(11)의 일단에서 확산되는 것을 방지할 수 있으며, 연성 열원(12)의 전기 사용량을 절약하고, 재료의 영구적 변형 문제에 대응하도록 지지장치(13)는 연성 열원(12)의 챔버 측의 단열층에 대한 압력을 조절한다. 이 밖에, 메틸-비닐실리콘 고무패드 등 탄성 재료와 아크 세그먼트(11) 사이에 한층의 단열 내화 재료를 더 추가할 수 있고, 예를 들면 방화포로 패키징한 유리 면 펠트 등을 사용한다.
이 밖에, 지지장치(13)의 효력 상실로 인하여 초래되는 안전 우려를 방지하기 위하여, 도킹 아크 세그먼트(111)에 연성 열원(12)의 압력을 측정하기 위한 압력센서를 설치할 수 있다. 도킹 아크 세그먼트(111)가 효력 상실된 후, 압력센서는 신호를 상응한 제어 시스템에 전달하고, 제어 시스템은 경고 신호를 발송하며, 제어 시스템은 상응한 제어를 거쳐 연성 열원(12)의 전력 공급 시스템을 차단하여, 실시간으로 실화, 누전 등 상황의 발생을 방지한다. 구체적으로, 도킹 아크 세그먼트(111)의 표면 및 내부에 압력에 민감한 측정 소자(압력센서)가 설치되어, 연성 열원(12)과 도킹 아크 세그먼트(111)의 '접촉 효력 상실’(접촉면의 분리)의 상황이 발생하는 것을 방지한다. 상기 장치는 두 개의 아크 세그먼트(11)로 압력센서를 내장한 도킹 아크 세그먼트(11)에 의하여 도킹을 실현하고, 압력센서에 의해 하나의 그룹의 아크 세그먼트(11)의 압력이 정상 수치보다 작은 것으로 측정되면, 경고 신호를 발송하여 전원을 차단하여, 연성 열원(12)과 고정축(22)의 내벽이 당접되는 밀착 수준을 측정할 수 있고, 지지장치(13), 아크 세그먼트(11), 도킹 아크 세그먼트(111) 및 연성 열원(12)의 풀림 방지 문제를 해결할 수 있다.
실시예2
도1을 참조하면, 본 실시예는 풍력발전기의 베어링 시스템에 관한 것이고, 주로 풍력발전기의 스핀들과 스핀들에 씌움 설치되는 패들측 베어링(21a)과 타워측 베어링(21b)을 포함하고, 스핀들의 내부에서 패들측 베어링(21a) 및/또는 타워측 베어링(21b)과 대응되는 위치에 상기 실시예1에서 설명한 가열장치(1)를 설치한다.
진일보로, 상기 풍력발전기는 외부 로터와 내부 스테이터인 구조일 수 있는 바, 스핀들은 풍력발전기의 고정축이고, 풍력발전기의 가동축은 상기 타워측 베어링과 상기 패들측 베어링을 통하여 상기 고정축의 외측에 씌움 설치된다.
다른 하나의 변형으로서, 풍력발전기는 외부 스테이터와 내부 로터인 구조일 수도 있는 바, 상기 스핀들은 풍력발전기의 가동축이고, 풍력발전기의 고정축은 타워측 베어링과 패들측 베어링을 통하여 가동축의 외측에 씌움 설치된다.
본 실시예에서, 스핀들과 베어링을 포함하는 풍력발전기의 베어링 시스템에 실시예1의 가열장치(1)를 설치함으로써, 스핀들의 내부에서 외부에 씌움 설치되는 패들측 베어링(21a) 및/또는 타워측 베어링(21b)을 가열할 수 있어, 베어링 그리스가 동결되고 않고 또한 그리스의 유동화를 유지하도록 하여, 베어링의 사용수명을 연장하였고, 연성 열원과 풍력발전기의 스핀들의 내벽의 긴밀한 접촉을 실현하였다.
이상에서 언급한 내용은 단지 본 발명의 구체적인 실시형태로서, 이에 의해 본 발명의 보호범위가 제한되지 않으며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 모든 자는 본 발명이 공개한 기술범위 내에서, 변형 또는 대체를 쉽게 생각해 낼 수 있고, 이들은 모두 본 발명의 보호범위 내에 속한다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 상기 청구항의 보호범위를 기준으로 해야 한다.
1: 가열장치 11: 아크 세그먼트
111: 도킹 아크 세그먼트 12: 연성 열원
121: 난연성 연성 전기 열원층 122: 전기절연성 탄성층
13: 지지장치 131: 좌회전 스트럿바 부재
132: 우회전 스트럿바 부재 133: 양방향 회전 슬리브
134: 가압로드 2: 풍력발전기
21: 베어링 21a: 패들측 베어링
21b: 타워측 베어링 211: 베어링 컵
212: 베어링 콘 213: 회전체
22: 고정축 221: 고정축 캐비티
23: 가동축 24: 캐빈
25: 임펠러 26: 페어링
27: 타워 드럼

Claims (16)

  1. 외부에 베어링(21)이 씌움 설치되는 풍력발전기의 스핀들(spindle)에 적용되고, 상기 스핀들의 내부에 설치되며, 위치적으로 베어링이 설치되는 위치와 서로 대응되는 가열장치(1)에 있어서,
    상기 가열장치(1)는 복수 개의 아크 세그먼트(11)(arc segment), 연성 열원(12) 및 지지장치(13)를 포함하고, 상기 연성 열원(12)은 상기 아크 세그먼트(11)와 스핀들의 내벽 사이에 설치되며, 상기 지지장치(13)는 상기 아크 세그먼트(11)의 내면을 지지하여 상기 연성 열원(12)이 상기 스핀들의 내벽에 밀착되도록 하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 베어링 보호용 가열장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 아크 세그먼트(11)의 크기는 동일하며 그 수량은 짝수를 이루고, 반경 방향에서 서로 마주하는 매 두 개의 아크 세그먼트(11)는 하나의 그룹을 구성하고, 상기 지지장치(13)는 상기 아크 세그먼트(11)의 그룹 수량과 동일한 복수 그룹의 좌회전 스트럿바 부재(strut bar)(131), 우회전 스트럿바 부재(132) 및 양방향 회전 슬리브(sleeve)(133)를 포함하며, 상기 양방향 회전 슬리브(133)의 양단은 상기 좌회전 스트럿바 부재(131)과 상기 우회전 스트럿바 부재(132)의 일단에 각각 연결되고, 상기 좌회전 스트럿바 부재(131)과 상기 우회전 스트럿바 부재(132)의 타탄은 동일한 그룹의 두 개의 아크 세그먼트(11)의 내면의 중부에 각각 지지되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 베어링 보호용 가열장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 양방향 회전 슬리브(133)의 중부에는 상기 양방향 회전 슬리브(133)를 회전시키기 위한 가압로드(134)가 설치되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 베어링 보호용 가열장치.
  4. 제1항에 있어서,
    인접되는 아크 세그먼트(11)의 원주 방향의 결합 위치에 설치되어 양측의 아크 세그먼트(11)와 고정 연결되는 도킹 아크 세그먼트(docking arc segments)(111)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 베어링 보호용 가열장치.
  5. 제4항에 있어서,
    도킹 아크 세그먼트(111)는 'T'자형으로 형성되고 상기 'T'자형의 수직대는 상기 스핀들의 내벽에 당접되며, 인접한 아크 세그먼트(11)의 측벽과 상기 'T'자형의 수직대의 측벽은 서로 당접되고, 상기 'T'자형의 수평대는 상기 인접한 아크 세그먼트(11)의 내면과 고정 연결되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 베어링 보호용 가열장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연성 열원(12)은 상기 스핀들의 내벽에 접합되는 난연성 연성 전기 열원층(121)과, 상기 난연성 연성 전기 열원층(121)과 상기 아크 세그먼트(11)의 외면 사이에 설치되는 전기절연성 탄성층(122)을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 베어링 보호용 가열장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 도킹 아크 세그먼트(111)에는 상기 연성 열원(12)의 압력을 측정하기 위한 압력 센서가 설치되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 베어링 보호용 가열장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 아크 세그먼트(11)는 강성 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 베어링 보호용 가열장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 아크 세그먼트(11)의 수량은 두 개이고, 상기 아크 세그먼트(11)는 반원형 아크 세그먼트인 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 베어링 보호용 가열장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 난연성 연성 전기 열원층(121)은 실리콘 고무 가열패드인 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 베어링 보호용 가열장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 풍력발전기는 외부 로터(rotor)와 내부 스테이터(stator)인 구조이고, 상기 스핀들은 상기 풍력발전기의 고정축인 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 베어링 보호용 가열장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 풍력발전기는 외부 스테이터와 내부 로터인 구조이고, 상기 스핀들은 상기 풍력발전기의 가동축인 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 베어링 보호용 가열장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 가열장치의 설치 위치는 타워(tower)측 베어링 또는 패들(paddle)측 베어링과 대응되거나, 또는 타워(tower)측 베어링 및 패들(paddle)측 베어링과 대응되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 베어링 보호용 가열장치.
  14. 풍력발전기의 스핀들 및 상기 스핀들에 씌움 설치되는 패들측 베어링(21a)과 타워측 베어링(21b)을 포함하고, 상기 스핀들의 내부에서 상기 패들측 베어링(21a) 또는 상기 타워측 베어링(21b)과 대응되거나, 또는 상기 패들측 베어링(21a) 및 상기 타워측 베어링(21b)과 대응되는 위치에는 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 풍력발전기의 베어링 보호용 가열장치(1)가 설치되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 베어링 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 풍력발전기는 외부 로터와 내부 스테이터인 구조이며, 상기 스핀들은 상기 풍력발전기의 고정축이고, 풍력발전기의 가동축은 상기 패들측 베어링(21a)과 상기 타워측 베어링(21b)을 통하여 상기 고정축의 외측에 씌움 설치되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 베어링 시스템.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 풍력발전기는 외부 스테이터와 내부 로터인 구조이며, 상기 스핀들은 상기 풍력발전기의 가동축이고, 풍력발전기의 고정축은 상기 패들측 베어링(21a)과 상기 타워측 베어링(21b)을 통하여 상기 가동축의 외측에 씌움 설치되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기의 베어링 시스템.

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