KR101788946B1 - 탄성 자가-정렬 베어링 - Google Patents

Abstract

본원은 탄성, 특히 원뿔형 다층 스프링 요소들로 형성되는, 바람직하게는 풍력 터빈들에 사용하기 위한 티터 베어링에 관한 것으로서, 이러한 스프링 요소들은 선택적으로 유압 장치들에 의해 이들의 강성 거동이 변경될 수 있고 그리고 로터 허브의 구역에 구조적으로 배열되어, 결과적으로 이러한 유형의 베어링들은 로터 블레이드들의 조절 또한 이러한 로터 블레이드들을 통하여 터빈에 전달된 원하지 않는 힘들의 저감 둘 다에 매우 적합하다. 특히, 본원에 따른 티터 베어링들은 1 익형 및 2 익형 로터 풍력 터빈들에 사용하는데 적합하다.

Description

탄성 자가-정렬 베어링 {ELASTIC SELF-ALIGNING BEARING}

본원은 탄성, 특히 원뿔형 또한 원통형 타원체 다층 스프링 요소들로 형성되는 티터 (teeter) 베어링에 관한 것으로서, 이러한 스프링 요소들은 선택적으로 유압 장치들에 의해 이들의 강성 거동이 변경될 수 있고 그리고 풍력 터빈의 로터 허브 또는 메인 샤프트의 구역에 구조적으로 배열된다. 그리하여, 이러한 유형의 베어링들은 로터 블레이드들의 조절 또한 이러한 로터 블레이드들을 통하여 터빈에 전달된 원하지 않는 힘들의 저감 둘 다에 적합하다. 본원에 따른 티터 베어링들은 1 익형, 2 익형, 또는 다익형 (multibladed) 로터 풍력 터빈들, 바람직하게는 2 익형 로터에 의해 구동되는 터빈들에 사용하는데 적합하다. 하지만, 본원에 따른 티터 베어링들은 또한 클러치들 및 선박들과 헬리콥터들에서의 구동 트레인들에 사용된다.

풍력 에너지 터빈들, 특히 종래의 3 익형 로터들 대신에 2 익형 로터들을 사용하는 터빈들에서, 구동 트레인상의 풍력 부하들로부터 힘들 및 모멘트들을 저감 또는 제거하기 위해서 티터 베어링들이 종종 사용된다. 풍력의 작용으로 유발되는 불균일한 질량 관성 모멘트들은 로터 블레이드들의 균일한 기하학적 분포를 통하여 3 익형 로터 시스템들에서 잘 제어될 수 있고 그리고 극한의 상황들에서만 발생하는 반면, 이러한 문제는 2 익형 로터 터빈들에서 아주 흔하다.

대응하는 풍력 부하들이 이러한 터빈들에 작용할 수 있는 방식이 도 1 에 도식적으로 도시된다. 따라서, 예를 들어, 1 개의 로터 블레이드상의 풍력의 힘은 다른 맞은편 블레이드에서보다 상당히 더 클 수 있고, 이는 높은 타워들 및 큰 로터 직경을 가진 대형 풍력 터빈들의 로터 블레이드들이 수직방향을 통과할 때 심심찮게 발생하는데, 풍력은 통상적으로 지면 근처에서보다 더 높은 높이에서 보다 더 강하게 불기 때문이다 (도 1 좌측 도면). 하지만, 측면에서 바람이 불고 그리고 로터가 수평방향을 막 통과한다면 (도 1 우측 도면), 2 익형 로터 시스템상에 불균일한 풍력의 힘들이 또한 쉽게 발생한다. 두 가지 경우들에 있어서, 불균일하게 분포된 질량 관성 모멘트들이 발생하고, 이 질량 관성 모멘트들은 불가피하게 전체로서 타워 및 터빈으로 전달되어, 개별 구성품들의 저감된 수명 또는 즉각적인 손상을 유발할 수 있다.

선행 기술에 따라서, 티터 베어링들로서 기능하는, 대응하여 배열된 원뿔형 베어링들은, 상기 유형의 문제를 위하여 메인 샤프트 및 로터 시스템의 구역에 종종 사용되고, 여기에서 로터 블레이드들에 불균일하게 또는 간접적으로 작용하는 풍력 부하들은 부하를 받는 베어링의 유연성 (flexibility) 및 탄성에 의해 저감된다.

개시된 목적들 및 필요한 기능들로 인해, 티터 베어링들로서 큰 원뿔형 베어링들이 통상적으로 사용된다. 하지만, 터빈들이 보다 더 커짐에 따라, 이러한 큰 원뿔형 베어링들을 일체로 경화 (vulcanise) 및 제조하는 것이 보다 더 어려워진다. 추가로, 이러한 큰 원뿔형 베어링들을 예비 인장시키는 것도 복잡하고 어렵게 된다. 더욱이, 필요하다면 이렇게 큰 무거운 원뿔형 베어링을 교체하는 것은 매우 복잡한데, 이는 원뿔형 베어링을 제거할 수 있도록 일반적으로 먼저 로터의 허브를 고정해야 하기 때문이다. 게다가, 시스템의 전체적인 구조 상황 및 발생하는 가능한 풍력 작용들에 대하여 보다 유연성을 갖도록 이러한 유형의 베어링의 원뿔 각을 변경 또는 변화시키는 것이 간단하지 않다. 이러한 베어링들의 교체 및 상이한 원뿔각을 가진 베어링들에 의한 대체시에, 추가로 일반적으로, 대응하여 조정된 다른 경화 공구 (vulcanisation tool) 를 제조 및 제공하는 것이 필요하다.

따라서, 본 목적은 전술한 목적들을 위한, 특히 풍력 터빈들에 사용하기 위한, 바람직하게는 2 익형 로터들을 가진 터빈들에 사용하기 위한 베어링을 제공하는 것이고, 이러한 베어링은 상기 문제에 대한 선행의 기술적 방안들의 불리한 특성들을 갖지 않고 또한 추가로 로터 블레이들의 미세 조정 및 조절시, 특히 2 익형 로터 시스템에서 보다 유연할 수 있다.

본 목적은 본원에 따라서 청구범위 및 이하의 설명에 대응하는 신규한 티터 베어링들에 의해 달성된다.

본원에 따른 티터 베어링들은 이하의 기능들을 보장해야 한다:

● 로터 블레이드들 (5) 을 티터 샤프트 (3) 를 중심으로 회전시키는 능력

● 메인 샤프트 (1) 의 축 둘레의 구동 모멘트의 전달

● 우세한 풍력 부하들 및 로터 중량으로부터 축방향 힘들 (F1) 및 반경방향 힘들 (F2, F3) 의 흡수

본원은 다수의 탄성 층들로 형성된 그 자체로 공지된 완전 원뿔형 베어링 대신에 큰 원뿔형 베어링의 개별 부분들로부터 기인하는 다수의 베어링들을 사용하는 독창적인 아이디어에 기초로 한다. 그리하여, 이러한 유형의 베어링은, 경화 프로세스를 위해 고무 체적이 덜 필요하기 때문에, 더 간단하게 제조된다. 더 낮은 중량 및 더 작은 치수들로 인해, 개별 부분들의 취급은 더 양호하다. 개별 부분들은 이제 큰 완전 원뿔형 베어링과 비교하여 힘의 일부로 그리고 보다 용이하게 예비 인장을 받을 수 있다. 이러한 부분들은 로터 (5) 및 로터 허브 (8) 를 완전히 분리할 필요없이 개별적으로 제거 및 교체될 수 있기 때문에 교체가 더 간단하다. 개별 부분들은, 예를 들어 더 작은 금속 시트들, 더 간단한 제조 및 더 작은 고무 체적들로 인해 비용 절감을 야기한다.

이제, 다수의 탄성 및 비탄성 층들로 형성된 원래 큰 원뿔형 베어링의 심지어 원뿔 세그먼트들은, 탄성 및 비탄성 층들이 그 자체가 원뿔형이 아니라 대신에 평평하거나 플랫한, 대응하여 형상화된 탄성 요소들로 교체될 수 있음을 알았다. 하지만, 완전 원뿔형 베어링의 단순한 분할은 개별 부분들의 수명을 감소시킨다. 수명을 다시 증가시키기 위해서, 이러한 개별 부분들은 이제 본원에 따라서 둥근 다층 스프링들로 구성된다. 둥근 다층 스프링들은 직사각형 스프링들보다 더 작게 연장가능하고 수명이 2 배보다 크다. 그리하여 플랫하고, 바람직하게는 둥근 다층 스프링들은, 이제 본원에 따라서, 원뿔형 층들을 가진 표준 원뿔형 베어링과 비교하여, 로터/메인 샤프트 구역에서 이제 필요하게 되는 변경된 기하학적 형상으로 수용되어야 한다.

특별한 실시형태에 있어서, 다층 스프링의 개별 탄성 (및 비탄성), 바람직하게는 둥근 층들은 상이한 크기들을 가지고, 그리하여 함께 병합되면 원뿔형 다층 스프링을 형성한다.

본원에 따른 티터 베어링에 사용되는, 개선된 수명을 가진 다층 스프링들의 다른 실시형태들에 있어서, 이러한 스프링들은 다른 다양한 형상들로 구성될 수 있다. 놀랍게도, 대응하는 다층 스프링들은, 타원형 기본 형상을 가지면, (본원에 따른 티터 베어링들에 개시된 바와 같이 사용될 때) 원통형 구성을 가진 둥근 다층 스프링들과 비교하여 2 배 내지 4 배의 예상 수명을 가짐을 알았다. 전술한 원뿔 형상의 다층 스프링들 (둥근, 플랫 층들을 포함) 은, 원통형 둥근 다층 스프링들과 비교하여 본원에 따른 티터 베어링들에서 증가된 수명을 나타내지만 타원형 기본 형상을 가진 다층 스프링들과 비교하여 더 짧은 수명을 나타낸다. 본원에 따른 티터 베어링들에 사용될 수 있는 다층 스프링의 개별 유형들은 도 4 ~ 도 7 에 도시된다.

본원에 따른 티터 베어링들은 전술한 그 자체로 공지된 다층 스프링의 유형들에 기초로 한다. 또한 예를 들어 WO 2011/088965 에서와 같이 혁신적인 다층 스프링들을 사용할 수 있다. 하지만, 본원에 따른 티터 베어링들은 풍력 터빈의 로터 구역에서 기능적 구성 요소들의 특별한 기하학적 형상과 조합하여 이러한 다층 스프링들로부터 우수성이 달성된다.

도 1 은 풍력 터빈의 2 익형 로터상의 가능한 풍력 작용 힘들을 도시한다.
도 2 는 추가의 유압 장치들 없이 2 익형 로터 풍력 터빈의 로터 허브/메인 샤프트의 구역에서 본원에 따른 티터 베어링들의 용도를 도시한다 (평면도 및 단면도).
도 3 은 추가의 유압 장치들 없이 2 익형 로터 풍력 터빈의 로터 허브/메인 샤프트의 구역에서 본원에 따른 티터 베어링들의 용도를 도시한다 (평면도 및 단면도).
도 4 ~ 도 7 은 본원에 따른 티터 베어링들 (9) 에서 다양한 적합한 다층 스프링들 (4) 과 이들의 배열을 도시한다.
도 8 은 베어링 하우징에 장착하기 전에 다층 스프링 요소들 (4) 에 인장 장치들이 제공되는 본원에 따른 티터 베어링의 일 실시형태의 3-D 도면이다.
도 9 는 베어링 하우징에 장착한 후에 그리고 그로 인해 예비 인장한 후에, 다층 스프링 요소들 (4) 에 인장 장치들이 제공되는, 본원에 따른 티터 베어링의 일 실시형태의 3-D 도면이다.
도 10 은 층 요소 (4) 의 내부 스탑의 일 실시형태를 도시한다.
도 11 은 메인 샤프트 (1) 상에 티터 베어링이 장착된, 3 개의 로터 블레이드들을 가진 풍력 터빈에서 본원에 따른 티터 베어링의 용도를 도시한다.
도 12 는 (풍력 터빈의) 메인 샤프트 (1) 상의 본원에 따른 티터 베어링의 다층 스프링 요소들 (4) 의 가능한 배열들 (a ~ c) 을 도시한다.
도 13 은 1 익형 풍력 터빈에서 본원에 따른 티터 베어링의 배열을 도시한다.
도 14 는 유압식으로, 선택적으로 압력 어큐뮬레이터를 통하여 충전될 수 있는 공동을 가진 본원에 따른 다층 스프링 요소 배열 (4) 을 도시한다.

따라서, 본원은, 티터 베어링용 티터 샤프트 (3) 를 수용할 수 있는 내부 부싱 (10) 과, 이 내부 부싱 (10) 에 연결되고 그리고 플랫 탄성층들과 플랫 비탄성층들로 형성되는 다층 스프링들 형태의 인장가능한 탄성 요소들 (4) 을 구비하는 주변의 외부 부싱 (11) 을 포함하는 티터 베어링 (9) 에 관한 것이고, 여기에서 사용된 탄성 요소들은 둥근 또는 타원형 기본 형상을 가진 적어도 4 개, 바람직하게는 4 ~ 8 개의 다층 스프링들 (4) 이다. 외부 부싱 (11) 의 내부의 상기 탄성 요소들 (4) 은 내부 부싱 (10) 둘레에 반경방향 분포로 배열되고 그리고 다층 스프링들 (4) 을 통하여 외부 부싱과 내부 부싱을 서로에 대하여 인장시키는 인장 장치들 (12) 을 구비한다. 따라서 이러한 인장은, 내부 부싱 및 그로 인한 티터 샤프트의 각각의 구역들에 대해 서로 독립적으로 탄성 다층 스프링들의 두께 및 그로 인한 예비인장을 조절 및 변경할 수 있도록 한다.

본원은 또한, 특히 상기 다층 스프링들 (4) 이 원뿔형인 대응하는 티터 베어링에 관한 것이고, 여기에서 특히 적합한 실시형태에 있어서, 다층 스프링들 (4) 의 더 넓은 원뿔 표면들은 티터 샤프트 (3) 를 지지하는 내부 부싱의 방향으로 대면하고, 더 좁은 표면들은 외부로 대면한다. 본원에 따른 베어링들내에 사용된 원뿔형 다층 스프링들은 충분히 긴 수명 및 경제적으로 허용가능한 제조 비용들 사이에서 양호한 것으로 간주될 수 있다.

본원은, 특히 상기 다층 스프링들 (4) 이 원통형 타원체인, 대응하는 티터 베어링에 관한 것으로서, 이는, 여기에서, 이미 전술한 바와 같이, 본원에 따른 티터 베어링에 이러한 다층 스프링들의 특별한 배열과 조합하여, 이러한 다층 스프링들은 놀랍게도 베어링에 작용하는 일반적으로 큰 힘들에 의해 유발되는 마모에 대해 특히 내마모성인 것으로 증명되었기 때문이다. 그리하여, 이러한 다층 스프링들은 본원에 따른 베어링들에 사용할 시 특히 강성인 것으로 증명되었지만 제조하기에 보다 복잡하고 그리하여 보다 값비싸다.

하지만, 본원은 원통형 둥근 다층 스프링들 (4) 을 가진 대응하는 티터 베어링에 관한 것이고, 이는 이러한 다층 스프링들이 제조하기에 매우 간단하고 값싸기 때문이다. 이러한 베어링들은 특히 크지 않는 불균일한 질량 관성 모멘트가 발생하는 터빈들에서의 선택 수단이다.

다층 스프링 요소들 (4) 에는, 본원에 따라서, 외부 부싱 (11) 과 내부 부싱 (10) 사이에서 다층 스프링들을 인장시킬 수 있는 인장 장치들 (12) 이 제공되고, 이는 또한 조절가능한 예비 인장을 달성한다. 일반적으로 볼트 연결들 또는 클램핑 리테이너들 (retainer) 인 인장 장치들은, 필요한 기하학적 형상의 배열로 인해 다층 스프링들 (4) 의 기본 표면들 둘 다에 설치되는 것이 바람직하다. 하지만, 다른 부착 수단 또는 인장 장치들은 또한 본원에 따른 티터 베어링에서 다른 위치들에서도 가능하다. 도 8 및 도 9 에서는 인장되지 않은 상태 (도 8) 및 예비 인장된 상태 (도 9) 에서 본원에 따른 티터 베어링 (9) 의 일 실시형태를 도시한다. 그리하여, 본원은, 티터 샤프트 (3) 를 지지하는 내부 부싱 (10) 의 외측 벽과 외부 부싱 (11) 의 내측 벽 사이에 밀접 피팅되도록 배열되는 인장 장치 부분들 (12) 을 가진 양쪽 면들 또는 기본 표면들에 각각의 다층 스프링이 제공되는, 대응하는 티터 베어링에 관한 것이다.

상기 다층 스프링들에 의해서, 티터 샤프트에 대하여 엘라스토머 요소 (4) 의 각의 피치가 변경될 수 있어서, 이 엘라스토머 요소 및 그로 인한 전체 티터 베어링의 축방향 및 반경방향 강성에 영향을 줄 수 있다. 티터 샤프트에 대한 피치의 변경은, 예를 들어 대응하는 각 피스들 (angle pieces; 13) 을 통하여 실시될 수 있다. 이러한 대처 또는 다른 대처는 다층 스프링 요소 (4) 와 티터 샤프트 사이의 각 (α, β) 을 0 ~ 45°, 바람직하게는 0 ~ 30°의 어떠한 값으로 조절할 수 있다.

개별 엘라스토머 요소들 또는 엘라스토머 요소들의 그룹들을 개별적으로 예비 인장할 뿐만 아니라 티터 샤프트 (3) 에 대한 경사에 대하여 이들을 개별적으로 조절할 수 있는 가능성은, 터빈의 본질, 위치 및 여기에서 우세한 풍력 조건들에 유연한 방식으로 부합될 수 있는 특성들을 본원에 따른 티터 베어링에 부여한다. 특히, 로터 블레이드 각들에 대한 특정 변경들이 그로 인해 달성될 수 있다.

이는, 상기 인장 장치들을 통하여 기계적으로 티터 베어링의 강성을 개별적으로 조절할 수 있을 뿐만 아니라 예비 인장을 기계적으로 설정한 후에 유압 수단에 의해 가역적인 방식으로 영향을 줄 수 있는 가능성을 포함한다. 이를 위해, 본원에 따른 티터 베어링의 하나 이상 또는 모든 다층 스프링 요소들 (4) 은, 압축가능한 가스 또는 유압 유체가 가압될 수 있는 유압 요소 (14) 를 구비하여, 베어링 또는 베어링의 부분들의 강성을 증가 또는 원한다면 감소시킬 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 유압 요소 (14) 는 다층 스프링 (4) 의 코어에서 상이한 크기들을 가질 수 있는 중공의 체적이다. 그리하여, 오늘날 공지된 모든 유형들의 다층 스프링은 유압식 다층 스프링들 (4) 로 구성될 수 있다. 이는 본원에 따른 티터 베어링들에 능동적인 블레이드 조절을 통합할 수 있도록 해준다. 유압 요소들 (14) 은 유압 라인들 (6) 에 연결되고 그리고 그 사이에 연결된 유압 펌프 (7) 에 의해 제어된다. 유압 요소들의 보조로 로터 블레이드들의 트위스트를 실시하기 위해서, 유체는 하나의 스프링 (4) 에서 다른 스프링으로 펌핑되어, 체적 면에서 하나의 스프링 (4) 을 더 크게 만들고 다른 스프링을 더 작게 만든다. 유압 펌프 (7) 대신에, 조절하기 위한 하나 이상의 스프링들을 탑재하는 스러스터 원통부들을 사용할 수도 있다. 유압 블레이드 조절은 전체 로터 허브 (8) 를 회전시키고 그리고 그로 인한 하나의 로터 블레이드 (5) 를 바람 속으로 회전시키고 다른 로터 블레이드 (2 익형 로터 터빈의 경우에) 는 바람 밖으로 회전시킨다. 이러한 조절은 원하지 않는 풍력 조건들로 인한 부하들을 보다 더 감소시킬 수 있도록 한다. 이러한 목적을 위해서는 비교적 작은 각 (α, β) 만이 필요하다.

따라서, 본원은, 적어도 하나의 다층 스프링 (4) 이, 가스 또는 유체가 유압 장치들 (6, 7) 및 수단에 의해 압인 (force in) 또는 압출 (force out) 되는 유압 요소 (14) 를 가져, 베어링의 강성 및 그로 인한 로터 블레이드들 (5) 의 설정 또는 터빈으로의 질량 관성 모멘트를 변경시킬 수 있는, 대응하는 티터 베어링에 관한 것이다. 유압 요소 (14) 는 바람직하게는 중공의 체적이고, 그리하여 대응하는 탄성 층 요소들 (4) 은 제조하기 간단하고 그리고 추가로 비교적 연성인 중공의 고무 스프링들로서 구성된다.

본원에 따른 티터 베어링은, 전술한 바와 같이, 각각의 터빈의 구성 특징들 및 환경들에 따라서 로터, 로터 허브 또는 메인 샤프트의 구역에 설치된다. 본원에 따라서, 적어도 하나, 하지만 바람직하게는 적어도 2 개의 본원에 따른 티터 베어링들은, 바람직하게는 로터 허브의 구역에서 터빈용으로 사용되거나 이들의 일체형 구성품으로서 사용된다. 도 2 및 도 3 에서는 메인 구동 샤프트 (1) 및 로터 허브 요소 (8) 에 대한 구성 환경에서 2 개의 기능적으로 상호협력하는 본원에 따른 티터 베어링들의 대응하는 배열을 도시하고, 여기에서 메인 샤프트 (1) 는 그의 선단에서 이 메인 샤프트에 수직하게 배열된 티터 샤프트 (3) 에 연결되고, 이 티터 샤프트는 그의 2 개의 마주보는 단부들 각각에 본원에 따른 티터 베어링 (9) 을 가지며 그리고 로터 허브 요소 (8) 에 형성되거나 이 로터 허브 요소의 일체의 구성품이다. 도면들에서는 2 익형 로터 터빈의 가능한 구성을 도시한다.

따라서, 본 과제는, 내부 부싱 (10) 이 샤프트 (3) 의 적어도 하나의 말단 구역에 의해 형성되고 이 샤프트가 상기 층 요소들 (4) 을 통하여 외부 부싱 (11) 에 연결되는, 대응하는 티터 베어링이다. 그리하여, 내부 부싱은 티터 샤프트 (3) 의 일체형 구성품으로서 간주되어야 하고, 이 티터 샤프트는 내부 부싱의 기능을 가진다. 이러한 경우에 티터 샤프트 (3) 및 메인 샤프트 (1) 는 T-피스를 형성하고, 이 T-피스의 2 개의 단부들에는 티터 베어링 (9) 이 부착된다. 대안으로, 내부 부싱 (10) 은 또한 샤프트 (3) 의 단부 (바람직하게는 양측) 로 개별적으로 밀려져서 고정될 수 있다.

하지만, 본 과제는, 또한 내부 부싱 (10) 이 메인 샤프트 (1) 의 말단 구역에 의해 형성되고 이 메인 샤프트가 상기 층 요소들 (4) 을 통하여 외부 부싱 (11) 에 연결되는, 대응하는 티터 베어링이다. 그리하여, 내부 부싱은 메인 샤프트 (1) 의 일체형 구성품으로서 간주되어야 하고, 이 메인 샤프트는 내부 부싱의 기능을 가진다. 따라서, 전술한 바와 같이, T-피스의 사용은 불필요하다. 대안으로, 내부 부싱 (10) 은 또한 샤프트 (1) 의 단부로 개별적으로 밀려져서 고정될 수 있다. 이러한 경우에 외부 부싱 (11) 은 로터 허브에 의해 형성될 수 있다.

따라서 마찬가지로, 본원은 풍력 터빈에서 바람직하게는 1 익형, 2 익형 또는 선택적으로 3 익형 로터용 로터 허브 (8) 에 관한 것으로서, 이 로터 허브는, 1 개, 2 개 (또는 그 이상) 의 로터 블레이드들에 대한 고정 장치들 이외에, 티터 샤프트 (3) 를 가지고, 이 티터 샤프트의 적어도 하나의 단부에 상기 및 청구범위에 특정된 티터 베어링 (9) 이 부착되고 그리고 이 티터 샤프트는 로터의 메인 구동 샤프트 (1) 에 대한 직접 또는 간접 연결 및 고정 수단을 가지며, 여기에서 티터 베어링(들)은 로터 허브 (8) 또는 이들의 지지 부분 (하우징) 에 구조적으로 영구적으로 연결되거나 이에 일체화된다. 본원에 따른 로터 허브 (8) 는, 특히 전술 및 후술되는 바와 같이, 티터 베어링, 로터 블레이드들용 고정 장치들 및 샤프트 (3) 또는 샤프트 (1) 용 고정 장치들을 포함한다.

3 익형 로터 터빈의 경우에 있어서, 본원에 따른 티터 베어링들의 배열은 그에 대응하여 조정되어야 한다. 본원에 따른 실시형태들은 도 11 및 도 12 에 도시된다.

본원에 따른 티터 베어링들은, 전술한 바와 같이, 특히 원하지 않는 불균일한 질량 관성 모멘트들의 저감, 제거 및 제어를 달성하는데 대단히 적합하고, 이 질량 관성 모멘트들은 풍력으로 인해 로터 블레이드들 (5) 로부터 풍력 터빈의 타워로 전달된다. 이 티터 베어링들은 또한 개별적인 또는 모든 로터 블레이드들의 특정 조절을 가능하게 한다.

하지만, 본원에 따른 티터 베어링들은 더욱이 또한 기계류들의 클러치들 또는 헬리콥터들용 구동 트레인들 및 로터와 조합된 선박의 구동부들과 선박의 프로펠러 장치들에 사용된다.

따라서, 본원은, 로터 블레이드들 (5) 로부터, 예를 들어 2 익형 로터 또는 3 익형 로터 풍력 터빈, 바람직하게는 2 익형 로터 터빈의 타워에 전달되는 질량 관성 모멘트들의 저감, 제거 및 제어를 위한 그리고 대응하는 풍력 터빈의 로터 블레이드들 (5) 을 조절하기 위한 대응하는 티터 베어링 (9) 의 용도에 관한 것이고, 여기에서 적어도 2 개의 베어링들은 로터 허브 (8) 의 구역에 배열된다.

본원은 또한 1 익형, 2 익형, 또는 다익형 풍력 터빈 또는 헬리콥터 또는 선박의 프로펠러의 로터 블레이드들로부터 전달되는 질량 관성 모멘트들의 저감, 제거 및 제어를 위한 로터 블레이드들을 조절하기 위한 대응하는 티터 베어링의 용도에 관한 것이다.

극한의 상황들에서 엘라스토머 요소들 (4) 의 변형을 제한할 필요가 있을 수 있다. 엘라스토머 요소 (4) 의 최대 축방향 그리고 반경방향 변형을 제한하기 위해서, 금속 스탑 (101) 은 내부에 일체화될 수 있다 (도 10). 어떠한 반경방향 변형으로부터, 엘라스토머 층들의 내부면은 금속 스탑 (101) 에 도달한다. 엘라스토머 층이 금속 스탑 (101) 에 도달하자마자, 이 엘라스토머 층은 매우 많이 더 강성으로 되어, 반경방향 변형을 원하는 대로 한정하게 된다. 금속 스탑 (101) 의 원뿔형 구성으로 인해, 개별적인 엘라스토머 층들만이 차례대로 접촉하게 된다. 그 결과, 전체 엘라스토머 요소 (4) 의 반경방향 강성은 반경방향 변형을 증가시키면서 보다 천천히 증가하고, 갑작스러운 증가는 발생하지 않는다. 어떠한 축방향 변형으로부터 엘라스토머 요소 (4) 는 금속 스탑 (101) 의 상부와 접촉하게 된다. 이는 엘라스토머 요소 (4) 의 축방향 강성을 증가시킨다. 축방향 강성에 있어서의 갑작스러운 증가를 방지하기 위해서, 금속 스탑 (101) 의 상부에는 쿠션층 (102) 이 제공된다. 축방향 변형이 증가함에 따라, 상부 쿠션층 (102) 은 압축되고 그리고 더 강성으로 되어, 축방향 변형을 원하는 대로 한정한다. 따라서, 본원은, 또한 내부에서, 선택적으로 중공의 내부에서, 바람직하게는 층들에 수직하게 배열된 원통체 또는 원뿔체의 형태의 고정 스탑을 가지는 1 개 이상의 다층 스프링 요소들 (4) 을 구비한, 대응하는 티터 베어링에 관한 것이다. 마찬가지로, 전체 금속 스탑 (101) 을 연속적인 두꺼운 엘라스토머 층으로 덮을 수 있다.

반경방향 변형을 한정하기 위한 스탑은, 또한 티터 베어링 (9) 의 엘라스토머 요소들 (4) 에 반경방향으로 작용하는 적어도 2 개의 유압 엘라스토머 요소들에 의해 향상될 수 있다. 요소들은 티터 베어링 (9) 의 주변 방향에서 접선방향으로 작용한다 (도 15 참조). 유압 엘라스토머 요소의 내부 유압 체적 (105) 은, 도 15 에 도시한 바와 같이, 압력 어큐뮬레이터 (104) 상의 압력 제어 밸브 (103) 에 연결될 수 있다. 티터 베어링 샤프트 (3) 둘레에서 티터 베어링 (9) 이 매우 크게 회전하는 경우에, 유압 엘라스토머 요소가 압축된다. 외부 변형은 압력 제어 밸브 (103) 가 개방될 때까지 내부 유압 체적 (105) 에서의 압력을 증가시킨다. 추가의 변형시, 유체는 지금 개방된 압력 제어 밸브 (103) 를 통하여 압력 어큐뮬레이터 (104) 로 유동한다. 그 후, 유체의 압력은 더이상 증가할 수 없는데, 이는 유체가 압력 어큐뮬레이터 (104) 로 빠져나가기 때문이다. 그 결과 스프링 힘은 다른 변형으로 조금만 증가한다. 어떠한 변형으로부터, 압력 어큐뮬레이터 (104) 는 유체로 완전히 충전되고, 특성 라인은 다시 점진적으로 되는데, 이는 유체가 유압 엘라스토머 요소 (4) 외부로 압력 어큐뮬레이터 (104) 로 더이상 유동할 수 없기 때문이다. 이러한 긴 플랫 힘/경로 특성 라인은, 심지어 큰 변형의 경우에, 가능한 스탑 힘을 제한한다. 이는 모든 연결 부분들에 긍정적인 효과를 가지는데, 이는 연결 부분들이 더 작은 치수들로 구성될 수 있기 때문이다.

본원의 다른 실시형태들은, 도 12 의 (a ~ c) 에 도시되어 있다. 배열의 제 1 가능성은 일종의 클로우 클러치 (claw clutch) 로 구성되는 것이다. 이러한 배열에서, 엘라스토머 요소들 (4) 은 피치 및 요우 회전들의 경우에 전단 응력을 받고 그리하여 매우 연성으로 반응한다. 이러한 탄성으로 인해, 피치 및 요우 회전들로부터의 굽힘 모멘트들이 감소된다. 엘라스토머 요소들 (4) 은 메인 샤프트 (1) 의 회전축에 대하여 회전 방향으로 압축 응력을 받고 그리고 강성으로 반응한다. 배열은 수평 및 수직 방향으로 (둘다 메인 샤프트 (1) 에 반경방향) 강성인 반면, 이 배열은 메인 샤프트 (1) 의 방향으로 연성이다.

엘라스토머 요소들 (4) 은 또한 구형의 형태로 배열될 수 있다. 이는 티터 베어링 (9) 의 모든 반경방향 및 축방향 변형들을 강성으로 하는 반면, 모든 회전 방향들 (피치, 요우 및 로터 회전) 은 연성이다. 이러한 배열은 고전적인 볼 조인트와 유사하다. 피치 및 요우 이동들이 연성인 것은 긍정적이다. 메인 샤프트 (1) 둘레의 회전 방향도 마찬가지로 연성인 것은 긍정적이지 않다.

전술한 2 개의 배열들의 조합은 도 12 의 c 에 도시된다. 여기에서, 엘라스토머 요소들 (4) 은 피치 및 요우 이동들의 경우에 이 엘라스토머 요소들이 전단 응력을 받는 방식으로 배향되어, 이 엘라스토머 요소들은 연성으로 반응한다. 다른 방향들에서, 엘라스토머 요소들은 주로 압축 응력을 받고 그리하여 보다 강성으로 반응한다. 이는 또한 이제 마찬가지로 강성인 메인 샤프트 (1) 둘레의 회전에도 적용된다. 이러한 배열은 이상적이고 그리고 2 개의 이전의 배열들의 장점들을 조합한다.

전술한 배열들 (도 12 의 (a ~ c)) 은 메인 샤프트 (1) 에 대해서 사용될 뿐만 아니라, T-형상부로서 메인 샤프트 (1) 에 연결되는 티터 샤프트 (3) 에 주로 적용될 수도 있다.

도 13 은 오직 1 개의 로터 블레이드 (5) 를 가진 풍력 터빈에서 티터 베어링 (9) 의 용도를 실시예의 방식으로 도시한다. 불균형을 저감시키기 위해서, 이러한 유형의 풍력 터빈은 항상 평형추 (106) 를 가진다. 로터 블레이드 (5) 와 평형추 (106) 사이의 불균일한 풍력의 힘은 로터와 나셀의 강성 연결의 경우에 매우 높은 동적 굽힘 모멘트들을 유발한다. 또한 2 익형 로터의 경우에서처럼, 여기에서 굽힘 모멘트들을 저감시키기 위해서 로터 블레이드 (5) 를 티터링 (teeter) 할 필요가 있다. 티터 베어링 (9) 및 엘라스토머 요소들 (4) 은 2 익형 로터의 경우에서와 같이 동일한 구성을 가진다.

본원에 따른 티터 베어링은 또한, 카르단 경사 (cardanic inclinations) 가 큰 카르단 연성과 동시에, 특히 축방향 부하 및 토크가 높은 강성으로 전달되어야 한다면, 다른 기계류들의 클러치로서 사용될 수 있다. 이는 풍력 터빈들 뿐만 아니라 예를 들어 선박들 또는 헬리콥터들의 구동 트레인에서의 경우이다.

개별 스프링 (4) 의 개별 층들의 직경들과 두께들은 층마다 동일하거나 다를 수 있다. 부하의 종류에 따라서, 상이한 층들을 통하여, 각각의 층은 대략 동일한 수명을 가짐을 보장할 수 있다. 따라서, 스프링들은 하나의 층을 과적시키지 않고 그리고 다른 층을 거의 전혀 탑재하지 않고 최대의 수명을 달성함을 보장한다. 본원에 따른 티터 베어링 (9) 의 다층 스프링들 (4) 은 본질적으로 천연 고무, 천연 고무 유도체 또는 적합한 탄성 중합 플라스틱 또는 플라스틱 혼합물로 구성된다. 엘라스토머 층은 본원에 따라서 원하는 요건들에 대응하여 상이한 경도 ("쇼어 경도") 및 상이한 감쇠 특성들을 가질 수 있다. 20 ~ 100 Shore A, 특히 30 ~ 80 Shore A 의 경도를 가진 엘라스토머들이 사용되는 것이 바람직하다. 상이한 경도의 이러한 엘라스토머들의 준비는 선행 기술에 공지되어 있고 그리고 관련 문헌에 적절하게 개시되어 있다. 상업적으로 이용가능한 천연 고무들 또는 플라스틱들이 사용되는 것이 바람직하다. 비-엘라스토머 층들은 낮은 압축성을 가진 실질적으로 비탄성 재료들로 형성된 중간 플레이트들인 것이 바람직하다. 이들은 금속 시트들인 것이 바람직하지만, 또한 다른 재료들, 예를 들어 경질 플라스틱들, 복합 재료들 또는 탄소 섬유 함유 재료들을 사용할 수 있다.

1 : 메인 샤프트
2 : 로터 블레이드 축
3 : 티터 베어링 샤프트/티터 베어링용 샤프트
4 : (유압식) 엘라스토머 요소
5 : 로터 블레이드
6 : 유압 라인들
7 : 유압 펌프
8 : 로터 허브
9 : 티터 베어링
10 : 내부 부싱
11 : 외부 부싱
12 : 인장 장치 요소들
13 : 각 부분
14 : 다층 스프링 요소 (4) 의 내부에서의 중공의 체적/유압 요소
15 : 중공의 고무 다층 스프링
α,β : 티터 샤프트 (3) 에 대한 각 요소 (13) 의 각들
101 : 금속 스탑
102 : 고무 쿠션
103 : 압력 제어 밸브
104 : 압력 어큐뮬레이터
105 : 유압 체적
106 : 평형추

Claims (20)

1. (ⅰ) 티터 (teeter) 베어링용 티터 샤프트 (3) 또는 메인 샤프트 (1) 를 수용할 수 있는 내부 부싱 (10),
   (ⅱ) 상기 내부 부싱 (10) 주변의 외부 부싱 (11),
   (ⅲ) 인장가능한 탄성 다층 스프링 요소들 (4), 및
   (ⅳ) 인장 장치들 (12) 을 포함하고,
   상기 다층 스프링 요소들 (4) 의 각각은 원뿔형이고 2 개의 기본 표면들을 가지고 또한 둥근 또는 타원형 형상을 가진 탄성층들과 비탄성 중간층들로 형성되고, 및 상기 다층 스프링 요소들은 상기 외부 부싱 (11) 내부에서 상기 내부 부싱 (10) 둘레에 반경방향 분포로 배열되는, 가변적인 강성을 갖는 티터 베어링 (9) 으로서,
   (a) 적어도 6 개 ~ 8 개의 다층 스프링 요소들 (4) 은 상기 티터 샤프트 (3) 또는 상기 메인 샤프트 (1) 에 수직한 제 1 평면에서 상기 티터 샤프트 (3) 또는 상기 메인 샤프트 (1) 에 배열된 각 요소들 (angle elements; 13) 의 일 표면 상의 기본 표면을 통하여 반경방향 배열로 균일하게 분포되고, 또한 상기 다층 스프링 요소들 (4) 의 인장시 축방향 또는 반경방향 강성이 상이하게 조절될 수 있는 방식으로 상기 티터 샤프트 (3) 또는 상기 메인 샤프트 (1) 에 대하여 0 ~ 30° 의 각 (α) 를 형성하고,
   (b) 적어도 6 개 ~ 8 개의 다층 스프링 요소들 (4) 은 상기 티터 샤프트 (3) 또는 상기 메인 샤프트 (1) 에 수직한 제 2 평면에서 상기 티터 샤프트 (3) 또는 상기 메인 샤프트 (1) 에 배열된 상기 각 요소들 (13) 의 다른 표면 상의 기본 표면을 통하여 반경방향 배열로 균일하게 분포되고, 또한 상기 다층 스프링 요소들 (4) 의 인장시 축방향 또는 반경방향 강성이 상이하게 조절될 수 있는 방식으로 상기 티터 샤프트 (3) 또는 상기 메인 샤프트 (1) 에 대하여 0 ~ 30° 의 각 (β) 를 형성하고,
   (c) 상기 다층 스프링 요소들 (4) 의 더 긴 직경을 갖는 원뿔형의 기본 표면은, 상기 티터 샤프트 (3) 또는 상기 메인 샤프트 (1) 를 지지하는 상기 내부 부싱 (10) 의 방향으로 대면하고,
   (d) 상기 다층 스프링 요소들 (4) 의 개별 또는 그룹들은 상기 티터 샤프트 (3) 에 대한 경사에 대하여 개별적으로 조절가능하고,
   (e) 상기 인장 장치들 (12) 은 상기 다층 스프링 요소들 (4) 의 상기 기본 표면들상에 배열되고, 상기 탄성 다층 스프링 요소들의 두께를 변경시킴으로써 상기 외부 부싱 및 상기 내부 부싱을 서로에 대하여 인장시키고, 또한 상기 내부 부싱 및 상기 티터 샤프트 (3) 또는 상기 메인 샤프트 (1) 의 각각의 구역들에 대해 서로 독립적으로 예비인장을 조절 및 변경할 수 있게 하고,
   (f) 상기 티터 베어링은 1 익형, 2 익형, 또는 다익형 풍력 터빈 또는 헬리콥터 또는 선박의 프로펠러의 로터 블레이드들 (5) 에 의해 전달되는 질량 관성 모멘트들의 저감, 제거 및 제어를 위한 로터 블레이드들 (5) 을 조절하는데 사용되는 것을 특징으로 하는, 티터 베어링.
2. 제 1 항에 있어서,
   적어도 하나의 다층 스프링 요소 (4) 는 중공의 체적 (14) 을 가지는 것을 특징으로 하는, 티터 베어링.
3. 제 2 항에 있어서,
   가스 또는 유체는 유압 장치들 (6, 7) 에 의해 적어도 하나의 다층 스프링 요소 (4) 의 상기 중공의 체적 (14) 으로 압인 (force in) 또는 압출 (force out) 되어, 베어링의 강성을 변경시킬 수 있는 것을 특징으로 하는, 티터 베어링.
4. 제 1 항에 있어서,
   적어도 하나의 다층 스프링 요소 (4) 는, 상기 다층 스프링 요소 (4) 의 변형을 제한하기 위해서, 상기 다층 스프링 요소 (4) 의 외부 형상에 대응하는 원통형 또는 원뿔형 형태의 고정 스탑 (101) 을 내부에 구비하는 것을 특징으로 하는, 티터 베어링.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 한 항에 따른 티터 베어링 (9), 로터 블레이드들 (5) 용 고정 장치들, 및 상기 티터 샤프트 (3) 또는 상기 메인 샤프트 (1) 용 고정 장치들을 포함하는 로터 허브 (8) 를 포함하는 풍력 터빈.
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