KR20060060046A - 풍력 발전용 풍차 - Google Patents

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마사아키 시바타
히사오 미야케
도모히로 누마지리
야스요시 도자키
가츠히코 쇼다
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미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
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Abstract

나셀상에 설치된 부재의 소형, 경량화가 가능하고 또 유지 보수가 용이한 풍력 발전용 풍차를 제공하는 것을 목적으로 한다. 나셀(3)을 구성하는 나셀대판(6)에, 주축(11)과, 주축(11)의 회전을 증속하여 출력하는 증속기(12)와, 증속기(12)의 출력에 의해 구동되는 발전기(13)를 설치한다. 주축(11)을 증속기(12)의 입력축(12a)의 선단부에 대해, 복열 테이퍼 구름 베어링(16)을 거쳐 접속된 구성으로 한다. 주축(11)을, 나셀대판(6)의 벽부(W1)에 대해, 사이에 복열 테이퍼 구름 베어링(16)을 게재시킨 상태로 부착하여, 주축(11)이 복열 테이퍼 구름 베어링(16)을 거쳐서 벽부(W1)에 지지된 구성으로 한다. 주축(11)을, 축선방향 길이(L1)에 대해 외경(D1)이 큰 대략 원환 형상으로 형성한다.

Description

풍력 발전용 풍차{WIND WHEEL FOR WIND POWER GENERATION}
본 발명은 풍력 발전용 풍차에 관한 것이다.
풍력 발전용 풍차는, 지주상에 설치된 나셀(necelle)에, 풍차 회전 날개와, 이 풍차 회전 날개가 받은 풍력이 주축 등을 거쳐서 입력되는 증속기와, 증속기의 출력에 의해 구동되는 발전기를 설치한 것이다. 이러한 풍력 발전용 풍차로서는 후기한 특허문헌 1, 2, 3에 기재의 것이 있다.
예컨대, 특허문헌 1에는, 풍차 회전 날개가 설치되는 로터가, 증속기의 플래너터리 캐리어(planetary carrier)에 직접 장착되어서, 증속기에 의해 지지된 구조의 풍력 발전용 풍차가 기재되어 있다.
또한, 특허문헌 2에는, 로터의 허브가 증속기의 플래너터리 캐리어에 직접 장착되어서, 증속기에 의해 지지된 구조의 풍력 발전용 풍차가 기재되어 있다.
그리고, 특허문헌 3에는, 로터가 증속기에 조립되어, 증속기에 의해 지지된 구조의 풍력 발전용 풍차가 기재되어 있다. 또한, 이 로터에는, 증속기의 환형 기어 캐리어 및 환형 기어가 직접 부착되고, 로터 자체가 증속기의 일부를 구성하고 있다.
특허문헌 1 : 프랑스 특허 출원 공개 제 0811764 호 명세서(제 3 칼럼 및 도 1)
특허문헌 2 : 국제 공개 제 02/079644 호 팜플렛(제 4 칼럼 및 도 2)
특허문헌 3 : 미국 특허 출원 공개 제 2002/0049108 호 명세서(요약 및 도면)
이외에, 이들 종래의 풍력 발전용 풍차에는 이하와 같은 문제가 있었다. 즉, 풍차 회전 날개 및 로터가 증속기에 지지되는 구조이기 때문에, 증속기를 지지하는 증속기 지지체는, 로터에 가해지는 하중, 예를 들면 방사상 하중, 스러스트 하중, 만곡 하중을 견딜 수 있는 정도의 강도가 요구된다.
증속기의 크기는 그 증속기비 뿐만 아니라, 요구되는 강도에 의해서도 좌우되는 것이다. 즉, 동일한 증속비에서도, 강도가 높은 증속기는 그 만큼 커진다. 이 때문에, 특허문헌 1, 2, 3에 기재의 풍력 발전용 풍차에서는, 대형의 증속기를 이용할 필요가 있다.
그리고, 이와 같이 대형의 증속기는 중량도 무거우므로, 증속기 단체, 나셀 및 나셀을 지지하는 지주에 가해지는 하중도 커진다. 이 때문에, 이들 부재에도 보다 높은 강도를 갖게 할 필요가 있지만, 이 경우에는 이들 부재가 대형화하고, 중량도 증가해버린다.
이러한 이유로, 종래의 구성의 풍력 발전용 풍차는 제조 비용이 드는 동시에, 증속기나 나셀, 지주 등의 각 구성 부재의 운반, 설치 작업도 곤란해진다.
더욱이, 이와 같이 대형의 증속기를 이용하는 것으로, 나셀내의 공간이 좁아지기 때문에, 나셀의 구조의 자유도 및 나셀내에 설치되는 부품의 배치의 자유도가 낮아져서, 설계에 대한 부담이 된다.
또한, 이와 같이 로터가 증속기에 지지되어 있는 구성에서는, 유지 보수로 인해 증속기를 분해하는 경우에는, 일단 로터를 증속기로부터 분리하여 지상으로 내리게 할 필요가 있으므로, 유지 보수 작업이 번잡해진다.
발명의 요약
본 발명은, 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 나셀상에 설치되는 부재의 소형, 경량화가 가능하고 또 유지 보수가 용이한 풍력 발전용 풍차를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 풍력 발전용 풍차는 이하의 수단을 이용한다.
즉, 본 발명에 따른 풍력 발전용 풍차는, 지주상에 설치된 나셀에, 풍차 회전 날개를 부착하는 주축과, 상기 주축의 회전을 증속하여 출력하는 증속기와, 상기 증속기의 출력에 의해 구동되는 발전기가 설치된 풍력 발전용 풍차로서, 상기 주축은 상기 증속기의 입력축 단부에 접속되어 있고, 1기(一基)의 복열 테이퍼 구름 베어링을 거쳐서 상기 나셀에 지지되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 풍력 발전용 풍차에서는, 나셀에 설치되는 1기의 복열 테이퍼 구름 베어링에 의해 주축을 지지하고 있다. 복열 테이퍼 구름 베어링은, 단체 로, 지지하는 축에 가해지는 방사상 하중, 스러스트 하중 및 만곡 하중을 받을 수 있는 것이다. 즉, 주축에 가해지는 방사상 하중, 스러스트 하중 및 만곡 하중은 전부 이 1기의 복열 테이퍼 구름 베어링에 의해 받을 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 풍력 발전용 풍차에서는, 1기의 복열 테이퍼 구름 베어링에 의해 주축을 지지하고 있으므로, 주축의 지지 구조가 조밀해진다.
또한, 이와 같이 주축에 가해지는 방사상 하중, 스러스트 하중 및 만곡 하중은 복열 테이퍼 구름 베어링에 의해 받을 수 있으므로, 증속기에 요구되는 강도가 작아지게 된다.
증속기의 크기는 그 증속비 뿐만 아니라, 요구되는 강도에 의해서도 좌우되는 것이다. 본 발명에 따른 풍력 발전용 풍차에서는, 이와 같이 증속기에 요구되는 강도가 작아지므로, 증속기로서, 종래의 풍력 발전용 풍차에 이용되던 것보다도 소형, 경량의 것을 이용할 수 있다.
또한, 주축은 증속기의 입력축에 접속되는 것으로, 주축과 증속기가 분리가능하므로, 증속기의 유지 보수를 실행하는 경우에는, 증속기를 주축과 분리하여, 증속기만을 유지 보수할 수 있다. 마찬가지로, 주축의 유지 보수를 실행하는 경우에는, 주축을 증속기와 분리하여 주축만을 유지 보수할 수 있다.
본 발명에 따른 풍력 발전용 풍차에서는, 지주상에 설치된 나셀에, 풍차 회전 날개를 부착하는 주축과, 상기 주축의 회전을 증속하여 출력하는 증속기와, 상기 증속기의 출력에 의해 구동되는 발전기가 설치된 풍력 발전용 풍차로서, 상기 주축은 상기 증속기의 입력축 단부에 접속되어 있고, 방사상 하중을 받는 구름체의 열과 스러스트 하중을 받는 한 쌍의 구름체의 열을 갖는 1기의 3열 구름 베어링을 거쳐서 상기 나셀에 지지되어 있는 것을 특징으로 한다.
이와 같이, 본 발명에 따른 풍력 발전용 풍차에서는, 방사상 하중을 받는 구름체의 열과 스러스트 하중을 받는 한 쌍의 구름체의 열을 갖는 1기의 3열 구름 베어링에 의해 주축을 지지하고 있으므로, 주축의 지지 구조가 조밀해진다.
또한, 이와 같이 주축에 가해지는 방사상 하중, 스러스트 하중 및 만곡 하중은, 각 구름 베어링의 열에 의해 받을 수 있으므로, 증속기 및 증속기 지지체에 요구되는 강도가 작아진다.
증속기의 크기는 그 증속비 뿐만 아니라, 요구되는 강도에 의해서도 좌우되는 것이다. 본 발명에 따른 풍력 발전용 풍차에서는, 이와 같이 증속기에 요구되는 강도가 작으므로, 증속기로서, 종래의 풍력 발전용 풍차에 이용되던 것보다도 소형, 경량의 것을 이용할 수 있다.
또한, 주축은 증속기의 입력축에 접속되는 것으로, 주축과 증속기가 분리가능하므로, 증속기의 유지 보수를 실행하는 경우에는, 증속기를 주축과 분리하여, 증속기만을 유지 보수할 수 있다. 마찬가지로, 주축의 유지 보수를 실행하는 경우에는, 주축을 증속기와 분리하여 주축만을 유지 보수할 수 있다.
또한, 청구항 3에 기재된 발명은, 청구항 1 또는 2에 기재된 풍력 발전용 풍차로서, 상기 주축은 축선방향 길이에 대해 외경이 큰 원환 형상 또는 원반 형상을 하고 있는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 구성되는 풍력 발전용 풍차는 축선방향 길이에 대해 외경이 크게 설정되어 있다(외경과 축선방향 길이의 비가 크게 설정되어 있음). 즉, 종래의 주축에 대해 그 축선방향 길이가 단축되어 있는 것이다. 단지, 주축에는, 복열 테이퍼 구름 베어링을 설치하는 공간이 확보되어 있다.
이로써, 주축의 축선방향 길이를 억제하여 주축의 중량을 억제할 수 있다.
또한, 풍차 회전 날개가 바람을 받았을 때에 주축에 가해지는 만곡 모멘트가 작아지므로, 주축 및 주축의 지지 구조에 요구되는 강도가 작아진다.
그리고, 이와 같이 주축 및 주축의 지지 구조에 요구되는 강도가 작아지므로, 주축 및 주축의 지지 구조를 보다 소형화할 수 있다.
또한, 청구항 4에 기재된 발명은, 청구항 1 또는 2에 기재된 풍력 발전용 풍차로서, 상기 주축과 상기 증속기의 입력축은 커플링을 거쳐서 접속되어 있는 것을 특징으로 하고, 청구항 5에 기재된 발명은, 청구항 3에 기재된 풍력 발전용 풍차로서, 상기 주축과 상기 증속기의 입력축은 커플링을 거쳐서 접속되어 있는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 구성되는 풍력 발전용 풍차에서는, 주축과 증속기의 입력축이 커플링을 거쳐서 접속되어 있으므로, 주축과 입력축의 얼라인먼트 조정 등의 숙련을 요하는 조정 작업이 불필요하게 되고, 조립이나 유지 보수가 용이하게 된다.
또한, 커플링에 의해서도, 주축으로부터 증속기로의 방사상 하중, 스러스트 하중 및 만곡 하중의 전달이 방지되므로, 증속기에 요구되는 강도가 더욱 작아진다.
여기에서, 본 발명에서는, 커플링으로서, 기어 커플링, 디스크 커플링, 부 시(bush)에 의한 접속 구조, 핀에 의한 접속 구조 이외에, 임의의 커플링을 이용할 수 있다.
본 발명에 따른 풍력 발전용 풍차에서는, 주축의 지지 구조, 증속기로 하는 나셀상에 설치되는 부재를 소형, 경량으로 할 수 있으므로, 나셀을 소형, 경량으로 할 수 있다. 또한, 이와 같이 나셀 및 나셀상에 설치되는 부재를 소형, 경량으로 할 수 있으므로, 나셀 및 각 부재의 반송, 설치가 용이하게 된다. 또한, 이들 부재를 지지하는 지주에 가해지는 부담도 적어지고, 지주의 구조도 간략화할 수 있다.
또한, 주축과 증속기가 구조적으로 분리되어 있으므로, 이들을 독립하여 유지 보수하는 것이 가능해지고, 유지 보수성이 향상한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 형태에 따른 풍력 발전용 풍차를 도시하는 측단면도,
도 2는 본 발명의 제 1 실시 형태에 따른 풍력 발전용 풍차의 나셀내의 구성을 도시하는 측단면도,
도 3은 도 2의 일부 확대도,
도 4는 본 발명의 제 2 실시 형태에 따른 풍력 발전용 풍차의 구성을 도시하는 측단면도,
도 5는 제 2 실시 형태에 따른 풍력 발전용 풍차의 다른 구성예를 도시하는 측단면도.
도 6은 제 2 실시 형태에 따른 풍력 발전용 풍차의 다른 구성예를 도시하는 측단면도,
도 7은 제 2 실시 형태에 따른 풍력 발전용 풍차의 다른 구성예를 도시하는 측단면도,
도 8은 본 발명에 따른 풍력 발전용 풍차의 일 변형예를 도시하는 측단면도,
도 9는 본 발명에 따른 풍력 발전용 풍차의 일 변형예를 도시하는 측단면도,
도 10은 본 발명에 따른 풍력 발전용 풍차의 일 변형예를 도시하는 측단면도,
도 11은 본 발명에 따른 풍력 발전용 풍차의 일 변형예를 도시하는 측단면도,
도 12는 본 발명의 제 3 실시 형태에 따른 풍력 발전용 풍차를 도시하는 측단면도.
이하에, 본 발명에 따른 실시 형태에 대하여, 도면을 참조하여 설명한다.
[제 1 실시 형태]
이하, 본 발명의 제 1 실시 형태에 대하여, 도 1 내지 도 3을 이용하여 설명한다.
본 실시 형태에 따른 풍력 발전용 풍차(1)는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 기초(B)상에 세워 설치되는 지주(2)와, 지주(2)의 상단에 설치되는 나셀(3)과, 대략 수평인 축선 주위에 회전 가능하게 하여 나셀(3)에 설치되는 로터 헤드(4)를 갖고 있다.
로터 헤드(4)에는, 그 회전축선 주위에 방사상으로 하여 복수 매의 풍차 회전 날개(5)가 부착되어 있다. 이로써, 로터 헤드(4)의 회전축선 방향으로부터 풍차 회전 날개(5)에 부딪히는 풍력이 로터 헤드(4)를 회전축선 주위에 회전시키는 동력으로 변환되게 되어 있다.
지주(2)는 예를 들면 복수의 유닛을 상하로 연결한 구성으로 하고 있다. 나셀(3)은 지주(2)를 구성하는 유닛 중 최상부에 설치되는 유닛상에 설치되어 있다.
나셀(3)은 지주(2)의 상단부에 부착되는 나셀대판(6)(도 2 참조)과, 이 나셀대판(6)을 상방으로부터 덮는 커버(7)(도 1 참조)를 갖고 있다.
여기에서, 나셀대판(6)은 지주(2)에 대해 수평면상에서의 회전을 가능하게 해서 설정되어 있고, 나셀(3)은 도시하지 않는 구동 장치에 의해 나셀대판(6)을 구동됨으로써, 수평면상에서의 방향을 바꿀 수 있게 되어 있다.
나셀대판(6)은, 도 2에 도시하는 바와 같이, 지주(2)의 상단에 대략 수평으로 하여 부착되는 바닥부(6a)와, 바닥부(6a)를 상방으로부터 덮개체(6b)를 갖고 있다.
덮개체(6b)는 바닥부(6a)와의 접속부로부터 상방으로 세워진 벽부(W1)와, 이 벽부(W1)와 바닥부(6a)의 주연부 끼리를 접속하는 돔부(W2)를 갖고 있다.
또한, 벽부(W1)에는 제 1 개구부(H1)가 형성되어 있고, 돔부(W2)에 있어서 제 1 개구부(H1)에 대향하는 위치에는, 제 2 개구부(H2)가 설치된다. 그리고, 이들 제 1 및 제 2 개구부(H1, H2)를 통하여 나셀대판(6)의 내외부에 설치되는 부재끼리가 접속되게 되어 있다.
나셀대판(6)에는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 주축(11)과, 주축(11)의 회전을 증속하여 출력하는 증속기(12)와, 증속기(12)의 출력에 의해 구동되는 발전기(13)가 설치된다.
증속기(12)는 나셀대판(6)내에 설치되어 있고, 발전기(13)는 나셀대판(6) 외부의, 돔부(W2)의 제 2 개구부(H2)와 대향하는 위치에 배치되어 있다. 이들 증속기(12) 및 발전기(13)는 각각 도시하지 않는 스테이 등에 의해 나셀대판(6)에 고정되어 있다.
증속기(12)는 입력축(12a)이, 제 1 개구부(H1)를 통하여, 주축(11)에 대한 축선 주위의 상대 회전을 규제하여 접촉되어 있고, 주축(11)으로부터 입력축(12a)에 입력된 회전을 발전기(13)의 발전에 알맞은 회전 속도로 증속하고, 출력축(12b)에 출력하는 것이다.
본 실시 형태에 따른 증속기(12)는 1단 혹은 복수단의 증속을 실행하는 것으로, 예컨대 입력축(12a)과 출력축(12b) 사이에는, 유성 기어 장치(遊星齒車裝置)를 이용한 유성단과, 평기어를 이용한 평행단이 각각 1단 혹은 복수단 직렬로 하여 설치된다. 그리고, 이들 유성단, 평행단에 의해, 입력축(12a)에 입력된 회전이 각각 증속되어서, 최종적으로 적절한 회전 속도로서 출력축(12b)에 출력할 수 있게 되어 있다.
또한, 발전기(13)의 발전기축(도시하지 않음)은, 제 2 개구부(H2)를 통하여, 증속기(12)의 출력축(12b)에 대한 축선 주위의 상대 회전을 규제하여 접속되어 있고, 출력축(12b)이 회전하는 것으로 발전기(13)가 구동되어서, 발전이 수행하여지게 되어 있다.
여기에서, 발전기(13)로서는, 유도형, 코일형, 2차 저항 제어 코일 유도형[이하 RCC, 로터 커런트 컨트롤(rotor current control)형], 2차 여자 제어 코일 유도형(이하 D.F, 정지 세르비우스식), 동기형, 영구 자석 방식, 유도 다극식 등, 임의의 방식의 발전기(13)를 이용할 수 있다.
주축(11)은, 나셀대판(6) 외부의, 벽부(W1)의 제 1 개구부(H1)와 대향하는 위치에 배치되어 있다. 주축(11)은 그 축선방향의 일단을 제 1 개구부(H1)를 향하여 설치되어 있고, 주축(11)과 벽부(W1) 사이에는, 복열 테이퍼 구름 베어링(16)이 개재되어 있다. 주축(11)은 증속기(12)의 입력축(12a)의 선단부에 대해 복열 테이퍼 구름 베어링(16)을 거쳐서 접속되어 있다.
또한, 주축(11)의 축선방향의 다른 단부에는, 로터 헤드(4)가 주축(11)에 대한 회전축선 주위의 상대적인 회전을 규제하여 설치된다. 이로써, 로터 헤드(4)와 주축(11)은 일체적으로 축선 주위에 회전하게 되어 있다.
복열 테이퍼 구름 베어링(16)은 주축(11)의 축선방향의 일단과 벽부(W1) 사이에, 주축(11)과 동축으로 하여 설치되어 있고, 주축(11)을 그 축선 주위의 회전을 가능하게 하여 지지하고 있다. 즉, 주축(11)은 복열 테이퍼 구름 베어링(16)을 거쳐서 벽부(W1)에 지지되어 있다.
또한, 복열 테이퍼 구름 베어링(16)과 증속기(12)의 입력축(12a) 사이에는, 커플링(17)이 설치된다(도 3 참조). 즉, 주축(11)은 입력축(12a)에 대하여 복열 테이퍼 구름 베어링(16) 및 커플링(17)을 거쳐서 접속되어 있다. 여기에서, 본 실시 형태에서는, 커플링(17)으로서 기어 커플링을 이용하고 있다.
이하, 주축(11)의 구조, 주축(11)의 지지 구조 및 주축(11)과 증속기(12)의 접속 구조에 대하여 도 2 및 도 3을 이용하여 상세하게 설명한다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 주축(11)은 단축으로 되어 있고, 구체적으로는 축선방향 길이(L1)에 대하여 외경(D1)이 큰 대략 원환 형상을 하고 있다(대략 원반형상이어도 좋음). 또한, 주축(11)의 축선방향의 단부에 있어서, 로터 헤드(4)가 장착되는 일단에는, 제 1 플랜지(11a)가 설치되어 있다. 이 제 1 플랜지(11a)에는, 로터 헤드(4)가 볼트 멈춤부 등에 의해 장착되어 있다.
또한, 주축(11)의 축선방향의 다른 단부에는, 제 2 플랜지(11b)가 설치된다. 이 제 2 플랜지(11b)에는, 복열 테이퍼 구름 베어링(16)이 볼트 멈춤부 등에 의해 접속되어 있다.
도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 복열 테이퍼 구름 베어링(16)은 벽부(W1)에 대하여 볼트 멈춤부 등에 의해 접속되는 외륜(16a)과, 외륜(16a)의 직경방향 내측에 동축으로 하여 설치되어 주축(11)이 볼트 멈춤부 등에 의해 접속되는 내륜(16b)을 갖고 있다.
도 3에 도시하는 바와 같이, 이들 외륜(16a)과 내륜(16b) 사이에는, 원주방향에 따라 복수의 회전체가 설치된다. 회전체로서는, 테이퍼 구름체(원추형 구름체)(R)가 이용되어 있다. 이하, 복열 테이퍼 구름 베어링(16)에 있어서, 축선방향의 동일 위치에서 원주방향에 배치되는 테이퍼 구름체를, 정리하여 테이퍼 구름체의 열이라 부른다. 이 테이퍼 구름체(R)의 열은 축선방향을 따라서 복수열 배치되어 있다[본 실시 형태에서는 테이퍼 구름체(R)의 열을 2열 설치한 예를 도시하고 있음].
더욱 구체적인 구성에 대해서 설명하면, 외륜(16a)의 내주면에는, 축선에 대하여 경사지는 외륜 경사면(C1)이 전체 주위에 걸쳐 설치된다. 이 외륜 경사면(C1)은 축선방향을 따라 2개 설치되어 있고, 각 외륜 경사면(C1)은 각각 축선에 대한 경사 방향이 반대인 것이 적합한 것으로 하고 있다.
본 실시 형태에서는, 주축(11)측의 외륜 경사면(C1)은 주축(11)측이 직경방향 외측에 위치하고, 증속기(12)측이 직경방향 내측에 위치하는 경사면으로 하고 있다. 또한, 증속기(12)측의 외륜 경사면(C1)은 주축(11)측이 직경방향 내측에 위치하고, 증속기(12)측이 직경방향 외측에 위치하는 경사면으로 하고 있다. 즉, 외륜(16a)의 내주면은 단면이 산(山) 형상을 하고 있다.
또한, 내륜(16b)의 외주면에 있어서, 각 외륜 경사면(C1)에 대향하는 위치에는, 각각 내륜 경사면(C2)이 설치된다. 각 내륜 경사면(C2)의 경사 방향은 대향하는 외륜 경사면(C1)의 경사 방향으로 동일한 방향으로 하고 있고, 각 내륜 경사면(C2)의 축선에 대한 경사 각도는 대향하는 외륜 경사면(C1)보다도 약간 경사지게 설정되어 있다.
본 실시 형태에서는, 주축(11)측의 내륜 경사면(C2)은 주축(11)측이 직경방향 외측에 위치하고, 증속기(12)측이 직경방향 내측에 위치하는 경사면으로 하고 있다. 또한, 증속기(12)측의 내륜 경사면(C2)은 주축(11)측이 직경방향 내측에 위치하고, 증속기(12)측이 직경방향 외측에 위치하는 경사면으로 하고 있다. 즉, 내륜(16b)의 외주면은 단면이 산형을 하고 있다.
테이퍼 구름체(R)는 이들 외륜 경사면(C1)과 내륜 경사면(C2) 각 쌍의 사이에, 각각 원주방향에 따라 복수 설치되어 있고, 이들 테이퍼 구름체(R)는 주축(11)측에 설정되는 열과, 증속기(12)측에 설치되는 열인 2열 배치되어 있다.
각 열의 테이퍼 구름체(R)는 복열 테이퍼 구름 베어링(16)의 축선에 대하여, 대향하는 외륜 경사면(C1), 내륜 경사면(C2)과 동일한 방향으로 축선을 경사시켜 설치된다.
구체적으로는, 각 열의 테이퍼 구름체(R)는 각각 작은 직경측이 직경방향 내측에 위치하고, 큰 직경측이 직경방향 외측에 위치하도록 하여 설치된다. 그리고, 주축(11)측의 테이퍼 구름체(R)의 열에서는, 테이퍼 구름체(R)는 큰 직경측을 주축(11)측을 향하고, 작은 직경측을 증속기(12)측을 향하게 설치되어 있다. 또한, 증속기(12)측의 테이퍼 구름체(R)의 열에서는, 테이퍼 구름체(R)는 큰 직경측을 증속기(12)측을 향하고, 작은 직경측을 주축(11)측을 향하게 설치되어 있다.
상기 커플링(17)은, 도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 복열 테이퍼 구름 베어링(16)의 내륜(16b)과, 복열 테이퍼 구름 베어링(16)과 입력축(12a) 사이에 입력축(12a)과 대략 동축으로 하여 개재되는 대략 원통 형상의 내통(18)과, 입력축(12a)에 의해 구성되어 있다. 여기에서, 입력축(12a)의 선단부는 원통형으로 형성되어 있고, 이 내부에 내통(18)의 축선방향의 일단이 삽입되어 있다. 그리고, 증속기(12)를 발전기(13)측에 이동시키는 것으로, 입력축(12a)으로부터 내통(18)을 끌어내고, 입력축(12a)과 내통(18)의 계합을 해제할 수 있도록 되어 있다.
도 3에 도시하는 바와 같이, 내륜(16b)의 내주면에는, 제 1 내측 기어(21)가 설치되어 있고, 내통(18)에 있어서 내륜(16b)의 내주면에 대향하는 영역에는, 제 1 내측 기어(21)에 맞물리는 제 1 외측 기어(22)가 설치된다.
내통(18)에 있어서 입력축(12a)에 삽입되는 영역에는, 제 2 외측 기어(23)가 설치되어 있고, 입력축(12a)의 선단부 내면에는, 제 2 외측 기어(23)와 맞물리는 제 2 내측 기어(24)가 설치된다.
제 2 내측 기어(24)는 제 1 내측 기어(21)보다도 작은 직경으로 되어 있고, 이에 의해 내륜(16b)과 입력축(12a) 사이에서 토크 전달이 행하여지게 되어 있다.
이하, 이와 같이 구성되는 풍력 발전용 풍차(1)의 동작에 대해서 설명한다.
풍력 발전용 풍차(1)에 있어서는, 로터 헤드(4)의 회전축선 방향으로부터 풍차 회전 날개(5)에 접촉하는 풍력이 로터 헤드(4)를 회전축선 주위에 회전시키는 동력으로 변환된다.
이 로터 헤드(4)의 회전은 주축(11)에 전달되어서, 주축(11)으로부터 복열 테이퍼 구름 베어링(16)의 내륜(16b), 커플링(17)의 내통(18)을 통하여 증속기(12)의 입력축(12a)에 전달된다. 그리고, 이 회전은 증속기(12)에 의해 증속되어서, 출력축(12b)을 통하여 발전기(13)에 입력되어, 발전기(13)에 의한 발전이 수행된다.
여기에서, 적어도 발전을 실행하고 있는 사이는 풍력을 풍차 회전 날개(4)에 효과적으로 작용시킬 수 있도록, 적당히 나셀(3)을 수평면상에서 회전시키고, 로터 헤드(4)를 바람 위를 향하게 한다.
이와 같이 풍차 회전 날개(5)에 바람이 접촉하면, 주축(11)에는, 회전 토크 이외에도, 방사상 하중, 스러스트 하중 및 만곡 하중이 가해진다.
그러나, 본 실시 형태에 따른 풍력 발전용 풍차(1)에서는, 이와 같이 주축(11)에 가해진 하중은 주축(11)을 지지하는 복열 테이퍼 구름 베어링(16)에 의해 받아지고, 증속기(12)의 입력축(12a)에는, 회전 토크 이외의 하중이 거의 전달되지 않도록 되어 있다.
이하, 복열 테이퍼 구름 베어링(16)의 작용에 대해서 구체적으로 설명한다.
복열 테이퍼 구름 베어링(16)에 있어서, 내륜(16b)의 직경방향 외측에는, 테이퍼 구름체(R)의 열이 설치되어 있다. 이 테이퍼 구름체(R)의 열의, 더욱이 직경방향 외측에는, 외륜(16a)이 설치되어 있고, 이 외륜(16a)은 나셀대판(6)의 벽부(W1)에 지지되어 있다.
즉, 내륜(16b)은 벽부(W1)에 의해 직경방향의 지지가 행하여지고 있으므로, 주축(11)에 방사상 하중이 가해져도, 주축(11)의 직경방향으로의 변위가 최소한으로 억제된다. 이와 같이, 주축(11)에 방사상 하중이 가해져도, 이 방사상 하중이 복열 테이퍼 구름 베어링(16)에 의해 받을 수 있으므로, 증속기(12)의 입력축(12a)에는, 방사상 하중은 거의 전달되지 않는다.
그리고, 복열 테이퍼 구름 베어링(16)에서는, 테이퍼 구름체(R)의 열이 축선방향을 따라서 2열 설치된다. 즉, 내륜(16b)은 축선방향의 2개소에서 지지되어 있으므로, 주축(11)에 만곡 하중이 가해져도, 주축(11)의 경사가 최소한으로 억제된다. 이와 같이, 주축(11)에 만곡 하중이 가해져도, 이 만곡 하중이 복열 테이퍼 구름 베어링(16)에 의해 받아지므로, 증속기(12)의 입력축(12a)에는, 거의 만곡 하중이 전달되지 않는다.
한편, 복열 테이퍼 구름 베어링(16)에 있어서, 외륜(16a)의 내주면에는, 축선에 대해 경사지는 외륜 경사면(C1)이 축선방향을 따라서 2개 설치되어 있고, 내륜(16b)에는, 각 외륜 경사면(C1)에 대향시켜서 내륜 경사면(C2)이 설치되어 있다.
그리고, 이들 외륜 경사면(C1)과 내륜 경사면(C2)의 쌍은 각각 축선에 대한 경사 방향이 반대를 향하게 되어 있다.
이 때문에, 주축(11)에 스러스트 하중이 가해졌을 경우에는, 스러스트 하중이 가해지는 방향이 축선방향 중 어느 쪽의 방향에 있어서도, 이들 외륜 경사면(C1)과 내륜 경사면(C2)의 쌍 중, 어느 쪽의 한쌍에서, 내륜 경사면(C2)이 테이퍼 구름체(R) 너머로 외륜 경사면(C1)에 받아진다.
즉, 내륜(16b)은 외륜(16a) 및 테이퍼 구름체(R)에 의해, 축선방향으로부터도 지지되어 있어서, 주축(11)에 스러스트 하중이 가해져도, 이 스러스트 하중이 복열 테이퍼 구름 베어링(16)에 의해 받아지므로, 증속기(12)의 입력축(12a)에는, 스러스트 하중은 거의 전달되지 않는다.
이와 같이, 본 실시 형태에 따른 풍력 발전용 풍차(1)에서는, 1기의 복열 테이퍼 구름 베어링(16)에 의해 주축(11)을 지지하고 있으므로, 주축(11)의 지지 구조가 조밀해진다.
또한, 이와 같이 주축(11)에 가해지는 방사상 하중, 스러스트 하중 및 만곡 하중은, 복열 테이퍼 구름 베어링(16)에 의해 받아지므로, 증속기(12) 및 증속기 지지체에 요구되는 강도가 작아진다.
그리고, 이와 같이 증속기(12)에 요구되는 강도가 작아지므로, 증속기(12)로서, 종래의 풍력 발전용 풍차에 이용되던 것보다도 소형, 경량의 것을 이용할 수 있다.
또한, 주축(11)은 축선방향 길이(L1)에 대하여 외경(D1)이 큰 원환 형상을 하고 있다. 즉, 주축(11)의 길이(L)(축선방향의 치수)가 종래의 주축보다도 짧게 설정되어 있다.
이로써, 주축(11)의 중량을 억제할 수 있고, 또한 풍차 회전 날개(5)가 바람을 받았을 때에 주축(11)에 가해지는 만곡 모멘트가 작아지므로, 주축(11) 및 주축(11)의 지지 구조에 요구되는 강도가 작아진다.
그리고, 이와 같이 주축(11) 및 주축(11)의 지지 구조에 요구되는 강도가 작아지므로, 주축(11) 및 주축(11)의 지지 구조를 보다 소형화할 수 있다.
이와 같이, 본 실시 형태에 따른 풍력 발전용 풍차(1)에서는, 주축(11)의 지지 구조, 증속기(12), 증속기의 지지체로 한 나셀(3)상에 설치되는 부재를 소형, 경량으로 할 수 있으므로, 나셀(3)을 소형, 경량으로 할 수 있다. 또한, 이와 같이 나셀(3) 및 나셀(3)상에 설치되는 부재를 소형, 경량으로 할 수 있으므로, 나셀(3) 및 각 부재의 반송, 설치가 용이하게 된다. 또한, 이들 부재를 지지하는 지주(2)에 가해지는 부담도 적어지고, 지주(2)의 구조도 간략화할 수 있다.
또한, 풍력 발전용 풍차(1)는 주축(11)과 증속기(12)가 구조적으로 분리되어 있다. 이 때문에, 주축(11)과 증속기(12)를 각각 독립하여 유지 보수하는 것이 가능하여, 유지 보수성이 높다.
예를 들면, 증속기(12)의 유지 보수를 실행하는 경우에는, 증속기(12)를 주축(11)과 분리하여, 주축(11)을 나셀(3)로부터 떼어내지 않고, 증속기(12)만을 유지 보수할 수 있다. 또한, 주축(11)의 유지 보수를 실행하는 경우에는, 주축(11)을 증속기(12)와 분리하여 주축(11)만을 유지 보수할 수 있다.
또한, 주축(11)과 증속기(12)의 입력축(12a)이 커플링(17)을 거쳐서 접속되어 있으므로, 주축(11)과 입력축(12a)의 얼라인먼트 조정 등의 숙련을 요하는 조정 작업이 불필요하게 되고, 조립이나 유지 보수가 용이하게 된다.
그리고, 커플링(17)에 의해서도, 주축(11)으로부터 증속기(12)로의 방사상 하중, 스러스트 하중 및 만곡 하중의 전달이 방지되므로, 증속기(12) 및 증속기 지지체에 요구되는 강도가 더욱 작아진다.
더욱이, 본실시 형태에서는, 주축(11)과 증속기(12)는 기어 커플링인 컵 형상의 링(17)을 거쳐서 접속되어 있다. 그리고, 증속기(12)를 주축(11)으로부터 이간하는 방향으로 인출하므로, 커플링(17)을 분리시켜서, 주축(11)과 증속기(12)를 용이하게 분리하는 것이 가능하다. 이와 같이, 본 실시 형태에 따른 풍력 발전용 풍차(1)에서는, 주축(11)과 증속기(12)가 용이하게 분리가능하므로, 유지 보수성이 높다.
여기서, 본 실시 형태에서는, 커플링으로서, 기어 커플링을 이용한 예를 도시했지만, 이에 한정되지 않고, 디스크 커플링, 부시에 의한 접속 구조, 핀에 의한 접속 구조의 것 이외에, 임의의 커플링을 이용할 수 있다.
[제 2 실시 형태]
다음에, 본 발명의 제 2 실시 형태에 대해서 도 4를 이용하여 설명한다.
본 실시 형태에 따른 풍력 발전용 풍차(31)는, 도 4에 도시하는 바와 같이, 제 1 실시 형태에 도시한 풍력 발전용 풍차(1)에 있어서, 일부 구성을 변경한 것이다.
이하, 풍력 발전용 풍차(31)에 있어서, 풍력 발전용 풍차(1)와 동일 또는 유사한 구성에 대해서는 동일 참조부호를 이용하여 나타내고, 이미 설명한 구성에 대해서는, 상세한 설명을 생략한다.
본 실시 형태에 따른 풍력 발전용 풍차(31)는, 풍력 발전용 풍차(1)에 있어서, 주축의 형상, 주축의 지지 구조 및 증속기의 구성을 변경한 것을 주된 특징으로 하는 것이다.
풍력 발전용 풍차(31)에서는, 로터 헤드(4)가 접속되는 주축으로서, 단축의 주축(32), 구체적으로는, 축선방향 길이(L2)에 대하여 외경(D2)이 큰 대략 원환 형상의 주축(32)을 사용하고 있다(대략 원반 형상이어도 좋음).
또한, 로터 헤드(4)와 주축(32)은 예컨대 볼트 멈춤부 등의 임의의 접속 구조에 의해 접속된다.
주축(32)은 그 외주를 복열 테이퍼 구름 베어링(16)의 내륜(16b)에 받아지고, 복열 테이퍼 구름 베어링(16)을 거쳐서 나셀대판(6)에 지지되어 있다.
또한, 주축(32)의 직경방향 내측에는, 커플링(33)을 거쳐서 증속기(34)의 입력축(34a)이 접속되어 있다. 입력축(34a)은 주축(32)에 대하여, 동축 또한 주축(32)에 대한 축선 주위의 상대 회전을 규제하여 접속되어 있다.
커플링(33)으로서는, 예컨대 주축(32)의 내주면에 설치되는 내측 기어와, 입력축(34a)의 외주면에 설치도어 내측 기어와 맞물리는 외측 기어로 이루어진 기어 커플링을 이용할 수 있다. 여기에서, 커플링(33)은 기어 커플링에 한정되는 것은 아니고, 디스크 커플링, 부시에 의한 접속 구조, 핀에 의한 접속 구조의 것 이외에, 임의의 커플링을 이용할 수 있다.
증속기(34)는 주축(32)으로부터 입력축(34a)에 입력된 회전을, 적절한 회전속도로 증속하여 출력축(34b)에 출력하는 것으로, 입력축 단부 및 출력축 단부 이외의 부분은 케이스(34c)내에 수용되어 있다.
입력축(34a)과 출력축(34b) 사이에는, 유성 기어 장치를 이용한 유성단(36)과, 유성단(36)과 직렬로 접속된 평기어를 이용한 평행단(37)이 설치되어 있고, 각 단에서 증속을 실행하게 되어 있다. 본 실시 형태에서는, 증속기(34)는 유성단(36)을 1단, 평행단(37)을 2단 갖고 있고, 입력축(34a)으로부터 입력된 회전을, 3단계의 증속으로 적절한 회전 속도까지 증속하게 되어 있다.
유성단(36)은 입력축(34a)과 평행단(37) 사이에 설정된 것으로, 소위 플레너터리 방식인 것이다. 구체적으로는, 평행단(37)의 입력축(37a)에 설치되는 태양 기어(41)와, 태양 기어(41)와 동축 또한 축선방향의 위치를 동일하게 하여 설치되는 링 형상의 내측 기어(42)와, 태양 기어(41)와 내측 기어(42) 사이에 설치되고, 이들과 맞물리는 한 쌍의 유성 기어(43, 44)를 갖고 있다.
내측 기어(42)는 도시하지 않는 스테이 등에 의해 케이스(34c)에 고정적으로 설치되고, 케이스(34c)에 대한 축선 주위의 상대 회전을 규제되어 있다.
한 쌍의 유성 기어(43, 44)는 태양 기어(42)를 끼어서 반대측에 설치되어 있고, 각 유성 기어(43, 44)의 지지축(43a, 44a)은 각각 입력축(34a)에 지지되어 있다.
입력축(34a)은 주축(32)과 동축으로 하여 설정되는 것으로, 주축(32)의 직경방향 내측에 삽입되는 원반부(46)(원환부여도 좋음)와, 원반부(46)로부터 유성 기어(43, 44)측에 돌출하여 설치되고, 유성 기어(43, 44)의 지지축(43a, 44a)을, 축선 주위의 회전을 허용하면서 지지하는 베어링부(47)를 갖고 있다.
이와 같이 구성되는 풍력 발전용 풍차(31)에서는, 주축(32)이 풍력에 의해 축선 주위에 회전 구동되면, 커플링(33)에 의해 주축(32)과 접속되는 증속기(34)의 입력축(34a)도 주축(32)과 일체가 되어서 축선 주위에 회전된다.
이와 같이 하면, 입력축(34a)의 베어링부(47)에 유지되는 유성 기어(43, 44)가 입력축(34a)의 축선 주위에 회전한다(공전함).
유성 기어(43, 44)는 고정적으로 설치되는 내측 기어(42)와 맞물려 있고, 입력축(34a)의 축선 주위에 회전 구동됨으로써, 각각 지지축(43a, 44a) 주위에 회전한다(자전함).
이와 같이 유성 기어(43, 44)가 각각 자전함으로써, 유성 기어(43, 44)에 맞물리는 태양 기어(41)가 평행단(37)의 입력축(37a)과 함께 축선 주위에 회전 구동된다.
이와 같이하여, 유성단(36)은 주축(32)의 회전을 한층 증속하여 평행단(37)에 전달한다. 평행단(37)은 입력축(37a)에 입력된 회전을, 더욱 2단 증속하고, 출력축(34b)에 출력한다. 그리고, 출력축(34b)의 회전은 발전기(13)에 입력되어서, 발전기(13)에 의한 발전에 이바지하게 된다.
이와 같이 구성되는 풍력 발전용 풍차(31)에 있어서, 증속기(34)와는 구성이 다른 증속기를 채용해도 좋다.
이하에, 본 실시 형태에 따른 풍력 발전용 풍차의 증속기의 다른 구성예에 있고, 도 5 내지 도 7을 이용하여 설명한다.
도 5에 도시하는 증속기(51)(제 1 예)는 도 4에 도시하는 증속기(34)에 있어서, 유성단(36) 대신에, 소위 스타(star) 방식의 유성단(52)을 채용한 것이다. 구체적으로는, 유성단(52)은, 유성단(36)에 있어서, 유성 기어(43, 44)의 지지축(43a, 44a)을 입력축(34a)에 지지시키는 대신에, 케이스(34c)(도 5에서는 도시하지 않음)에 접속되는 스테이(53)에 의해 지지한 구성으로 하고 있다.
여기에서, 지지축(43a, 44a)은 태양 기어(41) 주위의 회전(공전)을 규제하여 지지되어 있고, 유성 기어(43, 44)는 각각 자전 가능하게 해서 지지되어 있다.
또한, 유성단(52)에서는, 입력축(34a)과 내측 기어(42)를 설치하는 대신에, 입력축(51a)을 이용하고 있다. 입력축(51a)은 주축(32)의 직경방향 내측에 동축으로 하여 삽입되는 원주부(56)(원통부여도 좋음)와, 원주부(56)의 태양 기어(41)측에 설치되어서 유성 기어(43, 44)와 맞물리는 내측 기어(57)를 갖고 있다.
여기에서, 원주부(56)도 또한, 주축(32)에 대하여, 커플링(33)을 거쳐서 접속되어 있다.
이와 같이 구성되는 증속기(51)에서는, 주축(32)이 풍력에 의해 축선 주위에 회전 구동되면, 커플링(33)에 의해 주축(32)과 접속되는 증속기(51)의 입력축(51a)도, 주축(32)과 일체가 되어서 축선 주위에 회전한다.
이렇게 하면, 입력축(51a)의 내측 기어(57)에 맞물리는 유성 기어(43, 44)가 각각 자전한다.
이와 같이 유성 기어(43, 44)가 각각 자전함으로써, 유성 기어(43, 44)에 맞물리는 태양 기어(41)가 평행단(37)의 입력축(37a)과 함께 축선 주위에 회전 구동된다.
이와 같이 하여, 유성단(52)에서는, 주축(32)의 회전을 한층 증속하여 평행 단(37)에 전달한다.
도 6에 도시하는 증속기(61)(제 2 예)는 도 4에 도시하는 증속기(34)에 있어서, 유성단(36) 대신에, 소위 복합 유성 방식의 유성단(62)을 채용한 것이다. 구체적으로는, 유성단(62)에서는, 유성단(36)에 있어서 내측 기어(42)와 맞물리고 있던 태양 기어(41)를 내측 기어(42)보다도 평행단(37)측에게 비켜 설치하고 있다. 그리고, 유성 기어(43, 44) 대신에, 태양 기어(41)에 맞물리는 제 1 유성 기어(63, 64)와, 이들 제 1 유성 기어(63, 64)의 입력축(34a)측에 배치되어서 제각기 내측 기어(42)와 맞물리는 제 2 유성 기어(66, 67)가 설치된다.
제 1 유성 기어(63)와 제 2 유성 기어(66)는 입력축(34a)에 지지되는 지지축(68)에 의해 동축으로 하고 또 축선 주위의 상대 회전을 규제하여 지지되어 있다. 마찬가지로, 제 1 유성 기어(64)와 제 2 유성 기어(67)는 입력축(34a)에 지지되는 지지축(69)에 의해 동축으로 하고 또 축선 주위의 상대 회전을 규제하여 지지되어 있다.
여기에서, 제 1 유성 기어(63)와 제 2 유성 기어(66)는 지지축(68)과 함께 축선 주위에 회전 가능하게 되어 있다. 마찬가지로, 제 1 유성 기어(64)와 제 2 유성 기어(67)는 지지축(69)과 함께 축선 주위에 회전 가능하게 되어 있다.
이 증속기(61)에서는, 입력축(34a)이 회전하면, 입력축(34a)에 유지되는 제 2 유성 기어(66, 67)가 공전한다. 제 2 유성 기어(66, 67)는 내측 기어(42)에 맞물려 있으므로, 이와 같이 공전함으로써, 지지축(68, 69)과 함께 자전한다.
이와 같이 제 2 유성 기어(66, 67)가 자전하면, 이들 제 2 유성 기어(66, 67)와 지지축(68, 69)을 거쳐서 접속되는 제 1 유성 기어(63, 64)도 자전하게 된다. 이로써, 이들 제 1 유성 기어(63, 64)에 맞물리는 태양 기어(41)가 회전 구동되어, 후단의 평행단(37)에 회전이 입력된다.
이 증속기(61)에서는, 태양 기어(41) 및 제 1 유성 기어(63, 64)가 내측 기어(42)보다도 평행단(37)측에 위치하고 있으므로, 이들 기어 세트의 치수를, 내측 기어(42)의 내경 이내로 할 필요가 없어진다.
즉, 이 증속기(61)에서는, 제 1 유성 기어(63, 64)의 직경을, 제 2 유성 기어(66, 67)보다도 큰 직경으로 할 수 있고, 이들 제 1 및 제 2 유성 기어 사이에서, 1단의 증속을 실행할 수 있다.
이로써, 이 증속기(61)에서는, 도 4에 도시하는 증속기(34)에 비해 보다 증속비를 높일 수 있다.
도 7에 도시하는 증속기(71)(제 3 예)는 도 5에 도시하는 증속기(51)에 있어서, 유성단(52) 대신에, 소위 복합 유성 방식의 유성단(72)을 채용한 것이다. 구체적으로는, 유성단(72)에서는, 유성단(52)에 있어서 내측 기어(42)와 맞물린 태양 기어(41)를, 내측 기어(42)보다도 평행단(37)측에 비켜 설치하고 있다. 그리고, 유성 기어(43, 44) 대신에, 태양 기어(41)에 맞물리는 제 1 유성 기어(73, 74)와, 이들 제 1 유성 기어(73, 74)의 입력축(34a)측에 배치되어서 각각 내측 기어(42)와 맞물리는 제 2 유성 기어(76, 77)가 설치된다.
제 1 유성 기어(73)와 제 2 유성 기어(76)는 스테이(80)를 거쳐서 도시하지 않는 케이스에 지지되는 지지축(78)에 설치되어 있고, 이들 제 1 유성 기어(73)와 제 2 유성 기어(76)는 지지축(78)에 의해 동축으로 하고 또 축선 주위의 상대 회전을 규제하여 지지되어 있다. 마찬가지로, 제 1 유성 기어(74)와 제 2 유성 기어(77)는 스테이(80)를 거쳐서 케이스에 지지되는 지지축(79)에 설치되어 있고, 이들 제 1 유성 기어(74)와 제 2 유성 기어(77)는 지지축(79)에 의해 동축으로 하고 또 축선 주위의 상대 회전을 규제하여 지지되어 있다. 여기에서, 제 1 유성 기어(73)와 제 2 유성 기어(76)는 지지축(78)과 함께 축선 주위에 회전 가능하게 되어 있다. 마찬가지로, 제 1 유성 기어(74)와 제 2 유성 기어(77)는 지지축(79)과 함께 축선 주위에 회전 가능하게 되어 있다.
이 증속기(71)에서는, 입력축(51a)이 회전하면, 입력축(51a)의 내측 기어(57)에 맞물리는 제 2 유성 기어(76, 77)가 각각 자전한다.
이와 같이 제 2 유성 기어(76, 77)가 자전하면, 이들과 지지축(78, 79)을 거쳐서 접속되는 제 1 유성 기어(73, 74)도 자전하는 것이 된다. 이로써, 제 1 유성 기어(73, 74)에 맞물리는 태양 기어(41)가 회전 구동되어 후단의 평행단(37)에 회전이 입력된다.
이 증속기(71)에 있어서도, 태양 기어(41) 및 제 1 유성 기어(73, 74)가 내측 기어(42)보다도 평행단(37)측에 위치하고 있으므로, 이들 기어 세트의 치수를, 내측 기어(42)의 내경 이내로 할 필요가 없어진다.
이 때문에, 제 1 유성 기어(73, 74)의 직경을, 제 2 유성 기어(76, 77)보다도 큰 직경으로 할 수 있고, 이들 제 1 및 제 2 유성 기어 사이에서, 1단의 증속을 실행할 수 있다.
이로써, 이 증속기(71)에서는, 도 5에 도시하는 증속기(51)에 비해 보다 증속비를 높일 수 있다.
또한, 상기한 증속기(51, 61, 71)의 구성은 제 1 실시 형태에서 도시한 풍력 발전용 풍차(1)의 증속기(12)에 적용해도 좋다.
여기서, 상기 각 실시 형태에 있어서, 발전기(13)로서 다극 발전기를 이용하여도 좋다.
다극 발전기는, 발전기(13)의 발전기축의 회전 속도가 낮아도, 충분한 전력을 발생시킬 수 있는 것이다. 즉, 증속기에 의한 증속비가 작으므로, 증속기로서 1단만의 증속을 실행하는 증속기를 이용할 수 있다.
예컨대, 도 8에 도시하는 바와 같이, 증속기로서 상기 유성단(36)만으로 이루어지는 증속기(81)를 이용하거나, 도 9에 도시하는 바와 같이, 증속기로서 상기 유성단(52)만으로 이루어지는 증속기(82)를 이용할 수 있다.
또한, 발전기는, 극수가 차면 안정하게 발전가능한 발전기축의 회전 속도의 하한을 내릴 수 있으므로, 8극 이상의 것을 이용하는 것이 바람직하다.
도 8 및 도 9는 증속기 캐리어 및 발전기의 고정자가 나셀대판(6)에 직접 부착된 모식도로 되어 있지만, 증속기(81, 82)의 케이싱이나 발전기(13)의 케이싱이 나셀대판(6)에 조립될 수도 있다.
이와 같이 1단만의 증속을 실행하는 증속기는, 종래의 다단의 증속을 실행하는 증속기에 비해, 매우 소형, 경량으로 된다. 또한, 이러한 증속기는 기어의 사용수가 적으므로, 신뢰성이 높고, 유지 보수의 시간이 대폭 생략된다. 또한, 증속기가 출발하는 소음이 작으므로, 주위의 환경에 악영향을 주기 어렵다.
여기서, 동기형 발전기는, 발전한 전력을 전부 전력 변환장치에 입력하여 적정한 출력으로 조정할 필요가 있기 때문에, 나셀(3)상에 비교적 대형의 전력 변환장치를 설치할 필요가 있다. 이에 대해, 유도형 발전기(예를 들면 더블 피드식 또는 로터 커런트 컨트롤식)는 2차측의 출력만을 인버터에 입력하여 변환하므로, 나셀(3)상에는, 소형의 인버터를 설치하는 것만으로 좋다. 이 때문에, 유도형 발전기를 이용하는 것으로, 동기형 발전기를 채용했을 경우에 비해, 나셀(3)상의 스페이스를 유효하게 이용할 수 있다.
또한, 상기 각 실시 형태에 있어서, 주축과 로터 헤드를 별도의 부재로 한 예를 도시했지만, 이에 한정되지 않고, 예컨대 도 10에 도시하는 바와 같이, 주축(11)과 로터 헤드(4)를 일체로 한 결합체(86)로서도 좋다. 이러한 결합체(86)는 예컨대 주조에 의해 제조된다.
이 구성에서는, 로터 헤드와 주축의 조립 작업이 불필요해지기 때문에, 풍력 발전용 풍차의 조립 공정수를 저감할 수 있다. 또한, 주축에 설치를 위한 플랜지를 설치할 필요가 없어지므로, 주축과 로터를 별도의 부재로 했을 경우에 비해, 경량화를 도모할 수 있다.
또한, 상기 각 실시 형태에 있어서, 주축과 증속기의 입력축의 접속 구조로서, 기어 커플링을 이용한 예를 도시했지만, 이에 한정되지 않고, 예를 들면 도 11에 도시하는 접속 구조를 이용하여도 좋다.
도 11에 도시하는 접속 구조는, 제 1 실시 형태에 있어서, 내통(18)에 설치된 제 2 외측 기어(23) 및 입력축(12)에 설치된 제 2 내측 기어(24)가 없는 대신에, 제 2 외측 기어(23)가 설치된 영역의 외주면에, 입력축(12a)측을 향함에 따라서 외경이 줄어드는 단면이 쐐기 형상을 하는 테이퍼 형상 링(87)을 볼트 또는 유압으로 축방향으로 삽입한 것이다.
이 접속 구조에서는, 내통(18)의 외주면에 설치되는 테이퍼 형상 링(87)이 입력축(12a)의 내면에 강력하게 삽입되어, 면압(압력)에 의해 테이퍼 형상 링(87)과 입력축(12a) 사이에 큰 마찰력이 생긴다. 그리고, 이 마찰력에 의해, 주축(11)으로부터 내통(18)에 전달된 회전이 테이퍼 형상 링(87)을 거쳐서 입력축(12a)에 전달된다.
[제 3 실시 형태]
다음에, 본 발명의 제 3 실시 형태에 대하여 도 12를 이용하여 설명한다.
본 실시 형태에 따른 풍력 발전용 풍차(91)는, 도 12에 도시하는 바와 같이, 제 1 실시 형태에 도시한 풍력 발전용 풍차(1)의 일부를 변경한 것이다.
이하, 풍력 발전용 풍차(91)에 있어서, 풍력 발전용 풍차(1)와 동일 또는 유사한 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 이용하여 도시하고, 이미 설명한 구성에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
본 실시 형태에 따른 풍력 발전용 풍차(91)는, 전술한 풍력 발전용 풍차(1)에 있어서, 주축의 지지 구조를 변경한 것을 주된 특징으로 하는 것이다.
구체적으로는, 풍력 발전용 풍차(91)에서는, 주축(11)을 지지하는 지지 구조로서, 복열 테이퍼 구름 베어링(16) 대신에, 방사상 하중을 받는 구름체의 열과 스러스트 하중을 받는 한 쌍의 구름체의 열을 갖는 1기의 3열 구름 베어링(92)을 거쳐서 나셀(3)에 지지하는 구조를 채용하고 있다.
3열 구름 베어링(92)은, 주축(11)의 축선방향의 일단과 벽부(W1) 사이에, 주축(11)과 동일 축선을 가져서 설치되어 있고, 주축(11)을 그 축선 주위의 회전을 가능하게 하여 지지하고 있다. 즉, 주축(11)은 3열 구름 베어링(92)을 거쳐서 벽부(W1)에 지지되어 있다.
3열 구름 베어링(92)은, 벽부(W1)에 대해 볼트 멈춤부 등에 의해 접속되는 외륜(92a)과, 외륜(92a)의 직경방향 내측에 동일 축선을 가져서 설치되는 주축(11)에 대하여 볼트 멈춤부 등에 의해 고정되는 내륜(92b)을 갖고 있다.
이들 외륜(92a)과 내륜(92b) 사이에는, 원주방향에 따라 복수의 회전체가 설치된다. 회전체로서는, 원통 롤러(Rc)가 이용되어 있다. 이하, 3열 구름 베어링(92)에 있어서, 축선방향의 동일 위치에서 원주방향에 배치되는 원통 롤러를, 정리하여 구름체의 열이라 부른다. 이 구름체의 열은 축선방향을 따라서 3열 배치되어 있다.
더욱 구체적인 구성에 대해서 설명하면, 외륜(92a)의 내주면에는, 직경방향에 연장되는 단면이 구형으로 이루어진 제 1 홈(93)이 전체 주위에 걸쳐 형성되어 있다. 또한, 제 1 홈(93)의 저면에는, 제 1 홈(93)보다도 폭의 좁은, 직경방향에 연장되는 단면이 구형으로 이루어진 제 2 홈(94)이 전체 주위에 걸쳐 형성되어 있다.
제 1 홈(93)의 측벽(93a)은 외륜(92a)의 축선과 동축으로 또 축선에 대략 직교하는 평면으로 하고 있다. 또한, 제 2 홈(94)의 저면(94a)은 외륜(92a)의 축선과 동축의 원통면으로 하고 있다.
또한, 내륜(92b)의 외주면에 있어서, 제 1 홈(93a)에 대향하는 영역에는, 원주방향으로 연장되는 단면이 구형인 돌출 형상부(95)가 전체 주위에 걸쳐 형성되어 있다. 이 돌출 형상부(95)는 외륜(92a)에 형성되는 제 1 홈(93a)내에 위치하고 있다.
이 돌출 형상부(95)의 측벽(95a)은 축선에 대략 직교하는 평면으로 하고 있고, 외주면(95b)은 축선과 동축의 원통면으로 하고 있다.
즉, 제 1 홈(93)의 측벽(93a)과 돌출 형상부(95)의 측벽(95a)은 서로 평행한 평면으로 하고 있고, 제 2 홈(94)의 저면(94a)과 돌출 형상부(95)의 외주면(95b)은 서로 평행한 원통면으로 하고 있다.
이들 측벽(93a)과 측벽(95a) 사이에는, 복수의 원통 구름체(Rc)가 축선을 3열 구름 베어링(92)의 축선을 중심으로 하는 방사상으로 하여 설치된다. 이들 원통 구름체(Rc)의 형성하는 구름체의 열을 제 1 구름체의 열(R1)로 한다.
또한, 저면(94a)과 외주면(95b) 사이에는, 복수의 원통 구름체(Rc)가 축선을 3열 구름 베어링(92)의 축선과 대략 평행으로 하여 설치된다. 이들 원통 구름체(Rc)의 열을 제 2 구름체의 열(R2)로 한다.
이 구성을 채용한 풍력 발전용 풍차(91)에 있어서는, 주축(11)에 가해진 하중은, 주축(11)을 지지하는 3열 구름 베어링(92)을 거쳐서 벽부(W1)에 받아지고, 증속기(12)의 입력축(12a)에는, 회전 토크 이외의 하중이 거의 전달되지 않게 되어 있다.
이하, 3열 구름 베어링(92)의 작용에 있어서 구체적으로 설명한다.
주축(11)을 부착하는 내륜(92b)의 돌출 형상부(95) 축선방향에 있어서의 양측은, 제 1 구름체의 열(R1)을 거쳐서 외륜(92a)에 받아져 있다. 이 때문에, 주축(11)에 스러스트 하중이 가해지면, 외륜(92a)에 대한 내륜(92b)의 상대 회전이 허용된 상태로, 외륜(92a)에 의해 스러스트 하중을 받는다.
또한, 이 제 1 구름체의 열(R1)은 돌출 형상부(95)의 양측에 각각 설치되고, 돌출 형상부(95)는 축선방향의 양측에서 외륜(92a)에 지지되어 있으므로, 주축(11)에 만곡 하중이 가해져도, 외륜(92a)에 대한 내륜(92b)의 상대 회전을 허용하면서, 만곡 하중이 외륜(92a)에 의해 받는다.
또한, 내륜(92b)에 설치되는 돌출 형상부(95)의 외주면(95b)과 외륜(92a)에 설치되는 제 2 홈(94)의 저면(94a) 사이에는, 제 2 구름체의 열(R2)이 설치된다.
내륜(92b)은 이 제 2 구름체의 열(R2)을 거쳐서 외주로부터 외륜(92a)에 받고 있다. 이 때문에, 주축(11)에 방사상 하중이 가해지면, 외륜(92a)에 대한 내륜(92b)의 상대 회전이 허용된 상태로, 외륜(92a)에 의해 방사상 하중을 받는다.
외륜(92a)은 나셀(3)의 벽부(W1)에 부착되어 있고, 주축(11)으로부터 내륜(92b)에 전해진 스러스트 하중, 만곡 하중 및 방사상 하중은 3열 구름 베어링(92)을 거쳐서 벽부(W1)에 의해 받는다.
이와 같이, 본 실시 형태에 따른 풍력 발전용 풍차(91)에서는, 1기의 3열 구름 베어링(92)에 의해 주축(11)을 지지하고 있으므로, 주축(11)의 지지 구조가 조밀해진다.
또한, 이와 같이 주축(11)에 가해지는 방사상 하중, 스러스트 하중 및 만곡 하중은 3열 구름 베어링(92)에 의해 받을 수 있으므로, 증속기(12) 및 증속기 지지체에 요구되는 강도가 작아진다.
그리고, 이와 같이 증속기(12)에 요구되는 강도가 작아지므로, 증속기(12)로서, 종래의 풍력 발전용 풍차에 이용되던 것보다도 소형, 경량의 것을 이용할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 따른 풍력 발전용 풍차(91)에 대해서, 제 2 실시 형태에 따른 풍력 발전용 풍차의 구성과, 제 1 및 제 2 실시 형태에 따른 풍력 발전용 풍차의 변형예의 구성을 적용해도 좋다.

Claims (5)

  1. 지주상에 설치된 나셀에, 풍차 회전 날개를 부착하는 주축과, 상기 주축의 회전을 증속하여 출력하는 증속기와, 상기 증속기의 출력에 의해 구동되는 발전기가 설치된 풍력 발전용 풍차에 있어서,
    상기 주축은 상기 증속기의 입력축 단부에 접속되어 있고, 1기의 복열 테이퍼 구름 베어링을 거쳐서 상기 나셀에 지지되어 있는 것을 특징으로 하는
    풍력 발전용 풍차.
  2. 지주상에 설치된 나셀에, 풍차 회전 날개를 부착되는 주축과, 상기 주축의 회전을 증속하여 출력하는 증속기와, 상기 증속기의 출력에 의해 구동되는 발전기가 설치된 풍력 발전용 풍차에 있어서,
    상기 주축은 상기 증속기의 입력축 단부에 접속되어 있고, 방사상 하중을 받는 구름체의 열과 스러스트 하중을 받는 한 쌍의 구름체의 열을 갖는 1기의 3열 구름 베어링을 거쳐서 상기 나셀에 지지되어 있는 것을 특징으로 하는
    풍력 발전용 풍차.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 주축은 축선방향 길이에 대해 외경이 큰 원환 형상 또는 원반 형상을 하고 있는 것을 특징으로
    풍력 발전용 풍차.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 주축과 상기 증속기의 상기 입력축은 커플링을 거쳐서 접속되어 있는 것을 특징으로 하는
    풍력 발전용 풍차.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 주축과 상기 증속기의 상기 입력축은 커플링을 거쳐서 접속되어 있는 것을 특징으로 하는
    풍력 발전용 풍차.
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