KR20100129574A - 증속기 반력 시스템 - Google Patents

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KR20100129574A KR1020090048210A KR20090048210A KR20100129574A KR 20100129574 A KR20100129574 A KR 20100129574A KR 1020090048210 A KR1020090048210 A KR 1020090048210A KR 20090048210 A KR20090048210 A KR 20090048210A KR 20100129574 A KR20100129574 A KR 20100129574A
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김제남
신영호
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Abstract

완충과 증속기의 수직 운동에 대한 제한 역할을 수행할 수 있는 장치를 설치하여, 과도한 증속기 수직 운동 발생 시 완충장치에 의해 일부 하중을 흡수하고 일부는 프레임 바닥으로 전달하여 베어링과 프레임에 작용하는 하중을 분산함으로써 프레임 및 베어링 파손을 방지한다. 이를 위해 본 발명은, 반력판, 토션빔, 각각 한 쌍인 제 1 연동 장치 및 제 2 연동 장치로서 상기 제 1 연동 장치의 일측은 제 1 회전 조인트에 의해 상기 반력판에 연결되고 타측은 제 2 회전 조인트에 의해 상기 제 2 연동 장치에 연결되며, 상기 제 2 연동 장치의 일측은 상기 제 2 회전 조인트에 의해 상기 제 1 연동 장치에 연결되고 타측은 토션빔에 연결되는, 한 쌍의 제 1 연동 장치 및 제 2 연동 장치, 상기 토션빔의 양측에 각각 연결되는 한 쌍의 베어링 박스, 및 상기 제 2 회전 조인트의 아래에 위치하여 상기 한 쌍의 제 1 연동 장치의 수직 방향 운동을 완충하고 수직 방향 이동을 제한하는 것을 특징으로 하는 한 쌍의 반력장치를 포함하는 증속기 반력 시스템을 제공한다.
풍력발전기, 증속기, 반력장치

Description

증속기 반력 시스템{WIND TURBINE REACTION SYSTEM}
본 발명은 풍력 발전기 로터에 제공되는 증속기 반력 시스템에 관한 것이다. 보다 상세히, 본 발명은 반력장치를 포함하며, 이를 통해 과도한 증속기 수직 운동 발생 시 완충장치에 의해 일부 하중을 흡수하고 일부는 프레임 바닥으로 전달하여 베어링과 프레임에 작용하는 하중을 분산함으로써 프레임 및 베어링 파손을 방지한다.
풍력 발전기 로터는 발생하는 회전력을 줄이고 회전속도를 증가시키기 위해 증속기를 사용하며, 로터의 회전력에 의한 순수 회전 반력만을 지지하기 위하여 증속기 반력 시스템을 사용한다. 종래에 사용되는 증속기 반력 시스템을 도 1, 2, 3, 4a, 4b를 참조하여 설명한다.
도 1, 2는 현가 형태(suspension type)의 일 실시예이다. 로터의 고정부에 반력판(10)이 연결된다. 반력판(10)은 제 1 회전 조인트(20)에 의해 제 1 연동 장치(30)에 연결되며, 제 1 연동 장치(30)는 토션빔(torsion beam)(70)에 연결된다. 토션빔(70)의 양측이 베어링 박스(60)에 연결된다.
도 2는 하중(load)의 흐름을 화살표로서 도시한다. 로터의 회전에 의한 토크는 제 1 회전 조인트(20)에 의해 토션빔(70)에 전달된다. 도면을 바라보는 방향에서, 우측 베어링 박스는 하방으로 하중을 받으며, 좌측 베어링 박스는 상방으로 하중을 받는다.
도 3, 4는 2개의 연동 장치를 사용하는 스켈레톤 타입(skeleton type)의 실시예이다. 반력판(10)은 제 1 회전 조인트(20)에 의해 제 1 연동 장치(30)의 일측에 연결되며, 제 1 연동 장치(30)의 타측은 제 2 회전 조인트(40)에 의해 제 2 연동 장치(50)에 연결되며, 제 2 연동 장치(50)의 타측이 토션빔(70)에 연결된다. 토션빔(70)의 양측이 베어링 박스(60)에 연결된다. 제 1 회전 조인트(20)와 제 2 회전 조인트(40)는 구형 조인트(spherical joint)일 수 있다.
도 4a는 종래의 증속기 반력 시스템에 증속기 수직 움직임(nodding motion)이 인가되는 경우를 도시한다. 도시된 바와 같이, 증속기 수직 움직임이 인가된 경우 제 1 연동 장치(30)가 수직으로 이동되며, 이 경우 토션빔의 비틀림은 거의 없다.
도 4b는 종래의 증속기 반력 시스템에 토크가 인가되는 경우를 도시한다. 토크가 인가된 경우 한 쌍의 제 1 연동 장치 중 하나는 상방으로, 다른 하나는 하방으로 이동하게 되는데, 이때에 토션빔은 비틀림이 작용되어 한 쌍의 베어링 박스(60)와 제 1 연동 장치(30)는 제한적인 병진 운동을 하게 된다.
이러한 종래의 증속기 반력 시스템을 채택한 풍력 발전기에서 풍력 발전기에 인가되는 풍속의 상하 편차가 커서 증속기의 수직 운동이 발생하는 경우, 로터의 회전에 의한 하중(순수 토크) 외에 과도한 증속기의 수직 운동이 발행하며, 이때에 증속기 반력 시스템의 베어링과 각각의 프레임에 반력이 모두 작용하게 됨으로써 베어링과 프레임이 손상될 수 있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 극복하기 위한 발명이다. 즉, 회전 하중 외에 과도한 증속기의 수직 운동이 발생하는 경우, 하중 일부를 바닥으로 전달하고, 일부를 완충 및 흡수함으로써 프레임 및 베어링의 소성 변형 및 파손을 방지하기 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 반력판, 토션빔, 각각 한 쌍인 제 1 연동 장치 및 제 2 연동 장치로서 상기 제 1 연동 장치의 일측은 제 1 회전 조인트에 의해 상기 반력판에 연결되고 타측은 제 2 회전 조인트에 의해 상기 제 2 연동 장치에 연결되며, 상기 제 2 연동 장치의 일측은 상기 제 2 회전 조인트에 의해 상기 제 1 연동 장치에 연결되고 타측은 토션빔에 연결되는, 한 쌍의 제 1 연동 장치 및 제 2 연동 장치, 상기 토션빔의 양측에 각각 연결되는 한 쌍의 베어링 박스, 및 상기 제 2 회전 조인트의 아래에 위치하여 상기 한 쌍의 제 1 연동 장치의 수직 방향 운동을 완충하고 수직 방향 이동을 제한할 수 있는 것을 특징으로 하는 한 쌍의 반력장치를 포함하는 증속기 반력 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명의 반력장치는 기준 위치에서 수직 하방으로 또는 기준 위치에서 상하 양방향으로 이동 가능할 수 있다.
또한, 본 발명의 반력장치는 유압 댐퍼 반력장치, 스프링 반력장치, 고무 재 질 반력장치 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 본 발명의 회전 조인트들은 구형 조인트(spherical joint)일 수 있다.
또한, 본 발명의 반력장치는 상기 베어링 박스 내에 위치할 수 있다.
완충과 증속기의 수직 운동에 대한 제한 역할을 수행할 수 있는 장치를 설치하여, 과도한 증속기 수직 운동 발생 시 완충장치에 의해 일부 하중을 흡수하고 일부는 프레임 바닥으로 전달하여 베어링과 프레임에 작용하는 하중을 분산함으로써 프레임 및 베어링 파손을 방지한다.
또한, 본 발명의 명세서에 기재된 모든 효과를 포함한다.
도 5를 참조하여, 본 발명의 실시예를 설명한다. 큰 토크를 받는 1단 캐리어에 반력판(100)을 설치하고, 상기 반력판(100)의 양쪽 끝단에는 한 쌍의 제 1 회전 조인트(200)가 연결되며, 제 1 회전 조인트(200)는 제 1 연동 장치(300)와 연결된다. 제 1 연동 장치(300)는 제 2 회전 조인트(400)와 연결되며, 제 2 회전 조인트(400)는 제 2 연동 장치(500)와 연결된다. 제 2 연동 장치(500)는 토션빔(700)(도 8 참조) 및 베어링 박스(600)와 연결된다. 베어링 박스(600)는 바닥면에 고정되어, 인가되는 하중을 바닥으로 분산할 수 있다. 제 1 연동 장치(300)는 3자유도 방향으로 강성 및 감쇠 장치인 반력장치(800)를 설치한다.
측면도가 도시된 도 6에는 하나의 제 1 회전 조인트(200), 제 1 연동 장치(300), 제 2 회전 조인트(400), 제 2 연동 장치(500), 베어링 박스(600)만 도시되었으나, 이들은 도시되지 않는 반대측에도 동일한 구성요소가 존재한다.
회전 조인트(200, 400)의 연결은 구형 볼 베어링과 같은 구형 조인트를 장착하여 병진 방향 3자유도(translation)에서 제한적인 변위를 허용한다.
본 발명의 실시예에서 회전방향의 토크가 하중으로서 작용하는 경우, 종래기술과 같이 회전방향의 강성은 토션빔(500)과 제 1 연동 장치(300)가 분담해서 받을 수 있다. 이는 토션빔(500)과 제 1 연동 장치(300)의 직경, 링크 길이, 제 1 연동 장치(300)의 강성 등을 조절함으로써, 현가 시스템의 전체적인 강성 조절이 가능하다. (도 2, 4a 참조)
본 발명의 실시예에서 토크가 아닌 축에 대해 직각인 하중(nodding 방향)이 작용하는 경우, 종래 기술과 같이 제 1 및 제 2 회전 조인트(200, 400)의 움직임에 의해 일정량의 변위가 허용된다. 이때 요구되는 변형량은 링크 등의 길이 조절로 가능하다. (도 4b 참조)
또한, 강성 조절로 반력판(100)에 연결되어 있는 제 1 연동 장치의 작동거리 한계를 높여 줄 수 있으며, 반력판(100) 장착 시 초기 변위(각도)를 주어 토크에 의한 하중을 받고 있을 때 평형상태를 유지하도록 설계할 수 있다.
종래 기술과 달리 기구학적 구성만으로 수직 방향의 반력은 거의 작용하지 않으면서 회전방향의 하중을 지지해주는 시스템을 구성할 수 있다. 반력판(100)과 제 1 연동 장치(300)의 연결은 회전이 가능하도록 제 1 회전 조인트(200)를 구성하 되, 연동 장치의 수직운동과 링크의 회전운동을 허용하도록 직각방향의 회전을 허용 하도록 구성할 수 있다.
반력장치(800)는 베어링 박스(600) 내에 설치할 수 있다.
증속기 또는 현가 장치의 유지보수를 위해 반력판(100)과 제 1 연동 장치(300)를 분리 가능하게 하고, 연동 장치중간 부에 설치 되어있는 감쇠장치도 분리 가능 하도록 한다. 토션빔(4) 메인 프레임(7) 바닥 면으로부터 분리하기 위해 베어링 박스(6)가 분리 가능 하도록 한다.
도 6은 종래의 증속기 반력 시스템을 채택한 풍력 발전기에서, (A)정지 상태, (B)통상 운전 상태, 및 (C)풍속 상하 편차가 큰 경우의 운전 상태 각각의 증속기 반력 시스템 및 인가되는 응력을 도시한다. σallow는 증속기 반력 시스템의 베어링 및 메인 프레임의 허용 응력이다.
(A)정지 상태에서 인가되는 σ0은 로터를 포함한 증속기 반력 시스템의 자체 중력에 의한 응력이다. 증속기 반력 시스템의 설계 과정에서 증속기 반력 시스템에 허용되는 응력인 σallow은 σ0 이상이도록 설계되어야 하므로, 이 경우 허용 응력을 넘는 응력이 인가되지 않는다.
(B)통상 운전 상태에서 인가되는 응력은 σR이다. 증속기 반력 시스템의 설계 과정에서 σallow은 σR 이상이도록 설계되어야 하므로, 이 경우 허용 응력을 넘는 응력이 인가되지 않는다.
(C)풍속 상하 편차가 큰 경우 인가되는 응력은 σov이다. 풍속 상하 편차를 완충하거나 제한하지 못한다면 σov이 σallow 보다 큰 값을 가질 수 있으며, 이 경우 프레임과 베어링에 소성변형 또는 파손이 이루어질 수 있다.
도 7은 증속기 반력 시스템으로서 반력장치(800)가 있는 경우를 도시한다. 도 6과 비교하여 (C)풍속 상하 편차가 큰 경우에 있어서, 반력장치(800)가 제 2 회전 조인트의 하중을 분산시켜서 σov이 σallow보다 큰 값을 갖지 않게되며, 이로 인하여 프레임과 베어링에 소성변형 또는 파손이 이루어지지 않는다.
도 8은 과도한 하중 발생 시 수직 움직임의 제한되고 및 하중이 분배되는 증속기 반력 시스템을 도시한다. 좌측의 반력장치(800)가 없는 경우 증속기 반력 시스템에 인가되는 응력이 σov이며, 우측의 반력장치(800)가 있는 경우 인가되는 응력이 σov'이다. 반력장치(800)가 인가되는 응력을 Fv, FD 등에 의해 흡수하고 완충함으로써 다음의 수식이 성립한다.
σov' > σov
또한, 허용 응력인 σallow을 고려하면, 다음과 같은 수식이 성립한다.
σov > σallow
σov' < σallow
즉, 좌측의 반력장치(800)가 추가된 경우 인가되는 응력이 허용응력을 넘지 않으므로, 프레임과 베어링에 소성변형 또는 파손이 이루어지지 않는다.
도 9는 반력장치의 실시예들을 도시한다. 반력장치(810)는 기준 위치로부터 수직 하방으로 이동 가능하도록 스프링을 적용한 반력장치를 도시하며, 반력장치(820)는 기준 위치로부터 수직 하방으로 이동 가능하도록 유압 댐퍼 또는 유압 실린더를 적용한 반력장치를 도시하며, 반력장치(830)는 기준 위치로부터 상하 양방향으로 이동 가능하도록 고무와 같이 탄성이 있는 재질을 사용한 반력장치를 도시한다.
본 발명의 실시를 위한 내용을 실시예를 통하여 설명하였으나, 본 발명의 청구범위는 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명에 첨부된 특허청구범위로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 가능한 변경예 또는 수정예에까지 미칠 것이다.
도 1은, 종래 기술의 증속기 반력 시스템을 도시하는 사시도이다.
도 2는, 종래 기술의 증속기 반력 시스템의 하중의 이동을 도시하는 정면도이다.
도 3은, 종래 기술의 증속기 반력 시스템을 도시하는 측면도이다.
도 4a 및 도 4b는, 종래 기술의 증속기 반력 시스템에 하중이 인가된 경우와 토크가 인가된 경우의 운동을 도시하는 사시도이다.
도 5는, 본 발명에 따른 증속기 반력 시스템을 도시하는 측면도이다.
도 6은, 반력장치가 없는 증속기 반력 시스템에서 운전 상태에 따른 응력을 도시한다.
도 7은, 반력장치가 있는 증속기 반력 시스템에서 운전 상태에 따른 응력을 도시한다.
도 8은, 과도한 하중 발생시 수직 움직임의 제한 및 및 하중의 분배를 도시하기 위한 측면도 및 이에 상응하는 정면도를 도시한다.
도 9는, 반력장치의 실시예를 도시하는 측면도이다.
<도면 부호에 대한 설명>
10, 100 : 반력판 20, 200 : 제 1 회전 조인트
30, 300 : 제 1 연동 장치 40, 400 : 제 2 회전 조인트
50, 500 : 제 2 연동 장치 60, 600 : 베어링 박스
70, 700 : 토션빔 800, 810, 820, 830 : 반력장치

Claims (6)

  1. 증속기 반력 시스템에 있어서,
    반력판,
    토션빔(torsion beam),
    각각 한 쌍인 제 1 연동 장치 및 제 2 연동 장치로서, 상기 제 1 연동 장치의 일측은 제 1 회전 조인트에 의해 상기 반력판에 연결되고 타측은 제 2 회전 조인트에 의해 상기 제 2 연동 장치에 연결되며, 상기 제 2 연동 장치의 일측은 상기 제 2 회전 조인트에 의해 상기 제 1 연동 장치에 연결되고 타측은 토션빔에 연결되는, 한 쌍의 제 1 연동 장치 및 제 2 연동 장치,
    상기 토션빔의 양측에 각각 연결되는 한 쌍의 베어링 박스, 및
    상기 제 2 회전 조인트 아래에 위치하여 상기 한 쌍의 제 1 연동 장치의 수직 방향 운동을 완충하고 수직 방향 이동을 제한할 수 있는 것을 특징으로 하는 한 쌍의 반력장치를 포함하는,
    증속기 반력 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서
    상기 한 쌍의 반력장치는 기준 위치에서 수직 하방으로 이동 가능한 것을 특징으로 하는,
    증속기 반력 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 반력장치는 기준 위치에서 상하 양방향으로 이동 가능한 것을 특징으로 하는,
    증속기 반력 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 반력장치는 유압 댐퍼 반력장치, 스프링 반력장치, 고무 재질 반력장치로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는,
    증속기 반력 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 회전 조인트 및 상기 제 2 회전 조인트는 구형 조인트(spherical joint)인 것을 특징으로 하는,
    증속기 반력 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반력장치는 상기 베어링 박스 내에 위치하는 것을 특징으로 하는,
    증속기 반력 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP3882460A1 (en) * 2020-03-16 2021-09-22 Siemens Gamesa Renewable Energy Innovation & Technology, S.L. Wind turbine gearbox stabilizer

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