KR20110114850A - 풍력터빈용 더블타입 커플링장치 - Google Patents

풍력터빈용 더블타입 커플링장치 Download PDF

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KR20110114850A
KR20110114850A KR1020100034213A KR20100034213A KR20110114850A KR 20110114850 A KR20110114850 A KR 20110114850A KR 1020100034213 A KR1020100034213 A KR 1020100034213A KR 20100034213 A KR20100034213 A KR 20100034213A KR 20110114850 A KR20110114850 A KR 20110114850A
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coupling device
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KR1020100034213A
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이형우
김정관
이광오
이동환
김상동
박찬섭
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(주)윈텍
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Abstract

본 발명은 볼트에 의해 서로 체결되는 한 쌍의 체결링 외측에 보강링이 더 구비되어 체결링을 지지하도록 구성되는 커플링장치에 관한 것이다.
본 발명에 의한 커플링장치는, 허브(110)의 외주면을 감싸도록 설치되어, 상기 허브(110)가 메인축(100)의 외주면에 밀착되도록 하는 밀착링(200)과; 상기 밀착링(200)의 외측에 구비되며, 상기 밀착링(200)의 외주면을 따라 슬라이딩 유동하는 한 쌍의 체결링(210)과; 상기 한 쌍의 체결링(210)이 서로 근접하도록 하는 다수의 체결수단(220)과; 상기 한 쌍의 체결링(210) 외측에 구비되어, 상기 체결링(210)의 외주면과 선택적으로 접하는 보강링(230) 등으로 구성된다. 이와 같은, 본 발명에 의하면, 재료비가 절감되고 체결력이 향상되는 이점이 있다.

Description

풍력터빈용 더블타입 커플링장치{Double type coupling device for wind force turbine}
본 발명은 커플링장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 볼트에 의해 서로 체결되는 한 쌍의 체결링 외측에 보강링이 더 구비되어 체결링을 지지하도록 구성되는 풍력터빈용 더블타입 커플링장치에 관한 것이다.
도 1에는 종래의 더블타입 커플링장치의 일예가 도시되어 있다.
이에 도시된 바와 같이, 일반적인 커플링장치는, 원기둥 형상의 메인축(10)과, 메인축(10)을 감싸는 허브(20)와, 허브(20)의 외면에 밀착되는 밀착링(30) 그리고, 밀착링(30)의 외측에 구비되는 한 쌍의 체결링(40) 등으로 구성된다. 그리고, 상기 한 쌍의 체결링(40)은 체결볼트(50)에 의해 체결된다.
상기 같은 구조에서, 체결볼트(50)를 회전시켜 조으면, 더블(double)로 구비된 상기 한 쌍의 체결링(40)이 서로 가까워지므로, 상기 밀착링(30)의 내경이 줄어들게 된다. 따라서, 상기 허브(20)는 메인축(10)에 견고하게 밀착되어 고정된다.
그러나, 종래의 이와 같은 커플링장치는, 체결력을 강화하기 위하여, 상기 체결링(40)의 크기(높이)를 크게 하여야 한다. 따라서, 재료비가 증가하게 되는 문제점이 있다.
또한, 상기 체결볼트(50)를 조으게 되면, 상기 한 쌍의 체결링(40)의 외측단(상단)이 서로 근접하려 하게 되므로, 체결링(40)이 비틀리는 현상이 발생하여 체결력의 결손이 발생하게 된다.
그리고, 종래의 구조에서는, 상기 밀착링(30)의 외주면 각도를 임의로 적당히 설정하여 사용하므로, 체결력에 손실을 가져오게 된다. 즉, 상기 밀착링(30)의 외주면 각도가 지나치게 큰 경우에는 밀착링(30)과 체결링(40) 사이에 마찰력이 증가하게 되고, 지나치게 작은 경우에는 체결링(40)에 의한 체결력이 제대로 형성되지 않는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 한 쌍의 체결링 외측에 보강링이 더 구비되어 체결링과 선택적으로 접촉하여 체결링을 지지하도록 구성되는 풍력터빈용 더블타입 커플링장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 체결링에 의한 체결력이 최대가 되는 최적의 밀착링의 체결면 각도를 가지는 풍력터빈용 더블타입 커플링장치를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명에 의한 풍력터빈용 더블타입 커플링장치는, 메인축과, 메인축의 외측을 감싸는 허브가 서로 밀착되도록 강제하는 커플링장치에 있어서; 상기 허브의 외주면을 감싸도록 설치되어, 상기 허브가 메인축의 외주면에 밀착되도록 하는 밀착링과; 상기 밀착링의 외측에 구비되며, 상기 밀착링의 외주면을 따라 슬라이딩 유동하는 한 쌍의 체결링과; 상기 한 쌍의 체결링이 서로 근접하도록 하는 다수의 체결수단과; 상기 한 쌍의 체결링 외측에 구비되어, 상기 체결링의 외주면과 선택적으로 접하는 보강링을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 풍력터빈용 더블타입 커플링장치는, 한 쌍의 체결링 외측에 보강링이 더 구비된다. 따라서, 이러한 보강링이 체결링의 외측을 지지하게 되므로, 체결링이 기울어지는 현상이 방지되어 체결력 손실이 줄어드는 장점이 있다.
또한, 본 발명에서는, 보강링이 체결링과 선택적으로 접촉하도록 구성된다. 즉, 한 쌍의 체결링이 서로 근접한 경우에는 보강링이 체결링 외면에 접하게 되지만, 한 쌍의 체결링이 서로 멀어진 경우에는 보강링이 체결링 외면에 접하지 않게 된다. 따라서, 체결 초기에는 보강링에 의한 체결력의 손상이 방지되는 효과가 있다.
뿐만 아니라, 본 발명에서는, 한 쌍의 체결링이 슬라이딩 유동하는 밀착링의 외면 경사는 약 7도 전후의 경사를 가지도록 형성된다. 따라서, 타 조건이 동일한 경우에는 최대의 체결력을 가지게 되는 장점이 있다. 즉, 해석에 의해 최적의 경사 각도를 도출하여, 체결력이 종전에 비해 향상되는 장점이 있다.
도 1은 종래기술에 의한 커플링장치가 사용되는 일예를 보인 절개도.
도 2는 본 발명에 의한 풍력터빈용 더블타입 커플링장치의 바람직한 실시예가 사용되는 상태를 보인 정단면도.
도 3은 본 발명 실시예를 구성하는 밀착링의 경사각도에 따른 전달토크의 크기를 분석한 그래프.
도 4는 본 발명 실시예를 구성하는 보강링이 제거된 상태에서 체결링의 크기를 줄인 경우의 응력 상태를 보인 응력분포도.
도 5는 본 발명 실시예를 구성하는 보강링의 존재유무에 따른 응력 상태를 비교한 응력분포도.
도 6은 본 발명에 의한 풍력터빈용 더블타입 커플링장치의 바람직한 실시예에 의해 체결이 완료된 상태를 보인 정단면도.
이하 본 발명에 의한 풍력터빈용 더블타입 커플링장치의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
본 발명에 의한 커플링장치는, 풍력터빈용 더블(double) 커플링장치에 관한 것이나, 이 외에 다양한 장치에도 사용 가능할 것이다. 즉, 파이프와 같은 2 이상의 기구를 서로 연결하기 위한 목적으로 다양한 설비에 사용 가능하다.
도 2에는 본 발명에 의한 풍력터빈용 더블타입 커플링장치의 바람직한 실시예가 사용된 상태가 단면도로 도시되어 있다.
이에 도시된 바와 같이, 원통 또는 원기둥으로 이루어지는 메인축(100)의 주위에는 허브(110)가 구비된다. 상기 허브(110)는, 플랜지 이음 등을 위한 것으로 상기 메인축(100)의 외주면을 감싸도록 설치된다.
상기와 같이 메인축(100)을 감싸는 허브(110)의 외측에는 본 발명에 의한 커플링장치가 구비되어, 상기 허브(110)가 메인축(100) 외면에 밀착되도록 강제하게 된다.
본 발명에 의한 커플링장치는, 상기 허브(110)가 메인축(100)의 외주면에 밀착되도록 하는 밀착링(200)과, 상기 밀착링(200)의 외주면을 따라 슬라이딩 유동하는 한 쌍의 체결링(210)과, 상기 한 쌍의 체결링(210)이 서로 근접하도록 하는 다수의 체결수단(220)과, 상기 체결링(210)의 외주면과 선택적으로 접하는 보강링(230) 등으로 구성된다.
상기 밀착링(200)은 도시된 바와 같이, 원형으로 이루어지는 허브(110)의 일단을 감싸도록 설치된다. 즉, 상기 밀착링(200)은 링(ring) 형상으로 이루어져, 상기 허브(110)의 외주면을 감싸도록 설치된다.
그리고, 상기 밀착링(200)은, 도시되지는 않았지만, 일부가 절개된 링(ring) 형상을 가진다. 즉, 상기 밀착링(200)은 원형의 고리 형상으로 이루어지나, 일단이 절개되어 있다. 따라서, 밀착링(200)의 내경이 줄어드는 경우에 상기 허브(110)를 메인축(100)에 밀착시키게 된다.
상기 밀착링(200)의 외주면은 경사지게 형성된다. 즉, 상기 한 쌍의 체결링(210)과 접하는 밀착링(200)의 외주면은, 소정의 경사(α)를 가지도록 형성된다.
구체적으로 살펴보면, 도시된 바와 같이, 상기 밀착링(200)의 외면은, 중앙으로부터 좌우 양측으로 갈수록 점차 외경이 감소되도록 형성된다. 그리고, 이러한 밀착링(200)의 외주면 경사는, 밀착링(200)의 내주면에 대하여 6.5~7.5°의 각도(α)를 가지도록 형성된다. 즉, 도시된 바와 같이, 상기 밀착링(200)의 상면에는 상기 체결링(210)과 접하는 체결면(202)이 소정 경사를 가지도록 형성되며, 이러한 체결면(202)이 이루는 각 'α'의 크기는 약 7도 내외가 된다.
도 3에는 타 조건을 동일하게 한 경우에, 상기 체결면(202)의 경사각도 'α'의 크기에 따른 전달토크의 크기를 분석한 결과가 그래프로 도시되어 있다.
이에 도시된 바와 같이, 경사각 'α' 이외의 값은 동일하게 한 상태(토크상수 k=0.2로 함)에서, 'α'의 값을 5도부터 1도씩 증가하여 11도까지의 전달토크의 크기가 나타나 있다.
이와 같은 분석 결과, 전달토크의 값은, 경사각 'α'의 값이 7도 내외가 되는 경우에 최대가 됨을 알 수 있다. 그리고, 이러한 분석은 경사각(α)을 1도 단위로 한 것이므로, 약 6.5~7.5°의 각도를 가지는 경우가 가장 큰 전달토크를 가지게 된다.
상기 한 쌍의 체결링(210)은, 상기 밀착링(200)의 외측에 구비되어 밀착링(200)의 외주면을 따라 슬라이딩 유동하게 된다. 따라서, 상기 체결링(210)의 내주면 각도는 상기 밀착링(200)의 외주면 각도와 동일한 각도를 가지도록 형성된다.
그리고, 상기 한 쌍의 체결링(210)은, 도시된 바와 같이, 서로 대칭되는 형상으로 마주보도록 더블(double)로 설치된다. 즉, 상기 체결링(210)은, 좌측에 구비되는 좌측링(212)과, 우측에 구비되는 우측링(214) 등으로 이루어지며, 이러한 좌측링(212)과 우측링(214)은 상기 체결수단(220)에 의해 서로 체결된다.
상기 다수의 체결수단(220)은, 볼트(bolt)로 이루어지며, 등(等)간격으로 다수개가 설치되어, 상기 한 쌍의 체결링(210)이 서로 근접하도록 강제하게 된다. 따라서, 상기 한 쌍의 체결링(210) 중 적어도 하나의 체결링(210)에는 상기 체결수단(220)이 체결되는 암나사가 형성된다. 즉, 상기 우측링(214)의 내부에는 탭이 형성되어, 볼트로 이루어지는 상기 체결수단(220)이 체결 가능하게 구성된다.
상기 보강링(230)은, 상기 한 쌍의 체결링(210) 외측에 구비되어 상기 한 쌍의 체결링(210)을 지지하게 된다. 상기 보강링(230)은, 상기 한 쌍의 체결링(210)의 외측을 지지하게 되어, 상기 보강링(230)이 추가되더라도 상기 체결링(210)의 크기를 크게 줄임으로써, 전체적으로는 생산비용의 절감 효과를 가져오게 된다.
도 4 및 도 5에는 상기 보강링(230)의 필요성에 대한 해석 결과가 도시되어 있다.
먼저, 도 4에는 상기 보강링(230)이 제거된 상태에서 체결링(210)의 크기를 줄인 경우의 응력분포를 보인 결과가 도시되어 있다. 즉, 도 4의 (a)는 상기 체결링(210)이 종래와 같은 크기(높이)를 가지는 경우에 체결링(210)에 가해지는 응력의 크기를 나타낸 그림이며, 도 4의 (b)는 상기 체결링(210)의 크기(높이)를 종래보다 작게 한 경우에 체결링(210)에 가해지는 응력의 크기를 나타낸 그림이다.
이에 도시된 바와 같이, 체결링(210)의 크기(높이)를 종래보다 작게 한 경우(b)에는, 체결링(210)에 가해지는 응력의 크기가 지나치게 증대되어 변형이나 파괴의 위험이 있음을 알 수 있다.
즉, 도 4의 (a)에서와 같이, 축의 중심으로부터 체결링(210)의 외경 사이의 거리가 615mm가 되도록 한 경우에는, 최대 전달토크가 4,510kNm이며, 이때의 체결링(210)에 가해지는 응력은 약 200~500MPa의 크기를 가지므로 적당한 응력임을 알 수 있다.
반면, 도 4의 (b)에서와 같이, 축의 중심으로부터 체결링(210)의 외경 사이의 거리가 519mm가 되도록 한 경우에는, 최대 전달토크가 4,200kNm이며, 이때의 체결링(210)에 가해지는 응력은 약 450~800MPa의 크기를 가지므로 응력이 과다함을 알 수 있다.
도 5에는 상기 보강링(230)의 존재유무에 따른 응력분포의 상태를 보인 비교 결과가 도시되어 있다. 즉, 도 5의 (a)에는 보강링(230)이 구비되지 않은 경우에 체결링(210)에 가해지는 응력의 분포를 도시하고 있으며, 도 5의 (b)에는 보강링(230)이 구비된 경우에 체결링(210)에 가해지는 응력의 분포를 도시하고 있다.
이에 도시된 바와 같이, 보강링(230)이 구비된 경우에는 체결링(210)에 가해지는 응력이 현저하게 감소됨을 알 수 있다.
구체적으로 살펴보면, 도 5의 (a)에서는 체결링(210)에 가해지는 평균 응력분포가 약400MPa로 되어 과다하고, 도 5의 (b)에서는 체결링(210)에 가해지는 평균 응력분포가 약200MPa로 적정함을 알 수 있다.
한편, 상기 보강링(230)은, 상기 한 쌍의 체결링(210)이 서로 근접하는 경우에는 체결링(210)과 밀착되고, 상기 한 쌍의 체결링(210)이 서로 멀어지는 경우에는 체결링(210)과의 사이에 틈새가 형성되도록 구성된다.
구체적으로 살펴보면, 상기 보강링(230)의 크기는, 도 2에서와 같이 상기 한 쌍의 체결링(210)이 서로 멀어져 있는 상태에서는 보강링(230)과 체결링(210) 사이에 소정의 틈새(β)가 형성되도록 구성된다.
이와 같이 상기 보강링(230)과 체결링(210) 사이에 틈새(β)를 두는 이유는, 상기 보강링(230)에 의해 체결력이 저하되는 문제점을 방지하기 위함이다. 즉, 상기 보강링(230)이 항상 한 쌍의 체결링(210) 외주면에 밀착되도록 하게 되면, 체결수단(220)에 의해 한 쌍의 체결링(210)이 서로 체결을 시작하는 순간부터 보강링(230)과 체결링(210) 사이에도 마찰력이 발생하게 되므로, 체결수단(220)에 의한 체결력이 분산되는 체결력이 감소되는 현상이 발생하게 된다.
따라서, 상기 보강링(230)의 내경을 소정 크기로 확대하게 되면, 상기 한 쌍의 체결링(210)이 서로 멀어진 상태로 있는 초기에는 보강링(230)이 체결링(210)에 닿지 않도록 하여 보강링(230)으로 인한 체결력 감소를 방지한다.
그리고, 상기 한 쌍의 체결링(210)이 서로 근접한 경우에는, 자연적으로 상기 보강링(230)의 내면과 체결링(210)의 외면이 서로 접하도록 하여, 체결링(210)의 외측이 보강링(230)에 의해 지지되어, 응력이 분산되도록 한다.
그리고, 상기 보강링(230)의 내주면은, 상기 한 쌍의 체결링(210)의 외주면과 대응되는 형상을 가지도록 형성된다.
또한, 상기 보강링(230)의 내주면은, 상기 밀착링(200)의 외주면과 대응되는 경사를 가지도록 형성된다. 즉, 상기 한 쌍의 체결링(210)과 접하는 보강링(230)의 내주면은, 상기 보강링(230)의 외주면에 대하여 6.5~7.5°의 각도(α)를 가지도록 형성된다. 이와 같이, 상기 보강링(230)의 내주면이 상기 밀착링(200)의 외주면과 같은 경사를 가지도록 하는 것은, 상기 보강링(230)도 밀착링(200)과 같이 상기 체결링(210)과 슬라이딩 접촉을 하여야 하므로, 최적의 체결력이 생성되도록 하기 위함이다.
이하 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 커플링장치의 작용에 대해 도 2와 도 6을 중심으로 살펴본다.
먼저 도 2와 같은 상태에서 체결이 시작된다. 이때에는, 상기 한 쌍의 체결링(210)이 서로 멀리 떨어져 있으며, 상기 보강링(230)의 내면과 체결링(210)의 외면 사이에는 소정의 틈새(β)가 형성되어 있다. 물론, 실제 작업시에는, 하중에 의해 상기 보강링(230)의 상단부는 상기 체결링(210)에 접하고, 하단은 체결링(210)으로부터 '2β' 크기의 틈새를 형성할 것이나, 상기 보강링(230)의 중심을 메인축(100)의 중심과 일치하도록 하면, 보강링(230)과 체결링(210) 사이에는 동일하게 'β'크기의 틈새가 형성될 것이다.
이와 같은 상태에서 상기 체결수단(220)을 이용하여 상기 한 쌍의 체결링(210)이 서로 근접하도록 한다. 즉, 볼트(bolt)로 이루어지는 체결수단(220)을 회전시켜 상기 좌측링(212)과 우측링(214)이 서로 체결되어 근접하도록 한다.
이와 같이 체결수단(220)이 작동되면, 상기 한 쌍의 체결링(210)은 서로 근접하게 되고, 이윽고 상기 보강링(230)과 체결링(210)이 서로 접하게 된다.
상기와 같은 과정이 진행되면, 상기 보강링(230)의 내면은, 도 6에서와 같이 상기 한 쌍의 체결링(210) 외면에 완전히 밀착되어 체결링(210)을 지지하게 된다.
다음으로, 분해는 상기 과정의 역순에 의해 이루어진다.
이러한 본 발명의 범위는 상기에서 예시한 실시예에 한정되지 않고, 상기와 같은 기술범위 안에서 당 업계의 통상의 기술자에게 있어서는 본 발명을 기초로 하는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.
100. 메인축 110. 허브
200. 밀착링 210. 체결링
220. 체결수단 230. 보강링
α. 경사 각도 β. 틈새

Claims (5)

  1. 메인축(100)과, 메인축(100)의 외측을 감싸는 허브(110)가 서로 밀착되도록 강제하는 커플링장치에 있어서;
    상기 허브(110)의 외주면을 감싸도록 설치되어, 상기 허브(110)가 메인축(100)의 외주면에 밀착되도록 하는 밀착링(200)과;
    상기 밀착링(200)의 외측에 구비되며, 상기 밀착링(200)의 외주면을 따라 슬라이딩 유동하는 한 쌍의 체결링(210)과;
    상기 한 쌍의 체결링(210)이 서로 근접하도록 하는 다수의 체결수단(220)과;
    상기 한 쌍의 체결링(210) 외측에 구비되어, 상기 체결링(210)의 외주면과 선택적으로 접하는 보강링(230)을 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력터빈용 더블타입 커플링장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 한 쌍의 체결링(210)과 접하는 밀착링(200)의 외주면은,
    상기 밀착링(200)의 내주면에 대하여 6.5~7.5°의 각도(α)를 가지는 것을 특징으로 하는 풍력터빈용 더블타입 커플링장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 한 쌍의 체결링(210)은,
    서로 대칭되는 형상으로 마주보도록 설치됨을 특징으로 하는 풍력터빈용 더블타입 커플링장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 보강링(230)의 내주면은,
    상기 한 쌍의 체결링(210)의 외주면과 대응되는 형상을 가지며;
    상기 보강링(230)은,
    상기 한 쌍의 체결링(210)이 서로 근접함에 따라 체결링(210)과 밀착되기 시작하고, 상기 한 쌍의 체결링(210)이 서로 멀어지는 경우에는 체결링(210)과의 사이에 틈새가 형성됨을 특징으로 하는 풍력터빈용 더블타입 커플링장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 한 쌍의 체결링(210)과 접하는 보강링(230)의 내주면은,
    상기 보강링(230)의 외주면에 대하여 6.5~7.5°의 각도(α)를 가지는 것을 특징으로 하는 풍력터빈용 더블타입 커플링장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US4354769A (en) * 1980-04-10 1982-10-19 Peter Oskar E Dual counteracting hub-to-shaft clamp connection
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KR20110114354A (ko) * 2010-04-13 2011-10-19 (주)윈텍 풍력터빈용 더블 커플링장치

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