KR20110120200A - 풍력 발전 장치용의 증속기 및 풍력 발전 장치 - Google Patents

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KR20110120200A
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가오루 이와사끼
다까후미 요시다
히로아끼 다께우찌
가쯔히꼬 쇼오다
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미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 과제는 유성 베어링의 수명을 한층 더 향상시킨 풍력 발전 장치용의 증속기 및 풍력 발전 장치를 제공하는 것이다.
증속기(14)는 케이싱 본체(40)와, 캐리어(52)와, 캐리어(52)에 보유 지지되는 유성 핀(54)과, 유성 핀(54)에 부착되는 유성 베어링(56)과, 유성 베어링(56)을 개재하여 유성 핀(54)에 지지되는 유성 기어(58)와, 유성 기어(58)와 맞물리는 링 기어(60) 및 태양 기어(62)를 포함해서 구성되어 있다. 여기에서, 증속기(14)의 캐리어(52)는, 유성 핀(54)의 외주 또한 축 방향 양단부에 설치된 외통부(53)의 유성 베어링(56)에 대향하는 면(53A)이, 유성 핀(54)의 축 중심으로부터 멀어짐에 따라, 유성 베어링(56)으로부터 분리되도록 경사져 있다.

Description

풍력 발전 장치용의 증속기 및 풍력 발전 장치{GEAR BOX FOR WIND TURBINE GENERATOR AND WIND TURBINE GENERATOR}
본 발명은 풍력 발전 장치용의 증속기 및 풍력 발전 장치에 관한 것으로, 특히 회전 날개로부터 메인 축을 개재하여 입력되는 회전을 증속해서 발전기측으로 출력하는 증속기 및 이것을 이용한 풍력 발전 장치에 관한 것이다.
최근, 지구 환경의 보전의 관점에서, 재생 가능 에너지 중 하나인 풍력을 이용한 풍력 발전 장치의 보급이 진행되고 있다.
풍력 발전 장치는, 일반적으로 회전 날개가 부착된 로터 헤드와, 드라이브 트레인 및 발전기를 수납하는 너셀과, 너셀을 지지하는 지지 기둥으로 구성되어 있다. 여기서 드라이브 트레인은, 로터 헤드측으로부터 발전기측으로 토크를 전달하기 위한 것이며, 통상은 증속기가 편입되어 있으며, 로터 헤드의 회전을 증속해서 발전기에 입력하도록 되어 있다.
풍력 발전 장치의 증속기로서는, 특허 문헌 1에 기재되어 있는 바와 같이, 유성형의 유성 기어 기구를 구비하는 것이 알려져 있다. 유성형의 유성 기어 기구에서는, 로터 헤드측의 메인 축과 함께 회전하는 캐리어에 유성 핀이 복수 마련되어 있으며, 이 유성 핀에 유성 베어링을 개재하여 유성 기어가 부착되고, 또한, 이 유성 기어에 링 기어 및 태양 기어가 맞물려 있다. 이에 의해, 로터 헤드측의 메인 축의 회전에 수반하여, 유성 기어가 자전하면서 공전하고, 증속된 회전을 태양 기어측으로 출력하도록 되어 있다.
여기에서, 증속기의 유성 베어링에는 베어링 수명을 향상시키는 관점에서, 윤활유를 확실하게 공급해야만 한다.
이 점에서, 특허 문헌 1의 증속기에서는 하우징의 하부에 윤활유를 저류하는 오일 배스가 마련되어 있으며, 유성 베어링은 유성 기어의 공전 시에 오일 배스 내의 윤활유를 통과하여, 윤활되도록 되어 있다. 또한, 유성 핀의 내부에는 윤활유 공급로가 형성되어 있고, 이 윤활유 공급로를 개재하여, 노즐로부터 분사된 윤활유가 유성 베어링에 공급된다.
일본 특허 공개 제2009-144533호 공보
그러나 최근, 발전량의 향상을 목적으로 하여 풍력 발전 장치의 대형화가 진행됨에 따라, 보다 큰 하중을 장기간 견딜 수 있는 유성 베어링을 구비한 증속기의 개발이 요구되고 있다.
이로 인해, 특허 문헌 1에 기재된 풍력 발전 장치의 증속기에서는, 유성 베어링의 수명이 충분하다고는 할 수 없는 경우가 있다. 특히, 한랭지 사양의 풍력 발전 장치에서는, 외기가 매우 저온이므로, 윤활유의 점도가 상승해 버려 유성 베어링의 충분한 윤활을 행할 수 없는 경우가 있다.
본 발명은 상술한 사정에 비추어 이루어진 것으로, 유성 베어링의 수명을 한층 더 향상시킨 풍력 발전 장치용의 증속기 및 풍력 발전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 풍력 발전 장치용의 증속기는, 회전 날개가 부착된 로터 헤드에 연결되어, 상기 로터 헤드와 함께 회전하는 메인 축을 갖는 풍력 발전 장치에 이용되는 증속기이며, 케이싱 본체와, 복수의 유성 핀을 갖고, 상기 풍력 발전 장치의 상기 메인 축과 함께 회전해서 상기 유성 핀을 공전시키는 캐리어와, 상기 캐리어의 상기 유성 핀에 부착되어, 내륜과 외륜 사이에 롤러가 편입된 유성 베어링과, 상기 유성 베어링을 개재하여 상기 복수의 유성 핀에 자전 가능하게 지지되는 복수의 유성 기어와, 상기 케이싱 본체에 설치되어, 상기 유성 기어와 맞물리는 내부 이를 갖는 링 기어와, 상기 복수의 유성 기어에 둘러싸이도록 배치되어, 상기 유성 기어와 맞물리는 태양 기어와, 상기 케이싱 본체의 하부에 설치되어, 상기 유성 핀의 공전에 의해 상기 유성 베어링이 침지되는 윤활유를 저류하는 오일 배스를 구비하고, 상기 캐리어는 상기 유성 핀의 외주 또한 축 방향 양단부에 설치되어, 상기 유성 핀을 보유 지지하는 외통부를 갖고, 상기 캐리어의 상기 외통부는 상기 유성 베어링에 대향하는 면이, 상기 유성 핀의 축 중심으로부터 멀어짐에 따라, 상기 유성 베어링으로부터 분리되도록 경사져 있는 것을 특징으로 한다.
이 풍력 발전 장치용의 증속기에 따르면, 유성 핀의 외주 또한 축 방향 양단부에 설치된 캐리어의 외통부의 유성 베어링에 대향하는 면을, 유성 핀의 축 중심으로부터 멀어짐에 따라, 유성 베어링으로부터 분리되도록 경사지게 하였으므로, 캐리어의 외통부와 유성 베어링 혹은 유성 기어와의 사이를 윤활유가 통과하기 쉬워진다. 따라서, 유성 베어링의 윤활을 더욱 확실하게 행하여, 유성 베어링의 수명을 한층 더 향상시키는 것이 가능하며, 예를 들어 매우 낮은 외기온으로 인해 윤활유의 점도가 상승해 버리는 경향이 있는 한랭지 사양의 풍력 발전 장치에도 본 발명의 증속기를 적합하게 사용할 수 있다.
상기 풍력 발전 장치용의 증속기에 있어서, 상기 유성 기어는 서로 간격을 두고 배치된 한 쌍의 상기 유성 베어링에 의해 상기 유성 핀에 지지되어 있으며, 상기 유성 핀에는 상기 한 쌍의 유성 베어링으로 윤활유를 유도하는 급유구가, 상기 한 쌍의 유성 베어링 사이의 위치에 마련되어 있는 것이 바람직하다.
이와 같이 한 쌍의 유성 베어링을 개재하여 유성 핀을 유성 기어에 지지함으로써, 각 베어링에 가해지는 하중을 분산되게 해서, 베어링의 수명을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 한 쌍의 유성 베어링 사이의 위치에 급유구를 마련함으로써, 한 쌍의 유성 베어링의 윤활 상태를 유지할 수 있다.
상기 풍력 발전 장치용의 증속기에 있어서, 상기 외통부의 상기 유성 베어링에 대향하는 면은, 상기 유성 핀의 반경 방향에 대한 경사각(α)은 0°＜ α ≤ 40°의 범위 내인 것이 바람직하다. 또한, 경사각(α)은 20°≤ α ≤ 30°의 범위 내인 것이 더욱 바람직하다.
캐리어의 외통부의 유성 베어링에 대향하는 면의 경사각(α)을 크게 할수록, 캐리어의 외통부와 유성 베어링 혹은 유성 기어와의 사이를 윤활유가 한층 더 통과하기 쉬워져, 유성 베어링의 수명을 더욱 향상시킬 수 있다. 한편, 경사각(α)이 지나치게 크면, 캐리어를 제작하는 것이 곤란해진다. 그래서 상술한 바와 같이, 경사각(α)을 0°＜ α ≤ 40°(더욱 바람직하게는, 20°≤ α ≤ 30°)의 범위 내로 함으로써, 유성 베어링의 수명 개선과 캐리어의 제작성을 양립할 수 있다.
상기 풍력 발전 장치용의 증속기에 있어서, 상기 유성 베어링은 상기 외륜의 내주에 오목면의 외륜 궤도가 형성되고, 상기 내륜의 외주에 볼록면의 내륜 궤도가 형성되고, 상기 외륜 궤도 및 상기 내륜 궤도 사이에 복수 열의 상기 롤러가 설치된 자동 중심 조절 롤러 베어링이며, 상기 유성 기어는 상기 유성 베어링의 상기 외륜의 단부면이 상기 유성 기어의 단부면보다도 안쪽에 위치하도록, 상기 유성 베어링의 상기 외륜에 대하여 체결 끼워 맞춤으로 고정되어 있는 것이 바람직하다.
이와 같이 유성 베어링으로서 중심 조절성을 갖는 자동 중심 조절 롤러 베어링을 이용하면, 풍력의 변동에 의해 진동이나 충격 하중이 유성 베어링에 가해져도, 유성 베어링의 내구성을 유지할 수 있다.
한편, 본 발명자들은 자동 중심 조절 롤러 베어링을 유성 베어링으로서 이용하면, 브레이킹에 의해 유성 베어링의 내구 시간이 감소되어 버리는 경우가 있는 것을 인식하는 데 이르렀다. 그리고 이 유성 베어링의 내구 시간의 감소는, 본 발명자들에 의하여 예의 검토한 결과, 회전 날개, 로터 헤드 및 메인 축을 개재하여 유성 베어링(자동 중심 조절 롤러 베어링)으로 전달되는 하중 및 모멘트의 변동에 의해 베어링 외륜이 축 방향 외측으로 빠져 나가, 각 롤러 열에 가해지는 하중이 불균일해져 버리는 것에 기인하는 것이 밝혀졌다.
이 점에서, 상술한 바와 같이 유성 베어링의 외륜의 단부면이 유성 기어의 단부면보다도 안쪽에 위치하도록, 유성 기어를 유성 베어링의 외륜에 대하여 체결 끼워 맞춤으로 고정함으로써, 자동 중심 조절 롤러 베어링을 유성 베어링으로서 이용한 경우에 발생하는 브레이킹을 방지할 수 있다. 이것은, 유성 기어의 단부가 체결 끼워 맞춤으로 변형되어 덮개의 역할을 해 유성 베어링의 외륜의 탈출을 억제하여, 각 롤러 열에 가해지는 하중이 균일한 상태를 유지할 수 있는 것에 의한다고 생각된다.
또한, 본 발명의 풍력 발전 장치용의 증속기에서는, 상술한 바와 같이 유성 핀의 외주 또한 축 방향 양단부에 설치된 캐리어의 외통부의 유성 베어링에 대향하는 면을, 유성 핀의 축 중심으로부터 멀어짐에 따라, 유성 베어링으로부터 분리되도록 경사지게 하고 있으므로, 유성 베어링의 외륜의 단부면을 유성 기어의 단부면보다도 안쪽으로 근접시켜도, 외통부와 유성 베어링 혹은 유성 기어와의 사이를 윤활유가 확실하게 통과 가능하다.
상술한 바와 같이 상기 유성 베어링의 상기 외륜에 대하여 체결 끼워 맞춤으로 고정하는 경우, 상기 유성 기어는 상기 유성 베어링의 상기 외륜에 대하여 가열 끼워 맞춤 또는 냉각 끼워 맞춤에 의해 고정되어 있는 것이 바람직하다.
이에 의해, 유성 기어의 단부를 더욱 크게 변형시켜서, 유성 베어링의 외륜의 탈출을 확실하게 억제하여, 유성 베어링의 내구 시간의 감소를 한층 더 저감할 수 있다.
또한, 상기 유성 기어의 내주에는 상기 유성 베어링의 상기 외륜의 탈출을 규제하는 플랜지부가, 상기 유성 베어링의 상기 외륜의 상기 단부면과 상기 유성 기어의 상기 단부면과의 사이의 위치에 마련되어 있어도 좋다.
이와 같이, 유성 기어의 단부를 체결 끼워 맞춤으로 변형시킬 뿐만 아니라, 유성 기어의 내주에 플랜지부를 마련함으로써, 유성 베어링의 외륜의 탈출을 확실하게 억제하여, 유성 베어링의 내구 시간의 감소를 한층 더 저감할 수 있다.
이 경우, 상기 플랜지부는 상기 유성 기어의 내주에 설치된 홈에 끼워 넣어진 C형 고정륜이라도 좋고, 상기 유성 기어의 내주에 설치된 암형 나사에 나사 부착된 링 부재라도 좋다.
본 발명에 관한 풍력 발전 장치는, 회전 날개와, 상기 회전 날개가 부착된 로터 헤드와, 상기 로터 헤드에 연결되어, 상기 로터 헤드와 함께 회전하는 메인 축과, 상기 메인 축으로부터 입력된 회전을 증속해서 출력축으로 전달하는 상술한 증속기와, 상기 증속기의 상기 출력축에 연결된 발전기를 구비하는 것을 특징으로 한다.
이 풍력 발전 장치에서는, 상술한 바와 같이 유성 핀의 외주 또한 축 방향 양단부에 설치된 캐리어의 외통부의 유성 베어링에 대향하는 면을, 유성 핀의 축 중심으로부터 멀어짐에 따라, 유성 베어링으로부터 분리되도록 경사지게 하였으므로, 캐리어의 외통부와 유성 베어링 혹은 유성 기어와의 사이를 윤활유가 통과하기 쉬워진다. 따라서, 유성 베어링의 윤활을 더욱 확실하게 행하여, 유성 베어링의 수명을 한층 더 향상시킬 수 있다.
본 발명에서는, 이 풍력 발전 장치용의 증속기에 따르면, 유성 핀의 외주 또한 축 방향 양단부에 설치된 캐리어의 외통부의 유성 베어링에 대향하는 면을, 유성 핀의 축 중심으로부터 멀어짐에 따라, 유성 베어링으로부터 분리되도록 경사지게 하였으므로, 캐리어의 외통부와 유성 베어링 혹은 유성 기어와의 사이를 윤활유가 통과하기 쉬워진다. 따라서, 유성 베어링의 윤활을 더욱 확실하게 행하여, 유성 베어링의 수명을 한층 더 향상시킬 수 있다.
도 1은 풍력 발전 장치의 전체 구성 예를 도시하는 도면이다.
도 2는 너셀 내의 드라이브 트레인 및 발전기를 나타내는 횡면도이다.
도 3은 제1 실시 형태에 관한 증속기의 구성 예를 도시하는 단면도이다.
도 4는 도 3의 Ⅰ-Ⅰ 단면도이다.
도 5는 도 3에 있어서의, 유성 베어링의 주변을 나타내는 확대도이다.
도 6은 자동 중심 조절 롤러 베어링의 외륜의 탈출을 나타내는 단면도이다.
도 7은 제2 실시 형태에 관한 증속기의 유성 베어링의 주변을 나타내는 확대도이다.
도 8은 유성 베어링의 외륜의 탈출량의 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9의 (a)는 유성 기어의 단부에 플랜지부를 마련한 예를 도시하는 단면도이며, (b) 및 (c)는 플랜지부의 구성 예를 도시하는 확대도이다.
이하, 첨부 도면을 따라서 본 발명의 실시 형태에 대해서 설명한다. 단, 본 실시 형태에 기재되어 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대적 배치 등은 특정적인 기재가 없는 한 본 발명의 범위를 이것에 한정할 취지는 없으며, 단순한 설명예에 지나지 않는다.
[제1 실시 형태]
우선, 제1 실시 형태에 관한 풍력 발전 장치에 대해서 설명한다.
도 1은 제1 실시 형태에 관한 풍력 발전 장치의 전체 구성 예를 게시하는 도면이다. 이 도면에 도시한 바와 같이, 풍력 발전 장치(1)는 주로 기초(B) 위에 세워 설치된 지지 기둥(2)과, 지지 기둥(2)의 상단부에 설치된 너셀(4)과, 너셀(4)에 부착된 로터 헤드(6)와, 로터 헤드(6)에 부착된 복수 매의 회전 날개(8)로 구성되어 있다.
지지 기둥(2)은, 도 1에 도시한 바와 같이, 기초(B)로부터 상방(도 1의 상방)으로 연장되는 기둥 형상이며, 예를 들어 1개의 기둥 형상 부재로 구성해도 좋고, 복수의 유닛을 상하 방향으로 연결하여 기둥 형상으로 구성해도 좋다. 지지 기둥(2)이 복수의 유닛으로 구성되어 있는 경우에는, 최상부에 설치된 유닛 위에 너셀(4)이 설치된다.
너셀(4)은 로터 헤드(6)를 지지하는 동시에, 그 내부에 드라이브 트레인(10)이나 발전기(18)를 수납하고 있다.
도 2는 너셀(4)의 내부의 드라이브 트레인(10) 및 발전기(18)의 상세를 나타내는 도면이다. 이 도면에 도시한 바와 같이, 드라이브 트레인(10)은 로터 헤드(6)의 로터 허브(6A)에 연결된 메인 축(12)과, 메인 축(12)에 연결된 증속기(14)와, 증속기(14)를 발전기(18)에 연결하는 커플링(16)을 갖는다.
메인 축(12)은, 회전 날개(8) 및 로터 헤드(6)와 함께 회전하도록, 로터 헤드(6A)에 연결되는 동시에, 메인 베어링(11)에 의해 회전 가능하게 케이싱측에 고정되어 있다. 또, 메인 베어링(11)의 상부에는, 그리스(grease)를 급지하기 위한 그리스 보급구(도시하지 않음)가 마련되어 있다.
증속기(14)는, 메인 축(12)과 커플링(16)과의 사이에 배치되고, 메인 축(12)을 개재하여 로터 헤드(6)측으로부터 입력된 회전을 증속하여, 커플링(16)에 출력하도록 되어 있다. 이 증속기(14)에 의해, 예를 들어 메인 축(12)을 개재하여 로터 헤드(6)측으로부터 입력된 20rpm 정도의 회전이 1800rpm 정도까지 증속된 후, 커플링(16)을 개재하여 발전기(18)로 전달된다. 또, 증속기(14)의 구체적인 구성에 대해서는, 이후에 상세하게 서술한다.
커플링(16)은, 증속기(14)의 최종 출력축과 발전기(18)의 입력축을 연결하는 축 커플링이다. 예를 들어, 증속기(14)의 최종 출력축과 발전기(18)의 입력축과의 미스 얼라인먼트를 흡수하는 휨 축 커플링을 이용할 수 있다.
또한, 커플링(16)에는, 브레이크 디스크(19A) 및 브레이크 패드(19B)로 이루어지는 브레이크 장치(19)가 부착되어 있다. 이 브레이크 장치(19)는, 브레이크 디스크(19A)의 표리면에 브레이크 패드(19B)를 압박하여 협지함으로써, 커플링(16)을 제동한다. 브레이크 장치(19)는, 예를 들어 브레이크 패드(19B)가 도시하지 않은 스프링에 의해 브레이크 디스크(19A) 측으로 항상 압박되는 동시에, 통상 운전 시에 있어서 유압의 힘으로 브레이크 패드(19B)를 스프링의 압박력에 저항해서 브레이크 디스크(19A)로부터 떨어지도록 구성해도 좋다.
또, 풍력 발전 장치(1)의 브레이크 동작은, 통상 후술하는 피치 제어에 의한 제동이 메인이며, 브레이크 장치(19)는 보조적인 것이다. 즉, 강풍 시의 안전 대책이나 보수 시에 회전축을 정지시킬 경우, 우선은 피치 제어에 의해 회전 날개(8)를 페더링 상태로 이행하여, 회전축의 회전을 억제한 후, 브레이크 장치(19)에 의해 회전축을 완전히 정지하도록 되어 있다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 로터 헤드(6)는 대략 수평한 축선 주위로 회전 가능하게 너셀(4)에 고정되는 동시에, 회전 날개(8)가 부착된 로터 허브(6A)와, 이 로터 허브(6A)를 덮는 헤드부 캡슐(6B)을 포함해서 구성된다.
또한, 로터 허브(6A)에는, 도 2에 도시한 바와 같이, 회전 날개(8)를 축선 주위(도 2의 화살표 방향)로 회전시켜서 회전 날개(8)의 피치각을 변경하는 피치 구동 장치(30)가 마련되어 있다.
피치 구동 장치(30)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 실린더(32)와, 회전 날개(8)에 연결된 축부(34)로 구성된다. 또 회전 날개(8)는, 베어링(36)에 의해 피치 방향으로 회전 가능하게 지지되어 있다. 이로 인해 회전 날개(8)는, 피치 구동 장치(30)의 실린더(32)에 의해 축부(34)가 회전하면, 축부(34)와 함께 피치 방향으로 회전하도록 되어 있다. 또, 각 회전 날개(8)마다 설치되는 피치 구동 장치(30)는, 도시하지 않은 링크 기구로 서로 연결되어 있으며, 각 회전 날개(8)의 피치각 제어를 연동해서 행하도록 되어 있어도 좋다.
다음에, 풍력 발전 장치(1)의 증속기(14)의 구체적인 구성에 대해서 설명한다. 도 3은, 증속기(14)의 구성 예를 게시하는 단면도이다. 도 4는, 도 3에 있어서의 Ⅰ-Ⅰ선을 따른 단면도이다. 도 5는, 도 3에 나타내는 증속기(14)의 유성 베어링의 주변을 나타내는 확대도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 증속기(14)는 케이싱 본체(40) 안에 수납된 유성 증속 기구(50) 및 평기어 증속 기구(70)로 구성되어 있다. 이 증속기(14)에 의해, 로터 허브측의 메인 축(12)으로부터 입력된 회전이 증속되어서, 발전기측의 최종 출력축(13)으로 전달되도록 되어 있다. 또, 증속기(14)의 최종 출력축(13)은, 도 2에 나타내는 커플링(16)에 의해 발전기(18)측에 연결되어 있다.
증속기(14)의 유성 증속 기구(50)는, 도 3 및 도 5에 도시한 바와 같이, 캐리어(52)와, 캐리어(52)에 보유 지지되는 유성 핀(54)과, 유성 핀(54)에 부착되는 유성 베어링(56)과, 유성 베어링(56)을 개재하여 유성 핀(54)에 지지되는 유성 기어(58)와, 유성 기어(58)와 맞물리는 링 기어(60) 및 태양 기어(62)를 포함해서 구성되어 있다.
캐리어(52)는, 복수(본 예에 있어서는 3개)의 유성 핀(54)을 보유 지지하는 보유 지지판이며, 도 5에 도시한 바와 같이, 유성 핀(54)의 외주 또한 축 방향 양단부에 설치된 외통부(53)에 의해 유성 핀(54)을 보유 지지하고 있다. 이에 의해, 캐리어(52)는 로터 헤드측의 메인 축(12)과 일체적으로 회전하여, 외통부(53)에 보유 지지된 유성 핀(54)을 공전시키도록 되어 있다. 또 메인 축(12) 및 캐리어(52)는, 베어링(42)에 의해 회전 가능하게 지지되어 있다.
캐리어(52)의 외통부(53)는, 유성 베어링(56)에 대향하는 면(53A)을 갖고, 본 실시 형태에서는, 이 외통부(53)의 면(53A)은 유성 핀(54)의 축 중심으로부터 멀어짐에 따라서, 유성 베어링(56)으로부터 분리되도록 경사져 있다. 이와 같이 캐리어(52)의 외통부(53)의 면(53A)을, 유성 핀(54)의 축 중심으로부터 멀어짐에 따라서, 유성 베어링(56)으로부터 분리되도록 경사지게 함으로써, 후술하는 오일 배스로부터의 윤활유가 외통부(53)의 면(53A)과 유성 베어링(56) 혹은 유성 기어(58)와의 사이를 통과하기 쉬워진다.
또한, 외통부(53)의 유성 베어링(56)에 대향하는 면(53A)은, 유성 핀(54)의 반경 방향에 대한 경사각(α)은 0°＜ α ≤ 40°인 것이 바람직하며, 20°≤ α ≤ 30°의 범위 내인 것이 더욱 바람직하다.
캐리어(52)의 외통부(53)의 유성 베어링(56)에 대향하는 면(53A)의 경사각(α)을 크게 할수록, 캐리어(52)의 외통부(53)와 유성 베어링(56) 혹은 유성 기어(58)와의 사이를 윤활유가 한층 더 통과하기 쉬워져, 유성 베어링(56)의 수명을 더욱 향상시킬 수 있다. 한편, 외통부(53)의 유성 베어링(56)에 대향하는 면(53A)의 경사각(α)이 지나치게 크면, 캐리어(52)를 제작하는 것이 곤란해진다.
그래서 상술한 바와 같이, 면(53A)의 경사각(α)을 0°＜ α ≤ 40°(더욱 바람직하게는, 20°≤ α ≤ 30°)의 범위 내로 함으로써, 유성 베어링(56)의 수명 개선과 캐리어(52)의 제작성을 양립할 수 있다.
유성 베어링(56)은, 유성 기어(58)를 자전 가능하게 유성 핀(54)에 지지하는 롤러 베어링이며, 도 5에 도시한 바와 같이, 내륜(56A)과 외륜(56B) 사이에 롤러(56C)가 편입된 구성을 갖는다. 또, 도 5에는 2열의 롤러(56C)를 갖는 유성 베어링(56)의 예를 게시했지만, 유성 베어링(56)의 롤러(56C)는 1열이라도, 3열 이상을 늘어놓은 것이라도 좋다.
유성 베어링(56)은, 풍력의 변동에 의해 생기는 진동이나 충격 하중에 대한 내구성을 확보하는 관점에서, 중심 조절성을 갖는 자동 중심 조절 롤러 베어링을 이용하는 것이 바람직하다. 자동 중심 조절 롤러 베어링으로서는, 예를 들어 도 5에 도시한 바와 같이, 외륜(56B)이 그 내주에 오목면의 외륜 궤도를 갖고, 내륜(56A)이 그 외주에 볼록면의 내륜 궤도를 갖고, 이들의 외륜 궤도 및 내륜 궤도 사이에 복수 열의 롤러(56C)가 설치된 구성의 것을 이용할 수 있다. 이러한 구성의 유성 베어링(자동 중심 조절 롤러 베어링)(56)에서는, 외륜(56B)의 외륜 궤도의 중심이 베어링 중심과 일치하고 있으므로, 중심 조절성을 갖는다.
또한, 유성 베어링(56)은, 예를 들어 큰 하중 및 큰 토크가 발생하는 대형의 풍력 발전 장치에 적용할 경우에는, 도 3 및 도 6에 도시한 바와 같이, 복수를 병렬로 배치하여 사용해도 좋다. 이때, 도 5에 도시한 바와 같이, 복수의 유성 베어링(56)을 서로 간격을 두고 배치하는 동시에, 유성 핀(54)에는 유성 베어링(56)으로 윤활유를 유도하는 급유구(54A)를, 인접하는 유성 베어링(56) 사이의 위치에 마련하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 유성 베어링(56)의 윤활 상태를 유지할 수 있다.
도 3 및 도 5에 나타내는 유성 기어(58)는, 유성 베어링(56)을 개재하여 유성 핀(54)에 지지되어 있으며, 링 기어(60) 및 태양 기어(62)와 맞물려 있다.
링 기어(60)는, 도 3에 도시한 바와 같이, 케이싱 본체(40)에 마련되어 있으며, 유성 기어(58)와 맞물리는 내부 이를 갖고 있다. 한편, 태양 기어(62)는, 도 4에 도시한 바와 같이, 복수의 유성 기어(58)에 둘러싸이도록 배치되어 있다. 또한, 태양 기어(62)에는 유성 출력축(64)이 끼워 넣어져 있다.
이러한 유성 증속 기구(50)에서는, 캐리어(52)가 메인 축(12)과 함께 회전하면, 유성 핀(54) 및 유성 핀(54)에 지지된 유성 기어(58)가 태양 기어(62)를 중심으로 하여 공전한다. 동시에, 유성 기어(58)는 유성 베어링(56)의 움직임에 의해, 유성 핀(54)을 중심으로 하여 자전한다. 이에 의해, 입력축으로서의 메인 축(12)으로부터의 회전이 증속되어, 유성 출력축(64)으로 출력된다. 또 유성 증속 기구(50)에 의한 증속비는 유성 기어(58), 링 기어(60) 및 태양 기어(62)의 잇수에 의해 정해진다.
또한, 도 3에 나타내는 케이싱 본체(40)에는, 유성 증속 기구(50)의 하방에 오일 배스(41)가 마련되어 있으며, 이 오일 배스(41) 안에는 윤활유가 저류되어 있다. 이로 인해, 유성 베어링(56)을 개재하여 유성 핀(54)에 지지된 유성 기어(58)는, 공전에 의해 하방으로 이동했을 때에, 오일 배스(41) 안의 윤활유에 침지되도록 되어 있다. 이에 의해, 유성 베어링(56)이나 유성 기어(58)의 윤활 상태를 유지할 수 있다.
도 3에 나타내는 평기어 증속 기구(70)는, 유성 증속 기구(50)에다가 임의로 설치되는 증속 기구이며, 유성 출력축(64)의 회전을 더욱 증속해서 최종 출력축(13)에 출력하도록 되어 있다.
평기어 증속 기구(70)는, 예를 들어 도 3에 도시한 바와 같이, 서로 맞물리는 제1 평기어(72) 및 제2 평기어(74)와, 서로 맞물리는 제3 평기어(76) 및 제4 평기어(78)의 2세트의 기어 세트로 구성해도 좋다. 여기에서, 제1 평기어(72)는, 유성 출력축(64)에 연결된 제1 회전축(80)에 고정되어 있으며, 제2 평기어(74) 및 제3 평기어(76)는 제2 회전축(82)에 고정되어 있으며, 제4 평기어(78)는 최종 출력축(13)에 고정되어 있다. 또 제1 회전축(80), 제2 회전축(82) 및 최종 출력축(13)은, 각각 제1 베어링(44), 제2 베어링(46) 및 제3 베어링(48)에 의해 회전 가능하게 지지되어 있다.
이러한 평기어 증속 기구(70)에서는, 제1 평기어(72)의 잇수는 제2 평기어(74)보다도 많으므로, 유성 증속 기구(50)측의 유성 출력축(64)에 연결된 제1 회전축(80)의 회전이 증속되어, 제2 회전축(82)으로 전달된다. 또한, 제3 평기어(76)의 잇수는 제4 평기어(78)보다도 많으므로, 제2 회전축(82)의 회전이 증속되어, 최종 출력축(13)으로 전달된다.
상기 구성의 증속기(14)에 따르면, 유성 증속 기구(50) 및 평기어 증속 기구(70)에 의해, 로터 허브측의 메인 축(12)으로부터 입력된 회전을 증속하여, 발전기측의 최종 출력축(13)으로 전달할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에서는 증속기(14)의 캐리어(52)는, 유성 핀(54)의 외주 또한 축 방향 양단부에 설치된 외통부(53)의 유성 베어링(56)에 대향하는 면(53A)이, 유성 핀(54)의 축 중심으로부터 멀어짐에 따라, 유성 베어링(56)으로부터 분리되도록 경사져 있으므로, 캐리어(52)의 외통부(53)와 유성 베어링(56) 혹은 유성 기어(58)와의 사이를 윤활유가 통과하기 쉬워진다. 따라서, 유성 베어링(56)의 윤활을 더욱 확실하게 행하여, 유성 베어링(56)의 수명을 한층 더 향상시키는 것이 가능하며, 예를 들어 매우 낮은 외기온으로 인해 윤활유의 점도가 상승해 버리는 경향이 있는 한랭지 사양의 풍력 발전 장치(1)에도 본 실시 형태의 증속기(14)를 적합하게 사용할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 바람직하게는 증속기(14)의 유성 기어(58)는, 서로 간격을 두고 배치된 한 쌍의 유성 베어링(56)에 의해 유성 핀(54)에 지지되고 있으며, 유성 핀(54)에는 한 쌍의 유성 베어링(56)으로 윤활유를 유도하는 급유구(54A)가, 유성 베어링(56) 사이의 위치에 마련된다. 이와 같이 한 쌍의 유성 베어링(56)을 개재하여 유성 핀(54)을 유성 기어(58)에 지지함으로써, 각 유성 베어링(56)에 가해지는 하중을 분산되게 해서, 유성 베어링(56)의 수명을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 한 쌍의 유성 베어링(56) 사이의 위치에 급유구(54A)를 마련함으로써, 유성 베어링(56)의 윤활 상태를 유지할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 바람직하게는 증속기(14)의 캐리어(52)는 외통부(53)의 유성 베어링(56)에 대향하는 면(53A)의, 유성 핀(54)의 반경 방향에 대한 경사각(α)을 0°＜ α ≤ 40°(더욱 바람직하게는, 20°≤ α ≤ 30°)의 범위 내로 함으로써, 유성 베어링(56)의 수명 개선과 캐리어(52)의 제작성을 양립할 수 있다.
[제2 실시 형태]
다음에, 제2 실시 형태에 관한 풍력 발전 장치에 대해서 설명한다. 제2 실시 형태의 풍력 발전 장치는, 증속기(14)에 있어서의 유성 베어링(56) 및 유성 기어(58)의 단부면의 위치 관계를 제외하면, 제1 실시 형태와 동일하다. 이하에서는, 제1 실시 형태와 동일한 구성 요소에는, 동일한 부호를 부여하여, 그 설명을 생략한다.
도 6은 유성 베어링(56)으로서 자동 중심 조절 롤러 베어링을 이용한 경우에 있어서의 유성 베어링 주변을 나타내는 확대도이다. 도 7은, 본 실시 형태에 관한 풍력 발전 장치에 있어서의 증속기의 유성 베어링 주변을 나타내는 확대도이다.
본 발명자들은, 도 6에 도시한 바와 같이, 유성 베어링(56)으로서 외륜(56B)이 그 내주에 오목면의 외륜 궤도를 갖고, 내륜(56A)이 그 외주에 볼록면의 내륜 궤도를 갖고, 이들의 외륜 궤도 및 내륜 궤도 사이에 복수 열의 롤러(56C)가 설치된 구성의 자동 중심 조절 롤러 베어링을 이용하면, 브레이킹에 의해 유성 베어링(56)의 내구 시간이 짧아져 버리는 것을 인식하는 데 이르렀다. 그리고 이 유성 베어링(56)의 내구 시간의 감소는, 본 발명자들에 의하여 예의 검토한 결과, 회전 날개(8), 로터 헤드(6) 및 메인 축(12)을 개재하여 유성 베어링(자동 중심 조절 롤러 베어링)(56)으로 전달되는 하중 및 모멘트의 변동에 의해 베어링 외륜(56B)이 축 방향 외측(도 6의 화살표 방향)으로 빠져 나가, 각 롤러 열(56C)에 가해지는 하중이 불균일해져 버리는 것에 기인하는 것이 밝혀졌다.
구체적으로는, 유성 베어링(56)은 회전 날개(8)로부터 전달되는 하중 및 모멘트에 의해, 축 방향 외측으로 빠져 나가려고 한다. 여기에서, 유성 베어링(56)의 내륜(56A)은 캐리어(52)의 외통부(53)에 의해 축 방향 외측으로의 이동이 규제되고 있는 한편, 유성 베어링(56)의 외륜(56B)에는 그러한 규제는 이루어져 있지 않아, 외륜(56B)만 축 방향 외측으로 빠져 나가 버린다. 이로 인해, 안쪽의 롤러 열(56C)(도 6의 오른쪽 롤러 열)에 하중이 집중되어 버려, 유성 베어링(56)의 브레이킹이 발생해 버린다.
그래서 본 실시 형태에서는, 도 7에 도시한 바와 같이, 유성 베어링(자동 중심 조절 롤러 베어링)(56)의 외륜(56B)의 단부면이 유성 기어(58)의 단부면보다도 안쪽에 위치하도록[즉, 도 7에 나타내는 외륜(56B)의 단부면과 유성 베어링(56)의 단부면과의 거리(d)가, 부등식 d > 0을 충족시키도록], 유성 기어(58)를 유성 베어링(56)의 외륜(56B)에 대하여 체결 끼워 맞춤으로 고정하고 있다. 이에 의해, 유성 기어(58)의 단부(도면 중, A로 나타내는 부위)가 체결 끼워 맞춤으로 변형해서 덮개의 역할을 해 유성 베어링(56)의 외륜(56B)의 탈출을 억제하고, 각 롤러 열(56C)에 가해지는 하중이 균일한 상태를 유지하여, 유성 베어링(56)의 내구 시간의 감소를 저감할 수 있다.
또, 외륜(56B)의 단부면과 유성 기어(58)의 단부면과의 거리(d)는, 유성 베어링(자동 중심 조절 롤러 베어링)(56)의 내구 시간의 감소를 확실하게 방지하는 관점에서 가능한 한 큰 것이 바람직하다. 단, 외륜(56B)의 단부면을 유성 기어(58)의 단부면보다도 안쪽으로 지나치게 근접시키면, 자동 중심 조절 롤러 베어링(56)으로 윤활유를 유도하는 급유구(54A)(도 5 참조)를 폐쇄해 버린다고 하는 구조상의 제약이 있다. 따라서, 상기 거리(d)는 0㎜ < d ≤ 10㎜인 것이 바람직하다.
도 8은, 본 실시 형태에 있어서의 유성 베어링(56)의 외륜(56B)의 탈출량의 측정 결과를 나타내는 그래프이다. 이 도면에는, 본 실시 형태의 일례로서, 유성 베어링(56)의 외륜(56B)의 단부면이 유성 기어(58)의 단부면보다도 10㎜ 안쪽에 위치하는 경우(d = 10㎜)를 나타내는 동시에, 그 비교 대조 예로서, 유성 베어링(56)의 외륜(56B)의 단부면이 유성 기어(58)의 단부면과의 위치를 일치시킨 경우(d = 0)를 나타냈다.
또, d = 10㎜인 경우 및 d = 0인 경우 모두, 유성 기어(58)의 외륜(56B)에 대한 체결 끼워 맞춤은, 체결 값이 P6(0.012 내지 0.079㎜)이 되도록 행하였다. 또한, 유성 베어링(56)에는 1.18kNm의 평균 토크에 상당하는 부하를 입력했다.
도 8로부터, 외륜(56B)의 탈출량이 400㎛에 달할 때까지의 시간을 어림잡으면, d = 10㎜인 경우(T1)는 d = 0인 경우(T2)의 약 109배였다.
여기에서, 본 발명자들에 의해 외륜(56B)의 탈출량이 400㎛ 정도가 되면, 유성 베어링(56)의 브레이킹이 발생해 버리는 것을 알고 있다. 이로 인해, T1 및 T2는, 각각 d = 10㎜ 및 d = 0인 경우에 있어서의 유성 베어링(56)의 내구 시간의 지표이다. 이와 같이 하여 어림잡아진 유성 베어링의 내구 시간 T1 및 T2는, d = 10㎜인 경우에는, 일반적인 실제 제품에 있어서의 합격 기준인 1.3 × 105(hr)을 초과하고 있는 것에 반해, d = 0인 경우에는 이 기준을 만족시키고 있지 않다.
이상으로부터, 본 실시 형태의 증속기(14)와 같이, 유성 베어링(56)의 외륜(56B)의 단부면이 유성 기어(58)의 단부면보다도 안쪽에 위치하도록, 유성 기어(58)를 유성 베어링(56)의 외륜(56B)에 대하여 체결 끼워 맞춤으로 고정함으로써, 유성 베어링(56)의 외륜(56B)의 탈출을 억제하여, 브레이킹에 의한 유성 베어링(56)의 내구 시간의 감소를 억제할 수 있는 것을 알 수 있었다.
또한, 본 실시 형태에서도, 제1 실시 형태와 마찬가지로 캐리어(52)의 외통부(53)의 유성 베어링(56)과 대향하는 면(53A)을, 유성 핀(54)의 축 중심으로부터 멀어짐에 따라, 유성 베어링(56)으로부터 분리되도록 경사지게 하고 있다. 이로 인해, 상술한 바와 같이 유성 베어링(56)의 외륜(56B)의 단부면을 유성 기어(58)의 단부면보다도 안쪽으로 근접시켜도, 외통부(53)의 면(53A)과 유성 베어링(56) 혹은 유성 기어(58)와의 사이를 윤활유가 확실하게 통과 가능하다.
또 도 7에 나타내는 예에서는, 유성 기어(58)의 단부를 체결 끼워 맞춤으로 변형시킴으로써, 유성 베어링(56)의 외륜(56B)의 탈출을 억제하는 예에 대해서 설명했지만, 더욱 확실하게 외륜(56B)의 탈출을 억제하는 관점에서, 유성 기어(58)의 단부에 플랜지부에 마련해도 좋다.
도 9의 (a)는 유성 기어(58) 단부의 내주에 설치된 플랜지부를 나타내는 단면도이며, 도 9의 (b) 및 (c)는 플랜지부의 구성 예를 게시하는 확대도이다. 또, 상술한 실시 형태와 동일한 구성 요소에 대해서는 공통인 부호를 부여하고, 여기에서는 그 설명을 생략한다.
도 9의 (a)에 도시한 바와 같이, 유성 베어링(56)의 외륜(56B)의 탈출을 규제하는 플랜지부(90)가, 유성 베어링(56)의 외륜(56B)의 단부면과 유성 기어(58)의 단부면과의 사이의 위치에 마련되어 있다. 이와 같이, 유성 기어(58)의 단부를 체결 끼워 맞춤으로 변형시킬 뿐만 아니라, 유성 기어(58)의 내주에 플랜지부(90)를 마련함으로써, 유성 베어링(56)의 외륜(56B)의 탈출을 확실하게 억제하여, 유성 베어링(56)의 내구 시간의 감소를 한층 더 저감할 수 있다.
예를 들어, 플랜지부(90)는, 도 9의 (b)에 도시한 바와 같이, 유성 기어(58)의 내주에 설치된 홈(92)에 끼워 넣어진 C형 고정륜이라도 좋고, 도 9의 (c)에 도시한 바와 같이, 유성 기어(58)의 내주에 설치된 암형 나사(94)에 나사 부착된 링 부재라도 좋다.

Claims (9)

  1. 회전 날개가 부착된 로터 헤드에 연결되어, 상기 로터 헤드와 함께 회전하는 메인 축을 갖는 풍력 발전 장치에 이용되는 증속기이며,
    케이싱 본체와,
    복수의 유성 핀을 갖고, 상기 풍력 발전 장치의 상기 메인 축과 함께 회전하여 상기 유성 핀을 공전시키는 캐리어와,
    상기 캐리어의 상기 유성 핀에 부착되어, 내륜과 외륜 사이에 롤러가 편입된 유성 베어링과,
    상기 유성 베어링을 개재하여 상기 복수의 유성 핀에 자전 가능하게 지지되는 복수의 유성 기어와,
    상기 케이싱 본체에 설치되어, 상기 유성 기어와 맞물리는 내부 이를 갖는 링 기어와,
    상기 복수의 유성 기어에 둘러싸이도록 배치되어, 상기 유성 기어와 맞물리는 태양 기어와,
    상기 케이싱 본체의 하부에 설치되어, 상기 유성 핀의 공전에 의해 상기 유성 베어링이 침지되는 윤활유를 저류하는 오일 배스를 구비하고,
    상기 캐리어는, 상기 유성 핀의 외주 또한 축 방향 양단부에 설치되어, 상기 유성 핀을 보유 지지하는 외통부를 갖고,
    상기 캐리어의 상기 외통부는, 상기 유성 베어링에 대향하는 면이, 상기 유성 핀의 축 중심으로부터 멀어짐에 따라, 상기 유성 베어링으로부터 분리되도록 경사져 있는 것을 특징으로 하는, 풍력 발전 장치용의 증속기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유성 기어는 서로 간격을 두고 배치된 한 쌍의 상기 유성 베어링에 의해 상기 유성 핀에 지지되어 있으며,
    상기 유성 핀에는, 상기 한 쌍의 유성 베어링으로 윤활유를 유도하는 급유구가, 상기 한 쌍의 유성 베어링 사이의 위치에 마련되어 있는 것을 특징으로 하는, 풍력 발전 장치용의 증속기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 외통부의 상기 유성 베어링에 대향하는 면은, 상기 유성 핀의 반경 방향에 대한 경사각(α)은 0°＜ α ≤ 40°의 범위 내인 것을 특징으로 하는, 풍력 발전 장치용의 증속기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 유성 베어링은, 상기 외륜의 내주에 오목면의 외륜 궤도가 형성되고, 상기 내륜의 외주에 볼록면의 내륜 궤도가 형성되고, 상기 외륜 궤도 및 상기 내륜 궤도 사이에 복수 열의 상기 롤러가 설치된 자동 중심 조절 롤러 베어링이며,
    상기 유성 기어는, 상기 유성 베어링의 상기 외륜의 단부면이 상기 유성 기어의 단부면보다도 안쪽에 위치하도록, 상기 유성 베어링의 상기 외륜에 대하여 체결 끼워 맞춤으로 고정되어 있는 것을 특징으로 하는, 풍력 발전 장치용의 증속기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 유성 기어는, 상기 유성 베어링의 상기 외륜에 대하여 가열 끼워 맞춤 또는 냉각 끼워 맞춤에 의해 고정되어 있는 것을 특징으로 하는, 풍력 발전 장치용의 증속기.
  6. 제4항에 있어서, 상기 유성 기어의 내주에는, 상기 유성 베어링의 상기 외륜의 탈출을 규제하는 플랜지부가, 상기 유성 베어링의 상기 외륜의 상기 단부면과 상기 유성 기어의 상기 단부면과의 사이의 위치에 마련되어 있는 것을 특징으로 하는, 풍력 발전 장치용의 증속기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 플랜지부는, 상기 유성 기어의 내주에 마련된 홈에 끼워 넣어진 C형 고정륜인 것을 특징으로 하는, 풍력 발전 장치용의 증속기.
  8. 제6항에 있어서, 상기 플랜지부는, 상기 유성 기어의 내주에 설치된 암형 나사에 나사 부착된 링 부재인 것을 특징으로 하는, 풍력 발전 장치용의 증속기.
  9. 회전 날개와,
    상기 회전 날개가 부착된 로터 헤드와,
    상기 로터 헤드에 연결되어, 상기 로터 헤드와 함께 회전하는 메인 축과,
    상기 메인 축으로부터 입력된 회전을 증속해서 출력축으로 전달하는, 제1항에 기재된 증속기와,
    상기 증속기의 상기 출력축에 연결된 발전기를 구비하는 것을 특징으로 하는, 풍력 발전 장치.
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