KR20120029379A - 윈드 터빈 - Google Patents

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KR20120029379A
KR20120029379A KR1020117026571A KR20117026571A KR20120029379A KR 20120029379 A KR20120029379 A KR 20120029379A KR 1020117026571 A KR1020117026571 A KR 1020117026571A KR 20117026571 A KR20117026571 A KR 20117026571A KR 20120029379 A KR20120029379 A KR 20120029379A
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planetary gearing
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KR1020117026571A
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다니엘 카스텔 마르티네즈
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알스톰 윈드, 에스.엘.유.
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    • F16H1/00Toothed gearings for conveying rotary motion
    • F16H1/28Toothed gearings for conveying rotary motion with gears having orbital motion
    • F16H1/46Systems consisting of a plurality of gear trains each with orbital gears, i.e. systems having three or more central gears
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    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/72Wind turbines with rotation axis in wind direction

Abstract

하나 이상의 블레이드를 캐링하는 허브(1), 프레임(2), 및 허브(1)의 토크를 전달하기 위한 유성 기어링을 포함하는 윈드 터빈으로서, 언급된 허브(1)는 그것의 말단부에 또는 부근의 프레임(2) 상에 회전가능하게 장착되고, 허브(1)의 토크는 언급된 기어링의 플래닛 캐리어(4)를 통해 유성 기어링에 도입되는 것을 특징으로 하고, 언급된 플래닛 캐리어(4)는 언급된 프레임(2)의 언급된 말단부에 또는 부근에 위치된다.

Description

윈드 터빈{WIND TURBINE}
본 발명은 위드 터빈을 위한 드라이브 트레인 및 그러한 드라이브 트레인을 포함하는 윈드 터빈에 관한 것이다.
현대의 윈드 터빈들은 전기 그리드에 전기를 공급하도록 통상적으로 사용된다. 이러한 종류의 윈드 터빈들은 일반적으로 로터(rotor) 허브를 갖는 로터 및 복수의 블레이드를 포함한다. 로터는 블레이드들 상의 윈드의 영향 하에서 회전으로 설정된다. 로터 샤프트의 회전은 제너레이터 로터를 직접적으로 구동하거나("직접적으로 구동됨") 또는 기어박스의 사용을 통해 구동한다.
기어박스를 사용하는 터빈들에서, 슬로우 스피드 샤프트(통상적으로 로터 샤프트임)의 회전은 적합한 기어링을 통해 하이 스피드 샤프트의 회전으로 변형된다. 언급된 스피드 증가를 위해 윈드 터빈들에서 유성(planetary) 기어링(에피사이클릭 기어링)을 사용하는 것이 알려져 있다. 유성 기어링 시스템들은 다른 기어링 시스템들보다 일반적으로 더 복잡하지만, 상대적으로 작은 부피에서의 커다란 스피드 증가, 기어들 및 동축 입력 및 출력 샤프트들 사이의 순수한 비틀림(torsional) 반응들과 같은 이점들을 제공한다.
대개의 종래의 윈드 터빈들에서, 로터 허브는 로터 샤프트의 일단 상에 장착된다. 로터 샤프트는 윈드 터빈 타워의 탑 상의 나셀(nacelle) 내의 지지 구조에 회전가능하게 장착된다. 이 방법으로, 로터는 기어박스로 토크를 전달하는 돌출 구조를 형성하지만, 부가적으로 허브 및 블레이드들의 무게 때문에 반복 횡하중(cyclical bending load)을 전달한다.
이 문제를 해결하기 위해서, 전방으로 뻗는 프레임을 갖는 윈드 터빈 타워를 제공하는 것이 알려져 있고, 언급된 프레임은 윈드 방향으로 변화를 따르도록 타워의 종방향 축을 따라 회전할 수 있다. 복수의 블레이드들을 갖는 로터 허브가 언급된 프레임 상에 회전가능하게 장착되고 (플렉시블) 결합 엘리먼트가 언급된 프레임 내에 위치되는 로터 샤프트와 로터 허브를 결합시키도록 제공된다. 그러한 윈드 터빈은 도 6에서 도식적으로 나타난다. 도 6에서, 윈드 터빈(100)은 언급된 프레임의 말단부에서 프레임(170) 상에 회전가능하게 장착되는 허브(110)를 포함한다. 프레임(170)은 타워(180) 상에 장착된다. 결합 엘리먼트(120)는 로터 샤프트(130)를 허브(110)에 결합시킨다. 로터 샤프트(130)의 회전이 제너레이터(160)를 구동하는 출력 샤프트(150)의 빠른 회전으로 기어박스(140)에 의해 변형된다. 도 5에서, 프레임(170)은 프론트 파트(170a) 및 레어 파트(170b)를 포함한다.
프레임 상에 장착되는 허브를 포함하는 이러한 종류의 구성과 함께, 허브 및 블레이드들의 무게로 인한 하중이 프레임을 통해 타워로 직접적으로 전달되지만, 로터 샤프트는 단지 기어박스 (및/또는 제너레이터)로 토크를 전달할 뿐이다.
드라이브 트레인이 차지하는 부피를 감소시키기 위해, 언급된 전방으로 뻗는 프레임 내에 유성 기어링을 제공하는 것이 알려져 있다. US 제 6,459,165호는 2-스테이지 유성 기어링을 갖는 윈드 터빈을 개시하고, 여기서 허브의 토크는 로터 허브에 직접적으로 연결되는 환형 휠을 통해 유성 기어링의 제 1 스테이지로 전달된다. WO 제 2007/082970호는 유성 기어링을 갖는 윈드 터빈을 개시하고, 여기서 환형 기어가 플래닛 기어들로 허브의 토크를 전달하도록 윈드 터빈의 허브와 일체로 형성된다. 이들 선행 기술 시스템들은 윈드 터빈 드라이브 트레인을 더 컴팩트하게 만들고, 감소된 크기의 나셀을 가질 수 있다. 나셀의 이러한 크기 감소는 비용 절감 및 타워의 탑에서의 무게 절감을 나타낸다. 그러나 허브가 환형 기어와 일체로 형성되거나 또는 직접적으로 연결되기 때문에, 기어링의 설치 및 유성 기어링의 수리가 더 복잡해진다.
따라서 개선된 기어링 시스템을 갖는 윈드 터빈에 대한 필요가 여전히 존재한다. 본 발명의 목적은 상대적으로 컴팩트하지만, 앞서 언급된 선행 기술 시스템들과 연관된 문제들을 적어도 부분적으로 완화하는 개선된 기어링 시스템들을 갖는 그러한 윈드 터빈을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 청구항 제 1항에 따르는 윈드 터빈에 의해, 즉 허브의 토크를 전달하기 위한 하나 이상의 블레이드들, 프레임, 및 유성 기어링을 캐링하는 허브를 포함하는 윈드 터빈에 의해 획득되고, 언급된 허브는 말단부에 또는 부근에 프레임 상에 회전가능하게 장착되며, 여기서 허브의 토크가 언급된 기어링의 플래닛 캐리어를 통해 유성 기어링으로 도입되고, 언급된 플래닛 캐리어는 언급된 프레임의 언급된 말단부에 또는 부근에 위치된다.
허브가 프레임 상에 회전가능하게 장착된다. 허브의 토크가 프레임의 말단부에 또는 가까이에 위치되는 유성 기어링을 통해 유성 기어링으로 도입된다. 첫번째로, 이것은 드라이브 트레인이 어떠한 로우 스피드 샤프트도 포함하지 않기 때문에, 윈드 터빈의 드라이브 트레인을 컴팩트하고 가볍게 만든다. 두번째로, 구성은 유성 기어링의 플래닛 캐리어가 다른 기어링 엘리먼트들을 비켜서 배열되기 때문에 드라이브 트레인 엘리먼트들의 설치 및 수리를 단순화한다. 이 방법으로, 허브와의 연결에서의 기어링의 엘리먼트는 다른 기어링 엘리먼트들과 관련해서 축방향으로 배열된다(일부 선행 기술 해법들에서와 같이, 방사상으로가 아님).
본 발명의 일부 실시예들에서, 언급된 플래닛 캐리어가 언급된 허브와 일체로 형성된다. 다른 실시예들에서, 언급된 플래닛 캐리어는 언급된 허브와 작동적으로 연결된 별개의 컴포넌트이다. 허브와 일체로 플래닛 캐리어를 형성하는 것은 허브-플래닛 캐리어 어셈블리의 더 낮은 무게를 유도할 수 있다. 대안적으로, 플래닛 캐리어는 하나 이상의 구조적 엘리먼트들을 통해 허브에 연결된 허브 또는 컴포넌트에 직접적으로 부착된 컴포넌트일 수 있다. 이러한 종류의 배열은 제조를 더 용이하게 할 수 있고 수리의 시점에서 기어링이 더 용이하게 접근가능하게 할 수 있다. 기어링이 증가된 수명을 가질 수 있도록 허브의 원치않는 변형들이 기어링에 전달되지 않는 것이 또한 소망된다. 만약 언급된 허브와 언급된 플래닛 캐리어 사이의 연결이 적어도 하나의 엘라스틱 엘리먼트를 가진다면, 또는 만약 유성 기어링의 스태틱 부분들이 언급된 프레임에 플렉시블하게 결합된다면 이것이 획득될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 언급된 유성 기어링은 단일 스테이지 유성 기어링이고, 언급된 단일 스테이지 유성 기어링은 플래닛 샤프트들 상에 복수의 플래닛 기어 휠들을 캐링하는 플래닛 캐리어, 환형 기어 및 센트럴 썬(sun) 기어를 포함한다. 다른 실시예들에서, 언급된 유성 기어링은 두개 이상의 스테이지들을 포함하고, 언급된 유성 기어링의 각각의 스테이지는 플래닛 샤프트들 상에 복수의 플래닛 기어 휠들을 캐링하는 플래닛 캐리어, 환형 기어 및 센트럴 썬 기어를 포함한다. 만약 기어링이 더 많은 스테이지들을 포함하면, 더 높은 스피드의 출력 샤프트가 획득될 수 있고, 그것은 더 작고 더 저렴한 제너레이터를 유도할 수 있다. 그러나 동시에, 기어링의 비용은 증가할 수 있다.
바람직하게, 언급된 유성 기어링은 제너레이터에 허브의 토크를 전달하고, 언급된 제너레이터는 언급된 프레임 내에 하우징된다. 일부 바람직한 실시예들에서, 제너레이터의 하우징은 언급된 프레임과 일체로 형성된다. 그것의 크기에 의존해서, 그 자신만의 별개의 하우징을 갖는 제너레이터가 프레임 내에 피팅될(fitted) 수 있다. 대안적으로, 제너레이터의 하우징 역시 프레임 그 자체에 의해 유리하게 형성될 수 있다. 프레임 내에 제너레이터를 하우징하는 것에 의해, 날씨 영향에 대한 어떠한 다른 보호도 필요로 하지 않을 수 있다. 따라서 나셀의 크기가 감소될 수 있고 또는 대안적으로 동일 크기화된 나셀을 갖을 수 있으며, 더 많은 공간이 보조 시스템들을 위한 나셀에서 이용가능하다.
일부 실시예들에서, 유성 기어링의 적어도 하나의 스테이지의 플래닛 샤프트들이 플래닛 캐리어에서 캔틸레버 지지된다. 선택적으로, 언급된 실시예들에서, 언급된 적어도 하나의 스테이지의 언급된 플래닛 샤프트들은 외주변(circumferential) 플렉싱을 허용한다. 또 다른 실시예들에서, 유성 기어링의 적어도 하나의 스테이지의 플래닛 샤프트들은 플래닛 캐리어에서 단순하게 지지된다. 플래닛 샤프트들이 장착되는 캔틸레버를 갖는 기어링들은 단순하게 지지되는 플래닛 샤프트들을 갖는 기어링들보다 더 용이하게 설치될 수 있다. 단순하게 지지되는 플래닛 샤프트들은 환형 및 썬 기어와 플래닛 기어들의 적합한 메싱을 더 잘 보호할 수 있다. 유성 기어링의 단일 스테이지에서 플래닛 기어 휠들의 수에 의존해서, 플래닛 기어 휠들 사이의 부하 공유를 개선하도록 외주변 플렉싱을 허용하는 캔틸레버 지지된 플래닛 샤프트들을 사용하는 것이 유리할 수 있다. 예를 들어, The Timken Company?로부터 상업적으로 이용가능한, 예를 들어 소위 Flexpins?가 사용될 수 있다. 대안들 역시 사용될 수 있다. 본 발명의 범위 내에서, 각각의 스테이지에서, 플래닛 기어 휠들의 임의 수가 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 유성 기어링의 적어도 하나의 스테이지의 플래닛 캐리어가 복수의 플래닛 기어 휠들을 캐링하고, 각각의 플래닛 기어 휠은 언급된 스테이지의 환형 기어 및 썬 기어 모두와의 단일 기어링 메싱을 포함한다. 또 다른 실시예들에서, 유성 기어링의 적어도 하나의 스테이지의 플래닛 캐리어는 복수의 플래닛 기어 휠들을 캐링하고, 각각의 플래닛 기어 휠은 다른 반경들의 더블 기어링을 포함하며, 언급된 더블 기어링은 썬 기어와의 제 1 기어링 메싱 및 환형 기어와의 제 2 기어링 메싱을 포함한다. (유성 기어링의 이러한 종류는 때때로 듀얼-라티오 유성 기어링으로 언급된다). 각각의 플래닛 기어 휠이 다른 반경들의 두개의 기어링들을 포함하는 실시예들은 더 복잡하고 따라서 더 비쌀 수 있다. 그러나 그러한 실시예들을 갖는 단일 스테이지에서 획득될 수 있는 입력 샤프트로부터 출력 샤프트로의 스피드 증가는 더 높고, 그것은 더 작은 제너레이터 또는 더 적은 스테이지들을 포함하는 기어링을 유도할 수 있는다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 언급된 유성 기어링은 언급된 프레임 내에 완전하게 하우징된다. 따라서 부분들의 수가 가능한 많이 감소될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예들에서, 언급된 유성 기어링의 적어도 하나의 스테이지가 지지 구조 내에 완전하게 하우징되고, 허브 내에 배열되며 언급된 프레임에 플렉시블하게 연결된다. 이러한 종류의 배열은 유성 기어링의 장착 및 장착해제(dismount)를 용이하게 할 수 있다.
본 발명의 범위 내에서, 허브는 플루이드 베어링들을 통해 및/또는 롤링 엘리먼트 베어링들을 통해 프레임 상에 장착될 수 있다. 베어링들의 이들 유형들이 해당 기술분야에 잘 알려져 있고 당업자는 환경에 부합하는 적합한 베어링들을 선택할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 언급된 유성 기어링은 언급된 프레임 내에 완전하게 하우징된다. 따라서 부분들의 수가 가능한 많이 감소될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예들에서, 언급된 유성 기어링의 적어도 하나의 스테이지가 지지 구조 내에 완전하게 하우징되고, 허브 내에 배열되며 언급된 프레임에 플렉시블하게 연결된다. 이러한 종류의 배열은 유성 기어링의 장착 및 장착해제(dismount)를 용이하게 할 수 있다.
본 발명의 소정 실시예들이 첨부된 도면들에 대한 참조와 함께, 오직 비-제한적인 예시의 방법에 의해, 다음에서 설명될 것이고, 여기서:
도 1은 본 발명을 따르는 윈드 터빈의 제 1 실시예의 도식화된 뷰이고;
도 2는 본 발명을 따르는 윈드 터빈의 제 2 실시예의 도식화된 뷰이며;
도 3은 본 발명을 따르는 윈드 터빈의 제 3 실시예의 도식화된 뷰이고;
도 4는 본 발명을 따르는 윈드 터빈의 제 4 실시예의 도식화된 뷰이며;
도 5는 본 발명을 따르는 윈드 터빈의 제 5 실시예의 도식화된 뷰이고;
도 6은 선행 기술 윈드 터빈 구성의 도식화된 뷰이다.
도 1은 본 발명을 따르는 윈드 터빈의 제 1 실시예의 도식화된 뷰를 나타낸다. 허브(1)는 베어링(3)들을 통해 프레임(2) 상에 회전가능하게 장착된다. 허브(1)는 하나 이상의 블레이드들을 포함할 수 있다. 프레임(2)은 도 1에서 그것의 전체에서 도시되지 않는다. 그보다는 단지 윈드 터빈 타워(미도시)로부터 떨어져 뻗은 프레임의 부분만이 도시된다.
본 발명의 범위 내에서, 블레이드들을 갖는 로터 허브가 타워의 다운윈드 또는 업윈드에 위치될 수 있다. 로터 허브가 윈드 터빈 타워로부터 (다운윈드 또는 업윈드로) 떨어져 뻗은 프레임 상에 회전가능하게 장착된다. 허브는 언급된 프레임의 말단부에 또는 부근에 장착된다. 유성 기어링으로 허브의 토크를 전달하는 플래닛 캐리어(4) 역시 프레임(2)의 언급된 말단부에 또는 부근에 즉, 허브가 위치되는 프레임의 단부에 또는 부근에 위치된다. 바람직하게, 프레임(2)은 로터가 순간적인 윈드 방향에 상관없이, 윈드 방향에 남겨질 수 있도록, 타워(미도시)와 관련해서 회전가능하게 장착된다.
도 1의 실시예에서, 유성 기어링의 제 1 스테이지의 플래닛 캐리어(4)가 허브(1)에 부착된다. 허브(1)는 허브의 외주변을 둘러싼 다양한 연결 포인트(5)들에서 플래닛 캐리어(4)에 연결될 수 있다. 연결은 스크류 또는 볼트와 같은 단순한 패스너(fastener)에 의해 형성될 수 있다. 이것은 상대적으로 저렴한 해법일 수 있다. 대안적으로, 연결들은 플렉시블 부싱과 같은 적어도 하나의 엘라스틱 엘리먼트를 포함할 수 있다. 그러한 플렉시블 엘리먼트들은 허브의 원치않는 이동 및 변형이 기어링에 전달되지 않는 것을 보장할 수 있다. 허브를 플래닛 캐리어에 연결하도록 사용될 수 있는 다른 엘라스틱 엘리먼트들은 엘라스토머(elastomer) 엘리먼트들, 또는 엘라스토머의 샌드위치 구조들 및 ESM GmbH?로부터 상업적으로 이용가능한 바와 같은 메탈릭 레이어들이다. 이러한 종류의 배열에서, 허브와 플래닛 캐리어 사이의 대개의 바람직한 연결들은 단지 축방향 토크만을 전달한다.
또 다른 대안으로서, 허브와 플래닛 캐리어 사이의 결합은 상대적으로 스티프(stiff)할 수 있고 대신에 유성 기어링과 프레임(2) 사이의 결합은 플렉시블할 수 있다. 만약 유성 기어링의 스태틱 부분들과 프레임(2) 사이의 결합(제 1 스테이지 환형 기어(7)와 제 2 스테이지 환형 기어(17)가 프레임에 연결되는 바와 같음)이 플렉시블해진다면, 횡하중이 기어링에 전달되지 않고, 오직 프레임 (및 윈드 터빈 타워)에만 전달된다.
허브(1)로부터의 별개의 엘리먼트인 플래닛 캐리어(4)의 이점은, 만약 그것이 유지 목적을 위해 필요하다면, 플래닛 캐리어가 기어링의 나머지에 대한 용이한 접근을 허용하도록, 허브로부터 간단하게 제거될 수 있다는 점이다.
도 1의 실시예에서, 플래닛 캐리어(4)에 의해 캐링되는 플래닛 샤프트(6)들은 단순하게 지지되고: 플래닛 샤프트들의 단부들 모두는 플래닛 캐리어 내에 회전가능하게 지지된다. 플래닛 캐리어(4)는 하나의 일체적 엘리먼트일 수 있고 또는 서로에 연결되는 제 1 부분(4a) 및 제 2 부분(4b)으로 형성될 수 있다. 환형 기어(7)가 플래닛 기어 휠(8)들 주위에 배열되고 그것은 작동에서 스태틱하다. 허브(1)의 토크는 이 방법으로 플래닛 캐리어(4)로부터 제 1 스테이지의 출력 샤프트(10) 상에 장착된 썬 기어(9)로 전달된다.
도 1의 실시예에서, 유성 기어링은 플래닛 샤프트(16)들 상에 복수의 플래닛 기어 휠(18)들을 캐링하는 플래닛 캐리어(14)를 포함하는 제 2 스테이지를 포함한다. 제 1 스테이지 출력 샤프트(10)는 제 2 스테이지를 위한 입력 샤프트로서 기능한다. 토크는 플래닛 캐리어(14)를 통해 전달된다. 이 실시예에서 플래닛 캐리어(14)는 적합하게 구성된 지지 구조(12) 상에 베어링(13)들을 통해 회전가능하게 장착된다. 플래닛 캐리어(14) 역시 하나의 일체적 엘리먼트 또는 별개의 엘리먼트(14a, 14b)들로 형성될 수 있다. 플래닛 기어 휠(18)들은 제 2 스테이지 환형 기어(17) 내에서 회전하지만, 제 2 스테이지 썬 기어(19)는 제 2 스테이지 출력 샤프(20) 상에 장착된다. 본 실시예에서 유성 기어링의 스테이지들 모두는 단순하게 지지되는 플래닛 샤프트들을 포함한다.
도 1에서 보여질 수 있는 바와 같이, 본 발명의 목적이 획득된다. 드라이브 트레인은 상대적으로 컴팩트하고, 심지어 프레임 내에 완전하게 하우징된다. 부가적으로, 기어링의 수리 및 설치는 여전히 상대적으로 쉽다.
제 2 스테이지 출력 샤프트는 제너레이터(도 1에 미도시)를 유도할 수 있다. 본 발명의 범위 내에서, 윈드 터빈의 기어링이 단일 스테이지 유성 기어링으로 구성되는 것이 가능하다. 대안적으로, 기어링은 제 1 스테이지 유성 기어링 및 병렬 기어링의 제 2 스테이지를 포함할 수 있다. 또한, 기어링은 세개와 같은 두개 이상의 유성 기어 스테이지를 포함할 수 있다. 일반적으로, 만약 기어링의 더 많은 스테이지들이 포함된다면, 입력 샤프트(허브와 직접적으로 연결되거나 또는 일체로 형성되는 플래닛 캐리어)와 관련해서, 제너레이터를 구동하는 출력 샤프트의 스피드 증가가 더 높아진다. 결과적으로 출력 샤프트에 연결된 제너레이터가 더 작아질 수 있다. 기어링의 얼마나 많은 스테이지들 및/또는 기어링의 어떤 유형이 사용될 것인가에 관한 최적화, 예를 들어, 제 2 및 또 다른 스테이지들이 환경에 부합해서 당업자에 의해 판단될 수 있다. 본 발명은 임의 방법으로 이러한 관점에서 제한되지 않는다.
본 발명의 범위 내에서, 기어링의 최종 스테이지의 출력 샤프트(도 1의 실시예에서의 출력 샤프트(20))가 제너레이터를 구동하지 않고, 대신에 펌프와 같은 기계적 드라이브를 구동하는 것 역시 가능하다.
도 2는 본 발명을 따르는 윈드 터빈의 제 2 실시예의 도식화된 뷰이다. 제 2 실시예는 제 1 실시예와 일부 유사점들을 나타내고 그러므로 동일한 엘리먼트들은 동일한 참조 부호들을 사용하여 나타낸다. 도 2의 실시예에서, 유성 기어 역시 프레임(2)(도 1의 실시예에서와 꼭 같음) 내에 완전하게 하우징된다.
한가지 중요한 차이는 도 2의 실시예에서, 플래닛 캐리어(4)는 허브(1)와 일체로 형성된다는 것이다. 이것은 허브(1)를 제조하기에 더 복잡하게 할 수 있으나, 허브(1)와 플래닛 캐리어(4) 사이에 더 안전한 연결을 제공한다. 허브-플래닛 캐리어 어셈블리에서의 무게 절감 역시 이러한 구성으로 획득될 수 있다.
도 1에서 도시되지 않은 도 2의 실시예의 또 다른 특징은 제 1 스테이지의 플래닛 샤프트(6)들이 플래닛 캐리어(4)에 캔틸레버 장착된다는 것이고: 오직 플래닛 샤프트들의 일단만이 플래닛 캐리어에 회전가능하게 지지되고, 플래닛 샤프트의 다른 단은 지지되지 않는다. 단순하게 지지되는 플래닛 샤프트(6)들의 대안과 비교할 때, 캔틸레버 구성은 플래닛 기어들의 더 용이한 축방향 장착을 허용하고 플래닛 캐리어 구성의 무게를 감소시킬 수 있다. 본 실시예에서, 플래닛 기어 휠들의 수에 의존해서, 만약 언급된 플래닛 샤프트들이 플래닛 기어 휠들 사이에 개선된 부하 공유를 위한 특정 외주변 플렉싱을 허용한다면 그것은 유리할 수 있다. 일부 실시예들에서, 플래닛 샤프트들은 소위 flexpins?에 의해 형성될 수 있다. 플렉스핀들에 대한 대안들 역시 사용될 수 있다. 본 발명의 범위 내에서, 임의 적합한 수의 플래닛 기어 휠들이 각각의 스테이지에서 사용될 수 있다.
도 1에서 도시된 실시예들과 반대로, 두개의 스테이지 유성 기어링은 따라서 플래닛 샤프트(6)들이 캔틸레버 장착되는 하나의 스테이지 및 플래닛 샤프트(16)들이 단순하게 지지되는 제 2 스테이지를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예들에서, 유성 기어링 및 프레임(2) 사이의 결합(환형 기어(7, 17)들에서임)은 그것이 오직 축방향 토크만을 전달할 수 있도록, 플렉시블할 수 있다. 이것은 예를 들어, 로터 블레이드들의 무게로 인한 횡하중이 오직 프레임(2)을 통해 윈드 터빈 타워로 전달되는 이점을 가진다. 당업자는 예를 들어, 엘라스토머 부분들을 포함하는 결합들과 같은 다양한 플렉시블 결합들이 적합할 수 있다는 점을 이해할 것이다.
도 3은 본 발명을 따르는 윈드 터빈의 제 3 실시예의 도식화된 뷰이다. 제 3 실시예는 제 1 및 제 2 실시예와의 일부 유사점들을 나타내고 그러므로 동일한 엘리먼트들은 동일한 참조 부호들을 사용하여 나타낸다.
도 3에서 도시된 실시예에서, 유성 기어링의 제 1 스테이지는 복수의 기어 휠(8)들을 포함하고, 여기서 각각의 플래닛 기어 휠은 다른 반경들의 더블 기어링(8a, 8b)을 포함한다. 제 1 기어링(8a) 및 제 2 기어링(8b)은 단일 플래닛 기어 휠의 부분을 형성한다. 제 1 기어링(8a)은 제 1 스테이지 출력 샤프트(10) 상에 장착되는 썬 기어(9)와 메싱한다. 제 2 기어링(8b)은 환형 기어(7)와 메싱한다. 이러한 구성은 더 큰 스피드 증가가 단일 스테이지 내에 획득될 수 있다는 주요한 이점을 가진다.
앞서 도시된 실시예들과의 또 다른 차이는 허브(1)가 다양한 연결 포인트(5)들에서 허브에 연결되는 익스텐션(1a)을 포함한다는 점이다. 플래닛 캐리어(4)가 다양한 연결 포인트(5b)들에서 허브 익스텐션(1a)에 부착되고 따라서 허브에 여전히 작동적으로 연결된다. 플래닛 캐리어(4) 역시 이 실시예에서 프레임(2)의 말단부 부근에 위치된다. 선택적으로, 연결 포인트(5, 5b) 또는 허브 익스텐션(1a)이 적어도 엘라스틱 엘리먼트들을 포함하고, 그래서 허브(1)로부터의 원치않는 이동 또는 변형이 기어링에 전달되지 않는다. 대안적인 실시예들에서, 동일한 목적을 획득하도록, 유성 기어링의 스태틱 부분들(환형 기어(7, 17)들)과 프레임 사이의 연결은 플렉시블하다. 허브와 플래닛 캐리어 사이에 위치되는 별개의 엘리먼트를 갖는 도시된 구성은 별개의 컴포넌트들의 제조를 단순화하는 반면에 유지를 위한 기어링에 대한 접근을 보장한다.
플래닛 캐리어(4)가 두개의 별개의 엘리먼트(4a, 4b)들에 의해 이 실시예에서 형성된다. 엘리먼트들 중 하나가 허브 익스텐션(1a)의 전방에 위치되고 하나는 허브 익스텐션(1a)의 후방에 위치된다. 유성 기어링의 제 1 스테이지의 플래닛 샤프트(6)들이 다시 한번 더 캔틸레버 장착된다. 유성 기어링은 이전에 도시된 바와 유사한 제 2 스테이지를 더 포함한다. 대안적인 실시예들에서, 이러한 제 2 스테이지는 제 1 스테이지로 획득된 스피드 증가가 이미 충분하기 때문에 제거될 수 있다.
도 3에서 더 도시되는 것은 제너레이터(30)이다. 제너레이터 로터(31)가 제 2 스테이지 출력 샤프트(20)에 의해 구동된다. 제너레이터는 스테이터(32)를 더 포함한다. 도 3에서 도시된 실시예에서, 제너레이터(30)의 하우징은 프레임(2)과 일체로 형성된다. 부분들의 수는 이 방법으로 유리하게 감소될 수 있다. 대안적인 실시예들에서, 제너레이터의 하우징은 프레임으로부터 별개일 수 있고 그것은 프레임 내에 위치되거나 또는 그렇지 않을 수 있다. 만약 제너레이터의 하우징이 프레임 내에 위치되거나 또는 프레임과 일체로 형성된다면, 날씨 영향으로부터의 어떠한 별개의 커버(예를 들어, 나셀을 통함)도 필요로 하지 않는다. 이것은 나셀(나셀이 제공되는 실시예들에서임)에서의 또 다른 공간을 절감할 수 있다.
도 4에서 도시된 실시예에서, 동일한 엘리먼트들은 동일한 참조 부호들을 나타낸다. 유성 기어링의 제 1 스테이지는 이 실시예에서 역시 더블 기어링(8a, 8b)을 갖는 플래닛 기어 휠들을 포함한다. 이 실시예에서의 플래닛 캐리어(4)는 두개의 엘리먼트들을 포함한다. 대안적인 실시예들에서, 세개의 별개의 엘리먼트(4a, 4b, 4c)들의 플래닛 캐리어(8)를 제조하는 것이 가능하다.
도 3의 실시예와 반대로, 플래닛 캐리어는 어떠한 중간 부분도 갖지 않고 허브(1)에 직접적으로 부착된다. 또한 플래닛 샤프트(6)들이 플래닛 캐리어 내에 단순하게 지지된다.
도 5는 본 발명을 따르는 윈드 터빈의 여전히 또 다른 실시예를 나타낸다. 동일한 참조 부호들은 동일한 엘리먼트들을 나타내도록 사용된다. 플래닛 캐리어(4)와 허브 익스텐션(1a)을 갖는 허브(1) 사이의 연결은 도 3에서 도시된 바와 동일하다. 또한 유성 기어링의 제 1 스테이지는 플래닛 샤프트(6)들이 캔틸레버 장착되고 플래닛 기어 휠(8)들이 더블 기어링, 썬 기어(9)와 메싱하는 제 1 기어링(8a) 및 환형 기어(7)와 메싱하는 제 2 기어링(8b)을 포함한다는 관점에서 도 3에서 도시된 바와 유사하다. 허브의 회전이 제 1 스테이지 출력 샤프트(10)에 전달된다.
제 1 스테이지 출력 샤프트(10)는 제 2 스테이지 입력 샤프트로서 역할하고 제 2 스테이지 플래닛 캐리어(14)를 캐링한다. 플래닛 캐리어(14)는 지지 구조(12)에서 베어링(13)들을 통해 회전가능하게 장착된다. 플래닛 샤프트(16)들 상에 장착된 플래닛 기어 휠(18)들은 제 2 스테이지 썬 기어(19) 및 제 2 스테이지 출력 샤프트(20)에 회전을 전달한다.
제 2 스테이지 출력 샤프트(20)는 제너레이터 하우징에서 베어링(33)들을 통해 회전가능하게 장착된다. 제너레이터 로터(31)는 제 2 스테이지 출력 샤프트(20)에 의해 구동된다. 제너레이터 하우징은 허브(1)가 적합한 베어링(3)들을 통해 회전가능하게 장착되는 곳 상의 프레임(2)과 일체로 형성된다.
도 5의 구성과 도시된 이전 구성들 사이의 가장 중요한 차이는 유성 기어링의 어떠한 부분도 허브(1)가 회전가능하게 장착되는 곳 상의 프레임(2) 내에 장착되지 않는다는 점이다. 대신에, 유성 기어링의 제 2 스테이지의 컴포넌트들은 프레임(2)의 전방, 허브(1) 내에 배열된 지지 구조(40) 내에 장착된다. 전방 지지 구조(40)를 갖는 배열의 이점은 유성 기어링의 설치 및 유지 모두가 용이하고 유성 기어링에 대한 용이한 접근이 보장된다는 것이다.
지지 구조(40)는 오직 축방향 토크만을 전달할 수 있는 플렉시블 연결(15)을 통해 프레임(2)에 연결될 수 있다. 그러한 플렉시블 연결의 예들은 예를 들어, 지지(40)와 프레임(2) 사이의 축방향으로 또는 방사상으로 배열되는 엘라스토머이거나 또는 플레시블 부싱(bushing)들에 배열되는 핀들을 통한 연결일 수 있다. 본 발명의 범위 내에서, 임의 다른 결합 역시 사용될 수 있다. 오직 토크만을 전달하는 결합(15)의 이점은 지지 구조(40) 및 유성 기어링 역시 어떠한 횡하중도 캐링하지 않는다는 것이다. 예를 들어, 허브의 무게로 인한 모든 반복 하중은 오직 프레임(2)으로만 전달된다. 이것은 기어링 상의 피로 하중을 감소시키고 그것의 수명을 증가시킨다.
도 1-5의 모든 실시예들에서 유성 기어링이 본 발명의 범위 내의 동일한 제 2 스테이지를 포함함에도, 또 다른 대안들이 가능하다. 예를 들어, 유성 기어링의 제 2 스테이지는 캔틸레버 장착되는 플래닛 시프트(16)들을 포함하거나 또는 포함하지 않을 수 있다. 또한, 유성 기어링의 제 2 스테이지는 기어 휠의 두개 세트를 포함할 수 있고, 여기서 하나의 세트는 환형 기어(17)와 메싱하고 하나의 세트는 썬 기어(19)와 메싱한다.
본 발명은 또한 프레임 상의 허브를 회전가능하게 장착하도록 사용되는 베어링들의 종류에 대한 임의 방법으로 한정되지 않는다. 적합한 플루이드 베어링들, 특히 하이드로다이나믹 또는 하이드로스태틱 베어링들이 사용될 수 있다. 대안적으로, 롤러 베어링들, 더블-테이퍼링된(double-tapered) 롤러 베어링들, 또는 볼 베어링들과 같은 적합한 롤링 엘리먼트 베어링들 역시 사용될 수 있다. 베어링들은 또한 순수한 방사상 베어링들 또는 방상상 및 축방향 베어링들일 수 있다.
본 발명이 특정 바람직한 실시예들 및 예들의 문맥에서 개시됨에도, 본 발명이 다른 대안적인 실시예들 및/또는 본 발명의 사용들 및 그것의 명백한 수정들 및 등가물들로 구체적으로 개시된 실시예들을 너머서 확장하는 것이 해당 기술분야에서 당업자에 의해 이해될 것이다. 따라서 여기서 개시된 본 발명의 범위가 이전에 설명된 소정 개시된 실시예들에 의해 제한되지 않아야 하지만, 뒤이은 청구항들의 올바른 해석에 의해서만 결정되어야만 하는 것이 의도된다.
1, 110: 허브
2, 170: 프레임
3, 13, 33: 베어링
4, 14: 플래닛 캐리어
5: 연결 포인트
6, 16: 플래닛 샤프트
7, 17: 환형 기어
8, 18: 플래닛 기어 휠
9, 19: 썬 기어
10: 제 1 스테이지 출력 샤프트
12: 지지 구조
20: 제 2 스테이지 출력 샤프트
30, 160: 제너레이터
31: 제너레이터 로터
32: 스테이터
100: 윈드 터빈
120: 결합 엘리먼트
130: 로터 샤프트
140: 기어박스
180: 타워

Claims (18)

  1. 하나 이상의 블레이드를 캐링하는 허브(1), 프레임(2), 및 상기 허브(1)의 토크를 전달하기 위한 유성 기어링을 포함하는 윈드 터빈으로서,
    상기 허브(1)는 프레임(2) 상에 그것의 말단부에 또는 부근에 회전가능하게 장착되고,
    상기 허브(1)의 상기 토크가 상기 기어링의 플래닛 캐리어(4)를 통해 상기 유성 기어링에 도입되고, 상기 플래닛 캐리어(4)는 상기 프레임(2)의 상기 말단부에 또는 부근에 위치되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 플래닛 캐리어(4)는 상기 허브(1)와 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 플래닛 캐리어(4)는 상기 허브와 작동적으로 연결되는 별개의 컴포넌트인 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 허브(1)와 상기 플래닛 캐리어(4) 사이의 연결(5, 5b)은 오직 축방향 토크만이 상기 플래닛 캐리어로 전달되도록 적어도 하나의 엘라스틱 엘리먼트를 포함하는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    유성 기어링의 스태틱 부분들은 상기 프레임(2)에 플렉시블하게 결합되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유성 기어링은 단일 스테이지 유성 기어링이고, 상기 단일 스테이지 유성 기어링은 플래닛 샤프트(6)들 상에 복수의 플래닛 기어 휠(8)들을 캐링하는 플래닛 캐리어(4), 환형 기어(7) 및 센트럴 썬 기어(9)를 포함하는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유성 기어링은 두개 이상의 스테이지를 포함하고, 상기 유성 기어링의 각각의 스테이지는 플래닛 샤프트(6, 16)들 상에 복수의 플래닛 기어 휠(8, 18)들을 캐링하는 플래닛 캐리어(4, 14), 환형 기어(7, 17) 및 센트럴 썬 기어(9, 19)를 포함하는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유성 기어링은 제너레이터(30)로 상기 허브(1)의 상기 토크를 전달하고, 상기 제너레이터(30)는 상기 프레임(2) 내에 하우징되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제너레이터(30)의 상기 하우징은 상기 프레임(2)과 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유성 기어링의 적어도 하나의 스테이지의 상기 플래닛 샤프트(6, 16)들은 상기 플래닛 캐리어(4, 14)에서 캔틸레버 지지되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 스테이지의 상기 플래닛 샤프트(6, 16)들은 외주변 플렉싱을 허용하는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
  12. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유성 기어링의 적어도 하나의 스테이지의 상기 플래닛 샤프트(6, 16)들은 상기 플래닛 캐리어에서 단순하게 지지되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
  13. 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유성 기어링의 적어도 하나의 스테이지의 상기 플래닛 캐리어(4, 14)는 복수의 플래닛 기어 휠(8, 18)들을 캐링하고, 각각의 플래닛 기어 휠(8, 18)은 상기 스테이지의 상기 환형 기어(7, 17) 및 썬 기어(9, 19) 모두와 메싱하는 단일 기어링을 포함하는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
  14. 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유성 기어링의 적어도 하나의 스테이지의 상기 플래닛 캐리어는 복수의 플래닛 기어 휠(8a, 8b)들을 캐링하고, 각각의 플래닛 기어 휠(8a, 8b)은 다른 반경의 더블 기어링, 상기 썬 기어(9)와 메싱하는 제 1 기어링(8a) 및 상기 환형 기어(7)와 메싱하는 제 2 기어링(8b)을 포함하는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
  15. 제 10항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서,
    유성 기어링의 상기 적어도 하나의 스테이지는 상기 유성 기어링의 제 1 스테이지인 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
  16. 제 1항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유성 기어링은 상기 프레임(2) 내에 완전하게 하우징되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
  17. 제 1항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유성 기어링의 적어도 하나의 스테이지는 지지 구조(40) 내에 완전하게 하우징되고, 허브(1) 내에 배열되며 상기 프레임(2)에 플렉시블하게 연결되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
  18. 제 1항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 허브(1)는 플루이드 및/또는 롤링 엘리먼트 베어링들을 통해 상기 프레임(2) 상에 회전가능하게 장착되는 것을 특징으로 하는 윈드 터빈.
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