KR20120042962A - 풍력 터빈 메인 베어링 - Google Patents

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KR20120042962A
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KR1020127003660A
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피에르-앙투안 게렌부르
나이젤 뉴
제이슨 스테지
킴 톰센
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지멘스 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 풍력 터빈(10)의 샤프트(13)를 지지하도록 실현된 풍력 터빈 메인 베어링(1)으로서, 상기 샤프트는 당해 샤프트(13)에 연결된 다수의 블레이드(11)에 의해 회전하게 되는, 풍력 터빈 메인 베어링을 개시하며, 상기 풍력 터빈 베인 베어링(1)은 상기 샤프트(13)를 중심으로 배열된 복수의 베어링 패드(2)를 가진 유체 베어링(1)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명은 샤프트(13)에 연결되어 상기 샤프트(13)를 회전시키도록 실현된 다수의 블레이드(11)를 포함하는 풍력 터빈(10)을 개시하며, 상기 풍력 터빈(10)은 메인 베어링(1)으로서 풍력 터빈 메인 베어링(1)을 포함한다. 또한, 본 발명은 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 풍력 터빈(10)의 정비 방법을 개시하며, 상기 풍력 터빈의 정비 방법은 샤프트(13)의 회전을 정지시키는 단계; 상기 샤프트(13)를 들어올리기 위해 리프팅 장치(22)를 작동시키는 단계; 및 상기 풍력 터빈 메인 베어링(1)의 베어링 하우징(3)으로부터 풍력 터빈 메인 베어링(1)의 베어링 패드(2)를 제거하는 단계;를 포함한다.

Description

풍력 터빈 메인 베어링{WIND TURBINE MAIN BEARING}
본 발명은 풍력 터빈 메인 베어링을 개시하고 있다. 또한, 본 발명은 풍력 터빈 메인 베어링을 가진 풍력 터빈과, 풍력 터빈에 대한 정비 수행 방법을 개시하고 있다.
전력을 생산하기 위해 풍력 에너지 컨버터('윈드 제너레이터(wind generators)'라고도 함)에 사용되는 풍력 터빈은 재생가능한 소오스로부터 에너지를 얻는다는 면에서 중요한 기여를 하고 있다. 풍력 에너지 컨버터는 내륙에, 즉 지상에, 또는 연안에, 즉 해안 지역에 건설될 수 있다. 내륙의 풍력 터빈은 그 위치에 따라 약한 바람이 장기간 계속될 수 있고, 따라서, 상대적으로 출력이 더 낮은 반면, 바다에서는 바람의 조건이 일반적으로 좋기 때문에, 연안의 풍력 터빈이 내륙의 풍력 터빈보다 성능면에서 우월하다. 이러한 이유로 인하여, 더 많은 수의 연안 터빈이 건설되고 있으며, 그 수는 미래에도 증가할 것으로 예상된다. 더 새로운 풍력 터빈의 대형화된 크기와 함께 이러한 발전은 서비스가용성(serviceability)과 강인성(robustness)에 대한 더 큰 요구로 이어진다. 명백한 이유로 인하여, 연안의 터빈은 내륙의 터빈 또는 지상의 터빈보다 정비 비용이 더 많이 소요된다.
여러 가지 다양한 유형의 풍력 터빈 또는 풍력 에너지 컨버터가 현재 사용되고 있다. 많은 풍력 터빈들은 일단에 허브와 블레이드를 갖고 타단에 기어박스를 가진 메인 샤프트를 이용하고 있으나, 대안적인 디자인이 존재하고 있다. 예를 들면, 베스타스 3MW V90은 조합된 메인 베어링 및 기어박스를 사용하며, 즉 메인 베어링에 기어박스가 일체로 되어 있으며, 이에 따라 메인 샤프트를 갖지 않는다. 다른 유형의 풍력 터빈은 기어박스를 갖지 않으며, 제너레이터는 저속으로 회전한다. 이러한 풍력 터빈을 "다이렉트 드라이브 제너레이터(direct drive generators)"라 하며, 그러한 메인 샤프트를 갖지 않는다. 이러한 종래 기술의 풍력 터빈은 로터와 블레이드, 그리고, 상기 풍력 터빈이 갖고 있다면, 메인 샤프트를 지지하기 위한 메인 베어링으로서 롤링 요소 베어링을 사용한다.
전형적인 정비상의 문제는 고장난 베어링, 특히 풍력 터빈의 크기와 바람의 조건에 따라 매우 큰 동적 하중을 지지하여야만 하는 메인 베어링의 교체이다. 메인 베어링에 대한 하중은 블레이드, 허브 및 메인 샤프트의 조합된 질량과, 풍속에 의해 주로 결정된다. 이와 같이 큰 동적 하중은 풍력 터빈에서 그에 대응하는 큰 동적 샤프트 변형을 유발한다. 풍력 터빈의 최대 회전 속도는 터빈의 크기와, 그에 따른 블레이드의 크기에 의해 결정된다. 대형 블레이드를 가진 대형 터빈은 더 낮은 최대 회전 속도를 제공한다. 예를 들면, 기존의 2.0㎿ 터빈은 19rpm의 최대 회전 속도를 갖는 반면, 3.6㎿ 터빈의 최대 회전 속도는 단지 13rpm이다. 이와 같은 저속에서, 메인 샤프트와 메인 베어링에 가해지는 동적 하중은, 특히, 강력한 바람 조건에서 매우 클 수 있으며, 베어링에 대해 가해지는 대략 2MN(메가 뉴턴) 이상의 합력이 빈번하다. 기동(start-up) 또는 정지(shut-down)시 조건은 보다 더 중요할 수 있는데, 그 이유는 회전 속도가, 예를 들면, 5rpm 미만으로 극히 낮고, 샤프트와 메인 베어링 간의 마찰이 더 커지기 때문이다. 명백하게, 풍력 터빈의 크기가 증가함에 따라 베어링 하중이 증가하게 된다. 대형 롤링 요소 베어링은 재료의 품질에 대해 매우 민감하고, 정확한 취급과 윤활이 필요하다는 문제와 복합된 상기 작동 조건은 롤러 베어링 또는 볼 베어링을 요구 수명 동안 더 쉽게 고장나게 만든다.
대형 풍력 터빈은 그 전체적인 시스템 경제성이 우수하여 바람직하기 때문에, 상기 베어링의 수명과 성능이 풍력 터빈, 특히, 연안 풍력 터빈의 설계에서 더 중요한 양태가 되고 있다. 통상의 롤러 베어링은 수많은 문제점과 연관되어 있다. 임의의 불규칙성이 재료의 파손으로 곧바로 이어질 수 있기 때문에, 롤러 베어링은 고도의 정밀도로 기계 가공되어야만 한다. 풍력 터빈의 메인 베어링에 롤러 베어링 시스템의 사용을 반대하는 다른 중요한 논거는 그 정비와 관련한 곤란성이다. 슬라이딩 베어링 또는 저널 베어링과 같은 대체물은 롤러 베어링 보다 소음과 진동에 대해 덜 민감하지만 상대적으로 유연한 터빈 구조물로 인해 발생할 수 있는 에지 하중에 대한 그들의 비내성(intolerance) 때문에 또한 적합하지 않다. 드라이브 트레인을 먼저 분해하지 않고, 이러한 베어링 또는 베어링 부품을 교환하는 것은 불가능하다. 터빈으로부터 허브, 블레이드, 샤프트 및 베어링을 들어올리기 위해서는 적절하게 대형인 외부 크레인이 필요하다. 그 후, 베어링이 해체되어 교체될 수 있으며, 부품들은 조립을 위해 다시 제자리에 들어올려져야만 한다. 필요한 리프팅 용량을 가진 외부 크레인은, 특히, 선박으로 외부 크레인이 (좋은 날씨 조건에) 운반되어야만 하는 연안 풍력 터빈에 대해서는 상당한 추가 비용을 제시한다.
특히, 연안에 위치한 풍력 에너지 컨버터에서의 이러한 정비 과정은 당업자가 이해하는 바와 같이 고비용이며 시간소모적이다. 또한, 이러한 정비는 저풍속 조건일때만 실시될 수 있다. 그러나, 연안 위치에서, 저풍속 조건은 드물 수 있다. 따라서 손상된 베어링을 갖는 터빈은 풍속이 떨어질 때까지 장기간 정지되어야만 하며, 이 기간동안 터빈은 발전을 위해 사용될 수 없다.
간략하게, 현재의 베어링 시스템은 풍력 터빈에서 메인 베어링으로서 사용될 때 긴 수명과 적은 정비의 요건을 만족스럽게 충족하지 않는다.
따라서, 본 발명의 목적은 전술한 문제점을 회피한 풍력 터빈용 개선된 베어링을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 청구항 제 1 항에 따른 풍력 터빈 메인 베어링, 청구항 제 12 항에 따른 풍력 터빈, 청구항 제 15 항에 따른 풍력 터빈의 정비 수행 방법, 및 청구항 제 16 항에 따른 풍력 터빈에서 메인 베어링으로서의 유체 베어링의 용도에 의해 실현된다.
본 발명에 따른 풍력 터빈 메인 베어링은 풍력 터빈의 샤프트를 지지하도록 실현되며, 상기 샤프트는 당해 샤프트에 연결된 다수의 블레이드에 의해 회전하게 되고, 상기 풍력 터빈 메인 베어링은 상기 샤프트를 중심으로 배열된 복수의 베어링 패드를 가진 유체 베어링을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 상기 풍력 터빈 메인 베어링은 샤프트, 허브, 블레이드 등의 조합된 중량과, 이들에 가해지는 동적 하중을 지지하는데 특히 적합하다. 제약의 조합으로 인하여, 샤프트의 허용가능한 최대 회전 속도는 낮다. 본 발명에 따른 풍력 터빈 메인 베어링은 5rpm 내지 25rpm, 바람직하게는 5rpm 내지 20rpm, 가장 바람직하게는 5rpm 내지 15rpm의 범위의 속도로 샤프트를 회전시키도록 이루어진 풍력 터빈에서 사용하기 위해 실현되었으며 그에 대응하는 크기를 갖는다.
유체 베어링은 일반적으로는 오일인 얇은 액체층으로 하중을 전부 지지하는 베어링이다. 이하에서, 용어 '풍력 터빈 메인 베어링'과 '유체 베어링'은 본 발명을 어떠한 방식으로도 제한하지 않고 교환하여 사용될 수 있다. 유체 베어링은 수력 전기 발전에 사용되는 것과 같은 터빈으로부터 공지되어 있다. 또한, 유체 베어링은 선박 엔진 및 잠수함 프로펠러 샤프트와 같은 해양 분야에서 사용될 수도 있다. 그러나, 이러한 응용분야에서 사용되는 터빈은 고속 저하중 응용예이다. 즉, 로터는 수백 rpm의 고속으로 회전하는 반면, 메인 베어링에 가해지는 하중은 보다 일정한 물의 유동 특성으로 인하여 일반적으로 낮고 일정하며, 이에 따라, 터빈은 기동 또는 중지 과정을 매우 드물게 겪게 된다. 그러나, 풍력 에너지 컨버터에서는, 낮은 회전 속도, 높은 하중 및 빈번한 기동 및 중지를 포함한 작동 조건이 서두에 언급한 바와 같이 매우 상이하다. 이러한 이유들로 인하여, 내륙과 연안에서 사용되는 종래 기술의 풍력 터빈들은 메인 베어링으로서 유체 베어링을 사용하지 않았으며, 롤러 베어링과 같은 통상적인 베어링에 의존하고 있다.
따라서, 유리하게, 본 발명에 따른 풍력 터빈용 유체 베어링은 통상적인 롤러 베어링보다 베어링 고장에 덜 민감하면서 정비가 상당히 용이한 보다 적합한 유형의 베어링을 제공한다. 롤러 베어링의 경우에 당해 베어링에 접근하기 위해 반드시 행해져야 했던 드라이브 트레인의 분해를 필요로 하지 않고, 예를 들면 유체 베어링의 패드가 비교적 용이하게 제거 또는 삽입될 수 있다.
이하에서, 본 발명을 어떠한 방식으로도 제한하지 않고, 용어 '풍력 터빈'은 내륙 또는 연안의 풍력 에너지 컨버터를 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 본 발명에 따른 풍력 터빈은 메인 샤프트와 기어박스를 포함할 수 있거나, 다이렉트 드라이브 제너레이터일 수 있으므로, 용어 '샤프트'와 '메인 샤프트'는 본 발명을 어떠한 방식으로도 제한하지 않고 교환하여 사용될 수 있으며, 메인 베어링에 의해 지지되는 회전 부품을 지칭하고자 하는 것이다.
본 발명에 따른 풍력 터빈은 그 메인 베어링으로서 유체 베어링을 포함하며, 상기 유체 베어링은 풍력 터빈의 로터 샤프트를 중심으로 배열된 복수의 베어링 패드를 포함한다.
본 발명에 따른 풍력 터빈에서, 나머지 패드들이 하중을 계속 지지하고 있는 동안에, 개별 패드가 제거되거나 삽입될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 풍력 터빈에서 이러한 유체 베어링의 정비가, 서두에서 언급한 바와 같이, 먼저, 크레인에 의해 드라이브 트레인이 들어올려진 다음 베어링에 접근하기 위해 분해되어야 하는 롤러 베어링의 비교할만한 정비보다 상당히 용이하고 신속하다. 따라서, 본 발명에 따른 풍력 터빈의 유체 베어링은 종래 기술의 풍력 터빈에서 현재까지 사용된 통상적인 유형의 베어링보다 더 견고하기 때문에, 그와 같은 풍력 터빈의 정비가 덜 필요하고, 정비가 필요할 때에도 신속하고 힘들지 않게 이루어질 수 있다. 이러한 이유들로 인하여, 본 발명에 따른 풍력 터빈은 연안 위치용에서 특히 유리하다. 유체 베어링은 고정밀도의 기계가공이 필요한 통상적인 롤러 베어링 보다 제조가 간단하고 경제적이기 때문에, 본 발명에 따른 풍력 터빈은 내륙 위치용에 대해서도 명백하게 매력적이다.
본 발명에 따라, 이러한 풍력 터빈의 정비 수행방법은 샤프트의 회전을 정지시키는 단계, 상기 샤프트를 들어올리기 위해 리프팅 장치를 작동시키는 단계, 및 풍력 터빈 메인 베어링의 베어링 하우징으로부터 풍력 터빈 메인 베어링의 베어링 패드를 제거하는 단계를 포함한다. 이와 같이 매우 간단한 방법은, 터빈으로부터 허브, 블레이드, 샤프트 및 베어링을 해체하여 들어올리기 위해 외부 크레인이 필요하며 메인 베어링으로서 롤러 베어링을 가진 종래 기술의 풍력 터빈에서 필요한 훨씬 더 복잡한 정비 과정에 비해 우수하다. 그 후, 종래 기술의 상기 베어링은 교체될 수 있으며, 모든 부품들은 조립을 위해 다시 제위치로 들어올려져야만 한다. 본 발명에 따른 방법에서, 베어링 패드는 드라이브 트레인을 분해하지 않고 베어링 하우징으로부터 용이하게 제거될 수 있다. 본 발명에 따른 방법의 명백한 장점은 큰 리프팅 용량을 가진 고가의 외부 크레인이 필요하지 않기 때문에 비용을 절감할 수 있다는 것이다. 또한, 드라이브 트레인을 분해하지 않고, 본 발명에 따른 메인 베어링에 대한 정비가 용이하게 이루어질 수 있기 때문에, 안정적인 저풍속의 날씨 조건이 정비시 절대적으로 요구되지 않는다. 따라서, 정비 과정중 풍력 터빈이 장시간 정지될 위험이 매우 바람직하게 감소된다.
본 발명의 특히 유리한 실시예와 특징들이 이하 설명에서 드러나는 바와 같이 종속항에 의해 제시되어 있다.
풍력 에너지 컨버터의 출력은 그 크기에 크게 좌우된다. 일반적으로, 긴 블레이드 및 그에 따라 대형의 메인 샤프트를 가진 풍력 터빈은 더 많은 전력을 생산할 수 있다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 풍력 터빈 메인 베어링은 적어도 40㎝, 더 바람직하게는 적어도 50㎝, 및 가장 바람직하게는 적어도 80㎝의 (메인 베어링의 영역에서) 직경을 가진 샤프트를 지지하도록 실현되었다. 상기 메인 베어링은 일반적으로 샤프트의 최대 직경 주위에 배치되며, 일반적으로 허브 단부에 배치된다(상기 직경은 기어박스 단부로 갈수록 현저히 감소될 수 있다). 예를 들면, 1.3MW 풍력 터빈은 메인 베어링에서 약 55㎝의 샤프트 직경을 가질 수 있는 반면, 2.3MW 풍력 터빈은 메인 베어링에서 약 80㎝의 샤프트 직경을 가질 수 있다. 3.6MW 풍력 터빈의 메인 베어링에서 샤프트는 심지어 100㎝ 또는 그 이상의 직경을 가질 수도 있다. 본 발명에 따른 유체 베어링은 이와 같이 대형 터빈의 하중 뿐만 아니라 작동 과정에서 가해지는 모든 동적 하중을 지지하기에 특히 충분히 적합하다. 메인 베어링으로서 사용되는 본 발명에 따른 유체 베어링은, 예를 들면, 기어박스 내부 또는 기어박스를 지나서 직경이 훨씬 더 작은 드라이브 조립체의 일부를 위해 통상의 유체 베어링이 설치될 수 있는 일부 풍력 터빈에서 다른 용도로 사용되는 통상의 유체 베어링과 혼동되어서는 안 된다. 이러한 유체 베어링의 예가 메인 메탈 인터네셔널 아게에 의해 제조된 유체역학적 "노릭스라거(Norixlager)"이며, 이는 최대 6㎝의 내경을 갖고, 기어박스 또는 제너레이터에서 고속회전용이다. 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 이러한 통상적인 유체 베어링들은 풍력 터빈에서 메인 샤프트가 회전하는 낮은 회전 속도로 작동하도록 설계되지 않았으며, 풍력 터빈에서 발생하는 변형을 견딜 수 없다.
바람직하게, 상기 유체 베어링의 베어링 패드는 외부 수용 구조물 또는 메인 베어링 하우징 내에 배열된다. 상기 베어링 패드는 이하에서 "패드 배열구조(pad arrangement)"로 포괄적으로 인용될 수 있다. 바람직하게, 상기 베어링 하우징은 베어링을 윤활시키기 위해 사용되는 유체를 수용하도록 또한 실현될 수도 있다. 이러한 유체는, 예컨대, ISO VG 46 내지 ISO VG 460의 점도를 가진 적당한 오일 또는 윤활제일 수 있다.
이상적인 조건하에서, 풍력 에너지 컨버터의 블레이드는 로터가 그 중앙 종축을 중심으로 원활하게 회전하도록 한다. 그러나, 일부 횡력이 로터 샤프트에 가해질 수도 있으며, 상기 로터 샤프트는 큰 동적 하중으로 인해 어느 정도 움직이고 휘어질 수 있으며, 바람직하게, 유체 베어링의 베어링 패드는 이러한 운동을 조절할 수 있어야 한다. 따라서, 본 발명에 따른 유체 베어링은 베어링 패드가 샤프트의 변형을 반영하기 위해 기울어질 수 있도록 바람직하게 실현된다. 외측 베어링 하우징 내에 베어링 패드를 기울어질 수 있도록 장착하는 많은 방법들이 존재한다. 예를 들어, 베어링 패드와 외부 수용 구조물이, 예컨대, 베어링 하우징에 베어링 패드를 결합하는 가요성 커넥터에 의해, 근본적으로 "단일체(one piece)" 방식으로 실현될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 유체 베어링의 베어링 패드는 베어링 하우징에 베어링 패드를 기울어질 수 있게 연결하는 피벗 베어링을 포함한다. 상기 피벗 베어링은 각각의 베어링 패드에 대한 볼 앤 소켓 장치를 포함할 수 있으며, 이에 따라, 상기 베어링 패드의 외표면이 소켓을 포함하고, 상기 "볼" 또는 반구는 외부 수용 구조물의 일부가 된다. 이러한 유형의 유체 베어링은 '틸팅 패드(tilting-pad) 유체 베어링'이라고도 한다. 이하에서, 간명함을 위하여, 용어 '유체 베어링'과 '틸팅 패드 유체 베어링'은 본 발명을 어떠한 방식으로도 제한하지 않고 교환하여 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 유체 베어링의 베어링 패드는 대칭 형상일 수 있다. 대안적으로, 비대칭 형상이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 베어링 패드의 횡단면이 근본적으로 '부등변' 삼각형 형상을 나타낼 수 있다. 이러한 베어링 패드의 형상은 작동중 베어링 패드가 메인 샤프트에 가해지는 동적 하중을 더 양호하게 수용할 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 유체 베어링은 유체정역학적 및/또는 유체동역학적 베어링으로서 실현될 수 있다. 유체동력학적 베어링으로서 작동하는 동안, 로터가 운동하고 있을 때, 윤활제가 베어링 패드 아래로 인출되며, 상기 베어링 패드는 유체 압력으로 인해 약간 기울어진다. '기울어짐'의 정도는 회전 속도와 하중에 따라 좌우된다. 윤활제 또는 유체가 베어링 패드 아래로 인출될 때, 가압된 유체의 '웨지(wedge)'가 베어링 패드와 로터 사이에 발생하게 된다.
또한, 이러한 유체동역학적 베어링은 베어링 패드 아래에 충분한 윤활제가 인출될 때까지 샤프트와 베어링 패드 간의 높은 마찰로 인하여 기동시 마모가 증가할 수 있다. 이러한 기동 마찰은 베어링의 수명을 감소시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 유체 베어링은 유체정역학적 베어링으로서 실현되고, 바람직하게는, 베어링 패드의 내표면에 위치된 다수의 공동을 가진 베어링 패드를 포함하며, 상기 공동은 베어링 패드의 내표면에 유체 윤활제를 분사하기 위한 유체 입구를 포함한다. 이러한 방식으로, 상기 윤활제는 매우 높은 압력하에서 베어링 패드 아래의 메인 샤프트의 표면으로 직접 분사될 수 있으며, 이에 따라, 이 두 표면 사이에 윤활제 층을 압박하여, 메인 샤프트가 심지어 기동시에도 바람직하게 낮은 마찰 하에서 운동할 수 있도록 한다. 상기 베어링 패드와 메인 샤프트 사이로 분사된 고압 유체가 베어링 패드를 상승하게 하고, 유체 막으로 지지되도록 함으로써, 상기 압력이 패드 위에 더욱 균일하게 분포되며, 그 결과, 상기 베어링 패드의 내하중 능력이 증대된다. 궁극적으로, 이는 베어링의 수명을 연장할 수 있고, 정비하는 수고를 저감시킨다. 이하에서, 상기 공동을 '포켓' 또는 '리세스'라고도 할 수 있다.
상기 베어링 패드와 메인 샤프트 사이의 유체로 인해 상기 베어링 패드의 내표면 위에서의 압력 분포가 균일하지 않지만, 베어링 패드의 '뒷전(trailing edge)'를 향한 영역에 최고 압력 영역을 나타내며, 이는 샤프트와 패드의 상대 회전으로 인해 유발된다. 따라서, 본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 베어링 패드의 내표면 상의 공동 또는 포켓의 위치는 베어링 패드의 내표면에서의 상대 압력 분포에 기초하여 선택된다. 이러한 방식으로, 베어링 표면의 바람직한 위치에 오일의 분사가 이루어질 수 있다. 가장 바람직하게, 공동 또는 포켓의 위치는 베어링 패드의 내표면에서 상대 압력이 낮은 영역과 일치하거나 대응하며, 이에 따라, 이러한 공동으로 유체가 분사될 때, 베어링 패드의 내표면 위에서 유체의 전체 압력이 보다 균일하게 분포하게 된다. 상기 저압 영역은, 베어링 패드 위에서의 압력 프로파일을 계산하고, 이 압력 프로파일을 다수의 '등압선(isobar contours)'으로 변환하며, 베어링 패드 내표면에 대한 저압 등압선의 위치를 결정함으로써, 결정될 수 있다. 그 후, 바람직하게, 상기 공동이 등압선을 따라 베어링 패드 내표면에 형성될 수 있으며, 더 바람직하게, 상기 등압선은 저압 영역에 대응하거나, 그들과 적어도 부분적으로 일치한다. 그 후, 유체가 베어링 패드의 내표면에 보다 최적하게 분사될 수 있다. 예를 들어, 근본적으로 직사각형인 베어링 패드 내표면의 외측 코너 영역에 4개의 공동이 배열된 경우, 풍력 터빈의 기동시 및/또는 작동중에 이들 공동으로 분사된 유체는 베어링 패드 내표면 위에서 본질적으로 균일한 압력 분포를 유발하고, 이에 따라, 상기 베어링 패드에 의해 지지되는 하중이 보다 균일하게 분포하게 된다.
명백하게, 본 발명에 따른 풍력 터빈에 사용하기 위한 유체 베어링은 하이브리드 베어링으로서 실현될 수 있으며, 하나 또는 그 이상의 패드는 고온에서 유체를 분사하기 위한 전술한 바와 같은 공동을 포함하고, 회전하는 메인 샤프트의 자유면의 유체가 상기 베어링 패드 아래로 또한 인출된다.
상기 베어링 패드를 위해 사용되는 재료는 풍력 터빈의 의도한 기능과 그 크기에 기초하여 선택될 수 있으며, 예를 들어, 풍력 터빈이 작동하게 되는 조건과 미래의 위치에 따라 좌우될 수 있다. 예를 들면, 고출력의 발전용이며 그에 따른 크기를 가진 풍력 터빈에서, 로터에 의해 베어링에 가해지는 하중은 약 2MN으로서 매우 높을 수 있다. 이 하중이 미리 계산될 수 있으며, 그에 따라 재료가 선택될 수 있다. 베어링의 재료의 예는 경화되거나 폴리싱된 스틸, 또는 화이프 메탈로 이루어진 박막을 가진 스틸('바비트'(Babbitt) 또는 '바비트 금속'이라고도 함)일 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에서, 베어링 패드의 내표면은 낮은 탄성 계수를 가진 폴리머 라이닝을 포함하며, 예를 들면, PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌), PVDF(폴리비닐리덴 플로오라이드), POM(폴리옥시메틸렌), PEEK(폴리에스터 에테르 케톤) 등과 같은 재료를 포함한다. 이 재료들은 바람직한 안정성과 강성을 나타내며, 경량이고, 낮은 마찰 상수를 가지며, 손상되지 않고 오일에 침지될 수 있다. 이러한 특성을 가진 폴리머는 압력을 받는 동안 약간 변형하고, 이에 따라 베어링이 더 많은 '탄력성(give)'을 갖기 때문에, 베어링의 내표면으로서 이러한 재료를 사용하는 것은 유리할 수 있다. 이는 더 양호한 유체 막 두께가 유체동역학적 작동 중에 생성될 수 있도록 한다. 폴리머 층의 두께는 유체 베어링의 사용 조건과, 베어링 패드의 크기에 따라 좌우될 수 있다. 유체정역학적 베어링에 있어서, 전술한 공동은 폴리머 라이닝에 절삭(cut into)될 수 있거나, 폴리머 라이너로부터 절단(excised)될 수 있다.
풍력 터빈용 유체 베어링의 패드 배열구조는 로터에 대해 적당하게 배열되고 외부 수용 구조물에 의해 적소에 유지된 수개의 베어링 패드를 포함할 수 있다. 바람직하게, 적어도 3개의 베어링 패드가 링형상 또는 환형 배열구조로 로터 샤프트를 중심으로 배열된다. 예를 들어, 환형 배열구조는 이미 전술한 바와 같이 피벗 베어링과 같은 적당한 베어링에 의해 적소에 유지되고 로터를 중심으로 본질적으로 등간격으로 배열된 3개의 베어링 패드를 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 바람직한 실시예에서, 상기 패드 배열구조는 로터 샤프트를 중심으로 배열된 베어링 패드의 2개 또는 그 이상의 환형 배열구조를 포함한다. 그 경우, 예를 들면, 각각 3개의 베어링 패드를 가진 2개의 이러한 환형 배열 구조를 이용하면, 하중이 6개의 모든 베어링 패드 위에 분포되므로, 더 소형의 베어링 패드를 충분히 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 풍력 터빈의 다른 바람직한 실시예에서, 상기 풍력 터빈은 베어링 하우징의 하단 영역에서 베어링 패드의 제거, 삽입 또는 정비를 용이하게 하기 위하여 메인 베어링에 대한 하중을 저감하도록 메인 샤프트와 같은 관련 부품을 들어올리기 위한 잭(jack)과 같은 리프팅 장치를 포함한다. 당업자가 이해하는 바와 같이 이와 같이 간단한 잭은 풍력 터빈 나셀 하우징에 매우 용이하게 설치된다. 이러한 잭을 이용하면, 메인 샤프트와 로터가 들어올려져 고정될 수 있으며, 이에 따라, 하중을 지지하고 샤프트를 안정적으로 유지하게 된다. 이 때, 베어링 패드는 더 이상 어떠한 하중도 받지 않기 때문에, 1회의 작업으로 용이하게 교체될 수 있다. 링 배열구조에 3개 또는 그 이상의 패드가 존재한다면, 정비 과정중 한번에 1개의 패드가 제거될 수 있는 반면에, 나머지 패드들은 샤프트 또는 로터를 계속 지지한다. 적어도 3개의 패드를 링 배열구조로 사용하는 것이 유리한데, 그 이유는 1개의 베어링 패드가 제거되는 동안에 적어도 2개의 패드가 샤프트를 지지하는데 이용될 수 있기 때문이다. 베어링 하우징의 상단 영역의 베어링 패드는, 샤프트가 회전하지 않을 때, 하단 영역의 패드에 의해 샤프트의 중량이 지지되기 때문에, 메인 샤프트를 들어올리지 않고 용이하게 제거될 수 있다.
메인 샤프트를 가진 풍력 터빈은 하나 또는 그 이상의 베어링을 가질 수 있으며, 예를 들어, 하중이 가장 큰 허브 단부에 위치된 본 발명에 따른 유체 베어링을 포함한 메인 베어링과, 상기 메인 샤프트의 타단을 지지하는 기어박스 내의 통상적인 롤러 베어링을 가질 수 있다. 풍력 터빈의 작동중, 바람의 조건에 따라, 샤프트에도 축하중이 가해질 수 있다. 재료의 손상을 피하기 위해, 바람직하게, 풍력 터빈은 예를 들면 샤프트를 중심으로 배열되고 상기 샤프트의 축방향 운동을 수용하도록 실현된 다수의 스러스트(thrust) 베어링을 포함한다. 이러한 축하중은 일반적으로 '하류' 방향으로, 즉 허브로부터 멀어지는 방향으로 샤프트를 따라 가해진다. 이러한 스러스트 베어링 패드도 또한 기울어질 수 있도록 실현될 수도 있다. 역방향으로 우발적으로 가해질 수 있는 하중을 흡수하기 위해, 바람직하게, 풍력 터빈은 메인 샤프트의 전면 단부에, 예를 들면, 메인 베어링과 허브 사이의 적당한 위치에 '범프 스톱(bump stop)'을 또한 포함한다.
본 발명의 다른 목적과 특징들은 첨부도면을 참조한 하기의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다. 그러나, 도면은 단지 예시를 목적으로 한 것이며 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것이 아님을 이해하여야 한다.
도 1은 예시적인 통상의 풍력 터빈의 기본 요소들을 도시한 개략도이고,
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에서 풍력 터빈의 관련 부품의 횡단면과 종단면을 개략적으로 도시하고 있으며,
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에서 풍력 터빈의 관련 부품의 횡단면을 개략적으로 도시하고 있고, 정비를 위해 제거된 베어링 패드와 베어링 하우징을 나타내고 있으며,
도 4는 도 3의 횡단면을 도시한 분해도로서, 정비를 위해 해체된 베어링 하우징의 부품을 나타내고 있고,
도 5는 유체동력학적 틸팅 패드 유체 베어링을 위한 베어링 패드의 내표면에서의 3차원 압력 분포를 2차원으로 나타낸 도면이며,
도 6은 도 5의 압력 분포를 베어링 패드의 내표면을 나타내는 표면에 매핑(mapping)한 등압선도이고,
도 7은 도 6의 등압선 매핑에 기초한 베어링 패드의 내표면에서 가능한 공동의 위치를 도시한 도면이며,
도 8은 도 7에 개시된 기술을 이용하여 베어링 패드의 내표면에 위치된 공동을 가진 베어링 패드를 도시한 도면이고,
도 9는 샤프트가 정지하고 있을 때 도 8의 베어링 패드의 내표면에서 3차원 압력 분포를 2차원으로 나타낸 도면이며,
도 10은 샤프트가 회전하고 있을 때 도 8의 베어링 패드의 내표면에서 3차원 압력 분포를 2차원으로 나타낸 도면이고,
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체 베어링에서 베어링 패드의 제 2 배열구조를 도시한 개략도이다.
도면에서, 전체적으로 동일한 구성요소는 동일한 참조번호로 표시하였다. 도면들에서 구성요소들이 반드시 축척에 맞게 도시되어 있는 것은 아니다.
도 1은 예시적인 종래 기술의 풍력 터빈(20)의 기본 요소들을 도시한 개략도이며, 이 경우에서, 하우징(200) 내에 드라이브 트레인과 기어 박스를 가진 풍력 터빈의 나셀 배열구조가 타워(201)에 의해 지지되어 있다. 명료함을 위하여, 관련 요소들만 도시하였다.
꼭 그런 것은 아니지만 일반적으로 갯수가 3 개인 풍력 터빈(20)의 블레이드(11)가 피치 베어링(120)에 의해 허브(12) 또는 스피너(spinner)(12)에 부착되며, 예를 들어 폭풍이 부는 조건 중에 상기 피치 베어링에 의해 브레이드(11)가 접힐 수 있다. 정상 작동중일 때, 바람이 블레이드(11)에 압력을 가하면, 이는 스피너(12)와 부착된 메인 샤프트(13)의 회전을 유발하게 된다. 회전 에너지는 기어박스(14)와 제너레이터(140)를 이용하여 전기 에너지로 변환된다. 에너지의 변환에 대한 세부 내용은 본 발명과 관련이 없으므로, 더 구체적으로 설명하지 않는다. 메인 샤프트(13), 기어박스(14) 등을 포함한 드라이브 조립체가 나셀 베드플레이트(bedplate)(17)에 장착된다. 나셀 하우징(200)의 내부 크기는 대략 높이가 약 3m이고 길이가 10m일 수 있다. 상기 메인 샤프트(13)의 직경은 약 40㎝ 내지 100㎝ 정도이거나, 심지어 그 이상일 수도 있다.
상기 블레이드(11), 허브(12), 메인 샤프트(13) 및 특정되지 않은 다른 요소들의 조합된 중량에 의해 가해지는 하중과 풍력에 의해 가해지는 하중은 상기 메인 샤프트(13)의 스피너 단부에 인접하게 배치된 메인 베어링(15)에 의해 대부분 지지된다. 상기 기어 박스(14)의 일부로서 추가된 베어링(도면에 미도시)이 하중의 일부를 지지할 수 있다. 통상의 풍력 터빈에서, 상기 메인 베어링(15)은 롤러 베어링이다. 정비할 때, 소형 부품 및 공구를 나셀 속으로 끌어올리기 위해 나셀 내부의 크레인(16)이 사용된다. 더 무거운 부품들을 위하여, 또는 상기 허브, 블레이드 및 샤프트를 들어올리기 위해서는 외부 크레인(도면에 미도시)이 필요하다. 이러한 외부 크레인은 서두에 설명한 바와 같이 풍력 터빈으로 운반되어야만 한다.
도 2는 본 발명에 따른 틸팅 패드 유체 베어링(1)을 포함한 풍력 터빈(1)의 관련 부품을 통한 횡단면도(도면의 좌측)와 종단면도(도면의 우측)를 도시하고 있다. 우측의 종단면도는 근본적으로 횡단면도에 도시된 쇄선을 따라 취한 것이고, 블레이드(11), 허브(12), 메인 샤프트(13) 및 기어박스(14)를 도시하고 있다. 나셀 베드플레이트, 제너레이터 등의 비관련 부품들은 명료함을 위해 제외하였으나, 당업자라면 이러한 요소들이 당연히 필요하다는 것을 이해할 것이다.
본 발명에 따른 풍력 터빈(10)의 본 실시예에서, 상기 메인 베어링(1)은 틸팅 패드 유체 베어링(1)을 포함하고, 상기 메인 샤프트(13)는 당해 메인 샤프트(13)의 원통형 영역(130)을 제공하는 더 두꺼운 부분들에 의해 상기 유체 베어링(1)의 베어링 패드(2)를 수용하는 형상이다. (주요 풍향과 대체로 대응하는) 방향(D)으로의 축하중을 흡수하기 위해, 횡단면도에서 분명하게 알 수 있는 바와 같이, 메인 샤프트의 "하단 하프(lower half)"의 후방 외측 에지를 따라 다수의 스러스트 베어링 패드(18)가 위치된다. 더 낮고 덜 자주 발생하는 반대방향으로의 축하중은 메인 샤프트의 하단 하프의 전방 외측 에지의 한 지점에 배치된 적당한 범프 스톱(bump stop)(19)에 의해 흡수될 수 있다.
좌측의 횡단면도에서, 메인 샤프트(13)의 외표면 주위에 환형 배열구조로 위치된 3개의 베어링 패드(2)를 포함한 베어링 패드(2)의 제 1 배열구조를 볼 수 있다. 종단면도에서는 단지 2개의 베어링 패드(2)를 볼 수 있다. 명료함을 위하여, 이 도면에서 상기 베어링 패드(2)의 형상이 모호하게만 도시되어 있으나, 이하에서 보다 구체적으로 설명한다. 아울러, 상기 베어링 하우징(3)이 곁에서 둘러싸고 있는 원으로 간단하게 표시되어 있으나, 도 3 및 도 4를 참조하여 이하에서 보다 구체적으로 설명한다. 상기 베어링 패드(2)는 적당한 베어링(도면에 미도시)에 의해 베어링 하우징(3)에 기울어질 수 있게 고정될 수 있다. 상기 베어링 패드는, (패드가 기울어지는 중심이 되는 점 또는 축을 규정하는) 삼각형의 외측 "코너"가 베어링 하우징에 위치하고, 장변이 샤프트의 회전 방향에 위치하는, 부등변 삼각형 형태의 비대칭 단면을 가진 것으로 보인다. 상기 베어링 패드의 비대칭적 형태는 샤프트의 회전 방향에 가장 적합하다.
명료함을 이유로 상기 횡단면도에서 단지 원으로만 도시되어 있는 상기 베어링 하우징(3)에는 임의의 윤활 유체를 수용하기 위해 적당한 시일(seal)(도면에 미도시)이 설치되어 있다. 정비를 위해 베어링 패드(2)에 접근할 수 있도록, 잭(jack)(22)이 나셀 베드플레이트에 장착되어 있고, 상기 잭은 하단 베어링 패드(2)중 하나를 제거할 수 있기에 충분한 양만큼 메인 샤프트(13)를 들어올리기 위해 사용될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 풍력 터빈(10)의 관련 부품의 횡단면도로서, 루프 요소(34), 측면 요소(33) 및 베이스 요소(35)를 포함한 베어링 하우징을 도시하고 있다. 이들 요소(33,34) 또는 섹션들은, 예를 들어, 내부 크레인을 이용하여 용이하게 리프팅될 수 있도록 적당한 크기를 가질 수 있다. 이 예에서, 베어링 하우징은 4개의 베어링 패드(2)를 수용하며, 그 중 하나가 (화살표로 표시된 바와 같이)정비를 위해 제거되어 있다. 도면은 메인 샤프트(13) 주위에 배열되고, 볼 앤 소켓 피벗 베어링(ball and socket pivot bearing)(30)에 의해 베어링 하우징에 고정된 패드(2)를 도시하고 있다. 또한, 도면은 메인 샤프트(13)의 하단 영역을 따라 위치된 일련의 스러스트 베어링 패드(18')를 도시하고 있다. 메인 샤프트(13) 아래에는, 윤활 유체를 수집하여 펌프(도면에 미도시)로 복귀시키기 위한 저장조(32) 또는 섬프(sump)(32)가 위치되어 있다.
도 4는 도 3에 도시된 베어링 하우징의 분해도이다. 이 도면은 베어링 하우징의 다양한 요소(33,34)들이 어떻게 용이하게 리프팅되거나 제거되어 베어링 패드(2)에 대한 접근을 가능하게 하는지를 보여준다. 교환될 베어링 패드(2) 또는 패드(2)들에 따라, 측면 요소(33)가 리프팅될 수도 있거나, 루프 요소(34)가 들어올려질 수도 있다. 이 요소(33,34)들은 통상의 풍력 터빈의 정비와 관련하여 전술한 바와 같이 고가의 외부 크레인을 필요로 하지 않고 용이하게 제거되고 교환될 수 있다. 도면은 (화살표로 표시된 바와 같이) 교환 또는 수리를 위해 제거된 베어링 패드(2)를 우측에 나타내고 있다.
도 5는 샤프트가 회전할 때 베어링 패드 아래로 윤활 유체가 인출되는 유체동력학적 틸팅 패드 유체 베어링을 위한 베어링 패드의 내표면 위에서의 3차원 압력 프로파일을 2차원으로 나타낸 도면이다. X축과 Y축은 베어링 패드의 (베어링 하우징을 가로지르는) 폭과 (메인 샤프트의 둘레를 따른)길이를 각각 나타낸다. 도시된 크기는 오직 예시적일 뿐이며, 0.5m×0.7m의 베어링 패드 표면이면 대부분의 풍력 터빈 구조에 충분할 것이다. 표현을 단순화하기 위하여, X축 및 Y축에 의해 한정된 평면으로서 주어진 "베어링 표면"은 평탄하게 도시되어 있으나, 실제로는 샤프트의 곡률과 부합하도록 휘어진 영역일 수 있다. 메인 샤프트의 회전 방향(R)이 Y축에 대하여 평행한 화살표로 도시되어 있는 반면, 베어링 패드의 뒷전(trailing edge)은 X축과 일치한다. 당업자가 이해하고 있는 바와 같이, 상기 압력 프로파일은 회전하는 샤프트와 틸팅 패드 베어링 사이에 형성된 가압 유체의 수렴 "웨지(wedge)"와, 패드와 샤프트 간의 속도차로 인해 발생한다. 압력의 단위는 ㎫(메가파스칼)이며, 도시된 값들은 오직 예시일 뿐이다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 압력의 피크가 도시되어 있다. 베어링 패드와 관련한 피크 압력의 위치는 베어링 패드가 베어링 하우징에 연결된 방식에 따라, 예컨대, 피벗 베어링의 위치에 따라 좌우될 수 있다. 작동 과정 중 발생하는 압력 분포 및 압력의 크기는 메인 샤프트의 회전 속도 및 베어링에 대한 외력과 같은 다수의 인자들에 따라 좌우되며, 베어링 패드에 의해 지지되는 기계의 회전 질량과 풍속에 의해 주로 결정된다.
도 6은 도 5의 압력 분포를 베어링 패드의 내표면을 나타내는 표면에 매핑(mapping)한 등압선도이다. 등고선들은 압력이 급격히 증가하는 베어링 패드의 뒷전을 향한 밀도를 나타낸다. 등압선 또는 등고선들이 더 멀리 이격되어 있는 베어링 패드 내표면의 에지 및 코너 영역 쪽에서 저압 영역을 볼 수 있다.
도 7은 도 6의 등압선 매핑에 기초한 베어링 패드의 내표면에서 가능한 공동 또는 리세스의 위치를 도시하고 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 리세스들은 저압에 대응하는 영역의 등고선을 대체로 "추종"한다.
도 8은 전술한 도 7의 기술을 이용하여 베어링 패드(2)의 내표면에 위치된 공동(C1,C2,C3,C4)을 가진 베어링 패드(2)를 도시하고 있다. 이 실시예에서, 상기 베어링 패드(2)의 내표면에는 탄성계수가 낮은 폴리머 라이닝(50)이 제공되어 있다. 이 라이닝(50)은 설계지침에 따른 두께를 가질 수 있다. 상기 공동(C1,C2,C3,C4)은 두께가 약 5㎝인 베어링 패드(2)에서 예를 들면 약 5㎜의 깊이로 연장될 수 있다. 유체정역학적인 작동을 위해, 상기 공동(C1,C2,C3,C4)은 작동시 고압 하에서 유체를 분사하기 위한 유체 출구(F1,F2,F3,F4)와 일치하고 있다.
도 9는 샤프트가 정지하고 있을 때 도 8의 베어링 패드(2)의 내표면 위에서 3차원 압력 분포를 2차원으로 나타낸 도면이다. 이 도면은 심지어 정지상태에서도 베어링 패드 내표면에 가해지는 압력이 비교적 균일하게 분포하고 있음을 보여준다. 압력이 가장 높은 영역은 포켓(C1,C2,C3,C4)과 일치하는데, 그 이유는 이 영역에서 유체가 분사되기 때문이며, 이에 따라, 상기 베어링 패드(2)는 메인 샤프트로부터 멀리 밀리고 유체의 막에 의해 지지된다. 이와 같이 균일한 유체 압력 분포는, 마찰에 의한 마모가 현저히 감소되기 때문에, 기동 조건(start-up conditions) 중일 때 특히 유리하다. 이러한 작동 모드를 유체정역학적 작동이라 한다.
도 10은 샤프트가 회전하고 유체가 상기 공동으로 고압 하에서 분사될 때 도 8의 베어링 패드(2)의 내표면 위에서 3차원 압력 분포를 2차원으로 나타낸 도면이다. 이러한 작동 모드를 하이브리드 작동이라 하며, 유체정역학적 작동과 유체동역학적 작동이 조합된 것이다. 이 도면은 유체정역학적 작동중 상기 공동을 이용하여 유체를 분사하는 것의 장점을 보여준다. 도 5의 유체동역학적 압력 프로파일과 비교하면, 상기 포켓을 가진 베어링 패드로 얻어진 유체정역학적 압력 프로파일은 베어링 패드의 내표면 위에서 압력이 보다 균일하게 분포하고, 피크 압력과 저압 영역간의 차이가 감소되어 있음을 보여준다.
도 11은 본 발명에 따른 풍력 터빈을 위한 틸팅 패드 유체 베어링에서 베어링 패드(2)의 제 2 배열구조를 매우 단순화하여 도시한 개략도이다. 메인 샤프트(13)가 원통으로서 간단하게 도시되어 있으나, 당업자라면 그 형태가 도면과는 매우 상이할 수 있음을 이해할 것이다.
이 구현예에서, 상기 베어링 패드(2)는 베어링 하우징(도면에 미도시)에 당해 베어링 패드를 기울어질 수 있게 고정하기 위해 상기 베어링 하우징의 내부와 베어링 패드의 '뒷면' 사이에 피벗 베어링을 가진 절곡형 섹션으로서 구현된다. 이 도면은 각각의 베어링 패드(2)의 외표면에 그러한 피벗 베어링을 위한 소켓(62)을 표시하고 있다. 상기 피벗 베어링은 당업자에게 공지된 바와 같은 간단한 볼 앤 소켓 베어링일 수 있다. 상기 피벗 베어링은 베어링 패드(2)를 베어링 하우징에 고정하면서, 작동중 메인 샤프트(13)에 가해지는 가변적인 힘들과 메인 샤프트(13)의 회전 속도에 적합하게 베어링 패드(2)가 동적으로 조절될 수 있도록 한다. 상기 베어링 패드(2)의 형태는 전술한 바와 같이 샤프트(13)의 회전 방향(R)에 대해 비대칭적으로 조절될 수 있다.
여기서, 각각 3개의 베어링 패드(2)를 포함한 2개의 환형 배열구조가 풍력 터빈의 메인 샤프트(13)를 중심으로 배열되어 있다. 상기 베어링 패드(2)중 일부 또는 전부가 전술한 바와 같은 포켓 또는 공동을 특징으로 할 수 있다. 예를 들면, 메인 샤프트(13)의 '아래'에 위치되어 그 중량을 지지하는 베어링 패드(2)는 베어링 패드(2)로부터 메인 샤프트(13)를 '가압(push)'하기 위해 고압 하에서 유체를 분사하기 위한 포켓을 가질 수 있는 반면, 메인 샤프트의 '상단'에 위치된 무포켓(pocketless) 베어링 패드(2)에 의해 만족스러운 작동이 이루어질 수 있다.
본 발명이 바람직한 실시예와 그 변형예의 형태로 개시되어 있으나, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 그에 대한 수많은 추가적인 변형과 변화가 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.
명료함을 위하여, 본 명세서에서 부정관사 "a" 또는 "an"의 사용은 복수를 배제하는 것이 아니며, "포함한다"는 다른 단계들 또는 요소들을 배제하는 것이 아님을 이해하여야 한다. 다른 언급이 없다면, "유닛" 또는 "모듈"은 다수의 유닛들 또는 모듈들을 포함할 수 있다.

Claims (16)

  1. 풍력 터빈(10)의 샤프트(13)를 지지하도록 실현된 풍력 터빈 메인 베어링(1)으로서, 상기 샤프트는 당해 샤프트(13)에 연결된 다수의 블레이드(11)에 의해 회전하게 되는, 풍력 터빈 메인 베어링에 있어서,
    상기 풍력 터빈 메인 베어링(1)은 상기 샤프트(13)를 중심으로 배열된 복수의 베어링 패드(2)를 가진 유체 베어링(1)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    풍력 터빈 메인 베어링.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 풍력 터빈 메인 베어링(1)은 40㎝ 이상, 더 바람직하게는 50㎝ 이상, 및 가장 바람직하게는 80㎝ 이상의 직경(DS)을 가진 샤프트(13)를 지지하도록 실현된 것을 특징으로 하는,
    풍력 터빈 메인 베어링.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 풍력 터빈 메인 베어링(1)은 상기 베어링 패드(2)가 샤프트(13)의 변형을 수용하기 위해 기울어질 수 있도록 실현된 것을 특징으로 하는,
    풍력 터빈 메인 베어링.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 풍력 터빈 메인 베어링(1)은 베어링 하우징(3)을 포함하고, 상기 풍력 터빈 메인 베어링(1)의 베어링 패드(2)는 상기 베어링 하우징(3)에 베어링 패드(2)를 기울어질 수 있게 연결하는 피벗 베어링(30)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    풍력 터빈 메인 베어링.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베어링 패드(2)는 샤프트(13)의 회전 방향(R)에 따라 선택된 비대칭 구조를 가진 것을 특징으로 하는,
    풍력 터빈 메인 베어링.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베어링 패드(2)는 당해 베어링 패드(2)의 내표면에 위치된 다수의 공동(C1,C2,C3,C4)을 포함하며, 상기 공동(C1,C2,C3,C4)은 당해 베어링 패드(2)의 내표면에 유체 윤활제를 분사하기 위한 유체 입구(F1,F2,F3,F4)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    풍력 터빈 메인 베어링.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 공동(C1,C2,C3,C4)의 위치는 베어링 패드(2)의 내표면에서의 상대 압력 분포에 기초하여 선택된 것을 특징으로 하는,
    풍력 터빈 메인 베어링.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 공동(C1,C2,C3,C4)의 위치는 베어링 패드(2)의 내표면에서 상대 압력이 낮은 영역에 대응하는 것을 특징으로 하는,
    풍력 터빈 메인 베어링.
  9. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공동(C1,C2,C3,C4)의 위치는 베어링 패드(2)의 내표면에서 상대 압력이 낮은 영역을 나타내는 특정 등압선에 기초하여 선택된 것을 특징으로 하는,
    풍력 터빈 메인 베어링.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베어링 패드(2)의 내표면에 폴리머 라이닝(50)으로 층이 형성된(lined) 것을 특징으로 하는,
    풍력 터빈 메인 베어링.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 샤프트(13)를 중심으로 베어링 패드(2)의 하나 이상의 환형 배열구조가 배열된 것을 특징으로 하는,
    풍력 터빈 메인 베어링.
  12. 샤프트(13)에 연결되어 상기 샤프트(13)를 회전시키도록 실현된 다수의 블레이드(11)와 상기 샤프트(13)를 위한 메인 베어링(1)을 포함하는, 풍력 터빈(10)에 있어서,
    상기 메인 베어링(1)은 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 풍력 터빈 메인 베어링(1)인 것을 특징으로 하는,
    풍력 터빈.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 샤프트(13)를 중심으로 다수의 스러스트 베어링(18,18')이 배열되고, 선택적으로, 상기 샤프트(13)의 길이 방향 운동을 수용하도록 실현된 범프 스톱(19)이 상기 샤프트(13)의 전면 단부에 배열된 것을 특징으로 하는,
    풍력 터빈.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 풍력 터빈 메인 베어링(1)의 베어링 패드(2)의 제거, 삽입 또는 정비를 용이하게 하기 위하여 풍력 터빈(10)의 요소를 들어올리기 위한 리프팅 장치(22)를 특징으로 하는,
    풍력 터빈.
  15. 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 풍력 터빈(10)의 정비 수행 방법으로서,
    샤프트(13)의 회전을 정지시키는 단계;
    상기 샤프트(13)를 들어올리기 위해 리프팅 장치(22)를 작동시키는 단계; 및
    상기 풍력 터빈 메인 베어링(1)의 베어링 하우징(3)으로부터 풍력 터빈 메인 베어링(1)의 베어링 패드(2)를 제거하는 단계;를 포함하는,
    풍력 터빈의 정비 수행 방법.
  16. 풍력 터빈(10)에서 메인 베어링으로서의 유체 베어링(1)의 용도로서,
    상기 유체 베어링(1)은 풍력 터빈(10)의 메인 샤프트(13)를 중심으로 배열된 복수의 베어링 패드(22)를 포함하고, 상기 샤프트는 당해 샤프트(13)에 연결된 다수의 블레이드(11)에 의해 회전하게 되는,
    유체 베어링의 용도.
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