KR20130090227A - 풍력 발전기용 나셀 및 이를 구비한 풍력 발전기 - Google Patents

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Abstract

풍력 발전기용 나셀 및 이를 구비한 풍력 발전기가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기용 나셀은, 허브에 연결된 회전 샤프트가 관통 삽입되어 지지되는 베어링 하우징; 및 베어링 하우징과 함께 회전 샤프트를 지지하는 메인 프레임을 포함하며, 메인 프레임은, 베어링 하우징을 지지하는 지지본체; 및 베어링 하우징과 이격되되, 지지본체로부터 연장되게 마련되어 회전 샤프트를 지지하는 지지본체 연장프레임을 포함한다.

Description

풍력 발전기용 나셀 및 이를 구비한 풍력 발전기{NACELLE FOR WIND TURBINE AND WIND TURBINE HAVING THEREOF}
본 발명은 풍력 발전기용 나셀 및 이를 구비한 풍력 발전기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 허브에 연결된 회전 샤프트를 안정되게 지지할 수 있는 풍력 발전기용 나셀 및 이를 구비한 풍력 발전기에 관한 것이다.
풍력 발전은 자연상태의 무공해 에너지원으로서 대체 에너지원 중 경제성이 높은 에너지원 중 하나로서, 바람의 운동에너지를 기계적 에너지로 변환하고, 변환된 기계적 에너지로 발전기를 구동하여 전력을 얻어내는 전력생산 방법이다.
최근에는, 화석에너지의 고갈 문제를 해결할 수 있는 친환경적인 전력 생산방법으로 풍력 발전을 이용한 전력생산이 증대되고 있다.
도 1은 일반적인 풍력 발전기를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 풍력 발전기는 타워(tower,10)와, 타워(10)의 상부에 설치된 나셀(nacelle,20)과, 나셀(20)의 전방에 설치되되 바람에 의해 회전하는 복수의 블레이드(33)와 복수의 블레이드(33)가 결합된 허브(31)를 구비한 로터(30)를 포함한다.
그리고, 풍력 발전기에 의한 전력 생산은, 바람에 의해 블레이드(33)가 회전되며, 블레이드(33)가 결합된 허브(31) 및 허브(31)에 결합된 회전 샤프트(25)가 나셀(20)의 내부에 마련된 발전기(27)를 구동시켜 전력을 생산한다.
구체적으로 설명하면, 나셀(20)은 블레이드(33)에 의해 발생된 회전력을 전기에너지로 변환시킨다. 나셀(20)은 허브(31)와 연결된 회전 샤프트(25)가 관통 삽입되되 회전 샤프트(25)를 회전가능하게 지지하는 베어링 하우징(23)과, 베어링 하우징(23)을 관통한 회전 샤프트(25)와 연결되는 기어박스(25)와, 기어박스(25)의 일측에 마련되되 기어박스(25)에서 전달된 회전 샤프트(25)의 회전력에 의해 구동되는 발전기(27)와, 타워(10)의 상단부에 설치되되 상부에 베어링 하우징(23)이 안착되는 메인 프레임(21)을 포함한다.
그리고, 메인 프레임(21)은 타워(10)의 상단부에서 회전가능하게 설치되는데, 이는 타워(10)의 상단부에 설치된 링기어(40)와, 링기어(40)와 맞물려 구동되는 하나 이상의 기어(미도시)의 결합에 의한다.
한편, 종래에는 메인 프레임(21)의 상부에 베어링 하우징(23)이 결합되고, 회전 샤프트(25)를 베어링 하우징(23)의 내주면에 설치된 베어링 부재(미도시)에 삽입 설치하므로, 블레이드(33)를 포함하는 로터(30)의 하중이 베어링 하우징(23)에 전달되고, 베어링 하우징(23)에 전달된 하중이 다시 메인 프레임(21)에 전달된다.
따라서, 베어링 하우징(23)에 가해지는 큰 하중에 의해 베어링 하우징(23)의 하면에 하중이 집중되므로 회전 샤프트(25)를 지지하는 베어링 하우징(23)과 메인 프레임(21)의 결합부위가 파손될 수 있는 문제점이 있다.
또한, 이러한 문제점을 고려하여 베어링 하우징(23) 및 메인 프레임(21)에 가해지는 하중에 대한 강성을 충분히 확보하려면 베어링 하우징(23) 및 메인 프레임(21)의 크기가 커져야 하므로 설치공간 확보에 어려움이 있다.
따라서, 회전 샤프트(25)에서 가해지는 하중을 분산하는 한편 회전 샤프트(25)를 안정되게 지지할 수 있는 베어링 하우징(23) 및 메인 프레임(21)에 대한 연구가 필요하다.
[문헌1] US 2010/0062888 A1 (GENERAL ELECTRIC COMPANY) 2010.03.11.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 허브에 연결된 회전 샤프트를 간격을 두고 회전가능하게 안정되게 지지할 수 있는 풍력 발전기용 나셀 및 이를 구비한 풍력 발전기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 허브에 연결된 회전 샤프트가 관통 삽입되어 지지되는 베어링 하우징; 및 상기 베어링 하우징과 함께 상기 회전 샤프트를 지지하는 메인 프레임을 포함하며, 상기 메인 프레임은, 상기 베어링 하우징을 지지하는 지지본체; 및 상기 베어링 하우징과 이격되되, 상기 지지본체로부터 연장되게 마련되어 상기 회전 샤프트를 지지하는 지지본체 연장프레임을 포함하는 풍력 발전기용 나셀이 제공될 수 있다.
상기 지지본체와 상기 지지본체 연장프레임은 일체로 마련될 수 있다.
상기 메인 프레임은, 상기 지지본체에 마련되되, 상기 베어링 하우징이 안착되는 안착부를 더 포함할 수 있다.
상기 메인 프레임은, 상기 안착부에 마련되되, 상기 지지본체 연장프레임과 상기 베어링 하우징을 상호 정렬하는 가이드부재를 더 포함할 수 있다.
상기 가이드부재는, 상기 회전 샤프트의 길이방향에 대해 상기 안착부의 좌우측 양단부에서 돌출된 걸림돌기일 수 있다.
상기 베어링 하우징은, 상기 회전 샤프트가 관통 삽입되는 몸체부; 및 상기 몸체부에 연결되되, 상기 걸림돌기에 걸리는 걸림부를 포함하며, 상기 걸림부는 상기 몸체부의 좌우측에 각각 마련될 수 있다.
상기 베어링 하우징은, 상기 몸체부와 상기 걸림부 사이에 마련되되, 상기 몸체부와 상기 걸림부를 연결하는 브라켓을 더 포함할 수 있다.
상기 지지본체 연장프레임 및 상기 베어링 하우징의 내주면에는, 상기 회전 샤프트의 외주면이 억지끼움되는 베어링 부재가 마련될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 풍력 발전기용 나셀을 포함하는 풍력발전기가 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 메인 프레임의 전방부에 회전 샤프트가 삽입되는 개구부와, 메인 프레임의 후방부에 회전 샤프트가 삽입되는 베어링 하우징을 구비함으로써, 회전 샤프트에서 가해진 하중을 분산함과 동시에 회전 샤프트를 안정되게 지지할 수 있다.
도 1은 일반적인 풍력 발전기를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 메인 프레임, 보조 프레임, 베어링 하우징, 기어박스 및 발전기의 결합상태를 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 메인 프레임을 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 베어링 하우징을 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 메인 프레임 및 베어링 하우징의 결합상태를 나타내는 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 메인 프레임 및 베어링 하우징의 결합상태를 나타내는 측면도이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
풍력 발전기는 바람의 운동에너지를 이용하여 전력을 생산하는 것으로서, 타워(미도시)와, 타워의 상부에 설치된 나셀(nacelle,미도시)과, 나셀의 전방에 설치되되 바람에 의해 회전하는 복수의 블레이드(미도시)가 결합된 허브(미도시)를 구비한 로터(미도시)를 포함한다.
타워는 나셀 및 로터 등을 지지하는 지지 구조물이며, 로터는 바람의 운동에너지를 기계적 에너지, 즉 회전에너지로 변환시킨다. 그리고, 나셀은 로터의 회전에너지를 이용하여 전기에너지를 발생시킨다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 메인 프레임, 보조 프레임, 베어링 하우징, 기어박스 및 발전기의 결합상태를 나타내는 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 메인 프레임을 나타내는 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 베어링 하우징을 나타내는 사시도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 메인 프레임 및 베어링 하우징의 결합상태를 나타내는 평면도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 메인 프레임 및 베어링 하우징의 결합상태를 나타내는 측면도이다.
도 2 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력 발전기용 나셀은, 허브에 연결된 회전 샤프트(600)가 관통 삽입되어 지지되는 베어링 하우징(200)과, 베어링 하우징(200)과 함께 회전 샤프트(600)를 지지하는 메인 프레임(100)과, 베어링 하우징(200)을 관통한 회전 샤프트(600)와 연결되는 기어박스(400)와, 기어박스(400)의 일측에 마련되되 기어박스(400)에서 전달된 회전 샤프트(600)의 회전력에 의해 구동되는 발전기(500)와, 메인 프레임(100)에 결합되되 기어박스(400) 및 발전기(500)를 지지하는 보조 프레임(300)을 포함한다.
본 실시예에서 메인 프레임(100)은, 허브의 일측에 연결된 회전 샤프트(600)를 회전 가능하게 지지하는 역할을 한다.
메인 프레임(100)은, 타워의 상단부에 안착되되 베어링 하우징(200)을 지지하는 지지본체(110)와, 베어링 하우징(200)과 이격되되 지지본체(110)로부터 연장되게 마련되어 회전 샤프트(600)를 지지하는 지지본체 연장프레임(130)과, 지지본체(110)에 마련되되 베어링 하우징(200)이 안착되는 안착부(150)와, 안착부(150)에 마련되되 지지본체 연장프레임(130)과 베어링 하우징(200)을 상호 정렬하는 가이드부재(170)를 포함한다.
지지본체(110)는 회전 샤프트(600)에 의해 가해지는 하중을 지지하는 역할을 한다. 또한, 지지본체(110)는 타워의 상단부에서 회전 가능하게 설치되는데, 이는 타워의 상단부에 설치된 링기어(미도시)와, 링기어와 맞물려 구동되는 하나 이상의 기어(미도시)의 결합에 의한다.
그리고, 지지본체 연장프레임(130)은 지지본체(110)의 전방부에 마련되어 회전 샤프트(600)를 회전 가능하게 지지하는 역할을 한다. 회전 샤프트(600)가 회전 가능하도록 지지본체 연장프레임(130)의 내주면에는 회전 샤프트(600)의 외주면이 억지끼움되는 베어링 부재(131)가 마련된다.
회전 샤프트(600)를 안정되게 지지하기 위해, 본 실시예에서는 지지본체(110)의 전방부에 마련된 지지본체 연장프레임(130) 및 지지본체(110)의 후방부에 마련되되 지지본체 연장프레임(130)으로부터 이격된 베어링 하우징(200)를 이용하여 회전 샤프트(600)를 2점 지지한다.
또한, 지지본체 연장프레임(130)을 지지본체(110)의 전방부에서 연장하여 지지본체(110)와 일체로 형성한다.
지지본체(110)와 지지본체 연장프레임(130)을 일체로 형성한 경우, 지지본체(110)와 지지본체 연장프레임(130)을 결합부재를 사용하여 결합할 필요가 없어 작업공수를 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 메인 프레임(100) 자체의 하중을 감소시킬 수 있다.
또한, 지지본체(110)와 지지본체 연장프레임(130)을 별개로 형성하여 이들을 결합한 경우에는 지지본체(110)와 지지본체 연장프레임(130)의 결합부위에 회전 샤프트(600)에 의한 하중이 집중되어 결합부재가 파손될 수 있으나, 본 실시예에서는 지지본체(110)와 지지본체 연장프레임(130)을 일체로 형성하여 결합부재가 파손되는 등의 문제를 사전에 방지할 수 있다.
한편, 본 실시예에서 베어링 하우징(200)은 지지본체 연장프레임(130)과 이격되도록 지지본체(110)에 마련되는데, 이를 위해 지지본체(110)에는 베어링 하우징(200)이 안착될 수 있도록 안착부(150)가 마련된다.
회전 샤프트(600)는 지지본체 연장프레임(130) 및 베어링 하우징(200)에 의해 두 지점이 지지되는 데, 지지본체 연장프레임(130) 및 베어링 하우징(200) 사이의 간격이 멀수록 회전 샤프트(600)를 더욱 안정되게 지지할 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는 지지본체 연장프레임(130)과 베어링 하우징(200) 간의 간격을 일정하게 유지함과 동시에 지지본체 연장프레임(130)과 베어링 하우징(200) 간의 간격을 조절할 수 있도록, 베어링 하우징(200)을 지지본체(110)에 마련된 안착부(150)에 안착시킨다.
그리고, 안착부(150)에는 지지본체 연장프레임(130)과 베어링 하우징(200)을 상호 정렬할 수 있도록 가이드부재(170)가 마련된다. 가이드부재(170)는 지지본체 연장프레임(130)에 대해 베어링 하우징(200)을 회전 샤프트(600)의 길이방향에 대해 좌우측 방향으로 용이하게 정렬하기 위함이다.
이때, 가이드부재(170)는 회전 샤프트(600)의 길이방향에 대해 안착부(150)의 좌우측 양단부에서 상부로 돌출되어 후술할 베어링 하우징(200)의 걸림부(250)가 걸리는 걸림돌기(171)로 구성될 수 있다.
걸림돌기(171)는 안착부(150)의 상면을 단차가공하여 형성할 수 있으나, 이에 한정되지 않고 별도의 부재를 제작한 후 안착부(150)의 상면에 설치할 수도 있다.
베어링 하우징(200)의 걸림부(250)가 걸림돌기(171)에 걸려 지지되는 경우, 지지본체 연장프레임(130)과 베어링 하우징(200)을 별도의 정렬도구를 사용함이 없이 미리 정해진 위치에 상호 정렬할 수 있다.
한편, 본 실시예에서 베어링 하우징(200)은 메인 프레임(100)의 지지본체 연장프레임(130)과 더불어 회전 샤프트(600)를 회전 가능하게 지지하는 역할을 한다.
회전 샤프트(600)가 회전 가능하도록 베어링 하우징(200)의 내주면에는 회전 샤프트(600)의 외주면이 억지끼움되는 베어링 부재(211)가 마련된다.
베어링 하우징(200)은, 회전 샤프트(600)가 관통 삽입되는 몸체부(210)와, 몸체부(210)에 연결되되 걸림돌기(171)에 걸리는 걸림부(250)와, 몸체부(210)와 걸림부(250) 사이에 마련되되 몸체부(210)와 걸림부(250)를 연결하는 브라켓(230)을 포함한다.
몸체부(210)는, 내주면에 마련된 베어링 부재(211)에 회전 샤프트(600)가 관통 삽입된 상태에서 회전 샤프트(600)를 지지하는 역할을 한다. 몸체부(210)는 원통형 형상으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 내주면에 회전 샤프트(600)가 삽입될 수 있는 형태이면 다양한 변형이 가능하다.
브라켓(230)은 몸체부와 걸림부를 연결하는 역할을 하며, 몸체부(210)의 외주면, 특히 몸체부(210)의 양측부에 설치된다. 또한, 브라켓(230)은 몸체부(210)의 양측부에서 연장되어 일체로 형성될 수 있다.
그리고, 브라켓(230)의 일단부에는 걸림돌기(171)에 걸려 지지되는 걸림부(250)가 마련된다. 전술한 바와 같이, 걸림부(250)가 걸림돌기(171)에 걸려 지지되는 경우, 회전 샤프트(600)가 지지본체 연장프레임(130) 및 몸체부(210)에 관통 삽입될 수 있도록 지지본체 연장프레임(130)와 몸체부(210)가 상호 정렬된다.
걸림부(250)는 걸림돌기(171)에 걸림 지지되며, 플레이트 형상으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 걸림돌기(171)에 걸려 지지될 수 있는 형태이면 다양한 변형이 가능하다.
그리고, 베어링 하우징(200)을 안착부(150) 및 걸림부(250)를 걸림돌기(171)에 각각 걸리도록 위치시킨 후, 걸림부(250)를 안착부(150)에 볼트결합한다.
본 실시예에서는 메인 프레임(100)과 베어링 하우징(200)을 별개로 형성한 후 이를 상호 결합하였으나, 메인 프레임(100)과 베어링 하우징(200)을 일체로 형성할 수도 있다.
또한, 도 2를 참조하면, 지지본체(110)의 후방부에는 회전 샤프트(600)의 길이방향으로 보조 프레임(300)이 결합된다. 보조 프레임(300)은 지지체로서, 그 상부에는 기어박스(400) 및/또는 발전기(500)가 설치될 수 있다.
한편, 기어박스(400)는 회전 샤프트(600)에서 전달된 고속의 회전에너지를 발전기(500)로 전달하며, 발전기(500)는 그 내부에 회전자(미도시) 및 고정자(미도시)를 구비하며 회전자가 고정자 주위로 고속 회전함으로써 전기를 발생시킨다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 풍력 발전기용 나셀의 설치과정을 설명하면 다음과 같다.
도 2를 참조하여, 먼저 베어링 하우징(200)을 메인 프레임(100)에 설치하는 과정을 설명하면 다음과 같다.
메인 프레임(100)의 안착부(150)에 베어링 하우징(200)을 위치시킨다. 즉, 걸림부(250)의 하면을 안착부(150)의 상면에 면접촉하게 한다.
이때, 몸체부(210)의 좌측에 위치한 걸림부(250)의 좌측면은 안착부(150)의 좌측에 설치된 걸림돌기(171)에 지지되고, 몸체부(210)의 우측에 위치한 걸림부(250)의 우측면은 안착부(150)의 우측에 설치된 걸림돌기(171)에 걸림 지지된다.
걸림부(250)가 걸림돌기(171)에 걸림 지지되는 경우, 지지본체 연장프레임(130)과 몸체부(210)가 상호 정렬된다. 이처럼, 걸림부(250)와 걸림돌기(171)의 걸림 지지에 의해 지지본체 연장프레임(130)과 몸체부(210)를 용이하게 상호 정렬할 수 있다.
그리고, 걸림부(250)를 안착부(150)에 볼트 결합하여 베어링 하우징(200)을 메인 프레임(100)에 설치한다.
다음으로, 지지본체(110)의 후방부에 보조 프레임(300)을 연결하고, 보조 프레임(300)의 상부에 기어박스(400) 및 발전기(500)를 순차로 연결한다.
이와 같이 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100: 메인 프레임 110: 지지본체
130: 지지본체 연장프레임 150: 안착부
170: 가이드부재 171: 걸림돌기
200: 베어링 하우징 210: 몸체부
230: 브라켓 250: 걸림부
300: 보조 프레임 400: 기어박스
500: 발전기 600: 회전 샤프트

Claims (9)

  1. 허브에 연결된 회전 샤프트가 관통 삽입되어 지지되는 베어링 하우징; 및
    상기 베어링 하우징과 함께 상기 회전 샤프트를 지지하는 메인 프레임을 포함하며,
    상기 메인 프레임은,
    상기 베어링 하우징을 지지하는 지지본체; 및
    상기 베어링 하우징과 이격되되, 상기 지지본체로부터 연장되게 마련되어 상기 회전 샤프트를 지지하는 지지본체 연장프레임을 포함하는 풍력 발전기용 나셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지지본체와 상기 지지본체 연장프레임은 일체로 마련된 것을 특징으로 하는 풍력 발전기용 나셀.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 메인 프레임은,
    상기 지지본체에 마련되되, 상기 베어링 하우징이 안착되는 안착부를 더 포함하는 풍력 발전기용 나셀.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 메인 프레임은,
    상기 안착부에 마련되되, 상기 지지본체 연장프레임과 상기 베어링 하우징을 상호 정렬하는 가이드부재를 더 포함하는 풍력 발전기용 나셀.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 가이드부재는,
    상기 회전 샤프트의 길이방향에 대해 상기 안착부의 좌우측 양단부에서 돌출된 걸림돌기인 것을 특징으로 하는 풍력 발전기용 나셀.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 베어링 하우징은,
    상기 회전 샤프트가 관통 삽입되는 몸체부; 및
    상기 몸체부에 연결되되, 상기 걸림돌기에 걸리는 걸림부를 포함하며,
    상기 걸림부는 상기 몸체부의 좌우측에 각각 마련된 것을 특징으로 하는 풍력 발전기용 나셀.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 베어링 하우징은,
    상기 몸체부와 상기 걸림부 사이에 마련되되, 상기 몸체부와 상기 걸림부를 연결하는 브라켓을 더 포함하는 풍력 발전기용 나셀.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 지지본체 연장프레임 및 상기 베어링 하우징의 내주면에는,
    상기 회전 샤프트의 외주면이 억지끼움되는 베어링 부재가 마련되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기용 나셀.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 풍력 발전기용 나셀을 포함하는 풍력발전기.
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