KR20130106959A - 풍력발전 증속기용 베어링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력발전 증속기용 베어링에 관한 것으로, 리액션 플레이트의 일측에 미들 기어 케이스가 회전가능하게 설치되고, 상기 미들 기어 케이스의 외측에 아웃터 기어 케이스가 설치되는 풍력발전기용 증속기에 있어서, 샤프트의 외주면 상에 설치되는 베어링; 일측이 오일과 접촉하고 타측이 외기와 접촉되도록 상기 베어링을 둘러싸는 베어링 하우징; 상기 베어링의 예압을 위해 상기 베어링의 내륜 또는 외륜에 접촉되도록 설치되는 스페이서;를 구비하되, 상기 스페이서는 상기 샤프트보다 열팽창계수가 큰 재질로 형성되는 것을 특징한다.

Description

풍력발전 증속기용 베어링{A bearing having spacer for gearbox of wind power generator}

본 발명은 풍력발전 증속기용 베어링에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 풍력발전 증속기의 적절한 한계 수명을 보장하기 위해 증속기 내부에서 외기에 인접하여 설치되는 베어링에 최적의 예압을 가하도록 주변 부품과 열팽창계수가 상이한 스페이서를 구비한 풍력발전 증속기용 베어링에 관한 것이다.

일반적으로 풍력발전기는 공기의 유동이 가진 운동 에너지의 공기역학적(aerodynamic) 특성을 이용하여, 회전자(rotor)를 회전시켜 기계적 에너지로 변환시키고 이 기계적 에너지로 전기를 얻는 기계를 의미한다.

풍력발전기는 지면에 대한 회전축의 방향에 따라 수평형 및 수직형으로 분류되고, 주요 구성 요소로는 날개(blade)와 허브(hub)로 구성된 회전자와 회전을 증속하여 발전기를 구동시키는 증속기(gear box), 발전기 및 각종 안전장치를 제어하는 제어 장치, 유압 브레이크 장치와 전력 제어 장치 및 철탑 등이 있다.

도 1은 일반적인 풍력발전기(1)의 개념도를 나타낸단. 도 1에 도시된 바와 같이, 풍력발전기(1)는 하우징(2)의 한쪽에 풍력에 의해 회전하도록 하는 블레이드(3)가 설치되고, 상술한 하우징(2)의 내부에는 상술한 블레이드(3)의 회전운동에서 전달되는 회전속도를 증속시키도록 하는 증속기(4)가 설치되며, 이러한 증속기(4)의 일측에는 증속기(4)에서 제공되는 운동에너지를 이용하여 전기를 생산하도록 하는 발전기(5)가 설치된다.

즉, 풍력에 의해 블레이드(3)가 소정의 회전속도로 회전하면, 그 회전력은 증속기(4)에서 증속되어 발전기(5)를 구동시키게 된다.

도 2는 종래 풍력발전 증속기(10)의 사시도로, 이를 참조하면, 일반적으로 증속기(10)는 리액션 플레이트(11)의 일측에 미들 기어 케이스(12)가 회전가능하게 설치되고, 미들 기어 케이스(12)의 외측에는 아웃터 기어 케이스(13)가 설치된다.

일반적으로, 종래의 증속기(10)는 리액션 플레이트(11)가 풍력발전기의 하우징(2)의 내부에 고정 설치되고, 아웃터 기어 케이스(13)의 일측은 블레이드(3)에 연결된다. 즉, 풍력에 의하여 블레이드(3)가 회전하면 아웃터 기어 케이스(13)가 회전하여 동력이 입력되는 것이다.

이러한 미들 기어 케이스(12)와 아웃터 기어 케이스(13)의 내부에는 링 기어와 캐리어가 설치되고, 캐리어에 복수의 유성기어가 설치되며, 복수의 유성기어에 내접하는 선기어가 설치된다. 증속기(10)는 복수의 유성기어, 선기어 등의 회전을 위해 다수의 샤프트(회전 중심)를 구비하고, 이러한 샤프트와 기어의 원활한 회전을 위해 다수의 베어링이 설치된다.

일반적으로 풍력발전기(1)의 증속기(10) 내부에 설치되는 베어링은 증속기의 구동중에 적절한 간격(clearance)을 유지하는 것에 의해 베어링의 한계 수명을 보장하도록 하기 위해 조립시에 베어링의 예압이 요구된다. 베어링의 예압에 의해, 베어링의 강성이 증대되고, 증속기의 회전 소음이 감소하며, 축의 정밀도가 증가하여 증속기의 한계 수명을 보장하게 된다. 이러한 베어링의 예압은 종국적으로 풍력발전기의 수명을 보장하고, 풍력발전기의 효율을 증대시키게 된다.

종래 풍력발전기(1)의 증속기(10) 내부에 설치되는 베어링은 일반적으로 베어링이 모두 오일과 접촉하도록 설치되는 베어링과 베어링의 일측은 오일과 접촉하고 베어링의 타측은 대기와 접촉하도록 설치되는 베어링으로 분류되었다.

베어링이 모두 오일과 접촉하도록 설치되는 베어링의 경우에는, 증속기의 구동중에 온도상승에 의해 발생하는 열에 의해서도 베어링 조립부의 내부와 외부의 온도차가 거의 없어서 베어링의 적절한 예압을 유지할 수 있었다.

그러나, 베어링의 일측은 오일과 접촉하고 베어링의 타측은 대기와 접촉하도록 설치되는 베어링의 경우에는, 증속기의 초기구동에 따라 온도가 상승하게 되고, 오일과 접촉하는 베어링 부분과 대기와 접촉하는 노출된 베어링 부분에 온도차가 발생하게 되어, 온도차에 의해 샤프트(축)가 온도차에 의해 열팽창을 하여 베어링에 최적의 예압을 가하지 못해서 베어링의 수명이 단축되고, 회전 소음이 발생되며, 샤프트(축)의 정밀도가 감소하여 증속기의 한계 수명을 보장할 수 없고, 종국적으로 풍력발전기의 수명을 단축시키는 문제점이 있었다.

대한민국 공개특허공보 제10-2011-0128054호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 베어링의 예압을 위한 스페이서를 샤프트보다 열팽창계수가 큰 재질로 형성하여, 증속기의 초기구동 중에 발생하는 온도차에 의한 샤프트(축)의 열팽창을 고려하여 증속기의 정격운전 중에 베어링에 최적의 예압을 가하여 베어링의 수명을 증가시키고, 증속기의 회전소음을 감소시키며, 증속기의 한계 수명을 보장할 수 있는 풍력발전 증속기용 베어링을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 풍력발전 증속기용 베어링은 리액션 플레이트의 일측에 미들 기어 케이스가 회전가능하게 설치되고, 상기 미들 기어 케이스의 외측에 아웃터 기어 케이스가 설치되는 풍력발전기용 증속기에 있어서, 샤프트의 외주면 상에 설치되는 베어링; 일측이 오일과 접촉하고 타측이 외기와 접촉되도록 상기 베어링을 둘러싸는 베어링 하우징; 상기 베어링의 예압을 위해 상기 베어링의 내륜 또는 외륜에 접촉되도록 설치되는 스페이서;를 구비하되,상기 스페이서는 상기 샤프트보다 열팽창계수가 큰 재질로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 풍력발전 증속기용 베어링의 바람직한 다른 실시예에서, 스페이서는 상기 증속기의 구동중에 상기 샤프트가 열팽창에 의해 축방향으로 늘어나는 거리를 고려하여 소정의 길이를 추가하여 가공될 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 풍력발전 증속기용 베어링의 바람직한 다른 실시예에서, 스페이서에 추가로 가공되는 소정의 길이는 0.1㎜ 내지 0.4 ㎜일 수 있다.

본 발명에 의한 풍력발전 증속기용 베어링은 증속기의 초기구동시 발생하는 베어링의 내측(오일에 접촉한 부분)과 외측(대기에 노출된 부분)의 온도차에 의한 샤프트의 열팽창을 고려하여, 샤프트보다 열팽창계수가 큰 재질의 스페이서를 사용하여, 베어링의 한계 수명을 보장하고, 증속기의 회전소음을 감소시키며, 샤프트의 정밀도를 증가시키는 효과가 있다. 또한, 베어링의 한계 수명 보장에 따라 증속기의 한계 수명 및 풍력발전기의 한계 수명을 보장하는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 풍력발전기의 개념도를 나타낸다.
도 2는 종래 풍력발전 증속기의 사시도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 풍력발전 증속기용 베어링을 구비한 증속기의 단면도를 나타낸다.
도 4는 도 3에 도시된 오일로 둘러싸인 풍력발전 증속기용 베어링의 단면확대도를 나타낸다.
도 5는 도 3에 도시된 본 발명에 의한 풍력발전 증속기용 베어링의 단면확대도를 나타낸다.
도 6은 도 5의 베어링에서 스페이서에 추가로 가공되는 소정길이의 확대도를 나타낸다.
도 7은 베어링의 틈새와 베어링의 수명과의 관계를 나타내는 그래프이다.

본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 동일한 부호를 가지도록 하고 있다.

도 3은 본 발명에 의한 풍력발전 증속기용 베어링을 구비한 증속기의 단면도를 나타낸다. 도 3을 참조하면, 미들 기어 케이스(12)의 내부에는 미들 기어 케이스(12)와 함께 회전되는 제1 링 기어(14)가 설치되고, 리액션 플레이트(11)의 일측에는 제1 캐리어(15)가 설치되며, 제1 캐리어(15)에는 복수 개의 제1 유성 기어(16)가 설치된다. 또한, 복수 개의 제1 유성 기어(16)는 내접하여 맞물리도록 A축에 제1 선 기어(17)가 배치되고, 복수 개의 제1 유성 기어(16)에 외접하여 상술한 제1 링 기어(14)와 맞물린다.

제1 선 기어(17)의 일측에는 드라이브 플랜지(18)가 설치되고, 이러한 드라이브 플랜지(18)의 일측에는 제2 링 기어(19)가 설치된다. 제2 링 기어(19)에는 복수 개의 제2 유성 기어(20)가 내접하여 맞물리고, 이러한 복수개의 제2 유성 기어(20)는 제2 캐리어(21)에 회전가능하게 설치되며, 제2 캐리어(21)의 일측은 아웃터 기어 케이스(13)에 설치된다. 또한, 복수 개의 제2 유성 기어(20)에 내접하도록 제2 선 기어(22)가 맞물리고, 제2 선 기어(22)의 일측은 아웃터 샤프트(23)로 연장 형성된다. 아웃터 샤프트(23)의 단부에는 커넥터(24)에 의해 휠 기어(25)가 연결되고, 휠 기어(25)와 맞물리도록 아웃터 기어(26)가 리액션 플레이트(11)에 회전가능하게 설치된다.

또한, 아웃터 기어 케이스(13)와 미들 기어 케이스(12)와 제1, 제2 링 기어(14)(19)와 제1, 제2 캐리어(15)(21)와 제1, 제2 선 기어(17)(22)와 드라이브 플랜지(18)는 A축을 중심으로 회전한다.

또한, 복수 개의 제1 유성 기어(16)는 제1 캐리어(15)에서 B축을 중심으로 회전하고, 복수 개의 제2 유성 기어(20)는 C축을 중심으로 회전한다.

즉, 아웃터 기어 케이스(13)가 회전하면 미들 기어 케이스(12)와 제1 링 기어(14)가 회전하고, 제1 링 기어(14)와 제1 유성 기어(16)와 제1 선 기어(17)의 기어 배열에 의하여 제1 선 기어(17)는 증속된다.

또한, 제1 선 기어(17)는 드라이브 플랜지(18)와 제2 링 기어(19)를 회전시키고, 제2 링 기어(19)와 제2 유성 기어(20)와 제2 선 기어(22)의 기어 배열에 의하여 제2 선 기어(22)는 더욱 빠른 속도로 증속된다.

이후, 제2 선 기어(22)는 샤프트(25)에 동력을 전달하고, 샤프트(25)와 아웃터 기어(26)는 기어배열에 의해 더욱 빠른 속도로 증속되며, 상술한 아웃터 기어(26)에는 상술한 발전기(5)가 연결되어 발전기(5)(도 1에 도시됨)에서 전기를 생산하게 된다.

도 4는 도 3에 도시된 모든 면이 오일과 접촉하는 풍력발전 증속기용 베어링의 단면확대도를 나타내다. C축 샤프트의 외주면상에 설치되는 베어링은 외륜이 제2 유성기와 접해 있다. 이러한 베어링은 오일(40)로 둘러싸여 있어, 증속기(10)의 초기구동에 따라 발생하는 온도차가 거의 없고, 이에 따라 C축 샤프트가 거의 열팽창 되지 않아, 스페이서에 의해 최적의 예압이 유지될 수 있다.

도 5는 도 3에 도시된 본 발명에 의한 풍력발전 증속기용 베어링(30)의 단면확대도를 나타낸다. 본 발명에 의한 풍력발전 증속기용 베어링(30)은 샤프트(25)의 외주면 상에 설치된다. 이러한 샤프트(25)는 일반적으로 회전축이 되나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 샤프트가 고정되고 상대적으로 베어링(30)만 회전할 수 도있다. 베어링(30)은 일측이 오일과 접촉하고 타측이 외기(대기)와 접촉되도록 둘러싸는 베어링의 하우징(33)을 구비한다. 도 3 및 도 5에 도시된 것처럼, 본 발명의 바람직한 일 실시예에서 베어링(30)의 예압을 위해 스페이서(34)가 베어링의 내륜(32) 또는 베어링의 외륜(31)에 구비될 수 있다. 이러한 스페이서(34)는 샤프트(25)보다 열팽창계수가 큰 재질로 형성된다. 반드시 이에 한정되는 것은 아니지만, 본 발명의 바람직한 일 실시예에서 샤프트(25)는 스틸(steel)로 형성되고, 스페이서(34)는 스틸보다 열팽창계수가 큰 재질로 형성될 수 있다.

도 6은 도 5의 베어링(30)에서 스페이서(34)에 추가로 가공되는 소정길이의 확대도를 나타낸다. 도 7은 베어링의 틈새와 베어링의 수명과의 관계를 나타내는 그래프이다. 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 스페이서(34)는 증속기(10)의 구동중에 샤프트(25)가 열팽창에 의해 샤프트(축)(25)방향으로 늘어나는 거리(M)를 고려하여 소정 길이(M)를 추가하여 가공된다. 본 발명에 의한 베어링 하우징(33)은 일측이 오일과 접촉하고, 타측이 외기(대기)와 접촉하도록 설치되어 있다. 이에 따라, 증속기(10)의 초기구동중에 오일과 접촉해 있는 샤프트(25)는 냉각이 잘 안되고, 대기와 접촉해 있는 베어링 하우징(33)은 대기에 노출된 상태로 오일과 접촉해 있는 부분보다 빠르게 냉각되어, 샤프트(25)의 온도가 베어링 하우징(33)의 온도보다 높아지기 때문에, 샤프트(25)가 열팽창에 의해 늘어나게 된다. 이러한 샤프트(25)의 열팽창에 의해 늘어나는 길이를 고려하여, 스페이서(34)를 미리 소정 길이로 추가 가공하여, 베어링(30)에 최적의 예압을 가함으로써 베어링(30)의 한계 수명을 보장하여, 증속기(10)의 한계수명을 보장하며, 종국적으로 풍력발전기(1)의 한계수명을 보장할 수 있다.

도 7에 도시된 것처럼, 베어링(30)에 최적의 예압이 인가될 때, 베어링의 수명이 증가하고, 이러한 예압을 위한 스페이서(34)의 추가된 길이는 0.1㎜ 내지 0.4㎜인 것이 바람직하다. 가장 바람직한 스페이서(34)에 추가로 가공되는 소정의 길이는 0.2㎜이다. 베어링(30)의 예압을 위해 설치되는 스페이서(34)에 샤프트(25)의 열팽창에 따른 소정의 길이를 고려하여 형성함으로써, 베어링의 한계수명을 증가시키고, 증속기의 회전 소음을 감소시키며, 증속기 및 풍력발전기의 한계 수명을 보장할 수 있게 된다.

본 발명은 도면에 도시된 변형예와 상기에서 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 첨부된 청구항의 범주 내에 속하는 다른 실시예로 확장될 수 있다.

1 : 풍력발전기, 2 : 하우징
3 : 블레이드, 4 : 증속기
5 : 발전기, 10 : 증속기
11 : 리액션 플레이트, 12 : 미들 기어 케이스,
13 : 아웃터 기어 케이스,
14 : 제1 링 기어, 15 : 제1 캐리어
16 : 제1 유성 기어, 17 : 제1 선 기어
18 : 드라이브 플랜지, 19 : 제2 링 기어
20 : 제2 유성 기어, 21 : 제2 캐리어
22 : 제2 선 기어, 23 : 아웃터 샤프트
24 : 커넥터, 25 : 샤프트,
26 : 아웃터 기어, 30 : 베어링,
31 : 베어링의 외륜, 32 : 베어링의 내륜,
33 : 베어링 하우징, 34 : 스페이서,
40 : 오일, L : 간격,
M : 소정길이.

Claims (3)

1. 리액션 플레이트의 일측에 미들 기어 케이스가 회전가능하게 설치되고, 상기 미들 기어 케이스의 외측에 아웃터 기어 케이스가 설치되는 풍력발전기용 증속기에 있어서,
   샤프트의 외주면 상에 설치되는 베어링;
   일측이 오일과 접촉하고 타측이 외기와 접촉되도록 상기 베어링을 둘러싸는 베어링 하우징;
   상기 베어링의 예압을 위해 상기 베어링의 내륜 또는 외륜에 접촉되도록 설치되는 스페이서;를 구비하되,
   상기 스페이서는 상기 샤프트보다 열팽창계수가 큰 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전 증속기용 베어링.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 스페이서는 상기 증속기의 구동중에 상기 샤프트가 열팽창에 의해 축방향으로 늘어나는 거리를 고려하여 소정의 길이를 추가하여 가공되는 것을 특징으로 하는 풍력발전 증속기용 베어링.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 스페이서에 추가로 가공되는 소정의 길이는 0.1㎜ 내지 0.4 ㎜인 것을 특징으로 하는 풍력발전 증속기용 베어링.
   
   

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