KR20140004068U - 풍력발전기용 증속기 - Google Patents

Abstract

유성기어, 링기어 및 선기어를 포함하는 유성기어 증속부에 의해 로터 주축의 회전을 증속하는 풍력발전기용 증속기가 개시된다. 유성기어는 롤 베어링을 사이에 두고 유성기어 축에 회전가능하게 결합되며, 상기 유성기어 축은 상기 롤 베어링 주위를 가로막는 위치까지 연장된 댐 형상부를 갖춘 캐리어에 보유 유지되며, 상기 댐 형상부에는 상기 롤 베어링 부근의 오일을 상기 캐리어의 외측으로 배출시키는 오일 배출로가 형성된다.

Description

풍력발전기용 증속기{STEP UP GEAR BOX FOR WIND POWER GENERATOR}

본 고안은 풍력발전기에 관한 것으로서, 더 상세하게는 오일이 베어링 주변에서 갇혀 야기되는 오일의 오염 및 점도 저하를 억제할 수 있는 개선된 구조의 윤활시스템을 포함하는 풍력발전기용 증속기에 관한 것이다.

화석연료자원의 유한성에 대한 인식을 계기로 풍력발전기의 개발이 본격적으로 이루어지기 시작했다.

근래 들어 에너지 환경문제의 심각성이 크게 이슈화됨에 따라, 이산화탄소(CO₂) 등 환경 유해 물질 방출이 거의 없는 풍력발전기에 대한 개발 노력은 더욱 활발히 이루어지는 추세이다.

일반적으로 풍력발전기는 풍력에 의해 회전하는 블레이드(blade) 및 로터(rotor)와, 풍력에 의한 블레이드 및 로터의 회전력을 이용하여 전력을 발생시키는 나셀(Nacelle)과, 나셀을 지지하는 칼럼을 포함한다.

나셀은 풍력 발전을 위한 중요한 요소들로서 전력발생 부와 구동 트레인을 포함한다. 구동 트레인은 회전 토크를 전달하는 역할을 하며 증속기를 포함한다.

종래의 풍력발전기용 증속기는 유성기어 증속부를 포함한다. 유성기어 증속부는 유성기어축들과, 베어링에 의해 유성기어축들에 회전가능하게 유지된 유성기어들을 포함한다.

유성기어 축들이 로터의 주축과 함께 회전하는 캐리어에 설치되고 유성기어들이 내측의 선기어(sun gear) 및 외측의 링 기어(ring gear)와 각각 맞물려 있으므로, 블레이드의 회전에 의해 로터의 주축이 회전하면, 유성기어들은 자전과 동시에 공전하여 증속된 회전력을 선기어에 전달한다.

위와 같은 종래 풍력발전기용 증속기에 있어서, 전체 수명은 베어링과 기어의 수명에 의해 주로 결정된다.

또한 윤활유의 점도와 오염도는 위와 같은 증속기의 베어링 수명에 매우 큰 영향을 끼친다. 종래 풍력발전기용 증속기는 유성기어 축과 유성기어 사이의 베어링에 공급된 윤활유가 유성 기어 축을 유지하는 캐리어에 의해 항상 갇혀 있으며, 이는 윤활유의 오염 및 점도의 원치 않는 변화를 초래하여 증속기의 수명을 크게 저하시키며, 윤활유의 낭비를 초래하게 된다.

본 고안이 해결하고자 하는 과제는 오일이 베어링 주변에 지속적으로 정체됨으로서 야기되는 오일의 오염 및 점도 저하를 막아 수명이 크게 향상된 풍력발전기용 증속기를 제공하는 것이다.

본 고안의 일측면에 따라, 유성기어, 링 기어 및 선 기어를 포함하는 유성기어 증속부에 의해 로터 주축의 회전을 증속하는 풍력발전기용 증속기가 제공되며, 상기 풍력발전기용 증속기에 있어서, 상기 유성기어는 롤 베어링을 사이에 두고 유성기어축에 회전가능하게 결합되며, 상기 유성기어 축은 상기 롤 베어링 주위를 가로막는 위치까지 연장된 댐 형상부를 갖춘 캐리어에 보유 유지되며, 상기 댐 형상부에는 상기 롤 베어링 부근의 오일을 상기 캐리어의 외측으로 배출시키는 오일 배출로가 형성된다.

일 실시예에 따라, 상기 캐리어의 외부에서 상기 캐리어의 측벽 및 상기 유성기어축의 내부를 지나 상기 롤 베어링 부근으로 연장되도록 급유로가 형성되며, 급유로와 상기 오일 배출로가 상기 캐리어의 외부에서 만나 오일 순환라인을 형성한다.

일 실시예에 따라, 상기 오일배출로는 상기 캐리어 외부를 향해 아래로 경사지게 형성되어 오일의 유동성을 높이는 경사배출로를 포함한다.

일 실시예에 따라, 상기 오일배출로는 상기 댐 형상부의 내측면으로부터 상기 댐 형상상부의 단면 중간에 이르는 수평배출로와 상기 수평배출로의 끝단에서 상기 댐 형상부의 외측면까지 아래로 경사지게 이어진 경사배출로를 포함한다.

일 실시예에 따라, 상기 오일배출로의 시작단 높이는 상기 유성기어축의 외주면을 기준으로 상기 유성기어의 내주면보다 낮게 정해진다.

본 고안의 다른 측면에 따른 풍력발전기용 증속기는, 캐리어와, 상기 캐리어에 보유 유지된 축과, 상기 축에 장착된 베어링과, 상기 베어링을 사이에 두고 상기 축에 회전 가능하게 결합된 기어를 포함하며, 상기 캐리어는 상기 베어링의 주변을 가로막는 댐 형상부를 포함하고, 상기 댐 형상부에는 상기 베어링 주위의 오일을 상기 캐리어 외측으로 배출하기 위한 오일 배출구가 형성된다. 상기 오일 배출구는 상기 베어링에 오일을 급유하도록 형성된 급유로와 함께 오일의 순환라인을 형성한다.

본 고안에 따르면, 축, 특히, 유성기어 축을 보유, 유지하면서 베어링, 특히, 롤 베어링의 주변을 막는 캐리어의 일부, 즉, 댐 형상부에 작은 크기의 오일 배출로를 형성함으로써, 오일이 베어링 주위에서 계속해서 정체됨으로써 야기되는 오일의 오염 및 점도 저하를 억제할 수 있다.

또한, 오일 배출로를 오일 순환라인에 통합시킴으로써, 상기 오일 배출로를 통해 나온 베어링에 재공급할 수 있고, 이에 의해, 오일의 낭비를 줄여줄 수 있다.

도 1은 풍력발전기의 전반적인 구성을 설명하기 위한 도면이고,
도 2는 본 고안의 일 실시예에 따른 풍력발전기용 증속기를 설명하기 위한 단면도이며,
도 3은 도 2의 "A"를 확대하여 도시한 부분 확대 단면도이다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 고안의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위한 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 고안은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위해 과장되어 표현될 수 있다.

도 1은 풍력발전기 전반적인 구성을 설명하기 위한 도면이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 풍력발전기는 타워(1)와, 상기 타워(1)의 상단에 설치된 나셀(2)과, 상기 나셀(2)에 장착된 로터(3), 상기 로터(3)에 결합되어 회전하는 블레이드(4)를 포함한다.

상기 타워(1)는 기반에 설치되는 하단으로부터 대략 수직으로 연장되며, 상단에서 상기 나셀(2)과 상기 나셀(2)에 결합된 로터(3)와, 블레이드(4)를 지지한다. 상기 타워(1)는 도시된 것과 같이 단일 기둥의 형태로 이루어질 수 있고 대안적으로 복수의 기둥을 포함하여 이루어질 수도 있다.

상기 나셀(2)은, 상기 로터(3)를 지지하는 한편, 내부에 구동 트레인(2a)과 전력발생 부(2b)를 포함한다.

상기 구동 드레인(2a)은 로터(3)의 허브에 연결된 주축과 전력발생 부(2b)에 연결된 출력 축의 사이에 증속기(20; 도 2 참조)를 포함한다.

상기 증속기(20)는 상기 블레이드(4) 및 로터(3)의 회전에 따라 주축을 통해 입력된 회전을 수백 배 정도로 증속하여 출력 축을 통해 전력발생 부(2b)에 전달한다.

이제 본 고안의 일 실시예에 따른 풍력발전기용 증속기(20)에 대해 도 2 및 도 3을 참조하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 도 2는 본 고안의 일 실시예에 따른 풍력발전기용 증속기를 도시한 단면도이고, 도 3은 도 2의 "A"를 확대하여 도시한 단면도이다.

도 2를 참조하면, 상기 증속기(20)는 로터(3; 도 1 참조) 측의 주축(31)으로부터 입력된 회전을 증속하여 전력발생 부(2b; 도 1 참조) 측에 전달하기 위한 것으로서, 케이싱(21)과, 상기 케이싱(21)에 내장된 유성기어 증속부(22)와, 평기어 증속부(23)를 포함한다.

상기 유성기어 증속부(22)는 캐리어(220)와, 상기 캐리어(220)에 보유, 유지되는 유성기어 축(221)과, 상기 유성기어 축(221)에 장착된 롤 베어링(222)과, 상기 유성기어 축(221)과의 사이에 상기 롤 베어링(222)을 개재한 채 상기 유성기어 축(221)에 대해 회전가능하게 결합되는 유성기어(223)와, 외곽 측에서 상기 유성기어(223)와 기어 맞물림되는 링 기어(224)와, 내측에서 상기 유성기어(223)와 기어 맞물림되는 선 기어(225)를 포함한다.

자세히 도시하지는 않았지만, 상기 유성기어 축(221)은 복수개로 이루어진 채 하나의 캐리어(220)에 유지되는데, 상기 캐리어(220)가 로터 측의 주축(31)과 일체로 결합됨으로써, 상기 주축(31)의 회전에 의해, 상기 캐리어(220)가 일체로 회전하여, 상기 유성기어 축(221)은 공전된다.

상기 링 기어(224)는 상기 케이싱(21)의 일측 내주면에 고정 설치되며, 상기 유성기어(223)와 기어 맞물림되는 내치를 포함한다.

또한 상기 선 기어(225)는 상기 유성기어(223)와 기어 맞물림되는 외치를 외주면에 포함하고, 중심에는 유성기어 증속부(22)의 출력 축(226)이 삽입 결합되어 있다.

상기 유성기어 증속부(22)는 로터의 주축(31)과 함께 캐리어(220)가 회전하면, 유성기어축(221) 및 상기 유성기어축(221)에 지지된 유성기어(223)가 선기어(225)를 중심으로 공전함과 동시에, 상기 유성기어(223)는 롤 베어링(222)의 작용에 의해 유성기어 축(221)을 중심으로 하여 회전한다. 이에 의해, 상기 로터의 주축(31)으로부터의 회전이 증속되어 유성기어 증속부(22)의 출력 축(226)을 통해 출력된다.

상기 유성기어 증속부(22)에 의한 증속비는, 유성기어(223), 링기어(224) 및 선기어(225)의 기어 잇수에 의해 결정된다.

상기 케이싱(21) 내 유성기어 증속부(22)의 하측에는 오일이 저장될 수 있으며, 상기 유성 기어(223)가 공전에 의에 의해 상기 케이싱(21)의 하측으로 이동할 때 상기 케이싱(21) 하측에 저장된 오일을 통과하면서 윤활 되도록 할 수 있다.

한편, 평기어 증속부(23)는, 유성기어 증속부(22)에 대하여 부가적으로 설치되는 것으로서, 상기 유성기어 증속부(22)의 출력 축(226) 회전을 더 증속하여 최종 출력으로 출력하도록 되어 있다.

상기 평기어 증속부(23)는 서로 기어 맞물림되는 제1 및 제2 평기어(231, 232)로 구성된 제1 평기어 세트와, 서로 맞물림되는 제3 및 제4 평기어(233, 234)로 구성된 제2 평기어 세트를 포함할 수 있다.

상기 제1 평기어(231)는 유성기어 증속부(22)의 출력 축(226)과 연결된 제1 회전축(235)에 고정되어 있고, 제2 평기어(232) 및 제3 평기어(233)는 제2 회전축(236)에 고정되어 있으며, 제4 평기어(234)는 제3 회전축(237)에 고정되어 있다.

상기 제1, 제2 및 제3 회전축(235, 236, 237)은 베어링에 의해 회전가능하게 지지되고, 상기 제3 회전축(237)은 증속기의 말단 출력 축으로서의 역할을 한다.

따라서 상기 유성기어 증속부(22)에 의해 1차 증속되어 상기 평기어 증속부(23)에 입력된 회전이 상기 1, 제2, 제3 및 제4 평기어(231, 232, 233, 234)의 작용에 의해 상기 평기어 증속부(23)에서 더 증속되어 상기 제3 회전축(237)을 통해 전력 발생부로 전달된다.

이제부터 증속기(20), 특히, 유성기어 증속부(22)의 윤활구조에 대해 도 3을 참조로 하여 구체적인 설명이 이루어질 것이다.

도 3에 잘 도시된 바와 같이, 상기 롤 베어링(222)은 상기 복수의 유성기어(223) 각각을 회전(자전) 가능하게 유성기어 축(221)에 연결시키는 요소로서, 내륜(222a) 및 외륜(222c)과 이들 사이에 개재된 하나 이상의 롤러(222b)를 포함한다. 상기 롤 베어링(222)은 다양한 형태를 갖는 것이 채용될 수 있다.

일예로, 상기 롤 베어링(222)은 자신의 베어링 중심과 상기 외륜(222c)의 궤도 중심이 베어링 중심과 일치하는 구조를 갖는 것이 채택될 수 있으며, 이러한 구조의 롤 베어링(222)은 진동 및/또는 충격에 대하여 우수한 특성이 있다.

한편, 상기 캐리어(220)는 상기 유성기어축(221)을 감싸 유지하는 형상으로 인해 상기 유성기어축(221)의 외주면을 지나 상기 링기어(224) 부근까지 더 연장되며, 이에 의해, 상기 캐리어(220)의 일측에는 상기 롤베어링(222) 주변을 가로막는 댐 형상부(2202)가 형성된다.

상기 댐 형상부(2202)는 상기 롤 베어링(222)에 제공된 오일의 누출을 막는 역할을 할 수도 있지만, 상기 오일의 지속적인 정체로 인한 오일의 오염도 상승과 점도가 나빠지는 것을 초래할 수 있다.

이에 따라, 본 고안은 상기 롤 베어링(222) 주변을 가로막고 있는 상기 캐리어(220)의 일부인 댐 형상부(2202)에 오일 배출로(2203)을 제공한다.

상기 오일 배출로(2203)는 상기 롤 베어링(222) 주변에서 정체된 윤활 오일을 상기 캐리어(220)의 외측으로 배출시킴으로써 오일의 유동성을 보장하고 이에 의해 오일의 점도 저하 및 오염을 줄여준다.

상기 롤 베어링(222)에 오일을 공급하기 위해 급유로(229)가 제공되는데, 상기 급유로(229)는 상기 캐리어(220)의 외부로부터 상기 캐리어(220)의 측벽 및 이와 접해 있는 상기 유성기어 축(221)의 내부를 지나 상기 유성기어 축(221)의 외주면에 있는 롤 베어링(222) 부근까지 연장된다.

필요시, 상기 급유로(229)를 통해 상기 롤 베어링(222)에 오일, 즉, 윤활유를 공급함으로써, 상기 롤 베어링(222)의 윤활 상태를 유지할 수 있다.

이때, 전술한 오일 배출로(2203)와 상기 급유로(229)는 상기 캐리어(220)의 외부에서 만나도록 구성되어, 상기 오일 배출로(2203)와 상기 급유로(229)가 오일순환라인을 형성한다.

즉, 상기 오일 배출로(2203)를 통해 상기 캐리어(220)의 외부로 나온 윤활유가 상기 급유로(229)를 통해 상기 롤 베어링(222)에 다시 공급되는 윤활유의 순환이 이루어질 수 있다. 이는, 윤활유의 오염 및 점도 저하를 막음과 동시에 윤활유의 손실로 인한 낭비를 막아준다.

또한 상기 오일 배출로(2203)는 상기 캐리어(220)의 일부인 댐 형상부(2202)의 내측 면으로부터 상기 댐 형상부(2202)의 단면 중간에 이르는 수평배출로(H)와 상기 수평배출로(H)의 끝단에서 상기 댐 형상부(2202)의 외측 면까지 아래로 경사지게 이어진 경사 배출로(S)를 포함한다.

상기 경사 배출로(S)는 오일이 원활하게 유동하면서 배출되는 것을 보장한다.

또한 상기 오일 배출로(2203)의 배출이 시작되는 오일 배출로(2203)의 시작단 높이는 상기 유성 기어 축(221)의 외주 면을 기준으로 상기 유성기어(221)의 내주 면보다 낮게 정해지며, 이는 오일이 과도하게 급유되는 것을 막아준다.

20......증속기 21......케이싱
22......유성기어 증속부 23......평기어 증속부
220.... 캐리어 221.....유성기어축
222.....롤 베어링 223.....유성기어
224.....링기어 225.....선기어
226.....유성기어 증속부의 출력축 229: 급유로
2202....댐 형상부 2203....오일 배출로

Claims (7)

1. 유성기어, 링기어 및 선기어를 포함하는 유성기어 증속부에 의해 로터 주축의 회전을 증속하는 풍력발전기용 증속기로서,
   상기 유성기어는 롤 베어링을 사이에 두고 유성기어 축에 회전가능하게 결합되며,
   상기 유성기어 축은 상기 롤 베어링 주위를 가로막는 위치까지 연장된 댐 형상부를 갖춘 캐리어에 보유 유지되며,
   상기 댐 형상부에는 상기 롤 베어링 부근의 오일을 상기 캐리어의 외측으로 배출시키는 오일 배출로가 형성된 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 증속기.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 캐리어의 외부에서 상기 캐리어의 측벽 및 상기 유성기어 축의 내부를 지나 상기 롤 베어링 부근으로 연장되도록 급유로가 형성되며, 급유로와 상기 오일 배출로가 상기 캐리어의 외부에서 만나 오일 순환라인을 형성하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 증속기.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 오일 배출로는 상기 캐리어 외부를 향해 아래로 경사지게 형성되어 오일의 유동성을 높이는 경사 배출로를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 증속기.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 오일 배출로는 상기 댐 형상부의 내측 면으로부터 상기 댐 형상상부의 단면 중간에 이르는 수평배출로와 상기 수평배출로의 끝단에서 상기 댐 형상부의 외측면까지 아래로 경사지게 이어진 경사 배출로를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 증속기.
5. 청구항 1 있어서,
   상기 오일 배출로의 시작단 높이는 상기 유성기어 축의 외주 면을 기준으로 상기 유성기어의 내주 면보다 낮게 정해지는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 증속기.
6. 캐리어;
   상기 캐리어에 보유 유지된 축;
   상기 축에 장착된 베어링; 및
   상기 베어링을 사이에 두고 상기 축에 회전 가능하게 결합된 기어를 포함하며,
   상기 캐리어는 상기 베어링의 주변을 가로막는 댐 형상부를 포함하고,
   상기 댐 형상부에는 상기 베어링 주위의 오일을 상기 캐리어 외측으로 배출하기 위한 오일 배출구가 형성된 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 증속기.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 오일배출구는 상기 베어링에 오일을 급유하도록 형성된 급유로와 함께 오일의 순환라인을 형성하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 증속기.

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