KR20150053229A - 유체 기계 설비용 베어링 장치 - Google Patents

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조나스 쿠린
주에겐 레이처트
한스 베데베르그
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아크티에볼라게트 에스케이에프
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Abstract

본 발명은 축방향 위치설정 베어링 위치(10)와 축방향 비-위치설정 베어링 위치(12)를 갖는 유체 기계 설비(100)를 위한 베어링 장치(1)에 관한 것으로, 상기 축방향 위치설정 베어링 위치(10)는 축방향(A)으로의 운동에 대해 샤프트(2)를 위치설정하기 위하여 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(31)에 나란히 배열된 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(11)을 포함하고, 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(11)은 제1 만곡된 외부 레이스웨이(21a)와 제1 만곡된 내부 레이스웨이(20a) 사이에 개재되고 제1 열(22)로 배열된 롤러(15)로 형성된 제1 세트의 롤링 요소를 가지며, 각각의 롤러(15)는 제1 만곡된 내부 레이스웨이(20a) 및 제1 만곡된 외부 레이스웨이(21a)와 결합가능한 만곡된 레이스웨이-접촉 표면(15a)을 갖는 대칭 원통형 롤러이고, 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(11)의 각각의 롤러(15)는 제1 접촉 각도(α2)만큼 샤프트(2)의 축방향에 대해 기울어지고, 롤러(15)는 축방향 힘(F1)과 반경방향 힘(F2)을 지지하기 위해 제1 만곡된 내부 레이스웨이(20a) 및 만곡된 외부 레이스웨이(21a)와 협력하도록 배열되고, 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(31)은 제2 만곡된 외부 레이스웨이(41a)와 제2 만곡된 내부 레이스웨이(40a) 사이에 개재되고 제2 열(32)로 배열된 롤러(35)로 형성된 제2 세트의 롤링 요소를 가지며, 각각의 롤러(35)는 제2 만곡된 내부 레이스웨이(40a) 및 제2 만곡된 외부 레이스웨이(41a)와 결합가능한 만곡된 레이스웨이-접촉 표면(35a)을 갖는 대칭 원통형 롤러이고, 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(31)의 각각의 롤러(35)는 제2 접촉 각도(α1)만큼 샤프트(2)의 축방향에 대해 기울어지고, 롤러(35)는 축방향 힘(F1)과 반경방향 힘(F2)을 지지하기 위해 제2 만곡된 내부 레이스웨이(40a) 및 제2 만곡된 외부 레이스웨이(41a)와 협력하도록 배열되고, 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(11)의 각각의 롤러(15)는 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(11)의 제1 압력 중심(P1)이 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(31)의 제2 압력 중심(P2)으로부터 이동되도록 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(31)의 각각의 롤러(35)에 대해 기울어지고, 축방향 비-위치설정 베어링 위치(12)는 축방향(A)으로 도시된 바와 같이 축방향 위치설정 베어링 위치(10)로부터 이격되어 배열된다. 본 발명은 또한 베어링 장치(1)를 포함한, 윈드 터빈 장치, 수 터빈 장치 또는 추진 터빈 장치와 같은 유체 기계 설비(100)에 관한 것이다.

Description

유체 기계 설비용 베어링 장치{BEARING ARRANGEMENT FOR FLUID MACHINERY APPLICATION}
본 발명은 윈드 터빈 장치, 수 터빈 장치, 또는 추진 터빈 장치와 같은 유체 기계 설비용 베어링 장치에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는, 베어링 장치는 유체 기계 설비의 로터 샤프트와 같이 샤프트의 축방향 운동을 제한하고 축방향 하중을 지지할 수 있는 축방향 비-위치설정 베어링 위치 및 축방향 위치설정 베어링 위치를 포함한다.
더욱 구체적으로는, 본 발명은 축방향 위치설정 베어링 위치 및 축방향 비-위치설정 베어링 위치를 갖는, 베어링 장치를 포함한, 윈드 터빈 장치, 수 터빈 장치 또는 추진 터빈 장치와 같은 유체 기계 설비에 관한 것이다.
유체 기계 설비의 분야에서, 유체 기계 시스템을 구성하는 구성요소들의 작동 및 내구성을 향상시키는 요구는 증가된다. 본 문헌에서 용어 "유체 기계 설비"는 유체(액체 또는 기체)의 연속적으로 이동하는 스트림으로부터 에너지를 추출할 수 있는 임의의 장치를 지칭한다. 유체 기계 응용은 유체로부터 로터에 에너지를 전달하고 전형적으로 유체가 이동하는 회전식 구성요소가 제공되기 때문에, 유체 기계 설비는 유체 기계 설비의 로터 샤프트의 방향으로 볼 때 상당히 큰 축방향 힘과 반경방향 힘을 지지할 수 있어야 한다. 유체 스트림으로부터의 에너지는 하나 이상의 터빈에 의해 회전식 샤프트의 기계적 에너지로 변환된다. 이 타입의 응용에서, 회전식 구성요소는 전형적으로 일련의 베인 또는 블레이드가 제공된 로터로 지칭된다.
유체 기계 설비의 일 예시는 윈드 터빈 장치이다. 유체 기계 설비의 다른 에시는 수 터빈 장치 및 추진 터빈 장치이다. 유체 기계 설비의 목적에 따라, 작동 유체는 액체 또는 기체일 수 있다.
로터의 회전 운동을 지지하기 위하여, 이 타입의 장치는 하나 이상의 베어링이 전형적으로 제공된다. 윈드 터빈의 큰 치수 및 중량으로 인해, 로터 샤프트와 윈드 터빈 블레이드를 지지하는 베어링(들)의 성능 및 하중 지지 능력이 매우 중요하다. 따라서, 베어링은 베어링을 구성하는 구성요소의 불필요한 마모를 방지하기 위하여 정확한 방식으로 정렬 및 배치되어야 한다.
전형적으로, 수평 또는 거의 수평 로터 샤프트 타입의 윈드 터빈의 경우, 베어링 장치는 축방향 및 반경방향 하중을 지지해야 하며, 축방향 하중은 윈드 터빈 타워와 터빈 블레이드 사이의 충돌의 위험성을 줄이기 위하여 수평 평면에 대해 기울어진 각도로 장착되는, 터빈 블레이드 장치와 로터 샤프트의 중량으로부터 야기되는 축방향 하중뿐만 아니라 작동 중에 터빈 블레이드로부터 전달되는 축방향 하중을 지칭한다.
게다가, 타워-형 구조물 내의 로터 장치의 위치뿐만 아니라 구성요소의 중량과 크기는 윈드 터빈을 제조, 장착 및 제공하는 비용을 증가시킨다. 특히, 지지 구조물 및 로터 샤프트에 대한 하중 지지 롤링 베어링의 부착은 번거롭고, 전형적으로 샤프트 및/또는 지지 구조물에 대한 롤링 베어링의 정확한 정렬 및 배향을 보장하기 위하여 높은 정밀도를 유지하면서 적합한 부착 및 프리-스트레싱을 제공하도록 장착될 롤링 베어링의 내부 링과 같이 전형적으로 부재의 가열 기술을 포함한다. 그 결과, 장착 공정은 복잡해지고, 대개 시간이 많이 소요되며 가열 및 정렬 제어 측정을 위한 보조 설비를 필요로 한다. 또한, 공지된 해결방법에서 지지 구조물 또는 로터 샤프트로부터 하중 지지 롤링 베어링의 분리는 번거롭고 시간이 많이 소요된다. 즉, 베어링과 로터 장치의 장착 및 분리는 전형적으로 향상된 설비 엔지니어링을 필요로 하고, 시스템의 주변 부분에 고품질 요건을 갖는다.
게다가, 베어링이 과도한 유지보수 없이 극한 상태에서 작동되는 것을 보장하기 위하여 레이스웨이와 같은 베어링의 해당 부분이 예를 들어, 높은 접촉 응력과 피로 손상을 견디기 위한 경화 공정과 같은 열 처리 공정을 겪는다.
윈드 터빈 장치와 같이 유체 기계 설비에서 통상적으로 사용되는 베어링의 일 예시는 구형 롤러 베어링이다. 구형 롤러 베어링은 작동 중에(즉, 샤프트의 회전 시에) 샤프트의 자가-정렬을 허용하는 구형 기하학적 형상이 제공된다. 자가-정렬에 의해, 회전 샤프트의 회전 축의 앵귤러 정렬은 하우징에 대한 샤프트의 앵귤러 이동이 허용되도록 베어링에 대해 변화할 수 있다. 로터 샤프트 장치의 작동 중에, 회전하는 샤프트의 축방향 운동이 기어 박스, 등과 같은 연결된 설비 및/또는 주변 설비에 대한 마모와 손상을 줄이고 원활한 작동을 제공하기 위해 롤러 베어링에 의해 추가로 제한되어야 한다. 임의의 과도한 축방향 유극은 설비 장치의 수명을 상당히 감소시킬 수 있다.
게다가, 구형 롤러 베어링의 적합하고 신뢰성 있는 축방향 위치설정 기능을 제공하기 위하여, 구형 롤러의 기하학적 형상의 크기와 반경방향 치수가 증가될 수 있다. 크기 및 반경방향 치수를 증가시킴으로써 회전하는 샤프트의 축에 대해 레이스웨이와 롤러 사이의 접촉 각도가 증가된다. 유사한 조건 및 요건이 윈드 터빈 장치에 적용될 수 있을 뿐만 아니라 수 터빈 장치 및 추진 터진 장치에 적용될 수 있다.
따라서, 축방향 위치설정 롤러 베어링을 포함하는 유체 기계 설비에 대한 공지된 베어링 해결방법은 예를 들어, 반경방향 하중 지지 용량에 대해 과도설계되는 것으로 고려된다. 유사하게, 많은 이들 베어링은 충분한 축방향 하중 지지 용량을 제공하기 위하여 큰 베어링 설계를 포함하여 컴팩트하지 못하다. 이 방식으로, 이 타입의 베어링은 유체 기계 설비의 상당한 공간을 점유하는 것으로 고려된다. 게다가, 더 큰 베어링이 높은 재료 비용으로 인해 제조하는데 있어서 더 많은 비용이 소요되며, 동시에 더 높은 베어링 중량은 예를 들어, 장치의 회전 관성을 증가시키기 위하여 작동 효율에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
따라서, 감소된 설비 엔지니어링 노력과 주변 부분의 덜한 정확성 요구를 필요로 하고, 유체 기계 설비의 로터 샤프트로부터 반경방향 및 축방향 하중을 견디기 위해 높은 용량을 유지하는 단순한 베어링 장치가 필요하다.
종래 기술의 전술된 및 다른 단점에 관해, 본 발명의 일반적인 목적은 유체 기계 설비를 위한 개선되고 내구성 있는 베어링 장치 및 이러한 베어링 장치를 포함한 유체 기계 설비를 제공하는 데 있다. 베어링 장치에 따라 로터 샤프트를 지지하는 지지 구조물 및/또는 로터 샤프트에 대한 베어링 장치의 향상된 장착/분해가 허용된다.
이들 및 다른 목적은 독립항에 제공된 주안점에 의해 부합된다. 본 발명의 선호되는 실시 형태는 종속항에 제시된다.
본 발명의 제1 양태에 따라서, 축방향 위치설정 베어링 위치와 축방향 비-위치설정 베어링 위치를 갖는 유체 기계 설비를 위한 베어링 장치가 제공된다. 상기 축방향 위치설정 베어링 위치는 축방향으로의 운동에 대해 샤프트를 위치설정하기 위하여 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링에 나란히 배열된 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링을 포함한다. 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링은 제1 만곡된 외부 레이스웨이와 제1 만곡된 내부 레이스웨이 사이에 개재되고 제1 열로 배열된 롤러로 형성된 제1 세트의 롤링 요소를 가지며, 각각의 롤러는 제1 만곡된 내부 레이스웨이 및 제1 만곡된 외부 레이스웨이와 결합가능한 만곡된 레이스웨이-접촉 표면을 갖는다. 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 각각의 롤러는 제1 접촉 각도(α2)만큼 샤프트의 축방향에 대해 기울어지고, 롤러는 축방향 힘(F1)과 반경방향 힘(F2)을 지지하기 위해 제1 만곡된 내부 레이스웨이 및 만곡된 외부 레이스웨이와 협력하도록 배열된다. 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링은 제2 만곡된 외부 레이스웨이와 제2 만곡된 내부 레이스웨이 사이에 개재되고 제2 열로 배열된 롤러로 형성된 제2 세트의 롤링 요소를 가지며, 각각의 롤러는 제2 만곡된 내부 레이스웨이 및 제2 만곡된 외부 레이스웨이와 결합가능한 만곡된 레이스웨이-접촉 표면을 갖는 대칭 원통형 롤러이다. 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 각각의 롤러는 제2 접촉 각도(α1)만큼 샤프트의 축방향에 대해 기울어지고, 롤러는 축방향 힘(F1)과 반경방향 힘(F2)을 지지하기 위해 제2 만곡된 내부 레이스웨이 및 제2 만곡된 외부 레이스웨이와 협력하도록 배열된다. 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 각각의 롤러는 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 제1 압력 중심(P1)이 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 제2 압력 중심(P2)으로부터 이동되도록 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 각각의 롤러에 대해 기울어진다. 축방향 비-위치설정 베어링 위치는 축방향(A)으로 도시된 바와 같이 축방향 위치설정 베어링 위치로부터 이격되어 배열된다.
후술된 바와 같이, 본 발명의 일 양태에 있어서, 본 발명의 베어링 장치는 임의의 과도한 에지 접촉 응력이 제공되지 않도록 보장하는, 링의 링잉(wringing)과 같은 국부적 내부 오정렬을 허용할 수 있다.
본 발명의 원리에 따라, 향상되고 더욱 컴팩트한 유체 기계 설비, 예를 들어, 윈드 터빈 장치, 수 터빈 장치 또는 추진 터빈 장치를 제공할 수 있다. 유체 기계 설비는 베어링이 단일의 베어링 장치 시스템 내에 배열될 수 있고 이와 같이 제공될 수 있음에 따라 컴팩트하다. 유체 기계 설비, 예를 들어 윈드 터빈 로터 샤프트 장치 내에 본 발명에 따른 베어링 장치를 배열함에 따라 샤프트의 반경방향 힘과 축방향 힘을 효과적으로 지지하기 위한 향상되고 컴팩트한 기술적 해결방법이 제공된다. 이는 특히, 축방향 비-위치설정 베어링 위치가 축방향(A)으로 도시된 바와 같이 축방향 위치설정 베어링 위치로부터 이격되고 축방향 비-위치설정 베어링과 축방향 위치설정 베어링(들)의 특정 구성에 따라 구현된다. 베어링 장치가 2개의 베어링 모듈(즉, 축방향 비-위치설정 베어링 위치 및 축방향 위치설정 베어링 위치)을 포함함에 따라, 본 발명은 2 지점 서스펜션 시스템이 제공되며, 즉 제2 지지 지점으로부터 이격된 제1 지지 지점에 윈드 터빈 로터 샤프트 장치를 지지한다.
또 다른 실시 형태에서, 베어링 장치는 3 지점(3-지점) 서스펜션 시스템이다. 예를 들어, 비-위치설정 베어링 위치는 비-위치설정 기어 박스(예를 들어, 윈드 터빈 내의 기어 박스)일 수 있고, 이에 따라 기어 박스는 비-위치설정 기능을 나타내고, 즉 기어 박스는 샤프트의 축방향으로 이동가능하고, 이에 따라 축방향 힘을 수용하지 않고 반경방향 힘을 수용하도록 설계된다. 예를 들어, 기어 박스는 테이퍼진 롤러 베어링, 원통형 롤러 베어링, 또는 당업자에게 자명한 임의의 다른 적합한 베어링에 의해 지지되는 유성 기어 박스일 수 있다.
추가로, 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 각각의 롤러와 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 각각의 롤러가 제1 축방향에 대해 기울어지고 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 제1 압력 중심이 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 압력 중심으로부터 변위됨에 따라, 유체 기계 설비 및/또는 베어링 장치의 기능을 저하시키지 않고 베어링 장치의 크기가 최소로 유지될 수 이?. 이는 현저히 기울어진 접촉 각도, 즉 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링과 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 기울어진 접촉 각도를 갖는 축방향 위치설정 베어링을 제공함으로써 구현된다.
따라서, 베어링은 전형적으로 로터 샤프트의 2개의 상이하고 이격된 지지 지점에 유체 기계 설비의 샤프트를 지지하기 위하여 배열된다. 게다가, 축방향 위치설정 베어링의 접촉 각도를 틸팅함으로써, 베어링 장치는 축방향 하중 지지 용량을 유지할 수 있고 동시에 축방향 위치설정 베어링의 축방향 폭 및 반경방향 신장부가 감소될 수 있다. 이 방식으로, 조립된 유체 기계 설비, 예를 들어 조립된 윈드 터빈 장치의 중량을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 경사진 접촉 각도를 갖는 앵귤러 접촉 베어링 둘 모두를 제공함으로써 외부 레이스웨이의 전체 롤러 접촉 표면 또는 외부 레이스웨이의 법선 방향이 로터 샤프트의 축방향에 대해 각을 이룬다.
제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링과 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 기술된 구성들 중 임의의 하나의 구성에 따른 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링은 대개 SAT(자가-정렬 토러스) 베어링으로 지칭될 수 있다. 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링과 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링을 포함하는 축방향 위치설정 베어링 위치의 구성에 의해, 베어링 링의 링잉과 같이 내부 국부적 오정렬을 수용할 수 있는 장치 내에서 허용되는 상이한 압력 중심을 2개의 자가-정렬 베어링을 제공한다. 즉, 2개의 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링을 함께 배치함으로써, 장치는 국부적 내부 오정렬을 허용할 수 있다.
그러나, 축방향 위치설정 베어링 위치는 샤프트(로터 샤프트)에 대해 자체적으로 자가-정렬되지 않는다.
앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 특성으로 인해, 간격이 예를 들어, SRB(구형 롤러 베어링)에 비해 더 작아서 축방향으로 더 강성의 장치가 제공된다.
따라서, 베어링 장치의 구성에 의해, 축방향(A)으로의 움직임에 대해 유체 기계 설비의 로터 샤프트를 배치할 수 있다. 특히, 베어링 장치는 축방향 힘(F1)과 반경방향 힘(F2) 둘 모두를 지지할 수 있다. 이 방식으로, 베어링 장치에 따라 로터 샤프트의 축방향 및 반경방향 위치 둘 모두를 배치할 수 있다.
따라서, 베어링 장치는 베어링 장치의 수명의 감소 또는 마찰 증가 없이 로터 샤프트와 하우징 사이에 국부적 오정렬을 허용하도록 구성된다.
베어링 장치 내에 축방향 비-위치설정 베어링 위치를 구성함으로써, 반경방향 힘(F2)을 추가로 지지할 수 있다. 축방향 비-위치설정 베어링 위치 내에 축방향 비-위치설정 베어링(들)의 구성이 축방향 힘(F1)을 지지할 수 없다. 추가로, 베어링 장치의 구성으로 인해, 유체 기계 설비의 회전 운동(즉, 회전 토크)을 지지하는데 특히 적합할 수 있다. 따라서, 베어링 장치는 베어링 장치의 수명을 감소시키거나 또는 상당히 증가시키지 않고 하우징과 로터 샤프트 사이의 국부적 오정렬을 허용하도록 구성된다.
추가로, 베어링 장치의 구성에 의해, 로터 샤프트 장치의 중량은 강성으로 인해 추가로 감소될 수 있고, 이에 따라 샤프트의 중량이 감소될 수 있다. 이는 로터 샤프트의 굽힘 편향(bending deflection)이 적어도 현미경의 수준으로 지지 지점이 보상될 수 있는 앵귤러 오정렬을 야기함에 따라 축방향 위치설정 베어링 위치에 의해 달성된다. 너셀 프레이밍의 굽힘 편향은 축방향 위치설정 베어링 위치에 의해 국부적으로 보상될 수 있다.
용어 "자가-정렬"은 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 외부 링과 내부 링 사이의 앵귤러 변위(오정렬)가 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 성능에 대해 중요한 부정적 효과를 야기하지 않고 허용될 수 있는 것을 의미한다. 게다가, 용어 "자가-정렬"은 내부 및 외부 링이 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 회전 축에 대해 앵귤러으로 변위될 수 있는 것을 의미한다. 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링 중 하나의 베어링의 자가-정렬 기능은 롤러와 내부 및 외부 레이스웨이 간의 만곡된 접촉 표면을 가짐으로써 제공되며, 이에 따라 유체 기계 설비의 하우징 구조물에 대해 로터 샤프트의 앵귤러 오정렬의 보상이 허용된다.
그러나, 2개의 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 구성은 통상적인 자가-정렬 베어링을 제공하지 않고 대신에 베어링의 국부적 또는 내부 오정렬을 허용하는 가능성을 제공한다. 게다가, 너셀 프레이밍에 대해 고정되고 이에 장착될 때 베어링 장치의 하우징 구조물의 정렬 요건은 상당히 감소될 수 있다. 예를 들어, 로터 샤프트 장치의 개개의 구성요소의 감소된 정렬 요건은 단순화된 장착, 분해, 및 교체를 허용한다.
(앵귤러 접촉 베어링의) 자가-정렬 기능에 따라 로터 샤프트가 하기에서 더욱 상세히 설명되는 바와 같이 굽힘에 노출되는 경우 적어도 현미경의 수준으로 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링 및/또는 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 일부 오정렬을 허용한다.
각각의 앵귤러 접촉 베어링의 오정렬의 기능은 롤링 요소, 즉 만곡된 프로파일링된 롤러 및 이의 대응 만곡된 프로파일링된 레이스웨이의 구성에 의해 제공된다. 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링이 제1 내부 링, 제1 외부 링 및 제1 세트의 롤링 요소가 제공되는 경우, 오정렬의 기능이 제1 세트의 만곡된 프로파일링된 롤링 요소 및 이의 대응 만곡된 프로파일링된 레이스웨이이 구성에 의해 제공된다. 유사하게, 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링이 제2 내부 링, 제2 외부 링 및 제2 세트의 롤링 요소가 제공되는 경우, 오정렬의 기능이 제2 세트의 만곡된 프로파일링된 롤링 요소 및 이의 대응 만곡된 프로파일링된 레이스웨이이 구성에 의해 제공된다.
축방향 위치설정 베어링 위치의 자가-정렬 능력은 축방향 비-위치설정 베어링 위칭 대한 정렬 요건을 추가로 허용하고, 로터 샤프트를 따라 상이한 지지 지점에서 로터 샤프트를 지지하는 연계된 하우징 구조물이 제조 공정의 시간 및 비용 효율성을 향상시키도록 감소될 수 있다. 게다가, 너셀 프레이밍에 대해 고정 및 장착 시에 전체 베어링 장치의 정렬 요건이 상당히 줄어들 수 있다. 예를 들어, 감소된 정렬 요건에 따라 로터 샤프트장치의 단순화된 장착, 분해, 및 교체가 허용된다.
제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링이 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링에 나란히 배열됨에 따라, 이들은 유체 기계 설비의 공통 하우징 구조물에 대해 로터 샤프트를 축방향으로 배치하도록 협력할 수 있는 개별 베어링 하우징 내에 배치될 수 있다. 본 발명에서, 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링은 전형적으로 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링과 직접 접촉한 상태로 배열된다. 대안으로, 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링은 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링와 간접적으로 접촉한 상태로 배열될 수 있다. 비-위치설정 위치에 축방향 비-위치설정 베어링을 배치하고 위치설정 위치에 축방향 위치설정 베어링을 배치함으로써, 베어링 장치는 마찰 없이 실질적으로 로터 샤프트의 축방향 운동뿐만 아니라 국부적 오정렬을 허용할 수 있다. 이와 같이, 베어링 둘 모두는 로터 샤프트에 대한 타이트한 끼워맞춤이 가능하도록 설계될 수 있다.
전술된 바와 같이, 제1 및 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링 각각은 대칭 원통형 롤러가 제공된다. 본 발명의 문헌에서, 용어 "대칭"은 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링 및/또는 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 일련의 롤링 요소 내의 각각의 롤러가 대칭 형상을 갖는 것을 의미하고, 롤러의 축방향 단부는 서로 동일하거나 또는 대칭을 이루고, 즉 유사한 반경방향 치수와 같은 유사한 치수를 갖는다. 더욱 구체적으로, 각각의 롤러는 롤러의 회전 축과 일치하는 제1 대칭 축 및 제1 대칭 축에 직교하는 제2 대칭 축을 포함할 수 있다. 즉, 각각의 롤러는 적어도 2개의 개별 대칭 직교 축을 갖는 형상을 가질 수 있다. 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링 및 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 대칭 원통형 형태의 롤러와 대응 레이스웨이는 신뢰성 있는 작동뿐만 아니라 비용 및 시간 효율적인 제조가 가능하다. 게다가, 대칭 원통형 형태의 롤러는 롤러 및 레이스웨이의 채택된 만곡된 형상으로 인해 작동 중에 내부 및 외부 레이스웨이를 축방향으로 기능적으로 신뢰성 있는 정렬을 보장한다. 게다가, 내부 링과 외부 링 사이에 정확한 개재 위치에 롤러가 유지되도록 보장하기 위하여 내부 또는 외부 레이스웨이로부터 돌출부를 유도하거나 또는 플랜지를 안내할 필요가 없다. 유도 플랜지 또는 가이드 플랜지가 제공되지 않는 것은 종래의 구형 롤러 베어링에 대해 본 발명의 구별되는 또 다른 특징이다. 본 발명과 종래의 구형 롤러 베어링 간의 특징의 차이는 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링이 가이드 플랜지가 없다는 것을 의미한다. 유사하게, 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링은 가이드 플랜지가 없다. 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링 또는 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링 어느 것도 유도 플랜지를 필요로 하지 않기 때문에, 베어링 장치의 설계는 본 발명의 제조 비용을 감소시키는 종래의 베어링 해결방법에 비해 추가로 단순화된다. 베어링 장치는 축방향 하중이 롤러의 만곡된 접촉 표면과 만곡된 내부 및 외부 레이스웨이의 상호작용에 의해 완벽히 수행된다.
내부 및 외부 레이스웨이 및 롤러 요소의 기하학적 형상이 작동 중에 윈드 터빈 장치로부터 더욱 효과적인 개시 및 출력을 허용하는 베어링의 정적 및 동적 마찰을 추가로 감소시킨다.
대칭 원통형 형상의 롤러는 자가-조절되어 롤러 길이를 따라 균등한 하중 분포를 제공한다. 이는 모든 하중 조합 하에서 매우 높은 하중 지지 용량을 제공한다. 제1 세트의 롤러 및/또는 제2 세트의 롤러는 더 적은 개수의 추가 롤러가 베어링 유닛의 크기, 필요한 기능 및/또는 하중 용량에 따라 사용될 수 있을지라도 복수의 롤러 요소, 예를 들어, 30개 내지 60개, 심지어 100개 초과의 롤러 요소를 전형적으로 포함할 수 있다.
제1 및 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링 중 각각의 하나는 내부 만곡된 레이스웨이(또는 2개의 내부 링)들 사이의 거리에 의해 정해진 내부 간격이 제공된다. 간격은 음(프리로드)으로부터 0을 거쳐 양으로 변화할 수 있고, 2개의 접촉 베어링들 사이에서 분할된다. 전형적으로, 롤러와 레이스웨이는 통상적인 내부 간격을 갖도록 제조된다.
요약하면, 본 발명에 따라 2 지점 서스펜션 시스템 또는 3 지점 서스펜션 시스템에 대한 최대 반경방향 및 축방향 하중 지지 용량을 제공하면서 최적화된 내부 기하학적 형상을 갖는 베어링 장치를 제공한다. 본 발명은 베어링 장치가 큰 하중으로 인해 샤프트 또는 하우징 편향에 의해 야기되는 오정렬에 덜 민감하도록 구성된다. 축방향 비-위치설정 베어링 위치와 축방향 위치설정 베어링 위치가 단일의 베어링 장치 시스템 해결방법의 형태로 제공될 수 있기 때문에, 베어링 장치의 장착은 추가로 단순해질 수 있고, 이에 따라 더욱 효율적이고 컴팩트한 2-점 서스펜션 유체 기계 설계가 가능하다.
전형적으로, 축방향 비-위치설정 베어링 위치는 제3 내부 링의 제3 만곡된 내부 레이스웨이와 제3 외부 링의 제3 만곡된 외부 레이스웨이 사이에 개재되고 제3 열로 배열된 롤러로 형성된 제3 세트의 롤링 요소를 포함하고, 각각의 롤러는 제3 만곡된 내부 레이스웨이 및 제3 만곡된 외부 레이스웨이와 결합가능한 제3 만곡된 레이스웨이-접촉 표면을 갖는 대칭 원통형 롤러이고, 롤러는 반경방향 힘(F2)을 지지하기 위하여 제3 만곡된 외부 레이스웨이와 제3 만곡된 내부 레이스웨이와 협력하도록 배열된다.
즉, 롤러의 제3 세트의 롤링 요소는 제3 내부 링과 제3 외부 링 사이의 중간 구성으로 배열된다. 이에 따라, 제3 외부 링은 롤러로 형성된 롤링 요소의 제3 세트가 제3 내부 링과 제3 외부 링 사이의 중간 구성으로 배열되도록 제3 링을 둘러싼다.
따라서, 축방향 비-위치설정 베어링은 축방향 힘(F1)을 지지하도록 구성되지 않는다.
본 발명의 문헌에서, 제1 접촉 각도(α2) 및/또는 제2 접촉 각도(α2)는 로터 샤프트의 중심 축 및 롤러의 중심 촉에 대해 수직인 직선들 사이의 각도로서 형성될 수 있다(회전 평면에 대해 평행한 직선). 직선은 또한 하나의 레이스웨이로부터 또 다른 레이스웨이로 롤러 요소를 통해 결과적인 하중이 전달되도록 하는 선을 나타낼 수 있다. 따라서, 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 제1 압력 중심(P1)이 로터 샤프트의 중심 축으로 레이스웨이로부터의 법선에 의해 형성될 수 있다. 유사하게, 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 제2 압력 중심(P2)이 로터 샤프트의 중심 축으로 레이스웨이로부터의 법선에 의해 형성될 수 있다.
따라서, 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 제1 압력 중심(P1)이 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 제2 압력 중심(P2)으로부터 변위된다는 것은 로터 샤프트의 중심 축을 따라 제2 접촉 베어링의 제2 레이스웨이에 대한 법선 및 제1 접촉 베어링의 제1 레이스웨이에 대한 법선 간의 상호작용이 없는 것을 의미한다.
변위된 압력 중심의 구성에 의해 베어링은 전술된 바와 같이 베어링은 국부적 오정렬을 허용할 수 있다.
제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 제1 접촉 각도(α2) 및/또는 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 제2 접촉 각도(α2)는 또한 로터 샤프트의 중심 축과 대칭 롤러의 회전 축 사이의 각도로서 형성될 수 있다. 즉, 제1 만곡된 내부 레이스웨이 및 제1 만곡된 외부 레이스웨이들 중 하나와 각각의 롤러 사이의 제1 접촉 각도(α2)는 샤프트의 축방향에 대해 기울어진다. 유사하게, 제2 만곡된 내부 레이스웨이 및 제2 만곡된 외부 레이스웨이들 중 하나와 각각의 롤러 사이의 제2 접촉 각도(α1)는 샤프트의 축방향에 대해 기울어진다.
제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 제1 접촉 각도(α2)는 적절히 선택되어야 한다. 그러나, 기울어진 또는 경사진 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링을 제공하기 위하여, 각도는 0도 또는 90도이면 안된다. 예로서, 제1 접촉 각도(α2)의 값은 10도 내지 60도이다. 제1 접촉 각도(α2)의 값은 20도 내지 50도이다. 제1 접촉 각도(α2)의 값은 35도 내지 45도이다. 또 다른 실시 형태에서, 제1 접촉 각도(α2)의 값은 대략 45도이다.
유사하게, 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 제1 접촉 각도(α1)는 적절히 선택되어야 한다. 그러나, 기울어진 또는 경사진 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링을 제공하기 위하여, 각도는 0도 또는 90도이면 안된다. 예로서, 제2 접촉 각도(α1)의 값은 10도 내지 60도이다. 제2 접촉 각도(α1)의 값은 20도 내지 50도이다. 제2 접촉 각도(α1)의 값은 35도 내지 45도이다. 또 다른 실시 형태에서, 제2 접촉 각도(α1)의 값은 대략 45도이다.
추가로, 또는 대안으로, 제1 접촉 각도(α2)의 값은 제2 접촉 각도(α1)의 값과 상이할 수 있다. 이 방식으로, 축방향 위치설정 베어링 위치는 비대칭 열, 즉 제2 세트의 롤러의 제2 열의 기울기와 상이한 제1 세트의 롤러의 제1 열의 기울기가 제공될 수 있다. 축방향 위치설정 베어링(들)의 크기는 축방향 비-위치설정 베어링 위치의 설계에 대해 조절될 수 있고 및/또는 특정 윈드 터빈 장치의 요구에 부합되도록 조절될 수 있다. 즉, 베어링 장치의 크기는 최소로 유지되어야 한다.
일 예시적인 실시 형태에서, 제1 접촉 각도(α2)의 값은 제2 접촉 각도(α1)의 값과 동일할 수 있다. 대안으로, 제1 접촉 각도(α2)의 값은 제2 접촉 각도(α1)의 값보다 작을 수 있다. 대안으로, 제1 접촉 각도(α2)의 값은 제2 접촉 각도(α1)의 값보다 클 수 있다.
일 실시 형태에서, 제1 만곡된 내부 레이스웨이는 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 제1 내부 링 내에 배열될 수 있다. 추가로, 또는 대안으로 제1 만곡된 외부 레이스웨이는 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 제1 외부 링 내에 배열될 수 있다. 외부 링은 내부 링을 둘러쌀 수 있고, 이에 따라 롤러로 형성된 일련의 롤링 요소가 제1 내부 링과 제1 외부 링 사이의 중간 구성으로 배열된다.
유사하게, 제2 만곡된 내부 레이스웨이는 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 제2 내부 링 내에 배열될 수 있다. 추가로, 또는 대안으로 제2 만곡된 외부 레이스웨이는 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 제2 외부 링 내에 배열될 수 있다. 제2 외부 링은 제2 내부 링을 둘러쌀 수 있고, 이에 따라 롤러로 형성된 일련의 롤링 요소가 제2 내부 링과 제2 외부 링 사이의 중간 구성으로 배열된다.
제1 내부 링과 제2 내부 링 중 임의의 하나는 프레임이 없는 내부 링의 형태로 제공될 수 있다.
일 예시적인 실시 형태에 따라서, 제1 및 제2 만곡된 외부 레이스웨이는 하나의 공통 외부 링 내에 배열된다. 또 다른 예시적인 실시 형태에 따라서, 제1 및 제2 내부 레이스웨이는 하나의 공통 내부 링 내에 배열된다.
일 예시적인 실시 형태에 따라서, 위치설정 및 비-위치설정 베어링의 내부 링은 회전식이며, 외부 링은 고정식이다. 또 다른 실시 형태에서, 위치설정 및 비-위치설정 베어링의 외부 링은 회전식이며, 내부 링은 고정식이다.
일 예시적인 실시 형태에 따라서, 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 만곡된 외부 레이스웨이와 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 만곡된 외부 레이스웨이는 축방향(A)으로 도시된 바와 같이 서로 대향할 수 있다. 즉, 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링 및 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 쌍은 소위 백-투-백 배열, 또한 대개 O-배열로 장착된다.
일 예시적인 실시 형태에 따라서, 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 만곡된 외부 레이스웨이는 축방향(A)으로 도시된 바와 같이 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 만곡된 외부 레이스웨이를 대향할 수 있다. 즉, 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링과 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 쌍은 여기서 소위 페이스-투-페이스 배열, 또한 대개 X-배열로 장착된다.
제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링과 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링은 축방향(A)으로 도시된 바와 같이 축방향 비-위치설정 베어링 위치로부터 이격된 베어링 하우징 내에 수용될 수 있다. 전형적으로, 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링과 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링는 개별 제1 베어링 하우징 내에 수용될 수 있고, 축방향 비-위치설정 베어링은 제1 베어링 하우징으로부터 이격된 상이한 제2 베어링 하우징 내에 수용된다. 그러나, 축방향 비-위치설정 베어링과 축방향 위치설정 베어링(들)은 전체 베어링 장치 시스템을 형성하기 위해 하나의 공통 비-회전 하우징 구조물 내에 수용 및 전달될 수 있다.
추가로 또는 대안으로, 베어링 장치의 외부 링은 효과적인 베어링 윤활을 돕기 위해 하나 또는 몇몇의 윤활제 홀이 제공될 수 있다. 전형적으로, 필수적이지는 않지만, 제1 세트의 롤러는 윈도우-타입의 케이지 내에 수용될 수 있다. 추가로 또는 대안으로, 제2 세트의 롤러는 또 다른 윈도우 타입의 케이지 내에 수용될 수 있다. 윈도우-타입 케이지는 롤러의 2개의 열들 사이의 플로팅 가이드 링을 통해 프레임이 없는 내부 링 상에서 중심에 위치될 수 있다. 윈도우-타입의 케이지는 기계가공된 황동 또는 스틸 케이지로 구성될 수 있다. 스틸 및 황동 케이지는 강력할 뿐만 아니라 고온 및 모든 윤활제에 대해 내성이 있다.
추가로, 또는 대안으로, 자가 정렬 베어링은 내부 링과 외부 링 사이의 공간을 브리지하도록 설계되고 레이스 트랙 외측에서 축방향으로 베어링 내에 배열된 베어링 밀봉부를 포함할 수 있다. 밀봉부가 오염물이 레이스웨이에 유입되는 것을 방지하며, 밀봉부는 레이스웨이와 롤링 요소 사이의 허용가능 공간 내의 윤활제를 보유하는 기능을 한다.
본 발명은 윈드 터빈 장치, 수 터빈 장치, 또는 추진 터빈 장치와 같은 유체 기계 설비에 특히 적합하다. 반경방향 하중 및 축방향 하중의 방향은 유체 기계 설비가 윈드 터빈 장치, 수 터빈 장치, 또는 추진 터빈 장치인 것에 따라 변화할 수 있다. 게다가, 추진 터빈 장치의 경우, 반경방향 하중과 축방향 하중의 방향은 프로펠러 샤프트에 작동가능하게 연결된 모터가 전진 또는 후진으로 작동되는 것에 따라 변화할 수 있다. 임의의 경우, 하중의 방향을 고려하지 않고, 베어링 장치는 유체 기계 설비가 작동 중에 반경방향 힘 및 축방향 힘 둘 모두를 지지할 수 있다.
본 발명의 제2 양태에 따라서, 전술된 바와 같이 임의의 하나의 양태 및/또는 실시 형태에 따르는 베어링 장치를 포함한, 윈드 터빈 장치, 수 터빈 장치, 또는 추진 터빈 장치와 같은 유체 기계 설비가 제공된다. 본 발명의 제2 양태의 효과와 특징이 본 발명의 제1 양태에 따라 전술된 것과 대체로 유사하다.
전형적으로, 유체 기계 설비는 로터 샤프트를 추가로 포함할 수 있고, 베어링 장치의 축방향 위치설정 베어링 위치는 제1 지지 지점에서 유체 기계 설비의 로터 샤프트의 축방향 힘(F1)과 반경방향 힘(F2)을 지지하기 위해 배열되고, 축방향 비-위치설정 베어링 위치는 제2 지지 지점에서 로터 샤프트의 반경방향 힘(F2)을 지지하기 위해 배열된다.
따라서, 제1 지지 지점은 로터 샤프트의 축방향(A)을 따라 제2 지지 지점으로부터 이격되어 배열된다. 이 방식으로, 로터 샤프트는 2-지점 서스펜션 베어링 장치에 의해 지지되고, 2 지점은 제1 지지 지점과 제2 지지 지점 및 대응 축방향 위치설정 베어링(들) 및 축방향 비-위치설정 베어링으로 형성된다.
이 방식으로, 축방향 위치설정 베어링(들)은 로터 샤프트를 축방향으로 위치설정할 수 있다. 위치설정 베어링, 즉 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링과 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 장치는 전형적으로 비-위치설정 베어링보다 기어박스에 대해 더 떨어져 배열된다. 그러나, 또한 베어링의 위치는 마주보는 방식으로 배열될 수 있고, 즉 비-위치설정 베어링(들)이 위치설정 베어링보다 기어 박스에 더 떨어져 배열된다.
로터 샤프트는 터빈 블레이드에 작동가능하게 연결될 수 있고, 이에 따라 로터 샤프트가 터빈 블레이드의 회전 운동을 지지할 수 있다. 일 예시적인 실시 형태에서, 베어링 장치는 유체 기계 설비의 비-회전 하우징 구조물 내에 수용될 수 있다.
축방향 위치설정 베어링 위치 및 축방향 비-위치설정 베어링 위치는 예를 들어, 제1 지지 지점에서 로터 샤프트의 외부 직경의 50 %, 또는 75 %, 또는 100 %, 또는 150 %의 거리에 의해 이격될 수 있다.
전형적으로, 위치설정 베어링은 제1 베어링 하우징 및 로터 샤프트(2) 내에 고정될 수 있고, 반면에 축방향 비-위치설정 베어링(12)은 제2 베어링 하우징 내에서 이의 시팅 상에서 축방향으로 이동하도록 설계될 수 있다.
본 발명의 제3 양태에 따라서, 전술된 바와 같이 유체 기계 설비 내에서 베어링 장치의 사용이 제공된다. 본 발명의 이 문헌에서, 베어링 장치는 유체 기계 설비 내에서 샤프트의 반경방향 및 축방향 힘을 지지하도록 구성된다.
본 발명의 제3 양태의 효과와 특징이 본 발명의 제1 양태와 제2 양태에 대해 전술된 바와 대체로 동일하다. 유체 기계 설비는 수평 또는 거의 수평 타입일 수 있다. 일련의 터빈 블레이드의 세트에 작동가능하게 연결된 로터 샤프트를 포함하는 대신에, 유체 기계 설비는 로터 샤프트를 지지하기 위한 비-회전 지지 구조물을 포함할 수 있다. 지지 구조물은 터빈 너셀 프레이밍에 장착되도록 배열될 수 있다. 본 발명의 이 문헌에서, 베어링 장치는 제1 지지 지점과 제2 지지 지점에 대해 로터 샤프트를 지지하도록 배열될 수 있다.
로터 샤프트 장치는 베어링의 내부 링들 중 임의의 하나의 링을 로터 샤프트에 고정하기 위한 부착 부분을 추가로 포함할 수 있다. 예시로서, 부착 부분은 제1, 제2, 및 제3 내부 링들 중 임의의 하나의 내부 지지 표면에 대해 반경방향 외부 지지 표면을 포함할 수 있다.
추가로, 또는 대안으로, 부착 부분의 반경방향 외부 지지 표면은 부착 부분으로 이동되는 팽창 부재에 의해 내부 링들 중 하나의 내부 링을 고정하기 위하여 반경방향의 외측을 향하여 팽창될 수 있다. 이 방식으로, 로터 샤프트 장치의 개선되고 더욱 효과적인 장착을 제공할 수 있다. 더욱 구체적으로는, 팽창 부재와 함께 부착 부분을 반경방향 외측을 향하여 팽창시킴으로써 로터 샤프트의 부착 부분에 베어링 장치의 내부 링들 중 하나를 고정함으로써, 내부 링들 중 하나의 내부 링과 부착 부분 사이에 압축 끼워맞춤이 제공될 수 있다. 이에 따라, 내부 링은 부착 부분이 팽창되기 전에 부착 부분에 대해 정확한 위치와 정렬 상태로 배열될 수 있는 것이 선호될 수 있다. 게다가, 장착은 장착 공정 중에 부착 단계로부터 배치 및 정렬 단계를 분리시킴으로써 상당히 용이해질 수 있다. 예시로서, 팽창 부재에 의해 제공되는 반경방향의 외측을 향하는 방향으로의 부착 부분의 팽창은 1 미크론 내지 2000 미크론, 또는 5 미크론 내지 500 미크론이다.
일 실시 형태에 따라서, 부착 부분은 로터 샤프트에 의해 형성될 수 있다. 이에 따라 베어링 장치의 내부 링은 비-회전 주변 지지 구조물에 의해 지지되는 로터 샤프트에 고정되게 부착되고, 이에 따라 부착 부분이 로터 샤프트의 일부를 형성한다.
또 다른 실시 형태에 따라서, 부착 부분은 비-회전 지지 구조물에 의해 형성될 수 있다. 이에 따라서, 베어링 장치의 내부 링이 반경방향 외부 주변방향 중공 로터 샤프트 또는 허브의 반경방향 내부 비-회전 지지 구조물과 같이 지지 구조물에 고정되게 부착되고, 부착 부분은 지지 구조물의 일부를 형성한다.
본 발명의 추가 실시 형태에 따라서, 본 발명은 너셀 프레이밍(하우징) 및 윈드 터빈 로터 샤프트 장치를 포함하는 윈드 터빈 장치에 관한 것으로, 로터 샤프트는 비-지지 하우징 구조물을 통하여 너셀 프레이밍에 장착되고 이에 의해 지지된다.
본 발명의 추가 특징과 이점은 첨부된 청구항 및 하기 기술내용을 고찰함으로써 명확해질 것이다. 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 본 발명의 다양한 특징들이 구현될 수 있는 것은 당업자에게 자명하다. 예를 들어, 본 발명의 상이한 이점의 상기 기술내용이 윈드 터빈 로터 장치에 대해 베어링 장치에 대하여 기재될지라도 본 발명은 유체 기계 설비가 수 터빈 장치 또는 추진 터빈 장치일 때 적용될 수 있다.
본 발명의 실시 형태가 첨부된 도면을 참조하여 예시로서 기술된다.
도 1a는 유체 기계 설비가 윈드 터빈 로터 샤프트 장치인, 본 발명에 따른 유체 기계 설비의 실시 형태의 도식적 사시도.
도 1b는 베어링 장치가 축방향 위치설정 베어링 위치와 축방향 비-위치설정 베어링을 포함하는 본 발명에 따른 유체 기계 설비에 대한 베어링 장치의 실시 형태의 도식적 단면도.
도 2a는 유체 기계 설비가 비-회전식 지지 구조물이 제공되고 윈드 터빈 로터 샤프트 장치인, 본 발명에 따른 유체 기계 응용의 예시적인 실시 형태의 도식적 사시도.
본 발명은 첨부된 도면에 따라 하기에서 더욱 완벽히 설명될 것이며, 상기 도면에는 본 발명의 예시적인 실시 형태가 도시된다. 그러나, 본 발명은 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 본 명세서에 기재된 실시 형태에 구속되지 않고, 이들 실시 형태는 완전함 및 완전성을 위해 제공된다. 동일한 도면부호는 명세서에 걸쳐 동일한 요소를 나타낸다.
이제 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시 형태에 따르는 유체 기계 설비(유체 기계 설비)를 위한 베어링 장치가 도시된다.
하기 기술내용이 윈드 터빈 장치에 대해 설명될지라도, 본 발명은 수력 터빈 장치에서도 또한 이용될 수 있다. 추가로 본 발명은 또한 추진 터빈 장치에서도 이용될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "유체 기계 설비"는 유체 기계 설비의 샤프트의 적어도 하나의 방향으로 상당히 큰 축방향 힘과 반경방향 힘을 지지하기에 적합하고 유체(액체 또는 기체)의 연속적으로 이동하는 스트림으로부터 에너지를 추출할 수 있는 임의의 장치를 의미한다.
도 1은 윈드 터빈 장치(100)의 형태인 유체 기계 설비로 배열된 베어링 장치(1)를 도식적으로 도시한다. 베어링 장치의 구성으로 인해, 추가로 후술되는 바와 같이, 베어링 장치는 축방향 힘(F1)과 반경방향 힘(F2)을 지지할 수 있다.
도 1a에서, 일련의 윈드 터빈 블레이드(66)를 지지하기 위한 로터 샤프트(2)를 포함한 윈드 터빈 로터 샤프트 장치(100)가 도시된다. 로터 샤프트(2)는 로터 축(A)을 따라 축방향으로 연장된다. 로터 샤프트(2)는 수평 또는 거의 수평 배향의 로터 샤프트를 갖는 윈드 터빈의 타워-형 지지 구조물의 상부에 배열된 너셀 프레이밍(nacelle framing) 내에 회전가능하게 장착된다. 그러나, 윈드 터빈 로터 샤프트 장치(100)는 수평 타입의 배향에 제한되지 않지만 또한 경사진 또는 수직 타입의 로터 샤프트 배향을 갖는 윈도 터빈 설비에서 사용될 수 있다. 로터 샤프트의 배향은 작동 윈드 터빈의 너셀 프레이밍 내에서 이의 의도된 장착 작동 위치에 대해 정해진다.
로터 샤프트(2)는 허브 장치(71)를 통해 일련의 윈드 터빈 블레이드(66)에 작동가능하게 연결되어 로터 샤프트는 터빈 블레이드(66)의 회전 운동을 지지할 수 있다.
도 1a 및 도 1b 및 도 2a에 추가로 도시된 바와 같이, 로터 샤프트(2)는 제1 지지 지점(33)과 제2 지지 지점(34)에서 베어링 장치(1)에 의해 윈드 터빈 너셀 하우징(74)에 지지된다. 베어링 장치(1)는 축방향 위치설정 베어링 위치(10) 및 축방향 비-위치 베어링(12)을 포함한다. 축방향 위치설정 베어링 위치(10)는 축방향(A)으로의 운동에 대해 샤프트(2)를 배치하기 위하여 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(31)에 나란히 배열된 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(11)을 포함한다.
축방향 위치설정 베어링 위치(10)는 제1 지지 지점(33)에서 로터 샤프트를 지지하도록 배열된다. 이 방식으로, 축방향 위치설정 베어링 위치(10)는 로터 샤프트(2)를 축방향으로 위치시킬 수 있는 위치설정 베어링(locating bearing)이다. 위치설정 베어링 위치(10)는 전형적으로 비-위치설정 베어링(12)보다 기어박스에 더 떨어져 배열된다. 그러나 또한, 베어링의 위치는 마주보는 방식으로 배열되고, 즉 비-위치설정 베어링(12)은 위치설정 베어링 위치(10)보다 기어 박스에 대해 더 떨어져 배열된다.
게다가, 축방향 비-위치설정 베어링(12)은 제2 지지 지점(34)에서 로터 샤프트(2)를 제2 상반된 축방향으로 지지하도록 배열된다.
따라서, 제1 지지 지점(33)은 로터 샤프트(2)의 축방향(A)을 따라 제2 지지 지점(34)으로부터 이격되어 배열된다. 게다가, 축방향 위치설정 베어링 위치(10)는 축방향 비-위치설정 베어링(12)으로부터 이격되어 배열된다.
이 방식으로, 로터 샤프트(2)는 2-지점 베어링 장치에 의해 지지되고, 2개의 지점은 제1 지지 지점(33)과 제2 지지 지점(34) 및 대응 축방향 위치설정 베어링 위치(10)와 축방향 비-위치설정 베어링(12)으로부터 형성된다.
윈드 터빈 로터 샤프트 장치(100) 내에서 베어링 장치(1)의 배열에 의해, 베어링 장치(1)는 하우징 구조물 및 너셀 프레이밍에 대해 로터 샤프트를 고정하고 축방향으로 위치시킬 수 있다. 축방향 위치설정 베어링 위치(10)와 축방향 비-위치설정 베어링(12)의 구성이 하기에서 추가로 설명된다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 축방향 비-위치설정 베어링(12)이 하우징(9) 내에 수용된다(축방향 비-위치설정 베어링 하우징). 유사하게, 축방향 위치설정 베어링(10)은 또 다른 하우징(8) 내에 수용된다(축방향 위치설정 베어링 하우징). 축방향 비-위치설정 베어링 하우징(9)과 축방향 위치설정 베어링 하우징(8)은 도 1a에 도시된 바와 같이 너셀 프레이밍(너셀 하우징(74)) 내에 개별적으로 장착될 수 있다.
예를 들어, 축방향 위치설정 베어링(10)은 하우징(8) 내에 그리고 로터 샤프트(2) 상에 고정되는 반면 축방향 비위치설정 베어링(12)은 하우징(9) 내의 이의 시팅 상에서 축방향으로 이동가능하게 설계된다. 그러나, 이 실시 형태에서, 축방향 위치설정 베어링(12)은 하우징(9) 내에 고정되는 토로이달 롤러 베어링이다. 토로이달 롤러 베어링은 이의 베어링 링을 상대적으로 오정렬하는 능력과 베어링의 축방향으로 이의 베어링 링을 상대적으로 이동시키는 능력을 갖는다.
엄격히 요구되지 않을지라도, 베어링 장치(1)는 도 2a에 도시된 바와 같이 윈드 터빈 너셀(74)에 대해 로터 샤프트(2)를 지지하기 위하여 지지 지점(33, 34)에서 비-회전 하우징 구조물(30) 내에 추가로 수용될 수 있다. 예를 들어, 하우징 구조물(30)은 너셀 하우징(74) 또는 너셀 프레이밍 구조물의 일체 부분이지만 개별 부분 또는 너셀 프레이밍 구조물의 일부일 수 있다.
장치(100)는 타워-형 지지 부재(75) 내에 위치되는 윈드 터빈 하우징(74) 내에 배열된다.
베어링 장치(1)는 몇몇의 상이한 방식으로 배열될 수 있다. 게다가, 일 예시적인 실시 형태에서, 도 1a에 도시된 바와 같이, 로터 샤프트(2)는 로터 샤프트(2)의 회전을 제너레이터(73)에 결합하기 전에 로터 샤프트(2)의 회전 속도를 변경하기 위하여 기어 박스(72)에 연결된다.
또 다른 실시 형태에서(도시되지 않을지라도), 로터 샤프트(2)는 기어 박스와 로터 샤프트의 회전 속도 변경 없이 제너레이터에 직접 결합될 수 있다. 이 실시 형태에서, 제너레이터는 베어링 장치(1)의 외측에서 반경방향으로 배열될 수 있다.
도면에 도시되지 않을지라도, 베어링 장치(1)는 로터 샤프트에 대한 베어링 장치의 조립을 돕기 위하여 팽창 부재에 의해 로터 샤프트(2)의 부착 부분에 작동가능하게 고정될 수 있다.
축방향 위치설정 베어링 위치(10)와 축방향 비-위치설정 베어링 위치(12)는 예를 들어, 제1 지지 지점(33)에서 로터 샤프트의 외부 직경의 50 %, 또는 75 %, 또는 100 %, 또는 150 %의 거리만큼 분리될 수 있다.
선택적으로, 베어링(10, 12)들 중 임의의 하나의 베어링이 롤링 요소를 위한 케이지, 또는 리테이너를 포함할 수 있다. 게다가, 윈드 터빈 로터 샤프트의 설계에 따라, 축방향으로 분리된 베어링, 즉 축방향 비-위치설정 베어링(12)과 축방향 위치설정 베어링(10)은 적합한 축방향 유극에 따라 배열될 수 있거나 또는 실질적으로 축방향 유극이 없도록 배열될 수 있다. 추가로, 2개의 앵귤러 접촉 베어링(11, 31)(후술된 바와 같이)이 음으로부터(프리로드) 0을 지나 양까지의 범위일 수 있고 2개의 접촉 베어링들 사이에서 분할되는 적합한 축방향 유극에 따라 배열될 수 있다.
일련의 윈드 터빈 블레이드(66)의 회전 운동으로 인해, 로터 샤프트는 로터 샤프트(2)의 축방향(A)으로 도시된 바와 같이 축방향 힘(F1)과 반경방향 힘(F2)에 노출된다. 윈드 터빈 로터 샤프트 장치(100) 내에 본 발명에 따르는 베어링 장치(1)를 배열함으로써, 샤프트의 축방향 힘과 반경방향 힘을 효과적으로 지지하기 위한 개선되고 컴팩트한 기술적 해결방법이 제공된다. 이는 특히 하기에서 추가로 기재된 바와 같이 축방향 비위치설정 베어링(12)과 축방향 위치설정 베어링 위치(10)의 특정 구성 및 축방향(A)으로 도시된 바와 같이 축방향 비위치설정 베어링(12)이 축방향 위치설정 베어링 위치(10)로부터 이격되어 배열된 배열에 따라 구현된다. 축방향 비위치설정 베어링(12)은 단지 반경방향 힘(F2)만을 지지할 수 있는 반면 축방향 위치설정 베어링 위치(10)는 축방향 힘(F1)과 반경방향 힘(F2) 둘 모두를 지지할 수 있다.
특히, 도 1b를 참조하면, 베어링 장치(1)는 축방향 위치설정 베어링 위치(10)를 포함한다. 축방향 위치설정 베어링 위치(10)는 축방향(A)으로의 운동에 대해 샤프트(2)를 위치설정하기 위하여 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(31)에 나란히 배열된 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(11)을 포함한다.
전형적으로, 필수적이지는 않지만, 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(11)은 제1 내부 링(20)과 제1 외부 링(21)이 제공된다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 제1 내부 링은 플랜지가 없는 내부 링이고, 즉 내부 링은 가이드 플랜지가 없다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 외부 링(21)은 내부 링(20)의 외부에 반경방향으로 배열된다.
제1 내부 링(20)은 전형적으로 로터 샤프트(2)의 축방향으로 제1 외부 링(21)에 대해 이동가능하다.
제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(11)은 제1 열(22)로 배열된 롤러(15)로 형성된 제1 세트의 롤링 요소를 추가로 갖는다. 제1 열로 배열됨에 따라 제1 세트의 롤러(15)는 열을 이루어 로터 샤프트(2) 주위에 주변 방향으로 배열된다.
게다가, 제1 세트의 롤러(15)는 제1 외부 링의 제1 만곡된 외부 레이스웨이(21a)와 제1 내부 링의 제1 만곡된 내부 레이스웨이(20a) 사이에 개재된다.
그러나, 제1 만곡된 내부 레이스웨이(20a)는 샤프트(2)의 일부로 직접 형성될 수 있고, 이에 따라 내부 링의 일부일 필요는 없다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 각각의 롤러(15)는 제1 만곡된 내부 레이스웨이(20a) 및 제1 만곡된 외부 레이스웨이(21a)와 결합가능한(또는 접촉하는) 만곡된 레이스웨이-접촉 표면(15a)을 갖는 대칭 원통형 롤러이다.
게다가, 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(11)의 각각의 롤러(15)는 제1 접촉 각도(α2)만큼 샤프트(2)의 축방향에 대해 기울어진다. 따라서, 각각의 롤러(15)는 샤프트(2)의 축방향에 대해 기울어지고, 이에 따라 제1 접촉 각도(α2)가 도 1b에서와 같이 형성된다. 즉, 제1 접촉 각도(α2)는 각각의 롤러가 샤프트(2)의 축방향에 대해 기울어지도록 제1 만곡된 외부 레이스웨이(21a)와 제1 만곡된 내부 레이스웨이(20a)와 각각의 롤러(15) 사이에 형성된다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 제1 접촉 각도(α2)는 로터 샤프트(2)의 중심 축(5) 및 롤러(15)의 중심 축에 대해 수직인 직선(7) 사이의 각도로 형성된다(즉, 회전 평면에 대해 평행한 직선). 직선(7)은 또한 하나의 레이스웨이(21a)로부터 또 다른 레이스웨이(20a)로 롤러 요소(15)를 통하여 결과적인 하중이 전달되는 선을 나타낸다. 직선(7), 즉 롤러(15)의 중심 축에 대한 법선은 이에 따라 롤러(15)의 압력 선을 나타내는 것으로 고려된다. 그 결과, 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(11)의 제1 압력 중심(P1)이 로터 샤프트(5)의 중심 축과 제1 세트의 롤러(15)의 롤러의 중심 축에 대한 법선(7) 간의 교차에 의해 형성될 수 있다.
제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 접촉 각도(α2)는 또한 로터 샤프트(2)의 중심 축(5)과 대칭 롤러(15)의 회전 축 사이의 각도로 형성될 수 있다.
제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 제1 접촉 각도(α2)의 값은 적절히 선택되어야 한다. 그러나, 경사진 또는 기울어진 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링을 제공하기 위하여, 각도는 도 1b에서 명확해지는 바와 같이 0도 또는 90도와 동일하지 않을 수 있다. 예로서, 제1 접촉 각도(α2)의 값은 10도 내지 60도이다. 도 1에서 제1 접촉 각도(α2)의 값은 대략 45도이다.
따라서, 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(11)은 현저히 기울어진 접촉 각도를 갖는다. 이 방식으로, 롤러(15)는 축방향 힘(F1)과 반경방향 힘(F2)을 지지하기 위해 만곡된 내부 레이스웨이(20a) 및 만곡된 외부 레이스웨이(21a)와 협력하도록 배열된다. 롤러(15)의 이 경사진 구성에 의해 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(11)에 대한 샤프트(2)의 축방향 이동이 제한될 수 있다. 롤러(15)의 작동 중에, 현저하게 기울어진 접촉 각도는 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(11)의 향상된 축방향 하중 지지 용량에 기여한다. 이와 같이, 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(11)은 자가-정렬되는 것으로 고려된다.
게다가, 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(11)의 구성에 따라 베어링 장치의 감소된 또는 최소한의 축방향 및 반경방향 폭이 허용된다. 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(11)의 앵귤러 자가-정렬 용량은 경사진 각 접촉 베어링이 더 작은 제조 정밀도를 필요로 하는 종래의 베어링에 비해 추가로 선호되며, 동시에 유체 기계 설비에서 베어링 장치의 단순한 장착이 유지된다. 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 구성에 대응하는 구성을 갖는 베어링은 대개 SAT(자가-정렬 토러스) 베어링으로 지칭될 수 있다. SAT 베어링은 도 1b에 도시된 바와 같이 0보다 큰 거리(X)(x > 0)에 의해 형성될 수 있다(또는 구별될 수 있음). 거리(X)는 롤러(7)의 중심 축에 대한 법선과 로터 샤프트 중심 축(5) 사이의 거리에 의해 형성된다.
제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 구성과 유사하게, 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(31)이 또한 자가-정렬 베어링이다. 즉, 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(31)은 제2 열(32)로 배열된 롤러(34)로 형성된 제2 세트의 롤링 요소를 갖는다. 제2 열로 배열됨에 따라 제2 세트의 롤러(35)는 열을 이루어 로터 샤프트(2) 주위에서 주변 방향으로 배열된다. 전형적으로, 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(31)은 제2 내부 링(40)과 제2 외부 링(41)이 제공된다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 제2 내부 링은 플랜지가 없는 내부 링이고, 즉 제2 내부 링은 즉 내부 링은 가이드 플랜지가 없다.
도 1에 도시된 바와 같이, 외부 링(21)은 내부 링(20)의 외부에 반경방향으로 배열된다.
전술된 바와 같이, 제1 내부 링(20)은 전형적으로 반경방향으로 제1 외부 링(21)에 대해 이동가능하다. 유사하게, 제2 내부 링(40)은 전형적으로 로터 샤프트의 반경 방향으로 제2 외부 링(40)에 대해 이동가능하다. 게다가, 제1 외부 링(21)은 전형적으로 제2 외부 링(41)에 대해 이동가능하다.
게다가, 제2 세트의 롤러(35)는 제3 외부 링의 제3 만곡된 외부 레이스웨이(41a)와 제2 내부 링(40)의 제2 만곡된 내부 레이스웨이(40a) 사이에 개재된다.
본 발명의 이 문헌에서, 제2 만곡된 내부 레이스웨이(40a)는 대안으로 샤프트(2)이 일부에 직접 형성될 수 있다. 게다가, 제2 만곡된 내부 레이스웨이(40a)는 내부 링의 일부일 필요는 없다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 각각의 롤러(35)는 제2 만곡된 외부 레이스웨이(40a) 및 제2 만곡된 외부 레이스웨이(41a)와 결합가능한(또는 접촉하는) 만곡된 레이스웨이-접촉 표면(35a)을 갖는 대칭 원통형 롤러이다.
게다가, 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(31)의 각각의 롤러(35)는 제2 접촉 각도(α1)만큼 샤프트(2)의 축방향에 대해 기울어진다. 따라서, 각각의 롤러(35)는 샤프트(2)의 축방향에 대해 기울어지고, 이에 따라 제2 접촉 각도(α1)가 도 1b에서와 같이 형성된다. 즉, 제2 접촉 각도(α1)는 각각의 롤러(35)가 샤프트(2)의 축방향에 대해 기울어지도록 제2 만곡된 외부 레이스웨이(41a)와 제2 만곡된 내부 레이스웨이(40a)와 각각의 롤러(35) 사이에 형성된다. 제2 접촉 각도(α1)는 로터 샤프트(2)의 중심 축(5) 및 롤러(15)의 중심 축에 대해 수직인 직선(7') 사이의 각도로 형성된다(즉, 회전 평면에 대해 평행한 직선). 직선(7')은 또한 하나의 레이스웨이(41a)로부터 또 다른 레이스웨이(40a)로 롤러 요소(35)를 통하여 결과적인 하중이 전달되는 선을 나타낸다. 직선(7'), 즉 롤러(35)의 중심 축에 대한 법선은 이에 따라 롤러(35)의 압력 선을 나타내는 것으로 고려된다. 그 결과, 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(31)의 제2 압력 중심(P2)이 로터 샤프트(5)의 중심 축과 제1 세트의 롤러(35)의 롤러의 중심 축에 대한 법선(7') 간의 교차에 의해 형성될 수 있다.
제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 접촉 각도(α1)는 또한 로터 샤프트(2)의 중심 축(5)과 대칭 롤러(35)의 회전 축 사이의 각도로 형성될 수 있다. 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링의 제2 접촉 각도(α1)의 값은 적절히 선택되어야 한다. 그러나, 경사진 또는 기울어진 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링을 제공하기 위하여, 각도는 도 1b에서 명확해지는 바와 같이 0도 또는 90도와 동일하지 않을 수 있다. 예로서, 제2 접촉 각도(α1)의 값은 10도 내지 60도이다. 도 1에서 제2 접촉 각도(α1)의 값은 대략 45도이다.
따라서, 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(31)은 현저히 기울어진 접촉 각도를 갖는다. 이 방식으로, 롤러(35)는 축방향 힘(F1)과 반경방향 힘(F2)을 지지하기 위해 만곡된 내부 레이스웨이(40a) 및 만곡된 외부 레이스웨이(41a)와 협력하도록 배열된다. 롤러(35)의 이 경사진 구성에 의해 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(31)에 대한 샤프트(2)의 축방향 이동이 제한될 수 있다. 롤러(35)의 작동 중에, 현저하게 기울어진 접촉 각도는 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(31)의 향상된 축방향 하중 지지 용량에 기여한다. 이와 같이, 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(31)은 자가-정렬되는 것으로 고려된다.
게다가, 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(31)의 구성에 따라 베어링 장치의 감소된 또는 최소한의 축방향 및 반경방향 폭이 허용된다. 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(31)의 앵귤러 자가-정렬 용량은 경사진 각 접촉 베어링이 더 작은 제조 정밀도를 필요로 하는 종래의 베어링에 비해 추가로 선호되며, 동시에 유체 기계 설비에서 베어링 장치의 단순한 장착이 유지된다. 도 1b에 추가로 도시된 바와 같이, 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(11)의 각각의 롤러(15)는 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(31)의 각각의 롤러(35)에 대해 기울어진다. 이 방식으로, 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(11)의 제1 압력 중심(P1)은 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(31)의 제2 압력 중심(P2)으로부터 이동된다. 즉, 로터 샤프트(5)의 중심 축을 따라 제2 세트의 롤러(제2 압력 선)의 롤러의 중심 축에 대한 법선(7')과 제1 세트의 롤러(제1 압력 선)의 롤러의 중심 축에 대한 법선(7) 간의 교차가 없다.
하나의 예시 실시 형태에서(도시되지 않을지라도), 제1 접촉 각도(α2)의 값은 제2 접촉 각도(α1)의 값과 상이할 수 있다. 이 방식으로, 베어링 장치는 비대칭 열이 제공될 수 있고, 즉 제1 세트의 롤러의 제1 열의 기울기가 제2 세트의 롤러의 제2 열의 기울기와 상이하다. 이 구성에 따른 하나의 이점은 베어링 장치의 크기가 특정 윈드 터빈 장치의 요구에 부합되도록 조절될 수 있는 데 있다. 즉, 베어링 장치의 크기는 최소로 유지될 수 있다.
전술되고 도 1b에 도시된 바와 같이 예시 실시 형태를 재차 참조하면, 제1 만곡된 내부 레이스웨이(20a)는 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(11)의 제1 내부 링(20) 내에 배열될 수 있다. 유사하게, 제1 만곡된 외부 레이스웨이(21a)는 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(11)의 제1 외부 링(21) 내에 배열될 수 있다. 이 방식으로, 외부 링(21)은 내부 링(20)을 둘러싸고, 이에 따라 롤러(15)로 형성된 일련의 롤링 요소가 제1 내부 링(20)과 제1 외부 링(21) 사이의 중간 구성으로 배열된다. 게다가, 제2 만곡된 내부 레이스웨이(40a)는 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(31)의 제2 내부 링(40) 내에 배열된다. 유사하게, 제2 만곡된 외부 레이스웨이(41a)는 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(31)의 제2 외부 링(41) 내에 배열될 수 있다. 이 방식으로, 제2 외부 링(41)은 제2 내부 링(40)을 둘러싸고, 이에 따라 롤러(35)로 형성된 일련의 롤링 요소가 제2 내부 링(40)과 제2 외부 링(41) 사이의 중간 구성으로 배열된다.
또 다른 예시 실시 형태에서(도시되지 않음), 제1 만곡된 외부 레이스웨이(21a)와 제2 만곡된 외부 레이스웨이(41a)는 동일한 외부 링 내에 배열될 수 있다. 게다가, 축방향 위치설정 베어링은 2개의 만곡된 외부 레이스웨이, 제1 세트의 롤러(15)를 위한 하나의 레이스웨이, 및 제2 세트의 롤러(35)를 위한 제2 레이스웨이를 갖는 단일의 외부 링이 제공될 수 있다. 본 발명의 이 문헌에서, 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(11)과 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(31)은 외부 링을 공유하도록 구성된다.
게다가, 축방향 위치설정 베어링(10)의 각각의 측면은 밀봉부(도시되지 않음)에 의해 추가로 밀봉될 수 있다. 밀봉부는 베어링 링의 재료에 비해 더 유연한 재료로부터 제조되는 단일-부분 균질 구성요소의 형태로 제공될 수 있다. 이러한 재료는 고무 또는 임의의 적합한 타입의 플라스틱 재료일 수 있다. 이는 제조 비용이 상이한 재료(고무 및 금속 보강부)의 구성요소로 구성되는 종래의 베어링 밀봉부에 비해 저렴한 것을 의미한다. 이러한 재료는 고무 또는 임의의 적합한 타입의 플라스틱 재료일 수 있다. 이는 제조 비용이 상이한 재료의 구성요소(고무 및 금속 보강부)로 구성되는 종래의 베어링 밀봉부에 비해 저렴하게 유지될 수 있는 것을 의미한다.
본 발명의 문헌에서, 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링과 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링 중 하나는 각 접촉 베어링의 외부 만곡된 레이스웨이 및 내부 만곡된 레이스웨이 사이의 거리 차이에 의해 형성되는 축방향 간격 및 반경방향 반경이 제공된다.
도시된 실시 형태에서, 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(11)의 만곡된 외부 레이스웨이(21a)와 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(31)의 만곡된 외부 레이스웨이(41a)는 축방향(A)으로 도시된 바와 같이 서로 대향한다. 즉, 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(11)과 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(31)의 쌍은 X-배열로 도시된 바와 같이 백-투-백 배열(back-to-back arrangement)로 장착된다.
그러나, 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(11)의 만곡된 외부 레이스웨이(21a)는 축방향(A)으로 도시된 바와 같이 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(31)의 만곡된 외부 레이스웨이(41a)를 대향할 수 있다. 이는 페이스-투-페이스 배열(face-to-face arrangement) 또는 O-배열로 지칭된다.
도 1a 또는 도 1b에 도시된 실시 형태에서, 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(11)과 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(31)은 베어링 하우징(8) 내에 추가로 수용된다. 베어링 하우징(8)은 너셀 프레이밍 내에 장착되도록 배열되는 하우징 구조물 내에 일체로 형성된다.
전술된 바와 같이, 베어링 장치(1)는 축방향 비-위치설정 베어링(12)을 포함한다. 축방향 비-위치설정 베어링(12)은 제3 내부 링(50), 제3 외부 링(51) 및 제3 내부 링과 제3 외부 링 사이의 중간 구성으로 배열된 롤러(55)로 형성된 제3 세트의 롤링 요소를 포함한다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 축방향 비-위치설정 베어링(12)은 내부 및 외부 레이스웨이(50a, 51a)와 롤링 요소의 만곡된 접촉 표면(55a)을 갖는 토로이달 베어링과 같은 자가-정렬 베어링이다.
축방향 위치설정 베어링에 대해 전술된 바와 유사한 방식으로, 각각의 롤러(55)는 로터 샤프트(2)의 각 이동을 허용하기 위하여 제3 외부 링(51)의 만곡된 외부 레이스웨이(51a)와 접촉하고 제3 내부 링(50)의 만곡된 내부 레이스웨이(50a)와 접촉한 상태로 배열된 만곡된 레이스웨이-접촉 표면(55a)을 갖는 대칭 원통형 롤러이다. 게다가, 각각의 롤러(55)는 대칭형의 볼록하거나 또는 배럴-형 프로파일을 가지며, 즉 마주보는 축방향 단부 부분에 대해 증가되는 반경방향 폭을 갖는 축방향 중심 부분을 갖는다. 축방향 비-위치설정 베어링의 구성에 의해, 베어링은 롤러가 최적의 하중 지지 성능을 위해 레이스웨이 내에 자체로 위치될 것이다. 이 방식으로, 베어링은 베어링 수명에 영향을 미치지 않고 오정렬 및 축방향 변위를 허용할 수 있다.
이전의 베어링의 구성과 유사하게, 롤러(55)로 형성된 제3 세트의 롤링 요소는 제3 열(56)로 배열되고 제3 외부 링(51)의 제3 만곡된 외부 레이스웨이(51a)와 제3 내부 링(50)의 제3 만곡된 내부 레이스웨이(50a) 사이에 개재된다. 추가로, 각각의 롤러(55)는 제3 만곡된 외부 레이스웨이(51a)와 제3 만곡된 내부 레이스웨이(50a)와 결합가능한 제3 만곡된 레이스웨이-접촉 표면(55a)을 갖는 대칭 원통형 형상의 롤러이고, 이에 따라 롤러(55)는 반경방향 힘(F2)을 지지하기 위하여 제3 만곡된 외부 레이스웨이(51a) 및 제3 만곡된 내부 레이스웨이(50a)와 협력하도록 배열된다. 이는 제3 외부 링이 제3 내부 링을 둘러싸는 것을 도시하는 도 2a로부터 명확히 이해될 수 있고, 이에 따라 롤러로 형성되는 제3 세트의 롤링 요소가 제3 외부 링과 제3 내부 링 사이의 중간 구성으로 배열된다.
본 발명의 베어링 장치의 덕택으로, 특히 2 지점 서스펜션 시스템에 대해 적합한, 즉 제2 지지 지점으로부터 이격된 제1 지지 지점에서 윈드 터빈 로터 샤프트 장치를 지지하는 베어링 장치가 제공된다. 주요하게, 축방향 비-위치설정 베어링은 축방향 위치설정 베어링 위치와 축방향 비-위치설정 베어링의 특정 구성 및 축방향(A)으로 도시된 바와 같이 축방향 위치설벙 베어링 위치로부터 이격되어 배열된다. 즉, 베어링 장치는 하나의 단일 베어링 장치 시스템 내에 2개의 베어링 모듈(즉, 축방향 비-위치설정 베어링 및 축방향 위치설정 베어링(들))을 포함한다. 게다가, 베어링 장치는 최적의 내부 기하학적 형상을 가지며 동시에 최대 반경방향 및 축방향 하중 지지 용량을 제공한다. 본 발명에 따라 베어링 장치는 큰 하중으로 인해 샤프트 또는 하우징 편향에 의해 야기되는 오정렬에 덜 민감하다. 축방향 비-위치설정 베어링 위치와 축방향 위치설정 베어링 위치는 베어링 장치의 형태로 제공되며, 베어링 장치의 설치 및 장착은 유체 기계 설비에서 단순화되고, 더욱 효과적이고 컴팩트한 유체 기계 설계가 허용된다.
추가로, 베어링 장치의 자가-정렬 용량이 최적화된다. 따라서, 효과적이고 신뢰성 있는 방식으로 축방향 및 반경방향 하중을 지지할 수 있다. 본 발명의 베어링 장치는 이에 따라 앵귤러 오정렬 및 큰 축방향 변위를 허용하도록 구성된다.
또 다른 예시적인 실시 형태에서(도시되지 않을지라도), 본 발명의 자가-정렬 베어링은 공통의 오목한 구형 레이스웨이가 제공된 공통 외부 레이스를 공유하는 2개의 열의 롤러를 가지며, 반면 내부 레이스는 베어링 축과 각을 형성하는 2개의 오목한 구형 레이스웨이가 제공된다. 외부 레이스웨이의 곡률 중심은 베어링 중심과 일치된다. 자가-정렬 롤러 베어링은 자체-조절되고 베어링 블록 및 샤프트의 비-센터링 또는 샤프트 변형 굽힘에 의해 영향을 받지 않는다. 반경방향 하중에 노출되는 것을 제외하고, 이 타입의 베어링은 또한 양방향 축방향 하중 또는 이의 조합 하중에 노출될 수 있다. 이 하중 용량은 크고, 베어링 장치는 바람직하게는 충격 저항 용량이 제공된다.
1 베어링 장치
2 로터 샤프트
5 로터 샤프트 중심 축
7, 7' 제1 롤러 및 제2 롤러에 대한 중심 축에 대한 법선
8 축방향 위치설정 베어링 하우징
9 축방향 비-위치설정 베어링 하우징
10 축방향 위치설정 베어링(위치)
11 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링
12 축방향 비-접촉 베어링(위치)
15 롤러로 형성된 제1 세트의 롤링 요소
15a 만곡된 레이스웨이 접촉 표면
20 제1 내부 링
20a 제1 만곡된 내부 레이스웨이
21 제1 외부 링
21a 제1 만곡된 외부 레이스웨이
22 제1 열의 롤러
30 비-회전 하우징 구조물
31 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링
32 제2 열의 롤러
33 제1 지지 지점
34 제2 지지 지점
35 롤러로 형성된 제2 세트의 롤링 요소
35a 만곡된 레이스웨이 접촉 표면
40 제2 내부 링
40a 제2 만곡된 내부 레이스웨이
41 제2 외부 링
41a 제2 만곡된 외부 레이스웨이
50 제3 내부 링
50a 제3 만곡된 내부 레이스웨이
51 제3 외부 링
51a 제3 만곡된 외부 레이스웨이
55 롤러로 형성된 제3 세트의 롤링 요소
55a 제3 만곡된 레이스웨이 접촉 표면
56 제3 열의 롤러
66 윈드 터빈 블레이드
71 허브 장치
72 기어 박스
73 제너레이터
74 너셀 하우징
75 타워-형 지지 구조물
100 유체 기계 설비, 예를 들어, 윈드 터빈 로터 샤프트 장치
α2 제1 접촉 각도
α1 제2 접촉 각도
A 축방향
F1 축방향 힘
F2 반경방향 힘
P1 제1 압력 중심
P2 제2 압력 중심

Claims (13)

  1. 축방향 위치설정 베어링 위치(10)와 축방향 비-위치설정 베어링 위치(12)를 갖는 유체 기계 설비(100)를 위한 베어링 장치(1)로서, 상기 축방향 위치설정 베어링 위치(10)는
    축방향(A)으로의 운동에 대해 샤프트(2)를 위치설정하기 위하여 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(31)에 나란히 배열된 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(11)을 포함하고,
    제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(11)은 제1 만곡된 외부 레이스웨이(21a)와 제1 만곡된 내부 레이스웨이(20a) 사이에 개재되고 제1 열(22)로 배열된 롤러(15)로 형성된 제1 세트의 롤링 요소를 가지며, 각각의 롤러(15)는 제1 만곡된 내부 레이스웨이(20a) 및 제1 만곡된 외부 레이스웨이(21a)와 결합가능한 만곡된 레이스웨이-접촉 표면(15a)을 갖는 대칭 원통형 롤러이고,
    제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(11)의 각각의 롤러(15)는 제1 접촉 각도(α2)만큼 샤프트(2)의 축방향에 대해 기울어지고, 롤러(15)는 축방향 힘(F1)과 반경방향 힘(F2)을 지지하기 위해 제1 만곡된 내부 레이스웨이(20a) 및 만곡된 외부 레이스웨이(21a)와 협력하도록 배열되고,
    제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(31)은 제2 만곡된 외부 레이스웨이(41a)와 제2 만곡된 내부 레이스웨이(40a) 사이에 개재되고 제2 열(32)로 배열된 롤러(35)로 형성된 제2 세트의 롤링 요소를 가지며, 각각의 롤러(35)는 제2 만곡된 내부 레이스웨이(40a) 및 제2 만곡된 외부 레이스웨이(41a)와 결합가능한 만곡된 레이스웨이-접촉 표면(35a)을 갖는 대칭 원통형 롤러이고,
    제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(31)의 각각의 롤러(35)는 제2 접촉 각도(α1)만큼 샤프트(2)의 축방향에 대해 기울어지고, 롤러(35)는 축방향 힘(F1)과 반경방향 힘(F2)을 지지하기 위해 제2 만곡된 내부 레이스웨이(40a) 및 제2 만곡된 외부 레이스웨이(41a)와 협력하도록 배열되고,
    제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(11)의 각각의 롤러(15)는 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(11)의 제1 압력 중심(P1)이 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(31)의 제2 압력 중심(P2)으로부터 이동되도록 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(31)의 각각의 롤러(35)에 대해 기울어지고,
    축방향 비-위치설정 베어링 위치(12)는 축방향(A)으로 도시된 바와 같이 축방향 위치설정 베어링 위치(10)로부터 이격되어 배열되는 베어링 장치(1).
  2. 제1항에 있어서, 축방향 비-위치설정 베어링 위치(12)는 제3 내부 링(50)의 제3 만곡된 내부 레이스웨이(50a)와 제3 외부 링(51)의 제3 만곡된 외부 레이스웨이(51a) 사이에 개재되고 제3 열(56)로 배열된 롤러(55)로 형성된 제3 세트의 롤링 요소를 포함하고, 각각의 롤러(55)는 제3 만곡된 내부 레이스웨이(50a) 및 제3 만곡된 외부 레이스웨이(51a)와 결합가능한 제3 만곡된 레이스웨이-접촉 표면(55a)을 갖는 대칭 원통형 롤러이고, 롤러(55)는 반경방향 힘(F2)을 지지하기 위하여 제3 만곡된 외부 레이스웨이(51a)와 제3 만곡된 내부 레이스웨이(50a)와 협력하도록 배열되는 베어링 장치(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 만곡된 내부 레이스웨이(20a)는 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(11)의 제1 내부 링(20) 내에 배열되고 및/또는 제1 만곡된 외부 레이스웨이(21a)는 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(11)의 제1 외부 링(21) 내에 배열되는 베어링 장치(1).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 만곡된 내부 레이스웨이(40a)는 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(31)의 제2 내부 링(40) 내에 배열되고 및/또는 제2 만곡된 외부 레이스웨이(41a)는 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(31)의 제2 외부 링(41) 내에 배열되는 베어링 장치(1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(11)의 만곡된 외부 레이스웨이(21a)와 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(31)의 만곡된 외부 레이스웨이(41a)는 축방향(A)으로 도시된 바와 같이 서로 대향하는 베어링 장치(1).
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(11)의 만곡된 외부 레이스웨이(21a)는 축방향(A)으로 도시된 바와 같이 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(31)의 만곡된 외부 레이스웨이(41a)를 대향하는 베어링 장치(1).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(11)과 제2 앵귤러 자가-정렬 접촉 베어링(31)은 축방향(A)으로 도시된 바와 같이 축방향 비-위치설정 베어링 위치(12)로부터 이격된 베어링 하우징(8) 내에 수용되는 베어링 장치(1).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따르는 베어링 장치(1)를 포함한, 윈드 터빈 장치, 수 터빈 장치 또는 추진 터빈 장치와 같은 유체 기계 설비(100).
  9. 제8항에 있어서, 로터 샤프트(2)를 추가로 포함하고, 베어링 장치(1)의 축방향 위치설정 베어링 위치(10)는 제1 지지 지점(33)에서 유체 기계 설비(100)의 로터 샤프트(2)의 축방향 힘(F1)과 반경방향 힘(F2)을 지지하기 위해 배열되고, 축방향 비-위치설정 베어링 위치(12)는 제2 지지 지점(34)에서 로터 샤프트(2)의 반경방향 힘(F2)을 지지하기 위해 배열되는 유체 기계 설비(100).
  10. 제9항에 있어서, 로터 샤프트(2)는 터빈 블레이드(66)에 작동가능하게 연결되고 로터 샤프트(2)는 터빈 블레이드(66)의 회전 운동을 지지할 수 있는 유체 기계 설비(100).
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 제1 지지 지점(33)은 로터 샤프트(2)의 축방향(A)을 따라 제2 지지 지점(34)으로부터 이격되도록 배열되는 유체 기계 설비(100).
  12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 베어링 장치(1)는 비-회전식 하우징 구조물(30) 내에 수용되는 유체 기계 설비(100).
  13. 유체 기계 설비(100) 내에서 로터 샤프트(2)의 반경방향 및 축방향 힘을 지지하기 위하여 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따르는 베어링 장치(1)의 이용.
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