WO2013147510A1 - 풍력발전기 및 풍력발전기용 피치 베어링 - Google Patents

풍력발전기 및 풍력발전기용 피치 베어링 Download PDF

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WO2013147510A1
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pitch
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blade
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김인규
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삼성중공업 주식회사
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    • Y02E10/70—Wind energy
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Definitions

  • the present invention relates to wind turbines and pitch bearings for wind turbines, and more particularly to wind turbines that can efficiently and simply cope with local damage of pitch bearings, thereby reducing various losses. Pitch bearings for generators and wind turbines.
  • a wind generator (or wind turbine) is a device that converts the linear kinetic energy of the wind into rotational kinetic energy using a blade, that is, a blade, and supplies electric power by making it into electrical energy through a generator.
  • Such a wind power generator includes a rotor in which a plurality of blades rotated by wind are connected to a hub, a nacelle cover for supporting and protecting a nacelle connected to the rotor, and a nacelle.
  • a tower supporting the cover.
  • wind power is very important for the wind. Therefore, in the case of the wind power generator, a control is performed to change the angle of the wing according to the wind speed so as to adjust the strength and direction of the wind, that is, the magnitude of the wind energy to a predetermined level or less.
  • Pitch bearings are installed in the hub so that pitch driving of the blades can be performed.
  • the pitch bearing is made of an undivided integral structure, a pitch drive is connected to a bearing gear formed on an inner wall of the pitch bearing, and a blade is coupled to a bearing inner ring of the pitch bearing.
  • the bearing inner ring is rotated according to the operation of the pitch drive, the angle of the blade can be changed according to the wind energy.
  • the frequent engagement between the drive gear of the pitch drive and the bearing gear of the pitch bearing during the pitch operation may cause a partial damage of the bearing gear, in particular, even if the bearing gear is locally damaged. In this case, it is necessary to remove the blade and then replace the whole pitch bearing and re-engage the blade, which can lead to an overall loss, which is expensive, delayed or difficult. Alternatives are required.
  • the technical problem to be achieved by the present invention is to provide a pitch bearing for wind turbines and wind turbines that can efficiently and simply cope with the local damage of the pitch bearing, which can reduce the occurrence of various losses as in the prior art. .
  • FIG. 1 is a side view of a wind power generator according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged view of the pitch bearing area of the hub shown in FIG. 1.
  • FIG. 4 is a perspective view of a pitch bearing.
  • FIG. 5 is a front view of the pitch bearing in the wind power generator according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a perspective view of a pitch bearing in the wind power generator according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a perspective view of a pitch bearing in a wind turbine according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG 8 is a perspective view of a pitch bearing in the wind power generator according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the blade (hub) is coupled to the blade (blade) is rotated by the wind (hub);
  • a pitch bearing provided in the hub and partially connected to the blade for pitch operation of the blade against the wind;
  • a drive gear meshed with a bearing gear of the pitch bearing the pitch drive providing a power for the pitch driving of the blade
  • the pitch bearing includes: a bearing outer ring fixed to the hub; ; And a bearing inner ring disposed in the radially inner side of the outer ring of the bearing and connected to the blade and having a plurality of division parts divided along the circumferential direction.
  • the plurality of divided parts may include: an operation section division part that forms an operation section in which the pitch operation is repeated while interacting with the pitch drive; And a non-operation section division part that forms a non-operation section for the pitch drive, and forms a region other than the operation section division part with respect to the circumferential direction of the bearing inner ring.
  • the non-driving section divided part may be divided into a plurality of parts along the circumferential direction.
  • Each of the driving section dividing part and the non-driving section dividing part may be equally divided at equal angle intervals along the circumferential direction of the bearing inner ring.
  • the circumferential length of the divided section may be shorter than the circumferential length of the divided section of the non-driving section.
  • the material of the driving section dividing part may have stronger wear resistance than the material of the non-driving part dividing part.
  • the driving part division part may have a thicker thickness than the non-operation part division part.
  • the width of the bearing gear of the driving section divided part may be greater than the width of the bearing gear of the non-driving section divided part.
  • An inner wall of the non-operation section division part may form a non-gear section without the bearing gear.
  • the bearing gear may be detachably coupled to the bearing inner ring.
  • the bearing outer ring is fixed to the hub (blade) is coupled; And a bearing inner ring disposed in a radially inner side of the outer ring of the bearing and connected to the blade and having a plurality of division parts divided along the circumferential direction.
  • the plurality of divided parts may include: an operation section dividing part which forms an operation section in which the pitch operation is repeated while interacting with a pitch drive providing power for the pitch operation of the blade; And a non-operation section division part that forms a non-operation section for the pitch drive, and forms a region other than the operation section division part with respect to the circumferential direction of the bearing inner ring.
  • the non-driving section divided part may be divided into a plurality of parts along the circumferential direction.
  • Each of the driving section dividing part and the non-driving section dividing part may be equally divided at equal angle intervals along the circumferential direction of the bearing inner ring.
  • the circumferential length of the divided part of the driving section is shorter than the circumferential length of the divided part of the non-driving section, or the material of the divided section of the driving section has a higher wear resistance than the material of the divided part of the non-driving section, or divides the driving section.
  • the thickness of the part may be formed to be thicker than the thickness of the non-driving segment divided part, or the width of the bearing gear of the divided segment may be greater than the width of the bearing gear of the non-driving segment divided part.
  • FIG. 1 is a side view of a wind power generator according to a first embodiment of the present invention.
  • the wind power generator includes a plurality of blades 110, which are rotated by wind, a plurality of blades 110, a hub 101 coupled to a nacelle (not shown), a nacelle and a blade.
  • a tower 105 that supports the axial load of the 110, the cable (cable) is disposed therein.
  • the blade 110 is a kind of wing that rotates by wind to generate a rotational motion.
  • the blades 110 disposed radially with respect to the hub 101 may have a streamlined wing shape to be easily rotated by wind, and two or more blades 110 may be applied. Three blades 110 are applied to the wind power generator of this embodiment, but the scope of the present invention is not limited by the number thereof.
  • Hub 101 is a place where a plurality of blades 110 are connected.
  • the hub 101 and the plurality of blades 110 may be collectively referred to as a rotor.
  • the hub 101 may have a substantially circular shape when viewed from the front, and may have a dome shape when viewed from the side.
  • the pitch bearing 120 and the pitch drive 170 provided in the hub 101 region will be described later.
  • the hub 101 is connected to a nacelle that generates electric power by receiving a rotational motion of the blade 110 and generates electric energy, and the nacelle is protected by a nacelle cover 103.
  • the nacelle is a mechanical component that plays an important role in driving a wind power generator, such as a main shaft (main) It is the collective name for a structure in which mechanical parts such as a shaft, a gear box (not shown) and a generator (not shown) are structurally combined.
  • the nacelle cover 103 is coupled to the outside of the nacelle serves to protect the nacelle. Since the nacelle cover 103 is exposed to the outside air as it is, it is always exposed to snow, rain or sunlight, so that some degree of rigidity must be ensured. Therefore, the nacelle cover 103 may be made of a plastic or metal composite material having excellent durability.
  • the tower 105 is an axis arranged vertically long and supports axial loads on structures such as the plurality of blades 110, the hub 101, the nacelle and the nacelle cover 103.
  • the tower 105 may be divided into a lower tower at a lower portion and an upper tower at an upper portion by position.
  • the interior of the tower 105 is empty, and a cable or the like passes through the empty space.
  • the cable may be various kinds of cables including power cables for power transmission, cables for communication, and the like.
  • FIG. 2 is an enlarged view of the pitch bearing area of the hub shown in FIG. 1
  • FIG. 3 is a front view of the pitch bearing
  • FIG. 4 is a perspective view of the pitch bearing.
  • the hub 101 is provided with a pitch bearing 120, and a pitch drive inside the pitch bearing 120 to provide power for pitch driving of the blade 110. 170 is provided.
  • pitch drive 170 interacts with pitch bearing 120 to provide power for pitch operation of blade 110.
  • the pitch drive 170 is provided with a drive gear 171 along its circumferential direction.
  • the drive gear 171 provides power to allow the bearing inner ring 140 to rotate while gear meshing with at least one of the bearing gears 161 and 162 of the bearing inner ring 140 to be described later. Therefore, the motor or the like is connected to the pitch drive 170.
  • the pitch bearing 120 is provided in the hub 101, as described above, is partially connected to the blade 110 for the pitch operation of the blade 110 against the wind.
  • three pitch bearings 120 may also be provided.
  • the pitch bearing 120 includes a bearing outer ring 130, a plurality of split parts 141 and 142 disposed in a radially inner side of the bearing outer ring 130 and connected to the blade 110 and divided along the circumferential direction.
  • Bearing inner ring 140 having an inner diameter
  • a ball groove 150 (see FIG. 4) forming a seat of a ball member (not shown) disposed between the bearing outer ring 130 and the bearing inner ring 140
  • a bearing inner ring First and second bearing gears 161 and 162 provided on an inner wall of the gear 140 and gear meshed with the drive gear 171 of the pitch drive 170.
  • the bearing outer ring 130 is fixed to the hub 101 as the largest diameter part.
  • a plurality of first through holes 130a are formed along the circumferential direction of the bearing outer ring 130.
  • the first through holes 130a are arranged at equal angle intervals along the circumferential direction of the bearing outer ring 130 and may be fixed to the hub 101 by bolts and nuts.
  • the bearing inner ring 140 is disposed radially inward of the bearing outer ring 130 with a plurality of ball members therebetween, and forms a place where the bearing inner ring 140 is connected.
  • a plurality of second through holes 140a are formed along the circumferential direction of the bearing inner ring 140 in the bearing inner ring 140 to connect, that is, engage with, the blade 110 to the bearing inner ring 140.
  • the second through holes 140a are arranged at an equiangular interval along the circumferential direction of the bearing inner ring 140 and may be connected to the blade 110 by bolts and nuts.
  • the bearing inner ring 140 includes a plurality of division parts 141 and 142 divided along the circumferential direction.
  • the plurality of divided parts 141 and 142 may include a driving section divided part 141 and a non-driving section for the pitch drive 170 while interacting with the pitch drive 170 to form a driving section where the pitch operation is repeated. And a non-driving section dividing part 142 which forms a remaining area except the driving section dividing part 141 with respect to the circumferential direction of the bearing inner ring 140.
  • the bearing inner ring 140 having a circular shape is divided into a driving section dividing part 141 and two non-driving section dividing parts 142.
  • the circumferential length of the driving section dividing part 141 is formed shorter than the circumferential length of the non-driving section dividing part 142. That is, in the present embodiment, the driving section dividing part 141 may have a range of approximately 0 degrees to -90 degrees section as hatched in FIG. 3. Of course, since the scope of the present invention is not limited thereto, the scope of the present invention may not be limited to the numerical values thereof.
  • the non-driving section dividing part 142 which is the remaining section may have a size three times larger than the driving section dividing part 141. Will be.
  • the drive gear 171 of the pitch drive 170 is circumscribed only to the first bearing gear 161 of the driving section dividing part 141 and proceeds with the pitch driving, and the drive gear 171 of the pitch drive 170 is Since the second bearing gear 162 of the non-operational division part 142 is not in contact, local damage may occur only to the first bearing gear 161 of the operation division division part 141 after a long period of pitch operation. have.
  • the work may be much easier because the blade 110 does not need to be separated as in the prior art.
  • the material of the driving section dividing part 141 and the non-driving section dividing part 142 is implemented differently, for example, the material of the driving section dividing part 141 is made of the material of the non-driving section dividing part 142.
  • the material of the driving section dividing part 141 is made of the material of the non-driving section dividing part 142.
  • the method of delaying the damage of the first bearing gear 161 of the driving section dividing part 141 may be made by making the thickness of the driving section dividing part 141 thicker than the thickness of the non-driving section dividing part 142. May also be implemented.
  • FIG. 5 is a front view of the pitch bearing in the wind power generator according to the second embodiment of the present invention.
  • the bearing inner ring 240 of the pitch bearing 220 is divided into the driving section dividing part 241 and the non-driving section dividing part 242 is the same as the first embodiment described above.
  • the non-driving section dividing part 242 having a larger size than the driving section dividing part 241 may also be divided into a plurality of parts.
  • each of the driving section dividing part 241 and the non-driving section dividing part 242 may be equally divided at equal angle intervals along the circumferential direction of the bearing inner ring 240.
  • each of the driving section dividing part 241 and the non-driving section dividing part 242 may be divided equally at equal angle intervals along the circumferential direction. In this case, since the same shape may be produced, There will be an advantage of increased convenience.
  • the driving section divided part 241 is made of a stronger material than the non-driving section divided part 242
  • the first bearing gear 261 of the driving section dividing part 241 may be delayed as much as possible.
  • FIG. 6 is a perspective view of a pitch bearing in a wind turbine according to a third embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a perspective view of a pitch bearing in a wind turbine according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the width of the first bearing gears 361 and 461 of the driving segment dividing parts 341 and 441 is larger than the width of the second bearing gears 362 and 462 of the non-driving segment dividing parts 342 and 442. can do.
  • the pitch bearings 320 and 420 have diameters of about 2 meters (m)
  • the widths of the second bearing gears 362 and 462 of the non-operational division parts 342 and 442 are kept small, the material and processing costs are the same. It must be possible to reduce.
  • FIG 8 is a perspective view of a pitch bearing in the wind power generator according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the bearing gear 561 of the driving section dividing part 541 is present, but the bearing of the driving section dividing part 541 is present in the non-driving section dividing part 542. There is no gear, such as gear 561.
  • the present invention can be applied to a wind turbine.

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Abstract

풍력발전기 및 풍력발전기용 피치 베어링이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 풍력발전기는, 바람에 의해 회전되는 블레이드(blade)가 결합되는 허브(hub); 허브에 마련되며, 바람에 대한 블레이드의 피치 운전을 위해 블레이드와 부분적으로 연결되는 피치 베어링(pitch bearing); 및 피치 베어링의 베어링 기어와 기어 맞물림되는 드라이브 기어를 구비하고, 블레이드의 피치 운전을 위한 동력을 제공하는 피치 드라이브(pitch drive)를 포함하며, 피치 베어링은, 허브에 고정되는 베어링 외륜; 및 베어링 외륜의 반경 방향 내측에 배치되고 블레이드와 연결되며, 원주 방향을 따라 분할되는 다수의 분할파트(division part)를 구비하는 베어링 내륜을 포함한다.

Description

풍력발전기 및 풍력발전기용 피치 베어링
본 발명은, 풍력발전기 및 풍력발전기용 피치 베어링에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 피치 베어링의 국부적인 손상에 효율적이고도 간편하게 대처할 수 있어 종래와 같은 다양한 로스(loss) 발생을 감소시킬 수 있는 풍력발전기 및 풍력발전기용 피치 베어링에 관한 것이다.
풍력발전기(혹은 풍력 터빈)는 날개, 즉 블레이드(blade)를 이용하여 바람의 직선 운동에너지를 회전 운동에너지로 바꾸고 이를 발전기를 통해 전기에너지로 만들어 전력을 공급하는 장치이다.
이러한 풍력발전기는 바람에 의해 회전되는 다수의 블레이드가 허브(hub)에 연결되어 마련되는 로터(rotor)와, 로터와 연결되는 나셀(nacelle)을 지지하면서 보호하는 나셀 커버(nacelle cover)와, 나셀 커버를 지지하는 타워(tower)를 포함한다.
한편, 풍력발전기는 바람의 영향이 매우 중요하다. 때문에 풍력발전기의 경우, 바람의 속도에 따라 날개의 각도를 변경하여 바람의 세기 및 방향, 다시 말해, 바람에너지의 크기를 일정 수준이하로 맞추는 제어를 수행한다.
이를 피칭(pitching) 혹은, 피치 운전이라 하며, 대한민국특허청 등록번호 제10-0987760호에 개시된 것처럼 연구가 진행되고 있다.
블레이드의 피치 운전이 수행될 수 있도록 허브에는 피치 베어링이 설치된다. 피치 베어링은 분할되지 않은 일체형 구조물로 제작되며, 피치 베어링의 내벽에 형성되는 베어링 기어에는 피치 드라이브가 연결되고 피치 베어링의 베어링 내륜에는 블레이드가 결합된다.
이에, 피치 드라이브의 운전에 따라 베어링 내륜이 회전됨으로써 블레이드의 각도가 바람에너지에 따라 변화될 수 있다.
그런데, 종래기술의 경우, 피치 베어링이 분할되지 않은 일체형 구조물로 제작되고 있기 때문에 피치 베어링에 국부적인 손상이 발생되더라도 불가피하게 피치 베어링 전체를 교체해야 하는 문제점이 있다.
부연하면, 피치 운전이 진행되는 과정에서 피치 드라이브의 드라이브 기어와 피치 베어링의 베어링 기어 간의 잦은 맞물림으로 인해 특히, 베어링 기어의 일부분이 국부적으로 손상될 수 있는데, 이처럼 베어링 기어가 국부적으로 손상되더라도 종래기술의 경우, 블레이드를 떼어낸 다음, 피치 베어링 전체를 교체하고 다시 블레이드를 결합시켜야 하기 때문에 비용이 많이 소요되거나 작업 시간이 지연되거나 작업이 어려워지는 등 전반적인 로스(loss) 발생을 야기할 수 있으므로 이에 대한 대안이 요구된다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 피치 베어링의 국부적인 손상에 효율적이고도 간편하게 대처할 수 있어 종래와 같은 다양한 로스(loss) 발생을 감소시킬 수 있는 풍력발전기 및 풍력발전기용 피치 베어링을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 피치 베어링의 국부적인 손상에 효율적이고도 간편하게 대처할 수 있어 종래와 같은 다양한 로스(loss) 발생을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 풍력발전기의 측면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 허브의 피치 베어링 영역에 대한 확대도이다.
도 3은 피치 베어링의 정면도이다.
도 4는 피치 베어링의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 풍력발전기에서 피치 베어링의 정면도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 풍력발전기에서 피치 베어링의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 풍력발전기에서 피치 베어링의 사시도이다.
도 8은 본 발명의 제5 실시예에 따른 풍력발전기에서 피치 베어링의 사시도이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 바람에 의해 회전되는 블레이드(blade)가 결합되는 허브(hub); 상기 허브에 마련되며, 상기 바람에 대한 상기 블레이드의 피치 운전을 위해 상기 블레이드와 부분적으로 연결되는 피치 베어링(pitch bearing); 및 상기 피치 베어링의 베어링 기어와 기어 맞물림되는 드라이브 기어를 구비하고, 상기 블레이드의 피치 운전을 위한 동력을 제공하는 피치 드라이브(pitch drive)를 포함하며, 상기 피치 베어링은, 상기 허브에 고정되는 베어링 외륜; 및 상기 베어링 외륜의 반경 방향 내측에 배치되고 상기 블레이드와 연결되며, 원주 방향을 따라 분할되는 다수의 분할파트(division part)를 구비하는 베어링 내륜을 포함하는 풍력발전기가 제공될 수 있다.
상기 다수의 분할파트는, 상기 피치 드라이브와 상호작용하면서 상기 피치 운전이 반복되는 운전구간을 형성하는 운전구간 분할파트; 및 상기 피치 드라이브에 대한 비운전구간을 형성하며, 상기 베어링 내륜의 원주 방향에 대하여 상기 운전구간 분할파트를 제외한 나머지 영역을 형성하는 비운전구간 분할파트를 포함할 수 있다.
상기 비운전구간 분할파트는 원주 방향을 따라 다수의 파트(part)로 분할 가능하다.
상기 운전구간 분할파트와 상기 비운전구간 분할파트 각각은 상기 베어링 내륜의 원주 방향을 따라 등각도 간격으로 균등 분할될 수 있다.
상기 운전구간 분할파트의 원주 방향 길이가 상기 비운전구간 분할파트의 원주 방향 길이보다 짧게 형성될 수 있다.
상기 운전구간 분할파트의 재질이 상기 비운전구간 분할파트의 재질보다 강한 내마모성을 가질 수 있다.
상기 운전구간 분할파트의 두께가 상기 비운전구간 분할파트의 두께보다 두껍게 형성될 수 있다.
상기 운전구간 분할파트의 베어링 기어의 폭이 상기 비운전구간 분할파트의 베어링 기어의 폭보다 크게 형성될 수 있다.
상기 비운전구간 분할파트의 내벽은 상기 베어링 기어가 없는 비기어구간을 형성할 수 있다.
상기 베어링 기어는 상기 베어링 내륜에 착탈 가능하게 결합될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 블레이드(blade)가 결합되는 허브(hub)에 고정되는 베어링 외륜; 및 상기 베어링 외륜의 반경 방향 내측에 배치되고 상기 블레이드와 연결되며, 원주 방향을 따라 분할되는 다수의 분할파트(division part)를 구비하는 베어링 내륜을 포함하는 풍력발전기용 피치 베어링이 제공될 수 있다.
상기 다수의 분할파트는, 상기 블레이드의 피치 운전을 위한 동력을 제공하는 피치 드라이브(pitch drive)와 상호작용하면서 상기 피치 운전이 반복되는 운전구간을 형성하는 운전구간 분할파트; 및 상기 피치 드라이브에 대한 비운전구간을 형성하며, 상기 베어링 내륜의 원주 방향에 대하여 상기 운전구간 분할파트를 제외한 나머지 영역을 형성하는 비운전구간 분할파트를 포함할 수 있다.
상기 비운전구간 분할파트는 원주 방향을 따라 다수의 파트(part)로 분할 가능하다.
상기 운전구간 분할파트와 상기 비운전구간 분할파트 각각은 상기 베어링 내륜의 원주 방향을 따라 등각도 간격으로 균등 분할될 수 있다.
상기 운전구간 분할파트의 원주 방향 길이가 상기 비운전구간 분할파트의 원주 방향 길이보다 짧게 형성되거나, 상기 운전구간 분할파트의 재질이 상기 비운전구간 분할파트의 재질보다 강한 내마모성을 가지거나, 상기 운전구간 분할파트의 두께가 상기 비운전구간 분할파트의 두께보다 두껍게 형성되거나, 상기 운전구간 분할파트의 베어링 기어의 폭이 상기 비운전구간 분할파트의 베어링 기어의 폭보다 크게 형성될 수 있다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 풍력발전기의 측면도이다.
이 도면을 참조하여 풍력발전기에 대해 간략하게 살펴본다. 풍력발전기는, 바람에 의해 회전되는 다수의 블레이드(110, blade)와, 다수의 블레이드(110)가 결합되며, 나셀(nacelle, 미도시)과 연결되는 허브(101, hub)와, 나셀과 블레이드(110)들의 축 방향 하중을 지지하며, 내부에 케이블(cable)이 배치되는 타워(105, tower)를 포함한다.
블레이드(110)는 바람에 의해 회전되면서 회전운동을 발생시키는 일종의 날개이다.
허브(101)를 기준으로 방사상으로 배치되는 블레이드(110)는 바람에 의해 쉽게 회전될 수 있도록 유선형의 날개 형상을 가질 수 있으며, 2개 이상이 적용될 수 있다. 본 실시예의 풍력발전기에는 3개의 블레이드(110)가 적용되고 있지만 이의 개수에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지 않는다.
허브(101)는 다수의 블레이드(110)가 연결되는 장소이다. 허브(101)와 다수의 블레이드(110)를 통틀어 로터(rotor)라 부르기도 한다. 허브(101)는 정면에서 바라볼 때 대략 원형의 형상을 가지며, 측면에서 바라볼 때는 돔(dome) 형상을 가질 수 있다. 허브(101) 영역에 마련되는 피치 베어링(120, pitch bearing)과, 피치 드라이브(170, pitch drive)에 대해서는 후술한다.
허브(101)에는 블레이드(110)의 회전운동을 전달받아 동력을 발생시켜 전기에너지를 생산하는 나셀이 연결되며, 나셀은 나셀 커버(103, nacelle cover)에 의해 보호된다.
앞서도 잠시 언급한 바와 같이, 나셀은, 블레이드(110)의 회전운동을 전달받아 동력을 발생시켜 전기에너지를 생산하는 등 풍력발전기를 구동시키는데 있어 중요한 역할을 담당하는 기계부품들, 예컨대 메인 샤프트(main shaft), 기어 박스(gear box, 미도시), 제너레이터(generator, 미도시)와 같은 기계부품들이 구조적으로 결합되어 있는 구조체를 통틀어 부르는 이름이다.
나셀 커버(103)는 나셀의 외부에 결합되어 나셀을 보호하는 역할을 한다. 나셀 커버(103)는 외기에 그대로 노출되어 눈, 비 혹은 햇볕 등에 상시 노출되기 때문에 어느 정도의 강성이 보장되어야 한다. 따라서 나셀 커버(103)는 내구성이 우수한 플라스틱 혹은 금속 복합 재질로 제작될 수 있다.
타워(105)는 상하로 길게 배치되는 축으로서, 다수의 블레이드(110), 허브(101), 나셀 및 나셀 커버(103) 등의 구조물에 대한 축 방향 하중을 지지한다. 타워(105)는 위치별로 아랫부분의 로워 타워(lower tower)와, 윗부분의 어퍼 타워(upper tower)로 구분될 수도 있다.
타워(105)의 내부는 비어 있으며, 이러한 빈 공간을 통해 케이블(cable) 등이 통과된다. 케이블은 송전용 파워 케이블(power cable), 통신용 케이블(cable) 등을 포함한 다양한 종류의 케이블일 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 허브의 피치 베어링 영역에 대한 확대도이고, 도 3은 피치 베어링의 정면도이며, 도 4는 피치 베어링의 사시도이다.
이들 도면을 참조하면, 본 실시예의 풍력발전기에서 허브(101)에는 피치 베어링(120)이 마련되고, 블레이드(110)의 피치 운전을 위한 동력을 제공하기 위해 피치 베어링(120)의 내측에 피치 드라이브(170)가 마련된다.
피치 드라이브(170)에 대해 먼저 설명하면, 피치 드라이브(170)는 블레이드(110)의 피치 운전을 위한 동력을 제공하기 위해 피치 베어링(120)과 상호 작용한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 피치 드라이브(170)에는 드라이브 기어(171)가 그 원주 방향을 따라 마련된다.
드라이브 기어(171)는 후술할 베어링 내륜(140)의 베어링 기어(161,162) 중 적어도 어느 하나와 기어 맞물림되면서 베어링 내륜(140)이 회전될 수 있도록 하는 동력을 제공한다. 따라서 피치 드라이브(170)에는 모터 등이 연결된다.
한편, 피치 베어링(120)은 앞서 기술한 바와 같이, 허브(101)에 마련되며, 바람에 대한 블레이드(110)의 피치 운전을 위해 블레이드(110)와 부분적으로 연결된다.
본 실시예의 풍력발전기에 총 3개의 블레이드(110)가 마련되기 때문에 피치 베어링(120) 역시 3개가 마련될 수 있다.
이러한 피치 베어링(120)은, 베어링 외륜(130)과, 베어링 외륜(130)의 반경 방향 내측에 배치되고 블레이드(110)와 연결되며, 원주 방향을 따라 분할되는 다수의 분할파트(141,142, division part)를 구비하는 베어링 내륜(140)과, 베어링 외륜(130) 및 베어링 내륜(140) 사이에 배치되는 볼 부재(미도시)의 자리를 형성하는 볼 홈(150, 도 4 참조)과, 베어링 내륜(140)의 내벽에 마련되어 피치 드라이브(170)의 드라이브 기어(171)와 기어 맞물림되는 제1 및 제2 베어링 기어(161,162)를 포함한다.
베어링 외륜(130)은 가장 큰 지름을 이루는 부분으로서 허브(101)에 고정된다. 베어링 외륜(130)이 허브(101)에 고정되기 위해 베어링 외륜(130)에는 그 원주 방향을 따라 다수의 제1 통공(130a)이 형성된다. 제1 통공(130a)들은 베어링 외륜(130)의 둘레 방향을 따라 등각도 간격으로 배열되며, 볼트 및 너트에 의해 허브(101)에 고정될 수 있다.
베어링 내륜(140)은 다수의 볼 부재를 사이에 두고 베어링 외륜(130)의 반경 방향 내측에 배치되며, 블레이드(110)와 연결되는 장소를 이룬다.
베어링 내륜(140)에 블레이드(110)와 연결, 즉 결합하기 위해 베어링 내륜(140)에도 베어링 외륜(130)처럼 그 원주 방향을 따라 다수의 제2 통공(140a)이 형성된다. 제2 통공(140a)들은 베어링 내륜(140)의 둘레 방향을 따라 등각도 간격으로 배열되며, 볼트 및 너트에 의해 블레이드(110)와 연결될 수 있다.
이러한 베어링 내륜(140)은 원주 방향을 따라 분할되는 다수의 분할파트(141,142, division part)를 구비한다.
이에 대해 살펴보면, 다수의 분할파트(141,142)는, 피치 드라이브(170)와 상호작용하면서 피치 운전이 반복되는 운전구간을 형성하는 운전구간 분할파트(141)와, 피치 드라이브(170)에 대한 비운전구간을 형성하며, 베어링 내륜(140)의 원주 방향에 대하여 운전구간 분할파트(141)를 제외한 나머지 영역을 형성하는 비운전구간 분할파트(142)를 포함한다.
본 실시예의 경우, 원형의 형상을 이루는 베어링 내륜(140)은 운전구간 분할파트(141)와 비운전구간 분할파트(142) 2개로 분할된다.
이때, 운전구간 분할파트(141)의 원주 방향 길이가 비운전구간 분할파트(142)의 원주 방향 길이보다 짧게 형성된다. 즉 본 실시예에서 운전구간 분할파트(141)는 도 3에 해칭된 바와 같이, 대략 0도에서 -90도 구간의 범위를 가질 수 있다. 물론, 본 발명의 권리범위가 이에 제한되는 것은 아니므로 이의 수치에 본 발명의 권리범위가 제한될 수 없다.
이처럼 운전구간 분할파트(141)가 대략 0도에서 -90도 구간의 범위를 가지기 때문에, 나머지 구간인 비운전구간 분할파트(142)가 운전구간 분할파트(141)보다 3배 큰 사이즈를 가질 수 있게 되는 것이다.
이와 같이 운전구간 분할파트(141)의 원주 방향 길이가 비운전구간 분할파트(142)의 원주 방향 길이보다 짧게 형성되는 이유는, 피치 운전 시 피치 드라이브(170)의 드라이브 기어(171)는 운전구간 분할파트(141)의 제1 베어링 기어(161)에만 기어 맞물림되어 반복적으로 운전되면서 블레이드(110)의 피치 운전을 도모하기 때문이다.
결과적으로, 피치 드라이브(170)의 드라이브 기어(171)는 운전구간 분할파트(141)의 제1 베어링 기어(161)에만 외접되면서 피치 운전을 진행할 뿐 피치 드라이브(170)의 드라이브 기어(171)가 비운전구간 분할파트(142)의 제2 베어링 기어(162)에는 접하지 않기 때문에 피치 운전이 장기간 진행되고 나면 운전구간 분할파트(141)의 제1 베어링 기어(161)에만 국부적인 손상이 발생될 수 있다.
이처럼 운전구간 분할파트(141)의 제1 베어링 기어(161)에만 국부적인 손상이 발생된다는 점을 감안하여 본 실시예처럼 비운전구간 분할파트(142)에 대해 운전구간 분할파트(141)가 분리되도록 할 경우, 추후 국부적으로 손상된 부분이 발생된 운전구간 분할파트(141)만을 떼어내어 새것으로 교체하면 되기 때문에 종래와 같은 다양한 로스(loss), 예컨대 비용이 많이 소요되거나 작업 시간이 지연되거나 작업이 어려워지는 등 전반적인 로스 발생을 감소시킬 수 있다.
특히, 국부적으로 손상된 부분이 발생된 운전구간 분할파트(141)만을 떼어내어 새것으로 교체할 경우, 종래처럼 블레이드(110)를 분리할 필요가 없기 때문에 작업이 훨씬 수월해질 수 있게 되는 것이다.
위의 설명에서는 생략하였으나 만약, 운전구간 분할파트(141)와 비운전구간 분할파트(142)의 재질을 달리 구현하여, 예컨대 운전구간 분할파트(141)의 재질을 비운전구간 분할파트(142)의 재질보다 강한 내마모성을 갖는 재질로 선택할 경우, 운전구간 분할파트(141)의 제1 베어링 기어(161)의 손상을 최대한 지연시킬 수 있는 이점이 있다.
운전구간 분할파트(141)의 제1 베어링 기어(161)의 손상을 지연시키는 방법은, 운전구간 분할파트(141)의 두께를 비운전구간 분할파트(142)의 두께보다 두껍게 제작하는 등의 방법으로도 구현될 수 있을 것이다.
이와는 달리, 제1 베어링 기어(161)는 운전구간 분할파트(141)에 착탈 가능하게 결합되도록 할 경우, 제1 베어링 기어(161)에 손상이 발생되면 단지 제1 베어링 기어(161)만을 교체하면 되기 때문에 더욱 편리해질 수도 있을 것이다.
이와 같이, 본 실시예에 따르면, 피치 베어링(120)의 국부적인 손상에 효율적이고도 간편하게 대처할 수 있어 종래와 같은 다양한 로스, 예컨대 비용이 많이 소요되거나 작업 시간이 지연되거나 작업이 어려워지는 등 전반적인 로스 발생을 감소시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 풍력발전기에서 피치 베어링의 정면도이다.
본 실시예의 경우에도 피치 베어링(220)의 베어링 내륜(240)이 운전구간 분할파트(241)와 비운전구간 분할파트(242)로 분할되어 있다는 점은 전술한 제1 실시예와 동일하다.
다만, 도 5의 경우, 운전구간 분할파트(241)보다 사이즈가 큰 비운전구간 분할파트(242) 역시 또 다시 다수의 파트(part)로 분할될 수 있다.
이때, 운전구간 분할파트(241)와 비운전구간 분할파트(242) 각각은 베어링 내륜(240)의 원주 방향을 따라 등각도 간격으로 균등 분할될 수 있다.
즉 전체적으로 4조각으로 분할된 운전구간 분할파트(241)와 비운전구간 분할파트(242) 각각은 원주 방향을 따라 등각도 간격으로 균등 분할될 수 있는데, 이러한 경우, 동일한 형상을 만들어 내면 되기 때문에 제작의 편의성이 증대되는 이점이 있을 것이다.
물론, 동일한 형태의 1조각의 운전구간 분할파트(241)와 3조각의 비운전구간 분할파트(242)를 제작하되 운전구간 분할파트(241)가 비운전구간 분할파트(242)보다 좀 더 강한 재질을 갖도록, 또한 좀 더 두껍게 제작되도록 하면 운전구간 분할파트(241)의 제1 베어링 기어(261)의 손상을 최대한 지연시킬 수 있는 이점이 있을 것이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 풍력발전기에서 피치 베어링의 사시도이고, 도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 풍력발전기에서 피치 베어링의 사시도이다.
이들 도면에 도시된 피치 베어링(320,420)들처럼 운전구간 분할파트(341,441)의 제1 베어링 기어(361,461)의 폭을 비운전구간 분할파트(342,442)의 제2 베어링 기어(362,462)의 폭보다 크게 형성할 수 있다.
이는 앞서도 기술한 것처럼 피치 운전 시 피치 드라이브(170, 도 2 참조)의 드라이브 기어(171, 도 2 참조)가 운전구간 분할파트(541)의 베어링 기어(561)에만 접하여 동작되기 때문에, 굳이 비운전구간 분할파트(342,442)의 제2 베어링 기어(362,462)의 폭을 크게 형성할 필요가 없기 때문이다.
실제, 피치 베어링(320,420)들의 직경이 2 미터(m) 내외에 이른다는 점을 감안하면, 비운전구간 분할파트(342,442)의 제2 베어링 기어(362,462)의 폭을 작게 유지할 경우, 그만큼 재료비 및 가공비를 줄일 수 있을 것임에 틀림이 없다.
도 8은 본 발명의 제5 실시예에 따른 풍력발전기에서 피치 베어링의 사시도이다.
이 도면을 참조하면, 본 실시예의 피치 베어링(520)의 경우, 운전구간 분할파트(541)의 베어링 기어(561)는 존재하되 비운전구간 분할파트(542)에는 운전구간 분할파트(541)의 베어링 기어(561)와 같은 기어가 존재하지 않는다.
이는 앞서도 기술한 것처럼 피치 운전 시 피치 드라이브(170, 도 2 참조)의 드라이브 기어(171, 도 2 참조)가 운전구간 분할파트(541)의 베어링 기어(561)에만 접하여 동작되기 때문인데, 도 8과 같은 구조가 적용되더라도 본 발명의 효과를 제공할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 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 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
본 발명은 풍력발전기에 적용될 수 있다.

Claims (15)

  1. 바람에 의해 회전되는 블레이드(blade)가 결합되는 허브(hub);
    상기 허브에 마련되며, 상기 바람에 대한 상기 블레이드의 피치 운전을 위해 상기 블레이드와 부분적으로 연결되는 피치 베어링(pitch bearing); 및
    상기 피치 베어링의 베어링 기어와 기어 맞물림되는 드라이브 기어를 구비하고, 상기 블레이드의 피치 운전을 위한 동력을 제공하는 피치 드라이브(pitch drive)를 포함하며,
    상기 피치 베어링은,
    상기 허브에 고정되는 베어링 외륜; 및
    상기 베어링 외륜의 반경 방향 내측에 배치되고 상기 블레이드와 연결되며, 원주 방향을 따라 분할되는 다수의 분할파트(division part)를 구비하는 베어링 내륜을 포함하는 풍력발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 분할파트는,
    상기 피치 드라이브와 상호작용하면서 상기 피치 운전이 반복되는 운전구간을 형성하는 운전구간 분할파트; 및
    상기 피치 드라이브에 대한 비운전구간을 형성하며, 상기 베어링 내륜의 원주 방향에 대하여 상기 운전구간 분할파트를 제외한 나머지 영역을 형성하는 비운전구간 분할파트를 포함하는 풍력발전기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 비운전구간 분할파트는 원주 방향을 따라 다수의 파트(part)로 분할 가능한 풍력발전기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 운전구간 분할파트와 상기 비운전구간 분할파트 각각은 상기 베어링 내륜의 원주 방향을 따라 등각도 간격으로 균등 분할되는 풍력발전기.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 운전구간 분할파트의 원주 방향 길이가 상기 비운전구간 분할파트의 원주 방향 길이보다 짧게 형성되는 풍력발전기.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 운전구간 분할파트의 재질이 상기 비운전구간 분할파트의 재질보다 강한 내마모성을 갖는 풍력발전기.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 운전구간 분할파트의 두께가 상기 비운전구간 분할파트의 두께보다 두껍게 형성되는 풍력발전기.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 운전구간 분할파트의 베어링 기어의 폭이 상기 비운전구간 분할파트의 베어링 기어의 폭보다 크게 형성되는 풍력발전기.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 비운전구간 분할파트의 내벽은 상기 베어링 기어가 없는 비기어구간을 형성하는 풍력발전기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 베어링 기어는 상기 베어링 내륜에 착탈 가능하게 결합되는 풍력발전기.
  11. 블레이드(blade)가 결합되는 허브(hub)에 고정되는 베어링 외륜; 및
    상기 베어링 외륜의 반경 방향 내측에 배치되고 상기 블레이드와 연결되며, 원주 방향을 따라 분할되는 다수의 분할파트(division part)를 구비하는 베어링 내륜을 포함하는 풍력발전기용 피치 베어링.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 다수의 분할파트는,
    상기 블레이드의 피치 운전을 위한 동력을 제공하는 피치 드라이브(pitch drive)와 상호작용하면서 상기 피치 운전이 반복되는 운전구간을 형성하는 운전구간 분할파트; 및
    상기 피치 드라이브에 대한 비운전구간을 형성하며, 상기 베어링 내륜의 원주 방향에 대하여 상기 운전구간 분할파트를 제외한 나머지 영역을 형성하는 비운전구간 분할파트를 포함하는 풍력발전기용 피치 베어링.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 비운전구간 분할파트는 원주 방향을 따라 다수의 파트(part)로 분할 가능 한 풍력발전기용 피치 베어링.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 운전구간 분할파트와 상기 비운전구간 분할파트 각각은 상기 베어링 내륜의 원주 방향을 따라 등각도 간격으로 균등 분할되는 풍력발전기용 피치 베어링.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 운전구간 분할파트의 원주 방향 길이가 상기 비운전구간 분할파트의 원주 방향 길이보다 짧게 형성되거나,
    상기 운전구간 분할파트의 재질이 상기 비운전구간 분할파트의 재질보다 강한 내마모성을 가지거나,
    상기 운전구간 분할파트의 두께가 상기 비운전구간 분할파트의 두께보다 두껍게 형성되거나,
    상기 운전구간 분할파트의 베어링 기어의 폭이 상기 비운전구간 분할파트의 베어링 기어의 폭보다 크게 형성되는 풍력발전기용 피치 베어링.
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