KR101014691B1

KR101014691B1 - 풍력발전기용 기어박스

Info

Publication number: KR101014691B1
Application number: KR1020080136507A
Authority: KR
Inventors: 김제남; 박정훈; 박현용; 강원형; 정석용; 박종포
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2008-12-30
Filing date: 2008-12-30
Publication date: 2011-02-16
Also published as: KR20100078287A

Abstract

본 발명은 로터의 회전속도를 증속시키는 1단 증속부와 2단 증속부 및 3단 증속부가 비순차적으로 결합되어 기어박스의 부피 및 중량이 최소화되도록 한 풍력발전기용 기어박스에 관한 것으로서, 풍력발전기의 나셀의 내부에 설치되고, 로터의 회전속도를 증속시키는 기어박스에 있어서, 상기 기어박스;는 하우징의 내측으로 상기 로터와 결합되어 로터에 의해 발생된 회전속도를 증가시키는 1단 증속부가 구비되고, 상기 1단 증속부의 전방측에 상기 1단 증속부의 회전속도를 증가시키는 2단 증속부가 구비되며, 상기 1단 증속부의 후방 측으로 상기 2단 증속부의 회전속도를 증가시키는 3단 증속부가 결합된 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 풍력발전기를 지지하기 위한 각종 구조물의 부피 및 중량이 줄어들어 풍력발전기의 설치가 더욱 간편하게 이루어질 뿐만 아니라, 풍력발전기의 작동 과정에서 발생되는 에너지 손실이 최소화되어 풍력발전기의 전력 생산 효율이 더욱 향상되는 효과를 가지게 된다.

풍력발전기, 증속기, 기어박스, 나셀, 비순차적 변속기

Description

풍력발전기용 기어박스{a wind turbine gearbox}

본 발명은 풍력발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 나셀 내부에 설치되는 기어박스의 기어 열이 비 순차적으로 배열되어 기어박스의 중량 및 로터와 기어박스의 연결 길이가 최소화되도록 한 풍력발전기용 기어박스에 관한 것이다.

일반적으로, 풍력발전기는 바람의 힘을 이용하여 전기에너지를 생산하는 것으로서, 근래에 들어 환경오염이 없는 천연 에너지원으로 그 사용이 점차 증대되고 있는 실정이다.

이러한 풍력발전기는 통상적으로 도 1에서 보인 것과 같이 지면에 기둥을 설치하고, 기둥의 상단에 결합된 커버(10)의 전면에 로터(20)가 설치되고, 상기 로터(20)의 후방측으로 상기 커버(10)의 내부에 로터(20)의 회전속도를 증가시기는 기어박스(30)가 설치되며, 상기 기어박스(30)에 연결되어 회전되면서 전력을 생산하는 발전기(40)가 일체로 결합되도록 하여 로터(20)에서 회전되는 동력에 의해 발전이 이루어지도록 하고 있다.

특히, 로터의 회전속도를 증가시켜 발전기의 작동이 원활하게 이루어지도록 하기 위하여 사용되는 기어박스는 도 7에서 보인 것과 같이 기어박스(30) 내부의 부품을 보호하는 하우징(301)의 전면으로는 로터와 결합되어 회전되는 입력축(302)이 돌출되도록 하고, 상기 입력축(302)의 후방측으로 로터의 회전속도를 1차적으로 증속시키는 1단 증속부(303)가 결합되며, 그 후방측으로 2단 증속부(304)와 3단 증속부(305)가 순차적으로 결합되도록 하고 있다.

또한, 상기 3단 증속부(305)에 출력축(306)을 결합하여 로터의 회전속도가 1~3단 증속부를 거쳐 증속되면서 빠르게 회전되는 출력축(306)이 발전기에 결합되도록 하여 원활한 전력의 생산이 이루어지도록 하고 있다.

하지만, 상기와 같이 1~3단 증속부가 순차적으로 결합된 경우에는 입력축을 비롯한 기어박스의 부품의 수가 증가되어 기어박스의 중량이 증가될 뿐만 아니라, 기어박스의 전,후측 길이를 비롯한 전체적인 부피가 증가되어 이를 지지하기 위한 각종 구조물의 부피 및 중량이 증가되는 문제점이 있었고, 상기와 같은 기어박스의 중량과 부피의 증가로 인해 기어박스의 작동 과정에서 발생되는 에너지 손실이 큰 문제점이 있었다.

뿐만 아니라, 상기와 같이 하우징의 전면 중앙부에 별도로 입력축이 돌출되어 결합됨에 따라 설계 가능한 입력축의 직경에 한계가 발생하였고, 이에 의해 면적모멘트에 한계가 발생하여 기어박스의 구조적인 강도가 약해질 뿐만 아니라, 장시간 사용할 때에나 충격 등이 가해질 때에는 입력축이 파손되는 경우도 있었다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 로터의 회전속도를 증속시키는 1단 증속부와 2단 증속부 및 3단 증속부가 비순차적으로 결합되어 기어박스의 부피 및 중량이 최소화되도록 한 풍력발전기용 기어박스를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 1단 증속부에서 하우징 자체가 입력축의 역할을 수행하면서 로터의 회전속도를 효율적으로 증속시키도록 함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 간단한 구조로 2단 증속부 및 3단 증속부에서의 회전속도 증가가 원활하게 이루어지도록 함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 하우징과 로터 사이의 거리가 최소화되도록 함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 기존에 설치된 풍력발전기에 1단 증속부와 2단 증속부 및 3단 증속부가 비순차적으로 결합된 기어박스를 교체하여 사용할 수 있도록 함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 풍력발전기의 나셀의 내부에 설치되고, 로터의 회전속도를 증속시키는 기어박스에 있어서, 상기 기어박스;는 하우징의 내측으로 상기 로터와 결합되어 로터에 의해 발생된 회전속도를 증가시키는 1단 증속부가 구비되고, 상기 1단 증속부의 전방측에 상기 1단 증속부의 회전속도 를 증가시키는 2단 증속부가 구비되며, 상기 1단 증속부의 후방 측으로 상기 2단 증속부의 회전속도를 증가시키는 3단 증속부가 결합된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 1단 증속부는, 상기 로터의 회전에 의해 하우징이 회전 작동되도록 하되, 상기 하우징의 내측면에 형성되는 1단 링기어와, 상기 1단 링기어의 내측으로 상기 1단 링기어와 맞물림 회전되는 다수의 1단 위성기어와, 상기 1단 위성기어의 내측에 상기 1단 위성기어와 맞물림 회전되고 상기 1단 링기어와 동일한 회전중심을 갖는 1단 태양기어를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 2단 증속부는, 상기 1단 태양기어 보다 큰 직경으로 형성되되 상기 1단 태양기어의 전방측에 일체로 결합되어 회전되는 2단 링기어와, 상기 2단 링기어의 내측으로 상기 2단 링기어와 맞물림 회전되는 다수의 2단 위성기어와, 상기 2단 위성기어의 내측에 상기 2단 위성기어와 맞물림 회전되고 상기 2단 링기어와 동일한 회전중심을 갖는 2단 태양기어를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 3단 증속부는, 상기 2단 태양기어 보다 큰 직경으로 형성되되 상기 1단 증속부의 후방측에 상기 2단 태양기어와 일체로 결합되어 회전되는 3단 휠기어와, 상기 3단 휠기어와 맞물림 회전되고 일측면에 상기 하우징의 외측으로 돌출되는 출력축이 결합된 출력기어를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 하우징의 전면에 로터가 일체로 결합되는 로터고정부가 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 하우징의 전면 중앙부에 로터가 결합되는 입력축이 일체로 돌출 결합된 것을 특징으로 한다.

이에, 본 발명은 로터의 회전속도를 증속시키는 1단 증속부와 2단 증속부 및 3단 증속부가 비순차적으로 결합되어 기어박스의 부피 및 중량이 최소화되도록 한 풍력발전기용 기어박스을 제공함으로서, 풍력발전기를 지지하기 위한 각종 구조물의 부피 및 중량이 줄어들어 풍력발전기의 설치가 더욱 간편하게 이루어질 뿐만 아니라, 풍력발전기의 작동 과정에서 발생되는 에너지 손실이 최소화되어 풍력발전기의 전력 생산 효율이 더욱 향상되는 효과를 가지게 된다.

또한, 본 발명은 1단 증속부에서 하우징 자체가 입력축의 역할을 수행하면서 로터의 회전속도를 효율적으로 증속시키도록 함으로서, 별도의 입력축을 결합하지 않고서도 로터의 회전력을 직접 전달할 수 있게 되어 기어박스의 중량이 더욱 감소될 뿐만 아니라, 면적모멘트가 증가되어 기어박스의 강성이 더욱 향상되고 이에 따른 기어박스의 수명이 증가되는 효과를 가지게 된다.

또한, 본 발명은 간단한 구조로 2단 증속부 및 3단 증속부에서의 회전속도 증가가 원활하게 이루어지도록 함으로서, 기어박스의 제작이 간편하게 이루어질 뿐만 아니라, 기어박스의 유지 및 보수가 간편하게 이루어지는 효과를 가지게 된다.

또한, 본 발명은 하우징의 전면에 로터고정부를 일체로 형성하여 하우징과 로터 사이의 거리가 최소화되도록 함으로서, 하우징과 로터 사이에 별도의 입력축을 결합하지 않고 직접 연결이 가능해져 하우징 전면이 입력축 역할을 겸하는 것과 동시에 입력축을 대체함으로써, 풍력발전기의 크기 및 중량을 더욱 효과적으로 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 로터의 간편하고 견고한 고정이 가능해지는 효과를 가지게 된다.

또한, 본 발명은 하우징의 전면에 입력축을 결합하여 기존에 설치된 풍력발전기에 1단 증속부와 2단 증속부 및 3단 증속부가 비순차적으로 결합된 기어박스를 교체하여 사용할 수 있도록 함으로서, 1~3단 증속부가 비순차적으로 결합된 기어박스를 사용하기 위하여 기존에 설치된 풍력발전기의 나셀 전체를 교체해야 하는 낭비와 번거로움이 사라지는 효과를 가지게 된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고로 하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 풍력발전기용 기어박스의 개략 구조도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예를 보인 기어박스의 개략 종단면도이며, 도 3은 도 2의 A-A선 단면도이고, 도 4는 도 2의 B-B선 단면도이며, 도 5는 도 2의 C-C선 단면도로서, 도시된 것과 같이 본 발명은 커버(10)의 전면에 바람의 힘에 의해 회전되는 로터(20)가 결합되고, 커버(10)의 내측으로 로터(20)의 회전속도를 증가시기는 기어박스(30) 및 기어박스(30)에 연결되어 회전되면서 전력을 생산하는 발전기(40)가 결합된 풍력발전기용 나셀에 관한 것으로서, 특히 기어박스(30)의 내부에 결합되는 1단 증속부(32)와 2단 증속부(33) 및 3단 증속부(34)가 비순차적으로 결합되어 기어박스(30)의 전체적인 부피 및 중량이 최소화되도록 한 풍력발전기용 기어박스에 관한 것이다.

상기 기어박스(30)는 내부 부품을 보호하는 하우징(31)의 전면에 로터(20)가 결합되도록 하고, 로터(20)의 중심을 기준으로 하우징(31)의 내부 중앙부에 로터(20)의 회전속도를 1차적으로 증가시키는 1단 증속부(32)가 결합되도록 하며, 1단 증속부(32)의 전방으로는 1단 증속부(32)의 회전력을 증가시키는 2단 증속부(33)가 결합되도록 하고, 1단 증속부(32)의 후방 측으로 2단 증속부(33)의 회전력을 증가시키면서 발전기(40)와 연결되는 출력축(343)이 결합된 3단 증속부(34)가 결합되도록 한다.

상기 1단 증속부(32)는 도 2 및 도 3에서 보인 것과 같이 하우징(31)이 로터(20)에 결합되어 일체로 회전되도록 하되, 하우징(31)의 내측면에 하우징(31)의 회전에 의해 회전되는 링 형상의 1단 링기어(321)가 형성되도록 하고, 1단 링기어(321)의 내측면에 맞물려 회전되고 각각의 중심축이 전체적으로 1단 링기어(321)와 동심원을 이루며 배치되는 다수의 1단 위성기어(322)가 구비되도록 하며, 상기 다수의 1단 위성기어(322)의 내측으로는 상술한 1단 링기어(321)와 동일한 회전 중심을 가지면서 1단 위성기어(322)와 맞물려 회전되는 1단 태양기어(323)가 결합되도록 한다.

이에 따라, 하우징(31)의 회전에 의해 1단 링기어(321)가 회전되면서 1단 링기어(321) 보다 작은 직경의 1단 위성기어(322)를 회전시켜 회전속도를 증가시키고, 1단 위성기어(322)의 구동력이 1단 태양기어(323)로 전달되는 것이다.

상기 2단 증속부(33)는 도 2 및 도 4에서 보인 것과 같이 상술한 1단 태양기어(323)의 회전속도를 2차적으로 증속시키는 것으로서, 1단 증속부(32)의 전방 측에 배치되고, 상기 1단 태양기어(323)와 동일한 회전중심을 갖고 1단 태양기어(323) 보다 큰 직경으로 형성되면서 일체로 결합되어 회전되며, 원통형으로 형성된 통상의 내접기어로 형성된 2단 링기어(331)와, 상기 2단 링기어(331)의 내측면에 맞물려 회전되고 각각의 중심축이 전체적으로 2단 링기어(331)와 동심원을 이루며 배치되는 다수의 2단 위성기어(332)가 구비되도록 하며, 상기 다수의 2단 위성기어(332)의 내측으로는 상술한 2단 링기어(331)와 동일한 회전 중심을 가지면서 2단 위성기어(332)와 맞물려 회전되는 2단 태양기어(333)가 결합되도록 한다.

더불어, 상기 3단 증속부(34)는 도 2 및 도 5에서 보인 것과 같이 상술한 2단 태양기어(333)의 회전속도를 3차적으로 증속시키는 것으로서, 1단 증속부(32)의 후방 측에 배치되고, 상기 2단 태양기어(333)와 동일한 회전중심을 갖고 2단 태양기어(333) 보다 큰 직경으로 형성되면서 일체로 결합되어 회전되는 3단 휠기어(341)와, 상기 3단 휠기어(341) 보다 작은 직경으로 형성되면서 이에 맞물려져 회전되고, 일측면에는 하우징(31)의 외측으로 돌출되는 출력축(343)이 일체로 결합된 출력기어(342)가 구비된다.

이에 따라, 바람의 힘에 의해 로터(20)가 회전됨과 동시에 하우징(31)이 회전을 시작하고, 하우징(31)의 회전에 의해 1단 링기어(321)가 회전되며, 1단 위성기어(322), 1단 태양기어(323)를 거쳐 1차적인 증속이 이루어진다.

이후, 1단 태양기어(323)의 회전력이 2단 링기어(331)로 전달되고, 2단 위성기어(332) 및 2단 태양기어(333)가 순차적으로 회전되면서 2차적인 증속이 이루어지며, 2단 태양기어(333)의 회전력이 최종적으로 3단 휠기어(341) 및 출력기어(342)로 연결되면서 로터(20)의 단위시간당 회전 수 보다 빠른 속도로 출력축(343)이 회전되어 발전기(40)를 구동시키게 되는 것이다.

더불어, 상술한 것과 같이 로터(20)의 회전력을 1단 증속부(32)로 연결시킬 때, 별도의 입력축을 설치하지 않고 하우징(31) 자체를 회전시킴에 따라 기어박스(30)의 하우징(31)은 입력축의 역할을 겸할 수 있게 되고, 이에 의해 입력축의 중량 만큼 전체적인 중량을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 면적모멘트가 증가되면서 기어박스(30)의 강성이 더욱 향상되고 이에 따른 기어박스(30)의 수명이 증가되는 효과를 가지게 된다.

또한, 상기 하우징(31)의 전면에는 로터(20)가 직접 고정되도록 통상의 플랜지 또는 나사체결공으로 구성된 로터고정부(311)를 일체로 형성함으로써, 로터(20)의 회전력을 하우징(31)으로 전달하기 위한 별도의 입력축을 결합하지 않고서도 간편하고 견고하게 로터(20)를 기어박스(30)에 고정하면서 원활한 회전이 이루어지게 되어 나셀의 전체적인 부피 및 중량을 더욱 효과적으로 감소시킬 수 있게 되는 것이다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예를 보인 기어박스의 개략 종단면도로서, 본 실시예에서는 상슬한 실시예의 구성요소를 모두 포함하되, 상술한 하우징(31)의 전면에는 로터(20)가 결합되는 입력축(312)이 일체로 결합되어 고정되도록 하여 로터(20)의 회전에 의해 입력축(312)에 회전됨과 동시에 하우징(31)이 회전 작동되도록 한다.

이에 따라, 입력축(312)이 나셀 커버(10)의 전면으로 돌출되어 로터(20)가 결합되고, 1~3단 증속부가 순차적으로 결합된 기어박스(30)를 갖는 종래의 풍력발전기(40)에 1단 증속부(32)와 2단 증속부(33) 및 3단 증속부(34)가 비순차적으로 결합된 기어박스(30)를 간편하게 교체하여 사용할 수 있게 되어 중량이 감소된 기어박스(30)를 사용하기 위하여 나셀 전체를 교체해야 하는 낭비와 번거로움이 사라지게 되는 것이다.

도 1은 풍력발전기용 기어박스의 개략 구조도.

도 2는 본 발명의 일 실시예를 보인 기어박스의 개략 종단면도.

도 3은 도 2의 A-A선 단면도.

도 4는 도 2의 B-B선 단면도.

도 5는 도 2의 C-C선 단면도.

도 6은 본 발명의 다른 실시예를 보인 기어박스의 개략 종단면도.

도 7은 종래 풍력발전기용 기어박스의 일 예를 보인 개략 종단면도.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10 : 커버

20 : 로터

30 : 기어박스

31 : 하우징

311 : 로터고정부 312 : 입력축

32 : 1단 증속부

321 : 1단 링기어 322 : 1단 위성기어

323 : 1단 태양기어

33 : 2단 증속부

331 : 2단 링기어 332 : 2단 위성기어

333 : 2단 태양기어

34 : 3단 증속부

341 : 3단 휠기어 342 : 출력기어

343 : 출력축

40 : 발전기

Claims

풍력발전기의 나셀의 내부에 설치되고, 로터의 회전속도를 증속시키는 기어박스에 있어서,

상기 기어박스(30);는

하우징(31)의 내측으로 상기 로터(20)와 결합되어 로터(20)에 의해 발생된 회전속도를 증가시키는 1단 증속부(32)가 구비되고, 상기 1단 증속부(32)의 전방측에 상기 1단 증속부(32)의 회전속도를 증가시키는 2단 증속부(33)가 구비되며, 상기 1단 증속부(32)의 후방 측으로 상기 2단 증속부(33)의 회전속도를 증가시키는 3단 증속부(34)가 결합된 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 기어박스.
제 1항에 있어서,

상기 1단 증속부(32)는,

상기 로터(20)의 회전에 의해 하우징(31)이 회전 작동되도록 하되, 상기 하우징(31)의 내측면에 형성되는 1단 링기어(321)와,

상기 1단 링기어(321)의 내측으로 상기 1단 링기어(321)와 맞물림 회전되는 다수의 1단 위성기어(322)와,

상기 1단 위성기어(322)의 내측에 상기 1단 위성기어(322)와 맞물림 회전되고 상기 1단 링기어(321)와 동일한 회전중심을 갖는 1단 태양기어(323)를 포함하는 풍력발전기용 기어박스.
제 2항에 있어서,

상기 2단 증속부(33)는,

상기 1단 태양기어(323) 보다 큰 직경으로 형성되되 상기 1단 태양기어(323)의 전방측에 일체로 결합되어 회전되는 2단 링기어(331)와,

상기 2단 링기어(331)의 내측으로 상기 2단 링기어(331)와 맞물림 회전되는 다수의 2단 위성기어(332)와,

상기 2단 위성기어(332)의 내측에 상기 2단 위성기어(332)와 맞물림 회전되고 상기 2단 링기어(331)와 동일한 회전중심을 갖는 2단 태양기어(333)를 포함하는 풍력발전기용 기어박스.
제 3항에 있어서,

상기 3단 증속부(34)는,

상기 2단 태양기어(333) 보다 큰 직경으로 형성되되 상기 1단 증속부(32)의 후방측에 상기 2단 태양기어(333)와 일체로 결합되어 회전되는 3단 휠기어(341)와,

상기 3단 휠기어(341)와 맞물림 회전되고 일측면에 상기 하우징(31)의 외측으로 돌출되는 출력축(343)이 결합된 출력기어(342)를 포함하는 풍력발전기용 기어박스.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서

상기 하우징(31)의 전면에 로터(20)가 일체로 결합되는 로터고정부(311)가 형성된 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 기어박스.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 하우징(31)의 전면 중앙부에 로터(20)가 결합되는 입력축(312)이 일체로 돌출 결합된 것을 특징으로 하는 풍력발전기용 기어박스.