KR20130093498A

KR20130093498A - 베어링 요소와 이를 구비한 풍력 터빈

Info

Publication number: KR20130093498A
Application number: KR1020127029761A
Authority: KR
Inventors: 알렉산더 카리; 크리스티안 포르스트너
Original assignee: 미바 그레이트라게르 게엠베하
Priority date: 2010-04-14
Filing date: 2011-04-14
Publication date: 2013-08-22
Also published as: EP3124811B1; US9458880B2; DK2558718T3; WO2011127510A1; EP2558718B1; CN102834611B; KR101749286B1; CN102834611A; AT509625A9; DK3124811T3; EP3124811A1; AT509625A1; AT509625B1; US20130071246A1; EP2558718A1

Abstract

본 발명은 풍력 터빈(1)의 로터 허브(4)를 지지하기 위한 베어링 요소(7)로서, 상기 베어링 요소(7)는 적어도 하나의 내부 링 요소(10, 40)와 적어도 하나의 외부 링 요소(11, 41)를 포함하며, 평 베어링은 내부 링 요소(10, 40)와 외부 링 요소(11, 41) 사이에 형성되며, 상기 평 베어링은 서로로부터 축방향 간격(44)을 갖고 배치된 적어도 2개의 평 베어링(8, 9, 38, 39)에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

베어링 요소와 이를 구비한 풍력 터빈{BEARING ELEMENT}

본 발명은 풍력 터빈의 로터 허브를 지지하기 위한 베어링 요소로서, 적어도 하나의 내부 링 요소와 적어도 하나의 외부 링 요소를 포함하며, 내부 링 요소와 외부 링 요소 사이에는 평 베어링이 형성되어 있는 베어링 요소에 관한 것이며, 또한, 스테이터에 지지되어 있는 로터 허브를 포함하는 로터를 구비하며, 베어링 요소는 로터와 스테이터 사이에 배치되어 있는 풍력 터빈에 관한 것이다.

비록 평 베어링(plain bearing)이 구름 베어링보다 더 긴 수명을 가지지만, 아직까지는, 구름 베어링이 풍력 터빈에 주로 사용되고 있으며, 특히, 로터 베어링의 주 베어링으로서 구름 베어링이 사용되고 있다. 풍력 터빈에 관한 다양한 연구들에서, 발전기 또는 로터 블레이드 자체 또는 로터에서 발생되는 전체적인 결함에 대한 다양한 이유들 이외에, "베어링"에 의한 고장이 전체 고장 원인의 2/3를 차지하는 것으로 나타났다. 그러나 풍력 터빈에서 발생하는 다른 고장들과 비교하여, 비용 측면에서는, 로터 축의 고장은 풍력 터빈에서 발생하는 다른 결함보다 더 많은 비용과 더 긴 휴지시간을 발생시키는 완전히 다른 차원의 고장이다. 베어링에서의 "구름 베어링"의 결함은, 특히 초대형급(multi-megawatt category)의 구름 베어링의 대한 노력과 시험에도 불구하고, 높은 유지보수 비용과 긴 휴지시간 때문에 풍력 터빈의 경제적 효율의 명백한 저하를 가져온다. 이는 설치 공간을 제한하기 때문에 연안 적용에 특히 문제가 있으며, 또한 높은 비용과도 연관되어 있다. 베어링이 손상되고 전체 로터에 사용된 구름 베어링이 제거될 때에는 높은 손상 비용 또는 긴 휴지시간이 소요된다.

이러한 문제점에 대한 접근으로서, 풍력 터빈에 평 베어링을 사용하는 것이 종래 기술에서 이미 개시되어 있다. 예를 들면, 독일 공개 특허 공보 제 DE 102 55 745호는 타워의 상부에 배치된 기계 베이스와 이 기계 베이스에 고정된 발전기 스테이터를 구비한 풍력기가 개시되어 있으며, 이 풍력기는 로터 블레이드를 지지하는 허브와 이 허브에 고정되어 있는 발전기 로터를 포함하며, 발전기 로터 또는 발전기 로터에 연결된 허브는 발전기 스테이터와 발전기 로터 사이에 방사상으로 위치되고 그리고/또는 이들 다음에 축방향으로 위치된 하나의 장소에서 장착되고, 스테이터 하우징에 지지되어 있다. 베어링으로서는 유압 평 베어링이 제공될 수 있으며, 평 베어링은 발전기의 폴 슈(pole shoe)에 통합된 분절 평 베어링으로서 구성될 수 있다. 이 방식에 있어서, 기계적 하중 경로가 짧아지고, 풍력기 설치 중량은 타워 헤드 내의 곤돌라 영역에서 감소된다.

또한, 풍력 발전기용 전동 장치 분야에 있어서, 평 베어링의 사용은 종래 기술, 예를 들면 유럽 공개 특허 공보 제EP 1 184 567호에 개시되어 있다. 이 문헌에서는 다단 유성기어 장치와 적어도 하나의 평기어 스테이지(spur gear stage)에 의해 적어도 하나의 발전기와 구동 연결되는 로터를 구비한 풍력 발전기용 기어 유닛을 개시한다. 로터는 기어 유닛의 하우징 내에 장착되어 있으며, 특히 평 베어링 내에 안내되며, 적어도 하나의 베어링은 축력을 흡수할 수 있으며, 베어링은 유체 정역학으로 승강되고 오일 펌프의 특정 제어에 의해 부분적 또는 완전 유압 윤활 작동으로 전환될 수 있다.

독일 공개 특허 공보 제DE 100 43 936호로부터, 풍력 터빈의 타워 회전 베어링용 평 베어링은 동심적으로 배치된 외부 링과 내부 링 및 내마찰 코팅 캐리어를 포함하며, 내마찰 코팅이 캐리어에 도포되어 있다. 내마찰 코팅 캐리어는 내부 링의 방사상 보어 내에 배치되고 외부 링의 내측의 주변 홈 내에서 맞물린다. 이 방식으로, 평 베어링을 쉽게 교체할 수 있다.

또한, 독일 공개 특허 공보 제DE 10 2005 051 912호는 또한 평 베어링에 의해 로터 블레이드를 지지하는 일반적인 가능성에 대해서 기술하고 있다.

본 발명의 목적은 풍력 터빈의 로터 허브용의 개선된 평 베어링을 제공하는 것이다.

본 발명의 이러한 목적은, 한편으로는, 전술한 베어링 요소, 즉 축방향으로 서로 이격되어 배치된 적어도 2개의 평 베어링에 의해 형성된 베어링에 의해 달성되며, 또한, 다른 한편으로는, 상기 베어링 요소가 설치된 풍력 터빈에 의해 달성된다.

2개의 이격된 평 베어링에 의해, 풍력 터빈의 로터 허브의 방사상 또는 축방향 지지 또는 안내가 개선되는 이점을 갖는다. 또한, 2개의 평 베어링에 의해, 평 베어링은 풍력 터빈의 저속 작동 또는 기동/정지 사이클 중에, 또는 바람의 정점과 바람의 방향 변경 중에 발생할 수 있는 큰 하중에 노출될 수 있다. 놀랍게도, 평 베어링은 평 베어링용 유체 정역학 기동 지원이 필요하지 않다는 것을 발견하였으며, 이에 의해 이 내마찰 베어링에 대해 구조적으로 간단한 용법이 달성될 수 있을 뿐만 아니라 비용의 저감도 가능해지는 것을 발견하였다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 평 베어링의 적어도 하나는 원주 방향으로 서로 연이어 배치된 평 베어링 패드에 의해 형성되어 있다. 개개의 평 베어링 패드의 전체 베어링 표면의 배치에 의해, 평 베어링은 평 베어링 패드의 설치와 베어링 손상시의 패드의 제거 관점의 모두에서 더 쉽게 조정된다. 또한, 이러한 이점은 베어링에 의해 야기된 풍력 터빈의 작동 결함의 경우에, 구름 베어링과 평 베어링의 절반 쉘(half shell)과 비교하여, 약간의 유닛만을 교체하면 되기 때문에 유지보수 작업을 저감시키는 것에 의한 휴지시간의 감소뿐만 아니라 결함이 발생했을 때 교체할 평 베어링만을 교체하므로 유지관리 비용을 저감하는 것에 의해 설치의 경제적 효율이 개선될 수 있다. 이는 교체하는 평 베어링 절반 쉘이 완전한 절반 쉘을 갖지 않기 때문이며, 이에 의해 로터를 제거하지 않고 교체가 실행될 수 있다. 물론, 평 베어링 패드 모두를 교체할 필요가 있을 때에는 이 실시의 변형도 가능하다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 각 평 베어링에 대한 평 베어링 패드의 수는 D/10의 하한 범위와 D/2의 상한 범위로부터 선택되며, 특히, D/8의 하한 범위와 D/4의 상한 범위로부터 선택되며, 여기에서 D는 센티미터 단위의 내부 링 요소의 최대 직경이다. 이 방식에 있어서, 개개의 패드의 평 베어링의 분배에도 불구하고, 베어링에 대해 최대로 이론상으로 이용 가능한 평 베어링 영역에 대해 비교적 큰 영역을 이용할 수 있다.

2개의 평 베어링이 서로 각도를 이루는 평면에 배치되어 있다면, 틸팅 모멘트(tilting moment)가 더욱 효과적으로 흡수될 수 있는 것과 같이, 베어링의 기능을 개선시킬 수 있다.

바람직하게는, 서로에 대한 2개의 평면 각도는 30°의 하한과 75°의 상한을 갖는 범위로부터 선택되며, 특히 35°의 하한과 60°의 상한을 갖는 범위로부터 선택된다. 이 방식에 있어서, 서로 각도를 갖는 2개의 평 베어링에 대한 전술한 효과는 더욱 개선될 수 있다.

평 베어링 패드에 면하는 표면의 외부 링 요소는 홈을 가지고, 평 베어링 패드가 상기 홈에 부분적으로 배치되어 있는 경우에 평 베어링 패드는 간단하게 배치되고 고정될 수 있다.

홈이 홈 베이스의 방향으로 넓어지는 단면을 가지며, 특히 더브테일(dovetail) 또는 T자 형상 단면을 갖고, 또한 평 베어링 패드가 이와 대응하는 단면을 갖는다면, 평 베어링 패드를 고정시키는 데 더 나은 개선이 달성된다.

평 베어링 패드 교체를 더 쉽게 하고, 평 베어링 패드 조정을 더 쉽게 하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 평 베어링 패드는 외부 링 요소의 탈착 가능한 고정 요소에 고정되어 있다.

또한, 내부 링 요소는 축방향으로 연이어 배치되고 축방향으로 서로 이격된 2개의 링을 포함하는 것도 가능하며, 이에 의해 이 링들 사이에 스페이서 요소가 배치될 필요가 있는 경우, 고정 요소가 상기 2개의 링 사이에 적어도 부분적으로 배치되어 있다. 이 방식에 있어서, 평 베어링 패드를 교환하는 것이 더 쉽게 되며, 이에 의해 로터, 즉 로터 허브 자체의 중량은 하부 평 베어링 패드의 영역의 아이들 위치(idle position)에서 지지되며, 이에 따라 상부 평 베어링 패드는 하중에서 자유롭게 되고 평 베어링으로부터 제거될 수 있다. 2개의 링에 의해, 상기 평 베어링 패드는 링 사이의 영역에서 제거될 수 있으며, 즉, 고정 요소가 해제될 수 있으며, 따라서, 평 베어링 패드의 고정은 외부 링 요소에서 해제되고, 이에 따라 상기 평 베어링 패드는 쉽게 홈으로부터 밀려질 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 축방향으로 서로 연이어 배치된 2개의 평 베어링 패드는 공통 고정 요소에 의해 외부 링 요소에 고정되어 있으며, 이에 의해, 평 베어링의 구조적 구성이 간략화되며, 또한 유지보수 작업을 짧은 기간에서 실시할 수 있다. 이 방식에 있어서, 평 베어링의 세팅도 또한 간략화된다.

오일 유입을 개선하기 위해, 평 베어링 패드에는 적어도 하나의 단부면에 원형부가 적어도 부분적으로 제공되어 있다.

평 베어링의 일 실시예에 따르면, 2개의 평 베어링은 서로로부터, 내부 링 요소의 최대 원주 길이의 적어도 40%인 간격을 갖고 배치되어 있다. 평 베어링을 서로에 대해 비교적 멀리 이격시키는 것에 의해, 평 베어링의 로터 허브를 통해 작용하는 틸팅 모멘트가 양호하게 흡수될 수 있다.

이 실시예에 있어서, 상기 비교적 큰 평 베어링의 조정을 개선시키기 위해 평 베어링을 평 베어링 세그먼트에 의해 형성하는 것도 또한 가능하다.

본 발명의 이 실시예에 있어서, 평 베어링의 평 베어링 세그먼트의 서로를 향하는 단부면 지점 사이에 쐐기 요소가 배치되어 있으며, 이에 의해, 상기 쐐기 요소는 내부 또는 외부 링 요소에 나사결합될 수 있으며, 이에 의해, 평 베어링 세그먼트의 압축, 즉 평 베어링 세그먼트의 고정이 달성됨으로써 평 베어링의 조정이 개선되며, 상기 쐐기 요소의 부가에 의해, 평 베어링 세그먼트를 교체하는 것이 간략화되며, 즉 쐐기 요소를 간단하게 해제시키는 것에 의해 평 베어링 세그먼트의 고정이 해제된다.

일 실시예에 따르면, 평 베어링 세그먼트의 단부면은 기울어져 있으며, 이에 의해 쐐기 요소의 쐐기 효과를 지원한다.

증가된 응력에 노출되는 평 베어링 또는 평 베어링 세그먼트의 영역에서의 각 세그먼트에 대한 특정 오일 공급을 달성하기 위해, 홈 및/또는 보어가 평 베어링 세그먼트의 세그먼트 배면에 제공될 수 있다. 이 방식에 있어서, 필요한 최소량의 오일만을 평 베어링 세그먼트에 공급할 수 있고, 이에 따라, 1 bar 이상, 일반적으로 100 bar 이상의 오일 압력에서 통상적으로 작동하는 초기 유체 정역학적 지원이 필요하지 않다.

평 베어링은, 이 방식에 있어서 베어링 기능을 개선시키기 위해, 특히 상기 평 베어링의 마찰 품질과 지지 기능을 개선시키기 위해 다중 층 베어링의 형태가 바람직하다.

이 경우에 있어서, 다중 층 베어링의 상부 층은 단속된 표면을 가질 수 있으며, 이는 오일을 내마찰 면에 공급하기 위한 것이다. 한편, 이 방식에 있어서, 양호한 하중 분배에 의해 평 베어링의 하중 흡수 능력이 증가될 수 있다는 것을 발견하였다.

관점의 완전한 반전에 있어서, 로터 허브에 면하는 내마찰 층은 비교적 연질이어야 하며, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 내마찰 층은 적어도 75 HV(0.001), 특히 적어도 100 HV(0.001)의 경도를 갖는 것이 사용되며, 이에 따라, 연질 베어링 재료가 사용되지 않는다. 이 방식에 있어서, 상기 베어링 요소, 즉 평 베어링의 내마찰 품질의 상당한 감소 없이, 베어링 요소의 수명이 증가된다. 또한, 경질 내마찰 층을 사용하는 것에 의해, 오일 유입이 개선되며, 특히 기동 위상에서의 오일 유입이 개선되는 것이 관찰되었으며, 이에 따라 기동 위상에서의 유체 정역학적 지원이 필요하지 않다. 놀랍게도, 비록 전술한 내마찰 층보다 연질의 약 25 HV(0.001) 내지 60 HV(0.001)의 비커스 경도를 갖는 내마찰 페인트가 또한 내마찰 층으로 사용될 수 있으며, 이 경도는 적절한 경질 입자들을 첨가하는 것에 의해 증가될 수 있다.

본 발명에 따른 베어링 요소에 의해, 베어링의 영역 내에서 유체역학적으로만 풍력 터빈을 작동시키는 것이 가능하며, 이에 의해 적어도 1 bar, 그러나 정상적으로는 100 bar 이상에서의 유체 정역학적 설치에서의 특정 최소 오일 압력을 유지하기 위한 구조적 측량이 회피될 수 있기 때문에, 풍력 터빈은 구조적으로 간단하게 설계될 수 있다.

풍력 터빈의 일 실시예에 따르면, 베어링 요소의 내부 링 요소는 로터 축의 일부이며, 외부 링 요소는 스테이터의 일부이며, 이에 의해 평 베어링의 구조적 구성이 간략화될 수 있다.

마지막으로, 풍력 터빈의 일 실시예에 따르면, 평 베어링 패드는 스테이터 자체를 통해 제거될 수 있으며, 이에 의해 상기 평 베어링 패드의 접근성은 유지보수 작업 중에 간략화되며, 따라서, 구름 베어링의 교체에 필요한 대형 승강 기구의 사용 가능성을 회피할 수 있으며, 이에 의해 베어링, 특히 주 베어링의 유지 보수 동안의 휴지시간을 감소시킬 수 있다.

본 발명의 더 나은 이해를 위해, 상세한 설명을 참조하여 이하에서 더욱 상세히 설명한다.

도 1은 풍력 터빈을 부분적으로 도시하는 부분 단면도이다.
도 2는 베어링 요소의 제1 실시예를 도시하는 측단면도이다.
도 3은 평 베어링 패드를 비스듬히 보았을 때의 도면이다.
도 4는 평 베어링 패드의 배치 섹션을 저면으로부터 비스듬히 보았을 때의 도면이다.
도 5는 평 베어링의 측단면도이다.
도 6은 평 베어링의 다른 실시예를 도시하는 측단면도이다.
도 7은 내마찰 면을 구비한 평 베어링 세그먼트를 도시하는 도면이다.
도 8은 도 7에 따른 평 베어링 세그먼트를 배면으로부터 비스듬히 보았을 때의 도면이다.
도 9는 2개의 평 베어링 세그먼트 사이에 배치된 쐐기 요소를 도시하는 도면이다.

우선, 본 명세서에서는 동일 구성부품에는 동일한 참조부호와 동일한 용어를 사용하였음을 인식하여야 한다. 또한, 기술되고 나타낸 도면에 대한 상부, 저부, 측면 등과 같은 용어는 위치에 관한 것이며 위치가 변경되는 경우에는 새로운 위치로 조정될 수 있다는 것을 인식하여야 한다. 또한, 도시되고 기술된 다양한 예시적 실시예로부터의 개개의 특징 또는 특징들의 조합은 그들 자체가 독립적인 용법을 나타내거나 또는 발명의 용법을 나타내는 것이다.

도 1은 종래 기술에 공지된 바와 같은 풍력 터빈(1)의 섹션을 사면 및 단면으로 부분적으로 도시한다. 상기 풍력 터빈(1)은 상부에 곤돌라(3)를 구비한 타워(2)를 포함한다. 상기 곤돌라(3) 내에는, 한쪽 단부에서 로터 블레이드(5)를 회전 가능하게 지지하는 로터 허브(4)가 배치되어 있다. 링 발전기로 구성되어 있는 발전기(6)는 전력 공급을 위해 다른 쪽 단부에 할당되어 있다. 로터 샤프트(4)는 곤돌라(3) 내의 베어링 요소(7)에 의해 회전 가능하게 장착되어 있다. 베어링 요소(7)는 풍력 터빈(1)의 주 베어링으로서 언급된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 풍력 터빈(1)은 로터 자체, 즉 로터 블레이드(5)와 발전기(6) 사이에 전동 장치가 없는 기어리스 설계로 되어 있다. 이 기어리스 설계는 저속 모터로 언급된다. 그에 반해서, 종래 기술에서 공지된 풍력 터빈은 로터와 발전기 사이에 유성 기어로 불리는 전동 장치를 구비하며, 이에 따라 발전기의 로터는 로터 허브보다 더 빠르게 작동한다.

바람직하게는, 본 발명은 기어리스 형태의 풍력 터빈(1)에 관한 것이지만, 전동 장치를 구비한 풍력 터빈에도 또한 적용할 수 있다.

도 2 내지 도 5는 본 발명에 따른 베어링 요소(7)의 제1 실시예를 도시한다. 도 2는 로터 허브(4)의 구역에서의 풍력 터빈(1)의 섹션을 도시한다. 베어링 요소(7)는 축방향으로 서로 이격되어 배치된 2개의 평 베어링(8, 9)을 구비한 평 베어링에 의해 형성되거나 또는 2개의 평 베어링(8, 9)을 포함한다. 축방향 간격은 로터 허브(4)를 통해 길이방향 중간 축을 따르는 방향으로서 정의된다.

2개의 평 베어링(8, 9)에 부가하여, 베어링 요소(7)는 또한 내부 링 요소(10)와 외부 링 요소(11)를 포함한다. 내부 링 요소(10)는 제1 링(12)과 제2 링(13)을 구비한 2개의 부품으로 구성되어 있으며, 이들 링(12, 13) 사이에는, 이들 2개의 링(12, 13)을 축방향으로 서로 이격시키기 위한 스페이서 요소(14)가 배치되어 있다.

평 베어링(8, 9)은 상기 2개의 링 요소(10, 11) 사이에 배치되어 잇으며, 이에 의해 외부 링 요소(11)는 회전 가능하며, 내부 링 요소(10)는 고정식으로, 즉 고정되어 배치되어 있다. 또한, 외부 링 요소(11)는 대응 고정 장치(15)에 의해 로터 허브(4) 또는 로터에 연결되어 있다. 이 실시예에 있어서, 내부 링 요소(10), 즉 2개의 링(12, 13)을 고정시키기 위해, 발전기 스탠드(16)의 외부면에 환상 홈(18)이 형성될 수 있으며, 이 발전기 스탠드는 기계 베이스(17)에 고정되어 있으며, 이 외부면에 내부 링 요소(10)가 적어도 부분적으로 배치되어 있으며, 특히 이에 고정되어 있다.

이 실시예에 있어서, 2개의 평 베어링(8, 9)은 함께 각도(19)를 이루는 2개의 다른 평면에 배치되어 있다. 이 각도(19)는 30°의 하한과 75°의 상한, 특히 35°의 하한과 60°의 상한을 갖는 범위로부터 선택될 수 있다. 각을 이룬 2개의 평 베어링(8, 9) 배치에 의해, 전도 모멘트(tipping moment)는 베어링 요소(7)에 의해 더욱 효과적으로 흡수될 수 있다.

도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 도 2에 따른 2개의 평 베어링(8, 9)은 평 베어링 패드(20)들에 의해 형성되거나 또는 상기 평 베어링 패드(20)들을 포함한다. 다수의 상기 평 베어링 패드(20)들은 원주 방향으로 발전기 스탠드(16) 둘레에 서로 연이어 분배되어 있으며, 특히 베어링 표면을 형성하기 위해 서로 이격되어 배치되어 있다. 특히, 각 평 베어링(8, 9)에 대한 평 베어링 패드(20)의 수는 D/10의 하한과 D/2의 상한을 갖는 범위로부터 선택되며, 여기에서, D는 센티미터 단위로서 내부 링 요소(10)의 최대 직경을 나타낸다. 예를 들면, 2.2 m 50의 베어링 직경일 때, 이러한 평 베어링 패드(20)가 원주 둘레로 분배되어 배치될 수 있다.

물론, 평 베어링 패드(20)의 수는 원주 크기에 대응하며, 이에 따라, 다른 개수의 평 베어링 패드(20)가 제공될 수 있다. 상기 평 베어링 패드(20)들은 예를 들면, 원주 방향으로 122 mm의 길이(21)와 원주에 대해 수직으로 194 mm의 폭(22)을 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 평 베어링 패드들은 DIN A5 내지 DIN A4의 크기를 가질 수 있다.

또한, 평 베어링(8, 9) 중 하나에만 이러한 평 베어링 패드(20)들을 제공하는 것도 가능하다.

평 베어링 패드(20)들은 외부 링 요소(11)에 고정되는 것이 바람직하다. 일 실시예에 따르면, 도 4에 도시된 바와 같이, 이 외부 링 요소(20)에 있어서, 평 베어링 패드(20)에 면하는 표면에, 평 베어링 패드(20)들이 삽입될 수 있는 홈(23)들이 제공되어 있다. 바람직하게는, 상기 홈(23)들은 홈 베이스(24)의 방향에서의 표면으로부터 넓어지는 단면을 가지며, 특히 상기 홈(23)들은 적어도 대략 더브테일 또는 T자 형상의 단면으로 구성되어 있으며, 평 베어링 패드(20)들은 상보적인 단면, 즉 평 베어링 패드 배면(26)의 방향에서, 내마찰 면(25)으로부터 증가하는 단면을 갖는다. 이에 의해, 적어도 어느 정도는, 상기 평 베어링 패드(20)들은 반경 방향으로 고정되어 있다. 단면 확장부가 홈(23)의 모든 측벽들에 형성될 수 있거나 또는 개개의 측면들, 예를 들면 후방 측벽에만 형성될 수 있다.

또한, 이들 홈(23)에 대해, 바람직하게는 전방 모서리 영역들을 제외한 상태로, 모서리 영역을 원형으로 하는 것도 가능하며, 도 4에 도시된 바와 같이 평 베어링 패드가 삽입되어 있다.

내부 링 요소(10)에 의해 형성된 역주행 면, 즉 이 실시예에 있어서, 링(12, 13)은 특히 강으로 형성되며, 이에 따라 상기 링 요소(10)는 외부 링 요소(11)와 같이 강으로 형성될 수 있다.

외부 링 요소(11)로의 평 베어링 패드(20)들의 고정은, 평 베어링 패드(20)가 홈(23)으로부터 슬라이딩 동작 중에 더욱 보호되도록 하기 위해, 다양한 다른 방법, 예를 들면, 스폿 용접, 스폿 땜납, 클램핑 요소 등에 의해 실행될 수 있다. 바람직하게는, 이러한 고정은, 도 5에 도시된 바와 같이, 탈착 가능한 고정 요소(27), 특히 스크류에 의해 실행될 수 있다. 도 5는 외부 링 요소(11), 2개의 링(12, 13)과 이들 사이에 배치된 스페이서 요소(14)로 구성되는 내부 링 요소(10)의 확대하여 도시하는 도면임을 인식하여야 한다.

고정 요소(27)는 나사식 스크류에 의해 형성되는 것이 바람직하며, 이에 의해 평 베어링 패드(20)들은 와셔(28)에 의해 외부 링 요소(11) 내의 홈(23)으로부터의 슬라이딩이 방지된다. 또한, 평 베어링 패드(20)들에는 도 5에 도시된 바와 같이, 평 베어링 패드 배면(26)의 영역에 있어서, 적어도 부분적으로 그의 폭(22)의 방향에서 서로 부분적으로 반대 방향으로, 적어도 대략 (길이(21) 방향으로) 쐐기-형상으로 되는 단부 섹션(29, 30)이 적어도 부분적으로 구성될 수 있으며, 이에 의해 쐐기(31)는 평 베어링 패드(20)를 외부 링 요소(11)의 홈(23) 내에 고정시키는 데 사용되며, 이런 이유로, 상기 홈(23)은 대응하는 반대되는 외형을 가지며, 다른 쐐기(32)는 와셔(28)에 지지되어 있다. 이 방식에 있어서, 평 베어링 패드(20)의 사면 위치와 고정 요소(27)의 나사 결합에 의해, 평 베어링 패드(20)는 외부 링 요소(11)의 홈(23) 내로 압축된다.

특히, 도 5에 도시된 바와 같이, 고정 요소(27)는 축방향에서 적어도 거의 중심에서 보았을 때, 외부 링 요소(11) 내에 배치되어 있으며, 이에 따라 고정 요소(27)에 의해, 2개의 평 베어링(8, 9)의 각각의 2개의 대향 평 베어링 패드(20)가 유지되고 고정될 수 있다.

평 베어링 패드(20)들은 도 3에 도시된 바와 같이 다중 층 구조체가 바람직하며, 이 다중 층은 적어도 하나의 지지 층(33)과 이 지지 층 상에 배치된 하나의 내마찰 층(34)을 포함한다. 필요에 따라, 지지 층(33)과 내마찰 층(34) 사이에, 예를 들면 지지 금속 층 및/또는 접합 층 또는 확산 배리어 층의 추가 층들이 배치될 수 있다.

내마찰 층(34)은 표면 영역에서 적어도 단속적으로 구성되는 것이 바람직하며, 이에 따라 다수, 특히 2개의 내마찰 층 영역(35)이 형성되어 있다. 분할된 내마찰 층(34)에 의해, 양호한 하중 분배가 달성될 수 있다.

물론, 본 발명의 기술분야 내에서, 내마찰 층(34)의 영역의 크기에 따라, 다수로 세분된 내마찰 층 영역, 특히 3개, 4개, 5개 또는 6개의 내마찰 층 영역(35)을 갖는 것이 가능하다.

오목부(36)들, 특히 홈들은 내마찰 층 영역(35) 사이에서, 예를 들면 내마찰 층(34)의 층 두께의 일부 이상으로만, 또는 전체 층 두께 이상으로 연장할 수 있도록 제공될 수 있다. 특히, 상기 홈(36)들은 오일 공급 홈으로서 사용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 한쪽 단부면(37)에서, 적어도 내마찰 층(34)이 적어도 부분적으로 원형부를 갖는 것도 가능하며, 이는 내마찰 층(33)의 영역, 즉 평 베어링 패드(20)의 활주 표면에서의 양호한 오일의 유입을 달성하기 위한 것이다. 특히, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 원형 영역은 외부 링 요소(11) 내의 홈(23)의 적어도 하나의 측벽의 영역 내로 연장하며, 이에 의해, 양 측면 영역, 즉 서로 반대 방향이고 홈의 측벽들에 대하여 지지되는 양 단부면(37)이 필요한 경우, 적어도 내마찰 층(34)에는 이러한 원형부가 제공될 수 있으며, 이에 따라 평면에서 보았을 때, 내마찰 층(33)은 외쌍곡선 외형을 가지며, 이에 의해 내마찰 층(34)의 중앙 영역은 모서리 영역보다 홈(23)의 측벽으로부터 추가로 제거된다.

물론, 평 베어링 패드(20)의 표면이 또한 원형으로 설계될 수 있으며, 즉 적어도 내마찰 층(34)의 표면은 내부 링 요소(10)의 원형에 대하여 조정될 수 있다.

특히, 내마찰 층(34)은 적어도 내마찰 층 영역(35)에 적어도 75 HV(0.001)의 경도, 특히 적어도 100 HV(0.001)의 경도를 갖는 비교적 경질의 평 베어링 재료로 구성된다. 예를 들면, 내마찰 층은 AlSn20Cu, AlZn4Si3과 같은 알루미늄 합금, 은 합금 또는 구리 합금, 아마도 비스무스를 갖는 비스무스 합금을 포함하는 군으로부터 선택되는 재료로 제조될 수 있다.

전술한 내마찰 층(34)은 또한 내마찰 페인트에 의해 형성될 수도 있으며, 이 경우에 내마찰 층(34)은 25 HV(0.001) 내지 60 HV(0.001)의 경도를 갖는다.

내마찰 페인트로서, 예를 들면 폴리테트라플루오르에틸렌, 퍼플루오로알콕시-공중합체, 폴리플루오로알콕시-폴리테크라플루오로에틸렌-공중합체, 에틸렌-테트라플루오로에틸렌, 폴리클로로트리플루오로에틸렌, 불화계 에틸렌-프로필렌 공중합체, 폴리비닐 불소, 폴리비닐 이덴 불소과 같은 플루오린 함유 수지, 교호 공중합체, 퍼플루오로에틸렌 프로필렌, 폴리에스테르 이미드, 폴리에스테르 이미드, 비스말에미드와 같은 통계 공중합체, 카보란이미드, 아로매틱 폴리이미드 수지, 수소-프리 폴리이미드 수지, 폴리-트리아조-피로멜리스이미드, 폴리아미드 이미드와 같은 폴리이미드 수지, 특히, 아로매틱, 아마도 이소시아네이트에 의해 개질된 폴리아릴에테르 이미드, 아마도 이소시아네이트에 의해 개질된 폴리에테르 이미드, 에폭시 수지, 에폭시 수지 에스테르, 피놀릭 수지, 폴리아미드 6, 폴리아미드 66, 폴리옥시메틸렌 실리콘, 폴리아릴에테르, 폴리아릴 케톤, 폴리아릴에테르 케톤, 폴리아릴에테르-에테르 케톤, 폴라에테르 에테르 케톤, 폴리에테르 케톤, 폴리비닐리덴 디플루오라이드, 폴리에틸렌 설파이드, 알릴렌 설파이드, 폴리-트리아조-피로멜리스이미드, 폴리에스테르 이미드, 폴리아릴 설파이드, 폴리비닐렌 설파이드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리설폰, 폴리에테르 설폰, 폴리아릴 설폰, 폴리아릴 옥사이드, 폴리아릴 설파이드 뿐만 아니라 그들의 공중합체가 사용될 수 있다.

내마찰 페인트는 40 wt.% 내지 45 wt.%의 MoS2, 20 wt.% 내지 25 wt.%의 흑연 및 30 wt.% 내지 40 wt.%의 폴리아미드 이미드를 포함하는 건식 상태가 더 바람직하며, 이에 의해 내마찰 페인트는 또한 산화물, 질화물 또는 탄화물과 같은 경질 입자들이 필요한 경우에 고체 윤활제의 비율로 최대 20 wt.%까지 포함할 수 있다.

지지 층(33)은 예를 들면 강 또는 아연 함유 구리 합금, 예를 들면 CuZn31Si, CuSnZn, AlZn 또는 CuAl 합금으로 제조될 수 있다.

도 6 내지 도 8은 풍력 터빈(1)에 대한 베어링 요소(7)의 다른 실시예를 도시한다. 베어링 요소(7)는 서로 축방향으로 이격되어 있고 내부 링 요소(40)와 외부 링 요소(41) 사이에 배치된 2개의 평 베어링(38, 39)으로 구성되어 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 내부 링 요소(40)는 로터 허브(42)의 일부이며, 외부 링 요소(41)는 풍력 터빈(1)의 스테이터(43)의 일부이다. 전술한 본 발명의 실시예와는 다르게, 이 실시예에 있어서, 내부 링 요소(40)는 회전 가능하게 배치되어 있으며, 외부 링 요소(41)는 고정되어 있다.

2개의 평 베어링(38, 39)은 이 실시예에 있어서 하나의 평면에 배치되어 있으며, 물론, 상기 2개의 평 베어링(38, 39)은 또한 서로 각도를 이루며 배치된 2개의 평면에 배치될 수 있다.

바람직하게는, 상기 2개의 평 베어링(38, 39)은 서로로부터 비교적 멀리 이격되어 있으며, 이에 의해 평 베어링(38, 39)의 원주 방향에서, 서로를 향하는 단부면 사이에서 측정된 2개의 평 베어링(38, 39) 사이의 간격(44)은 내부 링 요소(40)의 최대 원주 길이의 적어도 40%, 특히 적어도 50%이다. 2개의 평 베어링(38, 39) 사이의 이 넓은 간격에 의해, 베어링 요소(7)는 더 큰 하중에 노출될 수 있으며, 특히 이 방식으로, 로터에 작용하는 틸팅 모멘트가 양호하게 흡수될 수 있다.

바람직하게는, 2개의 평 베어링(38, 39)은 도 7과 도 8에 도시된 바와 같이 평 베어링 세그먼트(45) 형태이며, 이에 따라, 내부 링 요소(40)의 원주 위에서, 다수의 평 베어링 세그먼트(45)는 평 베어링(38 또는 39)을 형성한다. 전술한 바와 같이, 평 베어링 세그먼트(45)를 스테이터(43)에 고정하기 위해 다양한 다른 방법이 사용될 수 있으며, 이에 의해 바람직한 실시예에 따르면, 평 베어링 세그먼트(45)는 단부면(46, 47)에서 기울어져 있으며, 쐐기 요소(48)는 도 9에 도시된 바와 같이 예압(pretensioning) 또는 고정을 위해 평 베어링 세그먼트(45) 사이에 배치되어 있으며, 상기 쐐기 요소(48)에 의해, 평 베어링 세그먼트(45)는 외부 링 요소(41)의 내부면에 대해 압축된다. 또한, 이 실시예에 있어서, 평 베어링 세그먼트(45)들은 원주 방향에서 보았을 때, 이들 사이에 배치된 쐐기 요소(48)에 의해 획정되는 바와 같이 서로로부터 이격되어 배치되어 있다.

내부 링 요소(40)와 외부 링 요소(41) 사이에 2개의 평 베어링(38, 39)을 배치시키기 위해, 이 실시예에 있어서, 내부 링 요소(40) 내에 홈을 제공하는 것이 가능하며, 특히, 외부 링 요소에 면하는 내부 링 요소(40)의 표면 및/또는 내부 링 요소(40)에 면하는 외부 링 요소(41)의 표면에 홈을 제공하는 것이 가능하다.

도 7과 도 8에 도시된 바와 같이, 윤활 오일을 공급하거나 또는 안내하기 위한 홈(50) 및/또는 보어(51)들은 평 베어링(38, 39)의 압축된 영역에서의 윤활막을 더욱 효과적으로 형성시키기 위해 평 베어링(38, 39)의 세그먼트 배면(49)에 배치될 수 있다. 그러나 본 발명에 따른 베어링 요소(7)는 단지 유체역학적으로만 작동될 수 있으며, 이에 따라, 기동을 지원하기 위한 유체 정역학은 요구되지 않는다. 본 발명에 있어서 "단지 유체역학적으로만"이란 용어는 1 bar 이상의 오일 압력이 유지되지 않는 것을 의미하며, 이에 따라 단지 최소량의 오일만이 내마찰 면(52)의 적어도 하나의 홈 및/또는 적어도 하나의 보어(51)를 통해 공급되는 것을 의미한다. 따라서, 각각의 평 베어링 세그먼트(45)로의 목표 오일 공급은 상기 홈(50) 또는 보어(51)를 통해 가능하다.

물론, 평 베어링 패드(20)를 구비한 실시예에 있어서, 대응하는 홈 또는 보어들을 통해 평 베어링 패드 배면(26)을 통해 평 베어링 패드(20)의 내마찰 층 표면 또는 내마찰 층 영역(35)에 목표 오일 공급을 제공하는 것도 가능하다.

또한, 본 발명의 제1 실시예에서의 평 베어링(8, 9)의 재료의 선택은 평 베어링(38, 39)에도 적용될 수 있으며, 이에 따라 상기 평 베어링(38, 39)은 다중 층 평 베어링으로서 구성되는 것도 바람직하다.

평 베어링 패드(20)와 평 베어링 세그먼트(45) 양쪽은 레이디얼 평 베어링으로서 구성될 수 있을 뿐만 아니라 원주 방향에 평행하게 형성된 적어도 하나의 단부면에 대응하는 내마찰 층이 제공될 수 있으며, 이에 따라 추가의 축방향 베어링이 상기 평 베어링 패드(20) 또는 평 베어링 세그먼트(45)에 의해 달성된다.

또한, 이 방식에 있어서, 예를 들면 평 베어링 세그먼트(45)의 상기 단부면 내의 오일 공급을 위한 대응 오목부(53)를 도시하는 도 8에 예로서 도시된 바와 같이 목표 오일 공급을 달성할 수 있다.

베어링 요소(7) 내로의 평 베어링 세그먼트(45)의 교체 또는 상기 평 베어링 세그먼트(45)의 설치는 축방향에서 보았을 때, 베어링 요소(7)로부터의 측방향 제거 또는 베어링 요소 내로의 측방향 삽입에 의해 실행될 수 있다.

그러나 평 베어링 패드(20)는 도 5에 도시된 바와 같이, 오일 공급부(54) 영역 내의 스테이터를 통해 제거될 수 있다. 이는, 고정 요소(27)만이 해제되고 제거되는 것이며, 필요에 따라 스페이서 요소(14)를 해제 및 제거한다. 그 결과, 상기 평 베어링 패드(20)들은 홈(23)으로부터 아래쪽으로 각각 기울여서 제거할 수 있다. 상기 평 베어링 패드(20)들의 설치 또는 교체는 역순으로 정확하게 실행될 수 있다.

따라서, 본 발명의 모든 실시예는 평 베어링(8, 9 또는 38, 39)의 개개의 부분들만을 교환할 수 있으며, 이에 따라, 구름 베어링과는 다르게, 전체 베어링 요소(7) 또는 전체 구름 베어링을 교체할 필요는 없다. 도 2 내지 도 5에 따른 실시예는 또한 상기 베어링 요소(7)가 로터를 지지하기 위한 주 베어링으로서 사용되는 바와 같이 기울어진 롤러 구름 베어링을 대체할 수 있으며, 이에 따라 이러한 베어링 요소(7)는 유지보수 작업 중에 이전에 사용된 기존 구름 베어링을 대체할 수 있다.

예시적 실시예들은 베어링 요소(7)의 가능한 실시예를 나타내며, 이에 의해 본 발명은 도시된 실시예를 제한하는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자들의 능력 내에서 개개의 실시예의 다양한 다른 조합들이 또한 가능하다. 따라서, 도시되고 기술된 실시예의 개개의 상세한 조합은 본 발명의 기술사상 내에 포함된다.

마지막으로, 베어링 요소(7)의 더 나은 이해를 위해, 그의 구성요소들은 부분적으로 및/또는 확대하거나 그리고/또는 축소한 크기로서 실제 크기로 나타내지 않았음을 인식하여야 한다.

도 1 내지 도 9에 도시된 개개의 실시예는 본 발명에 따른 독립적인 용법을 형성할 수 있다.

1: 풍력 터빈
2: 타워
3: 곤돌라
4: 로터 허브
5: 로터 블레이드
6: 발전기
7: 베어링 요소
8: 평 베어링
9: 평 베어링
10: 링 요소
11: 링 요소
12: 링
13: 링
14: 스페이서 요소
15: 고정 장치
16: 발전기 스탠드
17: 기계 베이스
18: 환형 홈
19: 각도
20: 평 베어링 패드
21: 길이
22: 폭
23: 홈
24: 홈 베이스
25: 내마찰 면
26: 평 베어링 패드 배면
27: 고정 요소
28: 와셔
29: 단부 섹션
30: 단부 섹션
31: 쐐기
32: 쐐기
33: 지지 층
34: 내마찰 층
35: 내마찰 층 영역
36: 홈
37: 단부면
38: 평 베어링
39: 평 베어링
40: 링 요소
41: 링 요소
42: 로터 허브
43: 스테이터
44: 간격
45: 평 베어링 세그먼트
46: 단부면
47: 단부면
48: 쐐기 요소
49: 세그먼트 배면
50: 홈
51: 보어
52: 내마찰 표면
53: 오목부
54: 오일 공급부

Claims

풍력 터빈(1)의 로터 허브(4)를 지지하기 위한 베어링 요소(7)로서, 상기 베어링 요소(7)는 적어도 하나의 내부 링 요소(10, 40), 적어도 하나의 외부 링 요소(11, 41) 및 상기 내부 링 요소(10, 40)와 상기 외부 링 요소(11, 41) 사이에 형성되는 평 베어링을 구비하며,
상기 평 베어링은 서로로부터 축방향 간격(44)을 갖고 배치된 적어도 2개의 평 베어링(8, 9, 38, 39)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 베어링 요소.
제1항에 있어서,
평 베어링(8, 9)의 적어도 하나 또는 모두는 원주 방향으로 서로 연이어 배치된 평 베어링 패드(20)에 의해 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 베어링 요소.
제2항에 있어서,
각 평 베어링(8, 9)에 대한 평 베어링 패드(20)의 수는 D/10의 하한과 D/2의 상한을 갖는 범위로부터 선택되며,
여기에서, D는 cm 단위로, 내부 링 요소(10)의 최대 직경인 것을 특징으로 하는 베어링 요소.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
2개의 평 베어링(8, 9)은 서로 각도를 이루는 평면에 배치되는 것을 특징으로 하는 베어링 요소.
제4항에 있어서,
2개의 평면은 서로에 대한 각도가 30°의 하한과 75°의 상한을 갖는 범위로부터 선택되는 각도(19)로 배치되는 것을 특징으로 하는 베어링 요소.
제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
평 베어링 패드(20)에 면하는 표면의 외부 링 요소(11)는 홈(23)을 포함하며, 평 베어링 패드(20)는 상기 홈(23)에 부분적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 베어링 요소.
제6항에 있어서,
홈(23)은 홈 베이스(24)의 방향으로 넓어지는 단면을 가지며, 특히 더브테일 형상 또는 T자 형상 단면을 가지며, 상기 평 베어링 패드(20)는 상기 홈에 대응하는 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 베어링 요소.
제2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
평 베어링 패드(20)는 외부 링 요소(11)의 탈착 가능한 고정 요소(27)에 고정되는 것을 특징으로 하는 베어링 요소.
제8항에 있어서,
내부 링 요소(10)는 축방향으로 서로 연이어 배치되고 축방향으로 서로 이격된 2개의 링(12, 13)으로 구성되며,
링(12, 13) 사이에 스페이서 요소(14)의 배치가 필요한 경우, 고정 요소(27)는 2개의 링(12, 13) 사이에 적어도 부분적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 베어링 요소.
제8항 또는 제9항에 있어서,
축방향으로 서로 연이어 배치된 2개의 평 베어링 패드(20)는 공통 고정 요소(27)에 의해 외부 링 요소(11)에 고정되는 것을 특징으로 하는 베어링 요소.
제2항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
평 베어링 패드(20)에는 적어도 하나의 단부 측면에, 적어도 부분적으로 원형 단면이 제공되는 것을 특징으로 하는 베어링 요소.
제1항에 있어서,
2개의 평 베어링(38, 39)은 서로로부터, 내부 링 요소(40)의 최대 원주 길이의 적어도 40%인 간격을 갖고 배치되는 것을 특징으로 하는 베어링 요소.
제1항 또는 제12항에 있어서,
평 베어링(38, 39)은 평 베어링 세그먼트(45)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 베어링 요소.
제13항에 있어서,
쐐기 요소(48)는 평 베어링(38, 39)의 평 베어링 세그먼트(45)의 단부면(46, 47) 사이에서 서로를 향하는 지점에 배치되는 것을 특징으로 하는 베어링 요소.
제13항 또는 제14항에 있어서,
평 베어링(38, 39)의 평 베어링 세그먼트(45)의 단부면(46, 47)은 서로를 향하는 지점에서 기울어져 있는 것을 특징으로 하는 베어링 요소.
제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
평 베어링 세그먼트(45)의 세그먼트 배면(49) 내에, 적어도 하나의 홈(50) 및/또는 적어도 하나의 보어(51)가 제공되는 것을 특징으로 하는 베어링 요소.
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
평 베어링(8, 9, 38, 39)은 다중 층 평 베어링 형태인 것을 특징으로 하는 베어링 요소.
제17항에 있어서,
다중 층 평 베어링의 상부 층은 단속되지 않은 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 베어링 요소.
제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
평 베어링(8, 9, 38, 39)의 적어도 하나의 내마찰 층(34)은 적어도 75 HV(0.001) 또는 25 HV(0.001) 내지 60 HV(0.001)의 경도를 가지며,
25 HV(0.001) 내지 60 HV(0.001)의 경도를 갖는 내마찰 층은 내마찰 면(25)상의 내마찰 페인트 형태인 것을 특징으로 하는 베어링 요소.
스테이터에 지지되어 있는 로터 허브(4)를 포함하고, 로터(4)와 스테이터 사이에는 베어링 요소(7)가 배치되어 있는 풍력 터빈(1)에 있어서,
상기 베어링 요소(7)는 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 구성을 갖는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.
제20항에 있어서,
베어링 요소(7)는 유체역학적으로만 작동되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.
제20항 또는 제21항에 있어서,
베어링 요소(7)의 내부 링 요소(40)는 로터 허브(4)의 일부를 형성하며, 외부 링 요소(41)는 스테이터의 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.
제20항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
평 베어링 패드(20)는 스테이터에 의해 제거될 수 있는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.