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KR20100138957A - 베어링 밀봉부를 포함하는 풍력발전용 터빈 - Google Patents

베어링 밀봉부를 포함하는 풍력발전용 터빈 Download PDF

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KR20100138957A
KR20100138957A KR1020107021241A KR20107021241A KR20100138957A KR 20100138957 A KR20100138957 A KR 20100138957A KR 1020107021241 A KR1020107021241 A KR 1020107021241A KR 20107021241 A KR20107021241 A KR 20107021241A KR 20100138957 A KR20100138957 A KR 20100138957A
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sealing
bearing
sealing ring
bearing race
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구스타베 파울 코르텐
코르넬스 요하네스 안토니우스 베르스티그
헤르만 루이메스
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엑스이엠시 다르윈드 비.브이.
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Abstract

회전자 블레이드들을 지탱하는 허브를 지지하는 베어링을 구비한 풍력발전용 터빈로서, 상기 베어링은 허브에 연결된 회전 베어링 레이스 및 고정 베어링 레이스와 베어링 레이스들 사이의 윤활 영역을 포함하고, 상기 윤활 영역은 양쪽 단부들에서 윤활 배리어를 형성하기 위해 회전 베어링 레이스와 고정 부품들 사이의 갭을 밀봉하는 제1 밀봉링들에 의해 제한된다. 윤활 영역의 한 단부 또는 양쪽 단부들에서 여분의 밀봉링이 밀봉될 갭내에 또는 그 부근에서 제1 밀봉링으로부터 일정 거리에 배치된다.

Description

베어링 밀봉부를 포함하는 풍력발전용 터빈{Windturbine comprising a bearing seal}
본 발명은 베어링 밀봉부를 포함하는 풍력발전용 터빈(wind turbine)에 관한 것으로서, 특히 직접 구동 발전기를 갖는 풍력발전용 터빈들에 관한 것이며, 예를 들어 1 MW 이상의 직접 구동 풍력발전용 터빈들에 관한 것이다.
직접 구동 발전기를 포함하는 풍력발전용 터빈들에서, 회전자는 회전자에 의하여 직접 구동된다. 메인 베어링이 하우징 링과 회전자 사이에 위치하고, 회전자에 가해지는 중력에 의한 하중 및 공기역학적 하중을 흡수하도록 설계되어 있다. 특히 전동장치가 없는 직접 구동 시스템들에서는, 직경들이 크고 원주 속도가 빠르다. 메인 베어링의 사용수명은, 메인 베어링을 교체하는 것이 높은 원가를 초래하기 때문에 풍력발전용 터빈의 사용수명을 크게 결정한다. 풍력발전용 터빈이 접근하기 어려운 장소들, 예를 들어 바다에 배치되어 있는 상황에서는, 사용수명 중에 메인 베어링을 교체하는 일은 회피되어야 한다. 메인 베어링의 사용수명은 메인 베어링의 회전 부품들과 고정 부품들 사이의 오일 밀봉부들의 사용수명에 크게 의존한다. 이러한 오일 밀봉부들은 오일과 같은 충분한 윤활 수단이 메인 베어링내에 남아있음을 보장하는 것을 필요로 한다. 오일 밀봉부들의 조립 및 분해는 설비의 해체를 필요로 한다.
베어링 밀봉부를 갖는 풍력발전용 터빈은 예를 들어 WO 2004/015288호에 공개되어 있다. 이러한 베어링 밀봉부는 내부 레이스(race)와 외부 레이스 사이의 갭의 양측면에서 단일의 투피스(two-piece) 밀봉부를 포함한다. 밀봉 부품들의 복잡한 래버린스(labyrinth) 구조는 밀봉부들의 수명을 상당히 감소시킬 수 있다.
본 발명의 목적은 오일 밀봉부를 교체하기 위해 풍력발전용 터빈을 해체할 필요성을 회피하는데 있다.
본 발명의 상기 목적은, 회전자 블레이드들을 지탱하는 허브를 지지하는 베어링을 구비한 풍력발전용 터빈으로서, 상기 베어링은 상기 허브에 연결된 회전 베어링 레이스 및 고정 베어링 레이스와 상기 베어링 레이스들 사이의 윤활 영역을 포함하고, 상기 윤활 영역은 양쪽 단부들에서 윤활 배리어(barrier)를 형성하기 위해 상기 회전 베어링 레이스와 고정 부품들 사이의 갭을 밀봉하는 제1 밀봉링들에 의해 제한되는 상기 풍력발전용 터빈에 있어서, 상기 윤활 영역의 한 단부 또는 양쪽 단부들에서 여분의 밀봉 링이 밀봉될 갭내에 또는 그 부근에서 상기 제1 밀봉링으로부터 일정 거리에 배치되는 것을 특징으로 하는 풍력발전용 터빈에 의하여 달성된다.
상기 여분의 링은 회전축과, 회전자 블레이드들과 풍력발전용 터빈의 하우징 사이의 부품을 둘러싸며 이미 제공되어 있고, 따라서 회전자는 제1 밀봉링이 여분의 밀봉링에 의하여 교체될 필요가 있을 때 분해될 필요가 없다.
여분의 밀봉링은 제1 밀봉링을 교체하는데 사용될 수 있다. 대안으로서, 여분의 밀봉링은 제1 밀봉링을 지지하는데 사용될 수 있다. 이를 위하여, 제1 밀봉링 및 여분의 밀봉링은 시작부터 정확하게 조합되어 사용될 수 있다.
양호하게, 회전 베어링 레이스와 고정 부품들 사이의 갭의 양단부들은 제1 밀봉링과 여분의 밀봉링을 포함한다.
사용시에, 윤활 매체의 얇은 막, 예를 들어 윤활 오일이 밀봉링들과 결합된 밀봉면들로부터 활성 밀봉링들을 분리한다.
선택적으로, 제3 밀봉링 또는 심지어 추가의 밀봉링들이 지지 밀봉부들 및/또는 교체 밀봉부들로서 사용될 수 있다.
추가의 실시예에서, 고정 베어링 레이스는 분리 섹션을 포함하지 않는다. 이것은, 여분의 밀봉링이 양쪽 베어링 레이스들을 이격시키는 지지링에 장착되면 내부 베어링 레이스가 여분의 밀봉링을 분리하는 축소된 또는 확대된 직경을 갖는 홈 또는 부분을 포함하지 않는다는 것을 의미한다. 다시 말하면, 내부 베어링 레이스는 지지링이 제2 밀봉위치로 변위된 후에 단지 여분의 밀봉링과만 협동하는 제2 밀봉영역을 포함하지 않는다.
윤활 영역은 내부 및 외부 베어링 레이스들을 이격시키는 베어링 볼들을 수용할 수 있다.
통상적으로, 내부 레이스는 고정되어 있는 반면에 외부 베어링 레이스는 회전하며 기어장치없이 회전자에 의해 직접 구동된다.
오일 밀봉부들의 사용수명을 가능한 많이 연장시키기 위하여 밀봉면들은 단강(tempered steel)으로 양호하게 제조되며 연삭된 표면을 갖는다. 이러한 방법으로 밀봉링상의 마모가 실질적으로 감소될 수 있다.
밀봉부들 및 외부 밀봉부는 향상된 사용 수명을 얻기 위하여 예를 들어 고무와 같은 가요성 재료로 제조되거나 또는 양호하게는 Teflon® 또는 이와 유사한 재료를 포함할 수 있다.
특정 실시예에서, 내부 및 외부 베어링 레이스들 각자의 측방향 섹션들과 밀봉결합으로 2개의 밀봉링들을 보유하기 위한 2개의 동심 홈들을 포함하는 지지부재가 사용된다. 이러한 방법으로 밀봉링들 중 하나를 교체하기 위해서 지지부재만을 분해하는 것을 필요로 한다.
추가의 가능한 실시예에서, 제1 밀봉링 및 여분의 밀봉링은 동심 리세스(recess)를 포함하는 지지부재와 대면하는 고정 베어링 레이스내에 장착되고, 상기 지지부재는 제1 밀봉링이 지지링과 밀봉식으로 결합하는 동안에 여분의 밀봉링이 상기 리세스와 대면하는 제1 밀봉위치로부터, 교체링이 지지링과 밀봉식으로 결합하는 제2 위치로 변위될 수 있다. 이러한 방법으로 제1 밀봉링은 지지부재를 단순히 제2 위치로 이동시키는 것에 의하여 간단하고 비용 효율적인 방법으로 여분의 밀봉링에 의하여 교체될 수 있다.
추가의 대안 실시예에서, 링부재가 상기 베어링 레이스들을 이격하는데 사용될 수 있고, 한편 각각의 베어링 레이스를 위해 밀봉링이 상기 링부재로써 갭을 밀봉하고, 상기 링부재는 이 링 부재를 고정 베어링 레이스에 로킹하기에 적절한 제1 고정수단과, 링부재를 회전 베어링 레이스에 로킹하기에 적절한 제2 고정수단을 포함한다. 제1 고정수단이 링부재를 고정 부재 레이스에 로킹할 때, 링부재와 회전 베어링 레이스에 걸쳐있는 밀봉링이 동적 밀봉부를 형성한다. 마모로 인하여 파손된 후에, 제1 고정수단은 활동하지 않을 수 있고 제2 고정수단이 링부재를 회전 베어링 레이스에 로킹하는데 사용될 수 있다. 이러한 상황에서, 링부재는 회전 베어링 레이스와 함께 회전되고, 링부재와 고정 베어링 레이스 사이의 밀봉부가 동적 밀봉부로 된다.
이하에서 도면을 참고하여 본 발명의 여러 실시예들을 기재함으로써 본 발명이 설명되어 있다.
도 1은 풍력발전용 터빈의 측면도.
도 2는 도 1의 풍력발전용 터빈의 베어링의 상세한 부분을 도시하는 도면.
도 3은 본 발명에 의한 제2 실시예의 상세도.
도 4는 제3 실시예의 상세도.
도 5는 제4 실시예의 상세도.
도 6은 제5 실시예의 상세도.
도 7은 제6 실시예의 상세도.
도 8은 제7 실시예의 상세도.
도 1은 타워(1)상에 배치되고 하우징(2)을 갖는 풍력발전용 터빈을 도시하고 있다. 하우징(2)은 수직축을 중심으로 하여 회전될 수 있다. 하우징 링(4)은 하나의 측면이 하우징(2)에 부착되고 다른 측면이 메인 베어링(9)에 부착된다. 블레이드들(10)을 갖는 허브(11)를 포함하는 회전자(R)는 메인 베어링(9)에 부착되고 중심선(3)에 대하여 회전될 수 있다. 전방측에서 허브(11)는 캡(12)에 의하여 덮여있다. 영구자석들(5)을 갖는 발전기 회전자(6)는 발전기 플랜지(8)를 거쳐 메인 베어링(9)에 부착되고, 회전자(R)와 함께 회전한다. 발전기 고정자(7)는 하우징 링(4)상에 장착된다. 영구자석들(5)은 발전기 고정자(7)의 권선을 따라 이동하며 전력을 발생시킨다. 하우징(2)은 회전자(R)가 바람을 향하여 조절될 수 있도록 수직축을 중심으로 회전할 수 있다.
풍력발전용 터빈은 직접 구동 발전기로서 디자인되고, 발전기 회전자(6)는 회전자(R)에 의하여 직접 구동된다. 메인 베어링은 하우징 링(4)과 회전자(R) 사이에 배치되고, 회전자(R)에 가해지는 중력에 의한 하중 및 공기역학적 하중을 견디도록 디자인된다.
도 2는 볼들(18)을 갖는 볼 베어링(10)인 메인 베어링(9)을 도시하고 있으며, 여기서 오일 밀봉디바이스가 볼들(18)의 양측면들상에 있는 고정 내부 베어링 레이스(17)와 회전 외부 베어링 레이스(16) 사이에 장착되어 있다. 내부 베어링 레이스(17)는 하우징 링(4)의 플랜지(26)상에 장착된다. 발전기 플랜지(8) 및 허브(11)는 외부 베어링 레이스(16)상에 장착된다. 지지링(14)은 볼트들(13)에 의하여 외부 베어링 레이스(16)에 연결된다. 지지링(14)의 원통부(27)는 내부링(17)과 외부링(16) 사이에 배치된다. 정적 밀봉부(19)는 원통부(27)의 외부 원주상에 장착되어 외부링(16)과 지지링(14) 사이의 개구를 밀봉한다. 지지링(14)의 내부 원주상에 내부 밀봉부(20) 및 외부 밀봉부(21)가 장착되고, 이러한 구성에 의하여 내부 밀봉부(20)가 볼들(18)과 같이 윤활되어야 할 부품들에 가장 가까이 있으며, 외부 밀봉부(21)가 주변환경에 가장 가까이 있다. 지지링(14) 부근에 있는 내부 베어링 레이스(17)의 외부 원주는 외부 밀봉면(28)과, 윤활되어야 할 부품들에 가장 가까이 있는 내부 밀봉면(29)을 갖는다.
도 2의 실시예에서, 밀봉링들은 링(14)내에 장착된다. 대안으로서 밀봉링들(20, 21) 중 하나 또는 모두는 링(14)의 표면과 밀봉식으로 결합하며 고정 베어링 레이스내에 장착될 수 있다.
도 3은 본 발명에 의한 풍력발전용 터빈의 다른 실시예를 도시하며, 이는 도 2의 실시예와 상당히 유사하며, 동일한 부품들은 동일한 참고부호들로 표시되어 있다. 도 3에서, 내부 밀봉부(20A)는 마모를 방지하기 위해 내부 베어링 레이스(17)의 대향한 표면에서 일정 거리로 떨어져서 밀봉링(20A)을 저장하는 깊은 리세스내에 배치된다. 외부 밀봉링(21A)이 파손된 후에만, 여분의 외부 밀봉링(20A)이 그 리세스에서 제거되고 내부 밀봉링(20A)을 교체하는데 사용된다. 다른 대안적 실시예들에서, 여분의 외부 밀봉부(20A)를 저장하는 리세스는 어디든지, 예를 들어 내부 베어링 레이스(17)와 대면하지 않는 표면에 배치될 수 있다. 대안으로서, 내부 밀봉링(21A)은 외부 밀봉링(20A)의 파손 후에 사용되는 교체링으로서 깊은 리세스내에 저장될 수 있다.
도 4는 도 2의 실시예와 아주 유사하게 동시에 활성화되는 2개의 밀봉링들(20, 21)과, 내부 베어링 레이스(17)로부터 일정 거리로 떨어져서 리세스내에 저장된 2개의 여분의 밀봉링들(20B, 21B)을 갖는 실시예를 도시한다. 대안 실시예에서, 여분의 밀봉링 또는 밀봉링들은 윤활 매체와 접촉하며 윤활영역내에서 리세스에 저장될 수 있다.
도 5는 밀봉링(20C)이 내부 베어링 레이스(17C)와 외부 베어링 레이스(16C) 사이의 갭을 직접 밀봉하는 실시예를 개략적으로 도시한다. 여분의 교체 밀봉부들(21C)이 내부 베어링 레이스(17C)의 측방향 표면상에 있는 리세스내에 저장된다.
도 6은 내부 및 외부 베어링 레이스들(17D, 16D) 각자의 측방향 섹션들과 밀봉결합으로 2개의 밀봉링들(19D, 21D)을 보유하기 위한 2개의 동심 홈들을 포함하는 지지부재(14D)를 갖는 실시예를 도시한다. 여분의 밀봉링들(20D)은 지지부재(14D)에서 독립된 리세스내에 저장된다. 대안 실시예에서, 여분의 밀봉링 또는 밀봉링들은 윤활 매체와 접촉하며 밀봉링들(19D, 20D) 사이의 윤활 영역내에서 리세스에 저장될 수 있다.
도 7에는 지지링(14E)과 외부 베어링 레이스(16) 사이에 {발전기 플랜지(8) 및 허브(11)를 경유하여} 스페이서(spacer)(15)가 있다. 지지링(14E)은 밀봉링(21E)이 링부재(14E)에 대항하여 밀봉하고 있는 제1 위치에 있다. 여분의 밀봉링(20E)은 지지링(14E)의 대향한 표면에서 홈(22)과 대면하고 있으므로, 지지링(14E)과 여분의 밀봉부(20E)는 접촉하지 않는다. 여분의 밀봉링(20E)이 활성 밀봉부(21E) 뒤에 있기 때문에 여분의 밀봉부는 오염 또는 빛의 영향을 받지 않고, 여분의 밀봉부(20E)가 마모되지 않는다. 이러한 방법으로 여분의 밀봉부(20E)는 사용될 준비로 유지되고, 이러한 제1 위치에 있는 한, 여분의 밀봉부는 환경적 영향들로부터 보호된다. 일정한 기간이 지난 후에 밀봉링(21E)의 사용수명의 끝은 밀봉링(21E)과 밀봉면(28) 사이에서 오일 누설을 관찰함으로써 검출된다. 밀봉링(21E)이 그 사용수명의 끝이라고 판정된 후, 스페이서(15)가 제거되고 지지링(14E)이 내부로 밀려들어가며 볼트들(13)에 의하여 {발전기 플랜지(8) 및 허브(11)를 경유하여} 외부링(16)에 체결된다. 지지링(14E)은 이제 제2 위치에 있게 된다. 이러한 제2 위치에서, 밀봉링(20E)은 지지링(14E)의 내부면을 밀봉한다.
도 8에서 링부재(14F)는 베어링 레이스들(16F, 17F)을 분리한다. 각각의 베어링 레이스를 위해 밀봉링(20F, 21F)은 링부재(14F)와 함께 갭을 밀봉한다. 링부재는 이 링부재(14F)를 고정 베어링 레이스(17F)에 로킹하기 위한 제1 고정수단(13F)과, 링부재(14F)를 회전 베어링 레이스(16F)에 로킹하기 위한 제2 고정수단(13G)을 포함한다. 제1 고정수단(13F)이 링부재(14F)를 고정 부재 레이스(17F)에 로킹할 때, 링부재(14F)와 회전 베어링 레이스(16F)에 걸쳐있는 밀봉링(20F)이 동적 밀봉부를 형성한다. 마모로 인하여 파손된 후에, 제1 고정수단(13F)은 활동하지 않을 수 있고 제2 고정수단(13G)이 링부재를 회전 베어링 레이스(16F)에 로킹하는데 사용될 수 있다. 이러한 상황에서, 링부재(14F)는 회전 베어링 레이스(16F)와 함께 회전되고, 링부재(14F)와 고정 베어링 레이스(17F) 사이의 밀봉부가 동적 밀봉부로 된다.
도면들에 도시된 실시예에서 메인 베어링은 겹줄(double row) 볼 베어링으로서 도시되어 있다. 숙련된 자에게는 본 발명이 다른 형식들의 볼 베어링들 및 롤러 베어링들 또는 어떤 다른 형식의 베어링을 적용할 수 있음을 명백히 이해할 것이다.

Claims (8)

  1. 회전자 블레이드들을 지탱하는 허브를 지지하는 베어링을 구비한 풍력발전용 터빈으로서, 상기 베어링은 상기 허브에 연결된 회전 베어링 레이스 및 고정 베어링 레이스와 베어링 레이스들 사이의 윤활 영역을 포함하고, 상기 윤활 영역은 양쪽 단부들에서 윤활 배리어를 형성하기 위해 상기 회전 베어링 레이스와 고정 부품들 사이의 갭을 밀봉하는 제1 밀봉링들에 의해 제한되는, 상기 풍력발전용 터빈에 있어서,
    상기 윤활 영역의 한 단부 또는 양쪽 단부들에서 여분의 밀봉링이 밀봉될 갭내에 또는 그 부근에서 상기 제1 밀봉링으로부터 일정 거리에 배치되는 것을 특징으로 하는 풍력발전용 터빈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 여분의 밀봉링은 밀봉면과 밀봉식으로 결합하는 것을 특징으로 하는 풍력발전용 터빈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 여분의 밀봉링은 상기 제1 밀봉링이 파손된 후에 사용하기에 유용한 밀봉면과 결합하지 않고 저장되는 것을 특징으로 하는 풍력발전용 터빈.
  4. 제1항에 있어서,
    내부 및 외부 베어링 레이스들 각자의 측방향 섹션들(19D, 20D)과 밀봉결합으로 2개의 밀봉링들을 보유하기 위한 2개의 동심 홈들을 포함하는 지지부재가 사용되는 것을 특징으로 하는 풍력발전용 터빈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 밀봉링 및 상기 여분의 밀봉링은 동심 리세스를 포함하는 지지부재와 대면하는 상기 베어링 레이스들 중 하나의 레이스내에 장착되고, 상기 지지부재는 상기 제1 밀봉링이 지지링과 밀봉식으로 결합하는 동안에 상기 여분의 밀봉링이 상기 리세스와 대면하는 제1 밀봉위치로부터, 교체링이 상기 지지링과 밀봉식으로 결합하는 제2 밀봉위치로 변위될 수 있는 것을 특징으로 하는 풍력발전용 터빈.
  6. 제1항에 있어서,
    링부재가 상기 베어링 레이스들을 분리하고, 각각의 베어링 레이스를 위해 밀봉링이 상기 링부재로써 상기 갭을 밀봉하고, 상기 링부재는 상기 고정 베어링 레이스와 상기 회전 베어링 레이스 각각에 교대로(alternatingly) 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는 풍력발전용 터빈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고정 베어링 레이스는 분리 섹션을 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 풍력발전용 터빈.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 풍력발전용 터빈은 직접 구동 방식인 것을 특징으로 하는 풍력발전용 터빈.
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