[논문]2.5MW 풍력발전기 기어박스 동특성 연구

김정수; 박노길; 한기봉; 이형우

doi:10.5574/ksoe.2014.28.4.314

2.5MW 풍력발전기 기어박스 동특성 연구
Study of Dynamic Characteristics of 2.5-MW Wind Turbine Gearbox 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.28 no.4 = no.119, 2014년, pp.314 - 323

김정수 (부산대학교 기계공학부) , 박노길 (부산대학교 기계공학부) , 한기봉 (중원대학교 메카트로닉스학과) , 이형우 (중원대학교 메카트로닉스학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a gearbox and blade were modeled in the MASTA program, and the housing and carrier components were modeled using a finite element method. Using substructure synthesis, all the components were combined and used to establish a vibration model of a 2.5-MW wind turbine gearbox. In addition, the safety displacement factor was evaluated using an AGMA data sheet about bearing's outer race for the input shaft and output shaft. As a result, the bearing's outer race for the input shaft, and the radial and axial responses were satisfied by the $1^{st}$ and $2^{nd}$ planetary gears and the $3^{nd}$ helical gear transmission error(TE), respectively. However, the output shaft support bearing's outer race responses were not satisfied with the radial response by the $2^{nd}$ TE and axial response by the $3^{rd}$ TE. To reduce the vibration, tooth modification was needed. After profile tooth modification, at the outer race of the output shaft support bearing, the radial response was reduced by approximately $20{\mu}m$, and the axial response was reduced by approximately $6{\mu}m$.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

MASTA를 이용하여 각단의 1차 치합전달오차 하모닉성분을 가진원으로 하여 시정계-선형 시스템에서 강제진동해석을 수행하였으며 기어박스의 응답특성에 대해서 살펴보았다. 응답은 입력축 및 축력축 베어링의 외륜을 측정 지점으로 하였다.
가진 위치를 0°, 60°, 120°, 180°, 240°, 300°로 변화를 주며 응답을 파악하였다.
5MW 풍력발전기용 기어박스에 대한 동특성 해석을 수행하였다. 또한 1단, 2단 유성기어시스템 및 3단 헬리컬기어 시스템의 기어 치합전달오차에 의한 가진원을 모델링하였다. 또한 치합전달오차 가진에 의한 입력축 베어링 외륜지점과 출력축 베어링 외륜지점에 변위를 AGMA 6000-B96(AGMA, 1996)의 데이터시트를 이용하여 진동의 안전성 평가를 수행하였다.
또한 1단, 2단 유성기어시스템 및 3단 헬리컬기어 시스템의 기어 치합전달오차에 의한 가진원을 모델링하였다. 또한 입력축 베어링 외륜지점(Point A)과 출력축 베어링 외륜지점(Point B)에 변위에 대하여, AGMA의 데이터시트를 이용하여 진동의 안전성 평가를 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
또한 1단, 2단 유성기어시스템 및 3단 헬리컬기어 시스템의 기어 치합전달오차에 의한 가진원을 모델링하였다. 또한 치합전달오차 가진에 의한 입력축 베어링 외륜지점과 출력축 베어링 외륜지점에 변위를 AGMA 6000-B96(AGMA, 1996)의 데이터시트를 이용하여 진동의 안전성 평가를 수행하였다. 문제가 발생한 출력축 베어링 외륜지점에 대해서, 치형수정을 통한 진동저감대책을 제시하였다.
또한 치합전달오차 가진에 의한 입력축 베어링 외륜지점과 출력축 베어링 외륜지점에 변위를 AGMA 6000-B96(AGMA, 1996)의 데이터시트를 이용하여 진동의 안전성 평가를 수행하였다. 문제가 발생한 출력축 베어링 외륜지점에 대해서, 치형수정을 통한 진동저감대책을 제시하였다.
본 논문에서는 유성기어시스템, 헬리컬기어시스템, 블레이드 등은 MASTA 상용프로그램으로 모델링하고, 기어박스 케이스, 토크암, 유성캐리어는 유한요소법으로 모델링하였으며, 부분구조합성법으로 조합하여 2.5MW 풍력발전기용 동력분기용 기어박스에 대한 진동모델을 수립하였다. 또한 1단, 2단 유성기어시스템 및 3단 헬리컬기어 시스템의 기어 치합전달오차에 의한 가진원을 모델링하였다.
본 연구에서는 가공, 설치오차에 의한 영향은 무시하고, 전달하중에 의한 치변형이 원인이된 치합전달오차을 구하였다. 기어가 물리고 있는 상태에서 작용선 방향으로의 두기어의 치변형량을 구하기 위해서는 치강성을 구하여야 한다.
본 연구에서는 유성기어시스템, 헬리컬기어시스템, 블레이드 등을 SMT(Smart Manufacturing Technology)사에서 개발한 풍력발전기용 기어박스 전용소프트웨어인 MASTA(SMT, 2010) 프로그램으로 모델링하고, 기어박스 하우징, 토크암, 유성캐리어를 유한요소법으로 모델링하였다. 부분구조합성법으로 MASTA의 모델과 유한요소모델을 조합하여 2.
본 연구에서는 유성기어시스템, 헬리컬기어시스템, 블레이드 등을 SMT(Smart Manufacturing Technology)사에서 개발한 풍력발전기용 기어박스 전용소프트웨어인 MASTA(SMT, 2010) 프로그램으로 모델링하고, 기어박스 하우징, 토크암, 유성캐리어를 유한요소법으로 모델링하였다. 부분구조합성법으로 MASTA의 모델과 유한요소모델을 조합하여 2.5MW 풍력발전기용 기어박스에 대한 동특성 해석을 수행하였다. 또한 1단, 2단 유성기어시스템 및 3단 헬리컬기어 시스템의 기어 치합전달오차에 의한 가진원을 모델링하였다.
풍력발전기의 기어박스에 대해 많은 연구가 수행되고 있다. 블레이드, 증속기를 포함한 풍력발전시스템의 비틀림 진동해석을 수행하였으며(Todorov and Vukov, 2011; Kim et al., 2012), 정상풍속과 돌발풍속을 수학적으로 모델링하고 풍향에 따라 전달되는 메인축에서의 전달모멘트를 조사하여 기어박스에 전달되는 풍하중 특성을 파악하였다(Kim et al., 2012). 풍력발전용 기어박스의 비틀림 진동 모델을 수립하여 비틀림 진동특성을 분석 연구하였다(Kim et al.
하우징은 양쪽 토크암 마운트에 의해서 지지가 되어 있으며, 메인축은 메인 베어링에 의해서 지지되어 있다. 유성기어시스템, 헬리컬기어시스템, 축, 베어링요소와 같은 동력전달부분은 MASTA 프로그램을 통하여 모델링 하였으며, 기어박스 하우징, 토크암, 유성캐리어, 플랜지 부분 등은 유한요소법으로 모델링하여 부분구조합성법을 통하여 전체 시스템을 모델링 하였다. 유한요소모델을 그대로 사용하면 질량, 강성 행렬의 사이즈가 비대하게 크기 때문에 해석시간, 컴퓨터 메모리 사용에 단점이 있다.
유성기어의 가진 위치를 18°, 90°, 162°, 234°, 306°일 때 응답을 파악하였다.
MASTA를 이용하여 각단의 1차 치합전달오차 하모닉성분을 가진원으로 하여 시정계-선형 시스템에서 강제진동해석을 수행하였으며 기어박스의 응답특성에 대해서 살펴보았다. 응답은 입력축 및 축력축 베어링의 외륜을 측정 지점으로 하였다. 기어박스의 진동측정은 베어링 주위의 하우징에 센서를 설치하여 측정을 하므로 응답을 베어링 외륜으로 하는 것이 타당하다.
풍력발전용 기어박스의 진동 특성을 파악하기 위해서는 기어 박스 뿐만 아니라 기어박스와 연결되어 있는 입력축과 출력축 부분의 모델링이 포함되어야 한다. 입력축에는 블레이드에 해당하는 질량과 관성모멘트를 가지는 디스크, 출력축에는 발전기 회전자의 관성모멘트를 가지는 디스크를 모델링하여 관성모멘트에 대한 효과를 부여하였다. 또한 출력축은 고속커플링으로 회전자와 연결되어 있다.
17은 치형수정 후의 치합전달오차를 나타낸다. 치형수정 후 관측지점 B에서 허용치를 초과한 2단 치합전달오차에 의한 반경방향 응답과 3단 치합전달오차에 의한 축 방향 응답을 재해석 하였다. 이때의 치형수정 전과 후의 응답치를 Fig.
치 변형량은 기어의 이접촉 개수가 변하는 Highest point of single tooth contact(HPSTC) 헬리컬기어는 Highest point of double tooth contact(HPDTC)에서 산출하였다. 치형수정은 Tip relief로 하였으며 HPSTC/HPDTC에서 치형수정을 시작하였다.
풍력발전기 기어박스 강제진동 해석을 통한 응답의 결과에 대한 평가를 하기위해, 실험평가에 사용되는 AGMA 6000-B96의 허용치를 기준으로 평가를 하였다(AGMA, 1996). Fig.
, 2010). 풍력발전기 시스템용 기어박스를 부분구조합성법을 이용하여 풍력시스템의 특성분석을 하였다.(Peeters, 2006).
, 2012). 풍력발전용 기어박스의 비틀림 진동 모델을 수립하여 비틀림 진동특성을 분석 연구하였다(Kim et al., 2011). 풍력발전시스템 기어트레인의 설계요구조건을 광범위하게 고려하여, 1M~8M 풍력발전기 기어트레인의 특성분석을 하였다(Park and Lee.

대상 데이터

본 논문의 연구 대상은 2.5MW급의 풍력발전기용 동력분기식 기어박스이며, Fig. 3과 같이 2단의 유성기어단과 1단을 헬리컬 기어단으로 이루어져 있다. 메인축(입력축)을 통하여 1단 유성기어단의 캐리어와 2단 링기어로 입력이 되며, 2단 캐리어는 하우징에 고정 되어 있다.
본 연구에 사용된 풍력발전 시스템은 블레이드와 기어박스의 입력축은 플랜지 결합으로 이루어져 있으며 기어박스 출력축은 발전기와 커플링으로 결합되어 있는 구조이다. 하우징은 양쪽 토크암 마운트에 의해서 지지가 되어 있으며, 메인축은 메인 베어링에 의해서 지지되어 있다.
4는 하우징, 캐리어의 유한요소 모델이다. 하우징, 캐리어#1, 캐리어#2는 ANSYS에서 solid 186,187요소를 사용하여 요소화 하였으며, 각각은 297196개, 304321개, 189146개의 절점과 181173개, 188988개, 52286개의 요소를 사용하였다.

이론/모형

유한요소모델을 그대로 사용하면 질량, 강성 행렬의 사이즈가 비대하게 크기 때문에 해석시간, 컴퓨터 메모리 사용에 단점이 있다. 이를 보완하기 위하여 부분구조합성법을 사용하였다. 부분 구조합성법을 사용하연 거대한 사이즈의 행렬이 설정한 노드 사이즈로 축소를 할 수 있다.
(Peeters, 2006). 풍력발전기 시스템을 유한요소법으로 모델링을 하여 구조물 소음, 공기음에 대해서 연구하였다(Vanhollebeke et al., 2012). 이와 같은 연구사례를 살펴보았을 때, 풍력발전용 기어박스자체의 응답특성을 통한 안정성평가에 대한 연구는 미흡한 실정이다.

성능/효과

(1) 입력축 베어링 외륜지점에 대해서, 1단, 2단 유성기어시스템과 3단의 헬리컬기어시스템의 반경방향 및 축 방향 허용 변위 값을 모두 만족하여 안전함을 알 수 있었다.
(2) 출력축 베어링 외륜지점에 대해서, 2단 유성기어단의 반경방향의 응답의 최대치가 89.6㎛가 되어 허용치 70㎛보다 큼을 알 수 있었다.
(3) 출력축 베어링 외륜지점 3단 유성기어단의 축 방향 응답의 최대치가 약 19.6㎛가 되어 허용치 12㎛보다 큼을 알 수 있었다.
(4) 1단, 2단, 3단 각각의 기어에 대해 프로파일 치형수정을 실시한 결과, 출력축 베어링 외륜지점에 대해서, 2단 유성기어단의 반경방향의 응답의 최대치가 20㎛ 떨어져서 66.4μm이 되어 허용치를 만족하였다.
Fig. 13(a)의 반경방향에서는 2단 유성기어단의 응답이 가장 크게 나타났으며, 최대치가 약 15㎛정도 나타나고 있다. 허용 변위 값 70㎛이하임으로 안전함을 알 수 있다.
Fig. 16(a)의 반경방향에서는 2단 유성기어단의 응답이 가장 크게 나타났으며, 최대치가 약 89㎛정도 나타나고 있다. 허용 변위 값 70㎛보다 큼으로 저감대책이 필요함을 알 수 있다.
Fig. 13(b) 의 축 방향에서도 2단 유성기어단의 응답이 가장 크게 나타났으며, 최대치가 약 21㎛정도 나타나고 있다. 허용 변위 값 70㎛이하임으로 안전함을 알 수 있다.
Fig. 16(b)의 축 방향에서도 3단 유성기어단의 응답이 가장 크게 나타났으며, 최대치가 약 20㎛정도 나타나고 있다. 허용 변위 값 12㎛보다 큼으로 저감대책이 필요함을 알 수 있다.
4μm이 되어 허용치를 만족하였다. 또한 3단 유성기어단의 축 방향 응답의 최대치가 약 6㎛가 감소함을 알 수 있었다.
풍력발전용 기어박스의 경우는 하우징이 너셀에 토크암 마운트로 지지되어 있는 특이한 조건이기 때문에 토크암 마운트를 고려한 설계를 하는 것이 중요하다. 토크암 마운트에 토크암 강성과 동일한 스프링을 연결하여 너셀에 지지 효과를 주었다. Fig.

후속연구

5) 풍력발전기는 비틀림진동으로 인해, 다른 산업용 기어박스보다 축, 케이스의 변형이 크게 발생함으로, 기어 리드방향의 치형수정에 대한 연구가 필요하며, 리드방향의 치형수정을 하면 2단, 3단 기어시스템의 허용치를 많이 감소시킬 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	풍력발전이 최근 주목받는 이유는 무엇인가?	최신재생에너지의 수요증가로 인하여 풍력발전은 화력발전을 대체 할 수 있는 가장 보편화된 전력생산 방법으로 각광 받고 있다. 보다 큰 전력을 생산하기 위하여 풍력발전기는 대형화 추세이며, 소음/진동으로 인하여 민원이 발생이 많아서, 설치위치가 육상에서 해상으로 옮겨가고 있다.
	풍력발전기는 어떤 형태로 동작하는가?	보다 큰 전력을 생산하기 위하여 풍력발전기는 대형화 추세이며, 소음/진동으로 인하여 민원이 발생이 많아서, 설치위치가 육상에서 해상으로 옮겨가고 있다. 풍력발전기는 회전자 블레이드로부터 저속, 고 토크 형태의 동력이 입력되면 이를 기어박스가 받아서 발전기에 고속 저 토크의 동력을 전달하는 형태로 되어 있어서, 특히 회전자블레이드의 정격 입력속도가 10~30rpm의 저속이지만, 발전기 출력속도가 1,200~1,800rpm의 고속을 요구하기 때문에 증속비가 50~150 정도의 비교적 큰 속도비를 요구하고 있다(Heier and Waddington, 2006). 특히 해상풍력발전기는 고 동력으로 인해 기어박스가 대형화 되고 있으며, 해상풍력발전기 입력축 정격 회전속도가 육상 풍력발전기보다 낮은 속도로 회전하므로, 더 높은 기어비를 구성해야 하기 때문에 기어박스 진동/소음을 고려한 설계 기술이 더욱 중요하다.
	풍력발전기 기어박스 설계 기술이 중요한 이유는 무엇인가?	풍력발전기는 회전자 블레이드로부터 저속, 고 토크 형태의 동력이 입력되면 이를 기어박스가 받아서 발전기에 고속 저 토크의 동력을 전달하는 형태로 되어 있어서, 특히 회전자블레이드의 정격 입력속도가 10~30rpm의 저속이지만, 발전기 출력속도가 1,200~1,800rpm의 고속을 요구하기 때문에 증속비가 50~150 정도의 비교적 큰 속도비를 요구하고 있다(Heier and Waddington, 2006). 특히 해상풍력발전기는 고 동력으로 인해 기어박스가 대형화 되고 있으며, 해상풍력발전기 입력축 정격 회전속도가 육상 풍력발전기보다 낮은 속도로 회전하므로, 더 높은 기어비를 구성해야 하기 때문에 기어박스 진동/소음을 고려한 설계 기술이 더욱 중요하다. 또한 해상풍력발전기의 안정성과 원가절감을 위해서, 기어박스의 무게를 경량화 시키기 위한 노력(Park and Lee., 2010)이 진행되고 있으며, 이로 인하여 진동/소음을 고려한 설계가 매우 중요해지고 있다. 이러한 기어박스 진동/소음을 고려한 설계기술 부족으로 인해, Fig.

참고문헌 (16)

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SMT(Smart Manufacturing Technology), 2010. MASTA version 5.1 Advanced Training Manual, 1-45.
Todorov, M., Vukov, G., 2011. Modal Properties of Drive Train in Horizontal-axis Wind Turbine. Proceedings of International Conference on Innovations-Recent Trends and Challenges in Mechatronics, 3, 160-168.
Vanhollebeke, F., Helsen, J., Peeters, J., Vandepitte, D., W.Desmet., 2012. Combining Multibody and Acoustic Simulation Models for Wind Turbine Gearbox NVH Optimisation, International Conference on Noise and Vibration Engineering, 4453-4467.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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