[논문]2MW급 풍력발전기 사이클로이드 피치감속기 설계에 대한 연구

민영실; 이형우

doi:10.5916/jkosme.2015.39.9.895

2MW급 풍력발전기 사이클로이드 피치감속기 설계에 대한 연구
A study on the design of cycloidal pitch reducer for the 2MW-class wind turbine 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.39 no.9, 2015년, pp.895 - 902

민영실 (Department of Medicinal Plant Science, College of Science Engineering, Jungwon University) , 이형우 (Department of Mechatronics Engineering, Jungwon University)

초록
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본 연구에서는 사이클로이드기어시스템 1단, 한 쌍의 평기어시스템, 입력 축, 출력 축, 하우징으로 구성되어 있는 2MW급 풍력발전기용 사이클로이드 피치감속기에 대해 유한요소해석을 통한 안정성평가를 수행하였다. 또한 평기어에 대해서는 ISO 6336에 의한 기어강도해석을 통하여 안정성 여부를 평가하였다. 2MW급 풍력발전기용 사이클로이드 감속기의 고유진동 특성 해석을 수행하였고, 입력축 질량불평형, 출력축 질량불평형, 평기어 치합전달오차, 사이클로이드기어 치합전달오차 등에 발생하는 가진원에 대해 위험속도 분석을 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, finite element analysis of a cycloidal pitch reducer for a 2 MW-class wind turbine is reviewed. The system is composed of one cycloid set, one spur gear set, an input shaft, an output shaft, and a housing. The system was also evaluated for stability by analyzing spur gear strength according to ISO 6336. An analysis of the natural vibration characteristics of the 2 MW-class wind turbine cycloid pitch reducer was performed with attention to critical speed with input mass unbalance, output mass unbalance, spur gear transmission error, cycloid gear transmission error, and excitation frequency.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 입력축, 출력축의 질량 불평형 및 기어치합전달오차를 고려하여 가진원을 정리하였다. 가진 주파수비는 Table 3과 같다.
Figure 5에서, 면압강도의 경우 접촉응력 (contact pressure)을 통해서 치면의 안정성을 확인하고, 굽힘강도는 최대토크를 통하여 기어의 치 뿌리 부분의 안정성을 확인 하였다. 치 굽힘강도의 경우에는 압축을 받는 쪽보다는 인장을 받는 쪽에 손상이 주로 발생하기 때문에 인장 영역을 주의깊게 살펴보았다. 기어의 접촉응력(contact pressure)을 살펴봤을 때에는 최대 295MPa이 발생하였으며.

가설 설정

사이클로이드 기어는 입력축과 평기어 쌍 구조해석에서 나온 결과를 바탕으로 해석을 수행하였다. 앞의 해석에서 나온 반력 값을 사이클로이드 기어에 하중으로 가하였으며, 기어의 치에 고정하였다. Figure 8은 사이클로이드기어의 경계 조건을 나타낸다.

제안 방법

또한 평기어에 대해서는 ISO 6336에 의한 기어강도해석을 통하여 안정성 여부를 평가하였다. 2MW급 풍력발전기용 사이클로이드 피치감속기의 진동에 의한 공진여부를 파악하기 위하여, 입력축, 출력축의 질량 불평형 및 평기어, 사이클로이드 기어 치합전달오차를 고려한 가진원에 대해 위험속도 분석을 하였다.
입력축에 연결된 구동기어와 3개의 종동기어로 동력을 나누어 전달을 한다. 따라서 입력동력은 3등분하여 하나의 물림에서의 기어강도를 평가하였다. ISO 6336에 의해 계산된 기어의 안전율은 아래의 Table 1과 같다.
유한요소를 통한 신뢰성평가와 함께 규격 ISO 6336을 통하여 기어의 강도를 병행하여 평가하였다. 면압강도와 굽힘강도의 정적안전율과 피로안전율을 평가하였다. 아래의 식 (1)은 ISO 6336기준의 면압응력을 계산한 식을 나타낸다.
전 하중상태를 주기 위해서, 출력축 피니언과 그라운드 지지부를 고정하였고 입력축 토크를 부여하였다. 베어링의 경우 원통형으로 단순화 하여 해석을 수행하였다. 고유치 해석을 위해서, Figure 14와 같이 메시를 나누고 경계조건을 적용하였다.
본 연구에서는 입력축의 최대토크 28.5kNm, 입력축 회전속도 2,000rpm, 감속비가 1/172.5인 2MW급 풍력발전기용 사이클로이드 피치감속기 부품에 대해서 구조해석을 통한 안정성평가를 수행하였다. 또한 평기어에 대해서는 ISO 6336에 의한 기어강도해석을 통하여 안정성 여부를 평가하였다.
본 연구의 풍력발전기용 사이클로이드 피치감속기의 정격 운전속도는 2000rpm이며, 구동되는 작동범위를 1800 ~ 2200rpm으로 설정하여 위험속도 해석을 수행하였다. Figure 20은 질량 불평형에 의한 가진, 기어 치합전달오차에 의한 가진에 대해 위험속도 분석을 한 그래프를 나타낸다.
사이클로이드 기어는 입력축과 평기어 쌍 구조해석에서 나온 결과를 바탕으로 해석을 수행하였다. 앞의 해석에서 나온 반력 값을 사이클로이드 기어에 하중으로 가하였으며, 기어의 치에 고정하였다.
사이클로이드 커브는 출력축에 걸리는 토크를 역으로 사이클로이드 커브에 가하여 그 안정성을 확인 하였다. 베어링은 지면에 회전 조인트(revolute joint)로 고정을 하였으며, 기어의 지지 핀 부분을 고정으로 하였다.
최대 토크가 걸렸을 때의 정격해석을 수행하며, 평가는 유한요소 해석 또는 ISO규격을 통해서 실시하였다. 유한요소해석은 부품별 묶음 해석을 수행하여 이때 나오는 베어링반력을 다른 부품의 하중조건으로 주어 수행하였다. 해석을 수행한 부품 묶음 부품 리스트는 입력축과 평기어쌍, 사이클로이드 커브, 사이클로이드 기어, 출력축, 하우징이다.
입력축에 걸리는 최대토크 28.5kNm를 하중조건으로 주었으며 기타 베어링 지지부를 지면에 고정하여 구조해석을 수행하였다. Figure 2는 입력축, 평기어 쌍의 경계조건을 나타낸다.
입력축의 최대토크 28.5kNm, 입력축 회전속도 2,000rpm, 감속비가 1/172.5인 2MW급 풍력발전기용 사이클로이드 피치감속기 부품에 대해서 구조해석 및 진동해석을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
이는 정격상태로 회전하고 있을 때의 상태와 유사하게 만들어 주기 위한 것이다. 전 하중상태를 주기 위해서, 출력축 피니언과 그라운드 지지부를 고정하였고 입력축 토크를 부여하였다. 베어링의 경우 원통형으로 단순화 하여 해석을 수행하였다.
피치 감속기의 진동해석은 유한요소를 기반으로 수행 하였다. 진동해석은 감속기에 전 하중을 주어 각 부품이 정격의 하중상태로 물려 있을 때의 상태로 하여 수행하였다. 이는 정격상태로 회전하고 있을 때의 상태와 유사하게 만들어 주기 위한 것이다.
출력축은 피니언과 결합되어 있는 부품으로서 피니언의 치면을 고정으로 하였으며, 베어링은 지면에 회전 조인트 (revolute joint)설정을 하였으며, 스플라인 부분에 토크를 가하여 구조해석을 수행하였다. Figure 10은 출력축의 경계조건을 나타낸다.
q는 시스템의 자유도이다. 피치 감속기의 진동해석은 유한요소를 기반으로 수행 하였다. 진동해석은 감속기에 전 하중을 주어 각 부품이 정격의 하중상태로 물려 있을 때의 상태로 하여 수행하였다.
피치감속기 구조해석은 하우징 부분과 하우징을 제외한 파워트레인 부분으로 나누어 해석을 실시하였다. 하우징을 제외한 파워트레인 부분은 입력축에 부하를 주어 그에 따른 시스템 전체의 응력 분포를 살펴보고, 하우징은 베어링 반력 및 Pin 반력을 예측하여 이를 하우징에 하중으로 주어 구조해석을 수행 하였다.
하우징에 대한 구조해석은 구조물과 결합되는 불팅 (bolting)에 고정을 주었으며, 하중은 출력축 구조해석에서의 베어링에 걸리는 반력과 사이클로이드 기어해석에서 기어의 치에 걸리는 반력, 사이클로이드 커브의 베어링 반력, 입력축의 베어링반력을 가하였다. Figure 12는 하우징의 경계조건을 나타낸다.
피치감속기 구조해석은 하우징 부분과 하우징을 제외한 파워트레인 부분으로 나누어 해석을 실시하였다. 하우징을 제외한 파워트레인 부분은 입력축에 부하를 주어 그에 따른 시스템 전체의 응력 분포를 살펴보고, 하우징은 베어링 반력 및 Pin 반력을 예측하여 이를 하우징에 하중으로 주어 구조해석을 수행 하였다. 최대 토크가 걸렸을 때의 정격해석을 수행하며, 평가는 유한요소 해석 또는 ISO규격을 통해서 실시하였다.

대상 데이터

블레이드에서는 블레이드 개수에 비례하는 가진 주파수를 가지고 있다. 본 연구 대상은 피치감속기에 대한 위험속도해석을 하므로, 피치감속기는 질량 불평형, 기어 치합전달오차등에 의한 가진 진동원 등이 있다. 치합전달오차가 발생 하는 원인에는 크게 기어치면의 가공오차와 부하에 의한 시스템변형에 의해서 발생한다.
해석을 수행한 부품 묶음 부품 리스트는 입력축과 평기어쌍, 사이클로이드 커브, 사이클로이드 기어, 출력축, 하우징이다. 유한요소해석을 위하여 메쉬 작업은 육면체 형상과(10node) 8면체 형상 (12node)을 사용하였다. 메쉬의 사이즈는 5~20mm사이즈로 생성하였다.
유한요소해석은 부품별 묶음 해석을 수행하여 이때 나오는 베어링반력을 다른 부품의 하중조건으로 주어 수행하였다. 해석을 수행한 부품 묶음 부품 리스트는 입력축과 평기어쌍, 사이클로이드 커브, 사이클로이드 기어, 출력축, 하우징이다. 유한요소해석을 위하여 메쉬 작업은 육면체 형상과(10node) 8면체 형상 (12node)을 사용하였다.

이론/모형

5인 2MW급 풍력발전기용 사이클로이드 피치감속기 부품에 대해서 구조해석을 통한 안정성평가를 수행하였다. 또한 평기어에 대해서는 ISO 6336에 의한 기어강도해석을 통하여 안정성 여부를 평가하였다. 2MW급 풍력발전기용 사이클로이드 피치감속기의 진동에 의한 공진여부를 파악하기 위하여, 입력축, 출력축의 질량 불평형 및 평기어, 사이클로이드 기어 치합전달오차를 고려한 가진원에 대해 위험속도 분석을 하였다.
유한요소를 통한 신뢰성평가와 함께 규격 ISO 6336을 통하여 기어의 강도를 병행하여 평가하였다. 면압강도와 굽힘강도의 정적안전율과 피로안전율을 평가하였다.
하우징을 제외한 파워트레인 부분은 입력축에 부하를 주어 그에 따른 시스템 전체의 응력 분포를 살펴보고, 하우징은 베어링 반력 및 Pin 반력을 예측하여 이를 하우징에 하중으로 주어 구조해석을 수행 하였다. 최대 토크가 걸렸을 때의 정격해석을 수행하며, 평가는 유한요소 해석 또는 ISO규격을 통해서 실시하였다. 유한요소해석은 부품별 묶음 해석을 수행하여 이때 나오는 베어링반력을 다른 부품의 하중조건으로 주어 수행하였다.

성능/효과

(1) 입력축과 평기어에 대해 구조해석을 수행하였고, 입력축 최대응력은 353MPa, 평기어 최대응력은 102MPa 로 안정성을 확인할 수 있었다. 또한 평기어에 대해 ISO6336에 의한 안정성 평가를 수행하였고, 평기어면압강도 최소안전율이 1.
(2) 사이클로이드 기어 부품과 출력축에 대해 구조해석을 수행하였고, 사이클로이드 커브 최대응력 102MPa, 사이클로이드 기어 최대 응력 743Me8Pa, 출력축 최대응력 752MPa, 하우징 최대응력 159MPa로 나타났다. 사이클로이드 기어의 바디부분에 응력이 높게 측정되었고, 출력축의 스플라인 및 노치부분의 응력이 높게 측정되었기 때문에 축직경 변경을 통한 응력 저감대책이 필요할 것으로 사료된다.
(3) 2MW급 풍력발전기용 사이클로이드 피치감속기의 진동에 의한 공진여부를 파악하기 위하여, 입력축, 출력 축의 질량 불평형 및 평기어, 사이클로이드기어 치합 전달오차를 고려한 가진원에 대해 위험속도 분석 결과 운전속도 범위 내에서는 위험속도가 존재하지 않음을 알 수 있었다.
(1) 입력축과 평기어에 대해 구조해석을 수행하였고, 입력축 최대응력은 353MPa, 평기어 최대응력은 102MPa 로 안정성을 확인할 수 있었다. 또한 평기어에 대해 ISO6336에 의한 안정성 평가를 수행하였고, 평기어면압강도 최소안전율이 1.37, 굽힘강도에 대한 최소 안전율이 4.24로 모두 안정성을 확인할 수 있었다.
34MPa이 걸림을 확인 하였다. 응력은 커브와 스플라인(spline)으로 출력축에 연결되는 부위에 큰 토크가 걸리므로 가장 높게 발생하였으며, 이외에서 커브에 사이클로이드 기어를 지지하는 핀과의 연결부위에 응력이 집중되어 있음을 확인 하였다. 커브에 걸린 응력 모두 허용치 이내의 값으로서 안정성을 확인 하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	풍력발전 시스템은 어떻게 구성되어 있는가?	풍력발전 시스템은 블레이드, 피치드라이브, 피치베어링, 로터샤프트, 증속기, 발전기, 고속축커플링, 요드라이브, 요 베어링, 타워 및 각종 제어기 등으로 구성되어 있으며, 수명을 20년 이상 보장해야 하므로 신뢰성 있는 제품만이 시장진입이 가능한 폐쇄적인 특징을 가지고 있다[1].
	피치감속기는 풍력발전기에서 어떤 역할을 하는가?	풍력발전기는 회전자 블레이드로부터 저속, 고 토크 형태의 동력이 입력되면 이를 기어박스에서 증속되어 발전기에 고속 저 토크의 동력으로 변환되는 형태로 되어 있다. 풍력발전기를 구성하는 여러 요소들 중에서 피치감속기는 풍력발전기의 출력제어를 위해 피치시스템에서 블레이드를 회전시켜주는 역할을 한다[2]. 외국 선진업체의 피치감속기는 유성기어구조의 감속기를 사용하고 있다.
	구조해석 결과 사이클로이드 기어 부품과 출력축에 어떤 문제점이 나타났고 이를 해결하기 위해 어떤 대책이 필요한가?	(2) 사이클로이드 기어 부품과 출력축에 대해 구조해석을 수행하였고, 사이클로이드 커브 최대응력 102MPa, 사이클로이드 기어 최대 응력 743Me8Pa, 출력축 최대응력 752MPa, 하우징 최대응력 159MPa로 나타났다. 사이클로이드 기어의 바디부분에 응력이 높게 측정되었고, 출력축의 스플라인 및 노치부분의 응력이 높게 측정되었기 때문에 축직경 변경을 통한 응력 저감대책이 필요할 것으로 사료된다.

참고문헌 (7)

B. S. Hwang, Understanding of the Latest Wind Turbine, Korean Edition, Korea: A Jin, 2010.
S. Heier and R. Waddington, Grid Integration of Wind Energy Conversion System, 2nd Edition, John Wiley & Son, Ltd, pp.111-116, 2006.
J. G. Kim, Y. J. Park, G. H. Lee, Y. Y. Nam, and W. Y. Yang, "Optimum design of pitch reducer for wind turbine using genetic algorithm", Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A, vol. 38, no. 2, pp. 185-192, 2014.

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J. S. Kim, H. W. Lee, N. G. Park, Y. D. Kim, S. Y. Kim, and D. H. Lee, "Characteristic of vibration in wind turbine system", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 35, no. 6, pp. 786-795, 2011.

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M. Todorv and G.Vukov, "Modal properties of drive train in horizontal-axis wind turbine", Proceedings of International Conference on Innovations, Recent Trends and Challenges in Mechatronics, vol. 3, pp. 160-168, 2011.
J. S. Kim, H. W. Lee, N. G. Park, and D. H. Lee, "A study on wind load variation characteristics of wind turbine gearbox", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 36, no. 2, pp. 267-275, 2012.

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N. G. Park and H. W. Lee, "An investigation on the characteristics of gear trains of wind turbines", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 34 no. 6, pp. 806-815, 2010.

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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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