[논문]풍력발전기용 피치/요 베어링의 시험절차 개발

남주석; 한정우

doi:10.7735/ksmte.2015.24.3.355

[국내논문] 풍력발전기용 피치/요 베어링의 시험절차 개발
Development on Test Procedure of Pitch and Yaw Bearings for Wind Turbine 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.24 no.3, 2015년, pp.355 - 362

남주석 (Department of System Reliability, Korea Institute of Machinery & Materials) , 한정우 (Department of System Reliability, Korea Institute of Machinery & Materials)

Abstract ▼ AI-Helper

Test procedure for the design verification of wind turbine pitch and yaw bearings has been developed. Test items were selected to evaluate operational reliability of pitch and yaw bearings by considering loading and operational conditions, and by analyzing the design criteria of pitch and yaw bearings. The developed test items consisted of preliminary test, fatigue load test, extreme load test, low temperature environmental test and dismantling inspection after all the test were completed. Because it reflects the actual operational conditions of the pitch and yaw bearings, the developed test procedure has high reliability and can verify the basic design considerations in the international standard and guidelines.

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문제 정의

본 연구에서는 풍력발전기용 피치/요 베어링의 설계에 대한 국제규격 및 가이드라인을 분석하여 설계 고려사항들을 파악하고 설계검증을 위한 기초 시험절차를 개발하였다. 본 연구의 결과는 피치/요 베어링의 설계 검증시험의 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.
시험 베어링에 일정수준의 정하중(극한하중의 10% 수준)을 가력한 후 베어링을 시계방향과 반시계방향으로 일정 시간동안(1시간 내외) 구동한다. 구동 중 누유, 베어링과 시험 장비의 연결 상태 불량 등의 현상이 발생하지 않는지 확인한다. 만약 이상 현상이 발생하면 베어링과 시험장비의 상태를 다시 한 번 점검한 후 본시험을 수행해야 한다
작용하는 하중을 지지하는 구조물로써의 작동 신뢰도를 평가하기 위한 시험이다. 베어링을 정지시킨 상태에서 DEL 형태의 피로 하중을 기준 싸이클만큼 가력해주고 베어링의 마찰 토크와 구름면 온도 변화를 확인한다.
회전요소로써의 작동 신뢰도를 평가하기 위한 시험이다. LDD형태의 피로하중을 가력해 주면서 베어링을 정격속도로 시계방향과 반시계방향으로 구동시킨다.
극한하중시험은 피치/요 베어링의 설계기준 중 정적 하중계수와 심부 파괴 모델을 만족시키는지의 여부를 확인하기 위한 시험이다. 피치/요 베어링의 제조사 또는 풍력발전기 제조사로부터 시험하중 등의 시험조건을 제공받아 시험을 수행해야 한다.
본 연구에서는 풍력발전기용 피치/요 베어링의 설계기준을 분석하고 하중 및 운전 조건을 고려하여 설계 검증시험의 절차를 개발하였다. 시험 항목은 시험장비 및 베어링의 작동상태를 확인하기 위한 예비시험, 동적 수명과 심부 파괴 모델에 대한 작동 신뢰도를 검증하기 위한 피로하중시험, 정적 하중계수와 심부 파괴 모델에 대한 작동 신뢰도를 검증하기 위한 극한하중시험, 저온환경에서의 작동 신뢰도를 검증하기 위한 저온환경시험, 모든 시험이 완료된 후 베어링 구성요소들의 상태를 확인하고 평가하기 위한 분해시험으로 구성된다.

제안 방법

이 때 작용하는 하중의 종류는 피로하중이며, 방향은 축방향 하중과 반경방향 하중을 고려해준다. 접촉각, 전동체 수, 구름면의 곡률, 전동체 직경 등의 베어링 제원을 이용하여 기본 동정격 하중(basic dynamic load rating)을 도출하고, 작용하는 반경방향 및 축방향 하중의 크기를 이용하여 동등가 하중(dynamic equivalent load)을 도출하여 두 하중비의 지수승으로써 90% 신뢰도의 기본수명(basic rating life)을 계산한다. 또한 신뢰도 수준, 청정도, 윤활특성, 재료특성 등의 여러 작동조건이 미치는 영향을 보정하여 최종적인 동적 수명(modified rating life)을 도출한다.
작용하는 하중의 종류는 극한하중이며, 방향은 축방향 하중과 반경방향 하중을 고려해준다. 기본 정정격 하중은 베어링의 여러 전동체 중 최대 응력이 발생하는 전동체와 구름면의 접촉부에서 전동체 직경의 0.01%의 소성변형을 유발하는 하중의 크기를 의미하며 접촉각, 전동체 수, 구름면의 곡률, 전동체 직경 등의 베어링 제원을 이용하여 계산한다. 정등가 하중은 반경방향 및 축방향 하중이 동시에 작용하는 것과 동일한 손상을 가지게 하는 한 방향의 등가하중으로 작용하는 반경방향 및 축방향 하중의 크기를 이용하여 계산한다.
본시험 전에 시험장비 및 베어링의 작동상태를 확인하기 위한 예비시험을 수행한다. 시험 베어링에 일정수준의 정하중(극한하중의 10% 수준)을 가력한 후 베어링을 시계방향과 반시계방향으로 일정 시간동안(1시간 내외) 구동한다.
본시험 전에 시험장비 및 베어링의 작동상태를 확인하기 위한 예비시험을 수행한다. 시험 베어링에 일정수준의 정하중(극한하중의 10% 수준)을 가력한 후 베어링을 시계방향과 반시계방향으로 일정 시간동안(1시간 내외) 구동한다. 구동 중 누유, 베어링과 시험 장비의 연결 상태 불량 등의 현상이 발생하지 않는지 확인한다.
작용하는 하중을 지지하는 구조물로써의 작동 신뢰도를 평가하기 위한 시험이다. 베어링을 정지시킨 상태에서 DEL 형태의 피로 하중을 기준 싸이클만큼 가력해주고 베어링의 마찰 토크와 구름면 온도 변화를 확인한다. 시험이 완료될 때까지 정상작동 기준치 내의 값들이 계측되어야 한다.
구름면 온도는 윤활유 유입구를 통해 열전대를 삽입하여 측정하였다 (Fig. 10). 열전대의 경우 장착부의 온도에 비례하는 전압을 출력해 주므로 열전대로부터 출력된 전압을 이용하여 직접 구름면 온도를 도출하였다.
10). 열전대의 경우 장착부의 온도에 비례하는 전압을 출력해 주므로 열전대로부터 출력된 전압을 이용하여 직접 구름면 온도를 도출하였다. 베어링이 시계방향으로 900회전하는 동안의 구름면 온도를 연속적으로 계측하였으며 마찰 토크와 마찬가지로 구름면 온도도 일정한 값으로 수렴하는 경향을 확인할 수 있다.
극한하중을 가력해 준 상태에서 베어링을 정격속도로 시계방향과 반시계방향으로 구동시키며 시험을 수행한다. 베어링 마찰 토크와 구름면 온도 변화를 확인하여 시험이 완료될 때까지 정상작동 기준치 내의 값들이 계측되어야 한다.
상기의 모든 시험을 수행한 후 전체 베어링 구성요소들의 상태를 종합적으로 판단하기 위해 분해검사를 실시한다. 전동체와 구름면을 포함하여 기어치, 씨일 등 모든 요소들의 상태를 확인하고 평가한다. 일반적으로 통용되는 요소 파괴 기준과 비교하여 모든 요소들이 정상적인 상태에 있다면 피로하중, 극한하중 및 저온환경 하에서 베어링이 신뢰성 있게 작동한 것으로 판단할 수 있다
본 연구에서는 풍력발전기용 피치/요 베어링의 설계기준을 분석하고 하중 및 운전 조건을 고려하여 설계 검증시험의 절차를 개발하였다. 시험 항목은 시험장비 및 베어링의 작동상태를 확인하기 위한 예비시험, 동적 수명과 심부 파괴 모델에 대한 작동 신뢰도를 검증하기 위한 피로하중시험, 정적 하중계수와 심부 파괴 모델에 대한 작동 신뢰도를 검증하기 위한 극한하중시험, 저온환경에서의 작동 신뢰도를 검증하기 위한 저온환경시험, 모든 시험이 완료된 후 베어링 구성요소들의 상태를 확인하고 평가하기 위한 분해시험으로 구성된다.

데이터처리

상기의 모든 시험을 수행한 후 전체 베어링 구성요소들의 상태를 종합적으로 판단하기 위해 분해검사를 실시한다. 전동체와 구름면을 포함하여 기어치, 씨일 등 모든 요소들의 상태를 확인하고 평가한다.

성능/효과

접촉각, 전동체 수, 구름면의 곡률, 전동체 직경 등의 베어링 제원을 이용하여 기본 동정격 하중(basic dynamic load rating)을 도출하고, 작용하는 반경방향 및 축방향 하중의 크기를 이용하여 동등가 하중(dynamic equivalent load)을 도출하여 두 하중비의 지수승으로써 90% 신뢰도의 기본수명(basic rating life)을 계산한다. 또한 신뢰도 수준, 청정도, 윤활특성, 재료특성 등의 여러 작동조건이 미치는 영향을 보정하여 최종적인 동적 수명(modified rating life)을 도출한다. 이 때 기본 동정격 하중은 베어링이 90%의 신뢰도에서 106 회전의 수명을 가지게 하는 하중을 의미하며 동등가 하중은 반경방향 및 축방향 하중이 동시에 작용하는 것과 동일한 손상을 가지게 하는 한 방향의 등가하중을 의미한다(레이디얼 베어링의 경우 반경방향 하중, 스러스트 베어링의 경우 축방향 하중).
마찰 토크의 경우 베어링을 회전시키는 구동 모터의 소요동력과 회전속도를 이용하여 식 (2)에서와 같이 도출하였다. 베어링의 1회전 시의 평균 마찰 토크를 대푯값으로 사용하였으며 시계방향(CT)과 반시계방향(CCT) 회전에 대해 구동 싸이클의 증가에 따라 마찰 토크가 일정한 값으로 수렴함을 알 수 있다.
열전대의 경우 장착부의 온도에 비례하는 전압을 출력해 주므로 열전대로부터 출력된 전압을 이용하여 직접 구름면 온도를 도출하였다. 베어링이 시계방향으로 900회전하는 동안의 구름면 온도를 연속적으로 계측하였으며 마찰 토크와 마찬가지로 구름면 온도도 일정한 값으로 수렴하는 경향을 확인할 수 있다.
전체적으로, 피치/요 베어링은 수명 기간 동안 피로하중과 극한하중이 모두 작용하는 환경에 있으므로 피로하중시험과 극한하중시험은 하나의 시험 프로세스에 포함되어야 한다. 극한하중이 더 가혹한 환경이므로 가혹도가 낮은 시험으로부터 높아지는 방향으로 구성하여 피로하중시험을 먼저 수행하고 이후 극한하중시험을 수행하는 것이 타당할 것으로 판단된다. 또한 환경시험은 부하시험 이후 수행하는 것이 타당할 것으로 생각된다.

후속연구

본 연구에서는 풍력발전기용 피치/요 베어링의 설계에 대한 국제규격 및 가이드라인을 분석하여 설계 고려사항들을 파악하고 설계검증을 위한 기초 시험절차를 개발하였다. 본 연구의 결과는 피치/요 베어링의 설계 검증시험의 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	풍력발전기용 피치 베어링의 역할은 무엇인가?	풍력발전기는 풍력에너지를 전기적 동력으로 변환시켜주기 위한 다양한 기계 및 전기적 장치들로 구성된다. 그 중 풍력발전기용 피치 베어링은 블레이드와 허브사이에 장착되어 풍속에 따라 블레이드의 피치각을 조절하며, 풍력발전기용 요 베어링은 타워와 나셀 사이에 장착되어 풍향에 따라 나셀을 회전시켜 주어진 바람조건에서 풍력발전기의 효율을 극대화 시켜준다[4]. 주축에 장착되는 메인 베어링과 함께 이 두 베어링은 풍력발전기의 정상적인 작동을 위해 필수적인 기계요소이다.
	풍력발전기용 요 베어링의 역할은 무엇인가?	풍력발전기는 풍력에너지를 전기적 동력으로 변환시켜주기 위한 다양한 기계 및 전기적 장치들로 구성된다. 그 중 풍력발전기용 피치 베어링은 블레이드와 허브사이에 장착되어 풍속에 따라 블레이드의 피치각을 조절하며, 풍력발전기용 요 베어링은 타워와 나셀 사이에 장착되어 풍향에 따라 나셀을 회전시켜 주어진 바람조건에서 풍력발전기의 효율을 극대화 시켜준다[4]. 주축에 장착되는 메인 베어링과 함께 이 두 베어링은 풍력발전기의 정상적인 작동을 위해 필수적인 기계요소이다.
	피치/요 베어링 고장으로 발생하는 손실은 어떤 문제의 원인이 되는가?	수리기간에 따라서는 수리비용 및 발전중단에 따른 손실이 베어링의 단가보다 높아지는 경우도 있다. 이러한 손실들은 풍력에너지의 상용화에 가장 큰 영향을 미치는 에너지 생산단가를 악화시키는 원인이 된다.

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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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