[논문]유연핀(Flexible Pin) 적용을 통한 풍력발전용 기어박스 경량화 연구

이기훈; 이근호; 박영준; 남용윤

유연핀(Flexible Pin) 적용을 통한 풍력발전용 기어박스 경량화 연구
Study on Compactness of Gearbox for Wind Turbine using Flexible Pin 원문보기

이기훈 (한국기계연구원) , 이근호 (한국기계연구원) , 박영준 (한국기계연구원) , 남용윤 (한국기계연구원)

The gearbox for wind turbine has been increased the size by demanding of bigger power production. The optimal sizing for gearbox is demanded because of limited space on the nacelle. The volume and weight for the gearbox are influenced especially for size of it. Therefore, the purpose of this study investigates the design characteristics using flexible pin of gearbox for minimizing the volume and weight of the gearbox.

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문제 정의

본 논문에서는 유연핀의 적용한 2MW급 풍력발전 시스템용 기어박스를 설계할 경우 하중 분배 효과에 따라 설계 파라미터들이 어떤 특징을 가지며, 또한 유연핀을 적용하지 않은 경우보다 어느 정도의 체적 및 중량의 감소효과 발생하지는 지에 대한 연구를 진행하였다.
저자의 이전 보고에서는 풍력 발전 시스템용 기어박스에 가장 많이 활용되는 유성기어열의 구조에 대해 연구를 진행하였다. 유성기어열은 그 특징으로부터 많은 구조로 설계가 가능하며, 이러한 구조들의 특징을 분석하여 경량화를 위한 최적의 설계안을 찾기 위한 노력을 기울였다.

제안 방법

이때 링기어는 고정되어있다. Fig. 1에서는 이러한 Conventional 타입의 구조를 보여주며, 유성기어열이 두 단을 형성하며 원통기어열을 최종단으로 설계하였다. 전체 기어비는 120:1이다.
체적과 중량의 비교를 위해서 하중 분배계수를 GL과 AGMA 기준을 바탕으로 하였다. GL과 AGMA에서 제시한 값을 최대값으로 정하고, 단계적으로 하중분배계수를 적게 적용하였다. 이때 기어트레인의 안전계수는 GL의 인증 값을 활용하였고, 하중분배계수의 변화에 따라 기어의 치폭과 모듈을 변경하였다.
체적은 1단과 2단에 대해서 링기어의 크기로 평가 할 수 있다. 또한 림의 체적을 고려하기 위해 일반적인 설계에서 활용하는 모듈의 5의 크기로 설계하였다. 3단의 경우에는 피치원 지름에 대한 크기로 평가하였다.
이러한 문제를 해결하기 위해 설계자들은 경험에 의해 하중분배계수를 적용하여 설계상의 문제를 해결할 수 있었지만, 결국 기어박스의 크기를 크게 하는 결과를 초래하였다. 이러한 문제의 해결을 위해 여러 가지 기술들에 대해서 소개되었고, 그 중 캐리어에 유연핀(flexible pin)을 적용하여 하중분배를 원활히 하고자 하였다.
3단의 경우에는 피치원 지름에 대한 크기로 평가하였다. 중량의 경우 체적과 달리 선기어, 유성기어, 링기어에 대해서 각각의 중량으로서 평가하였다. Fig.

대상 데이터

2MW급 풍력 발전 시스템의 기어박스 설계를 위해 Conventional 타입의 기어박스를 활용하였다. Conventional 타입은 허브로 전달된 동력이 캐리어(Carrier)를 통해서 입력되며 선기어로 출력되는 구조를 가진다.

이론/모형

체적과 중량의 비교를 위해서 하중 분배계수를 GL과 AGMA 기준을 바탕으로 하였다. GL과 AGMA에서 제시한 값을 최대값으로 정하고, 단계적으로 하중분배계수를 적게 적용하였다.

성능/효과

1. 유연핀을 적용한 풍력발전용 기어박스에서 약 10% 이상의 체적 및 중량 감소효과를 가지는 것을 확인하였다.
2. 유성기어의 개수가 많을 경우 체적 및 중량의 감속효과가 더 크게 나타난다,
23을 때의 값을 기준으로 하였다. 분석 결과로부터 유연핀을 적용하여 하중분배계수를 1.1정도로 낮출 경우 체적과 중량에서 13.7%와 14.5% 정도로 경량화되는 효과를 얻을 수 있다.

후속연구

3. 스트레인 게이지를 링기어의 이나림에 부착하여 응력분포를 확인함으로서 적절한 하중분배계수를 적용하기 위한 연구가 필요하다.

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