Transcript 1 - ResearchGate

An Investigation on the Characteris
-tics of Gear Trains of Wind turbine
박노길(부산대),이형우(부산대)
김영덕(S&T),김수엽(S&T)
연구의 필요성
1. 초경량/고신뢰성 기어트레인
설계 기어열 선정이 중요하다
2. 국내 개발모델의 기어열
㈜효성 ; conventional type
㈜두산 ; differential type
㈜유니슨 ; coupled type
연구의 필요성
3. 국외 개발모델의 기어열
Winergy ; conventional/coupled types
Rexroth ; differential type
MultibridM5000 ; coaxial/compound
type
Aerogear;
biaxial/compound type
Voith WinDrive ; coupled type
3단/직렬형/평행축
Winergy 2.5MW
3단/연성형/평행축
Studied by Winergy
4단/연성형/평행축(디퍼렌셜형)
Rexroth(Bosch Group)
drive(5MW)
1단/동일축/compound planet/
Multibrid5000, Renk
2단/평행축/compound planet/
Aerogear, Renk
2단/동일축/ouput coupled shunt
Voith WinDrive
연구 목적
9가지 기어트레인 개념설계
경량화 설계프로그램 개발
총중량, 동력밀도, 수명시간, 굽
힘/면압응력의 정량적 비교
설계요구조건 범위
블레이드 끝선속도 ; 72 m/s
발전기입력속도 ; 1000 – 1800
동력 ; 1 ~ 8 MW
개념설계 모사실험
모사실험 대상 기어열
기어단 개수에 따른 분
류
Model A
Model B
Model C
Model D
개념설계 모사실험
모사실험 대상 기어열
연성형 및 동력분기형 기어
열
Model E
Model F
Model G
개념설계 모사실험
모사실험 대상 기어열
동일축 기어열
Model H
Model I
개념설계 고려 사항
1. 유성기어열 형식 설계
2. AGMA2001 기준 기어 제원설계
3. ISO 281 기준 베어링 제원설계
4. 신뢰도분석 및 요소/시스템수명시간
기어트레인 경량화 최적설
계 1. 목적함수
목적함수 = 기어요소의 중량의 합
2. 설계변수
유성기어배열방식 : R-C-S 배열순서
기어모듈/잇수/유성기어개수/치폭/중심거리
베어링 외륜반경/내륜반경/폭/형식
3. 설계제한조건들
유성기어유닛 관련 제한조건들
- overlap condition
- equal distance condition
- sequential mesh condition
- involute interference - trimming condition
기어굽힘/면압 강도 < 허용굽힘/면압 강도
베어링 수명시간 > AGMA 수명기준
베어링 최대접촉응력 < AGMA 응력기준
1. 유성기어열 형식 설
유성기어유닛의 연결요소(a,b,c)의 선택 사양 : 6가지
계
a
b
c
R
C
S
R
S
C
C
R
S
C
S
R
S
R
C
S
C
R
결합방식 ; 직렬형 / 연성형
기어 강도설계
설계기준 ANSI/AGMA/AWEA 6006A03
설계하중
기어단의 모
듈
굽힘모듈
면압모듈
기어 제원설계
기어 치형설계 ; 신뢰도 99.99%에서 수명시간 20년 이상
유성기어 유닛의 설계 변수 및 기어 강도 안전율 해석
기어트레인 신뢰도/수명시간
Weibull Distribution for Probability of Survival
분석
1
1
L
log(
s
)  log(
0.9
)(
L10
)e
Strict Series Probability Law
ST  S1  S2  S3 
Component 1 LIFE
Component 2 LIFE
subsystem 1 LIFE
System LIFE
subsystem M LIFE
Component N LIFE
베어링 설계
기본동정격하중
베어링수명시간
(90%)
베어링최대접촉응력
(Mpa)
설계 기준
- ANSI/AGMA/AWEA 6006-A03
* Minimum basic rating life (Lh10)
* Maximum contact stress for rolling bearings
베어링 설계 제원
롤러 개수
롤러 직경
베어링 폭
베어링 외륜직경 베어링 내륜직경
Flow chart
B
start
A
헬리컬각 선정
1 단 유성기어단
기어열/잇수 /
유성기어 개수 선정
No
3단 구동/종동기어 잇수
선정
Yes
2 단 유성기어단
No
유성기어
기구학적 조건
만족?
Yes
3 단 헬리컬기어단
물음률 계산
총속도비 만족 ?
기어열/잇수 /
유성기어 개수 선정
No
기어제원 계산
* 모듈
* 피치원반경
* 치폭
•속도비/토크비/동력비
계산
유성기어
기구학적 조건
만족?
유성기어 지지베어링 제원 선정
Yes
B
베어링수명/접촉응력 계산
No
AGMA6336
만족 ??
Yes
잇수 선정
A
1 단 유성기어유닛
C
C
D
2 단 유성기어유닛
헬리컬각 선정
E
3 단 헬리컬 기어유닛
변속기 성능 계산
및 중량 최소화
헬리컬각 선정
기어제원 계산
* 모듈
* 피치원반경
* 치폭
기어제원 계산
* 모듈
* 피치원반경
* 치폭
증속기 동력효율 계산
증속기 중량 계산
No
중량 감소??
Yes
물음률 계산
물음률 계산
유성기어 지지베어링 제원 선정
유성기어 지지베어링 제원 선정
베어링수명/접촉응력 계산
No
AGMA6336
만족 ??
베어링수명/접촉응력 계산
No
AGMA6336
만족 ??
Yes
D
Yes
E
증속기 설계변수 출력
* 유성기어형식
* 기어제원
* 베어링 제원
증속기 성능 지수 출력
* 물음률
* 기어강도/수명
* 베어링 강도/수명
* 총중량
* 속도비
* 효율
END
10.5
1200
10
1000
9.5
800
9
600
8.5
400
8
200
Overall dia(mm)
Total weight (ton)
중량 최소화 설계 과정
Total weight
overall dia_1
overall dia_2
overall dia_3
7.5
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
iteration #
프로그램 검증
극한강도해석 안전
접촉응력 안전률 1.3~4.6
률
굽힘응력 안전률 2.0~5.0
피로강도해석 안전
접촉응력 안전률 1.7~5.3
률
굽힘응력 안전률 2.6~6.1
설계 요구조건
(출력속도 1000 ~ 1800 rpm )
정격동력
(MW)
블레이드반경
(m)
정격입력속도
(rpm)
총속도비
1
30.0
22.9
43.6 ~ 78.5
2
39.5
17.5
57.4 ~ 103.4
3
46.4
14.8
67.4 ~ 121.4
4
52.0
13.2
75.6 ~ 136.1
5
56.8
12.1
82.6 ~ 148.6
6
61.0
11.3
88.8 ~ 159.8
7
64.9
10.6
94.4 ~ 169.8
8
68.4
10.1
99.5 ~ 179.1
동력전달성능
각 기어단의 수명시간 ; 99.9% 신뢰도에서 20년 이
상
기어트레인 총중량은 설계된 기어열 중량의 3.6배
로
가정동력전달성능지수
비교될
예측 중량(ton)
동력밀도(kw/ton)
99% 시스템수명시간(year)
Overall dia. (m)
기어굽힘강도 ; 270 Mpa 이하
기어면압강도 ; 650 Mpa 이하
경량화 개념설계 결과
정격동력 ; 5MW
모델 B
모델 F
모델 C
모델 H
모델 E
예측 중량
(ton)
동력MW
1
2
3
4
5
6
7
8
A
17.1
-
-
-
-
-
-
-
B
8.3
21.4
40.7
65.7
95.4
131.5
172.6
218.8
C
18.7
22.6
34.5
48.9
67.7
88.0
110.4
134.3
D
-
111.1
99.1
95.9
99.6
114.4
131.1
149.3
모델명
E
8.9
24.5
49.3
81.0
119.0
163.5
214.5
292.8
F
7.4
18.8
32.9
50.8
73.3
100.4
130.3
162.8
G
17.6
45.7
85.3
132.1
H
9.4
17.0
30.1
I
7.0
16.6
30.8
-
-
-
-
46.6
66.5
91.4
123.2
154.4
49.1
71.0
100.9
131.9
166.2
동력MW
동력 밀도
(KW/ton)
1
2
3
4
5
6
7
8
A
58.4
-
-
-
-
-
-
-
B
121.0
93.5
73.6
60.8
52.4
45.6
40.6
36.6
C
53.5
88.6
87.0
81.8
73.9
68.1
63.4
59.6
D
-
18.0
30.3
41.7
50.2
52.5
53.4
53.6
E
112.9
81.7
60.9
49.4
42.0
36.7
32.6
27.3
F
134.4 106.6
91.2
78.7
68.2
59.7
53.7
49.1
G
56.7
35.2
30.3
-
-
-
-
H
106.1 117.5
99.7
85.9
75.2
65.6
56.8
51.8
I
143.8 120.5
97.5
81.4
70.5
59.5
53.1
48.1
모델명
43.8
동력MW
99% 수명시간
(year)
1
2
3
4
5
6
7
8
A
25.8
-
-
-
-
-
-
-
B
28.6
24.3
22.1
21.1
20.3
23.3
22.9
23.0
C
43.6
26.1
26.1
24.2
37.3
29.9
20.5
19.8
D
-
37.0
44.1
43.9
43.8
28.9
20.7
26.5
E
25.9
20.7
24.0
23.2
22.1
21.4
21.0
20.4
F
32.6
24.3
22.1
19.6
19.0
20.9
20.6
20.1
G
22.9
18.2
15.9
15.1
-
-
-
-
H
126.2
38.9
25.7
23.1
22.1
22.6
21.6
21.0
I
27.8
24.5
21.5
21.3
20.8
21.1
20.3
20.3
모델명
Overall dia.(m)
동력MW
1
2
3
4
5
6
7
8
A
2.1
-
-
-
-
-
-
-
B
1.5
2.0
2.4
2.7
3.0
3.3
3.6
4.2
C
1.5
2.0
2.2
2.5
2.7
3.0
3.2
3.4
D
-
2.5
2.4
2.6
2.9
3.0
3.2
3.4
E
1.4
1.9
2.5
3.1
3.5
3.8
4.3
5.0
F
1.2
1.7
1.9
2.1
2.3
2.6
2.8
2.9
G
1.9
2.7
3.2
3.7
-
-
-
-
H
1.5
1.8
2.2
2.5
2.8
3.0
3.3
3.5
I
1.4
1.8
2.1
2.5
2.7
3.0
3.2
3.5
모델명
기어 단의 개수에 따른 동력밀도
1~2MW에서는
3단이 4단보다
더 효과적
동력밀도(KW/ton)
1
120
1
2
3
4
100
2
5
2 3
4
80
6
5
3
6
60
4
1
6
8
7
5
4
8
3
2
20
0
7
1
5
40
7
A
2단
B
3단
모델명
C
4단
D
5단
6 7 8
3~8MW에서
는 4단이 3단
보다 더 효과
적
발전기입력속도에 따른 동력밀도(모델 B)
중량 최소
설계를 위
한 발전기
입력속도
동력밀도(KW/ton)
120
100
80
60
40
20
1
2
3
4
5
6
7
8
0
800
1000
1200
1400
발전기입력속도(800~1800rpm)
1600
1800
모델B의 최적 설계요구조건
정격동력
MW
기어트레인
정격입력속도
rpm
발전기
정격입력속도
rpm
총속도비
1
22.9
1400
61.1
2
17.5
1000
57.4
3
14.8
1000
67.4
4
13.2
1000
75.6
5
12.1
1000
82.6
6
11.3
1000
88.8
7
10.6
1000
94.4
8
10.1
1000
99.5
모델C~I의 최적 설계요구조건
정격동력
MW
기어트레인
정격입력속도
rpm
발전기
정격입력속도
rpm
총속도비
1
22.9
1800
78.5
2
17.5
1800
103.4
3
14.8
1800
121.4
4
13.2
1800
136.1
5
12.1
1800
148.6
6
11.3
1800
159.8
7
10.6
1800
169.8
8
10.1
1800
179.1
연성 및 동력분기의 효과
동력밀도(KW/ton)
140
120
1
전반적으로
F(60:40)가
E(75:25)보
다 효과적임
1
100
2
80
1~3MW에서는 디퍼렌셜형이 더 우수
5~8MW에서는 4단/직렬형이 더 우수
2
1
3
2 3
4
4
5
5
3
60
2
6
4
5
40
6
7
7
1
8
6
7
1
3단/연성형/
평행축
모델명
4단/연성형/
평행축
(디퍼렌셜형)
5
8
0
F
8
7
4
20
E
4
6
2
3
8
3
G
3단/동력
분기형/
평행축
C
4단/직렬형/
평행축
평행축/동일축 기어트레인
평행축 모델
• 일반적인 형태
• 로터허브에 전류 공급을 위
해 기어박스 주축 내부에 전
선파이프를 구비함
동일축 모델
• 발전기 주축 내부와 기어박
스 주축 내부에 전선파이프
를 구비함
• Packageability가 우수함
평행축/동일축 기어트레인
동력밀도(KW/ton)
1MW를 제
외하고
2~8MW에
서 동일축모
델이 평행축
모델보다 유
리함
140
1
120
100
80
2
1
1
3
4
2
5
3
7
5
6
7
40
1
2
1
3
2
3
4
4
5
6
4
60
2
연성형에서
도 직렬형과
유사한 경향
을 보임
특히 동력이
클 수록 그
차이는 더
커진다.
3
8
6
4
5
8
6
7
5
7
8
6
7
8
8
20
0
B
Model
B
평행축/직렬형
H
Model
H모델명 ModelE E
동일축/직렬형
평행축/연성형
Model I
I
동일축/연성형
용량에 따른 동력밀
도
동력밀도(KW/ton)
140
120
해상풍력용으
로는 4단/디퍼
렌셜형보다 4
단/직렬형이
더 효과적이다.
1
1
2
100
3
2
2 3
4
4
80
5
5
3
6
6
60
7
4
1
8
2
5
6
40
1
3
7
4
8
20
0
E
F
모델명
G
C
7
8
결론
자체개발된 경량화 설계프로그램을 상용프로그램으로 검증하
였고 신뢰성 확인함
정격동력이 증가할수록 기어박스 동력밀도는 감소함
1~3MW(중대형)에서는 3단이, 4~8MW(초대형)에서는
4단이 효과적임
유성기어를 연성(coupling)시키는 것은 감량에 효과적임.
단, 연성기어열은 직렬기어열에 비해 증속 기능이 떨어지므로
부적절한 기어단수 선정은 감량효과를 반감시킴 따라서 감량효
과를
극대화하기 위해서는 설계요구조건에 맞는 기어단수 선정도 중
요함
평행축보다는 동일축이 감량에 더 효과적임. (30~43% 감소)
THANK YOU.